생체재료 응용을 위한 Magnetron concurrent sputtering system으로 증착된 Ca-P-Ti-O film의 화학적 표면 특성 평가

Abstract

금속 소재는 기계적 특성이 우수하여 하중을 받는 임플란트 소재로 널리 사용되어져 왔지만 인체 삽입 후 인체 유해 원소의 용출, 알레르기 유발, 골 접합력 저하 등의 문제점이 있어 왔다. 이를 개선하기 위하여 금속 모재 표면에 화학적으로 안정하며, 골 조직과 조성 및 구조가 유사하여 생체적합성이 우수한 HA(Hydroxyapatite) 또는 TCP (Tricalcium phosphate) 등과 같은 Calcium phosphate를 코팅하는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그러나 금속 모재와 HA, TCP 코팅 소재의 낮은 계면 접합력과 세라믹 코팅 재료의 취성으로 계면 박리가 발생하며 또한 생체 내 삽입 후 Ca, P 원소가 서서히 용해되어 박막과 모재 사이의 계면 박리를 유발한다. 따라서 생체 코팅에서 코팅 막의 생체 적합성의 향상과 함께 코팅 층의 파괴 방지를 위한 연구가 매우 중요하다. 이를 위해 HA (Hydroxyapatite)와 Ti (Titanium) 타켓으로부터 동시에 티타늄 모재에 magnetron sputter로 증착하였으며, 다양한 조성의 Ca-P-Ti-O 비정질 박막을 제조하였다. 티타늄 첨가에 따른 박막의 기계적 성질과 박막/기판의 접합강도 변화를 나노 압입 실험과 스크래치 실험을 통해 확인하였다. 그리고 임플란트 재료에서 생체와 직접적으로 접촉하는 표면 특성이 중요하므로 Ca-P-Ti-O 시편표면의 조성과 화학적 결합 상태를 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)에 의해 분석하였으며, 접촉각 측정법에 의해 표면 에너지를 평가하였다. 제조된 박막의 세포 독성 여부는 MTT 실험을 통해 수행하였다. 연구 결과, 티타늄 첨가에 의해 박막 표면의 조성과 화학적 결합 상태를 변화시킴으로써 박막 표면의 친수성을 제어할 수 있었으며, 친수성이 높게 제어된 Ca-P-Ti-O 박막 시편에서는 코팅 표면에 생체 세포가 용이하게 착생(着生)하여 결과적으로 생체 코팅 표면의 생존 세포 수가 증가하는 결과를 보였다.