KR101686300B1 - 친환경 에칭 조성물을 이용한 티타늄 함유 임플란트의 제조방법 - Google Patents

친환경 에칭 조성물을 이용한 티타늄 함유 임플란트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물을 준비하는 단계 및 상기 에칭 조성물에 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 임플란트를 침적하여 산화에칭하는 단계를 포함하는 임플란트의 제조방법; 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 산화에칭시켜 제조한 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트; 및 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 임플란트 표면처리용 조성물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물로 산화에칭시켜 제조되고, 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 열린 채널구조의 요철이 표면에 형성된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트; 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 과산화수소 및 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물 또는 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물을 이용하여 처리한 티타늄 합금 표면은 마이크로미터 크기의 요철과 채널형태의 나노미터 크기의 요철 형태를 포함하여 증가된 표면적을 가지며, 젖음성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 세포의 증식 및 골세포로의 분화를 효과적으로 촉진시킬 수 있다. 또한 상기 조성물은 강산 등의 화합물질을 포함하지 않아 환경친화적이며, 이들 물질의 표면 잔류를 차단할 수 있으므로 생체적합성을 향상시킬 수 있어 임플란트의 표면 처리에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

친환경 에칭 조성물을 이용한 티타늄 함유 임플란트의 제조방법 {A method for preparation of titanium-based implant using eco-friendly etching composition}
본 발명은 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 산화에칭시켜 제조한 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트; 이의 제조방법; 및 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 임플란트 표면처리용 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물로 산화에칭시켜 제조되고, 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 열린 채널구조의 요철이 표면에 형성된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트; 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
생체이식용 금속 또는 합금은 세라믹스 및 고분자와 같은 다른 재료에 비해 강도, 피로저항성 및 성형가공성이 우수하여 현재까지도 골 결손 및 회손 부위의 재생 및 치료를 목적으로, 치과, 정형외과 및 성형외과에서 가장 널리 사용되고 있는 생체 재료이다. 금속 또는 합금은 철, 크롬, 니켈, 스테인레스강, 코발트계 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 지르코늄, 니오븀, 탄탈륨, 금, 은 등이 있으며, 이들 중에서도 다른 금속재료에 비해 내식성이 우수하고 인체 조직 내에서도 안정한 티타늄 및 티타늄 합금 등이 치과용, 정형외과 및 성형외과용 임플란트 소재로 가장 널리 사용되고 있다.
지난 수년간 체내에 삽입시 조직 내에서의 적합성을 향상시키기 위하여, 금속 또는 합금의 표면적을 늘리고 표면 형상(surface topography)을 변화시키거나 물리적, 화학적, 생물학적 표면처리를 통해 골융합을 향상시키고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 골융합은 환자 고유의 골조직과 삽입된 임플란트 사이의 직접적 및 기능적 결합을 의미하며 골조직과 임플란트 표면의 견고한 융합은 체내에서 임플란트의 지속성을 향상시켜 장시간 임상적 기능을 할 수 있도록 하기 위한 중요한 요소이다.
1990년대 이후, 골조직과의 융합을 향상시키고 금속 또는 합금 임플란트 주위의 골 흡수를 최소화하며 주변 연조직과의 친화성 및 결합력을 향상시키기 위한 방법으로 다양한 표면 개질이 꾸준히 시도되고 있다. 특히 가장 널리 사용되는 티타늄 및 티타늄 합금에 대한 대표적인 표면처리 방법으로는 금속비즈신터링(V. Amigo et al ., J. Mater. Process. Technol., 2003, 141(1): 117-122), 블라스팅 및 산처리(J. E. Feighan et al ., J. Bone Joint Surg. Am., 1995, 77(9): 1380-1395), 알칼리 침지 및 열처리(H. M. Kim et al ., J. Mater. Sci. Mater. Med., 1997, 8(6): 341-347). 하이드록시아파타이트 코팅(C. Popa et al ., J. Mater. Sci. Mater. Med., 2005, 16(12): 1165-1171). 양극산화법(S. H. Lee et al ., J. Kor. Acad. Prosthodont., 2007, 45(1): 85-97), 이온주입법(T. R. Rautray et al., J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater., 2010, 93(2): 581-591) 등이 있으며, 최근 가장 널리 사용되고 있는 방법은 SLA(sandblasted, large grit, acid etched) 방법이다.
SLA 방법은 세라믹 입자를 티타늄 합금 표면에 분사처리(large grit sand blasting)하여 큰 마이크로미터 규모의 거칠기(micro-roughness)를 형성한 후, 산 부식(acid etching)을 통하여 작은 마이크로미터 규모의 거칠기를 추가로 형성시킴으로써 표면적을 향상시키는 방법이다. SLA 표면처리의 특징은 표면에 형성된 다양한 크기의 마이크로미터 규모의 기공들이 스폰지-유사 네트워크 구조를 형성하여 신생골과의 초기 고정력이 우수하고 골유착이 용이하며, 치유 후에도 골유착도가 높은 장점이 있다. 그러나, 분사처리한 세라믹 입자(알루미나 또는 수산화인회석(hydroxyapatite; HA))가 표면에 잔류하여 오염물질로 작용할 수 있으며, 강산으로 처리 후 화학물질이 표면에 잔류하거나, 금속입자의 경계면에서 파절을 보이는 등의 문제점을 갖는다. 또한 강산으로 처리하는 과정을 포함하므로 인체에 유해하고 환경오염이 발생할 수 있으며, 표면처리 후 티타늄 표면에 잔류하는 화학물질을 제거하기 위해 수십 번의 수세공정을 필요로 하므로 에너지 낭비의 원인이 되어 임플란트 제조 단가가 상승하는 등의 단점을 갖는다.
한편, 치과용 임플란트의 질(quality)은 표면의 화학적, 물리적, 기계적, 지형적 특성에 의해 결정된다. 일반적으로 표면지형학(surface topography)은 세포의 성장, 조골세포의 변화 및 골조직 형성에 영향을 주며, 표면 거칠기(surface roughness)는 세포의 이동 및 증식에 영향을 주고, 표면 화학(surface chemistry)은 단백질 흡착 및 세포활성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 티타늄 표면에 형성된 매크로 수준의 거칠기(macro-roughness, 수십 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 거칠기)는 나사선을 갖는 임플란트의 기하학과 직접적인 연관이 있으며, 임플란트의 표면에 이러한 매크로 수준의 거칠기가 적절히 형성된 경우, 임플란트의 초기 고정력 및 연장된 물리적 안정성을 증가시킬 수 있다. 또한, 임플란트 표면과 주위 조직과의 기계적 결합(mechanical interlocking)을 향상시킬 수 있다. 티타늄 표면에 형성된 마이크로미터 수준의 거칠기(micro-roughness, 수백 나노미터 내지 수십 마이크로미터 수준의 거칠기)는 임플란트의 표면과 미네랄화된 골과의 결합을 극대화할 수 있다. 나아가, 나노미터 수준의 거칠기(nano-roughness, 수 나노미터 내지 수십 나노미터 수준의 거칠기) 및 나노스케일의 지형학(nanoscale topography)은 임플란트 표면의 단백질 흡착, 조골세포의 점착 및 골유착(osseointegration) 속도에 중요한 영향을 미친다. 또한, 상기 나노미터 수준의 거칠기 및 지형학은 표면 에너지를 증가시켜 임플란트 표면의 젖음성(wettability)을 개선하고 세포의 점착 및 단백질 기질과 피브린(fibrin) 결합을 용이하게 함으로서 조골세포의 분화를 제어할 수 있다.
그러나, 전술한 종래 티타늄 합금 임플란트의 물리적 및 화학적 표면처리방법은 나노미터 수준의 거칠기를 부여할 수 없다. 최근 산과 과산화수소를 혼합한 조성물을 이용하여 산화에칭함으로써 티타늄 합금 표면에 나노미터 수준의 패턴을 부여하고자 하는 연구가 진행되고 있으나, 강산의 사용으로 인한 위험성이 높고, 처리과정에서 유해물질에 노출될 수 있는 가능성이 있으며, 무엇보다도 만족할만한 나노미터 수준의 패턴의 제조에 한계를 나타내었다(F. Vetrone et al ., Nano Lett., 2009, 9(2): 659-665).
이에 본 발명자들은 강산을 포함하지 않아 취급에 위험성이 없고 친환경적인 조성물을 이용한 표면을 처리하여 임플란트의 표면에 마이크로/나노 질감을 부여할 수 있는 방법을 찾고자 예의 연구노력한 결과, 과산화수소 및 카보네이트 혼합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물에 일정한 시간 동안 임플란트를 침적시킴으로써 원하는 마이크로/나노 요철구조를 형성할 수 있으며, 이와 같이 처리된 표면에서 세포 증식 및 골분화가 향상됨을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
또한, 본 발명자들은 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물에 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 임플란트를 침적하여 산화에칭한 경우에도, 마이크로미터 크기의 요철 및/또는 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 열린 채널구조의 요철이 표면에 형성된 임플란트를 제조할 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명은 이에 기초한 것이다.
본 발명의 제1양태는 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물을 준비하는 단계; 및 상기 에칭 조성물에 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 임플란트를 침적하여 산화에칭하는 단계를 포함하는, 임플란트의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제2양태는 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 산화에칭시켜 제조한 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 제공한다.
본 발명의 제3양태는 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 임플란트 표면처리용 조성물을 제공한다.
본 발명의 제4양태는 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 열린 채널구조의 요철이 표면에 형성된 임플란트를 제조하는 방법으로서, 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물을 준비하는 단계; 및 상기 에칭 조성물에 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 임플란트를 침적하여 산화에칭하는 단계를 포함하는, 임플란트의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제5양태는 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물로 산화에칭시켜 제조되고, 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 열린 채널구조의 요철이 표면에 형성된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명의 제1양태에 따른 임플란트의 제조방법은 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물을 준비하는 단계; 및 상기 에칭 조성물에 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 임플란트를 침적하여 산화에칭하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 과산화수소는 물을 포함하는 용매에 녹아 일정한 농도의 수용액의 형태로 제공될 수 있는 한, 형태 및/또는 조성에 제한되지 않는다. 예컨대, 과산화수소를 물에 희석시킨 수용액인 과산화수소수, 과산화수소를 저온에서 동결한 고체 과산화수소, 유/무기 화합물에 과산화수소가 결합된 비등성 화합물인 요소 과산화수소(urea hydrogen peroxide; CO(NH2)·H2O2) 및 소디움 퍼카보네이트(sodium percarbonate; 2Na2CO3·3H2O2), 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
바람직하게, 상기 수용성 카보네이트 화합물은 바이카보네이트, 카보네이트 화합물 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 카보네이트 화합물은 양이온의 종류와 무관하게 수용액 상에서 바이카보네이트(HCO3 -) 또는 카보네이트(CO3 2 -) 음이온을 제공할 수 있는 화합물을 제한없이 사용할 수 있다. 상기 바이카보네이트 화합물의 비제한적인 예는 암모늄 바이카보네이트((NH4)HCO3), 나트륨 바이카보네이트(NaHCO3), 포타슘 바이카보네이트(KHCO3), 마그네슘 바이카보네이트(Mg(HCO3)2) 및 칼슘 바이카보네이트(Ca(HCO3)2)를 포함한다. 또한, 상기 카보네이트 화합물의 비제한 적인 예는 카본산(H2CO3), 칼슘 카보네이트(CaCO3), 리튬 카보네이트(Li2CO3), 나트륨 카보네이트(Na2CO3), 포타슘 카보네이트(K2CO3), 루비듐 카보네이트(Rb2CO3), 세슘 카보네이트(Cs2CO3), 바륨 카보네이트(BaCO3), 베릴륨 카보네이트(BeCO3), 망간 카보네이트(MnCO3), 철 카보네이트(FeCO3), 코발트 카보네이트(CoCO3), 니켈 카보네이트(NiCO3), 구리 카보네이트(CuCO3), 은 카보네이트(Ag2CO3), 아연 카보네이트(ZnCO3), 카드뮴 카보네이트(CdCO3), 알루미늄 카보네이트(Al2(CO3)3), 탈륨 카보네이트(Tl2CO3), 납 카보네이트(PbCO3), 란타늄 카보네이트(La2(CO3)3) 및 암모늄 카보네이트((NH4)2CO3)를 포함한다.
상기 과산화수소는 조성물의 총 중량에 대하여 1 내지 98 중량% 포함할 수 있다. 바람직하게, 과산화수소를 5 내지 50 중량% 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 과산화수소를 10 내지 50 중량% 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 카보네이트 화합물은 조성물의 총 중량에 대하여 0.01 내지 90 중량% 포함할 수 있다. 바람직하게, 카보네이트 화합물을 0.1 내지 30 중량% 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 카보네이트 화합물을 0.5 내지 20 중량% 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 혼합 에칭 조성물의 pH는 투입되는 카보네이트 화합물의 양에 의존한다. 즉, 투입되는 카보네이트 화합물의 양을 조절함으로써 혼합 에칭 조성물의 pH를 조절할 수 있다. 이때, 상기 혼합 에칭 조성물은 2 내지 8 범위의 pH를 갖도록 조절될 수 있다. 바람직하게, 상기 혼합 에칭 조성물은 4 내지 8 범위의 pH를 갖도록 조절될 수 있으며, 보다 바람직하게, 상기 에칭 조성물은 6 내지 8의 pH를 갖도록 조절될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 혼합 에칭 조성물을 상온에서 방치하는 경우 그 시간에 의존하여 일정 수준까지 pH가 증가할 수 있다. 따라서, 과산화수소와 카보네이트 화합물을 물을 함유하는 용매에 혼합시켜 제조한 혼합 에칭 조성물을 제조한 후 일정시간 상온에서 방치하여 7 내지 8 범위의 pH를 갖는 조성물을 사용할 수 있다.
본 발명에서 "임플란트(implant)"는 이식물 또는 삽입물이라고도 하며, 소실된 생물학적 조직을 대체하거나, 손상된 생물학적 조직을 지지하거나, 조직으로서 동작하기 위하여 제조된 인공장치(man-made device)를 포함한다. 상기 임플란트의 표면은 신체(body)와 접촉하므로 티타늄, 실리콘 또는 인회석과 같은 의료용 재료(biomedical material)로 제조할 수 있다. 필요에 따라, 예컨대, 인공심장(pacemaker)이나 인공내이(cochlear implant)와 같이, 임플란트는 내부에 전자소자를 구비할 수 있다. 또는 이식가능한 정제(implantable pills)나 약물-방출 스텐트(drug-eluting stent)의 형태를 갖는 피하 약물전달장치(subcutaneous drug delivery device)와 같이 생리활성(bioactive)일 수 있다. 상기 임플란트는 체내에 삽입되는 것을 목적으로 하는 만큼, 감염, 염증 및 통증과 같은 부작용을 수반할 수 있다. 또한, 체내 삽입시 이물질로 인식되어 거부반응을 일으키거나, 응고 또는 알레르기 반응을 일으킬 수 있다. 따라서, 이와 같은 부작용을 최소화할 수 있는 소재를 선택하는 것은 매우 중요하다.
상기 본 발명의 임플란트는 순수한 티타늄 금속 또는 티타늄 금속을 주로 함유하는 합금 재질로 제조된 것일 수 있다. 바람직하게, 상기 티타늄 합금은 알루미늄(aluminum; Al), 탄탈륨(tantalium; Ta), 니오븀(niobium; Nb), 바나듐(vanadium; Va), 지르코늄(zirconium; Zr), 주석(tin; Sn), 몰리브덴(molybdenum; Mo), 규소(silicon; Si), 금(gold; Au), 팔라듐(palladium; Pd), 구리(copper; Cu), 백금(platinum; Pt) 및 은(silver; Ag)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 추가로 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 보다 바람직하게는, 티타늄을 주로 함유하고 1종 이상의 다른 금속을 포함하는 합금일 수 있다. 예를 들어, 알루미늄과 바나듐을 포함하는 합금; 알루미늄과 니오븀을 포함하는 합금; 니오븀과 지르코늄을 포함하는 합금; 알루미늄, 몰리브덴 및 바나듐을 포함하는 합금; 알루미늄, 바나듐 및 주석을 포함하는 합금; 니오븀, 탄탈륨 및 지르코늄을 포함하는 합금; 니오븀, 탄탈륨 및 주석을 포함하는 합금; 니오븀, 탄탈륨 및 몰리브덴을 포함하는 합금; 알루미늄, 지르코늄, 몰리브덴 및 규소를 포함하는 합금; 알루미늄, 주석, 지르코늄, 몰리브덴 및 규소를 포함하는 합금; 알루미늄, 주석, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴 및 규소를 포함하는 합금; 알루미늄, 몰리브덴, 주석 및 규소를 포함하는 합금; 알루미늄, 주석, 지르코늄 및 몰리브덴을 포함하는 합금; 알루미늄, 바나듐, 크롬, 지르코늄 및 몰리브덴을 포함하는 합금; 몰리브덴, 니오븀, 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금; 바나듐, 크롬, 주석 및 알루미늄을 포함하는 합금; 또는 팔라듐과의 합금일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 상용화되고 있는 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr, Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr, Ti-29Nb-13Ta-2Sn, Ti-29Nb-13Ta-4.6Sn, Ti-29Nb-13Ta-6Sn, Ti-16Nb-13Ta-4Mo, Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si, Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.5Mo-0.3Si, Ti-6Al-3Sn-4Zr-0.5Mo-0.5-Si, Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si, Ti-4Al-4Mo-4Sn-0.5Si, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo, Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 또는 Ti/Pd일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 임플란트에 사용될 수 있는 티타늄 합금을 제한없이 사용할 수 있다.
바람직하게, 산화에칭은 1 내지 12시간 동안, 보다 바람직하게 1 내지 6시간 동안 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 바람직하게, 산화에칭은 0 내지 30℃에서, 보다 바람직하게 4 내지 20℃에서 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 혼합 에칭 조성물의 양은 표면처리하고자 하는 임플란트가 충분히 침적될 수 있는 양으로 사용할 수 있다. 또한 상기 에칭은 원하는 부분에만 상기 혼합 에칭 조성물을 가하거나 혼합 에칭 조성물에 임플란트를 부분적으로 담금으로써 선택적으로 수행할 수도 있다.
바람직하게는 체내에 삽입시 안전성을 보다 향상시키기 위하여, 상기 산화에칭하는 단계 이후에 여분의 에칭 조성물을 제거하기 위하여 수세하는 단계를 추가로 수행할 수 있다. 상기 표면 처리된 임플란트의 수세는 당업계에 공지된 통상의 방법을 이용하여 수행할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 초음파 세척기를 이용하여, 증류수, 아세톤, 메탄올, 에탄올 등의 용매에 침적하여 초음파 처리함으로써 수행될 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 임플란트 제조방법은 기계 가공법(machined method), 상압 플라즈마 처리(atmospheric pressure plasma treatment), 진공 플라즈마 처리(vacuum plasma treatment), 고온 플라즈마 처리 (high temperature plasma treatment), 금속비즈 신터링법(metal beads sintering method)), 입자 분사법(particle blasting method), 산처리(acid treatment), 알칼리처리(alkali treatment), 양극산화법(anodic oxidation method), 이온주입법(ion implantation method) 또는 이들의 조합으로 처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 당업계에 잘 알려진 방법을 이용하여 큰 마이크로미터 수준의 요철을 형성한 후 본 발명의 과산화수소 및 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 처리하여 작은 마이크로미터 및 나노미터 수준의 다공성 요철구조를 추가로 형성함으로써 다양한 계층적 표면구조를 갖도록 할 수 있다.
본 발명의 제2양태로서, 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 산화에칭시켜 제조한 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 제공한다.
본 발명에 따른 임플란트는 표면에 마이크로미터 크기의 불규칙한 요철구조 및 채널형태의 나노미터크기의 요철구조가 구비된 것이 특징이다. 전술한 바와 같이, 임플란트의 표면에 형성된 복합적인 마이크로미터 및 나노미터 수준의 요철구조는 표면적을 현저히 증가시키고 표면 에너지를 상승시킴으로써 친수성을 증가시키는 동시에 체액 내에 존재하는 피브로넥틴을 포함한 세포부착매개단백질 및 다양한 성장인자의 표면흡착을 증가시킴으로써 골형성세포의 부착, 증식, 분화 및 임플란트의 골융합을 촉진시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 임플란트는 전술한 본 발명의 임플란트 제조방법에 따라 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예 따라 처리된 티타늄 금속합금 표면의 형태학적 특성을 평가한 결과, 과산화수소/카보네이트 화합물 혼합 에칭 조성물에 티타늄 금속합금을 침적하면 마이크로미터 및 나노미터 크기의 요철구조가 동시에 형성됨을 관찰하였다. 이러한 요철구조의 형성은 과산화수소에 카보네이트 화합물을 첨가할 경우 과산화수소 수용액의 pH가 상승함과 동시에 투입된 티타늄 합금에서 발생된 금속이온 및 카보네이트와 과산화수소가 반응하여 산화력이 강한 하이드록실 라디칼(hydroxyl radicals), 퍼하이드록실 라디칼(perhydroxyl radical), 슈퍼옥사이드 음이온 라디칼(superoxide anion radical)이 발생하여 티타늄 금속합금의 표면을 강하게 산화에칭시킴으로써 형성되는 것으로 여겨진다. 그리고 이러한 산화 라디칼은 에칭 조성물에 침적된 티타늄 금속합금 표면에 작용하여 나노채널의 요철을 형성시키고 지속적인 산화에칭과정을 거쳐 마이크로미터의 요철구조를 형성시키는 것으로 여겨진다.
본 발명의 임플란트는 임플란트의 형태에 제한되지 않으며, 모든 형태의 임플란트에 적용할 수 있다. 바람직하게, 상기 임플란트는 나사, 블록, 플레이트, 필름, 필라멘트, 멤브레인, 메쉬, 직포, 부직포, 니트, 알갱이, 입자, 볼트, 너트, 못 또는 이들이 복합된 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 체내 삽입가능한 임플란트이면 그 형태에 제한되지 않는다.
본 발명의 임플란트는 티타늄 또는 티타늄 합금 소재의 임플란트를 친환경 에칭 조성물로 처리하여 표면에 마이크로미터 수준의 요철 및 상기 요철 상에 형성된 나노미터 수준의 채널형태의 요철을 동시에 갖는 것이 특징이다. 이에 따라, 상기 임플란트는 체내 삽입시 무해하며, 주위 조직 세포와의 접촉 및/또는 결합 면적이 크게 확장되어 골조직 반응 향상에 의한 현저히 증가된 신생골형성 촉진효과 및 골융합 효과를 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 임플란트는 생체 내에 삽입하여 손상 조직을 대체하거나, 상기 조직의 재생을 촉진하기 위하여 사용할 수 있다. 또는 손상 또는 결손된 골격계 조직에 지지 또는 치료의 목적으로 사용할 수 있다. 예컨대, 치과 및 정형외과용 임플란트, 지대주, 인공 뼈, 인공 관절, 턱뼈 및 안면 부위의 소형 뼈, 충진재, 도재, 블라켓, 코어, 포스트 등 각종 경조직 재생 및 지지를 위한 지지체, 조인트, 뼈 고정용 디바이스, 척추 공정 디바이스 등에 이용할 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 임플란트는 인공 치아뿌리, 인공치근, 인공 관절 또는 인공 뼈로 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또다른 양태로서, 본 발명은 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하는 임플란트 표면처리용 조성물을 제공한다.
바람직하게, 본 발명의 임플란트 표면처리용 조성물은 과산화수소를 조성물의 총 중량에 대하여 1 내지 98 중량% 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 10 내지 50 중량%로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
바람직하게, 본 발명의 임플란트 표면처리용 조성물은 카보네이트 화합물을 조성물의 총 중량에 대하여 0.01 내지 90 중량% 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 0.5 내지 20 중량%로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
한편, 본 발명의 제4양태에 따른 임플란트의 제조방법은 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 열린 채널구조의 요철이 표면에 형성된 임플란트를 제조하는 방법으로서, 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물을 준비하는 단계; 및 상기 에칭 조성물에 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 임플란트를 침적하여 산화에칭하는 단계를 포함한다.
비제한적으로, 상기 에칭 조성물에 의해 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 임플란트 상에 마이크로미터 수준의 스폰지 유사 네트워크 구조 및 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 채널구조의 요철이 함께 표면에 형성될 수 있다.
상기 과산화수소는 상기 에칭 조성물의 총 중량에 대하여 1 내지 98 중량% 포함할 수 있다. 바람직하게, 과산화수소를 5 내지 50 중량% 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 과산화수소를 10 내지 50 중량% 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
사용가능한 염기성용액의 비제한적인 예로는 NaOH, KOH Ca(OH)2, NH4OH, NH3, Mg(OH)2, Fe(OH)3, Al(OH)3, CH3NH2 및/또는 NaHCO3 등을 함유하는 수용액이 있다. 상기 염기성 용액은 과산화수소가 반응하여 산화력이 강한 하이드록실 라디칼(hydroxyl radicals), 퍼하이드록실 라디칼(perhydroxyl radical), 슈퍼옥사이드 음이온 라디칼(superoxide anion radical)이 발생하여 티타늄 금속합금의 표면을 강하게 산화에칭시킬 수 있는 한, 그 종류 및 사용량에 대한 제한은 없다.
상기 염기성 용액은 에칭 조성물의 pH가 2 내지 8, 바람직하게는 pH 6내지 7 범위로 유지될 수 있는 한 조성물 내 이의 사용량에는 제한이 없다.
그외 제4양태와 관련된 용어 설명, 바람직한 실시형태 및 이의 작용원리는 제1양태에 따른 임플란트의 제조방법 내지 제2양태에 따른 임플란트에서 설명한 것과 같다.
본 발명의 제5양태에 따른 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트는 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물로 산화에칭시켜 제조된 것으로, 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 열린 채널구조의 요철이 표면에 형성된 것이 특징이다.
도 10에는 실시예 10에 따라 과산화수소 및 NaOH 함유 에칭 조성물로 산화에칭시킨 임플란트 표면 나노구조 사진이 도시되어 있으며, 마이크로미터 수준의 스폰지 유사 네트워크 구조와 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 채널구조의 요철이 표면에 형성된 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 제5양태에 따른 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트에 대한 설명은 제2양태에 따른 임플란트에서 설명한 것과 같다.
본 발명의 과산화수소 및 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물 또는 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물을 이용하여 처리한 티타늄 합금 표면은 마이크로미터 크기의 요철과 채널형태의 나노미터 크기의 요철 형태를 포함하여 증가된 표면적을 가지며, 젖음성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 세포의 증식 및 골세포로의 분화를 효과적으로 촉진시킬 수 있다. 또한 상기 조성물은 강산 등의 화합물질을 포함하지 않아 환경친화적이며, 이들 물질의 표면 잔류를 차단할 수 있으므로 생체적합성을 향상시킬 수 있어 임플란트의 표면 처리에 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 과산화수소/카보네이트 화합물 혼합 에칭 조성물 또는 과산화수소 및 염기성 용액 함유 에칭 조성물은 간단하면서 쉽게 환경 및 인체 친화적으로 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트의 표면처리가 가능하다. 또한, 중성적 분위기 하에서 표면처리가 가능하므로 수세공정을 단순화할 수 있어 경제적이고, 강산과 같은 화학물질의 표면잔류 현상을 원천 봉쇄할 수 있어서 생체적합성을 향상시킬 수 있다.
그리고 종래의 방법들인 기계절삭, 샌드블라스팅 등의 기계적 방법에 의해 큰 마이크로미터의 요철을 부여한 다음에도 후속처리가 가능하므로 큰 마이크로미터 표면구조에 서브마이크로미터 및 나노미터의 다공성 요철 구조가 더 부여된 다양한 계층적 표면구조의 부여가 가능하다. 이러한 나노구조를 갖는 계층적 표면구조에서 젖음성의 향상 및 골형성세포의 증식 및 분화가 촉진됨을 관찰함으로써 생체내에서 사용시 신생골 형성을 포함한 골조직 반응을 증진하는 데 있어서 상승효과를 기대할 수 있다. 또한, 상기과정으로 티타늄 금속합금 표면에 형성된 나노채널은 표면에너지를 상승시켜 임플란트의 친수성을 증가시키는 동시에 임플란트의 표면적을 증진하는데 기여하여 체액 내 존재하는 피브로넥틴을 포함한 세포부착매개단백질 및 다양한 성장인자의 표면흡작을 증진함으로서 골형성세포의 부착, 증식, 분화 및 임플란트의 골융합에 있어서 상승효과를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 과산화수소(H2O2) 및 나트륨 바이카보네이트(NaHCO3)를 포함하는 혼합물을 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금 표면에 대한 SEM 결과를 나타낸 도이다. (A)는 표면의 마이크로미터 수준의 스폰지 유사 네트워크 구조를, (B)는 상기 마이크로미터 수준의 요철 상에 형성된 채널형태의 나노미터 수준의 요철을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따라 과산화수소 및 암모늄 바이카보네이트(NH4HCO3)를 포함하는 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금 표면에 대한 SEM 결과를 나타낸 도이다. (A)는 표면의 마이크로미터 수준의 스폰지 유사 네트워크 구조를, (B)는 상기 마이크로미터 수준의 요철 상에 형성된 채널형태의 나노미터 수준의 요철을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따라 과산화수소 및 마그네슘 바이카보네이트(Mg(HCO3)2)를 포함하는 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금 표면에 대한 SEM 결과를 나타낸 도이다. (A)는 표면의 마이크로미터 수준의 스폰지 유사 네트워크 구조를, (B)는 상기 마이크로미터 수준의 요철 상에 형성된 채널형태의 나노미터 수준의 요철을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따라 과산화수소 및 칼슘 카보네이트(CaCO3)를 포함하는 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금 표면에 대한 SEM 결과를 나타낸 도이다. (A)는 표면의 마이크로미터 수준의 스폰지 유사 네트워크 구조를, (B)는 상기 마이크로미터 수준의 요철 상에 형성된 채널형태의 나노미터 수준의 요철을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 5에 따라 과산화수소 및 나트륨 카보네이트(Na2CO3)를 포함하는 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금 표면에 대한 SEM 결과를 나타낸 도이다. (A)는 표면의 마이크로미터 수준의 스폰지 유사 네트워크 구조를, (B)는 상기 마이크로미터 수준의 요철 상에 형성된 채널형태의 나노미터 수준의 요철을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예 3 내지 5에 따라 각기 다른 시간 동안(2시간, 6시간 및 12시간) 표면 처리된 티타늄 합금 및 비교예 1에 따라 표면 처리된 티타늄 합금 표면으로부터 측정된 거칠기를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 표면 처리한 티타늄 합금의 물 접촉각을 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 표면 처리한 티타늄 합금 디스크 상에서 배양한 세포의 증식율을 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 표면 처리한 티타늄 합금 디스크 상에서 배양한 세포의 ALP 활성을 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 실시예 10에 따라 과산화수소 함유 에칭 조성물에 NaOH 용액을 사용하여 처리한 임플란트 표면 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예 10에 따라 과산화수소 함유 에칭 조성물에 NaOH 용액을 사용하여 처리한 티타늄 합금의 물 접촉각을 나타낸 도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 10 및 비교예 1에 따라 표면 처리한 티타늄 합금 디스크 상에서 배양한 세포의 증식율을 나타낸 도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 10 및 비교예 1에 따라 표면 처리한 티타늄 합금 디스크 상에서 배양한 세포의 ALP 활성을 나타낸 도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 과산화수소/나트륨 바이카보네이트를 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면처리
과산화수소(H2O2) 및 나트륨 바이카보네이트(NaHCO3)를 포함하는 혼합 에칭 조성물을 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다. 직경 10 mm의 상용 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V를 3 mm 두께로 절단하여 원통형 디스크로 제작하였다. 상기 티타늄 합금 디스크의 표면을 #1200까지 SiC 연마지를 이용하여 단계적으로 연마한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 15분 동안 초음파 세척하여 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 한편, 30wt% 과산화수소 수용액 100 ml에 나트륨 바이카보네이트 5 g을 투입하여 완전히 용해시켜 과산화수소/나트륨 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 조성물의 pH는 7.4로 유지하였다. 이하, 과산화수소/나트륨 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물을 HPC로 기재하였다. 상기 HPC가 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 HPC가 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지하였다. 상온에서 4시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 20분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 HPC로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 관찰하여 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이, HPC로 처리한 표면에는 마이크로 및 나노 스케일의 요철이 동시에 형성되었다. 또한, 상기 HPC로 처리한 표면의 거칠기(Ra)를 프로필로미터(profilometer)로 측정한 결과, 0.72±0.08의 값을 나타내었다.
실시예 2: 과산화수소/암모늄 바이카보네이트를 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면처리
과산화수소 및 암모늄 바이카보네이트(NH4HCO3)를 포함하는 혼합물을 에칭 조성물로 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다. 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 또한, 30wt% 과산화수소수 100 ml에 암모늄 바이카보네이트 3 g을 투입하여 완전히 용해시켜 과산화수소/암모늄 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 과산화수소/암모늄 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 과산화수소/암모늄 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지하였다. 상온에서 5시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 20분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 과산화수소/암모늄 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 SEM으로 관찰하여 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 과산화수소/암모늄 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 표면은 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면과 유사한 표면 특징을 나타냄을 확인하였다. 즉, 상기 과산화수소/암모늄 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금 표면에도 마이크로 및 나노 스케일의 요철이 동시에 형성되었다. 또한, 상기 과산화수소/암모늄 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 표면의 거칠기(Ra)를 프로필로미터로 측정한 결과, 0.62±0.08의 값을 나타내었다.
실시예 3: 과산화수소/마그네슘 바이카보네이트를 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면처리
과산화수소 및 마그네슘 바이카보네이트(Mg(HCO3)2)를 포함하는 혼합 에칭 조성물을 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다. 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 또한, 30wt% 과산화수소수 100 ml에 마그네슘 바이카보네이트 3 g을 투입하여 완전히 용해시켜 과산화수소/마그네슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 과산화수소/마그네슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 과산화수소/마그네슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지하였다. 상온에서 2시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 20분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 과산화수소/마그네슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 SEM으로 관찰하여 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와 같이, 과산화수소/마그네슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 표면은 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면과 유사한 표면 특징을 나타냄을 확인하였다.
실시예 4: 과산화수소/칼슘 카보네이트를 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면처리
과산화수소 및 칼슘 카보네이트(CaCO3)를 포함하는 혼합 에칭 조성물을 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다. 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 또한, 30wt% 과산화수소수 100 ml에 칼슘 카보네이트 3 g을 투입하여 완전히 용해시켜 과산화수소/칼슘 카보네이트 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 과산화수소/칼슘 카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 과산화수소/칼슘 카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지하였다. 상온에서 6시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 20분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 과산화수소/칼슘 카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 SEM으로 관찰하여 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, 과산화수소/칼슘 카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 표면은 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면은 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면과 유사한 표면 특징을 나타냄을 확인하였다.
실시예 5: 과산화수소/나트륨 카보네이트를 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면처리
과산화수소 및 나트륨 카보네이트(Na2CO3)를 포함하는 혼합 에칭 조성물을 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다. 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 또한, 30wt% 과산화수소수 100 ml에 나트륨 카보네이트 3 g을 투입하여 완전히 용해시켜 과산화수소/나트륨 카보네이트 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 과산화수소/나트륨 카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 과산화수소/나트륨 카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지하였다. 상온에서 12시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 20분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 과산화수소/나트륨 카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 SEM으로 관찰하여 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 과산화수소/나트륨 카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 표면은 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면과 유사한 표면 특징을 나타냄을 확인하였다.
실시예 6: 과산화수소/칼슘 바이카보네이트를 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면처리
과산화수소 및 칼슘 바이카보네이트(Ca(HCO3)2)를 포함하는 혼합 에칭 조성물을 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다. Ti-6Al-4V 대신에 Ti-6Al-7Nb를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 또한, 30wt% 과산화수소수 100 ml에 칼슘 바이카보네이트 3 g을 투입하여 완전히 용해시켜 과산화수소/칼슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 과산화수소/칼슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 과산화수소/칼슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지하였다. 상온에서 4시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 20분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 과산화수소/칼슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 SEM으로 관찰하였으며, 그 결과 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면과 유사한 표면 특징을 나타냄을 확인하였다.
실시예 7: 과산화수소/포타슘 바이카보네이트를 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면처리
과산화수소 및 포타슘 바이카보네이트(KHCO3)를 포함하는 혼합 에칭 조성물을 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다. Ti-6Al-4V 대신에 Ti-13Nb-13Zr을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 또한, 30wt% 과산화수소수 100 ml에 포타슘 바이카보네이트 1 g을 투입하여 완전히 용해시켜 과산화수소/포타슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 과산화수소/포타슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 과산화수소/포타슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지하였다. 상온에서 8시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 20분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 과산화수소/포타슘 바이카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 SEM으로 관찰하였으며, 그 결과 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면과 유사한 표면 특징을 나타냄을 확인하였다.
실시예 8: 과산화수소/포타슘 카보네이트를 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면처리
과산화수소 및 포타슘 카보네이트(K2CO3)를 포함하는 혼합 에칭 조성물을 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다. Ti-6Al-4V 대신에 Ti-8Al-1Mo-1V를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 또한, 30wt% 과산화수소수 100 ml에 포타슘 카보네이트 10 g을 투입하여 완전히 용해시켜 과산화수소/포타슘 카보네이트 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 과산화수소/포타슘 카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 과산화수소/포타슘 카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지하였다. 상온에서 1시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 20분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 과산화수소/포타슘 카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 SEM으로 관찰하였으며, 그 결과 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면과 유사한 표면 특징을 나타냄을 확인하였다.
실시예 9: 과산화수소/ 실버 카보네이트를 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면처리
과산화수소 및 실버 카보네이트(Ag2CO3)를 포함하는 혼합 에칭 조성물을 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다. Ti-6Al-4V 대신에 Ti-6Al-6V-2Sn을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 또한, 30wt% 과산화수소수 100 ml에 실버 카보네이트 2 g을 투입하여 완전히 용해시켜 과산화수소/실버 카보네이트 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 과산화수소/실버 카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 과산화수소/실버 카보네이트 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지하였다. 상온에서 6시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 20분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 과산화수소/실버 카보네이트 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 SEM으로 관찰하였으며, 그 결과 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면과 유사한 표면 특징을 나타냄을 확인하였다.
비교예 1: SLA 법을 이용한 티타늄 합금의 표면 처리
기존의 임플란트 표면처리방법인 SLA법을 이용하여 하기와 같이 티타늄 합금을 표면처리하였다. 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 Ti-6Al-4V 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 상기 티타늄 합금 시료에 100 μm 크기의 하이드록시아파타이트 입자를 이용하여 블라스팅(grit blasting) 처리를 수행하고 질산용액을 이용하여 블라스팅에 사용된 잔존입자를 제거한 후, 아세톤, 알콜, 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 15분 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 상기 세척한 티타늄 합금을 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 67% 염산 및 황산을 1:1 부피비로 혼합한 수용액에 침적하여 80℃에서 20분 동안 산 식각(acid etching)하였다. 상기 산으로 처리한 티타늄 합금을 아세톤, 알콜, 증류수를 이용하여 순차적으로 각각 15분 동안 초음파 처리하여 세척하고, 무균 작업대에서 공기 중에 건조시켜 데시케이터에 보관하였다.
실험예 1: 과산화수소/ 카보네이트 혼합 에칭 조성물로 표면 처리한 티타늄 합금 표면의 미세구조
상기 실시예 1 내지 5에 따라 과산화수소 및 다양한 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 표면 처리한 티타늄 합금의 표면 형태학적 미세구조를 SEM으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 1 내지 5에 나타내었다.
도 1 내지 5에 나타난 바와 같이, 과산화수소 및 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에는 수 내지 수십 마이크로미터 크기의 요철(또는 기공)이 불규칙적인 스폰지 유사 네트워크(sponge-like network) 구조로 형성된 것을 확인하였다(도 1A 내지 5A). 이를 확대한 고배율의 SEM 사진에서는 수 내지 수십 나노미터 크기의 요철들이 일정한 배향의 빗살무늬 형태로 형성되어 표면 쪽으로 기공들이 열린 나노채널을 형성하고 있는 것을 확인하였다(도 1B 내지 5B).
이와 같이, 각 실시예에서 사용한 카보네이트 화합물의 종류 및/또는 처리 시간은 다르지만, 상기 과산화수소/카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금 표면에는 공통적으로 마이크로미터 크기의 요철 및 상기 요철 구조 상에 형성된 열린 채널 형태의 나노미터크기의 요철이 형성되었다.
실험예 2: 표면 처리한 티타늄 합금 디스크 표면의 거칠기
프로필로미터를 이용하여 상기 실시예 3 내지 5 및 비교예 1에 따라 표면 처리한 티타늄 합금 디스크 표면의 거칠기를 측정하였다. 전술한 바와 같이, 사용한 카보네이트의 종류와는 무관하게 과산화수소/카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금 표면에 마이크로미터 크기의 요철과 상기 요철 상에 형성된 나노미터크기의 채널형태의 요철이 형성되었다. 나아가, 상기 조성물의 처리 시간에 따른 효과를 확인하기 위하여, 실시예 3 내지 5에 따라 제조한 각기 다른 시간(2시간, 6시간 및 12시간) 동안 처리한 티타늄 표면의 거칠기를 측정하여 도 6에 나타내었다. 대조군으로는 SLA 처리한 티타늄 합금 디스크를 사용하였다.
상기 마이크로미터 및/또는 나노미터 수준의 요철은 처리 시간이 길어짐에 따라, 표면에 마이크로미터 크기의 요철들이 보다 넓고 크게 형성되는 한편, 상기 요철 상에 형성된 나노미터크기의 요철들의 형태는 불규칙해지기 시작하였다(도 3 내지 5).
실험예 3: 표면 처리한 티타늄 합금 디스크 표면의 젖음성
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 표면 처리한 티타늄 합금 디스크 표면의 젖음성을 물방울을 이용한 표면 접촉각 측정기로 분석하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 비교예 1의 표면에서 측정된 접촉각은 76°였으며, 실시예 1의 표면은 물방울이 표면과 접촉하는 동시에 분산되어 접촉각 측정이 불가능하였다. 나아가, 실시예 2 내지 9에 따라 표면 처리한 티타늄 합금 디스크에서도 실시예 1의 표면에서와 동일한 현상이 관찰되었다. 이는 본 발명에 따른 과산화수소/카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물로 처리한 표면은 젖음성이 상당히 우수함을 나타내는 것이다.
실험예 4: 표면 처리한 티타늄 합금 디스크 표면에서의 세포배양 및 골형성능 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 표면 처리한 티타늄 합금 표면에서 세포증식 및 골형성능을 평가하였다. 구체적으로, 골모세포 유사세포인 마우스 두개관(mouse calvaria) 유래의 MC3T3-E1 세포를 상기 준비한 각각의 디스크에 1×104 세포/디스크의 밀도로 분주한 후 배양하고, MTT(3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-diphenyltetrasodium bromide)법으로 세포증식을, 알카라인 포스파타제(alkaline phosphatase; ALP) 활성 측정으로 골형성능을 각각 평가하였다.
상기 실시예 1(HPC 처리) 및 비교예 1(SLA 처리)의 티타늄 합금 표면에 세포를 분주하여, 각각 3일, 5일 및 7일 후에 회수하여 세포증식을 확인하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에 나타난 바와 같이, 배양 3일까지는 세포증식에 있어서 눈에 띄는 차이를 나타내지 않았으나, 5일 및 7일째에는 SLA 처리한 표면에 비해 HPC 처리한 표면에서 배양한 세포의 증식률이 현저히 높은 것을 확인하였다(n=7, P＜0.001, One-way ANOVA 통계분석결과).
나아가, 배양 7일 및 14일에 ALP 활성도를 측정하여, 상기 실시예 1 및 비교예 1의 티타늄 합금 표면의 배양 시간에 따른 골형성능을 확인하고, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에 나타난 바와 같이, HPC로 처리한 티타늄 합금 표면에서 9일간 세포를 배양한 경우 SLA 처리한 티타늄 합금 표면에서 동일한 기간 동안 배양한 세포에 비해 현저히 높은 ALP 활성을 나타내었다. 또한, 배양 14일차에는 그 차이가 보다 현저하게 나타났다(n=7, P＜0.001, One-way ANOVA 통계분석결과).
이와 같이, 본 발명에 따른 과산화수소 및 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합 에칭 조성물을 이용하여 처리한 티타늄 합금 디스크의 표면은 마이크로미터 크기의 요철과 채널형태의 나노미터 크기의 요철 형태를 포함하여 증가된 표면적을 가지며, 젖음성이 향상되었을 뿐만 아니라, 세포의 증식 및 골세포로의 분화를 효과적으로 촉진시킬 수 있으므로, 상기 혼합 에칭 조성물은 임플란트의 표면 처리에 유용하게 사용될 수 있다.
실시예 10: 과산화수소/수산화나트륨을 포함하는 에칭 조성물을 이용한 티타늄 합금의 표면 처리
과산화수소(H2O2)와 수산화나트륨(NaOH)를 함유하는 혼합 에칭조성물을 이용하여 티타늄 합금을 표면처리하였다.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 티타늄 합금 시료를 준비하였다. 또한, 30wt% 과산화수소 100 ml에 30wt% 수산화나트륨 0.5g를 추가하여 pH를 7.4인 혼합 에칭 조성물을 제조하였다. 상기 과산화수소/수산화나트륨 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커를 수돗물이 채워진 넓은 용기에 옮긴 후, 상기 과산화수소/수산화나트륨 혼합 에칭 조성물이 담긴 비이커에 2개의 준비된 티타늄 합금 디스크를 침지시켰다. 상온에서 4시간 동안 방치하여 산화에칭 처리한 후, 아세톤, 알콜 및 증류수를 이용하여 순차적으로 일정시간 동안 초음파 처리하여 세척하였다. 세척한 시료를 무균 작업대에서 공기 중에 건조한 후 데시케이터에 보관하였다.
상기 과산화수소/수산화나트륨 혼합 에칭 조성물로 처리한 티타늄 합금의 표면에 대한 형태학적 특징을 SEM으로 관찰하여 도 10에 나타내었다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 과산화수소/수산화나트륨 혼합 에칭 조성물로 처리한 표면은 실시예 1에 따라 HPC로 처리한 표면과 유사한 표면 특징이 나타냄을 확인하였고 표면의 거칠기(Ra)를 프로필로미터(profilometer)로 측정한 결과, 0.81±0.08의 값을 나타내었다. 또한, 도 11에 나타낸 바와 같이 표면 젖음성이 증가하는 것을 확인하였고, 도 12 및 13에 나타낸 바와 같이 SLA 표면처리 보다 세포 증식 및 세포 분화가 우수하게 나타냄을 확인하였다.

Claims (20)

  1. 과산화수소 및 수용성 카보네이트 화합물을 포함하면서, 강산 화합물을 포함하지 않는 혼합 에칭 조성물을 준비하는 단계; 및
    상기 에칭 조성물에 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 임플란트를 침적하여 산화에칭하는 단계를 포함하며,
    상기 산화에칭하는 단계는 마이크로미터 수준의 스폰지 유사 네트워크 구조 및 나노스케일의 연속 또는 불연속 선형태 열린 채널구조의 요철을 상기 임플란트의 표면에 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 임플란트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 과산화수소는 과산화수소 수용액, 고체 과산화수소, 요소 과산화수소(urea hydrogen peroxide; CO(NH2)·H2O2), 소디움 퍼카보네이트(sodium percarbonate; 2Na2CO3·3H2O2) 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 임플란트의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수용성 카보네이트 화합물은 바이카보네이트, 카보네이트 화합물 또는 이들의 혼합물인 것인 임플란트의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 에칭 조성물은 2 내지 8 범위의 pH를 갖는 것인 임플란트의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 합금은 알루미늄, 탄탈륨, 니오븀, 바나듐, 지르코늄, 주석, 몰리브덴, 규소, 금, 팔라듐, 구리, 백금 및 은으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 추가로 포함하는 것인 임플란트의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    산화에칭은 0 내지 30℃에서 수행되는 것인 임플란트의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    기계 가공법(machined method), 상압 플라즈마 처리(atmospheric pressure plasma treatment), 진공 플라즈마 처리(vacuum plasma treatment), 고온 플라즈마 처리 (high temperature plasma treatment), 금속비즈 신터링법(metal beads sintering method)), 알칼리처리(alkali treatment), 양극산화법(anodic oxidation method), 이온주입법(ion implantation method) 또는 이들의 조합으로 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것인 임플란트의 제조방법.
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