WO2023059170A1 - 표면이 개질된 치과용 티타늄 소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

표면이 개질된 치과용 티타늄 소재 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2023059170A1
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plasma
titanium
implant
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present
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김희경
김철호
강성운
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아주대학교산학협력단
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/40—Surface treatments

Definitions

  • the present invention provides a surface-modified titanium material as a method for improving the biocompatibility and antibacterial effect of titanium, and more specifically, by treating a titanium implant with plasma to improve the cell adhesion of the implant, Provides a method for improving the antibacterial effect against harmful bacteria such as P. gingivalis.
  • Dental implants are artificial teeth that can permanently replace missing teeth, so they must be able to functionally act as real teeth.
  • the load applied to the teeth during mastication can be properly distributed so that it can be used for a long time, and it is required to be delicately made to have a shape and color that are not significantly different from the actual teeth in terms of beauty. do.
  • the implant is implanted and fixed into the living tissue of the oral cavity, that is, the alveolar bone.
  • the metal ions of the metal implant are eluted by tissue fluid or body fluid in the body or due to contact and friction with the living tissue over time, and the implant is damaged. will corrode
  • metal ions eluted from metal implants damage macrophages in vivo or invade cells in vivo and cause inflammatory cells or giant cells to occur, the implant must have excellent biocompatibility.
  • titanium metal or its alloys which have advantages of high mechanical strength and bioinertness.
  • titanium has a weak initial bone adhesion and masticatory force, so it is easy to fall off early during implantation in the body.
  • research is being conducted to coat the surface of titanium implants by applying various surface treatment methods.
  • An object of the present invention is to provide a dental titanium material or dental titanium implant having improved chemical activity, cell adhesion and antibacterial effect by surface modification.
  • the present invention discovers plasma that is effective in improving the cell adhesion and antibacterial effect of titanium materials and dental titanium implants, and provides titanium implants with improved stability, antibacterial properties, cell proliferation, cell mobility, and cell adhesion by treating them with titanium. want to do
  • the present invention is also intended to provide a plasma treatment process for the production of surface-modified titanium materials and dental titanium implants.
  • the present invention provides a titanium material whose surface is modified by plasma treatment, a dental titanium implant made of the titanium material, and a dental titanium implant whose surface is modified by plasma treatment.
  • a titanium material having a modified surface and a dental titanium implant according to the present invention have improved cell proliferation, adhesion and motility, and improved antibacterial effect.
  • plastic deformation occurs on the surface, resulting in high chemical activity and reactivity, and low C/0 ratio on the surface, resulting in high reactivity with cells.
  • the present invention also includes (a) filling a carrier gas in a plasma generating device; (b) generating plasma in the plasma generating device; and (c) irradiating titanium with the generated plasma.
  • step (a) preparing an implant made of a titanium material; (b) filling the plasma generating device with a carrier gas; (c) generating plasma in the plasma generating device; and (d) irradiating the implant of step (a) with the generated plasma.
  • the titanium material or implant is preferably for medical use, more specifically for dental use.
  • the titanium material or implant, the surface of which is modified according to the present invention may have a surface C/O ratio of 0.1 to 0.2.
  • the plasma of the present invention may be formed under atmospheric pressure conditions, and preferably, the plasma may include N 2 or N 2 /Ar as a carrier gas (consisting of N 2 or N 2 /Ar gas).
  • the N 2 /Ar mixed gas preferably includes N 2 and Ar in a molar ratio of 1 to 5:5 to 50.
  • the material or the implant whose surface is modified according to the present invention may be treated with plasma for 0.1 second to 10 minutes.
  • the plasma of the present invention may be generated by supplying a voltage of 0.1 kV to 20 kV and a frequency of 10 to 30 kHz to the plasma generating device, and may be radiated at room temperature and atmospheric pressure. Plasma of the present invention is preferably irradiated to the titanium for 0.1 seconds to 10 minutes.
  • the surface-modified titanium material and titanium implant have improved cell proliferation, adhesion and motility, and improved antibacterial effect.
  • the titanium material and the titanium implant according to the present invention are reduced in the contact angle of water and diodomethane according to the plasma treatment, and plastic deformation occurs on the surface, resulting in high chemical activity and reactivity.
  • the titanium material of the present invention has a low C / 0 ratio on the surface, and is suitable for use as a dental material due to high reactivity with cells.
  • the present invention provides the most effective type and generation method of plasma for surface modification of titanium materials.
  • the surface-modified titanium material and the manufacturing method of the implant according to the present invention there is an advantage in that the antibacterial property and cell adhesion of the implant can be improved, thereby minimizing the inflammatory reaction caused by the use of the implant.
  • the implant according to the present invention is formed with a hydrophilic moisturizing film, thereby improving the success rate of the implant procedure while shortening the procedure period.
  • the surface-modified titanium material or an implant using the same can be used for antibacterial (sterilization) purposes, cell proliferation, cell adhesion, and the like.
  • FIG. 1 is a schematic image of a surface modification method of a titanium material according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a result of confirming the contact angle of diiodomethane after irradiating a titanium specimen with a plasma composed of each carrier gas of Ar, HeO 2 , N 2 and N 2 /Ar according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a three - dimensional surface texture parameter , in particular , arithmetic mean height Sa; root mean square height, Sq; This is the result obtained by dividing the maximum pit height Sv.
  • FIG. 6 is a comparison of SEM images before and after irradiation of a titanium specimen with a plasma composed of each carrier gas of Ar, HeO 2 , N 2 and N 2 /Ar according to an embodiment of the present invention.
  • N 7 is a graph showing the concentration of nitrogen (N) present on the titanium surface after irradiating a titanium specimen with a plasma composed of each carrier gas of Ar, HeO 2 , N 2 and N 2 /Ar according to an embodiment of the present invention. This is the result.
  • FIG 8 is a graph showing the concentration of oxygen (O) present on the titanium surface after irradiating a titanium specimen with a plasma composed of Ar, HeO 2 , N 2 and N 2 /Ar carrier gas, respectively, according to an embodiment of the present invention. This is the result.
  • Porphyromonas gingivalis (hereinafter, P. gingivalis) on the titanium surface after irradiating a titanium specimen with plasma composed of N 2 and N 2 /Ar carrier gases, respectively, according to an embodiment of the present invention. This is the result of confirming the effect of reducing adhesion.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a cell proliferation test experiment according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a result of confirming osteoblast proliferation over time after irradiating a titanium specimen with plasma composed of N 2 and N 2 /Ar carrier gases, respectively, according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a result of confirming NO 2 released extracellularly from osteoblasts over time after irradiating osteoblasts with plasma composed of N 2 and N 2 /Ar carrier gas according to an embodiment of the present invention. .
  • the present invention is to provide a titanium material with improved cell proliferation, adhesion and motility and improved antibacterial effect.
  • the titanium material according to the present invention decreases the contact angle of water and diodomethane according to the plasma treatment, and plastic deformation occurs on the surface, so that the chemical activity and reactivity are high.
  • the titanium material of the present invention has a low C/0 ratio on the surface, and thus has high reactivity with cells.
  • plasma can be generated by supplying a specific pressure, voltage or frequency to a carrier gas.
  • the "carrier gas” in the present invention may be at least one gas selected from the group consisting of nitrogen, helium, argon, and oxygen, but is not limited thereto.
  • each of nitrogen, helium, argon and oxygen may be composed of a mixture of at least two types of gases, but is not limited thereto, most preferably nitrogen (N 2 ), or a mixture of nitrogen and argon (N 2 / Ar).
  • the mixture of nitrogen and argon may be a mixture of N 2 and Ar at a molar ratio of 1 to 5:5 to 50, preferably at a molar ratio of 1:9.
  • the plasma of the present invention can be generated by applying a voltage of 0.1 kV to 20 kV and/or a frequency of 10 to 30 kHz to the carrier gas. Most preferably, it can be generated by applying a voltage of 5 kV and/or a frequency of 25 kHz.
  • surface modification means imparting physical, chemical, and biological characteristics to the surface of a material that were not originally present in the material, and in the present invention, by plasma treatment, the contact angle of water and diodomethane This means that the contact angle decreases, plastic deformation occurs on the surface, chemical activity and reactivity increase, and the C/0 ratio decreases, resulting in increased reactivity with cells.
  • the water contact angle and the contact angle of diiodomethane on the titanium surface are generally reduced according to the plasma treatment (see FIGS. 1 and 2).
  • the surface free energy increased during plasma treatment, and among them, the polar component ( ⁇ p ) increased in the plasma composed of N 2 and N 2 /Ar (as a carrier gas) (see FIG. 3), It can be seen that the surface-modified titanium material according to the present invention has improved cell adhesion ability.
  • the surface of titanium whose surface is modified according to the present invention may have a different composition according to plasma treatment.
  • the carbon/oxygen (C/O) ratio on the surface of titanium appears to be 0.1 to 0.2 or 0.1 to 0.15, and the reactivity with cells is higher (see Figs. 7 to 9).
  • the antibacterial effect is increased and the ability of bacteria to adhere is reduced, making it suitable for use as a dental material.
  • the titanium material of the present invention has an antibacterial effect against bacteria present in the oral cavity, and is composed of Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia and Treponema denticola. It has an antibacterial (sterilization) effect on at least one germ selected from the group.
  • the titanium material prepared according to the present invention is suitable for use as a medical material due to improved cell proliferation, cell motility, and cell adhesion in relation to cells (preferably, osteoblasts).
  • the titanium material of the present invention improves the cell proliferative capacity, mobility, and adhesion in the reaction with osteoblasts as described above, and when used as a dental material, the efficacy of bone formation and osseointegration is improved.
  • treatment of plasma means irradiating plasma to titanium (or a specific material made of titanium).
  • plasma may be radiated at room temperature and atmospheric pressure, and may be irradiated to the titanium at a distance of 10 mm for 0.1 seconds to 10 minutes, preferably for 60 seconds.
  • the "titanium material" of the present invention can be used as a dental material, but is not limited thereto, and can be used for implants, crowns, inlays, posts and orthodontic brackets, and most preferably, used as a dental implant material. It can be.
  • the term "implant” refers to a substitute for restoring lost human tissue
  • a dental implant is generally a fixture in the alveolar bone from which a natural tooth root has been extracted so as to replace the tooth root of a lost tooth.
  • the "dental titanium implant whose surface is modified by plasma treatment” may be made of a titanium material whose surface is modified or manufactured by treating an implant made of titanium with plasma.
  • CP commercially pure
  • a total of 140 plate samples (10.0 mm ⁇ 10.0 mm ⁇ 1.0 mm) were prepared and polished to a uniform finish with 800 grit SiC paper. After ultrasonic cleaning for 20 minutes, plasma irradiation was performed at room temperature using a low-temperature atmospheric pressure DBD plasma generator (PR-ATO-001, ICD Co., Anseong, Gyeonggi-do, Korea). Plasma was applied perpendicularly to the sample surface at a distance of 10 mm for 60 seconds.
  • PR-ATO-001 low-temperature atmospheric pressure DBD plasma generator
  • the input voltage was fixed at 5 kV using a high voltage transformer, and the operating frequency was set at 25 kHz using a digital oscilloscope (MSO4032, Tektronix, Beaverton, OR, USA).
  • the mass flow controller maintained a constant gas flow of 10 standard liters per minute (slm).
  • the surface free energy was calculated by measuring the contact angle of two liquids (distilled water and non-polar diodomethane) according to the Owens-Wendt equation.
  • the total surface free energy ( ⁇ total) including the dispersive component ( ⁇ d ) and the polar component ( ⁇ p ) was calculated.
  • FIG. 2 shows a water contact angle during plasma treatment according to this embodiment
  • FIG. 3 shows a contact angle of diiodomethane during plasma treatment according to this embodiment.
  • FIGS. 2 and 3 there was a difference in contact angle according to plasma, and a decrease in water contact angle and Ar, N 2 in the case of Ar, HeO 2 , N 2 , N 2 /Ar plasma treatment. , N 2 /Ar plasma treatment, it can be seen that the decrease in the contact angle of diiodomethane (diiodomethane contact angle) appears.
  • the contact angle of water and diodomethane are reduced, and the surface free energy is high in N 2 and N 2 Ar, and in particular, ⁇ p of N 2 plasma treatment As the value significantly increased, it can be seen that the cell adhesion ability of the titanium sample is improved when treated with N 2 plasma. This indicates that the surface of the titanium sample was modified by the plasma treatment.
  • surface texture parameters in particular the arithmetic mean height Sa; root mean square height, Sq; Maximum pit height Sv was calculated according to ISO 25,178.
  • Surface analysis was performed independently at two central locations, and a total of 10 measurements were performed for each sample treated with plasma composed of different types of gases.
  • FIG. 6 Magnified confocal images and SEM images of samples treated with plasma composed of different types of gases are shown in FIG. 6 .
  • the surface texture parameters (Sa, Sq, Sv) measured by CLSM are shown in FIG. 5.
  • FIG. 7 and 8 show the atomic percentages (at%) of these nitrogen and oxygen, respectively, determined by XPS, and FIG. 9 shows the carbon/oxygen ratio in all samples.
  • the nitrogen content of the titanium surface after plasma treatment increased compared to the control group when treated with N 2 plasma, and decreased when treated with Ar, HeO 2 , and N 2 /Ar plasma. It can be seen that the content of oxygen also greatly increased compared to the control group when the plasma composed of N 2 was treated.
  • each plasma was irradiated and the number of bacteria was measured over time.
  • the experiment process is as follows. First, bacteria stored in a deep freezer were taken out and thawed at room temperature. The stored bacteria were diluted in 1mL TSB medium (tryptic soy broth) to become 2*105 bacteria. Thereafter, it was washed twice with DW/PBS (all of the storage solvent glycerol was removed through the washing process) (DW 1ml -> vortex -> DW removal was repeated twice). After washing, 1 ml of TSB medium (tryptic soy broth) was added and mixed well so that the bacteria were homogeneous. Thereafter, 100ul was picked (104) and smeared on the medium using a smearing rod. After the smear, plasma was treated according to each plasma treatment time (10 minutes, 20 minutes, 30 minutes), and then incubated at a temperature of 37 degrees.
  • TSB medium tryptic soy broth
  • Counting (counting 100 or more): For each plate, bacteria within 1 cm 2 were counted according to the dense plate measurement method, and then multiplied by 65 to calculate the number of bacteria on the plate, as shown in FIG. 10, and the unit is cfu/ml.
  • N 2 under 10% FBS conditions or When N 2 /Ar plasma was treated with titanium samples for 30 seconds, respectively, about 0.4% of osteoblasts in the case of plasma composed of N 2 compared to the control group, and 11% of osteoblasts in the case of N 2 /Ar plasma Cells (osteoblast) proliferated, and when plasma was treated for 60 seconds, N 2 : 10%, N 2 /Ar: 11% of osteoblasts were proliferated, respectively (see FIGS. 12 and 13). .
  • control group (Control) compared to the N 2 condition was not statistically significant, and under the N 2 /Ar condition, respectively, 0.3% and 15% of osteoblasts were proliferated.
  • N 2 or N 2 /Ar plasma-treated titanium surface on the osteoblast motility was confirmed.
  • N 2 plasma when N 2 plasma was treated, no effect was observed when treated for 30 seconds or 60 seconds (see FIG. 14), but when N 2 Ar plasma was treated for 30 seconds, osteoblast migration This was confirmed (see FIG. 15).
  • extracellular H 2 O 2 does not appear (see FIG. 16), but when comparing extracellular NO 2 over time, it can be confirmed that NO 2 is released from both N 2 and N 2 Ar plasma. can, in particular It can be confirmed that the expression was significantly higher in N 2 Ar than the amount expressed in N 2 (see FIG. 17).
  • MC-3T3E1 cells Mae osteoblast cells
  • Alpha MEM + 10% FBS (fetal bovine serum) was used as culture media
  • N 2 and N 2 Ar plasma were pretreated for 10 and 20 minutes, respectively, and then 2X10 4 cells were seeded. ) was done.
  • SYTOX staining green staining (nucleus stain, 1:30,000) was performed for 15 minutes, the field of the titanium sample was divided to confirm cell adhesion.
  • osteoblast adhesion increased after 10 minutes of treatment, and the increased number of cells was higher than that in the case of N 2 /Ar plasma.

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Abstract

본 발명은 플라즈마가 처리되어 표면이 개질된 치과용 티타늄 소재, 임플란트 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제조된 티타늄 소재, 임플란트는 세포 부착능과 항균효과가 향상되어, 생체 친화성이 향상되고, 사용자의 염증반응 등을 최소화할 수 있다.

Description

표면이 개질된 치과용 티타늄 소재 및 이의 제조방법
본 발명은 티타늄의 생체 친화성 및 항균효과를 개선하기 위한 방법으로 표면이 개질된 티타늄 소재를 제공하며, 더욱 구체적으로는, 티타늄 소재의 임플란트에 플라즈마를 처리하여 임플란트의 세포 부착능을 개선하고, P. gingivalis 등의 유해균에 대한 항균효과를 개선하는 방법을 제공한다.
한편, 본 출원은 하기 국가연구개발사업에 의해 지원받았다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
1.
[과제고유번호]1465034377
[과제번호]HR21C1003 (HR21C1003010021)
[시행부처]보건복지부
[연구관리전문기관]보건복지부(한국보건산업진흥원)
[사업명]연구중심병원육성(R&D)
[과제명]5차 산업혁명 초개인화 H·I 미래기술 기반, 콰트로 상생 플랫폼 구축 (맞춤형 Healing 혁신 H·I(Human Interface)조기 기술사업화 플랫폼 구축)
[주관기관]아주대학교의료원
[연구기간]2021.7.1~2029.12.31
2.
[과제고유번호]1711144175
[과제번호]2018R1A2B3009008
[시행부처]과학기술정보통신부
[연구관리전문기관]한국연구재단
[사업명]개인기초연구(과기정통부)(R＆D)
[과제명]난치성 두경부암에서 single-cell transcriptome기반 종양내 비균질성과 종양미세환경분석을 통한 치료저항성 암 극복 정밀제어 치료전략 개발
[주관기관]아주대학교
[연구기간]2018.03.01 ~ 2023.02.28
3.
[과제고유번호]1711144980
[과제번호]2019R1F1A1062112
[시행부처]과학기술정보통신부
[연구관리전문기관]한국연구재단
[사업명]기본연구
[과제명]치과용 신소재 고투명도 입방정상 지르코니아의 기능 향상을 위한 표면처리 기술 개발
[주관기관]아주대학교
[연구기간]2019.06.01 ~ 2022.08.31
4.
[과제고유번호]1711172489
[과제번호]2022R1F1A1067929
[시행부처]과학기술정보통신부
[연구관리전문기관]한국연구재단
[사업명]기본연구
[과제명]플라즈마 이온질화 공법을 통한 치과용 고투명도 지르코니아의 기능 향상 핵심기술 개발
[주관기관]아주대학교
[연구기간]2022.06.01 ~ 2025.02.28
치과용 임플란트(이하, '임플란트'라 간략히 칭함)는 결손된 치아를 영구적으로 대체할 수 있는 인공 치아이므로 기능적으로 실제 치아의 역할을 대행할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라 저작(詛嚼) 중에 치아에 가해지는 하중을 적절히 분산할 수 있어 장시간 사용이 가능하도록 제작되어야 하며, 미용상으로도 실제 치아와 큰 차이가 없는 형태와 색감을 가지도록 섬세하게 만들어질 것이 요구된다.
임플란트는 구강 내 생체조직, 즉 치조골 안으로 이식되어 고정되는데, 생체 내에 이식된 후 시간이 지나면 체 내의 조직액이나 체액에 의해 또는 생체조직과의 접촉과 마찰로 인해 금속 임플란트의 금속 이온이 용출되어 임플란트를 부식시키게 된다. 또한 금속 임플란트로부터 용출된 금속 이온은 생체내의 대식세포를 손상시키거나 생 체 내의 세포에 침입하여 염증성 세포 또는 거대 세포를 발생시키는 원인이 되기도 하므로, 임플란트는 생체적합성이 우수하여야 한다.
이러한 임플란트 소재는 다양한 금속 및 합금으로 개발이 시도되었으나, 높은 기계적 강도 및 생체 불활성을 장점으로 갖는 티타늄 금속이나 그 합금을 주로 이용하는 것이 대세를 이루고 있다. 반면에, 티타늄은 초기 골 유착력과 저작력이 약하여 체내 식립 시에 조기 탈락이 되기 쉬운 단점이 있으며, 이를 개선하기 다양한 표면처리 방법을 적용하여 티타늄 임플란트의 표면을 코팅하는 연구가 진행되고 있다.
한편, 임플란트를 체내에 식립하는 과정은 외과 수술에 의해서 진행되며, 외과 수술 과정에서 세균감염 및 염증 유발에 의한 문제가 빈번히 발생하고 있어, 임플란트의 항균효과를 높이면서도 세포 부착능을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 표면 개질되어, 화학적 활성도, 세포 부착능 및 항균 효과가 개선된 치과용의 티타늄 소재 또는 치과용 티타늄 임플란트를 제공하고자 한다.
본 발명은 티타늄 소재 및 치과용 티타늄 임플란트의 세포 부착능 및 항균 효과를 개선하는데 효과적인 플라즈마를 발견하고, 이를 티타늄에 처리하여 안정성, 항균성, 세포증식성, 세포 이동성, 세포 부착성이 향상된 티타늄 임플란트를 제공하고자 한다.
본 발명은 또한, 표면 개질된 티타늄 소재 및 치과용 티타늄 임플란트의 제조를 위한 플라즈마 처리 공정을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전 하도록 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 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 발명에서는 플라즈마 처리에 의해 표면이 개질된 티타늄 소재, 상기 티타늄 소재로 이루어진 치과용 티타늄 임플란트 및 플라즈마 처리에 의해 표면이 개질된 치과용 티타늄 임플란트를 제공한다.
본 발명에 따른 표면이 개질된 티타늄 소재, 치과용 티타늄 임플란트는, 세포 증식능, 부착능 및 운동성이 향상되고, 항균 효과가 개선된 효과가 있다. 또한, 표면에서 소성 변형이 일어나, 화학적 활성도와 반응성이 높고, 표면에서 C/0 비율이 낮아, 세포와의 반응성이 높다.
본 발명은 또한, (a) 플라즈마 발생 장치에 캐리어 가스를 충진하는 단계; (b) 상기 플라즈마 발생 장치에서 플라즈마를 발생시키는 단계; 및 (c) 상기 발생된 플라즈마를 티타늄에 조사하는 단계를 포함하는, 티타늄 소재의 표면 개질 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, (a) 티타늄 소재로 구성된 임플란트를 준비하는 단계; (b) 플라즈마 발생 장치에 캐리어 가스를 충진하는 단계; (c) 상기 플라즈마 발생 장치에서 플라즈마를 발생시키는 단계; 및 (d) 상기 발생된 플라즈마를 상기 단계 (a)의 임플란트에 조사하는 단계를 포함하는, 표면이 개질된 치과용 임플란트의 제조방법이 제공된다.
본 발명에서, 상기 티타늄 소재 또는 임플란트는 의료용, 더욱 구체적으로는 치과용인 것이 바람직하다.
본 발명에 따라 표면이 개질된 티타늄 소재, 임플란트는, 표면 C/O 비율이 0.1 내지 0.2일 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 플라즈마는 대기압 조건에서 형성된 것일 수 있으며, 바람직하게는 상기 플라즈마는 N2 또는 N2/Ar를 캐리어 가스로 포함(N2 또는 N2/Ar 가스로 이루어진)할 수 있다. 이때, 상기 N2/Ar 혼합 가스는 N2 및 Ar을 1~5:5~50의 몰비로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라 표면이 개질된 상기 소재 또는 상기 임플란트는, 플라즈마로 0.1초 내지 10분 간 처리된 것일 수 있다.
본 발명의 플라즈마는 상기 플라즈마 발생 장치에 0.1kV 내지 20kV의 전압 및 10 내지 30kHz의 주파수를 공급하여 발생하는 것일 수 있으며, 상온 및 대기압의 조건에서 방사될 수 있다. 본 발명의 플라즈마는 상기 티타늄에 0.1초 내지 10분 간 조사되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라 표면이 개질된 티타늄 소재 및 티타늄 임플란트는 세포 증식능, 부착능 및 운동성이 향상되고, 항균 효과가 개선된다.
또한, 본 발명에서의 티타늄 소재 및 티타늄 임플란트는 플라즈마 처리에 따라 물의 접촉각, 디오도메탄의 접촉각이 감소하고, 표면에서 소성 변형이 일어나, 화학적 활성도와 반응성이 높다. 또한, 본원 발명의 티타늄 소재는 표면에서 C/0 비율이 낮아, 세포와의 반응성이 높아 치과용 소재로 이용되기에 적합하다.
본 발명은 티타늄 소재의 표면 개질에 가장 효과적인 플라즈마의 종류, 발생 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 표면이 개질된 티타늄 소재 및 임플란트의 제조방법에 의하면, 임플란트의 항균성 및 세포부착능이 향상되어 임플란트의 사용에 따른 염증 반응을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 임플란트는 친수성 보습막이 형성되어, 이에 따라 임플란트 시술의 성공률을 향상시키면서 시술 기간은 단축시킬 수 있다.
본 발명에 따라 표면 개질된 티타늄 소재 또는 이를 이용한 임플란트는 항균(살균)용, 세포증식용, 세포부착용 등의 용도로 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 소재의 표면 개질 방법을 도식화 한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 Ar, HeO2, N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 물의 접촉각을 확인한 결과이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 Ar, HeO2, N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 디오도메탄(diiodomethane)의 접촉각을 확인한 결과이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따라 Ar, HeO2, N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 표면 자유에너지를 dispersion component, polar component로 나누어 확인한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 Ar, HeO2, N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 삼차원적 표면 질감 매개변수, 특히 산술 평균 높이 Sa; 제곱 평균 제곱근 높이, Sq; 최대 피트 높이 Sv를 나누어 확인한 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 Ar, HeO2, N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사하기 전, 조사한 후의 SEM 이미지를 비교한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 Ar, HeO2, N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 티타늄 표면에 존재하는 질소(N)의 농도를 측정한 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 Ar, HeO2, N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 티타늄 표면에 존재하는 산소(O)의 농도를 측정한 결과이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따라 Ar, HeO2, N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 티타늄 표면에 존재하는 C/O의 비율을 나타낸 결과이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따라 N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 티타늄 시편 상 존재하는 세균 수를 확인한 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 티타늄 표면에서 포르피로모나스 진지발리스 (Porphyromonas gingivalis; 이하, P.gingivalis)의 부착능 감소 효과 확인한 결과이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 증식 테스트 실험의 모식도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 N2 및 N2/Ar 각각의 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 시간에 따른 조골세포(osteoblast) 증식도를 확인한 결과이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 N2 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 시간에 따른 조골세포(osteoblast)의 운동성 확인한 결과이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 N2/Ar 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 시간에 따른 조골세포(osteoblast)의 운동성 확인한 결과이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 N2 및 N2/Ar 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄 시편을 조사한 후 시간에 따른 조골세포(osteoblast)의 세포외 방출된 H2O2 확인한 결과이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 N2 및 N2/Ar 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 조골세포(osteoblast)에 조사한 후 시간에 따른 조골세포(osteoblast)의 세포외 방출된 NO2 확인한 결과이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 N2/Ar 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄을 조사한 후 시간에 따른 조골세포(osteoblast)의 부착능 확인한 결과이다
도 19은 본 발명의 일 실시예에 따라 N2 캐리어 가스로 구성된 플라즈마로 티타늄을 조사한 후 시간에 따른 조골세포(osteoblast)의 부착능을 확인한 결과이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
본원 발명은, 세포 증식능, 부착능 및 운동성이 향상되고, 항균 효과가 개선된 티타늄 소재를 제공하고자 한다. 본원 발명에서의 티타늄 소재는 플라즈마 처리에 따라 물의 접촉각, 디오도메탄의 접촉각이 감소하고, 표면에서 소성 변형이 일어나, 화학적 활성도와 반응성이 높다. 또한, 본원 발명의 티타늄 소재는 표면에서 C/0 비율이 낮아, 세포와의 반응성이 높다.
본원 발명에서, "플라즈마"는, 캐리어 가스에 특정 압력, 전압 또는 주파수를 공급하여 발생시킬 수 있다. 본 발명에서의 "캐리어 가스"는 질소, 헬륨, 아르곤, 및 산소로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 가스일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 바람직하게는 각 질소, 헬륨, 아르곤 및 산소 중 적어도 두 종류 가스의 혼합으로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나, 가장 바람직하게는 질소(N2), 또는 질소와 아르곤의 혼합물(N2/Ar)일 수 있다. 본원 발명에서 질소와 아르곤의 혼합물은 N2 및 Ar가 1~5:5~50의 몰비로 혼합된 것일 수 있으며, 바람직하게는 1:9의 몰비로 혼합된 것이다.
본 발명의 플라즈마는, 상기 캐리어 가스에 0.1kV 내지 20kV의 전압, 및/또는 10 내지 30kHz의 주파수를 가하여 발생시킬 수 있다. 가장바람직하게는 5kV의 전압 및/또는 25kHz의 주파수를 가하여 발생시킬 수 있다.
본원 발명에서 "표면 개질"이란, 물질　표면에 원래 물질에 없던 물리, 화학, 생물적인 특성을 부여하는 것을 의미하며, 본원 발명에서는 플라즈마 처리에 의해, 티타늄 소재의 표면에 물의 접촉각, 디오도메탄의 접촉각이 감소하고, 표면에서 소성 변형이 일어나 화학적 활성도와 반응성이 높아지고, C/0 비율이 낮아, 세포와의 반응성이 높아지는 것을 의미한다.
본원 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마의 처리에 따라 티타늄 표면에서의 물의 접촉각(water contact angle) 및 디오도메탄의 접촉각(Diiodomethane contact angle)은 전반적으로 감소된다(도 1 및 도 2 참조). 특히, 플라즈마 처리 시 표면 자유에너지가 증가하였으며, 이중에서도 N2 및 N2/Ar로 이루어진(캐리어가스로 한) 플라즈마에서 극성성분(Polar component (γp))이 증가하여(도 3 참조), 본 발명에 따라 표면 개질된 티타늄 소재는, 세포 부착능이 향상됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 처리되어 표면이 개질된 티타늄의 경우 표면의 거칠기에서는 큰 차이가 발생하지 않았으나, N2로 이루어진(캐리어가스로 한) 플라즈마에서 소성변형(plastic deformation)이 나타나, 개질된 소재의 표면에서 산소 흡수(oxygen uptake)가 가속화되며, 화학적 활성도(chemical reactivity) 및 반응성(kinetics of surface reactions)이 높아진다.
본원 발명에 따라 표면이 개질된 티타늄의 표면은 플라즈마 처리에 따라 조성이 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 N2를 캐리어 가스로 이용하는 플라즈마로 처리한 경우, 티타늄 표면에서의 탄소/산소(C/O) 비율이 0.1 내지 0.2 또는 0.1 내지 0.15으로 나타나, 세포와의 반응성이 높아진다 (도 7 내지 9 참조).
본원 발명에 따라 표면이 개질된 티타늄 소재의 경우, 항균 효과는 증가하고, 세균의 부착능은 감소하여, 치과용 소재로 이용하기에 적합하다. 본원 발명의 티타늄 소재는 구강 내 존재하는 세균에 대해 항균효과를 가지며, 포르피로모나스 진지발리스(Porphyromonas gingivalis), 타네렐라 포르시시아(Tannerella forsythia) 및 트레포네마 텐티콜라(Treponema denticola)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 균에 대한 항균(살균)효과를 갖는다.
또한, 본원 발명에 따라 제조되는 티타늄 소재는 세포(바람직하게는, 조골세포)와의 관계에서, 세포증식능, 세포 운동성, 세포 부착능이 향상되어 의료용 소재로 이용되기에 적합하다. 본원 발명의 티타늄 소재는 상기와 같이 조골세포와의 반응에서 세포 증식능, 운동성, 부착능이 향상되는 바, 치과용 소재로 이용시 골형성과 골유착의 효능이 향상된다.
본원 발명에서, 플라즈마의 "처리"란, 티타늄 (또는 티타늄으로 이루어진 특정 재료)에 플라즈마를 조사하는 것을 의미한다. 본원 발명에서 플라즈마는 상온 및 대기압의 조건에서 방사될 수 있으며, 상기 티타늄에 0.1초 내지 10분 간, 바람직하게는 60초 동안 10mm의 거리에서 조사될 수 있다.
본원 발명의 "티타늄 소재"는 치과용 소재로 쓰일수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나, 임플란트, 크라운, 인레이, 포스트 및 교정용 브라켓 등에 이용될 수 있고, 가장 바람직하게는, 치과용 임플란트 소재로 이용될 수 있다.
본 명세서에서 용어, "임플란트(implant)"는 상실된 인체 조직을 회복시켜 주는 대치물을 의미하는 것으로, 치과용 임플란트는 일반적으로 상실된 치아의 치근을 대신할 수 있도록 자연 치근이 빠져나간 치조골에 픽스쳐(fixture)를 매식하여 유착시킨 후, 그 상부에 인공 치아를 고정시켜 치아의 원래 기능을 회복하도록 하는 대치물을 의미한다.
본 발명에서"플라즈마 처리에 의해 표면이 개질된 치과용 티타늄 임플란트"는 상기 표면이 개질된 티타늄 소재로 이루어지거나, 티타늄으로 구성된 임플란트에 플라즈마를 처리하여 제조된 것일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않은 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
*
통계 분석
데이터의 통계적 유의성은 α = 0.05에서 Tukey의 honesty significant differnece(HSD) 사후 검정(post hoc test)과 함께 일원 분산 분석(ANOVA)으로 평가하였다. 모든 분석은 통계 소프트웨어(IBM SPSS Statistics, v25.0, IBM Corp., Chicago, IL, USA)를 사용하여 수행하였다.
[실시예 1]
시료 준비 및 플라즈마 표면 처리
본 발명은 순티타늄 (Commercially Pure: CP) grade 4 를 사용하였다. 총 140개의 판형 시료들 (10.0 mm × 10.0 mm × 1.0 mm)을 준비하고 800 grit SiC 종이로 균일한 마무리로 연마했다. 20분간 초음파 세척 후, 저온 대기압 DBD 플라즈마 발생기(PR-ATO-001, ICD Co., 경기도 안성, 한국)를 이용하여 상온에서 플라즈마 방사(irradiation)하였다. 플라즈마는 60초 동안 10mm의 거리에서 시료 표면에 수직으로 처리하였다. 실험에 사용된 장치의 개략도는 도 1과 같다. 모든 시료들은 무작위로 5개 그룹(n = 28)으로 할당하였으며, 그 중 4개의 그룹은 4가지 서로 다른 종류의 가스로 이루어진 플라즈마(Ar, N2, N2/Ar 혼합물(10% 질소/90% 아르곤) 및 He/O2 혼합물(15% 헬륨/85% 산소))로 처리하였고, 플라즈마를 처리하지 않은 1개는 대조군으로 사용하였다. 입력 전압은 고전압 트랜스포머를 사용하여 5kV로 고정하였고, 동작 주파수는 디지털 오실로스코프(MSO4032, Tektronix, Beaverton, OR, USA)를 사용하여 25kHz로 설정하였다. 질량 유량 제어기는 분당 10 표준 리터(slm)의 일정한 가스 유량을 유지하였다.
[실시예 2]
플라즈마 처리 후 티타늄 표면의 물성분석
2-1. 플라즈마 처리에 따른 표면 접촉각 및 표면 자유 에너지 변화 확인
시료들의 표면 습윤성(wettability)은 접촉각 측정기(Phoenix 300 Touch, S.E.O., 경기도 수원, 한국)를 사용하여 측정하였다. 접촉각은 증류수(n =10)와 비극성 디오도메탄(diiodomethane)(n = 10)를 사용하여 상온 및 60% 상대 습도에서 sessile drop 기법으로 측정하였으며, 모든 측정은 시료들의 중심에서 수행하였다.
표면 자유 에너지는 Owens-Wendt 방정식에 따라 두 액체(증류수 및 비극성 디오도메탄)의 접촉각을 측정하여 계산하였다. 분산 성분(γd) 및 극성 성분(γp)을 포함하는 총 표면 자유 에너지(γtotal)를 계산하였다.
도 2는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 시 물의 접촉각(water contact angle)을, 도 3은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 시 디오도메탄의 접촉각(diiodomethane contact angle)을 나타낸다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 플라즈마에 따른 접촉각의 차이가 존재하였으며, Ar, HeO2, N2, N2/Ar 플라즈마 처리한 경우에서 물의 접촉각(water contact angle)의 감소와 Ar, N2, N2/Ar 플라즈마 처리한 경우에서 디오도메탄의 접촉각(diiodomethane contact angle)의 감소가 나타남을 확인할 수 있다.
도 4는 서로 다른 종류의 가스로 이루어진 플라즈마가 처리된 티타늄 시료들의 총 표면 자유 에너지(γtotal) 및 γd, γp 각각의 값을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 모든 시료에서 플라즈마 처리 후 전체 표면 에너지가 크게 증가했으며, 특히 N2와 N2Ar에서 가장 큰 표면자유에너지 증가를 보였다. 표면자유에너지 중에서도 세포 부착과 관련이 높은 극성 성분(polar component; (γp))는 N2, N2Ar, HeO2플라즈마에서 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 티타늄 시료에 플라즈마를 처리하는 경우 물 접촉각 및 디오도메탄의 접촉각이 감소하며, 표면자유에너지는 N2, N2Ar에서 높고, 특히 N2 플라즈마 처리 시 γp의 값이 유의적으로 증가하여, N2 플라즈마 처리 시 티타늄 시료의 세포 부착능이 향상됨을 알 수 있다. 이는 플라즈마 처리에 의해 티타늄 시료의 표면이 개질되었음을 나타낸다.
2-2. 표면 형상 변화
3차원(3-D) 표면 특성은 256 × 192 μm2 면적(n = 5)에서 50배 배율로 공초점 레이저 스캐닝 현미경(CLSM; LEXT OLS3000, Olympus, Tokyo, Japan)을 사용하여 분석하였다. 표면 질감 매개변수, 특히 산술 평균 높이 Sa; 제곱 평균 제곱근 높이, Sq; 최대 피트 높이 Sv는 ISO 25,178에 따라 계산하였다. 표면 분석은 중앙의 두 곳에서 독립적으로 실시하였으며, 서로 다른 종류의 가스로 이루어진 플라즈마를 처리한 시료 별로 총 10회 측정하였다.
3000, 10,000 및 30,000배 배율에서 5.0 kV의 가속 전압과 6.0 mm의 working distance(WD)에서 주사형 전자현미경(SEM; JSM-7800F Prime, JEOL, Tokyo, Japan)을 사용하여 시료들의 표면 미세구조를 평가하였다(n = 1).
서로 다른 종류의 가스로 이루어진 플라즈마를 처리한 시료들의 확대된 공초점 이미지와 SEM 이미지는 도 6와 같다. CLSM에서 측정된 표면 질감 매개변수(Sa, Sq, Sv)는 도 5과 같다.
도 5를 참조하면, 표면거칠기 분석 결과, 플라즈마 처리 후 티타늄 표면의 거칠기와 처리 전 거칠기 간의 통계적으로 유의한 차이는 없음을 확인할 수 있다. 도 6에서 각각의 플라즈마 처리 후 SEM 이미지를 확인한 결과, N2 플라즈마 처리한 티타늄 표면에서 가장 많은 소성변형(plastic deformation)이 나타났다. 소성변형은 틈새로의 원자 확산을 유도하고, 티타늄 표면에 산소 흡수(oxygen uptake)를 가속화 시켜, 화학적 활성도(chemical reactivity)와 반응성(kinetics of surface reactions)을 높일 수 있음을 시사한다.
2-3. 화학적 변화 확인
서로 다른 종류의 가스로 이루어진 플라즈마가 처리된 티타늄 시료들의 원소 조성은 X선 광전자 분광법(XPS)(K-alpha, Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA)를 통해 12 kV 및 3 mA에서 단색 Al Kα X선 소스(1486.6 eV)를 사용하여 분석하였다(n = 1). 또한, 소프트웨어(Thermo Avantage v5.980, Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA)를 이용하여 데이터를 수집하고 코어-레벨 스펙트럼을 분석하였다. 모든 XPS 스펙트럼은 284.6 eV에서 C 1s 피크로 조정(calibrate)하였다.
도 7 및 도 8은 XPS에 의해 결정된 이들 질소, 산소의 원자 백분율(at%)을 각각 나타내며, 도 9는 모든 시료들에서 탄소/산소 비율을 나타낸다. 모든 시료들에서 플라즈마 처리 후 티타늄 표면의 질소 함량은 N2로 이루어진 플라즈마를 처리하였을 때 대조군 대비 증가하였으며, Ar, HeO2, N2/Ar 로 이루어진 플라즈마를 처리하였을 때 질소 함량이 감소하였다. 산소의 함량 역시 N2로 이루어진 플라즈마를 처리하였을 때 대조군 대비 크게 증가하였음을 확인할 수 있다.
결론적으로, 도 9를 참조하면, 본 발명에 따라 플라즈마를 처리하여 표면이 개질된 티타늄 시료의 경우, C/O 비율의 값이 낮아짐을 알 수 있고, 이는 N2 가스로 이루어진 플라즈마로 처리된 티타늄 표면에서 세포와의 반응성이 높다는 것을 시사한다.
[실시예 3]
플라즈마 처리에 따른 티타늄 표면의 P.gingivalis 살균 효과 확인
본 실시예에서는 각 네 가지 종류의 플라즈마(Ar, HeO2, N2, N2/Ar)를 1분간 처리한 티타늄 표면의 특성 분석 결과, 표면 에너지가 가장 높아진 두 종류의 플라즈마 (N2, N2Ar)를 선택하여, 각 플라즈마의 P.gingivalis 세균 살균력을 측정하였다.
P. gingivalis를 티타늄 표면에 도말한 후 각 플라즈마를 조사하고 시간에 따른 세균 수를 측정하였다.
해당 실험 과정은 다음과 같다. 우선, 딥프리저(deep freezer)에서 보관된 균을 꺼내 상온에서 해동하였다. 보관된 균을 2*105 균이 되도록 1mL TSB 배지(tryptic soy broth)에 희석하였다. 이후, DW/PBS로 2회 세척 (보관 용매인 글라이세롤을 세척 과정을 통해 모두 제거)하였다(DW 1ml -> vortex -> DW 제거를 2회 반복함). 세척 후 1ml의 TSB 배지 (tryptic soy broth)를 넣어 균이 균질 하게 있도록 잘 섞어주었다. 이후, 100ul를 (104) 따서 배지에 도말봉을 사용하여 도말 하였다. 도말 후 각 플라즈마 처리 시간에 맞추어 (10분, 20분, 30분) 플라즈마를 처리하였으며, 이후 37도의 온도에서 배양하였다.
본 실시예에서의 세균 수 카운팅(counting) 전, 각 샘플당 2~3개의 플레이트 도말한 후 각 플레이트를 계상하였다. 대조군의 샘플은 여러 번의 실험을 통하여 플레이트에 10000개의 콜로니(colony)가 자랄 수 있도록 설정 후 동일한 양으로 실험을 진행하였다. 카운팅 (100개 이상 카운팅): 각 플레이트에 대하여 밀집 평판 측정법에 따라 1cm2내의 균을 카운팅 한 후 65를 곱하여 플레이트의 균 수로 계산하여, 도 10에 나타냈으며, 단위는 cfu/ml이다.
도 10을 참조하면, N2, N2Ar플라즈마 모두 플라즈마 10분 처리 시 티타늄 시편 상에 남아 있는 세균은 없었다(zero). 따라서, 두 종류의 플라즈마 모두 10분 처리 시 약 100%의 살균 효과가 있음을 확인할 수 있다.
[실시예 4]
플라즈마 처리에 따른 티타늄 표면의 P.gingivalis 부착감소 효과 확인
본 실시예에서는 두 종류의 플라즈마 (N2, N2/Ar)를 처리한 티타늄 표면에 P.gingivalis의 부착능 감소 효과를 측정하였다.
우선, N2와 N2/Ar 플라즈마를 각각 10분, 20분, 30분 간 처리한 티타늄 시편에 일정한 양의 P. gingivalis를 도포하고 30분 정도 반응시켰다. 이후, 반응한 시편의 균을 세척(wash)하여 배양 배지에 넣고 고형 배지에 도말하였다. 도말한 배지는 하루 배양하여 균 CFU (1mL 당 살아있는 미생물 수(Colony Forming Unit,　CFU))를 측정하였다. 그 결과는 도 11에 나타나있다.
도 11을 참조하면, N2/Ar플라즈마를 10, 20, 30분 간 처리한 티타늄 시편 및 N2 플라즈마를 10, 20분 간 처리한 티타늄 시편에서의 P.gingivalis 부착 감소는 발견되지 않았으나, N2플라즈마를 30분 간 처리한 티타늄 시편에서 P.gingivalis부착의 95.5% 감소를 보였다(4.5% 남아 있음). 즉, N2 가스로 이루어진 플라즈마를 처리하였을 때, 소재의 표면에서 균의 부착을 약화시키는 효과가 있다는 것을 알 수 있다.
[실시예 5]
플라즈마 처리에 따른 티타늄 표면에서의 조골세포 증식능(Cell proliferation) 확인
10% FBS 조건 하에서 N2 또는 N2/Ar 플라즈마를 티타늄 시료에 각각 30초 처리한 경우, 대조군(Control) 대비 N2 로 이루어진 플라즈마의 경우 약 0.4%의 조골세포(osteoblast)가, N2/Ar 플라즈마의 경우 11%의 조골세포(osteoblast)가 증식되었으며, 플라즈마를 60초 간 처리한 경우 각각, N2: 10%, N2/Ar: 11% 의 조골세포(osteoblast)가 증식되었음을 확인할 수 있다(도 12 및 13 참조).
1% FBS 조건 하에서, 대조군(Control) 대비 N2 조건에서는 통계적으로 의미가 없었으며, N2/Ar 조건 하에서 각각, 0.3%, 15% 의 조골세포(osteoblast)가 증식되었음을 확인할 수 있다.
즉, N2 또는 N2/Ar 플라즈마는 조골세포(Osteoblast)의 세포 증식 활성화에 기여할 수 있음을 알 수 있다.
[실시예 5]
플라즈마 처리에 따른 티타늄 표면에서의 조골세포 운동성 확인
본 실시예에서는, N2 또는 N2/Ar 플라즈마 처리된 티타늄 표면에서 조골세포의 운동성(Migration effect)를 확인하였다. 본 실시예에 따라 N2 플라즈마를 처리한 경우는 30초, 60초 처리 시 효과가 관찰되지 않았으나(도 14 참조), N2Ar 플라즈마를 30초 간 처리하였을 때, 조골세포의 운동성(migration)이 확인되었다(도 15 참조). 그러나, 이 때, 세포외(Extracellular) H2O2는 나타나지 않으나 (도 16 참조), 세포외(Extracellular) NO2의 시간 별 비교 시 N2 및 N2Ar 플라즈마 모두에서 NO2가 방출됨을 확인할 수 있으며, 특히 N2에서 발현되는 양보다, N2Ar에서 현저히 높게 발현되었음을 확인할 수 있다(도 17 참조).
즉, 본 실시예에 따르면, N2 또는 N2/Ar 플라즈마 처리된 티타늄 표면에서는 조골세포의 세포 성장과 운동성이 향상됨을 알 수 있다.
[실시예 6]
플라즈마 처리에 따른 티타늄 표면에서의 조골세포 부착능 확인
본 실시예에서는, 플라즈마 처리에 따른 티타늄 표면에서의 조골세포 부착능을 확인하기 위해, 세포주로 MC-3T3E1 cell (Mouse osteoblast cell)를 이용하였다. 배양배지(Culture media)로는 alpha MEM + 10% FBS (fetal bovine serum)를 이용하였으며, N2, N2Ar 플라즈마를 각각의 시료에 10분, 20분 간 전처리 한 후 2X104 세포를 시딩(seeding)하였다. 이후, SYTOX 염색(green staining (nucleus stain, 1:30,000) )을 15분 간 진행한 후, 티타늄 시료의 필드를 나누어 세포 부착능을 확인하였다.
도 18을 참조하면, N2/Ar 플라즈마를 10분 처리한 티타늄에서는 변화가 없었으나, 20분 처리한 티타늄에서 osteoblast의 부착이 증가하였음
도 19를 참조하면, N2 플라즈마를 처리한 경우, 10분 처리 시부터 osteoblast의 부착이 증가하였으며 증가한 세포의 수도 N2/Ar 플라즈마의 경우보다 많았다.
즉, 조골세포(Osteoblast)의 부착능은 N2 플라즈마가 N2/Ar 플라즈마 모두에서 나타나나, N2 플라즈마에서 더 높은 것을 알 수 있다.
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.

Claims (24)

  1. 플라즈마 처리에 의해 표면이 개질된 티타늄 소재.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 소재는 치과용인, 표면이 개질된 티타늄 소재.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 소재는 표면 C/O 비율이 0.1 내지 0.2인, 표면이 개질된 티타늄 소재.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 대기압 조건에서 형성된 플라즈마인, 표면이 개질된 티타늄 소재.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 N2 또는 N2/Ar를 캐리어 가스로 포함하는, 표면이 개질된 티타늄 소재.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 N2/Ar의 혼합 가스는 N2 및 Ar을 1~5:5~50의 몰비로 포함하는, 표면이 개질된 티타늄 소재.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 소재는, 플라즈마로 0.1초 내지 10분 간 처리된 것인, 표면이 개질된 티타늄 소재.
  8. 플라즈마 처리에 의해 표면이 개질된 치과용 티타늄 임플란트.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 임플란트는 표면 C/O 비율이 0.1 내지 0.2인, 치과용 티타늄 임플란트.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 대기압 조건에서 형성된 플라즈마인, 치과용 티타늄 임플란트.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 N2 또는 N2/Ar를 캐리어 가스로 포함하는, 치과용 티타늄 임플란트.
  12. (a) 플라즈마 발생 장치에 캐리어 가스를 충진하는 단계;
    (b) 상기 플라즈마 발생 장치에서 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    (c) 상기 발생된 플라즈마를 티타늄에 조사하는 단계를 포함하는, 티타늄 소재의 표면 개질 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 표면 개질된 티타늄 소재의 표면 C/O 비율은 0.1 내지 0.2인, 티타늄 소재의 표면 개질 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 소재는 치과용인, 티타늄 소재의 표면 개질 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 N2 또는 N2/Ar인, 티타늄 소재의 표면 개질 방법.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 플라즈마는 상기 플라즈마 발생 장치에 0.1kV 내지 20kV의 전압 및 10 내지 30kHz의 주파수를 공급하여 발생하는 것인, 티타늄 소재의 표면 개질 방법.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 발생된 플라즈마는 상온 및 대기압의 조건에서 방사되는, 티타늄 소재의 표면 개질 방법.
  18. 제12 항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 플라즈마는 상기 티타늄에 0.1초 내지 10분 간 조사되는, 티타늄 소재의 표면 개질 방법.
  19. (a) 티타늄 소재로 구성된 임플란트를 준비하는 단계;
    (b) 플라즈마 발생 장치에 캐리어 가스를 충진하는 단계;
    (c) 상기 플라즈마 발생 장치에서 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    (d) 상기 발생된 플라즈마를 상기 단계 (a)의 임플란트에 조사하는 단계를 포함하는, 표면이 개질된 치과용 임플란트의 제조방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 표면이 개질된 치과용 임플란트의 표면 C/O 비율은 0.1 내지 0.2인, 표면이 개질된 치과용 임플란트의 제조방법.
  21. 제19 항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 N2 또는 N2/Ar인, 표면이 개질된 치과용 임플란트의 제조방법.
  22. 제19 항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 플라즈마는 상기 플라즈마 발생 장치에 0.1kV 내지 20kV의 전압 및 10 내지 30kHz의 주파수를 공급하여 발생하는 것인, 표면이 개질된 치과용 임플란트의 제조방법.
  23. 제19 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 발생된 플라즈마는 상온 및 대기압의 조건에서 방사되는, 표면이 개질된 치과용 임플란트의 제조방법.
  24. 제19 항에 있어서,
    상기 (d) 단계의 플라즈마는 상기 임플란트에 0.1초 내지 10분 간 조사되는, 표면이 개질된 치과용 임플란트의 제조방법.
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