KR20040015854A - Improvement of calcium phosphate formation in simulated body fluid by polarizing barium titanate thin film on titanium substrate - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for producing calcium-phosphate in a bioavailable solution by polarizing a barium titanate thin film coated on titanium surface is provided to produce the calcium-phosphate crystals fast and minutely in the bioavailable solution. CONSTITUTION: The method for producing calcium-phosphate in the bioavailable solution by polarizing a barium titanate thin film coated on titanium surface comprises the steps of: preparing the ferroelectric barium titanate thin film by spin coating metal naphthenate on a titanium substrate and heat treating; polarizing the barium titanate thin film to apply the negative electric charge to the surface of the thin film; and settling the barium titanate thin film into the bioavailable solution.

Description

티타늄 표면 위에 코팅된 티탄산 바륨 박막의 분극처리에 의한 생체유사용액에서의 칼슘-포스페이트 생성 증진 {Improvement of calcium phosphate formation in simulated body fluid by polarizing barium titanate thin film on titanium substrate}Improvement of calcium-phosphate formation in bioavailable solution by polarization of barium titanate thin film coated on titanium surface {Improvement of calcium phosphate formation in simulated body fluid by polarizing barium titanate thin film on titanium substrate}

본 발명은 티타늄 상에 티탄산 바륨 박막을 형성시켜 분극처리 함으로써 생체유사용액 내에서 칼슘-포스페이트 생성의 증진에 대한 것이다.The present invention relates to the enhancement of calcium-phosphate production in a biouse solution by forming and polarizing a barium titanate thin film on titanium.

골내 임플란트용 금속재료로 가장 널리 사용되는 티타늄은 표면에 극히 안정한 산화막을 형성하여 우수한 부식저항성을 가지며, 우수한 생체 적합성, 다른 금속들에 비해 낮은 탄성계수를 가짐으로써 골내 응력 발생이 적고, 파절 저항성이 비교적 우수하여 치과용 골내 임플란트 재료로 가장 많이 사용한다. 그러나, 생체 활성 및 생체내 붕괴성 재료에 비해 임플란트 주위 초기 골생성 능력이 더 낮고, 섬유성 조직으로 접촉하는 비율이 더 높다.Titanium, most widely used as a bone material for bone implants, forms an extremely stable oxide film on the surface and has excellent corrosion resistance. Excellent biocompatibility and low elastic modulus compared to other metals results in less bone stress and fracture resistance. It is relatively good and is most often used as a dental intraosseous implant material. However, the initial osteogenic capacity around the implant is lower and the rate of contact with the fibrous tissue is higher than the bioactive and in vivo disintegrating materials.

따라서, 임플란트로 사용하는 티타늄 표면을 수산화인회석 (Hadroxyapatite : 이하 'HAP' 라 약칭함)을 코팅하여 생체친화성 및 기계적 강도를 갖는 임플란트가 정형외과 및 치과에 사용되고 있다. HAP를 코팅한 임플란트 제품들은 주로 플라즈마 용사법이 많이 이용되고 있으나, 이 방법은 6,000℃이상의 플라즈마 불꽃에 HAP를 분사하여 전기장 내에서 금속표면에 충돌시켜 코팅하는 방법으로 단시간 내에 박층으로 코팅할 수 있는 장점이 있지만, 극히 고온에서 행해지기 때문에 HAP가 분해되어 일부 글라스화 되거나 변성될 수 있고, 대형의 재료나 복잡한 형상을 갖는 임플란트에는 균일한 코팅을 하기 어려우며, 용사장치가 극히 고가이고, 재료의 손실이 많아 다량의 재료가 필요하기 때문에 추가적 비용이 크다는 단점이 있다. 플라즈마용사 보다 저온에서 행해지고, 가격도 더 낮은 플레임 용사는 HAP의 변질은 적지만, 충분한 용착력이 얻어지지 않는 결점이 있다.Accordingly, the surface of titanium used as an implant is coated with hydroxyapatite (abbreviated as 'HAP'), and an implant having biocompatibility and mechanical strength is used in orthopedics and dentistry. HAP-coated implants are mainly used for plasma spraying, but this method is to apply HAP to plasma flame of 6,000 ℃ or higher and collide with metal surface in electric field to coat in thin layer within a short time. However, because it is performed at extremely high temperatures, HAP can be decomposed and partially vitrified or denatured, and it is difficult to apply uniform coatings on large materials or implants with complex shapes, and the thermal spraying equipment is extremely expensive, and material loss There is a disadvantage that the additional cost is large because a large amount of material is required. Flame spraying, which is performed at a lower temperature than plasma spraying, and which has a lower price, has less defects in HAP, but a sufficient welding strength is not obtained.

이와 같이 HAP로 코팅된 임플란트는 미세 구조적인 결함이나 코팅과정에서의 HAP의 비정질화 및 임플란트 재료의 장기적 사용 시 발생할 수 있는 부착력의 저하 등에 따른 문제점이 지적되고 있다.As described above, the HAP-coated implant has problems due to microstructural defects, deterioration of adhesion force that may occur during the long-term use of the implant material, and the amorphousness of the HAP during the coating process.

또한, 금속이나 고분자 재질의 표면 형태를 물리적으로 처리하여 생체유사용액 내에서 HAP를 형성시키는 방법 등이 꾸준히 연구되고 있으나, 실제적으로 박막과 기저금속과의 부착강도, 박막의 기계적인 특성 및 박막의 미세 구조적인 결함 등으로 인하여 임상적인 응용이 제한되고 있다.In addition, the method of physically treating the surface morphology of the metal or polymer material to form HAP in the bio-used solution, etc., has been steadily studied, but in practice, the adhesion strength between the thin film and the base metal, the mechanical properties of the thin film and the thin film Due to microstructural defects, clinical applications are limited.

전기 자극이 골형성에 미치는 영향에 관하여서는, 가토의 대퇴골에 미소 전류자극을 수주간 지속적으로 가해 전극 주위에 골이 첨가 형성됨을 보고 (Yasuda I. et al., J. Bone. Joint. Surg. 37, 1292-1293 (1995))한 이후 여러 종류의 전기적 자극이 골에 미치는 영향에 대한 연구들이 있어 왔으며, 전기 자극을 골에 가하면 음극 주위에 현저히 골이 형성된다는 것은 잘 알려져 있다 (Buch F. et al., Biomaterials, 5, 341-346 (1984); Friedenberg Z. B. et al., Surg. Gynecol. Obstet., 131, 894-899 (1970); Liboff A. R. et al., Clin. Orthop. Relat. R., 106, 330-335 (1975)). 현재 전기 자극법은 정형외과 분야에서 골절된 부위에서 골유합이 잘 일어나지 않을 때나 가성 관절증 등에 치료의 보조 수단으로 함께 사용하여 치유를 촉진시키는데 응용되고 있다.As for the effect of electrical stimulation on bone formation, it was reported that microcurrent stimulation was continuously applied to rabbit's femur for several weeks and bone was added around electrode (Yasuda I. et al., J. Bone. Joint. Surg. 37, 1292-1293 (1995)), and there have been studies on the effects of different types of electrical stimulation on bones, and it is well known that when electrical stimulation is applied to bones, significant bone formation occurs around the cathode (Buch F. et al., Biomaterials, 5, 341-346 (1984); Friedenberg ZB et al., Surg. Gynecol. Obstet., 131, 894-899 (1970); Liboff AR et al., Clin. Orthop. Relat. R , 106, 330-335 (1975). Currently, the electrical stimulation method has been applied to promote healing by using together as an auxiliary means of treatment when bone union does not occur at the site of fracture or in pseudoarthritis.

본 발명의 목적은 티타늄 표면 위에 강유전체인 티탄산 바륨 박막을 형성하여 분극처리 함으로써 생체유사용액 내에서의 일반 티타늄의 경우보다도 훨씬 빠르고 치밀한 칼슘-포스페이트 결정의 생성을 촉진시키는 것이다.It is an object of the present invention to form a polarized barium titanate thin film on a titanium surface and to polarize it, thereby facilitating the production of much faster and dense calcium-phosphate crystals than in the case of ordinary titanium in a biofuel solution.

도 1은 본 발명의 공정을 도시한 개략도1 is a schematic diagram illustrating the process of the present invention

도 2는 분극처리를 하기 위한 분극 장치2 is a polarization device for polarization treatment

도 3은 분극처리된 티탄산 바륨과 비분극 처리된 티탄산 바륨 박막 위에 생체유사용액에 침적시험 후 형성된 결정의 주사전자현미경 및 원소 분석 사진Figure 3 is a scanning electron microscope and elemental analysis of the crystal formed on the polarized barium titanate and non-polarized barium titanate thin film after deposition test in a bio-use solution

도 4는 티타늄과 산화층을 형성시킨 티타늄 표면 위에 생체유사용액에 침적시험 후 형성된 결정의 주사전자현미경 및 원소분석 사진Figure 4 is a scanning electron microscope and elemental analysis of the crystal formed after the deposition test in the bio-use solution on the titanium surface on which titanium and the oxide layer formed

도 5는 분극처리된 티탄산 바륨과 비분극 처리된 티탄산 바륨 박막 위에 MEM 용액에 침적시험 후 형성된 결정의 주사전자현미경 및 원소 분석 사진5 is a scanning electron microscope and elemental analysis photographs of crystals formed after deposition test in MEM solution on polarized barium titanate and non-polarized barium titanate thin film;

도 6는 티타늄과 산화층을 형성시킨 티타늄 표면 위에 MEM 용액에 침적시험 후 형성된 결정의 주사전자현미경 및 원소 분석 사진FIG. 6 is a scanning electron microscope and elemental analysis photograph of crystals formed after deposition test in a MEM solution on a titanium surface on which titanium and an oxide layer were formed;

본 발명에서 사용한 티탄산 바륨 박막은 티타늄 기판 위에 메탈 나프테네이트를 이용하여 스핀코팅 후 전열처리를 실시하는 과정을 반복하여 원하는 두께의 강유전성의 티탄산 바륨 박막을 얻은 후, 최종열처리는 750℃ 아르곤분위기 하에서 10분 동안 열처리함으로써 박막 내에 산화티탄이 생성되지 않고 티탄산 바륨의 결정성이 가장 좋은 박막을 형성하였다. 이렇게 제조된 박막을 분극처리를 하여 티탄산 바륨 박막의 표면을 음으로 하전시켜 생체유사용액 내에 침적 시 칼슘-포스페이트 결정의 생성을 촉진시킨다.In the barium titanate thin film used in the present invention, after the spin coating using a metal naphthenate on a titanium substrate, the electrothermal treatment is repeated to obtain a ferroelectric barium titanate thin film having a desired thickness, and the final heat treatment is performed under an argon atmosphere of 750 ° C. By heat treatment for 10 minutes, titanium oxide was not produced in the thin film, and the thin film having the best crystallinity of barium titanate was formed. The thin film thus prepared is polarized to negatively charge the surface of the barium titanate thin film, thereby facilitating the production of calcium-phosphate crystals when deposited in the biouse fluid.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 티타늄 표면 위에 티탄산 바륨 박막의 분극처리에 의한 생체유사용액에서의 칼슘-포스페이트 생성 증진에 대해 보다 상세히 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a specific embodiment of the present invention will be described in more detail for the calcium-phosphate production in the bio-use solution by the polarization treatment of the barium titanate thin film on the titanium surface, but the following examples It is only illustrative, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 티탄산 바륨의 분극처리에 의한 생체유사용액에서의 칼슘-포스페이트 생성 증진을 보다 상세히 설명하나, 본 발명은 이에 한정된 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a specific embodiment of the present invention will be described in more detail the calcium-phosphate production in the bio-use solution by polarization treatment of barium titanate, but the present invention is not limited thereto.

강유전성 티탄산 바륨 박막을 제조하는 단계Step of manufacturing ferroelectric barium titanate thin film

직경 10 mm의 순수한 티타늄 봉을 저속절단기를 이용하여 1 mm 두께로 절단하였다. 절단한 티타늄 디스크는 # 240, 600, 800, 1500 및 2000 SiC 연마지 상에서 연마기를 이용하여 연마하였고, 최종연마는 0.3 ㎛ 및 0.05 ㎛ 알루미나 분말를 순차적으로 사용하였다. 박막제조를 위한 출발용액은 바륨 나프테네이트, 티타늄 나프테네이트 졸을 바륨: 티타늄이 1: 1 몰 비가 되도록 혼합하여 사용하였다. 균질한 박막을 제조하기 위해 톨루엔의 첨가량을 변화하여 출발용액의 점도와 농도를 조절하였다. 졸의 농도는 15.1㎎금속 / g코팅용액이 되도록 조절하여 제조하였다. 티타늄 표면과 티탄산 바륨 박막 사이에서는 열처리 동안 티타늄으로부터 과도한 원자확산으로 인하여 박막의 화학양론이 깨질 가능성이 높기 때문에, 박막의 화학양론비를 유지하기 위하여 티타늄 기판에 티타늄 산화층을 형성하여 완충층으로써 역할을 하도록 한 후 티탄산 바륨 박막을 형성하였다. 이를 위하여 티타늄 기판을 공기 중 600℃에서 5분 동안 열처리하여 티타늄 기판 표면에 산화티탄 층을 형성하였다. 산화층을 형성한 티타늄 기판 표면에 출발용액을 적하한 후 3500 rpm에서 15초 동안 스핀코팅을 하였다. 코팅된 시편 상의 유기물을 휘발시키며 반복적인 코팅과 전열처리를 시행함으로써 원하는 두께의 균질한 박막을 제조할 수 있는데, 이때 유기물은 충분히 휘발시키면서 결정성장이 일어나지 않도록 하여 반복코팅에 의한 균질의 박막을 형성하기 위하여 적절한 전열처리 온도로 시행하여야 한다. 따라서, 출발용액으로 사용되어진 바륨, 티타늄 나프테네이트 졸의 열분석을 시행하였다. 열분석은 30∼800℃의 온도구간에서 공기 분위기 하에서 승온속도 5℃/min로 열중량/시차열분석기을 사용하여 시행하였다. 열분석 결과로 찾아낸 500℃에서 10분 동안 전열처리하는 조건으로 전열처리를 시행하여, 최종열처리 후 코팅박막의 기공 및 결함이 발생하는 것을 최소화하였다. 박막의 두께가 0.3 ㎛ 이하의 박막에서는 고전압 하에서의 분극이 어렵기 때문에 코팅과 전열처리를 20회 반복하여 코팅의 두께를 증가시켰다. 최종열처리는 600, 650, 700, 750, 800 및 850℃에서 각 각 시행한 후 X선 회절분석을 하고, 그 결과 이질상인 산화티탄이 존재하지 않고 결정성이 가장 좋은 750℃를 최종 열처리온도로 선택하여 아르곤 분위기에서 10분 동안 최종 열처리를 행하였다.Pure titanium rods with a diameter of 10 mm were cut to 1 mm thickness using a low speed cutter. The cut titanium discs were polished using a grinder on # 240, 600, 800, 1500 and 2000 SiC abrasive paper, and the final polishing was 0.3 μm and 0.05 μm alumina powders sequentially. The starting solution for thin film production was used by mixing barium naphthenate and titanium naphthenate sol in a ratio of 1: 1 molar ratio of barium: titanium. To prepare a homogeneous thin film, the amount of toluene was changed to adjust the viscosity and concentration of the starting solution. The concentration of sol was prepared by adjusting to 15.1 mg metal / g coating solution. Since the stoichiometry of the thin film is likely to be broken due to excessive atomic diffusion from titanium during the heat treatment between the titanium surface and the barium titanate thin film, a titanium oxide layer is formed on the titanium substrate to serve as a buffer layer to maintain the stoichiometric ratio of the thin film. After that, a barium titanate thin film was formed. To this end, the titanium substrate was heat-treated at 600 ° C. for 5 minutes to form a titanium oxide layer on the surface of the titanium substrate. The starting solution was added dropwise to the surface of the titanium substrate on which the oxide layer was formed, followed by spin coating at 3500 rpm for 15 seconds. By evaporating the organic material on the coated specimens and repeating coating and heat treatment, a homogeneous thin film of a desired thickness can be prepared. At this time, the organic material is sufficiently volatilized to prevent crystal growth, thereby forming a homogeneous thin film by repeated coating. In order to achieve this, proper heat treatment temperature should be used. Therefore, thermal analysis of barium and titanium naphthenate sol used as starting solution was performed. Thermal analysis was performed using a thermogravimetric / differential thermal analyzer at a temperature rise rate of 5 ° C / min in an air atmosphere at a temperature range of 30 to 800 ° C. The heat treatment was performed under the condition of preheating at 500 ° C. for 10 minutes, which was found as a result of the thermal analysis, thereby minimizing the generation of pores and defects in the coating thin film after the final heat treatment. In the thin film having a thickness of 0.3 μm or less, polarization under high voltage was difficult, so that the coating thickness was increased by repeating the coating and the heat treatment 20 times. The final heat treatment is performed at 600, 650, 700, 750, 800 and 850 ° C, respectively, and then subjected to X-ray diffraction analysis. As a result, 750 ° C with the best crystallinity without the presence of heterogeneous titanium oxide is used as the final heat treatment temperature. The final heat treatment was performed for 10 minutes in an argon atmosphere.

티탄산 바륨의 분극처리단계Polarization step of barium titanate

티탄산 바륨 박막을 분극 처리를 하기 위해 시편의 표면에 실온에서 사용하는 실버 페이스트를 도포한 후 상온에서 3시간 동안 건조시켰다. 시편을 공기 중 건조실 내에서 2시간 동안 퀴리온도 이상의 온도인 160℃에서 실온까지 냉각시키는 고온 분극처리를 행하였다. 이 때 인가전압은 5V/㎛를 가하였다. 도 2에 분극처리장치의 예를 나타내었다. 티탄산 바륨의 퀴리온도는 120℃로 퀴리온도 이하에서 분극 처리할 경우, 분역간의 응력이 존재하여 전기 쌍극자를 정렬하기 힘들고 분극 처리 후에는 전기쌍극자가 짧은 시간 내에 원상태로 되돌아 가버린다. 그러나 퀴리온도 이상의 온도에서 분극처리 할 경우, 분역벽이 상유전체가 되어 분역벽 사이의 응력이 사라지게 된다. 낮은 전기장으로 분극할 경우 쉽게 쌍극자를 정렬시킬 수 있으며, 또 오랜 시간동안 쌍극자의 정렬상태를 유지할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 분극처리조건을 퀴리온도 이상에서 실온까지 냉각시키는 고온 분극처리법을 행하였다.In order to polarize the barium titanate thin film, a silver paste used at room temperature was applied to the surface of the specimen and dried at room temperature for 3 hours. The specimen was subjected to a high temperature polarization treatment in which a specimen was cooled in a drying chamber in air for 2 hours at room temperature at 160 ° C., which is a temperature higher than Curie temperature. At this time, the applied voltage was 5V / ㎛. 2 shows an example of the polarization treatment apparatus. When the Curie temperature of barium titanate is 120 ° C and polarization treatment is lower than the Curie temperature, stress between the divisions is difficult to align the electric dipoles, and after the polarization treatment, the electric dipoles return to their original state within a short time. However, if the polarization treatment is performed at a temperature above the Curie temperature, the partition wall becomes a dielectric and the stress between the partition walls disappears. When polarized with a low electric field, the dipoles can be easily aligned, and the dipoles can be aligned for a long time. Therefore, in this study, high temperature polarization treatment was performed in which the polarization conditions were cooled to room temperature above the Curie temperature.

티탄산 바륨의 생체유사용액에 침적시험 단계Deposition test step in bio-use solution of barium titanate

분극 처리하여 음으로 하전된 티탄산 바륨 박막, 비분극 처리된 티탄산 바륨 박막, 티타늄기판 및 공기중 600℃에서 5분 동안 열처리된 티타늄 기판을 각각 아세톤과 증류수를 이용하여 세척하였다. 표면을 완전히 건조시킨 후, 생체유사용액 50 ml가 담긴 폴리에틸렌 시험관에 시편을 침적시키고 37℃ 항온조 에서 15일 동안 침적시켰다. 동일한 각 실험군의 시편을 Eagel's MEM (이하 'MEM' 이라 약칭함) 용액 (Life Technologies, U.S.A.) 20 ml 중에 동일한 방법으로 15일 동안 보관하였다. 용액의 이온농도를 가능한 일정하게 유지하기 위해서 매일 새로운 용액으로 교환하였다. 침적시험 후에는 시편을 흐르는 증류수로 세척한 후 실온에서 건조시켰다. 표 1은 제조한 생체유사용액의 조성을 나타내었다.The negatively charged barium titanate thin film, the unpolarized barium titanate thin film, the titanium substrate, and the titanium substrate heat-treated at 600 ° C. for 5 minutes were washed with acetone and distilled water, respectively. After the surface was completely dried, the specimens were deposited in a polyethylene test tube containing 50 ml of the bioavailability solution and soaked in a 37 ° C. thermostat for 15 days. Specimens from each of the same experimental groups were stored for 15 days in the same manner in 20 ml of Eagel's MEM (abbreviated as 'MEM') solution (Life Technologies, U.S.A.). In order to keep the ionic concentration of the solution as constant as possible, fresh solutions were exchanged every day. After the deposition test, the specimens were washed with running distilled water and dried at room temperature. Table 1 shows the composition of the prepared bio-use solution.

표 1Table 1

첨가 순서Order of addition 시약reagent Amount g/dm3 H2OAmount g / dm3 H2O 1One (CH2OH)3CNH2(CH2OH) 3CNH2 6.0056.005 22 NaClNaCl 7.9957.995 33 NaHCO3NaHCO3 0.3530.353 44 KClKCl 0.2240.224 55 K2HPO4·3H2OK2HPO4, 3H2O 0.2280.228 66 MgCl2·6H2OMgCl2, 6H2O 0.3050.305 77 CaCl2·2H2OCaCl2 · 2H2O 0.3680.368 88 Na2SO4Na2SO4 0.0710.071 99 2 mol/dm3 HCl2 mol / dm 3 HCl 20 ml20 ml

분극 처리된 티탄산 바륨 박막과 비분극 처리된 티탄산 바륨 박막을 생체유사용액에 15일 동안 침적처리 한 후 시편의 표면을 주사전자현미경과 EDX로 분석한 결과를 도 3에 나타냈다.After the polarized barium titanate thin film and the non-polarized barium titanate thin film were immersed in a bioused solution for 15 days, the surface of the specimen was analyzed by scanning electron microscope and EDX.

15일 동안 침적시킨 비분극 처리된 시편에서는 결정이 생성되었으나 EDX로 분석한 결과 표면에 칼슘-포스페이트 결정이 아닌 즉 Cl-, NaCl 결정이 생성됨을 알 수 있었다. 15일 동안 침적시킨 분극 처리된 시편에서는 비분극 처리된 시편과 달리 가지모양의 결정과 그 주위를 둘러싼 검은 부분의 면적이 관찰되었고, EDX로 분석한 결과 표면에 칼슘-포스페이트 결정이 생성된 것으로 분석되었다. 이것은 분극의 유무에 따른 티탄산 바륨 박막 표면의 하전된 극성에 따라 초기 흡착되는 이온이달라져 결정 형성이 달라지는 것으로 사료된다. 도 4는 티타늄 기판과 공기중 600℃에서 5분 동안 열처리된 티타늄 기판을 생체유사용액에 15일 동안 침적처리 한 후 시편의 표면을 주사전자현미경과 EDX로 분석한 결과를 나타냈다. 티타늄 기판을 생체유사용액에 15일 동안 침적한 결과, 열처리 유무에 관계없이 비분극 처리된 티탄산 바륨 박막과 비슷한 NaCl의 결정 형성 경향을 보이고 있는데, 이 역시 표면에 초기 흡착되는 이온에 의해 표면에 형성되는 결정이 달라지는 것으로 생각되어진다. 생체유사용액 내에서의 칼슘-포스페이트 결정 생성 메카니즘을 대전된 극성에 따라 흡착가능한 양이온과 음이온의 흡착 순서로부터 추론해 보면, 분극 처리하여 음으로 하전된 티탄산 바륨 박막 표면에는 생체유사용액 내에서 Ca2+ 양이온이 빠르게 흡착된다. 반면, 비분극 처리된 티탄산 바륨 표면에는 Cl- 기가 먼저 흡착한다. 분극 처리된 티탄산 바륨 표면에 흡착된 Ca2+ 양이온은 생체유사용액 내의 HPO42-나 OH- 이온들을 끌어들이기 시작하며, 따라서 분극 처리된 티탄산 바륨 표면에 가장 먼저 흡착된 Ca2+ 이온들은 칼슘-포스페이트 생성 핵으로 작용하였을 것이다. 그러나 비분극 처리된 티탄산 바륨 표면에는 Cl-가 먼저 흡착되어서 HPO42-나 OH-같은 음이온에 척력을 가함으로써 칼슘-포스페이트의 형성이 이루어지지 않고, Na+ 양이온이 흡착되어 NaCl 결정을 형성하여 성장할 것이다. 여기서 생체유사용액 내에는 Na+ 양이온 이외에도 K+, Mg2+ 양이온이 존재하고 있는데, Cl-음이온이 Na+ 양이온과 주로 결합하게 되는 것은 Na+ 이온이 전기 양성이 가장 커서, 다른 양이온보다 Cl- 음이온과 더 쉽게 이온 결합을 하기 때문일 것이다.Crystals were produced in the non-polarized specimens deposited for 15 days, but the results of EDX analysis showed that the crystals were not calcium-phosphate crystals, that is, Cl- and NaCl crystals. In the polarized specimens deposited for 15 days, the branched crystals and the black areas surrounding them were observed, unlike the non-polarized specimens, and EDX analysis showed that calcium-phosphate crystals were formed on the surface. It became. It is thought that the formation of crystals is different due to the different ions initially adsorbed according to the charged polarity of the barium titanate thin film surface with or without polarization. Figure 4 shows the result of analyzing the surface of the specimen by scanning electron microscope and EDX after immersing the titanium substrate and titanium substrate heat-treated for 5 minutes at 600 ℃ in air for 15 days. After 15 days of immersion in a titanium substrate, the titanium substrate showed a tendency to form crystals of NaCl similar to an unpolarized barium titanate thin film with or without heat treatment, which was also formed on the surface by ions initially adsorbed on the surface. It is thought that the decision to be made is different. Inferring the mechanism of calcium-phosphate crystal formation in the biouse solution from the adsorption order of the adsorbable cations and anions according to the charged polarity, the surface of the negatively charged barium titanate thin film is polarized to the Ca 2+ cation in the biouse solution. It is adsorbed quickly. On the other hand, Cl- group is adsorbed on the surface of the barium titanate which has not been polarized. Ca2 + cations adsorbed on the polarized barium titanate surface begin to attract HPO42- or OH- ions in the bioused solution, so the Ca2 + ions first adsorbed on the polarized barium titanate surface act as calcium-phosphate generating nuclei. Would have done. However, the surface of the non-polarized barium titanate is adsorbed with Cl- first and exerts repulsion on anions such as HPO42- or OH- so that calcium-phosphate is not formed and Na + cations are adsorbed to form NaCl crystals. In the bioavailable solution, K + and Mg2 + cations exist in addition to Na + cations, and Cl- anion mainly binds to Na + cation because Na + ions have the highest electrical positiveness, and they are more easily ion-bonded with Cl- anions than other cations. It would be because

도 5에서는 분극 처리된 티탄산 바륨 박막과 비분극 처리된 티탄산 바륨 박막을MEM 용액에 15일 동안 침적처리 한 후 시편의 표면을 주사전자현미경과 EDX로 분석한 결과를 나타냈다. 분극 처리하여 시편이 음으로 하전된 표면 위에는 치밀하고 균일한 결정이 생성되었는데 EDX 분석결과 칼슘-포스페이트 결정인 것으로 확인하였고, 비분극 시편과 비교하여 굉장히 두껍게 칼슘-포스페이트 층이 성장하였음을 알 수 있다. 비분극 처리된 박막도 칼슘-포스페이트 결정이 생성되었으나 EDX 분석 결과 비분극 시편은 티탄산 바륨의 피크가 강하게 보이는 반면에, 분극처리되어 음으로 하전된 시편에서는 두꺼운 칼슘-포스페이트 층의 성장으로 인해 티탄산 바륨 피크가 상대적으로 낮게 나타남을 알 수 있다. 그리고 비분극 처리된 박막에 형성된 칼슘-포스페이트 층은 치밀하게 형성되지 않음을 알 수 있다. 따라서, 분극 처리되어 음으로 하전된 티탄산 바륨 박막 표면에는 칼슘-포스페이트 결정이 생성됨을 확인할 수 있었고, 비분극 처리된 티탄산 바륨 박막 보다 분극처리에 의해 음으로 대전된 티탄산 바륨 박막이 칼슘-포스페이트 층 생성 능력이 더 높다는 것을 알 수 있었다.In FIG. 5, after the polarized barium titanate thin film and the nonpolarized barium titanate thin film were immersed in MEM solution for 15 days, the surface of the specimen was analyzed by scanning electron microscope and EDX. The polarization treatment resulted in dense and uniform crystals on the negatively charged surface. EDX analysis showed that the calcium-phosphate crystals were very thick, and the calcium-phosphate layer grew very thickly compared to the non-polarized specimens. . Non-polarized thin films also produced calcium-phosphate crystals, but EDX analysis showed strong peaks of barium titanate, whereas in polarized and negatively charged specimens, barium titanate was grown due to the growth of thick calcium-phosphate layers. It can be seen that the peak appears relatively low. And it can be seen that the calcium-phosphate layer formed on the non-polarized thin film is not densely formed. Therefore, it was confirmed that calcium-phosphate crystals were formed on the surface of the negatively charged barium titanate thin film, and that the negatively charged barium titanate thin film was formed by polarization rather than the non-polarized barium titanate thin film. I could see that the ability is higher.

도 6에서는 티타늄 기판 및 공기중 600℃에서 5분 동안 열처리하여 산화층을 형성한 티타늄 기판을 MEM 용액에 15일 동안 침적 처리한 후 시편 표면을 주사전자현미경과 EDX로 분석한 결과를 나타냈다. 티타늄 기판은 MEM에 침적처리 시 생체유사용액에 침적한 결과와 동일하게 NaCl 결정이 형성되었으나, 공기중 600℃에서 5분 동안 열처리된 티타늄 기판의 경우에는 NaCl 결정을 포함한 칼슘-포스페이트 층이 표면에 형성됨을 볼 수 있었다.In FIG. 6, after the titanium substrate and the titanium substrate having an oxide layer formed by heat treatment at 600 ° C. for 5 minutes in the air were deposited for 15 days in a MEM solution, the specimen surface was analyzed by scanning electron microscope and EDX. In the titanium substrate, NaCl crystals were formed in the same way as the result of immersion in the biouse solution when immersed in MEM.However, in the case of a titanium substrate heat-treated for 5 minutes at 600 ° C in air, a calcium-phosphate layer containing NaCl crystals was formed on the surface Formed.

본 발명에 의해 티타늄 표면 위에 티탄산 바륨 박막을 생성시킨 후 분극처리를 할 경우 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 임플란트의 골유착성을 증가시키기 위한 방법으로 결정성 HAP나 생유리 같은 생체활성재료를 이용하여 골과의 화학적 결합을 얻으려는 시도뿐만 아니라 재료의 표면형상을 변화시켜 골유착을 향상시키려는 노력들이 시도되고 있지만, HAP 코팅은 세라믹 고유의 취성 때문에 임플란트 표면과의 박리현상 및 용해 현상 등의 문제가 제기되고 있는데, 본 발명에서는 티타늄 상에 졸-겔 법을 이용하여 티탄산 바륨 박막을 형성하였다. 티타늄 성분을 포함하는 세라믹을 선택했기 때문에 기판과 세라믹 박막과의 결합력을 증가시켰고, 분극 처리를 함으로써 티탄산 바륨 박막의 표면을 음으로 하전시켜 생체유사용액 내에 침적 시 칼슘-포스페이트 결정의 생성을 촉진시켰다.According to the present invention, when the barium titanate thin film is formed on the titanium surface and then polarized, the following effects can be obtained. Efforts to improve bone adhesion by altering the surface shape of materials as well as attempting to obtain chemical bonds with bone using bioactive materials such as crystalline HAP or green glass as a way to increase the bone adhesion of implants However, the HAP coating has problems such as peeling and dissolution of the implant surface due to the inherent brittleness of the ceramic. In the present invention, a barium titanate thin film was formed on the titanium using a sol-gel method. Since the ceramic containing titanium component was selected, the bonding force between the substrate and the ceramic thin film was increased, and the polarization treatment negatively charged the surface of the barium titanate thin film to promote the formation of calcium-phosphate crystals when deposited in the bioavailable solution. .

Claims (6)

임플란트 재료인 티타늄 표면 위에 강유전성 재료의 박막을 형성시킨 제조 공정.A manufacturing process in which a thin film of ferroelectric material is formed on a titanium surface as an implant material. 제 1항에 있어서 임플란트 표면의 강유전성 재료를 분극 처리한 제조공정.The manufacturing process according to claim 1, wherein the ferroelectric material on the surface of the implant is polarized. 제 1항에 있어서 강유전성 박막의 분극 시 실온에서 사용 가능한 분극처리 장치A polarization apparatus according to claim 1, which can be used at room temperature when polarizing a ferroelectric thin film. 제 2항에 있어서 박막의 분극 시 티탄산 바륨 박막을 퀴리 온도 이상인 150~ 170℃에서 부터 실온으로 냉각시키는 고온 분극처리 방법The high temperature polarization method of claim 2, wherein the thin film of barium titanate is cooled to room temperature from 150 to 170 ° C. above the Curie temperature. 제 2항에 있어서 박막의 분극 시 인가 전압의 범위는 3V/㎛에서 7V/㎛으로 하는 것을 특징으로 하는 분극방법.The polarization method according to claim 2, wherein the application voltage ranges from 3V / µm to 7V / µm during polarization of the thin film. 티타늄 상에 칼슘-포스페이트 생성을 증진시키기 위해 강유전성 박막을 코팅하여 분극처리 함으로써 표면을 음전하로 하전시킨 제조공정.A manufacturing process in which a surface is negatively charged by coating and polarizing a ferroelectric thin film to enhance calcium-phosphate production on titanium.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100423794C (en) * 2005-10-14 2008-10-08 哈尔滨工程大学 Active bio piezoelectric ceramic coating layer and method of preparing said coating layer on titanium base body surface
US9702037B2 (en) 2011-06-03 2017-07-11 DePuy Synthes Products, Inc. Surgical implant
CN107773783A (en) * 2016-08-24 2018-03-09 中国科学院金属研究所 A kind of biomedical titanium material of suitable ultrasonic therapy and its preparation method and application

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