KR100429937B1 - 골접합재,고강도이식체재료및이들의제조방법 - Google Patents

Abstract

생체내 분해흡수성인 결정성 열가소성 고분자 재료 혹은 이 고분자 재료 속에 입자 직경이 0.2 내지 50μm인 바이오세라믹 분체를 분산시킨 복합재료로서, 고분자 재료의 결정이 가압배향되어, 일축배향이 아니라 본질적으로 복수의 기준축에 평행하게 배향하고 있는 고굴곡강도, 고밀도 골접합재 및 고강도 이식체 재료, 및 생체내 분해흡수성인 결정성 열가소성 고분자 재료 혹은 이 고분자 재료와 바이오 세라믹 분체가 분산된 혼합물을 미리 만들고, 용융성형하여 예비성형체를 만들고, 폐쇄성형틀의 캐비티 속에 냉간 압입충전하여 배향형성체로 하는 가압배향에 의한 제법. 결정이 복수의 기준축에 평행하게 배향하고, 이방성이 적은 치밀하고 고강도인 배향성형체의 골접합재 및 이식체 재료이고, 적절한 가수분해성을 구비하여 뼈의 유합에 필요한 기간 충분한 강도를 유지하고, 골절부가 치유된 후에 염증반응을 일으키지 않는 속도로 분해흡수되는 재수술이 불필요한 뛰어난 이상적인 생체재료를 제조할 수 있다.

Description

골 접합재, 고강도 이식체 재료 및 이들의 제조방법

독성이 없고 안전하며 일시적으로는 생체 속에 존재하여 치유까지의 기간은 역학적, 생리적으로 기능과 목적을 달성하며 그 이후는 서서히 스스로가 분해·붕괴되어 생체에 흡수되어 생체의 대사회로를 거쳐서 체외로 배설되는 재료로 제조되어 있고, 궁극적으로는 이를 매립한 부위가 생체로 교체되어, 원래의 생체 상태가 재건되는 이식체는 이상적인 생체 재료의 하나라고 할 수 있다.

근년, 경조직(硬組織)인 생체골이나 연골의 대체를 목적으로 한 인공뼈, 인공 관절, 인공 치근, 골 충전재, 골 보철재, 또는 각 부위의 연골 또는 경골의 골절 고정을 목적으로 한 골 접합재가 각종 금속, 세라믹 및 중합체를 사용하여 제조되고 있다.

정형외과, 성형외과, 흉부외과, 구강외과, 뇌외과 등의 외과 분야에서는, 생체골의 고정, 접합을 목적으로 하는 골 접합재로서 금속제 또는 세라믹제 플레이트, 나사, 핀 등이 사용되고 있다.

그러나, 금속제 골 접합재는 기계적 강도와 탄성율이 생체골보다도 훨씬 높기 때문에, 치료 후에 스트레스 보호에 의해 주위 뼈의 강도를 저하시키는 현상을 초래하는 등의 문제가 있다. 또한, 세라믹제 골 접합재는 경도와 강성은 우수하지만, 부서지는 일이 있기 때문에, 쉽게 깨어진다고 하는 치명적인 결함이 있다. 또한, 중합체는 보통은 뼈보다도 강도가 낮기 때문에, 강도를 향상시키는 노력이 추진되고 있다.

한편, 뼈와 직접 결합이 가능한 생체 활성 바이오세라믹은 생체 기능의 회복이나 증강을 목적으로 하여 인체에 직접 매립시키거나 접촉시켜 사용하는 기회가 많아지고 있다.

또한, 생체와 직접적으로 강하게 결합하고 더구나 생체에 의해서 서서히 치환되어 가는 바이오세라믹은 아직 미지의 가능성을 가지고 있기 때문에, 또 다른 연구가 계속되고 있다.

그러나, 바이오세라믹은, 일반적으로 강성과 경도는 크지만, 금속에 비하면, 순간적인 힘인 충격력에 의해 쉽게 망가지거나, 깨어지거나 하는 취약한 성질이 있기 때문에, 이식체로서의 용도에 한계가 있어서, 취약함이 없는 인성(靭性)을 구비한 재료의 개발이 요망되고 있다.

한편, 생체의 경조직 주위로의 이식에 사용되고 있는 중합체는, 현재 시점에서, 연골의 대체에 사용되는 실리콘계 수지, 치과용 세멘트로서의 경화성 아크릴계 수지, 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌 섬유를 꼬은 인대용 끈 등의 몇가지 예가 공지되어 있다.

그러나, 생체의 경조직 대체에 사용되는, 강도가 큰 불활성 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 등은, 이것만으로 생체골을 대체하는데는 강도가 많이 부족하다. 이 때문에, 이들을 단체(單體)로 대체골이나 뼈를 접합할 목적의 나사, 핀, 플레이트에 사용하면, 쉽게 꺾이거나, 깨어지거나, 꺾여 끊어져서 파손된다.

그래서, 플라스틱의 복합화 기술을 사용하여 강도가 높은 이식체를 제조하는 시도가 이루어지고 있다.

예컨대, 탄소섬유 강화 플라스틱이 이의 일례이지만, 이는 생체 속에 장기간 매립된 경우 섬유와 매트릭스 플라스틱 사이에서 박리가 생기거나, 박리된 탄소섬유가 꺾여서 생체를 자극하여 염증을 일으키는 원인이 되기 때문에, 실용적으로 가치가 적다.

근년, 뼈와 결합한다고 하는 폴리오르토에스테르(폴리부틸렌 테레프탈레이트-폴리에틸렌 글리콜 공중합체)가 주목되기 시작하고 있지만, 이 중합체 자체의 강도는 생체골에 비하여 낮고, 뼈와 결합한 후의 생체 속에서의 물리적 거동이 생체골과 동조(同調)할 수 있는지 여부의 문제가 남아 있다.

생체내에서 비흡수성인 위의 중합체와는 달리, 생체내 분해 흡수성인 폴리락트산, 폴리글리콜산, 락트산-글리콜산 공중합체, 폴리디옥사논은 매우 이전부터 흡수성 봉합사로서 임상적으로 실용화되어 있다.

이러한 봉합사에 사용되고 있는 각 중합체를 골 접합재로서 이용할 수 있으면, 치유 후의 재수술이 필요없고, 중합체가 흡수되어 소실된 후는 생체 조직이 재건된다고 하는 뛰어난 성질을 가진 골 접합재가 수득된다고 하는 생각이 꽤 이전부터 있었다.

이러한 사정에서, 위의 생체내 분해 흡수성 중합체를 골 접합재로서 이용하는 연구가 활발하게 행하여지고 있다.

예컨대, 폴리글리콜산의 섬유를 융착시킨 자기강화형 골 접합 기구가 제안되어(미국 특허 제4,968,317호 명세서) 임상에 사용되었지만, 분해가 빠르고, 또한 융착된 섬유 사이에서의 박리와 붕괴된 섬유상 세편(細片)이 주위의 생체를 드물지만 자극하여 염증을 야기한다고 하는 결점이 지적되었다.

또한, 일본 공개특허공보 제(소)59-97654호 공보에는, 생체내 분해 흡수성골 접합용구로서 사용할 수 있는 폴리락트산, 락트산-글리콜산 공중합체의 합성법이 기재되어 있지만, 이러한 경우에 골 접합재로서 예를 들고 있는 것은 중합 생성물 자체이고, 이 재료의 성형가공에 대해서는 아무 것도 설명되어 있지 않고, 이의 강도를 사람의 뼈 정도로 상승시키는 시도는 시사되어 있지 않다.

그래서, 강도를 상승시키기 위해서, 하이드록시아파타이트(이하, 간단히 HA라고 약칭한다)를 소량 포함하는 폴리락트산 등의 생체내 분해 흡수성 고분자 재료를 성형하고, 이어서 장축 방향으로 가열하에 연신·배향(延伸·配向)시킨 골 접합핀의 제조방법[일본 공개특허공보 제(소)63-68155호 공보]이나, 용융 성형 후의 점도 평균 분자량이 20만 이상인 고분자량 폴리락트산, 락트산-글리콜산 공중합체의 성형체를 연신시킨 골 접합재[일본 공개특허공보 제(평)1-198553호 공보]가 제안되었다.

이들의 제조방법으로 수득한 골 접합재 또는 핀은, 본질적으로 고분자 재료의 결정축(분자축)이 장축 방향으로 일축 배향하고 있기 때문에, 굴곡강도나 장축 방향의 인장강도가 향상된다. 특히, 후자처럼 용융 성형 후의 점도 평균 분자량이 20만 이상인 골 접합재의 경우는, 피브릴화되지 않는 정도의 저배율 연신에 있어서도 강도가 높기 때문에 실용적이다.

그러나, 본질적으로 장축 방향으로만 연신시켜 수득한 골 접합재에서는, 기본적으로 분자(결정)가 분자쇄 축(결정축)인 장축 방향으로만 배향되어 있기 때문에, 이 장축 방향에 대하여 직각 방향인 가로방향과의 배향 이방성(異方性)이 크고, 가로방향의 강도가 상대적으로 약해진다.

또한, 위의 일본 공개특허공보 제(소)63-68155호 공보에 의하면, HA를 5중량% 포함하는 혼합물을 연신시켜 겨우 162MPa의 최대 굴곡강도를 수득하고 있지만, HA를 20중량% 포함하면, 오히려 굴곡강도가 미연신인 때의 값인 63MPa보다도 약간 높은 74MPa로 저하된다.

그러나, 이러한 최대 강도치도 역시 피질골(皮質骨) 그 자체를 충분히 넘는 것은 아니고, 연신에 의해서 생긴 보이드가 필러와 매트릭스 중합체의 계면에 다수 존재하는 다공질의 불균질체로 되기 때문에, 생체골의 대체나 골 접합재처럼 높은강도를 요하는 이식체에는 도저히 사용할 수 없다.

또한, 당해 공보에는, HA를 소량 함유하는 폴리락트산 등의 생체내 분해 흡수성 고분자 재료 분체(紛體)를 프레스 성형한 플레이트의 제조방법도 기재되어 있지만, 수득된 플레이트는 HA와 폴리락트산과의 혼합물을 단지 용융 프레스한 것에 지나지 않고, 배향을 고려하여 강도를 향상시키는 것을 목적으로 한 개념은 보이지 않는다.

통상, 골 접합재를 사용하여 생체골을 접합고정시키면, 골 접합재에는 여러가지 방향의 힘이 작용한다. 예컨대, 플레이트 형상의 골 접합재의 경우는, 굴곡력, 인장력, 압축력, 인렬력, 전단력 등, 각종 힘이 단독으로 또는 복합하여 작용하고, 또한, 나사 형상의 골 접합재의 경우는, 이들 힘에 더하여 생체골에 비틀어 넣을 때와 생체 속에 있을 때, 큰 비틀림 힘(tortional force)이 작용한다.

그러나, 위와 같이 장축 방향으로 연신시켜 수득한 골 접합재에서는, 분자가 분자쇄 축인 장축 방향[연신축인 기계방향]으로만 배향되어 있기 때문에, 장축 방향에 대하여 직각 방향인 가로방향과의 분자 배향의 이방성이 크다.

이 때문에, 장축 방향으로부터의 인렬강도나 가로방향으로부터의 전단력에 약하고, 장축을 회전축으로 하는 비틀림 힘에도 약하다. 이 때문에, 뼈 속에서 골접합재에 인렬력이나 전단력이 작용하면, 골 접합재가 장축 방향을 따라 비교적 간단히 깨어지거나, 터지거나, 전단 파괴가 생기거나 할 우려가 있고, 또한 토오크를 가하면서 뼈 속에 매립하는 나사 등과 같이 장축을 회전 중심축으로 하여 비틀림 힘이 작용한 경우는, 골 접합재가 비틀려 파괴된다고 하는 문제가 있었다.

이러한 문제는, 연신의 정도를 상승시킴으로써 고분자 재료가 구정 구조(球晶構造)로부터 라멜라 배향을 거쳐서 섬유 구조에 달하였을 때, 피브릴화의 정도가 진행할수록 현저해진다.

본 발명은 위의 공지된 기술의 문제점을 해결하여, 강도적으로 이방성이 적고, 장축(일축) 연신시켜 수득한 일축 배향의 재료보다도 강도가 크며, 결정이 본질적으로 장축 방향으로만 배향되지 않고, 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있는 생체내 분해 흡수성 골 접합재, 이식체 재료 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은, 생체와 치환이 가능하고, 동시에 생체와의 결합이나 조직의 유도성을 구비하여 생체 활성이 있는 신규하고도 유용한 인공뼈, 인공 관절, 인공 치근, 골 충전재, 골 접합재, 골 보철재 등의 용도로 유용한 보다 이상적인 생체 재료에 관한 것이며, 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 고분자 재료로 이루어지며 물리적 강도가 우수한 골 접합재, 고분자 재료와 생체 활성이 있는 바이오세라믹과의 복합재료로 이루어진 이식체 재료(implant material) 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명자 등은, 위의 과제에 대하여 여러 가지로 검토한 결과, 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 고분자 재료를 포함하는 예비성형체를 미리 제조하고, 이를 하단이 본질적으로 폐쇄된 성형틀의 좁은 공간에 냉간(冷間) 소성 변형시키면서 압입시켜 가압 배향시킴으로써, 강도가 일축 배향의 재료보다 큰 배향 성형체가 용이하게 수득되는 것을 발견하고, 또한 입자 또는 입자의 집합괴(集合塊)의 크기가 0.2 내지 50μm인 바이오세라믹 분체를 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체(이하, 간단히 중합체라고 약칭한다) 속으로 실질적으로 균일 분산시키고 또한 당해 중합체의 결정이 가압에 의해 배향되어 있는 치밀한 배향 성형체인 입자 및 매트릭스 중합체 강화에 의한 신규 복합재료로 되고, 이를 이식체 재료로 함으로써 위의 과제를 해소할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은

[1] 골 접합재

(1) 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 고분자 재료로 이루어진 성형체로서, 분자쇄 또는 결정이 한 방향으로만 배향되지 않고 본질적으로 복수의 기준축으로 평행하게 배향되어 있는 고굴곡강도·고밀도 골 접합재를 제공한다. 또한,

(2) (1)에 기재한 고분자 재료가 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(3) 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체의 일부가 결정화된 가압 성형체인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(4) 위의 성형체의 결정이 당해 성형체의 역학적 코어(core)로 되는 축 및/또는 당해 축의 연속한 면을 향하여 경사된 기준축을 따라 배향되어 있는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(5) 위의 성형체가 실질적으로 원주상이고, 이의 외주면으로부터 중심 또는 중심을 벗어난 위치에 있는 축을 향하여 경사된 기준축을 따라 분자쇄 또는 결정이 배향되어 있는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(6) 위의 성형체가 실질적으로 판상이고, 이의 양측면으로부터 등거리 또는 등거리를 벗어난 위치에 있는 축을 포함하며, 또한 양측면과 평행한 면을 향하여 경사된 기준축을 따라 분자쇄 또는 결정이 배향되어 있는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(7) 위의 성형체의 결정화도가 30 내지 60%인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(8) 위의 성형체의 결정이 결정면을 가지며, 또한 기준축을 따라 면배향되어있는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(9) 위의 성형체가 폐쇄틀로의 성형 또는 단조 성형으로 수득한 배향 성형체인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(10) 위의 성형체가 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체의 성형체이고, 굴곡강도가 160 내지 300MPa이고 굴곡 탄성율이 5 내지 10GPa인 점에도 특징을 가진다.

[2] 골 접합재의 제조방법

(1) 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 고분자 재료를 용융 성형시켜 예비성형체를 제조하고, 당해 예비성형체를 본질적으로 하단이 폐쇄된 성형틀의 좁은 공간에 냉간 소성 변형시키면서 압입시켜 가압 배향시킴으로써 배향 성형체를 제조하는, 골 접합재의 제조방법을 제공한다. 또한,

(2) 배향 성형체가 결정화되어, 당해 결정이 본질적으로 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있는 결정 형태를 갖고 있는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(3) 가압 변형에 의한 배향이 (1)에 기재한 예비성형체를 단면적이 당해 성형체의 단면적보다 작고 하단이 본질적으로 폐쇄된 성형틀에 냉간 소성 변형시키면서 압입 충전시켜 압축 배향시키는 것으로 이루어지는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(4) 가압 변형에 의한 배향이 (1)에 기재한 예비성형체를 당해 성형체의 단면적, 두께 및 폭 중의 어느 하나의 부분적 또는 전체적으로 작은 공간을 가지는 성형틀의 좁은 공간에, 또는 성형틀의 공간을 예비성형체의 체적보다도 작게 한 성형틀로 냉간 소성 변형시키면서 단조 충전시켜 배향시키는 것으로 이루어지는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(5) 당해 고분자 재료의 초기 점도 평균 분자량이 20만 내지 60만이고, 그후의 용융 성형된 예비성형체의 점도 평균 분자량이 10만 내지 40만인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(6) 횡단면 면적이 예비성형체의 횡단면의 면적의 2/3 내지 1/6인 성형틀의 캐비티(cavity) 속에 예비성형체를 압입 충전시키는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(7) 성형틀이, 예비성형체를 수용하는 단면적이 큰 수용통부, 압축 충전되는 단면적이 보다 작은 캐비티 및 이들을 연결시키는 테이퍼면을 갖는 직경 축소부로 이루어지는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(8) 예비성형체의 소성 변형온도가 당해 열가소성 고분자 재료의 유리전이온도 이상 용융온도 이하 사이의 결정화 가능한 온도인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(9) 배향 성형체를 희망하는 골 접합재의 형상으로 절삭가공 등을 실시하는 점에도 특징을 가진다.

[3] 이식체 재료

(1) 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체 매트릭스 속에 입자 또는 입자의 집합괴의 크기가 0.2 내지 50μm인 바이오세라믹 분체 10 내지 60중량%를 실질적으로 균일하게 분산시킨 성형체로 이루어진 복합재료로서, 당해 매트릭스 중합체의 결정이 가압에 의해 배향되고, 또한 결정화도가 10 내지 70%인 가압 배향 성형체로 이루어지는 입자 및 매트릭스 중합체 강화 복합재료인 고강도 이식체 재료를 제공한다. 또한,

(2) 위의 성형체의 결정이 본질적으로 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(3) 바이오세라믹 분체가 표면 생체 활성인 소결 하이드록시아파타이트, 바이오 글라스계 또는 결정화 유리계의 생체용 유리, 생체내 흡수성의 미소성 하이드록시아파타이트, 디칼슘 포스페이트, 트리칼슘 포스페이트, 테트라칼습 포스페이트 및 옥타칼슘 포스페이트 중의 어느 하나 단독 또는 2종 이상의 혼합물인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(4) 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체가 폴리락트산 및 락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체 중의 어느 하나이고, 초기 점도 평균 분자량이 10 내지 60만인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(5) 열가소성 중합체가 폴리락트산이고 바이오세라믹 분체가 미소성 하이드록시아파타이트인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(6) 위의 성형체가 성형 또는 단조 성형에 의한 가압 배향으로 수득한 배향 성형체인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(7) 위의 성형체가, 굴곡강도가 150 내지 320MPa이고 굴곡 탄성율이 6 내지 15GPa인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(8) 위의 배향 성형체가 절삭가공 등이 실시되어, 이의 표면에 바이오세라믹 분체가 현저하게 존재하고 있는 점에도 특징을 가진다. 또한,

[4] 이식체 재료의 제조방법

(1) 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체와 바이오세라믹 분체가 실질적으로 균일하게 분산된 혼합물을 미리 제조하고, 이어서 당해 혼합물을 용융 성형시켜 예비성형체[예: 빌렛(billet)]를 제조한 다음, 당해 예비성형체를 폐쇄 성형틀의 캐비티 속에 냉간 압입 충전시켜 소성 변형시킴으로써 배향 성형체로 하는 가압 변형 배향에 의한 고강도 이식체 재료의 제조방법을 제공한다. 또한,

(2) 가압 배향이, 단면적이 예비성형체보다 작은 폐쇄 성형틀의 캐비티에 냉간에 압입 충전됨으로써 이루어지는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(3) 가압 배향 성형체의 중합체의 결정화도가 10 내지 70%로 되도록 예비성형체를 폐쇄 성형틀의 캐비티 속에 압입 충전시키는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(4) 중합체와 바이오세라믹 분체와의 혼합물이, 중합체의 용매 용액 속에 바이오세라믹 분체를 실질적으로 균일하게 혼합·분산시키고, 이를 당해 중합체의 비용매로 침전시킴으로써 수득되는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(5) 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체가 초기 점도 평균 분자량이 15 내지 70만인 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체이고 용융성형 후의 점도 평균 분자량이 10 내지 60만인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(6) 횡단면 면적이 예비성형체의 횡단면의 면적의 2/3 내지 1/5인 성형틀의 캐비티 속에 당해 예비성형체를 압입 충전시키는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(7) 예비성형체의 소성 변형온도가 해당 중합체의 유리전이온도 이상 용융온도 이하 사이의 결정화 가능한 온도인 점에도 특징을 가진다. 또한,

(8) 가압 변형에 의한 배향이 압축 배향 또는 단조 배향으로 이루어지는 점에도 특징을 가진다. 또한,

(9) 위의 가압 배향 성형체를 절삭가공 등을 추가로 실시하는 점에도 특징을 가진다. 이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

(A) 본 발명의 골 접합재

(a) 결정 구조에 대해서:

(1) 본 발명의 골 접합재는, 기본적으로 1) 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 고분자 재료(이하, 간단히 고분자 재료라고 함)로 이루어진 성형체이고, 2) 성형체를 구성하는 분자쇄 또는 결정이 일축으로만 배향되지 않고 본질적으로 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있는 점을 특징으로 한다.

이러한 경우, 기준축이 많아질수록 성형체의 강도적인 이방성이 적어져서, 파괴가 발생하기가 어려워진다.

도면에 기초하여 구체적으로 설명한다.

(2) 도 1 내지 도 3은, 폐쇄틀 속으로의 압입을 수행하는 가압 변형에 의한 배향, 예컨대 성형, 단조 성형으로 수득되는 변형에 의한 배향 성형체(이하, 간단히 「성형, 압축배향」 또는 「단조 성형, 단조배향」이라고 함)의 배향 상태를 설명하는 모식도이다.

도 1은 원주상 골 접합재(11)의 배향 상태를 나타내는 모식도이고, 도 1(A)는 종단면의 배향 상태를 나타내고, 도 1(B)는 평면의 배향 상태를 나타낸다.

도 2는 판상 골 접합재(11)의 배향 상태를 나타내는 모식도이고, 도 2(A)는 종단면의 배향 상태를 나타내고, 도 2(B)는 평면의 배향 상태를 나타낸다.

도 3은, 성형체의 종단면 결정의 배향 상태를 모식적으로 나타내고 있고, 도 3(A)는 역학적 코어로 되는 축 또는 면이 중심 또는 양측면으로부터 등거리에 있는 경우의 배향 상태를 나타내고, 도 3(B)는 축 또는 면이 중심 또는 양측면으로부터의 등거리의 위치로부터 편위(偏位)되어 있는 경우를, 도 3(C)는 축 또는 면이 완전히 편위되어 있는 경우를 각각 나타내고, 도 3(D)는 종래의 장축 방향으로 연신시켜 수득한 일축 연신 성형체의 배향 상태를 나타내고 있다.

도 4는 성형으로 골 접합재(11)를 제조하는 한 가지 실시예의 단면도이다.

(3) 예를 들면, 도 4에 도시한 성형을 이용하는 경우는, 고분자 재료를 용융 성형시켜 수득한 예비성형체(1)(이하, 빌렛이라고 한다; 당해 예비성형체의 제조에 관한 상세한 내용은 별도로 설명한다)를 하단이 폐쇄된 성형틀(2)의 상부의 직경이 큰 수용 캐비티(2a) 속에 넣어 냉간(이후에 설명하는 고분자 재료의 유리전이점 이상 용융온도 이하의 사이의, 통상 수행되는 용융온도 이상에서의 성형온도보다 낮은 결정화 가능한 온도, 예컨대 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체의 경우, 60 내지 160℃)에서 수틀(피스톤: 2b) 또는 램(ram: 프레스의 돌출봉) 등에 의해, 도중에서 조여져 직경이 작아진 동심상의 밑바닥이 있는 성형 캐비티(2c)에 압입시켜 성형시키면, 성형체를 구성하는 결정의 형태가, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 결정이 일축 배향되지 않고 본질적으로 원주로부터 중심을 따라 복수의 기준축(N)에 평행하게 배향된다.

(4) 배향 성형체를 구성하는 결정은, 도 1에 모식적으로 나타낸 바와 같이,성형체의 역학적 코어로 되는 축(간단히 중심축이라고 한다: L), 즉 성형시 외부에서의 힘이 집중한 역학적인 점의 연속한 중심의 축(L)을 향하여 외주면에서 비스듬히 경사된 다수의 기준축(N)을 따라 도 1(A)의 윗쪽으로부터 아래쪽으로 연속하여 평행하게 배향되어 있다.

환언하면, 중심축(L)의 주위에 방사상의 경사 배향 상태를 취하는 다수의 기준축(N)이 도 1(B)처럼 원주방향으로 연결되어 대략 원추상을 만들고, 이것이 도 1(A)처럼 상하방향으로 연결되고, 결정이 이들의 기준축(N)에 평행하게 배향되어 대략 원추상 면의 연속상(連續相)을 구성하고 있다. 즉, 당해 원추상 결정면이 중심축(L)을 따라 상하방향으로 연속하고, 또한 외주로부터 중심을 향하는 결정면이 중심축의 방향으로 배향된 상태를 이루고 있는 배향 구조로 간주할 수 있다.

이러한 결정 상태는, 빌렛(1)이 성형될 때 마찰에 의한 큰 전단(剪斷)을 받아, 결정화가 진행되는 동시에 중심축(L)을 향하여 경사져서 배향됨으로써 이루어진다.

이러한 경우, 단면이 직사각형인 큰 빌렛(1)을 단면이 직사각형 형상인 성형 캐비티(2c)에 성형시키면, 도 2에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 수득된 배향 성형체는 판상이고, 이의 긴 변(邊)의 양측면에서 큰 전단력을 받아 역학적 코어로 되는 축은 중심선으로는 되지 않고 이 축을 포함하고 또한 판의 대향하는 측면에 평행하게 등거리(한복판)에 있는 면(M)을 형성한다. 따라서, 배향 성형체의 결정 상태는, 판(板)의 대향하는 양측면에서 당해 면을 향하는 경사의 기준축(N)에 평행하게 배향된다.

또한, 성형체가 역학적 코어로 되는 축(L) 또는 당해 축(L)을 포함하는면(M)은, 외부에서의 힘이 집중한 점이기 때문에, 예컨대 도 4에 나타낸 성형틀(2)의 직경이 축소되어 있는 테이퍼면부(20a)의 경사 각도를 전체 주위에 걸쳐서 또는 부분적으로 점차 변화시킨 밑바닥이 있는 성형틀(2)을 사용하면, 외부에서의 힘이 집중하는 점이 중심을 벗어나버려, 결정은 중심을 벗어난 축(L)(이것이 복수인 경우도 있을 수 있다)을 향하여 외주면으로부터 경사진 경사 각도에 상응하여 변화하고 있는 기준축(N)에 평행하게 배향된다. 또한, 배향 성형체가 도 2에 나타낸 판상이면, 역학적 코어로 되는 축(L)의 연속한 면(M)이 양측면으로부터 등거리(한복판)가 아니고 어느 쪽인가의 측면으로 기울어진다.

이러한 결정의 배향 상태의 대표적인 예를, 도 3의 성형체의 종단면을 들어 설명한다.

도 3(A)는 축(L) 또는 면(M)이 성형체의 중심 또는 한복판을 지나는 때의 배향 상태를 나타내고, 좌우로부터 동일한 각도로 축(L) 또는 면(M)을 향하여 경사진 기준축(N)에 평행하게 배향되어 있다.

도 3(B)는, 축(L) 또는 면(M)이 오른쪽으로 기운 때의 배향 상태를 나타내고 좌우로부터 편위한 축(L) 또는 면(M)을 향하여 상이한 각도로 경사진 기준축(N과 N')에 평행하게 배향되어 있다. 각도는 편위한 측의 각도쪽이 급한 각도로 된다.

도 3(C)는, 축(L) 또는 면(M)이 좌측으로 완전히 기운 때의 배향 상태를 나타내고, 축(L) 또는 면(M)이 좌측끝에 위치하고 있어서 우측보다 좌측끝에 있는 축(L) 또는 면(M)을 향하여 경사진 기준축(N)에 평행하게 배향하고 있다.

도 3(D)는, 종래의 일축 연신된 성형체의 결정 상태를 나타내고, 연신방향인상하로 향하는 1개의 기준축(N)인 세로방향으로 결정이 배향되어 있고, 기준축(N)이 복수개 존재하는 일은 없다.

(b) 결정화도에 대하여:

또한, 본 발명의 골 접합재는, 성형체의 결정화도가 30 내지 60%, 바람직하게는 40 내지 50%인 것이 필요하다.

이와 같이, 성형체의 결정화도가 일정 범위이면, 성형체를 구성하는 결정성, 열가소성 고분자의 결정상과 비결정상의 비율의 균형이 양호하게 유지되므로, 결정상에 의한 강도와 경도의 향상과 비결정상에 의한 가소성이 잘 조화되기 때문에, 결정상만의 경우와 같은 취약함이 없고, 또한 비결정상만의 경우와 같은 강도가 없고 약한 성질이 나타나지 않는다.

따라서, 본 발명의 골 접합재는, 인성이 있고, 총합적으로 강도가 충분히 높아지고 특히 비틀림 강도가 높아져서 골 접합재로서 유용해진다.

또한, 이러한 결정성, 열가소성 생체내 분해 흡수성 중합체는, 일반적으로 생체내에서 가수분해가 진행하여 저분자로 변화하는 과정에서는 결정화도가 서서히 상승하지만, 결정화도의 상승에 따라서 가수분해의 진행이 느려지기 때문에, 생체내에 흡수되기까지 저분자량으로 쉽게 도달하지 않게 되는 것으로 알려져 있다.

그러나, 위에서 설명한 바와 같은 특정한 초기 결정화도의 범위이면, 생체내에서의 가수분해속도의 저하를 초래하는 것은 그다지 없다.

본 발명의 골 접합재에서는, 성형체의 결정화도가 30% 미만인 경우에는, 일반적으로 결정에 의한 강도의 향상을 기대할 수 없다. 한편, 결정화도가 높아지면이에 상응하여 강도는 향상되지만, 60%보다 높아지면, 오히려 인성의 결여에 의해 충격 등을 받았을 때 용이하게 파괴된다고 하는 취약한 성질이 현저하게 발현될 뿐만 아니라, 결정 속으로의 물의 침입이 방해되기 때문에, 생체내에서의 가수분해속도가 느려진다. 그리고, 어느 시기에 발생한 다수의 결정 세편이 생체 주위의 조직을 자극할 우려가 있다.

따라서, 이러한 두 가지 과제, 즉 강도와 인성의 물리적 성질과 생체내 분해·흡수의 생체내에서의 분해 거동의 이율배반하는 양쪽 성질의 균형을 취하여 결정화도를 30 내지 60%로 조절하는 것이 좋다.

단지 골 접합재가 비교적 형상이 큰 경우, 어느 값 이상의 큰 강도가 필요하고, 또한 분해·흡수까지 시간이 걸리기 때문에, 바람직한 범위는 40 내지 50%이다.

(c) 가압 변형에 의한 배향(예컨대, 압축 배향 또는 단조 배향)으로 수득한 배향 성형체에 대하여:

본 발명에 있어서의 골 접합재는 가압 변형에 의한 배향으로 수득한, 질적으로 치밀한 배향 성형체이다.

이러한 경우, 결정 배향에 의한 결정 형태의 이방성 저하에 추가하여, 성형체가 가압방향으로 가압되어 질적으로 치밀해지기 때문에, 굴곡강도, 굴곡 탄성율, 인장강도, 인렬강도, 비틀림강도, 표면 경도 등의 역학적 성질이 비약적으로 향상된다.

(d) 생체내 분해 흡수성 고분자 재료의 조성:

본 발명에서 사용되는 고분자 재료는 생체내 분해 흡수성이고 결정성인 직쇄상 중합체이면 특별히 제한되지 않지만, 그 중에서도 생체 안전성, 생체 적합성이 확인되어 이미 실용화되어 있는 폴리락트산이나 각종 폴리락트산 공중합체(예컨대, 락트산-글리콜산 공중합체, 락트산-카프로락톤 공중합체 등)가 바람직하게 사용된다.

폴리락트산으로서는, L-락트산 또는 D-락트산의 단독중합체가 적합하고, 또한 락트산-글리콜산 공중합체로서는, 몰 비가 99:1 내지 75:25의 범위내인 것이 글리콜산의 단독중합체보다는 내가수분해성이 좋아 적합하다.

또한, 쉽게 소성 변형시키기 위해서 또는 수득되는 가압 배향에 의한 배향성형체에 인성을 부여하기 위해서, 비결정질 D, L-폴리락트산 또는 글리콜산의 비율이 비교적 높은 비결정질 락트산-글리콜산 공중합체 소량을 혼합하여도 좋다.

(e) 고분자 재료 및 예비성형체의 분자량:

고분자 재료는, 골 접합재로서 적어도 특정한 값 이상의 강도와 특정 기간내에 이를 유지하고 있는 등의 물성이 필요하지만, 당해 고분자 재료의 분자량이 빌렛 등의 예비성형체에 용융성형시키는 단계에서는 어떻게 하여도 저하되기 때문에, 원료 중합체의 점도 평균 분자량은 20만 내지 60만 정도, 바람직하게는 30만 내지 55만인 것이 바람직하다.

점도 평균 분자량이 이러한 범위인 고분자 재료를 사용하면, 통상은 용융성형 후의 빌렛의 점도 평균 분자량은 10만 내지 40만으로 되지만, 바람직하게는 18만 내지 35만으로 조정하는 것이 좋다.

그 후의 성형틀로의 압입 충전에 의한 결정의 배향 조작은 위의 온도 범위의 냉간에서 단시간에 하기 때문에, 분자량을 실질적으로 저하시키지 않고 고강도의 가압 배향 성형체가 수득되고, 또한 절삭가공 등으로 골 접합재를 잘라내는 공정에서도 마찰에 의한 온도 상승을 억제하는 연구를 행하면, 가압 배향 성형체의 분자량이 유지된 골 접합재가 수득된다.

이러한 경우, 초기 점도 평균 분자량이 60만보다 높은 고분자 재료를 사용하면, 용융성형으로 빌렛을 제조할 때, 고온, 고압이 필요해지기 때문에, 대폭적인 분자량의 저하를 초래하여, 도리어 빌렛의 분자량이 60만 이하인 원료 중합체를 사용한 때보다도 낮아지므로, 무의미해진다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 최종적으로 분자량이 10만 내지 40만 정도인 빌렛으로부터 수득한 가압 배향 성형체를 절삭가공한 골 접합 나사(30)는, 생체내에서 골 유합에 필요한 평균적 기간인 2 내지 4개월 동안은 생체골과 동등한 정도의 강도를 유지하고, 그 후는 골 접합재가 분해되어 생기는 세편이 주위의 조직세포와 강한 이물반응(異物反應)을 나타내어 염증 반응을 보일 우려가 없는 분해속도로 서서히 가수분해되기 때문에 바람직한 것이다.

용융성형 후의 빌렛의 점도 평균 분자량이 10만보다 낮아지면, 가압 성형된 배향 성형체는 높은 초기 강도를 수득하기가 어렵고, 더구나 가수분해에 의한 강도의 저하가 2개월보다도 빨라지는 일도 있기 때문에, 골 유합에 필요한 기간과 강도를 유지할 수 없다고 하는 우려가 있다.

또한, 생체 매립 후의 1.5 내지 2년 이내의 단기간에 저분자량 세편이 일시에 생기는 일도 있기 때문에, 주위 세포가 이를 처리하지 않으면, 이물반응에 의한 염증의 우려가 있다.

한편, 용융성형 후의 점도 평균 분자량이 40만보다 높은 빌렛을 사용하여 가압성형된 배향 성형체인 골 접합재는, 골 유합 후에 생체내에서 분해되어 완전히 흡수될 때까지 불필요하게 장시간을 요한다. 또한, 생체내에 매립되어 2년 이상 뒤의 장기간 경과 후에, 일시에 발생하는 저분자량의 많은 세편에 의해서 생체내에서 이물반응이 생겨 염증으로서 발현한다는 우려도 있다.

(f) 골 접합재의 물성 등에 대하여:

(1) 밀도:

본 발명의 골 접합재는 어느 쪽으로 하여도 삼차원적으로 재료의 내부로 향하는 방향으로 힘을 가하여 가압 배향시킨 성형체이므로, 종래의 재료로부터 떨어진 방향으로 힘을 추가하여 연신배향시킨 성형체와 비교하면, 본 발명의 골 접합재의 밀도가 1.25 내지 1.27g/㎤이고, 후자의 연신배향시킨 성형체의 1.25g/㎤ 이하보다도 높은 것이 특징이다. 밀도가 1.25g/㎤ 미만으로 낮은 경우는, 재료의 치밀도는 비교적 낮고, 결정의 배향 상태도 일축 연신에 의한 배향 상태에 가까워지므로, 이방성이 커서 바람직하지 않다. 또한, 1.27g/㎤를 초과하여 큰 경우는 결정화도가 70% 이상으로 되는 것이 불가피하므로, 앞에서 설명한 이유로 바람직하지 않다.

(2) 물성 등:

본 발명의 골 접합재의 기계적 강도는, 본질적으로 고분자 재료의 초기 점도평균 분자량이 높은 것일수록 큰 것이 수득되는 경향이 있지만, 초기 점도 평균 분자량이 60만을 넘어서 지나치게 높아지면, 중합체가 가열시에 유동하기 어려워지기 때문에, 용융성형으로 빌렛을 만들 때 고온, 고압이 필요하게 된다. 이 때문에, 성형시의 전단력에 의한 발열에 의해서 도리어 대폭적인 분자량 저하를 초래하고, 최종적으로 수득되는 골 접합재는 위의 분자량보다도 작고 강도가 작은 것으로 되는 일도 있으므로, 무의미해진다.

본 발명에 있어서의 골 접합재의 기계적 강도의 범위는, 대체로 굴곡강도는 160 내지 300MPa이고 굴곡 탄성율은 5 내지 10GPa이며 비틀림강도는 직경 3.2mm의 로드(rod)에서 5.5내지 7.5kg·cm로, 높은 값을 가진다.

본 발명에 있어서, 굴곡강도가 160MPa 미만으로 낮으면 사람의 생체골의 굴곡강도보다 낮아져서 골 접합재로서의 기능을 충분히 다할 수 없고, 또한 300MPa를 초과하여 높은 것은, 가압하더라도 수득하기가 곤란하다. 본 발명의 굴곡 탄성율, 비틀림강도는 골 접합재로서 사용할 수 있는 데 충분한 강도의 범위이다.

(B) 본 발명의 이식체 재료

우선, 복합재료의 면에서 본 발명이 신규한 강화방식에 의한 복합재료인 점을 밝힌다.

(a) 본 발명의 복합재료의 특징

(1) 어느 소재의 특성을 개량할 목적으로, 그 속에 미소형 소재를 많이 분산시킨 경우, 전자를 모재(매트릭스), 후자를 분산재라고 한다. 이러한 두 종류의 물질을 분자 수준의 마이크로(micro)한 혼합이 아니라, 마크로(macro)하게 상 혼합함으로써 단독 물질에서는 볼 수 없었던 우수한 성질을 가지도록 만들어낸 것이 복합재료이다.

이러한 이종 재료를 복합화하여 성질(보다 높은 강도)이 보다 우수한 재료를 만드는 방식은 매트릭스에 넣는 분산재(강화재)의 형태에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

① 분산 강화 복합재료(Dispersion-strengthened composite materials),

② 입자 강화 복합재료(Particle-reinforced composite materials),

③ 섬유 강화 복합재료(Fiber-reinforced composite mnaterials).

본 발명의 이식체 재료는 ②의 복합재료에 속한다. 매트릭스로서의 중합체는, 열가소성, 결정성, 생체내 분해 흡수성 중합체인 폴리락트산 또는 이의 공중합체이고, 분산재는 미립자상 분체인 상기한 바이오세라믹이다.

(2) 그런데, 종래는 재료공학의 입장에서 ③의 조합으로부터 생긴 복합재료인 이식체가 유력시되어, 본 분야에서도 한 시기는 이러한 연구도 대부분 시도되었다. 그러나, 예컨대 바이오세라믹의 단섬유를 분산재로서 충전시켜 강화하는 방법은, 섬유편이 생체를 자극하여 염증의 원인으로 되기 때문에, 좋은 결과가 얻어지지 않았다.

또한, 섬유강화된 것과 동일한 형태를 가지는 폴리락트산이나 폴리글리콜산의 섬유를 표면융착시킨, 상기한 자기강화형 방법도 고려되었지만, 피브릴간의 융착 계면이 마이크로적으로 불균질하고, 섬유간의 박리가 용이하게 생기기 때문에, 이의 분해 세편이 드물게 생체에 자극을 주는 원인으로 된다고 하는 결점이 있었다.

생체 재료는 생체에 독성(위해성)이 없고 안전하고 생체 친화성이 있는 것이어야 하므로, 이 점에서 보면 실격이다.

(3) 그런데, ②의 필러 충전계 복합재료이더라도, 단지 통상의 방법에 따라서 바이오세라믹 분체와 매트릭스 중합체를 혼합하면, 본 발명이 목적하는 정도의 고강도 복합재료가 간단히 수득된다고 하는 것은 아니다.

일반적으로, 필러 충전계 복합재료의 성질은, 필러의 형태[형상(분말, 구상, 판상 등)과 입자의 크기, 표면적]와 기능성(이 경우는, 뼈와의 결합성, 골 유도성, 골 전도성 등의 경조직 유도 능력 및 생체내 흡수성), 및 중합체의 성질에 본질적으로 의존한다. 역학적 특성은, 매트릭스인 중합체와 필러의 함유량, 형태, 배향, 계면력 등의 요인에 크게 좌우된다.

이들 다수의 인자는 복잡하게 서로 얽혀있기 때문에, 목적하는 구조 특성과 기능 특성을 발현시키기 위해서는, 어느 하나의 인자가 전체의 특성에 끼치는 영향을 잘 파악할 필요가 있다.

(4) 이 점에 대하여 조금 자세하게 기술한다.

필러를 충전한 복합재료에 있어서, 효과가 현저하게 발현되는 특성은 탄성율, 인장강도, 신도 특성, 인성, 경도 등이다. 본 발명의 필러 충전계 복합재료의 경우, 바이오세라믹의 L/D(길이/입자 직경)가 극히 작은 입자를 선택하고 있기 때문에, 바이오세라믹의 높은 강성을 반영하는 복합재료의 탄성율은, 필러의 충전량을 증가시킴으로써 매트릭스 중합체 자체의 탄성율보다도 효과적으로 증대시킬 수있다.

그러나, 충전량이 증가함에 따라, 인장강도, 신도, 인성 등은 저하하는 경향을 나타낸다. 따라서, 탄성율을 상승시키고, 기타의 특성도 어떻게 원래 매트릭스 중합체의 강도 이상으로 하는가가 과제가 된다.

즉, 복합화는 분산재와 매트릭스의 우수한 특성을 어떻게 상승적으로 끌어올려 결점을 어떻게 상쇄시키는가의 기술(technique)이라고 할 수 있다. 탄성율은, 변형 정도가 작은 영역에서의 값인 데 대하여, 인장강도, 굴곡강도, 비틀림 강도, 신장성, 인성 등의 역학적 특성은, 상대적으로 변형 정도가 큰 영역에서 발현한다.

따라서, 기본적으로 탄성율은 입자와 매트릭스 사이의 계면접착력의 영향이 작고, 후자의 제반 물성은 그 영향이 크게 발현된다. 그래서, 계면접착력을 상승시키면 양호한 후자의 물성이 수득되는 것을 느낄 수 있다.

(5) 계면접착력을 상승시키는 적극적인 방법은, 매트릭스인 중합체와 분산재인 바이오세라믹을 커플링제로 결합시키는 것이다. 커플링제는 실리콘계와 티타늄계로 대표되는 몇몇이 공업용을 목적으로 한 복합재료에 사용되고 있다. 그래서, 이들을 사용하면 좋다.

그러나, 현재 시점에서, 이러한 종류의 화합물의 생체에서의 안전성은 깊이 검토되어 있다고는 말하기 어렵다. 고충전 재료인 비흡수성의 치과용 뼈 세멘트에 이들 커플링제는 사용되고 있지만, 실제로 생체내 분해 흡수성의 의용(醫用) 재료에 적용된 예는 알려지지 않았기 때문에, 안전성이 미지인 현재 시점에서는, 본 발명에서 이용하는 것은 피해야 할 것이다.

즉, 매트릭스 중합체와 바이오세라믹 미립자를 화학적으로 결합시켜 계면력을 상승시키는 방법은, 본 발명처럼 생체내에서 분해흡수되어 조직치환하는 경조직용 이식체에서는, 비흡수성 이식체의 경우와는 달리, 분해과정에서 커플링제가 서서히 노출되기 때문에, 안전성의 문제가 미해결인 현시점에서는 채용하지 않은 편이 좋다. 또한, 바이오세라믹의 표면 활성이 손상되므로, 바람직하지 않다.

(6) 그런데, 열가소성, 결정성 중합체에 동일 농도의 미립자를 혼합한 계에서는, 일반적으로 미립자의 분산도가 향상되면, 충격강도, 인장강도, 파단 신도가 상대적으로 향상되는 것으로 알려져 있다.

마찬가지로, 미립자의 크기는 복합재료의 물성을 크게 좌우하는 것이고, 동일 농도에 있어서 크기가 작아지면, 일반적으로 충격강도, 인장강도, 압축강도, 탄성율 등이 상대적으로 증대한다.

이는, 크기를 작게 하면 상대적으로 표면적이 증대하기 때문에 상대적으로 표면 에너지가 증대하고, 또한 중합체와의 접촉 면적도 커지는 점, 그리고 중합체의 결정화의 핵제로서 유효하게 기능하기 때문이고, 그 결과, 분산제와 매트릭스사이의 물리적 결합이 강화되는 것이다.

이상의 사실을 감안하면, 될 수 있는 한 작은 세라믹 미분체를 어떤 농도의 범위내에서 될 수 있는 한 분산이 좋은 상태로 혼합하면 좋아진다.

(7) 그렇지만, 본 발명처럼 바이오세라믹을 열가소성이고 결정성인 생체내 분해 흡수성 중합체에 혼합하여, 피질골과 동등 이상의 대단히 높은 강도를 갖게 하고, 또한 뼈의 유도와 전도에 의해서 생체골의 조기 치유와 치환을 할 수 있다고하는 복잡한 기능을 가지는 복합재료를 구하는 경우는, 상기와 같은 단순한 혼합만으로 이들의 과제의 해결이 간단히 이루어지는 것은 아니다.

(8) 이하, 본 발명의 과제를 해결하기 위한 구체적 방책에 대하여 기재한다.

무기질 미분체의 입자 크기가 작아지면, 이에 따라 입자의 표면적은 커지고, 표면의 작은 전하의 발생에 의해서 조차도 입자는 용이하게 2차 응집되어, 단일 입자의 직경보다도 훨씬 큰 집합괴를 형성하는 것이 일반적이다.

그 때문에, 비교적 필러의 농도가 높은 입자 강화 복합재료에 있어서, 큰 미립자의 집합괴가 존재하지 않는 균일 분산계를 수득하는 것은 기술적으로 용이하지 않다. 2차 집합괴의 생성 용이도는 미립자의 화학구조에 따라 상이하지만, 본 발명에서 이용하는 바이오세라믹 미립자는 잘 건조된 상태로 비교적 용이하게 집합괴를 형성한다. 평균 입자 직경이 수 μm인 입자는 응집되어 100μm 이상의 직경을 이루는 것은 보통 볼 수 있다.

(9) 그런데, 노치 샤르피 충격(Charpy impact)같은 큰 변형을 동반하지 않는 때의 강도는, 집합괴의 크기에 의존하지 않지만, 개개 입자의 최대 직경에 의존하는 것으로 알려져 있다.

또한, 크게 변형되어, 결국은 파괴에 달하도록 굴곡, 인장, 비틀림 등의 힘을 받으면, 복합재료는 매트릭스인 중합체 자체가 변형되어 파괴되는 것보다도 작은 변형의 시점에서 파괴되는 것이 일반적이다.

이들 현상은, 매트릭스 속에 존재하는 중합체와는 이질(員賃)의 비교적 큰 입자나 집합괴가 변형을 동반하여 매트릭스와는 다른 물리적 거동을 하는 데 기인한다.

즉, 매트릭스와 입자의 계면은 매트릭스 속을 전파하여 온 외부의 변형 에너지를 그대로 이동시킬 수 없는 불연속 부분이기 때문에, 양자의 계면을 기점으로하여 파괴가 발생하기 때문이다.

(10) 그런데, 입자가 가늘고 균일하게 분산되어 있는 경우는, 큰 입자나 집합괴가 존재하는 경우와는 달리, 에너지 전파를 위한 장벽이 작기 때문에, 변형 에너지가 받는 저항은 적고, 계의 전체로 전파되므로, 복합재료의 매트릭스 중합체는 그것만의 경우에 중합체가 변형파괴되는 시점에 보다 접근한 변형량의 지점에서 파괴된다.

환언하면, 큰 입자가 존재하거나(가령, 그것이 균일하게 분산되어 있다하더라도), 작은 입자가 큰 집합괴를 형성하고 있는 분산 불량 상태의 필러 충전계 복합재료가 큰 변형을 받아 파괴될 때의 강도는, 오히려 분산 입자를 포함하지 않은 매트릭스 중합체만의 파괴 시점의 강도보다도 작아진다고 일반적으로 말할 수 있다.

(11) 그 때문에, 변형파괴시의 변형량과 강도에 그다지 영향이 없는 정도의 입자 직경이 작은 입자만으로 이루어지고, 또한 큰 집합괴를 형성하지 않도록 균일한 분산계를 만드는 것이 높은 기계적 강도를 구할 때에는 절대로 필요하다.

즉, 본 발명의 바이오세라믹 미립자는 적절한 온도[예컨대, 하이드록시아파타이트(HA)는 600 내지 1250℃, 아파타이트 윌라스토나이트 글라스 세라믹(AW)은 1500℃, 트리칼슘 포스페이트(TCP)는 1150℃ 내지 1400℃]에서 소성시킨 후, 기계적으로 분쇄하여 체로 분류한, 입자 직경이 약 0.2 내지 50μm, 보다 바람직하게는 1 내지 10 수μm인 것을 선별하고, 집합괴 또한 50μm 이하의 직경으로 되도록 하여 균일분산된 계를 이용할 필요가 있다.

물론, 비소성의 습식 방식으로 합성한 HA(u-HA)의 경우는 소성·분쇄할 필요가 없고, 합성시 침전시켜 수득한 범위의 결정 입자를 그대로 사용할 수 있다. 이러한 입자의 크기는 위에서 언급한 물리적 강도를 만족시키기 위해서 필요할 뿐만 아니라, 이후에서 설명하는 바와 같이, 주위의 골아세포(骨牙細胞)가 나타내는 반응성과 중요한 관계에 있다. 이러한 조건을 만족시키는 계는 작은 변형을 받은 때의 강도인 충격강도, 표면 경도, 탄성율 등이 향상되어 있고, 또한 큰 변형을 받았을 때의 강도인 굴곡, 인장, 비틀림 등의 강도가 매트릭스 중합체의 그 자체를 발현하고 있어, 보다 강성을 증가시킨 복합재료이다.

(12) 여기서, HA처럼 비교적 용이하게 응집하는 바이오세라믹을 매트릭스 속에서 2차 응집되지 않도록 혼합하기 위한 하나의 유효한 방책은, 용제에 용해된 중합체에 바이오세라믹을 가하여 잘 분산시키고, 분산계를 비용제로 침전시키는 것이다. 바이오세라믹/중합체의 중량 비율은 10% 이하의 저비율로부터 60%를 초과하는 고비율까지 혼합 가능하다.

바이오세라믹의 첨가량이, 10% 미만에서는 바이오세라믹이 차지하는 체적 비율이 작기 때문에, 바이오세라믹으로 기대되는 뼈와의 직접 결합, 골전도, 골유도의 성질이 발현되기 어렵고, 생체골과의 치환도 느리다.

또한, 60%를 초과하면, 혼합계의 열성형시의 유동성이 부족하기 때문에, 성형이 곤란해진다. 그리고, 성형물 속의 중합체의 양이 부족하여 바인더 효과가 미치지 않기 때문에, 필러와 중합체가 분리되기 쉬워서 강도적으로 취약해진다. 또한, 특히 필러가 70%를 초과하여 많아지고 중합체가 30%보다도 적으면, 중합체가 분해되어 복합체가 취약해져서, 중합체에 의한 바이오세라믹 분체의 결합 효과가 저하되기 때문에, 분체가 흩어지고 주위조직이 조직반응을 일으킬 우려가 있어서 바람직하지 않다.

이상을 고려하면, 바람직한 혼합 비율은 20 내지 50중량%이지만, 가장 바람직하게는 30 내지 40중량%이다. 이러한 범위 내에 있으면 복합재료로서 분산재와 중합체 매트릭스의 양쪽의 바람직한 특성이 구조와 기능의 양면에서 현저하게 발현된다.

이상, 균일한 분산을 수득하는 조건, 목적 및 방법에 대하여 바이오세라믹과 중합체의 혼합계를 수득하는 관점에서 설명하였다.

(13) 그러나, 이와 같이 균일분산된 중합체와 필러의 복합재료를 통상적인 열성형법으로 가공하더라도 고강도 플라스틱의 강도를 초과하고, 게다가 피질골의 강도(굴곡강도 150 내지 200MPa)도 초과하는 생체 재료가 수득되는 것은 아니다.

일반적으로, 필러를 다량 함유하는 중합체는, 유동성이 좋지 않기 때문에, 열성형이 곤란하다. 더구나, 본 발명처럼 생체에서의 안전성을 배려하기 위해서, 유동성의 개량에 대단한 효과가 있는 티타늄계 커플링제를 사용할 수 없는 경우의 열성형은 또한 곤란하다.

유동성이 부족한 중합체와 세라믹 분체의 복합체를 혼련, 용융시 전단력이가해지는 성형법인 압출성형으로 열성형하면, 중합체 자신은 원래의 유동 특성을 가지고 변형유동하지만, 충전된 무기 필러는 열에 의해 가소화되어 유동하는 성질이 없기 때문에, 중합체와 필러 입자의 계면에서 유동 변형에 의한 이동시 벽개(劈開)가 생겨 공동(보이드)을 개재한 결과, 밀도가 엉성한 성형물이 생성된다.

보이드를 많이 포함한 다공 성형물의 강도는 낮다. 그래서, 필러를 다량으로 충전한 중합체의 성형에는, 보이드가 형성되는 것을 막을 목적으로, 일반적으로 사출성형, 프레스 성형 등의 가압 방식의 성형법이 사용된다.

(14) 그렇지만, 통상의 이러한 성형법에서는, 본 발명의 폴리락트산이나 이의 공중합체는 전단력에 의해서 용이하게 열열화(熱劣化)되거나, 함유하고 있는 소량의 물에 의해 현저히 가수분해되어 약화되기 때문에, 높은 강도의 성형물은 도저히 수득되는 일은 없다.

그래도, 프레스 성형의 가열조건, 건조조건, 성형조건을 엄격히 조정하면, 중합체의 열화가 얼마쯤은 적은 플로우 마크(flow mark)를 수반한 불균질한 플레이트 등은 성형할 수 있을지도 모르지만, 중합체 자체가 분자 구조나 고차 구조의 수준으로 보강된 것이 아니기 때문에, 피질골을 초과하는 강도는 역시 수득되지 않는다.

(15) 폴리 L-락트산과 이의 공중합체처럼 결정성이고 열가소성인 중합체의 강도를 향상시키는 한 가지 방법으로 연신이 있다. 이는 어떤 특정한 온도(중합체가 용융하여 유동하는 온도 Tm 이하)에서 1차 성형물인 로드 등의 양끝을, 또는 한끝을 고정시킨 다른 끝을, 성형물로부터 외부방향으로 잡아당겨 장축 방향으로 일축 연신시켜, 분자쇄나 이 때 생기는 결정상을 인장방향(MD)으로 배향시켜 보다 강도가 큰 2차 성형물을 수득하는 소성 가공이다.

본 발명과는 목적도 방법도 다르지만, 1 내지 15%의 소량의 HA를 혼합하여 이의 1차 성형체를 장축 방향으로 일축 연신시키는 방법이 앞서 기재한 일본 특허공보 제(평)3-63901호 공보에 나타나 있다.

그러나, 필러를 충전한 중합체를 이와 같이 연신하면, 앞서 설명한 바와 같이, 중합체의 소성 변형에 따라 중합체 자체는 기계방향으로 이동하지만, 필러 입자 자체는 중합체의 소성 변형에 완전히 동조하여 이동하는 일은 없기 때문에, 연신 도중에 입자와 중합체의 계면에 벽계가 생기고, 거기에 보이드가 발생하는 것은 회피할 수 없다. 특히, 연신과정에서 연신방향에 대하여 수직방향으로부터 외력이 가해지지 않는 방법인 장축 방향의 연신에 의한 자유폭 일축 연신에 있어서는, 연신에 의해서 작용하는 힘에 의해서 단위체적당 재료가 보다 희박해지는 이동이 야기되고 있다.

그리고, 연신 배율이 높아지면, 중합체는 마이크로 피브릴로부터 피브릴화한 상태로 변하지만, 이 상태에서는 피브릴간에 마이크로한 불연속 공간이 생기기 때문에, 재료의 밀도는 보다 저하된다.

(16) 이 사실로 보아, 필러를 다량으로 분산시킨 복합재료의 연신 성형물은, 필러의 충전량이 많으면 많을수록 다수의 보이드를 가지며, 연신에 의한 변형량이 크면 클수록(연신 배율이 클수록) 큰 보이드를 가지게 된다.

더구나, 필러의 입자 직경 크기가 조정되어 있지 않고 분산이 불량하며 큰응집괴를 포함하는 계에 있어서는, 보이드의 수와 크기는 또한 불균일하다.

사실, 이러한 보이드가 있는 복합재료는 연신 도중에 용이하게 절단되기 때문에, 목적하는 연신물은 수득되지 않는다.

이렇게 하여, 보이드를 포함한 연신된 복합재료에서는, 본 발명이 구하고 있는 높은 강도의 성형물은 도저히 수득되지 않는다.

(17) 그래서, 본 발명자는 예의연구하여 이하의 성형법으로 목적을 달성하는데 도달하였다. 이는, 앞서 설명한 바와 같이 균일분산된 다량의 바이오세라믹을 포함하는 당해 중합체의 빌렛을 압출 또는 성형 등의 방법으로 열열화를 극히 억제시킨 조건으로 용융성형시키고, 이 빌렛을 또한 중합체의 가압 배향을 목적으로 하는 성형 또는 단조 성형으로 배향 성형체로 하는 방법이다.

이 방법에 의하면, 배향성형시의 외력은 연신과는 반대의 재료 본체로 향한 내부방향으로 작용하기 때문에, 재료는 치밀한 상태로 된다.

이 때문에, 입자와 매트릭스의 계면은 보다 밀착된 상태로 변하고, 혼합과정에서 계면에 존재하고 있는 공기를 개재하여 생기는 마이크로한 보이드조차도 소멸되기 때문에, 높은 치밀도가 수득된다. 요컨대, 양자는 한층 더 일체화된다.

추가하여, 매트릭스의 중합체는 분자쇄 축과 결정상이 배향하기 때문에, 수득된 복합재료는 현저하게 높은 강도를 나타낸다.

이러한 경우, 1차 성형물인 빌렛을 당해 빌렛의 단면적보다도 작은 단면적을 일부 또는 전체에 걸쳐 가지는 형성틀의 캐비티 속에 가압충전하여 수득한 변형에 의한 결정의 배향은, 금형면(성형틀면)으로부터의 「전단(shearing)」에 의해 힘이가해지기 때문에, 단순한 장축 방향으로의 연신으로 생기는 일축 배향과는 달리, 어떤 기준축으로 평행하게 면배향하고 있는 경향이 강한 형태를 하고 있는 것으로 생각된다.

이 때문에, 배향에 의한 이방성이 적고 비틀림 등의 변형에도 강하다고 하는 특징이 발현된다. 단, 배향의 정도에 본질적으로 분자쇄 라멜라가 배향하는 정도로 억제한 것이고, 연신 배율이 높을 때에 보이는 마이크로피브릴, 피브릴 구조에 의해서 보이드가 발생하는 정도가 높은 것은 아니다.

(18) 이상, 본 발명의 복합재료의 강화방식에 대하여 설명하였지만, 이를 종래의 복합재료의 강화방식과 비교하면, 도 15에 도시되어 있는 바와 같이, 형태의 차이가 명백하다.

즉, 종래의 입자 강화형(a)과 섬유 강화형(b)은 각각 충전시킨 입자(13)와 섬유(14) 자체의 물리적 강도를, 충전율을 될 수 있는 한 높게 하여 이들의 계 안에서 발현시키는 동시에, 본질적으로 매트릭스 중합체와의 화학적·물리적인 결합력에 의존하여 강도를 상승시키는 것을 목적으로 한 방식이다.

섬유 강화형(b)은 섬유(14)끼리의 교락이 강도 향상에 실로 유효하게 작용한다.

이러한 경우, 매트릭스 중합체에 비교적 강도가 큰 것을 사용하면, 그만큼 높은 강도가 수득된다.

(19) 그러나, 본 발명처럼 (a)계의 매트릭스 중합체를 결정(분자쇄) 배향을 위한 2차 가공 처리하여 강화한 예는, 종래에는 보이지 않는다.

본 발명은 입자 강화형(a) 강화방식에 추가하여, 매트릭스 중합체를 위에서 설명한 바와 같이 가압배향시켜 결정(분자쇄: N')을 배향시키고, 또한 입자(15)와 매트릭스 중합체의 계면을 보다 밀착시켜 보다 치밀한 계를 제조함으로써 강화되는 [입자 강화 + 매트릭스 강화형](c) 강화방식이다.

즉, 종래 행해지지 않았던, 매트릭스 중합체를 물리적으로 냉간 2차 성형가공하여 강화시키는 신규한 방식과 이로써 수득한 복합계에 관한 것이고, 종래 방식과의 차이가 명백하다.

(b) 고강도 이식체 재료

본 발명의 이식체 재료는, 기본적으로 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체 속에 입자 또는 입자의 집합괴의 크기가 0.2 내지 50μm인 바이오세라믹 분체 10 내지 60중량%를 실질적으로 균일하게 분산시킨 복합재료로서, 당해 중합체의 결정이 가압에 의한 변형에 의하여 배향되어 있고, 또한 결정화도가 10 내지 70%인 가압 배향 성형체인 점을 특징으로 한다.

이하, 그 내용을 상세하게 설명한다.

(1) 바이오세라믹

본 발명에서 이용하는 바이오세라믹으로서는, 예를 들면, 소결 하이드록시아파타이트, 바이오 글라스계 또는 결정화 유리계의 생체용 유리, 미소성 하이드록시아파타이트, 디칼슘 포스페이트, 트리칼슘 포스페이트, 테트라칼슘 포스페이트, 옥타칼슘 포스페이트, 칼사이트, 디오프사이드 등의 어느 하나 단독 또는 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다. 바이오세라믹은 통상 1) 표면 생체 활성 세라믹과 2) 생체내흡수성 세라믹으로 크게 구별된다.

1) 표면 생체 활성 바이오세라믹

소성시킨 하이드록시아파타이트(HA), 바이오 글라스계인 바이오 글라스, 세라비탈, 결정화 유리계인 A-W 유리 세라믹 등이나 결정화 유리계인 바이오벨릿-1, 임플란트-1, β-결정화 유리, 디오프사이트(diopside) 등을 들 수 있다.

2) 생체내 흡수성 바이오세라믹

미소성 HA(미소성 HA), 디칼슘 포스페이트, α-트리칼슘 포스페이트(α-TCP), β-트리칼슘 포스페이트(β-TCP), 테트라칼슘 포스페이트(TeCP), 옥타칼슘 포스페이트(OCP), 디칼슘 포스페이트·수화물·옥타칼슘 포스페이트(DCPD·OCP), 디칼슘 포스페이트·무수물·테트라칼슘 포스페이트(DCPa-TeCP), 칼사이트 등을 들수 있다.

이상의 바이오세라믹은 생체 활성의 정도가 상이하여 신생골(新生骨)의 형성속도와 형태에 차이를 초래하므로, 필요로 하는 생체 활성을 가지도록 단독 또는 2종 이상 배합하여 적절하게 사용한다.

이 중에서, 미소성 HA는 소성 HA와는 달리, 생체 중의 HA와 지극히 유사하고, 생체 내에서 완전히 흡수소실되어 활성도도 높고, 안전성도 있으며, 실제 사용의 실적도 있기 때문에, 본 발명의 계로서 가장 유효한 생체흡수성, 활성 분체의 하나이다.

(2) 바이오세라믹 분체의 입자 직경

여기서, 바이오세라믹 분체란, 바이오세라믹의 1차 입자 또는 이의 집합(응집)괴인 2차 입자를 총칭하여 가리킨다.

1) 바이오세라믹 분체의 입자 직경은, 위에 기재한 이유에 기초하여, 고강도 복합재료를 수득하기 위해서 0.2 내지 500μm, 바람직하게는 1 내지 10 수μm인 1차 입자 또는 2차 집합(응집)괴의 입자 직경의 바이오세라믹 분체가 사용된다. 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체와 균일하게 분산시키는 데에도 위의 입자 직경인 것이 좋다.

바이오세라믹 분체의 입자 직경이 50μm에 가까운 상한의 경우, 약 10 수μm의 1차 입자가 2차 응집하였을 때의 집합괴의 크기인 것이 바람직하다.

독립한 1차 입자가 50μm에 가까운 크기인 때는, 복합재료가 항복(降伏)시에 파손(파단)되기 때문에, 바람직하지 않다.

가압 배향 성형체는 최종적으로는 절삭가공 등의 방법으로 여러 가지의 정밀하고 치밀한 형상을 가진 이식체 재료로 가공된다.

입자 직경이 크고 미세하고 치밀한 형상물은 분체의 계면에서 빠지거나, 깨어지기도 하기 때문에, 가공하기가 어려워진다. 그래서, 입자 직경 50μm는 이식체 재료의 형상의 치밀함을 결정하는 상한이라고 할 수 있다.

2) 또한, 하한의 입자 직경 0.2μm는, 예컨대 미소성 HA의 1차 입자의 크기에 상당한다.

통상, 이러한 미립자는 집합하여 수μm 내지 10 수μm의 2차 응집 입자를 형성한다. 겉보기 평균 입자 직경이 이러한 범위 내에 있는 바이오세라믹의 입자 또는 집합괴를 중합체 매트릭스 속에 균일분산시킨 계를 수득하면, 고강도가 수득되고, 또한 이의 흡수에 의해 생체골에 조급하게 이식체가 치환된다고 하는 양쪽의 성질이 동시에 만족된다. 그리고 치밀한 형상을 가지는 이식체 복합재료가 수득된다.

3) 이러한 바이오세라믹을 함유한 이식체 재료가 생체내에 매립되면, 표면에 현저하게 존재하는 바이오세라믹 분체는 섬유성 결합 조직을 통하지 않고 주위의 생체골과 직접 결합하거나, 표면에 침적한 HA를 통하여 간접 결합하기 때문에, 빠른 시기에 양자간의 초기 고정이 수득된다. 이러한 특성은 골절의 접합, 고정을 목적으로 하는 핀이나 나사 등의 이식체 재료에 있어서 바람직하다.

또한, 종래, 강도 부족이 주된 원인으로 사용할 수 없었던 플레이트, 이형상(異形狀) 골 대체물 또는 골 접합재에도 뼈와의 결합성이 있기 때문에, 적용할 수 있다.

4) 뼈 속에서 골절 고정재로서 사용되는 이식체 재료는, 골유합에 요하는 짧아도 2 내지 4개월간은 고정에 필요한 강도를 유지하고, 그 후는 체액과 접하고 있는 표면으로부터 서서히 가수분해가 진행되어 약화되는 과정을 거친다.

이 과정에서 내부에 포함되어 있는 바이오세라믹 분체가 서서히 체액에 노출된다. 그 후, 또한 바이오세라믹 분체와 중합체의 계면을 통하여 체액이 이식체의 보다 내부로 침입한다. 그 결과, 중합체의 가수분해와 분해물의 생체내로의 흡수가, 바이오세라믹을 포함하지 않은 중합체 단독의 계의 경우보다도 빨라진다.

또한, 이 과정에서, 노출된 바이오세라믹 분체는 신생골의 침입을 재촉하고, 때로는 골 형성의 핵이 되어 골양(骨梁, trabecula)을 형성한다. 그리고, 경우에따라서는 스스로는 파골 세포에 의해서 흡수되거나, 골공(bone hole)으로부터 배출된다. 이렇게 하여, 이식체 재료의 소실된 골공으로의 생체골의 침입·치환이 유효하게 이루어진다.

5) 본 발명의 이식체 재료에 의해서 골공이 생체골로 치환되는 과정과 형태는, 이것이 포함되어 있는 바이오세라믹의 종류와 과립의 형상, 크기 또는 함유량에 따라서 많이 다르지만, 생체내 흡수성 중합체 단독으로 생성된 이식체 재료와 비교하면, 바이오세라믹 분체가 충전된 비율의 분량만큼 본 발명의 이식체 재료는 중합체의 양이 적기 때문에, 분해과정에서 발생하는 중합체 세편의 일시적 다발에 기인하는 이물 반응에 의한 염증 반응의 발현 우려를 회피할 수 있다.

이는 미소성 HA처럼 완전흡수성인 바이오액티브 입자의 경우에 특히 효과적이다.

또한, 골공의 수복 속도도 바이오세라믹의 종류, 크기, 양을 선택하여 임의로 조정할 수 있다.

(3) 생체내 흡수성 고분자 재료(중합체)의 조성

상기의 실질적으로 중합체로 이루어진 골 접합재에서 사용되는 고분자 재료와 동일하다.

(4) 원료 중합체 및 예비성형체의 분자량

1) 중합체는, 골 접합재로서 적어도 어떤 값 이상의 강도 등의 물성이 필요하지만, 당해 중합체의 분자량이 빌렛 등의 예비성형체로 용융성형하는 단계에서 아무리해도 저하되기 때문에, 당해 중합체가 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체인 경우, 초기 점도 평균 분자량이 15만 내지 70만, 바람직하게는 25만 내지 55만인 것을 사용하는 것이 중요하다.

이러한 범위의 분자량을 가지는 중합체를 사용하면, 가열하에서 용융성형가공하여 최종적으로 점도 평균 분자량이 10만 내지 60만인(바람직한 범위의 분자량 25만 내지 55만의 중합체를 사용하면, 최종적으로 20만 내지 50만의 점도 평균 분자량) 예비성형체를 수득할 수 있다.

2) 당해 중합체를, 그 후의 가압 배향에 의한 분자쇄(결정)의 배향을 위한 냉간에서의 소성 변형으로 이식체 재료용의 고강도 복합재료로 할 수 있지만, 소성 변형의 과정에서 조건을 잘 설정하여 조작하면, 분자량의 저하를 극력 억제할 수 있다.

이러한 바이오세라믹을 함유하는 이식체 재료를 구성하는 중합체의 점도 평균 분자량 범위는, 중합체만을 동일한 방법으로 성형하여 수득한 이식체의 경우의 범위와 차이가 있다. 이는, 당해 계가 바이오세라믹 분체를 다량으로 함유하기 때문에, 겉보기 용융점도나 공정 도중의 약화 정도에 차이가 있기 때문이다.

본 발명에 관한 중합체가 이러한 범위 내의 분자량을 가지며, 분자쇄(결정)가 가압 변형 조작에 의해 배향된 성형체가 생체 내에서 예컨대 골 접합재로서 실제로 사용되면, 골유합에 필요한 평균적인 기간인 적어도 2 내지 4개월간은 생체골과 동등한 정도 이상의 강도를 유지하고, 그 후는 골 접합재가 분해되어 생기는 세편이 주위의 조직 세포와 강한 이물 반응을 나타내어 염증 반응을 보이지 않는 속도로 서서히 분해된다.

이 과정에서 바이오세라믹의 생체 활성인 성질이 발현하기 때문에, 뼈와의 초기결합이 수득되고, 그 후, 뼈와의 치환이 알맞게 진행된다.

3) 중합체의 초기 점도 평균 분자량이 15만 미만에서는, 용융점도가 낮기 때문에 성형이 용이한 이점은 있지만, 높은 초기강도는 수득되지 않는다. 또한, 생체속에서의 강도 저하가 빠르기 때문에, 강도의 유지기간이 골유합에 필요한 기간보다도 짧아진다. 그리고, 생체에 매립 후의 1.5 내지 2년 이내의 단기간에 저분자량 세편이 다량 발생할 가능성이 있기 때문에, 이물 반응에 의한 염증 발생의 우려가 있다.

또한, 중합체의 초기 점도 평균 분자량이 70만을 초과하여 지나치게 커지면, 중합체가 가열시에 유동하기 어려워지고, 용융성형으로 예비성형체를 제조할 때, 고온, 고압이 필요해지므로, 가공시의 높은 전단 응력이나 마찰력에 의해서 발생하는 열로 인해 분자량이 대폭적으로 저하되고, 최종적으로 수득되는 이식체 재료의 분자량은 도리어 70만 이하의 것을 사용한 경우보다도 낮아지기 때문에, 강도가 기대되는 값보다 작아진다.

초기 점도 평균 분자량이 낮은 15만 내지 20만인 중합체에서는, 비교적 다량의 30 내지 60중량%의 바이오세라믹 분체를 충전하는 것이 가능하지만, 용융성형후에 분자량이 보다 낮아지면, 굴곡변형 등의 외력을 받아 항복하였을 때, 파단(항복파괴)되기 쉬우므로, 10 내지 30중량%의 저충전량으로 억제하는 것이 좋고, 또한 이후에서 설명하는 변형도(R)도 비교적 작게 억제하는 것이 좋다.

한편, 점도 평균 분자량이 55만 내지 70만으로 높은 중합체를 용융성형하는것은 비교적 어렵기 때문에, 40 내지 60중량%의 다량의 바이오세라믹 분체를 충전시켜 용융성형하는 것은 더 한층 곤란하다. 그래서, 바이오세라믹 분체를 20중량% 이하로, 또한 변형도(R)(이후에서 설명한다)도 필연적으로 작게 억제해야 할 것이다.

결국, 초기 점도 평균 분자량이 20만 내지 55만 정도이면, 비교적 광범위한 충전량과 변형도(R)를 선택할 수 있다. 또한, 생체내에서의 강도 유지기간이 적당하고, 분해·흡수의 속도도 또한 더욱 양호한 정도이다.

4) 필러의 충전량이 많은 경우에는 혼합물의 유동성이 부족하므로, 용융점도를 저하시켜 쉽게 성형하기 위해, 점도 평균 분자량이 10만 이하, 경우에 따라서는 1만 이하인 저분자량 중합체를 윤활제로서 최종 이식체의 물성에 영향을 미치지 않은 정도로 소량 첨가하여도 좋다.

사용하는 중합체 속에 잔존 단량체의 양이 많으면 가공 과정에서 분자량의 저하를 초래하여 생체내에서의 분해도 빨라지므로, 이의 양은 약 0.5중량% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

필러가 40중량% 이상의 고충전인 경우, 양자의 계면결합력을 향상시킬 목적으로 생체내 흡수성의 연질 중합체나, 폴리락트산의 D 체와 L 체의 광학이성체로 이루어지는 복합체를 필러에 표면처리하여 사용하여도 좋다.

그 후의 성형틀로의 압입 충전에 의한 분자(결정) 배향의 조작에 의해서 분자량을 실질적으로 저하시키지 않고 고강도의 가압 배향 성형체, 즉 이식체용 재료가 수득된다. 이어서, 절삭가공, 프라이스 가공, 펀칭 가공, 개공 등의 2차 가공으로 나사 형상, 핀 형상, 로드 형상, 원반 형상, 버튼 형상, 통 형상, 기타의 소망하는 형상의 고강도 이식체 재료를 제조한다.

(e) 결정화도

본 발명의 가압 배향 성형체는 기계적 강도가 크며 가수분해 속도가 양호하다고 하는 두 가지 요구인자의 균형을 생각하여, 결정화도의 범위를 10 내지 70%, 바람직하게는 20내지 50%로 선택할 필요가 있다.

결정화도가 70%를 초과하면, 겉보기 강성은 높지만, 인성이 결여되므로, 취약해지고, 성형체에 스트레스가 가해지면 용이하게 꺾여진다. 또한, 분해는 필요이상으로 느려지고, 생체내에서의 흡수, 소실에 장기간을 요하므로, 바람직하지 않다.

반대로, 결정화도가 10% 미만으로 낮은 경우에는, 결정 배향에 의한 강도의 향상은 요망되지 않는다.

이와 같이 초기의 기계적 강도와 이의 유지 및 분해, 흡수에 의한 소멸의 속도, 또는 생체에 대한 자극이 적은 것을 감안하면, 적절한 결정화도는 10 내지 70%, 바람직하게는 20 내지 50%이다.

결정화도가 10 내지 20%로 낮더라도, 필러의 효과에 의하여 강도는 비충전의 경우보다도 향상된다.

또한, 결정화도가 50 내지 70%로 높더라도, 가압에 의한 소성 변형의 과정에서 미세결정이 생기고, 생체내에서의 분해, 흡수에 불리하게 작용하는 일은 적다.

(f) 밀도

본 발명의 이식체 재료는 3차원적으로 가압 배향된 성형체이므로, 종래의 연신 배향 성형체에 비하여 밀도가 커진다. 이는 변형도에 의해서도 좌우되지만, 바이오세라믹을 20% 가량 혼합한 것은 1.4 내지 1.5g/㎤, 30% 가량 혼합한 것은 1.5 내지 1.6g/㎤, 40% 가량 혼합한 것은 1.6 내지 1.7g/㎤, 50% 가량 혼합한 것은 1.7 내지 1.8g/㎤로 된다.

고밀도는 재료의 치밀도를 나타내는 지수이기도 하고, 고강도를 뒷받침하는 중요한 요인의 하나이다.

(g) 결정 형태;

본 발명의 이식체 재료는, 가압 변형에 의한 배향으로 제조되므로, 성형체의 결정(분자쇄)이 본질적으로 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있다.

일반적으로, 기준축이 많아질수록 성형체의 강도적 이방성이 적어지기 때문에, 방향성이 있는 재료처럼 어떤 방향으로부터의 비교적 약한 힘으로 파괴되는 일은 적어진다.

본 발명의 이식체 재료에 있어서, 성형체의 결정이 본질적으로 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있는 사실의 뒷받침은 골 접합재의 경우와 동일하고, 도 1 및 도 2에서 모식적으로 나타낼 수 있다.

(C) [총론] 골 접합재의 제조방법:

(a) 본 발명의 골 접합재, 즉 결정이 본질적으로 복수의 기준축을 따라 평행하게 배향되어 있는 결정 형태를 가지는 배향 성형체의 제조방법은, 기본적으로

(1) 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 고분자 재료를 압출기 등을 사용하여 용융성형시켜 예비성형체를 제조하는 제1 공정,

(2) 예비성형체(빌렛)를, 하단이 본질적으로 폐쇄된 성형틀이 형성하는 좁은 공간에 냉간 소성 변형시키면서 압입하여 가압 변형시켜 배향시킴으로써 배향 성형체를 제조하는 제2 공정,

또는 빌렛을 당해 성형체의 직경, 두께 및 폭 중의 어느 하나가 부분적으로 또는 전체적으로 작은 공간을 가지는 성형틀의 공간에, 또는 성형틀의 공간이 빌렛의 체적보다도 작은 성형틀에 단조 충전시킴으로써 소성 변형시키면서 배향 성형체를 제조하는 제2 공정,

(3) 또한, 필요에 따라서, 절삭가공 등을 실시하여 목적하는 형상으로 만들어내는 것으로 이루어지는 것이다.

여기서, 「냉간」이란, 열가소성 고분자재료의 유리전이온도(Tg) 이상 용융온도(Tm) 이하 사이의, 통상 수행되는 용융온도 이상에서의 성형온도보다도 낮은 결정화 가능한 온도(Tc)를 의미한다.

즉, 직경이 큰 빌렛으로부터 직경이 작은 폐쇄된 성형틀의 캐비티 속에, 도 4처럼 θ의 구배를 가지는 직경 축소부를 통하여 냉간 소성 변형시키면서 상부로부터 강제적으로 가압하여 밀어넣으면, 압입시에 용융 중합체처럼 열유동성을 가지지 않는 Tm 이하의 유동성이 부족한 중합체가 소성 변형되면서 빌렛과 성형틀의 내면과의 사이에서 마찰에 의한 큰 전단을 받는다.

그리고, 이 전단력은 중합체를 배향시키는 경사 또는 가로방향의 외력으로서 작용하기 때문에, 중합체의 분자쇄(결정)는 성형틀로 압입하는 방향을 따라 변형에수반하여 배향한다.

요컨대, 빌렛의 압입 방식에 상응하여 복수의 기준축을 따라 평행하게 배향하고 있는 결정 형태가 수득된다.

이러한 경우, 배향의 기준축이 많은 것일수록 물리강도적 이방성은 적어진다. 그리고 이러한 상태에서는, 압입 방향인 세로 또는 경사방향으로 성형체가 가압되기 때문에, 성형체는 질적으로 치밀해진다. 그 결과, 물리강도적 이방성은 단순한 장축 방향의 일축 연신과는 달리 적고, 굴곡강도, 인장강도, 인렬강도, 전단강도, 비틀림강도, 표면 경도 등의 역학적 성질이 균형져서 총체적으로 향상된 배향 성형체가 수득된다.

이 배향 성형체는, 필요에 따라서 최종적으로 절삭가공 등을 실시하여 소정의 형상으로 함으로써, 각종 형상을 갖는 고강도 골 접합재로 제조된다.

(b) 가압 배향 성형체의 제조:

(1) 압축 배향 성형;

고분자 재료를 용융 성형시켜 예비성형체를 제조하고, 당해 예비성형체를 본질적으로 하단이 폐쇄된 성형틀의 좁은 공간에 냉간 소성 변형시키면서 압입 충전시켜 압축배향시키는 것으로 이루어진다.

(2) 단조 배향 성형

고분자 재료를 용융 성형시켜 예비성형체를 제조하고, 당해 예비성형체를, 위에서 정의한 바와 같이, 당해 성형체의 단면적, 두께 및 폭 중의 어느 하나가 부분적으로 또는 전체적으로 작은 성형틀의 좁은 공간에, 또는 성형틀의 공간을 예비성형체의 체적보다도 작게 한 총체적의 성형틀에 냉간 소성 변형시키면서 연속적으로 또는 비연속적으로 밀어넣어 압입 충전시켜 단조 배향시키는 것으로 이루어진다.

(3) 변형도

단면적이 빌렛의 단면적의 2/3 내지 1/6인 성형틀의 캐비티 속에 빌렛을 압입 충전(압입 가압)시키면, 수득되는 가압 변형에 의한 배향 성형체의 변형도 (R)=So/S(단, S₀는 빌렛의 단면적이고, S는 압축 배향 성형체의 단면적이다)는 실질적으로 1.5 내지 6.0의 범위의 값으로 되고, 이는 이후의 실시예의 자료에 나타낸바와 같이 강도의 향상이 현저하다.

또한, 이러한 범위의 R의 값을 가지고, 이것이 부분적으로 상이한 틀(중합체가 압입에 의해서 진행하는 방향의 횡단면의 면적이 부분적으로 상이하고, 이 부분을 제외한 나머지 부분이 빌렛의 단면적과 같은 경우도 포함한다)에 압입 충전시키는 경우는, 배향축은 복잡하게 뒤섞여 얽히므로, 이방성도 단순하지 않게 된다.

R이 큰 성형체 부분은, R이 작은 부분보다도 배향의 정도가 높아지기 때문에, 일반적으로 기계적인 강도가 커진다. 그래서, 부분적으로 강도가 상이한 성형체를 용도에 맞추어 의도적으로 만드는 것도 가능하다.

이는, 본 발명의 방법처럼 틀 속에 소성 변형으로 압입시켜 배향 성형체를 제조하는 방법으로 처음으로 이룰 수 있는 것이고, 조작 도중에 부분적으로 연신 배율이 상이한 부위를 만드는 것이 가능하지 않은 연신법과 비교하면, 본 발명의특필해야 할 장점이라고 할 수 있다.

즉, 본 발명의 가압 배향에 의한 방법이 종래의 연신 배향에 의한 방법에 비교하면 대단히 유리한 이유가 여기에도 존재한다.

여기서, 캐비티의 단면적을 빌렛의 단면적의 2/3보다 크게 하면, 압입 충전때의 분자쇄나 결정의 배향, 압축율이 낮기 때문에, 강도나 경도가 큰 압축 배향 성형체를 수득하기가 어렵다. 한편, 1/6보다 작게 하면, 빌렛의 캐비티로의 압입 충전이 곤란해질 뿐만 아니라 중합체가 피브릴화할 우려가 나타난다. 피브릴화가 생기면, 성형체의 가로방향의 강도는 향상되지만, 세로방향의 강도는 저하되어 전단력에 의해서 세로방향인 피브릴 사이에서 파열되기 쉬워진다.

(4) 소성 변형 온도

빌렛의 소성 변형 온도는 열가소성 고분자 재료의 유리전이온도(Tg) 이상 용융온도(Tm) 이하의 사이의 결정화 가능한 온도(Tc)인 것이 바람직하다.

구체적으로는, 예를 들면, 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체의 경우, 후술하는 실시예에 나타내는 범위내인 60 내지 160℃, 바람직하게는 80 내지 110℃가 바람직하다.

이 온도에서 빌렛을 캐비티에 압입 충전시키면, 비교적 압입 충전이 용이하고, 분자쇄(결정)의 배향이 효과적으로 수행되어, 결정화도도 의도에 따라 조정할 수 있다.

또한, 이 때, 압입과정에서의 스틱 슬립 현상을 억제하기 위해서 적당한 속도(예컨대 8 내지 80mm/분)를 선택하는 것이 필요하다.

(5) 압축 배향 성형 또는 단조 배향 성형의 어느쪽의 가압 변형에 의한 배향 성형의 경우도, 성형틀에 적절한 높은 압력(예컨대 100 내지 4000kg/㎠, 바람직하게는 200 내지 2500kg/㎠)하에서 냉간(고분자 재료의 유리전이온도(Tg) 이상 용융 온도(Tm) 이하의 사이의 결정화 가능한 온도(Tc), 예컨대 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체의 경우, 60 내지 160℃, 바람직하게는 80 내지 110℃) 소성 변형시키면서 압입 충전시킬 때, 성형틀 벽과의 사이에 마찰이 생기고, 이것이 중합체가 배향하기 위한 가로방향 또는 경사방향의 외력으로서 작용하기 때문에, 다수의 기준축에 평행하게 배향된 결정 구조가 형성되는 것이다.

또한, 이 때, 기계방향으로 성형체가 가압되어 질적으로 치밀해지고, 골 접합재의 밀도가 높아지며, 그 결과, 높은 강도가 수득되는 것이다.

(D) [각론] 골 접합재의 제조방법:

추가로, 도면에 기초하여 구체적으로 설명한다.

도 4는, 압축 변형에 의한 배향 성형에 있어서, 빌렛을 성형틀의 캐비티에 압입 충전시키기 전의 상태를 나타내는 단면도이다.

도 5은, 압축 변형에 의한 배향 성형에 있어서, 빌렛을 성형틀의 캐비티에 압입 충전시킨 후의 상태를 나타내는 단면도이다.

도 6은 최종적으로 절삭가공하여 수득되는 골 접합 나사의 일례를 나타내는 정면도이다.

본 발명의 제조방법을, 예컨대 도 6에 나타낸 바와 같은 골 접합 나사(30)를 제조하는 경우에 대하여 설명한다. 이는 기본적으로 이하의 세 가지 공정으로 구성된다.

① 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 고분자 재료를 용융성형시켜 예비성형체, 예컨대 굵은 원주상 빌렛(1)을 제조하는 1차 성형공정,

② 이어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 빌렛(1)을 성형틀(2)의 수용통부(2a)에 수용시키고, 피스톤(램), 기타의 가압수단(2b)으로 빌렛(1)을 연속적으로 또는 단속적으로 가압함으로써, 도 5에 나타낸 바와 같이 빌렛(1)을 성형틀(2)의 캐비티(2C) 속으로 냉간 소성 변형시키면서 압입 충전시켜 가느다란 원주상 압축 배향 성형체(10)로 하는 2차 성형공정,

③ 그리고 성형틀(2)로부터 꺼낸 압축 배향 성형체(10)를 도 6에 나타낸 바와 같은 골 접합 나사(30)로 절삭하는 가공공정.

(a) 용융 성형:

1차 성형공정에서, 고분자 재료로부터 빌렛(1)를 용융성형시키는 방법으로서는 용융 압출 성형법이 바람직하게 채용되지만, 분자량 저하를 피한 배려를 하게 되면, 사출 성형법이나 프레스 성형법 등의 다른 성형법을 채용해도 좋다.

용융 압출 성형법을 채용하는 경우는, 고분자 재료의 분자량 저하를 극히 억제하기 위해서, 고분자 재료의 융점보다 조금 높은 온도조건과 압출 가능한 최소한의 압력조건을 채용하는 것이 중요하다.

예컨대, 고분자 재료가 점도 평균 분자량이 20만 내지 60만 정도인 폴리L-락트산(PLLA)인 경우에는, 융점 이상 220℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이하의 온도조건과 260kg/㎠ 이하, 바람직하게는 170 내지 210kg/㎠ 정도의 압력조건을 채용하는것이 좋다.

(b) 압축 배향 성형:

압축 변형에 의한 배향성형으로서 예시된 도 4 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 빌렛(1)은, 성형틀(2)의 캐비티(2c)의 단면 형상에 상사(相似)한 단면 형상으로 되도록 용융성형시키는 것이 바람직하고, 본 실시형태처럼 캐비티(2c)가 원형의 단면 형상을 가지는 경우는, 이보다 큰 원형의 단면 형태를 가지는 원주체로 되도록 빌렛(1)을 용융성형시키는 것이 바람직하다.

이처럼 빌렛(1)의 단면 형상이 캐비티(2c)의 단면 형상에 상사하고 있으면, 빌렛(1)을 주위에서 균등하게 압축시키면서 소성 변형시켜 캐비티(2c) 속으로 압입 충전시킬 수 있기 때문에, 변형도가 균등한 압축 배향 성형체(10)를 수득하는 것이 가능해진다.

단, 이러한 빌렛의 단면 형상은 원형에 한정되지 않고, 다각형, 기타의 이형(異形)이어도 좋은 것은 물론이고, 그 후의 성형 또는 단조 성형 등에 의한 가압 변형에 의한 배향 성형체의 단면에 적당한 희망하는 형상으로 하면 좋다.

또한, 빌렛(1)은, 이의 단면적이 캐비티(2c)의 단면적의 1.5 내지 6.0배인 것이 바람직하다. 요컨대, 당해 빌렛(1)을 단면적인 빌렛(1)의 단면적의 2/3 내지 1/6인 캐비티(2c) 속으로 압입 충전시킴으로써, 수득되는 압축 배향 성형체(10)의 변형도(R)=So/S(단, So는 빌렛(1)의 단면적이고, S는 압축 배향 성형체(10)의 단면적이다)를 1.5내지 6.0으로 되도록 가공할 수가 있다.

이렇게 하면, 후술하는 실시예의 자료에 나타낸 바와 같이 압축 배향성형체(10)의 강도나 경도가 현저하게 향상된다. 그리고, 이것에 절삭가공, 나사 절삭가공, 슬라이스 가공 등을 실시하여 이상적인 골 접합 나사, 못, 핀, 플레이트 등의 골 접합재를 수득할 수 있다.

빌렛(1)을, 빌렛(1)의 단면적의 2/3보다 큰 캐비티(2c)에 압입 충전시키는 경우는, 분자쇄나 결정의 배향과 압축율이 낮기 때문에, 강도나 경도가 큰 압축 배향 성형체(10)는 수득하기가 어려워진다.

한편, 단면적이 1/6보다 작은 캐비티(2c)에 압입 충전시켜려고 해도 압입 충전이 곤란하고, 가령 가능하다고 해도 중합체의 배향이 과도해져서 피브릴화의 우려가 있고, 피브릴 사이에서 균열을 발생하기가 쉬워져서 좋지 않다.

계속해서 압축 변형에 의한 배향 성형에 이용하는 성형틀과 배향의 기구(메카니즘) 및 그 방법 등에 대해서 설명한다.

도 4는, 압축 변형에 의한 배향 성형에 있어서, 빌렛을 성형틀의 캐비티에 압입 충전시키기 전의 상태를 예시한 단면도이다.

(1) 도 4에 나타낸 바와 같이, 2차 성형공정에서 이용하는 성형틀(2)은, 빌렛(1)을 수용하는 굵은 원통상 수용통부(2a)와 가압수단(2b)으로 빌렛(1)을 압입 충전시키는 가는 원통상 성형 캐비티(2c)를 아래쪽으로 테이퍼를 붙인 직경 축소부(20a)를 통해 상하로 동일축상으로 연결시킨 것이다.

수용통부(2a)의 상부에는, 빌렛(1)을 연속적으로 또는 단속적으로 가압하는 피스톤(램) 등의 가압수단(2b)이 설치되어 있다. 그리고, 캐비티(2c)의 밑바닥부에는, 극히 미소한 공기 배출 구멍이나 빈 틈(도시 생략)이 형성되어 있다.

(2) 수용통부(2a)의 반경(r1)과 캐비티(2c)의 반경(r2)은, 상기한 이유에 의해 부등식 1.5≤(r1/r2)2≤6.0이 성립하도록 설정되어 있고, 단면적인 캐비티(2c)의 단면적의 1.5 내지 6.0배인 원주상 빌렛(1)이 수용통부(2a)에 수용될 수 있도록 되어 있다.

(3) 또한, 직경 축소부(20a)의 테이퍼의 경사각(θ)은 10 내지 60°의 범위내로 설정되어 있다.

경사각(θ)을 10°보다 작게 하면, 빌렛(1)을 캐비티(2c)로 압입시키는 때의 압력이 높아지지 않고, 수득되는 압축 배향 성형체(10)(도시생략)의 분자쇄(결정)의 배향이 낮기 때문에, 높은 강도가 수득되지 않는다.

한편, 경사각(θ)이 60°보다 커지면, 압입 충전이 곤란해진다. 따라서, 경사각(θ)은 10°내지 60°, 바람직하게는 15°내지 45°로 하는 것이 바람직하다.

그리고, (r₁/r₂)²의 값이 1.5 내지 6.0의 범위에서 6.0에 가까울수록 경사각(θ)을 작게 설정하면, 압입 충전 조작이 용이하고, 균질한 성형체를 수득하기가 쉬우므로, 바람직하다.

(4) 도 5에 나타낸 바와 같이, 이러한 성형틀(2)을 사용하여 빌렛(1)을 수용통부(2a)에 수용시키고, 가압수단(2b)으로 빌렛(1)을 연속적으로 또는 단속적으로 가압시켜, 캐비티(2c) 속에 냉간 소성 변형시키면서 압입 충전시키면, 압입시에 직경 축소부(20a)의 내면과의 사이와 캐비티(2c)의 내면과의 사이에 마찰에 의한 큰 전단이 생기고, 이것이 중합체를 배향시키는 가로방향과 경사방향의 외력(벡터력)으로서 작용한다.

이 때문에, 직경 축소부(20a)의 내면을 따라 본질적으로 중합체가 배향되어 결정화가 진행하고, 동시에 성형 캐비티(2c)의 중심부로의 압입이 주위부보다 우선적이기 때문에, 캐비티(2c)의 형상대로 성형된 압축 배향 성형체(10)의 결정축은, 세로방향의 축선에 대하여 직경 축소부의 테이퍼의 경사각(θ)에 응하여 경사져서 배향된다.

(5) 그리고, 수득된 압축 배향 성형체(1)는 캐비티(2c)의 내면을 따라 동심원형상으로 배향되어 있고, 많은 기준축을 가지고 있다고 생각된다. 이와 동시에 세로방향(기계방향)으로 중합체는 압축되기 때문에, 질적으로 치밀한 가는 원주상 압축 배향 성형체(10)가 수득된다.

이러한 경우, 결정의 배향각(압축 배향 성형체의 역학적 코어로 되는 축에 대한 결정의 각도)은, 직경 축소부(20a)의 경사각(θ)과 수용통부(2a)와 캐비티(2c)의 횡단면의 면적비에 따라 근사적으로 결정된다.

즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 수용통부(2a)의 반경을 r₁, 캐비티(2c)의 반경을 r₂, 성형틀(2)의 중심의 축(Lc)에 대한 직경 축소부(20a)의 경사각을 θ, 수용통부(2a)와 캐비티(2c)의 횡단면의 면적비를 A=r₁ ²/r₂ ²로 하고,

빌렛(1)의 외주부의 점 X가 테이퍼 내면을 따라 축(Lc)방향으로 거리(d)만큼 압입되는 사이에 중심의 축(Lc)상의 점 Y가 압입되는 거리를 D로 하면, 결정은 선분(Lm)의 방향으로 배향된다고 생각된다. 이 선분(Lm)의 방향으로 배향된 결정의배향각(축(Lc)에 대한 각도)을 θm로 하면,

tanθm = r₂/(D-d)으로 되고, D-d = A·d이므로,

tanθm = r₂/A·d - [1]이 된다.

d = (r₁-r₂)/tanθ이므로, 이것을 [식 1]에 대입하면,

tanθm = r₂tanθ/[A(r₁-r₂)] … [식 2]로 되고,

r₁= r₂·A^0.5이므로, 이것을 [식 2]에 대입하면,

tanθm = tanθ/[A-(A^0.5-1)] - [식 3]이 된다.

(6) 따라서, 결정은 위의 [식 3]이 성립하는 배향각(θm)에서 축에 대하여 경사져서 배향되어, 테이퍼 내면의 경사각(θ)이 커질수록 결정의 배향각(θm)은 커지고, 수용통부(2a)와 캐비티(2c)의 횡단면의 면적비(A)가 커질수록 결정의 배향각이 작아진다. 따라서, 경사각(θ)과 면적비(A)를 변화시켜 결정을 희망하는 배향각(θm)으로 조절할 수 있다.

(7) 상기한 바와 같이 많은 기준축에 평행하게 배향되어 있는 결정 형태를 가지는 압축 배향 성형체(10)는, 단지 장축 방향으로 일축 연신한 성형체와 비교하면, 강도적 이방성이 적고, 질적으로 치밀하게 되어 있기 때문에, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 압축강도, 인장강도, 인렬강도, 전단강도, 비틀림강도, 표면 경도 등의 역학적 성질이 향상되어, 파괴가 생기기 어려워진다.

특히, 압축 배향 성형체(10)의 변형도(R)가 1.5 내지 6.0의 범위에 있으면,강도의 향상이 현저하고, 예컨대 폴리락트산의 빌렛(1)(점도 평균 분자량: 10만 내지 40만)을 압입 충전시켜 수득한 상기 변형도의 압축 배향 성형체(10)는 굴곡강도가 160 내지 300mPa이며, 변형도가 상기 변형도와 실질적으로 동일한 연신 배율로 폴리락트산을 일축 연신시킨 연신물보다 굴곡강도, 비틀림강도나 표면 경도 등의 물리적 강도가 총체적으로 크다.

(8) 이것에 대하여, 고분자 재료의 빌렛을 장축 방향으로 연신시키는 자유폭 일축 연신의 경우는, 가로방향(측면)으로부터 외력은 걸리지 않고, 연신과정에서 성형물의 굵기가 가늘어진다. 또한, 배향축인 장축 방향으로 연신되기 때문에, 연신물은 질적으로 희박하다.

따라서, 이러한 연신 성형체는 본 발명에 의해서 수득되는 본질적으로 많은 기준축을 따라 배향되어 있는 결정 형태를 가지는 압축 배향 성형체(10)와 비교하면, 이방성이 크고 기계적 강도 또한 대개 작은 것이다.

(9) 빌렛(1)의 압입 충전은, 고분자 재료의 종류에 따라서는 유리전이온도(Tg)보다 낮은 실온에서 수행하더라도 좋지만, 압입 충전성의 용이함, 분자쇄(결정)의 배향 효과 및 결정화도의 조정 등을 꾀하기 위해서, 수용통부(2a) 내에서 빌렛(1)을 유리전이온도(Tg) 이상 용융온도(Tm) 이하 사이의 결정화 가능한 온도(Tc)로 가열하고, 캐비티(2c) 속으로 압입 충전시키는 것이 바람직하다.

압입 충전시켜 소성 변형시키기 위한 온도는, 폴리락트산의 빌렛(1)의 경우, 60내지 160℃, 바람직하게는 80 내지 110℃이다.

(10) 또한, 압입·충전압은 100 내지 4000kg/㎠, 바람직하게는 200 내지2500kg/㎠이다.

압입·충전압이 4000kg/㎠를 초과하여 과격하게 압입시키면, 전단력과 이에 의한 발열에 의해서 분자량이 대폭 저하되기 때문에, 오히려 고강도의 압축 배향 성형체(10)가 수득되기 어려워진다. 또한, 압입·충전압이 100kg/㎠ 미만이면, 빌렛(1)의 단면적이 2/3보다 작은 캐비티(2c)에 압입 충전시키는 것이 곤란해져서, 강도와 경도가 큰 압축 배향 성형체가 수득되지 않게 된다.

(11) 압입 속도는, 일반적인 성형에 이용하는 금형을 사용하거나, 금속 표면의 미끄러짐을 좋게 하는 특수한 표면처리를 실시하지 않는 경우는, 8 내지 800mm/분, 바람직하게는 40 내지 60mm/분이 적당하다.

8mm/분보다 느린 속도로 압입시키면, 압입 도중에 빌렛(1)이 아직 캐비티(2c)로 압입되어 있지 않은 부분까지도 결정화의 진행에 의해서 경화되어, 압입이 곤란해진다. 한편, 80mm/분보다 빠른 속도로 압입 충전시키면, 스틱 슬립이 생겨서, 불균질한 성형체로 되기 때문에, 바람직하지 않다.

위와 같이 빌렛(1)을 캐비티(2c)에 압입 충전시켜 수득되는 압축 배향 성형체(10)의 결정화도는, 해당 성형체(10)의 변형도(R), 압입시의 온도, 압력, 시간(압입 속도) 등에 의해서 변화하고, 일반적으로 변형도(R)가 크고 온도가 높고 압력이 크고 시간이 길어질수록 결정화도는 높아진다.

(12) 압축 배향 성형체(10)의 결정화도는 30 내지 60%, 바람직하게는 40 내지 50 %의 범위에 있는 것이 바람직하다.

이러한 결정화도의 압축 배향 성형체(10)에 절삭가공 등을 실시하여 수득한골 접합 나사 등의 골 접합재는, 고분자의 결정상과 비결정상의 비율의 균형이 좋기 때문에, 결정상에 의한 강도와 경도의 향상과 비결정상에 의한 유연성이 잘 조화되기 때문에, 결정상만의 경우처럼 취약함이 없고, 비결정상만의 경우처럼 연질이고 강도가 없는 약한 성질도 나타나지 않는다. 이 때문에, 인성이 있고, 총합적으로 강도가 충분하고 높은 골 접합재가 된다.

결정화도가 30% 미만에서는, 일반적으로 결정에 의한 강도의 향상을 기대할 수 없다.

한편, 결정화도가 높아지면, 이에 응해서 강도는 향상되지만, 60%보다 높아지면 도리어 인성의 결여에 의해 충격 등을 받았을 때 용이하게 파괴된다고 하는 취약한 성질이 현저하게 발현한다.

또한, 본 발명에서 이용하는 고분자 재료는 일반적으로 생체내에서 가수분해가 진행되어 저분자량으로 변화하는 과정에서 결정화도가 서서히 상승하고, 결정화도가 상승함에 따라 가수분해의 진행이 저하되기 때문에, 생체내에 흡수되기까지의 저분자량으로 용이하게 도달하지 않게 되는 것으로 알려져 있지만, 상기한 바와 같이 30 내지 60%의 결정화도를 가지는 것은, 생체내에 있어서 생체외로부터의 힘에 의하여 분해물이 세편화되는 일이 병행되기 때문에, 생체내에서의 가수분해속도의 저하를 초래할 우려도 그 정도로 크지 않다.

이러한 이유로부터, 압축 배향 성형체(10)의 변형도(R)나 압입시의 온도, 압력, 시간 등을 위의 범위내에서 조절하거나, 압입 충전 후에 결정화 온도(예컨대 90 내지 160℃의 온도)로 단시간 열처리하여 압축 배향 성형체(10)의 결정화도를30 내지 60%로 조절하는 것이 바람직하다.

(13) 빌렛(1)의 압입 충전이 끝나면, 압축 배향 성형체(10)를 냉각시켜 성형틀(2)로부터 꺼내고, 압축 배향 성형체(10)의 배향되어 있지 않은 여백 재료부분(10a)을 절제한 다음, 절삭가공, 나사 절삭가공, 슬라이스 가공 등을 실시하여 도 6에 나타낸 나사 축부(31), 나사 두부(32), 회전 치구(回轉治具: 여기서, 치구는 공구를 가공물의 올바른 위치에 대기 위한 보조 공구임) 삽입구멍(33)을 구비한 골접합 나사(30)를 수득한다.

골 접합 나사는 도 6에 나타낸 형상 이외의 여러 가지 형상으로 하여도 좋고, 또한 나사 이외의 골 접합재, 예컨대 핀, 못, 플레이트, 버튼, 원통 형상물 등, 희망하는 골 접합재의 형상으로 절삭가공, 나사 절삭가공, 개공 가공, 슬라이스 가공 등을 실시하더라도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

또한, 여백 재료부분(10a)을 절제한 가느다란 원주상 압축 배향 성형체(10)를 그대로 골 접합 로드로서 사용하는 경우는 절삭가공 등은 불필요하다.

이상의 실시형태에 의해서 제조되는 골 접합 나사(30)는 본질적으로 많은 기준축에 평행하게 배향되어 있는 결정 형태를 구비한 변형도(R)가 1.5 내지 6.0인 치밀한 압축 배향 성형체(10)(점도 평균 분자량; 10만 내지 40만, 결정화도: 30 내지 60%)를 절삭가공 등으로 한 것이므로, 종래의 일축 연신한 골 접합재에 비교하면, 강도적 이방성이 적고, 굴곡강도, 굴곡 탄성율, 압축강도, 인장강도, 인렬강도, 전단강도, 비틀림강도, 표면 경도 등의 역학적 성질이 뛰어나며, 더구나 내가수분해성이 적절하고, 생체내에서 골유합에 필요한 2 내지 4개월간은 생체골과 동등한 정도의 강도를 유지하고, 그 후는 염증 반응을 보이지 않고 알맞은 분해속도로 서서히 분해, 흡수되기 때문에, 이상에 가까운 이식체 재료이다.

(14) 위에서 설명한 실시형태에서는, 성형틀(2)로서 반경이 큰 원통상 수용통부(2a)와 반경이 작은 원통상 캐비티(2c)를 전체 주위에 동일한 경사각(θ)을 가지는 테이퍼를 붙인 재두원추상(載頭圖錐狀) 직경 축소부(20a)를 통하여 상하로 연결한 것을 사용하고 있다.

그러나, 예컨대 골 접합 플레이트같은 판상 골 접합재를 제조하는 경우는, 단면이 직사각형인 수용통부와 이것에 상사하는 작은 직사각형 단면의 캐비티를 직경 축소부를 통하여 연결시킨 성형틀을 사용하면 좋다.

이러한 경우, 직경 축소부의 테이퍼를 4변에 설치하면 세로축을 향하여 네주위에서 경사져 배향된 플레이트상 성형체로 되지만, 장변 방향의 2변에만 테이퍼를 붙인 직경 축소부를 설치하면, 세로축을 포함하는 면을 향하여 양측면에서 경사져 배향된 플레이트상 성형체로 된다.

(15) 위에서 설명한 원주체의 실시형태에서는, 직경 축소부(20a)의 경사각(θ)을 일정하게 하고 있지만, 전체 주위에 걸쳐서 또는 부분적으로 변화시키거나, 각주체(角柱體)의 장변방향의 2변의 경사각(θ)을 변경시킴으로써, 성형체의 역학적 코어로 되는 축(L) 또는 해당 축(L)을 포함하는 면(M)이 중심을 벗어나서 편위한 축(L) 또는 면(M)을 향하여 경사져 배향된다.

예컨대, 도 9에 나타낸 바와 같이, 직경 축소부(20a)의 경사각(θ1, θ2(θ1<θ2))이 좌우로 상이한 성형틀(2)을 사용하여, 단면적이 큰 직사각형빌렛(1)으로부터 성형시켜 직사각형 압축 배향 성형체를 성형시키면, 면(M)이 오른쪽으로 편위한 배향 성형체가 수득된다.

이 배향 성형체의 결정은, 도 10에 나타낸 바와 같이, 오른쪽으로 편위한 면(M)을 향하여 양측면에서 비스듬히 경사진 기준축(N과 N')에 평행하게 배향된 것으로 된다.

이 압축 배향 성형체는, 좌우 결정의 배향하는 각도가 상이하기 때문에, 양측에서 강도가 다른 플레이트상 성형체로 되어, 양측에서 강도가 상이한 골 접합재가 필요한 용도로 바람직하게 사용된다.

양측의 강도는, 경사각(θ)을 여러 가지로 변화시켜 면(M)의 위치를 변경시킴으로써 편향시킬 수 있기 때문에, 용도에 따라 자유롭게 조정 가능하다.

이와 같이, 제조하고자 하는 골 접합재의 형상이나 용도에 따라 성형틀을 선택하면 좋다.

(c) 단조 배향 성형

도 7은, 본 발명의 다른 실시형태인 단조 배향 성형에 있어서, 빌렛(1)를 성형틀(2)의 캐비티(2c)에 압입 충전시키기 전의 상태를 나타내는 단면도이다.

(1) 이 실시형태에서 이용하는 성형틀(2)은 원통상 또는 각통상(角筒狀) 수용통부(2a)를, 투영 평면의 면적이 해당 통부(2a)의 단면적보다도 큰 중공 원판상 또는 중공 각판상(이형상) 캐비티(2c)의 중앙부에 설치하고, 수용통부(2a)의 상부에 피스톤(램) 등의 가압수단(2b)을 설치한 것이다.

단, 캐비티(2c)의 두께(압입 방향의 횡단면의 면적)는 수용통부(2a)의 직경(횡단면의 면적)보다 작은 것을 기본적인 조건으로 하고 있다. 이는 단조법에 있어서도, 가압시켜 결정 배향시키는 것을 목적으로 하기 때문이다.

이러한 조건은 캐비티(2c) 전체에 걸쳐서 만족되어도, 일부에 만족되어도 좋지만, 성형되어야 할 재료를 캐비티(2c) 내에 구석구석까지 충전시키기 위해서, 빌렛(1)의 체적은 캐비티(2c)의 용적보다도 큰 것이 필요하다.

특히, 이 조건이 일부분(부분적인 장소)으로 만족되는 경우(환언하면, 캐비티(2c)의 두께(직경)가 부분적으로 빌렛(1)의 직경보다도 큰 부분을 가지며 나머지 부분은 작거나 동일한 성형체인 경우)에는, 재료가 틀 속으로 가압되면서 세밀하게 널리 퍼지기 때문에, 빌렛(1)의 체적이 캐비티의 전체 용적보다도 꽤 큰 것이 필요하다.

(2) 도 7에 나타낸 실시형태에서는, 단면 형상이 수용통부(2a)의 단면 형상과 동일하고, 또한 체적이 캐비티(2c)의 용적보다 큰 원주상 또는 각주상(이형상)의 용융성형시켜 수득한, 고분자 재료로 이루어진 빌렛(1)을, 수용통부(2a)에 수용하여 가압수단(2b)으로 연속적으로 또는 단속적으로 가압시킴으로써 빌렛(1)을 냉간에서 투영 평면의 면적이 큰 캐비티(2c)의 중앙부에서 주변부로 타연(打延)에 의해 눌러 확대하면서 압입 충전시켜, 원판상 또는 각판상(이형상) 단조 배향 성형체를 수득하도록 하고 있다.

이 실시형태에서 수득되는 단조 배향 성형체는, 위의 압축 배향 성형체와는 달리, 분자쇄나 결정이 성형 캐비티(2c)의 중심부에서 주변부를 향하여 많은 축을 가지고 방사상으로 배향되어 있는 본질적으로 많은 기준축에 평행하게 배향된 단조배향 성형체를 형성한다. 이는 분명히 단순한 일축 연신물과는 배향 형태가 상이한 성형체이다.

(3) 이러한 실시형태의 방법은, 원통상, 각판상, 버튼 형상 등의 내부에 구멍을 가지는 골 접합재나 부분적으로 두께가 상이한 곳이 있는 이형 플레이트상 골보철재(골충전재)를 제조하는 등의 경우에 특히 유효하다.

(4) 또한, 도 7에 점선으로 병기한 캐비티(2d)는, 이의 선단으로 감에 따라 R이 서서히 커지는 예를 나타내고 있다. 즉, 동일한 성형체 내에서 R이 2/3 내지 1/6의 범위로 변화하는 부분을 가지는 예를 나타내고 있다.

이러한 경우, 캐비티(2d)의 선단부로 감에 따라 배향축은 두께 방향으로(저부를 향하여) 파고들어간 상태를 형성하기 때문에, 성형 캐비티(2c)의 중심부에서 주변부를 향하여 방사상으로 배향된 상태와 상호 교합되어 있는 상태의 배향이 성립하고 있는 복잡한 배향 형태의 성형체로 된다.

(5) 또한, 압축 배향 성형(b)의 경우에 나타난 각종 조건에 대해서는 단조 배향 성형(c)의 경우에서도 동일하게 채용할 수 있다.

(E) 이식체 재료의 제조

본 발명의 이식체 재료의 제조는, 기본적으로 (a) 미리 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체와 바이오세라믹 분체가 실질적으로 균일하게 혼합·분산된 혼합물을 제조하고, (b) 이어서 당해 혼합물을 용융성형시켜 예비성형체(예컨대 빌렛)를 제조한 다음, (c) 당해 예비성형체를 하단이 본질적으로 폐쇄된 성형틀이 좁은 공간을 가지는 폐쇄 성형틀의 캐비티 속으로(압축 배향의 경우) 압입 충전시키거나, 단면적의 두께 또는 폭의 어느 쪽인가가 부분적으로 또는 전체적으로 예비성형체의 그것보다도 작은 성형틀이 좁은 공간에, 또는 성형틀의 공간을 예비성형체를 수용하는 공간보다도 작게 한 성형틀의 캐비티 속으로(단조 배향의 경우)압입 충전시킴으로써, 당해 예비성형체를 냉간 소성 변형시키면서 가압 배향 성형체로 하는 것을 특징으로 한다.

(a) 중합체와 바이오세라믹 분체와의 혼합물의 작성

(1) 비교적 용이하게 응집하는 바이오세라믹 분체를 매트릭스 중합체 속에 실질적으로 균일하게 혼합·분산시키기 위해서는, 예컨대 디클로로메탄, 클로로포름 등의 용매에 용해된 매트릭스 중합체에 바이오세라믹 분체를 가하여 잘 분산시키고, 당해 분산계를 에탄올, 메탄올 등의 비용매를 가하여 침전시켜 혼합물로 하는 방법을 채용하는 것이 바람직하다.

이러한 경우의 중합체의 용해 농도와 용매와 비용매와의 비율은 중합체의 종류와 중합도에 비추어 조제하면 좋다.

(2) 바이오세라믹 분체/매트릭스 중합체의 혼합비는 10중량% 내지 60중량%, 바람직하게는 20 내지 50중량%, 보다 바람직하게는 30 내지 40중량%이다.

혼합비가 10중량% 미만에서는 바이오세라믹 분체가 차지하는 체적 비율이 작기 때문에, 바이오세라믹 분체에서 기대되는 뼈와의 직접 결합, 골전도, 골유도의 성질이 발현되기 어렵고, 생체골과의 치환도 중합체 단독의 경우와 매우 유사하여 비교적 느리다.

또한, 60중량%를 초과하면, 혼합계의 열성형시의 유동성이 부족하기 때문에,성형이 곤란해지고, 성형물 속의 중합체의 양이 부족하여 바인더 효과가 못미치기 때문에, 필러와 중합체가 분리되기 쉬우므로 강도적으로 취약해진다.

또한, 생체 속의 분해과정에서 바이오세라믹 분체의 골 접합재 표면에서의 노출이 빠르므로, 생체로의 위해성이 발현될 우려가 고려된다.

이 범위내의 혼합비이면, 바이오세라믹 분체와 중합체 매트릭스 양쪽의 바람직한 특성이 복합재료의 구조와 기능의 양면에서 현저하게 발현될 수 있다.

(b) 용융 성형

(1) 본 발명의 복합재료는 입자 강화 복합재료에 속하지만, 본 발명의 이식체 재료처럼 바이오세라믹 분체를 다량으로 함유하는 중합체계는 일반적으로 유동성이 좋지 않기 때문에 열성형이 곤란하다.

더구나, 이식체에 대해서는 생체 속의 안전성을 배려하지 않으면 않되고, 유동성의 개량에 지극히 효과가 있는 티타늄계 커플링제를 사용할 수 없는 현상태에서의 성형은 또한 곤란하다.

유동성이 부족한 복합재료를 혼련, 용융시에 전단력이 가해지는 일반적인 압출 성형 등으로 열성형하면, 중합체 자신은 원래의 유동 특성을 가지고 변형 유동하지만, 충전된 바이오세라믹 분체는 열에 의해 가소화되어 유동하는 성질이 없기 때문에, 중합체와 바이오세라믹 입자의 계면에서 성형에 따르는 유동 변형에 의한 이동시 벽개가 생겨 보이드를 개재하는 결과, 밀도가 성긴 성형체가 생성되고, 이러한 성형체의 강도는 낮아지는 경향은 불가피하다.

(2) 본 발명처럼 바이오세라믹 분체 등의 필러를 다량 함유하는 중합체계를1차 성형(용융 성형시켜 예비성형체를 제조한다)하기 위해서는, 램(플런저) 방식의 용융 압출 성형법이 유리하지만, 보이드가 형성되기 어렵도록 위의 문제를 배려한 특수한 사출 성형, 성형 등의 가압 방식의 성형법을 사용하는 것도 좋다.

결국, 빌렛을 수득하기 위한 용융 성형은, 중합체의 융점 이상의 온도조건으로 하면 좋지만, 온도가 지나치게 높으면 분자량의 저하가 현저하기 때문에, 융점보다 조금 높은 온도로 열약화를 방지하도록 고안하여, 보이드를 개재하지 않도록 용융 성형시키는 것이 바람직하다.

예컨대, 중합체로서 초기 점도 평균 분자량이 15만 내지 70만 정도인 폴리락트산을 이용하는 경우는, 융점 이상 200℃ 이하, 바람직하게는 약 190℃의 온도조건을 선택하고, 미리 중합체의 탈수, 건조를 충분히 수행하면, 용융 성형 후의 점도 평균 분자량을 10만 내지 60만으로 유지할 수 있다.

마찬가지로, 압력조건에 대해서도, 마찰에 의한 발열로 인해 분자량이 저하되는 것을 억제하기 위해서, 용융 성형이 가능한 최소의 압력, 예를 들면, 300kg/㎠ 이하, 바람직하게는 150 내지 250kg/㎠을 채용하는 것이 바람직하다.

그러나, 이는 예비성형체(빌렛)의 조성, 크기(두께, 직경, 길이) 등에서 차이가 상당히 있으므로, 상황에 따라서 변화시키면 좋다.

(3) 빌렛은 가압 배향 성형을 위한 틀의 캐비티의 단면 형상에 상사한 단면형상으로 되도록 용융 성형시키는 것이 바람직하고, 캐비티가 원형의 단면 형상을 가지는 경우는 이보다 큰 원형의 단면 형상을 가지는 원주체가 되도록 빌렛을 용융 성형시킨다.

이와 같이 빌렛의 단면 형상이 캐비티의 단면 형상에 상사하고 있으면, 빌렛을 주위에서 균등하게 압축시키면서 소성 변형시키지 않고 캐비티 속으로 압입 충전시킬 수 있기 때문에, 균질한 가압 배향 성형체를 수득할 수 있다.

(4) 이 때, 빌렛은 단면적이 캐비티의 단면적의 1.5 내지 5.0배로 되도록 용융 성형시키는 것이 바람직하다. 빌렛을, 단면적이 캐비티의 단면적의 1.5배보다 작게 하면, 압입 충전시키는 경우, 분자쇄나 결정의 배향 압축율이 낮기 때문에, 강도나 경도가 큰 압축 배향 성형체는 수득하기가 어려워지는 한편, 단면적이 캐비티의 단면적의 5.0배보다 크게 하면, 압입 충전시키려고 해도 압입 충전이 곤란하고, 가령 가능하다고 해도 중합체의 배향이 과도해져서, 피브릴화의 우려가 있으며, 피브릴 사이에서 균열을 쉽게 발생시키므로, 좋지 않다.

이와 같이 가압 배향에 의한 2차 공정을 거친 후에, 절삭가공 등의 3차 가공으로 희망하는 형상을 잘라낸다.

(5) 또한, 예비성형체인 빌렛은, 경우에 따라서는(특히 복잡한 단면 형상의 경우), 다음 공정인 가압 배향, 예컨대 단조 배향 또는 압축 배향에 의한 2차 성형에 알맞은 희망하는 형상으로 잘라내어 가공해도 좋다.

(c) 폐쇄틀로의 가압 성형

1차 성형물인 빌렛을 2차 성형용 폐쇄틀로 가압 성형시킴으로써 다축으로 배향된 성형체가 수득된다.

2차 성형공정에 관하여, (1) 성형, (2) 단조 성형에 있어서의 변형도, 소성 변형 온도, 소성 변형 압력, 가압 배향의 작용 등에 대해서는, 위의 골 접합재의제조법에서 설명한 각종 조건과 같다.

(1) 성형, (2) 단조 성형 등의 방법에 의하면, 배향 성형시의 외력은 연신과는 반대인 재료 본체를 향한 내부 방향으로 작용하기 때문에, 재료는 치밀한 상태로 된다.

이 때문에, 바이오세라믹 분체와 매트릭스 중합체의 계면은 보다 밀착한 상태로 변하고, 혼합과정에서 계면에 존재하고 있는 공기를 개재한 마이크로한 보이드조차도 소멸하기 때문에, 높은 치밀도가 수득된다. 요컨대, 양자는 한층 더 일체화되는 것이다.

추가하여, 매트릭스의 중합체는 분자쇄 축과 결정상이 배향되기 때문에, 수득된 복합재료는 현저하게 높은 강도를 나타낸다.

이의 형태는 위에서 설명한 도 15의 [입자 강화 + 매트릭스 강화형] (c) 도면처럼 나타낸 것이고, 종래의 재료의 복합화에 의한 강화 방식과의 차이가 명백하다.

빌렛을 가압 배향 성형시키면, 성형 도중의 배향시에 결정화가 진행된다. 결정화도는 성형시간과 온도에 따라 변하지만, 본 발명처럼 필러인 바이오세라믹 분체를 다량으로 함유하고 있는 복합재료의 경우, 매트릭스 중합체의 결정 성장은 바이오세라믹에 의해서 저해되고, 또한 소성 변형시의 압력으로 결정이 잘게 파괴되는 경향이 있기 때문에, 결정화도는 매트릭스 중합체 단독으로 동일한 배향을 위해 성형한 경우보다도 다소 작아진다. 이는 생체 속에서의 분해속도와 조직 반응의 관점으로 보면 좋은 현상이다.

(F) 이식체 재료의 물성 등의 특징

(a) 본 발명의 가압 배향 성형체는 성형시의 압력으로 압축되어 치밀하게 되어 있지만, 결정이 배향하는 기준축이 많은 것만큼 강도적 이방성도 감소하고 있다.

한편, 기준축이 1축인 경우, 결정(분자쇄)은 기준축 방향으로 한결같이 평행하게 배열되어 있다.

이 때문에, 본 발명의 가압 배향 성형체는 굴곡강도, 굴곡 탄성율, 인장강도, 인렬강도, 전단강도, 비틀림강도, 표면 경도 등의 역학적 성질이 균형있게 향상되어 파괴되기 어렵다.

(b) 물성

본 발명의 이식체 재료는, 굴곡강도가 150 내지 320MPa이고 굴곡 탄성율이 6 내지 15GPa인 것이 바이오세라믹의 충전량, 변형도 및 분자량의 크기에 의존하여 수득된다.

또한, 기타의 물리적 강도의 범위는 인장강도가 80 내지 180MPa이고 전단강도가 100 내지 150MPa이며 압축강도가 100 내지 150MPa인 것이 수득되고, 이들은 총체적으로 인간의 피질골의 강도와 유사하고, 총합적으로는 인간의 피질골보다 강하고, 이식체로서 이상에 가깝다고 할 수 있다.

예컨대, 위에서 언급한 초기 점도 평균 분자량 범위를 가지는 L-락트산의 단독중합체에 평균 입자 직경이 5μm인 HA 30중량%를 균일하게 혼합·분산시킨 혼합물을 용융 성형시키고, 빌렛을 사용하여, 변형도(R)=So/S가 1.5 이상으로 되도록냉간 가압 변형으로 배향 성형시켜 수득한 가압 배향 성형체는, 굴곡강도가 250MPa 이상에 달하는 것이 수득되고, 피질골의 굴곡강도를 충분히 초과하고 있다.

배향의 정도를 변경시키는 변형도(R)를 크게 하면, 복합재료의 기계방향의 기계 강도는 향상된다. 또한, 동시에 바이오세라믹 분체의 충전량이 많으면, 굴곡탄성율이 큰 것이 수득된다.

그리고, 굴곡강도로 300mPa를 초과하는 것, 굴곡 탄성율이 피질골의 15GPa에 가까운 것이 수득된다.

굴곡 탄성율 6 내지 15GPa의 범위는 수치상으로는 큰 차이가 없는 것처럼 생각되지만, 단위가 GPa이기 때문에, 약 10GPa 이상에서는 이 이하와 비교하면, 실제 사용상 삽입시 굴곡의 어려움, 휘어지기 어려움, 플레이트의 변형의 어려움 또는 강성에 큰 차이가 있기 때문에, 골 접합재 등으로서 사용시 물리적 유용성에 수치 이상의 차이가 확인된다.

(c) 본 발명의 가압 배향한 고강도의 복합화된 봉상 등의 성형체를 절삭 등의 방법으로 최종 성형물로 잘라내어 의료용 이식체를 수득할 수 있다.

(d) 이식체 재료의 특징

본 발명의 이식체 재료는

① 크기가 0.2 내지 50μm인 미립자 또는 이의 집합괴(cluster)를 10 내지 60중량%로 다량으로 균일하게 함유하고 있으므로, 표면을 절삭가공 등으로 깎은 것은, 바이오세라믹 입자가 표면에 다수 현저하게 존재하고 있어, 매립 후의 초기 시점에서 생체적합성이 양호하고, 바이오세라믹이 생체골과 직접 결합하기 때문에,초기 고정성을 증가시킨다.

② 적당한 분자량과 분자량 분포를 가지는 중합체의 분자쇄 또는 결정이 배향되어 있는 중합체 매트릭스와 바이오세라믹에 의해 강화된 신규 복합 강화방법으로 제조되고 있으므로, 초기 고강도가 부여되고, 또한, 이에 가까운 강도가 골유합에 필요한 적어도 2 내지 4개월간은 유지되고, 그 후는 조직 반응을 일으키지 않는 속도로 서서히 분해되도록 설계할 수 있다.

③ 바이오세라믹 분체는 복합재료의 내부까지 연속하여 존재하고 있기 때문에, 서서히 분해되어 표면에 노출됨으로써 생체골과 결합하는 것에 기여한다.

또한, 바이오세라믹 분체는 골유도, 골전도를 촉진시켜, 최종적으로 중합체가 소멸된 공동을 빠르게 충전시키기 때문에, 생체골의 치환이 효율좋게 수행된다.

④ 복합재료 속에는, 바이오세라믹 미립자가 다량으로 함유되어 있으므로, 단순 X선 사진에 적당하게 촬영해낼 수 있고, 중합체만의 경우, 불가능하였던 치료 상태, 치료 과정의 뢴트겐 관찰을 효과적으로 할 수 있다.

또한, 매트릭스 중합체와 바이오세라믹은 과거에 임상에서 실제 사용된 실적이 있고, 더구나 생체에 안전하고, 생체적합성도 우수하다. 따라서, 이러한 이식체용 복합재료는 이상적인 생체 재료의 하나라고 할 수 있다.

[도면의간단한설명]

도 1은 원주상 골 접합재의 배향 상태를 나타내는 모식도이다. 도 1(A)는 종단면의 배향 상태를 나타내고, 도 1(B)은 평면의 배향 상태를 나타낸다.

도 2는 판상 골 접합재의 배향 상태를 나타내는 모식도이다. 도 2(A)는 종단면의 배향 상태를 나타내고, 도 2(B)는 평면의 배향 상태를 나타낸다.

도 3은 성형체의 종단면의 결정의 배향 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 3(A)는 역학적 코어로 되는 축 또는 면이 중심 또는 양측면으로부터 등거리에 있는 경우의 배향 상태를 나타내고, 도 3(B)는 축 또는 면이 중심 또는 양측면으로부터 등거리로부터 편위하고 있는 경우를, 도 3(C)는 축이 완전히 편위하고 있는 경우를 각각 나타내고, 도 3(D)은 종래의 일축 연신 성형체의 배향 상태를 나타내고 있다.

도 4는 압축 변형에 의한 배향 성형에 있어서, 빌렛을 성형틀의 캐비티에 압입 충전시키기 전의 상태를 나타내는 단면도이다.

도 5는 압축 변형에 의한 배향 성형에 있어서, 빌렛을 성형틀의 캐비티에 압입 충전시킨 후의 상태를 나타내는 단면도이다.

도 6은 최종적으로 절삭가공하여 수득한 골 접합 나사의 일례를 나타내는 정면도이다.

도 7은 단조 변형에 의한 배향 성형에 있어서, 빌렛을 성형틀의 캐비티에 압입 충전시키기 전의 상태를 나타내는 단면도이다.

도 8은 압축 변형에 의한 배향 성형에 있어서, 결정 배향의 기구를 설명하는 모식적인 단면도이다.

도 9는 직경 축소부의 양쪽 경사각이 상이한 성형틀을 이용하는 압축 변형에 의한 배향 성형에 있어서, 빌렛을 성형틀의 캐비티에 압입 충전시키기 전의 상태를 설명하는 모식적인 단면도이다.

도 10은 판상 골 접합재의 결정 배향 상태를 나타내는 모식도이다. 도 10(A)는 종단면의 배향 상태를 나타내고, 도 10(B)는 평면의 배향 상태를 나타낸다.

도 11의 (A)는 증명실험(1)에서 사용한 빌렛의 측면도이고, 도 11(B)는 이의 평면도이다.

도 12는 증명실험(1)의 압축 변형에 의한 배향 성형 후의 환봉(丸棒)의 측면도이다.

도 13의 (A)는 증명실험(2)에서 사용한 빌렛의 측면도이고, 도 13(B)는 이의 평면도이다.

도 14는 증명실험(2)의 압축 변형에 의한 배향 성형 후의 성형체의 측면도이다.

도 15는 복합재료의 강화방식에 대하여, 본 발명의 복합재료와 종래의 복합 재료를 비교한 내부 조직을 나타내는 모식도이다.

[부호의 설명]

1: 빌렛

2: 성형틀

2a: 수용통부

2b: 가압 수단

2c, 2d: 캐비티

10: 압축 배향 성형체

10a: 여백 재료부분

11: 골 접합재 또는 이식체 재료

11a: 종래의 이식체 재료

12: 백색 불투명 핀

20a: 직경 축소부

30: 골 접합 나사

31: 나사 축부

32: 나사 머리부

33: 회전 치구 삽입 구멍

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하지만, 이들은 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

여러 가지 물성치에 대한 측정법을 이하에 설명한다.

① 굴곡 강도, 굴곡 탄성율: JIS-K-7203(1982)에 준하여 측정하였다.

② 인장강도: JIS-K-7113(1981)에 준하여 측정하였다.

③ 전단강도: 문헌의 방법[참고: R. SUURONEN, T. POHJONEN et al, J. Mater. Med,(1992)426]에 따라 측정하였다.

④ 밀도: JIS-K-7112(1980)에 준하여 측정하였다.

⑤ 결정화도: 시차주사형 열량계(DSC) 측정에 의한 융해 피크의 엔탈피로부터 산출하였다.

⑥ 파괴 토오크: 토오크 시험기[신포고교(주) 제품, 네지테스터]로 측정한값이다.

(실시예 1) <압축 변형에 의한 배향의 예; 이의 예 1>

점도 평균 분자량이 40만인 폴리 L 락트산을 190℃에서 압출기로 용융 압출시켜, 세로 × 가로 = 60mm × 60mm, 길이 50mm, 점도 평균 분자량 30만의 각주상 빌렛을 수득한다. 이 빌렛을 단면 형상이 동일한 성형틀의 수용통부에 넣어 110℃로 가열하고, 직경 축소부를 통하여 압력 2000kg/㎠으로 세로 × 가로 × 길이 = 35mm × 35mm × 120mm의 캐비티에 압입 충전시킨다. 그리고, 냉각시킨 후, 성형틀로부터 각주상 압축 배향 성형체[변형도(R)≒3]를 꺼내고, 여백의 재료부분을 잘라내는 동시에, 당해 성형체를 두께 30mm의 플레이트상으로 세로방향으로 슬라이스하여 골 접합 플레이트를 제조한다.

수득한 골 접합 플레이트와 이의 비교예인 장축 방향으로 3배 연신시킨 동일 형상의 폴리락트산의 골 접합 플레이트와의 물성을 다음의 표 1에서 비교하였다. 또한, 빌렛을 압입 충전시키기 전에 이의 밀도를 구하고, 표 1에 병기하였다.

[표 1]

단, 비교예의 연신 플레이트는 동일한 빌렛을 110℃의 파라핀욕 속에서 장축방향으로 3배 연신시키는 방법으로 수득한 것이다.

표 1에 기재되어 있는 바와 같이, 압축 배향 성형체로 이루어진 골 접합 플레이트는, 일축 연신시킨 연신물로 이루어진 골 접합 플레이트와 비교하면, 밀도가 크고 굴곡강도, 굴곡 탄성율, 전단강도가 모두 높고, 물론, 압입 충전 전의 빌렛보다도 밀도가 높다.

즉, 본 발명의 제조방법에 의한 골 접합 플레이트는, 빌렛을 성형틀의 캐비티에 압입시킬 때, 직경 축소부 표면에서 마찰에 의한 전단력을 받아, 결정이 본질적으로 직경 축소부 표면을 따라 배향되어, 외주(外周)로부터 중심축을 향하여 경사져 배향됨으로써 강도적 이방성이 없고, 압축력에 의해서 질적으로 보다 치밀해졌으므로, 연신 배향으로 수득한 일축 배향이 질적으로 희박한 배향체보다도 강도가 총체적으로 향상되었다고 생각된다.

그리고, 소성 변형을 위한 성형온도와 속도를 적절히 선택하였기 때문에, 결정화도는 비교적 낮게 억제되었다. 이 때문에, 당해 플레이트는 인성이 양호한 동시에, 분해속도도 생체 반응에 지장이 없는 범위 내에 있다.

(실시예 2) <압축 변형에 의한 배향의 예; 이의 예 2>

점도 평균 분자량이 40만인 폴리 L 락트산을 190℃에서 압출기로 용융 압출시켜, 직경 13mm, 길이 50mm, 점도 평균 분자량 30만의 원주상 빌렛을 수득한다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 당해 빌렛을 성형틀의 직경이 13mm인 원통상 수용통부에 넣어 110℃로 가열하고, 직경 8.5mm, 길이 92mm의 원통상 캐비티에 소성 변형시키면서 압력 1800kg/㎠으로 압입 충전시켜, 크기가 캐비티와 동일한 원주상압축 배향 성형체[변형도(R)=2.3]를 수득한다.

그리고, 당해 압축 배향 성형체를 절삭가공하여, 직경이 3.2mm이고 길이가 4.0mm인 골 접합 핀을 제조하고, 실시예 1과 동일한 물성 시험을 실시한다.

또한, 토오크 시험기에 의한 파괴 토오크치도 측정한다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 비교예로서, 동일한 빌렛을 장축 방향으로 연신가공한 연신 배율이 2.3배인 폴리 L 락트산의 동일 형상의 골 접합 핀을 사용하여, 동일한 물성을 측정하여 비교하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

[표 2]

표 2에 기재되어 있는 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의한 골 접합 핀은, 연신에 의한 골 접합 핀과 비교하여 굴곡 강도와 굴곡 탄성율이 높고, 밀도도 큰 치밀한 것이었다. 또한, 파괴 토오크치도 크고, 전자는 비틀림에 대해서도 후자보다 강한 것으로 밝혀졌다.

이것은 앞에서 설명한 바와 같이, 후자는 결정축이 장축 방향으로만 일축 배향되어 있는 데 반하여, 전자는 본질적으로 결정축이 직경 축소부 표면을 따라 골접합 핀의 외주면에서 중심축을 향하여 경사져 배향되어 있기 때문에, 강도적 이방성이 적어져, 장축의 회전 뒤틀림에 대해서도 큰 강도를 나타낸 것을 뒷받침하고 있는 것으로 생각된다.

(실시예 3) <압축 변형에 의한 배향의 예; 이의 예 3>

점도 평균 분자량이 30만인 폴리 L 락트산을 188℃에서 압출기로 용융 압출시켜, 직경 13mm, 길이 50mnm, 점도 평균 분자량 22만의 원주상 빌렛을 수득한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 당해 빌렛을 성형틀의 직경이 13mm인 원통상 수용 캐비티에 넣어 100℃로 가열하고, 직경이 10.6mm이고 길이가 60mm인 원주상 성형 캐비티에 압력 400kg/㎠으로 압입 충전시켜, 크기가 캐비티와 동일한 원주상 압축 배향성형체[변형도(R) = 1.5]를 수득한다. 그리고, 당해 성형체를 절삭가공하여, 직경이 3.2mm이고 길이가 40mm인 골 접합 핀을 제조하고, 실시예 1과 동일한 물성 시험을 실시하였다.

그 결과를 표 3에 나타낸다.

(실시예 4) <단조 변형에 의한 배향의 예; 이의 예 1>

점도 평균 분자량이 25만인 폴리 L 락트산을 188℃에서 압출기로 용융 압출시켜, 직경 50mm, 길이 43mm(여백 재료부분을 포함한다), 점도 평균 분자량 20만의 원주상 빌렛을 수득한다. 그리고, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 직경이 50mm인 원주상 수용통부와 직경이 100mm이고 두께가 10mm인 중공 원판상 캐비티를 동축적으로 상하로 연결시킨 도 4에 도시한 형상의 성형틀을 사용하여, 빌렛을 수용통부에 넣어 100℃로 가열하고, 소성 변형시키면서 캐비티에 압력 2500kg/㎠로 주입 충전시켜, 크기가 캐비티와 동일한 원판상 단조 배향 성형체(직경 방향으로의 변형도 = 2.0)를 수득한다.

당해 단조 성형체로부터 중심의 원통부를 제외한 반경 방향으로 시험편을 절취하고, 물성을 측정한다.

그 결과를 표 3에 나타낸다.

당해 시험편은 결정면이 위의 실시예 3과는 달리, 배향축이 원판상의 중심부로부터 외주방향을 향하여 다축으로 방사상으로 배향되어 있는 면 배향성이 큰 성형체이다.

(실시예 5) <압축 변형에 의한 배향의 예; 이의 예 4>

점도 평균 분자량 40만의 폴리락트산을 실시예 2와 동일한 방법과 조건으로 압출시켜, 점도 평균 분자량이 30만인 빌렛을 수득한다. 이어서, 당해 빌렛을 성형틀의 직경이 13mm인 원주상 수용통부에 넣고, 실시예 2와 동일한 조건으로 압력 80kg/㎠로 직경 11.9mm, 길이 46mm의 원주상 캐비티에 압입 충전시켜, 변형도(R)가 1.2인 압축 배향 성형체를 수득한다. 당해 성형체로부터 절삭가공에 의해 직경이 3.2mm이고 길이 40mm인 핀을 제작하고, 실시예 1과 동일한 물성 시험을 실시한다.

그 결과를 표 3에 나타낸다.

[표 3]

이 값은 변형도(R)와 동일한 비율의 연신 배율로 일축 연신시킨 연신물보다도 굴곡강도, 밀도는 높은 값을 나타내었다. 그러나, 이 성형체의 굴곡강도는 일반적 피질골의 강도인 150 내지 200MPa의 하한치보다도 낮았다. 그 때문에, 150Mpa 이상의 강도를 수득하기 위해서는, 실시예 2처럼 변형도(R)가 적어도 1.5 이상인 것이 필요하다고 생각된다.

(실시예 6) <압축 변형에 의한 배향의 예; 이의 예 5>

실시예 5에서 수득한 것과 동일한 폴리락트산의 빌렛을, 성형틀의 직경 13.0mm인 원주상 수용통부에 넣고, 직경 5.3mm, 길이 220mm의 캐비티에 실시예 2와 동일한 조건으로 압입 충전시켜, 변형도(R)가 6.0인 압축 배향 성형체를 수득하는 것을 시도하였다. 그러나, 압입 충전에는 10000kg/㎠의 대단히 높은 압력을 필요로 하였다. 또한, 수득된 성형체는 크랙을 가지고 있었다.

마찬가지로, 변형도(R)가 5.5인 경우의 시험제작을 행하였다. 수득된 성형체는 크랙을 부분적으로 가지고 있어서 충분히 만족스러운 것은 아니었다.

그러나, 직경 축소부의 경사각을 작게(15°) 하여 금형의 표면을 미끄러지기 쉽게 하는 처리를 실시하면 양질의 압축 배향 성형체가 수득된다.

(실시예 7) <압축 변형에 의한 배향의 예; 이의 예 6>

점도 평균 분자량 40만의 폴리 L-락트산과 폴리글리콜산(몰 비 = 95:5)과의 공중합체를 사용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 원주체의 압축 배향 성형체를 제조하고, 이의 물성을 측정한다. 그 결과를 표 3에 병기한다.

공중합체는 단독중합체보다 결정성이 저하되므로, 이의 강도는 단독중합체보다 약간 저하되지만, 당해 압축 배향 성형체는 골 접합재로서의 사용에 맞는 강도를 가지고 있고, 생체내에서의 분해는 단독중합체보다도 빠르다고 하는 이점을 가지고 있다.

<증명실험>

본 발명에 따라 수득한 배향 성형체가 장축 방향으로 연신시켜 수득한 일축 연신에 의한 배향 성형체와는 다른 배향 형태를 취하고 있는 것을 증명하기 위한 실험을 아래와 같이 실시한다.

(1) 상기한 용융성형으로 수득한 투명한 폴리 L 락트산의 빌렛에 직경 2.0mm의 관통 구멍을 도 11처럼 뚫고, 동질의 폴리 L 락트산에 무기질의 백색 안료를 혼합한 동일 직경의 백색 불투명 폴리 L 락트산의 핀(12)을 삽입하여 완전히 채워 넣는다.

이것을 실시예에 기재한 틀에 충전시키고 동일한 방법으로 직경 축소부의 각도 경사각 45°, 변형도 2.8로 압축 배향 성형시킨다. 그 결과, 도 12처럼 성형된핀(12)이 수득된다.

백색 불투명한 작은 직경의 환봉은 이의 중심을 경계로 하여 θm = 28°의 각도로 구부러진 상태를 형성하고 있었다. 환봉의 굵기는 성형된 폴리 L-락트산의 투명체 속에서 직경 방향이 아닌 길이 방향으로 굵게(변형도에 상당하는 굵기로)변형되었다.

(2) (1)과 동일하게 도 13처럼 투명한 플리 L 락트산의 빌렛에 하단으로부터 직경 2.0 × 10mm의 3개의 소공을 뚫고, (1)에서 사용한 백색 불투명한 폴리 L 락트산 핀(12)과 동일한 것을 삽입시킨다.

그리고, 변형도 = 2.8로 압축 배향 성형시킨다. 그 결과, 도 14와 같은 성형체가 수득된다. 빌렛의 중심부에 삽입한 B의 작은 직경의 환봉과 동일 직경상의 외주부에 가까운 곳에 삽입한 A와 C의 환봉은 θm = 28°의 각도를 이루고, B는 저면에까지 도달하고 있지만, A와 C는 저면으로부터 떠오른 도 14의 상태를 이루고 있었다.

(1)과 (2)의 성형틀의 테이퍼 부분의 경사각(이 경우는 45°)과 변형도(이 경우는 2.8)에 영향을 받지만,

이론식 tanθm = tanθ/[A(A^0.5-1)](단, θ= 45°, A=2.8)로부터 수득되는 θm≒30°에 가까운 값인 28°를 이루고 있었다.

(1)과 (2)의 실험으로부터 명백한 바와 같이, 도 4와 같은 틀을 사용하여 압축 변형으로 배향 성형시켜 수득한 성형체는 빌렛의 동일 직경상에 있는 재료 안에서 중심부에 가까운 재료만큼 선행하여 성형 캐비티 속을 진행하고, 외주에 가까울수록 늦어져 성형 캐비티 속으로 밀어넣어진다.

이 때문에, 중심부와 외주부와의 재료가 이루는 각도는 테이퍼면부의 각도에 좌우되지만, 변형도에 상응하여 θm인 이론 각도에 가까운 각도를 형성한다고 하는 사실이 뒷받침되었다.

시점을 바꾸면, 동일 직경상에 있는 재료는 배향축이 방사상으로 연속하고 있는 θm의 각도를 가진 개미지옥같은 "절구형" 배향면을 형성하고 있고, 또한, 이들 배향면이 장축 방향으로 연속하고 있다도 할 수 있는 배향의 형태를 이루고 있다.

이러한 형태는 장축 방향으로 연신시켜 수득한 단순한 일축 배향 형태와는 분명히 다르다. 그리고, 이의 응용 형태는 도 10에서 수득되는 것이고, 도 7의 단조 성형의 경우는 보다 복잡한 배향 형태가 수득되고 있는 것이 용이하게 이해된다.

(실시예 8) <성형; 이의 예 7>

점도 평균 분자량 40만의 폴리 L-락트산(PLLA)을 디클로로메탄에 4중량% 용해시킨 용액에, 최대 입자 직경 31.0μm, 최소 입자 직경 0.2μm, 평균 입자 직경 1.84μm의 하이드록시아파타이트(HA)(900℃ 소성)의 에틸알콜 현탁액을 가하여 교반하여, HA를 2차 응집시키지 않고 균일하게 분산시킨다. 또한, 교반하면서 에틸알콜을 가하여 PLLA와 HA를 함께 침전시킨다. 이어서, 이를 여과하고, 완전히 건조시켜, 내부에 위의 입자 직경을 가지는 HA가 각각 20, 30, 40, 50, 60중량%의 비율로균일하게 분산되어 있는 PLLA의 과립을 수득한다.

이것을 압출기로 185℃에서 용융 압출시켜, 직경 13.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 25만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 도 4, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 빌렛을 직경이 13.0mm인 구멍의 수용통부 속에서 110℃로 가열하고, 수용통부와 직경 축소부를 통하여 연결시킨 직경 7.8mm, 길이 90mm의 구멍을 가지는 캐비티에 압입 성형시킴으로써, 캐비티의 구멍과 동일 형상이고 HA가 균일하게 분산되어 있는 PLLA와 HA가 복합화된 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 15°이다.

여기서 수득한 성형체의 단면적을 S, 소성 변형 이전의 빌렛의 단면적을 So로 하면, 변형도(R)=So/S는 2.8이다.

수득한 복합화 HA/PLLA의 압축 배향 성형체(시료 No.2, 3, 4, 5, 6)와 PLLA만으로 이루어진 변형도 2.8의 PLLA 압축 배향 성형체(시료 No. 1: 대조예 1) 및 HA 입자를 30중량% 함유하지만 압축 배향 성형되지 않은 무배향 성형체(시료 No. 3': 대조예 2)의 물성을 표 4에서 비교한다.

표 4에 나타낸 바와 같이, HA를 함유하여 복합화한 PLLA의 압축 배향 성형체의 기계적 물성은 현저하게 향상되어 있다.

[표 4]

주 1) : 밀도는 바이오세라믹의 실제 비중으로부터 환산한 이론값이며, 이하의 실시예도 동일.

주 2) : PLLA만의 성형체의 중량을 100으로 하여 동일 형상의 HA 함유 압축 배향 성형체에 함유되는 PLLA의 중량을 나타낸다.

또한, 또 하나의 대조예로서, 본 발명의 압축 배향과는 역방향의 재료로부터 떨어진 방향으로 배향을 위한 힘이 가해지고, 또한 배향의 형태도 다른 종래의 일반적인 일축 연신법으로 연신 배향된 성형물(시료 No.7)의 물성을 표 4에 나타내었다. 연신은 110℃의 유동 파라핀 속에서 가열 후에 연신하도록 하였다.

이 성형물은 연신에 의한 변형시에 필러와 중합체의 계면을 계기로 하여 재료가 서로 이동의 어긋남이 생기기 때문에, 재료의 표면은 섬유상으로 되어 찢어지고, 내부는 양자의 계면을 계기로 하여 무수한 대소의 보이드를 형성하고 있는 열악한 물질이었다.

이 때문에, 재현성이 있는 물성치는 수득되지 않고, 그 값은 낮았다. 표 4의 No. 7은, 그 중에서도 가장 좋은 값을 나타내었다.

또한, 무수한 보이드를 형성하고 있기 때문에, 밀도는 0.924로 낮은 희박한 물질이고, 외부로부터 생체액의 침입이 용이하고, 가수분해속도도 빠른 것으로 생각된다.

이 점으로부터, 일축 연신으로는 본 발명의 목적하는 물성을 가지는 이식체 재료를 수득하는 것은 불가능한 것이 실증되었다. 또한, 이식체 재료로서 사용할 수 없는 강도였다.

(비교예 3) <성형>

점도 평균 분자량 40만의 PLLA와 최대 입자 직경 100μm, 평균 입자 직경 60μm의 HA(900℃ 소성)를 사용하여, 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 30중량%의 HA가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립을 수득한다. 그리고, 이것을 실시예 8과 동일한 압출기로 용융 압출시켜, 직경 13.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 25만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 이 빌렛을 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 성형틀의 구멍에 압입시켜, HA가 균일하게 분산되어 있고 R이 2.8인 복합화된 HA/PLLA의 압축 배향 성형체를 수득한다.

수득한 성형체와 실시예 8의 HA 30중량% 함유 성형체(시료 No. 3)의 물성을표 5에서 비교하였다.

[표 5]

HA의 평균 입자 직경이 60μm인 비교예 3은, 평균 입자 직경이 1.84μm인 실시예 8(시료 No. 3)과 비교하여 강도가 낮았다. 또한, 굴곡 강도 시험에서는, 비교예 3은 항복점에 도달하고, 최대 하중을 나타낸 시점에서 파손되었지만, 실시예 8(시료 No.3)은 파손되지 않았다.

이는, PLLA는 고도로 배향되고 있음에도 개의치 않고, 큰 HA의 입자 또는 취약한 HA의 큰 집합괴가 다수 분포하기 때문에, 배향되어 있는 PLLA의 매트릭스가HA에 의해서 도중에 끊겨서, 강도가 생기지 않게 되기 때문이라고 생각된다.

이에 대하여, 최대 입자 직경으로 되어도 31.0μm의 집합괴인 HA를 포함하는 실시예 8(시료 No. 3)의 경우는, 최대 하중을 나타낸 시점에서도 파손되는 일은 없었다. 마찬가지로, 다음에 기재하는 실시예 13의 최대 입자 직경 45μm의 입자 또는 이의 집합괴를 포함하는 미소성 하이드록시아파타이트의 복합재료인 압축 배향 성형체의 경우도 파손되는 일이 없었다.

이식된 골 접합재는 주위에서 항상 부하가 걸리고 있기 때문에, 부하에 대한 응력이 부족한 것은, 후술하는 뼈치유까지의 기간 내에 파손될 가능성이 있다. 이때문에, 목적하는 이식체는 고강도에 추가하여 인성을 가질 필요가 있고, 항복시에 파손되지 않는 성질은 이식체에 있어서 극히 중요하다. 따라서, 이러한 역학적 특성도 만족시키도록 본 발명의 달성에는 입자 또는 입자의 집합괴의 최대 입자 직경이 약 50μm 이하인 것을 필요로 한다.

(실시예 9) <성형: 이의 예 8>

점도 평균 분자량이 22만 및 18만인 PLLA와 실시예 8과 동일한 HA를 사용하고, 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 30중량%의 HA가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립을 수득하고, 압출기로 압출시켜, 직경 13.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 각각 15만 및 10만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 이 빌렛을 실시예 8과 동일한 성형틀 속에 동일한 방법으로 압입시킴으로써, HA가 균일하게 분산되어 있고 R이 2.8인 HA/PLLA의 복합화된 압축 배향 성형체를 수득한다.

수득한 압축 배향 성형체와 대조예로서 PLLA만으로 이루어진 각각과 동일한 분자량의 압축 배향 성형체의 물성을 표 6에서 비교한다.

점도 평균 분자량 15만의 빌렛으로부터의 성형체는 실시예 8과 비교하면, 강도는 약간 낮지만, 굴곡강도는 골 접합재로서의 사용에 충분하게 견디는 것이다. 또한, PLLA만을 비교하는 배향 성형체보다도 강도와 탄성율이 증대하였다.

이에 대하여, 점도 평균 분자량 10만의 빌렛으로부터의 성형체는, PLLA만의 성형체보다도 굴곡강도는 증대하였지만, 항복점에서 파손되었다.

단, 바이오세라믹 입자의 충전량이 10중량%일 때에는, 조건에 따라서 항복시에 파손되지 않는 것이 수득된다. 중합체는 일반적으로 분자량이 저하되면, 그 특유의 강도도 저하된다. 점도 평균 분자량이 10만인 성형체는, 다량의 HA를 혼입함으로써 복합재료로서의 인성이 저하된 것이므로, 파단된다고 생각된다.

따라서, HA를 혼입하더라도, 충분한 강도(강성)와 인성을 겸비하여 가지기위해서 필요한 빌렛의 점도 평균 분자량의 하한은 10만인 것으로 판단된다.

(실시예 10) <성형; 이의 예 9>

점도 평균 분자량 40만의 PLLA와 실시예 8과 동일한 HA를 사용하여, 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 15중량%의 HA가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립을 수득하고, 압출기로 압출시켜, 직경 13.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 25만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이 빌렛을 직경 13.0mm의 수용통부와 직경 7.0mm, 길이 113mm의 캐비티를 연결한 성형틀, 또는 직경 14.5mm의 수용통부와 직경 11.8mm, 길이 57mm의 캐비티를 연결한 성형틀에서 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로, HA가 균일하게 분산되어 있고 각각 R이 3.5 및 1.5인 HA/PLLA의 복합화된 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 15°이다.

수득한 성형체와 대조예로서 PLLA만으로 이루어지고 R이 3.5 및 1.5인 PLLA만의 압축 배향 성형체의 물성을 표 7에서 비교하였다.

[표 7]

이 결과로부터, R이 3.5인 성형체는, 동일한 정도로 고도로 배향된 PLLA만으로 이루어진 압축 배향 성형체의 굴곡강도를 상회하는 높은 강도(강성)와 높은 인성을 가지는 것이었다. 결정화도는 PLLA만의 성형체의 결정화도보다도 낮기 때문에, 생체내에서의 주위 조직에 대한 자극과 염증성이 낮은 재료이다. 이는, HA 입자가 PLLA의 결정의 성장을 저해하고, 미세결정화에 작용하였기 때문이라고 생각된다.

R이 1.5인 성형체는, 굴곡강도는 PLLA만의 성형체보다도 약간 큰 정도이지만, 용도에 따라서는 충분히 사용 가능한 이식체 재료이다.

(실시예 11) <성형; 이의 예 10>

점도 평균 분자량 40만의 PLLA와 평균 입자 직경 2.7μm의 아파타이트 월라스토나이트 글라스 세라믹(AW-GC)을 사용하여, 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 35중량%의 AW-GC가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립을 수득하고, 압출기로 용융 압출시켜, 직경 14.5mm, 길이 45mm, 점도 평균 분자량 22만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이 빌렛을 직경 14.5mm의 수용통부와 직경 9.6mm, 길이 83mm의 캐비티를 연결한 성형틀 속에 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 압입 충전시켜, AW-GC가 균일하게 분산되어 있고 R이 2.3인 AW-GC/PLLA의 복합화된 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 20°이다.

수득한 압축 배향 성형체와 대조예로서 PLLA만으로 이루어진 R이 2.3인 PLLA 압축 배향 성형체의 물성을 표 8에서 비교하였다.

[표 8]

수득한 성형체는 PLLA만의 성형체와 비교하여 굴곡강도가 향상되어 있다. 본 재료를 절삭하여 표면에 AW-GC를 노출시키면, AW-GC는 골유도하여 수 주 후에 HA층을 표면에 왕성하게 형성하므로, 골결합, 골유합 및 골치환에 지극히 유효한 이식체로 될 수 있는 것이다.

(실시예12) <성형; 이의 예 11>

점도 평균 분자량 40만의 PLLA와 최대 입자 직경 22.0μm, 평균 입자 직경 7.7μm의 알파형 트리칼슘 포스페이트(α-TCP)를 사용하여, 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 25중량%의 α-TCP가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립을 수득하고, 압출기로 용융 압출시켜, 직경 13.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 25만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이 빌렛을 직경 13.0mm의 수용통부와 직경 7.5mm, 길이 96mm의 캐비티를 연결한 성형틀 속에 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 압입 충전시켜, α-TCP가 균일하게 분산되어 있고 R이 3.0인 α-TCP/PLLA의 복합화된 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 15이다.

수득한 압축 배향 성형체와 대조예로서 PLLA만으로 이루어지고 R이 3.0인 성형체의 물성을 표 9에서 비교하였다.

[표 9]

수득한 성형체는 HA복합의 성형체 등과 같이 고강도를 가지는 것이고, 굴곡강도와 탄성율은 PLLA만의 성형체를 상회하고 있다. α-TCP는 소성 HA보다도 생체활성도가 높기 때문에, 골치환에 유효한 고강도 이식체가 될 수 있는 것이다.

(실시예 13) <성형; 이의 예 12>

점도 평균 분자량 36만의 PLLA와 최대 입자 직경 45μm, 평균 입자 직경 3.39μm의 미소성 하이드록시아파타이트(u-HA)를 사용하여, 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 40중량%의 HA가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립를 수득하고, 압출기로 용융 압출시켜, 직경 10.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 20만의 원주상 빌렛을 수득한다.

<활성도의 측정>

보다 활성도가 높은지의 여부를 조사하기 위해서, 실시예 13에서 PLLA에 각각 소성 HA와 미소성 HA를 40중량% 포함하는 빌렛을 작성하고, 각각의 빌렛으로부터 소편(10 × 10 × 2mm)을 작성한 다음, 양자를 유사 체액에 침지시키고, 이의 표면에 침적하는 인산칼슘 성분의 다소를 관찰하였다.

그 결과, 미소성 HA/PLLA는 3일 후로부터 다량의 결정이 침지되기 시작하여 6일 후에 결정의 층이 전면을 덮은 데 비하여, 소성 HA/PLLA는 6일 후라도 결정이 전면을 덮지 않았다.

소성 HA 분체는 골세포에 의해 흡수되어 소실되지 않고, 경우에 따라서는 세포가 빈식(貧食)후, 다시 토해내는 것도 확인되어 있고, 또한 분체가 조직반응을 야기할 위험성도 지적되어 있다.

그러나, 미소성 HA는 생체에 흡수되어 소실된다고 하는 완전흡수성을 가지며, 생체의 HA와 화학적으로 동일 물질이기 때문에, 이러한 문제는 없다. 현재까지 미소성 HA/PLLA의 고강도 이식체는 완전히 개발되어 있지 않고, 본 실시예는 본 발명의 신규성, 유의의성(有意義性), 발명성의 근간을 이룬다.

이어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이 빌렛을 직경 10.0mm의 수용통부와 직경 7.0mm, 길이 76mm의 캐비티를 연결한 성형틀 속에 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 압입 충전시켜, 미소성 HA가 균일하게 분산되어 있고 R이 2.0인 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 30°이다.

수득한 압축 배향 성형체와 대조예로서 PLLA만으로 이루어지고 R이 2.0인 성형체의 물성을 표 10에서 비교하였다.

[표 10]

미소성 HA/PLLA의 복합화된 압축 배향 성형체의 굴곡강도는 실시예 8의 소성된 HA 복합의 압축 배향 성형체의 경우처럼 PLLA만으로 이루어진 성형체의 강도보다도 높은 값을 나타내었다. 미소성 HA는 생체 활성도가 소성 HA보다도 꽤 높기 때문에, 생체 활성이 높은 복합화된 고강도 이식체 재료가 수득된다.

미소성 HA는 소결되어 있지 않기 때문에, 그 자체는 무기 화학 물질이고, 세라믹처럼 강도가 높은 분체가 아니지만, 소결에 의한 화학적 변성은 없기 때문에, 생체의 하이드록시아파타이트에 보다 가까운 물질이다.

본 발명에 있어서는, 매트릭스 중합체가 강화되었기 때문에, 미소성 HA도 소성 HA의 경우와 동일한 강도를 가지는 복합재료로 할 수 있었다.

(실시예 14) <성형; 이의 예 13>

점도 평균 분자량 40만의 PLLA와 최대 입자 직경 45μm, 평균 입자 직경 2.91μm의 베타형 트리칼슘 포스페이트(β-TCP)를 사용하여, 실시예 8와 동일한 방법과 조건으로 30중량%의 β-TCP가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립을 수득하고, 압출기로 용융 압출시켜, 직경 13.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 25만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이 빌렛을 직경 13.0mm의 수용통부와 직경 8.6mm, 길이 74mm, 또는 직경 7.8mm, 길이 90mm의 캐비티를 연결한 성형틀 속에 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 압입 충전시켜, β-TCP가 균일하게 분산되어 있고 R이 각각 2.3과 2.8인 β-TCP/PLLA의 복합화된 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 15°이다.

수득한 압축 배향 성형체와 실시예 8의 HA(900℃ 소성)가 30중량% 분산되어 있고 R이 2.8인 복합화된 HA/PLLA의 압축 배향 성형체의 물성을 표 11에서 비교하였다.

[표 11]

수득한 성형체는 표 8 및 표 4에 나타낸 R이 각각 2.3과 2.8인 PLLA만의 성형체의 굴곡강도보다도 크다. 또한, R이 2.8인 것은 R이 동일한 압축 배향 성형체와 동일한 정도의 굴곡강도를 갖고 있기 때문에, β-TCP를 복합시킴으로써도 고강도 압축 배향 성형체가 수득되는 것이 명백해졌다.

(실시예 15) <성형; 이의 예 14>

점도 평균 분자량 40만의 PLLA와 최대 입자 직경 30.0μm, 평균 입자 직경 10.0μm의 테트라칼슘 포스페이트(TeCP)를 사용하여, 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 15중량%와 25중량%의 TeCP가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립을 수득하고, 성형기로 용융시켜, 직경 13.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 25만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이 빌렛을 TeCP가 15중량% 함유된 것은 실시예 10과 동일한 성형틀 속에, 또한 TeCP가 25중량% 함유된 것은 실시예 12와 동일한 성형틀 속에 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 압입시켜, TeCP가 균일하게 분산되어 있고 R이 각각 3.5과 3.0인 TeCP/PLLA의 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 15°이다.

수득한 TeCP/PLLA의 복합화된 압축 배향 성형체와 실시예 10의 HA(900℃ 소성)가 15중량% 분산되어 있고 R이 3.5인 HA/PLLA의 복합화된 압축 배향 성형체 및 실시예 12의 α-TCP가 25중량% 분산되어 있고 R이 3.0인 압축 배향 성형체의 물성을 표 12에서 비교하였다.

[표 12]

수득한 성형체는, 함유하는 바이오세라믹이 실시예 10 및 12의 성형체와 종류는 다르지만, 함유율과 R이 동일하다. 그러나, 각각의 성형체는 거의 같은 정도의 강도를 갖고 있었다. R이 3.5인 경우는 300MPa를 초과하고 있고, 지극히 높은 굴곡강도를 나타내고 있다.

(실시예 16) <성형; 이의 예 15>

점도 평균 분자량 60만의 PLLA와 최대 입자 직경 40.0μm, 평균 입자 직경 5.60μm의 무수 제2인산칼슘(무수 인산1수소 칼슘: DCPA)을 사용하여, 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 45중량%의 DCPA가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립을 수득하고, 성형기로 용융시켜, 직경 8.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 46만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이 빌렛을 직경 8.0mm의 수용통부와 직경5.7mm, 길이 76mm의 캐비티가 연결된 성형틀 속에 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 압입 충전시켜, DCPA가 균일하게 분산되어 있고 R이 2.0인 DCPA/PLLA의 복합화된 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 45°이다.

수득한 압축 배향 성형체의 물성을 표 13에서 비교하였다.

[표 13]

이 성형체의 점도 평균 분자량은 높지만, 압입에 의한 소성 변형은 가능하고, 굴곡강도, 탄성율 모두 높고, 고강도 및 인성을 갖고 있는 성형체였다.

(실시예 17) <성형; 이의 예 16>

점도 평균 분자량 40만의 PLLA와 최대 입자 직경 22.0μm, 평균 입자 직경 8.35μm의 옥타칼슘 포스페이트(OCP)를 사용하여, 실시예 8과 동일한 방법으로 10중량%와 20중량%의 OCP가 균일하게 분산되어 있는 PLLA 과립를 수득하고, 성형기로 용융시켜, 직경 13.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 25만의 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, OCP를 10중량% 포함하는 빌렛을 직경 13.0mm의 수용통부와 직경 6.1mm의 캐비티를 연결시킨 성형틀 속에, 또한 OCP를 20중량% 포함하는 빌렛을 직경 13.0mm의 수용통부와 직경 6.5mm의 캐비티를 연결시킨 성형틀 속에 각각 실시예8과 동일한 방법과 조건으로 압입 충전시켜, OCP가 균일하게 분산되어 있고 R이 각각 4.5와 4.0인 OCP/PLLA의 복합된 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 15°이다.

수득한 압축 배향 성형체의 물성을 표 14에 나타내었다.

[표 14]

어느쪽의 성형체도 굴곡강도가 300mPa 이상인 고강도 성형체였다. OCP 20중량%의 성형체는 OCP 10중량%의 성형체보다도 (R)이 낮지만, 강도, 탄성율은 모두 상회하였다. 그러나, 압입시의 압력은 R이 크기 때문에, 약 10000kg/㎠의 압력을 필요로 하였다.

대조예로서, 압입 가공이 비교적 용이한 OCP 10중량%의 빌렛을 R이 5.5로 되도록 성형틀에 압입시킨다. 그러나, 압입시의 압력은 10000kg/㎠보다도 높은 압력을 필요로 하며, 또한, 수득한 성형체는 다수의 크랙이 발생하고 있었다. 이로부터, 바이오세라믹을 포함하는 PLLA을 압축 배향시키기 위한 변형도(R)는 5 이하가 바람직하다고 할 수 있다.

(실시예 18) <성형; 이의 예 17>

점도 평균 분자량 38만의 락트산-글리콜산의 공중합체[P(LA-GA)](몰 비 90 : 10)와 최대 입자 직경 31.0μm, 평균 입자 직경 1.84μm의 HA(900℃ 소성)를 사용하여, 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 30중량%의 HA가 균일하게 분산되어 있고 R이 2.8인 HA/P(LA-GA)의 복합화된 압축 배향 성형체를 수득한다. 단, θ= 15°이다.

수득한 성형체와 비교예로서 P(LA-GA)만의 압축 배향 성형체의 물성을 표 15에서 비교하였다.

[표 15]

수득한 성형체는, 실시예 8에 나타난 PLLA의 경우와 비교하여 강도가 약간 낮아졌다. 그러나, 이식체 재료로서 충분히 유용하다.

(실시예 19) <단조 성형>

점도 평균 분자량 40만의 폴리 L-락트산(PLLA)을 디클로로메탄에 4중량% 용해시킨 용액에 최대 입자 직경 31.0μm, 최소 입자 직경 0.2μm, 평균 입자 직경 1.84μm의 하이드록시아파타이트(HA)(900℃ 소성)의 에틸알콜 현탁액을 가하여 교반하고, HA를 2차 응집시키지 않고 균일하게 분산시킨다. 또한, 교반하면서 에틸알콜을 가하여 PLLA와 HA를 함께 침전시킨다. 이어서, 이를 여과하고, 완전히 건조시켜, 내부에 입자 직경이 위와 같은 HA가 30중량%, 40중량%의 비율로 균일하게 분산되어 있는 PLLA의 과립를 수득한다.

이를 압출기로 185℃에서 용융 압출시켜, 직경 13.0mm, 길이 40mm, 점도 평균 분자량 25만인 원주상 빌렛을 수득한다.

이어서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 이 빌렛을 직경 50mm의 원통이 이의 중심부로 돌출한 직경 100mm, 두께 10mm의 원판상 성형틀의 수용통부에 넣고, 100℃로 가열한 다음, 위로부터 압력 3,000kg/㎠로 단속적으로 단조 성형시켜, 크기가 성형틀의 원판상 부분과 동일한 HA/PLLA의 복합화된 단조 가압 배향에 의한 성형체를 수득한다.

이 성형체로부터 원통부를 제외한 반경방향으로 시험편을 절취하고, 물성을 측정하였다. 그 결과, 굴곡강도는 220mPa, 굴곡 탄성율은 7.4GPa, 밀도는 1.50g/㎤, 결정화도는 43.0%였다.

단조 배향에 의한 성형체는 결정면이 위의 실시예와는 다르고, 배향축이 원판상의 중심부로부터 외주방향을 향하여 다축으로 배향되어 있는 배향체라고 생각된다.

(실시예 20) <절삭가공의 예; 표면 관찰과 경시변화>

실시예 8에서 수득한 HA/PLLA의 복합화된 각각의 압축 배향 성형체를 선반으로 절삭하여, 외경 4.5mm, 곡경 3.2mm, 길이 50mm의 나사와 직경 3.2mm, 길이 40mm의 핀으로 가공한다.

또한, 실시예 8의 30중량%의 HA가 분산되어 있는 PLLA 과립을 사용하여, 압출기로 플레이트상으로 압출시킨 빌렛을 수득하고, 단면이 직사각형(플레이트상)인 수용통부와 단면적이 이보다 작고 단면이 직사각형인 캐비티를 연결시킨 성형틀 속에 실시예 8과 동일한 방법과 조건으로 압입시켜, R이 2.8인 플레이트상 성형체를 수득한다. 이 성형체를 슬라이스 선반으로 표면을 절삭가공하여, 두께 2.0mm, 길이 20mm, 폭 5mm의 플레이트를 수득한다.

나사, 핀 및 플레이트의 표면을 주사형 전자 현미경으로 관찰하였다. 절삭가공된 어느쪽의 가공품도 표면에 HA가 2차 응집하여 큰 집합괴를 형성하지 않고 미립자가 균일하게 분산된 상태로 노출되어 있었다. 또한, 내부도 동일하게 균일하게 분산되어 있는 것으로 관찰되었다. 그리고, 이들은 HA의 함유율이 높아질수록 보다 많은 HA가 표면에 나타나고 있었다.

이러한 이식체는 치밀질(緻密質)로 보이드가 없고, 바이오세라믹과 중합체는 서로 물리적으로 잘 밀착하고 있는 것도 확인되었다. 이는, 본 발명의 재료가 높은 역학적 강도를 가져서, 생체골이 바이오세라믹과 직접 접촉함으로써 뼈와 결합하고, 이를 골유합에 필요한 기간 유지하여, 골유도와 골전도 또는 골치환이 유효하게 수행되는 근거를 나타내고 있다.

또한, 실시예에서 수득한 고강도 중합체 바이오세라믹이 복합화된 가압 배향 성형체는, 37℃의 유사 체액 속에서 2 내지 4개월(경우에 따라서는 6개월 이상)에 걸쳐서 강도를 인간의 피질골 이상으로 거의 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 그 후, 재료의 조성이나 구조에 따라 분해의 거동이 다르지만, 골유합 후는 중합체만의 경우보다도 일찌기 분해흡수되어, 골치환되는 것을 생체 내에서 확인할 수 있었다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 골 접합재 및 복합화된 고강도 이식체 재료는, 피질골과 동등 이상의 기계적 강도를 가지며, 강성과 인성이 있어서 초기에 파괴되기 어렵고, 또한 이식체 재료는 바이오세라믹에 의한 생체골과의 결합, 골전도, 골유도 및 생체 내에서의 분해 및 흡수 특성이 살아나서, 생체골에 의한 치환이 양호한 효율로 수행되며, 단단한 조직이 치유되기까지의 기간은 강도를 유지하지만, 그 후는 주위 뼈에 위해성을 발현하지 않는 정도의 속도로 서서히 분해하여 흡수되어, 소실한 자취가 신속하게 생체에 의하여 재건되는 동시에, 수술 후에 단순 X선 사진으로 촬영해내는 것도 가능한 이상적인 생체 재료이다.

또한, 본 발명의 방법은, 특별한 장치나 가혹한 조건을 채용하지 않고 간단히 제조할 수 있어서, 실용성이 대단히 큰 것이다.

Claims (36)

1. 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 고분자 재료를 주성분으로서 포함하는 성형체로서, 분자쇄 또는 결정이 일축 배향되지 않고, 역학적 코어(core)로 되는 축 또는 당해 축을 포함하는 면을 향하는 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있음을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
2. 제1항에 있어서, 고분자 재료가 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체로 이루어진 성형체임을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
3. 제2항에 있어서, 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체의 일부가 결정화된 가압 배향 성형체임을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 성형체의 분자쇄 또는 결정이 성형시에 외부로부터의 힘이 집중된 당해 성형체의 역학적 코어(core)로 되는 축, 당해 축의 연속한 면을 향하여 경사진 기준축 또는 이들 축 둘 다를 따라 배향되어 있음을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
5. 제4항에 있어서, 성형체가 원주상이고, 이의 외주면으로부터 중심 또는 중심을 벗어난 위치에 있는 축을 향하여 경사진 기준축을 따라 분자쇄 또는 결정이 배향되어 있음을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
6. 제4항에 있어서, 성형체가 판상이고, 이의 양측면으로부터 등거리 또는 등거리를 벗어난 위치에 있는 축을 포함하고, 또한 양측면과 평행한 면을 향하여 경사진 기준축을 따라 분자쇄 또는 결정이 배향되어 있음을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
7. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 성형체의 결정화도가 30 내지 60%임을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
8. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 성형체의 결정이 결정면을 가지며, 또한 기준축을 따라 면배향(面配向)되어 있음을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
9. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 성형체가 폐쇄틀로의 성형 또는 단조 성형으로 수득한 배향체임을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
10. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 성형체가 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산 공중합체의 성형체이고, 이의 굴곡강도가 160 내지 300mPa이고 굴곡탄성율이 5 내지 10GPa임을 특징으로 하는, 고굴곡강도, 고밀도 골 접합재.
11. 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 고분자 재료를 용융 성형시켜 예비성형체를 제조하고, 당해 예비성형체를 하단이 폐쇄된 성형틀의 좁은 공간에 냉간 소성 변형시키면서 압입시켜 가압 변형으로 배향시킴으로써 결정이 1축 배향하지 않고 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있는 배향 성형체를 제조함을 특징으로 하는, 골 접합재의 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 배향 성형체가 결정화되고, 당해 결정이 역학적 코어로 되는 축 또는 당해 축을 포함하는 면을 향하는 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있는 결정 형태를 갖고 있음을 특징으로 하는, 골 접합재의 제조방법.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 가압 변형에 의한 배향이, 제11항에 기재한 예비성형체를 단면적이 당해 성형체의 단면적보다 작고 하단이 폐쇄된 성형틀에 냉간 소성 변형시키면서 압입 충전시켜 압축 변형으로 배향시키는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는, 골 접합재의 제조방법.
14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 가압 변형에 의한 배향이, 제11항에 기재한 예비성형체를 당해 성형체의 단면적, 두께 및 폭 중의 어느 하나가 부분적으로 또는 전체적으로 작은 공간을 가지는 성형틀의 좁은 공간에, 또는 성형틀의 공간을예비성형체의 체적보다도 작게 한 성형틀에 냉간 소성 변형시키면서 단조 충전시켜 배향시키는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는, 골 접합재의 제조방법.
15. 제11항 또는 제12항에 있어서, 고분자 재료의 초기 점도 평균 분자량이 20만 내지 60만이고, 그 후의 용응 성형된 예비성형체의 점도 평균 분자량이 10만 내지 40만임을 특징으로 하는, 골 접합재의 제조방법.
16. 제11항 또는 제12항에 있어서, 횡단면 면적이 예비성형체의 횡단면 면적의 2/3 내지 1/6인 성형틀의 캐비티 속에 예비성형체를 압입 충전시킴을 특징으로 하는, 골 접합재의 제조방법.
17. 제11항 또는 제12항에 있어서, 성형틀이, 예비성형체를 수용하는 수용통부(여기서, 당해 수용통부의 단면적은 캐비티의 단면적보다 크다), 예비 성형체를 압축 충전시키는 캐비티(여기서, 당해 캐비티의 단면적은 수용통부의 단면적보다 작다) 및 이들을 연결시키는 테이퍼면을 갖는 직경 축소부로 이루어짐을 특징으로 하는, 골 접합재의 제조방법.
18. 제11항 또는 제12항에 있어서, 예비성형체의 소성 변형 온도가 열가소성 고분자 재료의 유리전이온도 이상 용융온도 이하 사이의 결정화 가능한 온도임을 특징으로 하는, 골 접합재의 제조방법.
19. 제11항 또는 제12항에 있어서, 배향 성형체를 희망하는 골 접합재의 형상으로 절삭가공을 실시함을 특징으로 실시하는, 골 접합재의 제조방법.
20. 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체 매트릭스 속에 입자 또는 입자의 집합괴의 크기가 0.2 내지 50μm인 바이오세라믹 분체 10 내지 60중량%를 균일하게 분산시킨 성형체로 이루어진 복합재료로서, 당해 매트릭스 중합체의 결정이 가압에 의해 배향되고, 또한 결정화도가 10 내지 70%인 가압 배향 성형체로 이루어짐을 특징으로 하는, 입자 및 매트릭스 중합체 강화 복합재료인 고강도 이식체 재료.
21. 제20항에 있어서, 성형체의 결정이 역학적 코어로 되는 축 또는 당해 축을 포함하는 면을 향하는 복수의 기준축에 평행하게 배향되어 있음을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료.
22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 바이오세라믹 분체가 표면 생체 활성인 소결 하이드록시아파타이트, 바이오 글라스계 또는 결정화 유리계의 생체용 유리, 생체내 흡수성의 미소성 하이드록시아파타이트, 디칼슘 포스페이트, 트리칼슘 포스페이트, 테트라칼슘 포스페이트 및 옥타칼슘 포스페이트 중의 어느 하나 단독 또는 2종 이상의 혼합물임을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료.
23. 제20항 또는 제21항에 있어서, 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체가 폴리락트산 및 락트산-글리콜산 공중합체 중의 어느 하나이고, 이의 초기 점도 평균 분자량이 10 내지 60만임을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료.
24. 제20항 또는 제21항에 있어서, 열가소성 중합체가 폴리락트산이고, 바이오세라믹 분체가 미소성 하이드록시아파타이트임을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료.
25. 제20항 또는 제21항에 있어서, 성형체가 성형 또는 단조 성형에 의한 가압 변형으로 배향시켜 수득한 배향 성형체임을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료.
26. 제20항 또는 제21항에 있어서, 배향 성형체가, 굴곡강도가 150 내지 320MPa이고 굴곡 탄성율이 6 내지 15GPa임을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료.
27. 제20항 또는 제21항에 있어서, 배향 성형체가 절삭가공이 실시되어, 이의 표면에 바이오세라믹 분체가 현저하게 존재하고 있음을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료.
28. 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체와 바이오세라믹 분체가 균일하게 분산된 혼합물을 미리 제조하고, 이어서 당해 혼합물을 용융 성형시켜 예비성형체를 제조한 다음, 당해 예비성형체를 폐쇄 성형틀의 캐비티 속에 냉간 압입 충전시켜 소성 변형시킴으로써 배향 성형체로 함을 특징으로 하여, 가압 변형으로 배향시켜 고강도 이식체 재료를 제조하는 방법.
29. 제28항에 있어서, 가압 배향이, 단면적이 예비성형체보다 작은 폐쇄 성형틀의 캐비티에 냉간 압입 충전시킴으로써 이루어짐을 특징으로 하여, 가압 변형으로 배향시켜 고강도 이식체 재료를 제조하는 방법.
30. 제28항 또는 제29항에 있어서, 가압 배향 성형체의 중합체의 결정화도가 10 내지 70%로 되도록 예비성형체를 폐쇄 성형틀의 캐비티 속에 압입 충전시킴을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료의 제조방법.
31. 제28항 또는 제29항에 있어서, 중합체와 바이오세라믹 분체와의 혼합물이, 중합체의 용매 용액 속에 바이오세라믹 분체를 균일하게 혼합 및 분산시키고, 이를 당해 중합체의 비용매로 침전시킴으로써 제조됨을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료의 제조방법.
32. 제28항 또는 제29항에 있어서, 생체내 분해 흡수성인 결정성, 열가소성 중합체가, 초기 점도 평균 분자량이 15 내지 70만인 폴리락트산 또는 락트산-글리콜산공중합체이고, 용융 성형 후의 점도 평균 분자량이 10 내지 60만임을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료의 제조방법.
33. 제28항 또는 제29항에 있어서, 횡단면 면적이 예비성형체의 횡단면 면적의 2/3 내지 1/5인 성형틀의 캐비티 속에 당해 예비성형체를 압입 충전시킴을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료의 제조방법.
34. 제28항 또는 제29항에 있어서, 예비성형체의 소성 변형 온도가 당해 중합체의 유리전이온도 이상 용융온도 이하 사이의 결정화 가능한 온도임을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료의 제조방법.
35. 제28항에 있어서, 가압 변형에 의한 배향이 압축 배향 또는 단조 배향으로 이루어짐을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료의 제조방법.
36. 제28항 또는 제29항에 있어서, 가압 배향 성형체를 추가로 절삭가공을 실시함을 특징으로 하는, 고강도 이식체 재료의 제조방법.

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