버프 가공에 의하여 표면에 방향성 스크래치가 형성된 임플란트 및 그 제조방법{Implant having directional scratch on the surface by buffing and the manufacturing method of the same}

본 발명은 버프 가공에 의하여 표면에 방향성 스크래치가 형성된 임플란트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 임플란트에 있어서, 상기 임플란트의 표면의 적어도 상부에 형성되며, 버프 가공에 의하여 부여된 대체로 일방향의 복수의 스크래치와, 상기 스크래치의 표면에 형성되는 산화층을 포함하여 구성되는 버프 가공에 의하여 표면에 방향성 스크래치가 형성된 임플란트를 제공한다.

임플란트는 정형외과적, 치의학적 개념으로 사용되어, 골격을 이루거나, 인공치아를 지지하기 위한 인공 구조물 또는 이러한 인공 구조물을 시술하는 행위를 의미한다. 특히 대중적으로는 치의학 분야에서 주로 사용되고 있는 것으로 인식되어 있으며, 일반인들의 상식 수준에서도 상실된 치아를 대체하는데 있어서 가장 효과적인 방법으로 알려져 있기 때문에, 그 시장의 규모도 매우 커지고 있으며, 따라서 다양한 형태의 치아용 임플란트가 생산 및 개량 발전되고 있다.

이러한 임플란트는 치아의 결손 부위나 치아를 뽑은 자리의 턱뼈에 골 이식, 골 신장술 등의 부가적인 수술을 통하여, 충분히 감쌀 수 있도록 부피를 늘린 턱뼈에 생체 적합적인 임플란트 본체를 심어서 자연치의 기능을 회복시켜주는 치과 치료 술식이다. 정상적인 기능이 유지되고 있는 턱뼈와 식립된 임플란트 본체 표면과의 형태적, 생리적, 직접적 결합인 골유착(osseointegration)이 이루어진 후 임플란트 주위 턱뼈의 골 개조의 과정을 거치게 된다. 임플란트는 여러 종류가 있으나 근래에는 나사 형태의 골 내 임플란트가 주로 사용된다.

이러한 임플란트는 치조골의 치밀골 및 해면골 조직과 결합함으로써 주로 고정되는데, 치조골의 치밀골 및 해면골 조직과의 결합이 무엇보다 중요한 것은 결합력에 있다. 따라서, 치조골의 치밀골 및 해면골 조직과 결합되는 임플란트의 표면에는 샌드블라스트 등 가공기법을 적용하여 거칠기를 부여하거나, 미세 나사산을 형성하여 치밀골 및 해면골 조직과의 결합력을 증진하도록 하는 기술이 적용되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제2005-21529호에서는 "임플란트 및 임플란트 표면 처리방법"을 개시하는데, 상기 공보에서는 뼈 조직 속으로 이식될 임플란트 표면을 처리하기 위한 방법에 있어서, 임플란트 표면의 적어도 일부에 불소 및/또는 불화물을 제공하는 단계와, ≤250nm의 제곱 평균 제곱근 거칠기(Rq 및/또는 Sq)의 마이크로거칠기를 제공하는 단계를 기재하고 있다. 이와 같이 임플란트의 표면을 처리하는 경우에는 임플란트의 생체 조직과의 생체적합성(biocompatibility)을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 발명에서는 이와 같이 거칠기를 제공하는 방법으로서 플라즈마 분무(Plasma spraying), 블라스팅(blasting), 에칭(etching) 등을 개시하고 있으나, 이와 같은 방법들은 임플란트의 표면에 불규칙적으로 분포되는 표면 거칠기를 부여하는 것이며, 이는 임플란트와 생체 조직과의 생체적합성을 향상하기 위한 기본적이고 통상적인 기술에 불과한 것이다.

또한, 대한민국 공개특허공보 제2005-21528호에서는 "임플란트 및 임플란트 표면 처리방법"을 개시하는데, 상기 공보에서는 뼈 조직 속으로 이식될 임플란트 표면을 처리하기 위한 방법에 있어서, ≤1μm의 세경 직경, ≤500nm의 세공 깊이 및 상기 세공 깊이의 절반에서 세공 직경의 15 내지 150%의 피크 폭을 갖는 세공과 피크를 구비하는 마이크로거칠기를 제공하는 단계를 기재하고 있다.

상기 발명에서는 임플란트의 표면에 일정 규격을 갖는 세공을 형성하고 피크를 구비하도록 하여, 마이크로 거칠기를 부여하는 기술에 관한 것으로서, 위 제2005-21529호와 마찬가지로, 거칠기의 크기, 깊이 등에 관한 한정에 불과할 뿐, 불규칙적으로 분포되는 표면 거칠기를 부여한다는 기술에 불과한 것이다.

한편, 대한민국공개특허공보 제2009-63313호에서는 마이크로그루브를 구비한 임플란트 및 그 제조방법"을 개시하는데, 상기 공보에서는 "인공치아가 고정되는 상부의 지대치 영역, 악골에 식립되는 하부의 인공치근 영역으로 구성되는 치과용 임플란트에 있어서, 임플란트 표면의 치은연조직 부착부위에 우물모양의 마이크로 그루브가 형성된 치과용 임플란트를 기재하고 있다.

위 마이크로그루브는 포토리소그래피 공정에 의하여 티타늄 재질의 임플란트 표면에 그루브를 형성하고, 이를 통하여 임플란트가 식립되는 주위 연조직의 부착력 강화, 세균감염 방지, 침윤상피 하방 이동 방지, 수명의 증대를 꾀하고 있다.

그러나, 임플란트의 수명이 평균 10년이 되지 않는 현실을 감안할 때, 이와 같은 마이크로그루브로부터 파생되는 효과 이상의 생체 적합성 및 수명을 갖는 임플란트의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 임플란트의 표면을 버프 가공하여 방향성 스크래치를 형성하고 이후에 표면을 패턴화하여 마이크로그루브를 형성함으로써 임플란트와 치조골의 치밀골 및/또는 해면골 조직의 반응성 향상에 따른 임플란트의 치조골내 고정력 및 기대 수명을 향상하도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 임플란트의 표면을 버프 가공하여 방향성 스크래치를 형성하고, 이후에 가공된 표면을 산화하여 비교적 거친 표면을 갖는 스크래치에 산화층이 생성됨과 동시에 임플란트의 표면 전반적으로 확산되도록 하며, 따라서, 산화층이 임플란트 표면 전체에 걸쳐서 규칙적이고 방향성 있으며, 고르게 분포되도록 하여 임플란트가 치조골 내에서 균질한 수준의 고정력을 보유하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 임플란트의 표면에 방향성 스크래치를 형성함으로써, 이후 단계에 의하여 수행되는 임플란트 표면의 패턴화에 의한 마이크로그루브 형성 과정에서 스크래치의 방향성을 고려하여 패터닝화 하도록 하여 임플란트와 치조골내 조직의 반응성 향상에 따른 임플란트의 최적의 고정조건을 도출하도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 임플란트에 있어서, 상기 임플란트의 표면에 형성되며, 버프 가공에 의하여 부여된 대체로 일방향의 복수의 스크래치와, 상기 스크래치를 포함하는 임플란트의 표면에 형성되는 산화층을 포함하여 구성되는 버프 가공에 의하여 표면에 방향성 스크래치가 형성된 임플란트를 제공한다.

복수의 스크래치가 형성된 부위에 복수의 마이크로그루브가 더 형성되는 것이 바람직하다.

상기 마이크로그루브는 대체로 일방향의 방향성을 가지며, 상기 스크래치와 상기 마이크로그루브는 0 ~ 45도의 예각을 이루는 것이 바람직하다.

상기 마이크로그루브는 여러 방향성을 가지나, 상기 스크래치와 상기 마이크로그루브는 0 ~ 45도의 예각을 이루도록 그 방향성이 한정되는 것이 바람직하다.

상기 산화층은 열산화 방법, 아노다이징 방법에 의해 생성된 산화층 또는 졸겔 코팅에 의한 산화물 성막 방법에 의하여 형성하는 것이 바람직하다.

상기 스크래치의 폭은 0.02 ~ 2.0 ㎛의 범위인 것이 바람직하다.

상기 스크래치 또는 스크래치와 마이크로그루브가 형성된 부분은 에칭처리되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 임플란트의 표면에 버프 가공에 의하여 대체로 일방향의 복수의 스크래치를 형성하는 단계; 상기 임플란트의 표면을 산화시키는 단계;를 포함하여 구성되는 버프 가공에 의하여 표면에 방향성 스크래치가 형성된 임플란트의 제조방법을 제공한다.

상기 임플란트의 표면을 산화시키는 단계 이전에, 상기 산화된 임플란트 표면에 포토레지스트 처리하는 단계; 상기 포토레지스트 위에 패턴을 마스킹하고 노광하는 단계; 및 노광된 임플란트 표면으로부터 포토레지스트를 제거하여 마이크로그루브를 형성하는 단계;를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 임플란트의 표면에 버프 가공에 의하여 대체로 일방향의 복수의 스크래치를 형성하는 단계; 상기 스크래치가 형성된 임플란트 표면에 포토레지스트 처리하는 단계; 상기 포토레지스트 위에 패턴을 마스킹하고 노광하는 단계; 노광된 임플란트 표면으로부터 포토레지스트를 제거하여 마이크로그루브를 형성하는 단계; 및 상기 스크래치와 마이크로그루브가 형성된 임플란트의 표면을 산화시키는 단계;를 포함하여 구성되는 버프 가공에 의하여 표면에 방향성 스크래치가 형성된 임플란트의 제조방법을 제공한다.

상기 임플란트 표면을 산화시키는 단계는 열산화 방법 또는 졸겔 코팅 방법 또는 아노다이징(anodizing) 방법에 의하는 것이 바람직하다.

상기 스크래치 형성 후, 산화층 형성 이전에 임플란트 표면을 에칭처리하는 것이 바람직하다.

상기 스크래치 형성 후 또는 마이크로그루브 형성 후, 산화층 형성 이전에 임플란트 표면을 에칭처리하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 임플란트의 표면을 버프 가공하여 방향성 스크래치를 형성하고 이후에 표면을 패턴화하여 마이크로그루브를 형성함으로써 임플란트와 치조골 내 치밀골 및/또는 해면골 조직의 반응성 향상에 따른 임플란트의 치조골 조직에 대한 고정력 및 기대 수명을 향상하도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 임플란트의 표면을 버프 가공하여 방향성 스크래치를 형성하고, 이후에 가공된 표면을 산화하여 비교적 거친 표면을 갖는 스크래치를 포함하여 임플란트의 표면 전반적으로 확산되도록 하며, 따라서, 산화층이 임플란트 표면 전체에 걸쳐서 규칙적이고 방향성 있으며, 고르게 분포되도록 하여 고정력의 균질도를 향상하도록 할 수 있다. 특히 스크래치가 형성된 부분에 조성된 산화막은 스크래치의 형태가 그대로 유지되는 한도에서 생성되기 때문에 스크래치의 방향성은 그대로 유지될 수 있다.

또한, 본 발명은 임플란트의 표면에 방향성 스크래치를 형성함으로써, 이후 단계에 의하여 수행되는 임플란트 표면의 패턴화에 의한 마이크로그루브 형성 과정에서 스크래치의 방향성을 고려하여 패턴화하도록 하여 임플란트와 치조골내 조직의 반응성 향상에 따른 임플란트의 최적의 고정조건을 도출할 수 있다.

도 1은 일방향의 마이크로그루브 및 상기 마이크로그루브와 일정각도를 유지하는 방향성 스크래치를 나타낸 사진으로서, 각각 0도, 30도, 60도, 90도의 각도를 이루도록 형성한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 표면처리된 임플란트에 대하여 인간 골수 추출 간엽줄기세포(MSC)(Human bone marrow derived mesenchymal stem cells)를 이용하여 알카리성 인산분해 효소 활성시험(Alkaline Phosphatase Activity)을 수행하고, 이에 대한 변량분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의하여 표면처리된 임플란트에 대하여 인간 치주 인대 세포(PLC)(Human periodontal ligament cells)를 이용하여 알카리성 인산분해 효소 활성시험(Alkaline Phosphatase Activity)을 수행하고, 이에 대한 변량분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 표면처리된 임플란트에 대하여 인간 골수 추출 간엽줄기세포(MSC)(Human bone marrow derived mesenchymal stem cells)를 이용하여 칼슘(Ca) 농도측정을 통한 조골세포 분화시험(Osteoblast differentiation, Ca assay)을 수행하고, 이에 대한 변량분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의하여 표면처리된 임플란트에 대하여 인간 치주 인대 세포(PLC)(Human periodontal ligament cells)를 이용하여 칼슘(Ca) 농도측정을 통한 조골세포 분화시험(Osteoblast differentiation, Ca assay)을 수행하고, 이에 대한 변량분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의하여 버프 가공된 티타늄 재질의 임플란트 표면을 300 ~ 800℃ 범위에서 열산화 후 각 열처리 온도에서 형성된 산화층의 표면 형상을 관찰한 전자현미경 사진으로서, 1000배의 배율로 촬영한 것이다.
도 7은 도 6의 사진을 50000배의 배율로 촬영한 것이다.

이하에서는 첨부되는 도면 및 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 임플란트와 결합하는 생체 조직과의 반응성 향상 및 고정력 향상에 따른 임플란트의 기대 수명 향상을 목표로 임플란트의 표면처리를 도모하였으며, 표면처리 방법에 있어서, 버프 가공(buffing)을 도입함으로써, 임플란트의 표면에 방향성이 부여된 복수의 스크래치를 형성하며, 이러한 스크래치는 마찬가지로 임플란트 표면의 생체 적합성 향상을 위하여 도입되는 마이크로그루브와 함께 유기적으로 결합되어 생체 적합성의 상승작용을 일으키거나, 또는 균일한 산화막(예를 들어 티타늄(Ti) 재질의 임플란트의 경우 산화 티타늄(TiO ₂ )의 형성)의 형성에 따른 임플란트의 고정력의 균질 분포를 의도한 것이다.

주의할 점은 본 발명에서는 치아용 임플란트에 대하여 설명하였으나, 정형외과용 임플란트 등 임플란트에 광범위하게 적용될 수 있다는 점이다.

통상 임플란트는 치조골의 치밀골과 해면골에 모두 결합되는데, 해면골 조직에 비하여 치밀골 조직이 단단하여 임플란트가 치밀골에 결합되었을 때, 보다 향상된 고정력을 갖는다. 따라서, 치밀골과 결합되는 임플란트의 부위에 대한 기계적 가공이 중요하며, 그럼에도 불구하고 해면골과 결합되는 임플란트의 부위, 예를 들어 나사부분에도 기계적 가공이 가해질 수 있다.

본 발명에서는 임플란트의 표면에 일방향의 복수의 스크래치를 버프 가공에 의하여 형성하였다. 버프 가공은 버프를 고속도로 회전시켜 가공물과의 사이에 발생하는 압력에 의해서 가공하는데 버프 연마라고도 한다. 일반적으로 치수와 정밀도를 목적으로 하는 것이 아니라, 주로 평활한 면 또는 거울면 광택, 경우에 따라서는 광택 없는 면을 얻기 위해서 실시된다. 그러나 본 발명에서는 이와 같은 광택의 제거가 아닌 전혀 다른 관점에서 임플란트에 버프 가공을 도입한 것이며, 이 부분에 구성적 요점이 있는 것이다.

이와 같은 버프 가공에 의하여 임플란트의 표면에 방향성을 갖는 스크래치를 형성할 수 있는데, 스크래치의 산과 골 중 산은 임플란트의 가공전 표면을 의미하며, 골은 스크래치의 음각부분을 의미한다.

본 발명에서는 임플란트 표면을 버프 가공한 이후에, 임플란트 표면을 산화하지 않은 상태에서 스크래치가 형성된 부위에 더하여 복수의 마이크로그루브를 더 형성하였다. 한편, 마이크로그루브를 형성한 이후에 산화층을 형성하는 것도 가능하다.

이와 관련된 도면을 도 1에 나타내었다. 도 1은 일방향의 마이크로그루브 및 상기 마이크로그루브와 일정각도를 유지하는 방향성 스크래치를 나타낸 것으로서, 각각 0도, 30도, 60도, 90도의 각도를 이루도록 형성한 것이다.

한편, 상기 일 방향성의 마이크로그루브는 상기 스크래치와 0 ~ 45도의 예각을 이루는 것이 바람직한데, 이는 이와 같이 가공된 임플란트의 BrdU 세포부착검사(Bromodeoxyuridine cell adhesion assay), 세포증식시험(cell proliferation assay), 인간 골수 추출 간엽줄기세포(MSC) 테스트(Human bone marrow derived mesenchymal stem cells test) 등에 의거하여 얻어진 데이터를 기초로 정해진 것이다.

마이크로그루브 표면에 Cell Test를 진행하게 되면 세포는 마이크로그르부 골(bottom) 영역보다는 산(ridge) 영역에 더 많이 안착을 하게 된다. 그리고 마이크로그르부의 "산"영역을 따라 이동 및 증식을 하게 되는데, 세포는 성장하면서 길게 늘어지게 된다. 또한 세포의 성장과 배열은 마이크로그루브의 영향을 받으면서도 "산"부분의 스크래치의 방향에도 영향을 받는다. 그로 인해 세포가 성장 및 이동을 하면서 스크래치의 방향의 영향을 받게 된다. 스크래치의 방향이 45도 이하인 경우에는 마이크로그루브에 부착된 세포 중에 "산"에 부착되면 "산"의 길이 방향으로의 세포가 안정적인 성장과 배열이 될 수 있는 공간이 충분하고 세포의 이동 중에 45도 이하의 스크래치 방향성에 의해 "골" 영역으로의 이동을 쉽게 할 수 있다.

그러나, 스크래치의 방향이 45도 이상 90도 이하의 경우에는 마이크로그루브의 "산"영역에 부착된 세포들은 "산" 영역의 나비가 60㎛로 설계 형성되었기 때문에 주어지는 공간적 제한에 의해 45도 이하의 경우보다는 이동과 성장이 잘 이루어지지 않는다.

한편, 마이크로그루브는 여러 방향성을 가질 수도 있다(미도시). 즉, 마이크로그루브의 방향이 임플란트의 위치마다 다소 상이할 수 있는데, 이 경우에도 스크래치와 마이크로그루브는 0 ~ 45도의 예각을 이루도록 그 방향성이 한정되는 것이 바람직하다. 즉, 임플란트 표면의 어느 한 지점에서의 마이크로그루브와 스크래치가 이루는 각도가 30도이고, 다른 어느 한 지점에서의 마이크로그루브와 스크래치가 이루는 각도가 35도가 될 수 있는 것이다. 이는 가공상 의도하지 않게 마이크로그루브의 방향성이 오차를 갖게 되는 경우도 대비하기 위한 것이다.

<제조예>

본 발명에 의한 방향성 스크래치가 형성된 임플란트의 제조과정은 다음과 같다.

- 버프 가공

임플란트 재질로서 티타늄 재질의 것을 선정하였으며, 재질은 세라믹, 기타 금속 및 금속화합물 모두 가능하다.

먼저, 상기 임플란트에 버프 가공의 일반적인 프로세스를 적용함으로써, 일정한 방향성을 지닌 스크래치를 임플란트 표면에 형성하였다. 바람직하게는 임플란트 상부에 형성하였으며, 그 밖의 부분, 예를 들어 임플란트의 나사부위에도 스크래치를 형성할 수 있다.

스크래치의 폭과 깊이는 버프 가공의 회전속도, 연마재의 분포정도, 연마 시간 등에 의하여 결정되는데, 폭은 0.02 ~ 2.0㎛가 되도록 가공하였다.

상기 스크래치의 폭이 0.02㎛인 것은 버프 가공상의 한계를 의미하는 것이며, 2.0㎛ 보다 큰 경우에는 세포의 반응성이 점차 줄어들기 때문에 위 범위는 그 임계적 의의가 있는 것이다.

- 임플란트표면의 산화

이후의 과정은 두 가지로 나누어진다.

이후에 곧바로 임플란트 표면을 산화하여 산화 티타늄층을 형성하는 과정과, 마이크로그루브를 형성하고 이후에 산화 티타늄층을 형성하는 과정이 그것이다.

여기서, 표면을 산화하여 산화 티타늄층을 형성하는 과정은 산화 공정을 방향성 있는 스크래치를 포함하는 임플란트 표면 전반에 걸쳐서 방향성이 있으면서도 균질하게 분포되도록 하기 위한 것이며, 임플란트 표면에 형성된 산화층은 생체 조직과의 반응성 향상을 가능하게 하고, 생체 조직(조골세포, osteoblast)이 보다 이동 및 증식을 잘 하도록 하는 장점이 있으며, 장기간 사용에 따른 부식의 문제를 바람직하게 해결하고, 또한, 산화층을 형성하되, 층형성에 방향성이 부여된 결과, 산화층에도 방향성을 부여하여 생체 조직에 대한 고정력을 향상시키도록 하는데 의의가 있다.

임플란트 표면을 열산화 하기 위해 대기 중에서 분당 5℃의 속도로 목적하는 온도까지 승온을 하였다. 승온 후 일정 온도에서 유지를 하여 표면의 변화를 주었다. 500℃ 1시간 유지하면 100nm정도의 안정된 산화막을 만들 수 있다. 또한 800℃ 1시간의 경우는 3마이크로미터 이상의 두께의 산화막을 만들 수 있다. 그리고 700℃에서 유지 시간을 늘리게 되면 표면에 나노 입자가 생성이 된다.

다만, 산화층을 형성하는데 필요한 온도는 300 ~ 800℃의 범위에서 결정될 수 있는데, 이는 전술한 바와 같다.

한편, 본 발명의 내용에서 구체적으로 기술하지는 아니하였으나, 상기 열산화 방법이 아니더라도, 졸겔 코팅(sol-gel coating) 방법, 아노다이징(anodizing) 방법, 물리적, 화학적 기상증착법(physical, chemical vapor deposition), 이온 임플랜테이션(ion implantation), 플라즈마 분사 증착(plamca spray deposition) 방법 등에 의하여 산화층을 형성하는 것도 가능하다.

특히 열산화 방법을 사용하면, 10㎛ 전후의 두께를 갖는 산화층을 형성할 수 있고, 산화층으로서 루타일상(rutile phase)을 형성하여 산화층이 보다 안정한 상태를 유지할 수 있으며, 타 방법에 비하여 공정이 간단하고 공정비용이 경제적인 장점이 있다.

- 마이크로그루브 형성방법

한편, 본 발명에서는 버프 가공에 의하여 형성된 스크래치와 더불어 임플란트의 표면에 마이크로그루브를 형성함으로써 치조골 내 치밀골 및 해면골과의 반응성과 결합력을 보다 항샹하도록 하였다.

상기 마이크로그루브는 반도체 제조공정에서 사용되는 포토리소그래피 방법을 이용하여 형성한 것으로서, 그 구체적인 예는 다음과 같다.

먼저, 임플란트의 표면에 포토레지스트(photo-resist)를 입힌 후, 형성하고자 하는 마이크로그루브에 대응되는 마스크를 부착 또는 이격하여 위치시키고, 이후 광조사를 함으로써 조사광에 노출되는 포토레지스트를 제거하거나(포지티브형), 조사광에 노출되지 않은 포토레지스트를 제거함으로써(네거티브형), 마이크로그루브를 형성하기 위한 패턴을 남긴 후, 에칭과정을 통하여 포토레지스트가 제거된 부분을 식각함으로써, 원하는 깊이(depth)와 나비(width)를 갖는 마이크로그루브를 생성할 수 있다.

마이크로그루브가 갖는 독자적 의의는 대한민국 공개특허 제2009-63313호에 개시되어 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 하며, 마이크로그루브에 관한 보다 자세한 내용은 후술하기로 한다.

- 임플란트 표면의 에칭 조건

상기 스크래치 형성 후 산화층 형성 이전에 임플란트 표면을 에칭처리하거나, 마이크로그루브 형성 후, 산화층 형성 이전에 임플란트 표면을 에칭처리하는 것이 바람직하다.

에칭의 조건은 다음과 같다. 티타늄 표면을 버핑을 통해 일정한 방향으로 스크래치를 만들어 주고, 버핑 공정을 통해 티타늄 표면에 생성된 이물질들을 세척 공정을 통해 제거한다. 세척 공정은 이소프로필알코올, 아세톤, 증류수 순으로 진행하며, 전체 공정은 초음파 세척기에서 진행하였다. 이후, 포토리소그래피 공정을 통해 패턴을 티타늄 표면에 형성한다. 에칭은 증류수에 HF 1%로, 용액의 온도는 50 ~ 60℃를 유지하여 행하였다. 에칭 후 아세톤으로 티타늄 표면의 포토레지스트를 제거하고 흐르는 물에 1차 세척을 한다. 그리고 증류수를 이용하여 초음파 세척기에서 일정 시간동안 세척을 진행한다. 이 공정을 통해 에칭동안 표면에 만들어진 에칭 잔유물들을 제거한다.

이와 같이 스크래치를 형성한 이후나 마이크로그루브를 형성한 이후에 에칭처리를 부가적으로 진행하면, 생체와 반응할 수 있는 표면적을 보다 증가시킬 수 있어 임플란트의 세포와의 결합력, 세포의 생존능력 및 증식능력을 보다 향상시킬 수 있다. 또한 에칭공정은 이와 같은 세포의 결합과 세포증식에 관여하는 유전자를 발현시키는데 큰 기여를 한다.

이와 관련하여 대한민국 공개특허 제2009-63313호에 그 효과에 대하여 자세히 개시하고 있으며, 따라서 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

다만, 이와 같은 에칭공정이 본 발명의 버프 가공에 의하여 형성된 스크래치에 적용됨으로써 임플란트의 골유착(osseointegration)에 대한 상승작용을 부여한다는 점은 주목할만하다.

이상과 같은 공정을 통해 스크래치와 마이크로그루브가 부여된 임플란트의 실시예를 정리하면 다음과 표 1과 같다.

여기서, NE는 에칭을 하지 않은 임플란트 시편을, E는 에칭을 동반한 임플란트 시편을 각각 나타내며, 에칭은 불산(HF)를 사용하여 행하였고, NEa/b 또는 Ea/b에서 a, b는 각각 마이크로그루브의 나비(widgh)와 깊이(depth)를 의미한다. 여기서, 마이크로그루브의 나비는 마이크로그루브의 길이방향에 수직인 방향의 폭을 의미한다.

구체적으로 도시되지는 않았으나, 상기 실시예들 중, 에칭을 행한 나비 60, 깊이 10의 마이크로그루브(E60/10)가 세포 반응성, 세포의 생장력, 세포의 증가율이 가장 좋은 것으로 측정되었으나, 에칭의 여부에 상관없이 세포 반응성 및 결합력을 관찰하기 위하여 NE60/10을 대표 실시예로 하고, 비교예로서 NE0를 선정하여 후술하는 바와 같이 평가하였다. 물론, 에칭을 실시하면 보다 더 우수한 평가결과가 도출될 것으로 예상된다.

<평가예>

도 1에서와 같이 임플란트 표면에 형성된 마이크로그루브와 스크래치가 이루는 각도에 따라서 여러가지 테스트를 수행하고 이를 도 2 ~ 도 5에 나타내었다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 표면처리된 임플란트에 대하여 인간 골수 추출 간엽줄기세포(MSC)(Human bone marrow derived mesenchymal stem cells)를 이용하여 알카리성 인산분해 효소 활성시험(Alkaline Phosphatase Activity)을 수행하고, 이에 대한 변량분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 이를 위하여 임플란트 재료와 동일한 티타튬 재료를 사용하되, 24개의 마이크로그루브(well)를 갖는 티타늄 기판위에서 4×10 ⁴ cell/well의 용량에 해당하는 세포를 이용하여 2일간 세포를 배양을 하여 단위 well당 4×10 ⁴ cell의 밀도가 되게 한 후, 7일 및 14일간 골형성 배양(osteogenic culture) 하였다.

도시된 바와 같이, 7일 및 14일간 세포를 배양한 임플란트에 대한 알카리성 인산분해 효소 활성시험 결과, 이전의 시험결과들과 유사하게, 스크래치와 마이크로그루브가 이루는 각도가 0도와 30도인 경우에 있어서 60도와 90도를 이루는 경우보다 더 우수한 평가결과를 나타내었다. 본 시험에서는 NE0에 비하여 NE60/10-60도, NE60/10-90도에서 보다 우수한 평가결과가 도출되었는데, 이는 마이크로그루브에서 Cell들이 positive하게 응답하는 경향은 동일하다 세포마다 부착 및 증식 거동이 다르며 스크래치에 대한 반응도 다르게 나타나는 것에 기인하는 것으로 보인다.

즉, 배양에 의한 골세포의 형성을 위해서는 임플란트의 표면을 가공하는 것이 절대적으로 필요함을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의하여 표면처리된 임플란트에 대하여 인간 치주 인대 세포(PLC)(Human periodontal ligament cells)를 이용하여 알카리성 인산분해 효소 활성시험(Alkaline Phosphatase Activity)을 수행하고, 이에 대한 변량분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 이를 위하여 임플란트 재료와 동일한 플레이트상의 티타늄 재료를 사용하되, 24개의 마이크로그루브(well)를 갖는 티타늄 기판위에서 4×10 ⁴ cell/well의 용량에 해당하는 세포를 이용하여 2일간 confluence 한 후, 7일 및 14일간 골형성 배양(osteogenic culture) 하였다.

도시된 바와 같이, 7일 및 14일간 세포를 배양한 임플란트에 대한 알카리성 인산분해 효소 활성시험 결과, 도 4의 인간 골수 추출 간엽줄기세포(MSC)(Human bone marrow derived mesenchymal stem cells)를 이용하여 알카리성 인산분해 효소 활성시험(Alkaline Phosphatase Activity)을 수행한 경우와 마찬가지로, 스크래치와 마이크로그루브가 이루는 각도가 0도와 30도인 경우에 있어서 60도와 90도를 이루는 경우보다 더 우수한 평가결과를 나타내었다. 다만, 7일 배양한 것과 14일 배양한 것의 차이가 도 2의 경우보다 매우 두드러지게 나타났다는 점에 미차가 있다. 이는 치주 인대 세포(PLC)의 증식력 자체와 연관이 있는 것으로 보인다.

본 시험에서는 NE0에 비하여 NE60/10-60도, NE60/10-90도에서 보다 우수한 평가결과가 도출되었는데, 이는 마이크로그루브에서 Cell들이 positive하게 응답하는 경향은 동일하다 세포마다 부착 및 증식 거동이 다르며 스크래치에 대한 반응도 다르게 나타나는 것에 기인하는 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 표면처리된 임플란트에 대하여 인간 골수 추출 간엽줄기세포(MSC)(Human bone marrow derived mesenchymal stem cells)를 이용하여 칼슘(Ca) 농도측정을 통한 조골세포 분화시험(Osteoblast differentiation, Ca assay)을 수행하고, 이에 대한 변량분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 이를 위하여 임플란트 재료와 동일한 플레이트상의 티타늄 재료를 사용하되, 24개의 마이크로그루브(well)를 갖는 티타늄 기판위에서 4×10 ⁴ cell/well의 용량에 해당하는 세포를 이용하여 2일간 confluence 한 후, 21일간 골형성 배양(osteogenic culture) 하였다.

도시된 바와 같이, 21일간 세포를 배양한 임플란트에 대한 조골세포 분화시험 결과, 이전의 시험결과들과 유사하게, 스크래치와 마이크로그루브가 이루는 각도가 0도와 30도인 경우에 있어서 60도와 90도를 이루는 경우보다 더 우수한 평가결과를 나타내었다. ALC 시험의 경우와 유사하게, 본 시험에서는 NE0에 비하여 NE60/10-60도, NE60/10-90도에서 보다 우수한 평가결과가 도출되었는데, 이는 도 2 및 도 3의 ALC 시험 부분에서 설명하였으므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의하여 표면처리된 임플란트에 대하여 인간 치주 인대 세포(PLC)(Human periodontal ligament cells)를 이용하여 칼슘(Ca) 농도측정을 통한 조골세포 분화시험(Osteoblast differentiation, Ca assay)을 수행하고, 이에 대한 변량분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 이를 위하여 임플란트 재료와 동일한 플레이트상의 티타늄 재료를 사용하되, 24개의 마이크로그루브(well)를 갖는 티타늄 기판위에서 4×10 ⁴ cell/well의 용량에 해당하는 세포를 이용하여 2일간 confluence 한 후, 21일간 골형성 배양(osteogenic culture) 하였다.

도시된 바와 같이, 21일간 세포를 배양한 임플란트에 대한 조골세포 분화시험 결과, 도 4의 경우와 유사하게, 스크래치와 마이크로그루브가 이루는 각도가 0도와 30도인 경우에 있어서 60도와 90도를 이루는 경우보다 더 우수한 평가결과를 나타내었음을 알 수 있었다. 이에 대한 자세한 설명은 도 4의 설명에 의하여 갈음하기로 한다.

도 4 및 도 5의 결과에 따라서 이를 정리하면 다음의 표 2와 같으며, 표의 내용은 각 데이터에 대한 상관관계를 나타내는 것이다.

여기서 1)은 1방향 분석에 의해서 얻어지는 통계적 유의도를 의미한다. 1)의 Sig는 집단 간 평균의 차이가 없다라는 영가설이 맞을 확률을 말한다. 그런데, <0.001은 매우 낮아 이 가설이 기각이 된다. 즉 대상들간의 차이가 있으며 유의미한 평균차이가 있음을 나타낸다.

또한 2)는 Tukey's multiple comparison Test를 통해 그룹 사이를 통계적으로 유의차가 없는 그룹끼리를 같은 문자로 표시한 것이다. 즉 a라 표시된 그룹간에는 유의차가 없다는 의미가 되는 것이다. 이를 계속하여 표현하면, c, b, b, c라 표시된 그룹간에는 유의차가 없는 것이 되는 것이다.

한편, 도 2 ~ 도 5의 결과를 한꺼번에 정리하면 다음 표 3과 같다.

위 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 두 요인간의 상관관계가 매우 높음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의하여 버프 가공된 티타늄 재질의 임플란트 표면을 300 ~ 800℃ 범위에서 열산화 후 각 열처리 온도에서 형성된 산화층의 표면 형상을 관찰한 전자현미경 사진으로서, 1000배의 배율로 촬영한 것이다. 스크래치의 형태, 즉, 스크래치의 음각부분과 임플란트의 표면에 이르는 요철형상은 산화층의 생성 이후에도 그대로 유지되어 있었으며, 따라서 임플란트의 표면에 스크래치에 의해 방향성이 부여된 산화층, 즉 방향성 산화층의 생성이 가능하였다.

또한, 티타늄 표면에 스크래치를 형성하고 열산화를 진행하는 경우, 스크래치 형성하고 열산화를 하지 않은 경우보다는 알칼리 인산염에 대한 활성이 더 큼을 알 수 있었다.

도 7은 도 6의 사진을 50000배의 배율로 촬영한 것이다. 도 7을 통하여 산화층 표면에 산화 티타늄 입자의 성장을 뚜렷이 관찰할 수 있었으며, 도시된 바와 같이, 산화 티타늄의 입자가 버핑방향과 동일하게 배열하는 것을 확인하였다.

여기서, 열산화 온도는 300 ~ 800℃의 범위에서 수행되는 것이 바람직한데, 300℃ 이하가 되면 산화막의 두께가 너무 얇아서 세포 부착 및 반응이 현저히 떨어지며, 800℃ 이상의 온도에서는 열산화시 산화층과 티타늄과의 분리현상이 나타나게 되므로, 상기 온도범위에서 그 임계적 의의가 있다.

이상과 같이 본 발명을 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 이는 실시예일 뿐, 권리범위가 실시예에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 권리범위는 특허청구범위의 해석에 의하여야 함은 자명하다 할 것이다.