KR101092227B1 - Metal surface treatment method and the metal treated thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속의 표면에 생체활성물을 코팅하기 위한 표면처리방법에 관한 것이다. 본 발명은 조골세포, 골아세포, 내지 줄기세포 등의 해당 조직세포로의 분화를 유도할 수 있을 뿐만 아니라 골세포의 유착능을 증진하기 위한 생체활성 물질을 코팅하는 방법으로서, 깨끗하게 세척된 티타늄, 티타늄을 포함하는 금속, 산화 티타늄 내지 산화 티타늄을 포함하는 세라믹을 수산화나트륨 등을 포함하는 알칼리 용액으로 처리한 뒤 어닐링하는 공정을 포함한다. The present invention relates to a surface treatment method for coating a bioactive material on the surface of a metal. The present invention can induce differentiation into the corresponding tissue cells such as osteoblasts, osteoblasts, stem cells, etc., as well as coating a bioactive material for enhancing the adhesion of bone cells, cleanly washed titanium, And annealing the metal including titanium, the ceramic containing titanium oxide and titanium oxide, with an alkali solution including sodium hydroxide, and the like.

금속표면처리, 생체활성물질, 의료용구 Metal surface treatment, bioactive material, medical equipment

Description

금속의 표면 처리방법 및 그 방법에 의해 표면처리된 금속{Metal surface treatment method and the metal treated thereby}Metal surface treatment method and the metal treated thereby

본 발명은 금속의 표면에 생체활성물을 코팅하기 위한 표면처리방법 및 생체활성물이 코팅된 금속에 관한 것이다.The present invention relates to a surface treatment method for coating a bioactive material on the surface of the metal and a metal coated with the bioactive material.

생체 활성물의 코팅은 크게 생체활성 무기물 코팅과 생체활성 유기물 코팅법으로 나눌 수 있다. 생체활성 무기물 코팅은 플라즈마 용사법, 졸겔법, 진공증착법 등에 의해 금속의 표면에 고정시킴으로써 해당 표면에 생체활성을 부여하는 방법이며, 생체활성 유기물 코팅은 과산화수소 및 실란 등으로 금속 표면에 화학적 활성을 부여한 뒤 생체활성 유기물을 화학적으로 공유시키는 방법이다. Bioactive coatings can be broadly divided into bioactive inorganic coating and bioactive organic coating. Bioactive inorganic coating is a method of imparting bioactivity to the surface by fixing it to the surface of the metal by plasma spray method, sol gel method, vacuum deposition method, etc. The bioactive organic coating is applied to the surface of the metal with hydrogen peroxide and silane, etc. A method of chemically sharing bioactive organics.

생체활성 무기물 코팅은 생체활성 무기물을 물리적 방법으로 표면에 고정시키는 방법이다. 물리적 방법에 의해 고정된 생체활성 물질은 생체 조직의 세포가 해당 물체를 이물질이 아닌 ‘생체의 일부’와 같이 착각하도록 유도하고, 생체 조직의 세포가 비활성 물질로 표면이 이루어진 물체에 대한 반응보다 친화적으로 접근하여, 해당 물체의 생체 이식물로서의 기능을 보다 빠르게 가능토록 유도한다. 그러나 생체활성 무기물은 줄기세포 등의 해당 조직세포로의 분 화(differentiation)를 유도하지 못하는 한계를 갖고 있다. 이에 생체활성 유기물 코팅에 관한 연구가 최근 추진되고 있다. Bioactive inorganic coatings are a method of immobilizing bioactive minerals on surfaces by physical methods. Bioactive materials immobilized by physical methods induce cells of living tissue to mistake the object as a 'part of the living body' rather than as a foreign body, and the cells of living tissue are more friendly than a reaction to an object whose surface is made of an inert material. Approach to induce the function of the object as a living implant faster. However, bioactive minerals have limitations that do not induce differentiation of stem cells and other tissue cells. Accordingly, research on bioactive organic coating has been recently promoted.

생체활성 유기물 코팅의 기본 골격은 다음과 같다. 먼저 과산화수소 및 실란 등으로 금속 표면에 화학적 활성을 부여(하이드록실 그룹 또는 아민 그룹 등과 같은 관능기의 표면 고정)한 뒤, 생체활성 유기물의 특정 관능기와 화학적인 결합을 이룸으로써 생체활성 유기물 코팅이 끝난다. 이와 같은 반응은 단백질과 같이 매우 복잡 다단하고 거대한 분자에 대하여 제어하지 못하는 부반응을 유도할 수 있기 때문에 몇 개의 아미노기를 갖고 있는 단순 펩타이드에만 적용되는 한계점을 지니고 있다. 단순 펩타이드의 고정은 RGD의 sequence를 부여함으로써 세포 표면에 있는 접착 단백질(fibronectin, integrin)등과의 접착을 유도할 뿐 앞서 언급한 바와 같은 ‘줄기세포 등의 해당 조직세포로의 분화’를 유도하지 못하는 생체활성 무기물 코팅의 경우와 같은 한계를 갖고 있다. The basic skeleton of the bioactive organic coating is as follows. First, the chemical activity is imparted to the surface of the metal with hydrogen peroxide and silane (surface fixation of a functional group such as hydroxyl group or amine group), and then the bioactive organic coating is finished by chemically bonding to a specific functional group of the bioactive organic material. Such reactions have limitations that apply only to simple peptides with several amino groups because they can induce uncontrolled side reactions on very complex and large molecules such as proteins. Fixation of simple peptides induces adhesion with adhesion proteins (fibronectin, integrin) on the cell surface by assigning the sequence of RGD, but does not induce 'differentiation of stem cells, etc. into the corresponding tissue cells' as mentioned above. It has the same limitations as bioactive inorganic coatings.

생체활성 유기물 코팅의 애초의 목표(줄기세포 등의 해당 조직세포로의 분화 촉진)는 해당 이식물의 표면에 growth factor 또는 이와 유사한 단백질을 고정시키는 것으로 가능하며, 이와 같은 생체활성 단백질의 화학적 고정은 제어하지 못하는 부반응을 유도할 수 있는 가능성 때문에 회피되고 있다. 따라서 여러 논문 등의 발표에서는 단순히 생체활성 단백질을 함유하는 용액을 금속의 표면에 떨어뜨린 뒤, 용액을 건조시킴으로써 생체활성 단백질이 말라 붙어있는 표면만이 제시되고 있다. 이와 같은 방법으로 고정된 단백질은 금속에 대한 접착력이 매우 약하여 조직에 이식되었을 때 매우 빠른 속도로 조직 속으로 사라진다. 이는 생체활성 단백질의 이 식물에 대한 고정이 항구적이지 못함을 의미할 뿐만 아니라, 이식체의 표면에 붙어서 생체 조직으로 이동된 생체활성 단백질이 생체 조직으로 녹아나가는 형태의 ‘製材’라 추정하더라도, 녹아나가는 속도가 초기에 매우 빨라서 생체 활성을 장기간에 걸쳐 부여할 수 없다는 단점을 갖고 있다. The initial goal of bioactive organic coatings (promoting differentiation of stem cells, etc. into corresponding tissue cells) can be achieved by immobilizing growth factors or similar proteins on the surface of the implant, and chemical fixation of such bioactive proteins is controlled. This is avoided because of the possibility of inducing side reactions that do not occur. Therefore, in the publications of various papers and the like, only the surface on which the bioactive protein is dried is presented by simply dropping the solution containing the bioactive protein on the surface of the metal and then drying the solution. Proteins immobilized in this way have a very poor adhesion to metal and disappear into the tissue very quickly when implanted into the tissue. Not only does this mean that the immobilization of the bioactive protein to this plant is not permanent, it melts, even if it is assumed that the bioactive protein that has adhered to the surface of the implant and migrated into the biological tissue melts into the biological tissue. The speed of exit is very fast at the beginning, so that the bioactivity cannot be imparted for a long time.

본 발명은 줄기세포 등의 해당 조직세포로의 분화를 유도하기 위한 생체활성 물질을 코팅함에 있어 1) 이의 전처리로서의 생체이식물(금속)의 표면처리 공정과 2) 표면처리 공정에 의해 획득된 특유의 표면과 3) 생체활성 물질과 특유의 표면에 의한 물리적, 화학적으로 강화된 금속 표면간의 강화된 결합 방법을 개발함에 있다. The present invention is to coat the bioactive material for inducing differentiation into the corresponding tissue cells, such as stem cells, 1) the surface treatment process of the biograft (metal) as its pretreatment and 2) the unique treatment obtained by the surface treatment process 3) develop a method of enhanced bonding between the surface and the physically and chemically strengthened metal surface by the bioactive material and the unique surface.

본 발명은 조골세포, 골아세포, 내지 줄기세포 등의 해당 조직세포로의 분화를 유도할 수 있을 뿐만 아니라 골세포의 유착능을 증진하기 하기 위한 생체활성 물질을 코팅함에 있어, 깨끗하게 세척된 티타늄, 티타늄을 포함하는 금속, 산화 티타늄 내지 산화 티타늄을 포함하는 세라믹을 수산화나트륨 등을 포함하는 알칼리 용액으로 처리 한 뒤 어닐링함으로써 생체활성 유기물을 코팅하기에 적합하게 표면처리하는 공정을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의한 금속의 표면 처리방법은, 티타늄 또는 상기 티타늄을 포함하는 금속을 1 내지 10 mol/L의 고 농도 수산화나트륨(NaOH)이 포함되는 알칼리 용액으로 표면 처리하는 단계와; 상기 알칼리 용액으로 표면 처리된 금속물을 어닐링하는 단계를 포함하며, 상기 표면 처리 단계는 18℃ 내지 90℃의 고온의 상기 알칼리 용액을 통해 상기 금속물을 에칭하는 단계가 포함됨을 특징으로 한다.
이 때, 상기 에칭의 정도는 상기 금속물이 상기 알칼리 용액에 담겨진 시간에 의해 제어되며, 상기 시간은 수 시간 내지 수 일에 걸쳐 구현되며, 상기 어닐링 단계는, 대기 또는 산소를 포함하는 분위기 하에 900℃ 이하의 온도에서 수행됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 표면 처리 및 어닐링이 완료된 금속물 상에 생체활성 유기물을 코팅하는 단계가 더 포함되며, 상기 생체활성 유기물은, RGD(Arg-Gly-Asp) sequence를 포함하는 수 개 내지 수 십개의 아미노기가 함유된 펩타이드; FGF류(Fibroblast Growth Factor Family)와 같은 growth factor류; BMP류(Bone Morphogenetic Protein Family)와 같은 골유도 단백질 및 접착성 단백질로 구성되는 4개의 군 중 적어도 하나 이상을 포함함을 특징으로 한다.
The present invention not only induces differentiation into osteoblasts, osteoblasts, stem cells, etc. into the corresponding tissue cells, but also in the coating of a bioactive material for enhancing the adhesion of osteoblasts, cleanly washed titanium, The present invention provides a process for surface treatment suitable for coating a bioactive organic material by treating the metal including titanium and the ceramic containing titanium oxide to titanium oxide with an alkali solution including sodium hydroxide and the like followed by annealing.
According to an aspect of the present invention, there is provided a method for treating a surface of a metal, the method comprising: treating the titanium or the metal including the titanium with an alkaline solution containing 1 to 10 mol / L of high concentration sodium hydroxide (NaOH); And annealing the metal material surface-treated with the alkaline solution, wherein the surface treatment step includes etching the metal material through the alkaline solution at a high temperature of 18 ° C to 90 ° C.
At this time, the degree of the etching is controlled by the time the metal is immersed in the alkaline solution, the time is implemented over a few hours to several days, the annealing step is 900 under an atmosphere containing air or oxygen It is characterized in that it is carried out at a temperature of less than.
The method may further include coating a bioactive organic material on the metal material on which the surface treatment and annealing is completed, wherein the bioactive organic material may include several to several tens of amino groups including an RGD (Arg-Gly-Asp) sequence. Peptide containing; Growth factors such as FGF (Fibroblast Growth Factor Family); It is characterized in that it comprises at least one or more of four groups consisting of bone-induced proteins and adhesive proteins such as BMP (Bone Morphogenetic Protein Family).

상기 표면처리 공정으로써 얻어지는 금속 표면의 개질 효과는 크게 물리적 효과와 화학적 효과로 나뉜다. 물리적 효과로서, 마이크로미터 이하로 미세하게 에칭된 거친 돌기와 같은 표면과 마이크로미터 이상으로 에칭된 함정과 같은 갈라진 표면은 생체활성 유기물이 마치 낚시 바늘에 걸린 물고기가 빠져나가지 못하는 것과 같이 갈고리 역할 내지 극대화된 표면적을 제공함으로써 부착된 유기물이 탈락 되는 것을 극도로 억제한다. 화학적 효과로서, 알칼리 처리에 의해 생긴 수화된 표면 화학 구조는 모든 생체활성 유기물에 대한 수소결합(hydrogen bond)을 유도함으로써 단순한 Wan der vaals force에 의한 유기물 고정이 아닌 보다 강화된 금속-유기물간 결합을 이룰 수 있다. Modification effect of the metal surface obtained by the surface treatment process is largely divided into physical effects and chemical effects. As a physical effect, surfaces such as coarse projections finely etched below micrometers and cracked surfaces, such as traps etched beyond micrometers, have bioactive organics that act as hooks or maximizes as if fish caught in fish hooks cannot escape. By providing a surface area, the adhered organic matter is extremely suppressed from falling off. As a chemical effect, the hydrated surface chemical structure produced by alkali treatment induces hydrogen bonds to all bioactive organics, thereby enhancing the metal-organic bonds that are strengthened, rather than simply immobilized by simple Wan der vaals forces. Can be achieved.

한편 물리-화학적 효과로서 표면에너지가 상승된 알칼리로 개질된 표면은 친수성이 매우 높아 증류수 액적을 표면에 떨어뜨렸을 때 금속의 표면에 방울져있지 않고 빠르게 퍼지는 우수한 젖음성을 보인다. 마찬가지로 생체 조직에 해당 이식체가 이식되었을 때, 체액은 물론이고 다양한 혈액 내 성장 인자(growth factors) 내지 접착성 단백질(fibrin, integrin, fibronectin, 등)과 같은 생체 분자 등이 개질된 이식체의 표면에 잘 달라붙음으로써 향상된 접합을 얻을 수 있다. On the other hand, as a physico-chemical effect, the surface modified with alkali having an elevated surface energy has very high hydrophilicity, and when the distilled water droplets are dropped on the surface, it shows excellent wettability that does not drop on the surface of the metal and spreads quickly. Similarly, when the implant is implanted in living tissue, body fluids, as well as biomolecules such as various growth factors and adhesive proteins (fibrin, integrin, fibronectin, etc.) in the blood, are modified on the surface of the implant. By sticking well, an improved joint can be obtained.

본 발명은 개념적으로 생체활성 물질을 코팅함에 있어 1) 이의 전처리로서의 생체이식물(금속)의 표면처리 공정과 2) 표면처리 공정에 의해 획득된 특유의 표면과 3) 생체활성 물질과 특유의 표면에 의한 물리적, 화학적으로 강화된 금속 표면간의 강화된 결합 방법을 개발하는 등의 세가지로 나뉘나, 이를 획득하기 위하여 실제로 도입되는 공정은 매우 간단하다. The present invention conceptually provides a method of coating a bioactive material on 1) the surface treatment of a biograft (metal) as its pretreatment and 2) the unique surface obtained by the surface treatment process and 3) the bioactive material and the unique surface. By the development of a method of strengthening the bonding between the physically and chemically strengthened metal surface by the three, etc., the process actually introduced to obtain this is very simple.

깨끗하게 세척된 티타늄, 티타늄을 포함하는 금속, 산화 티타늄 내지 산화 티타늄을 포함하는 세라믹을 수산화나트륨 등을 포함하는 고농도(특히 1 내지 10 mol NaOH / 1 L의 깨끗한 물)의 알칼리 용액으로 상온 내지 90℃에 이르는 고온의 용액에 수 시간 내지 수 일에 걸쳐 에칭을 하며, 에칭된 금속을 깨끗한 물로 세척 함으로써 금속의 표면처리 공정을 종료하거나, 표면의 안정화를 위하여 대기 내지 산소를 포함하는 분위기 속에서 900℃ 이하의 온도에서 수 십분 내지 수 일에 걸쳐 어닐링을 함으로써 금속의 표면처리 공정을 종료한다. Cleanly washed titanium, metals containing titanium, ceramics containing titanium oxide to titanium oxide, and alkaline solutions of high concentrations (especially 1 to 10 mol NaOH / 1 L of clean water) containing sodium hydroxide and the like at room temperature to 90 ° C. Etch over a high temperature solution for several hours to several days, and finish the surface treatment process of the metal by washing the etched metal with clean water, or 900 ℃ in the atmosphere containing the atmosphere to oxygen to stabilize the surface The surface treatment process of metal is complete | finished by annealing over several ten minutes-several days at the following temperature.

금속의 표면처리가 종료된 뒤 RGD(Arg-Gly-Asp) sequence를 포함하는 수 개 내지 수 십개의 아미노기가 함유된 펩타이드 내지 FGF류(Fibroblast Growth Factor Family) 등과 같은 growth factor류 내지 BMP류 (Bone Morphogenetic Protein Family) 등과 같은 골유도 단백질 내지 접착성 단백질(fibrin, integrin, fibronectin, 등)과 같은 생체 분자 등과 같은 생체활성 유기분자를 함유하는 유사 체액을 금속의 표면에 노출시킨 뒤 자연 건조, 공기 순환 건조, 가열 건조, 동결 건조 내지 감압 건조 등에 의하여 생체활성 유기분자를 금속의 표면에 고정한다. After the surface treatment of the metal is finished, growth factors such as peptides including FRGs (Fibroblast Growth Factor Family) containing several to several tens of amino groups including RGD (Arg-Gly-Asp) sequences, and BMPs (Bone) Natural body fluids are exposed to the surface of metals by exposing similar body fluids containing bioactive organic molecules such as bone-induced proteins such as Morphogenetic Protein Family) or biomolecules such as adhesive proteins (fibrin, integrin, fibronectin, etc.) to the surface of the metal. The bioactive organic molecules are fixed to the surface of the metal by drying, heat drying, freeze drying or reduced pressure drying.

표면처리방법 및 유기물 코팅방법의 일실시예를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, an embodiment of the surface treatment method and the organic coating method will be described in more detail.

먼저, 깨끗하게 세척된 티타늄 내지 티타늄을 포함하는 금속을 수산화나트륨 등을 포함하는 알칼리 용액으로 표면처리한다. First, the metal which is cleanly washed titanium to titanium is surface-treated with an alkaline solution containing sodium hydroxide or the like.

이 때, 알칼리 용액은 1 내지 10 mol/ L의 NaOH 의 깨끗한 물과 같은 고농도의 수산화 나트륨을 포함하는 용액을 사용할 수 있다. At this time, the alkaline solution may be a solution containing a high concentration of sodium hydroxide, such as clean water of 1 to 10 mol / L NaOH.

이 때, 알칼리 용액 처리 공정시 상온(18℃) 내지 90℃에 이르는 고온으로 에칭 환경을 조성하는 것이 바람직하다. At this time, it is preferable to form an etching environment at a high temperature ranging from room temperature (18 ° C) to 90 ° C in the alkaline solution treatment step.

이 때, 알칼리 용액 처리 공정은 1시간 내지 10일에 걸쳐 진행되는 것이 바람직하다. 예컨데, 1시간 내지 24시간, 3 내지 5일 등이 될 수 있다. At this time, it is preferable that the alkaline solution treatment process proceeds over 1 hour to 10 days. For example, it may be 1 hour to 24 hours, 3 to 5 days and the like.

다음으로, 알칼리 처리된 금속물을 어닐링한다. Next, the alkali-treated metal is annealed.

금속물을 어닐링 할 경우, 대기 내지 산소를 포함하는 어닐링 공정 분위기인 것이 바람직하다. 또한, 이 때의 온도는 900℃ 이하의 온도에서 처리하는 것이 바람직하다. 이 때, 어닐링 공정은 수 십분 내지 수 일에 걸치는 것이 바람직하다. When annealing a metal object, it is preferable that it is an atmosphere of an annealing process containing air and oxygen. Moreover, it is preferable to process the temperature at this time at the temperature of 900 degrees C or less. At this time, the annealing process preferably takes several tens to several days.

다음으로, 알칼리 공정만으로 표면처리가 종료된 금속 이식물 또는 알칼리 공정 및 어닐링 공정으로 표면처리가 종료된 금속 이식물에 대하여 생체활성 유기물을 코팅하는 공정이 필요하다.Next, a process of coating the bioactive organic material on the metal implant whose surface treatment is finished only by the alkali process or the metal implant whose surface treatment is finished by the alkali process and annealing process is required.

이 때의 생체활성 유기물은 RGD sequence를 포함하는 수 개 내지 수 십개의 아미노기가 함유된 펩타이드 내지 FGF류(Fibroblast Growth Factor Family) 등과 같은 growth factor류 내지 BMP류 (Bone Morphogenetic Protein Family) 등과 같은 골유도 단백질 내지 접착성 단백질(fibrin, integrin, fibronectin, 등)과 같은 생체 분자 등이다. 생체활성 유기물은 이를 안정적으로 유지하기 위한 체액과 유사한 완충용액에서 표면이 개질된 금속 이식물의 표면에 전달된다.At this time, the bioactive organic material is derived from bone derivatives such as peptides containing several to tens of amino groups including the RGD sequence, growth factors such as FGF (Fibroblast Growth Factor Family), and BMP (Bone Morphogenetic Protein Family). Biomolecules such as proteins to adhesive proteins (fibrin, integrin, fibronectin, etc.). The bioactive organics are delivered to the surface of the metal modified surface in a buffer solution similar to the body fluid to keep them stable.

다음으로, 생체활성 유기물 코팅 공정을 통해 전달된 완충용액에 포함된 생체활성 유기물의 자연 건조, 공기 순환 건조, 가열 건조, 동결 건조 내지 감압 건조, 등에 의한 건조 공정이 진행된다.Next, a drying process is performed by natural drying, air circulation drying, heat drying, freeze drying to reduced pressure drying, and the like of the bioactive organics contained in the buffer solution transferred through the bioactive organic coating process.

이로써, 알칼리 처리에 의해 얻어진 마이크로미터 이하와 마이크로미터 이상의 특유의 거친 표면에 의한 생체활성 유기분자의 기계적 관점에서의 접착력 향상 되며, 알칼리 처리에 의해 얻어진 수화된 금속 표면에 의한 생체활성 유기분자의 화학적 관점에서의 접착력 향상되며, 알칼리 처리에 의해 얻어진 매우 친수적 표면 에 의한 생체활성 유기분자의 물리/화학적 젖음성이 향상된다.This improves the adhesion from the mechanical point of view of the bioactive organic molecules due to the peculiar rough surface of the micrometer or less and the micrometer or more obtained by the alkali treatment, and the chemical activity of the bioactive organic molecules by the hydrated metal surface obtained by the alkali treatment. Adhesion from the viewpoint is improved, and the physical / chemical wettability of the bioactive organic molecules due to the very hydrophilic surface obtained by alkali treatment is improved.

한편 도 1은 생체활성물 코팅을 위하여 화학적으로 표면처리된 금속 표면의 주사전자현미경 사진이다. 이에 따르면, 표면처리된 금속표면은 마이크로미터 이하로 미세하게 에칭된 거친 돌기와 마이크로미터 이상으로 에칭된 함정과 같은 갈라진 표면을 모두 가지고 있으며, 이와 같은 표면은 생체활성 유기물이 마치 낚시 바늘에 걸린 물고기가 빠져나가지 못하는 것과 같이 갈고리 역할 내지 극대화된 표면적을 제공한다.1 is a scanning electron micrograph of a metal surface chemically surface-treated for bioactive coating. According to this, the surface-treated metal surface has both a rough surface finely etched to the micrometer and a cracked surface such as a trap etched to the micrometer or more. Provides a hooked or maximized surface area, such as no escape.

도 2는 본 발명에 따른 금속표면 처리가 되기전의 금속시편에 물방울을 떨어뜨렸을 경우의 접촉각사진이고, 도 3은 본 발명에 따른 금속표면 처리가된 금속시편에 물방울을 떨어뜨렸을 경우의 접촉각사진이다. 2 is a contact angle photograph when water droplets are dropped onto the metal specimen before the metal surface treatment according to the present invention, Figure 3 is a contact angle photograph when water droplets are dropped onto the metal specimen treated metal surface according to the present invention. .

이에 따르면, 알칼리 처리 전의 bare titanium 표면에 대한 초순수(超純水) 액적의 접촉각은 약 62°인 반면에 5 mol NaOH / 1L로 6시간 동안 60℃에서 처리한 경우 약 20°내외의 매우 친수적이고 표면에너지가 높은 표면을 얻을 수 있었다. 즉, 본 발명에 따르는 경우, 이러한 친수적 표면에 의한 생체활성 유기분자의 물리/화학적 젖음성이 향상되어 인체 등의 생체 조직에 식립 시 매우 빠르고, 강한 생체활성 유기분자/표면처리된 티타늄의 계면이 형성되는 것이 확인된다.According to this, the contact angle of ultrapure water droplets to the bare titanium surface before alkali treatment is about 62 °, while it is very hydrophilic at about 20 ° when treated at 60 ° C for 6 hours with 5 mol NaOH / 1L. A surface with high surface energy was obtained. That is, according to the present invention, the physical / chemical wettability of the bioactive organic molecules due to the hydrophilic surface is improved, so that when the bioactive organic molecules / surface-treated titanium interface with the bioactive organic molecules / surface treated titanium It is confirmed that it is formed.

이하의 설명으로 본 발명의 일응용례로서 임플란트에 용이하게 응용할 수 있음을 명확하게 이해할 수 있다. The following description can clearly understand that it can be easily applied to the implant as an application of the present invention.

Machined 임플란트에 대하여 보다 높은 골접합을 갖기 위하여 거칠기와 표면적을 높이는 첫 번째 표면 처리법은 티타늄 분말을 이용한 플라즈마 용사법(TPS, Titanium Plasma Spray)이다. 이 방법은 아크 방전에 의하여 형성된 매우 높은 온도(약 1500도 이상)의 플라즈마 속으로 티타늄 hydride 형태의 분말을 분사한다. 티타늄 hydride는 고온의 플라즈마 속에서 분해되고 50 ~ 100 ㎛ 크기의 티타늄 금속 입자가 임플란트의 몸체 표면에 달라붙게 된다. 이렇게 고정된 티타늄 입자는 임플란트 표면의 거칠기와 표면적을 높임으로써 기계적 고정(mechanical interlocking)성능을 높이게 된다. 이렇게 형성된 표면층은 약 30 ~ 50 ㎛의 두께를 가지며, 약 15 ㎛의 거칠기를 보인다. 이것은 연속적으로 둥글고, 서로 연결된 형태를 가지며, 다공성으로 구성되어 있다. 이러한 공정을 거치게 되면서 임플란트의 표면적은 6 ~ 10배가량 증가한다. 하지만, TPS 코팅법이 적용된 임플란트는 매식 후 코팅된 티타늄 입자의 조직 내 탈리가 발생하여 염증반응 등의 문제를 야기한다. 이러한 이유로 현재는 사용되지 않고 있다. Titanium Plasma Spray (TPS) using titanium powder is the first surface treatment to increase the roughness and surface area in order to have a higher bone joint for machined implants. This method injects titanium hydride powder into a very high temperature plasma (about 1500 degrees or more) formed by arc discharge. Titanium hydride decomposes in the hot plasma, and titanium metal particles of 50 to 100 µm in size adhere to the body surface of the implant. The immobilized titanium particles increase the mechanical interlocking performance by increasing the roughness and surface area of the implant surface. The surface layer thus formed has a thickness of about 30 to 50 μm, and has a roughness of about 15 μm. It is continuously round, connected to each other, and made of porous material. Through this process, the surface area of the implant is increased by 6 to 10 times. However, implants to which the TPS coating method is applied cause desorption of the coated titanium particles in tissues after embedding, causing problems such as inflammatory reactions. For this reason, it is not currently used.

1980년대에 TPS가 도입되면서 수산화 아파타이트가 피복된 다양한 임플란트들도 임상적 사용에 추천되었다. 플라즈마 용사법에 의한 수산화 아파타이트 피복은 순수한 티타늄 임플란트에 비해, 골의 무기질 성분과 화학적, 결정학적으로 동일한 수산화 아파타이트를 코팅한 것이기 때문에 골과 임플란트간의 골접합 능력 향상은 물론 골 회복의 증가를 나타내었다. With the introduction of TPS in the 1980s, various implants coated with hydroxide apatite were also recommended for clinical use. Hydroxyapatite coating by plasma spraying method, compared with pure titanium implants, was coated with hydroxide apatite that is chemically and crystallographically identical to the mineral component of bone, thereby improving bone bonding ability between bone and implant as well as increasing bone recovery.

다양한 임상적 연구에 의해서 수산화 아파타이트의 피복은 매식 초기, 우수한 임상 결과를 나타내었다. 수산화 아파타이트가 피복된 임플란트는 금속 임플란트에 비해서 더 빠른 골 회복을 일으키는 - 생체 활성적인 표면 구조를 나타낸다. 그러나 플라즈마 용사법에 의해 코팅된 수산화 아파타이트층은 TPS system과 마찬 가지로 체액 내에서 코팅층의 탈리 등의 기계적 불안정성 때문에 현재 플라즈마 용사법에 의해 제조된 수산화 아파타이트 코팅된 임플란트는 사용이 회피되고 있다. 코팅층의 탈리 등의 문제가 발생하게 되면 염증 반응이 일어나면서 임플란트 주변에서 골 흡수가 발생하여 골 소실의 문제가 발생하기 때문이다. Various clinical studies have shown that the coating of hydroxide apatite shows excellent clinical results early in the meal. Hydroxyapatite-coated implants exhibit a bioactive surface structure that results in faster bone recovery compared to metal implants. However, similar to the TPS system, the hydroxide apatite-coated layer coated by plasma spraying method is currently being avoided due to the mechanical instability of the coating layer in body fluids such as desorption of the coating layer. If a problem such as desorption of the coating layer occurs, an inflammatory reaction occurs and bone absorption occurs around the implant, thereby causing a problem of bone loss.

임플란트의 거칠기와 표면적을 높이기 위하여 블래스팅법(모래분사)이 사용되기도 한다. 플라즈마 용사법이 작은 티타늄 분말을 코팅하는 방법이라면 블래스팅법은 임플란트의 표면을 깎아내어 표면의 거칠기와 표면적을 조절하는 방법이다. 임플란트의 표면을 깎아내어 거칠기를 만드는 공정은, 코팅법에서 나타나는 피막의 ‘탈리’라는 문제점을 원천적으로 회피할 수 있다는 점이 중요한 장점이다. 블래스팅법에는 목적에 따라서 특정한 크기의 알루미나 분말, 티타니아 분말 등을 사용하여 표면의 거칠기를 조절할 수 있는 장점이 있지만, 블래스팅 입자가 표면에 잔류하는 단점이 있다. 블래스팅 입자의 잔류 문제를 해결하기 위하여 후속 공정으로 산부식을 적용하게 된다. 블래스팅과 산부식의 병합된 공정은 통상적으로 SLA(Sand blasted Large-grid Acid-etched)라고 부른다. 다음의 도 4에 블래스팅법과 산부식에 의해 표면이 처리된 Ledermann 임플란트의 사진을 나타내었으며, 도 5에 블래스팅 후 산처리의 전/후 표면 상태를 비교하였다. In order to increase the roughness and surface area of the implant, a blasting method (sand spray) may be used. If the plasma spraying method is a method of coating small titanium powder, the blasting method is to cut the surface of the implant to control the surface roughness and surface area. It is an important advantage that the process of slicing the surface of the implant to make the roughness can avoid the problem of 'taliberization' of the coating that occurs in the coating method. Although the blasting method has an advantage of controlling the surface roughness by using alumina powder, titania powder, etc. of a specific size according to the purpose, there is a disadvantage that the blasting particles remain on the surface. In order to solve the problem of residual blasting particles, acid corrosion is applied in a subsequent process. The combined process of blasting and acid corrosion is commonly referred to as sand blasted large-grid acid-etched (SLA). 4 shows a photograph of a Ledermann implant surface treated by blasting and acid corrosion, and FIG. 5 compares the surface state of the acid treatment after blasting.

블래스팅 입자 잔류의 문제점을 해결하는 또 다른 방법으로는 흡수되는 입자를 사용하는 것이다. 흡수되는 입자를 사용한 시스템으로 Restore사의 RBM(Resorbable Blasted Media) 표면 처리 방법이 있다. 칼슘-포스페이트 분말을 사용하는 경우, 분말이 임플란트 표면에 잔류하더라도 체내에 매식되었을 때 신체 에 흡수되므로 큰 문제를 일으키지 않는다.Another way to solve the problem of blasting particle retention is to use absorbed particles. One system using absorbed particles is Restore's Resorbable Blasted Media (RBM) surface treatment. When calcium-phosphate powder is used, even if the powder remains on the implant surface, it is absorbed by the body when buried in the body and does not cause a big problem.

표면에 거칠기를 만드는 방법으로 산부식을 적용하는 시스템에는 Ster-Oss, 3i, Biohorizon DI 등이 있다. 세 시스템 모두 1 ~ 2 ㎛의 거칠기를 보인다. Ster-Oss, 3i, and Biohorizon DI include systems that apply erosion to the roughness of surfaces. All three systems exhibit roughness of 1 to 2 μm.

임플란트의 표면을 거칠게 하기 위하여 엑시머 레이저가 사용되기도 한다. 레이저 사용의 장점은, 미리 결정된 방향으로 정확히 조준할 수 있다는 것이며, 또한 정해진 배열의 미세 구조 형성이 가능하다는 것이다. 아래의 도 6에 레이저로 표면처리가 된 티타늄의 표면을 나타내었다. 사진에서 볼 수 있는 규칙적인 표면 구조는 자연적인 골소주와 유사한-생리학적으로 유지력 있는 구조를 만들려는 시도에서 선택되었다. An excimer laser is also used to roughen the surface of the implant. The advantage of using a laser is that it can be aimed precisely in a predetermined direction, and it is also possible to form a microstructure in a predetermined arrangement. 6 shows the surface of titanium treated with a laser. The regular surface structure shown in the picture was chosen in an attempt to create a physiologically retaining structure similar to natural bone shochu.

표면에 pore를 형성하여 pore 내부로 골이 성장하여 3차원적인 골 유착을 얻어내는 방식도 최근 임상에 적용되고 있다. Endopore 임플란트 시스템은 매우 독특하다. 약 44 ~ 150 ㎛의 구형 티타늄 입자를 1250℃ 진공상태에서 소결시킨 것으로 150 ~ 300 ㎛의 pore depth를 갖고 있어 골세포가 pore 내부로 성장하여 접촉면적을 매우 넓힌 표면의 형태이다. 이 시스템은 골질이 불량한 골이나 잔존 골의 양이 낮은 부위에도 사용할 수 있다. 길이 12 mm, 직경 4 mm인 Branemark 나사형 임플란트의 표면적은 248 mm2이지만, Endopore 길이 12 mm, 직경 4.1 mm의 표면적은 781 mm2로 3배 이상 넓은 면적을 갖고 있어 하중을 충분히 결딜 수 있다. Forming pore on the surface to grow bone inside the pore to obtain a three-dimensional bone adhesion has also been applied in clinical recently. The Endopore implant system is very unique. Spherical titanium particles of about 44 ~ 150 ㎛ are sintered in vacuum at 1250 ℃ and have a pore depth of 150 ~ 300 ㎛, and bone cells grow inside the pores and have a very wide contact area. The system can also be used for areas with poor bone quality or low amounts of remaining bone. The Branemark threaded implant with a length of 12 mm and a diameter of 4 mm has a surface area of 248 mm 2, but the surface area of Endopore with a length of 12 mm and a diameter of 4.1 mm is 781 mm 2, which is more than three times larger and can withstand loads.

표면에 pore를 형성하여 pore 내부로 골이 성장하여 3차원적인 골 유착을 얻어내는 또 다른 방식으로 양극산화법이 있다. Ti-Unite 임플란트 시스템이 양극산 화법을 사용하고 있는데, 이 기술은 전기화학적으로 티타늄 임플란트의 표면을 산화시키는 것이다. 인가되는 전계가 높은 경우 표면에 micro-arc가 발생하는데, 이 micro-arc가 산화막의 pore 구조를 만들게 된다. Anodization is another way of forming pores on the surface and growing bones into the pores to achieve three-dimensional bone adhesion. The Ti-Unite implant system uses anodization, which electrochemically oxidizes the surface of titanium implants. When the applied electric field is high, micro-arc is generated on the surface, which makes the pore structure of the oxide film.

최근의 치과용 임플란트 개발의 동향은 치조골(齒槽骨)과 마주 닿는 표면의 생체 친화성 증진에 그 중심을 두고 있다. 고대로부터 현재까지 치아 이식에 대한 연구는 계속 되어왔지만, 낮은 성공률로 인하여 대중화되지는 못하였다. 그러나 1982년 캐나다 토론토에서 스웨덴의 Branemark가 티타늄에 기반을 둔 골 유착 임플란트를 발표한 뒤, 임상 성공률이 90%를 넘어서면서 임플란트 시술은 세계적으로 대중화되었다. 이때를 기점으로 하여 본격적인 치과용 임플란트의 연구개발이 시작되었다. Recent trends in dental implant development have centered on enhancing biocompatibility of surfaces facing the alveolar bone. To date, research on tooth transplantation has continued, but it has not been popularized due to its low success rate. However, after Branemark of Sweden announced a titanium-based bone adhesion implant in Toronto, Canada in 1982, the implant procedure became popular worldwide with clinical success rates exceeding 90%. From this point on, research and development of a full-scale dental implant began.

치과용 임플란트는 인체의 치아를 대체하는 생체 재료이다. 따라서 임플란트가 갖추어야 할 조건은 재료 자체의 고유한 특성(물리적 특성, 기계적 특성), 임플란트의 형상(기계적 특성), 체액 등과의 반응(화학적 특성), 생체 조직과의 반응(생물학적 특성) 등으로 나누어 볼 수 있다. Dental implants are biomaterials that replace the teeth of the human body. Therefore, the conditions that the implant must have are divided into the inherent properties (physical and mechanical properties) of the material itself, the shape of the implant (mechanical properties), the reaction with body fluids (chemical properties), and the reaction with biological tissues (biological properties). can see.

인공 치아로서 임플란트는 모재의 특성(밀도, 강도, 인장 응력, 압축 응력, 탄성, 피로 특성) 등이 치아의 그것과 같거나 비슷해야 한다. 가령 모재의 강도가 매우 크면 임플란트 주변의 치조골이 소실되며, 모재의 강도가 충분하지 않으면 임플란트의 파괴가 일어난다. 대부분의 임플란트는 치조골에 나사산을 만들어 매식하게 된다. 이 때 나사산의 설계는 지속되는 저작 운동에도 불구하고 임플란트의 탈리가 일어나지 않도록 신중을 기하게 된다. 한편, 치조골과의 기계적 접착 성능을 강화하기 위하여 표면에 거칠기를 가하기도 한다. As an artificial tooth, the implant must have the same properties as the base material (density, strength, tensile stress, compressive stress, elasticity, fatigue properties), or the like. For example, if the strength of the base material is very large, the alveolar bone around the implant is lost, and if the strength of the base material is insufficient, the destruction of the implant occurs. Most implants are threaded into the alveolar bone to be implanted. At this time, the thread design is careful not to cause detachment of the implant despite the continuous chewing movement. On the other hand, in order to enhance the mechanical adhesion with the alveolar bone, the surface may be roughened.

치조골에 매식된 임플란트는 체액, 대식세포, 파골세포, 조골세포 등과 접하게 된다. 가장 우선적으로 임플란트는 체액에 대하여 원하지 않는 부식이 일어나지 않아야 한다(여기서 원하지 않는 부식이란, 조골 세포를 유도하기 위해 용해성 CaP 등을 코팅하여 그것이 녹아나가는 현상을 제외한 부식을 의미한다). 체액은 매우 다양한 이온들이 녹아있는 수용액이기 때문에 이러한 부식 문제를 일으키지 않기 위해서는 임플란트 표면의 내화학성이 보장되어야 한다. 한편, 임플란트는 치조골을 비롯한 임플란트가 매식된 부위의 조직으로부터 거부반응을 일으키지 않아야 한다. 임플란트가 세포 독성을 갖고 있지 않아야 하고, 생체 친화성을 지니고 있어야함을 의미하며, 최근의 많은 연구는 임플란트의 조골세포에 대한 bio-compatibility 뿐만 아니라 bio-activity의 개선에 많은 노력을 기울이고 있다. Implants embedded in the alveolar bone are in contact with body fluids, macrophages, osteoclasts, osteoblasts, and the like. First and foremost, the implant must not have unwanted corrosion on body fluids (where unwanted corrosion means corrosion, except for the dissolution of it by coating soluble CaP to induce osteoblasts). Since body fluid is an aqueous solution in which a wide variety of ions are dissolved, chemical resistance of the implant surface must be ensured in order not to cause such corrosion problems. On the other hand, the implant should not cause rejection from the tissue of the implanted site including the alveolar bone. This means that the implant should not have cytotoxicity and should have biocompatibility, and a lot of recent research has been focused on improving bio-activity as well as bio-compatibility of osteoblasts.

치과용 임플란트가 갖추어야 할 조건을 물리적 특성, 기계적 특성, 화학적 특성, 생물학적 특성 등으로 나누어 다음의 표 2에 요약하였다. The conditions that the dental implant must have are summarized in Table 2 below by dividing the physical, mechanical, chemical and biological characteristics.

표 2. 임플란트 개발 요소Table 2. Implant Development Elements

물리적 특 Physical properties 재료학적 물성Material Properties - 재료의 밀도, 강도, 열팽창계수, 등
- 표면의 거칠기, 기공의 분포, 비표면적, 등
- 코팅층의 두께, 조성, 결정화도, 모재와의 접착력, 등
Material density, strength, coefficient of thermal expansion, etc.
-Surface roughness, pore distribution, specific surface area, etc.
-Coating layer thickness, composition, crystallinity, adhesion to the base material, etc.
기계적 특성Mechanical properties 재료의 기계적 특성Mechanical properties of the material - 재료의 인장 응력, 압축응력, 탄성, 등-Tensile stress, compressive stress, elasticity, etc 나사 설계의 특성Characteristics of screw design - 나사산의 깊이, pitch, 테이퍼 각도, 독특한 design, 등-Thread depth, pitch, taper angle, unique design, etc. 화학적 특성Chemical properties 부식학적 특성Corrosive Properties - 금속 임플란트의 부식 특성-Corrosion Characteristics of Metal Implants 유사 체액에 대한
반응 특성
For analogous fluids
Reaction characteristics
- 피막의 소멸 또는 새로운 피막의 형성
- 표면 조성의 변화, 결정화도의 변화, 등
-Disappearance of the film or formation of a new film
-Change in surface composition, change in crystallinity, etc.
생물학적 특성Biological properties 체외 실험In vitro experiment - Human derived osteoblast의 증식 특성
- ALP (Alkaline Phosphatase) activity 특성, 등
-Proliferative characteristics of human derived osteoblast
-ALP (Alkaline Phosphatase) activity characteristics, etc
체내 실험Body experiment - 조직학적 분석을 통한 신생골 형성
- Osteoblast, osteoclast등의 활성 특성
- RTQ (Removal Torque) 특성
- RFA (Resonance Frequency Analysis) 특성
-New bone formation through histological analysis
-Activity characteristics of Osteoblast, osteoclast
RTQ (Removal Torque) characteristics
-RFA (Resonance Frequency Analysis) characteristics

치과용 임플란트는 망실된 치아를 대체하는 의용공학적 입장에서 시작되었다. 그래서 개발의 초기단계에는 치아의 외형과 기계적 물성에 연구의 초점이 맞추어져 있었다. 재료의 밀도, 강도, 인장 응력, 압축 응력, 탄성 등에 관한 많은 연구가 있었다. 한편, 기계적 물성을 만족하더라도 복잡다단한 체액에서 부식/거부반응을 일으키지 않는 것은 필수적으로 해결해야 하는 문제였다. 다양한 금속과 금속 합금 등의 특성이 평가되었으며, 이러한 연구의 결과로 티타늄 내지 티타늄 합금 등이 가장 유력한 소재로 인정받고 있다. Dental implants began with a medical engineering position to replace lost teeth. Thus, in the early stages of development, research focused on the appearance and mechanical properties of teeth. There have been many studies on the density, strength, tensile stress, compressive stress, elasticity, etc. of materials. On the other hand, even if it satisfies the mechanical properties it is a problem that must be solved not to cause a corrosion / rejection reaction in complex body fluids. The characteristics of various metals and metal alloys have been evaluated. As a result of these studies, titanium and titanium alloys have been recognized as the most potent materials.

치과용 임플란트에 적용하기 위한 재료의 선정에 관한 연구가 충분히 진행 되면서, 차츰 연구의 관심은 임플란트의 표면의 개선으로 그 중심이 이동하게 되었다. 치아의 기계적 물성을 만족하면서 거부반응을 일으키지 않는 임플란트는 그것 자체로서도 치과용 임플란트로의 사용이 가능하지만, 우수한 골접합을 빠른 시일 내에 이룩하여 환자의 삶의 질 향상에 기여하기위한 것이 그 이유이다. 이러한 노력은 임플란트의 표면 개선(개질)하는 것을 그 중심으로 삼고 있다. As research on the selection of materials for dental implants has progressed sufficiently, the focus of the research has shifted its focus to improving the surface of implants. Implants that satisfy the mechanical properties of the teeth and do not cause rejection can be used as dental implants by themselves, but this is because the purpose of contributing to the improvement of the quality of life of patients by achieving excellent bone bonding as soon as possible. . This effort centers on improving the surface of the implant.

치과용 임플란트의 표면 개질은 크게 물리적 특성의 개질과 화학적 특성의 개질로 나누어볼 수 있다. 물리적 특성의 개질의 목표는 표면의 거칠기를 조절함으로써 매식된 임플란트와 치조골 간의 결합력을 증진시키는데 있다. 수십~수백μm 수준에서의 표면 거칠기 조절은 치조골과의 결합력이 부족하더라도 탈리되지 않을 수 있도록 기계적 접착 성능을 강화시킬 수 있으며, 수십μm 이하에서의 거칠기 조절은 조골세포와 친화적인 표면 을 만드는데 그 목적을 두고 있다. 표면 조도를 제어하기 위하여 다양한 입도의 알루미나 분말, 티타니아 분말, 칼슘-포스페이트 분 말 등을 분사하여 임플란트 표면의 거칠기를 조절하기도 하며, 티타늄 분말을 임플란트의 형상으로 소성하여 큰 기공을 만들기도 한다. 또한 酸으로 표면을 부식시켜 거친 표면을 만들거나 앞서 언급한 분말 분사 방법과 조합을 하기도 한다. 하지만, 분말 분사의 방법은 공정 중에 발생하는 분진의 문제로 인하여 되도록 회피하고자 하는 공정 중에 하나이다. Surface modification of dental implants can be broadly divided into physical properties and chemical properties. The goal of the modification of physical properties is to enhance the bond between the implanted implant and the alveolar bone by controlling the surface roughness. Surface roughness control at the level of tens to hundreds of micrometers can enhance the mechanical adhesion performance so that it cannot be detached even if the bonding strength with the alveolar bone is insufficient, and roughness control at tens of micrometers or less makes the surface friendly with osteoblasts. Leave. In order to control the surface roughness, alumina powder, titania powder, calcium-phosphate powder, etc. of various particle sizes are sprayed to control the roughness of the implant surface, and the titanium powder is fired into the shape of the implant to make large pores. They may also be used to corrode the surface to produce a rough surface, or to combine it with the powder spraying methods mentioned earlier. However, the method of powder injection is one of the processes to be avoided as much as possible due to the problem of dust generated during the process.

화학적 특성의 개질은 조골세포와의 친화성을 높임으로써 빠른 골접합을 이루는 것과, bone mineral과의 강한 화학적 결합력을 얻는 것이 목표이다. 임플란트 표면처리는 대부분 표면 화학과 조골세포 증식/특성 발현의 관계에 초점을 맞추고 있다. 이러한 표면 화학의 개질의 방법은 크게 네 가지로 나눌 수 있다. 첫째 티타늄을 열처리함으로써 모재에 강하게 밀착된 산화 티타늄을 특정한 결정상으로 만드는 방법, 둘째 뼈의 미네랄 성분과 비슷한 칼슘-포스페이트계의 생체활성 세라믹/글라스를 진공 증착법을 이용하여 코팅하는 방법, 셋째 표면에 hydroxyl기(-OH)를 고정하는 방법, 넷째 특정한 펩타이드를 고정하는 방법 등이 있다. The modification of the chemical properties is aimed at achieving rapid bone bonding by increasing affinity with osteoblasts and obtaining strong chemical bonds with bone minerals. Most implant surface treatments focus on the relationship between surface chemistry and osteoblast proliferation / characteristic expression. There are four main methods for modifying these surface chemistries. First, heat treatment of titanium to make titanium oxide strongly adhered to the base material into a specific crystalline phase, second, calcium-phosphate-based bioactive ceramics / glasses similar to the minerals of bone are coated by vacuum deposition method, and third hydroxyl on the surface And a fourth method of fixing a specific peptide.

티타늄을 열처리하는 경우 표면에 생성되는 산화막을 열처리 온도와 시간에 따라 특정한 두께의 amorphous, anatase, rutile 상으로 만들 수 있기 때문에, 목적에 따라 표면 산화막의 결정상과 두께를 조절하여 조골세포와의 반응성을 제어할 수 있다. 산화티타늄은 생체 불활성을 띠고 있기 때문에 최근의 생체 활성 유도의 연구에서는 배제되고 있는 실정이다. When titanium is heat-treated, the oxide film formed on the surface can be made into amorphous, anatase, or rutile phases with a specific thickness according to the heat treatment temperature and time. Therefore, the crystal phase and thickness of the surface oxide film can be adjusted according to the purpose to improve reactivity with osteoblasts. Can be controlled. Since titanium oxide is bioinert, it is excluded from recent studies of bioactivity induction.

칼슘-포스페이트계의 생체활성 세라믹/글라스를 코팅하는 경우 조성과 증착 방법 등에 따라 코팅된 피막이 체액 내에서 서서히 용해/흡수되어 수산화 아파타이 트 형성에 유리한 환경을 조성할 수도 있으며, 수산화 아파타이트와 비슷한 상태의 코팅 피막을 만듦으로써 조골세포와의 반응성을 높일 수도 있다. In case of coating calcium-phosphate-based bioactive ceramics / glass, the coated film may be dissolved / absorbed slowly in the body fluid depending on the composition and deposition method to create an environment favorable for the formation of hydroxide apatite. You can also increase the reactivity with osteoblasts by making the coating film of.

강알칼리에서 표면처리하거나, silanol등을 이용하여 표면처리하는 등의 여러 가지 방법에 의하여 도입된 hydroxyl기는 표면의 친수성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 체액 내 수산화 아파타이트 형성에 도움이 되고 있는 것으로 보고되고 있다. 한편, 특정한 펩타이드를 여러 단계에 걸친 화학적 표면처리를 통하여 고정하는 경우에도 세포 표면에 존재하는 수많은 단백질과의 강한 결합을 유도할 수 있는 것으로 보고되고 있다. Hydroxyl groups introduced by various methods such as surface treatment in strong alkali or surface treatment using silanol and the like have been reported to not only increase the hydrophilicity of the surface but also help to form hydroxide apatite in body fluids. On the other hand, it has been reported that even when a specific peptide is immobilized through several steps of chemical surface treatment, it can induce strong binding to numerous proteins on the cell surface.

그밖에도 표면을 전기화학적으로 처리하는 기술도 최근 수 년 사이에 많은 관심을 받고 있다. 이는 micro-arc oxidation이라고 하는 기술로서, 절삭된 임플란트를 전해질 속에 넣고 전계를 인가함으로써 표면에서 전해액과 반응을 일으켜 산화층을 형성하며, 강한 전계로 인한 micro-arc의 발생은 산화층에 수 백nm에서 수 μm의 기공을 만듦으로써 거친 표면을 만들 수 있다. 또한 micro-arc로 인하여 발생하는 열은 상온 공정이면서도 산화막을 열처리한 것과 비슷한 결정상으로 유도할 수 있는 공정이다. In addition, techniques for electrochemically treating surfaces have received much attention in recent years. This is a technique called micro-arc oxidation, in which a cut implant is placed in an electrolyte and an electric field is applied to react with the electrolyte at the surface to form an oxide layer. The generation of micro-arc due to a strong electric field is several hundred nm in the oxide layer. By creating pores in μm, rough surfaces can be created. In addition, the heat generated by the micro-arc is a process that can lead to a crystalline phase similar to the heat treatment of the oxide film at room temperature.

다음의 표 3에 치과용 임플란트를 표면처리하기 위해 제시되고 있는 다양한 표면처리기술의 장점과 단점을 요약하였다. Table 3 summarizes the advantages and disadvantages of the various surface treatment techniques proposed for surface treatment of dental implants.

표 3. 치과용 임플란트의 표면 처리 기술Table 3. Surface Treatment Technologies for Dental Implants

기 술 명TECHNICAL NAME 장 점Advantages 단 점Disadvantages Rough machiningRough machining 물리적 처리
나사산 가공된 그대로의 상태
표면 광택
Physical treatment
AS Threaded
Surface polished
표면 거칠기 부족(1~3㎛)
실패율 높음
생체 활성 물질 코팅 없음
Lack of surface roughness (1 ~ 3㎛)
High failure rate
No bioactive material coating
Sand blastingSand blasting 물리적 처리
저렴한 표면 조도 제어
대량 생산의 용이성
Physical treatment
Affordable Surface Roughness Control
Ease of Mass Production
잔류물에 의한 피독
생체 활성 물질 코팅 없음
Poisoning by residue
No bioactive material coating
Acid etchingAcid etching 물리적 처리
1㎛ 내외의 거칠기
대량 생산의 용이성
Physical treatment
Roughness around 1㎛
Ease of Mass Production
표면 거칠기 부족
생체 활성 물질 코팅 없음
Lack of surface roughness
No bioactive material coating
SinteringSintering 물리적 처리
매우 큰 비표면적
Physical treatment
Very large specific surface area
생체 활성 물질 코팅 없음No bioactive material coating
Plasma sprayPlasma spray 화학적 코팅
불량한 골질에 대해서도 우수한 골 형성 효과
짧은 healing time
15㎛ 내외의 거칠기
Chemical coating
Excellent bone formation effect even for poor bone quality
Short healing time
Roughness around 15㎛
임플란트 모재와 낮은 결합력Implant Base and Low Cohesion
Pulsed laser depositionPulsed laser deposition 화학적 코팅
순도 높은 결정질의 HA 코팅
Chemical coating
High purity crystalline HA coating
경제성 및 대량생산의 어려움
아직 많은 연구 필요
Economic and mass production difficulties
Still need a lot of research
Bio-mimetic nano-compositeBio-mimetic nano-composite 화학적 코팅
실제 뼈와 동일한 재생 기전
Chemical coating
Same mechanism of regeneration as real bones
대량 생산 시 재현성이 어려움
아직 많은 연구 필요
Difficult to reproduce in mass production
Still need a lot of research
Ion-beam assisted depositionIon-beam assisted deposition 화학적 코팅
HA 증착시 ion-beam에 의해 코팅층과 모재간 결합력 강화
모재의 표면형상이 그대로 반영
물리적 처리와 융합 가능
Nano-scale control 가능
Chemical coating
Enhance bond between coating layer and substrate by ion-beam during HA deposition
Surface shape of the base material is reflected as it is
Can be combined with physical processing
Nano-scale control possible
아직 많은 연구 필요Still need a lot of research
Micro-arc oxidationMicro-arc oxidation 전기화학적 표면산화 기술
Micro-arc에 의한 조도 형성
Micro-arc에 의한 열처리 효과
상온 공정
Electrochemical Surface Oxidation Technology
Roughness Formation by Micro-arc
Heat treatment effect by micro-arc
Room temperature process
많은 전력 소모High power consumption

많은 의공학자, 재료공학자들은 앞서 언급한 바와 같이 현재 다양한 방법으로 임플란트의 표면화학을 변화시킴으로써 조골세포에 대한 친화성을 증진시킴으로써 임플란트 시술 후 빠른 회복과 강한 골접합 성능을 얻고자 노력하고 있다. In vitro 또는 in vivo 실험의 결과에 의하면 매우 우수한 결과들이 보고되고 있다. 아직 임상에 적용되지는 않고 있지만, 여러 가지의 화학적 표면처리 기술의 임상 적용은 매우 임박한 것으로 추정되고 있다. As mentioned above, many medical and material engineers are currently striving to achieve fast recovery and strong bone bonding performance after implant surgery by enhancing the affinity for osteoblasts by changing the surface chemistry of the implant in various ways. Very good results have been reported by in vitro or in vivo experiments. Although not yet applied clinically, the clinical application of various chemical surface treatment techniques is estimated to be very imminent.

표면이 개질된 치과용 임플란트의 특성평가기술은 상당히 낙후되어 있는 상태이다. 많은 의공학/재료공학자들에 의하여 다양한 방법의 표면특성 평가기술이 제시/적용되고 있지만, FDA의 가이드라인, ASTM, ISO, KS, JIS 등의 규격에서 제시하고 있는 평가기술들은 최근의 연구를 반영하고 있지 못하다. 이들이 제시하고 있는 규격의 내용을 살펴보면, 임플란트 재료의 물성 측정기법 (ASTM F138, F799, F1088, F1537), 재료의 부식 특성 분석기법 (ASTM STP684, STP859, F746, F1089, F1801, F2129), 일반적인 생체 관련 분석기법 (ASTM F748, F1027), 칼슘-포스페이트 코팅층의 접착력 측정기법 (ASTM F1147), 칼슘-포스페이트 코팅층의 물성 측정기법 (ASTM F1609), 생체 글라스/세라믹의 일반적 물성 분석기법 (ASTM F1538), 플라즈마 용사된 수산화 아파타이트의 XRD 분석기법 (ASTM F2024) 등이 있다. 제시되어 있는 분석/측정의 기법들은 대부분 임플란트 재료의 물성에 대한 측정기법이나 코팅층의 접착력 분석기법 등에 한정되어 있으며, 최근의 연구동향에서 제시되고 있는 다양한 표면특성 평가기술은 포함되어 있지 않다. 이는 아직 다양한 종류의 표면처리기술의 임상 적용에 대한 수요가 크지 않았기 때문인 것으로 추정해 볼 수 있다. Characterization techniques for surface-modified dental implants are far behind. Many medical and material engineers suggest and apply various methods of evaluation of surface properties, but the evaluation techniques suggested by FDA's guidelines, ASTM, ISO, KS, JIS, etc. reflect recent research. There is no. If you look at the contents of these specifications, you can find the physical properties of implant materials (ASTM F138, F799, F1088, F1537), corrosion analysis of materials (ASTM STP684, STP859, F746, F1089, F1801, F2129) Related analytical methods (ASTM F748, F1027), adhesion measurement method of calcium-phosphate coating layer (ASTM F1147), physical property measurement method of calcium-phosphate coating layer (ASTM F1609), general property analysis method of biological glass / ceramic (ASTM F1538), XRD analysis of plasma sprayed hydroxide apatite (ASTM F2024). Most of the proposed analysis / measurement techniques are limited to measuring the properties of implant materials and adhesion analysis of coating layers, and do not include various surface property evaluation techniques proposed in recent research trends. This may be due to the lack of demand for clinical application of various types of surface treatment technology.

임플란트 개발 패러다임의 변화에 대하여 임상에서 적용되고 있는 임플란트 표면처리 기술과 치과용 임플란트 평가기술의 위치를 다음의 표 4에 도식적으로 나타내었다. 많은 기술 개발에 있어서 연구, 개발, 평가는 그 순서대로 새로운 패러다임이 적용되는 것이 일반적인 현상이다. 치과용 임플란트의 개발에 있어서도 마찬가지이다. 연구/개발 분야에서는 이미 표면 개질에 대한 심도 있는 연구가 진행 중이지만, 임상/평가기술 분야에서는 아직 이에 대한 접근이 미진하다. The position of implant surface treatment technology and dental implant evaluation technology that is applied in the clinic about the change of the implant development paradigm is schematically shown in Table 4 below. In many technological developments, research, development, and evaluation are common in that new paradigms are applied in that order. The same applies to the development of dental implants. In-depth research on surface modification is already underway in research and development, but there is still insufficient approach in clinical / evaluation technology.

표 4. 임플란트 개발 패러다임 변화에 대한 임상 적용기술 및 임플란트 평가 기술의 위치Table 4. Location of Clinical Applications and Implant Assessment Technologies for Changes in Implant Development Paradigms

초기의 임플란트 개발Early implant development 최근의 임플란트 개발Recent Implant Development 연구/개발의
패러다임 변화
Of research / development
Paradigm shift
인공치아로서의
최소한의 요구조건 만족
As an artificial tooth
Meet minimum requirements
골접합 특성 개선에 대한
수요 만족
For improving bone bonding characteristics
Demand Satisfaction
인공치아로서 기계적 특성 만족
생체 불활성 (biocompatibility)
Satisfies mechanical properties as an artificial tooth
Biocompatibility
표면 개질의 개념 도입
생체활성 개념도입
Introduction of the concept of surface modification
Introduction of bio-activity concept
임상에 적용되고 있는
임플란트 처리 기술의 위치
Being applied to the clinic
Location of Implant Treatment Technology
--------------★------------------------------ ★ ----------------
치과용 임플란트
평가 기술의 위치
Dental implant
Location of evaluation technology
-----------★------------------------------ ★ -------------------

도 1은 생체활성물 코팅을 위하여 화학적으로 표면처리된 금속 표면의 주사전자현미경 사진이다.( a) 공정시간 6시간, b) 공정시간 12시간, c) 공정시간 24시간, d) 공정시간 48시간)1 is a scanning electron micrograph of a metal surface chemically treated for bioactive coating (a) process time 6 hours, b) process time 12 hours, c) process time 24 hours, d) process time 48 time)

도 2는 본 발명에 따른 금속표면 처리가 되기전의 금속시편에 물방울을 떨어뜨렸을 경우의 접촉각사진.Figure 2 is a contact angle photograph when the water droplets dropped on the metal specimen before the metal surface treatment according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 금속표면 처리가 된 금속시편에 물방울을 떨어뜨렸을 경우의 접촉각사진.Figure 3 is a contact angle photograph when the water droplets dropped on the metal surface treated metal specimen according to the present invention.

도 4에 블래스팅법과 산부식에 의해 표면이 처리된 Ledermann 임플란트의 사진. Figure 4 is a photograph of a Ledermann implant surface-treated by blasting method and acid corrosion.

도 5에 블래스팅 후 산처리의 전/후 표면 상태를 비교 사진.Figure 5 is a photograph comparing the surface state before and after acid treatment after blasting.

도 6에 레이저로 표면처리가 된 티타늄의 표면 사진. Figure 6 is a surface photograph of titanium surface-treated with a laser.

Claims (6)

(a) 티타늄을 수산화나트륨 알칼리 수용액으로 표면 처리하는 단계,(a) surface treating titanium with an aqueous alkali solution of sodium hydroxide, (b) 상기 표면 처리된 티타늄을 어닐링하는 단계,(b) annealing the surface treated titanium, (c) 생체활성 유기물을 포함하는 완충용액에 상기 어닐링된 티타늄을 함침시켜 상기 어닐링된 티타늄 상에 생체활성 유기물을 코팅하는 단계, 및(c) impregnating the annealed titanium in a buffer containing a bioactive organic material to coat the bioactive organic material on the annealed titanium, and (d) 상기 생체활성 유기물이 코팅된 티타늄을 감압 건조하는 단계를 포함하는 티타늄 표면 처리방법으로서;(d) a titanium surface treatment method comprising the step of drying the titanium coated with the bioactive organic material under reduced pressure; 상기 표면 처리 단계는 6 시간 동안 600 ℃에서 5 mol/L 농도의 상기 수산화나트륨 알칼리 수용액에 상기 티타늄을 에칭함으로써 수행되며;The surface treatment step is performed by etching the titanium in the aqueous sodium hydroxide alkali solution at a concentration of 5 mol / L at 600 ° C. for 6 hours; 상기 어닐링 단계는 산소 포함 분위기 및 900 ℃의 온도에서 수행되며;The annealing step is performed at an oxygen containing atmosphere and at a temperature of 900 ° C .; 상기 어닐링된 티타늄 표면의 접촉각은 20°이고;The contact angle of the annealed titanium surface is 20 °; 상기 생체활성 유기물은 RGD(Arg-Gly-Asp) 서열을 포함하는 펩타이드인 것을 특징으로 하는 금속의 표면 처리방법.The bioactive organic material is a surface treatment method of a metal, characterized in that the peptide comprising an RGD (Arg-Gly-Asp) sequence. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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