KR20130022252A - 친수성 표면을 갖는 임플란트 - Google Patents

친수성 표면을 갖는 임플란트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 거친 표면을 갖고, 상기 표면 위의 오염원이 제거된 임플란트 표면의 초친수성을 보존하기 위해 상온에서 습윤 또는 건조 상태를 유지하는 초친수성 코팅 임플란트법에 관한 것이며, 상기 임플란트 표면에 균일하게 형성된 초친수성 코팅층에 의하여 임플란트 시술후 높은 생체친화성, 우수한 체액 및 혈액친화성을 나타낼 수 있으며, 결과적으로 본원발명의 임플란트는 골형성 효과가 뛰어나고 골융합 기간이 단축되는 우수한 효과를 갖는다.

Description

친수성 표면을 갖는 임플란트{Hydrophilic Titanium Implant}
본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 거친 표면을 갖고, 상기 표면 위의 오염원이 제거된 임플란트 표면의 초친수성을 보존하기 위해 상온에서 습윤 또는 건조 상태를 유지하는 초친수성 코팅 임플란트법에 관한 것이다.
골융합(Osseointegration)에 있어서 중요한 결정인자로 임플란트의 표면처리 방식이 지적되어 왔으며, 이와 관련하여 선반 가공에 의한 매끈한 표면처리 방식이 골과의 우수한 생체 적합성과 조직 안정성 때문에 가장 오랜 역사를 가지고 오랜기간 동안 임플란트 술식에 이용되어 왔다. 그러나 골 밀도가 낮은 골에서의 성공률을 개선하기 위해 표면을 개선시키려는 노력이 대두되었으며, Predecki 등은 불규칙한 표면을 가진 임플란트가 빠른 골 성장과 우수한 기계적 접착을 관찰할 수 있었다고 보고하였다. 또한, Buser 등은 동물실험에서 불규칙하고 거친 표면을 갖는 임플란트가 평활한 표면을 갖는 임플란트에 비해 더 많은 골접촉률을 보인다고 하였다.
임플란트 표면의 진화된 양상을 살펴보면 1세대는 평활한 표면을 갖는 임플란트, 2세대 임플란트는 피막 표면을 갖는 임플란트로서 수산화인회석 피막(hydroxyapatite coating, HA)과 티타늄 분사 피막(Titanium Plasma Spray, TPS)으로 나누어 볼 수 있다. RBM(Resorbable Blasted Media blasting) 표면을 갖는 임플란트는 3세대에 속하며, 흡수성 매질로 블라스팅 기법을 이용하여 임플란트의 거칠기를 증가시켰다. 상기 블라스팅 방법은 표면에 분사되는 입자의 영향으로 표면적이 증가되어 요철 효과로 임플란트 계면 골결합력이 증가되며 거친 표면에 세포의 반응이 활성화되는 장점을 지닌다.
그러나, 현재 많이 사용되고 있는 임플란트 표면처리방식인 상기 RBM이나 인체 산성물질로 표면 처리한 생체 친화성이 높은 SLA(Sandblast Large grit Acid etch)등의 표면처리 방식 경우, 표면처리공정 후 제품이 공기 중에 노출되었을 때, 제품 표면에 산화층이 성장하고 탄화수소등의 다양한 오염원의 흡착이 일어나 화학적으로 안정한 상태로 변화하면서 소수화되는 문제가 있다. 즉, 이렇게 소수화된 표면은 체액 및 혈액에 대한 젖음성이 낮기 때문에 임플란트 매식 후 뼈와 융합되는 전반적인 과정을 방해하여 임플란트가 안정되는 기간을 연장시키는 단점이 있다.
한편, US 6 702 855 B1 특허에는 티타늄 임플란트의 조면화된 표면의 친수성을 개선시키는 방법으로서 염산, 황산, 질산 등과 같은 무기산을 이용하여 화학적으로 에칭(etching)시키는 방법이 개시되어 있으며, 여러 문헌에서 티타늄 표면의 소수화로 인한 단점을 극복하기 위해 금속표면의 친수성을 부여하는 방법으로 플라즈마 처리(라디오-주파수 글로 방전; Radio-Frequency Glow Discharge(RFGD), O2 등), 광 조사(자외선, 자외선-오존 등) 방식을 언급하고 있다. 그러나, 이를 적용했을 경우 티타늄 표면을 초친수화시키는 것은 가능하나, 친수성을 일정 기간 이상 유지하는 데는 한계가 있다.
본 발명은 기존의 RBM 및 SLA 표면처리방식을 개선하기 위해 무기 또는 유기염 기반의 초친수성 코팅을 통해 SLA 표면을 장기간에 걸쳐 친수화시키고 체액 및 혈액 친화성을 향상시켜 최종적으로는 임플란트 시술 후 우수한 골형성 효과와 짧은 골융합 기간을 가지도록 하는, 초친수화 처리된 인공치아의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 치과용 인공치아를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금 표면에 인산염 기반의 무기 및 유기염의 초친수성 코팅을 균일하게 함으로써, 표면 소수화를 일으키는 오염원의 재흡착 및 안정화를 억제하여 티타늄 표면의 초친수성을 유지하고 체액 및 혈액 친화성을 향상시켜 최종적으로는 임플란트 시술 후 우수한 골형성 효과와 짧은 골융합 기간을 가지도록 하기 위한 기술이다.
이를 위해 본 기술은 1) 티타늄 산화막에 흡착 및 안정화된 오염원을 제거하여 생체활성을 가지는 초친수성 티타늄 표면을 노출시키는 단계, 2) 무기 또는 유기염 기반의 코팅액을 도포하여 균일한 초친수성 코팅막을 형성시키는 단계, 추가적으로 3) 상기 코팅액이 증발되어 건조하는 단계를 포함하며(도 1 참조), 선택적으로 오염원을 제거하는 과정은 생략될 수도 있다.
본 발명의 초친수화 표면처리된 금속 임플란트는 바람직하게는 상기 임플란트를 모든 면에서 균일하게 에워싸는 코팅물질로 구성된 코팅막이 표면에 형성되어 있다.
구체적으로, 본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 조면화된(거친) 표면을 갖는 임플란트 표면의 초친수성을 보존하기 위해 상온에서 습윤 또는 건조 상태를 유지하는 코팅막을 포함하는 초친수성 코팅 임플란트에 관한 것이다.
상기 초친수성 코팅막은 무기 또는 유기염 물질, 또는 이를 포함하는 용액으로 형성되며, 바람직하게는 상기 초친수성 코팅막은 인산염 기반의 무기염 또는 글리세롤-포스페이트 기반의 유기염 물질, 또는 이를 포함하는 용액으로 형성된다.
상기 인산염 기반의 무기염은 인산 일나트륨, 인산 이나트륨, 인산 삼나트륨, 또는 인산 칼슘일 수 있다. 또한, 상기 유기염은 글리세롤-포스페이트일 수 있다.
바람직하게는, 상기 초친수성 코팅막은 인산 삼나트륨 또는 글리세롤-포스페이트 또는 이를 포함하는 용액으로 형성된다.
그리고, 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 된 거친 표면에 상기 인산염 기반의 무기염 또는 글리세롤-포스페이트 기반의 유기염 물질로 형성되는 막을 코팅하기 위해 그 코팅 전에 표면의 오염원을 제거하는 과정이 실시될 수 있다.
상기 오염원은 자외선, RFGD(라디오-주파수 글로 방전), 산소 및 상온 플라즈마 중 적어도 어느 하나를 이용하여 처리함으로써 제거될 수 있다.
본 발명의 금속 임플란트 제조방법은 플라즈마나 광조사 등의 전처리를 통해 금속표면에 흡착된 오염원을 제거하고 무기 또는 유기염 기반의 물질이 코팅됨으로써, 종래의 티타늄 표면에서와 같은 소수화는 일어나지 않는다.
따라서, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 코팅막을 가지는 금속 임플란트는 그 표면이 공기중 오염원의 흡착 및 안정화를 효과적으로 방지할 뿐만 아니라 표면에 균일하게 형성된 코팅층이 초친수성을 나타내므로, 임플란트 시술후 생체친화성과 체액 및 혈액친화성이 우수해 골형성 효과가 뛰어나고 골융합기간이 단축되는 우수한 효과를 갖는다.
도 1에는 티타늄의 표면에 초친수성 코팅을 형성시키는 각 단계가 도시되어 있다.
도 2에는 인산염 기반의 무기염(0.01~0.1M 인산 칼슘) 코팅 치과용 임플란트의 혈액단백질 부착능 측정 실험결과가 도시되어 있다.
도 3에는 인산염 기반의 무기염(0.01~0.5M 인산 일나트륨) 코팅 치과용 임플란트의 혈액단백질 부착능 측정 실험결과가 도시되어 있다.
도 4에는 인산염 기반의 무기염(0.01~0.1M 인산 이나트륨) 코팅 치과용 임플란트의 혈액단백질 부착능 측정 실험결과가 도시되어 있다.
도 5에는 인산염 기반의 무기염(0.01~0.1M 인산 삼나트륨) 코팅 치과용 임플란트의 혈액단백질 부착능 측정 실험결과가 도시되어 있다.
도 6에는 인산염 기반의 유기염(0.01~1M 인산 글리세롤-포스페이트) 혈액단백질 부착능 측정 실험결과가 도시되어 있다.
도 7에는 0.01~1M 글리세롤-포스페이트 코팅 치과용 임플란트 및 0.01~1M 인산 삼나트륨 코팅 치과용 임플란트의 혈액친화성 측정 실험결과가 도시되어 있다.
도 8에는 인산 삼나트륨 코팅 치과용 임플란트 및 글리세롤-포스페이트 코팅 치과용 임플란트의 계면 골결합력 측정 실험결과가 도시되어 있다.
본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 된 거친 표면에 인산 일나트륨(monosodium phosphate), 인산 이나트륨(disodium phosphate), 인산 삼나트륨(trisodium phosphate), 인산 칼슘(calcium phosphate) 및 이러한 물질을 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 인산염 기반의 무기염으로 형성되는 막이 코팅되어 이루어지는 친수성 임플란트에 관한 것이다.
상기 인산염 기반의 무기염으로 형성되는 막이 코팅되기 이전에 상기 임플란트 표면의 오염원이 제거될 수 있으며, 특히 자외선, RFGD(라디오-주파수 글로 방전), 산소 및 상온 플라즈마 중 적어도 어느 하나에 의해 오염원이 제거될 수 있다.
그리고, 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 된 거친 표면에 상기 인산염 기반의 무기염으로 형성되는 막이 건조된 상태로 코팅되는 것도 가능하다.
또한 본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 된 거친 표면에 글리세롤-포스페이트 또는 이를 포함하는 글리세롤-포스페이트 기반의 유기염으로 형성되는 막이 코팅되어 이루어지는 친수성 임플란트에 관한 것이다.
마찬가지로 상기 글리세롤-포스페이트 기반의 유기염으로 형성되는 막이 코팅되기 이전에 상기 임플란트 표면의 오염원이 제거될 수 있으며, 특히 자외선, RFGD(라디오-주파수 글로 방전), 산소 및 상온 플라즈마 중 적어도 어느 하나에 의해 오염원이 제거될 수 있다.
또한 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 된 거친 표면에 상기 글리세롤-포스페이트 기반의 유기염으로 형성되는 막이 건조된 상태로 코팅될 수 있음은 물론이다.
이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 예시한다.
치과용 임플란트 표면의 오염원 제거 및 인산작용기를 가지는 인산계 무기 및 유기염 기반의 코팅층 형성
기계가공된 티타늄 임플란트를 입자 크기 1mm 이하의 Al2O3 분말을 사용하여 블라스트 압력 1~10기압으로 1~60초간 블라스팅하였다. 혼합산 수용액을 이용한 산처리법을 이용하여 임플란트 표면에 매크로- & 마이크로-형태론을 부여하였다. 산부식 처리된 치과용 티타늄 임플란트를 에탄올로 30분간 그리고 증류수로 30분간 초음파 세척한 다음 건조시켰다.
상기 공정을 거친 임플란트에 플라즈마 1분 혹은 자외선 5분을 처리하여 표면에 흡착 및 안정화된 오염원을 제거하였고, 상기 표면에 인산작용기를 가지는 인산계 무기염(인산 일나트륨, 인산 이나트륨, 인산 삼나트륨, 인산 칼슘) 및 유기염(글리세롤-포스페이트) 수용액을 농도별로(0.01~1M) 10㎕ 균일하게 도포하고 대기 중에서 건조하였다. 상기 제조한 인산염 기반의 무기 및 유기염 코팅 임플란트를 하기 실시예 2 및 3에서 사용하였다.
가속노화된 인산작용기를 가지는 인산계 기반의 무기 및 유기염 코팅 치과용 임플란트의 혈액친화성 및 혈액단백질 부착능 측정 실험
상기 실시예 1에서 제작한 인산계 기반의 무기 및 유기염 코팅 치과용 임플란트를 가속노화 조건(약 75°C)에서 6주간 방치한 다음, 혈액단백질 부착량을 확인하기 위해 5% BSA(bovine serum albumin) 수용액에 상기 임플란트를 약 1mm 담지한 후, 표면에 부착되는 BSA을 BCA 검정으로 확인하였다. 이때, 음성대조군으로는 오염원을 제거하지 않은 임플란트를, 양성대조군으로는 오염원을 제거하는 전처리 과정을 거쳤으나 상기물질을 코팅하지는 않은 임플란트를 사용하였다.
도 2 내지 도 6에서 보는 바와 같이, 6주간의 가속노화에도 불구하고 인산염 기반의 무기 및 유기염 코팅된 임플란트 중 TSP(인산 삼나트륨)와 GP(글리세롤-포스페이트) 실험군은 양성대조군 대비 혈액단백질의 부착능이 유사한 수준으로 유지됨을 확인할 수 있다. 특히 TSP 코팅 임플란트에서 혈액단백질 부착능이 가장 우수하였다. 상기 실시예 1에서 제작한 TSP, GP 코팅 치과용 임플란트를 가속노화 조건(약 75°C)에서 6주간 방치한 다음, 혈액친화성을 확인하기 위해 마이크로피그(micropig) 혈액에 상기 임플란트를 약 3mm 담지한 후, 임플란트 표면을 타고 올라오는 혈액의 높이로 혈액젖음성을 확인하였다.
도 7에서 보는 바와 같이, TSP 코팅 임플란트는 코팅농도가 증가할수록 혈액젖음성이 향상됨을 확인할 수 있었고, GP 코팅 임플란트는 코팅농도에 상관없이 혈액젖음성이 유사한 수준으로 높은 것을 육안으로 확인함으로써, 혈액친화적임을 알 수 있었다.
가속노화된 인산작용기를 가지는 인산계 기반의 무기 및 유기염 코팅 치과용 임플란트의 골계면결합력 측정을 위한 동물실험
상기 실시예 1에서 제작한 TSP, GP 코팅 치과용 임플란트를 가속노화 조건(약 55°C)에서 2주간 방치한 다음, 임플란트-골계면 결합력을 확인하기 위해 마이크로피그 경골에 상기 임플란트를 식립하고 16일간 골형성기간 후에 토크 제거력(removal torque)을 측정하였다. 이때, 음성대조군으로는 오염원을 제거하지 않은 임플란트를, 양성대조군으로는 오염원을 제거하는 전처리 과정을 거쳤으나 상기물질을 코팅하지는 않은 임플란트를 사용하였다.
도 8에서 보는 바와 같이, 음성대조군에 비해 양성대조군에서 토크 제거력이 약 50% 가량 증가하였고, 실험군 또한 음성대조군 대비 약 25~34% 가량 토크 제거력이 향상됨을 확인함으로써, 임플란트-골계면 결합력이 강해짐을 확인하였다. TSP, GP 코팅군의 2개 실험군 모두에서 골계면 결합력의 향상이 두드러짐을 알 수 있었다.
한편, 상기 실시예는 본 발명의 설명을 돕기 위한 것으로 본 발명이 상기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 본 발명의 특허청구범위 및 발명의 내용을 근거로 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다.

Claims (8)

  1. 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 된 거친 표면에 인산 일나트륨(monosodium phosphate), 인산 이나트륨(disodium phosphate), 인산 삼나트륨(trisodium phosphate), 인산 칼슘(calcium phosphate) 및 이러한 물질을 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 인산염 기반의 무기염으로 형성되는 막이 코팅되어 이루어지는 친수성 임플란트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 인산염 기반의 무기염으로 형성되는 막이 코팅되기 이전에 상기 임플란트 표면의 오염원이 제거되는 것을 특징으로 하는 친수성 임플란트.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 된 거친 표면에 상기 인산염 기반의 무기염으로 형성되는 막이 건조된 상태로 코팅되어 있는 친수성 임플란트.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 임플란트 표면의 오염원이 자외선, RFGD(라디오-주파수 글로 방전), 산소 및 상온 플라즈마 중 적어도 어느 하나에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 친수성 임플란트.
  5. 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 된 거친 표면에 글리세롤-포스페이트 또는 이를 포함하는 글리세롤-포스페이트 기반의 유기염으로 형성되는 막이 코팅되어 이루어지는 친수성 임플란트.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 글리세롤-포스페이트 기반의 유기염으로 형성되는 막이 코팅되기 이전에 상기 임플란트 표면의 오염원이 제거되는 것을 특징으로 하는 친수성 임플란트.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 된 거친 표면에 상기 글리세롤-포스페이트 기반의 유기염으로 형성되는 막이 건조된 상태로 코팅되어 있는 친수성 임플란트.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 임플란트 표면의 오염원이 자외선, RFGD(라디오-주파수 글로 방전), 산소 및 상온 플라즈마 중 적어도 어느 하나에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 친수성 임플란트.
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