KR100931668B1

KR100931668B1 - 수산화 아파타이트가 코팅된 저탄성 티타늄 합금 임플란트

Info

Publication number: KR100931668B1
Application number: KR1020070137373A
Authority: KR
Inventors: 안지훈; 조성구; 마봉열; 정재영
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-12-14
Also published as: KR20090069646A

Abstract

본 발명은 저탄성 티타늄 합금 임플란트 표면에 수산화 아파타이트 입자(hydroxyapatite : 이하 "HA"라 칭함)를 박막 코팅을 함으로써, 치조골과의 결합시간을 단축함과 동시에 저 탄성 티타늄 합금 임플란트/HA코팅층/치조골의 응력차폐 효과를 최대한 억제하고 기계적인 연동성을 높인 내구성이 뛰어난 임플란트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 그 구성은 탄성계수 80GPa 이하의 저탄성 티타늄 합금 임플란트 표면에 100nm ~ 50㎛ 크기의 수산화 아파타이트 입자를 100nm ~ 5㎛의 두께로 코팅하여 된 것이다.

저탄성 티타늄, 티타늄 합금 임플란트, 수산화 아파타이트

Description

수산화 아파타이트가 코팅된 저탄성 티타늄 합금 임플란트{Low elasticity titanium alloy implant coated with hydroxyapatite}

본 발명은 수산화 아파타이트가 코팅된 저탄성 티타늄 합금 임플란트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저탄성 티타늄 합금 임플란트에 수산화 아파타이트(hydroxyapatite : 이하 "HA"라 칭함)를 일정한 두께로 박막 코팅을 함으로써 치조골과의 결합시간을 단축함과 동시에 저 탄성 티타늄 합금 임플란트/HA코팅층/치조골의 응력차폐 효과를 최대한 억제하고 기계적인 연동성을 높인 내구성이 뛰어난 임플란트에 관한 것이다.

임플란트는 결손된 치아를 영구 대체하는 인공치아이므로 실제 음식의 저작시 실제 치아와 동일한 역할을 수행하여야 할 뿐만 아니라 치아에 가해지는 하중을 적절히 분산할 수 있도록 제작되어야 하며 기존의 의치에 비하여 안정적인 역할을 담당할 수 있어야 한다.

따라서 인공치아용 임플란트는 구강내 치조골에 이식시 생체조직에 대하여 생체친화성(Biocompatibility)이 매우 우수한 재료를 선택하여 기존 생체조직과의 생화학적인 부작용이 없는 재료를 선택해야만 한다.

또한 통상적인 저작 운동뿐만 아니라 단단한 음식의 저작시 반복되는 하중과 순간적인 하중 등에 대하여 변형 및 파괴가 발생하지 않도록 기계적인 강도가 우수하여야 한다.

또 생체 내에 이식 후 임플란트와 치조골 및 치육과 임플란트 사이에 음식찌꺼기 등이 끼어 2차 감염이 이루어지지 않고 환자의 시술 후 편의성을 위하여 짧은 시간내에 임플란트에 골 유착이 요구 되어지며 이러한 요구를 달성하기 위하여서는 기존 생체조직과 골유착성이 우수한 재료를 생체에 이식 되어지는 임플란트 표면에 코팅하여야 할 필요성이 있다.

상기 재료 중 HA 결정은 인체 내 뼈 성분을 구성하고 있는 주요한 성분으로 이제까지 알려진 어떠한 재료보다 생체적합성(biocompatibility)이 우수한 재료로 알려져 있다.

따라서 HA 를 다양한 방법을 통하여 코팅함으로써 생체적합성을 높이고 골유착성 및 골유착 기간을 단축시키고자 하는 노력들이 여러 문헌을 통하여 제시되고 있다.

그 중에서도 골유착강도를 증진시키기 위하여 HA 결정체를 플라즈마(plasma)를 이용하여 용융 분사하여 코팅하는 방법(International Thermal Spray Conference, 28-30 May, 2001, Singarpore pp.105)이 이용되고 있으나, 플라즈마의 고온으로 인하여 HA 결정이 열분해되어 HA 이외의 제 2상(a-TCP, b-TCP, CaO, amorphous)이 생성되는데 이는 임상시험 결과 HA 플라즈마 코팅의 생체적합성을 떨어뜨리는 결과를 야기하기도 하며 임플란트 지지체(통상 Ti-6Al-4V 합금)와 접착강 도가 낮아 임플란트 코팅으로는 신뢰성 확보가 어렵다.

이와 더불어 Ti-6Al-4V 합금은 V에 의한 골를 괴사시키는 현상을 보고하고 있으며 탄성계수가 높아서 골와의 기계적인 연동성이 떨어져 임플란트의 내구한계를 저하시키는 단점이 있다.

또한 코팅시 제 2상의 생성과 코팅층의 접착강도를 향상시키기 위하여 초고속용사방법에 의한 HA 코팅방법(International Thermal Spray Conference, 28-30 May, 2001, Singarpore pp. 245)이 시도되기도 하나, 플라즈마 코팅에 비하여 열분해도가 저하되고 코팅층의 접착강도는 향상되지만 코팅시 형성된 비정질 상은 SBF(simulated body fluid) 용액에서 선택적으로 녹아 코팅층의 접착강도를 현저히 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.

이와 같이 고온의 열원을 사용하여 HA를 코팅할 경우 원하지 않는 제 2상이 코팅층내에 형성되어 HA 코팅의 생체적합 특성을 떨어뜨리므로 이러한 단점을 보완하고자 SBF 용액내에서 HA를 임플란트 지지체에 직접 성장시키는 방법(Journal of Materials Science: Materials in Medicien 14 (2003) pp.539-545)이 시도되고 있으나, 지지체와 접착강도가 낮아 아직 연구수준에 머물러 있다.

그러나 HA 임플란트는 상기 언급한 바와 같이 고온의 코팅공정으로 인하여 HA 결정이 상분해되어 화학적으로 균일하지 않는 HA 코팅층이 형성되고 생체내에서 장기간이 경과되면 형성된 제 2상들은 생체조직내에서 분해 또는 흡수되어 임플란트 표면에 견고한 골 유착이 어렵다.

또한, 플라즈마로 코팅된 HA 코팅 임플란트의 HA 코팅층은 임플란트와의 접 착력이 최대 23 ± 2 MPa 정도에 불과하여 치과에서 요구되는 강하고 치밀한 코팅층을 가진 임플란트로 이용하기에는 적합하지 못하다. 따라서 기존의 HA 임플란트는 우수한 초기 반응성을 가지고 있으나 장기간 동안 임상에 적용하기에는 부적절함이 밝혀져 있다.

이와 더불어 기존 티타늄 임플란트는 탄성계수가 110-115GPa 수준으로 높아서 골과의 기계적인 연동성이 다소 떨어질 뿐만 아니라 기존 고강도 Ti-6Al-4V 합금의 경우에는 구성성분인 V, Al이 인체에 유독한 영향을 주는 관계로 골 유착 후 내구한계를 낮추는 역할을 한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 저탄성 티타늄 합금에 HA 입자를 제 2상이 형성되지 않고 접착력이 높으며 우수한 생체 친화 특성을 구현할 수 있도록 코팅함으로써, 장기간 사용시에도 치조골과의 기계적인 연동성을 향상시켜 인체 내에 장기간 안정적으로 존재할 수 있는 내구성이 뛰어난 임플란트을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술구성은, 탄성계수 80GPa 이하의 저탄성 티타늄 합금 임플란트 표면에 100nm ~ 50㎛ 크기의 수산화 아파타이트 입자를 100nm ~ 5㎛의 두께로 코팅하여 된 것을 특징으로 한다.

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상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 HA가 코팅된 저탄성 티타늄 합금 임플란트에 따르면, HA 코팅층에 제 2상이 형성되지 않고 접착력 향상은 물론 우수한 HA의 생체친화 특성을 효과적으로 구현하여 시술 후 환자의 회복속도가 빠르다.

또한, 80GPa 이하의 저탄성 티타늄 합금 임플란트와 복합사용함으로써 장기간 사용시에도 치조골과의 기계적인 연동성을 향상시켜 인체 내에 장기간 안정적으 로 존재할 수 있는 치과 및 정형 외과용 의료기구로 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 수산화 아파타이트가 코팅된 저탄성 티타늄 합금 임플란트의 구성에 대해 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 특징적인 기술구성은, 탄성계수 80GPa 이하의 저탄성 티타늄 합금으로 된 임플란트 표면에 수산화 아파타이트 입자를 30㎛ 이하의 두께로 코팅하여 된 것이다.

본 발명에서는 저탄성 티타늄 합금으로 탄성계수 80GPa 이하의 소재를 사용함으로써 골과의 기계적인 연동성을 높여 골 유착 후 장기간 사용시에 보다 우수한 내구성을 가지도록 해준다. 또한 본 발명에 따른 제조방법인 저온 고속충돌법으로 코팅된 HA 코팅층과의 기계적인 연동성도 향상되어 더욱 우수한 내구성을 갖는 임플란트를 제공한다.

따라서, 상기한 코팅조건을 만족하지 못하면 코팅이 원활하게 이루어지지 못함은 물론, 내구성(강도)이 목적치에 도달하지 못하는 문제점이 발생함으로 상기의 코팅 조건을 유지해야 한다. 특히, 수산화 아파타이트 입자의 코팅 두께가 30㎛를 초과하게 되면 시술 후에 코팅층이 쉽게 박리되는 문제가 있으므로 반드시 30㎛ 이하로 조절되어야 한다.

한편, 본 발명에 따른 내구성이 우수한 임플란트 제조방법은, 탄성계수 80GPa 이하의 저탄성 티타늄 합금 임플란트 표면에 수산화 아파타이트 입자를 100 ℃이하의 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 캐리어가스 중 하나 또는 둘 이상의 가스에 실어 10^-1torr이하로 감압된 진공챔버에서 고속 충돌시켜 30㎛ 이하의 두께로 코팅하는 것으로 구성된다.

그리고, 상기 진공챔버에서 수산화 아파타이트 입자의 고속 충돌속도는 초당 100m 이상으로 하는데 그 이유는 초당 100m 미만이 되면 코팅이 비정상적으로 이루어져 코팅층의 강도가 약해지는 문제점이 발생함으로 상기 수산화 아파타이트 입자의 고속 충돌속도는 초당 100m 이상으로 함이 바람직하다.

본 발명은 상기 저탄성 티타늄 합금 임플란트에 하기와 같은 방법으로 HA 박막 코팅을 실시하였다.

상기 HA 코팅은 질소 캐리어(Carrier)가스(13)와 함께 HA 분말이 부스터펌프(7) 및 로타리펌프(8)에 의하여 매우 낮은 압력이 유지된 진공챔버(9) 안으로 유입되어 스프레이노즐(12)을 통하여 매우 빠른 속도로 임플란트인 시편(10)에 충돌하게 된다.

이때 고속으로 시편(10)과 충돌된 미세한 HA 분말은 더욱 미세한 분말로 미세파괴(microfracture)가 되고 이 미세파괴된 HA 분말이 순티타늄 임플란트에 HA 코팅층을 형성하기 시작한다. 특히 탄성계수 80GPa 이하의 저탄성 티타늄 합금 임플란트에 코팅되는 HA 코팅층의 두께는 2축 이송 및 회전장치를 통하여 조절할 수 있다.

(실시예)

저탄성 티타늄 합금 임플란트 표면에 코팅되는 HA 분말의 크기는 호퍼를 통과한 캐리어가스에 부유하기 위하여서는 충분히 미세하여야 하며 그 크기는 거듭된 실험 결과 100nm ~ 50㎛ 이여야 하고 그 분말은 캐리어 가스의 유속에 의하여 충분히 호퍼로부터 유동하여 진공챔버내로 유입될 수 있음을 확인하였다.

상기 범위의 크기를 갖는 HA 분말을 제조하기 위하여 초기 입수한 10~100㎛의 HA 분말을 크기가 충분히 작아질 때까지 통상의 방법으로 볼 밀링(ball milling)하고 볼 밀링시간을 조절하여 원하는 크기의 분말분포가 가장 많을 때 볼밀링을 중단하고 그 시간을 최적볼밀링 시간으로 설정하였다.

단 상기 실시 예에서는 54시간 볼 밀링하였을 경우 최적의 조건을 나타내었다.

상기 과정을 거쳐 준비된 HA 분말을 호퍼에 투입하고 부스터펌프 및 로터리펌프를 가동하여 진공챔버를 감압하는데, 상기 챔버 내의 압력이 10^-2~10^-3 torr에 도달할때까지 감압을 실시한다.

상기 범위에 압력이 도달하면 이 압력이 유지되도록 한 상태에서 유량계를 통하여 10~100L/min.의 캐리어가스를 호퍼에 유입되도록 한다. 이에 따라 미세한 HA 분말은 캐리어가스와 함께 진공챔버로 유입된다.

상기 유입된 HA 분말은 미세한 홀(hole)을 갖는 스프레이노즐을 통하여 토출되며 이때 노즐을 전후로 한 압력차이로 인하여 HA 분말은 더욱 가속되어 저탄성 티타늄 합금 임플란트표면에 충돌하여 HA 코팅층을 형성한다.

상기 형성되는 HA 코팅층은 2축 콘트롤러 및 컴퓨터를 통하여 2축 이송 및 회전장치를 제어하고 이 제어를 통하여 저탄성 티타늄 합금임플란트에 코팅되는 HA 코팅층의 두께를 조절할 수 있으며 그 코팅두께는 50nm ~ 30㎛까지이다. 더욱 바람직하게는, 상기 코팅두께는 약 100nm ~ 5mm 이내에서 코팅두께를 조절한다. 이 코팅두께는 HA 코팅층이 골유착 후 기계적인 응력전달 연동성을 향상시킴과 동시에 시술 후 쉽게 박리되지 않도록 해주는 최적의 범위이다. 그리고, 상기한 코팅방법은 코팅재에 고온의 열원이 없이도 코팅이 가능한 저온고속충돌 코팅법이다.

상기의 저온고속충격코팅법으로 코팅된 HA 코팅층의 저탄성 티타늄 합금 임플란트와의 접착강도를 측정하기 위하여 HA 코팅을 실시하였으며 비교 코팅법과 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

구분	HA 코팅공법	접착강도 (kgf/cm2)	탄성계수 (GPa)	제2상 분율
실시예	저온고속충돌 코팅법 (저탄성 티타늄 합금)	550-637	45-79	X
실시예	저온고속충돌 코팅법 (순 티타늄)	324-626	115	X
비교예	플라즈마 코팅법 (Ti-6Al-4V 티타늄 합금)	230	114	O
	Biomimetic 코팅법	12	-	-
	Sol-Gel 코팅법	53	-	-

X : 관찰되지 않음 O : 관찰됨

그리고 상기 HA 코팅층의 접착강도는 550-637kgf/cm²범위로 플라즈마 HA 코팅층의 접착강도에 비하여 약 3배 가량 높을 뿐만 아니라 순 티타늄에 비해서도 안정적으로 높은 접착강도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.

또한 도 2의 HA 가 코팅된 저탄성 티타늄 합금 임플란트의 단면을 보면 HA가 매우 치밀하게 코팅되어 있음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 저온고속충돌코팅법으로 HA가 코팅된 저탄성 티타늄 합금 임플란트는 기존의 플라즈마코팅, Biomimetic HA 코팅 및 sol-gel 방법에 의한 HA 코팅과 비교하여 매우 높은 접착강도를 나타내고 있으며 HA 코팅층에서도 제 2상이 나타나지 않는 매우 우수한 코팅특성을 나타내고 있다.

또한 탄성계수가 80GPa 이하로 골과의 탄성계수를 유사하게 함으로써 골유착 후 기계적인 응력전달 연동성을 높일 수 있어 내구한계가 높은 임플란트용 의료기구의 표면코팅에 유용하게 이용될 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 티타늄 임플란트의 표면에 수산화 아파타이트를 코팅하는 공정을 설명하기 위한 개략도,

도 2는 본 발명에 의해 티타늄 임플란트의 표면에 코팅된 임플란트 코팅구조를 나타낸 조직사진.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

1 : 질소탱크 2 : 컴퓨터

3 : 2축 콘트롤러 4 : 매스플로우메타 컨트롤러

5 : 유량계 6 : 호퍼

7 : 부스터펌프 8 : 로타리 펌프

9 : 진공챔버 10 : 임플란트 시편

11 : 2축 이송 및 회전장치 12 : 스프레이노즐

13 : 캐리어가스

Claims

탄성계수 80GPa 이하의 저탄성 티타늄 합금 임플란트 표면에 100nm ~ 50㎛ 크기의 수산화 아파타이트 입자를 100nm ~ 5㎛의 두께로 코팅하여 된 것을 특징으로 하는 수산화 아파타이트가 코팅된 저탄성 티타늄 합금 임플란트.
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