콜라겐, 힘줄부착부, 뼈와 같은 다양한 생체조직의 탄성계수에 미치는 교차결합의 영향

Abstract

생체를 구성하고 있는 콜라겐, 수산화인회석, 물은 힘줄, 인대, 피부, 연골, 뼈 등의 주성분으로 인간이 생명을 유지하고 생활하는데 있어서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 콜라겐 미세섬유, 뼈, 힘줄-뼈 부착부에 대한 수많은 연구가 수십 년간 이루어졌고, 현재도 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 구조물들의 실험적인 연구, 분석적인 연구, 수치해석적인 연구 등이 많이 이루어 졌음에도 불구하고, 나노 스케일에서 3차원 유한요소 모델을 이용한 기계적 물성치를 알아내기 위한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 나노 스케일에서 설계된 콜라겐 미세섬유, 치밀골 미세구조, 힘줄-뼈 부착부를 모델링하여 유한요소해석 상용프로그램을 통해 인장 시뮬레이션을 진행하였다. 인장 시뮬레이션을 통해 구조물들의 정확한 영률을 도출하였다. 또한 거시적인 관점으로는 볼 수 없었던 교차결합의 영향을 확인할 수 있었다. 교차결합은 크게 효소적 교차결합과 비효소적 교차결합으로 분류된다. 본 연구에서 모델링한 구조물들은 모두 효소적 교차결합과 비효소적 교차결합을 가지고 있다. 파라미터 스터디를 통해 안정화가 이루어지는 구조물에 대한 교차결합의 강성 값을 도출할 수 있었다. 콜라겐 미세섬유의 경우 안정화를 이루는 비효소적 교차결합과 효소적 교차결합은 각각 2,500pN/nm, 5,000pN/nm인 것을 알 수 있었다. 또한 치밀골 미세구조는 안정화를 이루는 효소적 교차결합은 1,250pN/nm인 것을 알 수 있었으며, 비효소적 교차결합은 물성치에 영향을 미치지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 힘줄-뼈 부착부의 경우 안정화를 이루는 비효소적 교차결합과 효소적 교차결합은 각각 1,250pN/nm, 2,500pN/nm인 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 수행했던 시뮬레이션 조건에서는 상대적으로 연한 구조인 콜라겐 미세섬유의 경우 교차결합의 영향성이 더 큰 것을 확인할 수 있었고, 단단한 구조인 치밀골 미세구조는 교차결합의 영향이 크지 않다는 것을 확인할 수 있었다.