KR101578817B1 - 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 세라믹 잉크 조성물 및 패턴을 형성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임플란트 표면에서의 세포 활동성 증진을 위해 잉크젯 프린팅 기술을 이용한 패턴 형성 기술로서, 보다 상세하게는 세라믹 분말을 이용하여 잉크를 제조하고, 이 잉크를 이용하여 잉크젯 프린팅 기술로 부착세포의 단면직경보다 큰 간격 및 바닥 폭을 가지는 다수의 패턴을 임플란트 표면에 형성하는 방법에 관한 것이다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 세라믹 분말을 이용하여 잉크를 제조하고 잉크젯 인쇄법으로 벌징과 커피링 현상이 없는 일정한 크기의 패턴을 세라믹 임플란트 위에 형성하되, 패턴의 결함을 억제하고 일정 간격을 갖도록 함으로써, 부착세포의 증식에 효율성을 부여하는 작용효과가 기대된다.

Description

세포활성 촉진을 위하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 세라믹 잉크 조성물 및 패턴을 형성하는 방법{Ceramic ink composition for patterning on the ceramic implant to enhance the cell activity and the method of patterning}

본 발명은 세라믹 임플란트 표면에서의 세포 활동성 증진을 위해 잉크젯 프린팅 기술을 이용하여 패턴을 형성하는 기술로서, 보다 상세하게는 세라믹 분말을 이용하여 잉크를 제조하고, 이 잉크를 이용하여 잉크젯 프린팅 기술로 부착세포의 단면직경보다 큰 간격 및 바닥 폭을 가지는 다수의 패턴을 세라믹 임플란트 표면에 형성하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 cell의 contact guidance나 activity 증진을 목적으로 하는 마이크로 패턴 구조는 주로 반도체 공정에서 사용하고 있는 포토리소그래피 공정을 적용하여 식각 마스크(Mask) 및 에칭 공정을 통한 Top-Down 방식으로 제작하여 왔다. 포토리소그래피 공정에서는 첫 번째 단계로 기판소재 표면에 사진공정을 통하여 원하는 패턴의 감광제 마스크를 형성한다. 그 다음 습식 식각이나 건식 식각 공정을 통하여 불필요한 부분을 식각해서 없앤 후 최종적으로 감광제 마스크를 제거하여 원하는 패턴을 얻게 된다. 이러한 전통적인 방식은 복잡한 공정, 오랜 공정 시간, 패턴별 전용 마스크 소요, 에칭 공정에서의 재료 낭비 및 화학물질로 인한 환경 오염 등 다양한 문제점을 내포하고 있다. 특히, 세라믹 임플란트 표면에 세라믹 패턴을 형성하려면, 기판을 구성하는 다결정입자들이 각각의 결정학적 방향성에 따라 에칭되어 정밀한 수치제어가 어렵고, 세라믹 고유의 내산성으로 에칭 속도가 매우 느리며, 공정이 고온 (200 ~ 400℃)의 강산 조건에서 이루어지는 위험성이 장애물이 된다. 또한 에칭 공정 중에 사용되는 강산이 중화 또는 세척공정 후에도 잔류하게 되면 인체 내부에 악 영향을 미칠 수 있다. 요컨대, 세라믹 임플란트 표면은 포토리소그래피 공정에 의해 정밀한 패턴을 형성하는 것이 거의 불가능에 가깝다는 문제점이 있었다.

한편, 최근 잉크젯 프린팅 기술이 여러 분야에서 포토리소그래피 공정의 대안으로 제시되고 있다. 구체적으로 살펴보면, 잉크젯 프린팅 기술은 적층하고자 하는 물질을 액체 잉크로 만들어 노즐을 통하여 토출하여 패턴을 만들며, 상기 잉크는 세라믹 미세 분말을 적절한 용매에 분산하여 제조된다. 이러한 잉크젯 인쇄법은 공정 단계를 단순화할 뿐만 아니라 원하는 곳에만 인쇄가 가능하기 때문에 원재료 사용량을 절감하고, 부산물 및 폐수 발생을 억제하는 등 환경친화도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 종이, 직물, 폴리머 등 다양한 기판에 인쇄가 가능하며, 기판 상에 수십 ㎛까지 정밀한 패턴을 형성할 수 있다. 또한 기판 사이즈에 영향을 받지 않아 대형화가 가능하다는 장점도 가지고 있다.

잉크젯 인쇄 방식으로는 분사방식에 따라 연속분사(continuous jet) 방식과 DOD(drop-on-demand) 방식으로 나눌 수 있다. 그리고 DOD 방식은 압전(piezo) 방식과 열전사(thermal) 방식으로 나누어진다.

연속분사 방식은 펌프를 이용하여 고압으로 50 ㎛ 크기의 노즐을 통해 잉크를 분사하고 고전압을 걸어 형성된 잉크 액적을 대전시키게 된다. 대전된 잉크 방울들을 편향판 전극의 전압 제어를 통하여 지면으로 향하게 하여 인쇄되도록 하거나 잉크 회수통으로 편향시켜 회수 및 재순환시킨다. 연속분사 방식은 많은 노즐을 쓰지 않아도 고속인쇄가 되는 장점이 있으나 일반적으로 장치가 대형이고 인쇄품질이 낮으며 액적 궤적 제어장치와 잉크 회수 시스템의 복잡성으로 주로 바코드 제조와 같은 단순 산업용 인쇄기술로 사용이 제한되어 있다.

DOD 방식은 전기적 신호를 통하여 필요한 순간에만 잉크를 분사시키는 방식으로 잉크 액적을 대전, 편향시킬 필요가 없고 고압도 요하지 않아 시스템이 매우 단순하다.

잉크액적을 형성하는 방식 중 압전(piezo) 방식은 잉크실을 압전소자(전압을 인가하면 변형하는 소자)로 바꿔 체적을 변화시켜, 잉크실 안의 잉크에 압력을 줌으로써 노즐을 통해 토출되도록 하는 것이고, 압전 방식은 고밀도화와 헤드비용의 측면에서는 후술하는 열전사 방식보다 불리하지만, 잉크에 열을 가하지 않기 때문에 헤드의 수명, 잉크의 적용성 측면에서는 유리하다.

또한, 열전사 방식은 잉크에 열을 가해 순간적으로 기포를 발생시켜, 그 압력으로 잉크가 토출되도록 하는 것이다. 열전사 방식은 소형화, 고밀도화에 유리하고 헤드의 비용도 저렴하기 때문에 오피스용으로 가장 적합한 방식이다. 다만 열이 가해지기 때문에 헤드의 내구수명이 짧고 용매의 비등점 영향이나 잉크 재료의 열손상을 피할 수 없기 때문에 사용할 수 있는 잉크가 한정된다는 문제점이 있다.

따라서, 잉크젯 프린팅 기술에 있어서 조건을 확립하는 것이 요구되며, 특히 세포활성과 잉크젯 프린팅 기술과의 연관성을 규명하는 것은 학문적으로나 실용적으로 매우 중요한 의의를 갖는다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 세라믹 임플란트상에 마이크로 패턴을 형성함에 있어서, 공정의 복잡성과 오랜 공정 시간, 인쇄할 세라믹 임플란트에 대응하는 마스크 필요, 에칭 공정에서의 재료 낭비 및 화학물질로 인한 환경 오염 등 다양한 문제점을 갖는 포토리소그라피 공정의 속성과 더불어, 그나마도 이러한 공정의 적용이 거의 불가능하여, 세포활성을 위한 세라믹 임플란트의 표면처리 방법을 새로이 강구하기 위한 것이다. 특히, 세라믹 패턴 제작에 포토리소그라피를 이용할 경우 발생하는 정밀형상획득의 어려움, 긴 공정소요시간, 강산 사용 및 잔류에 따른 위험성 등의 문제점을 해결하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 잉크젯 방식으로 세라믹 임플란트 표면에 효율적으로 마이크로 패턴을 적용함으로써 세포활성을 부여하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 잉크젯 프링팅 기술을 세라믹 임플란트에 적용함으로써 정형외과, 치과 등 의료용 임플란트의 효용성을 더욱 높이기 위한 것이다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 세라믹 분말이 분산된 용매를 포함하며, 세라믹 임플란트상에 잉크젯 방식에 의하여 인쇄됨으로써 일정한 패턴을 형성하는 세라믹 잉크에 있어서, 상기 용매는 주용매 (100-X) vol%와 상기 주용매보다 비등점이 높은 건조 제어제 X vol% (상기 X는 10≤X≤90)로 구성되며, 상기 분산제는 세라믹 분말에 대해 1 ~ 5wt% 함유되는 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 세라믹 잉크 조성물을 제공한다.

상기 주용매는 물이며, 건조 제어제는 에틸렌글리콜, 디에틸렌클리콜, 트리에틸렌글리콜, 1.2-프로필렌 글리콜, 1.3-부탄다이올, 1.4-부탄 다이올, 네오펜틸 클리콜, 3-메틸-1.5-페탄네디올, 1.6-헥산다이올 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 세라믹 분말은 생체 재료이며, 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), 트리칼슘포스페이트 (Tricalcium phosphate) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 나노분말인 것이 바람직하다.

상기 알루미나 나노분말은 잉크 조성물 대비 1 ~ 30vol%로 함유되는 것이 바람직하다.

상기 지르코니아 나노 분말은 잉크 조성물 대비 1 ~ 40vol%로 함유되는 것이 바람직하다.

상기 티타니아 나노 분말은 잉크 조성물 대비 1 ~ 20vol%로 함유되는 것이 바람직하다.

상기 나노분말은 20 ~ 500nm의 크기범위인 것이 바람직하다.

상기 주용매의 증발속도는 건조 제어제의 증발속도보다 더 큰 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 전술한 세라믹 잉크 조성물을 이용하며, 세라믹 임플란트에 친수성 또는 소수성을 부여하기 위하여 세척하는 단계; 상기 세척된 세라믹 임플란트상에 상기 잉크 조성물을 도포하여 패턴을 형성하는 단계; 및 패턴이 형성된 세라믹 임플란트를 소결하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.

상기 소수성을 부여하기 위하여 세척하는 단계에서는, 세라믹 임플란트 표면을 헥사메틸다이실라잔(HMDS, Hexamethyldisilazane), 테트라메틸디실라잔(TMDS, Tetramethyldisilazane), 비스디메틸아미노메틸실란(Bis(Dimethylamino)Methylvinylsilane), 디메틸아미노펜타메틸디실란(Dimethylaminopentamethyldisilane) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 이용하여 세척하는 것이 바람직하다.

상기 세라믹 잉크는 세라믹 임플란트와 동종의 물질인 것이 바람직하다.

상기 세라믹 잉크는 세라믹 임플란트와 이종의 물질인 것이 바람직하다.

세라믹 임플란트 표면에 세라믹 임플란트와 동종 또는 이종 물질 중 하나 또는 그 이상이 포함된 세라믹 잉크를 이용하여 독립적인 세라믹 패턴을 반복적으로 형성하는 것이 바람직하다.

임플란트 표면의 건조 속도를 제어하기 위하여, 노즐에서의 잉크가 건조가 되어 막히지 않는 범위에서 기판 온도를 30 ~ 50℃ 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

세라믹 임플란트 표면에 일정한 독립적인 패턴을 형성하기 위하여, 가로 방향으로는 잉크 토출되는 위치의 간격이 적어도 80㎛인 것이 바람직하다.

세라믹 임플란트 표면에 일정한 독립적인 패턴을 형성하기 위하여, 세로 방향으로는 잉크 토출되는 위치의 간격이 35 ~ 40㎛인 것이 바람직하다.

패턴이 형성된 세라믹 임플란트를 소결하는 단계;에서는 1200 ~ 1700℃의 범위에서 소결하는 것이 바람직하다.

형성된 패턴의 폭은 50 ~ 250㎛이고, 패턴간의 간격은 50 ~ 250㎛인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 세라믹 분말을 이용하여 잉크를 제조하고 잉크젯 인쇄법으로 커피링(coffee ring) 이나 벌징(bulging) 현상이 없는 일정한 크기의 패턴을 세라믹 임플란트 위에 형성하되, 패턴의 결함을 억제하고 일정 간격을 갖도록 함으로써, 세포의 증식에 효율성을 부여하는 작용효과가 기대된다.

또한, 일정한 간격의 패턴은 세포의 퍼짐을 유도하므로 패턴이 없는 표면에 비해 세포의 분화를 보다 활성화시키도록 하는 작용효과가 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 분말 함량 및 분산제 변화에 따른 점도 변화 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 일정한 주 용매와 건조 제어제의 비율에서의 분말 함량에 따른 점도 변화 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 제조된 잉크의 4시간 경과 후 분산 안정성 평가 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 잉크의 젯팅 후 액적의 모습이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 건조 제어제 함량에 따른 잉크 조성에 의한 패턴 형상의 광학 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 실시예 2 및 3에 대한 분말의 함량에 따른 광학 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 세라믹 패턴 인쇄공정 중 세로축방향 간격조건에 따른 패턴 형상의 광학 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서, 세라믹 패턴 인쇄공정 가로축방향 간격조건에 따른 패턴 형상의 광학 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예로서, 세라믹 임플란트 표면 온도에 따라 세라믹 패턴의 형상 변화를 관찰한 광학 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예로서, 친수성 표면과 소수성 표면에서 세라믹 패턴 형상을 관찰한 광학 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로서, 일정한 간격을 가지는 세라믹 패턴을 전자 현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예로서, 일정한 간격을 가지는 세라믹 패턴 표면에서의 인간치주인대세포의 세포 분화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예로서 일정한 간격을 가지는 세라믹 패턴 표면에서의 인간치주인대세포를 배양 후 세포 형상을 관찰한 공초점레이저주사현미경(Confocal Laser Scanning Microscopy) 분석 이미지이다.
도 14는 도 13의 이미지를 이미지 프로세싱하여 세포면적 등에 대해 분석한 결과이다.
도 15는 비교예로서, 일정한 간격을 가지는 금속 패턴과 동일 사이즈의 세라믹 패턴 표면에서의 14일 후의 세포 분화 결과를 비교한 그래프이다.

이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면과 바람직한 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예 및 실험 예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시 예 및 실험 예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시 예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서는 이러한 잉크젯 프린팅 기술의 장점을 활용하여 세라믹 임플란트에 다양한 종류의 세라믹잉크를 인쇄하여 패턴을 형성할 수 있었으며, 세포 활성 증진을 위한 다양한 패턴 형성은 설계 인자 및 인쇄 공정 인자 제어를 통해 조절이 가능하였다.

잉크젯 프린팅 기술에 있어서 원하는 패턴은 노즐로부터 토출된 각각의 단일 드랍(drop)을 겹치게 위치시켜 형성하게 된다. 일정하고 균일한 패턴을 형성하기 위해서는 액체 잉크의 조성, 유동특성, 토출 및 인쇄조건을 조절하는 것이 매우 중요한 일이다. 그러나, 잉크젯 프린팅 패턴에서는 개별 드랍이나 라인에 있어서 패턴의 중심부와 주변부의 증발 정도의 차이에 의해서 즉, 유체 역학적 불안정성에 의해서 종종 커피링(coffee ring) 이나 벌징(bulging) 현상으로 표현되는 불필요한 현상들이 나타날 수 있는데, 이러한 현상들은 형성된 패턴의 불균일도를 상승시켜 패턴의 안정적인 성능에 방해 요소로 작용하게 된다. 이러한 요소들을 제거하기 위해 기판을 가열하는 방법, 표면 에너지 조절을 통한 기판에의 젖음성(wettability) 향상 방법 등이 시도 되었다.

기판 표면의 젖음성은 기판 표면 위에서 잉크의 퍼짐성과 연관이 있다. 일반적으로 소수성 표면은 기판과 잉크, 공기 사이의 계면에서 높은 접촉각을 형성하며, 적은 퍼짐성을 갖는다. 반대로 친수성 표면은 기판과 잉크, 공기 사이의 계면에서 낮은 접촉각을 형성하며, 많은 퍼짐성을 갖는다. 미세하고 균일한 패턴을 형성하기 위해서는 적은 퍼짐성을 필요로 하기 때문에 기판은 일정 정도 소수성 특성을 나타내야 한다. 그러나 이러한 소수성 표면은 큰 접촉각에 의해서 유체역학적 불안정성을 초래하여 커피링(coffee ring) 이나 벌징(bulging) 현상을 촉진할 수 있어 정밀한 제어가 요구된다.

또한 기판을 가열하는 방법은 액체 잉크의 증발을 촉진하여 불필요한 현상의 발생을 제거하고 일정한 패턴의 형성을 유지하는 방법으로 연구되어왔다. 그러나 이런 기판 가열 방식은 기판과 노즐 간격이 매우 근접된 상태에서 분사되는 솔벤트 기반 잉크 카트리지의 노즐 막힘 등을 초래할 수 있다.

잉크 증발률의 조절은 잉크의 10 ~ 90wt%를 차지하는 용매 선정 및 조성제어를 통하여서도 가능하다. 낮은 끊는 온도(boiling point)를 갖는 용매는 높은 끊는 온도를 갖는 용매에 비해서 훨씬 증발이 빨리 그리고 급격히 일어난다.

그리고, 인쇄된 세라믹 패턴은 기판 및 잉크 소재의 종류에 따라 차이는 있지만, 1200 ~ 1650℃의 소결 공정을 통하여 고정 및 형상유지가 가능하다. 이러한 세라믹 패턴의 고정화를 위한 고온 소결 공정이 필요하기 때문에 기판의 종류는 소결 공정 후 물질의 특성을 유지할 수 있는 세라믹 물질로 재료를 한정하는 것이 바람직하다.

<실시예>

본 발명에 의하여 세라믹 임플란트상에 세라믹 패턴을 형성하기 위하여 패턴 형성용 잉크를 제조하였다. 먼저, 알루미나 나노분말을 이용하여 주 용매와 건조 제어제를 일정 비율로 혼합하였다. 그리고 일정한 표면 특성 및 온도를 가지는 기판 표면에 일정 부피를 가지는 액적을 젯팅(jetting)하여 일정한 크기의 패턴을 형성하였다.

또한, 지르코니아, 티타니아 등 세라믹 나노분말을 이용한 잉크제조 및 패턴인쇄도 동일한 방법으로 진행 가능하였다.

상기 주용매 (100-X) vol%와 상기 주용매보다 비등점이 높은 건조 제어제 X vol% (상기 X는 10≤X≤90)로 구성되도록 하였다.

주용매는 물이며, 건조 제어제는 에틸렌글리콜, 디에틸렌클리콜, 트리에틸렌글리콜, 1.2-프로필렌 글리콜, 1.3-부탄다이올, 1.4-부탄 다이올, 네오펜틸 클리콜, 3-메틸-1.5-페탄네디올, 1.6-헥산다이올 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다. 여기서 주용매의 증발속도는 건조 제어제의 증발속도보다 크다.

상기 잉크 제조에 있어서, 분산제는 세라믹 분말 중량 대비 1 ~ 5wt%로 첨가됨이 바람직하다. 상기 하한을 벗어나게 되면 분산제를 통한 분말의 분산의 역할을 하지 못하고 분말끼리의 응집이 발생하게 되어 안정한 분산도를 가지는 잉크를 확보할 수 없으며, 상한을 벗어나게 되면 과잉 분산제가 첨가되어 분산제끼리의 응집 현상이 발생하게 되어 점도가 상승하게 된다.

세라믹 분말은 생체 재료로서, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), 트리칼슘포스페이트 (Tricalcium phosphate) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 나노분말인 것이 바람직하다.

여기서, 나노분말의 크기는 20 ~ 500nm의 크기범위를 갖는 것이 좋다.

본 발명의 일 실시예에서는 이와 같은 세라믹 잉크를 이용하여, 세라믹 임플란트에 친수성 또는 소수성을 부여하기 위하여 세척하는 단계; 상기 세척된 세라믹 임플란트상에 상기 잉크 조성물을 도포하여 패턴을 형성하는 단계; 및 패턴이 형성된 세라믹 임플란트를 소결하는 단계;를 수행함으로써 세라믹 임플란트 상에 세라믹 패턴을 형성할 수 있다. 이로써 세포활성이 촉진될 수 있으며, 이는 후술하는 다양한 실험예들로부터 뒷받침된다. 세라믹 잉크의 조성과 세라믹 임플란트의 조성은 동일할 수도 있으며, 서로 다를 수도 있다. 또한 동종 또는 이종의 물질을 혼용할 수도 있다.

소결과정에서는 1200 ~ 1650℃의 온도범위를 적용하였다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 알루미나 잉크제조의 경우 분말함량 증가와 분산제 첨가에 따른 점도관찰에 의해 1%(용매 Water : EG = 50 vol% : 50 vol%) 첨가로 최적화하였다.

건조 제어제의 함량(X vol%)은 10≤X≤90%로 됨이 바람직하다. 상기 하한을 벗어나게 되면 건조 제어제의 함량이 적어서 잉크젯 프린팅 시에 잉크가 토출되는 부분이 세라믹 임플란트의 온도에 의해 프린팅 중에 건조가 되어 막히는 현상이 나타나게 되며, 상한을 벗어나게 되면 제팅 후 세라믹 임플란트 표면에서의 잉크 건조 속도가 너무 느려져서 일정한 패턴을 확보하는데 어려움이 있다.

또한 상기 혼합 용매에 분산하는 나노분말의 함량이 커질수록, 잉크의 점도가 증가하여 노즐을 통해 액적 형성이 어려우므로, 알루미나 나노 분말은 상기 혼합 용매에 분산되어 제조된 전체 혼합 잉크 량에 대해 1 ~ 30vol%로 함유됨이 바람직하다.

상기 하한을 벗어나게 되면 분말의 함량이 너무 적어서 잉크젯 프린팅 후의 패턴의 두께를 확보할 수 없게 되고, 상한을 벗어나게 되면 잉크의 점도가 너무 높아서 노즐에서 잉크가 토출이 되지 않는 문제점이 발생하게 된다.

지르코니아 나노 분말은 상기 혼합 용매에 분산되어 제조된 전체 혼합 잉크 량에 대해 1 ~ 40vol%로 함유됨이 바람직하다.

상기 하한을 벗어나게 되면 분말의 함량이 너무 적어서 잉크젯 프린팅 후의 패턴의 두께를 확보할 수 없게 되고, 상한을 벗어나게 되면 잉크의 점도가 너무 높아서 노즐에서 잉크가 토출이 되지 않는 문제점이 발생하게 된다.

티타니아 나노 분말은 상기 혼합 용매에 분산되어 제조된 전체 혼합 잉크 량에 대해 1 ~ 20vol%로 함유됨이 바람직하다.

상기 하한을 벗어나게 되면 분말의 함량이 너무 적어서 잉크젯 프린팅 후의 패턴의 두께를 확보할 수 없게 되고, 상한을 벗어나게 되면 잉크의 점도가 너무 높아서 노즐에서 잉크가 토출이 되지 않는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명의 실시예를 정리하면 하기 표 1과 같다.

잉크 조성	분말	주 용매	Dry control agent	분산제
		D.I. Water	Ethylene glycol
실시예 1	알루미나12vol %	50 vol %	50 vol %	1 wt %
실시예 2	알루미나 6 vol %	25 vol %	75 vol %	1 wt %
실시예 3	알루미나 12 vol %	25 vol %	75 vol %	1 wt %
실시예 4	티타니아6vol %	50 vol %	50 vol %	3 wt %

도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 실시예 1에 관한 것이며, 일정한 주 용매와 건조 제어제의 비율에서의 분말 함량에 따른 점도 변화 그래프이다.

용매와 건조 제어제의 비율을 부피비 기준으로 25 : 75, 50 : 50, 75 : 25로 조절하면서 분말의 함량을 6 ~ 12vol%에 대해 점도 측정하였는데, 건조 제어제의 양이 증가함에 따라 같은 분말 함량에서 점도는 증가하였으며, 같은 건조 제어제 양에서도 분말의 함량이 증가함에 따라 점도는 증가하였다.

도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 실시예 1에 관한 것이며, 제조된 잉크의 4시간 경과 후의 잉크 내의 분산 안정성 평가 결과이다.

일정시간 동안 잉크내의 분말의 분산도는 잉크젯 프린팅 공정에서 중요하다. 잉크내의 분말의 분산도를 확인하기 위해서 Turbiscan을 이용하여 잉크내의 분산도를 시간에 따라 확인한 결과 4시간 후에도 잉크 제조시의 분산 상태와 동일한 상태가 유지되는 것을 알 수 있었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 실시예 1에 의하여 제조된 잉크의 젯팅 후 액적의 모습이다.

잉크가 노즐을 통해 제팅이 될 때 잔유물이 없이 액적을 형성하는 것이 매우 중요하다. 이는 장비에 있는 카메라를 이용하여 확인이 가능한데, 현재 실시예에서의 제시하는 잉크 중 하나에 대해 분석한 결과 제팅시 잔유물이 없이 액적이 형성되는 것을 확인하였다.

도 5는 건조 제어제 함량에 따른(실시예1과 실시예3) 패턴의 광학 이미지이고, 도 6은 분말 함량에 따라 (실시예 2와 실시예 3) 패턴의 광학이미지이다.

동일한 기판 조건에서 건조 제어제의 함량이 많아짐에 따라 선(line) 패턴에서 bulging 현상이 증가하는 것으로 확인이 되었으며, 이는 건조 제어제는 패턴이 건조 되는 시간에 영향을 미치는데, 건조 제어제의 양이 증가함에 따라 패턴 건조가 느리게 되어 기판 표면에서 유동할 수 있는 시간이 길어져서 bulging 현상이 나타나게 된다. 그리고 분말의 함량은 잉크 내의 점도에 영향을 미치는데, 점도가 낮아지게 되면 동일한 기판 표면에서 퍼짐 현상은 커지게 된다.

도 7은 실시예 1의 혼합 조성 잉크를 이용하여 노즐 크기가 25㎛인 DOD 방식의 압전 잉크젯 노즐로 패턴 형성시 세라믹 패턴 인쇄공정 Y축 변화 결과(가로 방향은 100㎛로 고정하고 세로 방향은 40 ~ 80㎛로 변화)를 나타내는 2차원 이미지이다.

도시된 바와 같이, 40㎛까지는 선(line)을 형성하였으며, 이 보다 길어지면 선(line)이 끊어지고, 60㎛ 이상에서는 dot로 인쇄되었다. 바람직하게는 35 ~ 40㎛의 범위가 좋다. 상기 하한을 벗어나게 되면 선(line) 패턴간의 연결이 되어 일정한 크기의 선(line) 패턴 확보 할 수 없으며, 상한을 벗어나게 되면 선(line) 패턴이 끊어지거나 dot 형상으로 나타나게 된다.

이는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위해서 제공되는 것일 뿐, 실시 예에 의해 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다. 패턴 형성시 사용되는 노즐의 크기에 따라서 최적의 선(line) 패턴을 확보하기 위한 Y축의 거리는 유동적으로 변화할 수 있다.

선(line) 과 Dot 패턴에 대해 세포 반응성 평가를 해 본 결과 선(line) 패턴에서 더 좋은 세포 반응성이 좋은 것을 확인하였다. 이러한 결과를 토대로 선(line) 형성에 대한 연구를 진행하게 되었다.

잉크젯 프린팅시 사용되는 노즐에서 잉크가 나오는 부분의 크기는 일정하다. 이로 인해 잉크가 노즐을 통해서 나오는 액적의 크기도 정해져서 노즐로써 패턴 사이즈 조절에는 한계가 있다. 그래서 패턴 크기를 조절할 수 있는 방법 중 패턴 크기에 가장 큰 영향을 미치는 세라믹 임플란트 표면 특성을 조절하여 패턴 사이즈를 조절 할 수 있다. Water base 잉크를 소수성 기판 표면에 제팅(jetting)하게 되면 잉크의 퍼짐이 적어서 친수성 표면에서 나타나는 패턴의 크기에 비해 폭이 작은 패턴을 형성 할 수 있다. 기판 표면의 특성 조절만으로도 패턴 크기를 조절할 수 있다.

도 8은 실시예 1의 혼합 조성 잉크를 이용하여 노즐 크기가 25㎛인 DOD 방식의 압전 잉크젯 노즐로 패턴 형성시 세라믹 패턴 인쇄공정 X축 변화 결과(가로 방향은 70 ~ 100㎛로 변화하고 세로 방향은 40㎛로 고정)를 나타내는 2차원 이미지이다.

도시된 바와 같이, 70㎛에서는 선(line) 패턴끼리 연결되었으며, 80㎛부터는 선(line) 패턴이 연결되지 아니하였다. 즉, 패턴끼리 연결되면 패턴이 중첩되는 것이므로, 독립적인 패턴이 구현될 수 없어 바람직하지 않은 것이다.

이는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위해서 제공되는 것일 뿐, 실시 예에 의해 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다. 패턴 형성시 사용되는 노즐의 크기에 따라서 최적의 line 패턴을 확보하기 위한 X축의 거리는 유동적으로 변화할 수 있다.

도 9는 실시예 1의 혼합 조성으로 세라믹 임플란트의 온도에 따라 패턴의 형상 변화를 관찰한 광학 이미지이다.

도시된 바와 같이, 실시예 1 조성에서는 세라믹 임플란트의 표면 온도가 30℃에서는 Bulging 현상이 어느 정도 나타나게 되어 일정한 크기의 패턴 확보가 다소간 어려웠으며, 그 보다 온도가 낮은 경우에는 패턴 확보가 매우 어렵고, 40℃도에서 일정한 크기의 패턴을 확보할 수 있다.

바람직하게는 세라믹 임플란트의 표면온도는 30 ~ 50℃로 설정될 수 있는데, 상기 하한을 벗어나게 되면 기판에 패턴 형성 후 잉크가 건조되는데 많은 시간이 소요됨으로 인해 작업 속도가 길어지게 되고, 상한을 벗어나게 되면 기판에 패턴 형성시 기판과 노즐이 근접하여 제팅을 하기 때문에 기판에 가해지는 온도가 노즐 표면에 영향을 주어 노즐에서 잉크가 나오는 부분이 건조가 되어 막힐 수 있다.

도 10은 실시예 1의 혼합 조성으로 친수성 표면과 소수성 표면에서의 패턴 형상을 관찰한 광학 이미지이다.

세라믹 임플란트의 표면에 소수성을 부여하기 위하여 본 발명에서는 기판 표면을 헥사메틸다이실라잔(HMDS, Hexamethyldisilazane), 테트라메틸디실라잔(TMDS, Tetramethyldisilazane), 비스디메틸아미노메틸실란(Bis(Dimethylamino)Methylvinylsilane), 디메틸아미노펜타메틸디실란(Dimethylaminopentamethyldisilane) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 이용하여 세라믹 임플란트를 세척하였다.

도시된 바와 같이, 실시예 1 조성에서는 기판 표면 조건에 따라 패턴 사이즈가 다르게 나타나는 것을 확인하였고, 친수성 표면이 소수성 표면보다 패턴사이즈가 크게 나타났다.

도 11은 본 발명의 일 실시예로서, 일정한 간격을 가지는 세라믹 패턴을 전자 현미경으로 관찰한 이미지이다.

도시된 바와 같이, 기판 표면에 150㎛ 패턴이 일정한 간격으로 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예 4의 잉크를 이용하여 세라믹 패턴을 인쇄 형성한 후 인간치주인대세포를 이용하여 세포 활성도를 평가한 것이다.

도시된 바와 같이, 실시예 4에 의해 세라믹 임플란트 표면에 형성된 패턴은 세포활성도에 큰 영향을 미쳤다. 패턴간의 간격이 증가함에 따라 기판자체(알루미나) 또는 인쇄소재(티타니아) 100% 코팅 면에서 보다 일정 간격을 이루는 경우, 예를 들어 200㎛까지는 세포활성이 급격히 증가하다가, 이후 300㎛부터는 알루미나 및 티타니아 각각의 단일 세라믹 임플란트 소재에서 보였던 표면활성에 근접하는 세포활성을 나타내었다.

세라믹 임플란트의 소재와 인쇄 종류에 불문하고 공통적으로 적용할 수 있는 가장 바람직한 패턴 폭은 50~250㎛, 패턴 간격값은 50 ~ 250㎛ 범위로 할 수 있다.

도 13은 각 패턴의 표면에서 증식된 세포의 2차원 이미지(confocal laser scanning microscopy)이다.

도시된 바와 같이, 일정조건의 패턴표면에서 well-spread 되어 부착된 비정형 형상의 인간치주인대세포를 볼 수 있었다.

도 14는 도 13에서 관찰되는 세포들의 개수와 각 세포가 차지하는 면적 등을 이미지 프로세싱에 의해 분석한 결과로서, 도시된 바와 같이 세포활성도가 가장 높았던 200㎛ 조건에서 세포가 차지하는 면적이 가장 넓은 것으로 확인되었다. 즉, 패턴의 간격 조절이 배양된 세포의 부착, 증식 및 분화에 매우 극적인 영향을 미치는 것이다.

세포 증식에 영향을 주는 패턴의 폭은 50 ~ 250㎛로 제작되는 것이 바람직하다. 상기 하한을 벗어나게 되면 세포 크기가 패턴의 폭보다 크기 때문에 패턴 표면에서 세포가 독립적인 공간이 확보되지 않아서 세포간의 영향으로 증식에 방해가 되어 활성도가 감소하며, 상한을 벗어나게 되면 형성된 패턴의 영향이 줄어들게 되어 세포 활성도가 감소하게 된다. 그러므로 패턴 폭은 위 범위에서 그 임계적 의의를 갖는다.

세포 증식에 영향을 주는 패턴 간격은 50 ~ 250㎛로 범위로 제작되는 것이 바람직하다. 상기 하한을 벗어나게 되면 세포 크기가 패턴간의 간격보다 크기 때문에 패턴 표면이나 패턴간의 공간에서든지 세포가 독립적인 공간이 확보되지 않아서 세포간의 영향으로 증식에 방해가 되어 활성도가 감소하며, 상한을 벗어나게 되면 패턴간의 간격이 커 패턴 영향이 줄어들게 되어 세포 활성도가 감소하게 된다. 그러므로 패턴 간격은 위 범위에서 그 임계적 의의를 갖는다.

도 15는 일정한 간격을 가지는 티타늄 금속 패턴과 알루미나 세라믹 패턴, 티타늄 금속 패턴과 알루미나 기판 표면에 인쇄한 티타니아 패턴에 대해 14일 후의 세포 활성도를 평가한 그래프로서, 패턴이 없는 표면에서는 알루미나, 티타니아 세라믹 표면이 티타늄 금속 표면보다 높은 세포 활성도를 나타내었다. 티타늄 금속 재료 표면에 형성한 패턴은 일정 크기까지는 세포 활성도가 높으나, 일정 크기 이상의 간격에서는 세포 활성도가 감소하였지만, 세라믹 재료 표면의 패턴의 경우는 패턴간의 간격이 증가함에 따라 세포 활성도가 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

이상 기술한 본 발명의 바람직한 실시 예들의 특성은 조성분말의 평균입도, 분포 및 광학 특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연한 것이다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시 예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (18)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 세라믹 분말, 주용매, 건조제어제를 포함하는 세라믹 잉크 조성물을 이용하며,
   세라믹 임플란트에 친수성 또는 소수성을 부여하기 위하여 세척하는 단계;
   상기 세척된 세라믹 임플란트상에 상기 세라믹 잉크 조성물을 도포하여 패턴을 형성하는 단계; 및
   패턴이 형성된 세라믹 임플란트를 소결하는 단계;
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 소수성을 부여하기 위하여 세척하는 단계에서는,
    기판 표면을 헥사메틸다이실라잔(HMDS, Hexamethyldisilazane), 테트라메틸디실라잔(TMDS, Tetramethyldisilazane), 비스디메틸아미노메틸실란(Bis(Dimethylamino)Methylvinylsilane), 디메틸아미노펜타메틸디실란(Dimethylaminopentamethyldisilane) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 이용하여 세척하는 것임을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.
11. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹 잉크는 세라믹 임플란트과 동종의 물질인 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.
12. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹 잉크는 세라믹 임플란트와 이종의 물질인 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.
13. 제9항에 있어서,
    세라믹 임플란트 표면에 세라믹 임플란트와 동종 또는 이종 물질 중 하나 또는 그 이상이 포함된 세라믹 잉크를 이용하여 독립적인 세라믹 패턴을 반복적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.
14. 제9항에 있어서,
    기판 표면의 건조 속도를 제어하기 위하여, 노즐에서의 잉크가 건조가 되어 막히지 않는 범위에서 기판 온도를 30 ~ 50℃ 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.
15. 제9항에 있어서,
    세라믹 임플란트 표면에 일정한 독립적인 패턴을 형성하기 위하여, 가로 방향으로는 잉크 토출되는 위치의 간격이 적어도 80㎛인 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.
16. 제9항에 있어서,
    세라믹 임플란트 표면에 일정한 독립적인 패턴을 형성하기 위하여, 세로 방향으로는 잉크 토출되는 위치의 간격이 35 ~ 40㎛인 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.
17. 제9항에 있어서,
    패턴이 형성된 세라믹 임플란트를 소결하는 단계;에서는 1200 ~ 1650℃의 범위에서 소결하는 것임을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.
18. 제9항에 있어서,
    형성된 패턴의 폭은 50 ~ 250㎛이고, 패턴간의 간격은 50 ~ 250㎛인 것을 특징으로 하는 세포활성 촉진을 위하여 세라믹 잉크 조성물을 이용하여 세라믹 임플란트에 패턴을 형성하는 방법.

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