WO2013109078A1

WO2013109078A1 - 거시-미세-나노규모의 삼중 구조를 지니는 임플란트의 골 유착 능력을 향상시키기 위한 다공성 표면과 그 제조 방법

Info

Publication number: WO2013109078A1
Application number: PCT/KR2013/000394
Authority: WO
Inventors: 문승균; 박재준; 최홍영; 엄태관
Original assignee: 오스템임플란트 주식회사
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-07-25

Abstract

넓은 표면적의 친수성 표면과 적절한 표면 거칠기를 지니는 생체 이식용 티타늄계 임플란트와 그 제조 방법을 개시한다. 이 임플란트의 표면은 나노규모, 미세 규모, 거시 규모의 3중 구조를 지닌다. 상기 나노규모의 구조에서는 산화티타늄의 나노입자들이 친수성 표면을 형성하는데, 이 나노입자들은 임플란트 표면의 요철부에 형성된 수 마이크로미터 규모의 미세공의 내면이다. 이러한 미세 규모의 요철들은 거시 규모에서 표면 거칠기가 0.5~5 ㎛ 수준인 굴곡진 표면을 이루면서 수십에서 수백 마이크로미터인 다수의 함몰부를 형성한다. 이러한 임플란트는 티타늄 금속이나 티타늄계 합금을 원하는 모양으로 성형하고, 샌드 블라스팅 등의 방법으로 표면에 무기물 입자를 충격시킨 뒤, 이를 산 처리하여 미세공을 형성하고, 이어서 양극 산화시켜 산화티타늄 나노입자를 생성한 다음, 필요에 따라 열 처리를 함으로써 제조할 수 있다.

Description

거시-미세-나노규모의 삼중 구조를 지니는 임플란트의 골 유착 능력을 향상시키기 위한 다공성 표면과 그 제조 방법

본 발명은 치과와 외과용 임플란트에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 골 형성 작용을 위하여 표면 처리한 티타늄 소재의 임플란트와 그 제조 방법에 관한 것이다.

초창기의 치과용 임플란트들은 매끄러운 표면을 지닌 순수한 티타늄 금속의 임플란트를 사용하였다. 그런데 이러한 매끄러운 표면을 사용하면 초기 골 유착(Osseointegration)을 형성하는 과정에서 시일이 오래 걸리거나 골 유착에 실패하는 경우가 있었다. 이를 보완하기 위해 임플란트 표면을 거칠게 하여 골 유착 능력을 향상시키기 위한 여러 가지 노력이 있었다. 그 결과 산화티타늄 막을 가진 티타늄 소재가 치과 및 정형외과에서 치아 및 뼈 수복을 위해 가장 널리 사용되는 소재로 각광을 받게 되었다. 특히 티타늄 금속 소재의 표면 처리를 통하여 금속 표면에 산화티타늄의 얇은 막이 형성시킨 표면 처리 임플란트를 사용하면 뼈 재생 능력이 향상된다는 것이 알려졌다.

이러한 표면 처리를 위한 방법 중에는 이산화티타늄이나 알루미나 입자를 티타늄에 분사하여 표면에 요철을 형성하고 산 처리를 통해서 표면 거칠기를 향상시키는 방법이 있다. 이 방법은 현재까지 널리 사용되고 있는 대표적인 임플란트 소재의 표면 처리 방법이다. 하지만 이러한 방법은 처리된 표면이 소수성을 나타내므로 생체 이식하는 재료에 적용하는 데는 단점이 된다. 그리고 최근에는 화학 처리 또는 전기화학 처리를 하여 재료의 표면적을 넓힘으로써 표면 에너지를 증가시키거나 친수성을 향상시켜 골 유착 능력을 향상시키기 위한 연구와 개발이 진행되고 있는데, 임플란트 표면에 보다 복잡한 형태의 높은 표면적을 지니는 친수성 구조를 형성하는 방향으로 노력을 하여 왔다.

이러한 친수성 소재로서 적당한 것이 산화티타늄, 특히 이산화티타늄이다. 그런데 산화티타늄 재질의 미세 구조를 임플란트 표면에 형성하는데 쓰인 종래 기술에서는 생성된 산화티타늄의 기계적 특성이 낮았다. 이 때문에 일반적인 시술 방식으로 임플란트를 식립하게 되면 산화티타늄 미세 구조에 손상과 변형이 생겨 임플란트 고정 기구(fixture)의 골 유착 성능을 개선하는 효과가 부진하였다. 이 문제의 개선을 위하여 열 처리를 통하여 산화티타늄 미세 구조의 기계적인 물성을 향상시키더라도 일반적인 술식(초기 고정력을 높이기 위해 적정한 하중을 가하여 식립)을 적용한다면 같은 문제점이 발생하기 마련이다. 게다가 이러한 산화티타늄 미세 구조를 형성하려면 표면을 기계 가공한 임플란트에서만 가능하였기 때문에, 임플란트 표면 전체에 걸쳐서 거칠기를 향상시키지 못하였다. 따라서 친수성이 우수하여 골 형성 친화력이 좋은 산화티타늄의 특성에도 불구하고 현재까지 임플란트 제품에 널리 반영되지 못하고 있다.

본 발명의 기술적 과제는 치과와 외과용 임플란트로서 골 형성을 위한 최적의 표면 거칠기를 갖고 세포 및 혈액 적합성에 필수적인 친수성 표면의 면적을 크게 늘려 골 형성 능력이 개선되고 임플란트 시술 후 치유 기간도 줄일 수 있는 티타늄계 임플란트와 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 한 측면에서는 표면에 나노규모, 미세 규모, 거시 규모의 3중 구조를 지니는 생체 이식용 티타늄계 소재를 제공한다. 이 티타늄계 소재는 티타늄 금속 또는 티타늄계 합금 재질의 소재로서, 그 표면에 복수의 요철을 갖추고 있는데 표면의 거칠기는 ISO 1997의 규격으로 컷오프 0.25와 3 람다의 조건으로 측정하였을 때 1~4 ㎛ 수준인 불규칙한 표면이다. 이 티타늄계 소재에서 그 표면의 일부는 산화티타늄 나노입자들로 일부가 피복되어 있다. 여기서 상기 요철들에는 크기가 1~5 ㎛인 미세공(micropore)들이 형성되어 있으며, 상기 미세공이 형성된 요철들이 굴곡진 표면을 이루면서 장축의 길이가 10~200 ㎛인 타원상의 복수의 함몰부들을 형성한다. 이 티타늄계 소재에서 각 미세공의 내면에는 상기 산화티타늄 나노입자가 피복되어 있다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서 상기 산화티타늄 나노입자는 나노튜브, 나노막대 또는 나노도트이다. 본 발명의 더욱 구체적인 실시 형태에서 상기 나노튜브 또는 나노막대는 상기 미세공의 내면에 실질적으로 수직하게 배향한다.

본 발명의 다른 측면에서는 전술한 티타늄계 소재를 포함하는 생체 이식용 임플란트를 제공한다. 이 임플란트는 치과와 외과 분야에서 다양한 용도에 쓰일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서는 상기 티타늄계 임플란트의 제조 방법을 제공한다. 이 제조 방법은 티타늄 금속 또는 티타늄계 합금 재질의 티타늄계 소재를 원하는 형태로 성형하는 단계, 상기 성형된 티타늄계 소재의 표면에 무기물 입자를 충격시켜 수백 마이크로미터 이하 크기의 함몰부를 비롯한 요철을 형성하는 조면화 단계, 상기 조면화 티타늄계 소재를 산으로 식각하여 표면에 5 마이크로미터 미만 의 미세공을 형성하는 다공화 단계, 상기 다공화 티타늄계 소재를 양극 산화시켜 표면에 산화티타늄 나노입자를 형성하는 양극 산화 단계와 상기 양극 산화된 티타늄계 소재를 350℃~600℃에서 가열하는 열 처리 단계를 포함한다.

본 제조 방법의 한 구체적인 실시 형태에서 전술한 양극 산화 단계는 상기 티타늄계 소재를 양극으로 하여 1~30 볼트의 전압을 인가하는 단계를 포함하고, 더욱 구체적으로 상기 양극 산화 단계의 전해질에 플르오르화 이온을 함유할 수 있다.

본 발명의 티타늄계 임플란트는 표면 거칠기를 골 유착에 적합한 범위로 용이하게 맞출 수 있다. 또한 본 발명의 임플란트는 수백 마이크로미터 이하의 거시적 규모의 함몰부와 수 마이크로미터 규모의 미세공이 형성되어 있는 다공성 표면의 내면에 친수성인 산화티타늄 나노입자를 형성시킨 구조이기 때문에, 효과적인 골 유착을 위한 표면적을 대폭 확대하였고, 혈액 친화적인 친수성 표면을 제공하기 때문에 골아세포의 증식과 분화, 골과 임플란트의 계면 결합력을 향상시켜 임플란트시술 후 치유 기간을 크게 줄여 줄 수 있다. 또한 일반적인 술식으로 임플란트 시술을 하더라도 상기 산화티타늄 나노입자의 구조는 식립시에 발생하는 하중에도 형태를 그대로 보전할 수 있어서 생체 적합성이 뛰어나다. 아울러 임플란트 표면에 안정한 산화티타늄의 산화막이 형성되었기 때문에 내식성이 뛰어나며, 티타늄을 비롯한 여러 재료에 응용할 수 있어 치과와 외과용 임플란트, 보철물, 고정 기구에 폭넓게 쓰일 수 있다.

도 1은 본 발명의 어느 한 실시 형태에 따른 티타늄계 소재 표면의 모식도이다. 도 1(a)는 이 티타늄계 소재의 표면에 수직하게 자른 단면을 나타낸 저배율의 모식도이고, 도 1(b)는 도 1(a)에 나타낸 한 미세공의 내면을 확대한 모식도이며, 도 1(c)는 이 내면에 있는 나노튜브들을 확대한 모식도이다.

도 2a는 본 발명의 어느 한 실시 형태에 따른 티타늄 소재의 요철 표면 내에 나노막대가 피복되어 있는 나노구조를 확대한 모식도이다.

도 2b는 본 발명의 어느 한 실시 형태에 따른 티타늄 소재의 표면에 나노도트가 피복되어 있는 나노구조를 확대한 모식도이다.

도 3은 본 발명의 어느 한 실시 형태에 따른 티타늄계 소재 표면의 전자현미경 사진이다. 도 3a는 500배 배율의 사진으로서 함몰부에 해당하는 부분을 타원의 점선으로 표시하였다. 도 3b는 도 3a의 타원 점선부 중 하나를 확대한 5000배 배율의 사진으로서, 수 마이크로미터 크기의 미세공에 해당하는 부분을 동그라미로 표시하였다. 도 3c는 도 3b의 동그라미 부분을 확대한 20만배 배율의 사진으로서 30 나노미터 직경의 나노튜브를 볼 수 있다.

도 4는 본 발명의 어느 한 실시 형태에 따라 티타늄계 소재 표면의 미세공 안에 조건을 달리하여 형성한 여러 크기의 나노튜브들을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 어느 한 실시 형태에 따른 티타늄계 소재의 제조 방법에서 열 처리 온도를 달리했을 때 산화티타늄 나노입자의 결정성 변화를 보여 주는 X선 회절 스펙트럼이다.

도 6은 본 발명의 어느 한 실시 형태에 따른 티타늄계 임플란트를 토끼 다리에 식립하여 골 계면 결합력을 평가한 실험 결과를 정리한 그래프이다.

이하 본 발명을 더 상세히 설명한다.

본 발명의 한 측면에서는 치과와 외과용 임플란트 소재로 적합한 티타늄계 소재를 제공한다.

본 발명의 티타늄계 소재는 표면에 산화물 나노입자를 비롯한 나노구조가 형성되어 있는 티타늄 금속 재질이거나 티타늄이 주성분인 티타늄계 합금이다. 티타늄계 합금으로는 이 분야에 널리 사용되고 있는 것을 사용하면 무방한데, 예를 들어 Ti-Nb-Zr 3원 합금 등 내식성이 있고 뼈의 탄성 계수에 근접하는 것을 사용하면 적절하지만, 이들만으로 한정되지는 않는다.

본 발명의 티타늄계 소재는 표면에 나노구조, 미세 구조(microstructure)와 거시 구조(macrostructure)의 구조가 중첩되어 있는 3중 구조이다. 이 3중 구조는 나노미터 규모의 산화물 나노입자의 나노구조, 상기 나노입자가 내면에 포진하고 있는 수 마이크로미터 규모의 미세공(micropore)이 있는 요철면을 갖추고 있는 미세 구조, 상기 미세공이 있는 여러 요철면이 굴곡진 표면을 이루면서 수십 마이크로미터에서 수백 마이크로미터 규모의 크레이터(crater) 모양의 함몰부들(depressions)을 형성하는 이른바 딤플(dimple) 모양의 거시 구조에 이르는 복잡한 구조이다. 이러한 복잡한 표면 구조 때문에 골 유착에 유리한 다공성의 친수성 표면을 제공한다.

본 발명의 티타늄계 소재의 표면은 산화티타늄을 비롯한 내식성과 친수성이 있는 산화물 나노입자들로 적어도 일부가 피복된, 복수의 요철이 있는 불규칙하고 매끄럽지 않은 표면이다.

도 1은 본 발명의 한 실시 형태에 따른 티타늄계 소재의 표면의 단면을 보여주는 모식도이다. 도 1(a)는 이 티타늄계 소재의 표면에 수직하게 자른 단면을 나타낸 저배율의 모식도이다. 도 1(a)에서 보이듯이 본 발명의 티타늄계 소재는 표면 거칠기가 있는 매끄럽지 못한 표면으로서, 복수의 요철들이 굴곡진 표면을 이룬다. 이 표면 거칠기는 도 1(a)에 나타내었듯이 소재 표면 요철의 최저점과 최고점의 높이 차에 직결된다. 도 1에 나타낸 티타늄 소재의 표면은 거시 구조의 차원에서 장축의 길이가 수십에서 수백 마이크로미터인 타원상의 복수의 함몰부들을 형성하고 있다. 한편 이러한 복수의 요철들은 함몰부 내에 또는 함몰부에 속하지 않은 채 크기가 수 마이크로미터 규모의 미세공(micropore)을 형성하고 있다. 상기 함몰부의 굴곡 있는 내면은 이러한 미세공이 형성되어 있거나 미세공이 없는 요철들이 형성하고 있다. 도 1(b)는 도 1(a)에 나타낸 한 미세공의 내면을 확대한 모식도이며, 도 1(c)는 이 내면에 있는 나노입자들을, 확대한 모식도이다. 도 1(c)에 나타낸 실시 형태에서 이 나노입자는 그 길이 방향(장축 방향)의 축에 대하여 수직하게 잘랐을 때 단면이 속이 비어 있는 원 또는 속이 비어 있는 타원 형상인 나노튜브이다.

본 발명의 한 실시 형태에서 이 불규칙한 표면은 ISO 1997의 규격으로 컷오프 0.25와 3 람다의 조건으로 측정하였을 때 표면 거칠기가 1~4 ㎛이다. 한 실시 형태에서 상기 함몰부의 장축의 길이는 10~200 ㎛인 타원상의 복수의 함몰부들을 형성하고 있다. 또한 상기 미세공의 크기는 1~5 ㎛이다.

본 발명의 티타늄계 소재에서 미세공의 내면에는 산화물 나노입자가 피복되어 나노구조를 형성하고 있다. 본 발명에서 나노입자란 나노튜브, 나노막대, 나노도트 등 나노미터 규모의 입자들의 집합체를 망라하는 의미이며, 구체적으로 예를 든 이 나노입자들로 한정되지 않는다.

본 발명의 한 실시 형태에서 상기 나노입자는 산화티타늄이다. 한 구체적인 실시 형태에서 이 나노입자의 산화티타늄은 정질(晶質)이며, 한 바람직한 실시 형태에서는 정질 산화티타늄이 아나타제(anatase) 상 또는 루틸(rutile) 상이다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서 이 산화티타늄 나노입자는 나노튜브이다. 여기서 나노튜브라고 함은 길이 방향(장축 방향 또는 세로 방향)을 정할 수 있고, 이 나노튜브의 길이 방향 축에 대하여 수직하게 자른 단면이 원 또는 타원에 가까우며, 이 원 또는 타원의 속이 비어 있고 그 최대 폭이 나노미터 규모인 형상을 가리킨다(즉 속이 빈 원통 또는 타원통 형상). 본 발명의 더욱 구체적인 실시 형태에서는 상기 나노튜브의 길이가 10~200 nm이고, 이 길이 방향의 축에 대하여 수직하게 자른 단면의 최대 직경이 5~200 nm이다. 본 발명의 티타늄 소재에서 동일한 소재 표면 위의 나노튜브는 모두 단면이 동일한 형상일 수도 있고, 단면의 형상이 속이 빈 원과 속이 빈 타원처럼 서로 다른 나노튜브들이 혼재하고 있을 수도 있다. 본 발명의 더욱 구체적인 실시 형태에서는 이 산화티타늄 나노튜브가 미세공의 내면에 실질적으로 수직하게 배향하고 있다. 본 명세서에서 미세공의 내면에 실질적으로 수직한 배향이란 나노튜브에서 가장 규모의 큰 차원의 방향이 정확히 내면 바닥에 대하여 90°로 직립하여 서 있는 나노입자의 배향은 물론, 내면 바닥과 확실히 나란히 놓이지 않지만 90°에 못 미치는 경사로 관측되는 배향, 예를 들어 미세공 내면 바닥에 대하여 45° 이상의 경사로 서 있는 배향도 망라하는 의미이다.

본 발명의 다른 구체적인 실시 형태에서 이 산화티타늄 나노입자는 나노막대(nanorod)이다. 본 명세서에서 나노막대란 전술한 나노튜브처럼 길이 방향을 정의할 수 있는 막대 형상으로서, 이 막대의 길이 방향 축에 대하여 수직하게 자른 단면의 최대 폭이 나노미터 규모이며, 이 단면의 속이 차 있고, 그 단면의 모양도 전술한 나노튜브처럼 원이나 타원만이 아니라, 타원, 원, 장방형, 불규칙형인 단면까지 모두 포괄하는 개념이다. 본 발명의 더욱 구체적인 실시 형태에서는 상기 나노막대의 길이가 5~50 nm이고, 이 길이 방향 축에 대하여 수직하게 자른 단면의 최대 직경이 5~20 nm인, 속이 찬 원통형, 타원통형, 장방형 또는 불규칙형이다. 상기 산화티타늄 나노입자의 더 구체적인 실시 형태에서 이 나노막대는 미세공의 내면에 실질적으로 수직하게 배향한다. 도 2a는 이러한 구체적인 실시 형태에 따라 티타늄 소재의 요철 표면 내에 나노막대가 피복되어 있는 한 나노구조를 도시한다. 도 2a에 도시한 구체적인 형태에서는 이 나노막대의 단면이 모두 속이 찬 장방형이지만 전술한 바와 같이 단면이 모양이 타원, 불규칙형 등 다른 형태일 수 있으며, 같은 티타늄 소재의 표면 위에 단면의 형상이 서로 다른 나노막대들이 혼재하고 있을 수도 있다. 도 2a에서 상기 티타늄 소재의 요철 표면이 미세공 속인 경우에 도 2a는 도 1(b)와 도 1(c)에서 나노튜브가 나노막대로 치환된 경우로 이해하여도 무방하다.

본 발명의 또 다른 구체적인 실시 형태에서 이 산화티타늄 나노입자는 최대 직경이 10 nm 이하인 나노도트(nanodot)이다. 본 명세서에서 나노도트란 나노입자의 3차원 직교축들을 정의할 때 어느 두 축의 규모가 나머지 한 축보다 상당히 크고, 나노미터 규모의 평면을 나타내는 나노입자를 가리킨다. 예컨대 나노도트는 높이 또는 길이 방향의 축이 그에 직교하는 축의 규모보다 매우 작은 반점 모양의 납작한 나노입자이다. 상기 나노도트의 반점 모양은 원, 타원, 장방형, 불규칙형 등 어느 특정 형태로 한정되지 않는다. 도 2b는 이러한 구체적인 실시 형태에 따라 본 발명의 티타늄 소재의 표면에 나노도트가 피복되어 있는 한 나노구조를 도시한다. 도 2b에서 상기 티타늄 소재의 요철 표면이 미세공 속인 경우에 도 2b는 도 1(b)와 도 1(c)에서 나노튜브가 나노도트로 치환된 경우로 이해하여도 무방하다.

본 발명의 다른 측면에서는 이러한 티타늄계 소재를 포함하는 생체 이식용 임플란트, 보철물 또는 고정 기구를 제공한다. 한 실시 형태에서 상기 임플란트, 보철물 또는 고정 기구는 치과용이다. 예를 들어 치과용 보철물, 치과 교정용 선재, 악골절용 플레이트, 악골절용 스크류, 인공 치아, 치과용 크라운, 치과용 브릿지, 의치용 틀 또는 치과 수술용 고정 나사가 있지만 이들로 한정되지는 않는다.

다른 실시 형태에서 상기 임플란트는 외과용, 특히 정형 외과용이다. 예를 들어, 인공 뼈, 인공 관절, 골절용 플레이트, 둔부 관절용 임플란트(hip joint implant), 무릎 관절용 임플란트, 어깨 임플란트(shoulder implant), 인공 척추, 척수용 분절(spinal articulating component), 골절 고정기(fracture fixation device), 골절 고정판(fracture fixation plate) 또는 골절 고정용 나사(fracture fixation screw)로 사용할 수 있는데, 이들로 한정되지는 않는다.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에서는 전술한 티타늄계 소재의 제조를 위한 표면 처리 방법을 개시한다.

이 생체 이식용 티타늄계 소재의 표면 처리 방법은

(1) 티타늄 금속 또는 티타늄계 합금 재질의 티타늄계 소재의 표면에 무기물 입자를 충격시켜 표면에 수백 마이크로미터 이하 크기의 함몰부를 비롯한 요철을 형성하는 조면화(粗面化) 단계,

(2) 상기 조면화 티타늄계 소재를 산으로 식각하여 표면에 5 마이크로미터 미만의 미세공을 형성하는 다공화(多孔化) 단계,

(3) 상기 다공화 티타늄계 소재를 양극 산화시켜 표면에 산화티타늄 나노입자를 형성하는 양극 산화(anodyzing) 단계와

(4) 상기 양극 산화된 티타늄계 소재를 350℃~600℃에서 가열하는 열 처리 단계를 포함한다.

상기 조면화 단계는 무기물 입자, 예를 들어 이산화티탄 또는 알루미나를 충분한 운동 에너지로 티타늄계 소재의 표면에 충격시켜 티타늄계 소재의 표면 거칠기를 높이는 공지 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어 샌드 블라스팅 처리하여 티타늄계 소재 표면에 수십에서 수백 마이크로미터 규모의 표면 요철을 형성시킨다. 이를 통하여 전술한 함몰부를 비롯한 요철 구조를 만들 수 있다.

이어지는 다공화 단계에서는 요철 구조가 생긴 티타늄계 소재에 수 마이크로미터 규모의 미세공을 형성한다. 다공화 단계 역시 공지 기술을 사용할 수 있는데, 예를 들어 산으로 표면을 식각(etching)하는 산 처리를 사용할 수 있다.

양극 산화 단계에서는 표면 미세공이 있는 다수의 요철이 형성된 티타늄계 소재의 미세공 내면에 수 나노미터에서 수백 나노미터 크기의 나노입자를 형성한다. 양극 산화 과정에서는 전해질과 접촉하는 티타늄계 소재가 양극이 되며 여기에 전압을 인가한다. 음극은 특별히 제한되지 않는데, 예를 백금 전극 등을 사용할 수 있다. 양극 산화 과정을 통하여 미세공 내부에 여러 가지 크기의 다공성 나노구조를 형성할 수 있다. 전해질의 종류와 첨가물을 조절하여 산화티타늄을 비롯한 다양한 산화물 나노입자를 형성할 수 있다. 예를 들어 플루오르화 이온(F-)이 포함된 전해질을 이용하여 양극 산화의 시간(10초에서 5시간)이나 전압(1볼트에서 30볼트)등의 반응 조건을 달리함으로써 전압과 시간에 따라 나노구조의 형태를 변화시킬 수 있다. 양극 산화 단계에서 이미 형성된 미세공의 구조에는 변화가 전혀 없거나 거의 없다.

이어지는 열 처리 단계에서는 형성된 나노입자를 임플란트에 사용하기 적절한 물성으로 개선하여 준다. 열 처리 조건은 350℃~600℃이다. 한 구체적인 실시 형태에서는 상기 산화물 나노입자가 이산화티타늄이며, 열 처리 전의 비정질 이산화티타늄이 열 처리 단계를 거쳐 정질 상, 예를 들어 아나타제 상 또는 루틸 상의 결정 구조가 된다.

본 발명의 다른 측면에서는 이러한 티타늄계 소재의 표면 처리 방법을 거쳐 임플란트를 제조하는 방법을 개시한다. 본 발명의 임플란트 제조 방법은 원하는 형상으로 티타늄계 소재를 성형하는 단계 뒤 전술한 표면 처리 방법을 적용함으로써 이루어질 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명을 다음의 실시예를 들어 좀 더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 아래 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.

도 3은 산화티타늄 나노튜브의 나노구조가 형성되어 있는 본 발명의 한 실시 형태에 따른 티타늄계 소재의 표면을 나타낸다.

도 3a는 500배 배율의 사진으로서 함몰부에 해당하는 부분을 타원의 점선으로 표시하였다. 도 3b는 도 3a의 타원 점선부 중 하나를 확대한 5000배 배율의 사진으로서, 수 마이크로미터 크기의 미세공에 해당하는 부분을 동그라미로 표시하였다. 도 3c는 도 3b의 동그라미 부분을 확대한 20만배 배율의 사진으로서 30 나노미터 직경의 나노튜브를 볼 수 있다.

도 4는 양극 산화 단계의 조건을 바꾼 것 외에는 도 3에 나타낸 티타늄 소재와 동일하게 제조한 여러 가지 크기의 나노구조가 형성된 티타늄계 소재의 전자현미경 사진이다.

도 5는 본 발명의 열 처리 단계가 산화티타늄 나노입자의 결정성에 미치는 영향을 나타내는 X선 회절 그래프이다. 상자 안에 표시한 열 처리 조건의 변화에 따라 회절각 40°부근의 피크의 신호가 세지는 것이 비정질(무열처리)에서 아나타제(열 처리의 증가)로 결정상이 변화하는 것을 볼 수 있다.

도 6은 본 발명의 한 실시 형태의 티타늄계 소재로 제조한 임플란트를 토끼 다리에 이식한 후, 이를 떼어내는 실험을 통하여 본 발명에 따른 임플란트의 골 계면 결합력을 나타내는 그래프이다. 도 6에서 SA는 양극 산화와 열 처리 단계를 진행하지 않고 조면화 단계와 다공화 단계만을 적용한 종래 기술의 임플란트이다. Nano SA 30과 Nano SA 70은 위 SA와 동일한 조면화 단계와 다공화 단계를 거치지만 양극 산화와 열 처리 단계를 더 거친 임플란트이다. Nano SA 30과 Nano SA 70은 양극 산화 단계를 달리하여 각각 산화티타늄 나노튜브의 지름이 30 nm와 70 nm인데, 양쪽 모두 SA에 비하여 골 계면 결합력이 우수한 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같이 특정 내용과 일부 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 구체적인 예로써 제시한 설명일 뿐임을 밝혀 둔다. 본 발명은 전술한 실시 형태들로만 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 실시 형태에 대하여 다양한 수정 및 변형을 할 수 있고, 이러한 수정 및 변형도 본 발명의 기술 사상 속에서 망라하고 있다.

따라서 앞에서 설명한 실시 형태들과 후술하는 특허 청구의 범위는 물론, 이 특허 청구 범위의 모든 균등물이나 등가인 변경 실시 형태들도 본 발명 기술 사상의 범주에 속한다.

Claims

생체 이식을 위한 티타늄 금속 또는 티타늄계 합금 재질의 티타늄계 소재로서,

상기 티타늄계 소재의 표면은 ISO 1997의 규격으로 컷오프 0.25와 3 람다의 조건으로 측정하였을 때 표면 거칠기가 0.5~5 ㎛인 불규칙한 표면이고,

상기 표면에는 최대 폭이 10~300 ㎛의 범위에 있는 복수의 함몰부가 형성되어 있으며, 상기 표면의 적어도 일부에는 산화티타늄 나노입자가 피복되어 있는 티타늄계 소재.
제 1항에 있어서, 상기 함몰부를 갖추고 있는 표면 거칠기가 0.5~5 ㎛인 불규칙한 표면에는 최대 폭이 1~5 ㎛인 미세공(micropore)들이 중첩되어 있는 것이 특징인 티타늄계 소재.
제 1항에 있어서, 상기 산화티타늄 나노입자는 나노튜브, 나노막대 또는 나노도트인 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재.
제 3항에 있어서, 상기 나노튜브는 길이가 10~200 nm이고, 상기 길이 방향의 축에 대하여 수직하게 자른 단면이 속이 빈 원 또는 속이 빈 원 형태이며, 상기 단면의 최대 직경이 5~200 nm인 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재.
제 4항에 있어서, 상기 나노튜브는 상기 티타늄계 소재 표면 요철의 내면에 실질적으로 수직하게 배향하고 있는 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재.
제 3항에 있어서, 상기 나노막대는 길이가 5~50 nm이고, 상기 길이 방향의. 축에 대하여 수직하게 자른 단면이 원, 타원 또는 장방형이고, 이 단면의 최대 직경이 5~20 nm인 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재.
제 6항에 있어서, 상기 나노막대는 상기 티타늄계 소재 표면 요철의 내면에 실질적으로 수직하게 배향하고 있는 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재.
제 3항에 있어서, 상기 나노도트는 최대 직경이 10 nm 이하인 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재.
제 1항에 있어서, 상기 산화티타늄은 정질(晶質)인 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재.
제 9항에 있어서, 상기 정질의 산화티타늄은 아나타제 상 또는 루틸 상인 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 티타늄계 소재를 포함하는 임플란트.
제 11항에 있어서, 상기 임플란트는 치과용인 것을 특징으로 하는 임플란트.
제 12항에 있어서, 상기 임플란트는 치과용 보철물, 치과 교정용 선재, 악골절용 플레이트, 악골절용 스크류, 인공 치아, 치과용 크라운, 치과용 브릿지, 의치용 틀 및 치과 수술용 고정 나사 중에서 선택하는 것을 특징으로 하는 임플란트.
제 10항에 있어서 상기 임플란트는 외과용인 것을 특징으로 하는 임플란트.
제 14항에 있어서, 상기 임플란트는 인공 뼈, 인공 관절, 골절용 플레이트, 둔부 관절용 임플란트(hip joint implant), 무릎 관절용 임플란트, 어깨 임플란트(shoulder implant), 인공 척추, 척수용 분절(spinal articulating component), 골절 고정기(fracture fixation device), 골절 고정판(fracture fixation plate) 및 골절 고정용 나사(fracture fixation screw) 중에서 선택하는 것을 특징으로 하는 임플란트.
티타늄 금속 또는 티타늄계 합금 재질의 티타늄계 소재의 표면에 무기물 입자를 충격시켜 표면에 수백 마이크로미터 이하 크기의 함몰부를 비롯한 요철을 형성하는 조면화(粗面化) 단계;

상기 조면화 티타늄계 소재를 산으로 식각하여 표면에 5 마이크로미터 미만의 미세공을 형성하는 다공화(多孔化) 단계;

상기 다공화 티타늄계 소재를 양극 산화시켜 표면에 산화티타늄 나노입자를 형성하는 양극 산화 단계; 및

상기 양극 산화된 티타늄계 소재를 350℃~600℃에서 가열하는 열 처리 단계를 포함하는 생체 이식용 티타늄계 소재의 표면 처리 방법.
제 16항에 있어서, 상기 조면화 단계는 이산화티타늄, 알루미나 또는 이들의 혼합물의 입자를 상기 티타늄계 소재에 샌드블라스팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재의 표면 처리 방법.
제 16항에 있어서, 상기 양극 산화 단계는 상기 티타늄계 소재에 1~30 볼트의 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재의 표면 처리 방법.
제 18항에 있어서, 상기 양극 산화 단계는 플르오르화 이온을 함유하는 전해질을 사용하는 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재의 표면 처리 방법.
제 16항에 있어서, 상기 양극 산화 단계 직후 나노입자의 산화티타늄은 비정질이며, 상기 열 처리 단계 후 나노입자의 산화티타늄은 정질인 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재의 표면 처리 방법.
제 16항에 있어서, 상기 산화티타늄 나노입자는 나노튜브, 나노막대 또는 나노도트인 것을 특징으로 하는 티타늄계 소재의 표면 처리 방법.
생체 이식을 위한 티타늄 금속 또는 티타늄계 합금 재질의 티타늄계 소재로서,

상기 티타늄계 소재의 표면은 ISO 1997의 규격으로 컷오프 0.25와 3 람다의 조건으로 측정하였을 때 표면 거칠기가 0.5~5 ㎛인 불규칙한 표면이고,

상기 표면에는 최대 폭이 1~5 ㎛의 미세공들이 중첩되어 있으며, 상기 표면의 적어도 일부에는 산화티타늄 나노입자가 피복되어 있는 티타늄계 소재.