β에서 양극으로 성장한 TiO2 나노와이어 표면의 조골세포 전구체 세포의 증식

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7895(2022) 이 기사 인용

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연구에 따르면 양극으로 성장한 TiO2 나노튜브(TNT)는 탁월한 생체 적합성을 나타냅니다. 그러나 TiO2 나노와이어(TNW)는 그다지 주목을 받지 못했습니다. 이 연구의 목적은 Ti-35Nb-7Zr-5Ta(TNZT) 합금의 전기화학적 양극산화 처리에 의해 성장한 TNW 표면에서 조골세포 전구체 세포의 증식을 조사하는 것이었습니다. TNT 및 평평한 TNZT 표면을 대조 샘플로 사용했습니다. MC3T3-E1 세포를 시료 표면에 최대 5일 동안 배양하였고, 형광현미경, 비색분석 및 주사전자현미경을 이용하여 세포 생존율 및 증식을 조사하였다. 결과는 실험 조건 사이에서 세포 생존에 큰 차이 없이 대조군 샘플과 비교하여 TNW 표면에서 더 낮은 세포 증식률을 보여주었습니다. 접촉각 측정은 TNW에 대해 우수한 수준의 친수성을 나타냈지만 상대적으로 얇은 직경과 높은 밀도로 인해 세포 증식에 ​​영향을 줄 수 있습니다. 생체 적합성에 영향을 미치는 모든 매개 변수를 이해하려면 더 많은 연구가 필요하지만 이러한 TiO2 나노 구조는 다른 응용 분야 중에서 뼈 결함 치료 및 뼈 조직 재생을 위한 유망한 도구가 될 수 있습니다.

티타늄과 그 합금은 비강도(무게 대비 강도 비율)가 높고 금속 중에서 생체 적합성이 가장 좋습니다. 티타늄은 자연적으로 표면에 산화물(TiO2)을 형성하여 수성 매질에서도 부식을 효과적으로 방지합니다. 따라서 상대적으로 높은 생산 비용에도 불구하고 티타늄은 많은 응용 분야, 특히 항공우주1 및 생물의학 산업2에서 유리합니다. 저온에서 순수 티타늄은 α 상으로 알려진 육각형 밀집 결정 구조를 가지며, 882 °C에서 β 상으로 알려진 체심 입방 구조로 동소체 변형을 겪습니다. 더 낮은 온도에서 β 상을 안정화하기 위해 Mo, Nb, V 및 Ta와 같은 합금 원소를 티타늄에 첨가할 수 있습니다. 티타늄 합금은 생체의학 재료, 특히 경조직을 대체하는 데 사용되는 재료를 제조하는 데 널리 사용됩니다. 티타늄의 β상은 상당히 낮은 탄성률을 나타내어 임플란트와 뼈 사이의 기계적 호환성을 높입니다. 임플란트의 탄성률은 뼈의 탄성률과 최대한 가까워야 골밀도 손실(골감소증)을 유발하고 결국 임플란트 실패로 이어질 수 있는 심각한 문제인 응력 차폐 효과3를 줄일 수 있습니다. 상업적으로 순수한 티타늄이나 스테인레스 스틸과 같이 일반적으로 사용되는 생체 재료의 탄성 계수는 ​​뼈의 탄성 계수보다 최대 6배 더 높을 수 있습니다4. 최근에는 4차 Ti-Nb-Zr-Ta 시스템을 기반으로 하는 β형 티타늄 합금이 우수한 생체 적합성과 낮은 탄성 계수로 인해 수술용 임플란트 응용 분야로 연구되었습니다. 이러한 재료 중 하나는 독성 원소가 없는 낮은 탄성 계수(약 60 GPa6,7)를 갖는 준안정 β-티타늄 합금인 Ti-35Nb-7Zr-5Ta(TNZT)입니다. 또 다른 중요한 관심사는 임플란트의 골유착 능력, 즉 뼈와 안정적인 고정을 형성하는 능력입니다. 임플란트가 인체에 삽입되면 염증 반응이 발생하고 이는 콜라겐 분자에 의한 임플란트 캡슐화로 끝납니다. 이러한 캡슐 형성은 피하기 어렵지만, 티타늄 기반 소재는 스테인리스강 및 Co-Cr 합금과 같은 다른 생체의학 금속에 비해 캡슐화가 최소화됩니다2.

다른 금속 생체재료에 비해 티타늄이 갖는 장점에도 불구하고, 골유착을 강화하고 임플란트 거부율을 줄이기 위해서는 추가적인 발전이 필요합니다. 임플란트의 생체적합성은 표면 화학 및 지형과 밀접한 관련이 있기 때문에 전기화학적 양극산화에 의한 TiO2 나노튜브(TNT)10의 성장을 포함하여 티타늄의 표면 변형이 광범위하게 연구되었습니다8,9. 후자는 불소 함유 전해질로 분리된 티타늄 또는 티타늄 합금 기판(양극)과 상대 전극(음극) 사이에 전위를 적용하는 것과 관련됩니다. 양극 산화 동안 TNT의 형성은 동시 공정의 조합으로 인해 발생하며, 이는 TiO2 층의 현장 보조 성장과 불화물 함유 전해질에 의한 TiO2의 화학적 용해 사이의 경쟁으로 요약될 수 있으며, 주로 튜브에서 발생합니다. 베이스11. TNT의 양극 성장 동안, "대나무 분할 모델"12로 알려진 TNT의 수직 분할 과정을 통해 TNT 상부에 TiO2 나노와이어(TNW)가 형성될 수 있습니다. 최종 나노구조는 상단에 TNW가 있는 TNT로 구성되며, TNW의 길이는 TNT의 길이보다 훨씬 길 수 있습니다. TNW 형성에 필요한 양극산화 매개변수는 기판(양극) 구성에 따라 달라질 수 있으며 TNZT 합금은 TNW 형성을 선호합니다13. TNW는 전기방사, 레이저 절제 및 산화와 같은 다른 기술로도 합성될 수 있습니다. TiO2 나노섬유(TNF)라는 용어는 문헌에서 TNW와 유사한 구조를 설명하기 위해 사용되기도 합니다. 이 두 용어 사이의 차이는 명확하지 않지만, TNW는 일반적으로 수십 나노미터 정도의 직경을 갖는 반면, TNF는 최대 1μm15의 더 큰 직경을 갖습니다. TNW와 TNF는 모두 높은 표면적을 갖고 있어 세포 부착과 증식에 도움이 될 수 있습니다. 고분자 섬유 지지체의 생체 적합성에 대한 연구는 이러한 유형의 형태가 기본 뼈 세포외 기질과의 유사성으로 인해 세포에 유리한 환경을 제공한다는 것을 보여주었습니다. 또한, 양극 성장 TNW는 기하학적 구조가 복잡한 임플란트에서도 쉽게 성장할 수 있다는 장점이 있으며, 기판에서 직접 성장하기 때문에 임플란트 표면에 부착하기 위한 추가 단계가 필요하지 않습니다.