플라즈마 전해 산화법으로 (Mg/Si)-hydroxyapatite 코팅된 치과 임플란트용 Ti-29Nb-xHf 합금의 표면특성

Abstract

In this study, surface characteristics of PEO-treated Ti-29Nb-xHf alloy in electrolytes containing Ca, P, Mg, and Si ions have been researched. The results were as follows;

1. The microstructure of the Ti-29Nb-xHf alloys showed α″and βphase. As the Hf content increased, the shape of the needle-like decreased and the shape of the equiaxed structure and the βphase increased.

2. The hardness of Ti-29Nb-xHf alloy decreased slightly as the Hf content increased, and elastic modulus decreased.

3. The surface of oxide films showed the uniform micro-pore formation on the surface. Especially, in the case of PEO-treated Ti-29Nb-xHf alloys in electrolytes containing Mg ion, pore size decreased and numbers increased compared to PEO-treated Ti-29Nb-xHf alloys in electrolytes without Mg ion.

4. From the XRD analysis, in the case of Mg ion addition to electrolyte, the anatase peak on the Ti-29Nb-xHf alloy was shifted slightly to left side with a lower diffraction angle,

5. The Ca/P and (Ca+Mg)/(Si+P) ratios were the closest to the ideal value for PEO-treated Ti-29Nb and Ti-29Nb-15Hf in solution containing 5Mg Mol%. Also, these ratios of PEO-treated Ti-29Nb-xHf alloys in solution containing Mg and Si ions decreased as Mg ion increased.

6. Corrosion potential of the PEO-treated Ti-29Nb-xHf alloys increased as Mg ion increased, and corrosion potential of PEO-treated Ti-29Nb-15Hf alloy showed higher than that of the Ti-29Nb alloy.

7. The contact angles of micro-pore formed Ti-29Nb and Ti-29Nb-15Hf alloy surface with Mg ions showed lower than those of other alloy surface.

8. The PEO-treated Ti-29Nb-15Hf alloy in electrolytes containing 5Mol Mg was a good cell proliferation and growth with lamellipodia and filopodia covered the pores and surfaces.

In conclusion, the formation of the anatase and micro-pore on Ti-29Nb-xHf alloys can be controlled by varying the Mg concentration of electrolyte for improvement of biocompatibility.|본 논문에서는 Ti-29Nb-xHf 합금표면에 (Mg/Si)-hydroxyapatite 함유된 마이크로 포어 산화막을 형성하기 위하여 플라즈마 전해 산화법(PEO)으로 합금표면에 포아를 형성하여 표면특성을 연구하였다. 이를 위하여 Ti-29Nb-xHf 이원계, 삼원계 합금은 아크용해법을 이용하여 Ti-29Nb, Ti-29Nb-3Hf, Ti-29Nb-7Hf, 및 Ti-29Nb-15Hf 합금이 되도록 설계하여 제조하였다. 제조된 합금은 디스크형태로 두께 3mm로 절삭하여 1050℃에서 12시간동안 열처리 후 급속 냉각 과정을 걸쳐 시편을 준비하였다. 플라즈마 전해 산화법을 이용하여 Mg, Si 이온이 함유된 Calcium acetate와 Calcium glycerophosphate 전해질 용액에서 표면에 마이크로 포아를 형성하였다. 모든 시편의 표면은 OM, FE-SEM, XRF 및 XRD 등으로 분석하였다. 표면의 경도와 탄성계수는 나노인덴터를 이용하여 조사하였으며 동전위 분극시험을 통해 표면의 전기화학적 부식 거동을 분석하였고, In vitro 분석은 표면 조건에 대한 생물학적 변화의 영향을 조사하기 위하여 MC3T3 세포로 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. Ti-29Nb, Ti-29Nb-3Hf, 및 Ti-29Nb-7Hf에서 주로 층상(lamellar)과 침상(needle)형상의 마르텐사이트(martensitic) 구조를 보였으며 α″상이 관찰되었고, Ti-29Nb-15Hf 합금에서는 주로 등축정(equiaxed) 구조로 β상이 관찰되었다.

2. 기계적 특성의 분석 결과, Ti-29Nb 합금과 비교하여 Ti-29Nb-3Hf, Ti-29Nb-7Hf, 및 Ti-29Nb-15Hf 순으로 Hf 함량이 증가함에 따라 탄성계수와 경도가 감소하였다.

3. 각 군마다 다양한 직경의 기공들이 산화막 표면에 균일하게 분포되어 있으며, 인가전압이 동일한 환경에서 Mg 이온의 함량이 높아질수록 직경의 크기는 작아지고 균일한 기공이 형성되었으며 Ti-29Nb 이원계와 Ti-29Nb-15Hf 삼원계 합금에서 비슷한 포아 형태와 분포도를 보였다.

4. EDS와 Mapping을 통한 분석 결과, 플라즈마 전해 산화법을 이용하여 처리한 산화막 표면에서 Ca, P, Si, 및 Mg 원소들이 잘 분포되었음을 확인하였다. 특히, Ca/P 및 (Ca+Mg)/(Si+P)비율이 Mg의 함량이 증가할수록 감소하였으며 5 mol%의 Mg에서 이상적인 비율을 나타냈다.

5. XRD 분석 결과, 전해질에 Mg 이온을 첨가한 경우 Ti-29Nb-xHf 합금에서 아나타제 피크가 더 낮은 회절각에서 나타났으며 Mg이 첨가되지 않은 것에 비해 왼쪽으로 shift 하였다.

6. PEO법을 이용하여 표면처리한 Ti-29Nb-xHf합금의 Ecorr는 Mg 이온이 증가함에 따라 증가하였고, Ti-29Nb-15Hf 합금은 Ti-29Nb 합금의 Ecorr보다 높게 나타났다.

7. 표면처리한 후 젖음성 분석한 결과, Mg 이온의 함량을 증가시킴에 따라 표면에서 낮은 접촉각이 나타났다. 또한, Ti-29Nb 보다 Ti-29Nb-15Hf에서 더 낮은 접촉각을 보였다.

8. In vitro 분석 결과, PEO 처리된 표면에서 전체적으로 안정적인 골성장과 세포 성장을 보였다. 특히, 5 mol%의 Mg에서 골성장과 세포의 성장이 가장 우수하였다.

결론적으로, 합금의 낮은 탄성계수와 (Mg/Si)-hydroxyapatite가 함유된 마이크로 포어 산화막이 형성된 Ti-29Nb-xHf 합금은 골형성을 유도할 수 있는 세포부착과 성장의 친화적인 환경을 제공할 것으로 생각되며 생체재료로서 응용이 가능함을 알 수 있었다.