치과용 임플란트 적용을 위한 티타늄 표면 에칭의 지능형 모델링 및 최적화

May 31, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7184(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

산부식(Acid Etching)은 치과용 임플란트의 표면 처리에 가장 널리 사용되는 공정 중 하나입니다. 본 논문에서는 48% H2SO4 용액에서 상업적으로 순수한 티타늄(cpTi)의 산 에칭을 조사했습니다. 에칭 공정 시간(0~8시간)과 용액 온도(25~90°C)는 표면에서 평가된 프로파일의 산술 평균 편차(Ra)와 같은 표면 거칠기 매개변수에 영향을 미치는 가장 효과적인 작동 조건으로 가정됩니다. 그리고 고려된 길이 프로파일(Rz)에 대한 표면의 최대 피크에서 밸리 높이의 평균뿐만 아니라 에칭 공정에서 치과 임플란트의 중량 손실(WL)도 포함됩니다. Ra, Rz 및 WL을 예측하기 위해 처음으로 2개의 숨겨진 레이어가 있는 3개의 다층 퍼셉트론 인공 신경망(MLP-ANN)이 최적화되었습니다. MLP는 인간 두뇌 프로세스를 시뮬레이션하는 계산 및 수학을 포함하는 ANN 및 ANN 모델의 피드포워드 클래스입니다. ANN 모델은 공정 온도 및 시간의 함수로 에칭 중 Ra, Rz 및 WL 변화를 적절하게 예측할 수 있습니다. 또한 WL을 높여 높은 Ra를 달성할 수 있습니다. WL = 0에서는 Ra가 0.5μm인 반면, WL = 0.78μg/cm2에서는 Ra가 2μm로 증가합니다. 또한 ANN 모델은 최적화 프로세스를 확립하기 위해 비선형 정렬 유전자 알고리즘(NSGA-II)에 공급되었으며 이 방법의 능력은 최적화된 에칭 조건을 예측하는 것으로 입증되었습니다.

의료용 임플란트에 거친 표면을 만들면 변형된 표면에서 뼈 조직 생성이 증가하여 생체 통합이 향상되는 것으로 나타났습니다1,2,3,4. 많은 연구에 따르면 바람직하지 않은 섬유질 조직은 매끄러운 표면에 형성되는 경향이 있는 반면, 거친 표면은 단단한 뼈 조직의 형성을 촉진하는 것으로 나타났습니다5,6 임플란트와의 뼈 통합에 대한 장기 연구를 수행했습니다7,8. 뼈는 파골세포가 조직을 선택적으로 제거하여 구멍(lacunae)을 형성하고 조골세포가 다시 모여 골기질 조직을 형성하는 다단계 과정을 통해 생성됩니다9. 파골세포는 티타늄(Ti)과 같은 임플란트 재료와 상호작용할 수 없기 때문에 임플란트 표면이 파골세포에 의해 생성된 것과 유사한 마이크로, 메조, 오르나노 규모 구조를 갖지 않으면 조골세포 결합이 억제될 수 있습니다10.

일반적으로 표면 거칠기는 Ra, Rz 및 Sa와 같은 일부 매개변수를 사용하여 확인됩니다. Ra는 1차원 매개변수이며 평가된 프로파일의 산술 평균 편차로 정의됩니다11. Ra 측정의 경우 매우 얇은 검출기 팁이 샘플 표면에서 수평 선형 방향으로 이동하며(접촉 또는 비접촉 모드) 수직 이동이 보고됩니다12,13. Rz는 Ra 측정을 위해 연구된 동일한 프로파일의 최대 피크-골 높이입니다12. Sa는 2차원 표면에서 감지되는 면적 거칠기 매개변수입니다(선형 경로에서 감지되는 Ra와는 다름)11. 정의에 따르면 Ra와 Sa는 서로 매우 가깝고 둘 중 하나를 선택하는 것은 측정 장비를 기반으로 합니다(일부는 Ra를 보고하고 일부는 Sa를 보고함)11,12.

에칭은 표면 거칠기를 향상시키고 표면의 다른 특성을 개선하는 데 사용되는 가장 널리 사용되는 공정 중 하나입니다. 이는 치과 임플란트와 뼈의 접촉을 향상시키는 역할을 하며 임플란트와 표면의 접촉 강도와 뼈 반응16,17,18,19,20을 지정할 수 있습니다. 현재 시중에는 다양한 상업용 치과용 임플란트가 시판되고 있습니다. 이러한 임플란트는 임플란트의 코어, 기하학적 사양 및 표면 특성과 같은 다양한 특성을 가지고 있습니다. Sa = 0.26 μm인 Ospol(스웨덴 Hollviken)과 같은 일부 상업용 브랜드는 매끄러운 표면을 갖습니다(Sa < 1 μm는 매끄러운 것으로 간주됩니다). 한편, SLA(Standard Plus; ITI Straumann, Basel, Switzerland; Sa = 1.7 μm), Ankylos(DentsplyFriadent, Menheim, Germany; Sa = 1.55 μm), Frialit(DentsplyFriadent, Menheim, Germany)와 같은 기타 상용 임플란트 Sa = 1.79μm) 및 Promote(스크류라인, 칼모그, 스위스 바젤, Sa = 1.30μm)는 적당히 거칠습니다(Sa는 1~2μm 범위)22,23. 또한 Kohno HRPS 및 Kohno DES HRPS(Sweden & Martina, Due Carrare, Italy, Sa = 3.11 및 3.16)와 같은 일부 다른 표면은 가장 높은 거칠기 수준을 갖습니다(Sa > 2인 표면은 최대로 거친 것으로 간주됩니다). 22,23.