KR20110006822A - Method for producing surface hydrophilized metal implant and metal implant produced thereby - Google Patents

Method for producing surface hydrophilized metal implant and metal implant produced thereby Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A method for producing surface hydrophilized metal implant and metal implant produced by the same are provided to prevent the deintercalation of coating particles. CONSTITUTION: A method for producing surface hydrophilized metal implant comprises the steps of: performing blasting treatment for a mechanically-treated metal implant; performing acid corrosion for the blasting-treated metal implant; cleaning the acid-corrosion-treated metal implant by using ultrasonic wave and drying the implant under the nitrogen circumference; putting the dried metal implant into an ion-injection device; making nitrogen gas in a plasma state; and forming a hydrophilic property nitride film on the surface of the metal implant surface.

Description

표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 금속 임플란트{METHOD FOR PRODUCING SURFACE HYDROPHILIZED METAL IMPLANT AND METAL IMPLANT PRODUCED THEREBY} METHOD FOR PRODUCING SURFACE HYDROPHILIZED METAL IMPLANT AND METAL IMPLANT PRODUCED THEREBY}

본 발명은 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 금속 임플란트에 관한 것으로서, 그 제조방법은 금속 임플란트를 블라스팅 처리 및 산부식(acid etching) 처리후, 산부식 처리된 금속 임플란트에 질소를 이온 또는 플라즈마 이온 상태로 가속 주입하여 코팅하는 것을 포함한다.The present invention relates to a method for producing a surface-hydrophilized metal implant, and a metal implant produced by the method, the method is a metal etched after the blasting and acid etching treatment of the metal implant It includes coating by implanting nitrogen into the implant in an ion or plasma ion state.

초창기의 치과용 임플란트들은 매끄러운 표면의 순수 티타늄으로 임플란트를 사용하였다. 이 매끄러운 표면은 평균 표면거칠기값이 일정하지가 않아서 초기 골유착(osseointegration) 형성 과정에서 시일이 오래 걸리거나 실패할 경우가 있었다. 이를 보완하기 위해 표면 거칠기가 일정하게 되도록 하고 또한 이 표면에 사용하게 될 알갱이들이 골유착과 관련하여 촉매 역할도 하게 되는 표면처리 방식이 도입되었다.Early dental implants used implants with pure titanium with a smooth surface. This smooth surface was not consistent in average surface roughness, which resulted in long seals and failures during the initial formation of oosseintegration. To compensate for this, a surface treatment method was introduced in which the surface roughness was constant, and the grains to be used on the surface also act as a catalyst for bone adhesion.

티타늄 분말을 이용한 플라즈마 용사법(TPS: Titanium Plasma Spray)은 임플란트 몸체를 기계로 깍아서 만든 뒤 다른 티타늄을 고온으로 녹여서 스프레이로 뿜 어 임플란트 표면에 부착시키는 방법이다. 이 티타늄 분말을 이용한 플라즈마 용사법에 의해 만들어진 임플란트 표면은 15㎛ 정도의 거칠기를 나타내며 회전력에 대해 강한 저항을 할 수 있고 골세포들이 임플란트 표면에 더 잘 붙는 것으로 알려져 있다. 또한 기계가공된 표면에 비해 표면적이 넓어 상대적으로 유리하다. 그러나, TPS 코팅법이 적용된 임플란트는 매식 후 코팅된 티타늄 입자의 조직 내 탈리가 발생하여 염증 반응 등의 문제를 야기하여 현재는 사용되지 않고 있다.Titanium Plasma Spray (TPS) using titanium powder is a method of shaving an implant body with a machine and then dissolving another titanium at a high temperature and spraying it onto the implant surface. The implant surface produced by the plasma spraying method using the titanium powder has a roughness of about 15 μm, and is known to have a strong resistance to rotational force and to allow bone cells to adhere better to the implant surface. It is also relatively advantageous due to the large surface area compared to the machined surface. However, implants to which the TPS coating method is applied are not currently used due to desorption of tissues of coated titanium particles after embedding, causing problems such as inflammatory reactions.

1980년대에 TPS가 도입되면서 수산화인회석(hydroxyapatite)이 피복된 다양한 임플란트들도 임상적 사용이 권장되었다. 플라즈마 용사법에 의한 수산화인회석 피복은 순수한 티타늄 임플란트에 비해 골의 무기질 성분과 화학적 및 결정학적으로 동일한 수산화인회석을 코팅한 것이므로 골과 임플란트 간의 골 접합 능력 향상 및 골 회복의 증가를 나타내었다. 그러나, 이것 또한 골질이 너무 단단할 경우 입자들이 분리될 수 있다는 것과 코팅층의 탈리 등의 문제가 발생하게 되면 염증 반응이 일어나면서 임플란트 주변에서 골 흡수가 발생하여 골 소실의 문제가 발생한다. With the introduction of TPS in the 1980s, various implants coated with hydroxyapatite were also recommended for clinical use. The hydroxyapatite coating by plasma spraying was coated with hydroxyapatite which was chemically and crystallographically identical to the mineral component of bone compared to the pure titanium implant, and thus showed an improvement in bone bonding ability and bone recovery between bone and implant. However, this can also cause particles to be separated if the bone quality is too hard, and if problems such as detachment of the coating layer occur, inflammatory reactions occur and bone absorption occurs around the implants, which causes problems of bone loss.

임플란트의 거칠기와 표면적을 높이기 위하여 블라스팅법(sandblast)이 사용되었다. 플라즈마 용사법이 작은 티타늄 분말을 코팅하는 방법이라면 블라스팅법은 임플란트의 표면을 깍아내어 표면의 거칠기와 표면적을 조절하는 방법이다. 임플란트의 표면을 깍아내어 거칠기를 만드는 공정은 코팅법에서 나타나는 피막의 탈리의 문제를 원천적으로 회피한다. 블라스팅법에는 목적에 따라서 특정한 크기의 알루미나 분말, 티타니아 분말 등을 사용하여 표면의 거칠기를 조절할 수 있는 장점이 있 지만 블라스팅 입자가 표면에 잔류하는 단점이 있다. 블라스팅 입자의 잔류 문제를 해결하기 위해 후속 공정으로 산부식을 적용하게 된다. 블라스팅과 산 부식의 병합된 공정을 통상적으로 SLA(Sandblasted Large-grid Acid-etched)라고 부른다.Sandblasting was used to increase the roughness and surface area of the implant. If plasma spraying is a method of coating small titanium powder, blasting is a method of cutting the surface of the implant to adjust the surface roughness and surface area. The process of scraping the surface of the implant to create roughness essentially avoids the problem of desorption of the coating in the coating process. Although the blasting method has the advantage of controlling the surface roughness using alumina powder, titania powder, etc. of a specific size according to the purpose, there is a disadvantage that the blasting particles remain on the surface. In order to solve the problem of residual blasting particles, acid corrosion is applied in a subsequent process. The combined process of blasting and acid corrosion is commonly referred to as sandblasted large-grid acid-etched (SLA).

블라스팅 입자 잔류의 문제점을 해결하는 또 다른 방법으로는 흡수되는 입자를 사용하는 것이다. 흡수되는 입자를 사용하는 방식으로는 RBM(Resorbable Blasted Media) 표면처리 방법이 있다. 이것은 알루미나 분말, 티타니아 분말 등의 대신에, 몸에서 완전히 녹는 인산 칼슘 분말을 사용하는 것이다. 인산 칼슘 분말은 임플란트 표면에 잔류하더라도 체내에 매식되었을 때 신체에 흡수되므로 큰 문제를 일으키지 않는다.Another way to solve the problem of blasting particle retention is to use absorbed particles. A method of using absorbed particles is RBM (Resorbable Blasted Media) surface treatment method. This is to use calcium phosphate powder which is completely dissolved in the body, instead of alumina powder, titania powder or the like. Even if calcium phosphate powder remains on the implant surface, it is absorbed by the body when buried in the body and thus does not cause a big problem.

상기한 SLA 표면처리 방식 및 RBM 표면처리방식은 금속 표면의 거칠기를 제어하기에 용이하고 균일한 표면 거칠기가 얻어지므로 널리 사용되고 있는 방법이다. 그러나, 표면처리 공정 후, 제품이 공기 중에 노출되었을 때, 제품 표면에서 공기 중의 산소와 산화막을 형성하게 되는데, 이러한 산화막은 임플란트를 매식 후 골접합을 방해하여 임플란트가 안정화되기까지 긴 시간을 요하게 된다.The SLA surface treatment method and the RBM surface treatment method are widely used because it is easy to control the roughness of the metal surface and a uniform surface roughness is obtained. However, after the surface treatment process, when the product is exposed to air, oxygen and oxide film in the air are formed on the surface of the product, which prevents bone bonding after implanting the implant and takes a long time for the implant to stabilize. .

현재, 상기 방법들에 더하여 임플란트 표면의 개질을 위한 다양한 시도들이 행해지고 있다.At present, various attempts have been made to modify the implant surface in addition to the above methods.

대한민국 공개 특허 제10-2009-0060864호에는 치과용 임플란트 용도의 티타늄 또는 티타늄을 포함하는 금속을 수산화나트륨 등을 포함하는 알칼리 용액으로 표면처리하고, 알칼리 처리된 금속물을 어닐링하는 공정을 포함하는 금속의 표면처리방법을 개시한다.Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2009-0060864 discloses a metal comprising a process of surface-treating a titanium or titanium-containing metal for use in dental implants with an alkali solution including sodium hydroxide, and annealing the alkali-treated metal. Disclosed is a surface treatment method of.

대한민국 공개 특허 제10-2009-0017693호에는 다양한 수술절차에서 사용하기 위한 임플란트가 개시되어 있는데, 티타늄을 포함하는 금속 구조체의 일부에 플라즈마 분무 시스템을 사용하여 수산화인회석을 함유하는 세라믹 코팅부를 적층시킨 것으로서, 수산화인회석 코팅부에 의해 임플란트 상에서의 뼈의 내증식이 개선되는 효과를 가지며, 이 세라믹 코팅부는 은이온을 포함하여 살균 효과를 제공한다.Korean Patent Publication No. 10-2009-0017693 discloses an implant for use in various surgical procedures, wherein a portion of a metal structure including titanium is laminated with a ceramic coating containing hydroxyapatite using a plasma spray system. In addition, the hydroxyapatite coating has an effect of improving bone growth on the implant, and the ceramic coating includes silver ions to provide a bactericidal effect.

그러나, 상기에 언급한 티타늄 플라즈마 분무처럼, 치과용 임플란트 용도에 있어서, 플라즈마 분무 기술은 우수한 골 형성 효과를 가지며 골유착 시간이 단축되는 장점을 갖지만, 임플란트 모재와의 낮은 결합력이 단점이다.However, as in the above-mentioned titanium plasma spraying, in dental implant applications, plasma spraying technology has the advantage of having an excellent bone formation effect and shortening the bone adhesion time, but the low bonding force with the implant base material is a disadvantage.

그 밖에, 치과용 임플란트의 표면처리 기술로서 전기화학적 표면산화 기술 등도 개발되었으나(대한민국 특허 등록 제10-0402919호), 경제성의 문제 및 대량생산의 곤란성 등은 여전히 해결되지 않고 있다.In addition, electrochemical surface oxidation technology and the like have been developed as a surface treatment technology of dental implants (Korean Patent Registration No. 10-0402919), but economic problems and difficulty in mass production are still unresolved.

본 발명은 기존의 SLA 방식 및 RBM 방식을 개선하여, 임플란트 시술 후 우수한 골 형성 효과와 짧은 골유착 시간을 가지면서 임플란트 모재와의 결합력을 향상시킨 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 치과용 금속 임플란트를 제공하기 위한 것이다.The present invention improves the existing SLA method and RBM method, a method of producing a surface-hydrophilized metal implant having improved bone bonding effect and a short bone adhesion time after the implant procedure and improved the bond strength of the implant base material and its method It is to provide a dental metal implant produced by.

본 발명은,The present invention,

기계가공된 금속 임플란트를 블라스팅 처리하는 단계,Blasting the machined metal implant,

블라스팅 처리된 금속 임플란트를 산부식 처리하는 단계,Acid etching the blasted metal implant,

산부식 처리된 금속 임플란트를 초음파 세척하고 질소 분위기하에서 건조시키는 단계,Ultrasonically cleaning the etched metal implant and drying in a nitrogen atmosphere,

건조된 금속 임플란트를 이온주입장치에 넣는 단계,Placing the dried metal implant into the ion implanter,

질소 또는 질소 혼합 기체를 플라즈마 상태로 만드는 단계,Making nitrogen or a nitrogen mixed gas into a plasma state,

상기 플라즈마로부터 기체 이온빔을 인출하여 인출된 이온빔을 가속시켜 20-150keV의 에너지로 가속된 이온빔을 조사하여 금속 임플란트 표면에 친수성 질화물 막을 형성하는 단계를 포함하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing a surface-hydrophilized metal implant comprising extracting a gas ion beam from the plasma to accelerate the extracted ion beam and irradiating the accelerated ion beam with an energy of 20-150 keV to form a hydrophilic nitride film on the surface of the metal implant. to provide.

본 발명에 있어서, 상기 금속 임플란트는 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 금속인 것이 바람직하다. In the present invention, the metal implant is preferably a metal containing titanium or titanium alloy.

본 발명에 있어서, 상기 블라스팅 처리는 입자 크기 40-80㎛의 인산칼슘 분말을 4-6기압의 압력으로 불어넣어 금속 임플란트의 표면에 거칠기를 형성하는 것이 바람직하다. In the present invention, the blasting treatment is preferred to form a roughness on the surface of the metal implant by blowing calcium phosphate powder having a particle size of 40-80㎛ at a pressure of 4-6 atm.

본 발명에 있어서, 상기 블라스팅 처리는 40-60㎛의 알루미나 또는 티타니아 분말을 4-6기압의 압력으로 불어넣어 금속 임플란트의 표면에 거칠기를 형성하는 것이 바람직하다. In the present invention, the blasting treatment is preferred to form a roughness on the surface of the metal implant by blowing alumina or titania powder of 40-60㎛ at a pressure of 4-6 atm.

본 발명에 있어서, 상기 산부식 처리하는 단계는 염산/황산 혼합산의 70% 수용액인 것이 바람직하다.In the present invention, the acid corrosion treatment is preferably a 70% aqueous solution of hydrochloric acid / sulfuric acid mixed acid.

본 발명에 있어서, 상기 초음파 세척은 에탄올로 30분간 세척한 다음 증류수로 30분간 세척하는 것이 바람직하다.In the present invention, the ultrasonic cleaning is preferably washed with ethanol for 30 minutes and then for 30 minutes with distilled water.

본 발명에 있어서, 상기 질소 혼합 기체는 질소 대 수소 혼합비 1:1~4:1의 혼합 기체인 것이 바람직하다.In the present invention, the nitrogen mixed gas is preferably a mixed gas of nitrogen to hydrogen mixing ratio of 1: 1 to 4: 1.

본 발명에 있어서, 상기 가속된 이온빔을 1×1015∼1×1017 이온/㎠의 조사량으로 조사하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable to irradiate the accelerated ion beam at an irradiation amount of 1 × 10 15 to 1 × 10 17 ions / cm 2.

본 발명의 금속 임플란트의 제조방법에 의해 제조된, 표면 친수화 처리된 금속 임플란트는 바람직하게는 10-100nm 두께의 질화물 막이 표면에 형성되어 있다.In the surface-hydrophilized metal implant produced by the method for producing a metal implant of the present invention, a nitride film having a thickness of 10-100 nm is preferably formed on the surface.

본 발명의 금속 임플란트의 제조방법은 질소 이온빔의 가속 조사에 의해 금속 표면의 금속 분자들 사이에 질소 이온이 도핑된 형태로 코팅됨으로써, 종래의 분무방식에서와 같은 코팅입자의 탈리와 같은 문제는 일어나지 않는다.In the method of manufacturing a metal implant of the present invention, nitrogen ion is coated between metal molecules on a metal surface by accelerated irradiation of a nitrogen ion beam, so that problems such as desorption of coating particles as in the conventional spraying method do not occur. Do not.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 질소 코팅된 금속 임플란트는 그 표면이 공기중 산소와 산화막을 형성하는 것을 효과적으로 방지할 뿐만 아니라 표면에 형성된 질화물 막이 친수성을 나타내므로, 임플란트 시술시에 질소막 표면은 생체에 대한 적응성이 우수하여 골접합성이 우수하고 초기 안정화 및 보정효과를 갖는다. Nitrogen coated metal implants prepared by the production method of the present invention not only effectively prevent the surface from forming oxygen and oxide film in the air, but also the nitride film formed on the surface exhibits hydrophilicity. It has excellent adaptability to living organisms, so it has excellent bone bonding properties and early stabilization and correction effects.

금속 임플란트의 중요한 특징은 그것이 뼈와 융합되는(골유착) 시간인데, 골 물질이 임플란트 표면에 영구적으로 충분히 강하게 일체화되는데 걸리는 시간을 말한다.An important feature of a metal implant is the time it is fused (bone adhesion) to the bone, which refers to the time it takes for the bone material to be permanently strong enough to integrate permanently into the implant surface.

RBM 표면처리방식 또는 SLA 표면처리 방식에 의해 제조되는 금속 임플란트는 티타늄 또는 티타늄계 합금, 예를 들면 티타늄/지르코늄 합금으로 구성되는 것이 바람직한데, 이것들은 니오븀, 탄탈 또는 다른 조직 적합성 금속 첨가제들을 또한 함유한다. 이것들은 제조 공정들이 진공하에서 또는 비활성 분위기에서 행해지지만, 금속 표면에 산화물의 성장을 피하기 어렵다. 이들 금속 표면은 공기 중에서 즉시 오염되거나, 광범위하게 화학적으로 안정한 상태로 된다. 표면에 형성된 산화막(TiO2)은 임플란트 매식 시에 골접합을 방해하여 임플란트 표면과의 골유착을 지연시킨다.Metal implants produced by RBM surface treatment or SLA surface treatment are preferably composed of titanium or titanium based alloys, for example titanium / zirconium alloys, which also contain niobium, tantalum or other tissue compatible metal additives. do. These are performed under vacuum or in an inert atmosphere, but the growth of oxides on the metal surface is difficult to avoid. These metal surfaces immediately become contaminated in air or are in a wide range of chemically stable states. The oxide film TiO 2 formed on the surface hinders bone bonding during implant implantation, thereby delaying bone adhesion with the implant surface.

본 발명은 개선된 골유착성을 갖는 금속 임플란트를 제공한다. The present invention provides a metal implant with improved osteoadhesion.

본 발명의 금속 임플란트는 티타늄 또는 티타늄계 합금으로 구성되며, 거칠 기 처리된 친수성 표면을 갖는다.The metal implant of the present invention consists of a titanium or titanium-based alloy and has a roughened hydrophilic surface.

도 1은 본 발명의 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.1 is a flow chart showing the manufacturing process of the surface-hydrophilized metal implant of the present invention.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 금속 임플란트의 제조 방법은, 먼저, 티타늄 또는 티타늄 합금 봉을 CNC(컴퓨터 수치제어) 선반을 통해 일정 형상으로 가공작업을 거친 기계가공된 금속 임플란트를 준비한다. 그 다음, 기계가공된 금속 임플란트를 블라스팅 처리에 의해 임플란트 표면에 균일한 거칠기를 갖게 한 다음, 산부식 처리를 행한다(RBM 또는 SLA 표면처리). 표면 처리된 금속 임플란트를 초음파 세척에 의해 표면 잔류물을 세척하고 질소 분위기하에서 건조시킨다. 세척, 건조된 금속 임플란트를 이온주입장치에 넣고, 질소 또는 질소 혼합 기체를 플라즈마 상태로 한 이온빔을 주입하는 공정에 의해 질소 코팅된 표면을 제공한다.As shown in FIG. 1, in the method of manufacturing a metal implant of the present invention, a machined metal implant is prepared by first machining a titanium or titanium alloy rod through a CNC (computer numerical control) lathe into a predetermined shape. The machined metal implant is then subjected to blasting to give the implant surface a uniform roughness and then subjected to acid corrosion treatment (RBM or SLA surface treatment). The surface treated metal implants are cleaned of surface residues by ultrasonic cleaning and dried under a nitrogen atmosphere. The washed and dried metal implant is placed in an ion implantation apparatus, and a nitrogen coated surface is provided by a process of injecting an ion beam having a nitrogen or nitrogen mixed gas in a plasma state.

도 2는 본 발명의 표면 친수화 처리된 금속 임플란트를 묘사한 개략도이며, 코팅 표면을 원 안에 일부 확대도로 보여준다.2 is a schematic depicting the surface hydrophilized metal implant of the present invention, showing the coating surface in a partial enlarged view in a circle.

본 발명의 금속 임플란트는 바람직하게는 티타늄 합금이고, 구체적으로 티타늄/지르코늄 합금이 바람직하다. 이것은 또한 니오븀, 탄탈 또는 다른 조직 적합성 금속 첨가제들을 함유할 수 있다.The metal implant of the present invention is preferably a titanium alloy, specifically a titanium / zirconium alloy. It may also contain niobium, tantalum or other tissue compatible metal additives.

뼈에 치과용 임플란트를 구조적으로 기능적으로 고정시키는 것은 표면의 기계가공에 의한 미세한 거칠기에 의해서, 그리고/또는 화학적 부식(에칭) 처리 또는 플라즈마 기술에 의한 부착 처리에 의한 미세한 거칠기에 의해서 달성된다. 임플란트가 뼈에 얼마나 강하게 고정되는지는 임플란트 표면과 거기에 결합된 뼈 물질 간 의 접착을 분리하기 위해 뼈에 고정된 임플란트를 당기거나 비트는데 필요한 힘을 측정함으로써 기계적 측정에 의해 구해질 수 있다. 골유착은 표면 거칠기 자체 뿐만 아니라 표면의 화학적 성질에도 결정적으로 영향을 주는 것으로 나타난다.Structurally and functionally securing the dental implant to the bone is achieved by fine roughness by machining of the surface and / or by fine roughness by chemical corrosion (etching) or adhesion by plasma technology. How strongly the implant is secured to the bone can be determined by mechanical measurements by measuring the force required to pull or twist the implant secured to the bone to separate the bond between the implant surface and the bone material bound thereto. Osteoadhesion appears to have a decisive influence not only on the surface roughness itself but also on the surface chemistry.

미세한 거칠기가 형성된 임플란트는 공기 중에 노출되자 마자 표면의 금속 성분이 공기 중 산소와 결합하여 산화막을 형성하는데, 이러한 치밀한 산화막의 존재는 젖음성을 열화시켜 임플란트가 뼈와 접합하여 융합되는 일을 방해한다.As soon as the implant with fine roughness is exposed to the air, the metal component on the surface combines with oxygen in the air to form an oxide film. The presence of the dense oxide film deteriorates wettability and prevents the implant from bonding to the bone.

공기와의 산화 반응에 의해 자동적으로 형성되는 산화 피막의 두께는 3-10nm 이다.The thickness of the oxide film formed automatically by the oxidation reaction with air is 3-10 nm.

본 발명에 따르는 금속 임플란트의 표면은 미세한 거칠기가 형성된 임플란트가 공기 중에 노출되기 전에, 자연 산화반응에 의한 산화 피막 두께 이상의 두께로 질소 피막을 형성시킨 것을 특징으로 한다. 본 발명의 금속 임플란트의 표면 효과는 나노 크기의 피막 두께에 의해 충분히 달성되며, 10-100nm 두께로 형성하는 것이 보다 바람직하다.The surface of the metal implant according to the present invention is characterized in that a nitrogen coating is formed to a thickness greater than or equal to the thickness of an oxide film by a natural oxidation reaction before the implant having fine roughness is exposed to air. The surface effect of the metal implant of the present invention is sufficiently achieved by the nano-sized film thickness, and more preferably formed into a thickness of 10-100 nm.

본 발명에 의해 질소 피막이 형성된 금속 임플란트의 표면은 친수성을 갖게 되며, 이는 티타늄 또는 티타늄 합금으로 만든 임플란트의 골유착에 의한 생물학적 작용이 우수하다.According to the present invention, the surface of the metal implant in which the nitrogen coating is formed has hydrophilicity, which is excellent in biological action by osteoadhesion of an implant made of titanium or a titanium alloy.

본 발명에 따르는 금속 임플란트의 제조방법에 있어서, 블라스팅 처리는 바람직하게는 RBM 방식에 의하여, 각진 구형 형태를 가지며, 입자크기가 바람직하게는 40-80㎛인 인산 칼슘 분말을 이용한다.In the method for producing a metal implant according to the present invention, the blasting treatment preferably uses calcium phosphate powder having an angular spherical shape and preferably having a particle size of 40-80 μm by the RBM method.

대안으로는, SLA 방식에 의하여 입자크기가 바람직하게는 40-60㎛인 알루미 나 또는 티타니아 분말을 이용한다,Alternatively, alumina or titania powder having a particle size of preferably 40-60 μm by the SLA method is used.

블라스팅 처리에 의해 거칠기가 형성된 금속 임플란트는 보다 미세하고 조절된 거칠기를 갖는 표면을 형성하기 위해 산 부식 처리를 한다. Roughly formed metal implants by blasting treatment are subjected to acid corrosion treatment to form surfaces with finer and more controlled roughness.

산 부식 처리에 사용되는 산 용액은 염산, 불화수소산, 또는 염산/황산의 혼합산 수용액이 사용될 수 있고, 바람직하게는 염산/황산 혼합산 수용액이 사용된다. 혼합산은 70% 산 수용액이 바람직하게 사용된다.As the acid solution used for the acid corrosion treatment, an aqueous solution of hydrochloric acid, hydrofluoric acid, or a mixed acid of hydrochloric acid / sulfuric acid may be used, and preferably an aqueous solution of hydrochloric acid / sulfuric acid is used. The mixed acid is preferably an aqueous 70% acid solution.

상기한 바와 같이 블라스팅 처리후 산 부식처리를 한 금속 임플란트는 표면 잔류물을 제거하기 위해 초음파 세척에 의해 에탄올로 30분간 그리고 증류슈로 30분간 세척한 후 질소 분위기에서 건조시킨다. 건조된 금속 임플란트는 질소 분위기를 유지시킨다.As described above, the metal implants subjected to acid corrosion after blasting are washed with ethanol for 30 minutes by ethanol and 30 minutes with distilled shoe to remove surface residues, and then dried in a nitrogen atmosphere. The dried metal implant maintains a nitrogen atmosphere.

질소 또는 질소 혼합 기체의 플라즈마로부터의 기체 이온빔을 가속 조사하여 질화물 막을 형성시키는 공정은 질소를 진공상태에서 플라즈마 상태로 이온화시킨 다음, 입자 크기 10-9 m (나노크기)의 질소 이온빔을 가속기를 통하여 가속시켜서 금속의 표면을 코팅하는 것을 포함한다.The process of rapidly irradiating a gas ion beam from a plasma of nitrogen or nitrogen mixed gas to form a nitride film ionizes nitrogen into a plasma state in a vacuum state, and then a nitrogen ion beam having a particle size of 10 -9 m (nano size) through an accelerator. Accelerating to coat the surface of the metal.

질소이온을 주입 코팅하는 처리는 이온주입장치를 사용한다. 바람직한 이온주입장치는 원료기체 투입구, 이온빔 생성장치(또는 플라즈마 발생기), 그리고 이온빔 가속기로 구성되고, 이온주입장치 챔버 내부의 진공도는 1×10-3~1×10-5 토르(Torr)이다. 진공상태에서 챔버 내부는 질소 또는 질소 혼합 기체 분위기로 형성된다. 질소 혼합 기체는 바람직하게는 질소와 수소의 혼합 기체이다. 질소 대 수소 혼합비 1:1~4:1의 혼합 기체가 더욱 바람직하다.Treatment of injection coating with nitrogen ions uses an ion implantation apparatus. Preferred ion implanters comprise a source gas inlet, an ion beam generator (or plasma generator), and an ion beam accelerator, and the vacuum degree within the ion implanter chamber is 1 × 10 −3 to 1 × 10 −5 Torr. In the vacuum, the interior of the chamber is formed in a nitrogen or nitrogen mixed gas atmosphere. The nitrogen mixed gas is preferably a mixed gas of nitrogen and hydrogen. More preferred are gas mixtures having a nitrogen to hydrogen mixing ratio of 1: 1 to 4: 1.

진공 상태에서 질소 또는 질소 혼합 기체 분위기 중에서, 플라즈마로 이온화된 질소 기체 이온빔을 가속기에 의해 가속시킨 다음 가속된 이온빔을 피처리물인 금속 임플란트에 조사하여 코팅을 형성하게 된다.In a nitrogen or nitrogen mixed gas atmosphere in a vacuum state, a nitrogen gas ion beam ionized with plasma is accelerated by an accelerator, and then the accelerated ion beam is irradiated to a metal implant to be processed to form a coating.

이온빔 가속기에 의해 가속된 이온빔의 에너지는 20-150 keV 범위이고, 바람직하게는 40-90 keV 범위이다. 금속 임플란트에 조사되는 이온빔의 조사량은 1×1015∼1×1017 이온/㎠이다.The energy of the ion beam accelerated by the ion beam accelerator is in the range of 20-150 keV, preferably in the range of 40-90 keV. The irradiation amount of the ion beam irradiated to the metal implant is 1 × 10 15 to 1 × 10 17 ions / cm 2.

본 발명의 방법에 의해 제조된 금속 임플란트는 1.2-2.5㎛의 평균 표면 거칠기(Ra)를 갖도록 제조된다. 이러한 거칠기 크기는 금속 임플란트가 골유착하기에 필요한 적절한 표면적을 제공하게 된다.Metal implants made by the process of the invention are made to have an average surface roughness (Ra) of 1.2-2.5 μm. This roughness size will provide the appropriate surface area needed for the metal implant to osteoinize.

본 발명의 금속 임플란트는 이온주입법에 의한 표면에의 질소 이온 주입으로인해 표면 금속 분자간 질소 도핑된 구조로서 표면 근방 100nm에서의 경도가 2배 증가되며, 친수성(N-H)을 띠므로 생체에 대한 적응성이 우수하게 된다. The metal implant of the present invention is a nitrogen-doped structure between surface metal molecules due to nitrogen ion implantation into the surface by ion implantation, and the hardness at 100 nm near the surface is doubled, and the hydrophilicity (NH) gives rise to adaptability to living organisms. Will be excellent.

또한, 질화물 막의 견고하고 친수성인 표면 구조는 추가의 생체 활성물질로 처리하기에도 유용한 표면을 제공한다.In addition, the rigid, hydrophilic surface structure of the nitride membrane provides a surface that is also useful for treatment with additional bioactive materials.

이하에, 실시예를 통하여 본 발명을 예시한다.In the following, the present invention is illustrated by examples.

실시예 1Example 1

기계가공된 티타늄 임플란트를 입자크기 50㎛의 각진 구형 인산칼슘 분말을 사용하여 블라스트 압력 6기압으로 12초간 블라스팅 처리하였다. 염산(35%)와 황 산(90%)을 3:1의 부피비로 혼합하고 70%의 산 수용액으로 제조하였다. 80℃에서 5분간 산 수용액 중에 블라스팅 처리된 티타늄 임플란트를 침지시켰다.The machined titanium implant was blasted for 12 seconds using blast pressure 6 atm using angular spherical calcium phosphate powder with a particle size of 50 μm. Hydrochloric acid (35%) and sulfuric acid (90%) were mixed at a volume ratio of 3: 1 and prepared as an aqueous 70% acid solution. The blasted titanium implant was immersed in an aqueous acid solution at 80 ° C. for 5 minutes.

산부식 처리된 금속 임플란트를 에탄올로 30분간 그리고 증류수로 30분간 초음파 세척한 다음 질소 분위기에서 건조시켰다.The acid-treated metal implant was ultrasonically cleaned for 30 minutes with ethanol and for 30 minutes with distilled water and then dried in a nitrogen atmosphere.

건조된 금속 임플란트를 이온주입장치에 넣고 진공상태에서 질소 대 수소 혼합비 1:1의 혼합 기체를 투입 후, 챔버 내부의 진공도는 1×10-5 토르로 유지하면서 플라즈마를 형성시켜 이로부터의 10mA, 40keV 에너지의 가속된 기체 이온빔을 1×1016 이온/㎠의 조사량으로 5분간 조사하여 질화물 막을 형성시켰다. 이렇게 형성된 질화물 막의 두께는 42nm이었다.After putting the dried metal implant into the ion implanter and adding a mixed gas having a nitrogen-to-hydrogen ratio of 1: 1 in a vacuum state, the plasma inside the chamber was maintained at 1 × 10 -5 Torr to form a plasma to thereby generate 10mA, An accelerated gas ion beam of 40 keV energy was irradiated at a dose of 1 × 10 16 ions / cm 2 for 5 minutes to form a nitride film. The nitride film thus formed was 42 nm thick.

실시예 2Example 2

기계가공된 티타늄 임플란트를 입자크기 50㎛의 알루미나 분말을 사용하여 블라스트 압력 5기압으로 15초간 블라스팅 처리하였다. 염산(35%)와 황산(90%)을 1:5의 부피비로 혼합하고 70%의 산 수용액으로 제조하였다. 비등온도에서 1분간 산 수용액 중에 블라스팅 처리된 티타늄 임플란트를 침지시켰다.The machined titanium implant was blasted for 15 seconds using alumina powder with a particle size of 50 μm at a blast pressure of 5 atmospheres. Hydrochloric acid (35%) and sulfuric acid (90%) were mixed in a volume ratio of 1: 5 and prepared as an aqueous 70% acid solution. The blasted titanium implant was immersed in an aqueous acid solution for 1 minute at boiling temperature.

산부식 처리된 티타늄 임플란트를 에탄올로 30분간 그리고 증류수로 30분간 초음파 세척한 다음 질소 분위기에서 건조시켰다.The acid-etched titanium implant was ultrasonically cleaned for 30 minutes with ethanol and for 30 minutes with distilled water and then dried in a nitrogen atmosphere.

건조된 금속 임플란트를 이온주입장치에 넣고 진공상태에서 질소 대 수소 혼합비 2:1의 혼합 기체를 투입 후, 챔버 내부의 진공도는 1×10-5 토르로 유지하면서 플라즈마를 형성시켜 이로부터의 10mA, 40keV 에너지의 가속된 기체 이온빔을 1× 1016 이온/㎠의 조사량으로 10분간 조사하여 질화물 막을 형성시켰다. 이렇게 형성된 질화물 막의 두께는 56nm이었다.After placing the dried metal implant into the ion implanter and adding a mixed gas of nitrogen to hydrogen mixing ratio of 2: 1 in a vacuum state, the plasma inside the chamber was maintained at 1 × 10 -5 Torr to form a plasma to generate 10mA, An accelerated gas ion beam of 40 keV energy was irradiated for 10 minutes at an irradiation dose of 1 × 10 16 ions / cm 2 to form a nitride film. The nitride film thus formed was 56 nm thick.

실시예 3Example 3

기계가공된 티타늄 임플란트를 입자크기 50㎛의 각진 구형 인산칼슘 분말을 사용하여 블라스트 압력 6기압으로 12초간 블라스팅 처리하였다. 염산(35%)와 황산(90%)을 3:1의 부피비로 혼합하고 70%의 산 수용액으로 제조하였다. 80℃에서 5분간 산 수용액 중에 블라스팅 처리된 티타늄 임플란트를 침지시켰다.The machined titanium implant was blasted for 12 seconds using blast pressure 6 atm using angular spherical calcium phosphate powder with a particle size of 50 μm. Hydrochloric acid (35%) and sulfuric acid (90%) were mixed in a volume ratio of 3: 1 to prepare a 70% acid aqueous solution. The blasted titanium implant was immersed in an aqueous acid solution at 80 ° C. for 5 minutes.

산부식 처리된 금속 임플란트를 에탄올로 30분간 그리고 증류수로 30분간 초음파 세척한 다음 질소 분위기에서 건조시켰다.The acid-treated metal implant was ultrasonically cleaned for 30 minutes with ethanol and for 30 minutes with distilled water and then dried in a nitrogen atmosphere.

건조된 금속 임플란트를 이온주입장치에 넣고 진공상태에서 질소 기체를 투입 후, 챔버 내부의 진공도는 1×10-5 토르로 유지하면서 플라즈마를 형성시켜 이로부터의 10mA, 30keV 에너지의 가속된 기체 이온빔을 1×1016 이온/㎠의 조사량으로 5분간 조사하여 질화물 막을 형성시켰다. 이렇게 형성된 질화물 막의 두께는 35nm이었다.After placing the dried metal implant into the ion implanter and adding nitrogen gas in a vacuum state, while maintaining the vacuum degree in the chamber at 1 × 10 -5 Torr, plasma was formed to generate an accelerated gas ion beam of 10 mA and 30 keV energy therefrom. The nitride film was formed by irradiating for 5 minutes at an irradiation dose of 1 × 10 16 ions / cm 2. The nitride film thus formed was 35 nm thick.

비교예 1Comparative Example 1

기계가공된 티타늄 임플란트를 실시예 1에서와 같이 블라스팅 공정과 산부식 처리를 하였으나, 질화물 막 형성을 위한 처리는 하지 않은 임플란트를 제조하였다.The machined titanium implant was prepared in the same manner as in Example 1 but with a blasting process and an acid corrosion treatment, but no treatment for forming a nitride film.

비교예 2Comparative Example 2

기계가공된 티타늄 임플란트를 실시예 2에서와 같이 블라스팅 공정과 산부식 처리를 하였으나, 질화물 막 형성을 위한 처리는 하지 않은 임플란트를 제조하였다.The machined titanium implant was prepared in the same manner as in Example 2 but with a blasting process and an acid corrosion treatment, but no treatment for forming a nitride film.

시험예 1Test Example 1

실시예 및 비교예에 의해 제조된 금속 임플란트의 젖음성(또는 친수성)을 건조한 금속 임플란트 표면과 물의 접촉각을 측정함으로써 평가하였다. 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 의해 질화물 막 형성된 임플란트 시편(본 발명)과 비교예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 임플란트 시편(비교예)을 증류수로 세척한 다음 건조시켰다. 각각의 수평한 시편 표면에 증류수 한 방울(0.2ml)을 올려놓고 접촉각 측정기(Phonex 450, SEO사 제품)로 증류수와 임플란트 시편 간의 접촉각을 측정하였다.The wettability (or hydrophilicity) of the metal implants prepared by Examples and Comparative Examples was evaluated by measuring the contact angle of the dry metal implant surface with water. The nitride specimen-formed implant specimens according to Examples 1, 2 and 3 and the implant specimens prepared by Comparative Examples 1 and 2 (Comparative Examples) were washed with distilled water and then dried. A drop (0.2 ml) of distilled water was placed on each horizontal specimen surface, and the contact angle between the distilled water and the implant specimen was measured with a contact angle measuring instrument (Phonex 450, SEO).

실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 시편의 접촉각은 각각 15.5°, 16.1° 및 17.0°이었던 반면에, 비교예 1 및 비교예 2의 접촉각은 각각 59.7° 및 62.2°이었다. 따라서, 본 발명의 임플란트 시편은 젖음성이 우수하였다.The contact angles of the specimens of Examples 1, 2 and 3 were 15.5 °, 16.1 ° and 17.0 °, respectively, while the contact angles of Comparative Example 1 and 2 were 59.7 ° and 62.2 °, respectively. Therefore, the implant specimen of the present invention was excellent in wettability.

시험예 2Test Example 2

본 발명 시편과 비교예의 시편을 각각 뉴질랜드산 화이트 토끼 경골에 매식하였다. 2주 및 4주 경과 후의 골 고정력을 매식된 금속 임플란트를 나사 해제하는데 요구되는 힘(토크)으로서 측정하였다. 이하의 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명 시편의 골 고정력이 비교예 시편의 골 고정력보다 우수하였다.The specimen of the present invention and the comparative example were embedded in New Zealand white rabbit tibia, respectively. Bone fixation after 2 and 4 weeks was measured as the force (torque) required to unscrew the embedded metal implant. As shown in Table 1 below, the bone fixation force of the specimen of the present invention was superior to the bone fixation force of the comparative example specimen.

2주 경과후 골 고정력(N·㎝)Bone fixation force after 2 weeks (N · cm) 4주 경과후 골 고정력(N·㎝)Bone fixation force after 4 weeks (N · cm) 실시예 1Example 1 1212 6868 실시예 2Example 2 1010 6565 실시예 3Example 3 99 6464 비교예 1Comparative Example 1 55 6060 비교예 2Comparative Example 2 44 5757

도 1은 본 발명의 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.1 is a flow chart showing the manufacturing process of the surface-hydrophilized metal implant of the present invention.

도 2는 본 발명의 표면 친수화 처리된 금속 임플란트를 묘사한 개략도이며, 코팅 표면을 원 안에 일부 확대도로 보여준다.2 is a schematic depicting the surface hydrophilized metal implant of the present invention, showing the coating surface in a partial enlarged view in a circle.

Claims (10)

기계가공된 금속 임플란트를 블라스팅 처리하는 단계,Blasting the machined metal implant, 블라스팅 처리된 금속 임플란트를 산부식 처리하는 단계,Acid etching the blasted metal implant, 산부식 처리된 금속 임플란트를 초음파 세척하고 질소 분위기하에서 건조시키는 단계,Ultrasonically cleaning the etched metal implant and drying in a nitrogen atmosphere, 건조된 금속 임플란트를 이온주입장치에 넣는 단계,Placing the dried metal implant into the ion implanter, 질소 또는 질소 혼합 기체를 플라즈마 상태로 만드는 단계,Making nitrogen or a nitrogen mixed gas into a plasma state, 상기 플라즈마로부터 기체 이온빔을 인출하여 인출된 이온빔을 가속시켜 20-150keV의 에너지로 가속된 이온빔을 조사하여 금속 임플란트 표면에 친수성 질화물 막을 형성하는 단계를 포함하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법.And extracting a gas ion beam from the plasma to accelerate the extracted ion beam and irradiating the accelerated ion beam with an energy of 20-150 keV to form a hydrophilic nitride film on the surface of the metal implant. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 임플란트는 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 금속인 것을 특징으로 하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법. 10. The method of claim 1, wherein the metal implant is a metal comprising titanium or a titanium alloy. 제 1 항에 있어서, 상기 블라스팅 처리는 입자 크기 40-80㎛의 인산칼슘 분말을 4-6기압의 압력으로 불어넣어 금속 임플란트의 표면에 거칠기를 형성하는 것을 특징으로 하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법.The surface-hydrophilized metal implant according to claim 1, wherein the blasting treatment is performed by blowing calcium phosphate powder having a particle size of 40-80 µm at a pressure of 4-6 atm to form roughness on the surface of the metal implant. Manufacturing method. 제 1 항에 있어서, 상기 블라스팅 처리는 40-60㎛의 알루미나 또는 티타니아 분말을 4-6기압의 압력으로 불어넣어 금속 임플란트의 표면에 거칠기를 형성하는 것을 특징으로 하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법.2. The surface-hydrophilized metal implant of claim 1, wherein the blasting treatment is performed by blowing 40-60 µm of alumina or titania powder at a pressure of 4-6 atm to form roughness on the surface of the metal implant. Manufacturing method. 제 1 항에 있어서, 상기 산부식 처리하는 단계는 염산/황산 혼합산의 70% 수용액인 것을 특징으로 하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법.The method of claim 1, wherein the acid corrosion treatment is a 70% aqueous solution of a hydrochloric acid / sulfuric acid mixed acid method of producing a surface-hydrophilized metal implant. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 세척은 에탄올로 30분간 세척한 다음 증류수로 30분간 세척하는 것을 특징으로 하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법.The method of claim 1, wherein the ultrasonic cleaning is performed with ethanol for 30 minutes and then with distilled water for 30 minutes. 제 1 항에 있어서, 상기 질소 혼합 기체는 질소 대 수소 혼합비 1:1~4:1의 혼합 기체인 것을 특징으로 하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법.The method of claim 1, wherein the nitrogen mixed gas is a mixed gas having a nitrogen to hydrogen mixing ratio of 1: 1 to 4: 1. 제 1 항에 있어서, 상기 가속된 이온빔을 1×1015∼1×1017 이온/㎠의 조사량으로 조사하는 것을 특징으로 하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트의 제조방법.The method of claim 1, wherein the accelerated ion beam is irradiated at an irradiation dose of 1 × 10 15 to 1 × 10 17 ions / cm 2. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 금속 임플란트의 제조방법에 의해 제조된, 표면 친수화 처리된 금속 임플란트.The surface-hydrophilized metal implant manufactured by the manufacturing method of any one of Claims 1-8. 제 9 항에 있어서, 10-100nm 두께의 질화물 막이 형성된 것을 특징으로 하는 표면 친수화 처리된 금속 임플란트.10. The surface-hydrophilized metal implant of claim 9 wherein a nitride film of 10-100 nm thickness is formed.
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