마그네슘 합금은 우수한 생체적합성과 분해 및 기계적 특성으로 인해 생분해성 임플란트 소재로 각광받고 있다. 현재 많은 마그네슘 합금들이 생분해성 임플란트 소재로 연구되고 있지만 대부분의 경우 연신율이 다소 부족하여 다양한 응용 분야로의 활용이 제한된다. 연신율 측면에서도 우수한 합금이 일부 존재하지만 이러한 합금들은 Al이나 희토류(Rare earth, ...
마그네슘 합금은 우수한 생체적합성과 분해 및 기계적 특성으로 인해 생분해성 임플란트 소재로 각광받고 있다. 현재 많은 마그네슘 합금들이 생분해성 임플란트 소재로 연구되고 있지만 대부분의 경우 연신율이 다소 부족하여 다양한 응용 분야로의 활용이 제한된다. 연신율 측면에서도 우수한 합금이 일부 존재하지만 이러한 합금들은 Al이나 희토류(Rare earth, RE)계 원소를 포함하고 있다. Al의 경우 알츠하이머 병을 유발시킬 수 있는 원소로 알려져 있으며, 조골 세포와 신경 세포에 부정적인 영향을 미치는 원소로도 알려져 있다. RE의 경우 간 독성을 가지며, 체내에서 흡수되거나 배출되기 힘들다는 특성을 갖는다고 알려져 있다. 또한 마그네슘은 HCP구조를 가지고 있으며, 비교적 작은 원자 반지름으로 인하여 대부분의 원소에 대한 고용도가 낮은 편이다. 따라서 합금 원소의 첨가 시 거의 대부분의 합금에서 2상 이상으로 구성되는 다상의 미세구조를 갖는다. α-Mg와 2차상으로 구성된 다상의 조직에서 일반적으로 2차상은 α-Mg보다 높은 전위를 갖는다. α-Mg와 2차상의 전위차로 인하여 갈바닉 셀이 형성되고 이는 합금이 분해될 때, 2차상 주변에서 집중적으로 빠른 부식을 야기시킨다. 또한 많은 공극(pit)을 형성시켜, 심한 경우 2차상이 합금의 본체로부터 떨어져 나오기도 한다. 이러한 상황들은 임플란트의 기계적 성질을 유지하기 어렵게 만들어 임플란트의 특성을 저하시키고, 부분적인 응력 집중을 불러 일으킬 수 있다.
위와 같은 문제를 극복하고자 본 연구에서는 생체 재료 설계시의 필수 고려 사항에 따라 생체 내에서 존재하여도 비교적 안전한 원소를 선택해 최소한으로 사용하여 부식 특성 및 기계적 특성을 만족할 수 있는 합금을 만들고자 하였다. 또한 기존의 동물 실험들과는 다르게 최종 응용 분야로 사용되는 플레이트와 스크류 형태의 시편을 제조하고 식립하여, 임상에 사용될 생분해성 Mg 임플란트의 형태 및 생체 내 실험 모델에 대한 방향을 제공하고자 하였다.
이에 인체 내에 존재하는 원소 중 본 연구에 가장 적합하다고 판단되는 Zn을 합금 원소로 선택하여 부식 및 기계적 특성과 생체적합성을 평가하였다. 순 Mg에 Zn의 첨가는 부식 및 기계적 특성을 향상시켰다.
생체적합성, 부식 및 기계적 특성 측면을 모두 고려하여 가장 적절하다고 판단되는 조성인 Mg-3wt%Zn로 동물 실험을 진행하였다. Mg-3wt%Zn합금은 순 Mg과 견줄만한 부식 특성뿐만 아니라 강도와 연신율 등 기계적 특성이 모두 향상되었기 때문에 스크류 뿐만 아니라 플레이트로서의 활용 가능성도 함께 확인하고자 하였다
본 연구에서는 Mg-3wt%Zn로 제작한 플레이트 스크류 모델로 동물실험을 진행하였고, 그 결과, 플레이트와 스크류로써의 활용가능성을 확인하였다. 다만 연 조직과의 접촉이 많은 플레이트는 비교적 빠른 부식 속도를 나타내고 이로 인해 플레이트 위로 새로운 뼈가 비교적 과도하게 생성되는 현상이 발견되었다. Mg 기반의 플레이트 스크류 모델의 실질적인 적용을 위해서는 이 부분이 제어되어야만 할 것이다. 따라서 연 조직과의 접촉 면적이 많은 플레이트에 화학적 처리나 코팅과 같은 후처리 통해 부식 속도를 추가적으로 지연시키는 등 이를 제어하기 위한 방안을 모색하고 이의 적용에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 생각된다.
마그네슘 합금은 우수한 생체적합성과 분해 및 기계적 특성으로 인해 생분해성 임플란트 소재로 각광받고 있다. 현재 많은 마그네슘 합금들이 생분해성 임플란트 소재로 연구되고 있지만 대부분의 경우 연신율이 다소 부족하여 다양한 응용 분야로의 활용이 제한된다. 연신율 측면에서도 우수한 합금이 일부 존재하지만 이러한 합금들은 Al이나 희토류(Rare earth, RE)계 원소를 포함하고 있다. Al의 경우 알츠하이머 병을 유발시킬 수 있는 원소로 알려져 있으며, 조골 세포와 신경 세포에 부정적인 영향을 미치는 원소로도 알려져 있다. RE의 경우 간 독성을 가지며, 체내에서 흡수되거나 배출되기 힘들다는 특성을 갖는다고 알려져 있다. 또한 마그네슘은 HCP구조를 가지고 있으며, 비교적 작은 원자 반지름으로 인하여 대부분의 원소에 대한 고용도가 낮은 편이다. 따라서 합금 원소의 첨가 시 거의 대부분의 합금에서 2상 이상으로 구성되는 다상의 미세구조를 갖는다. α-Mg와 2차상으로 구성된 다상의 조직에서 일반적으로 2차상은 α-Mg보다 높은 전위를 갖는다. α-Mg와 2차상의 전위차로 인하여 갈바닉 셀이 형성되고 이는 합금이 분해될 때, 2차상 주변에서 집중적으로 빠른 부식을 야기시킨다. 또한 많은 공극(pit)을 형성시켜, 심한 경우 2차상이 합금의 본체로부터 떨어져 나오기도 한다. 이러한 상황들은 임플란트의 기계적 성질을 유지하기 어렵게 만들어 임플란트의 특성을 저하시키고, 부분적인 응력 집중을 불러 일으킬 수 있다.
위와 같은 문제를 극복하고자 본 연구에서는 생체 재료 설계시의 필수 고려 사항에 따라 생체 내에서 존재하여도 비교적 안전한 원소를 선택해 최소한으로 사용하여 부식 특성 및 기계적 특성을 만족할 수 있는 합금을 만들고자 하였다. 또한 기존의 동물 실험들과는 다르게 최종 응용 분야로 사용되는 플레이트와 스크류 형태의 시편을 제조하고 식립하여, 임상에 사용될 생분해성 Mg 임플란트의 형태 및 생체 내 실험 모델에 대한 방향을 제공하고자 하였다.
이에 인체 내에 존재하는 원소 중 본 연구에 가장 적합하다고 판단되는 Zn을 합금 원소로 선택하여 부식 및 기계적 특성과 생체적합성을 평가하였다. 순 Mg에 Zn의 첨가는 부식 및 기계적 특성을 향상시켰다.
생체적합성, 부식 및 기계적 특성 측면을 모두 고려하여 가장 적절하다고 판단되는 조성인 Mg-3wt%Zn로 동물 실험을 진행하였다. Mg-3wt%Zn합금은 순 Mg과 견줄만한 부식 특성뿐만 아니라 강도와 연신율 등 기계적 특성이 모두 향상되었기 때문에 스크류 뿐만 아니라 플레이트로서의 활용 가능성도 함께 확인하고자 하였다
본 연구에서는 Mg-3wt%Zn로 제작한 플레이트 스크류 모델로 동물실험을 진행하였고, 그 결과, 플레이트와 스크류로써의 활용가능성을 확인하였다. 다만 연 조직과의 접촉이 많은 플레이트는 비교적 빠른 부식 속도를 나타내고 이로 인해 플레이트 위로 새로운 뼈가 비교적 과도하게 생성되는 현상이 발견되었다. Mg 기반의 플레이트 스크류 모델의 실질적인 적용을 위해서는 이 부분이 제어되어야만 할 것이다. 따라서 연 조직과의 접촉 면적이 많은 플레이트에 화학적 처리나 코팅과 같은 후처리 통해 부식 속도를 추가적으로 지연시키는 등 이를 제어하기 위한 방안을 모색하고 이의 적용에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 생각된다.
Biodegradable magnesium alloys have been actively studied as a next generation implant material due to their unique characteristic that allows them to gradually dissolve in the body after implantation. Magnesium actively corrodes in solution containing chloride ions and the rate of such corrosion mu...
Biodegradable magnesium alloys have been actively studied as a next generation implant material due to their unique characteristic that allows them to gradually dissolve in the body after implantation. Magnesium actively corrodes in solution containing chloride ions and the rate of such corrosion must be controlled before it can be safely used in human body.
Commercially available alloys such as AZ91, WE43, and LAE442 have been studied in the literature as possible candidates for implantable device material. However, these alloys contain Al which is well known neurotoxicant causing Alzheimer's disease and other rare earth element which might have hepatotoxicity.
Furthermore, these alloys have multi-phase microstructure composed of two or more phases with different electrochemical potential. Implant loses its mechanical integrity too quickly due to rapid galvanic corrosion resulting from such difference in electrochemical potential between α-Mg and second phase.
To overcome abovementioned limitations, we developed biodegradable Magnesium alloy system with uniformly slow corrosion rate and excellent mechanical properties. Developed alloy minimizes fractions of second phase and exhibits high mechanical properties (UTS >250Mpa, El% > 20%) and slow corrosion rate. Further, results from long-term in-vivo study using New Zealand White rabbit showed excellent biocompatibility.
Biodegradable magnesium alloys have been actively studied as a next generation implant material due to their unique characteristic that allows them to gradually dissolve in the body after implantation. Magnesium actively corrodes in solution containing chloride ions and the rate of such corrosion must be controlled before it can be safely used in human body.
Commercially available alloys such as AZ91, WE43, and LAE442 have been studied in the literature as possible candidates for implantable device material. However, these alloys contain Al which is well known neurotoxicant causing Alzheimer's disease and other rare earth element which might have hepatotoxicity.
Furthermore, these alloys have multi-phase microstructure composed of two or more phases with different electrochemical potential. Implant loses its mechanical integrity too quickly due to rapid galvanic corrosion resulting from such difference in electrochemical potential between α-Mg and second phase.
To overcome abovementioned limitations, we developed biodegradable Magnesium alloy system with uniformly slow corrosion rate and excellent mechanical properties. Developed alloy minimizes fractions of second phase and exhibits high mechanical properties (UTS >250Mpa, El% > 20%) and slow corrosion rate. Further, results from long-term in-vivo study using New Zealand White rabbit showed excellent biocompatibility.
주제어
#성분해성 Mg
#Mg-3wt%Zn
#분해 속도
#기계적 성질
#생체적합성
#동물실험
#biodegradable Mg alloy
#corrosion rate
#mechanical property
#biocompatibility
#in vivo test
학위논문 정보
저자
엄지혜
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
신소재공학과
지도교수
김유찬,김도향
발행연도
2016
총페이지
127장
키워드
성분해성 Mg,
Mg-3wt%Zn,
분해 속도,
기계적 성질,
생체적합성,
동물실험,
biodegradable Mg alloy,
corrosion rate,
mechanical property,
biocompatibility,
in vivo test
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