KR20050021528A

KR20050021528A - 임플란트 및 임플란트 표면을 처리하는 방법

Info

Publication number: KR20050021528A
Application number: KR10-2005-7001039A
Authority: KR
Inventors: 페테르슨인겔라; 주네모-보스트롬크리스티나; 요한슨-루덴구닐라; 앤더슨프레드릭; 한슨스티그
Original assignee: 아스트라 테크 에이비
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2005-03-07
Also published as: JP4464818B2; JP2005533552A; DE60332841D1; EP1534168A1; WO2004008984A1; RU2314772C2; US20050234558A1; EP1534168B1; SE0202271D0; SE523236C2; RU2005104560A; KR100987745B1; CN100396256C; AU2003230519A1; ES2346423T3; CA2491428C; CN1668256A; BR0312676A; SE0202271L; BR0312676B1

Abstract

본 발명은 뼈 조직 속으로 이식될 임플란트 표면을 처리하기 위한 방법에 있어서, ≤1μm의 세경 직경, ≤500nm의 세공 깊이 및 상기 세공 깊이의 절반에서 세공 직경의 15 내지 150%의 피크 폭을 갖는 세공과 피크를 구비하는 마이크로거칠기를 제공하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전술한 특징을 갖는 표면을 포함하는 임플란트에 관한 것이다.

Description

임플란트 및 임플란트 표면을 처리하는 방법{AN IMPLANT AND A METHOD FOR TREATING AN IMPLANT SURFACE}

본 발명은 뼈 조직 속으로 이식되는 임플란트와, 이 임플란트 표면을 포함한 임플란트의 생체 조직과의 생체적합성(biocompatibility)을 향상시키기 위해 뼈 조직 속으로 이식될 임플란트 표면을 처리하는 방법에 관한 것이다.

오늘날 대부분의 경우 정형외과 혹은 치과용 임플란트, 대개 금속 임플란트를 뼈 조직에 이식하기 위해 일회법(one-stage procedure)을 사용하고 있다.

상기 일회법에 있어서, 치과 고정구(dental fixture) 등의 제1 임플란트 부분을 뼈 조직 속에 외과적으로 배치하고, 그 다음 지대치(abutment) 등의 힐링 캡(healing cap) 혹은 제2 임플란트 부분을 외과 수술 직후에 제1 임플란트 부분에 고정한다. 그 후, 힐링 캡 혹은 제2 임플란트 부분 둘레에서 연질의 조직이 아물도록 한다. 힐링 캡을 사용할 때, 몇 주 혹은 몇 개월 후에 어떠한 수술 처리 없이 이 갭은 제거되며, 지대치와 임시 크라운 등의 제2 임플란트 부분은 제1 임플란트 부분에 고정된다. 상기 일회법은 예컨대, 엘 쿠퍼(L cooper) 등의 저서 [제목: "일회 수술 후 3주만에 복원되는 단일의 치과 임플란트의 멀티센터 12개월 평가"]의 인터내셔널 저널 오랄 앤드 맥실로페이셜 임플란트(Oral & Maxillofacial Implants) 제16권 제2호(2001년 판)에 개시되어 있다.

몇몇 치과용으로 여전히 사용되고 있는 필수적인 이회법(two-stage procedure)은 치과 고정구 등의 제1 임플란트 부분을 뼈 조직 속으로 외과적으로 배치하는 단계로, 여기서 제1 임플란트 부분은 그 다음 뼈 조직이 임플란트 표면 위로 성장하여 임플란트가 뼈 조직에 잘 부착되도록 3개월 혹은 그 이상의 아물기 기간 동안 하중이 가해지지 않고 움직일 수 없게 자리하도록 만들고, 임플란트 부위를 덮고 있는 연질의 조직이 임플란트 위로 아물게 하는 제1 단계와, 그리고 연질의 조직을 개봉하여 치과 지대치 및/또는 복원치(restoration tooth) 등의 제2 임플란트 부분을 고정구 등의 제1 임플란트 부분에 고정시켜 최종 임플란트 구조체를 형성하는 제2 단계를 포함한다. 이러한 이회법은 예컨대, 브라네마크(Branemark) 등의 저서, 제목 "이가 없는 턱의 수술에서 10년 기간 동안의 골유착성 임플란트의 고찰"의 스웨덴, 스톡홀름, 알암퀴스트 앤드 윅셀(Almquist & Wiksel) 인터내셔널에 개시되어 있다.

그러나, 임플란트는 아물기 기간 중에 하중이 가해져서는 안 된다는 사실은 제2 임플란트 부분이 제1 임플란트 부분에 고정되지 않을 수 있다는 것 및/또는 3개월 혹은 그 이상의 아물기 기간 동안 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 이와 관련한 불편함을 고려하면, 전술한 제1 단계에 필요한 시간 주기를 최소화시키거나 또는 심지어 전체의 이식 수술을 일회에 행하는 것, 즉 일회법을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

몇몇 환자에 대해서는, 일회법과 이회법 모두에 있어서 기능적으로 임플란트에 하중을 가하기 전에 적어도 3개월을 기다리는 것이 더 낳을 수 있다. 그러나, 일회법을 대안으로 사용하는 방법은 이식 직후(즉시 로딩) 혹은 이식 후 몇 주(초기 로딩) 후에 임플란트의 기능을 발휘하도록 하는 것이다. 이러한 방법들은 예컨대, 디 엠 에스포시토(D M Esposito)의 저서, 스프링커버라그(Springer-Verlag)(2001년 판), 의약품, 재료과학, 표면 과학, 엔지니어링, 바이로지컬 리스판스 앤드 메디컬 어플리케이션(Biological Responses and Medical Application)에서 제836-837면의 티타늄에 기재되어 있다.

상기 임플란트는 충분한 안정성을 얻고, 전술한 임플란트의 즉시 로딩 혹은 초기 로딩이 가능하도록 임플란트와 뼈 조직 사이에서 접합을 달성하는 것이 필수적이다.

또한, 임플란트의 즉시 로딩 혹은 초기 로딩이 뼈 형성에 유리할 수 있다는 것에 또한 주목해야 한다.

뼈 임플란트에 사용되는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 탄탈, 니오븀 혹은 이것의 합금 등의 금속 혹은 합금의 몇몇은 뼈 조직과 상대적으로 강한 접합, 뼈 조직 자체만큼 강하거나 그 보다 더 강할 수 있는 접합을 형성할 수 있다. 이러한 종류의 금속 임플란트 재료의 가장 주목할 만한 예로는 티타늄과 티타늄의 합금을 들 수 있으며, 이러한 관점에 따른 티타늄의 특성은 약 1950년부터 알려져 왔다. 금속과 뼈 조직 사이의 전술한 접합은 브라네마크(Branemark) 등에 의해 "골유착 결합(osseointegration)"으로 명명되어 왔다.

금속 즉, 티타늄과 뼈 조직 사이의 접합이 비교적 강할 수 있지만, 이러한 접합을 향상시키는 것이 더욱 바람직하다.

현재까지 임플란트의 고착을 더 향상시키기 위해, 나아가 골유착 결합을 향상시키기 위해 금속 임플란트를 처리하기 위한 여러 가지의 방법들이 공지되어 있다. 이들 방법들 중 몇몇은 예컨대, 임플란트 표면 상에 상대적으로 큰 불규칙한 부분을 생성하여 처리되지 않은 표면과 비교해 볼 때 표면 거칠기를 증가시킴으로써 임플란트의 조직 형태를 변경시키는 방법을 포함한다. 증가된 표면 거칠기는 임플란트와 뼈 조직 사이에 더 큰 접촉 및 고착 영역을 부여함으로써 더 양호한 기계적 구속력과 강도를 얻을 수 있다. 표면 거칠기는 예컨대, 플라즈마 분무(plasma spraying), 블라스팅(blasting) 혹은 에칭(etching)에 의해 제공될 수 있다.

임플란트 표면의 거친 에칭은 불화수소산(HF), 또는 염산(HCL)과 황산(H₂SO₄)의 혼합물 등과 같은 산을 환원시킴으로써 실행될 수 있다. 이러한 거친 에칭 프로세스 등의 목표는 2-10㎛ 범위에 속하는 세공의 직경과 1-5㎛ 범위에 속하는 세공 깊이와 같은 비교적 큰 불규칙성을 갖는 임플란트 표면을 얻는데 있다.

뼈 조직에 대한 임플란트의 더 양호한 고착을 얻기 위한 다른 방법은 임플란트 표면의 화학적 특성을 변경하는 것을 포함한다. 예컨대, 이러한 방법 중 하나는 특히, 뼈 조직의 재생을 자극하기 위해 임플란트 표면에 수산화인회석 등의 세라믹 물질의 층을 도포하는 단계를 포함한다. 그러나, 세라믹 코팅은 깨지기 쉽고 임플란트 표면으로부터 엷은 조각으로 벗겨지거나 쪼개질 수 있으며, 이는 임플란트의 치명적인 파손을 초래할 수 있다.

임플란트 표면 변형을 위한 전술한 방법 이외에, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 탄탈, 니오븀 및 이것의 합금은 산소와 접촉하는 즉시 산화층으로 피복된다는 것에 주목해야 할 것이다. 티타늄 임플란트의 산화층은 주로 미량의 Ti₂O₃와 TiO를 갖는 이산화티타늄(Ⅳ)(TiO₂)으로 구성된다. 티타늄 산화물은 대개 약 4-8nm의 두께를 갖는다. 그러나, 약 20㎛ 이내의 산화층 두께를 지닌 티타늄 임플란트는 산화피막 처리(anodisation; 양극 산화)를 이용하여 생성될 수 있다. 티타늄 산화층 두께가 증가함에 따라, 산화층의 다공성과 표면 거칠기는 증가한다. 더욱이, 티타늄 산화물의 결정도는 산화층 두께가 증가함에 따라 증가하게 된다. 따라서, 임플란트 표면 거칠기는 또한 더 두꺼운 산화층의 제공함으로써 얻을 수 있다.

본 출원인 명의의 WO 95/17217에는 실온에서 양호하게는 30초의 처리 기간 동안 0.2% 용액의 불화수소산으로 금속 임플란트(블라스트 처리된 혹은 블라스트 처리되지 않은)를 처리하는 프로세스에 대해 개시되어 있다. WO 95/17217에 따르면, 임플란트 표면의 조직 형태는 이러한 처리에 의해 영향을 받지 않으며, 다시 말해서 표면의 현저한 에칭이 발생하지 않는다. 임플란트는 임플란트 표면 상에 불소 및/또는 불화물을 가지고 있는 것에 기인하여 생체적합성이 개선되었다 한다.

도 1은 용어 "세공 직경(D)", "세공 깊이(h)" 및 "세공 깊이 절반에서의 피크 폭(x)"을 정의하는 도면이다.

도 2는 거친 블라스트 처리된 참조용 임플란트 표면의 SEM 사진이다.

도 3은 본 명세서에 설명 및 분석한 WO 95/17217에 따른 종래 기술의 임플란트 표면의 SEM 사진으로, 임플란트 표면은 블라스트 처리되지 않은 사진이다.

도 4는 본 발명에 따른 임플란트 표면의 실시예의 SEM 사진으로, 임플란트 표면은 블라스트 처리되지 않고 방법 Ⅰ(예 1, 블라스트 처리 안 됨)에 따라 처리되어 있는 사진이다.

도 5는 본 발명에 따른 임플란트 표면의 실시예의 SEM 사진으로, 임플란트 표면은 거친 블라스트 처리되고 방법 Ⅰ(예 1, 거친 블라스트)에 따라 처리되어 있는 사진이다.

도 6은 본 발명에 따른 임플란트 표면의 실시예의 SEM 사진으로, 임플란트 표면은 블라스트 처리되지 않고 방법 Ⅱ(예 2, 블라스트 처리 안 됨)에 따라 처리되어 있는 사진이다.

도 7은 본 발명에 따른 임플란트 표면의 실시예의 SEM 사진으로, 임플란트 표면은 거친 블라스트 처리되고 방법 Ⅱ(예 2, 거친 블라스트 처리)에 따라 처리되어 있는 사진이다.

도 8은 도 3에 도시된 표면의 AFM 프로파일(종래의 임플란트)을 도시한 도면이다.

도 9는 도 4에 도시된 표면의 AFM 프로파일(예 1, 블라스트 처리 안 됨)을 도시한 도면이다.

도 10은 도 6에 도시된 표면의 AFM 프로파일(예 2, 블라스트 처리 안 됨)을 도시한 도면이다.

본 발명의 목적은 전술한(일회법 혹은 이회법 중 하나를 사용) 수술 후, 아물기 기간이 줄어들고 및/또는 임플란트의 즉각적이거나 혹은 초기의 로딩이 가능하도록 임플란트와 뼈 조직 사이의 부착 속도를 향상시킨 뼈 조직 속으로 이식되는 임플란트를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 뼈 조직과 기계적으로 더 강한 접합을 형성하는 임플란트를 제공하는 데 있다. 따라서, 향상된 생체 조직과의 생체적합성을 갖는 뼈 조직 속으로 이식되는 임플란트가 제공된다.

본 발명의 또 다른 목적은 정형외과 혹은 치과용 임플란트 표면 등과 같이 뼈 조직 속으로 이식될 임플란트 표면을 처리하기 위한 방법을 제공하여 본 발명에 따른 임플란트를 얻는데 있다.

본 발명의 제1 구체예에 따르면, 전술한 목적 및 다른 목적들은 뼈 조직 속으로 이식될 임플란트 표면을 처리하기 위한 방법에 있어서, ≤1μm의 세경 직경, ≤500nm의 세공 깊이 및 상기 세공 깊이의 절반에서 세공 직경의 15 내지 150%의 피크 폭을 갖는 세공과 피크를 구비하는 마이크로거칠기를 제공하는 단계를 포함하는 것인 방법에 의하여 달성된다.

본 발명에 따른 방법의 실시예는 양호하게는 0.5M 미만, 더욱 양호하게는 0.1M 미만의 농도를 지진 불화수소산 수용액으로 금속 임플란트 표면을 처리하여 실온(24 ±1℃)에서 양호하게는 180초, 더욱 양호하게는 60초 이내의 에칭 기간 동안 에칭을 행하는 단계를 포함한다. 따라서, 전술한 바와 같은 마이크로거칠기가 제공된다.

전술한 바와 같은 미세한 마이크로거칠기를 포함하는 임플란트 표면을 구비하는 뼈 조직 속으로 이식된 임플란트는 놀라울 정도의 양호한 생체 조직과의 생체적합성 결과를 얻는 것으로 밝혀졌다. 향상된 부착 속도, 그리고 임플란트 표면과 뼈 조직 사이의 강한 접합 모두가 달성된다. 따라서, 미세한 마이크로거칠기는 골유착 결합 프로세스를 향상시킨다.

본 발명의 제2 구체예에 따르면, 상기 목적 및 다른 목적들은 임플란트 표면의 적어도 일부, 예컨대 0.1-99.9 면적%가 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 방법으로 처리된 임플란트 표면을 구비하는, 뼈 조직 속으로 이식되는 임플란트에 의해 달성된다.

본 발명의 제3 구체예에 따르면, 상기 목적 및 다른 목적들은 임플란트 표면의 적어도 일부, 예컨대 0.1-99.9 면적%가 1nm 내지 1㎛, 양호하게는 50nm 내지 1㎛ 범위에 속하는 것과 같은 ≤1μm의 세경 직경, 1nm 내지 500nm와 같은 ≤500nm의 세공 깊이 및 상기 세공 깊이의 절반에서 세공 직경의 15 내지 150%의 피크 폭을 갖는 세공과 피크를 구비하는 마이크로거칠기를 포함하는 임플란트 표면을 구비하는, 뼈 조직 속으로 이식되는 임플란트에 의해 달성된다.

본 발명의 다른 특징 및 장점들은 이하에 설명된 실시예와 첨부된 청구의 범위로부터 명확해질 것이다.

본 발명과 관련하여 본 명세서에서 사용한 "에칭(etching)"이라는 용어는 처리 기간 동안 H₂(g)가 임플란트 표면에 발생하게 되는 프로세스를 일컫는다. 에칭 기간은 임플란트 표면에서 H₂(g)의 제1 기포의 형성으로부터 측정된다. 본 발명의 문맥 전후에 사용되는 에칭은 본 명세서에서 설명한 바람직한 마이크로거칠기를 제공하는 임플란트의 매우 순한 에칭에 관한 것이다.

본 명세서에서 사용한 "마이크로거칠기(microroughness)"라는 용어는 1㎛ 이하의 세공 직경과 1㎛ 이하의 세공 깊이를 지닌 세공을 포함하는 표면 거칠기를 일컫는다.

본 명세서에서 사용한 "매크로거칠기(macroroughness)"라는 용어는 1㎛ 초과의 치수를 갖는 표면 불규칙성을 포함하는 표면 거칠기를 일컫는다.

본 명세서에서 사용한 "임플란트(implant)"라는 용어는 척추 동물 특히, 인간 등의 포유류의 신체로 이식될 임의의 장치를 그 범주 내에 포함한다. 임플란트는 해부학적 조직을 대체하거나 및/또는 신체의 어떤 기능을 복원하기 위해 사용할 수 있다.

일반적으로, 임플란트는 하나 또는 복수 개의 임플란트 부분들로 구성되어 있다. 예컨대, 치과 임플란트는 지대치 및/또는 복원치 등의 제2 임플란트 부분에 결합된 치과 고정구를 포함한다. 그러나, 이식을 위해 의도된 치과 고정구 등의 임의의 장치는 다른 부품들이 그것에 연결되어 있더라도 하나의 임플란트라고 단독으로 일컫을 수 있다.

본 명세서에서 사용한 "뼈 조직 속으로 이식하기 위한(이식을 의도하는) 임플란트"라는 용어는 치과 임플란트, 정형외과 임플란트 등과 같이 뼈 조직 속으로 적어도 부분적으로 이식하도록 의도된 임플란트를 일컫는다. 뼈 조직 속으로 이식하기 위한 임플란트는 또한 뼈 조직 임플란트로 칭해질 수 있다.

본 명세서에서 사용한 "임플란트 표면"이라는 용어는 임플란트의 적어도 하나의 정의된 표면 영역을 일컫는다. 따라서, 정의된 표면 영역은 임플란트의 전체 표면적 혹은 이것의 일부를 포함할 수 있다.

뼈 조직 속으로 이식하도록 의도된 임플란트 표면의 예로는 환자의 턱뼈 속으로 이식하기로 의도되어 뼈 조직과 접촉 상태로 있게 될 치과 고정구의 표면을 들 수 있다.

뼈 조직 속으로 이식하도록 의도된 임플란트 표면의 또 다른 예로는 환자의 대퇴골의 목 부분으로 이식하기로 의도되어 있는 히프 조인트(hip joint) 임플란트의 표면을 들 수 있다.

"세공 직경(D)", "세공 깊이(h)" 및 "세공 깊이의 절반에서의 피크 폭(x)"이라는 용어는 도 1에 정의되어 있다. 이들 용어들은 마이크로거칠기의 전후 관계로 사용된다. 도 1에서, 마이크로거칠기는 매크로거칠기 위에 도시되어 있다. 그러나, 상기 매크로거칠기가 결여된 표면 상에 제공된 마이크로거칠기를 위해 동일한 용어가 사용된다.

세공 직경(D)은 도 1에 정의된 바와 같이 2개의 인접한 피크의 최고점 사이의 거리이다. 동일한 레벨에서 최고로서 언급될 수 있는 지점들이 여러 개가 있을 경우, 세공에서 가장 가까운 지점을 선택해야 한다. "피크"의 폭이 매우 넓을 경우(즉, 표면에 잘 정의된 피크가 부족한 것으로 보일 경우), 상기 표면은 이 표면 위로 펼쳐져 있는 세공(마이크로거칠기를 형성하는 세공)들 중간에 있는 실질적으로 평평한 표면 프로파일을 가지는 것으로 설명될 것이다. 이 경우, 세공 직경은 표면 프로파일이 실질적으로 평평한 표면 프로파일로부터 이탈하기 시작하여 상기 세공을 형성하게 되는 여러 지점들 사이의 거리가 된다. 이는 도 1에 도시된 상기 정의와 일치한다.

세공 깊이(h)는 2개의 인접한 피크의 최고의 지점들과 세공의 바닥(세공의 최저점) 사이에서 그은 가상선 사이의 거리로서 정의된다(도 1 참조). 이 거리는 세공의 상기 최저점의 접선에 수직한 방향으로 측정된다. 최저 레벨에서 여러 점들이 존재할 경우, 이들 지점들로부터 가상선까지의 거리의 평균값은 세공 깊이로서 계산된다. 잘 정의된 피크가 존재하지 않을 경우, 가상선은 표면 프로파일이 실질적으로 평평한 평면 프로파일로부터 벗어나 상기 세공을 형성하게 되는 전술한 점들 사이에 그려진다.

세공 깊이(h)의 절반에서의 피크 폭(x)이 도 1에 정의되어 있다.

본 발명은 뼈 조직 속으로 이식될 임플란트 표면을 처리하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은 ≤1μm의 세경 직경, ≤500nm의 세공 깊이 및 상기 세공 깊이의 절반에서 세공 직경의 15 내지 150%의 피크 폭을 갖는 세공과 피크를 포함하는 마이크로거칠기를 제공하는 단계를 포함한다.

따라서, 피크 폭은 7.5nm 내지 1.5㎛ 범위에 속하는 것이 바람직하다. 세공 직경의 30 내지 150%의 세공 깊이 절반에서의 피크 폭을 갖는 피크가 더욱 바람직하다. 또한, 세공 직경의 60 내지 150%의 세공 깊이 절반에서의 피크 폭을 갖는 피크가 가장 바람직하다.

이러한 특정의 표면 조직은 뼈 성장에 있어서 매우 큰 저항력을 부여한다. 이러한 특정의 조직을 이용하여, 임플란트 표면의 표면 불규칙성으로 성장하는 새로 형성된 뼈는 기존의 뼈로부터 쉽게 부러지지 않는다. 추가적으로, 임플란트 표면의 피크는 임플란트로부터 쉽게 부러지지 않는다.

더욱이, 임플란트 표면의 단지 일부 혹은 부분들은 본 명세서에서 한정된 표면 불규칙성을 포함할 수 있다는 것에 주목해야 할 것이며, 이는 세공, 선택적으로 또한 피크가 표면에 걸쳐 여러 영역에서 그룹화될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 세공 및/또는 피크 사이의 거리는 표면에 걸쳐 변할 수 있다. 양호하게는, 임플란트의 ≥10 면적%, 더욱 양호하게는 ≥40 면적%, 가장 양호하게는 ≥70 면적%이 상기 표면 불규칙성을 포함하는 것이 바람직하다. 가장 양호하게는, 임플란트 표면 전체는 표면에 걸쳐 균일하게 분포된 상기 표면 균일성을 포함한다.

표면 거칠기는 종종 원자현미경(AFM)을 이용하여 측정한다. 이러한 측정으로부터 제곱 평균 제곱근 거칠기(R_q 및/또는 S_q)를 얻을 수 있다. 상기 제곱 평균 제곱근 거칠기는 하나의 샘플 길이에 걸쳐 평균 라인에 대한 프로파일의 제곱 평균 제곱근 편차에 대응한다. R_q는 이차원으로 측정된 제곱 평균 제곱근 거칠기이며, S_q는 3차원으로 측정된 제곱 평균 제곱근 거칠기이다.

AFM은 고감도의 표면 특성 방법이다. 그러나, 상기 분석은 마이크로거칠기를 분석하도록 신중하게 이루어져야 하지만, 블라스터 처리 또는 기계 가공된 표면과 같은 하부층 표면 구조에 대해서는 그러하지 않다.

또한, 제곱 평균 제곱근 거칠기는 임플란트 표면의 SEM 사진에 도시된 표면 형태에 기초하여 계산될 수 있거나, 다른 표면 특징 방법에 의하여 획득된 결과로 평가될 수 있다.

따라서, ≤1㎛의 세공 직경과 500nm의 세공 깊이를 이용한 계산은 당업자에게 알려진 바와 같이 제곱 평균 제곱근 거칠기(R_q)의 정의에 기초하여 ≤250nm의 제곱 평균 제곱근 거칠기(R_q)를 제공한다.

임플란트 표면은 티타늄 임플란트 표면 등과 같은 금속 임플란트 표면이 바람직하다.

상기 금속 임플란트 표면은 금속 임플란트의 일부이거나 또는 세라믹, 플라스틱 혹은 복합체 물질 등의 비금속 임플란트에 피복된 금속 표면층일 수 있다. 더욱이, 금속 임플란트 표면은 또한 부분적인 금속 임플란트의 일부일 수도 있고, 부분적으로 금속 임플란트 표면이 제공된다.

순한 에칭, 마이크로 제작, 산화피막 처리, 화염 분사, 전기화학적 처리, 레이저, 스파크 부식 혹은 다른 적절한 임의의 표면 변경 방법을 이용하여 본 발명에 따라 규정된 바와 같은 마이크로거칠기를 제공할 수 있다.

양호하게는, 불소 및/또는 불화물과 마이크로거칠기는 금속 임플란트 표면을 불화수소산(HF)으로 처리하여 에칭 프로세스를 행함으로써 동시에 제공된다.

불화수소산의 농도는 0.5M 미만이 양호하며, 0.1M 이 더욱 양호하다.

금속 임플란트 표면은 실온(24 ±1℃)에서 180초, 양호하게는 60초 이내의 에칭 기간 동안 처리하는 것이 바람직하다. 에칭이 시작하기 전에, 가공하지 않은 산화층은 산으로 제공되고, 산이 임플란트 표면과 접촉상태로 될 때, 에칭 프로세스가 시작하며, 전술한 마이크로거칠기는 임플란트 표면의 에칭 프로세스에 의해 제공된다.

불화수소산(aq)을 이용한 처리는 실온, 즉 약 20 내지 30℃(통상의 공기압), 양호하게는 24 ±1℃에서 실행되는 것이 바람직하다. 24 ±1℃ 보다 더 높은 온도를 사용할 경우, 에칭 프로세스는 해당 분야의 종사자들에게 알려진 바와 같이 더욱 초기에 개시되고 에칭 프로세스가 더 신속해질 것이며, 다시 말해서 24 ±1℃에서 에칭을 위해 주어진 기간보다 더 짧은 에칭 기간이 바람직한 결과를 얻기 위해 요구된다. 따라서, 24 ±1℃ 이하의 온도가 사용될 경우, 24 ±1℃에서 에칭을 위해 주어진 기간보다 더 긴 에칭 기간이 바람직한 결과를 얻기 위해 요구된다.

에칭 기간, 불화수소산(aq)의 온도 및 농도가 에칭 처리된 영역, 즉 마이크로거칠기를 지닌 영역과 에칭 처리되지 않은 영역 사이의 비율을 결정한다.

양호하게는, 상기 방법은 불소 및/또는 불화물을 제공하기 이전과 마이크로거칠기를 제공하기 이전에 임플란트 표면 상에 매크로거칠기를 제공하는 단계를 더 포함한다. 상기 매크로거칠기는 블라스트 처리에 의해 제공되는 것이 바람직하며, 티타늄 산화물 입자로 티타늄 임플란트 표면을 블라스트 처리함으로서 제공되는 것이 더욱 바람직하다.

매크로거칠기는 또한 에칭, 마이크로 제작, 산화피막 처리, 화염 분사, 임의의 전기화학적 처리, 레이저, 스파크 부식, 기계 가공, 널링(knurling) 혹은 다른 적절한 임의의 표면 변경 방법 등과 같은 다른 임의의 적절한 기법에 의해 제공될 수 있다.

더욱이, 매크로거칠기를 구비하거나 구비하지 않는 임플란트 표면은 나선 가공되거나 그렇지 않을 수 있다는 것에 주목해야 할 것이다.

상기 금속 임플란트 표면은 상업용 순수 티타늄 혹은 티타늄 합금으로 이루어지는 것이 바람직하지만, 또한 예컨대 지르코늄 혹은 이것을 합금, 하프늄 혹은 이것의 합금, 탄탈 혹은 이것의 합금, 크롬-바나듐 합금, 혹은 이들 물질의 임의의 조합 등의 임의의 다른 생체 조직과의 교합 가능한 금속 물질로 구성되어도 좋다.

본 발명에 따라 뼈 조직 속으로 이식하기 위한 임플란트는 양호하게는 치과 임플란트 혹은 정형외과 임플란트이다.

본 발명은 또한 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 방법으로 임플란트 표면의 적어도 일부가 처리된 임플란트 표면을 구비하는, 뼈 조직 속으로 이식을 위한 임플란트에 관한 것이다.

따라서, 전술한 특징을 갖는 임플란트 표면을 구비하는, 뼈 조직 속으로 이식을 위한 임플란트도 또한 본 발명의 일부에 속한다.

본 발명은 이제 아래의 비제한적인 예들에 의해 예시될 것이다.

예

샘플 준비

상업용 순수 티타늄(commercially pure；cp)의 수술용 임플란트를 사용하였다.

각각의 임플란트를 Ecosolv^TM(70-100% 에틸-2-히드록시프로피오네이트)에서 5분 동안, 그 후 에탄올(70%)에서 5분 동안 초음파를 사용하여 탈지시켰다.

그 다음, 몇몇 임플란트를 이산화티타늄 입자로 블라스트 처리하였다. 2개의 상이한 입자 크기, 즉 6.8-90㎛ (F, 미세 입자 크기) 106-180㎛ (C, 거친 입자 크기) 범위의 이산화티타늄을 사용하였다. 그러나, 180-300㎛ 등의 거친 입자 크기를 또한 사용할 수 있다.

그 다음, 블라스트 처리된 임플란트를 2 ×5분 동안 탈이온수에서 그리고 2 ×5분 동안 에탄올에서 초음파를 이용하여 헹궈 임의의 잔류 블라스트 입자를 제거하였다.

그 다음, 임플란트를 아래의 방법에 따라 처리하였다.

a) 참조용 임플란트

전술한 바와 같이 세정한, 블라스트 처리 및 블라스트 처리(F 및 C)되지 않은 임플란트를 후술하는 바와 같은 분석을 위해 참고용으로서 준비하였다.

b) 종래의 방법(WO 95/17217에 따른 방법)

전술한 바와 같이 세정한, 블라스트 처리 및 블라스트 처리(F 및 C)되지 않은 임플란트를 실온(약 24 ±1℃)에서 90초 동안 0.1M의 HF(aq)에 침지시켰다. 이러한 처리 동안 H₂(g)가 형성되지 않았기 때문에 에칭이 발생하지 않았다.

그 후, 임플란트를 탈이온수에서 20초 동안 침지시킨 다음 건조시켰다.

c) 방법Ⅰ

전술한 바와 같이 세정한, 블라스트 처리 및 블라스트 처리(F 및 C)되지 않은 임플란트를 2초 동안 에탄올(99.5%)에 그리고 5초 동안 탈이온수에 침지시켰다.

그 후 임플란트를 본 발명에 따라 실온(약 24 ±1℃)에서 40 ±5초 동안 0.1M의 HF(aq)의 교반된 용액에 침지시켰다. 표면의 약 80-90 면적%를 그 다음 에칭 처리하였고, 이에 따라 마이크로거칠기를 제공하였다. 그러나, 에칭 처리는 블라스트 처리되지 않은 임플란트에 대해서는 더 느린 것으로 나타났기 때문에, 전술한 임플란트는 유사한 정도의 에칭을 얻기 위해 블라스트 처리된 임플란트보다 60 ±5초와 같이 긴 시간 주기동안 에칭 처리하는 것이 바람직하다. 상기 에칭 기간은 임플란트 표면에서 맨 처음의 H₂(g)의 기포 형성을 이용하여 측정하였다. 임플란트 표면의 에칭은 산이 순수 티타늄과 직접 접촉할 때, 다시 말해서 티타늄 표면을 덮고 있는 티타늄 산화물이 제거될 때 시작한다.

그 후, 임플란트를 20초 동안 교반된 탈이온수에 침지시켰다.

상기 임플란트를 3분 동안 에탄올(20%)에서 그리고 4분 동안 탈이온수에서 초음파를 이용하여 헹궜다.

그 다음, 임플란트를 5초 동안 에탄올(99.5%)에서 헹군 다음, 닦고 건조시켰다.

상기 방법에 따라 처리된 임플란트를 예 1로 인용한다.

d) 방법Ⅱ

그 후 임플란트를 본 발명에 따라 실온(약 24 ±1℃)에서 40 ±5초의 에칭 처리 동안 교반하여 0.1M의 HF(aq)에 침지시켰다. 전술한 이유에 따라, 블라스트 처리되지 않은 임플란트의 일부를 60 ±5초 동안 에칭 처리하였다(이들 샘플들을 단지 후술하는 AFM 측정을 위해서 사용함). 에칭 기간은 임플란트 표면에서 맨 처음의 H₂(g)의 기포 형성을 이용하여 측정하였다.

그 다음, 임플란트를 닦고 건조시켰다.

상기 방법에 따라 처리된 임플란트를 예 2로 인용한다.

생체 내에서의 평가

전술한 방법에 따른 처리한 임플란트 표면들을 H J, 로날드(Ronald) 와 J E 엘링센(Ellingsen) 저서의 바이오머티리얼즈 23(2002년 판), 제2201-2209면에 기재된 인장 시험을 이용하여 생체 내에서 평가하였다.

상기 임플란트를 6.25mm의 직경과 1.95mm의 두께를 지닌 코인 형태로 만들었다. 임플란트 코인의 한쪽 면을 상기 방법을 이용하여 처리하였다. 코인의 다른 쪽 면의 중심에, 로드 셀에 부착하기 위한 나사 형성 구멍을 만들었다.

뉴질랜드산 흰토끼를 시험용 동물로 사용하였다. 각각의 토끼의 경골 뼈들 중 하나에 표준이면서 정확한 위치 설정을 확보하기 위해 드릴 가이드와 함께 1.0mm 직경의 트위스트 드릴(독일, Medicon^TM 제품)을 이용하여 2개의 안내 구멍을 뚫었다. 그 다음, 풍부한 생리학적인 식염수를 끌어들이면서 저속 치과 임플란트 드릴에 장착된 7.05mm 직경의 주문형 스테인레스강 절삭기를 이용하여 각 임플란트 코인에 공동을 형성하였다.

표 1에 따라 처리 및 처리되지 않은 임플란트 표면들을 공동 내에 배치하고, 그리고 2개의 1.2 ×3mm²의 티타늄 나사(독일 Medicon^TM CMS 제품)에 의해 피질의 뼈에 유지된, 예비성형된 0.2mm 티타늄 턱과 얼굴 플레이트(독일 Medicon^TM CMS 제품)에 의해 안정화시켰다. 이것은 아물기 기간 동안 임플란트의 안정된 수동적인 고정을 확실하게 해준다. 뼈의 과대 성장뿐만 아니라 임플란트의 수직면을 향한 뼈의 성장을 억제시키기 위해 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 캡을 주입시켰다. 피하의 연질 조직과 외피층들을 위치의 재설정을 행하고 봉합하였다.

처리된 표면을 뼈 조직과 직접 접촉시켰지만, 코인의 수직면과 배면은 뼈 조직에 접촉시키지 않았다.

그 다음, 임플란트 코인을 테스트 1에서는 7주 동안, 테스트 2에서는 8주 동안 방치하였다.

18 마리의 토끼를 테스트 1에서 사용하였고, 20 마리의 토끼를 테스트 2에서 사용하였다.

상기 기간의 말기에서, 토끼를 죽이고 임플란트 고정구와 PTFE 캡을 제거하였다. 그 다음, 경골 뼈를 특수하게 설계한 도구에 고정하여 테스트 공정 동안 상기 뼈를 안정화시켰다. 볼 헤드가 구비되어 있는 나사 형성 핀을 미리 만든 나사 형성 구멍을 사용하여 임플란트 코인에 부착시켰고, 상기 장비를 레벨 튜브를 이용하여 로드 셀에 수직이 되도록 조절하였다. 그 다음, 보정된 100N의 로드 셀이 설치된 로이드스 LRX 머티리얼즈(Lloyds LRX Materials) 테스팅 머신을 이용하여 인장 시험을 수행하였다. 헤드를 가로지르는 속도 범위를 분당 1.0mm로 설정하였다. 임플란트가 뼈에서 분리될 때까지 하중을 가하였고, 가해진 힘을 하중 대 변위 곡선에 기록하였다. 임플란트 코인의 분리는 이 곡선에서 하중이 수직으로 하강하는 잘 정의된 구분점으로 표시되어 있다. 상이하게 처리된 코인을 당기는데 필요한 힘의 평균값이 표 1에 주어져 있다. 상기 기록된 힘은 임플란트 코인과 뼈 사이에서의 연결 강도의 직접적인 평가를 제공한다. 기록된 힘이 높을수록 연결이 더 강해진다.

제1 테스트는 미세한(F) 이산화티타늄 입자로 블라스트 처리된 참조용 코인과, 종래의 방법, 전술한 방법 Ⅰ 및 방법 Ⅱ에 따라 처리된 블라스트 처리된(F) 코인을 포함한다.

제2 테스트는 미세한(F) 이산화티타늄 입자로 블라스트 처리된 참조용 코인과, 거친(C) 이산화티타늄 입자로 블라스트 처리된 참조용 코인과, 전술한 방법 Ⅰ 및 방법 Ⅱ에 따라 처리된 블라스트 처리된(C) 코인을 포함한다.

	참조용임플란트	종래의임플란트	예 1	예 2
블라스트 처리된 입자	F	C	F	-	F	C	F	C
테스트 1:기록된 힘[N]	18.3	-	20.1	-	29.0	-	26.2	-
테스트 1:기록된 힘[N]	17.1	32.2	-	-	-	39.8	-	38.2

표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 방법 Ⅰ 및 방법 Ⅱ에 따라 처리된 임플란트 코인은 참조용 코일과 종래의 방법에 따라 처리된 코인에 비해 향상된 뼈 부착성을 제공하였다.

더욱이, 거친(C) 이산화티타늄 입자로 블라스트 처리된 코인 임플란트는 미세한(F) 이산화티타늄 입자로 블라스트 처리된 코인 임플란트보다 더 양호한 뼈 부착성을 제공한다는 것을 알 수 있다.

표면 특성

전술한 방법에 따라 처리된 임플란트의 표면 특성은 원자 현미경(AFM) 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 평가하였다.

임플란트 표면의 조직 형태를 측정하기 위해 AFM(덴마크, DME AS사의 AFM DualScope)을 사용하였다. 두 가지의 크기, 즉 5 ×5㎛(x 및 y 방향으로 256 포인트 샘플링)와 10 ×10㎛(x 및 y 방향으로 256 포인트 샘플링)의 샘플의 면적을 측정하였다(도 8 내지 도 10 참조). 도 8 내지 도 10에 도시된 3차원 사진(5 ×5㎛)의 z축 비례 축소를 4배로 증가시켰다.

표면의 조직 형태를 시각적으로 연구하기 위해 SEM(네덜란드, 필립스사의 필립스 XL-30)을 사용하였다(도 2 내지 도 7 참조).

전술한 방법에 따라 처리된 임플란트에 대한 표면 특성을 평가하였다. 블라스트 처리되지 않은 임플란트와 거친(C) 이산화티타늄 입자로 블라스트 처리된 임플란트를 연구하였다.

임플란트 표면을 SEM 및 AFM을 이용하여 연구하였다.

거친(C) 블라스트 처리된 참조용 임플란트 표면의 SEM 사진이 도 2(×500 배율, ×10000 배율)에 도시되어 있다.

전술한 종래의 방법에 따라 처리된, 거친(C) 블라스트 처리되지 않은 임플란트 표면의 SEM 사진이 도 3(×2500 배율, ×10000 배율)에 도시되어 있다. 이러한 표면의 AFM 그래프가 도 8에 도시되어 있다.

방법 Ⅰ에 따라 처리된, 거친(C) 블라스트 처리되지 않은 임플란트 표면과 블라스트 처리된 임플란트 표면의 SEM 사진이 도 4(×2500 배율, ×10000 배율)와 도 5(×60000 배율, ×120000 배율)에 각각 도시되어 있다. 도 4에 도시된 블라스트 처리되지 않은 표면의 AFM 그래프가 도 9에 도시되어 있다.

방법 Ⅱ에 따라 처리된, 거친(C) 블라스트 처리되지 않은 임플란트 표면과 블라스트 처리된 임플란트 표면의 SEM 사진이 도 6(×2500 배율, ×10000 배율)과 도 7(×500 배율, ×10000 배율)에 각각 도시되어 있다. 도 6에 도시된 블라스트 처리되지 않은 표면의 AFM 그래프가 도 10에 도시되어 있다.

상기 결과는, 방법 Ⅰ과 방법 Ⅱ에 따라 처리된, 블라스트 처리되지 않은 임플란트와 블라스트 처리된 임플란트 양자가 100-600nm의 세공 직경, 보다 구체적으로 약 250-300nm의 직경과, 50-300nm의 세공 깊이, 보다 구체적으로 약 60-150nm의 깊이와, 그리고 150-670nm의 세공 깊이 절반에서의 피크 폭을 지닌 세공을 구비한다는 것을 보여주었다.

AFM을 사용하여 블라스트 처리되지 않은 표면으로부터 얻은 마이크로거칠기 파라미터들이 표 5에 주어졌다. 임플란트 표면의 2곳의 영역에 대한 파라미터의 값들을 기록하였고, 그 값들이 표 5에 주어졌다.

	참조용 임플란트	종래의 임플란트	예 1	예 2
블라스트 처리된 입자	블라스트 처리 안 됨	블라스트 처리 안 됨	블라스트 처리 안 됨^*	블라스트 처리 안 됨^**
측정된 면적 : 10 x 10 ㎛
S_a[㎛]	0.040.04	0.060.05	0.130.08	0.120.10
S_q[㎛]	0.040.05	0.070.07	0.160.10	0.140.12
S_dr[%]	1.12.0	1.91.8	49.340.3	20.010.7
측정된 면적 : 5 x 5 ㎛
S_a[㎛]	0.030.04	0.020.04	0.100.07	0.090.09
S_q[㎛]	0.030.04	0.030.05	0.120.08	0.110.11
S_dr[%]	1.52.4	1.25.3	46.835.8	19.712.2
* 에칭 기간 : 40 ±5초** 에칭 기간 : 60 ±5초

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, S_a 및 S_q는 본 발명의 실시예들인 예 1과 예 2의 임플란트에 대해 각각 약 0.07-0.13㎛ 와 0.08-0.16㎛ 이었다.

더욱이, 표면 발전 비율(S_dr), 즉 매끄러운 면적에 대한 표면적의 증가율은 참조용 임플란트와 종래의 임플란트에 비해 예 1 및 예 2의 임플란트에 대해 증가하였다.

또한, 표 5를 통해 종래의 방법에 따라 처리된 임플란트 표면의 조직 형태는 참조용 임플란트 표면과 유사하다는 것, 다시 말해서 상기 표면은 SEM 사진(도 3 참조)에 의해 또한 확인된 바와 같이 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다. 얻어진 값(도 5에 기재)들은 머신 기록(machine trace)으로 인해 대개 유사하다.

정확성을 향상시키고 또 블라스트 처리된 표면에 대한 AFM 측정의 높은 해상도를 얻기 위해, AFM 스캐너를 진동 댐핑 샘플 스테이지에 배치하였다. 방법 Ⅰ에 따라 처리된, 블라스트 처리된 (C) 표면을 전술한 개량된 정밀한 도구를 이용하여 분석하였다. 이들 값들이 표 3에 주어졌다.

	예 1
블라스트 처리된 입자	C
측정된 면적 : 5 x 5 ㎛
S_a[㎛]	0.190.11
S_q[㎛]	0.220.13
S_dr[%]	26.8950.89

표 3에서 알 수 있는 바와 같이, Sa 및 Sq는 예 1의 거친 블라스트 처리된 임플란트에 대해 각각 약 0.11-0.19㎛ 과 0.13-0.22㎛ 이다.

SEM 사진(도 4 내지 도 7 참조)과 AFM 결과(도 9 및 도 10 참조)는 본 발명에 따라 처리된, 즉 전술한 예에서 방법 Ⅰ과 방법 Ⅱ에 따라 처리된, 블라스트 처리된 표면과 블라스트 처리되지 않은 표면의 마이크로거치리가 거의 동일하다는 것을 보여주었다. 더욱이, 종래의 방법으로 처리된 임플란트는 영향을 받지 않았다는 것을 알 수 있는데, 다시 말해서 상기 표면이 처리되지 않은 참조용 임플란트와 거의 동일하다는 것을 알 수 있다.

비록 본 발명의 구체적인 실시예들을 참조하여 본 발명이 상세히 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 수정이 가능하다는 것이 당업자들에 명백해질 것이다.

Claims

뼈 조직 속으로 이식될 임플란트 표면을 처리하기 위한 방법에 있어서,

≤1μm의 세경 직경, ≤500nm의 세공 깊이 및 상기 세공 깊이의 절반에서 세공 직경의 15 내지 150%의 피크 폭을 갖는 세공과 피크를 구비하는 마이크로거칠기를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 세공의 직경은 50nm 내지 1㎛ 범위에 속하고, 세공의 깊이는 50 내지 500nm 범위에 속하는 것인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, ≤250nm의 제곱 평균 제곱근 거칠기(R_q 및/또는 S_q)가 제공되는 것인 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임플란트 표면은 금속 임플란트 표면인 것인 방법.
제4항에 있어서, 상기 마이크로거칠기는 불화수소산의 수용액으로 금속 임플란트를 처리함으로써 제공되는 것인 방법.
제5항에 있어서, 상기 불화수소산의 농도는 0.5M 미만인 것인 방법.
제6항에 있어서, 상기 금속 임플란트 표면은 실온에서 180초 이내의 에칭 기간 동안 처리되는 것인 방법.
제7항에 있어서, 상기 불화수소산의 농도는 0.1M 이고, 상기 에칭 기간은 실온에서 60초 이내인 것인 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로거칠기를 제공하기 이전에 임플란트 표면 상에 매크로거칠기를 제공하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
제9항에 있어서, 상기 매크로거칠기는 임플란트 표면을 블라스트 처리함으로써 제공되는 것인 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 임플란트 표면은 상업용 순수 티타늄 혹은 티타늄 합금으로 이루어져 있는 것인 방법.
임플란트 표면의 적어도 일부가 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 처리된 임플란트 표면을 구비하는 것인 뼈 조직 속으로 이식되는 임플란트.
임플란트 표면을 구비하는 뼈 조직 속으로 이식되는 임플란트에 있어서,

상기 임플란트 표면의 적어도 일부는 ≤1μm의 세경 직경, ≤500nm의 세공 깊이 및 상기 세공 깊이의 절반에서 세공 직경의 15 내지 150%의 피크 폭을 갖는 세공과 피크를 구비하는 마이크로거칠기를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트.
제13항에 있어서, 상기 세공의 직경은 50nm 내지 1㎛ 범위에 속하고, 세공의 깊이는 50 내지 500nm 범위에 속하는 것인 임플란트.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 마이크로거칠기는 ≤250nm의 제곱 평균 제곱근 거칠기(R_q 및/또는 S_q)를 갖는 것인 임플란트.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임플란트 표면은 매크로거칠기를 더 포함하는 것인 임플란트.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임플란트는 금속 임플란트인 것인 임플란트.
제17항에 있어서, 상기 금속 임플란트는 상업용 순수 티타늄 혹은 티타늄 합금으로 이루어지는 것인 임플란트.
제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임플란트는 치과용 임플란트인 것인 임플란트.
제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임플란트는 정형외과용 임플란트인 것인 임플란트.