[논문]공극률에 따른 다공성 타이타늄 임플란트의 기계적 특성

김영훈

doi:10.14347/kadt.2015.37.2.57

공극률에 따른 다공성 타이타늄 임플란트의 기계적 특성
Mechanical properties of the porous Ti implants according to porosity 원문보기

대한치과기공학회지 = The Journal of Korean Academy of Dental Technology, v.37 no.2, 2015년, pp.57 - 62

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Purpose: This study was performed to investigate mechanical properties of the porous Ti implants according to porosity. Porous Ti implant will be had properties similar to human bone such as microstructure and mechanical properties. Methods: Porous Ti implant samples were fabricated by sintering of spherical Ti powders(below $25{\mu}m$, $25{\sim}32{\mu}m$, $32{\sim}38{\mu}m$, and $38{\sim}45{\mu}m$) in a high vacuum furnace. Specimen's diameter and height were 4mm and 40 mm. Surface and sectional images of porous Ti implants were evaluated by scanning electron microscope(SEM). Porosity and average pore size were evaluated by mercury porosimeter. Young's modulus and tensile strength were evaluated by universal testing machine(UTM). Results: Porosity of Implant was increased according to larger particle size of the powder. Boundary portions of particles are sintered fully and others portions were formed pore. Young's modulus was decreased by formed porous structure. Tensile strength was decreased according to larger the particle size of the powder, but higher than human bone. Conclusion: If prepared by adjust the porosity of the porous Ti implant will be able to resolve the stress shielding phenomenon.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 공극률 조절만으로 쉽게 탄성계수를 변화시킬 수 있는지 확인하기 위해 45 ㎛ 이하의 크기별 타이타늄 구형 분말을 이용하여 다공성 타이타늄 임플란트를 제조한 후 공극률에 따라 인장강도 및 탄성계수가 어떻게 변화하는지 비교 실험 하였다. 또한 목적하는 공극률을 부여하기 위해 적절한 다공성 타이타늄 임플란트 제조방법을 제시하고자 한다.
이에 본 연구에서는 공극률 조절만으로 쉽게 탄성계수를 변화시킬 수 있는지 확인하기 위해 45 ㎛ 이하의 크기별 타이타늄 구형 분말을 이용하여 다공성 타이타늄 임플란트를 제조한 후 공극률에 따라 인장강도 및 탄성계수가 어떻게 변화하는지 비교 실험 하였다. 또한 목적하는 공극률을 부여하기 위해 적절한 다공성 타이타늄 임플란트 제조방법을 제시하고자 한다.
이에 따라 치과와 정형외과 분야에서 임플란트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 많은 발전을 가져오고 있지만 치유기간 단축과 응력차폐현상에 대한 문제는 지금까지 이어지고 있다. 이에 본 연구에서는 응력차폐현상을 해결하고 치유기간을 단축시킬 수 있는 다공성 타이타늄 임플란트의 공극률과 기계적특성의 상관관계에 관해 알아보고자 하였다.

제안 방법

45 ㎛ 이하 구형의 순수 타이타늄(cp Ti, Gr.Ⅱ) 분말(TLS Technik, Germany)을 체로 분급하여 25 ㎛ 이하, 25~32 ㎛, 32~38 ㎛, 그리고 38~45 ㎛의 4가지 크기 분포로 분류하였다. 각 크기별 분말은 내경이 4 ㎜인 석영(quartz)관에 40 ㎜ 높이까지 채우고 고진공(10-7torr) 전기로에서 5 ℃/min의 승온속도로 900 ℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지시킨 다음 전기로 내에서 서냉하여 가소결체를 제조한 후 석영관에서 시편을 분리하고 다시 고진공 전기로에서 5 ℃/min의 승온속도로 1200 ℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지하는 방법을 사용하여 분말의 크기별로 각각 8개의 시편을 제작하였다.
Ⅱ) 분말(TLS Technik, Germany)을 체로 분급하여 25 ㎛ 이하, 25~32 ㎛, 32~38 ㎛, 그리고 38~45 ㎛의 4가지 크기 분포로 분류하였다. 각 크기별 분말은 내경이 4 ㎜인 석영(quartz)관에 40 ㎜ 높이까지 채우고 고진공(10-7torr) 전기로에서 5 ℃/min의 승온속도로 900 ℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지시킨 다음 전기로 내에서 서냉하여 가소결체를 제조한 후 석영관에서 시편을 분리하고 다시 고진공 전기로에서 5 ℃/min의 승온속도로 1200 ℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지하는 방법을 사용하여 분말의 크기별로 각각 8개의 시편을 제작하였다. 소결된 다공성 타이타늄 임플란트의 표면과 임플란트 내부에 형성된 기공의 단면 양상은 주사전자현미경(S-4700, HITACHI, Japan)으로 관찰하였다.
다공성 타이타늄 임플란트는 45 ㎛ 이하 크기의 구형분말을 25 ㎛ 이하, 25~32 ㎛, 32~38 ㎛, 그리고 38~45 ㎛의 크기범위로 분류하여 고진공 전기로에서 2차 소결법으로 제작하였다. 각각의 임플란트 시편은 분말입자의 크기별로 지름 4 ㎜, 높이 40 ㎜의 원통형 시편으로 8개씩 제작하였으며 2개는 기공률 분석에, 6개는 기계적특성을 시험하였다. 임플란트의 표면과 내부의 단면을 관찰한 결과 인접한 입자간에는 튼튼한 neck을 형성하고 있었으며 나머지 부분은 연결된 기공의 형태인 다공성 구조로 확인 되었다.
각각의 크기별로 제조된 다공성 타이타늄 임플란트 시편들의 평균 기공크기 및 공극률은 수은 주입에 의한 공극률 측정기(Auto PoerⅣ, Micromeritics, USA)를 사용하여 확인하였으며, 기계적 특성은 ISO 22674에 따라 만능 강도 시험기(3367, Instron, USA)를 사용하여 크기별로 제조된 6개의 시편에 대해 각각 측정하고 평균하였다.
각 크기별 분말은 내경이 4 ㎜인 석영(quartz)관에 40 ㎜ 높이까지 채우고 고진공(10-7torr) 전기로에서 5 ℃/min의 승온속도로 900 ℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지시킨 다음 전기로 내에서 서냉하여 가소결체를 제조한 후 석영관에서 시편을 분리하고 다시 고진공 전기로에서 5 ℃/min의 승온속도로 1200 ℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지하는 방법을 사용하여 분말의 크기별로 각각 8개의 시편을 제작하였다. 소결된 다공성 타이타늄 임플란트의 표면과 임플란트 내부에 형성된 기공의 단면 양상은 주사전자현미경(S-4700, HITACHI, Japan)으로 관찰하였다.

대상 데이터

다공성 타이타늄 임플란트는 45 ㎛ 이하 크기의 구형분말을 25 ㎛ 이하, 25~32 ㎛, 32~38 ㎛, 그리고 38~45 ㎛의 크기범위로 분류하여 고진공 전기로에서 2차 소결법으로 제작하였다. 각각의 임플란트 시편은 분말입자의 크기별로 지름 4 ㎜, 높이 40 ㎜의 원통형 시편으로 8개씩 제작하였으며 2개는 기공률 분석에, 6개는 기계적특성을 시험하였다.

성능/효과

1. 타이타늄(cp Ti) 분말 크기에 따른 다공성 타이타늄 임플란트의 공극률 25 ㎛ 이하 크기의 분말을 이용하여 제작된 다공성 타이타늄 임플란트의 공극률은 6.91%, 25~35 ㎛는 11.35%, 32~38 ㎛는 7.53% 그리고 38~45㎛의 크기는 17.51%의 공극률을 나타내었다.
2. 다공성 타이타늄 임플란트의 공극률에 따른 인장강도 6.91% 에서는 368 ㎫, 11.35% 에서는 263 ㎫, 7.53%에서는 168 ㎫, 그리고 17.51% 에서는 160 ㎫로 기공률이 커지면 인장강도는 낮아지는 경향을 보였다.
3. 다공성 타이타늄 임플란트의 공극률에 따른 탄성계수 6.91% 에서는 20.60 ㎬, 11.35% 에서는 28.46 ㎬, 7.53%에서는 19.31 ㎬, 그리고 17.51% 에서는 22.94 ㎬로 공극률에 큰 영향을 받지 않고 안정적인 경향을 보였다.
인장강도는 분말입자의 크기가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였지만 인간 피질골의 인장강도가 50~150 ㎫(Johnson AJW, Herschler BA, 2011)임을 감안할 때 그 보다는 높은 강도를 나타내었다. 공극률과 인장강도는 분말입자의 크기에 따라 유의한 차이가 있었으나 탄성계수는 19~28 ㎬의 범위 내에서 안정적으로 나타났다. 타이타늄의 탄성계수가 110 ㎬임과 비교해보면 탄성계수가 상당히 낮아진 것을 확인할 수 있으며 다공성구조는 탄성계수를 조절할 수 있는 변수가 됨을 알 수 있다.
공극률은 분말입자의 크기가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으나 32~38 ㎛ 크기의 시편에서는 예상과 달리 낮은 공극률을 보였다. 이는 분말의 크기별 분급과정에서 32 ㎛ 이하 크기의 입자들이 다수 남아있었던 것으로 판단된다.
4]는 38~45 ㎛ 크기의 분말을 이용하여 소결된 다공성 타이타늄 임플란트 시편의 표면과 단면 양상이다. 구형 분말 입자들의 경계에서는 서로 소결 반응이 일어나 neck을 형성하고 있었으며 인접하지 않은 부분에서는 기공의 상태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 사용한 분말의 입자크기가 커질수록 기공의 수는 감소하고 기공의 크기는 증가하는 양상을 나타내었다.
구형 분말 입자들의 경계에서는 서로 소결 반응이 일어나 neck을 형성하고 있었으며 인접하지 않은 부분에서는 기공의 상태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 사용한 분말의 입자크기가 커질수록 기공의 수는 감소하고 기공의 크기는 증가하는 양상을 나타내었다. [Fig.
다공성 타이타늄 임플란트 시편에 수은을 주입하여 공극률 및 평균 기공크기를 측정한 결과와 인장시험한 기계적 특성의 결과는 [Table 1]에 나타내었다. 예측된 결과와 정확히 일치하지는 않았으나 공극률은 25 ㎛ 이하 크기의 분말에서 가장 낮았으며 38~45 ㎛ 크기의 분말에서 가장 높게 나타났다. 인장강도는 분말의 입자 크기가 작아질수록 높게 측정되었으며 탄성계수는 19~28 ㎬의 범위로 측정되었다.
예측된 결과와 정확히 일치하지는 않았으나 공극률은 25 ㎛ 이하 크기의 분말에서 가장 낮았으며 38~45 ㎛ 크기의 분말에서 가장 높게 나타났다. 인장강도는 분말의 입자 크기가 작아질수록 높게 측정되었으며 탄성계수는 19~28 ㎬의 범위로 측정되었다.
각각의 임플란트 시편은 분말입자의 크기별로 지름 4 ㎜, 높이 40 ㎜의 원통형 시편으로 8개씩 제작하였으며 2개는 기공률 분석에, 6개는 기계적특성을 시험하였다. 임플란트의 표면과 내부의 단면을 관찰한 결과 인접한 입자간에는 튼튼한 neck을 형성하고 있었으며 나머지 부분은 연결된 기공의 형태인 다공성 구조로 확인 되었다.
공극률과 인장강도는 분말입자의 크기에 따라 유의한 차이가 있었으나 탄성계수는 19~28 ㎬의 범위 내에서 안정적으로 나타났다. 타이타늄의 탄성계수가 110 ㎬임과 비교해보면 탄성계수가 상당히 낮아진 것을 확인할 수 있으며 다공성구조는 탄성계수를 조절할 수 있는 변수가 됨을 알 수 있다. 이에 따라 타이타늄 임플란트의 공극률을 변화시키면서 재현성 있는 다공성 구조를 확립한다면 하중이 가해지는 부위에 최적의 맞춤형 임플란트 구조체를 제작할 수 있을 것으로 사료된다.

후속연구

타이타늄의 탄성계수가 110 ㎬임과 비교해보면 탄성계수가 상당히 낮아진 것을 확인할 수 있으며 다공성구조는 탄성계수를 조절할 수 있는 변수가 됨을 알 수 있다. 이에 따라 타이타늄 임플란트의 공극률을 변화시키면서 재현성 있는 다공성 구조를 확립한다면 하중이 가해지는 부위에 최적의 맞춤형 임플란트 구조체를 제작할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다공성 타이타늄 임플란트의 공극률과 기계적 특성의 상관관계는?	1. 타이타늄(cp Ti) 분말 크기에 따른 다공성 타이타늄 임플란트의 공극률 25 ㎛ 이하 크기의 분말을 이용하여 제작된 다공성 타이타늄 임플란트의 공극률은 6.91%, 25~35 ㎛는 11.35%, 32~38 ㎛는 7.53% 그리고 38~45㎛의 크기는 17.51%의 공극률을 나타내었다. 2. 다공성 타이타늄 임플란트의 공극률에 따른 인장강도 6.91% 에서는 368 ㎫, 11.35% 에서는 263 ㎫, 7.53%에서는 168 ㎫, 그리고 17.51% 에서는 160 ㎫로 기공률이 커지면 인장강도는 낮아지는 경향을 보였다. 3. 다공성 타이타늄 임플란트의 공극률에 따른 탄성계수 6.91% 에서는 20.60 ㎬, 11.35% 에서는 28.46 ㎬, 7.53%에서는 19.31 ㎬, 그리고 17.51% 에서는 22.94 ㎬로 공극률에 큰 영향을 받지 않고 안정적인 경향을 보였다.
	임플란트의 재료로 주로 사용되는 것은?	기존의 치과 보철치료의 관행은 결손된 치아의 인접치를 사용하는 것이었지만 골내 임플란트에 대한 혁신적인 개발과 도전으로 성공률이 크게 호전되어 오늘날의 임플란트는 외상이나 치주질환 등에 의한 골 손실 부위에 광범위하게 적용되고 있다(Lee et al, 2010). 이러한 체내식립용 임플란트의 재료로는 기계적 특성이 뛰어나고 생체적합성이 우수한 타이타늄(cp Ti) 또는 타이타늄계 합금이 가장 많이 사용되고 있다(Long M, Rack HJ, 1998). 골 유착(ossteointegration)의 개념이 확립되던 초기에는 매끈한 표면의 타이타늄을 그대로 사용하였으나 최근까지 표면처리에 대한 연구가 지속되고 있으며, 인간의 뼈와 생물학적 고정에 있어서 임플란트의 표면 양상은 다공성표면이 유리하다고 하였다(Nishiguchi et al, 2001).
	타이타늄과 타이타늄계 합금이 많이 사용되는 이유는?	생체재료로 사용되는 금속재료 중에 타이타늄과 타이타늄계 합금이 가장 많이 사용되는 이유는 기계적 특성이 우수하고 부식저항성과 생체적합성이 높다는 것이지만 한 가지 큰 문제점은 탄성계수(Modulus of elasticity)의 불일치이다(Oh et al, 2003). Oh 등의 연구에서 인간의 뼈는 10~30 ㎬ 이며 타이타늄 임플란트는 110 ㎬ 이라고 보고하였다.

참고문헌 (10)

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Long M, Rack HJ. Titanium alloy in total joint replacement-a materials science perspective. Biomaterials, 19, 1621-1639, 1998.

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Johnson AJW, Herschler BA. A review of the mechanical behavior of CaP and CaP/polymer composites for applications in bone replacement and repair. Acta Biomaterialia, 7, 16-30, 2011.

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Sumner DR, Turner TM, Igloria R, Urban RM, Galante JO. Functional adaptation and ingrowth of bone vary as a function of hip implant stiffness. Journal of Biomechanics, 31, 909-917, 1998.

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Lee KM, Park SW, Lim HP, Koh JT, Kang SS, Kim HS, Park KB, Ryoo GH, Lee KK, Lee DJ. A Recent Research and Development Tendency of Dental Titanium Implant. Trent in Matals & Materials Engineering, 22(4), 33-40, 2009.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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