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현재 생체의료용 금속재료로 스테인레스강, 코발트합금, 티타늄합금 등이 일반적으로 사용되고 있다. 이들은 타 금속재료에 비하여 뛰어난 내식성과 우수한 강도, 피로저항성 및 성형가공성을 지니고 있다.
금속재료는 생체의료용 중에서도 생체 경조직 특히 뼈의 기능을 대체하는 용도로 가장 많이 사용되고 있다. 그런데 뼈의 탄성계수는 10~30GPa인데 비해 금속재료의 탄성계수는 티타늄합금이 약 110GPa, 코발트합금이 약 230GPa로서, 이같은 뼈와 생체용 부품과의 탄성계수 차이에 의해 뼈의 응력차폐(stress shielding)현상이 발생하기도 한다. 응력차폐 현상이 발생하면 뼈는 스스로 하중지탱 능력을 낮추는 쪽으로 조직이 변화되어 치밀도가 떨어지면서 골다공증을 유발시킬 수 있다.
임플란트용 생체재료는 충분한 강도와 더불어 장기간에 걸친 하중에도 견딜 수 있어야하고, 뼈와 유사한 정도의 탄성계수를 가져 뼈와 잘 부합되어야 한다. 이와 같은 관점에서 최근 뼈 등의 경조직으로 적용을 위한 다공질금속 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.
다공질 세라믹스, 폴리머, 금속 등을 포함한 다공질 재료가 의료용으로 적용되기 시작한 것은 1970년대 초반으로, 다공질 재료가 동물시험에서 골 내성장(bone ingrowth)이 가능한 임플란트로 증명되면서 부터이다. 다공질 세라믹스는 우수한 내부식성을 나타내지만, 고유의 취성 때문에 하중을 받는 임플란트에 적용이 어렵고, 다공질 폴리머는 관절대체 시술에서 발생하는 기계적 하중을 견딜 수 없는 단점이 있다. 따라서 많은 연구자들이 정형외과용 부품과 같은 하중 지지 능력이 필요한 곳에 적용하기 위하여 우수한 피로저항성과 파괴강도를 갖는 금속재료를 바탕으로 한 다공질금속에 관심을 갖게 됐다.
다공질금속은 크게 독립기포(closed-cell)형과 연속기포(open-cell)형으로 나눌 수 있다. 독립기포형 다공질금속의 기포들은 금속 멤브레인과 같은 얇은 막으로 완전히 둘러 싸여져 금속내부의 기포가 연결되어 있지 않은 반면 연속기포형 다공질금속에서는 각 기포들이 서로 연결된 구조를 갖고 있다.
연속기포형 다공질체는 독립기포형에 비해 기체나 유체의 이동이 용이하여 생체용으로 적용될 경우 생체조직이 다공질체 내부로 잘 성장하게 한다. 반면 독립기포형 다공질금속은 연속기포형에 비해 조직의 골 내성장과 같은 기능적인 측면에서는 떨어지지만 하중을 지탱하여야 하는 정형외과용 임플란트에 적용될 가능성이 높다.
 다공질금속 제조 기술
연속기포형 다공질금속은 금속의 상태에 따라 분말이나 섬유상의 고체상태, 액상금속, 금속증기나 기상의 금속화합물로부터 제조할 수 있다. 독립기포형 다공질금속은 일정치 않은 발포 공정으로 생기는데 기지내의 기포의 크기, 형상 및 생성 위치는 제조공정 변수에 따라 달라진다.
이와 같이 다공질금속의 제조공정은 다공질금속의 형태나 공정의 복잡성에 따라 달라질 수 있다.
주조나 기상 증착과 같은 공정은 기공의 크기, 분포 및 상호연결성을 향상시키는 경향이 있고, 용융금속이나 분말기지에 기포 형성원소를 분해시키는 공정은 기공도가 낮고 기공의 분포나 기공간의 상호연결성이 떨어진다. 즉, 전자는 연속기포형 구조를 가지며, 후자는 독립기포형 기공구조를 형성한다.
△ 독립기포형(closed-cell) 다공질금속 제조기술
다공질금속을 산업적으로 응용하기 위해서는 적절한 기공구조 제어, 낮은 불순물 함량과 적당한 기계적 강도가 필요하다. 독립기포형 다공질금속은 일반 산업용으로의 응용 가능성이 높지만 기능성의 다공질금속에서는 연속 기포형의 구조가 선호되고 있다. 독립기포형 다공체를 제조하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 일반적으로 기공을 제어하는 방법으로 주조법과 분말야금법이 널리 사용되고 있다.
주조법은 용탕에 가스를 주입하거나 액상 금속중에 가스 발생 원소를 첨가하여 다공질금속을 제조하는 방법이다. 이 방법은 알루미늄, 아연, 마그네슘 등의 다공체 제조에 이용되거 있으나, 티타늄의 경우 높은 용해 온도와 도가니에서 산소와의 강한 활성 때문에 티타늄 다공체의 제조방법으로는 적합치 않다.
분말야금법은 TiH2와 같은 가스 발생 원소를 포함하는 분말성형체의 용해나 hollow sphere에 의해 다공질체를 제조하는 방법이다. 이 방법은 비교적 균일한 구조를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있고, 융점이 높은 금속이나 합금 제조에 적용할 수 있다.
경사 기공분포를 갖는 다공질체를 제조하는 가장 일반적인 방법 중의 하나로 플라즈마 용사법이 있는데, 이 방법을 통하여 거친 표면조직(surface texture), 다공성 표면 코팅 또는 완전한 다공체 등을 제조할 수 있다. 플라즈마 용사로 제조된 다공질체는 골 내성장(bone ingrowth)에 있어 잘 연마된 표면에 비해 골조직이 표면에 더욱 잘 달라붙어 있게 한다.
연속기포형 다공질금속 제조방법
△ 다공질금속을 제조하는 데에 있어서 가장 손쉬운 방법 중의 하나로 금속 분말의 소결 중에 국부적 치밀화에 의한 방법을 들 수 있다.
다공성 코팅과 완전한 다공질금속 임플란트 제조에 널리 사용되는 금속성형기술이다. 분말 소결을 기반으로 한 이 기술은 금속분말의 성형, 결합, 소결 공정을 거쳐 다공질금속을 제조한다.
두 번째는 Space holder 방법을 이용하여 보다 높은 기공도의 다공질금속을 제조할 수 있다. 제조방법은 금속분말과 적절한 space holder 재료를 혼합한 후 일축 또는 정수압으로 성형한 후 200℃ 이하의 저온에서 space holder를 제거하고 고온에서 소결하여 다공체를 얻는 방법이다. 다공체 제조시 금속 분말 크기는 space holder의 평균 분말 크기보다 작아야 한다. 그리고 성형 압력은 발포 공정 중 형상이 그대로 유지될 수 있도록 충분히 커야 한다. 이 방법을 통하여 제조된 다공체는 균질한 기공 분포와 약 60-80%의 기공도를 갖는 것으로 보고되고 있다.
복제(replication)법은 금속 슬러리를 템플릿으로 사용하는 재료의 표면을 도포 또는 화학적으로 코팅한 후 템플릿 재료는 가열 등에 의하여 제거하여 소결하는 방법이다.
최근에 개발된 고순도의 다공질 금속을 제조하는 효과적인 방법으로 연소합성법을 들 수 있는데 이 방법은 특히 다공성의 TiNi합금 제조에 널리 이용되고 있다.
연소합성법은 2종류 이상의 물질이 반응할 시에 발생하는 생성열을 이용하는 것으로 금속간 화합물이나 세라믹등의 무기화합물의 합성에 이용되고 있다.
공정변수제어를 통한 연소과정을 제어함으로써 기공 크기 및 형상 등 기공의 성질을 조절하여 다양한 다공질금속을 제조할 수 있다. 이와 같은 특징을 이용하여 기공이 3차원적으로 서로 연결된 연속구조를 갖는 인체 뼈와 유사한 특성을 갖는 생체재료를 제조할 수 있다.
최근 기공율이 매우 높은 금속기지의 다공체를 제조하기 위하여 화학기상증착법도 이용되고 있다. 화학기상증착(CVD)법은 반응 기체(reactant gas)의 유입하에서 가열된 기판(substrate) 표면에 화학반응에 의해 고체 박막을 형성시키는 것을 일컫는다. 이 공정은 어떤 박막을 형성하느냐에 따라 다양한 기체 액체 심지어는 고체의 원료가 사용된다.
다공질 금속 생체재료의 응용 및 개발현황
현재 다공질 금속이 생체의료용으로 적용되는 분야는 주로 정형외과 및 치과용 임플란트이다. 일반적으로 다공질 금속 임플란트는 1)기판의 일부분 또는 전체가 다공성 코팅된 것 2)완전한 다공질 재료 3)금속 부품 일부에 다공질체가 결합된 것 등의 세 가지 형태로 사용되고 있다. 다공질 금속이 생체재료로 적용되고 있거나 향후 적용 가능성이 높은 부품을 열거하면 다음과 같다.
● 척추고정기구
● 골절용플레이트
● 와이어 핀 스크류
● 인공인대부착임플란트
● 두 개안면(craniofacial) 및 악안면(maxillofacial) 임플란트
● 뼈이식재
기존의 티타늄 임플란트는 시술시 우선 턱뼈에 삽입하고 그후에 세라믹스로 덮어 씌워진다. 하지만 임플란트를 턱뼈 뿌리에 삽입한 후 주변턱 뼈조직이 자라나서 임플란트를 단단히 고정시킬 때까지 약 4개월 정도를 기다려야하며 뼈 조직이 충분한 턱뼈 앞쪽에만 제한적으로 시술할 수 있다는 단점이있다. 그러나 다공성 티타늄 임플란트는 기존 임플란트에 비해 고정에 소요되는 시간이 짧고 턱뼈 뒤쪽에도 시술이 가능하다는 장점을 갖고 있다.
다공성 티타늄 임플란트는 스펀지와 같은 다공성 구조 즉 뼈와 유사한 구조를 지니고 있어서 뼈 세포가 임플란트 내부로 성장하여 뼈조직에 보다 쉽 게 고착된다.
국내에서는 일부 업체 및 대학에서 다공질 금속을 일반 산업용으로의 적용을 위한 연구개발은 진행되었으나 생체의료용으로 적용하기 위한 연구개발은 매우 미약한 실정이다. 최근 (주)바이오스마트에서 고온자전합성(SHS)법으로 다공성 TiNi 형상기억합금의료기기를 제조하기 위한 연구가 진행되었고, 재료연구소에서는 치과용 티타늄 임플란트에 다공질 코팅에 관한 연구를수행한 경험이 있다.
다공질 금속이 생체의료용으로 보다 널리 적용되기 위해서는 재료적인 측면에서 뿐만 아니라 기계적 생물학적인 측면에서 다원적인 검토가 필요하다.
즉 부식 저항성 부동태 피막 두께 및 골 부착 가능성 등과 같은 재료 성질의 이해와 더불어 다양한 하중 조건에서의 생체 뼈와의 부합성과 다공질 금속의 응력 변형 거동을 포함한 기계적 특성 그리고 조직의 골 내 성장과 적당한 피로 강도를 갖게 하기 위한 기공 크기 형상 분포 등에 대한 인자들을 다원적으로 고려하여 재료를 설계하여야 한다.
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출처)
현용택, 김승언, 윤희숙 ‘생체의료용 다공질금속 재료의 제조 및 개발 동향’
[기계와재료] 제19권 3호 |
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