WO2016133311A1 - 생체 분해성 마그네슘 및 생체 분해성 마그네슘의 분해속도 제어방법 - Google Patents

생체 분해성 마그네슘 및 생체 분해성 마그네슘의 분해속도 제어방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling the decomposition rate of biodegradable magnesium and bio-degradable magnesium, and more specifically, crystallographic anisotropy or crystallographic orientation according to the crystal orientation of single crystal magnesium
  • the present invention relates to a method of controlling the rate of biodegradation of magnesium by using crystallographic anisotropy of polycrystalline magnesium including an aggregate, and to a method of controlling the rate of biodegradation by the method.
  • implants have been widely applied as a support for surgical purposes, for attachment or fixation of tissues or bones.
  • the implant remaining in the human body may cause a variety of complications in the human body, the implant may have to be removed through additional procedures after achieving the purpose.
  • the stent is a medical device that serves to allow the expanded blood vessel to maintain its shape so that the necessary blood flows in the blood vessel.
  • the metal surface of the treated stent induces coronary blood clots when maintained for a long time in vivo. Patients undergoing surgery are one cause of sudden death.
  • magnesium, iron, and tungsten have been proposed as biodegradable materials, and magnesium is the most suitable biodegradable material.
  • magnesium alloys have been used in some of fixing screws for bonding bones.
  • the biodegradation rate of the biodegradable material should proceed in proportion to the regeneration rate of the tissue, which is too fast to lose stability before the damaged tissue is repaired, thereby preventing the proper functioning of the medical device. If the decomposition rate is too slow, it causes the same complications as described above.
  • control of the decomposition rate of biodegradable magnesium corresponds to an essential factor in designing a medical device using biodegradable magnesium.
  • magnesium has the advantage of having a certain strength and easy molding, but because of its low corrosion resistance in vivo, dissolving too quickly has become a major cause of preventing application to various medical devices.
  • Korean Patent Publication No. 2010-0053480 discloses magnesium, Zr, Mo, Nb, Ta, Ti, Sr, Cr, Mn, Zn, Si, P, Ni, and Fe.
  • a method of improving the strength and corrosion resistance by adding an alloying element such as is proposed.
  • biodegradable magnesium cannot be used as an alloying element because it is to be applied in the human body, there is a certain limit in improving corrosion resistance or controlling the decomposition rate through alloying.
  • An object of the present invention is to provide a magnesium having a controlled rate of decomposition through control of crystallographic anisotropy in contact with a living body.
  • Another object of the present invention is to provide a method for controlling the decomposition rate of magnesium in vivo through the control of crystallographic anisotropy of the surface in contact with the living body.
  • the first aspect of the present invention for solving the above problems is to provide a biodegradable magnesium having a controlled biodegradation rate by controlling the atomic packing density of the surface in contact with the living body.
  • the magnesium may comprise pure magnesium or magnesium alloy.
  • the magnesium is made of a single crystal, the surface of the magnesium may be oriented in a specific crystal plane.
  • the magnesium may be made of polycrystal, and the magnesium may include a texture structure that is preferentially oriented to a specific crystal plane.
  • the magnesium alloy may be a solid solution alloy or a precipitation hardening alloy.
  • the magnesium alloy is at least one alloy element selected from Ca, Zn, Al, Sn, Mn, Si, Sr, Li, In, Ga, Ba, Ce, La, Nd, Gd, Y It may include.
  • the specific crystal plane may be (0001), (10-10), (2-1-10), or a crystal plane that is crystallographically the same as the crystal planes, or has a atomic filling density of 0.4 or more. have.
  • the second aspect of the present invention for solving the other problem is a method of controlling the biodegradation rate of magnesium, the control of the biodegradation rate of magnesium to control the biodegradation rate by controlling the atomic packing density of the surface in contact with the living body To provide a way.
  • the magnesium may comprise pure magnesium or a magnesium alloy.
  • the magnesium may be made of polycrystal, and the magnesium may include a texture structure that is preferentially oriented to a specific crystal plane.
  • the magnesium alloy may be a solid solution alloy or a precipitation hardening alloy.
  • the magnesium alloy is one or more alloying elements selected from Ca, Zn, Al, Sn, Mn, Si, Sr, Li, In, Ga, Ba, Ce, La, Nd, Gd, Y It may include.
  • the magnesium is made of a single crystal, the surface in contact with the living body, (0001), (10-10), (2-1-10), or a crystallographically identical surface to the crystalline surfaces, Or a crystal plane having an atomic filling density of 0.4 or more.
  • the specific crystal plane may be (0001), (10-10), (2-1-10), or a crystallographically same plane as the crystal planes, or a crystal plane having an atomic filling density of 0.4 or more. have.
  • the third aspect of the present invention for solving the another problem is an article made of magnesium according to the first aspect, the surface in contact with the living body in the article is characterized in that the orientation of the relatively slow decomposition rate is oriented It is to provide a biodegradable magnesium article.
  • the article may be medical.
  • the article may be an implant or stent.
  • the decomposition rate of magnesium can be controlled by processing the specific crystal surface of the magnesium single crystal toward the surface in contact with the living body.
  • the decomposition rate of magnesium can be controlled by forming an aggregate structure in the polycrystalline magnesium, and controlling the orientation plane and / or the degree of preferential orientation (ie, the degree of aggregation) of the aggregate structure. have.
  • FIG. 1 shows a state of the crystal plane according to the processing of magnesium according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram of the rotation angle and the resulting crystal surface of the 11 single crystal magnesium specimen prepared according to the embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a graph showing the results of the polarization test results of 11 single crystal magnesium specimens prepared according to the embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a graph showing the results of the potentiostatic test of eleven single crystal magnesium specimens prepared according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows the result of comparing the relative corrosion amount obtained through the potential test.
  • FIG. 7 shows the impedance spectrum in Nyquist Plot obtained from 3.5% NaCl solution of magnesium single crystal specimens after exposure to open circuit potential.
  • 8A to 8D show XPS test results of 11 single crystal magnesium specimens prepared according to the embodiment of the present invention.
  • the present inventors have studied to lower the corrosion rate of magnesium in vivo, and as a result, there is a significant difference in the degradation rate in vivo according to the atomic packing density of the surface in contact with the living body.
  • anisotropy using magnesium single crystal or polycrystalline magnesium having an aggregated structure preferentially oriented in a specific crystal direction, it is possible to control the crystal surface of the surface in contact with the living body to become a specific crystal surface or mainly to contact a specific crystal surface when processing magnesium.
  • the decomposition rate can be controlled to meet the needs, such as lowering or increasing the decomposition rate of magnesium in a living body, so that the present invention can be achieved.
  • magnesium includes magnesium alloy containing 20 wt% or less of alloying elements together with pure magnesium.
  • the alloying element is alloyed with magnesium to be contained in a component or content that is not harmful to the human body, preferably, Ca, Zn, Al, Sn, Mn, Si, Sr, Li, In, Ga, Ba, Ce, La , Nd, Gd, and may include one or more selected from Y.
  • the magnesium alloy is preferably a solid solution or a precipitation hardening alloy when alloyed with the alloying elements.
  • the crystallographic anisotropy of the magnesium can be obtained through single crystal magnesium, and such single crystal magnesium can be produced, for example, by the Bridgman method.
  • the decomposition rate of the surface of the processed medical device is different depending on the crystal plane by processing such that the surface contacting the living body becomes a specific crystal plane.
  • the crystal surface is (0001), (10-10), (2-1-10) or these and crystallographic As such, it is possible to make a surface having a high atomic packing density as in the same plane.
  • the crystal plane may be a surface having a low atomic packing density such as the (51-60) plane and the (21-30) plane.
  • the medical device to be manufactured by varying the crystallization direction of the surface in contact with the living body, it is possible to have a specific surface has a faster or slower decomposition rate than other surfaces.
  • the crystallographic anisotropy of the magnesium can be obtained through a polycrystalline magnesium having a structure preferentially oriented in a specific crystal direction, that is, a texture (texture), such magnesium is a plastic working process such as extrusion, rolling, drawing, forging It can be prepared as.
  • the decomposition rate of the surface of the processed medical device is It may vary depending on the type and / or the degree of orientation (ie, the degree of aggregation) of the preferentially oriented crystal plane of.
  • the crystal surface is oriented (0001), (10-10), (2-1-10) or Like the surfaces crystallographically identical to these, the atomic packing density can be made to be a high surface (low surface index) of 0.4 or more, preferably 0.5 or more, more preferably 0.7 or more.
  • the atomic packing density such as the (51-60) plane and the (21-30) plane is 0.2 or less, preferably 0.1 or less. It can be made low side (high side index).
  • the medical device processed to form a specific crystal surface of magnesium in accordance with the present invention may be a medical screw, endoprosthesis, medical bolt, medical plate, medical staple, medical tubular mesh, medical stent, medical coil.
  • a medical device processed so that a specific crystal surface of magnesium is formed on the surface may be an implant, and the implant may be, for example, an interbody spacer for bone, bone filler, bone plate ), Bone pins, bone screws, scaffolds and artificial roots.
  • the present inventors performed the following experiment to check the difference in corrosion characteristics according to the specific crystal plane of the single crystal magnesium.
  • pure magnesium (purity of 99.99 wt% or more, impurity Al: 0.006 wt%, Mn: 0.01 wt%, Si: 0.005 wt%, Fe: 0.004 wt%, Cu: 0.003 wt%) ingot
  • the ingot-filled graphite mold is placed in a cylindrical glass container and heated above the melting point.
  • magnesium or single crystals When descending from the furnace, magnesium or single crystals were produced using a so-called 'Vertical Bridgman' method, in which a nucleus is selectively nucleated in a specific orientation at a pointed or specific end of a cone or a specific shape.
  • the descending speed was 5 mm / h or less.
  • the crystallographic orientations of the prepared magnesium single crystals were measured using Laue back-reflection, and the single crystals were cut using a spark erosion machine to cut 11 crystals having various crystallographic orientations.
  • the specimen was prepared.
  • the 11 specimens were mechanically polished using SiC abrasive paper, and then annealed in a vacuum Pyrex tube to remove potentials generated during processing. Finally, oxides formed on the surface of the prepared specimens were CH 3 OH and HNO 3 was chemically removed using a mixed solution mixed at a volume ratio of 2: 1.
  • Figure 2 is a schematic diagram of the crystallographic orientation of the specimen, the details of the index of the surface corresponding to each rotation angle is shown in Table 1 below.
  • Atomic packing density (atom / ⁇ 2 ) (3 Index) (4 Index) One (0 0 1) (0 0 0 1) 0.00 0.9069 2 (1 0 3) (1 0 -1 3) 32.01 0.2561 3 (1 0 2) (1 0 -1 2) 43.16 0.3302 4 (1 0 1) (1 0 -1 1) 61.93 0.4255 5 (1 0 0) (1 0 -1 0) 90.00 0.4818 6 (5 1 0) (5 1 -6 0) 21.05 0.0865 7 (2 1 0) (2 1 -3 0) 10.89 0.1821 8 (1 1 0) (1 1 -2 0) 90.00 0.5563 9 (1 1 1) (1 1 -2 1) 72.95 0.2659 10 (1 1 2) (1 1 -2 2) 58.47 0.4742 11 (1 1 6) (1 1 -2 6) 28.52 0.2656
  • the eleven specimens thus prepared were immersed in a 3.5% NaCl aqueous solution to perform an electrochemical test.
  • the electrochemical test performed an electrochemical evaluation consisting of a coincidence polarization test and a potentiostatic test. At this time, the saturated calomel electrode and two pure graphite rods were used as the reference electrode and the counter electrode.
  • the coarse polarization test was performed using the EG & G PAR 263A potentiostat for measuring the DC current, and the specimen was placed in the solution for 1 hour to stabilize the open circuit potential before performing the coarse polarization test. Maintained.
  • the potential of the electrode was varied at a rate of 0.166 mV / s in the range from the initial potential of 250 mV to the final pitting potential. And the surface layer of the specimen subjected to the corrosion test was analyzed by using XPS after maintaining for 1 hour at the open circuit voltage.
  • FIG. 3 shows the coin polarization curves of magnesium single crystals having various crystallographic orientations
  • FIG. 4 shows the formula potentials obtained from the polarization curves of FIG. 3.
  • Fig. 5 shows the results of the potentiostatic test performed at the constant -1.57V SCE added constantly.
  • the potential applied is coincided with the formula potential of the (0001) plane, and in FIG.
  • Figure 6 shows the result of measuring the amount of corrosion corroded (corroded amount when the fully corroded state is 100) through the potential potential test. As confirmed in FIG. 6, the corrosion amount of specimen 1 is the smallest, and the corrosion amount of specimens 5, 8, and 10 is similarly small, and specimens 2, 6, and 7 are large.
  • the degree of corrosion shows a difference of about 7 times between the maximum value and the minimum value, and this difference controls the crystallographic direction of the crystal plane of the single crystal. This means that the corrosion rate in vivo can be controlled to a significant level.
  • FIG. 7 shows impedance spectra in a Nyquist Plot of magnesium single crystal specimens in 3.5% NaCl solution after exposure to open circuit potential.
  • the hollows on the semicircle are due to the inhomogeneity and roughness of the surface due to the formal corrosion of specimens 1-11.
  • the arc of the rotation angle 0 ° or 90 ° specimen in Figure 7 has a larger diameter than other specimens, which means that the formal resistance is large. That is, the 0 ° or 90 ° specimen means that the formation of the passivation film is promoted more than other specimens.
  • FIG. 8 shows the XPS analysis result of the specimen according to the embodiment of the present invention.
  • Figure 8a shows the XPS results of the 0 ° specimen, the peaks corresponding to Mg, Cl and O were detected in the surface film, Mg 2s peaks as confirmed in 8b is MgO and Mg (OH) 2 Mg Means to exist.
  • 8D also shows that the intensity of the O 1s peak decreases as the angle of the specimen increases from 0 ° to 32 ° and then increases as it increases to 90 °.
  • the intensity of the Mg peak was small in the 32 ° specimen
  • the intensity of the Cl peak was the highest in the 32 ° specimen.
  • the passivation film formed on the surface of magnesium is MgO / Mg (OH) 2 .
  • magnesium corrosion is MgCl 2 is produced as a result, the magnesium is dissolved through the pores present in the corrosion products of MgCl 2 Spread out.
  • This corrosion mechanism means that the effect of the degree of bonding on the corrosion resistance in magnesium oxides (MgO and Mg (OH) 2 ) formed on the surface of magnesium can be very large. In other words, as the passivation membrane stability increases, the adsorption of chlorine ions can be prevented and the corrosion resistance can be improved.
  • the present invention can be applied to the field of medical materials requiring biodegradability such as implants or stents.

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Abstract

본 발명은 생체 분해성 마그네슘과 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 생체 분해성 마그네슘은 원자충진밀도의 차이를 이용하여 생체 분해속도가 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

생체 분해성 마그네슘 및 생체 분해성 마그네슘의 분해속도 제어방법
본 발명은 생체 분해성 마그네슘과 생체 분해성(bio-degradable) 마그네슘의 분해속도를 제어하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단결정 마그네슘의 결정방위에 따른 결정학적 이방성(anistropy) 또는 특정 결정방향으로 배향된 집합조직을 포함하는 다결정 마그네슘의 결정학적 이방성을 이용하여 마그네슘의 생체 분해속도를 제어하는 방법과 이 방법에 의해 생체 분해속도가 제어된 마그네슘에 관한 것이다.
현대 의학 기술에서, 임플란트는 지지물로서 외과적 목적을 위하여, 조직 또는 뼈의 부착 또는 고정을 위하여 광범위하게 적용되고 있다. 그런데, 시술된 인체에 남아있는 임플란트는 인체에서 다양한 합병증을 유발할 수 있기 때문에, 시술된 임플란트는 목적을 달성한 후에는 추가적인 시술을 통해 제거해야 하는 번거로움이 있다.
또한, 스텐트는 확장된 혈관이 그 형상을 유지하여 필요한 혈액이 혈관 내에서 흐를 수 있게 해주는 역할을 하는 의료기기인데, 시술된 스텐트의 금속면은 생체 내에서 장기간 유지될 경우 관상 동맥 혈전을 유발하여 시술받은 환자가 돌연사하는 하나의 원인이 되고 있다.
이러한 이유로, 임플란트나 스텐트의 금속을 생체 분해성 재료로 만들고자 하는 많은 연구가 이루어져 왔고, 그 결과 폴리머계 재료, 세라믹계 재료 및 금속계 재료 등 다양한 재료로 이루어진 생체 분해성(biodegradable) 재료가 제안되었다.
그런데, 폴리유산(polylactic acids, PLA), 폴리글리콜산(polyglycolic acid, PGA), 또는 이들의 공중합체(copolymer)인 PLGA와 같은 고분자를 위주로 하는 생체 분해성 재료의 경우, 기계적 강도가 낮아 강한 하중을 받는 정형외과 분야나 치과 분야 임플란트에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 트리-칼슘-포스페이트(tri-calcium phosphate, TCP)와 같은 세라믹 재료의 경우, 특유의 취성으로 인해 내충격성이 떨어져 쉽게 파손되므로 생체 재료로 사용하기에는 안전성이 담보되지 않는 문제점이 있다.
이에 따라, 강도, 가공성, 연성과 함께 생체 분해성을 구비한 금속재료의 개발이 요구되고 있으며, 마그네슘, 철 및 텅스텐 등이 생체 분해성 재료로 제안되고 있고, 이 중에서도 특히 마그네슘이 가장 적합한 생체 분해성 재료로 주목받고 있으며, 최근에는 뼈의 접착을 위한 고정나사 등의 일부에 마그네슘 합금이 사용되기 시작하고 있다.
한편, 생체 분해성 재료의 생체 내 분해속도는 조직의 재생속도와 비례하여 진행되어야 하는데, 이는 분해속도가 너무 빨라 손상된 조직이 복구되기 전에 안정성을 상실하면 의료기기 본래의 기능을 제대로 수행하지 못하게 되고, 또 분해속도가 너무 느리면 전술한 합병증과 같은 문제점을 일으키기 때문이다.
따라서, 생체 분해성 마그네슘의 분해속도의 제어는 생체 분해성 마그네슘을 이용한 의료용 기기의 설계에 있어 필수적으로 고려해야 할 요소에 해당한다.
그런데, 마그네슘은 일정한 강도를 가지고 성형이 용이한 장점이 있으나, 생체 내에서 내식성이 낮아 지나치게 빨리 용해하는 점이 다양한 의료기기에의 적용을 막는 주원인이 되고 있다.
이러한 마그네슘의 분해속도를 제어하기 위한 방안으로, 대한민국 특허공개공보 제2010-0053480호에는 마그네슘에, Zr, Mo, Nb, Ta, Ti, Sr, Cr, Mn, Zn, Si, P, Ni 및 Fe와 같은 합금원소를 첨가하여 강도와 내식성을 향상시키는 방법이 제안되어 있다. 그런데, 생체분해성 마그네슘은 인체 내에 적용되어야 하는 관계로 인체에 유해한 성분을 합금원소로 사용할 수 없기 때문에, 합금화를 통한 내식성의 향상 내지 분해속도의 제어에는 일정한 한계가 있다.
또한, 대한민국 특허공개공보 제2010-0123428호에는, 생체에 노출된 마그네슘의 표면적을 조절하여, 생체 내에서 마그네슘의 분해반응으로 인해 생기는 생체 내 전해질의 pH 상승속도 및 하이드로옥사이드 이온(hydroxide ion)의 발생량의 차이를 통해, 마그네슘의 생체 내 분해속도를 제어하는 방법이 개시되어 있다. 그런데, 특허문헌 2의 방법은 주어진 마그네슘 재료가 갖는 분해속도를 기초로 표면적의 제어를 통해 분해속도를 증가시키는 등의 제어를 하는 것은 가능하나, 생체와 접촉하는 마그네슘 재료의 본질적(intrinsic)인 분해속도를 제어하는 것이 아니므로, 생체 내에서 조직의 복구 속도에 비해 지나치게 빠른 분해속도를 나타내어 분해속도 자체를 일정 수준 이상으로 낮추어야 하는 경우에는 적용하기 어려운 한계가 있다.
본 발명은 생체와 접촉하는 면의 결정학적 이방성의 제어를 통해 분해속도가 제어된 마그네슘을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명의 다른 과제는 생체와 접촉하는 면의 결정학적 이방성의 제어를 통해, 마그네슘의 생체 내 분해속도를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 결정학적 이방성의 제어를 통해 생체와 접촉하는 면의 분해속도가 제어된 마그네슘을 적용한 의료용 물품을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1측면은, 생체와 접하는 면의 원자충진밀도의 제어를 통해 생체 분해속도가 제어된 생체 분해성 마그네슘을 제공하는 것이다.
제1측면에 있어서, 상기 마그네슘은 순 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함할 수 있다.
제1측면에 있어서, 상기 마그네슘은 단결정으로 이루어지고, 상기 마그네슘의 표면은 특정 결정면으로 배향되어 있을 수 있다.
제1측면에 있어서, 상기 마그네슘은 다결정으로 이루어지고, 상기 마그네슘은 특정 결정면으로 우선배향되어 있는 집합조직(texture structure)을 포함할 수 있다.
제1측면에 있어서, 상기 마그네슘 합금은 고용체 합금 또는 석출경화형 합금일 수 있다.
제1측면에 있어서, 상기 마그네슘 합금은, Ca, Zn, Al, Sn, Mn, Si, Sr, Li, In, Ga, Ba, Ce, La, Nd, Gd, Y 중에서 선택된 1종 이상의 합금원소를 포함할 수 있다.
제1측면에 있어서, 상기 특정 결정면은 (0001), (10-10), (2-1-10), 또는 상기 결정면들과 결정학적으로 동일한 결정면이거나, 또는 원자충진밀도가 0.4 이상인 결정면일 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2측면은, 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법으로서, 생체와 접하는 면의 원자충진밀도의 제어를 통해 생체 분해속도를 제어하는 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법을 제공하는 것이다.
제2측면에 있어서, 상기 마그네슘은 순 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함할 수 있다.
제2측면에 있어서, 상기 마그네슘은 다결정으로 이루어지고, 상기 마그네슘은 특정 결정면으로 우선배향되어 있는 집합조직(texture structure)을 포함할 수 있다.
제2측면에 있어서, 상기 마그네슘 합금은 고용체 합금 또는 석출경화형 합금일 수 있다.
제2측면에 있어서, 상기 마그네슘 합금은, Ca, Zn, Al, Sn, Mn, Si, Sr, Li, In, Ga, Ba, Ce, La, Nd, Gd, Y 중에서 선택된 1종 이상의 합금원소를 포함할 수 있다.
제2측면에 있어서, 상기 마그네슘은 단결정으로 이루어지고, 상기 생체와 접하는 면은, (0001), (10-10), (2-1-10), 또는 상기 결정면들과 결정학적으로 동일한 면, 또는 원자충진밀도가 0.4 이상인 결정면일 수 있다.
제2측면에 있어서, 상기 특정 결정면은 (0001), (10-10), (2-1-10), 또는 상기 결정면들과 결정학적으로 동일한 면이거나, 또는 원자충진밀도가 0.4 이상인 결정면일 수 있다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제3측면은, 제1측면에 따른 마그네슘으로 이루어진 물품으로, 상기 물품에서 생체와 접촉하는 면은 분해속도가 상대적으로 느린 결정면으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 생체 분해성 마그네슘 물품을 제공하는 것이다.
제3측면에 있어서, 상기 물품은 의료용일 수 있다.
제3측면에 있어서, 상기 물품은 임플란트 또는 스텐트일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 마그네슘 단결정이 갖는 결정학적 이방성을 이용하여, 상기 마그네슘 단결정의 특정 결정면이 생체와 접하는 면을 향하도록 가공함으로써, 마그네슘의 분해속도를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 다결정 마그네슘에 집합조직을 형성하고, 상기 집합조직의 배향면 및/또는 우선배향정도(즉, 집합도)를 제어함으로써, 마그네슘의 분해속도를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마그네슘의 가공에 따른 결정면의 상태를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 11개의 단결정 마그네슘 시편의 회전각과 그에 따른 결정면에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 11개의 단결정 마그네슘 시편의 동전위 분극 시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 3의 분극 곡선으로부터 구한 공식전위를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 11개의 단결정 마그네슘 시편의 정전위 시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 정전위 시험을 통해 얻어진 상대 부식량을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 개방회로 전위에 노출한 후 마그네슘 단결정 시편의 3.5% NaCl용액에서 얻은 Nyquist Plot에서 임피던스 스펙트럼을 보여준다.
도 8a 내지 8d는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 11개의 단결정 마그네슘 시편의 XPS 시험결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명자들은 마그네슘의 생체 내 부식속도를 낮추기 위하여 연구한 결과, 생체와 접하는 면의 원자충진밀도(atomic packing density)에 따라 생체 내 분해속도의 차이가 상당히 있으므로, 마그네슘의 생체 내 분해속도의 결정학적 이방성을 이용하여, 마그네슘 단결정이나 특정 결정방향으로 우선배향된 집합조직을 갖는 다결정 마그네슘을 이용하여, 이 마그네슘을 가공할 때 생체와 접하는 면의 결정면을 특정한 결정면이 되거나 특정한 결정면이 주로 접하도록 제어할 경우, 생체 내의 마그네슘의 분해속도를 산업적으로 활용 가능할 정도로 낮추거나 높이는 등 필요에 맞게 분해속도를 제어할 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명에 있어서, '마그네슘'이란 순마그네슘과 함께, 합금원소를 20중량% 이하로 포함하는 마그네슘 합금을 포함한다.
상기 합금원소는 마그네슘에 합금화되었을 때 인체에 유해하지 않은 성분이나 함량으로 포함하도록 하며, 바람직하게는 Ca, Zn, Al, Sn, Mn, Si, Sr, Li, In, Ga, Ba, Ce, La, Nd, Gd, Y 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 마그네슘 합금은 상기 합금원소로 합금화되었을 때, 고용체이거나 석출경화형 합금인 것이 바람직하다.
상기 마그네슘의 결정학적 이방성은 단결정 마그네슘을 통해 얻을 수 있으며, 이러한 단결정 마그네슘은 예를 들어 Bridgman 방법으로 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 단결정 재료로 의료기기를 가공할 때 생체와 접하는 표면이 특정한 결정면이 되도록 가공함으로써 가공된 의료기기의 표면의 분해속도는 결정면에 따라 다르게 된다. 상기 단결정으로 의료기기를 가공함에 있어서 생체와 접하는 면의 분해속도를 낮게 유지하고자 할 경우, 결정면이 (0001)면, (10-10)면, (2-1-10)면 또는 이들과 결정학적으로 동일한 면과 같이 원자충진밀도(atomic packing density)가 높은 면이 되도록 할 수 있다. 반대로 생체와 접하는 면의 분해속도를 높게 유지하고자 할 경우, 결정면이 (51-60)면, (21-30)면과 같은 원자충진밀도(atomic packing density)가 낮은 면이 되도록 할 수 있다.
또한, 제작되는 의료기기에서 생체와 접하는 면의 결정방향을 다양하게 조절하여, 특정 면이 다른 면에 비해 빠르거나 느린 분해속도를 갖도록 할 수도 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 면에 면지수가 높은 면과 낮은 면이 교대로 반복되도록 조합함으로써, 분해속도의 세밀한 제어가 가능할 수도 있다.
또한, 상기 마그네슘의 결정학적 이방성은 특정 결정방향으로 우선배향된 조직, 즉 집합조직(texture)을 구비한 다결정 마그네슘을 통해 얻을 수 있으며, 이러한 마그네슘은 압출, 압연, 인발, 단조 등의 소성가공 공정으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 특정 결정면으로 우선배향이 이루어진 집합조직을 얻고 의료기기를 가공할 때 생체와 접하는 표면이 특정한 결정면이 되도록 가공함으로써 부여될 수 있으며, 이때 가공된 의료기기의 표면의 분해속도는 상기 집합조직의 우선배향된 결정면의 종류 및/또는 배향정도(즉, 집합도)에 따라 달라질 수 있다. 상기 다결정 마그네슘으로 의료기기를 가공함에 있어서 생체와 접하는 면의 분해속도를 낮게 유지하고자 할 경우, 우선배향되는 결정면이 (0001)면, (10-10)면, (2-1-10)면 또는 이들과 결정학적으로 동일한 면과 같이 원자충진밀도(atomic packing density)가 0.4 이상, 바람직하게는 0.5 이상, 보다 바람직하게는 0.7 이상으로 높은 면(면지수가 낮은 면)이 되도록 할 수 있다. 반대로 생체와 접하는 면의 분해속도를 높게 유지하고자 할 경우, 결정면이 (51-60)면, (21-30)면과 같은 원자충진밀도(atomic packing density)가 0.2 이하, 바람직하게는 0.1 이하로 낮은 면(면지수가 높은 면)이 되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 마그네슘의 특정 결정면이 표면에 형성되도록 가공된 의료기기는, 의료용 나사, 관내인공삽입물, 의료용 볼트, 의료용 플레이트, 의료용 스테이플, 의료용 관형 메시, 의료용 스텐트, 의료용 코일일 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 마그네슘의 특정 결정면이 표면에 형성되도록 가공된 의료기기는 임플란트일 수 있으며, 상기 임플란트로는 예를 들어 척추용 인터바디 스페이서, 본 필러(bone filler), 본 플레이트(bone plate), 본 핀(bone pin), 본 스크류(bone screw), 스캐폴드(scaffold) 및 인공치근 등이 있을 수 있다.
본 발명자들은 단결정 마그네슘의 특정 결정면에 따른 부식특성의 차이에 대해 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
먼저, 순 마그네슘(순도 99.99중량% 이상 순도, 불순물 Al: 0.006중량%, Mn: 0.01중량%, Si: 0.005중량%, Fe: 0.004중량%, Cu: 0.003중량%) 잉곳(ingot)을 한 쪽 끝이 원뿔 또는 특정한 형상을 갖는 그라파이트 몰드에 넣고, 상기 몰드를 수직 저항로에 장입한 후, 분위기와 차단된 환경에서, 상기 잉곳이 장입된 그라파이트 몰드를 원통형 유리용기에 넣고 용융점 이상으로 가열한 후 로내로부터 하강시키면 원뿔 또는 특정한 형태의 뾰족하거나 특정한 끝 부분에서 선택적으로 특정 방위로 핵생성이 되어 그것이 결정 전체로 성장하여 단결정으로 성장되는 소위 '수직 Bridgman법'을 이용하여 마그네슘 단결정을 제작하였으며, 이때 하강속도는 5mm/h 이하로 하였다.
이어서 제작한 마그네슘 단결정의 결정학적 방위를 라우에 후방반사법(Laue back-reflection)을 사용하여 측정하고, 스파크 침식기(spark erosion machine)를 사용하여 상기 단결정을 절단하여 다양한 결정학적 방위를 갖는 11개의 시편을 준비하였다.
그리고 준비한 11개의 시편은 SiC 연마지를 사용하여 기계적으로 연마한 후, 진공 파이렉스관에서 어닐링하여 가공과정에 생성된 전위가 제거되도록 하였으며, 마지막으로, 제작한 시편의 표면에 형성된 산화물을 CH3OH 및 HNO3를 부피비로 2:1로 혼합한 혼합용액을 사용하여 화학적으로 제거하였다.
그리고, 부식거동에 대한 결정학적 방위의 영향을 확인하기 위하여, [0001] 방향에서 [10-10] 또는 [2-1-10] 방향으로, 상기 방향에 수직한 면을 갖는 11개의 시편을 준비하였다.
도 2는 시편의 결정학적 방위에 대한 개략도이고, 각 회전각에 상응하는 표면의 지수에 대한 상세한 내용은 하기 표 1에 나타내었다.
번호 절단면면지수 절단면면지수 회전각(°) 원자충진밀도(atom/Å2)
(3 Index) (4 Index)
1 (0 0 1) (0 0 0 1) 0.00 0.9069
2 (1 0 3) (1 0 -1 3) 32.01 0.2561
3 (1 0 2) (1 0 -1 2) 43.16 0.3302
4 (1 0 1) (1 0 -1 1) 61.93 0.4255
5 (1 0 0) (1 0 -1 0) 90.00 0.4818
6 (5 1 0) (5 1 -6 0) 21.05 0.0865
7 (2 1 0) (2 1 -3 0) 10.89 0.1821
8 (1 1 0) (1 1 -2 0) 90.00 0.5563
9 (1 1 1) (1 1 -2 1) 72.95 0.2659
10 (1 1 2) (1 1 -2 2) 58.47 0.4742
11 (1 1 6) (1 1 -2 6) 28.52 0.2656
이와 같이 준비된 11개의 시편을 3.5% NaCl 수용액에 침지시켜 전기화학적 테스트를 수행하였다.
전기화학적 테스트는 동전위 분극 시험 및 정전위 시험으로 구성된 전기화학적 평가를 수행하였다. 이때, 포화 칼로멜 전극과 2개의 순수 흑연봉을 기준전극 및 상대전극으로 사용하였다.
구체적으로, 직류전류 측정용으로 EG&G PAR 263A 포텐쇼스탯(potentiostat)을 사용하여 동전위 분극시험을 수행하였고, 동전위 분극시험을 수행하기 전에 개방회로 전위를 안정화하기 위하여 시편을 1시간 동안 용액 내에 유지하였다.
전극의 전위는 초기전위 250mV로부터 최종 공식전위(pitting potential)까지의 범위에서 0.166mV/s의 속도로 변화되었다. 그리고 부식시험을 수행한 시편의 표면층에 대해서는 개방회로전압에서 1시간 동안 유지한 후 XPS를 사용하여 분석하였다.
도 3은 다양한 결정학적 방위를 갖는 마그네슘 단결정의 동전위 분극 곡선을 나타낸 것이고, 도 4는 도 3의 분극 곡선으로부터 구한 공식전위를 나타낸 것이다.
도 3에서 확인되는 바와 같이, 3.5% NaCl 수용액에 침지된 모든 결정학적 방위 시편에서 공식(pitting)이 발생하였다.
동전위 분극 시험 결과는 최초 (0001)면에서부터 회전각이 32로 증가함에 따라, 피팅전위는 -1.57VSCE에서 -1.63VSCE로 감소하는 경향을 나타내다가, (10-10)면인 회전각이 90°로 증가하면서 상기 피팅전위는 -1.60VSCE로 증가하는 경향을 나타낸다. 그리고 이와 같은 피팅전위의 변화는 상기 표 1의 원자충진밀도의 변화와 거의 일치하는 경향성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 공식전위의 변화는, 마그네슘 표면의 결정학적 방위를 제어할 경우, 마그네슘 표면의 공식 저항성을 다양한 값으로 제어할 수 있음을 의미한다.
다음으로, 부식특성에 대한 결정학적 방위의 영향을 추가적으로 검증하기 위하여 정전위 측정을 수행하였다. 도 5는 일정하게 부가한 전위 -1.57VSCE에서 행해진 정전위 시험 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 정전위 시험에서 가한 전위는 (0001)면의 공식전위에 일치시켰으며, 도 5에서 시간에 대한 전류밀도의 변화는 공식의 시작 및 전파와 연관성이 있다.
도 5에서 확인되는 바와 같이, 정전위 시험에서도 공식 저항성이 (0001)면에서 가장 높고, 회전각이 0°에서 32°로 증가함에 따라 공식 저항성이 감소하고, 90°로 회전각이 증가함에 따라 증가하였다.
이와 같이 회전각이 증가함에 따라 부식량이 증가하다가 90°로 회전각이 더 증가함에 따라 부식량이 감소하는 것은, 동전위 분극 시험 결과와 동일한 경향을 나타내며, 이와 같은 결과는 각 시편의 표면에 형성된 막의 안정성에 차이가 생기는 것에 기인하는 것으로 판단되며, 이로 인해 단결정의 내부식 성능의 차이가 발생한다.
도 6은 정전위 시험을 통해 부식된 부식량(완전 부식된 상태를 100이라고 할 때 부식된 양)을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 6에서 확인된 바와 같이, 시편 1의 부식량이 가장 적고, 다음으로 시편 5, 8 및 10의 부식량은 비슷하게 적으며, 시편 2, 6, 7은 부식량이 큼을 알 수 있다.
이와 같은 결과는, 0°, 90° 또는 이와 인접한 면에서 생성된 막이 염소 이온의 침입을 효과적으로 막는 경향이 있음을 의미한다.
또한, 도 6에서 확인되는 바와 같이, 부식량의 측면에서 볼 때, 부식 정도는 최대 값과 최소 값에서 약 7배 정도의 차이를 나타내며, 이와 같은 차이는 단결정의 결정면의 결정학적 방향의 제어를 통해, 생체 내에서의 부식속도를 상당한 수준으로 제어할 수 있음을 의미한다.
도 7은 개방회로 전위에 노출한 후 마그네슘 단결정 시편을 3.5% NaCl용액에서 얻은 Nyquist Plot에서 임피던스 스펙트럼을 보여준다.
도 7에서 반원형 상에 파인 부분은 표면의 비균질성 및 조도(roughness)에 기인하는데, 이는 시편 1~11의 공식 부식에 의한 것이다. 또한, 도 7에서 회전각 0° 또는 90° 시편의 아크는 다른 시편에 비해 그 직경이 큰데, 이는 공식 저항성이 큰 것을 의미한다. 즉, 0° 또는 90° 시편은 다른 시편에 비해 부동태막의 형성이 보다 촉진되고 있음을 의미한다.
개방회로 전위로 1시간 동안의 노출 후 XPS로 표면막의 화학조성을 분석하였으며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 시편의 XPS 분석결과를 나타낸 것이다.
도 8a는 0° 시편의 XPS 결과를 나타낸 것인데, 표면막에서는 Mg, Cl 및 O에 대응하는 피크가 검출되었고, 8b에서 확인되는 바와 같은 Mg 2s 피크는 표면막의 마그네슘이 MgO 및 Mg(OH)2로 존재함을 의미한다. 또한, 도 8d는 O 1s 피크의 강도(intensity)는 시편의 각도가 0°에서 32°로 증가함에 따라 감소하다가, 90°로 증가함에 따라 증가하는 것을 보여준다. 또한, Mg 피크의 강도는 32°시편에서 작고, Cl 피크의 강도는 32°시편에서 가장 높았다.
이상과 같은 XPS 분석결과, 마그네슘의 표면에 형성된 부동태막은 MgO/Mg(OH)2임을 알 수 있다.
한편, NaCl 3.5% 용액에 마그네슘 시편을 침지시키면, 염소 이온이 수산화물 막에 침투하면서 마그네슘이 부식되게 되며 그 결과로 MgCl2가 생성되고, 부식 생성물인 MgCl2에 존재하는 기공을 통해 마그네슘이 용해되고 외부로 확산된다. 이러한 부식 기구는 마그네슘의 표면에 형성되는 마그네슘 산화물(MgO 및 Mg(OH)2)에서 결합의 정도가 내식성에 미치는 영향이 매우 클 수 있음을 의미한다. 다시 말해, 부동태막의 안정성이 증가할수록 염소 이온의 흡착을 막고 내식성이 향상될 수 있는 것이다.
상기한 동전위 분극 시험과 정전위 시험의 결과는 상기 표 1의 절단면의 원자충진밀도와 매우 밀접한 상관관계를 가짐을 알 수 있다. 즉, 원자충진밀도가 높은 시편 1, 5, 8 및 10은 부식속도가 상대적으로 낮고, 원자충진밀도가 낮은 시편 2, 6 및 7은 부식속도가 상대적으로 빠르다.
이는, 결정학적 방위가 상이한 단결정 시편에서 XPS 스펙트럼의 Cl 피크의 강도에서 확인되는데, 원자충진밀도가 낮은 시편들에서 Cl 피크의 강도가 높게 나타나며, 이는 염소 이온의 쉽게 침투하였음을 의미한다.
이상과 같은 결과로부터, 원자충진밀도가 낮은 면(높은 면지수)으로 가공된 표면의 경우 원자 간의 간격이 커서 금속-금속 결합 또는 표면상에 형성되는 부식 생성물을 효과적으로 차단하기 어렵고, 이에 비해 0°또는 90°시편과 같이 원자충진밀도가 높은 면(낮은 면지수)로 가공된 표면의 경우 원자 간의 간격이 좁아서 보다 내식성이 우수한 부동태막을 형성함을 의미한다.
본 발명은 임플란트나 스텐트와 같이 생체분해성이 요구되는 의료용 재료 분야에 적용할 수 있다.

Claims (17)

  1. 생체와 접하는 면의 원자충진밀도의 제어를 통해 생체 분해속도가 제어된 생체 분해성 마그네슘.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마그네슘은 순 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생체 분해성 마그네슘.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마그네슘은 다결정으로 이루어지고, 상기 마그네슘은 특정 결정면으로 우선배향되어 있는 집합조직(texture structure)을 포함하는 생체 분해성 마그네슘.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금은 고용체 합금 또는 석출경화형 합금인 생체 분해성 마그네슘.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금은, Ca, Zn, Al, Sn, Mn, Si, Sr, Li, In, Ga, Ba, Ce, La, Nd, Gd, Y 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 생체 분해성 마그네슘.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마그네슘은 단결정으로 이루어지고 상기 생체와 접하는 면은, (0001), (10-10), (2-1-10), 또는 상기 결정면들과 결정학적으로 동일한 결정면, 또는 원자충진밀도가 0.4 이상인 결정면인 생체 분해성 마그네슘.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 특정 결정면은 (0001), (10-10), (2-1-10), 또는 상기 결정면들과 결정학적으로 동일한 결정면, 또는 원자충진밀도가 0.4 이상인 결정면인 생체 분해성 마그네슘.
  8. 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법으로서,
    생체와 접하는 면의 원자충진밀도의 제어를 통해 생체 분해속도를 제어하는 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 마그네슘은 순 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 마그네슘은 다결정으로 이루어지고, 상기 마그네슘은 특정 결정면으로 우선배향되어 있는 집합조직(texture structure)을 포함하는 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금은 고용체 합금 또는 석출경화형 합금인 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금은, Ca, Zn, Al, Sn, Mn, Si, Sr, Li, In, Ga, Ba, Ce, La, Nd, Gd, Y 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 마그네슘은 단결정으로 이루어지고, 상기 생체와 접하는 면은, (0001), (10-10), (2-1-10), 또는 상기 결정면들과 결정학적으로 동일한 면, 또는 원자충진밀도가 0.4 이상인 결정면인 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 특정 결정면은 (0001), (10-10), (2-1-10), 또는 상기 결정면들과 결정학적으로 동일한 면, 또는 원자충진밀도가 0.4 이상인 결정면인 마그네슘의 생체 분해속도의 제어방법.
  15. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 마그네슘으로 이루어진 물품으로,
    상기 물품에서 생체와 접촉하는 면은 상기 특정 결정면의 원자충진밀도(atomic packing density)를 제어함으로써 분해속도가 상대적으로 느린 결정면으로 배향되어 있는 생체 분해성 마그네슘 물품.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 물품은 의료용인 생체 분해성 마그네슘 물품.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 물품은 임플란트 또는 스텐트인 생체 분해성 마그네슘 물품.
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