확산 경화 기술의 적용 document_id A220623065786

의료용 이식물 재료, 특히 정형외과용 이식물 재료는 고강도, 내부식성 및 조직 친화성을 겸해야 한다. 이식물의 수명은 이식물을 받는 사람이 비교적 젊은 경우 특히 우선적으로 중요한데, 이식물이 환자의 일생 전체에 걸쳐 기능을 하는 것이 바람직하기 때문이다. 특정한 금속 합금은 필요한 기계적인 강도 및 생체 친화성을 갖기 때문에, 이러한 금속 합금은 이식 보철물(prosthesis)의 제작에 이상적이다. 이러한 합금에는 316L 스테인리스 스틸, 크롬-코발트-몰리브덴 합금(CoCr), 티타늄 합금, 및 최근에 하중 지지 및 비하중 지지 이식 보철물 제작에 가장 적합한 재료로 입증된 지르코늄 합금이 포함된다. 종래의 고관절부(hip) 이식물에서 CoCr 합금 대퇴부 두부(femoral head)는 폴리에틸렌에 대해서 관절 연결된다. 각각의 관절 연결 구성 요소의 상대적인 경도 때문에, 이러한 종류의 이식물을 종래 기술에서는 종종 경질 대 연질(hard-on-soft) 이식물이라고 하며, CoCr 합금이 관절 결합의 경질 구성 요소이고 폴리에틸렌은 대응하는 연질 구성 요소이다. 이식물의 수명 기간 동안 폴리에틸렌의 마모는 경질 구성 요소의 마모보다 더 심하다. 폴리에틸렌 마모 잔해물은 골용해(osteolysis) 및 이식물의 헐거워짐으로 이어질 수 있다. 이러한 마모를 감소시키기 위해 종래 기술에서 상당한 노력들이 있었다. 접근 방법들 중 하나는 마모 특성을 개선시키기 위해 예를 들어 교차 결합(cross linking)에 의해 폴리에틸렌의 특성을 변화시키는 것이다. 또 다른 접근 방법은 대퇴부 두부의 특성을 변화시키는 것이다. 이러한 접근 방법은 데이빗슨(Davidson) 특허(미국 특허 제5,037,438호)에 개시되었다. 데이빗슨 특허는 폴레에틸린의 마모를 감소시키기 위해 산화 지르코늄 표면 사용을 권장하다. 이러한 접근법으로 폴리에틸렌의 마모를 상당히 감소시킬 수 있지만, 좀 더 내마모성인 이식물에 대한 요구가 증가되고 있다. 이러한 필요는 관절 교체후 정상적인 삶으로 되돌아가길 원하는 젊고 활동적인 환자로부터 발생된다. 젊고 활동적인 환자에게 필요한 또 다른 요건은 관절의 안정성이다. 통상적으로 해부학적으로 크기가 큰 관절은 작은 관절보다 더 안정적이다. 폴리에틸렌은 강도가 낮기 때문에 특정한 크기 이상으로 제조될 수 없으므로 젊고 활동적인 환자에 대한 사용이 제한된다. 이로 인해 경질 대 경질 금속 이식물이 출현하게 되었다. 현재, 주로 두 가지 종류의 경질 대 경질 고관절부 이식물이 상업적으로 판매되고 있다. 바로 [금속 합금 대 금속 합금(metal alloy-on-metal alloy)을 포함하는] 금속 대 금속(metal-on-metal) 및 세라믹 대 세라믹(ceramic-on-ceramic)이다. 금속 대 금속 이식물의 현재 표준 재료는 고탄소 CoCr 합금이다. 금속 대 금속 이식물의 주요 문제점은 관절로부터 방출되는 금속 이온 및 신체 생리학에 알려지지 않은 영향이다. 금속 대 금속 이식물의 이점은 크기가 클 수 있다는 것이다. 이식물의 크기가 크면 운동 범위가 넓어지고 관절 안정성이 좀 더 나아질 수 있다. 금속 대 금속 이식물은 뼈의 보존을 원하는 타입의 응용 분야에서 재성형에 유용하다는 것이 밝혀졌다. 크기가 큰 관절에서, 종래의 또는 교차 결합된 폴리에틸렌은 바람직하지 않으며, 금속 대 금속만이 유일하게 가능한 선택 사항이다. 크기가 크면 폴리에틸렌 라이너(liner)는 얇아야 한다. 얇은 라이너는 기계적 강하지 않고, 더 잘 변형되거나 마모가 증가 및 골용해로 이어져서 결국에는 이식물이 파손된다. 통상적으로 경질 대 경질 이식물의 종류는 현격이 넓어질 수 있다. 금속이나 세라믹 또는 이들의 조합으로 만들어진 서로 관절 연결되는 구성 요소를 포함할 수 있다. 본원에서 경질이라는 용어는 금속이나 세라믹을 의미한다. 그러므로 "경질 대 경질(hard-on-hard)"은 금속 대 금속, 금속 대 세라믹, 및 세라믹 대 세라믹일 수 있다. 전술된 기재에서 "금속(metal)"은 순수한 금속과 금속 합금을 모두 포함한다. 기타 공통적으로 사용되는 경질 대 경질 관절은 세라믹 대 세라믹이다. 세라믹 대 세라믹 이식물의 현재 표준 재료는 알루미나이다. 통상적으로 금속 이온 방출은 이러한 이식물의 문제점이 아니다. 세라믹의 제한된 거칠기와 부서지기 쉬운 특성 때문에 이식물을 크게 만드는 것이 어렵다. 세라믹 구성 요소는 한정된 골절 가능성을 가지므로 잠재적으로 관절 파손 및 관절 골절과 관련된 복잡한 문제로 이어진다. 대부분의 종래 기술의 목적은 금속 이온 방출을 감소시키고, 금속과 세라믹 구성 요소를 조합하여 골절 위험을 최소화하는 것이다. 휘셔(Fisher) 등의 특허 출원(미국 특허 출원 제2005/0033442) 및 칸드카(Khandkar) 등의 특허(미국 특허 제6,881,229호)는 금속 대 세라믹 관절 연결을 가지는 이식물의 사용을 개시한다. 피셔 특허는 금속 구성 요소와 세라믹 구성 요소 사이의 경도 차이는 적어도 4000 MPa이라고 개시하고 있다. 칸드카 특허는 특히 금속 요소에 대해서 관절 연결되기 위한 질화 규소 세라믹 구성 요소의 사용을 개시한다. 두 가지 경우에서, 목적은 정합하는 결합의 마모를 낮추는 것이다. 하지만, 두 가지 경우에서 세라믹의 골절 위험성은 여전히 심각하다. 두 가지 경우, 세라믹 구성 요소의 강도는 관절이 제조될 수 있는 크기에 영향을 준다. 두 가지 경우에 있어서 금속 표면과 정합하는 것은 바로 세라믹 표면인 것에 주목해야 한다. 상세히 후술된 바와 같이, 본 발명의 목적은 두 가지 구성 요소 표면이 본질적으로 금속인 경우 정합하는 결합의 마모를 감소시키는 것이다. 다른 접근 방법에서 리핀콧(Lippincott) 및 메들리(Medley) 특허(미국 특허 제6,059,830)는 정합하는 고관절부 구성 요소에 기하학적인 제약을 가하는 것을 개시한다. 상기 '830 특허는 정합 구성 요소의 반경 차이가 50 마이크로미터 이하가 되도록 구성 요소를 사용하는 것을 개시한다. 이러한 반경의 작은 차이로 인해 두꺼운 유체 막 형성이 촉진되므로, 정합하는 금속 구성 요소의 마모가 감소된다. 이러한 방법의 단점은 그러한 기밀한 공차를 갖는 구성 요소를 제조하기 위해서는 복잡한 제조 설비가 필요하다는 것이다. 저마모의 경질 대 경질 금속 결합에 관한 문제점은 의료용 이식물 분야에만 국한된 것이 아니라, 예를 들어 자동차 및 항공 구성 요소를 포함하여 기타 기술 분야에도 존재한다. 기타 베어링 응용 분야도 개선된 결합으로부터 이점을 얻게 된다. 본 발명의 발명자는 두 개의 접촉 표면, 특히 서로 관절 연결되는 접촉 표면들 중 하나의 표면을 상이하게 처리함으로써 마모 감소가 현격히 개선될 수 있기 때문에 전술된 지나친 제조 접근 방법은 필요하지 않다는 것을 발견하였다.