KR101393592B1 - 내구성이 우수한 인공뼈 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내구성이 우수한 인공뼈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 인공뼈보다 그 수명을 보다 장기화한 인공뼈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 생산성 저하의 요인 없이 인공뼈에 대하여 간단한 조작만으로도 장수명의 내마모 코팅층을 형성하는 방법이 상기 내마모 코팅층이 형성된 인공뼈가 제공된다.
본 발명에 따르면 탄소나노튜브와 티타늄 분말이 분사되어 함께 강화층을 형성하므로 인공뼈의 표면에 단시간에 충분한 두께의 코팅층을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 기지 금속 내에 형성된 탄소나노튜브로 인한 잔류응력으로 인하여 내마모성이 획기적으로 향상된 인공뼈를 얻을 수 있다.

Description

내구성이 우수한 인공뼈 및 그 제조방법{ARTIFICIAL BONE HAVING EXCELLENT DURATION AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 내구성이 우수한 인공뼈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 인공뼈보다 그 수명을 보다 장기화한 인공뼈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

인간의 수명이 증가하거나, 또는 예기치 않은 사고를 겪음에 따라서, 태어날 때부터 갖춘 인체 구성요소의 일부가 최적의 상태로 그 기능을 수행하기 어려울 경우가 많다.

따라서, 최근에는 그 기능을 상실한 생체뼈에 대신하여 생체 친화성이 우수한 인공뼈를 사용하는 기술이 많이 사용되고 있다. 상기와 같은 인공뼈는 인체에 삽입되었을 때, 거부 반응이 없어야 하며 가급적 사용자가 재이식 없이 사용할 수 있도록 높은 수명을 가져야 한다.

여러가지 인공뼈 재료 중 티타늄계 재료는 상술한 조건을 충족시키는 재료로서 각광받고 있다. 즉, 티타늄계 재료는 생체친화성이 우수할 뿐만 아니라, 고강도 재료로서 인공뼈로 널리 사용되고 있다.

그러나, 생체 재료로서 사용하기 위해서는 충분한 강도가 요구될 뿐만 아니라, 특히 관절 부위 등과 같이 뼈와 뼈의 마찰이 심한 부위에서는 높은 내마모성을 가질 것이 요구되기 때문에 상기 티타늄 재료의 표면에 대하여 별도의 처리를 행하는 기술들이 일부 제안된 바 있다.

상기 기술의 하나로는 인공뼈 표면에 초경질 소재를 스퍼터링 등과 같은 물리적 기상 증착(PVD) 법을 이용하여 코팅하는 방법을 들 수 있다(예를 들면, "Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomdeical applications", Materials Science and Engineering R, 2004, vol 47). 상기 방법은 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 초경질 세라믹계 소재를 스퍼터링 방법에 의해 인공뼈, 특히 인공 대퇴골두의 표면에 약 1㎛ 두께로 코팅하는 방법이다. 이 방법을 이용할 경우 전 면적에 대하여 균일하고 치밀한 코팅층을 형성할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 코팅층 형성을 위해서는 대상 소재에 해당하는 스퍼터 타겟을 준비해야 할 뿐 아니라, 코팅시 진공 상태를 유지해야 하는데, 이는 비용과 생산성 측면에서 매우 비효율적이다. 또한, 분자 단위로 적층을 실시하는 것이므로 1㎛의 두께의 코팅층을 형성하기 위해서는 최소 한 시간 이상의 코팅 시간을 요하며, 곡면 형태를 가지는 대퇴골두 표면에 균일한 코팅을 형성하기 위해서는 모재를 적절한 패턴으로 회전시키는 별도의 장비 또는 기술이 요구된다. 뿐만 아니라, 상기 물리적 기상증착법을 사용할 경우에는 코팅 두께에 제한이 있어 1㎛ 이상의 코팅층을 형성하기는 어려운데, 이는 인공뼈의 사용수명에 대한 제한요소로 작용한다.

또 한가지 방법으로는 미국 공개특허 20080257455호 공보에 기재된 것으로서, 대퇴골두 표면의 침탄을 통하여 인공뼈 표면에 100㎛ 두께의 탄화물 층을 형성하는 것을 들 수 있다. 그러나 상기 방법은 초음파 세척후, 고온에서 아세틸렌(C2H2) 가스를 이용하여 침탄처리 하는 방법으로서, 충분한 두께를 가지도록 하기 위해서는 여러번의 공정을 반복해야 해야 한다는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 내부의 침탄반응은 표면을 통하여 충분한 두께까지 탄소가 확산되어야 이루어질 수 있는 것으로서, 표면에 이미 침탄층이 형성된 후에 추가적으로 내부의 침탄층을 형성하기 위해서는 탄소의 확산에 상당한 시간이 소요되므로 공정시간이 증가하고 그에 따라 생산성이 감소한다. 뿐만 아니라, 균일한 탄화물 층을 형성하기 위해서는 로 내에 주입되는 가스의 농도를 균일하게 유지하여야 하며, 이를 위해 가스의 유동을 제어할 필요가 생기는 등 생산비가 증가하게 된다. 또한, 침탄을 위해 공급되는 탄소와 합금원소가 반응하여 탄화물이 형성될 경우에는 전체적인 기계적 특성 및 내구성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 생산성 저하의 요인 없이 인공뼈에 대하여 간단한 조작만으로도 장수명의 내마모 코팅층을 형성하는 방법과 상기 내마모 코팅층이 형성된 인공뼈가 제공된다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 여기에 기재되지 않은 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반에 기재된 내용으로부터 충분히 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 인공뼈는 기지금속 층; 및 상기 기지금속층 표면에 형성된 기지금속/탄소나노튜브 복합재료층으로 이루어질 수 있다

이때, 상기 기지금속은 티타늄 또는 티타늄계 합금인 것이 바람직하다.

또한, 상기 복합재료층 중 탄소나노튜브는 0.2-2.0중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 복합재료층 표면의 잔류응력이 50-80 MPa인 것이 내마모성을 확보하기에 유리하다.

본 발명의 또한가지 측면에 따른 인공뼈의 제조방법은 기지금속 층을 준비하는 단계; 및 상기 준비된 기지금속 층 표면에 기지금속/탄소나노튜브 복합재료 분말을 초음속으로 분사하여 적층하는 단계;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 분사되는 복합재료 분말 중 탄소나노튜브는 0.2-2.0중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 복합재료 분말을 초음속으로 분사하여 적층하는 단계는 가스를 450-550℃, 2.0-2.5MPa로 가열 가압한 후 분말과 함께 수렴-발산 노즐을 통하여 분사함으로써 이루어지는 것이 효과적이다.

그리고, 상기 복합재료 분말의 직경은 5-500㎛인 것이 유리하다.

또한, 상기 분말을 초음속으로 분사하기 전에 기지금속 층의 표면을 블라스팅하는 전처리 단계를 더 포함할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 탄소나노튜브와 티타늄 분말이 분사되어 함께 강화층을 형성하므로 인공뼈의 표면에 단시간에 충분한 두께의 코팅층을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 기지 금속 내에 형성된 탄소나노튜브로 인한 잔류응력으로 인하여 내마모성이 획기적으로 향상된 인공뼈를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 인공뼈의 층구조를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에서 대상으로 하는 인공뼈의 형태를 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 일구현례에서 사용하는 초음속 유동 적층 성형 장비의 개략 배치도,
도 4는 본 발명의 일실시예에서 내마모층을 형성하는 복합재료에 포함되는 탄소나노튜브를 관찰한 현미경 사진,
도 5는 본 발명의 일실시예에서 내마모층을 형성하기 위해 분사되는 복합재료의 형상을 관찰한 현미경 사진,
도 6은 본 발명의 일실시예에서 얻어진 모사 인공뼈의 코팅층 단면을 관찰한 현미경 사진,
도 7은 본 발명의 일실시예에서 모사 인공뼈의 표면을 에칭하여 관찰한 현미경 사진, 그리고
도 8은 본 발명의 일실시예에서 모사 인공뼈의 표면의 마모율을 측정한 실험 결과 이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 발명자들은 상술한 종래기술의 문제점을 파악하고, 이를 해결하기 위해 연구하던 중, 인공뼈의 표면을 탄소나노튜브를 포함하는 복합재료로 구성할 경우 탄소나노튜브에 의한 강화효과를 얻을 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

즉, 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 인공뼈(1)는 기지금속 층(10) 및 상기 기지금속층 표면에 형성된 기지금속/탄소나노튜브 복합재료층(20)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 즉, 탄소나노튜브는 기지금속내에서 분산강화와 유사한 효과를 발생할 뿐만 아니라, 기지금속사이의 결속력을 보다 강고히 하는 역할을 한다. 뿐만 아니라, 상기 탄소나노튜브, 바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브는 외부로 노출될 경우 고체 윤활제 역할을 하기 때문에 마찰계수를 줄이는 역할을 할 수 있어, 코팅 수명 연장에 기여한다.

상기와 같은 강화효과를 통해서, 표면 경도는 증가할 수 있으며, 그에 따라 인공뼈의 내마모성은 더욱 증가할 수 있다. 본 발명에서 상술한 복합재료층은 반드시 인공뼈(1)의 전체 부위에 형성될 필요는 없으며, 뼈와 뼈가 서로 대면하는 부위에 형성되면 충분하다.

이해를 위하여 도 2에 본 발명의 인공뼈(1)의 구조의 일례를 개략적으로 나타내었다. 도면에서는 인공뼈의 일례로서 대퇴골용 인공뼈(1)를 나타내었다. 상기 인공뼈는 한쪽(30)이 대퇴골에 삽입되며, 반대편(40)이 골반과 대면하게 되는데, 상기 골반에 대면하는 부위를 대퇴골두(40)라 하며, 이 부위가 마모환경에 노출되게 된다. 따라서, 본 발명에서는 상기 대퇴골두(40)와 같은 뼈와 뼈가 대면하는 인공뼈(1) 부위를 복합재료층(20)으로 강화한다.

상기 복합재료층(20)은 그 두께가 200-1,000㎛인 것이 바람직하다. 즉, 충분한 내마모효과와 내구성을 가지기 위해서는 상기 복합재료층(20)의 두께는 200㎛ 이상인 것이 바람직하다. 다만, 두께가 과다하게 두꺼울 경우에는 생산비 상승을 유발할 수 있으므로 상기 복합재료층(20)의 두께는 1,000㎛ 이하로 제한하며, 후술하는 잔류응력을 적절한 범위로 유지하기 위해서는 500㎛ 이하가 보다 바람직하다.

또한, 상기 복합재료층(20) 중 탄소나노튜브는 0.2-2.0중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 만일 상기 탄소나노튜브의 함량이 충분하지 못할 경우에는 본 발명의 복합재료층(20)의 강화효과를 얻기 어려우므로 충분한 강화효과를 얻기 위해서는 상기 탄소나노튜브의 비율이 일정 수준 이상인 것이 바람직하다. 다만, 탄소나노튜브의 함량이 과다할 경우에는 오히려 강도 및 경도 감소의 원인이 될 수 있으므로 상기 탄소나노튜브의 비율의 상한을 상술한 바와 같이 정하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에서 언급하는 탄소 나노튜브는 통상적으로 탄소나노튜브로 분류되는 것이라면 어떠한 것이라도 사용가능하다. 다만, 본 발명에서 그 권리범위를 제한하지 않는 예를 든다면, 상기 탄소나노튜브는 그 폭이 50nm 이하이고, 길이가 200-500nm인 형태를 가질 수 있다.

또한, 상기 복합재료층(20)은 탄소나노튜브에 의해 유발된 잔류응력을 가지는 것이 보다 바람직하다. 상기 잔류응력은 복합재료층(20)의 표면의 경도를 상승시키는 역할을 하므로 50MPa 이상인 것이 바람직하다. 다만, 잔류응력이 너무 높을 경우에는 복합재료층(20)이 취약해질 우려가 있으므로 상기 복합재료층(20)의 잔류응력은 80MPa 이하로 제한한다. 본 발명에서 상기 잔류응력은 복합재료층의 표면에서 측정한 것을 의미한다.

상술한 본 발명의 유리한 인공뼈는 다음과 같은 과정에 의해 제조하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 우선 인공뼈의 기지금속 층을 준비하는 과정이 필요하다. 상기 기지층은 인공뼈 분야에서 사용되는 금속이라면 어떠한 것이라도 가능하며, 그 중에서도 특히 티타늄 계 금속이 보다 바람직하며, 티타늄 합금 또는 순 티타늄 금속이 사용될 수 있다. 다음으로 상기 인공뼈의 기지금속 층 위에 복합재료층을 형성시키는 과정이 후속된다.

상기 복합재료층은 기지금속층에 복합재료 분말을 초음속으로 분사함으로써 코팅되어 형성된다. 본 발명의 한가지 바람직한 구현례에 따르면 상기 복합재료 분말을 초음속으로 분사하기 위하여 초음속 유동 적층 성형 방식을 사용할 수 있다. 본 발명에서 의미하는 초음속 유동 적층 방식이라 함은 초음속의 기류(본 발명에서는 간단히 공정가스라고도 칭함)에 복합재료의 고상분말을 편승시켜 기지금속 층에 충돌시키는 방법을 의미한다. 즉, 복합재료의 분말이 기지금속 층에 충돌할 경우에는 복합재료의 소성변형에 의해 복합재료와 기지금속 층간 또는 복합재료간의 결합이 일어나게 되고, 그로 인하여 기지금속 층 표면에 복합재료층이 형성되는 것이다.

이를 보다 상세히 설명하기 위하여, 도 3에 초음속 유동 적층 성형 장비(50)의 일례를 도시하였다. 도면에서 확인할 수 있듯이, 상기 장비는 가스 챔버(51), 조절 패널(52), 분말 송급 장치(53), 가스 가열 및 가압장치(54)와 수렴-발산(converge-diverge) 노즐(55)로 구성된다.

상기 가스 챔버(51)는 가스를 공급하는 공급원으로서 반드시 챔버의 형태를 가지지 않아도 무방하다. 상기 가스 챔버(51)에서 공급된 가스는 분말 송급 장치(53)와 가스 가열 및 가압 장치(54)로 분할되어 공급된다. 분말 송급 장치(53)로 공급된 가스는 내부에 저장되어 있거나 외부에서 공급되는 분말을 이송시키는 역할을 수행한다.

또한, 가스 가열 및 가압장치(54)는 공급된 분말을 가열 및 가압함으로써 후속되는 수렴-발산 노즐(55)에서 가스가 초음속의 속도를 가질 수 있도록 한다. 가열 및 가압장치(54)에서 가스는 200-600℃의 온도로 가열될 수 있으며, 1.0-2.9MPa의 압력으로 가압될 수 있다.

상기 분말 송급 장치(53)에서 배출되는 가스 및 분말은 수렴-발산 노즐(55)의 전방에서 미리 상기 가스 가열 및 가압장치에서 배출되는 가스와 혼합되어, 수렴-발산 노즐(55)로 공급된다.

상기 수렴-발산 노즐(55)는 가스 가열 및 가압장치에서 가압되어 공급되는 가스를 단열팽창시키면서 초음속으로 가속시키는 역할을 수행한다. 즉, 가압된 가스는 노즐의 수렴부를 통하여 압축되며, 압축된 가스는 에너지를 유지하면서 발산부를 통하여 단열팽창되면서 그 속도가 급속히 증가한다. 그 결과 가스의 속도는 빠를 경우 초음속(본 발명의 일구현례에 다르면 1000-2000m/s)에 도달하게 되며, 가스에 편승되어 있던 분말 역시 고속으로 가속되게 된다. 본 발명의 일구현례의 조건하에서는 상기 분말의 속도는 500-1000m/s에 달할 수도 있다.

상술한 높은 속도로 가속된 분말은 기지금속 층(10)에 충돌하게 되며 높은 변형속도로 소성변형됨(예를 들면 0.5×10⁹s^-1)과 함께 기지금속 층(10)에 부착된다. 즉, 상술한 높은 소성변형속도에서는 발생하는 열에너지가 외부로 전달되지 못하고, 단열 상태로 변형하는 분말 입자 내에 축적되어 입자의 열적인 연화(thermal softening)이 유도되며, 입자와 모재의 계면에서 단열 전단 불안정(adiabatic shear instability)가 발생된다. 이러한 단열 전단 불안정으로 인하여 계면부는 온도가 상승하게 되는데, 그 결과 분말과 금속기지 층은 접합이 일어나게 되는 것이다.

본 발명의 상기 초음속 유동 적층 기술은 분말의 지속적인 충돌에 의해 단조 효과가 나타날 수 있으므로 코팅된 복합재료층 내 입자와 입자가 조밀하게 결합하여 높은 기계적 특성을 보일 뿐만 아니라, 높은 결합강도를 나타낸다. 따라서, 복합재료층의 수명이 길고 내구성이 강하다. 또한, 분말 입자의 지속적인 충돌에 의해 두꺼운 층을 형성할 수 있으므로 코팅 두께의 제한이 존재하지 않으며, 빠른 시간내에 두꺼운 복합재료 층을 형성할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 방법은 분말 입자를 용융시키는 것이 아니라, 입자의 물리적 변형을 유도하여 적층시키는 것이므로 복합재료층의 결정립 크기는 초기 분말의 결정립 크기와 큰 차이가 없다. 따라서, 균일한 크기의 분말을 선택함으로써 균일한 특성의 복합재료층을 얻을 수 있다.

상기와 같은 초음속 유동 적층 기술은, 통상적인 방법을 사용할 수 있으나, 본 발명과 같이 탄소 나노튜브와 기지금속의 복합소재 분말을 분사하는 경우에는 가스 가열 및 가압장치에서의 가스의 가열 온도와 압력, 분말의 직경 등은 다음과 같은 범위로 제한하는 것이 보다 바람직하다.

가스의 가열 온도

가스 가열 및 가압장치(54)에서 가열되는 가스의 가열 온도는 450-550℃인 것이 바람직하다. 인공 대퇴골 대퇴골두의 수명 향상을 위해 기지 금속 층에 복합재료층(20)을 형성시키기 위해서는 복합재료의 충분한 소성변형이 필요한데, 이를 위해서는 분말의 속도가 높을 필요가 있다. 상기 가스의 가열은 분말을 가속시키는 가스의 속도를 높이기 위한 것으로서, 가스의 열에너지가 운동에너지로 바뀌기 때문이다. 뿐만 아니라, 상기 가열된 가스는 분말의 소성변형도 용이하게 할 수 있다. 따라서, 가스의 가열 온도는 450℃ 이상인 것이 바람직하다. 다만, 온도가 과다하게 높을 경우에는 장비에 무리가 가해질 수 있으므로 가스의 가열온도는 550℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

가스의 압력

상기 가스 가열 및 가압장치(54)에서는 가스를 2.0-2.5MPa로 가압하는 것이 바람직하다. 상기 가스의 압력은 가스의 속도를 결정하는 중요한 변수로서, 기지금속층에 부착되기 어려운 복합재료 분말을 충돌시 최대화된 변형에 의하여 기지금속에 강하게 부착시키기 위해서는 2.0Mpa 이상의 높은 압력으로 가스를 가압하여 수렴-발산 노즐로 공급하는 것이 바람직하다. 다만, 압력이 과다하게 높을 경우에는 장비에 무리가 올 수 있으므로 상기 압력은 2.5Mpa 이하로 하는 것이 바람직하다.

분말의 직경

기지금속층에 분말이 부착하기 위해서는 충분한 운동에너지를 가질 필요가 있다. 분말의 속도 이외에 운동에너지를 결정하는 주요 인자로서는 분말의 질량을 들 수 있다. 본 발명에서는 전체 분말의 대부분(본 발명에서는 90중량% 이상의 분말을 의미한다)이 하기와 같은 입도 분포를 가지는 것이 바람직하다. 즉, 분말이 충분한 질량을 가져서 부착이 용이하도록 하기 위해서는 상기 분말은 5㎛ 이상의 입도를 가지는 것이 바람직하다. 다만, 직경이 너무 클 경우에는 가스에 의한 입자가속이 충분하지 않으므로 상기 분말의 직경은 500㎛ 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 분말의 직경은 5-500㎛로 제한하는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 분말의 직경범위는 5-100㎛이며, 더욱 바람직한 범위는 10-35㎛ 이다(이상, 90중량% 이상의 분말 기준).

또한, 사용되는 분말은 탄소 나노튜브와 기지금속의 복합재료인 것이 바람직하다. 즉, 상기 분말은 탄소 나노튜브를 전체 복합재료(즉, 탄소나노튜브와 기지금속 전체 중량에 대하여) 중 0.2 내지 2.0중량%으로 혼합한 것으로서 기계적 합금화법에 의해 일체화됨으로써 얻어질 수 있다. 기계적 합금화법은 혼합물에 볼 밀과 같은 기구로서 기계적 응력을 가하면서 합금화하는 방법을 의미하며, 그 결과 기지금속재료 내에 탄소 나노튜브가 삽입된 형태의 미세한 입도의 분말이 얻어질 수 있다.

또한, 본 발명에서 분말을 가속하는 공정가스로는 그 종류를 특별히 제한하지는 않으나, 몇가지 예를 든다면 질소, 헬륨, 공기 또는 이들의 혼합가스를 사용할 수 있다. 다만, 공정 단가 등을 생각한다면 질소나 공기 또는 이들의 혼합가스를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 공정 가스와 분말이 최대화된 속도로 기지금속 층에 충돌하기 위해서는 상기 수렴 발산 노즐의 선단과 기지금속 층의 표면과의 거리를 적정하게 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 노즐에서 배출된 분말이 충분히 가속되기 위해서는 상기 노즐 선단과 기지금속 층의 표면 사이의 거리는 10mm 이상인 것이 바람직하다. 다만, 거리가 너무 멀 경우에는 오히려 대기와의 마찰 등에 의해 분말의 속도가 감소할 수 있으므로 상기 거리는 40mm 이하로 제한하는 것이 유리하다.

또한, 노즐의 이동속도는 단위 표면 당, 그리고 단위 시간당 모재(지지금속)의 표면에 충돌하는 분말의 양(수)를 결정하는데, 반드시 이로 한정하는 것은 아니나, 충분한 코팅두께를 얻기 위해서는 상기 노즐은 60-120mm/s의 속도로 이동하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 보다 바람직한 한가지 구현례에서는 상기 복합분말을 초음속 유동 적형 성형방식으로 기지금속 층 위에 형성하기 전에 지지금속의 표면을 전처리할 수 있다. 상기 전처리는 기지금속의 표면의 조도를 제어하기 위한 것으로서, 블라스팅(blasting)과 같은 방법을 사용할 수 있다. 상기 블라스팅으로는 통상의 방법을 사용할 수 있지만, 크기 177-595㎛인 알루미나 분말을 5-8kg/cm2 정도의 압력으로 기지금속층 표면에 분사하는 방식으로 이루어질 수 있다. 블라스팅 후에는 상기 기지금속의 표면을 초음파 세척이나 기타 공지된 통상의 방법으로 세척할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 몇가지 유리한 구현례 들에 의해 제조된 본 발명의 인공뼈의 표면에 형성된 복합재료층은 기공도가 1% 이하로써, 매우 치밀한 조직을 가질 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제안하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다.

(실시예)

모사 인공뼈의 준비

인공뼈의 대퇴골두를 이루는 기지금속층을 모사한 소재로서 티타늄 판재를 준비하였다. 이후, 상기 분말의 적층효율을 높이기 위하여 티타늄 판재의 표면에 177-595㎛의 크기(입도)를 가지는 알루미나 분말을 이용하여 그릿-블라스팅을 실시하였다. 상기 그릿-블라스팅 실시된 티타늄 판재의 표면은 이후 초음파 세척되었다.

이후, 상기 티타늄 판재 위에 초음속 유동 적층 성형 기술로 기지금속(순 티타늄)/다중벽 탄소나노튜브의 복합재료 분말을 도 3에 도시한 바와 같은 장비(독일 CGT사 제품)를 사용하여 초음속 유동 적층 방식으로 분사하였다. 분사에 사용된 상기 복합재료 분말은 도 4에 도시한 다중벽 탄소나노튜브를 전체 복합재료 중량에 대하여 중량비로 1.0중량%, 나머지가 기지금속이 되는 비율로 혼합한 후 기계적 합금화하여 얻은 것으로서, 평균 입도가 25㎛를 나타내고 있었으며, 모든 분말은 5-500㎛ 크기범위를 충족하고 있었다. 도 5에 사용된 복합재료 분말의 관찰 결과를 나타내었다.

분사시, 공정 가스로는 질소 가스를 사용하였으며, 가열 및 가압수단에 의해 가스를 450℃, 2.5MPa로 가열, 가압하였다. 가열 및 가압된 가스와 복합재료 분말은 수렴-발산 노즐에 의해 초음속의 속도로 가속되어 티타늄 판재의 표면으로 분사되었다. 이때, 상기 수렴-발산 노즐의 선단과 티타늄 판재의 표면 사이의 거리는 30mm로 설정하였으며, 두꺼운 코팅층을 형성하기 위하여 노즐의 이동속도를 83mm/s로 하여 노즐을 이동시켰다.

상기 방법에 의해 기지금속층 위에 기지금속/탄소나노튜브 복합재료층이 형성된 모사 인공뼈를 얻을 수 있었다. 얻어진 인공뼈의 코팅층 단면을 관찰한 현미경 사진을 도 6에 나타내었으며, 모사 인공뼈의 표면을 에칭하여 관찰한 현미경 사진을 도 7에 나타내었다. 도면의 사진에서 확인할 수 있듯이, 하단의 기지금속층(티타늄 판재)위에 기공도 0.7% 수준의 치밀한 복합재료 층이 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도면에서 확인할 수 있듯이, 복합재료층의 두께는 약 700㎛에 달하고 있음을 알 수 있었다.

제조한 모사 인공뼈의 마모특성을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 행하였다. 즉, 베어링강을 상대재로 하여 마련한 마찰면에 100N의 하중을 가하면서 탄소나노튜브가 0.5중량% 포함된 경우 및 1.0중량% 포함된 경우에 따른 모사 인공뼈를 마찰시켰다(나머지 코팅 조건은 상술한 예와 동일함). 동일한 조건으로 복합재료층이 형성되지 않은 인공뼈(이하, 탄소나노튜브 0.0%)를 마찰시키면서 각 시간에 따른 마모속도(중량의 감소속도)를 측정하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. 측정결과, 탄소나노튜브가 0.0% 포함된(즉, 탄소나노튜브가 포함되지 않은) 인공뼈의 마모속도가 실시예에 따른 인공뼈의 마모속도보다 약 25% 정도 마모가 빨리 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명의 인공뼈의 마모속도를 일반 금속과 비교하기 위해서 알루미늄 1050 합금의 마모속도도 함께 도 8에 나타내었다. 상기 알루미늄의 마모속도는 본 발명에 따른 복합재료층이 형성된 인공뼈(0.5%, 1.0%)의 표면마모속도에 비하여 약 7배 이상 현저히 빠른 것을 알 수 있었으며, 그에 따라 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.

탄소나노튜브 함량에 따른 경도변화 비교

상기 실시예(모사 인공뼈의 준비)와 동일한 방식으로 모사 인공뼈를 준비하되 복합재료층의 탄소나노튜브 함량만 하기 표 1과 같이 변화하여 모사 인공뼈를 제조하고 그 표면의 경도를 측정한 결과 역시 동일한 표에 나타내었다. 소재의 경도는 마모에 대한 저항성을 나타내는 중요한 지표이기 때문이다. 비교를 위하여 복합재료층을 형성하지 않은 경우(종래예)도 함께 나타내었다. 표에서 CNT는 탄소나노튜브를 나타내며, 그 함량 단위는 중량%를 의미한다.

구분	비교예1	발명예1	발명예2	발명예3	비교예2
CNT 함량	0.0	0.5	1.0	2.0	3.0
경도	252 HV	281 HV	312 HV	319 HV	293 HV

상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 본원에서 규정하는 보다 바람직한 탄소나노튜브의 함량 범위인 0.2-2.0중량%의 범위에서 가장 높은 경도를 나타냄을 알 수 있었다. 비교예2의 경우에는 탄소나노튜브의 함량이 다소 과다한 경우로서, 발명예에 비해서는 그 경도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 본 실시예의 비교예2가 본 발명의 독립청구항인 청구항 1의 권리범위를 제한하는 것은 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 즉, 비교예2 역시 높은 경도치를 나타내고는 있으나, 발명예1~3에 비해서는 그 값이 조금 낮으며, 약간 취약(brittle)해지는 경향이 있어 비교예로 표현한 것이기 때문이다.

따라서, 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.

1: 인공뼈
10: 기지금속 층
20: 복합재료 층
30, 40: 인공뼈의 양 끝단.
50: 초음속 유동 적층 성형 장비
51: 가스 챔버
52: 조절 패널
53: 분말 송급 장치
54: 가스 가열 및 가압장치
55: 수렴-발산 노즐

Claims (9)

1. 기지금속 층; 및
   상기 기지금속층 표면에 형성된 기지금속/탄소나노튜브 복합재료층으로 이루어지고,
   상기 복합재료층 표면의 잔류응력이 50-80 MPa인 인공뼈.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기지금속은 티타늄 또는 티타늄계 합금인 인공뼈.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복합재료층 중 탄소나노튜브는 0.2-2.0중량% 포함되는 인공뼈.
   
4. 삭제
5. 기지금속 층을 준비하는 단계; 및
   상기 준비된 기지금속 층 표면에 기지금속/탄소나노튜브 복합재료 분말을 초음속으로 분사하여 적층하는 단계;를 포함하는 인공뼈의 제조방법.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 복합재료 중 탄소나노튜브는 0.2-2.0wt%로 포함되는 인공뼈의 제조방법.
   
7. 제 5 항에 있어서, 상기 복합재료 분말을 초음속으로 분사하여 적층하는 단계는 가스를 450-550℃, 2.0-2.5MPa로 가열 가압한 후 분말과 함께 수렴-발산 노즐을 통하여 분사함으로써 이루어지는 인공뼈의 제조방법.
   
8. 제 5 항에 있어서, 상기 복합재료 분말의 직경은 5-500㎛인 인공뼈의 제조방법.
   
9. 제 5 항에 있어서, 상기 분말을 초음속으로 분사하기 전에 기지금속 층의 표면을 블라스팅하는 전처리 단계를 더 포함하는 인공뼈의 제조방법.

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