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X-선 회절분석을 이용한 biphasic calcium phosphate 분말의 화학양론적 Ca/P 비율 확인
Determination of stoichiometric Ca/P ratio in biphasic calcium phosphates using X-ray diffraction analysis 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.20 no.2, 2010년, pp.93 - 100  

송용근 (부산대학교 재료공학부) ,  김동현 (부산대학교 재료공학부) ,  김태완 (부산대학교 재료공학부) ,  김양도 (부산대학교 재료공학부) ,  박홍채 (부산대학교 재료공학부) ,  윤석영 (부산대학교 재료공학부)

초록
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X-선 회절 분석방법을 통해 biphasic calcium phosphate(BCP) 분말의 Ca/P 몰 비율을 확인하고 특성을 평가하였다. 다양한 화학 양론적인 Ca/P 몰 비율을 가지는 BCP 분말은 공침반응 및 하소과정을 통해 합성하였다. 1.5에서 1.67의 Ca/P 몰 비율을 가지는 분말의 조성은 초기 출발물질의 Ca/P 몰 비율, pH 10에서의 공침 과정 및$900^{\circ}C$ 열처리에 의해 정해졌다. 화학 양론적 Ca/P 몰 비율을 가지는 BCP 분말의 구조, 형상 및 화학적 특성평가는 XRD의 상-정량 확인 분석을 바탕으로 주사전자현미경 및 유도 결합 플라즈마 분광분석기와 함께 수행 하였다. BCP 분말의 용해도$36.5^{\circ}C$ 및 pH 7.4 의 phosphate buffer solution(PBS)에서 특성평가 하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The calcium to phosphate ratio (Ca/P) in biphasic calcium phosphates powders using X-ray diffraction analysis (XRD) was characterized. The BCP powders with various stoichiometric Ca/P molar ratio were synthesized with coprecipitation process and calcination. Compositions of the powders with Ca/P mol...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • (1)에 대입하여 부피 분율을 나타낸 다음, 분율 값을 Eq. (2)에 대입하여 XRD 측정값에 의한 Ca/P 몰 비율을 구하였다. 또한 ICP-AES 측정값과 이론적인 화학 양론적 Ca/P 몰 비율을 비교하여 Fig.
  • X-선 회절분석을 이용하여 합성된 분말의 결정상을 측정하였고, 출발물질의 Ca/P몰 비율에 따라 합성된 β-TCP, HAp 및 BCP의 Ca/P몰 비율을 X-선 회절분석을 이용하여 적분 강도값을 구한 후 비교 분석 하였다.
  • XRD 회절피크의 면적적분강도를 측정해주는 프로그램인 Integral Analysis(Rigaku, Japan)를 이용하여 HAp와 β-TCP의 부피분율(%)을 계산하여 이를 통해 Ca/P 몰 비율을 확인하였다.
  • 4의 1 M PBS(phosphate buffer solution)을 이용하였다. 다양한 Ca/P 몰 비율을 가지는 BCP 분말을 인산완충용액(PBS) 30 ml에 각각 30 mg씩 침적하여 체온과 유사한 온도인 36.5℃ 인큐베이터에서 두 달여에 걸쳐 분해거동을 관찰하였다. 이에 대한 결과를 Fig.
  • )를 이용하였다. 또한 1M(pH 7.4)의 phosphate buffer solution(PBS) 을 통하여 BCP의 분해거동을 확인하였다. XRD 회절피크의 면적적분강도를 측정해주는 프로그램인 Integral Analysis(Rigaku, Japan)를 이용하여 HAp와 β-TCP의 부피분율(%)을 계산하여 이를 통해 Ca/P 몰 비율을 확인하였다.
  • X-선 회절분석을 이용하여 합성된 분말의 결정상을 측정하였고, 출발물질의 Ca/P몰 비율에 따라 합성된 β-TCP, HAp 및 BCP의 Ca/P몰 비율을 X-선 회절분석을 이용하여 적분 강도값을 구한 후 비교 분석 하였다. 또한 1M(pH 7.4)의 phosphate buffer solution(PBS)에 침적 후 시간의 변화에 따른 BCP 분말의 분해거동을 확인하였다.
  • 제조된 수용액을 2시간 동안 교반한 후 상온에서 24시간 동안 시효처리(aging) 하였다. 반응생성물의 여과 및 미 반응물을 제거하기 위해 증류수로 5회 이상 반복적으로 수세하고 여분의 수분을 제거하기 위하여 80℃로 고정된 건조기를 이용하여 24시간 동안 충분히 건조시켰다. 이렇게 얻은 분말을 충분히 분쇄하여, 전기로에 넣어 900℃에서 2시간 동안 하소처리 하여 BCP분말을 얻었다.
  • 본 연구에 사용된 XRD 측정조건은 30 kV, 25 mA의 Ni필터로 단색화한 CuKα 선이고 scintillation counter계수관을 이용하여 0.5o/Min의 주사속도로 회절강도를 측정하였다.
  • 본 연구에서는 공침법을 이용하여 실험주요인자인 최적화된 pH 조건 및 최소 하소온도를 통해 HAp, β-TCP 및 BCP 분말을 합성하였다.
  • 상기 열거한 공침법에 의한 제조된 BCP 분말의 특성 평가는 표면형상 관찰(SEM) 보다는 X-선 회절 패턴을 통한 분석법이 용이하다고 판단되어, 출발물질의 Ca/P 몰 비율(1.534~1.636)에 따라 제조된 분말의 결정성, 결정상 및 결정화도를 관찰하였다. 이에 대한 결과를 Fig.
  • 생체비분해성과 생체활성의 조절은 BCP의 구성 성분인 HAp/β-TCP의 값에 의해 좌우 될 수 있으며, 본 연구에서는 HAp/β-TCP의 값을 Ca/P 몰 비율을 통해 제어하였다.
  • 제조된 BCP분말은 XRD(D/max-IIA, Rigaku)를 사용하여 생성물의 상 분석을 행하고, SEM(S-4200, Hitachi)을 통해 입자형상을 관찰하였다. Ca/P 몰 비율 확인을 위해 ICP-AES(JY ACTIVA, SunJin Tech.
  • magnetic stirrer를 이용하여 일정하게 교반시키며, 현탁액을 완전히 용해시킨 후 NH3(Junsei chemical, Japan)를 첨가하여 수용액의 pH를 10으로 조절하여 공침시켰다. 제조된 수용액을 2시간 동안 교반한 후 상온에서 24시간 동안 시효처리(aging) 하였다. 반응생성물의 여과 및 미 반응물을 제거하기 위해 증류수로 5회 이상 반복적으로 수세하고 여분의 수분을 제거하기 위하여 80℃로 고정된 건조기를 이용하여 24시간 동안 충분히 건조시켰다.

대상 데이터

  • 공침법의 실험조건은 목표한 Ca/P 몰 비율이 되기 위해 Ca(NO3)2·4H2O와 (NH4)2HPO4를 정량하여 각각을 수용액으로 만들었다.
  • 출발물질의 Ca/P 몰 비율 변화에 의해 합성된 BCP 분말의 분해거동을 평가하기 위하여 XRD 회절 패턴 및 이상 조직의 결정상 변화 및 XRD 측정으로 계산된 다양한 Ca/P 몰 비율을 가지는 BCP 분말을 인산완충용액인 pH 7.4의 1 M PBS(phosphate buffer solution)을 이용하였다. 다양한 Ca/P 몰 비율을 가지는 BCP 분말을 인산완충용액(PBS) 30 ml에 각각 30 mg씩 침적하여 체온과 유사한 온도인 36.

데이터처리

  • 636) 변화에 따라 제조된 BCP 분말의 X-선 회절 패턴 측정을 통해 얻어진 결과를 토대로 계산된 적분 강도 값 및 화학적 분석(정량분석)과 XRD 결과에 의한 Ca/P 몰 비율의 관계를 나타낸 그림이다. 적분 강도 값은 Rigaku integral analysis 프로그램을 통해 분석하였다. 이때 측정범위는β-TCP 상의 경우 2θ 범위 중 30.

이론/모형

  • 제조된 BCP분말은 XRD(D/max-IIA, Rigaku)를 사용하여 생성물의 상 분석을 행하고, SEM(S-4200, Hitachi)을 통해 입자형상을 관찰하였다. Ca/P 몰 비율 확인을 위해 ICP-AES(JY ACTIVA, SunJin Tech.)를 이용하였다. 또한 1M(pH 7.
  • 본 연구에서 biphasic calcium phosphate(BCP)를 제조하기 위해 시약급의 Ca(NO3)2·4H2O(Katayama chemical, Japan)과 (NH4)2HPO4(Junsei chemical, Japan)을 사용하여 공침법(co-precipitation process)으로 합성하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수산화아파타이트는 생체 내에서 어떤 특성을 보이는가? 특히 이러한 무기 결정 화합물인 수산화아파타이트(Ca10(PO4)6(OH)2,HAp)와 β-인산3칼슘(β-Ca3(PO4)2, β-TCP)에 대한 응용연구는 뼈나 치아와 같은 신체 경조직의 대체 및 골수복재에 관련하여 의료 및 치과분야에서 활발히 진행되고 있다[2-6]. 일반적으로 HAp는 생체 내에서 비분해성을, β-TCP는 분해성을 나타내는 것으로 알려져 있는 가운데 최근 이러한 상반된 분해거동을 동시에 가지는 BCP(biphasic calcium phosphate)에 관한 연구 및 응용에 대한 관심이 커지고 있다[4, 7]. 예를 들어, 임플란트의 인산칼슘계 세라믹 재료의 적용에 있어 HAp의 생체비분해성과 상대적으로 너무 빠른 β-TCP의 생체분해 거동에 의해 임플란트 소재로의 적용이 제한적이므로, 생체분해속도를 조절하기 위하여 HAp와 β-TCP로 구성된 2상 칼슘인산염(biphasic calcium phosphate, BCP) 세라믹스의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[7-9].
BCP의 생체비분해성과 생체활성의 조절은 무엇에 영향받는가? 예를 들어, 임플란트의 인산칼슘계 세라믹 재료의 적용에 있어 HAp의 생체비분해성과 상대적으로 너무 빠른 β-TCP의 생체분해 거동에 의해 임플란트 소재로의 적용이 제한적이므로, 생체분해속도를 조절하기 위하여 HAp와 β-TCP로 구성된 2상 칼슘인산염(biphasic calcium phosphate, BCP) 세라믹스의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[7-9]. 생체비분해성과 생체활성의 조절은 BCP의 구성 성분인 HAp/β-TCP의 값에 의해 좌우 될 수 있으며, 본 연구에서는 HAp/β-TCP의 값을 Ca/P 몰 비율을 통해 제어하였다. 다양한 Ca/P 몰 비율을 갖는 BCP는 임플란트 소재를 비롯한 기타 의료용 인체 경조직 재료로서 응용 가능성은 크다고 본다.
수산화아파타이트는 어떤 분야에서 활발히 사용되고 있는가? 인산칼슘계 세라믹스 재료는 생체와의 우수한 친화력및 골전도성으로 인하여 넓은 범위의 잠재적 실용 가능성을 가진 생체 의료용 재료로서 각광을 받고 있다[1]. 특히 이러한 무기 결정 화합물인 수산화아파타이트(Ca10(PO4)6(OH)2,HAp)와 β-인산3칼슘(β-Ca3(PO4)2, β-TCP)에 대한 응용연구는 뼈나 치아와 같은 신체 경조직의 대체 및 골수복재에 관련하여 의료 및 치과분야에서 활발히 진행되고 있다[2-6]. 일반적으로 HAp는 생체 내에서 비분해성을, β-TCP는 분해성을 나타내는 것으로 알려져 있는 가운데 최근 이러한 상반된 분해거동을 동시에 가지는 BCP(biphasic calcium phosphate)에 관한 연구 및 응용에 대한 관심이 커지고 있다[4, 7].
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참고문헌 (18)

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  4. Y. Ota, T. Iwashita, T. Kasuga, Y. Abe and A. Seki, "Bone formation following implantation of fibrous compounds $(\beta-Ca(PO_{3})_{2}, CaCO_{3}(Aragonite))$ into bone marrow", J. Mater. Sci. 12 (2002) 895. 

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  9. C.K. Hsu, "The preparation of biphasic porous calcium phosphate by the mixture of $Ca(H_{2}PO_{4})_{2}H_{2}O$ and $CaCO_{3}$ ", Mater. Chem. & Phys. 9470 (2002) 1. 

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  13. M. Benahmed, J.M. Bouler, D. Heymann, O. Gan and G. Daculsi, "Biodegradation of synthetic biphasic calcium phosphate by human monocytes in vitro", Biomaterials 17 (1996) 2173. 

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  15. R.Z. LeGeros, "Apatites in biological system", Prog. Crystal Growth Charact. 4 (1981). 

  16. R.Z. LeGeros, S. Lin, R. Rohanizadeh, D. Mijares and J.P. LeGeros, "Biphasic Calcium phosphate bioceram-ics:preparation, properties and applications", J. Mater. Sic. 14 (2003) 201. 

  17. R.Z. LeGeros, "Calcium phosphates in oral biology and medicine (Monograph in Oral Science) Karger 15 (1991). 

  18. S.-H. Kwon, Y.-K. Jun, S.-H. Hong and H.-E. Kim, "Synthesis and dissolution behavior of $\beta$ -TCP and HA/ $\beta$ -TCP composite powders", J. Euro. Ceram. Soc. 23 (2003) 1039. 

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