KR100453184B1 - 수열반응을 이용하여 티타늄 임플란트 표면에수산화아파타이트 박막을 코팅하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이식재료로 널리 이용되고 있는 티타늄 임플란트(implant)의 표면에 생체활성 재료인 수산화아파타이트(hydroxyapatite)를 코팅하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 산에 녹인 수산화아파타이트 용액 속에 티타늄을 넣고 오븐에서 수 시간동안 수열반응시켜 기계적 강도 및 생체친화성 면에서 모두 우수한 임플란트를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 임플란트를 제공한다.
이와 같은 본 발명의 코팅 방법은 수열반응을 통해서 티타늄 임플란트 표면에 수산화아파타이트를 코팅하는 방법으로서, 그 공정이 간단하고 비용이 저렴하여 생산성이 매우 우수할 뿐만 아니라, 수열반응 시간에 따라 임플란트의 표면 색이 변화하여 수산화아파타이트의 코팅 정도를 알 수 있으며, 그 코팅 정도에 따라서 여러 임플란트 분야에 활용할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 이식재료로 널리 이용되고 있는 티타늄 임플란트(implant)의 표면에 수산화아파타이트(hydroxyapatite)를 코팅하는 방법에 관한 것이다.
최근 뼈나 치아와 같은 생체 경조직을 대체할 수 있는 인공생체재료로서, 수산화아파타이트(Hydroxyapatite)를 많이 사용하고 있다. 수산화아파타이트는 인체내의 뼈 및 치아를 구성하는 무기질 성분과 화학적, 결정학적으로 동일한 물질이고, 인체 내에 이를 이식하면 주변세포들과 잘 어울리고 접합부위가 뼈와 직접적으로 빠른 화학적 결합을 이루는 생체활성을 지니고 있다. 그러나, 수산화아파타이트는 뼈에 비해 경도가 너무 높고, 파괴인성이 낮아 그 응용이 제한되고 있다.
또한, 티타늄은 물리적 성질이 인체 뼈와 흡사하고 기계적 강도도 뛰어나 임플란트(implant) 재료로서 많이 사용되고 있다. 그러나 티타늄은 수산화아파타이트와 같은 세라믹 재료에 비해 생체친화성이 떨어지며, 인체 내에서 장기간 있게 되면 금속이온의 용해가 진행되어 그로 인한 체내 무기물질의 생성이 초래되는 등의 문제가 있다.
따라서, 최근에는 티타늄에 수산화아파타이트 박막을 코팅함으로서 기계적 강도 및 생체 친화성이 모두 우수한 생체 경조직용 재료를 얻는 방법이 다양하게 개발되고 있다. 티타늄의 표면에 생체활성을 부여하기 위해 세라믹 코팅을 하는 기존의 대표적인 방법으로는 플라즈마 스프레이법(plasma spraying), 스퍼터링법(sputtering), 이온주입법(ion implantation), 이온빔 증착법(ion beamdeposition)등이 있다.
이 중, 플라즈마 스프레이법은 증착하려는 물질(수산화아파타이트)을 플라즈마 화염(flame)으로 순간적으로 10,000℃ 이상으로 가열하여 부분적으로 용융된 입자가 금속에 증착되기 때문에 코팅공정 동안 고온에 노출됨에 따라 조직이 불균일해진다. 그리고 스퍼터링법이나 이온주입법은 고가의 장비를 논하지 않아도 복잡한 형상이나 요철부분에 증착층을 일정하게 피복시키기가 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 또 이온빔 증착법은 플라즈마 스프레이법에 비해서 밀착력을 증가시키기는 하지만, 이 밀착력은 인체 내에 사용하기에는 다소 미흡하다.
이와 같이 수산화아파타이트 박막 코팅층의 밀착력을 증가시키기 위하여 대한민국 특허출원 제98-36733호에서는 이온총으로 표면의 산화막을 제거한 후, 소정량의 Ca계 화합물을 첨가한 수산화아파타이트를 이용하여 전자총으로 수산화아파타이트를 표면에 증착시키는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 첨가된 Ca계 화합물에 의하여 코팅된 박막의 Ca/P 비를 조절할 수 있어 인체내에서 재료의 용해속도를 다양하게 변화시킬 수 있다고 보고하고 있다.
또한, 대한민국 특허출원 제98-23075호는 시간 경과에 따른 코팅층과 기재 계면간의 밀착력 저하를 방지하기 위하여, 금속 임플란트 표면에 수산화아파타이트 코팅층 대신에 밀착력이 더욱 뛰어난 동일계의 금속 산화물층을 형성시키는 표면 처리 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 임플란트의 표면을 숏 블라스트 처리로 개질하고, 식각 용액을 이용하여 식각한 다음 열산화하는 공정을 포함한다.
또한, 생체용 임플란트 재료에 생체활성을 부여하기 위한 또 다른 방법으로서, 대한민국 특허출원 제99-34241호는 티타늄 및 티타늄합금을 알칼리 처리한 후 유사체액에서 그 표면에 아파타이트를 생성시키는 방법을 개시한다. 이와 같이 표면이 생체활성으로 변화한 임플란트는 이식 초기에 골조직과의 강한 계면부 결합을 유도하여 임플란트의 성공률을 높이고, 수술후의 회복기간을 단축시키는 효과를 가져온다고 설명하고 있다.
이와 같이 공지된 문헌에는 코팅층의 밀착력을 증가시키고 임플란트 표면에 생체활성을 부여하기 위하여 Ca계 화합물, 식각용액이나 유사체액을 이용하는 등의 해소 방안을 제시하고 있으나, 각 코팅 방법들은 여전히 복잡한 공정 단계를 거쳐야 한다는 문제를 안고 있다.
이러한 문제 해결을 위하여 심층 연구한 결과 본 발명자들은 공정이 간단하고 비용이 저렴하여 생산성이 우수한 수산화아파타이트 코팅 방법을 발견하게 되었다.
본 발명은 생체용 이식재료인 티타늄 임플란트 표면이 생체활성에 적합하도록 간단하고도 저렴한 비용으로 경조직 생체재료인 수산화아파타이트로 코팅되는 방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 코팅 방법과 이에 사용된 실험 장비를 순서대로 나타낸 개략적 흐름도.
도 2는 수산화아파타이트의 코팅에 사용된 수열반응 용기를 촬영한 사진.
도 3은 본 발명의 코팅 방법에 따라 티타늄을 수산화아파타이트로 24시간동안 처리한 후 얻어지는 코팅된 티타늄을 동전의 색과 비교한 사진.
도 4는 상이한 수열반응 시간에 따라 수산화아파타이트를 코팅한 티타늄 표면의 사진.
도 5는 24시간동안 수열반응 후 코팅된 티타늄 표면을 주사전자현미경 사진촬영술로 촬영한 사진.
도 6은 72시간동안 수열반응 후 코팅된 티타늄 표면을 주사전자현미경사진촬영술로 촬영한 사진.
도 7은 수산화아파타이트가 코팅된 티타늄 임플란트 표면을 X-선 광전자 회절기를 이용하여 표면성분을 분석한 분광그래프.
본 발명은 산 조건하에서의 수열반응을 통해 경조직 임플란트 표면에 생체친화성 재료를 코팅하는 방법, 이 방법을 이용하여 표면 색 또는 코팅 정도가 목적하는 이식 부위에 적당한 임플란트를 제조하는 방법, 및 이와 같은 방법에 의해 제조된 임플란트를 제공한다.
구체적으로, 본 발명은 일 양태로서 생체친화성 재료인 수산화아파타이트(이하, "HA"로도 약칭함)를 염산 용액 중에 용해시키고, 이 용액에 임플란트로서 순수 티타늄을 첨가한 후 수열반응을 실시하여 수산화아파타이트를 티타늄 임플란트 표면에 코팅하는 방법을 제공한다.
본 발명의 코팅방법은 순수 티타늄 외에도 생체 이식재료로 널리 쓰이는 티타늄-알루미늄 합금(Ti-6Al-4V)을 임플란트로서 사용 가능하며, 그로 인한 수열반응의 시간은 본 발명의 실시예와 약간 차이가 있을 수 있으나, 임플란트 표면 색의 변화를 통해 당업자라면 용이하게 반응 시간을 조절할 수 있을 것이다.
이와 같은 구체적 양태에 있어서, 염산 용액은 0.01 내지 3M 농도인 것을 사용할 수 있다. 당업자라면 잘 알고 있는 바와 같이, 소정 농도의 염산 용액은 예를 들어 35% 염산을 증류수로 적정하게 희석하여 제조할 수 있다. 증류수는 2차 증류수를 사용하는 것이 바람직하다.
수열반응은 일반적으로 100℃ 이상의 온도와 1기압 이상의 압력 조건에서 물을 반응 매개체로 이용하는 반응을 의미한다. 이러한 수열반응을 이용하여 티타늄 표면을 처리하는 방법은 많은 문헌에 제시되어 있다. 예를 들어, 문헌["Microstructure of ceramic coating on titanium surface as a result of hydrothermal treatment", M.C. De Andrade, M.S.Sader, M.R.T. Filgueiras, and T.Ogasawara, 2000, Journal of Materials Science : Materials in Medicine, 751 - 755]에서는 수산화나트륨 용액 속에서 티타늄을 130℃의 수열반응을 통해 식각한후, 600℃에서의 열처리를 통해 티타늄 표면을 활성화시켜 가상 인체 용액에서 수산화아파타이트를 성장시키는 방법을 제시하고 있다. 또한, 문헌["Hydrothermal modification of titanium surface in calcium solutions", Kenichi Hamada, Masayuki Kon, Takao Hanawa, Ken'ichi Yokoyama, Youji Miyamoto, and Kenzo Asaoka, 2002, Biomaterials, 2265 - 2272]에서는 염기성 칼슘 용액에서 160℃의 수열반응을 통해 티타늄 표면에 칼슘 화합물들을 코팅하는 방법을 제시하고 있다.
본 명세서에 제시된 수열반응은 단지 수산화아파타이트와 티타늄을 산 용액 하에, 예를 들어 도 2에 제시한 바와 같은 수열반응 용기 내에서 120℃ 내지 300℃, 특히 바람직하게는 180℃의 오븐으로 가열하여 반응시키는 것을 의미하는 것으로서, 전술한 문헌들에서 제시된 식각 처리 또는 가상 인체 용액 등이 필요치 않은 간단하고도 비용이 저렴한 공정이다.
또한, 본 발명의 수열반응은 24시간 내지 72시간 동안 지속함에 따라서 특이하게도 그 경과시간에 따라 임플란트 표면 색이 변화하는 것으로 나타난다. 수열반응시간에 따른 임플란트 표면 색의 변화는 수산화아파타이트의 코팅 정도에 따른 것으로 보인다. 따라서, 임플란트의 변화되는 표면 색을 통해 수산화아파타이트의 코팅 정도를 확인할 수 있어 목적하는 이식 부위에 적합한 표면 색이나 코팅 정도의 임플란트를 용이하게 제작할 수 있다.
따라서, 이와 같은 특징을 이용하여 본 발명은 다른 양태로서 생체친화성 재료인 수산화아파타이트를 염산 용액 중에 용해시키고, 이 용액에 임플란트로서 순수 티타늄 또는 티타늄 합금을 첨가한 후, 수열반응을 실시하되, 수열반응의 시간조절을 통해 목적하는 이식 부위에 적합한 표면 색 또는 코팅 정도의 임플란트가 얻어지는 것이 특징인, 치과용 또는 정형외과용 임플란트의 제조방법을 제공한다. 이와 같은 본 발명의 제조방법은 수열반응의 시간에 따라 임플란트 표면 색이 변화하는 현상을 이용한 것으로서, 임의의 골조직이나 치아조직에 적합한, 특히 치아에 자연스런 색을 연출할 수 있는 임플란트를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 표면 색의 변화는 수산화아파타이트의 코팅 정도에 따라 나타나는 것으로서, 별도로 경도를 조사할 필요없이 색의 변화를 통해 목적하는 이식 부위에 적합한 경도의 임플란트를 쉽게 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제조방법에 따르면 표면 색이나 수산화아파타이트의 코팅 정도가 적당한 임플란트가 간단하고도 저렴한 비용으로 용이하게 수득될 수 있어 치과용이나 정형외과용을 포함한 다양한 임플란트 제작에 널리 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
예를 들어, 임플란트 표면에 생체활성을 부여하기 위한 수열반응을 24시간 실시한 경우 티타늄 표면은 도 3에 제시한 바와 같이 금색으로 변화하여 치과용 임플란트로서 매우 적합하게 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 또 다른 양태로서 전술한 임플란트 제조방법에 따라 제조되고, 이 임플란트가 이식되는 조직에 적합하게 표면 색이나 코팅 정도가 조절되는 치과용 또는 정형외과용 임플란트를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 코팅 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 이를 참조로 하여 본 발명의 코팅 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다:
① 35% 염산(HCl)을 2차 증류수로 희석하여 제조한 0.01∼3M 염산 용액에 수산화아파타이트(hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2) 분말(예를 들어, 10㎎ 내지 5g, 바람직하게는 15㎎ 내지 45㎎)을 첨가하여 용해시킨다.
② 상기 수산화아파타이트 용액 일부(예를 들어, 10㎖)를 취해서 테플론(teflon) 용기에 넣고 순수한 티타늄(pure titanium tablet) 또는 티타늄 합금을 넣는다.
③ 상기 테플론 용기를 수열반응 용기(오토클레이브)에 넣는다.
④ 120℃∼300℃ 오븐(oven) 속에 12시간, 24시간, 72시간 정도 보관한다.
적당한 반응시간 동안 반응시킨 후 수열반응 용기를 꺼내어 상온에서 서서히 식힌다. 완전히 식은 수열반응 용기에서 테플론 용기를 꺼내서 그 안의 티타늄 또는 티타늄 합금을 꺼낸다. 테플론 용기에서 꺼낸 티타늄 또는 티타늄 합금은 증류수로 세척한 다음 건조시킨다.
전술한 바와 같이, 수열반응의 시간은 목적하는 임플란트의 표면 색이나 코팅 정도에 따라 결정할 수 있다. 예를 들어, 치과용 임플란트를 제조하고자 하는 경우에는 약 24시간 동안 수열반응시켜 금색을 나타내는 수산화아파타이트로 코팅된 티타늄 임플란트를 얻는다. 72시간 동안 수열반응시킨 경우에는 청색을 나타낸다. 수열반응시간에 따른 임플란트 표면 색의 변화는 수산화아파타이트의 코팅 정도를 나타내는 것으로서, 이 코팅색의 변화를 통해 이식된 주변 조직에 적합한 자연스런 색을 연출할 수 있을 뿐만 아니라 각종 임플란트 용도에 적합한 HA의 코팅 정도를 조절할 수 있다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단 실시예는 본 발명을예시하는 것일 뿐 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
생체활성 티타늄 임플란트의 제조
생체활성 티타늄 임플란트를 제조하기 위하여 산업용 고순도 티타늄 (고순도 화학연구소, 일본)과 수산화아파타이트 (시그마 알드리치, 미국) 분말을 사용하였다. 100㎖ 삼각플라스크에서 35% 염산(HCl) 0.2㎖와 2차 증류수 19.8㎖를 섞어서 약 0.12M의 염산 20㎖를 제조하였다. 이와 같이 희석된 염산 용액에 수산화아파타이트 분말 30㎎을 넣어 용해시켰다. 그 다음 염산 용액에 용해시킨 수산화아파타이트 용액을 10㎖ 취해서 테플론 용기 (넥스트 인스트루먼트, 경기도 화성군)에 담고, 이 테플론 용기를 수열반응 용기 (넥스트 인스트루먼트, 경기도 화성군)에 넣었다(도 2 참조). 그 다음 수열반응 용기를 180℃ 오븐에 넣어서 수열반응시켰다(도 1 참조). 수열반응시킨 후 상온에서 식힌 다음 티타늄을 꺼내 증류수로 씻고 건조시켰다.
24시간 수열반응시킨 수열반응 용기에서는 금색의 티타늄(41)이 산출되고, 72시간 수열반응시킨 수열반응 용기에서는 짙은 청색의 티타늄(42)이 산출되었다(도 4 참조).
실시예 2
표면 색에 따른 코팅 정도 측정
수열반응 시간에 따라 두 가지 표면 색을 나타내는 티타늄 표면이 각각 어떻게 다른 코팅 정도를 가지는지 표면형상을 관찰하기 위하여 주사 전자 현미경을 이용하였다. 그 결과, 금색을 나타내는 티타늄 표면형상은 약 100nm의 입자들이 막을 형성하고 있음을 관찰할 수 있었고(도 5 참조), 짙은 청색을 나타내는 티타늄 표면형상은 약 40∼50nm의 입자들이 밀집되어 막을 형성하고 있음을 관찰할 수 있었다(도 6 참조). 이와 같이 코팅된 수산화아파타이트의 입도에 따라 티타늄 표면 색이 다르게 나타난다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 티타늄 임플란트의 수산화아파타이트 코팅 정도는 표면 색을 통해 예측할 수 있다.
실시예 3
생체활성 티타늄 임플란트의 성분 분석
실시예 1에서와 같이 얻어진 티타늄 표면에 대한 자세한 성분 조사를 위해서 X-선 광전자 회절기(VG Scientific ESCALAB 200R, 미국)를 이용하여 그 성분을 분석하였다(도 7 참조).
X-선 광전자 회절기 분석 결과 티타늄, 칼슘, 인, 산소 등이 분석되었다. 수산화아파타이트는 칼슘, 인, 산소 등의 원자를 가진 재료로서, 상기 X-선 광전자 회절기 분석 결과를 통해 티타늄 표면에 수산화아파타이트가 코팅되었음을 알 수 있었다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 내식성과 생체적합성 및 인성이 우수한 티타늄 임플란트 표면에 생체활성을 부여하기 위해서 수열반응을 통해서 그 표면에 수산화아파타이트 박막을 생성시킨다. 이와같이 티타늄 표면이 생체활성이 가능하도록 변한 임플란트는 골조직 및 치아조직과의 강한 계면부 결합을 유도하여임플란트 성공률을 높일 수 있다. 또한 수열반응 시간에 따른 색의 변화는 수산화아파타이트의 코팅 정도를 나타내므로, 어느 골조직이나 치아조직에도 적합한 정도의 수산화아파타이트의 코팅이 가능하다. 특히 치과용 임플란트 표면에 자연스런 색을 연출할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면 매우 간단한 공정과 저렴한 비용으로 우수한 치과용 임플란트의 제작이 가능하므로 현재 외국에서 전량을 수입에 의존하고 있는 치과용 임플란트를 순수 국내 기술에 의하여 국산화할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 본 발명에서 특이한 임플란트 표면의 색의 변화는 치과용 임플란트에서 국제적인 경쟁력을 키울 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 본 발명은 수산화아파타이트의 코팅 정도를 조절함으로써 치과용 임플란트 외에 정형외과용 임플란트 제작기술에도 응용할 수 있다.
Claims (13)
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- 수산화아파타이트를 염산 용액 중에 용해시키고, 이 용액에 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트를 투입한 후, 수열반응을 실시하여 티타늄 또는 티타늄 합금 임플란트 표면에 수산화아파타이트를 코팅하되, 수열반응의 시간 조절을 통해 금색에서 청색 사이의 표면 색을 가지는 임플란트를 제조하는 것이 특징인, 치과용 또는 정형외과용 임플란트의 제조방법.
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- 제6항에 있어서, 상기 수열반응을 24시간 실시하는 경우 임플란트의 표면 색이 금색인 것이 특징인, 치과용 또는 정형외과용 임플란트의 제조방법.
- 제6항에 기재된 임플란트의 제조방법에 따라 제조되어 금색에서 청색 사이의 표면 색을 가지는 것이 특징인, 치과용 또는 정형외과용 임플란트.
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- 제6항에 있어서, 상기 염산 용액의 농도가 0.01 내지 3M인 것이 특징인, 치과용 또는 정형외과용 임플란트의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 수열반응이 120 내지 300℃의 온도에서 실시되는 것이 특징인, 치과용 또는 정형외과용 임플란트의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 염산 용액이 20㎖인 경우 수산화아파타이트가 10㎎ 내지 5g의 양으로 사용되는 것이 특징인, 치과용 또는 정형외과용 임플란트의 제조방법.
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