KR20160077958A

KR20160077958A - 생체용 다공성 티타늄의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공성 티타늄

Info

Publication number: KR20160077958A
Application number: KR1020140188526A
Authority: KR
Inventors: 정성민; 윤병호; 김민기
Original assignee: 주식회사 덴티움
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2016-07-04

Abstract

본 발명은, 티타늄 분말, 바인더, 분산제, 및 동결매체를 혼합하여 티타늄 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 1차 포밍하는 단계; 상기 1차 포밍된 티타늄 슬러리를 진공 하에서 2차 포밍하는 단계; 상기 2차 포밍된 티타늄 슬러리를 상기 동결매체의 어는점 이하로 냉각시켜 티타늄 성형체를 형성하는 단계; 상기 티타늄 성형체를 동결건조시켜 다공성 티타늄 성형체를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 티타늄 성형체를 열처리하는 단계;를 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법을 제공한다.

Description

생체용 다공성 티타늄의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공성 티타늄{METHOD FOR PRODUCING BIOCOMPATIBLE POROUS TITANIUM AND POROUS TITANIUM MANUFACTURED THEREBY}

본 발명은 생체용 다공성 티타늄의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공성 티타늄에 관한 것이다.

일반적으로, 질병이나 외상에 의해 손상된 인체의 뼈를 대신하기 위하여, 다공성 세라믹이 광범위하게 사용되고 있다. 구체적으로, 다공성 세라믹은 체내에 매식되어 결손된 뼈를 대신하게 되는데, 치과 또는 정형외과 등에서는 이러한 시술을 통해 다공성 세라믹을 골 충진재 또는 골 대체재 등으로 사용하게 된다. 여기서, 3차원적으로 연결된 세라믹 내의 기공들은 골세포의 부착 및 분화를 활성화시킬 수 있기 때문에, 월등히 빠른 골조직 재생을 유도할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 다공성 세라믹의 골 재생 능력은 기공율, 기공크기, 및 기공 연결도와 같은 다공체의 기공 구조에 의해 크게 영향을 받는다. 이에 따라, 최근 다공성 세라믹의 기공 구조를 조절하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다.

이러한 기술 중 하나로서, 구 형태의 고분자 입자들과 세라믹 분말을 혼합하여 열처리 과정을 통해 고분자를 제거해 다공체를 제조하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 방법에 의하면, 열처리 과정 중에 다공체가 변형 또는 파괴될 수 있고, 60% 이상의 기공율을 갖는 다공성 세라믹을 제조하기 어려운 문제가 있다. 이와 같이, 종래의 다공체 제조 방법은 공정상의 한계 등으로 인해 견고한 세라믹 골격 구조를 형성하기 어렵고, 다공성 세라믹의 기공 크기나 기공율을 용이하게 조절하기 어렵다는 문제가 있다.

아울러, 상술한 방법에 의해 제조되는 다공성 세라믹은 대체적으로 5MPa 이하의 압축강도를 가지므로, 이를 골 대체재 또는 임플란트 등으로 사용하는 경우 파손의 위험성이 상대적으로 높다.

따라서, 압축강도가 높아 파손의 위험성을 낮출 수 있음은 물론, 사이즈가 크고 기공 연결도가 우수하여 원활한 골 세포의 부착 및 분화를 유도하고 골 조직 재생을 유도할 수 있는, 다공체의 제조방법이 요구된다.

본 발명의 일 목적은, 다공성 세라믹보다 강도가 높으면서도, 기공의 사이즈가 크고 기공 연결도도 우수한, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 압축 강도가 우수하고 생체 적합성이 우수한 다공성 티타늄, 임플란트, 및 골 대체재를 제공하는 것이다.

상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 생체용 다공성 티타늄의 제조방법은, 티타늄 분말, 바인더, 분산제, 및 동결매체를 혼합하여 티타늄 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 1차 포밍하는 단계; 상기 1차 포밍된 티타늄 슬러리를 진공 하에서 2차 포밍하는 단계; 상기 2차 포밍된 티타늄 슬러리를 상기 동결매체의 어는점 이하로 냉각시켜 티타늄 성형체를 형성하는 단계; 상기 티타늄 성형체를 동결건조시켜 다공성 티타늄 성형체를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 티타늄 성형체를 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 다공성 티타늄 성형체를 열처리하는 단계는, 상기 다공성 티타늄 성형체를 표면처리하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 다공성 티타늄 성형체를 표면처리하는 단계는, 상기 다공성 티타늄 성형체의 외면을 에스엘에이(SLA: Sandblasting with Large grit and Acid etching) 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 티타늄 분말은, 티타늄하이드라이드(TiH₂) 분말을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 티타늄 분말은, 미국재료시험협회규격(ASTM)의 Mil-T-9046에 따른 그레이드1 티타늄 합금 내지 그레이드4 티타늄 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 바인더는, 아가로스(agarose) 및 아가(agar) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 분산제는, Hypermer^TM KD-6을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 동결매체는, 물을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 동결매체는, 상기 티타늄 분말 100 중량부에 대하여 50 내지 500 중량부를 가지며, 상기 바인더는, 상기 티타늄 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 70 중량부를 가지며, 상기 분산제는, 상기 티타늄 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 40 중량부를 가질 수 있다.

여기서, 상기 슬러리를 1차 포밍하는 단계는, 교반기를 가동하여 400rpm 내지 1200rpm의 속도로 교반하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 진공은, 40 kPa 내지 80 kPa의 압력 범위 내에서 실시될 수 있다.

여기서, 상기 1차 포밍된 티타늄 슬러리를 진공 하에서 2차 포밍하는 단계는, 100 vol% 내지 300 vol%의 발포정도 내에서 실시될 수 있다.

여기서, 상기 냉각은, -10 ℃ 내지 -100 ℃에서 실시될 수 있다.

여기서, 상기 다공성 티타늄 성형체를 열처리하는 단계는, 1000 ℃ 내지 1300 ℃에서 1 시간 내지 3 시간 동안 실시될 수 있다.

상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 실시예와 관련된 다공성 티타늄은, 상술한 생체용 다공성 티타늄의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.

여기서, 상기 다공성 티타늄은, 기공율이 50 내지 90%이고, 기공 크기가 50 내지 700 ㎛이며, 기공 연결크기가 20 내지 300 ㎛이고, 기공 연결도가 50% 이상일 수 있다.

상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 임플란트는, 상술한 다공성 티타늄을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 임플란트는 압축 강도가 60MPa 이상일 수 있다.

상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 골 대체재는, 상술한 다공성 티타늄을 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 생체용 다공성 티타늄의 제조방법에 의하면, 세라믹보다 강도가 우수한 티타늄을 주성분으로 하므로, 다공성 세라믹보다 압축강도가 우수한 다공성 티타늄을 제조할 수 있다. 구체적으로, 이러한 다공성 티타늄을 이용하면, 60MPa 이상의 압축 강도를 갖는 임플란트 등을 획득할 수 있다.

아울러, 상기 다공성 티타늄의 제조방법에 의하면, 1차 포밍된 티타늄 슬러리를 진공(vacuum) 하에서 발포하므로, 공기방울들의 사이즈가 증가함은 물론 공기방울들이 서로 겹치도록 유도되어, 50 ㎛ 이상의 거대기공과 기공이 잘 연결된 다공성 티타늄을 제조할 수 있다. 이러한 티타늄 슬러리 진공 발포 방식(titanium slurry vacuum-assisted foaming)에 의하면, 기공의 구조가 골조직 재생에 적합하게 형성되어, 생체 적합성이 우수한 다공성 티타늄을 제조할 수 있다.

또한, 상기 다공성 티타늄의 제조방법에 의하면, 물을 동결매체로 활용하기 때문에 친환경적이고 경제성이 우수하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체용 다공성 티타늄의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 도 1의 생체용 다공성 티타늄의 제조방법에 의해 제조된 다공성 티타늄의 표면을 도시한 확대도이다.
도 3은 도 1의 생체용 다공성 티타늄의 제조방법에 의해 제조된 다공성 티타늄의 도면이다.
도 4는 도 1의 생체용 다공성 티타늄의 제조방법에 의해 제조된 다공성 티타늄의 압축 강도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1의 생체용 다공성 티타늄의 제조방법에 의해 제조된 다공성 티타늄의 변형율에 따른 압축 강도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 1의 세라믹 슬러리 포밍법에 의해 제조된 다공성 세라믹의 압축 강도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예 1의 세라믹 슬러리 포밍법에 의해 제조된 다공성 세라믹의 변형율에 따른 압축 강도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1의 생체용 다공성 티타늄의 제조방법에 의해 제조된 다공성 티타늄의 발포 정도에 따른 기공의 변화를 보인 확대도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체용 다공성 티타늄의 제조방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체용 다공성 티타늄의 제조방법의 순서도이다.

도 1을 참조하면, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법은,

티타늄 분말, 바인더, 분산제, 및 동결매체를 혼합하여 티타늄 슬러리를 제조하는 단계;

슬러리를 1차 포밍하는 단계;

1차 포밍된 티타늄 슬러리를 진공 하에서 2차 포밍하는 단계;

2차 포밍된 티타늄 슬러리를 동결매체의 어는점 이하로 냉각시켜 티타늄 성형체를 형성하는 단계;

티타늄 성형체를 동결건조시켜 다공성 티타늄 성형체를 형성하는 단계;

다공성 티타늄 성형체를 열처리하는 단계; 및

다공성 티타늄 성형체를 표면처리하는 단계를 포함할 수 있다.

먼저, 티타늄 분말, 바인더, 분산제 및 동결매체로 적당한 점도를 갖는 슬러리를 제조하는 단계로서, 슬러리는 동결매체에 티타늄 분말을 분산시켜서 만든다.

동결매체는 티타늄 슬러리를 어는점 보다 최소 10℃ 이하 낮은 온도에서 급속히 동결할 수 있는 용매로 한정되며, 구체적으로는 물 및 물과 혼합된 용액 등일 수 있다.

티타늄 분말은 티타늄하이드라이드(TiH₂) 분말을 포함할 수 있다. 또한, 티타늄 분말은 미국재료시험협회규격(ASTM)의 Mil-T-9046에 따른 그레이드1 티타늄 합금 내지 그레이드4 티타늄 합금 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 이들 그레이드1 티타늄 합금 내지 그레이드4 티타늄 합금의 혼합 비율은 다공성 티타늄의 원하는 압축강도 또는 기공율 등에 따라 조절될 수 있다.

동결매체와 티타늄 분말이 균일하게 혼합되기 위하여는 바인더와, 분산제를 사용하는데, 바인더로는 기공구조의 형상을 잘 재현할 수 있는 한 특별히 제한할 필요는 없으나, 바람직하게는 아가로스(agarose), 아가(agar), 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 젤라틴 등의 물에 녹는 수용성 고분자 및 폴리에틸렌옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 분산제는 균일한 슬러리가 형성될 수 있는 한 특별하게 제한할 필요는 없는데, 바람직하게는 Hypermer^TM KD-6를 사용할 수 있다. 또한, 액상으로 슬러리가 제조되는 관계상 동결매체의 녹는점 이상의 온도에서 분산할 수 있다. 여기서 분산하여 균일하게 혼합하는 방법으로는 특별하게 한정할 것은 아니나, 온도 조절이 용이한 핫플레이트를 사용하여 혼합하는 방법, 임펠러가 장착된 교반기를 이용하는 방법, 혼합물의 내부에 볼 밀링 장치가 설계된 오븐을 이용하여 혼합하는 방법이 있을 수 있는데, 양산(mass production)을 위하여는 통상 후자가 사용될 수 있다.

한편, 동결매체는 티타늄 분말 100 중량부에 대하여 50 내지 500 중량부, 구체적으로는 60 내지 400 중량부, 보다 구체적으로는 70 내지 300 중량부 사용하는 것이 적합하며, 만일 동결매체를 50 중량부 미만으로 사용하면 다공성 티타늄의 강도가 너무 약해 쉽게 부서질 우려가 있으며, 500 중량부를 초과하면 진공 포밍에 적합한 점도를 갖는 티타늄 슬러리의 제조의 어려움이 있다.

바인더는 티타늄 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 70 중량부, 구체적으로는 3 내지 60 중량부, 보다 구체적으로는 5 내지 50 중량부를 사용하는 것이 적합하며, 만일 바인더를 1 중량부 미만 사용하면 티타늄 슬러리의 점도가 너무 낮아 진공 포밍이 어렵고, 70 중량부를 초과하면 소결 시 높은 수축으로 인해 형태가 불균일해지고 무너질 우려가 있다

분산제는 티타늄 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 40 중량부, 구체적으로는 1.5 내지 35 중량부, 보다 구체적으로는 2 내지 30 중량부를 사용하는 것이 적합하며, 만일 분산제를 3 중량부 미만 사용하면 티타늄 입자들이 서로 응집하여 균일한 조성을 갖는 슬러리를 제조하기 어려우며, 20 중량부를 초과하면 티타늄 슬러리의 점도가 낮아 진공 포밍이 어려운 문제가 있다.

다음은, 티타늄 슬러리를 1차 포밍하는 단계로서, 슬러리 내에 공기방울을 형성시킨다. 특히, 본 발명에서는 티타늄 슬러리 내부에 균일한 공기 방울(air bubbles)을 잘 형성하기 위해 자석 교반(magnetic stirring) 또는 기계식 교반을 실시하는 것이 바람직하며, 교반 속도는 400 내지 1200 rpm이 바람직하다. 400 rpm 미만인 경우에는 티타늄 슬러리 내부에 균일한 공기 방울을 형성하기 어려우며, 1200 rpm을 초과하면 도입된 공기 방울의 크기가 너무 작아 골 대체제에 적합하지 않는 한계가 있다.

다음은, 1차 포밍된 티타늄 슬러리를 진공 하에서 2차 포밍시키는 단계로서, 공기방울들이 커지고 서로 겹치도록 유도하여 기공크기와 기공연결도가 월등히 향상될 수 있다. 진공은 40 내지 80 kPa의 압력 범위 내에서 제어하는 것이 바람직하다. 만일 40 kPa의 압력 미만인 경우에는 공기 방울의 팽창이 상대적으로 작아, 제조된 다공성 티타늄의 기공의 크기가 작고 서로 간의 연결도가 떨어지는 한계가 있고, 80 kPa의 압력을 초과하면 공기방울들이 과도하게 팽창하여, 제조된 다공성 티타늄의 강도를 급격히 감소시키는 문제가 있다.

또한, 2차 포밍(발포) 정도는 100 내지 300 vol%로 실시하는 것이 바람직하다. 만일 100 vol% 미만인 경우에는 공기방울의 팽창이 작아, 제조된 다공성 티타늄의 기공크기가 작고 기공간의 연결도가 상대적으로 떨어지는 문제가 있고, 300 vol%을 초과하면 공기방울들이 과도하게 팽창하여, 제조된 다공성 티타늄의 강도를 급격히 감소시키는 문제가 있다.

다음은, 2차 포밍된 티타늄 슬러리를 동결매체의 어는점 이하로 냉각시켜 티타늄 성형체를 제조하는 단계로서, 동결성형 후 진공을 유지한 채, 일정한 온도 범위를 유지하면서 티타늄 슬러리를 냉각하여 고체화시키는 과정이다. 냉각 온도는 균일한 기공 구조를 얻기 위해서 티타늄 슬러리의 어는점 보다 10 ℃ 이하 낮은 온도에서(구체적으로, 동결매체가 물인 경우 -10 내지 -100 ℃에서) 급속히 동결을 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 동결온도를 다양하게 변화시킴으로써 동결매체의 응결상의 간격을 조절하여 티타늄 벽에 존재하는 마이크로 기공의 크기를 제어할 수 있다. 즉, 일반적으로 동결온도가 낮을수록 핵생성속도가 빨라져 대개 수지상인 응결상의 간격이 좁아지게 되므로 동결건조에 의해 응결상을 제거하게 되면 낮은 동결온도의 경우 작은 마이크로 크기의 기공이 이루어지게 되어 동결온도의 차이에 따라 티타늄 벽의 기공크기가 달라지는 것이다.

다음은, 티타늄 성형체를 동결건조시켜 다공성 티타늄 성형체를 얻는 단계로서, 동결건조 과정을 거쳐 공기방울과 응결상을 제거하여 다공성의 티타늄 성형체를 제조한다.

다음은, 다공성 티타늄 성형체 내 티타늄을 치밀화하는 단계로서, 다공성 티타늄 성형체를 열처리하여 바인더와 분산제를 제거하고, 티타늄을 치밀화하게 함으로써 티타늄으로 형성된 다공체에 강도를 부여한다. 이러한 열처리는 1000 내지 1300 ℃에서 1 내지 3 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 소결 온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧은 경우에는 기계적 강도가 낮아질 수 있고 티타늄 외 바인더와 분산제가 잘 제거되지 않을 수도 있으며, 소결 온도가 너무 높거나 시간이 너무 길면 화학적 조성이 달라질 수 있다.

다음은, 다공성 티타늄 성형체를 표면처리하는 단계로서, 다공성 티타늄 성형체의 외면을 에스엘에이(SLA: Sandblasting with Large grit and Acid etching) 처리하게 된다. 에스엘에이는 산화알루미늄(Al₂O₃) 등의 입자를 다공성 티타늄 성형체의 표면에 뿌려서 큰 입자를 형성한 후에, 2차로 당해 성형체를 염산, 황산 등으로 산처리하는 방법이다. 이러한 산처리에 의해서는 작은 입자가 추가로 형성된다. 다시 말해서, 물리적인 블래스팅(blasting)과 화학적인 산처리가 결합되어, 다공성 티타늄 성형체의 표면이 크게 거친 부분과 작게 거친 부분을 동시에 갖도록 하는 것이다. 이러한 에스엘에이 표면처리 방식 이외에도, 마이크로 아크 산화법(MaO: Micro-arc Oxidation) 또는 아노다이징 등의 표면처리 방식이 사용될 수도 있다.

이하에서는, 상술한 제조방법에 의해 제조된 다공성 티타늄에 대해 설명한다.

상술한 제조방법에 의해 제조된 다공성 티타늄은 기공율이 50 내지 90%로, 종래의 제조방법에 비해 최대 약 20% 향상되었다. 또한, 기공크기가 50 내지 700 ㎛의 거대기공을 가지며, 기공 연결크기가 20 내지 300 ㎛이며, 기공 연결도가 50% 이상인 특징을 가진다.

상술한 제조방법에 의해 제조된 다공성 티타늄은 골 대체재, 골 충진재, 또는 임플란트 등으로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명에 따르는 일 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1: 티타늄 슬러리 진공 포밍에 의한 다공성 티타늄 제조

1. 슬러리의 준비단계

50 ml의 비커에 증류수 5 g, 분산제(KD-6)와 바인더(agarose)를 기계식 교반기를 이용하여 용액을 혼합한 후 티타늄 분말을 하기 표 1의 함량으로 투입하여 슬러리를 제조하였다.

티타늄 분말 [g]	1.9	3.1	4.5	6.1
증류수 [g]	5
바인더 [g]	0.44
분산제 [g]	0.17	0.27	0.39	0.53

2. 기계식 교반 과정을 이용한 티타늄 슬러리 포밍

전체적으로 잘 혼합되고 균일한 다공성의 시편을 얻기 위하여 1200의 rpm 속도의 기계식 교반을 통해 공기방울(air bubble)을 만들어 1시간 이상 교반하였다. 이 단계에서 1차적으로 포밍된 티타늄 슬러리를 제조하였다.

3. 티타늄 진공 발포(ceramic slurry vacuum-assisted foaming)

1차적으로 포밍된 티타늄 슬러리를 몰드에 부은 후 40 내지 80 kPa 압력 범위로 조절하면서 진공 하에 발포하여, 2차적으로 공기방울들의 크기를 증가시키고, 또한 공기방울들이 서로 겹쳐지도록 유도하여 기공크기와 기공 연결도가 향상된 시편을 제조하였다.

4. 다공성 티타늄 성형체 형성

2차 포밍된 티타늄 슬러리를 동결매체(물)의 어는점(0 ℃) 이하, 여기서는 -70 ℃에서 1시간 정도 급속 냉각시켜 티타늄 성형체를 제조함과 동시에 동결매체의 얼음 결정상을 형성하여 동결된 티타늄 성형체를 형성한 후 이 시편을 동결건조(freeze drying) 과정을 거쳐 동결매체를 제거하고 동시에 얼음결정상이 제거됨으로써 응결상 모양의 마이크로 기공이 있는 티타늄 성형체를 제조하였다.

5. 다공성 티타늄 성형체의 소결(sintering)

다공성 티타늄 성형체 내 티타늄을 치밀화시키고 이 시편에 함유되었던 바인더와 분산제를 제거하기 위하여 소결과정을 거쳤다. 보다 균일한 시편을 얻기 위해 400℃까지 분당상승온도(1℃/min)으로 조절하였고 400 ℃에서 3시간 정도 거쳐 바인더와 분산제를 제거시키고 1300 ℃까지 분당상승온도(5℃/min)으로 올린 후 2시간 정도 홀딩시간을 맞추어 티타늄을 치밀화하게 함으로써 티타늄으로 형성된 다공체에 강도를 부여하였다.

6. 다공성 티타늄 성형체의 표면처리

산화알루미늄(Al₂O₃) 등의 입자를 다공성 티타늄 성형체의 표면에 뿌려서 큰 입자를 형성한 후에, 2차로 당해 성형체를 산처리하여 작은 입자를 추가로 형성하였다. 구체적으로, 도 2를 참조하면, 샌드블라스팅에 의해 성형체의 표면에 기공이 형성된다. 이러한 기공은 다공성 티타늄의 인체 매식시 영양소의 교환 통로 기능은 물론, 세포의 성장 장소 및 혈관의 생성 통로 기능을 제공한다. 이러한 기공을 둘러싸는 부분은 노드로서, 세포의 부착과 뼈 형성시에 인체의 뼈와 결합되는 기둥의 역할을 한다. 아울러, 다공성 티타늄 성형체의 표면에는 산처리에 의해 에치 피트(Etched Pits)가 형성되는데, 이는 표면적을 넓혀 빠른 신생골 형성을 돕고, 결합 초기 안정성을 증대시키는 기능을 한다.

상기 방법과 같이, 진공 포밍에 의해 공기방울들이 커지고 서로 겹치게 되어, 거대기공과 상호 연결된 기공구조를 갖는 다공성 티타늄을 제조할 수 있다. 특히, 발포 정도를 조절하여 다공성 티타늄의 기공율과 기공크기를 조절할 수 있다.

하기 표 2는 티타늄 슬러리 진공발포 기술을 이용해 제조된 다공성 티타늄의 기공 크기 및 기공 연결도 등을 나타내며, 기공연결크기는 기공들을 연결해주는 부분의 직경을 의미하며, 기공 연결도는 기공이 인접 기공과 연결되는 작은 기공을 하나 이상 가지는 경우 기공 연결도가 100%임을 의미한다.

발포정도 [%]	100	150	200	250
전체기공율 [vol%]	74	83	88	90
기공크기 [㎛]	74±21	167±60	218±53	295±93
기공연결크기 [㎛]	22±8	54±22	103±48	123±60
기공연결도 [%]	62	75	87	90

도 3과 함께, 위의 표 2를 참조하면, 발포정도가 100 vol%에서 250 vol%로 증가할수록 기공의 크기가 커지고, 기공간의 연결도가 향상되었다.

또한, 도 4 및 도 5와 함께 위의 표 2를 참조하면, 발포정도가 150 vol%에서 250 vol%로 증가할수록, 기공율 증가에 따라 압축 강도가 감소하였다.

비교예 1: 세라믹 슬러리 포밍에 의한 다공성 세라믹 제조

상기 실시예 1과 달리, 진공이 아닌 대기 조건 하에서 발포과정을 거치고, 티타늄 분말 대신 세라믹 분말을 이용하였으며, 그 외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 다공성 세라믹을 제조하였다.

양자의 비교

진공 포밍이 아닌 세라믹 슬러리 포밍에 의한 다공성 세라믹을 제조한 경우, 다공성 세라믹은 발포 정도에 따라 최대 4.6MPa의 압축강도를 보였다.[도 6 및 도 7]. 이와 비교할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 티타늄은 다공성 세라믹의 대략 15배 높은 71MPa의 압축강도를 보였다. 이러한 특성을 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 티타늄은 발포 정도를 조절함으로써 60MPa 이상의 압축 강도를 갖는 임플란트 등으로 사용될 수 있다.

아울러, 도 8을 참조하면, 상술한 것과 같이, 발포 정도가 증가할수록 기공의 크기가 커지고, 기공간의 연결도가 향상되었음을 알 수 있다.

상기와 같은 생체용 다공성 티타늄의 제조방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

Tcp : Tricalcium phosphate
HA : Hydroxyapatite

Claims

티타늄 분말, 바인더, 분산제, 및 동결매체를 혼합하여 티타늄 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 1차 포밍하는 단계;
상기 1차 포밍된 티타늄 슬러리를 진공 하에서 2차 포밍하는 단계;
상기 2차 포밍된 티타늄 슬러리를 상기 동결매체의 어는점 이하로 냉각시켜 티타늄 성형체를 형성하는 단계;
상기 티타늄 성형체를 동결건조시켜 다공성 티타늄 성형체를 형성하는 단계; 및
상기 다공성 티타늄 성형체를 열처리하는 단계;를 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 다공성 티타늄 성형체를 열처리하는 단계는,
상기 다공성 티타늄 성형체를 표면처리하는 단계를 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 다공성 티타늄 성형체를 표면처리하는 단계는,
상기 다공성 티타늄 성형체의 외면을 에스엘에이(SLA: Sandblasting with Large grit and Acid etching) 처리하는 단계를 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 티타늄 분말은,
티타늄하이드라이드(TiH₂) 분말을 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 티타늄 분말은,
미국재료시험협회규격(ASTM)의 Mil-T-9046에 따른 그레이드1 티타늄 합금 내지 그레이드4 티타늄 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 바인더는,
아가로스(agarose) 및 아가(agar) 중 적어도 하나를 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 분산제는,
Hypermer^TM KD-6을 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 동결매체는,
물을 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 동결매체는,
상기 티타늄 분말 100 중량부에 대하여 50 내지 500 중량부를 가지며,
상기 바인더는,
상기 티타늄 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 70 중량부를 가지며,
상기 분산제는,
상기 티타늄 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 40 중량부를 갖는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 슬러리를 1차 포밍하는 단계는,
교반기를 가동하여 400rpm 내지 1200rpm의 속도로 교반하는 단계를 포함하는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 진공은,
40 kPa 내지 80 kPa의 압력 범위 내에서 실시되는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 1차 포밍된 티타늄 슬러리를 진공 하에서 2차 포밍하는 단계는,
100 vol% 내지 300 vol%의 발포정도 내에서 실시되는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 냉각은,
-10 ℃ 내지 -100 ℃에서 실시되는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 다공성 티타늄 성형체를 열처리하는 단계는,
1000 ℃ 내지 1300 ℃에서 1 시간 내지 3 시간 동안 실시되는, 생체용 다공성 티타늄의 제조방법.
제1항에 기재된 생체용 다공성 티타늄의 제조방법에 의해 제조되는, 다공성 티타늄.
제15항에 있어서,
기공율이 50 내지 90%이고, 기공 크기가 50 내지 700 ㎛이며, 기공 연결크기가 20 내지 300 ㎛이고, 기공 연결도가 50% 이상인, 다공성 티타늄.
제15항에 기재된 다공성 티타늄을 포함하는, 임플란트.
제17항에 있어서,
압축 강도가 60MPa 이상인, 임플란트.
제15항에 기재된 다공성 티타늄을 포함하는, 골 대체재.