정형 외과 용 나노 구조 유리 - 세라믹 코팅제 - 1 부

정형 외과 용 나노 구조 유리 - 세라믹 코팅

Guocheng Wang1, Zufu 루 1 , Xuanyong 리우 2 , Xiaming 저우 2 ,

Chuanxian Ding 2 와 Hala Zreiqat 1 , *

1 생체 재료 및 조직 공학 연구팀, AMME 학교,

시드니 대학교, 2006 년 호주 시드니

2 상하이 도자기 연구소, 중국 과학 아카데미, 상하이 200050,

중화 인민 공화국


유리 세라믹은 강도, 열화 속도 및 열 팽창 계수와 같은 후 처리에 의해 그 성질을 조작 할 수있는 가능성을 제공하기 때문에 생의학 분야에서 많은 주목을 받고 있습니다. 본 연구에서는 나노 분말을 이용한 하드 스 토 나이트 (HT; Ca2ZnSi2O7)와 sphene (SP; CaTiSiO5) 유리 세라믹 코팅을 기존의 분말을 사용하는 플라스마 분무 기술로 제조했다. HT 및 SP 코팅의 결합 강도 및 비커스 경도는 플라즈마 스프레이 된 하이드 록시 아파타이트 코팅의보고 된 값보다 높습니다. 두 가지 유형의 코팅은 생체 활성 칼슘 (Ca) 및 실리콘 (Si) 이온을 주변 환경으로 방출합니다. 무 세포 배양 배지에서의 광물 화 시험은 5 시간 후에 많은 버섯 모양의 Ca와 인 화합물이 HT 코팅에 형성되어 높은 무 세포 광물 화 능력을 시사하는 것으로 나타났다. 1 차 사람 골아 세포는 두 가지 유형의 코팅 모두에 부착, 확산 및 증식합니다. HT 코팅에서 방출 된 아연 이온으로 인해 SP 코팅 및 코팅되지 않은 Ti-6Al-4V 합금에 비해 HT 코팅에서 더 높은 확산 속도가 관찰되었습니다. Ti-6Al-4V 합금에 비해 Runx2, osteopontin 및 I 형 콜라겐의 높은 발현 수준이 코팅의 두 가지 유형 모두에서 관찰되었으며, 이는 코팅에서 방출 된 Ca 및 Si로 인한 것일 수 있습니다. 이 연구 결과는 정형 외과 용으로 HT 코팅 및 SP 코팅을 사용할 수 있음을 나타냅니다.

키워드 : 플라즈마 스프레이; 정형 외과; 티타늄 합금 ; 나노 구조, 골 형성 유전자; 유리 - 세라믹


  1. 소개

티타늄 합금 (Ti-6Al-4V) 은 우수한 기계적 성질로 인해 인공 고관절, 뼈대 및 치과 용 임플란트를 포함한 정형 외과 용으로 널리 사용됩니다 [1]. 그러나 Ti-6Al-4V 임플란트의 가장 큰 단점은 임프란트의 안정성을 위태롭게하는 생물 적 비활성으로 인해 임플란트 - 뼈 경계면에서 치밀한 섬유 조직이 형성되어 장치의 조기 파손을 초래한다는 것입니다. 생리 활성 코팅제로 Ti-6Al-4V 임플란트 를 코팅하는 것이 코팅이 골 - 임플란트 계면에서 새로운 - 뼈 형성을 촉진시켜 주위의 뼈 조직에 장치 재료를 강하게 고정시켜이 문제를 해결하는 효과적인 방법입니다. 임플란트의 수명을 연장시킵니다. 졸 - 겔, 플라즈마 스프레이, 생체 모방 증착, 펄스 레이저 증착 및 이온 빔 기술을 포함하는 다양한 표면 수정 기술이 사용되었다 [3]. 플라즈마 분무 코팅의 거친 표면이 뼈 고정에 유리하다는 사실과 함께, 플라즈마 분무는 높은 증착 속도, 두꺼운 증착물, 낮은 자본 및 운영 비용 [4] 때문에 가장 널리 알려진 상업 기술입니다 [ 5]. 플라즈마 스프레이 된 하이드 록시 아파타이트 (HAp) 코팅은 상용화되어 인간 뼈의 무기 성분에 대한 HAp의 화학적 유사성으로 인해 고관절 대체에 널리 사용됩니다. 그러나 HAp 코팅의 주된 관심사는 열 팽창 계수의 불일치로 인한 Ti-6Al-4V 의 결합 강도가 낮아 코팅의 박리 위험을 높입니다. 박리가 발생하면 코팅 조각은 염증과 골 용해를 촉진하여 Ti-6Al-4V 임플란트의 장기 안정성을 손상시킵니다 [6].

또 다른 방법은 CaO-SiO2 기반의 바이오 글라스로 임플란트를 코팅하는 것인데,이 바이오 글라스의 생체 활성은 시험 관내 및 생체 내에서 잘 증명되었다 [12,13]. 그러나 대부분의 플라즈마 용사 된 바이오 글라스 코팅은 Ti-6Al-4V 합금 과의 약한 계면 결합으로 인해 합금의 열팽창 계수보다 높은 열 팽창 계수 (14-15 × 10-6 K -1 [14])로 인해 실패합니다 8.4-8.8 × 10-6 K -1 [15]) [16]. 높은 분해율은 임플란트 코팅재로서 바이오 글라스를 사용하는 또 다른 장벽입니다. 그러나 칼슘 (Ca)과 규소 (Si) 이온의 방출은 조골 세포 부착, 증식 및 분화를 촉진시키고 골 형성을 촉진한다는 것이 알려져있다 [11,21]. 따라서 코팅의 장기간 안정성을 손상시키지 않는 Ca 및 Si 이온의 제한된 방출로 CaO-SiO2 기반 코팅을 설계하면 향상된 생체 활성을 가진 코팅이 생성됩니다. 이전 연구에서 우리는 하드 스톤 나이트 (HT) 또는 스펜

CaO-SiO2 시스템에 ZnO [22] 또는 TiO2 [23]를 각각 첨가하여 제조 된 (SP) 세라믹은 CaSiO3 세라믹에 비해 우수한 화학적 안정성을 갖는다. 또한, 열팽창 계수 (HT [24]의 경우 11.2 × 10-6 K -1 , SP [25]의 경우 6 × 10-6K -1 )는 Ti-6Al-4V 합금의 열팽창 계수에 더 가깝다 결합 강도가 얻어 져야한다. 그러므로 HT와 SP가 정형 외과 적 적용을위한 적합한 피복물이 될 것이라고 제안하는 것이 타당합니다.


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