논문 4 | 202410

나노초 레이저 기술을 이용한 수산화아파타이트(Hydroxyapatite : HA) 침투-합성 처리된 정형외과용 PEEK 개발 논문정보

Polyetheretherketone(PEEK)은 반결정 Polyaryletherketone 계열의 열가소성 폴리머 재료로써 세포독성이 없는 생체내 불활성 특성으로 인해 정형외과, 치과 및 성형외과와 같은 체내 이식형 의료기기 분야의 여러 영역에서 광범위하게 사용 중이다. 또한, PEEK는 일반적으로 사용되는 체내 이식형 임플란트 재료인 티타늄, 티타늄 합금, 크롬-코발트 합금, 스테인레스 합금과 같은 금속 재료와 구별되며, 이러한 금속 재료는 뼈보다 단단하여 응력 차폐로 인한 주변 뼈의 약화로 이어질 수 있다. 그러나 PEEK의 탄성 계수는 뼈의 탄성 계수와 유사하여 이러한 문제를 예방하는 데 도움이 된다. 그럼에도 불구하고 PEEK는 생체 불활성이어서 골전도 능력이 부족하여 뼈와 결합하는 능력이 제한적이며, 특히 척추와 같은 부위의 임플란트의 경우 이러한 덜 견고한 결합력으로 인해 임플란트 변위 및 분리와 같은 문제가 발생할 수 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 PEEK의 골전도성을 향상시키기 위한 다양한 방법이 시도되었다. 예를 들어, PEEK 표면 위에 플라즈마 증착 또는 전자빔 증착(e-빔 증착)과 같은 방법을 사용하여 골결합력이 좋은 티타늄을 코팅하는 방법, 또는 인간의 뼈와 동일한 화학 조성을 가지고 있으며 생체적합성과 뼈와의 뛰어난 결합력으로 잘 알려진 수산화아파타이트(Hydroxyapatite : HA)로 표면을 코팅하는 기술이 시도되었지만, PEEK개별 층에 다른 재료를 연결 시키는 기존의 코팅 방법은 종종 계면에서 코팅층 박리로 이어진다. 따라서 PEEK의 기계적, 물리적 특성을 효과적으로 유지하면서도 계면에서의 코팅층 박리를 방지하고 뛰어난 뼈 결합 기능을 보이는 표면 처리를 위하여 본 연구에서는 나노초 펄스 레이저를 사용하여 HA를 합성하고 PEEK의 표면에 침투시키는 기술이 개발되었다.

▲ 그림 1. 레이저를 이용한 수산화아파타이트(Hydroxyapatite : HA)의 침투-합성 표면처리에 의한 HA 침투 특성 및 메커니즘

폴리머-세라믹의 서로 다른 재료의 층을 접착하는 기존 코팅 방법과 달리 이 접근 방식은 레이저를 사용하여 PEEK 내부에 이온화된 HA 전구체 용액을 합성과 동시에 침투시킨다(그림 1). 정형외과 이동호 교수와 의공학연구소 이강식 박사 연구팀은 KIST와 공동연구로 실제 임상 현장에서 사용중인 PEEK에 레이저 구동 HA 침투-합성 기술을 개발하고 HA 침투 내구성 평가, 레이저 처리 표면의 화학적 변화, 세포 독성, 뼈 세포의 유전적 프로파일링, 단백질 분석, 동물 실험에서 조직학적 조직 검사를 포함한 광범위한 분석이 수행되었다. 이 연구에서는 임상 등급 PEEK로 인한 골전도의 결핍 문제를 해결하기 위한 솔루션으로 적용된 레이저 구동 HA침투-합성 기술은 별도의 층을 형성하지 않고 HA와 PEEK가 공존하며 HA가 재료의 필수적인 성분이 됨과 동시에 물리적 표면 손상에 대한 내구성도 유지됨을 확인하였다. 또한 화학적 변형이나 세포독성을 유도하지 않으며 효과적으로 골아세포 부착을 지원하고, 증식을 촉진하며, 골형성 유전자와 단백질의 발현을 향상시켰다. 주목할 점은 동물 실험에서 뼈와 PEEK 표면 사이의 직접적인 결합 없이 섬유성 조직으로 둘러싸여 틈이 형성되었으나, HA-PEEK는 섬유성 조직으로 인한 틈 없이 직접 뼈와 결합되었으며, 이는 다공성의 3D 구조의 표면으로 새로운 뼈가 침투 결합하는 것으로 분석되었다(그림 2).

요약하면, 레이저 구동 HA침투-합성 표면 처리법은 PEEK의 골전도 결핍을 해결할 수 있으며, 폴리머 기반 인공 혈관, 신경, 근육, 바이오센서, 체내 이식형 장치에 적용할 수 있다. 따라서 생체공학에서 인체-인공재료의 연결이라는 중요한 분야의 기초적인 솔루션이 될 것으로 기대된다.

이번 연구는 범부처전주기의료기기연구개발사업 지원으로 진행되었으며, 국제 학술지인 Advanced Healthcare Materials(IF : 10.0)에 게재되었다.