1. 서 론

수산화인회석(HAP, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)은 인간의 뼈와 치아와 같은 포유류의 경조직에서 발견되는 주요 무기 성분으로 알려져 있다[1]. 따라서, 수산화인회석은 바이오미네랄 연구에서 대표적인 화합물로 집중 연구되어 왔다. 높은 생체적합성과 낮은 독성/면역 반응으로 인 해 수산화인회석은 경조직 공학용 재료, 약물/유전자 전달용 기질, 정 형외과 임플란트용 코팅 등 다양한 영역에 응용된다[2-5]. 생물학적 응용 외에도, 칼슘 이온을 다양한 전이 금속 이온으로 교환하면 불균 일 촉매의 지지체 및 유해 중금속 제거를 위한 흡착 물질로도 활용이 가능하다[6,7]. 우리는 이전에 원자탐침 현미경(AFM)을 이용한 미시 적 관찰로 개별 분자 단계의 용해 속도와 표면 구조에 대해 연구한 바 있다[8,9]. 또한 수산화인회석 표면에 루테늄, 코발트, 은 양이온을 도입하여 알코올 산화, 아민 산화 및 수소 생성 반응을 위한 촉매로도 활용했다[10-12].

수용액에서 콜로이드 안정성을 갖는 나노 사이즈의 수산화인회석 의 합성은 생물학적 응용에 있어 특히 중요하다. 카복실레이트와 칼 슘 양이온의 상호작용으로 인해 다양한 아미노산과 구연산염에 의해 수산화인회석의 폭이 줄어들 수 있다고 보고되었다[13,14]. 본 연구는 글리세롤 분자가 열처리 과정에서 수산화인회석의 크기와 형태 변화, 그리고 콜로이드 안정성에 미치는 영향에 대해 보고한다. 글리세롤 분자는 앵커 부분의 3개의 수산기(hydroxyl group, -OH)를 가진다. 또한, 글리세롤은 생체적합성이 우수하고 독성이 낮은 천연물질로 알려져 있다[15]. 우리는 글리세롤 조건 하에 합성된 수산화인회석(~50 nm) 이 글리세롤이 없는 조건(~100 nm)에서보다 더 작은 크기로 합성되는 것을 발견했다. 더 나아가, 수산화인회석에 글리세롤 분자의 흡착은 1X 인산완충식염수(PBS) 용액에서 콜로이드 안정성을 향상시켰다.

2. 실 험

수산화인회석은 수용액 하에서 침전법으로 상온에서 합성되었다. 교반 하에 0.6 M Na₂HPO₄ 80 mL를 1 M Ca(NO₃)₂⋅4H₂O 80 mL 용 액에 천천히 적가하였다. 상기 제조된 용액에 10 M NaOH 32 mL를 첨가하고 상온에서 1시간 동안 교반하였다. 그 후, 원심분리기를 이용 하여 혼합물을 3차 증류수로 네 번 세척하였다. 24시간의 동결건조 후 흰색 분말의 시료를 얻었다. 마지막으로, 흰색 분말을 막자사발을 사 용하여 균일하게 갈아주었다. 이렇게 상온에서 합성된 수산화인회석 을 RT-HAP로 명명하였다.

RT-HAP를 증류수 및 글리세롤 용매 하에 각각 열처리하였다. 두 개의 50 mL 테플론 라이닝된 오토클레이브 반응기에 증류수와 글리 세롤 용액을 각각 20 mL씩 담고, RT-HAP 1 g을 각각 넣어준다. 고르 게 분산된 혼합물을 얻기 위해 10분 동안 초음파 처리하였다. 반응기 속 혼합물을 200 °C 온도에서 20시간 열처리하였다. 이후의 원심분리 및 동결건조 단계는 앞선 RT-HAP의 합성방법과 동일하게 진행하였 다. 증류수와 글리세롤에서 열처리된 샘플은 각각 H₂O-HAP 및 Gly-HAP로 명명하였다.

3. 결과 및 고찰

Figure 1은 합성한 3개의 샘플들의 XRD (X-ray powder diffraction) 패턴이다. 모든 샘플의 XRD 패턴은 유사하게 나타났으며, 표준 데이 터베이스 JCPDS No. 00-009-0432와 비교하여 순수한 수산화인회석 과 XRD 패턴이 일치함을 확인했다. 제2인산칼슘(모네타이트) 또는 α형 제3인산칼슘과 같은 다른 인산칼슘에 해당하는 피크는 발견되 지 않았다. RT-HAP와 비교하였을 때에 200 °C에서 열처리된 H₂O-HAP와 Gly-HAP은 피크의 분해능이 향상된 것을 관찰되었다 (H₂O-HAP 및 Gly-HAP 샘플은 RT-HAP와 다르게 (211) 및 (300)의 결정면이 식별 가능하다). 따라서 RT-HAP는 열처리 과정에서 결정성 이 향상되었을 것으로 생각된다.

합성된 수산화인회석의 형태는 TEM (transmission electron microscopy) 으로 분석하였다(Figure 2). Figure 2a-c의 TEM 이미지로부터 RT-HAP와 H₂O-HAP는 결정들이 대부분 큰 덩어리로 응집되어 있었 으며, Gly-HAP는 상대적으로 고르게 분산되어있음을 확인했다. Figure 2d-f의 확대된 TEM 이미지로부터 모든 샘플이 수산화인회석 단결정의 전형적인 모양인 길쭉한 육각 기둥 형태를 가지는 것을 확 인했다[16]. 특히, H₂O-HAP가 육각 기둥 모습이 가장 뚜렷하게 보이 는 것을 확인했다(Figure 2e). 또한, RT-HAP와 Gly-HAP의 결정 크기 는 비슷한 반면, H₂O-HAP (Figure 2e)는 단결정이 확연히 큰 것을 볼 수 있다.

TEM 이미지로부터 각 샘플들의 단결정 크기를 측정하여 비교했다 (Figure 3). 앞서 TEM 이미지로부터 예상한 바와 같이 H₂O-HAP (85.5 및 28.3 nm)의 길이와 너비는 RT-HAP (21.5 및 8.6 nm)에 비해 약 4배 증가하였고, 세 샘플 중 단결정의 크기가 가장 컸다. 반면, Gly-HAP (33.4 및 12.1 nm)의 결정의 크기 증가폭은 H₂O-HAP에 비 해 훨씬 작았다. H₂O-HAP의 경우, 증류수에 대한 수산화인회석의 용 해도가 열처리 과정에서 상승한 온도로 인해 높아져 수산화인회석이 증류수 속으로 용해될 수 있으며, 이후 침전 과정을 거쳐 결정 성장이 가능하다고 판단된다. 반면, Gly-HAP 결정의 성장은 두 가지 주요 요 인에 의해 제한되었다. 첫째, 글리세롤이 용매인 경우 수산화인회석의 낮은 용해도는 칼슘 및 인산 음이온의 농도를 감소시켰으며, 이는 결 정의 추가 성장을 제한한다. 둘째, 수산화인회석 표면에 글리세롤 분 자가 흡착되면서 결정의 성장이 방해된다.

Figure 4는 증류수 및 1X PBS 용액 하에 각 샘플의 콜로이드 안정 성을 시험한 결과이다. H₂O-HAP는 증류수와 PBS 용액 모두에서 2분 이내에 빠르게 침전되는 것을 확인했다(Figure 4b, f의 빨간색 원). 이 는 H₂O-HAP의 결정 크기가 가장 크기 때문일 것이라 생각한다. RT-HAP와 Gly-HAP의 콜로이드 안정성은 증류수에서는 비슷했으며, 5분 후 침전되었다(Figure 4c, d). 반면, PBS 용액에서 Gly-HAP의 콜 로이드 안정성은 RT-HAP보다 뛰어났으며, 5분 이상 분산된 상태를 유지하여 세 샘플 중 콜로이드 안정성이 가장 좋았다(Figure 4g, h). 특이한 점은, TEM 분석으로부터 확인한 결과, Gly-HAP가 RT-HAP보 다 결정 크기가 더 큼에도 불구하고 콜로이드 안정성이 우수하다는 것이다. 따라서 Gly-HAP의 향상된 콜로이드 안정성이 글리세롤 분자 가 수산화인회석 표면에 흡착되어 수산화인회석의 응집을 방지한 결 과에 기인한 것으로 예상된다.

4. 결 론

결론적으로, 증류수와 글리세롤 용액 모두에서 수산화인회석의 열 처리는 결정성을 향상시켰다. TEM 분석으로 열처리 후 H₂O-HAP의 결정 크기는 RT-HAP에 비해 약 4배 정도 증가했음을 확인했다. 그러 나 동일한 열처리 과정으로 합성된 Gly-HAP의 결정 크기는 H₂O-HAP보다 현저히 작았으며, 이는 RT-HAP와 비슷했다. 글리세롤 에 대한 수산화인회석의 낮은 용해도는 결정 성장에 필요한 물질 전 달을 감소시키며, 수산화인회석 표면에 글리세롤 흡착도 결정의 성장 제한 요소로 작용된다. 중요하게도, 수산화인회석에 글리세롤이 흡착 되면 증류수와 PBS 용액에서 콜로이드 안정성이 향상되었다. 이는 흡 착된 글리세롤 분자에 의한 수산화인회석의 응집이 방해되었기 때문 이라고 예상된다.