【생체재료】 1강. 생체재료의 개요

1강. 생체재료

 

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1. 개요 [본문]

2. 가공방법 [본문]

3. 조건 [본문]

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1. 개요 [목차]

⑴ 좁은 의미의 생체재료 

① 정의 : 생체 내에 이식되어 조직이나 장기의 기능을 대신하는 물질  

⑵ 넓은 의미의 생체재료

① 정의 : 생체와 거부반응 없이 의도된 기능을 수행할 수 있는 재료

② 이식재료 + 진단재료 + 치료재료

⑶ 조건

① 생체적합성 : 혈액적합성 + 조직적합성

② 의도된 기능 수행

③ 독성 및 발암성이 없을 것 

④ 화학적 안정성 

⑤ 기계적 물성 및 성형가공성

⑷ 특성

① 거침성(roughness) : 항복지점까지 필요한 에너지

② 견고도(toughness) : 최종 파단 지점까지 필요한 에너지 

③ 접촉각(contact angle) : 접촉점에서의 접선과 고체면이 이루는 각

○ θ = 0°: 완전 젖음

○ 0° ＜ θ ＜ 90°: 부분 젖음

○ 90° ＜ θ : 젖지 않음

④ 유리전이온도(glass transition temperature) 

○ 무정형 고분자는 열이 주어지면 분자쇄 운동에 의해 고무상으로 존재할 수 있음

○ 분자쇄 운동은 브라운 운동과 유사한 성격을 가짐

○ 유리상으로부터 고무상으로 전이하는 온도를 유리전이온도라고 함

⑤ 압전성(piezoelectricity) : 압력이 가해지면 기전력이 발생하는 현상

⑥ 초전성(pyroelectricity) : 온도차가 있으면 기전력이 발생하는 현상

⑦ 평형시간 

 

 

⑧ 다공성 

 

 

⑸ 분류

 

	무게	강도	복원력	부식성	생체적합성	불활성	제조용이성	기타
고분자	↓	↓	↑	↓		↓	↑
금속	↑	↑	연성 ↑	↑	↓	↑	↓	내마모성
세라믹			↓	↓	↑	↑	↓	취성

Table. 1. 생체재료의 분류

 

① 금속∙세라믹은 고분자 재료에 비해 다음 특성이 있음 : 강함, 질김, 소성가공 가능, 경도 높음

② 금속∙세라믹은 뼈∙치아 같은 단단한 조직의 대체재료로 많이 이용됨 

⑹ 분류 1. 고분자(polymer)

① 개요 

○ 20세기 중반에는 고분자 재료가 사용되기 시작

○ 장점 : 제작 용이, 우수한 생체친화성, 가벼움, 유연함

○ 단점 : 낮은 기계적 강도, 시간에 따라 형태가 변형

② 종류 1. PMMA

③ 종류 2. 나일론(nylon)

④ 종류 3. 실리콘(silicon)

⑤ 종류 4. 테플론(teflon)

⑥ 재료 1. 콜라겐(collagen)

○ 기질 간의 접촉이 발생한 후에 발현됨

○ 세포의 분화기능을 촉진하고 증식에 유리함

○ 기질, 인조혈관, 인조피부, 인골골 등 대부분의 조직공학에서 이용됨 

⑦ 재료 2. 키틴(chitin) 

○ 물이나 열에 의해 용해되지도 않고 소화되지도 않음

○ 생체친화성이 매우 우수함 

⑧ 재료 3. 알부민(albumin)

⑨ 재료 4. 셀룰로오스(cellulose)

⑩ 재료 5. 아가로스(agarose)

⑪ 재료 6. 알지네이트

⑫ 재료 7. 헤파린(heparin)

⑬ 재료 8. 키토산(chitosan)

⑺ 분류 2. 금속(metal)

① 개요

○ 18세기 말부터 금속 재료가 사용되기 시작함 

○ 부식을 막기 위해 금속 코팅과 각종 합금이 발달됨

○ 장점 : 높은 인장강도 (두개골을 능가), 높은 인성연성, 제작 용이

○ 단점 : 낮은 생체적합성, 부식 쉬움, 무거움, 높은 강성 

② 종류 1. 스테인리스 스틸(stainless steel) : 탄성계수 : 200 GPa. 항복응력 : 207 ~ 1,160 MPa

○ 1년 이상 생체 내 삽입 시 스테인리스 스틸은 바람직하지 않음

③ 종류 2. 코발트-크롬계 합금(Co-Cr alloy)

○ 탄성계수 : 225 GPa

○ 항복강도 : 525 MPa

○ 인장강도 : 935 MPa

○ 파단 시의 신도 : 10%

④ 종류 3. 티타늄 및 티타늄계 합금 : 연성 ↓, 항복응력 ↑

○ 탄성계수 : 106 GPa 

○ 턱뼈, 무릎관절, 대퇴관절에는 티타늄을 사용함 

⑤ 종류 4. 금(gold)

⑥ 종류 5. 형상기억합금

⑻ 분류 3. 세라믹(ceramic)

① 개요

○ 고온으로 열처리하여 제작된 비금속의 무기질 재료 

○ 장점 : 생체적합성 우수, 생체 불활성, 압축강도 우수, 내마모성 

○ 단점 : 깨지기 쉬움 (취성), 제작하기 어려움, 낮은 기계적 신뢰성 

② 종류 1. 알루미나 : Al₂O₃ 

○ 생체 불활성 

○ 탄성율 : 350 GPa

○ 인장강도 : 1,000 ~ 10,000 MPa (고강도)

○ 파단 시 신도 : 0% (취성)

○ 저마찰성, 내마모성, 내부식성, 생체적합성, 가공 어려움 

○ 응용 예 : 고관절, 무릎관절, 뼈, 골절고정용 나사, 치아대체용 재료, 성형재료 

③ 종류 2. 지르코니아(zirconia) : ZrO₂  

○ 생체 불활성 

○ 고강도. 저탄성율 

○ 응용 예 : 고관절, 심장판막

④ 종류 3. 수산화아파타이트(HA, hydroxyapatite) : Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂  

○ 생체 활성 

○ 뼈의 주성분인 미네랄 성분으로 구성 → 뼈를 대체할 수 있음 + 경조직과 화학적으로 결합 

○ 생체적합성 우수 

○ 응용 예 : 치아 대체, 뼈 대체

⑤ 종류 4. 글라스-세라믹(바이오 유리)

○ 다결정 구조의 세라믹

○ 경조직 및 연조직에 결합

○ 표면에서 carbonated HA를 형성

○ 취성. 골시멘트, 치아보정재 등으로 사용

○ Bioglass™ : SiO₂, CaO, Na₂O, P₂O₅로 구성

○ Ceravital™ : SiO₂, CaO, Na₂O, P₂O₅, MgO, K₂O로 구성

⑥ 종류 5. TCP

○ α-TCP와 β-TCP는 용해가 잘 되어 흡수가 잘 됨

○ 세라믹 소재는 HA가 30%, TCP가 70%를 구성 

⑦ 종류 6. 탄소동소체(carbon)

⑼ 분류 4. 복합재료(composite)

① 개요

○ 장점 : 생체적합성 우수, 맞춤형 성형 가능, 높은 인장강도

○ 단점 : 제작하기 어려움 

② 종류 1. carbon-carbon 

③ 종류 2. carbon-Ti

⑽ 사례 

① 흉부외과 : 인공혈관, 심장파막, 인공심장 

② 일회용품 : 카데터, 주사기, 수술 장갑류, 지혈제 

③ 약물전달, 인공장기 : 경구, 피부투여용, 의약품, 인공 췌장, 인공 신장, 심폐기 

④ 치과 : 인공치아, 잇몸, 인공 턱

⑤ 안과 : 콘텍트 렌즈, 인공수정체, 생체접착제, 인공안구 

⑥ 정형외과 : 인공관절, 인공힘줄, 뼈 고정용 플레이트 및 스크류 

⑦ 일반외과 : 봉합사, 화상치료제, 봉합용 스테이플러, 생체접착제, 카데터 

⑧ 성형외과 : 안면 보전제, 인공유방, 인공피부, 코, 귀

⑨ LSE(living skin equivalent)

○ 콜라겐과 섬유모세포를 이용하여 만든 인공 피부

○ 생체조직에 의해 개발되어 가장 먼저 임상에 이용된 첫 번째 사례

○ 현재 상품화됨

⑩ 조직 재생 연구 : 3D 프린터 조직 재생 연구 등

 

 

2. 가공방법 [목차]

⑴ 방사 및 재직

① 습식방사 : 비휘발생 용매에서 열 등에 의해 용매가 서서히 방출되는 것

② 건식방사 : 폴리머를 용매에 녹인 뒤 방사구에 짜내는 것

③ 용융방사 : 용융점 이상의 온도에서 용융되는 것을 이용하는 것

④ (참고) 방사 후 연신 과정 : 연신과정을 통해 방사된 실이 패킹되면서 강해짐 

⑵ 기계적 가공 

① 사출 : 모양대로 만드는 것

② 압출 : 녹여서 빼내는 것

③ 제적 : 방사한 실로 면을 만드는 것 

④ 뼈 보철용 판, 나사 등을 만들 때 이용

⑶ 미세립구(microsphere)

① 상 분리법 : 수용상 약들을 생분해성 고분자에 포접화하는 것 

○ 1^st. 고분자를 메틸렌 클로라이드, 아세톤 등의 유기용매에 용해

○ 2^nd. 비용매인 실리콘 오일 등에 응집시킴 

② 용매증발 : 난용성 단백질 약의 미세구립화에 쓰임

○ 1^st. PLGA 고분자를 유기용매에 용해

○ 2^nd. 교반상태에서 양물을 녹임

○ 3^rd. 폴리 비늘 알코올 또는 계면활성제를 수용약에 투여한 후 교반시킴

○ 4^th. 미립자의 유기용매를 수용체 내에서 증발

○ 5^th. 여과를 거치면 소정의 약물을 함유한 미세립구를 얻음 

③ 유동상 코팅 및 분사건조 방법 

○ 유동상 및 분사건조 시스템으로 제조

○ 상용화돼 있음

⑷ 겔 주조법(gel casting)

① 1^st. 생분해성 고분자를 아세톤 등의 용매에 용해

② 2^nd. 용액을 원하는 몰드에 부음

③ 3^rd. 실온에서 겔 상태가 될 때까지 방치

④ 4^th. 아세톤, 에틸 알코올, 물의 혼합물에 여러 번 교반

⑤ 5^th. 건조를 거치면 미세다공성 젤이 형성됨

⑥ PLGA 생분해성 고분자의 미세다공성 임플란트 제조에 주로 쓰이는 방법 

⑸ 용액 주조법(solution casting)

① 1^st. PLGA 고분자를 용해

② 2^nd. 형틀에 부어 용매를 증발

③ 3^rd. 에틸 알코올과 같은 비용매를 가해 침전 → 원하는 모양을 제조

⑹ 미세분말 석출법(solvent-casting particulate leaching)

① 1^st. glucose 또는 salt를 채워 넣음

② 2^nd. PLA나 PGA를 용매에 녹임

③ 3^rd. 젤을 주조

④ 4^th. 물을 넣어 glucose 또는 salt를 녹여냄

⑤ 5^th. 스폰지화된 PLGA 고분자나 다공성 지지체 생성

⑺ 부직포 제조

① PGA 섬유로 열접착된 PGA 부직포를 얻음 

⑻ 유화동결 건조법(emulsion freeze-drying method)

① 1^st. PLGA 고분자를 용매에 용해시킴

② 2^nd. 초음파로 유화시킴

③ 3^rd. 동결건조하면 미세다공성 지지체를 얻음 

④ 요도관, 식도, 내장, 혈관 등 튜브 형태의 장기 형성에 응용 가능 

⑼ 복합재료화(composite)

① 낮은 기계적 성질을 극복하기 위한 복합재료 개발 

⑽ 전기방사법

① 광범위 소재, 극세섬유 등 제조 가능 

② 제조 간단

③ 응용 예 : 인공피부, 인공고막 등

 

 

3. 조건 [목차]

⑴ 생체기능성 평가 

① 정의 : 생체자료가 체내에 존재하는 동안 목표한 기능을 완전히 수행할 수 있는 특성

② 화학적 안정성, 적당한 기계적 강도, 피로 강도, 멸균가능성, 소독가능성, 기계적 안정성 등을 아우름 

③ 시험 방법

○ 인장 압축시험

○ 경도시험

○ 마모시험

○ 피로시험

○ 크립시험(creep test)

○ 표면 특성시험 : 광학적 방법과 X선 회절 분석

⑵ 생체적합성 평가 

① 정의 : 생체조직이나 체액 등과 접촉했을 때 거부반응이 나타나지 않는 특성

② ISO/TC 194를 통해 ISO 10993 '의료용구의 생물학적 안정성 평가'를 제정하여 생체적합성 시험 방법을 규정

③ 조건

○ 생체조직을 자극하지 않아야 함 

○ 염증을 유발하지 않아야 함 

○ 알레르기를 일으키지 않아야 함

○ 암을 유발하지 않아야 함

○ 독성(세포독성, 유전자독성 등)이 없어야 함

○ 혈액 성분을 파괴 또는 변형시키지 않아야 함

○ 혈전 현상이 없어야 함

 

입력: 2019.11.29 20:38