KR20130109201A

KR20130109201A - Ｎｉ 및 Ｃｕ를 포함하지 않는 Ｐｄ―계 금속성 유리

Info

Publication number: KR20130109201A
Application number: KR1020137018306A
Authority: KR
Inventors: 마리오스 디. 데메트리오; 윌리엄 엘. 존슨
Original assignee: 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-10-07
Also published as: CN103328674A; EP2652165A1; JP2014505164A; WO2012083044A1

Abstract

본 발명은 Ni 및 Cu를 포함하지 않는 생체의학 응용에 유용한 Pd-계 금속성 유리 합금에 관한 것이다. 예시적 금속성 유리 합금은 A_aB_b{(Si)_100-c(D)_c}_d로 나타내며, 상기에서, A는 Pd, 및 Pd 및 Pt의 조합으로부터 선택될 수 있고, B는 Ag, Au, Co, Fe 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있으며, D는 P, Ge, B, S 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다. 또한, a,b,c 및 d는 원자 퍼센티지이고, a는 약 60 내지 약 90의 범위, b는 약 2 내지 약 18의 범위, d는 약 5 내지 약 25의 범위이고, c는 0보다 크고 100 미만이다.

Description

Ｎｉ 및 Ｃｕ를 포함하지 않는 Ｐｄ―계 금속성 유리{NI AND CU FREE PD-BASED METALLIC GLASSES}

본 발명은 Ni 및 Cu를 포함하지 않는 Pd-계 금속성 유리에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 생체의학 응용(biomedical application)에 유용한 Pd-계 유리 형성 합금에 관한 것이다.

종래의 결정성 합금과 달리 금속성 유리는 고유한 화학적, 기계적 및 유동학적 특성을 유발하는 비정질 또는 무질서한(disordered) 원자 단위 구조를 갖는다. 그의 원자 구조로 인해, 금속성 유리는 일반적으로 통상적인 결정성 합금보다 더 양호한 내부식성(corrosion resistance), 더 높은 경도, 강도 및 탄성을 나타내며, 그의 유리 전이 온도(glass transition temperature)(T_g) 이상으로 완화(relaxed)될 경우 연화되어 흐를 수 있고, 이는 상당한 가공 능력이 가능하도록 하는 특성이다. 이전에, 금속성 유리는 결정화를 방지하기 위해 액체 상태로부터 급속 냉각할 필요 때문에 서브-밀리미터 치수(박형 리본(thin ribbon), 시트, 와이어 또는 분말)로만 제조될 수 있었다. 하지만, 벌크 유리 형성 합금에 대한 최근의 연구로 인해, 수 cm 만큼 큰 치수의 유리를 형성할 수 있는, 매우 둔화된 결정화 동력(kinetic)을 갖는 금속성 시스템을 제조하는 것이 가능하게 되었다. 이러한 연구들로 인해, 양호한 내부식성, 고강도 및 고경도, 및 큰 탄성 연신율(elastic elongation)을 포함하여 고유한 화학적 및 기계적 특성이 바람직한 다수의 공학적 응용에서 금속성 유리를 도입하는 것이 가능하게 되었다.

지금까지의 가장 강력한 유리 형성 금속성 시스템은 Pd-Ni-Cu-P 합금이며, 이는 7 cm의 두꺼운 두께를 갖는 비정질 부분을 형성할 수 있다. 상기와 같이 두께가 증가된 금속성 유리 잉곳을 제조하는 능력은 다수의 응용에서 관심을 불러일으켰다. 하지만, Pd(귀금속)의 엄청난 고가로 인해 상기 대부분의 응용은 이룰 수 없는 상태이다. 귀금속(예를 들어, Pd)의 고가가 엄청난 것으로 간주되지 않는 응용분야는 보석류 및 시계류 및 생체의학 응용(예를 들어, 정형외과 및 치과/교정 치과 응용)을 포함한다. 흥미롭게도, Pd의 귀금속 특성은 상기 응용에 있어서 Pd-계 유리가 특히 매력적이게 한다. 하지만, 수 mm 이상의 치수를 달성하는 것으로 알려진 Pd-계 금속성 유리만이 합금 조성물에 Ni 및 Cu중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함한다. 사실, 일반적인 금속의 유리 형성 능력은 광범위하게 공지되어 있으며, 합금 내의 Ni 및/또는 Cu 개재물(inclusion)에 따라 아주 많이 좌우되는 것으로 알려져 있고, 상기 강력한 금속성 유리 형성체(former)의 성장이 가능하도록 하는 것은 이들 금속의 개재물이다. 상기와 같이, Ni 및 Cu의 개재물은 필요에 따라 유리 형성 합금의 형성에 광범위하게 용인되며, 당업자라면 이들 금속 중 적어도 하나를 포함하지 않고는 양질의 유리 형성 합금을 생성하는 것이 성공할 것을 기대하지 않을 것이다.

금속성 유리의 Ni 및 Cu 개재물은 공학적 응용을 위해 유리가 사용될 경우 일반적으로 적합하고 용인가능한 반면, 이들 금속은 고도로 세포독성(cytotoxic)이어서 이들 금속을 포함하는 금속성 유리는 생체의학 응용에 부적당하게 된다. 특히, Ni 및 Cu는 고도로 음전기성(electronegative)이어서 이들이 혈류내에서 자유 라디칼로서 존재하는 것이 가능하게 된다. 상기 자유 라디칼은 신체내에서 악명높은 심각한 생물학적 부작용 유발자(trigger)이다. 결과적으로, Ni 및 Cu는 생체 비적합성(non-biocompatible)으로서 광범위하게 이해되고 간주되며, 이들 금속을 포함하는 임의의 금속성 유리는 생체 비적합성인 것으로 유사하게 이해된다. 비정질 금속 합금의 유리 형성 능력은 Ni 및/또는 Cu 개재물에 굉장히 의존하므로, 생체의학 응용에 사용하기에 적합한 Pd-계 금속성 유리의 개발은 극도로 도전적인 것으로 판명되었으며, 적합한 상기 금속성 유리가 아직 달성되지 않았다.

일부 실시예에서, 본 발명은 하기 식 1로 나타내는 금속성 유리 합금에 관한 것이다.

(1)

식 1에서, A는 Pd, 또는 Pd 및 Pt의 조합일 수 있고, B는 Ag, Au, Co, Fe 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있으며, D는 P, Ge, B, S 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다. 또한, a,b,c 및 d는 원자 퍼센티지(atomic percentage)이고, a는 약 60 내지 약 90의 범위, b는 약 2 내지 약 18의 범위, d는 약 5 내지 약 25의 범위이고, c는 0보다 크고 100 미만이다.

다른 실시예에서, 본 발명은 하기 식 2로 나타내는 금속성 유리 합금에 관한 것이다.

(2)

상기에서, X는 Ag 또는 Au, 또는 그의 조합 중 어느 하나이고, 아래 첨자는 원자 퍼센트(atomic percent)를 나타내며 하기 제한을 갖는다: a는 74와 86 사이, 바람직하게는 78.5와 81.5 사이, 및 더욱 바람직하게는 79이고; b는 2와 5 사이, 바람직하게는 2.75와 4.25 사이, 및 더욱 바람직하게는 3.5이고; c는 8과 10 사이, 바람직하게는 8.75와 9.75 사이, 및 더욱 바람직하게는 9.5이고; d는 4와 8 사이, 바람직하게는 5와 7 사이, 및 더욱 바람직하게는 6이며; e는 0과 3 사이, 바람직하게는 1.5와 2.5 사이, 및 더욱 바람직하게는 2이다.

본 발명의 다른 실시예에서, 식 1 및 2로 나타낸 합금으로부터 3차원 물체가 형성된다. 3차원 물체, 예를 들어 로드(rod)는 직경(diameter)이 3 mm 보다 크고 6 mm 만큼 큰 직경을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 3차원 물체는 직경이 1 mm보다 크고 약 4 mm까지의 범위인 로드일 수 있다. 다른 실시예에서, 3차원 물체는 6 mm보다 큰 치수를 가질 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 장점은 하기와 같은 첨부 도면과 함께 고려될 경우 후속하는 상세 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 모세관 수중 급랭(water-quenching)법에 의해 실시예 3에서와 같이 제조된 1-mm 유리질 Pd_77.5Ag₆Si₉P_7.5 와이어의 사진이고;
도 2는 실시예 2 및 15 및 비교예 1에 따라 제조된 합금의 시차 주사 열량측정법(differential scanning calorimetry) 스캔을 비교하는 그래프이고;
도 3은 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 합금의 X-선 회절분석도(diffractogram) 그래프이고;
도 4는 실시예 30 및 32 및 비교예 2에 따라 제조된 합금의 시차 주사 열량측정법 스캔을 비교하는 그래프이고;
도 5는 실시예 30에 따라 제조된 합금의 X-선 회절분석도이고;
도 6은 직경이 3과 6 mm 사이의 범위인 비정질 Pd₇₉Ag₃ _.5P₆Si₉ _.5Ge₂ 로드의 이미지이고;
도 7은 비정질 Pd₇₉Ag₃ _.5P₆Si₉ _.5Ge₂ 시료의 시차 주사 열량측정법 연구의 데이타 플롯이고(좌측에서 우측으로의 화살표는 유리 전이 온도(T_g=337 ℃), 결정화 온도(T_x=370 ℃), 고상선 온도(solidus temperature)(T _s =691 ℃), 및 액상선 온도(liquidus temperature)(T _l =793 ℃)를 나타낸다);
도 8은 직경이 3과 6 mm 사이의 범위인 비정질 Pd₇₉Ag_3.5P₆Si_9.5Ge₂ 로드의 X-선 회절 분석의 데이타 플롯이고;
도 9는 실시예 3에서 제조된 유리질 Pd₇₇ _.5Ag₆Si₉P₇ _.5 표본의 압축 응력-변형율(stress-strain) 응답 그래프이며;
도 10은 모세관 수중 급랭법에 의해 실시예 3에서와 같이 제조된 가변 두께의 굽은 유리질 Pd₇₇ _.5Ag₆Si₉P₇ _.5와이어의 사진이다.

생체의학 응용에 유용한 금속성 유리를 형성하기 위해, 유리 형성 합금은 생체적합성이어야 하며 바람직한 생체의학 구성요소를 제조하도록 충분히 큰 치수(1 mm 초과)로 유리질 부분을 형성할 수 있어야 한다. 또한, 유리는 낮은 영률(Young's modulus) 및 높은 인성(toughness) 특성을 가져야 한다. 상기 특성을 갖는 금속성 유리는 정형외과 및 교정치과용 임플란트 및 고정(fixation) 구성요소(와이어, 네일, 플레이트, 스크류 등)과 같은 생체의학 응용에 특히 유용할 것이다.

비록 Pd-계 금속성 유리는 일반적으로 요구 영률 및 인성 특성을 갖고 생체의학 응용에 충분한 두께의 3차원 금속성 유리 물체를 형성할 수는 있지만, 이들 금속성 유리는, 이들을 생체 비적합성이 되게 하여 생체의학 응용에 사용하기에 부적당하게 할 가능성이 있는 Ni 및 Cu 중 적어도 하나(및 종종 둘 다)를 포함한다. 하지만, Pd-계 금속성 유리는 바람직한 영률 및 인성 특성을 가지므로 본 발명은 Ni 및 Cu를 포함하지 않는 Pd-계 금속성 유리에 관한 것이다.

생체의학 응용에 추가하여, Ni 및 Cu를 포함하지 않는 신규한 합금은 보석류 물품 및 시계류에 유용할 수 있다. Ni 및 Cu는 다수의 개인에게 알레르기 반응을 일으키는 것으로 알려져 있으므로, 이들 금속들을 배제하는 신규한 합금은 보석류 및 시계류 응용에 특히 적합하다.

본 발명의 일부 실시예에서, 금속성 유리는 하기 식 1로 나타내는 생체적합성 합금을 포함한다.

(1)

식 1에서, A는 Pd, 또는 Pd 및 Pt의 조합일 수 있고, B는 Ag, Au, Co, Fe 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있으며, D는 P, Ge, B, S 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다. 또한, a,b,c 및 d는 원자 퍼센티지이고, a는 약 60 내지 약 90의 범위, b는 약 2 내지 약 18의 범위, d는 약 5 내지 약 25의 범위이고, c는 0보다 크고 100 미만이다. 한 실시예에서, B는 Au, Ag 및 그의 조합으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, D는 P, Ge 및 그의 조합으로부터 선택된다.

식 1을 만족하는 적절한 합금의 비제한적 예는 하기를 포함한다.

식 1 및 상기 제시된 예시적 합금에 나타낸 바와 같이, 합금내의 Si는 P, Ge, B, S 및 그의 조합으로부터 선택된 원소로 일부가 치환된다. 합금내에서 이러한 Si 일부 치환은 결정화를 우회(bypass)하기 위해 필요한 임계 냉각 속도(critical cooling rate)를 감소시켜 비정질 합금으로 제조된 3차원 물체의 달성가능한 크기를 증가시킴으로써 유리 형성 능력을 향상시킨다. 또한, Si 일부 치환은 유리 전이 및 결정화 사이의 온도 범위를 증가시켜 과냉각 액체 영역에서의 가공성 윈도우를 증가시킴으로써 비정질 합금의 열가소성 가공성을 향상시킬 수 있다. 또한, 합금내 Si 치환은 전단 탄성계수(shear modulus)를 감소시키고 푸아송 비(Poisson's ratio)를 증가시켜 파괴 인성(fracture toughness) 및 연성(ductility)을 향상시킴으로써 합금의 기계적 특성을 향상시킬 수도 있다.

일부 실시예에서, 식 1로 나타낸 합금은 불순물 수준이 약 2% 이내인 원자 퍼센티지의 추가 합금 원소를 포함할 수 있다.

식 1로 나타내는 합금을 제조하기 위한 하나의 예시적 방법은 적절한 양의 합금 구성성분을 불활성 분위기(inert atmosphere)하에 석영 튜브에서 유도 용융(inductively melting)하는 단계를 수반한다. 하지만, 고농도의 P를 포함하는 합금에 있어서, 불활성 분위기하에 석영 튜브에서 적절한 양의 합금 구성성분(P 제외)을 용융시킨 다음, 불활성 분위기하에 밀봉된 석영 튜브에서 P를 합금분말(pre-alloy)로 둘러싸서 P를 추가함으로써, P를 포함하지 않는 합금분말을 먼저 생성한다. 이어서 밀봉된 튜브를 퍼니스에 위치시키고 온도를 간헐적으로 증가시킨다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 식 1로 나타내는 합금은 다수의 응용에 유용한 3차원 물체로 형성될 수 있다. 공학적 및 기계적 응용에 추가하여, 본 발명의 금속성 유리는 생물학적 부작용을 유발하는 것으로 알려진 원소(예를 들어, Ni 및 Cu)를 포함하지 않으므로, 상기 합금으로 제조된 3차원 물체는 생체 적합성일 것이며, 따라서 다수의 생체의학 응용에 유용하다. 예를 들어, 3차원 물체는 와이어, 네일, 플레이트 또는 스크류와 같은, 정형외과 및/또는 교정치과용 임플란트 및 고정(fixation) 구성요소로서 유용할 수 있다.

본 발명에 따른 합금은 직경이 약 1 mm보다 큰 3차원 벌크 물체, 예를 들어 로드를 형성하기 위해 사용할 수 있다. 도 1은 하기 설명된 모세관 수중 급랭법을 이용하여 실시예 3에서와 같이 제조된 유리질 1-mm Pd₇₇ _.5Ag₆Si₉P₇ _.5의 사진이다. 특히, 합금은 직경이 약 5 mm까지인 3차원 물체를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 다수의 실시예에서, 예를 들어, 합금은 직경이 2 내지 4 mm 범위인 3차원 물체를 제조한다. 그러한 벌크 직경을 갖는 3차원 물체를 달성하기 위한 임의의 합금에서 Ni 및 Cu은 일반적으로 필수적인 것으로 간주되므로, 상기 직경을 갖는 물체를 형성하기 위한, Ni 및 Cu를 포함하지 않는 본 발명의 실시예에 따른 합금의 능력은 특히 놀랍다.

적어도 50%(체적%)의 비정질 상을 갖는 3차원 벌크 물체를 제조하기 위한 예시적 방법은 먼저, 불활성 분위기하에 석영 튜브에서 일부의 용융 탈수(molten de-hydrated) B₂O₃와 접촉하는 합금을 유도 용융시키는 단계를 수반한다. 이어서, 여전히 용융 탈수 B₂O₃와 접촉하는 전체 합금을, 50% 초과의 결정성 상이 형성되는 것을 방지하기에 충분한 속도로 그의 용융 온도 초과의 온도에서부터 그의 유리 전이 온도 미만의 온도까지 냉각시킨다.

후속의 실시예는 예시적 목적으로만 제공되며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 실시예에서, 순도가 약 99.9% 이상인 원소들을 이용하여 모세관 수중 급랭법에 의해 합금을 제조하였다. 특히, 원소들을 계산된 질량의 약 0.1% 내로 계량하고, 용융 전에 아세톤 및 에탄올에서 초음파 세정하였다. 원소들의 용융은 부분 아르곤 분위기하에 밀봉된 석영 튜브에서 유도에 의해 수행되었다. 합금된 잉곳은 이후에 탈수 B₂0₃를 이용하여 플럭싱(fluxing)되었다. 플럭싱은, 잉곳을 아르곤하에 석영 튜브에서 탈수 B₂0₃와 함께 유도 용융시키고, 용융된 잉곳을 합금 융점보다 대략 50도 높은 온도에서 대략 15분간 유지시키고, 최종적으로 잉곳을 수중 급랭함으로써 수행되었다. 플럭싱된 잉곳은 석영 모세관을 이용하여 유리질 로드로 주조(cast)되었다. 잉곳을 모세관 상에 부착된 석영 튜브에 위치시키고, 진공하에 퍼니스 내에서 용융시키고, 1.5 기압의 아르곤을 이용하여 모세관으로 주입하고, 최종적으로 수중 급랭하였다. 유리질 로드의 비정질 속성은 하기 방법 중 적어도 하나를 이용하여 확인되었다: (a) X-선 회절(회절 패턴이 결정성 피크를 나타내지 않으면 비정질 상태임을 확인);(b) 시차 주사 열량측정법(스캔이 실온에서부터 가열시 유리 전이 현상 및 후속하여 결정화 현상을 나타내면 비정질 상태임을 확인); (c) 로드 파손(failure) 특성의 현미경 검사(소성 변형(plastically deformed)된 영역이 전단띠(shear band) 네트워크를 나타내고 파단면(fracture surface)이 예리하게 정의된 반짝거리는 자른면(facet)을 나타내면 비정질 상임을 확인). 각 실시예 및 비교예의 조성을 표 1 및 2에 제시한다.

유리 형성은 재료를 급속 냉각한 결과이며, 이는 재료를 안정한 결정 구성의 형성을 우회하여 결과적으로 액상형(liquid-like) 원자 구성(즉, 유리질 상태)을 고정시키도록(freeze-in) 유발한다. 비교적 양질의 유리 형성체는 유리질 상태를 형성하기 위해 비교적 낮은 냉각 속도를 요구하는 합금이거나, 그렇지 않을 경우 주어진 냉각 속도에서 비교적 두꺼운 유리질 부분을 형성할 수 있는 합금이다. 따라서 합금의 유리 형성 능력은 특정 열 제거 속도로 냉각시 유리질로 전환될 수 있는 합금 제한부 치수(alloy limiting part dimension) 차원에서 수량화되며, 이는 "임계 주조 두께(critical casting thickness)"로 지칭된다. 예시적 합금은 내부 직경 및 벽 두께가 가변적인 석영 모세관에서 급랭되었고(quenched) 석영은 열 전달을 지연시키는 불량한 열 전도체인 것으로 알려져 있으므로, 석영-모세관 벽 두께도 또한 예시적 합금의 유리 형성 능력을 결정하는 인자여야 한다. 각종 예시적 합금의 유리 형성 능력은 따라서 주어진 모세관 벽 두께를 기초로 하여 유리질로 형성될 수 있는 최대 로드 직경에 의해 결정된다. 임계 로드 직경 및 관련된 모세관 벽 두께는 표 1에서 일부 예시적 합금에 대해 표로 작성되며, 열역학적 특성이 표 2에 제시된다. 표 1에서, DSC는 시차 주사 열량측정법(differential scanning calorimetry)을, XRD는 X-선 회절(X-ray diffraction)을, INSP는 현미경 검사(microscopic inspection)를 의미한다. 표 2에서, T_g는 유리 전이 온도, T_x는 결정화 온도, ΔH_x는 결정화 엔탈피, T_s는 고상선 온도(solidus temperature), T_l은 액상선 온도(liquidus temperature), 및 ΔH_m은 용융 엔탈피이다. 표 2에서, "감소된 유리 전이(reduced glass transition)"로 지칭되는 T_s에 대한 T_g의 비는 절대 캘빈 단위로 주어진다.

실시예 및 비교예의 조성의 비정질 속성은 X-선 회절 분석, 시차 주사 열량측정법 및 현미경 검사 중 적어도 하나를 이용하여 조사되었다. 도 2는 비교예 1 및 실시예 2 및 14의 조성의 시차 주사 열량측정법 스캔을 비교한다. 도 2에서, 각 합금의 유리 전이 온도 및 액상선 온도를 나타낸다. 도 2는 실시예 1 내지 3의 조성의 X-선 회절분석도를 도시한다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 회절분석도에서 결정학적 피크가 검출되지 않으며, 이는 합금의 비정질 속성을 나타낸다. 도 4는 비교예 2 및 실시예 30 및 32의 조성의 시차 주사 열량측정법 스캔을 비교한다. 도 4에서, 유리 전이 온도 및 액상선 온도를 나타내며, 도시된 바와 같이, 비교예 2의 조성에 대해서는 유리 전이가 감지되지 않는다. 도 5는 실시예 30의 조성의 X-선 회절분석도를 도시한다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 회절분석도에서 결정학적 피크가 검출되지 않아서 합금의 비정질 속성이 확인된다.

표 1 및 2 및 도 2 내지 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1 내지 32의 조성은 모두 비정질 또는 적어도 일부가 비정질인 반면, 비교예 2의 조성은 비정질이 아니다. 비록 비교예 1의 조성은 비정질이지만, 비교예 1의 조성은 더 높은 유리 전이 온도 및 고상선 온도를 가짐을 표 2로부터 알 수 있다. 유리 형성 능력을 수량화하기 위해 최초로 가장 광범위하게 용인된 기준 중 하나는 유리 전이 온도와 용융(고상선(solidus) 또는 액상선(liquidus)) 온도(절대 캘빈 단위) 간의 상대적 관계를 기초로 한다. 이러한 기준들에 따라, "감소된 유리 전이 온도"로 지칭되는, 용융 온도(이 온도 미만에서 주요 결정상이 열역학적으로 안정하게 됨)에 대한 유리 전이 온도(이 온도 미만에서 액체가 동력학적으로(kinetically) 동결됨)의 비율이 결정화 우회 및 비정질상 형성 용이성의 척도이다. 따라서, 이 기준들에 따라, 매우 감소된 유리 전이 온도를 갖는 합금은 더 큰 유리 형성 능력을 나타낼 것이다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, P 및 Ge를 실시예 합금의 조성에 도입하면 비교예보다 약간 낮은 유리 전이 온도를 초래할 뿐만 아니라 현저하게 더 낮은 고상선 온도를 초래한다. 이는 전체적으로 더 높은 감소된 유리 전이 온도(0.59에서 0.64까지로 높게 증가하는 것이 도시됨)를 초래한다. 감소된 유리 전이 온도의 이러한 전체적인 증가는, 매우 근접하게, 비교예의 조성에 P 및 Ge를 도입함으로써 수득된 유리 형성 능력의 향상을 설명할 수 있다.

비록 상기 논의는 식 1에 의해 설명된 광범위한 조성 제한에 집중된 것이기는 하나, 합금의 유리 형성 능력을 최대화하는 특히 바람직한 조성 범위가 존재함이 이제 발견되었다. 따라서, 한 바람직한 실시예에서, 하기 식 2로 나타낸 조성을 형성함으로써 최적의 유리 형성 능력을 수득할 수 있다:

상기에서, X는 Ag 또는 Au, 또는 그의 조합중 어느 하나이고, 아래첨자는 원자 퍼센트를 나타내며 하기와 같은 제한을 갖는다:

·a는 74와 86 사이, 바람직하게는 78.5와 81.5 사이, 및 더욱 바람직하게는 79이고;

·b는 2와 5 사이, 바람직하게는 2.75와 4.25 사이, 및 더욱 바람직하게는 3.5이고;

·c는 8과 10 사이, 바람직하게는 8.75와 9.75 사이, 및 더욱 바람직하게는 9.5이고;

·d는 4와 8 사이, 바람직하게는 5와 7 사이, 및 더욱 바람직하게는 6이며;

·e는 0과 3 사이, 바람직하게는 1.5와 2.5 사이, 및 더욱 바람직하게는 2이다.

식 2에 따른 조성은, 용융물(melt)을 벽 두께가 0.5 mm인 석영 튜브에서 수중 급랭에 의해 가공할 경우 직경이 3 mm보다 크고 6 mm 이상까지인 유리질 로드를 형성하는 것으로 밝혀졌다. 개시된 식 2의 조성을 만족하는 조성을 갖는 예시적 합금은 불활성 분위기하에 석영 튜브에서 순도 99.9% 이상의 원자 구성성분의 적정량을 유도 용융함으로써 제조되었다. 이어서, 불활성 분위기하에 석영 튜브에서 잉곳을 재용융(re-melting)시킴으로써, 합금된 잉곳을 탈수 산화 붕소(boron oxide)와 함께 플럭싱시킨 다음, 합금 용융물을 산화 붕소 용융물과 접촉시키고 두 용융물이 약 1000s 동안 상호작용하도록 한 다음, 수중 급랭시켰다. 이어서 불활성 분위기하에 벽 두께가 0.5 mm인 석영 튜브에서 플럭싱된 합금 잉곳을 재용융시키고 급속히 수중 급랭시킴으로써, 합금으로부터 유리질 로드를 형성하였다. 이들 합금의 특성을 관찰한 결과를 하기 표 3에 제시한다.

표 3의 각 합금의 유리 형성 능력은 상술한 바와 같이 처리할 경우 비정질로 형성될 수 있는 로드의 최대 직경을 결정함으로써 평가하였다(상기 표 1 및 2에 요약된 합금 특성은 벽 두께가 0.1과 0.5 mm 사이인 석영 튜브에서 용융물을 수중 급랭함으로써 가공된 합금을 이용하여 수득하였음을 주목하여야 한다). 표 1 및 2의 합금에서 유리 형성 능력이 가장 뛰어난 조성은 Pd₇₅ _.5Ag₈Si₉P₅Ge₂ _. ₅이다. 이 합금은 벽 두께가 0.15 mm인 석영 튜브에서 용융물을 수중 급랭하여 가공했을 경우 직경이 3 mm 까지인 비정질 로드를 형성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 하지만 벽 두께가 0.5 mm인 석영 튜브에서 가공할 경우, 합금은 직경이 겨우 2 mm 까지인 비정질 로드를 형성할 수 있다. 이러한 차이점의 원인은, 석영의 매우 낮은 열 전도율이 열 제거 속도를 제한하므로, 석영 튜브 벽이 더 두꺼울수록 임계 로드 직경을 실질적으로 감소시키기 때문이다.

본 합금은 벽 두께가 0.5 mm인 석영 튜브에서 용융물을 수중 급랭하여 가공되었으며, 직경이 적어도 3 mm 및 6 mm 이상까지인 비정질 로드를 형성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 표 3에 도시된 바와 같이, 합금 Pd₇₉Ag₃ _.5Si₉ _.5P₆Ge₂ 은 직경이 6 mm 이상까지인 비정질 로드를 형성할 수 있다. 직경이 3 내지 6 mm 범위인 비정질 Pd₇₉Ag_3.5Si_9.5P₆Ge₂로드를 묘사하는 이미지를 도 6에 제시한다. 벌크 Pd₇₉Ag_3.5Si_9.5P₆Ge₂의 비정질 구조를 확인하는 시차 주사 열량측정법 및 X-선 회절 분석을 각각 도 7 및 8에 제시한다.

탄성 및 기계적 특성의 조사

유리질 Pd₇₇ _.5Ag₆Si₉P₇ _.5원통형 표본(직경 3 mm, 높이 6 mm)의 탄성 계수는, 5-MHz 압전 변환기(piezoelectric transducer)를 갖는 펄스-에코 중첩 셋업을 이용하여 전단(shear) 및 종방향(longitudinal) 파속을 측정하고, 아르키메데스법을 이용하여 밀도를 측정함으로써 초음파로 측정하였다. 전단 탄성계수, 체적 탄성계수(bulk modulus) 및 영률은 각각 30 GPa, 169 GPa 및 85 GPa으로 측정되었으며, 푸아송 비는 0.42인 것으로 밝혀졌다. 50-kN 로드셀(load cell)을 갖는 서보유압(servo-hydraulic) 재료 테스트 시스템을 이용하여 유리질 Pd₇₇ _.5Ag₆Si₉P₇ _.5원통형 표본(직경 3 mm, 높이 6 mm)의 압축 하중 응답을 조사하였다. 1x10^-4s^-1의 변형 속도(strain rate)를 인가하였다. 변형율은 선형 가변 차등 변압기(linear variable differential transformer)를 이용하여 측정하였다. 이 합금의 기록된 응력-변형율 응답을 도 9에 도시하며, 이는 약 1450 MPa의 항복 강도(yield strength), 약 1.7%의 탄성 변형율(elastic strain) 및 약 2%의 소성 변형율(plastic strain)을 나타낸다.

높은 항복 강도 및 낮은 영률은 이러한 종류의 합금이, 통상적인 결정성 공학적 금속보다 상당히 높고 결정성 금속성 생체재료에 비견할 만하거나 더 높은 경도, 강도 및 탄성을 나타냄을 시사한다. 또한, 사실상 금속성 유리에 대해 측정한 가장 높은 값 중의 하나인, 이들 합금의 매우 높은 푸아송 비는, 이들 합금이 높은 인성을 나타낼 것임을 시사한다. 사실상, 도 10에 도시된 바와 같이, 유리질 와이어의 굽힘은, 와이어가 파괴를 우회하면서 1.5 mm 만큼 큰 직경에서 소성 변형될 수 있음을 나타낸다. 약 1500 MPa의 항복 강도와 결합된 1.5 mm 섹션에서의 굽힘 연성(bending ductility)은 대략 100 MPa-m^1/2의 매우 높은 파괴 인성을 나타낸다. 높은 경도, 강도, 탄성 및 인성은 모두 임플란트 구성요소의 적절한 생체역학적 기능을 위해 매우 바람직한 특성이므로, 본 합금이 현재의 하중지지(load-bearing) 임플란트 재료에 대한 매력적인 대안으로서 생각될 수 있다는 것을 시사한다.

체외 세포독성( In Vitro Cytotoxicity ) 연구

유리질 Pd₇₇ _.5Ag₆Si₉P₇ _.5테스트 물품의 세포독성(cytotoxicity)을 NAMSA(Northwood,OH)에 의해 수행된 체외 생체적합성 연구에서 평가하였다. 연구는 세포독성에 대한 잠재성을 판단하기 위해 수행되었으며, 문헌 [International Organization for Standardization 10993: Biological Evaluation of Medical Devices Part 5:Test for Cytotoxicity:in vitro Methods guidelines]을 기초로 하였다.

5% 혈청 및 2% 항생제로 보강된 단일 강도 최소 필수 배지(Minimum Essential Medium)(1X MEM)를 이용하여 테스트 물품의 단일 추출물을 제조하였다. 특히, 테스트 물품의 3.1 g 부분을 16 ml의 1X MEM으로 덮고 37 ℃에서 24시간 동안 교반하여 단일 제제를 추출하였다. 테스트 추출물을 5% CO₂에서 증식시킨 L-929 쥐 섬유아세포(fibroblast cell)의 3개의 분리된 단분자막 상에 위치시켰다. 3개의 분리된 단분자막을 시약 대조군(reagent control), 음성 대조군 및 양성 대조군으로 제조하였다. 시약 대조군은 임의의 테스트 재료 없이 단일 부분표본(aliquot)의 1X MEM을 포함하며 테스트 물품과 동일한 추출 조건을 시행하였다. 음성 대조군으로 고밀도 폴리에틸렌을 사용하였다. 단일 30.8 cm² 부분의 음성 대조군 재료를 10 ml의 1X MEM으로 덮고 제제에 테스트 물품과 동일한 추출 조건을 시행하였다. 양성 대조군으로서 주석 안정화된 폴리비닐클로라이드(tin stabilized polyvinylchloride)를 사용하였다. 단일 60.8 cm² 부분의 양성 대조군 재료를 20 ml의 1X MEM으로 덮고 37 ℃에서 24시간 동안 교반하여 추출하였다.

L-929 쥐 섬유아세포(세포주(strain) L의 ATCC CCL 1, NCTC 클론 929, 또는 동등한 소스)를 증식시키고 5% CO₂의 기체 환경에서 1X MEM을 포함하는 개방 웰(well)에 유지시킨다. 이 연구를 위해 10 cm² 웰을 시딩(seeded)하였고, 계대수(passage number) 및 날짜를 표시하고, 5% CO₂에서 37 ℃로 배양하여, 사용 전에 세포의 준-전면배양(sub-confluent) 단분자막을 수득하였다. 준-전면배양 세포 단분자막을 포함하는 3중 배양 웰(triplicate culture well)을 선택하였다. 3중 배양물에 포함된 성장 배지를 2 ml의 테스트 추출물과 교체하였다. 유사하게, 3중 배양물을 2 ml의 시약 대조군, 음성 대조군 및 양성 대조군과 교체하였다. 모든 웰을 5% CO₂의 존재하에 37 ℃에서 48시간동안 배양하였다.

배양에 후속하여, 배양물은 세포 특성 및 용균 퍼센트(percent lysis)를 평가하기 위해 현미경(100X) 검사하였다. 테스트 배지의 색도 또한 관찰하였다. 황색을 향한 색 변이는 산성 pH 범위와 관련있으며, 마젠타색에서 보라색을 향한 색 변이는 알칼리성 pH 범위와 관련있다. 표 4에 제시된 평가 단계를 기초로 각 배양 웰의 용균 퍼센트 및 세포 특성을 평가하였다.

테스트의 변수들은 음성 및 시약 대조군이 0등급으로 평가되고, 양성 대조군이 3 또는 4등급으로 평가되고, 테스트 시료가 2 이하의 등급으로 평가될 것을 요구하였다.

체외 연구의 조건하에서, 1X MEM 테스트 추출물은 세포 용균 또는 독성을 유발하는 증거를 나타내지 않았다. 시약, 양성 및 음성 대조군은 예상한 바와 같이 수행되었으며, 테스트 시료는 2등급 미만으로 평가되어서 테스트 요건을 만족하였다. 특히, 각 테스트 배양 웰은 0등급으로 평가되었으며, 이는 본 발명의 실시예에 따른 합금이 세포독성이 아님을 나타낸다.

체내 세포독성( In Vivo Cytotoxicity ) 연구

유리질 Pd₇₇ _.5Ag₆Si₉P₇ _.5테스트 물품의 세포독성을 NAMSA(Northwood,OH)에 의해 수행된 체내 생체적합성 연구에서 평가하였다. 테스트 물품을 토끼의 근육 조직으로 이식하였다. 문헌 [International Organization for Standardization 10993: Biological Evaluation of Medical Devices, part 6:Test for Local Effects after Implantation]의 요건을 기초로 자극(irritation) 또는 독성의 증거에 대해 근육 조직을 평가하였다.

각각 대략 1 mm x 10 mm인, 토끼당 최소 네 섹션의 테스트 물품을 14 게이지 바늘에 적재하였다. 각 토끼에 대해, 최소 네 개의 음성 대조군 시료를 14 게이지 바늘에 적재하였다. 음성 대조군으로 1 mm x 10 mm 섹션의 고밀도 폴리에틸렌을 사용하였다.

토끼의 중량을 달고 척추주위 근육 상에 털이 없도록 깎았다. 일반적인 마취제인 케타민 하이드로클로라이드(ketamine hydrochloride) 및 크실라진(xylazine) 조합(34 mg/kg + 5 mg/kg)을 0.6 ml/kg의 용량으로 각 동물에게 근육내 주사하였다. 이어서 각 토끼에게 0.02 mg/kg 부프레노르핀(buprenorphine)을 피하주사하였다. 마취의 효력이 발생한 후에, 수술 부위를 살균 비누로 문지르고, 70% 이소프로필 알콜로 닦고, 포비돈 요오드를 칠했다.

피부를 통과하고 척추의 요추 영역에 평행하도록 등의 각 측부 상에 한번의 절개를 실시한다. 적재된 바늘의 중심(hub)에 탐침을 배치하였다. 바람직한 위치까지 피부를 이동하고, 절개부를 통해 바늘을 근육으로 45 °각도로 삽입하였다. 바늘을 탐침 위로 빼내어 척추주위 근육에 시료를 남겨두었다. 각 토끼의 우측 척추주위 근육에 4개의 테스트 물품 섹션을 이식하였다. 테스트 물품 섹션은 적절히 이격된 간격으로 배치하였다. 반대쪽 근육에, 4개의 음성 대조군 섹션을 유사하게 이식하였다. 조직 접착제로 피부 절개부를 폐쇄하였다. 이식후, 토끼가 마취로부터 회복하는 것을 모니터링하였으며, 제1용량 이후 최소 4시간 후에 다른 용량의 부프레노르핀을 주사하였다. 이식 다음날 3번째 부프레노르핀을 주사하였다.

토끼의 일반적인 건강을 매일 관찰하였으며, 이식 전 및 종료시 토끼의 체중을 기록하였다. 2주째에, 토끼의 체중을 단 다음 펜토바비톨 나트륨(sodium pentobarbitol) 계 약품을 정맥내 주사하여 안락사시킨다. 척추주위 근육을 자유롭도록 분리하여 절개를 용이하게 하기 위해 10% 중성 완충 포르말린(NBF)에 고정(fixed)시켰다. 고정(fixation) 후, 근육을 계통적으로(methodically) 절개하여 테스트 및 대조군 물품 부위에 위치시켰다. 모든 테스트 및 대조군 물품 부위가 처리되었다. 저배율의 현미경을 이용하고 육안으로 캡슐 형성 또는 다른 자극 신호를 기록하였으며, 점수는 표 5에서와 같이 평가되었다.

육안으로는, 임의의 테스트 또는 대조군 부위에 가시적인 반응이 존재하지 않았다. 실로, 각각의 테스트 및 대조군 부위는 0등급으로 평가되었으며, 이는 조직 접촉 자극이 근소하거나 존재하지 않음을 나타낸다.

각 토끼로부터 대표적인 조직 이식 부위(테스트 및 대조군)을 잘라내어, 그 부위 주변의 충분한 영역이 적절한 조직학적 표본이 되도록 한다. 이들 섹션들은 현미경 평가를 위해 조직학적으로 가공된다(매립되고(embedded), 잘리고(sectioned), 헤모톡실린(hemotoxylin) 및 에오신(eosin)으로 염색된다). 대표적인 이식 부위의 현미경 평가를 수행하여 임의의 조직 반응을 추가로 정의하였다. 자격있는 병리학자에 의해 평가를 수행하였다. 테스트 및 대조군 부위의 현미경 평가 결과를 표 6에 도시한다.

표 6에 도시된 바와 같이, 테스트 부위는 대조군 부위만큼 우수하거나 심지어 더 우수하게 수행되었다. 따라서, 테스트 물품은 음성 대조군과 비교하여 비자극성으로 구분되었다. 체외 및 체내 연구 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 합금은 세포독성이 아니며, 따라서 생체의학 응용에 사용하기에 적합하다.

본 발명은 특정 예시적 실시예를 참조로 예시 및 설명되었지만, 당업자는 후속하는 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 설명된 실시예에 대한 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해한다.

Claims

하기 식 1로 나타내어지는 생체적합성 합금(biocompatible alloy)을 포함하는 금속성 유리(metallic glass)로서,

(1)
X는 Ag, Au, 또는 Ag 및 Au의 조합이고,
a는 약 74 내지 약 86 범위의 원자 퍼센트이고,
b는 약 2 내지 약 5 범위의 원자 퍼센트이고,
c는 약 8 내지 약 10 범위의 원자 퍼센트이고,
d는 약 4 내지 약 8 범위의 원자 퍼센트이며,
e는 약 0 내지 약 3 범위의 원자 퍼센트인 금속성 유리.
제1항에 있어서, a는 78.5와 81.5 사이이고, b는 2.75와 4.25 사이이고, c는 8.75와 9.75 사이이고, d는 5와 7 사이이며, e는 1.5와 2.5 사이인 금속성 유리.
제1항에 있어서, X는 Ag인 금속성 유리.
제1항에 있어서, 상기 합금은 Pd_78.5Ag₅Si_8.5P₆Ge₂, Pd₇₉Ag_4.5Si_8.5P₆Ge₂, Pd_79.5Ag₄Si_8.5P₆Ge₂, Pd₈₀Ag_3.5Si_8.5P₆Ge₂, Pd_80.5Ag₃Si_8.5P₆Ge₂, Pd₈₁Ag_2.5Si_8.5P₆Ge₂, Pd₇₉Ag₃Si₁₀P₆Ge₂, Pd₈₀Ag₃Si₉P₆Ge₂, Pd₇₉Ag₄Si₉P₆Ge₂, Pd_79.5Ag_3.5Si₉P₆Ge₂, Pd_79.5Ag₃Si_9.5P₆Ge₂ 및 Pd₇₉Ag₃ _.5Si₉ _.5P₆Ge₂으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 금속성 유리.
하기 식 1로 나타내어지는 생체적합성 합금을 포함하는 금속성 유리로 형성되는 3차원 물체로서,

(1)
X는 Ag, Au, 또는 Ag 및 Au의 조합이고,
a는 약 74 내지 약 86 범위의 원자 퍼센트이고;
b는 약 2 내지 약 5 범위의 원자 퍼센트이고;
c는 약 8 내지 약 10 범위의 원자 퍼센트이고;
d는 약 4 내지 약 8 범위의 원자 퍼센트이며;
e는 약 0 내지 약 3 범위의 원자 퍼센트인 3차원 물체.
제5항에 있어서, 상기 3차원 물체는 임계 주조 두께(critical casting thickness)가 약 3 mm 보다 큰 3차원 물체.
제5항에 있어서, 상기 3차원 물체는 임계 주조 두께가 약 3 mm 내지 약 6 mm 의 범위에 있는 3차원 물체.
제5항에 있어서, 상기 3차원 물체는 임계 주조 두께가 6 mm 보다 큰 범위에 있는 3차원 물체.
제5항에 있어서, 상기 3차원 물체는 생체의학 구성요소(biomedical component)인 3차원 물체.
제9항에 있어서, 상기 생체의학 구성요소는 치과 또는 교정치과용 구성요소인 3차원 물체.
제9항에 있어서, 상기 생체의학 구성요소는 정형외과용 구성요소인 3차원 물체.
제9항에 있어서, 상기 생체의학 구성요소는 임플란트 또는 고정 디바이스(fixation device)인 3차원 물체.
제9항에 있어서, 상기 생체의학 구성요소는 교정치과용 브라켓 또는 와이어인 3차원 물체.
제5항에 있어서, 상기 3차원 물체는 보석류 물품인 3차원 물체.
제5항에 있어서, 상기 3차원 물체는 시계 구성요소 또는 디바이스인 3차원 물체.
제5항에 있어서, a는 78.5와 81.5 사이이고, b는 2.75와 4.25 사이이고, c는 8.75와 9.75 사이이고, d는 5와 7 사이이며, e는 1.5와 2.5 사이인 3차원 물체.
제5항에 있어서, X는 Ag인 3차원 물체.
제5항에 있어서, 상기 생체적합성 합금은 Pd_78.5Ag₅Si_8.5P₆Ge₂, Pd₇₉Ag_4.5Si_8.5P₆Ge₂, Pd_79.5Ag₄Si_8.5P₆Ge₂, Pd₈₀Ag_3.5Si_8.5P₆Ge₂, Pd_80.5Ag₃Si_8.5P₆Ge₂, Pd₈₁Ag_2.5Si_8.5P₆Ge₂, Pd₇₉Ag₃Si₁₀P₆Ge₂, Pd₈₀Ag₃Si₉P₆Ge₂, Pd₇₉Ag₄Si₉P₆Ge₂, Pd_79.5Ag_3.5Si₉P₆Ge₂, Pd_79.5Ag₃Si_9.5P₆Ge₂및 Pd₇₉Ag₃ _.5Si₉ _.5P₆Ge₂으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 3차원 물체.