KR101248609B1

KR101248609B1 - 인공 관절 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101248609B1
Application number: KR1020110019268A
Authority: KR
Inventors: 이채원
Original assignee: 이채원
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2013-03-28
Also published as: KR20120100404A

Abstract

본 발명은 티타늄 구조체에 생체 적합성과 내마모성이 우수한 질화 티타늄 물질을 피복한 인공 관절 및 그 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 인공 관절은, 관절 구조체; 상기 관절 구조체의 표면에 형성되고, 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 중간층; 그리고 상기 중간층 위에 도포되고, 질화 티타늄 및 질화 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 피복층을 포함한다. 또한, 본 발명에 의한 인공 관절 제조 방법은, 관절 구조체를 형성하는 단계; 증착 챔버 내에 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 타겟 물질과 상기 관절 구조체를 장착하는 단계; 상기 타겟 물질을 증착하여 상기 관절 구조체의 표면에 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 중간층을 형성하는 단계; 그리고 상기 챔버 내에 반응 가스를 투입하면서 상기 타겟 물질을 증착하여, 상기 관절 구조체의 표면에 상기 반응 가스와 상기 타겟 물질의 화합물을 포함하는 피복층을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명은 자연 관절과 거의 동일한 착용감으로 인해 거부감이 없고 반영구적으로 사용할 수 있는 인공 관절을 제공한다.

Description

인공 관절 및 그 제조 방법{An Artificial Joint Prosthesis And Method For Manufacturing The Same}

본 발명은 인공 관절 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 티타늄 구조체에 생체 적합성과 내마모성이 우수한 질화 티타늄(TiN) 물질을 피복한 인공 관절 및 그 제조하는 방법에 관한 것이다.

인공 관절은 인체에 존재하고 있던 관절이 오랜 사용 혹은 사고로 인해 손상되었을 경우 이를 대체하기 위해 필요한 재료이다. 손상된 원 관절 부위를 제거하고 이를 대체하여야 하므로 기존 관절과의 생체 적합성이 우수하여야 한다. 또한, 인공 관절의 내마모 특성이 우수하여 장시간 동안 재수술 없이 사용할 수 있어야 한다.

생체 적합성은 인체 내부에서 거부 반응 없이 기존 뼈와 유사하게 근육과 접합되어야 한다. 이는 재료적인 문제로서, 현재까지 알려진 가장 좋은 생체 재료로는 타타늄(Ti)이 있다.

기존 타타늄 인공 관절은 티타늄을 관절 형태와 유사하게 가공하여 사용하는 것으로서, 관절과 관절 사이의 접촉 부위에서 마찰 및 마모 현상이 발생하기 쉽다. 따라서, 장시간 사용하는 경우 인공 관절 사이의 마찰에 의한 마모로 인해 오랫동안 사용하지 못하는 문제가 발생한다. 이와 같은 높은 마찰력을 갖는 경우에는, 시술한 인공 관절을 작동하는 데 많은 에너지가 소모되어 불편하기도 하고, 경우에 따라서는 인공 관절을 시술한 후 재수술이 필요할 수도 있어 이에 대한 개선이 시급하게 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 생체 적합성이 우수하고, 내마모 특성이 향상된 인공 관절 및 그 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 반영구적으로 사용할 수 있으며, 작동시 마찰력에 의한 필요 작동 에너지를 극소화시킨 자연 관절과 유사한 느낌을 갖는 인공 관절 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 의한 인공 관절은, 관절 구조체; 상기 관절 구조체의 표면에 형성되고, 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 중간층; 그리고 상기 중간층 위에 도포되고, 질화 티타늄 및 질화 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 피복층을 포함한다.

상기 중간층은 도포 두께가 0.1㎛ 내지 0.5㎛인 것을 특징으로 한다.

상기 피복층은 도포 두께가 0.5㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 인공 관절 제조 방법은, 관절 구조체를 형성하는 단계; 증착 챔버 내에 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 타겟 물질과 상기 관절 구조체를 장착하는 단계; 상기 타겟 물질을 증착하여 상기 관절 구조체의 표면에 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 중간층을 형성하는 단계; 그리고 상기 챔버 내에 반응 가스를 투입하면서 상기 타겟 물질을 증착하여, 상기 관절 구조체의 표면에 상기 반응 가스와 상기 타겟 물질의 화합물을 포함하는 피복층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 반응 가스는 질소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 타겟 물질을 증착하는 방법은 스퍼터링 공법인 것을 특징으로 한다.

상기 타겟 물질을 증착하는 방법은 아크 이온 플레이팅 공법인 것을 특징으로 한다.

상기 중간층을 형성하는 단계에서, 상기 중간층을 0.1㎛ 내지 0.5㎛의 도포 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 피복층을 형성하는 단계에서, 상기 피복층을 0.5㎛ 내지 10㎛의 도포 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 인공 관절은 티타늄을 포함하는 인공 관절 구조체의 표면에 질화 티타늄을 포함하는 피복층을 구비하고 있어 기존 인공 관절에서 구현할 수 없는 우수한 내마모성을 갖는다. 따라서, 자연 관절과 거의 동일한 착용감으로 인해 거부감이 없고 반영구적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 의한 인공 관절 제조 방법은 자연 관절과 유사한 특성을 갖는 인공 관절을 용이하고, 저렴한 공정 비용으로 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 의한 인공 관절의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 첫 번째 실시 예에 의한 인공 관절 제조하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 두 번째 실시 예에 의한 인공 관절을 제조하는 과정을 나타낸 흐름도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

먼저, 도 1을 참고하여, 본 발명에 의한 인공 관절의 구조를 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 인공 관절의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명에 의한 인공 관절은 티타늄(Ti)을 포함하는 금속으로 자연 관절의 형태와 동일한 형상을 갖도록 가공한 관절 구조체(100)를 갖는다. 본 발명은 관절 구조체의 형태나 기능에 관련된 것이 아니므로 관절 구조체(100)의 형상은 개략적인 모양으로 그 단면을 표현하였다.

관절 구조체(100)의 겉 표면에는 질화 티타늄(TiN) 혹은 질화 지르코늄(ZrN)을 포함하는 물질로 피복층(300)이 도포되어 있다. 피복층(300)은 0.5㎛ 내지 10㎛ 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 특히, 질화 티타늄을 포함하는 피복층(300)이 0.5㎛이상 형성될 경우, 표면 경도 값이 2200Hv 이상이 되며, 마찰계수가 0.1이하이다. 따라서, 티타늄만으로 이루어진 관절 구조체(100)의 경우보다 우수한 내마모 특성이 있음으로써, 더욱 자연 관절에 가까운 인공 관절을 얻을 수 있다.

또한, 관절 구조체(100)와 피복층(300)의 접촉 상태를 향상시키기 위해서, 그 사이에 중간층(200)을 더 포함할 수 있다. 중간층(200)은 티타늄(Ti) 혹은 지르코늄(Zr)을 포함하는 물질로, 가공하여 만든 관절 구조체(100)의 표면을 고르게 하기 위해 스퍼터링 법 혹은 이온 플레이팅 법으로 추가로 도포하는 중간 계면막이다. 중간층(200)은 0.1㎛ 내지 0.5㎛ 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 중간층(200) 또는 피복층(300)은 관절 구조체(100)의 표면 전체에 형성될 수도 있으나, 편의상 관절 구조체(100) 중에서 마찰이 발생하는 부분에만 국한적으로 형성될 수도 있다. 본 발명의 주된 목적이 관절 부위에서 마찰을 최소화하는 것이므로, 당해 기술자라면 제조 공정 또는 제조 조건에 따라서, 중간층(200) 또는 피복층(300)을 형성하는 구체적인 부위를 조절할 수 있음을 알 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 첫 번째 실시 예에 의한 인공 관절을 제조하는 방법을 설명한다. 도 2는 본 발명의 첫 번째 실시 예로서 스퍼터링 공법에 의한 인공 관절 제조하는 과정을 나타낸 흐름도이다.

티타늄을 가공하여 인공 관절 구조체(100)를 형성한다.(S11)

스퍼터링 증착용 챔버 내에 티타늄(Ti) 혹은 지르코늄(Zr)을 포함하는 타겟을 장착한다. 그리고, 챔버 내에는 관절 구조체(100)를 장착한다. 특히, 관절 구조체(100)의 표면에 피복층(300)을 도포하기에 적절하도록 장치한다. 챔버에 연결된 진공 장비를 작동시켜 챔버 내부의 진공도가 1 X 10^-5 torr 정도가 되도록 배기한다. (S12)

스퍼터링 공법을 이용하여 챔버 내에 장착된 타켓을 증착하여, 관절 구조체(100)의 표면에 증착한다. 순도 99.999%의 아르곤(Ar) 가스를 투입하여 이온화 시킨 후 가속하여 타겟인 티타늄(Ti) 혹은 지르코늄(Zr)에 주입한다. 그러면, 아르곤 이온과 충돌에 의해 타겟 물질이 튀어 나와 관절 구조체(100)의 표면에 증착된다. 이와 같이, 타겟 물질만 불활성 기체 입자인 아르곤 이온을 이용하여 스퍼터링 하여 중간층(200)을 형성한다. 타겟이 티타늄인 경우, 티타늄 막인 중간층(200)이 형성되고, 지르코늄인 경우, 지르코늄 막인 중간층(200)이 형성된다. 중간층(200)의 두께는 0.1㎛ 내지 0.5㎛ 정도로 증착한다. 스퍼터링 공법은 잘 알려진 것이므로 자세한 설명은 생략한다. 다만, 본 발명에서 사용하는 스퍼터링 공법에서, 플라즈마 전력은 4.8KW (420V X 12A) 정도를 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 증착 속도는 3nm/min 정도로 유지하는 것이 바람직하다. (S13)

중간층(200)이 원하는 두께로 형성된 후, 아르곤 가스와 함께 질소(N) 가스를 동시에 이용하여 S13 단계의 스퍼터링 공법을 계속 수행한다. 그러면, 스퍼터링 공법에 의해 관절 구조체(100)로 증착되는 타켓 물질인 티타늄(Ti) 혹은 지르코늄(Zr)이 주입되는 질소(N)와 반응하여, 질화물계 박막이 형성된다. 즉, 중간층(200) 위에 질화 티타늄(TiN) 혹은 질화 지르코늄(ZrN)을 포함하는 피복층(300)이 형성된다. 이 때, 가스 유입량비는 아르곤:질소 = 70%:30% 내지 90%:10% 사이로 조정하는 것이 바람직하다. 특히, 전체 가스 유입량은 스퍼터링 공정의 작업 진공도가 2 X 10^-3 torr를 유지할 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다. 피복층(300)의 두께는 0.5㎛ 내지 10㎛ 정도로 증착한다. (S14)

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 두 번째 실시 예에 의한 인공 관절을 제조하는 방법을 설명한다. 도 3은 본 발명의 두 번째 실시 예로서 아크 이온 플레이팅 공법에 의한 인공 관절 제조하는 과정을 나타낸 흐름도이다.

티타늄을 가공하여 인공 관절 구조체(100)를 형성한다.(S21)

챔버 내에 티타늄(Ti) 혹은 지르코늄(Zr)을 포함하는 타겟을 장착한다. 관절 구조체(100)를 아크 이온 플레이팅 증착용 챔버 내에 표면에 피복층(300)을 도포하기에 적절하도록 장치한다. 챔버에 연결된 진공 장비를 작동시켜 챔버 내부의 진공도가 1 X 10^-5 torr 정도가 되도록 배기한다. (S22)

아크 이온 플레이팅 법으로 타겟인 티타늄(Ti) 혹은 지르코늄(Zr)을 증발시키고 아크 방전을 이용하여 플라즈마 상태로 만든다. 그리고, 관절 구조체(100)에는 마이너스의 바이어스 전압을 걸면, 이온화된 타겟 물질이 관절 구조체(100)의 표면에 증착되어 부착력이 큰 중간층(200)을 형성한다. 타겟이 티타늄인 경우, 티타늄 막인 중간층(200)이 형성되고, 지르코늄인 경우, 지르코늄 막인 중간층(200)이 형성된다. 중간층(200)의 두께는 0.1㎛ 내지 0.5㎛ 정도로 증착한다. 아크 이온 플레이팅 공법 역시 잘 알려진 것이므로 자세한 설명은 생략한다. 다만, 본 발명에서 사용하는 아크 이온 플레이팅 공법에서는 플라즈마 전력이 2.4KW (60V X 40A) 정도를 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 증착 속도는 3nm/min 정도로 유지하는 것이 바람직하다. (S23)

중간층(200)이 원하는 두께로 형성된 후, 반응 가스인 질소(N) 가스를 챔버 내부로 투입하면서, S23 단계의 아크 이온 플레이팅 공정을 계속 수행한다. 그러면, 관절 구조체(100)로 증착되는 타켓 물질인 티타늄(Ti) 혹은 지르코늄(Zr)이 질소(N) 가스와 반응하여, 질화물계 박막이 형성된다. 즉, 중간층(200) 위에 질화 티타늄(TiN) 혹은 질화 지르코늄(ZrN)을 포함하는 피복층(300)이 형성된다. 이 때, 각 가스 유입량비는 아르곤:질소 = 0%:100% 내지 50%:50% 사이로 조정하는 것이 바람직하다. 특히, 전체 가스 유입량은 아크 이온 플레이팅 공정 작업의 진공도가 1.5 X 10^-4 torr를 유지할 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다. 피복층(300)의 두께는 0.5㎛ 내지 10㎛ 정도로 증착한다. (S24)

스퍼터링 공법 및 아크 이온 플레이팅 공법은 모두 물리 증착법으로서 티타늄 혹은 지르코늄을 이온화 시키면서 반응 가스를 도입하여 티타늄 화합물 혹은 지르코늄 화합물을 생성하기 때문에 500℃이하에서 피막을 생성한다. 이와 같이 저온에서 피막을 형성할 수 있으므로 관절 구조체의 경도, 강도 및 내식성의 열화를 방지할 수 있고, 경도와 내마모성 및 내식성이 우수한 피복막을 얻을 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

100: 인공 관절 구조체 200: 중간층
300: 피복층

Claims

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관절 구조체를 형성하는 단계;
증착 챔버 내에 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 타겟 물질과 상기 관절 구조체를 장착하고 상기 챔버내에 진공도가 1 X 10^-5 torr 가 되도록 하는 단계;
상기 챔버 내에 아르곤 가스를 투입하고 스퍼터링 공법으로 상기 타켓 물질을 증착하되 플라즈마전력 4.8KW (420V X 12A), 증착속도 3nm/min로 유지하여 상기 관절 구조체의 표면에 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하며 0.1㎛ 내지 0.5㎛의 도포 두께를 갖는 중간층을 형성하는 단계; 및
상기 챔버 내에 아르곤 가스와 질소 가스를 70%:30% 내지 90%:10%로 투입하고 작업진공도는 2 X 10^-3 torr를 유지하면서 스퍼터링 공법으로 상기 타겟 물질을 증착하여, 상기 관절 구조체의 표면에 질화 티타늄 또는 질화 지르코늄을 포함하며 0.5㎛ 내지 10㎛의 도포 두께를 갖는 피복층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 관절 제조 방법.
관절 구조체를 형성하는 단계;
증착 챔버 내에 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 타겟 물질과 상기 관절 구조체를 장착하고 상기 챔버내 진공도가 1 X 10^-5 torr가 되도록 하는 단계;
아크 이온 플레이팅 공법으로 상기 타켓 물질을 증착하되, 플라즈마 전력 2.4KW (60V X 40A), 증착속도 3nm/min로 유지하여 상기 관절 구조체의 표면에 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 어느 하나를 포함하며 0.1㎛ 내지 0.5㎛의 도포 두께를 갖는 중간층을 형성하는 단계; 및
상기 챔버 내에 아르곤 가스와 질소 가스를 0%:100% 내지 50%:50%로 투입하고 작업 진공도는 1.5 X 10^-4 torr로 유지하면서 상기 아크 이온 플레이트 공법으로 상기 타겟 물질을 증착하여, 상기 관절 구조체의 표면에 질화 티타늄 또는 질화 지르코늄을 포함하며 0.5㎛ 내지 10㎛의 도포 두께를 갖는 피복층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 관절 제조 방법.
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