KR101744063B1

KR101744063B1 - 양극처리를 이용한 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법 및 이에 의해 제조되는 불화막 처리된 마그네슘 기반의 임플란트

Info

Publication number: KR101744063B1
Application number: KR1020150147497A
Authority: KR
Inventors: 김광만; 강형파
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-06-07
Also published as: KR20170047072A

Abstract

본 발명은 마그네슘(Mg) 기반 임플란트의 표면을 처리하는 기술에 관한 것으로, 구체적으로는 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트를 불소(F)가 함유된 액상 전해질을 이용해 양극처리(anodizing) 함으로써 간편하고 처리시간이 단축된 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법 및 이를 통해 제조되는 내부식성이 향상되고 표면 특성이 우수하며 세포독성이 없는 마그네슘 기반의 임플란트에 관한 것이다.

Description

양극처리를 이용한 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법 및 이에 의해 제조되는 불화막 처리된 마그네슘 기반의 임플란트{A method for surface treatment of Fluoride coating on substrate of Magnesium based implant by anodizing and Fluoride coated composite of Magnesium based implant made by the same}

임플란트란 인체의 조직이 상실되었을 때 이를 회복시켜 주는 대체물을 총칭하는 용어로서, 인체의 골조직을 대체하는 골 임플란트의 의미로 주로 사용된다.

일반적인 보철물을 인체에 삽입한 경우 시간이 지나면 주위의 생체 조직을 상하게 할 수 있지만, 임플란트는 주위의 조직을 상하지 않게 하면서도 반영구적으로 사용할 수 있다는 특징이 있다.

이러한 임플란트가 주로 사용되는 분야로서 치의학 분야를 들 수 있는데, 치과용 임플란트는 결손된 치아를 영구적으로 대체할 수 있는 인공 치아로서 치아의 결손이 있는 부위나 치아를 뽑은 자리의 턱뼈에 골 이식, 골 신장술 등의 부가적인 수술을 통하여 생체 적합한 임플란트 본체를 식립함으로써 자연치의 기능을 회복시켜주게 된다.

임플란트는 정상적인 기능이 유지되고 있는 턱뼈와 식립된 임플란트 본체 표면과의 형태적, 생리적, 직접적 결합인 골유착(osseointegration)이 이루어진 후 임플란트 주위 턱뼈의 골 개조 과정을 거치게 되는데, 이러한 치과용 임플란트는 기능적으로 실제 치아의 역할을 대행할 수 있도록 물리·화학적인 성질이 실제 치아와 유사해야 한다.

최근에는 마그네슘(Magnesium, Mg)이 치과, 성형외과, 순환기내과 등에서 사용되는 임플란트로서 각광받고 있는데, 마그네슘의 밀도, 강도, 탄성 등의 물리적 성질이 인체의 골조직과 매우 유사하기 때문에 골 임플란트로 사용되기에 적합하기 때문이다.

또한, 마그네슘의 경우 잠재적 생 흡수성이 있기 때문에 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로 이루어진 임플란트를 사용할 경우 추가적인 수술이 필요하지 않다는 장점이 있다.

그러나 마그네슘 및 마그네슘 합금은 체액 속에서 부식율이 높고 분해속도가 빠르기 때문에 그 자체로 임플란트로서 사용되기에는 한계가 있다.

따라서, 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로 이루어진 임플란트의 적절한 부식저항성과 분해속도를 확보하기 위한 연구가 진행되고 있는데, 가장 대표적인 방법으로서 임플란트의 표면을 불소로 처리하는 불화막 처리 방법을 들 수 있다.

이러한 불화막은 임플란트의 부식을 방지할 뿐만 아니라 세포독성이 없고 항균능력도 갖기 때문에 마그네슘 기반의 임플란트 표면에 처리되는 막으로서 효과적이다.

종래에는 불화막 표면처리된 임플란트를 얻기 위해 임플란트를 불소산(HF acid)이 포함된 용액에 침적하는 방식을 사용하였다. 그러나 이러한 불화막 코팅 방법은 최소 24시간에서 최대 72시간이라는 긴 처리 시간이 필요하고, 처리된 불화막 표면의 특성 또한 임플란트가 식립되는 부위 주변의 생체 조직과의 골유착 측면에서 만족스럽지 못하였다.

이에 따라, 처리 방법이 간편하고 처리 시간이 짧으면서도 표면 처리된 임플란트의 부식저항성이 증가하며 우수한 표면 특성을 갖도록 하는 마그네슘 기반 임플란트의 표면 처리 기술이 요구되었다.

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 마그네슘 기반 임플란트의 표면을 처리하는 기술에 있어서, 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트를 불소가 함유된 액상 전해질을 이용해 양극처리(anodizing) 함으로써 간편하고 처리시간이 단축된 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법 및 이를 통해 제조되는 내부식성이 향상되고 표면 특성이 우수하며 세포독성이 없는 마그네슘 기반의 임플란트를 제공하고자 한다.

본 발명은 마그네슘(Mg) 기반 임플란트의 표면을 처리함에 있어서 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법을 제공하며, 구체적으로는 (a) 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트를 불소(F)가 함유된 액상 전해질에 침지시키는 단계 및 (b) 상기 액상 전해질에 침지된 임플란트에 전압을 인가하여 상기 임플란트의 표면을 양극처리(anodizing)하는 단계를 포함하는 불화막 표면처리 방법을 제공한다.

이때, (b) 단계에서 인가하는 전압은 100V ~ 130V인 것이 바람직하며, 양극처리 시간은 10초 ~ 60초인 것이 바람직하다.

또한, 상기 액상 전해질은 불소 함유 화합물의 용융액인 것이 바람직하며, 상기 불소 함유 화합물의 용융액은 중불화암모늄 용융액(molten ammonium bifluoride)인 것이 보다 바람직하다.

한편, 본 발명은 위와 같은 불화막 표면처리 방법에 의해 표면 처리되어 표면에 불화막이 형성되며, 상기 불화막이 다공성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 마그네슘 기반의 임플란트를 제공한다.

이때, 상기 불화막은 불화마그네슘(MgF₂)을 포함하는 코팅층일 수 있으며, 상기 불화막의 두께는 0.5 ~ 3㎛인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법에 있어서 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트를 불소가 함유된 액상 전해질을 이용해 양극처리(anodizing)하는 방법을 사용하면 간편하고, 처리시간이 20초 수준으로 현저히 단축된다는 효과가 있다.

또한, 이를 통해 제조되는 마그네슘 기반의 임플란트는 내부식성이 향상되며 표면 특성이 우수하고 세포독성이 없다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 마그네슘 기반 임플란트에 불화막 표면처리를 하는 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 표본 1(bare), 표본 2(HF72h) 및 표본 5(PEF130)의 외관을 촬영한 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)를 사용하여 각 표본의 미세표면 구조를 촬영한 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 EDS(Energy Dispersive Spectrometer)를 사용하여 각 표본 표면의 조성을 조사한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 EDS mapping 분석을 사용한 SEM(Scanning Electron Microscope) 단면 이미지를 사용하여 표본 3(PEF100), 표본 4(PEF120) 및 표본 5(PEF130)의 조성 성분의 분포를 나타낸 것이다.
도 7은 각 표본의 상(phase)을 조사하기 위해 X선 회절(X-ray diffraction, XR)을 사용하여 도출된 XRD 패턴이다.
도 8은 각 표본의 변전위 분극(potentiodynamic polarization) 검사를 이용한 전기화학적 부식 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 침수 1주일 후의 표본 1(bare), 표본 2(HF72h) 및 표본 5(PEF130)의 외관을 촬영한 사진을 나타낸 것이다
도 10은 각 표본의 1주일 동안의 침수에 의한 무게 손실률을 계산하여 그래프로 나타낸 것이다.
도 11은 각 표본의 세포독성 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법을 나타내는 순서도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 마그네슘 기반 임플란트에 불화막 표면처리를 하는 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법은 도 1에 나탄 바와 같이 (a) 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트를 불소(F)가 함유된 액상 전해질에 침지시키는 단계 및 (b) 상기 액상 전해질에 침지된 임플란트에 전압을 인가하여 상기 임플란트의 표면을 양극처리(anodizing)하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에서 임플란트란 인체의 조직을 대체할 수 있는 재료, 재질, 물질 등을 모두 포함하는 용어이며 바람직하게는 골 임플란트일 수 있고, 더욱 바람직하게는 치과용, 성형외과용 또는 순환기내과용 임플란트일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 양극처리(anodizing)란 전해질에 침지된 모재(substrate)에 전압을 인가하여 피막을 형성하는 양극산화 등의 방법을 의미하는 용어이며, 특히 불소 성분을 포함하는 전해질을 이용하여 모재의 표면에 불화막을 형성하는 양극불화 방법을 포함하는 용어이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 이러한 임플란트의 재료로서 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 물질을 불소 성분이 함유된 액상 전해질에 침지시킨 후, 상기 액상 전해질에 전압을 인가해주면 임플란트의 표면이 양극처리 되어 표면에 불화막 코팅층이 형성된다.

이때, 상기 임플란트를 전원 공급 장치의 양극(+)에 연결하고 탄소봉(graphite rod)을 액상 전해질에 침지시켜 음극(-)을 연결한 후 전압을 인가함으로써 양극처리가 이루어질 수 있다. 상기 탄소봉 이외에도 전기화학적인 양극처리가 이루어질 수 있는 물질이 제한없이 사용될 수 있다.

한편, 양극처리가 이루어지는 공간의 상부에는 냉각 환류 파이프(cooling reflux pipe)가 설치될 수 있는데 이는 독성물질인 고농도의 불소가 흘러넘치지 않도록 하는 역할을 수행한다. 또한, 양극처리 과정에서 상기 임플란트 및 탄소봉이 침지된 액상 전해질에 가열기를 사용하여 열을 가할 수도 있다.

위와 같은 양극처리 단계에서 인가하는 전압은 100V ~ 130V 범위의 값을 갖는 것이 바람직한데, 100V보다 낮은 전압을 인가할 경우 표면처리가 제대로 이루어지지 않아 내부식성에 악영향을 줄 수 있으며, 130V보다 높은 전압을 인가할 경우 표면처리 공정의 효율성 측면에서 비합리적이기 때문이다.

또한, 양극처리 시간은 10초 ~ 60초인 것이 바람직한데, 양극처리 시간이 10초 미만이면 표면처리가 제대로 이루어지지 않을 수 있으며, 60초를 초과하면 양극처리 시간이 증가하여도 표면처리 정도의 차이가 미미하여 비효율적이기 때문이다.

한편, 불소가 함유된 상기 액상 전해질은 불소 함유 화합물의 용융액인 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 중불화암모늄 용융액(molten ammonium bifluoride)인 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 95중량% 이상의 농도를 갖는 중불화암모늄 용융액을 사용할 수 있다.

이러한 본 발명의 불화막 표면처리 방법은 플라즈마전해불화(Plasma Electrolytic Fluorination, PEF)로 명명될 수 있다.

이와 같은 플라즈마전해불화(PEF) 방법에 의해 표면이 처리되는 마그네슘 기반의 임플란트는 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트와 불화막 표면층 또는 표면 코팅층을 포함하게 되는데, 상기 불화막은 불소 성분을 함유하는 액상 전해질과 마그네슘의 양극처리에 불화마그네슘(MgF₂)을 포함하는 포함하는 물질로 형성된다.

또한, 상기 불화막은 표면이 다공성(porous) 구조를 갖는 코팅층으로 형성될 수 있으며 바람직하게는 나노 동공(nanopore) 구조로 형성될 수 있는데, 이와 같은 다공성 구조는 임플란트와 주위 생체조직들 간의 골 유착이 향상되도록 하는 역할을 하며, 또한 본 발명에 의해 표면이 처리되는 마그네슘 기반의 임플란트가 우수한 표면 특성을 갖게 하도록 기여하는데, 이러한 임플란트 표면의 다공성(나노 동공) 구조는 약물, 줄기세포, Gene, HA 및 TCP 등을 탑재할 수 있는 기반으로 사용될 수 있어, 서방형 약물 기능, 세포분화 촉진 등에 활용할 수 있다.

더불어, 본 발명에 의해 표면이 처리되는 마그네슘 기반의 임플란트는 세포독성이 없으며 종래 기술에 의해 표면이 처리되는 임플란트에 비해 우수한 내부식성을 갖는다는 특징이 있다.

한편, 상기 불화막의 두께는 0.5 ~ 3㎛의 범위를 갖는 것이 바람직한데, 불화막의 두께가 0.5㎛ 미만일 경우 불화막이 매우 얇아 마그네슘 또는 마그네슘 합금이 부식될 가능성이 높아지며, 3㎛를 초과할 경우 불화막이 과도하게 두꺼워져야 하므로 표면처리 공정상 비효율적이기 때문이다.

이처럼, 본 발명의 플라즈마전해불화 방법은 간편하고 처리시간이 종래 기술보다 현저히 단축되며, 우수한 내부식성과 표면 특성을 갖는 마그네슘 기반의 임플란트를 제조하기 위해 사용될 수 있다는 이점이 있다.

<플라즈마전해불화(PEF) 방법을 이용하여 불화막 표면처리되는 마그네슘 기반의 임플란트 제조>

임플란트로서 시중에서 판매하는 60×25×1mm² 부피의 마그네슘 합금판(AZ31)을 준비하였고, 이를 SiC 종이를 사용하여 기계적으로 연마하였다(1000# grid).

준비된 마그네슘 합금판(AZ31)의 조성은 다음 표와 같았다.

성분	비율(wt%)
알루미늄(Al)	2.85
아연(Zn)	0.75
망간(Mn)	0.62
철(Fe)	0.0029
구리(Cu)	0.00045
니켈(Ni)	0.00052
규소(Si)	0.025
마그네슘(Mg)	95.75

액상 전해질로서 98중량% 중불화암모늄 용융액(molten ammonium bifluoride)을 준비하여 상기 마그네슘 합금과 탄소봉(graphite rod)을 침지시켰다. 도 2에 나타난 바와 같이, 전원 공급 장치의 양극(+)을 마그네슘 합금에 연결하고 음극(-)을 탄소봉에 연결한 다음 20초간 일정한 전압을 인가하여 음극처리(anodizing)을 수행하였다.

음극처리가 수행되는 동안 상기 액상 전해질을 PTFE 코팅된 교반봉으로 교반하였으며, 음극처리가 끝난 후에는 마그네슘 합금의 표면을 증류수로 초음파 세척한 뒤 건조시켜 불화막 표면처리된 마그네슘 기반의 임플란트를 완성하였다.

<불화막 표면처리된 마그네슘 기반의 임플란트의 물리적인 특성 확인>

본 발명의 불화막 표면처리된 마그네슘 기반의 임플란트의 물리적인 특성을 확인하기 위해, 앞선 실시예 1과 동일한 조건에서 인가전압을 100V, 120V, 130V로 달리하여 제조된 임플란트의 외관, 불화막의 조성, 단면 및 XRD 패턴을 조사하였다.

확인에 앞서, 위와 같이 제조된 임플란트와 비교하기 위한 대조군으로서 표면처리되지 않은 마그네슘 합금판(AZ31)과 마그네슘 합금판(AZ31)을 불소산(HF acid)에 72시간 동안 침지(종래 기술)시킴으로써 불화막이 형성된 임플란트를 준비하였다.

표본 1(bare): 표면처리되지 않은 마그네슘 합금판

표본 2(HF72h): 불소산에 72시간 동안 침지시켜 제조된 임플란트

표본 3(PEF100): 인가전압을 100V로 하여 제조된 임플란트

표본 4(PEF120): 인가전압을 120V로 하여 제조된 임플란트

표본 5(PEF130): 인가전압을 130V로 하여 제조된 임플란트

도 3은 표본 1(bare), 표본 2(HF72h) 및 표본 5(PEF130)의 외관을 촬영한 사진을 나타낸 것이다. 불소(F)라는 같은 물질을 사용하여 처리하였음에도 불구하고 각각의 표면색이 다름을 알 수 있었다.

도 4는 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)를 사용하여 각 표본의 미세표면 구조를 촬영한 이미지를 나타낸 것이다. 도 4에 나타난 것처럼, 본 발명의 플라즈마전해불화 방법에 의해 표면처리된 표본 3 ~ 5에는 표본 1(bare) 및 표본 2(HF72h)와 달리 다공성 구조가 존재하였으며, 특히 표본 4(PEF120)와 표본 5(PEF130)에 뚜렷한 다공성 구조가 나타났음을 알 수 있었다. 표본 5(PEF130)에 나타난 동공의 직경은 약 700nm 정도이며, 표본 3 ~ 5의 표면에는 깨진 흔적(cracks-like trace)이 발견되지 않았다.

도 5는 EDS(Energy Dispersive Spectrometer)를 사용하여 각 표본 표면의 조성을 조사한 결과를 나타낸 것이다. 도 5에 나타난 것처럼, 표본 4(PEF120)와 표본 5(PEF130)의 표면(불화막)에 포함된 불소의 비율은 표본 2(HF72h) 보다도 높다는 것을 알 수 있었다.

도 6은 EDS mapping 분석을 사용한 SEM(Scanning Electron Microscope) 단면 이미지를 사용하여 표본 3(PEF100), 표본 4(PEF120) 및 표본 5(PEF130)의 조성 성분의 분포를 나타낸 것이다.

도 6에 나타난 바와 같이, 각 표본에는 불소(F), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등이 포함되어 있으며, 불소의 분포 형태를 통해 표본 3 ~ 5에 형성된 불화막의 두께를 알 수 있다. 불화막의 두께는 표본 3(PEF100)이 약 0.5㎛, 표본 4(PEF120)가 약 1㎛ 그리고 표본 5(PEF130)가 약 2㎛로서 인가전압이 높을수록 두께가 증가한다는 사실을 알 수 있었다.

도 7은 각 표본의 상(phase)을 조사하기 위해 X선 회절(X-ray diffraction, XR)을 사용하여 도출된 XRD 패턴이다. 스캔 속도는 1°/min(Cu Kα line, 40KV 및 30mA에서 작동)으로 수행하였다. 도 7에서 a, b, c, d, e는 각각 표본 1(bare), 표본 2(HF72h), 표본 5(PEF130), 표본 4(PEF120) 및 표본 3(PEF100)을 나타낸 것이며, 붉은점은 MgF₂이 존재함을 나타내는 XRD 피크를 표시한 것이다.

도 7로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 플라즈마전해불화 방법을 통해 제조된 임플란트 표본 3 ~ 5(c, d, e)는 표면처리되지 않은 표본 1(a)이나 종래의 기술로 표면처리된 표본 2(b)보다 다수의 MgF₂ 피크 양상을 보였는데, 이는 표본 3 ~ 5(c, d, e)가 표본 1 및 2(a, b)에 비해 정방정계형(tetragonal)의 MgF₂가 훨씬 많이 존재함을 의미한다.

또한, MgF₂ 양상은 높은 인가전압으로 제조된 표본일수록 현저하게 드러났는데, 이는 MgF₂의 양상이 코팅층(불화막)의 두께와 연관이 있기 때문인 것으로 보인다.

<불화막 표면처리된 마그네슘 기반의 임플란트의 내부식성 확인>

본 발명의 불화막 표면처리된 마그네슘 기반의 임플란트의 물리적인 특성을 확인하기 위해, 앞선 실시예 2에서 제조된 표본 1 ~ 5에 대한 전기화학적 부식 실험과 침수 실험을 실시하였다.

먼저, 전기화학적 부식 실험은 Versa STAT 3를 이용한 변전위 분극(potentiodynamic polarization) 검사를 통해 실시하였는데, 측정 전극(working electrode)으로서 각 표본을, 기준 전극(reference electrode)으로서 Ag/AgCl/sat KCl 전극을, 그리고 대전극(counter electrode)으로서 탄소봉을 사용하여 상온에서 표본을 HBSS(Hanks Balanced Salt Solution: Welgene)에 침지시킨 후, 초기 전압(E₀), 부식 전류밀도(i_corr) 및 Tafel 분석을 사용하여 부식 속도(corrosion rate, CR)를 산출하였다. 스캔 속도는 5㎷/s였다.

실험 결과는 도 8의 그래프 및 아래의 표에 나타난 바와 같았으며, E₀의 절대값은 클수록 부식이 잘됨을 의미하고, i_corr과 CR 값은 부식 정도에 반비례하는데, 도 8 및 표에서 알 수 있듯이 플라즈마전해불화 방법으로 제조된 표본 중에서는 높은 인가전압으로 제조된 표본일수록 내부식성이 우수하며, 130V로 제조된 표본 5(PEF130)의 경우 불소산에 침지시키는 종래의 기술로 제조된 표본 2와 부식에 대한 특성이 유사할 정도로 우수하였다.

	E₀(V;_I=0)	I_corr(㎂/cm²)	CR(mm/year)
표본 1(bare)	-1.4880	16.680	1.2707
표본 2(HF72h)	-1.2250	0.0579	0.0044
표본 3(PEF100)	-1.3240	3.5400	0.2697
표본 4(PEF120)	-1.1720	0.2630	0.0231
표본 5(PEF130)	-1.1640	0.0737	0.0043

다음으로, 침수 실험을 실시하기 위해 각 표본을 HBSS 용액에 수직으로 침수시킨 후 37℃로 유지되는 항온기(incubator)에 보관하였다. 이때 SBF 부피와 표본의 면적 비는 40㎖/㎠였다. 1주일 후에 모든 표본을 꺼내어 20% 삼산화크롬(Chromium trioxide, CrO₃) 용액으로 세척한 후, 다시 에탄올로 세정 및 건조하여 무게 변화를 측정하였다. 무게 변화에 따른 무게 손실률은 다음 식에 따라 산출하였다.

위 식에서 W1은 침수 전의 표본 무게, W2는 침수 및 세척된 후의 표본 무게를 의미한다.

도 9는 침수 1주일 후의 표본 1(bare), 표본 2(HF72h) 및 표본 5(PEF130)의 외관을 촬영한 사진을 나타낸 것이다. 도 9에 나타난 바와 같이, 표본 5의 경우 부식의 흔적이 외관상으로 드러나지 않았음을 알 수 있었다.

또한, 도 10은 각 표본의 무게 손실률을 위와 같은 식에 따라 계산하여 그래프로 나타낸 것인데, 표본 1은 3.54%, 표본 3은 2.31%, 표본 4는 0.45%, 표본 2는 0.20%, 표본 5는 0.21%였으며, 표본 2, 표본 4 및 표본 5의 경우 무게 손실률이 0.5% 미만으로서 매우 낮았음을 알 수 있었다.

이상과 같은 전기화학적 부식 실험 및 침수 실험을 통해, 본 발명의 표면처리 방법은 처리 시간이 현저히 단축되었음에도 불구하고 그로부터 제조되는 마그네슘 기반의 임플란트의 내부식성은 종래 기술에 의해 제조되는 임플란트의 내부식성과 유사할 정도로 우수하다는 점을 알 수 있었다.

<불화막 표면처리된 마그네슘 기반의 임플란트의 세포독성 확인>

본 발명의 불화막 표면처리된 마그네슘 기반의 임플란트의 세포독성(cytotoxicity)을 확인하기 위해, 앞선 실시예 2에서 제조된 표본 1, 표본 2 및 표본 5에 대해 ISO 10993-5 및 ISO 10993-12에 근거한 세포독성 시험을 실시하였다.

세포들(1×10⁵cells/㎖)을 10% FBS(fetal bovine serum), 1% 항생성-항진균성(antibiotic-antimycotic)의 RPMI 1640 세포 배지(culture medium)의 96-구획(plat)에서 37℃로 5% CO₂가 포함된 습한 조건에서 24시간 동안 배양하였다.

이와 동시에 각 표본들의 독성 물질 배출 여부를 판별하기 위해 표본들을 RPMI 1640 배지에서 37℃에서 24시간 동안 추출하였으며, 상기 추출 배지는 RPMI 1640 배지와 양성 및 음성 통제로서의 10% 페놀 용액을 사용하는 통제 집단과 함께 세포독성 시험용으로 평가되었다.

그 다음, 각 추출 배지와 양성 및 음성 용액 100㎕를 각 96-구획의 배양된 세포에 투여하고, 37℃로 5% CO₂가 포함된 습한 조건에서 24시간 동안 추가적으로 배양하였다.

세포의 생존 능력(viability)은 배양 후의 미토콘드리아 탈수소효소(mitochondrial dehydrogenase)의 MTT(3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide)와의 활성도를 측정함으로써 평가되었다. MTT 용액(1mg/ml, Sigma Aldrich)은 MTT를 PBS에 용해시킴으로써 준비되었다. MTT 용액 50㎕을 각 구획에 투여하고 37℃, CO₂항온기에서 4시간 동안 배양한 후 용액을 흡입하고 블루 포르마잔(blue formazan) 결정을 100㎕ DMSO에 30분간 용해시켰다. 그 뒤, 용액 100㎕을 96-격막에 옮기고 다섯 개의 데이터 포인트를 각 표본에서 얻었다. 각 막의 용액의 광학밀도를 Micro plate Reader(Epoch Biotek)을 사용하여 570nm에서 측정하였다.

세 개의 비교할만한 실험 결과를 얻을 수 있는 모사 실험을 수행하였다. 별도로 명시되어 있지 않는 한, 모든 데이터는 세 개의 독립적인 실험의 평균 ± SD(standard deviation)으로 표현되었다. 통계적인 분석은 일방 ANOVA(analysis of variance)으로 수행되었다. p=0.05 값은 중요하게 고려되었다.

도 11은 위와 같은 실험의 결과를 나타낸 그래프인데, 도 11에 나타난 바와 같이 본 발명의 플라즈마전해불화 처리된 마그네슘 기반의 임플란트인 표본 5(PEF130)는 음성 대조군(group of negative), 종래 기술에 의해 표면 처리된 표본 2(HF72h) 및 참고를 위해 사용된 티타늄(Ti)처럼 세포독성이 없다는 사실을 알 수 있었다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims

마그네슘(Mg) 기반 임플란트의 표면을 처리하는 방법에 있어서,
(a) 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트를 불소(F)가 함유된 액상 전해질에 침지시키는 단계;
(b) 상기 액상 전해질에 침지된 임플란트에 전압을 인가하여 상기 임플란트의 표면을 양극처리(anodizing)하는 단계; 및
(c) 임플란트 표면에 0.5 ~ 3㎛ 두께의 불화막을 형성하는 단계;를 포함하되,
(b) 단계에서 양극처리 시간은 10초 ~ 60초이고,
상기 액상 전해질은 중불화암모늄 용융액(NH₄F·HF, molten ammonium bifluoride)인 것을 특징으로 하는 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법.
청구항 1에 있어서,
(b) 단계에서 인가하는 전압은 100V ~ 130V인 것을 특징으로 하는 마그네슘 기반 임플란트의 불화막 표면처리 방법.
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