- 대한치과보철학회지 Vol. 34 No. 1, 1996 - CaO-MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 -P 2 O 5 계 Bioglass-Ceramic 의결정화조건에따른기계적성질및생체적합성에관한연구 전북대학교치과대학보철학교실, * 전북대학교치과대학재료학교실 최현미ㆍ이민호 * ㆍ배태성 * ㆍ박찬운 I. 서론 세라믹스는내열성과압축강도가크고, 내마모성과화학적안정성이우수하며, 비중이작은특성을가지므로산업전분야와생체의용분야에서첨단소재로서의개발전망이크다 (1). 생체응용면에서금속재료는강도나파괴인성이우수한장점을갖지만, 부식에의한금속이온의용출이나높은정전인력에의한생체조직의변질등생체적합성이문제시되는경우가많으므로생체적합성이우수한결정화유리와소결성세라믹스등의생체용요업재료에많은관심이집중되고있다. 표면활성결정화유리는재료표면에생체골과유사한 apatite 구조가형성되므로생체골과빠른화학적결합을이룬다. 유리처럼용융한후결정화열처리를행하므로성형성이좋고, 조성의선택폭이넓고, 복합결정화열처리가가능하므로다양한조성을갖는결정화유리의제조가가능하며기계적성질이우수한결정화유리를제조하기위해많은연구가이루어져왔다 (2-8). 표면활성생체유리는 SiO 2-Na 2O-CaO-P 2O 5 계유리 (9) 를시작으로많은연구가진행되었는데, 이들의공 통적인특징은 CaO 및 P 2O 5 를포함하고, 또한유리를형성하는산화물로서 apatite의생성을유도하는 SiO 2 를포함한다 (3). 이들생체유리는생체활성도면에서는우수하지만기계적성질이낮은단점을보였다. Kokubo 등 (4) 은 MgO-CaO-SiO 2-P 2O 5 계에핵생성제로 TiO2를첨가하여 MgTiO3 결정상생성에의해기계적성질을개선하였고, Knickerboc-ker 등 (5), Wu와 Hon (6) 은 MgO-CaO-SiO 2-P 2O 5 계에 Al 2O 3 를첨가하여 apatite 결정내에 anorthite 결정을생성시킴으로써굽힘강도가개선된다고하였다. Shyu와 Wu (7) 는 MgO-CaO-SiO 2-P 2O 5 계의결정화유리를제조하여 apatite내에 wollas-tonite 결정상을석출시켜기계적성질을보완하였고, Greenspan등 (8) 은낮은기계적강도를보완하기위해고강도의알루미나에표면활성유리의코팅을시도하였다. 본연구에서는 CaO-MgO-A1 2O 3-SiO 2-P 2O 5 계결정화유리를제조한다음, 열처리온도와시간변화에따른결정상의특성을조사하였고, 각시편의파괴인성을압자압입법에의해측정하였으며, 또한세포배양에의해이들의생체적합성을조사하였다. 이논문은 1994 년도한국학술진흥재단의공모과제연구비에의하여연구되었음. 169

II. 실험재료및방법 1. 유리시편의제조 본연구에서는유리시편의제조를위해특급시약 SiO 2, CaHPO4 2H2O, CaCO3, MgCO3, Al 2O 3 를사용하여 P 2O 5/Al 2O 3 의몰비가 1인 41.4wt%SiO 2-35.0wt%CaO-3.wt%MgO-12.0 wt%pao5-8.6wt%al 2O 3( 이하 PA 라칭함 ) 의조성을갖도록시약을계량하였다. 준비된시료를 24시간동안 ball mill 에의해혼합한다음, 고순도알루미나도가니에 50g 씩장입하여 SiC 전기로 (Carbolite, RHF 15/9, max.temp. 1500, ± 5 ) 에서승온속도 10 /min 으로 1450 까지가열하여 2시간용융시킨다음, 증류수중에급냉시켜비정질유리를얻었다. 급냉된유리를 ball mill과유발분쇄에의해-325mesh 통과분말로제조하였다. 2. 시차열분석및결정화열처리유리의열적변화와결정화시나타나는발열 peak 의온도를찾기위해 325mesh 통과분말을사용하여 DTA(Differential Thermal Analysis, Mac Science Co.) 열분석을행하였다. 유리시료분말을직경 5mm 의백금 cell에 20mg 담아서승온속도 10 /min, 전압25μV 의조건으로상온에서 1300 까지가열하여시차열분석하였으며, 이때표준시료로서 α-al 2O 3 를사용하였다. 결정화열처리는시차열분석곡선에나타난각조성의발열 peak 점 (Tp) 을중심으로각각연화점 (Ts), 결정화개시온도 (Tc), 1차발열 peak(tp1) 및 2차발열 peak(tp2) 의온도에서시행하였다. 준비된유리시료분말을 30MPa의압력으로두께 2mm, 지름 12mm가되도록압축성형한다음, 열분석곡선으로부터얻은발열 peak 점의온도에서 2 12시간동안열처리를행하였으며, 이어서상온까지노냉하였다. 의 Target과 monochrome-ter를부착한후, 전압과전류를 35kV,30mA로조절하였으며, scanning speed 4 /min, step size 0.05, DS 1, SS 1, RS 0.3mm 및회절범위 10 70 (2θ) 의조건에서측정을행하였다. 4. 미세조직관찰 결정화된시편의미세구조를시차열분석및 X- 선회절과비교분석하기위해각시편을 0.1 μm alumina 단계까지경면연마한다음, 5% HF 용액으로 45초간산부식하여증류수로세척한후건조시켰으며, Au ion coating 후주사전자현미경 (Hitachi X-650) 으로관찰하였다. 5. 경도및파괴인성 파괴인성을측정하기위해미소경도기 (Matsuzawa Seiki Co., Ltd) 에능각 136 의 vickers 압자를고정한다음압입하중 9.8N, 유지시간 15초의조건에서압흔을형성하였다. 그림 1은압자압입시의압흔 Fig. 1. Surface trace dimensions used to measure the half-diagonal(a) and the initial length(c). 3. X- 선회절분석 증류수에급냉한비정질유리와결정화열처리한시편의결정상을파악하기위해 X-선회절분석 (Rigaku D/max-III type) 을행하였다. X-선회절기에 CuKα 양상을나타낸것으로, 그림에표시한것과같이압흔부의영구변형의크기를표시하는대각선의반길이 a 와초기균열길이 c를측정한다음, vickers 경도 (10) 는 170

식 (4) 을, 파괴인성 (11) 은식 (2) 를적용하여계산하였다. 감하게영향을받으므로주의깊은측정이요구된다. 미소경도기에 knoop 압자를고정한다음, 압입하중 9.8N, 유지시간 15초의조건으로압흔상의대각선길이를측정하였다. 6. 세포독성평가 여기에서, Hv, 와 KIC는각각 vickers 경도와파괴인성, P는압입하중, E는탄성계수를표시한다. 식 (2) 의파괴인성측정법은충분히잘발달된 median crack에대해서적용이가능하지만, 압입하중에비해파괴인성이높은재료에서는얇은반타원형균열 (palmqvist Crack) 이형성되며, 이경우에는식 (3) 을적용하여파괴인성을계산한다 (12). 여기에서 l=c-a이다. 경험적으로는 c/a가 2.3-2.5 이하일때는표면형균열에대한평가식을, 그이상일때는 median crack에대한평가식을적용하는것이바람직하다. 식 (2) 를적용하여파괴인성을계산하기위해서는탄성계수 E의값이요구되며, 본연구에서는 knoop 압자압입법을적용하여 E의근사치를구하였다. knoop 압자압입시하중을받고있는상태에서는압흔상의긴대각선길이와짧은대각선길이의비 (a/b) 는 7.11 이된다. 그러나하중을제거하면탄성회복이일어나압흔상의대각선의길이가변화하게되며, 이들의차이로부터탄성계수를계산한다. knoop 경도 (10) 와탄성계수 (13) 는식 (4) 와 (5) 로부터얻을수있다. 여기에서, Hk는 knoop 경도, a와 b는각각압자의긴대각선길이와짧은대각선의길이, a 와b 는각각압흔상의긴대각선길이와짧은대각선의길이이다. 이방법의적용시탄성계수는짧은대각선길이에민 1) 시편의준비및세포배양세포독성검사는대조군으로 cover glass를, 실험군으로는제조한결정화유리 (PA) 를, 또한금속시편과비교를위해상용 stainless steel(sus 310) 과순티타늄판을사용하였다. 시편을 0.3μm alumina 단계까지경면연마한다음, Kawata 등 (14) 이적용한멸균법을수정하여멸균처리를행하였다. 시편을증류수및 70% 알콜로 10분씩초음파세척하여건조한다음, 각각배양병에넣고 121 에서 20분간고압멸균처리하여건조시켰다. 세포주는마우스섬유아세포주인 L929를, 배지는 RPMI 1640 medium(gibco Lab.) 을, 세포배양을위한첨가물로 fetal calf serum(fcs, Gibco Lab.) 과항균물질인 penicillin-streptomycin-fungizone mixture(gibco Lab.) 를사용하였으며, 이때의 ph는 7.25로조정하였다. 시편상에서세포배양후세포수를계산하기위해효소로 trypsin(sigma) 을, 세포배양용기는 8, 12 및 24 multi-well culture flask(corning Co. U.S.A.) 를각각사용하였다. 2) 세포독성실험 -196 의액체질소용기에보존중인마우스섬유아세포주인 L929를 37 에서신속하게용해시킨다음, 5% FCS-RPMI 1640 배지와항균물질이들어있는시험관에옮기고, 이를 10분간원심분리하여세포를회수하였다. 회수한세포의수를확인한후동일배지에접종하면서 37 의 100% 상대습도가유지된 5% CO 2 incu-bator에서계대배양하여세포의정상적인분열증식능을도립위상차현미경 (Bausch & Lomb Co., Germany) 으로확인한다음, 최종접종세포수를 2 10 4 cells/ml의동일배지로조정하여실험하였다. 시편의세포독성검사는실험용시편을배양병의중 171

Table 1. Definition and classification of cytotoxic scores based on relative growth rate (15) 앙에각각밀착시킨후, 2 10 4 cells/ml의세포부유액을 2ml 씩넣고, CO 2 incuba-tor에서 1, 3, 5 및 7일간각각배양하였다. 이때배양중인용기내의배지는 3일간격으로 1/2 씩교환하였다. 배양세포의시간경과에따른독성능은배양일정에따라배양용기를 0.25% trypsin으로처리하여부유세포를얻고, 혈구계산반을이용하여부유세포수를계산하였다. 세포수산정은각 well 당 5회실시하여평균치를구하였으며, t-test에의해대조군과실험군간의유의차를비교하였다. III. 실험성적 1. 시차열분석과 X-선회절분석 분말유리시료의열적변화와결정화온도를얻기위해시차열분석을실시한결과, 2개의발열 peak가나타났다. 유리전이온도 (T g) 가 789, 연화점 (T s) 이 847, 결정화개시온도 (T c) 가 893, 그리고 1차발열 peak(t p1) 가 929, 2차발열 peak(t p2) 가 1004 로나타났다. 그림 2는열처리온도에따른 X-선회절분석결과를나타낸것으로, 증류수에급냉한시편은전 3) 세포독성평가 세포독성능의평가를위해대조군에대한실험군의상대증식도 (relative growth rate, RGR) 를식 (6) 으로부터계산하였고, 독성판정은얻어진상대세포증식도를이용하여 Na-kamura 등 (15) 의세포독성지수에근거하여표 1과같이계산하였다. 시편의표면에부착하여자라난세포의형태학적상태를확인하기위해일정에따라배양후, 배양용기내의배지를제거하였으며, 시료의표면을 methanol로고정하여 Wright-Giemsa s stain으로처리한다음, 광학현미경 (Olympus optical Co, B07l) 으로비교관찰하였다. Fig. 2. X-ray diffraction patterns after heat treatment at 4 different temperatures for 2 hours. (A) 847 (B) 893 (C) 929 (D) 1004 형적인비정질형태를, 847 에서 2시간열처리한시편에서도주결정상의 peak가나타나지않았으나, 결 172

정화개시점직후온도인 893 에서 2시간열처리한시편에서는 apatite 결정상의석출이시작되었다. 929 에서 2시간열처리한시편은 apatite 결정상이석출되고 anorthite상의 peak도나타나고있으나, 1004 에서 2시간열처리한시편에서는 apatite 상및상대적강도가증가한 anorthite 결정상이석출되었다. 2. 미세구조관찰 사진 1은열처리온도에따른 SEM 사진으로, 연화점인 847 에서 2시간열처리한시편은비정질상을보이나N 893 에서 2시간열처리한시편은유리입자상내에서 apatite의미세결정석출이시작되고있다. 1 차발열 peak인 929 에서 2시간열처리한시편은쌀알형상의 apa-tite 결정이비정질사이에서방사선상으로퍼져있는양상을보이며, 2차발열 peak인 1004 에서 2시간열처리한시편에서는 apatite 결정상사이에서 anorthite 결정이석출되고있다. 3. 경도및파괴인성그림 3과 4는열처리온도와시간에따른 vickers 경도를도시한것으로, 열처리온도가증가할수록경도값이증가를보였으며 ( 그림 3), 열처리시간에따라서는 4 시간유지시까지는경도값의미소한증가를보였으나, 그이후에는시간에따라거의변화를보이지않았다 ( 그림4). 사진 2는 847 와 1004 에서각각 2시간 Fig. 4. Relation between ceraming time and vickers hardness at 1004. 열처리한시편에 9.8N의압압하중으로 15초간압입하였을때의균열형상을 400배의배율에서관찰한것으로, vickers압자에의한압흔상과대각선방향으로성장한 radial/median crack 양상이관찰된다. 847 에서 2시간열처리한사진에서는압흔부를중심으로한균열영역하부에서결정화유리의반투명성때문에나타나는횡방향으로성장한 lateral crack에의한 clipping 양상이관찰되지만. 1004 에서 2시간열처리한사진에서는이같은양상을보이지않았다. 그림 5는열처리시간을 2시간으로유지한상태에서열처리온도를연화점인 847 로부터 anorthite 상이 Fig. 3. Relation between ceraming temperature and vickers hardness after ceraming treatment for 2 hours. Fig. 5. Relation between ceraming temperature and fracture toughness after ceraming treatment for 2 hours. 173

Photo 1. SEM micrographs of bioglass ceramics after 2 hours heat treatment. 174

Photo 2. Optical micrograph of vickers indentation surface. 175

생성되는 1004 까지상승함에따른파괴인성치의변화를도시한것으로, 파괴인성치는열처리온도가상승함에따라증가를보였다. 그림 6은열처리온도를 1004 로유지한상태에서열처리시간의변화에따른파괴인성치의변화를도시한것으로, 파괴인성치는 4시간열처리할때까지는증가하는경향을보였으나, 그이상으로열처리시간이길어짐에따라감소를보였다. 파괴인성치의최대값과그때의경도값은 1004 에서 4시간열처리시에각각 2.07MPa m1/2과 578.84kg/mm 2 로나타났다. Fig. 6. Relatian between ceraming time and fracture toughness at 1004. 4. 미세조직관찰 사진 3은 L929 세포의배양 1일후의증식양상으로, 배양초기의분주시에원형이었던세포들이시간이경과됨에따라배양병의바닥에부착되면서점진적으로돌기를형성하며섬유아세포의특징인전형적인방추형모습을보였으며, 티타늄과스테인레스강에서는결정화유리에비해다소사멸된세포가많이관찰되었다. 배양 3일째에는 ( 사진 4) 배양병의표면에고르게분포되었으며, 대조군에서는세포가원형화된경향을보였으나, 실험군에서는대부분이방추형의형태를보이며세포의밀집도또한대조군보다저하된양상을보였다. 배양 5일째에는 ( 사진 5) 세포의밀집도가조밀 해지면서중층화되는양상을보였고, 대조군과결정화유리시편군에서는거의유사한형태로성장하여차이를보이지않았으나, 티타늄과스테인레스강시편군에서는다소저하를보였다. 배양 7일째에는 ( 사진 6) 세포가거의원형화되고세포의밀집도가치밀해졌으며, 결정화유리시편군에서는대조군과유사한형태로차이점을관찰할수없었으나, 티타늄시편군은결정화유리에비해다소세포밀도가감소하였고, 스테인레스강시편군에서는세포의수와세포의정형적인형태가실험재료중가장취약하였고, 생존률검사결과사멸된세포의수도다른시편군에비해다소많이관찰되었다. 표2는각각의시편이들어있는배양판과대조배양판의각 well에증식기의 L929 세포를 4 10 4 cells/ml의농도로접종하여배양한다음 1, 3, 5, 7일에각 well 내의세포수를측정한결과이다. 대조군의세포수는배양 1일에 7.41 10 4 cells/ml, 3일에 31.62 10 4 cells/ml, 5 일에 45.26 10 4 cells/ml, 7 일에 82.24 10 4 cells/ml로나타났다. 그러나실험군에서대응배양일에대한세포수는배양 1일및 3일에는전시편군에서대조군에비해유의한차이로서감소를보였으나 (p<0.05), 배양 5일부터회복되기시작하여배양 7일에는스테인레스강시편군에서만유의한차이로서 ( 대조군의 77.3 %) 감소를보였을뿐 (p<0.05), 결정화유리시편군과티타늄시편군에서는대조군과거의차이를보이지않았다. 표3은섬유아세포주인 L929 세포에대한시편의독성능을평가한것으로증식능측정시와동일하게접종하여배양한후경시적으로각 well 내배양세포의생존율을 dye-test로측정한것이다. 결정화유리시편군과티타늄시편군은배양전기간동안모두미약한독성반응을보이거나독성반응을거의나타내지않았다. 스테인레스강시편군에서는배양 1 일에는독성지수 3으로현저한독성반응을보였으나, 배양시간이경과할수록점차독성반응이미약해지는양상을보였다. 176

Photo 3. Photomicrographs of L929 cells cultureed for 1 day. 177

Photo 4. Photomicrographs of L929 cells cultureed for 3 day. 178

Photo 5. Photomicrographs of L929 cells cultureed for 5 day. 179

Photo 6. Photomicrographs of L929 cells cultureed for 7 day. 180

Table 2. Growth of L929 cells cultured Table 3. Cytotoxic effect of biomaterials against L929 cells IV. 총괄및고안 생체재료용결정화유리는용융된유리를성형한다음결정화열처리를행하므로생화학적장점을갖는다양한조성의결정화유리를제조하는것이가능하지만, 그의특성은생성된결정상과조직의미세구조에크게의존하므로유리의화학적조성, 핵생성제및열처리조건등에따른결정화와물성에관한많은연구가필요하다 (16). Kingery 등 (17) 은 SiO 2-P 2O 5 계에서 Al 2O3 가유리구조내비가교산소를줄여주어유리의안정성을돕는다고하였고, Wu와 Hon (18) 은 MgO-CaO- SiO 2-P 2O 5 계에 Al 2O 3 를첨가시표면층의 apatite 결정상사이에 2차상인 anorthite 결정상이석출하여표면층에압축응력이발생하므로굽힘강도가개선된다고보고하였으며, Kon 등 (19) 은 apatite와 magnesium titanate 결정상을포함하는결정화유리를제조한다음, 굽힘시험을실시하여강도증가에는 apatite 결정상보다 magnesium titanate 결정상이더효과적이며, 결정화열처리가강도와파괴인성의증가에크게영향을미친다고하였다. 본연구에서는 CaO-MgO- Al 2O 3-SiO 2-P 2O 5 계유리에서 P 2O 5/Al 2O 3 의몰비가 1 인결정화유리를제조한다음결정화온도와시간의변화에따른결정상의특성, 파괴인성및생체적합성에관하여조사하였다. 파괴인성의측정시금속재료에서는피로균열을삽입하는방법으로표준화되어있으나, 세라믹재료에서는피로균열을만드는것이용이하지않으므로다양한파괴인성측정법이적용되고있지만국제적으로표준화된방법은마련되어있지않은실정이다. 파괴인성측정시파괴역학시편을이용하는 large crack model은균열의크기가미세조직의입자에비해서크기때문에균열의크기및성장의제어가용이하지않게된다. 대부분의세라믹재료는투명한재료와는달리균열관찰이용이하지않으므로균열길이와성장속도등을관찰하지않고도파괴인성을측정하는방법을선택하는것이요구되며, 이같은관점에서시편의모양과형상에구애를받지않는압자압입에의한파괴인성측정법 (Indentation Fracture Method) 이파괴인성측정에빈번하게적용되고있다 (20). 압자압입법에의한파괴인성의계산시는me-dian 181

crack을형성해야하므로압입하중의크기에따른균열형상의관찰이요구된다. Lawn 등 (21, 22), Marshall 과 Fuller (23), Evans (24) 는압흔부의소성변형영역하부에원형의 median crack이형성된다고하였고, Cook 과 Pharr (25) 는압입에의한탄소성변형시소성변형영역하부에원형의 median crack이형성되고, 이것이최종적으로 half-penny crack으로발전한다고하였다. Evans와 Charles (26), Evans (24) 는 median crack을이용한파괴인성측정법을소개하였고, Anstis 등 (11) 은파괴역학시편과압자압입법에의한결과를비교할수있도록파괴인성계산식의상수를 0.016으로수정하였으며, Niihara 등 (12) 은압입하중이작을때형성되는얇은반타원형균열 (palmqvist Crack) 에적용이가능한파괴인성계산식을발표하였다. 파괴인성의측정시표면하에발생한균열의형상은 vickers 압흔상의대각선을따라서시편을파절시킨후균열형상을직접관찰하는것이바람직하지만, 표면에형성된균열의관찰에의해서도균열형상을쉽게예측할수있다. 그림 7은세라믹재료의표면에 vickers 압자압입시의균열발생과정을 Fig. 7. Schematic illustration of vickers indentation cracks27). (a) palmqvist crack (b) half-penny crack 도식적으로나타낸것이다 (27). 세라믹재료의표면에압입하중을가하면표면층의좁은영역에서탄소성변형이일어난다. 압자끝의압입부에는 1차적으로소성영역이형성되고, 이소성영역과탄성영역의접점에서발생한인장응력으로압자의모서리부분을따라서얇은층의반타원형균열 (palmqvist) 이형성된다. 압입하중이점차증가하게되면소성영역하부에압자의끝을따라서수직균열 (Radial Crack) 이발생하며압자의대각선방향의수직한 2면상에원형의 median crack이형성되고, 이것이최종적으로잔류응력의영향을받아반원형의 half-penny crack으로발전한다. 또한소성역과탄성역의역학적불일치로인한잔류응력으로인해소성역에횡방향의 lateral crack이발생하며, 압입하중이큰경우에는 lateral crack이시편표면으로향하게되므로반투명한세라믹스에서는 clipping 현상이나타난다. 본연구에서제조한결정화유리의경우, 847 에서 2시간열처리한비정질유리시편에서는압흔상의대각선방향으로형성된균열및균열영역하부의 lateral crack으로미루어 median crack이발생하였다고생각되고, 1004 에서 2시간열처리한시편에서는압흔상의크기에비해균열의길이가짧고 lateral crack 양상이관찰되지않는것으로부터 palmqvist crack이발생하였다고생각된다. 파괴인성은 anorthite 결정상의생성을보이는 1004 의온도까지는온도의증가에따라증가를보였는데, 이는열처리한시편의조직사진에서볼수있듯이 anorthite 결정상이 apatite 결정상의사이에침상으로석출함에따라표면에압축잔류응력층이형성되고, 또한이결정상이균열의진행을막아균열방향을변화시키므로파괴인성이증가되었다고생각된다. 결정화열처리시간의변화에따라서는 4시간까지는파괴인성의증가를보였으나그이상열처리한경우에는파괴인성의감소를보였는데, 이는결정립의조대화로인해미세조직이변화되었기때문으로생각된다. 압자압입에의한파괴인성의계산시는탄성계수와경도의비 (E/H) 값이요구된다.Lawn과 Howes (28) 는 vickers 압자압입시에균열이형성되지않는낮은하중하에서깊이방향의탄성회복도를 E/H의비로표시하였고, Marshall 등 (27) 은균열형성에크게영향을받 182

지않는 knoop 압자압입법에의해 E/H의비를결정하는방법을소개하였으며, E/H 0.03일경우오차범위 10% 이내에서 E/H의비를결정할수있고, 이것이파괴인성치의오차범위에는큰영향을미치지않는다고하였다. 본연구에서는 knoop 압흔상으로부터근사적인 E값을계산한다음 vickers 경도를측정하여 E/H의값을계산하였다. Kon (19) 등은비정질유리나 apatite 결정상보다 MgTiO3 결정상을포함하는경우에경도치가증가한다고하였으며, 이같은단단한입자상이세라믹재료내의균열경로를변화시키는데효과적이라고하였다. Kokubo 등 (29) 은 apatite를함유한결정화유리에서 β- wollastonite의결정상을많이생성시킬수록파괴표면에너지가증가하므로경도와파괴인성이증가한다고하였으며, 또한平賀등 (30) 은유리의결정화열처리시결정상생성온도에서열처리했을때가장높은경도치를갖는다고하였다. apatite 결정사이에 anorthite 결정을생성시킨본연구에서도비정질유리에비해결정화열처리를했을때경도와파괴인성이증가되는양상을보였다. 생체용결정화유리는생체라는특수한환경에서사용되어야하므로생체환경에적합한물리적, 기계적성질및적절한골결합특성을가져야하고, 또한화학적, 생화학적으로안정하여주위조직에대한과민반응이나독성반응을나타내지않아야한다 (31). 치과재료의독성이나과민반응을평가하는방법으로서, ADA 규격 (32) 에서는제1단계초기검사, 제2단계동물실험및제3단계임상전단계검사로대별해볼수있다. 본실험에서적용한세포독성검사는초기검사에속하는평가법으로서, 실험방법이비교적간단하고재현성이높으며, 또한정확한결과를얻을수있는평가방법으로, 표준화에의해다량의시편을평가할수있는경제적인실험방법 (33) 이다. 세포독성실험은세포상호간및호르몬의효과를배제한세포개개의대사과정에미치는재료의영향을평가할수있는방법으로, Spanberg (33) 는생체외에서의세포독성실험이재료의생물학적영향을평가하는가장간편한방법이라하였다. 이러한세포독성실험은세포혹은핵수의산정및질량을측정하는직접법 (34) 과이와연관성을 갖는세포내 DNA, RNA 및단백질함량을측정하는간접법 (31) 이있으며이외에도방사선동위원소를이용하는방법 (33), 효소기능측정법 (35) 및세포내대사량측정법 (36) 등의방법이보고되고있다. 본연구에서 L929 세포의증식양상과세포수및독성능평가를실시한결과, 스테인레스강시편군은배양시간의경과에따라증식양상이나머지시편군과큰차이를보였으나, 제조한결정화유리와티타늄시편군은배양 3일째까지는대조군 (cover glass 배양군 ) 과유의한차이를보였으나 (p<0.05), 7 일후에는유사한증식양상을보였다. 그러나, 결정화유리시편군이티타늄시편군에비해세포밀도가높고, 또한사멸된세포의수도적은것으로보아결정화유리의생체적합성이금속시편보다우수함을알수있다. V. 결론 본연구에서는 CaO-MgO-Al 2O 3-SiO 2-P 2O 5 계의열처리온도와시간변화에따른결정화특성과압자압입법에의한파괴인성및 L929 세포의배양을통한생체적합성을평가한결과, 다음과같은결론을얻었다. 1. 주결정상은 apatite와 anorthite로나타났으며, 1004 에서열처리했을때 anorthite 상의상대적강도가증가하였다. 2. 경도와파괴인성은anorthite상이생성되는 1004 까지는열처리온도의상승에따라증가를보였다. 3. anorthite 상이생성되는 1004 에서 4시간열처리시, 경도와파괴인성이각각 578.84 kg/mm 2 과 2.07 MPa m1/2으로최대를보였다. 4. 결정화유리의 L929 세포에대한증식양상과세포독성검사결과는스테인레스강이나티타늄에비해우수하게나타났다. 183

참고문헌 1. 金炳扈 : 結晶化유리. 民音社., 33, 1983. 2. Hench, L. L. : Bioceramics. From concept to Clinic., J. Am. Ceram. Soc., 74 : 1487, 1991. 3. 小久保正 : 生體を修復するラミツクス, 日本 屬學會會報., 30 : 490, 1991. 4. Kokubo, T., Sakka,S., Sako, M. and Lkejiri, S. : Preparation of Glass-Ceramic Containing Crystalline Apatite and Magnesium Titanate for Dental Crowns, J. Ceram. Soc. Jpn. Inter. Ed., 97 : 263, 1989. 5. Knickerbocker, S. H., Kumar, A. H. and Herron, L. W,. Cordierite Glass-Ceramics of Multilayer Ceramics Packaging, Am. Ceram. Soc. Bul., 72 : 93, 1993. 6. Wu,S.S. and Hon, M. H. : Effects of Al/P Compmsition Ratio on the Crystallization of MgO-CaO-Al 2O 3-SiO 2-P 2O 5 BioGass-Ceramic System, J. Ceram. Soc. Jpn., 101 : 628, 1993. 7. Shyu, J. J. and Wu, J, M. : Crystallization of MgO-CaO-SiO 2-P 2O 5 Glass, J. Am. Ceram. Soc,, 73 : 1062, 1990. 8. Greenspan, D. C. and Hench, L. L. : Chemical and Mechanical Behavior of Bioglass-Coated Alumina, J. Biomes. Mater. Res., 7 : 503, 1976. 9. 作花濟失 : ニユ-ガラス, 日刊工業新聞社., 179, 1988. 10. 梁勳永, 金水永編著 ; 屬材料學, 文運堂., 89, 1987. 11. Anstis, G. R., Chantikul, P., Lawn B. R. and Marshall, D. B. : A Critical Evaluation of indentation Techniques for Measuring Fracture Toughness : I, Direct Cract Measurements, J. Am. Ceram. Soc.. 64 : 533, 1981. 12. Niihara, K., Morons, R. and Hasselman, D. P. H., J. Mater. Sci. Letters 1 : 13,1982. 13. Marshall, D.B., Noma T. and Evans,A. G. : A Simple Method for Determining Elastic- Modulus-to-Hardness Ratios using Knoop Indentation Measurements, J. Am. Ceram. Soc., C-175 C-176, 1982. 14. Kawata, Y., Shiota, M., Tsutsui, H., Yoshida, Y., Sasaki, H, and Kinouchi, Y. : Cytotoxicity of Pd- Co dental casting ferromagnetic alloys, J. Dent. Res., 60 : 1403, 1981. 15. Nakamura, M., Koda, H. and Kawahara, H. : A proposition for long-term biocompatibility test of dental materials in vitro, Dent. Mat. J., 2. 113, 1983. 16. 小久保正 : 醫用生體材料學としてのガラス關蓮材料學の最新の進步, 日本セラミツクス協會學術 文誌., 99 : 965, 1991. 17. Kingery, W. D., Brown, H. K. and Uhlmann, D. R. : Introduction to Ceramics, McGraw-Hill, New York., 1975. 18. Wu,S.S. and Hon, M. H. : Effects of Al/P Compmsition Ratio on the Crystallization of MgO-CaO-Al 2O 3-SiO 2-P 2O 5 Bioglass-Ceramic System, J. ceram. Soc. Jpn., 101 : 626, 1993. 19. Kon, M., Kawano, F., Tada, Y., Inoue, S., Asaoka, K. and Matsumoto, N. : Effect of Crystallization on Fracture Strength of Cartable Glass-Ceramics Containing Two Crystals, Dent. Mater. J., 13 : 47, 1994. 20. 西田俊彦, 安田榮一編著. : セラミツクスの 學的特性評價, 日刊工業新聞社., 1985. 21. Lawn, B. R. and Fuller, E. R.. Equilibrium Penny-like Cracks in indentation Fracture, J. Mat, Sic., 10 : 2016, 1975. 22. Lawn, B. R., Evans, A. G. and Marshal1, D. B. : Elastic/plastic indentation damage in ceramics : The Median/Radial Crack System, J. Am. Ceram. Soc.,63 : 574,1980. 23. Marshall, D. B, and Fuller,E. R.. Controlled flaws in ceramics : A comparison of knoop and vickers indentation, J. Am. Ceram. Soc., 66 : 127, 1983. 24. Evans, A. G. : Fracture toughness : The role of indentation techniques. in : Fracture Mechanics Applied to Brittle Materials, Freiman,S.W., ed., 184

ASTM STP 678 : 112, 1979. 25. Cook, R. F. and Pharr,S. M. : Direct observation and analysis of indentation cracking in glasses and ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 73 : 787, 1990. 26. Evans,A.G. and Charles, E.A. : Fracture toughness determinations by indentation, J. Am. Ceram. Soc., 59 : 371, 1976. 27. Marshall, D. B. : Residual Stress Effects in Shape Contact Cracking, J. Mat. Sci., 13 : 2001, 1979. 28. Lawn, B. R. and Howes, V. R. : Elastic recovery at hardness indentations, J. Mater. Sci. 16 : 2745, 1981. 29. Kokubo, T., Ito, S., Shigematsu, M. and Sakka,S. : Mechanical properties of a new type of apatitecontaining glass-ceramic for prosthetic application, J. Mater. Sic., 20 : 2001, 1985. 30. 平賀將浩, 渡邊善傳, 池田正樹, 西野敦 : MgO-BaO- SiO 2-B2O3; 系ガラスの結晶化と表面特性, J. Ceram. Soc. Jpn., 100 : 1074, 1992. 31. Evans, E. J. : Toxicity of hydroxyapatite in vitro : the effect of particle size, Biomaterials., 12 : 574, 1991. 32. ANSl/ADA Document No. 41 for recommended standard parctices for biological evaluation of dental materials J. Am. Dent. Assoc., 99 : 697, 1979. 33. Spanberg, L. : Kinetic and quantitative evaluation of material cytotoxicity in vitro. Oral surg., 35 : 389, 1973. 34. 川原春幸 : ィンプラント用 屬材料の細胞毒性, 日本 屬學會會報., 31 : 1033, 1992. 35. Tyas, M. J. : A method for the in vitro toxicity testing of dental restorative materials, J. Dent. Res., 56 : 1285, 1977. 36. Helgeland, K. and Leirkar, J. : A further testing of the effect of dental materials on growth and adhesion of animal cell in vitro, Scand. J. Dent. Res., 80 : 206, 1972. 185

=Abstract= MECHANICAL PROPEHTES AND BIOCOMPATIBILITY WITH CRYSTALLIZATIONCONDITIONS OF CaO-MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 -P 2 O 5 BIOGLASS-CERAMIC SYSTEM Hyun-mi Choi, Min-Ho Lee*, Tae-Sung Bae*, Charn-Woon Park Dept. of Prothodontics, College of Dentistry, Chonbuk Univ. Dept. of Dental Materials, College of Dentistry, Chonbuk Univ. The Purpose of this study was to investigate the mechanical properities and biocompatibility with crystallization temperature and time of a bioactive glass-ceramic system 41.4wt%SiO 2-35.0wt%CaO-3.0wt% MgO-12.0wt%P 2 O 5-8.6wt%Al 2 O 3 with same molar percent of Al 2 O 3 and P 2 O 5. The crystallization behaviors were investigated with DTA, XRD and SEM. Fracture toughness with tile change of crystallization temperature and time was measured by indentation fracture method. Also, biocompatibility was evaluated by culture of mouse fibroblast cell line L929. The results obtained were as follows ; 1. The major crystalline phases were apatite and anorthite, and relative intensity of anorthite phase was increased at 1004. 2. The hardness and fracture toughness were gradually increased with the increase inceraming temperature to 1004. 3. When the glass ceramic was heat-treated for 4 hours at ceraming temperature of 1004, hardness and fracture toughness showed the maximum values 578.84kg/mm 2 and 2.07MPa m 1/2, respectively. 4. The growth rate and cytotoxic of L929 fibroblast cells for bioactive glass ceramic were better than those of stainless steel and titanium. 186