KR20030091786A

KR20030091786A - 마이크로아크 산화에 의한 티타늄 임플란트의 표면개질방법

Info

Publication number: KR20030091786A
Application number: KR1020030033221A
Authority: KR
Inventors: 허성주; 김현이; 이용호
Original assignee: 허성주; 김현이
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2003-05-24
Publication date: 2003-12-03
Also published as: KR100700027B1

Abstract

본 발명은 펄스화된 직류전압에 의해 유도되는 마이크로아크 산화에 의한 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트의 표면을 개질하는 방법, 즉 펄스화된 직류전압에 의해 유도되는 마이크로아크 산화에 의한 표면 개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 표면 개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은 티타늄 또는 티타늄 합금과 TiO₂코팅층 사이의 접합강도가 높고, 내부식성 및 내마모성을 갖고, 골유도성 및 골과의 접착강도가 높고, 더 나아가, 단시간에 표면 개질이 성취될 수 있다. 또한, 산화층의 두께와 표면 조도의 변화에 따른 세포 분화율이 높아 우수한 표면 특성이 성취될 수 있다.

Description

마이크로아크 산화에 의한 티타늄 임플란트의 표면개질방법{METHOD FOR MODIFYING SURFACES OF TITANIUM IMPLANT BY MICRO-ARC OXIDATION}

본 발명은 펄스화된 직류전압에 의해 유도되는 마이크로아크 산화에 의한 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트의 표면을 개질하는 방법, 즉 펄스화된 직류전압에 의해 유도되는 마이크로아크 산화에 의한 표면 개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 표면 개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트에 관한 것이다.

치과용 임플란트는 인간의 턱뼈 위에 인공치아를 영구적으로 이식시키기 위해 사용하는 것으로서, 턱뼈와 인공치아를 연결시키고 음식의 저작(詛嚼)시 발생하는 하중을 감당, 분산시켜 실제 치아와 동일한 역할을 할 수 있고, 기존의 의치(義齒)에 비하여 더욱 안정한 치아로서의 역할을 하도록 기계적으로 제작된다. 따라서 임플란트는 인간의 생체조직에 대하여 매우 안정적인 생체친화 재료를 사용하여야 하며 부작용 및 기타 화학, 생화학적 반응성이 없는 것이어야 한다. 또한 반복되는 하중 및 순간적인 압력의 부과에도 변형 및 파괴되지 않도록 기계적 강도가 매우 높아야 하기 때문에 적당한 소재를 선택하는 것이 매우 까다롭다.

임플란트의 적절한 소재로서 다양한 금속 및 합금이 개발, 시도되었으나 Ti(티타늄) 금속이나 그 합금을 주로 이용하고 있다 {Larry L. Hench, "Bioceramics",J. Am. Ceram. Soc. 81[7] 1705-28 (1998)}. Ti 또는 그 합금은 가공이 용이할 뿐만 아니라 인간의 생체조직에 대한 높은 생체친화성, 높은 기계적 강도 및 생체 불활성을 갖는 장점이 있다. 그러나 Ti 및 그 합금자체는 인체에 이식시 골과의 결합시간이 길고, 이식 후 장시간 지나면 금속 이온이 생체로 녹아 들어가는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 Ti 및 그 합금에 표면처리를 수행하는 연구가 활발히 진행되고 있다. Ti 표면에 존재하는 TiO₂산화막은 생체에서 안정하고 생체적합성이 우수하며 세포와의 반응에서도 긍정적인 면을 보인다고 보고되었으며 산화 처리한 임플란트는 기계가공만 수행한 임플란트보다 이식시 골과의 결합력이우수하다고 보고된 바 있다 {Patrick J. Henry, Albert E. S. Tan, Brent P. Allan, Jan Hall and Carina Johansson, "Removal Torque Comparison of TiUnite and Turned Implants in the Greyhound Dog Mandible,"Applied Osseointegration Research, 1[1] 15-17 (2000)}.그러나 Ti 및 그 합금표면에 자연적으로 존재하는 산화막은 수 나노미터에 불과하여 Ti 산화막을 적당한 두께로 만드는 것이 큰 과제로 되고 있다.

Fini 등은 정전압하에서 양극산화를 수행하여 균열의 발생없이 TiO₂산화막을 형성하였음을 보고한 바 있다 {M. Fini, A. Cigada, G. Rondelli, "In vitro and in vivo behavior of Ca and P-enriched anodized titanium",Biomaterials, 20, 1587-1594 (1999)}. 그러나, Fini 등의 보고에 따르면, 형성된 TiO₂산화막을 XRD로 분석한 결과 무정형 구조를 갖고 있어 결정형 구조의 산화막을 얻지는 못했다.

Ishizawa 등은 Ca 및 P를 함유하는 용액 내에서 250 - 350 V의 직류 정전압하에서 Ti 및 그 합금의 양극산화를 수행한 결과, Ca 및 P를 함유하는 TiO₂산화막을 Ti 및 그 합금의 표면에 형성시킬 수 있음을 보고한 바 있다. 그러나, 상기 방법에 의해 형성된 산화막은 골과의 접착강도가 충분하지 못하고, 산화막을 형성하는 데 장시간이 소요된다는 단점을 안고 있다. 골과의 접착강도를 증진시키기 위해, 이들은 300℃에서 2시간 동안 수열반응을 수행하여 표면에 수산화아파타이트(hydroxyapatite: HA)의 결정을 생성시키고 있다 {Hitoshi Ishizawa and Makoto Ogino, "Formation and Characterization of Anodic Titanium Oxide films Containing Ca and P,"J. Biomed. Mater. Res. 2965-72 (1995); Hitoshi Ishizawa and Makoto Ogino, "Characterization of Thin Hydroxyapatite Layers Formed on Anodic Titanium Oxide Films Containing Ca and P by Hydrothermal Treatment,"J. Biomed. Mater. Res. 291071-79 (1995); Hitoshi Ishizawa, M. Fujino and M. Ogino, "Mechanical and Histological Investigation of Hydrothermally Treated and Untreated Anodic Titanium Oxide Films Containing Ca and P,"J. Biomed. Mater. Res. 291459-68 (1995)}.

Xiaolong Zhu 등은 30 - 100 A/m²의 정전류하에서 양극산화를 수행하여, 전해액 내에 함유되어 있는 칼슘 글리세로포스페이트 및 칼슘 아세테이트의 농도에 따른 산화막 내의 Ca/P의 농도변화를 측정한 결과를 보고하였다. 상기 보고에 따르면, 0.02M 농도의 칼슘 글리세로포스페이트 및 0.15M 농도의 칼슘 아세테이트를 함유하는 전해액을 사용하여 70 A/m²의 정전류하에서 최종 전압이 약 348 V일 때, Ca/P 비가 1.67에 근접하는 산화층을 얻을 수 있음을 보여준다. 하지만 이 산화층이 골유착에 미치는 영향은 알아내지 못하였다. {Xiaolong Zhu, Kyo-Han Kim, Yongsoo Jeong, "Anodic Oxide Films Containing Ca and P of TitaniumBiomaterial,"Biomaterials, 222199-2206 (2001)}.

임플란트로서 우수한 효과를 갖기 위해, 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트는 티타늄 또는 티타늄 합금과 TiO₂코팅층 사이의 접합강도가 높아야 하며, 내부식성 및 내마모성을 가져야 하고, 골유도성 및 골과의 접착강도가 높아야 하고, 더 나아가, 경제성을 갖기 위해서는 단시간에 생산될 수 있어야 한다. 현재까지, 상기한 조건을 모두 만족하는 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트는 개발되지 않고 있는 실정이다.

본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 양극으로서 임플란트용 티타늄 또는 티타늄 합금, 음극으로서 보조 전극, 전원으로서 펄스화된 직류 전원, 전해액으로서 Ca 및 P를 함유하는 수용액을 갖는 전기분해장치를 구성한 후, 190 내지 650 V 범위 내의 정전압을 갖는 펄스화된 직류 전압을 상기 전기분해장치에 공급하여 마이크로아크 산화를 유도함으로써 상기의 조건을 모두 만족하는 표면 개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 티타늄 또는 티타늄 합금과 TiO₂코팅층 사이의 접합강도가 높고, 내부식성 및 내마모성을 갖고, 골유도성 및 골과의 접착강도가 높고, 더 나아가, 단시간에 표면 개질이 성취될 수 있고 또한, 산화층의 두께와 표면 조도의 변화에 따른 세포 분화율이 높아 우수한 표면 특성이 성취될 수 있는 티타늄 또는 티타늄 합금의 표면 개질 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 표면개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 제공하는 것이다.

도 1은 마이크로아크 산화를 유도하기 위한 전기분해장치의 모식도이다.

도 2는 본 발명에 따른 표면 개질된 티타늄 임플란트의 XRD 패턴을 보여주는 그래프이며, 여기서 T는 티타늄을 나타내며, A는 TiO₂산화막을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 표면 개질된 티타늄 임플란트의 형상을 보여주는 주사전자현미경 사진이며, 여기서 (A) 190V, (B) 230V 및 (C) 270V에서 펄스화된 직류 전류를 사용하여 마이크로아크 산화를 수행한 결과이다.

도 4는 본 발명에 따른 표면 개질된 티타늄 임플란트의 두께를 보여주는 주사전자현미경 사진이며, (A) 190V, (B) 230V 및 (C) 270V에서 펄스화된 직류 전류를 사용하여 마이크로아크 산화를 수행한 결과이다.

도 5는 본 발명에서 전압에 따른 산화층의 두께를 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에서 전압에 따른 표면 조도를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명에서 산화층의 두께와 표면 조도가 변함에 따른 세포의 분화율을 나타낸 그래프이다.

도 8은 전압에 따른 산화막과 Ti 기판과의 접합 강도를 보여주는 그래프이다.

도 9는 본 발명에 따른 표면 개질된 티타늄 임플란트와 골의 접착강도를 보여주는 그래프이다.

도 10은 생체 실험 후의 임플란트의 외관을 보여주는 사진이며, 여기서 (A) 190V, (B) 230V 및 (C) 270V 에서 펄스화된 직류 전류를 사용하여 마이크로아크 산화를 수행한 임플란트의 외관을 보여주는 사진이고, (D) 기계 가공만 수행한 임플란트의 외관을 보여주는 사진이다.

상기한 본 발명의 목적은 a) 양극으로서 임플란트용 티타늄 또는 티타늄 합금, 음극으로서 보조 전극, 전원으로서 펄스화된 직류 전원, 전해액으로서 Ca 및 P를 함유하는 수용액을 갖는 전기분해장치를 구성하는 단계, 및 b) 190 내지 650 V 범위 내의 정전압을 갖는 펄스화된 직류 전압을 상기 전기분해장치에 공급하여 마이크로아크 산화를 유도하는 단계를 포함하는 표면개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 제조하는 방법을 제공함으로써 성취될 수 있다.

상기한 방법에 의해 제조되는 표면 개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트는 티타늄 또는 티타늄 합금의 표면에 결정질의 TiO₂코팅층이 형성되고, 상기 TiO₂코팅층 내부에 Ca 및 P가 함입되어 있는 구조를 갖는다. 그리고, 상기 TiO₂코팅층의 두께는 적용되는 직류 전압의 세기, 마이크로아크 산화에 소요되는 시간및 전해액의 농도에 의해 변화될 수 있으나, 통상 0.5 - 20 ㎛의 두께를 갖는다.

상기 티타늄 또는 티타늄 합금과 결정질의 티타늄 TiO₂코팅층 사이의 접합강도는 20 MPa 이상, 바람직하게는 약 25 - 약 46 MPa이고, 표면개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트와 골의 접착강도가 20 N cm 이상, 바람직하게는 약 23 - 50 N cm이다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 펄스화된 직류 전압이 약 190 V일 때 마이크로아크 방전이 시작되었으며, 이 경우 산화막과 Ti 기판 사이의 접합강도는 양호하였으나, 임플란트와 뼈와의 접착강도가 상대적으로 낮았다. 또한 약 650 V 이상에서 실시한 결과 산화막과 뼈와의 접착강도는 양호하였으나, 산화막과 Ti 기판 사이의 접합강도는 현저히 저하되었고, 또한 전자현미경으로 관찰할 결과 균열(crack)이 발생함을 관찰할 수 있었다. 따라서 펄스화된 직류전압은 190V - 650V가 적당하다. 바람직하게는 250 - 290 V 범위내이다. 250V 내지 290V의 전압값을 가질 때, 티타늄 또는 티타늄 합금과 결정질의 티타늄 TiO₂코팅층 사이의 접합강도, 그리고 표면개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트와 골의 접착강도가 모두 우수한 임플란트를 얻을 수 있었다. 한편, 마이크로아크 산화의 초기 전류 밀도는 통상 1 - 100 A/m²범위 내에서 적절하게 선택할 수 있다.

마이크로아크 산화의 원리 및 특징을 기술하면 다음과 같다. 마이크로아크 산화법은 일종의 전기분해법으로서, 기존의 전기분해법 보다 훨씬 복잡한 반응이일어난다. 예를 들면 화학 반응, 전기적 반응, 발열 반응, 소결, 확산 등이 한꺼번에 일어나는 것으로 알려져 있는데, 아직도 그 정확한 메카니즘이 모두 밝혀지지 는 않은 상태이다. 시편에 전장을 걸어주면 처음에는 낮은 전압에서 균일하고 치밀한 산화층이 전기분해로 인해서 생성되고 전압이 어느 임계값(약 190V)에 도달하면 마이크로아크가 발생하며 표면의 산화층이 절연 파괴된다. 이러한 절연파괴는 아주 미소한 영역에서 일어나며 방출되는 열은 산화층을 국부적으로 용해시키며 내부에 있는 금속이온이 표면으로 이동하고 산소 이온은 기판안으로 이동하여 화학반응을 통하여 Ti 산화물이 생성된다. 동시에 전기적 힘에 의하여 용해된 터널은 순식간에 전해액 혹은 Ti 산화물로 채워지고 다른 부위에서 계속 마이크로아크 산화가 발생한다. 이러한 절연 파괴는 표면 산화층의 제일 취약한 부분부터 발생하며 점차적으로 시편 표면전체에 걸쳐서 균일한 산화층을 얻는다. 전압이 높아지면 밝고 강한 아크가 생기고 따라서 산화층의 두께는 증가한다. 마이크로아크 산화법은 기존의 공기중에서 산화하는 것 보다 산화층과 모재와의 접착력이 우수하고, 기존의 양극산화법에서 얻어진 산화층이 비정질인데 비하여 결정화가 잘 되어 있고 미세한 입자 크기와 표면이 미시적으로 거칠고 다공성이고 표면적이 크다는 장점이 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명할 것이나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 예시하는 것으로서 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

-장비

마이크로아크 산화용 전원으로는 펄스 파워를 (Autoelectric co. Korea, 주파수: 50-1000, Duty: 0-50%, 전류: 0-10A, 전압: 0-600V) 사용한다. 펄스 파워는 마이크로아크 산화 중 한계전류밀도를 증가하며, 전해조 안에 이온이 전극으로의 이동을 촉진하며 순간 전류가 상당히 높아서 마이크로아크가 잘 발생하여 산화층 형성에 중요한 역할을 한다.

전해조는 직경이 22 cm이고 용적이 10리터인 원통형 스테인레스 스틸로 제작하고 바깥층은 냉각수가 흐르게끔 설계하였고, Ti 금속재료를 양극으로 스테인레스 스틸을 음극으로 고정하였다. 마이크로아크 산화를 유도하기 위한 전기분해장치의 모식도를 도 1에 도시하였다.

- 실험방법

정밀하게 가공된 치과 임플란트용 Ti 나사를 아세톤, 알콜, 3차 증류수로 각각 5분씩 초음파 세척한 다음 건조하여 마이크로아크 산화용 시편으로 준비하였다. 마이크로아크 산화용 전해액은 0.15 mole CA (Calcium Acetate) 와 0.02 mole Ca-GP (Calcium Glycerophosphate)를 3차 증류수에 용해시켜 만들었다. 마이크로아크 산화는 정전압하에서 이루어졌으며, 190, 230, 270, 350, 450, 600V로 고정하고 4분간 처리하였다. 실험조건으로 주파수는 660 Hz, 듀티(Duty)는 10%로 하였다. 마이크로아크 산화 처리한 시편은 수돗물에 헹구고 3차 증류수에서 5분간 초음파세척한 다음 건조시켰다.

주사전자현미경을 (SEM JEOL-5600 JEOl, Tokyo, Japan) 이용하여 마이크로아크 산화된 시편의 미세구조를 관찰하였고 x-선 회절 분석기를 (M18XHF-SRA, Mac Science Co., Yokohama, Japan) 이용하여 상 분석을 행하였다. 산화층 접착력은 Sebastian Ⅴ (Quad Group, Spokane, WA, USA) 로 측정하였다. 스터드(stud)는 사이즈가 ∮2.69 mm x 12 mm인 Al 스터드를 사용하여 클립으로 시편을 고정한 후 115℃에서 한 시간 가열하여 경화시켰다. 처리된 임플란트 시편을 토끼 뒷다리 무릎관절 아래에 한 마리 당 4가지의 조성을 무작위로 시술하였다. 4주 후 토끼를 죽이고 임플란트를 제거하고 동시에 접착강도(Removal Torque)를 측정하여 골과의 결합을 평가하였다.

또한, 표면 조도는 광학 간섭계 ((Accura 2000, Intekplus Co., Seoul, Korea)를 이용하여, 평균조도 (Ra) 와 10점평균조도 (Rz)를 측정하였다. 세포분화율은 HOS(Human Osteosarcoma) 세포주를 시편 위에서 10일간 증식시킨 후, ALP(Alkaline Phosphatase)의 활동도를 측정함으로써 측정하였다.

- 실험결과

도 2는 마이크로아크 산화 전압에 따른 x-선 회절 패턴이다. 3가지 전압조건에서 모두 기판 Ti 피크와 TiO₂아나타제 피크가 나타나는데, 전압이 증가함에 따라 TiO₂의 생성량이 증가하고 결정화가 잘 되어 있음을 볼 수 있다.

도 3은 마이크로아크 산화 처리한 표면 미세구조 사진이다. 190 V에서 마이크로아크 산화하였을 때 표면의 산화층은 대부분 치밀한 산화층과 일부분 다공성인 TiO₂산화층으로 구성되었고, 산화막 두께가 엷어서 기판 표면의 연마 흔적을 관찰할 수 있다. 이는 마이크로아크가 발생하기 시작한 시기이다. 그러나 전압이 낮아서 다공성 부분이 전체 시편을 덮지 못하였다. 전압이 증가하여 230 V시는 미세한 기공이 시편전체를 덮고 있으며, 270 V시는 더 큰 기공이 형성되고 표면 거칠기도 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 금속 Ti 표면은 자연상태에서 항상 수 나노미터의 산화막이 존재한다. 마이크로아크 산화시 저 전압인 190 V에서는 전기분해로 인하여 치밀한 산화층이 균일하게 증가하다가 산화층이 일정한 두께 이상으로 형성되면 치밀한 산화층은 더 이상 증가하지 못하고 국부적으로 아주 큰 전기장이 산화막에 가해지며 결국은 절연파괴가 일어난다. 이러한 절연파괴는 마이크로아크와 더불어 많은 열을 발생하여 국부적으로 용해가 일어난다. 그리하여 기판과 전해액 사이에 전류의 통로가 생기고 기판에 있는 Ti 이온은 기판 표면으로 이동하고 전해액 중에 있는 OH^-이온 및 양극에서 발생하는 O^2-이온은 기판안쪽으로 이동한다. Ti 이온과 O 이온은 결국 화학반응을 통하여 TiO₂가 생성된다. 절연 파괴된 통로는 순식간에 새로운 생성물질로 채워지고 다시 다른 부위에서 마이크로아크가 발생하면서 전체 시편에 균일하게 산화층이 형성된다. 실험 중 아주 미세한 마이크로아크부터 전압 증가에 따라 밝고 강한 아크를 관찰 할 수 있는데 아크는 매우 빠른 속도로 이동하며 결국은 시편 전체에 걸쳐서 산화가 일어나며 균일 한 산화막코팅층을 형성한다. 동시에 전해액에 있는 Ca 과 P 이온들은 코팅층 안으로 들어가며 이는 임플란트 재료로서 생체에 이식하였을 때 생체 뼈의 주성분인 Ca 과 P를 제공하여 줄 수 있다. 한편 300 V의 펄스화된 직류전압하에서는 TiO₂산화막에서 일부 균열이 발생함을 관찰할 수 있었으며, 균열의 발생은 임플란트의 장기간 안정성에 치명적 손상을 끼칠 수 있으므로 300V 이하의 전압하에서 수행하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.

도 4는 마이크로아크 전압에 따른 산화층 두께의 변화이다. 저전압인 190 V에서는 산화층 두께가 약 0.5 ㎛에 달하며 230 V시는 약 1 ㎛ 정도이고 270 V시에는 두께가 2-3 ㎛까지 증가하는 것을 볼 수 있다. 이것은 전압이 높아짐에 따라 Ti 표면의 산화층이 마이크로아크가 더 많이 더 강하게 발생하였기 때문이다.

도 5는 전압에 따른 산화층의 두께를 나타낸 그래프로서, 도 4를 더욱 구체적으로 표현한 것이다. 270 V에서 산화층의 두께가 2-3 ㎛까지 증가함을 알 수 있으며, 360 V, 450 V 및 600 V으로 전압이 높아짐에 따라 산화층의 두께가 약 6 ㎛에서 15 ㎛ 이상으로 증가함을 알 수 있다.

도 6은 전압에 따른 표면 조도의 변화이다. 평균조도와 10점평균조도 모두 전압이 증가함에 따라 급격하게 증가하고 있음을 알 수 있다.

도 7은 산화층의 두께와 표면 조도의 변화에 따른 세포의 분화율을 나타낸 것이다. 산화층이 두꺼워지고 표면조도가 증가함에 따라 세포의 분화율이 증가하였다. 분화율은 임플란트 주위에 있는 세포가 뼈로 분화되는 정도를 나타내고 있으므로 분화율의 상승은 임플란트와 뼈와의 접착가능성이 높아짐을 의미한다.

도 8은 마이크로아크 전압에 따른 산화층의 접착강도 변화이다. 모든 전압 조건에서 파괴는 산화층 Ti 기판에서 일어나고, 산화층과 Al 스터드 사이, 그리고, 산화층 자체는 파괴가 일어나지 않는 조건으로 고정시키고 접착력을 측정하였다. 측정결과 전압이 증가함에 따라 강도가 점차 감소하였고, 300 V 이상의 전압에서는 산화층에 균열이 발생하므로 접착력은 현저히 저하되게 된다.

도 9는 마이크로아크 산화와 기계 가공만 수행한 나사모양의 Ti 임플란트의 접착 강도(Removal Torque)를 측정한 결과이다. 마이크로아크 산화한 시편은 기계 가공한 시편보다 전부 높은 값을 나타냈으며 전압이 270 V시 제일 높은 값으로 산화하지 않은 시편보다 접착 강도가 3배 이상 값을 나타냈다. 이것은 TiO₂산화층은 골과의 결합이 산화 처리하지 않은 시편보다 더욱 우수한 것을 증명하며 표면 거칠기가 크고 산화층이 상대적으로 두꺼운 것이 긍정적으로 생체특성이 우수하다는 것을 말해준다.

도 10은 토끼에 4주간 매식한 후 제거한 임플란트의 사진이다. 이 사진들에서 보여주듯이 임플란트의 접착력이 매우 높아 뼈의 일부가 파절된 양상을 보여 주기도 한다(도 10 (C)).

따라서, 이상의 도 4 내지 도 10의 결과로부터, 약 190 - 650 V 범위 내의 정전압하에서, 바람직하게는 250 - 290V 범위 내에서 마이크로아크 산화를 수행할경우 산화층과 임플란트 사이의 접착력, 그리고, 생체 이식 후 임플란트와 골과의 접착 강도가 모두 우수함을 알 수 있다. 또한, 산화층의 두께와 표면 조도의 변화에 따른 세포 분화율이 높아 표면 특성이 우수함을 알 수 있다(도 5 내지 도 7 참조).

본 발명에 따른 방법은 티타늄 또는 티타늄 합금과 TiO₂코팅층 사이의 접합강도가 높고, 내부식성 및 내마모성을 갖고, 골유도성 및 골과의 접착강도가 높은 임플란트를 제공할 수 있다는 장점을 갖는다. 더 나아가, 펄스화된 직류 전압을 사용함으로써 낮은 전압 하에서 골유도성과 골과의 접착강도가 우수한 임플란트를 제조할 수 있으며, 4분이라는 단시간에 표면 개질이 성취될 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 산화층의 두께와 표면 조도의 변화에 따른 세포 분화율이 높아 우수한 표면 특성이 성취될 수 있다는 장점을 갖는다.

Claims

양극으로서 임플란트용 티타늄 또는 티타늄 합금, 음극으로서 보조 전극, 전원으로서 펄스화된 직류 전원, 전해액으로서 Ca 및 P를 함유하는 수용액을 갖는 전기분해장치를 구성하는 단계, 및

190 내지 650 V 범위 내의 정전압을 갖는 펄스화된 직류 전압을 상기 전기분해장치에 공급하여 마이크로아크 산화를 유도하는 단계를 포함하는 표면개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 표면 개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트가 티타늄 또는 티타늄 합금의 표면에 결정질의 TiO₂코팅층이 형성되고, 상기 TiO₂코팅층 내부에 Ca 및 P가 함입되어 있는 것을 특징으로 하는 방법,
제2항에 있어서, 상기 결정질의 TiO₂코팅층의 두께가 0.5 - 20 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 티타늄 또는 티타늄 합금과 결정질의 티타늄 TiO₂코팅층 사이의 접합강도가 20 MPa 이상이고, 표면개질된 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트와 골의 접착강도가 20 N cm 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 전기 분해시의 초기 전류 밀도가 1 - 100 A/m²범위 내인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 펄스화된 직류 전압이 250 - 290V 범위내인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 펄스화된 직류 전압이 270V인 것을 특징으로 하는 방법.