KR102639266B1 - 표면 처리된 임플란트 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면 처리된 임플란트 구조체에 관한 것이다. 일 양상에 따른 임플란트 구조체는 인공치근 역할을 수행하는 픽스처를 포함하며, 상기 픽스처의 외주면에 포함된 나노 돌기는 일정 수준의 높이, 깊이 및 종횡비를 나타낸다.

Description

표면 처리된 임플란트 구조체 {Surface-treated implant structure}
본 발명은 표면 처리된 임플란트 구조체에 관한 것이다.
임플란트(implant)는 인체에 무해한 재료를 이용해 뼈의 기능을 회복시키는 치료에 사용된다. 예를 들어, 기존 임플란트는 치과, 정형외과 등에서 골조직과 관련된 적응증에 사용되고 있다. 이 중 치과용 임플란트는 상실된 치근을 대신할 수 있도록 인체에 거부반응이 없는 재질로 만든 픽스처(fixture)를 치아가 빠져나간 치조골에 심은 뒤, 인공 치아를 고정시켜 치아의 기능을 회복하도록 하는데 사용된다.
일반 보철물이나 틀니의 경우 시간이 지나면 주변 치아와 뼈가 상하지만, 임플란트는 주변 치아조직의 손상을 방지할 수 있으며 이차적인 충치 발생요인이 없기 때문에 안정적으로 사용할 수 있다. 또한, 임플란트는 자연 치아와 동일한 구조를 가지므로 잇몸의 통증 및 이물감이 전혀 없으며, 관리만 잘하면 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
이러한 임플란트에 사용되는 재료는 금속 (예를 들어, 티타늄(Ti), Co-Cr, SS, Gold 등), 세라믹 (예를 들어, 지르코니아, 알루미나 등), 고분자 (예를 들어, PMMA)로 나뉠 수 있다. 현재 국내에서 가장 많이 이용되는 재료는 금속 또는 세라믹이다. 금속 재료 중 티타늄 금속 또는 티타늄 합금 자체는 인체 이식 시 타 금속에 비해 안정성이 확보되긴 하지만, 골융합(osseointegration)에 오랜 시간이 걸리고, 산화 피막이 생성되는 문제점이 있다.
또한, 기존 임플란트는 항균을 위해서 적용되는 주변 환경에 따라 임플란트 표면에 다양한 바이오필름을 방지하는 코팅이 적용되어 사용되었다. 예를 들어, 치과 치료인 보철 및 교정 등에 사용되는 치과용 임플란트의 경우 구강의 환경에 따라 바이오필름을 방지하도록 코팅하여 사용하였다. 그러나 치과용 임플란트 재료의 표면에 바이오필름을 방지하는 코팅을 적용하는 경우, 염증 (임플란트 주위염 등) 및 이차우식 등이 유발될 수 있어, 진료비 지출 상승, 구강 건강 악화 및 국민건강보험재정 악화 등을 초래할 수 있다. 따라서, 임플란트 소재에 표면에 바이오필름을 방지하는 코팅을 적용하는 기술을 대체할 수 있는 차세대 기술의 확보가 필요한 실정이다 (한국등록특허 제 2173456 호).
일 양상은 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서, 상기 픽스처는 표면에 일정 수준의 높이 및 종횡비를 나타내는 나노 돌기를 포함하는, 임플란트 구조체를 제공하는 것이다.
일 양상은 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서, 상기 픽스처는 펨토초 레이저로 가공된 것으로서, 가공되지 않은 표면에 비해 높거나 낮은 구조를 갖는 외주면을 포함하는, 임플란트 구조체를 제공하는 것이다.
일 양상은 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서, 상기 픽스처는 나사산이 형성되어 있는 제1외주면을 포함하는 원통 형상의 골 접촉부 (111)와 상기 골 접촉부의 상부에 배치되어 있는 제2외주면을 포함하는 치은 접촉부 (112)를 포함하며, 상기 제1외주면 또는 제2외주면은 10 내지 1000 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 포함하는 것인, 임플란트 구조체를 제공한다.
일 양상은 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서, 상기 픽스처는 나사산이 형성되어 있는 제1외주면을 포함하는 원통 형상의 골 접촉부 (111)와 상기 골 접촉부의 상부에 배치되어 있는 제2외주면을 포함하는 치은 접촉부 (112)를 포함하며, 상기 제1외주면 또는 제2외주면은 50 내지 200 nm의 높이 및 50:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 나노 돌기를 포함하는 것인, 임플란트 구조체를 제공한다.
일 실시예에서, 상기 임플란트 구조체를 구성하는 픽스처(110)는 어버트먼트(140)와 일체 또는 분리된 형태로 마련될 수 있으며, 나사산이 형성되어 있는 외주면을 포함하는 골 접촉부(111) 및 치은 접촉부(112)를 모두 포함하도록 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 돌기는 인접한 나노 돌기 사이에 나노 돌기가 형성되지 않은 상태의 임플란트 구조체 표면이 위치한 상태로 배열될 수 있다.
본 명세서에서 용어, “폭”은 임플란트 구조체의 표면에 포함된 인접한 나노 돌기의 말단의 중심간 거리를 의미한다. 상기 폭은 1 내지 2000 nm, 1 내지 1000nm, 5 내지 1000nm, 10 내지 1000nm, 100 내지 1000nm, 10 내지 500nm 또는 10 내지 100nm로 마련될 수 있다. 상기 1 내지 2000nm의 폭을 갖는 나노 돌기는 임플란트 구조체의 제1외주면 또는 제2외주면에 고유한 표면 특성 및 기능성을 부여할 수 있고, 여기서, 상기 기능성은 항균 효과 또는 골융합 촉진 효과일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 인접한 나노 돌기 사이의 폭과 상기 나노 돌기의 가로(횡) 길이 또는 세로(종) 길이는 1:1 내지 100:1, 1:1 내지 50:1, 또는 1:1 내지 10:1의 비율로 마련될 수 있다.
본 명세서에서 용어, “종횡비(Asptect Ratio)”는 임플란트 구조체의 표면에 포함된 나노 돌기의 가로와 세로의 비를 의미한다. 상기 종횡비는 가로와 세로의 비가 1000:1 내지 1:50, 500:1 내지 1:50, 200:1 내지 1:50, 100:1 내지 1:50, 50:1 내지 1:50, 40:1 내지 1:40, 30:1 내지 1:30 또는 20:1 내지 1:20으로 마련될 수 있다. 상기 1000:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 나노 돌기는 임플란트 구조체의 제1외주면 또는 제2외주면에 고유한 표면 특성 및 기능성을 부여할 수 있고, 여기서, 상기 기능성은 항균 효과 또는 골융합 촉진 효과일 수 있다. 본 명세서에서, 상기 제1외주면 또는 제2외주면은 임플란트 구조체의 표면과 상호교환적으로 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 임플란트 구조체가 표면에 1:1 내지 1:50, 1:1 내지 1:45, 1:1 내지 1:40, 1:1 내지 1:35, 1:1 내지 1:30, 1:1 내지 1:25, 1:1 내지 1:20, 1:1 내지 1:15, 1:1 내지 1:10, 1:10 내지 1:50, 1:10 내지 1:45, 1:10 내지 1:40, 1:10 내지 1:35, 1:10 내지 1:30, 1:10 내지 1:25, 1:10 내지 1:20, 또는 1:10 내지 1:15, 의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 포함하는 경우, 상기 임플란트 구조체의 표면은 박테리아 등의 균을 사멸시키는 항균 효과를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 임플란트 구조체가 표면에 1000:1 내지 1:1, 100:1 내지 1:1, 50:1 내지 1:1, 40:1 내지 1:1, 30:1 내지 1:1, 20:1 내지 1:1, 10:1 내지 1:1, 1000:1 내지 10:1, 100:1 내지 10:1, 50:1 내지 10:1, 40:1 내지 10:1, 30:1 내지 10:1, 또는 20:1 내지 10:1의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 포함하는 경우, 상기 임플란트 구조체의 표면은 골융합 촉진 효과를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 표면처리 조건 중 가공 형태에 따라, 선형의 경우 1000:1 내지 10:1의 종횡비, 격자형의 경우 1:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 갖는 임플란트 구조체가 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2외주면의 나노 돌기 형상은 임플란트 표면에 존재하는 박테리아의 사멸을 촉진시키는 것으로, 10 내지 100 nm의 폭 및 1:50 내지 1:1의 종횡비 또는 100 내지 1000 nm의 폭 및 1:1 내지 1:50의 종횡비로 마련될 수 있다. 또한, 상기 제2외주면의 나노 돌기 형상은 100 내지 200 nm의 높이 및 1:1 내지 1:50의 종횡비로 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 돌기는 말단이 평편한(blunt) 형상으로 마련될 수 있다.
본 명세서에서 용어 "평편(blunt)"이란 상기 "나노 돌기의 가로비(횡비)"와 상기 "나노 돌기 말단의 곡률(curvature)"을 곱한 값이 -2 내지 +2인 경우를 의미한다. 예를 들어, 상기 곡률은 -2 내지 +2, -1 내지 +1 또는 -0.5 내지 +0.5일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 상기 나노 돌기의 "나노 돌기의 가로 길이"와 상기 "나노 돌기 말단의 곡률(curvature)"을 곱한 값이 +2인 경우, 상기 나노 돌기 말단은 반구형의 형상을 이룰 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 돌기 말단이 곡률을 형성하지 않거나, 일정 곡률 미만인 경우 뾰족한 형상으로 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2외주면의 표면에 대한 산술 평균 거칠기(Ra) 값은 1.0 내지 5.0㎛ 범위 중 어느 하나일 수 있다, 상기 산술 평균 거칠기 값은 예를 들어, 1.0 내지 4.00㎛, 1.0 내지 3.0㎛, 1.00 내지 2.0㎛, 2.0 내지 5.0㎛, 2.0 내지 4.0㎛, 2.0 내지 3.0㎛, 3.0 내지 5.0㎛, 또는 3.0 내지 4.0㎛일 수 있다. 상기와 같은 표면에 대한 산술 평균 거칠기는 임플란트 표면에 존재하는 박테리아의 사멸을 촉진시키는데 기여할 수 있다.
본 명세서에서 용어 "산술 평균 거칠기(Ra)"는 조도 곡선의 산술 평균 높이를 지칭하는 것으로서, 상기 파라미터 값은 ISO 25178-2:2012 기준에 따라 정의되는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1외주면의 나노 돌기 형상은 임플란트와의 골융합을 촉진시키기 위한 것으로, 10 내지 1000 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:1의 종횡비로 마련될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1외주면의 나노 돌기 형상은 10 내지 1000 nm의 폭 및 100:1 내지 1:1의 종횡비로 마련될 수 있다. 또한, 상기 제1외주면의 나노 돌기 형상은 50 내지 200 nm의 높이 및 1000:1 내지 1:1의 종횡비로 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1외주면의 표면에 대한 산술 평균 거칠기(Ra) 값은 0.5 내지 3.0㎛ 범위 중 어느 하나일 수 있다, 상기 산술 평균 거칠기 값은 예를 들어, 0.5 내지 2.0㎛, 0.5 내지 1.0㎛, 1.0 내지 3.0㎛, 1.0 내지 2.5㎛, 1.0 내지 2.0㎛, 또는 2.0 내지 3.0㎛일 수 있다. 상기와 같은 표면에 대한 산술 평균 거칠기는 임플란트와의 골융합을 촉진시키는데 기여할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1외주면 및 상기 제2외주면에 포함된 상기 나노 돌기는 서로 다른 종횡비로 마련될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1외주면을 포함하는 골 접촉부는 골융합을 촉진시키기 위한 표면 특성, 즉, 1000:1 내지 1:1의 종횡비 범위를 갖는 나도 돌기를 포함할 수 있고, 상기 제2외주면을 포함하는 치은 접촉부는 항균 효과를 나타내기 위한 표면 특성, 즉, 1:1 내지 1:50의 종횡비 범위를 갖는 나노 돌기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 임플란트 구조체는 펨토초 레이저로 표면 처리된 것일 수 있다. 상기 표면 처리는 1 내지 5 W의 레이저 강도를 갖는 펨토초 레이저 빔을 제1외주면 또는 제2외주면의 표면에 선형(Line) 및 격자형(Grid)으로 1회 이상 조사하는 것일 수 있다.
다른 양상은 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서, 상기 픽스처는 나사산이 형성되어 있는 외주면을 포함하는 원통 형상의 골 접촉부(111)를 포함하며, 상기 외주면은 10 내지 1000 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:1의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 포함하는 골 형성 촉진 영역(113), 및 상기 골 형성 촉진 영역의 상부에 위치하며, 10 내지 1000 nm의 폭 및 1:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 복수개의 나노 돌기를 포함하는 항균 활성 촉진 영역(114)을 포함하는 임플란트 구조체를 제공한다.
일 실시예에서, 상기 임플란트 구조체를 구성하는 픽스처(110)는 어버트먼트(140)와 일체 또는 분리된 형태로 마련될 수 있으며, 나사산이 형성되어 있는 외주면을 포함하는 골 접촉부(111)로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 골 접촉부(111)는 골 형성 촉진 영역(113) 및 항균 활성 촉진 영역(114)을 포함하거나, 골 형성 촉진 영역(113) 및 항균 활성 촉진 영역(114)으로 이루어질 수 있으며, 상기 항균 활성 촉진 영역(113)은 골 형성 촉진 영역(114)의 상부 또는 골 접촉부(111)의 상단에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 골 형성 촉진 영역(114)은 표면에 1:1 내지 1:50, 1:1 내지 1:45, 1:1 내지 1:40, 1:1 내지 1:35, 1:1 내지 1:30, 1:1 내지 1:25, 1:1 내지 1:20, 1:1 내지 1:15, 1:1 내지 1:10, 1:10 내지 1:50, 1:10 내지 1:45, 1:10 내지 1:40, 1:10 내지 1:35, 1:10 내지 1:30, 1:10 내지 1:25, 1:10 내지 1:20, 또는 1:10 내지 1:15의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항균 활성 촉진 영역(113)은 표면에 1000:1 내지 1:1, 100:1 내지 1:1, 50:1 내지 1:1, 40:1 내지 1:1, 30:1 내지 1:1, 20:1 내지 1:1, 10:1 내지 1:1, 1000:1 내지 10:1, 100:1 내지 10:1, 50:1 내지 10:1, 40:1 내지 10:1, 30:1 내지 10:1, 또는 20:1 내지 10:1의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 임플란트 구조체는 펨토초 레이저로 표면 처리된 것일 수 있으며, 표면처리 조건 중 가공 형태에 따라, 선형의 경우 1000:1 내지 10:1의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 갖는 항균 활성 촉진 영역이 마련될 수 있고, 격자형의 경우 1:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 갖는 골 형성 촉진 영역이 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항균 활성 촉진 영역(114)의 나노 돌기는 말단이 평편한 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항균 활성 촉진 영역(114)은 골 접촉부(111)의 상단으로부터 골 형성 촉진 영역(113)의 방향으로 0.1 내지 3.0mm 범위에서 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 항균 활성 촉진 영역(114)의 길이는 골 접촉부의 상단으로부터 골 형성 촉진 영역(113)의 방향으로 0.1 내지 3.0mm, 예를 들어 0.1mm, 0.5mm, 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm, 2.5mm, 또는 3.0mm일 수 있다. 여기서, 상기 골 접촉부(111)의 상단은 치조골에 삽입된 후 외부로 노출된 픽스처의 단면과 인접한 영역을 지칭할 수 있으며, 상기 길이는 픽스처 종축에서의 높이와 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 항균 활성 촉진 영역(114)은 골 접촉부(111)의 전체 길이를 기준으로 1 내지 50%, 예를 들어, 1 내지 40%, 1 내지 30%, 1 내지 20%, 1 내지 10%, 1 내지 5%, 10 내지 50%, 10 내지 40%, 10 내지 30%, 또는 10 내지 20%에 해당하도록 마련될 수 있다.
상기 골 형성 촉진 영역 및 항균 활성 촉진 영역을 갖는 픽스처, 및 이를 포함하는 임플란트 구조체에 대한 세부적인 설명 중 골 접촉부와 및 치은 접촉부를 갖는 임플란트 구조체와 동일하거나 상응하는 기술적 구성은 준용 또는 병렬적으로 적용하여 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 임플란트 구조체는 생체 적합성 재료를 이용하여 마련될 수 있다. 상기 생체 적합성 재료는 생체에 적합한 재료라면 금속, 세라믹 또는 수지 등으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 생체 적합성 금속 재료는 구리, 티타늄, 티타늄 합금, 코발트 크롬 합금 등으로 마련될 수 있으며, 생체 적합성 세라믹 재료는 알루미나(산화알루미늄), 산화이트륨, 산화하프늄, 산화실리콘, 산화마그네슘, 산화세륨 등으로 마련될 수 있으며, 생체 적합성 수지 재료는 실리콘, 나일론, POM, 복합 소재 등으로 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 티타늄 또는 티타늄 합금은 임플란트의 부피비에 있어서 50% 이상 100% 이하로 포함될 수 있다. 예를 들어, 티타늄은 임플란트의 부피비에 있어서 50% 이상 100% 이하, 60% 이상 99% 이하, 70% 이상 95% 이하, 80% 이상 95% 이하 또는 90% 이상 95% 이하로 포함될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 임플란트 구조체는 레이저 표면처리, 블라스팅 표면처리, 에칭 표면처리되어 마련될 수 있다. 예를 들어, 상기 임플란트 구조체는 상기 제1외주면 또는 제2외주면에 미세한 모래입자를 분사하여 표면거칠기를 증가시킨 블라스팅 공정과 에칭액 내에 담가서 표면을 부식시킴으로서 표면거칠기를 증가시키는 에칭공정을 동시에 수행하여 마련될 수 있으며, 또는 레이저로 표면 처리되어 마련될 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저는 펨토초 레이저일 수 있다.
본 명세서에서 블라스팅 표면처리란 임플란트 구조체 표면에 미세입자를 분사함으로서 표면거칠기가 증가되도록 하는 것을 말한다. 예를 들어, 제1외주면 또는 제2외주면에 미세 모래 입자등을 분사시켜 표면거칠기를 증가시켜 수행될 수 있다. 통상적으로는 모래를 사용하나, 탄화붕소 등의 단단한 재료를 사용하였을 때 상당히 개선된 거시적 거칠기가 얻어질 수 있다. 예를 들어, 평균 직경이 250 내지 500 ㎛인 Al2O3 입자를 사용할 수 있다.
본 명세서에서 에칭 표면처리란 골 접촉부(111)와 치은 접촉부(112)를 에칭액에 담금으로서 표면을 부식시켜 수행될 수 있으며, 상기 부식에 의해 임플란트 구조체의 표면 거칠기가 증가될 수 있다. 예를 들어, 상기 에칭은 불화수소산(HF), 또는 염산(HCL)과 황산(H2SO4)의 혼합물 등과 같은 산을 환원시킴으로써 실행될 수 있다. 다만, 에칭액은 이에 한정되는 것은 아니며, 인산, 질산, 불화암모늄, 과산화수소 및 브롬산으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 화합물을 함유할 수 있다.
상기 에칭 시간은 사용되는 에칭액에 따라 다르며, 일반적으로 약 10초에서 120분 정도일 수 있다. 에칭을 위해서는 에칭액 내에 임플란트 구조체의 적어도 일부를 담근 상태에서 바람직하게는 약 1 내지 60분, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 40분, 매우 바람직하게는 약 30분 정도 기다린 후 꺼냄으로써 수행될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 골 접촉부(111) 또는 치은 접촉부(112)만을 에칭액 내에 담그는 것도 가능하다.
상기 에칭 표면처리 후, 부가적으로 임플란트 구조체(100)를 소정의 세정액에 의하여 세척할 수 있다.
본 명세서에서 상기 제1외주면 또는 제2외주면의 표면은 블라스팅 공정에 의하여 다소 거칠기가 크게 마련될 수 있으며, 에칭 공정에 의해서는 블라스팅 공정에 비해 거칠기가 다소 낮게 마련될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 제1외주면 또는 제2외주면의 표면이 에칭에 의해서만 처리되는 것도 가능하다.
다른 양상은 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서, 상기 픽스처는 나사산이 형성되어 있는 제1외주면을 포함하는 원통 형상의 골 접촉부와 상기 골 접촉부의 상부에 배치되어 있는 제2외주면을 포함하는 치은 접촉부를 포함하며, 상기 제1외주면 또는 제2외주면은 펨토초 레이저로 표면이 가공된 것으로서, (i) 제1 외주면 또는 제2 외주면의 피가공면의 높이가 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm 더 높은 구조를 갖는 것 또는 (ii) 제1 외주면 또는 제2 외주면의 피가공면의 깊이가 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm 더 낮은 구조를 갖는 것인, 임플란트 구조체를 제공한다.
일 실시예에서, 상기 제1 외주면 또는 제2 외주면의 피가공면의 높이는 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm, 0.01 mm 내지 10 mm 또는 0.1 mm 내지 10 mm 더 높은 구조일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 외주면 또는 제2 외주면의 피가공면의 깊이는 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm, 0.01 mm 내지 10 mm 또는 0.1 mm 내지 10 mm 더 낮은 구조일 수 있다.
상기 제1 외주면 또는 제2 외주면의 높이가 가공되지 않은 표면에 비해 상기 범위에서 높거나 낮음으로써, 임플란트 구조체의 제1외주면 또는 제2외주면에 고유한 표면 특성 및 기능성을 부여할 수 있고, 여기서, 상기 기능성은 항균 효과 또는 골융합 촉진 효과일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1외주면은 골융합을 촉진하는 구조를 갖는 것으로서, (i) 제1 외주면의 피가공면의 높이가 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm 더 높은 구조를 갖는 것 또는 (ii) 제1 외주면의 피가공면의 깊이가 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm 더 낮은 구조를 갖도록 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 외주면의 피가공면의 높이는 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm, 0.01 mm 내지 10 mm 또는 0.1 mm 내지 10 mm 더 높은 구조일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 외주면의 피가공면의 깊이는 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm, 0.01 mm 내지 10 mm 또는 0.1 mm 내지 10 mm 더 낮은 구조일 수 있다.
다른 양상은 레이저 빔의 처리 조건을 설정하는 단계; 설정된 조건에 따라 레이저 빔이 제공되는 단계; 상기 제공된 레이저 빔으로 임플란트 구조체 표면을 처리하는 단계;를 포함하는, 임플란트 구조체 표면처리 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 레이저 빔의 처리 조건을 설정하는 단계는 레이저의 가공속도를 0.1mm/s 내지 2500mm/s, 레이저의 강도를 0.1W 내지 100W, 레이저의 세기(Fluence)를 0.1 내지 100 J/cm2로 설정하는 것으로 마련될 수 있다.
본 명세서에서 용어 “레이저 세기”는 단위면적당 에너지로 실제 레이저 가공시에 평균출력, 반복률, 조사면적 등을 종합적으로 고려하여 계산된 최종 결과 수치를 말한다.
일 실시예에서, 상기 표면을 처리하는 단계는 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖도록 레이저 빔을 조사하여 임플란트 구조체의 표면을 처리하는 것으로 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 표면을 처리하는 단계는 레이저의 초점에서의 피크 세기를 임플란트의 표면처리 임계 세기의 4배로 설정하여 임플란트 표면을 처리하는 것으로 마련될 수 있다. 이 경우, 균일한 표면처리 영역을 갖기 위한 피크 세기는 하기 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
.
여기서, Fpeak, in-focus는 레이저 빔의 초점에서의 피크 세기(fluence)이고, FLIAT는 3차원 대상체의 표면처리 임계 세기임. 상기 플루언스(fluence)는 레이저 세기의 단위로서 J/cm2임.
일 실시예에서, 상기 표면을 처리하는 단계는 임플란트 구조체의 표면이 상기 레이저의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(Depth Of Focus, DOF) 내에 위치하도록 하여 수행될 수 있다. 이 경우, 일정한 표면 처리 영역을 갖는 초점 심도 영역은 하기 수학식 2를 통해 계산될 수 있다.
[수학식 2]
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여기서, NA는 광학 시스템의 개구수(Numeral Aperture)이고, λ는 레이저 빔의 중심 파장이고, M2은 레이저 빔의 품질임.
상술한 조건들을 이용하여, 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖도록 하는 레이저 빔을 처리할 수 있다. 이러한 레이저 빔 처리를 통해, 대상체의 형상에 따라 레이저 빔의 초점거리를 조절할 필요 없이, 상기 레이저 빔의 초점 위치만을 조절하여 대상체를 전체적으로 균일하게 표면 처리할 수 있다.
한편, 본 발명에서는, 단위 레이저 펄스에 의해 생성되는 표면처리 영역이 원형으로 형성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않는다. 따라서, 상기 레이저 표면처리 영역은 레이저 빔의 패턴에 따라 다른 모양으로 형성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
일 실시예에서, 레이저 빔의 진행 방향에 대응하여 생성되는 초점 심도 영역(DOF)은 표면처리의 대상이 되는 부분, 즉 대상체(270)의 표면 (예를 들어, 제1외주면 또는 제2외주면)에 위치하도록 마련될 수 있다. 이는 표면처리의 대상이 되는 부분이 레이저 빔의 초점 심도 영역(DOF) 내에 위치하는 경우에만 초점거리(즉, 빔 집속부와 초점 사이의 거리)를 조절할 필요 없이 균일한 표면처리가 가능하기 때문이다. 따라서, 빔 집속부(240)와 대상체(270) 간의 거리를 조절하거나 혹은 빔 집속부(240)의 광학적 특성을 조절함으로써, 대상체(270)의 표면이 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(DOF) 내에 위치하도록 하는 레이저 표면처리 장치(200)를 구현하여, 대상체의 표면을 처리하도록 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 펨토초 레이저에 의해 임플란트 구조체의 표면을 처리하는 경우, 선형(Line) 또는 격자형(Grid)로 처리할 수 있다. 예를 들어, 선형 처리시 임플란트 구조체 표면의 나노 돌기가 이루는 라인 (예를 들어, 도 6(C)의 200nm 확대도에서 확인 가능한 일렬 또는 산맥 형태의 배치) 또는 나노돌기의 폭을 형성하는 골이 횟수에 따라 선명하게 처리될 수 있다. 또한, 격자형 처리시 임플란트 구조체 표면의 나노 돌기의 종횡비가 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 펨토초 레이저 표면처리시에 표면처리하려는 부분이 레이저 초점 영역으로부터 표면처리 면이 일정 거리 떨어져 있어도 표면처리가 가능하다. 예를 들어, 8 내지 12mm (표면처리되지 않는 부분보다 아래로 4 내지 6 mm 또는 위로 4 내지 6mm)가 떨어져 있어도 표면처리가 가능하다. 상기와 같이 표면처리가 가능하기 때문에, 높낮이가 차이가 10mm 이내인 임플란트 고정체의 나사산을 한 번에 표면처리할 수 있다.
상술한 실시형태에서는 치과용 임플란트 및 이의 표면처리에 대해 설명하였지만, 이에 한정하지 않는다.
다른 양상은 표면에 10 내지 1000 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 나노 돌기를 포함하는, 임플란트를 제공할 수 있다.
다른 양상은 표면에 50 내지 200 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 나노 돌기를 포함하는, 임플란트를 제공할 수 있다.
상기 임플란트는 뼈 조직 교체용 임플란트, 골조직 결함을 충전하기 위한 조성물에 포함시키기 위한 과립형태의 부피 벌크 충전제, 뼈 나사, 뼈 융합용 임플란트, 고정 핀 임플란트 또는 임플란트용 핀, 두개골 재건용 임플란트, 정형외과 임플란트, 경피 골융합 임플란트, 치과 임플란트를 포함할 수 있다.
구체적으로, 정형외과 임플란트는 엉덩이 관절의 임플란트를 포함하며, 무릎 관절의 임플란트, 어깨 관절의 임플란트, 팔꿈치 관절의 임플란트, 손목 관절의 임플란트, 발목 관절의 임플란트, 치골 관절의 임플란트, 중족 관절의 임플란트, 또는 일반적으로 관절의 임플란트, 척수 임플란트, 척추 임플란트 및 추간판 임플란트, 요골 골두 임플란트, 엄지 임플란트, 골절제술을 위한 임플란트(높은 경골 절골술) 등을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 표면처리를 통해, 정형외과 임플란트의 적용 부위에 항균 효과를 마련할 수 있으며, 이는 관절과 골내 인공삽입물의 중부하 부위의 임플란트 등에 사용할 수 있게 한다.
예를 들어, 정형외과 임플란트는 관절의 임플란트, 특히 고관절 임플란트와 무릎 관절 임플란트일 수 있다. 고관절의 임플란트는 이형성의 헤드와 보철인 보철물 (골내 인공삽입물 또는 대퇴골의 골간) 및 코틸로이드 공동 보철물일 수 있다. 무릎 관절 임플란트는 무릎 관절의 경골 및 대퇴골 구성요소를 포함할 수 있다.
구체적으로, 치과용 임플란트는 치과 임플란트 자체(나선형, 원통형, 원추형 또는 층상 모양), 치과용 어버트먼트, 통합 어버트먼트, 치과용 크라운, 어버트먼트와 크라운이 통합된 치과용 임플란트, 치과용 빔, 치과용 인서트, 치과 핀 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 임플란트의 표면처리 방법은 인공 뼈, 골 보전재 등에 적용될 수 있으며, 상기 인공 뼈나 골 보전재는 골절이나 종양의 절제 등으로 발생한 뼈의 결손된 부분 또는 요추 수술로 제거한 연골 등을 보충하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 임플란트는 대퇴골에 매립되는 인공 고관절 일 수 있다.
또한, 상기 임플란트의 표면 처리 방법은 인공 관절의 부재, 골절 부위의 고정에 사용하는 골 접합 재료, 척추 등의 고정 기구(척추 임플란트나 요추 임플란트) 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 임플란트의 표면 처리 방법은 생체(체내)에 매립되는 임플란트에 한정하지 않고, 체표에 고정되는 임플란트에도 적용될 수 있으며, 인간에 한정하지 않고, 애완동물이나 가축 등에 적용될 수 있다.
임플란트 및 이의 표면처리에 대한 세부적인 설명은 상기 임플란트 구조체에서 설명한 바와 같거나 준용할 수 있다.
다른 양상은 1:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 복수 개의 나도 돌기를 표면 상에 포함하는 금속 소재를 포함하는 항균용 조성물로서, 상기 금속 소재는 티타늄, 또는 티타늄 합금으로 이루어지며, 펨토초 레이저로 표면 처리한 것인, 항균용 조성물; 및 상기 금속 소재를 포함하는 항균 조성물과 접촉시키는 단계를 포함하는 항균 방법을 제공한다.
항균 조성물에 대한 세부적인 설명은 상기 임플란트 구조체에서 설명한 바와 같거나 준용할 수 있다.
일 양상에 따른 임플란트 구조체에 의하면, 상기 구조체 표면 상의 제1외주면 및 제2외주면은 나노 돌기를 포함하는 특정 패턴을 가지며, 이러한 외주면의 특성은 임플란트 구조체와 골 조직간 접합성을 향상시키고, 임플란트의 항균성을 향상시키는데 기여할 수 있다. 따라서, 일 양상에 따른 임플란트 구조체는 종래 표면에 바이오필름이 적용된 임플란트에 의한 염증 등의 부작용을 감소시킴으로써, 우수한 생체 적합성과 안정성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명 일 실시예에 따른 어버트먼트 일체형 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체가 치조골에 삽입된 모습을 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명 일 실시예에 어버트먼트 분리형 픽스처를 포함하는 따른 임플란트 구조체의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽스처가 치조골에 삽입된 모습을 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 임플란트 구조체를 제조하는 시스템을 나타낸 도이다.
도 6은 티타늄 임플란트 구조체의 표면을 확인한 도이다. 도 6(A)는 표면 처리되지 않은 티타늄의 표면, 도 6(B)는 SLA(Sandblasted, Large grit, Acid-etched) 처리된 티타늄 금속 임플란트 표면, 도 6(C)는 펨토초 레이저로 표면처리 된 티타늄의 표면, 및 도 6(D)는 표면처리되지 않은 티타늄의 표면과 펨토초 레이저 표면처리된 티타늄의 표면을 비교한 도이다.
도 7은 티타늄 금속 임플란트 구조체와 지르코니아 임플란트 구조체의 표면 처리 여부에 따른 표면의 모습을 확대한 도이다. 도 7(A)는 표면처리되지 않은 지르코니아 표면, 도 7(B)는 Laser 1로 표면처리된 지르코니아 표면, 도 7(C)는 표면처리되지 않은 티타늄 표면, 도 7(D)는 Laser 1로 표면처리된 티타늄 표면, 도 7(E)는 Laser 2로 표면처리된 티타늄 표면, 및 도 7(F)는 Laser 3으로 표면처리된 티타늄 표면을 나타낸다.
도 8은 펨토초 레이저에 의해 선형으로 가공 횟수를 달리하여 처리된 티타늄 금속 임플란트 구조체의 표면을 확대한 도이다. 도 8(A), (B), 및 (C)는 1회 선형 가공된 금속 임플란트 구조체의 표면, 도 8(D), (E), 및 (F)는 10회 선형 가공된 금속 임플란트 구조체의 표면, 도 8(G), 및 (H)는 100회 가공된 금속 임플란트 구조체의 표면, 및 도 8(I)는 100회 가공된 금속 임플란트 구조체의 깊이를 측정한 결과를 나타낸다.
도 9는 펨토초 레이저 표면처리 조건을 달리하여, 임플란트 구조체의 표면을 처리한 것을 보여주며, 펨토초 레이저 표면처리시에 표면처리하려는 부분이 레이저 초점 영역으로부터 일정 거리 떨어져 있어도 표면 처리가 가능함을 나타내는 도이다.
도 10은 펨토초 레이저를 이용한 금속 임플란트 구조체 표면처리를 나타낸 도이다. 도 10(A)는 제1외주면의 표면 중 나사산 상부면(310), 나사산 하부면(320) 및 나사골 측면(330) 영역을 나타낸 것이며, 도 10(B)는 나사산 상부면(310)의 표면처리 결과, 도 10(C)는 하부면(320)의 표면처리 결과, 및 도 10(D)는 나사골 측면(330) 표면처리 결과를 나타낸다.
도 11은 펨토초 레이저를 이용하여 가공 형태 및 횟수를 조절하여 처리된 임플란트 구조체 표면을 나타낸 것으로, 임플란트 구조체 표면을 위에서 촬영한 도이다. 도 11(A)는 1회 선형 표면처리, 도 11(B)는 10회 선형 표면처리, 도 11(C)는 100회 선형 표면처리, 도 11(D)는 1회 격자 표면처리, 도 11(E)는 20회 격자 표면처리, 및 도 11(F)는 100회 격자 표면처리한 결과를 나타낸다.
도 12는 펨토초 레이저를 이용하여 가공 형태 및 횟수를 조절하여 처리된 임플란트 구조체 표면을 나타낸 것으로, 임플란트 구조체 표면을 틸팅 (tilitng) 후 촬영한 도이다. 도 12(A)는 1회 선형 표면처리, 도 12(B)는 10회 선형 표면처리, 도 12(C)는 100회 선형 표면처리, 도 12(D)는 1회 격자 표면처리, 도 12(E)는 20회 격자 표면처리, 및 도 12(F)는 100회 격자 표면처리한 결과를 나타낸다.
도 13은 펨토초 레이저로 가공 조건을 다르게 설정하여 임플란트 구조체 표면에 형성된 나노 돌기를 확인한 도이다. 도 13(A)는 100:1의 종횡비, 도 13(B)는 1:1의 종횡비, 도 13(C)는 1:20의 종횡비를 갖는 나노 돌기를 나타낸다.
도 14는 임플란트 구조체의 표면 형상에 따른 박테리아 사멸 효과를 관찰한 도이다. 도 14(A)는 대조군, 도 14(B)는 실시예 1, 도 14(C)는 실시예 2, 및 도 14(D)는 실시예 3에서의 박테리아 사멸 효과를 확인한 결과를 나타낸다.
도 15는 실시예 2의 표면 형상에 따른 박테리아 사멸 효과를 인큐베이팅 시간에 따라 확인한 결과이다.
도 16은 동물 모델에 이식된 표면 처리된 임플란트 구조체 및 이의 CT 촬영 결과를 나타낸 도이다. 도 16(A)는 동물 모델에 이식된 표면 처리된 임플란트 구조체, 도 16(B)는 단순 기계가공에 의해 표면처리된 임플란트 구조체, 펨토초 레이저에 의해 표면처리된 임플란트 구조체 및 SLA 표면처리된 임플란트 구조체의 CT 촬영 결과를 나타낸다.
도 17은 동물 모델에 이식된 표면 처리된 임플란트 구조체의 골융합 효과를 확인한 도이다. 도 17(A)는 cortical BIC ratio, 및 도 17(B)는 cortical bone area ratio를 확인한 결과를 나타낸다.
도 18은 줄기세포 분화실험에서 임플란트 구조체의 표면처리에 따른 골형성 관련 유전자의 발현 및 세포 분화를 관찰한 도이다. 도 18(A)는 Col1 유전자의 발현, 도 18(B)는 ALP 유전자의 발현, 도 18(C)는 OCN 유전자의 발현, 도 18(D)은 ARS 염색에 의한 세포 분화 수준을 정량적으로 비교한 결과, 및 도 18(E)는 ARS 염색 수준을 육안으로 확인한 결과를 나타낸다.
도 19는 표면 처리된 임플란트 구조체의 세포 흡착력을 형광 염색을 통해 확인한 결과이다.
도 20은 표면 처리된 임플란트 구조체의 세포 흡착력을 정량적으로 비교한 도이다. 도 20(A)는 배양 4시간째 세포 흡착력, 및 도 20(B)는 배양 24시간째 세포 흡착력을 비교한 결과를 나타낸다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 그 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
하기 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 “포함한다 (comprise, include)”및/또는 “포함하는 (comprising, including)”은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서는, 임플란트 구조체로 '임플란트 픽스처(implant fixture)'를 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 표면처리가 가능한 모든 임플란트를 포함한다. 또한, 본 명세서에서는, 이차원 스캔 미러부와 단축 스캔 미러부를 통칭하는 용어로 '빔 각도 조절부'를 사용하도록 하고, 스테핑 회전부와 연속 회전부를 통칭하는 용어로 '회전부'를 사용하도록 한다.
1. 임플란트 구조체
본 발명은 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서, 상기 픽스처는 나사산이 형성되어 있는 제1외주면을 포함하는 골 접촉부(111)와 상기 골 접촉부의 상부에 배치되어 있는 제2외주면을 포함하는 치은 접촉부(112)를 포함하며, 상기 제1외주면 또는 제2외주면은 10 내지 1000 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 나노 돌기를 포함하는 것인, 임플란트 구조체를 제공한다.
본 발명은 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서, 상기 픽스처는 나사산이 형성되어 있는 외주면을 포함하는 골 접촉부 (111)를 포함하며, 상기 외주면은 10 내지 1000 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:1의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 포함하는 골 형성 촉진 영역(113), 및 상기 골 형성 촉진 영역의 상부에 위치하며, 10 내지 1000 nm의 폭 및 1:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 복수개의 나노 돌기를 포함하는 항균 활성 촉진 영역(114)을 포함하는, 임플란트 구조체를 제공한다.
도 1 내지 도 4는 일 구체예에 따른 임플란트 구조체의 예시적인 구조 및 형상과, 상기 임플란트 구조체가 치조골에 삽입된 모습을 나타내는 도이다.
본 발명에 따른 임플란트 구조체(100)의 픽스처(110)는 결손된 치조골에 식립되어 치근을 형성하는 것으로서, 구체적으로 골 접촉부(111), 치은접촉부(112), 및 상측부(130)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 임플란트 구조체(100)의 픽스처(110)는 결손된 치조골에 식립되어 치근을 형성하는 것으로서, 구체적으로는 골 형성 촉진 영역(113) 및 항균 활성 촉진 영역 (114)으로 이루어지는 골 접촉부(111)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이러한 임플란트 구조체(100)의 픽스처(110)는 인체에 무해한 소재인 티타늄 합금과 같은 소재로 이루어지되, 상기 픽스처(110)의 표면에는 소정의 표면처리가 수행될 수 있다. 임플란트 픽스처(110)는 통상적으로 어버트먼트(미도시)로 불리우며 인공치아가 결합되는 지대주가 일체로 형성되어 있는지 여부에 따라서 종류가 구분될 수 있다. 구체적으로. 어버트먼트(140)가 픽스처와 일체로 형성 상태로 제조되어 일체형 임플란트용 픽스처로 마련될 수 있다. 또한, 어버트먼트(140)가 픽스처와 분리된 상태로 제조되어, 임플란트 구조체를 삽입시에 결합하는 형태로 마련될 수 있다.
일 구체예에서 설명하는 임플란트 구조체(100)의 픽스처(110)는 도 1의 어버트먼트 일체형 임플란트용 픽스처 또는 도 3의 어버트먼트 분리형 임플란트용 픽스처일 수 있다.
구체적으로, 상기 골 접촉부(111)는, 임플란트 구조체(100)의 픽스처(110)에서 치조골(151)에 삽입되는 부분으로서 전체적으로 원통 형상으로 구성된 몸체의 외주면에 나선모양으로 감기는 나사산이 형성되어 있는 제1외주면을 포함하는 것이다. 상기 원통 형상은 원기둥형 또는 원뿔대형 일 수 있으며, 상기 원뿔대형은 상광하협 또는 상협하광 형태의 원통 형상일 수 있다. 상기 나사산은 1줄 나사 또는 2줄 나사일 수 있으며 이외에 다줄 나사일 수 있음은 물론이다. 이때, 각 나사의 피치는 동일한 것이 바람직하다. 상기 나사산은 하단으로부터 점차적으로 직경이 증가하다가 일정 구간 이후부터는 직경이 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 하단부에는 셀프태핑을 위한 커팅날(미도시)이 형성되어 있을 수 있으며, 상기 커팅날은 초기 삽입과정에서 치조골의 주변골을 절삭하면서 픽스처(110)가 용이하게 삽입될 수 있도록 할 수 있다.
상기 나사산은 나사산 상부면(310), 나사산 하부면(320) 및 나사골 측면(330)으로 마련될 수 있다.
상기 골 접촉부(111)의 제1외주면은 표면에 특정 종횡비를 갖는 나노 돌기가 형성되어 있는 것으로서, 예를 들어, 레이저 표면처리에 의하여 나노 돌기에 의한 특정 패턴이 마련될 수 있으며, 미세한 모래입자를 분사하여 표면거칠기를 증가시킨 블라스팅 공정과 에칭액 내에 담가서 표면을 부식시킴으로서 표면거칠기를 증가시키는 에칭공정을 동시에 수행하여 처리될 수도 있다.
상기 골 접촉부(111)는 박테리아 등에 노출될 가능성도 있으나, 주로 치조골(151)에 삽입되어 골 융합이 필요한 부분일 확률이 높으며, 골 융합을 촉진시킬 수 있도록 표면처리되는 것이 바람직하다.
상기 골 접촉부(111)는 제1외주면과 상응하는 골 형성 촉진 영역(113) 및 제2외주면과 상응하는 항균 활성 촉진 영역(114)으로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 골 융합 촉진시키과 동시에, 골 접촉부 상부에서 야기될 수 있는 박테리아 등의 노출에 의한 위험성을 감소시킬 수 있다.
상기 골 접촉부(111)는 레이저 표면처리에 의하여, 제1외주면에 포함되는 나사산 상부면(310), 나사산 하부면(320) 또는 나사골 측면(330) 각각의 표면 패턴을 다르게 처리될 수 있다.
상기 골 접촉부(111)는 예를 들어, 나사산 하부면(320)에 골융합 촉진 구조(410) 및 나사산 상부면(310)에 평편 구조(420)가 각각 형성되도록 처리될 수도 있고, 골융합 촉진 구조(410) 및 평편 구조(420)가 나사골 측면(330)에 모두 포함되도록 즉 병행되도록 처리될 수도 있다.
상기 치은접촉부(112)는, 골 접촉부(111)의 상측에 배치되고 외주면에 나사산이 형성되어 있지 않은 제2외주면을 포함하며, 치은(150)이 접촉될 수 있는 부분이다.
상기 치은접촉부(112)는 원통형, 원추형 또는 층상 모양으로 마련될 수 있으며, 구체적으로, 원통형 (예를 들어, 원기둥형, 원뿔대형)일 수 있으며, 상기 원뿔대형은 상광하협 또는 상협하광 형태의 원통 형상일 수 있다.
상기 치은접촉부(112)의 제2외주면은 표면에 특정 종횡비를 갖는 나노 돌기가 형성되어 있는 것으로서, 예를 들어, 레이저 표면처리에 의하여 나노 돌기에 의한 특정 패턴이 마련될 수 있으며, 미세한 모래입자를 분사하여 표면거칠기를 증가시킨 블라스팅 공정과 에칭액 내에 담가서 표면을 부식시킴으로서 표면거칠기를 증가시키는 에칭공정을 동시에 수행하여 처리될 수도 있다.
다만, 치은접촉부(112)는 치조골(151)에 삽입되는 경우에 골 융합이 필요한 부분이긴 하지만 주로 치은(150)과 접촉될 확률이 높으며, 박테리아 등에 노출될 가능성이 높기 때문에 표면에 존재하는 박테리아의 사멸을 촉진시킬 수 있도록 표면처리되는 것이 바람직하다.
상기 상측부(130)는, 치은접촉부(112)의 상측에 배치되는 것으로서, 임플란트 종류에 따라 어버트먼트 또는 크라운이 결합될 수 있는 부분일 수 있다. 구체적으로, 일체형 임플란트 픽스처의 경우 상측부에는 크라운이 결합될 수 있으며, 픽스처와 어버트먼트가 분리된 상태로 제조되는 임플란트 구조체의 경우에는 상측부에 어버트먼터가 결합될 수 있다.
상기 상측부(130)는 대략 원뿔대의 형상을 가질 수 있다. 상기 상측부(130)의 표면은 표면처리되지 않고 단순하게 절삭가공에 의하여 표면이 매끄럽게 놓여진 상태로 마련될 수 있다.
2. 임플란트 구조체 제조 시스템
2.1. 대상체가 회전체인 경우
도 5는 본 발명의 임플란트 구조체를 제조하는 시스템을 나타낸 도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 표면처리 장치(200)는 레이저 발생부(210), 빔 확장부(220), 빔 각도 조절부(230), 빔 집속부(240), 회전부(250) 및 제어부(260)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 구성요소들은 임플란트 구조체 제조 시스템을 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 임플란트 구조체 제조 시스템은 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
레이저 발생부(210)는 대상체(270)의 표면 처리를 위한 레이저 빔을 생성할 수 있다. 이를 위해, 레이저 발생부(210)는 펄스화된 레이저 소스(laser source)를 사용할 수 있다. 상기 레이저 발생부(210)에서 펄스 단위로 생성된 레이저 빔은 빔 확장부(220), 빔 각도 조절부 (230) 및 빔 집속부(240)를 순차적으로 경유하여 대상체(270)에 조사될 수 있다.
레이저 발생부(210)는 나노초(nanosecond), 피코초(picosecond) 및 펨토초(femtosecond) 중 어느 하나의 레이저 빔을 생성할 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 펨토초 레이저 빔을 생성할 수 있다. 여기서, 펨토초 레이저 빔이란 1 내지 1000 펨토초의 펄스 지속시간(pulse duration time)을 갖는 극 초단파 레이저 빔이다. 이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 발생부(210)는 펨토초 범위 내의 펄스 지속시간을 갖는 펄스화된 레이저 빔을 생성할 수 있다. 여기서, 펄스 반복률(pulse repetition rate)은 수 내지 수백 kHz 범위 내에 있거나 혹은 MHz 범위 내에 있을 수 있다. 레이저 빔의 파장은 적외선 영역에서부터 자외선 영역까지의 범위 내에 위치하는 레이저 파장 전부를 사용할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔의 파장은 적외선 파장, 가시광선 파장 및 자외선 파장 등을 포함할 수 있다.
빔 확장부(220)는 레이저 발생부(210)에서 펄스 단위로 생성된 레이저 빔의 크기를 조절할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 빔 확장부(220)는 레이저 빔의 크기를 확대할 수 있다. 또한, 빔 확장부(220)는 레이저 빔을 분산이나 집중이 적은 콜리메이트 빔(collimated beam)으로 생성할 수 있다. 이로써, 레이저 발생부(210)에서 생성된 레이저 빔은 빔 확장부(220)를 통해 그 크기가 확대됨과 동시에 콜리메이트 빔으로 변환될 수 있다.
빔 확장부(220)는 레이저 발생부(210)에서 생성된 레이저 빔의 직경을 변경하고, 상기 변경된 레이저 빔을 빔 각도 조절부 (230) 방향으로 출력할 수 있다. 이때, 상기 빔 확장부(220)는 레이저 빔의 크기를 수동 또는 자동으로 조절할 수 있다.
빔 각도 조절부(230)는 빔 확장부(220)로부터 출력되는 레이저 빔의 초점 위치를 조절할 수 있다. 빔 각도 조절부는 이차원 스캔 미러부 또는 단축 스캔 미러부 일 수 있다.
이차원 스캔 미러부(또는 XY 스캔 미러부)는, 두 개의 축으로 구성된 빔 각도 조절부로서, 즉, 이차원 스캔 미러부는, 제어부(260)의 제어 신호에 따라, 대상체(270)에 조사되는 레이저 빔의 초점 위치, 즉 X축 및 Y축에서의 초점 위치를 조절할 수 있다. 반면, 단축 스캔 미러부는, 한 개의 축으로 구성된 빔 각도 조절부로서, 빔 확장부(220)로부터 출력되는 레이저 빔의 초점 위치를 조절할 수 있다. 즉, 단축 스캔 미러부는, 제어부(260)의 제어 신호에 따라, 대상체(270)로 조사되는 레이저 빔의 초점 위치, 즉 X축 또는 Y축에서의 초점 위치를 조절할 수 있다.
빔 각도 조절부 (230)는 X축 스캔 미러 및 Y축 스캔 미러를 구비하여, 일차원 또는 이차원 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 X축 스캔 미러와 Y축 스캔 미러는 갈바노미터(galvanometer) 방식을 갖는 한 쌍의 스캔 미러로 구성되고, 이 한 쌍의 스캔 미러들은 각각 X-Y 평면을 가로지르는 축들 중의 하나의 방향으로 레이저 빔을 편향시킬 수 있다.
빔 각도 조절부 (230)는 X축 스캔 미러 및 Y축 스캔 미러를 통해 레이저 표면처리를 위한 방향으로 레이저 빔을 반사시켜 대상체(270)의 원하는 위치에 레이저 빔을 조사시킬 수 있다. 또한, 빔 각도 조절부 (230)는 X축 스캔 미러 및 Y축 스캔 미러를 통해 레이저 빔을 대상체(270)의 상부면을 따라 X축 또는 Y축 방향으로 미세하게 제어할 수 있다.
가령, 일 실시예로, 빔 각도 조절부 (230)는, 제어부(260)의 제어 신호에 따라, 대상체에 해당하는 임플란트 구조체(100)의 제1외주면 또는 제2외주면을 수평 방향(즉, 임플란트 구조체 길이 방향)으로 미리 결정된 스캐닝 경로에 따라 레이저 빔을 조사할 수 있다.
여기서, 임플란트 구조체(100)의 제1외주면 또는 제2외주면은 표면에 나노 돌기 형상이 형성될 수 있다. 또한, 미리 결정된 스캐닝 경로는 제어부(260)에서 빔 각도 조절부 (230)로 제공되는 이차원 초점 위치 데이터를 기반으로 결정될 수 있다.
한편, 다른 실시예로, 임플란트 구조체(100)의 제1외주면 또는 제2외주면의 레이저 빔으로 처리된 표면은 처리되지 않은 부분에 비해 높이가 더 높은 구조 또는 깊이가 더 낮은 구조를 형성할 수 있다. 또한, 미리 결정된 스캐닝 경로는 제어부(260)에서 빔 각도 조절부(230)로 제공되는 이차원 초점 위치 데이터를 기반으로 결정될 수 있다.
빔 집속부(240)는, 빔 각도 조절부(230)의 하부에 배치되어, 상기 빔 각도 조절부(230)를 통과한 레이저 빔을 대상체(270)로 집속할 수 있다.
또한, 빔 집속부(240)는, 빔 각도 조절부(230)로부터 소정의 각도를 가지고 입사하는 레이저 빔을 대상체(270)의 길이 방향에 수직한 방향으로 변경할 수 있다.
빔 집속부(240)는 텔레센트릭 에프-세타 렌즈(telecentric F-theta lens) 또는 에프-세타 렌즈(F-theta lens)를 포함할 수 있다. 이로써, 상기 빔 집속부(240)는 마이크로 또는 나노 크기 단위의 레이저 표면처리를 대상체(270)의 표면 (예를 들어, 제1외주면 또는 제2외주면)에 수행할 수 있다.
회전부(250)는 대상체(270)가 레이저 빔의 진행 방향, 즉 빔 집속부(240)의 하부에 위치하도록 해당 대상체(270)를 고정할 수 있다. 또한, 회전부(250)는, 제어부(260)의 제어 신호에 따라, 대상체(270)를 표면처리 단계별로 미리 결정된 각도(가령, 120도)만큼 회전시킬 수 있다.
제어부(260)는 레이저 표면처리 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(260)는 메모리에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여 상술한 구성요소들(210~250) 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 더 나아가, 제어부(260)는 상기 응용 프로그램의 구동을 위하여, 레이저 표면처리 장치(200)에 포함된 구성요소들 중 적어도 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.
좀 더 구체적으로, 제어부(260)는 레이저 발생부(210)를 제어하여 상기 레이저 발생부(210)에서 펄스 단위로 생성되는 레이저 빔의 파장, 펄스 지속시간 및 펄스 반복률 등을 조절할 수 있다.
또한, 제어부(260)는 대상체(270)의 표면을 처리하기 위한 레이저 빔의 이차원 초점 위치 데이터(즉, X축 및 Y축의 초점 위치 데이터)를 포함하는 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 빔 각도 조절부 (230)로 제공할 수 있다. 상기 이차원 스캔 미러부(230)는 제어부(260)로부터 수신된 제어 신호에 포함된 이차원 초점 위치 데이터에 기초하여 레이저 빔을 조사할 수 있다.
또한, 제어부(260)는 대상체(270)의 일 영역에 대한 레이저 표면처리 과정을 실시간으로 모니터링하고, 상기 일 영역에 대한 표면처리 완료 시, 회전부(250)를 제어하여 상기 대상체(270)를 단계별로 미리 결정된 각도만큼 회전시킨 다음 해당 대상체(270)의 다른 영역에 대한 레이저 표면처리를 제어할 수 있다.
일 예로, 제어부(260)는 레이저 발생부(210) 및 빔 각도 조절부 (230)를 제어하여 임플란트 구조체(100)의 픽스처(110)의 제1 외주면에 대한 레이저 표면처리를 수행할 수 있다. 상기 제1 외주면에 대한 표면 처리 완료 시, 제어부(260)는 회전부(250)를 제어하여 임플란트 구조체의 픽스처(110)를 미리 결정된 각도(가령, 120도)만큼 시계 또는 반 시계 방향으로 회전시킨 다음, 레이저 발생부(210) 및 빔 각도 조절부 (230)를 제어하여 임플란트 구조체(100)의 픽스처(110)의 제2 외주면에 대한 레이저 표면처리를 수행할 수 있다. 상기 제2 외주면에 대한 표면 처리 완료 시, 제어부(260)는 회전부(250)를 제어하여 임플란트 구조체(100)의 픽스처(110)를 미리 결정된 각도(가령, 120도)만큼 동일 방향으로 회전시킨 다음, 레이저 발생부(210) 및 빔 각도 조절부 (230)를 제어하여 임플란트 구조체(100)의 어쥬번트의 표면에 대한 레이저 표면처리를 수행할 수 있다. 이러한 단계별 회전 과정을 통해, 임플란트 구조체(100)의 표면을 매우 빠른 속도로 표면 처리할 수 있다.
한편, 다른 예로, 대상체의 형태에 따라, 상술한 표면처리 과정보다 적거나 혹은 더 많은 단계의 표면처리 과정을 거치도록 구성할 수 있다. 또한, 단계별로 동일한 각도가 아닌, 단계별로 서로 다른 각도만큼 회전하도록 구성할 수도 있다.
제어부(260)는 레이저 발생부(210), 빔 각도 조절부 (230) 및 회전부(250)의 동작이 서로 동기화되도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(260)는 레이저 발생부(210)에서 조사되는 레이저 빔의 발생 주기에 기초하여 빔 각도 조절부(230)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(260)는 레이저 발생부(210) 및 빔 각도 조절부(230)를 통해 대상체(270)를 표면 처리하는 시간과 동기화를 맞추어 회전부(250)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 레이저 표면처리 장치(200)는 임플란트 구조체의 표면처리 가공 중에, 가공되면서 발생되는 미세 입자를 흡입하는 흡기부(280)를 포함한다. 상기 흡기부(280)는 가공시 발생하는 미세 입자가 모재에 부착되어 축적되지 않도록 할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 표면처리 장치는 빔 각도 조절부 및 회전부를 이용하여 대상체를 매우 빠른 속도로 레이저 표면 처리할 수 있다. 이렇게 빠른 속도로 표면을 처리함으로써, 레이저 표면처리를 위한 전체 공정 시간을 단축할 수 있다.
2.2. 대상체가 회전체가 아닌 경우
임플란트 구조체가 회전체가 아닌 경우, 레이저 표면처리 장치(미도시)는 레이저 발생부, 빔 확장부, 빔 각도 조절부, 빔 집속부, 대상체 이동부 및 제어부를 포함할 수 있다.
이 경우, 임플란트 구조체는 대상체 이동부에 고정되어 가공될 수 있다. 상기 대상체 이동부는 제어부에 의해 레이저 빔의 표면처리 시간과 동기화될 수 있으며, 수평 또는 수직으로 대상체를 이동시킬 수 있다.
상기 대상체의 상기 수평 또는 수직으로의 이동에 의해, 대상체 표면을 레이저 빔에 의하여 표면처리 할 수 있다.
대상체 이동부를 제외한, 레이저 표면처리 장치의 발생부, 빔 확장부, 빔 각도 조절부, 빔 집속부 및 제어부는 상기 대상체가 회전체인 경우에서 설명한 바를 준용한다.
실험예 1. 표면처리 방법에 따른 임플란트 구조체의 표면 확인
도 6은 티타늄 임플란트 구조체로서, 표면처리하지 않은 임플란트 구조체 (도 6(A)), SLA(Sandblasted, Large grit, Acid-etched) 표면처리한 임플란트 구조체 (도 6(B)) 및 펨토초 레이저 빔으로 표면 처리한 임플란트 구조체 (도 6(C))를 비교한 도이다.
도 6(A)에 도시된 바와 같이, 표면처리하지 않은 티타늄 임플란트 구조체의 표면에는 특정 구조나 패턴이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었다.
도 6(B)에 도시된 바와 같이, SLA를 통해 임플란트 구조체를 표면 처리한 경우, 해당 임플란트 구조체의 표면에는 불규칙한 패턴이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 펨토초 레이저 빔으로 임플란트 구조체를 표면 처리하고 표면을 확인하였다 이 때, 펨토초 레이저의 에너지는 1.2 J/cm2, 펄스 폭은 230fs, 펄스반복률은 100kHz이었다. 그 결과, 도 6(C)에 도시된 바와 같이, 해당 임플란트 구조체의 표면에는 일정한 패턴이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 펨토초 레이저를 이용한 표면처리
펨토초 레이저의 처리 조건을 다르게 설정하여 가공하고자 하는 영역의 크기, 가공 속도 및 가공 방향 등을 조절하여 임플란트 구조체 표면을 처리하였다. 가공 속도는 0.1 내지 1000mm/s로 하였으며, 가공 형태는 점형, 선형 또는 격자형으로 처리하였다.
도 7은 티타늄 금속 임플란트 구조체와 지르코니아 임플란트 구조체의 표면 처리 여부에 따른 표면의 모습을 확대한 도이다. 도 7(B)에 나타낸 바와 같이, 지르코니아 임플란트 구조체의 경우에는 표면처리 시 일정한 패턴을 보이지 않았다. 반면, 도 7(D) 내지 (F)에 나타낸 바와 같이, 티타늄 금속 임플란트의 경우에는 표면처리 시 일정한 패턴을 나타내는 것을 확인하였다. 이 때, 펨토초 레이저 가공 조건은 하기 표 1과 같다.
Laser 1 Laser 2 Laser 3
Laser power (W) 1.5 1.5 1.5
가공 속도 (mm/s) 500 500 500
가공 형태 선형(Line) 선형(Line) 선형(Line)
가공 횟수 (회) 1 10 100
도 8은 펨토초 레이저에 의한 선형의 가공 횟수를 달리하여 처리된 티타늄 금속 임플란트 구조체의 표면을 확대한 도이다. 그 결과, 가공 횟수가 증가함에 따라 임플란트 구조체의 표면에 일정한 형상으로 패턴이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 선형으로 100회 표면처리한 경우, 약 170㎛의 깊이를 나타내는 것으로 확인되었다. 따라서, 펨토초 레이저에 의해 선형으로 1회 가공시 약 170nm의 깊이가 식각되는 것으로 확인되었다.
도 9는 펨토초 레이저의 표면처리 조건을 설정하여, 임플란트 구조체의 표면을 다양한 높이 및 깊이로 처리한 도이다. 그 결과, 설정한 처리 조건에 따라, 가공되지 않은 표면에 비해 높이가 0 내지 10 mm 높은 표면 또는 깊이가 0 내지 10 mm 낮은 표면으로 식각되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 펨토초 레이저 표면처리시에 표면처리하려는 부분이 레이저 초점 영역으로부터 일정 거리 떨어져 있어도 표면처리가 가능하였다. 예를 들어, 표면처리하려는 부분이 레이저 초점 영역으로부터 8 내지 12mm (표면처리되지 않는 부분보다 아래로 4 내지 6 mm 또는 위로 4 내지 6mm)가 떨어져 있어도 표면처리가 가능하였다. 상기와 같이 표면처리가 가능하기 때문에, 높낮이가 차이가 10mm 이내인 임플란트 고정체의 나사산을 한 번 또는 여러 차례에 걸쳐서 표면처리할 수 있음을 알 수 있었다.
도 10은 펨토초 레이저를 이용한 금속 임플란트 구조체 표면처리를 나타낸 도이다. 도 10(A)는 제1외주면의 표면 중 나사산 상부면(310), 나사산 하부면(320) 및 나사골 측면(330) 영역을 나타낸 것이며, 펨토초 레이저 처리 조건을 선형으로 1회로 설정하여 동시적인 표면처리를 실시한 경우, 도 10(B)는 나사산 상부면(310)의 표면, 도 10(C)는 하부면(320)의 표면, 및 도 10(D)는 나사골 측면(330) 표면을 확대하여 관찰한 결과이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 펨토초 레이저 처리는 나사산 및 나사골 구조를 갖는 금속 임플란트 구조체의 표면에 대해서도 골융합 촉진효과를 나타내는 표면을 구현할 수 있음을 확인하였다.
도 11 및 12는 펨토초 레이저를 사용하여 가공 형태 및 횟수가 조절된 처리된 임플란트 구조체 표면을 나타낸 도이다. 구체적으로, 펨토초 레이저에 의해 임플란트 구조체의 표면을 선형(Line) 및 격자형(Grid)으로 처리하였다. 도 11(A) 및 12(A)는 1회 선형 표면처리, 도 11(B) 및 도 12(B)는 10회 선형 표면처리, 도 11(C) 및 도 12(C)는 100회 선형 표면처리, 도 11(D) 및 도 12(D)는 1회 격자 표면처리, 도 11(E) 및 도 12(E)는 20회 격자 표면처리, 도 11(F) 및 도 12(F)는 100회 격자 표면처리한 결과를 나타낸다. 도 11 및 12에 나타낸 바와 같이, 표면가 공 형태 및 횟수에 따라 각각 다른 형태로 표면을 가공할 수 있음을 확인하였다. 구체적으로 선형 처리시 임플란트 구조체 표면의 나노 돌기가 이루는 라인 (예를 들어, 일렬 또는 산맥 형태의 배치) 또는 나노돌기의 폭을 형성하는 골이 횟수에 따라 선명하게 처리되었고, 격자형 처리시에는 임플란트 구조체 표면의 나노 돌기의 종횡비가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 13은 펨토초 레이저로 가공 조건을 다르게 설정하여 임플란트 구조체 표면에 형성된 나노 돌기를 확인한 도이다. 이 때, 펨토초 레이저 가공 조건은 하기 표 2와 같다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3
Laser power (W) 1.5 1.5 1.5
가공 속도 (mm/s) 500 500 500
가공 형태 선형(Line) 격자형(Grid) 격자형(Grid)
가공 횟수 (회) 1 10 100
그 결과, 표면처리 조건에 따라 레이저 표면 처리된 임플란트는 1000:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 나노 돌기를 형성될 수 있음을 확인하였다. 구체적으로 가공 형태에 따라, 선형의 경우 1000:1 내지 10:1의 종횡비, 격자형의 경우 1:1 내지 1:50의 종횡비로 나노 돌기를 가지도록 처리될 수 있음을 확인하였다.
특히, 표면처리 조건을 선형, 1회로 설정한 경우 (실시예 1), 말단이 곡선 형태인 나노 돌기를 형성하는 것을 확인하였으며, 표면처리 조건을 격자형, 10회로 설정한 경우(실시예 2), 말단이 평편한 나노 돌기를 형성하는 것을 확인하였으며, 표면처리 조건을 격자형, 100회로 설정한 경우 (실시예3), 말단이 뾰족한 형태의 나노 돌기를 형성하는 것을 확인하였다.
실험예 3. 동물 모델에서의 임플란트 구조체의 항균 효과
도 14는 임플란트 구조체의 표면 형상에 따른 박테리아 사멸 효과를 관찰한 도이며, 및 도 15는 실시예 2의 표면 형상에 따른 박테리아 사멸 효과를 인큐베이팅 시간에 따라 확인한 결과이다.
그 결과, 표면에 특정 종횡비(Asptect Ratio)로 나노 돌기를 포함하는 임플란트 구조체에서 항균 효과를 나타냄을 확인하였다. 구체적으로, 실시예 1의 임플란트 구조체에서는 일부 박테리아 사멸과 함께 생존 박테리아가 감소하였으며 (도 14(B) 참조), 실시예 2의 임플란트 구조체에서는 박테리아 사멸 효과가 매우 증대되며 우수한 항균성을 보였다 (도 14(C) 참조). 반면, 실시예 3의 임플란트 구조체에서는 박테리아 사멸 효과가 거의 확인되지 않았다 (도 14(D) 참조). 또한, 상기 실시예 2의 표면 형상으로부터 비롯된 유의적인 항균 활성을 실험적으로 확인할 수 있었다 (도 15 참조).
이는 기존 기술이 임플란트 구조체의 표면에 TCP 등으로 별도의 코팅층을 코팅하여 임플란트 구조체 표면에 박테리아 등의 균의 침착을 막는 것인 반면, 본 발명에 따른 표면에 특정 종횡비를 갖는 나노 돌기를 포함하는 임플란트 구조체의 경우 직접 박테리아 등의 균을 사멸시켜 항균 효과를 나타냄을 의미한다. 상기 결과를 통해, 펨토초 레이저에 의해 표면처리된 임플란트 구조체는 인체에 삽입 시, 상기 임플란트 구조체 표면에서 박테리아의 사멸 효과가 발휘될 수 있도록 가공될 수 있음을 확인하였다.
실험예 4. 동물 모델에서의 임플란트 구조체의 골융합 효과
도 16(A)는 동물 모델에 이식된 표면 처리된 임플란트 구조체를 나타낸 도이고, 도 16(B)는 단순 기계가공에 의해 표면처리된 임플란트 구조체, 펨토초 레이저에 의해 표면처리된 임플란트 구조체 및 SLA 표면처리된 임플란트 구조체의 CT 촬영 결과를 나타낸다.
도 17은 동물 모델에 이식된 표면 처리된 임플란트 구조체의 골융합 효과를 확인한 도이다. 도 17(A)는 cortical BIC ratio, 및 도 17(B)는 cortical bone area ratio를 나타낸다. 그 결과, cortical BIC ratio와 cortical bone area ratio가 펨토초 레이저로 표면처리된 임플란트 구조체(M+L)에서 제일 높은 것을 확인하였다. 이는 펨토초 레이저로 표면처리된 임플란트 구조체에서 SLA 표면처리된 임플란트 구조체에 비해 동등하거나 더 높은 수준의 골융합 효과를 나타내는 것을 의미한다.
도 18은 줄기세포 분화실험에서 임플란트 구조체의 표면처리에 따른 골형성 관련 유전자의 발현 및 세포 분화를 관찰한 도이다. 도 18(A)는 Col1 유전자의 발현, 도 18(B)는 ALP 유전자의 발현, 도 18(C)는 OCN 유전자의 발현, 도 18(D)은 ARS 염색에 의한 세포 분화 수준을 정량적으로 비교한 결과, 도 18(E)는 ARS 염색 수준을 육안으로 확인한 결과를 나타낸다. 그 결과, 펨토초 레이저로 표면처리된 임플란트 구조체에서 줄기세포 분화 14일째에 골형성 관련 유전자인 Col1, ALP, OCN 유전자의 발현이 약 20~50% 증가하여, 다른 표면처리된 구조체들에 비해 높은 것을 확인하였다(도 18(A) 내지 (C) 참조). 또한, 임플란트 구조체에 의한 세포 분화 정도를 ARS 염색을 통해 확인한 결과, 펨토초 레이저로 표면처리된 임플란트 구조체(Ti+FsL)가 다른 표면처리된 구조체들에 비해 높은 것을 확인하였다(도 18(D) 및 (E) 참조).
도 19 및 도 20은 표면 처리된 임플란트 구조체의 세포 흡착력을 확인한 도이다. 상기 도 19 및 도 20에서 M은 단순 기계가공, P는 단순 기계 가공 후 정밀 연마(Polishing), L은 펨토초 레이저 표면 처리를 지칭한다. 그 결과, 골형성 줄기세포의 초기 부착 능력이 펨토초 레이저 처리된 표면(M+L, P+L)에서 유의적으로 향상됨을 확인하였다.
상기 결과들을 통해, 펨토초 레이저에 의해 표면처리된 임플란트 구조체는 인체에 삽입 시, 해당 구조체의 주변에서 발생하는 뼈의 회복 작용 즉, 골융합을 빠르게 촉진시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
100...임플란트 구조체 110...픽스처
111...골 접촉부 112...치은접촉부
113...골 형성 촉진 영역 114...항균 활성 촉진 영역
130...상측부 140...어버트먼트
150...치은 151...치조골
200...레이저 표면처리 장치 210...레이저 발생부
220...빔 확장부 230...빔 각도 조절부
240...빔 접속부 250...회전부
260...제어부 270...대상체
280...흡기부
310...나사산 상부면 320...나사산 하부면
330...나사골 측면
410...골융합 촉진 구조 420...평편 구조

Claims (18)

  1. 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서,
    상기 픽스처는 나사산이 형성되어 있는 제1외주면을 포함하는 원통 형상의 골 접촉부(111)와 상기 골 접촉부의 상부에 배치되어 있는 제2외주면을 포함하는 치은 접촉부(112)를 포함하고,
    상기 제1외주면은 10 내지 1000 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 포함하며,
    상기 제2외주면의 나노 돌기 형상은 임플란트 표면에 존재하는 박테리아의 사멸을 촉진시키는 것으로, 10 내지 1000 nm의 폭 및 1:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 것인, 임플란트 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1외주면 및 상기 제2외주면에 포함된 상기 나노 돌기는 서로 다른 종횡비를 갖는 것인, 임플란트 구조체.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 나노 돌기는 말단이 평편한(blunt) 것인, 임플란트 구조체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제2외주면의 표면에 대한 산술 평균 거칠기(Ra) 값은 1.0 내지 5.0㎛ 범위 중 어느 하나인 것인, 임플란트 구조체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1외주면의 나노 돌기 형상은 임플란트와의 골융합을 촉진시키기 위한 것으로, 10 내지 1000 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:1의 종횡비를 갖는 것인, 임플란트 구조체.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제1외주면의 표면에 대한 산술 평균 거칠기(Ra) 값은 0.5 내지 3.0㎛ 범위 중 어느 하나인 것인, 임플란트 구조체.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 임플란트 구조체는 티타늄, 또는 티타늄 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 재질인, 임플란트 구조체.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 임플란트 구조체는 펨토초 레이저로 표면 처리된 것인, 임플란트 구조체.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 표면 처리는 1 내지 5 W의 레이저 강도를 갖는 펨토초 레이저 빔을 제1외주면 또는 제2외주면의 표면에 선형(Line) 및 격자형(Grid)으로 1회 이상 조사하는 것인, 임플란트 구조체.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제1외주면 또는 제2외주면은 펨토초 레이저로 표면이 가공된 것으로서,
    (i) 제1 외주면 또는 제2 외주면의 피가공면의 높이가 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm 더 높은 구조를 갖는 것; 또는
    (ii) 제1 외주면 또는 제2 외주면의 피가공면의 깊이가 레이저 가공되지 않은 표면에 비해 0.001 mm 내지 10 mm 더 낮은 구조를 갖는 것;인, 임플란트 구조체.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 인공 치근의 역할을 수행하는 픽스처를 포함하는 임플란트 구조체로서,
    상기 픽스처는 나사산이 형성되어 있는 외주면을 포함하는 원통 형상의 골 접촉부(111)를 포함하며,
    상기 외주면은 10 내지 1000 nm의 폭 및 1000:1 내지 1:1의 종횡비를 갖는 복수 개의 나노 돌기를 포함하는 골 형성 촉진 영역(113), 및
    상기 골 형성 촉진 영역의 상부에 위치하며, 10 내지 1000 nm의 폭 및 1:1 내지 1:50의 종횡비를 갖는 복수개의 나노 돌기를 포함하는 항균 활성 촉진 영역(114)을 포함하는, 임플란트 구조체.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 항균 활성 촉진 영역은 골 접촉부의 상단으로부터 골 형성 촉진 영역의 방향으로 0.1 내지 3.0mm 범위에서 형성되는 것인, 임플란트 구조체.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 항균 활성 촉진 영역의 나노 돌기는 말단이 평편한 것인, 임플란트 구조체.
  17. 청구항 14에 있어서, 상기 임플란트 구조체는 티타늄, 또는 티타늄 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 재질인, 임플란트 구조체.
  18. 청구항 14에 있어서, 상기 임플란트 구조체는 펨토초 레이저로 표면 처리된 것인, 임플란트 구조체.

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