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골결손부 재건을 위한 금속 이온 치환 이상인산칼슘 합성 및 생체 활성 평가
Synthesis and bioactivity evaluation of metal ion-substitution biphasic calcium phosphate for bone defect reconstruction 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.22 no.6, 2012년, pp.279 - 285  

김태완 (부산대학교 재료공학부) ,  김동현 (부산대학교 재료공학부) ,  진형호 (부산대학교 재료공학부) ,  이승호 (한국세라믹기술원 에코복합소재센터) ,  박홍채 (부산대학교 재료공학부) ,  윤석영 (부산대학교 재료공학부)

초록
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BCP, Mg-BCP, Si-BCP 분말을 공침법(co-precipitation process)을 이용하여 합성하였다. 제조된 분말을 X-선 회절 분석(XRD), 적외선분광분석(FTIR)을 이용하여 특성을 분석하였다. Ca/P 몰 비율이 1.602인 칼슘 결손 아파타이트 공침물을 제조하여 $1000^{\circ}C$ 열처리 과정을 통하여 HAp와 ${\beta}$-TCP 상이 혼재된 BCP, Mg-BCP, Si-BCP을 합성할 수 있었다. 제조된 분말의 생체활성 거동을 평가하기 위하여 Hanks' Balanced Salt Solution(HBSS)에 침적시켜 시간에 따라 형상의 변화 및 결정상을 분석한 결과, BCP 분말에 비하여 금속 이온이 치환된 BCP 분말에서 빠른 생체활성을 관찰할 수 있었다. MTT assay를 통한 세포 성장률 평가에서모든 분말에서 시간 경과에 따라 독성을 나타내지 않았으며, 세포의 활성이 증가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The co-precipitation technique has been applied to synthesize Biphasic Calcium Phosphate (BCP), Mg-BCP and Si-BCP. X-ray diffraction (XRD) and Fourier transformed infrared (FTIR) spectroscopy were used to characterize the structure of synthesized BCP, Mg-BCP and Si-BCP powders. The results have show...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 7은 제조된 BCP 분말의 MTT assay 결과이다. DMEM 배지에 BCP, Mg-BCP, Si-BCP 분말을 첨가하여 MG-63 세포의 성장률을 비교하여 ELISA(Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay) 검출기(Wallac 1420, USA)를 통해 570 nm에서 흡광도를 측정한 결과를 나타내었다. 1주 후 BCP 분말에 비하여 이온이 첨가된 BCP분말의 세포의 성장률이 높으며, 또한 Mg-BCP 분말의 의 경우 Si-BCP 분말의 세포 성장률과 비교하여 높은 것으로 나타나며, 세포 실험 3주 후 두 샘플의 차이는 상대적으로 감소하는 경향을 나타내었다.
  • 5℃의 인큐베이터에서 침적 테스트하였으며, 일정한 이온 농도를 유지하기 위하여 HBSS를 2일마다 교환해주었다. HBSS 침적 후의 시간에 따른 표면 형상의 변화 및 표면의 결정성 변화를 XRD 및 SEM을 통하여 관찰하였다. 합성한 분말의 세포와의 친화력을 비교 평가하기 위하여 Human osteosarcoma cell line인 MG-63을 이용하여 MTT assay를 실시하였다.
  • MTT assay는 cell을 penicillin(100 units/ml), streptomycin(100 µg/ml) solution과 10% 우태아 혈청(fetal bovine serum; FBS, Gibco)이 포함된 Dulbeco’s Modified Eagle’s Medium(DMEM, Gibco, USA) 배지를 사용하여 5 % CO2, 37℃ 배양기에서 배양시켜 사용하였다.
  • Mg-BCP 분말을 제조하기 위하여 (Ca + Mg)/P를 1.602로 고정하여 Mg(NO3)2 · 6H2O를 1.0 wt% 첨가하여 수용액을 제조한 후 제조된 용액에 Ca(NO3)2 · 4H2O와 (NH4)2HPO4을 각각 첨가하였다.
  • Si-BCP 분말을 제조하기 위하여 Ca/(P + Si)의 몰비율을 1.602로 고정하여 TEOS를 3 wt% 첨가하여 가수분해 시키고, 가수분해 된 수용액에 Ca(NO3)2 · 4H2O와 (NH4)2HPO4을 각각 첨가하였다.
  • 본 연구에서는 현재 치과용 골이식재로 사용되고 있는 프랑스 Biomatlante社의 MBCP를 벤치마킹하여 생체활성 소재인 HAp와 분해성 소재인 β-TCP가 60 : 40의 비율로 혼합된 이상인산칼슘(Biphasic Calcium Phosphate; BCP)분말을 공침법을 이용하여 합성하였다. 또한, 이상인산칼슘 구조 내에 Mg 이온과 Si 이온을 각각 치환하여 이온 치환에 따른 BCP의 물리적, 화학적 특성을 평가하고, 제조된 BCP 분말의 생체재료로서의 적용가능성을 평가하였다.
  • 제조된 수용액을 2시간 동안 교반한 후 상온에서 24시간 동안 시효처리(Aging)하였다. 반응생성물의 여과 및 미 반응물을 제거하기 위해 증류수로 수회 반복적으로 수세하고, 여분의 수분을 제거하기 위하여 80℃로 고정된 건조기에서 24시간 건조하였다. 건조된 분말을 분쇄하여, 1000℃에서 2시간동안 열처리 하였다.
  • 본 연구에서는 생체활성 소재인 HAp와 분해성 소재인 β-TCP가 이상(biphasic)으로 존재하는 BCP 분말과 BCP 조직 내에 생체 활성을 향상 시키는 Mg 이온과, Si 이온을 각각 치환하여 Si-BCP, Mg-BCP 분말을 공침법을 이용하여 합성하였다.
  • 5 Slit계, 측정범위는 25°~45°(2θ)이었다. 열처리에 따른 탈수 축합 거동을 분석하기 위하여 주파수 400-4000 cm-1 범위에서 FT-IR(Nicolet Magna IR 560, USA) 측정하였다.
  • 제조된 BCP, Mg-BCP, Si-BCP 분말의 열처리 전 후의 결정상 변화를 관찰하기 위해 X-선 회절분석장치(XRD, D/max-IIA, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였다. 측정조건은 CuKα, 30 kV, 25 mA, scanning speed 1°/min, 0.
  • 제조된 분말의 생체활성 거동을 비교 평가하기 위해 제조한 분말을 Hanks’ Balanced Salt Solution(HBSS; Sigma-Aldrich)에서 1주, 2주, 3주간 36.5℃의 인큐베이터에서 침적 테스트하였으며, 일정한 이온 농도를 유지하기 위하여 HBSS를 2일마다 교환해주었다.
  • 각각의 제조된 수용액에 NH3를 첨가하여 pH를 11로 조절하였다. 제조된 수용액을 2시간 동안 교반한 후 상온에서 24시간 동안 시효처리(Aging)하였다. 반응생성물의 여과 및 미 반응물을 제거하기 위해 증류수로 수회 반복적으로 수세하고, 여분의 수분을 제거하기 위하여 80℃로 고정된 건조기에서 24시간 건조하였다.
  • 본 연구에서는 생체활성 소재인 HAp와 분해성 소재인 β-TCP가 이상(biphasic)으로 존재하는 BCP 분말과 BCP 조직 내에 생체 활성을 향상 시키는 Mg 이온과, Si 이온을 각각 치환하여 Si-BCP, Mg-BCP 분말을 공침법을 이용하여 합성하였다. 합성된 분말의 X-선 회절 분석 및 적외선 분광분석을 실시하고, HBSS에 침적시켜 시간에 따른 BCP분말의 표면 활성 및 결정상 변화를 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

  • BCP 분말을 제조하기 위하여 Ca/P 몰 비율을 1.602로 고정하여 Ca(NO3)2 · 4H2O와 (NH4)2HPO4을 각각 용해시켜 수용액을 제조하였다.
  • BCP 분말을 합성하기 위하여 Ca 공급원으로 Ca(NO3)2 · 4H2O(Katayama chemical)를 사용하고, P 공급원으로 (NH4)2HPO4(Junsei chemical)를 사용하였다.
  • BCP 조직 내에 Mg 및 Si 이온을 치환하기 위하여 Mg(NO3)2 · 6H2O(Junsei chemical)와 Si(OC2H5)4(TEOS)(Sigma-Aldrich)를 출발물질로 사용하였다.
  • (Junsei chemical)를 사용하였다. pH 조절을 위하여 약염기성 물질인 NH3(Junsei chemical)를 사용하였다. BCP 조직 내에 Mg 및 Si 이온을 치환하기 위하여 Mg(NO3)2 · 6H2O(Junsei chemical)와 Si(OC2H5)4(TEOS)(Sigma-Aldrich)를 출발물질로 사용하였다.
  • 본 연구에서는 현재 치과용 골이식재로 사용되고 있는 프랑스 Biomatlante社의 MBCP를 벤치마킹하여 생체활성 소재인 HAp와 분해성 소재인 β-TCP가 60 : 40의 비율로 혼합된 이상인산칼슘(Biphasic Calcium Phosphate; BCP)분말을 공침법을 이용하여 합성하였다.

이론/모형

  • HBSS 침적 후의 시간에 따른 표면 형상의 변화 및 표면의 결정성 변화를 XRD 및 SEM을 통하여 관찰하였다. 합성한 분말의 세포와의 친화력을 비교 평가하기 위하여 Human osteosarcoma cell line인 MG-63을 이용하여 MTT assay를 실시하였다. MTT assay는 cell을 penicillin(100 units/ml), streptomycin(100 µg/ml) solution과 10% 우태아 혈청(fetal bovine serum; FBS, Gibco)이 포함된 Dulbeco’s Modified Eagle’s Medium(DMEM, Gibco, USA) 배지를 사용하여 5 % CO2, 37℃ 배양기에서 배양시켜 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
인산칼슘계 세라믹은 무엇이 있는가? 칼슘 인산염 기반의 재료들은 그들의 우수한 생체적합성(biocompatibility), 생체활성(bioactivity) 및 골전도(osteoconduction) 특성으로 인하여 치과 및 정형외과 영역에 있어 골 재건을 위한 뼈 이식 대체재로서 많은 주목을 받아 오고 있다[1-4]. 특히, 가장 널리 사용되는 인산칼슘계 세라믹은 수산화아파타이트[HAp, Ca10(PO4)6(OH)2]와 β-삼인산칼슘[β-TCP, Ca3(PO4)2]이다. 이들 물질은 각각의 생물학적 특성이 우수함에도 불구하고, 임상 시 생체활성이 저하되는 단점이 존재한다.
칼슘 인산염 기반의 재료의 특징은? 칼슘 인산염 기반의 재료들은 그들의 우수한 생체적합성(biocompatibility), 생체활성(bioactivity) 및 골전도(osteoconduction) 특성으로 인하여 치과 및 정형외과 영역에 있어 골 재건을 위한 뼈 이식 대체재로서 많은 주목을 받아 오고 있다[1-4]. 특히, 가장 널리 사용되는 인산칼슘계 세라믹은 수산화아파타이트[HAp, Ca10(PO4)6(OH)2]와 β-삼인산칼슘[β-TCP, Ca3(PO4)2]이다.
β-삼인산칼슘의 한계는? 기존의 in vitro, in vivo 관련 연구에서 HAp는 체내 이식 후에 낮은 분해능으로 인하여 최적의 골조직을 생성하기에는 한계를 나타내는 것으로 알려져 있다[5, 6]. 이에 반해, β-TCP는 생체 내 체액에 노출되면 분해성으로 인하여 Ca2+과 PO#이 빠르게 방출되어 골세포 증식을 위한 골격을 제공할 수 없어, 임상 적용에 한계를 나타낸다고 보고되어 있다.[7, 8].
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참고문헌 (32)

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  31. X. Lu and Y. Leng, "Theoretical analysis of calcium phosphate precipitation in simulated body fluid", Biomaterials 26 (2005) 1097. 

  32. T.W. Kim, D.H. Kim, H.H. Jin, H.S Lee, H.C. Park and S.Y. Yoon, "Bioactivity behavior of biphasic calcium phosphate powders prepared by co-precipitation method", J. Kor. Cry. Grow. Cry. Tech. 22 (2012) 99. 

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