Hydroxyapatite Coating on Nanotubular Ti-25Ta-xZr Alloys by RF-Sputteing after Electrochemical Deposition for Biomaterials

Abstract

티타늄 및 티타늄 합금은 좋은 기계적 특성 및 부식저항성, 우수한 생체적합성 때문에 생체재료로써 널리 사용되어 왔다. Ti-25Ta-xZr 삼원계 합금은 현재 사용되고 있는 Ti-6Al-4V 합금의 독성문제를 해결해줄 무독성원소로 이루어져 있으며, Zr 함량을 0, 3, 7 및 15 wt. % 가 되도록 변수를 주었으며, 아크멜팅법을 이용하여 합금을 설계하였다. 제조된 합금은 1000 ℃에서 12시간동안 열처리한 후 급냉하여 두께 2.5 mm, 지름 10 mm의 디스크형태로 시편을 준비하였다. 1 M H3PO4 + 0.8 wt. % NaF를 첨가한 전해질 용액에서 양극산화 처리하여 표면에 나노튜브를 형성하였으며, 전기화학적인 방법과 물리적인 방법을 이용하여 거칠기를 부여한 표면에 하이드록시아파타이트 코팅을 하였다. 본 논문에서는, 양극산화법과 두 단계의 HA 코팅 법을 이용하여 합금표면에 나노구조의 거칠기를 부여하고 하이드록시아파타이트 코팅을 함으로써 뼈와의 접착성을 극대화시키는 연구를 진행하였다. 모든 시편의 표면특성은 OM, FE-SEM, EDS 및 XRD를 사용하여 분석하였다. 시편에 나노튜브를 형성 후, 하이드록시아파타이트를 코팅한 Ti-25Ta-xZr 합금 표면의 접촉각을 측정하여 표면 젖음성 (wettability)을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 광학현미경 분석 결과, Ti-25Ta 합금의 미세조직은 주로 마르텐사이트 구조가 관찰되었으나, Zr 함량이 증가할수록 마르텐사이트 구조가 사라지고 등축정 구조가 나타났다. 또한 XRD분석 결과 Ti-25Ta 합금에서 주로α”피크를 보였으며 Zr함량이 증가할수록 α”의 피크가 감소하고. β상의 피크가 증가하였다. 2. Zr 함량이 적은 합금의 경우는 나노튜브 배열이 불규칙하게 배열되었지만, Ti-25Ta-15Zr의 경우 큰 튜브 주위에 작은 튜브가 균일하게 배열되었다. 3. Zr의 함량이 증가할수록, 나노튜브의 길이가 증가되었다. 4. 전기화학적 증착법을 이용한 하이드록시아파타이트 코팅의 표면은 Ti-25Ta-3Zr까지는 나뭇잎 모양의 석출물 형태를 보였으며, Zr 함량이 증가할수록 꽃모양의 석출물 형태로 표면이 변화 하였다. 5. 전기화학적인 방법으로 하이드록시아파타이트를 코팅한 후에, 물리적인 방법으로 HA를 코팅한 경우가 좀 더 조밀하고, 균일한 표면을 보였다. 코팅 표면의 조성분석은 EDS 분석 결과, 하이드록시아파타이트가 균일하게 형성되었다. 6. 접촉각 측정결과, 나노튜브를 형성 후, 하이드록시아파타이트 코팅한 시편의 표면이 가장 낮은 접촉각을 보였다.

결론적으로, 나노튜브를 형성한 후 두 단계의 하이드록시아파타이트 코팅 처리한 Ti-25Ta-xZr 합금은 나노 구조를 형성하여 넓은 비표면적을 갖기 때문에 세포가 잘 자랄 수 있는 환경을 제공하였으며, 뼈와 유사한 성분인 하이드록시아파타이트를 코팅함으로써 골융합성을 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다.