Surface Morphology and Biocompatibility of Hydroxyapatite-coated Ti-40Nb-xZr Alloys after Micro-and Nano-sized Pore Formation

Abstract

본 연구에서는 기존 임플란트 재료로 사용되는 Ti-6Al-4V 합금을 대체하기 위해 저탄성계수를 갖는 무독성 티타늄 합금을 개발하였다. 순수한 Ti에 β형 원소인 Nb를 40 wt.% 첨가하고 Zr 함량을 (x = 0, 3, 7, 15 wt.%) 변화시켜 새로운 3원계 합금 (Ti-40Nb-xZr)을 제조하였다. Ti-40Nb-xZr 합금의 표면에는 플라즈마 전해 산화 (PEO)처리를 통해 마이크로 크기의 기공을 형성하였고, 양극산화 처리를 통해 나노 크기의 기공을 형성하였다. 마이크로 및 나노 크기의 기공 위에 RF-마그네트론 스퍼터링을 이용하여 HA 코팅한 후 다양한 실험 장비를 사용하여 합금의 표면을 관찰하였다. 새로운 3원계 합금인 Ti-40Nb-xZr (x = 0, 3, 7, 15 wt.%)은 아크 용해로를 사용하여 Ar 분위기에서 제조하였다. 화학적 균질성을 향상시키기 위해 10회 연속으로 용융시키고 1050℃에서 1시간 동안 균질화한 후 급랭시켰다. PEO 처리는 DC 전원(Keysight Co. Ltd., USA)을 사용하여 수행하였으며 시편을 양극으로, 탄소 막대를 음극으로 사용하였다. Ca 및 P 이온 (0.15M calcium acetate monohydrate + 0.02M calcium glycerophosphate)을 전해질로 포함하는 용액에서 수행하였으며, 인가전압은 280V, 인가 시간은 3분으로 설정하였다. 직류 (DC) 공급장치 (E3641A, Agilent, USA)를 사용해 백금을 상대전극, 시편을 작업 전극으로 사용하는 2전극 구성으로 양극 산화 처리를 수행하였다. 합금 표면에 나노튜브는 1M H3PO4 + 0.8 wt.% NaF 전해질 속에서 1시간 동안 20V의 전압을 인가하여 형성하였다. RF-마그네트론 스퍼터링 시스템 (A-Tech System Co., Korea)을 이용하여 Ar 가스 분위기에서 HA 박막을 코팅하였다. 코팅 압력은 5.0 × 10−2 Torr로 유지하였고, 50W의 RF 전력을 30분간 인가하여 플라즈마를 형성하였다. Ti-40Nb-xZr 합금의 표면 및 기계적 특성은 광학현미경, 전계방출형 주사전자현미경, 에너지분산형 X선 분광법, X선 회절분석기, 나노-인덴테이션 시험기, 원자현미경으로 분석하였다. 또한, 젖음성 (wettability) 측정, HA 결정 성장 및 세포 부착 시험으로 생체 적합성을 평가하였다. 위와 같은 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다:

1. Ti-40Nb-xZr 합금에서 Zr 함량이 증가함에 따라, 미세구조는 바늘 구조에서 등축 구조로 바뀌었으며, β상의 피크가 강하게 검출되었다. 나노-인덴테이션 시험 결과 Zr 함량이 증가할수록 나노-인덴테이션 경도 및 탄성계수는 감소하였다.

2. Ca 및 P 이온이 함유된 전해질에서 PEO 처리 후 Ti-40Nb-xZr 합금 표면에 전체적으로 다공성이고 불규칙한 기공이 형성되었다. Zr 함량이 증가했을 때, 표면의 기공률 및 기공의 크기는 증가하였으며, 기공의 개수는 감소하였다. XRD 분석 결과 PEO 층에 의해 Anatase, Rutile, 및 HA 상이 관찰되었다.

3. 1.0M H3PO4 와 0.8 wt.% NaF 전해질 속에서 Ti-40Nb-xZr 합금 표면에 형성된 나노튜브는 Zr 함량이 증가할수록 직경이 작아졌으며, 규칙적인 배열을 하였다. XRD 분석 결과, 나노튜브층에서 Nb2O5, ZrO2, Anatase, Rutile 상이 검출되었다.

4. 연마 후, PEO 처리 후, 나노튜브 형성 후 RF-마그네트론 스퍼터링 공정을 통해 HA 코팅된 Ti-40Nb-xZr 합금의 표면은 HA 입자들로 덮여졌으며, 나노 크기의 기공 입구를 코팅층이 덮여진 양상을 보였다. EDS 분석 결과 균일한 코팅층에 의한 Ca 및 P 이온이 검출되었으며, XRD 분석 결과 HA 상이 관찰되었다.

5. HA 코팅된 Ti-40Nb-xZr 합금 표면의 거칠기는 표면처리법에 따라 큰 차이를 보였다. PEO+HA에서 가장 거친 표면을 보였으며, Nano+HA와 Bulk+HA 순서로 표면거칠기가 증가하였다. Zr 함량이 증가에 따라 표면 거칠기는 점차 감소하였으나, PEO+HA의 경우, 표면 기공의 거친 형상으로 인해 Ti-40Nb-15Zr에서 가장 거칠었다.

6. HA 코팅된 Ti-40Nb-xZr 합금의 젖음성을 측정한 결과, Nano+HA에서 접촉각이 가장 낮았다. PEO+HA와 Bulk+HA 순서로 접촉각은 증가하였으며, 모든 표면처리법에서 Zr 함량이 증가할수록 접촉각은 감소하였다.

7. 표면처리방법과 관계없이, HA 코팅된 Ti-40Nb-xZr 합금 표면 위에 수산화인회석은 잘 형성되었다. 수산화인회석의 초기 성장은 마이크로 및 나노 크기의 기공 주변에서 시작되어 표면 주위로 성장하였다.

8. HA 코팅된 Ti-40Nb-xZr 합금에 MC3T3-E1 세포를 성장시킨 결과, 나노 크기의 기공이 형성된 Nano+HA에서 세포 성장이 가장 활발하였다. 그 다음으로 마이크로 크기의 기공이 형성된 PEO+HA에서 세포 성장이 활발하였으며, 모든 표면에서 Zr 함량이 증가할수록 세포 성장 및 분화가 잘 이루어졌다.

본 연구에서는 β형원소를 첨가해 무독성이며 저탄성계수인 Ti-40Nb-xZr 합금을 개발하였다. PEO 및 양극산화 법을 이용하여 합금 표면에 마이크로 및 나노 크기 기공을 형성하였으며, Zr 함량에 따른 기공 형태 변화를 관찰하였다. 마이크로 및 나노 크기의 기공 위에 RF-마그네트론 스퍼터링을 통해 HA 코팅된 Ti-40Nb-xZr은 생체적합성이 향상되었다. 따라서 HA 코팅된 마이크로 및 나노 크기의 기공을 갖는 Ti-40Nb-xZr은 임플란트 식립 후 조골세포의 접착을 촉진해 골융합 기간을 단축시킬 것으로 기대된다.