KR20130091163A - Method for manufacturing biocompatible implant - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a biocompatible implant is provided to improve the adhesive force of a hydroxyapatite coating layer. CONSTITUTION: A method for manufacturing a biocompatible implant comprises: a step of providing an implant type base metal which is made of titanium or low elastic alloy and has a surface average illuminance of 0.8-8.0 micrometers (S10); a step of forming a hydroxyapatite coating layer on the surface of the implant type base metal through a low temperature high speed collision method of 100°C or less (S20); and a step of washing the implant type base metal formed with the hydroxyapatite coating layer by immersing the base metal in liquid (S30). The coefficient of the low elastic titanium alloy is 80 GPa or less. [Reference numerals] (S10) Step of providing an implant type base metal which is made of titanium or low elastic alloy and has a surface average illuminance of 0.8-8.0 micrometers; (S20) Step of forming a hydroxyapatite coating layer on the surface of the implant type base metal through a low temperature high speed collision method of 100°C or less; (S30) Step of washing the implant type base metal formed with the hydroxyapatite coating layer by immersing the base metal in liquid

Description

생체 친화성 임플란트의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING BIOCOMPATIBLE IMPLANT}Manufacturing method of biocompatible implants {METHOD FOR MANUFACTURING BIOCOMPATIBLE IMPLANT}

본 발명은 임플란트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 골전도성이 우수한 생체친화성 임플란트에 관한 것이다.The present invention relates to an implant, and more particularly to a biocompatible implant having excellent bone conductivity.

임플란트는 결손된 치아를 영구 대체하는 인공치아이므로 실제 음식의 저작시 실제 치아와 동일한 역할을 수행하여야 할 뿐만 아니라 치아에 가해지는 하중을 적절히 분산할 수 있도록 제작되어야 하며 기존의 의치에 비하여 안정적인 역할을 담당할 수 있어야 한다. Since the implant is an artificial tooth that permanently replaces the missing tooth, it must not only play the same role as the actual tooth when the actual food is chewed, but also be manufactured to disperse the load on the tooth properly and play a more stable role than the existing denture. You must be in charge.

따라서 인공치아용 임플란트는 구강내 치조골에 이식시 생체조직에 대하여 생체친화성(Biocompatibility)이 매우 우수한 재료를 선택하여 기존 생체조직과의 생화학적인 부작용이 없는 재료를 선택해야만 한다. Therefore, implants for artificial teeth should be selected from materials that have very high biocompatibility with respect to biological tissues when implanted into the alveolar bone in the oral cavity, and should select materials without biochemical side effects with existing biological tissues.

따라서 임플란트 소재는 다양한 금속 및 합금으로 개발이 시도되었으며, 인간의 생체조직에 대한 높은 생체친화성, 높은 기계적 강도 및 생체 불활성을 갖는 장점을 갖는 티타늄(Ti) 금속이나 그 합금을 주로 이용하고 있다(L.L.Hench, Bioceramics, J. Am. Ceram, Soc. 81[7]1705-28 (1998)). Therefore, the implant material has been developed with various metals and alloys, and mainly uses titanium (Ti) metal or its alloys, which have advantages of high biocompatibility, high mechanical strength, and bioinertness to human tissues. LL Hench, Bioceramics, J. Am. Ceram, Soc. 81 [7] 1705-28 (1998)).

또한, 임플란트는 통상적인 저작운동 뿐만 아니라 단단한 음식의 저작시 반복되는 하중과 순간적인 하중등에 대하여 변형 및 파괴가 발생하지 않도록 기계적인 강도가 우수하여야 한다. In addition, the implant must be excellent in mechanical strength so that deformation and fracture do not occur under repeated loads and instantaneous loads when the hard food is masticated, as well as normal chewing motion.

생체내에 이식후 임플란트와 치조골 및 치육과 임플란트 사이에 음식찌꺼기 등이 끼어 2차감염이 이루어지지 않고 환자의 시술후 편의성을 위하여 짧은 시간내에 임플란트에 우수한 골전도성이 요구된다.After transplantation in vivo, food and other food residues between the implant and alveolar bone and the dental implant are not secondary infection, and excellent bone conductivity is required for the implant within a short time for the convenience of the patient.

이러한 요구를 달성하기 위하여서는 기존 생체조직과 골유착성이 우수한 재료를 생체에 이식되는 임플란트 표면에 코팅하여야 할 필요성이 있다. In order to achieve such a demand, there is a need to coat a surface of an implant to be implanted into a living body, a material having excellent osteoadhesion with existing living tissues.

이러한 재료중 수산화 아파타이트(hydroxyapatite; HA) 결정은 인체내 뼈 성분을 구성하고 있는 주요한 성분으로 이제까지 알려진 어떠한 재료보다 생체적합성(biocompatibility)이 우수한 재료로 알려져 있다. Among these materials, hydroxyapatite (HA) crystals are known to be biocompatibility superior to any materials known to be a major component constituting bone components in the human body.

따라서, 수산화 아파타이트를 다양한 방법을 통하여 코팅함으로써 생체적합성을 높이고 골유착성 및 골유착 기간을 단축시키고자 하는 연구들이 진행되어 왔다. Therefore, studies have been made to improve the biocompatibility, shorten the adhesion and the duration of osteoadhesion by coating the hydroxide apatite through various methods.

그 중에서도 골 유착강도를 증진시키기 위하여 수산화 아파타이트 결정체를 플라즈마(plasma)를 이용하여 용융 분사하여 코팅하는 방법이 이용되고 있으나 플라즈마의 고온으로 인하여 수산화 아파타이트 결정이 열분해되어 수산화 아파타이트 이외의 제2상(α-TCP, β-TCP, CaO, amorphous)이 생성되는데 이는 임상시험 결과 수산화 아파타이트 플라즈마 코팅의 생체적합성을 떨어뜨리는 결과를 야기하기도 하며 임플란트 지지체(통상 Ti-6Al-4V 합금)와 접착강도가 낮아 임플란트 코팅으로는 신뢰성 확보가 어렵다는 문제가 있다. Among them, in order to enhance the bone adhesion strength, a method of coating the hydroxide apatite crystals by spraying them using plasma is used. However, due to the high temperature of the plasma, the hydroxide apatite crystals are thermally decomposed to form a second phase other than α-apatite (α). -TCP, β-TCP, CaO, amorphous), which may result in poor biocompatibility of the hydroxide apatite plasma coating, and low implant strength with implant support (usually Ti-6Al-4V alloy) The coating has a problem that it is difficult to secure reliability.

이와 더불어 Ti-6Al-4V 합금은 바나듐(V)에 의해 골을 괴사시키는 현상이 보고되고 있으며 탄성계수가 높아서 골과의 기계적인 연동성이 떨어져 임플란트의 내구한계를 저하시키는 단점이 있다. In addition, Ti-6Al-4V alloy has been reported that the phenomenon of necrosis of bone by vanadium (V), and the mechanical modulus with the bone is low due to the high modulus of elasticity, which lowers the endurance limit of the implant.

또한, 코팅시 제2상의 생성과 코팅층의 접착강도를 향상시키기 위하여 초고속용사방법에 의하여 수산화 아파타이트 코팅이 시도되기도 하나 플라즈마 코팅에 비하여 열분해도가 저하되고 코팅층의 접착강도는 향상되지만 코팅시 형성된 비정질상은 SBF(simulated body fluid) 용액에서 선택적으로 녹아 코팅층의 접착강도를 현저히 떨어뜨리는 원인이 되고 있다. In addition, in order to improve the adhesion strength of the coating layer and the formation of the second phase during coating, the hydroxide apatite coating is attempted by the ultra-high speed spraying method, but compared with the plasma coating, the thermal decomposition degree is lowered and the adhesive strength of the coating layer is improved, but the amorphous phase formed during coating is It selectively melts in SBF (simulated body fluid) solution, causing a significant drop in the adhesive strength of the coating layer.

이와 같이 고온의 열원을 사용하여 수산화 아파타이트를 코팅할 경우 원하지 않는 제2상이 코팅층 내에 형성되어 수산화 아파타이트 코팅의 생체적합 특성을 떨어뜨리므로 이러한 단점을 보완하고자 SBF 용액내에서 수산화 아파타이트를 임플란트 지지체에 직접성장시키는 방법(Journal of Materials Science: Materials in Medicine 14 (2003) pp.539-545)이 시도되고 있으나 지지체와 접착강도가 낮아 아직 연구수준에 머물러 있다. When coating the hydroxide apatite using a high temperature heat source as described above, an unwanted second phase is formed in the coating layer, which degrades the biocompatibility of the hydroxide apatite coating. Therefore, the apatite hydroxide is directly added to the implant support in the SBF solution. The method of growth (Journal of Materials Science: Materials in Medicine 14 (2003) pp. 539-545) has been tried, but it is still at the research level due to the low adhesive strength with the support.

또한, 플라즈마로 코팅된 수산화 아파타이트 코팅 임플란트의 코팅층은 임플란트와의 접착력이 최대 23±2MPa 정도에 불과하여 치과에서 요구되는 강하고 치밀한 코팅층을 가진 임플란트로 이용하기에는 적합하지 못하다. In addition, the coating layer of the plasma-coated hydroxide apatite-coated implant is only suitable for the implant having a strong and dense coating layer required by the dentist because the adhesion to the implant is only about 23 ± 2MPa maximum.

따라서 종래의 수산화 아파타이트 임플란트는 우수한 초기 반응성을 가지고 있으나 장기간 동안 임상에 적용하기에는 부적절한 것으로 알려져 왔다. Thus, conventional hydroxide apatite implants have been known to have good initial reactivity but are inadequate for long term clinical applications.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 수~수십%의 기공도를 갖는 다공성의 초박막 수산화 아파타이트 코팅층을 티타늄 임플란트 표면에 형성함으로써 제2상이 형성되지 않는 낮은 온도에서, 수산화 아파타이트 코팅층의 접착력을 향상시킴으로써 골전도성과 시술후 골융합 속도가 빠른 티타늄 임플란트를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, by forming a porous ultra-thin hydroxide apatite coating layer having a porosity of several tens to several ten percent on the titanium implant surface at a low temperature at which the second phase is not formed, the hydroxide apatite coating layer It is an object of the present invention to provide a titanium implant having a high bone conduction rate and a high rate of bone fusion after the procedure.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 생체친화성 임플란트의 제조방법은 티타늄 또는 저탄성 티타늄 합금으로 제조되며, 표면부 평균조도가 0.8~8.0㎛로 조절된 임플란트형 기지금속을 제공하는 단계, 상기 임플란트형 기지금속의 표면에 100℃ 이하의 저온 고속충돌법에 의해 수산화 아파타이트(hydroxyapatite; HA)의 코팅층을 형성하는 단계, 및 상기 수산화 아파타이트의 코팅층이 형성된 임플란트형 기지금속을 액체에 침적하여 수세하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a biocompatible implant manufacturing method according to an embodiment of the present invention is made of titanium or a low elastic titanium alloy, and provides an implant-type base metal whose average surface roughness is adjusted to 0.8 ~ 8.0㎛. Forming a coating layer of hydroxyapatite (HA) on the surface of the implant-type base metal by a low-temperature, high-speed collision method of 100 ° C. or less, and implanting the implant-type base metal on which the coating layer of the hydroxide apatite is formed on a liquid Immersion and washing.

상기 저탄성 티타늄 합금은 탄성계수가 80GPa 이하일 수 있다.The low elastic titanium alloy may have an elastic modulus of 80 GPa or less.

상기 수산화 아파타이트 코팅층의 형성은, 수산화 아파타이트 입자를 질소, 아르곤 및 수소 중에서 선택된 적어도 하나의 캐리어 가스에 의해 10-1 torr 이하로 감압된 진공챔버에 이송하고, 이송된 수산화 아파타이트 입자를 스프레이 노즐에 의해 상기 임플란트형 기지금속을 향해 토출시켜 이루어질 수 있다.Formation of the hydroxide apatite coating layer, the hydroxide apatite particles are transferred to a vacuum chamber depressurized to 10 −1 torr or less by at least one carrier gas selected from nitrogen, argon and hydrogen, and the transferred apatite particles are sprayed by a spray nozzle. It may be made by discharging toward the implant base metal.

또한, 상기 수산화 아파타이트 코팅층의 형성은, 수산화 아파타이트 입자를 100m/s 이상의 속도로 상기 임플란트형 기지금속의 표면에 충돌시켜 이루어질 수 있다.In addition, the hydroxide apatite coating layer may be formed by colliding the surface of the implant-type base metal with the hydroxide apatite particles at a speed of 100 m / s or more.

상기 수산화 아파타이트 입자의 입도는 100nm~10㎛ 일 수 있다.The particle size of the hydroxide apatite particles may be 100nm ~ 10㎛.

상기 수산화 아파타이트 코팅층의 두께는 100nm~5㎛일 수 있다.The thickness of the hydroxide apatite coating layer may be 100nm ~ 5㎛.

상기 액체는 물, 증류수, 알코올, 식초 및 빙초산 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.The liquid may be at least one selected from water, distilled water, alcohol, vinegar and glacial acetic acid.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 생체친화성 임플란트는 상기와 같은 제조방법에 의해 제조될 수 있다.Biocompatible implant according to a preferred embodiment of the present invention can be prepared by the above manufacturing method.

본 발명에 의하면, 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트 표면에 기공도가 확보된 수산화 아파타이트(HA)를 코팅함으로써 접착력 향상과 함께 우수한 수산화 아파타이트의 골전도 속도를 배가함으로써 시술 후 환자의 골융합 속도를 단축할 수 있다. According to the present invention, by coating the surface of titanium or titanium alloy implants with a pore-deposited hydroxide apatite (HA) to improve adhesion and increase the bone conduction rate of the excellent hydroxide apatite can shorten the bone fusion rate after the procedure. .

또한, 본 발명에 의하면 탄성계수가 80GPa 이하의 저탄성 티타늄 합금 임플란트에 기공도가 확보된 수산화 아파타이트를 코팅함으로써 장기간 사용시에도 치조골과의 기계적인 연동성을 향상시켜 인체내에 장기간 안정적으로 존재할 수 있는 의료용 임플란트를 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention by coating a low-titanium alloy implant with a modulus of elasticity of less than 80 GPa, the porous apatite with porosity is improved, thereby improving mechanical interworking with the alveolar bone even in long-term use, thereby allowing the medical implant to be stably present in the human body for a long time. Can be provided.

도 1은 본 발명에 의한 생체친화성 임플란트 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명에 의한 티타늄 또는 저탄성 티타늄 합금 임플란트에 수산화 아파타이트 코팅층을 형성하기 위한 박막형성 장치이다.
도 3은 종래기술에 의한 수산화 아파타이트가 코팅된 티타늄 임플란트의 코팅층의 단면을 도시한 FIB(Focused Ion Beam)/SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 4는 본 발명에 의한 수산화 아파타이트 코팅 후 5~70%수준의 다공체를 갖는 수산화 아파타이트가 코팅된 티타늄 임플란트의 코팅층의 단면을 도시한 FIB/SEM 사진이다. 1 is a biocompatible implant manufacturing process according to the present invention.
2 is a thin film forming apparatus for forming a hydroxide apatite coating layer on a titanium or low elastic titanium alloy implant according to the present invention.
3 is a FIB (Focused Ion Beam) / SEM (Scanning Electron Microscope) photograph showing a cross section of a coating layer of a titanium implant coated with hydroxide apatite according to the prior art.
4 is a FIB / SEM photograph showing a cross section of a coating layer of a titanium implant coated with hydroxide apatite having a porous body of 5 to 70% level after the hydroxide apatite coating according to the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, it is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. It is intended that the disclosure of the present invention be limited only by the terms of the appended claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 생체친화성 임플란트의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, a method for preparing a biocompatible implant according to a preferred embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명에 의한 생체친화성 임플란트의 제조공정도이다.1 is a manufacturing process diagram of a biocompatible implant according to the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 의한 생체친화성 임플란트의 제조방법은 티타늄 또는 저탄성 티타늄 합금으로 제조되며, 표면부 평균조도가 0.8~8.0㎛로 조절된 임플란트형 기지금속을 제공하는 단계(S10), 상기 임플란트형 기지금속의 표면에 100℃ 이하의 저온 고속충돌법에 의해 수산화 아파타이트(hydroxyapatite; HA)의 코팅층을 형성하는 단계(S20), 및 상기 수산화 아파타이트의 코팅층이 형성된 임플란트형 기지금속을 액체에 침적하여 수세하는 단계(S30)를 포함한다.As shown in Figure 1, the method for producing a biocompatible implant according to the present invention is made of a titanium or low-elastic titanium alloy, and provides an implant-type base metal of which the surface roughness is adjusted to 0.8 ~ 8.0㎛ Step (S10), the step of forming a coating layer of hydroxyapatite (HA) on the surface of the implant-type base metal by a low-temperature high-speed crash method (S20), and the implant type formed a coating layer of the hydroxide apatite And depositing the base metal in the liquid and washing it with water (S30).

수산화 아파타이트 결정은 인체내 뼈 성분을 구성하고 있는 주요 성분중 하나로 생체적합성(biocompatibility)이 우수한 재료로 알려져 있다.Hydroxyapatite crystal is one of the major constituents of the human bone component and is known as a material having excellent biocompatibility.

상기 저탄성 티타늄 합금은 탄성계수가 80GPa 이하인 것을 특징으로 한다. 티타늄 합금 중에서 탄성계수가 80GPa 이하인 저탄성 티타늄 합금을 사용함으로써 골과의 기계적인 연동성을 높여 골 유착후 장기간 사용시에 우수한 내구한계를 높일 수 있다. The low elastic titanium alloy has an elastic modulus of 80 GPa or less. By using a low elastic titanium alloy having a modulus of elasticity of 80 GPa or less among titanium alloys, it is possible to increase mechanical interlockability with bones and to increase excellent durability during long-term use after bone adhesion.

상기 수산화 아파타이트 코팅층의 형성은, 수산화 아파타이트 입자를 질소, 아르곤 및 수소 중에서 선택된 적어도 하나의 캐리어 가스에 의해 10-1 torr 이하로 감압된 진공챔버에 이송하고, 이송된 수산화 아파타이트 입자를 스프레이 노즐에 의해 상기 임플란트형 기지금속을 향해 토출시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.Formation of the hydroxide apatite coating layer, the hydroxide apatite particles are transferred to a vacuum chamber depressurized to 10 −1 torr or less by at least one carrier gas selected from nitrogen, argon and hydrogen, and the transferred apatite particles are sprayed by a spray nozzle. It is characterized in that it is discharged toward the implant base metal.

상기 수산화 아파타이트 코팅층의 형성은, 수산화 아파타이트 입자를 100m/s 이상의 속도로 상기 임플란트형 기지금속의 표면에 충돌시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.The formation of the hydroxide apatite coating layer is characterized in that the hydroxide apatite particles collide with the surface of the implant base metal at a speed of 100 m / s or more.

상기 수산화 아파타이트 입자의 입도는 100nm~10㎛ 인 것을 특징으로 한다. 수산화 아파타이트 입자의 입도를 100nm~10㎛ 의 범위로 조절한 것은 캐리어 가스의 유속에 의해 호퍼로부터 유동하여 진공챔버 내로 용이하게 유입될 수 있도록 하기 위함이다. The particle size of the hydroxide apatite particles is characterized in that 100nm ~ 10㎛. The particle size of the hydroxide apatite particles is adjusted in the range of 100 nm to 10 μm in order to flow easily from the hopper by the flow rate of the carrier gas and easily flow into the vacuum chamber.

상기 수산화 아파타이트 코팅층의 두께는 100nm~5㎛인 것을 특징으로 한다. 코팅층의 두께를 상기와 같이 100nm~5㎛ 의 수치범위로 유지함으로써 수산화 아파타이트 코팅층이 임플란트형 기지금속의 표면에 안정적으로 접착되는 강도가 유지될 수 있다.The thickness of the hydroxide apatite coating layer is characterized in that 100nm ~ 5㎛. By maintaining the thickness of the coating layer in the numerical range of 100nm ~ 5㎛ as described above it can be maintained the strength that the hydroxide apatite coating layer is stably adhered to the surface of the implant base metal.

상기 액체는 물, 증류수, 알코올, 식초 및 빙초산 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.The liquid is characterized in that at least one selected from water, distilled water, alcohol, vinegar and glacial acetic acid.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 생체친화성 임플란트는 상기의 방법들에 의해 제조될 수 있다.
Biocompatible implant according to another preferred embodiment of the present invention can be prepared by the above methods.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples. These experimental examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.

표면 조도(거칠기)가 일정하게 조절된 티타늄 임플란트에 아래와 같은 방법으로 수산화 아파타이트(hydroxyapatite; HA) 박막 코팅을 실시하였다.
A thin film of hydroxyapatite (HA) was applied to a titanium implant having a constant surface roughness (roughness) adjusted as follows.

<티타늄 임플란트 표면 조도(거칠기)의 제어><Titanium Implant Surface Roughness Control (Roughness)>

티타늄 임플란트 표면은 일반적으로 자동선반을 이용한 기계가공에 의해 제작된다. 이때 표면 평균거칠기는 대략 0.2㎛ 수준으로 상대적으로 평평한 상태를 유지한다. Titanium implant surfaces are generally manufactured by machining with automatic lathes. At this time, the surface average roughness is maintained at a relatively flat state of about 0.2㎛ level.

본 발명에서는 우수한 수산화 아파타이트 코팅 결합력을 얻기 위해서 다수의 실험을 통해 임플란트 표면을 0.8~8.0㎛ 범위로 거칠게 제어하는 것이 바람직하다는 것을 확인하였다. 특히 8.0㎛ 초과의 표면 조도(거칠기)에서는 블라스팅 입자가 임플란트 표면의 효율적인 제거가 어려워지는 관계로 후 처리에 대한 문제를 발생시키므로 이에 대한 고려가 필요하다. In the present invention, it was confirmed that it is preferable to roughly control the implant surface in the range of 0.8 ~ 8.0㎛ through a number of experiments in order to obtain a good adhesion of the hydroxide apatite coating. In particular, surface roughness (roughness) of more than 8.0 μm causes problems for post-treatment because blasting particles are difficult to efficiently remove the implant surface.

상기 범위의 표면 거칠기를 갖는 임플란트를 제조하기 위하여 여러가지 조건에서 다양한 세라믹 입자로 블라스팅(blasting)을 실시하였다. 본 실시예에서는 주로 블라스팅 입자의 생체친화성을 고려하여 수산화 아파타이트 입자를 이용하여 약 1.2㎛ 수준으로 표면 거칠기를 조절한 상태에서 시험하였다.
In order to produce an implant having a surface roughness in the above range, blasting was performed with various ceramic particles under various conditions. In this example, the surface roughness was adjusted to about 1.2 μm using hydroxide apatite particles in consideration of the biocompatibility of the blasted particles.

<수산화 아파타이트(HA) 분말의 제조> <Production of Hydroxide Apatite (HA) Powder>

티타늄 임플란트 표면에 코팅되는 수산화 아파타이트 분말의 크기는 호퍼(hopper)를 통과한 캐리어 가스(carrier gas)에 부유하기 위하여 충분히 미세하여야 하며 다수의 실험결과 분말의 크기는 100nm~10㎛ 범위의 분말이 캐리어 가스의 유속에 의하여 충분히 호퍼로부터 유동하여 진공챔버내로 유입될 수 있음을 확인하였다. The size of the hydroxide apatite powder coated on the surface of titanium implant should be fine enough to float in the carrier gas that has passed through the hopper. As a result of many experiments, the powder size ranges from 100nm to 10㎛. It was confirmed that the flow rate of the gas can sufficiently flow from the hopper into the vacuum chamber.

이러한 범위의 크기를 갖는 수산화 아파타이트 분말을 제조하기 위하여 초기 입수한 10~100㎛ 범위의 수산화 아파타이트 분말을 크기가 충분히 작아질 때까지 볼밀링(ball milling)하고 볼밀링 시간을 조절하여 원하는 크기의 분말분포가 가장 많을 때 볼밀링을 중단하고 그 시간을 최적 볼밀링 시간으로 설정하였다. In order to prepare the hydroxide apatite powder having a size in this range, the ball milling and adjusting the ball milling time of the hydroxide apatite powder in the range of 10 to 100 μm until the size becomes small enough to adjust the powder of the desired size When the distribution was the most, the ball milling was stopped and the time was set as the optimum ball milling time.

본 실시예에서는 54시간 볼밀링하였을 경우 최적의 조건을 나타내었다.
In this example, the optimum conditions were obtained when ball milling for 54 hours.

<수산화 아파타이트 코팅층 형성><Formation of hydroxide apatite coating layer>

수산화 아파타이트(HA) 분말을 티타늄 소재의 임플란트의 표면에 코팅하기 위해서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 캐리어 가스(13)가 가스탱크(10)로부터 배출되어 수산화 아파타이트 분말이 담겨있는 호퍼(16)를 통과한 다음, 미립의 분말이 캐리어 가스(13)와 함께 진공챔버(19)로 유입된다. In order to coat the hydroxide apatite (HA) powder on the surface of the titanium implant, as shown in Figure 2, the carrier gas 13 is first discharged from the gas tank 10, the hopper 16 containing the hydroxide apatite powder After passing through), the fine powder is introduced into the vacuum chamber 19 together with the carrier gas 13.

이 때 배출되는 캐리어 가스(13)는 매스 플로우미터(15)에 의하여 유량이 제어된다. 캐리어 가스(13)는 10~100L/min.의 속도로 호퍼(16)에 유입되도록 하였다. The flow rate of the carrier gas 13 discharged at this time is controlled by the mass flow meter 15. The carrier gas 13 was made to flow into the hopper 16 at the speed of 10-100 L / min.

여기서 사용 가능한 케리어 가스(13)는 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 가스 중 하나 또는 이들을 혼합한 혼합 가스를 사용할 수 있으며, 케리어 가스(13)의 온도는 100℃ 이하로 유지한다.As the carrier gas 13 usable here, one of nitrogen, argon, helium and hydrogen gas or a mixed gas thereof may be used, and the temperature of the carrier gas 13 is maintained at 100 ° C or lower.

또한, 가스탱크(10)로부터 진공챔버(19)까지는 폐쇄 회로를 형성하여 이 폐쇄회로 내부는 외부와 격리되어 대기와 접촉을 차단하였다. In addition, a closed circuit was formed from the gas tank 10 to the vacuum chamber 19 so that the inside of the closed circuit was isolated from the outside to block the contact with the atmosphere.

한편, 진공챔버(19)는 부스터 펌프(17) 및 로타리 펌프(18)에 의하여 챔버내의 압력이 10-1~10-3 torr 범위의 매우 낮은 압력으로 유지하였다.On the other hand, the vacuum chamber 19 was maintained at a very low pressure in the range of 10 −1 to 10 −3 torr by the booster pump 17 and the rotary pump 18.

호퍼(16)는 진공챔버(19)와 연결되어 있어 낮은 압력을 나타낸다. 1기압으로 유입되는 캐리어 가스(13)는 호퍼(16) 내에서 난류(turbulence)가 발생하고 이에 따라 수산화 아파타이트 분말은 캐리어 가스와 함께 진공챔버(19)로 유입된다.The hopper 16 is connected to the vacuum chamber 19 to exhibit low pressure. The carrier gas 13 introduced at 1 atm generates turbulence in the hopper 16, and the hydroxide apatite powder is introduced into the vacuum chamber 19 together with the carrier gas.

호퍼(16)로부터 진공챔버(19) 내부로 유입되는 캐리어 가스(13)와 미세립의 수산화 아파타이트 분말은 진공챔버(19) 내에 설치된 미세한 홀(hole)이 형성된 스프레이 노즐(12)을 통하여 시편(20) 상에 토출되며 이때 노즐(20)을 전후로 한 압력차이로 인하여 분말은 더욱 가속되어 티타늄 임플란트 표면 즉 시편(20)의 표면에 매우 빠른 속도로 충돌하게 된다.The carrier gas 13 and the finely hydrated apatite powder introduced into the vacuum chamber 19 from the hopper 16 are sprayed through a spray nozzle 12 having fine holes provided in the vacuum chamber 19. 20, the powder is further accelerated due to the pressure difference between the front and back of the nozzle 20 to collide with the titanium implant surface, that is, the surface of the specimen 20 at a very high speed.

여기서, 시편(20)은 티타늄 또는 저탄성 티타늄 합금으로 제조된 임플란트를 의미한다.Here, the specimen 20 refers to an implant made of titanium or low elastic titanium alloy.

이와 같이 수산화 아파타이트 분말이 고속으로 시편(20)과 충돌하게 되면 미세한 수산화 아파타이트 분말은 더욱 미세한 분말로 미세파괴(microfracture)가 되고 이 미세파괴된 분말이 티타늄 임플란트에 코팅층을 형성하기 시작한다. 이와 같은 코팅 방법은 저온고속충격코팅법 중에 한 가지 방법이다. As such, when the hydroxide apatite powder collides with the specimen 20 at high speed, the fine hydroxide apatite powder becomes microfracture as a finer powder, and the finely broken powder starts to form a coating layer on the titanium implant. This coating method is one of the low temperature high-speed impact coating method.

이렇게 형성되는 수산화 아파타이트 코팅층은 2축 콘트롤러(23) 및 컴퓨터(22)를 통하여 2축 이송 및 회전장치(11)를 제어하고 이 제어를 통하여 저탄성 티타늄 합금 임플란트에 코팅되는 수산화 아파타이트 코팅층의 두께를 조절할 수 있으며 약 50nm~30㎛까지 코팅 두께의 조절이 가능하나 약 100nm~5㎛ 이내에서 코팅 두께를 조절하는 것이 바람직하였다. The hydroxide apatite coating layer formed as described above controls the biaxial feed and rotary device 11 through the biaxial controller 23 and the computer 22 and controls the thickness of the hydroxide apatite coating layer coated on the low elastic titanium alloy implant. It is possible to control and to control the coating thickness up to about 50nm ~ 30㎛ it was desirable to control the coating thickness within about 100nm ~ 5㎛.

이와 같이 코팅층의 두께를 제한하는 것은 수산화 아파타이트 코팅층이 골유착 후 기계적인 응력전달 연동성을 향상시킴과 동시에 시술 후에도 쉽게 박리되지 않도록 하기 위함이다. In this way, the thickness of the coating layer is limited so that the hydroxide apatite coating layer may not easily peel off even after the procedure while improving mechanical stress transfer interworkability after bone adhesion.

상기의 코팅방법은 코팅재에 고온의 열원이 없어도 코팅이 가능한 저온고속충돌 코팅법이다.
The coating method is a low temperature fast collision coating method that can be coated even without a high temperature heat source in the coating material.

<수산화 아파타이트 코팅층의 제어 및 분석><Control and Analysis of Hydroxyapatite Coating Layer>

도 3은 종래기술에 의해 수산화 아파타이트 코팅된 티타늄 임플란트의 코팅층을 도시한 FIB(Focused Ion Beam) 주사전자현미경으로 관찰한 것을 나타낸 사진이고, 도 4는 본 발명에 의한 수산화 아파타이트 코팅 후 상단부는 60%이상의 기공도를 갖고 티타늄(Ti) 계면으로 갈수록 기공도가 5~10%수준으로 작아지는 다공성 수산화 아파타이트 코팅된 티타늄 임플란트의 단면상태를 보여주는 FIB 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
Figure 3 is a photograph showing the observation of the coating layer of the hydroxide apatite-coated titanium implant according to the prior art by FIB (Focused Ion Beam) scanning electron microscope, Figure 4 is 60% of the upper part after the hydroxide apatite coating according to the present invention This is a FIB scanning electron microscope showing the cross-sectional state of a porous hydroxide apatite coated titanium implant that has the above porosity and the porosity decreases to 5-10% as it goes to the titanium interface.

상기의 최적의 표면 거칠기로 조절된 티타늄 금속 임플란트 표면에 코팅된 수산화 아파타이트 코팅층은 다시 물 또는 증류수, 알코올 등과 같은 인체 무해한 액체에 침적하여 특정온도 및 일정 시간동안 유지시키면 표면에 다량의 기공이 형성되었다.The hydroxide apatite coating layer coated on the titanium metal implant surface controlled by the optimum surface roughness was again deposited on harmless liquids such as water, distilled water, alcohol, etc., and maintained at a specific temperature and for a predetermined time, thereby forming a large amount of pores on the surface. .

그리고 이를 측정한 기공도 결과를 표 1에 나타내었다. 수산화 아파타이트 코팅층의 기공도는 모재를 순 티타늄과 저탄성 티타늄에 대해 실시한 결과, 일반적인 상온 고속충돌법에서는 매우 낮은 기공도를 나타내었다. And the porosity result of measuring this is shown in Table 1. The porosity of the hydroxide apatite coating layer showed that the base material was pure titanium and low elasticity titanium.

그러나, 본 발명의 기공도 보유 수산화 아파타이트 코팅층 임플란트에서는 상대적으로 높은 10~60% 수준의 기공도를 보유하는 것으로 확인되었다. 특히 저탄성 티타늄 합금 임플란트에 대해서도 기공도가 작게는 5~65%까지 다양한 범위의 존재를 확인할 수 있었다.
However, the porosity retaining hydroxide apatite coating layer implant of the present invention was found to have a relatively high porosity of 10 ~ 60% level. Particularly, the low porosity titanium alloy implants were found to have various porosities ranging from 5% to 65%.

여러가지 표면 기공도를 갖는 수산화 아파타이트 코팅층의 표면특성 Surface Characteristics of Hydroxyapatite Coating Layers with Various Surface Porosity 구분division 표면 평균거칠기
(㎛)Surface Average Roughness
(탆) 기공도
(%)Porosity
(%) 탄성계수
(GPa)Modulus of elasticity
(GPa) 비고Remarks 실시예Example 1.2㎛ Ti합금 + HA
(저탄성 티타늄 합금)1.2㎛ Ti alloy + HA
(Low elastic titanium alloy) 5.0~65.0%5.0-65.0% 45-7945-79 수세Suesse 1.2㎛ Ti + HA
(순 티타늄)1.2 μm Ti + HA
(Pure titanium) 10.0~60.0%10.0-60.0% 115115 수세Suesse 1.2㎛ Ti + HA
(순 티타늄)1.2 μm Ti + HA
(Pure titanium) 0.5~70.0%0.5-70.0% 115115 수세Suesse 비교예Comparative example 1.2㎛ Ti + HA
(순 티타늄)1.2 μm Ti + HA
(Pure titanium) < 0.1&Lt; 0.1 115115 무
처리radish
process

상술한 바와 같이, 본 발명의 의한 티타늄에 다공성 수산화 아파타이트가 코팅된 임플란트는 기존의 초박막 수산화 아파타이트 코팅재에 비해 티타늄 임플란트 표면과 비교하여 다량의 기공을 나타내고 있어서 골전도성이 매우 우수해진다는 것을 예상할 수 있다.As described above, the implant coated with porous hydroxide apatite on titanium according to the present invention exhibits a large amount of pores compared to the titanium implant surface compared to the conventional ultra thin hydroxide apatite coating material, and thus it can be expected that the bone conductivity is very excellent. have.

또한, 다공성 수산화 아파타이트 코팅층은 탄성계수가 80GPa 이하로 골과의 탄성계수를 유사한 저탄성 티타늄 합금 임플란트를 적용함으로써 골유착 후 기계적인 응력전달 연동성을 높일 수 있어 내구한계가 높은 임플란트용 의료기구의 표면코팅에 유용하게 이용될 수 있음을 확인할 수 있다.In addition, the porous hydroxide apatite coating layer has an elastic modulus of 80 GPa or less, and by applying a low elastic titanium alloy implant having a similar elastic modulus to the bone, the mechanical stress transfer interworking can be enhanced after bone adhesion. It can be seen that it can be usefully used for coating.

본 발명에 의해 제조된 다공성 수산화 아파타이트가 코팅된 티타늄 임플란트는 생체 매식용 의료기구로 치과수술, 정형, 악안면 및 하악골 외과수술 및 수의학 외과수술 등에 사용될 수 있다.
Porous hydroxide apatite-coated titanium implants prepared by the present invention can be used as biomedical medical instruments for dental surgery, orthopedic, maxillofacial and mandibular surgery and veterinary surgery.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

Claims (8)

티타늄 또는 저탄성 티타늄 합금으로 제조되며, 표면부 평균조도가 0.8~8.0㎛로 조절된 임플란트형 기지금속을 제공하는 단계;
상기 임플란트형 기지금속의 표면에 100℃ 이하의 저온 고속충돌법에 의해 수산화 아파타이트(hydroxyapatite; HA)의 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 수산화 아파타이트의 코팅층이 형성된 임플란트형 기지금속을 액체에 침적하여 수세하는 단계를 포함하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.Providing an implant-type base metal, which is made of titanium or a low elastic titanium alloy and whose surface portion average roughness is adjusted to 0.8 to 8.0 mu m;
Forming a coating layer of hydroxyapatite (HA) on the surface of the implant-type base metal by a low-temperature high-speed collision method of 100 ° C. or less; And
Method for producing a bio-compatible implant comprising the step of immersing the implant-type base metal on which the coating layer of hydroxide apatite is formed in a liquid. 제 1 항에 있어서,
상기 저탄성 티타늄 합금은 탄성계수가 80GPa 이하인 것을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.The method of claim 1,
The low elastic titanium alloy is a method of producing a bio-compatible implant, characterized in that the elastic modulus of 80 GPa or less. 제 1 항에 있어서,
상기 수산화 아파타이트 코팅층의 형성은,
수산화 아파타이트 입자를 질소, 아르곤 및 수소 중에서 선택된 적어도 하나의 캐리어 가스에 의해 10-1 torr 이하로 감압된 진공챔버에 이송하고, 이송된 수산화 아파타이트 입자를 스프레이 노즐에 의해 상기 임플란트형 기지금속을 향해 토출시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트의 제조방법. The method of claim 1,
Formation of the hydroxide apatite coating layer,
The hydroxide apatite particles are transferred to a vacuum chamber depressurized to 10 −1 torr or lower by at least one carrier gas selected from nitrogen, argon and hydrogen, and the transferred hydroxide apatite particles are discharged toward the implant-type base metal by a spray nozzle. Method for producing a bio-compatible implant, characterized in that made by. 제 3 항에 있어서,
상기 수산화 아파타이트 코팅층의 형성은,
수산화 아파타이트 입자를 100m/s 이상의 속도로 상기 임플란트형 기지금속의 표면에 충돌시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.The method of claim 3, wherein
Formation of the hydroxide apatite coating layer,
A method for producing a biocompatible implant, characterized in that the hydroxide apatite particles collide with the surface of the implant base metal at a speed of 100 m / s or more. 제 3 항에 있어서,
상기 수산화 아파타이트 입자의 입도는 100nm~10㎛ 인 것을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.The method of claim 3, wherein
The particle size of the hydroxide apatite particles is a method of producing a bio-compatible implant, characterized in that 100nm ~ 10㎛. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수산화 아파타이트 코팅층의 두께는 100nm~5㎛인 것을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The thickness of the hydroxide apatite coating layer is a method for producing a bio-compatible implant, characterized in that 100nm ~ 5㎛. 제 6 항에 있어서,
상기 액체는 물, 증류수, 알코올, 식초 및 빙초산 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트의 제조방법.The method according to claim 6,
The liquid is a method of producing a biocompatible implant, characterized in that at least one selected from water, distilled water, alcohol, vinegar and glacial acetic acid. 제 1 항 내지 제 7 항에 의한 방법에 의해 제조된 생체친화성 임플란트.A biocompatible implant prepared by the method according to claim 1.
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