KR20090060833A

KR20090060833A - 양극산화법에 의한 임플란트재료 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20090060833A
Application number: KR1020070127774A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 선두훈; 김용식; 한철민
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단; 주식회사 코렌텍
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-06-15
Also published as: KR100953959B1

Abstract

본 발명에 따른 양극산화법에 의한 임플란트재료 및 그 제조방법이 개시된다.

본 발명에 따르는 양극산화법에 의한 임플란트재료 및 그 제조방법은 임플란트모재의 표면에 양극산화될 수 있는 전자빔증착공정으로 임플란트표면재를 코팅하는 단계 및 상기 임플란트표면재를 전해액에 침지하여 양극산화시키는 단계를 포함하는데, 이에 의할 때 인체의 다양한 부위에 이식되어 우수한 생체 친화성(biocompatibility), 화학적 적합성(chemicalcompatibility) 및 기계적 적합성(mechanical compatibility)을 가지는 임플란트재료를 제공하는 효과가 있다.

임플란트, 전자빔증착

Description

양극산화법에 의한 임플란트재료 및 그 제조방법{Implant material by micro arc oxidation and method of manufacturing thereof}

본 발명은 양극산화법에 의한 임플란트재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 다양한 부위에 이식되어 우수한 생체 친화성(biocompatibility), 화학적 적합성(chemicalcompatibility) 및 기계적 적합성(mechanical compatibility)을 가지는 임플란트재료의 제조방법 및 이에 의한 임플란트재료에 관한 것이다.

일반적으로 임플란트재료는 생체 내에 이식되어 소기의 기능을 발휘하는 생체 이식용 의료기구이다. 따라서 상기 임플란트재료는 생체조직에 대하여 매우 안정적인 생체 친화 재료를 사용하여 부작용이 없고 화학 및 생화학적 반응을 유발하지 않도록 제조되어야 하며, 생체 내에 이식된 후 골과 임플란트재료 사이에 연조직이 개입되지 않고 완전한 골로만 채워져야 하고, 동시에 골결합력이 높아야 한다. 종래에는 금속 임플란트의 골결합력을 증진시키기 위하여, 금속 임플란트의 표면을 거칠게 기계가공하는 기술(US A 5,876,453), 세라믹 입자를 이용하여 블라스팅(blasting)하거나 또는 황산과 염산의 혼합물을 이용하여 표면을 화학적으로 에 칭(etching)하므로써 임플란트 표면을 거칠게 제조하는 기술(US A 5,603,338)이 사용되어 왔다. 최근의 문헌(Sul PhD thesis, Gothenburg Univ. Sweden 2002)에 의하면, 금속 임플란트는 상기와 같은 종래의 기술, 즉 임플란트 표면의 형태적 개선(예: 기계적 결합)에서 벗어나 임플란트 표면의 화학적 성분을 개선시키므로써 골조직과의 생화학적 결합을 촉진하는 기술이 요구된다. 이와 같은 임플란트 표면의 화학적 성분을 개선시키는 방법에는, 골유도성 표면개질로서 세라믹 입자를 고열로 용융하여 임플란트 표면에 분사하는 방법(US 4,145,764), 하이드록시 아파타이트 등의 생체활성 세라믹스 입자를 임플란트 표면에 압입하는 방법(일본특허공개 2001-00452), 뼈성분과 유사한 세라믹을 티타늄(Ti) 임플란트 표면에 개시하는 방법(일본특허공개 1993-057013), 임플란트 외부에 결합력 향상을 목적으로 티탄산 칼슘층을 형성하고 그 위에 골결합력이 우수한 인산칼슘층을 형성하는 방법(일본특허공개 1993-057012) 및 임플란트 표면에 생체친화성 인산칼슘 세라믹스를 용사 피복하고 피복후 가압수 열처리와 분극처리를 행하는 방법(일본특허공개 2003-325553) 등이 이미 공지되어 있다.

또한, 임플란트재료는 반복되는 하중 및 순간적인 압력의 부과에도 변형되거나 파괴되지 않아야 하므로 기계적 강도가 매우 높은 소재로 제조되어야 한다. 상기와 같은 조건을 만족시키기 위하여, 임플란트의 적절한 소재로서 다양한 금속 및 합금이 개발되었다. 그러나, 임플란트재료를 생체 내에 이식한 후 장기간 체내에 넣어두면 체내의 조직액 또는 체액에 의해서나 또는 생체조직체와 접촉이나 마찰로 인하여 생체 내에서 임플란트재료의 금속이온이 용출되는데, 이러한 금속이온의 용 출로 인하여 임플란트재료가 부식되고 생체의 대식세포(macrophage)가 반응하여 염증성 세포 또는 거대세포가 유발되어 인체에 심각한 부작용을 초래하게 된다.

상기와 같은 이유로, 임플란트재료는 생체재료로서 갖추어야 할 조건인 생체 친화성(biocompatibility), 화학적 적합성(chemicalcompatibility), 및 기계적 적합성(mechanical compatibility)을 충족하기 어려운 문제가 있었다.

이의 해결을 위하여, 여러 종류의 바이오 세라믹 등이 개발되었으나, 대부분의 세라믹은 충격에 약하고 가공이 어려워 단독으로 임플란트재료 제조에 이용될 수 없는 문제가 있었다.

이러한 상황에서 현재 임플란트재료 중 가장 많이 사용되고 있는 것은 생체 적합성이 뛰어난 티타늄, 티타늄 합금이다. 티타늄은 가공이 용이할 뿐만 아니라, 다른 금속에 비해 상대적으로 가벼우며 다른 금속과의 합금으로 제조되거나 적절한 처리과정을 거치면 강도가 향상될 수 있고 또한 공기 중이나 수중에서 매우 치밀하고 재형성능력이 뛰어난 산화막을 형성하여 매우 큰 부식저항성을 가지며, 골내에 이식되었을 때 골과 골유착(osteointegration)이 된다는 장점을 가지고 있으나, 인체에 이식되는 부위에 따라 다양한 종류의 임플란트재료로 사용하기 어려운 문제가 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 기술적 과제는 인체의 다양한 부위에 이식되어 우수한 생체 친화성(biocompatibility), 화학적 적합성(chemicalcompatibility) 및 기계적 적합성(mechanical compatibility)을 가지는 임플란트재료의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 두번째 기술적 과제는 인체의 다양한 부위에 이식되어 우수한 생체 친화성(biocompatibility), 화학적 적합성(chemicalcompatibility) 및 기계적 적합성(mechanical compatibility)을 가지는 임플란트재료를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫번째 기술적 과제를 해결하기 위하여,

임플란트모재의 표면에 양극산화될 수 있는 전자빔증착공정으로 임플란트표면재를 코팅하는 단계 및 상기 임플란트표면재를 전해액에 침지하여 양극산화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 임플란트모재는 티타늄, 티타늄합금, 스테인리스 스틸 또는 코발트-크롬합금일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 임플란트표면재는 상기 전자빔증착공정 시에 타켓으로 이용되어 증착되는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 임플란트표면재는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 또는 니오비움(Nb)을 포함할 수 있다.

아울러, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전자빔증착공정은 전자빔증착 전류가 100 내지 150㎃일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전자빔증착공정은 전자빔증착 속도가 1 내지 1.5Å/s일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 양극산화는 인가전압이 270V 내지 350V일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 양극산화는 칼슘(Ca), 인(P)을 포함하는 전해액에서 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전해액은 하이드록시 아파타이트 용액, 칼슘용액 및 인산용액으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전해액은 그 온도가 25℃ 내지 300℃일 수 있다.

본 발명의 두번째 기술적 과제를 해결하기 위하여,

상기 제조방법에 기재된 제조방법에 의하여 제조되는 임플란트재료를 제공한다.

또한, 인체에 이식되는 임플란트모재 및 상기 임플란트모재의 표면에 도포되는 복수개의 기공을 가진 임플란트표면재를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화 법에 의한 임플란트재료를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 복수개의 기공에는 칼슘(Ca), 인(P)이 함유될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 임플란트모재는 티타늄, 티타늄합금, 스테인리스 스틸 또는 코발트-크롬합금일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 임플란트표면재는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 또는 니오비움(Nb)을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 임플란트표면재의 두께는 3㎛ 내지 10㎛일 수 있다.

이하에서는 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 따르는 양극산화법에 의한 임플란트재료 및 그 제조방법은 우수한 생체 친화성(biocompatibility), 화학적 적합성(chemicalcompatibility) 및 기계적 적합성(mechanical compatibility)이 우수하여 인체의 다양한 부위에 이식될 수 있는 특징이 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 통하여 설명하게 되나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

본 발명에 따르는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법은 임플란트모 재의 표면에 양극산화될 수 있는 전자빔증착공정으로 임플란트표면재를 코팅하는 단계 및 상기 임플란트표면재를 전해액에 침지하여 양극산화시키는 단계를 포함하는 특징이 있다.

먼저, 임플란트모재의 표면에 양극산화될 수 있는 전자빔증착공정으로 임플란트표면재를 코팅하는 단계를 보면, 종래에 일반적으로 사용되는 임플란트모재로서의 티타늄은 인체의 다양한 부위에 사용하기 어려운 문제가 있어서 티타늄이나 티타늄합금이외에 임플란트모재를 사용한다. 여기서, 상기 티타늄이나 티타늄합금이 적용가능한 인체의 부위에 이를 이용할 수 있음은 물론이다.

상기 임플란트표면재를 임플란트모재에 코팅하기 위하여 특별한 방법으로 제한할 것은 아니나, 바람직하게는 전자빔증착공정을 이용할 수 있다. 상기 전자빔증착공정은 전자빔증착장비 내에 위치한 타겟에 전자빔을 조사하여 증착모재가 되는 기재(substrate)에 타겟의 금속을 증착하는 방법으로서, 융점이 높은 금속이라도 용이하게 증착할 수 있으며 동시에 치밀하고 균일한 박막을 증착할 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 임플란트모재는 티타늄, 티타늄합금, 스테인리스 스틸 또는 코발트-크롬합금을 사용할 수 있는데, 상기 티타늄이나 티타늄합금은 인체의 일정 부위에 이용될 수 있는 한계(예를 들어, 강도(strength))가 있는 경우에 스테인리스 스틸 또는 코발트-크롬합금을 이용한다.

상기 코발트-크롬합금은 코발트(Co) 및 크롬(Cr)이 혼합된 금속(alloy)뿐만 아니라, 여기에 불순물 예컨대, Mo, W, Ni, Mn, C, Si 및 Fe으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 스테인리스 스틸은 일반적으로 서스(SUS)를 의미하는 것으로 철(Fe)에 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 니오비움(Nb) 및 질소(N)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나가 함유된 것을 의미한다.

한편, 상기 임플란트모재에 임플란트표면재를 코팅하는 경우에 전자빔증착공정에서 코팅하고자 하는 임플란트표면재를 타켓으로 배치한다. 예컨대, 상기 임플란트표면재에 티타늄을 코팅하고자 하면 티타늄을 타켓으로 배치한다. 이는 도 1을 통하여 설명한다.

도 1은 일반적인 전자빔증착공정을 모식적으로 나타낸 그림이다. 도 1을 참조하면, 진공챔버의 내부(130)에 전자빔소스(100)와 타켓(120)을 볼 수 있다. 한편, 타켓(120)의 상부에는 임플란트모재(140)가 배치되어 있는데, 상기 전자빔소스(100)로부터 발생되는 전자빔(110)이 타켓(120)에 조사되어 타켓에서는 이를 이루는 금속이온이 진공챔버의 내부 상측에 배치된 임플란트모재(140)를 향하여 그 표면에 코팅된다.

상기 전자빔(110)은 전자빔증착 전류가 100 내지 150㎃에서 발생할 수 있는데, 만일 100㎃ 미만이면, 에너지가 너무 작아서 전자빔이 적게 생성되어 증착되는 속도가 매우 낮아 공정적으로 비효율적이 될 수 있으며, 반대로 150㎃를 초과하면, 타겟이 넘쳐흘러(overflowing) 결과적으로 전자빔증착장비의 내구성을 저감시킬 수 있다.

또한, 상기 전자빔증착공정은 전자빔증착 속도가 1 내지 1.5Å/s일 수 있는데, 만일 전자빔증착 속도가 1Å/s 미만이면, 증착되는 금속이온의 양이 너무 적어서 공정비효율적이며, 반대로 전자빔증착 속도가 1.5Å/s를 초과하면, 증착되는 금속이온이 적층될 때 균일성(uniformity)이 저감되는 문제가 생길 수 있다.

또한, 상기 임플란트표면재는 양극산화될 수 있는 재질이면 특별하게 제한될 것은 아니나, 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 또는 니오비움(Nb)일 수 있다.

다음으로, 상기 임플란트표면재를 전해액에 침지하여 양극산화시키는 단계를 살펴보면, 임플란트표면재에 코팅된 임플란트표면재에 복수개의 기공(porosity)을 형성시키기 위하여 양극산화시키는 단계이다. 이를 도 2를 통하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따르는 제조방법의 양극산화를 모식적으로 나타낸 그림이다. 도 2를 참조하면, 전해조(230)내부에 전해액(200)이 주입되어 있으며, 캐소드전극(210) 및 애노드전극(220)이 침지되어 있다.

상기 애노드전극(220)으로는 위에서 설명된 임플란트모재에 코팅된 임플란트표면재를 사용하고, 상기 캐소드전극(210)에는 통상의 보조전극을 사용하는데, 예를 들면 백금(Pt), 은(Ag) , 티타늄 또는 탄소 등을 이용할 수 있다.

또한, 상기 전극들(210, 220)에 전압을 인가함으로써 임플란트표면재에서 절연파괴의 불꽃방전이 일어나며, 이로 인하여 양극 표면이 다공질화되게 되는데, 이때 인가되는 전압은 270V 내지 350V일 수 있으며, 만일 인가전압이 270V 미만이면, 불꽃방전이 어려워 다공질화가 진행되지 않을 수 있으며, 만일 350V를 초과하면, 전자의 방전이 너무 커져서 양극 표면에 균열(crack)과 같은 불량이 발생될 수 있 다.

본 발명에서 절연파괴를 일으키는 전압을 유지해주는 이유는 양극의 산화피막층에 불꽃방전을 유도하고, 이에 따라 피막층이 파괴됨으로써 피막층 표면을 다공질화시키게 된다. 이렇게 다공질화된 산화피막층은 골조직과 요철구조에 의한 기계적 결합이 가능하게 한다.

상기 절연파괴에 의하여 생성되는 산화피막층은 예를 들어, 티타늄이 산화되는 경우라면, 이산화티탄(TiO₂)층이 형성되는 것인데, 먼저 티타늄(Ti)은 기본적으로 매우 얇은 부동태막 형상을 하는데, 이 부동태막 내에서는 이온의 전도나 전자의 이동이 매우 어려운 구조이나 외부에서 전압을 인가해줌으로써 이동이 가능하게 된다. 인가된 전압이 크면 클수록 티타늄(Ti)이 이온화가 잘 되어 녹아나가며 산소와 만나 산화물이 되는 반응이 일어나며 지속되는 시간에 따라 부동태막이 두꺼워 지게 된다. 그러다가 일정 두께가 되면 인가된 전압만으로는 더 이상 이온 및 전자의 이동이 막히게 되고, 일정 전압 이상에서는 불꽃(arc)을 일으키며 산화막이 파괴되어 순간적인 전류의 흐름을 가능하게 하는 반응이 일어난다. 그리고 곧 두터운 산화막이 생기게 되어 반응이 종결된다. 상기 반응이 티타늄 전체에 연속적으로 일어나게 되면서 티타늄표면에 거칠고 다공성인 산화막을 가지게 된다. 이런 반응 과정중에서 국부적으로 불꽃에 의한 상당히 고온이 형성되므로 결정성을 가지는 산화막을 얻게 되며, 전해액의 이온들을 산화막 내로 장입하기도 한다.

한편, 상기 전해액(200)은 칼슘(Ca), 인(P)을 포함하는 전해액인 한 특별하 게 제한할 필요가 없는데, 상기 인산과 칼슘이 포함되기 때문에, 양극산화공정을 통하여 임플란트표면재에 흡착되어서 사람에게 이식되면 여러 부위의 뼈와 그 성분이 유사하여 우수한 생체적합성(biocompatibility)을 갖는다.

또한, 상기 전해액은 하이드록시 아파타이트 용액, 칼슘용액 및 인산용액으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

아울러, 상기 칼슘은 칼슘이온(Calcium ion)의 형태로 전해액에 존재하는 한 특별하게 한정하여 사용할 것은 아니나, 칼슘 아세테이트 모노하이드레이트(calcium acetate monohydrate(CH₃COO)₂Ca^.H₂O, CA)), 칼슘 아세테이트 하이드레이트(calcium acetate hydrate), 칼슘 아세테이트(calcium acetate) 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 인산은 인산이온(Phosphate ion)의 형태로 존재하는 한 특별하게 제한할 것은 아니나, β-글리세로포스페이트 디소디움 솔트 펜타하이드레이트(β-glycerophosphate disodium salt pentahydrate (C₃H₇Na₂O₆P^.5H₂O, β-GP)), 글리세롤 포스페이트 칼슘 솔트(glycerolphosphate calcium salt), 글리세로포스페이트 디소디움 솔트 하이드레이트(glycerophosphate disodium salt hydrate) 또는 DL-a-글리세롤포스페이트 디소디움 솔트(Glycerolphosphate disodium salt)를 선택적으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전해액은 그 온도가 25℃ 내지 300℃일 수 있다. 만일, 25℃ 미만이면, 전해이온들의 활성도(activity)가 낮아져서 반응속도론적(kinetic)으로 불리할 수 있으며, 만일 300℃를 초과하면, 제조에너지 투하가 과해지는 문제가 생길 수 있다.

또한, 앞서 살펴본 제조방법에 의하여 제조되는 임플란트재료는 내부에 임플란트모재를 구비하고 표면에는 복수개의 기공을 가지는 임플란트표면재로 구성된다. 즉, 인체에 이식되는 임플란트모재 및 상기 임플란트모재의 표면에 도포되는 복수개의 기공을 가진 임플란트표면재를 포함한다.

상기 임플란트재료는 도 3을 통하여 명확하게 살펴볼 수 있다.

도 3은 본 발명에 따르는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 주사전자현미경사진이다. 도 3을 참조하면, 상기 임플란트재료의 표면에 복수개의 기공이 분포함을 알 수 있다.

앞서 본 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법에서 상기 양극산화는 칼슘(Ca), 인(P)이 함유 전해액에서 일어나는 공정인 관계상 상기 복수개의 기공에는 칼슘, 인이 포함된다.

또한, 상기 임플란트모재는 티타늄, 티타늄합금, 스테인리스 스틸 또는 코발트-크롬합금일 수 있는데, 이에 대한 상세한 설명은 앞서 본 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법에서 설명한 바와 동일 또는 유사하여 이를 생략한다.

아울러, 상기 임플란트표면재는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 또는 니오비움(Nb)을 포함할 수 있는데, 이에 대한 설명 역시 앞서 본 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법에서 설명한 바와 동일 또는 유사하여 이를 생략한다.

한편, 상기 임플란트표면재의 두께는 3㎛ 내지 10㎛일 수 있는데, 만일 3㎛ 미만이면, 통상 자연적으로 형성되는 산화피막 두께보다 얇아서 기술적 재현성이 떨어질 수 있으며, 만일 10㎛를 초과하면, 상기 임플란트표면재의 취성이 강하게 되어 인체내에 장기간 이식되어 있는 경우에 균열, 박리 등을 일으켜 인체이물반응의 원인이 될 수 있으므로 바람직하지 않다.

본 발명에 따르는 임플란트재료의 제조방법은 인체의 다양한 부위에 이식되어 우수한 생체 친화성(biocompatibility), 화학적 적합성(chemicalcompatibility) 및 기계적 적합성(mechanical compatibility)을 가지는 임플란트를 제조하는 효과가 있다.

본 발명에 따르는 임플란트재료는 인체의 다양한 부위에 이식되어 생체 친화성(biocompatibility), 화학적 적합성(chemicalcompatibility) 및 기계적 적합성(mechanical compatibility)이 우수한 효과가 있다.

본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

실시예 1

진공챔버 내부의 압력을 약 5x10^-7Torr로 유지하고, 진공챔버의 내부 하측에 타겟으로 티타늄을 2cm× 2cm× 2mm의 크기로 준비하여 배치하였는데, 진공챔버에 투입전에 100번 사포로 갈아 내어 불순물을 제거하고, 초음파로 세척하였다. 다음으로, 임플란트모재를 코발트-크롬을 1cm× 1cm× 2mm의 크기로 준비하여 진공챔버의 내부 상측에 거치하였다. 티타늄 타켓에서는 티타늄이온이 1Å/s의 속도로 임플란트모재의 표면에 적층되어 3㎛두께의 티타늄층이 코팅되었다. 여기서 티타늄 타겟에 조사된 전자빔을 발생시키기 위하여 전자빔증착 전류를 100 내지 150㎃로 변화시키며 9시간동안 인가하였는데, 이는 상기 1Å/s의 속도가 시간이 감에 따라 떨어져 이를 유지하기 위하여 전류값을 올릴 필요가 있었기 때문이다. 다음으로, 0.15mol 칼슘아세테이트(Calcium acetate)와 0.02mol 칼슘글리세로포스페이트(Calcium glycerophosphate)를 증류수에 녹인 전해액을 준비하여 티타늄층이 적층된 임플란트모재를 양극전극으로, 티타늄을 음극전극으로 상기 전해액에 침지하여 듀티(duty) 60%, 주파수(frequency) 660Hz, 정전압 270V 및 전압인가시간 3분의 양극산화 조건하에서 임플란트재료를 제조하였다.

실시예 2

전자빔을 발생시키기 위하여 티타늄 타켓에서는 티타늄이온이 1Å/s의 속도로 15시간동안 임플란트모재의 표면에 적층되어 5㎛ 두께의 티타늄층이 코팅되었고, 양극산화 조건에서 정전압을 300V로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 임플란트재료를 제조하였다.

실시예 3

전자빔을 발생시키기 위하여 티타늄 타켓에서는 티타늄이온이 1Å/s의 속도로 30시간동안 임플란트모재의 표면에 적층되어 10㎛ 두께의 티타늄층이 코팅되었고, 양극산화 조건에서 정전압을 350V로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 임플란트재료를 제조하였다.

실험예

본 발명에 따르는 실시예에 의한 임플란트재료를 주사전자현미경(SEM JEOL-5600, Tokyo, Japan)으로 관찰하였고, 절단면의 관찰 및 성분 분석은 EDS기능이 있는 주사전자현미경(SEM JEOL-6360, Tokyo, Japan)으로 관찰하였다. 또한, 상분석은 X선회절분석기(XRD, M18XHF-SRA, Mac Science Co., Yokohama, Japan)를 이용하여 관찰하였다. 본 발명에 의한 생체적합성의 평가는 MC3T3 세포(쥐의 조골세포)를 이용한 세포의 부착, 증식, 분화를 각각 전자현미경 사진, 시약 MTS(3 - (4,5 - dimethylthialzol - 2 - yl) - 5 - (3- carboxymethoxyphenyl) - 2 - (4 - sulfophenyl) - 2H - tetrazolium, inner salt), 효소 ALP(Alkaline Phosphatase)를 이용하여 평가하였다. 여기서 상기 조골세포는 아직은 뼈를 이루는 세포로 분화가 되지는 않았으나, 분화유도촉진제에 의해 뼈세포로 분화 될 수 있는 가능성을 지니고 있는 세포를 말한다.

임플란트재료의 상(phase)확인

도 4는 본 발명에 따르는 실시예 1에 의하여 제조된 임플란트재료의 X선회전 분석그래프이다. 도 4를 참조하면,

로 표시된 피크(peak)는 티타늄에 해당되는 각도이고,

로 표시된 피크는 아나타제(anatase) 상에 해당된다.

로 표기된 피크는 티타늄(Ti)층에 해당되는 것으로 층의 특성상 벌크(bulk) 상태의 피크하고는 세기(intensity)의 비가 다르지만, 주요 피크들과는 동일한 위치에 있음을 알 수 있다.

임플란트재료의 단면 확인

도 5a 및 5b는 각각 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 단면에 대하여 이차전자사진 및 후방산란전자사진이다. 도 5a 및 b를 참조하면, 임플란트모재인 코발트-크롬합금의 표면에 임플란트표면재인 티타늄 및 양극산화에 의한 산화층을 볼 수 있다. 여기서 후방산란전자사진의 원리를 간단하게 보면, 상기 후방산란전자사진은 원소의 원자량이 클수록 더 밝게 표현되는 특징이 있는데, 본 발명에 따르는 임플란트재료는 임플란트모재나 임플란트표면재의 산화층의 경우 각각을 구성하는 원소의 원자량의 평균으로 나타나게 되는데, 실시예에서 나타나는 임플란트표면재의 티타늄 산화막이 제일 가벼우며, 티타늄, 코발트-크롬의 순으로 원자량이 커진다. 따라서, 티타늄산화막이 제일 어둡게 나타나며 코발트-크롬 합금이 제일 밝게 보이는 것을 확인할 수 있다. 이를 볼 때 코발트-크롬의 상부에 티타늄 및 티타늄산화층이 차례로 적층되어 있음을 알 수 있다.

세포부착력 확인

도 6은 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 표면에 세포를 부착하여 각각 20㎛, 100㎛로 확대하여 촬영한 사진이다. 도 6을 참조하면 세포부착이 우수함을 알 수 있는데, 세포부착 실험에서는 부착된 세포의 퍼져있는 모양을 관찰하는 것이 중요하다. 즉, 잘 퍼져 있다는 것은 세포질이 넓게 펼쳐져 있어 마치 발을 이곳저곳으로 뻗은 모양이 되는 것이기 때문이다.

세포의 증식정도 확인

도 7은 임플란트모재 및 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 표면에 MC3T3 세포를 증식시키고 여기에 490nm의 빛을 조사하여 흡수되는 정도를 측정기록한 그래프이다. 도 7을 참조하면, MC3T3 세포를 임플란트모재 및 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 표면에 붙여 배지에 담구어 5일간 증식시켰는데, 세포내의 미토콘드리아의 물질대사 활동에 의하여 MTS가 환원되어 보라색의 포마즌이 생성되고 이 포마즌의 양은 세포의 양과 비례되는 관계가 있다. 따라서, 포마즌이 490㎚의 빛을 흡수하는 정도가 세포의 양을 나타내는 척도가 되는 것이다. 따라서, 도 7을 참조하면, 임플란트모재보다 본 발명에 따른 임플란트재료상에서의 세포 증식정도가 약 10% 정도 우수함을 알 수 있다.

세포의 분화정도 확인

도 8은 임플란트모재 및 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 표면에 MC3T3 세포를 분화시키고 여기에 405㎚의 빛을 조사하여 흡수되는 정도를 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다. 이는 MC3T3 세포를 임플란트모재 및 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 표면에 올려 배지에 담가 10일간 증식시킨 것인데, 이때 분화유도제로 아스코르브산(ascorbic acid)을 첨가하여 세포의 분화정도를 관찰하였다. MC3T3세포가 경조직 세포로 분화되는 형성되는 ALP의 양을 측정하는 것으로, 10일이 지난 후 각 시편에서 단백질을 걷어내어 동일한 농도로 맞추고 pNPP와 반응 시킨 후 405nm의 빛으로 흡광도를 측정하여 결과를 관찰하였다. 결과적으로 임플란트모재보다 본 발명에 따른 임플란트재료상에서의 세포 분화정도가 약 16% 정도 우수함을 알 수 있다.

도 1은 일반적인 전자빔증착공정을 모식적으로 나타낸 그림이다.

도 2는 본 발명에 따르는 제조방법의 양극산화를 모식적으로 나타낸 그림이다.

도 3은 본 발명에 따르는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 주사전자현미경사진이다.

도 4는 본 발명에 따르는 실시예 1에 의하여 제조된 임플란트재료의 X선회전분석그래프이다.

도 5a 및 5b는 각각 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 단면에 대하여 이차전자사진 및 후방산란전자사진이다.

도 6a 및 6b는 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 표면에 세포를 부착하여 각각 20㎛, 100㎛로 확대하여 촬영한 사진이다.

도 7은 임플란트모재 및 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 표면에 MC3T3 세포를 증식시키고 여기에 490nm의 빛을 조사하여 흡수되는 정도를 측정기록한 그래프이다.

도 8은 임플란트모재 및 실시예 3에 의하여 제조된 임플란트재료의 표면에 MC3T3 세포를 분화시키고 여기에 405㎚의 빛을 조사하여 흡수되는 정도를 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims

임플란트모재의 표면에 양극산화될 수 있는 전자빔증착공정으로 임플란트표면재를 코팅하는 단계; 및

상기 임플란트표면재를 전해액에 침지하여 양극산화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 임플란트모재는 티타늄, 티타늄합금, 스테인리스 스틸 또는 코발트-크롬합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 임플란트표면재는 상기 전자빔증착공정 시에 타켓으로 이용되어 증착되는 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 임플란트표면재는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 또는 니오비움(Nb)을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 전자빔증착공정은 전자빔증착 전류가 100 내지 150㎃인 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 전자빔증착공정은 전자빔증착 이온량이 1 내지 1.5Å/s인 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 양극산화는 인가전압이 270V 내지 350V인 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 7 항에 있어서,

상기 양극산화는 칼슘(Ca), 인(P)을 포함하는 전해액에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 8 항에 있어서,

상기 전해액은 하이드록시 아파타이트 용액, 칼슘용액 및 인산용액으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 9 항에 있어서,

상기 전해액은 그 온도가 25℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료의 제조방법.
제 1 항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의하여 제조되는 임플란트재료.
인체에 이식되는 임플란트모재; 및

상기 임플란트모재의 표면에 도포되는 복수개의 기공을 가진 임플란트표면재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료.
제 12 항에 있어서,

상기 복수개의 기공에는 칼슘(Ca), 인(P)이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료.
제 12 항에 있어서,

상기 임플란트모재는 티타늄, 티타늄합금, 스테인리스 스틸 또는 코발트-크롬합금으로 이루어진 것을 특징으로 양극산화법에 의한 임플란트재료.
제 12 항에 있어서,

상기 임플란트표면재는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 또는 니오비움(Nb)을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료.
제 12 항에 있어서,

상기 임플란트표면재의 두께는 3㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 양극산화법에 의한 임플란트재료.