의공기사 시험에 꼭 나오는 포인트가 보이는 핵심 요점 정리 10. 생체역학과 생체재료

10. 생체역학과 생체재료

1. 생체역학

 

1절. 생체역학 일반

 

1. 기초역학

 

(1) 단순응력 : 단면적에 가해지는 단위면적당 힘. 수직응력( ), 전단응력( )

(2) 단순변형률 : 단위 변형. 변위의 정도를 나타내는 양. 수직변형률( ), 전단변형률( )

(3) 응력-변형률 선도

 

2. 생체조직의 기계적 특성

 

(1) 점탄성 : 고체 재료의 특성인 탄성과 유체의 성질인 점성

(2) 재료의 시간의존성 : 크리프 및 회복 실험은 어떤 시점에서 일정한 응력을 부가하고, 일정시간이 지난 후 하중을 제거하는 동안 재료의 거동을 관찰함으로써 수행. 응력완화 시험은 순간적으로 재료에 변형을 주고 일정한 변형률을 유지하면서 재료의 반응을 관찰함으로 이루어진다.

2. 생체재료

 

1절. 생체재료 일반

1. 생체재료의 정의

(1) 생체재료 : 생체에 직간접적으로 접촉하여 생체의 조직이나 장기의 기능의 전체 혹은 일부를 대신하거나 보완해주는데 사용되는 모든 재료

(2) 생체적합성 : 생체재료가 생체조직, 장기와 생명현상을 조화롭게 유지할 수 있어야 하는 특성

(3) 생체기능성 : 설계된 기능을 생체 내에서 적절하게 수행하기 위해 필요한 특성

 

2. 생체재료의 분류 - 생체 불활성/활성/재흡수 재료

 

3. 생체재료의 조건

생체기능성을 유지하기 위한 조건	생체적합성을 유지하기 위한 조건
충분한 기계적 강도를 유지 기계적인 피로특성이 충분할 것 생체재료의 목표수명이 보장될 것 주변 조직과 기계적인 조화를 이룰 것 기계적으로 가공이 가능할 것 공학적으로 적절한 형태를 유지 멸균 소독이 가능할 것	생체 내에서 독성을 나타내지 말 것 생물학적 기능을 저해하지 말 것 주변 조직에 염증 유발하지 말 것 알레르기를 유발하지 말 것 종양을 유발하지 말 것 화학적으로도 안정한 불활성 상태를 유지할 것

 

4. 기계적 특성 평가 - 인장/굽힘/피로 특성 평가, 경도시험, 크립시험, 파괴인성시험, 마모시험

(1) 연성 : 탄성한계를 넘는 힘을 가함으로 물체가 파괴되지 않고 늘어나는 성질

(2) 전성 : 압축력에 대하여 물체가 부서지거나 구부러짐 없이 얇게 영구변형이 일어나는 성질

(3) 인성 : 파괴에 대한 저항도, 잘 깨지지 않는 성질

(4) 취성 : 외력에 의해 변형을 일으키지 않고 파괴되는 성질

 

5. 표면 특성 평가 - 생체조직과 직접 접촉하기 때문에 표면특성 관리가 매우 중요

(1) 표면형태학적 분석 : 광학현미경/전자현미경 평가, EDX(Energy Dispersive X-ray Analysis)

(2) 결정학적 분석 : 금속이나 세라믹과 같이 결정이 포함된 생체재료에 X선 회절분석

(3) 표면화학적 분석 : 적외선 스펙트럼 분석, 계면 전위 분석

 

2절. 생체적합성

1. 생체재료에 대한 생체조직의 반응

(1) 생체재료의 표면 개질 : 생체재료가 이식되면 주변조직에 상처를 주며 혈액과 접촉하게 되어 표면 pH가 달라져 단백질의 형태와 기능이 달라지고 생물학적 활성도가 달라진다.

(2) 염증반응 : 손상된 조직에 대한 불특정한 생리학적 반응.(조직이 묽어짐, 부풀어 오름, 통증, 열을 수반한다. 세포침투 -> 재형성 -> 피복형성 -> 소멸

(3) 면역학적 반응 : 생체재료가 이식되면 면역물질은 단백질과 연합하여 즉시 재료 표면에 부착되며 부착된 단백질은 인접세포와 신호 교환이 이루어진다.

(4) 혈액반응 : 출혈이 일어나면 혈액 내의 혈소판이 파괴되어 트롬보플라스틴이 생긴다. 트롬보플라스틴은 혈액 속 칼슘이온과 작용하여 프로트롬빈을 트롬빈으로 변화시킨다. 트롬빈은 피브리노겐에 작용하여 피브린이 된다. 피브린은 그물모양으로 얽히고 혈구를 가둬 응고반응이 일어난다.

(5) 상처회복 반응 : 지혈 -> 염증 -> 세포들이 증식되어 초기재생상태 -> 재형성

(6) 생체재료의 분해현상 : 금속재료(이종금속부식, 틈새부식, 미생물에 의한 부식, 화학적 침식), 세라믹재료(불순물 용출), 고분자재료

 

2. 생체적합성 평가방법 - 세포독성시험, 과민반응, 혈액적합성,

 

3. 생체적합재료

(1) 천연 생체재료 : 유기물 혹은 식물에서 합성, 교원질과 젤라틴, 섬유소, 키틴, 히알루론산

(2) 근골격 생체재료 : 수산화인회석, 인공관절, 인공연골

(3) 피부 재생 생체재료 : 인공 피부

(4) 심혈관 생체재료 : 인공심장판막, 인조혈관, 스텐트

(5) 약물전달 생체재료

(6) 조직재생용 지지체

 

3절. 의용재료

1. 의용재료 - 의료용 기구로 개발되어 기초의학적인 검증과정을 통해 생체에 대한 안전성이 확인되고 임상적으로 생체적합성이 검증된 재료

 

2. 금속 의용재료

(1)금속 의용재료의 장단점

장점	단점
강도가 높고 내마모성이 양호 변형에너지를 많이 흡수 탄성에너지 때문에 힘을 전달하는 구조적인 용도로 사용	생리적 환경에서 부식 주변의 연결조직과의 기계적 성질이 상이하므로 조화가 잘 안 된다 다른 재료에 비해 무겁다

 

3. 금속 의용재료 종류

스테인레스강	- Cr, 크롬 : 금속의 부식 억제 - Ni, 니켈 : 기계적 가공성 - Mo, 몰리브덴 : 내부식성 - C : 기계적 강도
Co-Cr 합금	- 기계적 강도와 내마모성 우수 - 내부식성 우수 - 단조용은 인공고관절, 인공슬관정 - 주조용은 치과용 임플란트, 인공관절
티타늄 및 티타늄 합금	- 탄성계수가 상대적으로 낮다 - 산화막을 형성하여 내부식성이 좋다 - 전당강도가 낮고 기계적 가공이 용이하지 않고 산화막이 벗겨지면 급속히 침식하거나 흑화현상 발생할 수 있다.
NiTi (니켈, 티타늄) 합금	- 내식성이 우수, 형상기억의 특성 - 형상기억효과와 초탄성효과
치과용 합금	- 아말감(은(65)-주석(29)-구리(2))은 수은을 첨가하여 강도가 높아져 충진재로 사용

4. 세라믹 의용재료

장점	단점
높은 경도와 내마모성이 우수 화학적으로 안정, 생체적합성 우수 전기적으로 부도체이며 단열 효과가 있다	인장강도가 약해 깨지기 쉽다 일반적으로 가공하기 어렵다 다른 재료에 비해 무겁다

- 금속/비금속 원소의 화합물로서 대부분 금속 산화물

 

5. 세라믹 의용재료의 종류

생체비활성 세라믹		생체활성 및 흡수성 세라믹
알루미나 Al2O3	생체적합성 우수, 심미적 특성으로 치관수복제로 사용 단결정 알루미나는 강도, 내마모성 우수 - 인공관절/뼈, 치근에 사용	수산화인회석	척추동물의 경조직의 성분으로 뼈와 견고하게 결합하는 특성 수산화아파타이트는 생체내 활성형, 높은 취성, 우수한 생체친화성
지르코니아 ZrO2	용융점이 높고 화학적으로 안정 인성을 얻을 수 있고 강도 높음 생체안정성, 친화성을 나타낸다.	바이오글라스	생체 내에서 서서히 녹으면서 임플란트나 자연 골의 결합촉진
파이로틱 카본	생체적합성과 혈액적합성 우수 심혈관계 임플란트 코팅에 사용 강도와 내마모성이 우수	세라본	생체활성을 가지고 굽힘강도, 피로수명 등 기계적강도 우수 인공척추제, 인공장골로 사용
		생체 흡수성 세라믹	TCP, Tricalcium Phosphate 칼슘과 인을 조절하여 흡수속도 조절 가능 복합재료 충진재로도 사용

 

6. 고분자 의용재료

장점	단점
비중이 생체조직과 유사 가공이 용이 원상 회복력이 우수	기계적 강도가 약하다 물성이 퇴화되기 쉽다 높은 온도에 취약

 

7. 의용 합성고분자

폴리에틸렌, PS	고밀도PS는 기계적 특성과 내마모성이 우수 인공관절의 마찰부위 삽입재료
폴리메틸메타아크릴레이트 PMMA	상온에서 쉽게 중합반응, 골 접착제의 주원료 투명도가 뛰어나고 굴절률이 높고 생체적합성 우수
폴리아미드, 나일론	좋은 섬유적 특성, 물 흡수성으로 수소결합이 파괴되는 성질이 있어서 흡수성 봉합사로 이용
폴리비닐크로라이드, PVC	값이 저렴하고 가소제와 잘 혼합 부드러운 필름부터 딱딱한 파이프, 시트, 튜브 등으로 가공
폴리테트라플루올에틸렌 PTFE	인장강도와 탄성계수가 낮다. 용융점성계수가 높아 소성 가공이 안됨
폴리우레탄, PU	탄성이 좋고 질긴 특성과 혈액적합성이 우수하여 인공판막/혈관
실리콘	Si계 합성고무로 열적, 화학적으로 안정한 상태, 실리콘 고무 우수안 내열성, 전기절연성, 발수성, 불휘발성, 내열화성

8. 생체고분자

(1) 생체고분자 특성 : 체액과 지속적인 접촉, 생장능, 복합체로 존재, 합성기능과 분해기능

(2) 생체고분자의 종류

콜라겐(교원질)	다당질
조직의 형태를 유지하는 구조체 열성변형체인 젤라틴, 견고한 가교체에서도 세포접착능력을 유지한다.	급성독성이나 발열반응이 없음 생체친화성 높음 물이나 열에 녹지 않는 다당질 세포막의 구성성분, 사람의 소화기는 소화 함 알파형 키틴은 안정성과 결정성이 높고 바닷게나 새우 껍질에 함유, 창상피복제의 재료 베타형 키틴은 결정도가 낮고 소화성이 높으며 수분을 흡수시키면 팽창, 부직포