KR20090123620A

KR20090123620A - 표면 거칠기가 향상된 생체활성 코팅층 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20090123620A
Application number: KR1020080049781A
Authority: KR
Inventors: 박동수; 한병동
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-02
Also published as: KR100989451B1

Abstract

본 발명은 표면 거칠기가 향상된 생체활성 코팅층 및 이의 제조방법에 관한것으로, 구체적으로는 본 발명에 따른 코팅층은 입자의 크기, 입도분포 및 코팅층의 두께를 조절하여 거칠기가 향상되었고, 거칠기가 향상됨으로써 코팅층의 표면적이 증가하여 세포증식률이 증가하고, 주변 뼈 조직과의 기계적 결합력이 향상되어 생체 친화도가 높은 생체재료로 유용하게 사용할 수 있다.

생체활성 코팅층, 표먼 거칠기, 표면적, 입도분포

Description

표면 거칠기가 향상된 생체활성 코팅층 및 이의 제조방법{Bio active ceramic coatings improved surface roughness}

본 발명은 입자의 크기 및 입도분포를 제어하여 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

종래 금속 인공 보철물(임플란트) 표면에 수산화인회석과 같은 생체 활성 세라믹 코팅층을 형성시켰을 경우, 생체내에서 생체 활성 세라믹 코팅층은 뼈와 같은 경조직에 강하게 결합하여 생체적합성과 골유착도를 향상시킴으로써 임플란트의 안정성을 향상시킬 수 있다.

생체 활성 세라믹이 코팅된 임플란트의 생체 적합성은 코팅된 재료와 재료의 표면 특성과 밀접한 관계가 있으며, 특히 코팅층의 표면 거칠기가 증가하면, 표면적이 증가하여 더 많은 세포가 부착, 증식, 분화하여 더 많은 골 형성을 유도하여 생체적합성이 향상되며, 기계적인 결합력 또한 향상되어 임플란트와 뼈와의 고정이 더 강하게 된다.

종래의 임플란트 표면 거칠기를 제어하는 방법으로는 기계적 방법, 화학적 방법, 생체 활성 세라믹 코팅법 등으로 나눌 수 있다.

대표적인 기계적 방법은 샌드 블라스팅(Sand-blasting)법으로서, 경도가 높은 입자를 고속으로 티타늄과 같은 금속 임플란트 표면에 분사함으로써 금속 임플란트 표면을 거칠게 만드는 방법이다.

화학적 방법은 산 혹은 알카리를 이용하여 금속 임플란트 표면을 에칭(etching)하여 표면을 거칠게 만드는 방법이다.

그러나, 상기 두 방법 모두 단순히 금속 임플란트의 표면을 거칠게 하는 방법으로 표면 거칠기를 높여서 생체 적합성을 향상시켰어도 금속 임플란트 자체의 부식이나 금속 이온의 생체내로의 방출 등의 근본적인 문제점이 있다.

생체 활성 세라믹 코팅법은 금속 임플란트 표면에 이미 상용화되어 있는 플라즈마 스프레이법을 사용하여 생체 활성 세라믹을 코팅함으로써 임플란트 표면 거칠기를 향상시켜 주는 방법으로, 상기 기계적·화학적인 방법에서 발생되는 금속 임플란트 자체의 부식이나 금속 이온의 생체내로의 방출등의 문제점은 해결할 수 있으나, 표면 거칠기를 자유롭게 제어할 수 없다는 문제점과 함께 코팅층과 금속 임플란트 사이에 밀착력이 10 MPa 이하로 매우 낮다는 단점이 있다.

최근에 개발된 상온 진공 분말 분사 코팅법(혹은 에어로졸 증착법)은 세라믹 미립 분말을 금속 혹은 세라믹 기판위에 분사하여 치밀하고 밀착력이 우수한 코팅 층을 제조하는 방법으로서, 특히 코팅층 제조에 사용되는 분말의 특성 및 입도분포 등이 최종 코팅층의 치밀도 및 표면 특성에 큰 영향을 줄 수 있어, 상기 특성 제어를 통해 표면거칠기가 서로 다른 코팅층을 제조할 수 있다.

본 발명의 목적은 입자의 크기 및 입도분포를 제어하여 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 입자의 크기 및 입도분포를 제어하여 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층 및 이의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 코팅층은 입자의 크기, 입도분포 및 코팅층의 두께를 조절하여 거칠기가 향상되었고, 거칠기가 향상됨으로써 코팅층의 표면적이 증가하여 세포증식률이 증가하고, 주변 뼈 조직과의 기계적 결합력이 향상되어 생체 친화도가 높은 생체재료로 유용하게 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 입자의 크기 및 입도분포를 제어하여 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층을 제공한다.

상기 코팅층은 향상된 거칠기로 인해 코팅층의 표면적이 증가하여 세포증식률이 증가하고, 기존의 주변 뼈 조직과의 기계적 결합력이 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 코팅층에 있어서, 상기 세라믹 코팅층 입자는 수산화인회석, 불소 함유 수산화인회석, 삼인산칼슘, 바이오글래스 중 1종 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있다.

이때, 상기 입자크기는 0.2 - 25 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 입자크기가 0.2 ㎛미만이면 압분체(powder compact)를 형성하는 문제가 있고, 25 ㎛를 초과하면 코팅층을 형성하지 못하는 문제가 있다.

본 발명에 따른 코팅층에 있어서, 상기 입도분포는 2 ㎛ 크기 미만의 입자가전체 입자에 대하여 차지하는 체적 비율로 50 - 60%, 2 - 25 ㎛ 크기의 입자가 40 - 50%으로 분포하는 것이 바람직하다. 상기 2 ㎛ 크기 미만의 입자가 50% 미만이면 코팅층의 거칠기가 저하되는 문제가 있으며, 2 ㎛ 크기 미만의 입자가 60%를 초과하면 압분체를 형성하는 문제가 있다.

본 발명에 따른 세라믹 코팅층의 거칠기는 코팅층의 두께가 증가함에 따라 증가될 수 있다.

거칠기가 향상된 코팅층은 분말 입도 조절을 통해 1 ㎛의 얇은 막 두께에서 도 거친 표면거칠기를 나타냈으며, 표면이 거친 코팅층위에 연속적으로 코팅층이 형성됨으로써 거친 표면을 따라 증착이 이루어지므로 막 두께가 두꺼워짐에 따라 표면거칠기가 증가하기 때문에 그 두께가 증가함에 따라 거칠기가 증가하여, 거칠기가 향상될 수 있다.

이때, 상기 코팅층의 두께에는 제한이 없으며, 0.1 ㎛의 박막에서부터 수십 ㎛ 이상의 후막에서도 거친 표면 거칠기를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 극미세 입자들로 이루어진 생체 활성 세라믹 분말을 열처리하는 단계(단계 1) 및 상기 단계 1에서 열처리된 세라믹 분말을 상온의 진공 분위기에서 반송가스를 이용하여 노즐을 통해 금속재료, 또는 세라믹 재료표면에 코팅하는 단계(단계 2)를 포함하는 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 생체활성 세라믹 코팅층의 제조방법에 있어서, 단계 1은 극미세 입자들로 이루어진 생체 활성 세라믹 분말을 열처리하는 단계이다.

상기 단계 1은 열처리를 통해 약 12 nm의 직경을 갖는 극미세 입자들을 마이크로 직경을 갖는 세라믹 분말로 제조하는 단계로 900 - 1,080 ℃에서 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도가 900 ℃ 미만이면 코팅시 압분체를 형 성하는 문제가 있고 1,080 ℃를 초과하면 2 - 25 ㎛ 크기의 입자 비율이 증가하여 코팅층의 거칠기가 개선되지 않는 문제가 있다.

본 발명에 따른 생체활성 세라믹 코팅층의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 열처리된 세라믹 분말을 상온의 진공 분위기에서 반송가스를 이용하여 노즐을 통해 금속재료, 또는 세라믹 재료표면에 코팅하는 단계이다.

상기 단계 2는 마이크론 크기로 열처리된 세라믹 분말을 에어로졸 증착법을 이용하여 상온의 진공 분위기에서 기판에 분사하는 단계로 치밀하고 밀착력이 우수한 코팅층을 제조할 수 있다.

상기 단계 2의 진공은 0.1 - 10 torr인 것이 바람직하다. 상기 진공범위에서만 치밀도가 95%이상, 바람직하게는 95 내지 100%로 형성될 수 있기 때문이다.

상기 단계 2에서 세라믹 분말을 노즐로 이동시키는 반송가스는 산소, 질소, 헬륨, 아르곤 또는 공기를 사용할 수 있으나 가스의 특성에 의해 가스의 종류에 따른 코팅층의 특성의 변화는 거의 없으므로 이에 제한되지 않는다. 이때, 상기 단계 2의 반송가스는 0.1 - 50 ℓ/분으로 주입되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 거칠기가 향상된 수산화인회석 코팅층의 제조

단계 1. 세라믹 입자 제조

상업적으로 구입가능한 평균입경이 12 nm인 수산화 인회석 분말을 1050 ℃에서 2 시간동안 공기중에서 열처리하여 평균입경 2.04 ㎛인 분말을 제조하였고, 이의 입도 분포를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와같이, 도 2에 나타낸 바와 같이, 2 ㎛ 미만의 크기를 갖는 입자가 전체 입자에 대하여 체적 비율로 약 52%를 차지하고 있음을 알 수 있다.

단계 2. 수산화 인회석 코팅층 제조

상기 단계 1에서 제조된 수산화인회석 분말을 도 1의 분말 분산통에 넣고 상하로 흔들어 주면서 분산통 바닥면에 만들어진 가스입구를 통하여 산소를 1분당 30리터씩 공급하였다. 분말 분산통에 공급된 산소를 통해 공중에 분산된 수산화인회석 분말입자들은 진공실내의 노즐부까지 투입시켰고, 0.5 mm × 5 mm크기의 노즐을 통하여 피코팅재인 금속 티타늄 기판(증착면적 5 X 12 mm)에 각각 3초, 9초, 15초, 30초으로 분사하여 1 ㎛, 3 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛의 두께를 갖는 수산화 인회석 코팅층을 제조하였다. 이때, 진공실 내의 진공도는 1 torr이었으며 노즐과 기판 사이의 거리는 5 mm으로 하였다.

상기 실시예 1에서 제조된 코팅층의 표면을 주사전자현미경으로 관찰하여 도 3 - 6에 나타냈으며, 표면 거칠기 측정장비(MarSurf XR20)로 측정한 각 코팅층의 표면 거칠기 R_a값을 도 7에 나타냈다.

도 3 - 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 코팅층은 코팅층의 두께가 증가함에 따라 코팅층의 표면 거칠기가 향상되는 것을 확인하였다.

< 비교예 1> 수산화인회석 코팅층의 제조

단계 1. 세라믹 입자 제조

상업적으로 구입가능한 평균입경이 12 nm인 수산화 인회석 분말을 1100 ℃에서 2 시간동안 공기중에서 열처리하여 평균입경 2.42 ㎛인 분말을 제조하였고, 이의 입도 분포를 도 8에 나타내었다.

도 8에 나타낸 바와같이,2 ㎛ 미만의 크기를 갖는 입자가 전체 입자에 대하여 체적 비율로 약 44%를 차지하고 있음을 알 수 있다.

단계 2. 수산화 인회석 코팅층 형성

상기 단계 1에서 제조된 수산화인회석 분말을 도 1의 분말 분산통에 넣고 상하로 흔들어 주면서 분산통 바닥면에 만들어진 가스입구를 통하여 산소를 1분당 30리터씩 공급하였다. 분말 분산통에 공급된 산소를 통해 공중에 분산된 수산화인회석 분말입자들은 진공실내의 노즐부까지 투입시켰고, 0.5 mm × 5 mm크기의 노즐을 통하여 피코팅재인 금속 티타늄 기판에 각각 3초, 30초로 분사하여(증착면적 5 X 12 mm) 두께가 1, 10 ㎛인 코팅층을 제조하였다.

<비교예 2> 수산화인회석 코팅층의 제조

상기 비교예 1의 단계 1에서 1200 ℃에서 열처리한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 수행하여 제조하였다. 상기 비교예 2의 평균 직경은 2.77 ㎛로, 평균 입경이 증가하는 것을 확인하였다.

상기 비교예 1에서 제조된 코팅층의 표면을 주사전자현미경으로 관찰하여 도 9 - 10에 나타냈으며, 표면 거칠기 측정장비(MarSurf XR20)로 측정한 각 코팅층의 표면 거칠기를 도 11에 그래프로 나타내었다.

도 9 - 10에 나타낸 바와같이, 비교예 1은 도 3 - 도 6에 나타낸 실시예 1보다 거칠기가 저하된 것을 확인할 수 있었다.

도 11에 나타낸 바와같이, R_a값은 각각 0.52, 0.55 ㎛으로 실시예 1의 1㎛ 두께를 갖는 코팅층보다 낮은 거칠기를 갖고 있은 것을 확인하였다.

상기 도 9 - 11을 통하여, 2 ㎛ 미만의 크기를 갖는 입자가 전체 입자에 대하여 체적 비율로 50% 미만을 차지하고 있는 분말을 사용하여 증착한 세라믹 코팅층의 경우, 자체 거칠기가 낮을 뿐만 아니라, 코팅층의 두께가 증가하더라도 표면 거칠기의 변화가 개선되지 않는 것을 확인하였다.

상기 열처리 온도에 따른 수산화 인회석 분말의 입자분포를 도 12에 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와같이, 실시예 1은 ~ 2㎛크기의 분말입자 분율이 비교예 1 및 비교예 2보다 높은 것을 확인하였다. 이를 통해, ~ 2㎛크기의 분말입자 분율이 높은 실시예 1이 비교예 1 내지 비교예 2보다 높은 거칠기를 갖는 것을 알 수 있다.

<비교예 3> 상용 티타늄 기판

수산화 인회석 코팅층이 형성되지 않은 사용 티타늄 기판을 사용하였다.

<실험예 1> 거칠기가 다른 수산화인회석 코팅층의 세포 증식율 평가

거칠기가 다른 수산화인회석 코팅층 위에서의 세포 증식율을 평가하기 위해 하기의 실험을 수행하였다.

실시예 1에 의해 제조된 각각 1, 3, 5, 10 ㎛의 두께를 갖는 수산화 인회석 코팅층이 형성된 티타늄 기판, 비교예 1에 의해 제조된 1㎛, 10 ㎛의 두께를 갖는 수산화 인회석 코팅층이 형성된 티타늄 기판, 수산화인회석 코팅층이 형성되지 않은 티타늄 기판(비교예 3)상에 MC3T3-E1 (preosteoblast cell, ATCC, CRL-2593) 세포를 파종, 배양하여 세포의 증식율을 측정하여 표 1에 나타내었다.

상기, 기판상에 파종된 세포는 α-minimum essential medium (α-MEM, Join Bio Innovation, Seoul, Korea)에 Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM, Gibco, USA)에 10% fetal bovine serum(FBS, Gibco, USA)이 함유된 배양 배지를 사용하여, 37℃에서 5% CO₂ 분위기의 세포배양기를 사용하여 배양하였다.

세포의 증식평가는 MTS assay (CellTiter 96 Aqueous One Solution kit, Promega, Madison, USA)를 5일동안 실시하였으며, microplate reader기(Biorad, Model 550, USA)를 이용하여 490 nm 파장에서 분석하여 도 13에 나타내었다.

<세포 증식률>

	실시예 1				비교예 1		비교예 3
코팅층 두께(㎛)	1	3	5	10	1	10	0
증식률	0.856	0.908	1.296	0.948	0.831	0.852	0.802

상기 표 1 및 도 13에 나타낸 바와같이, 수산화 인회석 코팅층이 없는 비교예 3에 비해, 수산화 인회석 코팅층이 있는 실시예 1 내지 비교예 1의 세포 증식률이 높음을 확인하였다. 나아가, 실시예 1은 두께가 증가하여 거칠기가 증가함에 따라 세포증식률이 증가하고, 비교예 1에 비해 우수한 세포 증식률이 증가하는 것을 확인하였다.

<실험예 2> 수산화인회석 코팅층의 MC3T3-E1 분화능 평가

본 발명에 따른 수산화인회석 코팅층 상에서 MC3T3-E1 (preosteoblast cell, ATCC, CRL-2593)의 골 세포로의 분화능 평가를 위하여, ALP 활성(Alkaline Phosphatase Activity)평가를 하기와 같이 수행하였다.

실시예 1에 의해 제조된 각각 1, 3, 5, 10 ㎛의 두께를 갖는 수산화 인회석 코팅층이 형성된 티타늄 기판, 비교예 1에 의해 제조된 1, 10 ㎛의 두께를 갖는 수산화 인회석 코팅층이 형성된 티타늄 기판, 수산화인회석 코팅층이 형성되지 않은 티타늄 기판(비교예 3)상에 MC3T3-E1 (preosteoblast cell, ATCC, CRL-2593) 세포를 파종, 배양하여 골 세포로의 분화능 평가를 하였다. 골 세포의 분화능 평가는 초기 분화의 지표인 ALP activity을 배양 10일에 걸쳐서 측정하였으며, microplate reader기(Biorad, Model 550, USA)를 이용하여 405nm 파장에서 분석하여 도 14에 나타내었다.

	실시예 1				비교예 1		비교예 3
코팅층 두께(㎛)	1	3	5	10	1	10	0
증식률	1.461	1.622	1.844	1.401	1.432	1.421	1.155

표 2 및 도 14에 나타낸 바와 같이, ALP 활성 측정 결과, 비교예 3에 비해 실시예 1 내지 비교예 1의 APL 활성이 우수하였으며, 5 ㎛ 두께를 갖는 실시예 1의 활성이 가장 우수함을 확인하였다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시형태를 제조하는 장치의 개념도 이고;

도 2는 본 발명에 따른 일실시형태의 입도 분포 그래프이고(실시예 1);

도 3은 본 발명에 따른 일실시형태를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이고(1 ㎛ 두께의 실시예 1);

도 4는 본 발명에 따른 일실시형태를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이고(3 ㎛ 두께의 실시예 1);

도 5는 본 발명에 따른 일실시형태를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이고(5 ㎛ 두께의 실시예 1);

도 6은 본 발명에 따른 일실시형태를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이고(10 ㎛ 두께의 실시예 1);

도 7은 본 발명에 따른 일실시형태의 두께증가에 따른 거칠기 변화를 나타낸 그래프이고(실시예 1);

도 8은 비교예 1의 입도 분포 그래프이고;

도 9는 비교예 1을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이고(1 ㎛ 두께의 비교예 1);

도 10은 비교예 1을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이고(10 ㎛ 두께의 비교예 1);

도 11은 비교예 1의 거칠기를 나타낸 그래프이고;

도 12는 본 발명에 따른 일실시형태의 세포증식률을 측정한 그래프이고; 및

도 13은 본 발명에 따른 일실시형태의 APL 활성을 측정한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 분말분산통 2: 진공실

3: 노즐부 4: 기판

5: 진공펌프 6: 모터 스테이지

Claims

입자의 크기 및 입도분포를 제어하여 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 코팅층의 입자는 수산화인회석, 불소 함유 수산화인회석, 삼인산칼슘 및 바이오글래스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 이의 혼합물인 것을 특징으로 하는 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층.
제1항에 있어서, 상기 입자크기는 0.2 - 25 ㎛인 것을 특징으로 하는 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층.
제1항에 있어서, 상기 입도분포는 2 ㎛ 크기 미만의 입자가전체 입자에 대하여 차지하는 체적 비율로 50 - 60%, 2 - 25 ㎛ 크기의 입자가 40 - 50%으로 분포하는 것을 특징으로 하는 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층.
제1항에 있어서, 상기 거칠기는 코팅층의 두께가 증가함에 따라 증가되는 것을 특징으로 하는 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층.
극미세 입자들로 이루어진 생체 활성 세라믹 분말을 열처리하는 단계(단계 1) 및

상기 단계 1에서 열처리된 세라믹 분말을 상온의 진공 분위기에서 반송가스를 이용하여 노즐을 통해 금속재료, 또는 세라믹 재료표면에 코팅하는 단계(단계 2)를 포함하는 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 단계 1의 열처리는 900 - 1,080 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 표면 거칠기가 향상된 생체활성 세라믹 코팅층의 제조방법.