KR20110031520A - 의료용 생체재료의 표면 개질 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 의료기기의 표면 개질을 통해 생체조직과의 유착성을 향상시키기 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 헬륨을 이용한 상압플라즈마는 생체재료 표면의 유기물과 반응하여 생채재료의 표면을 친수성으로 개질시키기 에 적절하다. 이 방법으로 개질된 표면을 가지는 시료는 생체조직과의 초기부착성 , 부착면적, 세포수의 증식 특성이 향상된다.

생체재료, 표면처리, 생체 유착성, 플라즈마, 임플란트, 의료기기

Description

의료용 생체재료의 표면 개질 방법 및 장치 {Method of surface treatment of bio-material for medical device and apparatus thereof}

본 발명은 플라즈마를 이용한 의료기기의 표면 개질을 통해 생체조직과의 유착성을 향상시키기 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 한편 본 발명에서 사용되는 의료기기는 생체에 삽입되는 인공생체재료와 그 밖의 의료용 기구를 포함한다.

치과 또는 정형외과에서 사용되는 임플란트와 같은 인공생체재료가 외부로부터 생체에 삽입되면 체액(혈액, 등)에 존재하는 단백질, 전구세포, 줄기세포 등과 조직의 세포 등이 인공생체재료와 접촉하여 다양한 생화학적 반응이 일어난다. 이 과정에서 인공생체재료가 생체조직과 거부반응 또는 이상반응을 일으키지 않고 잘 융합되는 것을 유착성이라 하고, 인체 내에서 우수한 유착을 유지하는 것이 인공생체재료가 제 기능을 수행하기 위한 선결 요건이다.

인공생체제료의 표면은 생체조직과 직접 접촉하여 반응하므로 표면의 특성은 유착성을 좌우하는 가장 중요한 요소이다. 따라서 많은 연구자들이 유착성을 향상시키고자 표면의 특성을 제어하고자 하였다.

표면을 거칠게하여 접촉면적을 증가시켜 생체조직과의 기계적 고정력을 강화하고자 하는 시도가 있었다. 수산화 아파타이트, 티타늄 등과 같이 생체 친화성 물질의 입자를 플라즈마 용사하여 치과용 임플란트의 표면에 융착시켰으나 코팅된 막의 접착력이 충분하지 않았다.

코팅 막을 접착력을 증가시키기 위해 플라즈마 용사로 융착된 티타늄 입자를 진공 소결하여 거칠기가 충분히 부여된 생체 친화성 임플란트가 개발되었으나, 악골에 대한 임플란트 식립 후, 골흡수(골 높이의 저하)로 인해 임플란트 식립부가 노출되어 소결된 입자 사이의 빈 공간에 염증이 발생하는 부작용이 있었다.

현재 임상적으로 널리 쓰이는 SLA ( Sand - blasted , Large grit , Acid - eteched ) 및 RBM ( Resorbable Blasted Media) 임플란트는 에칭과 블래스팅 방법으로 인공생체재료의 표면을 깍아내어 표면을 거칠게 만드는 방법으로 제조된다.

표면을 거칠게 하는 동시에 화학적 활성을 부가시키기 위해 micro - arc oxidation 방법으로 표면의 화학적 조성을 변화시켰다. 뼈의 기본 구성 원소인 칼슘이나 인을 포함하는 전해질을 사용하여 임플란트의 표면에 칼슘 또는 인을 포함시켜 접착력을 향상시켰다.

위에서 알아본 바와 같이 인공생체재료의 표면의 형상과 조성을 제어하여 적절한 표면 특성을 확보하는 데에 많은 발전이 있었다. 그러나 많은 종류의 병원균, 유기물이 존재하는 의료현장에서는 이런 물질들이 인공생체재료, 진료 및 수술도구에 빠른 시간에 흡착되어 이들을 오염시키는 문제가 크다. 이런 오염물질은 인공생체재료의 표면을 소수성 표면으로 만들어 단백질, 생체세포들과 인공생체재료와의 결합을 어렵게 할 뿐 아니라 의료현장에서의 감염 위험성도 증가시키고 있다.

이를 해결하기 위한 노력으로 Ogawa 등은 티타늄을 UV 램프를 이용하여 수 시간 내지 수 일간 처리하는 표면 개질방법을 제시하였다. 이 방법을 통하여 얻어진 티타늄의 표면은 탄소 계열의 오염물이 제거되었고, 물방울에 의한 접촉각을 측정할 수 없는 친수성의 특성을 보였다. ( The effect of ultraviolet functionalization of titanium on integration with bone , Biomaterials , 30(2009) 1015-1025)) UV 처리된 티타늄은 UV 처리되지 않은 티타늄 표면에 비해 단백질 부착량이 증가되고 , 세포 증식이 활성화되었으며, 동물 조직학적 평가에서 우수한 골유착 특성이 관찰되었다.

또한, 진공상태에서 아르곤을 소량 흘려주며 교류 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 이 플라즈마 분위기에서 5분 내지 30분에 걸쳐 플라즈마 처리를 하여 친수성의 금속 표면으로 개질시키려는 시도가 있었다.

이러한 노력에도 불구하고 , UV 를 이용한 표면개질 방법은 장시간 UV 에 노출시켜야 한다는 한계를 지니고 있다. 한편, 진공에서 아르곤 플라즈마에 의한 표면개질 방법은 처리시간이 길고, 진공 플라즈마를 발생시키는 복잡한 설비가 필연적으로 수반되어 의료현장에서 사용하기에 적절하지 않은 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해, 유착성 생체 재료의 물리적 형상을 그대로 유지하면서 생체 활성을 확보하고, 5분 이내의 단시간 처리로 충분한 유착성을 가진 표면으로 개질시키며, 의료 현장에서 수월하게 사용가능하도록 소형화, 휴대화된 의료용 생체재료의 표면 개질장치와 개질방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 의료용 생체재료의 표면 개질 방법은 헬륨의 상압 플라즈마를 이용하여 인공생체재료의 표면을 개질하는 것을 특징으로 한다.

또한, 의료용 생체재료의 표면 개질장치는 , 대기압 플라즈마 발생을 위한 전원; 플라즈마 발생 전극장치; 반응 용기; 헬륨 가스 공급장치; 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 통해 5분 이내의 짧은 시간에 유착성 생체 재료의 물리적 형상을 그대로 유지하면서 유기물 제거, 세포증식 특성 향상과 같은 생체 활성을 증가시켰고, 휴대가 가능할 정도로 소형화된 의료용 생체재료의 표면개질 장치를 구현할 수 있게 되었다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 의료용 생체재료 표면개질장치의 개략도이다. 도 1은 평면형 유전체 장벽 플라즈마 방전을 이용한다. 상호 대향하는 두 전극(1,2) 사이에 유전체(3,4)가 구비되어 있고, 이중 한 쪽에 인공생체재료(5)가 장착된다. 두 전극은 직류 또는 교류 전력을 인가하는 전원(6)에 연결되고, 가스 공급장치를 통해 헬륨가스(7)가 공급된다. 전원장치에서 전기 에너지를 플라즈마 방전이 일어나는 공간으로 유도하면 플라즈마가 발생하게 되고 인공생체재료의 표면과 플라즈마가 반응하게 된다. 플라즈마가 발생하면 금속 전극에 부착된 유전체에서 유전 분극으로 인한 온도 상승이 일어난다. 이 때 발생하는 열을 적절히 제거해주지 않으면 유전체에서 플라즈마가 발생하는 영역과 플라즈마가 발생하지 않는 영역간의 열팽창 차이로 인해 유전체 파괴가 빈번하게 일어난다. 따라서 이러한 열을 제거하기 위한 적절한 조치로 방열판을 금속 전극으로 삼고, 방열판 주변에 팬을 설치하여 열을 제거하여 구현이 가능하다. 유전체로는 알루미나, 사파이어, 유리, 법랑질 코팅 등이 사용된다. ,

서로 마주보는 금속 전극에 전기 에너지를 공급하고, 계속해서 인가된 전압을 올리게 되면 일반적인 대기압의 상태에서는 공기의 이온화가 쉽지 않기 때문에 절연 파괴가 일어나며, 이 때 인가되는 전기 에너지를 차단하지 않으면 아크 방전이 일어나게 된다. 이는 표면 처리의 목적에 부합하지 않기 때문에 전기 에너지의 공급을 차단할 수 있는 유전체를 사용함으로써 아크 형태의 방전이 일어나지 않게 한다. 일반적인 대기의 상태에서 두께 1 mm 내외의 알루미나 플레이트를 유전체로 삼아 그림 1과 같이 구성하게 되면 알루미나 플레이트간 거리에 대하여 요구되는 전압은 4~6 kV / mm 가량 된다. 이 경우 역시 아크 방전으로의 전이를 차단한 것이지 고른 표면처리가 가능한 것이 아니다. 방전 가스를 이용하지 않는 한 대기압에서 얻게 되는 방전은 스트리머 방전이라 불리는 많은 작은 마이크로 아크의 형태로 일어난다. 이 곳에 전기 전도성이 있는 금속 물체를 위치시키면 상당 부분의 마이크로 아크가 금속 물체로 집중되기 때문에 전체적으로 균질한 표면 처리를 수행할 수 없게 된다.

이러한 균질성 문제를 해결하기 위해 헬륨 또는 알곤과 같은 방전 가스를 사용하였다. 방전가스는 가해진 전계에 의하여 쉽게 이온화가 될 수 있는 특성을 지니고 있어 진공 방전에서도 많이 사용되고 있다.

대기압 방전은 진공을 유지하기 위한 설비를 요구하지 않는 동시에 반응 시스템에 외부로부터 산소, 질소, 수분, 등이 포함된 대기가 유입된다. 대기에서의 방전시에 수분의 이온화는 거의 발생하지 않으며, 활성종의 생성도 미미하지만, 대기에 헬륨이 포함되면 헬륨이 쉽게 이온화되어 균질한 플라즈마를 작은 에너지 (1~2 kV / mm )로도 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라 수분 활성종을 상당량 생성시켜 이를 통해 표면을 친수성으로 개질하기에 바람직한 플라즈마가 형성된다.

헬륨을 사용한 상압 플라즈마의 효과를 확인하기 위하여, 티타늄 디스크를 준비하고, 증류수에 초음파 세척 및 플라즈마 처리한 후 물 접촉각을 측정하였다. 비교대상 샘플은 티타늄 디스크를 아세톤, 알콜 , 증류수에서 차례로 초음파 세척 후 건조시켜 제조하였다. 물 접촉각 측정 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

표면 개질된 티타늄 디스크 표면의 물 접촉각 측정

표면 개질 공정	평균 접촉각
표면 개질 전	54°
아세톤/ 알콜 /증류수 (초음파세척, 각각 5분 씩 )	39°
증류수 (초음파세척, 5분) / 헬륨 상압 플라즈마 처리 (1초)	측정불가 (20° 미만)
증류수 (초음파세척, 5분) / 헬륨 상압 플라즈마 처리 (1분)	측정불가 (20° 미만)

세척전에 비해 아세톤/알코올/증류수 세척에 의해 표면 오염물이 제거되어 어느 정도 친수성이 향상되었지만, 헬륨을 사용한 상압 플라즈마로 처리하면 1초만 처리하 더라도 접촉각이 측정할 수 없는 수준(20도 미만)으로 낮아져 표면의 친수성이 현저하게 향상된 결과를 보였다.

헬륨을 사용한 상압 플라즈마로 처리되어 친수화된 표면을 가진 티타늄의 골과의 유착능에 관한 간접적인 평가로서 조골세포의 초기 증식 특성을 관찰하였다. 생체재료의 표면에 대한 세포의 친화성을 평가하는 일반적인 방법인 초기 부착성 (4시간 배양 후 생체재료의 표면에 존재하는 세포의 수 측정), 부착 면적(4시간 배양 후 생체재료의 표면에 존재하는 세포의 퍼짐성), 약 1주일 이내의 시간동안 증식된 세포의 수를 조사한 결과는 표2와 같다. 각 수치는 아세톤/ 알콜 /증류수에서 초음파 세척된 샘플에서의 결과를 기준으로 표시한 결과이다.

[표 2]

표면 개질된 티타늄 디스크 표면과 조골세포의 유착성 평가

표면 개질 공정	초기부착성	부착면적	증식세포수 (5일)
아세톤/ 알콜 /증류수 (초음파세척)	1	1	1
증류수 (초음파세척) / 헬륨 상압 플라즈마 처리	1.38	1.19	1.65

초기 부착능 평가 결과 헬륨을 사용한 상압 플라즈마로 처리한 생체재료의 표면이 아세톤/ 알콜 /증류수에서 초음파 세척된 생체재료의 표면에 비하여 초기부착성은 약 35% 이상, 부착면적은 약 20%, 5일 후 증식세포수는 약 65% 가량 향상되었다. 이와 같은 결과로부터 헬륨을 사용한 상압 플라즈마로 생체재료를 처리한 경우 친수성으로 표면이 개질되어 생체 유착성이 현저하게 향상됨을 알 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 형태의 의료용 생체재료 표면개질장치의 개략도이다. 튜브형의 플라즈마 반응 용기(8)에 상호 대향하는 플라즈마 발생을 위한 전극(1,3)이 구비된다. 튜브의 한쪽 끝으로 반응가스인 헬륨이 주입되고 플라즈마가 형성되며 반대편 출구로 플라즈마가 분사된다. 양 전극의 위치와 관련된 a와 b값은 그 선택의 폭이 아주 넓다. 도 2에서와 같이 양 전극이 튜브 안에 구비되기도 하지만, 한 전극이 튜브 외부에 구비될 수도 있다. 또한 생체재료 뿐 아니라 진료 및 수술을 위한 의료기기의 표면을 개질하여 살균 또는 소독의 효과를 얻을 수 있다.

다양한 형태의 표면개질장치 개략도를 도 3-9에 도시하였다. 도 3-4의 표면개질장치는 튜브 구간의 두 전극을 통해 전력 공급이 이루어지며, 두 전극이 모두 표면 처 리부(9) 바깥쪽에 위치하므로 금속, 비금속 생체재료 및 의료기기 모두의 표면을 개질할 수 있다.

도 5-8의 표면개질장치는 두 전극 중 하나가 표면처리부 내부에 구비된다. 플라즈마 방전은 튜브로부터 표면처리부의 일정부분까지 일어나게 되어 활성종이 증가하고 활성효율을 향상시킬 수 있다. 이 경우 역시 금속 또는 비금속 생체 재료와 의료기기에 모두 사용이 가능하다.

도 9의 표면개질장치는 금속 생체재료 또는 의료기기 자체를 한 전극으로 사용하여 직접적인 방전을 이용하여 표면개질 효과를 얻고자 하는 형태이다. 플라즈마 방전은 방전이 쉬운 영역으로 집중될 수 있어서 표면개질시키고자 하는 생체재료 또는 의료기기와 표면처리부 외부의 전극의 형상이 유사해야 한다.

도 1은 본 발명의 유전체 장벽형 표면개질장치의 개략도

도 2는 본 발명의 튜브형 표면개질장치의 개략도

도 3은 본 발명의 튜브형 표면개질장치의 구성예 - 정면도

도 4는 본 발명의 튜브형 표면개질장치의 구성예 - 평면도

도 5는 본 발명의 튜브형 표면개질장치의 구성예 - 정면도

도 6은 본 발명의 튜브형 표면개질장치의 구성예 - 평면도

도 7은 본 발명의 튜브형 표면개질장치의 구성예 - 정면도

도 8은 본 발명의 튜브형 표면개질장치의 구성예 - 평면도

도 9는 본 발명의 직접방전을 이용한 표면개질장치의 구성예

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1,3 : 전극 2,4 : 유전체

5,10 ; 인공생체재료 또는 의료기기 6 : 전원장치

7 : 가스주입부 8 : 튜브

9 : 표면처리부

Claims (5)

1. 의료기기의 표면개질 방법에 있어서,

   불활성 가스가 포함된 대기압 상압 플라즈마를 발생시키는 단계;

   상기 플라즈마 분위기에서 상기 인공생체재료의 표면을 개질하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료기기의 표면개질 방법
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 불활성 가스는, Ar 또는 He 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 의료기기의 표면개질 방법.
3. 대기압 플라즈마를 이용한 의료기기의 표면개질장치에 있어서,

   서로 대향하는 두 전극부;

   상기 전극에 전력을 공급하는 전원부;

   상기 전극의 마주보는 면에 형성된 유전체;

   불활성 가스 공급부 ;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 의료기기의 표면개질장치 .
4. 대기압 플라즈마를 이용한 의료기기의 표면개질장치에 있어서,

   표면개질되는 상기 인공생체재료가 장착되는 표면처리부;

   불활성 가스 공급부 ;

   한쪽은 상기 불활성 가스 공급부와 연결되고, 다른 한쪽은 표면처리부에 연결되는 튜브형 방전 용기;

   적어도 한 전극은 상기 튜브형 방전 용기내에 구비되어 전력을 인가하는 두 전극;

   상기 전극에 전력을 공급하는 전원부;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 의료기기의 표면개질장치 .
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 불활성 가스는, Ar 또는 He 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 의료기기의 표면개질장치 .

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