교정용 골면 고정장치용 초내식성 스테인리스강 miniplate의 특성

Abstract

[한글]

교정치료 시의 고정원으로 사용하기 위한 miniplate의 경우라면 두께가 얇으면서도 충분한 강도를 필요로 하고, 제각기 다른 골면의 굴곡에 맞게 약간의 절곡을 용이하게 할 수 있는 성형성이 요구되며, 특히 교정학 분야에서의 골면 고정의 효과적인 응용을 위한 골면 고정원의 적절한 디자인을 위해 특정한 형태를 부여하고자 할 경우에는 순수 타이타늄의 낮은 강도와 성형성, 가공성의 난점들이 주된 장애 요소로 작용하게 된다. 비교적 단기간 생체 내에 적용한다는 점과 골유착을 요하지 않는다는 점을 고려할 때, 순수 타이타늄의 높은 내식성과 생체적합성을 가지면서도 단점을 해결할 수 있는 새로운 소재의 선택이 요구된다고 사료된다.

초내식성 스테인리스강(super stainless steel)은 표면에 매우 두껍고 치밀한 부동태막을 생성하여 순수 타이타늄과 유사한 내식성을 나타내며, 순수 타이타늄과 그 합금보다 우수한 기계적 성질 및 좋은 성형성을 보여준다. 그러나 초내식성 오스테나이트 스테인리스강은 다량의 니켈(Ni)을 함유하고 있어 충분한 내식성을 보유하고 있음에도 불구하고 니켈의 함량에 따른 의구심을 갖고 있는 것이 사실이다. 왜냐하면 니켈 이온의 용출에 의한 알러지 반응은 일종의 항원-항체 반응으로 알려져 있고, 과민 반응, 접촉성 피부염, 천식 등을 야기하며 중등도의 세포 독성을 나타낸다고도 알려져 있기 때문이다.

그러므로 니켈을 다량 함유하고 있는 초내식성 오스테나이트계 스테인리스강과 니켈의 함량이 적은 초내식성 듀플렉스 스테인리스강 및 초내식성 페라이트 스테인리스강을 기존 재료인 316L 스테인리스강 및 타이타늄과 비교 연구함으로써 열처리에 따른 생체재료의 기본적인 특성인 기계적 성질과 부식저항성 및 니켈 이온 용출량을 알아보고 또한 니켈의 함량이 세포독성에 직접적으로 영향을 주는지를 확인하여 초내식성 스테인리스강 miniplate가 치과 교정과 분야에서 사용되는 골면 고정원으로서 적합한지를 알아보고자 하였다. 위 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. SR-50A가 가장 높은 22% 니켈(Ni) 함량을 보였고, SR-6DX가 7～10% 니켈 함량, SFSS가 3% 이하의 낮은 니켈함량을 보였다. 또한 SR-50A, SR-6DX가 0.2% 이상의 높은 질소 함량을 보였다. 이들 초내식성 스테인리스강들은 국부 부식에 대한 저항성을 높이기 위해 몰리브데늄(Mo) 또는 텅스텐(W)이 첨가되어 있었다.

2. 초내식성 스테인리스강들은 순수 타이타늄(Ti)와 316LSS보다 높은 경도를 갖는 것으로 나타났다. 또한 냉간 가공된 초내식성 스테인리스강들은 300～400 Hv를 보였고, 열처리한 시편은 186～285 Hv 정도였다.

3. 초내식성 스테인리스강들은 모두 유사한 동전위 분극 거동을 보였지만 316LSS는 공식이 발생되었다. 순수 타이타늄과도 유사한 내식성을 갖는 것으로 나타났다. 개방전위는 냉간압연된 상태보다 소둔 열처리된 경우 증가하였고, 침적 후 바로 개방전위가 증가하는 경향을 보였다. 초내식성 스테인리스강들은 전위 인가 후 바로 급격한 전류밀도의 감소를 보였고, 안정한 전류밀도를 침적 시간이 증가해도 유지하였다.

4. Agar overlay 실험 결과, 탈색지수는 재료에 따라 0에서 2의 값을 보였지만 세포 사멸지수는 0으로서 탈색지역에서의 세포의 사멸은 없었다. SR-50A가 세포 독성이 없었고 나머지 스테인리스강들은 미약한 독성을 보였다. MTT 실험결과, 초내식성 스테인리스강들은 87% 이상의 세포 생존율을 보여 이들 강들은 세포 독성이 미약한 것으로 나타났다.

5. 초내식성 스테인리스강들은 MC3T3-E1 골아세포의 증식에 악영향을 미치지 않았다.

6. 초내식성 스테인리스강 miniplate가 316LSS miniplate보다 상당히 높은 최대 굴곡강도를 보였다.

7. SR-50A, SR-6DX1 및 SR-6DX2 miniplate가 우수한 내식성을 보였고, 316LSS는 390 mV(SCE)에서 공식이 발생하였다. 모든 miniplate가 침적 후 즉시 안정된 개방전위를 갖는 것으로 나타났으나 316LSS는 상승속도가 낮았다. SFSS를 제외한 모든 miniplate들이 전위를 인가한 후 바로 전류밀도의 감소를 보였다. 316LSS miniplate는 안정한 전류밀도를 보이다가 급격한 전류밀도의 증가를 보였다.

8. 실험군 중, SR-50A, SFSS X5 및 316LSS이 낮은 용출량을 보였고 SR-6DX1 및 SR-6DX2 그리고 SFSS X2가 상대적으로 높은 니켈(Ni) 용출량을 보였다 . 그러나 절대적 니켈(Ni) 이온 용출량은 실험군 모두에서 극미량이었다.

이상의 연구 결과로 초내식성 스테인리스강들은 높은 강도와 우수한 내식성을 보유하고 있고, 이온용출, 세포독성 및 세포 증식도에 있어서도 우수한 특성을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 그리고 니켈(Ni)을 다량 함유하고 있는 초내식성 스테인리스강인 SR-50A가 니켈 이온 용출량 및 용출속도가 낮고, 세포 독성이 없는 결과를 보인 것은 생체적합성을 결정 짓는 중요한 인자인 부동태 피막의 특성 때문이라 판단된다.

결론적으로 본 연구에 사용된 초내식성 스테인리스강들은 높은 내식성 및 기계적 특성을 보유하고 있고 세포독성이 없거나 무시할 정도이므로 생체 금속재료로서의 조건을 만족시키는 것으로 사료된다.

[영문]Nickel is one of the most common causes of allergic contact dermatitis and hypersensitivity. In case of stainless steel as biomaterials, the higher the corrosion resistance and the lower the nickel content, the better it is for the human body. However, because nickel plays an essential role in the stabilization of the austenitic phase and the corrosion resistance of stainless steel, it is difficult to remove the nickel from the constituents of stainless steels completely. Therefore, the purpose of this study was to investigate corrosion resistance, cytotoxicity, and mechanical property of super stainless steels, which had high corrosion resistance by synergistic effect of Mo(or W) and N, with respect to nickel content and to evaluate their potential for orthodontic applications. Super austentic stainless steel(SR-50A) had high nickel content of 22% and super duplex stainless steels nickel contents of 6～10%. Super austentic and duplex stainless steels had nitrogen contents of above 0.2%. Also, these steels had high Mo or W contents which were able to increase the localized corrosion resistance. In terms of hardness, super stainless steels, which had Vickers hardness values of 374～400 Hv in cold-rolled state and 186～285 Hv in annealed state, exhibited higher values than 316LSS. Duplex stainless steels exhibited higher mechanical properties than austenitic stainless steels. In terms of corrosion resistance, super stainless steels exhibited lower passive current density(2.3～3.8 ㎂/cm2) than pure Ti(6.6 ㎂/cm2) in the body-simulated solution and similar potentiodynamic polarization behaviors. Pitting corrosion occurred in 316LSS but not in the others. Thus these steels were considered to have high corrosion resistance in the human body. In terms of cytotoxicity, SR-50A exhibited none cytotoxicity and the others slight. This results indicated that the cytotoxicity of alloys containing nickel had no relation with nickel content because SR-50A with the highest nickel content exhibited no cytotoxicity