KR100211097B1 - Ti-based implant alloy with good biocompatibility - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따라 티타늄에 전체 조성물을 기준으로 하여 18-25 중량%의 지르코늄, 2-10 중량%의 니오븀, 2-5 중량%의 탄탈, 0.1-1 중량%의 팔라듐 및 0.5-3 중량%의 인들이 복합 첨가된 티타늄계 생체용 합금이 제공된다. 이러한 티타늄 합금은 생체 재료로써 보다 안전하게 사용될 수 있다.According to the present invention, based on the total composition in titanium, 18-25 wt% zirconium, 2-10 wt% niobium, 2-5 wt% tantalum, 0.1-1 wt% palladium and 0.5-3 wt% A titanium-based bioalloy in which phosphorus is added to compound is provided. Such titanium alloys can be used more safely as biomaterials.
Description
본 발명은 기능이 상실된 뼈, 관절, 치아 등을 수복할 수 있는 인공뼈, 인공관절, 인공 치아 등의 인공 생체 재료에 관한 것이다.The present invention relates to artificial biomaterials such as artificial bones, artificial joints, artificial teeth, etc. which can repair bones, joints, teeth, etc., which have lost function.
인간의 평균 수명이 증가함에 따라, 여러 가지 생체 재료들을 이용하여 기능이 상실된 뼈, 관절, 치아 등을 인공뼈, 인공 관절, 인공 치아 등으로 수복 할 수 있는 기회가 급격히 증가하고 있다. 이러한 인공 생체 재료들은 이미 국내에서도 널리 실용화되고 있으며, 실제로 치과용 이식물, 정형 외과용 고관절이나 무릎 관절, 또한 특수 클리닉 등에서 활용되고 있다. 특히 치과 분야에서는 의치 사용의 불편감을 해소하기 위하여 자연 치아에 더 가까운 인공 치아의 개발이 필연적으로 요구되고 있고, 최근에 이르러 생체 적합성이 우수한 인공 이식 금속들이 계속 개발되어 치아 이식 분야에 획기적인 발전이 이루어졌다. 또한, 경제 발전에 따른 국민 소득의 증가로 인하여 인공 치아 및 인공 관절 등의 이식술에 대한 수요가 급격히 증가하고 있으며, 앞으로도 그 필요성은 계속 증대되리라 생각된다.As the average life expectancy of human beings increases, the opportunities for repairing lost bones, joints, teeth, etc. to artificial bones, artificial joints, artificial teeth, etc. using various biomaterials are rapidly increasing. These artificial biomaterials are already widely used in Korea, and are actually used in dental implants, orthopedic hip joints and knee joints, and special clinics. In particular, the dental field is inevitably required to develop artificial teeth closer to natural teeth in order to alleviate the discomfort of using dentures. Recently, artificially implantable metals having excellent biocompatibility have been continuously developed, which has led to a breakthrough in dental implantation. lost. In addition, due to the increase in national income due to economic development, the demand for implantation of artificial teeth and artificial joints is rapidly increasing, and the necessity will continue to increase in the future.
한편, 지금까지 이러한 이식술의 기본적인 문제점은 사용되는 인공 생체 재료의 생체 적합성에 있었다. 생체와 접촉하는 재료는 무엇보다도 주위 조직과 조화를 이루면서 그 기능을 해야 한다. 즉, 생체 재료는 기능성과 함께 생체 내에서 독성없이 안전성을 유지해야 하며, 이러한 요구 조건을 충족시키기 위하여 인공 생체 재료는 적절한 물리적 성질을 가지면서, 세포 독성 및 알레르기 반응과 같은 이물반응이 없고, 화학적으로 안정하며, 생체 조직에 대한 적합성이 양호해야 한다. 따라서, 우수한 생체 재료의 선택은 인공 치아나 인공 관절의 성공과 예후에 큰 영향을 미치게 되므로, 올바른 생체 재료의 개발과 선택은 이식술에 있어서 매우 중요한 의미를 갖는다.On the other hand, until now, the basic problem of such transplantation has been the biocompatibility of the artificial biomaterial used. The material that comes into contact with the living body must, among other things, function in harmony with the surrounding tissues. In other words, biomaterials must be functionally safe and nontoxic in vivo, and in order to meet these requirements, artificial biomaterials have appropriate physical properties and are free of foreign body reactions such as cytotoxicity and allergic reactions, It should be stable and good for biological tissue. Therefore, the selection of good biomaterials has a great impact on the success and prognosis of artificial teeth or joints, so the development and selection of the right biomaterials is very important for transplantation.
기존의 생체용 금속 재료로는 주로 스테인레스 강 (SUS316), Co-Cr 합금, 순수 티타늄 (Ti) 등이 사용되어 왔다 (캐슬맨 등, J. Biomes. Mat. Res., 10, 695 (1979); 레몬스, JADA 121, 716 (1990); 및 린더 등, Acta Orthopaedica Scandinavica 60, 135 (1989)). 특히, 티타늄은 매우 우수한 부식 특성과 생체 적합성을 갖고 있지만, 높은 용융점으로 인한 가공상의 어려움 때문에 사용이 제한되어 왔으나, 최근에 이르러 가공 기술이 발달함에 따라 그 응용 범위가 확대되어 현재에는 인공 관절 및 인공 치아 등의 이식용 재료로써 널리 사용되고 있다 (파르 등, J. Prosth. Dent. 54, 410 (1985); 및 솔라 등, J. Biomes. Mat. Res. 13, 217 (1970)). 또한, 보다 뛰어난 기계적 성질 및 물리적 성질을 얻기 위하여 순수한 티타늄에 다른 원소를 첨가한 티타늄 합금은 생체 적합성과 기계적 성질 및 물리적 성질을 모두 만족시킬 수 있는 것으로 알려져 있어, 향후 생체용 금속 재료로써 주류를 이룰 전망이다.Conventional biomaterials include stainless steel (SUS316), Co-Cr alloy, pure titanium (Ti), etc. (Castleman et al., J. Biomes.Mat.Res., 10, 695 (1979) Lemons, JADA 121, 716 (1990); and Linder et al., Acta Orthopaedica Scandinavica 60, 135 (1989)). In particular, titanium has very good corrosion properties and biocompatibility, but its use has been limited due to processing difficulties due to its high melting point. However, recently, as the development of processing technology expands, its application range has been expanded and artificial joints and artificial It is widely used as a material for implantation of teeth and the like (Far et al., J. Prosth. Dent. 54, 410 (1985); and Solar et al., J. Biomes. Mat. Res. 13, 217 (1970)). In addition, titanium alloys in which other elements are added to pure titanium in order to obtain more excellent mechanical and physical properties are known to satisfy both biocompatibility, mechanical properties and physical properties, thus becoming mainstream as biological metal materials in the future. It is a prospect.
현재, 이러한 티타늄 합금으로서, 알루미늄 (Al)과 바나듐 (V)이 첨가된 Ti-6Al-4V가 비강도가 매우 높고, 내식성이 우수하여 순수 티타늄 합금과 함께, 정형 외과용 인공 관절 및 치과용 인공 치아 등에 많이 사용되고 있다 (파르 등, J. Prosth. Dent. 54, 410 (1985); 및 브런스키 등, American Society for Testing and Materials, 189, 1983). 그러나, 이러한 Ti-6Al-4V는 순수 티타늄보다 기계적 강도가 약 60% 정도 더 우수한 것으로 밝혀졌으나, 최근 바나듐 (V)의 세포 독성이 지적되고 있으며, 알루미늄은 알츠하이머 질환과의 밀접한 인과 관계가 의심되고 있으며, 잠재적인 신경 독성도 논의되고 있다 (알브렉츠선 등, J. Prosth. Dent. 57, 597 (1987), 및 루고브스키 등, J. Biomes. Mater. Res. 25, 1443 (1991)).Currently, as such a titanium alloy, Ti-6Al-4V to which aluminum (Al) and vanadium (V) are added has a very high specific strength and excellent corrosion resistance, and together with pure titanium alloy, orthopedic artificial joints and dental artificial It is widely used in teeth and the like (Far et al., J. Prosth. Dent. 54, 410 (1985); and Brunskin et al., American Society for Testing and Materials, 189, 1983). However, Ti-6Al-4V has been shown to have about 60% better mechanical strength than pure titanium, but recently, cytotoxicity of vanadium (V) has been pointed out, and aluminum has been suspected of having a close causal relationship with Alzheimer's disease. And potential neurotoxicity is also discussed (Albrechts et al., J. Prosth.Dent. 57, 597 (1987), and Lugosky et al., J. Biomes. Mater. Res. 25, 1443 (1991)). .
따라서, 본 발명은 티타늄에 이러한 알루미늄과 바나듐을 첨가하지 않고, 다른 합금 원소들을 첨가하여 생물학적 안전성이 높으면서, 기계적 특성이 우수한, 즉 내식성은 순수 티타늄에 준하며, 기계적 특성은 Ti-6Al-4V와 유사한 신규한 생체용 티타늄 합금을 제공한다.Therefore, the present invention does not add such aluminum and vanadium to titanium, and adds other alloying elements, so that the biological safety is high, the mechanical properties are excellent, that is, the corrosion resistance is pure titanium, and the mechanical properties are similar to those of Ti-6Al-4V. Provides a novel biotitanium alloy.
제1도는 기존 재료와 본 발명 합금 (Ti-2OZr-3Nb-3Ta-0.2Pd-lI)의 부식 실험 후의 변전위 곡선임.1 is a displacement curve after the corrosion test of the existing material and the alloy of the present invention (Ti-2OZr-3Nb-3Ta-0.2Pd-1).
제2도는 기존 재료와 본 발명 합금 (Ti-2OZr-3Nb-3Ta-0.2Pd-lI)의 세포 배양 후 2일 째의 세포 증식 양상을 나타내는 사진임.Figure 2 is a photograph showing the cell proliferation pattern on the second day after the cell culture of the existing material and the alloy of the present invention (Ti-2OZr-3Nb-3Ta-0.2Pd-lI).
제3도는 가토의 장골에 기존 재료와 본 발명 합금 (Ti-2OZr-3Nb-3Ta-0.2Pd-lI)의 시편을 이식한 후 3개월 째에 관찰한 금속 시편 주위의 골 조직을 나타내는 사진임.3 is a photograph showing bone tissue around the metal specimen observed three months after implanting the specimen of the present material and the alloy of the present invention (Ti-2OZr-3Nb-3Ta-0.2Pd-lI) into the iliac bone of the rabbit.
순수한 티타늄에 세포 독성이 지적되지 않은 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 탄탈 (Ta), 팔라듐 (Pd) 및 인듐 (In)과 같은 합금 원소를 첨가하여, 높은 생물학적 안전성과 우수한 기계적 성질을 갖는 생체용 티타늄 합금을 제조하였다.Pure titanium adds alloying elements such as zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), palladium (Pd), and indium (In) with no cytotoxicity, which has high biological safety and excellent mechanical properties In vivo titanium alloys were prepared.
지금까지는 세포 독성이 지적되지 않은 합금 원소들 중에서 합금의 기계적 성질을 개선하기 위하여 지르코늄을, 내식성을 높이기 위하여 탄탈 및 팔라듐을, 가공성을 향상시키기 위하여 니오븀 및 탄탈을 첨가하였는 데 (드카자키 등, Mechanical Engineering Laboratory Report 46, 377 (1992)), 여기에 본 발명자는 생물학적 안전성이 뛰어나면서도 기계적 성질이 향상된 생체 재료를 제조하기 위하여 팔라듐-인듐의 복합 첨가 효과가 기대되는 인듐 (가민스키 등, J. Prosth. Dent. 53, 329 (1985); 나이트 등, J. Less Common Metals 1, 292 (1959); 및 임호남 등, 대한치과기재 학회지 15, 37 (1988))을 첨가하여 우수한 기계적 성질과 뛰어난 생체 적합성을 갖는 생체 재료를 수득하였다.So far, zirconium was added to improve the mechanical properties of alloys among the alloying elements for which no cytotoxicity was indicated, and tantalum and palladium were added to increase corrosion resistance, and niobium and tantalum were added to improve processability (Dkazaki et al., Mechanical Engineering Laboratory Report 46, 377 (1992), in which the inventors found indium (Gaminsky et al., J. Prosth, which is expected to have a combined effect of palladium-indium in order to prepare biomaterials with excellent biological safety and improved mechanical properties). Dent. 53, 329 (1985); Knight et al., J. Less Common Metals 1, 292 (1959); and Ho-Nam et al., Korean Dental Society 15, 37 (1988)) with excellent mechanical properties and excellent biocompatibility. Biomaterials were obtained.
본 발명의 티타늄계 합금은 전체 조성물을 기준으로 하여 18-25 중량%의 지르코늄, 2-10 중량%의 니오븀, 2-5 중량%의 탄탈, 0.1-1 중량%의 팔라듐 및 0.5-3중량%의 인듐 및 잔량의 티타늄으로 이루어진다.The titanium-based alloy of the present invention is based on the total composition of 18-25% by weight zirconium, 2-10% by weight niobium, 2-5% by weight tantalum, 0.1-1% by weight palladium and 0.5-3% by weight Of indium and the balance of titanium.
바람직하게는, 본 발명의 티타늄계 합금은 전체 조성물을 기준으로 하여 18-23 중량%의 지르코늄, 2-4 중량%의 니오븀, 2-4 중량%의 탄탈, 0.1-0.5 중량%의 팔라듐, 0.5-3 중량%의 인듐 및 잔량의 티타늄으로 이루어진다.Preferably, the titanium alloy of the present invention is based on the total composition of 18-23% zirconium, 2-4% niobium, 2-4% tantalum, 0.1-0.5% palladium, 0.5 -3 wt% indium and the balance titanium.
지르코늄의 함량이 25 중량% 정도일 때까지는 인장 강도가 증가하나, 그 이상의 경우에는 인장 강도의 변화가 없으면서, 연성이 불량해지므로 바람직하지 못하고, 팔라듐은 내식성의 개선을 위하여 첨가되지만 1 중량% 이상 첨가할 경우 취성상이 석출되므로 바람직하지 못하다. 또한, 티타늄 합금에서 α-상보다는 β-상이 가공성이 우수하며, 따라서 β-영역을 확대시키는 β-안정화 원소인 니오븀 및 탄탈을 첨가하여 우수한 가공성을 얻을 수 있다. 그러나, 니오븀이 10 중량% 이상 또는 탄탈이 5 중량% 이상 첨가된 경우 합금의 주조성이 나빠지므로 (드카자키 등, Mechanical Engineering Laboratory Report 46, 397 (1992)) 이보다 낮은 양을 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 인듐을 소량 첨가함으로써 팔라듐-인듐의 화합물을 형성하여 강도 향상에 기여할 수 있으나, 인듐 자체가 저융점 금속이어서 3 중량% 이상 첨가할 경우 합금 제조시 인듐 단독으로 존재하는 부분이 생겨 팔라듐-인듐 복합 첨가 효과가 상쇄될 수 있어 이보다는 소량으로 첨가하는 것이 바람직하다.Tensile strength is increased until the content of zirconium is about 25% by weight, but if it is higher than that, it is not preferable because the ductility is poor without changing the tensile strength, and palladium is added to improve the corrosion resistance but is added at least 1% by weight. It is not preferable because the brittle phase precipitates. Further, in the titanium alloy, the β-phase is superior to the α-phase, and therefore, excellent workability can be obtained by adding niobium and tantalum, which are β-stabilizing elements that enlarge the β-region. However, if niobium is added in an amount of 10% by weight or more than 5% by weight of tantalum, the castability of the alloy deteriorates (Dekazaki et al., Mechanical Engineering Laboratory Report 46, 397 (1992)). . In addition, a small amount of indium may be added to form a palladium-indium compound, thereby contributing to the improvement of strength. However, when indium is a low melting point metal, when added to 3% by weight or more, a portion of the indium alone may be present in the manufacture of an alloy. The effect of complex addition may be counteracted, so it is preferred to add in small amounts.
본 발명의 합금은 하기 설명되는 방법에 의하여 제조될 수 있다.The alloy of the present invention can be produced by the method described below.
먼저, 상기 설명된 조성의 성분들을 진공 아아크 용해로에서 (아아크 최대 3500
한편, 생체용 금속 재료로 사용하기 위하여는 파절, 변형 등이 없어야 하므로, 금속 자체의 적절한 기계적 성질을 갖고 있어야 한다. 따라서, 설계된 합금들의 기본적인 기계적인 성질을 비교하기 위하여 단조 후 열처리한 시편들의 경도를 측정하기 위하여 마이크로 비이커스 경도 시험을 수행하였다. 다중회기 분석에 의하여 얻어진 경도와 인장 강도의 관계식을 이용하여 인장 강도 값을 구하여, 기존의 인공 생체 재료 (순수 티타늄 및 Ti-6Al-4V)와 비교하였을 때, 본 발명의 합금은 기존의 티타늄보다 약 2 배 정도 높은 값을 나타내었다. 이것은 지르코늄이 티타늄에 고용됨으로써 기여할 수 있는 고용 강화와 팔라듐-인듐의 복합 첨가 효과에 기인된 것으로 생각된다. 즉, 순수 티타늄 및 Ti-6Al-4V와 비교하였을 때, 본 발명의 합금은 순수 티타늄보다 월등히 우수하고, Ti-6Al-4V와는 유사한 기계적 실질을 갖고 있었다.On the other hand, in order to be used as a metal material for living body, there should be no fracture, deformation, etc., so that the metal itself should have appropriate mechanical properties. Therefore, a micro-Vickers hardness test was performed to determine the hardness of the specimens heat-treated after forging in order to compare the basic mechanical properties of the designed alloys. Tensile strength values were obtained by using the relationship between hardness and tensile strength obtained by multi-session analysis, and compared with conventional artificial biomaterials (pure titanium and Ti-6Al-4V), the alloy of the present invention was better than conventional titanium. The value was about 2 times higher. This is thought to be due to the combined effect of solid solution strengthening and palladium-indium, which zirconium can contribute to the solid solution in titanium. That is, when compared with pure titanium and Ti-6Al-4V, the alloy of the present invention was significantly superior to pure titanium, and had a similar mechanical substance to Ti-6Al-4V.
또한, 인공 생체 재료가 그 기능을 수행하기 위한 기계적 성질이 아무리 우수하여도 그 재료나 부산물이 체내에 수용되지 않고, 독성, 자극 및 이물 반응 등을 일으키지 않아야 하므로, 그 생체 재료를 환자에게 이식하기 전에 충분한 임상적 실험과 관찰이 필요하며, 인공 생체 재료의 성공 여부는 이식 물질에 의한 인접 조직의 반응과 응력 분산 등에 의해 좌우되는 생체 적합성에 달려 있다 (린더 등, Acta Orthopaedica Scandinavica 60, 135 (1989); 및 라에, Biomaterials 7, 37 (1986)).In addition, no matter how excellent the mechanical properties of the artificial biomaterial to perform its function, the material or by-products should not be accommodated in the body and should not cause toxicity, irritation, foreign body reactions, etc. Sufficient clinical trials and observations are needed before, and the success of artificial biomaterials depends on biocompatibility, which depends on the response of adjacent tissues and stress distribution by implantation material (Linder et al., Acta Orthopaedica Scandinavica 60, 135 (1989) And Lae, Biomaterials 7, 37 (1986)).
이러한 생체 적합성은 부식 실험, 세포 독성 실험 및 동물 실험에 의하여 확인될 수 있다.Such biocompatibility can be confirmed by corrosion experiments, cytotoxicity experiments and animal experiments.
부식이란 넓게는 어떤 재료가 주어진 환경에서 파괴되는 것을 말하며, 부식이 진행되면 주위환경에 대해 부식 산물 또는 그의 가용 형태가 금속 표면에서 금속 이온으로 유리되어 인접 조직이나 다른 조직 장기에 자극 반응 및 염증 반응 등을 일으킬 수 있다. 이는 급성 반응으로 나타날 수도 있고, 만성적으로 서서히 나타날 수도 있다. 생체 재료가 주위 생체 조직에 영향을 주기 위해서는 유리된 금속 이온이 주위 세포의 변성을 초래하여야 하며, 이러한 세포 변성 작용은 금속과 생체조직 사이의 반응의 종류와 정도에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 생체 재료로 사용할 수 있기 위한 중요한 조건 중의 하나는 높은 내식성을 가져야 한다는 것이다. 체내에 삽입된 모든 금속 재료는 주위의 체액과 반응하여 부식을 일으킬 수 있다고 보아야 하지만 현재 생체 재료로서 주로 사용되고 있는 순수 티타늄과 티타늄계 합금들은 공기 중에서 산화하여 그 표면에 산화 막으 형성하게 된다. 이 산화 막은 티타늄이 공기 중에 노출된 수초 후부터 형성되기 시작하여 수분 후에는 100 Å의 두께로 형성되며, 이 산화 막은 내식성이 커서, 티타늄이 체내에서 금속 이온으로 용해되는 것을 막아주어 우수한 생체 적합성을 부여하게 된다. 그러므로, 부식 실험을 통하여 합금들이 생체 내에서 주위 조직에 어떠한 영향을 미칠 수 있는 지를 확인하는 것은 매우 중요하다.Corrosion is broadly defined as the destruction of a material in a given environment, and as corrosion progresses, the corrosion product or its soluble form is released from the metal surface into metal ions, causing irritation and inflammation to adjacent tissues or other tissue organs. Etc. It may appear as an acute reaction or it may be chronic. In order for the biomaterial to affect the surrounding biological tissues, free metal ions must cause degeneration of surrounding cells. Such cellular degeneration may vary depending on the type and extent of the reaction between the metal and the biological tissue. Therefore, one of the important conditions for use as a biomaterial is that it must have high corrosion resistance. All metallic materials inserted into the body can react with surrounding body fluids to cause corrosion, but pure titanium and titanium alloys, which are currently used as biomaterials, are oxidized in air to form an oxide film on the surface. The oxide film starts to form after a few seconds when titanium is exposed to air, and after a few minutes, the oxide film is formed to a thickness of 100 kPa. The oxide film has a high corrosion resistance and prevents titanium from dissolving into metal ions in the body, thereby providing excellent biocompatibility. Done. Therefore, it is very important to determine how alloys can affect surrounding tissues in vivo through corrosion experiments.
또한, 세포 독성이란 어떤 성분이 생체내에서 화학적으로 또는 물리적으로 유해한 반응을 나타내는 것을 의미하며, 새로운 재료가 생체 재료로서 사용되기 위해서는 필수적으로 인체 유해성과 안전성 등이 심각하게 고려되어야만 한다. 이식후, 가장 문제가 되는 것은 이식된 이물질에 대한 생체 조직의 반응으로, 이를 위한 기초 연구는 주로 세포 배양을 이용한 세포 독성 실험을 통하여 이루어진다. 즉, 세포 배양법을 통하여 생체내에서와 유사한 환경하에서 특정 생체 재료에 대한 특정 세포들의 반응을 관찰함으로써 재료의 독성 여부, 생체 재료에 대한 세포들의 부착, 확산과 증식 등을 확인해 볼 수 있다.In addition, cytotoxicity means that a component exhibits a chemically or physically harmful reaction in vivo. In order for a new material to be used as a biomaterial, human hazard and safety must be seriously considered. After transplantation, the biggest problem is the response of biological tissues to the transplanted foreign body, and basic research for this is mainly carried out through cytotoxicity experiments using cell culture. In other words, by observing the response of specific cells to a specific biomaterial in a similar environment in vivo through the cell culture method, it is possible to check whether the material is toxic, adherence of cells to the biomaterial, diffusion and proliferation, and the like.
또한, 이식된 생체 재료의 생체 적합성을 최종적으로 확인하기 위하여는 그 인공 생체 재료가 생체내에 이식되었을 때 주변 조직에 대하여 이물 반응을 일으키지 않아야 하며, 생체 물질의 표면을 구성하는 층과 생체 조직간의 부착이 장기간 유지되어야 한다는 것이다. 생체 물질의 표면을 구성하는 층과 생체 세포의 부착기작에 대해서는 아직 명확한 사실이 규명되지 못하고 있지만, 생체 재료의 표면 구성과 표면 상태에 따라 세포들의 반응 기전과 부착정도가 달라진다는 것은 잘 알려져 있다. 따라서, 직접 동물을 사용하여 생체 재료를 이식한 후 2개월 내지 4개월후 그 결과를 확인하는 동물 실험을 통하여 생체 적합성을 확인할 수 있다.In addition, in order to finally confirm the biocompatibility of the implanted biomaterial, when the artificial biomaterial is implanted in vivo, no foreign body reaction should be caused to surrounding tissues, and the adhesion between the layer and the biological tissue forming the surface of the biomaterial This must be maintained for a long time. Although it is not yet clear about the adhesion mechanism between the layers constituting the surface of the biological material and the biological cells, it is well known that the reaction mechanism and the degree of adhesion of the cells vary according to the surface composition and the surface state of the biological material. Therefore, the biocompatibility can be confirmed through an animal experiment confirming the result after 2 months to 4 months after directly implanting the biomaterial using the animal.
[실시예 1]Example 1
티타늄 72.8g에 대하여, 각각 지르코늄 20g, 니오븀 3g, 탄탈 3g, 팔라듐 0.2g 및 인듐 1g을 진공 아아크 용해로에서 용해한 후 (아아크 최대 3500
이렇게 제조된 본 합금의 기계적 성질을 알아보기 위하여, 마이크로 비이커스 경도 시험을 수행하여 인장 강도를 계산하고, 기존 생체 재료인 순수 티타늄 및 Ti-6Al-4V와 비교하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.In order to determine the mechanical properties of the alloy thus prepared, the tensile strength was calculated by performing a micro-Vickers hardness test, and the results are shown in Table 1 compared with the existing biomaterials pure titanium and Ti-6Al-4V. .
본 발명 합금의 인장강도는 순수 티타늄 보다 월등히 높은 값을 가지며, Ti-6Al-4V와는 유사한 인장 강도를 나타내었다. 한편, 인듐을 첨가하지 않은 합금의 경우 인장강도가 847.5MPa인 반면 본 발명 합금은 더 높은 967.4MPa의 더 우수한 인장 특성을 나타내었다.Tensile strength of the alloy of the present invention is significantly higher than that of pure titanium, and showed a tensile strength similar to that of Ti-6Al-4V. On the other hand, alloys without added indium had a tensile strength of 847.5 MPa while alloys of the present invention showed better tensile properties of higher 967.4 MPa.
[실시예 2]Example 2
실시예 1에서 제조된 본 발명의 생체 적합성을 알아보기 위하여 부식 실험, 세포 독성 실험 및 동물 실험을 수행하였다.In order to determine the biocompatibility of the present invention prepared in Example 1, corrosion experiments, cytotoxicity experiments and animal experiments were performed.
1) 부식 실험1) Corrosion Experiment
부식 실험은 전해액으로 물 1000 ml에 9g의 염화나트륨이 함유된 생리 식염수를 사용하고, 정전압 장치(potentiostat, EGG, 프린스턴 어플라이드 모델 273)을 이용하여 부식 전위, 파괴전위값 및 부식 속도를 37
재료의 내식성은, 부식 전위값이 낮을수록, 부동태 피막이 깨지는 파괴 전위 값, 즉 변전위 곡전에서 수직 부분이 끝나는 부분의 전위 값이 높을수록, 변전위 곡선에서 수직 부분이 안정하고 길수록, 그리고 부식 속도값이 낮을수록 우수하다. 순수 티타늄의 경우 부식 전위 값은 -375 mV로 낮고, 파괴 전위값은 제1도에서 보는 바와 같이 1200 mV로 높은 값을 나타내지만, Ti-6Al-4V의 경우 파괴 전위값은 1300 mV로 높은 값을 나타내는 반면, 부식 전위값은 -118 mV로 낮으며, 시료 표면의 부동태 피막도 불완전하여, 제1도에서 처럼 완전한 부동태를 이루지 못하였다. 그러나, 본 발명의 합금은 부식 전위값이 -363 mV로 티타늄의 경우와 비슷하고, 파괴 전위값은 1150 mV부근으로 높으며, 부동태 피막도 안정하여 순수 티타늄과 같은 정도의 안정된 부동태화를 나타내었다.The corrosion resistance of the material is: the lower the corrosion potential value, the higher the breakdown potential value at which the passivation film breaks, that is, the higher the potential value at the end of the vertical portion in the displacement potential curve, the more stable and long the vertical portion in the displacement curve, and the corrosion rate Lower values are better. In case of pure titanium, the corrosion potential value is low as -375 mV, and the fracture potential value is as high as 1200 mV as shown in FIG. 1, but in the case of Ti-6Al-4V, the fracture potential value is 1300 mV as high. On the other hand, the corrosion potential value was as low as -118 mV, and the passivation film on the surface of the sample was also incomplete, thus failing to achieve complete passivation as in FIG. However, the alloy of the present invention had a corrosion potential of -363 mV, similar to that of titanium, a breakdown potential of 1150 mV, high, and a passivation film.
2) 세포 독성 실험2) Cytotoxicity Experiment
세포 독성의 검사 방법으로, 게스(Guess) 등이 1965년에 소개한 L929 생쥐세포를 이용한 검사 방법을 사용하였다. 배양 접시 중앙에 검사할 시편을 위치시키고, 배양액과 세포를 넣고, 일정기간 세포를 배양시킨다음 세포의 수, 형태, 증식양상 등을 관찰하여 검사 시편의 독성 여부 및 생체 친화성 정도를 관찰하였다. 본 실험에서 사용한 세포는 L929 섬유아세포로서 한국 세포주 은행 (Korea Cell Line Bank)에서 공급받아 계대배양하여 사용하였다. 세포들을 배양기에서 배양시키면서 2-3 일 마다 새로운 배지로 교환하였다. 배양 세포의 형태에 대한 각 시편의 영향을 알아보기 위하여, 배양 후 2일째, 및 7일째 증식된 세포수와 증식 양상을 비교하였으며, 이때 배양 후 2일째는 검사 금속 시편들의 초기 독성 여부를 검사하는 의미에서 수행하였다. 양성 대조군으로는 니켈을 사용하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.As a test for cytotoxicity, a test method using L929 mouse cells introduced in 1965 by Guess et al. Was used. The specimen to be tested was placed in the center of the culture dish, the culture medium and the cells were placed, and the cells were cultured for a certain period of time, and then the number, shape, and proliferation of the cells were observed to observe whether the test specimens were toxic and biocompatible. The cells used in this experiment were L929 fibroblasts, which were supplied from the Korea Cell Line Bank and passaged. Cells were exchanged with fresh medium every 2-3 days while incubating in an incubator. To examine the effect of each specimen on the morphology of the cultured cells, the number of cells proliferated and the number of proliferation were compared on the 2nd and 7th day after the cultivation. Performed in the sense. Nickel was used as a positive control. The results are shown in Table 3.
배양 후 7일째의 관찰에서는 양성 대조군을 제외한 모든 금속 시편들에서 배양 접시 전체에 세포가 균일하게 증식한 것을 관찰 할 수 있었으며, 광학 현미경을 사용하여 관찰한 결과 세포들의 형태와 증식 양상은 완전히 정상이었다(제2도). 그러나, 니켈을 사용한 양성 대조군의 경우에는 금속 시편 주위의 뚜렷한 억제 부위를 관찰할 수 있었다. 본 발명의 합금과 기존 재료가 첨가된 배양기에서 배양된 세포의 수를 계산한 결과, 통계학적 유의성 없이 서로 유사한 세포 증식 양상을 나타내고 있는 것으로 보아 서로 유사한 생체 적합성을 갖고있는 것으로 생각된다.On the 7th day after the culture, the cells were uniformly grown throughout the culture dish in all the metal specimens except for the positive control group. (Figure 2). However, in the positive control group using nickel, a distinct inhibition site around the metal specimen could be observed. As a result of calculating the number of cells cultured in the incubator to which the alloy of the present invention and the existing material are added, it is considered that they have similar biocompatibility, because they show similar cell proliferation patterns without statistical significance.
3) 동물 실험3) Animal Experiment
실험 재료로 건강상태가 양호한 체중 2-2.5kg의 백색 가토 (New Zealand,White 계통)를 사용하였고, 가토의 장골 부위에 멸균된 금속 시편을 이식한 후, 3개월 동안 사육후 희생시켜, 주위 골 조직과 함께 금속 시편을 절제하여 적절한 처리를 거쳐 현미경으로 관찰 하였다(제3도). 시술 3개월 후 수술 부위에 염증은 보이지 않았고, 니켈을 사용한 양성 대조군의 경우를 제외하고는 발명합금과 기존 재료들은 주위의 신생골에 의하여 완전히 고정되어 있음을 확인 할 수 있었다. 제3도에서 보이는 것처럼, 염증 소견은 전혀 관찰할 수 없었으며, 또한 이식된 금속의 부식 현상도 관찰되지 않았다. 니켈을 제외한 금속 시편이 이식된 골 조직은 거의 모든 금속 계면과 접촉하여 있었고, 하버스관(haversian canal)을 갖는 정상 골 조직을 관찰할 수 있었으며, 골의 괴사와 같은 병적인 소견도 나타나지 않았다. 주위 골조직은 층판골을 형성하고, 정상적인 골화 세포를 포함하였으며, 치밀하게 석회화된 부분도 관찰할 수 있었다. 광학 현미경에 의한 관찰로 계산된 금속과 골 조직 접촉율을 표 4에 나타내었다. 금속-골조직 접촉율은 본 발명의 합금의 경우 87.6%였으며, 기존 재료의 경우 (89.6-93.6%)와 거의 유사하였다.As a test material, white rabbit (New Zealand, White strain) with a healthy weight of 2-2.5 kg was used, and sterilized metal specimens were implanted in the iliac region of the rabbit, and after sacrifice for 3 months, the surrounding bone Metal specimens with tissues were excised and subjected to appropriate treatment and observed under a microscope (Figure 3). Inflammation was not seen at the surgical site after 3 months, and the invention alloy and the existing materials were completely fixed by the new bone around, except for the positive control with nickel. As shown in FIG. 3, no inflammation was observed, and no corrosion of the implanted metal was observed. Bone tissues implanted with metal specimens except nickel were in contact with almost all metal interfaces, normal bone tissue with a haversian canal was observed, and no pathological findings such as bone necrosis were observed. Peripheral bone tissue formed lamellar bone, contained normal osteoclasts, and densely calcified areas. Table 4 shows metal and bone tissue contact rates calculated by observation with an optical microscope. The metal-bone contact ratio was 87.6% for the alloy of the present invention and was almost similar to that of the existing material (89.6-93.6%).
상기 설명한 것처럼, 본 발명의 티타늄 합금의 기계적 특성은 순수 티타늄에 비하여 거의 2배에 가까운 강도를 가지며, Ti-6Al-4V에 상응하는 값을 갖고 있었다. 또한, Ti-6Al-4V보다는 우수하고, 순수 티타늄과는 유사한 내식성을 갖고 있었다. 더욱이, 세포 독성의 경우 본 발명의 합금은 순수 티타늄 및 Ti-6Al-4V 합금 모두와 통계학적 유의한 차없이 서로 유사한 세포 증식 양상을 나타내었으며, 동물실험에서도 모두 높은 금속-골조직 접촉율을 갖고 있다. 따라서, 본 발명의 합금은 뛰어난 기계적 성질뿐만 아니라 우수한 생물학적 안전성을 갖고 있어 새로운 생체 재료로서 사용될 수 있다.As described above, the mechanical properties of the titanium alloy of the present invention had almost twice as much strength as that of pure titanium, and had a value corresponding to Ti-6Al-4V. In addition, it was superior to Ti-6Al-4V and had similar corrosion resistance to pure titanium. In addition, in the case of cytotoxicity, the alloy of the present invention showed similar cell proliferation patterns with both the pure titanium and Ti-6Al-4V alloys without statistically significant difference, and also had high metal-bone contact ratio in animal experiments. . Therefore, the alloy of the present invention not only has excellent mechanical properties but also excellent biological safety and can be used as a new biomaterial.
본 발명에 의하여, 세포 독성이 지적되고 있는 바나듐, 또는 알츠하이머 질환과의 인과관계가 의심되고 있는 알루미늄을 첨가하지 않은 티타늄계 합금을 제조함으로써 보다 안전하게 인체의 여러 부분에 적용할 수 있는 생체 재료가 제공된다.The present invention provides a biomaterial that can be applied to various parts of the human body more safely by producing a titanium-based alloy without adding vanadium, which has been pointed to cytotoxicity, or aluminum, which has a causal relationship with Alzheimer's disease. do.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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