[논문]실리콘 이온이 첨가된 biphasic calcium phosphate의 합성 및 특성평가

송창원; 김태완; 김동현; 박홍채; 윤석영

doi:10.6111/jkcgct.2010.20.5.243

실리콘 이온이 첨가된 biphasic calcium phosphate의 합성 및 특성평가
Synthesis and characterization of silicon ion substituted biphasic calcium phosphate 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.20 no.5, 2010년, pp.243 - 248

송창원 (부산대학교 재료공학부) , 김태완 (부산대학교 재료공학부) , 김동현 (부산대학교 재료공학부) , 박홍채 (부산대학교 재료공학부) , 윤석영 (부산대학교 재료공학부)

초록
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Si-BCP(si-substituted biphasic calcium phosphate)를 제조하기 위하여 $Ca(NO_3)_2{\cdot}4H_2O$, $(NH_4)_2HPO_4$, $Si(OC_2H_5)_4$을 출발 물질로 공침법(co-precipitation process)을 이용하여 합성하였다. 합성된 분말의 HAp/${\beta}$-TCP 결정상 비율 및 Si-P 치환 거동은 X-선 회절 상 분석을 이용하여 측정하였고, silicon ion 첨가 시 나타나는 BCP의 화학적 결합거동을 측정하기 위하여 FT-IR를 사용하여 분석하였다. 또한 Si-BCP 분말의 in-vitro 생분해거동 및 생체활성도를 측정하기 위하여 제조된 분말을 SBF(simulated body fluid) solution에 침적시킨 뒤 분말의 형상과 구성 성분은 SEM과 EDS를 통하여 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Si-substituted biphasic calcium phosphates (Si-BCP) were prepared by co-precipitation method. X-ray diffraction and fourier transform infrared spectroscopy were used to characterize the structure of Si-BCP powders. The Si-BCP powders with various Ca/(P+Si) molar ratio were carried out on structural change of hydroxyapatite (HAp) and ${\beta}$-tricalcium phosphate ($\ss$-TCP). The in-vitro bioactivity of the Si-BCP powders was determined by immersing the powders in SBF solution, after that observing the chemical composition and morphology change by X-ray diffraction, scanning electron microscope and energy dispersive spectroscopy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 실험에서는 BCP의 성질 개선과 향상을 위하여 silicon ion이 첨가된 BCP분말을 합성하고자한다. 합성 시 Ca 및 H의 과잉을 이용하여 [SiO₄]⁴⁻가 [PO₄]³⁻+[OH]⁻ 자리에 치환되는 방법을 적용하였으며, 최종 목표로 하는 화학식은 Ca₁₀(PO₄)_{6 − x}(SiO₄)_x(OH)_{2 − x} 로 나타날 것으로 보인다[20-24].
본 연구에서는 인산칼슘계 세라믹 재료의 생체활성도를 높이기 위하여 Si 이온이 첨가된 BCP(biphasic calcium phosphate) 분말을 공침법을 이용하여 합성하였다. 합성한 분말의 Si이온 첨가에 따른 특성을 XRD, FT-IR, EDS를 이용하여 분석한 결과 생성된 분말의 HAp/βTCP 결정상 비율 및 Si-P 치환 거동을 확인하였다.

제안 방법

XRD(D/ max-IIA, Rigaku)를 이용하여 HAp/β-TCP 결정상 비율및 Si-P 치환 거동을 확인하였고, 생성물의 상대적인 화학적 결합강도의 측정은 FT-IR(MAGNA-IR 560)을 이용하여 확인하였다. SBF solution에 침적 후 표면의 미세구조 변화는 SEM(S-4200, Hitachi)을 통하여 관찰하였으며, Si-BCP상에 있는 Si의 상대적인 양과 비율을 SRM-EDS(energy dispersive spectroscopy)을 이용하여 확인 하였다.
5, 6, 7에 나타내었다. Si-BCP 시편의 SBF 용액 침적기간은 2~3주에 걸쳐 확인하였다. 이때 invitro test 시편은 3 wt% 이온이 첨가된 시편을 사용하였고, Si가 첨가되지 않은 BCP분말을 비교대조군으로 삼 았다.
합성 시 Ca 및 H의 과잉을 이용하여 [SiO₄]⁴⁻가 [PO₄]³⁻+[OH]⁻ 자리에 치환되는 방법을 적용하였으며, 최종 목표로 하는 화학식은 Ca₁₀(PO₄)_{6 − x}(SiO₄)_x(OH)_{2 − x} 로 나타날 것으로 보인다[20-24]. Si-BCP(si-substituted biphasic calcium phosphate)의 특성은 XRD, FT-IR, SEM, EDS 측정을 통하여 평가 하고자 한다. 우선적으로, 공침, 가수분해 및 열처리에 의하여 생성된 분말의 HAp/β-TCP 결정상 비율 및 Si-P 치환 거동은 X-선 회절 상 분석을 이용하여 측정하였고, silicon ion 첨가 시 나타나는 BCP의 화학적 결합거동을 측정하기 위하여 FT-IR를 사용하여 분석하였다.
Si이 BCP에 첨가되어 Si 원자가 P 원자자리에 치환되었다는 것을 확인하기 위하여 FT-IR을 이용하여 상대적인 화학적 구조 및 결합강도의 측정을 하였다. 그 결과는 Fig.
XRD(D/ max-IIA, Rigaku)를 이용하여 HAp/β-TCP 결정상 비율및 Si-P 치환 거동을 확인하였고, 생성물의 상대적인 화학적 결합강도의 측정은 FT-IR(MAGNA-IR 560)을 이용하여 확인하였다.
또한 3 wt% 이하의 Si 이온 첨가는 HAp 및 β-TCP 결정상 모두에 영향을 미치지만, 그 이상에서는 HAp 상에 영향을 줌을 관찰하였다.
우선적으로, 공침, 가수분해 및 열처리에 의하여 생성된 분말의 HAp/β-TCP 결정상 비율 및 Si-P 치환 거동은 X-선 회절 상 분석을 이용하여 측정하였고, silicon ion 첨가 시 나타나는 BCP의 화학적 결합거동을 측정하기 위하여 FT-IR를 사용하여 분석하였다. 또한 Si-BCP 분말의 in-vitro 생분해 거동 및 생체활성도를 측정하기 위하여 제조된 분말을 SBF(simulated body fluid) solution[1, 15]에 침적시킨뒤 분말의 형상과 구성 성분은 SEM과 EDS를 통하여 확인하였다.
우선적으로, 공침, 가수분해 및 열처리에 의하여 생성된 분말의 HAp/β-TCP 결정상 비율 및 Si-P 치환 거동은 X-선 회절 상 분석을 이용하여 측정하였고, silicon ion 첨가 시 나타나는 BCP의 화학적 결합거동을 측정하기 위하여 FT-IR를 사용하여 분석하였다.
Si-BCP 시편의 SBF 용액 침적기간은 2~3주에 걸쳐 확인하였다. 이때 invitro test 시편은 3 wt% 이온이 첨가된 시편을 사용하였고, Si가 첨가되지 않은 BCP분말을 비교대조군으로 삼 았다. Fig.
602로 고정하여 공침물을 제조하였다. 치환되는 Si의 양은 0, 1, 3, 5 wt%로 조절하여 TEOS를 가수분해 하였다. 가수분해 된 수용액에 (NH₄)₂HPO₄을 첨가한 후 피펫을 이용하여 Ca(NO₃)₂·4H₂O 수용액을 천천히 첨가함과 동시에 NH₃(Junsei chemical, Japan)를 첨가하여 수용액의 pH를 11로 조정 하여 공침 반응(precipitation)을 시켰다.
건조된 분말을 전기로에 넣어 900ºC(1℃/min)에서 2시간 동안 하소(calcination) 처리하여 Si-BCP 분말을 제조하였다. 합성된 분말의 생체의사체액에서의 생분해성 거동을 파악하기 위하여 SBF solution에 침적후 시간의 변화에 따른 특성을 관찰하였다. XRD(D/ max-IIA, Rigaku)를 이용하여 HAp/β-TCP 결정상 비율및 Si-P 치환 거동을 확인하였고, 생성물의 상대적인 화학적 결합강도의 측정은 FT-IR(MAGNA-IR 560)을 이용하여 확인하였다.
합성한 분말의 Si이온 첨가에 따른 특성을 XRD, FT-IR, EDS를 이용하여 분석한 결과 생성된 분말의 HAp/βTCP 결정상 비율 및 Si-P 치환 거동을 확인하였다.

대상 데이터

Si-BCP(si-substituted biphasic calcium phosphate)를 제조하기 위하여 Ca(NO3)2·4H2O(Katayama chemical, Japan), (NH4)2HPO4(Junsei chemical, Japan), Si(OC2H5)4 (TEOS(tetraethly orthosilicate))(Sigma Aldrich)을 출발 물질로 공침법(co-precipitation process)을 통해 합성하였다.
[SiO4]4−와[PO4]3−+ [OH]− 의 치환 유도를 위하여 Ca/(P+Si)의 몰 비율을 1.602로 고정하여 공침물을 제조하였다.

데이터처리

3은 합성된 Si-BCP 분말은 XRD를 이용한 적분 강도 분석을 통해 이상(biphasic) 분율을 측정한 결과이다. 적분 강도 값은 Rigaku integral analysis 프로그램을 통해 분석하였다. BCP 조직에 Si 이온이 3 wt% 이하 첨가의 경우, 이상분율에는 영향을 미치지는 않았지만, 5 wt% 이상인 경우에는 이상 비율이 역전되는 양상을 보였다.

성능/효과

BCP 분말의 Si 첨가는 Si 원자가 P 원자자리에 치환되며, Si 이온의 첨가량에 따라 합성된 Si-BCP의 Ca/P 몰 비율이 일정하지 않음은 BCP 결정상에서 Si 이온이 첨가량에 따라 치환 거동이 달라짐을 알 수 있었다. 또한, silicon ion이 첨가된 Si-BCP를 SBF 용액에 3주 동안 침적 시킨 분말을 분석한 결과, BCP 보다 뛰어난 생체활성도(bioactivity)를 보였다.
Si 첨가에 따라 grain growth가 억제되어 조직이 치밀해진다는 앞선 연구결과[28, 29]에 의해 Si 이온이 첨가된 BCP 미세조직의 경우더 치밀한 형상을 나타낸 것으로 판단되어진다. Si 이온이 첨가되지 않은 순수한 BCP 분말은 SBF 용액 침적후, 분말 입경이 현격히 줄어듦을 알 수 있었고, Si 이온이 치환된 BCP시편은 in-vitro test 후 판상형의 조직이관찰 되었다. Fig.
BCP 분말의 Si 첨가는 Si 원자가 P 원자자리에 치환되며, Si 이온의 첨가량에 따라 합성된 Si-BCP의 Ca/P 몰 비율이 일정하지 않음은 BCP 결정상에서 Si 이온이 첨가량에 따라 치환 거동이 달라짐을 알 수 있었다. 또한, silicon ion이 첨가된 Si-BCP를 SBF 용액에 3주 동안 침적 시킨 분말을 분석한 결과, BCP 보다 뛰어난 생체활성도(bioactivity)를 보였다. 이는 BCP 결정구조에 있어서β-TCP 뿐만 아니라 HAp 결정격자에도 Si 원자가 치환 되어 생분해성을 상대적으로 증가 시킨 것이라 여겨진다.
얻어진 분말의 결정상은 각각 β-TCP와 HAp 피크가 혼재한 이상(biphasic)이 뚜렷하게 관찰되었으며, HAp 결정상인 (211) 및 (300)과 β-TCP 결정상인 (0210) 및 (220) 주 피크가 뚜렷하게 양분화 되었다.
6은 3 wt% Si-BCP 분말을 SBF solution에 침적후 3주가 지난 분말의 시편을 EDS mapping한 결과이다. 침적 후 3 wt% Si-BCP 분말의 Ca, P, O, Si 원소의 분포는 일정하였으나, mapping된 Si원소의 함량은 0.38 wt%로 현격히 줄어듦을 알 수 있었다. 이는 BCP 조직 상에서의 β-TCP상에 Si 이온이 더 잘 치환되어 생체의 사체액인 SBF solution 내에서 β-TCP 생분해성을 가속 시킨 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수산화아파타이트가 생체세라믹스 재료로서 각광을 받은 이유는 무엇인가??	Calcium Phosphate계열의 일종인 수산화아파타이트 (hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2)는 생체내의 활성도가 뛰어나기 때문에 치과나 정형외과에서 치료목적으로 가장 효율성이 뛰어난 생체세라믹스 재료로서 각광을 받았 으나, 최근 들어 수산화아파타이트의 뛰어난 생체활성도와 더불어서 생분해성이 좋은 β-삼인산칼슘(tricalcium phosphate, β-Ca3(PO4)2)을 결합한 이상(biphasic)의 calcium phosphate계열인 BCP(biphasic calcium phosphate) 의 연구가 활발히 진행되고 있다[1-6]. BCP는 우수한 생체활성도와 생분해성을 바탕으로 생체와의 우수한 친화력과 골 전도율을 가지고 있기 때문에 수산화아파타이트 보다 효율성이 좋은 생체 세라믹스로서 의학적인 시술과 활용에 있어 다방면으로 많이 활용되고 있는 생체 세라믹스 재료이다[7, 8].
	BCP는 무엇인가?	Calcium Phosphate계열의 일종인 수산화아파타이트 (hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2)는 생체내의 활성도가 뛰어나기 때문에 치과나 정형외과에서 치료목적으로 가장 효율성이 뛰어난 생체세라믹스 재료로서 각광을 받았 으나, 최근 들어 수산화아파타이트의 뛰어난 생체활성도와 더불어서 생분해성이 좋은 β-삼인산칼슘(tricalcium phosphate, β-Ca3(PO4)2)을 결합한 이상(biphasic)의 calcium phosphate계열인 BCP(biphasic calcium phosphate) 의 연구가 활발히 진행되고 있다[1-6]. BCP는 우수한 생체활성도와 생분해성을 바탕으로 생체와의 우수한 친화력과 골 전도율을 가지고 있기 때문에 수산화아파타이트 보다 효율성이 좋은 생체 세라믹스로서 의학적인 시술과 활용에 있어 다방면으로 많이 활용되고 있는 생체 세라믹스 재료이다[7, 8].
	Si 이온이 첨가된 BCP 분말의 HAp/βTCP 결정상 비율 및 Si-P 치환 거동을 확인한 결과는 어떠한가?	BCP 분말의 Si 첨가는 Si 원자가 P 원자자리에 치환되며, Si 이온의 첨가량에 따라 합성된 Si-BCP의 Ca/P 몰 비율이 일정하지 않음은 BCP 결정상에서 Si 이온이 첨가량에 따라 치환 거동이 달라짐을 알 수 있었다. 또한, silicon ion이 첨가된 Si-BCP를 SBF 용액에 3주 동안 침적 시킨 분말을 분석한 결과, BCP 보다 뛰어난 생체활성도(bioactivity)를 보였다. 이는 BCP 결정구조에 있어서β-TCP 뿐만 아니라 HAp 결정격자에도 Si 원자가 치환 되어 생분해성을 상대적으로 증가 시킨 것이라 여겨진다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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