전호정 교수팀, Journal of Magnesium and Alloys 게재:

레이저 표면처리로 생체재료 코팅층 박리 문제 해결

  현대 사회로 발전하면서 노령화, 사회 활동 및 스포츠 활동량 증가, 산업 고도화에 따른 재해 증가 등등의 원인으로 골 관련 질환의 발생 빈도가 급격히 증가하고 있다. 골 관련 질환의 경우, 경우에 따라서 외과용 임플란트를 인체 내에 삽입하여 골절 부위를 고정한다. 하지만, 골절 부위가 회복 된 후 잠재적 위험 물질이 될 수 있는 임플란트를 제거하는 2차 수술이 필요하다. 이는 환자에게 통증 및 염증을 동반할 수 있는 신체적 부담뿐만 아니라 경제적, 정신적으로 부담이 될 수 있다.

  따라서 이러한 문제점을 해결하고자, 마그네슘을 기반으로 한 생분해성 금속 임플란트의 연구가 진행되고 있다. 이러한 생분해성 임플란트는 몸 속에서 지지대 역할을 한 후 스스로 분해되어 사라지는 큰 이점을 갖고 있지만, 초기 분해 단계에서 체액과의 빠른 반응으로 인해 발생하는 문제점들이 있었다. 이를 개선하기 위해, 생체 친화적인 재료를 활용한 코팅으로 임플란트 표면을 제어하려는 시도들이 있었지만, 코팅 물질과 임플란트와의 결합이 잘되지 않아 코팅층의 박리 및 벗겨짐 등의 문제가 여전히 해결되지 못했다.

  본 연구팀은 생체 이식용 재료 표면에 레이저를 이용한 마이크로/나노 단위의 구조 개질로 코팅 결합력을 향상 시킬 수 있는 표면 처리 기술을 개발하였다. 이 공정 기법을 이용하면 기존 전처리 과정에서 많이 활용하고 있는 유해 화학약품 사용 없이도 코팅층과 마그네슘 모재와의 강한 결합력을 유도할 수 있다. 이렇게 개질된 마그네슘 합금 표면에, 생체 친화적이면서 생분해성의 성질을 갖고 있는 고분자 물질을 코팅함으로써, 문제가 되었던 마그네슘의 분해 속도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 생체 적합 기능성이 부여된 소재 표면을 구현할 수 있었다.

전호정 박사팀은 고분자 코팅층을 강하게 잡아주는 구조를 표면에 형성하기 위해, 마이크로/나노 단위의 구조를 동시에 형성시킬 수 있는 펨토초 레이저 텍스쳐링 기술을 사용했다. 펨토초 레이저는 기존 레이저 대비 재료 표면에 매우 짧은 시간으로 에너지를 전달할 수 있는 특성을 갖고 있어, 재료 자체의 성질 변형 없이 극소 표면만 개질할 수 있는 큰 이점을 갖고 있다.

  이 방법으로 기존의 코팅법들이 재료 표면에 화학적 처리 및 여러 공정과정을 거쳐 코팅층과의 결합을 유도하는 방식과는 다르게, 레이저 처리한 영역이 반응성 높은 친수성의 성질로 바뀜과 동시에 마이크로/나노 단위의 구조 형성으로 코팅층이 닿는 표면적을 증가시켜 물리 화학적으로 코팅 결합력 비약적으로 향상시킬 수 있었다.

  본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 금속재료 분야 1위 저널인 ‘Journal of Magnesium and Alloys’ (IF: 10.088, JCR 분야 상위 0.625%) 최신 호에 게재되었다.

- 논문명 : Femtosecond laser-mediated anchoring of polymer layers on the surface of a biodegradable metal

- 저자정보 : 전호정(교신저자, KIST, KU-KIST 융합대학원), 한형섭(교신저자, KIST), 선정윤(교신저자, 서울대), 박재호(공동1저자, KIST, 서울대), 박보인(공동1저자, KAIST)

[그림 1] 펨토초 레이저를 이용한 마그네슘 표면의 마이크로/나노 구조 개질

[그림 2]코팅층과 마그네슘 모재와의 물리적 화학적 결합을 뒷받침 설명할 수 있는 나노 단위의 마그네슘 산화물 형성 TEM 단면 이미지