Hydroxyapatite (HAp), the main constituent of the rigid cortical bone, is a material that exhibits enhanced osteoconduction at its surface. Although its high electrical functionality has been long associated with its large surface charge density, the exact physical nature of the charge has long remained an enigma. In the first part of this thesis, we will go extensively over the theoretical aspect of the measurement tools used in this research, such as piezoresponse force microscopy (PFM), to discuss its usage in the analysis of the electromechanical response observed at the material surface. Subsequently, we focus on discerning the physicochemical origin of the PFM response observed at the HAp surface for assessing the contribution of the various electrical properties of HAp in the osteointegration of synthetic HAp sintered at a high temperature range. Finally, having identified the nature of the material properties of HAp, we introduce a preliminary step we took in synthesizing a new class of nanocomposite thin film that is viable in biomedical applications, where we modified the surface of the HAp for its inclusion in a polymer matrix. This research will provide the reader with a comprehensive understanding of the dynamics and electrostatics of PFM and its application in analyzing the surface properties of electrically function materials like HAp.
체내에 있는 단단한 겉질뼈(cortical bone)의 주요 구성 성분인 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HAp)는 그 표면에서 매우 높은 골전도를 보이는 물질로서 많은 주목을 받고 있다. 이미 오랫동안 HAp의 표면에서 관찰되는 매우 뛰어난 전기적 기능성은 그 높은 표면 전하 밀도와 많은 연관이 있다고 판단되었으나, 정작 표면 전하의 정확한 물리적 특성과 원인은 수수께끼로 남아 있다. 이에 본 연구의 초반부에서는 압전감응력 현미경(piezoresponse force microscopy, PFM)과 같이 실제로 연구에 쓰인 장비들의 이론적인 분석을 통해 표면에서의 전자기계적(electromechanical) 변형을 분석하는데 어떻게 쓰일 수 있는지를 자세히 조사하였다. 이후 이와 같은 이론적인 해석을 토대로 HAp 표면에서 관찰되는 PFM 신호의 물리화학적 원인을 규명함으로써 HAp의 다양한 전기적 특성이 고온 처리된 HAp 표면에서의 골유착 과정에 어떻게 기여하는지 알아보고자 했다. 마지막으로 HAp의 표면 전기 특성을 실질적으로 치료에 응용하기 위한 나노복합체 박막을 만드는 과정의 초기 단계로서 HAp의 표면을 변형시켜 고분자 안에 쉽게 섞일 수 있도록 했다. 본 연구는 PFM 시스템의 전자기적 구조와 이를 HAp와 같이 전기적 고기능성 소재의 분석에 응용하는 방법론에 대한 포괄적인 이해를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.
