레이저로 재료 표면 녹이며 인공뼈 합성…굳은 뒤 강한 강도 보여
"골융합을 필요로하는 다양한 의료기기로 확대 적용 기대"
KIST 연구진이 레이저를 이용해 인공뼈를 구현한 방법과 이로 인해 형성된 코팅층의 구조를 보여주는 모식도 (한국과학기술연구원 제공) 2020.10.06 /뉴스1
(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 한국과학기술연구원(KIST)의 생체재료연구센터 전호정 박사팀은 생체 이식용 재료 표면에 기존보다 세 배 이상 강하게 결합하는 세라믹 인공뼈 코팅 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 인공뼈 코팅 기술을 적용하면 임플란트 염증 반응을 줄일 수 있다.
치아를 대체하는 임플란트는 체내 뼈 조직과 결합이 빨리 이루어지지 않아 헐거워지거나 염증이 생겨 2차 수술을 해야 하는 등의 문제가 발생하기도 한다. 이런 문제를 해결하기 위해 인공뼈를 임플란트 소재에 코팅하여 이러한 문제를 해결하기 위한 방법이 시도되고 있다.
기존의 인공뼈 코팅 방법들은 인공뼈 물질을 제작하기 위한 별도의 합성 공정 과정과 장시간의 코팅 공정 시간이 필요하다. 또한, 모재와 인공뼈 코팅층 간의 결합력이 약하여 쉽게 손상되거나 뜯겨 나가는 경우가 많은 점이 한계였다.
KIST 연구진은 하루 이상의 시간과 수십 단계의 공정이 필요했던 기존 인공뼈 코팅을 단 하나의 공정만으로 한 시간 이내에 구현 가능한 기술을 개발했다.
연구진은 이번 공정 기법을 이용하면 인공뼈 코팅을 위한 원료 물질을 합성하는 별도의 과정도 필요하지 않고, 고가의 장비와 부수적인 열처리 과정 없이 나노초 레이저(nanosecond laser) 장비 하나만으로 코팅할 수 있다고 설명했다.
레이저를 이용한 인공뼈의 합성과 코팅이 동시에 일어나는 원리를 나타낸 모식도 (한국과학기술연구원 제공) 2020.10.06 /뉴스1
전호정 박사팀은 공정 단계와 시간을 단축 하면서도 강력한 코팅을 구현하기 위해, 뼈의 주 성분인 칼슘과 인으로 이루어진 용액 속에 코팅하고자 하는 재료를 위치시키고 레이저를 조사하는 방법을 사용했다.
이때 레이저의 초점 영역에 국소적으로 온도가 증가하면서 칼슘과 인 성분이 반응하여 세라믹 인공뼈(하이드록시아파타이트)가 합성되고 동시에 코팅층이 형성되었다.
이 방법은 기존의 코팅법들이 재료 표면에 코팅 하고자 하는 성분을 쌓아 올리는 방식과는 다르게, 레이저에 의해 인공뼈 성분의 합성이 일어나면서 표면이 녹은 후 합성된 채로 다시 굳는다. 이 때문에 코팅 결합력이 높아졌다. 연구진에 따르면 현재 임상에서 사용되고 있는 인공뼈 코팅 기법들보다 더 강한 결합력을 갖는 코팅층을 형성할 수 있다.
연구진은 금속 표면뿐만 아니라 기존의 공정으로는 구현하지 못하였던 정형외과용 플라스틱 임플란트 등 고분자 소재 표면에도 강한 코팅을 구현할 수 있다고 내다봤다.
전호정 박사는 "나노초레이저를 이용한 하이드록시아파타이트 코팅 기법은 현재 생체재료로 많이 사용되고 있는 티타늄 같은 생체비활성 소재의 표면을 간단한 방법으로 생체활성화 시킬 수 있는 기술"이라며 "골융합을 필요로하는 다양한 의료기기로 확대 적용이 가능하게 하는 게임 체인저 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐다. 이번 연구결과는 기능성 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'(Advanced Functional Materials)에 게재됐다.
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