KR20220072071A - 포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 삽입용 임플란트는, 포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트로, 금속 성분을 포함하는 소재로 제조되는 임플란트 모체; 및 쾌속조형기술(rapid prototyping)을 이용하여 상기 임플란트 모체의 표면에 금속 분말을 소결시켜 형성되는 포러스 코팅층;을 포함하며, 상기 포러스 코팅층은, 상기 임플란트 모체와 접촉되어 상기 임플란트 모체와 접착되는 부분을 포함하는 제1 포러스 코팅층, 골유착이 진행되기 시작하는 부분을 포함하는 제2 포러스 코팅층, 및 상기 제1 포러스 코팅층과 상기 제2 포러스 코팅층 사이에 위치하는 제3 포러스 코팅층을 포함하며, 상기 제2 포러스 코팅층은, 복수의 노드부 및 상기 복수의 노드부 각각으로부터 적어도 2개 이상으로 분기되는 분기부를 포함하며, 상기 분기부 중 일부는, 상기 복수의 노드부 중 적어도 어느 하나와 연결되어 공극이 형성되도록 하며, 상기 분기부 중 최외측에 위치한 분기부는, 상기 생체 삽입용 임플란트가 특정 환자의 생체에 삽입되는 경우, 골조직에 삽입되어 상기 생체 삽입용 임플란트의 초기 고정력을 증대시키도록, 외부로 노출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트{Bio-insertion implant with porous coating layer}

본 발명은 포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 초기 고정력을 높여주는 동시에 골유착이 향상되도록 하는 포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트에 관한 것이다.

최근 고령화 사회에 진입하면서 관절염의 발병이 확대되고 있으며, 늘어나는 비만 인구의 증가 등으로 인해 퇴행성 관절염 등의 질병이 급속도로 증가하고 있다.

이로 인해, 인공관절(artificial joint)의 시장 규모는 더욱 커지고 있는 상황이며, 합병증 등의 부작용을 최소화 하고자 개인 맞춤형 인공관절, 다공성 표면 처리 등의 기술에 대한 관심이 증대되고 있다.

여기서, 인공관절은 정형외과 임플란트로 대변될 수 있으며, 정형외과 임플란트는 일반적으로 임플란트 베이스에 다공성 구조의 코팅을 통해 뼈의 성장, 즉, 골유착을 촉진시키고 있다.

다공성 구조의 코팅층이 형성된 정형외과 임플란트는 일본공개특허 제2008-194463호에 개시된 확산 접합 등 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다.

종래의 확산 접합에 의해 다공성 구조의 코팅층이 형성된 정형외과 임플란트를 제조하는 방법은 일본공개특허 제2008-194463호에 개시된 바와 같이 미리 제조된 임플란트 베이스 상에 다공성 구조체를 배치한 후 소정의 온도 하에서 상기 다공성 구조체를 소정의 압력으로 인가하여 서로 접합되도록 하고 있다.

상기와 같은 종래의 확산 접합 방법에 의해 다공성 구조의 코팅층이 형성된 정형외과 임플란트는 생체 내에 삽입되는 경우 환자의 움직임으로 인하여 골조직과 접촉되는 계면의 움직임이 커져 초기 고정력이 약해진다는 문제가 있다.

상기와 같은 문제로 인하여 종래의 임플란트를 생체 내에 삽입한 후 환자의 움직임을 제한하고자 하는 의료진의 노력이 있으나, 환자의 미세한 움직임에도 초기 고정력의 저하를 일으키는 계면의 움직임이 발생하는 경우가 많아 효과적인 해결적이 될 수 없는 게 현실이다.

본 발명의 목적은 생체 내에 삽입된 후 초기 고정력을 높여주는 동시에 환자의 움직으로 인하여 발생되는 골조직과 접촉되는 계면의 움직임이 미세하도록 하여 골조직 성장에 유익하도록 하는 포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 삽입용 임플란트는, 포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트로, 금속 성분을 포함하는 소재로 제조되는 임플란트 모체; 및 쾌속조형기술(rapid prototyping)을 이용하여 상기 임플란트 모체의 표면에 분사되는 금속 분말에 의해 형성되는 포러스 코팅층;을 포함하며, 상기 포러스 코팅층은, 상기 임플란트 모체와 접촉되어 상기 임플란트 모체와 접착되는 부분을 포함하는 제1 포러스 코팅층, 골유착이 진행되기 시작하는 부분을 포함하는 제2 포러스 코팅층, 및 상기 제1 포러스 코팅층과 상기 제2 포러스 코팅층 사이에 위치하는 제3 포러스 코팅층을 포함하며, 상기 제2 포러스 코팅층은, 복수의 노드부 및 상기 복수의 노드부 각각으로부터 적어도 2개 이상으로 분기되는 분기부를 포함하며, 상기 분기부 중 일부는, 상기 복수의 노드부 중 적어도 어느 하나와 연결되어 공극이 형성되도록 하며, 상기 분기부 중 최외측에 위치한 분기부는, 상기 생체 삽입용 임플란트가 특정 환자의 생체에 삽입되는 경우, 골조직에 삽입되어 상기 생체 삽입용 임플란트의 초기 고정력을 증대시키도록, 외부로 노출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 삽입용 임플란트의 상기 분기부 중 최외측에 위치한 분기부는, 상기 생체 삽입용 임플란트가 상기 특정 환자의 생체에 삽입된 후, 상기 특정 환자의 움직임으로 인한 상기 골조직과 접촉되는 계면의 움직임을 저하시켜, 상기 생체 삽입용 임플란트의 초기 고정력을 증대시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트에 의하면, 생체 내에 삽입된 후 초기 고정력을 높여줄 수 있다.

또한, 생체 내에 삽입된 후 환자의 움직으로 인하여 발생되는 골조직과 접촉되는 계면의 움직임이 미세하도록 하여 골조직 성장에 유익하도록 할 수 있다.

또한, 골조직과 접촉되는 부분의 공극률을 증대시켜 공극 내부로의 골유착을 증진시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 생체 삽입용 임플란트의 사용예를 설명하기 위한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 생체 삽입용 임플란트를 제조하기 위해 사용되는 쾌속조형기술에 대한 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 생채 삽입용 일플란트에 제공되는 코팅층을 설명하기 위한 도면으로, 도 1의 A에 대한 확대 도면.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 생체 삽입용 임플란트의 사용예를 설명하기 위한 예시도로, 인공고관절 및 인공슬관절을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 인공고관절 및 인공슬관절은 정형외과 임플란트 중 대표적인 것으로, 임플란트 모체(100)의 표면에 포러스 코팅층(200)이 형성될 수 있다.

여기서, 상기 임플란트 모체(100)는 금속 성분, 예를 들면, 티타늄 및/또는 코발트크롬(CoCr)을 주성분으로 하는 금속으로 제조될 수 있으며, 소위 3D 프린팅이라 불리우는 쾌속조형기술(rapid prototyping)을 이용하여 제조될 수 있다.

다만, 상기 임플란트 모체(100)의 제조 방법은 상기에서 언급한 제조 방법에 한정되는 것은 아니다.

상기 포러스 코팅층(200)은 금속 성분, 예를 들면, 티타늄(Ti)을 주성분으로 하는 금속일 수 있으며, 수많은 공극(pore)를 구비할 수 있다.

상기 포러스 코팅층(200)에 구비되는 수많은 공극은 서로 연결될 수 있으며, 이러한 공극은 골유착을 향상시키는 요소로 작용하게 된다.

상기 포러스 코팅층(200)에 구비되는 공극 간의 연결성 확보, 골유착 향상을 위한 최적의 공극률 구현, 포러스 코팅층(200)을 구성하는 티타늄(Ti) 입자 간의 접착력 향성 및 임플란트 모체(100)와 포러스 코팅층(200)의 간의 접착력 향상 등을 위해, 상기 포러스 코팅층(200)은 임플란트 모체(100)를 베이스로 하여 소위 3D 프린팅이라 불리우는 쾌속조형기술(rapid prototyping)을 이용하여 구현될 수 있으며, 이하에서 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 생체 삽입용 임플란트를 제조하기 위해 사용되는 쾌속조형기술에 대한 개념도이다.

쾌속조형기술(rapid prototyping)이란 컴퓨터에 저장되어 있는 3차원 형상 모델의 기하학적 자료, 예를 들면, 3차원 CAD 데이터, CT나 MRI 데이터, 3차원 스캐너로 획득되는 디지털 데이터 등을 사용하여 직접 3차원 형태의 제품 또는 제품 생산에 필요한 공구를 단시간에 제작할 수 있는 가공방법으로, SLS(Selective Laser Sintering), DMLS(Direct Metal Laser Sintering), SLM(Selective Laser Melting), EBM(Electron Beam Melting), DMT(laser-aided Direct Metal Tooling), LENS(Laser-Engineered Net Shaping), DMD(Direct Metal Deposition), DED(Directed Focused Deposition), DMF(Direct Metal Fab) 등을 포함하는 개념일 수 있다.

쾌속조형기술에 대해 도 2를 참조하여 상세히 설명하면, 쾌속조형기술은 티타늄 등의 금속 분말로 티타늄 및/또는 코발트크롬 등으로 제조되는 임플란트 모체(100)에 포러스 코팅층(200)을 형성하기 방법으로, 임플란트 모체(100)의 표면에 레이저 빔(310)을 미리 설정된 경로를 따라 조사하여 국부적으로 용융 풀(320)을 만들고 동시에 외부에서 금속 분말(330)을 공급하여 임플란트 모체(100)의 표면에 금속 분말층(340)을 형성하게 된다.

금속 분말층(340)은 상기 미리 설정된 경로를 따라 형성되게 되며, 상기 금속 분말층(340)은 레이저 빔(310)을 고정시킨 상태에서 상기 임플란트 모체(100)를 상기 미리 설정된 경로를 따라 이동시킴으로써 형성될 수도 있다.

여기서, 포러스 코팅층(200)은 미리 설정된 경로를 따라 금속 분말층(340)을 형성한 후 다시 반복적으로 적층의 방식으로 금속 분말층을 재차 형성함으로써 구현되게 되며, 공극은 금속 분말이 공급되지 않은 부분에 의해 구현되게 된다.

골유착 증대를 위해 포러스 코팅층(200)에 제공되는 공극의 크기, 공극 간의 연결성, 최적의 공극률 및 티타늄(Ti) 입자 간의 접착력 등은 최적화된 미리 설정된 경로에 의해 구현되게 된다.

한편, 임플란트 모체(100)에 포러스 코팅층(200)을 형성하기 방법은 전술한 방법에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 임플란트 모체(100)의 표면에 금속분말(330)을 공급하여 금속분말층을 형성하고, 형성된 금속분말층 위에 미리 설정된 경로를 따라 레이저 빔(310)을 조사하여 국부적인 금속분말의 소결, 또는 용융과 응고를 통하여 구현될 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 생채 삽입용 일플란트에 제공되는 코팅층을 설명하기 위한 도면으로, 도 1의 A에 대한 확대 도면이다.

도 3을 참조하면, 포러스 코팅층(200)은 금속 성분을 포함하는 소재로 제조되는 임플란트 모체(100)에 소위 3D 프린팅이라 불리우는 쾌속조형기술(rapid prototyping)을 이용하여 상기 임플란트 모체(100)의 표면에 금속 분말이 소결, 또는 용융과 응고를 통하여 형성되는 코팅층일 수 있다.

상기 포러스 코팅층(200)은 본 발명에 따른 생채 삽입용 임플란트가 생채 내에 삽입된 상태를 기준으로 임플란트 모체(100)로부터 골조직을 향한 방향을 따라 위치적인 관점에서, 제1 포러스 코팅층(210), 제2 포러스 코팅층(220) 및 제3 포러스 코팅층(230)을 포함할 수 있다.

상기 제1 포러스 코팅층(210)은 상기 임플란트 모체(100)와 접착되는 부분을 포함하는 층이며, 상기 제2 포러스 코팅층(220)은 상기 생체 삽입용 임플란트가 생체 내에 삽입된 경우 골유착이 진행되기 시작하는 부분을 포함하는 층일 수 있다.

그리고, 상기 제3 포러스 코팅층(230)은 상기 제1 포러스 코팅층(210)과 상기 제2 포러스 코팅층(220) 사이에 위치하는 층일 수 있다.

여기서, 상기 제1 포러스 코팅층(210)은 임플란트 모체(100)와 포러스 코팅층(200)간의 접착력과 관련하여 매우 비중이 높은 층일 수 있으며, 상기 제2 포러스 코팅층(220)은 상기 생체 삽입용 임플란트가 생체 내에 삽입된 이후의 초기 고정력 및 골조직 성장과 관련하여 매우 비중이 높은 층일 수 있다.

상기 포러스 코팅층(200)은 노드부와 분기부의 반복적인 연결에 의해 구현될 수 있으며, 이는 3차원 모델링을 통해 제1 포러스 코팅층(210), 제2 포러스 코팅층(220) 및 제3 포러스 코팅층(230) 각각의 최적의 공극 크기 및 공극률을 설계하고, 그에 맞게 쾌속조형기술에 따른 공구의 이동 경로 및 공정 조건을 제어하여 구현될 수 있다.

상기 제2 포러스 코팅층(220)은 골조직과 접착하는 부분으로 상기 제1 포러스 코팅층(210) 및 상기 제3 포러스 코팅층(230)보다 공극의 크기가 클 필요가 있으며, 공극의 크기가 커지게 되면 표면적이 최대화되어 이식 초기의 골세포의 활발한 내성장을 기대할 수 있다.

또한, 금속 재료 본연의 높은 탄성 계수가 감소되어 응력차폐현상(임플란트 소재의 탄성 계수가 접촉하는 골조직에 비해 현저히 높을 시 생체 하중이 임플란트로 집중됨으로써 하중을 못 받는 골조직이 점점 약해지는 현상을 의미함)에 의한 이식 부위 골조직의 약화를 방지할 수 있다.

해부학적으로 골조직은 외곽의 치밀골(공극률: 2~15%, 공극 크기: 5~50um)영역과 내부의 해면골(공극률: 50~70%, 공극 크기: 200~800um) 영역으로 구성되는데, 인공관절을 포함한 대부분의 임플란트는 두 영역 모두를 포함하고 있는 골조직 환부에 이식되어지므로, 균질한(homogeneous) 공극 특성을 가진 다공성구조보다는 상기의 실제 해부학적 구배를 구현한 비균질(non-homogeneous) 다공성구조를 임플란트에 적용하는 것이 생체모방적 측면에서 치밀골 및 해면골 모두의 보다 활발한 재생을 유도할 것이다.

상기 제2 포러스 코팅층(220)은 복수의 노드부(222) 및 상기 복수의 노드부(222) 각각으로부터 적어도 2개 이상으로 분기되는 분기부(224)를 포함할 수 있다.

상기 분기부(224) 중 일부는 상기 복수의 노드부(222) 중 적어도 어느 하나와 연결되어 공극이 형성되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 분기부(224) 중 최외측에 위치한 분기부(224)는 상기 생체 삽입용 임플란트가 특정 환자의 생체에 삽입되는 경우, 골조직에 삽입되어 상기 생체 삽입용 임플란트의 초기 고정력을 증대시키도록, 외부로 노출될 수 있다.

외부로 노출된 분기부(224)는 상기 생체 삽입용 임플란트가 생체 내에 삽입된 이후의 초기 고정력을 증대시켜 줄 수 있다.

상기 외부로 노출된 분기부(224)는 상기 골조직과 접촉되는 계면의 움직임을 제어할 수 있으며, 상기 생체 삽입용 임플란트가 상기 특정 환자의 생체에 삽입된 후, 상기 특정 환자의 움직임으로 인하여 발생되는 상기 골조직과 접촉되는 계면의 움직임을 저하시켜 이를 미세 움직임으로 구현함으로써 골조직 성장에 매우 효과적일 수 있다.

일반적으로 환자가 수술 이후 안정을 취하면서 가만히 누워 있더라도 의도치 않은 움직임이 발생될 수 있으며, 이러한 의도치 않은 움직임은 상기 생체 삽입용 임플란트와 골조직 사이의 계면의 움직임을 초래하게 된다.

일반적으로 상기 계면의 움직임이 50 내지 150 um을 초과하는 움직임이 발생되는 경우 골조직과의 고정력이 저하되어 골조직과의 접합이 느슨해지게 되며 섬유연골/섬유 조직들이 형성되게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 생체 삽입용 임플란트는 외부로 노출된 분기부(224)가 골조직에 삽입되어 초기 고정력을 증대시켜주므로, 계면의 움직임을 20 내지 50 um으로 제한되게 하여 생체 내 골 성장이 향상되도록 할 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트에 의하면, 골조직을 향하여 노출되는 분기부(224)가 골조직에 삽입되어 초기 고정력을 높여줄 수 있으므로, 상기 생체 삽입용 임플란트가 생체 내에 삽입된 후 환자의 움직으로 인하여 발생되는 골조직과 접촉되는 계면의 움직임이 미세하도록 하여 골조직 성장에 유익하도록 할 수 있다.

상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.

100: 임플란트 모체
200: 포러스 코팅층

Claims (2)

1. 포러스 코팅층이 형성된 생체 삽입용 임플란트에 있어서,
   금속 성분을 포함하는 소재로 제조되는 임플란트 모체; 및
   쾌속조형기술(rapid prototyping)을 이용하여 상기 임플란트 모체의 표면에 분사되는 금속 분말에 의해 형성되는 포러스 코팅층;을 포함하며,
   상기 포러스 코팅층은,
   상기 임플란트 모체와 접촉되어 상기 임플란트 모체와 접착되는 부분을 포함하는 제1 포러스 코팅층, 골유착이 진행되기 시작하는 부분을 포함하는 제2 포러스 코팅층, 및 상기 제1 포러스 코팅층과 상기 제2 포러스 코팅층 사이에 위치하는 제3 포러스 코팅층을 포함하며,
   상기 제2 포러스 코팅층은,
   복수의 노드부 및 상기 복수의 노드부 각각으로부터 적어도 2개 이상으로 분기되는 분기부를 포함하며,
   상기 분기부 중 일부는,
   상기 복수의 노드부 중 적어도 어느 하나와 연결되어 공극이 형성되도록 하며,
   상기 분기부 중 최외측에 위치한 분기부는,
   상기 생체 삽입용 임플란트가 특정 환자의 생체에 삽입되는 경우, 골조직에 삽입되어 상기 생체 삽입용 임플란트의 초기 고정력을 증대시키도록, 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 생체 삽입용 임플란트.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 분기부 중 최외측에 위치한 분기부는,
   상기 생체 삽입용 임플란트가 상기 특정 환자의 생체에 삽입된 후, 상기 특정 환자의 움직임으로 인한 상기 골조직과 접촉되는 계면의 움직임을 저하시켜, 상기 생체 삽입용 임플란트의 초기 고정력을 증대시키는 것을 특징으로 하는 생체 삽입용 임플란트.
   

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