KR20060082717A

KR20060082717A - 다층 산화막 코팅구조를 가지는 금속 임플란트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20060082717A
Application number: KR1020050003430A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 이용호; 조순도; 윤구열; 김민우; 김인호; 장정선
Original assignee: 주식회사 덴티움
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-07-19

Abstract

본 발명은 다층 산화막 코팅구조를 가지는 금속 임플란트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 임플란트 제조방법은 임플란트 재료용 티타늄 또는 티타늄 합금 표면을 마이크로아크 산화처리한 다음, 수산화아파타이트 졸-겔 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

임플란트, 수산화아파타이트, 산화막

Description

다층 산화막 코팅구조를 가지는 금속 임플란트 및 그 제조방법{Metal implants which have multilayer of oxide coatings and manufacturing method thereof}

도 1은 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 SEM 사진이다.

도 2는 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 단면 사진이다.

도 3은 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 XRD 패턴이다.

도 4는 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 표면 거칠기이다.

도 5는 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 졸 농도에 따른 화학조성 변화 그래프이다.

도 6은 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 세포증식 그래프이다.

도 7은 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅 한 임플란트 재료의 ALP 활성을 측정한 그래프이다.

본 발명은 다층 산화막 코팅구조를 가지는 금속 임플란트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

티타늄 및 그 합금은 높은 기계적 강도와 화학 안정성 및 우수한 생체적 합성으로 치과, 정형외과에서 임플란트 재료로 많이 사용되고 있다[Brunette DM, Tengvall P, Textor M, Thomsen P. Titanium in Medicine. Berlin: Springer, 2001].

그러나, 티타늄 및 그 합금 자체는 생체 활성이 낮고, 인체에 이식시 골과의 결합시간이 길고 이식 후 장시간이 지나면 금속 이온이 생체로 녹아나온다는 단점이 있었다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 티타늄 및 그 함금에 표면처리를 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 티타늄 표면에 마이크로아크 산화처리(MAO)를 하면 일정한 두게의 산화막 층을 생성하여 동물실험에서 골유착성을 증진시킨다고 보고되고 있으며[Sul YT. The Significance of surface properties of oxidized titanium to the bone response:special emphasis on potential biochemical bonding of oxidized titanium implant. Biomaterial 2003; 24: 3893-907 등], 본 발명자들의 연구에서도 동물실험결과에서 마이크로아크 산화처리한 임플란트의 회 전제거력이 3배 이상 증가하는 좋은 결과를 얻었다[Li LH, Kong YM, kim YW, Kim HE, Heo SJ, Koak JY. Improved biological performance of Ti implants due to surface modification by micro-arc oxidation. Biomaterials 2004; 25:2867-75].

한편, 수산화아파타이트는 뼈의 성분과 유사한 무기물질이며, 생체활성 재료로서 뼈와 직접 결합을 이루어 임플란트의 조기 고정에 중요한 역활을 한다[Lacefield WR. Hydroxyapatite coatings. In an introduction to bioceramics. Editied by L.L.Hench and J. Wilson, World Scientific Plublishing Co., Singapore 1993 및 Hench LL. Bioceramics. J Am Ceram Soc 1998; 81: 1705-28]. 수산화아파타이트의 코팅 방법으로는 플라즈마 분사 증착, 전기화학적 증착, 생체모방 증착, 스퍼터링 증착, 졸-겔 증착 등 여러가지 방법이 있다. 그 중에서도 졸-겔 수산화아파타이트 코팅이 최근 많은 연구의 대상이 되고 있다[Liu DM, Troczynski T, Tseng WJ. Water-based sol-gel synthesis of hydroxyapatite: process development. Biomaterials 2001; 22: 1721-30 등].

졸-겔 법은 분자 수준에서 원소들을 섞기 때문에 매우 균일한 조성을 얻을 수 있고, 또한 결정화에 필요한 열처리 온도도 낮다는 장점을 가지고 있다. 특히, 졸-겔 코팅은 형상이 복잡한 재료의 코팅에 매우 유용하며, 제작 단가도 다른 코팅 방법에 비해 매우 낮다. 그러나, 수산화아파타이트 졸을 만드는 과정이 어렵고, 순수한 수산화아파타이트 코팅층을 얻기가 쉽지 않다는 단점도 있다.

본 발명의 목적은, 생체 활성이 증진된 표면을 갖는 티타늄 및 그 합금재료, 그리고 이러한 재료들로 제조된 임플란트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다층 산화막 코팅 구조를 갖는 금속 임플란트의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 임플란트 재료용 티타늄 또는 티타늄 합금 표면을 마이크로아크 산화처리한 다음, 수산화아파타이트 졸-겔 코팅하는 단계를 포함하는 금속 임플란트의 제조방법에 의해 달성된다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

마이크로아크 산화처리를 하면 순수한 Ti보다 표면 거칠기가 증가하고, 소량의 생체 특성에 유용한 Ca과 P 원소가 산화층 안으로 들어간다. 이런 티타늄 표면에 생체 활성 재료인 수산화아파타이트를 균일하게 코팅하면 표면의 거칠기 효과와 화학 조성 효과를 둘 다 동시에 발휘할 수 있으므로 생체적 합성이 더욱 더 향상된 티타늄 표면을 얻을 수 있게 된다.

졸-겔 법은 졸을 형성하는 전구체를 사용하여 수화-축합 반응을 통해 망목 구조의 고체상을 형성하는 과정을 말한다. HA 졸을 만드는데 있어서 Ca과 P 소스를 선택하는 것이 매우 중요하다. Ca 소스로는 질산칼슘, 아세트산칼슘, 칼슘 글리콕사이드, 칼슘디에톡사이드 등이 있고, P 소스로는 트리에틸포스파이트, 트리에틸포스패이트, P₂O₅, H₃PO₄, n-부틸산 포스패이트 등이 있다. 특히 P 소스는 졸-겔 반응 의 반응속도를 지배하기 때문에 정확히 선택되어져야 한다. P 소스를 인산으로 사용하면, 인산과 Ca 소스가 급격히 반응하여 침전물이 생기고 투명한 졸을 만들 수 없다. P 소스로 P₂O₅나 트리에틸포스패이트를 사용하면, P와 Ca의 반응이 너무 느려서 높은 온도에서 환류시키지 않으면 수산화아파타이트 졸을 만들 수 없다.

졸-겔법에 있어서 변수는 무궁무진하게 많고, 이러한 변수를 잘 선택하여야 안정적인 졸을 만들 수 있다. 그 중에 중요한 변수로는 전구체의 농도, 물의 첨가량, 환경온도, 졸의 pH값, 숙성시간 등이 있다.

본 발명에서는 P 소스인 트리에틸포스파이트를 무수 에탄올에 녹이고, 3차 증류수를 일정한 비율(H₂0/P=12)로 첨가한 다음, 3일간 교반함으로써 충분히 수화가 되도록 하였다. 그리고 Ca 소스 용액을 정확한 몰비(Ca/P=1.67)로 만든 후 P 소스와 섞어서 5일간 숙성함으로써 축합반응을 통해 미반응 Ca와 P 소스를 최소로 하여 안정적인 졸과 순수한 수산화아파타이트 코팅 층을 얻을 수 있었다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시예 1 마이크로아크 산화처리

순수한 티타늄 봉(등급 2, 가히금속, 서울) φ12mm X 1mm 크기로 절단하여, 400번 사포로 연마하고, 아세톤, 알콜, 3차 증류수로 각각 10분씩 초음파 세척하고 건조하여 마이크로아크 산화용 시편을 준비하였다. 마이크로아크 산화용 전해액은 공지방법[Li LH, Kong YM, kim YW, Kim HE, Heo SJ, Koak JY. Improved biological performance of Ti implants due to surface modification by micro-arc oxidation. Biomaterials 2004; 25:2867-75]으로 0.15몰 아세트산 칼슘과 0.02몰 칼슘 글리세로포스패이트를 3차 증류수에 용해시켜 만들었다.

본 실험은 정전압법으로 전압을 270V로 고정하고 3분간 처리하였다. 실험조건으로 주파수는 660Hz, 듀티(Duty)는 10%로 고정하였다. 마이크로아크 산화처리한 시편은 수돗물에 헹구고 3차 증류수에서 5분간 초음파 세척한 다음 공기중에서 건조시켰다.

실시예 2 수산화아파타이트 졸-겔 코팅

트리에틸포스파이트와 질산칼슘을 P와 Ca의 소스로 사용하였다. 우선, 1.8몰의 트리에틸포스파이트를 무수 에탄올에 녹이고, 일정량의 물(H₂0/P=12)을 첨가한 다음, 밀봉상태에서 3일간 교반하여 충분히 수화시켰다. 3몰의 질산칼슘을 무수 에탄올에 녹인 후, P 소스를 Ca 소스에 천천히 부은 후, 1시간 더 교반하였다. 이렇게 만든 졸을 상온에서 5일간 숙성시켰다.

같은 방법으로 Ca 농도가 4몰(H₂0/P=9)인 졸을 만들었다. 3몰과 4몰 졸을 각각 동량의 무수 에탄올로 희석하여 1.5몰과 2몰의 졸을 만든다.

270V에서 미리 마이크로아크 산화처리한 Ti 시편을 위에서 준비한 수산화아파타이트 졸을 가지고 스핀코팅하였다. 스핀 코팅 속도는 3000rpm이고, 40초동안 유지하였다. 각각의 수산화아파타이트 졸 농도 1.5,2,3,4 몰로 코팅된 시편을 80℃ 에서 2시간 건조시키고, 550℃에서 2시간 최종 열처리하였다. 승온속도는 2℃/분이고 냉각은 노냉하였다.

실시예 3 분석

1) 분석방법

주사전자현미경(SEM JEOL-5600 JEOI, 일본 동경)을 이용하여 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 시편의 미세구조를 관찰하였고, X-선 회절 분석기를 이용하여 상 분석을 행하였다. 시편 표면의 화학조성은 주사전자현미경에 달려있는 EDS로 측정하였고, 표면 평균거칠기는 공유초점 레이저 스캐닝 마이크로스코피(confocal laser scanning microscopy: OLS1200, 올림푸스 광학 주식회사, 일본)을 사용하여 측정하였으며, 측정 면적은 50㎛ x 50㎛이다.

2) 분석결과

도 1은 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 SEM 사진이다. 순수한 티타늄은 연마 흔적만 보이고(도 1A), 270V에서 마이크로아크 산화처리하면 다공성 티타늄 산화막이 생긴다(도 1B). 1.5몰 저농도의 수산화아파타이트 졸로 코팅하면 표면형상은 거의 마이크로아크 산화표면을 그대로 유지하지만(도 1C), 수산화아파타이트 졸 농도가 증가하면 다공성 표면층의 큰 기공의 크기는 줄어들고, 작은 기공은 수산화아파타이트 얇은 필름으로 덮여버린다.

도 2는 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅 한 임플란트 재료의 단면 사진이다. 270V에서 마이크로아크 산화처리하면 다공성 코팅층 두께가 약 2㎛이고(도 2A), 1.5몰 저농도의 수산화아파타이트 졸로 코팅하면 코팅층이 아주 얇게 코팅되며( 약∼200nm), 4몰 고농도의 수산화아파타이트 졸로 코팅하면 코팅층 두께는 약 1-1.5㎛로 졸-겔 코팅층과 티타늄 산화막 층을 뚜렷이 구분할 수 있다(도 2C).

도 3은 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 XRD 패턴이다. 270V에서 마이크로아크 산화처리하면 순수한 티타늄(도 3A) 위에 아나타제 TiO₂층이 생긴다(도 3B). 수산화아파타이트 졸-겔 코팅하면 수산화아파타이트 상이 생성되며, 그 양은 졸 농도의 증가에 따라 증가한다(도 3C-도 3F).

도 4는 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 표면 거칠기이다. 270V에서 마이크로아크 산화처리하면 표면 평균 거칠기는 0.28㎛에서 0.72㎛로 크게 증가하는 반면 수산화아파타이트 졸-겔 코팅하면 약간 감소하나 3몰을 빼고는 유의성을 나타내지 않는다(p<0.05).

도 5는 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 졸 농도에 따른 화학조성 변화 그래프이다. 수산화아파타이트 졸-겔 코팅하면 Ca과 P의 양은 증가하고 티타늄 양은 감소한다. 270V에서 마이크로아크 산화처리만 하면 Ca과 P의 양은 3.6과 4.1at%인데, 4몰 졸로 수산화아파타이트 코팅하면 Ca과 P의 양은 크게 증가하여 9.8과 7.9at%에 달한다.

실시예 4 생체내 시험

1) 시험방법

수산화아파타이트 졸-겔 코팅의 생체적 합성은 공지방법[Kim HW, Lee SY, Bae CJ, Noh YJ, Kim HE, Kim HM, Ko JS. Porous ZrO₂bone scaffold coated with hydroxyapatite with fluorapatite intermediate layer. Biomaterials 2003; 24: 3277-84]으로 생체 내 세포 시험을 통하여 평가하였다. 사람의 골육종(HOS) 세포주를 시편 위에 파종하고 배양하였다. 세포밀도는 세포 증식시 3 x 10⁴세포/웰, 알카리 인산염(ALP) 활성은 1 x 10⁴세포/웰이다. 세포 증식은 37℃ CO₂인큐배이터에서 배양한 후 직접 세포 수를 세서 측정하였고, ALP 활성은 세포를 5일, 10일간 인큐배이터에서 배양한 다음, 세포 내에 있는 총 단백질 중 뼈의 형성에 관여하는 ALP 활성을 P-니트로페닐 인산염을 사용하여 반응시킨 후 형성된 P-니트로페닐 양을 410nm 파장에서 UV-분광광도계를 사용하여 측정하였다.

2) 시험결과

도 6은 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 세포증식 그래프이다. 5일간 세포 배양하여 세포 증식수를 측정한 결과 수산화아파타이트 졸-겔 코팅으로 인해 세포 수가 현저하게 증가하는 것을 알 수 있으며, 졸 농도의 증가에 따라 그 수는 증가하는 것을 알 수 있다.

도 7은 여러가지 수산화아파타이트 졸 농도로 수산화아파타이트 졸-겔 코팅한 임플란트 재료의 ALP 활성을 측정한 그래프이다. ALP 활성은 세포증식과 비슷한 양상을 나타내며, 5일과 10일 배양 결과 수산화아파타이트 졸-겔 코팅시 코팅하지 않았을 때와 비교하면 ALP 활성이 현저하게 증가하는 것을 알 수 있으며, 졸 농도의 증가에 따라 그 수는 증가하다가 3몰에서 제일 높은 값을 나타낸다.

본 발명에서는 티타늄이나 티타늄 함금의 표면을 마이크로아크 산화처리한 다음, 수산화아파타이트 졸-겔 코팅법으로 다공성 표면에 균일한 수산화아파타이트 층을 코팅하였다. 마이크로아크 산화처리한 티타늄이나 티타늄 함금의 표면에 보다 많은 칼슘과 인이 유입되고 표면거칠기는 그대로 유지되었다. 상기 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 수산화아파타이트 코팅층의 존재로 인하여 세포증식과 세포분화의 조기 마크인 ALP 활성이 현저히 증가하여 표면개질된 Ti이 생체의 세포반응을 촉진시켰다.

Claims

임플란트 재료용 티타늄 또는 티타늄 합금 표면을 마이크로아크 산화처리한 다음, 수산화아파타이트 졸-겔 코팅하는 단계를 포함하는 금속 임플란트의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 마이크로아크 산화처리는 270V의 정압에서 행해지는 것을 특징으로 하는 금속 임플란트의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 수산화아파타이트 졸은 P 소스를 무수 에탄올에 녹이고, 3차 증류수를 일정한 비율로 첨가한 다음, 충분히 수화시키고, Ca 소스 용액을 정확한 몰비(Ca/P=1.67)로 만든 후 P 소스와 섞어서 5일간 숙성시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 금속 임플란트의 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 P 소스는 트리에틸포스파이트인 것을 특징으로 하는 금속 임플란트의 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 수산화아파타이트 졸의 농도는 3몰 농도로 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 임플란트의 제조방법.