이온 치환 수산화아파타이트의 생체활성 및 골 전도도

Abstract

수산화아파타이트의 낮은 생체활성 및 골 전도도를 개선하기 위해 아파타이트 구조 내에 아파타이트 구성 성분과 다른 이온을 치환시킴으로써 수산화아파타이트 구조를 불안정하게 하여 생체활성 및 골 전도도를 증가시키는 방법에 대해 연구했다. 본 실험은 침전법 및 그 후의 소결 과정을 통해 소듐, 공공 (vacancy), 염화 이온을 수산화아파타이트 구조 내에 치환시킬 수 있었으며, 치환된 이온 및 공공이 수산화아파타이트의 용해특성, 생체활성 및 골 전도도에 미치는 영향을 조사했다. 수산화아파타이트 구조 내에 상기 이온 또는 공공이 치환됐을 때 아파타이트 구조 내 기존 원자 배열의 변형을 FT-IR의 작용기 분석을 통해 확인할 수 있었다. 즉, 소듐을 수산화아파타이트의 칼슘 자리에 치환시켰을 때 전하 보상 기전에 의해 치환된 소듐의 양만큼 인산기 자리에 탄산기의 치환이 발생했으며 이를 다시 소결 했을 때 탄산기 자리의 공공 형성과 함께 수산화기 자리에 tail to tail (HO:OH) 구조를 갖는 원소의 재배열이 발생했다. 염화 이온을 수산화기 자리로 치환시켰을 때는 OH···Cl의 새로운 수소결합의 발생과 함께 역시 수산화기 자리에 tail to tail (HO:OH) 구조를 갖는 원소의 재배열이 발생했다. 과량의 탄산기를 수산화아파타이트의 인산기 자리에 치환시킨 탄산아파타이트를 소결하여 탄산기를 열 분해시켰을 때는 수산화기의 수소 자리에 다량의 공공이 형성됐다. 본 연구에서 제조된 소듐, 염소, 공공 또는 소듐과 염화 이온이 동시에 치환된 아파타이트 시편을 의사체액 내 침적 시, 3시간 이내에 저 결정성 탄산아파타이트가 시편 표면에 형성되는 우수한 생체활성을 나타냈다. 또한 이온 치환 아파타이트를 가토의 두개골 결손부에 4주 동안 식립했을 때 우수한 골 전도도를 나타냈다. 이는 소듐, 염소 및 공공의 치환 과정 중 아파타이트 구조 내 원자들이 재배열되면서 순수한 수산화아파타이트에 비해 치환된 아파타이트 구조가 에너지적으로 더 불안정해졌음을 나타낸다. 따라서 의사체액 (SBF) 및 체액 중에서 아파타이트의 구성 원자들이 아파타이트 구조로부터 쉽게 유출될 수 있었으며 저 결정성 탄산아파타이트 생성에 필요한 칼슘, 인산 및 수산화기 이온들이 유리됨으로써 이온 치환 아파타이트가 우수한 생체활성 및 골 전도도를 나타낸 것으로 생각된다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 새로이 제조된 소듐, 염소, 공공 그리고 소듐과 염화 이온이 동시에 치환된 아파타이트 과립은 골 충진재로의 응용 가능성이 높은 것으로 생각된다.

Preparations of hydroxyapatites with enhanced bioactivity and osteoconductivity through ion-substitution were newly examined. Sodium, carbonate, and chroline ions could be successfully substituted in hydroxyapatite structure through precipitation method following sintering process and it could be confirmed by the elemental rearrangements of hydroxyapatite using FT-IR. When sodium was substituted for calcium, carbonate ions were introduced for phosphate sites to balance the total net charge and tail to tail configuration (HO:OH) of hydroxyl ions were also occurred. When chlorine ions were substituted for hydroxyl ions, new OH···Cl bondings were accurred and tail to tail configuration of hydroxyl ions was occurred together. When excess amount of carbonate ions were substituted for phosphate sites and then thermally decomposed during sintering, lots of vacancies were formed at hydrogen sites of hydroxyl groups. The solubility, bioactivity, and osteoconductivity of the ion-substituted hydroxyapatites were assessed in Tris-bufferred solution, simulated body solution, and calvarial defect of New Zealand white rabbit, respectively and they showed improved capacities compared with those of pure hydroxyapates. These could be possible by the enhanced solubilities of the ion-substituted hydroxyapatites through the structural instabilities after ion-substitutions because the released constituent elements of hydroxyapatite could increase the ionic activity product of apatite in simulated body fluid. From the results, the sodium, vacancy, chloride and sodium-chloride co-substituted hydroxyapatites have the potentials for the applications as the bone grafting materials due to their enhanced osteoconductivities.