KR20150098544A - 나노구조 생분해성 임플란트 소재 및 그 제조방법 - Google Patents

나노구조 생분해성 임플란트 소재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강소성 가공을 통한 마그네슘 소재의 나노 크기의 조직제어를 기초로 하여 2단 열처리를 통한 석출상의 균일분산을 통해 고강도화 및 고내식 특성을 가진 임플란트용 Mg-Ca-Zn 합금을 갖는 강소성 이속롤링법에 의한 나노구조 생분해성 Mg-임플란트 소재를 제공하기 위한 것으로서, Zn, Ca등과 같은 원소를 Mg에 첨가하여 체내에서 합금의 분해에 따른 해를 최소함과 동시에 소재의 강도와 부식특성을 극대화하기 위한 고비이속롤링을 통하여 나노조직 제어가 된 판재 형태의 소모성 마그네슘 임플란트를 제조하고, 이 때, 2단 용체화 처리 및 시효처리 기술을 사용하여 석출물의 효과적인 고용을 구현하고, 최종적으로 이를 시효 처리하여 단일 용체화 처리에 의한 저융점 금속의 재 용해를 방지함으로써 제 2상의 분산 및 미세화 및 분산을 극대화시키는 것을 특징으로 한다.

Description

나노구조 생분해성 임플란트 소재 및 그 제조방법{Biodegradable Implant Material Having Nanostructure and Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 임플란트 소재에 관한 것으로, 특히 고비율차 판재압연기술(HRDSR; High-ratio Differential Speed Rolling) 방식으로 나노스케일의 초미세 결정립 구조를 가지며, 생체적합성과 생분해 속도의 제어, 무독성 및 고강도를 갖는 마그네슘 소재의 임플란트 소재와 그 제조방법에 관한 것이다.
의료적 치료를 목적으로 사용되는 임플란트의 대표적 재료로는 금속, 세라믹 및 고분자 등이 있다. 금속성 임플란트의 경우 기계적 성질 및 가공성이 우수하지만 응력차폐현상(stress shielding), 이미지 왜곡(image degradation) 및 임플란트 이동(implant migration) 등의 단점이 있다. 세라믹성 임플란트의 경우 생체적합성은 상대적으로 우수하지만 외부 충격에 쉽게 파손되며, 가공이 어려운 단점이 있고, 고분자 임플란트의 경우 상대적으로 강도가 약한 단점이 있다.
한편, 최근에는 인체 삽입시 골조직 형성을 가속시키고, 영률을 낮춰 응력 차폐 현상을 방지한 다공성 임플란트가 개발되고 있다. 그러나 이러한 다공성 임플란트는 기계적 강도가 낮아 외부 충격에 약한 단점이 있다.
또한, 인체 시술 후 소기의 목적을 달성한 후 임플란트를 제거하는 시술 과정이 필요 없는 생체분해성 임플란트에 대한 연구개발이 제기되었다. 이러한 생체분해성 재료의 의학적 적용은 1960년대 중반부터 폴리유산(polylactic acids, PLA), 폴리글리콜산(polyglycolic acid, PGA), 또는 이들의 공중합체(copolymer)인 PLGA등의 고분자를 위주로 이미 연구되기 시작하였다. 그러나 전술한 생체분해성 고분자들은 낮은 기계적 강도, 분해시의 산 발생 문제 및 생체분해속도 제어의 어려움 등으로 인해 그 응용이 제한되어 있었고, 특히 기계적 강도가 낮은 고분자 특성으로 인하여 강한 하중을 받는 정형외과 분야나 치과 분야 임플란트에의 적용은 힘들었다.
상기와 같은 생체분해성 고분자의 단점을 극복하기 위하여 몇 가지 생체분해성 재료가 연구되는데, 대표적인 것으로서는 트리-칼슘-포스페이트(tri-calcium phosphate, TCP)와 같은 세라믹이나, 생체분해성 고분자와 생체분해성 하이드록시에파타이트(hydroxyapatite, HA)의 복합재료 등이 있다. 하지만, 이러한 재료의 기계적 특성이 생체분해성 고분자에 비해 두드러지게 달라진 것이 없으며, 특히 세라믹 재료의 취약한 내충격성은 생체재료로서 치명적인 단점으로 제기되었다.
특히, 종래의 소성변형을 이용한 미세조직 제어 및 강도 및 부식특성 향상관련 논문과 특허는 대면적화가 가능하지 않은 압출, ECAP(Equal channel angular pressing) 등을 이용하여 미세구조를 제어하고, 미세구조에 따른 물성향상에 대한 논문 및 특허가 대부분이다.
도 1a는 종래의 압출 방법을 이용하여 봉상의 임플란트 소재를 제조하는 방법을 나타낸 도면이고, 도 1b는 도 1a의 압출 방법을 이용하여 얻어진 임플란트 소재의 형태를 나타낸 도면이다.
또한 도 2a는 종래의 ECAP(Equal channel angular pressing) 방법을 이용하여 봉상의 임플란트 소재를 얻는 방법을 나타낸 도면이고, 도 2b는 도 2a의 ECAP 방법을 이용하여 얻어진 임플란트 소재의 형태를 나타낸 도면이다.
그러나 기존의 소성 및 강소성 방법들에 의해 제조된 미세구조 제어된 합금들은 판재형태가 아닌 봉 형태의 제한된 형상을 갖기 때문에 이종 금속간 클래딩처리가 용이하지 않으며, 단속 프로세스로서 대량생산에 한계가 있고, 집합조직에 의한 강도 저하가 발생하는 등의 문제가 있다.
등록특허공보 제10-1289122호 : 생체분해성 마그네슘계 합금으로 다공성 구조체의 기공이 충진된 복합재 임플란트 및 이의 제조방법 공개특허공보 제10-2007-0009527호 : 정형외과 인플란트의 항균성 히알루론산 코팅 등록특허공보 제10-1365772호 : 이중 압출 공정으로 제조된 안과용 임플란트
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 나노스케일의 초미세 결정립 구조를 가지며, 생체적합성과 생분해 속도의 제어, 무독성, 고강도 및 고내식성을 갖는 나노구조 생분해성 임플란트 소재 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 소재의 미세조직 제어가 매우 용이할 뿐만 아니라 대량생산 및 다른 소재와의 클래딩도 매우 효과적인 판재 형태의 임플란트 소재 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강소성 이속롤링법에 의한 나노구조 생분해성 Mg-임플란트 소재의 특징은 Zn, Ca등과 같은 원소를 Mg에 첨가하여 체내에서 합금의 분해에 따른 해를 최소화함과 동시에, 소재의 강도와 부식특성을 극대화하기 위해 고비율차 판재압연기술(HRDSR; 이하 '이속압연'이라고 함)을 통하여 나노조직 제어가 된 판재 형태의 마그네슘 임플란트를 제조할 수 있도록 하는 것이다.
또한 본 발명은 이속압연(HRDSR)을 수행하기 전에 모합금에 대한 2단 용체화 처리(solution treatment) 및 시효 처리(aging treatment) 공정을 수행하여 석출물의 효과적인 고용을 구현하고, 최종적으로 이를 시효 처리하여 단일 용체화 처리에 의한 저융점 금속의 재용해를 방지함으로써 제2상의 분산 및 미세화를 극대화시키는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따른 나노구조 생분해성 임플란트 소재는, 2단 열처리 공정 및 이속압연(HRDSR) 공정에 의해 제조되어 평판 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 임플란트 소재는 마그네슘(Mg)에 칼슘(Ca)과 아연(Zn)이 첨가된 Mg-Ca-Zn 합금으로 된 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 나노구조 생분해성 임플란트 소재를 제조하기 위한 방법은, 평판 형태로 모합금을 제조 및 가공하는 단계(S1)와; 상기 모합금을 제1설정온도에서 저융점 석출상을 고용화하는 1차 열처리를 수행하는 단계(S2)와; 상기 모합금을 고융점 석출상이 고용화되는, 제1설정온도보다 높은 제2설정온도에서 2차 열처리하는 단계(S3)와; 상기 모합금을 서로 다른 회전속도로 회전하는 2개의 롤러(3, 4) 사이에 투입하여 이속압연(HRDSR)하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 상기 단계 S2와 S3를 수행한 후, 상기 모합금을 제3설정 온도에서 시효(aging) 처리하는 단계(S4)를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 강소성 이속롤링법에 의한 나노구조 생분해성 Mg-임플란트 소재는 기존의 소재 제조법에 비해 나노크기로의 조직제어가 용이하고, 판재화가 용이하여 대량 생산이 가능하며, 요구에 따라서는 이종 금속간의 클래딩도 용이한 효과가 있다.
즉, 기존의 소성 및 강소성 방법들에 의해 제조된 미세구조 제어된 합금들은 판재형태가 아니기 때문에 이종 금속간 클래딩처리가 용이하지 않았으나, 본 발명에 의해 제조된 임플란트 소재는 결정립이 나노구조로 초미세화된 판재 형태를 갖기 때문에 이중 복합구조를 갖는데 매우 용이하다. 따라서 고분자, 세라믹, 금속-금속 등의 코팅 및 클래딩 처리가 용이한 이점이 있다.
도 1a는 종래의 압출 방법을 이용하여 봉상의 시료를 얻는 방법을 나타낸 도면
도 1b는 도 1a의 압출 방법을 이용하여 얻어진 시료의 형태를 나타낸 도면
도 2a는 종래의 ECAP(Equal channel angular pressing) 방법을 이용하여 봉상의 시료를 얻는 방법을 나타낸 도면
도 2b는 도 2a의 ECAP 방법을 이용하여 얻어진 시료의 형태를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 생분해성 임플란트 소재의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3의 제조방법 중 이속압연(HRDSR)에 의한 임플란트 소재의 제조 단계를 설명하는 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 본 발명의 임플란트 소재를 나타낸 사진이다.
도 6은 마그네슘 합금 소재의 비교예 및 실시예들의 열처리 및 HRDSR에 따른 경도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 마그네슘 합금 소재의 비교예 및 실시예들의 열처리 및 HRDSR에 따른 인장강도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8a는 마그네슘 합금 소재의 비교예 및 실시예들의 열처리에 따른 내식성 평가 결과를 나타낸 그래프와 표이다.
도 8b는 마그네슘 합금 소재의 비교예 및 실시예들의 HRDSR에 따른 내식성 평가 결과를 나타낸 그래프와 표이다.
도 9는 마그네슘 합금 소재의 비교예 및 실시예들의 열처리 및 HRDSR에 따른 수소포집 측정 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 마그네슘 합금 소재의 비교예 및 실시예들의 세포특성 평가 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 마그네슘 합금 소재의 비교예 및 실시예들의 열처리 및 HRDSR에 따른 미세구조변화를 나타낸 사진들이다.
도 12는 마그네슘 합금 소재의 비교예 및 실시예들의 1차 열처리 온도에 따른 미세구조를 나타낸 사진들이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 나노구조 생분해성 임플란트 소재 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 나노구조 생분해성 임플란트 소재는 인체에 무해한 원소인 아연(Zn)과 칼슘(Ca) 등과 같은 원소를 생분해가 가능하고 생체적합성을 갖는 마그네슘(Mg)에 첨가하여 판재 형태로 제조된다.
즉, 본 발명의 임플란트 소재는 평판 형태를 갖는 Mg-Ca-Zn 합금으로 이루어진다. 마그네슘에 칼슘만 첨가한 Mg-Ca 계열의 2원계 합금은 Ca의 양이 많아질수록 우수한 기계적 강도를 나타내나 불안정한 Mg2Ca 상이 많이 생겨 분해 속도를 가속화하여 내식성이 떨어지는 현상을 나타낸다. 따라서, Mg2Ca 상을 안정화시키기 위해 Zn을 첨가하여 Mg2Ca 상의 안정화로 강도도 우수하며 분해 속도의 제어가 가능하게 하였다.
이러한 본 발명의 임플란트 소재는 2단 용체화 열처리와 고비율차 판재압연기술(HRDSR; High-ratio Differential Speed Rolling) 방식으로 제조됨으로써 나노스케일로 결정립이 미세화되고, 고강도 및 고내식성을 가지며, 판재 형태를 가지므로 다른 소재와의 클래딩도 매우 효과적이며 대량 생산도 매우 유리한 이점을 갖는다.
도 3은 본 발명의 임플란트 소재를 제조하는 방법의 일 실시예를 나타낸 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 임플란트 소재 제조방법은, 용탕이송장치를 이용하여 평판 형태의 모합금을 제조하는 단계(S1)와, 상기 모합금을 제1설정온도에서 저융점 석출상을 1차 고용화 열처리하는 단계(S2)와, 상기 모합금을 고융점 석출상이 고용화되는 제2설정온도에서 2차 고용화 열처리하는 단계(S3)와, 상기 모합금을 제3설정 온도에서 시효(aging) 처리하는 단계(S4)와, 상기 모합금을 서로 다른 회전속도로 회전하는 2개의 롤러(3, 4) 사이에 투입하여 이속압연(HRDSR)하는 단계(S5)를 포함한다. 상기 단계 S3의 제2설정온도는 제1설정온도보다 높다.
상기 단계 S1에서는 마그네슘과 칼슘 및 아연을 용해로에서 용해하여 마그네슘 기반 합금을 제작한 다음, 소정의 길이와 폭을 갖는 평판으로 절단하여 Mg-Ca-Zn 모합금을 제작한다.
상기 단계 S2~S4를 통해 모합금에 대한 2단 용체화 처리(solution treatment) 및 시효 처리(aging treatment)를 수행한다. 좀 더 구체적으로는 상기 모합금을 전기로에 투입하여 420~480℃에서 설정 시간동안 1차적으로 담금질처리하고(단계 S2), 480℃ 이상에서 설정시간동안 유지 후 상온의 증류수에 2차 담금질(quenching)처리함으로써 2단 용체화 처리한다(단계 S3). 시효 처리는 용체화 처리 후 시편을 약 200℃의 온도에서 설정시간동안 유지 후 상온의 증류수에 담금질(quenching)하는 과정으로 이루어진다(단계 S4).
이와 같은 2단 용체화 처리 및 시효 처리는 석출물의 효과적인 고용을 구현하고, 낮은 융점을 갖는 eutectic 상이 높은 온도에서 용체화처리 할 때 재용해(remelting)되는 현상을 막아 제 2상의 미세화 및 균일분산을 극대화하는 효과를 제공한다.
상기 1차 열처리 단계(S2)에서의 열처리 온도, 즉 제1설정온도는 저융점 Ca2Zn3Mg6 석출상이 고용되는 온도(419.5℃)보다 높은 420 ~ 480 ℃ 인 것이 바람직하고, 2차 열처리 단계(S3)에서의 열처리 온도인 제2설정온도는 고융점 Mg2Ca 석출상이 완전히 분해되는 480 ℃ 이상에서 마그네슘의 융점 650℃보다 낮은 온도인 것이 바람직하다. 상기 1차 열처리 단계(S2)에서의 열처리 온도가 420℃보다 낮으면, 고용이 이루어지지 않으며, 480℃ 보다 높으면 입계에서 용융이 발생하게 된다(도 12 참조).
상기 단계 S5에서는 도 4에 도시된 것과 같이 상하로 일정 거리 이격되어 서로 다른 회전속도(V1, V2)로 회전하는 2개의 롤러(3, 4) 사이에 상기 2단 열처리 및 시효처리된 모합금(1)을 투입하여 압연함으로써 우수한 강도와 고내식성을 갖는 나노구조의 평판 형태 임플란트 소재(2)(도 5참조)를 제조한다. 이러한 이속압연 단계에서 상기 롤러(3, 4)는 150~200℃ 범위의 온도를 유지하며, 모합금(1)은 약 400℃의 온도에서 압연되는 것이 바람직하다.
아래에서 제시하는 것과 같은 다양한 실시예를 통해 본 발명에 따른 임플란트 소재의 성능을 시험을 통해 확인하였다.
아래의 표 1 및 2에서 비교예 1은 마그네슘에 1.4wt%의 칼슘만 혼합하여 제작한 임플란트 소재이고, 실시예 1은 마그네슘에 1.4wt%의 칼슘과 1.5wt%의 아연을 혼합하여 제작한 임플란트 소재이며, 실시예 2는 마그네슘에 1.4wt%의 칼슘과 4.0wt%의 아연을 혼합하여 제작한 임플란트 소재이다.
상기 비교예와 실시예 1 및 2의 화학적 성분의 조성은 다음의 표 1과 같다.
Mg Ca Zn Mn Fe Ni Cu
Mg-1.4Ca
(비교예 1)


bal.		 1.4 0.0 0.02 0.01 0.002 0.004
Mg-1.4Ca-1.5Zn
(실시예 1)		 1.4 1.5 0.04 0.01 0.001 0.004
Mg-1.4Ca-4.0Zn
(실시예 2)		 1.4 4.0 0.04 0.01 0.002 0.004
실험에서 1차 열처리는 전기로에서 5℃/min의 승온 속도로 420℃에서 48시간동안 유지 후 상온의 증류수에서 담금질처리하고, 2차 열처리는 480℃에서 100시간 유지 후 상온의 증류수에서 담금질(quenching)처리하였다. 시효 처리는 시편을 5℃/min의 승온속도로 200℃에서 2시간 유지 후 상온의 증류수에 담금질하는 과정으로 이루어졌다.
그리고 이속압연(HRDSR) 단계에서는 1 : 2 의 압연비로 롤러(3, 4)의 온도 170℃, 시편의 온도 400℃에서 행해졌으며, 압하율은 60%로 행하였다.
가공공정 Mg-1.4Ca
(비교예 1)		 Mg-1.4Ca-1.5Zn
(실시예 1)		 Mg-1.4Ca-4.0Zn
(실시예 2)
A 24.89 41.28 40.86
B 30.30 46.61 56.02
C 43.98 52.02 62.68
D 51.80 63.24 68.21
E 58.93 67.73 78.33
상기 표 2는 조성과 열처리 및 가공처리에 따른 경도 특성을 나타낸 것으로, 상기 표 2에서 공정 A는 주조상태(as-casting)이고, 공정 B는 2단 용체화처리(420℃, 480℃)만 수행한 것이며, C는 2단 용체화처리(420℃, 480℃)+시효처리(200℃)를 수행한 것이다. D는 시효처리를 하지 않고 2단 용체화처리(420℃, 480℃) 후 바로 이속압연(HRDSR)을 한 것이며, E는 2단 용체화처리(420℃, 480℃)와 시효처리(200℃) 및 이속압연(HRDSR)을 모두 수행한 것이다.
도 6 및 도 7에 도시한 것과 같이 비교예 1과 실시예 1 및 2 모두 2단 열처리와 시효처리, 이속압연을 수행함에 따라 경도가 향상되는 것을 볼 수 있다. 또한, 인장강도 특성도 2단 용체화처리 및 HRDSR처리한 경우 혹은 2단 용체화처리 후 HRDSR 처리후 시효한 시료의 경우 주조한 경우에 비해 최대 80% 가량 향상된 것으로 확인되었다. 시효처리는 인공시효를 의미하며, 마그네슘 합금의 경우 용체화 처리 후 시효처리를 통해 미세 석출물을 기지에 균일하게 분포함으로써 소재의 강도를 개선하는 열처리이다. 따라서, 각 열처리 온도에 따라 경도 혹은 인장강도는 시효처리를 통해 증가하는 것이 일반적이다. 본 발명에서는 Zn의 첨가량이 4.0wt%로 증가하면 인장강도 특성이 저하되는 경향이 관찰되었다. 이는 첨가된 다량의 Zn-Ca에 의한 제2상의 분율이 크게 증가하여 소성 변형 후 크랙(crack) 결함을 유발하기 때문인 것으로 해석된다.
또한 전기화학적 방법에 의하여 부식속도 및 부식전위값을 PL curve로부터 산출하는 동전위분극 시험을 수행하고(도 8a 및 도 8b의 그래프 참조), 수소발생량 시험(도 9의 그래프 참조)을 통해 내식성 평가를 수행한 결과, 2단 열처리 및 이속압연(HRDSR) 처리된 시편이 가장 우수한 내식성을 갖는 것으로 확인되었으며, 특히 실시예 2(Mg-1.4Ca-4.0Zn)의 경우 내식성이 가장 우수한 것으로 확인되었다.
그리고, MTT (3-[4,5-Dimethylthiazol-2-yl]-2,5-diohenyl tetrazolium bromide, Sigma chemical Co.)를 이용하여 세포 생존률을 예측하는 세포특성 평가 시험 결과, 내식성이 가장 우수한 실시예2에서 세포들이 시편 표면 위에 자리잡아 살아 있음을 관찰할 수 있었다(도 10 그래프 참조).
또한 도 11의 광학현미경 사진에서 볼 수 있는 것과 같이, 열처리 하지 않은 시료에서는 모든 합금조성에서 입계에 정출 혹은 석출상들이 관찰되었으며, Zn 농도가 증가함에 따라 결정립의 크기가 감소되고 있음을 확인할 수 있다. 또한 Zn 농도가 증가함에 따라 석출물과 정출상들의 분율도 증가함을 보여주고 있다. 이와 같은 결과는 냉각 시 불안정한 입계주위로 이동한 Ca, Zn 원소들로부터 eutectic 화합물들이 우선적으로 석출하여 결정립 성장을 방해하기 때문인 것으로 분석된다. 또한, eutectic 화합물들은 XRD 시험 결과 Mg2Ca 및 Mg6Ca2Zn3 화합물로 확인되었다. 이들은 공정반응에 의해 생성된 상들이다. 생성된 eutectic 상들의 최적 용체화 처리를 위해 본 발명에서 적용한 2단 용체화처리 후 XRD 실험 결과에 의하면 제 2상이 모두 고용된 결과를 얻었으며, 200℃에서 시효처리 후 비교적 균일한 제2상이 입내 및 입계에 균일하게 된 것을 확인할 수 있었다. 반면, 480℃에서 100시간동안 단일 용체화처리 시에는 결정립 계면에 여전히 제 2상이 남아 있음이 확인되었다. 단일온도의 용체화처리는 HRDSR 공정을 행함에 있어 석출된 제 2상들의 취성이 크기 때문에 본 발명에서와 같이 2단 용체화처리에 의해 첨가 원소를 모두 기지 내에 고용되게 함으로써 소재의 가공특성을 향상시킬 수 있는 것이다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 나노구조 생분해성 Mg-임플란트 소재는 2단 용체화 처리 및 시효처리에 의해 석출물의 효과적인 고용을 구현하고, 단일 용체화 처리에 의한 저융점 금속의 재용해를 방지함으로써 제 2상의 분산 및 미세화를 극대화시킬 수 있는 이점을 제공한다.
또한 이속압연(HRDSR) 공정을 통하여 나노스케일로 결정립이 미세화되고, 고강도 및 고내식성을 가지며, 판재 형태를 가지므로 다른 소재와의 클래딩도 매우 효과적이며 대량 생산도 매우 유리한 이점도 제공한다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시 예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 모합금 2 : 임플란트 소재
3, 4 : 롤러

Claims (7)

  1. 2단 고용화 열처리 공정 및 이속압연(HRDSR) 공정에 의해 제조되어 평판 형태를 갖는 나노구조 생분해성 임플란트 소재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임플란트 소재는 마그네슘(Mg)에 칼슘(Ca)과 아연(Zn)이 첨가된 Mg-Ca-Zn 합금인 것을 특징으로 하는 나노구조 생분해성 임플란트 소재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 아연(Zn)은 1.5 ~ 4.0 wt% 로 첨가되는 것을 특징으로 하는 나노구조 생분해성 임플란트 소재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 나노구조 생분해성 임플란트 소재의 제조방법으로서,
    평판 형태로 모합금을 제조 및 가공하는 단계(S1)와;
    상기 모합금을 저융점 석출상이 고용되는 제1설정온도에서 1차 고용화 열처리를 수행하는 단계(S2)와;
    상기 모합금을 고융점 석출상이 고용화되는, 제1설정온도보다 높은 제2설정온도에서 2차 고용화 열처리를 수행하는 단계(S3)와;
    상기 모합금을 서로 다른 회전속도로 회전하는 2개의 롤러(3, 4) 사이에 투입하여 이속압연(HRDSR)하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 생분해성 임플란트 소재의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 단계 S2와 S3를 수행한 후, 상기 모합금을 제3설정 온도에서 시효(aging) 처리하는 단계(S4)를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 나노구조 생분해성 임플란트 소재의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 시효 처리 단계(S4)는 200℃의 온도에서 설정 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 나노구조 생분해성 임플란트 소재의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제1설정온도는 420 ~ 480 ℃ 이고, 상기 제2설정온도는 480 ~ 650 ℃ 인 것을 특징으로 하는 나노구조 생분해성 임플란트 소재의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111633101A (zh) * 2020-06-10 2020-09-08 燕山大学 一种板材反复变薄弯曲强变形工艺
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200053297A (ko) * 2018-11-08 2020-05-18 포항공과대학교 산학협력단 마그네슘 합금의 처리방법 및 강소성 가공된 마그네슘 합금재
CN111633101A (zh) * 2020-06-10 2020-09-08 燕山大学 一种板材反复变薄弯曲强变形工艺
KR20210157268A (ko) * 2020-06-19 2021-12-28 부산대학교 산학협력단 Cu-Cr계 전기 접점소재와 그 제조방법 및 Cu-Cr계 전기 접점소재를 적용한 전자 장치

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