티탄

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 470(2023) 이 기사 인용

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뛰어난 기계적 특성과 높은 생체적합성을 지닌 새로운 생체재료의 개발은 지난 수십 년 동안 중요한 과제였습니다. 나노결정질 금속은 고강도 생체재료 생산에 새로운 기회를 제공했지만, 이러한 나노금속의 생체적합성은 개선될 필요가 있습니다. 본 연구에서는 생체적합성이 우수한 고강도 생체재료로서 금속-단백질 나노복합체를 소개합니다. 티타늄에 포유류 체내 풍부한 단백질인 소혈청알부민(2vol%, 5vol%)을 소량 첨가하고, 고압 비틀림이라는 가혹한 소성변형 과정을 거쳐 2개의 나노복합체를 합성한다. 이러한 새로운 생체재료는 나노결정 순수 티타늄과 유사한 높은 경도를 나타낼 뿐만 아니라 나노 티타늄에 비해 더 나은 생체 적합성(세포 대사 활성, 세포 주기 매개변수 및 DNA 단편화 프로파일 포함)을 나타냅니다. 이러한 결과는 인체의 화합물을 사용하여 새로운 생체 ​​적합성 복합재를 설계하는 경로를 제시합니다.

생체재료는 최근 몇 년 동안 다양한 응용 분야에서 상당한 주목을 받고 있습니다. 임플란트용 금속 생체재료를 개발하는 것은 임플란트가 하중을 받는 인체 조직, 뼈 및 체액과 직접 접촉하기 때문에 연구 및 기술 관점 모두에서 특히 중요한 문제입니다. 인체는 부식성이 매우 높고 복잡한 환경으로, 하중을 지탱하는 인공 물질을 인체에 이식할 때 다양한 부식 유형이 발생합니다1,2,3. 체액에는 다양한 유기 화합물과 주목할 만한 다양한 단백질이 포함되어 있습니다. 인체에는 거의 105가지의 서로 다른 단백질이 있으며, 각 단백질은 특정한 역할을 합니다. 이들 단백질 중 알부민은 혈장과 윤활액4에서 가장 풍부한 단백질로 보고되어 인공물질이 이식될 수 있는 모든 인간 조직에 존재한다.

생체적합성에 큰 영향을 미치는 초기 단계 중 하나는 생체액에서 생체재료 표면으로 단백질이 순간적으로 흡착되는 것입니다. 또한, 단백질 흡착은 생체재료 표면에 세포의 부착을 가능하게 하는 첫 번째이자 가장 중요한 단계로 간주되므로 정형외과용 임플란트의 골유착과 같은 관련 임상 현상이 이 단계에서 진행됩니다1,2,3,4. 알부민은 인간의 혈액 단백질 중에서 가장 강력한 금속 결합제로 확인되었으므로 임플란트 표면의 알부민 흡착은 생체 적합성, 부식 및 마찰학과 같은 표면 기능을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다5. 단백질은 물질 표면에 두꺼운 층을 만들고 세포는 이 층을 통해 외부 표면을 감지하고 반응하기 시작합니다. 임플란트에 대한 일부 보고서에서는 표면에 단백질 함유 층이 존재함을 분명히 밝혔으며1,6 이는 세포 수준에서 단백질과 생체의학 합금의 상호 작용의 중요성을 나타냅니다.

티타늄과 그 합금은 낮은 탄성 계수, 높은 피로 강도, 우수한 내식성, 스테인리스강 및 Co-Cr 합금7,8과 같은 다른 생체 재료와 비교하여 더 나은 생체 적합성으로 인해 다양한 임플란트에서 잠재적 생체 재료로 널리 사용되어 왔습니다. 밀도는 4.5g/cm3으로 스테인리스강과 Co-Cr 합금의 약 절반입니다9. 그러나 티타늄과 그 합금의 주요 단점은 스테인리스강과 Co-Cr 합금7,8,9에 비해 강도와 경도가 낮다는 것입니다. 최근 연구에 따르면 티타늄의 나노 구조화는 생체 적합성을 저하시키지 않으면서 강도와 경도를 향상시키는 효과적인 솔루션인 것으로 나타났습니다10,11.

티타늄 임플란트의 성공적인 사용은 탄성률 및 경도와 같은 기계적 특성뿐만 아니라 뼈-임플란트 경계면의 골유착에도 달려 있습니다12. 그러나 Ti 기반 재료의 비생물활성으로 인해 뼈와 직접 결합할 수 없으며 이식 초기 단계에서 표면에 새로운 뼈 형성을 촉진합니다13,14. Ti 기반 재료의 골융합을 개선하기 위해 표면 변형을 기반으로 두 가지 주요 방법이 사용되었습니다: (1) 물리적 및/또는 화학적 변화를 통한 표면 지형 제어; (2) 임플란트 표면에 생리활성 분자의 고정화. 콜라겐19 및 소 혈청 알부민(BSA)5,20,21,22과 같은 단백질이 풍부한 코팅을 사용하는 두 번째 접근 방식은 Ti 기반 합금의 생체 적합성을 향상시킬 수 있습니다.