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척추측만증 수술용 금속-플라스틱 간의 접착력 향상에 관한 연구

Study on the Adhesion between Metal-Plastic for Scoliosis Corrective Surgery

  • 이호연 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

척추측만증 환자의 대부분은 어떤 이유로 척추측만증이 발생했는지 모르는 ‘특발성 척추측만증’ 환자인 경우가 많다. 최근에는 오랜 시간 동안 공부 혹은 컴퓨터 사용을 위해 책상 앞에 앉아있어야 하는 학생이나 직장인들에게 있어서도 ‘기능성 척추측만증’ 환자가 나타나고 있다. 인구의 1 ~ 2%가 척추측만증 환자라는 통계가 있을 만큼, 척추측만증은 머나먼 이야기, 남의 이야기가 절대로 아닌 것이다. 그간 척추측만증 환자의 수술용 재료로는 스테인레스 스틸이나 티타늄 합금 등의 금속재료가 많이 이용되었다. 이러한 금속 재료들은 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 내부식성이 매우 우수하여 인체 삽입형 재료로 매우 각광을 받았고, 티타늄 합금의 경우엔 골 융합(Osseointegration) 현상이 확인된 이후로 ‘생체적합’ 소재로 인정받으면서 지금까지도 정형 임플란트 소재로 많이 쓰이고 있다. 이러한 금속 소재가 우수한 기계적 물성과 내부식성 등을 장점으로 척추측만증 수술용 재료로 지금까지도 많이 사용되고 있는 것은 사실이지만, 금속 소재이기 때문에 어쩔 수 없이 가질 수 밖에 없는 몇 가지 단점들이 있다. 혈액(특히 혈장)에 의한 이온화 현상이나, 뼈보다 높은 탄성률(Young’s Modulus)로 인해 응력이 뼈까지 전달이 안되어 생기는 골다공증, 또 인체의 하중으로 인해 지속적인 힘을 받은 금속 보강재의 체결 부위가 헐거워지고(Loosening) 이로 인해 교정 효율이 떨어지는 현상, 금속 민감성에 의한 골 융해로 인한 부작용(유사 암 발생) 등이 대표적인 예라 말할 수 있다. 이러한 금속이 가지는 문제를 해결하기 위한 방법 중의 하나가 금속의 장점을 살리면서 타 소재와의 시너지 효과를 내는 것인데, 본 연구에서는 플라스틱과의 접합을 제안함으로써 금속 소재가 가지는 문제점을 해결하고자 하였다. 플라스틱 소재는 금속 대비 매우 가볍다는 장점을 가지고 있으며, 열적∙전기적으로 부도체인 것이 특징이고, 무엇보다도 성형성이 우수하다는 큰 장점을 가지고 있다. 이러한 장점으로 인해, ‘미세 플라스틱’ 등의 환경 이슈가 지속적으로 발생하고 있음에도 불구하고, 자동차, 전기∙전자 및 건축 분야 등, 여러 산업 분야에서 반드시 필요한 소재로 각광받고 있다. 금속과 플라스틱의 접합 방법은 여러 가지가 있지만, 본 연구에서는 플라즈마 처리를 통한 접합 방식을 채택하였고, 금속 소재로는 스테인레스 스틸을, 플라스틱 소재로는 폴리아마이드6 (Polyamide 6)에 유리섬유가 30% 섞여 있는 소재를 선택하였다. 스테인레스 스틸과 폴리아마이드 6 소재의 플라즈마 처리 접합은, 플라즈마 표면 세척, 플라즈마 코팅, 오버몰딩 등의 프로세스에 의해 진행되는데, 타 소재(알루미늄, 구리, 철 등) 대비해서 우수한 접합 성능을 보였다. 또 플라스틱 소재 측면에서는 유리 섬유의 함량이 낮을 수록, 활제(본 연구에서는 Zinc Stearate)의 함량이 적을 수록 높은 접합 성능을 보이는 것으로 확인하였다. 초기의 접합 강도도 물론 중요하지만, 스테인레스 스틸과 폴리아마이드 6의 접합 이후, 접합력을 얼마나 유지하는가가 척추 측만증 수술 교정 효율에 지대한 영향을 줄 수 있기 때문에, 본 논문에서는 여러 내구성 평가를 통해 접합 유지율을 확인하였다. 내열 노화 테스트에서는 150℃에서 5,000시간 방치했을 때에도 초기 물성의 88%를 유지하는 것으로 확인되었으며, 습열 노화 테스트에서는 40℃, 98%의 상대 습도 환경에서 500시간 방치했을 때에도 초기 물성의 76% 수준으로 유지됨을 확인하였다. 복합 환경 내구 평가에서는 총 14 싸이클(336시간)을 진행했음에도 초기 물성의 85%를 유지하는 것을 확인하였다. 이로써 본 연구에서는 스테인레스 스틸과 폴리아마이드 6 소재의 플라즈마 처리를 통한 접합 방식이 척추 측만증 수술 교정 소재로서의 금속 소재가 가지고 있는 문제점들을 해결할 가능성이 있음을 확인하였고, 이를 입증하기 위한 추가적인 연구가 필요함을 느끼게 되었다.

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초록/요약

Most patients with scoliosis are people with idiopathic scoliosis who do not know why scoliosis developed. In recent years, patients with ‘functional scoliosis’ also appear in office workers and students who sit at their desks for a long time due to studying or using computers. Scoliosis is not far from us, because there are statistics that 1 ~ 2% of the population is scoliosis patients. Metal materials such as stainless steel and titanium alloy have been widely used as surgical materials for scoliosis patients. These metals are not only excellent in mechanical strength but also excellent in corrosion-resistance, and thanks to these properties, metals are very popular as implantable materials. In the case of titanium alloys, since the osseointegration phenomenon had been recognized, this material has been regarded as a 'biocompatible' material. It is still used a lot as an orthopedic implant. It is true that these metals are still used a lot as scoliosis surgery materials because of their excellent mechanical properties and corrosion-resistance, but there are some inevitable disadvantages because they are metals. Ionization by blood (especially blood plasma), osteoporosis caused by stress not being transferred to bone due to higher Young's Modulus than bones, or loosening of metal reinforcement joints sustained by consistent load of human body, and as a result, the reduction of corrective efficiency and side effects(like pseudotumor) due to osteolysis caused by metal sensitivity are typical examples. One of the ways to solve the problem of the metals is to make synergies with other materials while utilizing the advantages of the metal. In this study, it was proposed to solve the disadvantages of the metals by suggesting the adhesion of metal & plastic. Plastic materials have the advantage of lightweight compared to the metals, and plastics are characterized by thermally and electrically insulators. Above all, plastics have the great advantage of excellent processability & moldability. Thanks to these advantages, even though there are many environmental issues such as 'fine plastics', plastics are in the spotlight as necessary materials in various industries such as automobile, electric & electronics, and construction. There are many ways of the adhesion of metals and plastics, but in this study, I adopted the adhesion process through plasma treatment. In terms of materials, stainless steel was used as the metal and Polyamide 6 reinforced with 30% of glass fiber was used as plastic. The adhesion of stainless steel and PA6+GF30% through plasma treatment was performed by a process such as plasma surface cleaning, plasma coating, and over-molding, which showed superior adhesion strength compared to other materials such like aluminum, copper, iron, etc. In terms of plastic, the lower the glass fiber content and the lower the lubricant (in this study, Zinc Stearate), the higher the adhesion strength. Of course, the initial adhesion strength is very important, but the retention ratio of the adhesion strength under the specific conditions is more important because the retention of adhesion strength can affect the corrective efficiency for scoliosis patients. In this study, I evaluated the retention ratio of the adhesion strength between stainless steel & PA6+GF30% in several durability tests. In the Heat Aging test, the initial adhesion strength was maintained at 88% even after 5,000 hours at 150℃. In the Moisture Aging test, the initial adhesion strength was maintained at 76% even after 500 hours at 40℃ & 98% relative humidity. In Complex Environmental test, the initial adhesion strength was maintained at 85% even though 14 cycles (336 hours) were proceeded. In this study, I found out that the adhesion of stainless steel & PA6+GF30% by using plasma treatment could solve the problems of metals as scoliosis surgical correction material and in order to prove this possibility it needs to study more additionally.

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