KR100446701B1 - 생체 세라믹 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체 재료용 세라믹 조성물에 관한 것으로, 생체 재료로 널리 쓰이는 β형 인산3칼슘의 소결 특성을 향상시키기 위하여 인산3칼슘에 Ca/P 비가 1.5 이하인 인산칼슘화합물인 Ca₂P₂O₇, Ca₄P₆O₁₉, CaP₂O₆, P₂O₅, 및 (NH₄)₂HPO₄중 적어도 어느 하나 이상 포함한다.

본 발명의 조성물은 β형 인산3칼슘의 고온 상전이 온도를 상승시키는 효과가 있어 더 높은 온도에서 소결할 수 있으므로 더 치밀한 β형 인산3칼슘의 소결체를 얻을 수 있다.

Description

생체 세라믹 조성물{Bioceramic composition}

본 발명은 생체 재료용 세라믹 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생체 재료에 사용되는 세라믹 중 정형외과에서 주로 사용되는 인공골용 인산칼슘 세라믹 조성물에 관한 것이다.

인산칼슘 화합물 중 수산화아파타이트와 인산3칼슘은 대표적인 생체재료로서 인공골의 원료로서 각광받는 재료이다. 수산화아파타이트는 실제 뼈를 구성하는 무기성분과 결정학적, 화학적으로 유사하고 뼈와 직접 결합하는 특성이 있으나 생체 내 용해성이 낮아 치밀한 수산화아파타이트의 경우 생체 내 낮은 용해성으로 인하여 계면에서 결합한 뼈가 더 이상 안으로 자라 들어가지 못해 완전히 뼈로 치환되지 못하고 끝까지 남아있는 단점이 있다. 인산3칼슘은 뼈와 직접 결합한다는 특성은 수산화아파타이트와 비슷하지만 생체 내에서 점점 용해되어 결국 없어지는 차이가 있다. 인산3칼슘은 수산화아파타이트와 같이 인공골 재료, 상세하게는 골수복재(골결손 부위를 채워주는 골이식재; Bone filler)로 주로 이용된다.

최근에는 골수복재의 생체흡수속도 조절을 위해 수산화아파타이트/인산3칼슘을 복합화하기도 한다. 골수복재용 인산3칼슘은 치밀한 벌크 형태로 이용하기도 하고 열린 기공으로 연결된 다공성 구조나 과립형태로 이용하고 있다. 과립형 외 치밀한 벌크(Bulk) 형태나 다공성 구조의 인산3칼슘을 인공골로 이용하기 위해서는 충분한 강도를 유지해야 하므로 높은 상대밀도를 갖도록 소결시켜야 한다.

한편, 인산3칼슘은 수산화아파타이트보다 소결시키기 어려운데 그 이유는 다음과 같다. 인산3칼슘은 동질이형이 없는 수산화아파타이트와는 달리 크게 β상과 α상의 동질이형을 갖는다. β상은 저온상으로 육방정계 결정을 갖고 이 저온상 β상을 1100-1180℃의 온도에서 열처리하면 단사정계를 갖는 고온상 α상으로 상전이한다. 이 고온형 α상은 물과 격렬히 반응하기 때문에 생체이식체로 쓰기에는 부적합하다. 또한 밀도가 높은 β 상에서 밀도가 낮은 α상으로의 상전이는 소결체의 미세한 균열을 유발하여 전체적인 재료의 강도 저하를 초래한다는 점에서 인공골 재료로는 β상의 인산3칼슘이 선호되고 있다.

그러나 β상의 인산3칼슘이나 수산화아파타이트와, β상의 인산3칼슘 복합체의 소결체를 얻기 위해서는 인산3칼슘의 상전이 온도인 1180℃ 이하에서 소결시켜야 하나 이 온도에서는 보통 90% 이하의 상대밀도를 보이므로 고밀도 소결체를 얻기 힘들다는 문제점이 있다. 따라서 생체흡수성이 뛰어난 인산3칼슘의 β상을 생체재료로 응용하기 위해서는 고밀도의 소결체를 얻는 것이 필수적이며 이를 해결하기 위해 여러 소결방법이 시도되었다.

Niyoshi Itatani et al.은 J. Am. Ceram. Soc. 77 [3] 801-805에서 β→α상전이 온도보다 낮은 온도에서 소결이 가능하도록 인산3칼슘을 액상법으로 합성하여 입자크기를 0.5μm 이하로 줄이므로써 비표면적을 크게 하여 소결성을 향상시켰다.그러나 이러한 액상법으로 합성시 조건에 따라서 인산3칼슘의 α상이 저온에서도 출현하며, 또한 β상만으로 이루어진 인산3칼슘 분말을 얻기 까다로우며, 그 제조공정이 복잡하여 제조비용이 비싸고, 반응에 쓰이고 남은 암모니아 등을 씻어내야 하므로 많은 물이 필요하며 폐수가 발생한다. 그리고 액상법의 단점인 대량생산이 불가능하다는 점이 문제이다.

미합중국특허 제 4,772,573 호 Toriyama et al.은 인산3칼슘이나 수산화아파타이트에 실리카, 알루미나를 첨가하여 침상의 뮬라이트(mullite)를 형성시켜 강도를 향상시켰고 또한 인산3칼슘에 Mg염을 첨가하면 인산3칼슘의 상전이온도를 높이는 효과가 있어 더 높은 온도에서 소결이 가능하여 강도를 향상시켰다고 보고하였다.

미합중국특허 제 4,135,935 호 Pfeil et al.은 불소아파타이트에 실리카-산화인-산화나트륨-산화칼륨-마그네시아-산화칼슘으로 이루어진 유리성분을 함유하여 670℃에 소결하였다고 보고하였다. 그러나 아파타이트 성분은 중량비로 35%에 불과하고 나머지는 유리성분이 차지하는데 이러한 조성의 유리는 용해도가 높아 생체 안정성이 떨어지는 단점이 있다.

미합중국특허 제 4,376,168 호 Takani et al.은 인산3칼슘, 수산화아파타이트에 인산염 유리 또는 이트리아(Y₂O₃)를 첨가하여 소결체의 밀도 및 강도를 향상시겼다고 보고하였다.

그러나 타 연구자들이 사용한 다양한 알루미나, 실리카 등의 첨가물은 인산3칼슘의 생체친화성을 떨어뜨리며 첨가물과 인산3칼슘의 반응으로 인한 이차상(second phase)이 개재되며 그러한 이차상이 생체에서 어떤 역할을 하게 되는지 아직 확실하게 규명되지 않아 생체재료로 사용하기에는 위험성이 높다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 그 목적은 생체재료용 β상 인산3칼슘의 생체친화성을 저해하지 않으면서 고밀도의 소결체를 얻을 수 있도록 β-인산3칼슘의 상전이를 지연시키는 소결조제를 함유한 인공골용 인산칼슘 세라믹 조성물을 제공하는 데 있다.

상기 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 β-인산3칼슘과, β-인산3칼슘의 상전이를 지연시키는 인산칼슘 화합물로 이루어진 소결조제로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체이식용 세라믹 조성물을 제공한다.

상기 소결조제는 인산3칼슘에 Ca/P 비가 1.5 이하인 인산칼슘 화합물을 0.1-12 중량% 함유하는 것이 바람직하다. 또한 이 경우 상기 소결조제는 인산3칼슘에 Ca/P 비가 1.5 이상인 인산칼슘 화합물을 함유하는 경우는 β-인산3칼슘의 상전이를 지연시키는 효과가 없고 오히려 촉진하게 된다.

상기 소결조제용 인산칼슘 화합물은 Ca₂P₂O₇, Ca₄P₆O₁₉, CaP₂O₆, P₂O₅, 및 (NH₄)₂HPO₄중 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 β상 인산3칼슘과 같은 Ca와 P로 이루어진인산칼슘 화합물을 소결조제로 사용하였다. 이하에 각 소결조제의 수치한정 이유에 대하여 설명한다.

먼저 순수 인산3칼슘 분말에 Ca₂P₂O₇을 0.1-12 중량% 포함하는 것이 바람직하며, 상기 Ca₂P₂O₇의 함량이 0.1 중량% 이하이면 소결에 영향을 주지 못하는 문제점이 있으며 12 중량% 이상이면 더 이상 소결 밀도가 증가하지 않으며 과잉의 Ca₂P₂O₇이 존재하게 되고 소결밀도가 오히려 감소한다. 인산3칼슘 세라믹스에 첨가되는 Ca₂P₂O₇는 인산3칼슘의 상전이 온도를 상승시켜 첨가하지 않았을 때보다 더 높은 온도(1200℃)에서 소결을 가능하게 한다. 또한 Ca₂P₂O₇은 수산화아파타이트와 같은 인산칼슘 화합물로 생체이식시 뼈와 직접 결합하는 생체친화성이 좋은 재료라 알려져 있어 소결조제로 첨가해도 생체재료로서 문제점이 없다.

상기 Ca₂P₂O₇대신에 순수 인산3칼슘 분말에 Ca₄P₆O₁₉를 0.1-12 중량% 포함하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 Ca₄P₆O₁₉의 함량이 0.1 중량% 이하이면 소결에 영향을 주지 못하는 문제점이 있으며 12 중량% 이상이면 더 이상 소결 밀도가 증가하지 않으며 과잉의 Ca₂P₂O₇이 존재하게 되고 소결밀도가 오히려 감소한다. 첨가된 Ca₄P₆O₁₉는 인산3칼슘과 반응하여 Ca₂P₂O₇로 바뀌나 처음부터 Ca₂P₂O₇를 첨가했을 때보다 상전이 온도가 더 상승하여 상전이 없이 1250℃ 소결도 가능하게 한다.

또한, 순수 인산3칼슘 분말에 CaP₂O₆을 0.1-12 중량% 포함하는 경우 상기CaP₂O₆의 함량이 0.1 중량% 이하이면 소결에 영향을 주지 못하는 문제점이 있으며 12 중량% 이상이면 더 이상 소결 밀도가 증가하지 않으며 과잉의 Ca₂P₂O₇이 존재하게 되고 소결밀도가 오히려 감소한다. 첨가된 CaP₂O₆는 인산3칼슘과 반응하여 Ca₂P₂O₇으로 바뀌어 Ca₂P₂O₇을 첨가했을 때와 비슷하게 상전이 온도를 상승시켜 1200℃ 소결을 가능하게 한다.

순수 인산3칼슘 분말에 P₂O₅이나 (NH₄)₂HPO₄를 0.1-12중량% 포함하는 경우는 상기 P₂O₅이나 (NH₄)₂HPO₄의 함량이 0.1중량% 이하이면 소결에 영향을 주지 못하는 문제점이 있으며 12 중량% 이상이면 더 이상 소결 밀도가 증가하지 않으며 과잉의 Ca₂P₂O₇이 존재하게 되고 소결밀도가 오히려 감소한다. 첨가된 P₂O₅이나 (NH₄)₂HPO₄는 인산3칼슘과 반응하여 Ca₂P₂O₇로 바뀌어 Ca₂P₂O₇을 첨가했을 때와 비슷하게 상전이 온도를 상승시켜 1200℃ 소결을 가능하게 한다.

이하에 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1-4, 비교예 1-3

고순도의 CaCO₃와 Ca₂P₂O₇를 1:1의 몰비로 혼합하고 이를 무수알콜과 1:1.5의 중량비로 섞고 각각 지르코니아(ZrO₂) 볼밀에서 12시간 혼합한 다음 급속 건조하였다. 그 후 이 혼합물을 1100℃에서 12시간 동안 알루미나 도가니에서 하소하였다.이때 하소시의 승온속도는 5℃/min이였다.

한편 하기 표 1의 실시예에서 나타낸 인산3칼슘의 조성물을 제조하기 위해서 하소한 순수 인산3칼슘에 표 1에 나타낸 중량% 만큼 P₂O₅또는 (NH₄)₂HPO₄(실시예 1), CaP₂O₆(실시예 2), Ca₄P₆O₁₉(실시예 3), Ca₂P₂O₇(실시예 4)를 더 첨가하였다. 실시예 4의 조성물에 대하여는 소결조제로 첨가되는 첨가제의 양이 1 및 3중량%인 경우에 추가하여 첨가량이 5(실시예 4), 10(실시예 4), 15(비교예 2) 및 20(비교예 3) 중량% 인 조성물을 각각 조성하였다.

이렇게 하여 얻은 혼합분말을 24시간 볼밀링하고 급속 건조한 다음 유발에 간 다음 1000kg/cm²의 압력으로 가압성형하여 직경 8mm, 두께 약 3mm의 디스크 형상 시편을 얻었다. 상기 첨가제가 포함되지 않는 비교예 1 내지 비교예 3 시편과 상기 첨가제가 포함된 본 발명 실시예 1 내지 실시예 4의 시편은 모두 1100-1300℃에서 2시간 소결하였다. 이때 상기 소결시의 승온속도는 5℃/min이었고 그 후 노냉하였다. 이렇게 얻은 소결 시편의 상분석과 소결밀도 측정을 행하였고 그 결과를 표 1에 나타냈다.

(1) 상분석

상기 인산3칼슘 조성물의 열처리 후 상전이 여부를 X선 회절법으로 관찰하였다.

(2) 소결밀도

상기 인산3칼슘 조성물의 소결시편은 아르키메데스법으로 소결 밀도를 측정하고 이 밀도값을 100% 치밀화를 이루었을 때 밀도값으로 나누어서 상대밀도를 구하였다.

(3) 수축율 관찰

상기 인산3칼슘의 열처리시 수축율 변화를 관찰함으로써 소결 경향을 파악하였고 특히 상전이 시작시점을 쉽게 관찰할 수 있었다. 수축율은 열팽창계(Netzsch Instruments Co. Model DIL 420C)로 측정하였다.

	첨가제 종류	첨가제 양(중량%)	상전이시작온도	소결가능온도	β형 인산3칼슘최대상대밀도
비교예 1	×	×	1200℃	1150℃	86%
실시예 1	P2O5or (NH)4HPO4	1	1240℃	1200℃	96%
		3	1250℃	1200℃	95%
실시예 2	CaP2O6	1	1245℃	1200℃	96%
		3	1260℃	1225℃	96%
실시예 3	Ca4P6O19	1	1240℃	1200℃	96%
		3	1275℃	1250℃	98%
실시예 4	Ca2P2O7	1	1250℃	1200℃	95%
		3	1250℃	1200℃	96%
		5	1260℃	1225℃	97%
		10	1270℃	1250℃	98%
비교예 2		15	1250℃	1200℃	95%
비교예 3		20	1240℃	1200℃	93%

상기 표 1에서 보듯이 고상법으로 1100℃에서 하소한 순수 인산3칼슘은 1200℃에서 고온상인 α상으로 상전이하므로 그 이하의 온도에서 소결해야 한다. 또한 소결은 해당 온도에 도달하여 보통 2시간 이상 유지하기 때문에 유지 시간에도 상전이가 진행되면 안 되므로 상전이 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 소결해야 한다. 따라서 1150℃ 부근에서 소결해야 하며 이때 소결상대밀도는 약 86% 정도이다.

그러나 본 발명 실시예 1 내지 4에서 첨가된 낮은 Ca/P 비의 인산칼슘은 인산 3칼슘의 상전이 온도를 적게는 40℃에서 크게는 75℃까지 상승시켜 1200℃ 이상의 온도에서 상전이 없이 β상의 인산3칼슘의 소결을 가능하게 한다.

따라서 본 발명에 따른 세라믹 조성물은 인산3칼슘의 소결조제로 낮은 Ca/P 비의 인산칼슘을 사용하므로써 보다 치밀한 β상의 인산칼슘 소결을 용이하게 한다.

그러나, 상기 비교예 2 및 3인 경우 첨가제가 없는 비교예 1의 경우에 비하여 소결 가능온도와 상대밀도의 물성이 상대적으로 높으나, 본 발명의 목표치 물성에는 떨어지는 경향이 있고, 또한 이와 같이 첨가제의 함량이 증가하면 첨가제 자체가 상전이하여 미세한 균열이 발생하는 문제가 발생하게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 생체 세라믹 조성물은 인산3칼슘의 소결조제로 낮은 Ca/P 비를 갖는 인산칼슘을 사용함으로써 인산 3칼슘의 상전이 온도를 45℃- 75℃ 이상으로 상승시켜, 그 결과 인산3칼슘을 1200℃ 이상에서 소결을 할 수 있었으며 그에 따라 상대밀도 95% 이상의 치밀한 β상의 인산3칼슘 소결체를 얻을 수 있었다.

이에 따라 종래의 기술과 비교해볼 때 생체친화성이 있는 여러 인산칼슘화합물만을 소결조제로 사용하여 고밀도로 β상 인산3칼슘을 소결할 수 있고 인산3칼슘/수산화아파타이트 복합체나 인산3칼슘/인산일칼슘 복합체의 소결에도 응용할 수 있게 되었다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (4)

1. β-인산3칼슘과, β-인산3칼슘의 상전이를 지연시키기 위하여 Ca₂P₂O₇, Ca₄P₆O₁₉, CaP₂O₆, P₂O₅, 및 (NH₄)₂HPO₄중 적어도 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어지며 조성물 전체에 대하여 0.1-12중량% 포함하는 소결조제로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체이식용 세라믹 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 소결조제의 Ca/P 비는 1.5 이하인 것을 특징으로 생체이식용 세라믹 조성물.
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