KR102150326B1 - Method for surface treatment of biocompatible affinity metal material - Google Patents

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Abstract

인체에 식립시 빠른 시간에 뼈에 단단히 고정될 수 있도록 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법이 개시되어 있다.
이 개시된 방법은 금속재료에 대해 저전압 양극산화 공정을 통하여, 금속재료의 표면을 요철화하는 단계와; 요철화 처리된 금속재료를 고온의 불활성 가스 분위기에서 열처리하는 단계와; 열처리된 금속재료를 생체유사용액 내에 반복적으로 침적하는 순환 석회화 처리를 통하여, 수산화아파타이트를 상기 금속재료의 표면에 형성하는 단계를 포함한다.
A method of surface treatment of a biological tissue-friendly metal material has been disclosed so that it can be firmly fixed to a bone in a short time when placed in a human body.
The disclosed method includes the steps of making the surface of the metal material uneven through a low voltage anodization process on the metal material; Heat-treating the uneven-treated metal material in a high-temperature inert gas atmosphere; And forming hydroxyapatite on the surface of the metallic material through circulating calcification treatment in which the heat-treated metallic material is repeatedly deposited in the biomaterial.

Description

생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법{Method for surface treatment of biocompatible affinity metal material}Method for surface treatment of biocompatible affinity metal material

본 발명은 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 인체에 식립시 빠른 시간에 뼈에 단단히 고정될 수 있도록 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for surface treatment of a biological tissue-friendly metal material, and more particularly, to a method for surface treatment of a biological tissue-friendly metal material so that it can be firmly fixed to a bone in a short time when placed in a human body.

오늘날 치아 결손, 고관절 손상 등 인체 내의 뼈가 손상된 경우, 이를 금속 생체재료로 대체하는 임플란트 수술이 시행된다. 이와 관련하여 임플란트가 안정되고 생체 조직에 정확하게 결합되는 것이 중요하다. 예를 들어 치과용 임플란트는 결손된 치아를 반영구적으로 대체하는 생체적합성 소재의 구조물로서, 인체의 뼈에 견고하게 식립되어야 한다. 즉, 이식용 임플란트는 생체에 이식시 생체조직에 대하여 생체친화성이 매우 우수한 재료를 선택하여 기존 생체조직과의 생화학적인 부작용이 없는 재료를 선택하여야한다.Today, when bones in the human body are damaged, such as tooth defects and hip joint damage, implant surgery is performed to replace them with metal biomaterials. In this regard, it is important that the implant is stable and accurately bonded to the living tissue. For example, a dental implant is a structure made of a biocompatible material that semi-permanently replaces a missing tooth, and must be firmly placed in the bones of the human body. That is, when implanted into a living body, a material having very excellent biocompatibility with respect to a living body should be selected, and a material having no biochemical side effects with the existing living tissue should be selected.

현재 치과의 치료현장에서 세라믹이나 고분자재료도 일부 사용되고 있지만 금속재료로서 인공치근(人工齒根) 재료로 가장 널리 사용되고 있는 금속이 기계적 특성, 내식성, 그리고 생체 적합성이 우수한 티타늄이나 티타늄 합금이다. 한편 이 티타늄합금은 생체에 매립시 그 표면층에 장기간 걸쳐서 새로운 섬유상의 부드러운 조직이 형성되어, 임플란트재를 고정하는 데 오랜 시간이 소요되는 문제가 있다.Currently, some ceramics and polymer materials are used in the dental treatment field, but the most widely used metal as an artificial tooth root material is titanium or titanium alloy, which has excellent mechanical properties, corrosion resistance, and biocompatibility. On the other hand, when the titanium alloy is embedded in a living body, a new fibrous soft tissue is formed over a long period of time over its surface layer, and thus it takes a long time to fix the implant material.

이점을 감안하여 금속 임플란트 재료에 표면처리를 실시하여, 뼈와의 친화성을 높이고 인공치근을 단시간에 확실하게 고정하는 기술들이 개발되고 있다. 즉 재료표면을 요철(凹凸)화하여 앵커효과로 뼈 성분을 요철 내부에 침투시켜 뼈를 단단하게 고정하는 기술과, 뼈와 접합성이 강한 물질을 표면에 코팅하여 뼈의 생성을 촉진시키는 기술이 개발되고 있다. 특히 금속재료 표면에 수산화아파타이트를 다양한 방법을 통하여 코팅함으로써 생체적합성을 높이고, 골유착 기간을 단축시키고자 하는 연구가 개시된 바 있다.In view of this, technologies are being developed to improve the affinity with bone and to reliably fix the artificial tooth root in a short time by performing a surface treatment on a metal implant material. In other words, technology to fix the bone firmly by making the surface of the material uneven and penetrating the bone component into the inside of the uneven with the anchor effect, and the technology to promote bone formation by coating the surface with a material having strong adhesion to the bone were developed. Has become. In particular, studies have been disclosed to increase biocompatibility and shorten the osseointegration period by coating the surface of a metallic material with hydroxyapatite through various methods.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0058000호Korean Patent Application Publication No. 10-2011-0058000

본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 금속재료의 요철화 및 수산화아파타이트 형성 과정을 최적화하여 인체의 뼈와 우수한 결합력을 갖도록 개선된 구조의 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was invented in view of the above points, and a method for surface treatment of a biological tissue-friendly metal material having an improved structure to have excellent bonding strength with human bones by optimizing the process of unevenness and hydroxyapatite formation of metal materials Its purpose is to provide.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법은, 상기 금속재료에 대해 저전압 양극산화 공정을 통하여, 상기 금속재료의 표면을 요철화하는 단계와; 요철화 처리된 상기 금속재료를 고온의 불활성 가스 분위기에서 열처리하는 단계와; 열처리된 상기 금속재료를 생체유사용액 내에 반복적으로 침적하는 순환 석회화 처리를 통하여, 수산화아파타이트를 상기 금속재료의 표면에 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a method for surface treatment of a biological tissue-friendly metallic material according to the present invention includes the steps of: making the surface of the metallic material uneven through a low voltage anodizing process on the metallic material; Heat-treating the uneven-treated metal material in a high-temperature inert gas atmosphere; And forming hydroxyapatite on the surface of the metallic material through circulating calcification treatment in which the heat-treated metallic material is repeatedly deposited in the biomaterial.

여기서 상기 금속재료는, 크롬, 니켈, 마그네슘, 스테인레스 스틸, 탄탈륨, 티타늄, 티타늄 합금, 니켈-티타늄(Nitinol) 합금 및 코발트-크롬 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다. Here, the metallic material may be made of at least one material selected from the group consisting of chromium, nickel, magnesium, stainless steel, tantalum, titanium, titanium alloy, nickel-titanium (Nitinol) alloy, and cobalt-chromium alloy.

또한 상기 금속재료는 Ti6Al4V ELI 합금 소재로 이루어질 수 있으며, 그 표면 조도는 0.1 내지 0.25㎛를 가질 수 있다.In addition, the metallic material may be made of a Ti 6 Al 4 V ELI alloy material, and the surface roughness may have a surface roughness of 0.1 to 0.25 μm.

또한 상기 금속재료의 표면을 요철화하는 단계는, 에틸렌글리콜 내에 불화암모늄과 물을 첨가한 전해질 수용액 내에 상기 금속재료를 수용하는 단계와; 1 내지 4시간 동안 20 내지 60 Volts의 직류 전원을 인가하는 단계를 포함하여, 상기 금속재료의 표면에 대해 금속산화물층을 형성한 후, 소정 직경을 가지는 나노튜브 구조의 요철을 형성할 수 있다. 전해액 수용액 내의 H2O(물)의 함량은 2 내지 8 vol%일 수 있다. 그리고 직류 전원은 10 ~ 30mA/cm2의 전류밀도를 가질 수 있다. In addition, the step of unevenly making the surface of the metallic material includes: accommodating the metallic material in an aqueous electrolyte solution in which ammonium fluoride and water are added to ethylene glycol; After forming a metal oxide layer on the surface of the metal material, including applying a DC power of 20 to 60 Volts for 1 to 4 hours, irregularities having a nanotube structure having a predetermined diameter may be formed. The content of H 2 O (water) in the aqueous electrolyte solution may be 2 to 8 vol%. And the DC power supply can have a current density of 10 ~ 30mA / cm 2 .

또한 요철화 처리된 상기 금속재료의 열처리 단계는, 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 600℃ 이상의 고온으로 열처리하여, 양극산화 처리된 금속재료의 구조적 안정화 및 불순물을 제거할 수 있다.In addition, the heat treatment step of the uneven-treated metal material may be performed by heat treatment at a high temperature of 600° C. or higher in an argon (Ar) gas atmosphere, thereby stabilizing the structure of the anodized metal material and removing impurities.

여기서, 상기 생체유사용액은 제1인산나트륨 수용액 및 수산화칼슘 포화수용액을 포함하며, 상기 순환 석회화 처리는 제1인산나트륨 수용액과, 수산화칼슘 포화수용액 내에 상기 금속재료를 교대로 침적하는 방식으로, 인산칼슘(Ca-P)을 석출하여 생체활성도를 높이도록 할 수 있다.Here, the biomaterials include a first sodium phosphate aqueous solution and a saturated calcium hydroxide aqueous solution, and the circulating calcification treatment is a method of alternately depositing the metallic material in a first sodium phosphate aqueous solution and a saturated calcium hydroxide aqueous solution. Ca-P) can be precipitated to increase bioactivity.

본 발명에 따른 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법은 금속재료의 표면 요철화 및 생체활성도를 개선하기 위하여 순환 석회화 처리를 통하여 요철 부분에 수산화아파타이트를 형성한다. 여기서 금속재료의 조도를 최적화함으로써, 에 따라 시편에 양극산화를 진행하였을 때, 균일한 분포의 나노튜브 형상의 요철을 형성할 수 있다.In the method for surface treatment of a biological tissue-friendly metallic material according to the present invention, hydroxyapatite is formed in the uneven portion through circulating calcification in order to improve the surface irregularities and bioactivity of the metallic material. Here, by optimizing the roughness of the metallic material, it is possible to form nanotube-shaped irregularities of uniform distribution when anodizing is performed on the specimen.

또한 양극산화 시, 인가되는 직류 전압의 범위, 전해 유지시간, 전해질의 성분 및 물의 첨가량 등을 최적화함으로써, 나노튜브의 직경과 성장 길이를 조절할 수 있어서, 요철 형상을 최적화 할 수 있다.In addition, by optimizing the range of the DC voltage applied during the anodization, the holding time of the electrolysis, the components of the electrolyte and the amount of water added, the diameter and growth length of the nanotubes can be controlled, so that the uneven shape can be optimized.

또한 양극산화 처리된 금속재료를 불활성 가스 분위기에서 고온으로 열처리하여 결정질화 함으로써, 인체에 매식시, 세포의 성장 및 증식률을 향상시킬 수 있다.In addition, the anodized metal material is crystallized by heat treatment at a high temperature in an inert gas atmosphere, so that the growth and proliferation rate of cells can be improved when embedded in the human body.

또한, 순환 석회화 처리를 통하여 요철 부분에 알갱이 형태와 구형의 클러스터 형태의 보다 치밀한 구조의 수산화아파타이트를 석출하여, 접촉 면적을 확대할 수 있어서, 인체에 매식시 인체의 뼈와의 결합력을 향상시킬 수 있다.In addition, by circulating calcification treatment, hydroxyapatite having a more dense structure in the form of grains and clusters in the uneven portion can be deposited, thereby expanding the contact area, thereby improving the bonding strength with the bones of the human body when grafted to the human body. have.

도 1은 저전압 양극산화 공정을 위한 양극산화 시스템을 보인 개략도.
도 2는 TiO2 나노튜브 형성 단계를 보인 개략적인 도면.
도 3은 티타늄을 에틸렌글리콜 + 0.2wt% NH4F+2vol%H2O용액의 60V 정전압 조건하에서 표면연마 상태를 달리하여 1시간 동안 양극산화 후 나노튜브를 관찰한 SEM 사진.
도 4는 티타늄을 60V 정전압 조건하에서 Ethylene glycol + NH4F+2vol%H2O용액의 NH4F조성을 달리하여 1시간 동안 양극산화 후 나노튜브 관찰한 SEM 사진.
도 5는 티타늄을 60V 정전압 조건하에서 에틸렌글리콜 + 0.2wt% NH4F+H2O용액의 H2O조성을 달리하여 1시간 동안 양극산화 후 나노튜브를 관찰한 SEM 사진.
도 6 및 도 7 각각은 물의 함량에 따른 나노튜브 길이와 직경 변화를 나타낸 그래프.
도 8 및 도 9는 전압변화에 따른 나노튜브 형상변화를 관찰한 결과를 보인 사진.
도 10은 전류밀도변화에 따른 나노튜브 형상변화를 관찰한 결과를 보인 SEM 사진.
도 11은 양극산화 시간에 따라 변화하는 전류밀도의 경향을 나타낸 그래프.
도 12는 에틸렌글리콜 + 0.2wt% NH4F+2vol%H2O의 전해액에서 소정 시간 동안 양극산화 처리하여 형성된 나노튜브의 표면과 단면사진.
도 13 및 도 14 각각은 시간의 영향에 따른 나노튜브 직경 및 길이 변화를 나타낸 그래프.
도 15는 이산화티타늄의 온도 및 압력에 따른 상변화 다이아그램.
도 16은 나노튜브의 열처리 전, 후의 결정화를 조사하기 위하여 소각산란 XRD 시험을 하여 XRD 피크를 분석한 데이터.
도 17은 나노튜브가 형성된 티타늄 시편을 80℃ 0.5M Na2HPO4 수용액과 100℃ Ca(OH)2포화 수용액에 각각 1분씩 순환 침적하는 방식을 보인 도면.
도 18은 조건별로 생체유사용액(SBF)에서 5일간 석출을 진행한 시편의 표면 SEM 사진.
도 19는 SBF 용액에서 침적시간에 따른 HAp 석출양상을 알아보기 위하여, 1분씩 30회 동안 순환 석회화 처리(Cyclic Precalcification Treatment; CPT) 처리를 한 다음 SBF 용액에서 침적시간을 1일, 3일, 5일로 달리하여 HAp 석출을 유도한 시편의 SEM으로 표면을 관찰한 사진
도 20은 열처리후 PT 또는 CPT를 수행한 다음 SBF용액에 침적한 시편들의 XRD회절 패턴을 보인 그래프.
1 is a schematic diagram showing an anodization system for a low voltage anodization process.
Figure 2 is a schematic diagram showing a TiO 2 nanotube formation step.
3 is a SEM photograph of a nanotube after anodization of titanium in an ethylene glycol + 0.2wt% NH 4 F + 2 vol% H 2 O solution under a constant voltage of 60 V under a constant voltage of 60 V for 1 hour.
Figure 4 is a SEM photograph of a nanotube observation after anodizing titanium for 1 hour by varying the composition of NH 4 F in an Ethylene glycol + NH 4 F + 2 vol% H 2 O solution under a 60V constant voltage condition.
5 is a SEM photograph of a nanotube after anodizing for 1 hour by varying the H 2 O composition of ethylene glycol + 0.2wt% NH 4 F + H 2 O solution under 60V constant voltage condition of titanium.
6 and 7 are graphs showing changes in nanotube length and diameter according to the content of water.
8 and 9 are photographs showing a result of observing a change in the shape of a nanotube according to a voltage change.
10 is a SEM photograph showing the result of observing the change in the shape of the nanotube according to the change in current density.
11 is a graph showing the trend of the current density changing with the anodization time.
12 is a photograph of the surface and cross-section of a nanotube formed by anodizing in an electrolyte solution of ethylene glycol + 0.2wt% NH 4 F + 2 vol% H 2 O for a predetermined time.
13 and 14 are graphs showing changes in nanotube diameter and length according to the effect of time.
15 is a diagram of a phase change according to temperature and pressure of titanium dioxide.
16 is data obtained by analyzing XRD peaks by performing a small-angle scattering XRD test to investigate the crystallization of nanotubes before and after heat treatment.
17 shows a titanium specimen with nanotubes at 80° C. 0.5M Na 2 HPO 4 A diagram showing a method of circulating immersion in an aqueous solution and a saturated aqueous solution of 100℃ Ca(OH) 2 for 1 minute each.
18 is a SEM photograph of the surface of a specimen subjected to precipitation for 5 days in a biofuel solution (SBF) according to conditions.
19 is a circulating calcification treatment (CPT) treatment for 30 times each 1 minute in order to find out the HAp precipitation pattern according to the immersion time in the SBF solution, and then the immersion time in the SBF solution was 1 day, 3 days, 5 Photograph of observing the surface by SEM of the specimen inducing HAp precipitation by different days
20 is a graph showing the XRD diffraction patterns of specimens immersed in SBF solution after performing PT or CPT after heat treatment.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for treating a surface of a biological tissue-friendly metallic material according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예에 따른 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법은 크게 세 가지 단계로 이루어진다.The method for surface treatment of a biological tissue-friendly metallic material according to an embodiment of the present invention consists of three steps.

제1단계는 금속재료에 대해 저전압 양극산화 공정을 통하여, 상기 금속재료의 표면을 요철화하는 단계이고, 제2단계는 요철화 처리된 금속재료를 고온의 불활성 가스 분위기에서 열처리하는 단계이고, 제3단계는 열처리된 금속재료의 표면에 수산화아파타이트를 형성하는 단계이다.The first step is a step of making the surface of the metal material uneven through a low voltage anodization process on the metal material, and the second step is a step of heat-treating the uneven-treated metal material in a high-temperature inert gas atmosphere. Step 3 is a step of forming hydroxyapatite on the surface of the heat-treated metal material.

여기서, 금속재료는 크롬, 니켈, 마그네슘, 스테인레스 스틸, 탄탈륨, 티타늄, 티타늄 합금, 니켈-티타늄(Nitinol) 합금 및 코발트-크롬 합금 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 금속재료로서, Ti6Al4V ELI(Extra Low Interstitials) 합금을 사용하였다. 이 Ti6Al4V ELI 합금은 Ti6Al4V와 비교하여 볼 때 그 물성이 매우 유사하지만, [표 1]에 나타낸 바와 같은 Ti6Al4V ELI 합금의 성분표와 같이, 산소, 질소, 탄소와 철의 함량을 낮은 수준으로 제어한 저불순물 합금이다. 따라서 높은 강도와 인성 및 우수한 내부식성을 가지므로, 주로 외과용 기구나, 정형외과용 인공관절등 인간 몸속에 사용하는 생체용 금속재료로 사용된다.Here, as the metal material, chromium, nickel, magnesium, stainless steel, tantalum, titanium, titanium alloy, nickel-titanium (Nitinol) alloy, cobalt-chromium alloy, and the like may be used. In the embodiment of the present invention, Ti6Al4V ELI (Extra Low Interstitials) alloy was used as the metal material. This Ti 6 Al 4 V ELI alloy has very similar properties when compared to Ti 6 Al 4 V, but as shown in Table 1, the composition table of the Ti 6 Al 4 V ELI alloy shows oxygen and nitrogen. , It is a low impurity alloy with low levels of carbon and iron. Therefore, since it has high strength, toughness and excellent corrosion resistance, it is mainly used as a metal material for living body used in human body such as surgical instruments or orthopedic artificial joints.

(wt %)(wt %) AlAl VV CC FeFe OO N N HH TiTi 6.0%6.0% 4.0%4.0% <0.03%<0.03% <0.1%<0.1% <0.10%<0.10% <0.01%<0.01% <0.003%<0.003% Bal.Bal.

금속재료 표면 Metal surface 요철화Irregularities 단계(제1단계) Step (Step 1)

1. 금속재료 시편 준비1. Preparation of metal specimens

본 실시예에서는 두께 1mm의 Ti6Al4V ELI 합금판을 30 x 25 mm의 크기로 절단하여 양극산화용 금속재료로 사용하였으며, 이 금속재료의 표면을 균일화하기 위해 다음의 세척 과정을 거쳐 세척하여, 실험용 시편을 준비하였다.In this example, a Ti 6 Al 4 V ELI alloy plate having a thickness of 1 mm was cut into a size of 30 x 25 mm and used as a metal material for anodization.To make the surface of this metal material uniform, it was cleaned through the following cleaning process. Thus, an experimental specimen was prepared.

우선 #220 ~ #1000의 탄화규소(SiC) 연마지로 순차적으로 연마하고, 아세톤과 알코올 용액에서 각각 5분간 초음파 세척한 후, 탈 이온수로 재차 세척하였다. 그 후 표면산화막을 제거해주기 위하여, 불화수소, 질산이 함유된 수용액(HF + HNO3 + H2O)에서 10초간 침적시킨 후 아세톤, 에탄올 및 증류수의 순서로 세척하여, 최종적으로 시편을 준비한다.First, they were sequentially polished with #220 to #1000 silicon carbide (SiC) abrasive paper, ultrasonically cleaned in acetone and alcohol solution for 5 minutes each, and then washed again with deionized water. After that, in order to remove the surface oxide film, it is immersed in an aqueous solution containing hydrogen fluoride and nitric acid (HF + HNO 3 + H 2 O) for 10 seconds, followed by washing in the order of acetone, ethanol and distilled water, and finally prepare a specimen. .

2. 저전압 양극산화 공정2. Low voltage anodization process

준비된 금속재료에 대한 저전압 양극산화 공정은 도 1에 도시한 바와 같은 양극산화 시스템 내에서 수행될 수 있다. 이 양극산화 시스템은 수조(10), 전력공급원(11), 냉각기(17) 및 교반기(19)를 포함할 수 있다. 수조(10)는 전해질 수용액을 수용한다. 전원공급원(11)은 직류 전원을 공급하는 것으로, 양극과 음극을 가진다. 이 전원공급원(11)의 양극에는 금속재료 시편(13)이 전기적으로 연결되며, 음극에는 백금 메쉬망(15)이 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 금속재료 시편(13)과 백금 메쉬망(15)은 소정 간격 이격된 채로 마주하게 전해질 수용액 내에 위치한다. 본 실시예에서는 금속재료 시편(13)으로 Ti6Al4V ELI 합금판을 사용하였으며, 금속재료 시편(13)과 백금 메쉬망(15)이 20mm 이격된 상태에서 실험을 진행하였다. 냉각기(17)는 전해질 수용액의 온도 상승을 억제한다.The low voltage anodization process for the prepared metallic material may be performed in the anodization system as shown in FIG. 1. This anodization system may include a water bath 10, a power supply 11, a cooler 17 and a stirrer 19. The water tank 10 accommodates an aqueous electrolyte solution. The power supply 11 supplies DC power and has an anode and a cathode. The metal material specimen 13 may be electrically connected to the anode of the power source 11, and the platinum mesh net 15 may be electrically connected to the cathode. Here, the metallic material specimen 13 and the platinum mesh mesh 15 are positioned in the aqueous electrolyte solution to face each other with a predetermined distance apart. In this embodiment, a Ti 6 Al 4 V ELI alloy plate was used as the metallic material specimen 13, and the experiment was conducted in a state in which the metallic material specimen 13 and the platinum mesh net 15 were separated by 20 mm. The cooler 17 suppresses an increase in the temperature of the aqueous electrolyte solution.

본 실시예에 있어서, 상기한 양극 산화시스템을 이용하여 금속재료 시편(13)의 표면에 대해 금속산화물층을 형성한 후, 소정 직경을 가지는 나노튜브 구조의 요철을 형성한다. 여기서 전해질 수용액으로서 에틸렌글리콜 내에 불화암모늄(NH4F)과 물(H2O)을 첨가하여 사용하였다. 즉, 에틸렌글리콜 내에 0.2wt% NH4F 와 2vol% H2O를 첨가하여 실험하였다. 또한 전원공급원(11)을 통하여, 소정 시간 동안 20 내지 60 Volts의 직류 전원을 인가하였으며, 전류밀도 20mA/cm2의 조건에서 양극산화 처리하였다.In this embodiment, after the metal oxide layer is formed on the surface of the metal material specimen 13 using the above-described anodization system, irregularities having a nanotube structure having a predetermined diameter are formed. Here, as an aqueous electrolyte solution, ammonium fluoride (NH 4 F) and water (H 2 O) were added to ethylene glycol and used. That is, 0.2wt% NH 4 F and 2vol% H 2 O were added in ethylene glycol to experiment. In addition, through the power supply 11, a DC power of 20 to 60 Volts was applied for a predetermined period of time, and anodization was performed under the condition of a current density of 20 mA/cm 2 .

이에 따라 Ti6Al4V ELI 합금판 상에 TiO2 층이 형성되며, 나노튜브 구조의 요철이 형성된다. TiO2 나노튜브 형성 메커니즘은 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. 도 2는 TiO2 나노튜브 형성 단계를 보인 개략적인 도면이다. Accordingly, a TiO 2 layer is formed on the Ti 6 Al 4 V ELI alloy plate, and irregularities of a nanotube structure are formed. The mechanism of forming TiO 2 nanotubes will be described with reference to FIG. 2. 2 is a schematic diagram showing a step of forming TiO 2 nanotubes.

전해질에 포함된 불소이온에 의해 티타늄 표면에 형성된 산화층의 국소적인 용해가 일어나 작은 구멍(pore)들이 생성되고 이로 인한 피막 층의 국소적 두께 감소는 구멍들의 바닥에서 전기장 강도를 다시 증가시켜 새로운 산화층의 형성을 유도하는 과정을 통하여 나노튜브 층이 형성된다.Local dissolution of the oxide layer formed on the titanium surface by the fluorine ions contained in the electrolyte results in the creation of small pores, resulting in a decrease in the local thickness of the coating layer, increasing the electric field strength at the bottom of the pores again, resulting in a new oxide layer. The nanotube layer is formed through a process that induces formation.

금속을 양극산화 시키면 여러 단계의 특징적인 거동을 가지고 다공성의 산화물이 성장하게 된다. 즉 양극산화 초기에 금속 표면에 균일한 산화층이 형성된 후, 산화물/전해질 계면에서 작은 기공이 형성되고 넓어지면서 기공이 형성된다. 기공의 형성과 함께 산화물의 용해가 가속화된다. 양극산화에 의한 TiO2 나노튜브의 형성에 대한 화학반응식을 [화학식 1]에 나타내었다. 티타늄 금속의 양극산화 시에는 Ti4 + 이온이 물에 함유된 O2 이온과 반응하여 양극산화피막이 형성되고(식(1) 참고), 전해질 내의 F-이온이 반응에 의해 생성된 용해성이 강한 [TiF6]2 착화물과 H+이온이 동시에 증가하게 되어 기공 바닥에서 화학적 용해속도를 증가시키게 되어 다공성의 구조를(식(2) 참고) 가지게 된다. 따라서, 반응식 (1)은 산화층이 형성되는 것으로 도 2(a)에 해당한다고 볼 수 있고, 반응식 (2)는 기공이 형성되는 과정으로 도 2(b)에 해당된다고 볼 수 있다.When the metal is anodized, a porous oxide grows with a characteristic behavior of several stages. That is, after a uniform oxide layer is formed on the metal surface at the initial stage of anodization, small pores are formed at the oxide/electrolyte interface, and pores are formed as they become wider. With the formation of pores, the dissolution of the oxide is accelerated. The chemical reaction formula for the formation of TiO 2 nanotubes by anodic oxidation is shown in [Chemical Formula 1]. During the anodization of titanium metal, Ti 4 + ions react with O 2 ions contained in water to form an anodized film (refer to Equation (1)), and F-ions in the electrolyte have strong solubility generated by the reaction [ TiF 6 ] 2 complexes and H + ions increase simultaneously, increasing the chemical dissolution rate at the bottom of the pores, resulting in a porous structure (refer to Equation (2)). Therefore, Reaction Equation (1) can be considered to correspond to Fig. 2(a) as an oxide layer is formed, and Reaction Equation (2) can be considered to correspond to Fig. 2(b) as a process in which pores are formed.

Figure 112018065809696-pat00001
Figure 112018065809696-pat00001

여기서, 표면의 상태, 전해액의 조성, 전압, 전류, 시간의 변화가 TiO2 나노튜브 어레이의 성장 거동에 미치는 영향은 다음과 같다.Here, the effects of changes in surface state, electrolyte composition, voltage, current, and time on the growth behavior of the TiO 2 nanotube array are as follows.

2.1 티타늄의 조도가 TiO2 나노튜브에 형상에 미치는 영향2.1 Effect of Titanium Roughness on the Shape of TiO 2 Nanotubes

도 3은 티타늄을 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) + 0.2wt% NH4F + 2vol% H2O 용액의 60V 정전압 조건하에서 (a) 원소재(평균 조도 0.25㎛), (b) #220, (c) #600, (d) #800, (e) #1000의 조건으로 표면연마 상태를 달리하여 1시간 동안 양극산화 후 나노튜브의 윗부분을 HR FE-SEM 으로 관찰한 사진이다. #1000번 사포로 표면연마를 하기 전까지는 부분적으로 불균질한 표면상태가 그대로 남아 TiO2 나노튜브의 생성형태도 높이가 불균일하지만 조도가 점차 향상되어 #1000에 이르러서는 거의 균일한 높이의 TiO2 나노튜브 생성을 보여주고 있다. 이와 같은 점을 감안하여, 금속재료의 표면조도를 0.1 내지 0.25㎛로 설정할 수 있다.3 shows titanium in ethylene glycol + 0.2wt% NH 4 F + 2vol% H 2 O solution under 60V constant voltage conditions (a) raw material (average roughness 0.25㎛), (b) #220, (c) ) This is a photograph of observation of the upper part of the nanotube with HR FE-SEM after anodizing for 1 hour with different surface polishing conditions under the conditions of #600, (d) #800, (e) #1000. Until surface polishing with #1000 sandpaper, the partially uneven surface condition remains intact, and the height of TiO 2 nanotubes is also uneven, but the roughness gradually improves, and the TiO 2 has an almost uniform height when it reaches #1000. It shows the creation of nanotubes. In view of this, the surface roughness of the metallic material can be set to 0.1 to 0.25 µm.

2.2 전해액의 조성비가 TiO2 나노관 형상에 미치는 영향2.2 Effect of composition ratio of electrolyte on TiO 2 nanotube shape

도 4는 티타늄을 60V 정전압 조건하에서 에틸렌글리콜 + NH4F + 2vol% H2O 용액의 NH4F 조성을 (a) 0.2wt%, (b) 0.4wt%, (c) 0.6wt%으로 달리하여 1시간 동안 양극산화 후 나노튜브의 윗부분을 HR FE-SEM 으로 관찰한 사진이다. FIG. 4 shows the composition of NH 4 F in a solution of ethylene glycol + NH 4 F + 2 vol% H 2 O in titanium under 60V constant voltage conditions as (a) 0.2 wt %, (b) 0.4 wt %, and (c) 0.6 wt %. After anodizing for 1 hour, the upper part of the nanotube was observed with HR FE-SEM.

0.2wt% NH4F의 조성으로 양극산화 처리한 (a)를 보면 큰 직경의 나노튜브는 130㎚, 작은 직경의 나노튜브는 약 111㎚로 평균 직경은 122.1㎚이다. 0.4wt% NH4F의 조성으로 양극산화 처리한 (b)를 보면 큰 직경의 나노튜브는 131.4㎚, 작은 직경의 나노튜브는 약 120.9㎚로 평균 직경은 129.1㎚이다. 0.6wt% NH4F의 조성으로 양극산화 처리한 (c)를 보면 큰 직경의 나노튜브는 128㎚, 작은 직경의 나노튜브는 약 109.7㎚로 평균 직경은 119.4㎚ 이다. 나노튜브들은 큰 나노튜브 주위에 작은 나노튜브가 둘러싸여 있는 것을 관찰 할 수 있었다. 0.4wt% 이상의 조성에서는 0.2wt%의 조성에서보다 반응이 더 빠르게 일어나 (a)에서 보이는 작은 구멍을 갖는 표면층이 사라진 것을 확인할 수 있었다. 따라서 NH4F의 조성의 증가는 나노튜브의 형상에 큰 영향을 주지 않지만 조성의 증가에 따른 초기반응에서의 F이온의 증가로 나노튜브층의 생성보다 나노튜브층의 분해가 활발해져 (b), (c)와 같이 나노튜브가 부분적으로 붕괴된 형상이 관찰된 것으로 보인다.In (a), anodized with a composition of 0.2wt% NH 4 F, the large diameter nanotubes are 130 nm, the small diameter nanotubes are about 111 nm, and the average diameter is 122.1 nm. Looking at (b) anodized with a composition of 0.4wt% NH 4 F, the large diameter nanotubes are 131.4 nm, the small diameter nanotubes are about 120.9 nm, and the average diameter is 129.1 nm. Looking at (c) anodized with a composition of 0.6wt% NH 4 F, the large diameter nanotube is 128 nm, the small diameter nanotube is about 109.7 nm, and the average diameter is 119.4 nm. The nanotubes were able to observe that small nanotubes were surrounded by large nanotubes. In the composition of 0.4 wt% or more, the reaction occurred more rapidly than the composition of 0.2 wt%, and it was confirmed that the surface layer having small pores shown in (a) disappeared. Therefore, the increase in the composition of NH 4 F does not have a significant effect on the shape of the nanotube, but the increase of F ions in the initial reaction with the increase in the composition makes the decomposition of the nanotube layer more active than the formation of the nanotube layer (b), As shown in (c), it seems that the shape of the partially collapsed nanotubes was observed.

2.3 전해액의 H2.3 H in electrolyte 22 O 함량이 O content is TiOTiO 22 나노관Nano tube 형상에 미치는 영향 Effect on shape

도 5는 티타늄을 60V 정전압 조건하에서 에틸렌글리콜 + 0.2wt% NH4F + H2O 용액의 H2O 조성을 (a) 0 vol%, (b) 2 vol%, (c) 4 vol%, (d) 6 vol%, (e) 8 vol% 으로 달리하여 1시간 동안 양극산화 후 주사전자현미경(HR FE-SEM)으로 나노튜브를 관찰한 사진이다. Figure 5 shows the composition of H 2 O in a solution of ethylene glycol + 0.2wt% NH 4 F + H 2 O in titanium under a constant voltage of 60V (a) 0 vol%, (b) 2 vol%, (c) 4 vol%, ( d) 6 vol% and (e) 8 vol%, after anodizing for 1 hour, the nanotubes were observed with a scanning electron microscope (HR FE-SEM).

물의 함량에 따른 나노튜브의 직경 및 길이는 [표 2]에 나타낸 바와 같다.The diameter and length of the nanotubes according to the water content are as shown in [Table 2].

물 함량 [vol%]Water content [vol%] 00 22 44 66 88 직경[nm]Diameter [nm] 68.2668.26 70.6570.65 85.2785.27 89.0489.04 92.6192.61 길이[μm]Length [μm] 1.781.78 8.778.77 16.7316.73 27.527.5 46.546.5

표 2를 살펴보면, 물의 함량이 증가됨에 따라 동일 조건에서 나노튜브 길이가 약 1.8μm에서 약 46.5μm까지 증가됨을 알 수 있다.Looking at Table 2, it can be seen that the length of the nanotube increases from about 1.8 μm to about 46.5 μm under the same conditions as the water content increases.

도 6 및 도 7 각각은 물의 함량에 따른 나노튜브 길이와 직경 변화를 나타낸 그래프이다. 도면을 참조하면, 시간 증가에 따라 나노튜브의 길이와 직경이 선형적으로 증가함을 알 수 있다.6 and 7 are graphs showing changes in nanotube length and diameter according to water content. Referring to the drawings, it can be seen that the length and diameter of the nanotubes linearly increase as time increases.

티타늄합금에서의 TiO2 나노튜브의 형성 과정은 보통 기공 바닥에서 일어나는데 에틸렌글리콜(C2H6O2) 전해질 내부에 산소(O) 원자가 존재하지만 탄소(C) 원자와 이중결합을 하고 있기 때문에 전해질로부터의 산소를 원활하게 공급받지 못하게 된다. 그러나 H2O에서 생성된 OH 이온에서 O2 이온을 공급받기 때문에 비교적 원활하여 산화물을 형성하기에 좋은 분위기를 형성하는 것으로 보인다. 또한 이와 같은 영향으로 TiO2 나노튜브의 형성에서 튜브벽에 돌기의 발생에 영향을 준다. 도 5(e)에서 볼 수 있듯이 튜브벽의 돌기 형태를 관찰 할 수 있다. 이는 전해질에 물을 일정량 이상 첨가 하게 되면 주기적으로 강한 용해와 옥사이드 형성이 반복되어지게 되는 과정에서 옥사이드의 두께가 더 두껍기도 하고 더 얇기도 하는 차이가 발생하기 때문에 튜브벽에 돌기들이 생성된다.The formation process of TiO 2 nanotubes in titanium alloys usually occurs at the bottom of the pores. Although oxygen (O) atoms exist inside the ethylene glycol (C 2 H 6 O 2 ) electrolyte, they are double bonded with carbon (C) atoms. It will not be able to smoothly supply oxygen from However, since O 2 ions are supplied from OH ions generated from H 2 O, it is relatively smooth and seems to form a good atmosphere for forming oxides. In addition, this influence affects the occurrence of projections on the tube wall in the formation of TiO 2 nanotubes. As can be seen in Fig. 5(e), the shape of the protrusion of the tube wall can be observed. This is because when a certain amount of water is added to the electrolyte, a difference occurs in which the thickness of the oxide is thicker and thinner in the process of periodically repetitive strong dissolution and oxide formation, so protrusions are generated on the tube wall.

2.4 인가 전압 및 전류의 크기가 TiO2 나노관 형상에 미치는 영향2.4 Effect of applied voltage and current on TiO 2 nanotube shape

도 8 및 도 9는 전압변화에 따른 나노튜브 형상변화를 관찰한 결과를 보인 사진이다. 전압은 20V부터 60V까지 변화시켰고, 양극산화시간은 1시간 동안 진행하였다. 도 8을 참조하면, 50V 이하의 전압에서는 산화막이 형성되어 표면의 산화피막의 두께에 따라 빛의 입사광과 반사광의 굴절 차이에 의한 간섭효과로 색상이 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 한편, 도 9에 나타낸 바와 같이, 50V 이하의 전압에서는 나노튜브가 형성되지 않았다.8 and 9 are photographs showing a result of observing a change in the shape of a nanotube according to a voltage change. The voltage was changed from 20V to 60V, and the anodic oxidation time proceeded for 1 hour. Referring to FIG. 8, it was observed that an oxide film was formed at a voltage of 50 V or less, and the color changed due to an interference effect due to a difference in refraction between incident light and reflected light according to the thickness of the oxide film on the surface. On the other hand, as shown in Fig. 9, no nanotubes were formed at a voltage of 50V or less.

한편, 전압이 높아질수록 티타늄의 표면의 산화막이 두껍게 형성되어 표면에 보이는 모서리 부분이 뭉툭해지고 더 나아가 요철이 형성되면서 60V에서는 나노튜브가 형성됨을 알 수 있다. 즉 나노튜브가 형성되기 위해서는 절연파괴를 일으키는 일정 전압에 도달하면 산화물 층 붕괴 지점(breakdown site)이 나타나며, 시간 경과에 따라 표면 전체에서 나노튜브가 생성되는 것을 알 수 있다.On the other hand, it can be seen that as the voltage increases, the oxide film on the surface of titanium becomes thicker, so that the corners visible on the surface become blunt, and furthermore, as irregularities are formed, nanotubes are formed at 60V. That is, in order for nanotubes to be formed, when a certain voltage causing insulation breakdown is reached, oxide layer breakdown sites appear, and it can be seen that nanotubes are formed over the entire surface over time.

도 10은 전류밀도변화에 따른 나노튜브 형상변화를 관찰한 결과로써, 전류밀도를 일정하게 하여 1시간동안 형성된 나노튜브를 관찰한 사진이다. 전류밀도는 10 ~ 30mA/cm2까지 변화시키며 나노튜브 형상을 관찰하였다. 산화 피막층의 화학적 용해속도는 물로부터 공급되어지는 H+ 이온으로 인해 강하게 영향을 받는다. 이 이온의 공급은 전류밀도에 따라 달라지기 때문에 일정 전류밀도 이하에서는 이온들의 공급이 원활하게 이루어지지 않아 도 10(a)처럼 나노튜브가 형성되지 않은 것을 확인 할 수 있었다. 반면 도 10(b)와 도 10(c)에서는 충분한 전류가 공급되어 이온의 공급이 원활하게 이루어져 나노튜브가 형성된 것을 볼 수 있었다. 도 11은 양극산화 시간에 따라 변화하는 전류밀도의 경향을 나타낸 그래프이다. Ⅰ 구간은 인가전압까지 도달하면서 전류가 급격하게 감소하는 거동을 보이며, 공급되는 전류가 일정하고 전압이 증가하면 옴의 법칙에 따라 저항이 증가하게 되는데, 이는 산화피막의 유전체 성질을 생각하면 산화물층이 전해질과 금속사이 계면에 형성된 것을 알 수 있다. Ⅱ 구간에서는 이전 구간에서 형성된 산화막에 붕괴 지점(Breakdown site)이 랜덤하게 발생하는 과정으로 전해질의 F- 이온의 영향으로 국부적으로 기공이 형성되어 그에 따른 표면적 증가 때문에 전류가 약간 상승하게 되며, 전류밀도가 줄어드는 속도가 눈에 띄게 감소되는 구간이다. Ⅲ 구간에서는 전류밀도가 안정화되는 구간으로 이전단계에서 형성된 기공에서의 용해작용과 산화층의 형성의 반복으로 튜브구조가 형성되는 구간이다. 따라서 일정 전류밀도 이상에서는 증가하여도 시간이 지남에 따라 전류밀도가 안정구간으로 접어들면서 일정해지기 때문에 나노튜브 형성의 큰 변화가 없는 것으로 보인다.10 is a result of observing a change in the shape of a nanotube according to a change in current density, and is a photograph of observing a nanotube formed for 1 hour with a constant current density. The current density was varied from 10 to 30 mA/cm 2 and the nanotube shape was observed. The chemical dissolution rate of the oxide layer is strongly influenced by H + ions supplied from water. Since the supply of ions varies depending on the current density, it was confirmed that the supply of ions was not smoothly performed below a certain current density, and thus nanotubes were not formed as shown in FIG. 10(a). On the other hand, in FIGS. 10(b) and 10(c), sufficient current was supplied to facilitate the supply of ions, so that nanotubes were formed. 11 is a graph showing a trend of current density that changes with anodization time. Section Ⅰ shows a behavior in which the current rapidly decreases as it reaches the applied voltage, and when the supplied current is constant and the voltage increases, the resistance increases according to Ohm's Law. This is the oxide layer when considering the dielectric properties of the oxide film. It can be seen that it is formed at the interface between this electrolyte and the metal. In the Ⅱ section, a breakdown site is randomly generated in the oxide film formed in the previous section. Pore is formed locally under the influence of F - ions in the electrolyte, and the current slightly increases due to the increase in surface area. This is the section in which the speed at which is reduced is noticeably reduced. In section III, the current density is stabilized, and the tube structure is formed by repetition of the dissolution action in the pores formed in the previous step and the formation of the oxide layer. Therefore, it seems that there is no significant change in the formation of nanotubes because the current density becomes constant as time goes into the stable section even if it increases above a certain current density.

2.5 전해 유지 시간의 영향 (성장 시간의 영향)2.5 Influence of electrolysis holding time (influence of growth time)

도 12는 에틸렌글리콜 + 0.2wt% NH4F + 2vol% H2O의 전해액에서 소정 시간 동안 양극산화 처리하여 형성된 나노튜브의 표면과 단면사진이다. 즉 도 12(a) 내지 도 12(f) 각각은 30분, 1시간, 2시간, 4시간, 8시간, 16시간 동안 양극산화 처리한 결과를 나타낸 것이다.FIG. 12 is a photograph of a surface and a cross-sectional view of a nanotube formed by anodizing an electrolytic solution of ethylene glycol + 0.2wt% NH 4 F + 2 vol% H 2 O for a predetermined time. That is, each of FIGS. 12(a) to 12(f) shows the results of anodizing treatment for 30 minutes, 1 hour, 2 hours, 4 hours, 8 hours, and 16 hours.

시간[Hr]Time [Hr] 0.50.5 1One 22 44 88 1616 직경[nm]Diameter [nm] 00 109.1109.1 113.7113.7 113.4113.4 129.7129.7 155.8155.8 길이[μm]Length [μm] 00 13.213.2 18.8918.89 25.625.6 56.956.9 114.9114.9

이상의 결과는 시간이 증가됨에 따라 나노튜브 길이가 약 13μm에서 약 114μm까지 증가되는 것을 확인할 수 있다. The above results can be seen that the length of the nanotube increases from about 13 μm to about 114 μm as time increases.

도 13 및 도 14는 시간의 영향에 따른 나노튜브 직경 및 길이 변화를 각각 나타낸 그래프이다. 도 13을 참조하면, 시간 증가에 따라 나노튜브의 길이가 선형적으로 증가하는 경향 있으며, 도 14를 참조하면 나노튜브 직경은 시간이 증가함에 따라 증가하다가 일정 시간에서 다시 감소 후 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 나노튜브가 생성 소멸을 반복하는 과정에서 나타나는 현상이라고 보인다. 하지만 나노튜브의 길이가 56.9㎛ 이상이 되면 표면이 건조되면서 나노튜브가 형성될 때 발생한 응력에 의해 나노튜브 층이 박리되는 현상이 발생하였다. 이 점을 감안하여, 전해 유지시간을 1 ~ 4시간 이내로 설정하는 것이 바람직하다.13 and 14 are graphs showing changes in diameter and length of nanotubes according to the effect of time, respectively. Referring to FIG. 13, the length of the nanotube tends to increase linearly with increasing time, and referring to FIG. 14, it is confirmed that the nanotube diameter increases as time increases, then decreases again at a certain time, and then increases again. I can. This seems to be a phenomenon that occurs in the process of repeating the formation and destruction of nanotubes. However, when the length of the nanotube was 56.9㎛ or more, the nanotube layer was peeled off due to the stress generated when the nanotube was formed while the surface was dried. In view of this point, it is preferable to set the electrolysis holding time within 1 to 4 hours.

금속재료의 구조적 안정화 열처리 공정(제2단계)Structural stabilization heat treatment process of metallic materials (2nd step)

요철화 처리된 상기 금속재료를 고온의 불활성 가스 분위기에서 열처리하는 공정이다.This is a process of heat-treating the uneven-treated metal material in a high-temperature inert gas atmosphere.

본 실시예에서는 효과적인 수산화아파타이트(이하, 'HAp'라 함)의 성장을 위하여 나노튜브 이산화티타늄(TiO2) 층을 루타일(rutile) 구조로 열처리하여 구조적 안정화 및 HAp의 석출을 촉진하도록 한다. In this embodiment, the nanotube titanium dioxide (TiO 2 ) layer is heat-treated in a rutile structure for effective growth of hydroxyapatite (hereinafter, referred to as'HAp') to promote structural stabilization and precipitation of HAp.

도 15는 이산화티타늄의 온도 및 압력에 따른 상변화 다이아그램이다. 도 15를 고려하여, 루타일 구조로 열처리하기 위하여, 불활성 가스인 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 600℃ 이상의 고온으로 열처리하여, 양극산화 처리된 금속재료의 구조적 안정화 및 불순물을 제거할 수 있다. 상세하게는 금속재료 시편을 수평전기로에 넣고 초고순도 Ar 가스(99.999%)를 500ml/min으로 흐르게 하여 불활성분위기에서 승온속도 10℃/min으로 650℃까지 상승시킨 후 그 온도에서 2시간 동안 유지하여 열처리를 진행할 수 있다.15 is a diagram of a phase change according to temperature and pressure of titanium dioxide. In consideration of FIG. 15, in order to heat treatment in a rutile structure, heat treatment at a high temperature of 600° C. or higher in an argon (Ar) gas atmosphere as an inert gas may be performed to stabilize the structure of the anodized metallic material and remove impurities. Specifically, put a metal specimen in a horizontal electric furnace, and make ultra-high purity Ar gas (99.999%) flow at 500ml/min, raise it to 650℃ at a heating rate of 10℃/min in an inert atmosphere, and then keep it at that temperature for 2 hours. Heat treatment can be performed.

양극산화후 TiO2의 구조적 안정화와 불순물 제거를 위한 열처리 공정의 영향을 살펴보면 다음과 같다.The effect of the heat treatment process for structural stabilization and impurity removal of TiO 2 after anodization is as follows.

도 16은 나노튜브의 열처리 전, 후의 결정화를 조사하기 위하여 X-ray를 이용하여 가속전압 40kW, 관전류 30mA 조건으로 소각산란 XRD(Small Angle X-ray Scattering Diffraction) 시험을 하여 XRD 피크를 분석한 데이터이다. 먼저 티타늄 기판 위에 양극산화로 TiO2 나노튜브가 형성된 상태 그대로인 시편에서는 티타늄 금속 피크만 관찰되었다. 이는 형성된 나노튜브가 비정질 상태라는 것을 의미한다. 비정질의 결정구조에서는 XRD 피크가 나오지 않지만 얇은 산화막 두께와 다공성 구조로 인하여 Ti 피크가 검출되기도 하였다. 반면 나노튜브가 형성된 티타늄 기판을 650℃ 아르곤 분위기에서 2시간 동안 결정화처리를 진행한 시편에서는 Ti 피크 외에 주 피크인 회절각도 2Θ = 25° 면지수(101)에서 아나타제 상이 검출되었고, 회절각도 2Θ = 37° 면지수(004) 및 회절각도 2Θ = 47°면지수(200)에서도 각각 검출되었다. 회절각도 2Θ = 36° 면지수(101)에서는 루타일 상 피크가 검출되었다. 따라서 TiO2 rutile (101)면 HAp 결정성장의 핵으로 작용하고, 아나타제 구조는 SBF 용액에서 음의 전하 값을 가지므로 Ca 이온을 흡수하고 Ca 이온은 HAp 결정의 생성을 위해 PO43- 이온을 흡수함에 따라 수산화아파타이트의 성장이 촉진되는 것으로 보인다.FIG. 16 is data obtained by analyzing the XRD peak by performing a small angle scattering XRD (Small Angle X-ray Scattering Diffraction) test under the conditions of an acceleration voltage of 40 kW and a tube current of 30 mA using X-ray to investigate the crystallization of nanotubes before and after heat treatment. to be. First, only titanium metal peaks were observed in the specimen in which TiO 2 nanotubes were formed on the titanium substrate by anodization. This means that the formed nanotubes are in an amorphous state. In the amorphous crystal structure, the XRD peak did not appear, but the Ti peak was also detected due to the thin oxide film thickness and the porous structure. On the other hand, in the specimens subjected to crystallization treatment on the titanium substrate with nanotubes in an argon atmosphere at 650°C for 2 hours, the diffraction angle 2Θ = 25° surface index 101, which is the main peak, in addition to the Ti peak, anatase phase was detected, and the diffraction angle 2Θ = The 37° plane index (004) and the diffraction angle 2Θ = 47° plane index (200) were also detected. At the diffraction angle 2Θ = 36° plane index 101, a rutile phase peak was detected. Therefore, TiO 2 rutile (101) acts as the nucleus of HAp crystal growth, and the anatase structure has a negative charge value in SBF solution, so it absorbs Ca ions and Ca ions absorb PO43 - ions for the formation of HAp crystals. Accordingly, it seems that the growth of hydroxyapatite is promoted.

나노튜브 형성 후 건조시 발생하는 박리현상으로 나노튜브층이 떨어져 나가는 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위한 조건을 찾기 위하여 나노튜브 형성 과정의 온도와 형성 후 세척과정에서 건조방식에 차이, 열처리 유무를 변수로 하여 실험하였다. 이 실험에서 경도 및 접합강도 변화를 측정하기 위하여 ASTM D 3363의 연필경도 측정법을 이용하여 시료 표면에 생성된 나노튜브의 경도 및 계면 간 접합강도를 측정하였다. 측정은 시편의 표면에 가로, 세로 3번의 긋기 시험을 진행하여 표면층의 박리 유무를 확인하였다. 그 결과 실험 온도와, 열처리 유무에 의한 영향은 관찰되지 않았으나 높은 건조 온도에서 표면이 박리되는 경도가 낮아지는 것을 관찰할 수 있다.After the formation of the nanotubes, there is a problem that the nanotube layer falls off due to a peeling phenomenon that occurs during drying. In order to find the conditions to prevent this, the experiment was performed by varying the temperature of the nanotube formation process, the drying method in the washing process after formation, and the presence or absence of heat treatment as variables. In this experiment, the hardness and interfacial bonding strength of the nanotubes formed on the sample surface were measured using the pencil hardness measurement method of ASTM D 3363 in order to measure the change in hardness and bonding strength. For the measurement, three horizontal and vertical scribing tests were performed on the surface of the specimen to confirm the presence or absence of peeling of the surface layer. As a result, the effect of the test temperature and the presence or absence of heat treatment was not observed, but it can be observed that the hardness at which the surface peels off at a high drying temperature decreases.

순환 석회화 처리(제3단계)Cyclic calcification treatment (third stage)

열처리된 금속재료를 생체유사용액 내에 반복적으로 침적하는 순환 석회화 처리를 통하여, 수산화아파타이트(HAp)를 상기 금속재료의 표면에 형성하는 단계이다. 생체유사용액은 제1인산나트륨(Na2HPO4) 수용액 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 포화수용액을 포함할 수 있다. 순환 석회화 처리는 제1인산나트륨(Na2HPO4) 수용액 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 포화수용액을 내에 금속재료를 교대로 순환 침적하는 방식으로 10회 이상 반복 진행할 수 있으며, 구체적으로는 10회 내지 30회 반복 진행할 수 있다. This is a step of forming hydroxyapatite (HAp) on the surface of the metallic material through circulating calcification treatment in which the heat-treated metallic material is repeatedly deposited in the biomaterial. The bio-eluent solution may include a first sodium phosphate (Na 2 HPO 4 ) aqueous solution and a calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) saturated aqueous solution. The circulating calcification treatment can be repeated 10 or more times by alternately circulating metallic materials in a sodium phosphate (Na 2 HPO 4 ) aqueous solution and a saturated calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) aqueous solution. It can be repeated once to 30 times.

생체활성을 목적으로 티타늄합금 표면에 인산칼슘층을 코팅하는데 코팅면적을 늘리기 위해서 양극산화 처리로 티타늄합금 표면에 나노튜브 TiO2층을 형성하여 보다 넓은 표면적을 갖도록 하였다. 이렇게 처리된 시편을 80℃ 0.5 M Na2HPO4 수용액에 1시간, 100℃ Ca(OH)2 포화 수용액에 30분간 침적하여 전석회화 처리(Precalcification Treatment; PT)를 행하였다. 순환 석회화 처리(CPT)는 Na2HPO4 수용액과, Ca(OH)2 포화수용액 내에 상기 금속재료를 교대로 침적하는 방식으로, 인산칼슘(Ca-P)을 석출하여 생체활성도를 높일 수 있다.A calcium phosphate layer was coated on the surface of the titanium alloy for the purpose of bioactivity. In order to increase the coating area, a nanotube TiO 2 layer was formed on the surface of the titanium alloy by anodizing treatment to have a larger surface area. The thus-treated specimen was immersed in a 0.5 M Na 2 HPO 4 aqueous solution at 80° C. for 1 hour and a saturated aqueous solution of Ca(OH) 2 at 100° C. for 30 minutes to perform precalcification treatment (PT). Cyclic calcification treatment (CPT) is a method in which the metallic material is alternately immersed in Na 2 HPO 4 aqueous solution and saturated Ca(OH) 2 aqueous solution, and calcium phosphate (Ca-P) can be precipitated to increase bioactivity.

침적방식에 따른 변화를 알아보기 위해 도 17과 같이 나노튜브가 형성된 티타늄 시편을 80℃ 0.5M Na2HPO4 수용액과 100℃ Ca(OH)2 포화 수용액에 각각 1분씩 순환 침적하는 방식으로 10회, 30회씩 반복 침적하여 순환 석회화 처리(Cyclic Precalcification Treatment; CPT)를 시행하여, PT 와 CPT 결과를 비교 분석하였다.In order to investigate the change according to the immersion method, as shown in Fig. 17, the titanium specimen with nanotubes was circulated 10 times in an 80°C 0.5M Na 2 HPO 4 aqueous solution and 100°C Ca(OH) 2 saturated aqueous solution for 1 minute each. , Cyclic Precalcification Treatment (CPT) was performed by repeated deposition of 30 times each, and PT and CPT results were compared and analyzed.

도 18은 조건별로 생체유사용액(SBF)에서 5일간 석출을 진행한 시편의 표면 SEM 사진이다. 18 is a SEM photograph of the surface of a specimen subjected to precipitation for 5 days in a biofuel solution (SBF) according to conditions.

도 18(a)는 원소재 Ti6Al4V ELI 자체에 대한 사진이다. 이 경우 시편 표면에 미세하게 수산화아파타이트(Hap)가 석출된다.18(a) is a photograph of the raw material Ti 6 Al 4 V ELI itself. In this case, hydroxyapatite (Hap) finely precipitates on the surface of the specimen.

도 18(b)는 양극산화처리(TiO2 나노튜브층을 형성)한 시료에 대한 사진이다. 이 경우 양극산화처리에 의해 생성된 비정질의 나노튜브 위에 형성된 HAp의 형상은 비슷하지만 상대적으로 더 두껍게 석출이 진행된 것을 볼 수 있다.18(b) is a photograph of a sample subjected to anodization treatment (TiO 2 nanotube layer is formed). In this case, the shape of the HAp formed on the amorphous nanotubes produced by the anodization treatment is similar, but it can be seen that the precipitation proceeds to a relatively thicker thickness.

도 18(c)는 양극산화처리 및 열처리한 시료에 대한 사진이다. 이 경우 다소 납작한 판 형태로 이전과 다른 결정형상을 보이고 있다.18(c) is a photograph of a sample subjected to anodization treatment and heat treatment. In this case, it is a somewhat flat plate, showing a different crystal shape than before.

도 18(d)는 양극산화처리, 열처리 및 전석회화 처리(SBF용액 침적전)한 시료에 대한 사진이다. 도18(d)에서 전석회화 처리는 0.5M NaH2PO4 수용액(80℃)과 Ca(OH)2 포화수용액(100℃)에서 침적시간을 각각 1시간, 30분 동안 진행한 것을 의미한다. 이 경우 Ca(OH)2 포화수용액에서 석출된 CaPO4이 침상형태로 석출되어 있는 것을 관찰할 수 있었다.Fig. 18(d) is a photograph of a sample subjected to anodization treatment, heat treatment, and electrocalcification treatment (before immersion of SBF solution). In Fig. 18(d), the electrocalcification treatment means that the immersion time was performed for 1 hour and 30 minutes in a 0.5M NaH 2 PO 4 aqueous solution (80°C) and a saturated Ca(OH) 2 aqueous solution (100°C), respectively. In this case, it could be observed that CaPO 4 precipitated in a saturated aqueous solution of Ca(OH) 2 was precipitated in the form of needles.

도 18(e)는 양극산화처리, 열처리 및 전석회화 처리(SBF용액 침적후)한 시료에 대한 사진이고, 도 18(f)는 양극산화처리, 열처리 및 순환석회화 처리한 시료에 대한 사진이다. 이와 같이 SBF용액에 침적하여 전석회화처리로 HAp의 석출을 유도한 시편의 표면에는 꽃봉오리 모양의 클러스터가 관찰되었다. FIG. 18(e) is a photograph of a sample subjected to anodization treatment, heat treatment, and preliminary treatment (after immersion of SBF solution), and FIG. 18(f) is a photograph of a sample subjected to anodization treatment, heat treatment, and circulation calcification treatment. As described above, a flower-bud-shaped cluster was observed on the surface of the specimen that induced the precipitation of HAp by immersion in SBF solution and preliminary treatment.

또한 도 18(d')과 도 18(e') 각각은 도 18(d)와 도 18(e)를 5,000배에서 50,000 배로 확대한 모습을 보여주고 있다. 이 경우는 구형의 클러스터가 관찰되었다.In addition, each of FIGS. 18(d') and 18(e') shows the magnification of FIGS. 18(d) and 18(e) from 5,000 times to 50,000 times. In this case, spherical clusters were observed.

이와 같이 나노튜브 형성여부 전석회화 처리에 여부에 따라 표면을 관찰한 결과 나노튜브의 형성과 열처리에 따라 HAp의 석출형태가 달라지는 것을 확인되었다. 그 결과, 전석회화 처리는 HAp석출을 유도할 수 있는 층이 생겨 HAp의 석출을 가속화하고, 순환석회화 처리를 하게 되면 이 효과가 더욱 증가함을 알 수 있다. 이와 같이 HAp 석출양상이 고르게 될수록 생체활성도를 높일 수 있다.As a result of observing the surface according to whether or not nanotubes are formed or not, it was confirmed that the precipitation form of HAp varies depending on the formation of nanotubes and heat treatment. As a result, it can be seen that the preliminary treatment accelerates the precipitation of HAp by generating a layer capable of inducing the precipitation of HAp, and this effect is further increased when the circulating calcification treatment is performed. As such, the more even the HAp precipitation pattern is, the higher the bioactivity.

도 19는 SBF 용액에서 침적시간에 따른 HAp 석출양상을 알아보기 위하여, 1분씩 30회 동안 순환 석회화 처리(Cyclic Precalcification Treatment; CPT) 처리를 한 다음 SBF 용액에서 침적시간을 1일, 3일, 5일로 달리하여 HAp 석출을 유도한 시편의 SEM으로 표면을 관찰한 사진이다. 도 19(a)(b)(c) 각각은 2,000배, 도 19(a')(b')(c') 각각은 5,000배로 촬영한 사진들이다.19 is a circulating calcification treatment (CPT) treatment for 30 times each 1 minute in order to find out the HAp precipitation pattern according to the immersion time in the SBF solution, and then the immersion time in the SBF solution was 1 day, 3 days, 5 This is a photograph of observation of the surface by SEM of the specimen in which HAp precipitation was induced by different days. Each of FIGS. 19(a)(b)(c) is 2,000 times, and each of FIGS. 19(a')(b')(c') is 5,000 times.

도 19(a) 및 도 19(a')을 참조하면, CPT 처리를 한 뒤 1일간 석출을 진행한 시편의 경우 리본상에서 꽃봉오리 모양의 결정이 혼합되어 있다. 도 19(b) 및 도 19(b')을 참조하면, CPT 처리 후 3일간 석출을 진행한 시편의 표면에서는 크기는 작지만 구상의 석출물을 관찰되었다. 도 19(c) 및 도 19(c')을 참조하면, CPT 처리 후 5일간 석출을 진행한 시편의 표면에서는 균일하게 석출되어 있는 구 형상의 HAp결정을 관찰할 수 있었다. Referring to FIGS. 19(a) and 19(a'), in the case of a specimen that was precipitated for 1 day after CPT treatment, crystals in the shape of a flower bud are mixed on a ribbon. 19(b) and 19(b'), spherical precipitates were observed on the surface of the specimen, which was precipitated for 3 days after CPT treatment, although the size was small. 19(c) and 19(c'), a spherical HAp crystal uniformly precipitated could be observed on the surface of the specimen, which was precipitated for 5 days after the CPT treatment.

SBF용액에서 침적시간에 따라 TiO2 나노튜브 층위에 HAp 결정이 석출되며 결정형태가 변화하는 것을 볼 수 있으며, 30회의 순환 석회화 처리후 5일 침적처리한 시편에서 시편 전반에 걸쳐 균일하게 구형 형상의 HAp 결정이 석출되는 것을 확인할 수 있었다.In SBF solution, HAp crystals precipitated on the TiO 2 nanotube layer according to the immersion time, and the crystal shape changed. In the specimen that was immersed for 5 days after 30 cycles of calcification treatment, the specimen was uniformly spherical in shape. It was confirmed that HAp crystals were precipitated.

제조된 시편의 화학적 조성을 [표 4]를 참조하여 설명하기로 한다. [표 4]는 제조된 시편의 EDS 측정으로부터 구한 각 시편의 칼슘(Ca)과 인(P)의 화학적 조성을 정리한 표이다.The chemical composition of the prepared specimen will be described with reference to [Table 4]. [Table 4] is a table summarizing the chemical composition of calcium (Ca) and phosphorus (P) in each specimen obtained from EDS measurement of the prepared specimen.

그룹group Ca (Ca ( wt%wt% )) P (P ( wt%wt% )) 1One 0.270.27 0.80.8 22 0.760.76 1.081.08 33 2.832.83 1.751.75 44 5.955.95 2.662.66 55 25.1125.11 11.6111.61 66 21.5621.56 10.7510.75

그룹 1은 원소재인 Ti6Al4V 시트를 바로 SBF 용액에 침적한 시편이며, 그룹 2는 양극산화만 진행한 후 SBF 용액에 침적한 시편이다. 그룹 3 및 4는 열처리후 전석회화 처리(Precalcification Treatment, PT)를 수행한 다음 SBF 용액에 침적하여 각각 3일, 5일간 석출을 진행한 시편이다. 그룹 5 및 6은 열처리 후 순환 석회화 처리(Cyclic Precalcification Treatment, CPT)를 각각 10회, 30회를 수행하고 SBF 용액에 침적하여 5일간 석출을 진행한 시편이다. Group 1 is a specimen in which a Ti 6 Al 4 V sheet, which is a raw material, is directly immersed in SBF solution, and Group 2 is a specimen immersed in SBF solution after only anodizing. Groups 3 and 4 were specimens subjected to precalcification treatment (PT) after heat treatment, and then immersed in SBF solution and precipitated for 3 and 5 days, respectively. Groups 5 and 6 are specimens subjected to cyclic precalcification treatment (CPT) 10 times and 30 times, respectively, and immersed in SBF solution to precipitate for 5 days after heat treatment.

PT (그룹 3, 4)와 CPT (그룹 5, 6)를 비교해 보면 일반적인 침적법보다 순환 침적의 경우에서 HAp의 두께가 더 두껍게 형성되고, 침적 시간이 증가할수록 더 두껍고 균일한 코팅막을 형성됨을 알 수 있다.Comparing PT (groups 3, 4) and CPT (groups 5, 6), it was found that the thickness of HAp was formed thicker in the case of circulating deposition than in the general deposition method, and a thicker and uniform coating film was formed as the deposition time increased. I can.

전석회화 처리를 시행하지 않고 SBF에 침적한 시편들의 경우(그룹 1, 2)에는 표면층에서 HAp의 석출이 미미하며 이러한 사실로 미루어 보아 전석회처리에 의해 산화피막층에 인산칼슘 층을 형성하는 것이 표면활성도 개선에 크게 기여함을 알 수 있다. 열처리후 전석회화 처리한 시편들의 HAp 석출 양상은 열처리 하지 않고 전석회화 처리한 시편 보다 촉진되는 양상을 보였는데, 이는 불안정한 TiO2 무정형 구조보다는 열처리에 의해 변형된 HAp 결정구조와 비슷한 루타일 구조가 결정핵의 역할을 하여 결정성장을 촉진한 것으로 보인다.In the case of specimens immersed in SBF without preliminary treatment (Groups 1 and 2), precipitation of HAp from the surface layer is insignificant, and from this fact, it is possible to form a calcium phosphate layer on the oxide film layer by preliminary treatment. It can be seen that it greatly contributes to the improvement of activity. The HAp precipitation pattern of the preliminized specimens after heat treatment was more accelerated than that of the preliminized specimens without heat treatment.This was determined by a rutile structure similar to the HAp crystal structure deformed by heat treatment rather than the unstable TiO 2 amorphous structure. It appears to have promoted crystal growth by acting as a nucleus.

도 20은 열처리후 PT 또는 CPT를 수행한 다음 SBF용액에 침적한 시편들의 XRD회절 패턴을 나타낸 것이다. 여기서 도 20(a)는 PT 처리를 한 후 3일, 도 20(b)는 PT 처리를 한 후 5일간 SBF 용액에서 침적한 경우이고 도 20(c)는 CPT 10회, 도 20(d)는 CPT 30회 한 후 5일간 SBF용액에서 침적한 시편이다.20 shows the XRD diffraction patterns of specimens immersed in SBF solution after performing PT or CPT after heat treatment. Here, FIG. 20(a) is a case of immersion in SBF solution for 3 days after PT treatment, and FIG. 20(b) is a case of immersion in SBF solution for 5 days after PT treatment, and FIG. 20(c) is CPT 10 times, FIG. Is a specimen immersed in SBF solution for 5 days after 30 CPT times.

각 시편 모두에서 기저금속에 해당하는 Ti 피크와 TiO2의 피크가 관찰되었다. Ti과 TiO2 피크들은 각각 기저금속과 양극산화처리에 의하여 형성된 다공성 나노튜브 산화막에 기인한 피크들이다. 도시된 바와 같이 HAp 피크들의 세기는 각 시편별로 달랐으며 CPT 처리한 시편의 경우 HAp의 피크가 가장 크게 관찰되었다. 하지만 PT 처리한 시편에서는 HAp의 피크가 관찰되지 않았는데, 이는 PT 처리만 수행한 시편의 경우 EDS분석에서는 소량의 원소가 검출되었지만 석출된 HAp의 양이 너무 적어 XRD분석에서는 피크가 관찰되지 않은 것으로 보인다.In all of the specimens, a peak of Ti and a peak of TiO 2 corresponding to the base metal were observed. The Ti and TiO 2 peaks are peaks due to the porous nanotube oxide film formed by the base metal and anodization treatment, respectively. As shown, the intensity of the HAp peaks was different for each specimen, and the peak of HAp was observed the largest in the case of the CPT-treated specimen. However, the peak of HAp was not observed in the PT-treated specimen. This indicates that in the case of the PT-treated specimen, a small amount of elements were detected in the EDS analysis, but the amount of precipitated HAp was too small, so the peak was not observed in the XRD analysis. .

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.The above-described embodiments are merely exemplary, and various modifications and other equivalent embodiments are possible from those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Therefore, the true technical scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the invention described in the claims.

10: 수조 11: 전력공급원
13: 시편 15: 백금 메쉬망
17: 냉각기 19: 교반기
10: water tank 11: power supply source
13: Psalm 15: Platinum mesh net
17: cooler 19: stirrer

Claims (7)

생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법에 있어서,
상기 금속재료에 대해 양극산화 공정을 통하여 상기 금속재료의 표면을 요철화하는 단계와;
요철화 처리된 상기 금속재료를 고온의 불활성 가스 분위기에서 열처리하는 단계와;
열처리된 상기 금속재료를 생체유사용액 내에 반복적으로 침적하는 순환 석회화 처리를 통하여, 수산화아파타이트를 상기 금속재료의 표면에 형성하는 단계를 포함하고,
상기 생체유사용액은 제1인산나트륨 수용액 및 수산화칼슘 포화수용액을 포함하며,
상기 순환 석회화 처리는,
상기 제1인산나트륨 수용액과, 상기 수산화칼슘 포화수용액 내에 상기 금속재료를 교대로 순환 침적하는 방식으로 10회 내지 30회 반복 진행하여, 인산칼슘(Ca-P)을 석출하여 생체활성도를 높일 수 있도록 진행하고,
상기 금속재료의 표면을 요철화하는 단계는,
상기 금속재료의 표면을 연마지로 연마하는 표면연마 공정과;
상기 표면연마된 금속재료의 표면을 양극산화 공정을 통하여 나노튜브 구조의 요철을 형성하는 양극산화 공정을 포함하며,
상기 양극산화 공정은,
에틸렌글리콜에 불화암모늄과 물을 첨가한 전해질 수용액 내에 상기 표면연마된 금속재료를 수용하되, 상기 물의 함량이 2 내지 8 vol%인 전해질 수용액 내에 상기 표면연마된 금속재료를 수용하는 단계와;
1 내지 4시간 동안 20 내지 60 Volts의 전압과 10 ~ 30mA/cm2의 전류밀도를 가지는 직류 전원을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법.
In the method for surface treatment of a biological tissue-friendly metallic material,
Making the surface of the metal material uneven through an anodizing process on the metal material;
Heat-treating the uneven-treated metal material in a high-temperature inert gas atmosphere;
Forming hydroxyapatite on the surface of the metallic material through circulating calcification treatment in which the heat-treated metallic material is repeatedly deposited in a biomaterial,
The biomaterials include a first aqueous sodium phosphate solution and a saturated aqueous calcium hydroxide solution,
The circulation calcification treatment,
The first sodium phosphate aqueous solution and the calcium hydroxide saturated aqueous solution are alternately circulating and immersed in the metallic material 10 to 30 times to increase bioactivity by depositing calcium phosphate (Ca-P). and,
The step of making the surface of the metallic material uneven,
A surface polishing step of polishing the surface of the metallic material with a polishing paper;
And an anodizing process of forming irregularities of a nanotube structure through an anodic oxidation process on the surface of the surface-polished metallic material,
The anodization process,
Accommodating the surface-polished metallic material in an aqueous electrolyte solution in which ammonium fluoride and water are added to ethylene glycol, and receiving the surface-polished metallic material in an aqueous electrolyte solution having a water content of 2 to 8 vol%;
A method for surface treatment of a biological tissue-friendly metallic material comprising the step of applying a DC power having a voltage of 20 to 60 Volts and a current density of 10 to 30 mA/cm 2 for 1 to 4 hours.
제1항에 있어서,
상기 금속재료는,
크롬, 니켈, 마그네슘, 스테인레스 스틸, 탄탈륨, 티타늄, 티타늄 합금, 니켈-티타늄(Nitinol) 합금 및 코발트-크롬 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법.
The method of claim 1,
The metal material,
Biological tissue-friendly metal, characterized in that it is made of at least one material selected from the group consisting of chromium, nickel, magnesium, stainless steel, tantalum, titanium, titanium alloy, nickel-titanium (Nitinol) alloy, and cobalt-chromium alloy The method of surface treatment of the material.
제2항에 있어서,
상기 금속재료는,
Ti6Al4V ELI 합금 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법.
The method of claim 2,
The metal material,
A method for surface treatment of a biological tissue-friendly metal material, characterized in that it is made of a Ti 6 Al 4 V ELI alloy material.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속재료의 표면을 요철화하는 단계는,
상기 금속재료의 표면을 연마지로 연마하여 0.1 내지 0.25㎛의 표면 조도를 갖게 하는 표면연마 공정과;
상기 표면연마된 금속재료를 초음파 세척한 후에 탈 이온수로 세척한 다음, 불화수소와 질산이 함유된 수용액에 침적시킨 후 아세톤, 에탄올 및 증류수의 순서로 세척하는 세척 공정과;
상기 표면연마된 후에 세척된 금속재료를 상기 양극산화 공정을 통하여 나노튜브 구조의 요철을 형성하는 양극산화 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The step of making the surface of the metallic material uneven,
A surface polishing step of polishing the surface of the metallic material with a polishing paper to have a surface roughness of 0.1 to 0.25 µm;
A washing step of ultrasonically washing the surface-polished metal material, washing it with deionized water, immersing it in an aqueous solution containing hydrogen fluoride and nitric acid, and washing the surface-polished metal material in the order of acetone, ethanol, and distilled water;
And an anodizing process of forming irregularities of a nanotube structure through the anodizing process of the cleaned metal material after the surface polishing.
삭제delete 제1항에 있어서,
요철화 처리된 상기 금속재료의 열처리 단계는,
아르곤(Ar) 가스 분위기에서 600℃ 이상의 고온으로 열처리하여, 양극산화 처리된 금속재료의 구조적 안정화 및 불순물을 제거할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 생체 조직 친화성 금속재료의 표면처리 방법.
The method of claim 1,
The step of heat treatment of the uneven-treated metal material,
A method for surface treatment of a biological tissue-friendly metal material, characterized in that by heat treatment at a high temperature of 600° C. or higher in an argon (Ar) gas atmosphere, structural stabilization of the anodized metal material and removal of impurities.
삭제delete
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