Surface Functionalization of Metallic Bio-implant

Abstract

우수한 생체적합성, 강도를 가지는 금속재료는 수십년에 걸쳐 의료분야에서 널리 사용되어온 재료이다. 혈관용 스텐트, 뼈 및 치아용 금속 임플란트 재료는 체내 손상된 조직을 효과적으로 지지하고 대체할 수 있다. 그러나 이식 후 불 균일한 부식 거동과 심한 염증 반응은 이의 사용을 제한하는 가장 큰 문제점이다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 금속 생체 임플란트 표면에 다양한 생기능성을 부여하기위한 표면 처리 방법이 활발하게 연구되어왔다. 임플란트 표면에 금속 및 약물 코팅을 하는 방법은 금속 임플란트의 생기능성을 부여하기위한 가장 쉽고 편리한 방법이다. 이러한 성과에도 불구하고, 이 방법은 낮은 코팅 안정성으로 인한 코팅층 박리가 발생하고 이로 인해 체내 부작용을 유발한다는 문제점을 지닌다. 본 연구에서, 기존 금속 박막 증착 방식인 스퍼터링 기술을 이용한 금속 생체 임플란트의 간단하고 효과적인 표면 처리 방법을 개발하였다. 스퍼터링 기반의 금속 이온 에칭 (TIPS)은 금속 타겟에서 방출되는 금속 양이온을 사용하여 기판 금속을 식각하는 기술이다. 타겟으로부터 방출된 금속 양이온은 기판 금속에 인가된 매우 높은 음의 전압에 의해 가속화 되어기판 물질에 큰 충격을 가하며 충돌한다. 이러한 금속 이온에 의한 식각 과정에서 기판 표면에 나노수준의 독특한 구조가 형성되고 이로 인해 금속 생체 임플란트 표면은 다양한 생기능성을 띠게 된다. 이러한 공정은 기존 박막 코팅 스퍼터링 공정과 비교하여 타겟 금속 이온이 강력하게 기판 금속과 충돌하였으므로 주입된 타겟 이온과 금속 기판 물질 사이 우수한 기계적 안정성을 보인다. TIPS 공정은 금속 임플란트 표면에 형성한 독특한 나노구조로 인해 금속의 제어 가능한 부식 거동 및 우수한 항균특성과 같은 다양한 생기능을 제공한다. 본 연구에서 타겟 물질로 우수한 생체적합성을 가지는 금속 원자로 알려진 탄탈륨 (Ta)가 사용되었다. Ta는 큰 원자량을 가지고 있어 금속 임플란트 표면에 보다 큰 충격에너지를 가해 금속 임플란트 표면을 효과적으로 식각 할 수 있는 금속재료이다. 첫 번째 연구는 생분해성 임플란트 소재로의 응용을 위한 Ta과 Fe가 통합된 생분해성 재료에 관한 연구이다. 최근 철은 우수한 기계적, 생물학적 특성으로 혈관, 정형외과용 기기 분야에서 각광받는 소재이다. 그러나 생리적 조건 하에서 Fe는 매우 느린 분해 속도와 불 균일한 부식거동을 보인다. 이러한 문제는 Fe가 의료용 임플란트 재료로 사용되었을 때 체내 심각한 부작용을 유발하는 심각한 한계점이다. 따라서 본 연구에서는 Fe 임플란트의 빠르고 균일한 부식거동을 실현하기 위해 Ta를 포함하는 나노구조화된 Fe를 개발하였다. TIPS 기술을 Fe 임플란트에 적용하여 전기화학적으로 높은 전위를 가지는 Ta를 그 표면에 도입하여 갈바닉 부식을 유도하였고, 더불어 생체적합성이 우수한 Ta를 포함시켜 생체적합성까지 동시에 향상시키는 다기능성 임플란트 재료를 개발하였다. TIPS 공정에서 스퍼터링 건에서 생성된 다수의 Ta 양이온이 높은 음 전압이 인가된 기판쪽으로 가속화되어 Fe 표면에 주입되었다. 결과적으로, Fe 임플란트 재료 표면에 Ta를 포함하는 독특한 나노구조를 형성시켰다. 나노 구조 표면의 상단에 상당한 양의 Ta (50 at %)가 포함되어 있었고 이로 인해, Fe 표면에서 갈바닉 부식이 유도되어 TIPS 공정이 적용되지 않은 Bare Fe 대비 가속화되고 균일한 부식이 관찰되었다. 또한 균일한 부식거동을 보이는 나노 Ta-Fe의 기계적 특성은 장기간의 시험관 내 부식 시험 (40 주) 후에도 거의 일정하게 유지되었다. 생체 적합성은 시험관 내 골아 세포 실험 및 토끼 동물실험 골수 내강 이식 모델을 사용하여 Bare Fe 및 나노 Ta-Fe의 표면에서 평가되었다. 그 결과 나노 Ta-Fe는 세포 부착, 증식에 우호적인 나노구조에 의해 향상된 세포친화성을 보였고, 세포 독성과 조직 독성의 징후도 보이지 않음을 확인하였다. 이러한 결과는 장기적인 체내 안정성과 임상 효과를 지니는 Fe 기반의 정형 외과 임플란트의 실용화를 위한 가능성을 확인한 연구로, 동시에 TIPS 표면처리 기법의 가능성을 입증한 연구이다. 두 번째 연구에서는 항균 활성을 위해 코발트-크롬 합급 (Co-Cr) 임플란트 재료 표면에 TIPS를 통해 잠자리 날개의 나노 구조를 모방하였다. 금속 재료는 우수한 기계적 특성으로 인해 생물 의학 분야에서 유망한 재료이다. 이러한 장점에도 불구하고, 금속 임플란트의 낮은 항균성은 이의 사용을 제한하는 가장 큰 문제점으로 보고되어왔다. 낮은 항균특성을 가지는 임플란트 재료는 임플란트 주위염이나 골수염 등의 심각한 염증 반응이 유발하고 이로 인해 임플란트가 식립 위치로부터 탈락되어 재수술을 요하는 큰 문제점을 가진다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 선행 연구에선 임플란트 재료 표면에 우수한 항균 특성을 보이는 은(silver)이나 항생제등의 항균물질을 코팅 또는 함유시켜 금속 임플란트 표면에 우수한 항균 특성을 부여하는 연구가 적극적으로 이루어져왔다. 금속 임플란트 표면에 포함된 은, 항생제는 우수한 항균 효과를 나타내 염증을 억제하지만, 정상 세포에도 독성을 가지는 부작용으로 인해 그 사용이 제한되고 있다. 최근 잠자리 날개의 나노 구조가 박테리아의 세포 벽을 물리적으로 파괴하는 기계적 항균 효과를 보임이 입증되었다 (Elena P. Ivanova et al.). 본 연구는 기계적 항균 효과를 보이는 잠자리 날개의 나노구조를 TIPS 기술을 적용해 금속 임플란트 표면에 모방하여 은이나 항생제 사용 없이도 항균효과를 가지는 임플란트 재료 개발에 관한 연구이다. TIPS 기술을 적용해 잠자리 날개 모방 구조를 가지는 Nano-spike Co-Cr은 그람 음성균 및 그람 양성균 모두에 대하여 우수한 항균 효과를 나타냈을 뿐만 아니라, 강력한 골아 세포의 접착을 유도하는 나노 지형으로 인해 향상된 골아 세포 친화성도 동시에 보였다. 위에 명시한 본 연구의 접근법을 통해 우수한 항균효과와 생체적합성을 동시에 보이는 다기능성 임플란트를 개발하였다.

Metals have been widely used in biomedical fields for decades due to its excellent biocompatibility and strength. Metallic medical implants such as vascular stents, bone and dental implants can support and replace impaired tissue successfully. However, irregular corrosion behavior and severe inflammatory reactions in the body after implantation are the biggest problems limiting its application. Therefore, to solve these problems, a surface treatment method for imparting various bio-functionality to the surface of metallic bio-implant is widely utilized. The metal and drug coating methods on the surface are the simplest and most convenient way to enhance bio-functionality of metallic implants. In spite of these achievements, it showed the delamination of the coating layers due to poor coating stability leading to the adverse effects in host tissue. In this study, we developed a simple and effective surface treatment method for metallic bio-implants using a DC magnetron sputtering. The Target-ion induced plasma sputtering (TIPS) is a metal etching technique using accelerated metal cations emitted from the target. The metal cations emitted from the target are accelerated by an extremely high negative voltage applied to the metal substrates which inflict a high impact energy on substrate substance. TIPS treated metal substrates show unique nanostructures injected with target metal ions/atoms, and these surfaces have a variety of bio-functions. The target metal ions, accelerated by the high negative substrate voltage and strongly injected into the substrate, have excellent mechanical stability between target materials and metal substrates compared to the existing convectional DC sputtering process. In particular, TIPS process etches the surface of metallic bio-implants with forming distinctive nanostructures which can offer various bio-functions such as controllable corrosion behavior and antibacterial activity. A tantalum (Ta) was introduced as a target material known as a biocompatible metal element. Besides, it has a high atomic weight which enables Ta to etch metallic substrate effectively. In the first study, we invented Ta incorporated bare iron (Fe) platform for medical applications. In recent years, pure Fe has attracted significant attention as a promising biodegradable orthopedic implant material due to its excellent mechanical and biological properties. However, in physiological conditions, Fe has an extremely slow degradation rate with localized degradation, which is problematic for practical applications. In this study, we developed a novel combination of a nanostructured surface topography and galvanic reaction to achieve uniform and accelerated degradation of an Fe implant. The TIPS technique was applied on the Fe implant to introduce biologically compatible and electrochemically noble tantalum (Ta) onto its surface and develop surface nano-galvanic couples. During the TIPS process, numerous Ta ions generated from the sputtering gun were directly implanted into the surface of the Fe implant by applying an extremely high negative substrate bias voltage, which enabled the generation of distinct nanostructures on the surface of the Fe implant with the incorporation of a considerable amount of Ta (~50 at%) on top of the nanostructured surface. Electrochemical tests revealed that the uniformly distributed nano-galvanic corrosion cells of the TIPS-treated sample (nano Ta–Fe) led to relatively uniform and accelerated surface degradation compared to that of bare Fe. Furthermore, the mechanical properties of nano Ta–Fe remained almost constant during a long-term in vitro immersion test (~ 40 weeks). Biocompatibility was also assessed on surfaces of bare Fe and nano Ta–Fe using in vitro osteoblast responses through direct and indirect contact assays and an in vivo rabbit femur medullary cavity implantation model. The results revealed that nano Ta–Fe not only enhanced cell adhesion and spreading on its surface, but also exhibited no signs of cellular or tissue toxicity. These results demonstrate the immense potential of Ta-implanted surface nanostructures as an effective solution for the practical application of Fe-based orthopedic implants, ensuring long-term biosafety and clinical efficacy. In the second study, we imitated the nano-topography of dragonfly wings via TIPS on Co-Cr implants for antibacterial activity. Bio-metals are promising materials in biomedical field due to their excellent mechanical properties. To reconstruct or replace damaged tissue in the body, metallic materials are widely used in the following forms: vascular stents, dental and bone implants. It has the advantage of supporting the impaired tissue successfully where loads are applied because of its excellent mechanical properties. Despite these advantages, the poor antibacterial activity of metallic implants induces serious inflammatory responses such as peri-implantitis and osteomyelitis, which limits its applications to medical implants. Therefore, previous research has been actively conducted to coat or load antibiotic agents such as silver and antibiotics to impart excellent antibacterial property to the surface of metallic implants. Although incorporated silver or antibiotics exhibit excellent antibacterial effects and alleviate the inflammation, but their use is limited due to the side effects causing toxicity to cells. Recently, Elena P. Ivanova et al. reported that nanostructures of the dragonfly wings physically rupture bacterial cell walls called by mechano-bactericidal effect. In this study, the nano-scale structure of the dragonfly wings, which has mechano-bactericidal effect, is imitated by using TIPS technique, which is a novel strategy to modify the surface of metallic implants. After applying TIPS technique to Co-Cr implants, it not only showed excellent antibacterial effects against gram-negative and gram-positive bacteria, but also presented enhanced biocompatibility resulting from nano-topography which induces a strong cell adhesion. The approach for this research described here enable metallic implants to achieve both excellent antibacterial effect and enhanced biocompatibility simultaneously.