KR20110051441A - 치과용 임플란트 표면에 나노튜브를 신속하고도 균일하게 형성시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 치과용 임플란트 표면에 나노 튜브를 신속하고 균일하게 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 치과용 임플란트를 전기화학적 방법으로 불화암모늄(NH₄F), 물(H₂O) 및 글리세롤(glycerol)을 혼합한 전해액에서 양극 산화하여 임플란트 표면에 나노튜브를 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 치과용 임플란트 표면에 나토튜브를 형성함에 있어, 불화암모늄(NH₄F), 물(H₂O) 및 글리세롤(glycerol)을 혼합한 전해액을 양극 산화에 사용함으로써, 기존의 방법을 사용하는 경우 보다 훨씬 단축된 공정 시간을 실현할 수 있으며, 또한 짧은 공정 시간에도 불구하고, 나노튜브의 기공을 균일하게 형성할 수 있는 효과가 있다.

임플란트, 나노튜브, 전해액, 불화암모늄, 글리세롤

Description

치과용 임플란트 표면에 나노튜브를 신속하고도 균일하게 형성시키는 방법{Method for Forming Nanotube On The Surface of Dental Implant Quickly and Uniformly}

본 발명은 치과용 임플란트 표면에 나노 튜브를 신속하고 균일하게 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 치과용 임플란트를 전기화학적 방법으로 불화암모늄(NH₄F), 물(H₂O) 및 글리세롤(glycerol)을 혼합한 전해액에서 양극 산화하여 임플란트 표면에 나노튜브를 형성하는 방법에 관한 것이다.

치과용 임플란트란 치아가 파손되었거나 손실되었을 때 악골에 매식하여 치근역할을 하는 매식물로서, 구강 내에서 화학적으로 안정하고 오랜기간 동안의 저작기능에 충분한 내마모성을 갖는 소재선택이 매우 중요하다.

현재, 임플란트 소재는 우수한 화학기계적 특성을 갖는 티타늄 및 합금이 널리 사용되고 있으나, 상기 소재는 생체활성이 없고, 골과의 접착력이 약하여, 골과의 결합에 소요기간이 길다는 단점이 있다.

이에 임플란트 표면과 골과의 접촉면을 증가시키기 위해, 임플라트 표면에 거칠기를 부여하는 다양한 화학적, 물리적 방법들이 적용되고 있다.

이중 대표적인 표면처리 방법으로는 다양한 직경을 갖는 입자들을 임플란트 표면에 분사시켜서 수백마이크로(micro) 단위의 마크로(macro)적인 거칠기를 부여하는 분사(blasting)처리 이후, 황산, 염산 등의 산세처리(acidic etching)를 통하여, 수십 마이크로 단위의 마이크로적 거칠기를 부여하여 임플란트 표면의 표면적을 증대시키는 표면처리방법이다.

한편, 최근에는 임플란트 표면의 표면적을 획기적으로 증대시키기 위해, 불소화합물과 인산, 황산 등으로 조성된 전해액에서 전기화학처리인 양극산화법을 적용하여, 임플란트 표면에 나노튜브를 생성시키는 표면처리 방법이 시도되고 있다.

즉, 양극산화 처리동안 정전압 모드에서 50V이하의 저전압을 인가함으로서, 피 처리재인 임플란트 소재표면에 형성된 TiO₂의 형성 및 침식에 의해, 임플란트 표면에 나노(nano) 단위의 직경을 갖는 나노튜브를 형성시키는 방법이다.

일반적으로 나노튜브 형성에 사용되는 조건 중, 전해액 조성은 HF 함유 전해 액 또는 HF 혼합산이 사용되는 방법과 HF 대신 NaF와 NH₄F를 함유하는 중성의 전해질 수용액을 사용하는 방법, 그리고 H₂O를 사용하지 않는 전해액 및 glycerol을 적용하는 방법 등으로 구분되며, 인가전압은 20V에서 2시간 이상의 전해공정을 적용한다.

그러나 현재 적용하는 전해액 조건에서는 임플란트 전체 표면에 균일한 나노튜브의 형성이 어렵고, 공정시간 역시 2시간 이상의 장시간이 필요하다는 문제점이 있다.

특히, 임플란트 표면에서 불균일하게 형성되는 나노튜브는 공정시간 경과와 더불어 더욱 불균일한 나노튜브로 성장됨에 따라, 빠른 시간 내에 균일성이 확보된 나노튜브 표면처리 공정기술이 매우 중요하다.

본 발명은 치과용 임플란트 표면에 나토튜브를 형성함에 있어, 종래 기술보다 공정 시간을 줄일 수 있는 동시에, 나노튜브의 기공을 보다 더 균일하게 형성할 수 있어치과용 임플란트의 표면 공정의 효율성을 높일 수 있는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 치과용 임플란트 표면에 나노 튜브를 신속하고 균일하게 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 치과용 임플란트를 전기화학적 방법으로 불화암모늄(NH₄F), 물(H₂O) 및 글리세롤(glycerol)을 혼합한 전해액에서 양극 산화하여 임플란트 표면에 나노튜브를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 임플란트는 인체 조직이 상실되었을 경우 회복시켜 주는 대체물을 의미하지만, 본 발명에서는 치과에서 인공으로 만든 치아를 이식하는, 치과용 임플란트를 의미한다. 즉, 인간의 턱뼈에 인공 치아를 반영구적으로 매식하기 위해 사용하는 것을 말한다. 일반 보철물이나 틀니의 경우, 시간이 지나면 주위 치아와 뼈가 상하지만, 치과용 임플란트는 주변 치아 조직을 상하지 않게 하며 자연 치아와 기능이나 모양이 같으면서도 충치가 생기지 않으므로 반영구적으로 사용할 수 있다.

상기 임플란트는 그 소재가 특별히 제한되는 것은 아니나, 탄탈륨, 코발트, 크롬, 티타늄, 스테인리스 강 또는 이의 합금 소재를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 하기 실시예에서는 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 소재의 치과용 임플란트를 사용하였다.

본 발명에서 사용되는 전해액은 불화암모늄(NH₄F), 물(H₂O) 및 글리세롤(glycerol)로 이루어지는 것을 특징으로 한며, 상기 특징적인 전해액을 이용함을써, 치과용 임플란트의 표면에 나노튜브를 종래기술 보다 훨씬 단시간에 보다 균일하게 형성할 수 있다.

상기 불화암모늄(NH₄F)은 그 함량이 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 전해액 무게 대비 0.1 내지 3 wt%일 수 있다. 본 발명의 하기 실시예에서는 전해액 중 불화암모늄의 함량을 1wt%로 하여 실시하였다.

상기 글리세롤은 그 함량에 있어 특별히 제한되는 것은 아니나, 전해액 무게 대비 80 내지 90 wt%로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 하기 실시예에서는 전해액 중 글리세롤의 함량을 89wt%로 하여 실시하였다.

본 발명에서, 치과용 임플란트의 표면 개질은 양극산화 방법을 이용하여 수행한다. 일예를 들면, 직류전원장치의 양극과 음극 각각에 치과용 임플란트 및 백 금판을 연결한 다음, 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에서 일정 시간 동안 전해를 실시하여 임플란트 표면에 나노튜브를 형성시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 치과용 임플란트 표면에 나토튜브를 형성함에 있어, 불화암모늄(NH₄F), 물(H₂O) 및 글리세롤(glycerol)을 혼합한 전해액을 양극 산화에 사용함으로써, 기존의 방법을 사용하는 경우 보다 훨씬 단축된 공정 시간을 실현할 수 있으며, 또한 짧은 공정 시간에도 불구하고, 나노튜브의 기공을 균일하게 형성할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하도록 한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며, 이에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

<실시예>

실시예 -1

본 실시예에서는 치과용 임플란트로서 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)을 사용하였으며, SiC paper에서 #600에서 #1200까지 순차적으로 연마 후, 증류수 및 아세톤으로 5분간 초음파 세척 후 건조하였다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 상기 치과용 임플란트를 시편으로 사용하기에 앞서 자연적으로 생성되는 산화피막을 제거하기 위하여, 45wt% HF용액에서 수 초 간 전처리를 실시하였다.

다음으로, 상기와 같이 준비된 치과용 임플란트 시편에 1wt% NH₄F, 10wt%H₂O 및 89wt% glycerol의 일정 전해질 조성하에서 시간을 변화시켜가며 전해를 실시하였다. 이를 통해 치과용 임플란트 시편에의 나노튜브 형성의 신속성 및 균일성을 동시에 확인하도록 하였다.

먼저, 나노튜브 형성을 위해 직류전원장치의 양극과 음극 각각에 상기 준비된 치과용 임플란트 시편 및 백금판을 연결한 다음, 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에서 1분간 전해를 실시하였으며, 그 결과는 도 1에 나타난 바와 같다.

도 1에 나타난 사진에 의하면, 전기화학적인 산화작용으로 인해 전체 표면에 걸쳐서 산화피막층이 형성되며, 작은 나노기공들의 크기가 불균일성을 보이고는 있으나, 표면전체에 형성되고 있음을 확인할 수 있다.

실시예 -2

본 실시예에서는 정전압상태에서 4분간 전해를 실시하는 것을 제외하고는 상기 실시예-1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과는 도 2에 나타난 바와 같다.

도 2의 치과용 임플란트 표면의 사진에 의하면, 전해 초기에 형성된 불균일한 나노튜브들의 기공의 크기가 시간이 지나면서 증가하여, 전체적으로 치과용 임플란트 표면에 형성된 나노튜브의 크기가 균일성을 보이고 있다.

실시예 -3

본 실시예에서는 정전압상태에서 1시간 동안 전해를 실시하는 것을 제외하고는 상기 실시예-1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과는 도 3에 나타난 바와 같다.

도 3에 나타난 사진에 의하면, 1시간 동안 전해를 실시할 경우, 표면에 높이의 차이를 보이는 완벽하게 자기정렬 형태를 갖춘 TiO₂ 나노튜브들이 생성된 양상이 관찰되며, 기공직경 역시 40nm～50nm 수준의 균일한 나노튜브가 형성됨을 확인할 수 있다.

비교예 -1

상기 본 발명에 따른 실시예의 나노 튜브 형성의 균일성 및 신속성을 비교하기 하여, 하기와 같이 종래 기술에 의하여 비교예를 실시하였다.

치과용 임플란트로서 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)을 사용하였으며, SiC paper에서 #600에서 #1200까지 순차적으로 연마 후, 증류수 및 아세톤으로 5분간 초음파 세척 후 건조하였다.

본 비교예에서도, 상기 치과용 임플란트를 시편으로 사용하기에 앞서 자연적으로 생성되는 산화피막을 제거하기 위하여, 45wt% HF용액에서 수초간 전처리를 실시하였다.

상기와 같이 준비된 치과용 임플란트 시편에 기존의 기술에서 사용되는 0.5M Na₂SO₄수용액에 0.7wt% NaF를 혼합한 전해질 용액을 이용하여 치과용 임플란트 시편의 표면에 나노튜브를 형성하였으며, 나노튜브 형성의 신속성 및 균일성에 대하여 상기 본 발명에서 따른 실시예와 비교하도록 하였다.

본 비교예에서는 치과용 임플란트 표면에 나노튜브를 형성하기 위해 직류전원장치의 양극과 음극 각각에 상기 준비된 치과용 임플란트 시편 및 백금판을 연결한 다음, 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에 서 30분 동안 전해를 실시하였으며, 그 결과는 도 4에 나타난 바와 같다.

도 4에 나타난 사진에 의하면, 본 비교예에 의한 치과용 임플란트 표면 전체에 나노튜브의 형성은 관찰되지 않으며, 일부에서 불균일하게 나노튜브가 형성됨을 확인할 수 있다. 즉, 종래 기술의 전해액 조성에 의할 경우, 30분 동안 전해를 실시하더라도 치과용 임플란트 표면 전체에 나노 튜브를 균일하게 형성하는 것이 불가능하나, 이에 반해 상기 본 발명에 따른 실시예-1 및 2의 경우, 상기 비교예의 30분 보다 훨씬 적은 시간인 1분 또는 4분 동안 전해를 실시하였지만, 치과용 임플란트 표면 전체에 나노튜브가 균일하게 형성됨을 알 수 있다(도 1 및 도 2 참조).

비교예 -2

본 비교예에서는 정전압상태에서 1시간 동안 전해를 실시하는 것을 제외하고는 상기 비교예-1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과는 도 5에 나타난 바와 같다.

도 5에 의하면, 치과용 임플란트 표면 전체에 나노튜브의 형성이 관찰되기는 하였으나, 표면에 형성된 나노튜브의 기공크기 및 형상이 매우 불균일함을 확인할 수 있었다. 이는 동일 시간 동안 전해를 실시한 상기 비교예-3과 비교하였을 때, 임플란트 표면에 형성된 나노튜브의 균일성이 현저히 떨어지며, 심지어는 4분동안 전해를 실시한 상기 실시예-2와 비교하였을 때도 나노튜브의 균일성이 현저히 떨어짐을 확인할 수 있다.

비교예 -3

본 비교예에서는 정전압상태에서 2시간 동안 전해를 실시하는 것을 제외하고는 상기 비교예-1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과는 도 6에 나타난 바와 같다.

도 6의 사진을 살펴보면, 본 비교예에서는 치과용 임플란트 표면 전체에서 나노튜브의 형성이 관찰되지 않았다. 즉, 종래 기술의 경우, 단시간에 임플란트 표면에 균일한 나노튜브를 형성할 수 없으므로(도 4 내지 5 참조), 전해 시간에 있어 장시간이 필요하나, 2시간 동안 전해를 실시할 경우에는 오히려 나노튜브가 전혀 형성되지 않음을 알 수 있었다.

비교예 -4

본 비교예는 사용된 전해액이 0.5M Na₂SO₄ 수용액에 0.4wt% NaF 을 혼합한 것인 것을 제외하고는, 상기 비교예-3과 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과는 도 7에 나타난 바와 같다.

도 7에 의하면, 본 비교예-4에서는 치과용 임플란트 표면 중 일부에서만 나노튜브가 형성되었으며, 나머지 표면 부분에서는 나노튜브가 형성되지 않았으며, 형성된 나노 튜브들도 기공이 고르지 못함을 확인할 수 있다.

역시 상기 실시예-1 내지 3과 비교하였을 때, 제조 시간 및 형성된 나노튜브의 균일성 면에서 훨씬 떨어짐을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바를 표로 정리하면 다음과 같다.

[표 1] 실시예 및 비교예의 임플란트 표면 나노 튜브 형성의 신속성 및 균일성 비교

	실 시 예 (전해액:NH4F,H2O,glycerol)			비교예(종래기술) (전해액: Na2SO4,H2O,NaF)
	1	2	3	1	2	3	4
전해 시간	1분	4분	1시간	30분	1시간	2시간	2시간 (전해액 조성을 달리함)
나노튜브의 균일성	일부 작은 나노튜브들만 불균일, 표면전체에 나노튜브 형성	표면 전체에 균일한 나노튜브 형성	표면 전체에 균일한 나노튜브 형성	표면 중 상당 부분에 불균일한 나노 튜브 형성	표면 중 일부분에 불균일한 나노튜브 형성	표면에 나노튜브를 전혀 형성하지 않음	표면 중 일부분만 나노튜브 형성

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예에서, 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에서 1 분간 전해를 실시하였을 때 치과용 임플란트 표면에 형성된 나노 튜브를 촬영한 사진을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 실시예에서, 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에서 4 분간 전해를 실시하였을 때 치과용 임플란트 표면에 형성된 나노 튜브를 촬영한 사진을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 실시예에서, 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에서 1시간 동안 전해를 실시하였을 때 치과용 임플란트 표면에 형성된 나노 튜브를 촬영한 사진을 나타낸 것이다.

도 4는 종래 기술에 따른 비교예에서, 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에서 30 분간 전해를 실시한 후 치과용 임플란트의 표면을 촬영한 사진을 나타낸 것이다.

도 5는 종래 기술에 따른 비교예에서, 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에서 1시간 동안 전해를 실시한 후 치과용 임플란트의 표면을 촬영한 사진을 나타낸 것이다.

도 6은 종래 기술에 따른 비교예에서, 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에서 2시간 동안 전해를 실시한 후 치과용 임플란트의 표면을 촬영한 사진을 나타낸 것이다.

도 7은 종래 기술에 따른 비교예로서, 전해액의 조성을 달리하고(0.5M Na₂SO₄ 수용액에 0.4wt% NaF을 혼합), 20㎃/㎠ 정전류모드에서 목적전압인 20V까지 승압시킨 후, 정전압상태에서 30 분간 전해를 실시한 후 치과용 임플란트의 표면을 촬영한 사진을 나타낸 것이다.

Claims (5)

1. 치과용 임플란트의 표면 개질 기술에 있어서, 전기화학적 방법으로 불화암모늄(NH₄F), 물(H₂O) 및 글리세롤(glycerol)을 혼합한 전해액에서 양극 산화함으로써 치과용 임플란트 표면에 나노 튜브를 신속하고 균일하게 형성하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 임플란트는 탄탈륨, 코발트, 크롬, 티타늄, 스테인리스 강 또는 이의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 불화암모늄은 그 함량이 전해액 무게 대비 0.1 내지 3 wt%인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 글리세롤은 그 함량이 전해액 무게 대비 80 내지 90 wt%인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 수득되는 나노튜브로 표면이 개질된 치과용 임플란트.

Images