골유착을 개선하는 초음파 화학적으로 나노구조화된 임플란트

임플란트, 정형외과용 보철물 및 치과용 임플란트는 주로 티타늄과 합금으로 제작됩니다. 초음파 처리는 금속 임플란트에 나노구조 표면을 형성하는 데 사용됩니다. 초음파 나노구조화를 통해 임플란트 표면에 균일하게 분포하는 나노 크기의 패턴을 형성하여 금속 표면을 개질할 수 있습니다. 이러한 나노구조화 금속 임플란트는 조직 성장과 골유착이 현저히 개선되어 임상적 성공률이 향상됩니다.

골유착 개선을 위한 초음파 나노구조화 임플란트

티타늄과 합금을 비롯한 금속은 유리한 표면 특성 덕분에 임플란트 주위 조직과 생체적합성 계면을 형성할 수 있어 정형외과용 및 치과용 임플란트 제작에 널리 사용됩니다. 이러한 임플란트의 성능을 최적화하기 위해 표면에 나노 규모의 변화를 주어 이 계면의 특성을 바꾸는 전략이 개발되었습니다. 이러한 개질은 단백질 흡착, 세포와 임플란트 표면 사이의 상호작용(세포–기질 상호작용), 이후 주변 조직의 발달 등 핵심적인 측면에 뚜렷한 영향을 미칩니다. 과학자들은 이러한 나노미터 수준의 변화를 정밀하게 설계하여 임플란트의 생체통합과 전반적인 유효성을 높이고, 이를 통해 임플란트학 분야의 임상 결과를 개선하고자 합니다.
 

티타늄 임플란트의 초음파 나노구조화 프로토콜

여러 연구에서 고강도 초음파를 사용한 티타늄 및 합금 표면의 나노구조화가 간단하면서도 매우 효과적임이 입증되었습니다. 초음파 화학적 처리(즉, 초음파 처리)는 스펀지와 같은 구조의 거친 이산화티타늄층을 형성하며, 이 층은 세포 증식을 현저히 촉진합니다.
초음파 화학적 처리를 통한 티타늄 표면 구조화: 20 × 20 × 0.5 mm 크기의 티타늄 시료를 미리 연마하고 탈이온수, 아세톤, 에탄올로 차례로 세척하여 모든 오염물을 제거했습니다. 이후 20 kHz로 작동하는 Hielscher 초음파 처리기 UIP1000hd를 사용하여 5 m NaOH 용액에서 티타늄 시료를 초음파 처리했습니다(왼쪽 사진 참조). 초음파 처리기에는 소노트로드 BS2d22(팁 표면적 3.8 cm2)와 작동 진폭을 1.4배로 증폭하는 부스터 B4-1.4가 장착되었습니다. 기계적 진폭은 ≈81 μm였습니다. 발생 강도는 200 W cm−2였습니다. 최대 입력 전력은 760 W로, 강도에 사용된 소노트로드 BS2d22의 전면 면적(3.8 cm2)을 곱하여 산출되었습니다. 티타늄 시료를 자체 제작한 Teflon 홀더에 고정하고 5 min 동안 처리했습니다.
(Ulasevich et al., 2020 참조)
 

미처리 티타늄 표면의 형태(a), 초음파 화학적으로 제작한 이산화티타늄 메조다공성 표면(TMS)의 상면도 및 단면도(b), 전기화학적 산화로 얻은 이산화티타늄 나노튜브(TNT)의 상면도 및 단면도(c). 삽입 그림은 표면 나노구조화의 모식도를 보여줍니다. 이산화티타늄 매트릭스의 기공 내부에 수산화인회석(HA)이 침착되는 과정을 보여주는 모식도(d-f). HA가 화학적으로 침착된 초음파 화학적 나노구조화 티타늄(TMS) 및 TNT 표면의 SEM 이미지: 각각 TMS-HA(g) 및 TNT-HA(h).
(연구 및 이미지: ©Kuvyrkov et al., 2020)

금속 표면의 초음파 나노구조화 메커니즘

금속 표면을 초음파로 처리하면 티타늄 표면에 기계적 식각이 일어나 티타늄에 메조다공성 구조가 형성됩니다.
초음파 작용의 메커니즘은 음향 캐비테이션을 기반으로 하며, 이는 저주파, 고강도 초음파가 액체에 전달될 때 발생합니다. 고출력 초음파가 액체를 통과하면 고압 / 저압 주기가 번갈아 발생합니다. 저압 주기에는 액체 내에 캐비테이션 기포라고 하는 미세한 진공 기포가 생깁니다. 이러한 캐비테이션 기포는 더 이상 에너지를 흡수할 수 없을 때까지 여러 압력 주기에 걸쳐 성장합니다. 기포가 최대로 성장한 이 시점에서 캐비테이션 기포는 격렬하게 내파하여 에너지 밀도가 매우 높은 미세 환경을 형성합니다. 음향/초음파 캐비테이션의 에너지 밀도가 높은 영역은 최대 2,000atm의 압력과 약 5000 K의 온도를 나타내는 큰 압력 및 온도 차이, 최대 280m/sec의 속도를 갖는 고속 액체 제트 및 충격파가 특징입니다. 이러한 캐비테이션이 금속 표면 근처에서 발생하면 기계적 힘뿐만 아니라 화학 반응도 발생합니다.
이러한 조건에서는 산화환원 반응이 일어나 산화 반응과 티타니아층 형성으로 이어집니다. 초음파로 유도된 산화환원 반응은 티타늄 표면을 산화시키는 활성 산소종(ROS)을 생성할 뿐만 아니라 효과적인 표면 식각을 일으켜 두께가 1 μm인 이산화티타늄층이 형성되도록 합니다. 이는 이산화티타늄이 알칼리 용액에 부분적으로 용해되어 불규칙하게 분포된 기공을 생성한다는 의미입니다.
초음파화학적 방법은 기존 방법으로는 구현할 수 없는 경우가 많은 무기 및 유기 나노구조 재료를 제조할 수 있는 빠르고 다용도인 방법을 제공합니다. 이 기술의 주요 장점은 캐비테이션의 전파가 고체 내에 큰 국소 온도 구배를 형성하여 상온 조건에서 다공성 층과 무질서한 나노구조를 갖는 재료를 생성한다는 점입니다. 또한 외부 초음파 조사를 이용하여 나노구조 코팅의 기공을 통해 캡슐화된 생체분자가 방출되도록 유도할 수 있습니다.
 

초음파 처리 셀의 모식도(a), 알칼리 수용액에서 티타늄 표면을 초음파 처리하는 동안 일어나는 표면 구조화 과정의 모식도(b) 및 형성된 표면(c), 티타늄 임플란트 사진(d): 녹색을 띠는 것은(손에 놓인 왼쪽 시료) 초음파 처리 후의 임플란트이고, 노란색을 띠는 것은(오른쪽에 있는 시료) 개질하지 않은 임플란트입니다.
(연구 및 이미지: ©Kuvyrkov et al., 2020)

금속 임플란트 표면의 나노구조화를 위한 고성능 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 금속 표면(예: 티타늄 및 합금)의 나노구조화와 같은 나노 응용 분야를 위한 모든 종류의 초음파 처리기를 제공합니다. Hielscher는 임플란트의 재료, 표면적 및 생산 처리량에 따라 고객의 나노구조화 응용에 이상적인 초음파 처리기와 소노트로드(프로브)를 제공합니다.
Hielscher 초음파 처리기의 주요 장점 중 하나는 정밀한 진폭 제어와 24/7 연속 운전 중에도 매우 높은 진폭을 제공하는 능력입니다. 초음파 프로브의 변위인 진폭은 초음파 처리 강도를 결정하므로) 신뢰할 수 있고 효과적인 초음파 처리를 위한 핵심 매개변수입니다.

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질과 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고성과 간편한 조작 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 시설에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 열악한 조건과 까다로운 환경에서도 손쉽게 작동합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특히 중점을 둡니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE 규정을 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

연마된 티타늄 (a) 및 초음파 화학적으로 처리한 연마된 티타늄 (b)을 열처리하여 제작한 티타니아 코팅의 XRD 패턴; 연마된 티타늄 표면 (c) 및 초음파 화학적으로 생성된 메조다공성 이산화티타늄 표면 (d)의 SEM 이미지. 초음파 처리는 초음파 처리기 UIP1000hdT를 사용하여 수행했습니다.
(연구 및 이미지: ©Kuvyrkov et al., 2018)