KR20180098513A - Method for treating surface of Titanium implant - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for treating the surface of a titanium implant, and more specifically, to a manufacturing method in which the surface of a titanium implant is treated by an anodic oxidation process to form a TiO_2 nanotube, thereby enhancing adhesive ability of osteoblasts as well as inhibiting attachment of bacteria such as streptococcus mutans and porphyromonas gingivalis. According to the manufacturing method of the present invention, the surface of a titanium implant is treated by using an anodic oxidation process to form a TiO_2 nanotube, and treated by heat treatment and/or plasma at room temperature under an atmosphere, thereby enhancing adhesive ability of osteoblasts as well as inhibiting attachment of bacteria such as streptococcus mutans and porphyromonas gingivalis.

Description

타이타늄 임플란트의 표면처리 방법{Method for treating surface of Titanium implant}[0001] The present invention relates to a method for treating a titanium implant,

본 발명은 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 타이타늄 임플란트의 표면을 양극산화공정을 이용하여 TiO2 나노튜브를 형성하고 처리함으로써 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans)와 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균의 부착을 억제함과 함께 조골세포의 부착능을 향상시킬 수 있는 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a surface treatment method of titanium implants, and more particularly, to a method of surface treatment of titanium implants by forming and treating TiO 2 nanotubes with an anodization process on a surface of a titanium implant, thereby producing Streptococcus mutans and Porphyromonas (Porphyromonas gingivalis) bacteria. The present invention also relates to a method for producing the osteoblast.

타이타늄은 우수한 기계적 성질과 생체적합성, 그리고 골유착성으로 인해 치과 및 정형외과 임플란트의 재료로 많이 사용된다. 임플란트의 장기적 성공을 위해서는 생체재료와 주위 조직 간 유착이 매우 중요하다. 그러나 식립된 임플란트가 구강 내에 노출되면 2주 내에 치주염을 유발하는 세균의 군락(colony)이 형성되고, 4주 내에 치은연하 세균총이 완성되어 임플란트 실패로 이어질 수 있다.Titanium is widely used as a material for dental and orthopedic implants due to its excellent mechanical properties, biocompatibility and osseointegration. Adhesion between biomaterials and surrounding tissues is very important for the long-term success of implants. However, when the implanted implant is exposed in the oral cavity, a colony of bacteria that induces periodontitis is formed within 2 weeks, and the gingival flap is completed within 4 weeks, which may lead to implant failure.

임플란트주위염이란 임플란트 표면에 형성된 세균막(biofilm)에 의해 발생하는 치주염과 비슷한 염증이다. 세균막은 여러 가지 세균총으로 이루어져 있으며, 표면에 타액 단백질이 부착되면서 획득피막(acquired pellicle)을 형성한다.Implant periitis is an inflammation similar to periodontitis caused by a biofilm on the surface of an implant. The bacterial membrane is composed of various bacterial flies, and the saliva protein attaches to the surface to form an acquired pellicle.

스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans)는 그람 양성 통성균으로서, 구강 내에서 흔히 발견되며 섬모를 가지고 있어 다른 세균보다 치아 표면이나 조직에 부착이 용이해 초기 세균막을 주로 형성한다. 스트렙토코쿠스 무탄스에 의해 형성된 세균막은 치은 하방까지 축적되며, 상호 작용을 통하여 ‘red complex’라고 불리는 Porphyromonas gingivalis, Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Fusobacterium nucleatum 등과 같은 세균 부착을 유도하여 후기 군락 형성을 용이하게 한다. 이 중 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis)는 그람음성균으로서 치주염 환자의 치주낭에서 흔히 발견되며, 임플란트주위염이 진행된 골유합부위에서도 관찰할 수 있다. 포르피로모나스 진지발리스는 숙주의 다양한 조직이나 세포에 침입하여 증식하므로 구강 내 포르피로모나스 진지발리스의 부착은 병원성을 이끌 수 있다. Streptococcus mutans is a gram-positive organism that is commonly found in the mouth and has ciliates, which are easier to adhere to tooth surfaces and tissues than other bacteria, forming an initial bacterial membrane. The bacterial membrane formed by Streptococcus mutans accumulates to the bottom of the gingiva and interacts to induce bacterial adhesion such as Porphyromonas gingivalis, Aggregatibacter actinomycetemcomitans, and Fusobacterium nucleatum called 'red complex' to facilitate late community formation. Among these, Porphyromonas gingivalis is a Gram-negative bacterium that is frequently found in periodontal disease patients with periodontal disease and can be observed in the union site where the implant periostitis progresses. Porphyromonas jinzi varis penetrates into various tissues or cells of the host and proliferates, so attachment of porphyromonas jinji valis in the mouth can lead to pathogenicity.

임플란트는 자연 치아와 달리 혈관과 신경조직이 없기 때문에 특별한 증상을 느끼지 못한 채로 골조직의 손상이 심하게 진행될 확률이 높다. 이 염증이 골조직까지 확산되면 골소실이 일어난다. 따라서 임플란트 표면에 세균막의 형성을 억제하는 것은 임플란트 유지에 매우 중요하다.Unlike natural teeth, implants do not have blood vessels and nervous tissues, so the probability of bone tissue damage is high without feeling any special symptoms. When this inflammation spreads to the bone tissue, bone loss occurs. Therefore, inhibiting the formation of bacterial membranes on the implant surface is very important for implant maintenance.

임플란트주위염을 치료하는 방법에는 기계적인 제거와 소독치료, 그리고 항생제 치료 요법 등이 있다. 소독치료와 항생제등을 이용한 치료는 임플란트주위염을 치료하는데 제한적이며, 표면에 부착된 세균막을 기계적으로 제거하는 술식이 필수적이라는 한계가 있다. 그리고, 기계적으로 제거하는 요법은 임플란트 표면에 손상을 줄 가능성이 높기 때문에 탄소 섬유 큐렛 등 임플란트 표면의 손상을 최소화하는 특수화된 기구를 사용해야 하는 어려움이 있다. Methods of treating peri-implantitis include mechanical removal and disinfection, and antibiotic therapy. Treatment with sterilization and antibiotics is limited in the treatment of peri-implantitis, and there is a limit to the necessity of mechanically removing the bacterial membrane attached to the surface. In addition, since the mechanical removal treatment is highly likely to damage the surface of the implant, it is difficult to use a specialized device that minimizes damage to the implant surface such as carbon fiber curette.

따라서 임플란트주위염의 보다 효과적인 치료법 개발이 요구되고 있는 실정이다. Therefore, it is required to develop a more effective treatment method of peri-implantitis.

등록특허번호 제10-1252767호(2013.04.03. 등록)Registered Patent No. 10-1252767 (Registered on April 03, 2013)

본 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과 타이타늄 임플란트의 표면을 양극산화공정을 이용하여 TiO2 나노튜브를 형성하고 처리함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made efforts to solve all the disadvantages and problems of the prior art as described above, and as a result, the inventors have completed the present invention by forming and treating TiO 2 nanotubes on the surface of a titanium implant using an anodization process.

따라서, 본 발명의 목적은 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans)와 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균의 부착의 증가를 억제함과 조골세포의 부착능을 향상시킬 수 있는 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a titanium implant surface capable of inhibiting the increase of adhesion of Streptococcus mutans and Porphyromonas gingivalis bacteria and improving the adhesion ability of osteoblasts, And to provide a processing method.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 타이타늄 임플란트를 준비하는 단계; 양극산화공정을 이용하여 상기 타이타늄 임플란트의 표면에 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계; 및 TiO2 나노튜브가 형성된 상기 타이타늄 임플란트의 표면을 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a titanium implant, comprising: preparing a titanium implant; Forming TiO 2 nanotubes on the surface of the titanium implant using an anodizing process; And thermally treating the surface of the titanium implant having the TiO 2 nanotubes formed thereon.

바람직하게는 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균 부착의 증가를 방지할 수 있으며, 상기 타이타늄 임플란트는 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균에 의해 오염된 타이타늄 임플란트일 수 있다.Preferably an increase in Streptococcus mutans bacterial adhesion, and the titanium implant may be a titanium implant contaminated with Streptococcus mutans bacteria.

바람직하게는 상기 양극산화공정을 이용하여 상기 타이타늄 임플란트의 표면에 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계는, 증류수에 1M의 인산(H3PO4)과 1.5wt%의 불산(HF)을 첨가하여 제조한 전해액에 전극이 연결된 타이타늄 일플란트 시편과 백금판을 침적하고, 20V의 전압을 인가하여 10분간 양극산화하여 상기 타이타늄 임플란트 표면에 다공성의 비정질 TiO2 나노튜브를 형성할 수 있다.Preferably, the step of forming the TiO 2 nanotubes on the surface of the titanium implant using the anodic oxidation process comprises adding 1 M phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and 1.5 wt% hydrofluoric acid (HF) to distilled water A titanium platinum sample and a platinum plate having an electrode connected to an electrolyte are immersed and an anodic oxidation is performed for 10 minutes by applying a voltage of 20 V to form a porous amorphous TiO 2 nanotube on the surface of the titanium implant.

바람직하게는 상기 열처리는 소결로(sintering furnace)에서 수행하는데, 대기분위기에서 1℃/min의 조건으로 300 내지 700℃ 범위의 일정 온도로 승온시킨 후 1시간 동안 온도를 유지한 다음, 노냉하여 수행될 수 있다.Preferably, the heat treatment is performed in a sintering furnace. The temperature is raised to a predetermined temperature in a range of 300 to 700 ° C at a rate of 1 ° C / min in an air atmosphere, maintained at that temperature for 1 hour, .

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.The present invention has the following excellent effects.

본 발명의 제조방법에 의하면 타이타늄 임플란트의 표면을 양극산화공정을 이용하여 TiO2 나노튜브를 형성하고 열처리 및/또는 상온 대기압 플라즈마를 이용하여 처리함으로써 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 및/또는 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균의 부착을 억제함과 함께 조골세포의 부착능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. According to the manufacturing method of the present invention, TiO 2 nanotubes are formed on the surface of a titanium implant using an anodizing process and treated by heat treatment and / or atmospheric pressure at room temperature to produce Streptococcus mutans and / Porphyromonas gingivalis inhibits the attachment of bacteria and improves the adhesion of osteoblasts.

또한, 본 발명의 제조방법에 의하면 스트렙토코쿠스 무탄스 및/또는 포르피로모나스 진지발리스 세균에 의해 오염된 타이타늄 임플란트의 표면을 처리함으로써 스트렙토코쿠스 무탄스 및/또는 포르피로모나스 진지발리스 세균의 부착의 증가를 방지함과 함께 조골세포의 부착능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. According to the manufacturing method of the present invention, the surface of the titanium implant contaminated with Streptococcus mutans and / or Porphyromonas jinx valis bacteria can be treated to produce Streptococcus mutans and / or Porphyromonas jinx valis bacteria It is possible to prevent the increase of the adhesion of the osteoblast and improve the adhesion ability of the osteoblast.

도 1은 양극산화한 TiO2 나노튜브 시편의 열처리 전후에 따른 XRD 분석결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 TiO2 나노튜브 표면의 XPS 분석결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 TiO2 나노튜브 표면의 각 원소의 원자퍼센트를 보여주는 그래프이다.
도 4는 열처리에 따른 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균의 부착능 실험에 대한 crystal violet의 값을 보여주는 그래프이다.
도 5는 플라즈마 처리에 따른 스트렙토코쿠스 무탄스 세균의 부착능 실험에 대한 crystal violet의 값을 보여주는 그래프이다.
도 6은 열처리에 따른 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균의 부착능 실험에 대한 crystal violet의 값을 보여주는 그래프이다.
도 7은 플라즈마 처리에 따른 포르피로모나스 진지발리스 세균의 부착능 실험에 대한 crystal violet의 값을 보여주는 그래프이다.
도 8은 조골세포의 부착 정도를 보여주는 주사전자현미경사진이다.
도 9는 조골세포 증식 평가(2일 배양, 열처리)에 대한 결과값을 보여주는 그래프이다.
도 10은 조골세포 증식 평가(2일 배양, 플라즈마 처리)에 대한 결과값을 보여주는 그래프이다.
도 11는 조골세포 증식 평가(4일 배양, 열처리)에 대한 결과값을 보여주는 그래프이다.
도 12는 조골세포 증식 평가(4일 배양, 플라즈마 처리)에 대한 결과값을 보여주는 그래프이다.
도 13 내지 도 15는 조골세포 분화 관련 골기질 유전자 발현 조사(열처리) 결과를 보여주는 그래프들이다.
도 16 내지 도 18은 조골세포 분화 관련 골기질 유전자 발현 조사(플라즈마 처리) 결과를 보여주는 그래프들이다.
1 is a graph showing XRD analysis results of anodized TiO 2 nanotube specimens before and after heat treatment.
2 is a graph showing XPS analysis results of the surface of a TiO 2 nanotube.
3 is a graph showing the atomic percentages of the respective elements of the TiO 2 nanotube surface.
FIG. 4 is a graph showing the value of crystal violet for the experiment of adhesion of Streptococcus mutans bacteria according to the heat treatment.
FIG. 5 is a graph showing the value of crystal violet for the experiment of adhesion of Streptococcus mutans bacteria according to the plasma treatment.
FIG. 6 is a graph showing the value of crystal violet for the adhesion test of Porphyromonas gingivalis bacteria according to the heat treatment.
Fig. 7 is a graph showing the value of crystal violet for an experiment of adhesion of Porphyromonas jinx valis bacteria by plasma treatment.
8 is a scanning electron micrograph showing the degree of adhesion of osteoblasts.
Fig. 9 is a graph showing the results of evaluation of osteoblast proliferation (two days culture, heat treatment).
FIG. 10 is a graph showing the results for evaluation of osteoblast proliferation (2 days culture, plasma treatment).
Fig. 11 is a graph showing the results of evaluation of osteoblast proliferation (4 days culture, heat treatment).
FIG. 12 is a graph showing the results for the evaluation of osteoblast proliferation (4 days culture, plasma treatment).
FIGS. 13 to 15 are graphs showing results of osteogenic gene expression (heat treatment) related to osteoblast differentiation.
FIGS. 16 to 18 are graphs showing results of osteoblast differentiation-related bone morphogenetic gene expression (plasma treatment).

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. Although the terms used in the present invention have been selected as general terms that are widely used at present, there are some terms selected arbitrarily by the applicant in a specific case. In this case, the meaning described or used in the detailed description part of the invention The meaning must be grasped.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like reference numerals used to describe the present invention throughout the specification denote like elements.

먼저, 본 발명은 타이타늄 임플란트의 표면을 처리함에 있어서, 타이타늄 임플란트의 표면을 양극산화공정을 이용하여 TiO2 나노튜브를 형성하고 열처리 및/또는 대기압 플라즈마를 이용하여 표면을 처리하는 것에 그 기술적 특징이 있다. First, the present invention is that the technical characterized in that in processing the surface of the titanium implant, forming the TiO 2 nanotubes to the surface of the titanium implant using the anodizing process, and surface treatment using a heat treatment and / or atmospheric pressure plasma have.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법은 타이타늄 임플란트를 준비하는 단계와, 양극산화공정을 이용하여 상기 타이타늄 임플란트의 표면에 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계 및 TiO2 나노튜브가 형성된 상기 타이타늄 임플란트의 표면을 열처리하는 단계를 포함하며, 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균 부착의 증가를 방지하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 타이타늄 임플란트는 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균에 의해 오염된 타이타늄 임플란트일 수 있다.Accordingly, a surface treatment method of a titanium implant according to an embodiment of the present invention includes the steps of preparing a titanium implant, forming a TiO 2 nanotube on the surface of the titanium implant using an anodization process, and forming a TiO 2 nanotube Treating the surface of the titanium implant on which the Streptococcus mutans bacteria are formed, and preventing the increase of Streptococcus mutans bacterial adhesion. At this time, the titanium implant may be a titanium implant contaminated with Streptococcus mutans bacteria.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법은 타이타늄 임플란트를 준비하는 단계와, 양극산화공정을 이용하여 상기 타이타늄 임플란트의 표면에 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계 및 대기압 플라즈마를 이용하여 TiO2 나노튜브가 형성된 상기 타이타늄 임플란트의 표면을 처리하는 단계를 포함하며, 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균 부착의 증가를 방지함과 함께, 조골세포의 부착능을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 타이타늄 임플란트는 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균에 의해 오염된 타이타늄 임플란트일 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of surface treating a titanium implant, comprising the steps of preparing a titanium implant, forming an TiO 2 nanotube on the surface of the titanium implant using an anodization process, And treating the surface of the titanium implant on which the TiO 2 nanotubes have been formed to prevent the increase of bacterial adhesion of Porphyromonas gingivalis and improve the adhesion ability of osteoblasts . At this time, the titanium implant may be a titanium implant contaminated with Porphyromonas gingivalis bacteria.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법은 타이타늄 임플란트를 준비하는 단계와, 양극산화공정을 이용하여 상기 타이타늄 임플란트의 표면에 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계와, TiO2 나노튜브가 형성된 상기 타이타늄 임플란트의 표면을 열처리하는 단계 및 대기압 플라즈마를 이용하여 열처리된 상기 타이타늄 임플란트의 표면을 처리하는 단계를 포함하며, 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균 및 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균 부착의 증가를 방지함과 함께, 조골세포의 부착능을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 타이타늄 임플란트는 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균 및 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균에 의해 오염된 타이타늄 임플란트일 수 있다.Further, the method for surface treatment of a titanium implant according to another embodiment of the present invention to form a step and, TiO 2 nano-tubes on the surface of the titanium implant by using the anodizing process to prepare the titanium implant, TiO 2 Treating the surface of the titanium implant on which the nanotube is formed, and treating the surface of the titanium implant heat-treated with the atmospheric plasma, wherein the Streptococcus mutans bacterium and the porphyromonas jinji valley (Porphyromonas gingivalis) bacteria, and enhances the adhesion of osteoblasts. At this time, the titanium implant may be a titanium implant contaminated with Streptococcus mutans bacteria and Porphyromonas gingivalis bacteria.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법들은 모두 양극산화공정을 이용하여 상기 타이타늄 임플란트의 표면에 TiO2 나노튜브를 형성한 후 표면을 처리한다.That is, all of the surface treatment methods of the titanium implant according to the embodiment of the present invention use the anodic oxidation process to form the TiO 2 nanotube on the surface of the titanium implant, and then treat the surface.

상기 양극산화공정은 상기 타이타늄 임플란트 표면에 얇고 거친 다공성의 비정질 TiO2 산화막을 전기 화학적으로 형성시키는 방법이다. 이렇게 양극산화공정으로 타이타늄 임플란트 표면에 비정질 TiO2 나노튜브를 형성하면 표면적이 향상되어 세포부착, 증식 및 분화율을 증진시켜 주변 골과 임플란트의 결합력을 향상시키고, 골 생성을 촉진시켜 치료기간을 단축시킬 수 있다. The anodic oxidation process is a method of electrochemically forming a thin and coarse porous amorphous TiO 2 oxide film on the surface of the titanium implant. The formation of amorphous TiO 2 nanotubes on the surface of titanium implants by the anodic oxidation process improves the surface area to improve the adhesion, proliferation and differentiation rate of the surrounding bone to improve the bonding strength between the surrounding bone and the implant, .

상기 양극산화공정을 이용하여 상기 타이타늄 임플란트의 표면에 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계는, 증류수에 1M의 인산(H3PO4)과 1.5wt%의 불산(HF)을 첨가하여 제조한 전해액에 전극이 연결된 타이타늄 임플란트 시편과 백금판을 침적하고, 20V의 전압을 인가하여 10분간 양극산화하여 상기 타이타늄 임플란트 표면에 다공성의 비정질 TiO2 나노튜브를 형성한다.The step of forming the TiO 2 nanotubes on the surface of the titanium implant using the anodic oxidation process may be performed by adding 1 M phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and 1.5 wt% hydrofluoric acid (HF) to the electrolytic solution A titanium implant sample to which electrodes are connected and a platinum plate are immersed and anodic oxidation is performed for 10 minutes by applying a voltage of 20 V to form a porous amorphous TiO 2 nanotube on the surface of the titanium implant.

상기 열처리는 상기 타이타늄 표면에 생성된 TiO2 나노튜브의 결정 구조를 변화시켜 세포활성은 저해하지 않고 세균부착을 억제한다. 열처리 공정을 통해 상기 TiO2 나노튜브는 anatase 또는 rutile 결정구조를 형성한다.The heat treatment changes the crystal structure of the TiO 2 nanotubes formed on the titanium surface to inhibit the adhesion of the bacteria without inhibiting the cell activity. Through the heat treatment process, the TiO 2 nanotube forms an anatase or rutile crystal structure.

상기 열처리공정은 소결로(sintering furnace)에서 수행하는데, 대기분위기에서 1℃/min의 조건으로 300 내지 700℃ 범위의 일정 온도로 승온시킨 후 1시간 동안 온도를 유지한 다음, 노냉하여 수행한다. The heat treatment process is performed in a sintering furnace. The temperature of the heat treatment process is raised to a predetermined temperature in a range of 300 to 700 ° C at a rate of 1 ° C / min in an air atmosphere, followed by maintaining the temperature for 1 hour, followed by cooling.

그리고, 상기 타이타늄 임플란트의 표면에너지와 친수성을 변화시키기 위해 TiO2 나노튜브에 대기압 플라즈마를 적용하였다.Atmospheric plasma was applied to TiO 2 nanotubes to change the surface energy and hydrophilicity of the titanium implant.

상기 대기압 플라즈마는 상온 대기압 플라즈마 발생장치를 이용하여 발생시키는데, 60 내지 150 sec 범위의 일정 시간동안 대기압 플라즈마 처리를 수행함으로써 조골세포의 부착능을 향상시킬 수 있다. 후술하겠지만, 대기압 플라즈마 처리를 60초 이내로 수행하면 조골세포의 부착능이 향상되지 않으며, 대기압 플라즈마 처리를 150초 이상으로 수행하면 조골세포의 부착능은 향상되나 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균의 부착이 유의하게 증가하므로 상기 범위 내에서 대기압 플라즈마 처리를 수행하는 것이 바람직하다.The atmospheric pressure plasma is generated using a room temperature atmospheric pressure plasma generator. The atmospheric pressure plasma treatment may be performed for a predetermined time ranging from 60 to 150 sec to improve the adhesion ability of osteoblasts. As described later, if the atmospheric pressure plasma treatment is performed within 60 seconds, the adhesion ability of the osteoblast is not improved. If the atmospheric pressure plasma treatment is performed for more than 150 seconds, the osteoblast adhesion ability is improved, but the porphyromonas gingivalis bacterium It is preferable to perform the atmospheric plasma treatment within the above range.

상기 대기압 플라즈마 발생장치는 아르곤 99%와 산소 1%의 혼합기체를 이용하며, 300W의 파워에서 10 L/min의 속도로 타이타늄 임플란트의 표면에 플라즈마를 발생시켜 처리한다.The atmospheric-pressure plasma generator uses a mixed gas of 99% argon and 1% oxygen and generates plasma at a rate of 10 L / min at a power of 300 W to generate plasma on the surface of the titanium implant.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법은 타이타늄 임플란트 표면에 양극산화공정을 이용하여 TiO2 나노튜브를 형성하고, 열처리를 수행한 다음 대기압 플라즈마를 이용하여 표면 처리하게 되면, 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균 및 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균 부착의 증가를 방지함과 함께, 조골세포의 부착능을 향상시킬 수 있다. As described above, in the surface treatment method of the titanium implant according to the embodiment of the present invention, the TiO 2 nanotube is formed on the surface of the titanium implant using the anodic oxidation process, the surface treatment is performed using the atmospheric pressure plasma , It is possible to prevent the increase of adhesion of Streptococcus mutans bacteria and Porphyromonas gingivalis bacteria and improve the adhesion ability of osteoblasts.

실시예 1Example 1

Ⅰ. 재료준비 및 실험방법Ⅰ. Materials Preparation and Experimental Methods

1. 타이타늄 시편 준비1. Preparation of Titanium Specimen

상업용 순수 타이타늄(ASTM Grade Ⅳ, Kobe Steel, Kobe, Japan) 시편을 지Pure titanium for commercial use (ASTM Grade Ⅳ, Kobe Steel, Kobe, Japan)

름 15 mm, 두께 3mm로 제작하였다. 준비된 시편은 연마(Labopol-5, Struers, Denmark)에서 #600 SiC 연마지를 이용하여 습식 연마하였다. 연마 후 모든 시편은 표면에 존재하는 잔류 유기물 및 불순물 제거를 위해 아세톤과 에탄올, 증류수로 각각 15분씩 초음파 세척을 시행하였다.15 mm in thickness and 3 mm in thickness. The prepared specimens were wet-polished using # 600 SiC abrasive paper in a polishing machine (Labopol-5, Struers, Denmark). After polishing, all specimens were ultrasonically cleaned with acetone, ethanol and distilled water for 15 minutes to remove residual organics and impurities on the surface.

2. 실험방법2. Experimental Method

실험군 분류(열처리)Classification of experimental group (heat treatment)

실험군은 열처리 조건에 따라 3그룹[H0(열처리 하지 않음), H400(400℃ 열처The experimental groups were divided into three groups according to the heat treatment conditions: H0 (not heat treated), H400

리), H600(600℃ 열처리)]으로 나누었다.H600 (heat treatment at 600 占 폚)].

실험군 분류(플라즈마)Experimental classification (plasma)

실험군은 플라즈마 적용에 따라 6그룹[플라즈마 적용 전 : H0, H40, H600 / 플라즈마 적용 후 : H0P, H400P, H600P]으로 나누었다.Experimental groups were divided into 6 groups according to plasma application [before plasma: H0, H40, H600 / after plasma: H0P, H400P, H600P].

양극산화공정Anodic oxidation process

양극산화는 전원 공급 장치 DC power supplier (Fine Power F-3005, SG EMD, Korea)을 이용하여 시행하였다. 전해액은 증류수에 1M 인산(H3PO4)과 1.5wt% 불산(HF)을 첨가하여 제조하였다. 양극에는 타이타늄 시편을, 음극에는 백금판(3mm×4mm×0.1mm)을 연결하고 시편과 백금판이 약 10mm 간격이 되도록 하였다. 전극이 연결된 시편과 백금판을 전해액에 침적하고 1분 후에 20V의 전압을 인가하여 10분간 양극산화하였다. 10분 후 시편을 전해액에서 꺼내어 흐르는 물에 약 20분 동안 세척한 후 증류수에 30분간 침적시킨 후 건조하였다.Anodic oxidation was performed using a DC power supplier (Fine Power F-3005, SG EMD, Korea). The electrolytic solution was prepared by adding 1 M phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and 1.5 wt% hydrofluoric acid (HF) to distilled water. A titanium specimen was connected to the anode, and a platinum plate (3 mm x 4 mm x 0.1 mm) was connected to the cathode. The specimen and the platinum plate were spaced apart by about 10 mm. The specimen and the platinum plate to which the electrodes were connected were immersed in the electrolytic solution, and an anodic oxidation was performed for 10 minutes by applying a voltage of 20 V after 1 minute. After 10 minutes, the specimens were taken out of the electrolytic solution, washed in flowing water for about 20 minutes, immersed in distilled water for 30 minutes, and then dried.

열처리공정Heat treatment process

열처리는 소환로(IDS Plus Ex6000 Sintering Furnace, JG Co., Korea)를 사용하여 시행하였다. 대기분위기에서 1℃/min의 조건으로 각각 400℃와 600℃로 승온시킨 후, 1시간 동안 온도를 유지시키고 노냉하였다. 열처리 후 시편은 알코올과 증류수로 각각 20분씩 초음파세척 후 건조시켰다.The heat treatment was carried out using a reclaiming furnace (IDS Plus Ex6000 Sintering Furnace, JG Co., Korea). The temperature was raised to 400 ° C and 600 ° C in an atmospheric environment at a rate of 1 ° C / min, respectively, and then the temperature was maintained for 1 hour, followed by cooling. After the heat treatment, the specimens were ultrasonically washed with alcohol and distilled water for 20 minutes, respectively, and dried.

플라즈마 처리Plasma treatment

플라즈마 조사는 대기압 플라즈마 발생장치(PGS-200 Plasma generator, Expantech Co, Korea)를 이용하여 처리하였다. Ar2(99%)/O2(1%) 조성으로 가스를 혼합하여 300W의 파워 값에서 10L/min의 속도로 시편에 적용하였으며, 대기압 플라즈마의 불꽃과 시편과의 거리는 5mm로 유지하였다. 시편은 180rpm으로 회전하고, 플라즈마의 불꽃은 좌우측으로 이동시켜 시편에 고르게 대기압 플라즈마가 적용될 수 있도록 하였다. 1회당 12초로 10회 왕복하도록 설정하여 120초간 플라즈마 적용하였다. 본 발명의 실시예에서 사용한 대기압 플라즈마 발생장치의 파라미터는 아래 [표 1]과 같다.Plasma irradiation was performed using an atmospheric pressure plasma generator (PGS-200 Plasma generator, Expantech Co, Korea). The gas was mixed with Ar 2 (99%) / O 2 (1%) and applied at a rate of 10 L / min at a power of 300 W. The distance between the flame of the atmospheric plasma and the specimen was maintained at 5 mm. The specimen was rotated at 180 rpm, and the flame of the plasma was moved to the left and right so that atmospheric pressure plasma could be uniformly applied to the specimen. Plasma was applied for 120 seconds by setting it to reciprocate 10 times per 12 seconds. The parameters of the atmospheric pressure plasma generator used in the embodiment of the present invention are shown in Table 1 below.

파라미터(Parameter)Parameter 값(Value)Value Average working power (W)Average working power (W) 300300 Voltage (V)Voltage (V) 2727 Frequency (MHz)Frequency (MHz) 900900 Atmospheric pressure (Torr)Atmospheric pressure (Torr) 760760 Electrode typeElectrode type ElectrodelessElectrodeless Cooling typeCooling type Air cooledAir cooled Plasma densityPlasma density 1015/cm3 10 15 / cm 3

3. 표면특성평가3. Evaluation of surface characteristics

접촉각Contact angle

*접촉각 측정은 열처리 및 플라즈마를 조사한 표면의 친수성 변화를 비교하기 위하여 시행하였다. 표면 위에 4㎕의 증류수를 떨어뜨리고 10초 후 표면과 용액이 이루는 각을 접촉각 측정기(Video contact angle measuring device, Phoenix 300, SEO, Korea)로 측정하였다. 한 그룹당 3개의 시편 접촉각을 측정하여 평균값을 산출하였다.* Contact angle measurements were performed to compare the changes in hydrophilicity of surfaces subjected to heat treatment and plasma. After 4 seconds of distilled water was dropped on the surface, the angle between the surface and the solution after 10 seconds was measured with a contact angle measuring device (Phoenix 300, SEO, Korea). The average value of three contact angle measurements per group was calculated.

표면 형태Surface form

표면 형태 변화는 Sputter coater (E-1030, Hitachi, Japan)로 진공상태에서The surface morphology changes in a vacuum state with a Sputter coater (E-1030, Hitachi, Japan)

60초간 백금코팅 후 주사전자현미경(FE-SEM S-4700, Hitachi horiba, Japan)After platinum coating for 60 seconds, a scanning electron microscope (FE-SEM S-4700, Hitachi horiba, Japan)

을 이용하여 관찰하였다..

표면 거칠기Surface roughness

표면 거칠기는 비접촉 3차원 미세형상측정기(Nanosurface 3D Optical Profiler: NV-E1000, Nano System, Korea)을 이용하여 측정하였다(n=3). 한 시편 당 세 부분에서 측정한 Ra(average roughness) 값의 평균을 그 시편의 Ra 값으로 하였다.The surface roughness was measured using a non-contact three-dimensional micro-profile measuring device (Nanosurface 3D Optical Profiler: NV-E1000, Nano System, Korea) (n = 3). The average value of Ra (average roughness) measured in three parts per one specimen was taken as the Ra value of the specimen.

결정상Crystalline phase

열처리 및 플라즈마 조사 후 표면의 결정상 구조 변화는 X-선 회절분석기 (XRD, X'Pert PRO Multi Purpose X-Ray Diffractometer, PANalytical, Netherlands)를 이용하여 분석하였다. 회절 분석 조건은 CuKα선의 X선을 사용하여 분당 1.5의 속도로 20°에서 90°까지 2θ 범위에서 시행하였다.The changes in the crystal structure of the surface after the heat treatment and plasma irradiation were analyzed using an X-ray diffractometer (XRD, X'Pert PRO Multi Purpose X-Ray Diffractometer, PANalytical, Netherlands). Diffraction conditions were performed in the 2θ range from 20 ° to 90 ° at a rate of 1.5 per minute using X-ray of CuKα line.

화학조성 및 결합상태Chemical composition and bonding state

표면의 화학적 조성 및 결합상태는 X-ray 광전자 분광 분석기(XPS, VG Mulrilab 2000, Thermo scientific, UK)을 이용하여 분석하였다. 검출된 각 원소에 대한 피크 면적 값을 정규화하여 정량비로 나타냈다.The chemical composition and bonding state of the surface were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, VG Mulrilab 2000, Thermo scientific, UK). The peak area values for the detected elements were normalized and expressed as quantitative ratios.

4. 생체 세균막(biofilm) 형성 억제능 평가4. Assessment of inhibition of biofilm formation

세균 배양Bacterial culture

생체 세균막(biofilm) 형성 억제능 평가는 초기 균막을 형성하는 그람 양성통성 세균 Streptococcus mutans (KCOM 1504)와 임플란트주위염을 일으키는 세균으로 알려진 그람 음성 혐기성 세균 Porphyromonas gingivalis (KCOM 2804)를 이용하였다. 두 종의 세균은 한국구강미생물자원은행(Korean Collection for Oral Microbiology, KCOM, Gwangju, Korea)에서 분양 받아 배양하였다. S. mutans 균주는 BHI (Brain Heart Infusion, Becton, Dickinson and Company, Sparks, MD, USA)배지에서, P. gingivalis 균주는 TSB (Tryptic Soy Broth, Becton, Dickinson and Company, Sparks, MD, USA)배지에서 배양하였다. 고체 배지에 형성된 단일콜로니를 액상배지에 배양하여 1.5 × 107 CFU/ml 농도의 세균을 준비하였다. S. mutans 는 37℃ 배양기(LIB-150M, DAIHAN Labtech Co., Korea)에서, P. gingivalis 는 37℃ 혐기성 배양기(Forma Anaerobic System 1029; Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)에서 배양하였다.To evaluate biofilm formation inhibition ability, Gram positive anaerobic bacterium Streptococcus mutans (KCOM 1504) and Gram negative anaerobic bacterium Porphyromonas gingivalis (KCOM 2804) were used. Two species of bacteria were cultured in the Korean Oral Microbiology Resource Center (KCOM, Gwangju, Korea). The S. gingivalis strains were cultivated in TSB medium (Tryptic Soy Broth, Becton, Dickinson and Company, Sparks, MD, USA) in a medium of BHI (Brain Heart Infusion, Becton, Dickinson and Company, Lt; / RTI > A single colony formed in a solid medium was cultured in a liquid medium to prepare bacteria at a concentration of 1.5 x 10 7 CFU / ml. S. mutans were cultured in a 37 ° C incubator (LIB-150M, DAIHAN Labtech Co., Korea) and P. gingivalis were incubated in a 37 ° C anaerobic incubator (Forma Anaerobic System 1029; Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA).

인공타액 코팅Artificial saliva coating

인공타액 코팅은 구강 내 환경을 재현하기 위해 시행하였다. 인공타액은 adherence buffer에 1% mucin (Mucin from porcine stomach, M1778; Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA)을 첨가하여 제조하였다. 제조된 인공타액의 조성은 아래 [표 2]과 같다.Artificial saliva coating was performed to reproduce the oral environment. Artificial saliva was prepared by adding 1% mucin (Mucin from porcine stomach, M1778; Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA) to the adherence buffer. The composition of the manufactured saliva is shown in Table 2 below.

조성(Component)Component 양(Quantity)Quantity KH2PO4 KH 2 PO 4 10 mM/L10 mM / L KClKCl 50 mM/L50 mM / L CaCl2 CaCl 2 1 mM/L1 mM / L MgCl2 MgCl 2 0.1 mM/L0.1 mM / L pHpH 7.07.0 MucinMucin 1%One%

세균 접종Bacterial inoculation

그룹당 3개의 시편을 24-well plate에 넣고 인공타액을 분주 후 37℃ 배양기에서 2시간 동안 천천히 교반하면서 시편이 타액이 코팅되도록 하였다. 2시간 후 인공타액 제거하고 15분간 건조하였다. 시편 위에 준비된 1.5 × 107 CFU/ml의 세균을 접종하고 S. mutans 균주는 24시간, P. gingivalis 균주는 48시간 배양하였다.Three specimens per group were placed in a 24-well plate and artificial saliva was dispensed, and the specimen was coated with saliva while stirring slowly in a 37 ° C incubator for 2 hours. After 2 hours, artificial saliva was removed and dried for 15 minutes. The bacteria were inoculated with 1.5 × 10 7 CFU / ml prepared on the specimen, and the S. mutans strain was cultured for 24 hours and the P. gingivalis strain was cultured for 48 hours.

세균막(biofilm) 형성 억제능 평가Assessment of inhibition of biofilm formation

Fluorescent nucleic acid staining 평가Fluorescent nucleic acid staining evaluation

세균막 형성 평가에 green fluorescent nucleic acid stain (SYTO 9®, Molecular Probes Europe BV, Leiden, Netherlands)을 사용하였다. 세균 배양 후 시편 위 배양액을 제거하고 PBS (phosphate buffered saline) 용액을 이용하여 조심히 2번 세척하여 부착하지 않은 균을 제거하였다. 시편에 형광시약(SYTO 9® : dH2O = 1.5 ㎕ : 1 ml)을 200 ㎕씩 넣어주고 well plate는 빛이 들어가지 못하도록 알루미늄 호일에 쌓아 상온에서 15분간 반응시켰다. 15분 후 PBS 용액으로 잔여 염색 용액을 조심히 세척하고 공초점 레이저 주사현미경(Laser Confocal Scanning Microscope, Leica TCS SP5 AOBS/tandem, Leica, Germany)을 통해 관찰하였다. 시편 위 형성된 바이오필름 두께는 분석프로그램(Leica LAS AF software, Leica Microsystems, Bensheim, Germany)을 이용하여 측정하였다.Green fluorescent nucleic acid stain (SYTO 9®, Molecular Probes Europe BV, Leiden, Netherlands) was used for evaluation of bacterial membrane formation. After culturing the bacterium, the culture medium was removed and washed twice with PBS (phosphate buffered saline). 200 μl of fluorescence reagent (SYTO 9®: dH2O = 1.5 μl: 1 ml) was added to the specimen, and the well plate was stacked on an aluminum foil to prevent light from entering and reacted at room temperature for 15 minutes. After 15 minutes, the remaining staining solution was carefully washed with PBS solution and observed with a confocal laser scanning microscope (Leica TCS SP5 AOBS / tandem, Leica, Germany). The thickness of the biofilm formed on the specimen was measured using an analysis program (Leica LAS AF software, Leica Microsystems, Bensheim, Germany).

Crystal violet staining 평가Crystal violet staining

세균 배양 후 시편 위 배양액을 제거하고, 부착하지 않은 균을 제거하기 위해 PBS 용액을 이용하여 조심히 2번 세척하였다. 시편에 0.3% crystal violet 용액을 500 ㎕씩 분주하고 10분간 염색하였다. 10분 후 crystal violet 용액을 제거하고, 잔여 용액 제거를 위해 PBS 용액으로 조심히 3번 세척하고 15분간 건조하였다. 탈염액(80% ethyl alcohol + 20% acetone)을 400㎕씩 분주하고 1시간 동안 교반하였다. 1시간 후 탈염액을 200㎕씩 96-well plate에 넣고 흡광도계(VersaMax ELISA Microplate Reader, Molecular Device, USA)로 595nm에서 흡광도를 측정하였다.After culturing the bacterium, the culture medium on the specimen was removed and washed twice with PBS solution to remove unattached bacteria. 500 μl of 0.3% crystal violet solution was added to the specimen and stained for 10 minutes. After 10 minutes, the crystal violet solution was removed, washed 3 times with PBS solution to remove residual solution, and dried for 15 minutes. 400 μl of desalted solution (80% ethyl alcohol + 20% acetone) was added and stirred for 1 hour. After 1 hour, 200 μl of desalted solution was added to a 96-well plate and the absorbance was measured at 595 nm using an absorbance meter (VersaMax ELISA Microplate Reader, Molecular Device, USA).

5. 조골 세포 활성 평가5. Evaluation of osteoblast activity

세포 배양Cell culture

생쥐의 조골세포주 MC3T3-E1 세포(MC3T3-E1 Subclone 4, ATCC CRL2593, Rockville, MD, USA)를 10% fetal bovine serum (FBS)과 100U/ml penicillin이 포함된 α-MEM (α-Minimum Essential Medium, Dulbecco’s modified Eagle’s medium, Gibco-BRL, Grand Island, NY, USA)배지와 함께 37℃, 5% CO2 배양기(Forma Series Ⅱ 3111 Water Jacketed CO2 Incubator, Thermo Scientific, USA)에서 배양하였다.Minimum essential medium (α-MEM) containing 10% fetal bovine serum (FBS) and 100 U / ml penicillin was added to mouse osteoblast MC3T3-E1 cells (MC3T3-E1 Subclone 4, ATCC CRL2593, Rockville, (Dulbecco's modified Eagle's medium, Gibco-BRL, Grand Island, NY, USA) medium at 37 ° C in a 5% CO2 incubator (Forma Series II 3111 Water Jacketed CO2 Incubator, Thermo Scientific, USA).

세포 부착 평가Cell adhesion assessment

그룹당 2개의 시편을 24-well plate에 넣고 준비된 세포를 4 × 104 cell/ml씩 분주하였다. 시편과 세포액이 담긴 24-well plate는 37℃, 5% CO2 배양기 내에서 4시간 동안 배양하였다. 세포 배양 4시간 후, 주사전자현미경 이미지를 얻기 위하여 2.5% glutaraldehyde에서 2시간 동안 고정시켰다. PBS로 10분씩 2회 수세 과정 후 세포를 탈수시키기 위하여 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 에탄올에서 각각 5분간 1회씩, 100% 에탄올에서 10분간 3회에 걸쳐 탈수과정을 거쳤다. 탈수 후 모든 시편은 클린벤치에서 1~2시간동안 건조시켰다. 건조가 완료된 시편은 sputter coater (E-1030, Hitachi, Japan)를 이용하여 진공상태에서 60초 동안 백금 코팅한 후, 주사전자현미경(FE-SEM S-4700, Hitachi horiba, Japan)을 이용하여 세포부착 정도 및 형태를 관찰하였다.Two specimens per group were placed in a 24-well plate and the prepared cells were dispensed at 4 × 10 4 cells / ml. The 24-well plate containing the sample and the cell solution was incubated for 4 hours at 37 ° C in a 5% CO2 incubator. After 4 hours of cell culture, they were fixed in 2.5% glutaraldehyde for 2 hours to obtain scanning electron microscopy images. After washing twice for 10 minutes with PBS, cells were dehydrated in 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, and 90% ethanol for 5 minutes and 100% ethanol for 10 minutes three times I went through the process. After dehydration, all specimens were dried for 1-2 hours on a clean bench. The dried specimens were platinum-coated for 60 seconds in a vacuum state using a sputter coater (E-1030, Hitachi, Japan), and then subjected to scanning electron microscopy (FE-SEM S-4700, Hitachi horiba, Japan) The degree and degree of adhesion were observed.

세포 증식 평가Cell proliferation assessment

그룹당 3개의 시편을 24-well plate에 넣고 준비된 세포를 4 × 104 cell/ml 씩 분주하였다. 시편과 세포액이 담긴 well plate는 37℃, 5% CO2 배양기 내에서 24시간과 48시간 동안 배양한 후, 각 plate에 WST-8 시약(EZ-Cytox, Itsbio, Inc., Seoul, Korea)을 100㎕씩 분주하고, 다시 37℃, 5% CO2 배양기에서 배양하였다. 주황색으로 발색이 되면, 96-well plate에 100㎕씩 옮겨 흡광도 측정기(ELISA reader: ELx 800UV, Bio-TekInstrument.Inc., Winooski,VT, USA)를 이용하여 450nm에서 흡광도를 측정하였다.Three specimens per group were placed in a 24-well plate and the prepared cells were dispensed at 4 × 10 4 cells / ml. After incubation for 24 hours and 48 hours in a 5% CO2 incubator at 37 ° C, the well plates containing the specimen and the cell solution were incubated with WST-8 reagent (EZ-Cytox, Itsbio, Inc., Seoul, Korea) Mu] l each, and cultured again in a 5% CO 2 incubator at 37 [deg.] C. When orange color was developed, 100 μl of the solution was transferred to a 96-well plate, and the absorbance was measured at 450 nm using an absorbance analyzer (ELx 800 UV, Bio-TechInstrument, Inc., Winooski, VT, USA).

세포 분화 관련 골기질 유전자 발현 조사Investigation of osteogenic gene expression related to cell differentiation

세포 배양Cell culture

생쥐의 조골세포주 MC3T3-E1 세포(ATCC CRL2593)를 10% fetal bovine serum (FBS), 100U/ml penicillin, 50 μg/ml ascorbic acid (AA)과 5 mM β-glycerophosphate (β-GP, Sigma Chemical Co., St. Louis, MO, USA)이 포함된 α-MEM (α-Minimum Essential Medium, Dulbecco’s modified Eagle’smedium, Gibco-BRL, Grand Island, NY, USA)배지와 함께 37℃, 5% CO2 배양기(Forma Series Ⅱ 3111 Water Jacketed CO2 Incubator, Thermo Scientific, USA)에서 배양하였다. MC3T3-E1 세포의 RNA 발현을 평가하기 위하여 그룹당 3개의 시편을 넣은 24-well plate에 준비된 세포를 4 × 104 cell/ml 씩 분주하였다. 시편과 세포액이 담긴 well plate는 37℃, 5% CO2 배양기 내에서 2일과 4일 동안 배양하였다.The mouse osteoblast MC3T3-E1 cells (ATCC CRL2593) were incubated with 10% fetal bovine serum (FBS), 100 U / ml penicillin, 50 μg / ml ascorbic acid (AA) and 5 mM β-glycerophosphate ., St. Louis, MO, USA ) with α-MEM (α-Minimum Essential medium, Dulbecco's modified Eagle'smedium, Gibco-BRL, Grand Island, NY, USA) 37 ℃ with culture medium, 5% CO 2 containing the (Forma Series II 3111 Water Jacketed CO 2 Incubator, Thermo Scientific, USA). In order to evaluate the expression of RNA in MC3T3-E1 cells, cells prepared in a 24-well plate containing 3 specimens per group were dispensed at 4 × 10 4 cells / ml. The wells containing the specimen and the cell solution were incubated for 2 and 4 days in a 5% CO2 incubator at 37 ° C.

RNA extractionRNA extraction

2일과 4일 배양 후 제조사의 지시에 따라 Trizol (InvitrogenTM, Carlsbad, CA, USA)을 사용하여 시편 위 부착한 세포의 total RNA를 추출하였다. Random primer와 M-MLV Reverse Transcriptase (Promega, Madison, Wis., USA)을 사용하여 total RNA (2000 ng)로부터 template cDNA를 합성하였다. 표적 유전자의 발현은 합성된 cDNA와 선택적 primer를 사용하여 실시간 중합연쇄반응(Real-time polymerase chain reaction; real-time PCR)으로 확인하였다.After 2 and 4 days of culture, total RNA of cells stuck to the specimen was extracted using Trizol (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) according to the manufacturer's instructions. Template cDNAs were synthesized from total RNA (2000 ng) using random primers and M-MLV Reverse Transcriptase (Promega, Madison, Wis., USA). Expression of the target gene was confirmed by real-time polymerase chain reaction (PCR) using synthetic cDNA and selective primer.

Real time-PCR 평가Real time-PCR evaluation

Real-time PCR은 Rotor-Gene Q Thermal Cycler(Qiagen, Hidden, Germany)를 이용하여 시행하였다. 각 well에 2㎕ cDNA, 2㎕ 증류수, 2㎕ primers (10pmol/㎕), 6㎕ 2x RG SYBR PCR Master mix(Qiagen, Hidden, Germany)를 첨가하고, 유전자 증폭을 위해 95℃에서 5분간 초기변성과정을 거친 후 95℃에서 5초간의 변성과정, 60℃에서 10초간의 복원과정을 45회 반복 시행하였다. 사용된 primer의 염기서열은 다음과 같다. Alkaline phosphatase: forward(F); TACATTCCCCATGTGATGGC, reverse(R); ACCTCTCCCTTGAGTGTGGG, Collagen type Ⅰ: forward(F); CCCCAACCCTGGAAACAGAC, reverse(R); GGTCACGRRCAGTTGGTCAA, Osteocalcin: forward(F); CTCCTCAGTCTGACAAAGCCTT, reverse(R); GCTGTGACATCCATTACTTGC, β-actin: forward(F); ACTGCTGGGACTCTG, reverse(R); TGATGGCGTAGAACAG. 유전자 발현 정도는 측정된 Ct(threshold cycle) 값을 사용하여 the comparative CT(2-ΔΔCT) method [20]로 계산하였고, 이때 β-actin을 internal control로 함께 실시하였다.Real-time PCR was performed using Rotor-Gene Q Thermal Cycler (Qiagen, Hidden, Germany). To each well, 2 μl of cDNA, 2 μl of distilled water, 2 μl of primers (10 pmol / μl) and 6 μl of 2 × RG SYBR PCR Master mix (Qiagen, Hidden, Germany) After 5 seconds of denaturation at 95 ° C and 10 seconds of restoration at 60 ° C were repeated 45 times. The base sequences of the primers used are as follows. Alkaline phosphatase: forward (F); TACATTCCCCATGTGATGGC, reverse (R); ACCTCTCCCTTGAGTGTGGG, Collagen type I: forward (F); CCCCAACCCTGGAAACAGAC, reverse (R); GGTCACGRRCAGTTGGTCAA, Osteocalcin: forward (F); CTCCTCAGTCTGACAAAGCCTT, reverse (R); GCTGTGACATCCATTACTTGC, b-actin: forward (F); ACTGCTGGGACTCTG, reverse (R); TGATGGCGTAGAACAG. The degree of gene expression was calculated by the comparative CT (2 -ΔΔCT ) method [20] using the measured Ct (threshold cycle) value, and β-actin was also used as an internal control.

6. 통계 분석6. Statistical Analysis

열처리 효과Heat treatment effect

열처리에 따른 유의성 검정은 정규성을 만족한 경우, 모수 방법인 일원배치분산분석(One-way ANOVA)으로 통계 분석하였으며, Tukey test로 사후 검정하였다. 모든 결과는 P < 0.05 수준에서 유의성을 검정하였다. 정규성을 만족하지 못한 경우, 비모수 방법인 Kruskal-Wallis test로 통계 분석하였으며, 두 군씩 쌍을 지어 각각 Mann-Whitney U-test를 시행하고 Bonferroni’s Method로 제1종 오류를 보정하여 P < 0.017 수준에서 유의성을 검정하였다.Statistical analysis was performed by one-way analysis of variance (ANOVA), which was a parametric method when the normality was satisfied, and post-test was performed using the Tukey test. All results were tested for significance at P <0.05 level. Statistical analysis was performed using the Kruskal-Wallis test, a non-parametric method. Mann-Whitney U-test was performed using a pair of two groups, and Bonferroni's method was used to correct the first type error. Respectively.

플라즈마 효과Plasma effect

플라즈마 적용에 따른 유의성 검정은 정규성을 만족한 경우, 모수 방법인 독립표본 T 검정 (Independent t-test)으로 통계 분석하였으며, 정규성을 만족하지 못한 경우, 비모수 방법인 Mann-Whitney U-test를 시행하여 두 군을 비교하였다. 모든 결과는 P < 0.05 수준에서 유의성을 검정하였다.The significance test for plasma application was statistically analyzed by independent t-test, which was a parametric method when the normality was satisfied. When the normality was not satisfied, Mann-Whitney U-test, a nonparametric method, The two groups were compared. All results were tested for significance at P <0.05 level.

Ⅱ. 결과Ⅱ. result

1. 표면 특성 평가1. Surface Characterization

접촉각Contact angle

TiO2 나노튜브 열처리와 플라즈마 적용에 따른 접촉각 변화를 나타내었다. (아래 [표 3] 참조). H0군은 19.5±2°, H400군은 14.2±2°, H600군은 18.0±2°의 접촉각을 보였다. 플라즈마 적용 후 모든 군에서 접촉각이 감소하였다. H0P군의 접촉각은 3.3±6°였고, H400P군과 H600P군은 접촉각을 측정할 수 없을 만큼 감소하였다.TiO 2 nanotube heat treatment and plasma application. (See Table 3 below). The H0 group had a contact angle of 19.5 ± 2 °, the H400 group had a contact angle of 14.2 ± 2 °, and the H600 group had a contact angle of 18.0 ± 2 °. After plasma application, contact angle decreased in all groups. The contact angle of the H0P group was 3.3 ± 6 °, and the H400P group and H600P group showed a decrease in contact angle.

Figure pat00001
Figure pat00001

표면 형태 분석Surface morphology analysis

열처리 효과Heat treatment effect

TiO2 나노튜브가 표면에 전체적으로 고루 형성되었고, 불규칙한 타원형이고, 밑부분은 반구 형태로 막혀있었다. H0군의 직경과 높이는 각각 111.3±2 nm, 522.6±4 nm였고, H400군의 직경과 높이는 각각 106.7±1 nm, 500.8±4 nm로 열처리 전과 크게 다르지 않았다. H600군의 직경과 높이는 각각 91.2±1nm, 498.0±7nm로 나노튜브의 간격이 더 커지고, 길이도 짧아졌다. FE-SEM의 관찰결과, 대기분위기에서는 TiO2 나노튜브를 약 400℃로 열처리를 하였을 경우 나노튜브 길이와 형태를 유지하였다.TiO 2 nanotubes were uniformly distributed throughout the surface, irregularly elliptical, and hemispheric. The diameter and height of the H0 group were 111.3 ± 2 nm and 522.6 ± 4 nm, respectively. Diameter and height of the H400 group were 106.7 ± 1 nm and 500.8 ± 4 nm, respectively, which were not significantly different from those before the heat treatment. The diameters and height of the H600 group were 91.2 ± 1 nm and 498.0 ± 7 nm, respectively. As a result of FE-SEM observation, the nanotube length and morphology were maintained when TiO 2 nanotubes were annealed at about 400 ° C in the atmosphere.

플라즈마 효과Plasma effect

플라즈마 적용 전과 후 표면 변화가 관찰되지 않았다. Surface changes before and after plasma application were not observed.

표면 거칠기Surface roughness

비접촉 3차원 미세형상측정기를 이용하여 표면형상을 관찰하였으며, H0군의 Ra값은 424.7±38 nm, H400군은 396.0±07 nm, H600군은 462.8±28nm였다. 플라즈마 적용 후 H0P군의 Ra값은 432.9±22 nm, H400P군은 376.0±42 nm, H600P군은 428.6±10 nm였다. 열처리 및 플라즈마 적용에 따른 표면 거칠기의 변화는 통계적으로 유의한 차이가 없었다(P > 0.05).The surface morphology was observed using a noncontact three-dimensional microtiter. The Ra value of the H0 group was 424.7 ± 38 nm, the H400 group was 396.0 ± 07 nm, and the H600 group was 462.8 ± 28 nm. After plasma application, the Ra value of the H0P group was 432.9 ± 22 nm, the H400P group was 376.0 ± 42 nm, and the H600P group was 428.6 ± 10 nm. There was no statistically significant difference in surface roughness between heat treatment and plasma application (P> 0.05).

결정상 평가Crystallographic evaluation

열처리 전Before heat treatment

도 1(a)는 1M H3PO4 + 1.5wt.%HF solution에서 20V 전압으로 10분간 양극산화한 TiO2 나노튜브 시편(H0군)의 XRD분석 결과이다. 2θ 값이 35도에서 (010)면, 38.4도에서 (002)면, 40.2도에서 (011)면, 53도에서 (012)면, 63도에서 (110)면, 70도에서 (013)면, 74도에서 (020)면 그리고, 76도에서 (112)면의 타이타늄의 피크가 관찰되었다. 이는 X-선이 시편의 1~2 ㎛를 투과하므로, 약 500nm의 길이를 가진 TiO2 나노튜브의 아랫부분인 타이타늄 모재가 검출된 것으로 사료된다.FIG. 1 (a) is an XRD analysis result of a TiO 2 nanotube specimen (H0 group) anodized at 1 V H 2 PO 4 + 1.5 wt.% HF solution at 20 V for 10 min. (002) plane at 38.4 degrees, (011) plane at 40.2 degrees, (012) plane at 53 degrees, (110) plane at 63 degrees, (013) plane at 70 degrees, , The (020) plane at 74 degrees, and the (112) plane at 76 degrees. It is considered that the titanium base material, which is the lower part of the TiO 2 nanotubes having a length of about 500 nm, is detected because the X-ray penetrates 1 to 2 μm of the specimen.

열처리 후After heat treatment

도 1(b) 및 도 1(c)는 CP-Ti grade 4 시편을 1M H3PO4 + 1.5wt.%HF 전해액에서 20V 전압으로 10분간 양극산화한 후 대기(100Pa)분위기에서 1℃/min의 승온 속도로 각각 400℃, 600℃ 온도에서 1시간씩 유지하여 열처리한 시편의 X-선 회절분석 결과이다. 400℃의 경우(H400군) 타이타늄의 (010), (002), (011), (012), (110), (013), (112) 면과, TiO2 anatase (011), (020), (015), (121) 면이 관찰되었다. 600℃(H600군)에서는 피크 강도는 조금 다르지만, 400℃(NH400군)에서 관찰되었던 면들과, 새로 TiO2 rutile (110), (011), (111), (120, (121) 면이 관찰되었다. TiO2 나노튜브를 600℃에서 열처리하면 타이타늄과 TiO2 anatase상과 TiO2 rutile상이 혼재되어 있음을 알 수 있다.Fig. 1 (b) and Fig. 1 (c) show the results of the anodic oxidation of CP-Ti grade 4 specimen at 20 V in 1M H 3 PO 4 + 1.5 wt.% HF electrolyte for 10 min. min at a heating rate of 400 ° C and 600 ° C for 1 hour, respectively. (010), (002), (011), (012), (110), (013) and (112) planes of TiO 2 and the TiO 2 anatase (011) , (015), and (121) planes were observed. The peak intensities at 600 ° C (H600 group) were slightly different, but the surfaces observed at 400 ° C (NH400 group) and the newly observed TiO 2 rutile (110), (011), (111) When TiO 2 nanotubes were annealed at 600 ° C, TiO 2 anatase phase and TiO 2 rutile phase were mixed.

화학조성 및 결합상태 평가Chemical composition and bonding state evaluation

XPS 분석XPS analysis

도 2를 참조하면, 모든 TiO2 나노튜브 표면에서 C(1s), F(1s), O(1s), Ti(2p1), Ti(2p3)가 검출되었음을 알 수 있다. 더 정확한 결합에너지 값과 화학결합을 알아보기 위하여 narrow 분석을 시행하였다. 2, it can be seen that C (1s), F (1s), O (1s), Ti (2p1) and Ti (2p3) were detected on the surface of all TiO 2 nanotubes. Narrow analysis was performed to investigate the more accurate binding energy and chemical bonding.

열처리 효과Heat treatment effect

H0군의 C1s 피크는 3개의 피크(285.0 eV, 286.7 eV, 288 .7 eV)가 주로 검출되었는데, 이 중 285.0 eV 피크는 C-C 또는 C-H 결합탄소를, 286.7 eV 피크는 C-O 결합탄소를, 288.7 eV 피크는 C=O 결합탄소를 의미한다. O1s 피크의 3개의 피크 (529.9 eV, 531.3 eV, 532.6 eV)중에서 529.9 eV 피크는 TiO2에 해당하며, 531.3 eV 피크는 O-H 수산화기를, 532.6 eV의 피크는 C-O 결합 또는 C=O 결합과 관련이 있다. Ti2p 피크는 Ti 고유 피트인 더블 피크가 464.1 eV, 458.3 eV에서 관찰되었다. 이는 TiO2에 해당한다. 열처리에 의해 H400군의 O1s 피크 (530.0 eV, 531.5 eV, 532.6 eV)와 Ti2p 피크 (464.5 eV, 458.7 eV) 그리고 H600군의 O1s 피크 (530.1 eV, 531.6 eV, 532.7 eV)와 Ti2p 피크 (464.7 eV, 458.9 eV)가 높은 결합에너지 쪽으로 약간 이동되었다.The peak of C1s in H0 group was mainly detected at 285.0 eV, 286.7 eV and 288.7 eV, 285.0 eV peak for CC or CH bond carbon, 286.7 eV peak for CO bond carbon, 288.7 eV The peak means a C = O bond carbon. 529.9 eV of the three peak (529.9 eV, 531.3 eV, 532.6 eV) of O1s peak peak corresponds to TiO 2, 531.3 eV peak is the peak of the OH hydroxyl groups, 532.6 eV is associated with the CO bond or a C = O bond have. The Ti2p peak was observed at 464.1 eV and 458.3 eV for the double peak of Ti specific pits. This corresponds to TiO 2 . The O1s peak (530.0 eV, 531.5 eV, 532.6 eV) and the Ti2p peak (464.5 eV, 458.7 eV) of the H400 group and the O1s peak (530.1 eV, 531.6 eV and 532.7 eV) of the H600 group and the Ti2p peak , 458.9 eV) was slightly shifted toward higher binding energy.

플라즈마 효과Plasma effect

플라즈마 적용 후 H0P군의 C1s 피크가 감소하였고, 292.1 eV와 281.2 eV 사이 낮은 피크는 높은 결합에너지 쪽으로 약간 시프트되었다. 그리고 283.6 eV, 281.9 eV에서 또 다른 C1s 피크가 관찰되었다. 이는 C2H4와 C4-과 관련이 있다. 그리고 O1s 피크는 528.7 eV와 528.1 eV가 더 관찰되었는데 이는 O2를 의미한다. Ti2p 피크는 Ti2p1/2 피크가 461.7 eV, Ti2p3/2 피크가 456.1eV에서 관찰되었다. 이는 Ti2O3와 TiO2에 해당한다. H400P군은 289.7 eV에서 또 다른 C1s 피크가 관찰되었다. 이는 carboxyle(plasma O2)와 Ar과 관련이 있다. Ti2p 피크는 Ti2p1/2 피크가 465 eV, Ti2p3/2 피크가 459 eV에서 관찰되었다. 이는 TiO2 rutile과 TiO2에 해당한다. H600P군의 Ti2p 피크는 460.9 eV가 더 관찰되었다. 이는 티타늄 화합물 TiOx와 연관된 것으로 여겨진다. 플라즈마 적용은 TiO2 나노튜브의 Ti2p와 O1s 피크를 높은 결합에너지 쪽으로 약간 이동시켰다. 분석에서 검출된 F의 경우 양극산화과정에서 전해액에 첨가되어 있는 불소가 TiO2 나노튜브 표면에 잔류하고 있기 때문으로 사료된다.After application of the plasma, the C1s peak of the H0P group decreased and the lower peak between 292.1 eV and 281.2 eV shifted slightly towards higher binding energy. And another C1s peak was observed at 283.6 eV and 281.9 eV. This is related to C 2 H 4 and C 4- . And the O1s peak was observed at 528.7 eV and 528.1 eV, which means O 2 . The Ti2p peak was observed at 461.7 eV for the Ti2p1 / 2 peak and at 456.1 eV for the Ti2p3 / 2 peak. This corresponds to Ti 2 O 3 and TiO 2 . In the H400P group, another C1s peak was observed at 289.7 eV. This is related to carboxyle (plasma O 2 ) and Ar. The Ti2p peak was observed at 465 eV for the Ti2p1 / 2 peak and 459 eV for the Ti2p3 / 2 peak. This corresponds to TiO 2 rutile and TiO 2 . The Ti2p peak of the H600P group was further observed at 460.9 eV. It is believed to be associated with the titanium compound TiOx. The plasma application slightly shifted the Ti2p and O1s peaks of the TiO 2 nanotubes towards higher binding energies. In the case of F detected in the analysis, it is considered that the fluorine added to the electrolyte in the anodic oxidation process remains on the surface of the TiO 2 nanotube.

Normalized atomic percentage of XPSNormalized atomic percentage of XPS

XPS 피크로부터 각 원소의 원자퍼센트를 그래프로 나타내었다. 도 3을 참조하면, H0군 표면의 탄소 함량은 37.1 at%, 산소의 함량은 47.9 at%, 불소의 함량은 1.8 at%로 관찰되었다. 플라즈마 적용한 H0P군의 탄소는 20.7 at%로 감소하였고, 산소는 60.7 at%, 불소는 3.2at%로 증가하였다. H400군 표면의 탄소 함량은 40.3at%, 산소의 함량은 46.6 at%, 불소의 함량은 0.3 at%로 관찰되었다. 플라즈마 적용한 H400P군의 탄소는 16.5 at%로 감소하였고, 산소는 64.9 at%, 불소는 0.5 at%로 증가하였다. H600군 표면의 탄소 함량은 31.2 at%, 산소의 함량은 52.6 at%, 불소의 함량은 0.8 at%로 관찰되었다. 플라즈마 적용한 H600P군의 탄소는 9.5 at%로 감소하였고, 산소는 70.4 at%, 불소는 1 at%로 증가하였다.The atomic percentages of each element from the XPS peak are plotted. Referring to FIG. 3, the carbon content of the H0 group surface was 37.1 at%, the oxygen content was 47.9 at%, and the fluorine content was 1.8 at%. The carbon in the HOP group applied plasma decreased to 20.7 at%, oxygen increased to 60.7 at% and fluorine increased to 3.2 at%. The carbon content of the H400 group surface was 40.3 at%, the oxygen content was 46.6 at%, and the fluorine content was 0.3 at%. The plasma of the H400P group decreased to 16.5 at%, and oxygen increased to 64.9 at% and fluorine increased to 0.5 at%. The carbon content of the H600 group surface was 31.2 at%, the oxygen content was 52.6 at%, and the fluorine content was 0.8 at%. The carbon content of H600P treated with plasma decreased to 9.5 at%, oxygen increased to 70.4 at% and fluorine increased to 1 at%.

2. 세균막(biofilm) 형성 억제능 평가2. Assessment of inhibition of biofilm formation

Fluorescent nucleic acid staining 평가Fluorescent nucleic acid staining evaluation

스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans)Streptococcus mutans (Streptococcus mutans)

TiO2 나노튜브의 열처리 및 플라즈마 적용에 따른 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans)의 세균막 두께 변화를 아래 [표 4]에 나타내었다.Table 4 shows changes in the thickness of the membrane of Streptococcus mutans caused by heat treatment and plasma application of TiO 2 nanotubes.

열처리 효과Heat treatment effect

H0군, H400군, H600군의 S. mutans biofilm 두께는 각각 38.1±5 ㎛, 22.1±2 ㎛, 40.9±1 ㎛가 관찰되었다. H400군은 H0군과 H600군에 비해 S.mutans biofilm 두께가 통계적으로 유의하게 감소하였다 (P < 0.017).The thicknesses of S. mutans biofilm in H0 group, H400 group and H600 group were 38.1 ± 5 ㎛, 22.1 ± 2 ㎛ and 40.9 ± 1 ㎛, respectively. The H400 group showed a statistically significant decrease in the thickness of the S. mutans biofilm compared to the H0 and H600 groups (P <0.017).

플라즈마 효과Plasma effect

플라즈마 적용한 H0P군, H400P, H600P군의 S. mutans biofilm 두께는 각각 11.1±1 ㎛, 17.4±1 ㎛, 32.9±2 ㎛로 관찰되었다. 플라즈마 적용 후 모든 군에 서 S. mutans biofilm 두께가 통계적으로 유의하게 감소하였다 (P < 0.05).The thickness of S. mutans biofilm in H0P group, H400P, and H600P group applied plasma was 11.1 ± 1 ㎛, 17.4 ± 1 ㎛ and 32.9 ± 2 ㎛, respectively. There was a statistically significant decrease in S. mutans biofilm thickness in all groups after plasma application (P <0.05).

Figure pat00002
Figure pat00002

포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis)Porphyromonas gingivalis (Porphyromonas gingivalis)

TiO2 나노튜브의 열처리 및 플라즈마 적용에 따른 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) biofilm 두께 변화를 아래 [표 5]에 나타내었다.Table 5 shows the variation of Porphyromonas gingivalis biofilm thickness according to heat treatment and plasma application of TiO 2 nanotubes.

열처리 효과Heat treatment effect

H0군, H400군, H600군의 P. gingivalis biofilm 두께는 각각 25.5±1 ㎛, 28.4±4 ㎛, 26.4±4 ㎛가 관찰되었다. 열처리에 따른 P. gingivalis biofilm 두께의 통계적 유의한 차이는 없었다(P > 0.017).The thickness of P. gingivalis biofilm in H0 group, H400 group and H600 group were 25.5 ± 1 ㎛, 28.4 ± 4 ㎛ and 26.4 ± 4 ㎛, respectively. There was no statistically significant difference in the thickness of P. gingivalis biofilm after heat treatment (P> 0.017).

플라즈마 효과Plasma effect

플라즈마 적용한 H0P군, H400P, H600P군의 P. gingivalis biofilm 두께는 각각 30.4±4 ㎛, 30.9±2 ㎛, 24.5±4 ㎛로 관찰되었다. 플라즈마 적용에 따른 P.gingivalis biofilm 두께의 통계적 유의한 차이는 관찰되지 않았다(P > 0.05).The thickness of P. gingivalis biofilm in plasma treated H0P, H400P and H600P groups were 30.4 ± 4 ㎛, 30.9 ± 2 ㎛ and 24.5 ± 4 ㎛, respectively. No statistically significant difference in the thickness of P.gingivalis biofilm due to plasma application was observed (P> 0.05).

Figure pat00003
Figure pat00003

Crystal violet(CV) assay 평가Evaluation of crystal violet (CV) assay

스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans)Streptococcus mutans (Streptococcus mutans)

열처리 효과Heat treatment effect

도 4를 참조하면, H400군과 H600군은 H0군에 비해 S. mutans의 부착이 유의하게 감소하였음을 알 수 있다(P < 0.017). Referring to FIG. 4, the H400 group and the H600 group showed a significant decrease in the attachment of S. mutans to the H0 group (P <0.017).

플라즈마 효과Plasma effect

도 5를 참조하면, H600군은 플라즈마 적용 후 S. mutans의 부착이 유의하게 감소하였음을 알 수 있다(P < 0.05). Referring to FIG. 5, the adhesion of S. mutans was significantly decreased after plasma application in the H600 group (P <0.05).

포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis)Porphyromonas gingivalis (Porphyromonas gingivalis)

열처리 효과Heat treatment effect

도 6을 참조하면, H400군은 H0군에 비해 P. gingivalis의 부착이 유의하게 증가하였고, H600군은 H400군에 비해 P. gingivalis의 부착이 유의하게 감소하였음을 알 수 있다 (P < 0.017). 6, the adhesion of P. gingivalis was significantly increased in the H400 group compared to the H0 group, and the adhesion of P. gingivalis was significantly decreased in the H600 group (P <0.017) compared to the H400 group .

플라즈마 효과Plasma effect

도 7을 참조하면, H0군은 플라즈마 적용 후 P. gingivalis의 부착이 유의하게 증가하였고, H600군은 플라즈마 적용 후 P. gingivalis의 부착이 유의하게 감소하였음을 알 수 있다(P < 0.05). Referring to FIG. 7, the adhesion of P. gingivalis in the H0 group was significantly increased after plasma application, and the adhesion of P. gingivalis in the H600 group was significantly decreased after plasma application (P <0.05).

3. 조골세포 활성 평가3. Estimation of osteoblast activity

세포 부착의 현미경적 평가Microscopic evaluation of cell adhesion

시편에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 4시간 배양 후 주사전자현미경으로 세포의 부착상태를 관찰하였다. 도 8을 참조하면, 모든 시편에서 MC3T3-E1 세포들이 잘 부착된 양상을 관찰할 수 있었다. 4 × 10 4 cells / ml of MC3T3-E1 cells were added to the specimens and cultured for 4 hours, and the cell adhesion state was observed with a scanning electron microscope. Referring to FIG. 8, it was observed that MC3T3-E1 cells were well adhered in all specimens.

세포 증식 평가Cell proliferation assessment

열처리 효과(2일 배양)Heat treatment effect (2 days culture)

도 9를 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 2일 배양 후, H400군은 H0군과 H600군에 비해 세포의 증식이 유의하게 증가하였음을 알 수 있다(P < 0.017). 9, the cell proliferation was significantly increased in the H400 group compared to the H0 group and the H600 group after the 2-day culture with 4 × 10 4 cells / ml MC3T3-E1 cells on the test piece (P < 0.017).

플라즈마 처리 효과(2일 배양)Plasma treatment effect (2 days culture)

도 10을 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 2일 배양 후, H0군은 플라즈마 적용 후 세포의 증식이 유의하게 증가하였음을 알 수 있다(P < 0.05). 10, the cell proliferation after the application of plasma was significantly increased in the H0 group after 2 days of incubation with 4 × 10 4 cells / ml of MC3T3-E1 cells on the specimen (P <0.05 ).

열처리 효과(4일 배양)Heat treatment effect (4 days culture)

도 11을 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 4일 배양 후, H400군은 H0군과 H600군에 비해 세포의 증식이 유의하게 증가하였음을 알 수 있다(P < 0.017). 11, after 4 × 10 4 cells / ml of MC3T3-E1 cells were placed on the specimen and cultured for 4 days, cell proliferation was significantly increased in the H400 group compared to the H0 group and the H600 group (P < 0.017).

플라즈마 처리 효과(4일 배양)Plasma treatment effect (4 days culture)

도 12를 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 4일 배양 후, H0군과 H600군은 플라즈마 적용 후 세포의 증식이 유의하게 증가하였음을 알 수 있다(P < 0.05).12, after 4 × 10 4 cells / ml of MC3T3-E1 cells were placed on the specimen and cultured for 4 days, the cell proliferation of the H0 group and the H600 group was significantly increased after plasma application ( P < 0.05).

조골세포 분화 관련 골기질 유전자 발현 조사(real time PCR)Investigation of osteogenic differentiation related bone mineral gene expression (real time PCR)

열처리 효과(Alkaline phosphatase, ALP)Alkaline phosphatase (ALP)

도 13을 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 2일 배양 후 열처리에 따른 ALP의 발현의 유의한 차이는 없었으나(P > 0.017), 4일 배양 후 H0군은 H400군과 H600군에 비해 ALP의 발현이 유의하게 증가하였음을 알 수 있다(P < 0.05).13, there was no significant difference (P> 0.017) in the expression of ALP upon heat treatment after the 2-day incubation of 4 × 10 4 cells / ml of MC3T3-E1 cells on the specimen The expression of ALP was significantly increased in H0 group compared to H400 group and H600 group (P <0.05).

열처리 효과(Type I collagen, Col1)Heat treatment effect (Type I collagen, Col1)

도 14를 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 2일 배양 후 열처리에 따른 Col1의 발현의 유의한 차이는 없었으나(P > 0.017), 4일 배양 후 H0군과 H600군은 H400군에 비해 Col1의 발현이 유의하게 증가하였음을 알 수 있다(P < 0.05).Referring to Figure 14, the frequency divider to 4 × 10 4 cell / ml of MC3T3-E1 cells on the specimen, and there was no significant difference in the Col1 expression according to the heat treatment after 2 days incubation (P> 0.017), 4 days after culture Col1 expression was significantly increased in the H0 and H600 groups compared to the H400 group (P <0.05).

열처리 효과(Osteocalcin, OCN)Heat treatment effect (Osteocalcin, OCN)

도 15를 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 2일 배양 후 열처리에 따른 OCN의 발현의 유의한 차이는 없었으나(P > 0.017), 4일 배양 후 H400군은 H0군에 비해 OCN의 발현이 유의하게 증가하였음을 알 있다(P < 0.05).15, there was no significant difference (P> 0.017) in the expression of OCN upon heat treatment after the 2-day incubation of 4 × 10 4 cells / ml of MC3T3-E1 cells on the specimen The H400 group showed a significant increase in OCN expression compared to the H0 group (P <0.05).

플라즈마 처리 효과(Alkaline phosphatase, ALP)The plasma treatment effect (Alkaline phosphatase, ALP)

도 16을 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 2일 배양 후 H0군은 플라즈마 적용 후 ALP의 발현이 유의하게 증가하였음을 알 수 있으며(P < 0.05), 4일 배양 결과 H0군은 플라즈마 적용 후 ALP의 발현이 유의하게 감소하였고, H400군은 ALP의 발현이 유의하게 증가하였음을 알 수 있다(P < 0.05).Referring to FIG. 16, the expression of ALP was significantly increased after application of plasma to the H0 group after 2 days of incubation with 4 × 10 4 cells / ml of MC3T3-E1 cells on the specimen (P <0.05) . After 4 days of incubation, expression of ALP was significantly decreased in H0 group and plasma ALP expression was significantly increased in H400 group (P <0.05).

플라즈마 처리 효과(Type I collagen, Col1)Plasma treatment effect (Type I collagen, Col1)

도 17을 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 2일 배양 후 H400군과 H600은 플라즈마 적용 후 Col1의 발현이 유의하게 증가하였음을 알 수 있으며(P < 0.05), 4일 배양 결과 플라즈마 적용 후 모든 군에서 Col1의 발현이 유의하게 감소하였음을 알 수 있다(P < 0.05).17, the expression of Col1 was significantly increased in the H400 group and the H600 after the application of plasma of 4 × 10 4 cells / ml of MC3T3-E1 cells for 2 days (P < 0.05). After 4 days of culture, Col1 expression was significantly decreased in all groups after plasma application (P <0.05).

플라즈마 처리 효과(Osteocalcin, OCN)Effect of plasma treatment (Osteocalcin, OCN)

도 18을 참조하면, 시편 위에 4 × 104 cell/ml의 MC3T3-E1 세포를 분주하고 2일 배양 후 H0군은 플라즈마 적용 후 OCN의 발현이 유의하게 증가하였음을 알 수 있으며(P < 0.05), 4일 배양 결과 플라즈마 적용 후 H0군과 H600군은 OCN의 발현이 유의하게 증가하였고, H400군은 감소하였음을 알 수 있다(P < 0.05).Referring to FIG. 18, the expression of OCN was significantly increased (P <0.05) after plasma application in the H0 group after 2 days of incubation with 4 × 10 4 cells / ml of MC3T3-E1 cells on the specimen, After 4 days of incubation, the expression of OCN was significantly increased in H0 group and H600 group, and H400 group was decreased (P <0.05).

Ⅲ. 결론Ⅲ. conclusion

본 발명의 실시예서는 타이타늄 표면에 TiO2 나노튜브 산화막을 형성하여 표면적을 향상시켰고, 다양한 조건의 열처리를 통해 TiO2 산화막 구조를 변경하였으며, 또한 TiO2 나노튜브에 대기압 플라즈마를 적용하여 재료의 표면에너지와 친수성을 변화시켜 다음과 같은 결과를 얻었다.In the embodiment of the present invention, the TiO 2 nanotube oxide film is formed on the titanium surface to improve the surface area, the TiO 2 oxide film structure is changed through the heat treatment under various conditions, and the atmospheric plasma is applied to the TiO 2 nanotube, Energy and hydrophilicity were changed and the following results were obtained.

1. 열처리 효과1. Heat treatment effect

타이타늄 임플란트 표면에 형성된 TiO2 나노튜브의 400℃ 열처리는 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans)의 부착은 유의하게 감소시키고, 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis)의 부착은 유의하게 증가시켰다 (P < 0.017). 그리고 MC3T3-E1 세포의 증식을 유의하게 증가시키고(P < 0.017), OCN의 발현을 유의하게 증가시켰다(P < 0.05). 그리고, 타이타늄 임플란트 표면에 형성된 TiO2 나노튜브의 600℃ 열처리는 스트렙토코쿠스 무탄스 세균의 부착을 유의하게 감소시키고(P < 0.017), 포르피로모나스 진지발리스 세균의 부착과 MC3T3-E1 세포의 증식 및 분화에는 유의한 영향을 주지 않았다(P > 0.017, P > 0.05).The 400 ° C heat treatment of TiO 2 nanotubes formed on the surface of titanium implants significantly reduced the adhesion of Streptococcus mutans and significantly increased the adhesion of Porphyromonas gingivalis (P &Lt; 0.017). (P <0.017) and significantly increased the expression of OCN (P <0.05) in MC3T3-E1 cells. In addition, heat treatment of TiO 2 nanotubes formed on the surface of titanium implants at 600 ° C significantly reduced the adhesion of Streptococcus mutans bacteria (P <0.017), and the adhesion of porphyromonas jinx valis bacteria and MC3T3-E1 cells (P > 0.017, P > 0.05).

2. 플라즈마 효과2. Plasma effect

타이타늄 임플란트 표면에 형성된 TiO2 나노튜브에 열처리하지 않은 상태에서의 플라즈마 적용은 포르피로모나스 진지발리스 세균의 부착을 유의하게 증가시키고(P < 0.05), MC3T3-E1 세포의 증식과 OCN의 발현을 유의하게 증가시켰다(P < 0.05). 600℃ 열처리한 TiO2 나노튜브에 플라즈마의 적용은 스트렙토코쿠스 무탄스 세균과 포르피로모나스 진지발리스 세균의 부착을 유의하게 감소시키고(P < 0.05), MC3T3-E1 세포의 증식과 OCN의 발현을 유의하게 증가시켰다(P < 0.05).Plasma application of TiO 2 nanotubes formed on the surface of titanium implants without heat treatment significantly increased adhesion of Porphyromonas jinx valis bacteria (P <0.05), and increased MC3T3-E1 cell proliferation and OCN expression (P < 0.05). The application of plasma to the TiO 2 nanotubes annealed at 600 ° C significantly reduced the adhesion of Streptococcus mutans bacteria and porphyromonas jinx valis bacteria (P <0.05), and the proliferation of MC3T3-E1 cells and the expression of OCN (P < 0.05).

정리하면, 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법에 의하면, TiO2 나노튜브의 열처리는 초기 균막 형성과 관련된 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균의 부착을 억제하고, 열처리하지 않은 TiO2 나노튜브와 600℃ 열처리한 TiO2 나노튜브에 플라즈마를 적용하면 임플란트주위염을 유발하는 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis) 세균의 부착을 억제시킬 수 있으며, TiO2 나노튜브의 열처리와 플라즈마 적용은 MC3T3-E1 세포의 증식 및 분화를 증진시키는 효과가 있음을 확인하였다.In summary, according to the surface treatment method of the titanium implant according to the embodiment of the present invention, the heat treatment of the TiO 2 nanotubes inhibits the adhesion of Streptococcus mutans bacteria associated with the formation of the initial membrane, TiO 2 nanotubes and applying a plasma to the TiO 2 nanotubes by heat treatment at 600 ℃ Pseudomonas formate fatigue to cause the implant peri seriously balise (Porphyromonas gingivalis) can inhibit the adhesion of bacteria, and the heat treatment with a plasma of TiO 2 nano-tubes Was found to be effective in promoting the proliferation and differentiation of MC3T3-E1 cells.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications may be made by those skilled in the art.

Claims (5)

타이타늄 임플란트를 준비하는 단계;
양극산화공정을 이용하여 상기 타이타늄 임플란트의 표면에 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계; 및
TiO2 나노튜브가 형성된 상기 타이타늄 임플란트의 표면을 열처리하는 단계;를 포함하는 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법.
Preparing a titanium implant;
Forming TiO 2 nanotubes on the surface of the titanium implant using an anodizing process; And
And thermally treating the surface of the titanium implant having the TiO 2 nanotubes formed thereon.
제 1 항에 있어서,
스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균 부착의 증가를 방지하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법.
The method according to claim 1,
Streptococcus mutans A method for surface treatment of a titanium implant characterized by preventing an increase in bacterial adhesion.
제 2 항에 있어서,
상기 타이타늄 임플란트는 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans) 세균에 의해 오염된 타이타늄 임플란트인 것을 특징으로 하는 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the titanium implant is a titanium implant contaminated with Streptococcus mutans bacteria.
제 3 항에 있어서,
상기 양극산화공정을 이용하여 상기 타이타늄 임플란트의 표면에 TiO2 나노튜브를 형성하는 단계는, 증류수에 1M의 인산(H3PO4)과 1.5wt%의 불산(HF)을 첨가하여 제조한 전해액에 전극이 연결된 타이타늄 일플란트 시편과 백금판을 침적하고, 20V의 전압을 인가하여 10분간 양극산화하여 상기 타이타늄 임플란트 표면에 다공성의 비정질 TiO2 나노튜브를 형성하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법.
The method of claim 3,
The step of forming the TiO 2 nanotubes on the surface of the titanium implant using the anodic oxidation process may be performed by adding 1 M phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and 1.5 wt% hydrofluoric acid (HF) to the electrolytic solution A titanium platinum specimen to which an electrode is connected and a platinum plate are immersed and an anodic oxidation is performed for 10 minutes by applying a voltage of 20 V to form a porous amorphous TiO 2 nanotube on the surface of the titanium implant, Way.
제 4 항에 있어서,
상기 열처리는 소결로(sintering furnace)에서 수행하는데, 대기분위기에서 1℃/min의 조건으로 300 내지 700℃ 범위의 일정 온도로 승온시킨 후 1시간 동안 온도를 유지한 다음, 노냉하여 수행하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 임플란트의 표면처리 방법.
5. The method of claim 4,
The heat treatment is performed in a sintering furnace. The temperature is raised to a predetermined temperature in a range of 300 to 700 占 폚 at 1 占 폚 / min in an air atmosphere, maintained at a temperature for 1 hour, Of the surface of the titanium implant.
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