KR20210061519A

KR20210061519A - 다공성 나노 복합구조의 ha코팅층이 형성된 peek기재

Info

Publication number: KR20210061519A
Application number: KR1020190149007A
Authority: KR
Inventors: 정현도; 장태식; 송영식
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-28
Also published as: KR102331708B1

Abstract

본 발명은 PEEK(polyetheretherketone)기재; 및 상기 PEEK기재의 표면에 형성된 HA(hydroxyapatite)를 포함하는 HA코팅층을 포함하고, 상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재를 제공한다. 상기 다공성 나노 복합구조의 HA코팅층은 계면안정성 및 생체특성이 향상되어, 체내에 이식되었을 때 주변 골조직과의 유합능력이 향상된 임플란트에 적용될 수 있다.

Description

다공성 나노 복합구조의 HA코팅층이 형성된 PEEK기재{PEEK substrate with HA coating layer of porous nanocomposite structure}

본 발명은 HA코팅층이 형성된 PEEK기재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조이고, 체내에 이식되었을 때 주변 골조직과의 유합능력이 향상될 수 있는 PEEK 기재에 관한 것이다.

임플란트란 소실된 생물학적 조직을 대체하거나 조직으로 동작하기 위해 인공적으로 합성된 재료를 사용하여 장기형상으로 제작하여 심는 의료기기를 의미한다.

상기 임플란트 소재로, 종래에는 기계적 물성과 생체 안정성이 우수한 티타늄(Ti)이 널리 사용되었으나 시술 후 인근병변을 진단할 수 없다는 단점이 있고, 금속 임플란트와 주변 골조직간의 탄성계수 차이가 커서 골조직 내에서의 임플란트의 함몰, 골조직의 약화 등의 문제점이 발견되었다.

이러한 문제점을 보완하기 위해 다양한 물질로 이루어진 임플란트 소재가 연구되었으며, 생체 안정성이 우수하여 생체 내부에서 독성이 적고, 기존 금속에 비해 뼈와의 탄성계수 차이가 적어 정형외과용, 척추용 임플란트 소재로서 PEEK가 주목을 받으며 연구되기 시작했다.

상기 PEEK는 다른 생체금속 소재들에 비해 골조직과 매우 유사한 탄성계수를 가지고 있어 임플란트 계면에서 발생되는 응력 차폐현상을 최소화 할 수 있어, 강도 차이에 의한 골흡수나 골조직의 약화 등과 같은 의료적 부작용이 감소되는 장점이 있을 뿐만 아니라, 방사선 투과성이 우수하여 임플란트와 골조직간의 골융합의 정도를 정확하게 평가할 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 상기 PEEK로 이루어진 임플란트 자체는 소수성 및 비활성 표면특성을 가지고 있어 뼈세포와의 친화력이 매우 낮고, 이로 인해 골조직 내에 이식되었을 때 고정이 되지 않는다는 단점이 있어, 상기 PEEK 표면에 생체 활성 세라믹을 코팅하여 생체 활성 특성을 부과할 필요성이 대두되었다.

종래의 HA와 같은 생체 활성 세라믹을 임플란트 소재의 표면에 코팅하기 위하여 다양한 방법들이 사용되어 왔다.

현재 가장 널리 알려져 있는 생체 활성 세라믹 코팅 방법에는 플라즈마 스프레이 코팅법, 졸-겔 코팅법, 이온빔 스퍼터링, 펄스레이저증착법등이 있으나, PEEK의 기계적 물성 및 열팽창계수와 큰 차이를 가지고 있어 현재 활용되고 있는 단순 코팅방법으로는 충분한 계면 안정성을 확보할 수 없으며, 효과적인 생체특성의 향상을 기대하기 힘들다.

따라서, 계면 안정성 및 생체특성이 향상된 생체 활성 세라믹의 코팅 방법 및 이를 통하여 제조되어 주변 골조직과의 유합능력이 향상된 임플란트의 소재의 필요성이 대두된다.

본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는, 골조직과의 유합능력이 향상된 임플란트의 소재로서, 다공성 나노 복합구조의 HA코팅층이 형성된 PEEK기재를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 다공성 나노 복합구조의 HA 코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태는 PEEK(polyetheretherketone)로 구성된 기재; 및 상기 기재의 표면에 형성된 HA(hydroxyapatite)로 구성된 코팅층을 포함하고, 상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA코팅층의 기공도는 45 % 내지 80 %일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA 코팅층의 두께는 50 nm 내지 1,000 nm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA 코팅층은 Ca 및 P를 각각 6 at% 내지 7 at%로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 양태는, 챔버 내에 HA를 포함하는 타겟 및 PEEK기재를 포함하는 기판을 배치하는 단계; 상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록 처리하는 단계; 상기 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계; 상기 타겟 및 기판에 동시에 RF 파워를 인가하는 단계; 및 상기 PEEK 기재의 표면에 RF 마그네트론 스퍼터링으로 HA를 증착하는 동시에 HA이온주입 현상을 유도하여 HA코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록 처리하는 단계는, 상기 챔버 내부의 압력이 1 X 10^-4Torr 내지 5 X 10^-5Torr가 될 때까지 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계에서, 상기 불활성가스는 아르곤(Ar)이고, 상기 챔버의 압력이 0.5 mTorr 내지 5 mTorr가 되도록 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 RF 파워를 인가하는 단계에서, 상기 타겟에 인가하는 RF파워는 100 W 내지 200 W일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 RF파워를 인가하는 단계에서, 상기 기판에 인가하는 RF 파워는 40 W 내지 60 W일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA코팅층을 형성하는 단계는 10 분 내지 70 분간 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA코팅층을 형성하는 단계에서, 형성되는 HA코팅층의 기공도는 45 % 내지 75 %일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA코팅층을 형성하는 단계에서, 형성되는 HA코팅층의 두께는 50 nm 내지 1,000 nm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA코팅층을 형성하는 단계에서, 형성되는 HA코팅층은 Ca 및 P를 각각 6 at% 내지 7 at%로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 양태는 상기 HA 코팅층이 형성된 PEEK 기재를 포함하는 임플란트를 제공한다.

본 발명의 HA코팅층이 형성된 PEEK기재는 골조직과 매우 유사한 탄성계수를 가지고 있는 PEEK 기재 및 골조직과 친화력이 우수한 HA코팅층을 포함하고, 상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조로, 계면안정성 및 생체특성이 향상되어, 체내에 이식되었을 때 주변 골조직과의 유합능력이 향상된 임플란트에 적용될 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도1은 본 발명의 PEEK기재의 제조방법에 대한 흐름도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 FE-SEM분석 사진이다.
도3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 EDS분석 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 HA코팅층이 형성된 PEEK기재 및 비교예의 FIB분석 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 HA코팅층이 형성된 PEEK 기재의 Adhesion strength 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 HA코팅층이 형성된 PEEK 기재의 부착된 세포의 형광 레이저 현미경 사진이다.

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.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"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.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일 양태는 PEEK(polyetheretherketone)로 구성된 기재; 및 상기 PEEK기재의 표면에 형성된 HA(hydroxyapatite)로 구성된 코팅층을 포함하고, 상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA코팅층을 형성하는 단계에서, 형성되는 HA코팅층의 기공도는 45 % 내지 80 %일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA코팅층을 형성하는 단계에서, 형성되는 HA코팅층의 두께는 두께는 50 nm 내지 1,000 nm일 수 있다.

본 발명의 일 양태는 PEEK(polyetheretherketone)기재; 및 상기 PEEK기재의 표면에 형성된 HA(hydroxyapatite)코팅층을 포함하고, 상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재를 제공한다.

본 명세서에서 “PEEK(polyetheretherketone; 폴리에테르에테르케톤)”은 폴리아릴에테르케톤(polyaryletherketone; PAEK) 패밀리에 속하는 유기 열가소성 고분자의 일종이다. 고온에서도 유지되는 우수한 기계적 및 화학적 특성을 갖는 반결정 열가소성 수지로, 산업 전반에 널리 사용되고 있다. 약 130 ℃ 내지 150 ℃범위의 유리전이온도 및 약 340 ℃의 녹는점을 갖는다.

상기 PEEK는 고강도로 인하여 베어링, 피스톤 부품, 펌프, HPLC 컬럼, 압축기 플레이트 밸브 및 케이블 피복을 포함하는 강도를 요구하는 작업에 사용되는 아이템을 제조하는데 사용될 수 있고, 나아가, 골조직과 매우 유사한 탄성계수를 가지고 있어 의학적 용도의 임플란트의 소재로도 사용 가능하다.

본 명세서에서 "HA(hydroxyapatite; 히드록시아파타이트)"는 화학식 Ca₅(PO₄)₃(OH)를 갖는 칼슘 인회석의 자연 발생적 미네랄 형태이나, 2개 독립체(entity)를 포함하는 결정 단위를 나타내기 위하여 보통 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂로 쓰여진다. HA는 복잡한 아파타이트 그룹(complex apatite group)의 히드록실 단성분(endmember)일 수 있다. 상기 OH^-이온은 플루오라이드, 클로라이드 또는 카보네이트로 치환되어 플루오르아파타이트 또는 클로르아파타이트 등을 형성할 수 있고, 골 무기질(bone mineral)은 개질된 형태의 HA이다.

상기 HA는 인체 내 치아 및 골조직에 존재할 수 있다. 따라서, 절단된 골조직을 대체하기 위한 충진제 또는 보철 임플란트 내로 골조직 내성장을 촉진하기 위한 코팅제로 널리 사용되고 있다.

본 발명의 일 실시예에서, PEEK기재의 표면에 형성된 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조일 수 있고, 상기 HA코팅층의 기공도는 45 % 내지 80 %, 예를 들면, 50 % 내지 75 %일 수 있다.

본 명세서에서, 기공도(porosity)란 다공질 재료에서 비어 있는 부분이 그 전체 부피에서 차지하는 비율을 의미하는 것으로, 예를 들면, 상기 다공성 나노 복합구조의 HA코팅층에서 비어 있는 부분이 HA 코팅층의 전체 부피에서 차지하는 비율을 의미할 수 있다.

상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조의 형태로 존재하여, PEEK기재 표면의 조도를 향상시킬 수 있고, 일반적인 HA코팅층과 비교하여 더 높은 접착강도를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 발명이 포함하는HA코팅층의 접착강도(Adhesion strenghth)는 약 40 MPa 내지 50 MPa일 수 있다.

또한, 상기 다공성 나노 복합구조는 삼차원적으로 기공이 연결되어 혈류가 흘러 다닐 수 있다. 이로써, 본 발명의 HA코팅층이 형성된 PEEK기재는 생체특성이 향상될 수 있고, 이를 통하여 주변 골조직과의 유합능력이 향상된 임플란트의 소재가 될 수 있다.

본 발명이 포함하는 HA 코팅층의 두께는 하기에 설명하는 RF마그네트론 스퍼터링공정의 시간을 조절하여 조절할 수 있고, 예를 들면, 50 nm 내지 1,000 nm, 예를 들면, 400 nm내지 800 nm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA코팅층은 인체의 뼈를 구성하는 원소이며, 인체 내에서 길항을 이루는 칼슘(Ca) 및 인(P)를 포함할 수 있고, 상기 HA코팅층은 상기 칼슘(Ca) 및 인(P)을 각각 6 at% 내지 7 at%로 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 PEEK기재의 제조방법에 대한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 PEEK기재의 제조방법은 챔버 내에 HA를 포함하는 타겟 및 PEEK기재를 포함하는 기판을 배치하는 단계(S10); 상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록 처리하는 단계(S20); 상기 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계(S30); 상기 타겟 및 기판에 동시에 RF 파워를 인가하는 단계(S40); 및 상기 PEEK 기재의 표면에 RF 마그네트론 스퍼터링으로 HA를 증착하는 동시에 HA이온주입 현상을 유도하여 HA코팅층을 형성하는 단계(S50)를 포함하고, 상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 명세서에서 스퍼터링(sputtering)은 진공을 이용하는 대표적인 물리증착(physical vapor deposition; PVD)기술의 하나이다. 스퍼터링의 원리는 플라즈마 상태의 양이온을 캐소드 상의 타겟(target)에 충돌시켜 타겟 표면으로부터 입자를 방출시키고 그 입자가 기판에 증착되도록 하는 것이다.

본 명세서에서 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)이란, 타겟 배면에 자석을 부착하여 전기장에 수직한 자기장을 형성함으로써 전자들의 움직임을 타겟 주위로 구속하고 이동 경로를 길게 연장하여 스퍼터 효율을 높이는 것을 의미한다.

본 발명의 PEEK기재의 제조방법은 일반적인 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 수행될 수 있고, 일반적인 마그네트론 스퍼터링 장치는 챔버, 파워주입부, 펌프, 가스제어부 등으로 구성될 수 있다.

상기 챔버는 스퍼터링이 발생하는 부분으로, 타겟, 기판, 가스공급부 및 상기 타겟과 외부의 파워주입부를 연결하는 건(gun)을 포함할 수 있다.

먼저 본 발명의 PEEK기재의 제조방법은 챔버 내에 HA를 포함하는 타겟 및 PEEK기재를 포함하는 기판을 배치하는 단계(S10)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 타겟은 상기 기판에 코팅을 시키고자 하는 물질로, 상기 건의 위쪽에 장착되어 플라즈마 발생에 의해 이온이 타겟에 충돌하면, 타겟 표면의 원자 및 분자가 튕겨나가 기판에 증착될 수 있다.

상기 타겟물질은 금속, 세라믹, 고분자를 가리지 않고, 고체형상이면 이를 제한하지 않으나, 액체 또는 기체는 타겟으로 사용할 수 없다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 타겟은 고체형상의 HA로 이루어 질 수 있다. 상기 HA는 화학식 Ca₅(PO₄)₃(OH)를 갖는 생체 활성 물질로, 절단된 골조직을 대체하기 위한 충진제 또는 보철 임플란트 내로 골조직 내성장을 촉진하기 위한 코팅제로 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판은 상기 타겟이 증착되는 부분에 해당하고, 필요에 따라 기판을 가열하기 위한 히터를 포함하거나, 냉각 시스템, 회전부를 포함 할 수 있다.

상기 기판의 소재는 물질을 제한하지 않으며, 예를 들면, PEEK 기재를 포함할 수 있다. 상기 PEEK기재는 고온에서도 유지되는 우수한 기계적 및 화학적 특성을 갖는 반결정 열가소성 수지로 골조직과 매우 유사한 탄성계수를 가지고 있어 의학적 용도의 임플란트의 소재로 사용될 수 있다.

본 발명의 PEEK기재 제조방법은 상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록 처리하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록 처리하는 단계(S20)는 상기 챔버 내부의 압력이 1 X 10^-4Torr 내지 5 X 10^-5Torr가 될 때까지 수행될 수 있으며, 예를 들면, 진공펌프를 사용하여 수행될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 PEEK기재 제조방법은 상기 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계(S30)에서, 상기 불활성 가스는 아르곤(Ar)일 수 있고, 상기 챔버의 압력이 압력이 0.5 mTorr 내지 5 mTorr가 되도록 수행될 수 있다.

상기 아르곤(Ar)은 다른 물질과 반응하지 않는 대표적인 불활성가스로, 상기 아르곤을 불활성가스로 사용하는 경우, PEEK기재의표면을 손상을 최소화 할 수 있고, 불필요한 이온의 결합을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 상기 챔버 내부의 압력은 하기에 설명하는 마그네트론 스퍼터링 공정에서 유지되는 압력으로, 상기 범위를 벗어나는 경우, HA코팅층이 용이하게 생성되지 않을 수 있어, HA코팅층이 형성된 PEEK기재가 임플란트에 사용하기에 적합한 생체활성을 가지지 않을 수 있다.

다음으로, 본 발명의 PEEK기재 제조방법은 상기 타겟 및 기판에 동시에 RF파워를 인가하는 단계(S40); 및 상기 PEEK기재 표면에 RF 마그네트론 스퍼터링으로 상기 HA를 증착하는 동시에 HA 이온주입 현상을 유도하여 HA코팅층을 형성하는 단계(S50)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA를 포함하는 타겟에 RF파워를 인가하는 경우, 상기 HA를 포함하는 타겟의 표면에서, 상기 아르곤(Ar)의 플라즈마가 발생하게 되고, 아르곤(Ar) 이온이 상기 타겟에 충돌하면, HA를 포함하는 타겟 표면의 원자 및 분자가 튕겨나가 PEEK기재를 포함하는 기판에 증착될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 타겟에 인가하는 RF파워는 100 W 내지 200 W일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 타겟에 RF파워를 인가하여 마그네트론 스퍼터링 공정을 수행하는 동시에, 상기 기판에도 RF파워를 인가할 수 있다.

상기 기판에 RF파워를 인가하는 경우, 상기 기판은 음전압이 인가될 수 있고, 이로 인하여, HA를 포함하는 타겟으로부터 이온주입현상을 유도하여, 다공성 나노 복합구조를 포함하는 코팅층을 형성할 수 있다.

구체적으로, 상기 타겟에 RF파워를 인가하여 마그네트론 스퍼터링 공정을 수행하는 경우, 상기 타겟물질은 상기 기판에 고르게 증착될 수 있다. 이때, 상기 기판에도 RF파워를 인가함으로써, 이온주입현상을 유도하여, 다공성 나노 복합구조를 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판에 인가하는 RF파워는 40 W 내지 60 W일 수 있다.

예를 들면, 상기 기판에 상기 범위의 RF 파워를 인가하게 되면, 상기 아르곤(Ar) 이온들이 상기HA 타겟에서 떨어져 나온 HA 입자들과 함께 상기 기판의 표면에 강한 물리적 에너지를 가지고 충돌하게 되고, PEEK 기판의 표면 원자 및 분자가 튕겨나가 표면에 나노 복합구조를 형성할 수 있다. 또한, 상기 HA 입자들은 PEEK 기판표면에 이온주입되어 HA 코팅층을 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 HA코팅층을 형성하는 단계(S50)는 10 분 내지 70 분간 수행될 수 있다.

상기 HA코팅층을 형성하는 단계(S50)의 수행시간은 상기 HA코팅층의 두께 및 기공도를 조절하는 인자가 될 수 있다.

예를 들면, 상기 HA코팅층을 형성하는 단계(S50)의 수행시간이 증가됨에 따라, 상기 PEEK기재 표면에 생성되는 다공성 나노 복합구조가 성장하는 형태를 보일 수 있고, 상기 수행시간이 약 45분인 경우, 상기 PEEK기재 표면에 기공도 75 %를 가지는 다공성 나노 복합구조가 고르게 분포될 수 있고, 예를 들면, 상기 수행시간이 약 60분인 경우, 상기 형성된 HA코팅층의 두께는 약 650 nm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, HA코팅층을 형성하는 단계(S50)에서 PEEK기재의 표면에 형성된 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조일 수 있고, 상기 다공성 나노 복합구조의 기공도는 45 % 내지 80 %일 수 있다.

또한, 상기 다공성 나노 복합구조는 삼차원적으로 기공이 연결되어 혈류가 흘러 다닐 수 있다. 이로써, 본 발명의 HA코팅층이 형성된 PEEK기재는 생체특성이 향상될 수 있고, 이를 통하여 주변 골조직과의 유합능력이 향상된 임플란트의 소재가될 수 있다.

본 발명이 포함하는 HA 코팅층의 두께는 50 nm 내지 1,000 nm, 예를 들면, 400 nm 내지 800 nm일 수 있고, 상기 HA코팅층의 두께는 상기 HA코팅층을 형성하는 단계(S50)의 수행시간에 의하여 조절될 수 있다.

본 발명의 일 양태는 PEEK(polyetheretherketone)로 구성된 기재; 및 상기 기재의 표면에 형성된 HA(hydroxyapatite)로 구성된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 다공성 나노 복합구조인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재를 포함하는 임플란트를 제공한다.

상기 HA코팅층이 형성된 PEEK기재에 대한 설명은 상기 양태에서 설명한 것으로 갈음한다.

임플란트란, 소실된 생물학적 조직을 대체하거나 조직으로 동작하기 위해 인공적으로 합성된 재료를 사용하여 장기형상으로 제작하여 심는 의료기기를 의미하고, 본 발명의 임플란트는 치과용 또는 정형외과용, 성형외과용 임플란트의 각종 구성품을 모두 포함한다.

이하에서는, 실시예 및 비교예를 참조하면서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수지 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예시이며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1. HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조.

타겟으로, 85 % 밀도의 4'' HA 를 준비하고, 기판으로, Medical-grade PEEK(PEEK-OPTIMA, Invibio)를 준비하여, RF 마그네트론 스퍼터링공정을 수행하였다.

스퍼터링의 진공도는 1mTorr로 유지하고, 상온에서 공정을 진행하였다.

150 W의 RF 파워를 타겟에 인가하여 스퍼터링을 진행하는 동시에 기판에 50 W의 RF 파워를 인가하여 60 분동안 코팅공정을 수행하였다.

실시예2 내지 3. HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조.

상기 실시예 1에서, 코팅공정 수행 시간을 각각 15 분, 45 분으로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 HA코팅층이 형성된 PEEK기재를 제조하였다.

비교예1. HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조.

상기 실시예 1에서, 기판에 RF파워를 인가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 HA코팅층이 형성된 PEEK기재를 제조하였다.

실험예1. 표면분석

i. FE-SEM분석

상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 표면 및 기공도를 확인하기 위하여, FE-SEM분석을 시행하고, 이를 도 2에 도시 하였다.

도 2를 참조하면, 실시예 1의 경우에는 돌기형상의 나노구조물의 끝단이 서로 응집 되면서 작은 군집을 이루는 것을 확인할 수 있었고, 실시예 2의 경우, PEEK기재의 표면에 미세한 돌기형상의 나노구조물이 국부적으로 형성되는 것을 확인 하였으며, 실시예 3의 경우, 상기 나노구조물이 표면 전체에 균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

Binary 이미지의 Black area의 비율을 이용하여 기공을 계산한 결과, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 기공이 각각 65 %, 50 %, 75 %인 것을 알 수 있었다.

상기 공정시간을 조절하여 원하는 밀도의 코팅층을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

ii. EDS분석

상기 실시예 1에서 제조한 HA 코팅층이 형성된 PEEK 기재의 표면의 성분을 확인하기 위하여, EDS분석을 시행하고, 이를 도 3에 도시하였다.

도 3을 참조하면, HA의 성분인 Ca 및 P가 검출되었고, 상기 Ca 및 P의 At%는 각각 6.34 % 및 6. 39%인 것을 확인할 수 있었다.

PEEK기재의 표면에 HA코팅층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

실험예 2. 단면분석

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 HA 코팅층이 형성된 PEEK기재의 단면을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 PEEK기재의 FIB분석을 시행하고, 결과를 도 4에 도시하였다.

도 4를 참조하면, 실시예 1에서 제조한 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 경우, 약 650 nm의 높이를 가지는 다공성 구조를 형성하는 것을 확인할 수 있었고, 비교예 1에서 제조한 HA코팅층이 형성된 PEEK기재와 비교하여, PEEK기재의 표면의 조도가 매우 커진 것을 확인할 수 있었다.

실험예 3. 접착강도분석

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 접착강도를 분석하기 위해 Adhesion strength를 측정하여, 그래프를 도 5에 도시하였다.

도 5를 참조하면, 실시예 1에서 제조한 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 경우 비교예 1의 PEEK기재와 비교하여, 더 높은 접착강도를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.

실험예 4. 생체특성 분석

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 HA 코팅층이 형성된 PEEK기재 및 대조군으로 HA코팅층이 존재하지 않는 PEEK기재의 생체특성을 분석하기 위하여, 5시간 동안 세포를 부착하고, 형광 레이저 현미경으로 촬영하여 결과를 도 6에 도시하였다.

도 6을 참조하면, 대조군의 경우, 세포가 표면에 거의 붙지 않은 것을 확인할 수 있었고, 실시예 1의 경우가 비교예 1의 경우와 비교하여 표면에 붙어있는 세포의 개수가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

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 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

PEEK(polyetheretherketone)로 구성된 기재; 및
상기 기재의 표면에 형성된 HA(hydroxyapatite)로 구성된 코팅층을 포함하고,
상기 코팅층은 다공성 나노 복합구조인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재.
제 1 항에 있어서,
상기 HA코팅층의 기공도는 45 % 내지 80 %인 것을 특징으로 하는 HA 코팅층이 형성된 PEEK기재.
제 1 항에 있어서,
상기 HA 코팅층의 두께는 50 nm 내지 1,000 nm인 것을 특징으로 하는 HA 코팅층이 형성된 PEEK기재.
제 1 항에 있어서,
상기 HA 코팅층은 Ca 및 P를 각각 6 at% 내지 7 at%로 포함하는 것을 특징으로 하는 HA 코팅층이 형성된 PEEK기재.
챔버 내에 HA를 포함하는 타겟 및 PEEK기재를 포함하는 기판을 배치하는 단계;
상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록 처리하는 단계;
상기 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계;
상기 타겟 및 기판에 동시에 RF 파워를 인가하는 단계; 및
상기 PEEK 기재의 표면에 RF 마그네트론 스퍼터링으로 HA를 증착하는 동시에 HA이온주입 현상을 유도하여 HA코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 HA코팅층은 다공성 나노 복합구조인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록 처리하는 단계는 상기 챔버 내부의 압력이 1 X 10^-4Torr 내지 5 X 10^-5Torr가 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계에서,
상기 불활성가스는 아르곤(Ar)이고, 상기 챔버의 압력이 0.5 mTorr 내지 5 mTorr가 되도록 수행
되는 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 RF 파워를 인가하는 단계에서,
상기 타겟에 인가하는 RF파워는 100 W 내지 200 W인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 RF파워를 인가하는 단계에서,
상기 기판에 인가하는 RF 파워는 40 W 내지 60 W인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 HA코팅층을 형성하는 단계는 10 분 내지 70 분간 수행되는 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 HA코팅층을 형성하는 단계에서, 형성되는 HA코팅층의 기공도는 45 % 내지 80 %인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 HA코팅층을 형성하는 단계에서, 형성되는 HA코팅층의 두께는 50 nm 내지 1,000 nm인 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 HA코팅층을 형성하는 단계에서, 형성되는 HA코팅층은 Ca 및 P를 각각 6 at% 내지 7 at%로 포함하는 것을 특징으로 하는 HA코팅층이 형성된 PEEK기재의 제조방법.
제 1 항의 HA 코팅층이 형성된 PEEK기재를 포함하는 임플란트.