목차
Chapter 01 생체의학용 재료
1.1 서론: 생체재료 = 1
1.1.1. 주요 정의 = 2
1.1.2. 생체재료개발의 역사와 현황 = 3
1.1.3. 향후 전망 = 8
1.2 생체재료의 생물학적 반응 = 8
1.3 생체재료 제품의 시험과 FDA승인 = 9
1.4 생체재료의 종류 = 10
1.4.1. 금속 = 10
1.4.2. 세라믹 = 11
1.4.3. 고분자 = 13
1.4.4. 천연고분자 vs. 합성고분자 = 13
1.5 생체재료의 가공 = 15
1.6 생체재료의 주요 성질 = 15
1.6.1. 생체재료의 열화특성(degradative properties) = 15
1.6.2. 생체재료의 표면특성 = 16
1.6.3. 생체재료의 벌크특성 = 17
1.6.4. 분석기술 = 18
1.7 화학적 원리 = 18
1.7.1. 원자구조 = 19
1.7.2. 원자모델 = 19
1.7.3. 원자오비탈 = 21
1.7.4. 원자가전자(valence electrons)와 주기율표 = 24
1.7.5. 이온결합 = 26
1.7.6. 공유결합 = 29
1.7.7. 금속결합 = 34
1.7.8. 2차 결합 = 34
요약 = 35
문제 = 36
참고문헌 = 37
Additional Reading = 38
Chapter 02 생체재료의 화학 구조
2.1 서론: 생체재료의 결합과 구조 = 41
2.2 금속의 구조 = 42
2.2.1. 결정 구조 = 42
2.2.2. 결정계(Crystal Systems) = 46
2.2.3. 결정구조의 결함 = 52
2.2.4. 고상 확산 = 55
2.3 세라믹의 구조 = 60
2.3.1. 결정구조 = 60
2.3.2. 결정구조의 결함 = 66
2.4 고분자의 구조 = 69
2.4.1. 일반적 구조 = 69
2.4.2. 고분자 합성 = 81
2.4.3. 공중합체 = 84
2.4.4. 중합방법 = 85
2.4.5. 결정구조와 결함 = 86
2.5 물질의 구조분석 = 88
2.5.1. X-선 회절 = 89
2.5.2. 자외선／가시광선 분광법(UV-VIS) = 95
2.5.3. 적외선 분광법(IR) = 99
2.5.4. 핵자기공명법(NMR) = 104
2.5.5. 질량분석법(Mass Spectrometry) = 111
2.5.6. 고성능액체크로마트그래피(HPLC): 크기배제크로마토그래피 = 113
요약 = 117
문제 = 119
참고문헌 = 122
Additional reading = 123
Chapter 03 생체재료의 물리적 특성
3.1 서론: 원자에서 재료에까지 = 125
3.2 결정성과 선결함 = 126
3.2.1. 전위(Dislocations) = 126
3.2.2. 변형(deformation) = 130
3.3 결정성과 면결함(Crystallinity and Planar Defects) = 133
3.3.1. 외부표면(External surface) = 133
3.3.2. 입계(Grain Boundaries) = 133
3.4 결정성과 부피결함(Crystallinity and Volume Defects) = 136
3.5 결정성과 고분자 재료 = 137
3.5.1. 결정도 = 138
3.5.2. 결정성 모델: 사슬접힌 모델(Chain-folded model of Crystallinity) = 140
3.5.3. 고분자 결정에서의 결함 = 142
3.6 결정과 비결정 재료의 열전이 = 143
3.6.1. 점성 유동(viscous flow) = 143
3.6.2. 열 전이(Thermal transitions) = 144
3.7 분석 기법: 열분석의 기초 = 149
3.7.1. differential scanning calorimetry = 150
문제 = 155
참고문헌 = 156
Additional reading = 157
Chapter 04 생체재료의 기계적 성질
4.1 서론: 기계적 시험의 종류 = 159
4.2 기계적 특성 시험법, 결과 및 계산 = 160
4.2.1. 인장 및 전단 특성 = 161
4.2.2. 굽힘 특성 = 181
4.2.3. 경시적(time-dependent)특성 = 183
4.2.4. 기공의 영향과 기계적 성질의 변화 = 195
4.3 파절과 실패 = 196
4.3.1. 연성 파절과 취성 파절 = 196
4.3.2. 폴리머 잔금 = 199
4.3.3. 응력 집중 = 199
4.4 피로와 피로 시험 = 201
4.4.1. 피로 = 201
4.4.2. 피로 시험 = 201
4.4.3. 피로수명에 미치는 요인 = 202
4.5 기계적 성질을 향상시키는 방법 = 204
4.6 기술: 기계적 특성 분석의 소개 = 206
4.6.1. 기계적인 시험 = 206
요약 = 207
연습문제 = 209
참고문헌 = 211
Additional reading = 212
Chapter 05 생체재료의 분해(Biomaterial Degradation)
5.1 서론: 생물학적 환경에서의 분해 = 213
5.2.1. 부식에 관한 기초 지식 = 215
5.2.2. Pourbaix 도표와 부동태화(Pourbaix Diagrams and Passivation) = 221
5.2.3. 공정변수의 영향 = 223
5.2.4. 기계적 환경이 미치는 영향 = 226
5.2.5. 생물학적 환경의 영향 = 227
5.2.6. 부식방지를 위한 방안 = 228
5.2.7. 세라믹 분해(Ceramic Degradation) = 229
5.3 고분자 분해(Degradation of Polymers) = 230
5.3.1. 고분자 분해의 주요 요인들 = 230
5.3.2. 가수분해에 의한 사슬절단(Chain Scission by Hydrolysis) = 230
5.3.3. 산화에 의한 사슬절단(Chain Scission Oxidation) = 232
5.3.4. 분해에 영향을 미치는 다른 요인들 = 234
5.3.5. 다공성의 영향(Effects of Porosity) = 235
5.4 생분해성 물질(Biodegradable Materials) = 235
5.4.1. 생분해성 세라믹(Biodegradable Ceramics) = 236
5.4.2. 생분해성 고분자(Biodegrable Polymers) = 237
5.5 분해정도의 측정법 = 241
요약 = 241
문제 = 242
참고문헌 = 244
Additional reading = 245
Chapter 06 생체재료의 가공
6.1 서론: 생체재료 가공의 중요성 = 247
6.2 벌크 특성을 향상시키는 공정 = 248
6.2.1. 금속 = 248
6.2.2. 세라믹스 = 252
6.2.3. 고분자 = 252
6.3 성형 = 253
6.4 금속 가공 = 253
6.4.1. 금속의 성형 = 253
6.4.2. 금속 주조(casting) = 256
6.4.3. 금속의 분말 공정 = 257
6.4.4. 금속의 쾌속조형기술(rapid prototyping) = 258
6.4.5. 금속의 용접(welding) = 258
6.4.6. 금속의 기계가공(machining) = 259
6.5 세라믹 공정 = 259
6.5.1. 유리 성형 기술 = 259
6.5.2. 세라믹의 캐스팅(casting)과 소성(firing) = 261
6.5.3. 세라믹의 분말 공정 = 262
6.5.4. 세라믹의 쾌속제조 기술 = 262
6.6 고분자 공정 = 263
6.6.1. 열가소성과 열경화성(thermoplasts and thermosets) = 263
6.6.2. 고분자 형상화 = 264
6.6.3. 고분자 캐스팅 = 265
6.6.4. 고분자의 쾌속 제조 기술 = 268
6.7 생체적합성을 향상시키기 위한 공정 = 269
6.7.1. 멸균(sterilization) = 269
6.7.2. 천연 재료의 고정 = 271
요약 = 271
문제 = 272
참고문헌 = 273
Additional reading = 273
Chapter 07 생체재료의 표면성질(Surface Properties of Biomaterials)
7.1 서론: 표면화학 및 생물학의 개념 = 275
7.1.1. 단백질 흡착과 생체적합성(Biocompatibility) = 276
7.1.2. 단백질 흡착을 결정하는 표면성질 = 276
7.2 물리화학적 표면개질법 = 279
7.2.1. 표면개질법에 관한 개요 = 279
7.2.2. 물리화학적 표면코팅: 공유결합성 표면코팅 = 279
7.2.3. 물리화학적 표면코팅(physicochemical surface coating): 비공유성 표면코팅(non-covalent surface coating) = 287
7.2.4. 막을 형성하지 않는 물리화학적 표면개질법(physicochemical Surface Modification Methods with No Overcoat) = 290
7.2.5. 표면개질을 위한 레이저법(Laser Methods for Surface Modification) = 293
7.3 생물학적 표면개질법(Biological Surface Modification Techniques) = 294
7.3.1. 공유결합성 생물피막(Covalent Biological Coatings) = 295
7.3.2. 비공유결합성 생물학적 피막형성(Non-Covalent Biological Coatings) = 297
7.3.3. 효소 고정화(Immobilized Enzymes) = 298
7.4 표면성질과 분해(Surface Properties and Degradation) = 299
7.5 표면 패터닝법(Patterning Techniques for Surfaces) = 299
7.6 표면특성화에 관한 개요 = 301
7.6.1. 접촉각 분석(Contact Angel Analysis) = 303
7.6.2. 광학현미경(Light Microscopy) = 307
7.6.3. 화학분석을 위한 전자분광법(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA) 또는 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) = 310
7.6.4. 감쇠전반사 푸리에 변환 적외선 분광법(Attenuated Total Internal ATR-FTIR) = 314
7.6.5. 이차 이온 질량분광광도법(Secodnary Ion Mass Spectrometry, SIMS) = 317
7.6.6. 전자현미경: 투과현미경과 주사현미경(Electron Microscopy: Transmission Electron Microscopy(TEM) and Scanning Electron Microscopy) = 39
7.6.7. 원자탐침 현미경(Scanning Probe Miscroscopy, SPM): 원자힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM) = 323
요약 = 329
문제 = 330
참고문헌 = 333
Additional reading = 334
Chapter 08 단백질과 생체재료와의 결합
8.1 서론: 단백질 흡착에 열역학 = 337
8.1.1. 깁스의 자유에너지와 단백질의 흡착 = 338
8.1.2. 단백질 흡착의 성격 = 340
8.2 단백질의 구조 = 343
8.2.1. 아미노산화학 = 343
8.2.2. 1차 구조 = 344
8.2.3. 2차 구조 = 346
8.2.4. 3차 구조(Tertiary Structure) = 351
8.2.5. 4차 구조(Quaternary Structure) = 353
8.3 단백질 운반과 흡착 동역학 = 354
8.3.1. 표면으로의 운반 = 354
8.3.2. 흡착 동역학 = 356
8.4 단백 흡착의 가역성 = 358
8.4.1. 가역과 비가역적 결합 = 358
8.4.2. 탈착과 교환 = 359
8.5 Techniques: 단백질의 타입과 양에 대한 assays(단백질의 정성과 정량분석) = 362
8.5.1. High-Performance Liquid Chromatography(HPLC): 친화 Chromatography = 363
8.5.2. Colorimetric Assays = 369
8.5.3. 형광 aasays = 370
8.5.4. Enzyme-linked Immunosorbent assay(ELISA) = 371
8.5.5. 웨스턴 블로팅(Western blotting) = 373
요약 = 375
문제 = 376
참고문헌 = 377
Additional reading = 378
Chapter 09 생체재료와 세포와의 결합
9.1 서론: 세포-표면 간의 결합과 세포기능 = 379
9.2 세포 구조 = 380
9.2.1. 세포막 = 381
9.2.2. 세포골격 = 383
9.2.3. 미토콘드리아 = 383
9.2.4. 핵 = 384
9.2.5. 소포체 = 388
9.2.6. 소낭 = 390
9.2.7. 막수용체와 세포접촉 = 391
9.3 세포 외 환경 = 395
9.3.1. 콜라겐 = 395
9.3.2. 엘라스틴 = 397
9.3.3. 프로테오글리칸 = 397
9.3.4. 당단백질들(Glycoproteins) = 400
9.3.5. 다른 세포 외 기질 성분들 = 402
9.3.6. 기질 재구성(Matrix remoding) = 403
9.3.7. 생체물질로서의 세포 외 기질 분자 = 404
9.4 세포 기능에 영향을 미치는 세포환경 상호작용 = 406
9.4.1. 세포 생존(Cell Survival) = 406
9.4.2. 세포 증식 = 407
9.4.3. 세포분화 = 410
9.4.4. 단백질 합성 = 412
9.5 부착, 퍼짐과 이동의 모델 = 420
9.5.1. 기본부착모델 : DLVO 이론 = 420
9.5.2. DLVO 이론의 한계와 발전된 모델 = 421
9.5.3. 세포 퍼짐과 이동 모델 = 422
9.6 기술 : 세포-재료 상호작용의 효과를 결정하는 분석법들 = 427
9.6.1. 세포독성분석 = 427
9.6.2. 부착／퍼짐 분석법 = 430
9.6.3. 이동분석법 = 431
9.6.4. DNA와 RNA 분석법 = 433
9.6.5. 단백질 생성 분석 : 면역염색법 = 437
요약 = 438
문제 = 440
참고문헌 = 442
Additional reading = 443
Chapter 10 생체재료 이식과 급성염증
10.1 서론: 자연면역 및 획득면역에 관한 개요 = 445
10.1.1. 백혈구의 특징 = 447
10.1.2. 자연면역의 구성 = 448
10.2 염증반응의 임상적 징후 및 원인 = 448
10.3 조직대식세포 및 호중구의 역할 = 449
10.3.1. 호중구의 이동 = 450
10.3.2. 호중구의 작용 = 452
10.4 다른 백혈구들의 역할 = 454
10.4.1. 단핵구／대식구 = 454
10.4.2. 대식세포의 작용 = 454
10.4.3. 기타 과립구 = 457
10.5 급성염증의 종료 = 457
10.6 분석 기법: 염증반응 분석을 위한 시험관내(In Vitro) 방법들 = 458
10.6.1. 백혈구 검사 = 458
10.6.2. 기타 분석 기법 = 460
요약 = 460
문제 = 462
참고문헌 = 463
Additional reading = 463
Chapter 11 창상치유(wound healing)와 생체재료
11.1 서론: 육아조직 형성 = 465
11.2 이물반응(Foreign Body Reaction) = 467
11.3 섬유성 피막형성(Fibrous Encapsulation) = 469
11.4 만성염증반응(Chronic Inflammation) = 471
11.5 네 종류의 해소 = 471
11.6 수복과 재생: 피부의 창상치유 = 472
11.6.1. 피부수복 = 473
11.6.2. 피부재생(Skin Regeneration) = 474
11.7 염증반응에 대한 생체 내 실험 = 476
11.7.1. 동물모델 개발에서의 고려사항 = 477
11.7.2. 평가방법 = 480
요약 = 483
문제 = 484
참고문헌 = 485
Additional reading = 486
Chapter 12 생체재료에 대한 면역반응
12.1 서론: 획득면역에 관한 개요 = 489
12.2 항원표지와 림프구 성숙 = 491
12.2.1. 조직적합성 항원복합체(Major Histocompatibility Complex, MHC) 분자 = 491
12.2.2. 림프구 성숙과정 = 494
12.2.3. 클론 집단의 활성화 및 형성 = 496
12.3 B 세포와 항체 = 496
12.3.1. B 세포의 종류 = 496
12.3.2. 항체의 특성 = 498
12.4 T 세포 = 501
12.4.1. T 세포의 종류 = 501
12.4.2. 보조 T 세포($$T_h$$) = 501
12.4.3. 세포독성 T 세포($$T_c$$) = 503
12.5 보체계(Complement System) = 503
12.5.1. 전형적 경고(고전경로, Classical Pathway) = 503
12.5.2. 대체경로(alternative pathway) = 506
12.5.3. 막공격 복합체(Membrane Attack Complex) = 506
12.5.4. 보체계 조절 = 508
12.5.5. 보체계의 효과 = 508
12.6 생체재료에 대한 불필요한 면역반응 = 509
12.6.1. 생체재료에 대한 자연면역과 획득면역 반응 = 509
12.6.2. 관민반응(hypersensitivity) = 510
12.7 분석 기법: 면역반응 분석을 위한 검사 = 514
12.7.1. 시험관 내(in vitro) 분석 = 514
12.7.2. 생체 내(in vivo) 분석 = 515
요약 = 516
문제 = 518
참고문헌 = 519
Additional reading = 519
Chapter 13 생체재료와 혈액응고
13.2 혈소판의 역할 = 522
13.2.1. 혈소판의 특성과 기능 = 522
13.2.2. 혈소판 활성화(Platelet Activation) = 522
13.3 혈액응고 다단계 반응(Coagulation Cascade) = 524
13.3.1. 내인성 경로(Intrinsic Pathway) = 525
13.3.2. 외인성 경로(Extrinsic Pathway) = 526
13.3.3. 공통경로(Common Pathway) = 527
13.4 혈액응고를 제한하기 위한 방안 = 529
13.5 내피의 역할 = 530
13.6 혈액적합성 평가 = 532
13.6.1. 일반적인 평가사항 = 532
13.6.2. In vitro 평가 = 533
13.6.3. In vivo 평가 = 534
요약 = 536
문제 = 537
참고문헌 = 540
Additional reading = 540
Chapter 14 생체재료에 의한 감염, 암화, 그리고 석화화
14.1 서론: 생체재료 이식으로 일어날 수 있는 다른 문제들에 대한 개관 = 543
14.2 감염 = 544
14.2.1. Common pathogens and Categories of infection = 544
14.2.2. Steps to Infection = 545
14.2.3. Characteristics of the bacterial Surface, the 생체재료 Surface, and the Media = 546
14.2.4. Specific and Non-Specific Interactions Involved in Bacterial Adhesion = 551
14.2.5. 이식관련 감염의 요점 = 552
14.3 감염실험을 위한 방법 = 553
14.3.1. 박테리아 표면의 특성 = 553
14.3.2. In Vitro and Vivo Models of Infection = 555
14.4 종양형성 = 557
14.4.1. 종양형성의 정의와 과정 = 557
14.4.2. 화학적 vs. 이물질에 의한 종양형성 = 558
14.4.3. 이물질 종양형성을 위한 시간대 = 558
14.4.4. 생체재료 관련 종양형성의 요점 = 559
14.5 종양형성 시험을 위한 방법 = 560
14.5.1. 생체 외 시험모델 = 561
14.5.2. 생체 내 시험모델 = 561
14.6 병리적 석회화 = 562
14.6.1. 병리적 석회화의 서론 = 562
14.6.2. 병리적 석회화의 기전 = 563
14.6.3. 병적인 석회화를 줄이기 위한 기술과 요약 = 563
14.7 병적 석회화 실험을 위한 기술(Techniques for Pathologic Clcification Experiments) = 564
14.7.1. 석회화의 세포 외 모델(In Vitro Models of calcification) = 564
14.7.2. 석회화의 생체 내 모형(In Vivo Models of calcification) = 564
14.7.3. 표본 평가 = 565
요약 = 567
문제 = 569
참고문헌 = 570
Additional reading = 571
Appendix 부록 = 573
찾아보기 = 577
