KR20090044660A - 임플란트 표면에 다공층의 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 치과 및 정형외과 등에 이용되는 임플란트재에 관한 것으로, 더욱 상세히 강도와 인성이 뛰어나면서 생체친화성이 우수한 임플란트를 제조하기 위하여 임플란트에 다공성 표면층을 형성하는 방법에 관한 것이다.

임플란트, 다공성, 치아강장재, 보철충진재, 내식성, 고강도, 생체적합성

Description

임플란트 표면에 다공층의 형성방법{Method for Forming Porous Floor on the Surface of Implant}

본 발명은 치과 및 정형외과 등에 이용되는 임플란트재에 관한 것으로, 더욱 상세히 강도와 인성이 뛰어나면서 생체친화성이 우수한 임플란트를 제조하기 위하여 임플란트에 다공성 표면층을 형성하는 방법에 관한 것이다.

현대의 많은 치과연구소에서는 치아와 뼈의 대용물, 충진재, 캡, 크라운의 치아강장재 및 뼈의 보철 충진재로 사용할 수 있는 물질의 제조에 촛점을 모으고 있다. 또한, 외과 보철재의 분야에 있어서도 생물학적 경질조직(뼈)에 좀더 접근하면서도 강도가 높고, 부식성이 없는 합금물질의 필용성을 인식하고 있으나 아직까지 조직 적응성과 고착성의 문제가 완전히 해결되지 않고 있다.

일반적으로 의료용 기구 중 생체내에 매식되어 소기의 기능을 발휘하도록 하는 기구를 임플란트라 하며, 이 중 생체(인체)의 소정부위 예컨대, 코뼈나 골반뼈 또는 기타 다른 부의의 골(뼈)내에 매식된 후 골과 임플란트 사이에 연조직이 개재되지 않고 완전한 골로만 채워져서 결합되는 방식을 골결합(Osseointergration)이라 한다.

임플란트는 인공치아 또는 인공고관절로써 사용되는데, 이것은 생체내로 삽입되기 때문에 생체적합성이 우수하여야 한다. 즉, 금속 임플란트재를 생체내에 이식후 장기간 체내에 넣어두면 체내의 조직액이나 체액에 의해 또는 체내에서 조직체와의 접촉 및 마찰로 인하여 금속 임플란트재의 금속이온이 용출되어 임플란트재를 부식시키게 되며, 또한 금속 임플란트재로부터 용출된 금속이온은 생체내의 대식세포를 손상시키거나 생체내의 세포에 침입하여 염증성 세포 또는 거대세포를 발생시키는 원인이 되기도 한다.

더욱이, 임플란트는 내식성과 높은 강도가 요구되는데, 그 이유는 인체내에 삽입되어 일정기간 손상되지 않고 뼈와 같은 강도를 유지하지 못하는 경우, 이에 따른 재 시술이 필요하게 되어 여러 번의 시술에 따른 어려움을 방지하기 위함이다.

종래로부터, 인체로의 이식을 위한 임플란트를 제조함에 있어서 티타늄 또는 티타늄합금 등을 사용하였는데, 이는 티타늄이 고강도와 더불어 내식성, 생체 적합성이 우수하기 때문이다.

골과 임플란트 사이에 연조직이 개재되지 않고 골로만 채워져셔 결합되기 위해서는 생체내 소정부위의 골내에 임플란트가 매식된 후, 임플란트와 주변골과의 계면이 골로 채워지는 비율이 높으면 높을수록 상기 임플란트를 삽입함에 따른 치료술의 성공률이 더욱 높아질 수 있다고 할 수 있다. 그러나 종래의 기술에서는 임플란트 매식 후 임플란트와 골 계면에서의 골결합의 정도가 대략 60% 정도에 불과한 것으로 알려져, 완벽한 골결합이 이루어질 수 없으며, 이로 인해 임플란트 치 료술에 한계가 존재하였다.

또한, 인체내의 뼈는 재생력을 보유하고 있어 인체내에 장기간 삽입된 임플란트 표면에는 뼈세포가 성장하게 되고 뼈 세포의 성장에 의해 임플란트는 원래 인체의 뼈와 일체로 결합되는 효과를 볼 수 있다. 이러한 뼈 성장을 촉진하기 위한 목적으로 그 표면에 다공질층을 형성시키고 있다.

종래 임플란트 표면에 다공질층을 형성하는 방법은 티타늄으로 형성된 임플란트 표면에 순수 티타늄이나 티타늄 합금의 비드를 규소계 화합물을 바인더로 하여 혼합한 후, 임플란트 표면에 도포하여 비드 코팅층을 성형하는 단계와, 비드 코팅층이 성형된 임플란트를 고온 진공상태에서 소결하는 단계로 구성되어 있다. 그러나 상술한 방법은 규소계 화합물을 바인더로 사용할 때, 이 화합물에 잔존하는 카본과 티타늄과의 공정온도가 1500 내지 1700℃로 비교적 높기 때문에 티타늄 또는 티타늄 합금 비드에 있어서 공정온도를 낮추는 효과는 기대할 수 없어 고온에서 소결하여야하는 문제가 있고, 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로 다른 합금원소 분말을 첨가하여 공정온도를 낮추는 방안이 있으나, 이 경우에도 추가로 작업을 하여야 하며 합금원소 분말 첨가시 티타늄 또는 티타늄 합금 비드의 오염이 발생되는 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 생체내로 이식되는 임플란트와 티타늄 또는 티타늄 합금 비드의 바인더를, 카본이 소량 함유되며 결합력을 갖는 물질로 대체하여 티타늄과의 공정온도를 낮추어 주는 바인더로서 젤라틴을 사용하고, 또한 의료기구용 임플란트의 초기 안정성 및 골결합력 등의 기능을 향상시키기 위해, 상기 임플란트의 외측 표면에, 생체내에 매식시 친수성과 골전도성의 특성을 나타내도록 금속 임플란트 모재에 플라즈마 용사법에 의해 고순도 인산칼슘화합물 분말을 범위로 혼합하여 치밀층 위에 플라스마 용사하고, 이어서 이것을 알칼리용액으로 처리하여 상기 알루미늄이 제거된 부위가 기공으로 생성되어 다공성 표면층이 형성되도록 함으로써 임플란트의 기능 향상방법을 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,

임플란트 표면에 다공질층을 형성하기 위하여, 티타늄으로 형성된 임플란트 표면에 순수 티타늄이나 티타늄 합금의 비드를 젤라틴(gelatin)을 바인더로 하여 혼합한 후, 임플란트 표면에 도포하여 비드 코팅층을 형성하는 단계와;

비트 코팅층이 형성된 임플란트를 고온, 진공하에서 소결하는 단계로 구성되어 있다.

본 발명의 일 구현예는, 1200 내지 1500℃의 비교적 낮은 온도에서 공정을 시행하며 형성된 비드 코팅층이 성형된 임플란트를 고온 진공상태에서 소결한다.

본 발명의 다른 구현예는 , 상기와 같이 얻어진 임플란트를, 임플란트 모재를 구성하는 금속이온의 용출을 방지함과 동시에 생체친화성을 부여하기 위하여 금속 임플란트 모재의 표면에 산화알루미늄 입자로 블라스팅 처리하여 요철면을 형성한다.

본 발명의 또 다른 구현예는, 플라스마 코팅법을 이용하여 금속 임플란트 모재로부터 표면층까지 다수의 층을 형성할 수 있고, 또한 각층의 필요한 성질에 알맞도록 층간의 기공경 및 기공율을 임의로 변경시킨다.

상기에서 플라스마 용사법이라 함은 고온의 플라스마 유체에 금속 또는 세라믹스 분말입자가 들어가 순간적으로 용융됨과 동시에 고속의 플라스마 유체에 실려 코팅을 목적으로 하는 모재에 강한 힘으로 충동시키게 되며 플라스마 열로 인하여 용융된 입자는 금속 임플란트 모재에 충돌하면서 받는 충격에 의하여 납작하게 펴진 형태로 됨과 동시에 원래의 고체상태로 되돌아가 표면코팅층을 형성하게 되는 코팅방법이다.

본 발명에 따르면, 바인더로 젤라틴 화합물을 사용함으로써, 티타늄과 젤라틴의 공정온도(1330℃)에서 공정시킴으로써 상대적으로 낮은 온도에서 작업이 가능하며, 바인더 자체에 공정 형성원소인 젤라틴이 함유되어 부가적인 합금원소 분망의 첨가작업을 생략할 수 있어 제조공정의 단순화와 제조원가를 절감하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 복합 임플란트재는 단순히 표면뿐만 아니라 형성된 기공내로도 콜라겐 섬유 및 뼈세포가 진입되게 되며 일정기간이 경과 후에는 뼈로 전환되어 인산칼슘과 직접 견고히 결합을 형성하게 된다. 따라서, 생체경조직과 임플란트 사이에 표면을 비롯한 기공 내부에서도 화학적, 기계적 결합이 이루어지기 때문에 임플란트 표면에서 화학적 결합에만 의지하던 종전의 임플란트재에 비하여 월등하게 강한 결합력을 함유하게 된다.

즉, 본 발명에 의한 복합 임플란트재는 고강도 및 고인성의 금속 임플란트 모재와 생체내에서 상기 금속 임플란트 모재를 체액과 격리하여 금속 일플란트로부터 금속이온이 용출되는 것을 방지하는 치밀층과, 충분한 기공율과 기공경을 가지는 다공성 표면층으로 인하여 생체내에서 생체경조직의 성장을 유도하고, 생체경조직과 강력하게 결합하여 체내에서 안정성을 도모하는 효과를 지니게 된다.

이하 본 발명의 실시를 위한 실시예를 개시한다. 본 발명의 실시예는 본 발명의 예시에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 사상에서 벗어남이 없이 본 발명의 실시예를 적의 수정, 변경을 할 수 있음은 자명하다.

실시예 1

100 내지 300 마이크로미터의 크기를 가지는 티타늄 또는 티타늄 합금 비드를 준비하고, 바인더로서 젤라틴을 주요 구성물질로 하는 화합물을 혼합한다.

바인더로 사용된 물질은 젤라틴으로서, 물리적 특성은 점성이 강한 Grease이며, 비드와 바인더의 비율은 질량비 1:10으로 한다. 혼합된 바인더와 비드를 상온에서 임플란트 표면에 도포하여 비드와 비드, 비드와 임플란트를 결합시킨 후, 1X10^-3torr의 진공상태에서 400℃를 유지하며 4시간 예비소결을 실시한다.

온도의 승온속도는 20℃/분으로 하였으며, 승온중에 700℃에서 1시간 동안 유지하여 바인더 내의 잔여 휘발성 물질을 제거한다.

예비소결이 완료된 임플란트를 1X10^-5torr의 진공상태에서 1200 내지 1300℃ 온도범위를 유지하여 2 내지 4시간 동안 소결한다.

소결이 완료된 후, 임플란트를 상온에서 냉각하면 임플란트의 표면에는 3차원적으로 서로 연결된 기공이 형성된 다공질의 코팅층이 형성됨을 알 수 있다.

실시예 2

티타늄으로 제조된 인공치근 또는 인공관절의 금속 임플란트 모재 표면을 약 50마이크로미터의 산화알루미늄 입자로 블라스팅하여 표면에 요철을 형성시켜주면서 표면에 부착된 이물질을 깨끗이 제거한다. 블라스팅 처리가 끝난 금속 임플란트 모재 표면에 칼슘:인의 몰비가 1.67인 수산화아파타티트 분말을 플라즈마 용사하여 50마이크로미터 두께의 치밀층을 형성한다. 이어서, 다공성 표면층을 제조하기 위하여 100 내지 200마이크로미터 크기의 알루미늄 분말과 수산화아파타이트 분말을 중량비로 1:4.7이 되도록 혼합분말을 준비하고 플라즈마 코팅하여 약 200마이크로미터 두께의 표면층을 형성하였다. 플라즈마 용사처리가 끝난 임플란트를 0.1몰 농도의 수산화나트륨 용액에 넣고 약 3분간 초음파 처리한다.

알루미늄이 제거된 임플란트를 흐르는 증류수에서 세척한 후, 기공내부에 존재할 수 있는 수산화나트륨용액을 제거하기 위하여 증류수가 담긴 초음파 세척기에 넣고 약 5분간 충분히 세척한다. 다공성 표면층의 기공 내부의 수산화나트륨을 완전히 제거한 후, 복합 임플란트재를 100±5℃ 건조기에 넣고 24시간 건조하여 기공율 30%, 평균기공경 20마이크로미터의 다공성 표면층을 가진 복합 임플란트재를 제 조한다.

Claims (4)

1. 티타늄을 주성분으로 하는 임플란트 표면에 다공질층을 형성하는 방법에 있어서,

   임플란트 표면에 티타늄 또는 티타늄 합금 비드를 젤라틴을 바인더로서 혼합한 후, 도포하여 비드 코팅층을 성형하는 단계와,

   비드 코팅층이 성형된 임플란트를 진공상태에서 예비소결하는 단계와,

   예비소결이 완료된 임플란트를 진공상태에서 소결하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 임플란트 표면의 다공질층의 형성방법.
2. 제 1항에 있어서,

   예비소결은 1X10^-3Torr의 진공상태에서 400℃로 4시간 유지하는 것을 특징으로 하는 임플란트 표면의 다공질층 형성방법.
3. 제 1 또는 제 2항에 있어서,

   소결은 1X10^-5 Torr의 진공상태에서 1200 내지 1300℃의 범위에서 2 내지 4시간 유지하는 것을 특징으로 하는 임플란트 표면의 다공질층 형성방법.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   금속 임플란트 모재에 플라즈마 용사법에 의해 고순도 인산칼슘화합물 분말을 중량비로 1:1.8 내지 1:10.5의 범위로 혼합하여 치밀층위에 플라스마 용사하고, 이어서 이것을 알칼리용액으로 처리하여 상기 알루미늄이 제거된 부위가 기공으로 생성되어 다공질 표면층의 형성방법.