WO2016167476A1 - 마이크로-나노 복합구조의 표면을 갖는 임플란트 및 임플란트의 표면처리방법 - Google Patents

마이크로-나노 복합구조의 표면을 갖는 임플란트 및 임플란트의 표면처리방법 Download PDF

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WO2016167476A1
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implant
micro
sized
grooves
acid
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PCT/KR2016/002503
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Inventor
임형진
최홍영
엄태관
Original Assignee
오스템임플란트 주식회사
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C8/00—Means to be fixed to the jaw-bone for consolidating natural teeth or for fixing dental prostheses thereon; Dental implants; Implanting tools

Definitions

  • an implant having a surface of a micro-nano composite structure and a method for surface treatment of an implant More specifically, an implant and a method for surface treatment of an implant having a micro-nano composite structure surface comprising a micro-sized groove and a plurality of nano-sized grooves formed therein are disclosed.
  • various methods are used to coat the surface of the implant with calcium phosphate, an inorganic component similar to human bone, so that the bone adheres better to the implant.
  • the surface of the implant is applied by applying a grinding process and an acid etching method, thereby increasing the surface area of the implant, which is common to many implant manufacturing companies. It is one of the surface treatment methods to be applied.
  • One embodiment of the present invention provides an implant having a surface of a micro-nano composite structure comprising a micro-sized groove and a plurality of nano-sized grooves formed therein.
  • Another embodiment of the present invention provides a surface treatment method of the implant.
  • micro-sized groove a surface comprising a plurality of nano-sized grooves formed in the micro-sized grooves.
  • the micro-sized groove includes a first micro-sized groove and a second micro-sized groove formed in the first micro-sized groove, wherein the plurality of nano-sized grooves are formed in the second micro-sized groove. Can be.
  • micro-sized grooves and the plurality of nano-sized grooves may each be spherical recesses.
  • the plurality of nano-sized grooves may form a honeycomb-like structure.
  • the micro-sized groove may have a maximum width of 1 to 200 ⁇ m and a maximum depth of 0.2 to 50 ⁇ m, and the plurality of nano-size grooves may have a maximum width of 30 to 100 nm and a maximum depth of 10 to 100 nm.
  • the first micro-sized groove has a maximum width of 10 to 200 ⁇ m and a maximum depth of 1 to 50 ⁇ m
  • the second micro-sized groove has a maximum width of 1 to 5 ⁇ m and a maximum depth of 0.2 to 2.5 ⁇ m.
  • the implant may be a metal implant.
  • the metal implant may be an implant made of titanium.
  • the metal implant may not include a surface oxide layer other than the native oxide layer.
  • Another aspect of the present invention comprises the steps of: abrasive blasting the surface of an untreated implant using abrasive grains; Etching the surface of the polished implant with an acid; And electroetching the surface of the acid etched implant.
  • the electrolytic etching may be performed by applying a voltage of 20V or less for a time of 120 seconds or less while the surface of the acid-etched implant is immersed in an electrolyte solution.
  • the electrolyte solution may include hydrofluoric acid, sulfuric acid, or a combination thereof.
  • the method for treating the surface of the implant may further include cleaning the surface of the electroetched implant and drying the surface of the cleaned implant after the electroetching.
  • Implant comprising a surface having a micro-nano composite structure according to an embodiment of the present invention has a surface similar to natural bone to promote ossification at the surface when implanted in the living tissue and improve the fixing force with the formed bone You can.
  • 1 is a schematic view of the surface of a conventional implant.
  • FIG. 2 is a schematic view of the surface of the implant according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the implant surface according to Comparative Example 1.
  • SEM scanning electron microscope
  • FIG. 3B is an SEM photograph of the implant surface according to Example 1.
  • FIG. 4A is an enlarged SEM photograph of FIG. 3A.
  • FIG. 4B is an enlarged SEM photograph of FIG. 3B.
  • FIG. 5A is an XPS spectrum of an implant surface according to Comparative Example 1.
  • FIG. 5B is an XPS spectrum of the implant surface according to Example 1.
  • FIG. 6 is a graph showing the differentiation ability of bone-like cells on the implant surface prepared in Comparative Example 1 and Example 1.
  • Example 7 is a graph showing the interfacial bone binding force of the implants prepared in Comparative Example 1 and Example 1.
  • the conventional implant may include a groove Co of a first micro size and a groove Ro of a second micro size formed in the groove Co.
  • an implant according to an embodiment of the present invention includes micro-sized grooves R 0 and C 0 and a plurality of nano-sized grooves formed in the micro-sized grooves R 0 and C 0 . can do.
  • the implant according to the embodiment of the present invention includes not only micro-sized grooves but also a plurality of nano-sized grooves, similar to natural bone, and thus, The high rate of bone fusion can reduce the failure rate and shorten the procedure time after the implant procedure.
  • the micro-sized grooves R 0 and C 0 may include a first micro-sized groove C 0 and a second micro-sized groove R 0 formed in the first micro-sized groove C 0 . Can be.
  • the plurality of nano-sized grooves may be formed in the second micro-sized groove R 0 .
  • micro-sized grooves R 0 and C 0 and the plurality of nano-sized grooves may be spherical recesses, respectively.
  • honeycomb-like structure means a honeycomb structure formed in a spherical groove as a structure similar to the honeycomb structure formed on a flat plate.
  • the micro-sized grooves R 0 and C 0 may have a maximum width of 1 to 200 ⁇ m and a maximum depth of 0.2 to 50 ⁇ m.
  • the first micro-sized groove C 0 may have a maximum width of 10 to 200 ⁇ m and a maximum depth of 1 to 50 ⁇ m.
  • the second micro-sized groove R 0 may have a maximum width of 1 to 5 ⁇ m and a maximum depth of 0.2 to 2.5 ⁇ m.
  • the plurality of nano-sized grooves may have a maximum width of 30 to 100 nm and a maximum depth of 10 to 100 nm.
  • the implant is a natural bone.
  • having a surface structure similar to that of bone fusion at the surface of the implant is improved, it is possible to reduce the failure rate and the procedure time after the implant procedure.
  • the implant may be a metal implant.
  • the metal implant may be an implant made of titanium.
  • implant of a titanium-based material means an implant having a surface containing titanium, for example, an implant having a surface made of pure titanium or an alloy of titanium and other metals on the periodic table.
  • the metal implant may not include a surface oxide layer other than the native oxide layer.
  • the "natural oxide layer” means a layer having a thickness of less than 8 nm as a layer formed by contacting the surface of the metal implant with oxygen in the atmosphere
  • the "surface oxide layer other than the natural oxide layer” means the surface of the metal implant.
  • the layer formed by contact with this artificially injected oxygen or oxygen-containing material means a layer except for the natural oxide layer in the entire oxide layer.
  • the surface treatment method of an implant comprises the steps of abrasive blasting the surface of the untreated implant using abrasive grains (abrasive grain), etching the surface of the polished implant with an acid And electroetching the surface of the acid etched implant.
  • the grinding may provide a first micro-sized groove C 0 as shown in FIG. 1 on the surface of the implant.
  • the abrasive particles may comprise alumina.
  • the alumina may be corundum.
  • Etching with the acid may provide a second micro-sized groove R 0 as shown in FIG. 1 to the surface of the polished implant.
  • the acid may comprise hydrochloric acid, sulfuric acid or a combination thereof.
  • acid may be acid itself, or may be an acidic aqueous solution.
  • the acid may be a mixed solution of hydrochloric acid and sulfuric acid.
  • the acid may be an acidic aqueous solution containing 5 M or more of hydrochloric acid (HCl) and 1 M or more of sulfuric acid (H 2 SO 4 ).
  • the electrolytic etching may provide a plurality of nano-sized grooves as shown in FIG. 1 on the surface of the acid etched implant.
  • the implant surface obtained by the surface treatment method of the implant may not include a surface oxide layer other than the natural oxide layer.
  • a voltage of 20 V or less is 120 seconds or less (for example, 50 to 120 seconds) while the surface of the acid-etched implant is immersed in an electrolyte solution.
  • the step of electrolytic etching is an electrochemical cell prepared by connecting the surface of the implant etched with acid to the anode, the same metal as the metal forming the implant surface to the cathode and filling the electrolyte therein It can be performed in.
  • the electrolyte solution may include hydrofluoric acid, sulfuric acid, or a combination thereof.
  • the method for treating the surface of the implant may further include cleaning the surface of the electroetched implant and drying the surface of the cleaned implant after the electroetching.
  • the cleaning step may be performed by immersing the electroetched implant in an alcohol such as ethanol, water such as deionized water, and / or a mixture thereof, followed by stirring and / or ultrasonic irradiation.
  • an alcohol such as ethanol
  • water such as deionized water
  • ultrasonic irradiation may be performed by stirring and / or ultrasonic irradiation.
  • the drying step may be performed for 1 to 100 hours (eg, 24 hours) at 30 to 100 ° C (eg, 55 ° C).
  • Titanium implants (self-made) having an untreated surface were polished for 0.5 minutes with fine corundum having an average particle diameter of 0.1 mm.
  • an implant surface having a groove C 0 having a first micro size (maximum width: 10 to 200 ⁇ m, maximum depth: 1 to 50 ⁇ m) as shown in FIG. 1 was obtained.
  • the surface of the implant was etched by immersing the polished implant in an acid at room temperature (about 25 ° C.) for 1.5 minutes.
  • the acid was a mixture of 4 parts by weight of 50% by weight hydrofluoric acid, 20 parts by weight of 60% by weight nitric acid and 76 parts by weight of water.
  • an implant surface having a groove R 0 having a second micro size (maximum width: 1 to 5 mu m, maximum depth: 0.2 to 2.5 mu m) as shown in FIG. 1 was obtained.
  • the surface of the implant etched with acid is connected to the anode, the titanium of the same material as the titanium forming the implant surface is connected to the cathode, and the mixture of the electrolyte solution (0.5M hydrofluoric acid and 0.5M sulfuric acid) is filled therein
  • An electrochemical cell was prepared. Thereafter, a voltage of 20 V was applied to the electrochemical cell for 120 seconds. As a result, an implant surface with a plurality of nano-size grooves (maximum width: 30-100 nm maximum depth: 10-100 nm) as shown in FIG. 2 was obtained.
  • the electroetched implant was immersed in deionized water for 20 seconds. Thereafter, the implant was immersed in 100% by weight of ethanol, and then irradiated with ultrasound for 10 minutes. Thereafter, the implant was immersed in deionized water and then ultrasonically irradiated for 10 minutes. After repeating this procedure three more times, the implant was removed from the deionized water and dried using an air gun.
  • FIGS. 3A to 4B The surfaces of the implants obtained in Comparative Examples 1 and 1 were photographed with a scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in FIGS. 3A to 4B.
  • FIG. 3A is a SEM photograph of 5,000 magnification of the implant surface prepared in Comparative Example 1
  • FIG. 3B is a SEM photograph of 5,000 magnification of the implant surface prepared in Example 1
  • FIG. 4A is prepared in Comparative Example 1
  • Figure 4b is a SEM photograph of 100,000 magnification of the implant surface prepared in Example 1.
  • the implant prepared in Comparative Example 1 includes a first micro-sized groove and a second micro-sized groove as shown in FIG. 1, but a plurality of implants as shown in FIG. 2. It does not appear to contain nanoscale grooves.
  • the implant manufactured in Example 1 may include a plurality of first micro-sized grooves and a second micro-sized groove as shown in FIG. 1, as well as a plurality of implants as shown in FIG. 2. It has also been shown to include nano-sized grooves.
  • FIGS. 5A and 5B The surfaces of the implants obtained in Comparative Examples 1 and 1 were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the results are shown in FIGS. 5A and 5B.
  • FIG. 5A is an XPS spectrum of the implant surface prepared in Comparative Example 1
  • FIG. 5B is an XPS spectrum of the implant surface prepared in Example 1.
  • the XPS spectrum of the surface of the implant obtained in Example 1 is almost the same characteristic peaks as the XPS spectrum of the surface of the implant obtained in Comparative Example 1 (eg, the oxygen peak and titanium of the natural oxide layer). Peaks). From this result, it can be confirmed that the surface oxide layer other than the natural oxide layer was not formed on the surface of the implant obtained in Example 1.
  • osteomyocytes (MG63) were seeded on each of the six surface-treated titanium disks, and 0.1 ⁇ M of dexamethasone, 10 mM ⁇ -glycerol phosphate, and 50 ⁇ g / ml of ascorbic acid were seeded to induce differentiation into osteoblasts.
  • alkaline phosphatase (ALP) activity was measured with paranitrophenol, and the average values are shown in FIG. 6.
  • the unit of ALP activity is the molar concentration (M) of paranitrophenol per 20 micrograms of protein components.
  • the 20 surface-treated implants were implanted by applying a torque of 1 Nm to 20 rabbit tibia. Then, after 14 days, the torque required to remove the implant from each rabbit tibia was measured, and the average of each is shown in FIG. 7.
  • 10 implants surface-treated in the same manner as in Example 1 had an average interfacial bone bonding force (ie, implant surface) compared to 10 implants surface-treated in the same manner as in Comparative Example 1 To the binding force of the bone formed on the surface.
  • an average interfacial bone bonding force ie, implant surface

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Abstract

마이크로-나노 복합구조의 표면을 갖는 임플란트 및 임플란트의 표면처리방법이 개시된다. 개시된 마이크로-나노 복합구조의 표면을 갖는 임플란트는 마이크로 크기의 홈 및 상기 마이크로 크기의 홈내에 형성된 복수의 나노크기의 홈을 포함하는 표면을 갖는다.

Description

마이크로-나노 복합구조의 표면을 갖는 임플란트 및 임플란트의 표면처리방법
마이크로-나노 복합구조의 표면을 갖는 임플란트 및 임플란트의 표면처리방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 마이크로 크기의 홈 및 그의 내부에 형성된 복수의 나노크기의 홈을 포함하는 마이크로-나노 복합구조의 표면을 갖는 임플란트 및 임플란트의 표면처리방법이 개시된다.
본 출원은 2015년 4월 15일 출원된 한국특허출원 제10-2015-0053146호에 대한 우선권 주장을 수반하며, 그 전체 내용이 참조로 본 명세서에 통합된다.
생체에 적용하는 치과용 임플란트는 시술의 실패율을 낮추고 뼈와의 고정력을 높일 수 있는 방향으로 개발되어 왔다.
일반적으로 임플란트를 나선형으로 디자인함으로써 상기 임플란트를 뼈에 기계적으로 강하게 고정시키는 방법이 사용되고 있다.
또한, 임플란트의 표면에 인체 뼈와 유사한 무기물 성분인 인산칼슘을 코팅하여 뼈가 임플란트에 더 잘 붙어 있게 하는 다양한 방법들도 사용되고 있다.
이외에도, 임플란트와 뼈의 강한 고정력을 얻기 위해서 임플란트의 표면에 연마가공과 산 에칭 방법을 적용하여 임플란트의 표면에 거칠기(roughness)를 부여하고, 이로써 임플란트의 표면적을 넓히는 방법도 많은 임플란트 제조 회사에서 공통적으로 적용하는 표면 처리방법 중의 하나이다.
그러나, 아직까지 임플란트와 뼈의 고정력을 만족할만한 수준까지 향상시킬 수 있는 임플란트의 표면 처리방법은 개발되어 있지 않은 실정이다.
본 발명의 일 구현예는 마이크로 크기의 홈 및 그의 내부에 형성된 복수의 나노크기의 홈을 포함하는 마이크로-나노 복합구조의 표면을 갖는 임플란트를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 임플란트의 표면처리방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은, 마이크로 크기의 홈; 및 상기 마이크로 크기의 홈내에 형성된 복수의 나노크기의 홈을 포함하는 표면을 갖는 임플란트를 제공한다.
상기 마이크로 크기의 홈은 제1 마이크로 크기의 홈 및 상기 제1 마이크로 크기의 홈내에 형성된 제2 마이크로 크기의 홈을 포함하고, 상기 복수의 나노크기의 홈은 상기 제2 마이크로 크기의 홈내에 형성된 것일 수 있다.
상기 마이크로 크기의 홈 및 상기 복수의 나노크기의 홈은 각각 구형 홈(spherical recess)일 수 있다.
상기 복수의 나노크기의 홈은 벌집 유사 구조를 형성할 수 있다.
상기 마이크로 크기의 홈은 1~200㎛의 최대 폭 및 0.2~50㎛의 최대 깊이를 가지며, 상기 복수의 나노크기의 홈은 30~100nm의 최대 폭 및 10~100nm의 최대 깊이를 가질 수 있다.
상기 제1 마이크로 크기의 홈은 10~200㎛의 최대 폭 및 1~50㎛의 최대 깊이를 가지며, 상기 제2 마이크로 크기의 홈은 1~5㎛의 최대 폭 및 0.2~2.5㎛의 최대 깊이를 가질 수 있다.
상기 임플란트는 금속 임플란트일 수 있다.
상기 금속 임플란트는 티타늄계 소재의 임플란트일 수 있다.
상기 금속 임플란트는 자연 산화층이 아닌 표면 산화층을 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 미처리된 임플란트의 표면을 연마입자(abrasive grain)를 사용하여 연마가공(abrasive blasting)하는 단계; 상기 연마가공된 임플란트의 표면을 산으로 에칭하는 단계; 및 상기 산으로 에칭된 임플란트의 표면을 전해 에칭하는(electroetching) 단계를 포함하는 임플란트의 표면처리방법을 제공한다.
상기 전해 에칭은 상기 산으로 에칭된 임플란트의 표면을 전해액에 침지시킨 상태에서 20V 이하의 전압을 120초 이하의 시간 동안 인가함으로써 수행될 수 있다.
상기 전해액은 불산, 황산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 임플란트의 표면처리방법은 상기 전해 에칭하는 단계 이후에 상기 전해 에칭된 임플란트의 표면을 세정하는 단계 및 상기 세정된 임플란트의 표면을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 마이크로-나노 복합구조를 갖는 표면을 포함하는 임플란트는 자연골과 유사한 표면을 가짐으로써 생체 조직내에 이식될 경우 그 표면에서의 골화를 촉진시키고 형성된 뼈와의 고정력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 임플란트의 표면의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 임플란트 표면의 모식도이다.
도 3a는 비교예 1에 따른 임플란트 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3b는 실시예 1에 따른 임플란트 표면의 SEM 사진이다.
도 4a는 도 3a를 확대한 SEM 사진이다.
도 4b는 도 3b를 확대한 SEM 사진이다.
도 5a는 비교예 1에 따른 임플란트 표면의 XPS 스펙트럼이다.
도 5b는 실시예 1에 따른 임플란트 표면의 XPS 스펙트럼이다.
도 6은 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 임플란트 표면에서의 골유사 세포의 분화 능력을 도시한 그래프이다.
도 7은 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 임플란트의 계면 골결합력을 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
먼저, 도 1을 참조하여 종래의 임플란트를 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 종래의 임플란트는 제1 마이크로크기의 홈(Co) 및 상기 홈(Co)내에 형성된 제2 마이크로크기의 홈(Ro)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 임플란트는 나노크기의 홈을 포함하지 않기 때문에, 뼈와 결합하는 임플란트의 표면에서 골융합이 완벽하게 이루지지 못하여 재수술로 이어지는 경우가 자주 발생하였으며, 이로 인해 환자나 술자에게 부담을 주는 문제점이 있었다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 임플란트를 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 임플란트는 마이크로 크기의 홈(R0 및 C0) 및 상기 마이크로 크기의 홈(R0 및 C0)내에 형성된 복수의 나노크기의 홈을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 임플란트는 자연골과 유사하게 마이크로 크기의 홈뿐만 아니라 복수의 나노크기의 홈을 포함하기 때문에, 종래의 임플란트에 비해 임플란트의 표면에서의 골융합 속도가 높아, 임플란트 시술 이후 실패율을 낮추고 시술 시간을 단축시킬 수 있다.
상기 마이크로 크기의 홈(R0 및 C0)은 제1 마이크로 크기의 홈(C0) 및 상기 제1 마이크로 크기의 홈(C0)내에 형성된 제2 마이크로 크기의 홈(R0)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 나노크기의 홈은 상기 제2 마이크로 크기의 홈(R0)내에 형성된 것일 수 있다.
상기 마이크로 크기의 홈(R0 및 C0) 및 상기 복수의 나노크기의 홈은 각각 구형 홈(spherical recess)일 수 있다.
상기 복수의 나노크기의 홈은 벌집 유사 구조(honeycomb-like structure)를 형성할 수 있다. 본 명세서에서, 「벌집 유사 구조」란 평판 상에 형성된 벌집 구조와 유사한 구조로서 구형 홈내에 형성된 벌집 구조를 의미한다.
상기 마이크로 크기의 홈(R0 및 C0)은 1~200㎛의 최대 폭 및 0.2~50㎛의 최대 깊이를 가질 수 있다.
상기 제1 마이크로 크기의 홈(C0)은 10~200㎛의 최대 폭 및 1~50㎛의 최대 깊이를 가질 수 있다.
상기 제2 마이크로 크기의 홈(R0)은 1~5㎛의 최대 폭 및 0.2~2.5㎛의 최대 깊이를 가질 수 있다.
상기 복수의 나노크기의 홈은 30~100nm의 최대 폭 및 10~100nm의 최대 깊이를 가질 수 있다.
상기 제1 마이크로 크기의 홈(C0), 상기 제2 마이크로 크기의 홈(R0), 및 상기 복수의 나노크기의 홈의 최대 폭 및 최대 깊이가 각각 상기 범위 이내이면, 상기 임플란트가 자연골과 유사한 표면 구조를 가짐으로써 임플란트의 표면에서의 골융합 속도가 향상되어, 임플란트 시술 이후 실패율을 낮추고 시술 시간을 단축시킬 수 있다.
상기 임플란트는 금속 임플란트일 수 있다.
상기 금속 임플란트는 티타늄계 소재의 임플란트일 수 있다. 본 명세서에서, 「티타늄계 소재의 임플란트」란 티타늄을 포함하는 표면을 갖는 임플란트, 예를 들어, 순수 티타늄 또는 티타늄과 주기율표 상의 다른 금속의 합금으로 이루어진 표면을 갖는 임플란트를 의미한다.
상기 금속 임플란트는 자연 산화층이 아닌 표면 산화층을 포함하지 않을 수 있다. 본 명세서에서, 「자연 산화층」이란 상기 금속 임플란트의 표면이 대기 중의 산소와 접촉함에 의해 형성된 층으로서 8nm 미만의 두께를 갖는 층을 의미하고, 「자연 산화층이 아닌 표면 산화층」이란 상기 금속 임플란트의 표면이 인위적으로 주입된 산소 또는 산소 함유 물질과 접촉함에 의해 형성된 층으로서 전체 산화층에서 상기 자연 산화층을 제외한 층을 의미한다.
이하, 본 발명의 일 구현예에 따른 임플란트의 표면처리방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 임플란트의 표면처리방법은 미처리된 임플란트의 표면을 연마입자(abrasive grain)를 사용하여 연마가공(abrasive blasting)하는 단계, 상기 연마가공된 임플란트의 표면을 산으로 에칭하는 단계, 및 상기 산으로 에칭된 임플란트의 표면을 전해 에칭하는(electroetching) 단계를 포함할 수 있다.
상기 연마가공하는 단계는 상기 임플란트의 표면에 도 1에 도시된 것과 같은 제1 마이크로 크기의 홈(C0)을 제공할 수 있다.
상기 연마입자는 알루미나를 포함할 수 있다.
상기 알루미나는 강옥(corundum)일 수 있다.
상기 산으로 에칭하는 단계는 상기 연마가공된 임플란트의 표면에 도 1에 도시된 것과 같은 제2 마이크로 크기의 홈(R0)을 제공할 수 있다.
상기 산은 염산, 황산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 「산」은 산 자체일 수도 있고, 산성 수용액일 수도 있다.
상기 산은 염산과 황산의 혼합액일 수 있다. 예를 들어, 상기 산은 5M 이상의 염산(HCl) 및 1M 이상의 황산(H2SO4)을 포함하는 산성 수용액일 수 있다.
상기 전해 에칭하는 단계는 상기 상기 산으로 에칭된 임플란트의 표면에 도 1에 도시된 것과 같은 복수의 나노크기의 홈을 제공할 수 있다.
상기 전해 에칭하는 단계는 상기 임플란트의 표면을 산화시키지 않으므로, 상기 임플란트의 표면처리방법에 의해 얻어진 임플란트 표면은 자연 산화층이 아닌 표면 산화층을 포함하지 않을 수 있다.
상기 전해 에칭하는 단계는 상기 산으로 에칭된 임플란트의 표면을 전해액에 침지시킨 상태에서 20V 이하(예를 들어, 5~20V)의 전압을 120초 이하(예를 들어, 50~120초)의 시간 동안 인가함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해 에칭하는 단계는 산으로 에칭된 임플란트의 표면을 양극에 연결하고, 상기 임플란트 표면을 형성하는 금속과 동일한 금속을 음극에 연결하고 내부에 상기 전해액을 충진하여 제조한 전기화학셀에서 수행될 수 있다.
상기 전해액은 불산, 황산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 임플란트의 표면처리방법은 상기 전해 에칭하는 단계 이후에 상기 전해 에칭된 임플란트의 표면을 세정하는 단계 및 상기 세정된 임플란트의 표면을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 세정하는 단계는 상기 전해 에칭된 임플란트를 에탄올과 같은 알코올, 탈이온수와 같은 물, 및/또는 이들의 혼합물에 침지시킨 후, 교반 및/또는 초음파 조사를 실시함으로써 수행될 수 있다.
상기 건조하는 단계는 30~100℃(예를 들어, 55℃)에서 1~100시간(예를 들어, 24시간) 동안 수행될 수 있다.
이하, 실시예들을 들어 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예
비교예 1
<미처리된 임플란트의 표면을 연마가공하는 단계>
미처리된 표면을 갖는 티타늄 임플란트(자체 제작)를 0.1mm의 평균입경을 갖는 미세 강옥으로 0.5분 동안 연마가공하였다. 결과로서, 도 1에 도시된 것과 같은 제1 마이크로 크기(최대 폭: 10~200㎛, 최대 깊이: 1~50㎛)의 홈(C0)이 형성된 임플란트 표면을 얻었다.
<상기 연마가공된 임플란트의 표면을 산으로 에칭하는 단계>
상기 연마가공된 임플란트를 상온(약 25℃)의 산에 침지시켜 1.5분 동안 유지시킴으로써 상기 임플란트의 표면을 에칭하였다. 상기 산은 50중량%의 불산 4중량부, 60중량%의 질산 20중량부 및 물 76 중량부의 혼합액이었다. 결과로서, 도 1에 도시된 것과 같은 제2 마이크로 크기(최대 폭: 1~5㎛, 최대 깊이: 0.2~2.5㎛)의 홈(R0)이 형성된 임플란트 표면을 얻었다.
실시예 1
<상기 산으로 에칭된 임플란트의 표면을 전해 에칭하는 단계>
상기 산으로 에칭된 임플란트의 표면을 양극에 연결하고, 상기 임플란트 표면을 형성하는 티타늄과 동일한 재질의 티타늄을 음극에 연결하고, 내부에 상기 전해액(불산 0.5M 및 황산 0.5M)의 혼합액이 충진된 전기화학셀을 제조하였다. 이후, 상기 전기화학셀에 20V의 전압을 120초 동안 인가하였다. 결과로서, 도 2에 도시된 것과 같은 복수의 나노크기(최대 폭: 30~100nm 최대 깊이: 10~100nm)의 홈이 형성된 임플란트 표면을 얻었다.
<상기 전해 에칭된 임플란트의 표면을 세정하는 단계 및 건조하는 단계>
상기 전해 에칭된 임플란트를 탈이온수에 20초 동안 침지시켰다. 이후, 상기 임플란트를 100중량%의 에탄올에 침지시킨 후, 10분 동안 초음파를 조사하였다. 이후, 상기 임플란트를 탈이온수에 침지시킨 후, 10분 동안 초음파를 조사하였다. 이 과정을 3회 이상 반복한 이후, 상기 임플란트를 상기 탈이온수로부터 꺼내어 에어건을 이용하여 건조시켰다.
평가예
평가예 1: SEM 분석
상기 비교예 1 및 실시예 1에서 얻어진 임플란트의 표면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영하여, 그 결과를 도 3a 내지 도 4b에 나타내었다. 도 3a는 상기 비교예 1에서 제조된 임플란트 표면의 5,000 배율의 SEM 사진이고, 도 3b는 상기 실시예 1에서 제조된 임플란트 표면의 5,000배율의 SEM 사진이고, 도 4a는 상기 비교예 1에서 제조된 임플란트 표면의 100,000배율의 SEM 사진이고, 도 4b는 상기 실시예 1에서 제조된 임플란트 표면의 100,000배율의 SEM 사진이다.
도 3a 및 도 4a를 참조하면, 상기 비교예 1에서 제조된 임플란트는 도 1에 도시된 것과 같은 제1 마이크로 크기의 홈 및 제2 마이크로 크기의 홈은 포함하지만, 도 2에 도시된 것과 같은 복수의 나노크기의 홈은 포함하지 않는 것으로 나타났다.
도 3b 및 도 4b를 참조하면, 상기 실시예 1에서 제조된 임플란트는 도 1에 도시된 것과 같은 제1 마이크로 크기의 홈 및 제2 마이크로 크기의 홈뿐만 아니라, 도 2에 도시된 것과 같은 복수의 나노크기의 홈도 포함하는 것으로 나타났다.
또한, 도 3b 및 도 4b를 참조하면, 상기 실시예 1에서 제조된 임플란트에 포함된 복수의 나노크기의 홈은 벌집 유사 구조를 형성하는 것으로 나타났다.
평가예 2: XPS 분석
상기 비교예 1 및 실시예 1에서 얻어진 임플란트의 표면을 X선 광전자 분광기(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)로 분석하여, 그 결과를 도 5a 및 도 5b에 나타내었다. 도 5a는 상기 비교예 1에서 제조된 임플란트 표면의 XPS 스펙트럼이고, 도 5b는 상기 실시예 1에서 제조된 임플란트 표면의 XPS 스펙트럼이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 실시예 1에서 얻어진 임플란트의 표면의 XPS 스펙트럼은 비교예 1에서 얻어진 임플란트의 표면의 XPS 스펙트럼과 거의 동일한 특성 피크들(예를 들어, 자연 산화층의 산소 피크 및 티타늄 피크)을 갖는 것으로 나타났다. 이 결과로부터, 실시예 1에서 얻어진 임플란트의 표면에는 자연 산화층이 아닌 표면 산화층이 형성되지 않았음을 확인할 수 있다.
평가예 3: 골유사 세포의 알칼리성 인산 분해효소 활성 평가
먼저, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 6개의 티타늄 디스크를 표면처리하였다. 이후, 상기 표면처리된 6개의 티타늄 디스크 중 3개의 티타늄 디스크를 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 추가로 표면처리하였다.
이후, 상기 표면처리된 6개의 티타늄 디스크 각각에 골유사 세포(MG63)을 파종하고, 뼈모세포로의 분화를 유도하기 위하여 0.1μM의 덱사메타손, 10mM의 β-글리세롤포스페이트 및 50㎍/ml의 아스코르브산을 함유하는 배양액을 사용하여 상기 골유사 세포를 14일간 배양한 후, 파라니트로페놀로 알칼리성 인산 분해효소(ALP: alkaline phosphatase) 활성을 측정하여, 각각의 평균치를 도 6에 나타내었다. 여기서, ALP 활성의 단위는 단백질 성분 20㎍당 파라니트로페놀의 몰농도(M)이다.
도 6을 참조하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면처리된 3개의 티타늄 디스크에 골유사 세포를 배양한 경우는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 표면처리된 3개의 티타늄 디스크에 골유사 세포를 배양한 경우에 비해 평균적으로 13.9% 높은 ALP 활성을 제공하는 것으로 나타났다.
평가예 4: 계면 골결합력 평가
먼저, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 20개의 티타늄계 소재의 임플란트를 표면처리하였다. 이후, 상기 표면처리된 20개의 임플란트 중 10개의 임플란트를 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 추가로 표면처리하였다.
이후, 상기 표면처리된 20개의 임플란트를 20개의 토끼 경골에 1N·m의 토크를 가하여 각각 이식하였다. 이후, 14일 경과후에 상기 각 토끼 경골로부터 상기 각 임플란트를 제거하기 위해 요구되는 토크를 측정하여, 각각의 평균치를 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면처리된 10개의 임플란트는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 표면처리된 10개의 임플란트에 비해 평균적으로 20.3% 높은 계면 골결합력(즉, 임플란트 표면에 대한 상기 표면에 형성된 골의 결합력)을 제공하는 것으로 나타났다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 마이크로 크기의 홈; 및
    상기 마이크로 크기의 홈내에 형성된 복수의 나노크기의 홈을 포함하는 표면을 갖는 임플란트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 크기의 홈은 제1 마이크로 크기의 홈 및 상기 제1 마이크로 크기의 홈내에 형성된 제2 마이크로 크기의 홈을 포함하고, 상기 복수의 나노크기의 홈은 상기 제2 마이크로 크기의 홈내에 형성된 임플란트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 크기의 홈 및 상기 복수의 나노크기의 홈은 각각 구형 홈(spherical recess)인 임플란트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노크기의 홈은 벌집 유사 구조를 형성하는 임플란트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 크기의 홈은 1~200㎛의 최대 폭 및 0.2~50㎛의 최대 깊이를 가지며, 상기 복수의 나노크기의 홈은 30~100nm의 최대 폭 및 10~100nm의 최대 깊이를 갖는 임플란트.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 크기의 홈은 10~200㎛의 최대 폭 및 1~50㎛의 최대 깊이를 가지며, 상기 제2 마이크로 크기의 홈은 1~5㎛의 최대 폭 및 0.2~2.5㎛의 최대 깊이를 갖는 임플란트.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임플란트는 금속 임플란트인 임플란트.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속 임플란트는 티타늄계 소재의 임플란트인 임플란트.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 금속 임플란트는 자연 산화층이 아닌 표면 산화층을 포함하지 않는 임플란트.
  10. 미처리된 임플란트의 표면을 연마입자(abrasive grain)를 사용하여 연마가공(abrasive blasting)하는 단계;
    상기 연마가공된 임플란트의 표면을 산으로 에칭하는 단계; 및
    상기 산으로 에칭된 임플란트의 표면을 전해 에칭하는(electroetching) 단계를 포함하는 임플란트의 표면처리방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전해 에칭은 상기 산으로 에칭된 임플란트의 표면을 전해액에 침지시킨 상태에서 20V 이하의 전압을 120초 이하의 시간 동안 인가함으로써 수행되는 임플란트의 표면처리방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전해액은 불산, 황산 또는 이들의 조합을 포함하는 임플란트의 표면처리방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 전해 에칭하는 단계 이후에 상기 전해 에칭된 임플란트의 표면을 세정하는 단계 및 상기 세정된 임플란트의 표면을 건조하는 단계를 더 포함하는 임플란트의 표면처리방법.
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