바이오케라믹

Bioceramic
캠 바이오세라믹스에 의해 제조된 직교 생물학적 칼슘 구성의 다공성 생물세라믹 과립

바이오케라믹스와 바이오글래스는 생체적합성이 있는 세라믹 소재다.[1] 생물역학은 생물 물질의 중요한 부분집합이다.[2][3] 생화학물질은 체내에 불활성화된 세라믹 산화물부터 다른 극도의 재흡수성 물질에 이르기까지 생체적합성이 다양하며, 결국 수리를 보조한 후 신체에 의해 대체된다. 생물역학은 많은 종류의 의료 절차에 사용된다. 일부 바이오세라믹은 유연하지만 일반적으로 수술용 임플란트에서 견고한 재료로 사용된다. 사용되는 세라믹 소재는 도자기 타입의 세라믹 소재와 같지 않다. 오히려 생체리듬은 몸 자체의 물질과 밀접한 관련이 있거나 극도로 내구성이 강한 금속 산화물이다.

역사

1925년 이전에는 임플란트 수술에 사용된 재료는 주로 상대적으로 순수한 금속이었다. 이러한 재료들의 성공은 비교적 원시적인 수술 기법을 고려할 때 놀라운 것이었다. 1930년대는 비탈륨과 같은 합금의 최초 사용뿐만 아니라 더 나은 수술 기법의 시대의 시작을 알렸다.

1969년 L. L. Hench 등은 다양한 종류의 안경과 도자기들이 살아있는 뼈와 결합할 수 있다는 것을 발견했다.[4][5] Hench는 재료에 관한 회의에 가는 길에 그 아이디어에 영감을 받았다. 그는 베트남 전쟁에서 막 돌아온 대령 옆에 앉아 있었다. 그 대령은 부상 후에 병사들의 몸이 종종 임플란트를 거부한다는 것을 공유했다. Hench는 호기심에 사로잡혀 생물학적으로 적합할 수 있는 물질들을 조사하기 시작했다. 최종 제품은 그가 바이오글라스라고 부르는 신소재였다. 이 작품은 생물학이라는 새로운 분야에 영감을 주었다.[6] 바이오글래스의 발견으로 생물학 분야에 대한 관심이 급증했다.

1988년 4월 26일 일본 교토에서 제1회 생물학 국제 심포지엄이 열렸다.[7]

적용들

세라믹 헤드와 폴리에틸렌 아세타불라 컵을 포함한 티타늄 고관절 보형물

세라믹은 현재 의학 분야에서 치과와 뼈 이식술로 흔히 사용되고 있다.[8][9] 외과용 세르메트는 정기적으로 사용된다. 관절 교체는 일반적으로 마모 및 염증 반응을 줄이기 위해 생체세라믹 소재로 코팅된다. 생체리듬을 위한 다른 의학 용도의 예로는 심장박동조절기, 신장투석기, 호흡기 등이 있다.[6] 의료용 세라믹과 세라믹 부품에 대한 세계적인 수요는 2010년 약 98억 달러였다. 다음 해에는 연간 6~7%의 성장률을 보일 것으로 전망돼 2015년에는 세계 시장가치가 153억 달러, 2018년에는 185억 달러에 이를 것으로 예측됐다.[10]

기계적 특성 및 구성

생체리듬은 체외 순환계통(예를 들어 투석)이나 공학적 생체리액터에 사용되도록 되어 있지만, 임플란트로서 가장 흔하다.[11] 세라믹은 물리적 화학적 특성 때문에 생체 재료로서 수많은 응용을 보여준다. 이들은 인체에 불활성이라는 이점이 있으며, 단단함과 내마모성이 있어 뼈와 치아교체에 유용하다. 일부 세라믹은 마찰에 대한 저항력도 뛰어나 관절 오작동의 대체 재료로 유용하다. 외관이나 절연과 같은 특성도 특정 생물의학 용도에 대한 우려사항이다.

일부 생물역학에서는 환자의 수명에 비해 수명이 길어 알루미나(AlO23)를 통합하기도 한다. 이 물질은 중이오시클, 안구 보형물, 심박조율기용 절연체, 카테터 오리피스 및 심장 펌프와 같은 이식 가능한 시스템의 수많은 프로토타입에 사용될 수 있다.[12]

알루미늄은 치아 보형물, 순수 또는 세라믹 폴리머 합성물에 흔히 사용된다. 세라믹 폴리머 합성물은 독성 효과가 있는 것으로 의심되는 아말감 대신 충치를 채우는 잠재적 방법이다. 알루미늄은 유리 구조도 가지고 있다. 수지의 인공치아와 달리, 이티움 산화물 도핑된 치아의 색상은 안정적인[11][13] 상태를 유지하고 있는 지르코니아는 골수 보형물의 알루미나 대체품으로 제안되었다. 주요 장점은 더 큰 실패 강도와 피로에 대한 좋은 저항력이다.

유리탄소는 가볍고 착용에 내성이 있으며 혈액과 호환되기 때문에 사용되기도 한다. 그것은 주로 심장 판막 교체에 사용된다. 다이아몬드는 같은 용도에 사용할 수 있지만 코팅 형태로 사용할 수 있다.[12]

칼슘 인산염 기반 세라믹은 구조와 화학적 구성에서 뼈의 주요 미네랄 위상과 유사하기 때문에 현재 정형외과 및 최대 실오피클릭 용도에서 선호되는 뼈 대체 물질을 구성한다. 그러한 합성 골격 대체물 또는 비계 물질은 전형적으로 다공성 물질로, 세포 결장과 재분자화를 수반하는 삼서 통합을 촉진하는 표면적을 증가시킨다. 그러나 이러한 다공성 물질은 일반적으로 뼈에 비해 기계적 강도가 낮아 다공성 임플란트를 매우 섬세하게 만든다. 세라믹 소재의 탄성계수치는 일반적으로 주변 골조직보다 높기 때문에 임플란트는 뼈 인터페이스에서 기계적 스트레스를 유발할 수 있다.[11] 보통 생물역학에서 발견되는 칼슘 인산염은 히드록시파타이트(HAP) Ca10(PO4)(6OH);2 트리칼슘 인산염 β(β TCP): Ca3(PO4);2 그리고 HAP와 β TCP의 혼합물을 포함한다.

표 1: 생물역학 응용 프로그램[12]

장치들 함수 바이오소재
인공 총 엉덩이, 무릎, 어깨, 팔꿈치, 손목 관절염 또는 골절된 관절 재건 고밀도 알루미나, 금속 바이오글라스 코팅
뼈판, 나사, 전선 수리 골절 바이오글라스-금속 섬유복합체, 폴리술폰-탄소 섬유복합체
교내 손톱 정렬 골절 바이오글라스-금속 섬유복합체, 폴리술폰-탄소 섬유복합체
해링턴 로드 수정 만성 척추 만곡 바이오글라스-금속 섬유복합체, 폴리술폰-탄소 섬유복합체
영구적으로 이식된 인공 팔다리 누락된 사지 교체 바이오글라스-금속 섬유복합체, 폴리술폰-탄소 섬유복합체
척추뼈 스페이서 및 확장기 올바른 선천성 기형 알로23
척추융합 척수를 보호하기 위한 척추뼈 고정 바이오글라스
치골 교체, 하악골 재건 치골 융단을 복원하여 틀니 핏 개선 PTFE(Polyetra fluro ethylene) - 탄소복합체, 다공성 AlO23, 바이오글라스, 밀도-apatite
치아를 교체하는 최종 임플란트 병들었거나 손상되었거나 느슨해진 치아를 교체하십시오. AlO23, 바이오글라스, 고밀도 수산화물, 유리탄소
치과 교정용 앵커 변형률 변화에 필요한 응력 적용을 위한 포스트 제공 비오글라스 코팅 알로23, 비오글라스 코팅 비탈륨

표 2: 세라믹 바이오소재의 역학적 특성[12]

재료 영의 계량(GPA) 압축강도(MPa) 본드 강도(GPA) 경도 밀도(g/cm3)
비활성 AlO23 380 4000 300-400 2000-3000(HV) >3.9
ZrO2(PS) 150-200 2000 200-500 1000-3000(HV) ≈6.0
흑연 20-25 138 NA NA 1.5-1.9
(LTI)피롤리틱 카본 17-28 900 270-500 NA 1.7-2.2
유리탄소 24-31 172 70-207 150-200(DPH) 1.4-1.6
생체활성합 73-117 600 120 350 3.1
바이오글라스 ≈75 1000 50 NA 2.5
AW 글라스 세라믹 118 1080 215 680 2.8
뼈 3-30 130-180 60-160 NA NA

다목적

많은 이식된 세라믹은 실제로 특정한 생물의학 용도에 맞게 설계되지 않았다. 하지만, 그들은 그들의 특성과 좋은 생체적합성 때문에 다른 이식 가능한 시스템으로 가는 길을 찾아낸다. 이 세라믹 중에서 실리콘 카바이드, 티타늄 니트리드와 카바이드, 붕소 니트리드를 들 수 있다. 고관절 보형물에서는 TiN이 마찰 표면으로 제시되어 왔다. 세포 배양 테스트는 생체 적합성이 양호한 것으로 나타났지만, 임플란트의 분석은 TiN 층의 오염 제거와 관련하여 상당한 마모를 보여준다. 실리콘 카바이드도 현대식 세라믹으로 생체적합성이 좋아 뼈 이식에도 사용할 수 있다.[11]

특정 용도

생물 활성 도자기는 전통적인 성질에 사용될 뿐만 아니라 생물학적 활동 때문에 특정한 용도로 사용되어 왔다. 인산칼슘, 산화물, 수산화물이 일반적인 예다. 다른 천연 물질 - 일반적으로 동물에서 유래된 생물과 같은 다른 합성 물질은 생체 적합성 고분자(폴리메틸메타크릴레이트)와 함께 HAP, 알루미나 또는 이산화티타늄과 같은 미네랄 유기 복합 물질과 결합한 것이 특징이다. PMMA, 폴리(L-락틱) 산: PLLA, 폴리(에틸렌) 복합 재료는 생물학적 또는 비생물학적 인산염(HAP)과 비생물학적 폴리머(PMMA, PE)가 결합된 결과물로 구별할 수 있다. 이러한 물질들은 많은 조합 가능성과 그들의 생물학적 활동과 뼈의 그것과 유사한 기계적 성질을 결합하는 그들의 적성 때문에 미래에 더 널리 퍼질 수 있다.[12]

생체적합성

항균성, 생체적합성, 미학성이라는 생체리듬의 특성은 이들을 의료용에 상당히 적합하게 만든다. 지르코니아 세라믹은 생체내성성과 비세포독성을 가지고 있다. 탄소는 뼈와 비슷한 기계적 특성을 가진 또 다른 대안이며, 혈액적합성, 조직반응 없음, 세포에 대한 무독성 등이 특징이다. 바이오 인어트 세라믹스는 뼈와의 유대를 보여주지 않는다. 뼈와 뼈는 오서 일체화라고 알려져 있다. 단, 바이오 인어트 세라믹스의 바이오 활동은 바이오 액티브 세라믹스와의 컴포지트 형성을 통해 이룰 수 있다. 바이오글래스를 포함한 생체 활성 세라믹은 반드시 무독성이어야 하며, 뼈와 결합을 이루어야 한다. 골재생을 위한 비계(bone regeneration)와 같은 골재생을 위한 비계(brace)에서, 생물체역학의 용해도는 중요한 매개변수가 되며, 골재 성장률에 비해 대부분의 생물역학들의 느린 용해율은 교정적 사용의 과제로 남아 있다. 놀랄 것도 없이, 생물학적 성질을 유지하거나 향상시키면서 생물역학의 분해 특성을 개선하는 데 많은 초점을 맞추고 있다. 유리세라믹은 결정물질에 비해 용해율이 높은 골유도적 특성을 유도하고, 결정칼슘인산칼슘세라믹도 조직과 생물유착에 무독성을 나타낸다. 세라믹 미립자 보강은 세라믹/세라믹, 세라믹/폴리머, 세라믹/금속 복합 재료가 포함된 임플란트 용도에 더 많은 재료를 선택하도록 했다. 이러한 합성물 중 세라믹/폴리머 합성물은 주변 조직으로 독성 원소를 방출하는 것으로 밝혀졌다. 금속은 부식 관련 문제에 직면하고 있으며, 금속성 임플란트의 세라믹 코팅은 오랜 시간 동안 도포될 때 성능이 저하된다. 세라믹/세라믹 복합 재료는 뼈 광물과 유사하여 생물학적 적합성과 형상화 준비성을 보여 우위에 있다. 생체리듬의 생물학적 활성은 다양한 체외 연구와 체내 연구에서 고려되어야 한다. 특정 삽입 부지에 따라 성능 요구를 고려해야 한다.[12]

처리.

기술적으로, 세라믹은 가루와 천연 또는 합성 화학 첨가물과 같은 원료로 구성되어 있으며, 혼합(열, 냉 또는 이소스타틱), 세팅(유압 또는 화학), 또는 속결 과정을 가속화한다. 사용되는 제형과 형상화 과정에 따라, 생물학에서는 천장, 세라믹 침전물 또는 세라믹 합성물로서 밀도와 다공성이 달라질 수 있다. 다공성은 종종 생물학적으로 생물학적으로 원하는데, 생물학적으로 볼 때, 생물학적으로 볼 때, 다공성은 종종 필요하다. 이식된 다공성 생물역학의 성능을 향상시키기 위해 다공성, 모공 크기 분포 및 모공 정렬의 제어를 위한 다양한 공정 기법을 이용할 수 있다. 결정성 물질의 경우, 곡물 크기와 결정성 결함은 효과적인 뼈 이식 및 뼈 이식 재료의 핵심인 생물분해와 오서 적분을 강화하는 추가적인 경로를 제공한다.[11] 이는 곡물 정제 도파트를 포함하고 다양한 물리적 수단을 통해 결정 구조에 결함을 부여함으로써 달성될 수 있다.

생체모방 공정에 기반한 개발 재료 가공 기법은 자연적, 생물학적 공정을 모방하는 것을 목표로 하며, 기존의 또는 열적 공정을 통해서가 아니라 주위 온도에서 생물학적 공학을 만들 수 있는 가능성을 제공한다[GRO 96]. 이와 같이 비교적 낮은 처리 온도를 사용하게 될 전망은 단백질과 생물학적으로 활성 분자(성장인자, 항생제, 항투석제 등)의 첨가를 통해 생물학적 특성이 개선된 미네랄 유기 결합의 가능성을 열어준다. 그러나 이 물질들은 부분적으로 결합 단백질과 결합함으로써 개선될 수 있는 기계적 특성이 좋지 않다.[11]

상용 사용량

임상용으로 상용 가능한 일반 생체활성물질로는 45S5 생체활성유리, A/W 생체활성유리세라믹, 조밀한 합성HA, 폴리에틸렌-과 같은 생체활성복합재료가 있다.HA 혼합물. 이 모든 물질들은 인접한 조직과의 계면 결합을 형성한다.[13]

고순도 알루미나 생물역학은 현재 다양한 생산자들로부터 상업적으로 구할 수 있다. 영국의 제조업체인 모건 어드밴스트 세라믹스(MAC)는 1985년에 정형외과 기기를 제조하기 시작했고, 곧 고관절 치환용 세라믹 대퇴골 헤드의 공인 공급업체가 되었다. MAC 바이오세라믹스는 1985년부터 HIP 비톡스® 알루미나를 제조하면서 알루미나 세라믹 소재 임상 역사가 가장 길다.[14] 따라서 아파타이트 구조를 가진 일부 칼슘 결핍 인산염은 트리칼슘 인산염의 예상 결정 구조를 나타내지 않았음에도 불구하고 "트리칼슘 인산염"으로 상용화되었다.[14]

현재 HA로 기술된 수많은 상용 제품은 다양한 물리적 형태(예: 과립, 특정 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 블록)로 이용 가능하다. HA/폴리머 복합체(HA/폴리예틸렌, HAPEX)TM)은 또한 정형외과 및 치과용 임플란트용 이어 임플란트, 연마재 및 플라즈마 스프레이 코팅에도 상업적으로 사용할 수 있다.[14]

미래 트렌드

생물역학은 암에 대한 가능한 치료법으로 제안되어 왔다. 두 가지 치료 방법이 제안되었다: 온열과 방사선 치료. 온열 치료는 페라이트나 다른 자성 물질을 포함하는 생체세라믹 물질을 이식하는 것을 포함한다.[15] 그런 다음 이 영역은 교대로 자기장에 노출되어 임플란트와 주변 영역이 가열된다. 또는 생체세라믹 물질은 β 방출 물질로 도핑하여 암 부위에 이식할 수 있다.[2]

다른 경향은 특정 작업에 대한 공학 생물역학을 포함한다. 현재 진행중인 연구는 생체적합성을 향상시키기 위해 물질의 화학, 구성, 그리고 미세구조와 나노구조물을 포함한다.[16][17][18]

참고 항목

참조

  1. ^ P. Ducheyne, G. W. Hastings (편집자) (1984) CRC 금속 및 세라믹 바이오 소재 vol 1 ISBN0-8493-6261-X
  2. ^ a b J. F. 섀클포드 (편집자)(1999) MSF 생물역학 응용의학 ISBN 0-87849-822-2
  3. ^ H. 오오니시, H. 아오키, K. 사와이(편집자)(1988) 바이오케라믹스 vol. 1 ISBN 0-912791-82-9
  4. ^ Hench, Larry L. (1991). "Bioceramics: From Concept to Clinic" (PDF). Journal of the American Ceramic Society. 74 (7): 1487–1510. CiteSeerX 10.1.1.204.2305. doi:10.1111/j.1151-2916.1991.tb07132.x.
  5. ^ T. 야마무로, L. Hench, J. Wilson (편집자) (1990) 생체활성 세라믹의 CRC 핸드북 Vol II ISBN 0-8493-3242-7
  6. ^ a b 카신저, 루스 세라믹스: 매직 팟에서 맨메이드 본즈까지. 브룩필드, CT: 21세기 도서, 2003, ISBN 978-0761325857
  7. ^ Oonishi, H.; Aoki, H. (1989). Sawai, K. (ed.). Bioceramics: Proceedings of 1st International Bioceramic Symposium. Ishiyaku Euroamerica. p. 443. ISBN 978-0912791821. Retrieved 17 February 2016.
  8. ^ D. Muster (편집자) (1992) 생체재료 경조직 보수 및 교체 ISBN 0-444-88350-9
  9. ^ Kinnari, Teemu J.; Esteban, Jaime; Gomez-Barrena, Enrique; Zamora, Nieves; Fernandez-Roblas, Ricardo; Nieto, Alejandra; Doadrio, Juan C.; López-Noriega, Adolfo; Ruiz-Hernández, Eduardo; Arcos, Daniel; Vallet-Regí, María (2008). "Bacterial adherence to SiO2-based multifunctional bioceramics". Journal of Biomedical Materials Research Part A. 89 (1): 215–23. doi:10.1002/jbm.a.31943. PMID 18431760.
  10. ^ Market Report: World Medical Ceramics Market. Acmite Market Intelligence. 2011.
  11. ^ a b c d e f 보흐, 필리프, 니에프체, 장클로드 (2010) 세라믹 재료: 프로세스, 속성 및 응용. doi: 10.1002/9780470612415.ch12
  12. ^ a b c d e f Tamaraiselvi, T. V., S. 라제스와리. "생물세라믹 소재 생물학적 평가-검토" 탄소 24.31 (2004): 172.
  13. ^ a b Hench LL. 생물역학: 컨셉부터 클리닉까지. J Amer SeramSoc 1991;74(7):1487–510.
  14. ^ a b c 코쿠보, T. 바이오세라믹스와 그들의 임상적 응용, 영국 캠브리지, 우드헤드 출판 유한회사, 2008 ISBN 978-1-84569-204-9
  15. ^ John, Łukasz; Janeta, Mateusz; Szafert, Sławomir (2017). "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". Materials Science and Engineering: C. 78: 901–911. doi:10.1016/j.msec.2017.04.133. PMID 28576066.
  16. ^ Chai, Chou; Leong, Kam W (2007). "Biomaterials Approach to Expand and Direct Differentiation of Stem Cells". Molecular Therapy. 15 (3): 467–80. doi:10.1038/sj.mt.6300084. PMC 2365728. PMID 17264853.
  17. ^ Zhu, Xiaolong; Chen, Jun; Scheideler, Lutz; Altebaeumer, Thomas; Geis-Gerstorfer, Juergen; Kern, Dieter (2004). "Cellular Reactions of Osteoblasts to Micron- and Submicron-Scale Porous Structures of Titanium Surfaces". Cells Tissues Organs. 178 (1): 13–22. doi:10.1159/000081089. PMID 15550756. S2CID 20977233.
  18. ^ Hao, L; Lawrence, J; Chian, KS (2005). "Osteoblast cell adhesion on a laser modified zirconia based bioceramic". Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 16 (8): 719–26. doi:10.1007/s10856-005-2608-3. PMID 15965741. S2CID 20642576.