KR20110091257A - 표면마찰 계수가 증가된 치과용 임플란트 레이저표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 치과용 임플란트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 치과용 임플란트 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 임플란트의 단위면적당 표면적을 증가시켜 임플란트와 골조직의 부착력을 증가시킬 수 있는 키는 표면마찰계수가 증가된 치과용 임플란트 표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 치과용 임플란트에 관한 것이다.

Description

표면마찰 계수가 증가된 치과용 임플란트 레이저표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 치과용 임플란트{Laser surface treated Method for Dental implants having the improved coefficient of surface friction and Dental implants thereby}

본 발명은 치과용 임플란트 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 임플란트의 단위면적당 표면적을 증가시켜 임플란트와 골조직의 부착력을 증가시킬 수 있는 표면마찰계수가 증가된 치과용 임플란트 레이저표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 치과용 임플란트에 관한 것이다.

일반적으로 티타늄 및 그 합금은 치과용 임플란트 소재로서 임상적 효율성이 과학적으로 입증됨에 따라 각 신체 부위의 기능을 확보하는 통상적 치료술로 각광받고 있다.

그러나 구조적으로 임플란트와 그 주변 골조직은 물성치가 서로 다른 두 재료가 접촉되어 계면을 이루고 있기 때문에 생체조직 및 골세포(bone cell)가 인공 임플란트 표면에 잘 접합(osseointegration) 될 수 있는 방법에 많은 연구자들의 관심이 집중되고 있다.

그 중 임플란트의 표면조직을 변화시켜 단위면적을 증가시키는 방법으로 생체적합성을 향상시키는 방법이 있다. 예를 들어, 티타늄 플라즈마 분사(TPS : Titanium plasma sprayed), Blasting 처리, TiN 코팅, HA(Hydroxyapatite) 등이 있다. 현재 이와 같은 기술을 적용시킨 임플란트 제품이 상용화되고 있다. 이런 임플란트 고정체는 Screw type과 Cylinder type이 있으며 스크류 타입은 나사산에 에칭(SLA), TPS, RBM(resorbable blast media)공정을 거쳐 표면처리하고 있다.

치과용 임플란트의 구조는 상부에 임플란트 교각치(의치 받침대 : abutment)와 하부에 스크류타입 임플란트로 구성되어 있으며, 하부에 스크류타입의 나사산과 골이 존재한다. 이때 시술시 인체의 골(bone)과 임플란트 고정체의 생체적합성이 중요한 변수로 작용한다.

이러한 인체의 골(bone)은 단단하고 밀도가 높은 피질골(cortical bone)과 비교적 약하고 밀도가 낮은 해면골(sponge bone)로 나눌 수 있다. 임플란트 시술시, 단단한 피질골에 나사구조는 치밀하고 강하게 결합될 수 있도록 하여야 하며, 비교적 약한 해면골의 나사 구조는 부하에 견딜 수 있고 골 융합에 용이한 구조를 가져야 한다. 이와 같은 목적을 달성하기 위하여 임플란트 고정체의 나사구조를 골질에 따른 응력분포, 식립(placement)되는 힘, 마찰계수(friction coefficients) 등을 고려하여 복합적으로 설계하고, 그에 따른 효과적인 표면처리 방법을 구현하는 것이 매우 중요하다.

이러한 표면처리 방법 중의 하나인 TPS처리는 플라즈마 스프레이(Plasma spray)를 고온 융사법이라 하는데 임플란트의 몸체는 기계로 깍아서 만든 뒤 다른 티타늄을 고온으로 녹여서 스프레이로 뿜어 임플란트 표면에 붙이도록 처리하는 것이다. 이와 같이 TPS처리된 임플란트는 골표면의 유착에 유리하며, 6배의 표면적 증가로 매식초기에 제거되는 경우 적고, 임상적으로 치조제가 흡수되지 않고, 부착치은이 충분한 경우가 많은 장점이 있으나, 골 흡수가 진행되어 TPS표면이 구강 내에 노출될 경우에는 치석(plaque)의 침습에 민감해지고 결과적으로 임플란트 주위의 염증이 야기되어 심각한 결과들이 발생할 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 몇 년간 레이저를 이용한 임플란트 표면처리에 관한 연구가 진행되어 왔다. 특허는 정형외과용 임플란트, 논문에서는 치과용 임플란트에 적용하는 방식으로 고밀도 에너지빔인 레이저로 임플란트 표면을 개질하는 연구는 주로 펄스레이저를 중심으로 진행되고 있다.

레이저를 이용하여 임플란트의 표면을 개질한 선행 연구들을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. Gaggl et al[1]은 산화알루미늄 파우더 blasted 임플란트에 screw thread(나사의 날)과 골사이에 레이저빔을 조사시켜 크기가 30~50um의 표면홀을 형성시켜 임플란트의 표면적을 향상시켰다. 그리고 용융과정들로부터 기인된 이차적인 구조의 크기 및 형상에 대해 연구하였고 티타늄 표면의 화학적 특성을 분석하기 위해 EDS분석 하였다. Peto et al[2]과 Karacs et al[3]은 Gaggl et al[1]과 유사한 방식으로 Nd:glass 레이저의 펄스지속시간(30ns)과 펄스에너지(0.5~5J)를 변화시켜 임플란트 표면에 조사하여 어블레이션된 표면층에 대해 연구하였다. Cho et al[4]는 기계가공 임플란트와 기계가공 후 레이저 표면처리한 임플란트를 이용하여 토끼경골(rabbbit tibia)에 장착한 후 강제탈거(제거풀림removal torque)방식으로 뼈와 임플란트의 접촉 계면이 잘 접합(osseointegration)되었는지를 비교 평가하였다. Cho는 Cordiolie et al.[4-5]의 평균 제거풀림 값과 비교했을 때 레이저 표면처리된 임플란트가 약2배가량 제거풀림값이 향상되었음을 증명하였다. 그리고 Wennerberg et al[4-13]은 표면거칠기가 높은 것만으로 최적의 골접합(Osseointergaration)을 고려했을 때 그 척도가 되지 못하고, 표면형상의 패턴, 크기, 골(valley)-산(peak)의 분포에 따라 영향을 미칠 수 있음을 제시하였다. 뼈와 임플란트 계면의 기계적인 연동(interlocking)과 생체 친화성이 중요한 변수로 작용한다고 발표하였다.

Bereznai et al[5]은 기존의 상업용 Nd:YAG 레이저에 의한 임플란트 표면처리시 산화막 형성이 안정적이지 못하기 때문에 UV계열의 ArF, KrF 엑시머레이저를 사용하여 임플란트 소재용 환봉 표면을 연마공정과 구조적 형상변화를 일으킨 후 형태학 측면과 화학적특성에 대해 연구하였다. 그러나 진공조건을 구현하기 위해 부가적인 장비구축이 필요하고 표면적을 향상시키기 위해 연속된 빔조사를 진행하기 때문에 생산성 측면에 효율적이지 못하다.

이와 같이 기존의 연구자들은 임플란트 표면에 다양한 레이저를 조사시켜 표면형태 및 구조를 변화시켜 뼈와 임플란트 접촉면적을 증가시켜 잘 접합된(Osseointergaration) 상태에 대해 연구하였다. 그리고 티타늄 고유의 내식성을 향상시키기 위해 레이저빔이 조사전·후 표면에 형성된 산화층을 분석하여 생체적합성을 평가분석하고 일부 연구자들은 동물실험을 통해 뼈와 임플란트의 접촉력을 비교하였다.

그러나 기존의 연구자들은 Nd:YAG 및 Nd:glass, 엑시머레이저를 사용하여 연구를 진행했지만 보다 정밀한 공정특성 변화에 대한 임플란트 표면의 변화를 연구하지 않았다. 예를 들어 레이저빔 조사시 초점거리와 주파수, 빔 이송속도, 에너지는 반복성과 재현성에 매우 중요한 공정이다. 특히 레이저 빔은 고밀도 에너지를 국부적인 요소에 집중되기 때문에 스크류 타입의 임플란트를 표면처리할 때 나사산과 골의 높이 차이에 의해 스크라이빙 폭, 깊이와 이차적으로 생성되는 융기 때문에 표면형상이 달라진다.

이러한 문제를 고려하지 않고 임의로 가공 했을 때 균일한 표면형태가 구현되지 못하고 제거풀림 및 표면 산화막이 일정하게 형성되는 것이 불가능하게 된다. 그러므로 레이저를 이용하여 임플란트를 표면처리 할 때는 반복성과 재현성을 위해 보다 정밀하고 체계적인 공정변수를 정립해주는 것이 매우 중요하다.

또한, 치과 임플란트의 표면개질에 사용되는 레이저로서 Nd:YAG 레이저 및 엑시머레이저를 사용하고 있는 경우가 많은데, Nd:YAG 레이저는 표면에 안정적인 산화막을 형성하지 못하고 엑시머 레이저는 고가이며 엑시머를 발진시키는 가스의 누설에 대한 위험과 운용비가 많이 소요되는 문제점이 있었다.

따라서, 상술된 문제점이 해결된 새로운 구성의 레이저표면처리방법에 대한 개발의 필요성이 대두되었다.

본 발명자는 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위해 노력한 결과 기존의 임플란트 표면처리방식이 단점을 보완할 수 있는 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 임플란트의 단위면적당 표면적을 증가시켜 표면마찰계수가 증가되므로 임플란트와 골조직의 부착력을 증가시키는 이상적인 임플란트 표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 임플란트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 임플란트에 균일한 표면형태가 구현될 수 있는 임플란트 표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 임플란트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 Fiber 레이저를 사용하여 기존의 Nd:YAG 레이저에 비해 표면에 안정적인 산화막을 형성할 수 있고, 엑시머 레이저에 비해 비교적 운용비가 저렴하고 안전한 임플란트 표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 임플란트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 정밀하고 체계적인 레이저 표면처리 공정변수를 정립하여 반복성과 재현성이 우수하고 생체에 적합한 임플란트 표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 임플란트를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 치과용 임플란트 표면처리방법에 있어서; 선택된 파장 및 선택된 피크 파워의 레이저 빔이 제공되는 단계; 준비된 임플란트 표면에 상기 레이저 빔이 포커싱되는 단계; 및 기 설정된 공정변수에 따라 상기 레이저 빔이 상기 임플란트 표면에 스캐닝되는 단계;를 포함하는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 선택된 파장은 300nm 내지 1100㎚이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 스캐닝 단계는 상기 임플란트 표면의 스캐닝 영역이 제공되는 단계; 상기 스캐닝 영역 내에서 상기 기설정된 공정변수에 따라 포커스된 레이저 빔이 조사되는 단계; 및 상기 스캐닝 영역의 스캐닝 완료와 동시에 상기 포커스된 레이저 빔이 블로킹(blocking)되는 단계를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공정변수는 레이저 파워, 레이저빔 이송속도, 주파수, 레이저빔 조사간격, 오버랩범위 중 하나 이상을 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공정변수 중 상기 레이저 파워는 50~100%, 레이저빔 이송속도는 50~500mm/sec, 주파수는 30~100kHz, 레이저빔 조사간격(pitch)은 55 ~ 65um, 오버랩범위는 50% 이상으로 기 설정된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기 설정된 공정변수에 의해 임플란트에 형성된 나사골만을 대상으로 스캐닝 영역이 되도록 제어된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기 설정된 공정변수에 의해 상기 나사골을 형성하는 나사산에 평행하게 다수의 나사산과 나사골이 형성된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기 설정된 공정변수에 의해 상기 나사골을 형성하는 나사산에 수직하게 다수의 나사산과 나사산골이 형성된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 레이저 빔에 의해 스캔되는 영역이 오버랩되는 범위인 상기 오버랩범위는 60 내지 98%이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 레이저 빔에 사용되는 레이저는 fiber 레이저이다.

또한, 본 발명은 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 레이저표면처리방법에 의해 처리된 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 치과용 임플란트는 균일한 표면형태를 갖는다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.

먼저, 본 발명의 임플란트 표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 임플란트는 단위면적당 표면적을 증가시켜 표면마찰계수가 증가되므로 임플란트와 골조직의 부착력을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 임플란트 표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 임플란트는 임플란트에 균일한 표면형태가 구현될 수 있다.

또한, 본 발명의 임플란트 표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 임플란트는 Fiber 레이저를 사용하여 기존의 Nd:YAG 레이저에 비해 표면에 안정적인 산화막을 형성할 수 있고, 엑시머 레이저에 비해 비교적 운용비가 저렴하고 안전하다.

또한, 본 발명의 임플란트 표면처리방법 및 상기 방법으로 처리된 임플란트는 정밀하고 체계적인 레이저 표면처리 공정변수를 정립하여 반복성과 재현성이 우수하고 생체에 적합하다

도 1은 표면마찰계수를 증가시키기 위해 펄스레이저를 이용하는 종래기술에 따라 변화된 표면을 보여주는 모식도,
도 2는 도 1에 도시된 표면에 형성된 구멍의 확대단면도,
도 3은 종래기술에 따른 레이저빔 조사후 나타나는 임플란트 형성과 레이저빔 강도의 영향에 대해 나타낸 모식도,
도 4는 본 발명의 레이저표면처리방법을 수행하기 위해 실제 레이저빔을 임플란트 표면에 조사시키는 방법을 표현한 모식도,
도 5는 본 발명의 레이저표면처리방법에 의해 레이저빔 조사후 나타나는 임플란트 형성과 레이저빔 강도의 영향에 대해 나타낸 모식도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저표면처리방법에 의해 변화된 표면을 보여주는 모식도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저표면처리방법에 의해 변화된 표면을 보여주는 모식도,
도 8은 본 발명의 표면처리방법에 따른 표면적 증가율을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 레이저표면처리방법 수행시 주파수와 오버랩변화에 따른 마찰계수를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 레이저표면처리방법 수행시 다른 공정변수를 고정시킨 후 주파수변화에 따른 표면처리 깊이 변화를 나타낸 그래프,
도 11은 종래기술에 따른 표면처리방법으로 처리된 임플란트 표면의 SEM사진,
도 12는 본 발명의 표면처리방법으로 처리된 임플란트 표면의 SEM사진.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

먼저, 본 발명은 균일한 표면형상을 가지면서도 증가된 표면적 즉 증가된 표면마찰계수를 갖는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법을 제공하는데 그 기술적 특징이 있다.

본 발명의 레이저표면처리방법은 선택된 파장 및 선택된 피크 파워의 레이저 빔이 제공되는 단계; 준비된 임플란트 표면에 상기 레이저 빔이 포커싱되는 단계; 및 기 설정된 공정변수에 따라 상기 레이저 빔이 상기 임플란트 표면에 스캐닝되는 단계;를 포함한다.

여기서, 레이저로는 기존의 Nd:YAG 레이저에 비해 특성이 우수하고 비교적 저렴한 운용비를 갖는 fiber레이저가 사용되는 것이 바람직한데, 특히 300nm 내지 1100㎚ 범위내에서 선택된 파장이 사용되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 542nm 또는 1064nm의 파장이 사용되는 것이다.

또한, 상기 공정변수는 레이저 파워, 레이저빔 이송속도, 주파수, 레이저빔 조사간격, 오버랩범위 중 하나 이상을 포함하는데, 상기 공정변수 중 상기 레이저 파워는 50~100%, 레이저빔 이송속도는 50~500mm/sec, 주파수는 30~100kHz, 레이저빔 조사간격(pitch)은 55 ~ 65um, 오버랩범위는 50% 이상으로 기 설정되는 것이 바람직한데, 이 때 공정변수들의 한정된 수치는 다수의 실험을 통해 결정된 최적 범위로서 한정된 수치범위보다 작거나 커지게 되면 원하는 형상으로 임플란트의 표면을 가공할 수 없다. 또한, 레이저빔 이송속도가 500mm/sec일 때 주파수를 30kHz이상으로 증가시켜야 하며, 각각의 공정변수별 오버랩 범위를 나타내면 레이저 파워가 50~100%일 때 오버랩범위는 62~82%이고, 레이저빔 이송속도가 50~500mm/sec일 때는 오버랩 범위가 74~98%이며, 주파수가 30~100kHz일 때 오버랩범위는 79~93%일 수 있다.

특히, 기 설정된 공정변수에 의해 임플란트에 형성된 나사골만을 대상으로 스캐닝 영역이 되도록 본 발명의 레이저표면처리방법을 수행하기 위해 실제 레이저빔을 임플란트 표면에 조사시키는 방법을 표현한 모식도인 도 4에 도시된 바와 같이 레이저 빔이 제어되는 것이 바람직한데, 스캐닝 영역 내에서 상기 나사골을 형성하는 나사산에 수직하게 다수의 나사산과 나사산골이 형성되거나, 상기 나사골을 형성하는 나사산에 평행하게 다수의 나사산과 나사골이 형성되도록 공정변수들이 제어되는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이, 본 발명의 레이저 표면처리방법에 의해 처리되면 도 5에 도시된 바와 같이 오버랩시켜 임플란트 표면형상을 변화시키게 되므로 표면적이 증가되고 표면거칠기를 향상시켜 골(bone)과 임플란트 표면의 표면접촉력이 증가될 뿐만 아니라 기 설정된 공정변수에 의해 임플란트의 나사골만을 대상으로 스캐닝 되도록 제어됨으로써 표면처리 후 균일한 표면형태의 구현이 가능하다.

보다 구체적으로 살펴보면 임플란트에 포함된 나사골에 도 6 또는 도 7에 도시된 패턴이 각각 형성되도록 기 설정된 공정변수에 의해 스캐닝될 수도 있고, 도 6 또는 도 7에 도시된 패턴이 하나의 임플란트에 모두 포함되도록 즉 병행되도록 형성될 수도 있다.

즉, 첫 번째 나사산과 나사산에 위치한 나사골에 레이저빔을 임플란트가 상·하악부로 회전시켜 체결되는 방향으로 조사시켜 도 6과 같이 기존의 나사골에 일종의 미세하게 돌기(융기)된 나사산을 형성시켜 표면적을 향상시키고, 도 7에 도시된 바와 같이 두 번째 나사골에 레이저빔을 임플란트가 상·하악부로 회전시켜 체결되는 방향과 반대방향으로 조사시켜 골(bone)과 임플란트 표면의 표면적을 향상시키게 되면, 골과 임플란트 표면이 일종의 기어(gear)처럼 맞물려 형성되어 기존의 방법에 비해 골(bone)과 임플란트 표면접착력을 향상시키게 된다. 이처럼 하나의 임플란트 표면을 도6과 도7에 도시된 패턴이 병행되도록 처리하게 되면 상·하악부로 회전시켜 체결하게 되는 스크류타입의 임플란트에서 발생되는 상·하악부에 큰 하중에 의해 모멘트가 형성되어 골과 임플란트의 접착력이 감소되는 현상을 감소시킬 수 있다.

한편, 기 설정된 공정변수들 중 레이저빔 조사간격(pitch)은 첫 번째의 레이저빔이 오버랩되어 조사된 후 두 번째의 레이저빔이 조사되는 간격을 의미하고, 오버랩범위는 레이저 빔에 의해 스캔되는 영역이 오버랩되는 범위를 의미하는데, 오버랩범위는 50%이상으로 60 내지 98%가 보다 바람직하다. 스캔되는 영역이 50%이상 오버랩 되면 기존의 방법에 비해 임플란트 표면적이 120%이상 증가될 수 있기 때문이다.

다음으로, 스캐닝 단계는 임플란트 표면의 스캐닝 영역이 제공되면, 스캐닝 영역 내에서 기 설정된 공정변수에 따라 포커스된 레이저 빔이 조사되고, 스캐닝 영역의 스캐닝 완료와 동시에 포커스된 레이저 빔이 블로킹(blocking)되어 이루어진다.

실시예 1

준비된 fiber 레이저 빔에서 1064nm 파장을 선택한 후, 스크류 타입 임플란트에 형성된 나사골 표면에 레이저 빔을 포커싱하였다. 도 6의 패턴을 갖도록 설정된 기 설정된 공정변수에 따라 레이저 빔을 조사하여 스캐닝을 완료한 후 포커스된 레이저 빔을 블로킹 한 후, 다시 다음 나사골에 동일한 과정을 반복하여 도 6에 도시된 표면을 갖는 치과용 임플란트1을 얻었다. 이 때, 기 설정된 공정변수를 살펴보면 레이저빔의 에너지(J)를 약 75(J)로 일정 유지시킨 후 공정변수인 빔 이송속도는 100~200(mm/sec), 주파수는 50(kHz), 레이저 파워는 70(%), 레이저빔 조사간격(pitch) 60㎛, 오버랩범위는 74~93%인 조건을 충족하도록 제어되었다.

실시예 2

기 설정된 공정변수가 도7의 패턴을 갖도록 설정된 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 도 7에 도시된 표면을 갖는 치과용 임플란트2를 얻었다.

비교실시예

기존에 알려진 레이저 천공방법중 하나인 종래의 스크라이빙방법을 펄스레이저빔(Nd:YAG)을 이용하여 티타늄 박판에 수행하여 얻어진 표면을 도1 내지 도3에 나타내었다. 이때 공정조건은 레이저파워, 빔이송속도, 주파수가 각각 30%, 500mm/sec, 20kHz이다. 기존의 방식은 도1에 도시된 바와 같이 표면에 일정한 간격으로 펄스레이저빔(Nd:YAG)을 조사(irradiation)시켜 홈(2), 융기(3)와 같이 표면형상을 변화시키게 되는데, 홈(2)과 홈(2)이 형성된 일정한 간격을 유지하면서 일종의 드릴링방법으로 마이크로 대의 홈(hole)을 만들어 표면마찰력(표면적 증가)을 향상시켰음을 알 수 있다.

그 결과 도 2에 도시된 바와 같이 종래의 표면처리방법에서는 펄스레이저빔을 조사시킨 후 표면의 D와 d의 종횡비, 융기된 형상(8)에 대한 특성으로 골(bone)과 임플란트의 표면접착력이 증가되었음을 알 수 있지만 기존의 기계가공에 의한 임플란트 표면과 표면이 유사한 값을 가진다.

또한, 기존의 방식에 따른 레이저빔 조사후 나타나는 임플란트 형성과 레이저빔 강도의 영향에 대해 모식도인 도 3을 참조하면, 기존의 방식이 레이저빔이 조사된 후 양쪽 끝단에 버(Burrs)가 형성되어 표면적 및 표면거칠기를 증가시키는 임플란트 표면 처리방법임을 알 수 있다.

실험예 1

스크류타입 임플란트에서 표면적 증가율을 살펴보기 위해, 비교실시예와 같이 임플란트 표면에 레이저 천공방법중 하나인 종래의 스크라이빙방법을 펄스레이저빔(Nd:YAG)을 적용시켜 실험한 결과 값(Overlap 0%)과, 본 발명의 레이저표면처리방법에 의해 실시예2와 같이 도 7의 패턴이 형성되도록 임플란트 표면에 빔을 조사(irradiation)시킨 후 얻어진 결과(Overlap 50%)를 도 8에 도시하였다.

종래의 스크라이빙 방법을 적용한 경우 레이저빔이 조사된 부위는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같은 표면처리 형상과 함께 융기된 형태로 존재하고 있으며, 이때 골(bone)과 임플란트의 표면적이 일부분 증가하였다. 그러나 레이저빔은 일반적으로 싱글모드(single mode)의 가우시안 빔 분포를 유지하고 있기 때문에 도 2에서처럼 D와 d의 형상이 반구의 표면적을 가지지 못한다. 실제 실험한 결과를 보면 원뿔의 형태와 매우 유사하다.

도 8에 도시된 바와 같이 기존의 레이저빔을 가지고 실험한 결과와 본 발명의 레이저표면처리방법에 의해 얻어진 결과 값을 가지고 비교하면 본 발명의 레이저표면처리방법이 약 120%의 표면적 증가 효과가 있음을 알 수 있다.

실험예 2

주파수 변화에 따른 중첩율과 마찰계수의 관계를 실험하여 도 9에 나타내었다.

도 9에 나타난 바와 같이 임플란트 표면의 마찰계수를 기계가공한 임플란트 표면과 비교했을 때 표면처리를 하지 않은 시험편의 표면마찰계수가 약 0.184인 것과 대비하여 실시예2와 같은 방법으로 표면처리 했을 때는 약 0.45~0.542로 약 2배 향상되었음을 확인할 수 있었다.

실험예 3

다른 공정변수를 고정시킨 후 주파수변화에 따른 표면처리 깊이 변화를 실험하여 도 10에 나타내었다.

도 11에 도시된 바와 같이 주파수가 증가할수록 표면처리 깊이(스크라이빙 깊이)는 증가하였고, 약 10~27㎛정도 이었다.

특히 레이저 빔 이송속도와 파워를 포함하여 다른 공정변수를 상술된 바와 같이 공정변수들의 수치 한정된 범위내에서 변화시켜 동일한 실험을 한 결과 이와 비슷한 결과를 얻을 수가 있었다.

위와 같은 레이저 공정변수의 조건 범위 내로 표면처리를 진행했을 때는 표면처리 폭과 깊이는 5~10㎛ 차이는 나타나지만 거의 유사한 표면형상을 가져 기존의 방법에 비해 보다 효율적인 레이저 표면처리 방법임을 확인할 수 있었다.

실험예 4

표면처리된 임플란트에서 균일한 표면형태가 구현되는지 확인하기 위해 임플란트 표면의 SEM 사진을 관찰하였는데, 실험예 1에서 펄스레이저빔(Nd:YAG)을 적용하여 얻어진 임플란트 표면의 SEM사진을 도 11에 나타내었으며, 본 발명의 레이저표면처리방법을 적용하여 얻어진 임플란트 표면의 SEM사진을 도 12에 나타내었다.

도 11에 도시된 바와 같이, 기존의 방법은 스크류 타입의 임플란트에 레이저빔을 조사시킬 때 나사산(screw thread)과 나사골(bottom thread)을 모두 조사하기 때문에 레이저빔의 초점위치에 따라 나사산과 나사골에 형성된 표면처리 형상이 달라지고, 나사산에 레이저빔이 조사되기 때문에 일정한 표면처리 형상을 유지하지 못한다.

반면, 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명의 레이저표면처리방법에 의하면 나사산과 나사산 사이의 나사골에 도 7과 같이 수 천 개의 횡방향 나사산과 나사골이 형성된 균일한 표면형태가 구현될 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 레이저빔이 조사된 후 표면의 용융물들이 주위로 퍼지는 현상(스패터) 때문에 표면 거칠기 또한 상승하였음을 알 수 있다.

이상의 실험결과들은 본 발명의 레이저표면처리방법에 의해 처리된 치과용 임플란트가 기존의 레이저표면처리방법에 의해 처리된 임플란트보다 표면적은 120%이상 증가될 뿐만 아니라 균일한 표면형태까지도 갖게 되므로 표면마찰계수가 2배 이상 향상되는 것을 보여준다. 따라서, 본 발명의 레이저표면처리방법에 의해 얻어진 치과용 임플란트는 증가된 표면적 및 표면마찰계수를 제공할 뿐만 아니라 제거풀림 및 표면 산화막이 일정하게 형성되는 것이 가능해진 이상적인 표면을 갖는다.

따라서, 본 발명의 레이저 표면처리방법은 임플란트 표면과 인체의 골(bone)의 표면접착 후 유동적인 악력에 견딜 수 있는 모멘트를 형성시키므로 기존의 방법에 비해 보다 효율적인 방법이며, 그 결과 본 발명의 레이저 표면처리방법으로 처리된 표면을 갖는 치과용 임플란트는 균일한 표면형태를 갖고 0.45~0.542의 마찰계수를 갖게 되므로 단단한 피질골에 임플란트의 나사구조가 치밀하고 강하게 결합될 수 있고, 비교적 약한 해면골에서는 부하에 견딜 수 있고 골 융합에 용이한 구조가 될 수 있다.

본 발명의 치과용 임플란트를 사용하게 되면 기존 제품에 비해 임플란트의 표면조직의 변화를 통한 증가된 단위면적으로 인해 생체조직 및 골세포(bone cell)가 임플란트 표면에 잘 접합(osseointegration) 될 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (12)

1. 치과용 임플란트 표면처리방법에 있어서;
   선택된 파장 및 선택된 피크 파워의 레이저 빔이 제공되는 단계;
   준비된 임플란트 표면에 상기 레이저 빔이 포커싱되는 단계; 및
   기 설정된 공정변수에 따라 상기 레이저 빔이 상기 임플란트 표면에 스캐닝되는 단계;를 포함하는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 선택된 파장은 300nm 내지 1100㎚인 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스캐닝 단계는
   상기 임플란트 표면의 스캐닝 영역이 제공되는 단계;
   상기 스캐닝 영역 내에서 상기 기설정된 공정변수에 따라 포커스된 레이저 빔이 조사되는 단계; 및
   상기 스캐닝 영역의 스캐닝 완료와 동시에 상기 포커스된 레이저 빔이 블로킹(blocking)되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 공정변수는 레이저 파워, 레이저빔 이송속도, 주파수, 레이저빔 조사간격, 오버랩범위 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 공정변수 중 상기 레이저 파워는 50~100%, 레이저빔 이송속도는 50~500mm/sec, 주파수는 30~100kHz, 레이저빔 조사간격(pitch)은 55 ~ 65um, 오버랩범위는 50% 이상으로 기 설정되는 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 기 설정된 공정변수에 의해 임플란트에 형성된 나사골만을 대상으로 스캐닝 영역이 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 기 설정된 공정변수에 의해 상기 나사골을 형성하는 나사산에 평행하게 다수의 나사산과 나사골이 형성되는 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 기 설정된 공정변수에 의해 상기 나사골을 형성하는 나사산에 수직하게 다수의 나사산과 나사산골이 형성되는 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
   
9. 제 5 항에 있어서,
   상기 레이저 빔에 의해 스캔되는 영역이 오버랩되는 범위인 상기 오버랩범위는 60 내지 98%인 것을 특징으로 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔에 사용되는 레이저는 fiber 레이저인 것을 특징으로 치과용 임플란트 레이저표면처리방법.
    
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 레이저표면처리방법에 의해 처리된 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 치과용 임플란트는 균일한 표면형태를 갖는 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트.

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