KR100559171B1 - Mixture for Producing a Bioactive Bone Cement and Method for Producing a Bioactive Bone Cement Using the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PMMA 분말과 CaO-SiO2 겔을 함유하는 것을 특징으로 하는 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물 상기 혼합물을 이용한 생체활성 골 시멘트의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 CaO-SiO2 겔과 PMMA 분말을 함유하는 혼합물에 MMA 용액을 첨가하는 것을 특징으로 하는 PMMA/CaO-SiO2 골 시멘트의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 PMMA/CaO-SiO2 골 시멘트를 제공한다. The present invention relates to a method for producing bioactive bone cement using the mixture, characterized in that it contains PMMA powder and CaO-SiO 2 gel. In the present invention, a method for producing PMMA / CaO-SiO 2 bone cement and PMMA / CaO-SiO 2 bone prepared by the above method, characterized in that MMA solution is added to the mixture containing CaO-SiO 2 gel and PMMA powder. Provide cement.

본 발명에 따른 PMMA/CaO-SiO2 골 시멘트는 금속, 폴리머, 세라믹스 등을 뼈에 고정시키는 접착제로서 사용이 가능하고, 동시에 단기간에 뼈와 강하게 결합하므로, 하중 하에서도 사용이 가능하다. The PMMA / CaO-SiO 2 bone cement according to the present invention can be used as an adhesive for fixing metals, polymers, ceramics, etc. to bone, and at the same time, it can be used under load because it is strongly bonded to the bone in a short time.

PMMA, 골 시멘트, 생체활성, 임플란트PMMA, Bone Cement, Bioactive, Implants

Description

생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물 및 이를 이용한 생체활성 골 시멘트의 제조방법 {Mixture for Producing a Bioactive Bone Cement and Method for Producing a Bioactive Bone Cement Using the Same} Mixture for Producing a Bioactive Bone Cement and Method for Producing a Bioactive Bone Cement Using the Same             

도 1은 PMMA/CaO-SiO2 골 시멘트의 제조과정을 도시한 것이다.Figure 1 shows the manufacturing process of PMMA / CaO-SiO 2 bone cement.

도 2는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO2 겔 분말을 중량비로 95:5로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료를 박막 X선 회절 분석기로 분석한 X선 회절 패턴을 도시한 것이다.FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of a sample obtained by mixing bone cement prepared by mixing PMMA powder and 20CaO-80SiO 2 gel powder in a weight ratio of 95: 5 in an analogous liquid by a thin film X-ray diffractometer.

도 3은 PMMA 분말과 20CaO-80SiO2 겔 분말을 중량비로 95:5로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 경우, 표면의 구조변화에 대한 주사전자현미경 사진이다.Figure 3 is a scanning electron micrograph of the structural changes of the surface when the bone cement prepared by mixing the PMMA powder and 20CaO-80SiO 2 gel powder in a weight ratio of 95: 5.

도 4는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO2 겔 분말을 중량비로 70:30으로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료를 박막 X선 회절 분석기로 분석한 X선 회절패턴을 도시한 것이다.FIG. 4 illustrates an X-ray diffraction pattern of a sample obtained by mixing bone cement prepared by mixing PMMA powder and 20CaO-80SiO 2 gel powder in a weight ratio of 70:30 in an analogous liquid by a thin film X-ray diffraction analyzer.

도 5는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO2 겔 분말을 중량비로 70:30으로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 경우, 표면의 구조변화에 대한 주사전자현미경 사진이다.FIG. 5 is a scanning electron micrograph of a structural change of a surface when bone cement prepared by mixing PMMA powder and 20CaO-80SiO 2 gel powder in a weight ratio of 70:30 is added to an analogous liquid.

발명의 분야Field of invention

본 발명은 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물 및 생체활성 골 시멘트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, PMMA와 졸-겔(sol-gel)법으로 제조한 CaO-SiO2를 주성분으로 하는 골 시멘트 제조용 혼합물 및 상기 혼합물에 MMA 용액을 첨가하는 것을 특징으로 하는 골 시멘트의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a mixture for producing bioactive bone cement and a method for producing bioactive bone cement, and more particularly, bone cement mainly composed of CaO-SiO 2 prepared by PMMA and sol-gel method. It relates to a mixture for preparation and a method for producing bone cement, characterized by adding MMA solution to the mixture.

발명의 배경Background of the Invention

우리 몸의 골격은 206개의 뼈(bone)로 구성되어 있다. 이 뼈는 우리 몸을 지탱해 주며, 뇌나 내장 등과 같은 중요한 장기를 보호함은 물론 각각이 독립적으로 움직이게 되어 있어 여러 가지 운동을 가능하게 해 주고 있다. Our skeleton is made up of 206 bones. These bones support our bodies and protect important organs such as the brain and internal organs, as well as allow each movement to work independently.

최근, 고령화 사회의 진전에 따라 골다공증과 같은 질환이나, 자동차 사고 등에 의해 뼈 조직에 손상을 입는 경우가 증가하고 있다. 이러한 손상된 뼈 조직을 수복하기 위한 재료가 오래 전부터 연구되어 왔다. 체내에서 유해한 성분을 용출하 지 않고 친수성을 나타내는 재료인 알루미나(Al2O3)나 금속 스테인레스 스틸(stainless steel)이나 금속티탄(Ti) 등이 이러한 목적으로 사용되어 왔다. In recent years, as the aging society progresses, the damage to bone tissue due to diseases such as osteoporosis and automobile accidents is increasing. Materials for repairing these damaged bone tissues have long been studied. Alumina (Al 2 O 3 ), metal stainless steel and metal titanium (Ti), which are hydrophilic materials without eluting harmful components in the body, have been used for this purpose.

그러나 이들 재료는 생체의 뼈와 화학적으로 직접 결합하지 않으므로, 뼈와의 결합능을 증진시키기 위해 재료 표면을 다공질로 하거나 일부러 요철을 만들어두어, 그 속에 뼈가 자라 들어가게 하는 기계적 방법으로 고정되게 하였다. 그러나, 이러한 결합이 달성되기까지는 2~3개월 이상의 장시간을 요하므로 임플란트(implant)를 주위의 뼈 조직에 고정시키려는 시도로서 골 시멘트가 사용되기 시작하였다. However, since these materials do not chemically bond directly to the bones of living bodies, the surface of the material is made porous or deliberately irregularities in order to enhance the binding ability to the bones, so that they are fixed by a mechanical method that allows the bones to grow therein. However, bone cement has begun to be used as an attempt to anchor implants to surrounding bone tissue, as long as it takes longer than 2-3 months for such bonding to be achieved.

복잡한 형상을 하고 있는 골 결손부를 보전하는 경우나, 금속제 인공관절을 자연 골에 고정할 경우에는 분말과 액체를 섞으면, 수분간 유동성을 지니며, 그 후 굳어져 주위의 골과 결합하여 뼈에 가까운 역학적 성질을 나타내는 시멘트 재료가 바람직하다. 이러한 재료라면, 이것을 주사기로 환부에 주입하여, 골다공증 등으로 인해 생긴 골 결손부를 수복하는 것도 가능하게 된다.When preserving complex bone defects or fixing metal artificial joints to natural bones, mixing powder and liquid gives fluidity for several minutes, then hardens and binds to nearby bones Cement materials that exhibit mechanical properties are preferred. If it is such a material, it will also be possible to inject | pour this into a affected part with a syringe, and repair the bone defect part resulting from osteoporosis etc ..

이를 달성하기 위해, MMA(methyl methacrylate) 모노머를 중축합(polymerization)에 의해 경화(hardening) 시키거나, 각종 세라믹스 분말을 물, 인산나트륨 수용액, 유기산 혹은 고분자 수용액과 섞어 경화시키는 방법 등이 연구개발 되어 왔다.In order to achieve this, a method of hardening MMA (methyl methacrylate) monomer by polycondensation or mixing various ceramic powders with water, aqueous sodium phosphate solution, organic acid or polymer solution, etc. come.

생체용 시멘트에 요구되는 성질Properties Required for Bio Cement

생체에 사용하는 시멘트의 성질로서는 환부에 주입되어, 경화될 때까지의 적절한 시간, 충전 후 환부에 주입된 시멘트의 높은 강도가 중요하다. 이 경화시간 및 강도는 시멘트 혼련시의 분제와 액제의 사용비율(분액비)에 의해 크게 다르다. 분액비를 높게 하면 일반적으로 경화시간은 짧고, 또한 고강도인 경화체가 된다. 그러나, 이것이 너무 높은 경우에는 환부에 주입하기 위한 작업성에 곤란이 생겨, 치밀한 충전이 불가능하게 된다. As a property of the cement used in the living body, an appropriate time until it is injected into the affected part and hardens, and high strength of the cement injected into the affected part after filling is important. This curing time and strength vary greatly depending on the use ratio (separation ratio) of the powder and the liquid agent during cement kneading. In general, when the separation ratio is high, the curing time is short and a high strength cured product is obtained. However, if this is too high, the workability for injecting the affected part will be difficult, and a compact filling will be impossible.

그 때문에 시멘트 페이스트의 유동성을 확보하면서, 작업에 적절한 시간에서 경화시킴과 동시에 어떻게 고강도로 하는가가 중요하게 된다. 일반의 건축용 시멘트에 있어서는 계면 활성제 등의 함수제를 사용함으로써 상기 목적을 달성하고 있다. 그러나, 생체용 시멘트에 있어서는 사용하는 물질의 안정성 등의 관점으로부터 이러한 물질의 사용은 곤란하며, 분체 자신의 제조방법에 의한 형태제어 등에 의해 이것을 달성하는 것이 바람직하다.Therefore, while securing the fluidity of the cement paste, it becomes important to harden it at a time suitable for the work and to achieve high strength. In general building cement, the said objective is achieved by using water-soluble agents, such as surfactant. However, it is difficult to use such a substance from the viewpoint of the stability of the substance to be used in the biological cement, and it is preferable to achieve this by controlling the form of the powder itself.

한편, 종래 임상에서 가장 많이 쓰이고 있는 PMMA (polymethylmethacrylate) 골 시멘트는 뼈와 직접 결합하는 성질 즉, 생체활성(bioactivity)을 나타내지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서 골 시멘트가 생체 내에서 장기적으로 안정하기 위해서는 무엇보다도 골 시멘트가 자연 골과 화학적으로 결합하는 생체활성을 갖는 것이 요구되고 있다.On the other hand, PMMA (polymethylmethacrylate) bone cement, which is most commonly used in the conventional clinical, is known to not directly show the property of binding to bone, that is, bioactivity (bioactivity). Therefore, in order for the bone cement to be stable in the long term in the living body, above all, it is required that the bone cement has a bioactivity that chemically bonds with natural bone.

생체활성(Bioactive) 골 시멘트Bioactive Bone Cement

일반적으로 인공 재료를 뼈의 결손부에 매입하면, 생체는 이것을 섬유성의 피막으로 둘러싸 주위의 뼈로부터 격리시키려 한다. 그러나, 무기 고체물질 중에는 이러한 섬유성의 피막을 만들지 않고 주위의 뼈와 직접 강하게 접하여 그것과 강한 화학결합을 만든다. 이런 종류의 세라믹스는 생체활성(bioactive) 세라믹스라 불리고 있다.In general, when an artificial material is embedded in a bone defect, the living body surrounds it with a fibrous coating to isolate it from surrounding bone. Inorganic solids, however, do not form these fibrous coatings, but are in direct contact with the surrounding bones, creating strong chemical bonds with them. This kind of ceramics is called bioactive ceramics.

지금까지 상기 Na2O-CaO-SiO2-P2O5계 유리(바이오글래스: Bioglass) 외에, 여러 종류의 유리, 결정화 유리 및 소결 세라믹스가 뼈와 결합하는 것이 알려져 있다. 그 중의 바이오글래스는 단시간에 뼈와 결합하는 특성이 있어 인공 중이골과 치주 충전제로 이용되고, 결정성의 수산아파타이트(Ca10(PO4)6(OH2 )) 소결체는 뼈 성분 이외의 것은 함유하지 않는 특성이 있어 골충전제로 이용되며, 결정성의 β-3CaO·P2O5 소결체도 뼈와 대체될 수 있는 특성이 있어 골충전제로 이용된다. Until now, in addition to the Na 2 O—CaO—SiO 2 —P 2 O 5 based glass (Bioglass: Bioglass), various kinds of glass, crystallized glass, and sintered ceramics are known to bind to bone. Among them, bioglass has the property of binding to bone in a short time, and is used as artificial middle bone and periodontal filler.The sintered crystalline apatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH 2 )) crystalline does not contain anything other than bone component. It is used as a bone filler because it does not have properties, and crystalline sintered β-3CaO · P 2 O 5 can be replaced with bone.

산소-불소아파타이트(Ca10(PO4)6(O,F2))와β-규회석(β-wollastonite:CaO·SiO2)을 석출시킨 MgO-CaO-SiO2-P2O5-CaF2계 결정화유리 A-W는 기계적 강도(215MPa의 곡강도)와 골결합 속도가 뛰어난 특성이 있어 인공 추체, 추간판, 장골, 충전제 등으로 실용화되었다.Oxygen-fluorine-apatite (Ca 10 (PO 4) 6 (O, F 2)) and β- wollastonite (β-wollastonite: CaO · SiO 2) which MgO-CaO-SiO 2 -P 2 O 5 -CaF 2 precipitate The system crystallized glass AW has excellent mechanical strength (curve strength of 215 MPa) and bone bonding speed, so it has been put into practical use as an artificial vertebra, intervertebral disc, iliac bone, filler, and the like.

그 후 세라비탈(Ceravital)이라고 불리는 유리 중에 아파타이트(Ca10(PO4)6(O,F2))를 석출시킨 Na2O-K 2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5계 결정화 유리, A-W와 약간 조성이 다른 아파타이트와 규회석을 석출시킨 임플란트-L1, 아파타이트와 금운모((Na,K)Mg3(AlSiO10)F2)를 Na2O-K2O-MgO-CaO-Al 2O3-SiO2-P2O5-F계 결정화 유리 바이오버리트(Bioverit), 결정성 천연 방해석, 유리 중에 자철석(magnetite: Fe2O3)과 β-규회석을 석출시킨 결정화 유리 등이, 섬유성의 피막을 만들지 않고 뼈와 직접 강하게 결합하는 성질 즉, 생체활성을 나타내는 것으로 알려져 있다.After that, Na 2 OK 2 O-MgO-CaO-SiO 2 -P 2 O 5 type crystallized glass which precipitated apatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (O, F 2 )) in a glass called ceravital Implant-L1 precipitated apatite and wollastonite with slightly different composition from AW, apatite and gold mica ((Na, K) Mg 3 (AlSiO 10 ) F 2 ) were added to Na 2 OK 2 O-MgO-CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 -P 2 O 5 -F system crystallized glass Bioburit, crystalline natural calcite, crystallized glass obtained by depositing magnetite (Fe 2 O 3 ) and β- wollastonite in glass It is known to show a strong binding property to the bone directly, that is, bioactivity without making a sexual coating.

지금까지 뼈와 결합하는 것으로 알려진 이들 세라믹스는, 생체 내에서 현저한 표면 분해를 나타내는 결정성 천연 방해석과 결정성의 β-3CaO·P2O5를 제외하고, 결정성 수산아파타이트 소결체를 포함한 모든 재료가 생체 내에서 그 표면에 아파타이트 층을 형성하여, 이것을 통해 뼈와 결합하는 것으로 알려져 있다 (J. Non-Cryst. Solids, 120, 138-51, 1990; Biomaterials, 12, 155-63, 1991).These ceramics, which have been known to bind bones to date, have all materials including crystalline apatite sintered bodies except for crystalline natural calcite and crystalline β-3CaO · P 2 O 5 , which show significant surface decomposition in vivo. It is known to form an apatite layer on its surface within which it binds to bone ( J. Non-Cryst. Solids, 120, 138-51, 1990; Biomaterials, 12, 155-63, 1991).

이 아파타이트 층은 세포나 단백질을 포함하지 않는 무기 이온 농도만을 사람의 체액과 같게 한 유사체액(Simulated Body Fluid(mM) : Na+ 142.0, K+ 5.0, Mg 2+ 1.5, Ca2+ 2.5, Cl- 147.8, HCO3 - 4.2, HPO4 2- 1.0, SO4 2- 0.5) (J. Am. Ceram. Soc., 78, 1769-74, 1995)속에서 세라믹스 표면에 형성된다. This apatite layer contains simulated body fluid (mM): Na + 142.0, K + 5.0, Mg 2+ 1.5, Ca 2+ 2.5, Cl - 147.8, HCO 3 -.. . 4.2, HPO 4 2- 1.0, SO 4 2- 0.5) (J. Am Ceram Soc, 78, is formed on the ceramic surface in 1769-74, 1995).

그 구조해석에 의하면 상기 아파타이트는 CO3 2- 이온을 함유하며, Ca/P 비가 수산화 아파타이트(Ca10(PO4)6(OH2))의 Ca/P 비(1.67)보다 작고, 미립자로 형성되어 있는 점에서 생체 골의 아파타이트와 비슷하다. 또한, 이 아파타이트의 표면에서는 섬유성 피막을 형성하는 섬유아세포보다 뼈를 생성하는 골아 세포가 증식 분화하기 쉽다. According to the structural analysis, the apatite contains CO 3 2- ions, and the Ca / P ratio is smaller than the Ca / P ratio (1.67) of the hydroxide apatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH 2 )) and formed of fine particles. It is similar to apatite of living bone in that it is. On the surface of this apatite, osteoblasts that produce bone are more likely to proliferate and differentiate than fibroblasts that form a fibrous coating.

그 결과, 주위로부터 뻗어 온 뼈는 표면 아파타이트와 직접 접할 수 있게 된다. 이것이 생기면 뼈의 아파타이트와 표면 아파타이트 사이에 화학결합이 생겨 인공 재료와 뼈가 결합하게 된다. 따라서, 인공재료가 생체 뼈와 결합하기 위한 필수조건은 생체 내에 매입되었을 때, 그 표면에 생체 뼈와 비슷한 특성을 가지는 아파타이트 층을 형성하는 것이라고 말할 수 있다.As a result, bones extending from the surroundings can directly contact the surface apatite. When this occurs, a chemical bond is created between the bone apatite and the surface apatite, causing the artificial material to bond to the bone. Thus, it can be said that the essential condition for the artificial material to bind to the living bone is to form an apatite layer having a property similar to the living bone on its surface when embedded in the living body.

현재 인공재료를 주위의 골(bone)에 고정시키거나, 골 결손부를 충전하기 위하여 가장 많이 쓰이고 있는 시멘트는 PMMA DDS로서 PMMA 분말과 MMA 모노머의 액체를 섞은 다음 생체 내에서 경화시키는 것이다. 종종 X-ray에 대한 불투명성을 증진시키기 위해 분말 성분에 산화지르코늄이나 황산 바륨분말을 섞기도 하였다. Currently, cement is most commonly used to fix artificial materials to surrounding bones or to fill bone defects. PMMA DDS is a mixture of PMMA powder and MMA monomer liquid and then hardened in vivo. Often, zirconium oxide or barium sulfate powder was mixed with powder to enhance the opacity of X-rays.

양자의 혼합 페이스트(paste)는 약 4분간 자유로운 형태로 성형할 수 있는 유동성을 나타내며, 90MPa에 달하는 압축강도를 나타낸다. 그러나, 이 시멘트에 있어서는 경화 시, 100℃ 가까운 중축합 열이 주위의 조직을 상하게 하고, 미반응 모노머가 혈관을 통과해서 심장에 해를 끼칠 염려가 있다. 또한, 중축합에 의한 큰 수축(shrinkage)과 시멘트 주위에 형성되는 비교적 두터운 섬유성 피막에 의해 뼈에 인공재료의 고정을 불안정하게 하는 루스닝(loosening)의 원인이 된다는 문제점이 보고되어 왔다. Both mixed pastes have fluidity that can be freely formed for about 4 minutes and have a compressive strength of 90 MPa. However, in this cement, the polycondensation heat near 100 degreeC may damage surrounding tissue at the time of hardening, and an unreacted monomer may pass through a blood vessel and damage a heart. In addition, a problem has been reported that a large shrinkage caused by polycondensation and a relatively thick fibrous coating formed around the cement cause loosening of the fixing of the artificial material to the bone.

기존의 PMMA 시멘트 자체는 생체 뼈와 결합하지 않는다. 그리하여, 생체 뼈와의 발열량을 감소시키고 이것에 골과 결합하는 성질을 부여하기 위해서 PMMA시멘트에 생체활성인 세레비탈 결정화 유리분말(J. Biomed. Mater. Res., 13, 89-99, 1979) 혹은 수산아파타이트 섬유를 섞는 시도(日本バイオマテリアル學會抄錄集, 第11回, p20, 1989)가 행해져 왔다. 그 결과 생체활성 세라믹스 분말의 양이 증가함에 따라 발열량이 적어지고, 시멘트가 골과 직접 결합하는 계면의 비율도 증가하였다. 아파타이트 섬유의 경우에는 파괴인성도 향상하였다. 그러나 생체활성 세라믹스 분말의 양이 증가하면, 단기간에 경화하는 성질이 감소하고 뼈와도 직접 결합하지 않는 문제점이 있었다.Conventional PMMA cement itself does not bind to living bones. Thus, in order to reduce the calorific value of the living bone and to give it the property of binding to bone, the cerebital crystallized glass powder bioactive to the PMMA cement ( J. Biomed. Mater. Res., 13, 89-99, 1979) Alternatively, attempts have been made to mix aquatic apatite fibers (11, p20, 1989). As a result, as the amount of bioactive ceramic powder increases, the amount of heat generated decreases, and the ratio of the interface where cement directly bonds with bone increases. In the case of apatite fibers, fracture toughness was also improved. However, when the amount of the bioactive ceramics powder is increased, there is a problem that the hardening property in a short time is reduced and does not directly bond with the bone.

이에 본 발명자들은 골 시멘트의 발열량을 감소시키고, 골과 결합하는 성질을 부여하기 위하여 예의 노력한 결과, PMMA 분말에 생체 뼈와 붙는 성질을 가지는 CaO-SiO2 겔 분말을 혼합한 다음 MMA 용액을 첨가하여 제조된 골 시멘트가 우수한 생체 적합성을 가진다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have diligently reduced the calorific value of bone cement and gave the property of binding to bone. As a result, PMMA powder was mixed with CaO-SiO 2 gel powder having the property of attaching to living bone, and then MMA solution was added. It was confirmed that the prepared cement cement had excellent biocompatibility, and thus the present invention was completed.

본 발명의 목적은 발열량이 감소되고, 골과 직접 결합하는 성질을 가지는 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물 및 상기 혼합물을 이용한 생체활성 골 시멘트의 제조방법을 제공하는데 있다.
It is an object of the present invention to provide a mixture for producing bioactive bone cement having a property of directly reducing calorific value and binding directly to bone, and a method for producing bioactive bone cement using the mixture.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, PMMA 분말과 CaO-SiO2 겔을 함유하는 것을 특징으로 하는 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a mixture for producing bioactive bone cement, characterized in that it contains PMMA powder and CaO-SiO 2 gel.

본 발명은 또한, 상기 혼합물에 경화용액을 첨가하는 것을 특징으로 하는 PMMA/CaO-SiO2 골 시멘트의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 PMMA/CaO-SiO2 골 시멘트를 제공한다.The present invention also provides a PMMA / CaO-SiO 2 prepared in the bone cement preparation and the method of the PMMA / CaO-SiO 2 bone cement, characterized in that the addition of the curing solution to the mixture.

본 발명에 있어서, CaO-SiO2 겔은 Ca(NO3)·4H2O 및 PEG의 혼합 수용액에 TEOS(tetraethoxysilane: Si(C2H5O4))를 첨가하고 교반하여 수득되는 것임을 특징으로 할 수 있고, 상기 경화용액은 MMA 용액인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, CaO-SiO 2 gel is obtained by adding and stirring TEOS (tetraethoxysilane: Si (C 2 H 5 O 4 )) to a mixed aqueous solution of Ca (NO 3 ) .4H 2 O and PEG It may be, wherein the curing solution may be characterized in that the MMA solution.

또한, 상기 CaO-SiO2 겔에서, CaO : SiO2는 몰비로 2:98 ~ 30:70 범위인 것이 바람직하다. CaO의 비가 2% 이하이면 뼈와 붙을 수 있는 생체활성 골 시멘트로서의 역할을 기대할 수 없고. CaO의 비가 30% 이상이면, 졸겔법으로 CaO-SiO2 겔을 제조하기가 곤란하다는 문제점이 있다.In addition, in the CaO-SiO 2 gel, CaO: SiO 2 is preferably in the range of 2:98 to 30:70 in a molar ratio. If CaO ratio is 2% or less, it cannot be expected to act as a bioactive bone cement that can be attached to bone. If the CaO ratio is 30% or more, there is a problem that it is difficult to produce CaO-SiO 2 gel by the sol-gel method.

본 발명에 있어서, CaO-SiO2의 함량은 PMMA 분말과 CaO-SiO2 겔을 합한 것에 대하여 3 ~ 90중량%인 것이 바람직하다. CaO-SiO2를 90중량% 이상을 첨가하면 경화되지 않는 문제점이 있고, 3중량% 이하를 혼합하면 골과 결합하는데 소요되는 시간 길어지는 단점이 있다 (매식후 4주 이상).In the present invention, the content of CaO-SiO 2 is preferably from 3 to 90% by weight relative to the sum of the PMMA powder, and CaO-SiO 2 gel. Adding more than 90% by weight of CaO-SiO 2 has a problem that does not cure, when mixing less than 3% by weight has a disadvantage in that it takes longer to bond with the bone (4 weeks or more after the meal).

본 발명에서는 생체활성인 세레비탈 결정화 유리분말 혹은 수산아파타이트 섬유 대신에 졸-겔(sol-gel)법으로 제조한 CaO-SiO2를 주성분으로 하는 겔을 사용한다.In the present invention, instead of bioactive cerbital crystallized glass powder or hydroxyapatite fiber, a gel containing CaO-SiO 2 produced by the sol-gel method as a main component is used.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention will not be construed as being limited by these examples.

실시예 1: CaO-SiOExample 1: CaO-SiO 22 겔의 제조 Preparation of Gel

표 1에 나타낸 것과 같은 여러 가지 조성의 CaO-SiO2 겔을 TEOS(tetraethoxysilane: Si(C2H5O4))을 수용액 중에서 가수분해(hydrolysis)시킨 후 중축합(polycondensation)시켜 제작하였다. CaO-SiO 2 gels of various compositions as shown in Table 1 were prepared by hydrolysis of TEOS (tetraethoxysilane: Si (C 2 H 5 O 4 )) in an aqueous solution and then polycondensation.

Ca(NO3)·4H2O을 용해시킨 증류수에 분자량 10,000의 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG)을 용해시킨 후, 이 용액 속에 촉매로서 질산(nitric acid, 62 wt%)을 첨가하였다.After dissolving polyethylene glycol (PEG) having a molecular weight of 10,000 in distilled water in which Ca (NO 3 ) .4H 2 O was dissolved, nitric acid (62 wt%) was added as a catalyst in this solution.

상기의 용액을 격렬하게 교반시키면서 TEOS를 첨가하고, 용액이 투명할 때까지 교반시킨 후 추가로 5분 동안 교반시켰다. 이 용액을 플라스틱 용기에 옮겨 넣은 후, 뚜껑을 테이프로 밀봉하여 40℃의 오븐 속에 넣어 습윤 겔(wet gel)을 만든 후, 계속해서 18시간 동안 40℃의 오븐 속에서 숙성시켰다. TEOS was added while vigorously stirring the solution, stirred until the solution was clear and then stirred for an additional 5 minutes. After transferring the solution to a plastic container, the lid was sealed with a tape and placed in an oven at 40 ° C. to make a wet gel, and then aged in an oven at 40 ° C. for 18 hours.

이렇게 하여 얻어진 습윤 겔을 1 mol/dm3 질산용액으로 6시간 동안 세척하여 겔 속의 수용성 PEG를 제거하였다. 이 때 질산 용액은 2시간마다 교환하였다. 질산 용액으로 세척한 습윤 겔을 40℃오븐 속에서 6일간 건조한 다음, 실리코니트 발열체를 사용하는 로(furnace)속에서 열처리를 행하였다. 이때의 승온 속도는 100℃/h 로 200~1300℃ 까지 올린 후 그 온도에서 각각 2시간 유지시켜 열처리를 행한 다음, 냉각하여 로의 온도가 상온에 도달한 후 시료를 꺼내어 데시케이터 속에 보관하여 출발원료로 하였다.The wet gel thus obtained was washed with 1 mol / dm 3 nitric acid solution for 6 hours to remove the water-soluble PEG in the gel. At this time, the nitric acid solution was replaced every 2 hours. The wet gel washed with nitric acid solution was dried in a 40 ° C. oven for 6 days, and then heat-treated in a furnace using a siliconite heating element. At this time, the temperature increase rate was raised to 200 ~ 1300 ℃ at 100 ° C / h, and then maintained at that temperature for 2 hours, followed by heat treatment. After cooling, the furnace temperature reached room temperature, the sample was taken out and stored in a desiccator. It was used as a raw material.

[표 1] xCaO-(100-x)SiO2 겔을 제조하기 위한 출발 원료의 양. TABLE 1 Amount of starting raw material to prepare xCaO- (100-x) SiO 2 gels.

CaO-SiO2CaO-SiO 2 Gel 출발원료 양(g)Starting material amount (g) TEOS [Si(OCH2CH3)4]TEOS [Si (OCH 2 CH 3 ) 4 ] Ca(NO3)2·4H2OCa (NO 3 ) 2 .4H 2 O PEGPEG 62% HNO3 62% HNO 3 100SiO2 100 SiO 2 6.51006.5100 -- 0.700.70 0.81000.8100 5CaO-95SiO2 5CaO-95SiO 2 6.18456.1845 0.3650.365 0.6650.665 0.76950.7695 10CaO-90SiO2 10CaO-90SiO 2 5.85905.8590 0.7300.730 0.6300.630 0.72900.7290 15CaO-85SiO2 15CaO-85SiO 2 5.53355.5335 1.0951.095 0.5950.595 0.68850.6885 20CaO-80SiO2 20CaO-80SiO 2 5.20805.2080 1.4601.460 0.5600.560 0.64800.6480 25CaO-75SiO2 25CaO-75SiO 2 4.88254.8825 1.8251.825 0.5250.525 0.60750.6075 30CaO-70SiO2 30CaO-70SiO 2 4.55704.5570 2.1902.190 0.4900.490 0.56700.5670

실시예 2: PMMA/CaO-SiOExample 2: PMMA / CaO-SiO 22 시멘트의 제조 Manufacture of cement

실시예 1에서 제조한 xCaO-(100-x)SiO2 겔을 칭량하고 PMMA 분말을 자제 유발을 이용하여 30분간 섞었다 (도 1). 이때 PMMA 분말과 xCaO-(100-x)SiO2의 혼합비는 표 2와 같다.The xCaO- (100-x) SiO 2 gel prepared in Example 1 was weighed and the PMMA powder was mixed for 30 minutes using magnetic induction (FIG. 1). At this time, the mixing ratio of PMMA powder and xCaO- (100-x) SiO 2 is shown in Table 2.

[표 2] PMMA 분말과 xCaO-(100-x)SiO2의 혼합조성[Table 2] Mixing composition of PMMA powder and xCaO- (100-x) SiO 2

시료sample PMMA (g)PMMA (g) xCaO-(100-x)SiO2 (g)xCaO- (100-x) SiO 2 (g) 100P100P 1010 -- 95P-5C* 95P-5 C * 9.59.5 0.50.5 90P-10C 90P-10 C 99 1One 85P-15C 85P-15 C 8.58.5 1.51.5 80P-20C 80P-20 C 88 22 75P-25C 75P-25 C 7.57.5 2.52.5 70P-30C 70P-30 C 77 33 65P-35C 65P-35 C 6.56.5 3.53.5 60P-40C 60P-40 C 66 44 55P-45C 55P-45 C 5.55.5 4.54.5 50P-50C 50P-50 C 55 55 45P-55C 45P-55 C 4.54.5 5.55.5 40P-60C 40P-60 C 44 66 35P-65C 35P-65 C 3.53.5 6.56.5 30P-70C 30P-70 C 33 77 25P-75C 25P-75 C 2.52.5 7.57.5 20P-80C 20P-80 C 22 88 15P-85C 15P-85 C 1.51.5 8.58.5 10P-90C 10P-90 C 1One 99 5P-95C 5P-95 C 0.50.5 9.59.5 100C 100 C -- 1010

*P는 PMMA를 나타내고, C는 xCaO-(100-x)SiO2를 나타낸다.* P represents PMMA and C represents xCaO- (100-x) SiO 2 .

표 2와 같은 분말 혼합체 0.971g에 대해 경화 개시제로서 벤졸퍼옥사이드(benzoyl peroxide)를 0.029g을 넣어 다시 30분간 자제 유발로 섞었다. 경화용액(이하 MMA 용액이라 함)은 액상의 MMA 0.992g에 대해 디메틸-파라-톨루엔(N,N-dimethyl-p-tolune)을 0.008g 혼합하여 제조하였다. 상기의 분말 혼합체에 MMA 용액을 첨가하여 시멘트를 만든 다음, 몰드(mould)에 넣어 실린더 타입으로 성형하고 경화될 때까지의 시간을 측정하여 세팅 시간으로 하였다. 시멘트 제조시 분말 혼합체와 MMA 용액의 비는 중량비로 2:1이 되도록 하였다.About 0.971 g of the powder mixture as shown in Table 2, 0.029 g of benzoyl peroxide as a curing initiator was added and mixed again by induction of 30 minutes. The curing solution (hereinafter referred to as MMA solution) was prepared by mixing 0.008 g of dimethyl-para-toluene (N, N-dimethyl- p- tolune) based on 0.992 g of liquid MMA. MMA solution was added to the powder mixture to form a cement, which was then put into a mold to form a cylinder, and the time until curing was measured to be a setting time. The ratio of the powder mixture and the MMA solution in cement production was 2: 1 by weight ratio.

실시예 3: 유사체액을 이용한 생체활성의 평가Example 3: Evaluation of Bioactivity Using Analog Fluids

생체 밖 테스트를 위해, 표 3와 같이, 사람 혈장의 무기이온 농도와 같은 이온 농도를 가지는 유사체액을 NaCl, NaHCO3, KCl, K2HPO4 ·3H2O, MgCl2 ·6H2O, 1N HCl, CaCl2, Na2SO4의 순서대로 상기 폴리에틸렌 비이커의 증류수 속에 첨가하며 제조하였다. 이때, 시약은 먼저 넣은 시약이 완전히 녹은 것을 확인한 후 다음 시약을 넣었다.For in vitro testing, analogs with ionic concentrations equal to the inorganic ions concentrations in human plasma, as shown in Table 3, were prepared using NaCl, NaHCO 3 , KCl, K 2 HPO 4 · 3H 2 O, MgCl 2 · 6H 2 O, 1N HCl, CaCl 2 , Na 2 SO 4 It was prepared by adding in the distilled water of the polyethylene beaker. At this time, the reagent was added to the first reagent after confirming that the first reagent is completely dissolved.

최종적으로 비이커 속의 용액의 pH가 36.5℃에서 7.25가 되도록 트리스-완충액(Tris-hydroxymethyl aminomethane: (CH2OH)3CNH2)과 1N-HCl 용액을 사용하여 조절하였다. 폴리스틸렌 병 속에 30㎖의 유사체액(Simulated body fluid)을 넣은 후, 복합체로부터 10 x 15 x 1.5 mm3 크기를 가지는 시료를 잘라 그 속에 침적하였다. 뚜껑을 닫은 후, 사람의 체온인 36.5℃와 같은 온도로 조절한 인큐베이터(incubator) 속에 폴리스틸렌 병을 넣어 일정기간 방치하였다.Finally, the pH of the solution in the beaker was adjusted to 7.25 at 36.5 ° C. using Tris-buffer (Tris-hydroxymethyl aminomethane: (CH 2 OH) 3 CNH 2 ) and 1N-HCl solution. After putting 30 ml of simulated body fluid into a polystyrene bottle, a sample having a size of 10 x 15 x 1.5 mm 3 was cut out of the complex and deposited therein. After closing the lid, the polystyrene bottle was placed in an incubator adjusted to a temperature of 36.5 ° C., which is a human body temperature, and left for a certain period of time.

시료를 36.5℃의 유사체액 속에 일정 기간 침적한 후, 시료를 꺼내어 증류수로 잘 씻은 후 대기 중에서 자연 건조시켰다. 그 표면을 박막 X선 회절 분석(Thin film X-ray diffraction), FT-IR 리플렉션 스펙트로스코피(reflection spectroscopy) 및 주사전자 현미경 관찰을 행하였다.After the sample was immersed in the analog liquid at 36.5 ° C. for a certain period of time, the sample was taken out, washed well with distilled water, and then dried in air. The surface was subjected to thin film X-ray diffraction, FT-IR reflection spectroscopy and scanning electron microscopy.

박막 X선 회절 분석의 경우 시료 표면은 입사 빔(beam)에 대하여 1°가되도록 고정시켰다. FT-IR 리플렉션 스펙트로스코피는 위 경우 반사각은 75°로 고정시켰다. 이 두 가지 측정 기술은 약 1㎛ 두께의 표면 분석을 가능하게 하는 것으로 알려져 있다.In the case of thin film X-ray diffraction analysis, the sample surface was fixed to 1 ° with respect to the incident beam. FT-IR reflection spectroscopy fixed the reflection angle at 75 ° in the above case. Both measurement techniques are known to enable surface analysis of about 1 μm thickness.

[표 3]TABLE 3

인간 체액과 유사체액(SBF)의 이온 농도(mM)Ion Concentrations (mM) in Human Body Fluid and Analog Fluid (SBF) Na+ Na + K+ K + Mg2+ Mg 2+ Ca2+ Ca 2+ Cl- Cl - HCO3 - HCO 3 - HPO4 2- HPO 4 2- SO4 2- SO 4 2- 체액body fluids 142.0142.0 5.05.0 1.51.5 2.52.5 147.8147.8 4.24.2 1.01.0 0.50.5 SBFSBF 142.0142.0 5.05.0 1.51.5 2.52.5 147.8147.8 4.24.2 1.01.0 0.50.5

도 2는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO2 겔 분말을 중량비로 90:10으로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료를 박막 X선 회절 분석기로 분석한 X선 회절패턴이다. 유사체액에 넣기 전에는 PMMA 골 시멘트의 회절에 기인하는 비정질의 회절패턴만을 볼 수 있다. 침적 1주일 후에도 회절 패턴에는 변화가 없으나 유사체액 침적 후 2주일 후에는 아파타이트에 기인하는 회절 패턴이 나타남을 볼 수 있다. 따라서 PMMA 분말과 20CaO-80SiO2 겔 분말을 중량비로 90:10으로 혼합하여 제조한 골 시멘트는 유사체액 속에서 아파타이트를 형성함을 알 수 있었다.FIG. 2 is an X-ray diffraction pattern of a sample obtained by adding bone cement prepared by mixing PMMA powder and 20CaO-80SiO 2 gel powder in a weight ratio of 90:10 to an analogous liquid by a thin film X-ray diffraction analyzer. Prior to incorporation into the analogous fluid, only amorphous diffraction patterns due to diffraction of PMMA bone cement can be seen. There is no change in the diffraction pattern even after one week of deposition, but two weeks after the deposition of the analogous liquid, the diffraction pattern due to apatite appears. Therefore, it was found that bone cement prepared by mixing PMMA powder and 20CaO-80SiO 2 gel powder in a weight ratio of 90:10 forms apatite in the analog liquid.

도 3은 PMMA 분말 대신에 10wt%의 20CaO-80SiO2 겔 분말을 첨가하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 경우 표면의 구조변화를 주사전자현미경으로 찍은 사진이다. 유사체액에 침적하기 전의 표면에는 구형의 PMMA분말과 20CaO-80SiO2 겔 분말을 볼 수 있으나, 침적 후 2주일 후에는 인편상(leaflike)의 아파타이트 입자가 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.Figure 3 is a photograph taken by scanning electron microscopy of the structural change of the surface when the bone cement prepared by adding 10wt% 20CaO-80SiO 2 gel powder instead of PMMA powder into the analog solution. The spherical PMMA powder and 20CaO-80SiO 2 gel powder can be seen on the surface before being deposited in the analogous fluid, but two weeks after the deposition, leaflike apatite particles are formed.

도 4는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO2 겔 분말을 중량비로 70:30으로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료를 박막 X선 회절 분석기로 분석한 X선 회절패턴이다. 유사체액에 넣기 전에는 도 2와 마찬가지로 PMMA 골 시멘트의 회절에 기인하는 비정질의 회절패턴만을 볼 수 있다. 그러나 침적 1주일 후에 아파타이트에 기인하는 회절 패턴이 나타남을 볼 수 있다. 따라서 PMMA 분말에 대한 20CaO-80SiO2 겔 분말의 첨가량을 증가시키면 유사체액 속에서 그 표면에 아파타이트를 형성하는 속도가 빨라짐을 알 수 있었다.FIG. 4 is an X-ray diffraction pattern of a sample obtained by mixing bone cement prepared by mixing PMMA powder and 20CaO-80SiO 2 gel powder in a weight ratio of 70:30 in an analogous liquid by a thin film X-ray diffraction analyzer. Prior to addition to the analogous fluid, only amorphous diffraction patterns due to diffraction of PMMA bone cement can be seen as in FIG. However, one week after the deposition, it can be seen that the diffraction pattern due to the apatite appears. Therefore, it was found that increasing the amount of 20CaO-80SiO 2 gel powder added to PMMA powder accelerated the formation of apatite on the surface of the analog liquid.

도 5는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO2 겔 분말을 중량비로 70:30으로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료 표면의 구조변화를 주사전자현미경으로 찍은 사진이다. 도3과 비교하여 20CaO-80SiO2 겔 분말을10%에서 30중량비로 첨가함에 따라 아파타이트가 골 시멘트의 표면을 완전히 덮고 있음을 볼 수 있었다. 이 결과는 20CaO-80SiO2 겔 분말을 PMMA 분말에 대해 중량비로 10%에서 30%로 늘리면 아파타이트를 형성하는 속도도 빨라져 뼈와 결합할 수 있는 속도도 빨라 질 수 있다는 것을 나타내는 것이다.5 is a photograph taken with a scanning electron microscope of the structural change of the sample surface after the bone cement prepared by mixing PMMA powder and 20CaO-80SiO 2 gel powder in a weight ratio of 70:30 in the analogous liquid. Compared with FIG. 3, it was found that apatite completely covered the surface of bone cement as 20CaO-80SiO 2 gel powder was added at a weight ratio of 10% to 30%. These results indicate that increasing the 20CaO-80SiO 2 gel powder from 10% to 30% by weight relative to PMMA powder can also speed up the formation of apatite and thus the speed of binding to bone.

본 발명에 따른 PMMA/CaO-SiO2 골 시멘트는 유사체액에 침적하였을 때 그 표면에 아파타이트를 형성하므로 뼈와 결합할 수 있다. 또한, 금속, 폴리머, 세라믹스 등을 뼈에 고정시키는 접착제로 사용이 가능하고, 단기간에 뼈와 강하게 결합하 므로 하중 하에서도 사용이 가능하다. 또한 종래의 PMMA 골 시멘트와 마찬가지로 유동성을 가지고 있으므로 골다공증 등에 의해 손상을 입은 부분에 주입하는 주입형(injectable) 골 대체제로도 사용할 수 있다. PMMA / CaO-SiO 2 bone cement according to the present invention can bind to bone because it forms apatite on its surface when deposited in analogous fluid. In addition, it can be used as an adhesive for fixing metals, polymers, ceramics, etc. to the bone, and can be used under load because it is strongly bonded to the bone in a short time. In addition, since it has fluidity as in the conventional PMMA bone cement, it can be used as an injectable bone substitute injected into a part damaged by osteoporosis or the like.

따라서, 본 발명에 따른 골 시멘트는 정형외과에서 인공 관절 등의 임플란트 고정에 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 뼈나 치아의 수복, 결손부의 보전 등과 정형외과, 뇌외과, 성형외과, 구강외과 영역 등 폭넓은 분야에서의 응용이 가능하며, DDS(Drug Delivery System)에 유용한 약물 담체로도 응용이 가능하다.
Therefore, the bone cement according to the present invention can be used not only for fixing the implants such as artificial joints in orthopedic surgery, but also for the repair of bones and teeth, the maintenance of defects, and orthopedic surgery, brain surgery, plastic surgery, oral surgery, etc. It is possible to apply to the drug, it is also possible to use as a drug carrier useful in the drug delivery system (DDS).

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
Simple modifications and variations of the present invention can be readily used by those skilled in the art, and all such variations or modifications can be considered to be included within the scope of the present invention.

Claims (7)

PMMA 분말 및 다음의 단계를 거쳐 제조되는 3 내지 90 중량%의 CaO-SiO2 겔을 함유하는 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물:Mixture for preparing bioactive bone cement containing PMMA powder and 3 to 90% by weight of CaO-SiO 2 gel prepared by the following steps: (a) Ca(NO3)·4H2O 및 PEG의 혼합 수용액에 TEOS(tetraethoxysilane: Si(C2H5O4))를 첨가하고 교반하는 단계;(a) adding and stirring TEOS (tetraethoxysilane: Si (C 2 H 5 O 4 )) to a mixed aqueous solution of Ca (NO 3 ) .4H 2 O and PEG; (b) 상기 교반된 혼합물을 약 40℃의 오븐에 넣어 습윤 겔을 만들고 10시간 이상 숙성시키는 단계; 및(b) placing the stirred mixture in an oven at about 40 ° C. to make a wet gel and to mature for at least 10 hours; And (c) 상기 숙성된 겔에서 PEG를 제거하고 약 40℃의 오븐에서 건조하는 단계.(c) removing PEG from the aged gel and drying in an oven at about 40 ° C. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, CaO-SiO2 겔의 CaO : SiO2는 몰비로 2:98 ~ 30:70인 것을 특징으로 하는 혼합물.The mixture of claim 1, wherein CaO: SiO 2 of the CaO—SiO 2 gel is in a molar ratio of 2:98 to 30:70. 제1항 또는 제4항의 혼합물에 MMA 용액을 첨가하여 경화하는 것을 특징으로 하는 PMMA/CaO-SiO2 골 시멘트의 제조방법.Method for producing PMMA / CaO-SiO 2 bone cement, characterized in that the curing by adding MMA solution to the mixture of claim 1 or 4. 삭제delete 삭제delete
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