KR20140131209A - Porous titanium for biomedical application and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
생체 의료용 소재의 내부와 외부의 밀도가 상이하며, 상기 생체 의료용 소재는 타이타늄이고 기공을 가지는 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄 및 그의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 소망하는 밀도 및 기계적 특성를 제어하는 것이 가능하여 인체의 뼈를 대신하여 사용할 수 있는 인체에 무해한, 다공성 타이타늄을 제공할 수 있다.There is provided a biomedical medical porous material, wherein the biomedical medical material is titanium and has pores, and a method for producing the same.
According to the present invention, it is possible to provide a porous titanium which can control a desired density and mechanical characteristics and which is harmless to the human body, which can be used instead of the bones of the human body.
Description
본 발명은 생체 의료용 다공성 타이타늄 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to porous titanium for biomedical treatment and a method for producing the same.
타이타늄은 생체 의료용 소재로 사용되는 고분자나 세라믹에 비해 우수한 비강도, 내식성, 생체 적합성을 가지고 있어 인체의 뼈를 대체하는 치아 임플란트, 무릎 관절, 인공 고관절, 팔꿈치 관절 등의 경조직 대체용 의료 금속 소재로 이용되고 있다. Titanium has superior nasal, corrosion and biocompatibility than polymers and ceramics used in biomedical materials. It is a medical metal material for dental implants, knee joints, artificial hip joints, and elbow joints that replace the bones of human body. .
현재 생체 의료용 소재로 사용되는 타이타늄은 용해, 주조, 단조 기술에 국한되어 사용되고 있다. 그런데 이러한 생체 의료용 타이타늄은 110GPa 정도의 탄성계수를 가지며 환자의 환부에 이식하게 되면 10~30GPa의 탄성계수를 가지는 주위의 인체 뼈와의 탄성계수 차이로 인하여 타이타늄 주위 뼈가 퇴화되는 현상이 발생하고 있다. Currently, titanium used in biomedical materials is limited to dissolution, casting and forging techniques. However, the biomedical titanium has a modulus of elasticity of about 110 GPa, and when implanted into the affected part of the patient, the surrounding bone of the titanium is degraded due to the difference in elastic modulus between the surrounding human bone having an elastic modulus of 10 to 30 GPa .
따라서, 생체 의료용 소재와 인체 뼈와의 탄성계수 차이를 줄이기 위한 방안으로 제시되는 것이, (1) 타이타늄의 합금의 비율을 조정하는 방안, (2) 타이타늄 내부에 다공체를 삽입하여 특정 구조를 만듦으로써 탄성계수 차이를 줄이는 방안이 있다.
Therefore, it is proposed to reduce the difference in elastic modulus between the biomedical material and the human bone by (1) adjusting the ratio of the titanium alloy, (2) by inserting a porous body inside the titanium to make a specific structure, There is a way to reduce the difference in elastic modulus.
첫 번째 방안으로 제시되는 타이타늄의 합금의 비율을 조정할 때 가장 염두에 두어야 할 것은 인체에 무해한 원소를 사용해야 한다는 것이다. Nb, Zr, Ta, Sn, Mo 등의 합금 원소들은 인체에 독성을 유발하지 않고 안전하다는 것은 다양한 세포 안전 실험들을 통해 확인되었으며, 타이타늄에 상기 합금 원소들을 첨가할 경우 탄성계수를 낮추는 효과가 있다. 현재까지 개발된 생체 의료용 타이타늄 합금들 중 Ti-29Nb-13Ta-4.5Zr 조합의 베타 타이타늄 합금이 가장 낮은 탄성계수를 가지고 있으며 약 55GPa의 값을 가지지만 인체 뼈의 탄성계수를 고려해 보았을 때 약 2~5배 차이가 난다.
The first thing to keep in mind when adjusting the proportions of titanium alloys presented is to use harmless elements. The alloying elements such as Nb, Zr, Ta, Sn, Mo, etc. are confirmed to be safe without inducing toxicity to humans through various cell safety tests. When the alloying elements are added to titanium, the elastic modulus is lowered. The Ti-29Nb-13Ta-4.5Zr combination of beta-titanium alloy has the lowest elastic modulus of about 55 GPa among the biomedical titanium alloys developed so far. However, considering the elastic modulus of the human bone, Five times the difference.
두 번째 방안으로 생체 의료용 타이타늄에 기공을 인위적으로 삽입하여 탄성계수를 낮추는 방법이 있다. As a second method, there is a method of artificially inserting pores into biomedical titanium to lower the elastic modulus.
특허문헌 1에는, 금속 분말, 스페이스 홀더(space holder) 분말 그리고 바인더(binder)를 이용하여 스페이스 홀더에 의한 분말소결 방법을 제시하였고 이를 사용해 다공질 타이타늄 소재를 만드는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 1의 다공질 타이타늄은 외부와 내부의 밀도가 다른 인체 뼈의 특성을 반영하지 못하고 있으며, 다공질 타이타늄의 밀도가 낮을 경우에는 쉽게 부서질 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명의 일측면은 외부와 내부의 밀도가 다른 인체 뼈의 특성을 반영하면서도 충분한 기계적 성질을 가지는 생체 의료용 다공성 타이타늄 및 그의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
One aspect of the present invention is to provide a biomedical porous titanium having sufficient mechanical properties while reflecting the characteristics of human bones having different densities from the outside to the inside, and a method for producing the same.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명 일측면은 생체 의료용 소재의 내부와 외부의 밀도가 상이하며, 상기 생체 의료용 소재는 타이타늄이고 기공을 가지는 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄을 제공한다.
One aspect of the present invention provides porous medical biomedical titanium, wherein the biomedical raw material has a density different from the inside and the outside of the biomedical raw material, and the biomedical raw material is titanium and has pores.
본 발명의 다른 측면은, 타이타늄 분말과 스페이스 홀더 분말의 배합비율을 달리하여 밀도가 상이한 제 1혼합물 및 제 2 혼합물을 제조하는 단계; According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a magnetic recording medium, comprising: preparing a first mixture and a second mixture having different densities by different ratios of titanium powder and space holder powder;
상기 제 1 혼합물에 압력을 가하여 압분체를 제조하는 단계; Applying pressure to the first mixture to produce a green compact;
상기 압분체의 외곽에 상기 제 2 혼합물의 층을 형성한 후 압력을 가하여 내부와 외부의 밀도가 상이한 압분체를 제조하는 단계; 및 Forming a second mixture layer on the outer periphery of the green compact, applying pressure to the green compact to produce a green compact having different densities between the inside and the outside; And
상기 내부와 외부의 밀도가 상이한 압분체 내의 스페이스 홀더를 녹인 후 상기 압분체를 소결하는 단계를 포함하는 생체 의료용 다공성 타이타늄의 제조방법을 제공한다.
And dissolving a space holder in the green compact having different densities of the inside and outside, and sintering the green compact. The present invention also provides a method of manufacturing porous titanium for biomedical medical use.
본 발명에 의하면, 소망하는 밀도 및 기계적 특성를 제어하는 것이 가능하여 인체의 뼈를 대신하여 사용할 수 있는 인체에 무해한, 다공성 타이타늄을 제공할 수 있다.
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a porous titanium which is capable of controlling a desired density and mechanical characteristics and is harmless to a human body, which can be used instead of the bones of a human body.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 생체 의료용 다공성 타이타늄의 단면 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 생체 의료용 다공성 타이타늄의 미세조직 사진이다.
도 3은 본 발명의 생체 의료용 다공성 타이타늄 제조를 위한 몰드(mould)의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 생체 의료용 다공성 타이타늄의 제조설비의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 스페이스 홀더 종류별 생체 의료용 다공성 타이타늄의 탄성계수와 상대밀도를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스페이스 홀더 NaCl의 배합비를 달리 하면서 측정한 압축실험 데이터를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스페이스 홀더 녹말의 배합비를 달리 하면서 측정한 압축실험 데이터를 도시한 그래프이다.
도 8은 스페이스 홀더의 크기와 종류에 따른 압축실험 결과를 도시한 그래프이다.1 is a cross-sectional SEM photograph of porous titanium for biomedical treatment according to an embodiment of the present invention.
2 is a microstructure photograph of porous titanium for biomedical treatment according to an embodiment of the present invention.
3 is a photograph of a mold for producing porous titanium of the present invention.
4 is a schematic diagram of an apparatus for manufacturing porous titanium for biomedical treatment according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing elastic modulus and relative density of porous titanium according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing compression test data measured at different mixing ratios of space holder NaCl according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing compression experiment data measured while varying the mixing ratio of space holder starch according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing compression test results according to the size and type of the space holder.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 생체 의료용 다공성 타이타늄 및 그의 제조방법을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the porous titanium for biomedical treatment of the present invention and the method for producing the same will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the invention.
본 발명의 생체 의료용 소재로서는 타이타늄이 바람직하나 이에 제한되지 않으며 이외에도 인체에 무해한 금속 분말을 사용할 수도 있다.Titanium is preferably used as the biomedical material of the present invention, but the present invention is not limited thereto, and a metal powder harmless to the human body may be used.
Nb, Ta, Zr 등의 합금은 다공성 소재를 만들기 어렵고, 세라믹이나 Ni는 무거우며, 스테인리스스틸은 Cr, Ni 등이 포함되어 있어서 인체에 유해하기 때문에 바람직하지 않다.
Nb, Ta, Zr and the like are difficult to make a porous material, ceramics and Ni are heavy, and stainless steel contains Cr and Ni, which is harmful to human body.
본 발명의 생체 의료용 다공성 타이타늄은 소재의 내부와 외부의 밀도가 상이하며 기공을 가지는 것을 특징으로 한다. 즉, 인체 뼈의 형태와 유사하게 외부의 밀도가 높고 내부는 낮은 형태 혹은 인체 뼈의 형태와 반대로 외부의 밀도가 낮고 내부의 밀도가 높은 형태로 구현 가능하며, 내부와 외부 사이에 밀도가 상이한 층을 다수 구비할 수도 있다. 이러한 방식으로 밀도의 분포를 조절하여 외부와 내부의 밀도가 소망하는 수준을 갖게 하여 다양한 밀도의 기공을 지닌 생체 의료용 타이타늄을 제공할 수 있다.
The biomedical porous titanium of the present invention is characterized in that the density of the inside and the outside of the material is different and has pores. In other words, similar to the shape of the human bone, the outer density is high, the inner shape is low, or contrary to the shape of the human bone, the outer density is low and the inner density is high. May be provided. In this way, the distribution of density can be adjusted to provide a desired level of density between the outside and the inside, thereby providing biomedical titanium having various density pores.
외부의 밀도가 높고 내부의 밀도가 낮은 형태의 생체 의료용 타이타늄은 밀도가 높은 외부에 의해 기계적 성질 및 가공성을 향상시키고, 밀도가 낮은 내부에는 뼈를 생성시키는 세포가 성장하는데 충분한 공간을 제공할 수 있는 기공이 존재할 수 있고, 낮은 밀도로 인해 탄성계수를 낮추는데 기여할 수 있다.
Biomedical titanium, which has a high external density and a low internal density, improves the mechanical properties and processability by the dense outer surface, while the less dense interior can provide enough room for the cells to grow bone Pores can be present and contribute to lowering the modulus of elasticity due to low density.
인체의 환부에 생체 의료용 재료가 삽입되는 경우, 상기 생체 의료용 재료의 탄성계수가 환부에 인접한 뼈의 탄성계수보다 높아 '응력차폐 현상'이 발생한다. 신체의 움직임으로 인해 환부 주위가 하중을 받으면 하중의 대부분이 생체 재료에 국한되어 발생하게 된다. 그리하여 환부 주위의 뼈가 퇴화되어 결과적으로는 2차 수술이 불가피한 경우가 존재하게 된다.
When the biomedical material is inserted into the affected part of the human body, the elastic modulus of the biomedical material is higher than the modulus of elasticity of the bone adjacent to the affected part, so that a 'stress shielding phenomenon' occurs. When the surrounding area is subjected to a load due to the movement of the body, most of the load will be limited to the biomaterial. Thus, there is a case where bone around the lesion is degenerated and secondary surgery is inevitable as a result.
현재 상용되는 종래의 생체 의료용 재료는 하중을 담당하는 내부의 타이타늄과 환부 주위에 삽입되어 인체의 뼈 세포와 유기적으로 결합하게 해 주는 외부의 코팅 조합으로 이루어진다. 종래의 생체 의료용 재료는 본 발명의 일 구현예인 외부의 밀도가 낮고 내부의 밀도가 높은 생체 의료용 타이타늄과 형태가 비슷하나, 종래의 생체 의료용 재료의 경우 높은 탄성계수로 인한 응력차폐 현상이 일어나게 되며 뼈의 퇴화현상으로 인해 재수술이 필요하다. 그러나 본 발명의 생체 의료용 소재는 종래의 생체 의료용 재료보다 낮은 탄성계수를 지니고 있어 응력 차폐 현상을 방지하는데 유리하며 소결 과정을 거쳐 상기 생체 의료용 타이타늄을 만들기 때문에 코팅에 의한 접착력보다 우수하며 그 두께 또한 제어 가능하다.
Current conventional biomedical materials consist of a combination of external coatings that are inserted around the inside of the load bearing titanium and the lesion to allow organic binding of the body's bone cells. Conventional biomedical medical materials are similar to those of biomedical medical titanium having low density and high internal density, which is one embodiment of the present invention. However, in the case of conventional biomedical materials, stress shielding phenomenon due to high elastic modulus occurs, Re-operation is necessary because of the degeneration of the. However, since the biomedical material of the present invention has a lower elastic modulus than that of conventional biomedical materials, it is advantageous in preventing stress shielding and is superior to the adhesion by coating since it makes the biomedical titanium through the sintering process. It is possible.
본 발명에 따른 외부와 내부의 밀도가 다른 의료용 생체 다공성 타이타늄은 상술한 바와 같이, (1)외부에는 기공이 거의 존재하지 않는 치밀 조직이고 내부에는 기공을 포함하는 조직으로서 인체 뼈의 형상을 모방한 형태, (2)내부는 치밀하고 외부는 기공이 많은 형태를 모두 구현하며 인체의 뼈가 지니고 있는 탄성계수(18GPa)와 근접한 탄성계수(30GPa)를 지니도록 하여 응력차폐 현상을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 여타 폴리머나 세라믹과는 다르게 금속 소재를 기본으로 하기 때문에 뼈 이상의 기계적 성질을 구현할 수 있다.
As described above, the medical bio-porous titanium having different outer and inner densities according to the present invention is characterized by (1) a dense tissue having almost no pores on the outside and a pore-containing structure on the inside, (2) The inside is dense and the outside is filled with many pores. It has a elastic modulus (30 GPa) close to the elastic modulus (18 GPa) possessed by the bones of the human body, so that the stress shielding phenomenon can be prevented in advance have. In addition, unlike other polymers and ceramics, since they are based on metal materials, mechanical properties such as bones can be realized.
상기 기공은 타이타늄과 혼합되는 스페이스 홀더가 녹아나오면서 스페이스 홀더가 차지하던 공간에 상당하는 것으로서, 기공의 크기는 180~360㎛인 것이 생체 의료용 소재를 환부에 이식 후 주위 뼈 세포와의 융화에 유리하다.
The pore corresponds to the space occupied by the space holder when the space holder mixed with titanium is melted. The size of the pore is 180 to 360 mu m, which is advantageous for compatibility with surrounding bone cells after transplanting the biomedical material into the affected area .
상기 생체 의료용 소재의 순수 Ti 대비 평균 상대밀도가 0.70~0.84이면 인간 뼈 이상의 강도와 낮은 탄성계수를 지니게 되어 인체에 적합하다. 또한, 상기 생체 의료용 소재의 탄성계수가 33~83GPa인 경우, 종래의 생체 의료용 재료에 비해 응력차폐 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 상기 생체 의료용 소재의 항복강도는 192~450MPa인 것이 뼈 이상의 강도를 지닌다는 측면에서 바람직하다.
When the average relative density of the bio-medical material is 0.70 to 0.84 as compared to pure Ti, it has a strength of a human bone and a low elastic modulus and is suitable for a human body. In addition, when the elastic modulus of the biomedical material is 33 to 83 GPa, the stress shielding phenomenon can be effectively prevented as compared with the conventional biomedical materials. In addition, the yield strength of the biomedical medical material is preferably 192 to 450 MPa in terms of strength of bone or more.
이하, 본 발명의 생체 의료용 다공성 타이타늄의 제조방법에 대해서 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for producing porous titanium for biomedical treatment of the present invention will be described.
먼저, 타이타늄 분말과 스페이스 홀더 분말의 배합비율을 달리하여 밀도가 상이한 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물을 제조한다.First, a first mixture and a second mixture having different densities are prepared by varying the mixing ratio of the titanium powder and the space holder powder.
상기 타이타늄 분말은 약 45㎛ 내외의 크기를 가지는 것이 스페이스 홀더 분말(180~360㎛) 주위를 충분히 감싸 줄 수 있어서 바람직하며 그 이상의 크기 그 이하의 크기로 조절하여 사용할 수도 있다. 또한, 상기 타이타늄 분말은 99.9% 정도의 순도를 가지며 나머지 Al, Cr, Fe, Ni 및 불가피한 불순물을 거의 포함하지 않는 것이 보다 바람직하다. Ti는 반응성이 좋은 재료로서 불순물이 포함될 경우 최종적으로 제조된 생체 의료용 다공성 타이타늄이 오염되어 인체에 유해할 수 있기 때문이다.
It is preferable that the titanium powder has a size of about 45 μm or less because it can sufficiently surround the space holder powder (180 to 360 μm). In addition, the titanium powder has a purity of about 99.9%, and more preferably does not contain remaining Al, Cr, Fe, Ni and unavoidable impurities. Ti is a good reactive material, and if impurities are included, the bio-medical porous titanium finally produced may be contaminated and harmful to the human body.
상기 스페이스 홀더로 사용되는 분말은 뼈세포가 자랄 수 있는 충분한 공간으로 판단되는 180~360㎛의 크기가 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서 스페이스 홀더(space holder)란, 타이타늄 분말과 혼합하여 사용되는 물질이며 열처리나 용액 처리를 하는 경우 타이타늄 분말은 그대로 존재하면서 스페이스 홀더 분말만 녹아 나와 스페이스 홀더가 차지하던 부분에 기공이 형성되도록 하는 물질을 의미한다. 따라서, 스페이스 홀더의 배합비율이 높을수록 생체 의료용 소재에 형성되는 기공이 많아지고 결과적으로 밀도를 떨어뜨리게 된다. 따라서, 타이타늄 분말과 스페이스 홀더의 배합비율을 조절함으로써 밀도를 다양화할 수 있다.The powder used as the space holder preferably has a size of 180 to 360 mu m, which is determined to be a sufficient space for the bone cells to grow, but is not limited thereto. In the present invention, a space holder is a material used in combination with a titanium powder. In the case of heat treatment or solution treatment, the titanium powder remains as it is, and only the space holder powder is melted so that pores are formed in the space occupied by the space holder. Of the substance. Therefore, the higher the mixing ratio of the space holder, the more pores are formed in the biomedical material, resulting in a decrease in density. Therefore, the density can be diversified by controlling the mixing ratio of the titanium powder and the space holder.
스페이스 홀더가 생체 의료용에 쓰일 경우에는 인체에 무해한 물질을 쓰는 것이 일반적이다. 상기 스페이스 홀더의 구체적인 예로서, 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 요소(urea), 녹말(starch) 등의 낮은 녹는점을 가지는 물질을 사용하여 열처리 과정을 통해 녹여내어 기공을 만들 수 있다. 이때, 상기 물질들의 녹는점은 통상적으로 400℃ 이하일 수 있으며, 녹는점 이상의 열처리 과정을 통해 안전하게 녹일 수 있다. 혹은 상기 스페이스 홀더의 예로서, NaCl과 같이 물 또는 알코올과 반응하여 녹는 물질을 이용하여 기공을 만들 수도 있다.
When space holders are used for biomedical applications, it is common to use harmless substances. As a specific example of the space holder, a material having a low melting point such as magnesium (Mg), aluminum (Al), urea, starch, or the like may be used to melt the material through heat treatment to form pores. At this time, the melting point of the materials may be generally 400 ° C or less, and they can be safely melted through a heat treatment process over a melting point. Or, as an example of the space holder, pores may be formed using a material that reacts with water or an alcohol such as NaCl to melt.
상기 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물 중에 포함된 스페이스 홀더로서 요소(urea, CO(NH2)2)를 사용할 경우, 요소의 함량은 0 ~ 30부피%로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물의 밀도가 상이하므로, 제 1혼합물의 요소의 함량이 0부피%인 경우, 제 2 혼합물의 요소의 함량은 0 부피%가 아니어야 한다. 외부와 내부가 다르지 않은 하나의 밀도로 이루어진 다공질 타이타늄에서 요소의 함량이 0부피%일 경우, 요소 분말의 크기에 해당하는 기공이 존재할 수 없어 뼈세포가 자랄 수 있는 환경이 조성되지 않고 낮은 밀도의 생체 의료용 타이타늄 제작이 어려워 뼈 이하의 탄성계수를 가지기 힘들다. 또한, 요소의 함량이 30부피%를 초과할 경우 뼈의 탄성계수보다 낮은 값을 보이나 뼈의 항복 강도보다 약한 물성을 가진다.
When urea, CO (NH 2 ) 2 ) is used as the space holder contained in the first mixture and the second mixture, the content of urea is preferably limited to 0 to 30% by volume. Since the densities of the first mixture and the second mixture are different, when the content of urea of the first mixture is 0 vol%, the content of urea of the second mixture should not be 0 vol%. When the content of the urea is 0 vol% in the porous titanium made of one density which is not different from the inside and the outside, there is no pore corresponding to the size of the urea powder and the environment where the bone cells grow is not formed. It is difficult to make biomedical titanium, and it is difficult to have elastic modulus below bone. Also, when the content of urea exceeds 30% by volume, the elastic modulus of the bone is lower than that of the bone, but it is weaker than the yield strength of the bone.
스페이스 홀더의 종류가 변함에 따라 기공의 모양, 크기 및 분포가 달라질 수 있다. 즉, 요소(urea), 녹말(starch)의 경우 둥근 형태의 기공을 형성하는가 하면, NaCl의 경우 사각형의 기공을 형성한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 스페이스 홀더의 종류가 변함에 따라 생체 의료용 소재의 밀도나 탄성계수는 크게 변하지 않는다. 다만, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 스페이스 홀더의 종류가 변함에 따라 생체 의료용 소재의 항복강도는 크게 변할 수 있다. 스페이스 홀더가 녹말(starch)인 경우, 소결과정에서 스페이스 홀더 주위에 존재하는 매트릭스(matrix)인 타이타늄에 영향을 받아 취화되어 강도가 증가되고 연성이 떨어지는 현상이 일어나기도 하며, 기공의 크기가 너무 커 항복강도에 도달하기도 전에 파괴 될 수도 있다. 즉, 항복강도는 기공의 종류, 크기 및 분포에 영향을 받는다
The shape, size, and distribution of the pores can vary depending on the type of the space holder. That is, urea and starch form round pores, while NaCl form square pores. As shown in FIG. 5, as the type of the space holder is changed, the density and the elastic modulus of the biomedical material do not change greatly. However, as shown in Figs. 6 and 7, the yield strength of the biomedical material may vary greatly depending on the type of the space holder. When the space holder is a starch, it is affected by titanium, which is a matrix existing around the space holder in the sintering process, so that the strength is increased and ductility is lowered, and the pore size is too large It may also be destroyed before the yield strength is reached. That is, the yield strength is influenced by the type, size and distribution of pores
또한, 상기 스페이스 홀더는 인체 건강을 위해서, 99% 이상의 순도를 가지며 Fe, Al 및 불가피한 불순물을 거의 포함하지 않는 것이 보다 바람직하다.
Further, for the sake of human health, it is more preferable that the space holder has a purity of 99% or more and contains substantially no Fe, Al and unavoidable impurities.
상기 타이타늄 분말과 스페이스 홀더 분말을 혼합하는 방식은 롤러, 블렌드 등을 이용하여 6시간 이상 혼합하는 것이 보다 바람직하다.
It is more preferable to mix the titanium powder and the space holder powder by using a roller, a blend or the like for 6 hours or more.
이어서, 밀도가 상이한 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물 중 제 1 혼합물에 압력을 가하여 압분체를 제조한다. 혼합물의 압분체를 제조하기 위한 몰드는 도 3에서 보는 바와 같이 원기둥 형태의 모습을 지니고 있으며 내부에 원기둥바 형태의 빈공간이 존재한다. 가령, 상기 원기둥바 형태의 내부 빈공간의 지름이 8~17mm일 수 있으며, 높이는 12~15mm일 수 있다. 상기 원기둥바 형태의 몰드 안에 제 1 혼합물을 충진하고 일축으로 압축시켜 내부가 될 압분체를 제조할 수 있다. 압축시 가령 120MPa의 압력을 가할 수 있다. 이때, 원기둥의 한쪽 끝 부분은 압력기에서 응력을 받을 때 힘이 분산되도록 표면이 넓은 원기둥 형태로 존재하는 것이 보다 바람직하다. 압분체의 밀도를 균일하게 유지하기 위하여 원기둥의 양쪽 방향에서 압축하는 것이 더욱 바람직하다.
Subsequently, pressure is applied to the first mixture of the first mixture and the second mixture having different densities to prepare a green compact. The mold for producing the green compact of the mixture has a cylindrical shape as shown in FIG. 3, and a hollow space of a cylindrical bar shape exists inside. For example, the diameter of the cylindrical hollow space may be 8 to 17 mm and the height may be 12 to 15 mm. The first mixture is filled in the mold of the cylindrical bar shape and compressed in a single shaft to produce a green compact to be used as a green compact. A pressure of 120 MPa can be applied at the time of compression. At this time, it is more preferable that one end of the cylinder exists in a wide cylindrical shape so that the force is dispersed when stressed by the pressure device. It is more preferable to compress both sides of the cylinder in order to maintain the density of the green compact uniformly.
내부가 될 압분체가 제조되면 이를 내부 빈공간의 지름이 더 큰 원기둥바 형태의 몰드로 옮기고, 밀도가 상이한 제 2 혼합물을 충진하여 상기 압분체의 외곽에 상기 제 2 혼합물의 층을 형성한다. 이후 일축으로 압축시켜 내부와 외부의 밀도가 상이한 압분체를 제조한다. 이 때, 내부가 될 압분체가 상기 원기둥바의 중앙에 끼워져서 고정될 수 있도록 상기 원기둥바의 하단에 작은 홈을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 작은 홈은 지름:10mm, 높이:0.5~1mm 형태일 수 있다.
When a green compact to be used as an internal compact is manufactured, it is transferred to a mold having a cylindrical bar shape having a larger internal cavity and a second mixture having a different density is filled to form a layer of the second mixture on the periphery of the green compact. Thereafter, the green compact is compressed in one axis to produce a green compact having different internal and external densities. At this time, a small groove may be provided at the lower end of the cylindrical bar so that the green compact to be the inner side can be fitted and fixed to the center of the cylindrical bar. For example, the small groove may have a diameter of 10 mm and a height of 0.5 to 1 mm.
이후, 내부와 외부의 밀도가 상이한 압분체 내의 스페이스 홀더를 녹인 후 상기 압분체를 소결한다.Thereafter, the space holder in the green compact having different internal and external densities is melted and the green compact is sintered.
스페이스 홀더를 녹이는 방식은 전술한 바와 같이 스페이스 홀더로 사용된 물질의 녹는점 이상으로 열처리하거나, 물이나 알코올 등을 가하여 녹일 수 있다. 스페이스 홀더를 녹인 후 상기 압분체를 소결할 수 있는데, 이때 고온의 열처리를 통해서 소결할 수도 있고, 고온의 열처리와 가압을 병행하면서 소결할 수도 있다.
The method of dissolving the space holder may be heat treatment at a temperature higher than the melting point of the material used as the space holder, or may be dissolved by adding water or alcohol as described above. The green compact may be sintered after the space holder is melted. At this time, sintering may be performed through a high temperature heat treatment, or sintering may be performed in parallel with high temperature heat treatment and pressurization.
예를 들어, 상기 압분체를 10-3torr이하의 압력 그리고 1000℃의 온도에서 12시간 정도 열처리하여 타이타늄 분말을 소결할 수 있다. 그 이상 혹은 그 이하의 온도에서 열처리 하는 경우도 무방하기는 하나 온도가 낮을 경우 소결이 잘 안되는 특성을 보이며, 온도가 높을 경우, 외부와 내부의 밀도가 다른 다공질 타이타늄의 전체적인 밀도가 증가하여 소망하는 밀도를 얻기가 어렵다. 12시간 초과의 열처리를 하면 경제적 손실이 크며 그 미만의 시간 동안 열처리를 하면 소망하는 소결성을 얻기 어렵다.
For example, the green compact may be heat treated at a pressure of 10 -3 torr or less and at a temperature of 1000 ° C for about 12 hours to sinter the titanium powder. It is possible to heat at a temperature higher than or less than that, but the sintering is not easily performed when the temperature is low. When the temperature is high, the overall density of the porous titanium having a different outer and inner densities increases, Density is difficult to obtain. If the heat treatment is performed for more than 12 hours, the economic loss is large, and if the heat treatment is performed for less than 12 hours, it is difficult to obtain the desired sintering property.
도 2는 소결 후 최종적으로 제조된 본 발명의 일례에 따른 생체 의료용 다공성 타이타늄의 단면 사진이다. 도2(a)의 경우, 내부에 기공이 상대적으로 많이 형성되어 있음을 확인할 수 있으며, 내부의 밀도가 외부의 밀도에 비해 낮음을 유추해 볼 수 있다. 반대로 도 2(b)의 경우, 외부에 기공이 상대적으로 많이 형성되어 있음을 확인할 수 있으며, 외부의 밀도가 내부의 밀도에 비해 낮음을 유추해 볼 수 있다.
FIG. 2 is a cross-sectional photograph of a porous titanium for biomedical treatment according to an example of the present invention finally produced after sintering. In FIG. 2 (a), it can be seen that a relatively large number of pores are formed in the interior, and that the density of the interior is lower than the density of the exterior. Conversely, in the case of FIG. 2 (b), it can be seen that a relatively large number of pores are formed on the outside, and that the density of the outside is lower than the density of the inside.
형성되는 기공의 분율은 타이타늄 분말과 혼합되는 스페이스 홀더의 양을 조절하여 다양화할 수 있다.
The proportion of pores formed can be varied by adjusting the amount of space holder to be mixed with the titanium powder.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention in more detail and do not limit the scope of the present invention.
(( 실시예Example 1) One)
외부와 내부의 밀도가 다른 원통형 구조를 설명하기에 앞서 외부와 내부의 밀도가 같은 원통형 구조를 설명하면 다음과 같다.Before describing the cylindrical structure having different densities from the inside to the outside, a cylindrical structure having the same outer and inner densities will be described as follows.
부피비 기준을로, 타이타늄 분말과 요소 분말을 100:0, 90:10, 80:20, 70:30의 분율로 6시간 이상 롤러에서 혼합한다. 이때 타이타늄의 밀도를 4.16g/㎤, 요소의 밀도를 1.32g/㎤로 고려하였다. 도 3에 도시한 지름 17㎜의 몰드에 혼합된 분말을 넣어 약 120MPa 상하 펀치의 압력으로 지름 17㎜, 높이 15㎜의 압분체를 제작하였다. 이렇게 제작된 압분체의 요소를 제거하기 위하여, 200℃의 온도에서 3시간 동안 열처리하여 다공질 타이타늄 압분체를 만들고, 1000℃의 온도에서 10-3~-4torr의 압력으로 12시간 동안 열처리하여 다공질 타이타튬 압분체를 소결하였다.
Titanium powder and urea powder are mixed in the rollers at a ratio of 100: 0, 90:10, 80:20, 70:30 for 6 hours or more, on a volume basis basis. At this time, the density of titanium was 4.16 g /
이어서, 아르키메데스의 원리를 이용하여 에탄올에서의 비중을 통해 이에 대한 밀도를 계산하여 표 1에 나타내었다. 이때, 4.516g/㎤에 대한 상대밀도를 계산하였다. Ti100%-urea0%의 경우 분말끼리 완벽하게 붙지 않고 마이크로 기공을 가지므로 상대밀도는 1보다 낮은 값으로 나타난다.
Then, using the principle of Archimedes, the density thereof was calculated through specific gravity in ethanol, and it is shown in Table 1. At this time, the relative density for 4.516 g / cm < 3 > was calculated. In case of Ti100% -urea0%, the relative density is lower than 1 because the powder does not adhere completely but has micropores.
Cylindrical structure with external and internal densities
이렇게 제작된 외부와 내부의 밀도가 같은 원통형 구조는 소결 후, 열처리 과정에 의해 수축 현상이 일어난다. 따라서 높이 10mm, 지름 10mm의 원통형 시편으로 가공하여 압축 항복 강도 및 탄성계수를 측정하였다. 이에 대한 결과는 표2에 나타내었다. 이때 압축 항복 강도는 0.2% off set을 사용하였다.
The cylindrical structure having the same outer and inner densities is shrunk by heat treatment after sintering. Therefore, the compressive yield strength and the elastic modulus were measured by machining a cylindrical specimen having a height of 10 mm and a diameter of 10 mm. The results are shown in Table 2. The compressive yield strength was 0.2% off set.
Cylindrical structure with external and internal densities
상기 표 2의 결과에서, 요소 부피의 함량이 30%가 넘어가면 뼈의 탄성계수에 근접한 30GPa 이하로 도달할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
From the results shown in Table 2, it can be confirmed that when the content of urea exceeds 30%, it can reach 30 GPa or less close to the elastic modulus of bone.
이를 토대로, 외부와 내부가 다른 밀도를 지닌 원통형 다공체를 설계하였다. 이때 밀도의 조합은 총 9가지로, 외부가 Ti100%-urea0%, Ti90%-urea10%, Ti80%-urea20%의 혼합 부피비로 이루어져 있을 때, 각각에 대하여 내부가 Ti90%-urea10%, Ti80%-urea20%, Ti70%-urea30%인 원통형 압분체를 설계하였다.
Based on this, a cylindrical porous body having different densities from the outside to the inside was designed. In this case, the total number of combinations of the densities is 9, and when the outer portion is composed of Ti100% -urea0%, Ti90% -urea10% and Ti80% -urea20%, the inside is Ti90% -urea10%, Ti80% -
내부의 압분체는 도 3에 도시한 지름 8mm의 몰드로 도 4에서와 같은 과정을 통해 120MPa의 상하펀치 압력으로 지름 8mm, 높이 15mm의 원통형 압분체를 제작하였다. 이렇게 제작된 압분체는 도 4에서와 같이 지름 17mm의 상하펀치에 존재하는 지름8mm, 높이0.5mm의 홈에 결속한 후, 몰드에 끼우고 외부를 형성할 혼합 분말을 넣어 120MPa의 상하펀치 압력으로 지름 17mm, 높이 17mm의 외부와 내부의 밀도가 다른 원통형 압분체를 제작하였다. 이를 200℃의 온도에서 3시간 동안 열처리하여 요소를 날려버리고 외부와 내부의 밀도가 다른 타이타늄 압분체를 제작한 후, 이를 1000℃의 온도에서 12시간 동안 열처리하여 소결하였다.
A green compact having a diameter of 8 mm and a height of 15 mm was manufactured by the upper and lower punch pressures of 120 MPa through the process of FIG. 4 with a mold having a diameter of 8 mm shown in FIG. As shown in Fig. 4, the thus prepared green compact was bonded to grooves having a diameter of 8 mm and a height of 0.5 mm existing in the upper and lower punches having diameters of 17 mm, and then the mixed powder to be fitted into the mold was formed, A cylindrical green compact having a diameter of 17 mm and a height of 17 mm having different densities was manufactured. This was heat treated at 200 ° C for 3 hours to blow off the elements, and then a titanium green compact having different densities of the inside and outside was prepared and then sintered by heat treatment at 1000 ° C for 12 hours.
상기 외부와 내부의 밀도가 다른 타이타늄의 상대밀도를 표 3에 나타내었다. 이때, 4.516g/㎤에 대한 상대밀도를 계산하였다.
Table 3 shows the relative densities of the titanium with different densities of the outside and inside. At this time, the relative density for 4.516 g / cm < 3 > was calculated.
Cylindrical structure with different densities of outside and inside
상기 표 3에서 상대 밀도는 외부와 내부의 밀도가 다른 원통형 구조의 타이타늄을 지름 10㎜, 높이 10㎜의 원통형으로 절삭하여, 측정한 결과이다. 이는 외부와 내부의 밀도가 다른 원통형 구조에서 외부와 내부의 밀도를 각각 잴 수 없으므로, 이를 하나의 원통형 구조로 만든 후, 전체의 밀도를 측정한 결과이다.
In Table 3, the relative density is a result of measuring a cylinder having a cylindrical structure having different densities of the inside and the outside, into a cylindrical shape having a diameter of 10 mm and a height of 10 mm. This is because the density of the outside and inside can not be measured in a cylindrical structure having different outer and inner densities, and the result is the result of measuring the overall density after making it into a cylindrical structure.
이렇게 제작된 외부와 내부의 밀도가 다른 원통형 구조는 소결 후, 열처리 과정에 의해 수축 현상이 일어난다. 따라서 지름 10mm, 높이 10mm의 원통형 시편으로 가공하여 압축 항복 강도 및 탄성계수를 측정하였다. 이에 대한 결과는 표4에 나타내었다. 이때 압축 항복 강도는 0.2% off set을 사용하였다.
In the cylindrical structure having the outer and inner densities different from each other, shrinkage occurs due to heat treatment after sintering. Therefore, the compressive yield strength and the elastic modulus were measured by machining with a cylindrical specimen having a diameter of 10 mm and a height of 10 mm. The results are shown in Table 4. The compressive yield strength was 0.2% off set.
Cylindrical structure with different densities of outside and inside
상기 표 4와 같이 외부와 내부의 밀도가 다른 원통형 다공질 타이타늄은 내부가 Ti70%-urea30%의 부피비로 존재하고 있을 경우 뼈와 비슷한 탄성계수인 30GPa정도를 가지는 것을 확인할 수 있으며 이때의 압축 항복강도는 약 200MPa 정도를 가진다는 것을 확인할 수 있다.
As can be seen from Table 4, cylindrical porous titanium having different densities of the inside and outside has a resilience coefficient of 30 GPa similar to bone when the inside is present in a volume ratio of 70% -urea of Ti of 30%, and the compressive yield strength It can be confirmed that it has about 200 MPa.
도 1은 외부가 Ti 100% - urea 0%, 내부가 Ti 80% - urea 20%인 원통형 다공질로 이루어진 생체 의료용 소재의 사진으로서 육안으로 보기에도 기공에 의한 구조가 다르며 이에 따른 밀도가 다른 것을 확인시켜 준다. 또한, 소결 전 내부와 외부의 압분체 제작이 나누어 진행되었음에도 불구하고 경계선이나 결함이 없는 것으로 보아 소결이 잘 이루어져 있음을 확인할 수 있다.
Fig. 1 is a photograph of a biomedical material made of a cylindrical porous material having an outer portion of
(( 실시예Example 2) 2)
한편, 요소의 크기가 180~360㎛인 경우, 요소의 크기가 1㎜ 이상인 경우 및 녹말(starch) 100㎛ 이하인 스페이스 홀더를 사용하여, 타이타늄과 스페이스 홀더의 부피비를 9:1, 8:2 및 7:3으로 조절하여, 상기 실시예 1의 방법으로 다공성 타이타늄을 제조하였다.
On the other hand, when the size of the element is 180 to 360 mu m, the volume ratio of the titanium and the space holder is set to 9: 1, 8: 2, and 10: 1 by using a space holder having an element size of 1 mm or more and a starch of 100 mu m or less. 7: 3 to prepare porous titanium by the method of Example 1 above.
이렇게 제조된 다공성 타이타늄의 압축 강도를 측정하여 이를 도 8에 나타내었다. 도 8의 (a)는 스페이스 홀더의 크기가 180~360㎛인 경우로서, 어떠한 부피비에서도 우수한 강도를 확보할 수 있으나, (b)는 스페이스 홀더의 크기가 1㎜ 이상인 경우로서, 타이타늄과 요소의 부피비가 7:3에서는 불안정한 압축강도를 가지며, (c)는 스페이스 홀더가 녹말이 경우로, 제조된 기공의 크기가 100㎛이하인 경우이며, 이때에는 압축 강도가 매우 열위에 있게 되는 것을 확인할 수 있다.
The compressive strength of the porous titanium thus prepared was measured and shown in FIG. Fig. 8 (a) shows a case where the size of the space holder is 180 to 360 m, and excellent strength can be secured in any volume ratio. Fig. 8 (b) shows a case where the size of the space holder is 1 mm or more, (C) shows a case where the space holder is starch, and the size of the produced pores is 100 탆 or less. At this time, it can be confirmed that the compressive strength is very low .
Claims (10)
Wherein the biomedical material has a density different from the inside and the outside of the biomedical material, and the biomedical material is titanium and has pores.
상기 기공의 크기는 180~360㎛인 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄.
The method according to claim 1,
Wherein the pore size is 180 to 360 mu m.
상기 생체 의료용 소재의 순수 Ti 대비 평균 상대밀도는 0.72~0.83인 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄.
The method according to claim 1,
Wherein the bio-medical material has an average relative density of 0.72 to 0.83 with respect to pure Ti.
상기 생체 의료용 소재의 탄성계수는 33~83GPa인 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄.
The method according to claim 1,
Wherein the biomedical material has an elastic modulus of 33 to 83 GPa.
상기 생체 의료용 소재의 항복강도는 192~450MPa인 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄.
The method according to claim 1,
Wherein said biomedical material has a yield strength of 192 to 450 MPa.
상기 제 1 혼합물에 압력을 가하여 압분체를 제조하는 단계;
상기 압분체의 외곽에 상기 제 2 혼합물의 층을 형성한 후 압력을 가하여 내부와 외부의 밀도가 상이한 압분체를 제조하는 단계; 및
상기 내부와 외부의 밀도가 상이한 압분체 내의 스페이스 홀더를 녹인 후 상기 압분체를 소결하는 단계
포함하는 생체 의료용 다공성 타이타늄의 제조방법.
Preparing a first mixture and a second mixture having different densities by varying a mixing ratio of the titanium powder and the space holder powder;
Applying pressure to the first mixture to produce a green compact;
Forming a second mixture layer on the outer periphery of the green compact, applying pressure to the green compact to produce a green compact having different densities between the inside and the outside; And
Melting the space holder in the green compact having different internal and external densities and then sintering the green compact
Containing porous titanium.
상기 스페이스 홀더는 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 요소(urea), 녹말(starch), NaCl 중 1종 이상인 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄의 제조방법.
The method of claim 6,
Wherein the space holder is at least one of magnesium (Mg), aluminum (Al), urea, starch, and NaCl.
상기 스페이스 홀더는 상기 스페이스 홀더의 녹는 점 이상으로 가열하거나 물 또는 에탄올을 가하여 녹이는 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄의 제조방법.
The method of claim 6,
Wherein the space holder is heated to a temperature not lower than the melting point of the space holder or dissolved by adding water or ethanol.
상기 스페이스 홀더의 크기는 180~360㎛인 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄의 제조방법.
The method of claim 6,
Wherein the space holder has a size of 180 to 360 mu m.
상기 타이타늄 분말과 스페이스 홀더 분말의 배합비율은 부피분율로 타이타늄:스페이스 홀더가 100~70:0~30인 것인, 생체 의료용 다공성 타이타늄의 제조방법.The method of claim 6,
Wherein the mixing ratio of the titanium powder to the space holder powder is in a volume fraction of 100: 70: 0 to 30: Titanium: Space Holder.
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