[논문]Ti6Al4V 합금에 두 종류의 생체활성화 유리 코팅

강은태; 이남영; 최현빈

doi:10.6111/jkcgct.2018.28.5.206

Ti6Al4V 합금에 두 종류의 생체활성화 유리 코팅
Coating of two kinds of bioactive glass on Ti6Al4V alloy 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.28 no.5, 2018년, pp.206 - 210

강은태 (경상대학교 나노.신소재공학부) , 이남영 (경상대학교 나노.신소재공학부) , 최현빈 (한국알루미나(주) 연구개발팀)

초록
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에나멜 기법을 활용하여 Ti6Al4V 합금에 두 종류의 생체활성화 유리를 코팅하였다. 재료간의 열팽창계수 차이에 의한 열응력을 줄이기 위해 재료간의 열팽창계수의 차가 $2{\times}10^{-6}/^{\circ}C$ 정도 되도록 생체활성화 유리 조성을 선정하였다. 열팽창계수의 차이에도 불구하고 Ti6Al4V 합금과 코팅 유리간에 확산결합에 의해 양호한 부착이 형성되었음을 FE-SEM과 EDS 분석으로 확인하였다. 의사체액에 담근 후 코팅 표면에 일반적인 생체활성화 유리와 같은 hydroxycarbonate apatite가 형성됨을 FT-IR로부터 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Two kinds of bioactive glass were coated on the Ti6Al4V alloy by the enameling technique. In order to reduce the thermal stress due to the difference in expansion coefficient with the alloy with the secondary coating forming hydroxyapatite, the difference in expansion coefficient between the alloy and the two glasses was adjusted at $2{\times}10^{-6}/^{\circ}C$ intervals. FE-SEM and EDS analysis showed that good adhesion was formed between the Ti6Al4V alloy and the primary coating by diffusion bonding. After immersion in SBF solution, it was confirmed from FT-IR that hydroxycarbonate apatite formed in the secondary coating was not different from bulk bioactive glass.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1 Glass Compositions in weight% (mol%)
그림 Fig. 1. (a) SEM image and (b) EDS line profile analysis of cross section.
표 Table 2 Measured characteristic temperatures, thermal and mechanical properties of glasses
그림 Fig. 2. SEM image and EDS analysis of the surface of bioactive glass coated on Ti6Al4V alloy after immersion in SBF for 7 days. Surface presents the typical morphology of hydroxyapatite.
그림 Fig. 3. FTIR spectra of (a) hydroxyapatite, (b) 45S5 after immersion in SBF for 7 days, (c) the coat before after immersion in SBF for 7 days, and (d) the coat before immersion in SBF.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 티타늄 합금과 Bioglass® 45S5 생체활성화 유리에 버금가는 생체 활성을 가지나 다소 낮은 열팽창계수를 갖는 정형외과용 뼈 이식 대체물로 유럽과 FDA 510k 승인을 받은 BonAlive®(BonAliveBiomaterials, Turku, Finland)으로 알려진 45S5의 변종유리를 Ti6Al4V 합금 위에 에나멜 기법으로 코팅하는것이다.

제안 방법

Panametrics사의 ultrasonic pulser/receiver Model 5800장치를 사용하여 횡파와 종파의 왕복속도를 측정한 후시편의 두께로부터 Poisson’s ratio(ν)를 구하였으며,Poisson’s ratio(ν)와 이 유리계의 밀도를 이용하여 Young’smodulus(E)를 구하였다.
2. SEM image and EDS analysis of the surface of bioactive glass coated on Ti6Al4V alloy after immersion in SBF for 7 days. Surface presents the typical morphology of hydroxyapatite.
Ti합금과 유리와의 접착 상태와 성분 및 표면은 FESEM(JEOLJSM-7610F)과 SEM에 장착된 OXFORDinstements사 X-Max 50 모델로 평가하였다. 이때 시편횡단면을 가로 질러 성분 분포의 정량적인 정보를 얻기위해 line profile 원소 분석을 행하였다.
티타늄 금속과 뼈가 광학현미경의 수준에서 일체화된 상태를 의미하는 골유착(rosseointegration)이 치과의임상 이식치료에 막대한 영향을 미친다는 것이[2] 알려진 이후, 이식의 골유착을 개선하고 가속화시킬 수 있는 표면을 갖는 이식재료의 연구가 널리 행해졌다[3]. 개질방법으로는 티타늄 금속 표면 그 자체의 거칠기 등을 개질하는 방법과 티타늄 표면을 인조 hydroxyapatite나 생체활성화 유리를 코팅하는 방법이 사용되었다.
3은 SBF 용액에 일주일 간 담그기 전 후의 FTIR스펙트럼이다. 비교를 위해 상업용 hydroxyapatite(Aldrich)와 SBF 용액에 일주일 담근 후의 45S5 생체유리의 스펙트럼도 나타내었다. 용액에 담기 전 코팅의 스펙트럼은 Si-O-Si 굽힘 진동에 해당하는 500 cm⁻¹, ring 구조에상응하는 775 cm⁻¹, Si-O-Si 비대칭 신축 진동에 해당하는 940과 1034~1200 cm⁻¹에서 피크를 갖는 실리카 망목의 특징을 보여주고 있다[22].
결정화 개시온도는 TA instruments 사의 Q 600 모델의 열 분석기를 이용하여 5℃/min의 가열속도로 Air 분위기에서 측정하였다. 열팽창계수는 Netzsch사의 DIL402C 모델의 열팽창계를 사용하여 유리 연화온도 바로위의 온도까지 측정하여 유리전이온도와 연화점을 부수적으로 측정하였다. 열팽창계수는 100~400℃ 범위에서얻었으며, 측정시의 가열속도는 5℃/min이었다.
Panametrics사의 ultrasonic pulser/receiver Model 5800장치를 사용하여 횡파와 종파의 왕복속도를 측정한 후시편의 두께로부터 Poisson’s ratio(ν)를 구하였으며,Poisson’s ratio(ν)와 이 유리계의 밀도를 이용하여 Young’smodulus(E)를 구하였다. 이 결과를 활용하여 에나멜화에따른 열팽창 차이에 의한 열응력 정도를 추정하였다.
Ti합금과 유리와의 접착 상태와 성분 및 표면은 FESEM(JEOLJSM-7610F)과 SEM에 장착된 OXFORDinstements사 X-Max 50 모델로 평가하였다. 이때 시편횡단면을 가로 질러 성분 분포의 정량적인 정보를 얻기위해 line profile 원소 분석을 행하였다.
20 μm 이하로 볼 밀링한 유리를 에탄올과 증류수의혼합 용액에 유리막대로 20분 교반한 후 약 2 mm 두께의 Ti6Al4V 원판 위에 1차 유리를 침적시킨 후, 용액을2차 유리 용액으로 교체하여 침적된 1차 유리 침적물 위에 2차 유리를 침적시킨 후, 70℃에서 12시간 건조하였다. 이를 400℃로 유지된 치과용 Whip Mix사의 Pro200 진공로에 삽입하고 0.1 atm으로 진공도를 유지하면서 100℃/mim의 속도로 승온하여 820℃에서 2분간유지 후 공기 중으로 급냉시켜 에나멜화를 행하였다.이렇게 제조된 코팅의 결정화 여부는 육안으로 확인하였다.
본 연구의 목적은 티타늄 합금과 Bioglass® 45S5 생체활성화 유리에 버금가는 생체 활성을 가지나 다소 낮은 열팽창계수를 갖는 정형외과용 뼈 이식 대체물로 유럽과 FDA 510k 승인을 받은 BonAlive®(BonAliveBiomaterials, Turku, Finland)으로 알려진 45S5의 변종유리를 Ti6Al4V 합금 위에 에나멜 기법으로 코팅하는것이다. 재료간의 열팽창 차이에 의한 코팅 표면의 인장열응력을 감소시키기 위해 이 두 재료의 중간의 열팽창계수를 가지나 다소 생체와의 반응속도가 느린 유리를중간 매개로 하는 2차 코팅법을 적용하여 양호한 금속-유리계면을 얻고자 하였다.

대상 데이터

1번 조성은 생체활성화 유리 중 티타늄 합금에 가장 근접한 열팽창계수를 갖는 생체활성화 유리이라고 알려진 조성[16]을 선정하였으며, 2번은 45S5 생체유리의 변종인 BonAlive®S53P4 조성이다.
유리의 제조는 각각 Na₂CO₃(Aldrich, 99.0 %), CaCO₃(Aldrich, 99.0 %), SiO₂(Junsei), MgCO₃, NH₄H₂PO₄를조성에 맞게 칭량하고 에탄올에 3시간 동안 자력식 교반 후 건조하여 뱃치를 완성하였다. 건조된 시료는 Pt-Rh도가니에서 5℃/min의 가열속도로 1400℃까지 상승후 4시간 동안 유지하여 용융 시켰다.

이론/모형

Ti6Al4V 합금과 열팽창계수가 약 2 × 10⁻⁶/℃ 간격으로 차이가 나는 두 종류의 생체활성화유리를 에나멜 기법으로 코팅하였다. 첫 번째 코팅과 Ti6Al4V 합금의 계면에서 확산결합이 생겨 열응력을 극복할 정도의 양호한부착이 형성됨을 확인할 수 있었다.
에나멜화된 시편의 생체 반응성의 평가하기 위해 또한Kokubo 등[17]이 제시한 방법을 따라 제조된 의사용액(SBF)과 37℃에서 1주일 동안 담근 후 에나멜 표면의HCA의 형성 여부를 FTIR(Bruker, Vertex 80v)를 사용하여 KBr법으로 확인하였다.

성능/효과

첫 번째 코팅과 Ti6Al4V 합금의 계면에서 확산결합이 생겨 열응력을 극복할 정도의 양호한부착이 형성됨을 확인할 수 있었다. 또한 SBF 용액과의반응으로 표면에 hydroxylcarbonate apatite가 형성됨을확인할 수 있었다.
/℃ 간격으로 차이가 나는 두 종류의 생체활성화유리를 에나멜 기법으로 코팅하였다. 첫 번째 코팅과 Ti6Al4V 합금의 계면에서 확산결합이 생겨 열응력을 극복할 정도의 양호한부착이 형성됨을 확인할 수 있었다. 또한 SBF 용액과의반응으로 표면에 hydroxylcarbonate apatite가 형성됨을확인할 수 있었다.
코팅된 1차와 2차 유리 모두 시도된 열처리 조건에서는 결정화가 일어나지 않음을 코팅 외관의 육안 관찰로부터 확인할 수 있었다.

후속연구

45S5 생체활성화 유리의 경우 파괴강도는 44 MPa로 알려져 있다[19]. 1차 유리와 2차 유리의 파괴강도도 이와 거의 같다고 가정하면 이들 단순한 계산에는 유리의 유리전이온도 이상의 온도에서의 점탄성에 의한 응력완화가 고려되지 않았음을 고려하더라도 Ti6Al4V 합금에 생체활성화유리의 코팅은 불가능할 것이다. 그러나 Ti6Al4V 위에1차 코팅은 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이중 인조 hydroxyapatite(HA)의 코팅은 어떤 기법을 사용하였나?	이중 인조 hydroxyapatite(HA)의 코팅은 plasma-spray법[4, 5]이 사용되었으며, 뼈와 이식재료간의 더 빠른 접촉을 유도하고 초기 단계에 계면강도의 상당한 개선을보였으나, 보통 비정질과 결정질의 혼합물으로 이루어져있어 비정질 재료의 빠른 용해와 tricalcium phosphate와 같은 일부의 결정질은 코팅의 안정성을 떨어뜨린다.또한 결정성을 개선하기 위한 열처리는 균열과 부착의손실을 일으킨다고 알려져 있다[6].
	이중 인조 hydroxyapatite(HA)의 코팅의 장점은?	이중 인조 hydroxyapatite(HA)의 코팅은 plasma-spray법[4, 5]이 사용되었으며, 뼈와 이식재료간의 더 빠른 접촉을 유도하고 초기 단계에 계면강도의 상당한 개선을보였으나, 보통 비정질과 결정질의 혼합물으로 이루어져있어 비정질 재료의 빠른 용해와 tricalcium phosphate와 같은 일부의 결정질은 코팅의 안정성을 떨어뜨린다.또한 결정성을 개선하기 위한 열처리는 균열과 부착의손실을 일으킨다고 알려져 있다[6].
	이중 인조 hydroxyapatite(HA)의 코팅의 단점을 보완할 수있는 코팅법은?	이를 대체하는 코팅으로 뼈와 바람직한 계면형성을 제공할 수 있는 생체활성유리 에나멜 코팅법이 있다. 생체활성화 유리는 인간의 생리적인 환경조건에서 일련의 화학반응을 일으켜, 그 표면에 hydroxycarbonate apatite(HCA)를 형성하는 특수한 유리이다[7].

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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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