Surface Characteristics and Biocompatibility of PEO-treated Ti-40Ta-xZr Alloy in Electrolytes Containing Ca, P, Mg, and Zn Ions

Abstract

본 연구에서는 티타늄 합금 (Ti-6Al-4V)의 생체적합성 및 표면특성을 개선하기 위하여 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr) 등의 원소를 첨가하여 새로운 티타늄 합금을 제조 한 후, 합금의 표면에 플라즈마 전해 산화법(PEO)을 이용하여 Hydroxyapatite (HA)와 같은 세라믹 코팅을 형성시킨 후, 합금의 생체적합성과 표면특성을 연구하였다. Ti-40Ta-xZr 삼원계 합금은 Ti-40Ta 합금을 기본으로 하여 Zr의 함량을 0, 3, 7, 및 15 wt. %의 함량으로 하여 제조하였다. Ti-40Ta-xZr 합금은 Ar 가스분위기와 1050 ℃에서 1시간 동안 균질화 시킨 다음 얼음물에서 급냉 시켰다. 또한 전기화학적 산화 피막은 0.15 M의 calcium acetate monohydrate + 0.02 M의 calcium glycerophosphate 전해질에서 DC 280V, 3분간 직류전원공급장치를 이용하여 인가하였다. 또한 생체활성을 높이기 위해 전해질에 기능성 물질인 0.0075M의 zinc acetate와 magnesium acetate를 소량 첨가하였다. Ti-40Ta-xZr합금의 코팅된 표면의 기계적인 특성은 비커스경도와 거칠기테스트, 나노인덴테이션 시험을 통하여 탄성계수를 측정하였으며, 코팅표면의 접촉각을 측정하여 표면 젖음성 (wettability test)을 평가하였고, AFM과 표면거칠기 측정장치를 을 이용하여 표면의 거칠기를 측정하였다. 또한, 세포의 활성 및 분화는 HEK 293 cell culture 실험을 통하여 세포증식을 알아보았다. 합금의 표면 특성은 주사전자현미경, EDS, XRF, 그리고 X선 회절분석을 사용하여 분석하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. Ti-40Ta-xZr 합금의 조직은 Zr의 함량이 증가할수록 침상구조(needle-like)에서 β상의 등축정 구조가 나타났고, XRD 분석 결과에서도 β상의 피크가 증가하는 양상이 보였다. 2. 플라즈마 전해 산화방법(PEO)을 이용하여 표면에 다공성의 거친 생체활성물질인 HA로 코팅 시킨 결과, Zr의 함량이 증가함에 따라 표면에 형성된 마이크로 포어의 크기가 증가하였으며, 표면뿐만 아니라 포어의 내부에서 2차 포어가 형성됨이 관찰되었다. 또한 표면에서는 TiO2, Ta2O5, ZrO2 와 같은 산화피막이 형성되었다. 3. PEO 처리한 표면에서 각 원소들이 잘 분포되었으며 또한 특정 원소들이 포어 안보다 밖에서 분포가 더 잘 이루어지는 것을 EDS line profile 분석을 통해 확인하였다. EDS분석 결과로 얻은 Ca/P 비율은 Zr의 함량이 증가할수록 증가하였다. 4. PEO처리한 Ti-40Ta-xZr합금의 표면의 거칠기와 비커스경도, 탄성계수는 Zr 함량이 증가함에 따라 감소하였다. 5. HA코팅 된 Ti-40Ta-xZr 합금의 젖음성은 PEO처리한 시편에서 높은 젖음성이 나타났으며, Zr의 함량이 증가할수록 낮은 접촉각이 나타났다. 또한 Ca, P에 Mg과 Zn 이온을 도핑하여 HA 코팅한 경우에는 접촉각이 감소하는 경향을 보였다.

결론적으로 Ti-40Ta-xZr 합금의 표면 변형은 다공성의 표면 구조로 인해 넓은 표면적을 형성하고, 생체에 적합한 기능성 물질을 도핑 함으로써 생체적합성을 향상시키며, 또한 피막의 ZrO2의 산화물은 막의 습윤성을 향상시키므로 뛰어난 표면 개질을 보임을 알 수 있었다.