[논문]β-TCP 첨가량에 따른 생분해성 PLA/β-TCP 복합체의 생체활성과 기계적 특성 평가

문희정; 김설악; 김동애

doi:10.5392/jkca.2021.21.03.609

β-TCP 첨가량에 따른 생분해성 PLA/β-TCP 복합체의 생체활성과 기계적 특성 평가
Effect of Addition of β-TCP on Bioactivity and Mechanical Properties of Biodegradable PLA/β-TCP Composites 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.21 no.3, 2021년, pp.609 - 615

문희정 (여주대학교 치위생(학)과) , 김설악 (여주대학교 치위생(학)과) , 김동애 (여주대학교 치위생(학)과)

초록
AI-Helper

본 연구는 PLA에 β-TCP를 첨가한 복합체의 생체활성도와 기계적 성질을 평가하고자 한다. 클로로프롬 용액에 24 시간 교반기를 이용해서 PLA와 β-TCP를 무게별로 0, 10, 30, 50 wt% 용해한 후 에탄올 용액에서 PLA/β-TCP 복합체를 추출 후 사출성형을 통해 다양한 기계적 평가를 위한 시편을 제작하였다. SBF 인체 유사 체액에 1, 7, 30, 90 일 동안 침전하여 생체활성도를 평가하였다. 본 연구 결과 PLA/β-TCP 10-30 wt% 첨가한 실험군에서는 유의하게 강도가 증가하였으나 50 wt% 첨가한 실험군에서는 감소하였다. 결론적으로 β-TCP 30 wt% 이상 첨가하는 것은 사출성형 고분자 복합체의 기계적 특성이 개선되지 않는다. 표면 생체활성도는 90일 침전 후 표면 전체에 아파타이트 결정을 형성하였다. β-TCP는 표면특성과 기계적 성질 개선효과가 있음을 입증하였다. 향후 PLA/β-TCP 첨가량에 따른 효율성과 폭 넓은 물성 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of the present study was to investigate the mechanical properties of melt-injected poly lactic acid (PLA) composites with β-tricalcium phosphate (β-TCP). The PLA mixed with calcined PLA/β-TCP powder to be contents of 0, 10, 30, 50 wt%, respectively, was dissolved in chloroform solvent under stirring for 24 h. Then the liquid mixtures were dropped into ethanol to extract solvent. After drying, the well-dispersed PLA/β-TCP composites were granulated and melt-injected to prepare specimens for various mechanical testing. PLA/β-TCP induced the precipitation of an apatite bone-mineral phase on the surface after immersion in a human simulated body fluid (SBF) for 90 days, showing in bioactivity. Mean various mechanical properties PLA/β-TCP composite were increased up to 10-30 wt% with significantly in part and composite were decreased 50 wt% of showing in mechanical properties. In conclusion, Over 30 wt% addition of β-TCP to PLA may be not advisable to improve the mechanical properties of melt-injected polymeric composites. Results indicated that β-TCP can be used considered as potential reinforcing agent for increasing mechanical properties for PLA. Therefore, it was suggest that the additional effects of β-TCP and research on a wide range of substances.

주제어

표/그림 (4)

표 Table 1. Ionic concentrations of simulated body fluid(SBF)
그림 Fig. 1. Various mechanical properties of the PLA/β-TCP composites. (A) Compressive strength(CS), (B) Diametral tensile strength (DTS), (C) Flexural strength (FS) and Flexural modulus (FM), (D) Tensile strength (TS). Same letters denote the results of multiple significance by Tukey test (p <0.05).
그림 Fig. 2. SEM morphology of the PLA/β-TCP composites after immersion in SBF for 1, 7, 30 and 90 days. (A) PLA/β-TCP0, (B) PLA/β-TCP10, (C) PLA/β-TCP30, (D) PLA/β-TCP50.
표 Table 2. Effects of the mechanical properties of PLA/β-TCP composites

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 기존의 합성고분자 PLA에 생분해성이 우수한 β-TCP 첨가량에 따른 고분자 복합체를 제조하여 생체활성도와 기계적 성질 개선 효과를 연구하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
이에 본 연구는 고분자 재료인 PLA의 낮은 기계적 성질과 생체활성도의 단점을 개선하고자 β-TCP를 첨가하여 제조한 세라믹과 고분자의 복합체를 통해 기계적 성질을 개선하고 SBF용액에 침전하여 표면의 미세구조 변화를 통한 생체활성을 평가하고자 한다.

제안 방법

PLA에 β-TCP를 무게비 0 wt%, 10 wt%, 30 wt%, 50 wt%로 첨가하여 클로로포름 용액에 혼합 후 자석교반기를 이용하여 24시간 슬러리(slurry) 형태로 용해시킨 후 에탄올(ethanol)을 이용하여 조금씩 추출하였다
인체 유사 체액(Simulated body fluid : SBF)을 제조하여 인장강도 측정 후 파절된 시편을 일정한 두께로 연마하여 37℃에서 1, 7, 30, 90일 동안 침적하여 표면에 침착된 변화를 관찰하여 생체활성도를 평가하였다. 실험에 사용된 SBF용액 조성은 [Table 1]과 같으며 pH는 7.

대상 데이터

용액은 클로로포름((DAE JUNG, Korea, Lot No. C0122KA1)을 사용하였다.
0 μm), 900℃에서 3시간 45분 화소 처리하였으며, 생분해성 고분자 PLA(Mw=230, 000, BMG, Kyoto, Japan, Lot No. TEZ9T019)를 사용하였다. 용액은 클로로포름((DAE JUNG, Korea, Lot No.
각 실험군별 10개의 시편으로 총 160개의 시편을 제작하였다.
본 연구에 사용된 β-TCP 분말(Merck KGaA Co, Germany, Lot No
인장강도(σ TS)는 직경 2mm, 높이 30 mm 아령 형태로 제작하였으며 다음과 같이 산출하였다.

데이터처리

각각의 기계적 특징을 평가하기 위해 강도시험기 (Instron 3371, 8871, USA)를 이용하여 1 mm/min 속도로 측정하여 평균과 표준편차를 구하였다.
통계분석은 PASW Statistics 20 (SPSS, USA)을 이용하여 일원배치 one-way ANOVA로 분석하였으며 사후분석은 Tukey HSD 유의수준 p<0.05로 하였다.

성능/효과

β-TCP 첨가량이 증가한 30-50 wt%실험군에서 SBF용액에 침전 후 표면에 아파타이트가 형성되었으며 특히 β-TCP 50 wt% 실험군에서 30 일 이상 침전 후 표면 전체에 다공성의 아파타이트가 관찰되었다.
1][2]. 생분해성 고분자는 생체 내에서 부식되지 않고 스스로 분해, 흡수되어 배출되어 없어지는 재료로 2차 수술이 필요 없는 장점을 가지고 있어 조직공학적 응용에 매우 중요한 재료이다[1][3].
2]. 생분해성 고분자는 생체 내에서 부식되지 않고 스스로 분해, 흡수되어 배출되어 없어지는 재료로 2차 수술이 필요 없는 장점을 가지고 있어 조직공학적 응용에 매우 중요한 재료이다[1][3].
3].
4]. 이 중에서 우수한 생체적합성과 적절한 기계적 강도의 특성은 매우 중요한 성질이다[2].
2. 4점굽힘강도와 탄성계수는 β-TCP 10 wt%에서 증가하였으며 β-TCP 50 wt%에서는 감소하여 통계적으로 유의한 차이가 나타났다(p<0.05).
1. 압축강도와 간접인장강도는 β-TCP 첨가량이 증가하면서 다소 증가하는 양상을 보였으나 통계적 유의한 차이는 나타나지 않았다(p<0.05).
이상의 연구 결과 β-TCP 30 wt% 첨가한 실험군에서 증가하였고 β-TCP 50 wt% 첨가한 실험군에서는 오히려 감소하여 고분자 복합체에서 30 wt% 첨가량이 기계적 성질 개선에 월등한 효과가 있음을 입증하였다.
3. 인장강도는 β-TCP 10-30 wt%에서 증가하였으며 50 wt%에서 감소하여 통계적으로 유의한 차이가 나타났다(p<0.05).

후속연구

이와 같이 다른 결과가 나타난 요인은 합성고분자 지지체의 특징과 고분자와 무기 복합체의 분자량이 원인으로 보여진다. 그러므로 본 연구에서는 평가하지 않았으나 향후 다양한 합성고분자의 특징 연구와 제조된 복합체의 분자량에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
본 연구는 합성고분자 PLA에 생분해성이 우수한 β -TCP를 첨가하여 고분자 복합체를 제조하여 생체활성도와 기계적 특성을 평가한 결과 생체활성도와 기계적 성질 개선에 효과가 있음을 입증하여 하중이 높은 부위에 적용 가능한 기계적 성질 개선과 생체활성도 평가한 점에 의미가 있으나 향후 기계적 성질과 밀접한 관련이 있는 분자량과 다양한 종류의 합성고분자와 효과적인 β-TCP의 첨가량에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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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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