초록 ▼

본 연구의 목적은 생체 나노 복합 구조를 갖는 한국인 치밀뼈의 극미세 구조를 소각중성자산란(small angle neutron scattering, SANS)법으로 정량적으로 분석하여 뼈의 주요 질병인 골다골증과 관련된 뼈의 퇴화기구를 밝히고 뼈의 건전성(integrity)을 평가를 위한 신기술을 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 (1) 한국인 남녀의 정상과 골다골증의 경골(tibia)과 쇄골(ulna)의 치밀뼈를 멸균 처리하여 준비하고 (2) 탈회 전과 탈회 후의 골밀도 (BMD)측정, X-선 회절 시험(XRD), 소각

본 연구의 목적은 생체 나노 복합 구조를 갖는 한국인 치밀뼈의 극미세 구조를 소각중성자산란(small angle neutron scattering, SANS)법으로 정량적으로 분석하여 뼈의 주요 질병인 골다골증과 관련된 뼈의 퇴화기구를 밝히고 뼈의 건전성(integrity)을 평가를 위한 신기술을 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 (1) 한국인 남녀의 정상과 골다골증의 경골(tibia)과 쇄골(ulna)의 치밀뼈를 멸균 처리하여 준비하고 (2) 탈회 전과 탈회 후의 골밀도 (BMD)측정, X-선 회절 시험(XRD), 소각X-선 산란시험 (SAXS), 소각중성자 산란시험(SANS)으로 미세구조를 분석하고 (3) 전자현미경을 이용한 미세조직 관찰과 원자력현미경을 이용하여 기초 물성 평가를 수행하여 다음을 얻었다.
1. 치밀뼈의 소각 중성자 산란강도에 영향을 주는 주요 매질은 무기질 아파타이트이다. 소각중성자 산란과 소각 X-선 산란 결과를 고려할 때, 경골 치밀뼈 내의 무기질 아파타이트는 단위 결정(unit cell)들이 모여서 약 45x10 nm 크기의 원판형 결정립(grain)과 약 300nm의 막대기 모양(rod shape)의 과립 (large grain)을 구성한다. 결정립과 과립은 성별/치밀뼈의 종류/부위에 무관하게 경골과 쇄골에서는 비등방성 분포 (an-isotropic distribution)를 하고 있다.
2. 골다골증(osteoporosis)에 의한 뼈가 퇴화 기구(degradation mechanism)는 무기질 아파타이트 량이 점진적으로 감소하는 현상과 직접 관련 있다. 결정학적 관점에서 경골과 쇄골 치밀뼈의 무기질 아파타이트는 합성된 무기질아파타이트(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂))에 비하여 불완전한 결정구조를 갖고 있다. 퇴화 기구는 무기질 아파타이트의 단위 결정에서 탈이온이 진행되는 현상을 포함하고 있다.
3. 골밀도가 0.11-2.50 범위인 한국인의 경골과 쇄골의 결정립의 크기와 격자 상수는 각각 96-116 ų과 a=b=9.41844Å, c=6.88374Å이다. 결정 내부의 이온 점유율을 고려할 때 단위 결정 내의 칼슘(Ca) 2의 위치와 산소(O) 2의 위치에 있는 이온이 국부 전하수를 맞추기 위하여 동시에 선택적으로 이탈함으로써 격자 상수가 변화하여 단위 결정의 결정립의 크기가 감소한다.
4. 탈회처리 전에는 Harversian관을 중심으로 동심원을 이루면서 균열이 진행되지만 탈회 후에는 동심원을 관찰하기가 어렵다. 이는 균열이 빈공간인 Harversian관에서 응력 집중으로 생성되고 생성된 균열은 국부적으로 무기질 아파타이트의 분포와 나노크기의 생체조직이 적은 곳으로 전파가 진행된다.
5. Harversian관 주위에는 생성 시간이 다른 치밀뼈의 뼈층이 동심원을 이루고 있다. 골밀도가 0.25인 경골(tibia)에서 이들 뼈층의 극미세 경도는 Harvesian관으로부터 약 0.99-0.75 GPa로 점차 감소하였다. 6일 탈회 처리 후에는 그 값은 약 0.96, 0.89,
0.70 GPa으로 감소하였다. Harversian관 주위로의 나노크기의 경도의 감소폭은 성별, 뼈의 종류, 부위별, 결정화 정도에 따라 다르다.
6. 치밀뼈의 퇴화 기구(degradation mechanism)에서 퇴화 속도는 성별, 부위별, 결정화 정도에 따라서 다르다. 불완전한 무기질 아파타이트의 격자(unit cell)로 구성된 약 45x10 nm 크기이 원판형 무기질 아파타이트 결정립(grain)은 뼈섬유(bone fiber)를 따라서 약 300nm 크기로 Harversian관에 평행하게 적층으로 존재하고 있다. 원판형(disc shape) 무기질 아파타이트 결정립과 이것으로 구성된 원통형 결정의 퇴화 속도는 골밀도가 높은 초기 상태에서는 느리나 골밀도가 낮아지면 점차 가속된다.

Abstract ▼

The objectives of this study are to quantitatively analyze Korean compact bones in nano-scale to understand the degradation mechanism of the bones for osteoporosis and to establish a new method to verify bone integrity by small angle neutron scattering. To reach the main objectives, (1) preparation

The objectives of this study are to quantitatively analyze Korean compact bones in nano-scale to understand the degradation mechanism of the bones for osteoporosis and to establish a new method to verify bone integrity by small angle neutron scattering. To reach the main objectives, (1) preparation of normal and osteoporosis Korean compact bones of tibia and ulna (2) measurements of bone density, X-ray diffraction spectra, small angle X-ray scattering (SAXS) spectra and small angle neutron scattering (SANS) spectra for microstructure analysis (3) observation of microstructure and determination of basic mechanical properties by scanning electron microscopy and atomic force microscopy, respectively. Followings are obtained :
1. Main media to give SANS spectra are mineral apatite. SANS and SAXS show that unit cells of tibia compact bone agglomerate to be a disc shape grain with 45x10 nm which become a rod shape large grain with 300 nm long. The grain and
the large grain are distributed in the tibia and ulna of man and woman an-isotropically.
2. Bone degradation due to osteoporosis is related to reduction of mineral apatite. In crystallographic point of view, the unit cells of tibia and ulna are poor crystalline compared to synthetic apatite like Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂). The bone degradation includes ion extraction process.
3. Korean compact bones of tibia and ulna with bone mineral densities of 0.11-2.50 have the crystal size of about 96-116 ų and lattice parameters of a=b=9.41844Å and c=6.88374Å, respectively. The ion extraction from a unit cell preferentially
occurs by the simultaneous movement of calcium ion at Ca-II and oxygen ion at O-II sites, which results in reducing the unit cell volume.
4. A crack of the compact bone propagates from the center of Harversian canal to an outer bone plate to make a concentric circle on the failed surface. It is hard to observe the concentric circle on the fracture surface of a decalcified bone because of its low mineral concentration. Cracking occurs on the Harversian canal and propagates along the surface with low mineral density.
5. Nano-sized hardness of bone plates around a Harversian canal decreases from 0.99 to 0.75 GPa for the tibia with BMD of 0.25 which changes to 0.96 to 0.70 GPa after 6 days decalcification. The reduction of the nano-sized hardness depends on sex, bone type, position and crystallity.
6. Degradation mechanism of the compact bone includes co-extraction of calcium and oxygen ions in a unit cell which resultantly reduces the unit cell volume. The unit cells form a disc shape grain with 45x10 nm and grow along bone fiber to make a rod shape large grains with about 300 nm long. The co-extraction rates of the ions depend on bone mineral density (BMD). It means that the co-extraction rate of osteoporosis bone becomes accelerated.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• Summary ... 6
• Contents ... 8
• 목차 ... 9
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 10
• 1-1. 연구 개발의 목적 ... 10
• 1-2. 연구 개발의 필요성 ... 10
• 1-3. 연구 개발의 범위 ... 10
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 11
• 2-1. 국내외 개발 현황 ... 11
• 2-2. 뼈의 조직학적 구조에 대한 연구방법 ... 14
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 15
• 3-1. 방법 ... 15
• 3-1-가. 시료 준비 ... 15
• 3-1-나. 극미세 구조 (nano-structure) 분석 ... 16
• 3-1-다. 미세조직 관찰 및 결정화정도 분석 ... 16
• 3-1-라. 기초 물성 및 검증시험 ... 16
• 3-2. 결과 및 고찰 ... 17
• 3-2-가. 시료 준비 및 골밀도 측정 ... 17
• 3-1-나. 극미세 구조 (nano-structure) 분석 ... 17
• 3-2-다. 미세조직 관찰 및 결정화정도 분석 ... 42
• 3-2-라. 기초 물성 측정 및 검증시험 ... 46
• 3-3. 결론 ... 47
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 49
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 50
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 50
• 제7장 참고문헌 ... 50