KR102442704B1 - Method of producing a biocompatible titanium base alloy increased by using a titanium-based alloy - Google Patents

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최한철
김현준
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조선대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method of producing a titanium-based alloy with increased biocompatibility by using a titanium-based alloy, and more specifically, to a method of producing a titanium-based alloy with increased biocompatibility by using a titanium-based alloy, in which the biocompatibility is increased by forming a porous oxide film containing Ca ions and P ions and a Sr coating layer on a titanium alloy.

Description

티타늄계 합금을 이용한 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법{Method of producing a biocompatible titanium base alloy increased by using a titanium-based alloy}Method of producing a biocompatible titanium base alloy increased by using a titanium-based alloy}

본 발명은 티타늄계 합금을 이용한 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 티타늄계 합금에 Ca 이온 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막과 Sr 코팅층을 형성하여, 생체적합성을 증대시킬 수 있는 티타늄계 합금을 이용한 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy using a titanium-based alloy, and more specifically, to a titanium-based alloy by forming a porous oxide film and Sr coating layer containing Ca ions and P ions on the titanium-based alloy, It relates to a method for producing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy using a titanium-based alloy that can increase the

일반적으로, 생체용 재료는 생리적으로 사용 되어질 때, 세포 독성이 없고, 부작용이나 인체 거부반응이 없는 생체용 재료로 구성되어야 하고, 화학적으로 안정해야 한다. 또한, 강도, 탄성률, 내마모성, 등의 기계적 물성이 양호해야 하며, 인체 내의 부식 환경에서 견딜 수 있게 내식성이 좋아야 한다.In general, biomaterials should be composed of biomaterials without cytotoxicity, side effects or rejection by the human body when used physiologically, and should be chemically stable. In addition, mechanical properties such as strength, modulus of elasticity, abrasion resistance, etc. must be good, and corrosion resistance must be good to withstand the corrosive environment in the human body.

종래의 생체용 재료는 순수한 티타늄 및 Ti-6Al-4V 합금으로 제조되는데, 이러한 순수한 티타늄 및 Ti-6Al-4V 합금은 높은 강도, 파괴 인성, 내식성 및 생체적합성과 같은 뛰어난 특성을 가지고 있어, 손상된 뼈 또는 관절을 대체하는 생체재료로 치과 및 정형외과에서 사용되고 있다.Conventional biomaterials are made of pure titanium and Ti-6Al-4V alloy. These pure titanium and Ti-6Al-4V alloys have excellent properties such as high strength, fracture toughness, corrosion resistance and biocompatibility, so that damaged bone Or, it is used in dentistry and orthopedics as a biomaterial to replace joints.

하지만, 종래의 순수한 티타늄 및 Ti-6Al-4V는 생물학적 불활성으로 인해 자연적으로 뼈 조직과 충분한 골 유착을 형성할 수 없으며, 특히 순수한 티타늄으로 만든 임플란트는 뼈와 직접 연결하는 것이 어렵다.However, conventional pure titanium and Ti-6Al-4V cannot naturally form sufficient osseointegration with bone tissue due to their biological inertness, and in particular, it is difficult for an implant made of pure titanium to directly connect with bone.

또한, 순수한 티타늄 및 Ti-6Al-4V 합금의 탄성계수는 약 110GPa이며, 피질 뼈의 탄성계수는 약 30GPa로, 순수한 티타늄 및 Ti-6Al-4V 합금과 피질 뼈와의 탄성계수 차이로 인한 응력 차폐 현상은 임플란트 식립 후 피질 뼈 주변의 골 흡수를 유발하게 되어, 최종적으로 임플란트 수술의 실패로 이어지게 되는 문제점이 있었다.In addition, the elastic modulus of pure titanium and Ti-6Al-4V alloy is about 110 GPa, and the elastic modulus of cortical bone is about 30 GPa, which shields stress due to the difference in elastic modulus between pure titanium and Ti-6Al-4V alloy and cortical bone. This phenomenon causes bone resorption around the cortical bone after implant placement, which ultimately leads to the failure of implant surgery.

또한, Ti-6Al-4V 합금으로 제조되는 임플란트는 생리학적 환경에서 오랫동안 사용될 경우, 바나듐이온은 세포독성에 의해 발암성을 지니고 있으며, 알루미늄은 신경성 독성을 가지고 있어, 행동 또는 신경기능에 영향을 미쳐 장애를 유발하거나 알츠하이머 병을 유발하는 문제점이 있었다.In addition, when implants made of Ti-6Al-4V alloy are used for a long time in a physiological environment, vanadium ions have carcinogenic properties due to cytotoxicity, and aluminum has neurotoxicity, which affects behavior or nerve function. There was a problem of causing disability or causing Alzheimer's disease.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 Ti-Nb-Ta 합금을 이용하여, 세포 독성과 신경 독성을 가지고 있지 않고, 피질 뼈와 유사한 탄성계수를 지녀 피질 뼈와의 응력 차폐 현상을 감소 시킬 수 있는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조 방법을 제공 하는 것이다.The present invention has been devised to solve this problem, and an object of the present invention is to use a Ti-Nb-Ta alloy, which does not have cytotoxicity and neurotoxicity, and has an elastic modulus similar to that of cortical bone. It is to provide a method for manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy capable of reducing the stress shielding phenomenon.

본 발명의 다른 목적은 Ti-Nb-Ta 합금의 표면에 플라즈마 전해 산화법으로 Ca 이온 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막을 형성함으로써, 피질 뼈와의 골유착을 증대시킬 수 있는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to form a porous oxide film containing Ca ions and P ions on the surface of the Ti-Nb-Ta alloy by plasma electrolytic oxidation, thereby increasing the biocompatibility of titanium with increased osseointegration with cortical bone. It is intended to provide a method for manufacturing an alloy based alloy.

본 발명의 또 다른 목적은, 다공성 산화피막이 형성된 Ti-Nb-Ta 합금에 RF-마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Sr 코팅층을 더 형성함으로써, 파골세포 증식의 억제와 조골세포 분화를 자극하여, 치유시간을 감소 시킬 수 있는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to further form an Sr coating layer using RF-magnetron sputtering on a Ti-Nb-Ta alloy having a porous oxide film, thereby inhibiting osteoclast proliferation and stimulating osteoblast differentiation, thereby reducing healing time. It is to provide a method for producing a biocompatibility enhancement type titanium-based alloy that can be

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 티타늄계 합금을 제조하는 티타늄계 합금 제조 단계; 제조된 상기 티타늄계 합금을 전해질 용액에 침지시키고, 플라즈마 전해 산화 장치에 펄스전류를 인가하여 상기 티타늄계 합금의 표면에 다공성 산화피막을 형성하는 다공성 산화피막 형성 단계;를 포함하고, 상기 티타늄계 합금은 Ti-35Nb-xTa이고, 여기서 x는 3내지 15인 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a titanium-based alloy manufacturing step of preparing a titanium-based alloy; A porous oxide film forming step of immersing the prepared titanium-based alloy in an electrolyte solution, and applying a pulse current to a plasma electrolytic oxidation device to form a porous oxide film on the surface of the titanium-based alloy; including, the titanium-based alloy is Ti-35Nb-xTa, wherein x is 3 to 15.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 다공성 산화피막 형성 단계 이후에, 상기 다공성 산화피막이 형성된 상기 티타늄계 합금의 표면에 RF-마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여, Sr 코팅층을 더 형성하는 Sr 코팅층 형성 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법을 제공한다.In a preferred embodiment, after the step of forming the porous oxide film, the Sr coating layer forming step of further forming an Sr coating layer by using an RF-magnetron sputtering device on the surface of the titanium-based alloy on which the porous oxide film is formed. It provides a method for producing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy, characterized in that.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전해질 용액은 Ca 이온, P 이온 및 Sr 이온을 포함하며, 더 바람직하게는 칼슘아세트산일수화물[CaH3COO)2·H2O], 글리세로인산칼슘[C3H7CaO6P] 및 초산스트론튬[Sr(CH3COO)2·0.5H2O]을 포함하는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment, the electrolyte solution contains Ca ions, P ions and Sr ions, more preferably calcium acetate monohydrate [CaH 3 COO) 2 ·H 2 O], calcium glycerophosphate [C 3 H 7 CaO 6 P] and strontium acetate [Sr(CH 3 COO) 2 ·0.5H 2 O] are preferred.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전해질 용액은 Ca 및 P 이온을 포함하며, 더 바람직하게는 칼슘아세트산일수화물[CaH3COO)2·H2O] 및 글리세로인산칼슘[C3H7CaO6P]을 포함하는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment, the electrolyte solution contains Ca and P ions, more preferably calcium acetate monohydrate [CaH 3 COO) 2 ·H 2 O] and calcium glycerophosphate [C 3 H 7 CaO 6 P ] is preferred.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 다공성 산화피막 형성 단계는, 250V 내지 280V의 전압이 2분 30초 내지 3분 30초 동안 인가되는 것이 바람직하다. In a preferred embodiment, in the step of forming the porous oxide film, a voltage of 250V to 280V is preferably applied for 2 minutes 30 seconds to 3 minutes 30 seconds.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Sr 코팅층 형성단계는, 상기 RF-마그네트론 스퍼터링 장치의 파워가 40W 내지 60W로 인가되는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment, in the Sr coating layer forming step, the RF-power of the magnetron sputtering device is preferably applied in a range of 40W to 60W.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 티타늄 합금 제조 단계는, 상기 티타늄계 합금을 실리콘 카바이드 연마재를 사용하여 100, 600, 1000 및 2000 방(grit)으로 연하는 제1 연마 단계; 및 연마된 상기 티타늄계 합금을 분말(Al2O3)로 미세연마하는 제2 연마 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment, the titanium alloy manufacturing step comprises: a first polishing step of grinding the titanium-based alloy to 100, 600, 1000 and 2000 grit using a silicon carbide abrasive; and a second polishing step of micropolishing the polished titanium-based alloy into a powder (Al 2 O 3 ).

또한, 본 발명은 상기 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법으로 제조된 티타늄계 합금을 더 제공한다.In addition, the present invention further provides a titanium-based alloy prepared by the method for manufacturing the biocompatibility-enhancing titanium-based alloy.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 티타늄계 합금은 티타늄계 합금, 상기 티타늄계 합금의 표면이 형성되고, Ca 이온 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막 및 상기 다공성 산화피막에 형성된 Sr 코팅층을 포함하고, 상기 티타늄계 합금은 Ti-35Nb-xTa이고, 여기서 x는 3 내지 15이다.In a preferred embodiment, the titanium-based alloy includes a titanium-based alloy, a surface of the titanium-based alloy is formed, a porous oxide film containing Ca ions and P ions, and an Sr coating layer formed on the porous oxide film, and the The titanium-based alloy is Ti-35Nb-xTa, where x is 3 to 15.

또한, 본 발명은 상기 티타늄계 합금으로 제조된 치과용 임플란트를 더 제공한다.In addition, the present invention further provides a dental implant made of the titanium-based alloy.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.The present invention has the following excellent effects.

본 발명의 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법에 의하면, Ti-Nb-Ta 합금을 이용하므로, 세포 독성과 신경 독성을 가지고 있지 않고, 피질 뼈와 유사한 탄성계수를 지녀 피질 뼈와의 응력차폐 현상을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.According to the manufacturing method of the biocompatibility-enhancing titanium-based alloy of the present invention, since Ti-Nb-Ta alloy is used, it does not have cytotoxicity and neurotoxicity, and has an elastic modulus similar to that of cortical bone, thereby shielding stress with cortical bone. It has the effect of reducing the phenomenon.

또한, 본 발명의 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법에 의하면, Ti-Nb-Ta 합금의 표면에 Ca 이온 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막이 형성되어, 생체의 뼈와 화학적 및 구조적인 유사성을 통해 인체 내에서 뼈의 핵형성과 성장에 도움을 주어 골유착을 향상시키고, 표면거칠기가 증가하여 골세포 부착과 골세포 부착에 필요한 단백질의 흡착을 촉진시키는 수 있는 효과가 있는 장점을 지닌다.In addition, according to the manufacturing method of the biocompatibility-enhancing titanium alloy of the present invention, a porous oxide film containing Ca ions and P ions is formed on the surface of the Ti-Nb-Ta alloy, so that it is chemically and structurally similar to the bone of a living body. It has the advantage of improving osseointegration by helping bone nucleation and growth in the human body, and increasing the surface roughness to promote the adhesion of osteocytes and proteins necessary for the adhesion of osteocytes.

또한, 본 발명의 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법에 의하면, 다공성 산화피막이 형성된 Ti-Nb-Ta 합금에 RF-마그네트론 스퍼터링을 통해 Sr 코팅층을 더 형성함으로써, 파골세포 증식의 억제와 조골세포 분화를 자극하여, 치유시간을 감소시켜주는 효과가 있다.In addition, according to the manufacturing method of the biocompatibility-enhancing titanium-based alloy of the present invention, by further forming an Sr coating layer through RF-magnetron sputtering on the Ti-Nb-Ta alloy having a porous oxide film, the inhibition of osteoclast proliferation and osteoblasts It stimulates differentiation and has the effect of reducing the healing time.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법을 설명하기 위한 단계도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법을 설명하기 위한 단계도이다.
도 3은 본 발명의 비교예 3, 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRF 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예 3, 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 광학 현미경 이미지로, (a)는 비교예 3, (b)는 실시예 1, (c)는 실시예 2, (d)는 실시예 3이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1, 비교예 3, 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 그래프이다.
도 6은 본 발명의 비교예 3, 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금을 나노인덴테이션 측정 후 표면에 나타난 압흔자국의 이미지로, (a)는 비교예 3, (b)는 실시예 1, (c)는 실시예 2, (d)는 실시예 3이다.
도 7은 본 발명의 비교예 1 내지 비교예 3 및 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 나노인덴테이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1 내지 비교예 3 및 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 탄성계수 및 압입경도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 비교예 4, 실시예 4 내지 실시예 6을 제조할 때, 플라즈마 전해 산화 처리 시간에 따른 표면에서 일어나는 반응을 관찰한 광학 이미지이다.
도 10은 본 발명의 비교예 5, 실시예 7 내지 실시예 9를 제조할 때, 플라즈마 전해 산화 처리 시간에 따른 표면에서 일어나는 반응을 관찰한 광학 이미지이다.
도 11은 본 발명에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법으로 제조된 티타늄계 합금의 FE-SEM 결과를 나타내는 이미지로 (a), (b), (c), (d)는 10㎛의 배율로 확인한 것이고, (a-1), (b-1), (c-1), (d-1)은 2㎛의 배율로 확인한 것이며, (a), (a-1)은 비교예 4, (b), (b-1)은 실시예 4, (c), (c-1)은 실시예 5, (d), (d-1)은 실시예 6이다.
도 12는 본 발명에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법으로 제조된 티타늄계 합금의 FE-SEM 결과를 나타내는 이미지로 (a), (b), (c), (d)는 10㎛의 배율로 확인한 것이고, (a-1), (b-1), (c-1), (d-1)은 2㎛의 배율로 확인한 것이며, (a), (a-1)은 비교예 5, (b), (b-1)은 실시예 7, (c), (c-1)은 실시예 8, (d), (d-1)은 실시예 9이다.
도 13은 본 발명의 비교예 4, 비교예 5 및 실시예 4 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 기공률을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 비교예 4, 비교예 5 및 실시예 4 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금에서 기공 크기를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 비교예 4, 비교예 5 및 실시예 4 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금에서 기공 수량을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 비교예 4, 비교예 5 및 실시예 4 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금에서 큰 기공의 비율을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 비교예 4, 실시예 4 내지 실시예 6에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 단면을 나타내는 이미지로 (a)는 비교예 4, (b)는 실시예 4, (c)는 실시예 5, (d)는 실시예 6이다.
도 18은 본 발명의 비교예 5, 실시예 7 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 단면을 나타내는 이미지로 (a)는 비교예 5, (b)는 실시예 7, (c)는 실시예 8, (d)는 실시예 9이다.
도 19는 본 발명의 비교예 4, 비교예 5 및 실시예 4 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 산화 피막 두께를 측정한 그래프이다.
도 20은 본 발명의 비교예 4, 실시예 4 내지 실시예 6에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 EDS 결과를 나타내는 이미지로, (a)는 비교예 4, (b)는 실시예 4, (c)는 실시예 5, (d)는 실시예 6이다.
도 21은 본 발명의 비교예 5, 실시예 7 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 ESD 결과를 나타내는 이미지로, (a)는 비교예 5, (b)는 실시예 7, (c)는 실시예 8, (d)는 실시예 9이다.
도 22는 본 발명의 비교예 4, 실시예 4 내지 실시예 6에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 결과를 나타내는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 비교예 5, 실시예 7 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 결과를 나타내는 그래프로
도 24는 본 발명의 비교예 4 및 비교예 5에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 결과를 나타내는 그래프이다.
도 25는 본 발명에서 Sr 코팅층 형성단계의 증착 시간에 따른 표면 이미지를 FE-SEM으로 확인한 결과로 (a), (b), (c), (d), (e)는 기공 근처의 표면 이미지이고, (a-1), (b-1), (c-1), (d-1), (e-1)은 기공 근처가 아닌 곳의 표면 이미지이며, (a), (a-1)은 증착전, (b), (b-1)은 3분, (c), (c-1)은 5분, (d), (d-1)은 10분, (e), (e-1)은 20분일 때의 표면 이미지이다.
도 26은 본 발명의 비교예 6, 실시예 10 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 FE-SEM 결과를 나타내는 이미지로 (a), (b), (c) 및 (d)는 10㎛의 배율로 확인한 것이고, (a-1), (b-1), (c-1) 및 (d-1)은 2㎛의 배율로 확인한 것이며, (a), (a-1)은 비교예 6, (b), (b-1)은 실시예 10, (c), (c-1)은 실시예 11 및 (d), (d-1)은 실시예 12이다.
도 27은 본 발명의 비교예 6, 실시예 10 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 EDS 결과를 나타내는 이미지로, (a)는 비교예 6, (b)는 실시예 10, (c)는 실시예 11 및 (d)는 실시예 12이다.
도 28은 본 발명의 비교예 6, 실시예 10 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 결과를 나타내는 그래프이다.
도 29는 본 발명의 비교예 4 및 비교예 6에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 결과를 나타내는 그래프이다.
도 30은 본 발명의 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 표면 거칠기 시험기를 통해 표면거칠기를 나타내는 그래프이다.
도 31은 본 발명의 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 AFM 결과를 나타내는 2D 이미지로 (a)는 비교예 4, (a-1)은 실시예 4, (a-2)는 실시예 5, (a-3)은 실시예 6, (b)는 비교예 5, (b-1)은 실시예 7, (b-2)는 실시예 8, (b-3)은 실시예 9, (c)는 비교예 6, (c-1)은 실시예 10, (c-2)는 실시예 11, (c-3)은 실시예 12이다.
도 32는 본 발명의 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 AFM 결과를 나타내는 3D 이미지로 (a)는 비교예 4, (a-1)은 실시예 4, (a-2)는 실시예 5, (a-3)은 실시예 6, (b)는 비교예 5, (b-1)은 실시예 7, (b-2)는 실시예 8, (b-3)은 실시예 9, (c)는 비교예 6, (c-1)은 실시예 10, (c-2)는 실시예 11, (c-3)은 실시예 12이다.
도 33은 본 발명의 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 접촉각을 측정한 이미지로 (a)는 비교예 3, (b)는 실시예 1, (c)는 실시예 2, (d)는 실시예 3, (a-1)은 비교예 4, (b-1)은 실시예 4, (c-1)는 실시예 5, (d-1)은 실시예 6, (a-2)는 비교예 5, (b-2)는 실시예 7, (c-2)는 실시예 8, (d-2)는 실시예 9, (a-3)은 비교예 6, (b-3)은 실시예 10, (c-3)은 실시예 11, (d-3)은 실시예 12이다.
도 34는 본 발명의 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금을 SBF 용액에 침지하여, 1일후 수산화인회석의 모습을 100㎛의 배율로 관찰한 FE-SEM 이미지로 (a)는 비교예 3, (b)는 실시예 1, (c)는 실시예 2, (d)는 실시예 3, (a-1)은 비교예 4, (b-1)은 실시예 4, (c-1)은 실시예 5, (d-1)은 실시예 6, (a-2)는 비교예 5, (b-2)는 실시예 7, (c-2)는 실시예 8, (d-2)는 실시예 9, (a-3)은 비교예 6, (b-3)은 실시예 10, (c-3)은 실시예 11, (d-3)은 실시예 12이다.
도 35는 본 발명의 실시예 7과 실시예 10에서 각각 제조된 티타늄계 합금을 SBF 용액에 침지하여, 1일후 수산화인회석의 모습을 2㎛의 배율로 관찰한 FE-SEM 이미지로 (a)는 실시예 7, (b)는 실시예 10이다.
도 36은 본 발명의 실시예 1, 실시예 4, 실시예 7 및 실시예 10에서 각각 제조된 티타늄계 합금을 SBF 용액에 침지후, 1일후 수산화인회석의 모습을 관찰한 FE-SEM 이미지로 (a), (b), (c), (d)는 4㎛의 배율로 확인한 것이고, (a-1), (b-1), (c-1) 및 (d-1)은 400㎚의 배율로 확인한 것이며, (a), (a-1)은 실시예 1, (b), (b-1)은 실시예 4, (c), (c-1)은 실시예 7, (d), (d-1)은 실시예 10이다.
도 37은 본 발명에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 티타늄계 합금의 수신화인회석의 핵형성 및 성장 과정의 모식도이다.
도 38은 본 발명의 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금에 2일동안 배양한 MC3T3-E1 조골모 세포의 형태를 100㎛의 배율로 나타낸 FE-SEM 이미지로 (a)는 비교예 3, (b)는 실시예 1, (c)는 실시예 2, (d)는 실시예 3, (a-1)은 비교예 4, (b-1)은 실시예 4, (c-1)은 실시예 5, (d-1)은 실시예 6, (a-2)는 비교예 5, (b-2)는 실시예 7, (c-2)는 실시예 8, (d-2)는 실시예 9, (a-3)은 비교예 6, (b-3)은 실시예 10, (c-3)은 실시예 11, (d-3)은 실시예 12이다.
도 39는 본 발명의 비교예 3, 실시예 1, 실시예 4, 실시예 7 및 실시예 10에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 표면 형태에 따른 세포성장을 나타낸 FE-SEM 이미지로 (a), (b), (c), (d)는 10㎛의 배율로 확인한 것이고, (a-1), (b-1), (c-1), (d-1)은 2㎛의 배율로 확인한 것이며, (a), (a-1)은 비교예 3, (b), (b-1)은 실시예 1, (c), (c-1)은 실시예 4, (d), (d-1)은 실시예 7, (e), (e-1)은 실시예 10이다.
1 is a step diagram for explaining a method of manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to a first embodiment of the present invention.
2 is a step diagram for explaining a method of manufacturing a biocompatibility enhanced titanium-based alloy according to a second embodiment of the present invention.
3 is an XRF graph of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 3 and Examples 1 to 3 of the present invention, respectively.
4 is an optical microscope image of a titanium-based alloy prepared in Comparative Example 3, Examples 1 to 3, respectively, of the present invention, (a) is Comparative Example 3, (b) is Example 1, (c) is Example 2, (d) is Example 3.
5 is an XRD graph of each titanium-based alloy prepared in Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Examples 1 to 3 of the present invention.
6 is an image of the indentation marks appearing on the surface of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 3 and Examples 1 to 3 of the present invention after nanoindentation measurement, (a) is Comparative Example 3, (b) ) is Example 1, (c) is Example 2, (d) is Example 3.
7 is a graph showing the nanoindentation results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3 of the present invention, respectively.
8 is a graph showing the elastic modulus and indentation hardness of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3, respectively, of the present invention.
9 is an optical image observing the reaction occurring on the surface according to the plasma electrolytic oxidation treatment time when preparing Comparative Examples 4 and 4 to 6 of the present invention.
10 is an optical image observing the reaction occurring on the surface according to the plasma electrolytic oxidation treatment time when preparing Comparative Examples 5 and 7 to 9 of the present invention.
11 is an image showing the FE-SEM results of the titanium-based alloy prepared by the method for producing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the present invention, (a), (b), (c), (d) is 10㎛ (a-1), (b-1), (c-1), and (d-1) are confirmed at a magnification of 2 μm, (a), (a-1) is a comparative example 4, (b), (b-1) is Example 4, (c), (c-1) is Example 5, (d), (d-1) is Example 6.
12 is an image showing the FE-SEM results of the titanium-based alloy prepared by the method for producing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the present invention. (a), (b), (c), (d) is 10 μm; (a-1), (b-1), (c-1), and (d-1) are confirmed at a magnification of 2 μm, (a), (a-1) is a comparative example 5, (b), (b-1) is Example 7, (c), (c-1) is Example 8, (d), (d-1) is Example 9.
13 is a graph showing the porosity of each titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4, Comparative Example 5, and Examples 4 to 9 of the present invention.
14 is a graph showing pore sizes in each of the titanium-based alloys prepared in Comparative Example 4, Comparative Example 5, and Examples 4 to 9 of the present invention.
15 is a graph showing the number of pores in each titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4, Comparative Example 5, and Examples 4 to 9 of the present invention.
16 is a graph showing the ratio of large pores in the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4, Comparative Example 5, and Examples 4 to 9 of the present invention, respectively.
17 is an image showing a cross-section of a titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4 and Examples 4 to 6 of the present invention, respectively, (a) is Comparative Example 4, (b) is Example 4, (c) is Examples 5 and (d) are Example 6.
18 is an image showing a cross section of a titanium-based alloy prepared in Comparative Example 5 and Examples 7 to 9 of the present invention, respectively, (a) is Comparative Example 5, (b) is Example 7, (c) is Example 8, (d) is Example 9.
19 is a graph of measuring the oxide film thickness of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4, Comparative Example 5, and Examples 4 to 9 of the present invention, respectively.
20 is an image showing the EDS results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4, Examples 4 to 6, respectively, of the present invention, (a) is Comparative Example 4, (b) is Example 4, (c) ) is Example 5, (d) is Example 6.
21 is an image showing the ESD results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 5 and Examples 7 to 9 of the present invention, respectively, (a) is Comparative Example 5, (b) is Example 7, (c) ) is Example 8, (d) is Example 9.
22 is a graph showing XRD results of titanium-based alloys prepared in Comparative Example 4 and Examples 4 to 6 of the present invention, respectively.
23 is a graph showing XRD results of titanium-based alloys prepared in Comparative Example 5 and Examples 7 to 9 of the present invention, respectively;
24 is a graph showing XRD results of titanium-based alloys prepared in Comparative Examples 4 and 5 of the present invention, respectively.
25 is a result of confirming the surface image according to the deposition time of the Sr coating layer forming step in the present invention by FE-SEM. (a), (b), (c), (d), (e) are surface images near the pores. and (a-1), (b-1), (c-1), (d-1), (e-1) are surface images not near the pore, (a), (a-1) ) is before deposition, (b), (b-1) is 3 min, (c), (c-1) is 5 min, (d), (d-1) is 10 min, (e), (e) -1) is the surface image at 20 minutes.
26 is an image showing the FE-SEM results of titanium-based alloys prepared in Comparative Example 6, Examples 10 to 12, respectively, of the present invention, (a), (b), (c) and (d) are 10 It was confirmed with a magnification of μm, (a-1), (b-1), (c-1) and (d-1) were confirmed with a magnification of 2 μm, and (a), (a-1) were compared Examples 6, (b) and (b-1) are Example 10, (c), (c-1) are Example 11, and (d), (d-1) is Example 12.
27 is an image showing the EDS results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 6, Examples 10 to 12, respectively, of the present invention, (a) is Comparative Example 6, (b) is Example 10, (c) ) is Example 11 and (d) is Example 12.
28 is a graph showing XRD results of titanium-based alloys prepared in Comparative Example 6 and Examples 10 to 12 of the present invention, respectively.
29 is a graph showing XRD results of titanium-based alloys prepared in Comparative Examples 4 and 6 of the present invention, respectively.
30 is a graph showing the surface roughness through a surface roughness tester of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12 of the present invention, respectively.
31 is a 2D image showing the AFM results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12 of the present invention, respectively, (a) is Comparative Example 4, (a-1) is Example 4, (a-2) is Example 5, (a-3) is Example 6, (b) is Comparative Example 5, (b-1) is Example 7, (b-2) is Example 8, (b-3) is Example 9, (c) is Comparative Example 6, (c-1) is Example 10, (c-2) is Example 11, (c-3) is Example 12 .
32 is a 3D image showing the AFM results of titanium-based alloys prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12, respectively, of the present invention. (a) is Comparative Example 4, (a-1) is Example 4, (a-2) is Example 5, (a-3) is Example 6, (b) is Comparative Example 5, (b-1) is Example 7, (b-2) is Example 8, (b-3) is Example 9, (c) is Comparative Example 6, (c-1) is Example 10, (c-2) is Example 11, (c-3) is Example 12 .
33 is an image measuring the contact angle of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12 of the present invention, respectively, (a) is Comparative Example 3, (b) is Example 1 , (c) is Example 2, (d) is Example 3, (a-1) is Comparative Example 4, (b-1) is Example 4, (c-1) is Example 5, (d- 1) is Example 6, (a-2) is Comparative Example 5, (b-2) is Example 7, (c-2) is Example 8, (d-2) is Example 9, (a- 3) is Comparative Example 6, (b-3) is Example 10, (c-3) is Example 11, (d-3) is Example 12.
34 is FE observation of the appearance of hydroxyapatite at a magnification of 100 μm after 1 day by immersing the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12, respectively, in an SBF solution of the present invention; -SEM image (a) is Comparative Example 3, (b) is Example 1, (c) is Example 2, (d) is Example 3, (a-1) is Comparative Example 4, (b-1) ) is Example 4, (c-1) is Example 5, (d-1) is Example 6, (a-2) is Comparative Example 5, (b-2) is Example 7, (c-2) ) is Example 8, (d-2) is Example 9, (a-3) is Comparative Example 6, (b-3) is Example 10, (c-3) is Example 11, (d-3) ) is Example 12.
35 is an FE-SEM image in which the titanium-based alloy prepared in Examples 7 and 10 of the present invention, respectively, was immersed in an SBF solution, and the appearance of hydroxyapatite was observed at a magnification of 2 μm after one day (a) is Example 7, (b) is Example 10.
36 is an FE-SEM image of observing the appearance of hydroxyapatite after 1 day after immersing the titanium-based alloy prepared in Examples 1, 4, 7 and 10 of the present invention in an SBF solution ( a), (b), (c) and (d) are confirmed at a magnification of 4 μm, and (a-1), (b-1), (c-1) and (d-1) are 400 nm It is confirmed by magnification, (a), (a-1) is Example 1, (b), (b-1) is Example 4, (c), (c-1) is Example 7, (d) , (d-1) is Example 10.
37 is a schematic diagram of the nucleation and growth process of hydroxyapatite of a titanium-based titanium-based alloy with increased biocompatibility according to the present invention.
38 is a FE showing the morphology of MC3T3-E1 osteoblasts at a magnification of 100 μm, which were cultured for 2 days in the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12, respectively, of the present invention. -SEM image (a) is Comparative Example 3, (b) is Example 1, (c) is Example 2, (d) is Example 3, (a-1) is Comparative Example 4, (b-1) ) is Example 4, (c-1) is Example 5, (d-1) is Example 6, (a-2) is Comparative Example 5, (b-2) is Example 7, (c-2) ) is Example 8, (d-2) is Example 9, (a-3) is Comparative Example 6, (b-3) is Example 10, (c-3) is Example 11, (d-3) ) is Example 12.
Figure 39 is an FE-SEM image showing cell growth according to the surface shape of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 3, Example 1, Example 4, Example 7 and Example 10 of the present invention, respectively (a), (b), (c), (d) are confirmed with a magnification of 10㎛, (a-1), (b-1), (c-1), (d-1) is confirmed with a magnification of 2㎛ (a), (a-1) is Comparative Example 3, (b), (b-1) is Example 1, (c), (c-1) is Example 4, (d), (d) -1) is Example 7, (e), (e-1) is Example 10.

본 발명에서 사용되는 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.The terms used in the present invention used in the present invention have been selected as widely used general terms as possible, but in specific cases, there are also terms arbitrarily selected by the applicant. The meaning should be grasped in consideration of the meaning used.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numerals refer to like elements throughout.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법을 설명하기 위한 단계도이다.1 is a step diagram for explaining a method of manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법은 티타늄계 합금에 플라즈마 전해 산화 장치를 이용하여 다공성 산화피막을 형성시켜, 임플란트용 합금을 제조하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법이다.Referring to Figure 1, the biocompatibility enhancement type titanium-based alloy manufacturing method according to the first embodiment of the present invention is to form a porous oxide film on the titanium-based alloy using a plasma electrolytic oxidation device to produce an alloy for implants. A method of manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy.

먼저, 티타늄계 합금을 제조하는 티타늄계 합금 제조단계(S100)가 수행된다.First, a titanium-based alloy manufacturing step (S100) of manufacturing a titanium-based alloy is performed.

상기 티타늄계 합금은 Ti 금속, Nb 금속 및 Ta 금속을 진공 아크 용해로에 투입하고, 아르곤(Ar) 기체 분위기 하에서 1000℃ 내지 1100℃의 온도 조건으로 1시간 열처리한 다음, 0℃에서 수냉 시켜 Ti-Nb-Ta 합금으로 제조할 수 있다.In the titanium-based alloy, Ti metal, Nb metal, and Ta metal are put into a vacuum arc melting furnace, heat-treated for 1 hour at a temperature of 1000° C. to 1100° C. under an argon (Ar) gas atmosphere, and then cooled with water at 0° C. It can be made of Nb-Ta alloy.

여기서, 상기 티타늄계 합금은 Ti-35Nb-xTa이고, x는 3 내지 15인 것이 바람직하다.Here, the titanium-based alloy is Ti-35Nb-xTa, and x is preferably 3 to 15.

그 이유는 상기 Ta의 함량이 3중량% 미만일 경우 탄성계수가 피질 뼈와의 탄성계수 차이로 인해 응력차폐 현상이 발생되고, 상기 Ta의 함량이 35중량%를 초과할 경우 세포의 성장이 저하되어 치유시간이 증가되기 때문이다.The reason is that when the Ta content is less than 3% by weight, the stress shielding phenomenon occurs due to the difference in the elastic modulus with the cortical bone, and when the Ta content exceeds 35% by weight, cell growth is reduced. This is because the healing time is increased.

또한, 상기 티타늄계 합금 제조 단계(S100)는 제1 연마 단계 및 제2 연마 단계를 포함할 수 있다.In addition, the titanium-based alloy manufacturing step (S100) may include a first polishing step and a second polishing step.

여기서, 상기 제1 연마 단계는 제조된 상기 티타늄계 합금을 카바이드 연마재를 사용하여 100, 600, 1000 및 2000 방(grit)으로 연마하고, 상기 제2 연마 단계에서는 연마된 티타늄계 합금은 0.3㎛ 알루미나 분말(Al2O3)을 이용하여 미세연마한다.Here, in the first polishing step, the prepared titanium-based alloy is polished to 100, 600, 1000 and 2000 grit using a carbide abrasive, and in the second polishing step, the polished titanium-based alloy is 0.3 μm alumina Fine grinding using powder (Al 2 O 3 ).

다음, 상기 Ti-Nb-Ta 합금의 표면에 플라즈마 전해 산화 장치(PEO:Plasma Electrolytic Oxidation)를 이용하여 다공성 산화피막을 형성하는 다공성 산화피막 형성 단계(S200)가 수행된다.Next, a porous oxide film forming step (S200) of forming a porous oxide film on the surface of the Ti-Nb-Ta alloy using a plasma electrolytic oxidation (PEO) is performed.

상기 다공성 산화피막 형성 단계(S200)는 제조된 Ti-Nb-Ta 합금을 전해질 용액에 침지시키고, 플라즈마 전해 산화 장치에 펄스전류를 인가하여, 다공성 산화피막을 형성시킨다. In the porous oxide film forming step (S200), the prepared Ti-Nb-Ta alloy is immersed in an electrolyte solution, and a pulse current is applied to a plasma electrolytic oxidation device to form a porous oxide film.

이때, 상기 펄스전류는 250~280V의 전압으로, 2분 30초 내지 3분 30초 동안 인가될 수 있다.At this time, the pulse current may be applied at a voltage of 250 to 280V for 2 minutes and 30 seconds to 3 minutes and 30 seconds.

여기서, 상기 전해질 용액은 Ca 이온, P 이온 및 Sr 이온을 포함하여 이루어진다.Here, the electrolyte solution comprises Ca ions, P ions and Sr ions.

보다 구체적으로, 상기 전해질 용액은 Ca 이온이 함유된 칼슘아세트산일수화물[Ca(CH3COO)2·H2O], P 이온이 함유된 글리세로인산칼슘[C3H7CaO6P] 및 Sr 이온이 함유된 초산스트론튬[Sr(CH3COO)2·0.5H2O]을 포함한다.More specifically, the electrolyte solution contains calcium acetate monohydrate [Ca(CH 3 COO) 2 ·H 2 O] containing Ca ions, calcium glycerophosphate containing P ions [C 3 H 7 CaO 6 P] and Contains strontium acetate [Sr(CH 3 COO) 2 ·0.5H 2 O] containing Sr ions.

여기서, 상기 전해질 용액에 포함되어 있는 Ca 및 P 이온은 안정적이고, 밀도가 높으며, 화학적 구조적으로 뼈의 미네랄 성분과 높은 유사성을 지니는 HA(하이드록시 아파타이트)구조가 포함된 산화층을 형성할 수 있다.Here, Ca and P ions contained in the electrolyte solution may form an oxide layer including a HA (hydroxyapatite) structure that is stable, has a high density, and has a high chemical and structural similarity to a mineral component of bone.

또한, 상기 전해질 용액에 포함되어 있는 Sr 이온은 파골세포 증식 억제와 조골세포의 분화를 촉진하여 골적합성을 향상 시킬 수 있다.In addition, Sr ions contained in the electrolyte solution can improve osteocompatibility by inhibiting osteoclast proliferation and promoting osteoblast differentiation.

또한, 본 발명은 제1 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법으로 제조된 생체적합성 증대형 티타늄계 합금을 더 제공한다.In addition, the present invention further provides a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy manufactured by the method for manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the first embodiment.

상기 생체적합성 티타늄계 합금은 티타늄계 합금과 다공성 산화피막을 포함하여 이루어진다.The biocompatible titanium-based alloy comprises a titanium-based alloy and a porous oxide film.

여기서, 상기 티타늄계 합금은 Ti-Nb-Ta합금으로 Ta, Nb는 Ti의 β-안정화 원소로 Ti-6Al-4V 합금보다 독성이 낮으며, 넓은 범위의 pH에서 매우 안정적이기 때문에 생체적합성에 유리하고, Ti 합금의 탄성계수를 낮추는데 기여하여 응력 차폐 현상을 줄여 골적합성을 향상 시킬 수 있다.Here, the titanium-based alloy is a Ti-Nb-Ta alloy, and Ta and Nb are β-stabilizing elements of Ti, which are less toxic than Ti-6Al-4V alloys, and are very stable in a wide range of pH, so it is advantageous for biocompatibility And, it contributes to lowering the modulus of elasticity of the Ti alloy, thereby reducing the stress shielding phenomenon and improving bone compatibility.

또한, 상기 티타늄계 합금은 Ti-35Nb-xTa이고, 여기서 x는 3 내지 15인 것이 바람직하다.In addition, the titanium-based alloy is Ti-35Nb-xTa, where x is preferably 3 to 15.

또한, 상기 다공성 산화피막은 상기 티타늄계 합금의 표면에 형성되며, Ca, P 및 Sr 이온을 포함한다.In addition, the porous oxide film is formed on the surface of the titanium-based alloy, and includes Ca, P and Sr ions.

여기서, Ca, P, Sr 이온이 포함된 상기 다공성 산화피막은 HA 구조를 형성하여 화학적 및 구조적으로 뼈의 미네랄 성분과 높은 유사성을 지녀 생체적합성을 증대시키는 역할을 하고, 다공성 산화피막에 포함된 Sr 이온은 파골세포 증식 억제와 조골세포의 분화 촉진을 통해 골적합성을 향상시키는 역할을 한다.Here, the porous oxide film containing Ca, P, and Sr ions forms an HA structure and chemically and structurally has a high similarity with the mineral component of bone to increase biocompatibility, and Sr contained in the porous oxide film Ions play a role in improving osteocompatibility by inhibiting osteoclast proliferation and promoting osteoblast differentiation.

또한, 본 발명은 상기 생체적합성 티타늄계 합금으로 제조된 치과용 임플라트를 더 제공한다.In addition, the present invention further provides a dental implant made of the biocompatible titanium-based alloy.

본 발명에서 제공되는 상기 치과용 임플란트는 생체에 적합하고, 치유기간을 감소시킬 수 있는 장점을 지닌다.The dental implant provided in the present invention is biocompatible and has the advantage of reducing the healing period.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법을 설명하기 위한 단계도이다.2 is a step diagram for explaining a method of manufacturing a biocompatibility enhanced titanium-based alloy according to a second embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예의 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법은 티타늄계 합금을 제조한 다음, 제조된 티타늄계 합금에 플라즈마 전해 산화장치를 이용하여 Ca 이온과 P 이온이 포함된 다공성 산화피막을 형성한 이후, RF-마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 Sr 코팅층을 형성하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금 제조방법이다. Referring to FIG. 2 , in the method of manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to a second embodiment of the present invention, a titanium-based alloy is prepared, and then Ca ions and P After forming a porous oxide film containing ions, it is a biocompatibility enhancement type titanium-based alloy manufacturing method in which an Sr coating layer is formed using an RF-magnetron sputtering device.

즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법은, 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법과 비교하여, 다공성 산화피막 형성단계(S200)에서는 Ca, P, Sr 이온이 아닌 Ca, P 이온을 포함하는 전해질 용액이 이용되고, 다공성 산화피막 형성 단계(S200) 이후에 Sr 코팅층 형성 단계(S300)가 더 수행된다.That is, the manufacturing method of the biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the second embodiment of the present invention is compared with the manufacturing method of the biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the first embodiment of the present invention described above, porous oxidation In the film forming step (S200), an electrolyte solution containing Ca and P ions rather than Ca, P, and Sr ions is used, and the Sr coating layer forming step (S300) is further performed after the porous oxide film forming step (S200).

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to a second embodiment of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 제2 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법은 먼저, 티타늄계 합금을 제조하는 티타늄계 합금 제조 단계(S100)가 수행된다.In the method of manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to a second embodiment of the present invention, first, a titanium-based alloy manufacturing step (S100) of manufacturing a titanium-based alloy is performed.

여기서, 상기 티타늄계 합금 제조 단계(S100)는 본 발명의 제1 실시예의 티타늄계 합금 제조단계(S100)과 실질적으로 동일한 구성이므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Here, since the titanium-based alloy manufacturing step (S100) has substantially the same configuration as the titanium-based alloy manufacturing step (S100) of the first embodiment of the present invention, the overlapping description will be omitted.

다음, 제조된 상기 Ti-Nb-Ta 합금의 표면에 다공성 산화피막을 형성하는 다공성 산화피막 형성 단계(S200)가 수행된다.Next, a porous oxide film forming step (S200) of forming a porous oxide film on the surface of the prepared Ti-Nb-Ta alloy is performed.

상기 다공성 산화피막 형성 단계(S200)에서는, 제조된 Ti-Nb-Ta 합금을 Ca 이온과 P 이온을 포함하는 전해질 용액에 침지시키고, 플라즈마 전해 산화 장치에 펄스전류를 인가하여, Ca 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막이 형성된다. In the porous oxide film formation step (S200), the prepared Ti-Nb-Ta alloy is immersed in an electrolyte solution containing Ca ions and P ions, and a pulse current is applied to the plasma electrolytic oxidation device to generate Ca and P ions. A porous oxide film containing

보다 구체적으로, 본 발명의 제2 실시예에서 사용되는 상기 전해질 용액은 Ca 이온이 함유된 칼슘아세트산일수화물[Ca(CH3COO)2·H2O]과, P 이온이 함유된 글리세로인산칼슘[C3H7CaO6P]을 포함한다.More specifically, the electrolyte solution used in the second embodiment of the present invention contains calcium acetate monohydrate [Ca(CH 3 COO) 2 ·H 2 O] containing Ca ions and glycerophosphoric acid containing P ions. calcium [C 3 H 7 CaO 6 P].

이는 상기 다공성 산화피막에 Sr 이온은 포함되지 않고, Ca 및 P 이온이 함유되게하여, 제1 실시예의 다공성 산화피막보다 화학적 및 구조적으로 뼈의 미네랄 성분보다 높은 유사성을 지닌 HA(하이드록시 아파타이트)구조가 포함된 산화층을 형성하기 위함이다. This is because the porous oxide film does not contain Sr ions, but contains Ca and P ions, so that the HA (hydroxyapatite) structure has a higher chemical and structural similarity than the mineral component of bone than the porous oxide film of the first embodiment. to form an oxide layer containing

즉, 본 발명에 따른 제2 실시예의 다공성 산화피막 형성단계는 본 발명의 제1 실시예의 다공성 산화피막 형성단계와 비교하여, 전해질 용액에 Ca 및 P 이온이 포함되는 것을 제외하면, 나머지 구성은 서로 동일하다.That is, the step of forming the porous oxide film of the second embodiment according to the present invention is compared with the step of forming the porous oxide film of the first embodiment of the present invention, except that Ca and P ions are included in the electrolyte solution, and the remaining components are each other same.

다음, 상기 다공성 산화피막이 형성된 티타늄계 합금의 표면에 RF-마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 Sr 코팅층을 형성하는 Sr 코팅층 형성단계(S300)가 수행된다.Next, an Sr coating layer forming step (S300) of forming an Sr coating layer on the surface of the titanium-based alloy on which the porous oxide film is formed by using an RF-magnetron sputtering device is performed.

상기 Sr 코팅층 형성단계(S300)에서는 상기 다공성 산화피막 형성단계(S200)를 통해 형성된 Ca 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막의 표면에 균일한 형태의 Sr 코팅층을 더 형성하기 위한 것이다.The Sr coating layer forming step (S300) is to further form a uniform Sr coating layer on the surface of the porous oxide layer including Ca and P ions formed through the porous oxide layer forming step (S200).

또한, 상기 RF-마그네트론 스퍼터링 장치의 파워는 40W 내지 60W로 인가되는 것이 바람직하다.In addition, the RF-power of the magnetron sputtering device is preferably applied to 40W to 60W.

이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법은 본 발명의 제1 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법과 비교하여, 화학적 및 구조적으로 뼈의 미네랄 성분과 매우 유사한 HA구조를 포함하는 다공성 산화피막을 형성할 수 있고, 다공성 산화피막의 표면에는 Sr 코팅층이 더 증착되므로, 다공성 산화피막에 함유되는 Sr의 함량과 비교하여, Sr의 함유량을 보다 증대 시킬 수 있게 되어, 골 적합성을 더욱 증대시킬 수 있다.Accordingly, the manufacturing method of the biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the second embodiment of the present invention is chemically and structurally compared to the manufacturing method of the biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the first embodiment of the present invention. It is possible to form a porous oxide film containing an HA structure very similar to the mineral component of bone, and since an Sr coating layer is further deposited on the surface of the porous oxide film, the content of Sr compared to the content of Sr contained in the porous oxide film can be further increased, and bone fitness can be further increased.

또한, 본 발명은 제2 실시예에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법으로 제조된 생체적합성 증대형 티타늄계 합금을 더 제공한다.In addition, the present invention further provides a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy manufactured by the method for manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the second embodiment.

상기 생체적합성 증대형 티타늄계 합금은 티타늄계 합금과 다공성 산화피막, 다공성 산화피막에 코팅된 Sr 코팅층으로 이루어져 있으며, 상기 티타늄계 합금은 본 발명의 제1 실시예와 동일하다.The biocompatibility-enhancing titanium-based alloy is composed of a titanium-based alloy, a porous oxide film, and an Sr coating layer coated on the porous oxide film, and the titanium-based alloy is the same as in the first embodiment of the present invention.

또한, 상기 다공성 산화피막은 상기 티타늄계 합금의 표면에 형성되며, Ca 및 P 이온을 포함한다.In addition, the porous oxide film is formed on the surface of the titanium-based alloy, and includes Ca and P ions.

여기서, Ca 및 P 이온이 포함된 상기 다공성 산화피막은 본 발명의 제1 실시예의 Ca, P 및 Sr 이온이 포함된 다공성 산화피막과 비교하여, HA구조를 형성하여 화학적 및 구조적으로 뼈의 미네랄 성분과 더 높은 유사성을 지녀 생체적합성을 증대시키는 역할을 할 수 있다.Here, the porous oxide film containing Ca and P ions forms an HA structure, chemically and structurally, as compared to the porous oxide film containing Ca, P and Sr ions of the first embodiment of the present invention. It may have a higher similarity to that and may play a role in enhancing biocompatibility.

또한, Ca 및 P 이온이 포함된 상기 다공성 산화피막에 Sr 코팅층을 더 형성하여, 본 발명의 제1 실시예의 Sr 조성보다 더 높은 조성을 가진 Sr 코팅이 가능하고, 이를 통해 상기 Sr 코팅층을 형성하는 것은 골적합성을 더 향상시킬 수 있는 역할을 한다.In addition, by further forming an Sr coating layer on the porous oxide film containing Ca and P ions, an Sr coating having a higher composition than the Sr composition of the first embodiment of the present invention is possible, and forming the Sr coating layer through this It can play a role in further improving osseointegration.

또한, 본 발명은 상기 생체적합성 증대형 티타늄계 합금으로 제조되는 치과용 임플란트를 더 제공한다.In addition, the present invention further provides a dental implant made of the biocompatibility enhancement type titanium-based alloy.

상기 치과용 임플란트는 본 발명의 제1 실시예에 따른 치과용 임플란트와 비교하여, 생체에 보다 적합하고, 치유기간을 더 감소시킬 수 있는 장점을 지닌다.The dental implant is more suitable for a living body and has the advantage of further reducing the healing period compared to the dental implant according to the first embodiment of the present invention.

실시예 1(Ti-35Nb-3Ta 합금)Example 1 (Ti-35Nb-3Ta alloy)

고순도의 아르곤 분위기 하의 진공 아크로-용해로에서, 미량의 산소를 제거하기 위해 순수한 티타늄을 5회 내지 10회 용융시킨다.In a vacuum arc furnace-melting furnace under a high-purity argon atmosphere, pure titanium is melted 5 to 10 times to remove trace oxygen.

다음, 펠렛 형태의 Ti, Nb 및 Ta을 각각 버튼 모양으로 10회, 잉곳 모양으로 10회 용융시켜 각 합금의 균질성을 높인다. Next, Ti, Nb and Ta in the form of pellets are melted 10 times in a button shape and 10 times in an ingot shape, respectively, to increase the homogeneity of each alloy.

이어서, 제조된 잉곳 모양의 합금을 2000rpm의 속도로 작동하는 다이아몬드 커팅머신을 사용하여 3mm의 두께로 절단하였다.Then, the manufactured ingot-shaped alloy was cut to a thickness of 3 mm using a diamond cutting machine operating at a speed of 2000 rpm.

이어서, 절단된 합금을 고순도 아르곤 분위기 하에서 1시간 동안 1000℃ 내지 1100℃에서 열처리를 수행한 후 0℃로 수냉시켜 균질화 처리한다. Subsequently, the cut alloy is subjected to heat treatment at 1000° C. to 1100° C. for 1 hour under a high-purity argon atmosphere, followed by water cooling to 0° C. to homogenize.

이후, 균질화 처리된 상기 Ti-Nb-Ta 합금을 카바이드 연마재를 사용하여 100, 600, 1000 및 2000 방(grit)으로 연마하고, 0.3㎛ 알루미나 분말(Al2O3)을 이용하여 미세연마하여 Ti-35Nb-3Ta 합금을 수득하였다.Thereafter, the homogenized Ti-Nb-Ta alloy is polished to 100, 600, 1000 and 2000 grit using a carbide abrasive, and finely polished using 0.3 μm alumina powder (Al 2 O 3 ) to Ti -35Nb-3Ta alloy was obtained.

실시예 2(Ti-35Nb-7Ta 합금)Example 2 (Ti-35Nb-7Ta alloy)

Ta의 함량이 7중량% 인 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 조건에서 제조된 Ti-35Nb-7Ta 합금을 수득하였다.A Ti-35Nb-7Ta alloy prepared under the same conditions as in Example 1 was obtained, except that the Ta content was 7% by weight.

실시예 3(Ti-35Nb-15Ta합금)Example 3 (Ti-35Nb-15Ta alloy)

Ta의 함량이 15중량% 인 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 조건에서 제조된 Ti-35Nb-15Ta 합금을 수득하였다.A Ti-35Nb-15Ta alloy prepared under the same conditions as in Example 1 was obtained, except that the Ta content was 15% by weight.

실시예 4(Ti-35Nb-3Ta 합금 + PEO(Ca, P)처리)Example 4 (Ti-35Nb-3Ta alloy + PEO (Ca, P) treatment)

실시예 1의 Ti-35Nb-3Ta 합금의 표면에 플라즈마 전해 산화 처리를 하기 위해 2000방(grit)까지 카바이드 연마재를 사용하여 연마한 다음, 에틸-알코올 및 증류수로 세척하여 샘플을 준비하였다. In order to perform plasma electrolytic oxidation treatment on the surface of the Ti-35Nb-3Ta alloy of Example 1, a sample was prepared by polishing up to 2000 grit using a carbide abrasive and then washing with ethyl-alcohol and distilled water.

이어서, DC 전원을 사용하여 세척된 샘플을 양극으로 사용하고, 탄소봉을 음극으로 설치 후 280V의 전압을 3분동안 인가하였다. Then, the sample washed using DC power was used as an anode, and a carbon rod was installed as a cathode, and then a voltage of 280V was applied for 3 minutes.

코팅된 샘플을 에틸-알코올 및 증류수로 세척 후 공기중에서 건조하여 다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-3Ta 합금을 수득하였다.The coated sample was washed with ethyl-alcohol and distilled water and dried in air to obtain a Ti-35Nb-3Ta alloy with a porous oxide film.

여기서, 상기 전해질 용액은 칼슘아세트산일수화물[Ca(CH3COO)2·H2O] 0.015M과 글리세로인산칼슘[C3H7CaO6P] 0.02M의 혼합용액을 이용하였다.Here, the electrolyte solution was a mixed solution of calcium acetate monohydrate [Ca(CH 3 COO) 2 ·H 2 O] 0.015M and calcium glycerophosphate [C 3 H 7 CaO 6 P] 0.02M.

실시예 5(Ti-35Nb-7Ta 합금 + PEO(Ca, P)처리)Example 5 (Ti-35Nb-7Ta alloy + PEO (Ca, P) treatment)

실시예 2를 이용한 것을 제외하면, 실시예 4와 동일한 조건에서 플라즈마 전해 산화법을 수행하여 Ca이온 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-7Ta 합금을 수득하였다.A Ti-35Nb-7Ta alloy in which a porous oxide film containing Ca ions and P ions was formed was obtained by performing plasma electrolytic oxidation under the same conditions as in Example 4, except that Example 2 was used.

실시예 6(Ti-35Nb-15Ta 합금 + PEO(Ca, P)처리)Example 6 (Ti-35Nb-15Ta alloy + PEO (Ca, P) treatment)

실시예 3을 이용한 것을 제외하면, 실시예 4와 동일한 조건에서 플라즈마 전해 산화법을 수행하여 Ca 이온 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-15Ta 합금을 수득하였다.A Ti-35Nb-15Ta alloy having a porous oxide film including Ca ions and P ions was obtained by performing plasma electrolytic oxidation under the same conditions as in Example 4, except that Example 3 was used.

실시예 7(Ti-35Nb-3Ta 합금 + PEO(Ca, P, Sr)처리)Example 7 (Ti-35Nb-3Ta alloy + PEO (Ca, P, Sr) treatment)

실시예 1(Ti-35Nb-3Ta)을 이용하였으며, 실시예 4와 비교하여, 전해질 용액을 Ca 이온, P 이온 및 Sr 이온이 이용된것을 제외하면, 실시예 4와 동일한 방법으로 Ca 이온, P 이온 및 Sr 이온을 포함하는 다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-3Ta 합금을 수득하였다.Example 1 (Ti-35Nb-3Ta) was used, and in comparison with Example 4, the electrolyte solution was prepared in the same manner as in Example 4 except that Ca ions, P ions and Sr ions were used. A Ti-35Nb-3Ta alloy in which a porous oxide film containing ions and Sr ions was formed was obtained.

여기서, 상기 전해질 용액은 칼슘아세트산일수화물[Ca(CH3COO)2·H2O] 0.015M, 글리세로인산칼슘[C3H7CaO6P] 0.02M 및 초산스트론튬[Sr(CH3COO)2·0.5H2O] 0.0075M을 포함한다.Here, the electrolyte solution is calcium acetate monohydrate [Ca(CH 3 COO) 2 ·H 2 O] 0.015M, calcium glycerophosphate [C 3 H 7 CaO 6 P] 0.02M and strontium acetate [Sr(CH 3 COO) ) 2 ·0.5H 2 O] 0.0075M.

실시예 8(Ti-35Nb-7Ta 합금 + PEO(Ca, P, Sr)처리)Example 8 (Ti-35Nb-7Ta alloy + PEO (Ca, P, Sr) treatment)

실시예 2를 이용한 것을 제외하면, 실시예 7과 동일한 조건에서 Ca 이온, P 이온 및 Sr 이온을 포함하는다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-7Ta 합금을 수득하였다.A Ti-35Nb-7Ta alloy having a porous oxide film including Ca ions, P ions and Sr ions was obtained under the same conditions as in Example 7, except that Example 2 was used.

실시예 9(Ti-35Nb-15Ta 합금 + PEO(Ca, P, Sr)처리)Example 9 (Ti-35Nb-15Ta alloy + PEO (Ca, P, Sr) treatment)

실시예 3을 이용한 것을 제외하면, 실시예 7과 동일한 조건에서 Ca 이온, P 이온 및 Sr 이온을 포함하는 다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-15Ta 합금을 수득하였다.A Ti-35Nb-15Ta alloy having a porous oxide film including Ca ions, P ions and Sr ions was obtained under the same conditions as in Example 7 except that Example 3 was used.

실시예 10(Ti-35Nb-3Ta 합금 + PEO(Ca, P)처리 + Sr 스퍼터링)Example 10 (Ti-35Nb-3Ta alloy + PEO (Ca, P) treatment + Sr sputtering)

실시예 4의 표면에 Sr 코팅층을 더 형성하였다. 이를 위해 Sr (99.5%)타겟이 장착된 RF-마그네트론 스퍼터링을 장치를 이용하였다.An Sr coating layer was further formed on the surface of Example 4. For this purpose, an RF-magnetron sputtering device equipped with an Sr (99.5%) target was used.

상기 Sr 타겟의 직경은 63.5mm였으며, 기판과 타겟 사이의 거리는 50mm였다. 플라즈마를 형성하기 위해 초기 진공도는 로터리 펌프로 10-3Torr까지 감소시킨 다음 오일 확산 펌프를 사용하여 10-6Torr까지 진공도를 감소시켰다. The diameter of the Sr target was 63.5 mm, and the distance between the substrate and the target was 50 mm. To form the plasma, the initial vacuum degree was reduced to 10-3 Torr with a rotary pump, and then the vacuum degree was reduced to 10-6 Torr using an oil diffusion pump.

다음으로 질량유량계를 사용하여 40 sccm의 고순도 Ar 가스를 주입 후 1.1 mTorr의 진공도를 유지하였다. 다음, 세척을 위해서 50W의 파워로 프리-스퍼터링을 20분간 진행하였다. 이후 RF-마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 3분간 Sr 코팅층을 더 형성하였다. Sr 타겟을 이용한 RF-스퍼터링의 자세한 조건은 아래 표 1에 나타내었다.Next, a high purity Ar gas of 40 sccm was injected using a mass flow meter and a vacuum degree of 1.1 mTorr was maintained. Next, pre-sputtering was performed for 20 minutes at a power of 50 W for washing. Thereafter, an Sr coating layer was further formed for 3 minutes using an RF-magnetron sputtering device. Detailed conditions of RF-sputtering using the Sr target are shown in Table 1 below.

스퍼터링 구성sputtering configuration 스퍼터링 구성 조건Sputtering Configuration Conditions 타겟target Sr (99.99%)Sr (99.99%) 기본 압력base pressure 10-3 Torr10 -3 Torr 수행 압력performing pressure 110 mTorr110 mTorr 투입 기체input gas Ar (40 sccm)Ar (40 sccm) 수행 온도run temperature 25℃25℃ 프리 스퍼터링 시간pre-sputtering time 20분20 minutes 수행 시간run time 3분3 minutes 수행 전류carry current 50W50W

실시예 11(Ti-35Nb-7Ta 합금 + PEO(Ca, P)처리 + Sr 스퍼터링)Example 11 (Ti-35Nb-7Ta alloy + PEO (Ca, P) treatment + Sr sputtering)

실시예 5를 이용한 것을 제외하면, 실시예 10과 동일한 조건에서 RF-마그네트론 스퍼터링을 수행하여 Sr 코팅층을 형성한 Ti-35Nb-7Ta 합금을 수득하였다Except for using Example 5, RF-magnetron sputtering was performed under the same conditions as in Example 10 to obtain a Ti-35Nb-7Ta alloy in which an Sr coating layer was formed.

실시예 12(Ti-35Nb-15Ta 합금 + PEO(Ca, P)처리 + Sr 스퍼터링)Example 12 (Ti-35Nb-15Ta alloy + PEO (Ca, P) treatment + Sr sputtering)

실시예 6을 이용한 것을 제외하면, 실시예 10과 동일한 조건에서 RF-마그네트론 스퍼터링을 수행하여 Sr 코팅층을 형성한 Ti-35Nb-15Ta 합금을 수득하였다.Except for using Example 6, RF-magnetron sputtering was performed under the same conditions as in Example 10 to obtain a Ti-35Nb-15Ta alloy in which an Sr coating layer was formed.

비교예 1(Ti-6Al-4V 합금)Comparative Example 1 (Ti-6Al-4V alloy)

실시예 1과 비교하여, 원소 물질은 Ti 금속, Al 금속, V 금속을 사용한것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방법으로 Ti-6Al-4V 합금을 제조하였다.In comparison with Example 1, a Ti-6Al-4V alloy was prepared in the same manner as in Example 1, except that Ti metal, Al metal, and V metal were used as element materials.

비교예 2(Cp-Ti)Comparative Example 2 (Cp-Ti)

순수한 티타늄을 이용하였다.Pure titanium was used.

비교예 3(Ti-35Nb)Comparative Example 3 (Ti-35Nb)

실시예 1과 비교하여, 원소 물질은 Ti 금속, Nb 금속을 사용한것을 제외하면, 동일한 방법으로 Ti-35Nb 합금을 제조하였다.Compared with Example 1, a Ti-35Nb alloy was prepared in the same manner except that Ti metal and Nb metal were used as element materials.

비교예 4(Ti-35Nb + PEO(Ca, P)처리)Comparative Example 4 (Ti-35Nb + PEO (Ca, P) treatment)

비교예 3을 이용한 것을 제외하면, 실시예 4와 동일한 조건에서 플라즈마 전해 산화법을 수행하여 Ca 이온 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb 합금을 수득하였다.A Ti-35Nb alloy in which a porous oxide film containing Ca ions and P ions was formed was obtained by performing plasma electrolytic oxidation under the same conditions as in Example 4, except that Comparative Example 3 was used.

비교예 5(Ti-35Nb + PEO(Ca, P, Sr)처리)Comparative Example 5 (Ti-35Nb + PEO (Ca, P, Sr) treatment)

비교예 3을 이용한 것을 제외하면, 실시예 4와 동일한 조건에서 플라즈마 전해 산화법을 수행하여 Ca 이온, P 이온 및 Sr 이온을 포함하는 다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb 합금을 수득하였다.A Ti-35Nb alloy having a porous oxide film including Ca ions, P ions and Sr ions was obtained by performing plasma electrolytic oxidation under the same conditions as in Example 4, except that Comparative Example 3 was used.

비교예 6(Ti-35Nb + PEO(Ca, P)처리 + Sr 스퍼터링)Comparative Example 6 (Ti-35Nb + PEO (Ca, P) treatment + Sr sputtering)

비교예 4를 이용한 것을 제외하면, 실시예 10과 동일한 조건에서 RF-마그네트론 스퍼터링을 수행하여 Sr 코팅층을 형성한 Ti-35Nb 합금을 수득하였다.Except for using Comparative Example 4, RF-magnetron sputtering was performed under the same conditions as in Example 10 to obtain a Ti-35Nb alloy in which an Sr coating layer was formed.

상술한 비교예들과 실시예들을 아래 표 2로 구분될 수 있다.The above-described comparative examples and examples may be divided into Table 2 below.

비교예 1Comparative Example 1 Ti-6Al-4V 합금Ti-6Al-4V alloy 비교예 2Comparative Example 2 Cp-TiCp-Ti 비교예 3Comparative Example 3 Ti-35NbTi-35Nb 비교예 4Comparative Example 4 Ca 및 P 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca and P ions
Ti-35Nb alloy with porous oxide film
비교예 5Comparative Example 5 Ca, P 및 Sr 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca, P and Sr ions
Ti-35Nb alloy with porous oxide film
비교예 6Comparative Example 6 Ca 및 P 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb 합금에
RF-마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Sr 코팅층을 형성한 Ti-35Nb 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca and P ions
Ti-35Nb alloy with porous oxide film
Ti-35Nb alloy with Sr coating layer formed using RF-magnetron sputtering
실시예 1Example 1 Ti-35Nb-3Ta 합금Ti-35Nb-3Ta alloy 실시예 2Example 2 Ti-35Nb-7Ta 합금Ti-35Nb-7Ta alloy 실시예 3Example 3 Ti-35Nb-15Ta 합금Ti-35Nb-15Ta alloy 실시예 4Example 4 Ca 및 P 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-3Ta 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca and P ions
Ti-35Nb-3Ta alloy with porous oxide film
실시예 5Example 5 Ca 및 P 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-7Ta 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca and P ions
Ti-35Nb-7Ta alloy with porous oxide film
실시예 6Example 6 Ca 및 P 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-15Ta 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca and P ions
Ti-35Nb-15Ta alloy with porous oxide film
실시예 7Example 7 Ca, P 및 Sr 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-3Ta 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca, P and Sr ions
Ti-35Nb-3Ta alloy with porous oxide film
실시예 8Example 8 Ca, P 및 Sr 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-7Ta 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca, P and Sr ions
Ti-35Nb-7Ta alloy with porous oxide film
실시예 9Example 9 Ca, P 및 Sr 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-15Ta 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca, P and Sr ions
Ti-35Nb-15Ta alloy with porous oxide film
실시예 10Example 10 Ca 및 P 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-3Ta 합금에
RF-마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Sr 코팅층을 형성한 Ti-35Nb-3Ta 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca and P ions
Ti-35Nb-3Ta alloy with porous oxide film
Ti-35Nb-3Ta alloy with Sr coating layer formed using RF-magnetron sputtering
실시예 11Example 11 Ca 및 P 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-7Ta 합금에
RF-마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Sr 코팅층을 형성한 Ti-35Nb-7Ta 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca and P ions
Ti-35Nb-7Ta alloy with porous oxide film
Ti-35Nb-7Ta alloy with Sr coating layer formed using RF-magnetron sputtering
실시예 12Example 12 Ca 및 P 이온을 포함하는 전해질 용액을 이용하여 PEO 공정을 통해
다공성 산화피막이 형성된 Ti-35Nb-15Ta 합금에
RF-마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Sr 코팅층을 형성한 Ti-35Nb-15Ta 합금
Through the PEO process using an electrolyte solution containing Ca and P ions
Ti-35Nb-15Ta alloy with porous oxide film
Ti-35Nb-15Ta alloy with Sr coating layer formed using RF-magnetron sputtering

실험예 1(비교예 1 내지 비교예 3 및 실시예 1 내지 실시예 3의 미세구조, 결정상, 탄성계수, 경도 분석)Experimental Example 1 (Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3 microstructure, crystal phase, elastic modulus, hardness analysis)

도 3은 본 발명의 비교예, 3, 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRF 그래프이다.3 is an XRF graph of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples, 3, and Examples 1 to 3 of the present invention, respectively.

도 3을 참조하면, 비교예 3에서는 Ta의 피크를 확인할 수 없었으나, Ta의 함량이 증가함에 따라 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에서는 피크가 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 분석된 합금의 조성은 표 3에 나타내었다.Referring to FIG. 3 , the peak of Ta could not be confirmed in Comparative Example 3, but as the content of Ta increased, it could be confirmed that the peak increased in Examples 1, 2 and 3, and the analyzed The composition of the alloy is shown in Table 3.

조성Furtherance 비교예 3Comparative Example 3 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 TiTi 64.50 ± 0.9664.50 ± 0.96 61.06 ± 0.6761.06 ± 0.67 57.43 ±0.8457.43 ±0.84 49.87 ± 0.7849.87 ± 0.78 NbNb 35.50 ± 0.9635.50 ± 0.96 35.99 ± 0.6235.99 ± 0.62 35.53 ±0.7035.53 ±0.70 35.39 ± 0.5535.39 ± 0.55 TaTa 00 2.95 ± 00.172.95 ± 00.17 7.03 ± 0.307.03 ± 0.30 14.74 ± 0.3614.74 ± 0.36

도 4는 비교예 3, 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 광학 현미경 이미지이다. 4 is an optical microscope image of a titanium-based alloy prepared in Comparative Example 3 and Examples 1 to 3, respectively.

도 4를 참조하면, (a)와 (b)에서는 마르텐사이트(α,α˝)구조가 관찰되었으며, (c)와 (d)의 경우 등축구조(β)만 관찰되었다. (a), (b) 및 (c)를 통해 Ta의 함량이 증가함에 따라 마르텐사이트 구조가 감소함을 보인다.Referring to FIG. 4 , martensite (α,α˝) structures were observed in (a) and (b), and only equiaxed structures (β) were observed in (c) and (d). (a), (b) and (c) show that the martensitic structure decreases as the Ta content increases.

도 5는 비교예 1, 비교예 3, 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 그래프이다.5 is an XRD graph of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Examples 1 to 3, respectively.

도 5를 참조하면, β-안정화 원소의 함량이 적은 비교예 1에서는 낮은 β상과 α상이 관찰되었으며, 비교예 1보다 β-안정화 원소가 많은 실시예 3에서는 α˝상과 β상으로 구분되어졌다. 또한, Ta의 함량이 증가함에 따라 α˝상이 사라지고, β상 피크가 좁아지고 날카로워져 뚜렷하게 보였다. 따라서, Nb와 Ta이 β-안정화 원소로 작용하여 상온에서 β상을 잔류시키는 것을 알 수 있으며, 도 4에서의 Ta 함량 증가에 따른 마르텐사이트(α, α˝)구조가 감소하는 것과 일치하는것을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, in Comparative Example 1 with a small content of β-stabilizing element, low β-phase and α-phase were observed, and in Example 3 with more β-stabilizing element than Comparative Example 1, it was divided into α˝ phase and β phase. lost. Also, as the content of Ta was increased, the α˝ phase disappeared, and the β phase peak narrowed and sharpened, and it was clearly visible. Therefore, it can be seen that Nb and Ta act as β-stabilizing elements to leave the β phase at room temperature, and it is consistent with the decrease in the martensite (α, α˝) structure according to the increase in the Ta content in FIG. 4 . Able to know.

도 6은 비교예 3, 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금을 나노인덴테이션 측정 후 표면에 나타난 압흔자국의 이미지이다. 6 is an image of the indentation marks on the surface of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 3 and Examples 1 to 3, respectively, after nanoindentation measurement.

도 6을 참조하면, (a), (b), (c) 및 (d) 모두 구분하기 어렵게 비슷하게 나타났다. 단, (a) 및 (b)의 마르텐사이트 조직이 보이는 곳에서는 압흔 자국의 경계가 예리하게 구분되어 나타났지만, (c) 및 (d)의 베타상을 나타내는 영역에서는 연성변형을 볼 수 있는 경계를 나타내고 있다.Referring to FIG. 6 , (a), (b), (c) and (d) all appeared similarly difficult to distinguish. However, in (a) and (b), the boundary of the indentation mark was sharply divided where the martensitic structure was visible, but in the region showing the beta phase of (c) and (d), the boundary where ductile deformation could be seen represents

도 7은 비교예 1 내지 비교예 3 및 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 나노인덴테이션 결과를 나타내는 그래프이다. 7 is a graph showing the nanoindentation results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3, respectively.

도 7을 참조하면, 모든 금속이 탄성영역과 소성영역으로 구분됨을 확인 할 수 있으며, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3은 소성변형량이 크게 증가함을 알 수 있으며, 나노인덴테이션 경도가 낮아짐에 따라 곡선이 우측으로 이동함을 도시하고 있다. 또한, 탄성계수가 증가함에 따라 하중 제거 시의 기울기 급하게 나타난다. Referring to FIG. 7 , it can be seen that all metals are divided into an elastic region and a plastic region, and it can be seen that Examples 1, 2, and 3 increase the amount of plastic deformation significantly, and the nanoindentation hardness It shows that the curve shifts to the right as α is lowered. In addition, as the modulus of elasticity increases, the slope at the time of removal of the load appears sharply.

도 8은 비교예 1 내지 비교예 3 및 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 탄성계수 및 압입경도를 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the elastic modulus and indentation hardness of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3, respectively.

도 8을 참조하면, 비교예 3, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 탄성계수는 비교예 1 및 비교예 2의 탄성계수보다 낮은 수치를 보였으며, 낮은 탄성계수를 지닌 비교예 3, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3은 뼈와 임플란트 간의 탄성계수 차이로 인한 응력 차폐 현상을 감소 시킬 수 있다. 또한, 도 8의 탄성계수 및 압입경도를 아래 표 4에 나타내었다.Referring to FIG. 8 , the modulus of elasticity of Comparative Examples 3, 1, 2 and 3 was lower than that of Comparative Examples 1 and 2, and Comparative Example 3 having a low modulus of elasticity. , Examples 1, 2, and 3 can reduce the stress shielding phenomenon due to the difference in elastic modulus between the bone and the implant. In addition, the elastic modulus and indentation hardness of FIG. 8 are shown in Table 4 below.

표본specimen 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 인덴테이션 경도indentation hardness 5.34±0.145.34±0.14 3.17±0.123.17±0.12 2.61±0.052.61±0.05 2.30±0.112.30±0.11 2.23±0.112.23±0.11 2.30±0.122.30±0.12 탄성계수modulus of elasticity 135.01±0.36135.01±0.36 124.01±1.17124.01±1.17 84.57±0.7684.57±0.76 81.58±1.4581.58±1.45 71.80±3.2971.80±3.29 63.41±1.2163.41±1.21

실험예 2(비교예 4, 비교예 5 및 실시예 4 내지 실시예 9의 표면구조, 단면 및 표면특성 분석)Experimental Example 2 (Surface structure, cross-section and surface characteristic analysis of Comparative Example 4, Comparative Example 5 and Examples 4 to 9)

도 9는 비교예 4, 실시예 4 내지 실시예 6을 제조할 때, 플라즈마 전해 산화 처리 시간에 따른 표면에서 일어나는 반응을 관찰한 광학 이미지이고, 도 10은 비교예 5, 실시예 7 내지 실시예 9를 제조할 때, 플라즈마 전해 산화 처리 시간에 따른 표면에서 일어나는 반응을 관찰한 광학 이미지이다.9 is an optical image observing the reaction occurring on the surface according to the plasma electrolytic oxidation treatment time when preparing Comparative Examples 4 and 4 to 6, and FIG. 10 is Comparative Example 5, Examples 7 to 6 It is an optical image observing the reaction occurring on the surface according to the plasma electrolytic oxidation treatment time when manufacturing 9.

도 9와 도 10을 참조하면, 모든 합금은 플라즈마 전해 산화 장치에 전압이 인가된 후 0.02초 만에 순간적으로 산화막이 생성되며, 그 후 기체 방울과 스파크가 발생하고, 시간이 지남에 따라 발생하는 스파크와 기체 방울이 줄어들었다. 또한, 전해질 용액으로 사용된 Sr의 유무에 상관없이 Ta의 조성이 15 중량%인 실시예 6 및 실시예 9 에서만 20초까지 스파크가 일어나며, 20초 후에는 스파크 발생이 감소한다. 이는 Ta의 조성이 높을수록 반응이 더 많이 일어남을 의미한다.9 and 10, for all alloys, an oxide film is instantaneously generated in 0.02 seconds after voltage is applied to the plasma electrolytic oxidation device, and then gas bubbles and sparks are generated, and the Reduced sparks and gas bubbles. In addition, regardless of the presence or absence of Sr used as the electrolyte solution, sparks occurred up to 20 seconds only in Examples 6 and 9 in which the composition of Ta was 15 wt%, and the spark generation decreased after 20 seconds. This means that the higher the composition of Ta, the more the reaction occurs.

도 11은 비교예 4, 실시예 4 내지 실시예 6에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 FE-SEM 결과를 나타내는 이미지이고, 도 12는 비교예 5, 실시예 7 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 FE-SEM 결과를 나타내는 이미지이다.11 is an image showing FE-SEM results of titanium-based alloys prepared in Comparative Example 4 and Examples 4 to 6, respectively, and FIG. 12 is titanium prepared in Comparative Example 5 and Examples 7 to 9, respectively. It is an image showing the FE-SEM result of the alloy based alloy.

도 11과 도 12의 모든 티타늄계 합금은 다공성이며, 불규칙한 형태의 기공이 관찰되었고, Ta의 함량이 증가함에 따라 기공의 사이즈가 커지고, 표면에 평평해졌으며, 도 11의 (d)와 도 12의 (d) 둘 다 주변의 기공이 연결되어 그루브 모양의 기공이 형성되었으며, 기공의 크기가 1 ㎛ 이하의 크기는 관찰되지 않았다.All of the titanium-based alloys of FIGS. 11 and 12 were porous, and irregularly shaped pores were observed, and as the content of Ta increased, the size of the pores increased and the surface was flattened, and in FIGS. 11 (d) and 12 In (d), both surrounding pores were connected to form groove-shaped pores, and pores with a size of 1 μm or less were not observed.

비교예 4, 비교예 5, 및 실시예 4 내지 실시예 9에서의 각각 제조된 티타늄계 합금의 기공률을 나타내는 그래프로 도 13, 큰 기공 크기를 나타내는 그래프로 도 14, 기공 수량을 나타내는 그래프 도 15, 큰 기공의 비율을 나타내는 그래프로 도 16이다.13 as a graph showing the porosity of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4, Comparative Example 5, and Examples 4 to 9, respectively, FIG. 14 as a graph showing a large pore size, and a graph showing the number of pores FIG. 15 , is a graph showing the ratio of large pores in FIG. 16 .

도 13, 도 14, 도 15 및 도 16을 참조하면, 전해질에 포함되는 Sr 이온의 유무에 상관없이 Ta의 함량이 증가함에 따라 기공률, 큰기공의 크기, 큰 기공의 비율은 증가하였으며, 기공의 개수는 감소하였다. 도 13, 도 14, 도 15 및 도 16의 결과값과 1㎛이하인 작은 기공의 크기값을 아래 표 5에 나타내었다.13, 14, 15 and 16, the porosity, the size of large pores, and the ratio of large pores increased as the content of Ta increased regardless of the presence or absence of Sr ions included in the electrolyte. number decreased. The results of FIGS. 13, 14, 15 and 16 and the size values of small pores of 1 μm or less are shown in Table 5 below.

표본specimen 비교예 4Comparative Example 4 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 기공률porosity 7.25±0.167.25±0.16 10.39±0.0410.39±0.04 12.01±0.9112.01±0.91 25.65±1.1625.65±1.16 큰 기공의 크기large pore size 1.86±0.401.86±0.40 1.90±0.621.90±0.62 2.24±0.652.24±0.65 2.83±1.152.83±1.15 작은 기공의 크기small pore size 0.48±0.130.48±0.13 0.63±0.170.63±0.17 0.77±0.140.77±0.14 -- 기공의 개수number of pores 66.80±5.5366.80±5.53 55.00±4.3455.00±4.34 40.40±5.3140.40±5.31 12.00±1.9012.00±1.90 큰기공의 비율ratio of large pores 27.32±6.1127.32±6.11 48.40±3.3148.40±3.31 61.14±3.8761.14±3.87 90.00±8.4390.00±8.43 비교예 5Comparative Example 5 실시예 7Example 7 실시예 8Example 8 실시예 9Example 9 기공률porosity 7.91±0.027.91±0.02 10.27±0.4710.27±0.47 11.81±0.7211.81±0.72 26.23±1.1026.23±1.10 큰 기공의 크기large pore size 1.81±0.441.81±0.44 1.87±0.461.87±0.46 2.15±0.532.15±0.53 2.81±1.092.81±1.09 작은 기공의 크기small pore size 0.46±0.130.46±0.13 0.58±0.150.58±0.15 0.64±0.200.64±0.20 -- 기공의 개수number of pores 69.20±8.0869.20±8.08 58.20±3.4958.20±3.49 40.40±5.2440.40±5.24 12.20±2.7912.20±2.79 큰기공의 비율ratio of large pores 29.28±3.5729.28±3.57 47.11±2.4247.11±2.42 65.51±4.2965.51±4.29 87.24±6.9187.24±6.91

도 17은 비교예 4, 실시예 4 내지 실시예 6에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 단면을 나타내는 이미지이다.17 is an image showing a cross section of a titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4, Examples 4 to 6, respectively.

도 17을 참조하면, 산화피막은 조밀한 산화피막과 기공이 많은 산화피막으로 이루어져 있으며, 산화피막 내부의 기공은 연결되어 있는 기공과 막혀 있는 기공으로 이루어져 있다.Referring to FIG. 17 , the oxide film is composed of a dense oxide film and an oxide film having many pores, and pores inside the oxide film are composed of connected pores and closed pores.

도 18은 비교예 5, 실시예 7 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 단면을 나타내는 이미지로, 단면의 구조가 도 17과 비교해서 차이가 없다.18 is an image showing a cross-section of a titanium-based alloy prepared in Comparative Example 5 and Examples 7 to 9, respectively, and the structure of the cross-section is not different from that of FIG. 17 .

도 19는 비교예 4, 비교예 5 및 실시예 4 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 산화 피막 두께를 이미지 분석 프로그램(Image J, Wayne Rasband, USA)을 사용하여 확인한 그래프이다.19 is a graph confirming the oxide film thickness of each titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4, Comparative Example 5 and Examples 4 to 9 using an image analysis program (Image J, Wayne Rasband, USA).

도 19를 참조하면, Ta의 함량이 증가함에 따라 산화피막의 두께가 증가한다. 또한, 이미지 J를 통해 측정한 산화피막의 두께를 아래 표 6에 나타내었다.Referring to FIG. 19 , as the content of Ta increases, the thickness of the oxide film increases. In addition, the thickness of the oxide film measured through image J is shown in Table 6 below.

산화피막의 두께thickness of oxide film 산화피막의 두께thickness of oxide film 비교예 4Comparative Example 4 3.084 ± 0.5703.084 ± 0.570 비교예 5Comparative Example 5 3.200 ± 0.3823.200 ± 0.382 실시예 4Example 4 3.926 ± 0.4763.926 ± 0.476 실시예 7Example 7 3.889 ± 0.3193.889 ± 0.319 실시예 5Example 5 4.613 ± 0.3684.613 ± 0.368 실시예 8Example 8 4.789 ± 0.2584.789 ± 0.258 실시예 6Example 6 5.850 ± 0.4975.850 ± 0.497 실시예 9Example 9 6.106 ± 0.5386.106 ± 0.538

도 20은 비교예 4, 실시예 4 내지 실시예 6에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 EDS 결과를 나타내는 이미지이다.20 is an image showing the EDS results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 4, Examples 4 to 6, respectively.

도 20을 참조하면, Ca/P 비율이 (a)는 1.66, (b)는 1.60, (c)는 1.70 및 (d)는 1.70 중량%로 나타났다. 하이드록시 아파타이트는 화학양론적 Ca/P 비율이 1.67 중량%로 (a), (b), (c) 및 (d)와 유사하다. 이와 같은 생체의 뼈와 화학적 및 구조적인 유사성으로 인체 내에서 뼈의 핵형성과 성장에 도움을 준다.Referring to FIG. 20 , the Ca/P ratio was 1.66 in (a), 1.60 in (b), 1.70 in (c), and 1.70 wt% in (d). Hydroxyapatite has a stoichiometric Ca/P ratio of 1.67 wt%, similar to (a), (b), (c) and (d). This chemical and structural similarity to the bones of the living body helps in the nucleation and growth of bones in the human body.

도 21은 비교예 5, 실시예 7 내지 실시예 9에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 ESD 결과를 나타내는 이미지이다.21 is an image showing the ESD results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 5, Examples 7 to 9, respectively.

도 21을 참조하면, (Ca+Sr)/P비율은 (a)는 1.67, (b)는 1.98, (c)는 1.89 및 (d)는 2.26 wt.%로 도 20에 있는 티타늄계 합금의 Ca/P비율보다 높은 값을 나타내었다. 그 이유로서, Sr 이온은 HA 결정구조에서 Ca이온과 치환되어 Sr-HA로 존재할 수 있으며, 치환 시 Sr의 이온반경이 Ca의 이온반경보다 크기 때문에 Sr 원자에 의한 결정구조가 불안정해진다. Referring to FIG. 21, (Ca+Sr)/P ratio is 1.67 for (a), 1.98 for (b), 1.89 for (c), and 2.26 wt.% for (d) of the titanium-based alloy in FIG. It showed a value higher than the Ca/P ratio. As a reason, Sr ions may be substituted with Ca ions in the HA crystal structure to exist as Sr-HA, and when substituted, the ionic radius of Sr is larger than that of Ca, so the crystal structure of Sr atoms becomes unstable.

도 22는 비교예 4, 실시예 4 내지 실시예 6에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 결과를 나타내는 그래프이다.22 is a graph showing XRD results of titanium-based alloys prepared in Comparative Example 4 and Examples 4 to 6, respectively.

도 22를 참조하면, 모든 티타늄계 합금에서 아나타제, HA, Nb2O5, 및 TiO2 결정상이 확인되었다. 또한, Ta의 함량이 증가할수록 TiO2 산화막보다 Ta2O5의 생성이 증가하여, Ti 산화물 결정상인 아나타제상, TiO2상 및 HA 결정상의 피크가 낮아진다. 여기서, Ti 산화물의 대표적인 결정상은 아나타제(Anatase), 루타일(Rutile) 및 브루카이트(Brookite)가 존재하며, 아나타제(110)의 결정면은 HA(0001)의 결정면과 결정 학적 일치로 다른 Ti 산화물의 결정구조보다 수산화 인회석 형성에 유리하다. Referring to FIG. 22 , anatase, HA, Nb 2 O 5 , and TiO 2 crystal phases were confirmed in all titanium-based alloys. In addition, as the content of Ta increases, the generation of Ta 2 O 5 is higher than that of the TiO 2 oxide layer, and the peaks of the anatase phase, TiO 2 phase, and HA crystal phase, which are Ti oxide crystal phases, are lowered. Here, representative crystal phases of Ti oxide are anatase, rutile, and brookite. It is more favorable for the formation of hydroxyapatite than the crystal structure.

또한, Ta 및 Nb 원소는 Ti의 결정구조에서 Ti을 대신하여 치환될 수 있다. 따라서, Ti 합금에 Ta 및 Nb 원소의 함량이 적은 경우 TiO2산화막이 주로 형성되며 TiO2의 결정구조 중 Ti 원소의 자리를 Nb 및 Ta이 차지하게 된다. 하지만 Nb 및 Ta원소의 함량이 증가하면 Nb2O5 및 Ta2O5의 생성이 증가하며, 이 자리를 Ti 원소가 대체하게 된다. 따라서 Ti 합금에 Nb와 Ta 원소의 함량 증가 시 아나타제상, TiO2상및 HA 결정상의 생성이 감소하게 되어 피크가 감소하게 된다.In addition, Ta and Nb elements may be substituted for Ti in the crystal structure of Ti. Therefore, when the content of Ta and Nb elements in the Ti alloy is small, a TiO 2 oxide film is mainly formed, and Nb and Ta occupy the position of the Ti element in the crystal structure of TiO 2 . However, when the content of Nb and Ta elements increases, the formation of Nb 2 O 5 and Ta 2 O 5 increases, and the Ti element replaces these positions. Therefore, when the content of Nb and Ta elements in the Ti alloy is increased, the generation of anatase phase, TiO 2 phase, and HA crystal phase is reduced, and thus the peak is reduced.

도 23은 비교예 5, 실시예 7, 실시예 8 및 실시예 9의 XRD 패턴을 도식 한 것이다.23 is a schematic diagram of the XRD patterns of Comparative Examples 5, 7, 8 and 9.

도 23을 참조하면, 도 22와 마찬가지로 Ti 합금에 TA 원소의 함량 증가 시 아나타제상 및 TiO2상과 HA 결정상의 생성이 감소하게 되어 피크가 감소하는 결과가 일치한다. Referring to FIG. 23 , as in FIG. 22 , when the content of the TA element in the Ti alloy is increased, the generation of the anatase phase, the TiO 2 phase, and the HA crystal phase is reduced, so that the peak decreases.

도 24는 비교예 4 및 비교예 5에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 결과를 나타내는 그래프이다.24 is a graph showing XRD results of titanium-based alloys prepared in Comparative Examples 4 and 5, respectively.

도 24를 참조하면, 비교예 5의 피크가 비교예 4의 피크보다 왼쪽으로 나타났다. 이는, 비교예 5에서 생성되는 Sr-HA의 Sr 이온 반경이 Ca-HA의 Ca 이온 반경보다 크기 때문이다. Referring to FIG. 24 , the peak of Comparative Example 5 appeared to the left of the peak of Comparative Example 4. This is because the Sr ion radius of Sr-HA produced in Comparative Example 5 is larger than the Ca ion radius of Ca-HA.

실험예 3(비교예6, 비교예 10 내지 비교예 12의 표면특성 분석)Experimental Example 3 (Comparative Example 6, Comparative Example 10 to Comparative Example 12 surface property analysis)

도 25는 본 발명에서 Sr 코팅층 형성단계의 증착 시간에 따른 표면 이미지를 FE-SEM으로 확인한 결과로 (a), (b), (c), (d), (e)는 기공 근처의 표면 이미지이고, (a-1), (b-1), (c-1), (d-1), (e-1)은 기공 근처가 아닌 곳의 표면 이미지이며, (a), (a-1)은 증착전, (b), (b-1)은 3분, (c), (c-1)은 5분, (d), (d-1)은 10분, (e), (e-1)은 20분일 때의 표면 이미지이다.25 is a result of confirming the surface image according to the deposition time of the Sr coating layer forming step in the present invention by FE-SEM. (a), (b), (c), (d), (e) are surface images near the pores. and (a-1), (b-1), (c-1), (d-1), (e-1) are surface images not near the pore, (a), (a-1) ) is before deposition, (b), (b-1) is 3 min, (c), (c-1) is 5 min, (d), (d-1) is 10 min, (e), (e) -1) is the surface image at 20 minutes.

도 25를 참조하면, Sr 코팅층 형성단계에서 산화막 표면에 원형의 주상구조가 생기고, 증착 시간이 증가함에 따라 주상 구조가 성장하는 모습을 알 수 있다. 증착 시간이 0, 3, 5, 10 및 20분으로 증가함에 따라 각각 0, 1.59, 2.75, 5.78 및 8.13 중량%로 증가하였다. Sr 코팅층 형성단계의 증착 시간에 따른 EDS 결과는 아래 표 7에 나타내었다.Referring to FIG. 25 , it can be seen that a circular columnar structure is formed on the surface of the oxide film in the Sr coating layer forming step, and the columnar structure grows as the deposition time increases. As the deposition time increased to 0, 3, 5, 10 and 20 minutes, it increased to 0, 1.59, 2.75, 5.78 and 8.13 wt%, respectively. EDS results according to the deposition time of the Sr coating layer forming step are shown in Table 7 below.

여기서, 도 21을 참조하면, Sr 이온의 함량인 1.0 내지 2.0중량%와 가장 유사한 함량은 3분동안 증착했을 때임을 알 수 있다. Here, referring to FIG. 21 , it can be seen that the content most similar to the Sr ion content of 1.0 to 2.0 wt% is when the deposition is carried out for 3 minutes.

시간(분)\조성Time (minutes) \ composition 실시예 4Example 4 O KO K P KP K Ca KCa K Ti KTi K Sr LSr L Nb LNb L Ta MTa M TotalsTotals 00 37.2037.20 5.115.11 8.198.19 32.4232.42 -- 16.2116.21 0.870.87 100100 33 37.6537.65 5.055.05 7.617.61 29.6729.67 1.591.59 15.9015.90 2.532.53 100100 55 38.3938.39 5.355.35 8.058.05 29.3229.32 2.752.75 14.3414.34 1.791.79 100100 1010 38.3038.30 4.724.72 8.388.38 28.2328.23 5.785.78 13.2413.24 1.341.34 100100 2020 36.5036.50 4.624.62 7.637.63 27.2327.23 8.138.13 12.8612.86 3.043.04 100100

도 26은 비교예 6, 실시예 10 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 FE-SEM 결과를 나타내는 이미지이다.26 is an image showing the FE-SEM results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 6, Examples 10 to 12, respectively.

도 26과 도 11을 참조하면, 도 11과 도 26의 표면형상은 큰 차이를 보이지 않는다. 이는 스퍼터링 공정 시 증착되는 박막의 두께가 매우 얇아 플라즈마 전해 산화 후 생기는 다공성 산화피막에 영향을 주지 못함을 의미한다.Referring to FIGS. 26 and 11 , there is no significant difference between the surface shapes of FIGS. 11 and 26 . This means that the thickness of the thin film deposited during the sputtering process is very thin and does not affect the porous oxide film formed after plasma electrolytic oxidation.

도 27은 비교예 6, 실시예 10 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 EDS 결과를 나타내는 이미지이다.27 is an image showing the EDS results of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 6, Examples 10 to 12, respectively.

도 27을 참조하면, Sr 이온이 다공성 표면에 1.0 내지 2.0 중량% 조성으로 코팅된 것을 나타내었으며, 도 21의 비교예 5, 실시예 7, 실시예 8 및 실시예 9의 Sr 이온 조성과 유사하다.Referring to FIG. 27 , it was shown that Sr ions were coated on the porous surface in a composition of 1.0 to 2.0% by weight, and the composition of Sr ions of Comparative Examples 5, 7, 8 and 9 of FIG. 21 is similar. .

도 28은 비교예 6, 실시예 10 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 결과를 나타내는 그래프이다.28 is a graph showing XRD results of titanium-based alloys prepared in Comparative Example 6 and Examples 10 to 12, respectively.

도 28을 참조하면, 비교예 6, 실시예 10, 실시예 11 및 실시예 12의 XRD 패턴으로서, 스퍼터링의 영향으로 XRD 피크의 강도가 전체적으로 낮아졌으며, 아나타제, HA, Nb2O5, Ta2O5 및 TiO2의 결정상이 관찰되었고, Sr의 결정상의 피크는 낮고 넓으며, 23.39°, 34.91°, 46.19° 및 62.63°에서 Sr 결정상의 피크가 존재한다. 또한, XRD 분석에서 Sr 결정상의 낮고, 넓은 피크의 모양은 스퍼터링을 통해 증착된 코팅이 비정질 또는 낮은 결정질을 가지고 있다는 걸 나타낸다.Referring to FIG. 28 , as the XRD patterns of Comparative Examples 6, 10, 11 and 12, the intensity of the XRD peak was lowered overall due to the effect of sputtering, and crystalline phases of anatase, HA, Nb2O5, Ta2O5 and TiO2 was observed, and the peaks of the crystal phase of Sr are low and broad, and peaks of the crystal phase of Sr exist at 23.39°, 34.91°, 46.19° and 62.63°. In addition, the shape of the low, broad peak of the Sr crystal phase in the XRD analysis indicates that the coating deposited through sputtering has amorphous or low crystalline quality.

도 29는 비교예 4 및 비교예 6에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 XRD 결과를 나타내는 그래프이다.29 is a graph showing XRD results of titanium-based alloys prepared in Comparative Examples 4 and 6, respectively.

도 29에서, 비교예 4와 비교예 6의 XRD 패턴으로서, 도 24과 마찬가지로 비교예 4의 HA 피크 25.125°에서 비교예 6의 HA 피크 25.11°로 HA 피크의 이동이 일어났으며, 이는 Sr-HA이 생성됨을 의미한다.In FIG. 29, as the XRD patterns of Comparative Examples 4 and 6, the HA peak shifted from 25.125° of the HA peak of Comparative Example 4 to 25.11° of the HA peak of Comparative Example 6, similar to FIG. It means that HA is generated.

실험예 4(비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12의 표면 거칠기, 젖음성, 수산화인회석의 형성 및 성장, 세포 증식 및 성장 분석)Experimental Example 4 (Surface roughness, wettability, hydroxyapatite formation and growth, cell proliferation and growth analysis of Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12)

도 30은 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 표면 거칠기 시험기를 통해 표면거칠기를 나타내는 그래프이다.30 is a graph showing the surface roughness through a surface roughness tester of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12, respectively.

도 30을 참조하면, 전해질에 따른 표면거칠기의 차이는 보이지 않으며, Ta의 함량에 따라서 표면 거칠기가 변화됨을 의미한다. Ta의 함량이 증가함에 따라 표면거칠기가 감소하다 Ta의 조성이 15일 때 표면거칠기가 다시 증가하였다. 도 11, 도 12 및 도 26을 비교하면, Ta의 조성이 15일 때 기공의 형상은 그루브 형상이 나타난다. 이는, 표면 거칠기의 증가가 그루브 형상으로 인하여 증가함을 의미한다. 표면거칠기를 분석한 결과를 아래 표 8에 나타내었다.Referring to FIG. 30 , there is no difference in surface roughness depending on the electrolyte, meaning that the surface roughness is changed according to the content of Ta. The surface roughness decreased as the content of Ta increased. When the composition of Ta was 15, the surface roughness increased again. Comparing FIGS. 11, 12, and 26, when the Ta composition is 15, the shape of the pores appears as a groove shape. This means that the increase in surface roughness increases due to the groove shape. The results of surface roughness analysis are shown in Table 8 below.

또한, 이러한 표면 거칠기에서 거친 표면은 매끄러운 표면보다 골세포 부착 및 세포 부착에 필요한 단백질의 부착을 촉진하며, 50nm 내지 1.2㎛의 거칠기 범위가 골세포의 초기 부착에 영향을 미치는 점을 감안하면, 그루브 형상이 나타났을 때 생체적합성이 향상된다는 것을 의미한다.In addition, in this surface roughness, a rough surface promotes the adhesion of proteins necessary for bone cell adhesion and cell adhesion rather than a smooth surface, and considering that the roughness range of 50 nm to 1.2 μm affects the initial adhesion of osteo cells, the groove This means that the biocompatibility is improved when the shape appears.

표면거칠기(㎛)Surface roughness (㎛) 표면거칠기(㎛)Surface roughness (㎛) 표면거칠기(㎛)Surface roughness (㎛) 비교예 4Comparative Example 4 0.388 ± 0.0350.388 ± 0.035 비교예 5Comparative Example 5 0.374 ± 0.0390.374 ± 0.039 비교예 6Comparative Example 6 0.383 ± 0.0330.383 ± 0.033 실시예 4Example 4 0.355 ± 0.0290.355 ± 0.029 실시예 7Example 7 0.353 ± 0.0290.353 ± 0.029 실시예 10Example 10 0.353 ± 0.0330.353 ± 0.033 실시예 5Example 5 0.320 ± 0.0280.320 ± 0.028 실시예 8Example 8 0.310 ± 0.0410.310 ± 0.041 실시예 11Example 11 0.319 ± 0.0160.319 ± 0.016 실시예 6Example 6 0.530 ± 0.0440.530 ± 0.044 실시예 9Example 9 0.450 ± 0.0340.450 ± 0.034 실시예 12Example 12 0.536 ± 0.0740.536 ± 0.074

도 31은 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 AFM 결과를 5㎛의 배율로 나타낸 2D 이미지이고, 도 32는 AFM 결과를 5㎛의 배율로 나타낸 3D 이미지이다.31 is a 2D image showing AFM results of titanium-based alloys prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12, respectively, at a magnification of 5 μm, and FIG. 32 is an AFM result at a magnification of 5 μm. 3D image shown.

도 31과 도 32를 참조하면, 도 11, 도 12, 도 26의 각 조건에서 표면처리 후 FE-SEM 이미지에서 관찰한 기공의 형태와 동일하게, Ta의 함량이 증가함에 따라 표면이 평평해졌으며, Ta의 함량이 15일 경우 그루브 모양의 기공이 형성되어 표면거칠기가 증가하였다.Referring to FIGS. 31 and 32 , in the same manner as the pore shape observed in the FE-SEM image after surface treatment in each of the conditions of FIGS. 11, 12, and 26 , as the content of Ta increased, the surface became flat. , when the Ta content was 15, groove-shaped pores were formed and the surface roughness was increased.

도 33은 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 접촉각을 측정한 이미지이다.33 is an image of measuring the contact angle of the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12, respectively.

도 33을 참조하면, (a) 내지 (d)는 Ta의 함량이 증가함에 따라 젖음성이 감소하였으며, (a-1) 내지 (d-1), (a-2) 내지 (d-2), (a-3) 내지 (d-3) Ta의 함량이 증가함에 따라 젖음성이 증가하는 것을 의미한다. 젖음성의 결과값을 아래 표 9에 나타내었다. 여기서 젖음성의 증가는 접촉각의 감소와 같다.Referring to Figure 33, (a) to (d) the wettability decreased as the content of Ta increased, (a-1) to (d-1), (a-2) to (d-2), (a-3) to (d-3) means that the wettability increases as the content of Ta increases. The results of wettability are shown in Table 9 below. Here, an increase in wettability equals a decrease in the contact angle.

또한, 생체재료의 젖음성은 생리적인 환경에서 단백질의 흡착 및 활성화, 혈소판의 부착 및 골세포의 부착에 영향을 주며, 젖음성이 높을수록 임플란트 표면과 주변 조직 및 체액간의 상호작용이 증가하여 골 유착을 증가시켜 조기 뼈 형성에 도움을 주어 생체적합성을 향상시킨다.In addition, the wettability of the biomaterial affects the adsorption and activation of proteins, platelet adhesion, and bone cell adhesion in a physiological environment. It helps in early bone formation and improves biocompatibility.

접촉각contact angle 접촉각contact angle 접촉각contact angle 접촉각contact angle 비교예 3Comparative Example 3 54.67±2.2554.67±2.25 비교예 4Comparative Example 4 43.47±0.9343.47±0.93 비교예 5Comparative Example 5 42.78±2.8142.78±2.81 비교예 6Comparative Example 6 42.06±1.2242.06±1.22 실시예 1Example 1 59.29±0.8459.29±0.84 실시예 4Example 4 38.75±0.8838.75±0.88 실시예 7Example 7 38.61±1.5538.61±1.55 실시예 10Example 10 36.56±0.6536.56±0.65 실시예 2Example 2 67.42±1.1167.42±1.11 실시예 5Example 5 31.58±1.9531.58±1.95 실시예 8Example 8 32.07±0.4232.07±0.42 실시예 11Example 11 31.26±0.7931.26±0.79 실시예 3Example 3 72.57±1.8672.57±1.86 실시예 6Example 6 20.23±1.9320.23±1.93 실시예 9Example 9 19.56±0.9719.56±0.97 실시예 12Example 12 18.70±0.9018.70±0.90

도 34는 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금을 SBF 용액에 침지하여, 1일후 수산화인회석의 모습을 100㎛의 배율로 관찰한 FE-SEM 이미지이다.34 is an FE-SEM image in which the titanium-based alloy prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12, respectively, was immersed in an SBF solution, and the appearance of hydroxyapatite after one day was observed at a magnification of 100 μm. to be.

도 34를 참조하면, 수산화인회석은 전체 표면에서 핵이 생성되었으며, 표면처리되지 않은 합금의 경우 표면거칠기가 높은 곳에서 성장이 활발하고, 표면 처리가 된 합금의 경우 기공 주위에서 성장이 활발하다. 또한, Ca 이온, P 이온 및 Sr 이온을 포함하는 다공성 산화피막이 형성된 (a-2), (b-2), (c-2), (d-2)에서 수산화인회석의 성장이 가장 활발하였다. 이는 플라즈마 전해 산화 처리시 생성되는 기공과 산화피막에 Sr 이온의 첨가는 수산화인회석의 핵 생성 및 성장을 촉진시킨다는 것을 의미한다. Referring to FIG. 34 , nuclei are generated on the entire surface of hydroxyapatite, and in the case of an untreated alloy, growth is active in a high surface roughness area, and in the case of an alloy having a surface treatment, growth is active around the pores. In addition, the growth of hydroxyapatite was most active in (a-2), (b-2), (c-2), and (d-2), where a porous oxide film containing Ca ions, P ions and Sr ions was formed. This means that the addition of Sr ions to the pores and oxide film generated during the plasma electrolytic oxidation treatment promotes the nucleation and growth of hydroxyapatite.

도 35는 실시예 7과 실시예 10에서 각각 제조된 티타늄계 합금을 SBF 용액에침지하여, 1일후 수산회인회석의 모습을 2㎛의 배율로 관찰한 FE-SEM 이미지이다.35 is an FE-SEM image of the titanium-based alloy prepared in Examples 7 and 10, respectively, in an SBF solution, and the appearance of hydroxyapatite after 1 day was observed at a magnification of 2 μm.

도 35의 mapping 결과를 통해 침전된 수산화인회석에 Sr 이온이 함유된 것을 알 수 있다. 따라서 산화막에 함유된 Sr 이온이 수산화인회석의 침전에 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다.It can be seen from the mapping result of FIG. 35 that the precipitated hydroxyapatite contains Sr ions. Therefore, it can be confirmed that the Sr ions contained in the oxide film affect the precipitation of hydroxyapatite.

도 36은 실시예 1, 실시예 4, 실시예 7 및 실시예 10에서 각각 제조된 티타늄계 합금을 SBF 용액에 침지하여, 1일후 수산화인회석의 모습을 관찰한 FE-SEM 이미지이다.FIG. 36 is an FE-SEM image showing the appearance of hydroxyapatite after 1 day by immersing the titanium-based alloy prepared in Examples 1, 4, 7 and 10, respectively, in an SBF solution.

도 36을 참조하면, (b), (c), (d)는 산화막에 안나타제상과 HA상을 포함하고 있어서, 표면처리 하지 않은 (a)보다 표면에 핵 생성이 활발하게 일어났으며, 스퍼터링으로 Sr코팅막을 형성한 (d)의 표면의 경우 산화막 표면에 증착된 얇은 코팅으로 인해 핵생성이 감소하였다.Referring to FIG. 36, (b), (c), (d) contains an anthase phase and an HA phase in the oxide film, so nucleation occurred more actively on the surface than (a) without surface treatment, and sputtering In the case of (d) on which an Sr coating film was formed as a result, nucleation was reduced due to a thin coating deposited on the surface of the oxide film.

도 37은 다공성 산화피막이 형성된 티타늄계 합금의 산화피막에서 수신화인회석의 핵형성 및 성장 과정의 모식도이다.37 is a schematic diagram of a process of nucleation and growth of hydroxyapatite in an oxide film of a titanium-based alloy having a porous oxide film formed thereon.

도 37을 참조하면, 수산화인회석 형성은 표면 전체적으로 핵생성이 일어나며, 기공 또는 높은 거칠기를 갖는 곳을 위주로 성장한다.Referring to FIG. 37 , hydroxyapatite formation is nucleated over the entire surface, and grows mainly in places with pores or high roughness.

도 38은 비교예 3 내지 비교예 6 및 실시예 1 내지 실시예 12에서 각각 제조된 티타늄계 합금에 2일동안 배양한 MC3T3-E1 조골모 세포의 형태를 100㎛의 배율로 나타낸 FE-SEM 이미지이다.38 is an FE-SEM image showing the morphology of MC3T3-E1 osteoblasts cultured for 2 days in each of the titanium alloys prepared in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 12 at a magnification of 100 μm. to be.

도 38을 참조하면, 모든 합금에서 Ta의 함량이 증가함에 따라 세포의 부착과 증식이 활발하다는 것을 알 수 있다. 또한, 표면처리된 티타늄계 합금에서는 전체적으로 세포가 잘 부착되어 증식이 활발하며, Sr 이온이 함유된 경우 세포의 증식이 더 활발하다.Referring to FIG. 38 , it can be seen that cell adhesion and proliferation are active as the content of Ta increases in all alloys. In addition, in the surface-treated titanium-based alloy, cells are well attached as a whole and proliferation is active, and when Sr ions are contained, cell proliferation is more active.

도 39는 비교예 3, 실시예 1, 실시예 4, 실시예 7 및 실시예 10에서 각각 제조된 티타늄계 합금의 표면 형태에 따른 세포성장을 나타낸 FE-SEM 이미지이다.39 is an FE-SEM image showing cell growth according to the surface shape of the titanium-based alloy prepared in Comparative Example 3, Example 1, Example 4, Example 7, and Example 10, respectively.

도 39를 참조하면, 표면에 미세 기공이 존재하는 (b), (c), (d), (e)의 경우 lamellipodia가 길게 성장한 모습을 볼 수 있으며, lamellipodia가 미세시공을 덮어 사방으로 넓게 퍼지면서 성장한다. 또한, filopodia는 표면으로 성장하지 않고, 기공 내부 또는 주변의 기공으로 성장해간다. 이는 조골모 세포가 거친 표면 및 나노 또는 기공을 통해서 성장한다는 것을 의미한다. 또한, 조골모 세포는 기공의 크기가 1.2 내지 3 ㎛에서 성장이 활발하다. 표 5의 기공 크기를 참고하면, 비교예 4, 실시예 4, 실시예 5, 비교예 5, 실시예 7 및 실시예 8의 작은 기공의 크기가 0.48 내지 2.24 ㎛ 인 것을 고려하면, 조골모 세포의 성장이 활발함을 알 수 있다. 실시예 6과 실시예 9의 경우 기공 사이의 거리가 짧은 쪽으로 filopodia가 성장해 나가는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 39, in the case of (b), (c), (d), and (e) having micropores on the surface, it can be seen that lamellipodia have grown long, and the lamellipodia cover the micropores and spread widely in all directions. while growing up In addition, filopodia do not grow on the surface, but grow into the pores inside or around the pores. This means that osteoblasts grow through rough surfaces and nanoparticles or pores. In addition, osteoblasts grow actively in the pore size of 1.2 to 3 μm. Referring to the pore sizes in Table 5, considering that the small pore sizes of Comparative Examples 4, 4, 5, 5, 7, and 8 are 0.48 to 2.24 μm, osteoblasts It can be seen that the growth of In the case of Examples 6 and 9, it can be seen that the filopodia grow toward the shorter distance between the pores.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법에 의하면, 종래의 Ti-6Al-4V 티타늄계 합금과 비교하여, 바나듐 및 알루미늄이 사용되지 않으므로 무독성을 지니면서, 피질뼈와 유사한 탄성계수를 지녀, 응력 차폐 현상을 방지할수 있는 효과를 지닌다.As described above, according to the method for manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the present invention, as compared to a conventional Ti-6Al-4V titanium-based alloy, vanadium and aluminum are not used, and thus, while having non-toxicity, cortical bone It has an elastic modulus similar to that of , and has the effect of preventing stress shielding.

또한, 본 발명에 따른 셍체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법은 Ti-Nb-Ta 합금의 표면에 Ca 이온 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막을 형성하여, 생체의 뼈와 화학적 구조적으로 유사성을 통해 골유착을 향상시키고, 표면거칠기가 증가하여 골세포 부착이나 세포 부착에 필요한 단백질의 흡착을 촉진하는 효과가 있다.In addition, the method for manufacturing a sanitary compatibility-enhancing titanium-based alloy according to the present invention forms a porous oxide film containing Ca ions and P ions on the surface of the Ti-Nb-Ta alloy, so that it is chemically and structurally similar to the bone of a living body. It has the effect of improving osseointegration and increasing the surface roughness to promote the adsorption of proteins required for bone cell adhesion or cell adhesion.

또한 본 발명에 따른 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법은 Ca 및 P를 포함하는 다공성 산화피막층에 Sr 코팅층을 형성하여, 파골세포 증식 억제와 조골세포 분화를 자극시켜 치유기간이 감소하는 장점을 지닌다.In addition, the method for manufacturing a biocompatibility-enhancing titanium-based alloy according to the present invention forms an Sr coating layer on a porous oxide film layer containing Ca and P, thereby inhibiting osteoclast proliferation and stimulating osteoblast differentiation, thereby reducing the healing period. have

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.As described above, the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, but it is not limited to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope not departing from the spirit of the present invention Various changes and modifications will be possible.

Claims (12)

티타늄계 합금을 제조하는 티타늄계 합금 제조 단계;
제조된 상기 티타늄계 합금을 전해질 용액에 침지시키고, 플라즈마 전해 산화 장치에 펄스전류를 인가하여, 상기 티타늄계 합금의 표면에 다공성 산화피막을 형성하는 다공성 산화피막 형성 단계; 및
상기 다공성 산화피막이 형성된 상기 티타늄계 합금의 표면에 RF-마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 Sr 코팅층을 형성하는 Sr 코팅층 형성 단계를 포함하고,
상기 티타늄계 합금은 Ti-35Nb-xTa으로 이루어지고, 여기서 x는 3 내지 15wt%인 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법.
Titanium-based alloy manufacturing step of producing a titanium-based alloy;
a porous oxide film forming step of immersing the prepared titanium-based alloy in an electrolyte solution, and applying a pulse current to a plasma electrolytic oxidation device to form a porous oxide film on the surface of the titanium-based alloy; and
An Sr coating layer forming step of forming an Sr coating layer using an RF-magnetron sputtering device on the surface of the titanium-based alloy on which the porous oxide film is formed,
The titanium-based alloy is made of Ti-35Nb-xTa, where x is a method for producing a biocompatibility enhancement-type titanium-based alloy, characterized in that 3 to 15wt%.
제 1항에 있어서,
상기 전해질 용액은 Ca 및 P 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법.
The method of claim 1,
The electrolyte solution is a method for producing a biocompatibility-enhanced titanium-based alloy, characterized in that it contains Ca and P ions.
제 2항에 있어서,
상기 전해질 용액은 칼슘아세트산일수화물[Ca(CH3COO)2·H2O] 및 글리세로인산칼슘[C3H7CaO6P]을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The electrolyte solution is a biocompatibility enhancement type titanium alloy comprising calcium acetate monohydrate [Ca(CH 3 COO) 2 ·H 2 O] and calcium glycerophosphate [C 3 H 7 CaO 6 P] manufacturing method.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 산화피막 형성 단계는, 250V 내지 280V의 전압이 2분 30초 내지 3분 30초 동안 인가되는 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법
The method of claim 1,
In the step of forming the porous oxide film, a voltage of 250V to 280V is applied for 2 minutes and 30 seconds to 3 minutes and 30 seconds.
제 1항에 있어서,
상기 Sr 코팅층 형성단계는, 상기 RF-마그네트론 스퍼터링 장치의 파워가 40W 내지 60W로 인가되는 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step of forming the Sr coating layer, the RF-power of the magnetron sputtering device is applied in a range of 40W to 60W.
제 1항에 있어서,
상기 티타늄계 합금 제조 단계는,
상기 티타늄계 합금을 실리콘 카바이드 연마재를 사용하여 100, 600, 1000 및 2000 방(grit)으로 연마하는 제 1연마 단계; 및 연마된 상기 티타늄계 합금을 알루미나 분말(Al2O3)로 미세연마하는 제 2연마 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법.
The method of claim 1,
The titanium-based alloy manufacturing step,
a first polishing step of polishing the titanium-based alloy to 100, 600, 1000 and 2000 grit using a silicon carbide abrasive; and a second polishing step of micro-polishing the polished titanium-based alloy with alumina powder (Al 2 O 3 ).
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법으로 제조된 생체적합성 증대형 티타늄계 합금.
Claims 1 to 6, wherein any one of the biocompatibility enhancement-type titanium-based alloy produced by the method for manufacturing the titanium-based alloy.
제 7항에 있어서,
상기 생체적합성 증대형 티타늄계 합금은
티타늄계 합금;
상기 티타늄계 합금의 표면에 형성되고, Ca 이온 및 P 이온을 포함하는 다공성 산화피막;
상기 다공성 산화피막에 형성된 Sr 코팅층;을 포함하고,
상기 티타늄계 합금은 Ti-35Nb-xTa으로 이루어지고, 여기서 x는 3 내지 15wt%인 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금.
8. The method of claim 7,
The biocompatibility-enhancing titanium-based alloy is
titanium-based alloys;
a porous oxide film formed on the surface of the titanium-based alloy and containing Ca ions and P ions;
Including; Sr coating layer formed on the porous oxide film,
The titanium-based alloy is made of Ti-35Nb-xTa, wherein x is biocompatibility enhanced titanium-based alloy, characterized in that 3 to 15wt%.
제 8항의 생체적합성 증대형 티타늄계 합금을 포함하는 치과용 임플란트.
Dental implant comprising the biocompatibility enhancement type titanium-based alloy of claim 8.
제 1항에 있어서,
상기 전해질 용액은 Ca, P 및 Sr 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법.
The method of claim 1,
The electrolyte solution is a method for producing a biocompatibility-enhanced titanium-based alloy, characterized in that it contains Ca, P and Sr ions.
제 10항에 있어서,
상기 전해질 용액은 칼슘아세트산일수화물[Ca(CH3COO)2·H2O], 글리세로인산칼슘[C3H7CaO6P] 및 초산스트론튬[Sr(CH3COO)2·0.5H2O]을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 증대형 티타늄계 합금의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The electrolyte solution is calcium acetate monohydrate [Ca(CH 3 COO) 2 ·H 2 O], calcium glycerophosphate [C 3 H 7 CaO 6 P] and strontium acetate [Sr(CH 3 COO) 2 ·0.5H 2 O], characterized in that it comprises a biocompatibility enhancement-type titanium-based alloy manufacturing method.
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Seung-Pyo Kim외 2인. Plasma electrolytic oxidation of Ti-25Nb-xTa alloys in solution containing Ca and P ions. Surface & Coatings Technology 395 (12 May 2020) 125916, pp 1-12. 1부.* *

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