Surface Modification of Magnesium for Biomedical Applications: Its Degradation Behavior and Biological Response

Abstract

Magnesium (Mg) have received great attention as a suitable material for biomedical application in accordance with the increasing demand for biodegradable materials in recent years. No toxicity, similar mechanical properties to those of natural bone and biodegradability, which enables complete dissolution after the damaged tissue heals, are the most attractive characteristics of Mg. Despite these favorable features, high corrosion rate in physiological conditions restricts its practical use in clinical field. Numerous studies have been conducted to regulate corrosion resistance of Mg, mainly categorized as alloying and surface modification. In this study, surface modification was vigorously explored because it can effectively modulate corrosion resistance, also can give an additional function to Mg such as improved bioactivity. Coating of the materials having excellent biocompatibility, such as hydroxyapatite (HA

Ca10(PO4)6(OH)2), could achieve both goals, corrosion protection and enhanced biological response. The first study aimed at fabricating a biocompatible and corrosion protective coating for pure Mg substrate by introducing HA. HA was coated onto Mg in an aqueous solution containing calcium and phosphate sources to improve its in vitro and in vivo biocorrosion resistance, biocompatibility and bone response. A layer of needle-shaped HA crystals was created uniformly on the Mg substrate even when the Mg sample had a complex shape of a screw. This HA coating layer remarkably reduced the corrosion rate of the Mg tested in a simulated body fluid (SBF). Moreover, the biological responses, including cell attachment, proliferation and differentiation, of the HA coated samples were considerably enhanced compared to the samples without a coating layer. The preliminary in vivo experiments also showed that the biocorrosion of the Mg implant was significantly retarded by HA coating, which resulted in good mechanical stability. In addition, in the case of the HA coated implants, biodegradation was mitigated, particularly over the first 6 weeks of implantation. This considerably promoted bone growth at the interface between the implant and bone. These results confirmed that HA coated Mg is a promising material for biomedical implant applications. In the second study, the attention was focused on producing the coating layer which is biocompatible, corrosion protective and strain-resistant at the same time by employing surface patterning. Micro-patterned HA and poly(L-lactic) acid (PLLA) coating has been introduced to pure Mg by the combination of photolithography and solution treatment, stated in above paragraph. Periodically arrayed HA rods with a diameter of 10 µm, were well fabricated on Mg with PLLA filling between the rods. In order to mimic real case and possible deformation during implantation, a 5% tensile strain was applied to the HA/PLLA patterned Mg. Compared with single HA coating and PLLA coating, HA/PLLA patterning showed good stability under strain and remarkably reduced the corrosion rate of Mg with no crack formation or delamination, resulting in negligible evolution of hydrogen gas in SBF. Moreover the biological response level of the patterned Mg, including cell attachment, proliferation, was stably maintained, while that of single HA coated and PLLA coated Mg dropped significantly under deformation. These results confirmed that HA/PLLA patterning on Mg has widened its feasibility to the real clinical operation. In the third study, we explored the applicability of the HA pattern, produced through the second study, to other materials, such as PLLA. As HA dots array on PLLA surface periodically, better biocompatibility can be naturally achieved without altering polymers intrinsic flexibility. HA patterns were formed on silicon wafer as described in the second study and transferred to PLLA. HA patterned PLLA showed similar level of stiffness and tensile strength to those of pure PLLA, while the mechanical properties of HA powder mixed PLLA was significantly deteriorated, stiffer and weaker. Furthermore, HA pattern effectively increased biological responses of PLLA, including cell attachment and proliferation. Interestingly, biocompatibility of the samples varied depending on the pattern geometry. With the fixed HA content on the surface, better bioactivity was observed as the size of HA rod decreased. These results are suggesting that cellular responses of the materials, PLLA in this case, can be directly modulated by introducing different HA patterns on the surface.

최근 마그네슘은 생체흡수성 재료에 대한 요구가 증가함에 따라 생체의료용 분야에 적합한 물질로 각광받고 있다. 인체에 무해하고 뼈와 유사한 기계적 강도를 지니고 있으며, 생체 내에서 분해가 가능하다는 점은 마그네슘의 가장 중요한 특징이다. 특히 상처받은 티슈가 회복됨에 따라 완전한 분해가 일어날 수 있다는 점은 주목할 만 하다. 하지만 이러한 긍정적인 특징에도 불구하고, 생체와 유사한 환경에서의 마그네슘의 빠른 부식속도는 임상 분야로의 실제적인 응용을 제한하고 있다. 그리하여 마그네슘의 부식 저항성을 조절하기 위한 수많은 연구가 진행되어 왔으며, 이들은 크게 합금화와 표면처리로 구분될 수 있다. 본 연구에서는 마그네슘의 표면처리를 심도 있게 다루었으며, 이는 표면처리 기법이 마그네슘의 부식저항성을 조절하는데 매우 효과적일 뿐 아니라 향상된 생체적합성 등의 부가적인 기능을 부여할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 하이드록시아파타이트 등의 생체적합성이 높은 물질을 코팅재료로 이용하면 부식 방지와 생체적합성 향상의 두 가지 목표를 모두 이룰 수 있다. 첫 번째 연구에서는 마그네슘 표면에 하이드록시아파타이트를 이용한 생체적합성과 부식저항성이 높은 코팅을 형성하고자 하였다. 하이드록시아파타이트는 칼슘과 인산염 재료가 포함된 수용액 내에서의 석출법을 통해 마그네슘의 표면에 코팅되었으며, 이는 재료의 생체 내, 그리고 생체 외의 부식저항성, 생체적합성, 그리고 뼈와의 반응성을 높이려는 데에 목적이 있었다. 바늘형태의 하이드록시아파타이트 결정으로 이루어진 코팅 층은 마그네슘 기판의 전 영역에 걸쳐 고르게 형성되었으며, 나사와 같은 복잡한 형상에도 잘 적용되었다. 이 하이드록시아파타이트 코팅 층은 생체 모방용액 내에서의 마그네슘의 부식속도를 효과적으로 낮추었다. 또한, 세포 부착, 증식, 분화 등의 생체 반응이 코팅을 한 시편에서 훨씬 향상된 수치를 나타내었다. 예비 동물실험에서도 역시 하이드록시아파타이트를 코팅한 시편에서 생체부식속도가 매우 낮게 제어되어, 향상된 기계적 안정성을 나타내었다. 그리고 하이드록시아파타이트가 코팅된 임플란트의 경우, 생체분해속도가 첫 6주간의 임플란트 기간 동안 효과적으로 제어되었으며, 이는 임플란트와 기존 뼈 사이에서의 새로운 뼈 형성양에 크게 기여하였다. 이러한 결과들을 통해, 하이드록시아파타이트를 마그네슘의 표면에 코팅하면 의료용 임플란트에 응용하기에 매우 용이하다는 것을 확인할 수 있다. 두 번째 연구에서는 표면 패터닝 공법을 도입하여, 생체적합성이 높고 부식을 막아 줄 뿐만 아니라 변형에도 효과적으로 견디는 코팅 층을 형성하고자 하였다. 첫 번째 연구에서 소개되었던 수용액 석출법과 포토리소그래피 공정을 적용하여 마이크로 단위로 패턴화된 하이드록시아파타이트와 폴리락틱에시드 코팅층을 마그네슘의 표면에 형성하였다. 10 마이크로미터의 지름을 가지는 하이드록시아파타이트 원형 패턴이 마그네슘의 표면에 잘 정렬되었으며, 이 원형 패턴 사이를 폴리락틱에시드가 채우고 있었다. 실제 임상과정과 유사한 환경을 구현하기 위하여, 하이드록시아파타이트와 폴리락틱에시드가 패턴화된 마그네슘에 5%의 인장변형을 가하였다. 하이드록시아파타이트나 폴리락틱에시드만 단독으로 코팅하였을 때에 비해, 패턴화된 코팅 층은 인장변형 하에서도 어떠한 균열이나 박리가 발생하지 않았으며, 이렇게 향상된 코팅 안정성은 마그네슘의 부식속도 제어에 효과적으로 기여하여 생체모방용액 내에서 부식산물인 수소기체가 거의 발생하지 않았다. 또한 하이드록시아파타이트나 폴리락틱에시드의 단독 코팅 층의 경우 인장변형 하에서 세포 부착이나 증식 등의 세포 반응성이 현저하게 떨어진 것에 반해 패턴화된 마그네슘은 매우 안정적으로 높은 세포 반응성을 유지하였다. 이러한 결과들을 통해, 하이드록시아파타이트와 폴리락틱에시드를 이용한 패턴을 마그네슘에 적용함으로써 실제 임상분야로의 실현가능성을 확인할 수 있었다. 세 번째 연구에서는 두 번째 연구를 통해 개발된 하이드록시아파타이트 패턴을 다른 재료, 예를 들면 폴리락틱에시드 등에 적용하는 방안에 대해 다뤘다. 하이드록시아파타이트 패턴이 폴리락틱에시드의 표면에 균일하게 정렬됨에 따라, 향상된 생채적합성은 자연스럽게 얻게 될 것이며 이 과정에서 폴리머 본연의 유연성은 영향을 받지 않을 것이다. 우선 두 번째 연구에 기술된 것과 같이 하이드록시아파타이트 패턴을 실리콘 기판 위에 형성 한 뒤, 이를 폴리락틱에시드 표면에 옮기는 방식으로 패턴을 형성하였다. 하이드록시아파타이트 분말을 섞은 폴리락틱에시드의 경우 재료의 강성도는 증가하고 전체 강도는 감소하는 등 기계적 물성이 전체적으로 저하된 것에 반해, 하이드록시아파타이트가 패턴화된 폴리락틱에시드는 순수 폴리락틱에시드와 비슷한 수준의 기계적 물성을 유지하였다. 또한 세포 부착과 증식 등의 세포 특성이 기존 폴리락틱에시드에 비해 월등히 향상되었다. 신기한 점은, 재료의 생체적합성이 패턴의 구조에 따라 다르게 나타났다는 것이다. 하이드록시아파타이트의 표면 노출 양을 고정하고 이 패턴의 지름 크기를 조절한 결과, 작은 지름을 가진 패턴에서 가장 향상된 생체적합성을 나타내었다. 이러한 결과들을 통해, 하이드록시아파타이트를 표면에 패턴화함으로써 재료의 세포특성을 효과적으로 조절할 수 있었음을 확인하였다.