KR20030039763A - Ti-BASED ALLOY BIOMATERIALS WITH ULTRA FINE BIOACTIVE POROUS SURFACE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF - Google Patents

Ti-BASED ALLOY BIOMATERIALS WITH ULTRA FINE BIOACTIVE POROUS SURFACE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF Download PDF

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KR20030039763A
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Abstract

PURPOSE: Provided are a titanium base alloy for biomaterial having the ultramicro bioactive porous surface and a preparation method thereof to enhance the bone binding strength and the bone binding ability and have good biocompatibility. CONSTITUTION: The preparation method of a titanium base alloy for biomaterial having the ultramicro bioactive porous surface comprises adding 5 to 20 wt.% of indium, 2 to 5 wt.% of niobium and 3 to 5 wt.% of tantalum on the basis of total alloy weight to the balance of titanium and mixing, alkali treating with an alkali aqueous solution, and then heat treating in a vacuum heat treating furnace to form a ultramicro bioactive porous layer of sponge structure and a micro network structure on all the alloy surface.

Description

초미세 생체활성 다공성 표면을 갖는 생체 재료용 티타늄계 합금 및 그 제조방법{Ti-BASED ALLOY BIOMATERIALS WITH ULTRA FINE BIOACTIVE POROUS SURFACE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Titanium-based alloy for a biomaterial having an ultra-fine bioactive porous surface and a method of manufacturing the same {Ti-BASED ALLOY BIOMATERIALS WITH ULTRA FINE BIOACTIVE POROUS SURFACE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 생체용 초미세 생체활성 다공성 표면을 갖는 생체 재료용 티타늄계 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 인공 뼈, 인공 관절, 인공 치아 등의 생체 재료용 티타늄계 합금에 인듐(In), 니오븀(Nb) 및 탄탈륨(Ta) 등의 합금 원소를 일정량 복합 첨가하고, 알칼리처리와 열처리로 표면개질시켜 합금 표면에 나노크기의 초미세 생체활성 다공성 구조를 형성시키는 것을 특징으로 하여 제조된 생체 재료용 티타늄계 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a titanium-based alloy for a biomaterial having an ultra-fine bioactive porous surface for a living body, and a method of manufacturing the same, and to a titanium-based alloy for biomaterials such as artificial bones, artificial joints, and artificial teeth. (Nb) and a tantalum (Ta), such as a predetermined amount of a composite compound, and the surface modification by alkali treatment and heat treatment to form a nano-sized ultra-fine bioactive porous structure on the alloy surface It relates to a titanium-based alloy and a method of manufacturing the same.

사회의 노령화 및 인간의 생명 연장과 복지를 추구하는 욕구가 증폭됨에 따라서 의학이나 생명공학과 같은 생명현상을 이해하려는 연구가 급속도로 발전하고 있으며, 이와 더불어 선천적 또는 후천적인 사고로 인하여 유발된 인간의 손상된 기관이나 조직을 인공적으로 대체하려는 연구가 폭 넓게 이루어지고 있다.As the aging society and the desire to extend human life and welfare are amplified, researches to understand life phenomena such as medicine and biotechnology are rapidly developing, and human damage caused by natural or acquired thinking There is widespread research to artificially replace organs or tissues.

래트너 등에 따르면 미국인 중 11,000,000 명 가량의 사람들이 적어도 한 개 이상의 임플란트(medical-device implant)를 가지고 있으며, 매년 500,000 건 이상의 인공관절 수술과 같은 임플란트 수술이 시행되고 있다고 한다(레트너 등, Biomaterial Science, Academic Press, (1996)). 더욱이, 이러한 임플란트를 필요로 하는 사람들의 연령이 점차 낮아지고 있으며 그 수가 날로 증가하는 추세이다.According to Ratner et al., 11,000,000 Americans have at least one medical-device implant, and more than 500,000 implant surgeries are performed every year (Lettner et al., Biomaterial Science, Academic Press, (1996)). Moreover, the age of those who need such implants is gradually decreasing and the number is increasing day by day.

지금까지의 임플란트 이식에 있어서의 기본적인 문제점은 사용되는 인공생체재료의 생체적합성에 있었다. 즉, 생체재료는 기능성과 함께 생체 내에서 독성 없이 안전성을 유지하여야 하며, 이러한 요구를 충족시키기 위하여 인공생체재료는적절한 물리적 성질을 가짐과 동시에 세포 독성 및 알레르기 반응과 같은 이물반응이 없고 화학적으로 안정하며 생체조직에 대한 적합성이 양호하여야 한다. 따라서, 우수한 생체재료의 선택은 인공치아나 인공관절 등의 성공과 예후에 큰 영향을 미치게 되므로, 올바른 생체재료의 선택이 매우 중요하다.The basic problem in implant implantation to date has been the biocompatibility of the artificial biomaterials used. In other words, biomaterials should maintain safety without toxicity in vivo with functionality. To meet these requirements, artificial biomaterials have appropriate physical properties and are free from chemical reactions such as cytotoxicity and allergic reactions. The suitability for living tissue should be good. Therefore, the selection of good biomaterials has a great influence on the success and prognosis of artificial teeth, artificial joints, etc., and therefore, the selection of the right biomaterials is very important.

상기 생체용 금속 재료로, 스테인레스강, Co-Cr 합금, 순수티타늄 (Ti) 등이 주로 사용되어 왔다(캐슬맨 등, J. Biomes. Mat. Res., 10, 695 (1979); 레몬스, JADA 121, 716 (1990); 및, 린더 등, Acta Orthopaedica Scandinavica 60, 135 (1989)). 특히, 티타늄은 매우 우수한 부식특성과 생체적합성을 가지고 있지만, 높은 용융점으로 인한 가공상의 어려움 때문에 사용이 제한되어 왔으나, 최근에 이르러 가공 기술이 발달함에 따라 그 응용범위가 확대되어 현재에는 인공 관절 및 인공 치아 등의 이식용 재료로 널리 사용되고 있다(파르 등, J. Prosth. dent. 54, 410 (1985); 및, 솔라 등, J. Biomes. Mat. Res., 13, 217 (1970)). 또한, 보다 뛰어난 기계적 성질 및 물리적 성질을 얻기 위하여 순수한 티타늄에 다른 원소를 첨가한 티타늄 합금은 생체적합성과 기계적 성질 및 물리적 성질을 모두 만족시킬 수 있는 것으로 알려져 있어, 현재 생체용 금속재료로서 주류를 이루고 있다.As the biological metal material, stainless steel, Co-Cr alloy, pure titanium (Ti) and the like have been mainly used (castleman et al., J. Biomes. Mat. Res., 10, 695 (1979); lemons, JADA 121, 716 (1990); and Linder et al., Acta Orthopaedica Scandinavica 60, 135 (1989)). In particular, titanium has very excellent corrosion characteristics and biocompatibility, but its use has been limited due to the difficulty in processing due to high melting point, but recently, the application range has been expanded with the development of processing technology. It is widely used as a material for implantation of teeth (Far et al., J. Prosth. Dent. 54, 410 (1985); and Solar et al., J. Biomes. Mat. Res., 13, 217 (1970)). In addition, titanium alloys in which other elements are added to pure titanium in order to obtain more excellent mechanical and physical properties are known to satisfy both biocompatibility, mechanical properties and physical properties. have.

이러한 티타늄 합금으로서, 지금까지는 알루미늄(Al)과 바나듐(V)이 첨가된 Ti-6Al-4V ELI(Extra Low Interstitials)가 강도 및 내식성에서 우수하여 생체 재료로서 가장 많이 이용되고 있다. 이러한 Ti-6Al-4V ELI는 순수 티타늄보다 기계적 강도가 약 60 % 정도 더 우수한 것으로 밝혀졌으나, 티타늄의 합금원소인 알루미늄과 바나듐이 용출되면 독성을 나타내기 때문에 장기간 생체 내에 이식되어 있을 경우 생체적합성에 대하여 논란의 여지가 있다. 즉, 알루미늄은 무기인과 결합하여 혈중 또는 골중의 인을 결핍시키고 알츠하이머(Alzheimer) 형 치매를 일으키는 것으로 의심되고 있으며, 바나듐은 세포 독성이 지적되고 있다[루고브스키 등, Journal of Biomedical Materials Research, 25 (1991); 요시미츠 등, 일본금속학회지 제61권 제5호 462 (1997)].As such a titanium alloy, Ti-6Al-4V Extra Low Interstitials (ELI) to which aluminum (Al) and vanadium (V) are added has been most used as a biomaterial because of its excellent strength and corrosion resistance. The Ti-6Al-4V ELI has been found to have about 60% better mechanical strength than pure titanium, but it is toxic when aluminum and vanadium, the alloying elements of titanium, are eluted. It is controversial. In other words, aluminum is suspected to combine with inorganic phosphorus to deplete phosphorus in blood or bone and cause Alzheimer's dementia, and vanadium has been pointed to cytotoxicity [Lukovsky et al., Journal of Biomedical Materials Research, 25 (1991); Yoshimitsu et al., Journal of the Metal Society of Japan, Vol. 61, No. 5 462 (1997).

이와 관련하여, 본 발명자들은 티타늄에 세포독성이 지적되지 않은 합금원소인 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 팔라듐(Pd) 및 인듐(In) 등의 합금원소를 첨가한 티타늄 합금을 발명하고, 세포배양을 이용한 세포 독성 실험 및 백색 가토의 동물 이식 실험을 통하여 상기 합금원소의 생물학적 적합성이 매우 우수함을 입증하여, "생체적합성이 우수한 생체용 티타늄계 합금" 이란 발명의 명칭으로 특허출원하여 특허받은 바가 있다(대한민국 특허 제211097호 (1999.4.29)). 그러나 상기 특허 제211097호에서는 인듐이 소량 첨가되어 기계적 성질과 내부식성이 여전히 미흡하다는 문제점이 제기되었다. 특허 제211097호와는 다른, 조성은 비슷하나 인듐을 3-20 중량%로 다량 첨가하여 낮은 탄성률과 우수한 내부식성을 갖는 생체 재료용 티타늄 합금을 특허출원(한국 특허출원 제10-1999-00742467) 중에 있다.In this regard, the present inventors have added titanium with alloying elements such as zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), palladium (Pd), and indium (In), which are not cytotoxic alloys. Invented the alloy, the cytotoxicity test using cell culture and animal experiments of white rabbits proved that the biocompatibility of the alloying element is very excellent, the biocompatible titanium-based alloy with excellent biocompatibility. Patent application has been filed (Korean Patent No. 211097 (1999.4.29)). However, the patent No. 211097 has a problem that a small amount of indium is added, the mechanical properties and corrosion resistance is still insufficient. Patent application for a titanium alloy for biomaterials having a low elastic modulus and excellent corrosion resistance by adding a large amount of indium (3-20 wt%), similar to that of Patent No. 211097 (Korean Patent Application No. 10-1999-00742467) There is.

또한, 임플란트 금속을 인체에 삽입시, 뼈 등의 인체조직과 임플란트 금속 간에는 직접적인 결합이 형성되지 않고, 생체이물반응으로 인하여 섬유상 조직 (fibrous tissue)이 형성되어 삽입된 금속과 조직이 격리되는 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 임플란트를 뼈 등의 인체 조직에 고정시키기 위해서, 종래에는 임플란트 표면을 거칠게 만들어 압착 맞춤(prees- fit) 시키거나, 골시멘트(PMMA) 등을이용하여 골조직과 임플란트를 접착시키거나, 구슬(bead) 또는 섬유(fiber) 형태의 금속을 소결시킨 다공성 표면 임플란트를 사용하여 골성장 (bone-ingrowth)을 유도하는 방법 등이 사용되어 왔다. 이와 같은 다공성 표면은 골결합강도와 골결합속도를 증대시키는 것으로 알려져 있다(매튜, Advanced Material & Process, 7 (1998)). 그러나, 상기한 바와 같은 종래의 물리적인 결합방법들은 골조직을 손상시키고 임플란트의 수명을 단축시킬 뿐 아니라, 뼈와의 결합이 안정하지 않기 때문에 임플란트가 뼈에서 쉽게 분리되고, 접합부에서 떨어져 나온 골시멘트와 소결한 금속 파편에 의해 2차적인 조직 손상이 유발될 수 있다는 문제점을 가지고 있었다.In addition, when the implant metal is inserted into the human body, a direct bond is not formed between the human tissue such as bone and the implant metal, and a problem that the fibrous tissue is formed due to a biological foreign body reaction results in isolation of the inserted metal and tissue. Will occur. Therefore, in order to fix the implant to human tissues such as bone, conventionally, the surface of the implant is roughened to pres-fit, or the bone tissue and the implant are bonded using bone cement (PMMA) or the like, A method of inducing bone growth using a porous surface implant obtained by sintering a bead or fiber type metal has been used. Such porous surfaces are known to increase bone bonding strength and bone bonding speed (Matthew, Advanced Material & Process, 7 (1998)). However, the conventional physical bonding methods as described above not only damage bone tissue and shorten the life of the implant, but also the implant is easily detached from the bone and bone cement is separated from the joint because the bond with the bone is not stable. There was a problem that secondary tissue damage could be caused by sintered metal fragments.

또한, 근래에 들어, 뼈와 유사한 화학적 조성을 가지고 있는 수산화아파타이트 (hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2) 라는 생체용 세라믹을 임플란트의 표면에 플라즈마 용사 코팅(plasma spraying coating)시켜서 표면적을 넓히고 뼈와의 화학적 결합을 유도함으로써 결합강도와 결합속도를 증가시키려는 방법이 사용되고 있다(쿡 등, Journal of Material Processing & Technology, 89-90 (1999)). 그러나, 이와 같은 방법으로 코팅한 수산화아파타이트 층은 낮은 외부 응력에도 쉽게 떨어지고, 급속 응고로 인하여 적층된 수산화아파타이트 층의 조성이 불균일하며, 결정이 불안정하여 체내로 삽입했을 때 단기간에 쉽게 뼈 속으로 흡수되는 현상을 나타내어 장기적으로 안정적인 결합을 제공하지 못한다는 문제점이 있다.In addition, in recent years, the surface area of the implant by applying a bio-ceramic (hydroxyapatite, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) having a chemical composition similar to that of bone to the surface of the implant by plasma spraying coating Methods to increase bond strength and bond speed by widening and inducing chemical bonds with bone have been used (Cook et al., Journal of Material Processing & Technology, 89-90 (1999)). However, the apatite hydroxide layer coated in this way easily falls under low external stress, the composition of the laminated apatite hydroxide layer is uneven due to rapid solidification, and the crystal is unstable and easily absorbed into the bone in a short time when inserted into the body. There is a problem in that it does not provide a stable bond in the long term.

최근에는 상기의 문제점을 보완하기 위한 최선의 방법으로, 생체용 금속을 화학적으로 표면개질시킴으로써, 생체에 삽입되었을 때 섬유상 세포에 의한 격리를방지하고, 수산화아파타이트와 같은 생체활성 세라믹의 코팅 없이도 뼈와 직접적인 화학적 결합을 이룰 수 있도록 하는 방법이 연구되고 있다.In recent years, as a best way to solve the above problems, by chemically surface-modifying the biological metal, it prevents the sequestration by the fibrous cells when inserted into the living body, and without the coating of bioactive ceramics such as apatite hydroxide Methods to enable direct chemical bonding are being studied.

이와 같은 연구로, 졸-겔법으로 생성시킨 TiO2 에서의 생체활성이 보고되었고 [ 리 등, Journal of Biomedical Materials Research, 27 (1993)], 순수 티타늄 표면에서의 생체활성은 H2O2 용액 처리를 통해[오츠스키 등, Journal of Biomedical Materials Research, 35 (1997)], 또는 알칼리처리와 열처리를 통해 [코쿠보 등, Journal of Biomedical Materials Research,32 (1996)], 또는 산(HCl+H2SO4)과 알칼리로 2 단계 화학적 처리를 통해서[웬 등, Biomaterials, 18 (1997)] 유도될 수 있다고 발표되었다.In this study, bioactivity on TiO2 produced by the sol-gel method was reported [Lee et al., Journal of Biomedical Materials Research, 27 (1993)], and bioactivity on pure titanium surfaces was treated by H2O2 solution treatment [Otsu Ski et al., Journal of Biomedical Materials Research, 35 (1997)], or through alkali treatment and heat treatment [Kokubo et al., Journal of Biomedical Materials Research, 32 (1996)], or acid (HCl + H 2 SO 4 ). It has been reported that alkalis can be derived through two-step chemical treatment [Wen et al., Biomaterials, 18 (1997)].

또한, 클록케볼드 등은 임플란트용 생체 재료에서 중요한 요건의 하나인 골결합력과 골결합속도와 관련하여, 표면거칠기(surface roughness)가 클수록 골의 생성 및 성장이 빠르며 골결합력도 커지는 반면, 매끄러운 표면의 티타늄 합금에서는 골성장이 일어나지 않고 섬유상 조직(fibrous tissue)이 표면을 덮는 것을 밝혀 내었다[클록케볼드 등, Clin. Oral. Implant Research, 8-6 (1997)]. 이 때, 표면거칠기의 한계구간은 미시등급으로 1 ~ 100 nm 정도와 거시등급으로 0.11 ~ 100 ㎛ 정도이며, 이 구간에서만 골수세포(bone marrow cell)가 표면에서 생성, 성장하는 것으로 보고되고 있다. 이 구간에서 표면이 거칠어지면 골수세포의 핵 생성이 많아지고 골수세포의 성장이 빨라지게 될 뿐 아니라[델리지아니 등, Biomaterials, 22 (2001)], 표면이 해면체 구조(sponge structure)를 이루면 임플란트와 뼈와의 결합면적이 크게 증가되어 골결합력이 크게 증가된다.In addition, the clock kebold and the like is related to bone bonding force and bone bonding rate, which is one of the important requirements in the biomaterial for implants, the greater the surface roughness, the faster the bone formation and growth, the greater the bone bonding force, but the smooth surface It has been found that in titanium alloys, bone growth does not occur and fibrous tissue covers the surface (Clokkebold et al., Clin. Oral. Implant Research, 8-6 (1997). At this time, the marginal section of the surface roughness is about 1 ~ 100 nm microscopic grade and about 0.11 ~ 100 ㎛ macroscopic grade, only bone marrow cells (bone marrow cells) are reported to generate and grow on the surface only in this section. Rough surface in this zone increases the nucleation of bone marrow cells and accelerates the growth of bone marrow cells (Del. Anri et al., Biomaterials, 22 (2001)), and when the surface forms a sponge structure, As the bonding area with bone is greatly increased, bone bonding force is greatly increased.

이와 관련하여, 본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 티타늄(Ti) 합금계에 합금원소인 인듐, 니오븀 및 탄탈륨 등의 합금원소를 복합 첨가시킴으로써 합금의 내부조직이 변화되어, 화학적처리 및 열처리시 100 nm 이하의 치밀한 해면체구조의 초미세 생체활성 다공성층이 합금표면에 형성되는 것을 알게 되었다. 이러한 초미세 생체활성 다공성 표면 제조방법에 의하여 합금의 표면적이 크게 증가되어, 골결합강도와 골결합속도 등의 골결합능력(bone bonding ability)이 향상되고, 우수한 생체적합성을 갖는 생체 재료용 티타늄 합금을 얻을 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.In this regard, the present inventors have intensively studied, and as a result of complex addition of alloying elements such as indium, niobium, and tantalum alloy elements to the titanium (Ti) alloy system, the internal structure of the alloy is changed, and during chemical treatment and heat treatment It has been found that an ultrafine bioactive porous layer with a dense cavernous structure of less than 100 nm is formed on the alloy surface. The surface area of the alloy is greatly increased by the method for producing an ultra-fine bioactive porous surface, thereby improving bone bonding ability such as bone bonding strength and bone bonding speed, and titanium alloy for biomaterial having excellent biocompatibility. It was found that can be obtained and came to complete the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 낮은 탄성률과 우수한 내부식성을 갖는 생체용 티타늄에 생체에 무해한 합금원소인 인듐, 니오븀 및 탄탈륨 등의 합금원소를 복합첨가시킨 후, 화학적처리 및 열처리시켜 표면에 초미세 다공성 구조를 형성시킴으로써, 골결합능력 및 생체적합성이 향상된 생체 재료용 티타늄계 합금 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to add an alloying element such as indium, niobium and tantalum, which is harmless to the living body, to a biological titanium having a low modulus of elasticity and excellent corrosion resistance, and then chemically treated and heat treated to provide ultra-porous surface to the surface. By forming a structure, there is provided a titanium-based alloy for biomaterials having improved bone bonding ability and biocompatibility and a method of manufacturing the same.

도 1은 알칼리처리와 열처리를 통한 표면개질에 의하여 생성된 표면 미세조직을 보여주는 주사전자현미경(SEM, scanning electro microscopy) 사진으로, (a)는 종래의 생체 재료인 Ti-6Al-4V ELI 합금의 표면 미세조직을, (b)는 본 발명에 따른 표면 나노 다공성 구조의 Ti-In-Nb-Ta 합금의 표면 미세조직을 보여준다.1 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph showing the surface microstructure generated by surface modification through alkali treatment and heat treatment, (a) is a Ti-6Al-4V ELI alloy of a conventional biomaterial Surface microstructure, (b) shows the surface microstructure of the Ti-In-Nb-Ta alloy of the surface nanoporous structure according to the present invention.

도 2는 종래의 생체 재료인 Ti-6Al-4V ELI 합금과 본 발명의 표면 나노 다공성 구조의 Ti-In-Nb-Ta 합금의 알칼리처리와 열처리를 통한 표면개질에 대하여 인간의 혈장과 이온 농도가 유사한 모의생체용액을 통한 시험관시험(in vitro test) 후 얻어진 표면 미세조직을 보여주는 주사전자현미경 사진이다. (a)는 종래의 Ti-6Al-4V ELI 합금의 10 일 시험관 시험, (b)는 본 발명에 따른 Ti-In-Nb-Ta 합금의 10 일 시험관 시험, (c)는 종래의 Ti-6Al-4V ELI 합금의 20 일 시험관 시험, (d)는 본 발명에 따른 Ti-In-Nb-Ta 합금의 20 일 시험관 시험, (e)는 종래의 Ti-6Al-4V ELI 합금의 30 일 시험관 시험, (f)는 본 발명에 따른 Ti-In-Nb-Ta 합금의 30 일 시험관 시험 후 얻어진 표면 미세조직을 보여준다.2 shows the plasma and ion concentrations of humans with respect to surface modification through alkali treatment and heat treatment of a conventional biomaterial Ti-6Al-4V ELI alloy and Ti-In-Nb-Ta alloy having a surface nanoporous structure of the present invention. Scanning electron micrographs showing the surface microstructure obtained after in vitro testing with similar simulated biological solutions. (a) 10 day test tube test of conventional Ti-6Al-4V ELI alloy, (b) 10 day test tube test of Ti-In-Nb-Ta alloy according to the present invention, (c) conventional Ti-6Al 20 day test tube test of -4V ELI alloy, (d) 20 day test tube test of Ti-In-Nb-Ta alloy according to the present invention, (e) 30 day test tube test of conventional Ti-6Al-4V ELI alloy , (f) shows the surface microstructure obtained after a 30 day test tube test of the Ti-In-Nb-Ta alloy according to the present invention.

본 발명은 초미세 생체활성 다공성 표면을 갖고 골결합능력 및 생체적합성이 우수한 생체 재료용 티타늄계 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 우수한 기계적 성질과 내식성이 입증되어 인공 뼈, 인공 관절, 인공 치아 등의 생체용 재료로 사용되고 있는 티타늄에 인듐(In), 니오븀(Nb) 및 탄탈륨(Ta) 등의 생체 독성이 없는합금 원소를 일정량 복합 첨가하고, 알칼리처리와 열처리로 표면개질시켜 합금 표면에 나노크기의 초미세 생체활성 다공성 구조를 형성시킨 생체용 티타늄계 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a titanium-based alloy for a biomaterial having an ultra-fine bioactive porous surface and having excellent bone bonding ability and biocompatibility, and a method of manufacturing the same, and having proven excellent mechanical properties and corrosion resistance, such as artificial bone, artificial joint, artificial tooth, and the like. A certain amount of non-toxic non-toxic alloying elements such as indium (In), niobium (Nb), and tantalum (Ta) are added to titanium, which is used as a biomaterial for nanomaterials, and surface-modified by alkali treatment and heat treatment to nano-size the alloy surface. The present invention relates to a titanium-based alloy for bio-incorporation and to a method of manufacturing the ultra-microbial porous structure.

우선, 본 발명은 티타늄계 합금의 제조방법에 있어서, 순수 티타늄에 생체에 무독한 합금원소를 본 발명에 따른 일정량으로 복합 첨가하여 합금 내부 조직을 변화시킴으로써, 화학적처리 및 열처리시 합금 표면에 나노 크기의 초미세 생체활성 다공성 구조 및 미세 네트워크 구조(network structure)를 형성시키는 것을 특징으로 하여, 생체용 티타늄 합금의 표면거칠기를 증가시키고, 초미세 생체활성 다공성 구조의 높은 표면에너지로 인한 불균일 핵생성 사이트를 증가시켜, 골결합강도 및 골결합속도 등의 골결합능력 (bone binding ability)이 향상되고 우수한 생체적합성(biocompatibility)을 갖는 생체 재료용 티타늄 합금의 제조방법을 제공한다.First, the present invention is a method of manufacturing a titanium-based alloy, by adding a compound in a predetermined amount in accordance with the present invention to the pure titanium to the biologically harmless alloy element by changing the internal structure of the alloy, the nano-size on the surface of the alloy during chemical treatment and heat treatment It is characterized by the formation of ultra fine bioactive porous structure and network structure (network structure) of the, increase the surface roughness of the titanium alloy for biotechnology, heterogeneous nucleation site due to the high surface energy of the ultra fine bioactive porous structure By increasing the bone binding ability, such as bone bonding strength and bone bonding speed (improved) provides a method for producing a titanium alloy for biomaterials having excellent biocompatibility (biocompatibility).

본 발명에 따른 초미세 생체활성 다공성 표면이 형성된 생체용 티타늄계 합금의 제조방법은 전체 합금 중량에 대하여 5 ~ 20 중량% 의 인듐, 2 ~ 5 중량% 의 니오븀, 3 ~ 5 중량% 의 탄탈륨과 잔량의 티타늄을 복합 첨가하여 합금의 내부 조직을 변화시키고, 알칼리처리시 나노크기의 기공으로 구성되는 해면체 구조의 초미세 생체활성 다공성 표면을 형성시키고, 상기 알칼리처리시 생성되는 나트륨-티타늄 수화겔층(sodium titanate hydrogel layer)이 열처리로 인하여 나트륨-티탄산염(sodium titanate, Na2Ti5O11또는 Na2Ti6O13)으로 결정화 될 때 수축에 의하여 생성되는 미세 네트워크 구조를 형성시키는 단계를 포함하여 구성된다.According to the present invention, a method for preparing a bio-based titanium alloy having an ultra-fine bioactive porous surface includes 5 to 20% by weight of indium, 2 to 5% by weight of niobium, 3 to 5% by weight of tantalum, and The remaining amount of titanium is added to change the internal structure of the alloy, to form an ultra-fine bioactive porous surface of the spongy structure consisting of nano-sized pores during alkali treatment, the sodium-titanium hydrogel layer produced during the alkali treatment ( forming a fine network structure produced by shrinkage when the sodium titanate hydrogel layer is crystallized into sodium titanate (Na 2 Ti 5 O 11 or Na 2 Ti 6 O 13 ) due to heat treatment. It is composed.

이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.This will be described in more detail as follows.

우선, 전체 합금 중량에 대하여 5 ~ 20 중량% 의 인듐, 2 ~ 5 중량% 의 니오븀, 3 ~ 5 중량% 의 탄탈륨 및 잔량의 티타늄을 진공 아크 용해로에서 용해시킨 후, 1100 ℃ (1373 K)에서 1 시간 동안 유지시키고 β압연시킨 후, 950 ℃ (1223 K)에서 재가열하여 α/β압연시킨다. 이 때, 압연 후 발생할 수 있는 내부 결함을 제거하기 위하여, 진공분위기 하에서 700 ℃ (973 K)로 2 시간 동안 소둔시켜 모합금을 제조한 다음, 제조된 모합금을 알칼리 수용액에서 알칼리 처리하고, 10-5∼ 10-6torr 진공도의 진공 열처리로에서 열처리한다.First, 5 to 20% by weight of indium, 2 to 5% by weight of niobium, 3 to 5% by weight of tantalum and the balance of titanium were dissolved in a vacuum arc melting furnace and then at 1100 ° C. (1373 K). After holding for 1 hour and rolling β, reheat at 950 ° C. (1223 K) to roll α / β. At this time, in order to remove the internal defects that may occur after rolling, to prepare a mother alloy by annealing at 700 ℃ (973 K) for 2 hours in a vacuum atmosphere, and then the mother alloy is alkali-treated in an aqueous alkali solution, 10 Heat treatment is carried out in a vacuum heat treatment furnace of -5 to 10 -6 torr vacuum degree.

상기 알칼리처리시에 사용되는 알칼리 수용액에는 제한이 없으며, 본 발명의 구체예에서는 NaOH를 사용하였다. 이 때, 사용되는 NaOH 수용액의 농도는 5 ~ 10 몰농도가 바람직하고 처리시간은 12 ~ 24 시간이 바람직하다. NaOH 수용액의 농도가 10 몰농도보다 높으면 알칼리처리시 공극이 200 nm 이상의 크기를 가지는 다공성층이 생성되어 골결합능력이 저하되어 바람직하지 못하며, 5 몰농도 미만이면 알칼리처리 시간이 급격히 증가하게 된다. 또한, 10 몰농도의 NaOH 수용액에서 알칼리 처리시간을 24 시간 이상으로 진행시키면 부식층의 깊이가 증가하게 되어 골결합능력이 저하되고, 12 시간 미만으로 진행시키면 약 200nm 크기의 생체활성 다공성층이 생성되지 않는다. 또한, 알칼리 처리시 온도와 부식시간은 반비례관계에 있기 때문에. 온도가 높아지면 양극반응이 활발하게되어 부식반응이 활발해지고 부식시간은 짧아지게 된다. 따라서, 적정시간(12-24시간)안에 알칼리처리를 완료하기위애서는 60 ℃의 NaOH 용액을 사용하는 것이 바람직하다.There is no restriction | limiting in the alkali aqueous solution used at the time of the said alkali treatment, NaOH was used in the specific example of this invention. At this time, the concentration of the NaOH aqueous solution used is preferably 5 to 10 molar concentration, and the treatment time is preferably 12 to 24 hours. If the concentration of the NaOH aqueous solution is higher than 10 molar concentration, a porous layer having a pore size of 200 nm or more during alkali treatment is not generated, the bone bonding capacity is lowered, and less than 5 molar concentration, the alkali treatment time increases rapidly. In addition, if the alkali treatment time in the 10 molar NaOH solution is more than 24 hours, the depth of the corrosion layer is increased, and the bone bonding ability is lowered, and if it is less than 12 hours, the bioactive porous layer having a size of about 200 nm is not formed. Do not. In addition, temperature and corrosion time are inversely related to alkali treatment. As the temperature increases, the anode reaction becomes active, and the corrosion reaction becomes active, and the corrosion time is shortened. Therefore, in order to complete the alkali treatment in a titration time (12-24 hours), it is preferable to use NaOH solution at 60 ° C.

상기 열처리 온도는 550 ~ 650 ℃가 바람직하며, 열처리 시간은 30 ~ 120 분이 바람직하다. 열처리 온도가 650 ℃ 보다 높은 경우에는 표면에 티타늄 산화물(rutile, TiO2)이 생성되어 나트륨-티탄산염의 안정성을 저해시켜 표면개질 효과를 감소시키고, 550℃ 보다 낮은 경우에는 나트륨-티타늄 수화겔층이 완전 결정화되지 못하여 합금의 경도를 저해시키는 결과가 발생한다. 또한, 열처리 시간이 30 분 미만일 경우에는 나트륨-티타늄 수화겔층이 나트륨-티탄산염으로 결정화가 완전히 이루어지지 않으며, 120 분을 넘을 경우에는 증기압이 높은 진공분위기에서 표면의 나트륨이 증발하여 나트륨-티탄산염의 안정성을 저해시킨다.The heat treatment temperature is preferably 550 ~ 650 ℃, the heat treatment time is preferably 30 ~ 120 minutes. If the heat treatment temperature is higher than 650 ℃, titanium oxide (rutile, TiO 2 ) is formed on the surface to inhibit the stability of sodium-titanate to reduce the surface modification effect, when lower than 550 ℃ sodium-titanium hydrogel layer Failure to fully crystallize results in lowering the hardness of the alloy. In addition, when the heat treatment time is less than 30 minutes, the sodium-titanium hydrogel layer does not completely crystallize into sodium titanate, and if it exceeds 120 minutes, sodium-titanate is evaporated by sodium on the surface in a high vacuum atmosphere. Inhibits stability.

본 발명에 따른 Ti-In-Nb-Ta 합금을 NaOH 용액으로 알칼리처리하면 표면에 형성되어 있는 부동태의 TiO2자연 산화물 피막이 OH-기에 국부적으로 부식되면서 피막의 일부가 알칼리 용액 속으로 용해된다.When the Ti-In-Nb-Ta alloy according to the present invention is alkali treated with a NaOH solution, a passivated TiO 2 natural oxide film formed on the surface is locally corroded to the OH - group so that a part of the film is dissolved into the alkaline solution.

TiO2+ OH-→ HTiO3 TiO 2 + OH - → HTiO 3

상기 반응으로 인하여 알칼리 용액에 직접적으로 노출된 Ti은 다음과 같은 수화과정(hydration)을 겪게 된다.Ti directly exposed to the alkaline solution due to the reaction is subjected to the following hydration (hydration).

Ti + 3 OH-→ Ti(OH)3 ++ 4e- Ti + 3 OH - → Ti ( OH) 3 + + 4e -

Ti(OH)3 ++ e-→ TiO2·H2O + 0.5 H2 Ti (OH) 3 + + e - → TiO 2 · H 2 O + 0.5 H 2 ↑

Ti(OH)3 ++ OH-↔ Ti(OH)4 Ti (OH) 3 + + OH - ↔ Ti (OH) 4

수화된 TiO2가 더욱 OH-기와 반응하면 아래와 같이 음전하를 띤 수산화물이 표면에 생성된다.When the hydrated TiO 2 further reacts with the OH - group, a negatively charged hydroxide is formed on the surface as shown below.

TiO2·nH2O + OH-↔ HTiO3 -·nH2OTiO 2 nH 2 O + OH - ↔ HTiO 3 - nH 2 O

이렇게 생성된 음전하의 수산화물은 다시 알칼리용액 내의 Na+이온과 반응을 일으키고 다공질의 나트륨-티타늄 수화겔층을 형성시키게 된다.The negatively charged hydroxide thus reacts with Na + ions in the alkaline solution and forms a porous sodium-titanium hydrogel layer.

표면개질 과정으로서 상기 알칼리처리한 Ti-In-Nb-Ta 합금을 열처리하면 나트륨-티타늄 수화겔층으로부터 수분이 제거되고 안정한 나트륨-티탄산염층으로 결정화가 이루어지며 다공층의 강도가 향상된다.When the alkali-treated Ti-In-Nb-Ta alloy is heat-treated as a surface modification process, water is removed from the sodium-titanium hydrogel layer and crystallization is made into a stable sodium-titanate layer, thereby improving the strength of the porous layer.

또한, 본 발명은 총 합금 중량을 기준으로, 5 ~ 20 중랑% 의 인듐, 2 ~ 5 중량% 의 니오븀, 3 ~ 5 중량% 의 탄탈륨 및 잔량의 티타늄을 함유하고, 알칼리처리 및 열처리에 의하여 표면전체에 형성된 해면체구조의 초미세 생체활성 다공성층 및 미세 네트워크구조를 갖는 생체 재료용 티타늄 합금을 제공한다. 상기 본 발명에 따른 생체 재료용 티타늄 합금은 초미세 다공성 표면 및 네트워크 구조의 표면에 의하여 골결합강도와 골결합속도 등의 골결합능력이 향상되고, 우수한 생체적합성을 갖는다. 본 발명에 따른 생체용 티타늄 합금은 상기 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.In addition, the present invention contains 5 to 20 weight percent of indium, 2 to 5 weight percent of niobium, 3 to 5 weight percent of tantalum and the balance of titanium, based on the total alloy weight, and the surface by alkali treatment and heat treatment. Provided is a titanium alloy for a biomaterial having an ultrafine bioactive porous layer having a spongy body structure formed therein and a fine network structure. Titanium alloy for biomaterials according to the present invention by the ultra-fine porous surface and the surface of the network structure, the bone bonding ability such as bone bonding strength and bone bonding speed is improved, and has excellent biocompatibility. The biological titanium alloy according to the present invention can be produced by the above production method.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 기술한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이들 실시예들로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

< 실시예 ><Example>

하기 실시예에서는 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 생체용 재료의 표면개질을 알아보기 위하여 현재 상용되는 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V ELI 합금과 비교하여 알칼리처리와 열처리하여 표면을 관찰하였다.In the following examples, the surface was observed by an alkali treatment and heat treatment in comparison with the Ti-6Al-4V ELI alloy, which is currently commercially available titanium alloy, to investigate the surface modification of the biomaterial prepared by the manufacturing method according to the present invention.

또한, 생체활동거동(bioactive behavior)을 모사하기 위하여 인간의 혈장과 이온 농도가 유사한 모의생체용액(simulated body fluid)에서 in vitro 시험을 수행하였고 모의생체용액 안에서의 장입시간에 따른 시험편의 표면변화를 관찰하고 생성물을 분석하였다.In addition, in vitro tests were performed in simulated body fluids with similar plasma and ion concentrations to simulate bioactive behavior, and the surface changes of the specimens with the loading time in the simulated biological solution were investigated. Observed and analyzed the product.

실시예 1Example 1

16.3 중량% 함량의 인듐, 3.29 중량% 함량의 니오븀, 3.96 중량% 함량의 탄탈륨 및 잔량의 티타늄을 진공 아크 용해로에서 용해시킨 후, 1100 ℃ (1373 K)에서 1 시간 동안 유지시키고 β압연시킨 후, 950 ℃ (1223 K)에서 재가열하여 α/β압연시킨다. 이 때, 압연 후 발생할 수 있는 내부 결함을 제거하기 위하여 진공분위기 하에서 700 ℃ (973 K)로 2 시간 동안 소둔시킴으로써 제조된 모합금을 5 몰농도의 60 ℃ NaOH 수용액에서 24 시간 동안 알칼리 처리하고, 10-5 torr 진공도의 진공 열처리로에서 600 ℃ 로 1 시간 동안 열처리하여 티타늄 합금을 제조하였다.16.3% by weight of indium, 3.29% by weight of niobium, 3.96% by weight of tantalum and the balance of titanium were dissolved in a vacuum arc melting furnace, then held at 1100 ° C. (1373 K) for 1 hour and β-rolled, Reheat at 950 ° C. (1223 K) and roll α / β. At this time, in order to remove internal defects that may occur after rolling, the mother alloy prepared by annealing at 700 ° C. (973 K) for 2 hours under vacuum atmosphere was alkali treated in a 5 molar concentration of 60 ° C. NaOH aqueous solution for 24 hours, Titanium alloys were prepared by heat treatment at 600 ° C. for 1 hour in a vacuum heat treatment furnace of 10-5 torr vacuum degree.

본 발명의 제조방법으로 제조된 생체용 재료의 표면개질을 알아보기 위하여 주사전자현미경(SEM)을 통하여 표면구조를 관찰하였다.In order to investigate the surface modification of the biomaterial prepared by the manufacturing method of the present invention, the surface structure was observed through a scanning electron microscope (SEM).

도 1a에서와 같이 Ti-6Al-4V- ELI 합금의 알칼리 및 열처리시에는 약 150 nm 이상 크기의 다공성 해면체구조가 생성된다. 그러나, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 생체용 재료의 알칼리 및 열처리시에는 보다 치밀한 구조인 나노크기의 초미세 다공성 표면이 형성되며, 도 1b에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하여 제조시, 약 50 ~ 100 nm 크기의 다공성 해면체 구조가 생성되었다.As shown in FIG. 1A, a porous sponge body having a size of about 150 nm or more is generated during alkali and heat treatment of the Ti-6Al-4V-ELI alloy. However, at the time of alkali and heat treatment of the biomaterial prepared by the manufacturing method according to the present invention, a nano-sized, ultra-fine porous surface is formed, and as shown in FIG. 1B, prepared by the embodiment of the present invention. At about 50-100 nm, porous cavernous structures were produced.

도 1의 결과를 살펴보면, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 생체용 재료는 인듐, 니오븀 및 탄탈륨 등의 합금 원소들의 복합 첨가로 인한 합금 내부조직의 변화로 인하여 알칼리처리와 열처리시 Ti-6Al-4V ELI 합금보다 치밀한 다공성 해면체구조가 생성되며, 약 5 ~ 10 ㎛ 크기의 네트워크구조가 생성된다.Referring to the results of FIG. 1, the biomaterial prepared by the manufacturing method according to the present invention is Ti-6Al- due to the change in the internal structure of the alloy due to the complex addition of alloying elements such as indium, niobium and tantalum. Dense porous cavernous structures than 4V ELI alloys are produced, resulting in network structures about 5-10 μm in size.

실시예 2Example 2

실시예 1의 방법에 따라 제조한 합금의 생체활성거동을 모사하기 위하여 인간의 혈장과 이온농도가 유사한 모의생체용액에서 시험관 시험을 수행하였고, 모의 생체용액과 인간 혈장의 무기질 이온 농도를 표 1에 나타내었다. 또한, 모의 생체용액 안에 장입시간에 따른 시험편의 표면변화를 관찰하여 도 2에 나타내었다. 이 때, in vitro 시험시 생성되는 화합물을 분석하고자 XRD(X-ray diffractometry), EDS(energy dispersive spectroscope)를 사용하였다.In order to simulate the bioactivity behavior of the alloy prepared according to the method of Example 1, in vitro tests were performed in simulated biological solutions with similar plasma and ion concentrations in humans. Indicated. In addition, the surface change of the specimen with the loading time in the simulated biological solution was observed and shown in FIG. 2. At this time, XRD (X-ray diffractometry) and EDS (energy dispersive spectroscope) were used to analyze the compound produced during the in vitro test.

모의 생체용액과 인간혈장의 무기질 이온 농도Inorganic ion concentrations in simulated biological solutions and human plasma 이온 농도 (mM)Ion concentration (mM) Na+K+Mg2+Ca2+Cl-HCO3 -HPO4 2-SO4 2- Na + K + Mg 2+ Ca 2+ Cl - HCO 3 - HPO 4 2- SO 4 2- SBFSBF 142.0 5.0 1.5 2.5 147.8 4.2 1.0 0.5142.0 5.0 1.5 2.5 147.8 4.2 1.0 0.5 Human PlasmaHuman plasma 142.0 5.0 1.5 2.5 103.0 27.0 1.0 0.5142.0 5.0 1.5 2.5 103.0 27.0 1.0 0.5

도 2의 결과를 살펴보면 본 발명의 제조방법으로 제조된 생체용 재료와 기존의 Ti-6Al-4V ELI 합금을 모의 생체용액에서 10 일 시험관 시험한 시편의 표면에는 도 2a와 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이 반구형 입자가 생성된 것으로 관찰되었다. 이 반구형 입자는 EDS와 XRD 결과 인간의 뼈를 구성하는 주성분 중의 하나인 수산화아파타이트임을 알 수 있었다.Referring to the results of FIG. 2, the surface of the specimen prepared by the test method of the biological material prepared by the method of the present invention and the conventional Ti-6Al-4V ELI alloy in a simulated biological solution for 10 days can be seen in FIGS. 2A and 2B. Hemispherical particles were observed to be produced as shown. The hemispherical particles were found to be apatite hydroxide, which is one of the main constituents of human bone, as a result of EDS and XRD.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조방법으로 제조된 생체용 재료에서의 수산화아파타이트 핵의 생성과 성장 속도가 Ti-6Al-4V ELI 합금보다 빠르게 나타났다. 이를 통하여, 도 1b에서와 같은 약 50 ~ 100 nm 이하의 치밀한 구조의 다공성 해면체구조에 의하여 수산화아파타이트의 불균질 핵생성 자리가 Ti-6Al-4V ELI 합금의 불균일 핵생성 자리보다 많아서 수산화아파타이트의 핵 생성과 성장이 빠르게 진행되었음을 알 수 있다. 또한, 이것을 통하여, 본 발명의 제조방법으로 제조된 생체용 재료의 골결합속도 등의 골결합능력이 현재 사용되는 Ti-6Al-4V ELI 합금보다 뛰어남을 알 수 있다.As can be seen in Figure 2, the generation and growth rate of the apatite hydroxide nucleus in the biomaterial prepared by the manufacturing method of the present invention appeared faster than the Ti-6Al-4V ELI alloy. As a result, the heterogeneous nucleation sites of the hydroxide apatite are larger than the heterogeneous nucleation sites of the Ti-6Al-4V ELI alloy due to the dense structure of the porous sponge body having a compact structure of about 50 to 100 nm or less as shown in FIG. It can be seen that the creation and growth was fast. In addition, it can be seen that the bone bonding ability, such as the bone bonding rate of the biological material produced by the production method of the present invention is superior to the Ti-6Al-4V ELI alloy currently used.

본 발명자들의 선행 특허 제211097호 ("생체적합성이 우수한 생체용 티타늄계 합금")에서 명시한 바와 같이, 세포독성 실험과 동물 실험 결과, 티타늄 합금의 우수한 생물학적 안정성이 알려져 있다. 또한, 본 발명에서 5 ~ 20 중량% 의 인듐, 2 ~ 5 중량%의 니오븀 및 3 ~ 5 중량% 의 탄탈륨을 순수한 티타늄에 복합 첨가하여 제조된 합금은 선행특허출원 제10-199-00742467호("기계적 성질과 내부식성이 우수한 생체용 티타늄계 합금")에서 명시한 바와 같이, 순수 티타늄에 비하여 높은 인장강도를 가지고, Ti-6Al-4V ELI 합금과 유사한 인장강도 값을 가지며, 현재 사용되는 상용 티타늄 인공 생체 재료(순수 티타늄, Ti-6Al-4V 합금)에 비하여 매우 낮은 탄성률을 갖는다. 또한, 내부식 특성에 있어서, 본 발명에 따라 제조된 합금은 가장 이상적인 것으로 평가되는 순수 티타늄에 근접하는 낮은 부식속도를 나타낸 것으로 알려져 있다.As indicated in our prior patent No. 211097 ("Biocompatible Titanium-Based Alloys with Good Biocompatibility"), cytotoxicity experiments and animal experiments have revealed excellent biological stability of titanium alloys. In addition, in the present invention, an alloy prepared by complex addition of 5 to 20% by weight of indium, 2 to 5% by weight of niobium and 3 to 5% by weight of tantalum to pure titanium is disclosed in Korean Patent Application No. 10-199-00742467 ( Titanium alloys with excellent mechanical properties and corrosion resistance), have a higher tensile strength than pure titanium, have similar tensile strength values as Ti-6Al-4V ELI alloys, and commercially available titanium It has a very low modulus of elasticity compared to artificial biomaterials (pure titanium, Ti-6Al-4V alloy). In addition, in terms of corrosion resistance, the alloys produced according to the invention are known to exhibit low corrosion rates approaching pure titanium, which is considered to be the most ideal.

본 발명의 초미세 생체활성 다공성 표면이 형성된 생체용 티타늄계 합금 및 그 제조방법에 의하여, 세포 독성이 없는 합금원소를 사용함으로써 생체적합성이 현재의 상용합금보다 뛰어나며, 상기 합금원소를 일정량으로 사용함으로써 합금 조직을 변화시켜 화학적처리 및 열처리시 합금 표면에 초미세 생체활성 다공성 구조 및 네트워크 구조를 형성시켜 골결합강도와 골결합속도 등의 골결합능력이 향상되여 골과 합금의 접합을 위하여 골시멘트 등 다른 재료를 사용하지 않아도 되는 생체용 재료를 제공할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 초미세 생체활성 다공성 표면이 형성된 생체용 티타늄계 합금 및 그 제조방법은 사회의 노령화, 인간의 생명 연장, 선천적 또는 후천적인 사고로 인하여 유발된 인간의 손상된 기관이나 조직을 인공적으로 대체하려는 생체 재료의 수요증가와 생물학적 안정성에 부합할 수 있다.According to the titanium-based biocompatible alloy having a super-fine bioactive porous surface of the present invention and a method for producing the same, the biocompatibility is superior to that of the current commercial alloy by using an alloy element that is not cytotoxic, and by using the alloy element in a predetermined amount By changing the alloy structure, the ultrafine bioactive porous structure and the network structure are formed on the surface of the alloy during chemical treatment and heat treatment to improve bone bonding ability such as bone bonding strength and bone bonding speed. It is possible to provide a biomaterial that does not require any other materials. Therefore, the titanium-based biocompatible alloy and the method of manufacturing the ultrafine bioactive porous surface according to the present invention artificially repair the damaged organs or tissues of humans caused by the aging of society, the prolongation of human life, and congenital or acquired accidents. This could be in line with the increased demand for biological materials and their biological stability.

Claims (8)

총 합금 중량을 기준으로, 5 ~ 20 중랑% 의 인듐, 2 ~ 5 중량% 의 니오븀 및 3 ~ 5 중량% 의 탄탈륨을 잔량의 티타늄에 첨가하여 혼합하고, 알칼리 수용액으로 알칼리 처리시킨 후, 진공열처리로에서 열처리 시키는 단계를 포함하여, 합금 표면전체에 해면체구조의 초미세 생체활성 다공성층 및 미세 네트워크구조를 형성시키는 것을 특징으로 하는 생체 재료용 티타늄 합금의 제조방법.Based on the total alloy weight, 5 to 20 weight percent indium, 2 to 5 weight percent niobium and 3 to 5 weight percent tantalum are added to the remaining amount of titanium, mixed, alkali treated with an aqueous alkali solution, and then vacuum heat treated. Including the heat treatment in the furnace, the method of producing a titanium alloy for biomaterials, characterized in that to form an ultrafine bioactive porous layer and a fine network structure of the spongy structure throughout the alloy surface. 제 1 항에 있어서, 상기 알칼리 수용액으로 NaOH 수용액을 사용하는 생체 재료용 티타늄 합금 제조방법.The method of producing a titanium alloy for biomaterials according to claim 1, wherein an aqueous NaOH solution is used as the aqueous alkali solution. 제 2 항에 있어서, 상기 NaOH 용액의 농도가 5 ~ 10 몰농도인 생체 재료용 티타늄 합금 제조방법.The method of claim 2, wherein the concentration of NaOH solution is 5 to 10 molar concentration. 제 2 항에 있어서, 상기 NaOH 용액을 사용한 알칼리 처리 시간이 12 ~ 24 시간인 생체 재료용 티타늄 합금 제조방법.The method of claim 2, wherein the alkali treatment time using the NaOH solution is 12 to 24 hours. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 NaOH 용액의 온도가 60 ℃ 인 생체 재료용 티타늄 합금 제조방법.The method for producing a titanium alloy for biological material according to any one of claims 2 to 4, wherein the temperature of the NaOH solution is 60 ° C. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 온도가 550 ~ 650 ℃ 인 생체 재료용 티타늄 합금 제조방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment temperature is 550 ~ 650 ° C. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 시간이 30 ~ 120 분인 생체 재료용 티타늄 합금 제조방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment time is 30 to 120 minutes. 전체 합금 중량을 기준으로, 5 ~ 20 중랑% 의 인듐, 2 ~ 5 중량% 의 니오븀, 3 ~ 5 중량% 의 탄탈륨 및 잔량의 티타늄을 함유하고, 알칼리처리 및 열처리에 의하여 표면전체에 형성된 해면체구조의 초미세 생체활성 다공성층 및 미세 네트워크구조를 갖는 생체 재료용 티타늄 합금.A cavernous structure formed on the entire surface by alkali treatment and heat treatment, containing 5 to 20 weight percent of indium, 2 to 5 weight percent of niobium, 3 to 5 weight percent of tantalum, and a balance of titanium based on the total weight of the alloy. Titanium alloy for biomaterials having an ultrafine bioactive porous layer and a fine network structure.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100487118B1 (en) * 2001-03-05 2005-05-03 주식회사 바이오스마트 Composition of Porous Element for Biomaterial
KR20150014949A (en) * 2012-05-11 2015-02-09 덴츠플라이 아이에이치 에이비 Medical device having surface comprising nanoparticles
KR20150119815A (en) * 2014-04-15 2015-10-26 서울대학교산학협력단 A method for preparation of metal alloy with nanostructured surface comprising heavy metal using selective plasma etching and use thereof
CN115404481A (en) * 2022-08-10 2022-11-29 琅泰美康医疗器械有限公司 Preparation method of hydrophilic surface of medical titanium-zirconium-based alloy microporous structure
CN115920123A (en) * 2022-12-16 2023-04-07 中南大学 Zirconium tantalum titanium dental implant material with high compressive strength and low elastic modulus and preparation method thereof

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100653160B1 (en) 2005-03-21 2006-12-01 한국생산기술연구원 Production method of Ti-base alloy with low elastic modulus and excellent bio-compatibility

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA962806A (en) * 1970-06-04 1975-02-18 Ontario Research Foundation Surgical prosthetic device
US4011861A (en) * 1974-04-03 1977-03-15 Case Western Reserve University Implantable electric terminal for organic tissue
DD243855B1 (en) * 1985-12-05 1991-09-19 Chemnitz Tech Hochschule ACTIVE IMPLANT
JP2710849B2 (en) * 1990-01-24 1998-02-10 株式会社神戸製鋼所 Implant components
NL9001986A (en) * 1990-09-10 1992-04-01 Elephant Edelmetaal Bv DENTAL PORCELAIN, METHOD FOR MANUFACTURING A DENTAL RESTORATION, DENTAL ALLOY.
DE69325042T2 (en) * 1992-02-07 1999-11-18 Smith & Nephew Inc Surface hardened biocompatible medical metal implant
US5607480A (en) * 1993-11-10 1997-03-04 Implant Innovations, Inc. Surgically implantable prosthetic devices

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100487118B1 (en) * 2001-03-05 2005-05-03 주식회사 바이오스마트 Composition of Porous Element for Biomaterial
KR20150014949A (en) * 2012-05-11 2015-02-09 덴츠플라이 아이에이치 에이비 Medical device having surface comprising nanoparticles
KR20150119815A (en) * 2014-04-15 2015-10-26 서울대학교산학협력단 A method for preparation of metal alloy with nanostructured surface comprising heavy metal using selective plasma etching and use thereof
CN115404481A (en) * 2022-08-10 2022-11-29 琅泰美康医疗器械有限公司 Preparation method of hydrophilic surface of medical titanium-zirconium-based alloy microporous structure
CN115404481B (en) * 2022-08-10 2024-04-16 琅泰美康医疗器械有限公司 Preparation method of medical titanium-zirconium-based alloy microporous structure hydrophilic surface
CN115920123A (en) * 2022-12-16 2023-04-07 中南大学 Zirconium tantalum titanium dental implant material with high compressive strength and low elastic modulus and preparation method thereof
CN115920123B (en) * 2022-12-16 2024-04-02 中南大学 Zirconium-tantalum-titanium dental implant material with high compressive strength and low elastic modulus and preparation method thereof

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