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)

  1. 생체 재료의 생체 적합성에 대한 개념으로 옳은 것은 무엇인가?
  2. 뼈와 직접 화학적으로 결합하는 생체 활성 세라믹스는 무엇인가?
  3. 하이드록시아파타이트 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂의 Ca/P 몰비는 얼마인가?
  4. 치과용 임플란트 등에서 순수 티타늄에 대해 말하는 골유착의 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  5. 인공 고관절의 스템에 뼈보다 훨씬 영률이 높은 금속을 사용했을 때 문제가 되는 응력 차폐의 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  6. 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?
  7. Ti-Nb-Ta-Zr계와 같은 β형 티타늄 합금이 뼈를 고정하는 임플란트용으로 개발되어 온 주된 이유는 무엇인가?
  8. 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.
  9. 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.
  10. 이트리아 부분 안정화 지르코니아(Y-TZP)로 만든 인공 고관절 골두에서 문제가 된 저온 열화에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  11. 인공 관절의 고정에 사용하는 PMMA(폴리메타크릴산메틸) 골 시멘트에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  12. 흡수성 봉합사나 뼈 고정 핀에 사용되는 폴리락트산(PLA)이 체내에서 분해되는 주된 반응은 무엇인가?
  13. L-이성질체만으로 이루어진 결정성 폴리-L-락트산(PLLA) 뼈 고정 핀은 체내에서 완전히 흡수되기까지 수년이 걸린다. 분해를 빠르게 하는 방법으로 옳은 것은 무엇인가?
  14. 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?
  15. 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.

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