[논문]티타늄 단조로 이루어진 골절용 CHS플레이트 개발

김현순; 전창수; 우수헌; 하지형; 고철웅; 이성재

티타늄 단조로 이루어진 골절용 CHS플레이트 개발
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김현순 ((주)솔고바이오메디칼) , 전창수 ((주)솔고바이오메디칼) , 우수헌 (인제대학교 의용공학과 생체역학실험실) , 하지형 ((주)솔고바이오메디칼) , 고철웅 (한국생산기술연구원 실버기술개발단) , 이성재 (인제대학교 의용공학과 생체역학실험실)

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 제작기간 및 가격의 감소를 위하여 CHS plate에 단조가공을 적용하여 기술적 부가가치가 높이고 가격 측면의 경쟁적인 단조품 개발을 위한 Ti합금(Ti6Al4V)을 이용한 골절합용 Plate의 열간 단조 공정에 따른 Ti합금의 상(phase) 분석과 기계적 성능을 분석하였다.^4-5

제안 방법

1차 및 풀림 열처리 조건에 따른 Ti합금의 조성 분석을 위하여 EDX Micro 분석기,7200H)(HORIBA,Ltd, Japan)와 상분석을 위한 XRD, X'pert PRO(PANalytical, Netherlands)을 이용하여 분석하였고 분석조건은 Scan Power:40kV-30mA, Step size:0.017(°2Ɵ), Scan step time:30sec, Scan range:30~90(°2Ɵ)으로 하였다.
(Fig. 4) CHS plate를 삽입한 대퇴골 모델에 대해 대퇴 골두 부위 2100N의 압축하중(관절간의 반발력을 고려하여 성인 남성 정상체중의 3배)을 적용하였고, 대퇴골 원외부는 움직이지 않도록 구속하였으며 대퇴골과 삽입된 CHS plate의 표면의 마찰계수는 0.5로 설정하여 단조 Ti CHS 모델과 기존 Ti CHS 모델을 비교하였다.
선행 문헌을 통하여 최적화된 1차 단조온도 및 품림 열처리온도를 설정하기 위하여 1차 단조온도(850℃, 950℃, 1050℃)와 이에 대한 풀림 열처리온도(450℃, 550℃, 650℃)로 각각의 단조 시편을 제작하였다.^2-,3

대상 데이터

본 연구에서는 Ti합금 중 정형외과 임플란트에 적합한 물성치를 가지면서 생체적합성이 검증된 Ti-6Al-4V, ELI(Titanium-6Alu minum-4Vanadium ELI(Extra Low Interstitial)합금을 사용하였다.²

이론/모형

Titanium의 단조가공 후 생체적합성을 검증하기 위하여 한국산업기술시험원에 의뢰하여 세포독성 시험, 감작성 시험 및 피내 반응 시험을 ISO 10993에 의거하여 수행하였다.
단품 CHS plate와 CHS plate를 삽입한 대퇴골의 최종 시술모델 해석은 Abaqus 6.8(ABAQUS, HKS, USA)를 이용하였다.(Fig.
본 연구에서 역학적 시험은 ASTM A-360, steel products에 준하여 실시하였고, 만능재료시험기(MTS 858 Table Top System, USA)를 이용하여 단조 온도 조건별 시편을 3점 굽힘 시험을 수행하였다.(Fig.

성능/효과

1차 단조온도와 풀림 열처리온도에 대한 영향을 평가하기위하여 시험을 수행한 결과 1차 단조온도 1050℃의 경우 stiffness와 yield load는 높아지는 반면에 취성으로 인해 시편이 파괴되는 경향을 보였으며 850℃의 경우 낮은 yield load을 나타내어, 1차 단조온도로 950℃가 적절하였으며 yield load 및 stiffness가 가장 좋은 것으로 나타난 풀림 열처리온도 450℃를 CHS plate의 열간단조 온도로 판단하였다.(Table.
대퇴골 시술모델의 유한요소 해석 결과 단조 Ti CHS plate의 stiffness가 1.4%(16.65N/㎜)높은 경향을 보였고, 큰차이가 없어 구조적 안정성에 영향을 미치지 않을 것으로 나타났으며(Table. 2), PVMS는 13.4%(28.9 MPa) 낮은 경향을 보이며 이는 응력 집중의 분산으로 인하여 단조 Ti CHS plate의 파단 가능성이 낮을 것으로 사료된다.
또한 감작성 시험 및 피내반응 시험결과 ISO 10993의 시험기준에 의거하여 시험한 결과 적합하였다.
세포독성 시험결과 양성과 음성대조가 정확했고, 모든 시료구에서 세포 용혈이나 독성이 관찰되지 않아 적합한 것으로 판단되었다.
표면성분 분석 결과 1차 열처리 온도 및 풀림 열처리 온도에 따른 표면성분 분석의 변화는 없음이 확인되었으며, 상분석 결과 대부분의 온도에서 주상인 α 상이 나타났으며, 1차 단조온도 850℃-풀림 열처리온도 650℃, 1차 단조온도 950℃-풀림열처리 온도 650℃에서 부상인 β상이 발생하였다.

후속연구

본 연구를 통해 Ti 단조를 위한 열처리 온도를 평가하기 위하여 샘플의 역학적 시험 결과 적정 단조온도(1차 단조온도 950℃, 풀림 열처리온도 450℃)를 얻었고, 생물학적 안전성을 확인하였으며, 또한 실험을 통해 Ti 단조 가공을 위한 temperature control의 Know-how를 확보하였으며 이를 통하여 implant 가공에 있어 최적의 생산 조건을 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

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