KR20060069451A - Biocompatible porous ti-ni material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 주로 생물 의학 분야에서 살아있는 조직과 경계를 접하는 이식에 사용하기 위한 다공성 티탄 니켈화물(TiNi) 물질에 관한 것이다. 본 발명은 인접한 뼈와 잘 합치하는 형태적 특징 및 역학적 성질을 갖는다.The present invention relates primarily to porous titanium nickel nitride (TiNi) materials for use in implantation bordering living tissue in the biomedical field. The present invention has morphological features and mechanical properties that match well with adjacent bones.
뼈는 인간 근육골격계의 주요 성분이다. 2 가지 주요 유형의 뼈, 즉 잔기둥(trabecular) 뼈와 겉질(cortical) 뼈가 존재한다.Bones are a major component of the human musculoskeletal system. There are two main types of bones: trabecular bones and cortical bones.
잔기둥 뼈 또는 해면 뼈는 잔기둥 뼈들(얇은 버팀목)의 내부 그물이다. 잔기둥 뼈는 1 GPa 정도의 탄성률과 30 내지 90%의 다공도 범위를 갖는다. The scalloped bone or spongy bone is the internal net of scalloped bones (thin crutch). Residual bone has an elastic modulus of about 1 GPa and a porosity range of 30 to 90%.
겉질 뼈는 또한 치밀 뼈라고도 공지된, 뼈의 치밀한 겉 껍질이다. 그의 다공도 범위는 5% 내지 30%인 반면 탄성률은 약 18 Gpa이다.Cortical bone is the dense crust of the bone, also known as dense bone. Its porosity ranges from 5% to 30% while the modulus of elasticity is about 18 Gpa.
뼈에 하중이 가해져 파괴될 때 뼈 골절이 일어난다. 잔기둥 뼈에서는 압박 골절이 가장 흔하다. 굽힘 골절 및 비틀림 골절은 겉질 뼈에서 가장 흔하다. 금속 도는 세라믹 보형물을 골절되거나 병든 영역에 이식하는 것은 상기 뼈에 복합적인 응력 상태를 겪게 한다. 상기 "이식물-뼈" 경계면의 파괴로 인한 흐트러짐과 함몰은 의학적 치료의 성공에 중요한 결정 인자이다. 보형물의 역학적 성질과 뼈의 역학적 성질과의 합치가 그 자체로서 요구된다.Bone fractures occur when a bone is loaded and destroyed. Compression fractures are the most common in proximal bone. Bending fractures and torsional fractures are most common in cortical bones. Implanting metal or ceramic implants into fractured or diseased areas causes complex bone stress conditions. Distractions and depressions due to the destruction of the "plant-bone" interface are important determinants of the success of medical treatment. Congruence between the mechanical properties of the implant and the mechanical properties of the bone is required by itself.
뼈의 내 증식을 통한 이식물의 생물학적 부착을 위한 다공성 표면의 사용은 상기 뼈에 대한 이식 보형물의 고정을 크게 개선시킨다. 그러나, 상기 다공성 TiNi 물질의 상당히 큰 표면적에 의한, 체액과 접촉 시, 존재하는 Ni-풍부 침전물로부터 상기 체액 내로의 니켈 이온의 방출은 주로 니켈 및 니켈 염의 상대적인 독성으로 인해 중요해지고 있다[Assad M., Chernyshov A., et al. J. Biomed+. Mater. V. 64B, 2, 2003, pp. 121-129].The use of a porous surface for the biological attachment of the implant through the internal proliferation of the bone greatly improves the fixation of the implant implant to the bone. However, the release of nickel ions from the Ni-rich precipitates present into the body fluid upon contact with the body fluid, due to the fairly large surface area of the porous TiNi material, has become important mainly due to the relative toxicity of nickel and nickel salts [Assad M. , Chernyshov A., et al. J. Biomed +. Mater. V. 64B, 2, 2003, pp. 121-129].
발명의 요약Summary of the Invention
본 발명의 목적은 필요한 다공도를 유지하고 50 내지 500 ㎛ 범위의 기공 분획을 보다 효율적인 뼈 통합을 허용하기 위해 극대화하면서 뼈와의 개선된 생물역학적 및 생화학적 적합성을 갖는 다공성 TiNi 물질을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide porous TiNi materials with improved biomechanical and biochemical compatibility with bone while maintaining the required porosity and maximizing the pore fraction in the range of 50 to 500 μm to allow for more efficient bone integration.
본 발명의 추가의 목적은 상기 다공성 TiNi 물질로부터 니켈 풍부 제 2 상을 제거하는 것이다.It is a further object of the present invention to remove the nickel rich second phase from the porous TiNi material.
본 발명의 하나의 실시태양에 따라, 상호연결된 버팀목을 포함하는 TiNi 기질(각각의 상기 버팀목은 외면과 내부 영역을 가지며, 상기 기질은 0.96:1 내지 1.13:1로 변화하는 Ni:Ti의 원자 비를 갖고 10 원자%의 최대 산소 농도를 포함하며 나머지는 Ni 및 Ti이고, 이때 상기 Ni 농도는 최대 53 원자%로 제한된다); 상기 기질 내에 산재된 복합 침전물; 및 상기 기질에 의해 한정되는 상호연결된 다수의 기공을 포함하는 생물 역학적으로 및 생화학적으로 적합한 다공성 티탄 니켈화물(TiNi) 물질을 제공하며, 이때 상기 기공은 하기와 같이 주어진 기공 크기 분포를 갖고:According to one embodiment of the present invention, there is provided a TiNi substrate comprising interconnected crutches, each said crutch having an outer surface and an inner region, the substrate having an atomic ratio of Ni: Ti varying from 0.96: 1 to 1.13: 1 Having a maximum oxygen concentration of 10 atomic%, with the remainder being Ni and Ti, wherein the Ni concentration is limited to a maximum of 53 atomic%); Complex precipitates interspersed in the substrate; And a biomechanically and biochemically suitable porous titanium nickel nitride (TiNi) material comprising a plurality of interconnected pores defined by the substrate, wherein the pores have a pore size distribution as given below:
상기 물질은 35 내지 80%로 변화하는 개방 다공도 및 외과적 이식에 적합한 역학적 성질을 갖는 기질을 가지며, 상기 기질에는 Ni-풍부 제 2 상이 없다.The material has a substrate with varying 35-80% open porosity and mechanical properties suitable for surgical implantation, and the substrate lacks a Ni-rich second phase.
도 1은 다공성 TiNi 물질의 횡 방향 거대 구조(샘플 A)를 나타내고;1 shows a transverse macrostructure (sample A) of porous TiNi material;
도 2는 다공성 TiNi 물질의 종 방향 거대 구조(샘플 A)를 나타내고;2 shows a longitudinal macrostructure (sample A) of porous TiNi material;
도 3은 다공성 TiNi 물질의 미세 구조(샘플 A)를 나타내고;3 shows the microstructure of the porous TiNi material (Sample A);
도 4는 압박 시험 조건 하의 전형적인 "응력-변형" 곡선(샘플 A)을 나타내고;4 shows a typical “stress-strain” curve (sample A) under compression test conditions;
도 5는 다공성 TiNi 물질의 미세 구조(샘플 B)를 나타내고;5 shows the microstructure of the porous TiNi material (sample B);
도 6은 다공성 TiNi 물질의 미세 구조(샘플 C)(1500X)를 나타내고;6 shows the microstructure (sample C) 1500X of the porous TiNi material;
도 7은 샘플 A 주변부의 Ni-풍부 제 2 상과 Ti-풍부 제 2 상에 대한 역 산란된 전자 SEM 현미경 사진(500X)을 나타내고;FIG. 7 shows a back scattered electron SEM micrograph 500X for a Ni-rich second phase and a Ti-rich second phase around Sample A;
도 8은 샘플 A 주변부의 Ni-풍부 제 2 상과 Ti-풍부 제 2 상에 대한 역 산란된 전자 SEM 현미경 사진(3000X)을 나타낸다.FIG. 8 shows a back scattered electron SEM micrograph 3000X for the Ni-rich second phase and Ti-rich second phase around Sample A. FIG.
본 발명은 이식 시 인접한 뼈와의 경계면의 생성에 적합한 한정된 생화학적 및 생물 역학적 특성들을 갖는 신규의 생체적합성 다공성 TiNi 물질에 관한 것이다.The present invention relates to novel biocompatible porous TiNi materials having limited biochemical and biomechanical properties suitable for the creation of interfaces with adjacent bones upon implantation.
다양한 물체들이 본 발명에 따라 생성될 수 있다. 한 가지 특히 바람직한 제품 그룹은 의학적 이식에 적합하다. 본 발명의 다공성 TiNi 이식물은 뼈의 성질과 유사한 성질들을 가지며 생물 작용성에 적합한 성질들을 생성시키고 상기 물질을 살아있는 조직과 조화될 수 있게 한다.Various objects can be created in accordance with the present invention. One particularly preferred product group is suitable for medical transplantation. Porous TiNi implants of the present invention have properties similar to those of bone and produce properties suitable for bioactivity and allow the material to be compatible with living tissue.
상기 이식물의 성질은The nature of the implant
-50 내지 500 ㎛ 범위의 기공 퍼센트의 최대화;Maximization of percent pore in the range from -50 to 500 μm;
-주변 뼈의 성질들과 조화를 이루는 다공성;Porosity in harmony with the properties of the surrounding bone;
-인체 중에 존재하는 복합적인 하중 조건을 견딜 수 있는 역학적 성질; 및Mechanical properties capable of withstanding the complex loading conditions present in the human body; And
중요하게는Importantly
-Ni-풍부 제 2 상의 양을 실질적으로 0으로 감소시킴으로써 니켈 이온의 방출을 최소화하는 표면 성질Surface properties that minimize the release of nickel ions by reducing the amount of -Ni-rich second phase to substantially zero
을 포함한다.It includes.
적합한 생물 역학 적합성을 갖는 다공성 TiNi 물질의 디자인을 위한 하기의 지침들을 다양한 생리 조건 하에서 뼈 조직의 역학적 성질들을 분석하여 공식화하였다.The following guidelines for the design of porous TiNi materials with suitable biomechanical compatibility were formulated by analyzing the mechanical properties of bone tissue under various physiological conditions.
보통의 생리 조건(작은 변형) 하에서:Under normal physiological conditions (small deformations):
-이식된 물질은 "이식물-뼈" 경계면에서의 큰 응력 차폐를 방지하기 위해서 뼈의 탄성률과 조화되어야 하고;The transplanted material must match the elastic modulus of the bone to prevent large stress shielding at the "plant-bone" interface;
-긴장 및 압박 하에서 상기 이식된 물질의 실제 항복 변형/응력 값은 잔기둥 뼈가 순환 하중 하에서 필요한 성능으로 고려하는 값보다 더 커야 한다.The actual yield strain / stress value of the implanted material under tension and compression should be greater than the value that the striatum bone considers as the required performance under cyclic loading.
보다 높거나 극단적인 조건(높은 변형) 하에서:Under higher or extreme conditions (high strain):
-이식물의 물질은 주변 뼈보다 더 큰 최종 강도를 가져야 하고;The material of the transplant should have a greater final strength than the surrounding bone;
-상기 물질은 뼈에 의해 흡수되어지는 에너지를 최소화하기 위해서 양호한 점탄성과 충격 완화성을 나타내어야 한다. 이는 상기 이식된 물질에 대한 에너지 흡수 특성의 최대화를 요한다.The material should exhibit good viscoelasticity and impact resilience to minimize the energy absorbed by the bones. This requires the maximization of energy absorption properties for the implanted material.
작은 변형에서의 잔기둥 뼈의 일부 성질들을 표 1에 나타내며, 이때 E는 탄성률이고, σy는 항복 강도이고, εy는 최대 탄성 변형이다.Some properties of the scaffold bone at small strains are shown in Table 1, where E is the modulus of elasticity, σ y is the yield strength, and ε y is the maximum elastic strain.
[표 1에 대한 참고문헌: Morgan E.F., Yeh O.C., et al. 작은 변형에서의 잔기동 뼈의 비 선형 반응. J. Biomech. Eng., V. 123, February 2001, pp. 1-9; 및 Keaveny, T.M., Wachtel, E.F., Ford, C.M., 및 Hayes, W.C., "소 경골 잔기동 뼈의 신장과 압박 강도 간의 차이는 모듈러스에 따라 변한다", J. Biomech., Vol. 27, 1994, pp. 1137-1146].[Reference to Table 1: Morgan E.F., Yeh O.C., et al. Nonlinear Response of Residual Bone Bone at Small Variation. J. Biomech. Eng., V. 123, February 2001, pp. 1-9; And Keaveny, T.M., Wachtel, E.F., Ford, C.M., and Hayes, W.C., "The difference between elongation and compressive strength of bovine tibial sinus bones varies with modulus", J. Biomech., Vol. 27, 1994, pp. 1137-1146].
극단적인 조건 및 고 변형 하의 잔기둥 뼈 및 겉질 뼈의 역학적 성질들을 표 2에 나타낸다:The mechanical properties of the stout and cortical bones under extreme conditions and high deformation are shown in Table 2:
[표 2에 대한 참고문헌: Neibur G.L. "잔기둥 뼈에서 다중 축 파손에 대한 컴퓨터 조사", Ph.D. Thesis. The University of California, Berkely, USA; Guo E. 겉질 뼈 및 해면 뼈 조직의 역학적 성질. In: Cowin SC, Eds. Bone Mechanics handbook. Boca Raton, FL: CRC Press LLC, 2001; Moroi H.H., Okimoto K., Moroi R., and Terada Y. Int. J. Prosthodont, 6:, 1993, pp. 564-572; Frankel V.H., Nordin M. "골격계의 기본 생물 역학", Philadelphia, Lea & Febiger, 1980].[Reference to Table 2: Neibur G.L. "Computer Investigation of Multi-Axis Breakage in Pillar Bones", Ph.D. Thesis. The University of California, Berkely, USA; Guo E. Mechanical properties of cortical bones and spongy bone tissue. In: Cowin SC, Eds. Bone Mechanics handbook. Boca Raton, FL: CRC Press LLC, 2001; Moroi H.H., Okimoto K., Moroi R., and Terada Y. Int. J. Prosthodont, 6 :, 1993, pp. 564-572; Frankel V.H., Nordin M. "Basic Biomechanics of the Skeletal System", Philadelphia, Lea & Febiger, 1980].
다수의 중요한 성질들은 무엇이 천연 뼈와 생물 역학적으로 적합한 다공성 TiNi 이식물을 만드는지를 규정한다. 통상적인 작용성 변형 수준에서 이러한 성질은 하기와 같다: a) 탄성률, b) 최대 탄성 변형 및 c) 항복 강도. 파괴 구분점을 포함한 상기 구분점까지의 상당한 비탄성 변형 조건 하에서, 상기 성질은 d) 최종 강도, e) 최대 변형 대 파괴, f) 점탄성 및 g) 골절 전 흡수될 수 있는 에너지이다.Many important properties define what makes porous TiNi implants compatible with natural bone and biomechanically. At typical functional strain levels, these properties are as follows: a) modulus of elasticity, b) maximum elastic strain and c) yield strength. Under significant inelastic strain conditions up to and including the break point, the property is d) final strength, e) maximum strain versus break, f) viscoelasticity and g) energy that can be absorbed before fracture.
탄성률은 "뼈-이식물" 경계점에서 응력 차폐 효과를 정의하며, 상기 경계점에서 응력 차폐는 상기 "뼈-이식물" 경계면에서 섬유 조직의 형성과 함께 인접한 뼈와 이식물의 탄성 성질의 차이를 보상하기 위한 유기체의 반응을 유도한다. 최대 탄성 변형은 실제 생체 내 조건 및 순환하는 하중 하에서 상기 물질의 추정 가능한 실행을 가리킨다. 항복 강도는 에너지 소산 기전과 직접적인 관계를 가질 수 있다. 최종 강도는 물질이 파괴 전에 지탱할 수 있는 최대 하중을 나타낸다. 최대 변형 대 파괴는 자명하다. 점탄성은 느린 이완, 팽팽한 이완, 응력 이완 또는 이들의 조합을 지칭한다. 골절 전에 흡수되는 에너지는 "응력-변형" 곡선(30, 도 4) 하의 총 면적으로부터 얻어지며 따라서 최종 응력과 최종 변형 모두에 따라 변한다. 앞서 언급하지는 않았지만, 보다 큰 다공도가 바람직한데 그 이유는 상기가 파동의 산란에 기인하여 에너지 흡수를 최대화하기 때문이다.The modulus of elasticity defines the stress shielding effect at the "bone-graft" interface, where the stress shielding compensates for the difference in elastic properties of adjacent bones and implants with the formation of fibrous tissue at the "bone-graft" interface. To induce the reaction of the organism. Maximum elastic strain refers to the predictable performance of the material under actual in vivo conditions and circulating loads. Yield strength can be directly related to the energy dissipation mechanism. Final strength is the maximum load a material can bear before breaking. Maximum strain versus destruction is self-evident. Viscoelasticity refers to slow relaxation, tight relaxation, stress relaxation, or a combination thereof. The energy absorbed before fracture is obtained from the total area under the “stress-strain” curve 30 (FIG. 4) and therefore varies with both final stress and final strain. Although not mentioned above, greater porosity is desirable because it maximizes energy absorption due to wave scattering.
본 발명은 생물 역학적으로 및 생화학적으로 적합하고 주로 외과용 이식물로서 이식하기 위해 생물 의학 분야에 사용하고자 하는 다공성 티탄 니켈화물(TiNi) 물질에 관한 것이다. 상기 물질은 뼈의 부착이 필요한 어느 곳에든 사용할 수 있으며, 경부 이식물, 허리 고정 장치, 척추 대치 장치, 인공 디스크 및 관골구 컵 대치물(둔부에서)에 특히 유용하다.The present invention relates to a porous titanium nickel nitride (TiNi) material which is biomechanically and biochemically suitable and intended to be used in the biomedical field primarily for implantation as a surgical implant. The material can be used wherever bone attachment is required and is particularly useful for cervical implants, lumbar fixation devices, spinal substitutes, artificial discs and tibial cup substitutes (in the buttocks).
경사골절 없이 압박 시험 조건 하에서 응력 평탄역을 갖는 다공성 TiNi 생성물은 파괴 전에 최대 에너지 흡수를 갖고 그 결과 개선된 충격 완화 성질을 갖는 다공성 TiNi 물질이다.Porous TiNi products with stress plateaus under compression test conditions without oblique fracture are porous TiNi materials that have maximum energy absorption before fracture and consequently improved impact relieving properties.
표 3은 생물 의학적 용도에서 탐구되는 다공성 TiNi 물질에 대한, 상기 물질을 상기와 연결되는 뼈 조직에 생물 역학적으로 적합하게 만드는, 압박 하중 하의 역학적 성질들의 최적 조합을 나타낸다.Table 3 shows the optimal combination of mechanical properties under compressive load for the porous TiNi material explored in biomedical use, making the material biomechanically suitable for the bone tissues to which it is linked.
생물 역학적 적합성은 "이식물-뼈" 경계선에서 응력 차폐의 부재로서 정의된다.Biomechanical suitability is defined as the absence of stress shielding at the "plant-bone" boundary.
본 발명에서, 상기 다공성 TiNi 물질의 성질들에 대한 조절은 상기 TiNi의 기질 전체를 통한 산소 함량의 분포 또는 배치를 통해 얻는다. 이를 공기 제거, 반응기 금형의 불활성 기체에 의한 퍼징, 및 원료 물질 선택을 포함하는 임의의 수의 수단에 의해 성취할 수 있다.In the present invention, control over the properties of the porous TiNi material is obtained through the distribution or arrangement of oxygen content throughout the substrate of the TiNi. This can be accomplished by any number of means, including air removal, purging with inert gas in the reactor mold, and raw material selection.
상기 TiNi 물질의 제조 방법은 자가-확대 고온 합성(SHS) 반응 또는 다른 방법, 예를 들어 소결일 수 있다. SHS에서 확대는 숙련가에 의해 이해되는 과정에 따라 수행된다. 상기는 니켈과 티탄의 반응 도중 방출되는 발열반응의 열을 사용하는 점진적인 연소를 포함한다.The method of making the TiNi material may be a self-expanding high temperature synthesis (SHS) reaction or other method, for example sintering. In SHS, expansion is done according to a process understood by the skilled person. This includes gradual combustion using the heat of the exothermic reaction released during the reaction of nickel and titanium.
상기 SHS 반응 전에 원료 물질 혼합물 중의 필요한 화학량론적 비율로부터의 작은 이탈은 제 2 상의 형성을 현저하게 증가시킬 수 있으며 형상 기억 및 초탄성 성질을 포함한 TiNi 물질의 역학적 성질에 불리한 영향을 미칠 수 있다(Lopez H.F., Salinas A., Calderon H., Metallurgical and Materials Transactions A. V.32A, March 2001, pp. 717-729). 상기 Ni-풍부 제 2 상의 출현은 Ni 이온의 방출을 증가시킬 수 있다. 회복 가능한 변형은 Ni 함량, 열 역학적 처리, 및 열 순환 중에 상기 합금에 의해 나타나는 변환 시퀀스에 의해 강한 영향을 받는다. 여러 중요한 특징들이 상기 생성물의 품질을 규정하는데 일조한다, 즉 상기 Ti 및 Ni 원료 물질을 매우 균질한 혼합물로 예비 혼합해야하고; 성질들의 재현성이 높아야 하며; 제조 중에 기술적 변수들에 대한 조절을 신뢰할 수 있어야 한다. 이를 특히 필요한 생물 작용성을 성취하고 효율적인 치유 반응을 촉진시키기 위해 인접한 뼈의 성질들과 조화되도록 디자인되는 생물 의학적 이식물에 적용한다.Small deviations from the required stoichiometric ratios in the raw material mixture prior to the SHS reaction can significantly increase the formation of the second phase and adversely affect the mechanical properties of the TiNi material, including shape memory and superelastic properties (Lopez HF, Salinas A., Calderon H., Metallurgical and Materials Transactions AV32A, March 2001, pp. 717-729). The appearance of the Ni-rich second phase can increase the release of Ni ions. The recoverable strain is strongly influenced by the Ni content, thermodynamic treatment, and the conversion sequence exhibited by the alloy during thermal cycling. Several important features help to define the quality of the product, ie premix the Ti and Ni raw materials into a very homogeneous mixture; The reproducibility of the properties must be high; Control of technical parameters during manufacturing should be reliable. This applies particularly to biomedical implants that are designed to match the properties of adjacent bones to achieve the necessary bioactivity and promote an efficient healing response.
본 발명은 인접한 뼈 조직의 성질 및 특성과 조화되고 Ni-풍부 제 2 상이 없는 최적의 성질 및 특성들의 조합을 갖는 생체 적합성 다공성 TiNi 물질이다. 본 명세서에서 "없는"은 SEM(주사 전자 현미경 검사) 또는 TEM(투과형 전자 현미경 검사) 분석에 의해 검출될 수 없는 농도 수준으로서 이해된다. 따라서 상기 TiNi 물질은 Ni-풍부한 제 2 상이 없으며, 상기 제 2 상이 니켈을 인체 내로 누출시킬 가능성(상기와 같은 누출은 니켈 독성과 관련된 합병증을 발생시킬 수 있다)을 실질적으로 0으로 감소시킨다. 사용되는 SEM 장치는 초박 창(UTW) 에너지 소산 X-선 분광계(EDS)에 커플링된 JEOL JSM-840이었다. 상기 사용된 TEM은 필립스(Philips) CM-30 300 kv이었다.The present invention is a biocompatible porous TiNi material that is compatible with the properties and properties of adjacent bone tissue and has an optimal combination of properties and properties without a Ni-rich second phase. “None” is understood herein as a concentration level that cannot be detected by SEM (scanning electron microscopy) or TEM (transmission electron microscopy) analysis. The TiNi material thus lacks a Ni-rich second phase and substantially reduces the likelihood that the second phase leaks nickel into the human body (such a leak can cause complications associated with nickel toxicity). The SEM apparatus used was JEOL JSM-840 coupled to an ultra-thin window (UTW) energy dissipation X-ray spectrometer (EDS). The TEM used was Philips CM-30 300 kv.
본 발명을 하기 실시예를 참고로 설명한다.The present invention is explained with reference to the following examples.
실시예Example 1. 샘플 A 1. Sample A
샘플 A는 SHS 기법에 의해 수득된 다공성 TiNi 물질을 나타낸다. 그의 형태 및 기계적 특성들의 조합은 표 3에 제시된 최적의 범위 내에 있다.Sample A represents the porous TiNi material obtained by the SHS technique. Its combination of form and mechanical properties is within the optimum ranges shown in Table 3.
샘플 A는 63±1.2% 범위의 다공도를 갖는다. 도 1 및 2는 각각 횡 방향 및 종 방향의 상기 합성된 다공성 물질의 2 차원(2D) 거대 구조를 나타낸다. 상기 다공성 물질은 TiNi 기질(상호연결된 버팀목의 골격), 보다 밝은 영역(10)과 보다 어두운 구멍(20) 영역을 포함한다. 상기 한정된 구멍은 "개방" 및 "폐쇄" 기공들을 포함한다. 도 3은 연속적인 네트워크를 형성하는 상호 연결된 기공들로서 한정되는 "개방" 기공(20)을 나타낸다. 상기 "개방" 기공의 퍼센트는 뼈 내증식을 가장 촉진할 것 같은 부피를 반영한다. "폐쇄" 기공(24)의 퍼센트는 상기 기공이 너무 작거나 추정 상 상호 연결되지 않기 때문에 생성물 내에서 임의의 뼈 내성장을 촉진할 확률이 낮은 상기 기공들의 부피와 관련이 있다. 기공 크기 분포에 관한 데이터를 표 4에 나타낸다.Sample A has a porosity in the range of 63 ± 1.2%. 1 and 2 show two-dimensional (2D) macrostructures of the synthesized porous material in the transverse and longitudinal directions, respectively. The porous material comprises a TiNi substrate (skeleton of interconnected shoring),
샘플 A의 TiNi 기질의 고형 물체(버팀목)의 특성을 표 5에 나타낸다.The properties of the solid object (the crutch) of the TiNi substrate of Sample A are shown in Table 5.
상기 버팀목(또는 고형 물체)의 특성은 하기와 같이 정의된다:The properties of the crutch (or solid object) are defined as follows:
-상기 버팀목의 통계학적으로 측정된 면적(A)은 다른 모든 인자들이 동일한 경우 상기 다공성 물질의 최종 강도 및 강성에 비례하고;The statistically measured area A of the crutch is proportional to the final strength and stiffness of the porous material when all other factors are equal;
-상기 버팀목의 볼록한 주변 길이(CP)는 인접한 조직과 접촉하는 표면적의 간접적인 주변 길이이고;The convex peripheral length (CP) of the crutch is the indirect peripheral length of the surface area in contact with adjacent tissue;
-상기 TiNi 기질 내의 각각의 버팀목의 치밀도(4πA/(CP)2)는 처리 조건에 관한 간접적인 정보를 제공한다. 보다 둥근 버팀목은 상기 SHS 반응 중에 보다 큰 액체 상 연루를 가리킬 수 있다. 완전히 둥근 고형 물체는 1의 치밀도 값을 갖는다.The density of each shoring (4πA / (CP) 2 ) in the TiNi substrate provides indirect information about the processing conditions. Rounder shoring may indicate greater liquid phase involvement during the SHS reaction. Fully rounded solid objects have a density value of one.
상기 TiNi 버팀목의 미세 구조를 도 3에 나타낸다. 200 배 확대에서 상기 TiNi 기질(10)의 세부를 명백히 식별할 수 있다. 침전물(22)은 Ti-풍부 제 2 상이다. 보다 매끄러운 기질 표면과 보다 낮은 가시적인 Ti-풍부 제 2 상의 양은 상기 샘플의 보다 양호한 균일성을 도출시킨다.The fine structure of the said TiNi shoring is shown in FIG. At 200 times magnification, the details of the
샘플 A의 TiNi 기질은 6 내지 11% 범위의 Ti-풍부 제 2 상의 국소 함량을 갖는다. 상기 Ti-풍부 침전물은 2 내지 4 ㎛의 평균 직경을 가지며, 이때 최대 외부 직경은 27 내지 96 ㎛이다(표 6).The TiNi substrate of Sample A has a local content of Ti-rich second phase in the range of 6-11%. The Ti-rich precipitate has an average diameter of 2 to 4 μm, with a maximum outer diameter of 27 to 96 μm (Table 6).
도 3에서, "얼룩" 형태의 Ti-풍부 상(22)의 존재가 관찰된다. 상기 Ti-풍부 제 2 상의 형상은 상기가 상기 Ti-풍부 "얼룩 연장부"를 따라 균열의 핵을 형성시킬 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 그러나, 2.3 내지 3.4 원자% 범위의 Ti-풍부 상 중의 산소 함량(표 7)은 표 3에서 발견되는 역학적 성질들의 바람직한 값들을 유도한다.In FIG. 3, the presence of Ti-
표 7에 제공된 데이터를 참고로, 상기 기질 중의 최대 산소 함량은 상기 버팀목의 외면에서 발견되었다. 상기 산소 값은 6.9 원자%에서 기록되었으며, 이는 2.16 중량%에 상응한다(상기 산소 함량은 전자 탐침 미세 분석(Electronic Probe Micro Analysis, EPMA) 기법에 의해 얻어졌다).With reference to the data provided in Table 7, the maximum oxygen content in the substrate was found on the outer surface of the crutch. The oxygen value was recorded at 6.9 atomic%, which corresponds to 2.16 weight% (the oxygen content was obtained by the Electronic Probe Micro Analysis (EPMA) technique).
화학적 부식을 사용하여, 상기 Ni-풍부한 침전물(52)을 주로 다공성 TiNi 생성물의 주변부에서 검출하였다(도 8). Ni-풍부 영역(50)은 도 7에서 명백히 볼 수 있다. 상기 기질 내의 복합 침전물은 상기 Ti-풍부 제 2 상과 가시적으로 쉽게 식별할 수 있는 Ni-풍부 제 2 상을 포함한다(22). 상기 Ni-풍부 제 2 상은 또한 훨씬 더 적은 정도이기는 하지만 상기 기질 전체를 통해서 발견된다. 상기 TiNi 생성물의 경계에서 Ni-풍부 제 2 상의 우세는 상기 금형을 둘러싸는 경계면에서 초기 성분들의 분리 및 열 손실에 기인한다. Ni-풍부 제 2 상의 깊이는 상기 상의 형성을 유도하는 비 평형 고형화 조건의 범위를 특성화할 수 있다. Ni-풍부 제 2 상의 최대 깊이는 상기 불필요한 형성을 제거하기 위해 필요한 기계 가공의 깊이를 조절한다. 샘플 A의 경우에, 상기 Ni-풍부 제 2 상은 1625 ㎛ 이하의 침투 거리에서 원통형 막대의 주변부에서 검출되었다. 최종 생성물 중의 아주 막대한 Ni-풍부 제 2 상의 부재를 보장하기 위해서, 상기 다공성 TiNi의 2 ㎜ 이상을 그의 주변부에서 기계 가공하였다. 샘플 A는 가공 후에 기질 중에 소량의 Ni-풍부 제 2 상을 여전히 함유하였으며 이는 정확하게 정량 분석할 수 없었다.Using chemical corrosion, the Ni-rich precipitate 52 was detected primarily at the periphery of the porous TiNi product (FIG. 8). Ni-
ASTM E8-96a 방법을 사용하여, 본 발명의 다공성 TiNi 샘플 및 종래 기술 샘플(Chernyshov A., Leroux M., et al., 역학적 성질에 대한 다공성 TiNi 형태의 영향. Proceedings "Advanced Materials for Biomedical Applications", MetSoc'2002, 41-th Annual Conference, August 11-14, 2002, Montreal, pp. 109-119)의 5 개 복제물의 역학적 성질들을 비교하였다. 표 8 내지 10은 종래 기술의 물질에 대한 압축, 장력 및 피로도 시험 특성의 상당한 개선을 나타낸다.Using the ASTM E8-96a method, porous TiNi samples of the present invention and prior art samples (Chernyshov A., Leroux M., et al., Influence of Porous TiNi Forms on Mechanical Properties. Proceedings "Advanced Materials for Biomedical Applications" , MetSoc'2002, 41-th Annual Conference, August 11-14, 2002, Montreal, pp. 109-119). Tables 8-10 show significant improvements in compression, tension and fatigue test properties for materials of the prior art.
압박 시험 조건 하에서 샘플 A에 대한 전형적인 "응력-변형" 곡선(30)을 도 4에 나타낸다. 도 4는 또한 점선으로 나타낸 0.2% 변형 곡선(32); 직선의 보정 곡선(34, 실선)을 나타내고; 굴곡점 또는 응력 평탄역(36)을 나타낸다.A typical “stress-strain”
샘플 A는 다시 한번 종래 기술 물질(Chernyshov A., Leroux M., et al., 상기 동일문헌)의 양상과 상당한 차이를 나타낸다. 상기 종래 기술 물질은 압박 시험 조건 하에서 경사골절을 나타내었다. 반면에 샘플 A의 경우 49%를 초과하는 변형률에서조차 경사골절이 없었으며 응력 평탄역(36)이 기록되었다. 상기 A 샘플은 겉질 뼈보다 높은 최종 강도를 특징으로 하며, 이는 골절 전 최대 에너지 흡수 및 개선된 충격 완화성을 입증한다. 이러한 형태학적 및 역학적 특성들은 우리로 하여금 샘플 A가 다공성 TiNi 물질에 대해 이전에 관찰되었던 것에 비해 개선된 생물 작용성을 갖는다는 결론을 내리게 한다.Sample A once again shows a significant difference from the aspect of the prior art material (Chernyshov A., Leroux M., et al., Supra). The prior art material exhibited oblique fractures under compression test conditions. On the other hand, for Sample A, there was no oblique fracture even at strains greater than 49% and the
실시예Example 2. 샘플 B 2. Sample B
샘플 B는 샘플 A에 대해 관찰된 바와 유사한 형태학적 및 역학적 특성을 갖는 다공성 TiNi 물질을 나타낸다. 도 5에서, 상기 Ti-풍부 제 2 상(22)이 보다 작고 유사한 화학 성분 분포를 볼 수 있다(표 11).Sample B represents a porous TiNi material with similar morphological and mechanical properties as observed for Sample A. In FIG. 5, the Ti-rich
샘플 B를 아르곤 분위기 하에서 추가로 어닐링시킴을 제외하고 샘플 A에 사용된 바와 동일한 SHS 기법에 의해 제조하였다. 어닐링을 1000 ℃에서 60 분, 보다 바람직하게는 1100 ℃에서 45 분 동안 수행하였다. 샘플 B는 기질 내의 Ni-풍부 제 2 상의 완전한 부재와 보다 균일한 화학 조성을 나타내었으며, 이는 어닐링 단계에 기인한다. 상기 TiNi 버팀목 표면상의 보다 높은 산소 함량 및 보다 낮은 Ni 함량은 바람직한 결과이다. 일반적으로 표면상의 보다 높은 산소 함량은 상기 TiNi 물질의 내식성(생화학적 적합성)을 개선시킨다.Sample B was prepared by the same SHS technique as used for Sample A except for further annealing under an argon atmosphere. Annealing was carried out at 1000 ° C. for 60 minutes, more preferably at 1100 ° C. for 45 minutes. Sample B exhibited a more uniform chemical composition and a complete absence of the Ni-rich second phase in the substrate, due to the annealing step. Higher oxygen content and lower Ni content on the TiNi shoring surface are desirable results. In general, higher oxygen content on the surface improves the corrosion resistance (biochemical compatibility) of the TiNi material.
상기 Ni-풍부 제 2 상을 실질적으로 0으로 낮춤으로써, 생성물의 생물 작용성을 유지시키면서 이식물로부터 니켈의 누출 가능성을 0에 근접시킨다. 상기 물질은 니켈 풍부 상의 완전한 결여에 의해 식별된다. 상기 상은 니켈을 생체 내로 누출시켜 니켈 독성과 관련된 합병증을 발생시킬 수 있다.By lowering the Ni-rich second phase to substantially zero, the likelihood of leakage of nickel from the implant is close to zero while maintaining the bioactivity of the product. The material is identified by the complete lack of a nickel rich phase. The phase can leak nickel in vivo and cause complications associated with nickel toxicity.
실시예Example 3. 샘플 C 3. Sample C
샘플 C를 샘플 B와 동일한 방식으로 제조하였으나, 사용된 원료 Ti 분말이 보다 높은 산소 함량을 가졌다. 샘플 C는 65 내지 68.0%의 총 다공도를 갖는다. 샘플 C의 기공 변수를 표 12에 나타낸다.Sample C was prepared in the same manner as Sample B, but the raw Ti powder used had a higher oxygen content. Sample C has a total porosity of 65 to 68.0%. The pore parameters of Sample C are shown in Table 12.
상기 TiNi 기질은 14.35% 량의 Ti-풍부 제 2 상의 국소 함량을 가졌다.The TiNi substrate had a topical content of Ti-rich second phase in an amount of 14.35%.
샘플 C는 표 13에 제시된 역학적 특성들의 최적의 조합을 만족하는 다공성 TiNi 물질을 나타낸다. 샘플 C는 더욱 또한 도 6에 나타낸 보다 작고 보다 둥근 Ti-풍부 침전물(44)과 화학 성분 분포를 갖는다(도 13).Sample C represents a porous TiNi material that satisfies the optimal combination of mechanical properties shown in Table 13. Sample C furthermore has a smaller and rounder Ti-rich precipitate 44 and chemical component distribution shown in FIG. 6 (FIG. 13).
도 6에 나타낸 샘플 C의 TiNi 기질은 국소화된 오스테나이트 침상 형성 영역(40)을 갖고 이들 사이에 마르텐자이트 상들의 영역(42)이 발견되는 마르텐자이트 기질을 나타낸다.The TiNi substrate of Sample C shown in FIG. 6 represents a martensite substrate having localized austenite needle-shaped
실시예Example 4. 샘플 D 4. Sample D
다공성 TiNi 물질 기여 시험의 역학적 성질에 대한 공급된 산소 함량의 영향을 시험하였다. 버팀목 내부 영역 중에 고르게 분포된 4.6 원자%(1.4 중량%)의 산소 함량을 갖는 다공성 TiNi 물질을 제조하였다. 생성된 역학적 성질들은 최적 조합의 값들(표 3)에 비해 실질적으로 열등하였으며, 최종 강도는 10 MPa 미만이었다. 또한 Ni:Ti 비에 대한 표면 산소 함량의 영향을 확인하였으며 표 14에 나타낸다.The effect of the supplied oxygen content on the mechanical properties of the porous TiNi material contribution test was tested. A porous TiNi material was prepared having an oxygen content of 4.6 atomic% (1.4 wt%) evenly distributed within the crutch inner region. The resulting mechanical properties were substantially inferior to the optimal combination of values (Table 3) and the final strength was less than 10 MPa. In addition, the effect of the surface oxygen content on the Ni: Ti ratio was confirmed and shown in Table 14.
표 14에 나타난 바와 같이, 티탄 니켈화물의 형성을 허용하는 산소의 최대 함량은 10 원자%이다. TiNi 버팀목의 표면상의 보다 높은 산소 수준은 상기 Ni:Ti 비의 실질적인 재분포를 유도하여 Ti-풍부 제 2 상을 존재하게 한다. 상승된 산소 함량 및 Ti-풍부 제 2 상은 필요한 생화학적 적합성 및 내식성에 비추어 TiNi 버팀목의 표면에 바람직하다. 0.96:1 내지 1.13:1 이외의 Ni:Ti 비는 상기 TiNi 금속간의 역학적 성질을 실질적으로 감소시켰음에 주목해야 한다.As shown in Table 14, the maximum content of oxygen that allows the formation of titanium nickelide is 10 atomic percent. Higher oxygen levels on the surface of the TiNi crutch lead to substantial redistribution of the Ni: Ti ratio, resulting in the presence of the Ti-rich second phase. Elevated oxygen content and Ti-rich second phase are preferred for the surface of TiNi crutch in view of the required biochemical compatibility and corrosion resistance. It should be noted that Ni: Ti ratios other than 0.96: 1 to 1.13: 1 substantially reduced the mechanical properties between the TiNi metals.
놀랍게도, 상기 버팀목의 외면에서 10 원자%의 최대 산소 함량은 티탄의 니켈화물 기질의 역학적 성질의 최적 조합을 유지하면서 상기 물질을 유지시킨다.Surprisingly, the maximum oxygen content of 10 atomic percent on the outer surface of the crutch maintains the material while maintaining the optimal combination of mechanical properties of the nickelide substrate of titanium.
실시예Example 5. 5.
다공성 TiNi 물질의 가능한 형상 범위를 연장시키기 위해서, 상기 실시예 1 내지 4에 개시된 다공성 TiNi 실시태양들을 분말 형태로 분쇄하였다. 상기 분말을 약 100 내지 500 마이크로미터의 입자 크기 범위로 체질하고 결과적으로 티탄 니켈화물의 융점보다 낮은 온도에서 소결시켰다. 생성된 다공성 TiNi 물질은 바람직한 생화학적, 생물 역학적 성질 및 내식성을 가졌으며, 이는 다공성 NiTi 제품들에 대한 보다 넓은 가능한 제조 수단을 가리킨다.In order to extend the possible shape range of the porous TiNi material, the porous TiNi embodiments disclosed in Examples 1-4 above were ground in powder form. The powder was sieved to a particle size range of about 100 to 500 micrometers and consequently sintered at a temperature below the melting point of titanium nickelide. The resulting porous TiNi material had desirable biochemical, biomechanical properties and corrosion resistance, indicating a wider possible means of making for porous NiTi products.
본 발명의 진의 및 범위로부터 이탈됨 없이 변화 및 변경을 당해 분야의 숙련가들에 의해 수행할 수 있다. 상기 실시태양의 실시예들은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.Changes and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention. The examples of the above embodiments are merely illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.
Claims (12)
Priority Applications (1)
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KR1020067002735A KR20060069451A (en) | 2006-02-08 | 2003-08-08 | Biocompatible porous ti-ni material |
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2003
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