KR20050011576A - Porous titanium implant - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing porous titanium implant for use in artificial hip joints is provided which utilizes pure titanium having substantially the same Young's modulus with human's bone and has excellent elongating capability without brittle fractures. CONSTITUTION: The method comprises: preparing titanium powder(S10); preliminary sintering the titanium powder(S20); sintering the preliminarily sintered titanium powder at a vacuum furnace by annealing with no pressure applied thereto and annealing with pressures applied thereto (S30); forming the sintered product into an implant having a cubic shape(S40); polishing the implant(S50); and evaluating characteristics of the produced implant by installing a stain gauge(S60).

Description

다공질 티타늄 임플란트{Porous titanium implant}Porous titanium implant

본 발명은 순수 티타늄(Ti)을 이용한 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것으로 좀더 상세히는 40~150㎛ 및 150~250㎛ 입도의 구형 티타늄 분말을 가압 후 소결하여 제조되며 인간의 뼈와 동일한 영률(Young's modulus)을 지녀, 인공고관절 등에 사용되는 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다.The present invention relates to a porous titanium implant using pure titanium (Ti), and more specifically, manufactured by pressing and sintering spherical titanium powder having a particle size of 40 to 150 μm and 150 to 250 μm, and having the same Young's modulus as human bones. The present invention relates to a porous titanium implant used for artificial hip joints.

생체재료(Biomaterials)는 인체내부에서 손상된 기능을 대체하기 위한 인공재료로서, 특히 기능재료 또는 구조재료로 사용하기 위해서는 인체에 무해해야 하며, 생체조직과의 친화성이 있어야 하고 인체 내에서 파손되지 않고 내구성을 지녀야 한다. 생체재료는 금속, 세라믹, 고분자 또는 이들을 혼합 또는 결합시켜 제조한 복합재료를 사용하여 제조하며, 이와 같은 소재들 중에서 강도가 요구되는 임플란트는 금속소재가 사용된다.Biomaterials are artificial materials to replace damaged functions in the human body. Especially, in order to be used as functional materials or structural materials, they must be harmless to the human body, have affinity with biological tissues, and do not break in the human body. It must be durable. Biomaterials are manufactured using metals, ceramics, polymers or composite materials prepared by mixing or combining them. Among these materials, metal materials are used for implants requiring strength.

금속소재 중에서 순수 티타늄(Ti)과 티타늄 합금(Ti alloy)의 경우 생체 적합성, 부식 저항성이 매우 우수할 뿐 아니라 비강도가 높기 때문에 생체재료로서각광을 받고 있다. 티타늄은 은백색 금속으로, 순수한 것은 전성(展性)·연성(延性)이 있고, 가열에 의해서 단련할 수 있으며, 내부식성(耐腐蝕性)이 있기 때문에 공업상 중요한 금속이다. 결정은 α형과 β형의 2종이 있는데, α형은 상온에서 안정하고 육방정계(六方晶系)에 속하며, 882℃ 이상에서는 등축정계(等軸晶系)인 β형이 된다. 강도는 탄소강과 거의 같고, 자중(自重)에 대한 강도비는 철의 약 2배, 알루미늄의 약 6배이다. 또, 열전도율·열팽창률이 작고, 400℃ 이하에서는 강도의 변화가 작다. 공기 중에서는 안정하나, 산소 속에서 강열하면 산화티탄이 된다. 할로겐과 가열하면 반응하고, 산에는 철보다 잘 녹지 않는다. 바닷물 속에서는 백금 다음으로 내식성(耐蝕性)이 강하고, 많은 금속과 합금을 만든다.Among the metal materials, pure titanium (Ti) and titanium alloys (Ti alloys) are attracting attention as biomaterials because of their excellent biocompatibility and corrosion resistance as well as their high specific strength. Titanium is a silver-white metal, and pure ones are malleable and ductile, can be annealed by heating, and are important industrially because of their corrosion resistance. There are two types of crystals, α type and β type, and α type is stable at room temperature and belongs to hexagonal system. Above 882 ℃, β type becomes equiaxed crystal system. The strength is about the same as that of carbon steel, and the strength-to-weight ratio is about two times iron and about six times aluminum. Moreover, thermal conductivity and thermal expansion coefficient are small, and the change of strength is small at 400 degrees C or less. It is stable in air, but when heated in oxygen, it becomes titanium oxide. When reacted with halogen, it reacts and is less soluble in iron than iron. In seawater, after platinum, it is strong in corrosion resistance and makes many metals and alloys.

순수 티타늄(Ti)과 티타늄 합금(Ti alloy)의 제조 및 응용기술은 60년대 말부터 미국과 일본을 포함한 선진국에서 항공재료와 방탄재료 등을 목적으로 연구에 착수한 이래 70년대부터는 생체용 재료로의 응용개발에 박차를 가하여 현재는 활발한 응용 및 연구가 진행 중이며, 현재 이들 소재들은 주로 인공고관절과 치과용 임플란트로 사용되고 있다. 현재까지 임플란트 재료로 개발이 완료되었거나 개발중인 대표적인 순수 티타늄 및 티타늄 합금은 α형의 티타늄(grade 2, 3, 4; ASTM)과 α+β형의 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-15Sn-4Nb-4Ta-0.2Pd 및 β형의 Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-15Mo-3Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 등이 있다. 이들 중 인공고관절로 가장 많이 사용되는 재료는 α+β형의 Ti-6Al-4V이며 치과용 재료로는 α형의 순수 티타늄 그레이드 3, 4(Grade 3, 4)가 주로 사용되고 있다.The manufacturing and application technology of pure titanium (Ti) and titanium alloy (Ti) has been developed as a biomaterial since the late '60s since the beginning of the research in advanced countries including the United States and Japan. In addition to spurring the development of applications, active applications and research are underway. Currently, these materials are mainly used as artificial hips and dental implants. Representative pure titanium and titanium alloys, which have been developed or are currently being developed as implant materials, include α-type titanium (grade 2, 3, 4; ASTM), α + β-type Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-15Sn-4Nb-4Ta-0.2Pd and β-type Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-15Mo-3Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr, and the like. Among them, the most commonly used hip joint is α + β-type Ti-6Al-4V, and as the dental material, α-type pure titanium grades 3 and 4 (Grade 3 and 4) are mainly used.

대표적인 금속 임플란트인 인공고관절은 어떤 원인으로 고관절(엉덩이뼈 관절로 골반골과 대퇴골(넙적뼈)를 연결하여 보행 등 자유롭게 운동할 수 있게 하는 관절)이 찌그러지거나 관절 내 연골이 닳아 없어지게 될 때, 병든 관절의 골반골 소켓과 대퇴골두 부위를 잘라내고 골반골에는 비구컵으로, 대퇴골은 대퇴부 스템으로 대체하게 된다. 대퇴부 스템은 순수 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트가 사용되는데, 시술시 임플란트를 대퇴골에 삽입하기 위해서는 드릴을 이용하여 대퇴골에 구멍을 낸 후 임플란트를 삽입하고 의료용 시멘트로 대퇴골과 임플란트를 접합하게 된다.Artificial hip joint, which is a representative metal implant, is caused by any cause when the hip joint (joint that connects the pelvis and femur (femur) with the hip bone joint and free movement, etc.) is crushed or the cartilage in the joint is worn out. The pelvic socket and femoral head of the affected joint are cut out, replaced with an acetabular cup for the pelvis, and the femur with a femoral stem. The femoral stem is an implant made of pure titanium or titanium alloy is used.In order to insert the implant into the femur during the procedure, a hole is inserted into the femur using a drill, and then the implant is inserted and the femur and the implant are joined with medical cement.

현재 이들 임플란트의 제조기술은 용해, 주조, 단조 기술에 국한되어 있는 실정이다. 좀더 구체적으로 종래의 기술에 대해 언급하자면, 종래 기술은 상기 재료들을 임플란트 재료로 실용화하기 위해 주조기술의 확립, 즉 용해기술 및 정밀주조 공정에 중점을 두어 고밀도의 치밀한 주조품의 개발과 후처리공정, 미세조직 제어 및 특성평가에 편중되어 있다. 이러한 공정으로 얻어지는 고밀도의 재료는 제품특성이 우수하다는 평가를 받고 있다.Currently, the manufacturing technology of these implants is limited to melting, casting, and forging technologies. More specifically, the prior art refers to the establishment of a casting technique, that is, the development and post-treatment process of high-density, dense castings, focusing on the establishment of casting technology, that is, melting technology and precision casting process, for practical use of the above materials as implant materials. The focus is on microstructural control and characterization. The high density material obtained by such a process is evaluated to be excellent in product characteristics.

그러나, 이러한 고밀도를 지닌 주조품 티타늄계 소재를 뼈 속에 삽입하여 사용할 경우 임플란트와 뼈 사이에 영률 차이가 발생하게 된다. 뼈의 영률은 연령과 종류에 따라 10-30GPa 범위의 값을 지니고 있으나 고밀도 티타늄계의 영률은 100~250GPa로 10배 이상 임플란트의 영률이 크다. 일반적으로 인공고관절에는 인간체중의 3~5배의 하중이 걸린다고 알려져 있으며, 상기한 영률의 차이는 임플란트와 뼈에 동시에 응력이 걸릴 경우 영률이 작은 뼈가 손상을 입게 되는 결과를 초래한다. 즉, 영률이 작은 뼈에 많은 응력이 부가되는 응력차단(stress-shielding) 현상이 발생하여 임플란트와 뼈 사이에 부정합(mismatch)을 초래하게 되며 이러한 경우 뼈에는 많은 구멍이 형성된다고 보고되고 있다.However, when the cast titanium-based material having such a high density is inserted into the bone, a Young's modulus difference between the implant and the bone occurs. The Young's modulus of bone has a value in the range of 10-30GPa according to age and type, but the Young's modulus of high density titanium is 100 ~ 250GPa, which is more than 10 times the Young's modulus. In general, it is known that the hip joint takes three to five times the weight of the human body, and the difference in Young's modulus causes damage to the bone with a small Young's modulus when stress is applied to the implant and the bone simultaneously. That is, a stress-shielding phenomenon in which a large amount of stress is added to a bone having a small Young's modulus occurs, causing mismatch between the implant and the bone, and in this case, many holes are formed in the bone.

따라서, 인간 뼈에 근접한 영률을 지니는 임플란트 재료의 개발이 필수 불가결하며 이러한 문제점을 해결하기 위하여 티타늄 소재를 기본으로 생체 적합성이 우수한 여러 가지 원소의 첨가와 조성을 변화시킨 합금개발에 주력하고 있다. 최근(2002년) 일본의 신호제철소(神戶製鐵所)에서 인공고관절용으로 고연성과 고강도를 지닌 Ti-15Mo-5Zr-3Al의 개발에 성공하여 상품화를 준비하고 있으나 이들 티타늄 합금의 영률은 약 90GPa로 뼈와의 영률 차이는 아직 해결되지 않고 있다. 상기 공정으로 임플란트를 제조할 경우 제조 공정시간이 길며, 뼈와의 큰 영률차이로 생체재료로서 요구되는 내구성을 만족시키기 어렵다.Therefore, development of an implant material having a Young's modulus close to human bone is indispensable, and in order to solve these problems, it is focusing on the development of alloys in which the addition and composition of various elements having excellent biocompatibility based on titanium materials are changed. Recently (2002) succeeded in developing Ti-15Mo-5Zr-3Al with high ductility and high strength for artificial hip joints in Japan's Signal Steel Works, but the Young's modulus of these titanium alloys is about 90 GPa. The difference in Young's modulus with the bone is not resolved yet. When the implant is manufactured by the above process, the manufacturing process takes a long time, and it is difficult to satisfy the durability required as a biomaterial due to a large Young's modulus with bone.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 고밀도 티타늄계 임플란트가 지니는 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 임플란트의 기공율(porosity), 개기공율(open porosity) 및 기공크기를 조절하여 인간의 뼈와 동등한 영률을 지니는 다공질 임플란트를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the problem of the high-density titanium-based implant, a porous implant having a Young's modulus equivalent to human bone by adjusting the porosity, open porosity and pore size of the implant To provide.

본 발명의 다른 목적은 인간 뼈에서 나타나는 취성변형 거동이 나타나지 않는 우수한 연신 특성을 지니는 다공질 임플란트를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a porous implant having excellent stretching properties in which brittle deformation behavior in human bones does not appear.

본 발명의 또 다른 목적은 생체적합성이 뛰어나고 세포 증식이 가능한 임플란트를 개발하여 시술시 의료용 시멘트를 사용하지 않고 다공질 임플란트와 뼈를직접 접촉시킴으로써 골세포가 다공질의 임플란트 내부까지 활발히 성장하여 임플란트와 골세포간의 접촉계면 증가에 따른 고정강도를 향상시키는 효과를 나타내는 다공질 임플란트를 제공하려는 것이다.Another object of the present invention is to develop an implant that is excellent in biocompatibility and capable of cell proliferation, so that bone cells are actively grown to the inside of the porous implant by directly contacting the porous implant with the bone without using medical cement during the procedure. The purpose of the present invention is to provide a porous implant exhibiting an effect of improving the fixed strength according to the increase of the contact interface between the liver.

도 1은 본 발명의 제조공정 흐름도이다.1 is a manufacturing process flow chart of the present invention.

도 2는 인공 고관절의 대퇴부 스템에 사용된 본 발명의 임플란트를 도시한 개략도이다. 대퇴골 안에 삽입된 다공질 임플란트와 임플란트를 소결한 후 서로 접합된 분말(24)그리고 기공(22)을 도시하였다.Figure 2 is a schematic diagram of an implant of the present invention used in the femoral stem of an artificial hip joint. The powder 24 and the pores 22 are shown bonded to each other after sintering the porous implant and the implant inserted into the femur.

도 3은 본 발명에 의해 제조된 다공질 임플란트의 사진이다. 65㎛의 분말을 사용하여 1300℃에서 소결하여 제조한 다공질 임플란트의 주사전자현미경 사진을 나타내었다.3 is a photograph of a porous implant prepared by the present invention. The scanning electron micrograph of the porous implant manufactured by sintering at 1300 degreeC using the powder of 65 micrometers was shown.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 다공질 임플란트의 파괴거동 그래프이다.Figure 4 is a graph of the fracture behavior of the porous implant produced by the present invention.

도 5는 본 발명에 의해 제조된 다공질 임플란트의 세포배양 사진이다. 평균입도 189㎛의 분말을 1300℃에서 소결하여 제조한 임플란트의 표면에 세포가 증식되어 있는 모습을 관찰한 형광현미경 사진이다.Figure 5 is a cell culture photograph of the porous implant prepared by the present invention. It is a fluorescence microscope photograph of the proliferation of cells on the surface of an implant prepared by sintering a powder having an average particle size of 189 µm at 1300 ° C.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing

21: 다공질 임플란트 22: 기공 23: 대퇴골21: porous implant 22: pore 23: femur

24: 티타늄 분말 25: 목(neck)24: titanium powder 25: neck

41: 65㎛을 사용하여 900℃에서 제조된 다공질 임플란트의 파괴거동41: Fracture Behavior of Porous Implants Prepared at 900 ° C. Using 65 μm

42: 189㎛ 분말을 사용하여 1100℃에서 제조된 다공질 임플란트의 파괴거동42: Fracture Behavior of Porous Implants Prepared at 1100 ° C. using 189 μm Powder

51: 기공 52: 분말 53: 치근막(齒根膜)유래세포(由來細胞)51: pore 52: powder 53: root root membrane-derived cells

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는 티타늄 분말의 입도와 소결조건을 변화시켜 뼈와 동등한 영률을 지니는 다공질 임플란트를 제조하였다. 또한 본 발명의 임플란트는 인간의 뼈와 동일한 영률 뿐만 아니라 탄성변형, 소성항복 및 변형경화의 특성도 함께 가지고 있다.In order to achieve the above technical problem, in the present invention, a porous implant having a Young's modulus equivalent to bone was manufactured by changing the particle size and sintering condition of the titanium powder. In addition, the implant of the present invention not only has the same Young's modulus as human bone, but also has the characteristics of elastic deformation, plastic yielding and deformation hardening.

본 발명은 150~250㎛의 구형 티타늄 분말을 몰드에 장입하고 60~80MPa의 압력으로 가압한 후 핫 프레스(Hot press) 장치를 이용하여 1100~1300℃에서 소성하고 냉각하는 소결단계로 제조되며, 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다.The present invention is prepared in a sintering step of charging a spherical titanium powder of 150 ~ 250㎛ in a mold and pressurized at a pressure of 60 ~ 80MPa and then firing and cooling at 1100 ~ 1300 ℃ using a hot press (Hot press), It relates to a porous titanium implant having a Young's modulus of 10-30 GPa, which is the same as that of human bones.

또한, 본 발명은 40~150㎛의 구형 티타늄 분말을 몰드에 장입하고 60~80MPa의 압력으로 가압한 후 핫 프레스(Hot press) 장치를 이용하여 900~1100℃에서 소성하고 냉각하는 소결단계로 제조되며, 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다.In addition, the present invention is prepared by the sintering step of charging a spherical titanium powder of 40 ~ 150㎛ in a mold and pressurized to a pressure of 60 ~ 80MPa and then calcined and cooled at 900 ~ 1100 ℃ using a hot press (Hot press) device It relates to a porous titanium implant having a Young's modulus of 10 to 30 GPa, which is the same as that of human bones.

상기 가압과정은 몰드 안의 분말을 균일하게 분산시키기 위한 것으로서, 60MPa 미만의 압력을 가하면 생성되는 기공의 분포가 불균일하고, 80MPa을 초과하면 분말의 형상에 변형이 생긴다. 그리고, 상기 소결단계는 1X10-6torr의 진공하에서 7~15℃/min의 승온속도로 가온하는 것이 바람직하다.The pressurization process is to uniformly disperse the powder in the mold, and if a pressure of less than 60 MPa is applied, the resulting pore distribution is uneven. And, the sintering step is preferably heated at a temperature increase rate of 7 ~ 15 ℃ / min under 1X10 -6 torr vacuum.

또한, 본 발명은 상기 티타늄 분말이 플라즈마 회전전극법(plasma rotating electrode process) 또는 가스분무법(gas atomization)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 인공고관절용 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다. 본 발명의 티타늄 분말은 순수한 티타늄 벌크 소재를 사용하며 보다 바람직하게는 α형의 티타늄 그레이드 2를 사용하여 제작할 수 있다.In addition, the present invention relates to a porous titanium implant for artificial hips, characterized in that the titanium powder is produced by a plasma rotating electrode process or gas atomization. Titanium powder of the present invention uses a pure titanium bulk material, more preferably can be produced using the titanium grade 2 of the α type.

뿐만 아니라, 본 발명은 상기 임플란트의 기공율이 32~36%인 것을 특징으로 하는 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다. 상기 임플란트의 기공율이 32~36%의 범위를 벗어나면 원하는 영률을 얻을 수 없다.In addition, the present invention relates to a porous titanium implant, characterized in that the porosity of the implant is 32 to 36%. If the porosity of the implant is outside the range of 32 to 36%, the desired Young's modulus cannot be obtained.

나아가, 본 발명은 상기 다공질 티타늄 임플란트가 임플란트의 표면기공 및 내부기공에서 세포증식이 가능한 것을 특징으로 하는 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다. 상기 임플란트는 개기공, 즉 3차원적으로 연결되어 있어, 기공이 막힘이 없이 입체적으로 서로 연결되어있기 때문에 임플란트의 표면뿐만 아니라 내부까지 세포가 증식할 수 있다.Furthermore, the present invention relates to a porous titanium implant, characterized in that the porous titanium implant is capable of cell proliferation in the surface pores and internal pores of the implant. The implants are open pores, that is, three-dimensionally connected, and because the pores are connected to each other in three dimensions without clogging, cells can proliferate not only to the surface of the implant but also to the inside thereof.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이들 실시예의 기재만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the present invention is not limited only to the description of these examples.

실시예 1: 다공질 티타늄 임플란트 제조Example 1 Preparation of Porous Titanium Implants

티타늄 분말은 α형의 티타늄 그레이드 2를 이용하여 가스분무방법으로 40~150㎛로 평균입도 65㎛인 티타늄 분말과 150~300㎛로 평균입도 189㎛인 티타늄 분말을 제조하였다(도 1의 단계 S10 ).Titanium powder was prepared using titanium grade 2 of α-type titanium powder having an average particle size of 65 μm and an average particle size of 189 μm at 150 to 300 μm by a gas spraying method (step S10 of FIG. 1). ).

상기 분말을 몰드에 장입하고 몰드 내에서 분말들을 균일하게 분산시키기 위하여 프레스 장치로 70MPa의 압력을 10분동안 가하는 예비소결단계를 수행하였다(도 1의 단계 S20 ).The pre-sintering step was carried out by charging the powder into the mold and applying a pressure of 70 MPa for 10 minutes with a press device to uniformly disperse the powder in the mold (step S20 of FIG. 1).

상기 예비소결단계를 거친 분말은 각 평균입도별로 일축하중이 가능한 핫 프레스(hot press)장치에서 티타늄의 β영역(882℃)이상의 온도 900℃, 1100℃ 및 1300℃의 무가압 열처리 조건과 950℃에서 5MPa과 10MPa의 가압 열처리 조건으로 소결을 수행하였다. 이때 로(furnace)는 1x10-6torr의 진공상태로 유지하고 목적온도까지의 승온속도는 10℃/min, 유지시간은 2시간, 냉각은 노냉방식으로 수행하였다.The powder that has undergone the pre-sintering step is subjected to pressure-free heat treatment conditions of 900 ° C., 1100 ° C. and 1300 ° C., and a temperature of 950 ° C., above 882 ° C., in a hot press device capable of uniaxial loading for each average particle size. Sintering was carried out at 5 ° C. and 10 MPa under pressure heat treatment conditions. At this time, the furnace (furnace) was maintained in a vacuum state of 1x10 -6 torr and the temperature increase rate up to the target temperature was 10 ℃ / min, holding time 2 hours, cooling was carried out by the furnace cooling method.

도 3은 65㎛ 티타늄 분말을 사용하여 1300℃에서 소결하여 제조한 다공질 임플란트를 관찰한 것이다.Figure 3 is a porous implant prepared by sintering at 1300 ℃ using 65㎛ titanium powder.

실시예 2: 다공질 티타늄 임플란트의 특성평가Example 2: Characterization of Porous Titanium Implants

본 실시예는 상기 실시예 1에서 소결이 완료된 다공질 임플란트의 특성평가를 위하여 임플란트를 9mm x 9mm x 25mm의 입방체 형상으로 가공한 후(도 1의 단계S40) 연마하였다(도 1의 단계S50). 연마단계 중 다공질 임플란트에서 분말이 떨어져 나갈 경우 밀도변화가 발생하므로 주의하면서 공정을 수행하여야 한다. 연마가 완료된 다공질 임플란트의 특성평가는 임플란트 표면에 변형게이지(strain gage)를 부착하여 상온에서 압축실험에 의해 수행하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In this embodiment, in order to evaluate the characteristics of the porous implant sintered in Example 1, the implant was processed into a cube shape of 9 mm x 9 mm x 25 mm (step S40 of FIG. 1) and polished (step S50 of FIG. 1). When the powder falls out of the porous implant during the polishing step, the density change occurs, so the process should be carried out with caution. Characterization of the polished porous implant was performed by a compression test at room temperature by attaching a strain gage to the implant surface, the results are shown in Table 1 below.

평균입도(㎛)Average particle size (㎛) 소결조건Sintering Condition 영률(GPa)Young's modulus (GPa) 기공율(%)Porosity (%) 개기공율(%)Open porosity (%) 기공크기(㎛)Pore size (㎛) 189189 900℃900 ℃ -- 36.436.4 100100 -- 1100℃1100 ℃ 12.812.8 33.833.8 93.093.0 99.799.7 1300℃1300 ℃ 15.415.4 33.633.6 91.291.2 73.173.1 950℃, 5MPa950 ° C, 5MPa 74.974.9 8.708.70 83.683.6 43.543.5 950℃, 10MPa950 ℃, 10MPa 75.875.8 8.748.74 83.683.6 39.139.1 6565 900℃900 ℃ 12.512.5 34.434.4 93.293.2 35.135.1 1100℃1100 ℃ 27.827.8 32.432.4 92.792.7 19.019.0 1300℃1300 ℃ 39.239.2 28.728.7 91.691.6 19.919.9 950℃, 5MPa950 ° C, 5MPa 85.385.3 5.15.1 78.578.5 11.511.5 950℃, 10MPa950 ℃, 10MPa 87.687.6 5.05.0 73.273.2 10.110.1

표 1과 같이 평균입도 189㎛ 분말을 사용한 임플란트는 1100℃와 1300℃의 무가압 소결조건에서 제조한 다공질 임플란트의 기공율은 각각 33.8%와 33.6%이고,이들의 영률은 인간의 뼈와 동일하였다. 또한, 평균입도 65㎛ 분말을 사용한 임플란트는 900℃와 1100℃의 무가압 소결조건에서 제조한 다공질 임플란트의 기공율은 각각 34.4%와 32.4%이고, 영률은 뼈와 동일하다.As shown in Table 1, the porosity of the porous implants prepared under pressureless sintering conditions of 1100 ° C and 1300 ° C was 33.8% and 33.6%, respectively, and their Young's modulus was the same as that of human bone. In addition, the porosity of the porous implants prepared under the pressureless sintering conditions of 900 ° C and 1100 ° C is 34.4% and 32.4%, respectively, and the Young's modulus is the same as that of the bone.

상기 표 1에서 특성값이 표시되어 있지 않은 임플란트의 경우, 낮은 소결온도의 영향으로 형상가공과 연마공정시 임플란트로부터 분말들이 떨어져나가서 특성평가가 불가하였다. 즉, 임플란트의 기공률이 약 36%이상일 경우 완전한 형상을 지닌 임플란트의 제조가 불가하다는 것을 알았다. 따라서, 32.4%~35.6%범위의 기공율을 가진 다공질 임플란트가 뼈와 동일한 영률을 지닌다는 것을 알 수 있었다.In the case of the implants whose characteristic values are not indicated in Table 1, the powders were separated from the implants during the shape processing and the polishing process under the influence of the low sintering temperature, and thus the characteristic evaluation was impossible. That is, when the porosity of the implant is about 36% or more, it was found that it is impossible to manufacture an implant having a perfect shape. Therefore, it was found that the porous implant having a porosity in the range of 32.4% to 35.6% has the same Young's modulus as the bone.

또한, 인간의 뼈와 동등한 영률을 지닌 다공질 임플란트를 선택하여 굴곡강도 시험을 수행하였다. 각각, 평균입도 189㎛ 분말은 1100℃, 65㎛ 분말은 900℃에서 무가압 소결하여 제조한 다공질 임플란트를 사용하였으며, 도 4에 그 결과를 도시하였다.In addition, a flexural strength test was performed by selecting a porous implant having a Young's modulus equivalent to that of human bone. Respectively, the average particle size of the 189 μm powder was 1100 ° C., and the 65 μm powder was a porous implant prepared by pressureless sintering at 900 ° C., and the results are shown in FIG. 4.

도 4의 하중-변위곡선은 피크(Peak) 응력까지 소성항복(plastic yielding)과 변형경화(Strain hardening)를 수반한 직선의 탄성변형(linear deformation)을 나타내었다. 비록 응력강하가 피크응력을 나타낸 후 강하하였지만 뼈에서 나타나는 급격한 응력강하를 나타내지 않는 장점을 지니고 있음을 알 수 있다.The load-displacement curve of FIG. 4 shows the linear deformation of the straight line with plastic yielding and strain hardening up to peak stress. Although the stress drop decreased after showing the peak stress, it can be seen that it has the advantage of not showing the sudden stress drop that appears in the bone.

실시예 3: 세포배양 실험Example 3: Cell Culture Experiment

뼈와 동등한 영률을 지닌 374㎛ 분말과 189㎛ 분말을 1300℃에서 소결하여 제조한 다공질 임플란트를 이용하여 세포배양실험을 실시하였다. 374㎛ 분말과 189㎛ 분말로 1300℃에서 제조한 다공질 임플란트를 10%의 우태혈청(fetal bovine serum, FBS)을 첨가한 α-MEM 배양액 중에 담근 후 어금니에서 채취한 치근막 유래세포를 3.0 x 105cell/ml로 다공질 임플란트 표면에 심었다.Cell culture experiments were carried out using a porous implant prepared by sintering 374 μm powder and 189 μm powder having the same Young's modulus as bone at 1300 ° C. A porous implant prepared at 1300 ° C. with 374 μm powder and 189 μm powder was immersed in α-MEM medium containing 10% fetal bovine serum (FBS), and the root cell membrane-derived cells obtained from the molar teeth were 3.0 x 10 5. Cells / ml were planted on the porous implant surface.

189㎛의 분말을 1300℃에서 제조한 다공질 임플란트의 내부까지 세포가 증식하는 것을 확인할 수 있어(도 5), 다공질 임플란트의 표면뿐만 아니라 내부까지 세포가 죽지 않고 잘 증식한다는 것을 확인하였다.It was confirmed that the cells proliferated to the interior of the porous implant prepared at 1300 ℃ 189㎛ powder (Fig. 5), it was confirmed that the cells proliferate well not only to the surface of the porous implant but also inside.

따라서, 본 실시예의 결과로부터 티타늄의 우수한 생체 적합성이 입증되었으며 시술시 의료용 시멘트를 사용하지 않고도 다공질 임플란트와 골세포간의 고정강도를 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.Therefore, excellent biocompatibility of titanium has been proved from the results of this embodiment, and the effect of improving the fixation strength between the porous implant and the bone cells can be expected without the use of medical cement during the procedure.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 분말 입도와 소결조건을 변화시킴에 따라 3차원의 서로 연결된 기공을 가진 다공질 임플란트를 제공할 수 있다.As described above, the present invention can provide a porous implant having three-dimensional interconnected pores as the powder particle size and sintering conditions are changed.

또한, 본 발명은 인간의 뼈와 동등한 영률을 지니며 응력 인가시 연신(elongation) 능력이 우수하여 뼈에서 나타나는 취성변형(brittle fracture)거동의 단점을 보완할 수 있는 장점을 지님과 동시에 우수한 세포배양 능력을 지닐 수 있는 다공성 임플란트를 제공할 수 있다.In addition, the present invention has the same Young's modulus as human bone and has the advantage of compensating for the shortcomings of brittle fracture behavior in bone due to excellent elongation ability when stress is applied, and at the same time excellent cell culture It is possible to provide a porous implant that can have the ability.

Claims (5)

150~250㎛의 구형 티타늄 분말을 몰드에 장입하고 60~80MPa의 압력으로 예비소결한 후 핫 프레스(Hot press) 장치를 이용하여 1100~1300℃에서 소성하고 냉각하는 소결단계로 제조되며, 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트.Spherical titanium powder of 150 ~ 250㎛ is charged into a mold and pre-sintered at a pressure of 60 ~ 80MPa, and then it is manufactured by the sintering step of firing and cooling at 1100 ~ 1300 ℃ using a hot press device. Porous titanium implant, 10-30 GPa, equivalent to human bone. 40~150㎛의 구형 티타늄 분말을 몰드에 장입하고 60~80MPa의 압력으로 예비소결한 후 핫 프레스(Hot press) 장치를 이용하여 900~1100℃에서 소성하고 냉각하는 소결단계로 제조되며, 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트.Spherical titanium powder of 40-150㎛ is charged into a mold and pre-sintered at a pressure of 60-80 MPa, and is then manufactured by a sintering step of firing and cooling at 900-1100 ° C. using a hot press device. Porous titanium implant, 10-30 GPa, equivalent to human bone. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 티타늄 분말은 플라즈마 회전전극법(plasma rotating electrode process) 또는 가스분무법(gas atomization)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다공질 티타늄 임플란트.The porous titanium implant of claim 1 or 2, wherein the titanium powder is produced by a plasma rotating electrode process or a gas atomization method. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 임플란트의 기공율은 32~36%인 것을 특징으로 하는 다공질 티타늄 임플란트.The porous titanium implant according to claim 1 or 2, wherein the implant has a porosity of 32 to 36%. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공질 티타늄 임플란트는 임플란트의 표면기공 및 내부기공에서 세포증식이 가능한 것을 특징으로 하는 다공질 티타늄 임플란트.The porous titanium implant of claim 1 or 2, wherein the porous titanium implant is capable of cell proliferation in surface pores and internal pores of the implant.
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