바이오세라믹이 우리 몸에 들어오다

21세기 이후 신소재가 우리 일상 생활에 점차 자리를 잡아가고 있습니다. 신소재로서 바이오세라믹은 사람들의 생활과 건강에 큰 편의를 가져왔으며, 최근 몇 년 동안 의료기기 및 생체의학 재료 분야에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.

바이오세라믹스는 특정 생물학적 또는 생리적 기능에 사용되는 세라믹 소재, 즉 인체에 직접 사용되거나 생물학, 의학, 생화학 등 인체와 직접적으로 관련된 세라믹 소재의 일종입니다. 생체 적합성이 우수하고 물리화학적 특성이 안정적이기 때문에 정형외과, 치과, 성형외과, 구강외과, 심혈관 수술, 안과 수술에 널리 사용됩니다.

다른 바이오 세라믹의 용도에 따라 심기 바이오 세라믹과 생명 공학 바이오 세라믹으로 나눌 수 있으며, 생체 내 바이오 세라믹의 활성에 따라 활성 바이오 세라믹과 불활성 바이오 세라믹으로 나눌 수 있습니다. 이 뉴스에서는 후자의 바이오세라믹을 다음과 같이 분류합니다.

바이오 불활성 세라믹

바이오이너트 세라믹은 알루미나, 지르코니아 등과 같이 화학적 특성이 안정적이고 생체 적합성이 우수하며 물리적, 기계적 특성 및 기능적 특성이 인체 조직과 일치하는 세라믹을 말합니다. 주요 특징은 높은 기계적 강도와 강한 내마모성입니다.

지르코니아(ZrO2)

지르코니아 세라믹은 가장 강력한 치과용 수복 재료로 정형외과 고관절 보철물에 널리 사용됩니다. 지르코니아 소재와 조골세포를 시험관 내에서 공동 배양하여 생체 적합성을 확인했습니다. 정형외과에서 지르코니아 세라믹은 주로 인공 고관절에 사용됩니다. 하지만 지르코니아 세라믹의 결합 강도가 충분하지 않아 결합 안정성에 영향을 미칩니다. 현재 세라믹의 결합 성능을 향상시키기 위해 산성 에칭 및 샌드 블라스팅과 같은 더 많은 표면 처리 방법이 적용됩니다. 또한 지르코니아 세라믹 소재의 취성은 사용에 영향을 미치기 때문에 사람들은 일반적으로 이를 개선하기 위해 강화 방법을 채택합니다.

알루미나(Al2O3)

1970년대에 알루미나 세라믹은 고관절 전치환술(THA)에 사용되기 시작했습니다. 경도가 2000HV 이상인 알루미나 세라믹은 시험관 내에서 인간 섬유아세포에 약간의 독성만 있으며, 내부 환경에서도 기계적 특성이 오랫동안 변하지 않습니다. 열 등압 성형 및 레이저 에칭 기술을 적용하면 3세대 알루미나 세라믹의 입자 크기가 작아지고 순도와 밀도가 높아지며 강도와 경도가 크게 증가하고 조각화율이 감소합니다. 알루미나 세라믹의 높은 경도와 우수한 내마모성으로 인해 정형외과 THA의 주요 생물학적 재료로 사용됩니다.

실리콘 카바이드(SiC)

최근 몇 년 동안 사람들은 구강 의학 분야에서 실리콘 카바이드 세라믹을 적용하려고 시도했습니다. 임플란트 재료로서 실리콘 카바이드 세라믹은 과학 연구 및 임상 연구에서 점점 더 선호되고 있으며 생체 적합성 및 독성 측면에서 탐색 작업이 수행되었습니다. 실리콘 카바이드 세라믹 표면에 바이오글라스 코팅을 하여 실리콘 카바이드 세라믹의 생물학적 활성을 더욱 향상시켰습니다.

생체 활성 세라믹

생분해성 세라믹이라고도 하는 생체 활성 세라믹에는 표면 생체 활성 세라믹과 생체 흡수성 세라믹이 있습니다. 생체 활성 세라믹은 일반적으로 하이드 록실을 함유하고 다공성일 수 있으며 생물 조직이 성장하여 표면과 단단히 결합할 수 있습니다. 생체 흡수성 세라믹은 부분적 또는 전체 흡수가 특징이며 유기체에서 새로운 뼈의 성장을 유도합니다. 생체 활성 세라믹에는 생체 활성 유리(인산칼슘), 하이드록시아파타이트 세라믹, 트리칼슘 인산염 세라믹이 있습니다.

하이드록시아파타이트 세라믹(HAP)

하이드록시아파타이트의 기계적 물성을 개선하기 위해 제조된 소형 HAP의 기계적 물성을 개선했습니다. 그러나 겉으로 보이는 다공성은 상대적으로 작습니다. 인체에 이식한 후에는 표면에 뼈만 형성되어 뼈 형성을 유도하는 능력이 부족하고 뼈 형성을 위한 발판으로만 사용할 수 있습니다.

따라서 이 연구는 다공성 하이드 록시 아파타이트 세라믹에 초점을 맞추고 있습니다. 다공성 인산 칼슘 임플란트는 뼈 매트릭스의 구조를 모방하고 뼈 유도가있어 새로운 뼈 조직의 성장을위한 발판과 채널을 제공 할 수 있음이 밝혀졌습니다. 따라서 식립 후 임플란트의 조직 반응은 고밀도 세라믹보다 크게 개선되었습니다.

바이오글래스 세라믹

바이오 글라스 세라믹의 주성분은 일반 유리창보다 칼슘과 인을 많이 함유하고 있어 뼈와 화학적으로 자연스럽고 단단하게 결합할 수 있는 CaO-Na2O-SiO2-P2O5입니다. 다른 생물학적 물질과 구별되는 독특한 특성을 가지고 있으며 이식 부위에서 일련의 표면 반응을 빠르게 겪을 수 있으며 결국 탄산염 기반 아파타이트 층을 형성 할 수 있습니다. 바이오 글라스 세라믹의 생체 적합성이 우수합니다. 이 재료는 거부, 염증 및 조직 괴사 없이 체내에 이식되어 뼈와 뼈 결합을 형성할 수 있습니다.

현재이 재료는 작은 귀 뼈를 수리하는 데 사용되었으며 청력 회복에 좋은 영향을 미칩니다. 그러나 강도가 낮기 때문에 힘이 많지 않은 신체 부위에서만 사용할 수 있습니다. 졸-겔법으로 제조된 소재는 순도가 좋고 균질성이 높으며 생물학적 활성이 우수하고 비표면적이 커서 연구 및 응용 가치가 높은 것이 특징입니다. 특히 생체 활성 유리 다공성 재료는 뼈 조직 공학 스캐 폴드로 사용할 수있는 좋은 전망을 가지고 있습니다.

황산 칼슘

반수화물 결정인 의료용 황산 칼슘은 완전히 분해 된 후 체내 혈청 칼슘 수치에 명백한 영향을 미치지 않습니다. 물과 결합한 후에는 고체 임플란트가 될 수 있으며 수용성 항생제의 운반체로 사용할 수 있습니다. 황산 칼슘은 저온에서 자체 응고되며 말초 신경 조직에 손상을 일으키지 않으며 잠재적 인 뼈 유도 및 방출 칼슘 이온이 있습니다. 약산성 환경의 협력으로 국소 고칼슘 이온은 조골 세포의 칼슘 민감성 수용체에 결합하여 뼈 세포의 증식과 분화를 촉진하고 오스테오이드 형성을 조절할 수 있습니다. 그러나 순수한 황산칼슘 스텐트의 골 형성 능력은 제한적이며 골막이 존재할 때만 황산칼슘 스텐트가 대체 골 형성 특성을 가질 수 있습니다.

바이오세라믹의 핫스팟

복합 재료

바이오세라믹의 기계적 특성, 안정성 및 생체 적합성을 개선하기 위해 많은 재료 연구자들이 복합 바이오세라믹에 대한 많은 연구를 수행해 왔습니다. 일반적인 매트릭스 재료에는 생물학적 고분자 재료, 탄소 재료, 생물학적 유리, 인산 칼슘 바이오 세라믹 및 기타 재료가 포함되며, 보강 재료에는 탄소 섬유, 스테인리스 스틸 또는 코발트 기반 합금 섬유, 바이오 유리 세라믹 섬유, 세라믹 섬유 및 기타 섬유 보강재가 포함됩니다. 또한 지르코니아, 인산칼슘 바이오세라믹, 바이오글라스 세라믹 및 기타 입자 강화제가 있습니다.

나노 기술

표면 효과, 작은 크기 효과, 양자 효과 등 나노미터 재료의 독특한 특성으로 인해 나노미터 바이오 세라믹 재료는 광범위한 응용 전망을 가지고 있으며 인공 뼈, 인공 관절 및 인공 치아와 같은 경조직 대체 재료의 제조 및 임상 적용 분야에서 뛰어난 성능을 발휘할 것입니다.

생체 활성 세라믹의 측면에서 현재 주요 연구는 미세한 자연 뼈 구조를 시뮬레이션하는 것입니다. 자연 뼈의 뼈에서 하이드 록시 아파타이트는 주로 길이 10-60nm, 너비 2-6nm의 바늘 결정으로 구성됩니다. 따라서 현재 HAP 나노 소재에 대한 연구는 주로 나노-HAP 결정, 나노-HAP/폴리머 복합체 및 나노-HAP 코팅 재료에 중점을 두고 있습니다.