KR102141211B1 - 동결주조를 통한 뼈 모방구조를 갖는 다공성 임플란트 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 다공성 임플란트 제조방법을 제공한다. 이때, 상기 다공성 임플란트 제조방법은 세라믹분말 또는 금속분말, 동결매체, 스페이서 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계, 상기 슬러리를 주형에 주입한 후 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계, 상기 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 제1차다공체를 형성하는 단계 및 상기 제1차다공체에서 상기 스페이서를 제거하여 제2차다공체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

동결주조를 통한 뼈 모방구조를 갖는 다공성 임플란트 및 그 제조 방법 {POROUS IMPLANT WITH BONE IMMOUNT STRUCTURE BY FREEZE CASTING AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 세라믹 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동결주조를 이용한 임플란트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
인류의 고령화로 인해 골다공증, 관절염, 당뇨, 심혈관계, 뇌졸중과 같은 질환이 증가됨에 따라 미국은 65세 인구의 20% 이상이 일시적 또는 영구적으로 다양한 종류의 장기이식이 필요한 것으로 전망되고 있다.
상기 장기이식의 한 방편인 임플란트는 치아, 두개골, 턱뼈, 척추뼈 등의 인체의 뼈를 대신할 수 있는 장치를 말한다. 이러한 임플란트 시장은 전세계적으로 증가하는 추세이며 노인인구 증가에 따라 성장세가 유지될 것으로 판단된다.
임플란트와 뼈의 유착 확률을 높이는 기술은 임플란트 제조 기술에 있어서 핵심이라 할 수 있다. 따라서 현재 임플란트의 골유착도를 높이기 위해 뼈의 구조를 모방한 다공성 임플란트 제조기술에 대한 연구가 이루어지고 있다.
동결주조를 이용한 다공성 임플란트 제조기술은 3D 프린팅과 같은 다른 다공성 물질 제조 방법에 비해 제조 방법이 간단하면서도 비용 대비 효과가 우수하여 많은 연구개발이 이루어져왔다. 그러나 동결주조를 통해 다공성 임플란트를 제조할 경우, 형성되는 기공의 크기가 작아 정형외과용 임플란트로 이용하기에는 어려움이 있다. 따라서, 동결주조를 이용하되 형성되는 기공의 크기가 증대된 동결주조 다공성 임플란트 제조기술에 대한 연구가 요구되고 있다.
대한민국등록특허 제10-1780899호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 300μm 이상의 기공을 포함하는 다공성 임플란트 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 300μm 이상의 기공을 포함하는 다공성 임플란트를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 다공성 임플란트 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 다공성 임플란트 제조방법은 세라믹분말 또는 금속분말, 동결매체, 스페이서 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계, 상기 슬러리를 주형에 주입한 후 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계, 상기 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 제1차다공체를 형성하는 단계 및 상기 제1차다공체에서 상기 스페이서를 제거하여 제2차다공체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 세라믹분말은 실리콘(Si), 인(P), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 나이오븀(Nb), 하프늄(Hf) 또는 크로뮴(Cr)의 산화물, 수소화물, 탄화물 또는 질화물을 포함할 수 있다.
이때, 상기 금속분말은 실리콘(Si), 인(P), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 나이오븀(Nb), 하프늄(Hf) 또는 크로뮴(Cr)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 동결매체는 캠핀(camphene), 캠퍼(camphor), 테르펜(terpene) 또는 테르페노이드(terpenoid)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 스페이서는 수용성 화합물인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 수용성 화합물은 우레아(urea), 탄소수 1 내지 10의 카보닐기를 포함하는 화합물, 탄소수 1 내지 10의 하이드록시기를 포함하는 화합물 또는 탄소수 1 내지 10의 아민기를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다.
이때, 상기 슬러리를 제조하는 단계는 상기 동결매체의 동결온도 이상의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 슬러리를 제조하는 단계에서 상기 세라믹분말의 함량은 상기 동결매체 100부피부 대비 5부피부 내지 45부피부인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 슬러리를 제조하는 단계에서 상기 분산제의 함량은 상기 세라믹분말 100중량부 대비 0.1중량부 내지 10중량부인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 슬러리를 제조하는 단계에서 상기 스페이서의 함량은 상기 동결매체 100부피부 대비 5부피부 내지 20부피부인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1차다공체를 형성하는 단계는 상기 동결매체를 건조, 승화 또는 용해를 통해 제거하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제2차다공체를 형성하는 단계는 상기 스페이서를 열처리 또는 용매에 용해하여 제거하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 상기 다공성 임플란트 제조방법에 의해 제조되는 다공성 임플란트를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 300μm 이상의 기공을 포함하는 다공성 임플란트의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 300μm 이상의 기공을 포함하는 다공성 임플란트를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트의 열처리전 광학현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열처리 후 다공성 임플란트의 μ-CT 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트 제조방법을 도시한 순서도이다.
도1을 참조하면, 상기 다공성 임플란트 제조방법은 세라믹분말 또는 금속분말, 동결매체, 스페이서 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계(S100), 상기 슬러리를 주형에 주입한 후 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계(S200), 상기 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 제1차다공체를 형성하는 단계(S300) 및 상기 제1차다공체에서 상기 스페이서를 제거하여 제2차다공체를 형성하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
세라믹 소재는 금속원소가 탄소, 탄소, 질소 등과 결합하여 만든 산화물, 수소화물, 탄화물 또는 질화물로 이루어진다.
이때, 상기 세라믹 분말은 실리콘(Si), 인(P), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 나이오븀(Nb), 하프늄(Hf) 또는 크로뮴(Cr)의 산화물, 수소화물, 탄화물 또는 질화물을 포함할 수 있다.
이때, 상기 금속분말은 실리콘(Si), 인(P), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 나이오븀(Nb), 하프늄(Hf) 또는 크로뮴(Cr)을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 세라믹분말은 티타늄 하이드라이드, 하이드록시아파타이트, 알루미나, 지르코니아, 트리칼슘포스페이트 또는 바이칼슘포스페이트를 포함할 수 있다.
이때, 상기 동결매체는 캠핀(camphene), 캠퍼(camphor), 테르펜(terpene) 또는 테르페노이드(terpenoid)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 스페이서는 수용성 화합물인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 수용성 화합물은 우레아(urea), 탄소수 1 내지 10의 카보닐기를 포함하는 화합물, 탄소수 1 내지 10의 하이드록시기를 포함하는 화합물 또는 탄소수 1 내지 10의 아민기를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다.
동결 주조법은 균일한 기공을 구현할 수 있다는 장점으로 인해 임플란트 제조분야에서 많이 연구되고 있다. 그러나 기존의 정적인 동결 주조법을 이용할 경우, 구현되는 기공의 크기가 300μm 이하라는 한계가 있다. 정형외과용 임플란트는 300μm 이상의 기공크기를 갖는 다공체를 요구하므로, 기존의 동결 주조법을 적용하여 정형외과용 임플란트를 제조하는데에는 어려움이 있었다.
따라서, 임플란트 제조용 슬러리에 기공의 크기가 300μm 이상인 기공 형성을 위한 스페이서를 추가함으로써 이와 같은 문제점을 개선할 수 있다.
이때, 상기 슬러리를 제조하는 단계(S100)는 상기 동결매체의 동결온도 이상의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 슬러리를 제조하는 단계(S100)에서 상기 세라믹분말의 함량은 상기 동결매체 100부피부 대비 5부피부 내지 45부피부인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 슬러리를 제조하는 단계(S100)에서 상기 분산제의 함량은 상기 세라믹분말 100중량부 대비 0.1중량부 내지 10중량부인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 슬러리를 제조하는 단계(S100)에서 상기 스페이서의 함량은 상기 동결매체 100부피부 대비 5부피부 내지 20부피부인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 동결 성형체를 형성하는 단계(S200)는 상기 슬러리가 주입된 주형을 회전시키면서 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 동결 성형체를 형성하는 단계(S200)와 상기 제1차다공체를 형성하는 단계(S300) 사이에 동결매체의 과립을 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 동결매체의 과립을 성장시키는 단계는 상기 동결 성형체의 온도를 상기 동결매체의 동결온도 부근의 일정 온도에서 유지하는 단계일 수 있다.
바람직하게는, 상기 동결매체의 과립을 성장시키는 단계는 동결매체의 동결온도 내지 동결매체의 동결온도를 기준으로 20°C 낮은 온도 범위에서 수행할 수 잇다.
이때, 상기 제1차다공체를 형성하는 단계(S300)에서 상기 동결매체는 건조, 승화 또는 용해를 통해 상기 동결 성형체로부터 제거될 수 있다.
이때, 상기 제2차다공체를 형성하는 단계(S400)는 상기 스페이서를 열처리 또는 용매에 용해하여 제거하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 스페이서를 열처리하여 제거하는 경우, 열처리 온도는 150°C 내지 250°C에서 수행할 수 있다.
이때, 상기 열처리 온도가 150°C 미만일 경우 스페이서의 제거가 불완전할 수 있다.
이때, 상기 열처리 온도가 250°C 초과일 경우 스페이서의 제거 외에 부가적인 반응이 유도될 수 있다.
이때, 상기 스페이서는 극성 용매에 의해 용해될 수 있다.
예를 들어, 상기 극성 용매는 물, 알콜, 아세트산, 아세톤, N, N-디메틸포름아미드, N, N-디메틸아세트아미드 또는 다이메틸설폭사이드를 포함할 수 있다.
경우에 따라, 상기 제1차다공체를 형성하는 단계(S300)에서 상기 동결매체의 제거와 동시에 상기 스페이서 또한 상기 동결성형체로부터 제거될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2차다공체를 형성하는 단계(S400) 다음에 상기 다공체를 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 다공체를 열처리하는 단계는 상기 다공체를 완전히 소결시키기 위해 수행할 수 있다.
바람직하게는, 상기 다공체를 열처리하는 단계는 상기 다공체를 1200°C 내지 1350°C의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다공체를 열처리하는 단계는 진공상태에서 수행할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 다공체를 열처리하는 단계의 진공도는 0.5 x 10-6mmHg 내지 1.0 x 10 mmHg의 범위에서 수행할 수 있다.
제조예
본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트 제조방법에 의해 다공성 임플란트를 제조하였다.
먼저, 티타늄하이드라이드(TiH2), 우레아(urea) 및 캠핀(camphene)을 혼합하여 슬러리를 제조하였다.
다음, 상기 슬러리를 주형에 주입하여 20rpm의 속도로 회전시키며 43.5°C에서 24시간동안 냉각하여 동결 성형체를 형성하였다.
그 다음, 상기 동결 성형체를 상기 주형에서 분리한 후 1 x 10-2mmHg 이하의 압력에서 승화를 통해 상기 캠핀을 상기 동결 성형체로부터 제거하여 제1차다공체를 형성하였다.
그 다음, 상기 캠핀이 제거된 동결 성형체를 200°C의 온도로 가열하여 상기 스페이서를 상기 제1차다공체로부터 제거하여 제2차다공체를 형성하였다.
그 다음, 상기 제2차다공체를 1200°C로 열처리하여 상기 제2차다공체를 소결시켰다.
본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트 제조방법을 이용하여 다공성 임플란트를 제조할 경우, 슬러리에 스페이서를 포함함으로써 300μm 이상의 기공을 포함하는 다공성 임플란트를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 다공성 임플란트 제조방법에 의해 제조되는 다공성 임플란트를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트의 열처리 전 광학현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열처리 후 다공성 임플란트의 μ-CT 사진이다.
도 2 내지 도3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트는 300μm 이상의 기공 크기를 가질 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
이는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트가 정형외과용 임플란트로 이용되기에 적합하다는 것을 의미한다.
본 발명의 일실시예에 따른 다공성 임플란트는 동결매체와 세라믹분말이 혼합된 슬러리에 스페이서를 포함시켜 제조됨으로써, 300μm 이상의 기공을 포함하는 다공성 임플란트를 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 세라믹분말 및 금속분말, 동결매체, 스페이서 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
    상기 슬러리를 주형에 주입한 후 상기 슬러리가 주입된 주형을 회전시키면서 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계;
    상기 동결 성형체의 온도를 상기 동결매체의 동결온도 내지 동결온도를 기준으로 20 ℃ 낮은 범위의 온도에서 유지시켜 동결매체의 과립을 성장시키는 단계;
    상기 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 제1차다공체를 형성하는 단계; 및
    상기 제1차다공체에서 상기 스페이서를 제거하여 제2차다공체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 세라믹 분말은 실리콘(Si), 인(P), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 나이오븀(Nb), 하프늄(Hf) 또는 크로뮴(Cr)의 산화물, 수소화물, 탄화물 또는 질화물로 상기 동결매체 100부피부 대비 5부피부 내지 45부피부를 포함하며,
    상기 금속분말은 실리콘(Si), 인(P), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 나이오븀(Nb), 하프늄(Hf) 또는 크로뮴(Cr)을 포함하고,
    상기 동결매체는 캠핀(camphene), 캠퍼(camphor), 테르펜(terpene) 또는 테르페노이드(terpenoid)를 포함하며,
    상기 스페이서는 우레아(urea), 탄소수 1 내지 10의 카보닐기를 포함하는 화합물, 탄소수 1 내지 10의 하이드록시기를 포함하는 화합물 또는 탄소수 1 내지 10의 아민기를 포함하는 화합물로 상기 동결매체 100부피부 대비 5부피부 내지 20부피부를 포함하여,
    300μm 이상의 기공을 가지는 다공성 임플란트를 제조하는 다공성 임플란트 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리를 제조하는 단계는 상기 동결매체의 동결온도 이상의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 다공성 임플란트 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1차다공체를 형성하는 단계는 상기 동결매체를 건조, 승화 또는 용해를 통해 제거하는 것을 특징으로 하는 다공성 임플란트 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2차다공체를 형성하는 단계는 상기 스페이서를 열처리 또는 용매에 용해하여 제거하는 것을 특징으로 하는 다공성 임플란트 제조방법.
  13. 제1항의 제조방법에 의해 제조된 다공성 임플란트.
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