Biomaterials Research (2011) 15(4) : 137-140 137 Biomaterials Research C The Korean Society for Biomaterials 생리활성물질 담지를 위한 다공성 티타늄 임플란트의 통전 활성 소결 Spark Plasma Sintering of Porous Ti Implant for Embedding of Bioactive Materials 김영훈* Yung-Hoon Kim* 원광보건대학교 치기공과 570-750 전북 익산시 신용동 344-2 Department of Dental Laboratory Technology, Wonkwang Health Science University, Iksan, Jeonbuk 344-2, Korea (Received August 25, 2011/Acccepted November 4, 2011) Titanium (Ti) and Ti alloys have been widely used in the production of dental and orthopedic implants. Ti with a native oxide film is known to be bio-inert, but it is difficult to accomplish a good chemical bonding with bones and also make new bones on its surface at the stage after implantation. This study was performed to investigate the making a fully open pore structrue and possibility for embedding of bioactive materials to the area. Porous Ti implants were fabricated by spark-plasma-sintering (SPS) of atomized spherical Ti powders (25 μm below, 25~32 μm, 32~38 μm, 38~45 μm). Porosity range of sintered body was from 3 to 27 vol% by controlling pressing conditions and Ti powder sizes. Fully open pore was formed particles connected in three dimensions by necks. It was found that the porous Ti implant has good mechanical properties and micro porosity. Key words: Ti, powder, implant, porous, SPS(Spark-Plasma-Sintering), embedding 서 론 전 활성 소결(Spark Plasma Sintering, SPS) 은 스파크 플라즈마 소결 또는 방전 플라즈마 소결 이라고도 불리 워지며 단시간 내에 가압 소결이 가능한 방법으로 1990 년대 이후부터 현재까지 활발히 연구되어지고 있다. 1-2) 일반적인 분 말 소결법은 상압에서 고온까지 온도를 높이는 방법으로 수행 되나 통전 활성 소결법은 직류펄스 상의 전기에너지를 직접 통 전시켜 분말 입자간에 발생되는 플라즈마와 금속 분말 자체의 저항발열 그리고 전도성 몰드의 저항발열 등의 열원에 의해 소 결이 이루어진다. 뿐만아니라 소결동안 가압에의해 더욱 큰 효 과를 얻을 수 있으며 20 분 정도의 짧은 시간 내에 소결이 마 무리 된다. 티타늄 및 티타늄 합금 분말의 소결을 이용한 다공성 임플 란트 제조에 대한 연구는 꾸준히 발표되고 있지만 표면적을 늘 리거나 생체활성물질을 코팅하는 등의 임플란트 표면처리에 대 한 연구가 최근 정체기에 이르면서 표면개질에 의한 임플란트 의 물성향상에 한계를 맞게 되었다. 특히 정형외과용 임플란트 에서는 탄성계수의 불일치가 큰 문제로 떠오르고 있다. 순수 티타늄(cp Ti) 의 경우 탄성계수가 약 110 GPa 이고 사람 뼈의 경우 탄성계수가 10~30 GPa 로 큰 차이를 보여 임플란트 시 술 후 탄성계수가 상대적으로 작은 뼈 에는 불충분한 응력이 전달되는 응력차폐(stress-shielding) 효과를 일으켜 주변 골 조 직의 퇴화를 불러온다. 3) 이에 본 연구에서는 구형의 미세 티타늄 분말(25 μm below, 25~32 μm, 32~38 μm, 38~45 μm) 을 통전 활성 소결법을 이용해 다공성 티타늄 임플란트를 제조하여 내부까지 완전히 연 결된 개기공을 부여하고 기공 내부에 생리활성물질을 담지할 수 있도록 하는 생체융합형 임플란트 담지체에 대해 연구하였다. 재료 및 방법 다공성 티타늄 임플란트 시편 제작 실험에 사용할 시편은 45 μm 이하 크기를 갖는 순수 티타늄 (cp Ti) 분말(TLS Technik, Germany. Gr2) 을 체거름 방식을 통하여 25 μm 이하, 25~32 μm, 32~38 μm, 38~45 μm 의 크기로 분급하고 각 크기별 구형 티타늄 분말을 내경이 4 mm, 깊이가 40 mm 인 흑연몰드에 장입한 후 통전 활성 소결장비 (ELTek. Co.) 로 소결하여 제작하였다. 통전 활성 소결 조건으로는 3 × 10 -3 torr 진공 분위기 하에 300 o C/min 의 승온속도로 1200 o C 까지 상승시키고 서냉 하였으며, 무가압 방식과 20 MPa 가압 방식을 적용하였다. 완성된 원기둥 형태의 다공성 티 타늄 임플란트 시편들은 아세톤에 10 분, 에탄올에 10 분 동안 초음파 세척하여 60 o C 의 건조기에서 건조시켜 준비하였다. * 책임연락저자: [email protected]통
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C The Korean Society for Biomaterials · 에서는 탄성계수의 불일치가 큰 문제로 떠오르고 있다. 순수 티타늄(cp Ti)의 경우 탄성계수가 약 110 GPa 이고
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Biomaterials Research (2011) 15(4) : 137-140
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Biomaterials
Research
C The Korean Society for Biomaterials
생리활성물질 담지를 위한 다공성 티타늄 임플란트의 통전 활성 소결
Spark Plasma Sintering of Porous Ti Implant for Embedding ofBioactive Materials
김영훈*
Yung-Hoon Kim*
원광보건대학교 치기공과 570-750 전북 익산시 신용동 344-2Department of Dental Laboratory Technology, Wonkwang Health Science University, Iksan, Jeonbuk 344-2, Korea(Received August 25, 2011/Acccepted November 4, 2011)
Titanium (Ti) and Ti alloys have been widely used in the production of dental and orthopedic implants. Ti with a nativeoxide film is known to be bio-inert, but it is difficult to accomplish a good chemical bonding with bones and also makenew bones on its surface at the stage after implantation. This study was performed to investigate the making a fullyopen pore structrue and possibility for embedding of bioactive materials to the area. Porous Ti implants were fabricatedby spark-plasma-sintering (SPS) of atomized spherical Ti powders (25 µm below, 25~32 µm, 32~38 µm, 38~45 µm).Porosity range of sintered body was from 3 to 27 vol% by controlling pressing conditions and Ti powder sizes. Fullyopen pore was formed particles connected in three dimensions by necks. It was found that the porous Ti implant hasgood mechanical properties and micro porosity.
1. J. S. Roh and M. H. Oh, “Properties of Sr-Ferrites Prepared bySpark Plasma Sintering Process,” J. Korean Magenetics Society,13(1), 29-35 (2003).
2. H. C. Shin, W. S. Cho, S. Y. Shin and J. G. Kim, “Fabrication ofPorous Alumina Ceramics by Spark Plasma Sintering,” J. KoreanCeramic Society, 39(12), 1183-1189 (2002).
3. I. H. Oh, H. T, Son, S. H. Chang, H. M. Kim and K, Y, Lee,“Evaluation of Porous Titanium Implants Prepared by SparkPlasma Sintering,” J. Kor. Inst. Met. & Mater., 44(6), 441-445(2006).
4. Amy J. Wagoner Johnson and Brad A. Herschler, “A review of themechanical behavior of CaP and CaP/polymer composites forapplications in bone replacement and repair,” J. Acta Biomaterialia,7, 16-30 (2011).
5. I. H. Oh, N. Nomura, N. Masahashi and S. Hanada, “Mechanicalproperties of porous titanium compacts prepared by powdersintering,” J. Scripta Materialia, 49, 1197-1202 (2003).