티타늄 합금은 우수한 기계적 특성과 생체 적합성으로 인해 생의학 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 티타늄 합금과 티타늄은 주로 신체의 물리적 키메라주의를 통해 생물학적 관성을 가지고있어 장기간 사용시 느슨해 지거나 떨어지기 쉽습니다. 또한 티타늄과 뼈의 열팽창 계수의 차이로 인해 결합의 불안정성도 발생합니다. 따라서 임상 적용의 요구를 충족하기 위해 다양한 티타늄 표면 수정 기술이 제안되었습니다. 임플란트 재료의 일반적인 표면 수정 방법에는 주로 임플란트 재료의 느슨하고 거친 표면 처리, 임플란트 재료의 표면 코팅에는 표면 수정을위한 생리 활성 분자 또는 재료가로드됩니다.

연구에 따르면 임플란트 재료의 생체 적합성 및 골유착 능력에 영향을 미치는 주요 요인에는 주로 재료 표면 습윤성, 거칠기, 구성 및 결정 유형이 포함됩니다. 체액 환경에서 임플란트 재료의 우수한 표면 습윤성은 단백질 흡착 및 세포 접착에 더 도움이 됩니다. 또한 특정 표면 조건은 세포 분화 및 성장에 더 도움이 됩니다. 티타늄 합금의 표면 개질 공정을 통해 합금 표면에 적절하게 변형 된 코팅을 구성하여 합금의 내식성 및 기계적 특성을 유지하면서 합금의 표면 구조, 조성 및 습윤성을 최적화하여 호환성 및 뼈 통합 능력을 향상시킬 수 있습니다.

현재, 뼈 이식을 위한 의료용 티타늄 합금의 일반적인 표면 개질 코팅은 주로 하이드 록시 아파타이트(HA) 코팅, 그래핀 코팅, 키토산 코팅 및 TiO2 나노 튜브 어레이 코팅을 포함하며, 그 중 TiO2 나노 튜브 어레이는 현장에서 자체 성장하는 다공성 구조 코팅으로 인해 더 나은 기능을 달성하기 위해 다른 코팅과 결합될 수 있습니다. 앞으로 의료용 티타늄 합금 표면 개질의 주요 방향은 표면 개질 코팅을 준비하고 다양한 표면 개질 방법을 결합하여 임플란트의 뼈 통합 능력을 향상시키는 것입니다.

하이드록시아파타이트(HA) 코팅

인체 뼈의 주요 무기 성분인 하이드 록시 아파타이트(HA)는 생체 적합성이 우수합니다. 체액과 접촉하면 HA 표면 이온은 수용액의 이온과 교환될 수 있으며, 콜라겐과 단백질 또는 이온과 같은 분자가 표면에 흡착되어 바이오필름과 코팅을 생성합니다. HA 코팅은 뼈 / 임플란트의 화학적 결합을 밀접하게 결합 할뿐만 아니라 유체와 금속 임플란트 사이의 장벽 역할을하며, 이는 준비 방법과 기술에 따라 결합 강도, 결정 성 및 밀도 매트릭스에 영향을 미치며, 낮은 강도의 조합은 실패의 변형으로 이어질 수 있으며, HA 코팅의 박리는 염증 및 기타 문제를 유발할 수 있습니다. 결과는 마그네트론 스퍼터링에 의한 HA 코팅의 접착 강도가 열간 등방 압착, 펄스 레이저 증착, 플라즈마 스프레이 및 졸-겔 방법 (각각 약 14MPa, 16MPa, 25MPa 및 26MPa)으로 제조 된 코팅의 접착 강도보다 높은 80MPa에 도달 할 수 있음을 보여줍니다.

현재, 플라즈마 스프레이 및 전기 영동 증착은 일반적으로 HA 코팅을 제조하는 데 사용되며, 후자는 복잡한 매트릭스 코팅에 사용될 수 있습니다. 열 분무로 제조 된 HA 코팅은 잔류 응력을 줄이기 위해 어닐링되었고, 열처리에 의해 잔류 응력이 감소했기 때문에 HA 코팅의 결합 강도가 분명히 증가했습니다. HA 코팅의 접착 강도를 향상시키기 위해 전자 빔 에칭, 마이크로 스피어 블라스팅, 산성화 에칭 및 사포 연삭과 같은 다양한 전처리 기술에 의해 티타늄 합금의 표면을 거칠게하거나 전이 층을 HA 코팅과 티타늄 합금 기판 사이에 증착 할 수 있습니다.

HA 코팅의 결정성은 세포 거동에 영향을 미칩니다. 고결정성 HA 코팅에 비해 저결정성 HA 코팅은 조골 세포의 증식 속도가 낮습니다. 결정도가 다른 HA 나노 코팅과 미크론 코팅은 서로 다른 용해 및 재 침전 특성을 보였으며, 불평등 한 HA는 생체 내에서 높은 용해도를 보인 것으로 밝혀졌습니다. 초기 골 형성 동역학은 HA 코팅의 용해도와 관련이 있다고 추측됩니다. HA 코팅의 제어 된 결정화는 고온 (700 ~ 800 ℃)에서 어닐링 또는 증착에 의해 실현 될 수있다. 어닐링 공정 중에 비정질 코팅의 일부가 결정질 코팅으로 변환되고 특정 결정성 또는 이온 치환 구조를 가진 HA 코팅을 얻을 수 있습니다. 시트 HA 코팅에 비해 침상 구조 코팅은 밀도가 높고 균일하여 주변 유체와의 접촉 면적이 더 넓어 아파타이트 증착에 더 적합합니다. HA 코팅의 미세 구조는 가열 및 소결에 의해 변경 될 수도 있습니다. 헐버트 등은 다공성 구조가 새로운 뼈 조직이 안쪽으로 성장하고 유체 순환을위한 공간을 제공하기 위해 약 100μm의 최소 상호 연결 기공 크기를 가진 산화물 세라믹이 필요하다는 것을 보여주었습니다. 연구진은 기공 크기가 작을수록 투과성 조직의 미네랄화가 불완전하다는 사실을 발견했습니다. 완전히 조밀한 HA 코팅은 주로 뼈 형성 스캐폴드로 사용되는 세포 증식 및 분화에 도움이되지 않아 뼈 형성을 유도하는 능력이 제한적입니다.

그래핀 코팅

2004 년 맨체스터 대학교의 영국 물리학자인 맨체스터 대학교의 영국 물리학자와 노보셀로프 흑연은 테이프 미세 기계적 분리에 의해 구조에서 탄소 원자의 단층, 즉 그래 핀의 포인트가 높은 비 표면적, 높은 전도성 열전도율, 저밀도, 우수한 물리적 특성을 가진 석재를 만드는 데 성공했으며 두 과학자는 2010 년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 과학자들은 화학적 변형의 다른 그룹에 의한 작은 분자가 산화 그래핀, 산화 그래핀의 환원, 탄소 나노 튜브 등과 같은 다른 그래핀 유도체, 종종 생물학적 물질 변형에 사용되는 그래핀 재료 군의 다른 특성을 가진 이러한 물질이 산화 그래핀 유도체라는 것을 발견했습니다. 골 형성을 촉진하는 그래핀 및 그 유도체 개질 복합 재료에 대한 수많은 연구에서 연구자들은 그래핀이 적재 된 스캐 폴드 재료가 더 나은 세포 적합성과 골 재생 유도 능력을 보여주고 뼈 재생을 촉진하는 메커니즘을 탐구했습니다. Kumar 등은 바둑이 시험관 내에서 인간 중간엽 줄기세포의 골 형성 인자의 흡수를 증가시켜 줄기세포의 골 형성 분화를 촉진한다는 사실을 입증했습니다. 그래핀은 대표적인 골 형성 유도제인 덱사메타손과 0-글리세로인산염을 배양액에 농축하여 인간 골수 중간엽 줄기세포가 조골세포로 분화하는 것을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 또한, rGO 경인회석 복합체는 뼈 관련 단백질의 발현을 조절하고 매트릭스 성숙 및 석회화를 촉진할 수 있습니다.

키토산 코팅

천연 유기 화합물인 키토산은 생체 적합성, 무독성, 우수한 항균성 및 세포 증식 및 분화 촉진의 장점을 가지고 있으며 티타늄 합금 임플란트의 표면 개질 코팅으로 자주 사용됩니다. 키토산은 또한 흡착 능력이 우수하고 생체 내에서 생분해 될 수 있으며 하이드 록시 아파타이트 및 기타 물질과 담체로 결합 될 수 있습니다. 키토산 코팅의 두께를 조절하여 수술 후 감염 및 염증을 치료하기 위해 약물의 국소 농도를 조절할 수 있으므로 임플란트가 더 나은 뼈 통합과 빠른 치유를 달성 할 수 있습니다. 키토산은 음전하를 띤 박테리아 세포와 상호 작용하여 항균 효과를 얻을 수 있지만 금속 이온보다 항균성이 약간 낮아 이식 실패의 위험을 줄입니다.

TiO2 나노튜브 어레이 코팅

TiO2 나노튜브 구조는 금속 이온(예: Al, V 등)의 방출을 방지하고 이식 반응을 완화하여 TiO2 벌크 재료보다 더 나은 내식성과 생체 적합성을 나타낼 수 있습니다. 따라서 티타늄 합금 표면에 TiO2 나노 튜브 어레이 코팅을 합성하는 것은 의료 성능을 향상시키는 효과적인 방법이됩니다.

양극 산화는 티타늄 재료 표면의 TiO2 나노 튜브 어레이에 종종 사용되어 대략 골격 다공성 구조를 가진 TiO2 산화물 층 코팅을 형성합니다. 양극 산화 전압과 지속 시간을 변경하여 TiO2 나노 튜브 어레이의 튜브 길이와 직경을 조절할 수 있습니다. 양극 산화에 의해 제조 된 TiO2 나노 튜브 어레이는 비정질이며 300-500 ℃에서 어닐링 한 후 비정질에서 아나타제 상 또는 루틸 상으로 변할 수 있으며 600 ℃에서 어닐링 한 후 점차적으로 루틸 상으로 변할 수 있습니다. 표면 결정성이 증가함에 따라 나노 튜브 어레이의 표면 습윤성이 향상되어 단백질 흡착 및 세포 부착이 더 쉬워집니다. 나노튜브와 결정 구조의 시너지 효과는 하이드 록시 아파타이트의 증착을 가속화합니다. 결과는 세포 분화 또는 세포 증식을 유도하는 데 있어 아나타제 상이 루틸 상보다 우수하며 전자가 수산화인회석을 침착할 가능성이 더 높다는 것을 보여줍니다. 양극 산화 전압이 일정 범위 내에 있으면 전압이 증가함에 따라 나노 튜브의 길이와 직경이 증가합니다. 산화 시간이 증가함에 따라 표면 거칠기가 증가하고 접촉각이 감소합니다.

Ti-6Al-4V 합금은 α+β 상으로 구성된 비교적 널리 사용되는 생체 의학 재료입니다. 양극 산화 동안 두상의 용해도가 다르며 나노 튜브의 길이도 상 영역에 따라 다릅니다. 만수리안파르(Mansoorianfar) 등은 우수한 균일성을 가진 TiO2 나노튜브 어레이를 성공적으로 제조했습니다. Ti-6Al-4V 합금 50-75V의 전압에서 2차 양극 산화에 의해 나노튜브의 평균 튜브 길이와 직경은 전압이 증가함에 따라 증가했습니다(아래 그림 참조). 연구 결과 60V 전압에서 제조된 샘플이 가장 우수한 세포 활성을 나타냈습니다.

탄성 계수가 낮은 바이오 티타늄 합금에 TiO2 나노 튜브 어레이 층을 준비하면 임플란트 재료의 기계적 특성을 보장 할뿐만 아니라 생체 적합성을 향상시킬 수 있습니다. Li 등은 Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(Ti2448) 티타늄 합금 표면에 TiO2 나노튜브 어레이 층을 제조하고 순수 Ti, 나노튜브-Ti(NT) 및 Ti2448을 비교했습니다. 나노튜브-티2448(NTi2448)은 더 높은 습윤성, 내식성, 세포 적합성 및 골 통합 능력을 보여주었습니다. 탄성 계수가 낮은 티타늄 합금에 Nb, Zr 및 기타 원소를 첨가하기 때문에 양극 산화 후 형성된 산화막이 내식성을 향상시킵니다. 또한 합금 원소를 첨가하면 나노 튜브 어레이의 질서 정연성이 감소하고 일부 연구에 따르면 질서 정연성이 낮은 어레이가 더 나은 호환성을 보이는 것으로 나타났습니다.

마지막

표면 개질 기술은 티타늄 및 티타늄 합금의 생물학적 활성, 내마모성 및 항균성을 개선하고 기존의 기존 생체 재료를 개선하여 현재 진화하는 임상적 요구를 충족하는 보다 효과적인 방법입니다. 연구자들은 새로운 의료용 티타늄 합금의 설계와 생체 적합성을 개선하기 위해 많은 시도를 해왔습니다. 새로 개발된 의료용 티타늄 합금의 탄성 계수는 점점 더 인체 뼈 조직의 탄성 계수 값에 가까워지고 있습니다. 티타늄 합금 표면에 개질 코팅을 구성하여 합금의 생체 적합성, 뼈 통합 능력 및 항균 능력을 크게 향상시켰습니다. 또한 다이아몬드와 같은 탄소 필름(DLC), 질화 티타늄(TiN) 코팅과 같이 티타늄 표면에 내마모성이 우수한 세라믹 코팅 층을 증착하여 티타늄 합금 표면의 마모 성능을 개선하기 위해 다양한 물리적 및 화학적 방법이 사용되었습니다.