KR20190009877A - 생체 의학 적용을 위한 불소/폴리카프로락톤이 코팅된 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법 - Google Patents

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이건희
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Abstract

본 발명은 불소 및 생체고분자 코팅의 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법에 관한 것으로서, MgF2/PCL 이중 코팅은 불소 코팅 시료 및 코팅되지 않은 Mg 시료에 비해, 내부식성이 향상되었으며, 우수한 세포 생존률, 세포 부착 및 증식률을 가지는 것을 확인하여 MgF2/PCL의 이중 코팅층이 형성된 마그네슘 합금은 기존의 정형 외과용 Mg 합금의 부식 열화 (corrosion degradation)를 제어하면서, 생체 적합성이 우수하여 골 고정용 이식체로 사용할 수 있다.

Description

생체 의학 적용을 위한 불소/폴리카프로락톤이 코팅된 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법{A preparation method of dual layered coatings on magnesium alloys with fluorine/polycaprolactone for biomedical applications}
본 발명은 내부식성이 향상된 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법에 관한 것으로, 상기 이중층의 마그네슘 합금을 골 이식용 이식체에 적용하고자 한다.
생분해성 금속은 최근에 정형외과 이식과 심혈관 중재 장치 용도로 큰 관심을 받고 있다. 생분해성 금속은 고분자 재료보다 하중을 견디는 특성이 우수하고 재료비가 저렴하기 때문에 유망한 대체물이다.
골 치료 기간 동안 뼈 골절부는 기계적 무결성(mechanical integrity)과 생체 적합성을 유지해야 하므로 뼈 골절부의 고정에 금속 임플란트(implants)가 필요하다. 이러한 목적으로 현재 사용되는 티타늄, 스테인레스 스틸, 코발트, 크롬 및 니켈 기재(substrate)는 많은 단점이 있다. 이러한 정형 외과 금속의 탄성 계수가 높을수록 골에 스트레스 차폐 효과 (stress shielding effects)가 발생하여 골 감소증 등을 초래한다. 티타늄을 제외한 임플란트는 독성의 부식 생성물을 배출하여 염증과 알레르기를 유발한다. 티타늄은 무독성 임플란트 후보 물질이지만, 장기간 이식은 전기화학적 부식과 임플란트의 헐거워짐을 유발하여, 염증 반응을 초래하여 임플란트의 제거를 위한 이차적인 수술이 필요할 수 있다. 상기 이차적인 수술은 감염 가능성을 높이고 재정상의 부담을 높인다.
한편, 마그네슘 (Mg)과 마그네슘 합금은 밀도, 탄성률 및 압축 항복 강도(compressive yield strength)가 사람의 뼈와 유사하고 체내에서 분해될 수 있는 독특한 특성을 갖는다. 이와 같이 인체와 매우 유사한 기계적 성질은 외부 임플란트(implant)와 호스트 경질 조직 사이의 탄성 계수 차이로 인한 응력 차폐 효과(stress shielding effects)를 최소화할 수 있다. 그러나, 임플란트(implant) 주변에서 수소 가스의 방출과 알칼리 pH 증가로 인한 비균질의 신속한 부식은 임상 적용에 제약이 되어 왔다.
이에, 마그네슘 합금의 부식성이 향상될 필요가 있었다.
대한민국 등록특허 10-0971248호
본 발명에서는 골 이식체로서 마그네슘 합금의 내부식성을 향상시킬 수 있는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 불화물과 생체고분자 코팅에 의해 마그네슘 합금의 내부식성이 향상되고, 우수한 세포 생존률, 세포 부착 및 증식 능력을 가지는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 생분해성 마그네슘 합금 상에 생분해성 MgF2/PCL 이중 코팅을 수행하였으며, 상기 이중 코팅의 형태, 원소 프로파일, 상 구조, 조도, 기계적 성질, 시험관내 부식 및 생체 적합성의 특성을 분석하고, 이를 불소 코팅 시료 및 코팅되지 않은 Mg 시료와 비교하였다. 그 결과, 이중 코팅은 균일하고, 하층인 조밀한 MgF2(~2.2 μm)과, 상층인 다공성 PCL막(~3.3 μm)으로 구성되는 것을 확인하였으며, MgF2/PCL 이중 코팅은 단층 MgF2 또는 Mg 합금 단독에 비해 내부식성이 향상되었으며, 우수한 세포 생존률, 세포 부착 및 증식률을 가지는 것을 확인하여 MgF2/PCL의 이중 코팅층이 형성된 마그네슘 합금은 기존의 정형 외과용 Mg 합금의 부식 열화 (corrosion degradation)를 제어하면서, 생체 적합성이 우수하여 골 고정용 이식체로 사용할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서,
본 발명은 마그네슘 합금의 표면을 연마하는 단계;
상기 연마된 마그네슘 합금에 불화물을 처리하여 마그네슘 합금에 불소 코팅층을 제조하는 단계;
상기 불소 코팅층을 생체고분자 용액으로 코팅하여 생체고분자층을 형성하 는 단계를 포함하는,
내부식성이 향상된 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 내부식성이 향상된 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법은 마그네슘 합금의 표면을 연마하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 상기 마그네슘 합금은 아연, 망간, 칼슘, 지르코늄, 이트륨, 몰리브데늄, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 스트론튬, 크롬, 규소, 인, 니켈 및 철로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 추가로 포함하는 합금일 수 잇다.
있다. 상기 마그네슘 이외의 금속은 중량의 합이 전체 합금의 10 중량% 미만일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일실시예에서는 아연, 지르코늄 및 마그네슘을 포함하는 마그네슘 합금 기재를 사용하였다.
효과적인 표면 코팅을 위해서는 마그네슘 합금의 표면 처리가 중요하다. 본 발명의 일실시예에서는 효과적인 마그네슘 합금의 표면 코팅을 위하여, 마그네슘 합금의 기재 (substrate)의 동일한 표면 조도를 보장하기 위해 1200 그릿 (grit)까지 실리콘 카바이드 종이로 기계 연마하였다. 그 후, 샘플을 아세톤으로 10분간 탈지한 후 (degreased) 탈이온수로 세척(rinsing)하고 따뜻한 공기로 건조시켰다.
본 발명의 내부식성이 향상된 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법은 연마된 마그네슘 합금에 불화물을 처리하여 마그네슘 합금에 불소 코팅층을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 상기 불화물은 불화수소산일 수 있다.
표면 코팅은 내부식성 (corrosion resistance)을 향상할 수 있는 효율적인 방법 중 하나이다. 내부식성을 높이기 위해 변환(conversion) 코팅, 무기 코팅, 고분자 코팅 및 조합 코팅과 같은 광범위한 표면 코팅이 이용될 수 있다. 다양한 부식 방지 코팅 처리 중 화학적 변환(chemical conversiom) 방법은 가장 간단하고 효과적이며 경제적인 공정 중 하나이다.
본 발명의 일실시예에서는 불화수소산(hydrofluoric acid)을 사용하여 불화 마그네슘 (MgF2) 코팅을 형성하는 화학적 변환 처리 방법은 우수한 조밀도 (compactness), 낮은 수용성(water solubility) 및 높은 접착력을 갖는 분해성 마그네슘 기반 임플란트의 내부식성을 향상하기 위해 사용되었다. 또한, 복잡한 형상의 임플란트에 코팅을 균일하게 형성하기 용이하고, 무해한 불소 이온을 유기체로 방출하기 쉽다. 마그네슘을 성공적으로 생체 의학에 적용하기 위한 이상적인 코팅은 치료 요구조건을 충족시키는 내부식성과 우수한 세포 적합성과 그리고 마그네슘의 적합한 분해율을 가져야 한다.
본 발명에서는 Mg를 불소 처리하기 위해, 준비된 샘플을 지속적으로 교반하면서 24 시간 동안 실온에서 48 중량(wt) %의 불화수소산 (hydrofluoric acid) (HF, Sigma Aldrich, USA)을 함유하는 플라스틱 병에 수직으로 침지하였으며, 이를 탈이온수로 완전히 세척하고 자연 건조하여, 불소 코팅 처리된 마그네슘 합금을 제조하고, 이를 MgF2로 명명하였다.
본 발명의 내부식성이 향상된 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법은 상기 불소 코팅층을 생체고분자 용액으로 코팅하여 생체고분자층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 상기 생체고분자는 인체에 무해한 유기재료로 이루어질 수 있으며, 예컨대, 생체적합성 고분자 또는 생분해성 고분자일 수 있다. 상기 생체 고분자의 비제한적인 예는 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리카프로락톤(polycaprolactone; PCL), 키토산(chitosan), 폴리락트산(polylactic acid; PLA), 폴리글리콜산(polyglycolic acid; PGA), 폴리-ε-카프로락톤-락트산 공중합체(PCLA), 폴리-ε-카프로락톤-글리콜산 공중합체(PCGA), 폴리락트산-글리콜산 공중합체(PLGA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol; PEG), 폴리디옥사논(polydioxanone; PDO), 폴리트리메틸렌카보네이트(polytrimethylene carbonate); PTMC), 폴리아미노산(poly amino acid), 폴리안하이드라이드(polyanhydride), 폴리오르쏘에스테르(polyorthoester), 폴리포스파진(polyphosphazene), 폴리이미노카보네이트(polyiminocarbonate), 폴리포스포에스테르(polyphosphoester), 폴리히드록시발레레이트(polyhydroxyvalerate), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 생체고분자 용액은 생체고분자를 디클로로메탄에 용해시켜 제조할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 불소 코팅 처리된 마그네슘 합금에 생체고분자층을 형성하기 위하여, 폴리카프로락톤 (PCL, Mn-70000-90000, Sigma-Aldrich, USA)을 사용하였으며, 이를 디클로로메탄에 용해시켜 폴리카프로락톤 용액을 제조하였다.
폴리카프로락톤 (PCL) 코팅층을 형성하기 위하여, 딥 코팅기법을 사용하였으며, 폴리카프로락톤 (PCL) 입자를 5시간 동안 자석 교반하면서 디클로로메탄 (DCM) 용매에 녹여 폴리카트로락톤 용액을 제조하였다. 그 후, 불화수소산 (HF) 코팅된 기판을 45초 동안 상기 제조된 용액에 침지하여 기판을 적셨다. 얼룩 없는 표면을 얻기 위해 상기 용액에서 샘플을 천천히 기계적으로 1 mm/s의 속도로 꺼냈다. 코팅된 모든 샘플은 12시간 동안 진공 건조시켰다. 준비된 PCL 용액에 침지하기 전에 모든 시편을 50℃에서 10분간 가열하여 기판 표면으로부터 습기와 포획된 공기를 제거하여, MgF2/PCL 이중층 코팅이 형성된 마그네슘 합금을 제조하였으며, 이하에서는 MgF2/PCL로 명명하였다.
상기 폴리카프로락톤 (PCL)은 우수한 생체적합성, 상당한 인성(toughness) 및 놀랄만한 기계적 특성을 가지는 반결정성 지방족 고분자 (semicrystalline aliphatic polymer) 이다. 상기 PCL은 생체 적합성, 생체 재흡수성, 높은 파절 에너지 (fracture energy) 및 느린 분해 속도 때문에 골 조직 공학에 적합한 후보 물질이다. 또한, PCL은 소수성이므로, 빠른 부식 속도를 제어할 수 있도록 마그네슘에 코팅하기에 적합하다.
본 발명에서, 상기 불소 코팅층은 1.2~3.2 μm의 두께를 가질 수 있으며, 상기 생체고분자층은 2.3~4.3 μm의 두께를 가질 수 있다.
상기 불소층의 두께가 1.2 μm 미만인 경우, 원하는 만큼의 내부식성 향상 효과 및/또는 이후 도입되는 생체고분자층과의 계면접착력 증가 효과를 달성하기 어려울수 있고, 3.2 μm 초과인 경우에는 불필요하게 이식체가 비후되며 완전히 분해되어 흡수될 때까지 필요 이상으로 긴 시간을 필요로 할 수 있다.
상기 생체고분자층이 2.3μm 미만의 두께로 형성되는 경우 생체고분자층이 균열되고 그 균열을 통해 내부의 마그네슘 함유 기재가 쉽게 노출되어 급격한 부식을 유발할 수 있으며, 4.3 μm 초과하는 두께로 형성될 경우에는 필요 이상으로 지나치게 두꺼워서 완전히 분해 흡수되기까지 상당한 시간을 필요로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 기질 전체에 걸쳐 내부 MgF2 코팅 및 외부 PCL 코팅이 균질하게 분포되었음을 확인하였다 (도 2).
또한, MgF2/PCL에서 MgF2막의 두께는 약 2.2 μm이었고, 표면 불균일성에 관계없이 외부 PCL 코팅의 두께는 약 3.3 μm인 것을 확인하였다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 MgF2/PCL 코팅의 표면 조도를 분석한 결과, 조도 값은 49.8 nm로 생체 적합성을 가지는 조도를 가지는 것을 확인하였으며, Mg 단독(bare Mg), MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 접촉각을 분석한 결과, 각각 118 ± 3.2°, 111 ± 2.7°및 92 ± 1.8°로, 이중 코팅의 경우, 코팅되지 않은 기판에 비해 표면 접촉각이 감소하여, 친수성이 증가한 것을 알 수 있었으며, 이를 통해 세포 부착, 확산 및 증식이 강화될 수 있음을 확인하였다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 코팅되지 않은 Mg 합금은 심하게 부식되었으나, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅 시료는 PBS 용액에서 분해를 효과적으로 억제하는 것을 확인하여, 이중 코팅이 Mg 단독이나 불화물 (floride) 처리된 샘플보다 내부식성이 증가되는 것을 확인하였다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 MgF2, PCL 및 MgF2/PCL 코팅의 생체 적합성 을 분석한 결과, MgF2/PCL 코팅이 세포 독성이 낮았으며, 세포 증식 및 부착이 우수하여 생체 적합성이 우수함을 확인하였다.
결론적으로, 불소 코팅 단독이나, 코팅되지 않은 마그네슘 합금에 비해 MgF2/PCL 코팅의 이중층이 형성된 마그네슘 합금의 경우 내부식성과 생체적합성이 우수한 것을 확인하였다.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 하나의 양태로서, 상기 제조방법에 의해 제조된 내부식성이 향상된 이중층의 마그네슘 합금을 포함하는 골 고정용 이식체를 제공한다.
전술한 바와 같이, 내부식성이 향상된 이중층의 마그네슘 합금은 골 고정용 이식체에 사용할 수 있다. 금속인 마그네슘 함금 기재를 기반으로 하여 적절한 강도를 가지므로 하중을 견디기에 유리하고, 불소 및 생체고분자 코팅을 통해 내부식성을 향상시켜 소정의 시간 동안 강도 및 형태를 유지할 수 있으므로, 체내에 삽입하여 손상된 골을 고정하기 위한 용도의 이식체로 사용하기에 적합할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 하나의 양태로서, 마그네슘 합금; 상기 합금 상에 형성된 불소 코팅층; 및 상기 불소 코팅층 상에 코팅된 생체고분자층을 포함하는 내부식성이 향상된 마그네슘 합금을 제공한다.
전술한 바와 같이, 마그네슘 합금, 상기 합금 상에 형성된 불소 코팅층, 상기 불소 코팅층 상에 코팅된 생체고분자층, 내부식성에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
본 발명은 불소 및 생체고분자 코팅의 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법에 관한 것으로서, MgF2/PCL 이중 코팅은 불소 코팅 시료 및 코팅되지 않은 Mg 시료에 비해, 내부식성이 향상되었으며, 우수한 세포 생존률, 세포 부착 및 증식률을 가지는 것을 확인하여 내부식성이 향상된 골 고정용 이식체로 사용할 수 있다.
도 1. a) 광학 현미경 사진 (삽입)과 함께 수득한 Mg 합금, (b) MgF2 및 (c) MgF2/PCL 이중 코팅의 SEM 사진과 EDX (d-f).
도 2. MgF2/PCL 이중 코팅의 단면 및 상응하는 SAD 패턴과 맵핑 프로파일 (mapping profile)을 함께 보여주는 암시야 TEM 사진.
도 3. Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 (a) XRD 및 (b) XPS 분석
도 4. Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 (a) AFM 및 (b) 습윤성 연구
도 5. (a) MgF2, PCL 및 MgF2/PCL 코팅의 스크래치 접착력 평가, (b) Mg 합금 및 제조된 MgF2/PCL 이중 코팅의 경도 시험
도 6. Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 (a) 수소 방출 부피, (b) pH 변화, (c) 14일간 PBS 용액 내 침지 시간 함수에 따른 중량 감소, (d) PBS 용액에서 MgF2 PCL 코팅의 Mg 합금에서 부식 진행 개략도.
도 7. (a) EDS와 함께 14일간 PBS 용액에 침지한 후, Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 SEM 사진 (b) 부식된 제품의 세척 후, Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 SEM 사진
도 8. MgF2 및 MgF2/PCL 코팅에서 4시간 접종 후 MC3T3-E1 세포의 접착 및 부착을 보여주는 공초점 사진.
도 9. MC3T3-E1 세포에 대한 MgF2 및 MgF2/PCL 이중 코팅의 세포 독성. 추출물 농도 증가에 따른 1일간 배양 후 간접 분석을 이용하여 MTT 분석 수행 결과.
도 10. MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 (a) 1일, 3일 및 5일 배양 후 세포 증식 거동과 (b) 4시간 배양 후 세포 접착 거동.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1: MgF 2 2 / PCL 이중 코팅
본 발명에서는 MgF2/PCL 이중 코팅을 화학 변환과 딥 코팅 방법을 각각 사용하여 Mg (zk60) 합금 표면에 형성하였다. 이러한 이중층 코팅은 부식 속도를 낮추고, 제어하며, 초기 생체 적합성을 높이기 위해 준비되었다. 생체 활성 코팅은 다음과 같이 Mg 합금 표면에 형성되었다.
1-1: 마그네슘 합금의 표면 연마
본 발명에서는 크기가 10 mm x 10 mm x 2 mm인 상업적인 ZK60 마그네슘 합금 기재 제품을 사용하였다. 이것의 화학 조성 (wt%)은 아연 (Zn) 5.5, 지르코늄 (Zr) 0.49이고, 나머지는 마그네슘 (Mg)으로 구성된다. 효과적인 표면 코팅을 위해서는 Mg 합금의 표면 처리가 중요하다. 이와 관련하여, 코팅 증착 전에, 상기 기재는 우선 동일한 표면 조도를 보장하기 위해 1200 그릿 (grit)까지 실리콘 카바이드 종이로 기계 연마하였다. 그 후, 샘플을 아세톤으로 10분간 탈지한 후 (degreased) 탈이온수로 세척(rinsing)하고 따뜻한 공기로 건조시켰다.
1-2: 불소 코팅층 형성
Mg 합금에 불소 처리하기 위해, 준비된 샘플을 지속적으로 교반하면서 24 시간 동안 실온에서 48 중량(wt) %의 불화수소산 (hydrofluoric acid) (HF, Sigma Aldrich, USA)을 함유하는 플라스틱 병에 수직으로 침지하였다. 처리된 시료를 탈이온수로 완전히 세척하고 자연 건조하였다. 이와 같이 불소 코팅을 MgF2로 명명하였다.
1-3: 생체고분자층 형성
Mg 합금에 이중층 PCL 코팅을 형성하기 위해서, 불소 처리된 고분자 표면에 고분자 코팅을 증착하기 위한 출발 시약으로 폴리카프로락톤 (PCL, Mn-70000-90000, Sigma-Aldrich, USA)과 디클로로메탄 (DCM, Sigma-Aldrich, USA)을 이용하였다. 단순 딥 코팅 기법이 PCL층 증착에 사용되었다. 간단히 말해, PCL 입자를 5시간 동안 자석 교반하면서 디클로로메탄 (DCM) 용매에 녹였다. 그 후, 불화수소산 (HF) 코팅된 기재(substrate)를 45초 동안 상기 제조된 용액에 침지하여 기재를 적셨다. 얼룩 없는 표면을 얻기 위해 상기 용액에서 샘플을 천천히 기계적으로 1 mm/s의 속도로 꺼냈다. 코팅된 모든 샘플은 12시간 동안 진공 건조시켰다. 준비된 PCL 용액에 침지하기 전에 모든 시편을 50℃에서 10분간 가열하여 기재 표면으로부터 습기와 포획된 공기를 제거하였다. 상기와 같은 이중층 코팅을 MgF2/PCL 코팅으로 명명하였다.
우선, MgF2/PCL 이중 코팅의 SEM, TEM, XRD, XPS, EDS, AFM, 접촉각 등의 물리적 특성 분석을 수행하여 표면 형태, 상 구조, 화학 조성, 거칠기, 습윤성을 확인하였다. 그 후, 접착 강도, 경도, 시험관 내 분해 (pH, 수소 발생, 분해 속도) 및 시험관 내 생체 적합성 (MC3T3-E1 세포를 이용한 세포 생존능, 세포 부착, 세포 증식)을 분석하여, MgF2 단층 코팅과 코팅되지 않은 Mg 합금과 비교하였다.
실험예 1: Mg 합금, 표면 개질된 MgF 2 및 MgF 2 / PCL 이중 코팅의 형태학적 특징과 원소 조성 분석
도 1은 a) 광학 현미경 사진 (삽도)과 함께 수득한 Mg 합금, (b) MgF2 및 (c) MgF2/PCL 이중 코팅의 SEM 사진과 EDX (d-f) 데이터를 나타낸다.
구체적으로, Mg 합금, 표면 개질된 MgF2 및 MgF2/PCL 이중 코팅의 형태학적 특징과 원소 조성을 도 1에 나타내었다. 마그네슘 합금 단독의 광학 사진은 대략 100-200 ㎛의 층상의(course) 등방성 결정립을 나타내었다. 또한, 금속 간 MgZn상의 일부 공융체 (eutectics)와 침전물이 결정립계 (grain boundaries) 뿐만 아니라 결정립 내부에 존재하는 것이 관찰되었다 (흑점) (도 1a, 삽도). 연마된 Mg 합금 표면은 SEM 사진 (도 1a)에 나타낸 바와 같이, 연삭 수직선(abrasive vertical lines)과 함께 약간의 패턴(course)이 있는 것으로 보였다. 24시간 동안 HF 용액에 침지한 후, Mg 합금 (도 1a)의 초기 금속성 회색은 균일하게 진한 흑색으로 변하였다 (도 1b). 불소 코팅 표면은 기계적 연마로 인해 거의 마모 스크래치 없이, 조밀하고 균일한 막으로 완전히 덮여있었다. 투명한 다공성 막은 PCL 처리 후 불소 처리 표면에서 확인되었다 (도 1c). 형성된 MgF2/PCL 이중 코팅은 균질하고 균열이 없는 것으로 확인되었다 (도 1c). 이러한 형태학적 개질은 Mg, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅에서 화학 조성 변형에 의해 이루어졌다. EDX 분석 결과, 마그네슘 (Mg)과 아연 (Zn) 원소는 탄소 (C)와 산소 (O)의 미세한 불순물을 포함하는 Mg 합금에 존재하였다 (도 1d). 정량 분석 결과는 불소 처리와 PCL 코팅 후에 크게 달라졌다. Mg 및 O를 제외한 불소 (F)의 존재는 기재에 MgF2막이 형성되었음을 입증하였다. 막(film)에 존재하는 미량의 산소는 Mg(OH)2의 수산화물 때문일 수 있다 (도 1e). MgF2/PCL 코팅에 C 및 O 원소가 존재하는 것은 불화물 (floride)이 코팅된 표면에 PCL이 성공적으로 코팅되었음을 의미한다 (도 1f).
실험예 2: MgF 2 / PCL 이중 코팅의 SAD 패턴과 맵핑 프로파일 (mapping profile) 분석
도 2는 MgF2/PCL 이중 코팅의 단면 및 상응하는 SAD 패턴과 맵핑 프로파일 (mapping profile)을 함께 보여주는 암시야 TEM 사진이다.
MgF2/PCL 이중 코팅의 단면 형태는 선택된 영역의 전자 회절 (SAD) 패턴과 맵핑 프로파일 (mapping profile)와 함께 TEM 현미경 사진으로 분석되었다. 결과는 도 2에 나타냈다. 고각 환형 암시야 (High angle annular dark field, HAADF) 사진은 PCL 외층, MgF2 중간층 및 Mg 기재의 명확한 인터페이스 (interfaces)를 보여준다. 조밀한 MgF2 막의 두께는 약 2.2 μm이었고, 표면 불균일성에 관계없이 외부 PCL 코팅의 두께는 약 3.3 μm였다 (도 2). 두 코팅의 계면에서 결함이나 균열이 관찰되지 않았으며, 이는 외층과 내층 사이와 내층과 Mg 기재 사이의 부착이 양호함을 입증한다. 이들의 결정성을 확인하기 위해 각 층의 SAD 패턴을 얻었다. 예상한 바와 같이, Mg 합금의 SAD 패턴은 육방 구조 (hexagonal structure)를 보였다. 그러나, 불화물 (floride)을 처리한 층에서는 MgF2 막 (film) 은 정방결정 구조 (tetragonal structure) (공간 그룹: P42-nm)를 갖는 나노 결정 특성을 가졌다. PCL 코팅의 비정질성 특성(amorphous nature)은 SAD 패턴에서 관찰된 확산된 고리를 형성했다. (도 2). 이러한 결과는 하기의 XRD 결과와 부합되었다 (도 3a). 맵핑 프로파일 (mapping profile)는 C는 외층에 주로 분포되고, F는 Mg 외에 내층에서 주 원소가 되었는데, 이로서 Mg 기재에 이중 코팅이 형성되었음이 확인되었다. 조성 분석으로 기재 전체에 걸쳐 외부 PCL 및 내부 MgF2 코팅이 균질하게 분포되었음을 확인하였다 (도 2).
실험예 3: Mg 합금, MgF 2 및 MgF 2 / PCL 코팅의 XRD 및 XPS 분석
도 3은 Mg 합금, MgF2및 MgF2/PCL 코팅의 (a) XRD 및 (b) XPS 분석 결과를 나타낸다.
Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 XRD 및 XPS 스펙트럼은 도 3에 나타내었다. 상기 Mg 합금의 X선 회절 패턴에서는 도 3에 나타낸 바와 같이 육방 결정계 (hexagonal system) (ICDD 번호: 01-071-6543)를 갖는 Mg상이 나타났다. 24시간 동안 불소 처리한 후, Mg와 함께 정방형 구조 (tetragonal structure)를 갖는 MgF2 (ICDD 번호: 01-070-8288) 피크가 주로 확인되었다. 그러나, MgF2 피크의 강도는 Mg의 강도에 비해 상당히 낮았으며, 이는 불소 코팅층이 얇은 것을 시사한다. Mg는 치환 반응에 의해 HF와 반응하여 MgF2를 생성할 수 있고, 불용성 MgF2는 Mg에 차단막(barrier coating)을 형성할 수 있다. MgF2/PCL 코팅의 Mg와 MgF2 피크를 제외하고는 21℃와 24℃(PCDD 번호: 00-034-1796)에서 PCL의 비결정질(Amorphous)의 넓은 피크가 관찰되었다(도 3a).
코팅 조성을 완전히 이해하기 위해 Mg, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅 표면의 원소 화학 조성을 XPS로 조사하였다 (도 3b). Mg 합금의 화학 조성은 고농도의 C 및 O와, Mg 및 Zn으로 구성된다. XPS 표면 주사 (scan)에서 탄소는 대개 외부 탄화수소로 인한 주변의 불순물 때문이다. 산소가 풍부한 층은 탄화수소에서 비롯되거나, 공기에 노출되었을 때 MgO 및 Mg(OH)2의 형성으로 인한 것일 수 있다. HF로 전처리 한 후, XPS 스펙트럼에서 추가적인 불소 피크가 관찰되었는데, 이는 기재에 MgF2막이 증착됨을 의미한다. 또한, 불화물 (floride)가 코팅된 표면에서의 F1s의 결합 에너지는 약 685 eV이였는데, 표준 데이터 베이스를 참조하면 MgF2값, 즉 685 eV와 정확하게 일치하였다. 또한, 약 533 eV에서 O1s의 결합 에너지는 소량의 Mg(OH)2가 존재하기 때문이며, 이는 EDX에서도 명백했다 (도 1e). PCL 개질 후 Mg와 F와 관련된 특징적인 피크가 없이 C1s와 O1s의 증가는 MgF2막을 PCL 코팅이 완전히 덮고 있음을 입증하였다. XPS 결과는 EDX 데이터 (도 1d-1f)에서 얻은 결론과 일치하였다. XRD와 XPS 연구를 통해 PCL이 HF가 처리된 표면에 성공적으로 고정되었음을 확인하였다.
실험예 4: Mg 합금, MgF 2 및 MgF 2 / PCL 코팅의 AFM 및 습윤성 분석
도 4는 Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 AFM 및 습윤성 시험 데이타이다. Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 3차원 AFM 사진은 도 4a에 나타내었다. 미처리된 Mg 합금의 평균 조도값 (Ra)은 40.7 nm으로 확인되었다. 모든 코팅된 표면은 코팅되지 않은 Mg 합금보다 상대적으로 거칠다는 것이 확인되었다. 불화물 (MgF2) 코팅 후 조도는 66.3 nm로 현저하게 증가하였다. 산 침지 (acid immersion)로 인해 표면에 생성된 미세 기공은 이러한 조도 증가 때문일 수 있다. 표면 형태는 앞서 표면과 결정립 경계 (grain boundaries)에서 합금 입자 (intermetallic particles) (MgZn)의 침전에 의해 설명되었다 (도 1a). 음극 부위에서 방출된 수소는 생성된 막에서 기공의 형성을 촉진할 수 있다. PCL 이중 코팅 표면은 MgF2막보다 더 매끄럽고 평균 조도 값은 49.8 nm이었다. 표면 조도 (surface roughness)는 샘플의 내부식성 (corrosion resistance)에도 큰 영향을 미친다. 표면 조도가 감소하면 부식 진행 때문에 표면적이 감소할 수 있다. 또한, 표면 조도는 생체 적합성에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 20-100 nm의 최적 범위에서 표면 조도를 갖는 코팅은 세포 부착과 수명을 촉진할 수 있다고 보고된 바 있다.
코팅되지 않은 Mg와 코팅된 MgF2 및 MgF2/PCL 샘플 표면의 물방울 사진과 이들의 습윤성 변화를 도 4b에 나타내었다. Mg 단독(bare Mg), MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 접촉각은 각각 118 ± 3.2°, 111 ± 2.7°및 92 ± 1.8°이었다. 이러한 결과는 두 가지 종류의 코팅이 코팅되지 않은 기재에 비해 표면 친수성을 증가시킴을 의미한다. 친수성 증가는 물방울과 표면 사이의 부착성 상호 작용을 개선하여 접촉각을 감소시킬 수 있다. 접촉각이 낮으면 세포 부착, 확산 및 증식이 강화될 수 있다.
실험예 5: MgF 2 , PCL 및 MgF 2 / PCL 코팅의 스크래치 접착력 평가, Mg 합금 및 MgF 2 /PCL 이중 코팅의 경도 분석
도 5는 (a) MgF2, PCL 및 MgF2/PCL 코팅의 스크래치 접착력 평가, (b) Mg 합금 및 제조된 MgF2/PCL 이중 코팅의 경도 시험 결과를 나타낸다.
코팅과 기재 사이의 결합력은 효과적인 이식 재료로서 코팅된 기재의 신뢰성뿐만 아니라 성능을 결정하는 데 중요한다. 스크래치 접착 시험을 수행하여 Mg 합금에 대한 MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 접착력을 평가하였다 (도 5a). 비교를 위해, Mg 합금에 대한 평면 PCL 코팅의 접착력도 조사하였다 (도 5a). MgF2 및 PCL 단층과 MgF2/PCL 이중 코팅의 접착력은 각각 65.39±2.2 mN, 42.5±1.2 mN 및 58.68±3.27 mN인 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 MgF2막과 MgF2/PCL 코팅이 PCL이 코팅된 기재에 비해 기재에 강하게 접착되었음을 의미한다. 층간 (interlayer) MgF2 코팅을 통해 PCL과 기재 사이의 접착력이 향상될 수 있음을 분명히 알 수 있었다. PCL 코팅에 비해 MgF2/PCL 코팅이 상대적으로 증가된 접착력을 갖는 것은 PCL 용액이 미세 기공을 밀봉하는 MgF2 막(film)에 주입되어 MgF2막과 더 강한 결합층을 형성하면서 발생하는 기계적 결합(interlocking)에 기인한 것으로 생각된다. 또한, MgF2막과 PCL의 보다 높은 계면 접착력 (interfacial adhesion strength)은 불화물 (floride) 처리된 표면에 존재하는 -OH기와 PCL의 =O기 사이에 수소 결합이 형성되었기 때문일 수 있다. MgF2 막의 화학 조성은 EDX (도 1e)와 XPS (도 3b) 분석에서 알 수 있는 바와 같이, 표면에 OH- 이온을 야기할 수 있는 F 원소와 함께 O가 존재하는 것을 보여 주었다.
코팅되지 않은 샘플과 MgF2/PCL 이중 코팅의 비커스 미세 경도 (Vickers microhardness)값은 도 5b에 나타내었다. ZK60 Mg 합금의 평균 미세 경도는 78±9 VHN이었다. MgF2/PCL 이중 코팅의 경도는 76±6.3 VHN이었다. 코팅되지 않은 샘플과 이중 코팅된 샘플에서 경도는 크게 변하지 않았다. 이는 MgF2/PCL 이중 코팅이 높은 하중을 견디게 하고, 이에 의해 Mg 기재에 보다 나은 내부식성을 제공할 수 있음을 의미한다.
실험예 6: MgF 2 , PCL 및 MgF 2 / PCL 코팅의 내부식성 분석
표면 개질의 주요 목표는 초기 분해 속도를 늦추거나 생분해성 마그네슘의 내부식성을 개선하는 것이다. 도 6은 Mg 합금, MgF2및 MgF2/PCL 코팅의 (a) 수소 방출 부피, (b) pH 변화, (c) 14일간 PBS 용액 내 침지 시간 함수에 따른 중량 감소, (d) PBS 용액에서 MgF2 PCL 코팅의 Mg 합금에서 부식 진행 개략도를 나타낸다.
도 6은 37℃에서 14일간 PBS 용액에 침지한 후 Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 pH 변화, 수소 발생 및 중량 손실의 변화를 보여준다. PBS 용액에 침지된 여러 샘플에 대한 시간의 함수로서의 pH 변화를 도 6a에 나타내었다. MgF2/PCL 이중 코팅의 pH값은 처음에는 2일간 증가된 후 상대적으로 안정한 거동을 보여주었다. 대조적으로, Mg 합금의 pH값은 1일 내에 강하게 증가하였다. 그 후, 거의 일정한 거동을 보였다 (도 6a). 배양 14일 후, Mg, MgF2 및 MgF2/PCL의 pH값은 각각 11.07, 9.45 및 8.35이었다. MgF2와 MgF2/PCL 모두의 pH값은 Mg 합금의 pH값보다 낮았다. 이는 PCL의 외부 보호층과 비교적 조밀한 MgF2 내부층이 마그네슘 기재의 분해를 효과적으로 제어하였음을 시사한다. MgF2/PCL이 코팅된 기재의 pH값이 적게 증가하는 것은 알칼리 이온의 방출 때문일 수 있다. MgF2 내층이 존재하여 고분자(PCL)가 산으로 분해됨에 따라 국부적인 알칼리화를 용이하게 하고 매질 (medium)의 산성화가 감소된다. 그러나, 긴 배양 시간 (2일 후) 후 시료의 pH값은 주로 Mg 기재의 분해에 의존한다. MgF2의 pH가 증가하는 것은 MgF2/PCL 이중 코팅보다 MgF2 코팅이 더 심하게 파괴되었기 때문일 수 있다. 따라서, MgF2이 코팅된 Mg 기재는 MgF2/PCL 코팅에 비해 늦은 단계에서 더 분해되었다. MgF2 코팅의 장기간 보호능 감소는 도 7b에 나타낸 SEM 현미경 사진에서 확인될 수 있는 코팅에 미세 균열이 존재하기 때문일 수 있다. 이 결과는 표면 코팅에 의해 Mg 합금 단독의 현저한 알칼리화 효과가 효과적으로 감소되었음을 의미한다. 즉, MgF2/PCL 이중 코팅은 침지액의 침투를 효과적으로 방지할 수 있다 (도 6a).
14일간 PBS 용액에서 Mg, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅 샘플에 대한 수소 가스 방출 그래프를 도 6b에 나타내었다. MgF2가 코팅된 샘플 및 MgF2/PCL가 코팅된 샘플은 침지 시간 동안 Mg 합금에 비해 방출된 수소의 양이 현저히 감소함을 보여주었다. 결과는 pH 변화 양상과 비슷하였다 (도 6a). MgF2/PCL 이중 코팅은 수소 발생량이 가장 적었다 (도 6b). 코팅되지 않은 Mg 합금은 심하게 부식되었으나, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅 시료는 PBS 용액에서 분해를 효과적으로 억제할 수 있었다. 이러한 결과는 이중 코팅이 Mg 단독이나 불화물 (floride) 처리된 샘플보다 높은 내부식성을 제공할 수 있음을 시사한다.
도 6c는 37℃에서 3일, 7일, 10일 및 14일간 배양된 Mg, MgF2 코팅 및 MgF2/PCL 코팅의 PBS 용액 중 평균 중량 손실을 나타낸다. MgF2 코팅 샘플은 Mg 기재에 비해 더 낮은 중량 감소율을 보였다. 부식 속도를 늦추는 Mg 합금상에 있는 이중층 (MgF2/PCL)의 보호로 인해, 예상대로 MgF2/PCL 코팅 샘플은 중량 감소율이 가장 낮았다. 코팅되지 않은 Mg 합금은 여러 샘플 시료 중에서 가장 높은 중량 손실률을 보였다. 노출 시간이 증가하면서, 모든 샘플 시료에서 중량 감소 비율이 증가하는 경향이 나타났다. MgF2 및 MgF2/PCL 코팅 시료의 중량 감소율은 14일 동안 침지한 후 Mg 합금(21.2 %)과는 달리, 각각 약 13.6% 및 4.5%였다. 연장된 노출 시간에 따라, 코팅된 시료의 중량 손실의 지속적인 증가는 Mg 기재에서 코팅층의 박리를 의미한다. 이는 MgF2 및 MgF2/PCL 코팅이 긴 침지 시간 동안에 적절하게 보호하지 못했음을 의미한다. 또한, 코팅되지 않은 Mg 합금에 있어서 긴 침지 시간(14일)에 비해 노출 초기 3일의 부식 속도가 더 빨랐다(도 6c). 이것은 초기에는 더 큰 표면적이 용액에 노출되어 발열 반응을 촉진하고 부식 속도를 증가시킨다는 사실로 설명될 수 있다. 염소와 다른 염의 높은 농도는 초기 며칠간의 부식 속도의 증가에 기여할 수도 있다. 반면에, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅 샘플 모두의 부식 속도는 PBS 용액에 더 오래 침지한 후에 보호층의 분리 또는 접착 약화로 인해 노출 시간에 따라 현저하게 증가하였다. 침지 시험을 통해, MgF2/PCL 이중 코팅 합금이 단층 MgF2 코팅과 코팅되지 않은 합금 시료에 비해 부식 진행이 낮음을 보여줬다.
도 6d은 PBS 용액에 침지한 후 MgF2/PCL 이중 코팅 합금의 분해 메커니즘을 보여주는 개략도를 나타낸다. 이중 코팅 샘플을 PBS 용액에 침지하면, PBS가 PCL 코팅의 다공성 구조로부터 MgF2층을 통해 Mg 합금 기재에 침투할 수 있다. 부식성 PBS 매질 (medium)이 초기에 Mg 기재에 도달하면, 1차적인 Mg와 2차 상 사이에 즉각적인 갈바닉 반응 (galvanic reaction)이 일어났다.
실험예 7: MgF 2 , PCL 및 MgF 2 / PCL 코팅의 내부식성에 대한 SEM 사진
도 7은 (a) EDS와 함께 14일간 PBS 용액에 침지한 후, Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 SEM 사진 (b) 부식된 제품의 세척 후, Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 SEM 사진을 나타낸다.
전기화학 반응에 따라, 기재의 Mg 금속은 수소 기체(H2)를 방출하면서 불용성 수산화 마그네슘 Mg(OH)2 막 (film)으로 변환되었다. 따라서, Mg(OH)2는 합금 코팅 계면에 어셈블링 (assembling)을 시작하여 용액의 pH를 증가시킨다. 또한, 배출된 H2 기체는 코팅된 PCL막을 밀어내어 PCL 코팅과 Mg 합금 사이의 접착력을 약화시켰다. 막 (film)의 들뜸 (loosing)뿐만 아니라, 코팅 하부의 기체 축적은 코팅의 균열과 다른 결함을 초래한다. 이와 동시에, 용액에 염화물 이온과 같은 공격적인 염류가 존재하기 때문에 Mg(OH)2를 용해성 MgCl2로 전환시켜 보호 PCL 층을 손상시킬 수 있다. 따라서, 표면의 PCL 막은 쉽게 용해되어 피트(pits) 생성을 초래한다. PBS에 14일간 침지한 후 MgF2/PCL 코팅 표면에 있는 피트의 핵 생성은 SEM 사진에서 확인할 수 있다 (도 7b). 또한, PBS 용액에서 방출된 부식 생성물에 의한 Mg(OH)2층의 고갈과 OH- 이온의 이용은 Mg 합금으로 용액 침투를 가속화하여 부식 속도를 증가시킨다.
EDX와 함께, 14일간 PBS 용액에 침지한 후 Mg 합금, MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 표면 SEM 사진은 도 7a에 도시하였다. 미처리한 Mg 합금은 부식 생성물로 완전히 덮여 있음이 자명하였다. 반면에, 불소 처리된 시료인 MgF2는 합금 전체 표면에 균일하게 분포하는 소량의 침전물을 포함하는 망상(newwork-like) 균열을 보였다. 두꺼운 부식층은 건조 중에 표면 부식 생성물의 수축으로 인한 코팅에 존재하는 미세 균열 때문일 수 있다. 그러나, MgF2/PCL 이중 코팅 표면에서 약간의 백색 침전물이 관찰되었다. 여러 시료에 대한 부식된 표면 조성의 EDX 분석으로 O, C, Na, K, Cl 및 P 원소의 존재를 확인하였다. 원소의 존재는 부식 생성물에서 MgCl2, Mg(OH)2 및 기타 Na 및 K 함량이 풍부한 화합물이 형성되었음을 암시한다. 그러므로, 침지 후 표면의 이들 원소의 함량은 각각의 시료에서 발생된 부식 정도를 추정하는데 사용될 수 있다. 처리하지 않은 Mg 합금은 MgF2 또는 MgF2/PCL 코팅 시료보다 표면에 훨씬 많은 부식 생성물을 포함하고 있는 것이 관찰되었다. 이중 코팅 표면은 처리하지 않은 Mg 합금과 비교하면, K 또는 Na이 없으면서, P 및 O의 농도가 유의하게 낮았다. MgF2/PCL 코팅된 시료에서 Mg의 농도가 낮고 C의 농도가 높은 것은 14일간 침지한 후에 PCL 코팅이 계속 존재하는 것을 의미한다. 그러나, MgF2의 경우, 미량의 Na 및 P와 상대적으로 농도가 높은 Mg은 Mg 기재에서 불소 코팅이 파괴됨을 나타냈다 (도 7b). 세척된 부식 표면의 SEM 사진은 도 7b에 나타내었다. 처리되지 않은 Mg 표면은 표면 (A 영역)에서 심각한 분해 (degradation)로 많은 균열, 딥(dips) 및 피트(pits)를 나타내었다. 균열 형성은 부식 생성물의 표면 수축과 탈수를 설명할 수 있다. 불소 처리된 표면은 침지 후 14일 동안 MgF2/PCL 코팅 시료에 비해 미세 균열이 존재하여 약간 더 심한 부식을 보였다. MgF2 코팅의 균열은 PBS 용액이 코팅 내부로 침투하는 데 적당한 경로를 제공할 수 있다 (도 7b). 따라서, 부식 생성물과 함께 코팅 하부에 부식이 진행되어 코팅 부착이 약화되고 결국 코팅이 되지 않게 된다. 이중 코팅은 PCL 표면에 작은 피트를 보였다 (도 7b). 모든 부식 표면 사진은 14일의 전체 침수 기간 동안 분해 (degradation) 결과를 나타낸다. MgF2는 MgO와 Mg(OH)2보다 더 안정되며 내부식성이 뛰어나다. 따라서, MgF2/PCL 이중 코팅 시스템에서 PCL 외층은 부식 진행을 늦추지만, MgF2 내층은 PCL 외층과 교차할 때 공격적인 매질로부터 Mg층을 보호한다. 이러한 결과는 MgF2/PCL 이중 코팅된 시료가 MgF2 코팅이나 Mg 합금보다 높은 내부식성을 나타냄을 시사한다.
실험예 8: MgF 2 , PCL 및 MgF 2 / PCL 코팅의 생체 적합성 분석
도 8은 MgF2 및 MgF2/PCL 코팅에서 4시간 접종 후 MC3T3-E1 세포의 접착 및 부착을 보여주는 공초점 사진이다.
기재에 대한 숙주 세포의 증식과 부착의 정도는 생체 적합성을 나타낸다. 배양 4시간 후 MgF2 및 MgF2/PCL 코팅에 대한 MC3T3-E1 세포의 세포 부착 거동은 도 8에 나타내었다. 세포가 두 코팅의 표면에 잘 부착된 것으로 관찰되었다. 또한, 국소 부착 (focal adhesion) 및 액틴 세포 골격에 대한 염색을 수행하였는데, 팔로이딘, 빈쿨린 및 핵이 각각 녹색, 적색 및 청색으로 검출되었다. 현저하게 형성된 세포 골격 구조와 상호 연결된 세포 네트워크는 두 종류의 코팅 모두에서 나타났다. 그러나, MgF2/PCL 코팅이 MgF2 코팅보다 우수한 부착과 확산을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 9는 MC3T3-E1 세포에 대한 MgF2 및 MgF2/PCL 이중 코팅의 세포 독성을 분석한 것이다. 추출물 농도 증가에 따른 1일간 배양 후 간접 분석을 이용하여 MTT 분석을 수행하였다.
배양 1일 후에 추출물 농도의 증가에 따른 간접 세포 분석법 (indirect cell assay) 을 이용한 MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 세포 생존력 시험 결과를 도 9에 나타내었다. 추출물 농도를 12.5%에서 100%로 증가하면, 세포 생존률은 MgF2의 경우 90%에서 82%로, MgF2/PCL 코팅의 경우 95% 에서 87%로 감소되었다. MgF2/PCL 코팅은 모든 추출물 농도에서 MgF2 코팅보다 높은 세포 생존력을 보였다.
도 10은 MgF2 및 MgF2/PCL 코팅의 (a) 1일, 3일 및 5일 배양 후 세포 증식 거동과 (b) 4시간 배양 후 세포 접착 거동을 나타낸다.
MgF2 및 MgF2/PCL 코팅에서 MC3T3-E1 세포의 품질 증식 (Quality proliferation)은 공초점 사진 분석에 의해 판단되었다. 사진은 두 종류의 코팅에 세포가 부착되어 지속적으로 증식했음을 보여준다. 두 종류의 코팅 표면은 세포 성장과 대사 활동을 지지한다. 세포 밀도는 배양 5일 후 MgF2/PCL 코팅에서 가장 높았다. 증식 결과는 1일, 3일 및 5 일 배양 후 MgF2 코팅보다 MgF2/PCL에 더 많은 세포가 부착된 것을 보여주었다. 증식 결과로부터 1일, 3일, 5일 동안 배양한 후 MgF2/PCL 코팅이 MgF2 코팅에 비해 더 많은 세포가 부착되어 있음을 알 수 있었다. 결론적으로, 1일, 3일 및 5일간의 배양 후, MgF2/PCL 코팅은 MgF2 코팅에 비해 세포 밀도와 세포 확산이 더 우수하였다.
pH 결과와 상호 증식 데이터는 시간의 흐름에 따라 pH가 지속적으로 증가하면서, MgF2 코팅이 현저한 세포 성장과 형태에 영향을 미칠 수 있음을 보여주었다 (도 6a). 불소 처리된 Mg 기재에 PCL을 후 처리하면 토포그래피컬 시뮬레이션(topographical simulation)을 야기하고, 우수한 친수성으로 인해 포컬(focal) 세포 접착력을 증강할 수 있다 (도 4b). 세포 증식 및 세포 부착 결과는 세포 생존력과 부합되어, MgF2/PCL 코팅이 세포 성장 및 증식을 증강하고, 더 우수한 생체 적합성을 나타냄을 보여준다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 마그네슘 합금의 표면을 연마하는 단계;
    상기 연마된 마그네슘 합금에 불화물을 처리하여 마그네슘 합금에 불소 코팅층을 제조하는 단계;
    상기 불소 코팅층을 생체고분자 용액으로 코팅하여 생체고분자층을 형성하 는 단계를 포함하는,
    내부식성이 향상된 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은 아연, 지르코늄 및 마그네슘을 포함하는 것인, 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 불화물은 불화수소산인 것인, 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 생체고분자는 상기 고분자는 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리카프로락톤(polycaprolactone; PCL), 키토산(chitosan), 폴리락트산(polylactic acid; PLA), 폴리글리콜산(polyglycolic acid; PGA), 폴리-ε-카프로락톤-락트산 공중합체(PCLA), 폴리-ε-카프로락톤-글리콜산 공중합체(PCGA), 폴리락트산-글리콜산 공중합체(PLGA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol; PEG), 폴리디옥사논(polydioxanone; PDO), 폴리트리메틸렌카보네이트(polytrimethylene carbonate); PTMC), 폴리아미노산(poly amino acid), 폴리안하이드라이드(polyanhydride), 폴리오르쏘에스테르(polyorthoester), 폴리포스파진(polyphosphazene), 폴리이미노카보네이트(polyiminocarbonate), 폴리포스포에스테르(polyphosphoester), 폴리히드록시발레레이트(polyhydroxyvalerate), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 생체고분자 용액은 생체고분자를 디클로로메탄에 용해시켜 제조하는 것인, 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 불소 코팅층은 1.2~3.2 μm의 두께를 갖는 것인, 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 생체고분자층은 2.0~4.3 μm의 두께를 갖는 것인, 이중층의 마그네슘 합금의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 내부식성이 향상된 이중층의 마그네슘 합금을 포함하는 골 고정용 이식체.
  9. 마그네슘 합금; 상기 합금 상에 형성된 불소 코팅층; 및 상기 불소 코팅층 상에 코팅된 생체고분자층을 포함하는 내부식성이 향상된 마그네슘 합금.
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