KR101657741B1

KR101657741B1 - Similar bone and porous metal structure and method for manufacturing the same

Info

Publication number: KR101657741B1
Application number: KR1020130023280A
Authority: KR
Inventors: 이원희; 조유정; 고연규
Original assignee: 세종대학교산학협력단
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2016-09-19
Also published as: KR20140112584A

Abstract

본 발명은 유사골 다공성 금속 구조체 및 이의 제조방법을 제공한다. 티타늄 및 티타늄 합금, 생체 의료용의 금속 섬유를 제조하여 2차원 및 3차원 매트를 제조한다. 2치원 매트는 적층, 롤링, 가공, 소결을 사용한다. 이에 따라, 3차원 유사골 구조체인 생체재료용 임플란트 금속 구조체를 제조할 수 있다.The present invention provides a similar bone porous metal structure and a method of manufacturing the same. Titanium and titanium alloys, and metal fibers for biomedical applications to produce two- and three-dimensional mats. 2 The dental mat is laminated, rolled, machined, and sintered. Thus, an implant metal structure for a living body material, which is a three-dimensional similar bone structure, can be manufactured.

Description

Similar bone porous metal structures and methods of making same

본 발명은 다공성 금속 구조체에 관한 것으로, 상세하게는 의료용 골이식 대체제로 쓰일 수 있는 유사골 다공성 금속 구조체 제조 및 이의 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a porous metal structure, and more particularly, to a method for manufacturing a bone porous metal structure that can be used as a medical bone graft substitute, and a method thereof.

골 이식 대체제로 사용되는 재료는 매우 다양한데 금속, 세라믹, 고분자 등 각각의 재료는 고유한 물성이 서로 다르기 때문에, 적용하고자 하는 조직에 따라 그 특성에 맞는 재료를 사용하여 골 이식 대체물로 개발되어왔다. Materials used as bone graft substitutes are very diverse. Each material such as metals, ceramics, and polymers has unique physical properties. Therefore, they have been developed as bone graft substitutes using materials that meet their characteristics depending on the tissue to be applied.

현재 뼈와 표면적 및 물성이 유사한 재료를 만들기 위해서 각각의 재료의 표면 및 구조를 다공질로 만드는 연구가 진행되어 오고 있다. 1970년대 초반부터 골 내성장이 우수한 재료로 만들기 위하여 표면을 다공질로 만드는 연구가 진행 되었으며, 이때부터 의료용으로 적용되기 시작 하였다. 다공질 재료로서 세라믹은 내 부식성은 높으나, 취성이 약하며, 고분자는 탄성은 높으나, 기계적 물성이 약하다. Research has been carried out to make the surface and structure of each material porous so as to make materials having similar surface area and physical properties to the bones. Since the early 1970s, studies have been carried out to make the surface porous to make a material with excellent bone growth. As a porous material, ceramics have high corrosion resistance, but are weak in brittleness. Polymers are high in elasticity, but have poor mechanical properties.

현재 Zimmer사에서는 치과 및 정형외과용 의료소재로 화학증착/침투법(CVD/CVI)을 이용하여Trabecular Metal이라는 다공성 탄탈륨 제품을 제조 및 판매하고 있다. 기공율은 지금까지 시장에 나온 다른 제품들에 비해 가장 높고, 탄성 계수가 cancellous bone과 가장 유사하다고 보고되었다. 기공 사이즈 또한 200~500 m로 골내성장이 용이하도록 하였다. 이 제품은 의약용 폴리우레탄 폼(PU foam)을 전구체로하여 특정 기공크기와 등방성의 기계적 성질을 갖도록 하였다. 폴리우레탄 폼을 망상의 구조로 하여 열분해 하면 다양한 형상으로 가공 또는 분쇄할 수 있는 저밀도 망상의 유리화 비정형 탄소(RVC, reticulated vitreous carbon) 구조로 된다. 유리화 비정형 탄소 예비 성형체는 화학증착/침투법(CVD/CVI)에 의해 RVC 예비성형체에 순수 탄탈륨이 증착된다. CVD/CVI에 의해 증착된 탄탈륨 입자크기는 약 5-20이고, 다른 제조법에 비해 기공 크기 및 기계적 특성의 조절이 용이한 것으로 보고되고 있다. Wright medical사에서는 정형외과용 의료소재인 biofoam이라는 제품을 제조 및 시판하고 있다. Ti또는 TiH powder와 binder를 섞어 슬러리 상태로 만들어 sponge에 코팅 한 후 고온소결을 통하여 binder를 날려 보내는 방식으로 다공체를 제조 하고 있다. Sysnthes사와 나머지 제조사들은 space holder법이나 plasma spray 증착법을 이용하여 다공체를 제조하고 있다. Currently, Zimmer manufactures and sells Trabecular Metal porous tantalum products using chemical vapor deposition / penetration method (CVD / CVI) for dental and orthopedic medical materials. Porosity has been reported to be highest compared to other products on the market and elastic modulus is reported to be most similar to cancellous bone. The pore size was also 200 ~ 500 m to facilitate bone growth. This product is made of medical polyurethane foam (PU foam) as a precursor and has specific pore size and isotropic mechanical properties. When the polyurethane foam is pyrolyzed with a network structure, it becomes a low density network of reticulated vitreous carbon (RVC) structure that can be processed or crushed into various shapes. The vitrified amorphous carbon preform is deposited with pure tantalum on the RVC preform by chemical vapor deposition / impregnation (CVD / CVI). The size of the tantalum particles deposited by CVD / CVI is about 5-20, and it is reported that the pore size and mechanical properties can be easily controlled compared to other production methods. Wright medical manufactures and sells a product called biofoam, an orthopedic medical material. Ti or TiH powder and a binder are mixed to form a slurry state, coated on a sponge, and then the binder is blown out through high-temperature sintering to prepare a porous body. Sysnthes and the rest of the manufacturers are fabricating the porous body using space-holder method or plasma spray evaporation method.

현재 골이식 대체물로 사용되는 의료용 금속소재로서 stainless steel, Co alloy, Ti alloy 등이 다른 금속재료에 비하여 내식성, 강도, 피로저항성이 우수하며, 생체안전성이 높아 일반적으로 많이 사용되고 있다. 이중 티타늄은 뼈를 대신 하는 대체 물질로 사용하고 있지만 뼈와 골이식 대체제의 탄성계수의 차이 의해 골이식 대체물이 뼈를 손상시키는 부작용이 빈번히 발생하는 실정이다. 이러한 응력 차폐 현상으로 인해 뼈가 하중 지탱 응력을 낮추는 쪽으로 조직이 변화되어 치밀도가 떨어지면서 또 다른 골손실을 발생 시킬 수 있다. Stainless steel, Co alloy, Ti alloy, etc., which are currently used as bone graft substitutes, are superior in corrosion resistance, strength and fatigue resistance as compared with other metal materials, and have high bio stability. Although titanium is used as a substitute for bones, there are frequent side effects that bone graft replacement damages bones due to the difference in elastic modulus between bone and bone graft substitute. This stress shielding may cause bone loss due to the change of the tissue toward the lowering of the load supporting stress.

대한민국 등록특허 제10-129051000호Korean Patent No. 10-129051000

상기와 같은 이유로 골 조직에 매식한 임플란트가 우수한 골유착 특성을 보이기 위해서는 골 내성장이 용이한 기공크기 및 기공율, 골과 유사한 강도, 탄성계수가 요구된다. 이에 본 발명은 골과 가장 유사하게 제어된 기공 크기, 기공률 과 탄성계수를 갖는 체내 식립형 임플란트를 제작하는데 그 목적이 있다. For the above reasons, in order to exhibit excellent osseointegration characteristics, implants embedded in the bone tissue require pore size and porosity, bone-like strength, and elastic modulus that facilitate in-bone growth. The object of the present invention is to prepare an implantable implant having a controlled pore size, porosity and elastic modulus most similar to bone.

본 발명은 순수 티타늄(cp Ti) 또는 티타늄 합금봉을 대기압 하에서 산소를 차폐하여 균일하게 가열 할 수 있도록 유도 가열기술을 도입하여 금속섬유를 대량 생산 한다. 생산된 티타늄 및 티타늄 합금 섬유는 직조매트를 제작 하여, 적층하거나 둥글게 말은 뒤 소결을 통해 다공성 구조체를 만든다. The present invention introduces induction heating technology so that pure titanium (cp Ti) or a titanium alloy rod can be uniformly heated by shielding oxygen under atmospheric pressure to mass produce metal fibers. The produced titanium and titanium alloy fibers are made of woven mats and laminated or rounded to make a porous structure by sintering back.

상기 과제를 해결하기 위해, 유사골 구조체는 다공성 구조체를 제공함으로써 정형외과용 유합보형재 및 치과용 임플란트로 사용이 적합한 구조체를 제공할 수 있으며, 골내성장이 우수한 재료로서 기공크기를 자유롭게 조절 할 수 있다. 또한 탄성계수 및 강도 또한 골과 유사한 골 대체물을 제작 할 수 있다. 상기 발명품은 이방성을 가질 수 있어 하중이 집중되어 높은 강도를 요구하는 곳에 적용할 수 있다. In order to solve the above problems, the similar bone structure can provide a structure suitable for use as a fusible sheathing material for orthopedic surgery and a dental implant by providing a porous structure, and is capable of freely adjusting the pore size have. The elastic modulus and strength can also be used to produce bone substitutes. The above-mentioned invention can be applied to a place where anisotropy is required and a load is concentrated and high strength is required.

도1은 본 발명의 제조공정 개략도이다.
도2은 본 발명의 결과인 여러 가지 기공 모양의 제작 과 3차원 다공체를 나타내었다. 1 is a schematic view of the manufacturing process of the present invention.
FIG. 2 shows various pore shapes and three-dimensional porous bodies as a result of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.

도 1은 본 발명의 제조공정 개략도이다.1 is a schematic view of the manufacturing process of the present invention.

도 1을 참조하면, 먼저 티타늄 금속섬유를 제조한다. 이는 대기압 조건에서 PDME(Pendent Drop Melt Extraction)방법을 사용할 수 있다. 티타늄 금속섬유를 제조함에 있어서, 산소를 차폐할 수 있다. 그 이유는 티타늄은 산소와의 반응성이 큰 물질이어서, 특히 고온에서는 반응성이 매우 커져 반응이 폭발적으로 일어날 수 있기 때문이다. 그리고 티타늄 금속섬유 제조 시 산화물 형성은 생산되는 섬유의 길이를 짧게 한다. 따라서 기다란 티타늄 금속섬유를 제조하기 위해서는 고온의 티타늄이 산소와 접촉하는 것을 차단시켜야 한다. 아르곤 가스를 이용하여 티타늄 용융 부분을 포함한 고온 영역을 산소로부터 차폐하는 기술을 개발하여 대기압 하에서 티타늄 금속섬유를 생산한다. Referring to FIG. 1, first, a titanium metal fiber is produced. This can be done using atmospheric pressure PDME (Pendent Drop Melt Extraction) method. In the production of titanium metal fibers, oxygen can be shielded. The reason for this is that titanium is a substance having high reactivity with oxygen, and the reaction may become explosive due to a very high reactivity particularly at high temperatures. In the production of titanium metal fibers, oxide formation shortens the length of the fibers produced. Therefore, in order to produce an elongated titanium metal fiber, high-temperature titanium must be prevented from contacting with oxygen. We have developed a technology to shield the high temperature region containing oxygen from argon gas from oxygen to produce titanium metal fiber under atmospheric pressure.

또한, 티타늄 금속섬유를 제조함에 있어서, 유도가열을 사용할 수 있다. 유도가열은 유도 가열기를 이용하여 티타늄 봉 10개를 통시에 가열하게 된다. 이는 생산성을 높일 수 있다. Further, in the production of the titanium metal fiber, induction heating can be used. In the induction heating, 10 titanium rods are heated through the induction heating machine. This can increase productivity.

이 후, 금속섬유를 가공한다. 이는 무명실을 뽑아 무명옷감을 직조하듯이, PDME 방법에 의해 생산된 금속섬유로부터 무명실과 같은 티타늄 얀(yarn)을 생성한다. 상기 티타늄 얀으로부터 다공성 구조체를 만들 수 있는 직조매트를 생산한다. Thereafter, the metal fiber is processed. This creates titanium yarn like a filament yarn from the metal fibers produced by the PDME process, as if weaving an anonymous yarn to weave an anonymous yarn. Producing a woven mat from which the porous structure can be made from the titanium yarn.

상기 얀은 대기압 조건하에서 PDME 방법으로 제조된 상기 티타늄 금속섬유 10~20 가닥을 사용하여 무명실과 같은 긴 섬유다발의 형태로 생산될 수 있다.The yarns may be produced in the form of long fiber bundles such as cotton buds using 10 to 20 strands of the titanium metal fibers prepared by the PDME process under atmospheric pressure conditions.

이 후, 티타늄 금속섬유 매트를 제조한다. 생산된 상기 티타늄 얀을 직조하여 매트를 제조한다. 이 직조매트를 적층하거나 둥글게 말은 뒤 소결하여 다공성 구조체로 제작한다. 매트 제작시 매트의 모양과 크기를 다양하게 제조 할 수 있다.Thereafter, a titanium metal fiber mat is produced. The produced titanium yarn is woven to produce a mat. The woven mats are laminated or rounded and the horses are sintered back to produce a porous structure. The shape and size of the mat can be varied when the mat is made.

금속섬유 직조매트를제조함에 있어서, 티타늄 금속섬유 얀을 사용하여 무명옷감을 방직하는 것과 같은 기술로 티타늄 직조매트를 생산할 수있다. In fabricating metal fiber weave mats, titanium woven mats can be produced with techniques such as weaving an anonymous fabric using titanium metal fiber yarns.

마지막으로, 임플란트를 가공한다. 간단한 모양의 임플란트는 티타늄 소결체를 그대로 사용할 수 있으나 복잡한 모양의 임플란트는 다공성 소결 구조체를 용도에 맞게 가공하여야 한다. 환자 개개인의 CT (Computed Tomography) 자료에 의해 맞춤형 임플란트를 다공성 소결 구조체로부터 가공하여 제작한다. Finally, the implant is machined. For simple implants, the titanium sintered body can be used as it is, but for the complex shaped implant, the porous sintered structure must be fabricated to suit the purpose. A customized implant is fabricated from the porous sintered structure by computed tomography (CT) data of each patient.

임플란트를 가공함에 있어, 레이저 가공기술을 사용할 수 있다. 레이저를 사용하여 다공성 소결체로부터 맞춤형 임플란트로 가공할 경우 소결체의 물리적 기계적 특성을 변화시키지 않고 표면의 기공의 형태를 유지하며 금속섬유가 떨어져 나오지 않는 임플란트 가공기술 개발이 가능할 수 있다. In the processing of implants, laser processing techniques can be used. When a laser is used to fabricate a customized implant from a porous sintered body, it is possible to develop an implant processing technique in which the pores of the surface are maintained and the metal fibers are not separated without changing the physical and mechanical properties of the sintered body.

도 2은 본 발명을 통해 개발된 다공성 구조체의 여러 가지 모양의 기공 제작 및 3차원 다공체를 나타낸다.
FIG. 2 shows a pore structure of various shapes of a porous structure developed through the present invention and a three-dimensional porous body.

Claims

Preparing a titanium metal fiber;
Processing the titanium metal fiber to produce titanium yarn;
Fabricating a titanium metal fiber mat from the titanium yarn; And
Implanting the titanium metal fiber mat,
Wherein the step of fabricating the titanium metal fiber comprises simultaneously producing a plurality of titanium metal fibers using an induction heater.

The method according to claim 1,
Wherein the step of fabricating the titanium metal fiber comprises:
Oxygen-shielded inert gas atmosphere. &Lt; RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >

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The method according to claim 1,
Wherein the step of implanting the titanium metal fiber mat comprises using a laser machining technique.

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