KR20040089268A - 임플란트 표면개질 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 생체매식용 임플란트의 표면 거칠기를 증가 시켜 상기 임플란트가 매식되는 골과의 접촉 면적을 증가시키고, 상기 임플란트를 양극산화처리하여 상기 임플란트 표면에 네트워크상의 다공성 기질을 형성하는 임플란트 표면개질 방법에 관한 것이다.

본 발명은 상기 임플란트를 회전시키는 단계와, 상기 회전하는 임플란트 표면에 상기 임플란트와 이격,고정된 블라스트 건을 이용하여 모래 미립자를 분사하는 단계로 이루어지는 블라스팅 공정과; 상기 블라스팅 공정후 임플란트를 전해액에 침전 시켜 단계별로 인가 전압을 증가시키는 양극산화처리를 이용하여 상기 임플란트의 표면을 네트워크상의 다공성 기질을 갖도록 하는 피막 형성 공정과; 상기 피막 형성 공정후 임플란트 표면의 물에 대한 접촉각을 측정하는 젖음성 평가와, 체내에 식립될 임플란트의 독성여부를 판단할 수 있는 세포독성 평가와, 골조직과 동일한 성분의 생성 유무를 판단하는 생체유사용액에서의 반응성 평가로 이루어지는 생체적합성 판단 공정을; 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

임플란트 표면개질 방법{A method for surface treatment of implant}

본 발명은 티타늄(titanium) 또는 티타늄 합금(titanium and alloy)으로 제조된 생체매식용 임플란트(implant)의 표면에 생체활성을 부여하는 것으로 임플란트 표면개질 방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는 임플란트의 표면 거칠기(surface roughness)를 증가 시켜 상기 임플란트가 매식되는 골 조직과의 접촉 면적을 증가시키고, 상기 임플란트를 양극산화처리(anodizing)하여 상기 임플란트 표면에 네트워크상의 다공성 기질의 TiO₂산화피막(oxidation film)을 부여하는 것에 관한 것이다.

상기 TiO₂의 산화피막의 결정구조에는 정방정계 구조의 아나타제(anatase)와루타일(rutile) 그리고 사방정계 구조인 브루카이트(brookite)가 있다. TiO₂결정구조중 루타일 단독상 보다는 아나타제와 루타일의 복합상이 형성될 때 신체 조직에 대한 반응성 및 활성도가 좋은 것으로 알려져 있다.

임플란트와 같이 신체에 매식되는 것은 신체에 거부반응이 없는 재료로서 유독성이 없어야 하고 항원성 및 발암성이 없어야 한다. 또한 임플란트의 수명기간 동안 골 조직과의 결합력을 유지하여야 하고 높은 내부식성을 지녀야만 한다.

이와 같은 임플란트의 조건을 갖추기 위해 종래 기술은 티타늄 또는 티타늄 합금을 임플란트로 가공하여 사용해 왔다.

그러나, 종래의 기술에 따른 임플란트는 매식 초기에 골 조직과의 결합력이 낮아 초기 고정에 어려움이 있고, 생체적합성(Biocompatibility), 화학적 적합성(Chemicalcompatibility) 및 기계적 적합성(Mechanicalcompatibility) 등을 만족시킬 수 없었다.

상기와 같은 종래 기술에 따른 문제점을 해결하고자 제안된 방법들은 수산화아파타이트(Hydroxyapatite) 분말을 사용하여 임플란트의 표면을 코팅시키는 방법과, 임플란트 표면에 치밀한 피막을 형성시키고자 하는 전기화학적 방법 등이 있다.

하지만, 수산화아파타이트 분말을 사용하는 경우, 코팅 공정중의 높은 온도에 의해 수산화아파타이트의 순수한 성분 변질 문제가 있고 또한 코팅층의 두께가 두꺼워 상기 코팅층이 균열되거나 박리(separation)되는 문제가 있었다.

또한, 임플란트 표면에 피막을 형성시키고자 하는 전기화학적 방법의 경우도골 조직과의 결합력에 상당한 부분을 차지하는 적절한 표면 거칠기의 형성이 곤란했고, 전해액의 농도에 따라 인가전압이 높아질 경우 피막이 균열되거나 박리되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기에 언급한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하고자 창안된 것으로서, 임플란트 표면을 블라스팅(blasting)하고 양극산화처리하여 골 조직과의 접촉면적을 증가시키고 골 조직과 유사한 다공성 기질을 갖는 치밀한 산화피막(TiO₂)을 형성함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 블라스팅 공정 전의 임플란트 표면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진.

도 2는 본 발명에 따른 블라스팅 공정 후의 임플란트 표면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진.

도 3은 본 발명에 따른 임플란트 표면 피막 형성 공정 후의 XRD 회절 패턴도.

도 4는 본 발명에 따른 임플란트 표면 피막 형성 공정 후의 임플란트의 표면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진.

도 5a는 종래 기술에 따른 임플란트 시편의 젖음성을 평가한 결과를 광학 현미경으로 관찰한 사진.

도 5b는 본 발명에 따른 블라스팅 공정과 피막 형성 공정 후의 임플란트 시편의 젖음성을 평가한 결과를 관찰한 광학 현미경 사진.

도 6a는 종래 기술에 따른 임플란트 시편을 세포배양 후 3일 째의 세포증식을 광학현미경으로 관찰한 사진.

도 6b는 본 발명에 따른 블라스팅 공정과 피막 형성 공정 후 3일 째의 세포증식을 광학현미경으로 관찰한 사진.

도 6c는 대조군 니켈 시편의 세포배양 후 3일 째의 세포증식을 나타낸 광학현미경으로 관찰한 사진.

도 7은 본 발명에 따라 표면처리된 임플란트 시편과 종래 기술에 따른 임플란트 시편의 표면에 생성된 수산화아파타이트의 XRD 회절 패턴도.

도 8a는 종래 기술에 따른 임플란트 시편 표면에 수산화아파타이트 막이 생성되지 않은 것을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진.

도 8b는 본 발명에 따라 표면처리된 임플란트 시편 표면에 수산화아파타이트 막이 형성된 것을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트의 표면에 산화피막을 형성하는 생체 활성을 위한 임플란트의 표면개질 방법에 있어서, 상기 임플란트를 회전시키는 단계와, 상기 회전하는 임플란트 표면에 상기 임플란트와 이격,고정된 블라스트 건을 이용하여 모래 미립자를 분사하는 단계로 이루어지는 블라스팅 공정과; 상기 블라스팅 공정후 임플란트를 전해액에 침전 시켜 단계별로 인가 전압을 증가시키는 양극산화처리를 이용하여 상기 임플란트의 표면을 네트워크상의 다공성 기질을 갖도록 하는 피막 형성 공정과; 상기 피막 형성 공정후 임플란트 표면의 물에 대한 접촉각을 측정하는 젖음성 평가와, 체내에 식립될 임플란트의 독성여부를 판단할 수 있는 세포독성 평가와, 골조직과 동일한 성분의 생성 유무를 판단하는 생체유사용액에서의 반응성 평가로 이루어지는 생체적합성 판단 공정을; 제공 한다.

상기 블라스팅 공정에서 모래 미립자의 크기는 20~250㎛이고, 상기 블라스트 건의 분사압력은 1~5기압이고, 상기 임플란트 표면과 블라스트 건과의 이격거리는 5cm인 것을 특징으로 한다.

상기 피막 형성 공정에서 임플란트 표면에 피복되는 피막은 TiO₂의 아나타제와 TiO₂의 루타일을 포함하는 복합상인 것을 특징으로 한다.

상기 피막 형성 공정의 인가 전압은 20~80V의 제 1 단계와, 80~120V의 제 2 단계와, 120~150V의 제 3 단계와, 150~200V의 제 4 단계와, 200~250V의 제 5 단계의 순차적인 조건으로 인가되는 것을 특징으로 한다.

상기 피막 형성 공정의 전해액의 조성은 0.1M~5M의 H₂SO₄와, 0.1M~5M의 H₃PO₄으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예는 블라스팅 공정과, 피막 형성 공정과, 생체적합성 판단 공정 순으로 이루어져 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 상기에 언급한 본 발명의 블라스팅 공정을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 블라스팅 공전 전의 임플란트 표면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진이고, 도 2는 본 발명에 따른 블라스팅 공정 후의 임플란트 표면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진이다.

블라스팅 공정은 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트 표면에 미세 입자를 분사하는 작업 단계로서, 미세 입자는 모래(SiO₂)를 사용하였다. 상기 임플란트 표면에 20~250㎛ 범위의 크기를 갖는 모래 입자를 사용하였고, 본 실시예에서는 100~150㎛ 크기의 입자를 분사 하였다.

또한, 상기 미세 입자의 분사 압력은 약 1∼5 기압으로 하였고, 본 실시예에서는 5기압의 압력으로 임플란트의 표면에 분사하였다. 임플란트와 블라스트 건(gun)과의 이격거리는 약 5cm로 유지하였으며, 임플란트를 일정한 속도로 회전시켜 분사되는 입자가 균일하게 임플란트 표면부에 충격을 가하도록 하였다.

상기와 같은 블라스팅 공정 후 결과는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 블라스팅 공정 전의 임플란트 표면은 매끈한 반면, 블라스팅 공정 후의 임플란트 표면은 표면 거칠기가 향상된 결과를 얻을수 있었다.

따라서, 상기와 같이 임플란트의 표면 거칠기가 향상되어 상기 임플란트가 매식될때 골과의 접합면적이 증대됨에 따라 임플란트 초기 시술시에 문제되었던 임플란트의 접합,고정에 관한 문제를 해결할 수 있는 결과를 얻을수 있다.

이하, 도 3 및 도4를 참조하여 상기에 언급한 본 발명의 피막 형성 공정을 설명 한다.

도 3은 본 발명에 따른 임플란트 표면 피막 형성 공정 후의 XRD 회절 패턴도이고, 도 4는 본 발명에 따른 임플란트 표면 피막 형성 공정 후의 임플란트의 표면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진이다.

참고로, X선 회절 분석기(X-Ray Diffractometer, XRD)는 X 선을 조사하여 시료 결정면의 회절 현상을 이용하여 결정구조를 분석하는 기기이며, 재료의 결정 구조 분석, 결정립의 크기 측정, 우선 배향 방위의 결정, 잔류 응력 측정, 온도 변화시 상변태 측정 등에도 사용된다. 본 실시예에서는 본 발명에 따른 임플란트 표면의 상구조 분석을 위해 X선 회절 분석기를 사용 하였다.

피막 형성 공정은 임플란트 표면의 양극산화처리를 위해 0.1M∼5M의 H₂SO₄, 0.1M∼5M의 H₃SO₄전해액 조성을 사용하였으며 조성액의 농도와 시간, 인가 전압 및 전류에 따라 피막의 생성속도, 기공의 크기를 적절하게 조절할 수 있게 하였다.

또한, 단계별 인가전압 조건으로 즉, 1단계 20∼80V, 2단계 80∼120V, 3단계 120~150V, 4단계 150∼200V 및 5단계 200∼250V의 전압을 순차적으로 인가하여 급격한 고전압으로 인가될 때 발생되는 산화피막의 균열현상 및 박리되는 단점을 보완하였다.

참고로, 상기와 같은 임플란트 표면의 피막 형성 공정 후의 표면에 형성된 산화피막의 상구조를 확인하기 위해 상기에 언급한 박막 X선 회절 분석기(Thin Film X-Ray Diffractometer, TF-XRD)를 사용하였고, 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 임플란트의 표면을 관찰하였다.

상기와 같은 피막 형성 공정의 결과는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면 하기와 같다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 임플란트 표면의 산화피막 형성 공정 후의 산화피막에 대한 회절패턴은 TiO₂상에서 아나타제(anatase) 상의 피크(peak)가 뚜렷하게 관찰됨으로써 임플란트에 피복된 산화물은 TiO₂의 아나타제상인 것으로 판명되었다.

또한, 도 4는 본 발명에 따른 임플란트 표면 피막 형성 공정 후의 임플란트의 표면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진으로서, 상기 임플란트 표면의 산화피막은 네트워크 구조로 이루어진 다공성의 산화피막(TiO₂)임을 알 수 있다.

이하, 본 실시예의 생체적합성 판단 공정을 설명한다.

블라스팅 공정과, 피막 형성 공정 후, 임플란트 생체적합성을 알아보기 위해 젖음성 평가, 세포독성 평가 및 생체유사용액에서의 반응성 평가를 수행하였다.

(1) 젖음성 평가

젖음성 평가는 표면의 활성정도를 알아보기 위한 방법으로 임플란트 표면과 물에 대한 접촉각(contact angle)을 측정하는 것이다. 일반적으로 접촉각이 작을수록 표면활성이 높으며 임플란트 표면이 적극적(positive)인 성질을 가짐으로써 임플란트 주위의 골 세포 부착 및 증식이 잘 일어나게 되는 특징이 있다.

젖음성 평가방법은 하기와 같다.

블라스팅 공정와 피막 형성 공정 후의 임플란트 시편과, 상기와 같은 공정을거치지 않은 임플란트 시편을 초음파 세척과 멸균 소독과정을 거친 후, 각각의 시편 표면에 2ml 주사기로 증류수 0.2ml를 떨어뜨린다.

이후에 접촉각 측정기를 이용하여 증류수와 임플란트 시편간의 접촉각을 측정하였다. 접촉각 측정기는 [SEO 300 automatic contact angle analyzer]를 사용하였다.

상기의 젖음성 평가를 수행한 결과를 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명하면 하기와 같다.

도 5a는 종래 기술에 따른 임플란트 시편의 젖음성 평가의 광학 현미경 사진이고, 도 5b는 본 발명에 따른 블라스팅 공정과 산화피막 형성 공정 후의 임플란트 시편의 젖음성을 평가한 광학현미경 사진이다.

접촉각의 측정은 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 증류수와 시편간의 접촉각을 측정하였다. 도면 5a 및 도 5b 에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 임플란트 시편의 접촉각은 33.39°이고, 본 발명에 따른 표면처리를 하지 않은 대조 임플란트 시편은 58.07°로 나타났다.

따라서, 본 발명에 따라 제조된 임플란트 시편의 표면활성도가 더 높은 것을 알 수 있었다.

(2) 세포독성 평가

세포독성 실험은 잇몸 골에 식립될 임플란트 재료에 대해 세포배양을 이용하여 물리적 또는 화학적으로 유해성과 안정성등을 평가하는 방법이다.

임플란트와 골세포들과의 반응을 관찰함으로써 재료의 독성여부를 판단할 수 있고 세포의 분열증식을 통해 생체에 적합 여부를 알 수 있다.

블라스팅 공정과 피막 형성 공정 후의 임플란트 시편에 대한 대조군은 표면처리를 하지 않은 니켈(Ni) 시편과, 종래 기술에 따른 임플란트 시편을 사용하였다.

본 발명에 따른 임플란트 시편과, 니켈 시편과, 종래 기술에 따른 임플란트 시편을 초음파 세척과 멸균 소독 과정을 거쳐 배양 접시에 고정시킨 후 섬유아세포(fibroblast, NIH3T3)를 배양 하였다.

상기와 같이 배양된 각각의 시편을 36.5℃, 5% CO₂인큐베이터(incubator)에서 3일간 배양한 후 광학현미경으로 세포의 독성 평가 및 분열증식을 관찰하였으며 그 결과를 표 1 및 도 6a, 도 6b, 도 6c에 나타내었다.

표 1은 세포 배양 후 3일째의 섬유아세포의 세포수를 나타낸 것이고, 도 6a는 종래 기술에 따른 임플란트 시편의 세포배양 후 3일 째의 세포증식을 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 6b는 본 발명에 따른 블라스팅 공정과 피막 형성 공정 후 3일 째의 세포증식을 타나낸 광학현미경 사진이며, 도 6c는 대조군 니켈 시편의 세포배양 후 3일 째의 세포증식을 나타낸 광학현미경 사진이다.

도 6a, 도 6b 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 배양 후 3일째 관찰에서 종래 기술에 따른 임플란트 시편과 본 발명에 따른 블라스팅 공정과 피막 형성 공정을 거친 임플란트 시편은 모두 정상적인 세포분열 증식이 뚜렷하게 관찰됨으로써 생체적합성이 우수함을 알 수 있었다.

그러나, 도 6c에 나타낸 바와 같이, 니켈 시편의 경우 세포의 형상이 관찰되지 않았다.

[표 1] 세포 배양 후 3일째의 섬유아세포(fibroblast, NIH3T3)의 세포수

(초기 세포수 :1×105)

시편종류	3일간 배양 후 세포수
종래 기술에 따른 임플란트 시편	2.9 ×105
본 발명에 따른 임플란트 시편	3 ×105
대조군 니켈 시편	-

(3) 생체유사용액에서의 반응성 평가

생체유사용액에서의 반응성 평가는 유사생체용액으로 일정시간동안 임플란트시편을 침적시켜 상기 임플란트 시편 표면에 골조직과 성분이 동일한 수산화아파타이트의 생성 유무를 판단하는 방법이다.

참고로, 임플란트 표면에 수산화아파타이트가 생성이되면, 임플란트가 생체 내에 식립 되었을때 임플란트 표면에 골과 동일한 성분의 조직이 형성된다는 것은 기존의 연구자들에 의해 검증된바 있다.

또한, 수산화아파타이트는 뼈 대체물질로서, 파괴된 치조골의 시술시에 이용되며, 최근에는 치아를 빼야하는 경우까지도 수산화아파타이트를 이용해 치아를 재생 하기도 한다.

본 생체유사용액에서의 반응성 평가는 본 발명에 따른 상기 블라스팅 공정과, 피막 형성 공정을 거친 임플란트 시편과 종래 기술에 따른 임플란트 시편을 대조군으로 하여 실시 하였고 도 7 및 도 8의 결과를 얻을수 있었다.

도 7은 본 발명에 따라 표면처리된 임플란트 시편과, 종래 기술에 따른 임플란트 시편의 표면에 생성된 수산화아파타이트의 XRD 회절 패턴도이고, 도 8a는 종래 기술에 따른 임플란트 시편 표면에 수산화아파타이트 막이 생성되지 않은 것을주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진이며, 도 8b는 본 발명에 따라 표면처리된 임플란트 시편 표면에 수산화아파타이트 막이 형성된 것을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 사진이다.

생체유사용액에서의 반응성 평가는 방법은 하기와 같다.

본 실시예에 따른 임플란트 시편과 종래 기술에 따른 임플란트 시편을 초음파 세척과 멸균 소독 과정을 거쳐 생체 골조직 성분과 유사한 생체용액(Hanks' Balanced Salt Solution, HBSS) 60㎖에 2주간 각각 침적한다.

상기와 같이, 생체용액에 2주간 각각의 시편을 침적시킨후, 5% CO₂인큐베이터 내에서 36.5℃로 일정하게 유지시키고, 5일마다 유사생체용액을 교환해 주었다.

또한, 시편 표면에 생성된 피막을 확인하기 위해 상기에 언급한 박막 X선 회절 분석기를 이용하여 분석하였다. 분석결과는 도 7에 나타낸 바와 같이, 표면처리하지 되지 않은 시편(Ti)에서는 수산화아파타이트 피크(peak)가 관찰되지 않았으나, 본 발명에 따라 블라스팅(blasting)과 양극산화처리(anodizing)의 표면처리 공정을 거친 시편은 수산화아파타이트 피크가 명확히 관찰되었다.

따라서, 도 7, 도 8a 및 도 8b에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 임플란트 시편 표면에는 수산화아파타이트 막이 형성되었음을 알 수 있었다.

본 체외진단(in-vitro diagnosis) 특성 평가로부터 본 발명에 따른 블라스팅 공정과, 피막 형성 공정을 거친 임플란트 시편이 생체활성을 나타내고 있음을 밝힐수 있었다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 임플란트 표면에 블라스팅 공정과 산화피막 형성 공정의 가공 단계을 부여함으로써, 임플란트 시술 초기의 접합,고정에 관한 문제를 해결할 수 있고, 임플란트의 표면에 생체친화적인 안정한 산화피막을 형성시킬 수 있는 효과를 얻을수 있을 뿐만아니라, 공정이 간소하기 때문에 경제적 효과를 얻을수 있어 현재 수입에만 의존하고 있는 생체용 임플란트 재료의 국산화가 기대된다.

Claims (5)

1. 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트의 표면에 산화피막을 형성하는 생체 활성을 위한 임플란트의 표면개질 방법에 있어서,

   상기 임플란트를 회전시키는 단계와, 상기 회전하는 임플란트 표면에 상기 임플란트와 이격,고정된 블라스트 건을 이용하여 모래 미립자를 분사하는 단계로 이루어지는 블라스팅 공정과;

   상기 블라스팅 공정후 임플란트를 전해액에 침전 시켜 단계별로 인가 전압을 증가시키는 양극산화처리를 이용하여 상기 임플란트의 표면을 네트워크상의 다공성 기질을 갖도록 하는 피막 형성 공정과;

   상기 피막 형성 공정후 임플란트 표면의 물에 대한 접촉각을 측정하는 젖음성 평가와, 체내에 식립될 임플란트의 독성여부를 판단할 수 있는 세포독성 평가와, 골조직과 동일한 성분의 생성 유무를 판단하는 생체유사용액에서의 반응성 평가로 이루어지는 생체적합성 판단 공정을;

   포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트 표면개질 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 블라스팅 공정에서 모래 미립자의 크기는 20~250㎛이고, 상기 블라스트 건의 분사압력은 1~5기압이고, 상기 임플란트 표면과 블라스트 건과의 이격거리는 5cm인 것을 특징으로 하는 임플란트 표면개질 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 피막 형성 공정에서 임플란트 표면에 피복되는 피막은 TiO₂의 아나타제와 TiO₂의 루타일을 포함하는 복합상인 것을 특징으로 하는 임플란트 표면개질 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 피막 형성 공정의 인가 전압은 20~80V의 제 1 단계와, 80~120V의 제 2 단계와, 120~150V의 제 3 단계와, 150~200V의 제 4 단계와, 200~250V의 제 5 단계의 순차적인 조건으로 인가되는 것을 특징으로 하는 임플란트 표면개질 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 피막 형성 공정의 전해액의 조성은 0.1M~5M의 H₂SO₄와, 0.1M~5M의 H₃PO₄으로 구성된 것을 특징으로 하는 임플란트 표면개질 방법.