KR100993515B1 - 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 형상기억합금을 이용하여 뼈에 밀착하는 인공고관절 비구컵(acetabular cup) 임플랜트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중공부를 포함하는 반구형으로서 체온에 도달하면 형상이 팽창하여 뼈에 밀착하는 형상기억합금을 포함하는 비구컵(acetabular cup)과, 상기 반구형 비구컵의 중공부에 설치되어 대퇴골두를 수용함으로써 대퇴골의 회전운동을 원활하게 하는 베어링을 포함하는 인공고관절 비구컵 임플랜트에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 인공고관절 비구컵을 구성하는 형상기억합금의 팽창에 의하여 비구컵이 뼈에 밀착하는 효과를 극대화함으로써, 나사고정 등의 추가적인 방법을 사용하지 않고도 비구컵과 뼈 사이의 틈 또는 상대운동으로부터 발생되는 마모입자 침투에 의한 골용해 현상 및, 이의 확대로 인한 임플랜트의 뼈로부터의 분리를 최대한 억제할 수 있다.
형상기억합금, 인공고관절, 비구컵

Description

형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트{ACETABULAR CUP IMPLANT USING SHAPE-MEMORY ALLOY FOR HIP ARTHROPLASTY}
본 발명은 형상기억합금을 이용하여 뼈에 밀착하는 인공고관절 비구컵 임플랜트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중공부를 포함하는 반구형으로서 체온에 도달하면 형상이 팽창하여 뼈에 밀착하는 형상기억합금을 포함하는 인공고관절 비구컵(acetabular cup)과, 상기 반구형 비구컵의 중공부에 설치되어 대퇴골두를 수용함으로써 대퇴골의 회전운동을 원활하게 하는 베어링을 포함하는 인공고관절 비구컵 임플랜트에 관한 것이다.
인공고관절 비구컵은 인공고관절 수술에 가장 중요한 부품이며, 인공고관절의 수명을 결정짓는데 결정적인 역할을 한다. 그 이유는, 비구컵과 뼈 사이에 틈이 있거나 상대운동에 의하여 마모입자가 침투하여 들어감으로써 골용해가 일어나거나 연조직막이 생성되어 더욱 큰 움직임을 야기시키며, 이러한 상황은 다시 확대 재생산되어 급속도로 악화되고, 이에 따라 결국 임플랜트가 뼈로부터 분리되기에 이르게 된다.
이를 해결하기 위하여 미국특허 US 6,626,947에서는, 비구컵을 뼈와 2mm 가 량 억지끼움 방식으로 뼈에 고정하는 방식을 채택하였다. 즉, 뼈에 비구컵이 삽입될 반구형 공간의 반지름보다 반구형 비구컵의 반지름을 2mm 가량 크게 한 상태로 상기 비구컵을 그 공간에 억지끼움을 시행하는 것이다. 그러나 이와 같은 강제 삽입시에는, 뼈의 미세구조가 파손됨으로 2mm 이상의 억지끼움은 곤란하며, 이에 따라 많은 경우에 고정이 미흡하여 추가로 별도의 나사들을 이용하여 비구컵과 뼈의 고정을 보완하게 된다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 인공고관절 비구컵을 구성하는 형상기억합금의 팽창에 의하여 비구컵이 뼈에 밀착하는 효과를 극대화함으로써, 나사고정 등의 추가적인 방법을 사용하지 않고도 비구컵과 뼈 사이의 틈 또는 상대운동으로부터 발생되는 마모입자 침투에 의한 골용해 현상 및, 이의 확대로 인한 임플랜트의 뼈로부터의 분리를 최대한 억제하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용하여 뼈에 밀착하는 인공고관절 비구컵 임플랜트는, 중공부를 구비하고, 대체로 반구 형상을 가지며, 체온에 도달하면 형상이 팽창하는 형상기억합금을 재질성분으로 포함하는 비구컵(acetabular cup); 및 상기 반구형 비구컵 중공부의 내면에 밀착되고, 대퇴골의 골두 부분을 수용함으로써 대퇴골의 회전운동을 가능하게 하는 베어링을 포함한다.
상기 베어링은, 상기 비구컵에 테이퍼 끼움 방식으로 고정되는 것이 바람직하다.
상기 베어링은, 폴리머(polymer), 금속 또는 세라믹으로 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 베어링은, 폴리머로 구성된 경우 테이퍼 끼움의 마찰력 확보를 위하여 폴리머 외부가 금속밴드로 보완될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵은, 중공부를 구비하고, 대체로 반구 형상을 가지며, 체온에 도달하면 형상이 팽창하여 뼈에 밀착하는 형상기억합금을 재질성분으로 포함한다.
상기 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵은, 외부로부터의 열공급 또는 열흡수에 따라 팽창에 의한 형상변화 능력을 갖는 형상기억합금으로 구성되는 링(ring)형 부재; 및 상기 형상변화 능력을 갖지 않는 타이태늄(titanium) 합금으로 구성되는 몸체부를 포함할 수 있다.
상기 형상기억합금은, 니티놀(nitinol)로 구성될 수 있다.
상기 형상기억합금에서 뼈와 접촉되는 외부 표면은 골 친화성 물질을 구비할 수 있다.
상기 링형 부재에서 뼈와 접촉되는 외부 표면은 골 친화성 물질을 구비할 수 있다.
상기 골 친화성 물질은, 타이태늄 비드(titanium bead), 타이태늄 와이어(titanium wire), 플라스마 코팅 또는 산화막(micro arc oxidation)을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 골 친화성 물질 위에 수산화인산칼슘 또는 바이오세라믹 코팅이 부가될 수 있다.
상기 형상기억합금의 체액과의 접촉을 최소화하며, 상기 링형 부재의 팽창이 원활하게 되도록 상기 링형 부재의 단부와 상기 몸체부의 단부를 연결하는, 형상기 억합금 또는 타이태늄 합금으로 이루어지고 원주 방향의 주름을 갖는 막을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 인공 고관절 비구컵을 구성하는 형상기억합금의 팽창에 의하여 비구컵이 뼈에 밀착하는 효과를 극대화함으로써, 나사고정 등의 추가적인 방법을 사용하지 않고도 비구컵과 뼈 사이의 틈 또는 상대운동으로부터 발생되는 마모입자 침투에 의한 골용해 현상 및, 이의 확대로 인한 임플랜트의 뼈로부터의 분리를 최대한 억제하는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 좌측 고관절에 인공 고관절 비구컵 임플랜트가 시술된 상태를 나타내는 도면이다. 인체 치골(10)의 비구(11) 부위에는 대퇴골(20)의 골두(21) 부위가 내삽되어 대퇴골(20)의 자유로운 회전 운동이 가능하게 된다.
그러나 관절 부위의 심각한 손상으로 회복 불가능하게 된 환자에게 인공관절을 대치하는 시술이 널리 행해지고 있다. 이러한 인공 고관절의 구조를 살펴보면, 인체 치골(10)의 비구(11) 부위에는 볼(31)이 내삽되어 자유롭게 회전하는 비구컵(acetabular cup)(100)이 삽입 시술되고, 대퇴골(20)의 상측부에는 볼(31)을 장착한 스템(stem)(32)이 끼워져 시술되며, 대퇴골(20)의 상측부에 박힌 스템(32)은 골 시멘트에 의해 고정되거나 뼈 세포가 직접 스템 표면에 융착되어 고정된다.
도 2는 인공 고관절의 분리 사시도이다. 본 발명의 실시예에 따른 인공 고관절은 일단이 대퇴에 고정되며 타단에 헤드부가 형성된 스템(32)과, 헤드부에 결합되는 볼(31)과, 볼(31)이 삽입되어 회동할 수 있도록 볼 수용부(140)가 반구형으로 형성되며 비구컵(110)에 테이퍼 끼움 방식으로 끼워지는 베어링(130)과, 치골(10)에 결합되는 비구컵(110)으로 구성된다. 비구컵(110)은, 전술한 바와 같이 베어링(130)이 수용되는 공간(120)을 포함하며, 그 재질로서는, 치골(10)에 더욱 확고하게 밀착하기 위한 형상기억합금으로만 구성되거나, 형상기억합금과 타이태늄 합금(titanium alloy)으로 구성될 수 있다. 이러한 형상기억합금을 이용한 비구컵은 본 발명의 특징적인 부분으로서, 이하 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다. 베어링(130)은 폴리머, 금속, 세라믹 등 다양한 재질을 가질 수 있으며, 전술한 바와 같이 테이퍼 끼움 형식으로 비구컵(110)에 고정된다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서의 인공 고관절 비구컵 임플랜트가 뼈(치골)(10)에 삽입된 경우의 단면도이다. 본 도면에서는 비구컵(110)이 형상기억합금만으로 구성된 경우의 실시예를 나타낸다. 도 2에 나타난 비구컵(110)이 뼈(10)에 결합되는 경우, 종래에는 비구컵(110)의 반지름을 뼈(10)의 비구(11) 부위의 반지름보다 약 2mm 정도 크게 하여, 비구컵(110)을 뼈(10)의 비구(11)에 억지끼움 방식으로 고정하였다. 이러한 강제 삽입시, 뼈(10)의 미세 구조가 파손됨으로 2mm 이 상의 억지끼움은 곤란하며, 따라서 많은 경우에 고정이 미흡함으로 인해 추가로 별도의 나사들을 이용하여 비구컵(110)과 뼈(10)의 고정을 보완하기도 하였다.
본 발명에서는 비구컵(110)의 재질로서 형상기억합금, 예를 들어 니티놀(nitinol)을 사용한다. 일차로 약간의 억지끼움 맞춤을 얻은 후, 이차적으로 체온에 의한 형상변화로 형상기억합금이 팽창하여 추가의 억지끼움 고정을 얻는다. 니티놀은 체온 이외의 온도에서는 축소되어 뼈에 용이하게 삽입되며, 삽입 후 체온이나 외부 열공급 또는 열흡수에 의하여 형상변화에 의한 팽창을 하여 꼭끼움 고정을 얻을 수 있다. 이와 같이 비구컵(110)의 형상기억합금이 온도가 체온으로 변화 함에 따라 변형하여 뼈(10)에 확장 밀착하는 직접적인 고정을 유도하는 바, 2mm 이상의 억지끼움을 쉽게 달성하여 종래의 기술에서 추가로 사용하는 나사고정을 필요로 하지 않는다. 그러나 니티놀은 뼈(10)에 친화적이지 않기 때문에, 뼈(10)와 접촉하는 니티놀의 표면은 순수 타이태늄의 비드(titanium bead), 와이어 매쉬(titanium wire mesh) 또는 플라스마 코팅이나 산화막(micro arc oxidation)으로 보완하는 것이 바람직하다. 또한 그 위에 수산화인산칼슘 또는 바이오세라믹 코팅을 부가할 수도 있다.
베어링(130)은 폴리머, 금속, 세라믹 등 다양하게 구성될 수 있도록 테이퍼 끼움 형식으로 비구컵(110)에 고정 되며, 폴리머 베어링의 경우에는, 테이퍼 끼움의 마찰력 확보를 위하여 테이퍼 표면을 금속밴드로 보완할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로서의 인공 고관절 비구컵 임플랜트가 뼈에 삽입된 경우의 단면도이다. 본 도면에서는 비구컵(110)이 외부로부터의 열공급 또는 열흡수에 따라 팽창에 의한 형상변화 능력을 갖는 형상기억합금으로 구성되는 링(ring)형 부재(111) 및 상기 형상변화 능력을 갖지 않는 타이태늄(titanium) 합금으로 구성되는 몸체부(112)를 포함하는 경우의 실시예를 나타낸다. 일차로 약간의 억지끼움 맞춤을 얻은 후에 이차적으로 체온에 의한 형상변화로 형상기억합금이 팽창하여 추가의 억지끼움 고정을 얻는다. 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 형상기억합금, 예를 들어 니티놀(nitinol)은 체온 이외의 온도에서는 축소되어 뼈에 용이하게 삽입되며, 삽입 후 체온이나 외부 열공급 또는 열흡수에 의하여 형상변화에 의한 팽창을 하여 꼭끼움 고정을 얻을 수 있다.
그러나 링형 부재(111)의 형상기억합금 성분이 생리학적으로 뼈(10)에 친화적이지 않음으로 체액이나 뼈(10)와의 접촉을 최소화하며 그 사용을 최소화하기 위하여 팽창이 필요 없는 부분은 본 도면에서와 같이 타이태늄 합금 성분의 몸체부(112)로 대체할 수도 있다. 또한 전술한 바와 같이 형상기억합금, 즉 니티놀은 뼈(10)에 친화적이지 않기 때문에, 뼈(10)와 접촉하는 링형 부재(111)의 표면은 순수 타이태늄의 비드(titanium bead), 와이어 매쉬(titanium wire mesh), 플라스마 코팅 또는 산화막(micro arc oxidation) 형태로 처리할 수 있다. 또한 그 위에 수산화인산칼슘 또는 바이오세라믹 코팅을 부가할 수도 있다.
한편, 형상기억합금으로 이루어진 링형 부재(111)의 팽창이 원활하게 되도록 링형 부재(111)의 단부와 타이태늄 합금 성분의 몸체부(112)의 단부는, 형상기억합금 또는 타이태늄 합금으로 이루어지면서 원주 방향의 주름을 갖는 얇은 막(150)으 로 연결할 수 있다.
또한 베어링(130)은 폴리머, 금속, 세라믹 등 다양하게 구성될 수 있도록 테이퍼 끼움 형식으로 비구컵(110)에 고정되며, 폴리머 베어링의 경우에는, 테이퍼 끼움의 마찰력 확보를 위하여 테이퍼 표면을 금속밴드(131)로 보완할 수 있다.
도 1은 인공 고관절 비구컵 임플랜트가 시술된 상태를 나타내는 도면.
도 2는 인공 고관절의 분리 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서의 인공 고관절 비구컵 임플랜트가 뼈에 삽입된 경우의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로서의 인공 고관절 비구컵 임플랜트가 뼈에 삽입된 경우의 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 중심선 10: 치골
11: 비구 20: 대퇴골
31: 볼 32: 스템(stem)
100: 인공 고관절 비구컵 임플랜트 110: 비구컵(acetabular cup)
111: 링(ring)형 부재 112: 몸체부
120: 비구컵 내 베어링 수용부 130: 베어링
131: 금속 밴드 140: 베어링 내 볼 수용부
150: 원주방향의 주름을 갖는 얇은 형상기억합금 또는 타이태늄 합금의 막

Claims (12)

  1. 형상기억합금을 이용하여 뼈에 밀착하는 인공고관절 비구컵 임플랜트로서, 중공부를 구비하고, 대체로 반구 형상을 가지며, 체온에 도달하면 형상이 팽창하는 형상기억합금을 재질성분으로 포함하는 비구컵(acetabular cup); 및
    상기 반구형 비구컵 중공부의 내면에 밀착되고, 대퇴골의 골두 부분을 수용함으로써 대퇴골의 회전운동을 가능하게 하는 베어링
    을 포함하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 베어링은,
    상기 비구컵에 테이퍼 끼움 방식으로 고정된 것
    을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 베어링은,
    폴리머(polymer), 금속 또는 세라믹으로 구성된 것
    을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 베어링은,
    폴리머로 구성된 경우, 테이퍼 끼움의 마찰력 확보를 위하여 폴리머 외부가 금속밴드로 보완된 것
    을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트.
  5. 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵으로서,
    중공부를 구비하고,
    대체로 반구 형상을 가지며,
    체온에 도달하면 형상이 팽창하여 뼈에 밀착하는 형상기억합금을 재질성분으로 포함하는,
    형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵.
  6. 청구항 5에 있어서,
    외부로부터의 열공급 또는 열흡수에 따라 팽창에 의한 형상변화 능력을 갖는 형상기억합금으로 구성되는 링(ring)형 부재; 및
    상기 형상변화 능력을 갖지 않는 타이태늄(titanium) 합금으로 구성되는 몸체부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 형상기억합금은,
    니티놀(nitinol)로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 형상기억합금에서 뼈와 접촉되는 외부 표면은 골 친화성 물질을 구비하는 것
    을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 링형 부재에서 뼈와 접촉되는 외부 표면은 골 친화성 물질을 구비하는 것
    을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 골 친화성 물질은,
    타이태늄 비드(titanium bead), 타이태늄 와이어(titanium wire), 플라스마 코팅 또는 산화막(micro arc oxidation)을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵.
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 골 친화성 물질 위에 수산화인산칼슘 또는 바이오세라믹 코팅이 부가된 것
    을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 링형 부재의 팽창이 원활하게 되도록 상기 링형 부재의 단부와 상기 몸체부의 단부를 연결하는, 형상기억합금 또는 타이태늄 합금으로 이루어지고 원주 방향의 주름을 갖는 막을 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 인공고관절 비구컵 임플랜트에서 이용되는 비구컵.
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