KR101706128B1 - 구조화된 표면을 갖는 기판, 그 제조 방법 및 그 습윤 특성을 측정하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조화된 표면을 갖는 기판(substrate), 구조화된 표면을 구비한 기판을 제조하기 위한 방법 및 이 기판의 습윤 특성을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

구조화된 표면을 갖는 기판, 그 제조 방법 및 그 습윤 특성을 측정하는 방법{SUBSTRATE WITH A STRUCTURED SURFACE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF AND METHODS FOR DETERMINING THE WETTING PROPERTIES THEREOF}
본 발명은 구조화된 표면을 갖는 기판, 구조화된 표면을 갖는 기판을 제조하는 방법 및 또한 이 기판의 습윤 특성을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 일예로서 임플란트로 명명되는, 사용자-특이적으로 고정된 표면 특성을 갖는 기판을 특히 제조하기 위하여 본 발명에 따른 방법이 사용될 수 있다. 따라서 턱뼈 또는 사지골(extremity bones) 내의 이식 위치(implantation location)에서 특히 양호한 내성장(ingrowth)으로 구별되는, 예를 들어 치과용 임플란트(dental implant) 또는 삽입물(endoprotheses)과 같은 임플란트가 본 발명에 따른 방법을 사용하여 제조될 수 있다.
최근에 임플란트 표면의 친수성 및 소수성 이외에도, 임플란트 표면의 거칠기(roughness)가 임플란트의 통합(integration)에서 가장 중요한 역할 중 하나를 수행한다는 점이 점점 명백해지고 있다. 거칠기는 친수성 및 또한 소수성에 의해서도 증가할 수 있다. 따라서 티타늄의 매끈한 기계 가공 형태(smooth machined form)에 비하여, SLA(샌드-블라스트 후 산 부식 처리, sand-blasted acid etched) 표면이 실질적으로 양호한 내성장 거동(ingrowth behaviour)을 보인다는 점이 종래 기술에 공지되어 있다. 거칠기를 갖는 SLA 표면 이외에도, TPS(티타늄 플라즈마 분사 처리, titanium plasma sprayed) 표면을 구비한 임플란트도 존재하는데, 이 표면은 보다 양호한 통합 치유 거동(integration healing behaviour)을 보인다.
매끈한 표면과 비교해서 거친 표면의 존재는 표면 영역에서의 증가와 항상 연결된다. 따라서 매끈한 표면과 비교하여, 예를 들어 SLA와 TPS 표면은 2-20 배 큰 표면적을 가질 수 있으며, 동물과 인간의 내성장의 경우에 특히 긍정적인 효과를 갖는다.
거친 표면의 단점으로는 임플란트 교정(implant revision)이 있을 경우 제거의 문제이다. 특히 이전에 제조되었던 임플란트에 대하여 공통적인 점은 그 물체(object)의 외측으로 향하는 표면이 일반적으로 불규칙적인 구조를 가지고 있어서, 특히 그 물체를 임플란트로서 사용할 때 내성장 거동에 악영향을 미치고, 긍정적인 효과를 동일하게 발휘하지 못한다는 점이다. 아울러, 티타늄 입자들이 TPS 표면에서부터 떨어져서 조직 내부로 침투될 수 있다.
여기에 더하여, SLA 방법을 사용한 경우 및 TPS 방법을 사용하여 제조되는 임플란트는 표면 특성(surface properties)과 관련하여 어떤 통계적 폭(certain statistical breadth)을 보이기 때문에, 이러한 방식으로 제조된 임플란트의 재생 능력(reproduction capability)은 개선될 필요가 있으며, 따라서 이러한 임플란트를 표준화하기 위한 목적으로 출발 물질에 따른 방법 파라미터(method parameter)를 극도로 정확하게 관찰할 필요가 있다.
따라서 본 발명은 마이크로 구조를 구비한 최적화된 표면 특성을 가지는 기판, 이러한 기판을 제조하는 방법 및 이러한 기판의 습윤 특성을 측정하기 위한 방법을 제공하고자 하는 것이다.
표면 특성을 개선하기 위하여 본 발명자는 심사숙고하였으며, 마이크로 구조(microstructure)를 구비한 최적화된 구조의 임플란트가 발견되었다. 역-분석(reverse engineering)에 의하여, 위에서 언급한 2개의 표면인 SLA 표면 및 TPS 표면에 비하여 개선된 특성을 구비한 표면이 유도된다는 사실이 본 발명자에 의해 입증되었으며, 보다 낮은 잠재적 위험 요인(risk potential)을 가지면서 개선된 표면이 제조될 수 있다.
하기에서 기술되는 것과 같이, 습식-화학(wet-chemical) 방법 및/또는 친수성 유기 물질(hydrophilic organic molecules)의 관능화(functionalisation)에 의하여, 이러한 거친 임플란트 표면은 더욱 근친수성(hyperhydrophilic)으로 만들어질 수 있다는 사실 또한 본 발명자에 의해 발견되었다.
하지만, 이와 같은 극친수성(hyperhydrophilic) 표면을 제조하기 위해서는 일반적으로 고온으로 가열된 산과 이에 상응하는 플라즈마 챔버(plasma chamber)의 사용을 요구한다는 점에 유의하여야 할 것이다. 현재까지, 이들 극친수성 표면과 관련해서, 본 발명자의 관찰에 따라 초순수(ultrapure water)를 사용하여 전진각(advancing angle, θV) 및 후퇴각(receding angle, θR) 형태의 동적 접촉각(dynamic contact angle)은 0값(θV/θV = 0°/0°)로 측정되었다. 실제로, 이러한 접촉각은 허수 범위(imaginary range)이다.
따라서 본 발명은 마이크로 구조의(microstructured) 표면, 소망하게는, 이 표면은 보다 작은 제 2의 마이크로 구조 및/또는 나노 구조(nanostructure)에 의해 중첩될(superimposed) 수 있는 표면을 갖는 기판은 물론이고, 소망되는 극친수성 표면 특성을 가지는 이러한 기판을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 다양한 방법에 의하여 이러한 종류의 규칙적인(regular) 마이크로 구조가 만들어질 수 있다. 이들 방법은 또한 구조-형성(structure-building) 방법은 물론이고 구조-제거(structure-removing) 방법을 포함하는데, 이들 방법은 고-에너지 방사(energy-rich radiation)를 통하여, 그 물체(object)에 대한 작용(acting), 또는 분말(powder)을 각각 이용한다.
기공 크기와 관련하여 Mays의 정보(Mays (2007) "A new classification of pore sizes. Studies in Surface Science and Catalysis, 160, 57-62)에 따르면, 구조/거칠기는 다음과 같이 적절하게 분류될 수 있다.
나노 구조(Nanostructure): 0.1-100 nm
마이크로 구조(Microstructure): 0.1-100 ㎛
밀리 구조(Millistructure): 0.1-100 mm
이러한 측면에서, 0.1-0.99 ㎛ 범위는 "서브마이크로 구조(submicrostructure)"로 언급될 수 있다.
본 발명에 따르면, 직하 레이어(subjacent layer) 또는 기판에 대한 심각한 손상 없이, 기판으로부터 각각의 레이어를 제거할 수 있도록, 구조-제거 방법으로서 레이저 제거(laser removal) 방법이 매우 선택적으로 이용될 수 있다. 이 제거된 구조는 점형 또는 선형(in point or line form) 모두가 될 수 있으며, 또한 표면 영역(surface area) 상부에 위치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 임플란트와 같은 3차원 물체를 생성하기 위한 구조-형성 또는 적층(layer-building) 방법으로서 다음과 같은 방법이 명명된다. 쾌속 조형법(rapid prototyping), 쾌속 금형 제작법(rapid tooling), 쾌속 생산법(rapid manufacturing), 레이저 소결법(laser sintering), 레이저 마이크로소결법(lase microsintering) 및 전자빔가공(EBM, electron beam machining)이다.
본 발명에 따르면, 마이크로 구조를 생성하기 위한 다른 방법으로서, 레이저 마이크로소결법이 이용될 수 있다. 이러한 점에서, 고품질의 세라믹 분말의 가공이 또한 가능하다.
이러한 방법을 위한 기본적인 선결조건은 일반적으로 산물(product)의 기하학적 데이터(geometrical data)가 3차원으로 제시되어야 하며, 레이어 데이터(layer data)로서 가공될(processed) 수 있어야 한다는 점이다. 본 발명에 따르면, 위에서 언급된 방법에 의하여 특이적으로 표적화 된 형태(specifically targeted fashion)의 블랭크(blank) 표면을 구조화하거나, 또는 분말로부터 구조화된 형태의 블랭크에 형성(build up)할 수 있도록, 컴포넌트(component)의 현재(existing) CAD 데이터에서부터, 이 데이터는 예를 들면 STL(Standard Tessellation Language, 표준 테셀레이션 언어) 포맷인 데이터 포맷으로 변환된다.
쾌속 주형법을 위한 장치를 포함하는 공지된 장치들은 3차원 데이터 모델(data model)로부터 기하학적 정보를 제공하는데 기여하는 이러한 STL 인터페이스(STL interface)를 각각 가지고 있다.
따라서 본 발명자들은, STL 데이터 세트로 변환되는 주기 함수(periodic function)로 표현될 수 있는, 하나 이상의 패턴으로 고에너지 방사를 통하여 작용되는 블랭크의 표면에 의하여 규칙적/주기적으로 반복되는(recurring) 마이크로 구조가 제공되는 표면을 갖는 방법을 개발하였는데, 이러한 방법으로서 금속 분말 또는 세라믹 분말과 같은 입자 물질을 사용하는 구조-형성 방법이 채택되거나, 또는 구조-제거 방법이 채택된다. 구조-형성 방법의 경우에, 블랭크에 존재하는 상당량의 분말(an amount of powder)이 하나 이상의 단계에서 고에너지 방사와 함께 작용할 수 있고, 그 패턴이 블랭크에 생성될 수 있다.
덜 복잡하고 덜 비싼 대안으로서, 본 발명에 따르면, 구조-제거 방법이 채택될 수 있는데, 이 방법에서 표면 물질을 제거함으로써 소망되는 구조가 생성된다.
보다 정확하게, 하나의 실시형태에서 본 발명은 돌출부(protrusion) 및 오목부(depression)가 구비된 규칙적인 마이크로 구조의(regularly microstructured) 표면을 갖는 기판을 제조하기 위한 방법으로서, 산술 평균으로서 상기 돌출부 사이의 이격 거리(spacing)는 1.0 내지 100 ㎛의 범위이고, 산술 평균으로서 상기 돌출부와 상기 오목부의 프로파일 높이(profile height)는 1 내지 80 ㎛의 범위이고, 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다.
a) 소결 가능한 소재 분말(material powder)의 분말 또는 분말 혼합물을 블랭크에 제공하는 단계;
b) 상기 블랭크의 표면으로 금속 분말의 레이어를 적용하는 단계(applying);
c) STL 데이터로 변환되는 주기 함수로 표현될 수 있는 패턴으로 상기 소재 분말의 레이어에 고에너지 방사를 가하여(acting), 상기 소재 분말이 상기 블랭크 표면의 적어도 부분 영역에 소결되어, 상기 패턴의 적어도 부분 영역이 형성되도록 하는 단계.
이 방법에서, 상기 블랭크는 고형 소재(solid material)로부터, 또는 소결 가능한 소재 분말에서부터 소결법에 의한 적층 방식(layer-wise)으로 제조될 수 있다.
필요하다면, 축 방향 또는 수평 방향으로 상기 블랭크의 이동 또는 치환(displacement) 과정과, 단계 b) 내지 d)의 연속적인 반복이 수행되어, 상기 패턴의 제 1 부분 영역에 인접한, 상기 패턴의 다른 부분 영역이 소결될 수 있다.
하나의 실시형태에서, 이 방법은 그 표면이 원하는 패턴으로 완전히 덮일 때까지, 단계 b) 내지 c)의 연속적인 반복을 포함한다.
상기에서 언급한 것과 같이, 레이저 소결법 또는 EBM 방법에 의한 패턴 형성 방법 이외에도, 또한 레이저 제거(laser ablation)에 의하여 원하는 표면 마이크로 구조를 생성할 수 있다. 따라서 본 발명은 또한 마이크로 구조의 표면이 구비된 기판을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은 다음의 단계를 포함한다.
a) 블랭크를 제공하는 단계;
b) STL 데이터로 변환되는 주기 함수로 표현될 수 있는 패턴으로 상기 블랭크의 적어도 일부분에 고에너지 방사를 가하여, 상기 표면의 적어도 부분 영역에 상기 패턴의 적어도 부분 영역이 형성된 상기 블랭크를 제거(ablated)하는 단계.
구조 형성(building-up) 또는 제거 방법에 의하여 규칙적인 마이크로 구조의 표면을 가지는 수득된 블랭크는, STL 데이터 세트로 변환된 주기 함수를 사용하여 제 2의 규칙적 마이크로 구조를 생성하기 위하여 처리되고/처리되거나, 나노 구조를 생성하기 위하여 습식-화학 처리될 수 있다.
필요하다면, 블랭크는 축 방향 또는 수평 방향으로 이동하고, 기판 표면의 적어도 부분 영역에 원하는 마이크로 구조의 패턴이 제공될 때까지, 단계 b)가 다수 회 반복될 수 있다.
따라서 본 발명은 또한 극친수성 표면이 불규칙하게 마이크로 구조화되어 있거나, 또는 적어도 부분 영역이 규칙적으로 마이크로 구조화되어 있는 기판에 관한 것이다.
블랭크의 소재는 금속, 금속합금, 세라믹 소재(예를 들어 산화지르코늄), 유리, 폴리머(PEEK, 폴리에테르에테르케톤, polyether ether ketone), 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
이와 관련하여, 특히 임플란트로서 사용하기 위한 블랭크의 소재는 바람직하게는 금속, 금속합금, 및 세라믹 소재와 이들 소재의 조합으로부터 선택되는 소재를 포함한다. 바람직하게는, 사용되는 이들 임플란트 소재는 순수 티타늄 또는 금속성 티타늄합금, 크롬/니켈/알루미늄/바나듐/코발트 합금(예를 들면 TiAlV4, TiAlFe2,5), 고품질 강(high-quality steels, 예를 들면 V2A, V4A, 크롬 니켈 316L)과 같은 금속성 소재, 또는 수산인회석(hydroxy apatite), 산화지르코늄, 산화알루미늄과 같은 세라믹 소재와 전술한 금속성 소재의 조합을 포함하는데, 금속성 소재와 세라믹 소재의 조합에서 금속성 소재는 세라믹 소재와 복합 소재(composite material)로 존재한다. 하지만, PEEK와 같은 폴리머를 포함하는 비-금속성 소재는 또한 다른 소재와 조합되지 않고 단독으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전술한 방식으로 수득된 마이크로 구조의 표면은 예를 들면 황산크롬(chromo-sulfuric acid)에 의한 습식-화학 처리에 의해 더욱 친수화 될 수 있는데, 물에 습윤하였을 때의 접촉각은 고전적인(classic) 측정 및 평가 절차에 따르면 더 이상 측정할 수 없거나, 0으로 주어지지만, 본 발명자에 의해 개발된 새로운 방법에 따르면 허수(imaginary numbers)로 명시될 수 있다.
이와 같은 처리 방법은, 예를 들어 바람직하게는 탈지된(degreased) 임플란트를 고온 황산크롬 용액으로 열-충격(shock-heated)하는 한에 있어서 마이크로 구조의 임플란트 표면을 산화제로 처리하는 방법으로 수행될 수 있는데, 이와 관련해서, 바람직하게는 200℃를 넘는 온도에서 황산크롬은 1.40 g/㎤ 이상의 밀도, 다시 말해서 임플란트는 수초 내의 침지(immersion)에 의하여 황산크롬의 이 온도로 가열되고, 10분 내지 90분까지의 기간 동안, 바람직하게는 60분까지, 더욱 바람직하게는 30분까지의 기간 동안 전술한 온도에서 방치되고, 황산크롬에서 제거된 직후에 임플란트는 1분 미만의 기간, 바람직하게는 수초 내에 상온으로 냉각된다. 이 냉각 작업은 바람직하게는 임플란트를 15℃ 내지 25℃의 온도에서 고농도 황산에 침지하여 임플란트를 담금질(quench)함으로써 수행될 수 있다. 산과, 만약 존재한다면 임플란트에 대하여 이물질인 금속 이온, 예를 들어 크롬 이온의 잔여물을 제거하기 위하여, 금속 임플란트 표면은 증류수를 사용하여 여러 번의 세척 단계(최대 15회)에서 세척된다. 그 후에도 여전히 임플란트의 표면에 크롬 이온이 검출된다면, 더 이상의 금속 이온이 검출되지 않을 때까지 임플란트는 착화제(complexing agent) 용액으로 처리될 수 있다. 놀랍게도, 본 발명자는 착화제로서 EDTA를 사용하는 경우, 크롬이 샘플로부터 용출될 때 이 용액은 갈-보라, 보라(brown-violet violet)로 착색된다는 점을 발견하였다. 따라서 본 발명자들은, 크롬 이온에 의하여 더 이상의 착색이 일어나지 않을 때까지, pH 7에서 10% EDTA(1-3회), 필요하다면 또한 비등 EDTA 용액에서 샘플이 세척되는 상황을 제안한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 이러한 방법에 의하여, 극친수성 표면을 갖는 임플란트를 얻을 수 있는데, EP 2,121,058호에 따른 방법의 다른 구성에 따라 이 임플란트를 저장성으로 할 수 있다.
여기서, 본 발명자들은 선행기술에 공지되어 있는 교시(teachings)와 비교해서 놀랄만한 결과를 제시하는 시험을 수행하였다. 본 발명에 따른 초친수성(ultrahydrophilic) 금속 임플란트의 경우, 0.5 M/ℓ를 초과하는 상대적으로 높은 염 농도에서조차 습윤성(wettability)이 손실됨이 없이, 놀랍게도 저장-안정성(storage-stable) 임플란트를 허용하는 임플란트에서의 친수성 및 초친수성 표면을 보존하기 위한 습식 패키징(wet packaging)의 비용이 증가하기 때문에, 무-액상(liquid-free) 패키징 방법이 또한 추구되었다. 이러한 측면에서, 상부에 염 용액이 잔류하여 증발하게 되는 극친수성 표면은 습윤성의 손실과 관련해서 또한 안정적으로 된다는 사실이 발견되었다. 증발 처리는 보호 가스(protective gas) 하에서 또는 대기에서 수행될 수 있는데, 단순하다는 점으로 인하여 후자가 표준으로 사용되었다.
증발 후, 이러한 방식으로 처리된 표면에 육안으로 보이지 않는(macroscopically invisible) 미세한 "건조층(exsiccation layer)"이 형성되었는데, 본 발명에 따르면 이 층은 초친수성과 또한 극친수성 모두를 안정화시키고 보호한다. 일반적으로, 본 발명에 따르면, 초친수성 표면에 대하여 불활성이며, 증발 후에 건조층을 구비한 임플란트 표면을 덮기에 충분한 농도 및 양의 단일 염 용액 또는 또한 다수의 염 용액 내의 중성 염 용액을 사용할 수 있다. 임플란트가 이 중성 염 용액에 있을 때, 또는 임플란트가 이 용액으로부터 제거되어 그 용액의 얇은 층만으로 덮여 있을 때, 증발 처리가 수행될 수 있다. 본 명세서에서 기술된 극친수성 임플란트로 이에 대응하는 고려 사항이 또한 적용된다.
따라서 본 발명은 또한 기판을 제조하기 위하여 상기에서 기술된 방법 이외의 방법을 또한 포함하는데, 에이징(aging) 또는 멸균 방법(예를 들면 감마 멸균)으로 인한 열화(deterioration)와 관련해서 기판 표면을 보호할 수 있도록, 이러한 방법은 기판 표면과 상호작용하지 않는 염, 유기 용매와 같은 비-휘발성 물질 용액에 의하여, 또는 염-함유(salt-bearing) 건조층에 의하여, 수득된 표면을 보호하고, 안정화시키며, 장기간 보관을 가능하게 하는 추가적인 단계를 포함한다.
또한 본 발명은 돌출부 및 오목부가 구비된 마이크로 구조의 극친수성 표면을 갖는 기판으로서, 산술 평균으로서 돌출부 사이의 이격 거리는 1 내지 100 ㎛의 범위이고, 산술 평균으로서 돌출부와 오목부의 프로파일 높이(Ra 값)는 1 내지 80 ㎛의 범위이며, 2개의 동적 접촉각(θV 및 θR) 중 적어도 하나는
Figure 112016115662619-pct00001
는 1.0 초과 내지 2.15 이하, 특히
Figure 112016115662619-pct00002
는 1.0 초과 내지 1.0619 이하의 극친수성 범위에 있는 기판에 관한 것이다.
본 발명은 제 1 돌출부 및 제 1 오목부를 구비한 제 1 마이크로 구조가 제 2 돌출부 및 제 2 오목부를 구비한 제 2 마이크로 구조와 중첩되어 있으며, 산술 평균으로서 제 2 돌출부 사이의 이격 거리는 0.1 내지 10 ㎛의 범위이고, 산술 평균으로서 제 2 돌출부와 제 2 오목부 사이의 높이(Ra 값)는 0.1 내지 10 ㎛의 범위인, 상기에서 정의된 것과 같은 기판을 더욱 포함한다.
바람직하게는, 산술 평균으로서 상기 제 2 돌출부 사이의 이격 거리는 0.1 내지 5 ㎛의 범위이고, 제 2 돌출부의 높이는 0.1 내지 5 ㎛의 범위이다.
제 1 돌출부 및 제 1 오목부를 구비한 마이크로 구조와, 제 2 돌출부 및 제 2 오목부를 구비한 마이크로 구조는, 하기에 기술된 것과 같이, 예를 들어 산 부식(acid etching)인 습식-화학 처리에 의해 생성될 수 있는 나노 구조에 의해 중첩(superimpose)될 수 있다.
기판 표면은 규칙적인 제 1 구조를 가지고, 제 1 구조 사이의 이격 거리와 높이는 위에서 정의된 한정 범위 내인 것이 유리하다. 바람직하게는, STL 데이터 세트로 변환되는 주기 함수로 표현될 수 있는 패턴으로 블랭크 표면에 고에너지 방사(energy-rich radiation)를 가하여, 이 제 1 마이크로 구조가 생성된다. 이 주기 함수는 바람직하게는, 아래에서 선택되는 기본 삼각함수(trigonometric basis function) AR(x) 또는 이들의 도함수(derivatives)이다.
Figure 112014065954716-pct00003
,
Figure 112014065954716-pct00004
,
Figure 112014065954716-pct00005
,
Figure 112014065954716-pct00006
제 1 마이크로 구조와 중첩되는 선택적인 제 2 마이크로 구조는, 바람직하게는 STL 데이터 세트로 변환되는 주기 함수로 표시될 수 있는 패턴으로 블랭크 표면에 고에너지 방사를 가하여 생성될 수 있다. 이 주기 함수는 위에서 명시된 것과 같이, 바람직하게는 기본 삼각함수 AR(x) 일 수 있는데, 이 함수는 다른 변수를 통하여, 마이크로 구조의 보다 작은 "파장" 및 "진폭"을 유도한다.
본 발명자에 의한 발명적인(inventive) 개발은, 주요 파라미터로서 거칠기의 조면 산술 평균값(profilometric arithmetic mean value, Ra 값)이 표면의 위상(topology)에 대한 정보를 부여한다는 점을 인식한 것에 근거하고 있다.
이러한 목적과 관련하여, 본 발명자에 의한 심사숙고에 따르면, 피크(peak) 영역과 밸리(valley) 영역이 동일하게 될 수 있는 방식으로 기판 표면에 참조선(reference line)이 놓여진다. 이 경우에, Ra는 ㎛로 표시되는 위쪽 방향 및 아래쪽 방향으로의 프로파일 높이의 절대 편차의 산술평균으로 정의된다. 다음의 간략화 방정식은 Ra 값을 기술한다.
Figure 112014065954716-pct00007
이 프로파일 참조선에 대한 프로파일 높이의 절댓값(y-축에서의 양 또는 음의 높이)이 z로 명명된다. L은 x-축을 따라 정의된 측정 길이(윈도우, window)이다. 이상적인 조건에서, 이러한 표면 프로파일은 참조선(zero line)에서부터의 편차가 극단값(extreme value) ㅁz를 갖는 규칙적인 정현 진동(regular sinusoidal oscillation)에 상응한다(도 2a 참조). Ra 값 이외에, 최대 프로파일 높이(maximum profile height) Ry (= 최고 프로파일 피크와 최저 프로파일 밸리의 합)로서 제 2 위상 파라미터(topographical parameter)가 ㎛로 정의된다. 마지막으로, 동일한 Ra 값을 가지는 표면은 동일하지 않은 표면 프로파일을 가질 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
또 다른 거칠기 파라미터는 무차원(dimensionless) 현미경 거칠기 인자(microscopic roughness factor)인 rm이다.
Figure 112014065954716-pct00008
식 (6)에서, 계산된 기하학적 표면적 A와 비교하여 A'은 측정된 증가된 표면적을 나타낸다. 주사 레이저 현미경(laser scanning microscope, LSM)에 의하여 일반적으로 포착되는 현미경 거칠기 인자 r은, 증가한 거칠기로 인하여 표면적 크기에서 현미경적 증가에 관한 정보를 준다.
세포 배양액에서, 세포의 생체재료(biomaterial) 표면에 날카로운 에지(sharp edgy)가 없는 규칙적인 구조가 바람직하다는 사실이 발견되었다. 예를 들어 TPS 표면에서 발생할 수 있는 것과 같이, 좁은-직경의(narrow-neck) 기공을 가지는 표면에서, 임플란트의 헐거움(loosening)을 야기할 수 있는 생물막(biofilm)이 형성된다는 사실 또한 발견되었다. 따라서 본 발명의 목적은 이러한 기공이 없는 표면을 제공하는 것이다.
STL 데이터 세트로 변환되는 주기 함수로 표시될 수 있는 패턴으로의 기판 표면의 구조화(structuring)는, 예를 들어 거칠기(Ra 값), 주기값(periodicity value), 현미경 거칠기 인자 rM, 돌출부 사이의 이격 거리, 또는 최대 프로파일 높이 Ry와 같은 주어진 파라미터에서의 차이(variation)에 의하여 영향을 받을 수 있는 기판 특성에 부여된다. 본 발명에 따르면, 1-250 ㎛ 범위, 바람직하게는 1 내지 80 ㎛, 특히 바람직하게는 2 내지 30 ㎛ 범위의 거칠기 파라미터 Ra를 가지거나 생성하는 기판 또는 기판을 제조하기 위한 방법이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 1 내지 100 ㎛ 범위, 바람직하게는 10 내지 60 ㎛, 특히 바람직하게는 2-30 ㎛ 범위의 주기값 n(λ/2)을 가지거나 생성하는 기판 및 기판을 제조하기 위한 방법이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 2 내지 50 범위의 현미경 거칠기 인자 rM을 가지거나 생성하는 기판 및 기판을 제조하기 위한 방법이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 산술 평균으로서 1 내지 100 ㎛ 범위의 돌출부 사이의 이격 거리를 가지거나 생성하는 기판 및 기판을 제조하기 위한 방법이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 2 내지 500 ㎛ 범위의 최대 프로파일 높이 Ry를 가지거나 생성하는 기판 및 기판을 제조하기 위한 방법이 바람직하다.
본 발명자는, 표면의 거칠기를 사인 곡선(sine curve)으로 고려하는 방법에 의하여, 균일하고 정의된 거칠기를 구비한 임플란트를 제조하기 위한 아이디어를 개발하였다. 이러한 점은, 사인 곡선에 의하여 표면 프로파일이 기술되어 있는 도 2a에 도시되어 있다. 이 곡선은 파장 λ = 32 ㎛와 진폭(= 3.13 λ/2.50 ㎛의 Ra 값)을 갖는 것으로 기술될 수 있다. 파라미터 λ 및 프로파일 높이에서의 차이에 대하여, 식 (1)에 따라 정의된 프로파일 함수가 적용된다.
Figure 112014065954716-pct00009
식 (7)에서, x는 독립변수, λ는 파장, P는 프로파일 높이이다. 도 2a에 정의된 프로파일 함수에 대하여 이 방정식은 다음과 같다.
Figure 112014065954716-pct00010
이러한 방식으로, 기본 식 1-4에 의하여 원하는 모든 표면 프로파일을 표현하는 것이 가능하다.
이러한 원리의 일반화가, 관련된 기본삼각함수와 함께 도 2b-d에 도시되어 있는데, 사인 곡선(sinusoidal) 프로파일 이외에도, 예를 들면 사각형(rectangular) 프로파일, 삼각형(triangular) 프로파일 및 톱니파(sawtooth) 프로파일을 또한 생성할 수 있다. 삼각함수 또는 삼각급수(trigonometric series)로 기술될 수 있는 모든 프로파일은 본 발명에 따른 방법에 의해 생성될 수 있다. 이러한 수학 도구(mathematical tool)를 구비하여, CAD 시스템에서 1-80 ㎛ 범위의 Ra 값과 2-50 범위의 rm값이 추구되는 파라미터를 작성하고(draft), 이들을 측정하여 제조하는 것이 또한 가능하다. 따라서 선택적 전자빔 용해(selective electron beam melting, SEBM), 선택적 레이저 용해(selective laser melting), 또는 선택적 레이저-지원 제조(laser-assisted manufacturing)에 의하여, 마이크로미터 범위로 이러한 표면 구조가 생성될 수 있다.
도 3은 2개의 사인 곡선 프로파일(좌표: X/Z 및 YZ)이 구비되어 있는 표면에 표면 거칠기가 기술될 수 있는 것을 도시하고 있다. 아울러 입체-이차(solid-quadratic) 프로파일을 구비한 표면이 어떻게 구형함수(rectangular function)에 의해 구성될 수 있는지가 도시되어 있다. 도 3a는 파장 λ/2 = 32 ㎛인, 다시 말하면, 매 32 ㎛(파 피크, wave peak)마다, X-좌표 및 Y-좌표에서 동일한 이격 거리 λ/2 = 32 ㎛(파곡, wave trough)를 가지는, 사각형 프로파일이 존재하는 단위 셀(unit cell)을 도시하고 있다. 2개의 사인 곡선 함수에 대한 진폭(Z-축)은 동일한 값인 80 ㎛(5λ/4)인데, 이는 Ra 값에 상응한다. 전체 표면은 192×192 ㎛ 크기의 단위 셀(3λㅧ3λ)로 분할될 수 있다. 여기서 단위 셀은 9개의 프로파일을 갖는다(도 3a). 또한, 예를 들어 X-방향으로 λ/2=32 ㎛, Y-방향으로 λ/2=32 ㎛이고, 16 ㎛마다 교대되는 다수의 파장을 조합하는 것이 가능하다(도 3b). 이러한 방식으로, 사각형 프로파일이 동일한 단위 셀(192×192 ㎛) 내에 배치될 수 있다(도 3b). 사각형 프로파일의 경우, 표면은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112014065954716-pct00011
식 (3)에서, x, y, z는 명시된 좌표이고, 이 프로파일이 위치하고 있는 상부의 베이스 영역(xy)이 감산되어야(subtracted) 한다. 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있으며, 표 2에서 계산된 영역(파봉, wave crest)과 관련해서 다음이 적용된다.
Figure 112014065954716-pct00012
하지만, 파골을 포함하는 자유 영역을 계산하는 것이 필요하다.
FBottom area = 3(λY/2xLEZ) + 9x(λx/2)2 (5)
(동일한 이격 거리를 가짐) 또는
FBottom area = 3(λY/2xLEZ) + 12(λx1 ×λx2) (6)
(다른 이격 거리를 가짐)
위 식에서, LEZ는 단위 사각형의 길이를 나타낸다. 계산이라는 측면에서 고려하지 않았던, 다른 표면-관련 패턴 및 프로파일이 도 3c 및 3d에 도시되어 있다.
표 2의 계산에서 표시된 것과 같이, 이러한 방법으로 Ra 값과 rm 값을 갖는 표면을 매우 용이하게 구성할 수 있다. 따라서 표 2의 표면 A(λ/2 = 32 ㎛, 또한 도 3a 참조)에 대하여, 80 ㎛의 Ra 값을 갖는 6.0의 rm 값이 부여된다. 여기서 만약 Ra 값이 35 ㎛로 감소하면, rm 값은 3.2로 떨어진다(표면 B). 80 ㎛의 Ra 값을 갖는 파장이 λ/2 = 8 ㎛로 감소하면, rm 값 = 22.6을 갖는 표면이 실제로 얻어진다(표면 E). 여기서 이 Ra 값이 35 ㎛로 감소하면, rm 값 = 11.3이 부여되는데, 이 역시 고려될 수 있다(표면 F).
다수의 다른 파장을 사용하는 경우, 실질적으로 높은 표면 값(표면 G 및 H)이 얻어질 수 있다(도 1b, 12 프로파일/단위 셀 참조). 표면 크기를 증가시키는 가능한 매력적인 방법은 중공 원통 또는 별 형상 프로파일을 사용하는 것일 것이다(도 3d 참조). 표 2를 요약하면, 삼각 접근법(trigonometric approach)과 ㎛ 범위의 파라미터를 가지면 2-80 ㎛ 범위의 Ra 값, rm = 3.2-22.6 ㎛의 범위의 rm 값에 도달할 수 있다는 것을 분명히 보여준다.
따라서 선택적 전자빔 용해법(SEBM), 선택적 레이저 용해법 또는 레이저-지원 제조법(Lasergravur, 쾌속 제조법)과 같은 입수할 수 있는 기술을 사용하여, 분말로부터의 제거 또는 형성(building up)에 의한 방식으로, 모든 고형체 생체재료(biomaterial solid bodies)의 표면을 형성할 수 있다. 이러한 점에서 해상도 10 ㎛ 미만에서도 심지어 마이크로 구조가 가능하다. 본 발명은 이러한 임플란트 표면의 컴퓨터-제어 형성이 가능하다는 것을 보여준다.
본 발명에 따른 방법의 장점은 다음과 같다.
- 표면의 균일화로 인한 양호한 상용성(compatibility)
- 20-40 배의 면적 증가에 의한 큰 표면적
- 단백질 및 약물(pharmaceutical)에 대한 20-40배 증가한 표면 용량(surface capacity)
- 초친수성의 증가
- 감염의 회피
- 중공 원통 프로파일 내에 약물 보유(reservoir)
- 컴퓨터 응용 제조(computer-aided manufacturing, 레이저 또는 전자빔 기술)
본 발명에 따르면, 모든 표면 구조를 삼각함수로서 기술할 수 있는데, 삼각함수는 결과적으로 AutoCAD의 3D 벡터 그래픽으로서 직접 표시되고 시뮬레이션 될 수 있다. 본 발명에 따른 표면의 구조(configuration)와 관련해서 많은 다른 변이 옵션(variation option)이 있으며, 통합적으로 구조화된(unitarially-structured), 규칙적이고 매우 복잡한 표면의 생성은 수학적으로 사전에 정의되어(pre-defined), 임의의 컴포넌트의 임의의 표면에 적용될 수 있다.
예를 들면, 쾌속 조형법과 관련하여 삼각함수로부터의 데이터의 변환 및 RP 장치(RP apparatus)가 다이어그램 1에 개략적으로 도시되어 있다.
다이어그램 1
Figure 112014065954716-pct00013
다음 단계에서, 선택적으로 제 2 마이크로 구조 및/또는 나노 구조와 중첩되어 있는, 본 발명에 따른 마이크로 구조의 상부에, 공유결합이나 물리적 흡착 또는 화학적 흡착 결합에 의해, 아마도 임플란트 소재에 대한 소수성 상호작용에 기초하여, 골성장인자(bone growth factor)와 같은 펩타이드가 고정될 수 있다. 이 표면을 아미노 프로필 트리에톡시 실란(amino propyl triethoxy silane, APS)을 사용하여 공유 개질(covalent modification)한 뒤에는 흡착 결합(adsorptive bonding)이 또한 가능하다(표 1). 이로 인하여, 이른바 직접 접촉(juxtacrine)인 공유결합을 구비하고 있는, 화학주성적으로 작용하는(chemotactically acting) 및/또는 생물학적으로 활성인 임플란트 표면을 형성하는 것이 가능하여, 골세포의 축적(accumulation), 증식(proliferation) 및 분화(differentiation)가 유도된다. 이러한 방식으로, 조골세포(osteoblast) 상의 BMP(골형성 단백질)의 경우, 심지어 500 내지 1000 ㎛의 거리에서도 표면으로부터 유리된 물질(molecules)을 구비하고 있으며, 세포에 대하여 화학주성 작용을 발휘하는, 이른바 생물학적으로 활성인 임플란트를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 금속 임플란트의 산화물 표면으로, 200 ng/㎠ 이상, 바람직하게는 500 ng/㎠ 이상, 더욱 바람직하게는 1000 ng/㎠ 이상의 펩타이드 로딩(loading)을 달성하기에 충분한 농도로 생리학적 완충 용액 네에 적용되는 펩타이드에 의하여, 친수화 금속 표면의 적절한 로딩이 수행된다.
일반적으로, 이러한 로딩은 펩타이드의 농도가 1 ㎍/㎖ 완충 용액, 바람직하게는 펩타이드의 농도가 200 ㎍/㎖ 완충 용액 이상인 생리학적 완충 용액을 사용하여 수행된다.
본 발명에 따르면, 생체재료가 임플란트의 가능한 거부 반응에 대응(counteract)하고/대응하거나 임플란트의 내성장을 증진시키는 한, 이들 펩타이드는 임플란트의 생체적합성을 위해 유익한 생체재료이다.
상기에서 언급한 것과 같이, 바람직하게는 TGF 단백질 부류(class)로부터 선택된 단백질, 특히 골성장인자(bone growth factor)인 "골형성 단백질(Bone Morphogenic Proteins)"부류, 또는 VEGF나 안지오트로핀(angiotropin) 또는 유비퀴틴(ubiquitin)과 같은 혈관성장인자(vascular growth factor) 부류로부터 선택된 골성장 촉진 단백질(bone growth-promoting proteins)이 펩타이드로 사용될 수 있다. 용어 "형질전환성장인자(Tranforming Growth Factor, TGF)"는 특히 (ⅰ) "형질전환 성장인자베타(TGF-β)"의 그룹(서브그룹) 및 (ⅱ) 골형성 단백질(BMP)의 그룹(서브그룹)을 지칭하기 위하여 사용된다. 후자인 BMP는 골-유도(osteo-inductive) 단백질로서, 이 단백질이 전구체 세포의 증식 및 분화를 야기하여 조골세포(osteoblasts)를 만드는 한, 골 증강(bone augmentation) 및 골 치유(bone healing)를 시뮬레이션 한다. 아울러, 이들 단백질은 알칼리 인산가수분해효소(alkali phosphatase), 호르몬 수용체, 타입 1 콜라겐, 오스테오칼신(osteocalin), 오스테오포닌(osteoponin), 오스테오넥틴(osteonectin), 골격 시알로 단백질(bonesialo protein, BSP)과 같은 골-특이적 물질의 형성과, 최종 석화(final mineralization)를 촉진한다.
고정(immobilisation)이라는 목적을 위해 유익하게는, 전술한 부류의 단백질을 단독으로, 그 부류의 다른 구성 물질과 조합하거나, 또는 다른 부류의 단백질과 같은 생체재료, 저분자 호르몬 또는 면역 방어를 향상시킬 수 있는 항생제와 함께 사용하는 것이 가능하다. 이와 관련하여, 전술한 다른 분자들은, 생리적 매질에서 절단될 수 있는 결합에 의하여 표면에 또한 고정될 수 있다.
본 발명은 첨부하는 도면에 의해 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 치과 및 정형외과에서 전형적으로 광범위하게 퍼져 있으며 연속적인 거친 표면의 REM(Raster Entity Manipulation) 영상을 도시한다. 도 1a와 1b는 SLS(샌드-블라스트 산 부식된) 표면이다. 도 1c와 1d는 TPS 표면(티타늄 플라즈마 분사법)이다. 도 1c의 삽입된 부분은 TPS 표면의 이식 골절 에지(transfer fracture edgy)이다. 화살표는 순수 티타늄의 TPS 레이어와, 티타늄합금(Ti6Al-4V)의 베이스 소재 사이의 유합 간극(fusion gap)을 가리킨다.
도 2는 측면도로서 표면 돌출부(프로파일)의 기본적 형태를 도시한다. 이 경우에 프로파일 끝단에 대한 옵션은 둥근 형태, 평평한 형태 및 뾰족한 형태로서, λ= 32 ㎛; z = 50 ㎛이다. 프로파일을 기술하는 삼각함수 방정식이 도면 밑에 명시되어 있다. 거칠기의 모든 가능한 형태는 이러한 푸리에 급수에 의해 기술될 수 있다. 연계된(associated) 3D의 기본 형태는 다음과 같다: 2a는 쌍곡면(hyperboloid), 2b는 직육면체(cuboid), 2c는 각뿔(pyramids), 2d는 비대칭 각뿔.
도 3은 각각 연계된 사각 함수를 구비한 단위 셀을 도시하고 있으며, 일부 프로파일(3a 및 3b)과 배열 패턴(3c)은 단면도로 도시되어 있다.
3a는 9개의 프로파일(λx 및 λy = 64 ㎛, z = Ra = 80 ㎛)을 갖는 192 ㎛ × 192 ㎛의 단위 셀(표 2, 표면 A 참조)
3b는 12개의 프로파일(λx = 64 ㎛, λy = 32 ㎛, z = Ra = 80 ㎛)을 갖는 192 ㎛ × 192 ㎛의 단위 셀(표 2, 표면 G 참조)
3c는 프로파일에 대한 배열 패턴.
3d는 다른 표면적 값을 갖는 프로파일
3D 기본 형태 3a-3c: 직육면체
도 4는 제 1 마이크로 거칠기(microroughness, λ = 64 ㎛)에 제 2 마이크로 거칠기(λ = 7.1 ㎛)의 조합을 도시하고 있다. 매크로 거칠기(macroroughness)의 표면적은 예시된 제 2 마이크로 거칠기에 의해 2.25 배(1.5 ㅧ 1.5) 증가한다.
도 5는 초순수를 사용하여 초소수성(superhydrophobic)의 비-개질 TPS 표면에서의 정적 접촉각(5a)과 동적 접촉각(5b)의 측정을 도시하고 있다.
도 6은 초소수성(superhydrophobic) 조건에서 극친수성 조건으로의 화학적인 "전환(switching over)" 후에 표면에서의 동적 접촉각의 측정을 도시하고 있다.
도 7은 침지(immersion) 깊이에 따른 허수 접촉각으로서, 도 6의 정의되지 않은 영역에서 빌헬미 함수(Wilhelmy functions)의 예시를 도시하고 있다.
위에서 언급된 마이크로 구조를 변경하지 않고서, 마이크로 구조의 표면은 습식-화학 공정에서 다시 나노 구조화하고, BMP-2의 흡착을 위하여 아미노 프로필 트리에톡시 실란과 반응시켰다. BMP-2가 포함된 모노레이어 흡착율(monolayer coverage)의 계산과 관련하여, 이 표면의 단분자 흡착율(monomolecular coverage)을 위해 BMP-2 20 am2(1 ㎍ BMP2-2 ~ 4.6 ㎠)의 양(footprint)을 사용하였다. 주어진 조건에서, BMP-2와 함께 측정된 rm 값은 LSM으로 측정된 rm 값과 잘 일치하였다. 얻어진 흡착 값은 표 1에 제시되어 있다.
표면 Ra (㎛) rM (A'/A) BMP-2 흡착(APS-표면) (ng/㎠) r'M (A'/A)
LSM pro 기하 영역 pro 실제 영역 BMP-2
SLA ~2-3 2.5 394±66(6) 157±27(6) 1.8
TPS 30.0±4.4(4) 20 5221±293(6) 261±15(6) 23.9
데이터 포맷: ξ±S.D.
본 발명에 따르면, 삼각함수를 사용하여 원하는 형태의 표면 마이크로 구조가 생성될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 표 2에 도시된 것과 같은 값을 가지는 35 ㎛ 및 80 ㎛의 프로파일 높이를 갖는 사각형 프로파일에 대한 거칠기 파라미터가 사용될 수 있다.
표면 λx
(㎛)		 λy
(㎛)		 X(λ/2)
(㎛)		 Y(λ/2)
(㎛)		 FProfile
(㎛2)		 Profile/
IC		 Ra
(㎛)		 Ry rm
A 64 64 32 32 21504 9 80 160 6.0
B 64 64 32 32 9984 9 35 70 3.0
C 32 32 16 16 10496 36 80 160 11.6
D 32 32 16 16 4266 36 35 70 6.9
E 16 16 8 8 5248 144 80 160 22.6
F 16 16 8 8 2304 144 35 70 10.3
λ/2+λ/4
G 64 32 32 32+16 21504 12 80 160 7.8
H 16 8 8 8+4 2304 192 35 70 13.6
표면 A와 G가 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 각 셀(Individual Cell, IC)의 영역은 36864 ㎛2이다.
따라서 본 발명에 따른 방법에 의하여, 레이저-기술 제조 직후에 극친수성인, 정의된 표면 구조를 임플란트와 같은 기판에 제공할 수 있다. 만약 이 표면이 충분히 친수성이 아니라면, 화학적 친수화 방법에 의하여 더욱 친수화 될 수 있다. 따라서 또한 임플란트를 지탱하는(bear) 이들 표면 구조로 인하여, 본 발명에 따라 극친수성 표면으로서 확인되는 특별한 습윤 특성이 유도된다. 이와 같은 화학적 친수화 방법으로는 산 부식법과 같은 습윤-화학 방법과, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리(2,3-디하이드록시프로필 메타크릴레이트, poly(2,3-dihydroxypropyl methacrylate), PDHMA) 또는 폴리[2-(메타크릴로일록실) 에틸 포스포릴콜린, poly[2-(methacryloyloxy) ethyl phosphoylcholine, PMPC)와 같은 매우 친수성인 물질의 공유 또는 비-공유 결합에 의하여 관능화되어 있는 구조화된 표면을 포함하는데, 여기서 PDHMA 및 PMPC는 양쪽성 이온(zwitterionic) 구조를 가지고 있다. 공유 결합은 예를 들어, PEG, PDHMA 및 PMPC의 적절한 트리에톡시 실란 유도체에 의해 수행될 수 있다.
종래 기술에서 알려져 있는 것과 같이, 습윤성으로 특징 지워질 수 있는 본 출원에서, 0 < θ < 10°값의 동적 접촉각을 갖는 친수성 표면은 초친수성(ultrahydrophilic)으로 언급되는 반면, 본 발명에 따라 θ < 0i 내지 1.4i rad의 허수 접촉각 형태의 측정 가능한 접촉각을 갖는 표면은 극친수성(hyperhydrophilic)으로 언급된다.
통상, 표면의 친수 특성을 측정하는 것은 접촉각의 측정에 기초하여 수행된다. 이와 관련해서, 200년 이상 전에 토마스 영에 의한 접촉각 θ의 도입은, 영 방정식의 도입에 의한 습윤성의 이해에 대한 길을 기본적으로 열었다.
Figure 112014065954716-pct00014
식 (7)에서, γsv, γsl 및 γlv는 액상(l), 고형상(s) 및 증기/기체상(v)과 접촉하고 있는 상 한계(phase limits)의 표면 장력을 나타내고, 예를 들어 착석 적하(sitting drop)의 평형 접촉각(equilibrium contact angle)으로서의 θ0을 가지고 있다. 일반적으로 단지 γlv와 θ0만 측정될 수 있으므로, 완전히 매끈한 표면에 적용되는 영 방정식은 해결하기 쉽지 않다.
영 방정식은 열역학 평형 상태의 이상적인, 매끈한, 비-투과성인 표면에 적용되는 접촉각에 대해 적용된다는 점에 유의하여야 한다. 반면에, 실제 거친 표면에서의 접촉각은, 이상적인 표면에서의 영 접촉각과 실제 접촉각을 구분할 수 있는 '겉보기(apparent)' 특성(attribute)을 구비하고 있다고 언급되고 있다.
이러한 점에서 출발하여, 루드비히 빌헬미(Ludwig Wilhelmy)는 60년이 지난 후에, 장력학(tensiometry)을 접촉각 측정에 연결시키는 빌헬미 평형(Wilhelmy balance)을 발견하였다(Ann. Phys., 119, 177-217). 빌헬미 평형에 의하여 힘을 측정하는 경우, 샘플은 그 힘을 측정하면서 초순수에 침지되고 초순수에서 제거된다. 이어서, 공지된 빌헬미 방정식에 따라, 샘플을 침지하고 제거할 때의 힘으로부터 접촉각이 측정된다.
Figure 112014065954716-pct00015
식 (8)에서, F는 측정된 합력(nett force)을 나타내고, 방정식 우측의 첫 번째 항에서 P는 샘플의 둘레(perimeter), γ는 물의 표면 장력, θ는 접촉각(전진각 θV 또는 후퇴각 θR)이다. 방정식 우측의 두 번째 항에서 V는 피대체(displaced) 액체의 부피를 나타내고, g는 중력을 나타내며, ρ는 액체의 밀도를 나타낸다. 액체에서 샘플의 부력(buoyancy)을 나타내는 이 두 번째 항은 침지 깊이 0에서 외삽(extrapolation)에 의해 제거될 수 있어서, 다음과 같은 간략화 된 형태의 빌헬미 방정식이 유도된다.
Figure 112014065954716-pct00016
만약 P가, 상수 l/(P·γ) = Kθ = 1.39 × 103 N-1을 부여하는 1 ㎝ 단위(예를 들어 10 × 5 × 1 mm의 플레이트)에 해당하면, 이 방정식은 다음과 같이 된다.
Figure 112014108007577-pct00017

식 9a에서 Kθ는 힘의 상수(force constant)를 나타낸다.
만약, 접촉각이 0으로의 외삽 없이 방정식 9에 따라 측정되면, 이들은 "가상(virtual)" 접촉각으로 언급된다. 가상 접촉각을 사용하는 것이 첨부하는 도 7에 도시되어 있다.
완전히 매끈한 표면에 대한 방정식 9의 실질적으로 고려된 유효성은 2가지 금지된 접촉각, 즉 (ⅰ) θ
Figure 112014065954716-pct00018
119° 및 (ⅱ) θ
Figure 112014065954716-pct00019
0° 인 경우에 의해 제한된다. 소수성 측면에서의 첫 번째 경우에 대하여, 물리적인 이유로 인하여 접촉각의 값인 θ = 110°를 초과할 수 없다는 것이 종래 기술로부터 알려져 있다. 친수성 측면인 두 번째 경우(θ
Figure 112014065954716-pct00020
0°)에, cosθ > 1은 정의되지 않는다는 수학적인 이유로 인하여, 접촉각은 0 미만일 수 없다. 만약 접촉각이 허수 범위 ai로 확장되고, 이에 따라 임플란트의 표면 특성이 평가될 수 있다면, 고전적인 수학적 이해에 따른 후자의 장벽은 극복될 수 있다는 점이, 본 발명자에 의해 지금 밝혀졌다.
측정 작업을 위하여, 본 발명자는 거칠기 Ra = 30 ㎛, 현미경 거칠기 rm = 20인, 순수 티타늄으로 코팅된 티타늄합금(Ti-6Al-4V, 소위 티타늄 플라즈마 스프레이 방법, TPS)을 포함하는 금속 플레이트를 사용하였다. 빌헬미 방법을 사용하여 초순수로, 동적 접촉각 θV(전진각)와 θR(후퇴각)을 측정하였다(장력 측정기 DCAT 11, Dataphysics, Filderstadt, 독일). 측정된 접촉각이 디핑 속도(dip speed)와 무관해지도록, 침지(immersion) 및 제거(removal) 속도는 1 mm/min(17 ㎛/s)이었다. 겉보기 정적 접촉각 θS'(착석 적하법; 초순수 3-5 ㎕)를 그래픽으로 평가하였다. 이 허수 접촉각은 측정된 힘 값으로부터 본 발명자에 의해 계산되었다.
확립된 "극단적 친수성(extreme hydrophilia, θ> 0i, "극친수성(hyperhydrophilia)")"은 - 본 명세서에서 습윤-화학 처리(산 부식) 후에 마이크로 거친 표면에서의 이력(hysteresis)이 없는 조건에서 - 본 발명자에 의하여 본 명세서에서 "역 로터스 효과(inverse Lotus effect)"로 언급되었다. 이 용어는 또한, "로터스 효과(Lotus effect)"를 보여주는 표면으로부터 이른바 "화학적 전환(chemical switching)"에 의하여 발생되는 극친수성 표면을 기술하는 데에도 사용된다. 따라서 극소수성(hyperhydrophobic) 표면(도 5)은 황산크롬(chromo-sulphuric acid)의 처리에 의하여 극친수성 표면으로 "전환(switched over)"되는데, 이전의 분석 방법에 따라 극친수성 표면은 극단적인 물의 퍼짐(spreading) (
Figure 112014065954716-pct00021
= 0°)과, 동적 접촉각(θV/θR = 0°)을 갖는다(도 6). n-헥산과 미네랄 오일이 이들 표면에 퍼짐에 따라(
Figure 112014065954716-pct00022
/
Figure 112014065954716-pct00023
/
Figure 112014065954716-pct00024
= ~ 0°/0°/0°), 이들은 또한 극양친성(superamphiphilic)이라고 언급된다. 만약 이 표면이 보존되지 않는다면, 극친수성 조건으로부터 소수성 조건으로의 "역 변형(reverse transformation)"이 자발적으로 서서히 일어난다.
또한 본 발명은 나노 구조를 생성하기 위한 처리로서 마이크로 구조의 표면을 습식-화학 처리하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것으로, 소수성 또는 약 친수성 표면이 초친수성 또는 극친수성 표면으로 전환되고, 2개의 동적 접촉각(θV 및 θR) 중 적어도 하나의 접촉각이
Figure 112016115662619-pct00025
= 0.980 내지 2.15의 범위, 바람직하게는
Figure 112016115662619-pct00026
는 1.0 초과 내지 1.6019 이하의 극친수성 범위(
Figure 112016115662619-pct00027
> 0°- 35i rad)이다.
"화학적 변환"이후에 1개 및 동일한 표면에서 2개의 다른 로터스 효과의 연속적인(sequential) 발생과 관련한 본 발명자의 관찰은, 이들 2가지 효과 사이에 연결점이 있다는 것을 나타내지만, 여전이 불문명하다. 소수성 표면의 경우, 불균일 습윤(heterogeneous wetting)에 의한
Figure 112014065954716-pct00028
의 값이 ~145°로의 증가(정적 방법)에 의하여 동적 접촉각(θV'/θR' = 98.8°/36.7°)에 대한 거칠기의 영향이 또한 분명히 보인다. 하지만, 친수성 측면에서, 0의 접촉각에 대한 표면 거칠기의 측면에서 유사한 효과는 없다. 본 발명자에 의한 측정은, cosθ > 1의 영역에 배치되는 모든 접촉각들은 0의 값을 갖는 접촉각으로서 출력된다(outputted)는 점을 보여주었다. 현재 본 발명에 따른 도 6의 원시 데이터(raw data)의 평가는 도 6의 측정 지점에서 17%는 cosθ > 1을 갖는 정의되지 않은 접촉각을 갖는다는 점을 보여준다. 이러한 관찰은, 정의되지 않은 영역으로부터 정의된 영역을 분리하는 분계선(line of demarcation)에 의하여 도 6의 프로파일 내에 예시되어 있다. 본 발명자는 이제 정의되지 않은 조건으로부터 정의된 조건으로 빌헬미 측정 데이터를 가져오는 방법을 발견하였다.
유효 범위
(validity range)		 허수 및 실수 접촉각의 연속 범위 Kθ F
across(Kθ F), 라디안(rad)
Figure 112014065954716-pct00029
, 각도
1.40i 80.21i 2.1509
1.23i 70.47i 1.8568
1.05i 60.16i 1.6038
0.87i 49.85i 1.4029
0.71i 40.68i 1.2628
0.53i 30.37i 1.1438
역 로터스 효과의 중앙 영역 0.35i 20.05i 1.0619
0.18i 10.31i 1.0162
0.04i 2.29i 1.0008
0.00 0i +1.0
극친수성
Figure 112014065954716-pct00030

cosθ ≥ 1
초친수성
Figure 112014065954716-pct00031

cosθ ≤ 1
0.00 0 +1.0
0.04 2.29 0.9992
0.18 10.31 0.9838
0.35 20.05 0.9397
0.53 30.37 0.8628
0.71 40.68 0.7584
0.87 49.85 0.6448
1.05 60.16 0.4976
1.23 70.47 0.3342
1.40 80.21 0.1699
1.57 90.00 0
3.14 180.00 -1.0
Kθ
표 3은, (Kθ· F)에 따라 측정된, 라디안(radian)과 각도로 표시된 고전적인 접촉각 및 새로운 허수 접촉각
Figure 112014065954716-pct00032
을 표시하고 있다. 이와 관련해서, 허수 접촉각 급수 및 실제 접촉각 급수는 0에 대하여 거울상(mirror images)처럼 거동한다. "역 로터스 효과"는 실수 범위에서의 0.18 라디안 (~10°)에서부터 허수 범위에서의 1.4i 라디안(~80°)까지의 범위, 바람직하게는 0.18 라디안부터 0.35 라디안(~20°)까지의 범위로 연장되어 있다. 이와 관련해서, 이 동적 접촉각 중 하나(예를 들어 θA)는 고전적인 값이고, 두 번째(예를 들어 θai ,R)는 허수일 수 있는데, 이는 혼성 접촉각 쌍(hybrid contact angle pair)으로 언급된다. 반면에 2개의 동적 접촉각(θai,V/θai,R)은 또한 모두 허수일 수 있다(순수 허수 접촉각 쌍, pure imaginary contact angle pair). 라디안 값에 180/π을 곱하면, 각도로 표시된 접촉각이 얻어진다. 57.3 × 0.4i[rad] = 22.9i°. Kθ·F > 1.0에 대하여, 각각 > 0.0i 라디안 및 > 0.0i 각도의 허수 접촉각이 존재한다. 이 값은 허수 접촉각에 대한 하한으로 정의된다.
이러한 발견으로 빌헬미 방정식은 허수 범위까지 확장된다.
Figure 112014065954716-pct00033
일반 표현
Figure 112014065954716-pct00034
는 경계 조건 (Kθ·F) < 1에 대한 실수 범위에서의 모든 접촉각(위 첨자)과, 경계 조건 (Kθ·F) > 1에 대한 허수 범위에서의 모든 접촉각(아래 첨자)을 나타낸다(표 3 참조).
이제, 식 (10)에 의하여, cos(180°)의 실수 시스템에서 시작하여, cos(80i°)의 허수 시스템에 이르기까지, (Kθ·F) = 1.0 내지 +2.15의 범위에서 모든 힘 측정에 대하여 정의된 접촉각을 명시할 수 있다(표 3 참조). 180i°까지의 이보다 큰 허수 접촉각은 본 발명자의 가정에 따라 거친 표면에서 인식될 수 있다.
매우 습윤성인 TPS 표면을 측정하기 위하여 허수 접촉각을 사용하는 것이 도 7에 도시되어 있다. 도 6의 0.102 g에서의 분계선 위쪽의 원시 데이터의 45개의 대푯값이 선택되었으며, 이들의 힘 값(Kθ·F; 1.00 내지 1.07 범위)은 가상 허수 접촉각(θai)으로 변환되어, 침지 깊이의 함수로서 좌표에 표시하였다. 침지 깊이의 제로 위치로 이 곡선의 직선 컴포넌트를 외삽하면, 겉보기 허수 전진각 및 후퇴각이 얻어진다(θai,V/θai,R) = 0.36i°/0.37i°). 이러한 방식으로 확인된 이들 허수 접촉각은 4개의 습윤 파라미터인 응집(cohesion), 흡착(adhesion), 스프레드(spread) 및 침지(immersion)의 복합 함수(complex function)이다. 이들은, 물 흡착을 포함하는 이들 습윤 함수에 관한 정보 목록(items of information)을 가지고 있으며, 따라서 예시된 거친 표면의 습윤 특성들이다.
따라서 본 발명자의 인식에 기초하여, 현재까지 극친수성 표면의 경우에 불가능하였던 측정에 대하여, 이러한 친수성 표면의 특성을 측정할 수 있으며, 코팅 작업을 포함하는 후속 처리에 대하여 이들 표면의 적합성을 평가할 수 있다.
따라서 본 발명은 또한 기판 표면의 습윤 특성을 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은 다음의 단계를 포함한다.
a. 확인하기 위하여 빌헬미 평형(Wilhelmy balance)에 의한 힘(Kθ·F) 측정을 수행하는 단계;
b. 단계 a)의 결과에 기초하여 겉보기 접촉각 θV 및 θR을 계산하는 단계로서, 상기 계산은,
ⅰ. arccos(Kθ·F) = 실수 접촉각에 따라 (Kθ·F) ≤ 1인 상황에 대하여 수행되고, 및
ⅱ. arccos(Kθ·F) = 허수 접촉각에 따라 (Kθ·F) > 1인 상황에 대하여 수행됨;
c. 단계 b)에서 계산된 접촉각 θV 및 θR에 기초하여 습윤 특성을 측정하는 단계.
본 발명에 따른 방법을 통하여, 친수성 표면으로부터 극친수성 표면을 특이적으로 구별할 수 있으며, 이러한 소재를 분류해 낼 수 있다. 따라서 습윤 특성은 그 표면에 연계된 접촉각을 통하여, 소수성에서부터 친수성 및 초친수성을 경유하여 극친수성까지 분류될 수 있다.
또한 본 발명은 위에서 언급한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것으로, 이 장치는 측정 유닛, 평가 유닛 및 출력 유닛을 포함하고, 상기 측정 유닛은 빌헬미/힘 측정의 힘 측정을 위하여 조정되어 있고, 상기 평가 유닛은 상기 측정 유닛에 의해 수득된 측정값을 알고리즘에 의하여 허수 전진각(θV) 및 후퇴각(θR)으로 변환시키도록 조정되어 있으며, 상기 출력 유닛은 상기 평가 유닛에 의해 얻어진 접촉각을 더욱 처리하도록 조정되어 있다. 이와 관련해서, 추가되는 처리 과정은 접촉각을 각도나 라디안으로 표시하는 것을 포함한다.
따라서 본 발명자의 인식에 기초하여, 현재까지 극친수성 표면의 경우에 이러한 측정 동작이 불가능하였던, 친수성 표면의 특성을 측정할 수 있고, 코팅 동작을 포함하는 후속 처리를 위한 이들의 적합 정도를 평가할 수 있다.

Claims (17)

  1. 제 1 돌출부(protrusion) 및 제 1 오목부(depression)를 구비한 제 1 마이크로 구조의 극친수성 표면을 갖는 임플란트로서, 산술 평균으로서 상기 돌출부 사이의 이격 거리는 1 내지 100 ㎛의 범위이고, 산술 평균으로서 상기 돌출부와 오목부의 프로파일 높이(profile height, Ra-값)는 1 내지 80 ㎛의 범위이며, 2개의 동적 접촉각(θV 및 θR) 중 적어도 하나의
    Figure 112016115662619-pct00035
    는 1.0 초과 내지 2.15 이하의 극친수성 범위를 갖는 임플란트.
    (위 식에서 F는 측정된 합력(nett force)을 나타내고, P는 샘플의 둘레, γ는 물의 표면 장력이다.)
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 돌출부 및 상기 제 1 오목부를 구비한 상기 제 1 마이크로 구조는 제 2 돌출부 및 제 2 오목부를 구비한 제 2 마이크로 구조와 중첩되며, 산술 평균으로서 상기 제 2 돌출부 사이의 이격 거리는 0.1 내지 10 ㎛의 범위이고, 산술 평균으로서 상기 제 2 돌출부와 제 2 오목부의 높이(Ra-값)는 0.1 내지 10 ㎛의 범위인 임플란트.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 극친수성 표면은 불규칙하게 마이크로 구조화되어 있거나, 또는 적어도 부분적으로 규칙적인 영역을 가지는 임플란트.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 마이크로 구조의 극친수성 표면은, 산 부식에 의한 습식 화학 절차에 의해 형성되는 나노 구조와 중첩되어 있는 임플란트.
  5. 제 1 돌출부와 제 2 오목부가 구비된 규칙적인 마이크로 구조를 가지며, 산술 평균으로서 상기 돌출부 사이의 이격 거리는 1 내지 100 ㎛의 범위이고, 산술 평균으로서 상기 돌출부의 프로파일 높이(Ra-값)는 1 내지 80 ㎛의 범위인 제 1항에 기재된 임플란트를 제조하기 위한 방법으로서,
    a) 블랭크에 소결 가능한 소재 분말의 분말 또는 분말 혼합물을 제공하는 단계;
    b) 상기 블랭크의 표면으로 금속 분말의 레이어를 적용하는(applying) 단계; 및
    c) STL(Standard Tessellation Language, 표준 테셀레이션 언어) 데이터 세트로 변환되는 주기함수로 표현될 수 있는 패턴으로 상기 소재 분말의 레이어에 고-에너지 방사(energy-rich radiation)를 가하여(acting), 상기 소재 분말이 상기 블랭크 표면의 적어도 부분 영역에서 소결되어, 상기 패턴의 적어도 부분 영역이 형성되도록 하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 블랭크는 고체 소재로 제조되거나, 또는 소결 가능한 소재 분말로부터의 소결 방법에 의한 적층 방식(layer-wise)으로 제조되는 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 규칙적인 마이크로 구조의 표면을 갖는 c) 단계에서 수득된 상기 블랭크는, STL(Standard Tessellation Language, 표준 테셀레이션 언어) 데이터 세트로 변환되는 주기함수를 사용하여 제 2 규칙적인 마이크로 구조를 형성하기 위한 처리 및 나노 구조를 형성하기 위한 습식-화학 처리 중 적어도 어느 하나로 처리되는 방법.
  8. 제 1항에 따라 규칙적인 마이크로 구조의 표면을 갖는 임플란트를 제조하기 위한 방법으로서,
    a) 블랭크를 제공하는 단계; 및
    b) STL(Standard Tessellation Language, 표준 테셀레이션 언어) 데이터 세트로 변환되는 주기함수로 표현될 수 있는 패턴으로 상기 블랭크에 고-에너지 방사를 가하여(acting), 상기 표면의 적어도 부분 영역으로 상기 패턴의 적어도 부분 영역이 형성되면서 상기 블랭크가 제거(ablated)되는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 규칙적인 마이크로 구조의 표면을 갖는 b) 단계에서 수득된 상기 블랭크는, STL 데이터 세트로 변환되는 주기함수를 사용하여 제 2 규칙적인 마이크로 구조를 형성하기 위한 처리 및 나노 구조를 형성하기 위한 습식-화학 처리 중 적어도 어느 하나로 처리되는 방법.
  10. 제 7항 또는 제 9항에 있어서, 상기 나노 구조를 형성하기 위한 처리는 상기 마이크로 구조의 표면을 습식 화학 처리하는 단계로서, 소수성 또는 약친수성(weakly hydrophilic) 표면이 초친수성(ultrahydrophilic) 또는 극친수성(hyperhydrophilic) 표면으로 변환되는 단계를 포함하고, 2개의 동적 접촉각(θV 및 θR) 중 적어도 하나의
    Figure 112016115662619-pct00060
    는 1.0 초과 내지 2.1 이하의 극친수성 범위를 갖는 방법.
    (위 식에서 F는 측정된 합력(nett force)을 나타내고, P는 샘플의 둘레, γ는 물의 표면 장력이다.)
  11. 제 10항에 있어서, 염 또는 유기 용매와 같은 비-휘발성 물질의 용액이나, 또는 염-함유(salt-bearing) 건조 레이어(exsiccation layer)에 의하여 상기 수득된 표면이 보호, 안정화 및 장기간 저장될 수 있게 하는 추가적인 단계를 포함하고, 상기 비-휘발성 물질의 용액은 상기 표면과 상호작용하지 않으며, 상기 염-함유 건조 레이어는 에이징(aging) 또는 안정화 방법에 기인한 극친수성이 손실되는 습윤성의 감소에 대하여 기판 표면을 보호하기 위한 방법.
  12. 제 5항 내지 제 9항 중 어느 하나의 항에 있어서, STL 데이터 세트로 변환되는 주기함수는 하기 식 또는 이들 식의 도함수(derivatives)로 구성되는 군에서 선택되는 삼각함수 AR(x)인 방법.
    Figure 112014108007577-pct00062
    ,
    Figure 112014108007577-pct00063
    ,
    Figure 112014108007577-pct00064
    ,
    Figure 112014108007577-pct00065

  13. 제 5항 내지 제 9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 거칠기 파라미터 Ra는 1 내지 80 ㎛의 범위인 방법.
  14. 제 5항 내지 제 9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 주기값 n(λ/2)은 1 내지 100 ㎛의 범위이고, 현미경 거칠기 인자 rM은 2 내지 50의 범위인 방법.
  15. 기판 표면의 습윤 특성을 결정하기 위한 방법으로서,
    a. 확인을 위하여 빌헬미 평형(Wilhelmy balance)에 의한 힘(Kθ·F) 측정을 수행하는 단계;
    b. 단계 a의 결과에 근거하여 겉보기 접촉각(θV 및 θR)을 계산하는 단계로서, 상기 계산은
    ⅰ. arccos(Kθ·F) = 실수 접촉각에 따라 (Kθ·F)≤1인 상황에 대하여 수행되고; 및
    ⅱ. arccos(Kθ·F) = 허수 접촉각에 따라 (Kθ·F) > 1인 상황에 대하여 수행됨; 및
    c. 단계 b에서 계산된 상기 접촉각 θV 및 θR에 근거하여 기판의 습윤 특성을 결정하는 단계를 포함하는 방법.
    (위 식에서 Kθ는 힘의 상수(force constant)이고, F는 측정된 합력을 나타낸다.)
  16. 제 15항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    측정 유닛, 평가 유닛 및 출력 유닛을 포함하고, 상기 측정 유닛은 빌헬미 평형에 의한 힘 측정을 위해 조정되어 있고(adapted), 상기 평가 유닛은 상기 측정 유닛에 의해 수득된 측정값을 알고리즘에 의하여 허수 전진각(θA) 및 후퇴각(θR)으로 변환하도록 조정되어 있으며, 상기 출력 유닛은 상기 평가 유닛에 의해 얻어진 접촉각을 더욱 처리하도록 조정되어 있는 장치.
  17. 삭제
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