KR101095909B1 - 생체뼈 유도성의 인공뼈와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

티타늄 또는 티타늄 합금의 하나의 덩어리로 이루어지고, 직경 100∼3000㎛의 연이어 통한 구멍(3)과, 직경 50㎛ 이하의 구멍(4)을 갖고, 공극율이 30∼80%인 다공질체와, 비정질 산화티탄 상, 비정질 알칼리 티탄산염 상, 아나타제 상 및 (101)면으로 배향한 루타일 상 중에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지고, 그 다공질체에서의 상기 구멍 및 구멍의 표면의 적어도 일부에 형성된 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 인공뼈이다. 고강도이고 뼈 유도성을 갖는다.

인공뼈, 티타늄, 티타늄 합금, 다공질체, 비정질 산화티탄 상, 비정질 알칼리 티탄산염 상, 아나타제 상, 루타일 상.

Description

생체뼈 유도성의 인공뼈와 그 제조방법{ARTIFICIAL BONE CAPABLE OF INDUCING NATURAL BONE AND METHOD FOR PREPARATION THEREOF}

본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금의 하나의 덩어리로 이루어지는 인공뼈에 속하며, 특히 생체뼈 유도성의 인공뼈와 그 제조방법에 관한 것이다.

[특허문헌 1] 일본 특허 제2775523호 공보

[특허문헌 2] 일본 특개2002-102330호 공보

[비특허문헌 1] J. Biomed. Mater. Res. (Appl.Biomater.), 58, 270-276(2001)

티타늄 또는 티타늄 합금(이하, 단지 티타늄 등 이라고 한다.)은 생체에 대한 독성이 적으므로, 인공뼈 재료로서 이용되고 있다. 종래, 티타늄 등으로 이루어지는 인공뼈 재료로서는, 티타늄 등의 표면에 비정질 알칼리 티탄산염으로 이루어지는 피막을 형성하고, 필요에 따라 그 위에 아파타이트로 이루어지는 제 2 피막을 형성한 것(특허문헌 1), 티타늄 등의 표면에 아나타제로 이루어지는 피막을 형성하고, 필요에 따라 그 위에 아파타이트로 이루어지는 제 2 피막을 형성한 것(특허문헌 2)이 알려져 있다. 이들 인공뼈 재료는 모두 생체뼈와의 결합성이 우수하다. 즉, 이들 인공뼈 재료를 생체의 뼈 결손부에 메워넣었을 때, 인공뼈 재료의 표면이 그것과 접촉하는 주변 생체뼈와 견고하게 결합하는 것이다.

한편, 수산 아파타이트 세라믹스 등으로 이루어지는 특정한 세라믹스 다공질체는, 본래 뼈가 존재하지 않는 장소, 예를 들면 근육내에서도 새로운 뼈를 형성하는 뼈 유도능력을 갖는 것이 알려져 있다(비특허문헌 1).

그러나, 세라믹스 다공질체는, 압괴강도가 10∼30MPa 정도이고, 파괴인성도 5MPa√m 이하의 취성의 재료이므로, 체내에 메워넣어서 부하를 가하면 파손되어 버린다. 따라서, 현실적으로는 사용범위가, 부하가 작용하지 않는 부위로 한정된다.

그 때문에, 본 발명의 과제는 하중에 견디고 또한 뼈 유도성의 인공뼈를 제공하는 것에 있다.

그 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 인공뼈는,

티타늄 또는 티타늄 합금의 하나의 덩어리로 이루어지고, 직경 100∼3000㎛, 바람직하게는 직경 200∼500㎛의 삼차원 망목형상으로 연이어 통한 구멍과, 구멍의 내면에 직경 50㎛ 이하의 미세구멍을 갖고, 공극율이 30∼80%인 다공질체와,

비정질 산화티탄 상, 비정질 알칼리 티탄산염 상, 아나타제 상 및 (101)면으로 배향한 루타일 상 중에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지고, 그 다공질체에서의 상기 구멍 및 미세구멍의 표면의 적어도 일부에 형성된 피막을 갖는 것을 특징으로 한다.

도 1에 모식적으로 도시하는 바와 같이, 본 발명의 인공뼈(1)를 생체조직(2)내에 메워넣으면, 체액 및 세포(이하, 「체액 등」이라고 한다.)가 화살표와 같이 구멍(3)을 통하여 인공뼈(1)내에 고루 보급된다. 체액 등은 구멍(3)을 통과중에 미세구멍(4)에 포획된다. 상기 비정질 산화티탄 상, 비정질 알칼리 티탄산염 상, 아나타제 상 및 (101)면에 배향한 루타일 상은, 모두 생체중에서 아파타이트 형성능력을 갖는다. 따라서, 미세구멍(4)에 포획된 체액 등은 미세구멍(4)내 또는 미세구멍(4)의 주변에 형성된 피막(도시 생략)과 반응하여, 피막상에 뼈를 형성한다. 이 점에서, 생체뼈와의 접촉부분에서만 뼈를 형성하고, 생체뼈와 결합하고 있었던 종래의 티타늄 등으로 이루어지는 인공뼈와 현저하게 상이하다. 즉, 종래의 인공뼈는, 상기 생체조직(2)이 생체뼈로서, 메워 넣기 장소가 뼈 결손부라고 하면, 인공뼈와 생체조직(2)과의 접촉부분(예를 들면 A부)에서만 새로운 뼈를 형성하고 있었던 것에 반해, 본 발명의 인공뼈(1)는, 미세구멍(4) 내측이나 그 주변과 같이 생체조직(2)으로부터 떨어진 장소에서도 새로운 뼈를 형성하는 것이다.

한편, 도 1은 모식도이기 때문에, 구멍(3)의 직경이 인공뼈(1)의 표면으로부터 내부에 이르기까지 똑같이 되어 있지만, 반드시 똑같지 않아도 100∼3000㎛의 범위에 속해 있으면 된다. 오히려 현실적으로는 똑같지 않다. 미세구멍(4)의 직경도 마찬가지로 상기의 범위에서 다양하다.

단, 구멍의 직경이 100㎛에 이르지 않으면, 체액 등이 통과하기 어렵고, 3000㎛를 넘으면, 새롭게 형성된 뼈에서 공공이 메워지는데 상당히 긴 세월을 필요로 하므로, 100∼3000㎛의 범위로 한정했다. 또, 미세구멍의 직경이 50㎛를 넘으면 체액 등이 포획되기 어려우므로, 50㎛ 이하로 했다.

상기 피막을 구성하는 상중, 아파타이트 형성능력은 아나타제 상이 높다. 한편, 아파타이트와 티타늄과의 장기 결합강도는 비정질 알칼리 티탄산염 상이 우수하다. 결국 피막은 0.1∼10.0㎛의 두께를 가지면 바람직하다. 두께가 0.1㎛에 이르지 못하면, 뼈 형성 능력이 부족하게 되고, 10.0㎛ 이면 뼈 형성 능력을 충분하게 갖기 때문이다.

본 발명의 인공뼈를 제조하는 하나의 적절한 방법은,

상기의 다공질체를, 알칼리성 수용액중에 담그는 것을 특징으로 한다.

티타늄 등으로 이루어지는 다공질체를 알칼리성 수용액에 담그면, 구멍에 수용액이 침입하여, 그 구멍 및 미세구멍의 표면에 주로 비정질 알칼리 티탄산염으로 이루어지는 피막이 형성된다. 이것을 비정질 산화티탄 상이나 아나타제 상으로 변하게 하기 위해서는, 알카리 수용액에 담근 후, 물에 담근다. 그러면 티탄산염의 알칼리 성분이 수중의 히드로늄 이온과 교환되어, 산화 티탄의 비정질 상 또는 아나타제 상이 된다. 이 물로서는, 150℃ 이하, 30∼90℃의 온수가 바람직하다. 또한, 온수에 담그는 시간은 수온이 낮을 수록 길게 한다.

상기 다공질체는, 피용사체상에 티타늄 분말을 플라즈만 용사 함으로써 얻을 수 있다. 이 경우, 상기 티타늄 분말은, 부정형의 입자의 군으로 이루어지고, 그 개개의 입자가 다공질이면 바람직하다. 입자 간극이 상기의 구멍, 입자내의 구멍이 상기의 미세구멍으로 되도록 제어할 수 있기 때문이다. 또한, 상기 티타늄 분말은, 입경 20∼30㎛의 미세 분말과 입경 100∼300㎛의 조분말로 이루어지면 좋다. 그것들의 비율에 따라 원하는 공극율의 다공질체가 얻어지고, 입자간의 결합을 강화할 수 있기 때문이다.

또, 상기 다공질체를 상기 알카리수 용액중에 담근 후 또는 더욱 계속해서 물에 담근 후에 가열하면, 비정질 알칼리 티탄산염 상 또는 아나타제 상의 비율이 증가한다. 이 가열온도는 200∼800℃가 바람직하다. 200℃에 이르지 못하면 아나타제 상으로의 결정화가 일어나기 어렵고, 800℃를 넘으면 티타늄 등이 상변화 하거나 연화가 진행되거나 하여 기계적 강도가 저하되기 때문이다.

본 발명의 인공뼈를 제조하는 또하나의 적절한 방법은,

상기의 다공질체를, 전기분해액중에서 양극산화 하는, 바람직하게는 불꽃 방전을 발생하는 전압으로 양극산화 하는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 전기분해액이 황산 또는 황산염을 포함하는 수용액이면 바람직하다. 그러한 전기분해액중에서 양극산화 하면 아나타제 상과 (101)면으로 배향한 루타일 상이 공존한 피막이 형성된다. 그리고, 그것들 2개의 상이 공존한 피막은, 특히 아파타이트 형성능력이 우수하기 때문이다. 또한, 본 명세서에서는 루타일에 관해서는, (101)면 유래의 피크 강도가 (110)면 유래의 피크 강도의 1/2을 넘어 있을 경우를, (101)면에 배향되어 있다고 한다.

도 1은, 본 발명의 인공뼈를 생체조직에 메워넣은 상태를 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 2는 실시예의 인공뼈에 적용되는 다공질체의 구멍 직경 분포를 도시하는 도면이다. 도 3은, 상기 다공질체의 공극율을 도시하는 도면이다. 도 4는, 상기 인공뼈를 생체조직에 12개월간 메워넣은 후, 염색 시험을 한 상태를 도시하는 약 120배 확대사진이다.

발명을 실시하기 위한 최량의 형태

- 예비실험예-

15×10×1mm³의 티타늄 판을 5M 농도의 수산화 나트륨 수용액에 60℃에서 24시간 담그고, 계속해서 40℃의 증류수에 48시간 담근 후, 600℃에서 1시간 가열했다. 얻어진 기판의 표면을 박막 X선회절에 의해 조사한 바, 다량으로 석출한 아나타제로 이루어지는 피막이 형성되어 있었다.

- 실시예-

입경 20∼30㎛의 부정형 티타늄 미세분말과 입경 100∼300㎛의 부정형 티타늄 조준말이 1대3의 비율로 서로 섞인 혼합분말을 준비했다. 혼합분말을 티타늄 판상에 플라즈마 용사 함으로써, 티타늄 판상에 두께 10mm 정도의 다공질체를 형성했다. 이 다공질체를 잘라내어 연마했다. 0.1mm(100㎛) 연마할 때마다, 연마면에 존재하는 구멍의 직경을 측정했다. 측정결과를 도 2에 도시한다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 다공질체는, 표면으로부터 깊이 5mm까지의 범위에서 직경 300∼500㎛의 연이어 통한 다수의 구멍을 갖고 있었다. 이들 구멍의 면적의 합계를 관찰면의 전체 면적으로 나눈 값을 공극율로 하고, 도 3에 도시한다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 다공질체의 공극율은, 표면으로부터 깊이 5mm까지의 범위에서 30∼60%이었다. 또, 연마면을 100배에 확대하여 관찰한 바, 구멍이 망목형상으로 연속해 있는 동시에, 각 입자내에 0.1∼10㎛ 정도의 구멍이 존재하고 있 었다.

다음에 연마전의 크기 5×5×7mm의 상기 다공질체를 60℃의 5M 수산화 나트륨 수용액에 24시간 담그고, 계속해서 40℃의 증류수에 48시간 담근 후, 600℃에서 1시간 가열했다.

얻어진 다공질체를 성숙한 비글견의 등골에 메워넣고, 12개월 후에 꺼냈다. 이것을 톨루이딘 블루로 염색하고, 광학현미경으로 관찰한 바, 도 4에 약 120배의 확대사진으로 도시하는 바와 같이 다공질체의 구멍 내표면에 라멜라를 갖는 새로운 뼈가 확인되었다. 도 4에서 흑색부분(티타늄을 나타내는 「Ti」 형상의 공백 문자 부분을 포함한다.)이 티타늄, 짙은 회색부분이 신생 뼈, 엷은 회색부분이 기포 혹은 연조직이다. 주사 전자현미경 관찰 및 에너지 분산 X선 스펙트럼에 의하면, 신생 뼈가 티타늄의 표면에 직접 결합해 있고, 칼슘 및 인을 포함하는 것이 판명되었다. 병리학적인 석회화는 확인되지 않았다.

-비교예 1-

플라즈마 용사 하여 얻어진 다공질체를 5×5×7mm의 크기로 잘라내고, 그대로 비글견의 등골에 메워넣은 것 이외는, 실시예와 동일하게 처리했다. 그 결과, 신생 뼈의 형성은 확인되지 않았다.

-비교예 2-

다공질체 대신에 티타늄의 섬유덩어리로 이루어지고, 외경 4mm, 길이 11mm, 공극율 40-60%, 구멍의 직경 50∼450㎛의 원기둥을 사용한 이외는, 실시예와 동일하게 처리했다. 그 결과, 신생 뼈의 형성은 확인되지 않았다.

-비교예 3-

비교예 2의 원기둥을 수산화 나트륨 수용액에도 증류수에도 담그지 않고, 그대로 비글견의 등골에 메워넣은 것 이외는, 비교예 2와 동일하게 처리했다. 그 결과, 신생 뼈의 형성은 확인되지 않았다.

이상과 같이, 본 발명의 인공뼈는, 고강도 및 뼈 유도능력을 가지므로, 생체의 도처에서 보강 또는 대체 재료가 될 수 있다.

Claims (10)

1. 티타늄 또는 티타늄 합금의 하나의 덩어리로 이루어지고, 직경 100∼3000㎛의 삼차원 망목형상으로 연이어 통한 구멍과, 이 구멍의 내면에 직경 50㎛ 이하의 미세구멍을 가지며, 공극율이 30∼80%인 다공질체와,

   비정질 산화티탄 상, 비정질 알칼리 티탄산염 상, 아나타제 상, 및 (101)면 유래의 피크 강도가 (110)면 유래의 피크 강도의 1/2을 넘는 루타일 상 중에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지고, 그 다공질체에 있어서의 상기 구멍과 미세구멍의 표면의 적어도 일부에 형성된 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 생체뼈 유도성의 인공뼈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 피막이 0.1∼10.0㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 인공뼈.
3. 피용사체상에 티타늄 또는 티타늄 합금의 분말을 플라즈마 용사한 후, 피용사체를 잘라냄으로써, 티타늄 또는 티타늄 합금의 하나의 덩어리로 이루어지고, 직경 100∼3000㎛의 삼차원 망목형상으로 연이어 통한 구멍과, 구멍의 내면에 직경 50㎛ 이하의 미세구멍을 갖고, 공극율이 30∼80%인 다공질체를 제작하고, 상기 다공질체를 알칼리성 수용액중에 담그는 것을 특징으로 하는 생체뼈 유도성의 인공뼈의 제조 방법.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서, 상기 티타늄 분말은 부정형의 입자의 군으로 이루어지고, 그 개개의 입자가 다공질인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 티타늄 분말은 20∼30㎛의 미세 분말과 100∼300㎛의 조분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 다공질체를 상기 알카리 수용액중에 담근 후에 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 가열온도가 300∼800℃인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 알칼리성 수용액중에 담근 후, 가열하기 전에 다공질체를 물에 담그는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 삭제

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