KR20160128236A

KR20160128236A - 다공성 금속 임플란트의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 다공성 금속 임플란트

Info

Publication number: KR20160128236A
Application number: KR1020160051241A
Authority: KR
Inventors: 고영학; 이정빈; 안민경
Original assignee: 주식회사 제노스; 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2016-11-07
Also published as: KR101757177B1

Abstract

본 발명은 맞춤형 다공성 금속 임플란트를 디자인하는 단계; 3D 프린터를 이용하여 맞춤형 다공성 고분자 몰드를 제조하는 단계; 금속 분말, 바인더, 분산제 및 용매를 혼합하여 금속 분말 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 캐스팅하고 건조하는 단계; 유기용매를 이용하여 고분자 몰드를 선택적으로 제거하는 단계; 고온 열처리를 통해 맞춤형 다공성 금속 임플란트를 치밀화하는 단계를 포함하는 3D 프린팅 기술을 이용한 맞춤형 형상과 기공구조를 갖는 다공성 금속 임플란트의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 제조 비용이 절감될 뿐만 아니라. 다공성 금속 임플란트의 기공구조를 정밀하게 제어할 수 있으며, 우수한 기계적 물성 확보도 가능하다. 또한, 다공성 금속 임플란트의 우수한 골 재생능을 유도하고, 맞춤형 다공성 금속 임플란트 제조가 가능하다.

Description

다공성 금속 임플란트의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 다공성 금속 임플란트{Method for producing porous metal implant and porous metal implant manufactured thereby}

본 발명은 3차원 형상과 기공구조를 갖는 맞춤형 다공성 금속 임플란트 다공성 금속 임플란트의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 다공성 금속 임플란트에 관한 것이다.

생체금속(티타늄, 코발트-크롬 합금, 스테인리스 스틸 등)은 인체 조직과 우수한 생체친화성을 가질 뿐만 아니라, 세라믹이나 고분자 소재에 비해 월등히 높은 기계적 강도를 갖기 때문에, 하중이 상당량 인가되는 골결손 부위에도 적용이 가능하여, 정형외과나 치과용 골대체용 임플란트 소재로 많이 사용되고 있다[비특허문헌 1].

특히, 생체금속을 다공성 구조로 만들어 골결손 부위에 식립 시, 신생골이 임플란트 주변부터 서서히 차 들어가며, 시간이 지남에 따라 다공성 임플란트 내부를 완벽히 채울 수 있어, 환자의 골 결손부를 매우 효과적으로 재건할 수 있다[비특허문헌 2].

현재까지 다공성 금속 임플란트를 제조할 수 있는 다양한 방법들이 개발되었으며, 거대한 금속 입자를 부분 소결하여 거대 입자간의 공간을 통해 3차원적으로 연결된 기공을 확보하는 금속분말 소결법 [비특허문헌 3], 금속분말을 기공형성제와 혼합하고 이를 고온에서 열처리하여 기공형성제를 제거하는 방식의 기공형성제 성형법 [비특허문헌 4], 다공성 고분자 스폰지 표면을 금속분말 슬러리로 코팅하고 고온 열처리를 통해 스폰지를 제거하는 방식의 스폰지 복제법 [비특허문헌 5] 등이 있다. 하지만, 대부분의 전통적인 제조 방법은, 다공성 금속 임플란트를 이루는 기공구조(기공율, 기공크기, 기공형상 등)를 임의로 조절하기에는 한계가 있다. 또한, 3차원적으로 연결된 기공을 형성하기 위해 사용된 기공 형성제나 고분자 스폰지 등을 고온 열처리를 통해 제거하는 과정 중 발생하는 카본 등의 불순물이 금속 소재를 오염시키고, 이에 따라 제조된 다공성 금속 임플란트의 기계적 물성이 급격히 저하되는 문제점이 종종 발생하고 있다.

최근, 다공성 금속 임플란트의 기공구조 (예, 기공율, 기공크기, 기공형상, 기공연결도 등)를 정밀하게 제어할 수 있는 3D 프린팅 (3D printing) 기술이 개발되어, 기계적 물성과 골조직 재생능이 월등히 향상된 다공성 금속 임플란트 개발연구가 매우 활발하게 진행되고 있다.

3D 프린팅 기술은 컴퓨터 디자인 프로그램을 이용하여 미리 디자인된 이미지를 바탕으로, 얇은 금속 분말층을 선택적으로 고형화시키고, 이러한 층들을 연속적으로 쌓아 올려가는 방식으로 3차원 구조물을 만드는 기술이다. 따라서, 3D 프린팅 기술은 임의의 3차원 형상과 기공구조를 갖는 다공성 금속 임플란트를 제조할 수 있는 혁신적인 기술이다.

현재까지 다양한 3D 프린팅 기술이 개발되었으며, 금속 분말층 위에 바인더 용액을 선택적으로 분사하여 고형화시키는 방식 [비특허문헌 6], 금속 분말층을 선택적으로 소결 또는 용융하는 방식 [비특허문헌 7], 고에너지의 전자빔을 이용하여 금속 분말을 선택적으로 융용시키는 방식 [비특허문헌 8] 등이 있다.

한편, 기 보급화된 3D 프린터에 직접 적용이 가능한 3D 프린팅 기술들이 일부 개발되었으며, 대표적인 기술로서는 액상의 매질에 금속 분말이 분산된 슬러리를 미세노즐을 통해 압출과 동시에 고형화시켜 필라멘트를 제조하고, 이를 3차원적으로 적층하여 다공성 임플란트를 성형하는 기술이 있다 [비특허문헌 9]. 하지만, 이 기술의 경우 슬러리를 효과적으로 고형화시키기 위해 다량의 고분자 바인더가 반드시 필요하며, 이에 따라 열처리를 통한 고분자 바인더 제거 시 발생되는 카본 등의 불순물이 금속 소재를 오염시켜 제조된 임플란트의 기계적 물성을 급격히 저하시키기 때문이다. 또한, 필라멘트를 적층하는 방식으로 3차원 구조물을 성형하는 방식으로 임의의 형상 갖는 맞춤형 다공성 임플란트 제조하기에 어려움이 있다.

또한, 3D 프린터를 이용하여 기공구조가 제어된 다공성 고분자 몰드를 제조하고, 몰드의 내부 기공에 세라믹 슬러리를 채우고 고형화시킨 후, 고온 열처리를 통해 고분자 몰드를 제거하고 세라믹 소재를 치밀화하여 다공성 세라믹 임플란트를 제조할 수 있는 기술이 개발되었다 [비특허문헌 10]. 하지만, 이 기술을 다공성 금속 임플란트에 제조에 직접 활용하기에는 많은 제약이 따르며, 이는 고온 열처리를 통해 고분자 몰드를 제거하는 과정 중 발생되는 카본 등의 불순물이 세라믹 소재와는 달리 금속소재의 경우 매우 심각한 오염을 유발하고, 이에 따라 제조된 임플란트의 기계적 물성을 급격히 저하시키기 때문이다.

따라서, 이러한 단점을 극복하기 위한 신기술 개발이 필요한 실정이다.

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이에, 본 발명자들은 컴퓨터 이미지프로그램을 이용하여 미리 디자인된 3차원 형상과 기공구조를 갖는 맞춤형 다공성 금속 임플란트를 제조할 수 있는 3D 프린팅 기술과 이에 의해 제조된 맞춤형 금속 다공성 임플란트를 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 정형외과 및 치과용 골대체제용 다공성 금속 임플란트의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 다공성 금속 임플란트를 제공하는데 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은

맞춤형 다공성 금속 임플란트를 디자인하는 단계;

3D 프린터를 이용하여 맞춤형 다공성 고분자 몰드를 제조하는 단계;

금속 분말, 바인더, 분산제 및 용매를 혼합하여 금속 분말 슬러리를 제조하는 단계;

상기 슬러리를 캐스팅하고 건조하는 단계;

유기용매를 이용하여 고분자 몰드를 선택적으로 제거하는 단계;

고온 열처리를 통해 맞춤형 다공성 금속 임플란트를 치밀화하는 단계

를 포함하는 맞춤형 형상과 기공구조를 갖는 다공성 금속 임플란트의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명은

상기 방법에 의해 제조된 맞춤형 형상과 기공구조를 갖는 다공성 금속 임플란트를 제공한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명은

상기 다공성 금속 임플란트를 포함하는 골 대체재를 제공한다.

본 발명은 금속 소재에 적합한 매우 고가의 특수 3D 프린터를 이용하는 대신에, 기 보급화된 3D 프린터를 이용하여 맞춤형 다공성 고분자 몰드를 제조하고 이를 활용하여, 맞춤형 3차원 형상과 기공구조를 갖는 다공성 금속 임플란트를 제조할 수 있는 기술로서, 임플란트 제조 단가의 획기적인 절감이 가능하다.

또한, 본 발명은 3D 프린팅 기술을 이용하여 미리 디자인된 다공성 고분자 몰드를 제조하고, 몰드의 내부 기공에 금속 분말 슬러리를 채우는 방식으로, 최종 제조된 다공성 금속 임플란트의 기공구조는 초기 디자인으로부터 효과적으로 정밀하게 제어할 수 있다. 이러한 규칙적인 기공구조는 기존의 전통적인 방식에 의해 제조된 불규칙적인 기공구조에 비해 월등히 높은 기계적 물성을 제공할 수 있다. 또한, 기존의 3D 프린팅 기술 이용 시 종종 발생되는 금속 소재의 오염에 따른 급작스런 파괴(brittle) 거동을, 고분자 몰드를 용매로 제거하는 공정 및 금속 분말 슬러리 내 고분자 바인더 종류/양 제어를 통해 금속 소재의 오염을 최소화하여 금속 소재의 고유 특성인 연성(ductile) 거동을 확보할 수 있어 우수한 기게적 물성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명은 3D 프린팅 기술을 이용하여 완벽하게 연결된 3차원 기공구조를 구현할 수 있어, 골대체제로 활용 시 3차원적으로 연결된 기공 내부로 신생 골을 매우 효과적으로 채울 수 있어, 빠른 골 재생을 유도할 수 있다. 특히, 본 발명은 3D 프린팅 기술을 이용하는 최신 기술로서, 환자의 3차원 영상이미지를 바탕으로, 컴퓨터 이미지 프로그램(CAD 등)을 이용하여 환자 개개인별 맞춤형 3차원 형상과 기공구조를 갖는 맞춤형 다공성 금속 임플란트를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 맞춤형 다공성 금속 임플란트의 제조 공정을 보여주는 개략도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 맞춤형 다공성 금속 임플란트의 형상을 보여주는 광학현미경 이미지이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 다공성 금속 임플란트의 기공구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy) 이미지이다[(A) 규칙적 기공구조, (B) 티타늄 금속 지지체의 미세구조].
도 4는 실시예 1에서 제조된 다공성 금속 임플란트의 기계적 물성을 보여주는 압축강도 시험결과 (변형율에 따른 압축 응력 변화 그래프)를 나타낸 것이다.
도 5는 압축강도시험에 의한 균열전파 양상을 보여주는 주사전자현미경 이미지이다[좌,우: 점진적인 파절 양상].
도 6은 실시예 1에서 제조된 다공성 금속 임플란트의 생체적합성을 보여주는 공초점레이저 주사전자현미경(Confocal Laser Scanning Electron Microscopy) 사진이다.
도 7은 다양한 맞춤형 형상과 기공구조를 갖는 다공성 금속 임플란트를 보여주는 모식도이다[(A) 이중기공구조형 임플란트, (B) 이중층 구조형 임프르란트].

본 발명은

맞춤형 다공성 금속 임플란트를 디자인하는 단계;

상기 슬러리를 캐스팅하고 건조하는 단계;

를 포함하는 맞춤형 형상과 기공구조를 갖는 다공성 금속 임플란트의 제조 방법에 관한 것이다.

먼저, 제 1 단계는 맞춤형 다공성 금속 임플란트를 디자인하는 단계로서, 맞춤형 3차원 형상과 내부 기공구조를 갖는 다공성 임플란트를 디자인한다. 다시 말하면, 대상체(환자) 개개인별 특성을 반영하여 3차원 형상 및 기공 구조 (기공율, 기공 크기, 금속 지지체 크기)를 디자인한다. 이때, 최종 열처리 단계에서 발생하는 금속 지지체의 수축율을 고려하여 초기 형상 및 크기를 디자인해야 한다.

제 2 단계는, 3D 프린터를 이용하여 맞춤형 3차원 형상과 내부 기공구조를 갖는 다공성 고분자 몰드를 제조하는 단계로서, 구체적으로 기 보급화된 3D 프린터(예, FDM; Fused Deposition Modelling 등)를 이용하여 다공성 고분자 몰드를 제조할 수 있다. 이때, 고분자 몰드용 소재로는 유기용매에 의해 제거가 용이한 고분자를 선택하는 것이 바람직하며, 열가소성 고분자가 보다 바람직하다. 상기 열가소성 고분자로는 폴리락틱에시드(Poly Lactic Acid), 폴리비닐알콜(Poly vinyl alcohol) 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

제조된 고분자 몰드는 사용 시 언더컷을 가지는 구조가 가능하기 때문에 무게 중심이 위에 있는 형상을 구현하는 것이 용이해질 수 있다.

제 3 단계는 금속 분말 슬러리를 제조하는 단계로서, 금속 분말, 바인더, 분산제 및 용매를 혼합하여 균질한 금속 분말 슬러리를 제조한다.

상기 슬러리 제조용 금속은 생체 적합성과 강도가 우수한 이유로 바람직하며, 상기 생체적합성 금속은 티타늄, 코발트-크롬 합금 및 스테인리스 스틸로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 슬러리에서 금속 분말들을 효과적으로 결합시키기 위해 고분자 바인더를 포함할 수 있다. 상기 고분자 바인더의 종류는 기공구조의 형상을 잘 재현할 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 구체적으로, 메틸셀룰로오스(Methyl Cellulose), 폴리비닐알콜(Poly vinyl alcohol), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene Glycol), 젤라틴(gelatin) 등 물에 녹는 수용성 고분자를 사용할 수 있다.

상기 고분자 바인더의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 금속 분말 100 중량부에 대하여 0.5 내지 15 중량부, 구체적으로 1 내지 10 중량부, 보다 구체적으로 1 내지 4 중량부로 포함될 수 있다. 상기 고분자 바인더의 함량이 0.5 중량부 미만이면, 압출된 성형체의 강도가 떨어지는 문제가 있고, 15 중량부를 초과하면, 소결 시 균열이 발생할 우려가 있다

상기 금속 분말 슬러리는 상기 금속 분말과 바인더 및 용매를 균일하게 혼합시키기 위하여 분산제를 포함한다. 상기 분산제의 종류는 균일한 슬러리가 형성될 수 있는 한 특별히 제한되지 않으나, 수용성 분산제가 바람직하며, 상기 수용성 분산제로는 올리고머 폴리에스터(oligomeric polyester)를 사용할 수 있다.

상기 분산제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 금속 분말 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부, 보다 구체적으로 0.5 내지 5 중량부로 포함될 수 있다. 상기 분산제의 함량 범위에서 균일한 슬러리를 제조할 수 있으며, 함량이 0.1 중량부 미만이면, 금속 입자들이 서로 응집하여 균일한 조성을 갖는 슬러리를 제조하기 어렵고, 10 중량부를 초과하면, 강도가 저하될 우려가 있다.

상기 용매는 액체 상태의 금속 분말 슬러리를 제조하기 위하여 사용되며, 구체적으로 증류수 및 아세트산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

상기 용매의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 금속 분말 100 중량부에 대하여 20 내지 90 중량부, 보다 구체적으로 35 내지 80 중량부로 포함될 수 있다. 상기 용매의 함량이 20 중량부 미만이면, 슬러리를 제조하기 어렵고, 90 중량부를 초과하면 강도가 저하될 우려가 있다.

본 발명에 따른 슬러리는 액체 상태의 균질한 슬러리로 존재하는데, 이는 압출 성형을 위한 슬러리를 제조하기 위한 바람직한 점도를 갖는 슬러리로서, 상기 슬러리의 점도는 상온에서 0.1 내지 15 Paㆍs, 0.1 내지 10 Paㆍs, 또는 0.5 내지 5 Paㆍs일 수 있다.

상기와 같은 슬러리 조성은 다공성 고분자 몰드에 캐스팅이 용이한 충분한 흐름성을 가지며, 고분자 몰드 제거 시 사용되는 용매와 화학적으로 반응하지 않으며, 고분자 몰드 제거 후 충분한 3차원 공간 유지력을 갖도록 개발된 것이다.

또한, 상기 금속 분말이 균일하게 분산된 슬러리를 제조하기 위해서는 고전단 믹서를 이용할 수 있다.

제 4 단계는 상기 금속 분말 슬러리를 캐스팅하고 건조하는 단계로서, 금속 분말 슬러리를 다공성 고분자 몰드 내부의 기공에 캐스팅하고 건조한다.

상기 금속 분말 슬러리를 다공성 고분자 몰드 내부의 기공에 채우고, 건조기에서 건조하여 슬러리 내부에 있는 슬러리 제조에 사용된 용매를 완벽히 제거하여 금속 지지체 부분을 고형화시킨다. 상기 용매를 완벽히 제거하기 위해, 건조 온도(예, 60 ~ 80 ℃) 및 시간(예, 12 ~ 48 시간)을 조절할 수 있다.

제 5 단계는 유기용매를 이용하여 고분자 몰드를 선택적으로 제거하는 단계로서, 상기 금속 분말 슬러리가 채워진 고분자 몰드를 유기 용매에 담지하여 고분자 몰드만을 선택적으로 제거한다.

상기 유기용매는 금속 분말 슬러리 제조 시 사용된 고분자 바인더와 화학적으로 반응하지 않은 용매를 선택하는 것이 바람직하며, 구체적으로 클로로포름(Chloroform), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 다이옥세인(dioxane) 및 벤젠(benzene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 이때 유기용매는 금속 분말 100 중량부에 대하여 1000 내지 2000 중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 고분자 몰드를 유기용매에 담지하는 시간은 10 시간 내지 72시간이 바람직하다. 상기와 같은 유기용매의 양과 담지 시간 범위를 벗어나면 고분자 몰드를 완벽하게 제거하기 어렵고 오염되기 쉽다.

마지막으로, 고온 열처리를 통해 금속 분말 간의 소결을 유도하여 맞춤형 다공성 금속 임플란트를 치밀화함으로써 다공성 금속 임플란트를 제조한다.

상기 고온 열처리는 진공 분위기 하에서 1 내지 5 ℃/min의 승온 속도로 300 내지 400 ℃까지 상승시킨 후, 1 내지 5 시간 동안 유지하여 고분자 바인더 및 분산제를 제거하고, 그런 다음 5 내지 10 ℃/min의 승온 속도로 1200 내지 1400 ℃까지 상승시킨 후, 1 내지 5 시간 동안 소결하여 금속 지지체를 치밀화한다. 상기 열처리 온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧은 경우에는, 기계적 강도가 낮아지고 고분자 바인더 및/또는 분산제가 잘 제거되지 않을 우려가 있으며, 열처리 온도가 너무 높거나 시간이 너무 길면, 화학적 조성이 달라질 우려가 있다.

이러한 과정을 거쳐 제조된 다공성 금속 임플란트는 하기 일반식 1을 만족할 수 있다:

[일반식 1]

90 ≤ X ≤ 140

상기 X는 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)의 크로스헤드 스피드를 1 mm/min으로 하여 측정된 압축강도(MPa)를 나타낸다.

바람직하게는 본 발명의 임플란트는 94~137 MPa의 압축강도를 가진다.

본 발명은, 또한 상기 다공성 금속 임플란트를 포함하는 제품에 관한 것이다.

본 발명에 따른 다공성 금속 임플란트는 규칙적인 기공구조 및 우수한 기계적 물성을 가지므로, 골 대체재로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1: 맞춤형 다공성 금속 임플란트 제조

(1) 맞춤형 다공성 금속 임플란트 디자인

환자 개개인별 특성을 반영한 맞춤형 3차원 형상 및 내부 기공 구조 (기공율, 기공 크기, 금속 지지체 크기)를 갖는 다공성 임플란트를 디자인하였다. 특히, 최종 열처리 단계에서 발생하는 금속 지지체의 수축율을 고려하여 초기 형상 및 크기를 디자인하였다. 보다 구체적으로, 환자로부터 획득된 3차원 CT 영상이미지를 기반으로 다공성 티타늄 임플란트의 최종 형상을 디자인하였으며(도 1), 실시예로서 임플란트의 최종 높이는 46 mm, 윗 부분은 50 mm, 아래 부분은 70 mm로 디자인하였다. 또한, 다공성 티타늄 임플란트는 3차원적으로 연결된 약 500 um 수준(소결 수축 고려)의 기공으로 이루어진 최종 기공율 60 vol%를 갖는 다공성 구조로 디자인하였다.

(2) 맞춤형 다공성 고분자 몰드 제조

3D 프린터를 이용하여 맞춤형 3차원 형상과 내부 기공구조를 갖는 다공성 고분자 몰드를 제조하였다. 보다 구체적으로, 기 보급화된 3D 프린터(FDM; Fused Deposition Modelling)를 이용하여 폴리락틱에시드(PLA: Poly Lactic Acid) 고분자로 이루어진 다공성 고분자 몰드를 제조하였다. 보다 구체적으로, 포머스팜사의 스프라우트 3D 프린터를 이용하여 PLA 필라멘트를 220℃에서 용융하고 0.4 mm 노즐을 통해 40 mm/sec 속도로 압출하면서, 용융된 필라멘트를 컴퓨터기반 설계프로그램을 따라 3차원적으로 적층하여 다공성 고분자 몰드를 제조하였다. 이때, PLA 고분자 벽(지지체) 간의 간격을 너비 및 두께 방향으로 0.7 mm로 균일하게 유지하여 3차원적으로 연결된 기공구조를 갖도록 하였다.

(3) 금속 분말 슬러리 제조

금속 분말을 액상의 매개체와 혼합하고, 소량의 분산제와 고분자 바인더를 첨가하여 균질한 금속 분말 슬러리를 제조하였다. 보다 구체적으로, 티타늄 분말(Ti; Sigma Aldrich, St. Louis, MO, US) 70 g을 증류수 40 g과 혼합하고, 0.7 g의 올리고머 폴리에스터계(oligomeric polyester) 분산제인 KD-6 (Hypermer KD-6, UniQema, Everburg, Belgium) 와 1 g의 메틸셀룰로오스(methyl cellulose; Sigma Aldrich, St. Louis, MO, US) 바인더를 추가로 첨가하고, 고전단 믹서(high shear mixer)를 이용하여 30분간 혼합(mixing)하여 금속 분말이 균일하게 분산된 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리의 점도는 상온에서 2.73 Paㆍs 였다.

(4) 슬러리 캐스팅 및 건조

상기 티티늄 분말 슬러리를 3D 프린터를 이용해 제조된 다공성 PLA 몰드 내부의 기공에 채우고, 80℃의 건조기에서 24시간 동안 건조하여 슬러리 내의 물을 제거하여 티타늄 지지체 부분을 고형화시켰다.

(5) 용매를 이용한 고분자 몰드 제거

티타늄 분말 슬러리가 채워진 고분자 몰드를 클로로포름(Chloroform; Sigma Aldrich, St. Louis, MO, US) 1100 g 담지한 후 24 시간 동안 유지하여 고분자 몰드만을 선택적으로 제거하였다.

(6) 고온 열처리

고분자 몰드가 제거된 다공성 임플란트를 고온에서 열처리하여 금속 분말간의 소결을 유도하여 다공성 임플란트의 금속 지지체 부분을 치밀화하였다. 보다 구체적으로, 진공 분위기 하에서 분당 2도(2 ℃/min)의 승온 속도로 350 ℃까지 상승시킨 후, 이 온도에서 2 시간 동안 유지하여 티타늄 분말 슬러리에 포함된 고분자 바인더 및 분산제를 완벽히 제거한 다음, 분당 7도(7 ℃/min)의 승온 속도로 1300 ℃까지 상승시킨 후, 이 온도에서 3시간 동안 소결하여 티타늄 지지체를 치밀화하였다.

실험예 1: 맞춤형 형상 및 기공구조 분석

상기 실시예 1에서 제조된 맞춤형 다공성 금속 임플란트의 3차원 형상을 광학현미경으로 고찰하고, 내부의 기공구조(기공율, 기공 크기, 티타늄 지지체의 두께 등)을 주전자현미경을 이용하여 평가하였다.

도 2는 실시예 1에서 제조된 맞춤형 다공성 금속 임플란트의 형상을 보여주는 광학현미경 이미지이다. 고온 열처리 과정을 거쳐 전체적으로 약 12% 정도의 소결 수축이 된 다공성 금속 임플란트의 최종 높이는 40mm, 윗 부분은 44mm, 아래 부분은 62mm였다. 이로서 맞춤형 3차원 형상과 내부 기공 구조를 갖는 다공성 금속 임플란트를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.

실시예 1에서 제조된 다공성 금속 임플란트는 3차원적으로 제어된 기공구조(규칙적인 기공)를 갖는 것으로 확인되었으며, 다공성 임플란트를 구성하고 있는 티타늄 금속 지지체의 미세구조를 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 지지체가 거대 기공이나 균열 없이 매우 잘 치밀화 되었음을 확인하였다[도 3].

또한, 하기 표 1은 제조된 다공성 금속 임플란트의 기공구조(기공율, 기공 크기 및 티타늄 금속 지지체 두께)를 나타낸 것이다.

기공율 [vol %]	기공 크기 [um]	티타늄 지지체 두께 [um]
~ 65	~ 479 x 484	~ 454 x 471

실시예 1에서 제조된 다공성 금속 임플란트의 기공율, 기공크기 및 티타늄 지지체 부분의 두께 등은, 맞춤형 임플란트의 초기 디자인과 비슷한 수준 (기공율 = 60 vol%, 기공 크기 = 약 500 um, 티타늄 지지체 두께 = 약 460 um)이였다. 이러한 결과들은 본 발명의 3D 프린팅 기술을 이용하여 기공구조가 정밀하게 제어된 다공성 금속 임플란트를 효과적으로 제조할 수 있음을 의미한다.

도 7은 다양한 맞춤형 형상과 기공구조를 갖는 다공성 금속 임플란트를 보여주는 모식도이다[(A) 이중기공구조형 임플란트, (B) 이중층 구조형 임플란트].

본 발명의 3D 프린팅 기술은 환자 개개인별 특성을 반영한 맞춤형 3차원 형상과 내부 기공구조를 갖는 맞춤형 다공성 금속 임플란트 제조가 가능하다.

실험예 2: 기계적 물성 평가

상기 실시예 1에서 제조된 맞춤형 다공성 금속 임플란트의 기계적 물성을 압축강도 시험법을 이용하여 평가하였다.

시편(8 x 8 x 15 mm)을 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 분당 1mm 속도로 일축으로 압축하여 시편의 파절이 일어날 때까지 평가하고, 압축강도시험 후 파괴된 시편을 주사전자현미경을 이용하여 임플란트의 파괴거동을 고찰하였다.

도 4는 실시예 1에서 제조된 다공성 금속 임플란트의 기계적 물성을 보여주는 압축강도 시험결과 (변형율에 따른 압축 응력 변화 그래프)를 나타낸 것이다.

실시예 1에서 제조된 다공성 금속 임플란트는 변형율이 증가함에 따라 압축 응력이 점점 증가하면서 최고점(약 137 MPa)을 도달 후, 점진적으로 감소하는 경향을 보였으며, 이는 제조된 다공성 금속 임플란트가 금속 고유의 연성(ductile)을 갖기 때문이다. 즉, 본 발명의 3D 프린팅 기술은 높은 압축 강도(약 137 MPa)와 금속 고유의 연성 거동을 갖는 다공성 금속 임플란트 개발이 가능함을 의미한다.

도 5는 압축강도시험에 의한 균열전파 양상을 보여주는 주사전자현미경 이미지로서, 균열이 티타늄 금속 지지체 부분을 완전히 파괴시키는 것이 아니라, 중간부분에서 멈추는 현상이 자주 관찰되었다. 이는 실시예 1에서 제조된 다공성 금속 임플란트가 고분자 제거 시에 발생될 수 있는 카본 등의 불순물 오염이 최소화되어 금속 고유의 연성 특성을 잘 유지하고 있기 때문이다.

실험예 3: 생체적합성 평가

상기 실시예 1에서 제조된 맞춤형 다공성 금속 임플란트의 생체적합성을 in vitro cell test를 이용하여 평가하였다.

보다 구체적으로, 분화 조골 세포인 MC3T3-E1 세포를 2 X 10⁵ cells/ml의 밀도로 부착한 후 24시간 경과 후 공초점주사현미경을 이용하여 세포의 부착 및 분화 양상을 평가하였고, 그 결과는 도 6에 나타내었다.

조골세포(MC3T3-E1 cell)들이 임플란트를 이루고 있는 금속 지지체 표면에 매우 잘 부착하고 분화하고 있음이 관찰되었으며, 이는 제조된 다공성 금속 임플란트가 우수한 생체적합성을 가지고 있음을 의미한다.

Claims

맞춤형 다공성 금속 임플란트를 디자인하는 단계;
3D 프린터를 이용하여 맞춤형 다공성 고분자 몰드를 제조하는 단계;
금속 분말, 바인더, 분산제 및 용매를 혼합하여 금속 분말 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 상기 맞춤형 다공성 고분자 몰드에 캐스팅하고 건조하는 단계;
유기용매를 이용하여 고분자 몰드를 선택적으로 제거하는 단계;
고온 열처리를 통해 맞춤형 다공성 금속 임플란트를 치밀화하는 단계
를 포함하는 맞춤형 형상과 기공구조를 갖는 다공성 금속 임플란트의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 몰드의 소재는 열가소성 고분자인 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 열가소성 고분자는 폴리락틱에시드(Poly Lactic Acid), 폴리비닐알콜(Poly vinyl alcohol) 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 금속은 생체 적합성 금속인 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 생체적합성 금속은 티타늄, 코발트-크롬 합금 및 스테인리스 스틸로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 바인더는 수용성 고분자인 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 수용성 고분자는 메틸셀룰로오스(Methyl Cellulose), 폴리비닐알콜(Poly vinyl alcohol), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene Glycol) 및 젤라틴(gelatin)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 분산제는 수용성 분산제인 제조방법.
제 8 항에 있어서,
상기 수용성 분산제는 올리고머 폴리에스터인 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 용매는 증류수 및 아세트산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 슬러리를 캐스팅한 후, 60 내지 80 ℃에서 12 내지 48 시간 동안 건조하는 제조방법.
제 1 항에 있어서,
금속 분말 슬러리가 채워진 고분자 몰드를 유기용매에 담지하여 고분자 몰드만을 선택적으로 제거하는 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 유기용매는 클로로포름(Chloroform), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 다이옥세인(dioxane) 및 벤젠(benzene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고온 열처리는 진공 분위기하에서 1 내지 5 ℃/min의 승온 속도로 300 내지 400 ℃까지 상승시킨 후, 1 내지 5 시간 동안 유지하고, 5 내지 10 ℃/min의 승온 속도로 1200 내지 1400 ℃까지 상승시킨 후, 1 내지 5 시간 동안 소결하는 제조방법.
제 1 항 내지 제 14 항 중에서 선택된 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 다공성 금속 임플란트.
제 15 항에 있어서,
하기 일반식 1을 만족하는 다공성 금속 임플란트:
[일반식 1]
90 ≤ X ≤ 140
상기 X는 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)의 크로스헤드 스피드를 1 mm/min으로 하여 측정된 압축강도(MPa)를 나타낸다.
청구항 15의 다공성 금속 임플란트를 포함하는 골 대체재.