생체의학용 티타늄 합금이란 무엇이며, 그 용도는 무엇인가?

생체의학용 티타늄 합금은 생체적합성, 내식성, 적절한 강도 및 비교적 낮은 밀도를 모두 갖추고 있어 임플란트 및 의료 기기에 사용됩니다. 상업용 순수 티타늄과 Ti-6Al-4V는 이미 널리 사용되는 소재인 반면, 뼈와의 강성 불일치를 줄이기 위해 저탄성 계수 β 합금에 대한 연구가 진행되고 있다. 아래에서는 이들의 용도와 소재 선택을 비교한다.

생체의학용 티타늄 합금이란 무엇인가?

생체의료용 소재는 생물학적 시스템과 상호작용하여 조직 및 장기를 진단, 치료, 복원 또는 대체하거나 그 기능을 개선합니다. 여기에는 의료용 금속, 고분자, 세라믹 등이 포함됩니다. 금속은 특히 정형외과 및 심혈관 관련 제품에서 중요한 역할을 합니다. 티타늄은 생체 반응이 양호하고 조직과의 친화성이 뛰어나며, 본질적인 자성 특성을 나타내지 않아 의료 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다.

생체의료용 티타늄 합금은 생체적합성, 기계적 성능, 내식성 및 낮은 밀도를 겸비하고 있습니다. 높은 강도와 비교적 낮은 탄성 계수는 응력 차폐 현상을 줄이고 골 유합을 촉진할 수 있습니다. 티타늄은 생리학적 환경에서 생체 불활성이며 내식성이 뛰어납니다. 밀도는 스테인리스강의 약 56% 수준으로, 이로 인해 임플란트의 무게를 줄일 수 있습니다. 개발은 상업용 순수 티타늄과 Ti-6Al-4V에서 개량 합금 및 저탄성 계수 β 티타늄 합금으로 발전해 왔습니다.

분류 및 기계적 특성

생체의학용 티타늄 합금은 미세구조에 따라 α, α+β 또는 β 합금으로 분류된다. 상업용 순수 티타늄과 Ti-6Al-4V는 임상 현장에서 여전히 널리 사용되고 있다. 생체적합성이 향상된 저탄성 계수 β 합금은 주요 연구 주제이다.

2세대 및 3세대 합금은 일반적으로 탄성 계수가 더 낮으며, 니오븀의 함량이 점차 증가하는 경향이 있습니다. Ti-35Nb-7Zr-5Ta 및 관련 Ti-Nb-Ta-Zr 계통은 본 표에 수록된 재료 중 탄성 계수가 가장 낮은 재료에 속합니다. Ti-35Nb-7Zr-5Ta의 탄성 계수는 55 GPa인 반면, 뼈의 탄성 계수는 약 30 GPa입니다. Ti-Nb 초탄성 β 합금에 대해서는 특히 많은 연구가 이루어져 왔습니다.

새로운 β 합금으로는 Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr 및 Ti-Ta 계가 있습니다. 잠재적으로 유해한 V, Al, Ni, Cr은 생체적합성이 뛰어난 Nb, Zr, Ta, Sn, Pt, Mo로 점점 더 대체되고 있다. Ti-Nb 합금은 탄성 계수가 낮고, 알루미늄과 바나듐을 포함하지 않아 의료용 금속으로 널리 연구되고 있다.

생체재료로서의 특성

높은 비강도

티타늄 합금의 밀도는 4.51 g/cm³에 가깝습니다.³, 강철의 약 60% 수준입니다. 순수 티타늄은 일반 강철의 강도에 근접하는 반면, 고강도 티타늄 합금은 많은 구조용 강철을 능가합니다. 높은 강도-밀도 비율 덕분에 강하고 뻣뻣하며 가벼운 부품을 제작할 수 있습니다. 기존의 의료용 α 합금은 탄성 계수가 더 높기 때문에 응력 차폐 현상을 일으킬 수 있습니다. 합금화, 소성 변형 및 용체 처리를 통해 결정 구조를 변경하고 임플란트의 탄성 계수를 낮출 수 있다.

내식성

티타늄 합금은 습한 공기 및 해수 환경에서 스테인리스강보다 우수한 성능을 보이며, 점식 부식, 산 부식 및 응력 부식에 강합니다. 또한 알칼리, 염화물, 염소화 유기물, 질산 및 황산에 대한 내성도 갖추고 있으나, 일부 환원성 또는 크로메이트 매질에서는 성능이 다소 떨어집니다.

1. Ti-39Nb는 생리식염수에서 순수 티타늄과 유사한 부식-열화 거동을 보이며, 불소 함유 환경에서는 훨씬 더 우수한 성능을 발휘한다.
2. Ti-10Nb-10Zr은 3.5% NaCl 및 인공 타액 환경에서 우수한 성능을 보이며, 특히 인공 타액에서 열화 속도가 매우 낮습니다.
3. Ti-26Nb-4Zr-3Mn 및 Ti-26Nb-4Zr-5Mn은 행크 용액에서 높은 부식 전위와 낮은 전류 밀도를 나타내며, 이는 우수한 내식성을 시사한다.