생제재료를 위한 지르코니아-수산화아파타이트 합성물의 제조 = Fabrication of Zirconia-Hydroxyapatite Composites for BiologicalMaterials

국문 초록 (Abstract)

지르코니아에 수산화아파타이트를 첨가하여 PECS를 이용한 소결 방법에 의해 시편을 준비하였다. 스타팅 파우더로 Ultra fine zirconia+3mol%Y2O3 (OZC-ACZ, Sumitomo Osaka cement CO,.LTD, Japan), nano- hydroxyapatite (Sichuan University, China)를 사용하였다. 합성분말은 지르코니아 분말을 주원료로 사용하여 수산화아파타이트(0, 10, 20 and 30wt%)의 wt%를 다양하게 변화 시켰다. 합성분말은 알루미나 볼을 이용하여 24시간 볼밀링한였다. 합성 슬러리는 120°C에서 24시간동안 오븐을 이용하여 건조시키고, 위와 같은 방법으로 12시간 볼밀링하였다. 합성분말은 지르코니아와 수산화아파타이트 사이의 반응 없이 합성하기 위한 최적의 소결온도를 찾기 위하여 고온XRD를 사용하여 관찰하였다. 샘플은 PECS(pulse electric current sintering)를 이용하여 소결하였다. 지르코니아와 수산화아파타이트의 합성 샘플에서 화학적 반응이 일어나는 조건을 찾기 위하여 소결의 온도를 1100°C, 1150°C, 1200°C와 1250°C로 변화시켰다. 소결조건은 100°C/min, 50MPa 압력에서 소결시간 5min으로 모든 샘플을 동일하게 하였다.
소결 후 샘플은 각각 다이야몬드 패드와 서스펜션을 이용하여 연마하였다. 샘플의 밀도는 Archimedes원리로 측정하였다. 샘플의 결정상은 X-ray diffraction analysis(Rigaku, X-ray difractometer, Japan)을 이용하여 20°에서 80°사이를 40kVA, 40mA의 조건으로 측정하였다. 파괴강도는 3-point bending test를 이용하여 실온에서 0.5mm/min의 cross-head speed로 30mm span으로 하여 측정하였다.
소결온도 1150°C에서 기계적 성질 및 상대밀도가 갑자기 높아지는 것을 발견하였다. 그 이후 소결온도 1200°C도까지 기계적 성질 및 상대밀도가 점차적으로 증가하다가 1200°C부터 점차적으로 낮아지는 것을 알았다. 이것은 소결온도 1200°C부터 합성물의 화학적 반응 및 지르코니아의 상변태가 일어나기 시작하면서 생기는 현상인 것을 알았다. 즉, 지르코니아가 1200°C부터와 monoclinic 상에서 tetragonal 상으로 상변태가 일어나기 시작하여 합성물의 기계적 성질이 떨어지는 것을 알았다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Microstructure and mechanical behavior for zirconia [ZR; ZrO2+3mol%Y2O3] hydroxyapatite [HA; Ca10(PO4)6(OH)2] nanocomposites have been studied. In order to increase the biocompatibility and mechanical properties of zirconia, HA of nanosize was added.Hydroxyapatite, being chemically similar to the inorganic constituent of bone mineral and owing to its excellent biocompatibility, has been studied extensively as a bone material. However, the use of HA is limited to low load bearing applications due to its inferior mechanical properties (especially fracture toughness) compared to cortical bone.Zirconia is a well studied system that presents high mechanical performances. Values of bending strength and fracture toughness of these systems are of the order of ten times than hydroxyapatite and are considered to be more comparable to the natural bones. Thus, ZR- HA composite becomes an important material which has been investigated widely. But, one of the most serious problem is that when ZR-HA powders were sintered, extensive chemical reaction between the HA and the ZR was unavoidable. The chemical reaction would lead to a serious reduction in the biocompatibility of the HA and fully stabilized Zirconia would cause the decreasing of strength and toughness. Recently, a new sintering method called a pulse electric current sintering (PECS) has been applied to fabricate ZR-HA composites and the reaction between HA and ZR has been avoided successfully. Here we report a successful preparation of bioactive composites in the quasi-binary system Ca10(PO4)6(OH)2 + ZrO2. One of the most serious problem is that when ZR-HA powders were sintered, extensive chemical reaction between the HA and the ZR was unavoidable. By applying a novel super-fast consolidation technique, pulse electric current sintering (PECS), the deleterious reactions were inhibited kinetically. The specimens contain 0, 10, 20 and 30wt% of HA on zirconia as remainder. Samples were a pulse electric current sintering (PECS) at 1150°C, increasing 100°C /min, 50Mpa and in vaccum atmosphere for keeping time5min. Characterization of the samples was carried out using Scanning Electron Microscopy, X-ray diffraction analysis. Fracture toughness and Vickers hardness were estimated with indentation technique. Relative density was acquired using Archimedes method in toluene medium. Tribological analysis was carried out using a ball-on-plate reciprocate tribometer.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅳ
• 감사의글 =ⅰ
• 국문요약 = ⅱ
• List of Figures = ⅵ
• List of Tables = ⅷ
• 제1장. 서론 = 1
• 제2장. 연구배경 = 3
• 2.1. 생체재료(Bio Materials) = 3
• 2.1.1. 생체재료의 정의 = 3
• 2.1.2. 생체재료의 필수조건 = 3
• 2.1.3. 재료와 생체의 반응 = 3
• 2.1.4. 생체재료의 종류 = 6
• 2.2. 생체용 세라믹스(Bio-caramics) = 9
• 2.2.1. 생체용 세라믹스의 종류와 성질 = 9
• 2.3.PECS(Pulse Electric Current Sintering) 소결법 = 12
• 2.3.1. PECS 소결 기구 = 15
• 2.4. 마모 기구 = 20
• 제3장. 연구방법 = 24
• 3.1. 출발 원료 및 시편 제작 = 24
• 3.2. 밀도 측정 = 26
• 3.3. X-선 회절 분석 = 26
• 3.4. 기계적 특성 측정 = 26
• 3.5. 내마모 시험 = 27
• 3.6. 미세조직 관찰 = 28
• 제4장. 실험결과 = 30
• 제5장. 고찰 = 38
• 제6장. 결론 = 40
• 참고문헌 = 41
• ABSTRACT = 42