PEG 수식된 실리콘 기판 위에 Calcium Phosphates의 성장

노현정, 조규진, 문일식

순천대학교 화학공학과

Calcium Phosphates Growth on Silicon Wafer

Through PEG Modification

Hyun-Chung Noh, Gyou-Jin Cho, Il-Shik Moon

Department of Chemical Engineering, Sunchon National University

서론

인류를 포함한 모든 생물은 늙어가면서 그 생물체를 이루고 있는 생체조직들이 낡게 되고 약해지기 마련이다.  또한 현대 산업 사회에서는 산업재해와 교통사고와 같은 돌발사고로 인해 훼손된 신체의 일부분을 복구해야 하는 경우가 계속 늘고 있으며, 또한 의학의 발달과 생활수준의 향상으로 인한 평균수명의 증가에 따라 노화된 신체의 기능을 회복해야 할 필요도 계속 늘어가는 추세이다.  따라서 신체 일부 예컨대 뼈나 관절과 같은 신체 경조직을 대체할 수 있는 인공생체재료의 개발이 요구되고 있다.

경조직용 인공생체재료는 크게 금속, 고분자, 세라믹 재료들로 나눠진다.  Stainless steel, Co-Cr 합금, Ti 합금 등 내부식성을 갖는 금속재료는 성형이 좋고 단단하여 잘 부숴지지 않는 장점을 가지고 있으나 생체친화성이 좋지 않으며, PMMA, 고밀도 폴리에틸렌 등의 생체 내에서 비교적 안정한 고분자 재료는 내열성이 없어 열에 의해 변형하는 경우가 있다.  이러한 생체재료에 비해 바이오세라믹스는 생체가 갖고 있는 Ca, P, K, Na, Si등의 원소로 이루어져 있기 때문에 일반적으로 독성이 없고 생체와의 친화성이 우수하다.

이와같은 생체재료들은 생체에 이식되어 주변 조직들과 상호작용 되어야 하므로 물리화학적, 생물학적, 의학적으로 주변 조직과 친화적이어야 한다. 또한 독성, 발암성 등의 유해작용이 없어야 한다. 뿐만 아니라 뼈, 치아와 같은 경조직용 생체재료는 강도, 경도, 탄성등의 기계적 성질이 좋아야하며 오랜 시간 생체에 포함되어야 하기 때문에 내마모성 또한 좋아야 한다.

현재는 인체조직과 강한 친화력을 가진 바이오 세라믹스 생체재료들에 대한 관심이 높아지고 있다. 그중 Calcium phosphates는 뼈나 치아를 이루는 칼슘과 인으로 구성되어 있는 무기성분의 화합물로서 생체조직에 높은 친화성을 갖고 있다. 실제로 Calcium phosphates를 생체에 이식한 결과 주변조직과 직접 결합한다는 사실이 보고된 바 있고, 현재 임상 응용되고 있는 우수한 생체재료이다.  따라서 Calcium phosphates에 관한 많은 연구가 이뤄지고 있으며 그 제조법 또한 고상반응법, 수열법, 침전법등 여러 가지가 알려져 있다.

Calcium phosphates 중 Hydroxyapatite [HA, Ca10(PO4)6(OH)2]는 인체 경조직의 무기질 성분으로서 생체조직에 높은 친화성을 가지고 있다. 이는 HA가 체내에 이식되었을 때 계면에서 기존 조직과의 매우 빠른 생화학 반응이 일어나 단단한 계면 결합을 쉽게 형성하기 때문이다1,2,3. 또한 우수한 이온교환을 가지면 인체조직을 구성하고 있는 성분 원소들과의 이온 교환에 의해 생체친화성을 향상시킨다. 따라서 본 연구에서는 HA가 생체에서 생성되는 조건과 매우 유사한 인공 조건을 제공하여 HA가 저온에서 양질의 세라믹으로 성장할 수 있는 조건을 찾고자 생체 모식 방법을 적용하고자 하였다. 일반적으로 HA를 합성하는 기존의 제조법들은 고온의 실험분위기와 고가의 재료, 설치비를 요구한다. 그리고 HA의 효과적인 성장을 위하여 여러 기판과 첨가제를 사용하게 되는데 이 또한 생체에 직접 접촉하기 때문에 생체친화력을 고려해야 한다.

따라서 본 연구에서는 우선 모든 생체내의 세라믹들이 인지질과 단백질 사이의 계면에서 핵화된후 성장하는 생물질 공정을 모방하여 생체 적합성이 뛰어난 PEG (Polyethyleneglycol)를 실리콘 기판위에 수식한 후 HA 핵화되기에 적합한 조건을 제공하고자 하였으며, 수식되지 않은 실리콘 기판 위에서도 동일한 실험을 수행하여 PEG가 HA 핵화 및 성장에 미치는 영향을 연구하였다.

실험

본 실험에서는 Hydroxyapatite (HA)를 합성하기 위하여 calcium hydroxide [Ca(OH)2], 4.4g을 25% phosphoric acid [H3PO4], 50□ 에 녹여 Calcium phosphates solution을 제조하였다4. 이렇게 제조된 용액은 HA를 합성하게 되고 본 실험에서 기판으로 사용된 실리콘 기판을 PEG로 수식시킴으로서 실리콘 기판의 표면이 친수성 및 Ca 양이온 유인력을 지녀 제조된 용액에서 합성된 HA가 기판위에 잘 성장하도록 돕게된다5.

이렇게 준비된 실리콘 기판을 HA 용액에 담군 후, 40℃의 항온조에 넣고 각 시간에 따라 sample을 채취한다. 채취한 sample은 vocumn oven에 넣어 충분히 건조시킨 후 분석한다. 이때 PEG 수식을 통해 표면이 개질된 기판의 특성을 알아보기 위하여 개질하지 않은 실리콘 기판을 함께 실험하였다.

기판위에 합성된 HA를 정확히 확인하기 위하여 X-ray diffraction(XRD), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), scanning electron microscope (SEM) and Fourier transform infrared (FT-IR)을 사용하였다.

결과 및 토론

Fig. 1은 각각 1일, 2일, 3일 동안 생성된 HA의 FT-IR 결과이다. 1150.8, 889.1, 570.9 cm-1 부근에서 HA의 특성피크가 보여졌다. 또한 Fig. 2에서 볼 수 있듯이 EDX 분석결과 Ca와 P를 주로 포함하고 있는 HA가 분명함을 알 수 있다. EDX의 Ca 피크가 P 피크 보다 훨씬 적게 나타난 것으로 보아 칼슘결손형  HA가 생성되었음을 확인할 수 있다.

HA는 현재 가장 각광받고 있는 생체재료인 HA의 합성여부는 XRD를 통해 확인 할 수 있었는데 Fig. 3에서 볼 수 있듯이 본 실험을 통해 기판위에 성장된   HA, Ca10(PO4)6(OH)2 [PDF No. 03-0747]는 매우 소량이었고 주로 monocalcium monophosphate, Ca(H2PO4)2·H2O [PDF No. 09-0347]이 기판의 표면에 존재함을 알 수 있었다. .

Fig. 4는 1일, 2일, 3일 동안에 실리콘 기판 위에 성장된 HA의 SEM image 이다. PEG로 수식된 기판[(a), (b), (c)]을 보면 시간이 지남에 따라 HA와 monocalcium monophosphate가 성장함을 확인 할 수 있다. 또한 같은 시간인 (c)와 (d)를 비교해 볼 때, 개질하지 않은 실리콘 기판보다는 PEG로 수식된 실리콘 기판위에 HA와 monocalcium monophosphate가 더 잘 성장함을 알 수 있다.

위와 같은 결과를 토대로하면 기판위의 PEG 막이 표면 에너지차를 낮추어 HA와 monocalcium monophosphate가 보다 효과적으로 성장 할 수 있는 환경을 조성했다고 사료된다. 이러한 방법은 기존의 어려운 합성법과는 달리 간단한 생물질 모식 공정을 통해 생체재료로서의 HA와 monocalcium monophosphate를 합성할 수 있었다.    매질의 pH, 농도, 조성등을 바꾸어 가며 HA가 보다 선택적으로 성장할 수 있는 조건을 제어하는 연구를 현재 계속 수행하고 있다.

참고문헌

1. K. De Groot, Biomaterials, 1, 47, (1980)

2. Sung-Jae Jun, Suk-young Kim and Joo-Hwan Han, Journal of the Korean Ceramic Society, 35, 3, 209-218, (1998)

3. Jingwei Xu, Ian S. Butler, Denis F. R. Gilson., Spectrochimica Acta Part A, 55, 2801-2809, (1999)

4. M. Wang, X. Y. Yang, K. a. Khor, Y. Wang, Journal of Materials Science, 10, 269-273, (1999)

5. M. Tanahashi, T. Yao, T. Kokubo, M. Minoda, T. Miyamoto, T. Nakamura and T. Yamamuro, J. Amer. Ceram. Soc., 77, 11, 2805, (1994)

Fig. 1 FT-IR spectra of Calcium phosphates 1day(a), 2days(b) and 3days(c) of growing time

Fig. 2 An EDX spectrum of Calciium phosphates grown for 3days on PEG substrate

Fig. 3 XRD pattern of prepared Calcium phosphates

(b)

(a)

(d)

(c)

Fig. 4 SEM images of calcium phosphates grown on (a)PEG substrate for 1day, (b)PEG substrate for 2days, (c)PEG substrate for 3days and (d)bare substrate for 3days