| 닝보재료연구소, 정형외과용 바이오세라믹 신소재 개발 및 재료 강인화 연구 | ||
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 바이오세라믹재료인 수산화인회석(hydroxyapatite)은 인체 골격성분과 흡사하여 뼈조직의 빠른 고정을 촉진하는 등 정형외과수술에 응용되고 있다. 게다가 수산화인회석은 숙주 뼈조직과 직접 고정시킬 수 있으며 골전도(osteoacusis)와 뼈 유도성능이 뛰어나기 때문에 임상에서 기타 세라믹 바이오재료에 비해 뚜렷한 우위를 지닌다. 하지만 수산화인회석 덩어리(bulk)재료의 고유한 취성과 낮은 파괴인성 때문에 수술 후 하중이 걸리면 장기적인 사용을 제한하였다. 따라서 탁월한 바이오성능과 역학성능을 동시에 갖춘 바이오세라믹재료를 개발하는 것이 바이오재료 연구분야의 연구과제가 되었다. 중국과학원 닝보(寧波)재료기술공정연구소의 리화(李華) 연구팀은 수산화인회석-그래핀 나노복합 나노 신소재를 개발하여 그동안 해결하지 못했던 세라믹생체재료의 강인화문제를 해결했다. 이 연구성과는 영국화학회(Royal Society of Chemistry) 국제재료과학저널 Journal of Materials Chemistry B(Mater. Chem. B 2013, 1, 1826-1834)에 발표되었다. 리화 연구팀은 화학공침법(Chemical co-precipitation method)으로 수산화인회석-그래핀 나노복합분말을 합성하였고 방전플라즈마 소결법으로 세라믹바이오재료를 만들었다. 수산화인회석은 그래핀 표면을 따라 일정한 방향으로 핵을 형성하고 성장한다. 격자 정합(attice matching) 요소가 존재하기 때문에 수산화인회석 (300)면은 우선 그래핀 층 표면에서 비교적 강하게 결합하며 (002)면은 우선 그래핀층의 측단면과 긴밀하게 결합한다. 이런 구조특징은 복합재료의 역학성능 강화에 유리하다. 방전플라즈마 소결법으로 만든 수산화인회석-그래핀 나노복합 덩어리재료의 파괴인성은 3.94MPa×m1/2에 달하여, 순수 수산화 인회석 덩어리재료보다 203% 높은 편이며, 기타 제2상 재료 예를 들면 탄소나노튜브, 산화지르코늄이나 금속타이타늄보다 수산화인회석에 대한 강인화 효과가 뚜렷하다. 이러한 강인화원리는 주로 그래핀이 수산화인회석 기질에 균일하게 분포되어 있고 미세결정 강인화, 그래핀 층의 Pull out/drawing 강인화, 크랙 굴절 강인화(Crack deflection toughening), 미세균열 강인화 및 브리징 강인화 등 강화 메커니즘을 형성하였다. 서브미크론급 강인화 메커니즘 연구는 장기간 존재해왔던 바이오세라믹재료 강인화 난제를 해결했고, 제2상(the second phase) 강화 과정에서 역학성능을 강화하면서 바이오성능에도 영향을 주지 않는 난제를 해결하였다. 연구팀은 바이오재료의 체외 생체특징에 대한 연구결과 그래핀은 생체독성이 없을 뿐만 아니라 뼈세포의 재료표면에서의 흡착, 접착 및 증식분화를 촉진한다는 점을 발견하였다. 복합생체재료가 탁월한 역학성능과 생체특성을 지니기 때문에 의학분야 응용이 가능해졌다. 재료표면변성, 예를 들면 나노구조 및 그래핀 신소재를 첨가하는 방법으로 수산화인회석 바이오세라믹의 바이오특성을 크게 높였다. 그 근본원리를 밝히기 위해서는 향후 심층 연구가 이루어져야 한다. 이 연구팀은 향후 바이오재료/세포계면행위 연구에 주력하고 분자수준에서 혈청단백의 흡착 등을 연구하며 더욱 깊은 차원의 세포와 바이오재료의 상호작용원리를 밝히며 바이오 신소재의 생체호환성 예측과 제어에 관한 연구를 수행할 계획이다. 정보출처 : http://www.cas.cn/ky/kyjz/201312/t20131210_3994803.shtml |
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