치과 임플란트 지대주 용 Ti합금의 안정성에 미치는 TiN, TiCN 및 DLC 코팅의 영향

1. 코팅시편준비

본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금 디스크(ASTM Grade V, Kobe Steel, Kobe, Japan)를 사용하였다. 시편은 직경 15 mm, 두께 20 mm로 제작하였으며, 표면은 #200, #600, #1200 연마지(Sanko, Tokyo, Japan)를 이용하여 가시적인 흠집이 보이지 않을 때까지 순차적으로 연마하였다. 연마가 완료된 시편은 초음파 세척기(BRANSON 3510, Branson Ultrasonics, Danbury, USA, USA)를 이용하여 아세톤(ACS grade, Daejung Chemicals, Siheung, korea), 에탄올(99.9%, Merck, Darmstadt, Germany), 증류수 순으로 각각 12분씩 세척한 후, 실온에서 24시간 공기 건조하였다.

실험에 사용된 지대주는 시판용 표준 지대주(KJ Meditech, Gwangju, Korea, 한국)를 사용하였다. 준비된 지대주 역시 동일한 조건에서 아세톤, 에탄올, 증류수로 각각 12분간 초음파 세척 후 건조하여 후속 실험에 사용하였다.

2. 코팅 공정

코팅은 반응성 하이브리드 플라즈마 증착 시스템(J&L Tech, Gwangju, Korea)을 사용하여 수행하였다. 공정은 다음과 같이 진행되었다. 먼저 시편을 화학적으로 세정하여 오염물과 산화층을 제거하였다(1단계). 이후 증착 챔버에 시편을 로딩한 후(2단계), 로터리 펌프와 터보 펌프를 이용하여 5×10⁻⁵ Torr 이하의 고진공 상태로 유지하였다(3단계). 시편은 200℃에서 60분간 예비가열 후, Ar⁺ 이온빔(1000 V)으로 10분간 물리적 세정(ion beam cleaning)을 수행하였고(4단계), 이어서 동일한 Ar⁺ 이온을 30분간 추가 조사하여 표면을 활성화하였다(5단계).

증착 단계(6단계)에서 TiN 및 TiCN 코팅은 아크 이온 플레이팅(Arc Ion Plating, AIP) 방식으로 증착되었으며, TiN 코팅에는 질소(N₂), TiCN 코팅에는 질소(N₂)와 아세틸렌(C₂H₂)의 혼합가스(C₂ H₂ : N₂ = 1:9)를 사용하였다. DLC 코팅은 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 방식으로 C₂ H₂ 전구체를 사용하여 증착하였다. 증착 조건은 다음과 같다: TiN, 바이어스 전압 ‒150 V, 증착 시간 60분, N₂ 유량 1200 sccm; TiCN, 바이어스 전압 ‒150 V, 증착 시간 60분, 가스 유량 N₂ 1000 sccm, C₂H₂ 100 sccm; DLC, 바이어스 전압 ‒100 V, 증착 시간 90분, C₂H₂ 유량 300 sccm.

모든 증착은 약 100분 내외로 진행되었으며, 조건은 사전 실험을 통해 최적화하였다. 증착 완료 후 시편은 챔버 내에서 180분간 자연 냉각 후 대기 중으로 회수하였다(7단계).

3. 표면관찰 및 조성분석

코팅된 TiN, TiCN 및 DLC 박막의 표면형상 및 단면 구조는 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM; S-4700, Hitachi, Tokyo, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 이를 통해 코팅층의 균일성, 두께, 기판과의 접착성을 확인하였다. 또한 에너지분산형 분광분석기(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS; EX-200, Hitachi, Tokyo, Japan)와 정량분석 소프트웨어(INCA, Oxford Instruments, UK)를 사용하여 각 코팅의 원소 조성을 분석하였다. 결정구조는 X-선 회절분석기(X-ray diffractometer, X’pert, Philips, Eindhoven, Netherlands)를 사용하였으며, Cu Kα 선(λ=1.5418 Å)을 이용하여 20° – 80°의 범위에서 측정하였다. 분석된 XRD 패턴은 JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards) 데이터베이스와 비교하여 결정상을 확인하였다.

4. 코팅의 결합력 측정

코팅의 접합 강도는 두 가지 방법으로 평가하였다. 우선 로크웰 경도시험기(Rockwell hardness tester; HR-200, Mitutoyo, Kawasaki, Japan)를 이용하여 VDI 3198 규격을 변형 적용하였다. 압입자는 120° 다이아몬드 원추형 팁(구형 반경 200 µm)을 사용하였으며, 하중은 Rockwell C 스케일 기준인 150 kgf로 설정하였다. 압흔 주변의 박리 및 균열 양상을 관찰하여 코팅의 접합력을 정성적으로 평가하였다.

추가적으로 스크래치 테스터(scratch tester; JSLT022, J&L Tech, Korea)를 이용하여 박막의 임계 하중을 측정하였다. 다이아몬드 압입자를 사용하여 초기 하중 0.5 N에서 최대 30 N까지 하중을 점진적으로 증가시켰으며, 하중 증가 속도는 1.3 N/s, 스크래치 길이는 5 mm, 이동 속도는 0.22 mm/s로 설정하였다. 스크래치 시험 결과 발생한 박리 및 균열 형태를 분석하여 코팅의 결합력을 정량적으로 평가하였다.

5. 코팅의 경도 및 탄성계수 측정

코팅된 Ti-6Al-4V 합금 표면의 기계적 특성(경도 및 탄성계수)은 나노인덴테이션 장치(TTX-NHT3, Anton Paar, Austria)를 이용하여 평가하였다. 시험 조건은 최대 하중 15 mN, 하중 가압 및 제거 시간 각각 30초, 최대 하중에서의 유지 시간 5초로 설정하였다. 각 시편당 5회 반복 압입을 실시하였으며, 압입 간 간격은 상호 간섭을 방지할 수 있도록 충분히 떨어뜨려 배치하였다. 측정 데이터는 Oliver-Pharr 방법을 적용하여 분석하였다. 이 방법은 하중–변위 곡선(load–displacement curve)으로부터 최대 하중과 접촉 면적을 기반으로 경도를 산출하고, 언로딩(unloading) 곡선의 초기 기울기에서 탄성계수를 도출하는 표준화된 방법이다. 특히 박막 코팅의 경우 기판 효과를 최소화하기 위해 압입 깊이가 코팅 두께의 10%를 초과하지 않도록 하였다. 또한, 측정 신뢰성을 확보하기 위해 압입 깊이가 표면 거칠기(Ra)의 최소 20배 이상이 되도록 설정하였다.

6. 코팅된 표면의 마찰·마모 시험

코팅된 시편의 마찰계수는 볼-온-디스크(ball-on-disk) 방식의 트리보미터를 이용하여 측정하였다. 상대마모재로는 직경 6 mm 알루미나 볼을 사용하였으며, 시험 전 시편 표면은 에탄올로 세척 후 압축공기로 건조하였다. 시험 조건은 회전 반경 5 mm, 선속도 3 cm/s, 수직 하중 1.0 N으로 설정하였다. 총 미끄럼 거리는 200 m까지 진행하였으며, 시험 동안 마찰계수를 연속적으로 기록하여 초기 및 정상상태 거동을 분석하였다. 각 조건은 동일하게 3회 반복하여 재현성을 확보하였다. 시험 후 마모 트랙은 광학현미경 및 프로필로미터로 관찰하여 마모 특성을 평가하였다.

7. 전기화학적 부식시험

코팅된 시편의 내식성은 동전위분극시험(potentiodynamic polarization)을 이용하여 평가하였으며 전기화학적 측정은 전위차계(potentiostat; Model 2273, EG&G, Princeton, USA)를 사용하여 수행하였다. 전해질은 0.9% NaCl 용액을 사용하였으며, 온도는 36.5±1℃로 유지하였다. 작업전극은 시험편을, 보조전극은 고밀도 탄소 전극을, 기준 전극은 포화 칼로멜 전극(saturated calomel electrode, SCE)을 각각 사용하였다. 동전위분극시험은 개방회로전위에서 10분간 안정화시킨 후 수행하였으며, 용액 내 불순물과 용존 산소 제거를 위해 아르곤 가스를 주입하였다. 시험 후 얻어진 결과를 통하여 코팅막의 부식 전위, 전류 밀도 및 전기화학적 특성을 종합적으로 평가하였다.

8. 세포 배양 및 증식 평가

MC3T3-E1 세포주(ATCC, Manassas, VA, USA)를 사용하였으며, 세포는 α-MEM(아스코르브산 제거, Gibco, USA)에 10% FBS, 100 U/mL 페니실린, 100 µg/mL 스트렙토마이신, 1 mM sodium pyruvate를 첨가하여 37℃, 5% CO₂ 조건에서 배양하였다. 세포는 Ti-6Al-4V, TiN, TiCN 및 DLC 시편이 배치된 24 well plate에 5×10⁴ cells/well의 밀도로 분주하여 36시간 동안 부착시킨 후 실험에 사용하였다.

세포의 부착 및 형태는 10% 포르말린 고정 후 Rhodamine-phalloidin으로 F-actin을 염색하고, DAPI로 핵을 염색하여 형광현미경(Nikon, Japan)으로 관찰하였다.

세포 증식은 MTT assay로 평가하였다. 각 시편군에 0.5 mg/mL MTT 용액을 처리하여 4시간 반응시킨 후 formazan을 isopropanol 용액에 용해하였고, 570 nm에서 흡광도를 측정하였다. 모든 실험은 3회 반복하여 평균값과 표준편차로 분석하였다.

1. 코팅막 표면 관찰

세 가지 종류의 코팅이 플라즈마 증착법을 통해 치과용 지대주와 Ti-6Al-4V 합금에 성공적으로 적용되었다. Figure 1에 나타난 바와 같이, 코팅된 표면은 다음과 같이 서로 다른 색상을 보였다. TiN 코팅은 특유의 금색을 나타냈고, TiN에 소량의 탄소를 첨가하여 만든 TiCN 코팅은 로즈골드 색상을 보였다. DLC 코팅은 고유의 검은색 마감을 보여주었다. 각 코팅의 이러한 뚜렷한 색상 차이는 고유한 화학적 조성 및 구조적 특성이 반영된 것으로 생각된다 (16).

Figure 1.

Photograph of coated dental abutments and Ti-6Al-4V alloy disks via plasma deposition: (a) Abutments with TiN (gold), TiCN (rose gold), and DLC (black) coatings; (b) Disk samples.

Figure 2는 플라즈마 코팅이 Ti-6Al-4V 합금 표면의 미세구조에 미치는 영향을 광학현미경으로 관찰한 것이다. 코팅 전 시편(a)은 기계적 가공 흔적으로 인한 뚜렷한 긁힘과 거친 표면을 보였다. 코팅 후, 모든 시편에서 표면의 거칠기가 감소되고 매끈한 형태를 보였다. TiN 코팅(b)은 균일한 금색 코팅층이 형성되었으며, 기존 긁힘 자국이 완화된 모습을 나타냈다. TiCN 코팅(c)은 전반적으로 매끄럽고 균일한 표면 특성을 보였다. 특히 DLC 코팅(d)은 가장 평활한 표면을 보였으며, 코팅 전 존재했던 기계적인 가공에 의한 긁힘 자국이 거의 사라지고 표면 거칠기와 결함이 현저히 줄어든 모습이 관찰되었다. 이러한 결과는 코팅 재료별 특성에 따라 표면 형상이 달라짐을 보여주며, 특히 DLC 코팅이 표면 평활도 개선에 효과적임을 알 수 있다.

Figure 2.

Optical micrographs of surfaces at ×25 magnifications : (a) Ti-6Al-4V alloy, (b) TiN coating, (c) TiCN coating, and (d) DLC coating.

Figure 3은 Ti-6Al-4V 기판 위에 증착된 DLC, TiCN 및 TiN 코팅의 X-선 회절(XRD) 패턴을 나타낸 것이다. 각 코팅은 뚜렷한 결정 구조적 특징과 배향성을 보여주고 있다. TiN 코팅에서는 약 36.6° 부근에서 뚜렷한 강도의 피크가 관찰되었으며, 이는 면심입방(face-centered cubic, FCC) 구조의 (111)면을 나타내는 피크이며 해당 피크는 TiN이 높은 결정성을 가지며 (111)방향으로 우선 배향(preferred orientation)을 형성하였음을 알 수 있다. TiCN 코팅의 경우, 가장 강한 피크가 약 42.0°에서 나타났으며 이는 (200)면에서 검출된 피크를 나타내며 이는 TiN의 (111) 우세 배향과 차별화되는 결과로, 탄소 원자의 격자 내 도입에 의해 결정 구조가 변형되고 (200) 배향이 강화된 것으로 해석된다 (17). 탄소 함량 증가에 따른 격자 왜곡과 이에 따른 회절 피크 강도의 변화는 기존 문헌에서도 보고된 바 있으며, 이러한 (200)면 우세 배향은 높은 원자 충진률로 인해 마모 저항성과 경도 향상과 밀접한 관련이 있다. 따라서 TiCN 코팅은 TiN 대비 우수한 내구성과 기계적 강도를 제공할 수 있음을 알 수 있다.

Figure 3.

X-ray diffraction (XRD) patterns of DLC (black), TiCN (red), and TiN (blue) coatings deposited on a Ti-6Al-4V substrate.

반면, DLC 코팅은 전형적인 비정질 구조 특성을 나타냈다. 약 25° – 45° 범위에서 관찰되는 넓고 낮은 강도의 hump는 장거리 규칙성이 부족한 비정질 탄소 구조의 특징으로, 결정질 코팅(TiN, TiCN)과는 뚜렷이 구별된다. 이는 DLC 코팅이 나노결정 또는 비정질 탄소 특유의 무질서 구조를 지니며, XRD 분석을 통해 코팅층이 성공적으로 형성되었음을 확인할 수 있다 (18).

Figure 4는 Ti-6Al-4V에 각각 코팅한 단면을 FE-SEM으로 관찰하고, EDS로 성분을 분석한 결과이다. (a) TiN 코팅은 전형적인 columnar 구조와 조대한 결정립을 보였으며, EDX 분석 결과, 질소(N) 29.49 at%와 티타늄(Ti) 70.51 at%로 나타나 거의 화학량론적 TiN 조성이 형성되었음을 확인하였다. (b) TiCN 복합 코팅은 다양한 크기의 결정립과 불규칙한 표면 형상을 보였으며, EDX 분석 결과, 탄소(C) 25.10 at%, 질소(N) 8.05 at%, 티타늄(Ti) 66.85 at%가 검출되어 TiN 코팅막 내에 탄소가 성공적으로 도입된 복합 구조임을 확인하였다. 단면 이미지는 TiCN 코팅이 비교적 치밀한 구조를 가지며, 뚜렷한 columnar 구조가 관찰되지 않아 우수한 코팅 특성을 가질 것으로 기대된다. (c) DLC 코팅은 매우 치밀하고 균일하게 형성되었고, EDX 분석 결과, 탄소(C) 72.09 at%와 질소(N) 27.91 at%로 구성되어 탄소가 풍부한 DLC 코팅막이 형성되었음을 확인하였다.

Figure 4.

SEM images and EDX analysis of coating’s cross-sections: (a) TiN, (b) TiCN and (c) DLC coatings.

2. 코팅막의 접합력과 마찰마모 특성 평가

VDI 3198 표준에 따른 Rockwell 압입 시험 결과 (19), TiN, TiCN 및 DLC 코팅 모두 HF1 등급으로 분류되었다 (Figure 5). 압입 자국 주변에서 소규모 방사형 미세균열은 관찰되었으나, 코팅의 박리나 탈락은 발생하지 않았다. 모든 시편에서 Rockwell 압흔 직경은 약 740 μm로 동일하게 유지되어, 코팅 공정이 기판의 기계적 경도에는 영향을 미치지 않은 것으로 보인다. 즉, 박막 코팅은 기판의 본래 기계적 특성을 보존하면서도 표면 내구성과 접착력을 효과적으로 향상시킨 것으로 해석된다. 이러한 결과는 TiN, TiCN 및 DLC와 같은 PVD 기반 코팅이 치과용 지대주의 장기적 안정성 확보에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Figure 5.

Rockwell indentation test results (VDI 3198) for adhesion strength of (a) TiN, (b) TiCN and (c) DLC coatings.

Figure 6은 TiN, TiCN 및 DLC 코팅 박막에 대해 progressive mode(최대 30 N)로 수행한 스크래치 시험 결과의 광학현미경 이미지를 나타낸 것이다. TiN 코팅은 일정한 폭의 스크래치 트랙을 보였으며, 가장자리에서 국소적인 미세균열이 관찰되었다. TiCN 코팅은 미세하고 균일한 스크래치 패턴을 유지하여 전 구간에서 우수한 안정성을 나타냈다. DLC 코팅은 가장 균일하고 매끄러운 스크래치 트랙을 형성하였으며, 표면 손상은 거의 관찰되지 않았다. 세 코팅 모두에서 박리나 심각한 탈락 현상은 확인되지 않아, 기판과의 양호한 접착력과 안정적인 내마모성을 입증하였다.

Figure 6.

Optical microscope images of TiN, TiCN and DLC coatings under progressive load condition.

Figure 7은 마찰계수(CoF)를 측정한 것으로 Ti-6Al-4V 기판은 초기 마찰계수가 약 0.6에서 시작하여 잠시 감소한 후 급격히 상승하여 0.8–0.9 범위에서 안정화되었으며, 이는 무코팅 합금이 장기간 사용 시 높은 마찰 저항과 마모 위험을 지님을 의미한다. TiN 코팅은 초기 약 0.4의 CoF로 시작하였으나 수백 회 미끄럼 이후 빠르게 증가하여 0.7–0.8 수준에서 안정화되었다. TiCN 코팅은 시험 전 과정에서 약 0.2 수준의 낮은 CoF를 유지하여 TiN 코팅 대비 우수한 내마모성을 나타냈다. DLC 코팅은 가장 낮고 안정적인 마찰계수를 보여, 마찰 및 마모 저감에 매우 효과적임을 확인하였다 (20).

Figure 7.

Coefficient of friction (CoF) vs. laps (sliding cycles) for different surface coatings on Ti-6Al-4V alloy.

Figure 8은 마찰·마모 시험 후 Ti-6Al-4V 및 각 코팅 시편에서 관찰된 마모 트랙을 나타낸다. 무코팅 합금(a)은 약 800 µm의 넓은 마모 트랙을 보여 낮은 내마모성을 나타냈다. TiN 코팅(b)은 약 280 µm로 트랙 폭이 크게 감소하여 표면 보호 효과를 확인할 수 있었다. TiCN 코팅(c)은 약 140 µm의 균일한 마모 트랙을 보였으며, DLC 코팅(d) 역시 유사한 수준의 좁은 트랙 폭과 미미한 표면 손상을 나타냈다. 이와 같은 트랙 폭의 단계적 감소는 코팅 처리가 Ti-6Al-4V 합금의 마모 저항성을 효과적으로 향상시켰음을 입증하며, 특히 DLC와 TiCN 코팅이 가장 우수한 내마모 특성을 제공함을 확인하였다.

Figure 8.

Wear track images after wear tests: (a) Ti-6Al-4V alloy, (b) TiN coating, (c) TiCN coating, and (d) DLC coating.

Figure 9는 마모 시험 후 3D 광학 프로필로미터를 이용하여 측정한 표면 프로필과 체적 손실(volume loss)을 보여준다. 무코팅 Ti-6Al-4V 합금(a)은 약 800 µm의 넓은 마모 트랙과 5416 µm²의 큰 마모 면적을 나타냈다. TiN 코팅(b)은 마모 트랙 폭이 약 280 µm, 면적은 211 µm²로 감소하였다. TiCN 코팅(c)은 약 140 µm의 좁은 트랙과 83 µm²의 마모 면적을 보였으며, TiN 대비 향상된 내마모성을 확인할 수 있었다. DLC 코팅(d)은 약 140 µm의 마모 트랙과 24 µm²의 최소 면적을 기록하여 가장 우수한 내마모 특성을 나타냈다. 이러한 결과는 특히 TiCN과 DLC 코팅이 Ti-6Al-4V 합금의 마모 저항성을 효과적으로 개선하는 표면처리 방법임을 시사한다.

Figure 9.

Surface profiles and volume loss measurements obtained using 3D optical profilometry after wear testing: (a) Ti-6Al-4V alloy, (b) TiN coating, (c) TiCN coating, and (d) DLC coating.

3. 코팅막의 표면 경도와 탄성계수 평가

Figure 10은 Ti-6Al-4V 기판에 증착된 DLC, TiN 및 TiCN 코팅의 하중–변위 곡선과 기계적 특성을 나타낸다. 세 코팅 모두 최대하중 15 mN으로 평가하여 TiCN 코팅은 TiN 및 DLC에 비해 상대적으로 가파른 곡선을 보여 높은 변형 저항성을 나타냈다. 이는 탄소 원자의 도입으로 인해 결정 구조가 강화되고 전위 이동이 억제된 결과로 해석된다 (21). 막대 그래프 분석 결과, TiCN은 가장 높은 압입 경도와 탄성계수(약 450 GPa 수준)를 기록하였다. 이러한 기계적 특성은 Ti, C 및 N의 복합 조성이 기여한 것으로, 하중 전달을 효과적으로 분산시키고 임플란트–골 계면에서의 스트레스 실딩(stress shielding) 완화에 유리할 수 있다. 특히 경도와 탄성계수의 동반 향상은 TiCN 코팅이 구강 내 저작 하중과 같은 반복적 기계적 스트레스 환경에서 뛰어난 내구성을 제공할 수 있음을 시사한다 (22). 따라서 TiCN 코팅은 TiN 및 DLC에 비해 우수한 기계적 특성을 보였으며, 치과 임플란트 지대주의 장기적 안정성과 기능 향상에 적합한 표면 처리 방법으로 평가된다.

Figure 10.

Load-displacement curves and mechanical properties of DLC, TiN, and TiCN coatings.

4. 코팅막의 내식성 평가

Figure 11은 Ti-6Al-4V 합금, TiN, TiCN 및 DLC 코팅의 전기화학적 부식 거동을 비교한 분극 시험 결과이다. Y축의 부식 전위(E_corr)는 부식 개시 지점을 의미하며, 이 값이 높을수록 내식성이 우수함을 의미한다. DLC 코팅은 가장 높은 부식 전위를 나타내어 초기 부식 저항성이 뛰어남을 확인할 수 있었다. X축의 전류 밀도는 부식 속도를 반영하며, 값이 낮을수록 지속적인 내식성이 우수함을 의미한다 (23-24). DLC 코팅은 가장 낮은 전류 밀도를 기록하여 가장 우수한 내식성을 나타냈으며, 그 다음은 TiCN, TiN 순이었다. 또한 코팅 처리를 통해 전체적으로 부식 전위가 크게 증가하였으며, 이는 코팅 재료가 기판의 내식성을 효과적으로 향상시킴을 시사한다 (25).

Figure 11.

Potentiodynamic polarization curves for corrosion resistance of the Ti-6Al-4V (bulk), TiN, TiCN and DLC coatings.

Table 1에 제시된 1차 부동태피막형성전위(E_pp)는 부동태피막의 파괴저항성을 나타내는데, DLC와 TiCN 코팅이 높은 값을 기록하여 장기간 사용 환경에서 표면 손상에 대한 우수한 저항성을 나타낼 것으로 보인다. 또한 부동태전류밀도(Ipass)는 DLC에서 가장 낮게 나타나, 부동태피막이 가장 안정적으로 유지됨을 시사하였다. 이는 DLC 코팅이 표면 보호막의 안정성을 효과적으로 강화함을 의미한다. 그러나 DLC 코팅은 고전위 영역에서 부동태피막파괴전위가 상대적으로 낮게 관찰되어, TiCN에 비해 극한 조건에서 부동태피막의 안정성이 다소 약할 수 있음을 보여주었다. 이러한 결과는 DLC가 초기 및 정상 상태에서의 내식성에는 매우 효과적이지만, 고전위 부식 환경에서는 TiCN이 보다 안정적인 특성을 보일 가능성이 있다.

Table 1.

Electrochemical corrosion results of Ti-6Al-4V and various surface coatings

5. 코팅막의 세포적합성 평가

Figure 12는 다양한 표면 코팅 조건에서 MC3T3-E1 세포의 형태학적 분석 결과이다. 대조군(CON)에서는 세포가 비교적 둥근 형태를 보였으며, F-actin 구조가 덜 발달하였다. TiN 코팅 표면에서는 세포가 보다 길게 신장된 형태를 나타내었고, 이는 세포 부착 및 확산을 촉진하는 경향을 보였다. TiCN 코팅 표면에서도 TiN과 유사하게 세포가 넓게 퍼진 형태와 함께 뚜렷한 F-actin 섬유 구조가 관찰되었다. DLC 코팅 표면에서는 세포 부착이 중간 수준으로 나타났으며, 세포골격 구조가 발달된 모습을 확인할 수 있었다. 이러한 형태학적 차이는 표면 처리 방법에 따라 세포 부착 강도와 증식 잠재력에 차이가 있음을 알 수 있다. 특히 TiN과 TiCN 코팅 표면에서 관찰된 세포의 신장된 형태와 발달된 actin 섬유 구조는 세포 성장에 보다 유리한 환경을 제공할 수 있음을 보여준다 (26).

Figure 12.

Morphology of MC3T3-E1 cells on different surface conditions.

Figure 13은 다양한 표면 코팅 조건에서 MC3T3-E1 세포의 증식률(MTT assay, 36시간 배양 후)이다. 대조군(CON)과 비교했을 때 TiN 및 TiCN 코팅 표면에서는 세포 증식률이 다소 증가하여, 이러한 코팅이 세포 부착 및 성장 촉진에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 보여주었다. 반면, DLC 코팅 표면에서는 가장 낮은 세포 증식률이 관찰되었는데, 이는 높은 소수성 및 sp² 상의 존재로 인해 세포 부착과 성장에 불리한 조건을 제공하기 때문으로 해석된다. 이러한 결과는 코팅 재료 선택이 생체적합성 확보에 중요한 역할을 함을 시사하며, 특히 DLC의 경우 세포 증식 향상을 위해 추가적인 표면 개질이 필요할 수 있음을 보여준다. 따라서 TiN과 TiCN은 세포 성장 촉진이 요구되는 응용에서 유망한 재료로 평가되며, DLC는 높은 내마모성이나 화학적 안정성이 더 중요한 환경에서 적합하게 활용될 수 있을 것이다 (27).

Figure 13.

Cell proliferation on various surface coatings as measured by MTT assay. Statistical analysis was performed using the t-test. TiN (p=0.27), TiCN (p=0.51), and DLC (p=0.056) coatings showed different cell viability compared to control. Values are presented as mean±SD from three independent experiments. Statistical significance was set at p<0.05.