저농도의 불소 이온이 수산화 인회석 결정 성장의 열역학적 변화에 미치는 영향

Abstract

수산화인회석(hydroxyapatite, HA)의 결정 성장을 촉진시키는 인자로 알려진 불소 이온의 경우 저 농도 범주에서도 결정 성장을 촉진시키는지 여부에 대해 이견이 존재한다. 또한, 불소 이온이 결정 성장 과정에 직접적으로 참여하는지에 대한 연구 역시 불충분하다. 이러한 배경에서 이번 연구의 목적은 포화도가 동일하게 설계된 두 조건(25℃ 혹은 37℃)의 과포화 용액에서 불소 이온의 저농도 범주에서의 농도 변화(0ppm, 0.1ppm, 또는 1.0ppm)가 수산화인회석을 이용한 결정 성장에 어떠한 영향을 미치는지를 살펴보는 것이다. 실험 용액의 칼슘과 인산 이온의 농도는 각각 1mM과 3mM로 통일하였으며, 불소 이온의 농도, 반응 용액의 온도, 또는 결정 핵 물질의 존재 여부에 따라 총 8군의 실험 용액을 준비하였다. 각 실험 용액은 HA가 seed material로 들어있는 반응주를 평균 2.5mL/hr 유속으로 48시간 동안 통과한다. 실험 용액의 반응 전과 후의 칼슘 및 불소 이온 농도의 변화량을 측정하였고, 이를 바탕으로 통계 분석을 진행하였다. 결정 핵 물질 여부와 온도 조건에 따른 칼슘 이온의 소모량 분석에서는 결정핵 물질이 존재하지 않는 군, 결정핵 물질이 존재하는 25℃ 조건, 결정핵 물질이 존재하는 37℃ 조건 순으로 칼슘이온의 소모량이 순차적으로 증가하는 경향이 확인되었다. 불소 이온의 농도와 온도 조건에 따른 칼슘 이온의 소모량 분석에서는, 불소 이온 0.1ppm과 1.0ppm 조건에서 온도 조건에 따라 칼슘 이온의 소모에 유의한 차이가 관찰되었다. 또한, 불소 이온의 농도 증가에 따라서 전반적으로 칼슘 이온의 소모가 증가하는 경향을 보였다. 불소 이온의 농도와 온도 조건에 따른 불소 이온의 농도 변화 분석 결과에서는, 25℃와 37℃의 온도 조건 모두에서 불소 이온 농도에 따라 불소 이온 소모량이 증가하는 경향을 보였다. 결정 성장 과정에 대한 정성 분석은 X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS)를 통해 진행하였다. XRD 분석을 통해, 반응 후의 결정 물질이 대부분 HA 또는 불화인회석(fluorapatite, FA)으로 구성되어 있으며, 결정 성장 과정의 전구체로 여겨지는 인산팔칼슘(Octacalcium phosphate, OCP) 등이 높은 비율로 존재할 가능성은 희박함을 확인하였다. SEM 연구에서는, 결정 성장 과정의 변화를 살펴보고자 48시간 반응과 동일한 조건에서 12시간, 24시간 반응시키는 실험을 함께 진행하였다. 불소 이온 1ppm 조건의 실험군 4, 8의 모든 시간대에서 판 구조가 전혀 관찰되지 않고, 48시간 반응 시에는 바늘 모양 구조가 해당 실험군에서만 관찰되는 점이 특징적이었다. 한편, OCP는 매우 낮은 빈도로 발견되었는데 이는 OCP가 결정 성장 초기에만 형성되었다가 12시간 이전에 대부분 가수 분해되는 것으로 여겨진다. 실험군 3,4,7,8에 대해 시행한 EDS 분석에서는, 불소 이온 1.0ppm 조건의 실험군 4, 8에서 불소 이온이 결정 성장 과정에 직접적으로 참여했음을 확인할 수 있었다. 실험을 통해 도출된 결론은 다음과 같다. 1) 결정 성장에서 OCP는 결정 성장 초기에만 형성되었다가 12시간 이전에 대부분 가수 분해되는 것으로 보인다. 2) 불소 이온이 OCP의 가수분해를 촉진하며 결정 표면에서 FA와 HA가 함께 성장하는 것으로 볼 수 있다. 3) 불소 이온 농도 1.0ppm에서 0.1ppm과 0ppm에 비하여 결정 성장의 증가량과 불소 이온의 결정 참여율이 증가하는 경향을 보였으며, 이러한 경향성은 25℃보다 37℃에서 두드러졌다.