MXene 코팅 타이타늄의 항균성 및 조골세포 활성화 연구 = A Study on the Antibacterial Efficacy and Osteoblast Activation Mechanisms of Coated Titanium Surfaces

국문 초록 (Abstract)

치과 임플란트의 장기적 성공을 위해서는 안정적인 골유착(osseointegration)의 확보와 더불어 임플란트 주위 감염의 효과적인 억제가 동시에 달성되어야 한다. 그러나 기존의 표면 처리 기술은 항균성과 세포 친화성을 모두 만족시키는 데 한계가 있다. 본 연구에서는 이차원 전도성 나노소재인 Ti₃C₂Tₓ MXene과 생체고분자인 gelatin methacryloyl(GelMA)을 복합화한 코팅층을 타이타늄 표면에 형성하고, 주요 구강 병원균인 Streptococcus mutans(S. mutans)와 Porphyromonas gingivalis(P. gingivalis)에 대한 항균 효과와 조골세포(MC3T3-E1) 활성 증진 효과를 평가하고 자 하였다. 직경 8 mm, 두께 2 mm의 순수 타이타늄 원형 시편에 GelMA 용액과 Ti₃C₂Tₓ MXene을 농도별(1, 5, 10 μg)로 혼합한 복합 코팅층을 도포한 후 UV 경화를 통해 고정하였다. 대조군은 GelMA 단독 코팅군으로 설정하였으며, 실험군은 MXene 농도에 따라 M1, M5, M10 군으로 구분하였다. 표면 특성은 FE-SEM, FT-IR, XPS 분석을 통해 평가하였다. 항균성은 S. mutans와 P. gingivalis를 이용한 crystal violet staining 및 LIVE/DEAD 형광 염색으로 분석하였다. 조골세포 활성은 MC3T3-E1 세포를 이용하여 부착(1일), 증식(3일), ALP 활성(14일), ARS 광물화(21일)를 평가 하였다. 통계 분석은 ANOVA와 Tukey 사후검정을 이용하였다. FE-SEM 관찰 결과, MXene 나노시트가 다공성 GelMA 매트릭스 내에 분포하는 것이 확인되었으며, FT-IR 및 XPS 분석을 통해 Ti–C 결합을 포함한 MXene 특유 의 화학적 신호가 검출되었다. M5 군에서는 S. mutans 및 P. gingivalis에 대한 항균 효과와 함께 조골세포 부착, 증식, ALP 활성 및 ARS 기반 광물화가 동시에 유의하게 증가하였다. M10 군에서 는 모든 항균 평가와 조골세포 활성 지표에서 대조군 대비 향상된 결과가 관찰 되었다. 이러한 결과는 MXene–GelMA 복합 코팅이 타이타늄 임플란트 표면에서 항균 특성과 조골세포 활성 증진을 동시에 유도할 수 있음을 보여주며, 감염 억 제와 골유착 향상을 위한 표면 개질 전략으로 적용 가능성을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Peri-implant infection and insufficient early osseointegration remain major challenges for titanium implant success. This study evaluated whether titanium (Ti) discs coated with a Ti₃C₂Tₓ MXene–gelatin methacryloyl (GelMA) composite can simultaneously suppress oral biofilms and enhance osteogenic responses. Commercially pure Ti discs were assigned to a Control group (GelMA only) or MXene-coated groups containing 1, 5, 10 µg MXene (M1, M5, M10). Surface characteristics were analyzed using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Antibacterial activity against Streptococcus mutans and Porphyromonas gingivalis was evaluated by crystal violet staining and LIVE/DEAD confocal imaging. MC3T3-E1 adhesion, proliferation, and osteogenic differentiation (ALP, ARS) were quantitatively assessed.
FE-SEM revealed uniform MXene distribution within the GelMA matrix without aggregation. FT-IR showed characteristic amide I/II peaks along with a Ti–C vibration band, while XPS confirmed composite integration via Ti 2p, C 1s, and O 1s signals. All MXene groups significantly inhibited S. mutans biofilms (P < 0.0001), and P. gingivalis suppression was significant in M5 and M10 (P < 0.01).
MXene–GelMA coatings significantly enhanced the biological activity of MC3T3-E1 cells depending on MXene content. Cell adhesion and 3-day proliferation were significantly increased in the M5 and M10 groups compared with the Control (P < 0.0001), whereas no significant difference was observed in the M1 group. All MXene-coated groups exhibited significantly higher alkaline phosphatase (ALP) activity than the Control after 14 days (P < 0.0001), with the M10 group showing significantly greater ALP activity than M5 (P < 0.05). Mineralization assessed by alizarin red S (ARS) staining after 21 days was also significantly enhanced in all MXene groups, with M1 and M5 showing moderate increases (P < 0.05) and M10 demonstrating the highest mineralization level (P < 0.01) compared with the Control.
These findings suggest that MXene–GelMA composite coatings represent a promising multifunctional surface strategy capable of improving both infection resistance and osteogenic performance of titanium implants.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 재료 및 방법 5
• 1. 실험 재료 5
• 2. 실험 방법 6
• 3. 표면 특성 평가 10
• 4. 항균성 평가 12
• 5. 조골세포 활성화 평가 15
• 6. 통계 분석 19
• Ⅲ. 결과 20
• 1. 표면 특성 평가 20
• 2. 항균성 평가 26
• 3. 조골세포 활성화 평가 34
• Ⅳ. 고찰 42
• V. 결론 46
• 참고문헌 48
• Abstract(영문초록) 54