KR101389355B1 - 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금인 베이스재료와, 상기 베이스재료에 비해서 낮은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금인 클래딩재료를 클래딩용접 방법으로 용접 처리함으로써 예를 들어 인공 고관절에서는 높은 탄성계수를 갖는 베이스재료로는 고강도를 요하는 치골의 비구부위에 삽입된 볼부재와 결합되는 스템부재 상부로 가공하고 낮은 탄성계수를 갖는 클래딩재료로는 높은 생체 친화도를 요하는 대퇴골 상부측에 삽입되는 스템부재 하부로 가공하여 사용되는 부위에 따라 인공 보형물의 효과가 극대화될 수 있도록 한 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물의 제조방법은 베이스재료 위에 클래딩재료를 안착하는 제 1 단계와, 상기 베이스재료와 상기 클래딩재료를 상호 클래딩 용접하는 제 2 단계와, 용접된 상기 베이스재료와 상기 클래딩재료를 절삭가공하여 인공 보형물을 형성하는 제 3 단계가 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

클래딩 용접을 이용한 인공 보형물 및 그 제조방법{ARTIFICIAL PROSTHESIS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물 및 그 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 높은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금인 베이스재료와, 상기 베이스재료에 비해서 낮은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금인 클래딩재료를 클래딩용접 방법으로 용접 처리함으로써 예를 들어 인공 고관절에서는 높은 탄성계수를 갖는 베이스재료로는 고강도를 요하는 치골의 비구부위에 삽입된 볼부재와 결합되는 스템부재의 상부로 가공하고 낮은 탄성계수를 갖는 클래딩재료로는 높은 생체 친화도를 요하는 대퇴골 상부측에 삽입되는 스템부재의 하부로 가공하여 사용되는 부위에 따라 인공 보형물의 효과가 극대화될 수 있도록 한 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재 인체의 다양한 부위에는 인공 고관절이나 임플란트와 같이 인체와 유사한 형상을 갖고 그 기능을 대체할 수 있도록 가공된 인공 보형물이 삽입 시술됨으로써 정상적인 생활이 가능하게 하고 있다. 이와 같이 신체의 심각한 손상으로 인해 회복 불가한 상태가 된 환자에게 인공 보형물을 대치하는 시술이 널리 행해지고 있으며, 이러한 인공 보형물은 금속이나 세라믹 또는 폴리에틸렌 등이 사용되어 기계적 특성이 우수하고 마찰계수가 작으며 생체적합성을 높이고 있다.

그 중에서도 인공 고관절은 치골과 대퇴골을 연결하는 뼈를 인공 보형물로 대체 시술함으로써 정상적인 보행을 가능하게 해주는 인공 보형물의 대표적인 예이다.

현재 인체에서 골반을 에워싼 치골과 대퇴골의 관절부위인 고관절은 관절부위의 마모와 뼈 조직의 노화 및 각종 사고로 인해서 회복 불가능한 상태가 되어 수술요법을 이용한 즉각적인 치료를 요하는 환자의 수가 점차 증가하고 있는 추세이다.

최근에는 이와 같이 관절부위의 심각한 손상으로 인해 회복 불가한 상태가 된 환자에게 인공관절을 대치하는 시술이 널리 행해지고 있으며, 이러한 인공관절의 관절 운동부위에는 금속이나 세라믹 또는 폴리에틸렌 등이 사용되어 기계적 특성이 우수하고 마찰계수가 작으며 생체적합성을 높이고 있다.

일반적으로 인공 고관절은 치골의 비구(acetabulum)부분과 대퇴골(femur)부분으로 구분되고, 여기서 대퇴골부분은 주로 금속 합금을 사용하며 비구부분은 세라믹이나 폴리에틸렌 등으로 제조하고 있다. 인체 치골의 비구 부위에는 볼이 내삽되어 자유롭게 회전하는 비구컵(acetabular cup)이 안착 시술되고, 대퇴골의 상측부에는 볼을 장착한 스템(stem)이 끼워져 시술되는데, 대퇴골의 상측부에 박힌 스템은 분비되는 골수에 의해 응결 고착된다. 이러한 기존의 인공 고관절은 볼을 장착한 스템이 대퇴골에 끼워져 고착된 상태에서 볼이 비구컵에 내삽되어 회전되므로 대퇴골의 움직임을 구현할 수 있다.

이러한 볼과 스템으로 형성된 인공 고관절은 일반적으로 스테인리스스틸, 코발트-크롬 합금, 티타늄 합금 또는 텐탈륨 등이 하나의 재질로 사용되고 있는데 주조의 방식으로 제조되는 것이 보통이다. 그런데 인공 고관절이 시술되는 위치의 특성상 볼과 스템이 연결되는 연결부위에 지속적으로 수직하중이 가해지게 되어 이 부분이 파손되는 문제점이 있었다.

이에 최근에는 볼이 위치되는 상측은 단열처리하고 스템이 위치되는 하측은 800℃ 내지 900℃의 고열로 열처리해 녹인 다음 양측을 접합해 사용하는 방법이 사용되고 있는데 상측을 단열처리함으로써 탄성계수를 높게 해 수직응력에 대한 저항력을 높이기 위함이고, 하측은 탄성계수를 낮게 해 생체 친화도를 좋게 하기 위함이다. 이와 같이 하측에 탄성계수가 낮은 합금을 사용하는 이유는 상, 하측 모두를 탄성계수가 높은 합금으로 일체화할 경우 높은 탄성계수로 인해서 인접 골에 전달될 인장, 압축, 굽힘 모멘트 등의 응력이 차폐되는 현상이 발생 될 뿐만 아니라 인접 골의 밀도와 두께가 함께 감소되어 골다골증이 유발될 수 있고, 스템 부분과 골의 결합력이 약화되어 추후에 재시술이 필요해 지기 때문이다. 그런데 이와 같은 열처리 방법은 비용이 비싸고 제조설비 상의 문제로 상용화되지 못하고 있는 실정이다.

또한 탄성계수가 높은 상부와 탄성계수가 낮은 상부의 합금을 서로 용접 처리해 사용하는 방법이 사용되기도 하는데 인공 고관절에 주로 사용되는 합금인 티타늄합금의 경우 일반 용접으로는 접합이 불가능하고 레이저 용접으로 접합 가능하지만 통상적으로 볼펜 굵기 이상일 경우 대규모 장비가 필요하기 때문에 이 또한 상용화되지 못하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 높은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금인 베이스재료와, 상기 베이스재료에 비해서 낮은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금인 클래딩재료를 클래딩용접 방법으로 용접 처리함으로써 예를 들어 인공 고관절에서는 높은 탄성계수를 갖는 베이스재료로는 고강도를 요하는 치골의 비구부위에 삽입된 볼부재와 결합되는 스템부재의 상부로 가공하고 낮은 탄성계수를 갖는 클래딩재료로는 높은 생체 친화도를 요하는 대퇴골 상부측에 삽입되는 스템부재의 하부로 가공하여 사용되는 부위에 따라 인공 보형물의 효과가 극대화될 수 있도록 한 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 베이스재료 위에 클래딩재료를 안착하는 제 1 단계와, 상기 베이스재료와 상기 클래딩재료를 상호 클래딩 용접하는 제 2 단계와, 용접된 상기 베이스재료와 상기 클래딩재료를 절삭가공하여 인공 보형물을 형성하는 제 3 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 베이스재료(10)는 30 내지 50mm의 두께로 형성되고, 상기 클래딩재료(20)는 10 내지 12mm의 두께로 형성되는 것으로 한다.

본 발명에서 상기 베이스재료(10)는 Ti-6Al-4V 또는 Ti-6Al-7Nb 중 선택된 탄성계수가 높고 강도가 큰 티타늄 합금으로 이루어지고 상기 클래딩재료(20)는 상기 베이스재료(10)에 비해서 탄성계수가 낮은 티타늄 합금으로 이루어지는 것으로 한다,

이상에서와 같은 본 발명에 따른 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물 및 그 제조방법은 높은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금인 베이스재료와, 상기 베이스재료에 비해서 낮은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금인 클래딩재료를 클래딩용접 방법으로 용접 처리함으로써 예를 들어 인공 고관절에서는 높은 탄성계수를 갖는 베이스재료로는 고강도를 요하는 치골의 비구부위에 삽입된 볼부재와 결합되는 스템부재의 상부로 가공하고 낮은 탄성계수를 갖는 클래딩재료로는 높은 생체 친화도를 요하는 대퇴골 상부측에 삽입되는 스템부재의 하부로 가공하여 사용되는 부위에 따라 인공 보형물의 효과가 극대화될 수 있는 탁월한 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물의 제조방법에 대한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물의 제조방법에 의해 제조된 인공 고관절에 대한 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물의 제조방법에 의해 제조된 임플란트에 대한 사시도.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다. 그리고 각각의 실시예에 있어서 동일한 구성부재에 대해서는 동일부호를 사용함을 밝혀둔다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물의 제조방법은 베이스재료(10) 위에 클래딩재료(20)를 안착하는 제 1 단계와, 상기 베이스재료(10)와 상기 클래딩재료(20)를 상호 클래딩 용접하는 제 2 단계와, 용접된 상기 베이스재료(10)와 상기 클래딩재료(20)를 절삭가공하여 인공 보형물을 형성하는 제 3 단계가 포함된다.

이하에는 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다.

먼저 제 1 단계(S101)에서는 티타늄 합금으로 이루어진 베이스재료(10) 위에 또 다른 티타늄 합금으로 이루어진 클래딩재료(20)가 안착 되도록 하는데, 전술한 베이스재료(10)는 Ti-6Al-4V 또는 Ti-6Al-7Nb 중 선택된 탄성계수가 높고 강도가 큰 티타늄 합금으로 이루어지고 전술한 클래딩재료(20)는 베이스재료(10)에 비해서 탄성계수가 낮은 티타늄 합금으로 이루어진다. 그리고 전술한 베이스재료(10)는 30 내지 50mm의 두께로 형성되고, 클래딩재료(20)는 10 내지 12mm의 두께로 형성된다. 그런데 이때 베이스재료(10)에 비해서 클래딩재료(20)의 두께가 얇게 형성되는바 도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이 필요에 따라 베이스재료(10) 위에 다수개의 클래딩재료(20)를 적층 안착시킬 수도 있다.

전술한 베이스재료(10)는 높은 강도를 필요로 하는 도 2의 인공 고관절(30)에서의 볼부재(33)와 연결되는 스템부재 상부(31)와 도 3의 임플란트(40)에서 인공치와 결합되는 어버트먼트(41)로 가공된다. 또한 전술한 클래딩재료(20)는 높은 생체 친화도를 필요로 하는 도 2의 인공 고관절(30)에서의 대퇴골에 삽입되는 스템부재 하부(32)와 도 3의 임플란트(40)에서 인공치근(42)으로 가공된다.

전술한 제 1 단계(S101)가 종료된 후에는 제 2 단계(S102)가 진행되는데, 이 제 2 단계(S102)는 전술한 베이스재료(10)와 베이스재료(10) 상에 안착 배치된 클래딩재료(20)를 상호 클래딩용접 처리되는 단계이다. 제 2 단계(S102)에서 진행되는 클래딩용접은 서로 다른 금속을 중합시켜 완전히 결합시킨 층 모양의 복합 합금을 만드는 용접의 한 방법으로 종래기술에 따른 클래딩 용접과 동일한 것으로 하여 더 이상의 상세한 설명은 명세서의 간략화를 위해 생략하기로 한다.

전술한 제 2 단계(S102)가 종료된 후에는 제 3 단계(S103)가 진행되는데, 이 제 3 단계(S103)는 서로 클래딩 용접된 베이스재료(10) 및 클래딩재료(20)를 절삭가공하여 각각의 인공 보형물을 형성하는 단계이다.

이때 도 2에 도시된 인공 고관절(30)의 경우 볼부재(33)와 결합되는 스템부재 상부(31)는 베이스재료(10) 내에서 가공되고 대퇴골 내에 삽입되는 스템부재 하부(32)는 클래딩재료(20) 내에서 가공된다. 또한 도 3에 도시된 임플란트(40)의 경우 인공치와 결합되는 어버트먼트(41)는 베이스재료(10) 내에서 가공되고 치조골 내에 삽입되는 인공치근(42)은 클래딩 재료 내에서 가공된다. 또한 볼부재(33)는 세라믹 또는 고분자 합성물로 별도 가공하며 베이스재료(10) 내에서 가공된 스템부재 상부(31)와 억지끼움, 나사결합, 용접 등 다양한 방법으로 상호 고정한다.

이하에는 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물의 제조방법을 이용해 인공 고관절(30)을 제조하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.

먼저 베이스재료(10) 상에 클래딩재료(20) 다수개를 안착시키고 양측을 클래딩 용접한다. 클래딩 용접이 종료된 다음에는 베이스재료(10) 내에서는 스템부재 상부(31)를 가공하고, 다수 개의 클래딩재료(20) 내에서는 스템부재 하부(32)를 가공한다.

즉, 높은 탄성계수를 갖는 베이스재료(10)로는 인공 고관절(30) 중에서 볼부재(33)와 결합되는 스템부재 상부(31) 가공함으로써 볼부재(33)와 결합될 시에 뛰어난 강도를 나타낼 수 있게 된다. 그리고 베이스재료(10)에 비해 낮은 탄성계수를 갖는 클래딩재료(20)로는 인공 고관절(30) 중에서 대퇴골에 삽입되는 스템부재 하부(32)로 가공함으로써 대퇴골에 삽입될 시에 뛰어난 생체 친화도를 나타낼 수 있게 된다.

이하에는 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물의 제조방법을 이용해 임플란트(40)를 제조하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.

먼저 베이스재료(10) 상에 클래딩재료(20) 다수개를 안착시키고 클래딩 용접한다. 클래딩 용접이 종료된 다음에는 베이스재료(10) 내에서는 어버트먼트(41)를 가공하고, 다수 개의 클래딩 재료 내에서는 인공치근(42)을 가공한다.

즉, 높은 탄성계수를 갖는 베이스재료(10)로는 임플란트(40)의 어버트먼트(41)로 가공함으로써 인공치와 결합될 시에 뛰어난 강도를 나타낼 수 있게 된다. 그리고 베이스재료(10)에 비해 낮은 탄성계수를 갖는 클래딩재료(20)로는 치조골 내에 삽입되는 인공치근(42)으로 가공함으로써 치조골에 삽입될 시에 뛰어난 생체 친화도를 나타낼 수 있게 된다.

위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남없이 다른 여러 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 따라서 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시에는 본 발명의 범주 내에 포함된다고 할 것이다.

10 : 베이스재료
20 : 클래딩재료
30 : 인공 고관절
31 : 스템부재 상부
32 : 스템부재 하부
33 : 볼부재
40 : 임플란트
41 : 어버트먼트
42 : 인공치근

Claims (3)

1. 30 내지 50mm의 두께로 형성된 베이스재료(10) 위에 10 내지 12mm의 두께로 형성되는 클래딩재료(20)를 안착하는 제 1 단계(S101);
   상기 베이스재료(10)와 상기 클래딩재료(20)를 상호 클래딩 용접하는 제 2 단계(S102);
   용접된 상기 베이스재료(10)와 상기 클래딩재료(20)를 절삭가공하여 인공 보형물을 형성하는 제 3 단계(S103)가 포함되며,
   상기 베이스재료(10)는 클래딩재료(20)에 비하여 탄성계수가 높고 강도가 큰 티타늄 합금이며, 상기 클래딩재료(20)는 상기 베이스재료(10)에 비하여 탄성계수가 낮은 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 클래딩 용접을 이용한 인공 보형물의 제조방법.
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