마그네슘 이온 주입에 따른 티타늄의 물리적 특성 변화

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정명환^* · 조원재, 박준규, 전혜란, 장혜민, 이재상 한국원자력연구원 가속기이용연구부

마그네슘 이온 주입에 따른 티타늄의 물리적 특성 변화

Accelerator Application Research Division

2020 방사선산업학회_{, 11}월 ₄일_-6일_,온라인

치과용 임플란트는 인공치아로 대게 높은 생체적합성을 가진 티타늄 혹은 티타늄 합금으로 만들어진다. 치과용 임플란트는 정상적인 구강 환경에서의 이식성공률은 90% 이상이지만, 당뇨, 골다공증 등 기저질환이 있는 경우 이식 성공률이 상당히 떨어진다고 보고되고 있다. 이를 해결하기 위해 표면 거칠기를 제어하고, 생체활성 물질을 코팅하는 등의 방법을 이용되고 있지만 아직까지 큰 성과를 거두지 못하고 있는 실정이다. 임플란트 표면 거칠기는 뼈와 임플란트의 접착 (BIC, Bone to implant contact)에 지대한 영향을 주기 때문에 티타늄 표면 개질 이후 변화를 최소화해야 한다. 대부분의 표면 개질법은 티타늄 표면의 거칠기에 영향을 주는 단점이 있지만 이온주입법의 경우 기존 거칠기에 영향을 주지 않는 장점이 있다. 본 연구에서는 이온주입법을 이용하여 티타늄 표면에 마그네슘 이온을 주입하였으며, 주입에 따른 티타늄 표면 거칠기, 표면 젖음성, 세포 부착능, 마그네슘 이온 용출 특성 등을 확인하였다. 실험 결과 마그네슘 이온 전후 표면 거칠기에 대한 변화는 관찰되지 않았으며, 표면 젖음 특성이 향상됨을 확인할 수 있었다. 또한, 골세포를 대상으로 진행한 세포 부착능에서도 대조군 대비 향상됨을 확인하였다.

연구 배경

 치과용 임플란트의 표면 처리 연구 현황

- 치과용 임플란트의 이식률은 상당히 높은 편이지만 당뇨병, 비만 등의 기 저질환 환자에게서는 임플란트 주위염, 점막염의 위험성으로 성공률이 현 저히 떨어지고 있음.

- 임플란트 표면의 거칠기를 조절하는 것이 BIC를 높이는데 중요한 요소로 작용하고 있으며 대부분의 임플란트는 S.L.A (Sand blasted, Large grit and Acid etching) 법으로 표면을 가공하고 있음.

- 생체활성물질 도입 : 보다 나은 임플란트의 BIC와 항염증 등의 반응을 위 해 생체활성 물질을 도입하는 연구가 진행중이며, 생체활성 이온으로 알 려진 칼슘, 스트론튬, 마그네슘 등의 이온을 도입하고 있음. 대부분의 연구 는 PIII (Plasma immersion ion implantation)와 화학적은 방법으로 도입하 는 방법이 주로 사용되고 있음.

- 마그네슘 이온 : 대사과정에 필수적인 원소로 신생골 형성을 촉진함.

생체적합성이 높아 생체 재료 표면 처리 물질로 주로 사용됨.

골다공증 환자에게서는 뼈 내부에 마그네슘이 심각하게 결핍되어 있음.

 PIII 이온 코팅법의 단점

- 코팅 공정으로 박리의 가능성 존재 - 코팅된 이온 측정의 부정확성

- 코팅시 다량의 불순물 유입 - 불균일한 코팅

 금속 이온빔 장치를 이용한 생체활성 이온 주입 법

- 금속 이온 주입 기술 티타늄 임플란트 표면 가공 개념도

종 류 장 점 단 점

기존기술

(S.L.A, RBM 등)

▫표면 거칠기를 조절하여 골유착 (골형성 치료시간 : 3~4개월)

▫구조상 모재와의 밀착력의 한계 및 골유착 결합력 한계/반응시 간 증가

이온빔 기반 표면 개질 기술

▫생체적합성 향상, 생화학적 골 유착 반응시간 단축, 모재와의 접착력 해결, 용해도 등의 열역 학적 제한이 없음

▫이온빔 조사에 따른 추가 비용 발생

연구 결과 및 고찰

 금속 이온빔 주입

- 마그네슘 이온 100 keV / 5 x 10¹⁵ cm^-2 – 3 x 10¹⁶ cm^-2 - 주입된 이온의 깊이별 분포

 마그네슘 이온빔 주입에 따른 티타늄의 물리적 특성 변화

- 마그네슘 이온 주입 전후 표면 미세 구조의 변화는 관찰되지 않음

- 기존 임플란트의 거칠기에 변화를 주지 않아 최종 공법으로 적용 가능함.

- 표면 젖음성 특성 향상 : 마그네슘 주입에 의해 접촉각이 30% 이상 향상됨.

향상된 접촉각은 대기중에서 유지하였을 때 1주일간 유지되었음.

- 골세포 부착능 향상 : 마그네슘이 주입된

티타늄에서 MG-63 세포

부착능이13 % 가량 향상되었음.

 결론

- 마그네슘 이온 주입법은 기존 임플란트의 표면 구조를 흐트리지 않고 생 체적합성을 높일 수 있는 방법임.

- 마그네슘 이온 주입이 치과용 임플란트 표면 재질의 우수성이 있다고 판 단되며, 생체활성 이온인 마그네슘을 주입한 임플란트의 항염증 및 골유 착 특성을 생물학적 기법을 통해 확인할 계획임.

금속이온빔 장치@가속기이용연구부

Implanted ion layer

Depth-profile of implanted ions

마그네슘 이온 주입 전 마그네슘 이온 주입 후

• 본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받은 양성자과학연구단 운영 사업에서 지원하였음.