Ti의 전기화학적 및 생물학적 특성 분석

Dec 15, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2312(2023) 이 기사 인용

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현재 생체의학용 티타늄 합금의 성능은 이식 후 염증 및 심각한 염증 상태로 인해 제한됩니다. 본 연구에서는 새로운 Ti-Nb-Zr-Si(TNZS) 합금을 개발하여 상업적으로 순수한 티타늄 및 Ti-6Al-4V 합금과 비교했습니다. 표본의 전기화학적 매개변수는 정상인 인산염 완충 식염수(PBS), 염증성인 PBS/과산화수소(H2O2), 심각한 염증성 매체인 PBS/H2O2/알부민/젖산염에 1시간 및 12시간 동안 담그는 동안 모니터링되었습니다. 결과는 염증 상태에서 H2O2의 효과와 심각한 염증 상태에서 H2O2, 알부민 및 젖산염의 시너지 작용이 티타늄 생체재료의 내식성을 감소시키는 것으로 나타났습니다. 전기화학적 테스트에서는 규화물 상이 존재하기 때문에 모든 조건에서 TNZS의 내식성이 우수한 것으로 나타났습니다. 개발된 TNZS는 생체적합성 특성을 이해하기 위해 후속 세포 배양 조사를 위해 테스트되었습니다. Ti-6Al-4V와 비교하여 시험관 내에서 유리한 세포-물질 상호 작용을 나타냈습니다. 결과는 TNZS 합금이 정형외과 응용 분야에서 경쟁력 있는 생체 재료가 될 수 있음을 시사합니다.

다양한 국가에서 노인 인구가 증가함에 따라 인공 임플란트에 대한 수요가 증가하고 있습니다1. 상업용 임플란트 장치의 약 80%는 골격계의 기형을 교정하기 위해 금속 생체 재료로 만들어졌습니다2,3. 상업적으로 순수한 티타늄(CP-Ti, 2등급, UNS R50400)은 적절한 내식성과 만족스러운 생체 적합성으로 인해 치과용 장치, 관절 정형외과 교체품 및 심혈관 스텐트의 금속 생체 재료로 전통적으로 사용되었습니다4. CP-Ti는 생의학 임플란트에 바람직한 특성을 모두 갖고 있지 않으므로 강도가 더 높은 Ti-6Al-4V 합금(5등급 합금, UNS R56400이라고도 함)도 가장 널리 사용됩니다5. 그러나 장기간 적용 시 독성과 부작용이 있는 알루미늄 및 바나듐의 부식 및 그에 따른 용출에 대한 우려가 커지고 있습니다6,7 탄성 계수가 낮고 강도가 높으며 생물학적 성능이 뛰어난 새로운 개선된 티타늄 합금이 개발되고 있습니다7, 8.

알루미늄과 바나듐이 없는 개발된 합금 중 하나는 Ti-Nb-Zr 시스템(ASTM F1713의 UNS R58130)을 기반으로 하며 생체 적합성이 더 높은 Nb 및 Zr 원소를 가지며 영률이 60-80 GPa 범위로 낮습니다9,10,11 . 이 합금에 Nb와 Zr을 결합하면 α-Ti 및 β-Ti 상보다 내식성이 더 뛰어난 β-Ti 상 구조가 생성되었지만 세포에 대한 반응성을 손상시키지 않으면서 원하는 수준의 생체 부식 저항성을 달성하지 못했습니다. 다른 가능한 첨가제 중에서 실리콘은 생물학적 반응을 위한 인체의 필수 요소로 간주되어 새로운 뼈와 결합 조직의 성장과 발달을 위한 원동력을 제공합니다13,14.

생체재료 이식 후 신체의 면역체계가 활성화되어 감염 및 조직 손상으로부터 숙주를 보호하며, 이물질 반응15,16 및 알부민과 같은 다양한 생체분자 및 단백질의 표면 침착으로 인해 더욱 복잡해집니다. 백혈구는 호흡 파열을 사용하여 활성산소종(ROS), 과산화수소(H2O2) 및 그 유도체를 포함한 젖산, 차아염소산(HOCl)을 세포외 배지로 생성함으로써 산소 소비를 증가시킵니다16,18,19,20. 뼈 조직의 경우 파골세포는 HCl을 발현하여 염증이 발생하는 동안 pH가 중성에서 5 이하로 감소하는 산화성 산성 환경을 함께 생성합니다18. 심한 염증 상태에서 호중구, 대식세포 및 미생물은 임플란트 주변에 pH ⁓ 2~3의 산화성이 매우 높은 산성 배지를 생성할 수 있으며, 이는 심지어 금과 같은 저항성이 매우 높은 물질을 용해시키기에도 충분합니다21. 이러한 조건에서 티타늄의 수동 보호막은 저하되기 시작하여 부식 속도를 가속화하고 표면 거칠기를 유발하고 강하게 수화된 다공성 TiOOH 화합물을 형성합니다. 최근 연구에 따르면 알부민과 H2O2의 조합은 CP-Ti와 Ti-6Al-4V의 부식 속도를 가속화했으며 젖산과 H2O2의 존재는 내식성을 상당히 감소시키는 것으로 나타났습니다28,29. 복잡한 생체 내 환경으로 인해 Ti 임플란트의 부식이 상당히 가속화되어 임플란트 수명이 상당히 단축되고 실패 위험이 높아질 수 있습니다30,31. 따라서 염증 상태에서 임플란트 실패를 방지하려면 고성능 티타늄 합금에 적절한 합금 첨가제가 필요합니다. 실리콘은 일부 Ti 기반 합금에 도입되었지만 Ti-Nb-Zr 시스템에 추가될 때 아직 충분히 분석되지 않았습니다. 따라서 정형외과용으로 사용할 수 있는 잠재적인 재료로 Ti-Nb-Zr-Si 합금을 평가하는 데 관심이 있습니다.