KR20110065390A

KR20110065390A - 임플란트

Info

Publication number: KR20110065390A
Application number: KR1020100124545A
Authority: KR
Inventors: 구자교; 석현광; 양석조; 김유찬; 조성윤; 김종택
Original assignee: 유앤아이 주식회사
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2011-06-15
Also published as: AU2010328804A1; WO2011071299A2; EP2510957A2; US20130131814A1; CN102639158A; WO2011071299A3; JP2013512069A

Abstract

본 발명은 인공관절을 뼈에 고정하고, 생체분해성 마그네슘 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트에 관한 것이다.

Description

임플란트{IMPLANT}

본 발명은 임플란트에 관한 것이다.

본 발명은 2009년 12월 7일에 한국특허청에 제출된 한국특허출원 제10-2009-0120346호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.

인공관절(예: 고관절 임플란트, 무릎 관절 임플란트 등)은 뼈에 이식 후, 이식 부위 주변의 뼈 조직을 성장하게 만든다. 그리고, 뼈 조직의 성장에 의해 인공관절이 뼈에 고정된다. 기존의 인공관절에서는, 뼈 조직과 인공관절 간의 계면력 향상을 위해 뼈시멘트 또는 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)를 코팅하는 방법이 이용되고 있다. 여기서, 뼈시멘트의 경우, 수술시에 반죽해서 인공관절에 접착시킨다. 뼈시멘트는 시술 후 깨질 수 있으며 용출물이나 파티클 등이 인공 관절의 성능과 인체에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 특히, 뼈시멘트의 파티클이 폐혈관을 막아 사망할 수 있다는 보고도 있다. 또한, HA의 경우, HA가 뼈와의 계면력을 향상시켜 뼈와 임플란트가 강한 결합력을 갖게 한다. 하지만, HA 코팅과 인공관절이 박리되는 문제가 발생한다.

한편, 인공관절의 골유합 개선을 위한 고정용 임플란트로서 생분해성 폴리머만으로 이루어진 스크류 등이 사용되고 있으나, 이는 기계적 강도가 부족하고, 분해시 불균일하게 분해된다는 문제점이 있다. 이러한 기술의 일례로서, 일본특허공개 2002-253665 및 2000-070278은 생분해성 폴리머로 이루어진 인공관절 고정용 스크류를 개시하였다.

또한, 이러한 고정용 임플란트 외에, 일본특허공개 1993-049657은 생분해성 폴리머로 이루어진 인공관절 컵 이동 방지기구를 이용하여 인공관절 유합개선을 시키고자 하였다.

따라서 전술한 바와 같은 문제를 극복하거나 또는 최소화하며, 기존의 생분해성 폴리머를 사용한 임플란트에 비해 인공관절 유합개선 효과가 높은 것을 목적으로, 임플란트와 골과의 결합력을 높이고자 하는 다양한 기법의 개발이 필요하다.

본 발명은 이하와 같은 임플란트를 제공하는 것을 목적으로 한다:

i) 초기 강도가 크며 뼈에 가까운 강성(탄성계수)을 갖는 임플란트.

ⅱ) 초기 굽힘, 뽑힘 강도가 뼈보다 높고, 인공관절이 뼈에 고정될 때까지 초기 굽힘, 뽑힘 강도를 유지하는 임플란트.

ⅲ) 인공관절을 뼈에 고정한 후, 인공관절을 뼈에 고정하는 임플란트의 분해가 치유기간까지 초기 기계적 특성을 60% 이상 유지하도록 분해 속도 제어가능하고, 분해는 표면으로부터 내부로 균일하게 발생되고, 유독한 조직 반응 (예: 염증반응)을 일으키지 않는 임플란트.

ⅳ) 임플란트 자체 및 그것의 분해산물로 인한 부작용이 없는 임플란트.

ⅴ) 임플란트가 뼈 내부에서 분해되고 뼈로 흡수될 때, 뼈세포가 임플란트의 빈 공간에 침입하여, 최종적으로 임플란트가 뼈로 대체되는 임플란트.

ⅵ) 임플란트가 주위의 뼈에 고정되어 확실한 고정력을 얻을 수 있는 임플란트.

본 발명은 인공관절을 뼈에 고정하기 위한 것으로, 생체분해성 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트를 제공한다.

본 발명의 임플란트는 인공관절을 뼈에 고정하고, 인공관절과 뼈 사이에 초기 결합력과 계면력을 향상시킨다. 본 발명의 임플란트는 뼈와 결합한 후, 임플란트가 분해되면서 뼈 생성을 유도한다. 본 발명의 임플란트가 뼈 생성을 유도함으로, 장기적으로는 인공관절과 뼈 사이의 강한 결합력을 유지시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 임플란트와 인공관절을 도시한 도면이다.
도 2는 인공관절에 장착된 실시예 1의 임플란트(스크류 타입: 화살표)를 나타내는 사진이다.
도 3은 실시예 2의 임플란트를 랫트의 대퇴부에 식립한 후 1주째, 8주째 및 12주째의 그 절편의 H&E 조직염색 사진이다.
도 4는 실시예 2의 임플란트를 랫트의 대퇴부에 식립한 후 1주째, 2주째, 4주째, 8주째 및 12주째에 RNA를 채취하여 골 형성과 뼈의 성장 지수를 나타내는 ALP (alkaline phosphatase) 및 오스테오칼신의 발현을 분석한 히스토그램이다.
도 5는 제조예2의 생체분해성 마그네슘 합금의 표면 사진을 나타낸 것이다.

이하에서 본 발명을 구체적으로 설명한다.

Ⅰ. 임플란트

본 발명의 임플란트는 인공관절을 뼈에 고정하기 위한 것으로, 생체분해성 마그네슘 합금을 포함한다. 상기 임플란트는 인공관절의 시술 시, 인공관절을 뼈에 고정하는 역할을 한다. 시간이 흐르면, 상기 임플란트가 뼈 내부에서 분해되면서 뼈 형성이 유도된다. 상기 임플란트가 분해된 영역이 뼈로 채워지게 되고, 이로 인해 상기 임플란트는 뼈와 인공관절의 접합성을 향상시킨다. 이때, 임플란트의 분해 및 골 생성 속도는 생체분해성 마그네슘 합금의 양으로 조절될 수 있다.

상기 임플란트는 인공관절을 뼈에 고정할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 스크류, 볼트, 핀, 못 및 와셔(washer)로 이루어진 군에서 선택되는 형태인 것이 바람직하다. 여기서, 스크류는 내부에 홀이 있는 캐뉼러형 스크류일 수 있다. 상기 와셔는 핀 등의 하중을 분산을 위해 이용되는 것이다.

상기 인공관절도 인체의 관절을 대체할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 엉덩이뼈 관절, 무릎 관절, 어깨 관절, 팔꿈치 관절, 손목 관절, 발목 관절, 손가락 관절 및 발가락 관절로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.

상기 생체분해성 마그네슘 합금은 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.

<화학식 1>

Mg-A

상기 화학식 1에서,

A는 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu), 카드뮴(Cd), 지르코늄(Zr), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 레늄(Re), 철(Fe), 아연(Zn), 몰리브덴(Md), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 티타늄(Ti), 스트론튬(Sr), 규소(Si), 인(P) 및 셀레늄(Se)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상이다.

보다 바람직하게는, 상기 생체분해성 마그네슘 합금은 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다.

<화학식 2>

Mg_aCa_bX_c

상기 화학식 2에서,

a, b 및 c는 각 성분의 몰비로서, a+b+c=1이고, 0.5≤a＜1, 0≤b≤0.4, 0≤c≤0.4이고, 단, b와 c 중 적어도 하나는 0을 초과하고, c가 0일 경우, Ca의 함량이 상기 생체분해성 마그네슘 합금 총 중량에 대하여 5 내지 33중량%로 포함되고, X는 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 스트론튬(Sr), 크롬(Cr), 망간(Mn), 아연(Zn), 규소(Si), 인(P), 니켈(Ni) 및 철(Fe) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이다.

상기 X가 2종 이상이어도, X의 총합의 몰비는 상기 c의 범위를 만족한다. 상기 Ca 및 X의 함량이 증가할수록, 마그네슘 합금의 강도가 증가하며, 동시에 생체분해 속도가 증가하게 된다. 따라서, 본 발명의 임플란트는 요구되는 강도 및 충진 금속의 소멸속도를 고려하여, 상술한 범위 내에서 Ca 및 X의 양을 결정할 수 있다.

상기 X에 니켈(Ni)이 포함될 때. 니켈은 생체분해성 임플란트의 독성을 감소시키고, 부식 속도 제어를 용이하게 한다. 이때 니켈의 함량은 100ppm 이하인 것이 바람직하고, 50ppm이하가 더 바람직하다. 또한, 상기 X에 철(Fe)이 포함될 때, 철은 마그네슘 합금의 부식속도 증가에 매우 큰 영향을 미치므로, 철의 함량은 1,000ppm 이하인 것이 바람직하고, 500ppm 이하인 것이 더 바람직하다. 이때, 철의 함량이 상술한 범위 이상으로 포함되면, 철이 마그네슘에 고용되지 못하고 독립된 인자로 존재하여 마그네슘의 부식속도를 증가시킨다.

상기 생체분해성 마그네슘 합금은 마그네슘(Mg)과 불순물로 이루어지고, 상기 불순물은 망간(Mn) 및, 철(Fe), 니켈(Ni) 및 철(Fe)과 니켈(Ni)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종을 포함하고, 상기 불순물의 함량이 상기 마그네슘 100중량부에 대하여 0초과 1중량부 이하이고, {철(Fe), 니켈(Ni), 철(Fe)과 니켈(Ni)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종}/망간(Mn)=0초과 5이하인 것일 수 있다.

상기 {철(Fe), 니켈(Ni), 철(Fe)과 니켈(Ni)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종}/망간(Mn)=0초과 0.2이하인 것이 바람직하다. 상기 {철(Fe), 니켈(Ni), 철(Fe)과 니켈(Ni)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종}/망간(Mn)이 상술한 범위를 만족하면, 생체 내에서 분해속도가 극도로 낮게 제어되어 내식성이 향상된다. 이로 인해 생체 내에서 임플란트가 보다 장기간 존재할 수 있다.

상기 불순물로 니켈(Ni)과 망간(Mn)이 포함될 때. 니켈(Ni)이 인체 알레르기 반응을 야기하고 순 Mg의 부식 속도를 증가시킨다. 따라서, 니켈 함량은 100ppm 이하인 것이 더 바람직하고, 50ppm이하가 가장 바람직하다.

상기 생체분해성 마그네슘 합금은 하기 화학식 3으로 표시되고, 총 중량에 대하여, Ca은 0 초과 23 중량% 이하; Y는 0 초과 10 중량% 이하; 및 Mg은 잔량을 포함하는 마그네슘 합금일 수 있다.

<화학식 3>

Mg-Ca-Y

상기 화학식 3에서, Y는 Mn 또는 Zn이다.

상기 화학식 3으로 표시되는 생체분해성 마그네슘 함금이 상술한 범위를 만족하면, 기계적 물성 및 내식성이 동시에 향상되고, 취성파괴(脆性破壞)가 일어나지 않는 생체분해성 임플란트를 제공할 수 있다.

또한, 상기 화학식 3으로 표시되는 마그네슘 합금은 바람직하게는 총 중량에 대하여, 상기 Ca은 0 초과 23 중량% 이하, Y는 0.1 내지 5중량% 및 Mg은 잔량을 포함하는 것이고, 더 바람직하게는 상기 Ca은 0 초과 23 중량% 이하, X는 0.1 내지 3중량% 및 Mg은 잔량을 포함하는 것이다. 그 이유는 혹시라도 발생할 수 있는 불순물의 부작용을 고려하여 동일 부식 속도를 구현할 경우 불순물의 함량이 적은 것이 유리하기 때문이다.

또한, 본 발명의 생체분해성 임플란트는, 상기 생체분해성 마그네슘 합금; 및 금속, 세라믹 및 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 혼합한 마그네슘 복합재를 포함할 수도 있다.

또한, 본 발명의 임플란트에 포함되는 생체분해성 마그네슘 합금은 표면코팅을 수행할 수 있다. 표면코팅을 수행하면, 마그네슘 합금 표면에 부식생성물이 생성되도록 하여 분해속도를 지연시킬 수 있다.

상기 표면코팅은 세라믹 및/또는 고분자로 수행할 수 있다.

우선, 세라믹으로 표면코팅을 수행하는 것을 설명한다. 상기 생체분해성 마그네슘 합금을 생체모사액이나 생리식염수 등에 침지시키면, 부식생성물로 생체분해성 마그네슘 합금의 표면을 코팅할 수 있다. 여기서, 부식생성물이 세라믹이고, 상기 세라믹은 산화마그네슘, 칼슘포스페이트일 수 있다. 그리고, 부식생성물로 생체분해성 마그네슘 합금의 표면을 코팅한 후, 고분자로 더 코팅할 수도 있다. 상기 고분자의 종류는 후술한 고분자의 종류와 동일하다.

또한, 생체분해성 마그네슘 합금의 표면을 고분자로 코팅할 때 이용하는 고분자는 당 업계에서 이용되는 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 하지만, 상기 고분자는 Poly(L-lactide), poly(glycolide), poly(DL-lactide), poly(dioxanone), poly(DL-lactide-co L-lactide), poly(DL-lactide-co-glycolide), poly(glycolide-co-trimethylene carbonate), poly(L-lactide-co-glycolide), poly(e-caprolactone) 또는 이들의 중합체를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 임플란트에 포함되는 마그네슘 합금은 표면처리를 수행한 것이 바람직하다. 상기 표면처리는 숏피닝(shot peening) 또는 샌드블라스팅(sand blasting)을 하는 것이 바람직하다.

상기 생체분해성 마그네슘 합금은 초음파를 적용한 것일 수도 있다. 상기 생체분해성 마그네슘 합금에 초음파를 적용하면, 생체 내에서 부식속도가 증가하여 보다 짧은 시간 내에 임플란트가 소멸되는 이점이 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 생체분해성 임플란트는 상기 생체분해성 마그네슘 합금이 다공성 구조체를 이룰 수 있고, 또는 다공성 구조체에 상기 생체분해성 마그네슘 합금이 충진된 것일 수도 있다.

본 발명의 임플란트는 생체분해성 마그네슘 합금 외에 다공성 구조체를 더 포함할 수 있다.

상기 다공성 구조체의 기공의 크기는 기술분야의 통상적인 방법을 이용하여 사용되는 분야에 따라 조절될 수 있으나, 200 내지 500㎛인 것이 바람직하다. 상기 기공의 크기가 상술한 범위를 만족하면, 영양분, 미네랄 및 이온의 공급을 담당하는 혈관이 기공을 통과하기 용이하다.

상기 다공성 구조체의 기공율은 5~95%인 것이 바람직하다. 여기서, 기공율은 전체 부피 중 기공이 차지하는 체적비를 말한다. 상기 기공율은 적용하고자 하는 대상의 요구 강도가 높을 경우 기공율을 낮춰 다공성 구조체의 강도를 높일 수 있다. 구체적인 예를 들면, 다공성 구조체가 강도가 높은 탄탈륨과 같은 금속인 경우이거나, 단순히 손실된 골의 공동(cavity)을 채우는 역할을 할 경우 기공률을 높여도 무관하다.

상기 다공성 구조체가 금속, 세라믹 및 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 다공성 구조체가 금속일 경우, 타이타늄 또는 타이타늄 합금, 코발트-크롬합금 및 스테인레스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. 상기 다공성 구조체가 세라믹일 경우, 칼슘 포스페이트(Calciu, Phosphate), 알루미나, 지르코니아 및 마그네시아로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. 상기 다공성 구조체가 고분자일 경우, 폴리에틸렌, 폴리유산(polylactic acid: PLA), 폴리글리콜산(polyglycolic acid: PGA) 및 이들의 공중합체인 PLGA, Poly(L-lactide), poly(glycolide), poly(DL-lactide), poly(dioxanone), poly(DL-lactide-co L-lactide), poly(DL-lactide-co-glycolide), poly(glycolide-co-trimethylene carbonate), poly(L-lactide-co-glycolide), poly(e-caprolactone) 및 이들의 중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. 여기서, 다공성 구조체가 상술한 고분자일 경우, 생체 내에서 분해될 수 있는 산이 발생하여 pH가 낮아지는 현상이 일어난다. 이때, 생체분해성 마그네슘으로 기공이 충진된 고분자 복합재의 경우 마그네슘이 분해되면서 pH를 높이는 효과가 있으므로, 고분자와 마그네슘의 분해속도를 제어하면 생체내에서의 pH를 임의로 조절할 수 있는 추가적인 효과도 기대할 수 있다.

또한, 본 발명의 임플란트는 세포의 부착을 돕거나 혈관 형성, 골형성을 유도하거나 촉진할 수 있는 물질을 추가로 포함할 수도 있다. 상기 물질의 예로서는, BMP(bone morphogenic protein)-2, BMP-4, BMP-6, BMP-7, IGF(insulin like growth fadtor)-1, IGF-2, FGF(fibroblast growth factor), PDGF(platelet derived growth factor), 기타 TGF(transforming growth factor)-β, VEGF (vascular endothelial growth factor), 파이브로넥틴(fibronectin), 및 비트로넥틴(vitronectin)으로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 하나 이상을 들 수 있다.

한편, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 임플란트와 인공관절을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 인공관절(10)을 뼈(미도시)에 고정하기 위하여, 인공관절(10)과 본 발명의 일실시예에 따른 임플란트(20)가 결합된 형태이다. 상기 임플란트(20)는 스크류 형태이나 이에 한정되지는 않는다.

Ⅱ. 임플란트의 제조 방법

본 발명의 일실시예에 따른 임플란트의 제조방법은 a) 상기 생체분해성 마그네슘 합금을 제공하는 단계, b) 상기 생체분해성 마그네슘 합금을 성형하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 a) 단계는 상기 생체분해성 마그네슘 합금을 용융시켜 제공하는 단계인 것이 바람직하다. 보다 상세하게 설명하면, 상기 a) 단계는 마그네슘과 반응하지 않는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기에서 상기 생체분해성 마그네슘을 용융시켜 제공하는 단계일 수 있다. 또한, 상기 a) 단계는 저항체에 전기를 가하여 열을 발생시키는 저항 가열 방식, 유도 코일에 전류를 흘려 유도 가열하는 방식, 또는 레이저나 집속 광에 의한 방법 등 다양한 방법을 이용하여 상기 마그네슘을 용융시켜 제공하는 단계일 수 있다. 여기서, 상술한 용융방법 중 저항가열 방식이 가장 경제적이다. 상기 생체분해성 마그네슘 합금의 용융 시 불순물들이 잘 섞일 수 있도록 용융 합금(이하 용탕)을 교반하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 임플란트가 다공성 구조체의 기공에 상기 생체분해성 마그네슘 합금이 충진된 것이라면, 상기 a) 단계는 a-1) 다공성 구조체를 준비하는 단계; 및 a-2) 상기 다공성 구조체의 기공을 상기 생체분해성 마그네슘 합금으로 충진시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 a-1) 단계에서, 다공성 구조체는 금속, 세라믹 및 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종일 수 있다.

상기 다공성 구조체가 금속만을 이용하여 제조하는 경우, 상기 a-1)단계는 하기와 같다.

우선, 금속을 분말 또는 선재(wire)로 제조한다. 상기 분말 또는 선재로 제조된 금속을 예비성형체(Green preform)로 제조한다. 상기 예비성형체를 제조하는 방법은 소결법 및 상기 소결법이 변형된 방법을 이용할 수 있다.

상기 소결법을 이용한 예비성형체의 제조방법은 하기와 같다.

우선, 상기 분말 또는 선재로 제조된 금속을 용기에 담거나 100MPa 이하의 적정한 힘으로 눌러 약한 강도를 갖게 만들고, 상기와 같이 약한 강도를 갖게 된 금속을 상기 금속의 융점의 2/10 내지 9/10의 온도로 유지시켜 분말 또는 선재끼리 결합하여 기계적 강도를 갖는 예비성형체를 제조한다.

또한, 상기 소결법이 변형된 방법을 이용한 제조방법은 하기와 같다.

상기 분말 또는 선재로 제조한 금속을 그라파이트와 같은 전도성 용기에 담고, 전도성 용기에 고전류를 흘려 상기 분말 또는 선재로 제조된 금속의 접촉부에서 순간적으로 열이 발생하도록 하여 소결체를 만들어 예비성형체를 제조한다.

상기 다공성 구조체가 금속 및 고분자를 포함하여 제조되는 경우, 상기 a-1) 단계는 하기와 같다.

우선, 금속을 분말 또는 선재(wire)로 제조한다. 이어서, 상기 분말 또는 선재로 제조된 금속에 고분자를 혼합시키고, 온도를 상승시키는 과정에서 저온에서 고분자가 분해되어 소멸되고, 고온에서 분말 또는 선재로 제조된 금속이 소결되어 적절한 기계적 강도를 갖는 예비성형체를 제조한다. 이때 소결 온도, 가압력, 고분자와 금속의 혼합비 등에 따라 기공율과 소결체의 강도가 결정되며 필요에 따라 적정한 조건을 선택할 수 있다. 소결 온도는 다공성 구조체 제조에 사용된 소재의 종류에 따라 달라지며, 일반적으로 다공성 구조체의 융점의 1/2 내지 9/10 정도가 바람직하다. 소결 시 압력을 가하지 않더라도 소결은 일어나지만 가압력이 높을수록 소결이 빨리 진행된다. 다만, 가압력을 높일수록 장치 비용과 금형 비용 등 추가 비용이 소요되므로 적정한 압력을 선택하는 것이 좋다.

또한, 상술한 방법 외에, 상기 다공성 구조체가 금속 및 고분자를 포함하여 제조되는 경우, 상기 a-1)단계는 하기와 같다.

우선, 고분자 표면을 금, 백금 및 Pd 등의 귀금속으로 도금한다. 그 후, 고분자를 제거하여 생체적합성이 더욱 양호한 금속 다공성 구조체를 제조할 수 있다.

상기 다공성 구조체가 수용성 염과 금속을 이용하여 제조되는 경우, 상기 a-1) 단계는 하기와 같다.

우선, 수용성 염과 금속분말을 혼합하여 고온 성형하여 예비성형체를 제조한다. 여기서, 상기 수용성 염은 NaNO₂, KNO₂, NaNO₃, NaCl, CuCl, KNO₃, KCl, LiCl, KNO₃, PbCl₂, MgCl₂, CaCl₂ 및 BaCl₃으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. 이어서, 상기 예비성형체를 금속분말 융점의 2/10 내지 9/10의 온도에서 가압한다. 가압과정에서, 금속분말은 원자 이동에 의해 서로 결합되어 구조체를 형성하고, 수용성 염이 내부에 포함된 복합재를 형성하게 된다. 상기 복합재를 물에 담그게 되면 수용성 염만 녹아 나와 기공이 있는 금속 다공성 구조체가 제조된다. 더 나아가 금속 소재를 완전히 용융한 후 가스를 발생하는 발포제를 주입하여 금속 다공성 구조체를 제조할 수도 있다.

상기 다공성 구조체가 고분자 및 금속이온을 포함하는 전해액을 이용하여 제조되는 경우, 상기 a-1) 단계는 하기와 같다.

우선, 다공성 고분자의 표면을 금속이온을 포함하는 전해액을 이용하여 금속으로 도금한다. 이때, 상기 금속이온은 특별히 한정하지 않으나, Ti, Co, Cr 및 Zr으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. 이어서, 온도를 올려 고분자를 제거하면 다공성 금속 구조체를 제조할 수 있다.

상기 다공성 구조체가 세라믹을 이용하여 제조되는 경우, 상기 a-2)단계는 하기와 같다.

우선, 세라믹 미분과 바인더 폴리머(고분자)를 혼합한다. 상기 혼합물을 폴리우레탄과 같은 제거 가능한 소재로 만들어진 폼(foam)재의 골격 구조 표면에 입힌 후 건조하여 다공성 구조체를 만든다. 그 후, 온도를 높이면 결합재 고분자의 연소 온도 부근에서 고분자가 연소하여 제거되고, 온도를 더욱 높이게 되면 남은 세라믹끼리 서로 소결되어 기계적 강도가 있는 다공성 구조체를 제조할 수 있다.

여기서, 상기 세라믹 미분은 하이드록시아파타이트(HA), 지르코니아 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.

상기 a-1) 단계는 상술한 다공성 구조체의 제조방법을 변형하거나 조합하는 방법, 또는 이종 소재의 일부에 적용하여 내부와 외부의 기공율이 다르게 제어된 다공성 구조체를 제조하는 방법일 수도 있다. 후자의 방법으로는, 내부가 기공이 적거나 없는 고밀도이고 바깥쪽은 기공율이 높아 위치별 기공율이 다른 다공성 구조체를 제조할 수 있다,

상기 a-2) 단계는, 상기 생체분해성 마그네슘 합금의 용융액에 상기 다공성 구조체를 침지시키는 방법, 상기 다공성 구조체를 고정시키고 마그네슘의 용융액을 흘려 기공이 충진되도록 하는 방법, 및 상기 두 가지 방법에서 외부로부터 1기압 이상의 압력을 가하여 용융된 상기 생체분해성 마그네슘이 보다 용이하게 다공성 구조체의 기공 사이로 충진되도록 하는 방법으로 이루어진 군에서 선택되는 1종을 이용할 수 있다. 이때 용융된 생체분해성 마그네슘 합금이 기공을 충진시키는 동안 응고되지 않도록 다공성 구조체를 가열하거나 표면의 각종 오염 물질을 제거하여 용융된 마그네슘이 쉽게 기공을 채우도록 유도할 수 있다.

또한, 상기 a-2) 단계는 하기와 같은 단계일 수도 있다. 보다 상세하게 설명하면, 우선 마그네슘을 고온에서, 바람직하게는 700℃ 이상에서 유지하여 기화시킨 후, 마그네슘 증기가 다공성 구조체의 기공 사이를 통과하면서 기공 표면에 증착되도록 하여, 마그네슘으로 다공성 구조체의 기공을 충진시키는 단계일 수 있다.

또한, 상기 a-2) 단계는 하기와 같은 단계일 수도 있다. 보다 상세하게 설명하면 마그네슘을 포함하는 염을 액체에 용해한 후, 다공성 구조체를 그 액체에 통과시키면서 다공성 구조체의 기공 표면에 마그네슘이 흡착되도록 하는 단계일 수 있다.

상기한 바와 같은 충진 방법 외에, 또 다른 변형 예로 다공성 구조체의 기공을 마그네슘 합금으로 완전히 충진시키지 않고 일부만 충진시킬 수도 있다. 즉, 다공성 구조체에 용융 마그네슘을 충진시킨 후, 마그네슘이 완전히 응고하기 전에 다공성 구조체에 고압가스를 불거나 다공성 구조체를 회전시키거나 털게 되면 응고되지 않은 마그네슘이 다공성 구조체로부터 제거되고 일부의 마그네슘만 기공에 잔존하게 되어 기공의 일부에 마그네슘이 함침된 복합재를 제조할 수 있다. 이 경우, 다공성 구조체 기공의 위치별 마그네슘 충진율이 다르게 제어될 수 있다.

한편, 융점이 마그네슘에 비해 낮은 고분자의 경우 다공성 구조체를 먼저 만들고, 추후에 용융된 마그네슘으로 기공을 충진시킬 경우 고분자 다공성 구조체가 제 형상을 유지할 수 없게 된다. 따라서 고분자와 생체분해성 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트는 생체분해성 마그네슘 합금 분말과 고분자를 부피 분율 5:95 내지 95:5의 범위에서 혼합한 후 섭씨 150 내지 500℃로 승온하여 1기압 내지 100기압의 범위로 가압하는 방법으로 생체분해성 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트를 제조하는 것이 바람직하다. 상기한 조건은 고분자 다공성 구조체-생체분해성 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트의 바람직한 제조 조건일 뿐이며, 상기 조건에서 벗어난 조건에서도 고분자 다공성 구조체-생체분해성 마그네슘 합금을 포함하는 임플란트가 성형되지 않는 것은 아니므로 제조 조건 변경에 의해 본 발명의 권리가 침해될 수 없다.

전술한 바와 같은 금속, 세라믹 및 고분자 다공성 구조체의 제조방법 및 다공성 구조체의 기공을 마그네슘 합금으로 충진시키는 방법, 생체분해성 마그네슘 합금으로 충진된 고분자를 포함하는 생체분해성 임플란트 제조방법은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 임플란트의 제조방법에 포함되는 b) 단계는, 상기 용융된 생체분해성 마그네슘 합금을 냉각방법, 압출방법 및 금속가공방법으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 성형하는 단계일 수 있다.

상기 성형 후의 임플란트의 형상은 인공관절을 뼈에 고정할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 스크류, 볼트, 핀 및 못으로 이루어진 군에서 선택되는 형태인 것이 바람직하다.

상기 냉각방법은, 마그네슘 합금의 기계적 강도를 향상시킬 목적으로 이용할 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 상기 a) 단계에서 마그네슘이 용융된다면, 용융된 마그네슘이 포함된 도가니를 물에 침지시키는 방법을 이용할 수 있다. 또한, 상기 용융된 마그네슘을 아르곤 등 불활성 가스를 이용하여 분무하는 냉각방법을 이용할 수 있다. 상기 분무하는 냉각방법은 훨씬 높은 속도로 냉각되어 매우 미세한 조직을 나타낼 수 있다. 하지만, 작은 크기로 마그네슘을 주조할 경우 내부에 다수의 기공(검은 부분)이 형성될 수도 있으므로, 주의해야 한다.

상기 압출방법은, 마그네슘의 조직이 균일해지고 기계적 성능이 향상시킬 목적으로 이용된다. 상기 압출방법은 300 내지 450℃에서 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 마그네슘의 압출은 압출전후 단면적 감소비율(압출비)을 10:1 내지 30:1 내에서 수행할 수 있다. 압출비가 커질수록 압출재의 미세조직이 균일해지고, 주조시 형성된 결함이 용이하게 제거되는 장점이 있으나, 이 경우, 압출장치용량을 증가시키는 것이 바람직하다.

상기 금속가공방법은, 당 업계에서 공지된 금속가공방법이면, 특별히 한정하지 않는다. 예를 들면, 최종 제품에 가까운 형태로 가공된 형틀에 전술한 바와 같이 용융된 마그네슘을 부어서 직접 주조하는 방법, 봉상이나 판상 등의 중간재로 제조한 후 이를 선반 또는 밀링 가공하는 방법, 마그네슘 합금을 큰힘으로 가압단조하여 최종 제품 형상으로 제조하는 방법 등을 들 수 있다.

한편, 본 발명의 발명자들은 본 발명의 생체분해성 임플란트를 골 내부에 직접 삽입한 후, 상기 임플란트가 생체분해됨과 동시에 분해된 임플란트 내로 골조직이 자라들어와 골의 강도를 강화시키고 손실된 골 조직을 수복시킬 수 있음을 증명하였다.

이하, 실시예 및 실험예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 이들은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

<제조예>

하기 표 1에 기재된 함량의 구성요소를 스텐레스강(SUS 410)으로 제작된 내부직경 50㎜의 도가니에 장입하였다. 이어서, 도가니 속의 철, 니켈, 망간, 알루미늄 및 마그네슘이 공기와 접촉되지 않도록, 도가니 주위에 아르곤 가스를 흘려주면서, 저항가열로를 이용하여 도가니 온도를 약 700℃에서 750℃까지로 올려 철, 니켈, 알루미늄, 망간 및 마그네슘을 용융하였다. 용융된 철, 니켈, 알루미늄, 망간 및 마그네슘이 서로 잘 섞일 수 있도록 도가니를 흔들어 교반시켰다. 완전히 용융된 마그네슘 합금을 냉각하여, 고체상태의 마그네슘 합금을 제조하였다. 또한, 냉각시킬 때에는, 마그네슘의 기계적 강도를 향상시킬 목적으로 도가니를 물(20℃)에 침지시켜 용융된 마그네슘 합금이 급속히 냉각되도록 하였다.

	Fe (중량부)	Ni (중량부)	Al (중량부)	Mn (중량부)	Mg (중량부)	(Fe+Ni)/Mn	Ca (중량부)
제조예1	0.0014	0.0002	0.0021	0.0015	100	2.26	-
제조예2	-	-	-	-	95	-	5

<실시예1>

제조예1의 생체분해성 마그네슘 합금을 분쇄하여 평균입경이 500㎛인 분말(이하, 생체분해성 마그네슘 합금 분말이라 한다)을 제공하였다.

생체분해성 마그네슘 합금 분말과 생체분해성 고분자(LPLG(poly(L-lactide-co-glycolide)을 85:15의 부피비로 혼합하였다. 그 후 200℃, 5기압에서 가압하였다. 그리고, 가공하여 스크류 형태인 임플란트를 제조하였다.

도 2는 실시예1로 제조된 임플란트가 장착된 인공관절을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 인공관절(상품명: Optigen, 유앤아이㈜)에 장착된 임플란트(화살표)가 잘 도시되어 있다.

<실시예 2>

제조예 1의 생체분해성 마그네슘 합금을 압출하였고, 압출온도는 400℃였으며, 압출 전후의 단면적 감소비율(압출비)을 15:1로 고정하였다. 그리고, 랫트에 식립할 수 있을 정도로 가공하여 임플란트를 제조하였다.

시험예 1: 마그네슘 합금 임플란트에 의한 골 형성의 조직학적 평가

체중 200g의 웅성 SD 랫트를 실험동물로 사용하였다. 랫트의 대퇴골에 임플란트 모터로 통상의 과정대로 식립와(hole)를 형성하였다. 상기 실시예 2에서 제조된 임플란트를 상기 식립와에 식립하였다. 식립 후 1주, 8주, 12주째에 각각 랫트를 희생시켰으며, 조직학적 검사를 위해 전기톱을 사용하여 골표본을 채취하였다. 채취된 골편을 10% 중성 포르말린에 고정한 후, 2일간 10% 질산(nitric acid) 및 10% 구연산나트륨에 탈회(decalcification)한 후 통상의 방법에 따라 탈수, 파라핀 고정하여 4~6 ㎛ 표본을 제작하였으며, 상기 표본을 헤마톡실린-에오신으로 염색하여 광학현미경 하에서 조직학적 소견을 관찰하여 이를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타난 바와 같이, 1주째에는 실시예2에서 제조된 마그네슘 합금 임플란트 로드의 경계가 주변 조직과 확연히 구분되고 있으나, 8주째에는 골 생성 소견이 관찰되었으며, 12주째에는 신생골과 섬유화 조직으로 채워진 것이 관찰되었다.

시험예 2: 마그네슘 합금 임플란트에 의한 골 형성의 분자생물학적 평가

체중 200g의 웅성 SD 랫트를 실험동물로 사용하고, 자가골(상기 랫트의 골반뼈 이용, a), 상기 실시예 2의 마그네슘 합금 임플란트(b), 순수 마그네슘(제조사: Timminco Metals, 재료: MP21-31-31, 상세한 조성: 99.98% ingot, c), AZ91(상품명, d)를 식립하며, 식립 후 1주, 2주, 4주, 8주, 12주째에 각각 랫트를 희생시킨 것을 제외하고는 상기 실험예 2와 같이 수행하여 골표본을 채취하였다. 상기 골표본으로부터 통상적인 방법으로 mRNA를 채취하여 골 형성과 뼈의 성장 지수를 나타내는 ALP (alkaline phosphatase) 및 오스테오칼신(osteocalcin, OC)의 발현을 분석하여 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이, 자가골(a), 순수 마그네슘(c), AZ91(d)과 대비하여 높은 ALP, 오스테오칼신 수치를 나타내어, 높은 골생성율을 나타냄을 알 수 있었다.

상기 실험 결과는, 본 발명의 마그네슘 합금 임플란트가 분해되어 골 형성을 유도하고 상기에서 분해된 임플란트 식립부는 결국 신생골로 대치되어, 결과적으로 골과 임플란트가 결합하게 되어 장기적으로 임플란트와 골 간의 강한 결합력을 유지할 수 있는 점에서, 임플란트와 골 접합 개선을 위해 사용될 수 있음을 명백히 시사하는 것이다.

도 5는 제조예2의 생체분해성 마그네슘 합금의 표면 사진을 나타낸 것이다. 여기서, 위에 위치한 생체분해성 마그네슘 합금은 표면처리 전이고, 아래에 위치한 생체분해성 마그네슘 합금은 표면처리 후이다.

도 5를 참조하면, 표면처리 전의 제조예2의 생체분해성 마그네슘 합금은 광택을 나타내며 (위), 표면처리 후의 제조예2의 생체분해성 마그네슘 합금은 광택이 없다 (아래). 여기서, 표면처리는 숏피닝이었다.

Claims

인공관절을 뼈에 고정하기 위한 것으로, 생체분해성 마그네슘 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트.
청구항 1에 있어서,
상기 임플란트는 스크류, 볼트, 핀, 못 및 와셔(washer)로 이루어진 군에서 선택되는 형태인 것을 특징으로 하는 임플란트.
청구항 1에 있어서,
상기 인공관절은 엉덩이뼈 관절, 무릎 관절, 어깨 관절, 팔꿈치 관절, 손목 관절, 발목 관절, 손가락 관절 또는 발가락 관절을 대체하는 인공관절인 것을 특징으로 하는 임플란트.
청구항 1에 있어서,
상기 임플란트는 다공성 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트.
청구항 4에 있어서,
상기 생체분해성 마그네슘 합금이 다공성 구조체의 기공에 위치하는 것을 특징으로 하는 임플란트.
청구항 1에 있어서,
상기 생체분해성 마그네슘 합금은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 임플란트:
<화학식 1>
Mg-A
상기 화학식 1에서, A는 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu), 카드뮴(Cd), 지르코늄(Zr), 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 레늄(Re), 철(Fe), 아연(Zn), 몰리브덴(Md), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 티타늄(Ti), 스트론튬(Sr), 규소(Si), 인(P) 및 셀레늄(Se)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상이다.
청구항 1에 있어서,
상기 생체분해성 마그네슘 합금은 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 임플란트:
<화학식 2>
Mg_aCa_bX_c
상기 화학식 2에서,
a, b 및 c는 각 성분의 몰비로서, a+b+c=1이고, 0.5≤a＜1, 0≤b≤0.4, 0≤c≤0.4이고, 단, b와 c 중 적어도 하나는 0을 초과하고, c가 0일 경우, Ca의 함량이 상기 생체분해성 마그네슘 합금 총 중량에 대하여 5 내지 33중량%로 포함되고,
X는 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 스트론튬(Sr), 크롬(Cr), 망간(Mn), 아연(Zn), 규소(Si), 인(P), 니켈(Ni) 및 철(Fe) 중에서 선택되는 1종 이상이다.
청구항 1에 있어서,
상기 생체분해성 마그네슘 합금은 마그네슘(Mg)과 불순물로 이루어지고, 상기 불순물로 망간(Mn) 및, 철(Fe), 니켈(Ni) 및 철(Fe)과 니켈(Ni)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종을 포함하고,
상기 불순물의 함량이 상기 마그네슘 100중량부에 대하여 0초과 1중량부 이하이고,
{철(Fe), 니켈(Ni), 철(Fe)과 니켈(Ni)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종}/망간(Mn)=0초과 5이하인 것을 특징으로 하는 임플란트.
청구항 1에 있어서,
상기 생체분해성 마그네슘 합금은 하기 화학식 3으로 표시되고, 총 중량에 대하여, Ca은 0 초과 23 중량% 이하; Y는 0 초과 10 중량% 이하; 및 Mg은 잔량을 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트:
<화학식 3>
Mg-Ca-Y
상기 화학식 3에서, Y는 Mn 또는 Zn이다.
청구항 1에 있어서,
상기 임플란트가 골형성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트.
청구항 1에 있어서,
상기 생체분해성 마그네슘 합금의 표면을 세라믹 및 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트.