KR20230019307A - 척추 임플란트용 추간 케이지 및 이의 제조방법 - Google Patents

척추 임플란트용 추간 케이지 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20230019307A
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Abstract

본 발명은 손상된 척추 디스크가 제거된 해당 척추의 경추와 요추 사이의 흉추를 구성하는 추체 사이에 삽입되어 추체 사이의 간격을 복구 및 유지하는 인공 보정체인 추간 케이지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 생체친화성이면서 일정한 탄성율을 가지는 소재인 제1소재로 이루어지며, 빈 공간을 둘러싸는 형태로 형성되는 케이지 프레임과, 사람의 뼈와 동일한 탄성율을 가지는 제2소재로 이루어지며, 상기 빈 공간에 삽입되어 성형되는 삽입체를 포함함으로써, 생체조직인 뼈의 탄성율에 최대한 근접하여 뼈 조직에 기계적인 충격이나 손상이 가해지지 않으면서도 뼈와의 생체접합성이 좋아 인접한 뼈 조직에 일체의 무리를 주지 않을 수 있는 척추 임플란트용 추간 케이지를 제공하고자 한다.

Description

척추 임플란트용 추간 케이지 및 이의 제조방법{Intervertebral cage for spinal implants and manufacturing method thereof}
본 발명은 손상된 척추 디스크가 제거된 해당 척추의 경추와 요추 사이의 흉추를 구성하는 추체 사이에 삽입되어 추체 사이의 간격을 복구 및 유지하는 인공 보정체인 추간 케이지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
케이지(Cage)는 디스크가 제거된 해당 척추 간에 삽입되어 상기 두 척추의 간격을 복구 및 유지하는 인공 보정체이다. 이때 케이지의 재질적인 특성으로 중요한 점은 생체조직인 뼈와의 친화성이 좋은가 라는 것과, 뼈의 탄성율과 최대한 근접하여 뼈에 미세한 손상 등 무리를 가하지 않는가 라는 것이다.
이에 대해 종래에는 케이지의 소재로서 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V와 PEEK 라고 알려진 폴리에테르에테르케톤이 많이 사용되고 있다.
티타늄 합금인 Ti-6Al-4V는 상업적으로 가장 많이 사용되는 티타늄 합금으로서, 상업명으로 Ti 6AL-4V이나 ASTM 분류로는 Grade 5 이며 Ti-6-4로 쓰이기도 하며 UNS 분류로는 R56400 이다. 약 섭씨 400도 까지 사용되며 높은 강도, 인성, 연성, 용접성, 제작성이 가장 잘 조합된 재료로 평가된다.
의료분야에서 티타늄 소재는 인공이식, 외과장비, 맥박 조정 장치 케이스 또는 원심분리기 등에 널리 쓰이고 있다. 특히 티타늄은 고강도 및 낮은 탄성계수는 물론 체액의 생리적 거부현상에 대한 저항성 등 티타늄 합금 중에서 가장 생체 친화적인 특성을 갖고 있다.
그러나 티타늄 합금 Ti 6AL-4V는 높은 생체친화성에도 불구하고 탄성율이 기존의 뼈 보다 높기 때문에 기존 뼈에 상처를 유발하거나 골다공증 등을 유발할 우려가 있다.
PEEK(화학적으로 폴리에테르에테르케톤)는 준 결정성 열가소성 수지로서 높은 온도와 열악한 환경에서 최고의 물성을 가지는 수지 소재이다. 화학 및 피로 환경에 우수하고 높은 열 안정성과 내 화학성 및 내수성을 가진다.
특히 생체의 뼈와 극히 유사한 탄성율을 가지므로 척추 임플란트 소재로 사용될 경우 인접한 뼈 조직에 상처나 충격을 가하지 않지만, 뛰어난 내화학성으로 인해 SOLVEN에 녹지 않는 특성 때문에 생체친화성이 좋지 않아 기존의 뼈에 접합되기 힘든 문제가 있어 연골에 문제를 일으킬 수 있다.
이러한 티타늄 합금과 PEEK 소재의 장점이 하나의 소재로 구현되는 기술은 현재로서는 나타나지 않은 상태이다.
공개특허공보 제10-2009-0027993호(공개일자: 2009. 03. 18)
이에 본 발명은 생체조직인 뼈의 탄성율에 최대한 근접하여 뼈 조직에 기계적인 충격이나 손상이 가해지지 않으면서도 뼈와의 생체접합성이 좋아 인접한 뼈 조직에 일체의 무리를 주지 않을 수 있는 척추 임플란트용 추간 케이지를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 척추 임플란트용 추간 케이지는 손상된 척추의 디스크가 제거된 부위에 삽입되어 척추의 추체 사이의 간격을 복구 및 유지하는 인공 보정체인 추간 케이지에 있어서, 생체친화성이면서 일정한 탄성율을 가지는 소재인 제1소재로 이루어지며, 빈 공간을 둘러싸는 형태로 형성되는 케이지 프레임과, 사람의 뼈와 동일한 탄성율을 가지는 제2소재로 이루어지며, 상기 빈 공간에 삽입되어 성형되는 삽입체를 포함한다.
여기서 바람직하게는 상기 제1소재는 티타늄 합금인 Ti 6AL-4V이고, 상기 제2소재는 폴리에테르에테르케톤일 수 있다.
또한 상기 케이지 프레임은 바람직하게는 상부 추체의 저면에 밀착되는 상부 케이지 프레임과, 하부 추체의 상면에 밀착되는 하부 케이지 프레임으로 이루어지고, 상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임은 서로 분리되며, 상기 삽입체가 상기 상부 및 하부 케이지 프레임을 서로 연결할 수 있다.
이 경우 상기 상부 케이지 프레임과 상기 하부 케이지 프레임은 바람직하게는 서로 크기와 형상이 동일할 수 있다.
이때 상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임은 서로 대향되는 면에는 바람직하게는 각각 복수 개의 정착 돌기가 형성되어, 상기 삽입체의 성형 과정에서 상기 정착 돌기가 삽입체에 매립되는 형태로 상기 삽입체와 상기 케이지 프레임이 결합될 수 있다.
한편 상술한 구조로 이루어지는 본 발명에 따른 추간 케이지의 제조 방법은 상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임을 각각 제작하는 단계와, 상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임 사이에 상기 삽입체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임을 각각 제작하는 단계는 바람직하게는 상부 케이지 프레임 하나를 제작하는 단계를 두 번 반복하는 것으로 이루어지며, 상기 상부 케이지 프레임 하나를 제작하는 단계는 금속 3D 프린팅으로 상기 상부 케이지 프레임을 출력하는 형태로 이루어질 수 있다.
이때 상기 삽입체를 형성하는 단계는 상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임을 삽입체의 간격만큼 이격시키도록 제작되는 틀에 고정시킨 후에 상기 삽입체 소재를 주물 형태로 채운 다음에 냉각하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 척추 임플란트용 추간 케이지 및 이의 제조 방법은 생체조직인 뼈의 탄성율에 최대한 근접하여 뼈 조직에 기계적인 충격이나 손상이 가해지지 않으면서도 뼈와의 생체접합성이 좋아 인접한 뼈 조직에 일체의 무리를 주지 않는 효과가 있다.
도 1은 통상의 추간 케이지가 사용되는 부위인 척추의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 추간 케이지에서 케이지 프레임의 사시도이다.
도 3은 도 2의 케이지 프레임의 측면도이다.
도 4는 도 3의 케이지 프레임에 삽입체가 결합된 측면도이다.
도 5는 도 4의 부분 확대도이다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 추간 케이지는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 케이지 프레임(10)과, 삽입체(20)로 구성된다.
케이지 프레임(10)은 생체친화성이면서 일정한 탄성율을 가지는 소재인 제1소재로 이루어지며, 빈 공간을 둘러싸는 형태로 형성되는 프레임 부재이다.
삽입체(20)는 사람의 뼈와 동일한 탄성율을 가지는 제2소재로 이루어지며, 상기 빈 공간에 삽입되어 성형되는 부재이다.
배경기술 란에서 살펴본 바와 같이 현재 티타늄 합금인 Ti 6AL-4V합금과 같이 일부 소재는 생체친화성은 좋으나 탄성율이 사람의 뼈보다 커서 지속적인 마모나 충격이 척추 뼈에 가해지는 문제가 있고, 또 다른 일부 소재는 PEEK(폴리에테르에테르케톤) 수지와 같이 탄성율은 기존의 뼈와 극히 유사하여 충격을 가하지는 않지만 생체친화성이 낮아서 기존의 뼈에 접합되지 않는 문제가 있다.
뼈의 탄성율에 근접해야 한다는 점과 생체친화력이 좋아야 한다는 점이 모두 하나의 소재에 구현된 물질은 아직 출현하지 않고 있으며, 이러한 하나의 소재에 두 가지 특징이 모두 구현되는 소재가 출현되려면 상당한 개발 기간이 소요될 수 있다.
따라서 본 발명에서는 이러한 두 가지 문제가 현재 개발된 소재를 이용하여 해결될 수 있도록, 생체친화성이 좋은 제1소재로 케이지 프레임(10)이 제작되고, 케이지 프레임(10)의 내부 공간에 사람의 뼈와 동일한 탄성율을 가지는 제2소재로 이루어지는 삽입체(20)가 삽입되는 일종의 샌드위치 형태의 추간 케이지를 제안하는 것이다.
이때 케이지 프레임(10)은 빈 공간을 둘러싸는 형태로 제작되므로 소재 자체의 탄성 보다 더 탄성 효과가 높아질 수 있고, 케이지 프레임(10)이 둘러싸는 공간의 형태나 케이지 프레임(10)의 형태에 따라 사람의 뼈와 동일한 탄성을 가지거나 또는 그보다 더 유연한 기계적 특성을 가지게 제작될 수도 있다.
따라서 본 발명에 따른 추간 케이지의 전체 탄성율은 케이지 프레임(10)에 삽입되는 삽입체(20)가 결정하게 된다. 이때 보다 구체적으로 케이지 프레임(10)을 이루는 제1소재는 티타늄 합금인 Ti 6AL-4V이고, 삽입체(20)를 이루는 제2소재는 폴리에테르에테르케톤일 수 있다. 그러므로 추간 케이지의 전체 탄성율은 삽입체(20)를 이루는 PEEK 소재의 탄성율로 결정되고, 추간 케이지의 생체친화성과 접합성은 직접 척추의 추체에 밀착되는 케이지 프레임(10)을 이루는 Ti 6AL-4V 합금으로 결정된다.
이로써 본 발명에서는 마치 하나의 소재가 생체친화력과 뼈와 동일한 탄성력을 가지는 것과 동일한 효과의 추간 케이지를 제공할 수 있게 된다.
특히 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 케이지 프레임(10)은 도 1의 상부 추체(3)의 저면에 밀착되는 상부 케이지 프레임(10a)과, 도 1의 하부 추체(4)의 상면에 밀착되는 하부 케이지 프레임(10b)으로 이루어질 수 있다. 여기서 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)은 서로 분리되며, 삽입체(20)가 상부 및 하부 케이지 프레임(10a,10b)을 서로 연결시키는 형태가 된다.
상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)이 서로 분리됨으로써 전체 추간 케이지의 탄성율은 오로지 삽입체(20)를 이루는 PEEK 소재에 의해 결정되고, 뼈와 직접 접합되는 부위는 티타늄 합금이 된다. 따라서 생체친화성과 뼈와 유사한 탄성율이 하나의 소재에 구현되는 것과 동일한 효과를 발휘할 수 있게 된다.
또한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)은 서로 크기와 형상이 동일하게 제작될 수 있다. 즉 두 개의 상부 케이지 프레임(10a)이 제작된 다음, 어느 하나가 향하는 방향을 반대로 뒤집으면 도 2와 같이 서로 대칭되는 형태가 되면서 그 사이에 삽입체가 충전될 수 있다.
이로써 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)은 결국 별도로 제작될 필요가 없어 금형 제작비용이 감축될 뿐만 아니라, 각각의 제품 수급이 별도로 관리될 필요가 없어져 최종 제조비용이 현저하게 감축될 수 있고 수급과 관리 또한 훨씬 용이해질 수 있다.
상부 또는 하부 케이지 프레임(10a,10b)은 보다 구체적으로 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 선단과 후단으로 구분된다. 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)은 앞서 본 바와 같이 사실상 형태와 크기가 모두 완전히 동일한 부재로 제작될 수 있지만 편의상 나누어 보면, 상부 케이지 프레임(10a)은 상부 선단(11a)과 상부 후단(12a)으로 구성되고, 하부 케이지 프레임(10b)은 하부 선단(11b)과 하부 후단(12b)으로 구성될 수 있다.
이때 상부 선단(11a)과 하부 선단(11b)은 각각 상부 후단(12a)과 하부 후단(12b)에 대해 일정한 경사가 형성되고, 상부 선단(11a)과 하부 선단(11b)은 서로 수렴되는 방향으로 마주보므로, 수렴되는 끝단이 도 1에 도시된 상부 추체(3)와 하부 추체(4) 사이의 추간체(5) 자리에 삽입될 때 부드럽게 삽입이 이루어질 수 있다.
또한 상부 또는 하부 케이지 프레임(10a,10b)은 도 2에 도시된 바와 같이 중공(14)이 형성됨으로써, 전체 중량이 가벼워질 수 있으며 소요되는 재료비용의 절약이 가능하다
그리고 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)은 서로 대향되는 면에 각각 복수 개의 정착 돌기(13)가 형성되어, 삽입체(20)의 성형 과정에서 정착 돌기(13)가 삽입체(20)에 매립되는 형태로 삽입체(20)와 케이지 프레임(10)이 결합될 수 있다.
삽입체(20)는 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b) 사이에 삽입될 때 주물의 형태로 충전된 다음에 냉각되면서 응고되어 형성된다. 이때 도 5에 도시된 바와 같이 정착돌기(13)는 기둥 형태의 돌기 칼럼(132)과 돌기 칼럼(132)의 단부에 형성된 돌기헤드(131)로 이루어질 수 있고, 돌기 헤드(131)가 마치 스터드 볼트의 전단 헤드가 몰탈 내부에서 뼈대로 작용하는 것과 유사한 작용으로 삽입체(20)와 케이지 프레임(10)을 견고하게 결합시키는 작용을한다.
이하에서는 상술한 본 발명에 따른 추간 케이지를 제조하는 방법에 대하여 간략하게 살펴보기로 한다. 추간 케이지의 제조 방법에 대한 설명 중 앞서 서술한 추간 케이지 자체에 대한 설명과 중복되는 내용은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 추간 케이지의 제조방법은 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)을 각각 제작하는 단계와, 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b) 사이에 삽입체(20)를 형성하는 단계를 포함한다.
여기서 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)을 각각 제작하는 단계는 상부 케이지 프레임(10a) 하나를 제작하는 단계를 두 번 반복하는 것으로 이루어질 수 있다. 이때 제작된 두 개의 상부 케이지 프레임(10a) 중 하나를 상하가 반전되게 뒤집어서 상부 케이지 프레임(10a)의 하부에 대향되게 배치하고 서로 마주보게 함으로써 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)의 제작과 배치가 완료될 수 있다.
이때 상부 케이지 프레임(10a) 하나를 제작하는 단계는 금속 3D 프린팅으로 상부 케이지 프레임(10a)을 출력하는 형태로 이루어질 수 있다. 이로써 케이지 프레임(10)은 보다 정밀하게 제작될 수 있으며, 척추 환부의 위치와 형태 및 크기에 따라 다양한 형상과 크기로 신속하게 의료 현장에서 곧바로 제작될 수 있다.
그리고 삽입체(20)를 형성하는 단계는 상부 케이지 프레임(10a)과 하부 케이지 프레임(10b)을 삽입체(20)의 간격만큼 이격시키도록 제작되는 틀(도시되지 않음)에 고정시킨 후에 삽입체(20)의 소재를 주물 형태로 채운 다음에 냉각하여 이루어질 수 있다.
이 경우 주물 형태의 삽입체(20)가 냉각으로 응고가 완료되면 상기 틀을 제거함으로써 추간 케이지가 완성될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
3 : 상부 추체 4 : 하부 추체
5 : 추간체 10 : 케이지 프레임
10a : 상부 케이지 프레임 10b : 하부 케이지 프레임
11a : 상부 선단 12a : 상부 후단
11b : 하부 선단 12b : 하부 후단
13 : 정착 돌기 14 : 중공
20 : 삽입체 131 : 돌기 헤드
132 : 돌기 칼럼

Claims (8)

  1. 손상된 척추의 디스크가 제거된 부위에 삽입되어 척추의 추체 사이의 간격을 복구 및 유지하는 인공 보정체인 추간 케이지에 있어서,
    생체친화성이면서 일정한 탄성율을 가지는 소재인 제1소재로 이루어지며, 빈 공간을 둘러싸는 형태로 형성되는 케이지 프레임과;
    사람의 뼈와 동일한 탄성율을 가지는 제2소재로 이루어지며, 상기 빈 공간에 삽입되어 성형되는 삽입체;를 포함하는 추간 케이지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1소재는 티타늄 합금인 Ti 6AL-4V이고,
    상기 제2소재는 폴리에테르에테르케톤인 것을 특징으로 하는 추간 케이지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 케이지 프레임은 상부 추체의 저면에 밀착되는 상부 케이지 프레임과, 하부 추체의 상면에 밀착되는 하부 케이지 프레임으로 이루어지고,
    상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임은 서로 분리되며, 상기 삽입체가 상기 상부 및 하부 케이지 프레임을 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 추간 케이지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부 케이지 프레임과 상기 하부 케이지 프레임은 서로 크기와 형상이 동일한 것을 특징으로 하는 추간 케이지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임은 서로 대향되는 면에 각각 복수 개의 정착 돌기가 형성되어, 상기 삽입체의 성형 과정에서 상기 정착 돌기가 삽입체에 매립되는 형태로 상기 삽입체와 상기 케이지 프레임이 결합되는 것을 특징으로 하는 추간 케이지.
  6. 제4항 또는 제5항으로 이루어지는 추간 케이지를 제조하는 방법으로서,
    상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임을 각각 제작하는 단계와;
    상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임 사이에 상기 삽입체를 형성하는 단계;를 포함하는 추간 케이지의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임을 각각 제작하는 단계는 상부 케이지 프레임 하나를 제작하는 단계를 두 번 반복하는 것으로 이루어지며,
    상기 상부 케이지 프레임 하나를 제작하는 단계는 금속 3D 프린팅으로 상기 상부 케이지 프레임을 출력하는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 추간 케이지의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 삽입체를 형성하는 단계는 상기 상부 케이지 프레임과 하부 케이지 프레임을 삽입체의 간격만큼 이격시키도록 제작되는 틀에 고정시킨 후에 상기 삽입체 소재를 주물 형태로 채운 다음에 냉각하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 추간 케이지의 제조 방법.
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