가교결합 조건변화에 의한 인공관절용 초고분자량폴리에틸렌의 기계적 성질 향상 = Improvement of Mechanical Properties of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene for Orthopedic Implants by Changing Cross-linking Conditions

국문 초록 (Abstract)

급속하게 증가하는 노령인구의 증가로 인하여 관철치환술은 나날이 증가하는 추세이다. 이로써 인공관절의 수명척도로 생체재료에 대한 관심이 부각되어지기 시작하였으며, 인공관절 부품으로는 티타늄(Ti-6Al-4V ELI), 코발트크롬몰리브덴 합금(Co-Cr-Mo), 세라믹, 지르코늄과 초고분자폴리에틸렌(UHMWPE) 등이 사용 되어지고 있다.
초고분자량폴리에틸렌은 관절의 회전체 역할을 하는 메탈재질과 접촉하기 때문에 마모에 대한 성능이 중요하게 부각 되어져 왔다. 마모를 통해 일어나는 마모입자들은 골용해현상을 일으켜 결국 환자의 극심한 고통을 초래하게 되어 재수술을 요구하게 된다.
인공관절은 생체내에 삽입 되어지는 의료부품이므로 반드시 멸균을 필요로 한다. 의료부품 멸균은 감마선 조사를 통해 일반적으로 이루어진다. 감마선 조사방법은 멸균에 대한 신뢰성 및 저온에서 조사가 가능한 장점을 가지고 있기 때문에 많이 이용되는 기법이다.
감마선 조사는 초고분자량폴리에틸렌 재료에 가교(Crosslinking), 분할 (Scission), 산화(Oxidation)를 발생시킨다. 가교는 초고분자폴리에틸렌의 기계적 특성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 그러나 감마선 조사선량에 대한 기계적 특성변화에 대한 정량적인 수치가 제시되지 못하고 있다. 또한 감마선 조사를 통해 발생된 프리래디컬(free radical)은 공기와 접촉하여 산화를 일으킨다. 이러한 산화를 방지하기 위해서는 프리래디컬을 제거해야 하는 열처리를 필요로 한다. 이처럼 감마선 조사선량과 열처리 조건에 대한 물리화학적 및 기계적인 특성에 대한 고찰은 초고분자량폴리에틸렌 부품의 신뢰성을 획득할 수 있는 기초가 될 것이다.
본 논문에서는 이를 위해 가교 조건 변화에 따른 초고분자량폴리에틸렌의 특성변화를 검토하고자 하였다. 먼저 감마선 조사가 초고분자량폴리에틸렌의 가교, 분할, 산화를 일으키는 것을 검증하기 위하여 감마선 조사를 가진 초고분자량폴리에틸렌 시편을 가지고 FT-IR 고분자 시험을 실시하였다. 또한 감마선 조사선량에 따른 기계적 특성을 파악하기 위해 각각 시험규격에 따른 인장, 압축, 경도시험편을 제작하여 시험을 실시하였다.
이와 같은 시편을 가지고 감마선 조사선량에 따른 기계적 시험을 통하여 힘-변위의 관계를 측정하였고, 응력-변형률 곡선으로 변환하여 항복강도와 극한강도, 연신율을 구하였다. 감마선 조사선량에 따른 기계적 성질이 우수하게 나타난 조사선량을 선정한 후 감마선 조사가 산화를 일으키는 지를 확인하기 위해 FT-IR분석으로 산화여부를 분석하였다.
초고분자량폴리에틸렌의 산화를 억제하기 위한 열처리 조건에 대한 기계적 특성변화를 고찰하기 위해 감마선 조사된 초고분자량폴리에티렌 환봉을 열처리하였다. 열처리온도 조건은 초고분자량폴리에틸렌의 열변형온도가 125∼138℃이므로 Annealing 온도와 Remelting온도 범위를 구분하여 선정하였다. 열처리된 시편은 기계시험 규격에 따른 크기로 시편을 제작하여 기계적 특성변화를 관찰하였다.
결론적으로 초고분자폴리에틸렌의 기계적 특성에 영향을 미치는 감마선 및 열처리 공정에 대한 기계적인 특성 관계를 검토하였으며, 유효화된 구성화 모델을 수립하였다. 이로써 정량적인 기계적 특성에 대한 수치를 제시하였으며 이는 다양한 인공관절 부품의 설계 및 재료의 변형에 대한 기초적인 자료를 제시하는 토대가 될 것으로 판단한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The population of older generation is rapidly increasing in daily due to the increasing trend of joint replacement surgery. In the lifetime of artificial joints as a measure interest in biomaterial that has been emerging recently, mainly Titanium (Ti-6Al-4V ELI), Cobalt- Chromium-Molybdenum alloy (Co-Cr-Mo), Ceramics like zirconium, ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) is being used.
The UHMWPE has been emerging as wear resistant for articulation of artificial joint because of its contact to the metal directly. Wear and tear of UHMWPE leads to a patient's fraying osteolosis particles that are causing severe pain, demanding revision surgery.
Artificial joints are inserted within the biometric devices, as it must be sterilized as per medical needs. Sterilized medical devices are typically achieved through gamma ray irradiation process. For reliability, and gamma ray irradiation low-temperature sterilization method is possible in the irradiation because it has many advantages of the techniques used.
Gamma ray irradiation causes cross-linking, scission, oxidation to UHMWPE material. Consequently, it improves the mechanical properties of UHMWPE. However, the gamma ray dose irradiates quantitative changes in the mechanical properties and this picture is not clear yet. It also rises through a gamma ray survey of the free radical oxidation contact with the air crash. In order to prevent this free radical oxidation and remove it, heat treatment is necessary. The heat treatment for the condition and the gamma ray dose investigate chemical, mechanical and physical characteristics of ultra high molecular insights about the reliability of parts is based on standard values.
This paper describes the changes in the conditions of cross-linking process for ultra-high molecular polyethylene. First, FT-IR testing has been conducted for the polymer like crosslinking, scission, causing oxidation by gamma ray irradiation. In addition, mechanical properties of gamma ray dose irradiation to determine the standards for each test tensile, compression, hardness specimens was produced by conducting the test. Also, mechanical properties for each gamma ray irradiation dose are checked through the relationship of loaddisplacement, stress-strain converting the yield curve and extreme intensity, measuring elongation.
UHMWPE bar has heat treatments in order to consider mechanical properties changing about heat treatment conditions for reduce oxidation. Annealing temperature condition choose below 138℃ and re-melting temperature conditions choose upper 138℃. Because melting point of UHMWPE was approximately 138℃. Specimen for heat treatment is made according to the mechanical testing standard to record the change in mechanical properties.
Through these testing it is verified that the gamma ray dose effect UHMWPE mechanical properties. Hence it could be set up validated constructive model. For quantitative figures presented by the mechanical properties of artificial joints to various parts of the design and material variation from the basic (virgin) materials for a standard that will be presented to judge this issue.

목차 (Table of Contents)

• 1장 서론 = 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 = 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 = 3
• 2장 이론적 배경 = 6
• 2.1 초고분자량폴리에틸렌(UHMWPE)의 개요 = 6
• 2.2 인공고관절과 UHMWPE = 13
• 2.3 인공무릎관절과 UHMWPE = 16
• 2.4 UHMWPE의 가교결합과 산화 = 18
• 2.4.1 가교결합의 메커니즘 = 18
• 2.4.2 UHMWPE의 산화 = 22
• 2.4.3 감마선 조사와 열처리 = 24
• 2.5 UHMWPE의 물리화학적 특성 = 26
• 2.5.1 UHMWPE의 형태학적 특성 = 26
• 2.5.2 UHMWPE의 점성도 = 30
• 2.5.3 FT-IR = 32
• 2.6 UHMWPE의 기계적 특성 = 34
• 3장 실험방법 및 조건 = 38
• 3.1 UHMWPE의 감마선 조사 = 38
• 3.2 UHMWPE의 열처리 = 39
• 3.3 UHMWPE의 기계적 특성시험 = 40
• 3.3.1 인장시험 = 40
• 3.3.2 압축시험 = 41
• 3.3.3 경도시험 = 43
• 3.4 UHMWPE의 미세조직 분석 = 44
• 3.4.1 FT-IR = 44
• 3.4.2 SEM 관찰 = 45
• 3.4.3 VIDEO 광학현미경 관찰 = 45
• 4장 결과 및 고찰 = 46
• 4.1 감마선 조사선량과 기계적 특성 = 46
• 4.1.1 인장시험 결과 = 46
• 4.1.2 압축시험 결과 = 49
• 4.1.3 경도시험 결과 = 50
• 4.2 열처리 조건과 기계적 특성 = 52
• 4.2.1 인장시험 결과 = 52
• 4.2.2 경도시험 결과 = 55
• 4.3 UHMWPE의 미세조직 분석 = 56
• 4.3.1 FT-IR 결과 = 56
• 4.3.2 SEM 결과 = 58
• 4.3.3 VIDEO 광학현미경 결과 = 60
• 5장 결론 = 63
• 참고 문헌 = 66
• ABSTRACT = 72