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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 여러 가지 소결방법에 의해 제조된 다공성 티타늄 임플란트가 인체 골조직의 기계적 특성에 대해 얼마나 유사성을 가지는지 알아보기 위해 비교 실험하였다.
제안 방법
- 시험 장비로는 만능 강도 시험기(Instron 3367, USA)을 사용하였으며 하중 속도는 1㎜/min로 인장 시험하여 시편이 파절될 때까지 시험하였다. 6개의 시편(Fig. 2)에 대해 시험하여 평균값을 계산하였으며 티타늄 원소재의 기계적 강도를 비교하기 위해 치밀한 티타늄 봉상(solid Ti rod)의 시편에 대해서도 같은 방법으로 시험하였다. 기공율은 수은 주입에 의한 기공율 측정기(Poremaster 33, USA)를 사용하였다.
- 소결방법에 따른 시편의 표면과 인장시험 후 파단면의 양상을 주사전자현미경(HITACHI S-4700, Japan)으로 관찰하였으며, X-선 회절 패턴(Rigaku D/MAX2500/PC, Japan)을 분석하여 상의 변화를 알아보았고, 다공성 티타늄 임플란트 시편과 인간의 골 조직에 대한 인장강도 및 탄성율을 비교 분석하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 시편은 구형의 순수 티타늄(cp Ti, Gr.2) 분말(TLS Technik, Germany)을 각각 고진공 전기로와 통전 소결기 그리고 전기 방전 소결기(Fig. 1)를 이용하여 직경 4㎜, 길이 40㎜가 되도록 제작(Fig. 2)하였다.
성능/효과
- 1. 고진공로 소결법: 원소재 대비 인장강도는 낮아졌으 나 인간의 피질골 보다는 약 80㎫ 가량 높은 특성을 보였 으며 탄성계수는 21㎬로 피질골과 거의 유사한 수치를 나타내었다. 기공율은 9%로 다른 소결방법들 보다 치밀하게 소결되는 양상을 보였다.
- 2. 통전 활성 소결법: 시편의 모양을 원하는 대로 설계 할 수 있고 10분 이내의 단시간에 소결을 완료할 수 있었으나 실험군 중에서 인장강도가 가장 낮았고 기공율이 높은 것으로 보아 치밀한 소결체를 이루지 못한 것으로 보인다.
- 3. 전기 방전 소결법: 소결이 이루어지는 시간이 400㎲ 정도로 매우 짧았으며 기계적 특성치도 인간 피질골의 특성치 범위 내에 포함되는 것으로 보아 가장 바람직한 소결 방법으로 나타났다. 그러나 축전기 용량에 의존하여 소결 여부가 결정되므로 치과용 임플란트 제조에는 유용하나 정형외과용 임플란트처럼 큰 제품을 제조하는데는 어려움이 있을 것으로 보인다.
- 본 실험에서 티타늄 원소재의 인장강도와 탄성계수는 478㎫과 140㎬로 높게 측정 되었으며, 각 소결방법에 의한 다공성 티타늄 임플란트 시편들 에서는 인장강도 71- 230㎫, 탄성계수 11-21㎬로 낮게 측정되었다. 다공성 시 편들의 인장강도에서는 원소재 대비 50% 이하로 강도의 저하가 일어났으나 [Table 1]에 제시된 인간의 피질골에 대한 인장강도 범위와 탄성계수 범위에 매우 흡사한 범위로 접근한 것을 볼 수 있었다. 따라서 다공성 티타늄 임플 란트를 제조함에 있어서 기공율과 소결방법 등을 적절히 조절한다면 사람의 뼈와 유사한 임플란트를 제조할 수 있을 것이다.
- , 2003) 등에 의해 골 조직에 오히려 위해를 가할 수도 있다. 따라서 기계적 특성으로는 과도하게 우수한 성능 보다는 인간의 피질골 또는 해면골과 유사한 특성을 갖는 것이 바람직하다고 판단된다. Wagoner Johnson & Herschler(2011)의 보고에 의하면 인체의 골 조직에서 하중이 전달되는 부분에 적용되는 골 대체재는 기계적 특성이 유사해야 한다고 하였으며 인간의 피질골과 해면골에 대한 기계적 특성치를 [table.
- 본 실험에서 티타늄 원소재의 인장강도와 탄성계수는 478㎫과 140㎬로 높게 측정 되었으며, 각 소결방법에 의한 다공성 티타늄 임플란트 시편들 에서는 인장강도 71- 230㎫, 탄성계수 11-21㎬로 낮게 측정되었다. 다공성 시 편들의 인장강도에서는 원소재 대비 50% 이하로 강도의 저하가 일어났으나 [Table 1]에 제시된 인간의 피질골에 대한 인장강도 범위와 탄성계수 범위에 매우 흡사한 범위로 접근한 것을 볼 수 있었다.
- 만능 강도 시험기(Universal Testing Machine)를 통해 얻어진 시편의 인장강도와 탄성율 그리고 측정된 기공율을 [table 2]에 나타내었다. 인장강도는 고진공로에서 소결된 시편(HVS)이 가장 높았으며, 통전 활성 소결된 시편(SPS)이 가장 낮았고, 탄성율은 전기 방전 소결된 시편(EDS)이 가장 낮았다. [Fig.
- 다공성 티타늄 임플란트는 각각의 소결방법에 따라 제작이 가능하였다. 인장강도는 전기방전소결 시편이 인간 피질골의 특성치와 가장 유사하였고 탄성율은 통전소결 시편이 가장 유사하였으며 전체적인 강도값은 고진공 로에서 소결된 시편이 가장 높았다. 본 실험에서는 소결 방법에만 국한하여 연구하였지만 구형 분말 입자의 크기를 조절하거나 2차 가공 또는 열처리 등을 병행하여 연구한 다면 최적의 제조 공법을 설계할 수 있으리라 기대된다.
- 4) 구형의 티타늄 분말들은 소결과정에서 오염되거나 상(phase)이 변하지 않은 순수 티타늄(cp Ti)의 회절 패턴을 나타내고 있었다. 통전 활성 소결법을 이용하여 제작한 다공성 임플란트 시편에서는 흑연(graphite) 몰드를 사용했기 때문에 시편 표면에 소량의 탄소가 검출 되었지만 XRD 회절 패턴을 보면 순수 티타늄과 큰 차이를 보이지 않아 흑연 몰드와 화학반응을 일으킨 것은 아니라고 사료되며 아세톤과 에탄올에서 20분씩 초음파 세척을 통해 제거될 수 있었다.
후속연구
- 최근에까지 임플란트 표면처리에 대한 연구가 활발히 진행되어왔으나 대부분은 표면적 증가로 인한 초기 골유착(osseointegration)을 증진시키는데 중점을 두었다. 그러나 앞으로는 생체융합 소재를 개발하는 방향으로 전환될 것이다. 생체융합소재는 구조적 기능을 하는 임플란트 체에 생리활성물질 등이 융합된 소재를 말하며, 융합된 생리활성물질은 그 방출 속도가 미미하여 지속적인 치유기능을 발휘할 수 있어야 한다.
- 이러한 이유에서 다공성 티 타늄 임플란트의 발전 가능성이 크다고 하겠다. 다공성 임플란트의 기공 크기와 기공율 그리고 제조방법을 적절히 개발한다면 사람의 뼈와 유사한 기계적 성질과 생체융합 소재의 개발이 가능하리라 판단된다. 본 실험에서 다공성 티타늄 임플란트를 제조하기 위해 사용한 세 가지의 소결 방법에서는 각각 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 다공성 시 편들의 인장강도에서는 원소재 대비 50% 이하로 강도의 저하가 일어났으나 [Table 1]에 제시된 인간의 피질골에 대한 인장강도 범위와 탄성계수 범위에 매우 흡사한 범위로 접근한 것을 볼 수 있었다. 따라서 다공성 티타늄 임플 란트를 제조함에 있어서 기공율과 소결방법 등을 적절히 조절한다면 사람의 뼈와 유사한 임플란트를 제조할 수 있을 것이다.
- 인장강도는 전기방전소결 시편이 인간 피질골의 특성치와 가장 유사하였고 탄성율은 통전소결 시편이 가장 유사하였으며 전체적인 강도값은 고진공 로에서 소결된 시편이 가장 높았다. 본 실험에서는 소결 방법에만 국한하여 연구하였지만 구형 분말 입자의 크기를 조절하거나 2차 가공 또는 열처리 등을 병행하여 연구한 다면 최적의 제조 공법을 설계할 수 있으리라 기대된다.
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