티타늄(Titanium, Ti)은 치과에서 임플란트 재료 및 교정재료로 널리 사용되고 있는 금속이며 앞으로 치과재료로 광범위한 용도로 사용하기 위해 연구되고 있는 금속이므로 티타늄 금속에 대해 알아보고자 한다.

　

1. 티타늄

티타늄은 원자번호 22, 원자량 47.9이며 지표면에서 알루미늄, 철, 마그네슘에 이어 4번째로 풍부한 금속 원소이다. 티타늄은 순수상태로 자연에 존재하지 않고 95% 이상이 산화티타늄(TiO2)형태로 존재하며 정제과정과 작업이 매우 어렵다.

1) 물리적 성질

밀도(4.54 g/  )가 작아 비교적 가벼운 금속으로 Al(2.71)과 Fe(7.87)의 중간 정도이다.

융점(1688  )이 Fe(1536  )보다 높다.

열전도율과 전기전도율이 낮다

탄성계수(11.7 kg/  )는 Al과 Fe의 중간이며 무게에 비하여 높은 강도를 지닌다.

결정격자는 883  이하에서는 조밀육방정(HCP,  상), 833  이상에서는 체심입방격자 (BCC,  상) 구조로 변함에 따라 화학적 성질이 변한다.

2) 화학적 성질

(1) 내식성

티타늄은 O, N와 친화력이 강하고 활성금속이므로 반응성이 매우 높아 물이나 공기 또는 체액에 노출되면 빠르게 산화되어 수 1/1000초 내에 10  두께의 산화막이 저절로 형성되고 1분 이내에 산화막은 100  두께가 된다. 즉 이 산화막은 부식되기 어려운 상태의 부 동태 피막으로 금이나 백금 다음 가는 우수한 내식성을 갖는다.

티타늄과 그 합금표면이 산화막으로 피복되면 금속이온이 유출되지 않으므로 내식석이 우수하고 응력부식이 거의 없다.

부동태 상태에서는 TiO2의 용해성이 매우 낮으나 시간이 지남에 따라 금속표면은 거의 변화가 없고 조직내에 티타늄이 축적된다. - 인체조직내의 정상 티타늄 양 50ppm, 임플란트 주위 연조직에 100~300ppm 정도 축적되므로 주위조직에 변색을 유발할 수 있다.

임상적인 면에서 보면

금속이 부동태화 되었다는 것이 부식이 전혀 되지 않는다는 것이 아니라 표면에 존재하는 보호막에 의해서 부식속도가 현저히 감소된다는 것을 의미하며 매우 느린 속도로도 부식을 일으킬 수 있다.

응력은 금속의 환경과 기계적 변화를 일으키고 금속과 산화막의 특성을 변화시킨다.

국소적으로 발생하는 부식은 금속표면에 존재하는 다양한 화학적 성분(주조과정 중에 함유되는 주조체의 불순물, 기계적 밀링과정 또는 절삭과정 중에 발생하는 표면오염)에 의해 결정된다. 오염된 부위에서는 산화막의 보호효과가 감소되어 부식된다.

(2) 고온산화

수백도 이상의 고온에서는 산화피막의 치밀성이 없어져 산소가 피막층을 쉽게 확산하여 내부 금속의 산화가 진행된다.

고온산화의 진행도는  ↔  변태온도(약 882  )에서 산화영향을 받는 층의 두께가 다르다. 변태온도 이하(  상)에서는 0.1~0.2mm, 변태온도 이상(  상)에서는 0.2~0.3mm, 1000  이상에서는 약 1mm이다.

산화는 시간이 흐름에 따라 직선적으로 커지므로 엷은 제품이나 구조용 재료의 인성을 해치게 된다. 따라서 고온열처리 작업을 할 때는 고진공이나 이르곤가스 하에서 실시해야 한다. Ti이 고온(600  )에서 재질이 악화하는 것을 개선하기 위해 Al을 첨가하여 내산화 성을 향상시킨다. 가장 흔한 합금의 형태는 90%Ti-6% Al-4%V이다.

3) 티타늄의 치과응용

① 가공형태 : 임플란트, 교정용 선재, 근관file 및 기구

② 주조형태 : 금관·의치상 재료, 계속가공의치, 국소의치의 metal flame·clasp, 도재소 부용

4) 티타늄의 특성

① 생체친화성이 우수하다. : 표면에 산화막이 형성되어 전기 화학적 부식에 저항성이 높게된다. 구강내에서 독성이나 알레르기 반응이 거의 없다.

② 가벼워 의치상으로 적합하다. : 금보다 4배, Co-Cr보다 2배정도 가벼워 이물감이 없다.

③ 강도가 높고 탄성률이 낮다.

④ 열전도율이 낮다. : 치아의 법랑질과 비슷하여 냉온음식에 자극을 덜 받는다.

⑤ 연신율이 높다. : bunishing이 가능하고 연마도 쉽다.

⑥ 금속맛이 없다.

⑦ 용융온도가 높다.

⑧ 가격이 비싸다.

⑨ 이종금속간 전류현상(galvanism)이 없다.

5) 티타늄의 분류

상용 순티타늄은 산소와 철의 함량에 따라 4등급으로 나눈다. 등급4로 갈수록 산소와 철의 양이 많아지며 인장강도와 항복강도가 커지지만 연신율은 낮아진다. 치과용으로는 등급2가 주로 사용되며, 나머지 등급은 등급에 따라 항공기의 프레임, 담수화 장치, 선박부품, 판형열교환기, 항공기엔진부품, 응축기 및 증발기의 관, 수술시의 삽입기구, 공기압축기 등에 사용하고 있다.

6) 티타늄의 가공성

스테인레스강, 동 보다는 가공성이 떨어지지만 적절한 기법을 사용하면 매우 정교하게 가공 또는 연마할 수 있다.

열전도율이 낮아 집중적인 전기아크 납착은 가능하지만 절단하는 동안 열을 빨리 분산시키지 못한다. 탄성률이 낮기 때문에 가공하는 동안 절단기에서 이탈하기 쉽다.

의치상이나 금관 등 교합조정이나 연마시에 사용하는 기구나 연마, 절삭속도, 냉각 정도에 따라 수복물의 성질이 달라질 수 있으므로 이를 고려하여 사용해야 한다.

연마시에는 매우 미세안 TiO2 연마제를 사용해야 한다.

7) 티타늄의 주조의 문제점

① 고온용융온도 때문에 금속오염을 막을 수 있는 특수한 용융과정, 냉각과정, 매몰재, 주조장비가 필요하다.

② 화학적 반응: 티타늄은 고온(600  )에서 기체원소(수소, 산소, 질소) 및 매몰재와 쉽게 반응하므로 진공가압 또는 진공원심 아르곤주조기의 개발 및 티타늄 매몰재가 요구된다.

③ 비중이 낮다 : 티타늄은 비중이 낮아 중력이 20배 이상의 힘을 가해야 하므로 electric arc melting 주조기가 사용된다.

④ 주조수축이 크다.

⑤ 납착이 어려웠지만 티타늄 납착기가 개발되어 납착이 가능하게 되었다.

 

2. 티타늄 합금

Ti의 성질을 개선하기 위해 Al, Sn, Mn, Fe, Cr, Mo, V 등이 첨가된다.

1) Ti-Ni 합금

치과영역에서는 교정용 선재의 소재로 많이 사용되며 일반 합금명은 Nitinol로 알려져 있다.

45%Ti-55%Ni의 원자비가 1 : 1인 금속 간화합물의 경우 형상기억효과와 초탄성 효과가 있다.

① 형상기억효과(shape memorial effect) : 고온에서 한 번 형상을 기억시켜 놓으면 변태점이하의 온도에서 변형시키더라도 온도가 상승하면 본래의 형태로 복귀하는 성질

② 초탄성효과(ultraelastic effect) : 변태온도보다 높은 온도에서는 크게 변형을 주더라도 하중을 제거하면 본래의 형상으로 되돌아 가는 성질

내식성 : stainless steel, Co-Cr < Ti-Ni < Ti계 금속

응용분야 : splint for fractured bone, 인공관절 및 인공골의 골내 조절, 척추측만증 교정용 pole, 인공심장과 인공신장의 펌프, 치과교정용 wire, 인공치근 등

2) 티타늄 합금주물

Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4V, Ti-15Mo-5Zr합금 등이 주로 사용.

화학공업용 밸브나 펌프부품, 항공기부품에 많이 사용.

고정성 및 가철성 보철재료로 사용.

Au무게의 1/4, Pd의 1/3, Ni의 1/2 정도로 가볍고 열전도성이 낮으며, 구강 내에서 금속성 맛을 내지 않음.

융점이 높고 산화되기 쉬우며 낮은 비중 때문에 원심주조기로는 주조가 어려우나 eletric arc meltin 과 같은 주조기가 개발되어 주조가능.

주조수축이 크므로(금합금 1.25%, Ti 1.5~1.7%, Ni-Cr 합금 2.1%) 매몰재를 개발 중이다.