KR102224507B1 - 결함-저항성 지르코니아 단미 치과용 소재 - Google Patents

결함-저항성 지르코니아 단미 치과용 소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 결함-저항성을 지르코니아 단미 치과용 소재에 관한 것이다. 상세하게는 76 - 93 mol% ZrO2; 4 - 12 mol% Y2O3; 및 Nb2O5와 Ta2O5가 각각 또는 합으로 3 - 12 mol%인 것을 포함하고, Fe2O3, Er2O3, CeO2, TiO2, SiO2, Co3O4를 각각 또는 합으로 0.0001 - 2 wt%가 첨가되며, Al2O3, MgAl2O4, SrAl12O19를 제2상의 분산 강화제로 첨가되는 복합체의 기지상이 되며, 그 평균 입경 크기는 10 μm 이하인 것을 특징으로 하는 결함-저항성을 지르코니아 단미 치과용 소재에 관한 것이다.

Description

결함-저항성 지르코니아 단미 치과용 소재{Damage-tolerant Monolithic Dental Zirconia}
본 발명은 결함-저항성을 갖는 치과용 단미 지르코니아 소재에 관한 것이다.
티타늄 치과 임플란트의 대체소재의 탐색은 1960년대 티타늄 임플란트 개발과 거의 동시에 진행되었다. 그 배경은 티타늄에 알러지 반응을 보이는 임플란트 환자가 약 0.6%에 이르며 조직학적 염증이 발생되지는 않지만 임플란트 표면의 산화문제에 대한 해결책의 일환으로 볼 수 있다.
최근에는 심미 치과치료에 대한 환자들의 높은 요구에 따라 특히 얇은 잇몸형상의 경우 티타늄 금속의 회색이 임플란트 주위 조직을 통해 검게 비치는 불만을 해소할 필요성이 증대되고 있다.
이외에도 티타늄이 구강 내에서의 연쇄적인 화학적 반응에 따른 점막염 발생에 관련되어 있다는 임상적 증거가 지속적으로 발표되고 있어 이러한 문제점들을 해소할 수 있는 세라믹 임플란트의 개발 및 제품화가 전 세계적으로 진행되고 있다.
이를 뒷받침하는 근거로 스위스의 세계적인 임플란트 제조사인 Straumann이 최근 실시한 설문조사에서 250명의 유럽인들 중 다수가 티타늄(10%)에 비해 세라믹 임플란트(35%)를 선호하는 것을 들 수 있다. 설문 대상 중 50%는 선호도를 나타내지 않았다.
세라믹 임플란트 소재는 1962년에 발표된 Al2O3(알루미나)가 시초이다. 알루미나의 물성을 향상시킨 알루미나의 단결정인 사파이어가 1972년부터 일본에서 임상에 사용되었고 1980년에는 미국에 도입되었으나 낮은 파괴인성 때문에 장기임상에서 약 35%에 이르는 높은 파절의 문제점으로 인해 1990년대에 시장에서 퇴출되었다.
알루미나의 기계적 취약점을 해결한 Y2O3(이트리아) 첨가로 안정화된 정방정 ZrO2(지르코니아) 임플란트가 1985년에 처음 시판되어 현재까지 활용되고 있으며 최근에는 지르코니아 임플란트가 년 5-8% 성장세를 기록하고 있다.
세계 임플란트 시장은 2016년 약 42조원 규모이며 "2018년 신개발 의료기기전망 분석보고서"에 따르면 국내시장은 2016년 기준으로 5587억원에 이른다. 세계시장의 95% 이상은 티타늄 임플란트가 차지하고 있는 것으로 알려져 있어 지르코니아 임플란트의 시장은 약 2조원 정도로 추산된다.
세계 지르코니아 임플란트는 현재 약 20개 제조사에 의해 생산 판매되고 있으나 국내 임플란트 제조사는 2017년 134개 업체가 있음에도 지르코니아 임플란트 제조허가를 취득한 업체는 전무한 실정이다.
즉, 현재 지르코니아 임플란트 시장은 티타늄에 비해 상당히 왜소하지만 금속 바탕의 아말감 충치용 충진제가 흰색 바탕의 레진복합체로의 교체가 수년간에 걸쳐 일어난 과정을 보면, 치아색상의 지르코니아가 금속인 티타늄 임플란트의 상당부분을 대체할 시기가 멀지 않았음을 예측할 수 있다.
지르코니아 임플란트의 형태는 원피스(one-piece)와 투피스(two-piece)가 있다. 전자의 경우 픽스쳐(fixture)와 어버트먼트(abutment) 사이에 미세 접촉공간이 존재하지 않아 플라그(plaque)의 침착이 없으므로 생체 친화적일뿐만 아니라 기계적으로도 안정적이다.
그러나 단점으로는 다양한 각도를 갖는 상부구조물이 없어 임플란트 식립(植立)방향의 오류를 수정하기 어렵거니와 임플란트의 형상을 조절하기 위한 삭제공정이 표면결함에 따라 임플란트의 강도저하를 들 수 있다.
추가적으로는 바로 식립된 원피스(one-piece)임플란트의 경우 혀 또는 저작에 따라 가해지는 힘에 취약하다는 것이다.
한편 투피스(two-piece)임플란트는 상기 원피스(one-piece)임플란트의 문제점을 해결하나 투피스(two-piece) 형상에 따른 추가적으로 향상된 기계적 물성의 요구로 지르코니아 임플란트의 직경, 특히 픽스쳐-상부구조물(fixture-abutment) 연결 부위의 두께를 대폭적으로 증가시켜야 하는 문제가 있다.
따라서 임플란트의 형태에 관계없이 안정적인 지르코니아 임플란트의 임상적용을 위해서는, 조기 골유합을 위한 표면개질 또는 형태변경을 위한 가공과정에서 표면결함에 의한 강도저하가 미비하면서도, 통상적인 직경의 임플란트 에서도 안정적 기계적 물성을 발현하는 새로운 "결함-저항성" 지르코니아의 개발이 필요하다.
KR 10-1639708 B1, 가공성 지르코니아(2015. 07. 07. 공개) KR 10-1789812 B1, 치과 보철물용 지르코니아 소결체 및 그 제조방법(2017. 05. 02. 공개)
본 발명은 상술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다음과 같다.
형태에 관계없이 안정적인 지르코니아 임플란트, 조기 골유합을 위한 표면개질 또는 형태변경을 위한 가공에 따른 표면결함에 의한 강도저하가 미비하면서도, 통상적인 직경의 임플란트에서도 안정적 기계적 물성을 발현하는 지르코니아 단미 형태의 결함-저항성을 갖는 치과용 소재를 제공하는 것이다.
기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시된다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 일 수단을 제시한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 76 - 93 mol% ZrO2; 4 - 12 mol% Y2O3; 및 Nb2O5와 Ta2O5가 각각 또는 합으로 3 - 12 mol%인 것;을 포함하는 결함-저항성을 지르코니아 단미 치과용 소재를 제공할 수 있다.
또한, 이에 더하여 Fe2O3, Er2O3, CeO2, TiO2, SiO2, Co3O4,를 각각 또는 합으로 0.1 - 3 wt%가 첨가되는 것을 특징으로 하는 결함-저항성을 지르코니아 단미 치과용 소재를 제공할 수 있다.
한편, 이에 더하여 Al2O3, MgAl2O4, SrAl12O19를 -제2상의 분산 강화제로 첨가하는 것을 특징으로 하는 지르코니아 복합체의 결함-저항성증가시키는 지르코니아의 기지상용 치과 소재를 제공할 수 있다.
다른 한편, 평균 입경 크기는 10μm 이하인 것을 특징으로 하는 결함-저항성을 지르코니아 단미 치과용 소재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 형태에 관계없이 안정적인 지르코니아 임플란트, 조기 골유합을 위한 표면개질 또는 형태변경을 위한 가공에 따른 표면결함에 의한 강도저하가 미비하면서도, 통상적인 직경의 임플란트 에서 안정적 기계적 물성을 발현하는 결함-저항성을 갖는 치과용 단미 지르코니아 소재를 제공할 수 있다.
도 1은 3Y-TZP와 본 발명에 따른 소재의 미세구조를 비교 도시한 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명인 결함-저항성을 지르코니아 단미 치과용 소재를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 거쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
임플란트용 지르코니아는 기존 3Y-TZP에 비해 강도와 인성을 향상시키기 위해 현재 세계적으로 아래 표 1과 같이 '지르코니아 인성강화 세라믹' (zirconia toughened ceramics) 형태로 연구, 개발되고 있으나, 이들 대부분 소재가 지르코니아의 복합체 형테이며 더욱이 임플란트에 적합한 결함-저항성을 발현하는지에 대해서 알려지지 않았다.
현재 세계적으로 개발중인 치과용 지르코니아 소재들의 조성 및 기계적 물성
Material Compostion Bending Strength
(MPa)		 Toughness
(MPa/m)		 Hardness
(GPa)
Y-TZP 3mol% Y2O3-ZrO2 900-1200 6-10 12-14
Ce-TZP 8mlo% CeO2-ZrO2 350-500 10-18 8-9
NANOZR® 10mol%Ce-TZP/30vol% Al2O3 1290 8.6 11.5
ATZ BioHip® Y-TZP/20 vol% Al2O3 1400 8 14
ENEA-ZTA 27wt% Y-TZP/13wt% ZrO2/Al2O3 1200 6-9 14-16
JECS 2012:2697-703 10mol% Ce-TZP/10vol% MgAl2O4 930 15 -
BIOLOX®delta 17wt% Y-TZP/1wt% SrAl12O19/Al2O3 1384 6.5 19
ZA8Sr8 8vol%Al2O3/8vol%SrAl22O19/10.5Ce-TZP 1197 10.2 -
HTZ500 2Y-ZrO2/2mol%Y2O3/5vol%SrAl12O19 1628 8.6 12.6
따라서 본 특허는 결함-저항성을 갖는 지르코니아 단미 (monolith) 형태의 치과용 소재에 관한 것이다.
본 발명의 일 예로, 지르코니아 (ZrO2)에 이트리아 (Y2O3), 나이오비아 (Nb2O5), 텐탈라(Ta2O5)가 첨가된 지르코니아 단미의 기계적 물성을 기존 3Y-TZP와 [표 2]에 비교하였다. 본 발명의 소재는 3Y-TZP에 비해 특징적으로 낮은 경도와 탄성계수, 높은 파괴인성과 강도를 보이고 있다. 이때 결함-저항성 지르코니아의 조성비는 ZrO2 92.2 mol%, Y2O3 4.5 mol%, Nb(Ta)2O5 3.3 mol%이다.
결함-저항성 지르코니아와 3Y-TZP의 기계적 물성 비교
Properties 3Y-TZP (Y, Nb, Ta)-TZP
Flexural Strength(MPa)* 1250 1530
Hardness(GPa) 13.2 9.4
Toughness(MPam1 /2) 6.0 18.4
Modulus 214 185
(*는 3축 굴곡강도를 말한다)이러한 특성으로 인해 본 발명의 소재는 지르코니아 임플란트로 요구되는 결함-저항성을 발현됨을 [표 3]에 나타내었다. 즉, 인위적 결함으로 30 kg의 압흔을 가하고 강도를 측정했을 때 기존의 3Y-TZP는 무결함 강도에 비해 80% 이상 강도저하가 일어났으나 본 소재는 약 10%의 저하밖에 일어나지 않아 결함-저항성이 높은 것을 알 수 있다.
Vickers 압흔에 따른3Y-TZP와 결함-저항성 지르코니아의 이축강도 변화 비교
이축강도, MPa 3Y-TZP (Y, Nb, Ta)-TZP
Vickers 결함 전 883±49 1080±180
30kg Vickers 하중 후 268±10 970±70
도 1은 3Y-TZP와 본 발명에 따른 소재의 미세구조를 비교 도시한 것이다.본 발명의 소재는 기 등록된 "치과보철용 지르코니아 소결체 및 그 제조 방법, 한국특허등록번호 10-1789812 (2017. 10. 18)"에서의 소재와는 달리 미세구조, 즉, 입경이 현저히 작아서 도1에서 보는 바와 같이 3Y-TZP의 구조와 거의 유사함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 결함-저항성 지르코니아 단미 치과용 소재는 76 - 93 mol% ZrO2에 Y2O3가 4 - 12 mol%, Nb2O5와 Ta2O5가 각각 또는 합으로 3 - 12 mol% 조성 범위에서 발현된다.
상기 ZrO2는 바람직하게는 87.3 - 92.5 mol%, 보다 바람직하게는 92.2 mol%이다. 76 mol% 미만인 경우에는 파괴인성과 강도의 효과가 미비하고, 93 mol%를 초과하는 경우에는 저온열화가 일어나는 문제가 있다.
상기 Y2O3는 바람직하게는 4.9 - 10.5 mol%, 보다 바람직하게는 4.5 mol%이다. 4.0 mol% 미만인 경우에는 저온열화에 취약하고, 12 mol%를 초과하는 경우에는 파괴인성과 강도의 효과가 미약하다.
상기 Nb2O5와 Ta2O5에서, (1) Nb2O5는 바람직하게는 4.0 - 10.2 mol%, 보다 바람직하게는 4.4 mol%이다. 3 mol%미만인 경우에는 강도 효과가 미비하고, 12 mol%를 초과하는 경우에는 파괴인성의 효과가 미약하고, (2) Ta2O5는 바람직하게는 5 - 8 mol%, 보다 바람직하게는 5.8 mol%이다. 3 mol%미만인 경우에는 강도 효과가 미비하고, 12 mol%를 초과하는 경우에는 파괴인성과 강도의 효과가 미약하다.
그리고 위 조성에서 Nb2O5와 Ta2O5는 각각의 조성 내에서 서로 교환되어 동시에 존재하면서 고용화되어 있을 수 있다.
또한, 심미성과 소결성의 조절을 위해 Fe2O3, Er2O3, CeO2, TiO2, SiO2, Co3O4를 각각 또는 합으로 0.0001 - 2.0 wt% 범위에서 첨가할 수 있다.
상기 Fe2O3는 바람직하게는 0.01 - 1.0wt%, 보다 바람직하게는 0.04 - 0.2 wt%이다. 0.01 wt% 미만인 경우에는 황색발현 효과가 미약하고, 1.0 wt%를 초과하는 경우에는 황색발현이 지나치게 된다.
상기 Er2O3는 바람직하게는 0.05 - 2.0 wt%, 보다 바람직하게는 0.1 - 1.0 wt%이다. 0.1 wt% 미만인 경우에는 핑크색발현 효과가 미약하고, 1.0 wt%를 초과하는 경우에는 핑크색발현이 지나치게 된다.
상기 CeO2는 바람직하게는 0.05 - 2.0 wt%, 보다 바람직하게는 0.2-1.2 wt%이다. 0.05 wt% 미만인 경우에는 소결성증가 효과가 미약하고, 2.0 wt%를 초과하는 경우에는 강도저하가 일어난다.
상기 TiO2는 바람직하게는 0.01 - 2.0 wt%, 보다 바람직하게는 1.0 wt%이다. 0.01 wt% 미만인 경우에는 소결성 증가 효과가 미약하고, 2.0 wt%를 초과하는 경우에는 강도저하가 일어난다.
상기 SiO2는 바람직하게는 0.05 - 1.0 wt%, 보다 바람직하게는 0.5 wt%이다. 0.05 wt% 미만인 경우에는 소결성 증가 효과가 미약하고, 1.0 wt%를 초과하는 경우에는 강도저하가 일어난다.
상기 Co3O4는 바람직하게는 0.0001 - 0.01 wt%, 보다 바람직하게는 0.0005 - 0.003 wt%이다. 0.0001 wt% 미만인 경우에는 회색발현 효과가 미약하고, 0.01 wt%를 초과하는 경우에는 회색발현 효과가 지나치다.
또 다른 한편, 상기 결함-저항성 지르코니아 단미를 기지상으로 하고 Al2O3, MgAl2O4, SrAl12O19등을 포함하는 제 2상 분산 강화제 중 적어도 하나 이상을 첨가하여 혼합함으로 단미의 기계적 물성과 정방정상의 안정성을 증가시킬 수 있다.
상기의 결함-저항성 지르코니아 단미의 물성은 도 1의 SEM 사진에서 보인 바와 같이 평균입경크기가 2 μm 이하에서 효과적으로 발현된다.
평균입경크기가 10μm 이하, 바람직하게는 4μm이하, 보다 바람직하게는 2μm이다. 2μm 이하의 입경에서 강도와 파괴인성 증진의 효과가 있으며 10μm 이상의 입경에서는 저온열화가 일어나 강도의 저하를 가져온다.
상기의 결함-저항성 지르코니아 단미를 CAD/CAM 보철용 블록이나 세라믹 임플란트로의 제조는 분말압축, 사출, 슬립캐스팅 등으로 성형하고 섭씨 1300 - 1750도에서 상압소결하거나 상기 온도 범위에서 상압소결한 후 추가로 고온등압소결(HIP)을 섭씨 1200 - 1700도에서 수행함으로 기계적 물성과 심미성을 향상시킬 수 있다.
상압소결온도는 바람직하게는 1300 - 1700도, 보다 바람직하게는 응용제품에 따라 1350 - 1650도에서 소결한다. 1300도 이하에서는 소결이 불충분하여 기계적 물성이나 심미성 저하의 결과를 가져오고 1750도 이상에서는 입경이 지나치게 커짐으로 효과가 저하된다.
HIP 온도는 바람직하게는 1250 - 1600도, 보다 바람직하게는 응용제품에 따라 1350 - 1600도에서 소결한다. 1250도 이하에서는 소결체의 개기공 때문에 HIP효과가 불충분하며 1700도 이상에서는 입경이 지나치게 커짐으로 효과가 저하된다.

Claims (7)

  1. 76 - 93 mol% ZrO2;
    4 - 12 mol% Y2O3; 및
    Nb2O5와 Ta2O5가 각각 또는 합으로 3 - 12 mol%이고,
    상기 Nb2O5와 Ta2O5는 서로 교환되어 동시에 존재하면서 고용화된 Nb(Ta)2O5 상태인 것을 특징으로 하는 결함-저항성을 가지는 지르코니아 단미 치과용 소재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    Al2O3, MgAl2O4, SrAl12O19를 포함하는 제2상의 분산 강화제 중 적어도 하나 이상을 첨가하여 지르코니아 복합체의 제조 시 기지상으로 사용되는 결함-저항성을 가지는 지르코니아 단미 치과용 소재.
  5. 제1항에 있어서,
    평균 입경 크기는 10 μm 이하인 것을 특징으로 하는 결함-저항성을 가지는 지르코니아 단미 치과용 소재.
  6. 제1항에 있어서,
    분말압축, 사출 또는 슬립캐스팅 중 하나의 방법으로 성형한 뒤, 섭씨 1300 - 1750 도에서 상압소결한 것을 특징으로 하는 결함-저항성을 가지는 지르코니아 단미 치과용 소재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 상압소결 후 추가로 고온등압소결(HIP)을 섭씨 1200 - 1700도에서 수행한 것을 특징으로 하는 결함-저항성을 가지는 지르코니아 단미 치과용 소재.
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