표면 텍스처링 된 인공 고관절 재료의 마찰/마모 특성에 대한 연구

Abstract

인공 고관절의 볼-소켓 베어링은 두 슬라이딩 면의 경계 마찰로 인해 생성 된 마모 입자가 여러 문제를 유발한다. 초고분자량 폴리에틸렌 소켓의 마모 입자는 현재 고관절 인공 삽입물의 실패를 유발하는 주요한 원인으로 규명 되었다. 고관절 인공 삽입물의 또 다른 위험성은 금속 골두 또는 소켓에서 발생하는 미세 금속 마모 입자의 세포 독성이다. 세포 독성의 부작용으로 인해 금속 대 금속 조합 고관절 베어링이 갖는 장점에도 불구하고 사용이 금지 되었다. 따라서 고관절 베어링 마찰 쌍의 윤활 특성 향상을 통한 내마모성 강화와 세포 독성의 위험성이 적은 생체 친화적 금속 재료에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는, 표면 텍스처링을 티타늄 합금에 적용하여 마찰 및 마모 특성을 조사하고, 금속 대 금속 조합 인공 고관절 마찰 쌍으로의 이용 가능성을 파악 하였다. 이를 위해 패턴(딤플) 형상과 밀도는 텍스처링 된 고관절 재료의 윤활 특성에 대한 기존의 연구에서 최적화 된 값을 이용 하였다. 또한, 초기 고관절 인공 삽입물로 사용 되었던 스테인리스 스틸에도 동일한 패턴을 가공하여 텍스처링 된 티타늄 합금과 비교 하였다. 윤활 실험 조건은 기존의 고관절 연구와 고관절 마모 실험 규격 (ISO14242-1)을 참조하여 선정하였다. 결과적으로, 두 재료의 마찰 그리고 마모 거동은 동일한 실험 조건에서 반대의 경향을 보였다. 딤플이 없는 표면과 비교하여, 딤플이 있는 스테인리스 스틸은 마찰과 마모 모두 감소 되었으나, 딤플이 있는 티타늄 표면은 마찰과 마모 모두 증가 하였다. 그 차이는 마모 실험 동안의 가공 경화층 생성 유무에 따라 발생 되었다. 표면 가공 경화는 딤플의 마모를 억제하여 마모 실험 동안 딤플이 마모 입자를 수집 하게 하였다. 이것은 스테인리스 스틸 표면에서의 연삭 마모를 감소 시킨다. 반면 티타늄 합금의 경우, 가공 경화가 발생하지 않았고, 딤플이 심하게 변형 되어 마모 실험 동안 완전히 제거 되었다. 변형은 특히 딤플 모서리와 그 주변부에서 발생 하였으며 티타늄의 산소 친화성에 의해 경질의 산화 마모입자가 생성 되면서 연삭 마모를 가속 하였다. 두 재료의 딤플 모서리 변형 해석 결과에서도 실험과 마찬가지로 티타늄 표면의 딤플 모서리가 더 변형 된 것을 확인 하였다. 본 연구의 결과에 따르면, 표면 텍스처링 된 티타늄 합금은 재료의 마찰 및 마모 특성의 저하로 인해 금속 대 금속 조합 인공 고관절의 응용이 어려워 보인다. 딤플의 변형과 빠른 마모가 마찰 및 마모 특성을 저하시키는 원인으로 조사 되었다. 본 연구에서는 가공 경화 된 스테인리스 스틸의 딤플이 유지 되는 것을 확인하고 티타늄 합금을 열 산화 하여 표면에 경질의 산화막을 생성한 후, 텍스처링 된 표면의 딤플 형상과 마찰 및 마모 특성이 변화 하는지 확인 하였다. 결과적으로 열 산화와 표면 텍스처링을 동시에 적용한 티타늄 표면의 마찰과 마모 특성이 현저히 향상 되었다. 스테인리스 스틸 샘플과 동일하게 딤플의 형상이 유지 되면서 마모 입자를 수집하는 역할을 하였다. 인공 고관절의 마모 환경에서 표면 텍스처링 방법만으로 티타늄 합금의 낮은 내마모성을 개선 하여 금속 대 금속 조합 고관절 마찰쌍으로 이용하기는 어렵다는 것을 확인 하였다. 표면 텍스처링과 함께 열 산화법 등의 방법으로 경질의 티타늄 산화층을 생성 한다면 딤플이 유지되어 티타늄 재료의 마찰 및 마모 성능 향상을 이끌어 낼 수 있다. 즉, 표면 텍스처링 방법은 이종 재료 조합 또는 내마모성이 우수한 동일 금속 조합 그리고 세라믹 조합의 마찰/마모 성능 개선에는 적합한 방법이나 내마모성이 낮은 티타늄 대 티타늄 조합의 마찰/마모 특성 향상에는 적합하지 못하다. 티타늄 재료의 금속 대 금속 조합 고관절 응용을 위해서는 표면 개질법을 통한 내마모성 향상이 선행 된 후, 표면 텍스처링 방법을 적용하여야 마찰 및 마모 특성을 크게 개선 할 수 있다.