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문제 정의
위와 같은 특성을 만족시키는 금속계로는 코발트-크롬-몰리브데늄합금과 티타늄 및 티타늄합금이 있다. 본 글에서는 이들 금속계 인체주입물들의 금속학적인 특징을 설명하고 제조 공정의 측면으로는 분말 야금학적인 입장에서 그 제조 공정을 살펴보기로 한 다.
제안 방법
소결 공정에 의한 임플란트 표면을 변화시키려는 연구는 1970년 초 시작되었다. 연구는 두 그룹에서 서로 다 른 방법으로 연구되었다. 한 그룹은 분말20)을 다른 그룹은 파이버2D를 이용하여 임플란트 표면에 기공 을 형성하는 공정을 연구하였다.
이때 마모로 인하여 발생할 수 있는 금속파편으로 인한 염증 및 조직파괴, 금속이온 용출 등의 문제점을 해결하고자 합금의 내마모성을 향상시키기 위해 표면경화처리를 하는 것으로 알려져 있다. 이를 확인하고자 인공슬관절 femoral component의 표면으로부터 모재 내부로 경도 변화를 측정하였다. 그 결과를 그림 10에 나타내 었다.
첫째, 상용 인공슬관절에 사용된 금속재료는 Co- Cr-Mo 합금과 Ti-6A1-4V 합금, 순수 티타늄이 쓰였 으며 , 골성장 유도를 위하여 분말야금법으로 bead 형 또는 fiber mesh 형으로 다공성 코팅이 되었다.
연구는 두 그룹에서 서로 다 른 방법으로 연구되었다. 한 그룹은 분말20)을 다른 그룹은 파이버2D를 이용하여 임플란트 표면에 기공 을 형성하는 공정을 연구하였다.
대상 데이터
제품 PCA의 재질은 femoral과 tibial component 모두 Co-Cr-Mo 합금(ASTM F75)으로 제작되었고 모재와 동일한 Co-Cr-Mo 합금의 bead로 다공성 코 팅이 되어있었다. 제품 Microloc은 femoral과 tibial component가 서로 다른 합금으로 만들어졌는데 femoral은 Co-Cr-Mo 합금으로 tibial은 Ti-6A1-4V 합금으로 제작되었다. 이는 슬관절의 동작시 femoral 의 표면에서 발생하는 마모를 고려하여 내마모성이 뛰어난 코발트합금을 사용하였고 tibial은 Co-Cr-Mo 합금보다도 생체적합성과 내식성이 뛰어나고 또한 임 플란트의 경량화를 위하여 Ti-6A1-4V 합금을 사용한 것으로 생각된다.
제품 PCA의 재질은 femoral과 tibial component 모두 Co-Cr-Mo 합금(ASTM F75)으로 제작되었고 모재와 동일한 Co-Cr-Mo 합금의 bead로 다공성 코 팅이 되어있었다. 제품 Microloc은 femoral과 tibial component가 서로 다른 합금으로 만들어졌는데 femoral은 Co-Cr-Mo 합금으로 tibial은 Ti-6A1-4V 합금으로 제작되었다.
1-4) pca와 마찬가지로 femoral과 tibial에는 모재와 재질이 같은 Co-Cr-Mo 또는 Ti- 6A1-4V 합금의 Bead로 각각 다공성 코팅이 되어있 었다. 제품MG I는 femoral과 tibial component 모 두 Ti-6A1-4V 합금으로 제작되었고, Ti-6A1-4V 합금 에 비해 생체적합성과 뼈의 접착성이 좋은 것으로 알 려져 있는 순수 티타늄으로 다공성코팅이 되었다. 그 런데 이는 앞의 두 인공슬관절과는 달리 bead를 소 결하지 않고 fiber mesh의 형태로 소결되어 있었다.
그림 8은 XRD에 의한 합금의 상분석을 나타낸 것이다. 코발트계 합금은 hep 결정구조의 ε상과 fee 구조의 a상, M23C6 탄화물 및 금속간 화합물인 σ 상의 석출물로 이루어졌다.9-12)
성능/효과
넷째, 인공슬관절 합금의 경도를 비교한 결과 Co- Cr-Mo 합금의 경도가 가장 높았고, Ti-6A1-4V 합금, 순수 티타늄 순서였다. 또한 femoral component의 표면과 내부사이의 경도분포를 측정한 결과, 제품에 따라서 내마모성 향상을 위해 표면경화처리가 되어 있음을 알 수 있었다.
다섯째, Co-Cr-Mo 합금과 Ti-6A1-4V 합금은 모두 생체재료로서 적당한 우수한 내식성을 보였으며, 특 히 Ti-6A1-4V 합금의 경우 부식시험 종료 시까지 부 동태를 유지하는 탁월한 부식거동을 보였다.
넷째, 인공슬관절 합금의 경도를 비교한 결과 Co- Cr-Mo 합금의 경도가 가장 높았고, Ti-6A1-4V 합금, 순수 티타늄 순서였다. 또한 femoral component의 표면과 내부사이의 경도분포를 측정한 결과, 제품에 따라서 내마모성 향상을 위해 표면경화처리가 되어 있음을 알 수 있었다.
셋째, 코발트계 합금의 미세조직은 결정립계에 조 대한 탄화물이 석출되었거나 기지에 층상의 탄화물 이 석출하여 합금을 강화시킨다. 티타늄계 합금은 a 상과 0상이 침상 또는 판상을 나타내고 있었으며 이 형'태는 열처리 후 냉각속도에 따라 결정된다.
현재 다공성 코팅(porous coating)을 이용한 접합은 둔부와 무릎 등의 인공 관절에 널리 사용되고 있다. 시멘트 접합 방식은 뼈와 임플란트를 즉시 접착할 수 있다는 것이 장점이지만, 시멘트로 접합한 임플란트의 임상실험 결과 어린이나 활동량이 많은 사람들에게서 높은 실패율을 나타내었다. 이런 결점을 보완하기 위해서 시멘트를 사용하지 않는 접합 방법에 관한 연구가 급속히 발전되는 계기가 되었다.
Tafel 외삽법에 의한 전류밀도, 부식속도 등의 측정 값을 표 3에 제시하였다. 여러 인공슬관절 합금 중에 서 티타늄 합금으로 제작된 Microloc 의 tibial component의 부식속도가 가장 낮게 측정되었으며 , 다 음이 코발트계 합금인 PCA, Microloc의 femoral component이었고 티타늄 합금인 MG I가 가장 높은 부식속도를 보였다. 티타늄 합금인 Microloc과 MG I의 큰 부식속도 차이는 기계적 성질과 마찬가지로 미세조직이 서로 다르기 때문으로 사료된다.
코발트계 합금의 경도가 티타늄 합금보다 50 70 HV 정도 높은 경도값을 보였고, 순수 티타늄의 경우는 경도가 230 HV 정도로 앞의 두 합금들에 비해 아주 낮은 값을 보였다. 코발트계 합금의 경우 일정한 경도를 보이나 티타늄 합금에서는 Microloc과 MG I가 40 HV 정도의 경도차를 나타내는데 이는 그림 7에서 본 바와 같이 서로의 미세조직이 큰 차이를 나타내기 때문으로 사료된다.
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