양극산화와 석회화 순환 처리에 의해 표면개질된 Ti-6Al-4V 합금 임플란트의 생체활성도 및 골유착 평가

서 론

순 타이타늄과 몇몇 타이타늄 합금은 우수한 내부식성과 생체적합성을 가지고 있고, 생체에 매식되었을 때 표면에 인산칼슘이 석출되어 골과 결합이 일어나는 골유착(osseo-integration)의 특성을 나타내므로 치과 및 정형외과용 임플란트 재료로서 널리 사용되고 있다 (1, 2). 타이타늄의 이러한 골유착 특성은 대기 중에서 표면에 자발적으로 생성되는 비반응성 타이타늄 산화층(TiO₂) 형성의 결과이다. 임플란트의 기계가공과 멸균과정에서 생성되는 TiO₂ rutile 구조는 화학적, 열역학적으로 안정하기 때문에 생체 내에서 거의 독성반응을 보이지 않지만, 생체 불활성이기 때문에 생체활성 재료에 비해 골유착 기간이 길게 소요되는 문제점을 가지고 있다 (3).

표면처리기술에 나노기술이 접목되면서 임플란트 소재분야에서는 Ti, Nb, Zr 등과 같은 밸브금속 표면에 산화물 나노튜브층을 형성하는 많은 연구가 이루어졌으며, 양극산화처리법은 그의 유용한 수단의 하나로서 평가되고 있다 (4, 5). 양극산화처리 방법은 다양한 형상을 가지는 타이타늄 임플란트 표면에 균일한 나노튜브 TiO₂ 층을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 전해질 수용액의 조성 또는 인가전압과 전류를 조절하여 나노튜브의 길이와 직경을 제어할 수 있고, 저비용으로 다량의 임플란트에 대한 표면처리가 가능하여 경제적인 장점을 가지고 있다 (4, 6). 또한 양극산화처리하여 형성된 나노튜브 TiO₂ 층은 타이타늄 모재와 화학적으로 결합되어 있으므로 임플란트 표면과 산화피막층 사이의 결합력이 높다 (7, 8).

생체불활성을 가진 타이타늄 표면에 생체활성을 부여하기 위해 생체활성을 가진 세라믹 재료를 타이타늄 표면에 코팅하는 방법이 도입되어 임플란트 매식 초기에 골유착을 촉진시킬 수 있게 되었지만 타이타늄 표면과 코팅층 사이의 결합력이 약해 코팅층의 박리나 파괴에 의해 임상 적용 시 성공률이 저하되는 단점을 가지고 있다 (9, 10). 따라서, 최근에는 생체활성물질을 코팅한 것과 같은 효과를 가지면서도 높은 피막 안정성을 갖는 임플란트 표면처리 방법에 대한 관심이 증가되고 있으며, 그의 가장 효과적인 방법의 하나로서 인산염과 칼슘 이온을 함유하는 수용액에 침적하여 인산칼슘의 석출을 유도하는 석회화 순환처리법(cyclic precalcification)이 검토되고 있다 (11-13).

본 연구에서는 Ti–6Al–4V 합금 임플란트의 생체활성도를 개선하기 위해서 수산화인회석(hydroxyapatite; 이하 HAp) 분말을 사용하여 분사처리(RBM 처리, 대조군)를 한 후 양극산화 처리를 통해 임플란트 표면에 나노튜브 TiO₂ 층을 형성한 다음 인산염과 칼슘이온을 함유하는 용액에서 석회화 순환처리를 통해 인산칼슘 층을 형성(RACP 처리, 시험군) 후 열처리를 통해 인산칼슘층의 구조를 안정화하여, 이러한 표면처리가 임플란트의 생체활성도와 골유착에 미치는 영향에 대하여 조사하였다.

재료 및 방법

1. 나노튜브 TiO₂ 층 형성을 위한 양극산화 처리

본 연구에서 시편은 직경 5㎜ Ti-6Al-4V 합금봉(Kobe Steel Ltd, Japan)으로 제작한 직경 2㎜×길이 3.5㎜ 임플란트(KJMEDTECH Co, Ltd, Korea)를 사용하였다 (Fig. 1 (a)). 평균입경이 100 – 150㎛와 90㎛ 이하인 HAp 분말(MCD powder, Hi-Med, USA)을 50 : 50으로 혼합한 후 임플란트 표면에서 10㎜ 떨어진 위치에서 4기압의 압력으로 분사처리(Resorbable Blasting Media, RBM)를 하였다. 분사처리 표면은 2 vol.% HNO₃ 수용액으로 10분간 산세처리를 하였고, 아세톤과 알코올 용액에서 각각 5분간 초음파 세척한 다음 증류수로 세척하여 양극산화처리 전까지 50℃의 건조기에서 보관하였다.

Figure 1.

SEM image (a) of experimental Ti-6Al-4V alloy implant specimen and X-ray image (b) of rat tibias placed with titanium implants.

임플란트의 표면층에 형성된 산화물을 제거를 위해 HNO₃ : HF : H₂O를 12 : 7 : 81로 혼합한 용액에 10초 동안 산세처리 한 후 3차 증류수로 세척하고 건조하여 양극산화 처리에 사용하였다. 양극산화처리를 위한 전해질 수용액은 ethylene-glycol에 H₂O 20wt.%와 NH4F 1wt.%를 첨가하여 준비하였다. 준비한 시편과 백금판을 DC 정전원 장치(Inverter Tech Co, Ltd., Korea)의 양극과 음극에 각각 연결하고 두 전극이 서로 마주하도록 약 20㎜로 간격으로 고정한 후 전해액에 위치시켰으며, 전압 25V, 전류밀도 20㎃/㎠으로 설정한 상태에서 60분간 양극산화처리를 하였다. 양극산화처리 후 3차 증류수에서 20초간 초음파 세척하였으며, 50℃의 건조기에 보관하였다.

결 과

1. 임플란트 표면 관찰

Figure 2는 Ti-6Al-4V 합금제 임플란트를 양극산화 처리한 표면(a), 양극산화처리 후 석회화 순환처리한 표면(b) 및 SBF 용액에 3일간 침적한 표면의 FE-SEM 사진이고, Table 1은 그의 EDS 분석 결과이다. RBM 처리 후 양극산화처리한 표면에 생성된 나노튜브들은 완전한 자기정렬 형태를 이루며 치밀한 구조로 생성된 양상을 보였다(a). 석회화 순환처리한 표면에서는 인산칼슘의 석출물이 나노튜브층을 뒤덮고 있는 양상이 관찰되었으며(b), SBF 3일 침적 후 골유사 아파타이트의 석출 초기에 관찰되는 돌기상이 치밀한 구조로 생성되었으며(c), Ca/P의 원자비는 1.6±0.1을 보였다 (Table 1).

Figure 2.

FE-SEM images of Ti-6Al-4V alloy implants. (a) anodized (100K); (b) cyclic precalcified (10K), (c) immersed in SBF solution for 3 days (5K).

Table 1.

Ca and P concentration on the treated implant surfaces

Figure 3은 RBM 처리군과 석회화 순환처리군 임플란트를 시험쥐에 4주간 매식한 다음 removal torque를 측정한 결과이다. RBM 처리만을 시행한 대조군 임플란트에서는 (10.8±2.5)N.cm, RACP 처리한 임플란트군에서는 (23.2±2.8)N·cm로 유의하게 높은 결과를 보였다 (P<0.05).

Figure 3.

Removal torque (N․㎝) after implantation for 4 weeks.

Figure 4는 removal torque 측정 후 임플란트 표면을 FE-SEM으로 관찰한 사진이고 Table 2는 그의 EDS 분석 결과이다. RBM 처리군의 표면에서는 주로 신생골과 임플란트 사이의 계면에서 파절이 일어난 양상을 보였지만, RACP 처리군의 표면에서는 신생골의 응집파절과 계면파절이 혼재하는 양상을 보였으며 Ca와 P의 함량이 RBM 처리군에 비해 상대적으로 높게 나타났다.

Figure 4.

FE-SEM images of removed implant surfaces. (a) RBM-treated; (b) RACP-treated.

Table 2.

Ca and P concentration of removed implant surface

고 찰

임플란트용 타이타늄 합금은 생체적합성이 우수할 뿐만 아니라 높은 내식성 및 기계적 성질을 가지고 있어 치과용 임플란트 소재로 많이 사용되고 있다. Ti-6Al-4V 합금은 α+β형의 대표적인 타이타늄 합금으로서 높은 강도가 요구되는 부위의 임플란트 생체재료로 이용되고 있다. 그렇지만 합금 성분 중에는 인체 유해성분인 V와 Al과 같은 원소가 포함되어 있으므로 1990년대 중반부터 학계를 중심으로 이 합금의 표면처리 또는 대체용 합금 소재의 개발에 관한 연구가 이루어져 왔다 (14, 15).

임플란트의 표면층에 골유착능을 향상시키고 생체적합성을 개선하기 위해 임플란트 표면을 마이크로/나노 구조로 개질시키는 방법이 연구되어 오고 있다. 임플란트의 나노구조의 표면은 보다 넓은 표면적을 제공함으로써 골유착에 보다 효과적인 것으로 보고된 바 있다 (16). 또한 TiO₂와 HAp와 같은 생체 세라믹의 표면에서도 전형적인 마이크로구조를 이루는 표면에 비해서 나노구조의 표면에서 조골세포의 증식이 촉진되는 것이 보고된 바 있다 (17, 18). 임플란트 표면에 형성된 나노튜브는 다양한 생체활성물질 또는 약물 등을 담지할 수 있는 공간으로 이용될 수 있다. 나노튜브 안에 담지된 약물 또는 생체활성물질들은 임플란트 매식 부위에만 한정적으로 작용하여, 약물을 복용으로 야기될 수 있는 전신적인 부작용을 감소시킬 수 있는 점 등을 들 수 있다 (19, 20).

타이타늄 임플란트의 표면에 생체활성을 향상시켜 골전도성을 개선하기 위한 많은 방법들이 연구되고 있다 (21-24). 그 중에서 석회화 전처리법은 뼈의 주성분인 인산염과 칼슘 이온을 함유하는 수용액을 이용하여 임플란트 표면에 형성된 TiO₂ 층과 수용액 내 이온들 사이의 산-염기 반응 유도를 통해 임플란트 표면에 생체활성을 부여함으로 써 인체 내에서 골유사 아파타이트의 석출을 촉진한다 (11, 25). 한편 Kodama 등 (12)은 실온에서 0.02 M NH₄H₂PO₄ 수용액과 Ca(OH)₂ 포화 수용액에 대한 20회의 순환침적 후 37℃의 유사체액에 2일과 7일 동안 침적한 결과, HAp의 석출이 빠르게 가속되었다고 보고하였다. 본 연구에서는 90℃의 0.05 M NaH₂PO₄ 수용액과 90℃ Ca(OH)₂ 포화수용액에 각각 1분을 주기로 20회의 순환침적처리를 한 다음 유사체액에 3일 동안 침적한 결과, 임플란트 표면에서 골유사 아파타이트의 석출 초기에 나타나는 돌기상이 관찰되어 생체활성이 개선된 결과를 보이며 Ca와 P의 유의한 농도의 증가를 보였다 (P<0.05). 또한 본 연구에서는 직경 2 ㎜×길이 3.5 ㎜의 Ti-6Al-4V 합금제 임플란트 시편을 준비한 다음 나노튜브를 형성하고 상기의 절차에 따라 석회화 순환처리를 한 다음 쥐의 경골에 매식하고서 removal torque를 측정한 결과, 무처리군과 석회화 순환처리군에서 각각 10.8±2.5N·cm와 23.2±2.8N·cm로서 석회화순환처리군에서 유의하게 높은 결과를 보여 골과의 결합력이 크게 개선된 결과를 보였으며, 파면관찰 결과에서도 RBM 처리군에서는 신생골과 임플란트 사이의 계면파절을 보인 반면 석회화 순환처리를 시행한 RACP군에서는 계면파절과 신생골 내 응집파절 양상이 혼재된 양상을 골과의 결합력이 개선되었음을 확인할 수 있었으며, RACP군의 제거한 임플란트 표면에서 Ca와 P의 함량은 RBM 처리군에 비해 상대적으로 높게 나타났다.

결 론

본 연구에서는 Ti–6Al–4V 합금제 임플란트의 생체적합성과 생체활성도를 개선할 목적으로 HAp 분말을 사용하여 RBM 처리를 한 다음 ethylene-glycol에 H₂O 20wt%와 NH4F 1 wt%를 첨가하여 준비한 전해질 용액에서 25 V 전압을 60분 동안 인가하여 양극산화 나노튜브 TiO₂ 층을 형성하였다. 양극산화 처리 후 나노튜브 TiO₂ 층의 생체활성도를 개선하기 위해 90℃의 0.5 M NaH₂PO₄ 수용액과 90℃의 Ca(OH)₂ 포화 수용액을 준비한 다음 침적시간 1분을 주기로 하여 각각 20회 순환침적처리를 실시하고 피막층의 안정화와 불순물 제거를 위해 500℃의 전기로에서 2시간 동안 열처리하였다. 이후 생체활성도를 조사하기 위해 유사체액에 3일간 침적한 후 아파타이트의 석출 양상을 조사하였고, 표면처리가 골결합에 미치는 영향을 조사하기 위해 준비한 임플란트를 시험쥐의 경골에 매식하고서 4주가 경과한 후 removal torque를 측정한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. RBM 처리 후 양극산화 처리한 표면에서는 나노튜브 TiO₂들이 완전한 자기정렬 형태를 이루며 치밀한 구조로 생성된 양상을 보였다.
2. 석회화 순환처리한 표면에서는 인산칼슘 석출물이 덩어리상으로 석출되어 나노튜브층을 뒤덮었으며, SBF 3일 침적 후 골유사 아파타이트 석출 초기단계에 관찰되는 돌기상이 치밀하게 석출되어 활성도가 개선된 양상을 보였다.
3. RBM 처리군과 RACP 처리군(RBM 처리-양극산화처리-석회화순환처리) 임플란트를 쥐의 경골에 4주간 매식했을 때의 removal torque는 각각 10.8±2.5N·cm와 23.2±2.8N·cm로서 석회화순환처리군에서 유의하게 높게 나타났으며 (P<0.05), 제거한 임플란트의 파면분석 결과, RBM 처리군의 표면에서는 신생골과 임플란트 사이의 계면 파절을 보였지만, RACP 처리군에서는 신생골의 응집파절 및 신생골과 임플란트 사이의 계면파절이 혼재하는 양상을 보였다.

Acknowledgments

이 논문은 정부 (미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2016R1A2B4011697).

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