KR101089053B1 - 금속 임플란트 - Google Patents

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데이빗 리차드 루이스
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Abstract

본 발명은 금속 기판과 일체화되고 살균성 물질이 혼입된 표면층을 포함하는, 외과수술용 금속 임플란트에 관한 것이다. 상기 표면층은 50 내지 150V의 전압에서 양극산화피막처리에 의해 생성되며, 상기 살균성 물질은 이온 교환에 의해 혼입된다. 상기 과정은 저전압에서의 양극산화피막처리에 비해 훨씬 더 경질인 표면을 생성시키며, 이온 흡수 물질을 함유하는 오목부를 생성시킨다.
금속 임플란트, 표면층, 금속 기판, 살균성 물질, 양극산화피막처리, 은 이온

Description

금속 임플란트{Metal implants}
본 발명은 외과수술용 금속 임플란트, 특히 살균성 물질을 당해 임플란트에 도입하여 감염을 억제 또는 조절하는 것에 관한 것이다.
다양한 외과수술은 임플란트의 사용이 필요하다. 예를 들면, 보철술에서 암성 골을 제거하여 이를 금속 임플란트로 대체시킬 수 있다. 이러한 임플란트는, 예를 들면, 매우 강하고 비교적 가벼운 티탄 합금으로 이루어진 것일 수 있다. 내마모성 표면을 보장하기 위하여 질화티탄 피막의 제공이 제안되었다. 추가로, 이러한 금속 임플란트를 이식하는 경우 감염 도입 위험이 존재하므로, 환자에 독성 효과를 발생시키지 않고 감염을 조절할 수 있는 살균성 물질인 금속성 은을 금속 임플란트에 도금할 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 피막은 질화티탄이든 은이든, 체액으로부터의 부식으로 인하여 약화될 수 있어서, 피막이 임플란트로부터 박리될 수 있고, 이는 마모를 증가시키고 조직 손상을 일으킬 수 있다. 국제 공개공보 제WO 03/089023호는 임플란트를 10V에서 양극산화피막처리시켜 인산염 층을 형성한 다음, 당해 층에 이온 교환에 의해 살균성 은 이온을 혼입시킴으로써 임플란트를 전처리하는 방법을 기술한다.
본 발명에 따라, 외과수술용 티탄 금속 임플란트를 처리하여 금속 기판과 일체화되고 살균성 물질이 혼입된 표면층을 형성하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 30분 이상의 시간 동안 50V 이상의 전압에서 임플란트를 양극산화피막처리하여 표면층을 생성시키는 단계 및 이어서 이온 교환에 의해 살균성 금속 이온을 표면층에 혼입시키는 단계를 포함한다.
상기 살균성 물질은 바람직하게는 외과 수술 후 6주 이상 동안, 바람직하게는 6개월까지 유효해야 하며, 방출 속도는 체세포에 대해 독성 효과를 배제하도록 낮아야 한다. 추가로, 살균성 물질의 총량은 바람직하게는 임의의 독성 효과를 최소화하도록 제한되어야 한다. 약 50V 이상의 전압에서 양극산화피막처리를 수행하면 다음과 같은 2가지 효과를 갖는다: 두께가 주로 전압에 의해 결정되는 조밀한 경질 표면층을 초기에 생성시키며, 이후에 다소 보다 연질이고 보다 다공성인 물질로 충전된 얕은 오목부(pit)를 표면에 생성시키는 것이다. 상기 살균성 금속 이온은 주로 얕은 오목부 내부의 물질에 흡수되고, 살균성 물질의 총량 및 방출 속도는 양극산화피막처리 전압의 크기 및 양극산화피막처리 시간을 조절함으로써 얕은 오목부의 수와 크기를 조절하여 조절할 수 있다. 양극산화피막처리는 500V 또는 750V 정도의 고전압에서 수행될 수 있으나, 보다 통상적으로는 50 내지 150V에서 수행된다. 양극산화피막처리 시간은 최대 24시간일 수 있으나, 바람직하게는 12시간 이하, 예를 들면, 2시간 또는 6시간이다.
또한, 표면은 표면층의 생성 전에 고도로 연마되는 것이 바람직할 수도 있다. 이는, 예를 들면, 전해연마에 의해 달성될 수 있다. 이러한 현저하게 더 높은 범위의 전압에서 양극산화피막처리를 수행하는 한 가지 이점은, 표면 가공이 악영향을 받지 않으며, 표면이 양극산화피막처리되기 전에 연마되어 광택성으로 된 경우 고전압 양극산화피막처리 단계 후 광택성을 유지한다는 것이다. 이는 표면에서 유백색 또는 무광택 외관을 생성시키는 저전압 양극산화피막처리 효과와 대비된다.
원칙적으로, 다양한 범위의 물질이 살균성 물질에 사용될 수 있다. 금, 백금 및 팔라듐은 고가임에도 불구하고 잠재적으로 적합하며, 은은 클로라이드 이온의 존재 및 염화은의 낮은 용해도로 인해 체액 속에서 특히 가용성이 아니므로 바람직하다. 구리, 주석, 안티몬, 납, 비스무트 및 아연과 같은 기타 원소가 표면층 속에 혼합되는 이온으로서 사용될 수 있다. 방출 속도는 이 경우 주로 상기 층에서 금속 이온의 흡수 강도에 의해 조절된다.
티탄 금속 임플란트라는 용어는 주로 티탄인 금속, 바람직하게는 티탄 함량이 75중량% 이상인 금속의 임플란트를 지칭한다. 본 발명은 순수한 티탄 또는 티탄 합금으로 이루어진 보철 임플란트에 적용될 수 있다. 이러한 목적에 맞는 표준 합금은 티탄 90%, 알루미늄 6% 및 바나듐 4%(브리티쉬 표준 7252)이다.
바람직하게는, 상기 임플란트는 초기에 연마되어 매우 매끄러운 표면을 제공한다. 티탄 함금은 아세트산, 또는 질산과 불화수소산의 혼합물을 사용하여 전해연마할 수 있다. 또는, 상기 임플란트는 양극 부동태화와 기계적 연마의 조합(electrolinishing)을 사용할 수 있는데, 당해 방법은 표면 조도를 보호하는 산화물을 제거하고 이 시점에서 표면이 전기화학적으로 다시 부동태화되어 거울같이 매끄러운 가공을 생성시킨다. 황산과 혼합된 질산, 수산화나트륨, 인산나트륨, 또는 질산나트륨과 혼합된 수산화나트륨을 포함하는 다양한 전해질이 이러한 목적에 적합하다.
금속 표면을 연마한 후, 표면 전환이 이루어질 수 있다. 금속 산화물 또는 인산염의 층이 적합한 전해질에서 양극산화피막처리에 의해 형성되어, 상술한 바와 같이 금속 표면에 축적된다. 이어서, 살균성 금속 이온, 예를 들면, 이온 Ag+ 또는 Cu++이 염 수용액으로부터 상기 산화물 또는 인산염 매트릭스 속으로 흡수될 수 있다. 팔라듐, 백금 또는 심지어 루테늄의 양이온도 유사한 방식으로 흡수될 것이다. 이어서, 경우에 따라, 침착된 은, 백금 또는 팔라듐은 상기 산화물 또는 인산염 표면 피막 내부의 금속으로 전환될 수 있으며, 이러한 환원은 화학적으로 또는 전기화학적으로 또는 광에 의해 수행된다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조로 하여 추가로 보다 상세하게 기술하고자 하나, 이는 단지 예시이다.
도 1은 저전압 양극산화피막처리되는 임플란트의 표면 일부에 대해 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 고전압 양극산화피막처리되는 임플란트의 상응하는 단면도이다.
도 3은 도 2에서와 같이 처리된 시료의 표면 조성 프로파일을 도시한 것이며, 당해 프로파일은 2차 중성입자 질량 분석법에 의해 측정된다.
힙 임플란트는 티탄 합금(Ti/Al/V)으로 이루어진다. 당해 임플란트는 액체 상으로서 제1 아세톤, 이어서 1M 수산화나트륨 수용액을 사용하여 초음파적으로 세정되며, 이후 탈이온수로 세정된다. 표면은 초기에는 광택성이고, 옅은 회색이다. 이어서, 세정된 임플란트를 교반된 12%(중량) 인산 용액 속에 침지시키고, 최대 전압 100V 및 최대 전류 10mA/cm2에서 2시간 동안 양극산화피막처리하여, 산화티탄 및 인산티탄의 표면 피막을 형성시킨다. 몇 분 이내에, 조밀한 유전층(절연막)을 표면에 형성시키고, 전류를 양극산화피막처리의 나머지 시간 동안 안정한 낮은 수치로 채택한다. 표면은 광학 간섭 효과로 인해 상이한 착색 외관을 가질 수 있는 경질 표면층을 형성하며, 양극산화피막처리의 초기 스테이지 동안, 표면 색상은 자주색/청색에서 청색, 녹색, 황색, 오렌지색을 거쳐 최종적으로 적색으로 변한다. 100V에서의 양극산화피막처리는 두께가 약 0.14㎛(140nm)인 필름을 제공한다. 이어서, 양극산화피막처리 임플란트를 다시 탈이온수로 세정한다.
이어서, 상기 임플란트를 교반된 0.1M 질산은 수용액에 침지시키고, 2시간 동안 정치한다. 이온 교환의 결과, 인산티탄 피막에 일부 인산은이 존재하게 된다. 이어서, 임플란트는 이식할 준비가 된다. 체액에 노출시키는 동안, 상기 인산티탄 층으로부터 은 이온이 서서히 침출되어, 임플란트에 인접한 임의의 균을 사멸시킨다. 따라서, 임플란트로 인해 발생하는 감염이 억제된다.
도 1을 살펴보면, 티탄 임플란트(30)의 양극산화피막처리를 2시간 동안 10V에서 수행한 경우, 전류는 양극산화피막처리 동안 처음 몇 분에 걸쳐서 낮은 수치로 떨어지지만, 전류는 다시 상승하면서 20㎛ 미세공극과 1㎛ 미세공극을 갖는 다공성 표면층이 형성된다. 이는 두께가 약 2㎛이고 수화 산화티탄 및 인산티탄으로 이루어진, 표면적이 넓은 다공성 층(32)을 생성시킨다. 이는 은 이온 흡수에 매우 효과적이고, 약 70 내지 100㎍/cm2의 초기 은 용량을 제공할 수 있으며, 이러한 초기 은 용량은 독성 수치보다는 훨씬 낮지만 살균 효과를 제공하기에는 충분한 양 이상이다.
도 2를 살펴보면, 양극산화피막처리를 상술한 바와 같이 2시간 동안 100V와 같은 고전압에서 수행한 경우, 전류는 초기에 낮은 수치로 떨어진 다음, 정상 상태를 유지한다. 표면은 두께가 통상 약 0.14㎛인 경질 양극산화피막처리 산화물 층(34)을 형성하지만, 국부적인 티탄 용해로부터의 가수분해 결과로 인해 산화티탄으로 충전된 통상 직경 약 5㎛ 및 깊이 약 0.4㎛의 오목부(36)가 존재한다. 이러한 오목부(36)는 평면도에서는 대략 원형이고, 표면적의 15 내지 20%를 차지한다. 표면 분석 기술에 따르면, 이온 교환 처리 후, 흡수된 은이 산화티탄/인산티탄 상과 표면에서 결합하는 것으로 확인되는 데, 이는 저전압 및 고전압 양극산화피막처리 과정 둘 다에서 확인된다. 고전압 양극산화피막처리 표면은 은을 경질층(34)의 외부 표면에서 소량 흡수하고 상기 오목부(36) 내의 보다 다공성인 물질 내부에서 보다 다량 흡수하며, 전체적으로는 다소 낮은 은 초기 용량이며, 통상 약 9㎍/cm2이다. 이는 필요한 살균 효과를 제공하기에 여전히 충분한 양이다.
따라서, 100V에서 2시간 동안의 양극산화피막처리 효과는 두께가 전압에 따라 상이한(볼트당 약 1.4nm의 관계), 조밀한 경질 산화물 층을 제공하며, 당해 필름은 필름 두께에 의해 결정되는 착색 외관을 가지며 표면 미세구조(예: 연마 가공)를 유지한다. 추가로, 표면에 오목부가 형성되며, 깊이가 약 0.3㎛인 오목부는 수화 이산화티탄으로 표면의 1/5에 약간 못 미치는 면적이 도포되도록 충전되어 있다. 당해 오목부에는 은 약 9㎍/cm2이 충전될 수 있다.
표면 아래 다양한 깊이에서의 표면 조성의 측정은 상술한 바와 같이 처리된 티탄 합금 시료에 대하여 2차 중성입자 질량 분석법을 사용하여 측정되었다. 결과는 이후 살펴볼 도 3에 도시되어 있다. 약 0.14㎛ 아래의 표면 영역(점선으로 표시됨)에서, 조성은 산소 약 73%, 티탄 약 18% 및 인 약 6%인데, 이는 경질 표면층(34)에 상응한다. 이어서, 약 0.4㎛ 아래에서 티탄 농도가 증가하고 산소 농도가 감소하는 영역이 있는데, 이는 산화티탄을 함유하는 오목부(36)가 있는 깊이에 상응한다. 더 깊은 곳에서의 조성은 명백하게 티탄/알루미늄 합금이다.
양극산화피막처리 임플란트의 표면으로부터 표면 위로 유동(선속도 약 0.7ml cm-2 h-1) 하는 염수 속으로의 은의 손실에 대해서도 측정한다. 처음 24시간에 대한 은의 초기 방출 속도는 약 0.1㎍cm-2h-1이고, 이후 당해 방출 속도는 다음 24시간에 걸쳐서 서서히 낮아져서 약 1/2로 감소되며, 다음 48시간 동안 정상 상태를 유지한 후, 다시 감소된다. 그러나, 이 기간 전체에 걸쳐서 침출 염수 속에서 은의 농도는 살균력을 제공하기에 충분하다.
은 용량은 3가지 방식으로 조절될 수 있다. 오목부의 개수를 변화시킴으로써 조절할 수도 있고 전압을 변화시키거나 인산염 전해질에서 불순물로서 존재하는 오목부 형성제(예: 클로라이드 또는 플루오라이드 이온)의 농도를 변화시킴으로써 조절할 수도 있다. 예를 들면, 이러한 1가 이온의 농도는 선택적 음이온 교환 처리에 의해 감소되거나 적합한 산의 첨가에 의해 증가될 수 있다. 예를 들면, 클로라이드 이온의 농도는 인산 전해질에 NaCl 또는 염산을 첨가함으로써, 바람직하게는 500ppm 이하, 보다 바람직하게는 50ppm 이하로 되도록 증가시킬 수 있다. 또는, 상기 오목부는 깊이와 직경이 보다 커질 수 있으며, 이는 보다 장시간 동안 양극산화피막처리시킴으로써 달성할 수 있다.
또한, 전류 밀도를 변화시키는 것도 적합할 수 있다.
보다 고전압, 예를 들면, 500V에서 약 0.7㎛에서 양극산화피막처리시킴으로써, 경질 산화물 층의 두께는 증가할 수 있다. 일단 당해 층이 형성되면, 전류 감소로 나타난 바와 같이, 전압은 변할 수 있다. 이러한 제2 스테이지 동안, 오목부가 형성되어 서서히 크기가 커지며, 이러한 과정은 보다 저전압에서 수행될 수 있다.
본 발명은, 고전압 양극산화피막처리 공정이 공극 내부에서 효과적이기 때문에, 적어도 부분적으로 다공성 티탄으로 이루어진 임플란트에 적용될 수 있다. 이는 보다 넓은 표면적으로 인해 임플란트의 단위 용적당 은을 훨씬 더 다량으로 충전할 수 있게 한다.
양극산화피막처리가 수행될 수 있도록, 임플란트에 대한 전기 접속은, 예를 들면, 임플란트 상에 티탄 와이어 스팟 용접을 통해 이루어질 수 있다. 또는, 임플란트 속에 블라인드 홀을 뚫을 수 있으며, 이러한 홀에서 나사 접속기를 통해 전기 접속이 이루어지게 하고, 밀봉제(예: 실리콘)로 접촉 영역에 대한 전해질 유입을 막을 수 있다. 접속기의 노출 부분은, 예를 들면, PTFE 절연 테이프에 의해 양극산화피막처리로부터 보호할 수 있다. 상기 양극산화피막처리 공정 이후, 접속기는 제거될 것이며, 홀은, 예를 들면, 양극산화피막처리 티탄 또는 중합체로 이루어진 생체적합성 플러그로 충전될 수 있다.

Claims (17)

  1. 금속 기판과 일체화되고 살균성 금속 물질이 혼입된 표면층을 포함하는, 외과 수술용 티탄 금속 임플란트로서,
    상기 임플란트는 상기 표면층으로서 경질층을 생성시키는 전압에서 양극산화피막처리되며, 상기 표면층 내부에 오목부(pit)가 존재하고, 상기 경질층과 오목부는 이온 교환의 결과로서 살균성 금속 물질 이온을 포함하며, 상기 오목부는 상기 경질층에 비해 보다 연질이고 보다 다공성인 물질을 포함하며, 상기 오목부 내의 보다 다공성인 물질은 상기 경질층에 비해 살균성 금속 물질을 보다 다량으로 흡수하는 티탄 금속 임플란트.
  2. 제1항에 있어서, 티탄이 상기 기판에 75중량% 이상의 양으로 존재하는 티탄 금속 임플란트.
  3. 제2항에 있어서, 상기 티탄이 순수한 티탄 또는 티탄 합금으로서 존재하는 티탄 금속 임플란트.
  4. 제1항에 있어서, 산화물 또는 인산염 매트릭스가 상기 금속 기판의 표면층에 존재하고, 상기 살균성 금속 물질 이온이 당해 산화물 또는 인산염 매트릭스 속으로 흡수되는 티탄 금속 임플란트.
  5. 제4항에 있어서, 상기 살균성 금속 물질 이온이 은, 금, 백금, 루테늄 및 팔라듐 중의 하나로부터 선택되는 티탄 금속 임플란트.
  6. 제3항에 있어서, 상기 표면층에 구리, 주석, 안티몬, 납, 비스무트 및 아연으로부터 선택된 기타 원소가 존재하는 티탄 금속 임플란트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 경질층의 두께가 0.14㎛인 티탄 금속 임플란트.
  8. 제7항에 있어서, 상기 경질층이, 직경이 5㎛이고 깊이가 0.4㎛인 오목부를 포함하는 티탄 금속 임플란트.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부가 상기 표면층의 표면적의 15 내지 20%를 차지하는 티탄 금속 임플란트.
  10. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부가 상기 표면층을 통해 임플란트의 금속 속으로 연장되는 티탄 금속 임플란트.
  11. 외과수술용 티탄 금속 임플란트를 양극산화피막처리하여 표면층을 형성시킨 다음 이온 교환을 수행하여 살균성 금속 물질 이온을 상기 표면층 속으로 혼입시킴으로써, 금속 기판과 일체화되고 살균성 금속 물질이 혼입된 표면층을 형성하도록 외과수술용 티탄 금속 임플란트를 처리하는 방법으로서,
    상기 임플란트를 50V 초과의 전압에서 30분 이상의 시간 동안 양극산화피막처리하여 표면층을 생성시킴을 포함하며, 이때 양극산화피막처리 시간 및 양극산화피막처리 전압의 크기는 상기 양극산화피막처리가 조밀한 경질 표면층을 생성시킬 뿐만 아니라 상기 표면층에 보다 연질이고 보다 다공성인 물질로 충전된 얕은 오목부를 생성시킬 수 있도록 조절됨을 특징으로 하는, 외과수술용 티탄 금속 임플란트의 처리방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 살균성 금속 물질이 은임을 특징으로 하는, 외과수술용 티탄 금속 임플란트의 처리방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 양극산화피막처리 단계가 인산을 포함하는 전해질을 사용함을 특징으로 하는, 외과수술용 티탄 금속 임플란트의 처리방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 인산의 농도가 5 내지 20중량%임을 특징으로 하는, 외과수술용 티탄 금속 임플란트의 처리방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 양극산화피막처리 단계가 클로라이드 이온을 500ppm 이하의 농도로 포함하는 전해질을 사용함을 특징으로 하는, 외과수술용 티탄 금속 임플란트의 처리방법.
  16. 제11항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부가 상기 표면층의 표면적의 15 내지 20%를 차지하는, 외과수술용 티탄 금속 임플란트의 처리방법.
  17. 제11항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부가 상기 표면층을 통해 임플란트의 금속 속으로 연장되는, 외과수술용 티탄 금속 임플란트의 처리방법.
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