흡수성 금속 임플란트의 기계적 성질 평가, 부식 메커니즘 및 체내 분해 특성에 관한 종합적 고찰 doc_id CNTS-00118871651_3

마그네슘 합금의 기계적 성질은 ASTM B557, ASTM E8/E8M에 준하여 평가할 수 있다. 임상 사용 환경 하에서 필요한 강도, 연성, 피로강도 등을 정량적으로 파악하는 것이 중요하지만 분해과정의 기계적 성질을 평가가 필요할 수 있다. 바, 와이어, 시트, 스트립, 플레이트, 튜빙 또는 단조 가공된 원재료 및 주조된 합금으로부터 생산되는 주조물의 인장 특성은 부식 전 기계적 특성을 평가하기 위해 ASTM E8/E8M, ASTM B557M 또는 ISO 6892-1를 활용할 수 있다. ASTM E18 또는 ASTM E384에 따른 경도 시험은 부식 전 마모 저항이나 마멸 속성을 특성 확인 용도로 사용할 수 있다. ASTM E290에 따른 시트, 스트립 및 튜빙 원재료의 굽힘 만드렐 지름 시험은 원재료가 수술용 이식재로의 가공을 위해 만족스러운 성형성을 가지는지 검증하는 용도로 사용될 수 있다. 수용액내에서 흡수성 금속은 산화 환원(reduction-oxidation, redox) 반응으로 부식된다. 흡수성 금속이 분해되는 동안 금속은 산화되고 방출된 금속 이온은 인체내의 전해질과 화합물을 형성할 수 있다. 전기 화학적 전위가 낮은 금속(예: 마그네슘 및 아연)의 경우, 주요 환원 반응은 금속 산화에서 생성된 물과 전자가 수산화물과 수소 가스로 반응하는 수소 발생 반응이다. 하지만, 철은 전기화학적 전위가 높고 체내의 pH 범위에서 전자가 용존 산소의 환원 반응에서 소비되어 일반적으로 가스 부산물을 생성하지 않는다. 수술 직후, 대부분의 흡수성 금속 임플란트의 표면에서는 부동태막이 생성되는데, 이 부동태막이 충분히 생성되어 부식속도가 안정화될 때까지 비교적 높은 부식 속도가 초기 반응에서 나타낼 수 있다. 용액에 잠겨있는 두 금속 사이에 외부에서 미세한 전류를 가하면 부식율이 낮은쪽의 분극 정도가 심하다. 수 밀리볼트로 작은 전위 변화 범위 내에서는 분극 곡선 원점을 중심으로 겉보기 전류와 전위변화 사이에 선형관계가 존재하고, 부식속도가 분극곡선 기울기에 반비례한다는 것이 밝혀졌다. 전기화학적 부식 평가는 특정 기간 동안 전해질에 침지된 시료 대비 표준 칼로멜(calomel) 전극의 부식 전위 Ecorr(Electrochemical corrosion potential, free corrosion potential 또는 open-circuit potential)을 측정하면서 시작하게 된다. 일반적으로 시료는 개방회로전압의 각 측면에서 ±10 mV 차이에서 분극되며, 시험체 전극(working electrode)과 대극(counter electrode) 사이의 유도 전류가 기록된다. 내부식성은 전위-대-전류 곡선의 기울기로써 측정된다. 흡수성 금속의 고유한 특징은 결국 기계적 하중 지지 능력의 상실이다. 이 문제가 조기에 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다. 따라서, 분해속도 및 분해특성은 시간이 흘러 임플란트가 파손되더라도 문제가 발생되지 않도록 이식 부위에서 조직의 치유 기간과 적합해야 한다. 일반적으로, 흡수성 금속 부식은 균일하거나 불균일한 방식으로 발생한다. 노출된 표면으로부터 물질이 균일하게 침식되는 균일한 부식이 좀 더 예측 가능하고 일반적으로 바람직하다. 불균일한 부식은 예상보다 더 빠르거나 느리게 기계적 성능 손실을 가져올 수 있는데 다음의 세 가지 과정 중 하나의 형태로 진행될 수 있다. 1) 응력 부식 균열(stress corrosion cracking, SCC)은 응력과 부식의 상호 작용 효과로 인해 비교적 낮은 응력에서 균열을 유발하는 현상이다. 2) 부식 피로는 응력 부식 균열과 관련이 있지만 정적 하중보다는 동적 하중과 관련이 크다. 3) 마지막으로, 피팅 부식(pitting corrosion)은 표면의 국소 부분이 주변 영역보다 더 빠르게 부식되어 공동을 형성할 때 발생하며 단면적과 응력 집중을 유발한다. 응력 부식 균열 및 관련 현상의 가능성에 대한 평가는 설계 과정의 초기에 이러한 특성을 보이는 민감한 원재료를 선별해야 한다. 체내는 복잡한 조합의 전해질을 포함하고 있기때문에 금속이 변환되는 동안 초기에 형성된 금속 화합물은 2차 및 3차 화합물로 추가적으로 반응될 수 있다. 이러한 반응은 임플란트를 둘러싼 특정 환경에 따라 달라지며 임플란트 부위에 따라 다를 수 있다. 금속 성분은 최종적으로 안정된 물질로 도달하기 전에 다수의 부식 반응을 겪으며, 체내 조직으로부터 제거되기도 하고 체내에서 안정한 분자 형태로 남아있을 수 있다. 합금의 각 원소의 부식 과정은 부식 거동과 국소 이온 종에 따라 결정된다. 반응 경로는 부식 반응이 일어나는 전해 환경에 큰 영향을 받으며 금속 수산화물, 산화물 및 후속 반응이 인산염 및 탄산염을 형성할 수 있다. 흡수성 금속의 최종 부식 생성물은 인회석(apatite)과 같은 인산염(phosphate) 및 칼슘계(calcium-based) 화합물일 수 있다. 이 화합물은 체내에서 매우 안정적이며 매우 긴 생물학적 대사 경로에 의해서만 없어지게 된다. 따라서, 흡수성 금속 임플란트가 완전히 흡수되더라도 생리 기능에 무시할만큼 영향을 미치는 인산염 화합물 형태의 잔류물이 존재할 수 있다. 흡수성 금속에 사용되는 합금 원소는 미세 구조에 영향을 미치기 때문에 흡수 과정 관점에서 미세 구조의 영향을 고려해야 한다. 합금 원소는 상대적인 용해도 및 제조 이력에 따라 분리된 형태 또는 금속 간 화합물의 형태일 수 수 있다 금속 내에서 상이한 원소, 또는 금속의 화학적으로 불균일한 영역은 상이한 속도로 분해 생성물로 변환될 수 있다. 예를 들어, 금속간 상은 전기학적 관계에 따라 기지층보다 빠르거나 느리게 부식될 수 있다. 경우에 따라서, 이러한 관계는 약간의 부식식도 제어를 위해 임플란트 설계 시 이용될 수 있다. 대부분은 금속 변환과 이후 산화물 변환 과정이 발생하고, 금속 간 상분율에서 합금 원소가 기지층보다 더 안정한 경우, 해당 합금 원소는 훨씬 더 오랫동안 임플란트 부위에 남아있을 수 있다. 따라서 합금 원소가 더 안정적인 상을 형성할 수 있는지, 그리고 산화물 또는 다른 분해산물로 변환되어 없어질 때까지 이들이 체내에 머무를 수 있는 기간을 고려하는 것이 중요하다. 충분히 작고 안정된 상은 식균작용(phagocytosis)에 의해 없어질 수 있다. 체내에서 잔류 시간이 길 것으로 예상된다면 조직 기능에 대한 영향을 고려해야 한다. 생체모사용액(simulated body fluid)에서 체외 분해속도 (in vitro degradation test)를 측정하는 것은 흡수성 금속과 그것으로 만들어진 임플란트의 부식 특성을 이해하는 데 있어 수행해야 할 첫 번째 중요한 단계이다. 하지만, 체외(in vitro) 분해속도를 측정하는 것이 체내(in vivo) 분해속도를 측정하는 것을 대체할 수는 없다. 생체모사용액을 사용하는 것으로는 체내 존재하는 복잡한 환경들(전해질, 세포, 응력, pH 등)을 완벽하게 재현해 낼 수 없다. 침지(immersion) 또는 전기화학적(electrochemical) 시험 방법들은 다양한 종류의 흡수성 금속이나 제조공정별 변화를 비교하는데 적합하다. 하지만, 이러한 시험들이 체내에서의 부식속도를 정확하게 평가한다고 기대하기는 어렵다.