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생체 기능성 무기소재의 합성과 응용

Title
생체 기능성 무기소재의 합성과 응용
Other Titles
Synthesis and Application of Bio-functional Inorganic Materials
Author
문병배
Alternative Author(s)
Mun, Byoung Bae
Advisor(s)
김호건
Issue Date
2008-02
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
생체활성 무기소재가 골모 세포의 증식 및 분화에 미치는 영향을 관찰 하였고, Ag 담지 기능성 무기소재를 여러 분야의 항균재료로 응용하기 위한 연구를 수행하였다. 먼저 생체활성 무기소재는 수산화 아파타이트, 제3인산칼슘, 순수 티타늄 금속 및 표면 처리한 티타늄 금속을 사용하였다. 이들 중 수산화 아파타이트와 제3인산칼슘은 sol-gel법과 습식법에 의하여 제조하였고, 제조된 제3인산칼슘의 생체활성은 유사체액에 일정기간 침적시켜 아파타이트 생성여부를 확인하였다. 또한 티타늄 금속의 표면처리는 순수 티타늄을 알카리 수용액에 일정기간 침적시킨 후 열처리하여 사용하였다. 따라서 본 연구에서 생체활성 무기소재가 골모 세포의 osteopontin 발현에 미치는 영향을 조사하기 위하여 골모 세포의 증식 및 배양된 세포에서 RNA를 추출하여 OPN mRNA의 발현을 역전사 중합효소 연쇄반응을 통해 관찰하였다. 골모세포 증식의 경우, 1×106의 골모 세포를 수산화 아파타이트, 제3인산칼슘, 순수티타늄 금속 및 표면 처리한 티타늄 금속에 분주하고 6, 24, 48시간 경과 후, 부착된 세포를 떼어 세포 수를 측정하였다. 그 결과, 수산화 아파타이트, 제3인산칼슘, 순수 티타늄 및 표면 처리한 티타늄 금속 모두 OPN을 처리한 군에서 시간이 증가함에 따라 세포수가 증가 하였다. RNA추출 및 역전사 중합효소 연쇄반응의 경우, 수산화 아파타이트, 순수 티타늄, 표면 처리한 티타늄은 발현되는 경향을 나타내었지만, 제3인산칼슘은 전혀 발현되지 않음을 알 수 있었다. 수산화 아파타이트는 세포 배양 시 초기에 발현되어 시간 증가함에 따라 감소 되었고, 순수 티타늄과 표면 처리한 티타늄은 초기에 발현되어 시간 경과 후에도 계속 유지되는 결과가 관찰되었다. 따라서 순수 티타늄과 표면 처리한 티타늄은 세포증식을 촉진할 뿐만 아니라, 생체활성에 지속성이 있는 물질이라고 판단된다. 항균 기능성 무기소재는 Ag 담지 수산화 아파타이트 및 실리카를 sol-gel 법에 의하여 제조하였다. Ag 담지 수산화 아파타이트의 경우, 알콕시드와 염을 출발물질로 하여 Ag 담지 수산화 아파타이트를 합성하였다. Ag/Ca 몰 비를 0.5∼12 mol% 되도록 조정하여 수산화 아파타이트내의 Ag 치환 량을 조사한 결과, Ag 첨가량이 0.5∼1.5 mol%인 경우 수산화 아파타이트만 관찰되었으나, 2.0 mol%에서는 Ag 금속 피크가 검출되었다. 그러므로 수산화 아파타이트 내에서 Ag는 약 1.5 mol% 까지만 치환되는 것을 알 수 있었다. 항균효과는 진탕 플라스크법에 의하여 Ag 함량이 0.5 mol%, 1.0 mol%, 2.0 mol%인 Ag 담지 수산화 아파타이트를 시험하였다. 24시간 incubation 후 박테리아의 사멸률은 황색포도상구균 및 대장균 모두 99.9% 이상인 것으로 나타났고, Ag 함량이 가장 적은 0.5 mol%의 경우에도 2.0 mol%와 같은 항균효과를 나타냄을 알 수 있었다. 따라서 소량의 Ag 담지로 최대의 항균효과를 나타내는 항균물질임이 확인되었다. Ag 담지 실리카의 경우, 항균 특성과 내구성이 우수하며, 오랜 기간 동안 Ag 이온이 서서히 용출되는 Ag 담지 실리카를 합성하였다. 콜로이달 실리카를 출발물질로 하여, Si/Ag 몰 비는 1/0.03으로 일정하게 하였으며, Al/Ag 몰 비는 여러 가지로 변화시켰다. 그 결과, 화학적 내구성은 Al을 첨가하지 않은 경우 침적기간이 증가함에 따라 Si 및 Ag이온의 용출량은 증가하였지만, Al을 첨가한 경우 Si이온은 Al을 첨가하지 않은 경우 보다 약 1/2 감소했고, Ag이온은 극미량 용출되었다. Al이온의 용출량은 Al의 첨가량에 관계없이, 침적기간이 길어도 용출량은 거의 일정하였다. 항균 효과는 진탕 플라스크법에 의하여 Al/Ag=1인 Ag 담지 실리카를 시험하였다. 24시간 incubation 후 박테리아의 사멸률은 황색포도상구균 및 대장균 모두 99.9% 이상인 것으로 나타났다. 결과로서 생체활성 무기소재가 골모 세포의 증식 및 분화에 미치는 영향은 순수티타늄과 표면 처리한 티타늄이 골모세포의 증식과 분화를 촉진시키는 물질이며, 따라서 순수 티타늄은 골모세포의 증식과정, 표면 처리한 티타늄은 분화과정에서 중요한 역할을 한다고 사료된다. 또한 항균 기능성 소재로써 Ag 담지 수산화 아파타이트와 실리카는 높은 항균활성과 화학적 내구성을 가지므로 우수한 항균 물질의 후보로 기대된다.; This dissertation is focused on the influence of bioactive inorganic materials on osteoblastic proliferation and osteopontin expression in osteoblastic culture, as well as the application of Ag-doped functional inorganic materials to various antibacterial materials. First, hydroxyapatite (HAp), tricalcim phosphate (TCP), pure Ti metal and surface treated Ti metal were used as bioactive inorganic materials. HAp and TCP were prepared by sol-gel route and wet route, respectively. Bioactivity of the prepared TCP was soaked in simulated body fluid to determine wheather apatite is produced in this fluid or not. In addition, surface treated Ti was soaked in pure Ti in an alkali solution and used after heat treatment. In this study, therefore, to examine the influence of HAp, TCP, pure Ti and surface treated Ti on osteopontin expression of osteoblasts, RNA was extracted from proliferated and cultured osteoblastic cells. OPN mRNA expression was observed by RT-PCR. Osteoblastic proliferated cells were prepared by dispensing 1x106 osteoblasts onto HAp, TCP, pure Ti and surface treated Ti. They were incubated for 6, 24, and 48h, after which they were removed, and then the cells were counted. With the OPN expression, the number of osteoblasts was increased on HAp, TCP, pure Ti and surface treated Ti. RNA extraction and RT-PCR were able to be expressed in HAp, pure Ti and surface treated Ti, but not in TCP. In HAp, it was expressed in the early stage of cell culture and was decreased with time. In Ti and surface treated Ti, those were expressed in the early stage and were maintained with time. Therefore, it is considered that Ti and surface treated Ti do not only promote cell proliferation, but also have durability in cell activity. Second, functional inorganic materials, Ag-doped HAp and silica were prepared by sol-gel route. The sol-gel method with phorphous alkoxide and calcium salts has been used for the synthesis of silver-doped HAp. Molar ratios of Ag to total cation(Ag/Ca) were varied from 0.5 to 12 mol%. With a concentration of 0.5-1.5 mol% silver, only HAp was observed. However, under a 2.0 mol% condition, Ag metal peak was observed. This means that the maximum silver substitution in HAp occurs at about 1.5 mol% of Ag. The antibacterial test was comparatively done by changing the Ag volume: 0.5 mol%, 1.0 mol%, and 2.0 mol% according to the shake-flask method (KSM 0416-2003). After 24h incubation, a bacteria extinction rate of up to 99.9% was reached in both escherichia coli and staphylococcus aureus. The antibacterial effect at about 0.5 mol% of Ag was as effective as at 2.0 mol% of Ag. Therefore, silver-doped HAp is showing a maximum antimicrobial effect by infinitesimal Ag-doped. Ag-doped silica has been prepared. This is a compound with excellent antimicrobial property and chemical durability where silver ion is slowly released over a long time. Colloidal silica was used as a starting material for preparing Ag-doped silica. The molar ratio of Si/Ag was constant at 1/0.03 but the ratio for Al/Ag was varied. The results in the chemical durability test indicate that as the deposited time increased, the amounts of silicon and, silver released increased in the silica without aluminum. The amount of silicon released decreased roughly one-half with aluminum. The amount of silver released was infinitesimal. The amount of aluminum released was not related to the amount of aluminum. Although the depositing period is long, this amount was nearly kept constant. The test results for the antimicrobial effects of the powder with aluminum (Al/Ag=1) on Staphylococcus aureus and Escherichiacoli are shown. After 24h of incubation, the disinfection ratios were found to be more than 99.9%. The antibacterial materials prepared in this study have been applied in disinfectants for paints and water, cement and catheters for restoring bone. There are also used as fillers of resin compound for dental restoring. As a result, pure Ti and surfaced treated Ti do not only promote cell proliferation, but also induce OPN expression. Therefore, pure Ti may play an important role in the process of cell proliferation and surface treated Ti may play an important role in OPN differentiation. Ag-doped hydroxyapatite and silica powder are expected to be useful as antimicrobial materials due to high antibacterial activity and excellent chemical durability.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/147601http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000408681
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