Hydroxyapatite coating using sol-gel method to increase osseointegration of zirconia as a dental implant

Abstract

다양한 이유로 상실되는 치아를 대체하기 위한 치과용 임플란트는 널리 사용되고 있는 경조직 임플란트이다. 치과용 임플란트로 가장 널리 사용되는 재료는 티타늄(Ti)으로 우수한 강도와 생체 친화성을 장점으로 가지고 있다. 하지만 이 티타늄은 금속 특유의 광채를 갖는 표면 때문에 심미적으로 거부감을 갖을 수 있으며, 금속에서의 비특이적 면역 반응과 침 등의 생체 물질에 의한 부식 등이 문제가 되고 있다. 한편 지르코니아는 우수한 기계적 물성과 미적 효과와 부식과 면역 반응에서 자유롭다는 점에서 최근 새로운 치과용 임플란트 소재로 주목 받고있다. 하지만 지르코니아는 상대적으로 낮은 골적합성을 가지고 있다는 단점이 존재한다. 하이드록시아파타이트는 인체 뼈의 대표적인 구성 물질로 체내에 많이 존재하는 생체 친화성 세라믹이다. 특유의 우수한 생체 친화성 덕분에 수많은 생체 재료의 표면을 코팅하기 위한 재료로 사용되고 있다. 지르코니아의 생체 적합성 향상을 위한 하이드록시아파타이트 (HA) 코팅 관련 연구가 많이 진행되었지만 두꺼운 두께와 고온 소결에서의 부산물 생성 등에 의한 안정성 저하가 문제가 되고 있다. 이 연구에서는 지르코니아의 생체 적합성을 증가시키기 위해 졸-젤법을 이용하여 하이드록시아파타이트를 코팅하고자한다. 졸-젤법을 이용하여 코팅층의 나노 및 마이크로 구조를 변화시켜 생체 적합성을 더욱 더 증진시키고, 소결 온도를 조절하여 부산물이 없는 얇고 안정적인 하이드록시아파타이트 코팅 층을 형성하고자 한다. 먼저 하이드록시아파타이트 코팅층의 표면 구조를 변화시키기 위해 소결온도 및 하이드록시아파타이트 졸의 에이징 시간을 조절하였고, 주사전자현미경 (SEM) 관찰을 통해 표면 구조를 관찰하여 소결온도가 나노 구조에, 에이징 시간이 마이크로 구조에 영향을 끼침을 알았다. 또한 투과전자현미경 (TEM) 관찰을 통해 에이징 시간에 따른 하이드록시아파타이트 졸 내의 입자 크기의 변화를 확인하였고, 이 변화가 코팅층의 마이크로 구조 변화의 원인임을 알 수 있었다. 집속 이온 빔 (FIB)을 통한 두께를 측정하였을 때, 코팅 층은 150 nm 정도, 마이크로 구조를 가지는 부분은 800 nm 정도의 크기를 가짐을 확인하였다. 또한 비접촉 3D 표면 분석을 통해 Ra가 마이크로 구조를 가질 경우 350 nm 정도로 마이크로 구조가 없을 때의 100 nm 정도보다 증가함을 확인하였다. 또한 X-선 회절 분석기 (XRD)와 X-선 광전자 분광법 (XPS)을 통해 소결 온도를 섭씨 800도로 진행했을 때 HA와 지르코니아 이외의 결정상은 없던 반면, 1000도로 진행했을 때 불순물인 칼슘 지르코네이트가 생성된 것을 확인하였다. 코팅층과 지르코니아의 접촉 강도는 Instron을 통한 tensile test로 진행되었고, 약 40 MPa 이상의 값을 가져 치과용 임플란트 응용 분야로 적절하였다. 이런 부분들을 종합하여 섭씨 800도 조건 하에 마이크로 구조의 형성을 조절하여 조골 세포를 통한 세포 실험을 진행하였고, 마이크로 구조를 가지는 경우가 세포 특성이 증가함을 확인하였다. 이를 바탕으로 생체 내 동물 실험을 비교군인 티타늄과 더불어 하이드록시 아파타이트가 코팅된 지르코니아와 지르코니아에 실행한 결과, 지르코니아의 골 적합성이 하이드록시 아파타이트 코팅에 의해 극적으로 향상됨을 입증했으며, 이는 기존 티타늄 임플란트와 비슷한 수준이었다. 이 연구를 통해 하이드록시 아파타이트를 통한 지르코니아의 골적합성 증가를 이뤄낼 수 있었다. 또한 하이드록시아파타이트 졸의 에이징 시간 및 소결 시간을 조절하여 코팅 층의 나노 및 마이크로 구조를 조절할 수 있었으며, 특히 소결 시간을 조절하여 지르코니아와 하이드록시아파타이트의 부산물인 칼슘 지르코네이트의 생성을 억제할 수 있었다. 이를 기반으로 생성한 졸 젤 기반 HA 코팅 지르코니아가 치과용 임플란트 재료로 사용하기에 큰 잠재력을 가지고 있음을 세포 실험 및 생체 내 동물 실험을 통해 입증하였다.

Dental implants for replacing teeth lost for various reasons are widely used hard tissue implants. The most widely used material for dental implants is titanium (Ti), which has excellent strength and biocompatibility. However, titanium can have an aesthetic rejection because of its unique shiny surface, and non-specific immune reactions in the metal and corrosion by biomaterials such as saliva are problematic. Meanwhile, zirconia is attracting attention as a new dental implant material in that it is free from corrosion and immune reactions, as well as excellent mechanical properties and aesthetic effects. However, zirconia has a disadvantage in that it has relatively low bone compatibility. Hydroxyapatite is a biocompatible ceramic that exists in a large number of human bones as a representative component of human bone. Due to its unique excellent biocompatibility, it is used as a material for coating the surface of numerous biomaterials. There have been many studies related to hydroxyapatite (HA) coating for improving the biocompatibility of zirconia, but there is a problem with a thick thickness and deterioration of stability due to by-product formation in high-temperature sintering. In this study, to increase the biocompatibility of zirconia, we intend to coat hydroxyapatite using the sol-gel method. The sol-gel method is used to further improve biocompatibility by changing the nano and micro structures of the coating layer, and to form a thin and stable hydroxyapatite coating layer without by-products by controlling the sintering temperature. First, in order to change the surface structure of the hydroxyapatite coating layer, the sintering temperature and the aging time of the hydroxyapatite sol were adjusted, and the surface structure was observed through scanning electron microscope (SEM) observation. It was found to have an effect on the microstructure. In addition, through transmission electron microscopy (TEM) observation, the change in the particle size in the hydroxyapatite sol according to the aging time was confirmed, and this change was found to be the cause of the change in the microstructure of the coating layer. When the thickness was measured through a focused ion beam (FIB), it was confirmed that the coating layer had a size of about 150 nm, and the portion having a microstructure had a size of about 800 nm. In addition, through non-contact 3D surface analysis, it was confirmed that when Ra has a microstructure, it is about 350 nm, which is higher than about 100 nm when there is no microstructure. In addition, when the sintering temperature was 800 oC through X-ray diffraction analyzer (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), there was no crystal phase other than HA and zirconia. It was confirmed that was generated. The contact strength between the coating layer and the zirconia was conducted by a tensile test through Instron, and had a value of about 40 MPa or more, which was suitable for dental implant applications. Cell experiments were conducted through osteoblasts by controlling the formation of microstructures under conditions of 800 oC, and it was confirmed that the in vitro cell characteristics increased when the microstructure was formed. Based on this, as a result of conducting in vivo animal experiments on zirconia and zirconia coated with hydroxyapatite along with titanium as a comparative group, it was proved that the bone compatibility of zirconia was dramatically improved by hydroxyapatite coating, which is similar to that of conventional titanium implants. Through this study, it was possible to achieve an increase in the bone compatibility of zirconia through hydroxyapatite. In addition, by controlling the aging time and sintering time of the hydroxyapatite sol, the nano and microstructure of the coating layer could be controlled. In particular, by controlling the sintering time, the formation of calcium zirconate, a by-product of zirconia and hydroxyapatite, could be suppressed. It was proved through in vitro cell experiments and in vivo animal experiments that the sol gel-based HA-coated zirconia produced based on this has great potential for use as a dental implant material.