칼슘 첨가를 통해 임상 승인된 Mg-Zn 합금 시스템의 최적화 논문정보
서울아산병원 정형외과 이동호 교수와 의공학연구소 이강식 박사 연구팀은 한국과학기술연구원김유찬 박사 연구팀과 임상 승인된 체내 흡수성 금속 시스템에 소량의 Ca을 첨가함으로써 임상 적용을 위한 최적화 연구를 진행하였다.
최근 생분해성 금속 분야의 발전으로 2차 수술의 필요성을 줄이는 차세대 이식형 의료기기의 개발 및 임상 연구가 진행되었다. 특히 Mg는 금속성 임플란트 재료로서 생분해성, 생체적합성, 골과 유사한 Young's modulus를 갖고 있어 응력 차폐 효과를 완화시킨다. 그러나 순수 Mg는 기계적 성질이 좋지 않고 불순물에 따른 부식률이 상대적으로 높기 때문에 하중을 견디는 정형외과용 임플란트에 적용하기에는 한계가 있다. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위해 여러 합금 시스템이 개발되었다.
Al, Li, Zr 및 희토류 금속과 같은 합금 원소는 기계적 특성에 대한 유익한 영향으로 인해 많은 연구 그룹에서 개발되어 실험실 환경에서 체외/체내 실험에서 우수한 생체 적합성을 보여 주었지만 인간 장기에 대한 희토류 금속 및 알루미늄의 부작용 가능성은 여전히 논쟁의 여지가 있다. 이에 본 연구그룹(서울아산병원, 한국과학기술연구원, 국민대학교, 유앤아이 등)은 가능한 부작용을 제거하기 위해 Ca와 Zn으로 구성된 Mg 합금 시스템을 연구 개발하여 임상적용 1년 후의 성공적인 결과에 대해 보고 하였다[PNAS, 2016;113(3):716-21].
Ca 및 Zn은 생체 적합성과 Mg에 대한 결정립 미세화 효과로 인해 합금 원소로 선택되었으며 Ca는 인간 뼈의 주요 요소 중 하나이며 Zn은 신체의 면역 및 기타 생물학적 메커니즘을 강화한다. 그러나 Zn과 Ca로 구성된 합금계의 주요 단점은 미세 갈바닉 부식에 의해 유발되는 높은 생분해 속도이다. 선행 연구에 따르면 열처리 중 미용해된 2차 상이 소성 변형 후에도 존재하여 2차 상의 균일한 분포를 지연시킬 수 있었다.
Mg에서 Ca의 최대 용해도는 평형 상태에서 23°C에서 0.2wt %, 516.5°C에서 1.35wt%이고, 4wt% Zn이 첨가되면 Mg에서 Ca의 최대 용해도는 368°C에서 0.04wt%로 더 감소한다. 따라서 소량의 Ca는 2차 상의 분포에 상당한 변화를 일으켜 Mg-Zn-Ca 시스템의 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 Ca 및 Zn이 첨가된 임상 승인된 Mg 합금 시스템의 더 향상된 최적화를 위해 Mg-Zn 합금의 기계적, 생물학적 및 생분해 특성에 Ca이 미치는 영향에 대한 심층 평가가 수행되었다.
Ar 가스 환경에서 고순도 Mg, Ca, Zn 금속 입자를 중력 용융하여 Mg 합금을 제조하였다. 표면과 단면을 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하여 결정구조 및 2차 상을 분석하였다. Hank 식염수 용액에 대한 전기화학적 특성 및 내식성을 분석하였으며, 침지 실험을 통한 인장 시험과 ISO10993 표준에 따른 세포 독성 검사를 시행하였다.
주조된 Mg-2% Zn-xCa(x=0, 0.1, 0.3wt%)의 전자현미경 이미지는 2% Zn 합금에 Ca를 첨가함에 따라 결정립계를 따라 분포하는 2차상의 분율이 증가함을 보였으며, EDS 결과는 2% Zn 합금에서 Mg-Zn 상이 형성되고, Ca 첨가 합금에서 Ca2Mg6Zn3 상이 형성됨을 나타내었다. 열처리 후 2% Zn과 0.1% Ca 합금에서는 2차상이 관찰되지 않았으나 03% Ca 합금에서는 등축 2차상이 여전히 관찰되었다. 압출된 상태의 2% Zn, 0.1% Ca 및 0.3% Ca 합금의 미세 구조에서 Ca가 없는 합금은 2차 상이 없었지만 0.1% Ca 합금은 미세하고(~200 nm) 잘 분산된 Ca2Mg6Zn3를 보였으나 0.3% Ca 합금에서는 조대한(~4 μm) Mg2Ca와 작고 잘 분산된 Ca2Mg6Zn3가 동시에 관찰되었다.
▲ 그림 1. Microstructures of as-cast, as-heat treated and as-extruded (a)2%Zn, (b) 0.1%Ca and (c) 0.3%Ca alloys respectively
표1의 인장 시험 결과를 보면, 2% Zn 합금의 항복강도, 최대강도 및 연신률은 각각 153.4±1.2MPa, 238.3±0.8MPa, 16.2±0.8% 였다. 0.1% Ca 합금의 경우는 강도와 연신율 모두 278.8±5.2MPa 및 26.1±1.6%로 증가했다. 그러나 Ca 함량이 0.3%로 증가했을 때, 합금의 연신율은 강도의 극적인 증가에도 불구하고 26.1%에서 17.4%로 떨어졌다.
생분해성 환경에서의 기계적 특성을 평가하기 위해 30일 동안 Hank 용액에 침지 후 인장 시험을 수행하였다. 0.1% Ca 합금의 항복강도, 최대 강도 및 연신율은 각각 239.4±3.6MPa, 276.3±5.1MPa 및 14.3±4.0%였다. 0.1% Ca 합금의 강도는 침지 후에도 유지되었지만 연신율은 약간 감소했다. 그러나 0.3% Ca 합금은 강도, 연신율 모두 큰 감소를 보였다.
그림 2에서 세포 생존율은 pH 및 이온 활성을 포함한 복잡한 인자들로 인해 시간(1, 3, 7일)에 따라 감소했다. Mg의 분해는 pH 및 이온 활성과 직접적인 관련이 있다. 따라서 0.3% Ca 합금의 낮은 세포 생존율(<80%)은 높은 생분해 속도와 관련될 수 있다. 세포는 다량의 Mg 및 Zn 이온이 함유된 알칼리성 조건이 있는 배지에서 생존하기 어려울 수 있다. 그러나 0.1% Ca 합금은 전체 실험 기간 동안 80% 이상의 세포 생존율을 보였으며 이것은 더 좋은 생분해 저항성 때문일 수 있다.
요약하면, Mg-Zn 합금에 Ca를 소량 첨가하면 열간 압출 중에 작고 잘 분산된 Ca2Mg6Zn3가 형성되며 이것은 결정입자 미세화 및 개선된 기계적 특성을 야기한다. 0.3% Ca 합금의 항복강도와 연신율은 각각 350MPa 및 17%에 도달했다. 그러나 Ca의 첨가로 인한 α-Mg와 Ca2Mg6Zn3 사이의 전기화학적 전위의 불균형은 부식속도를 증가시킨다. 또한 열처리 과정에서 0.3% Ca 합금에 Mg2Ca가 형성되어 국부적인 갈바닉 부식이 촉진되었다. 합금의 intergrity와 관련하여 30일 침지 후 기계적 물성의 감소에서 0.3% Ca 합금은 0.1% Ca 합금보다 더 크게 나타났다. 이것은 표면에 더 깊은 pitting 영역이 있기 때문이다. 0.1% Ca 합금의 강도는 침지 후에도 유지되었으며(YS:239.4MPa 및 UTS:276.4MPa) 세포독성도 나타내지 않았다.
이러한 결과는 Ca의 소량 첨가를 통해 Mg-Zn 합금 시스템의 생체 적용 최적화가 가능함을 의미하며, 이는 생분해 속도를 유지하면서 기계적 특성을 크게 향상시킨다. 이것은 정형 외과 수술의 응용 분야를 넓힐 수 있는 초석이 될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 의공학 및 생체재료 분야에 저명한 국제 학술지인 Biomaterials Research (IF: 15.863)에 2022년 9월 5일에 게재되었다.
표1. Tensile test results of the as-extruded Mg-Zn-Ca alloys
▲ 그림 2. Cell viability of tested samples[Cell viability that falls below approximately 80% of the negative control
※ 이동호 교수는 2005년부터 서울아산병원 정형외과에 재직 중이다.
경추분야 수술 권위자로서 경추 관련 질병 및 수술 기법에 대한 다수의 저서가 있다. 체내 흡수성 금속 임플란트 개발 및 다양한 이식물에 대한 연구와 함께 범부처전주기의료기기연구개발사업 등 국책과제를 수행 중이다.
※ 이강식 박사는 2008년부터 서울아산병원 정형외과/ 의공학연구소에 재직 중이다.
체내 흡수성 금속 임플란트 개발 및 다양한 이식물에 대한 연구와 함께 범부처전주기의료기기연구개발사업 등 국책과제를 수행 중이다.
의공학연구소의 담당 연구원으로서 의공학연구소의 연구환경 및 시설 유지관리, 연구소 공용 실험장비(전자현미경, 만능재료시험기, 3D Scanner,전주기 의료기기 개발지원 시스템 관리자로 원내 연구자들에게 최적의 연구환경을 제공하고 있다.