생분해성 마그네슘의 부식 및 역학 특성에 관한 연구

Abstract

Although many metallic materials including Ti-based alloys and stainless steels have been used for dental and orthopedic applications, most of them have weak points such as their high Youngs's modulus resulting in stress shielding in human body and their chemically inert nature which can often require additional surgery to remove metal implants after 1 or 2 years. In this regard, recently Mg is gathering big interests in medical science as an advanced implant material thanks to its good bio-compatibility, high in-vivo stability, and excellent mechanical properties as a bone. More importantly, Mg exhibits a high corrosion rate in living body, which can be a drawback for structural applications but can be an advantage for biomedical applications (especially for a biodegradable implant material). For various biomedical applications of Mg and Mg-based alloys as biodegradable materials (requiring different degradation rate and strength for a given purpose), it is needed to tailor the strength and corrosion rate of the materials. While corrosion rate of Mg alloys can be controlled by alloying element, biodegradation rate of Mg is determined by impurities such as Fe, Ni, Mn, and Al. Additionally, the product of biodegradation reaction should maintain a similar strength to that of natural bone during healing of the fractured bone. With thin in mind, the effect of impurities on the corrosion behavior and mechanical property of Mg was investigated in this study. First, regarding the corrosion rate, it was revealed that Fe and Ni have strong effects on corrosion behavior of Mg, i.e. the corrosion rate increases with increasing Fe and Ni contents, because Galvanic circuits can form around those elements. But more important parameter for controlling the biodegradation ratio was found to be a ratio of Fe(+Ni) to Mn. This is because Mn reduces potential difference between Fe (or Ni) and Mg. Second, the mechanical properties of biodegradable reaction products of the sample implanted in a femoral condyle of rat were measured by nanoindentation experiments. For the sample implanted for 12 week, the biodegradable reaction product (whose composition was similar to that of bone) was found to have lower Young's modulus and hardness than bone. This implies that the product can fracture by the external stress or the weights of body. Therefore, it is desirable to enhance the strength of the product.; Ti 합금이나 스텐레스 스틸 같은 금속들은 현재 치과용 재료나 정형외과용 재료로 널리 사용되고 있다. 하지만 이 금속 재료들은 높은 탄성계수로 인해 뼈와의 응력차폐 현상을 가져올 뿐만 아니라 환자가 회복 후 임플란트 제거가 요구되기도 한다. 이 같은 점에서 마그네슘은 생체 재료분야에서 매우 장점이 많은 금속이다. 마그네슘은 생체 적합성과 생체 안정성이 우수할 뿐만 아니라 뼈와 비슷한 탄성 계수를 가지고 있고, 생체 속에서 높은 분해성을 가질 뿐만 아니라 골 형성을 유도하는 금속으로도 알려져 있다. 이와 같은 장점으로 인해, 현재 독일, 일본, 중국, 한국 등에서 생분해성 마그네슘 임플란트 개발을 위해 많은 연구를 하고 있다. 마그네슘이 생분해성 재료로 다양한 부분에 사용되기 위해서는 다양한 분해 속도와 강도를 필요로 한다. 마그네슘 합금의 경우 합금 원소에 의해 부식 속도가 달라지지만, 순 마그네슘의 경우, Fe, Ni ,Mn, Al과 같은 불순물에 의해 부식 속도가 달라진다. 또한, 마그네슘은 몸 속에서 분해 반응을 하는 동안 반응 생성물을 만들어 낸다. 이 반응 생성물은 환자가 회복되는 동안 뼈와 같은 강도를 유지할 수 있어야 한다. 이상의 관점에서, 본 연구에서는 순 마그네슘의 불순물에 의한 분해 거동과 몸속에서 분해 반응 통해 생성된 반응 생성물의 기계적 강도에 관해 연구하였다. 순 마그네슘은 불순물의 양에 따라 각기 다른 분해 거동을 가진다. 특히, Fe와 Ni은 불순물들은 순 마그네슘의 부식 거동에 큰 영향을 미친다. Fe와 Ni의 양이 증가할수록 부식 속도도 증가하는데, 그 이유는 Fe와 Ni은 순 마그네슘에 고용되지 않고 그대로 남아 마그네슘과의 사이에 갈바닉 셀을 형성하여 부식을 촉진시키기 때문이다. 하지만, 순 마그네슘의 부식속도는 Fe+Ni의 양보다는 Fe+Ni과 Mn의 비율에 의해 결정되어진다. Fe+Ni/Mn의 비율이 낮을수록 부식 속도는 낮아지는데 Mn이 마그네슘과 Fe, Ni 사이의 전위 차이를 줄여 주기 때문이다. 이 같은 Mn의 역할로 Mn 양이 많은 시편에서는 갑작스런 부식 속도의 증가 현상도 나타나지 않았다. 부식 속도만큼이나 마그네슘이 몸속에서 분해되는 동안 생성되는 반응 생성물의 강도도 중요하다. 반응 생성물은 환자가 회복하는 과정동안 뼈와 같은 강도가 요구되어진다. 이 반응 생성물의 기계적 특성 변화를 관찰하기 위해 쥐 뼈 속에 마그네슘을 임플란트 후 8주, 12주된 쥐를 희생시켜 얻은 시편에서의 반응 생성물을 나노 압입 시험과 성분 분석을 통해 성분 및 경도와 탄성 계수를 분석한 결과, 8주 지난 시편에서는 반응 생성물이 많이 생성되지 않았지만, 12주 지난 시편에서는 반응 생성물이 생성된 것을 관찰하였다. 이 반응 생성물은 뼈와 유사한 성분을 보였으나, 주변의 실제 뼈 조직보다 경도와 탄성 계수가 낮아 외부의 충격이나 체중에 의해서 파괴될 우려가 있어 환자에게 위험을 줄 수 있으므로 강도 유지를 위한 많은 연구가 필요할 것으로 보인다.