보고서 정보
주관연구기관 |
연세대학교 Yonsei University |
연구책임자 |
박용수
|
참여연구자 |
오근택
,
이민
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 1998-10 |
주관부처 |
보건복지부 |
사업 관리 기관 |
한국보건산업진흥원 Korea Health Industry Development Institute |
등록번호 |
TRKO201400018741 |
DB 구축일자 |
2014-11-29
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초록
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IV. 연구개발결과
기존의 경조직 대체재료인 Co-Cr alloy, Ti alloy, 316L S. S. 의 단점을 보완할 수 있는 초내식
상 스테인리스강의 개발을 통하여 인공관절, 인공뼈, 인공치근 이외에도 bone plate, screw 등의
정형외과용 치료제 등에 사용할 수 있는지를 알아보고자 하였다. 그리고 각종 부위에 필요한 요
구조조건을 충족시킬 수 있는 형상을- 설계하였고 고관절의 경우는 정밀 주조법에 의한 한국형 인공
고관절 시제품의 제작은 여러차례에 걸쳐 반복실험을 행하였으며 주조결합을 해
IV. 연구개발결과
기존의 경조직 대체재료인 Co-Cr alloy, Ti alloy, 316L S. S. 의 단점을 보완할 수 있는 초내식
상 스테인리스강의 개발을 통하여 인공관절, 인공뼈, 인공치근 이외에도 bone plate, screw 등의
정형외과용 치료제 등에 사용할 수 있는지를 알아보고자 하였다. 그리고 각종 부위에 필요한 요
구조조건을 충족시킬 수 있는 형상을- 설계하였고 고관절의 경우는 정밀 주조법에 의한 한국형 인공
고관절 시제품의 제작은 여러차례에 걸쳐 반복실험을 행하였으며 주조결합을 해결하고 안정한 조
성범위를 갖도록 하기 위해 주조공정을 변화시키며 시행하였다. 최종 인공고관절의 시제품에서는
주조결합을 거의 발견하지 못하였고 제품의 지수도 거의 변화없이 설계한 대로 제작되었다. 균질
화열처리를 통하여 내식성의 향상을 가져왔다. 이러한 증가 정도는 임계온도와 임계시간 이상에
서는 큰 변화기 없었다. SR-50A의 균질화 열처리시 1180℃, 90분에서 내식성이 기장 우수하였
으니,시편의 두께에 따른 고려가 필요할 것으로 생각된다.
초내식성 스테인리스강과 기존 재료와의 특성 비교를 통해 생체재료로서의 우수성을 확인하였다.
초내식성 스테인리스강은 우수한 내식성과 기계적 특성을 가지고 있었으며, 특히 관절의 반복운동에 의해 발생할 수 있는 부식마모에 대해서도 높은 저항성을 갖는 것으로 평가되었다. 체외금속이온용출특성도 316L S. S.에 비해 우수한 것으로 평가되었고, 세포독성반응 실험에서도 Ti 와 같은 정도의 생체불활성 특성을 보였다. 이러한 결과들을 종합해보면, 초내식성 스테인리스강은 Ti, Ti alloy 의 생체불활성, 높은 내식성과 유사한 특성을 가지고 있고, 이들의 단점인 진동취약성과 낮은 부식마모 특성을 보완할 수 있고, Co-Cr alloy 의 좋은 부식마모 저항성과 유사한 결과를 보였고, 이들의 낮은 공식저항성을 보완 할 수 있다고 판단된다. 그리고 기존의 생체재료의 제조와 가공의 단점을 해결하여 생체재료의 단가를 낮출 수 있고, 국내기술에 의해 제조된 초내식성 스테인리스강은 생체재료의 수입대체 효과와 더불어 수출의 효과를 기대할 수 있다.
임플란트의 생체적합성 향상을 위해 다공성 코팅과 수산화인산칼슘을 코팅하였다. 이러한 코팅은 분말을 고온의 플라즈마에 분사하면서 용융 및 냉각에 의해 코팅층을 형성시켰고, 이들 코팅층의 특성향상을 위해 후열처리 실험도 행하였다. 그리고 코팅층의 특성을 파악하고, 생체적합성을 평가하였다.
Bone ingrowth를 위한 초내 식 성 스테인리스강의 플라즈마 용사코팅층은 진공열처리후 양극분극
시험에 의해 부식저항성이 증가되었다. 코텅층의 내식성에 미치는 인자중, 표면적 증가와 기공도
의 영향보다는 고용화 열처리에 의한 코팅층 균질화의 영향이 지배적이었다.
인공관저에 있어 체내에 이식시 뼈의 성장을 유도하는 목적으로 형성시키는 HA는 작업변수중 current와 용사거리에 의하여 코팅층의 특성에 영향을 가장 많이 받는다. 그러나, current 와 용사거리는 서로 복합적으로 코팅층의 성질에 기인하다.
HA의 플라즈마 용사시 고온 상변태에 의하여 CaO 와 Ca4P2O9, TCP의 고온상이 생성되었다.
TCP상은 체내에 이식시 뼈와 코팅층의 접착력을 약화시키는 것으로 알려져 있으며 CaO 와 Ca4P2O9 상의 생성은 HA 상의 상대적 감소를 초래하므로 적절한 제어가 필요하며 임상실험에서의 영향도는 알려져있지 않다.
관물실험을 통한 골과의 접착력을 평가하고, 매식재-골 계변의 조직을 검사한 결과, HA가 코팅된
매식재가 가장 높은 골과의 접착력을 보였으며, 조직사진에서도 섬유성 조직이 보이지 않고 골세
포가 성장하여 결합되어 있는 것을 볼 수 있었다. 모재자체가 경조직내에서 약한 이물반응을 일으킬 지라도 S.S.S., 티타늄과 같이 일반합금과 달리 부식에 강하고 생체불활성 특성을 갖고 있는 금속재료의 경우, 이 소재에 코팅한 생체활성 세라믹이 매식 후 약 4-6주 동안 초기에 골유도성을 갖게 되면 코팅면이 흡수된 후에도 골결합력이 강하게 유지되는 것으로 생각된다. 또한 HA코팅면이 체내에서 장기간 안정성을 유지하려면 코팅환경, 코팅방법등을 개선하여 코팅층의 결정도, 모재와의 결합력, 밀도, 청결도를 높일 수 있는 코팅기술을 개발하여야 할 것이다.
Abstract
▼
Biocompatibility of metallic materials essentially equates to corrosion resistance. 316L S. S has been limited due to its low pitting resistance. Ti and Ti alloy have been restrained due to its low corrosion-wear resistance. Co-Cr alloy has excellent wear properties, but low pitting resistance. Supe
Biocompatibility of metallic materials essentially equates to corrosion resistance. 316L S. S has been limited due to its low pitting resistance. Ti and Ti alloy have been restrained due to its low corrosion-wear resistance. Co-Cr alloy has excellent wear properties, but low pitting resistance. Super austenitic stainless steel(S32050) was examined for biomedical application. Porous coatings and HA coatings were carried out to offer the bone ingrowth site, fast bony adaption, and biocompatibility on the S32050 implant, by using plasma spraying process. They increase bony reproduction and become a factor that augments a long term stability in constructing a bone maintenance system around the coated area.
The biocompatibility of S32050 was evaluated and compared with Ti, Ti6AI4V, Stellite 6 and 316L S. S. for the biomedical application. Potentiodynamic, immersion, mechanical and corrosion-wear test were carried out. For the biocompatibility, ion release test and cytotoxicitytest was carried out on the osteoblast and the macrophage.
Porous and HA coated S32050 implants was evaluated for microstructural, mechanical, chemical properties, and corrosion-resistance etc. 1n vitro and in vivo test were performed to investigate the biocompatibility of porous and HA coated implants.
532050 is thought to supplement the shortcomings of the conventional materials, that is, low corrosion-wear resistance of Ti, Ti alloy, low pitting resistance of 316L S. S. and Co-Cr alloy. The results of the cytotoxicity test on the osteoblast and macrophage, showed that S32050 and Ti did not influenced to the cell culturing. The cytocompatibility of S32050 in a short term is thought to be as good as that of Ti, from a viewpoint of the reaction with the osteoblast and the macrophage.
Rough surface of the porous coating can replace the pores which provide the implant with bone ingrowth site(50um in depth and 150um in width). Fe3O4 and FeCrz04 was identified 011 porous coatings. It is thought that the effect of zone refining contributed to the increase of the oxide on coating surface. Post heat treatment improved corrosion resistance of porous coating. Before the heat treatment, the corrosion was initiated at the broken site of the oxiclc sllrrouncling the splat, unmelted or partially melted particles, and propagated along interdendritic boundary of partially melted particles. After the heat treatment, it is thought thilt the homogenization effect of the splat and partially melted particles which has dendritic structure, contributed to the increase of corrosion resistance.
According to the effect of the variables evaluated by Taguchi Experimental Design about HA coating, the primary gas flow rate dominated the coating' s chemical characteristics, whereas the spray distance and powdcr feed rate dominated the physical and mechanical attributes.
The Ca/P weight ratio of coating layers increased from 2.162 in the powder state to about 2.8 3.2 in the coating. Unobserved in the powder, the CaO, Ca4P209 were seen in the coating layer. It was found out that the longer it takes for the immersion time, the more gradually it provokes the active reaction from the inteliace of the coating layer and the substrate. It is also marked that pitting was generated from an exposed part of the substrate through the connected pores. HA coating increased corrosion resistance of the substrate, and minimized metal ion release. HA coated S32050 implant showed superior biocompatibility and good bonding with the bone.
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 연구개발 최종보고서 ... 2
- 제출문 ... 3
- 요약문 ... 4
- SUMMARY ... 7
- CONTENTS ... 9
- 목차 ... 10
- 제 1 장 서론 ... 11
- 제 1 절 연구개발의 목적 ... 11
- 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 11
- 제 3 절 연구개발의 범위 ... 12
- 제 2 장 국내·외 기술개발 현황 ... 13
- 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 14
- 제 1 절 이론적 배경 ... 14
- 제 2 절 실험 방법 ... 20
- 제 3 절 연구 결과 ... 25
- 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 53
- 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 54
- 제 6 장 참고문헌 ... 55
- 최종보고서 요약 (초록) ... 57
- 끝페이지 ... 57
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