KR100667619B1 - 생활성 이식재 및 그의 생활성 이식재 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인간체 및 동물체용 이식재에 관한 것으로서, 상기 이식재는 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹으로 적어도 부분적으로 구성된다. 본 발명의 이식재는 세라믹, 유리 또는 유리-세라믹재의 옥시드 화합물로부터 형성되는 수산화 화합물을 그들의 표면에 포함한다. 상기 이식재는 특히, 라이 처리를 이용하여 제조될 수 있다.
이식재, 옥시드 화합물, 세라믹, 유리 또는 유리-세라믹, 라이

Description

생활성 이식재 및 그의 생활성 이식재 제조방법{Bioactive Implants and Processes for Their Production}
본 발명은 인간체 또는 동물체에 이용되는 생활성 이식재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹으로 적어도 부분적으로 구성된 이식재에 관한 것으로서, 상기 이식재는 이후에 사용되는 형태로 제조된다.
의약 기술에 공지되어 있고, 이용되는 이식재는 특히 정형외과 및 치과 보철분야에서 보철 또는 골 (뼈) 대치재로 사용된다. 금속, 플라스틱 및 무기-비-금속성물질 (유리, 세라믹 및 결합제) 및 상기 기술한 물질 그룹의 복합체가 이용된다. 따라서, 바이오세라믹의 가장 잘 알려진 예는 알루미늄 옥시드-세라믹으로 제조된 고관절 헤드이다. 상기 이식재는 분말-야금법으로 알루미늄 옥시드 분말로부터 제조된다. 합성 재료는 마무리되고, 등압압축형성된 다음, "생 (green)" 또는 "박 (white)" 상태, 즉 압축상태 또는 예비발화 상태 동안 가공되며, 이어 소결되고, 등압 재소결된 다음 연마와 광택을 위해 경-가공된다.
예를 들면, 알루미늄 옥시드와 같은 순수 경화 세라믹으로 제조된 공지의 이식재는 최상의 마멸 강도를 보여주며, 상기 마멸 강도는 예를 들면 인공 고 관절과 같은 관절 보철용에 특히 상당히 중요하다. 그러나, 순수 알루미늄 옥시드로부터 제조된 보철은 실질적으로는 성공을 거두지 못하고 있고, 이는 초기 소성 (loosening)속도가 매우 크기 때문이다. 상기 결과는 알루미늄 옥시드 세라믹이 생물학적 불활성이란 사실에 기인하며, 즉, 생체 조직이 이식재 내로 또는 이식재 표면으로 활발한 성장이 일어나지 않기 때문이고, 그러나 섬유성 조직 중간층은 형성된다. 상기의 사실은 특히 이식재의 특정 스트레스가 주위 조직에 작용하는 부위 내에서 생체 조직의 적절한 재처리를 유도하며, 이는 상기 스트레스 피크를 다른 부위로 전이시키며, 이어 상기 다른 부위는 조직의 재처리가 이루어진다.
예를 들면 히드록실아파티트 또는 트리칼슘 포스페이트와 같은 생활성재는 뼈의 우수한 내향 성장/전방 성장을 보여주지만, 스트레스에 안정하지 못하며 따라서 보철용으로 적합하지 못하고, 골 대치재로서 제한적이다. 보철과 관련된 금속-폴리에틸렌, 금속-금속 또는 세라믹-세라믹과 같은 재료의 조합으로 구성된 생활성재와 관련된 이식재 및 제조공정이 당업계에 공지되어 있다. 세라믹-세라믹 조합은 최상의 마멸강도를 보여준다. 순수 알루미늄 옥시드세라믹은 지금까지 이용되어 왔던 알루미늄 옥시드로부터 제조된 세라믹의 생물학적 불활성 및 그로 인한 큰 초기 소성속도 때문에 사용되지 않는다. 그러나, 활주성 (미끄러짐) 표면을 위한 세라믹 및 조직 접촉을 위한 금속 합금의 조합으로 구성된 이식재 및 그 의 제조공정이 공지되어 있다. 적절한 금속, 특히 티타늄 및 코발트-크롬-몰립덴 합금이 있다. 재료 기술의 관점에서 보면, 상기한 재료의 조합은 특히 기계적으로큰 스트레스를 받는 보철에 적합하고, 골 접촉을 갖는 이식재의 기초체는 연성의 금속으로 구성되며 경첩 작용을 하는 일부분 (헤드 또는 소켓)은 특히 마멸-내성 경세라믹으로 구성된다. 상기 세라믹의 성분들은 예를 들면, 금속 기초체에 놓여질 수 있다. 사용된 금속 또는 금속 합금이 또한 생물학적 불활성이지만, 상기 기술한 이식재를 사용하면 약 10 년 내지 15 년 정도의 서비스 수명이 달성될 수 있다. 그러나, 최근에 상기 이식재의 경우에는, 소성과정이 더욱 진행되어 예를 들면, 고 관절 보철의 기능을 하는 능력이 크게 위협받고 있다. 금속으로 부터 순수하게 제조된 당업계의 종래 이식재는 상당한 소성을 보여준다. 당업계의 종래 이식재는 충분하지 않은 피로 내구성 이외에, 경 세라믹로부터 제조된 이식재 보다 낮은 마멸강도를 갖는다.
상기 공지된 이식재의 생활성을 개선하기 위하여, 최근에는 히드록실아파티드 세라믹으로 생물학적 불활성 재료로 구성된 이식재의 표면을 코팅하는 것이 제안되었다. 상기 목적을 달성하기 위하여, 약 100 내지 200 ㎛ 두께의 히드록실아파티드층은 특히, 보철의 스트레스를 가장 많이 받는 부위에, 플라즈마-스프레이 방법에 의해 코팅된다. 상기 보철 상에서의 뼈의 세팅은 상기생활성 표면의 도움으로 개선되며, 따라서 보다 친화적인 뼈-이식재와 접촉이 제공된다. 상기한 코팅 공정은 단기간 동안에만 유용되기 때문에, 장기간의 결과는 지금까지 부족하다. 그러나 상기한 보철의 초기 결과는 고무적인 것이다. 기초재 및 코팅재가 서로 다른 강성도 및 물성을 나타내기 때문에, 히드록실아파티드 층이 과도한 스트레스 하에서 박탈될 수 있는 것이 상기의 코팅 방법의 단점으로 간주된다. 상기 이식재의 또 다른 단점은 복잡한 공정에 의해 야기되는 이식재의 고가성이다.
본 발명의 목적은 한편으로는 기계적으로 고도의 스트레스를 받을 수 있고 우수한 마멸강도를 갖으며, 다른 한편으로는 체내 조직에 대한 우수한 전방 성장양상의 특성이 있고 간단하고 효율적인 가격으로 생산되며, 또한 특히 보철용으로 사용할 수 있는 이식재를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 기계적으로 고도의 스트레스를 받을 수 있는 생활성 이식재 및 이식재를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 이식재이며, 상기 이식재는 후에 인간체 또는 동물체용으로 이용될 수 있는 형태로 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹으로 적어도 부분적으로 구성되며 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹의 옥시드 화합물로부터 반응에 의해 형성된 수산화 화합물을 갖고, 상기 수산화 화합물은 표면에 접하여 있으며, 세라믹, 유리 및/또는 유리 세라믹 표면의 적어도 일부분상에 근접되어 있다. 본 발명에 따르는 경우, 본 발명의 옥시드-세라믹 이식재에 있어서, 상기 옥시드 화합물의 적어도 일부분이 세라믹, 유리 또는 유리-세라믹 표면의 적어도 일부분 상에서 수산화 화합물로 전환된다. 이에 의해 접착 속도 및 세포 증식의 증가가 이루어지며, 예를 들면, 이식재의 표면에서 조골세포가 자라난다. 장기간 안정성은 개선된 전방 성장 양상에 의해 현저히 증가된다. 실질적으로는, 상기 이식재는 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹만을 사용하는 경우에도 즉, 생물학적 불활성재를 이용하는 경우에도, 표적 세포 (특히, 조골세포)의 초기 접착이 증가되는 것이 특징이며, 이는 그의 표면에 생성되는 수산화 화합물에 의해 야기된다. 이는 상기 이식재의 상당히 개선된 장기간 탈피시간을 야기하며 예를 들면, 관절 보철로 이용되는 경우 뿐만 아니라 치과용 및 정형 외과용으로 이용되는 경우에도 그러하다. 상기한 결과는 특히 알루미늄 옥시드 세라믹으로부터 제조된 이식재에도 적용된다. 수산화 화합물은 향후의 이식재 이용을 위한 형태를 갖는 표면에 미리 형성되는 것이 유리하다. 따라서, 인간체 또는 동물체 내에 이용하기 위한 서로 다른 생활성을 갖는 이식재는 표면에 미리 형성되는 수산화물 화합물의 밀도 및 유형의 차이에 따라 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 이식재를 상당한 생활성 범위에 접근하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 이식재는 변형된 표면에 커플링되는 생적합성 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 목적은 또한 이식재의 제조방법이며, 상기 이식재는 인간체 또는 동물체용으로 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹으로 적어도 부분적으로 구성되며, 상기 방법은 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹을 갖는 상기 이식재의 표면의 적어도 일부분은 라이 (lye)에 노출되는 단계를 포함한다. 라이로 처리된 상기 옥시드 세라믹의 적어도 일부분은 바람직하게는 이후 사용되는 형태로 존재한다.
장기간 지속적 스트레스에도 안정성을 갖는 우수한 생활성 양태 및 우수한 이식 접촉을 나타내는 순수 세라믹 이식재는 본 발명에 의해 실제화될 수 있다. 이용되는 라이의 유형 및 농도 그리고 작동 온도 및 기간에 따라 서로 다른 강도의 “생활성”이 달성될 수 있다. 본 발명에 있어서, 공지의 플라즈마-히드록실아파티드 코팅과 같이, 외래물질의 새로운 층은 적용되지 않으며, 표면에 근접한 유리, 세라믹 또는 유리 세라믹을 포함하는 상기 이식재의 옥시드 화합물이 반응에 의해 전환되어 수산화 화합물을 형성한다. 기체 (substrate)표면의 적어도 부분적인 전환에 의해 얻어지는 상기 기체에 견고하게 고정된 활성화 층의 두께는 아주 얇고, 상기 목적 즉, 전방 성장 양상의 개선을 달성하는데 완전하게 충분하다. 상기 기초체 즉, 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹으로부터 이탈되는 물질 특성을 갖는 층의 박피 위험성은 존재하지 않는다.
본 발명의 한 실시예에 있어서, 라이 및/또는 처리과정 동안 처리되는 이식재의 표면의 온도는 50℃ 이상, 바람직하게는 80℃ 내지 120℃이다. 저 (lower)라이 온도에 대한 작용 기간은 상기와 같은 방법에서 단축될 수 있다.
본 발명의 수산화 화합물의 촉진 형성은 대기압과 비교하여 증가된 압력하에서 일어나는 라이 처리에 의해 또한 달성될 수 있다. 본 발명의 방법은 이식재가 라이의 중탕에서 적어도 부분적으로 함침되는 경우에 특히 간단하게 실시된다.
특히, 본 발명의 유리한 실시예에 따르면 상기 이식재는 알루미늄 옥시드 세 라믹을 포함하며 상기 라이는 30% 농도의 수산화 나트륨 용액이다. 라이, 예를 들면 수산화 나트륨 용액 및 다른 강성 라이, 예를 들면 무기 라이는 높은 수용액 농도에서의 라이로 일반적으로 이용될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예에 따르면, 처리되는 본 발명의 이식재의 표면 부위 및/또는 처리되는 이식재의 표면 부위에 근접한 라이는 국부적으로 가열된다. 국부적으로 서로 다른 강도의 생활성을 갖는 이식재- 비교적 냉각된 라이로부터 출발되는 이식재-는 상기한 방법에 의해 실제화될 수 있다. 본 발명의 이식재는 전방 성장 양상이 특정 부위에서 특히 촉진되고, 다른 부위는 가능한 생물학적 불활성으로 남는 경우에 본 발명의 이식재가 특히 유용하다.
수산기화 표면 부위의 정확한 치수 및 공간 분포는 라이의 처리가 펄스 레이저 방사에 의해 이루어지는 경우에 실제화될 수 있다.
따라서, 본 발명의 방법의 추가적인 개선에 따르면, 라이에 노출되어 있는 이식재의 표면 부위의 적어도 일부분에 생활성 물질이 커플링되어 있다. 상기 생활성 물질은 예를 들면, 단백질, 예컨대, 피브로넥틴 또는 펩티드 서열, 예를 들면, RGD 결합 서열 또는 골 유도 재료의 활성 그룹, 예를 들면, BMP이다. 또한 커플링이 될 수 있는 적합한 재료는 예를 들면, 칼슘 포스페이트 또는 특정한 재료들이다. 뼈의 내향 성장 양상의 특정한 조절이 상기한 방법에 의해 가능하다.
본 발명에 따른 이식재는 당업계의 기술 수준에 의해 제조된 이식재보다 간단하고 비용적인 면에서 보다 효율적으로 생산될 수 있다. 복합체 이식재 또는 경 세라믹과 금속과 같은 재료의 조합 또는 히드록실아파티드로 코팅된 이식재와 비교하여, 본 발명의 생산비는 상당히 저가이다. 예를 들면, 본 발명의 이식재가 알루미늄 옥시드 세라믹으로 구성되며, 수산화 나트륨 용액으로 처리되는 경우에 매우 우수한 결과가 달성될 수가 있다.
본 발명은 이식재의 제조 양상에 따른 전형적인 실시예로 보다 상세하게 하기에 예시되어 있다.
도 1은 소-앵글 X-선 회절법으로 기록된 본 발명의 활성화된 알루미늄 옥시드 이식재의 표면 부위의 상 다이어그램;
도 2는 당업계의 기술 수준에 따라 제조된 이식재의 표면에 AP 색법에 의하여 가시화된 표적세포를 나타내는 사진;
도 3은 본 발명의 이식재에 대한 라이에 미리 노출된 표면을 나타내는 도 2와 유사한 사진;
도 4는 활성 기간에 대한 세포수의 의존성을 나타내는 막대 그래프;
도 5는 활성 기간에 대한 접착의 의존성을 나타내는 막대 그래프; 및
도 6은 활성 기간에 대한 포스파타아제 분비의 의존성을 나타내는 막대 그래 프.

롤러 벤취에서 약 24 시간 동안 절단된 슬립을 접착제인 폴리비닐 알코올 및 액화제인 폴리카복실산을 첨가함으로서 임상용으로 허용되는 세라믹 알루미늄 옥시드 분말로부터 제조하였다. 상기 접착제의 중량비는 건조물질에 기초하여 2%이고, 액화제의 중량비는 0.3%이다. 탈이온수:고체의 비율은 35:65이었다. 액화 과정 후 스프레이-건조단계 전에 기포억제제를 첨가하였고, 상기 기포억제제 중량비는 0.05%이었다. 특정 이식재의 생 압축물을 적절한 압축 주형을 이용하여 순차적으로 제조하였다. 압축 압력은 약 100 MPa였다. 이어지는 세라믹 연소는 간접 연소 오븐에서 실시하였다. 유기 보조물의 탈 결합이 약 2시간 동안 500℃에서 일어났고, 실질적인 세라믹 연소는 마찬가지로 2시간 동안 1,600℃에서 일어났다. 상온 온도에서 탈결합 온도까지, 탈결합 온도에서 소결 온도까지 및 소결 온도에서 상온 온도까지의 온도 구배는 2 내지 3 K/분이었다.
상기 소결된 이식재를 추가적인 표면 공정없이 직접 플라스크로 투입시켰으며, 상기 플라스크에는 처리에 이용되는 수산화 나트륨 용액이 담겨있다. 상기 이용되는 플라스크는 부식이 일어나지 않는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 폴리테트라플루오로아크릴레이트 (PTFA) 플라스틱으로 제조된 제품이다. 이용되는 30% 농도의 수산화 나트륨용액 (30 중량%)을 가열 맨틀로 90℃ 내지 110℃까지 가열하였다. 장치의 연속 공정은 상기 액상의 회수에 의해 환류 냉각기의 도움으로 달성되었다. 요구되는 활성 정도에 따라서, 선택된 이식재 표면의 라이의 처리를 12 시간 내지 96 시간 동안 대기 압력에서 실시하였다.
상기의 방법에 의해 제조되는 알루미늄 옥시드 이식재는 순수한 상이다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 이식재 표면상에서의 알루미늄 옥시드로부터 알루미늄 수산화물로의 전환을 소-앵글 X-선 회절법으로 관찰되었다. 다이어스포어 및 베마이트로 표시된 무기상이 발생하고, 상기 다이어스포어 및 베마이트의 수산기들은 생활성 물질 양상을 야기한다.
처리되지 않은 순수 알루미늄 옥시드 세라믹으로 제조된 이식재 및 표면이 수산화 나트륨으로 처리된 본 발명의 이식재의 서로 다른 전방 성장 양상의 비교는 도 2 및 도 3에서 가능하고, 상기 두 도면은 40배 확대한 것이다. 따라서, 조골세포가 세라믹에 접착된 것을 알카린 포스파타아제 발색법을 이용하여 확인하였다 (음영 부분). 도 2에서 각 세포들에서 발색되었다 (종래의 AL2O3 세라믹). 도 3에서 AP-포지티브세포의 세포수가 증가 되었으며 (생활성 표면을 가진 본 발명의 이식재), 일명 "군락" (AP-양성세포 매스)이 형성되었고, 이는 후에 무기화 중심 부위가 되며, 세포 분화의 발전 양상으로 증명이 되었다. 상기한 결과는 본 발명의 이식재가 매우 높은 생활성이 있는 것을 확인하여 주었다.
도 4는 비처리 대조군 세라믹과 비교한 본 발명의 이식재에 대한 인간 조골세포의 접착 속도를 나타내며, 상기 접착속도는 배양 7 일 후에 NaOH에서의 활성 기간 (12 시간 내지 4일)의 함수로서 나타낸 것이다. 처리되지 않은 세라믹 (대조군) 보다 본 발명의 이식재 상에 세포의 수가 20-45% 더 많다. 대조군과의 차이는 * 으로 표시된 샘플의 경우 p〈 0.05에서 통계적으로 유의성 있다.
본 발명의 방법은 전형적인 이식재로서 후에 이용되는 주형 뿐만 아니라 동일한 출발재 (세라믹, 유리, 유리 세라믹)로 구성된 담체를 위해 실시될 수 있으며, 상기 출발재는 생활성 물질의 특정 커플링에 의해 인공 기관용 출발 베이스로서 작용할 수 있다.
인간 조골세포는 이식 기술에 의해 제거된 고관절로부터 얻었다. 상기의 경우, 뼈는 1 ㎜ 조각으로 페트리 접시에서 분쇄하여 방치하였다. 배양은 10% 우 혈청 및 1% 페니실린/스트렙토마이신이 첨가된 둘베코 DMEM 배지에서 실시하였다. 3주 후, 유착되어 있고 완전히 성장된 세포를 계대 배양시켰고, 이어서 2주 후에 새로 반복하여 계대 배양하였으며, 시험체 (직경 22 ㎜)에 4 ×104의 세포가 생성되었다. 24시간 후에 접착을 확인하였고, 7일 후에 세포 독성 및 단백질 분비/무기화를 확인하였다.
세포 독성 또는 성장 억제의 증후는 발견되지 않았다. 세포 접착은 활성 기간인 24, 48 및 96 시간 이후에 처리되지 않은 시험체와 비교하여 최대 120% (p〈 0.05)까지 증가하였다. 분화의 표시로서의 알카린 포스파타아제의 분비는 활성 기간인 24 시간 및 48 시간 후에 대조군과 비교하여 최대 130%까지 현저히 증가하였다. 오스테오칼신 분비에 관하여 차이는 없었고, 무기화는 모든 샘플에서 관찰되었다. 생물학적 불활성 옥시드 세라믹의 생활성은 도 5 및 도 6의 그래프에 제시된 결과로부터 명백하게 증명되었다. 6 차례의 실험을 실시한 후에 평균 값 및 표준 오차는 대조군의 %로 표시되어 나타나 있다.

Claims (12)

  1. 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹으로 이루어진 인간체 또는 동물체용 이식재에 있어서 상기 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹 표면의 적어도 일부분상에 옥시드 화합물로부터 형성된 수산화 화합물을 갖는 것을 특징으로 하는 이식재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이식재는 알루미늄 옥시드를 포함하며 상기 이식재의 표면상에는 알루미늄 옥시드로부터 형성된 수산화 화합물을 갖는 것을 특징으로 하는 이식재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 표면의 수산화 화합물은 생활성 물질과 결합된 것을 특징으로 하는 이식재.
  4. 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법에 있어서, 세라믹, 유리 또는 유리세라믹으로 이루어져 있고, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹을 갖는 상기 이식재의 표면의 적어도 일부분은 라이(lye)에 노출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 라이 또는 상기 처리되는 이식재 표면의 온도는 50℃ 이상인 것을 특징으로 하는 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 라이의 처리 단계는 대기압과 비교하여 증가된 압력 하에서 실시 되는 것을 특징으로 하는 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 이식재는 라이의 중탕에서 적어도 부분적으로 함침되는 것을 특징으로 하는 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 이식재는 알루미늄 옥시드 세라믹을 포함하며 상기 라이는 30% 농도의 수산화 나트륨 용액인 것을 특징으로 하는 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 처리되는 이식재의 표면 부위 또는 처리되는 이식재의 표면 부위에 근접한 라이는 국부적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 라이에 노출된 이식체의 적어도 일부분은 특정의 생활성 물질과 결합되는 것을 특징으로 하는 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 라이 또는 상기 처리되는 이식재 표면의 온도는 80℃ 내지 120℃인 것을 특징으로 하는 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 방법은 펄스 레이저 방사 방법으로 가열되는 것을 특징으로 하는 인간체 또는 동물체용 이식재의 제조방법.
KR1020017007702A 1998-12-18 1999-12-17 생활성 이식재 및 그의 생활성 이식재 제조방법 KR100667619B1 (ko)

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