생체 재료
생체 적합성의 개념, 생체 불활성·생체 활성·생체 흡수성 세라믹스, 티타늄과 β형 티타늄 합금, 골유착(osseointegration), 응력 차폐와 다공질화, 초탄성, 생분해성 고분자와 마그네슘을 3지선다 문제로 학습합니다.
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생체 재료 핵심 정리
생체 재료는 체내나 체표면에서 생체와 접촉하면서 기능을 하는 재료입니다. 생체 적합성은 재료만으로 정해지는 성질이 아니라, 용도에 맞는 적절한 생체 반응을 수반하며 작동할 수 있는지로 판단합니다. 세라믹스는 체내에서 거의 반응하지 않는 알루미나나 지르코니아 같은 생체 불활성 재료, 뼈와 결합하는 하이드록시아파타이트나 생체 활성 유리, 흡수되어 뼈로 대체되는 β-TCP 등으로 나눌 수 있습니다.
뼈를 지지하는 임플란트에는 내식성이 뛰어나고 뼈와 직접 접하는 티타늄이나 Ti-6Al-4V, Co-Cr 합금이 사용됩니다. 뼈보다 훨씬 강성이 높은 금속이 하중을 담당하면 뼈에 가해지는 자극이 줄어 뼈가 약해지는 응력 차폐가 일어나므로, 영률이 낮은 β형 티타늄 합금이나 다공질 금속이 개발되고 있습니다. 역할을 마친 후 사라지는 부재에는 가수분해로 분해되는 폴리락트산 등의 생분해성 고분자나, 체액 속에서 부식되는 마그네슘 합금이 사용됩니다.
생체 재료 문제 목록(15문제)
- 생체 재료의 생체 적합성에 대한 개념으로 옳은 것은 무엇인가?
- 뼈와 직접 화학적으로 결합하는 생체 활성 세라믹스는 무엇인가?
- 하이드록시아파타이트 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂의 Ca/P 몰비는 얼마인가?
- 치과용 임플란트 등에서 순수 티타늄에 대해 말하는 골유착의 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 인공 고관절의 스템에 뼈보다 훨씬 영률이 높은 금속을 사용했을 때 문제가 되는 응력 차폐의 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 피질골(영률 20 GPa)과 같은 단면적의 Ti-6Al-4V(영률 110 GPa) 막대가 평행하게 접합되어 길이 방향으로 함께 인장 하중을 받고 있다. 둘의 변형률이 같을 때, 전체 하중 중 뼈가 담당하는 비율에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- Ti-Nb-Ta-Zr계와 같은 β형 티타늄 합금이 뼈를 고정하는 임플란트용으로 개발되어 온 주된 이유는 무엇인가?
- 열린 기공을 가진 다공질 티타늄의 영률을 깁슨-애시비 식 E* = Es(ρ*/ρs)²으로 추정한다. 치밀한 티타늄의 영률을 Es = 110 GPa, 기공률을 60%라고 하면 E*에 가장 가까운 것은 무엇인가? ρ*/ρs는 상대 밀도로 한다.
- 치열 교정 와이어나 스텐트에 사용되는 Ni-Ti 합금(약 50 at%Ni)의 초탄성 메커니즘으로 옳은 것은 무엇인가? 사용 온도는 역변태 종료 온도 Af보다 높다고 한다.
- 이트리아 부분 안정화 지르코니아(Y-TZP)로 만든 인공 고관절 골두에서 문제가 된 저온 열화에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 인공 관절의 고정에 사용하는 PMMA(폴리메타크릴산메틸) 골 시멘트에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 흡수성 봉합사나 뼈 고정 핀에 사용되는 폴리락트산(PLA)이 체내에서 분해되는 주된 반응은 무엇인가?
- L-이성질체만으로 이루어진 결정성 폴리-L-락트산(PLLA) 뼈 고정 핀은 체내에서 완전히 흡수되기까지 수년이 걸린다. 분해를 빠르게 하는 방법으로 옳은 것은 무엇인가?
- 생분해성 고분자의 수평균 분자량 Mn이 가수분해에 의해 Mn(t) = Mn₀exp(−kt)에 따라 감소한다고 하자. k = 0.030 day⁻¹일 때, Mn이 처음 값의 20%가 될 때까지의 일수에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 생분해성 금속으로 연구되고 있는 마그네슘은 체액 속에서 Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂와 같이 부식된다. 0.10 g의 마그네슘 나사가 모두 부식되었을 때 발생하는 수소의 부피에 가장 가까운 것은 무엇인가? Mg의 몰질량을 24.31 g/mol, 37℃·1 atm에서 기체의 몰부피를 25.4 L/mol로 한다.