[논문]나노구조 표면에 관한 문헌고찰

박고운; 차민상; 김대곤; 박찬진; 조리라

doi:10.14368/jdras.2013.29.2.141

나노구조 표면에 관한 문헌고찰
A Literature Review on Nano-Modified Implant Surfaces 원문보기

구강회복응용과학지 = Journal of dental rehabilitation and applied science, v.29 no.2, 2013년, pp.141 - 151

박고운 (강릉원주대학교 치과대학 보철학교실 및 구강과학연구소) , 차민상 (강릉아산병원 보철과) , 김대곤 (강릉원주대학교 치과대학 보철학교실 및 구강과학연구소) , 박찬진 (강릉원주대학교 치과대학 보철학교실 및 구강과학연구소) , 조리라 (강릉원주대학교 치과대학 보철학교실 및 구강과학연구소)

초록
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티타늄 산화막을 나노단위에서 변형시키는 방법은 다공성 표면을 강화하는 내부적 접근과 나노입자를 피복하는 외부적 접근으로 나눌 수 있다. 나노표면은 나노튜브, 나노피트, 나노노듈 및 다형구조 등 다양한 형태를 지닌다. 형성방법 및 형성재료에 따라 다른 표면이 생성되지만, 현재까지 표준화된 형성방법은 없다. 나노표면을 분석해 보면 마이크론 단위의 표면구조에는 영향을 미치지 않으며 전기화학적으로 안정적이다. 나노표면은 세포독성이 거의 없으며 조골세포의 증식과 분화를 모두 촉진하고, 섬유모세포의 증식을 저해하여 연조직 개재를 감소시키는 효과를 가진다. 또한 세포 및 단백질과 유사한 크기 및 형태를 가지기 때문에 조직과의 친화성이 우수하여 골유착을 증진시킨다. 하지만 그 작용이 미치는 범위는 극히 제한되어 있기 때문에 골조직과의 거리가 있는 경우에는 효과가 미미하다. 마이크론 단위의 표면과는 달리 나노표면은 광촉매효과로 인한 항균작용을 가지지만 지속시간이 짧아 실제 임상에서의 적용효과는 의문시 된다. 하지만 마이크론 단위의 표면거칠기가 가지는 단점을 배제할 수 있어 다양한 가능성을 가지기 때문에 더 많은 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The nano-surface modification techniques could be classified; internal modifications which enhance surface roughness and porosity in nano level and external modifications as nano particle coating. Nano-modified implant surface has various morphograpies such as nanotube, nanopit, nanonodule and polymorphic structures. Creating surface depends upon preparation method and material, however, there is no standard preparation technique not yet. The nano-modified surfacet is electrochemically stable comparing with the surface modified in micron level. Nano-modified surface has little cytotoxicity, stimulates osteoblast proliferation and differentiation. Moreover, it decreases soft tissue intervention by interrupting the proliferation of fibroblast. Nanostructure has similar size and shape with cells and proteins, consequently leads to good biocompatibility and enhanced osseointegration. However, the actual effect in vivo is limited, due to the distance of effect. Even if nano-modified surface has antibiotic property due to photocatalysis, short duration time makes clinical application questionable. Further investigations should focus on the optimal nano-modified surface, which has many potentials.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 많은 가능성을 가진 나노표면에 대해 형성방법, 표면특성을 살펴보고 in vitro, in vivo 반응을 살펴봄으로써 이러한 표면처리의 가능성과 한계를 고찰하고자 하였다.

제안 방법

은 임플란트 주위염과 연관된 그람 음성 혐기성 균 (Actinobacillus actinomycetem comitans와 Fusobacterium nucleatum)에 대한 anatase 티타니아의 광촉매반응에 의한 살균효과를 평가하였다. 플라즈마침전법으로 광촉매성anatase 티타니아막을 형성한 후 자외선을 조사한 다음 세균의 수를 측정하였다. 연구결과 120분 정도 자외선을 조사하면 세균의 생존률이 1%미만으로 강력하게 억제된다고 하였다.

성능/효과

이런 미세량의 불소는 골모세포의 분화 (in vitro)와 표면의 골형성 (in vivo)에 잠재적 영향을 줄 수 있다. 또한 나노튜브를 형성하면 물과의 접촉각이 감소하여 친수성이 증가하는 경향을 보이며 티타늄 모재의 탄성계수도 감소하는 결과를 나타낸다. 탄성계수의 감소는 나노튜브의 다공성과 밀도로 인한 결과이며 탄성계수가 감소했다고 하더라도 골과 유사한 탄성계수를 나타내기 때문에 내구성에 미치는 영향은 작을 것으로 추정할 수 있다.
플라즈마침전법으로 광촉매성anatase 티타니아막을 형성한 후 자외선을 조사한 다음 세균의 수를 측정하였다. 연구결과 120분 정도 자외선을 조사하면 세균의 생존률이 1%미만으로 강력하게 억제된다고 하였다. 즉, 광촉매 작용에 의한 살균작용은 치과용 임플란트 표면의 오염을 멸균시키는데 매우 유용함을 알 수있다.
Demetrescu 등⁶은 인공타액 내에서 나노튜브구조의 부식률이 티타니아 표면에 비해 1/35로 줄어들어 전기화학적으로 안정적인 결과를 보인다고 하였다. 이상의 결과를 종합하면 양극산화로 형성한 나노튜브 표면은 규칙적인 패턴을 가지고 친수성이며 탄성계수를 감소시키고 부식저항성을 증가시키는 등 다양한 측면에서 향상된 물성을 가짐을 알 수 있다.
¹ 하지만 같은 마이크론 단위의 표면거칠기를 가지고 있다고 하더라도 나노수준에서 다른 표면형상을 가지는 경우 다른 생물학적 결과를 이끌어낼 수 있다는 결과가 속속 발표되면서 나노표면에 대한 관심이 증가하고 있다. 즉, 1~100nm 정도의 표면거칠기는 단백질 및 조골세포의 부착과 밀접한 관련이 있어 골유착에 중요한 역할을 할 수 있다는 것이다.²또한 나노구조를 가지게 되면 표면적이 증가함으로써 약물이나 성장인자를 효율적으로 전달할 수도 있으며 나노구조에 의해 임플란트의 탄성계수가 감소함에 따라 골과 임플란트 계면에서 탄성계수의 부조화를 완화시킴으로써 결과적으로 골유착 향상에 기여할 수도 있다 (Fig.
연구결과 120분 정도 자외선을 조사하면 세균의 생존률이 1%미만으로 강력하게 억제된다고 하였다. 즉, 광촉매 작용에 의한 살균작용은 치과용 임플란트 표면의 오염을 멸균시키는데 매우 유용함을 알 수있다. 단, 120분 이상의 자외선 조사는 생체 조직에 위해를 가할 수도 있으므로 새로운 방식의 자외선 조사법이 개발되어야 할 것이다.
나노매쉬구조는 고배율로 확대했을 때 산부식된 표면과 유사한 양상을 보인다. 형태는 나노튜브에 비해 비정형적이며 양극산화 온도를 높일수록 무질서한 구조를가지는 나노매쉬가 생기며 매쉬크기와 나노층의두께가 증가하는 경향을 보였는데 매쉬 사이의 공극도 증가하면서 혈액반응에 유리하다는 결과를 발표하였다.

후속연구

하지만 통계적으로 유의한 차이를 밝히지는 못했으며 정성적인 분석이 주여서 혈액에 대한 확연한 반응이라고 하기에는 무리가 있다. 나노표면에 대한 혈액반응도 좀 더 많은 연구가 필요한 것으로 사료된다.
와 Actinomycesnaeslundii를 이용하여 나노표면과 절삭표면 및 칼슘함유 표면에서의 세균막형성을 평가한 Fröjd¹³에 따르면 세균막의 부피가 칼슘함유 표면에서 가장 컸으며 절삭면과 나노표면은 비슷한 세균부착 및 세균성장을 나타낸다고 하였다. 다양한 나노표면 형성법 중 몇 가지 표면에 대해서만 세균반응이 확인되었을 뿐이고 광촉매효과는 이론적 배경에 비해 실제 적용에는 아직 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다. 하지만 마이크론 단위의 거친 표면이 평활한 표면에 비해 치태침착을 증가시키는데 반해 나노처리된 표면은 마이크론 단위의 거칠기에는 영향을 주지 않기 때문에 적어도 세균반응을 증가시키지는 않을 것이라고 예상할 수 있다.
즉, 광촉매 작용에 의한 살균작용은 치과용 임플란트 표면의 오염을 멸균시키는데 매우 유용함을 알 수있다. 단, 120분 이상의 자외선 조사는 생체 조직에 위해를 가할 수도 있으므로 새로운 방식의 자외선 조사법이 개발되어야 할 것이다. 양극산화를 통해 나노튜브를 생성하고 표면에 대한 주사전자현미경분석을 시행하여 광촉매 활성도와Streptococcus mutans에 저항하기 위한 적절한 조건을 연구한 Cui 등⁵의 연구에서는 광촉매반응의 기전을 설명하였는데 이를 에너지밴드이론이라고 한다 (Fig.
하지만 안정된 상태에서 전자와 공동이 독립적으로 존재할 수 없어 시간이 지나면 대다수가 결합되고 이로 인해 광촉매반응이 저하되므로 광촉매 형성 후 24시간 내에서만 우수한 항균성을 가진다. 단, 광촉매반응에 의해 균의 성장을 억제할 뿐만 아니라 번식까지 억제하는 효과를 가지기 때문에 적어도 처리후 48시간 내의 멸균작용만 기대해야 할 것으로생각된다. Huang 등¹⁶은 나노티티니아HA 피복이 Staphylococcus epidermidis와 Staphylococcusaureus에 대한 살균성을 가진다고 하였다.
그럼에도 불구하고 표면거칠기에 따라 세균반응을 증진시킬 수 있는 마이크론 단위의 표면과는 달리 나노표면은 광촉매효과로 인한 항균작용을 가지는 것으로 알려지고 있어 표면의임상적 적용에 대한 잠재적 가능성을 높이고 있다. 앞으로 생체연구가 더 활발해져서 실질적인 효과를 입증해야 안정적으로 적용이 가능할 것으로 사료된다.
또한 Huang 등¹⁶은 CVD로 형성한 HA함유티타늄 나노필름코팅이 조골세포의 증식에는 기여했으나 분화에 대한 영향은 크지 않았다고 밝혔다. 이상과 같이 세포부착과 세포분화에 대한 연구의 결과가 나노표면의 종류에 따라 다르게 나타날 뿐 아니라 세포반응의 차이도 마이크론 단위의 표면에 비해 엄청난 차이를 보이는 것은 아니어서 다양한 세포반응에 대한 결과는 주의깊게 해석하는 것이 필요하다.
따라서 기저금속과 강한 결합을 이루지 않더라도 코팅막이 박리는 되지 않아 불안정성을 줄일 수 있게 되었다. 하지만 실험실 혹은 제조회사마다 보유하고 있는 나노표면 제조기술이 달라서, 보다 재현성 있는 나노수준의 표면 구현과 가장 적절한 크기의 나노 거칠기를 규명하기 위해서는 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자연적으로 형성된 티타니아에 기계적, 화학적 처리를 해야 하는 이유는 무엇인가?	또한 티타니아는 골조직에 식립된 임플란트가 생체와 직접 접촉하는 부위로 임플란트의 물성을 개선하기 위해 표면처리를 시행하는 주된 부위이므로 티타니아의 물리·화학적 특성을 조절하고 규명하는 것은 임플란트 표면처리의 기초기술이 된다고 볼 수 있다.하지만 자연적으로 형성된 티타니아의 두께는너무 얇고 조성이 불균질하여 생체적합성에 문제가 생길 가능성이 있어 다양한 기계적, 화학적처리를 통해 산화막 두께를 인위적으로 증가시킬 필요가 있다.1
	나노단위의 표면거칠기를 내부적으로 만드는 방법 중 블라스팅방법은 어떤 장단점을 가지고 있는가?	양극산화법을이용하면 티타늄 나노튜브, 나노패턴과 같은 정형화된 나노구조물을 형성할 수 있다. 블라스팅방법은 다양한 범주의 거칠기를 보다 쉽게 구현가능하지만 블라스팅할 때 표면에 박힌 입자를제거하기 위한 세척과정을 거쳐야 하며 잔존입자의 용출로 인한 골유착 방해나 표면의 불균일성으로 인한 부식위험성이 여전히 존재하고 균질한 표면을 얻기에도 제한이 있다.
	티타늄의 산화막은 임플란트 재료로서 어떤 이점이 있는가?	임플란트의 재료로 가장 일반적으로 사용되는티타늄은 공기나 수분에 노출되는 즉시 표면에 3~17 nm 두께의 산화막(티타니아)이 형성된다.이러한 산화막은 금속표면에서 부식이 진행되는것을 방해하기 때문에 티타늄 금속은 높은 부식저항성을 가질 수 있다. 또한 티타니아는 골조직에 식립된 임플란트가 생체와 직접 접촉하는 부위로 임플란트의 물성을 개선하기 위해 표면처리를 시행하는 주된 부위이므로 티타니아의 물리·화학적 특성을 조절하고 규명하는 것은 임플란트 표면처리의 기초기술이 된다고 볼 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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