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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 일반적으로 인공관절 라이너의 제조에 사용되는 GUR1050 의료용 등급의 UHMWPE를 가교결합을 달리하기 위해 다양한 선량으로 감마선을 조사하고, 각 조건에서의 기계적 특성을 관찰하기 위해 인장시험과 압축시험을 수행하였다. 이로부터 얻은 상관관계 모델은 다양한 하중조건에서 요구되는 인공관절 UHMWPE 바이너의 재료 모델링에 활용될 수 있는 기초자료가 된 것이다.
제안 방법
- Extruded Rod형태로 제조된 의료용 등급의 GUR1050으로 기본적인 물성은 Table 1과 같다. 감마선의 조사 선량에 따른 기계적 물성변화를 평가하기 위해 Virgin재료를 Fig. 4와 같이 인장시험편과 압축시험편으로 기 계가공한 후 200kGy까지 25kGy의 단계로 감마선 조사하였다. 사용된 감마선의 선원은 Co-60으로 (주)소야그린텍의 감마선 조사센터에서 조사되었다(Fig.
- 9는 시험용 인장시험편과 인장시험 후의 시험편 형상이다. 도식적으로 선도안에 모두 표현하는데 한계가 있어 virgin과 50kGy, lOOkGy, 150kGy, 200kGy를 비교하여 나타내었다. virgin과 비교하여 50kGy의 조사선량에서 가장 높은 인장응력과 변형률을 나타냈으며, 조사 선량이 lOOkGy이상에서는 인장응력과 변형률이 감소하는 경향을 나타냈다.
- 6과 같이 Instroii社의 8801 이 이용되었다. 시험은 각각의 감마선 조사 조건에서 5회 수행하고 평균하여 인장강도와 연신율을 측정하였다.
- 인공관절의 라이녀로 사용되는 UHMWPE의 감마선 조사선량에 따른 기계적 특성의 변화를 고찰하기 위해 인장시험과 압축시험을 수행하여 얻은 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 4와 같이 인장시험편과 압축시험편으로 기 계가공한 후 200kGy까지 25kGy의 단계로 감마선 조사하였다. 사용된 감마선의 선원은 Co-60으로 (주)소야그린텍의 감마선 조사센터에서 조사되었다(Fig. 5 참조). Co、60에서 조사되는 방사선은 전자파 에너지로서 태양광선, 마이크로 웨이브, X선과 같은 종류의 방사선으로 강력한 투과력을 이용하여 제품 내부의 유해한 미생물이나 해충을 멸균하는데 이용되고 있다.
- 실험에 사용된 UHMWPE는 영국의 Ortho plastics 社에서 Extruded Rod형태로 제조된 의료용 등급의 GUR1050으로 기본적인 물성은 Table 1과 같다. 감마선의 조사 선량에 따른 기계적 물성변화를 평가하기 위해 Virgin재료를 Fig.
- 실험에 사용된 장비는 Fig. 6과 같이 Instroii社의 8801 이 이용되었다. 시험은 각각의 감마선 조사 조건에서 5회 수행하고 평균하여 인장강도와 연신율을 측정하였다.
이론/모형
- 압축시험은 KS M ISO 3816의 절차에 따라 수행되었다.시험장비는 인장시험과 동일한 장비를 사용하였으며 압축시험을 위한 모듈이 Fig.
성능/효과
- (1) 감마선 조사선량을 증가할수록 기계적 특성이 좋아지는 것은 아니며, 50kGy의 감마선량에서 가장 높은 인장강도와 연신율을 나타냈다.
- (2) 감마선 조사선량이 증가되면 소성영역에서의 인장응력과 압축응력은 향상되었으나 연신율은 감소하는 경향을 나타냈다.
- 도식적으로 선도안에 모두 표현하는데 한계가 있어 virgin과 50kGy, lOOkGy, 150kGy, 200kGy를 비교하여 나타내었다. virgin과 비교하여 50kGy의 조사선량에서 가장 높은 인장응력과 변형률을 나타냈으며, 조사 선량이 lOOkGy이상에서는 인장응력과 변형률이 감소하는 경향을 나타냈다. 그러나 파단되기 전까지의 소성영역에서는 조 사선량이 높은 시료가 virgin 보다 큰 응력을 보였다
- 감마선 조사선량에 따른 UHMWPE의 인장특성을 실험적으로 분석한 결과 UHMWFE에 감마선을 조사하면 소성 영역에서의 강도는 증가되지만 인장강도와 연신율은 50kGy 이 가장 우수한 것으로 나타났고 lOOkGy이상에서는 급격하게 감소됨을 알 수 있었다. 따라서 설계하고자 하는 재료의 물성을 고려하여 감마선의 조사선량을 달리해야 한다.
- 10은 감마선 조사선량의 변화에 따른 인장강도의 변화를 나타낸다. 그림에서와 같이 50kGy의 조사선량에서 가장 높은 인장강도를 갖으며, 그 이상의 조사선량에서는 반대로 인장강도가 감소하는 경향을 보였다. 인장강도의 변화는UHMME의 crystallinity와 밀접한 관계가 있으며 감마선의 조사선량에 따라 crystallinity가 증가되는 것으로 알려져있다(10) 50kGy이상에서 인장강도가 감소되는 원인을 보다 정확하게 규명하기 위해서는 미세조직에 대한 분석을 통해 재료학적 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 인장시험과 압축시험의 결과를 종합적으로 분석하면 조사 선량이 증가할수록 소성영역에서의 강도는 virgin에 비해 높게 나타났으나 연신율과 압축변형률은 감소하는 경향을보였다. 즉 UHMWTE는 연성이 줄어들고 소성영역에서의강성은 향상됨을 알 수 있다.
후속연구
- (3) 기계적 특성 변화에 대한 원인을 정확하게 분석하기 위해서는 미세구조 분석을 통하여 crystalinity와 freeradical에 대한 관찰과 기계적 특성과의 상관관계를 규명할 필요가 있다고 판단된다.
- 어려움이 있어왔다. 가교결합과 기계적 특성과의 상관관계 모델이 규명되면 인장 또는 압축과 같은 기본적인 기계적 특성들뿐만 아니라 복잡한 하중 조건에 따른 물리적인 연관성과 기계적 특성을 예측하는 것이 가능할 것이다. 즉, 인공관절의 특성에 따른 라이너를 제조하는데 있어 상관관계 모델을 활용하여 설계하고자 하는 기계적 특성을 갖는UHMWPE 라이너를 개발하는 것이 가능하게 된다.
- 즉, 인공관절의 특성에 따른 라이너를 제조하는데 있어 상관관계 모델을 활용하여 설계하고자 하는 기계적 특성을 갖는UHMWPE 라이너를 개발하는 것이 가능하게 된다. 더 나아가 유용한 상관관계 모델을 활용하여 UHMMPE의 피로나 마모 특성 등을 파악하는 기본 자료를 제공할 수 있게 된다.
- 특히 연신율(elongation)。': 떨어지고 부스러지기 쉬운성질을 가지게 되어 마멸 저항성이 저하된다는 보고가 있고, 한편 이와는 반대로 감마선 조사가 폴리에틸렌의 마멸 저항성을 향상시킨다는 보고도 있다. 따라서 이들 서로 상반되는 결과를 올바로 해결하기 위해서는 감마선 조사에 의한 폴리에틸렌 미세구조 변화와 기계적 특성과의 관계에 대한 연구가 필요하다.
- 그림에서와 같이 50kGy의 조사선량에서 가장 높은 인장강도를 갖으며, 그 이상의 조사선량에서는 반대로 인장강도가 감소하는 경향을 보였다. 인장강도의 변화는UHMME의 crystallinity와 밀접한 관계가 있으며 감마선의 조사선량에 따라 crystallinity가 증가되는 것으로 알려져있다(10) 50kGy이상에서 인장강도가 감소되는 원인을 보다 정확하게 규명하기 위해서는 미세조직에 대한 분석을 통해 재료학적 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 향후 감마선 조사 후에 수행되는 열처리를 수행하여UHMWPE 가교결합의 영향과 미세조직 분석에 대한 연구를 수행하고 다각적으로 기계적 특성 변화를 고찰하여 인공관절 UHMWPE 라이너를 위한 재료 모델링의 기초자료를제시하고자 한다.
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