KR100426446B1 - 직선형 다공성 골 충진재 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직선형 다공성 골 충진재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정형외과나 치과 영역에서 사용하는 골 충진재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 생체활성 세라믹이 코팅된 고분자 섬유를 길이 방향으로 배열하고, 생체 활성 세라믹으로 빈 공간을 충진하여 적층한 후에 가압 성형하고, 열을 가하여 고분자 섬유를 제거한 후 소결 처리되어, 직선형 기공이 다수 형성된 생체 활성 세라믹 다공체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재를 제공한다.

Description

직선형 다공성 골 충진재 및 그 제조 방법{Cylindrical Porous Bone Filler and Process for Its Production}

본 발명은 직선형 다공성 골 충진재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정형외과나 치과 영역에서 사용하는 골 충진재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

정형외과나 치과 영역에서 사용하는 골 충진재로는 다공성 생체활성 세라믹이 선호된다. 치밀한 생체활성 세라믹은 계면에서 골과 결합하지만 골이 성장해 들어갈 공간이 없어 골의 성장을 제한하며 체내에 끝까지 남아있기 때문에 골과의 완전한 치환이 불가능하다. 그러나 생체활성 세라믹을 다공화할 경우 골이 기공 속으로 성장해 들어갈 수 있기 때문에 완전한 골유합을 기대할 수 있다.

일반적으로 사용되는 골충진용 다공성 골 이식재는 3차원적으로 기공이 연결되어 있는 망상골형이 주로 사용된다. 미국 특허 제392997호는 해양생물체의 다공성 카보네이트와 같은 미세구조를 갖는 하이드록시 아파타이트로 구성된 합성재료에 관한 것으로, 기공이 3차원적으로 무질서하게 연결되어 있으며, 미국 특허 제4,976,736호도 동일한 다공성 구조를 갖으면서 탄산칼슘으로 구성된 기저층과 하이드록시 아파타이트와 같은 합성인산염으로 구성된 표면층으로 구성되어 있는 생체재료에 관하여 개시되어 있다.

대한민국 공개특허 제2000-0755142호는 3차원적으로 서로 연결된 기공을 갖는 칼슘메타포스페이트 골 이식재를 제공하며, 대한민국 특허 출원 번호 제 10-2000-46973호는 기공 구조가 망상골 형태로써 기공이 3차원적으로 무질서하게 연결된 골 이식재를 제공한다.

그러나 3차원으로 연결된 기공을 갖는 골 이식재는 자연산 산호나 스폰지를 이용하기 때문에 기공 크기가 정확히 정의되기 힘들며 기공율이 낮으면 기공이 막히는 문제가 있고, 기공율을 낮추는데 한계가 있기 때문에 강도도 낮아지는 문제가 있으며, 기공 크기를 인위적으로 조절하기가 어려운 문제점이 있다. 또한 골전도 양상이 무질서하기 때문에 골전도를 한눈에 관찰하기도 힘들다.

한편, 대한민국 공개특허 제88-000066호는 2차원의 연속적인 소공을 갖는 골이식재 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 외과 및 정형외과 분야에서 뼈 대체재 또는 치과 의술 및 구강 외과 분야에서 뼈 공동의 충전제로 유용한 하이드록시 아파타이트로 구성되고 2차원 방향으로 연속상 통로를 갖는 골 이식재에 관한 것이지만 유기 중합체 네트를 사용하기 때문에 기공율 조절이 어렵고 유기 중합체 선이 겹치는 부분이 휘어져 있기 때문에 골전도를 방해할 가능성이 높은 문제점을 안고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 기존 골 충진재의 3차원적 무질서한 기공의 연결 상태를 기공 크기가 일정한 직선형 기공으로 바꿔줌으로써 기공의 크기를 명확히 정의할 수 있고 기공율 조절이 자유로우며 골전도 양상을 관찰하기 쉽고 기계적 강도가 높은 구조를 가지는 직선형 다공성 골 충진재 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직선형 다공성 골 충진재의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도,

도 2는 본 발명에 따라 제조된 골 충진재의 기공율을 계산하기 위한 규격도,

도 3은 본 발명에 따라 제조된 골 충진재의 사진,

도 4는 본 발명에 따른 골 충진재를 이용한 골전도 양상을 나타낸 사진,

도 5는 본 발명에 따른 골 충진재를 적용한 후의 길이 방향으로 절단한 단면 사진.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 생체활성 세라믹이 코팅된 고분자 섬유를 길이 방향으로 배열하고, 생체 활성 세라믹으로 빈 공간을 충진하여 적층한 후에 가압 성형하고, 열을 가하여 고분자 섬유를 제거한 후 소결 처리되어, 직선형 기공이 다수 형성된 생체 활성 세라믹 다공체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재를 제공한다.

상기 생체 활성 세라믹 다공체에 형성된 기공의 횡단면 직경은 20∼700㎛이고, 상기 생체 활성 세라믹 다공체의 기공율은 10∼70%이다. 상기 생체 세라믹은하이드록시 아파타이트, 인산삼칼슘, 인산일칼슘, 육인산사칼슘, 생체활성 유리 및 결정화 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어진다.

그리고, 본 발명은 생체활성 세라믹을 유기 용매에 결합제와 함께 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 슬러리를 고분자 섬유에 코팅하여 코팅체를 얻는 단계와; 상기 코팅체 다수를 길이 방향으로 배열하고 인접한 코팅체 사이의 빈 공간을 상기 슬러리를 채워서 섬유층을 형성하는 단계와; 상기 섬유층의 일면에 생체활성 세라믹으로 된 테이프를 부착시키고 건조시켜서 적층재를 얻는 단계와; 상기 적층재를 절단하여 원하는 두께로 적층하여 성형체를 얻는 단계와; 상기 성형체에 열과 압력을 가하여 밀착시키고 열을 가하여 상기 고분자 섬유를 제거하여 기공을 형성하여 다공체를 얻는 단계와; 상기 다공체를 상기 생체활성 세라믹의 소결 온도에서 소결 처리하여 소결체를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재 제조 방법을 아울러 제공한다.

상기 고분자 섬유의 직경은 20㎛∼700㎛이고, 상기 생체 세라믹은 하이드록시 아파타이트, 인산삼칼슘, 인산일칼슘, 육인산사칼슘, 생체활성 유리 및 결정화 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종이고, 상기 소결체에 형성된 기공의 기공율은 10∼70%이고, 상기 소결체에 형성된 기공의 기공율은 상기 고분자 섬유의 직경, 인접한 고분자 섬유간의 간격, 상기 테이프의 두께를 조절하여 결정한다.

이하, 본 발명에 따른 직선형 다공성 골 충진재 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부한 도면, 도 1은 본 발명에 따른 직선형 다공성 골 충진재의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도, 도 2는 본 발명에 따라 제조된 골 충진재의 기공율을 계산하기 위한 규격도, 도 3은 본 발명에 따라 제조된 골 충진재의 사진, 도 4는 본 발명에 따른 골 충진재를 이용한 골전도 양상을 나타낸 사진, 도 5는 본 발명에 따른 골 충진재를 적용한 후의 길이 방향으로 절단한 단면 사진이다.

본 발명과 같이 기공 구조가 직선형인 다공체는 도 1의 공정도에 의해서 제조된다.

원하는 기공 크기와 같은 직경을 가지는 고분자 섬유(10)를 준비한 다음(도 1의 A), 나중에 인접 고분자 섬유(10) 사이의 반응으로 인한 기공의 무너짐을 예방하기 위해서 고분자 섬유(10)를 생체활성 세라믹 슬러리로 된 코팅재(21)로 코팅한다(도 1의 B).

여기서 생체활성 세라믹은 하이드록시 아파타이트, 인산삼칼슘, 인산일칼슘, 육인산사칼슘, 생체활성 유리 및 결정화 유리로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 물질로 이루어진다.

코팅재(21)가 코팅된 고분자 섬유(10)를 미리 준비한 생체활성 세라믹으로 된 테이프(23)에 길이 방향으로 다수 배열하고, 인접한 고분자 섬유(10) 및 테이프(23)간에 형성된 빈 공간에 생체활성 세라믹 슬러리로 된 충진재(22)를 채워서 섬유층을 형성한다(도 1의 C).

그리고, 완전히 건조시킨 후에 상기 섬유층을 생체활성 세라믹으로 이루어진 테이프(23)를 중간에 삽입하면서 적층하고 열을 가하면서 프레스로 힘을 가해 섬유층과 섬유층 사이를 서로 붙인다(도 1의 D).

상기와 같이 제조한 성형체를 완전히 건조시킨 다음 열처리하여 고분자 섬유(10)를 태워서 제거한 후에 1300℃에서 2시간 소결 처리함으로써, 상기 고분자 섬유(10)가 있던 자리를 기공(30)으로 변환 처리한다(도 1의 E).

여기서, 상기 기공(30)의 크기는 직경이 다른 고분자 섬유(10)를 사용하여 조절하였다. 도 2는 직경이 다른 고분자 섬유(10)를 사용하여 제조한 다공체의 기공 크기를 보여준다.

상기 고분자 섬유(10)의 직경은 바람직하게는 20㎛∼700㎛ 범위가 적당한데, 20㎛ 이하는 혈관의 크기보다 작아서 골이 자라 들어가기가 힘들며, 700㎛ 이상에서는 기공이 너무 커서 골이 많이 형성되지 않는다.

다공체의 기공율은 크게 세 가지 인자로 조절할 수 있는데 하나는 기공(30)을 형성하는데 들어가는 고분자 섬유(10)의 직경이고, 두 번째는 섬유층과 섬유층 사이에 들어가는 생체활성 세라믹 테이프(23)의 두께 및 삽입 빈도의 조절이고, 마지막 세 번째는 고분자 섬유(10)에 코팅하는 코팅재(21)의 두께이다.

이들 인자에 따른 기공율은 기공(30)을 형성하기 위하여 삽입된 고분자 섬유로만 형성된다고 가정하면 다음과 같은 수학식 1을 통하여 예측할 수 있다(도 2 참조).

단, R_f: 고분자 섬유(10)의 반경, R_c: 코팅재(21)의 두께, t : 테이프(23), l : 고분자 섬유(10)의 길이.

고분자 섬유(10)에 코팅하는 생체활성 세라믹으로 된 코팅재(21)의 두께(R_c)는 코팅재(21)의 점도 조절을 통해서 이루어진다.

다시 말하면, 주로 유기 용매와 결합제로 이루어진 생체 활성 세라믹 슬러리의 점도는 유기 용매의 양을 통하여 조절하였는데, 진공을 걸어주어 유기 용매를 휘발시키는 방법으로 점도를 높였다.

본 발명에 따른 직선형 다공성 골 이식재의 기공율은 10%∼70% 범위가 바람직한데 10% 이하는 기공이 적어 골이 성장해 들어갈 공간이 충분하지 않고, 70% 이상은 이론적으로 최대로 섬유를 적층할 경우 얻을 수 있는 최대 기공율이 74%이기 때문에 제조가 불가능하다.

본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같으며, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

알코올 200cc에 고상법으로 합성한 아파타이트 120g를 넣고, 결합제(Polyvinyl But, B-79), 가소제(S-160), 분산제(9228, San nop co.)를 각각 15 : 15 : 1의 중량비로 첨가한 다음 지르코니아 볼로 24시간동안 혼합하여 아파타이트 슬러리를 제조한다.

직경 100㎛의 고분자 섬유(10)를 상기 슬러리로 된 코팅재(21)로 코팅한 다음, 5cm 크기로 자르고 이를 길이 방향으로 배열한다.

그리고, 고분자 섬유 사이의 공간은 아파타이트 슬러리로 된 충진재(22)로 채웠다.

완전히 건조되면 이를 적당한 크기로 자른 다음 5cm 두께로 적층하고, 밀착되도록 열을 가하면서 프레스로 1ton의 압력을 가하였다.

이러한 방법으로 제조한 성형체에 600℃까지 분당 2℃의 승온 속도로 열을 가해 고분자 섬유(10)를 완전히 연소시켜서 기공(30)을 형성한 후에, 아파타이트의 소결 온도인 1300℃에서 2시간 열처리하였다.

표 1에 다양한 기공 크기를 갖는 직선형 다공체의 기공율과 압축 강도를 제시하였다. 기공율은 45∼55% 범위를 가지며, 압축 강도는 15∼25MPa 사이의 값을 가지는데, 망상골형 골 이식재가 0.7MPa임을 고려할 때 강도가 상대적으로 컸다. 이는 기공율의 차이가 가장 큰 원인이다.

시편 번호	전체 기공율(%)	최대 압축 강도
직선형 50㎛	48.04±3.06	24.5±7.93
직선형 100㎛	48.67±4.34	16.9±6.16
직선형 300㎛	40.73±1.56	15.58±8.57
직선형 500㎛	53.97±1.64	18.4±7.30
망상골형 이식재	71.7±2.06	0.70±0.20

도 3에 100㎛의 고분자 섬유를 이용한 다공체의 SEM 사진을 제시하였다. 직선형 다공체를 가토에 이식하여 골전도 양상을 관찰하였다. 이식 후 4주가 경과한 다공체 시편에서 상용 스폰지형 다공체는 불규칙한 워븐 본(woven bone) 형태를 취한 반면 1차원 다공체는 기공 중심을 기준으로 동심원 상으로오스테사이트(osteocyte)가 배열되어 있는 것을 확인할 수 있었고, 실제 치밀골에 관찰할 수 있는 오스테온(osteon) 구조와 흡사하다(도 4).

다공체의 기공 방향으로 컷팅하고 그 단면을 BSSEM(Back Scattered SEM)으로 관찰했을 때 사진을 도 5에 제시하였다. 기공 입구부터 뼈가 차 들어가 기공 중앙부로 성장한 것을 보여주고 중심에 혈관이 있던 자리를 확인할 수 있다.

그리고 아파타이트와 뼈는 화학적으로 결합해서 시료 준비 시 파괴된 계면이 주로 세라믹 쪽에서 있는 것을 확인할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 고분자 섬유를 이용하여 직선형 기공을 갖는 다공성 생체활성 세라믹은 기존의 다공체보다 기공 크기가 명확히 정의되며, 기공이 완전히 연결될 뿐만 아니라 기공율도 높일 수 있는 장점이 있어 강도도 높다.

또한 골전도 양상을 관찰하기 유리한 구조이기 때문에 학술적으로 이용할 수 도 있으며, 제조공정도 간단하고 비용도 저렴하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (10)

1. 생체활성 세라믹이 코팅된 고분자 섬유를 길이 방향으로 배열하고, 생체 활성 세라믹으로 빈 공간을 충진하여 적층한 후에 가압 성형하고, 열을 가하여 고분자 섬유를 제거한 후 소결 처리되어, 직선형 기공이 다수 형성된 생체 활성 세라믹 다공체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재.
2. 제 1항에 있어서, 상기 생체 활성 세라믹 다공체에 형성된 기공의 횡단면 직경은 20∼700㎛인 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재.
3. 제 1항에 있어서, 상기 생체 세라믹은 하이드록시 아파타이트, 인산삼칼슘, 인산일칼슘, 육인산사칼슘, 생체활성 유리 및 결정화 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재.
4. 제 1항에 있어서, 상기 생체 활성 세라믹 다공체의 기공율은 10∼70%인 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재.
5. 생체활성 세라믹을 유기 용매에 결합제와 함께 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계와;

   상기 슬러리를 고분자 섬유에 코팅하여 코팅체를 얻는 단계와;

   상기 코팅체 다수를 길이 방향으로 배열하고 인접한 코팅체 사이의 빈 공간을 상기 슬러리를 채워서 섬유층을 형성하는 단계와;

   상기 섬유층의 일면에 생체활성 세라믹으로 된 테이프를 부착시키고 건조시켜서 적층재를 얻는 단계와;

   상기 적층재를 절단하여 원하는 두께로 적층하여 성형체를 얻는 단계와;

   상기 성형체에 열과 압력을 가하여 밀착시키고 열을 가하여 상기 고분자 섬유를 제거하여 기공을 형성하여 다공체를 얻는 단계와;

   상기 다공체를 상기 생체활성 세라믹의 소결 온도에서 소결 처리하여 소결체를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 고분자 섬유의 직경은 20㎛∼700㎛인 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재 제조 방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 생체 세라믹은 하이드록시 아파타이트, 인산삼칼슘, 인산일칼슘, 육인산사칼슘, 생체활성 유리 및 결정화 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재 제조 방법.
8. 제 5항에 있어서, 상기 소결체에 형성된 기공의 기공율은 10∼70%인 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재 제조 방법.
9. 제 5항 또는 제 8항에 있어서, 상기 소결체에 형성된 기공의 기공율은 상기 고분자 섬유의 직경, 인접한 고분자 섬유간의 간격, 상기 테이프의 두께를 조절하여 결정하는 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재 제조 방법.
10. 제 5항의 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 직선형 다공성 골 충진재.