더 저렴하고, 더 강하고, 덜 독성: 새로운 합금은 인공 팔다리 개발에 가능성을 보여줍니다.

2022년 11월 25일

Michael Oluwatosin Bodunrin, 대화

티타늄은 강하고 탄력성이 있으며 상대적으로 가벼운 금속입니다. 그 특성도 잘 연구되었습니다. 과학자들은 그것에 대해 많은 것을 알고 있습니다. 이 모든 것이 의수족(특히 무릎과 엉덩이)과 치아를 만드는 데 이상적인 기반이 됩니다. 다른 금속에 비해 녹이 슬 가능성이 낮으며, 연구 결과에 따르면 스테인리스강이나 코발트 기반 소재보다 인체에 더 적합합니다.

그러나 큰 문제가 있습니다. 티타늄은 저렴하지 않습니다. 정확한 데이터를 얻기는 어렵지만 티타늄 기반 보철물의 보수적인 평균 비용은 US$3,000에서 US$10,000 사이입니다. 이는 대부분의 사람들에게 비용이 많이 들며, 아프리카와 같은 중간 및 저소득 국가의 대다수 사람들에게는 엄청나게 비싼 비용입니다.

다시 한 번 말씀드리지만, 데이터는 부족하지만 사하라 이남 아프리카(남아프리카 공화국은 제외, 남아프리카공화국은 제외)에 대한 최근 연구에 따르면 2009년부터 2018년 사이에 606건의 고관절 치환술과 763건의 무릎 치환술이 시행된 것으로 나타났습니다. 이 지역의 더 많은 사람들은 교체가 필요할 가능성이 높지만 단순히 시술을 받을 여유가 없기 때문에 교체 없이 갈 것입니다. 그리고 전 세계적으로 65세 이상 인구가 증가함에 따라 임플란트 수요도 증가할 것으로 예상됩니다. 이 연령대는 골다공증이나 골관절염과 같은 질병에 걸리기 쉽습니다.

이것이 바로 우리가 합리적인 가격의 팔다리를 만드는 데 사용할 수 있는 보다 저렴한 티타늄 기반 재료를 생산하기 위해 노력하고 있는 이유입니다. 최근 연구에서 동료들과 저는 새로운 합금을 만들기 위해 티타늄, 알루미늄, 철, 바나듐과 같은 금속 원소를 실험했습니다. 우리는 인간의 체액을 모방한 솔루션으로 각각을 테스트했습니다.

우리는 새로운 합금이 용액에 녹을 무시할 정도로 많이 나타남을 발견했습니다. 상업용 등급 합금보다 약간 저렴한 새로운 합금은 그 성능만큼 훌륭했고, 한 합금은 심지어 이보다 성능이 뛰어났습니다.

인공 고관절, 무릎, 치아 제작에 있어서 티타늄의 가장 큰 장점은 체액에 노출되어도 쉽게 분해되지 않아 인체에 사용해도 안전하다는 점이다.

그러나 티타늄을 순수한 형태로 사용하면 인간의 혹독한 활동에 대처하는 데 필요한 강도와 내마모성이 부족합니다.

이것이 바로 다른 금속 요소가 추가되는 이유입니다. 예로는 알루미늄, 바나듐, 지르코늄, 탄탈륨, 니오븀, 몰리브덴 및 철이 있습니다. 과학자들은 이러한 요소와 기타 요소를 사용하여 더 강하고 내마모성이 있는 새로운 합금을 만듭니다.

현재 인공 엉덩이와 무릎에 가장 많이 사용되는 합금은 Ti-6Al-4V입니다. 티타늄 90%, 알루미늄 6%, 바나듐 4%입니다. 효과적이긴 하지만 두 가지 큰 단점이 있습니다. 첫 번째는 비용입니다. 바나듐은 티타늄만큼 비쌉니다. 두 번째는 독성입니다. 알루미늄과 바나듐은 다량으로 독성이 있습니다. 부식으로 인해 재료가 분해되면 이온이 체내로 방출되어 만성 염증을 일으킬 수 있습니다. 이 이온은 알츠하이머병과도 연관되어 있습니다.

이 연구를 위해 우리는 새로운 티타늄 기반 재료를 만들기 위해 Ti-6Al-4V에 첨가되는 알루미늄과 바나듐의 양을 줄였습니다. 또한 우리는 알루미늄을 제외하고 바나듐을 철로 완전히 대체하여 보다 저렴한 티타늄 기반 소재를 만들었습니다.

그런 다음 우리는 이러한 새로운 임플란트 재료가 인체 체액에 담그면 빠르게 분해되는지 조사했습니다. 인체 체액의 주요 성분을 함유한 행크스 밸런스드 솔트 용액(Hanks Balanced Salt Solution)이라는 용액을 사용했습니다. 우리는 새로운 티타늄 소재를 일반적으로 사용되는 상용등급 Ti-6Al-4V와 비교했습니다.

거의 모든 새로운 합금은 염 용액에서 Ti-6Al-4V보다 더 나은 성능을 보였습니다. 용액에서 더 나빴던 것들은 여전히 ​​Ti-6Al-4V와 동등했습니다. 그리고 새로운 합금 중 어떤 합금도 연간 0.13mm 이상 분해되지 않았습니다. 이는 임플란트 재료에 허용되는 최대 허용 분해 속도입니다.