티타늄 생체재료는 즉각적으로 완전히 재부동태화됩니까? 관점

npj Materials Degradation 6권, 기사 번호: 57(2022) 이 기사 인용

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티타늄과 그 합금은 뛰어난 골유착 특성 외에도 생체 적합성과 뛰어난 화학적 불활성으로 인해 임상 응용 분야에 널리 사용되었습니다. 이는 표면에 견고한 보호막을 형성하여 주변 환경에 대한 높은 내식성을 제공하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 티타늄 기반 재료의 이러한 수동적 상태는 손상된 경우에도 매우 빠르게 달성되고 생리학적 환경에서 화학적으로 안정한 것으로 간주되는 경우가 많지만, 수동성 분해 및 전자 전달 반응의 증거는 고해상도 미세전기화학 기술을 사용하여 수집되었습니다. 따라서 향후 응용 프로그램에는 추가 최적화가 필요합니다.

생체재료는 일반적으로 신체의 모든 조직, 기관 또는 기능을 치료, 평가 및 대체하기 위해 생물학적 시스템과 상호작용하도록 설계된 물질로 정의됩니다1,2,3. 최근 수십 년 동안 의료 분야에 응용하기 위해 수많은 생체재료가 개발되었습니다. 이는 주로 약물 전달, 정형외과, 치과 치료, 심혈관 장치 및 피부의 조직 공학에 사용됩니다4. 새로운 생체 ​​재료가 인체에 사용되도록 승인되기 전에 국제 표준 기구(ISO)와 미국 재료 시험 학회(ASTM)가 인정한 몇 가지 전제 조건이 충족되어야 합니다4. 생체 적합성은 생체 재료의 올바른 적용을 위한 필수 요구 사항으로 간주됩니다. Williams의 생체 적합성 정의에 따르면, 이식된 생체 재료는 국소 생리학적 환경에 불리하고 유해한 반응을 일으키지 않아야 합니다. 그러나 이식된 생체재료는 염화물 이온, 단백질 및 아미노산6,7,8을 포함하는 혈액 및 기타 유형의 세포외액과 같은 가혹한 부식성 환경에 노출되므로 부식에 매우 취약합니다. 이는 이식된 재료가 ISO 및 ASTM에서 요구하는 대로 높은 내식성을 나타내야 함을 강조합니다. 실제로, 이식된 물체는 인접한 금속이나 뼈 사이에 생성된 미세한 움직임으로 인해 마모될 수도 있습니다9. 이로 인해 살아있는 조직10,11과 바람직하지 않은 상호 작용을 일으킬 수 있는 마모 잔해가 형성됩니다. 따라서 내마모성과 골유착 특성은 이식된 재료의 수명에 중요한 요소로 간주됩니다12.

오늘날 생체재료는 금속과 합금, 폴리머, 세라믹, 복합재료 등으로 구성됩니다. 그 중 티타늄으로 만든 이식재료는 의료기기로서 가장 유용한 것으로 평가받고 있다. 실제로 티타늄 기반 소재는 1950년대부터 생체의학 임플란트 제조에 사용되어 왔습니다. 매년 1000톤 이상의 티타늄이 생체의학 기기에 사용되는 것으로 보고됩니다13. 이는 생체 적합성과 낮은 탄성 계수, 높은 인장 강도 및 낮은 밀도와 같은 유리한 기계적 특성 때문입니다. 또한 이식 후 생체 조직에서 작동하는 탁월한 골유착 특성도 알려져 있습니다. 이 관점은 표면 수동 산화물 층의 역할과 역학, 그리고 해당 재료에서 작동하는 열화 메커니즘의 결과로 인한 금속 방출의 영향에 대한 통찰력을 제공함으로써 임플란트 응용 분야를 위한 티타늄 기반 재료의 가정된 안정성과 불활성에 초점을 맞출 것입니다.

일반적으로 대기 조건에서는 티타늄 물체의 표면에 견고한 보호막이 자발적으로 발달할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 그 두께는 수 나노미터 범위에 있습니다14. 보호 산화막은 주로 Ti2O3 및 TiO14가 혼합된 TiO2로 구성됩니다. TiO2는 3.2eV15의 넓은 밴드갭을 갖는 반도체 특성을 갖고 있어 표면에서 유해한 금속 이온의 방출을 약화시켜 높은 내식성을 제공하고, 주입된 국소 환경과의 전자 전달 반응을 억제합니다. 티타늄 산화물로 덮인 표면이 손상되면 티타늄 금속은 그림 1의 a-c 스케치와 같이 이산화티타늄의 부동태 피막의 자발적인 형성을 통해 재치료됩니다. 이 경우 티타늄 생체 재료의 깨진 피막은 빠르게 회복되고 생체재료 표면의 부식을 방지하여 궁극적으로 생체세포를 건강하게 유지시켜 줍니다. 그러나 그림 1의 스케치 d-f에 표시된 것처럼 부식이 발생하는 치유되지 않은 금속에서는 다른 상황이 발생합니다. 즉, 티타늄 생체 재료의 부동태 피막이 파괴되어 부식이 시작되고 티타늄 생체 재료가 산화됩니다. 염화물과 같은 주변 전해질에 존재하는 부식성 종에 의해 촉진됩니다. 산화 반응에 의해 생성된 전자는 전해질에 존재하는 산화제(일반적으로 티타늄과의 반응이 열역학적으로 가능하기 때문에 산소임)에 의해 소비되지만, 이로 인해 미세음극 부위에 반응성 산소종이 형성되어 결국 다음과 같은 현상이 발생하게 됩니다. 생물학적 세포의 손상.