KR101603903B1 - 3d 프린팅 금속 임플란트의 표면특성 개질방법 - Google Patents
3d 프린팅 금속 임플란트의 표면특성 개질방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 금속 재료를 3D 프린팅 방법으로 성형하여 제조한 금속 임플란트의 표면에 마이크로블라스팅(Microblasting) 처리하는 단계를 포함하는 금속 임플란트의 표면특성 개질방법을 제공한다. 본 발명에 따른 금속 임플란트의 표면특성 개질방법을 사용하는 경우 3D 프린터를 이용하여 제조한 금속 임플란트의 표면 조도 및 압축 강도가 크게 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 금속 임플란트의 표면특성 개질방법을 사용하는 경우 3D 프린팅을 이용하여 제조한 금속 임플란트의 표면에 존재하는 잔류 분말 및 외부 응력에 쉽게 분리될 가결합 분말을 제거되고, 그로 인해 인체 삽입형 금속 임플란트의 안전성을 담보할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 금속 임플란트의 표면특성 개질방법은 인체 삽입형 금속 임플란트, 정형외과용 맞춤형 임플란트, 특히 두개골 임플란트에 적용될 수 있다.
Description
본 발명은 금속 임플란트의 표면특성 개질방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 임플란트의 표면특성을 인체 삽입형 임플란트에 적합하도록 개질하는 방법에 관한 것이다.
임플란트는 뼈와 같은 인체조직이 상실되었을 때 상실된 인체조직을 대신하거나 이를 회복시켜주는 대치물을 의미한다. 특히 정형외과용 임플란트는 인체에 삽입되기 때문에 유독성이 없어야 하고, 임플란트 수명 기간 동안 골과의 결합력을 유지하여야 하고, 높은 내부식성을 지녀야만 한다. 이와 같은 임플란트의 조건 때문에 티타늄 또는 티타늄 합금을 임플란트로 가공하여 사용하여 왔다.
한편, 환자의 두개강 내에서 발생하는 압력을 완화시키기 위해 시술되는 두개골 절제술은 두개강 내의 증가된 압력을 제어하기 위한 유용한 외과 수술법으로 널리 알려져 왔다. 그러나, 두개골 절제술의 시행에 따라 큰 두개골 결함의 발생은 불가피하여, 후속적으로 두개골 성형술은 반드시 필요하다. 일반적으로, 두개골 성형술은 절제된 부위에 인공의 구조물, 즉 두개골 임플란트로 대체하는 수술로서 1) 외력에 의한 환자의 뇌 보호, 2) 뇌혈류 변화에 따른 뇌기능 개선, 3) 외관적인 미용효과에 따른 사회참여도 증가 등의 측면에서 그 중요성이 높아지고 있는 추세이다. 두개골 성형술과 관련하여, 과거에는 초기 수술 중에 얻어진 자가 이식 골편(Autogenous bone flaps)을 이용한 두개골 성형술이 중요하게 여겨져 왔다. 이는 자기 이식 골편을 이용한 두개골 성형술이 특별한 제작 없이 손쉽게 시술될 수 있는 장점이 있었기 때문이다. 그러나, 자가 이식 골편을 이용한 두개골 성형술은 1) 장기간 외부보관에 따른 높은 염증 발생율, 2) 시술 후 50% 정도의 골 흡수(bone resorption)에 따른 뇌 보호 및 미용적인 문제로 실제 임상에서 환자에게 적용될 수 있는 경우가 적은 것으로 알려져 왔다. 따라서, 최근에는 이러한 자가 이식 골편의 단점을 극복하고자 비금속 또는 금속과 같은 인공재료를 이용한 두개골 임플란트의 제작이 폭 넓게 사용되고 있다. 상기 두개골 임플란트와 같은 정형외과용 임플란트는 환자의 손상 부위와 일치하도록 환자 맞춤형으로 설계되어야 하고, 생체 외에서 제작되어야 하며, 혈액 손실 및 감염 위험과 연관된 수술시간 단축, 두개골 형상의 미적 결과, 그리고 수술 비용 측면 모두를 만족시킬 수 있어야 한다. 하지만, 수술 중에 두개골 임플란트를 주조 방식을 통해 제작하는 과정은 크거나 복잡한 형상의 결손을 갖는 환자에게는 미용적인 측면에서 좋지 않은 결과를 초래하게 한다. 또한, 주조 방식으로 금속을 가공하여 치수 정밀도가 높은 금속 임플란트를 제조하는 경우 금형 비용이 증가하고 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해 최근 3D 프린팅에 통해 정형외과용 임플란트 제품을 제조하는 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0088928호에는 (a) 환자의 두개골을 CT 촬영하여 CT 데이터를 획득하는 단계와; (b) 상기 CT 데이터에 기초하여 환자의 두개골 결손 영역에 대한 3D 임플란트 이미지를 생성하는 단계와; (c) 상기 3D 임플란트 이미지에 기초하여, 상기 두개골 결손 영역에 적용될 두개골 임플란트에 대한 3D 주형 이미지를 생성하는 단계와; (d) 3D 프린터를 통해 상기 3D 주형 이미지를 3D 프린팅하여 임플란트 주형을 생성하는 단계와; (e) 상기 임플란트 주형에 임플란트 소재를 주입하여 상기 두개골 임플란트를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 맞춤형 두개골 임플란트의 제작 방법이 개시되어 있다. 3D 프린팅은 기존의 깎아서 가공하는 방식(subtractive manufacturing method)이 아닌 3D모델 데이터로부터 정보를 받아 한 층씩 쌓아가는 방식으로 대상물을 가공하는 방식으로서, 공식적인 기술용어는 적층가공(Additive Manufacturing)이다. 3D 프린팅은 시제품의 제작 비용 및 시간 절감, 다품종 소량 생산, 개인 맞춤형 제작 용이, 복잡한 형상 제작 및 재료비 절감 우위, 완제품 제작 시의 제작 공정 간소화 등과 같은 장점을 보유하고 있으며, 최근 항공산업과 의료분야 부품 제작 등에 이용되고 있다. 그러나, 현재의 3D 프린팅 기술을 이용하여 티타늄과 같은 금속 재료로부터 정형외과 시술에 사용되는 인체 삽입형 임플란트를 제조하는 경우 표면 조도, 압축 강도 등과 같은 표면특성이 만족스럽지 못하였고, 이를 개선할 필요가 있다.
본 발명은 종래의 기술적 배경하에서 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 3D 프린팅에 의해 제조된 금속 임플란트의 표면특성을 인체 삽입형 임플란트에 적합하도록 개질하는 방법을 제공하는데에 있다.
본 발명의 발명자들은 티타늄 금속 분말을 3D 프린팅 방법 중 하나인 전자빔 용해 방법으로 적층가공 하여 두개골 금속 임플란트를 제조하였다. 상기 두개골 금속 임플란트는 표면에 잔류분말 및 외부 응력에 쉽게 분리될 수 있는 가결합 분말이 존재하여 인체 삽입형으로는 부적합하였다. 또한, 상기 두개골 금속 임플란트는 표면 조도가 너무 크고 압축 강도는 너무 작아 두개골 금속 임플란트에 요구되는 물성을 만족하지 못하였다.
본 발명의 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 분위기 열처리, 전해연마 및 마이크로블라스팅과 같은 다양한 표면처리 방법을 검토한 결과, 분위기 열처리의 경우 제품의 성분을 개질하기 때문에 생물학적 안전성 평가가 필요하고, 전해연마의 경우 표면 조도가 거울면과 같이 개선되어 골 접촉률을 저하시킬 염려가 있다는 점 때문에 마이크로블라스팅 방법을 선택하였다. 3D 프린팅에 의해 제조된 두개골 금속 임플란트의 표면을 소정의 조건에서 마이크로블라스팅 처리하면 인체 삽입형 금속 임플란트에 적합하도록 표면이 개질된다는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 금속 재료를 3D 프린팅 방법으로 성형하여 제조한 금속 임플란트의 표면에 마이크로블라스팅(Microblasting) 처리하는 단계를 포함하는 금속 임플란트의 표면특성 개질방법을 제공한다.
이때, 상기 금속 재료는 정형외과용 임플란트를 제조하는데에 사용되는 것이라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 신체에 유독성이 없어야 하고, 임플란트 수명 기간 동안 골과의 결합력을 유지하여야 하고, 높은 내부식성을 지녀야만 하는 인체 삽입형 임플란트의 특성을 고려할 때 티타늄, 티타늄 합금 또는 코발트-크롬 합금에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 티타늄 합금은 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 플래티늄(Pt), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 붕소(B), 규소(Si), 인(P), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 인듐(In), 주석(Sn) 및 금(Au) 중에서 선택되는 적어도 하나와 티타늄을 포함할 수 있다.
또한, 상기 3D 프린팅 방법은 금속 원료의 적층가공을 위해 사용되는 방법이라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 레이저를 이용한 적층가공 방법, 전자빔을 이용한 적층가공 방법, 초음파를 이용한 적층가공 방법 등이 있다. 본 발명에서 사용되는 3D 프린팅 방법은 임플란트 제조를 위한 금속 원료가 주로 분말 형태인 점을 고려할 때 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법, 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법 또는 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법은 고진공 상태에서 전자빔을 활용하여 금속 분말을 용해하는 방식으로 적층가공 하는 기술이고, 상기 선택적 레이저 용해(Selective Laser Melting, SLM) 방법은 베드에 도포된 금속 분말에 선택적으로 고출력 레이저를 조사하여 용융시키는 방식으로 적층가공 하는 기술이고, 상기 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 방법은 베드에 도포된 금속 분말에 선택적으로 레이저를 조사하여 소결하고, 금속 분말의 도포 공정을 반복하여 적층가공 하는 기술이고, 상기 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 방법은 직접적으로 금속 분말을 레이저로 소결하여 적층가공 하는 기술이다. 상기 3D 프린팅 방법의 미세한 차이점은 공지된 선행문헌에 잘 나타나 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
또한, 상기 금속 임플란트는 정형외과용 맞춤형 임플란트 또는 인체 삽입형 임플란트 등에서 선택될 수 있고, 대표적인 예로 두개골 임플란트가 있다.
또한, 본 발명에서 금속 임플란트의 표면특성을 개질하기 위해 사용되는 마이크로블라스팅(Microblasting) 처리는 금속 기재 표면에 마이크로미터 크기의 미세 입자 형태인 미디어를 고속으로 또는 고압으로 분사하여 표면의 특성을 변화시키는 기술이다. 본 발명에서 마이크로블라스팅(Microblasting) 처리는 표면 가공 경화법인 숏 피닝(shot peening) 처리를 포함하는 개념이다. 본 발명에 따른 금속 임플란트의 표면특성 개질방법에서 상기 마이크로블라스팅 처리는 금속 임플란트에 요구되는 다양한 물성을 만족시킬 수 있도록 소정의 조건에서 수행된다. 구체적으로, 상기 마이크로블라스팅 처리시 미디어(Media)는 35~450㎛ 크기의 금속 입자 또는 35~450㎛ 크기의 세라믹 입자에서 선택되고, 미디어 분사 압력은 2~7 바(bar)에서 선택되고, 미디어 분사량은 금속 임플란트 표면적 400㎠ 을 기준으로 2~10㎏ 에서 선택되고, 미디어 분사 시간은 30초 내지 30분에서 선택된다. 또한, 상기 미디어로 사용되는 금속 입자는 강제(steel) 미립자인 것이 바람직하다. 또한, 상기 미디어로 사용되는 세라믹 입자는 실리카(SiO2) 입자 또는 알루미나(Al2O3) 입자에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 최종 금속 임플란트의 표면특성을 고려할 때 상기 마이크로블라스팅 처리시 미디어(Media)는 250~450㎛ 크기의 강제 미립자이고, 미디어 분사 압력은 3~5 바(bar) 에서 선택되고, 미디어 분사량은 금속 임플란트 표면적 400㎠ 을 기준으로 4~8㎏ 에서 선택되고, 미디어 분사 시간은 30초 내지 10분에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 마이크로블라스팅 처리 후 금속 임플란트는 그 표면에 존재하는 잔류 분말 및 외부 응력에 쉽게 분리될 가결합 분말이 제거될 뿐만 아니라 표면 조도 또는 압축 강도가 개선된다. 구체적으로, 상기 마이크로블라스팅 처리 후 금속 임플란트의 표면 조도는 바람직하게는 1~8㎛, 더 바람직하게는 2~6㎛ 이다. 또한, 상기 마이크로블라스팅 처리 후 금속 임플란트의 최대 압축 하중은 바람직하게는 4000~5500 뉴턴(N), 더 바람직하게는 4600~5300 뉴턴(N) 이다.
본 발명에 따른 금속 임플란트의 표면특성 개질방법을 사용하는 경우 3D 프린팅를 이용하여 제조한 금속 임플란트의 표면 조도 및 압축 강도가 크게 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 금속 임플란트의 표면특성 개질방법을 사용하는 경우 3D 프린터를 이용하여 제조한 금속 임플란트의 표면에 존재하는 잔류 분말 및 외부 응력에 쉽게 분리될 가결합 분말을 제거되고, 그로 인해 인체 삽입형 금속 임플란트의 안전성을 담보할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 금속 임플란트의 표면특성 개질방법은 인체 삽입형 금속 임플란트, 정형외과용 맞춤형 임플란트, 특히 두개골 임플란트에 적용될 수 있다.
도 1은 전자빔 용해 방식의 3D 프린터를 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 사진이다.
도 2는 전자빔 용해 방식의 3D 프린터를 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 표면을 주사전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3은 3D 프린팅을 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 표면을 소정의 조건에서 마이크로블라스팅 처리한 후의 사진이다.
도 4는 3D 프린팅을 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 표면을 소정의 조건에서 마이크로블라스팅 처리한 후 주사전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 2는 전자빔 용해 방식의 3D 프린터를 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 표면을 주사전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3은 3D 프린팅을 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 표면을 소정의 조건에서 마이크로블라스팅 처리한 후의 사진이다.
도 4는 3D 프린팅을 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 표면을 소정의 조건에서 마이크로블라스팅 처리한 후 주사전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것 일뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
1.
분석 방법
(1) 금속 임플란트의 표면 조도
금속 임플란트의 표면 조도(roughness, Rauhigkeit)는 표면 조도계(모델명 : Dektak 150; 제조사 : Veeco, 미국)를 이용하여 측정하였다.
(2) 금속 임플란트의 압축 강도
금속 임플란트의 압축 강도는 만능재료시험기(모델명 : Instron 5966; 제조사 : Instron Engineering Co., 미국)를 이용하여 측정하였다. 만능재료시험기의 cross head speed를 5 ㎜/min 으로 하여 시편을 압축하였고, 최대 압축 하중을 측정하였다.
2. 3D
프린팅을
이용한 두개골 임플란트의 제조
2차원 의료용 CT/MRI 이미지를 3차원 설계 디자인으로 역설계하여 3D 프린터용 데이터를 획득하였다. 이후, 상기 3D 프린터용 데이터에 기초하여 2등급의 순수 티타늄(평균 입도 : 73㎛) 분말을 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방식의 3D 프린터(모델명 : A2X; 제조사 : Arcam AB, 스웨덴)로 적층가공하고 두개골 임플란트를 제조하였다. 제조된 두개골 임플란트의 표면 조도는 약 45㎛ 이었고, 최대 압축 하중은 약 2,800 뉴튼(N) 이었다.
도 1은 전자빔 용해 방식의 3D 프린터를 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 사진이다. 또한, 도 2는 전자빔 용해 방식의 3D 프린터를 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 표면을 주사전자 현미경으로 촬영한 사진이다. 도 1 및 도 2에서 보이는 바와 같이 전자빔 용해 방식의 3D 프린터를 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트는 표면에 잔류 분말 및 외부 응력에 쉽게 분리될 수 있는 가결합 분말이 존재하였고, 표면이 매우 거칠었다.
3. 3D
프린팅을
이용하여 제조한 두개골 임플란트의
마이크로블라스팅
처리
앞에서 제조한 두개골 임플란트의 표면을 마이크로블라스팅(구체적으로 숏 피닝, shot peening) 처리하였다. 마이크로블라스팅 처리시 미디어(Media)로 400㎛ 크기의 강제 미립자 숏을 사용하였고, 미디어 분사 압력은 3 바(bar) 이었고, 미디어 분사량은 두개골 임플란트 표면적 400㎠ 을 기준으로 약 7㎏ 이었고, 미디어 분사 시간은 1분 이었다. 마이크로블라스팅 처리된 두개골 임플란트의 표면 조도는 약 3㎛ 이었고, 최대 압축 하중은 약 5,100 뉴튼(N) 이었다.
도 3은 3D 프린팅을 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 표면을 소정의 조건에서 마이크로블라스팅 처리한 후의 사진이다. 또한, 도 4는 3D 프린팅을 이용하여 순수 티타늄 분말로부터 제조한 두개골 임플란트의 표면을 소정의 조건에서 마이크로블라스팅 처리한 후 주사전자 현미경으로 촬영한 사진이다. 도 3 및 도 4에서 보이는 바와 같이 3D 프린팅을 이용하여 제조한 두개골 임플란트의 표면을 소정의 조건에서 마이크로블라스팅 처리하였을 때 표면에 존재하는 잔류 분말 및 외부 응력에 쉽게 분리될 수 있는 가결합 분말이 제거되었고, 표면이 매끄러워졌다.
이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (10)
- 금속 재료를 3D 프린팅 방법으로 성형하여 제조한 두개골 금속 임플란트의 표면에 마이크로블라스팅(Microblasting) 처리하는 단계를 포함하는 방법으로서,
상기 금속 재료는 티타늄 또는 티타늄 합금에서 선택되고,
상기 3D 프린팅 방법은 전자빔 용해(Electron Beam Melting, EBM) 방법이고,
상기 마이크로블라스팅 처리시 미디어(Media)는 250~450㎛ 크기의 강제 미립자이고, 미디어 분사 압력은 3~5 바(bar) 에서 선택되고, 미디어 분사량은 금속 임플란트 표면적 400㎠ 을 기준으로 4~8㎏ 에서 선택되고, 미디어 분사 시간은 30초 내지 10분에서 선택되며,
상기 마이크로블라스팅 처리 후 두개골 금속 임플란트의 표면 조도는 1~8㎛ 인 것을 특징으로 하는 금속 임플란트의 표면특성 개질방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 두개골 금속 임플란트는 정형외과용 맞춤형 임플란트인 것을 특징으로 하는 금속 임플란트의 표면특성 개질방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 마이크로블라스팅 처리 후 두개골 금속 임플란트의 최대 압축 하중은 4000~5500 뉴턴(N) 인 것을 특징으로 하는 금속 임플란트의 표면특성 개질방법.
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