Surface Characteristics of Zinc Coatings on the PEO-treated Ti-6Al-4V by RF-sputtering

Abstract

티타늄 (CP-Ti) 및 티타늄 합금 (Ti-6Al-4V)은 생체적합성, 부식저항성, 기계적 특성이 우수하기 때문에 정형외과의 본 플레이트와 인공관절 등 임플란트 재료뿐만 아니라 치과용 임플란트 재료로 널리 사용되고 있다. 그러나 Ti 금속은 생체불활성 재료로 골 융합을 직접적으로 유도하지 않기 때문에 충분한 골 융합이 이루어지기까지 상당한 시간이 필요하다. 이 때문에 임플란트 표면을 개선하기 위해 많은 연구를 하고 있다. 이 들 연구 중에서도, 인산칼슘 (Ca/P)은 주변 뼈 조직에 강한 친화성과 뼈 형성을 유도하는 능력이 우수하여 Ti 합금 임플란트에 코팅 재료로 적용되고 있다. 뼈의 무기성분으로 Sr, Mg, Zn, 및 Si 과 같은 원소들은 뼈 형성에 중요한 역할을 하고, 또한 결정화 및 기계적 성질과 같은 뼈 특성에 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 플라즈마 전해 산화법을 이용하여 티타늄 합금에 마이크로 포아를 형성한 후, 거칠기를 부여한 표면에 물리적인 증착법을 이용하여 아연 (Zn)을 코팅함으로써 뼈와의 접착성을 극대화시키는 연구를 진행하였다. 코팅공정은 두 단계로 실시하였다; 1) 표면에 마이크로 포아를 형성함과 동시에 수산화인회석의 코팅막의 결합력을 증진시키기 위해 0.15 M Ca(OAc)2 + 0.02 M CGP 를 280 V에서 3분 간 DC power supply를 이용하여 인가하였다. 2) 마이크로 포아를 형성 한 표면에 RF-magnetron sputtering법을 이용하여 아연 (Zn)을 1, 및 3분 간 코팅하였다. 두 단계로 처리된 Ti-6Al-4V 합금의 표면특성은 주사전자현미경, EDS, 및 X-선 회절분석을 사용하여 분석하였다. MC3T3세포를 사용하여 생물학적 변화가 다른 조건에 미치는 영향을 조사하였다. 이러한 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. Ti-6Al-4V에서 PEO 처리 후 양극산화층을 분석한 결과, 균일하고 많은 마이크로 포어가 배열된 양상을 보였으며, 물리적인 방법으로 Zn를 코팅한 경우에는 마이크로 포어 내부와 표면에 더 많은 원형의 코팅물질 입자들이 관찰되었다. 2. 스퍼터링 시간이 길어짐에 따라 TiO2의 결정구조는 비정질상이 증가하고 결정상이 감소하였다. 3. MC3T3-E1 세포 실험 결과, 세포 성장은 PEO 포아 표면만 존재하는 경우 보다는 마이크로 포어 표면에 아연 코팅한 경우가 더 우수하였다. 세포 생존력은 1분 동안 Zn 코팅한 경우가 세포의 성장과 생존력이 가장 우수하였다.

결론적으로, PEO 처리 후, RF 스퍼터링으로 아연코팅 처리한 Ti-6Al-4V 합금은 마이크로의 표면에 세포가 잘 자랄 수 있는 환경을 제공하였으며, 골과 임플란트 계면에서 골 유착을 향상시키는 우수한 환경을 제공할 것으로 생각된다.