KR20210085242A - 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법 - Google Patents

폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 임플란트의 나사 형상과 대응되는 형상의 나사형 홈부가 형성된 폴리머 재질의 폴리머 인서트를 이용하여, 세라믹 재질의 임플란트를 사출 성형한 다음, 폴리머 인서트를 제거하고, 용매 탈지 단계, 가열 탈지 단계 및 소결 단계를 통해 파팅 라인이 형성되지 않는 일체형 세라믹 임플란트를 제조하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법에 관한 것이다.

Description

폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법{Manufacturing method for integral ceramic implant using polymer insert}
본 발명은 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 파팅 라인(Parting Line)이 형성되지 않아, 제품의 생산효율을 증대시킬 수 있는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법에 관한 것이다.
경제 및 생활수준이 향상됨에 따라 심미적 요구가 높아지면서 치과 보철분야에서도 금속(Titanium)대신 세라믹 소재인 지르코니아(ZrO2)를 이용한 임플란트 제품 개발이 확대되고 있으며, 지르코니아를 이용한 치과용 임플란트 제품은 유럽이나 미국 등 선진국 중심으로 그 수요가 빠르게 증가 추세에 있다.
유럽 등에서는 세라믹 지르코니아 임플란트의 일반적인 제조방법은 지르코니아 Rod 소재를 밀링(다이아몬드 연삭 가공) 방식으로 제작하고 있어 제조가 매우 어렵고, 가격이 고가이며, 대량생산이 어려울 뿐만 아니라 기계적 물성과 제조 형상에 대하여 한계를 가지고 있다.
최근에는 세라믹 임플란트를 제조하기 위하여 세라믹 분말사출성형기술을 적용하여 개발을 시도하고 있지만 일반적인 세라믹 분말사출성형방법은 임플란트 나사부를 구현하기 위해서는 금형 구조에서 파팅 라인(Parting Line)이 발생될 수 밖에 없다.
파팅 라인(Parting Line)이 존재하는 상태에서 소결체를 치과보철용으로 사용하여 잇몸 뼈에 세라믹 임플란트를 삽입할 경우, 파팅 라인(Parting Line)에 의한 잇몸 손상이 발생될 가능성이 크기 때문에, 사용하는 것은 매우 어려운 상황이다.
이에 따라, 파팅 라인(Parting Line)부분은 소결 후에 2차 기계가공(연삭, 밀링 등) 공정이 추가되어야 세라믹 임플란트를 제조할 수 있는데, 이러한 2차 가공 방법은 세라믹 나사가공 공정이 어렵고 시간적으로 가공시간이 길기 때문에 고가의 제조비용 및 대량 생산의 어려운 문제점을 지니고 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 파팅 라인(Parting Line)이 형성되지 않는 일체형 세라믹 임플란트를 제조할 수 있는 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 임플란트의 나사 형상과 대응되는 형상의 나사형 홈부가 형성된 폴리머 재질의 폴리머 인서트를 제조하는 폴리머 인서트 제조단계; 상기 폴리머 인서트를 세라믹 사출 성형용 금형의 인서트로 이용하고, 세라믹 재질의 피드스탁으로 사출 성형하는 임플란트 사출체 성형단계; 상기 임플란트 사출체에 형성된 상기 폴리머 인서트를 유기용매를 이용하여 용해시키는 폴리머 인서트 제거 단계; 상기 임플란트 사출체에 존재하는 파라핀왁스와 스테아린산을 제거하는 용매 탈지 단계; 파라핀왁스와 스테아린산이 제거된 임플란트 사출체를 가열하여 폴리에틸렌을 제거하는 가열 탈지 단계; 및 상기 가열 탈지 단계를 통해 수득된 탈지체를 소결하는 소결단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 폴리머 인서트는 PMMA(polymethyl methacrylate) 또는 SAN(styrene-acrylonitrile)재질이 이용되고, 녹는점(melting point)이 160℃이 이상이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 피드스탁은 ZrO2(3YSZ) 분말, ATZ(Alumina Toughened Zirconia) 분말 또는 ZrO2(3YSZ) 분말에 알루미나(Al2O3)분말이 1 ~ 20wt% 혼합된 세라믹 분말, 폴리에틸렌, 파라핀왁스 및 스테아린산이 혼합된 혼합물이 이용된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 폴리머 인서트 제거 단계는 유기용매로 아세톤, MEK(메틸에틸케톤), 헥산, 햅탄, THF, 벤젠, 에테르 또는 클로로포름이 이용된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 폴리머 인서트 제거단계는 상기 폴리머 인서트가 형성된 상기 임플란트 사출체를 상기 유기용매에 12시간 동안 침지시켜, 상기 폴리머 인서트를 제거한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 폴리머 인서트 제조단계에서, 상기 폴리머 인서트는 나사 코어핀이 인서트로 이용되는 금형에 의해 사출성형되고, 상기 나사 코어핀은 회전 이탈되어, 파팅 라인이 없는 나사형 홈부가 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 용매 탈지단계는 용매로 THF(Tetra Hydro Furan)가 이용되며, 20℃ 내지 30℃의 온도조건에서 72시간 이내에 처리된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 가열 탈지단계는 0.1~0.4 ℃/min의 속도로 250~230 ℃까지 승온시킨 후 4~8 시간 동안 유지하는 제1 가열 탈지단계; 0.2~0.5 ℃/min의 속도로 170~350 ℃까지 승온시킨 후 4~8 시간 동안 유지하는 제2 가열 탈지단계; 0.2~0.4 ℃/min의 속도로 350~500 ℃까지 승온시킨 후 4~8 시간 동안 유지하는 제3 가열 탈지단계; 및 1.0~5.0 ℃/min의 속도로 500~850 ℃까지 승온시킨 후 2 시간 동안 유지하는 가소결 단계;을 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 소결 단계는 1.0~2.0 ℃/min의 속도로 250~600℃까지 승온시킨 후 1～2 시간 동안 유지하는 제1 소결단계; 0.7~1.5 ℃/min의 속도로 600~1,100 ℃까지 승온시킨 후 2 시간 동안 유지하는 제2 소결단계; 및 0.5~1.0 ℃/min의 속도로 1,100~1,450 ℃까지 승온시킨 후 2~4 시간 동안 유지하는 제3 소결단계;를 포함한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
본 발명의 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법에 의하면, 임플란트의 나사 형상과 대응되는 형상의 나사형 홈부가 형성된 폴리머 재질의 폴리머 인서트를 이용하여, 세라믹 재질의 임플란트를 사출 성형한 다음, 폴리머 인서트를 제거하고, 용매 탈지 단계, 가열 탈지 단계 및 소결 단계를 통해 파팅 라인이 형성되지 않는 일체형 세라믹 임플란트를 제조함으로써, 별도의 파팅 라인 제거 공정 등의 후처리 공정이 필요없어, 제품의 생산효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
더 나아가, 다양한 나사부 형상을 갖는 임플란트를 제조하는데 매우 용이하게 활용할 수 있으며, 세라믹소재 뿐만 아니라 메탈(타이타늄, Co-Cr-Mo 소재 등) 임플란트 부품을 제조할 있는 장점을 가지고 있으며, 복잡한 형상의 나사부가 있는 산업용 제품에도 적용이 가능한 기술이기 때문에 정보통신, 자동차, 반도체, 의학, 정밀기계, 및 우주 항공 등 다양한 분야 등에 유용하게 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법을 설명하기 위한 단계도이다.
도 2는 본 발명의 폴리머 인서트 제조단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 임플란트 사출체 성형단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 폴리머 인서트 제조단계를 통해 제조된 폴리머 인서트를 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 임플란트 사출체 성형단계를 통해 폴리머 인서트가 결합된 임플란트 사출체를 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명의 소결단계를 통해 소결처리된 임플란트 소결체를 보여주는 사진이다.
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.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법을 설명하기 위한 단계도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법은 사출 성형에 의한 파팅 라인이 형성되지 않는 일체형 세라믹 임플란트를 제조하기 위한 것으로, 먼저, 폴리머 인서트(110)를 제조하는 폴리머 인서트 제조단계(S100)가 수행된다.
상기 폴리머 인서트 제조단계(S100)는 상기 폴리머 인서트(110)는 폴리머 재질로 마련되며, 임플란트의 나사 형상이 전사될 수 있도록, 임플란트의 나사 형상과 대응되는 형상의 나사형 홈부(110a)가 마련되는 폴리머 인서트(110)를 제조한다.
일 예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 폴리머 인서트(110)는 나사 코어핀(P)이 인서트로 이용되는 금형에 의해 사출성형될 수 있으며, 사출성형이 완료된 이후, 상기 나사 코어핀(P)은 회전 이탈되어, 파팅 라인이 없는 나사형 홈부(110a)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 폴리머 인서트(110)는 PMMA(polymethyl methacrylate) 또는 SAN(styrene-acrylonitrile)재질이 이용될 수 있다.
또한, 상기 폴리머 인서트(110)는 녹는점(melting point)이 적어도 160℃이 이상인 재질이 이용될 수 있고, 200℃ 이상의 녹는점을 갖는 폴리머가 이용되는 것이 보다 바람직하다.
이후, 도 3에 도시된 바와 같이, 제조된 상기 폴리머 인서트(110)를 세라믹 사출 성형용 금형의 인서트로 이용하고, 세라믹 재질의 피드스탁을 원료물질로 하여 임플란트 사출체를 사출 성형하는 임플란트 사출체 성형단계(S200)가 수행된다.
상기 피드스탁은 세라믹 분말, 폴리에틸렌, 파라핀왁스 및 스테아린산이 혼합된 혼합물이 이용된다.
여기서, 상기 세라믹 분말은 ZrO2(3YSZ) 분말, ATZ(Alumina Toughened Zirconia) 분말 또는 ZrO2(3YSZ) 분말에 알루미나(AL2O3)분말이 1 ~ 20wt% 혼합된분말이 이용될 수 있다.
다음, 상기 임플란트 사출체에 형성된 상기 폴리머 인서트를 유기용매를 이용하여 용해시키는 폴리머 인서트 제거 단계(S300)가 수행된다.
상기 폴리머 인서트 제거 단계(S300)에서 이용되는 유기용매는 아세톤, MEK, 헥산, 햅탄, THF, 벤젠, 에테르 또는 클로로포름이 이용될 수 있다.
이때, 상기 폴리머 인서트가 형성된 상기 임플란트 사출체를 상기 유기용매에 12시간 동안 침지시켜, 상기 폴리머 인서트를 제거하는 것이 바람직하다.
다음, 상기 임플란트 사출체에 존재하는 파라핀왁스와 스테아린산을 제거하는 용매 탈지 단계(S400)가 수행된다.
상기 용매 탈지 단계(S400)에서 이용되는 용매는 THF(Tetra Hydro Furan)가 이용될 수 있으며, 20℃ 내지 30℃의 온도조건에서 72시간 이내에 처리되는 것이 바람직하다.
다음, 파라핀왁스와 스테아린산이 제거된 임플란트 사출체를 가열하여 폴리에틸렌을 제거하는 가열 탈지 단계(S500)가 수행된다.
상기 가열 탈지 단계(S500)는 제1 가열 탈지 단계, 제2 가열 탈지 단계, 제3 가열 탈지단계 및 가소결 단계를 순차적으로 거쳐 수행될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 0.1~0.4 ℃/min의 속도로 250~230 ℃까지 승온시킨 후 4~8 시간 동안 유지하는 제1 가열 탈지단계, 0.2~0.5 ℃/min의 속도로 170~350 ℃까지 승온시킨 후 4~8 시간 동안 유지하는 제2 가열 탈지단계, 0.2~0.4 ℃/min의 속도로 350~500 ℃까지 승온시킨 후 4~8 시간 동안 유지하는 제3 가열 탈지단계 및 1.0~5.0 ℃/min의 속도로 500~850 ℃까지 승온시킨 후 2 시간 동안 유지하는 가소결 단계를 순차적으로 거쳐 가열 탈지 단계가 완료된다.
이후, 상기 가열 탈지 단계(S500)를 통해 수득된 탈지체를 소결하는 소결단계(S600)가 수행된다.
상기 소결 단계(S600)는 3단계의 소결 공정을 거쳐 완료될 수 있는데, 보다 자세하게 설명하면, 1.0~2.0 ℃/min의 속도로 250~600℃까지 승온시킨 후 1～2 시간 동안 유지하는 제1 소결단계, 0.7~1.5 ℃/min의 속도로 600~1,100 ℃까지 승온시킨 후 2 시간 동안 유지하는 제2 소결단계 및 0.5~1.0 ℃/min의 속도로 1,100~1,450 ℃까지 승온시킨 후 2~4 시간 동안 유지하는 제3 소결단계를 순차적으로 거쳐 완료된다.
실시예
폴리머 인서트 제조단계(S100)
SAN재질을 원료물질로 이용하여, 임플란트의 나사 형상이 전사될 수 있도록, 임플란트의 나사 형상과 대응되는 형상의 나사형 홈부(110a)가 형성된 폴리머 인서트(110)를 사출성형으로 제조하였으며, 도 4에 다양한 형상으로 제조된 폴리머 인서트의 사진을 도시하였다.
이때, 사출성형에 이용된 금형의 인서트로 나사 코어핀을 이용하였으며, 사출성형체로부터 나사 코어핀을 회전시켜 제거해냄으로써, 상기 폴리머 인서트(110)에 상기 나사형 홈부(110a)를 형성시켰다.
임플란트 사출체 성형단계(S200)
상기 폴리머 인서트(110)를 세라믹 사출 성형용 금형의 인서트로 이용하였고, ZrO2, PE, 파라핀왁스, 스테아린산을 이용한 혼합물을 피드스탁으로 이용하여, 다양한 형상의 임플란트 사출체를 성형하였으며, 도 5에 나타내었다.
폴리머 인서트 제거 단계(S300)
상기 임플란트 사출체에 상기 폴리머 인서트가 형성된 채로, 아세톤 용매에 침지 시켰으며, 25℃의 온도조건에서 12시간 동안 반응시켜, 상기 폴리머 인서트를 제거하였다.
용매 탈지 단계(S400)
이후, THF용매에 25℃의 온도조건에서 48시간 동안 반응시켜, 상기 임플란트 사출체에 존재하는 파라핀왁스와 스테아린산을 제거하였다.
가열 탈지 단계(S500)
파라핀왁스와 스테아린산이 제거된 임플란트 사출체를 800℃의 온도조건에서 2시간 동안 가열시켜, 폴리에틸렌을 제거하였다.
소결단계(S600)
이후, 수득된 탈지체를 1,450℃의 온도조건에서 2시간 동안 소결시켜, 일체형 세라믹 임플란트를 제조하였으며, 소결처리된 다양한 형상의 임플란트 소결체 사진을 도 6에 나타내었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법에 의하면,
나사형 홈부가 형성된 폴리머 재질의 폴리머 인서트를 세라믹 사출 성형용 금형의 인서트로 이용하여, 임플란트를 사출 성형한 다음, 폴리머 인서트를 유기용매로 제거하고, 용매 탈지 단계, 가열 탈지 단계 및 소결 단계를 순차적으로 거쳐, 일체형 세라믹 임플란트를 제조함으로써, 파팅 라인이 형성되지 않아, 제품의 생산효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (9)

  1. 임플란트의 나사 형상과 대응되는 형상의 나사형 홈부가 형성된 폴리머 재질의 폴리머 인서트를 제조하는 폴리머 인서트 제조단계;
    상기 폴리머 인서트를 세라믹 사출 성형용 금형의 인서트로 이용하고, 세라믹 재질의 피드스탁으로 사출 성형하는 임플란트 사출체 성형단계;
    상기 임플란트 사출체에 형성된 상기 폴리머 인서트를 유기용매를 이용하여 용해시키는 폴리머 인서트 제거 단계;
    상기 임플란트 사출체에 존재하는 파라핀왁스와 스테아린산을 제거하는 용매 탈지 단계;
    파라핀왁스와 스테아린산이 제거된 임플란트 사출체를 가열하여 폴리에틸렌을 제거하는 가열 탈지 단계;
    상기 가열 탈지 단계를 통해 수득된 탈지체를 소결하는 소결단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리머 인서트는
    PMMA(polymethyl methacrylate) 또는 SAN(styrene-acrylonitrile)재질이 이용되고, 녹는점(melting point)이 160℃이 이상인 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 피드스탁은 ZrO2(3YSZ) 분말, ATZ(Alumina Toughened Zirconia) 분말 또는 ZrO2(3YSZ) 분말에 알루미나(Al2O3)분말이 1 ~ 20wt% 혼합된 세라믹 분말, 폴리에틸렌, 파라핀왁스 및 스테아린산이 혼합된 혼합물이 이용되는 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리머 인서트 제거 단계는 유기용매로 아세톤, MEK, 헥산, 햅탄, THF, 벤젠, 에테르 또는 클로로포름이 이용되는 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 폴리머 인서트 제거단계는
    상기 폴리머 인서트가 형성된 상기 임플란트 사출체를 상기 유기용매에 12시간 동안 침지시켜, 상기 폴리머 인서트를 제거하는 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리머 인서트 제조단계에서,
    상기 폴리머 인서트는 나사 코어핀이 인서트로 이용되는 금형에 의해 사출성형되고, 상기 나사 코어핀은 회전 이탈되어, 파팅 라인이 없는 나사형 홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 용매 탈지단계는
    용매로 THF(Tetra Hydro Furan)가 이용되며, 20℃ 내지 30℃의 온도조건에서 72시간 이내에 처리되는 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가열 탈지단계는
    0.1~0.4 ℃/min의 속도로 250~230 ℃까지 승온시킨 후 4~8 시간 동안 유지하는 제1 가열 탈지단계;
    0.2~0.5 ℃/min의 속도로 170~350 ℃까지 승온시킨 후 4~8 시간 동안 유지하는 제2 가열 탈지단계;
    0.2~0.4 ℃/min의 속도로 350~500 ℃까지 승온시킨 후 4~8 시간 동안 유지하는 제3 가열 탈지단계; 및
    1.0~5.0 ℃/min의 속도로 500~850 ℃까지 승온시킨 후 2 시간 동안 유지하는 가소결 단계;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 소결 단계는
    1.0~2.0 ℃/min의 속도로 250~600℃까지 승온시킨 후 1～2 시간 동안 유지하는 제1 소결단계;
    0.7~1.5 ℃/min의 속도로 600~1,100 ℃까지 승온시킨 후 2 시간 동안 유지하는 제2 소결단계; 및
    0.5~1.0 ℃/min의 속도로 1,100~1,450 ℃까지 승온시킨 후 2~4 시간 동안 유지하는 제3 소결단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 인서트를 이용한 일체형 세라믹 임플란트의 제조방법.
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