KR20120075203A - 생체친화성 임플란트의 제조방법 - Google Patents

생체친화성 임플란트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체친화성 임플란트의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 ⅰ) 수산화아파타이트 분말에 은 분말을 분산시킨 수산화아파타이트 복합체 분말을 준비하는 단계; ⅱ) 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 가스 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 케리어 가스를 공급하는 단계; ⅲ) 상기 공급된 케리어 가스가 이동하는 폐쇄회로 상에서 상기 케리어 가스와 함께 이동하면서 대기와 접촉되지 않은 상태에서 입자가 분급된 수산화아파타이트 복합체 분말을 진공챔버에 공급하는 단계; ⅳ) 상기 진공챔버는 10-1 torr이하로 감압되어 공급되는 상기 수산화아파타이트 복합체 분말이 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트형 기지금속에 고속으로 충돌하여 코팅층을 형성하는 단계; 를 포함하는 생체친화성 임플란트의 제조방법을 제공한다.

Description

생체친화성 임플란트의 제조방법{Method for manufacturing Implant being harmony with a living body}
본 발명은 생체친화성 임플란트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 티타늄 임플란트에 생체친화력이 우수한 수산화아파타이트(hydroxyapatite : 이하 "HA"라 한다)과 항균력이 우수한 은의 복합체를 박막 코팅하여 임플란트와 코팅층과의 밀착력이 우수하고 생체적합성 및 항균성도 우수한 임플란트의 제조방법에 관한 것이다.
임플란트는 결손된 치아를 영구 대체하는 인공치아이므로 실제 음식의 저작 시 실제 치아와 동일한 역할을 수행하여야 하고, 동시에 치아에 가해지는 하중을 적절히 분산할 수 있도록 제작되어야 한다. 아울러 임플란트는 기존의 의치 비하여 안정적인 역할을 담당할 수 있어야 한다.
따라서 인공치아용 임플란트는 구강 내 치조골에 이식 시 생체조직에 대하여 생체친화성(Biocompatibility)이 매우 우수한 재료를 선택하여 기존 생체조직과의 생화학적인 부작용이 없는 재료를 선택해야만 한다.
또한 통상적인 저작운동뿐만 아니라 단단한 음식의 저작 시 반복되는 하중과 순간적인 하중 등에 대하여 변형 및 파괴가 발생하지 않도록 기계적인 강도가 우수하여야 한다.
아울러 생채 내에 이식 후 임플란트와 치조골 및 치육과 임플란트 사이에 음식찌꺼기 등이 끼어 2차 감염이 이루어지지 않고 환자의 시술 후 편의성을 위하여 짧은 시간 내에 임플란트에 골 유착이 요구되어진다.
이러한 요구를 달성하기 위하여서는 기존 생체조직과 골 유착성이 우수한 재료를 생체에 이식되어지는 임플란트 표면에 코팅하여야 할 필요성이 있다.
이러한 재료 중 HA 결정은 인체 내 뼈 성분을 구성하고 있는 주요한 성분으로 이제까지 알려진 어떠한 재료보다 생체적합성 (biocompatibility)이 우수한 재료로 알려져 있다.
따라서 HA를 다양한 방법을 통하여 코팅함으로써 생체적합성을 높이고 골유착성 및 골유착 기간을 단축시키고자 하는 노력들이 여러 문헌을 통하여 제시되고 있다.
그 중에서도 골 유착강도를 증진시키기 위하여 HA에 이트륨(Y)을 도 핑(dopping)한 나노구조의 HA 코팅 방법(J. Biomed. Mater. Res., 59, 312-317, 2002)이 있다. 또 다른 방법으로는 콜라겐 파이버(fiber)에 나노크기의 HA 결정을 함침시켜 사용하는 방법(Biomedical Engineering Handbook, pp. 274, 1995)이 있다.
이 밖에 HA 결정을 플라즈마(plasma)를 이용하여 용융 분사하여 코팅하는 방법도 이용되고 있다(International Thermal Spray Conference, 28-30 May, 2001,Singarpore pp. 105). 그러나 이 방법의 경우 플라즈마의 고온으로 인하여 HA 결정이 열분해되어 HA 이외의 제 2상(a-TCP, b-TCP, CaO, amorphous)이 생성되는데 이는 임상시험 결과 HA 플라즈마 코팅의 생체적합성을 떨어뜨리는 결과를 야기하기도 한다. 또 다른 결함으로는 임플란트 지지체(통상 Ti-6Al-4V 합금)와 접착강도가 낮아 치과용 임플란트 코팅으로는 신뢰성 확보가 어렵다는 문제가 있다.
이러한 문제점을 극복하고 코팅 시 제 2상의 생성과 코팅층의 접착강도를 향상시키기 위하여 초고속용사방법에 의하여 HA 분말을 코팅하는 방법이 시도(International Thermal Spray Conference, 28-30 May, 2001, Singapore pp. 245) 되고 있다.
그러나 이 방법 역시 플라즈마 코팅에 비하여 열분해도가 저하되고 코팅층의 접착강도는 향상되지만 코팅 시 형성된 비정질상은 SBF(simulated body fluid) 용액에서 선택적으로 녹아 코팅층의 접착강도를 현저히 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.
이상과 같이 고온의 열원을 사용하여 HA를 코팅할 경우 원하지 않는 제 2상이 코팅층 내에 형성되어 HA 코팅의 생체적합 특성을 떨어뜨리고 있다.
이러한 단점을 보완하고자 SBF 용액 내에서 HA를 임플란트 지지체에 직접 성장시키는 방법(Journal of Materials Science: Materials in Medicine 14 (2003): 539:545)이 제시되어 있다. 그러나 이 방법은 지지체와 접착강도가 낮아 아직 연구수준에 머물러 있다.
이상과 같은 다양한 방법에 의하여 HA 분말을 코팅한 임플란트는 구강 내 치조골과 빠르게 적응하고 임플란트 주위의 치조골과의 밀착력이 높아 HA 임플란트는 치료기간이 단축되는 장점이 있다. 또한 이러한 임플란트는 장기간 사용될 경우 금속 임플란트에서 발생할 수 있는 생리적 및 면역학적 안정성 등의 문제점이 유발되지 않는다는 장점이 있어서, HA가 코팅된 복합 금속 임플란트는 시술 후 환자에게 있을 수 있는 여러 가지 문제점들을 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
그러나, HA 임플란트는 상기 언급한 바와 같이 고온의 코팅공정으로 인하여 HA 결정이 상분해되어 화학적으로 균일하지 않는 HA 코팅층이 형성되고 생체 내에서 장기간이 경과되면 형성된 제 2상들은 생체조직 내에서 분해 또는 흡수되어 임플란트 표면에 견고한 치조골의 유착이 어렵다는 문제가 있다.
또한, HA가 코팅된 기존 임플란트의 HA 코팅층은 임플란트와의 접착력이 최대 23 ㅁ 2 MPa 정도에 불과하여 치과에서 요구되는 강하고 치밀한 코팅층을 가진 임플란트로 이용하기에는 적합하지 못하다. 따라서 기존의 HA 임플란트는 초기 반응성은 우수하지만 장기간 동안 임상에 적용하기에는 부적합하다고 알려져 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에 HA 분말을 상온에서 코팅함으로써 이러한 문제들을 부분적으로 해결한 기술들이 등장하고 있다.
그러나 이러한 기술들은 사용하는 HA 분말의 입도분포나 균일한 입도를 갖도록 코팅 시 이를 제어하거나 실제 코팅에 유효한 HA 분말분포 등에 관한 언급이 없다는 문제점이 있다.
더욱이 이러한 기술들을 사용할 경우 실제코팅에 참여하지 않고 오히려 HA 코팅층 특성에 나쁜 영향을 미치는 큰 입자를 갖는 HA 분말에 의하여 HA 코팅공정 진행 중에 노즐을 자주 막히는 현상이 발생할 수 있다는 문제점도 아울러 내포하고 있다.
한편, 은(Ag)은 강력한 살균력 및 항균력을 가지고 있고 인체에는 무해하여 각종 건강제품에 사용되고 있으며 임플란트에 사용하기에도 매우 각광받는 물질이다. 따라서 HA 코팅특성이 우수하면서도 은에 의한 항균성까지 확보된 임플란트를 제조하기 위한 공정 설계가 절실히 요청되고 있는 실정이다.
HA 코팅특성이 우수하면서도 은에 의한 항균성까지 갖춘 임플란트의 제조방법을 제공한다.
또한 코팅에 유효한 HA 분말의 입도분포를 용이하게 제어하여 HA 코팅특성이 우수한 임플란트의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, ⅰ) 수산화아파타이트 분말에 은 분말을 분산시킨 수산화아파타이트 복합체 분말을 준비하는 단계; ⅱ) 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 가스 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 케리어 가스를 공급하는 단계; ⅲ) 상기 공급된 케리어 가스가 이동하는 폐쇄회로 상에서 상기 케리어 가스와 함께 이동하면서 대기와 접촉되지 않은 상태에서 입자가 분급된 수산화아파타이트 복합체 분말을 진공챔버에 공급하는 단계; ⅳ) 상기 진공챔버는 10-1 torr이하로 감압되어 공급되는 상기 수산화아파타이트 복합체 분말이 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트형 기지금속에 고속으로 충돌하여 코팅층을 형성하는 단계; 를 포함하는 생체친화성 임플란트의 제조방법을 제공한다.
여기서 복합체 분말은, 수산화아파타이트 분말과 은 분말을 증류수 및 알코올 중의 어느 하나에 첨가하여 믹서로 회전혼합한 후 건조시키고, 건조된 혼합분말을 진동에 의해 분리시킴으로써 준비하는 것이 바람직하다. 이 때 건조는 스프레이 드라이법으로 행할 수 있다.
또한, 복합체 분말을 준비할 때에는, 은 분말 0.001~45 중량%와 잔부의 수산화아파타이트 분말을 첨가하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 은 분말 0.001~10 중량%와 잔부의 수산화아파타이트 분말이다.
은 분말은 그 입도가 1~200nm범위인 것이 바람직하며, 은 분말의 50% 이상은 입도가 1~10nm 범위인 것이 바람직하다.
분급되는 수산화아파타이트 복합체 분말은 그 입도가 100nm ~ 30㎛ 범위인 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 100nm ~ 10㎛이다. 또한 이러한 수산화아파타이트 복합체 분말은 사이클론 장치가 내장된 입도분급기에 의하여 분급되는 것이 바람직하다.
그리고 코팅층은 기공도가 1% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 치과용 임플란트는 은이 분산된 HA 복합체 분말을 이용하여 코팅된 것이어서 은의 우수한 항균기능을 발휘하는 효과가 있다.
또한, HA 복합체 코팅층에 기공과 같은 제 2상이 형성되지 않고 금속임플란트와 접착력이 탁월하여 우수한 HA의 생체친화 특성을 효과적으로 구현할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HA 코팅된 임플란트는 시술 후 환자의 회복속도가 빠르고 장기간 사용시에도 치조골과의 골결합력이 뛰어나 인체 내에 안정적으로 존재할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시예는 이와 같이 안정한 HA복합체가 코팅될 수 있도록 HA복합체 분말의 입도 분포를 제어하는 임플란트 제조방법을 제공하는 기술적 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 티타늄 임플란트에 HA 복합체 분말을 박막 코팅하는 장치이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에서 호퍼에 저장된 초기 HA 복합체 분말의 입도 분포를 나타내는 그림이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에서 입도분급기에서 입도가 분급된 HA 복합체 분말의 입도 분포를 나타내는 그림이다.
도 3은 입도분급기를 사용하지 않은 경우인 비교예1의 조건으로 코팅한 코팅층의 주사전자현미경 사진이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 입도분급기를 사용한 경우인 실시예1의 조건으로 코팅한 코팅층의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 입도분급기를 이용하여 제조된 HA 복합체 코팅층의 X선 회절패턴을 나타내는 그림이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용한 임플란트의 소재는 티타늄 또는 그 합금으로 이루어진다. 티타늄은 가공이 간편하고 다른 금속에 비하여 상대적으로 가벼우며 다른 금속과의 합금으로 제조되거나 열처리 과정을 거쳐 기계적 강도를 향상시킨 것을 사용할 수도 있다.
이러한 티타늄 또는 티타늄합금은 공기 중이나 수중에서 치밀한 부동태 산화막을 형성하여 큰 부식저항성을 가지며, 골 내에 삽입되었을 때 골과 유착특성이 우수한 장점을 가지고 있다. 이하에서는 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트를 티타늄 임플란트로 정의한다.
은은 강력한 살균력과 항균력을 가진 물질로서, 나노미터 단위의 입도를 가지는 것을 보통 은 나노 분말이라 한다.
본 발명에서 사용하는 은 분말은 그 입도가 1~200nm이고 이 중에서 1~10nm가 50%이상 포함된 것이 바람직하다. 은 분말의 입도가 상술한 범위를 벗어나면 비표면적이 너무 작아지기 때문에, 상술한 범위로 한정한다.
이러한 은 분말을 HA 복합체 분말에 고르게 분산시킨 HA 복합체 분말을 사용한다. HA 복합체 분말 중에 분산된 은 분말의 함량은 0.001~45 중량% 이고 더욱 바람직하게는 0.001~10 중량% 이다. 은 분말의 분산도가 높은 것, 즉, 은 분말이 HA 복합체 분말 내에 가능한 한 고르게 분산되어 균일한 HA 복합체 분말인 것이 선호된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 티타늄 임플란트에 HA 복합체 입자를 박막 코팅하는 장치이다.
본 발명에서 사용하는 생체친화성 임플란트의 제조장치는
ⅰ) 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 가스 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 케리어 가스를 저장하는 가스탱크;
ⅱ) 상기 가스탱크에서 배출된 상기 케리어 가스가 통과하고 HA 복합체 분말을 저장하는 호퍼;
ⅲ) 상기 호퍼에 저장되어 상기 케리어 가스에 의하여 운반된 HA 복합체 분말을 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트형 기지금속에 고속으로 분사하기 위한 스프레이 노즐;
ⅳ) 상기 스프레이 노즐을 내장하며, 펌프에 의하여 10-1 torr이하로 감압된 상태를 유지하는 진공챔버; 및
ⅴ) 상기 가스탱크와 상기 진공챔버는 폐쇄회로를 형성하며, 상기 호퍼와 상기 진공챔버 사이에 설치되어 상기 HA 복합체 분말을 대기와 접촉되지 않은 상태에서 입자를 분급하는 입도분급기; 를 포함하여 이루어 진다.
또한 상기 입도분급기는
ⅰ) HA 복합체 분말을 포함한 케리어가스 공급관;
ⅱ) 상기 공급관에서 공급된 HA 복합체 분말을 상기 입도분급기 내부에서 외곽으로 흐르게 하는 원추형 판;
ⅲ) 상기 입도분급기의 외벽과 원추형 판 사이에 형성된 틈새;
ⅳ) 상기 틈새 방향으로 보조 케리어가스를 공급하는 보조 케리어가스 공급관;
ⅴ) 상기 보조 케리어 가스에 의해 이송되며 입도가 작은 HA 복합체 분말이 이송되는 사이클론 틈새;
ⅵ) 상기 입도가 작은 HA 복합체 분말을 상기 진공챔버로 배출하는 배출관; 을 포함한다.
이하에서는 이와 같은 생체친화성 임플란트의 제조장치를 이용하여 HA 복합체 분말을 티타늄 임플란트에 코팅하는 방법에 대하여 설명한다.
HA 복합체 분말 준비를 위해 먼저, HA 분말과 은 분말을 증류수 또는 알코올에 첨가하여 믹서로 회전혼합한다. 이 때 은 분말은 0.001~45 중량% 함량으로 첨가하고 나머지는 HA 분말이 되는 함량으로 첨가한다. 더욱 바람직하게는 은 분말이 0.001~10 중량%와 잔부의 HA 분말을 첨가한다.
믹서로 회전혼합한 분말은 건조시킨다. 이 때 스프레이 드라이법으로 건조시키면 은 분말의 분산효과를 높일 수 있어서 좋다.
건조된 혼합분말을 기계적 진동에 의해 HA 복합체 입자와 입자를 상호 분리시킴으로써 HA 복합체 분말 준비를 완료한다. 이 때 진동의 세기는 HA 복합체 분말 입자들끼리 상호 분리되는 정도로 조절하고, 진동이 너무 강해서 입자가 분쇄되는 일이 없도록 한다.
이와 같이 준비된 HA 복합체 분말을 사용한 박막코팅을 위해서는, 도1에 나타난 바와 같이, 먼저 캐리어가스(13)가 가스탱크(10)로부터 배출되어 HA 복합체 분말이 담겨있는 호퍼(16)을 통과한 다음, 미립의 HA 복합체 분말이 캐리어가스(13)와 함께 진공챔버(19)로 유입된다. 이 때 배출되는 케리어 가스(13)는 매스 플로우메터(15)에 의하여 유량이 제어된다.
그리고 사용 가능한 케리어 가스(13)는 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 가스 중 하나 또는 이들을 혼합한 혼합 가스를 사용할 수 있으며, 케리어 가스의 온도는 100℃이하로 유지한다.
또한 가스탱크(10)로부터 진공챔버(19)까지는 폐쇄 회로를 형성하여 이 폐쇄회로 내부는 외부와 격리되어 대기와 접촉하지 않는다.
아울러 진공챔버(19)는 부스터 펌프(17) 및 로타리 펌프(18)에 의하여 10-1 torr 이하로 감압된 매우 낮은 압력으로 유지된다. 따라서 호퍼(16)로부터 유입되는 캐리어가스(13)와 미세립의 HA 복합체 분말은 스프레이노즐(12)를 통하여 매우 빠른 속도로 시편(20)에 충돌하게 된다. 여기서 시편(20)은 티타늄 임플란트 또는 이러한 재질을 갖는 시편을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에는 호퍼(16)와 진공챔버(19)사이에 입도분급기(14)가 설치되어있다. 이 입도분급기(14)는 호퍼(16)에서 케리어가스(13)에 의하여 배출되는 HA 복합체 분말에 대하여 입도를 분급한 다음 100nm ~ 30㎛ 범위의 분말만을 진공챔버(19)로 이송한다. 분급된 HA복합체 분말의 더욱 바람직한 범위는 100nm ~ 10㎛ 이다. 이를 위하여 입도분급기(14) 내부에는 사이클론 장치가 내장되어 있다.
입도분급기(14)에는 공급관(36)이 설치되어 이 공급관을 통해 HA 복합체 분말을 포함한 케리어가스를 입도분급기(14) 내로 공급한다. 입도분급기(14)에 공급된 HA 복합체 분말은 분급기 내부에서 유동하면서 원추형 판(도1참조)을 따라 입도분급기 내부에서 외곽으로 흐르게 된다. 이 때 HA 복합체 분말은 입도분급기(14)의 외벽과 내부 사이클론기(34) 외부 사이에 형성된 틈새 사이로 흐르면서, 외부의 보조 케리어가스 공급관(31, 32)으로 공급된 보조 케리어가스에 의해 입도가 작은 HA복합체 분말은 사이클론 틈새(33)를 따라 사이클론기(34) 내부로 흐르게 된다. 한편, 입도가 큰 HA 복합체 입자는 보조 케리어 가스에 의해서 사이클론 틈새(33)로 이동하지 못하고 분급기(14) 하부로 낙하하게 된다. 이와 같은 과정에 의하여 HA 복합체 분말의 입도가 분급되며, 이 때 HA 복합체 분말의 입도 분급은 공급되는 보조 케리어 가스의 가스 유량을 조절하여 제어할 수 있다. 이를 위해 보조 케리어 가스가 흐르는 공급관(31, 32)에는 또 다른 매스 플로우메터(39)가 설치되어 공급되는 유량을 제어한다.
이와 같이 입도분급기(14)에서 입도가 분급된 입도가 작은 HA 복합체 분말은 케리어 가스(13) 및 보조 케리어 가스에 실려 배출관(37)을 따라 진공챔버(19)로 이송되며, 입도가 큰 HA 복합체 분말은 분급기(14) 바닥에 집적된다.
본 발명의 일 실시예와 같은 입도분급기(14)를 통과하지 않을 경우 호퍼(16)에 저장된 HA 복합체 분말은 초기에 호퍼에 저장된 분말의 입도 분포와 동일하다. 이와 같은 호퍼(16)에 저장된 초기분말의 입도는 도2a에서와 같이 매우 넓은 범위의 입도분포를 갖고 있다.
이와 같이 입도 분포가 넓은 HA 복합체 분말은 그 중에 입자가 큰 분말도 함께 배출되어 시편(20)에 고속으로 충돌할 경우 시편에 코팅되기 어려울 뿐만 아니라 코팅층에 분말 상태로 잔존하는 경우가 있게 된다.
따라서 이와 같이 입도를 제어하지 않은 상태의 HA 복합체 분말을 시편에 코팅할 경우 형성된 코팅층은 기포가 형성되거나 코팅층이 불균일하여 접착특성에 나쁜 영향을 미친다.
또한 HA 복합체 분말은 그 크기가 매우 작고 대기 중에 존재하는 매우 소량의 수분에도 응집현상이 나타날 만큼 매우 민감한 특성이 있다. 따라서 HA 복합체 분말을 대기와 접촉이 가능한 코팅장치 외부에서 입도를 분급할 경우 코팅장치로 도입되는 과정에서 대기 중의 수분이 HA 복합체 분말로 유입되어 HA 복합체 분말이 응집(agglomerates)되는 현상이 발생하게 된다. 코팅장치 외부에서 사전에 HA 복합체 분말을 분급할 경우 이러한 응집 문제뿐만이 아니라 분급기 내벽과 접촉에 의한 여러 가지 오염문제도 유발할 수 있다.
이러한 점에 근거하여 본 발명의 일 실시예에서는 공급되는 HA 복합체 분말이 대기와 접촉되지 않고도 필요한 입도로 분급하기 위하여 호퍼(16)와 진공챔버(19) 사이에 입도분급기(14)를 설치한다. 이와 같이 대기와 접촉할 수 있는 가능성을 차단한 체 입도분급기(14)에서 분급된 균일한 입도를 갖는 HA 복합체 분말을 진공챔버(19)로 공급한다.
이때 입도분급기(14)를 통과한 HA 복합체 분말의 입도 분포를 도2 b에 예시하고 있다.
이와 같이 입도를 갖는 HA 복합체 분말은 진공챔버(19) 내에 설치된 미세한 홀(hole)이 형성된 스프레이노즐(12)을 통하여 시편(20) 상에 토출되며 이때 노즐(20)을 전후로 한 압력차이로 인하여 HA 복합체 분말은 더욱 가속되어 티타늄 임플란트 표면 즉 시편의 표면에 충돌하여 HA 코팅층을 형성한다.
이와 같이 HA 복합체 분말이 고속으로 시편(20)과 충돌하게 되면 분급된 미세한 HA 복합체 분말은 더욱 미세한 분말로 미세파괴(microfracture)가 되고 이 미세파괴된 HA 복합체 분말이 티타늄 임플란트에 HA 복합체 코팅층을 형성하기 시작한다. 이와 같은 코팅 방법은 저온고속충격코팅법 중에 한 가지 방법이다.
이와 같은 방법으로 형성되는 HA 복합체 코팅층은 2축 콘트롤러(23) 및 컴퓨터(22)를 통하여 2축 이송 및 회전장치(11)를 제어하고 이 제어를 통하여 티타늄 임플란트에 코팅되는 HA 복합체 코팅층의 두께를 조절할 수 있다.
이때 티타늄 임플란트에 코팅되는 코팅층의 두께는 50nm ~ 30㎛ 범위가 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 코팅층의 두께는 100nm ~ 5㎛ 이내의 범위로 조절하는 것이다. 이와 같이 코팅층의 두께를 제한하는 것은 HA 복합체 코팅층이 골유착 후 기계적인 응력전달 연동성을 향상시킴과 동시에 시술 후에도 쉽게 박리되지 않도록 하기 위함이다.
이상과 같은 코팅방법은 코팅재에 고온의 열원을 인가하지 않고도 티타늄 임플란트에 HA 복합체 코팅층을 형성할 수 있게 한다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
< HA 복합체 분말의 제조>
티타늄 임플란트 표면에 코팅되는 HA 복합체 분말의 크기는 호퍼(16)를 통과한 캐리어가스(13)에 부유하기 위하여서는 충분히 미세하여야 한다.
바람직한 HA 복합체 분말의 크기는 거듭된 실험 결과 100nm ~ 10㎛ 범위이다. 이 범위의 입자를 갖는 HA 복합체 분말은 캐리어가스의 유속에 의하여 충분히 호퍼로부터 유동하여 진공챔버 내로 유입될 수 있음을 확인하였다.
은 분말의 입도는 HA분말에 비해 무시할 수 있을 만큼 작기 때문에 HA 복합체 분말의 입도는 HA 분말의 입도에 의해 결정된다. 상술한 범위의 크기를 갖는 HA 복합체 분말을 제조하기 위하여, 구입한 10~100㎛ 범위의 HA 분말을 볼밀링(ball milling) 방법으로 HA 분말의 크기가 충분히 작아질 때까지 볼밀링하였다. 볼 밀링은 볼 밀링 시간을 조절하여 원하는 크기의 분말분포가 가장 많을 때 볼밀링을 중단하고 그 시간을 최적볼밀링 시간으로 설정하였다. 본 실험예에서의 최적 볼 밀링 시간은 54 시간 이었다.
다음으로 은 분말은 입도가 1~200nm 인 것을, 그 중에서 60% 정도는 입도가 1~10nm 인 것을 준비하였다.
이렇게 준비한 은 분말 5 중량%와 HA 분말 95 중량%를 알코올에 첨가하여 믹서로 회전혼합한 후 스프레이 드라이법으로 건조시켜 은 분말이 HA 분말 중에 고르게 분산되도록 하였다. 그 다음, 기계적 진동을 가하여 HA 복합체 입자와 입자를 상호 분리시켰다.
<HA 복합체 코팅>
준비된 HA 복합체 분말을 호퍼(16)에 투입하고 부스터펌프(17) 및 로터리펌프(18)를 가동하여 진공챔버(19)를 감압하였다.
진공챔버(19)의 감압은 챔버 내의 압력이 10-2~10-3 torr 범위에 도달할 때까지 감압을 실시하였다.
이러한 압력에 도달하면 유량계(15)를 제어하여 10~100L/min.의 캐리어 가스(13)를 호퍼(16)에 유입되도록 하였다. 이때 호퍼(16)는 이미 진공챔버(19)와 연결되어 있어 낮은 압력을 나타낸다. 1기압으로 유입되는 캐리어가스(13)는 호퍼(16) 내에서 터뷸런스(turbulence)가 발생하고 이에 따라 HA 복합체 분말은 캐리어가스와 함께 입도분급기(14)로 이동한다.
입도분급기(14)는 내부의 사이클론 장치가 설치되어 있어서, 유입된 HA 복합체 분말이 100nm ~ 30㎛ 범위로 그 입도가 분급된다. 이러한 입도를 갖는 HA 복합체 분말을 사용할 경우 티타늄 임플란트 표면에 형성되는 코팅층이 치밀하고 접촉층 내부에 결함이 없게 된다.
이와 같이 진공챔버(19)로 유입된 HA 복합체 분말은 미세한 홀(hole)을 갖는 스프레이 노즐(12)을 통하여 토출되며 이때 노즐을 전후로 한 압력차이로 인하여 HA 복합체 분말은 더욱 가속되어 티타늄 임플란트 표면에 충돌하여 HA 복합체 코팅층을 형성한다.
이렇게 형성되는 HA 복합체 코팅층은 2축 콘트롤러(23) 및 컴퓨터(22)를 통하여 2축 이송 및 회전장치(11)를 제어하고 이 제어를 통하여 티타늄 임플란트에 코팅되는 HA 복합체 코팅층의 두께를 조절하였다.
이상과 같은 방법으로 형성한 코팅층의 두께는 약 100nm ~ 5㎛ 이었다.
<HA 복합체 코팅층의 분석>
아래 표1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 입도분급기(14)를 사용한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 HA 복합체 코팅층의 기공도 및 티타늄 임플란트와의 접착강도를 측정하여 나타내었다.
본 발명의 일 실시예에서 측정한 코팅층의 기공도는 ASTM E2109에 따라 측정하였다.
입도분급기 사용에 따른 코팅층 특성 변화
구분 입도
분급기		 캐리어가스유량
(l/min)		 코팅거리(mm) 기공도(%) 접착강도(kgf/cm2)
실시예 1 고속충돌코팅 사용 20 10 0.7 530
실시예 2 고속충돌코팅 사용 20 7 0.5 565
실시예 3 고속충돌코팅 사용 30 7 0.4 662
비교예 1 고속충돌코팅 미사용 20 10 1.5 515
비교예 2 고속충돌코팅 미사용 20 7 1.9 522
비교예 3 고속충돌코팅 미사용 30 7 1.3 536
비교예 4 플라즈마코팅
 - - 80 8~13 230
비교예 5 Biomimetic HA 코팅 - - - - 12
비교예 6 Sol-Gel 코팅 - - - - 53
표1에서 나타낸 바와 같이 HA 복합체 코팅층의 접착강도는 입도분급기를 사용하였을 경우 증가함을 알 수 있으며 코팅층의 기공도는 매우 낮게 나타내고 있다.
코팅층의 기공도는 분말이 고속으로 충돌하여 코팅층을 형성할 경우 코팅층의 두께 균일도와 밀접한 관계를 갖는다. 이것은 코팅층에 기공을 유발하는 주 요인이 큰 입자가 코팅층에 참여하려 할 경우에 발생하게 되고, 이 때 큰 입자 주변부에 기공이 형성되는 경향이 있으며 이와 같이 큰 입자가 코팅된 부분에는 코팅층의 두께가 적정 입자가 코팅된 곳보다 두꺼워지는 경향이 강하여 두꺼워질 경우 6㎛에 이르기도 한다.
따라서 실시예들과 같이 코팅층의 기공도가 약 1.0% 이하라는 것은 이러한 큰 입자에 의한 코팅참여가 매우 적었다는 것을 의미하고 이로 인하여 코팅층의 두께 균일도는 1㎛ ± 0.5㎛로 향상된다.
도 3에는 입도분급기(14)를 사용하지 않은 경우인 비교예1의 조건으로 코팅한 코팅층의 주사전자현미경 사진을 나타내고 있다.
그리고 도 4 에는 본 발명의 일 실시예에 따른 입도분급기(14)를 사용한 경우인 실시예1의 조건으로 코팅한 코팅층의 주사전자현미경 사진을 나타내고 있다.
도 3과 도4에 의하여 명확히 알 수 있는 바와 같이 비교예1의 경우에는 HA 복합체 코팅층에 많은 기공이 포함되어 있는 반면, 실시예1의 경우에는 이러한 결함이 나타나지 않고 코팅두께가 균일하며 아울러 코팅층의 접착강도 또한 향상된 양질의 코팅층을 형성하고 있다.
이와 같은 실험 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따른 입도분급기(14)를 사용한 경우 형성된 HA 복합체 코팅층은 기공도가 극히 낮아 티타늄 임플란트와의 치밀한 코팅층을 형성하고 있다.
또한 도 5에서와 같이 입도분급기를 이용하여 제조된 HA 복합체 코팅층은 코팅층이 매우 얇아 모재인 티타늄의 회절패턴이 나타나며 코팅층의 성분으로는 HA 회절패턴 및 은 회절패턴을 제외한 제 2상의 회절패턴은 나타나지 않아 입도분급기 사용으로 HA 복합체 코팅층의 결정화도에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 HA 복합체가 코팅된 티타늄 임플란트는 기존의 플라즈마코팅, Biomimetic HA 코팅 및 sol-gel 방법에 의한 HA 코팅과 비교하여 매우 높은 접착강도를 나타내고 있다.
이와 같은 결과는 HA 복합체 코팅 시 입도분급과정을 연속적으로 실시하여 코팅하였을 경우 매우 양질의 HA 복합체 코팅층을 형성할 수 있고 또한 그러한 연속과정을 거쳐 형성된 HA 복합체 코팅층에서도 제 2상이 나타나지 않는 매우 우수한 코팅특성을 나타내고 있어 치과용 의료기구로 유용하게 이용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예를 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10: 가스탱크 13: 캐리어가스
15: 플로우메터 16: 호퍼
17: 부스터 펌프 18: 로타리 펌프
19: 진공챔버 20: 시편
31: 케리어가스 공급관 33: 사이클론 틈새
34: 사이클론기 37: 배출관

Claims (11)

  1. 수산화아파타이트 분말에 은 분말을 분산시킨 수산화아파타이트 복합체 분말을 준비하는 단계;
    질소, 아르곤, 헬륨, 수소 가스 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 케리어 가스를 공급하는 단계;
    상기 공급된 케리어 가스가 이동하는 폐쇄회로 상에서 상기 케리어 가스와 함께 이동하면서 대기와 접촉되지 않은 상태에서 입자가 분급된 수산화아파타이트 복합체 분말을 진공챔버에 공급하는 단계;
    상기 진공챔버는 10-1 torr이하로 감압되어 공급되는 상기 수산화아파타이트 복합체 분말이 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트형 기지금속에 고속으로 충돌하여 코팅층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합체 분말은, 상기 수산화아파타이트 분말과 상기 은 분말을 증류수 및 알코올 중의 어느 하나에 첨가하여 믹서로 회전혼합한 후 건조시키고, 건조된 혼합분말을 진동에 의해 분리시킴으로써 준비하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 건조는 스프레이 드라이법으로 행하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 은 분말 0.001~45 중량%와, 잔부의 수산화아파타이트 분말을 첨가하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 은 분말 0.001~10 중량%와, 잔부의 수산화아파타이트 분말을 첨가하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 은 분말은 그 입도가 1~200nm범위인 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 은 분말의 50% 이상은 입도가 1~10nm범위인 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분급되는 수산화아파타이트 복합체 분말은 그 입도가 100nm ~ 30㎛범위인 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분급되는 수산화아파타이트 복합체 분말은 그 입도가 100nm ~ 10㎛범위인 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수산화아파타이트 복합체 분말은 사이클론 장치가 내장된 입도분급기에 의하여 분급되는 생체친화성 임플란트의 제조방법.
  11. 제1내지 제10중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층은 기공도가 1% 이하인 생체친화성 임플란트의 제조방법.
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