KR20220001031A

KR20220001031A - 의료용 임플란트의 항균 코팅 방법

Info

Publication number: KR20220001031A
Application number: KR1020200078642A
Authority: KR
Inventors: 정용훈; 정태곤; 강관수; 박지선
Original assignee: 재단법인 오송첨단의료산업진흥재단
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2022-01-05
Also published as: KR102430037B1

Abstract

의료용 임플란트의 항균 코팅 방법에서, 교반기 상에 포비돈-요오드(povidone-iodine) 전해액이 채워진 수납 용기를 위치시키고, 임플란트 모재를 상기 포비돈-요오드 전해액에 침지하고, 전극을 양극으로, 상기 임플란트 모재를 음극으로 하여 전기적으로 연결하고, 펄스 전압을 상기 전극과 상기 임플란트 모재에 인가하여, 상기 임플란트 모재에 전착(electro-deposition)을 유도하고, 상기 임플란트 모재를 건조한다.

Description

의료용 임플란트의 항균 코팅 방법{ANTI-BACTERIAL COATING METHOD FOR MEDICAL IMPLANT}

본 발명은 항균 코팅방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 의료용 3D 금속 임플란트에 보다 효과적인 항균특성을 부여하기 위한 항균 코팅방법에 관한 것이다.

일반적으로 티타늄 합금, 스테인리스 스틸, 코발트-크롬 합금 등을 이용한 의료용 임플란트는 우수한 강도, 가공성 및 생체와의 접합성 등의 측면에서 다양한 장점을 갖고 있어, 인체 삽입형 임플란트나 보철물, 나아가 인공관절 등에 다양하게 사용되고 있다.

그러나, 이러한 의료용 임플란트의 경우, 인체 내에 직접 삽입되는 것으로 수술의 전후에 발생되는 세균 감염의 문제가 야기되며, 이러한 세균 감염을 방지하기 위해 의료용 임플란트에 대한 항균 처리 기술이 개발되고 있다.

예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1527934호에서는 폴리머 소재의 의료용 스캐폴드에 항생제인 젠타마이신(Gentamicin)을 고정시키는 기술을 개시하고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-1158555호에서는 치과용 임플란트 기재에 항균을 위한 은(Ag) 코팅 기술을 개시하고 있다.

그러나, 실질적으로 의료용 임플란트를 이용한 수술에서는 임플란트를 소독제로 세척하여 항균처리한 후 사용하는 것이 일반적이며, 상기 예시된 기술들은 실제 임상에서는 항균 효과가 증명되지 않고 이론적으로만 논의되고 있는 내용이거나, 실제 임상에서의 적용시 추가적인 세부 기술이 요구되거나 항균 처리 방식의 절차가 복잡하고 비용이 증가하는 등의 문제가 많은 것으로 알려지고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1527934호 대한민국 등록특허 제10-1158555호

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 의료용 3D 금속 임플란트에 소독제로 사용되는 포비돈-요오드(povidone-iodine) 용액을 코팅 처리함으로써 보다 효과적인 항균특성을 부여하는 것은 물론 실제 임상에서의 활용이 가능한 의료용 임플란트의 항균 코팅방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 항균 코팅 방법에서, 교반기 상에 포비돈-요오드(povidone-iodine) 전해액이 채워진 수납 용기를 위치시키고, 임플란트 모재를 상기 포비돈-요오드 전해액에 침지하고, 전극을 양극으로, 상기 임플란트 모재를 음극으로 하여 전기적으로 연결하고, 펄스 전압을 상기 전극과 상기 임플란트 모재에 인가하여, 상기 임플란트 모재에 전착(electro-deposition)을 유도하고, 상기 임플란트 모재를 건조한다.

일 실시예에서, 상기 교반기는, 자장 열처리(magnetic heat treatment) 교반이며, 상기 교반기 상에서 상기 수납 용기는 항온상태를 유지할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 임플란트 모재는, 금속을 이용한 3D 프린팅 공정으로 제조된 의료용 임플란트(implant)일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전해액은, 10% 농도의 포비돈-요오드 용액일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전극은, 백금(Platinum)일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 펄스 전압은, 일정한 주기의 펄스(pulse)로 인가되는 0V 및 50V 전압일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 펄스 전압의 인가에 따라, 상기 임플란트 모제에 전착이 유도되는 과정에서 수소 가스의 발생이 감소할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 일반적으로 임플란트 모재의 경우, 표면의 거칠기가 높으므로 수술 전이나 후에 박테리아가 증식하기 좋은 환경인데, 소독약으로 사용되는 포비돈-요오드 용액을 표면에 코팅하는 공정을 통해, 수술 전이나 후에서의 박테리아 증식을 원천적으로 방지할 수 있다.

또한, 임플란트 모재 자체에 상기와 같은 포비돈-요오드 용액이 코팅된 상태이므로, 수술 전이나 후에 소독액에의 침지 단계를 생략할 수 있어, 수술을 간소하여 의료진의 편의성을 향상시킬 수 있다.

또한, 포비돈-요오드 용액의 전착 공정에서, 일정한 전류나 전압을 인가하지 않고, 펄스 전압 또는 전류를 인가함으로써, 전착 공정에서 발생되는 수소 가스의 발생을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 포비돈-요오드 용액의 증착률 및 증착의 균일성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 의료용 임플란트의 항균 코팅 방법을 수행하기 위한 항균 코팅시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 상기 의료용 임플란트의 항균 코팅 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 2의 항균 코팅 방법에서, 인가되는 펄스 전압의 예를 도시한 그래프이다.
도 4a는 도 2의 항균 코팅 방법으로 코팅하기 전의 임플란트 모재의 이미지이며, 도 4b는 도 2의 항균 코팅 방법으로 코팅한 후의 임플란트 모재의 이미지이다.
도 5는 임플란트 모재의 코팅 방법에서, 단순 침지(merged), 펄스 전압 인가(pulsed current) 및 고정 전압 인가(static current) 시의 코팅된 임플란트 모재에 대한 SEM(scanning electron microscopy) 이미지들이다.
도 6은 도 5의 코팅된 임플란트 모재에 대한 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 도 2의 항균 코팅을 수행하지 않은 임플란트 모재 및 도 2의 항균 코팅을 수행한 임플란트 모재에 대하여, 대장균 K12를 배양한 결과 임플란트 표면의 상태를 도시한 이미지들이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 의료용 임플란트의 항균 코팅 방법을 수행하기 위한 항균 코팅시스템을 도시한 모식도이다. 도 2는 상기 의료용 임플란트의 항균 코팅 방법을 도시한 흐름도이다. 도 3은 도 2의 항균 코팅 방법에서, 인가되는 펄스 전압의 예를 도시한 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 의료용 임플란트 항균 코팅 방법(이하, 항균 코팅 방법이라 함)에서는, 우선, 교반기(200) 상에 포비된-요오드 전해액(120)이 채워진 수납 용기(100)를 위치시킨다(단계 S10).

이 경우, 상기 교반기(200)는 예를 들어, 자장 열처리(magnetic heat treatment) 교반기이며, 상기 교반기(200) 상에 위치한 상기 수납 용기(100)의 항온상태를 유지하며, 상기 수납 용기(100) 내부의 상기 전해액(120)이 균일한 농도를 유지하도록 교반을 수행한다.

한편, 본 실시예의 경우, 냉각부(400)가 상기 수납용기(100)에 연결되어, 상기 수납용기(100)의 과열 상태가 확인되면 즉각적인 피드백으로 상기 수납용기(100)를 냉각시킬 수 있으며, 이를 통해, 상기 수납 용기(100)는 항온 상태를 유지하게 된다.

또한, 상기 수납 용기(100) 상에는 별도의 온도계(130)가 구비되어, 상기 수납 용기(100)의 내부에 수납되는 상기 전해액(120)의 온도를 반복 측정하며, 이를 통해 상기 교반기(200) 및 상기 냉각부(400)의 피드백 제어가 가능하게 된다.

본 실시예에서, 상기 전해액(120)은, 예를 들어, 포비돈-요오드(povidone-iodine)가 10%의 농도로 혼합된 용액일 수 있다.

일반적으로 상기 포비돈-요오드 용액은 소독액으로써, 박테리아의 살균이나 소독용으로 사용되는 용액인데, 본 실시예의 경우, 후술되겠으나, 이와 같은 소독용 용액을 모재 상에 직접 전착을 수행하는 것으로, 모재의 소독이나 살균을 위한 별도의 공정을 생략할 수 있으며 오염 가능성을 최소화한 모재의 제작이 가능하게 된다.

이 후, 임플란트 모재(150)를 상기 포비돈-요오드 전해액(120)에 침지한다(단계 S20).

즉, 상기 임플란트 모재(150)를 상기 수납 용기(100)에 저장된 상기 포비돈-요오드 전해액(120) 상에 침지시키는 것으로, 전체적으로 상기 수납 용기(100)의 중앙부에 위치시킬 수 있다.

이 경우, 상기 임플란트 모재(150)는, 의료용 임플란트로 제작되는 것으로, 예를 들어, 치과보철물, 치과 임플란트, 정형외과 또는 성형외과용 임플란트, 정형외과 또는 성형외과용 인공 지지체 등일 수 있다.

또한, 상기 임플란트 모재(150)는, 금속 소재, 예를 들어, 티타늄(titanium), Ti-6Al-4V 합금(alloy) 등과 같은 티타늄이 포함된 합금, Co-Cr 합금(alloy) 등과 같은 크롬이 포함된 합금 등과 같은 소재일 수 있다.

나아가, 상기 임플란트 모재(150)는, 상기 금속 소재가 3D 프린팅 공정, 예를 들어, SLM(selective laser melting), EBAM(electron-beam additive manufacturing) 등의 공정을 통해 제작된 모재일 수 있고, 상기 모재의 형상은 제한되지 않는다.

이 후, 전극(160)을 상기 수납 용기(100)의 전해액(120) 상에 동시에 침지시킨 후, 상기 전극(160)을 양극(anode)으로 상기 임플란트 모재(150)를 음극(cathode)로 전기적으로 연결한다(단계 S30).

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 임플란트 모재(150)는 전원 공급부(300)와 제1 연결부(151)를 통해 전기적으로 연결되어 음극(cathode)이 되고, 상기 전극(160)은 상기 전원 공급부(300)와 제2 연결부(161)를 통해 전기적으로 연결되어 양극(anode)이 된다.

이 경우, 상기 전극(160)은, 예를 들어, 백금(Platinum) 전극일 수 있다.

이 후, 상기 전원 공급부(300)에서는 펄스 전압을 상기 전극(160) 및 상기 임플란트 모재(150)로 인가하여, 상기 임플란트 모재(150)에 전착(electro-deposition)을 유도한다(단계 S40).

상기 전원 공급부(300)에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 펄스 전압(pulse voltage)으로, 예를 들어, 0V 및 50V의 전압을 1Hz 등의 일정 주기로 반복해서 인가할 수 있다.

이 경우, 상기 0V와 50V의 전압을 일정주기로 인가함에 따라, 0mA와 30mA의 펄스 전류가 일정 주기로 제공될 수 있다.

상기 전착(electro-deposition)이란, 상기 포비돈-요오드 전해액(120)에 전기를 인가함으로써, 상기 임플란트 모재(150)의 표면상으로 상기 포비돈-요오드 물질이 전기화학적 증착(electrochemical deposition)이 수행되는 것을 의미하는데, 이러한 전착 공정에서는, 수소 가스가 발생하게 된다.

이러한 수소 가스의 발생시, 상기 임플란트 모재(150)의 코팅이 불균일하고 증착 효율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 이러한 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가함에 따라 상기 전착 공정에서의 수소 가스의 발생을 최소화하여, 상기 임플란트 모재(150)에의 증착, 즉 코팅의 균일성을 향상시키고, 증착 효율도 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 상기 전착 공정을 통해 상기 임플란트 모재(150) 상에 상기 포비돈-요오드(povidone-iodine) 용액이 균일하게 코팅되면, 상기 임플란트 모재(150)를 건조한다(단계 S50).

상기 건조 공정은, 도시하지는 않았으나, 별도의 건조 챔버의 내부에서 수행될 수 있으며, 상기 임플란트 모재(150)의 사용 상태를 고려하여, 상기 건조 챔버의 내부는 멸균 또는 항균 상태가 유지되어야 한다.

그리하여, 상기 임플란트 모재(150)는 균일한 포비돈-요오드(povidone-iodine) 물질이 코팅되며, 이에 따라 수술 전은 물론 수술 후에도 임플란트 모재 상에 박테리아 등의 세균이 감염되는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.

도 4a는 도 2의 항균 코팅 방법으로 코팅하기 전의 임플란트 모재의 이미지이며, 도 4b는 도 2의 항균 코팅 방법으로 코팅한 후의 임플란트 모재의 이미지이다.

도 4a의 경우, 상기 임플란트 모재(150)에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 항균 코팅 방법으로의 코팅을 수행하기 전의 이미지이며, 이와 비교하여, 도 4b의 경우, 상기 임플란트 모재(150)에 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 항균 코팅 방법으로 코팅을 수행한 결과이다.

즉, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 특히, 도 4b에서의 상기 임플란트 모재(150)의 경우, 표면에 상기 포비돈-요오드(povidone-iodine) 물질이 코팅됨에 따라, 다소 암갈색의 표면을 가지는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 임플란트 모재의 코팅 방법에서, 단순 침지(merged), 펄스 전압 인가(pulsed current) 및 고정 전압 인가(static current) 시의 코팅된 임플란트 모재에 대한 SEM(scanning electron microscopy) 이미지들이다. 도 6은 도 5의 코팅된 임플란트 모재에 대한 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

우선, 도 5는, 단순 침지 공정, 즉 별도의 전압을 인가하지 않은 상태에서, 상기 임플란트 모재(150)를 10% 농도의 포비돈-요오드 용액에 30분 간 침지한 상태에서의 표면 이미지(merged), 일정 전압 및 일정 전류(140V, 30mA)를 인가하여 전착한 공정, 즉 일정한 전압 및 일정 전류를 지속적으로 인가한 상태에서 상기 임플란트 모재(150)를 10% 농도의 포비돈-요오드 용액에서 전착한 상태에서의 표면 이미지(static current), 및 도 1 내지 도 3에서의 본 실시예에서와 같이, 펄스 전압을 인가하며 상기 임플란트 모재(150)를 10% 농도의 포비돈-요오드 용액에서 전착한 상태에서의 표면 이미지(pulsed current)를 각각 도시한 이미지들이다.

즉, 도 5를 참조하면, 각각의 전착 공정의 결과에서의 상기 임플란트 모재의 표면을 실질적으로 유사한 표면을 가지는 것으로, 다공질 구조는 물론 높은 표면 거칠기를 가지는 표면을 그대로 형성하는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 표면의 물리적 형상의 변화는 거의 없다고 할 수 있다.

그러나, 도 6을 참조하면, 상기 각각의 임플란트 모재들에 대한 EDS 분석 결과, 펄스 전압을 인가한 경우가, 침지한 경우보다 약 40% 정도 높은 요오드 성분(I)이 검출됨을 확인할 수 있으며, 펄스 전압을 인가한 경우가 단순 일정 전압을 인기한 경우보다 약 20% 정도 높은 요오드 성분(I)이 검출됨을 확인할 수 있다.

즉, 본 실시예에 의한 펄스 전압 및 펄스 전류를 인가하면서 전착을 수행하는 공정의 결과, 상기 임플란트 모재 상에서 검출되는 요오드 성분이 더 높은 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 보다 높은 항균 능력을 가짐을 확인할 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 도 2의 항균 코팅을 수행하지 않은 임플란트 모재 및 도 2의 항균 코팅을 수행한 임플란트 모재에 대하여, 대장균 K12를 배양한 결과 임플란트 표면의 상태를 도시한 이미지들이다.

나아가, 상기 대장균 K12를 12시간 배양하여 본 실시예에서의 상기 전착 공정을 수행하기 전의 임플란트 모재의 표면상의 잔류하는 대장균의 균주(도 7a)와, 본 실시예에서의 상기 전착 공정을 수행한 후의 임플란트 모재의 표면상의 잔류하는 대장균의 균주(도 7b)를 비교해 보면, 도 7b에서와 같이, 본 실시예의 경우 표면상에 대장균이 전혀 자라지 않아, 도 7a와 비교하여, 보다 우수한 항균 효과가 있음을 확인할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 항균 코팅시스템 100 : 수납용기
120 : 전해액 150 : 임플란트 모재
160 : 전극 200 : 교반기
300 : 전원 공급부 400 : 냉각부

Claims

교반기 상에 포비돈-요오드(povidone-iodine) 전해액이 채워진 수납 용기를 위치시키는 단계;
임플란트 모재를 상기 포비돈-요오드 전해액에 침지하는 단계;
전극을 양극으로, 상기 임플란트 모재를 음극으로 하여 전기적으로 연결하는 단계;
펄스 전압을 상기 전극과 상기 임플란트 모재에 인가하여, 상기 임플란트 모재에 전착(electro-deposition)을 유도하는 단계; 및
상기 임플란트 모재를 건조하는 단계를 포함하는 항균 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 교반기는, 자장 열처리(magnetic heat treatment) 교반이며,
상기 교반기 상에서 상기 수납 용기는 항온상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 항균 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 임플란트 모재는,
금속을 이용한 3D 프린팅 공정으로 제조된 의료용 임플란트(implant)인 것을 특징으로 하는 항균 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 전해액은,
10% 농도의 포비돈-요오드 용액인 것을 특징으로 하는 항균 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 전극은,
백금(Platinum)인 것을 특징으로 하는 항균 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 펄스 전압은,
일정한 주기의 펄스(pulse)로 인가되는 0V 및 50V 전압인 것을 특징으로 하는 항균 코팅 방법.
제6항에 있어서,
상기 펄스 전압의 인가에 따라, 상기 임플란트 모제에 전착이 유도되는 과정에서 수소 가스의 발생이 감소하는 것을 특징으로 하는 항균 코팅 방법.