KR102399423B1

KR102399423B1 - 교정용 미니스크류의 제조 및 그 표면처리 방법

Info

Publication number: KR102399423B1
Application number: KR1020210034092A
Authority: KR
Inventors: 김동현; 배태성; 전우용
Original assignee: 주식회사 도이프; 전북대학교산학협력단
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2041-03-16

Abstract

본 발명은 교정용 미니스크류 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 헤드부 및 상기 헤드부와 일체로 형성되며, 나사부 및 상기 나사부의 표면에 돌출된 나사산을 포함하는 몸체로 이루어지며, 상기 헤드부 및 몸체의 표면은 복수개의 돌출된 이산화티타늄 나노튜브층 및 상기 이산화티타늄 나노튜브층 상에 형성된 인산칼슘층으로 코팅되어 있고, 상기 인산칼슘층에는 스트론튬 라넬레이트가 충전되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 교정용 미니스크류는 몸체 길이는 줄이고 직경을 넓히면서도 플루트를 형성하여 비표면적을 증가시킴으로써 골과의 생체활성도를 극대화하고, 나사의 초기 흔들림과 잦은 풀림을 방지하며, 양극산화 후 저온 석회화순환처리기법으로 표면처리를 하여 치밀하고 견고한 인산칼슘층을 형성하고, 골흡수의 억제 및 생성 촉진 작용을 하는 스트론튬 라넬레이트를 충전하므로서 티타늄 소재인 미니스크류가 사람 뼈에 식립될 때 더 활발해지는 파골세포의 활동을 막고 나아가 티타늄 식립체와 골의 생체활성도를 촉진하여 교정시술의 성공률을 획기적으로 개선하는 효과를 나타낸다.

Description

교정용 미니스크류의 제조 및 그 표면처리 방법 {MANUFACTURERING OF ORTHODONTIC MINI SCREW AND METHOD OF SURFACE TREATMENT}

본 발명은 교정용 미니스크류 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극산화 후 석회화순환처리기법으로 표면처리를 하여 치밀한 아파타이트 상의 인산칼슘층을 형성하고, 골흡수의 억제 및 생성을 촉진하는 작용을 하는 스트론튬 라넬레이트를 탑재처리하였다. 티타늄 소재 미니스크류를 구개부에 식립하면 안정화되며 초기에 파골세포에 의해 식립부 주위의 손상된 뼈가 흡수되고 이후 조골세포가 신생골을 생성하며 미니스크류가 안정화되는데, 이 과정에서 초기에 스크류의 나사부가 헐거워지고 가벼운 하중에도 흔들림이 일어나 탈락할 수 있고 흔들림 과정에서 주위의 골과 조직에 손상을 주어 상기의 과정이 반복되며 미니스크류가 탈락하여 교정치료가 지연되는 경우가 발생하고 있다. 이외에도 나사부가 길 경우 치근을 관통하거나 파절이 일어나거나 하는 부작용도 발생한다. 본 발명은 미니스크류의 식립 후 초기의 흔들림으로 인한 탈락을 억제하고 관통으로 인해 치근의 흡수가 일어나는 문제점을 억제하기 위해 나사부의 길이를 크게 줄이고 또한 플루트를 형성하여 기계적인 유지력은 높이고, 또한 나노튜브를 형성하고 여기에 생체활성 물질이나 약물을 탑재하여 골과 조기에 유착이 일어나도록 유도하고 플루트 부위에서 얻어진 골유합에 의해 기계적인 유지력과 함께 화학적인 유지력을 얻음으로써 교정치료의 성공률을 획기적으로 개선하는 교정용 미니스크 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

교정용 미니스크류는 치아의 교정과정에서 치근부, 잇몸, 구개골 등에 식립하여 견고한 교정력을 얻는 고정나사(set screw)를 말한다. 교정용 미니스크류는 치아의 교정과정에서 필수적인 고정력을 얻기 위하여 도입이 되었지만 미니스크류가 주로 사용되는 부위는 치근과 치주인대를 포함하는 치조골의 해부학적인 특성 때문에 깊게 식립할 수 없는 한계가 있고 또한 나사의 길이에 대한 제한이 따른다. 또한 수요자(환자)의 피질골이 얇은 경우에는 교정치료의 과정에서 흔들려서(wobbling) 뽑혀 탈락하는 경우도 빈번하게 발생하였다.

임상현장에서 가장 빈번하게 사용하는 미니스크류는 나사부 길이만 6 mm 이상이 식립되고 있다. 그러나 골과 유착이 되지 않은 상태이므로 식립부 주위에서 동통을 야기하거나, 상악구치부의 경우 치근부 윗부분에 위치하는 상악동을 관통하는 등의 원인이 될 뿐만 아니라 미니스크류의 반복되는 움직임으로 인해 식립부 주위에서 심각한 염증이 진행되어 식립부 주변 골의 약화현상이 발생하였다.

이에 환자의 불편감을 줄이고 안정적인 고정력을 얻으며 탈락과 파절빈도를 낮추기 위해 다양한 연구 개발이 이뤄지면서 유지력을 증가시키기 위하여 나사부의 직경 증가, 나사부에 표면적 증대를 위한 플루트(Flute)의 형성 등이 검토되었고, 최근 생체활성 표면처리에 의해 골유합을 유도하거나 또는 비스포스포네이트계 약물로 처리하여 파골세포의 기능을 떨어뜨려서 식립 초기의 골흡수를 억제함으로써 식립 초기의 유지력을 높이거나 하는 방식이 고려되면서 기존의 나사부 길이가 6 mm 이상이던 것을 3 mm 수준으로 감소시키고자 하는 연구들이 지속적으로 이루어져 왔다.

교정용 미니스크류는 잘 알려진 바와 같이 치과보철 수복용 임플란트에 비하여 가격이 저렴하고 시술단계가 단순하여 즉시 부하(immediate loading)가 가능하다는 장점이 있으나 치과보철 수복용의 골유착성 임플란트에 비하여 무려 10%가 넘는 수준의 실패율이 발생되었는데 이의 대부분은 초기 고정력 확보의 불량에서 기인하였다. 또한 미니스크류 고정력 확보 실패 유형의 대부분이 시술 후 1~2개월 이내에 발생하는데, 그 요인으로 교정용 미니스크류는 일반 치과보철용 임플란트와 달리 비교적 골의 두께가 얇은 치조골, 구개골 등에 사용되기 때문이다. 이에 따라 취약한 사용 환경을 감안하여 교정용 미니스크류의 형상 개선, 적절한 길이와 두께 및 조기 골유합의 유도를 위한 방법들과 함께 미니스크류의 식립 후 스크류가 안정화되는 과정에서 초기 골흡수에 기여하는 파골세포의 기능을 저하시킴으로써 식립부 주위의 골흡수를 억제하는 것이 유지력 개선에 효과적이라는 연구 단계에 도달하였다.

한편, 사람이 살아가면서 골격을 이루는 골에 손상이 일어나면 자연적으로 손상된 뼈를 흡수하여 제거하는 파골세포와 새로운 뼈를 만들어 내는 조골세포가 균형을 이루면서 골격이 유지된다. 하지만 고령화되면 이들의 균형이 깨어져서 골이 약화되거나 골다공증이 발생하기도 한다. 누구나 인정하듯이 티타늄과 일부의 티타늄 합금에서는 자발적으로 생성되는 비반응성의 부동태피막(TiO₂ 산화층)으로 인해 생체 불활성을 나타낸다. 상기의 산화층(TiO₂)은 기본적으로 열악한 생체 환경에서 임플란트가 생분해되는 현상을 막아주는 장점이 있으나 생체 불활성으로 인해 골유합이 일어나기까지 오랜 기간이 소요되는 단점이 있다. 이는 교정치료를 위해 미니스크류를 삽입하면 치료 환경에 따라 수개월 또는 그 이상의 기간이 소요될 수도 있다. 또한 선천적으로 골이 약하거나 고령 환자들의 경우는 물론이고 실제 임상에서는 환자들 사이의 개인차도 많아서 시술자의 입장에서 현실적으로 전혀 예측이 불가능한 문제로 인해 미니스크류가 탈락하여 실패로 이어지기도 하는 문제가 있다.

종래 한국공개특허 제2019-0003266호는 몸체 표면에 SLA(Sand-blasted, Large-grit, Acid-etched) 처리되어 다수의 기공이 형성된 교정용 미니스크류에 대해 개시하고 있으나, SLA 방식의 표면처리는 미크론 수준에서 표면적을 증가시켜서 표면에너지를 높이는 측면은 있지만 기본적으로 표면층을 뒤덮고 있는 산화층은 생체불활성이므로 빠른 골형성이 요구되는 미니스크류에서 고정력을 확보하는데 한계가 있다.

따라서 치과 및 정형외과 등의 보철 수복용 임플란트 뿐만이 아니라 짧은 기간에 골과의 긴밀한 유지력을 확보해야 하는 교정용 미니스크류의 경우에는 우수한 초기 고정력을 얻기 위해 나사부의 표면을 나노튜브 구조로 만들어서 생체활성 물질을 탑재하거나 또한 식립부 주위의 초기의 골흡수에 영향을 미치는 파골세포의 기능을 억제하거나 또는 신생골의 생성을 유도하는 조골세포의 활성을 촉진하는 것이 요구된다.

한국공개특허 제2019-0003266호(2019.01.09. 공개)

본 발명의 하나의 목적은 나사부의 몸체 길이는 줄이고 직경을 증가시키면서도 표면적과 기계적인 유지력을 높이기 위해 플루트를 형성함으로써 나사의 초기 흔들림과 잦은 탈락을 기계적으로 억제하는 교정용 미니스크류 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 하나의 목적은 양극산화처리하여 나노튜브 TiO₂ 층을 형성한 후 석회화 순환처리기법으로 표면처리를 하여 표면에 생체활성을 보이는 치밀하고 견고한 인산칼슘층을 형성하여 빠른 골유착을 유도함으로써 조기 부하가 가능한 표면처리의 방법에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 미니스크류 식립부의 초기 유지력을 높이는 치밀골의 골흡수의 억제 및 골생성의 촉진작용을 하는 스트론튬 라넬레이트를 탑재함으로써 티타늄 소재인 미니스크류가 사람 뼈에 식립될 때 식립부 주위의 초기 골흡수를 억제하여 초기 고정력의 저하를 억제하고 또한 조골세포의 활성을 촉진하여 빠른 골유합을 유도한 교정용 미니스크류 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 헤드부 및 상기 헤드부와 일체로 형성되고, 나사부 및 상기 나사부의 표면에 돌출된 나사산을 포함하는 몸체로 이루어지며, 상기 헤드부 및 몸체의 표면은 복수개의 이산화티타늄 나노튜브층 및 상기 이산화티타늄 나노튜브층 상에 형성된 아파타이트 상 인산칼슘층으로 코팅되어 있고, 상기 인산칼슘층에는 스트론튬 라넬레이트가 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 교정용 미니스크류를 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 몸체는 평균 직경이 1.4 내지 3 밀리미터이고, 길이가 3.3 내지 8.0 밀리미터이며, 나사부 몸체의 가로방향에 대한 세로홈인 플루트가 형성되는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 이산화티타늄 나노튜브층은 직경이 200 내지 500 나노미터이고, 평균길이가 500 내지 2000 나노미터인 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 인산칼슘층은 두께가 1 내지 5 마이크로미터인 것으로 한다.

또한, 본 발명의 목적은 미니스크류를 양극 산화시켜 상기 미니스크류의 표면에 이산화티타늄 나노튜브층을 형성하는 양극산화단계, 상기 양극산화단계를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류의 표면에 순환처리에 의해 인산칼슘층을 형성하고 불순물의 제거와 인산칼슘층의 안정화를 위해 400~600℃ 범위에서 열처리하여 아파타이트 상의 인산칼슘층을 형성하는 인산칼슘층형성단계 및 표면에 형성된 인산칼슘층에 스트론튬 라넬레이트를 탑재하는 약물충전단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교정용 미니스크류의 제조방법을 제공함에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 양극산화단계와 상기 인산칼슘층형성단계 사이에는 상기 양극산화단계를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류를 실리카 수용액에 침지한 후에 건조하는 실리카수용액처리단계가 더 진행되는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 인산칼슘층형성단계는 상기 양극산화단계를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류를 인산수소나트륨 수용액에 침지하고 건조한 후에, 수산화칼슘 수용액에 침지시키는 과정을 반복하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 인산수소나트륨 수용액에 침지는 80 내지 100℃의 온도에서 30 내지 90초 동안 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 수산화칼슘 수용액에 침지는 80 내지 100℃의 온도에서 30 내지 90초 동안 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 반복은 20 내지 30회로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 약물충전단계는 상기 인산칼슘층형성단계를 통해 인산칼슘층이 형성된 미니스크류에 스트론튬 라넬레이트를 포함하는 수용액 또는 산성 용액에 침지와 동결건조를 1~10회 또는 그 이상으로 반복하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명에 따른 교정용 미니스크류 및 그 제조방법은 몸체의 길이는 줄이고 직경을 넓히면서도 플루트를 형성하여 비표면적을 증가시킴으로써 골과의 기계적인 유지력을 극대화하여 나사의 초기 흔들림과 잦은 풀림을 방지하는 교정용 미니스크류를 제공하는 것을 나타낸다.

또한, 양극산화 후 석회화순환처리기법으로 표면처리를 하여 치밀하고 견고하게 부착된 생체활성의 인산칼슘층을 형성하고, 골흡수의 억제 및 생성 촉진 작용을 하는 스트론튬 라넬레이트를 충전하므로서 티타늄 소재인 미니스크류가 사람 뼈에 식립될 때 더 활발해지는 파골세포의 활동을 막고 나아가 티타늄 식립체와 골의 생체활성도를 촉진하여 교정시술의 성공률을 획기적으로 개선하는 교정용 미니스크류를 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 교정용 미니스크류를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 교정용 미니스크류의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시에에 따른 교정용 미니스크류의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 3 내지 4를 통해 제조된 미니스크류의 표면을 FE-SEM으로 촬영하고, 미니스크류 표면에 존재하는 원소농도를 에너지분산형 X-선 분광분석기(EDS)로 분석하여 나타낸 사진이다.
도 6 내지 7은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 5 내지 6을 통해 제조된 미니스크류의 표면을 FE-SEM으로 촬영하고, 미니스크류 표면에 존재하는 원소농도를 에너지분간분광분석기(EDS)로 분석하여 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1과 비교예 1 내지 4를 통해 제조된 미니스크류의 표면 성분을 XRM으로 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 3 내지 4를 통해 제조된 미니스크류의 식립 후 파절 토크 값을 측정하여 나타낸 그래프이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 교정용 미니스크류는 아래 도 1에 나타낸 것처럼, 헤드부 및 상기 헤드부와 일체로 형성되고, 나사부 및 상기 나사부의 표면에 돌출된 나사산을 포함하는 몸체로 이루어진다.

상기 몸체는 나사부 및 상기 나사부의 표면에 돌출된 나사산을 포함하며, 표면에 플루트(Flute)를 형성하여 기계적인 유지력을 높일 수 있다. 또한 기존의 미니스크류에 비해 차별화된 표면처리 기술을 제공함으로써 생체활성도가 우수하여 구개골, 치근, 잇몸 등 비교적 골이 얇은 부위에 식립될 때 단시간에 안착이 되어 초기에 흔들리지 않고 빠른 고정력을 확보할 수 있다. 아울러 이산화티타늄 나노튜브층에 석회화 순환처리를 하여 인산칼슘층을 형성하고 열처리를 통하여 불순물을 제거하고 인산칼슘층을 안정화하여 골유사 아파타이트의 석출을 유도한다. 또한 이산화티타늄 나노튜브층에 골유사 인산칼슘층을 석출하고 그 표면상에 스트론튬 라넬레이트 약물을 탑재시킴으로써 식립초기 미니스크류가 안정되기 전에 파골세포의 기능을 억제시켜 식립부 주위 골의 약화로 인한 유지력 저하 및 조골세포의 활성을 촉진시켜 신생골의 생성을 높여서 성공률(%)을 획기적으로 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 몸체는 평균 직경이 1.8 내지 3 밀리미터이고, 길이가 3 내지 8 밀리미터이다.

상기 미니스크류의 재질은 생체활성 기능을 만족하며 초기 고정성을 확보할 수 있는 티타늄 또는 티타늄 합금인 것일 수 있다.

상기 미니스크류의 표면은 생체적합성을 향상시키기 위해 복수개의 산화티타늄 나노튜브층 및 상기 이산화티타늄 나노튜브층 상에 형성된 인산칼슘층으로 코팅된 것일 수 있다. 상기 이산화티타늄(TiO₂) 나노튜브층은 상기 미니스크류의 표면에 복수개로 균일하게 돌출된 형태로 환자의 생체나 뼈 내부에서 임플란트가 분해되는 현상을 방지하는 역할을 할 수 있다.

상기 이산화티타늄 나노튜브층은 두께가 200 내지 500 나노미터이고, 튜브의 평균 길이는 500 내지 2000 나노미터이며, 외경의 평균 직경이 60 내지 180 나노미터인 것일 수 있다.

상기 이산화티타늄 나노튜브층은 외경의 평균직경이 커질 경우 인산칼슘의 석출에 유리할 수 있다. 반대로 상기 이산화티타늄 나노튜브층은 길이가 2000 나노미터 이상으로 길어질 경우 미니스크류의 식립 과정에서 표면처리한 피막층이 과도하게 손상될 수 있다.

상기 인산칼슘층의 두께가 5 마이크로미터 미만이면 미니스크류의 식립과정에서 표면처리하여 석출한 인산칼슘층이 크게 손상되지 않고 또한 플루트 내부에 석출된 인산칼슘은 식립과정에서 손상되지 않으므로 초기 고정력의 상승을 유도할 수 있다.

상기 인산칼슘층은 상기 이산화티타늄 나노튜브층의 내부 및 외부와 주변 표면에 형성될 수 있으며, 상기 이산화티타늄 나노튜브층에 침투 결합이 되며 치밀하게 석출이 되어 생체활성을 촉진시킬 수 있다. 또한 상기 이산화티타늄 나노튜브층에 인산칼슘의 석출 없이 스트론튬 라넬레이트를 탑재처리할 경우 그 자체로도 파골세포의 기능을 떨어뜨리고 조골세포의 활성을 높여서 골 흡수를 억제하여 신생골 생성을 촉진할 수 있다.

상기 스트론튬 라넬레이트는(strontium ranelate)는 파골 전구세포로부터 파골세포로의 분화를 억제하고 파골세포의 골흡수를 억제하며 조골전구세포의 증식과 조골세포로의 분화를 촉진하여 결과적으로 골흡수의 억제와 골생성의 촉진 작용을 동시에 일으키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 교정용 미니스크류의 제조방법은 미니스크류를 양극 산화시켜 상기 미니스크류의 표면에 이산화티타늄 나노튜브층을 형성하는 양극산화단계(S101), 상기 양극산화단계(S101)를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류의 표면에 인산칼슘층을 형성하는 인산칼슘층형성단계(S103) 및 상기 인산칼슘층형성단계(S103)를 통해 미니스크류의 표면에 형성된 인산칼슘층에 스트론튬 라넬레이트를 충전하는 약물충전단계(S105)로 이루어진다.

상기 양극산화단계(S101)는 미니스크류를 양극 산화시켜 상기 미니스크류의 표면에 이산화티타늄 나노튜브층을 형성하는 단계로, 이때, 상기 미니스큐류는 상기 교정용 미니스크류에 기재된 내용과 같이 몸체 표면에 플루트를 형성될 수 있는데, CNC 자동선반(cincom L20)을 사용하여 몸체의 평균 직경이 1.8 내지 3 밀리미터이고, 길이가 2 내지 3.5 밀리미터이며, 표면에 플루트(Flute)가 형성된 형태로 가공할 수 있다.

상기 양극산화단계(S101)에서 미니스트류의 표면에 이산화티타늄 나노튜브층을 형성하는 단계는 상기와 같은 과정을 통해 플루트가 형성된 미니스크류와 음극을 전해액에 침지한 후 양극 산화시켜 상기 미니스크류의 표면 상에 이산화티타늄 나노튜브층을 형성하는 과정으로 이루어질 수 있으며, 상기 이산화티타늄 나노튜브층은 상기 플루트가 형성된 미니스크류의 전체 또는 나사부를 양극 산화시켜 형성할 수 있다.

상기 양극 산화는 다른 방법에 비해 간편하여 제조 시간을 단축시키는 이점이 있다. 상기 양극 산화는 정전압 및 정전류 모드에서 전류밀도 5 내지 50 mA/㎠의 전류 밀도로 최종전압 10 내지 40 V에 이르도록 하고 최종전압 조건에서 5분 내지 2시간 동안 유지하여 산화시킬 수 있다. 상기 양극 산화는 티타늄 또는 티타늄 합금을 양극으로 하고, 백금(Pt), 텅스텐(W) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 음극으로 하여 전해질 용액에서 양극을 산화시킬 수 있다.

상기 전해질 용액은 글리세롤(glycerol), 불산(HF), 불화암모늄(NH₄F) 산성불화암모늄(NH₄HF₂), 플루오린화나트륨(NaF) 및 물(H₂O)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 바람직하게는 글리세롤(glycerol), 불화암모늄(NH₄F) 및 물(H₂O)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으며, 가장 바람직하게는 글리세롤(glycerol), 불화암모늄(NH₄F) 및 물(H₂O)의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 혼합물은 글리세롤 100 중량부에 불화암모늄(NH₄F) 0.3 내지 2 중량부 및 물(H₂O) 5 내지 30 중량부를 혼합하여 이루어지는데, 이때, 불화암모늄(NH₄F)의 혼합량이 0.3 중량부 미만이거나 2 중량부를 초과하는 경우 형성되는 나노튜브층의 구조가 불완전해질 수 있다.

또한, 상기 물(H₂O)의 양이 5 중량부 미만이면 나노튜브층의 직경이 지나치게 감소될 수 있고, 30 중량부를 초과하게 되면 나노튜브층의 직경 대비 길이가 지나치게 길어져서 임플란트 시술 시 나노튜브층의 손상이 일어날 수 있다.

상기 양극 산화에서 음극은 백금(Pt), 텅스텐(W) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것일 수 있으나, 통상의 양극 산화에 사용되는 음극전극이라면 그 사용에 제한은 없다.

상기 양극과 음극의 간격은 10~50 mm일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 30 밀리미터 일 수 있으며, 전압은 10 내지 50 V일 수 있다. 또한 상기 양극 산화의 반응시간은 10 내지 180 분일 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 60 분 동안 전기화학반응을 시켜 미니스크류의 표면에 복수개의 돌출된 이산화티타늄 나노튜브층을 형성할 수 있다. 또한 상기 이산화티타늄 나노튜브층의 원활한 형성 및 구조개선을 위해서 산화처리 시 상기 미니스크류를 회전 또는 좌우로 움직일 수 있다.

상기 인산칼슘층형성단계(S103)는 상기 양극산화단계(S101)를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류의 표면에 인산칼슘층을 형성하는 단계로, 미니스크류의 표면에 형성된 이산화티타늄 나노튜브층을 보다 견고하고 치밀하게 하고 생체활성도를 향상시키기 위해 진행된다.

상기 인산칼슘층형성단계(S103)는 상기 양극산화단계(S101)를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류를 인산수소나트륨 수용액에 침지하고 건조한 후에, 수산화칼슘 수용액에 침지시키는 과정을 반복하여 이루어지는데, 상기 인산수소나트륨 수용액에 침지는 80 내지 100℃의 온도에서 30 내지 90초 동안 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 수산화칼슘 수용액에 침지는 80 내지 100℃의 온도에서 30 내지 90초 동안 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 반복은 20 내지 30회로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 20 내지 30회 반복되는 석회화 순환처리를 통해 인산칼슘층을 형성되면, 인산칼슘층이 형성된 미니스크류를 450 내지 550℃의 온도에서 1 내지 3 시간 동안 안정화하는 과정을 진행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 인산수소나트륨 수용액에 침지하는 과정과 상기 수산화칼슘 수용액에 침지하는 과정 사이에는 인산수소나트륨 수용액에 침지된 미니스크류를 탈이온수에 2 내지 8초 동안 세척하는 과정을 더 진행할 수 있다.

또한, 상기 수산화칼슘 수용액에 침지하는 과정 이후에는 다시 인산수소나트륨 수용액에 침지하기 전에 수산화칼슘 수용액에 침지된 미니스크류를 탈이온수에 2 내지 8초 동안 세척하는 과정을 더 진행할 수 있다.

상기와 같이 인산수소나트륨 수용액에 침지한 후에, 수산화칼슘 수용액에 침지하는 과정은 20 내지 30회가 반복되는데, 상기와 같이 20 내지 30회 동안 석회화 순환처리를 함으로써 인산칼슘층의 두께가 증가하고 동시에 생체활성도를 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 연속 공정의 횟수가 20회 미만이면 상기 이산화티타늄 나노튜브층의 표면 상에 인산칼슘층이 고르게 형성되지 않을 수 있고, 반대로 30회 초과이면 인산칼슘층의 두께가 두꺼워져 스트론튬 라넬레이트 약물을 충전시키는 것이 어려울 수 있다.

또한, 상기 안정화의 과정은 인산칼슘층이 형성된 미니스크류에 상기 스트론튬 라넬레이트 약물이 충진될 수 있는 여건을 조성하며, 불순물을 제거하기 위해 수행될 수 있다.

상기 약물충전단계(S105)는 상기 인산칼슘층형성단계(S103)를 통해 미니스크류의 표면에 형성된 인산칼슘층에 스트론튬 라넬레이트를 충전하는 단계로, 상기 인산칼슘층형성단계(S103)를 통해 인산칼슘층이 형성된 미니스크류를 1 내지 10 mg/mL의 스트론튬 라넬레이트 수용액에 침적한 후에 건조하는 과정을 5 내지 7회 반복하여 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 양극산화단계(S101)와 상기 인산칼슘층형성단계(S103) 사이에는 상기 양극산화단계(S101)를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류를 실리카 수용액에 침지한 후에 건조하는 실리카수용액처리단계(S102)가 더 진행될 수도 있는데, 상기 양극산화단계(S101)를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류를 질량농도가 0.5%인 실리카 수용액에 4 내지 6분, 바람직하게는 5분 동안 침지한 후에 37℃의 온도가 유지되는 전열기구(OF-12GW, Jeio Tech, Daejeon, Korea)에서 1시간 이상 건조하는 과정으로 이루어진다.

이하에서는, 본 발명에 따른 교정용 미니스크류의 제조방법 및 그 제조방법을 통해 제조된 교정용 미니스크류의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.

<실시예 1>

(1) 몸체 표면에 플루트가 형성된 미니스크류의 제조

Ti-6Al-4V ELI합금봉(KodentInc, DBA TMS, USA)을 사용하여 헤드부의 평균 직경이 0.5 mm이고, 길이는 265 mm이고, 몸체의 직경 24 ㎜이고, 길이가 35 ㎜인 미니스크류 시편을 제작하였다. 그 다음 CNC 자동선반(cincom L20)을 이용하여 상기 미니스크류 몸체에 하나의 플루트를 형성하되, 홈의 너비가 1 mm 였고, 세로방향의 길이는 17 mm였다.

(2) 양극 산화처리

상기 (1)에서 제조된 풀루트가 형성된 미니스크류 시편의 표면에 생성된 산화피막층의 제거를 위해 HNO₃ 12 중량부, HF 7 중량부 및 정제수 잔량으로 이루어진 용액에 미니스크류 시편을 10초 동안 침지하고 세척 후 건조한 후에, 20 중량%의 정제수와 1.5 중량%의 NH₄F을 함유하는 글레세롤(glycerol) 용액에서 전압 20 V, 전류밀도 20 ㎃/㎠로 60분 동안 양극산화처리하고, 양극산화처리된 미니스크류 시편을 3차 증류수 중에서 1분간 초음파 세척한 다음 50℃ 건조기에서 24시간 동안 건조하였다.

양극 산화 처리된 미니스크류의 표면은 두께가 350 nm이고, 평균 길이가 760 nm이며, 외경의 평균 직경이 110 nm인 이산화티타늄 나노튜브층이 형성되었다.

(3) 저온 석회화 순환처리

상기 (2)에서 양극 산화처리를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류를 90℃에서 0.05M NaH₂PO₄ 수용액 3g/500mL과 0.0077M Ca(OH)₂ 수용액 0.41g/500mL에 각각 1분을 주기로 침적하는 방식으로 20회 동안 석회화 순환처리(cyclic pre-calcification treatment)를 하였다. 석회화 순환처리 후 상기 미니스크류의 이산화티타늄 나노튜브층 상에 80nm 두께의 인산칼슘층이 형성되었다. 그 다음 인산칼슘층이 형성된 미니스크류를 전기로(Ajeon Industrial Co, Ltd, Korea)에 투입하고 10℃/min의 승온 속도로 500℃까지 가열한 후에 2시간 동안 유지하여 구조적 안정화를 시키고 불순물을 제거하였다.

(4) 스트론튬 라넬레이트 약물의 침지

스트론튬 라넬레이트를 증류수에 2 mg/mL의 농도로 희석한 다음 상기 인산칼슘층이 형성된 미니스크류를 희석된 약물에 10분 동안 침적하고, 질소가스로 동결건조하는 과정을 6회 반복하여 스트론튬 라넬레이트가 충전된 교정용 미니스크류를 제조하였다.

<실시예 2>

상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 상기 (3)에서 0.0099M Ca(OH)₂ 수용액을 사용하고, 상기 (4)에서 스트론튬 라넬레이트를 증류수에 3 mg/mL의 농도로 희석하여 스트론튬 라넬레이트가 충전된 교정용 미니스크류를 제조하였다.

<비교예 1>

양극 산화 및 석회화 순환처리를 전혀 실시하지 않은 미처리한 미니스크류를 준비하였다.

<비교예 2>

양극산화 후 석회화 순환처리를 전혀 실시하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 미니스크류를 제조하였다.

<비교예 3>

석회화 순환처리후 스트론튬 라넬레이트를 충전하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 미니스크류를 제조하였다.

<비교예 4>

상기 비교예 2의 미니스크류의 표면에 이산화티타늄 나노튜브층을 형성한 후에 0.05M NH₄H₂PO₄ 수용액과 Ca(OH)₂와 Sr(OH)₂이 0.0077:0.0033으로 혼합된 수용액에 20회 순환처리하여 인산칼슘층이 형성된 미니스크류를 제조하였다.

<비교예 5>

석회화 순환처리후 스트론튬 라넬레이트를 충전하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 미니스크류를 제조하였다.

<비교예 6>

상기 비교예 2의 미니스크류의 표면에 이산화티타늄 나노튜브층을 형성한 후에 0.05M NH₄H₂PO₄ 수용액과 Ca(OH)₂와 Sr(OH)₂이 0.0099:0.0011으로 혼합된 수용액에 20회 순환처리하여 인산칼슘층이 형성된 미니스크류를 제조하였다.

상기 실시예 1 및 비교예 3 내지 4를 통해 제조된 미니스크류의 FE-SEM (계방사주사전자현미경, Field Emission Scanning Electron Microscope, S4800, Hitachi, Japan) 사진을 촬영하고, 스크류 표면에 존재하는 원소농도를 에너지분산분광분석기(EDS)로 분석하여 아래 도 4 내지 5에 나타내었다.

아래 도 4 내지 5에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1 및 비교예 3 내지 4를 통해 제조된 미니스크류는 저온 석회화 순환처리 후 이산화티타늄 나노튜브층 상에 인산칼슘층이 형성된 것을 알 수 있다.

또한, 상기 실시예 2 및 비교예 5 내지 6을 통해 제조된 미니스크류의 FE-SEM (계방사주사전자현미경, Field Emission Scanning Electron Microscope, S4800, Hitachi, Japan) 사진을 촬영하고, 스크류 표면에 존재하는 원소농도를 에너지분산분광분석기(EDS)로 분속하여 아래 도 6 내지 7에 나타내었다.

아래 도 6 내지 7에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 2 및 비교예 5 내지 6을 통해 제조된 미니스크류는 저온 석회화 순환처리 후 이산화티타늄 나노튜브층 상에 인산칼슘층이 형성된 것을 알 수 있다.

또한, 상기 실시예 1과 비교예 1 내지 4의 미니스크류를 성분을 XRM으로 측정하여 아래 도 8에 나타내었다.

{(a)비교예 1, (b) 비교예 2, (c) 비교예 3, (d) 비교예 4, (e) 실시예 1}

아래 도 8에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1의 경우는 스트론튬 라넬네이트가 주로 표층에만 집중 형성되어 있어서 Sr 피크가 관찰되지만 (d)비교예 4의 경우에는 스트론튬 라넬네이트가 표면층 전체에 분산되어 있기 때문에 Sr 피크가 관찰되지 않는 것을 알 수 있다.

또한, 실시예 1 및 비교예 3 내지 4를 통해 제조된 미니스크류를 200 내지 225g의 수컷 쥐(Wistar rats; 12 weeks old)의 양측 경골(tibia)에 식립하고, 파절 토크 값을 측정하여 아래 도 9에 나타내었다.

{단, 상기 식립은 전신마취 하에 양측 경골 골간(diaphysis) 내측면(mesial) 부위에 식립전층판막을 노출하여 bicortical 임플란트 bed 형성 후, 나사산이 피질골 내에 안착될 때까지 self-tapping 과정을 통해 식립하고, 흡수성 봉합사로 봉합 후, 항생제와 소염제를 경구투약하면서 2주와 4주 후 각각 9마리씩을, thiopental을 과용량 투약하여 희생시켰다.

식립 2주와 4주째에 쥐를 희생시킨 후 매식부를 노출시키고, 식립부를 고정하고 디지털 토크 게이지를 연결한 다음 반시계 방향으로 돌려서 결합계면의 파절 토크 값을 측정하였다.}

아래 도 9에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 미니스크류는 식립 후에 우수한 파절 토크 값을 나타내는 것을 알 수 있는데, 이는 동일한 ㅈ조건에서 실시예 1이 우수한 골유착성을 나타내는 것을 보여주는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 교정용 미니스크류 및 그 제조방법은 몸체 길이는 줄이고 직경을 넓히면서도 플루트를 형성하여 비표면적을 증가시킴으로써 골과의 생체활성도를 극대화하고 나사의 초기 흔들림과 잦은 풀림을 방지하는 교정용 미니스크류를 제공한다.

또한, 양극산화 후 저온 석회화순환처리기법으로 표면처리를 하여 치밀하고 견고한 인산칼슘층을 형성하고, 골흡수의 억제 및 생성 촉진 작용을 하는 스트론튬 라넬레이트를 충전하므로서 티타늄 소재인 미니스크류가 사람 뼈에 식립될 때 더 활발해지는 파골세포의 활동을 막고 나아가 티타늄 식립체와 골의 생체활성도를 촉진하여 교정시술의 성공률을 획기적으로 개선한다.

S101 ; 양극산화단계
S102 ; 실리카수용액처리단계
S103 ; 인산칼슘층형성단계
S105 ; 약물충전단계

Claims

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미니스크류를 양극 산화시켜 상기 미니스크류의 표면에 이산화티타늄 나노튜브층을 형성하는 양극산화단계;
상기 양극산화단계를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류를 실리카 수용액에 침지한 후에 건조하는 실리카수용액처리단계
상기 실리카수용액처리단계를 통해 실리카 수용액에 침지 후 건조한 미니스크류의 표면에 인산칼슘층을 형성하고 형성한 인산칼슘층의 불순물 제거와 안정화 및 아파타이트의 석출 유도를 위한 인산칼슘층형성단계; 및
상기 인산칼슘층형성단계를 통해 미니스크류의 표면에 형성된 인산칼슘층에 스트론튬 라넬레이트를 탑재하는 약물충전단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교정용 미니스크류의 제조방법.
삭제
청구항 5에 있어서,
상기 인산칼슘층형성단계는 상기 양극산화단계를 통해 이산화티타늄 나노튜브층이 형성된 미니스크류를 인산수소나트륨 수용액에 침지하고 건조한 후에, 수산화칼슘 수용액에 침지시키는 과정을 반복하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 교정용 미니스크류의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 인산수소나트륨 수용액에 침지는 80 내지 100℃의 온도에서 30 내지 90초 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 교정용 미니스크류의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 수산화칼슘 수용액에 침지는 80 내지 100℃의 온도에서 30 내지 90초 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 교정용 미니스크류의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 반복은 20 내지 30회로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교정용 미니스크류의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 약물충전단계는 상기 인산칼슘층형성단계를 통해 인산칼슘층이 형성된 미니스크류를 1 내지 10 mg/mL의 스트론튬 라넬레이트 수용액 또는 산성 수용액에 침지한 후에 건조하는 과정을 5 내지 7회 반복하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 교정용 미니스크류의 제조방법.