KR20110115074A - 인공뼈 제조방법 및 해당 방법에 의해 제조된 인공뼈 - Google Patents

인공뼈 제조방법 및 해당 방법에 의해 제조된 인공뼈 Download PDF

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KR20110115074A
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유키노리 우리시자키
히데토 마쓰바라
노부오 사사키
유이치 데이
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가부시키가이샤 마쓰우라 기카이 세이사쿠쇼
고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠
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Abstract

접합부에 있어서 정확한 성형, 게다가 적절한 강도를 실현할 수 있는 인공뼈의 제조방법 및 해당 방법에 기초한 인공뼈를 제공하는 것을 과제로 하여 금속 바이오재료, 인공뼈(1)용 세라믹, 인공뼈(1)용 플라스틱 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 분말(2)층에 대하여, 인공뼈(1)의 형상에 대응하는 화상 데이터에 기초하여 , 전자파 또는 전자선(7)을 조사함으로써 소결 하거나, 또는 용융하여, 해당 소결에 기초한 층, 또는 상기 용융이 고화한 것에 기초한 층을 적층하는 인공뼈(1) 제조방법으로서, 인체의 골부와의 접합부를 구성하는 양측 단부(11) 및 그 근방에서의 내측면 및/또는 외측면에 대하여, 상기 화상 데이터에 기초한 회전 공구(6)의 절삭에 의해서, 표면 마무리 공정을 채택함과 동시에, 상기 접합부를 구성하는 양단 및 그 근방에서의 전자파 또는 전자선(7)의 조사의 정도를, 다른 영역의 경우보다 크게 설정하는 것에 의해서 상기 과제를 달성할 수 있는 인공뼈(1) 제조방법, 및 해당 방법에 의해 제조된 인공뼈(1).

Description

인공뼈 제조방법 및 해당 방법에 의해 제조된 인공뼈{METHOD FOR PRODUCING ARTIFICIAL BONE AND ARTIFICIAL BONE PRODUCED BY THE METHOD}
본 발명은, 인체의 수술 등에 대응하여 사용되는 인공뼈에 있어서, 삼차원 조형 방법을 이용한 제조방법 및 해당 방법에 기초한 인공뼈에 관한 것이다.
결손 또는 손상된 인체의 골부에 대한 인공뼈의 이식 기술은, 의료 기술의 진전에 따라서 그 수요가 확대하는 경향에 있다.
인공뼈 제조방법으로서는, 특허문헌 1에 나타난 바와 같이, 인공뼈 화상 데이터에 기초하여 금속, 수지 및 세라믹 중에서 선택된 1종류 이상의 분말층에 대하여, 레이저 소결을 행하여, 상기 소결층을 적층하는 방법이 보급되어 있다.
그런데, 인공뼈에서는, 인체의 골부와의 접합부를 구성하는 양측 단부 및 그 근방에서는, 정확한 형상으로 성형하는 것이 불가피하다.
그러나, 종래의 인공뼈 제조방법에서는, 이러한 점에 관하여 각별히 배려되거나 또는 제안되어 있는 것은 아니며, 특허문헌 1도 그 예외는 아니다.
또한 인공뼈의 상기 접합부에서는, 접합에 의한 피로 및 마모를 방지하기 위해서, 다른 영역부에 비해서, 보다 큰 강도가 요구되고 있다.
그런데, 상기와 같은 레이저 소결을 채택하고 있음에도 불구하고, 종래 기술에서는, 이러한 점에 관하여 각별히 배려된 구성이 제창되고 있는 것은 아니다.
본 발명은, 접합부에서 정확한 성형, 또한 적절한 강도를 실현할 수 있도록 하는 인공뼈의 제조방법 및 해당 방법에 기초한 인공뼈를 제공하는 것을 과제로 하고 있다
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 기본 구성은,
(1)금속 바이오재료, 인공뼈용 세라믹, 인공뼈용 플라스틱 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 분말층에 대하여, 인공뼈의 형상에 대응하는 화상 데이터에 기초하여, 전자파 또는 전자선을 조사함으로써 소결하거나, 또는 용융하여, 상기 소결에 기초한 층, 또는 상기 용융이 고화한 것에 기초한 층을 적층하는 인공뼈 제조방법으로서, 인체의 골부와의 접합부를 구성하는 양측 단부 및 그 근방에서의 내측면 및/또는 외측면에 대하여, 상기 화상 데이터에 기초한 회전 공구의 절삭에 의해서, 표면 마무리 공정을 채택하여, 접합부를 구성하는 양단 및 그 근방에서의 전자파 또는 전자선 조사의 정도를, 다른 영역에서의 상기 정도보다 크게 설정하고 있는 인공뼈 제조방법,
(2)상기 (1)에 기재된 제조방법에 의해 제조된 인공뼈로 이루어진다.
상기 기본 구성(1), (2)에 기초하여, 본 발명에 관한 인공뼈의 경우에는, 인체의 뼈와의 접합부를 구성하는 단부 및 그 근방에서, 정확한 성형, 또한 필요한 강도를 실현할 수 있으며, 인공뼈에서 기본적으로 요청되는 기능을 발휘할 수 있다.
도 1은 내부가 중공(中空) 상태에 있는 인공뼈로서, (a)는 파이프 형상의 견취도를 도시하고 있고, (b)는 부분적인 파이프 형상의 견취도를 도시하고 있으며, (c)는 파이프 형상과 부분적인 파이프 형상의 결합에 기초한 견취도를 도시한다.
도 2는 길이방향에 따른 둘레벽의 안쪽이 삼차원의 메쉬 상태로 되어 있는 인공뼈로서, (a)는 길이방향 단면도를 도시하고 있고, (b)는 상기 길이방향과 직교하는 방향의 단면도를 도시한다(다만, (b)에서의 단면은 (a)에서의 A-A의 부위를 따라서 도시한다).
도 3은 길이방향에 따른 중공 상태의 둘레벽을 형성하고 있는 인공뼈로서, (a)는 둘레벽이 메쉬 상태를 보이는 경우의 측면도를 도시하고 있고, (b)는 둘레벽이 구멍의 집중 상태를 보이는 경우의 측면도를 도시한다.
도 4는 분체(粉體)에 대한 전자파 또는 전자선의 조사 및 회전 공구에 의한 절삭에 의해서, 인공뼈의 성형을 설명하고 있고, (a)는 전자파 또는 전자선의 조사에 의한 소결 공정에 관한 단면도를 도시하고 있으며, (b)는 소결 영역의 외벽을 성형하기 위한 절삭 공정에 관한 단면도를 도시하고 있고, (c)는 외벽 성형을 위한 절삭 공정이 종료된 후의 거듭된 분말의 적층 공정에 관한 단면도를 도시하고 있으며, (d)는 (a), (b), (c)의 각 공정이 종료된 후에의 내벽의 성형 공정에 관한 단면도를 도시한다(흰 선의 화살표는 회전 공구가 공전하는 상황을 도시하고 있으며, 실선의 화살표는 회전 공구가 자전하는 상황을 도시하고 있다.).
도 5는 본 발명에, CAD/CAM 시스템을 적용한 경우의 블록도를 도시한다.
일반적으로 인공뼈(1)는 도 1에 도시한 바와 같은 둘레벽의 내부를 중공으로 하는 구성 및 도 2에 도시한 둘레벽의 내부를 삼차원 구조의 메쉬 상태로 하는 구성중의 어느 하나가 채택되고 있다(한편, 도 2에서는, 길이방향에 따른 전체 영역에서 삼차원 구조의 메쉬 상태로 하고 있지만, 그 일부의 영역, 예를 들면 접합부를 형성하는 양단 및 그 근방 이외의 내부를 상기 메쉬 상태로 하는 구성도 채택할 수 있다).
다만, 상기 중공 상태의 경우에는, 도 1 (a), (b), (c)에 도시한 바와 같은 파이프 형상, 부분적 파이프 형상, 또는 이들을 결합한 형상 중의 어느 하나가 채택되고 있으며, 또는 체액의 침투 또는 인체 조직에의 진입을 목적으로 하여, 도 3 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 길이방향에 따른 둘레벽의 전체 영역 또는 일부 영역에서, 메쉬 상태 및 구멍의 집합 상태를 채택하기도 한다(한편, 도 3(a), (b)에서는, 양 단부(11) 및 그 근방 이외의 영역에서 메쉬 상태 또는 구멍의 집합 상태를 채택하고 있지만, 이들 상태는 양 단부(11) 및 그 근방에 달하는 구성도 당연히 채택할 수 있다).
어느 형태에서든, 인공뼈(1)에서는, 양단 및 그 근방에서 인체의 뼈와의 접합이 이루어지고 있다.
거의 대부분의 경우에는, 인공뼈(1)를 외측으로 하고, 인체의 뼈를 내측으로 하도록 하는 접합에 의해서, 비스에 의한 고착이 행하여지고 있지만, 예외적으로 인체의 뼈를 외측으로 하고, 인공뼈(1)를 내측으로 하도록 하는 접합도 채택될 수 있다.
다만, 접합부를 구성하는 양 단부(11) 및 그 근방에서는, 인체의 뼈의 형상에 맞춘 정확한 성형이 요구되는 동시에, 접합부에서의 마모 및 피로를 피하기 위해서, 상기 접합 부위에서는 다른 영역의 부위보다도 큰 강도를 필요로 하고 있다.
상기 기본 구성(1)에서는, 금속 바이오재료, 인공뼈(1)용 세라믹, 인공뼈(1)용 플라스틱 수지 중의 어느 1종 이상의 분말 2층에 대하여, 도 4(a), (c)에 도시한 바와 같이, 전자파 또는 전자선(7)을 조사함으로써 소결을 행하고, 차례로 상기 소결층을 적층한다고 하는 종래 기술에 입각하여, 접합이 이루어지는 단부(11) 및 그 근방에서의 내측면 및/외측면에 대하여, 회전 공구(6)의 절삭에 의해서 도 4 (b), (d)에 도시한 바와 같이, 최종적인 성형을 행하고 있으며, 상기 청구에 의해서, 정확한 접합면을 실현하고 있다.
그리고, 회전 공구(6)의 절삭에 기초한 표면 거칠기의 최대지름을 10㎛로 한 경우에는, 극히 정확한 성형이 가능하고, 의료 현장의 요청에 매치할 수 있다.
접합부를 구성하는 단부(11) 및 그 근방의 내측면의 경우에는, 회전 공구(6)에 의한 절삭에 각별히 지장이 발생하는 것이 아니고, 그 의미에 있어서도, 상기 기본 구성(1)은 기술적 가치가 존재한다.
덧붙여, 단부(11) 및 그 근방 이외의 내측면이 만곡되어 있는 인공뼈(1)의 경우, 또는 단부(11) 및 그 근방보다도 그 내측의 지름이 더 확대되어 있는 인공뼈 (1)의 경우에는, 치밀한 회전지름을 채택하고 있는 통상의 회전 공구(6)에서는 내측면의 절삭 성형에 지장이 발생하는 경우가 있다.
다만, 그러한 경우에도, 예를 들면 선단측의 회전지름이 확대되고 있는 특수 형상의 회전 공구를 채택하는 것에 의해서, 상기 지장을 극복할 수 있다.
상기 기본 구성(1)에서는, 단부(11) 및 그 근방에서의 내측면 및 외측면의 쌍방에 대하여 절삭 연마를 행하는 방법도 포섭되어 있지만, 이러한 구성의 경우에는, 접합이 이루어지는 내측면에서 정확한 성형을 실현할 뿐만 아니라, 절삭 연마에 의해서 매끄러운 단부(11)에서의 외측면을 성형하여, 근육의 불필요한 유착을 피하는 것도 가능하다.
이러한 상황에 착안하여, 상기 기본 구성(1)에서는, 인공뼈(1)의 외측면 중에서, 인체의 골부와의 접합부 이외의 영역에 대하여, 회전 공구(6)의 절삭에 의한 표면 마무리 공정을 채택할 수 있다.
인체의 골부와의 접합 단부(11)의 선단부위에서는, 복잡한 형상을 가진 경우가 있다.
이러한 경우, 양측 단부에서의 선단면에 대하여, 회전 공구(6)의 절삭 공정을 부가하고 있는 것을 특징으로 하는 실시형태는, 상기와 같이 복잡한 형태에 대하여 정확한 선단부의 조형을 가능하게 하기 때문에, 바람직하게 적용할 수 있다.
통상적인 성형에서는, 외측면에서는, 전자파 또는 전자선(7)의 소결 성형후에 회전 공구(6)에 의한 절삭 성형이 이루어지고, 적층이라고 하는 공정을 더 거치지만, 내측면의 경우에는, 외측면의 절삭 성형이 종료한 후에 이루어지는 경우가 많다.
한편, 상기의 접합부를 구성하는 양측 단부(11)의 선단면에 대한 회전 공구 (6)의 절삭을 행하는 경우에는, 내측면의 절삭보다 전 및 후의 어느 것도 선택이 가능하지만, 통상적으로는 전단층에 이루어지는 경우가 많다.
상기 기본 구성(1)에서는, 접합부를 구성하는 단부(11) 및 그 근방에서의 조사량을 다른 영역의 경우에 비하여, 많게 설정하는 것에 의해서 접합부의 강도를 증대시켜, 상기 접합부에서의 인공뼈(1)의 마모 및 피로를 극력 감소시키고 있다.
단부(11) 및 그 근방에서의 조사량을 크게 설정하기 위해서는, 단위면적당의 조사량을 증가시키거나, 또는 조사시간을 증가시키는 것중의 어느 하나를 선택할 수 있다.
도 3(a), (b)에 도시한 바와 같은 길이방향에 따른 둘레벽의 전체 영역 또는 일부 영역을, 메쉬 상태 또는 구멍의 집합 상태를 형성하는 경우에는, 상기 중도 부위의 영역에서의 필요한 강도를 유지하기 때문에, 이러한 상태를 형성하지 않는 영역에 비하여, 전자파 또는 전자선(7)의 조사량을 많게 설정하는 것도 가능하다.
다만, 메쉬 상태의 영역의 면적 또는 구멍의 집합 상태에서의 수 및 구멍의 크기 또는 상기 집합 상태에 의해서 형성되는 면적에 따라서는, 이러한 상태를 형성하지 않는 영역에 대하여 강도를 낮게 하여 인골의 강도와 동일한 정도로 설정한다고 하는 선택도 가능하다.
상기 기본 구성(1) 및 상기 도 3(a), (b)의 실시형태에서, 단위면적당의 조사량 또는 조사시간을 변화시키는 경우에는, 도 5에 도시한 CAD/CAM 시스템(3)을 채택하여, CAD 시스템(31)에 의해서 인공뼈(1)의 형상에 대응하는 화상 데이터를 설정한 다음, CAD 시스템(31) 또는 CAM 시스템(32)에 의해서 인공뼈(1)의 각 영역에서의 전자파 또는 전자선(7)의 단위면적당의 조사량 또는 조사시간을 설정하는 것을 특징으로 하는 실시형태에 의해서 실현되는 경우가 많다.
상기 CAD/CAM 시스템(3)을 채택하고 있는 실시형태에서, 인공뼈(1)의 각 영역에 대응하여 전자파 또는 전자선(7)의 단위면적당의 조사량 또는 조사시간의 설정에 기초하여, 소정 영역마다 전자파 또는 전자선(7)의 조사량이 변화한 경우에는, 상기 소정 영역에서의 인공뼈(1)의 강도가 변화하기 때문에, 회전 공구(6)에 의해서 절삭을 행하는 경우의 적절한 이동 속도 및/또는 회전 속도가 변화하게 된다.
이러한 상황에 대응하여, 전자파 또는 전자선(7)의 단위면적당의 조사량 또는 조사시간에 대응하여, CAD 시스템(31) 또는 CAM 시스템(32)에 의해서, 또한 회전공구(6)에서의 이동 속도 및/또는 회전 속도를 설정하는 것을 특징으로 하는 실시형태를 채택하면 좋다.
일반적으로 전자파 또는 전자선(7)을 조사하는 스폿 지름을 100㎛이하로 한 경우에는, 단부(11) 및 그 근방뿐만 아니라, 다른 영역에서도 정확하고 미세한 성형에 기여할 수 있다.
금속 바이오재료로서는, Ti-6Al-7Nb, 순Ti, Ti-6Al-4V, Ti-29Nb-13Ta-16Zr, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-5Al-5V-5Cr, Ti-15Zr-4Nb-4Ta, Co-Cr합금, SUS3162, SUS630가 채택되고, 인공뼈(1)용 세라믹으로서는, 인산칼슘(하이드록시아파타이트, α-인산칼슘, β-인산칼슘 등)을 채택할 수 있으며, 인공뼈(1)용 플라스틱 수지로서는, 강도의 관계상 폴리카보네이트, 폴리에스테르가 바람직하게 채택되고 있다.
실시예
이하, 실시예에 입각하여 설명한다.
실시예에서는, 접합부를 구성하는 양단 또는 그 근방에서의 적층 분말(2)로서 금속 바이오재료 분말 또는 해당 분말을 주성분으로 하는 분말(2)을 채택하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이들 실시예에서는, 상기 양단 및 그 근방에서, 금속 바이오재료 분말만 또는 해당 분말을 주성분으로 하는 것에 의해서, 필요한 강도를 유지할 수 있고, 상기 기본 구성(2)에 중첩하여 접합부에서의 마모 및 피로에 대처하는 것이 가능하다.
상기 양 단부(11) 및 그 근방 이외의 영역에 대하여, 실시예에 의한 상기 분말 이외의 분말(2)을 채택하고 있는 경우에는, 상기 양 단부(11) 및 그 근방에서의 조사에 도달한 단계에서, 상기 분말로 전환하여 적층하기 때문에, 실시예의 경우에는, 분말(2)을 산포하는 노즐을 2개 이상 사용하면 좋다.
본 발명은, 인공뼈의 제조 및 사용 현장에서 광범위하게 이용할 수 있다.
한편, 도면에서의 숫자는, 이하의 구성 부분을 나타낸다.
1 인공뼈
11 단부
2 분말
21 소결 영역
3 CAD/CAM 시스템
31 CAD 시스템
32 CAM 시스템
4 NC 컨트롤러
5 전자파 또는 전자선의 조사용 장치
6 회전 공구
7 전자파 또는 전자선

Claims (10)

  1. 금속 바이오재료, 인공뼈용 세라믹, 인공뼈용 플라스틱 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 분말층에 대하여, 인공뼈의 형상에 대응하는 화상 데이터에 기초하여, 전자파 또는 전자선을 조사함으로써 소결하거나, 또는 용융하여, 상기 소결에 기초한 층, 또는 상기 용융이 고화한 것에 기초한 층을 적층하는 인공뼈 제조방법으로서, 인체의 골부와의 접합부를 구성하는 양측 단부 및 그 근방에서의 내측면 및/또는 외측면에 대하여, 상기 화상 데이터에 기초한 회전 공구의 절삭에 의해서, 표면 마무리 공정을 채택하여, 접합부를 구성하는 양단 및 그 근방에서의 전자파 또는 전자선의 조사의 정도를, 다른 영역에서의 상기 정도보다 크게 설정하고 있는 인공뼈 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 회전 공구의 절삭에 기초한 표면 거칠기의 최대치가 10㎛인 것을 특징으로 하는 인공뼈의 제조방법.
  3. 제 1, 2 항중의 어느 한 항에 있어서, 양측 단부에서의 선단면에 대하여, 회전 공구의 절삭 공정을 부가하고 있는 것을 특징으로 하는 인공뼈의 제조방법.
  4. 제 1, 2, 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 길이방향에 따른 중공 상태의 둘레벽의 전부 영역 또는 일부 영역에서, 메쉬 상태 또는 구멍의 밀집 영역을 형성하고 있으며, 상기 영역에 대하여, 다른 영역보다 전자파 또는 전자선의 조사량을 크게 설정하고 있는 것을 특징으로 하는 인공뼈 제조방법.
  5. 제 1, 2, 3, 4 항중의 어느 한 항에 있어서, CAD 시스템에 의해서 인공뼈의 형상에 대응하는 화상 데이터를 설정한 다음, CAD 시스템 또는 CAM 시스템에 의해서 인공뼈에서의 전자파 또는 전자선의 단위면적당의 조사량 또는 조사시간을 설정하는 것을 특징으로 하는 인공뼈의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 전자파 또는 전자선의 단위면적당의 조사량 또는 조사시간에 대응하여, CAD 시스템 또는 CAM 시스템에 의해서, 또한 회전 공구에서의 이동 속도 및/또는 회전 속도를 설정하는 것을 특징으로 하는 인공뼈의 제조방법.
  7. 제 1, 2, 3, 4, 5, 6 항중의 어느 한 항에 있어서, 길이방향에 따른 둘레벽의 내측에서 접합부를 형성하는 양단 및 그 근방 이외의 전부 영역 또는 일부 영역을 삼차원의 메쉬 상태로 하는 것을 특징으로 하는 인공뼈 제조방법.
  8. 제 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 항중의 어느 한 항에 있어서, 전자파 또는 전자선을 조사하는 스폿 지름을 100㎛이하로 하고 있는 것을 특징으로 하는 인공뼈 제조방법.
  9. 제 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 항중의 어느 한 항에 있어서, 접합부를 구성하는 양단 또는 그 근방에서의 적층 분말로서 금속 바이오재료 분말 또는 상기 분말을 주성분으로 하는 분말을 채용하고 있는 것을 특징으로 하는 인공뼈 제조방법.
  10. 청구항 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9의 어느 한 항에 기재된 인공뼈 제조방법에 의해 제조된 인공뼈.
KR1020110005467A 2010-04-14 2011-01-19 인공뼈 제조방법 및 해당 방법에 의해 제조된 인공뼈 KR101469307B1 (ko)

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