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PLGA/HA복합재료의 HA함유량에 따른 재료특성비교

PLGA/Hydroxyapatate 복합재료의 Hydroxyapatate 함유량에 변화에 따른 재료특성 비교PLGA/Hydroxyapatate 복합재료의 Hydroxyapatate 함유량에 변화에 따른 재료특성 비교1. Introduction.관절연골은 뼈와 뼈 사이의 움직임에 관여하여 마찰을 줄여주고 연골의 마모를 방지하며 움직임을 부드럽게 해주는 중요한 역할을 한다. 노화나 질병, 외부적 충격으로 인한 관절연골의 파손은 인체에 심한 고통을 동반하며 자연스러운 움직임을 제한한다. 그러므로 인체의 활동에서 관절연골이 가지는 역할의 중요성을 깨닫고 이에 관한 연구도 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이전의 관절연골 치료법으로 인공관절을 많이 사용하였으나 관절운동이 제한적이고 금속으로 제작되어 무겁고, 체내 부식성이 크고, 생체적합성이 떨어지며, 연조직과의 강도차이로 인해 주변 조직이 약해지는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 현대에는 Polymer를 이용한 관절 연골재생 치료법이 활발히 연구되어 지고 있다.Polymer는 인공관절에 사용되는 금속에 비해 가볍고 제작이 용이하며 생체적합성이 뛰어나다. 뿐만 아니라 생분해성(역할이 끝나면 스스로 체내에서 분해되어 사라지는 특성)을 가진 Polymer를 이용한다면 시술 후에 제거를 위한 시술이 불필요 하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 탄성계수가 작다. 즉, 물리적 강도가 약하기 때문에 하중을 많이 받는 부분의 연골재생에는 제한적이라는 단점을 가진다. 이를 극복하기 위해 압축에 강한 세라믹을 이용한 고분자/바이오세라믹 혼합체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.연골재생에 도움을 주는 것으로 알려져 있는 생분해성 고분자 PLGA와 골 조직 구성 성분인 Hydroxyapatate(HA)로 만들어진 고분자/바이오 세라믹 혼합체인 PLGA/Hydroxyapatate 복합재료에 대해 두 성분의 혼합 비율에 따른 연골세포의 친수성의 차이를 접촉각 실험과 MTT assay를 통해 예상하여 보고 연골 재생과 세포배은 각종 무기염류들을 포함하여 다양한 화학반응의 용매로 작용하지만 조직 내에 불균질 하게 분포되어 있다.Figure 1. 연골조직 구성사진콜라겐은 건조중량의 60%를 차지하며 세포외기질 내의 단백당과 결합하여 그물망 구조를 형성해 연골의 형태를 유지한다. 콜라겐은 Figuer 2와 같이 세 개의-chain이 새끼 꼬듯이 꼬여서 구성된 것으로 연골조직에 강한 인장력을 제공한다. 대부분의 콜라겐은 type콜라겐으로 되어 있다.Figure 2. 콜라겐 구조적 특성2) 세포배양(Cell culture)관절연골은 혈관이 없어 손상을 받은 후에도 염증이 생기지 않으며 조직 또한 재생되지 않는다. 그러므로 손상된 연골은 회복되지 않는다. 이러한 연골을 치료하기 위해서 예전에는 손상부위를 절재 하거나 인공관절 사용, 자가 연골 이식법 등을 사용하였다. 하지만 생체적합성이 맞지 않거나 자가 연골 이식법 같은 경우 회복이 느리고 이식 할 수 있는 양이 매우 제한적이라는 단점이 있다. 이러한 단점들을 보완하기 위해 많은 연구가 진행 되어졌고, 천연 고분자나 합성 고분자를 사용하여 3차원 지지체에 세포를 배양한 뒤 이식하는 방법이 등장하였다. 그러므로 연골조직을 지지체에 세포 배양하는 방법에 관한 연구 또한 필요성을 느끼게 되었다.가. 세포배양 과정① 연골부위를 깨끗이 절단한 뒤 PBS로 세척한 후, 매스로 연골부위를 조금씩 잘라낸다. ② 잘라낸 연골을 2㎎/㎖ 농도의 Collagenase에 넣은 후, 10～16시간 동안 녹이고 나서 남 은 찌꺼기를 Filter에 거른다.③ Filtering이 끝나면, 원심분리기를 이용하여 1200rpm에서 5분 동안 원심분리 한다.④ 원심분리 후, 침전된 cell을 제외한 용액을 aspiration 한다.⑤ 10% FBS를 넣은 Dulbecco's modified Eagle's medium(DMEM) 배지를 cell이 침전 되 어 있는 tube에 넣는다. DMEM 배지를 넣을 때 cell이 tube 안에 골고루 분포할 수 있 도록 pipette으도의 강도를 필요로 하는 조직공학용 지지체, 봉합사, 정형외과용 뼈 고정핀, 나사들에 사용된다. 이러한 특징을 가진 PLGA의 단점으로는 분해될 때 분해산물이 산(Lactic acid, Glycolic acid)이므로 국소적으로 주변의 pH를 낮추어 체액이 원활히 순환되지 못하는 부위에서는 분해를 가속화 시키거나 주변조직에 악영향을 미칠 수 있다.(a)(b)Figure 4. Polymer의 화학적 구조 : (a) PLGA의 화학적 구조 (b) PLGA가 분해산물인 Lactic acid(왼쪽)와 Glycolic acid(오른쪽)2) Hydroxyapatite (HA)화학적으로 골과 hard tissue의 mineral 성분과 비슷한 성질을 가지고 있어 bioceramic으로 알루미나, 타이타니아, 지르코니아, 바이오글래스, 탄소 등과 같이 널리 쓰이고 있다. 생체 내에서 독성 반응이 잘 일어나지 않으며 경부조직 뿐만 아니라 근육이나 피부 같은 연부 조직에 대해서도 우수한 생체 적합성을 나타낸다. 또한 골 내부에 매입하면 bone과 직접 결합하여 단단한 계면 결합을 형성할 수 있다. Hydroxyapatite(HA)의 화학식은이고 화학식을 살펴보면 칼슘(Ca)과 인(P)의 화학적 비율이 1,67인 인회석으로 골의 주 구성 성분이며 치아나 골 무기물 성분의 70～90%를 차지하는 세라믹 생체 재료이다. 또한 합성온도에 따라 다양한 결정 상태로 만들 수 있고, 물리적 성질의 조절도 다양하게 할 수 있어 현재 가장 널리 사용되는 세라믹 생체 재료이다.3) PLGA/HA 복합재료 (PLGA/HA composite material)Polymer의 장점으로는 우수한 탄성력과 생체적합성, 가공의 용이성, 그리고 다른 생체 재료보다 가볍다는 것이다. 하지만 단점 또한 많다. 시간에 따라 변형되거나 분해되며 약한 기계적 성질을 가지고 있어 높은 하중에 장시간 버티지 못한다. 그러므로 임플란트나 정형외과용 재료로 잘 사용되지 않는다. 이러한 단점을 극복하기 위해 생체적합성이 뛰어나이 일정한 각을 이룬다. 접촉각는 고체와 액체의 종류에 따라 다르다.가 90°일 때를 기준으로 높은 접촉각(> 90°)은 소수성(hydrophobic)을 나타내고 고체표면을 적시지 않으며, 낮은 접촉각(< 90°)은 친수성(hydrophilic)을 나타내며 고체표면을 적신다.Figure 6에서을 액체의 표면장력이라 하고,를 고체의 표면 장력, 액체와 고체 사이의 계면장력을이라하면, 다음과 같은 영의 방정식(Young's equation)을 얻을 수 있다.즉,(equation 2)이면, 접촉각은 존재하지 않으며, 액체는 일정한 형태를 취하지 않고 한없이 퍼져 액체의 표면을 적신다.Figure 6. Contact Angle나. Contact Angle Analyzer장치에 부착되어 있는 카메라를 통해 시편과 물방울의 모양을 관찰할 수 있고, 카메라로 받 아들인 영상을 컴퓨터에서 계산하여 접촉각을 측정할 수 있는 장비로서, Figure 7는 실험에 사용한 Contact Angle Analyzer 사진이다.Figure 7. Contact Angle Analyzer2) 실험재료 및 방법가. 실험 재료PLGA는 레이크쇼어 바이오 메테리얼즈에서 구입한 분자량이 113KD이고 75:25 PLGA를 사용 하였다. HA는 시그마에서 구입하였으며, atomic ratio 1.67, 길이 10～100um의 크기의 파우더 타입을 사용하였다. 세포는 돼지의 뒷다리 무릎연골에서 추출하여 배양한 Passage 2번과3번의 연골세포를 사용하였다.시편 제작은 필름을 Solvent-casting 방법으로 제작 하였으며 스캐폴더는 염 침출법으로 디스크 타입으로 제작을 하였다. 시편은 HA의 농도를 달리하여 필름은 5,10,15 그리고 Scafford는 5,10의 무게비율로 제작을 하였다. 세포는 돼지의 무릎 연골에서 추출하였으며 2mg/ml의콜라게나제 타입 투용액에 8～12시간 용해시켜 세포를 추출하였다. 그리고 필름에는개, Scafford에는개를 각각 Seeding하였다.접촉각 측정 실험에서는종류의 시편 중에서 연골재생의 지지체로 가장 적합 한 재료는 HA 10wt%의 PLGA/HA composite material 일 것이다.접촉각 실험을 통해 HA 10wt%의 PLGA/HA composite material이 가장 세포배양이 잘 될 것으로 예상하였다. 이제 이 시편들을 사용하여 세포증식을 통해 위의 실험 결과로 인한 예상 과 실제 세포증식의 정도를 비교하여 보겠다.Table 1. Contact Angle Analyzer를 사용하여 측정한 접촉각.Group시편번호측정①측정②평균총 평균HA 0wt%163.25068.59465.922263.51768.72566.121365.24867.43566.342468.04466.01567.030566.56765.17965.87366.257HA 5wt%167.43563.63965.537265.17967.43566.307364.44962.50463.477467.43564.24865.842565.90165.58965.74565.381HA 10wt%164.19365.32264.758265.58963.63964.614362.48265.97064.226464.24863.23763.743563.08664.91464.00064.268HA 15wt%168.60468.25068.427266.68194.43567.058365.17966.19965.689466.76965.17165.970563.39068.60465.99766.628(실험 10조의 실험 결과를 바탕으로 작성하였으며, 단위는)(a)(b)Figure 8. Contact Angle Analyzer로 촬영한 사진(a) HA 0wt% (b) HA 5wt%(a)(b)Figure 9. Contact Angle Analyzer로 촬영한 사진(a) HA 10wt% (b) HA 15wt%5. PLGA/HA composite material의 세포증식도 비교분석1) 실험 재료접촉각 실험에 사용된 PLGA/HA composite material film은 2D였으나 준비된 시편이 없어 세ng

공학/기술| 2008.01.28| 12페이지| 1,000원| 조회(763)

HA, 세포배양, PLGA, 관절연골

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임플란트 표면처리에 따른 골융합 비교분석 평가A좋아요

Implant 표면 처리에 따른 골융합 상태 비교분석박혜진(20032908)1. Introdution임플란트 치료는 인접치아 제거 없이 치아 상실 부분에 인공적인 fixture를 뼈에 심고 그 위에 치아 모양의 보철물을 올리는 시술 방법이다. 치아를 상실하였을 경우, 과거에는 아 래 그림 1과 같이 건강한 인접치아를 어느 정도 제거하고 그 위에 보철물을 씌워 그 사이 상실된 치아 부분에 인공치아를 걸어 연결하는 브릿지 치료방법을 많이 시술하였고, 치아를 거의 다 상실하였을 때는 틀니를 만들어 사용하였다. 하지만 이 방법들은 단점을 많이 가지고 있다. 브릿지의 경우, 치아가 2~3개 이상 길게 연장될 경우 무리한 하중으로 지대가 되는 치아의 파절이나 이차 충치를 유발할 수 있으며 기능성도 많이 떨어진다. 그렇기 때문에 주기적으로 치과에서 검진을 받아야하는 불편함이 있다. 또한 틀니는 사용 시 뺐다 꼈다해야 하는 불편함이 있다. 하지만 최근에는 임플란트 치료가 관심을 받고 있으며 많이 시술되어 지고 있다. 시술 가격이 브릿지 시술 가격보다 비싸다는 점을 제외 하고는 다른 면에서는 모두 우수하다. 임플란트의 우수한 기능과 편리함으로 인해 시술의 횟수가 늘어나면서 임플란트에 대한 관심이 높아지고 그에 대한 연구도 활발히 진행 되고 있다. 그것에 대한 연구들 중에서 특히 임플란트와 골조직 사이의 골융합에 대한 연구가 많이 진행되어 진다. 골조직과 임플란트의 직접적인 접촉은 임플란트 전체 표면이 아니라 매식부위 골조직의 상 태 및 임플란트와 조직의 적합정도, 재질의 종류, 표면성상, 표면 거칠기, 초기하중과 수술 방법의 변화 등 주어진 환경에 따라 매우 다양한 결과로 나타난다. 이 중 임플란트와 골 조직 간의 골융합 과정에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 임플란트 표면형태이다. 그러므로 임 플란트 표면 처리에 따른 표면형태의 변화와 표면형태가 변함에 따라 골융합 과정에서 발 생하는 차이에 대해 조사하고 연구해 볼 것이다.(a)(b)2. Implant의 이해1) 임플란트의 지만 마취에 대한 과민반응 등의 부작용이 있을 수도 있다.6) 임플란트 치료 과정환자의 전신건강 상태 및 구강상태를 검진, 진단하고 의사와 함께 치료계획을 수립한다. 계획 수립 후, 시술을 하고 골유착을 위해 3~6개월 정도 지켜본다. 이 기간 동안은 임시 보철물을 장착해 사용하고 골유착 상태가 좋아지면 최종 보철물을 제작하여 장착한다.그 후, 철저한 치아 관리가 요구되며 정기적으로 치아검사를 받아야 한다. 아래 그림 2는 임플란트 시술 과정을 나타내었다.< 그림 2. 임플란트 시술과정 >3. 임플란트 재료 및 특성1) TitaniumTitanium 18세기 말에 영국의 W.Gregor에 의해 사철의 한 성분으로서 발견되었고, 이어서 독일의 M.K.Klaproth가 헝가리의 루틸광의 산화물로서 발견하여 희랍신화의 거인 타이탄에 관련시켜 Titanium 이라고 이름 지었다. 금속 순티탄으로서 추출된 것은 1910년에 M.H unter가 사염화 티탄의 나트튬 환원으로 성공한 것이 처음이며, 더욱이 1925년 van Arkel과 de Boer가 염화티탄 증기를 열분해하여 텅스텐 위에 고순도 티탄을 석출 분리시키는 데에 성공했다. 그리고 공업적 규모에서의 정제기술의 기초가 확립된 것은 W.Kroll이 1940년에 4염화 티탄을 불활성 가스 분위기 중에서 마그네슘으로 환원시켜 스폰지ㆍ티탄을 얻는 방법을 발명한 후부터이다.Table 1. Titanium의 역사1790년William Gregor(영국) 강가의 하천에서 Ti금속의 존재발견 "Manaccin"으로 명명1795년Martin H. Klaproth(독일) Rutile(TiO₂)로부터 Ti금속 발견, "Titan"으로 명명1856년Muller(독일) Ti(C,N) 화합물로부터 Ti을 검출1875년Kilirov(러시아) 금속형태의 Ti추출 성공1895년Hani Moasan(프랑스) 고순도 Ti추출시도1910년Hunter(미국) "Ti(99.8%)"추출, Na를 이용한 Hunter Process개발1925년A.E. Va 되어 응고되어 Ingot로 형성된다. 최종 형성된 Ingot의 성분 균일성을 확신키 위해 2차 또는 가끔 3차에 이르는 재용해 조치를 취하기도 한다.열분해는 보통 전류를 통한 텅스텐 선상에서 시행한다. 이 방법으로 얻은 티탄은 순도가 높아 99.96%이므로, 요오드법 티탄이라 하여 구별한다. 이 밖에 융해염 전해법 등을 사용하는 일도 있다.3) Titanium 특성Titanium은 고강도, 고경량, 고내식성 등의 특징을 가지고 있어 항공우주 산업, 석유화학장치 산업 등에 주로 이용되어 왔다. 또한 구조용 재료로서 용도가 넓어져 가고 있다. 즉 내식재료로서 비료 공장의 합성탑, 각종 밸브와 배관, 계측기류, 열 교환기 등에 이용되고 있으며, Titanium의 생체적합성이 우수하여 가볍고, 견고한 특성 때문에 의료용 부품, 안경테, 손목시계, 골프 클럽 등에도 용도가 급속히 넓어지고 있다. 비용적인 측면에서 고가금속으로 인식되기도 했었으나 티타늄은 적용 후에 긴 수명을 유지할 수 있어 현재는 궁극적으로 판단할 때 경제적인 소재로서 인식되고 있는 추세이다.가. 물리적 성질① 비중 4.54, 용융점 1670℃, 조밀육방격자(HCP)② 변태점 : 882℃ (조밀육방격자↔면심입방격자)③ 열전도율, 전기전도율이 낮다.④ 결정- α형, β형 : α형은 상온에서 안정. 882℃ 이상에서 등축정계인 β형이 된다⑤ 굳기 4.0으로 차가울 때는 극히 취약하여 가루로 만들 수도 있으며 적열(赤熱)상태 에서는 선으로 만들 수 있다.나. 기계적 성질① 가볍고 강하며 내식성 우수하다.② 고온강도 우수(크리프 강도 우수)하다.③ 내열성이 500℃에서 스테인레스 강보다 우수하다.④ O2, N2, C가 고용되면 경화되어 가공성 저하한다.다. 화학적 성질① 화학적 반응성 강하지만 내식성 우수하다. 공기 중에서는 안정하나, 산소 속에서 강열하면 산화티탄이 된다. 할로겐과 가열하면 반응하고, 산에는 철보다 잘 녹지 않는다. 바닷물 속에서는 백금에 이어서 내식성(耐蝕性)이 강하다.② 산화피막 형성으 하지만 이들 소재에는 해결하기 어려운 문제점이 있는데 바로 부식에 의해 금속이온이 녹아 나오고 이런 금속이온이 혈액을 타고 전신에 퍼져 각종 질병을 유발시키는 것이다. 또 우리 몸은 자기 몸과 다른 물질이 체내로 들어오면 이를 배척하는 방향으로 반응하는데, 생체활성이 없는 금속과 생체불활성 재료로 이뤄진 이식체가 몸에 삽입됐을 때에도 이식체 표면에 섬유성 피막이 형성되어 우리 몸과 격리되는데 이 같은 반응이 스테인레스나 코발트-크롬 합금으로 된 금속 이식체를 삽입했을 경우에도 나타나는 것이다. 따라서 이식체가 시간이 지나면서 이식부위와 분리되어 쉽게 빠져버린다. 또 이식체는 인간의 뼈보다 훨씬 강도가 크기 때문에 주위의 뼈조직을 파괴해 이식부위가 헐거워지고 급기야는 재수술해야 하는 문제점도 있는 것이다. 이런 문제점을 해결하기 위해 고안한 재료가 티타늄과 티타늄합금(Ti-6Al-4V)인 것이다. 구체적인 사용의 예로 임플란트가 있다. 인공적으로 만든 치아를 심는 방법을 '임플란트'라고 하는데, 사전적 의미로의 임플란트란 상실된 인체 조직을 회복시켜주는 대치물을 의미한다. 치과에서는 주로 인공치아 이식을 말한다. 상실된 치아의 치근(뿌리)을 대신할 수 있도록, 인체 거부반응이 없는 Titanium으로 만들어진 인공치근을 이가 빠져나간 치조골에 심어서 유착시킨 후 인공치아를 고정시켜 치아의 원래 기능을 회복하도록 하는 첨단 시술이다.4. 임플란트 표면처리방법1) Machined(smooth) surface1세대 임플란트. 기계로 깍은 매끈한 표면을 가지고 있고 표면에는 아무런 처리를 하지 않은 임플란트로 스웨덴의 Branemark임프란트에서 처음 나온 대표적 임플란트 이다. 1 ~3깊이의 거칠기를 가지며 0.1폭의 기계가공선이 있다. 눈으로 보면 겉면이 반짝 반짝 하고 골질이 좋지 않은 경우 실패율이 높다. 지금은 거의 사용하지 않는다.2) Additive to increase bone contact area2세대 임플란트인 Titanium plasma spra등은 triple treatment 한 것이다. Nobel biocare의 TiUnite는 상부은 기계로 깍고 하부로 갈수록 산화막을 투껍게 하여 거칠기를 조절한 gradational treatment라 한다.5) Sintered porous-surface implant이 표면 처리방법은 작은 구슬 정도의 Titanium 알갱이를 고온에서 표면에 붙인 것인데, 특징적인 것은 임플란트 표면적이 다른 임플란트들에 비해 월등히 많아진다는 것이다. 이 에 대한 연구 결과에서 구치부에서 4mm 직경에 7mm 길이의 임플란트만으로도 보철이 가능하다. Endopore 임플란트가 대표적이다.아래의 그림 2는 위에서 설명된 표면처리 방법들 중 3가지를 titanium에 적용한 뒤 Scannig tunneling microscope(STM)으로 800백배 확대하여 찍은 사진이다.(a)(b)(c)< 그림 6. (a) Pure titanium machined surface (b) Acid treated surface(c)(50~100) blasted with acid treated surface>5. 표면처리에 따른 골융합 측정 실험1) 실험재료직경과 길이가 동일하고, 표면처리를 방법을 달리한 3가지의 시편을 각각 3개씩 영구치가 완전히 맹출 된 체중 15kg 내외의 잡종 성견 6마리에 매식한 후, 4주와 12주 후에 3마리씩 희생시켰다.매식된 3종류의 시편은 평활한 표면을 갖는 나사형 타이타늄 임플란트와 화학적 산처리를한 순수 타이타늄 임플란트, 마지막으로 SLA 처리한 임플란트를 사용하였다.2) 실험방법실험동물을 전신마취 시킨 후, 하악 좌, 우측 소구치들을 발치 시키고 1개월간 치유시킨다. 1개월 후에 안면에 국소마취를 시키고 임플란트 제조회사들의 지시에 따라 하악 좌, 우측 소구치부에 3종류의 임플란트를 무작위로 이식한다. 매식 후 임플란트가 구강내에 노출되지 않도록 판막을 조정한 후 봉합한다. 감염방지를 위해 시술 후 7일간 항생제를 투여하고, 1주일 후 봉합사를 제거한다.

공학/기술| 2008.01.07| 18페이지| 2,000원| 조회(1,631)

치아, 상실, 임플란트, 틀니, 융합

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