바이오세라믹

3. 응용 분야

3. 1. 정형외과 분야

3. 2. 치과 분야

3. 3. 기타 의료 분야

4. 기계적 특성 및 조성

생체 세라믹은 물리화학적 특성에 따라 다양한 종류로 나뉜다. 세라믹은 인체 내에서 비활성적이며 경도와 내마모성이 뛰어나 뼈와 치아를 대체하는 데 유용하다. 또한 일부 세라믹은 마찰에 대한 저항력이 뛰어나 오작동하는 관절을 대체하는 재료로 유용하다.

알루미나 (Al₂O₃)는 여러 이식형 시스템의 프로토타입에 사용될 수 있다.^[11] 알루미노실리케이트는 복합재에 일반적으로 사용되며, 충치를 채우는 잠재적인 방법이다. 또한 유리질 구조를 가지고 있으며, 치아 세라믹의 색상은 안정적으로 유지된다.^[10][12] 이트륨 산화물로 도핑된 지르코니아는 골관절 보철물용 알루미나의 대체재로 제안되었으며, 주요 장점은 파괴 강도가 더 크고 피로에 대한 저항성이 좋다는 것이다.

유리질 탄소는 가볍고 내마모성이 있으며 혈액과 호환되므로 심장 판막 대체에 주로 사용된다.^[11] 인산 칼슘 기반 세라믹은 정형외과 및 악안면 응용 분야에서 선호되는 뼈 대체 재료인데, 이는 뼈의 주요 무기질상과 구조 및 화학적 조성이 유사하기 때문이다. 그러나 다공성 재료는 일반적으로 뼈에 비해 기계적 강도가 낮아 고도로 다공성인 임플란트는 매우 섬세하다. 세라믹 재료의 탄성 계수 값은 일반적으로 주변 뼈 조직보다 높기 때문에 임플란트는 뼈 경계면에서 기계적 응력을 유발할 수 있다. 생체 세라믹에서 일반적으로 발견되는 인산 칼슘에는 수산화인회석(HAP) Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂; 삼인산 칼슘 β (β TCP): Ca₃ (PO₄)₂; HAP와 β TCP의 혼합물이 포함된다.

4. 1. 주요 생체 세라믹 종류

4. 2. 생체 세라믹의 기계적 특성 (표)

5. 생체 적합성

바이오세라믹스는 부식 방지, 생체 적합성 및 심미적 특성으로 인해 의료용으로 매우 적합하다.^[11] 지르코니아 세라믹은 생체 불활성이며 세포 독성이 없다.^[11] 탄소는 뼈와 유사한 기계적 특성을 가진 또 다른 대안이며, 혈액 적합성, 조직 반응 없음 및 세포에 대한 무독성도 특징이다.^[11] 생체 불활성 세라믹은 골유착으로 알려진 뼈와의 결합을 나타내지 않지만, 생체 활성 세라믹과의 복합체를 형성하여 생체 활성을 얻을 수 있다.^[11] 바이오글라스를 포함한 생체 활성 세라믹은 무독성이어야 하며 뼈와 결합을 형성해야 한다.^[11]

골 재생용 스캐폴드와 같은 뼈 복구 응용 분야에서 바이오세라믹스의 용해도는 중요한 매개변수이며, 대부분의 바이오세라믹스의 느린 용해 속도는 뼈 성장 속도에 비해 치료 사용에서 여전히 문제이다.^[11] 유리 세라믹은 결정질 재료에 비해 더 높은 용해 속도로 골유도 특성을 나타내며, 결정질 인산칼슘 세라믹 또한 조직에 대한 무독성 및 생체 흡수성을 나타낸다.^[11]

세라믹 입자 보강은 세라믹/세라믹, 세라믹/폴리머 및 세라믹/금속 복합재를 포함하는 임플란트 응용 분야에 더 많은 재료를 선택하게 했다.^[11] 세라믹/폴리머 복합 재료는 주변 조직으로 유해 물질을 방출하는 것으로 밝혀졌으며, 금속은 부식 관련 문제에 직면하며, 금속 임플란트의 세라믹 코팅은 장기간 사용 시 시간이 지남에 따라 열화된다.^[11] 세라믹/세라믹 복합재는 뼈 미네랄과의 유사성으로 인해 우수성을 누리고 있으며, 생체 적합성과 성형 용이성을 나타낸다.^[11] 바이오세라믹스의 생물학적 활성은 다양한 ''생체 외'' 및 ''생체 내'' 연구에서 고려되어야 하며, 성능 요구 사항은 특정 이식 부위에 따라 고려해야 한다.^[11]

6. 가공

생체 세라믹은 분말 및 천연 또는 합성 화학 첨가제와 같은 원료로 구성되며, 압축(열간, 냉간 또는 등방 압축), 경화(수압 또는 화학적) 또는 소결 공정을 통해 제작된다. 사용된 배합 및 성형 공정에 따라 바이오세라믹은 시멘트, 세라믹 증착물 또는 세라믹 복합재로서 밀도와 다공성이 달라질 수 있다. 다공성은 바이오유리를 포함한 바이오세라믹에서 종종 요구된다. 결정질 재료의 경우, 결정립 크기와 결정 결함은 생분해 및 골유착을 향상시키는 추가적인 경로를 제공한다.

생체 모방 공정에 기반한 재료 가공 기술은 자연 및 생물학적 공정을 모방하여 상온에서 바이오세라믹을 만들 수 있는 가능성을 제공한다. 이러한 낮은 가공 온도는 단백질 및 생물학적 활성 분자(성장 인자, 항생제, 항종양제 등)를 첨가하여 향상된 생물학적 특성을 가진 광물 유기 복합체를 만들 수 있게 한다. 그러나 이러한 재료는 기계적 특성이 좋지 않으며, 이는 결합 단백질과 결합하여 부분적으로 개선할 수 있다.

7. 상업적 이용

임상에서 상업적으로 사용 가능한 생체 활성 물질에는 45S5 생체 활성 유리, A/W 생체 활성 유리 세라믹, 고밀도 합성 HA, 폴리에틸렌–HA 혼합물과 같은 생체 활성 복합재가 있으며, 이 모든 물질은 인접 조직과 계면 결합을 형성한다.^[12]

고순도 알루미나 생체 세라믹은 현재 다양한 제조업체에서 상업적으로 판매되고 있다. 영국의 제조업체인 모건 어드밴스드 세라믹스(MAC)는 1985년에 정형외과 장치를 제조하기 시작하여 엉덩이 관절 치환을 위한 세라믹 대퇴골두의 인정받는 공급업체가 되었다. MAC 생체 세라믹스는 1985년부터 HIP Vitox® 알루미나를 제조하여 알루미나 세라믹 재료에 대한 가장 긴 임상 기록을 가지고 있다.^[13] 아파타이트 구조를 가진 일부 칼슘 결핍 인산염은 삼인산칼슘의 예상 결정 구조를 나타내지 않음에도 불구하고 "삼인산칼슘"으로 상업화되었다.^[13]

HA로 설명되는 수많은 상업적 제품이 다양한 물리적 형태(예: 과립, 특정 용도에 맞게 특별히 설계된 블록)로 판매되고 있다. HA/폴리머 복합재(HA/폴리에틸렌, HAPEXTM) 또한 귀 이식, 연마재, 정형외과 및 치과 임플란트를 위한 플라즈마 스프레이 코팅으로 상업적으로 판매되고 있다.^[13]

생체 세라믹은 대마초 또는 델타 8 장치의 추출물 기화를 위한 심지로도 사용된다.^[14]

8. 미래 동향

생체 세라믹은 암 치료법으로 제안되어 왔다. 제안된 치료 방법으로는 고온 요법과 방사선 치료가 있다.^[15] 고온 요법 치료는 페라이트 또는 기타 자기 물질을 포함하는 생체 세라믹 재료를 이식한 후, 교류 자기장에 노출시켜 이식물과 주변 부위를 가열하는 방식이다. 또는 생체 세라믹 재료에 β-방출 물질을 도핑하여 암 부위에 이식할 수도 있다.^[2]

다른 동향으로는 특정 작업을 위한 생체 세라믹 엔지니어링이 있다. 생체 적합성 개선을 위한 재료의 화학, 조성, 미세 및 나노 구조 연구가 진행 중이다.^[16][17][18]

9. 한국에서의 연구 개발 동향

한국은 고령화 사회 진입과 함께 생체 세라믹 수요가 증가하고 있으며, 관련 연구 개발이 활발하게 진행 중이다.^[16][17][18] 특히, 3D 프린팅 기술을 활용한 환자 맞춤형 생체 세라믹 제작 기술은 미래 성장 가능성이 높다. 한국의 연구진들은 생체 세라믹의 생체 적합성, 기계적 강도, 골유착 성능 등을 향상시키기 위한 다양한 연구를 진행하고 있다. 생체 세라믹은 암 치료에도 이용될 수 있는데 고온 요법과 방사선 치료 두가지 방법이 제안되었다. 고온 요법 치료는 페라이트 또는 기타 자기 물질을 포함하는 생체 세라믹 재료를 이식하고 교류 자기장에 노출시켜 이식물과 주변 부위가 가열되도록 한다.^[15] 또는, 생체 세라믹 재료에 β-방출 물질을 도핑하여 암 부위에 이식할 수 있다.^[2]

참조

_[1] 서적 CRC metal and ceramic biomaterials
_[2] 서적 MSF bioceramics applications of ceramic and glass materials in medicine
_[3] 서적 Bioceramics
_[4] 논문 Bioceramics: From Concept to Clinic https://www.ualberta[...]
_[5] 서적 CRC Handbook of bioactive ceramics
_[6] 서적 Ceramics: From Magic Pots to Man-Made Bones Twenty-First Century Books 2003
_[7] 서적 Bioceramics: Proceedings of 1st International Bioceramic Symposium https://books.google[...] Ishiyaku Euroamerica 2016-02-17
_[8] 서적 Biomaterials hard tissue repair and replacement
_[9] 논문 Bacterial adherence to SiO₂-based multifunctional bioceramics
_[10] 문서 Ceramic Materials: Processes, Properties and Applications 2010
_[11] 문서 Biological evaluation of bioceramic materials-a review 2004
_[12] 문서 Bioceramics: From concept to clinic 1991
_[13] 서적 Bioceramics and Their Clinical Applications Woodhead Publishing Limited 2008
_[14] 특허 Bioceramic and carbon-based hydroponic systems, methods and devices https://patents.goog[...] 2020-08-03
_[15] 논문 Designing of macroporous magnetic bioscaffold based on functionalized methacrylate network covered by hydroxyapatites and doped with nano-MgFe 2 O 4 for potential cancer hyperthermia therapy
_[16] 논문 Biomaterials Approach to Expand and Direct Differentiation of Stem Cells
_[17] 논문 Cellular Reactions of Osteoblasts to Micron- and Submicron-Scale Porous Structures of Titanium Surfaces
_[18] 논문 Osteoblast cell adhesion on a laser modified zirconia based bioceramic
_[19] 서적 CRC metal and ceramic biomaterials
_[20] 서적 MSF bioceramics applications of ceramic and glass materials in medicine
_[21] 서적 Bioceramics