양극산화와 석회화 순환처리에 따른 Ti-6Al-4V 합금 임플란트의 생체활성도 및 내식성 평가

Ⅰ. INTRODUCTION

임플란트용 재료인 티타늄과 티타늄 합금(Ti-6Al-4V alloy)은 부식에 대한 높은 저항성과 생체적합성으로 치과 및 외과적 치료용 재료로 널리 사용되고 있다. 이렇게 생체에 적합한 특성은 티타늄 등의 재료의 표면에 생성되는 비반응성의 산화피막(TiO₂)층에서 기인한다고 볼 수 있다. 이러한 비반응성 티타늄 산화피막층은 다양한 생체 조건에 대해서 임플란트의 생분해를 막아주는 역할도 하지만, 저작활동과 같은 많은 하중을 받는 치조골 내에서는 골유착이 일어나기까지 오랜 시간을 필요로 하기도 한다(Ma 등, 2008; Ellingsen 등, 2004).

티타늄 합금 표면에 활성을 부여하기 위하여 다양한 표면처리 방법을 적용하는데, 이러한 표면처리를 통한 조직과의 생체활성 부여는 치과용 임플란트 매식체와 골과의 유합을 빠르게 하여 치조골에 고정되는 치료기간을 줄일 수 있다(Albrektsson와 Wennerberg, 2004; Rompen 등, 2001; Lugscheider 등, 1991). 한편, 임플란트 소재분야에서 Ti이나 Ti 합금계의 금속 표면에 생체활성을 부여하기 위해 양극산화처리(Anodizing)처리로 표면에 나노구조의 산화피막(TiO₂)층을 형성함으로써 비표면적을 넓혀주게 되어 치조골과 더욱 단단한 골유착이 이루어지게 한다(Macak 등, 2007; Sieber 등, 2005).

티타늄 등의 나노튜브 TiO₂층 형성은 전해질 수용액 속에서 적절한 정전압과 정전류를 일정시간 동안 가하여 양극산화 처리함으로써 두께가 균일한 산화피막층을 얻을 수 있다. 임플란트를 치조골에 매식하기 시작한 초기에는 티타늄 매식체 표면에 활성도를 개선하기 위한 방법으로 수산화인회석(Hydroxyapatite, HAp)을 코팅하는 방법이 적용되어 골유착 반응을 촉진하였으나, 이러한 방법은 티타늄 표면과 코팅 층 사이에 강력한 결합이 어려워 두꺼운 피막층에서 박리가 쉽게 일어나는 문제점이 있다(Fini 등, 1999). 최근에는 티타늄 표면처리법으로 HAp 코팅법과 비슷한 효과를 갖고, 두께가 얇은 피막층을 형성하는 전석회화 처리법이 적용되고 있다(Kodama 등, 2009; Nguyen 등, 2013).

따라서, 본 연구에서는 임플란트 매식체 비표면적 증가와 생체활성도를 개선하기 위해 SLA(Sand-blasted large grit and acid etched)처리된 티타늄 합금을 양극산화를 통해 나노튜브 TiO₂층을 형성하고, 전석회화 순환처리(Cyclic pre-calcification treatment)를 통하여 칼슘(Calcium)과 인(Phosphate)의 석출을 유도하였고, 열처리를 통해 표면에서의 안정된 부착을 유도하였으며, 이러한 표면처리들이 생체활성도 및 내식성에 미치는 영향을 평가하기 위해 유사체액 중에서 침적하여 HAp 석출형태에 관하여 연구하였다.

Ⅱ. MATERIALS AND METHODS

1. 양극산화 처리

시료는 분사처리 후 산부식(SLA) 처리된 Ti-6Al-4V 합금으로 직경 4.0 ㎜와 길이 11.5 ㎜를 가진 Internal hexed type (Figure 1)을 사용하였다(IS Ⅱ active fixture, Neobiotech, Korea).

Figure 1.

Internal hexed type Ti-6Al-4V alloy implant fixture.

시료의 표면에 형성된 불순물을 제거하기 위해 진한 질산(HNO₃; Sigma-Aldrich, USA)과 플루오르화수소산(HF; SHOWA, Japan) 그리고 물(H₂O)을 혼합한 용액 속에 침적하여 10초 동안 산세처리를 한 후, 시료의 표면에 나노튜브 TiO₂ 층을 형성하기 위해 DC 정전압 공급장치(Inverter tech Co, Ltd, Korea)를 사용하여 양극산화 처리를 하였다. 각 실험마다 글리세롤(SHOWA, Japan)과 3차 증류수를 80:20으로 혼합한 후 1 wt% NH₄F(SHOWA, Japan)를 첨가하여 조성한 새로운 전해질 용액중에서 양극에는 Ti-6Al-4V 합금 시료를, 음극에는 백금판을 연결하였으며, 두 전극간의 거리는 약 20 ㎜정도 이격시키고, 정전압 20 V와 정전류 20 mA를 1시간 동안 인가하여 나노튜브 TiO₂층을 형성하였다. 이렇게 양극산화처리된 모든 시편은 3차 증류수로 1분간 초음파 세척하여 건조기(50℃)에서 24시간 이상 건조시킨 후 다른 시험들에 사용하였다.

Ⅲ. RESULTS

1. 양극산화 처리에 의한 나노튜브 TiO₂ 층 형성

Figure 2는 나노튜브 TiO₂ 층을 형성한 시료 표면의 미세구조를 FE-SEM으로 비교한 이미지이다. Fiure 2.(a)는 임플란트 매식체의 나사산(Pitch of fixture)을 확대시킨 표면 이미지이며, Fiure 2.(b)는 SLA 처리된 UT군을 1,000배로 확대한 표면이며, Fiure 2.(c)는 10,000배 Fiure 2.(d)는 50,000배로 확대한 AH군의 표면을 나타낸 것이다. AH군은 나노튜브 TiO₂ 층이 형성된 상의 구조들은 크고 작은 직경의 튜브들이 치밀한 형태로 생성된 상태가 관찰되었다.

Figure 2.

FE-SEM images of the nanotubular TiO2 layer on Ti-6Al-4V alloy Implant specimens. (a) Magnification point of Fixture Pitch (×150), (b) UT (×1,000), (c) AH (×10,000), (d) AH (×50,000)

2. 석회화 순환처리에 의한 Ca-P 석출

Figure 3은 양극산화로 나노튜브 TiO₂층을 형성한 후 0.05 M NaH₂PO₄ 수용액(80℃)과 Ca(OH)₂ 포화수용액(100℃)에서 각각 침적시간을 1분씩 20회 동안 석회화 순환처리를 통하여 Ca-P(Calcium-Phosphate)의 석출을 유도한 APH군의 이미지이다. TiO₂층 전체를 뒤덮는 형태로 인산칼슘이 나노크기의 알갱이 상태와 클러스터 상태로 석출물들이 표면을 뒤덮고 있는 형상이 더욱 활성화된 모습으로 관찰되었다.

Figure 3.

FE-SEM images after pre-calcification 20 cycles on nanotubular TiO2 layer. (a) APH (×10,000), (b) APH (×50,000)

3. SBF 침적시험을 통한 HAp 석출

Figure 4.(a)와 (b)는 AH군이며, Figure 4.(c)와 (d)는 APH군으로 37℃의 SBF 용액에 3일 동안 침적 후 관찰한 이미지이며, Table 1은 AH군과 APH군의 Ca와 P의 석출량을 정량화로 나타낸 것이다. AH군의 표면상에는 HAp의 석출 초기에서 볼 수 있는 돌기상 특징이 국소적으로 관찰되었으며, APH군은 돌기상의 형태가 전체 표면에 걸쳐서 치밀한 구조를 이루며, Table 1과 같이 칼슘(Ca)과 인(P)의 농도가 크게 증가하였으며, 그 비율 또한 1.94 ± 2.36로 증가하였는데, 이는 XRD 측정결과(Figure 5)로 인산8칼슘(Octacalcium phosphate, OCP) 결정이 관찰됨으로써 설명할 수 있다.

Figure 4.

FE-SEM images after immersion in SBF for 3 days. (a) AH (×2,000), (b) AH (×50,000), (c) APH (×2,000), (d) APH (×50,000)

Table 1.

Concentrations of Ca and P after immersion in SBF at 37℃ for 3 days

Figure 5는 SBF 용액에 3일 동안 침적한 후 X-선 회절분석기로 분석한 결과이다. UT군에서는 Ti의 피크만이 관찰되었고, AH군에서는 물이나 공기 중에 존재하는 오염물질을 광분해 하는데 뛰어난 광촉매 활성을 가지고 있으며 저온에서 안정된 구조를 갖는 TiO₂ anatase 상이 주 피크로 관찰되었다. 또한 APH군에서는 TiO₂ anatase상의 피크와 뼈와 치아를 이루는 수산화인회석 결정의 잠재적 전구 물질로 알려진 인산 8칼슘(OCP) 상의 피크(2θ = 26°, 32°)와 뼈나 치아를 이루는 무기성분, 즉 칼슘과 인으로 이루어진 무기성분의 화합물인 HAp 피크(2θ = 33°)가 관찰되었다.

Figure 5.

XRD analysis after Immersion in SBF for 3 days.

4. 동전위 분극시험에 따른 부식 저항성

부식저항성을 평가하기 위하여 전극과 전해액을 갖는 전기화학적 시스템에 전위(Potential)와 전류(Current)를 인가하여 발생하는 전류/전위 변화를 측정하고 분석하기 위하여 동전위 분극시험을 수행하였으며, Table 2는 동전위 분극시험 결과로 얻어진 부식전위(corrosion potential; Ecorr)와 부식전류밀도(corrosion current density; Icorr)이다.

Table 2.

Results of corrosion potential (Ecorr) & Corrosion current density (Icorr)

Figure 6에 나타난 동전위 분극시험으로 분석해 보면, UT군의 부식전위는 -0.564 V이며, 부식 전류밀도는 2.965×10^-5 A/cm²였다. 이에 비해 AH군과 APH군의 부식전위는 각 각 -0.299 V, -0.358 V로 증가하였으며, 부식 전류밀도는 각 각 5.114×10^-6 A/cm², 6.839×10^-6 A/cm²로 감소하였다.

Figure 6.

The ratio of corrosion potential (Ecorr) & corrosion current density (Icorr) with potentiodynamic polarization test.

Ⅳ. DISCUSSION

치과 임플란트는 생체조직의 실질 결손에 따른 외관의 회복이나 우식, 치주병 또는 외상 등으로 소실된 자연치아를 대신하는 것으로 상, 하악골에 매식체를 식립하여 환자의 저작기능과 심미성 회복을 충족하고 오래도록 안정적으로 구강의 기능과 치아의 기능을 회복시키는 술식이다.

이러한 임플란트의 기능회복과 안정적 골유착에 나쁜 영향을 주는 요소로는 임플란트 소재의 재질, 디자인, 표면특성, 골량과 골질, 외과적 술식, 하중조건과 환자의 구강환경 등이 제시된 바 있다(Albrektsson 등, 1981). 최근에는 임플란트 술식 후 치료기간을 단축하는 것을 매우 중요하게 여기는 추세로서, 치조골과 매식체가 빠른 시간 안에 골유착(Osseointegration)이 이루어지도록 많은 연구가 진행되고 있다(Wennerberg와 Albrektsson, 2010).

본 연구에서는 SLA 처리한 Ti-6Al-4V 합금 임플란트를 시료를 사용하여, 불소이온을 함유한 glycerol 용액 내에서 양극산화처리로 나노튜브 TiO₂층을 형성하였고, NaH₂PO₄ 수용액과 Ca(OH)₂ 포화수용액에 교대로 20회 침적하여 석회화 순환처리와 열처리를 시행하여서 시료의 표면에 생체활성을 부여하였으며, 유사체액에 3일간 침적하고서 생체활성도를 조사하기 위해 HAp의 석출 형태를 관찰하였다. 그 결과 APH군의 HAp 석출량이 가장 높은 것으로 보아 석회화 순환처리가 생체활성화를 부여하는데 유효함을 알 수 있었다(Figure 5).

Ti-6Al-4V 합금과 같은 임플란트 재료는 생체환경 조건에서의 금속이온의 용출 및 체액, 혈액 등과 금속산화물 사이에서는 불활성으로 우수한 부식저항특성을 보이는데, 이러한 생체적합 특성은 TiO₂ 산화 피막층에서 기인하는 것으로 알려져 있다. 하지만, UT군과 같은 경우는 표면에 형성된 산화물의 조성이 불균일하고, 오염물질 층이 잔류하기 때문에 틈새부식(Pitting corrosion) 등이 발생하기 쉽고, 골조직과의 접촉 비표면적이 작은 문제점이 상존하고 있다(Ju 등, 2002). 따라서, 본 연구에서는 임플란트 표면을 치밀한 TiO₂ 산화층 구조인 나노구조로 변화시키기 위해 SLA 처리된 임플란트 표면에 나노튜브 TiO₂층을 형성하여 비표면적을 증가시키고, 생체활성화와 내식성을 비교하기 위해 석회화 순환처리와 열처리, 그리고 유사체액 침적시험, 동전위 분극시험 등을 수행하여 비교하였다.

양극산화처리에 의한 형성된 TiO₂ 나노튜브층은 규칙적인 배열을 이루며 치밀한 구조의 나노구조가 넓은 표면적을 제공하므로 골유착에 보다 유리하게 적용된다고 보고되어있으며(Nguyen 등, 2014: Yang 등, 2004), 표면에 형성된 나노튜브들의 빈 공간은 단백질 수준에 달하는 다양한 화학물질, 약물, 생체분자 등을 전달하는 통로로서 이용되며, 특정 부위에만 한정하여 작용하므로 작은 용량의 약물로 큰 효과를 발휘할 수 있고, 약물의 독성에서 기인하는 전신적 부작용을 감소시킬 수 있다(Yao와 Webster, 2009; Bae 등, 2010). 또한, 실온에서 NaH₂PO₄ 수용액과 Ca(OH)₂ 포화 수용액에서 석회화 순환처리를 한 후 유사체액 용액에 오랜 시간 침적 하였을 때 HAp 석출이 빠르게 가속됨을 보고 하였으며(Kodama 등, 2009), 고온의 열처리는 HAp가 석출된 Ti–6Al–4V 합금 임플란트 표면을 고정하여 구조적으로 안정화가 되었다. 나노튜브 구조의 TiO₂층이 형성된 표면에는 인산염과 칼슘 이온을 함유하는 수용액에서 석회화 순환처리하게 되면 생체활성도가 크게 개선됨을 보고하였다(Nguyen 등, 2013).

본 연구에서는 Figure 4와 5에서와 같이 APH군의 HAp 석출량이 AH군이나 UT군보다 더욱 강렬하게 석출하였으며, HAp의 석출 단계에서 관찰되는 돌기상이 전체 표면에 걸쳐서 치밀한 구조를 이루며, Table 1과 같이 APH군이 AH군보다 칼슘은 12.53 wt%에서 28.89 wt%로 인산은 5.35 wt%에서 11.48 wt%로 농도 증가를 보여 생체활성도가 크게 개선된 양상을 나타냈다. Figure 6에서와 같이 동전위 분극시험 결과, UT군의 부식전류가 가장 증가되어 활발한 부식을 보였다 할 수 있고, 이에 비하여 APH군의 부식전류는 뚜렷하게 감소하며 표면의 부식저항성이 증가하였고, 이에 따라 내식성이 향상되었다 할 수 있다.

한편, 향후 연구에서는 나노튜브의 성장 길이나 크기, 접촉각특성에 따른 생체활성도 개선에 대한 연구가 진행되기를 기대해본다.

Ⅴ. CONCLUSION

Ti-6Al-4V 합금 임플란트에 양극산화와 석회화 순환처리 및 열처리 그리고 유사체액 침적으로 HAp 석출에 따른 표면처리가 생체활성화와 내식성에 미치는 영향을 조사하여, 이상과 같은 결론을 얻었다.

• 1. 나노튜브 TiO₂층 형성으로 임플란트의 비표면적이 증가하였다.
• 2. 유사체액에 침적 후 석회화 순환처리한 APH군의 HAp 석출이 강렬하였으며, 칼슘과 인의 농도가 증가되었다.
• 3. 강렬한 HAp 석출이 표면에서 발생하는 부식전류 감소로 부식저항성이 커지게 되고 임플란트 내식성이 좋아짐을 알 수 있었다.

다음과 같은 결과에서 SLA 처리, 양극산화처리 후 나노튜브 TiO₂층을 형성하고, 석회화 순환처리를 통해서 임플란트 매식체의 생체활성화 및 내식성을 향상시키는데 유효한 방법이 될 수 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgments

이 논문은 2015년도 청암대학교 학술연구비 지원에 의한 논문임.

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