KR100778071B1 - 용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자생체복합체의 제조방법. - Google Patents

용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자생체복합체의 제조방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융함침(melt infiltration)공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법에 관한 것으로서,
보다 상세하게, 다공질 기지체와 성형보조제를 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 습식볼밀을 한후 건조시키는 세라믹분체 제조공정과 상기의 세라믹분체에 기공형성체를 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 건식볼밀을 하는 다공질 소결체 제조공정과 상기의 다공질 소결체를 압축기를 이용하여 디스크타입으로 성형하는 다공질 소결체 성형공정과 상기의 성형된 다공질 소결체를 탈지한 후 소결하는 탈지 및 소결공정과 상기의 탈지 및 소결된 다공질 소결체를 생체고분자에 장입시키는 용융함침 공정으로 이루어진 용융함침(melt infiltration)공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법에 관한 것이다.
용융 함침(melt infiltration), 세라믹, 생체고분자, 생체복합체

Description

용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법. {Fabrication of porous ceramic-polymer biocomposites for medical application by melt infiltration process.}
도 1은 생체고분자를 용융함침 공정을 이용하여 세라믹-고분자 생체복합체를 제조하는 공정도이다.
도 2는 생체고분자인 구형의 PMMA를 기공형성제로 사용하여 제조한 다공질 세라믹 소결체의 주사전자현미경(SEM)사진이다.
도 3은 다공질 소결체 내에 용융함침 공정 후 세라믹-고분자 생체복합체의 주사전자현미경(SEM)사진이다.
본 발명은 다공질 기지체와 성형보조제를 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 습식볼밀을 한 후 건조시키는 세라믹분체 제조공정과 상기의 세라믹분체에 기공형성체를 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 건식볼밀을 하는 다공질 소결체 제조공 정과 상기의 다공질 소결체를 압축기를 이용하여 디스크타입으로 성형하는 다공질 소결체 성형공정과 상기의 성형된 다공질 소결체를 탈지한 후 소결하는 탈지 및 소결공정과 상기의 탈지 및 소결된 다공질소결체를 생체고분자에 장입시키는 용융함침 공정으로 이루어진 용융함침(melt infiltration)공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 골 이식의 고전적이며 보편적인 방법은 자가 골 이식(autograft)이다. 자가 골은 골융합이 빠르고 확실하게 일어나며, 감염성 질환의 전염이나 면역 반응의 위험성이 없는 장점이 있다. 그러나 때로는 충분한 양의 이식 골을 구하기가 어렵고, 공여 부위(donor site)에 합병증이 발생하는 문제점이 있다. 골 은행(bone bank)을 통한 동종 골 이식(allograft)이나 이종 골 이식(xenograft)은 이식 골을 구하기가 어렵거나, 감염성 질환의 전염 위험, 면역 반응과 함께 골유합의 지연 등의 문제 때문에 만족스럽지는 못하다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 최근 생체세라믹과 생체고분자 복합체의 조합으로 골 충진제 재료들의 기계적 특징을 개선하기 위해 많은 연구가 활발하게 진행되고 있다. 소결체 및 다공질체를 제조하기 위하여 종래의 제조방법은 Thermally induced phase separation, Solvent casting/particle leaching, Solid free-from, Micro-sphere sintering, Scaffold coating이 있으며, 종래의 제조방법의 장점과 단점은 하기 표1을 통해 알 수 있다.
표 1 : 종래의 제조방법의 장점과 단점
종래의 제조방법 장 점 단 점
열유도 상분리법 (thermally induced phase separation, TIPS) - 높은 기공률 (95%) - 높은 개기공 (interconnected pore)구조 - 이방성, 튜블러 기공 가능 - 공정 시간이 매우 큼 - 수축현상 발생 - 소규모 제품에만 가능 - 유기체 용매를 사용함
미세분말 석출법 (solvent casting/particulate leaching, SC/PL) - 기공률의 제어가 가능 - 개기공의 제어가 가능 - 등방성의 구조 - 유기체 용매를 사용함
임의형상 공정 (solid freeform, SF) - 뼈 조직과 유사한 다공질 구조 - 단백질과 세포의 담채로 사용가능 - 좋은 신미성 - 마이크로 크기의 기공제어에 대한 문제점 해결요구 - 유기체 용매를 사용함
마이크로스피어 소결법 (microsphere sintering) - 높은 기공률의 소결체 제조가능 - 기공률의 제어가 가능 - 복잡한 모양의 제조가 가능 - 개기공 제조의 제어 요구 - 유기체 용매를 사용함
scaffold casting/coating - 공정이 간결함 - 기공이 막히기 쉬우며, 표면의 흡수성 및 증착이 매우 약함 - 유기체 용매를 사용함
상기 표1을 통해 알 수 있듯이, 종래의 제조방법은 인체의 친뼈에 비해 기계적 특징이 매우 낮다는 것이 문제점으로 제기되고 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 기지체와 성형보조제를 혼합하여 세라믹분체 제조공정과 상기의 세라믹분체에 기공형성체를 혼합하는 다공질 소결체 제조공정과 상기의 다공질 소결체를 디스크타입으로 성형하는 다공질 소결체 성형공정과 상기의 성형된 다공질 소결체를 탈지한 후 소결하는 탈지 및 소결공정과 상기의 탈지 및 소결된 다공질소결체를 생체고분자에 장입시키는 용융함침 공정으로 이루어진 용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법을 제공하려는 것이다.
본 출원인은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 다공질 기지체와 성형보조제를 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 습식볼밀을 한 후 건조시키는 세라믹분체 제조공정과 상기의 세라믹분체에 기공형성체를 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 건식볼밀을 하는 다공질 소결체 제조공정과 상기의 다공질 소결체를 압축기를 이용하여 디스크타입으로 성형하는 다공질 소결체 성형공정과 상기의 성형된 다공질 소결체를 탈지한 후 소결하는 탈지 및 소결공정과 상기의 탈지 및 소결된 다공질소결체를 생체고분자에 장입시키는 용융함침 공정으로 이루어진 용융함침(meltinfiltration)공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체를 제조하였다.
본 발명의 제조공정은
ⅰ)세라믹분체 제조공정
다공질 기지체와 성형보조제인 Polyethylene Glycol (이하, PGE로 명명함)와 알콜을 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 22~24시간 동안 습식볼밀(150rpm)을 한 후 건조기(85~95℃)에서 2~4시간 동안 건조시킨다.
다공질 기지체는 Hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2, 이하 HAp로 명명함), HAp와 t-ZrO2의 혼합분체(HAp와 t-ZrO2의 혼합비는 부피대비 7.5~8.5:1.5~2.5, 이하 HAp-(t-ZrO2)로 명명함), BCP(HAP와 tricalcium phosphate((TCP), Ca3(PO4)2)의 합성분체(biphasic calcium phosphate))의 합성분체 중 어느 하나를 선택하여 이용하는 것을 특징으로 한다.
다공질 기지체:성형보조제:알콜의 혼합비는 중량대비 23~27:1~2:71~76인 것을 특징으로 한다.
상기 혼합비의 범위를 벗어날 경우, 다공질 기지체의 함량이 감소하면 기공형성제의 기계적 특징이 감소하고, 증가하면 습식볼밀이 원활하지 못하는 문제점이 있다.
ⅱ) 다공질 소결체 제조공정
상기ⅰ)공정에서 제조된 세라믹분체와 기공형성체인 polymeythyl methacylate(이하, PMMA로 명명함)를 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 22~24시간 동안 건식볼밀(150rpm)을 시킨다.
세라믹분체:PMMA의 혼합비는 부피대비 25~35:65~75인 것을 특징으로 한다.
친뼈의 골기공은 사람에 따라 다르나, 일반적으로 골기공은 65~75%를 차지하고 있어, PMMA의 혼합비는 친뼈의 골기공에 상응하게 혼합을 한다.
ⅲ) 다공질 소결체 성형공정
상기ⅱ)공정에서 제조된 다공질 소결체를 일축압축기를 이용하여 직경 1.3~1.7㎝이고 높이 0.4~0.6㎝인 원기둥형의 디스크타입으로 성형한다.
ⅳ)탈지 및 소결공정
상기ⅲ)공정에서 성형된 다공질 소결체를 공기 분위기(Heating ratio, 6℃/분당)에서 650~750℃로 1~3시간 동안 탈지한 후 공기 분위기(Heating ratio, 6℃/분당)에서 1100~1300℃로 1~3시간 동안 소결한다.
ⅴ)용융함침 공정
상기ⅳ)공정에서 탈지 및 소결된 다공질 소결체를 녹인 생체고분자에 장입시킨 후 5~10분 동안 온도를 유지한다.
생체고분자인 polycaprolactone(PCL)은 110~120℃에서 녹인 것을 특징으로 한다.
통상적으로 생체고분자인 polycaprolactone(PCL)의 용융점은 90~100℃이나, 소결된 다공질 소결체를 장입시키기 위해서는 110~120℃에서 polycaprolactone(PCL)를 녹여야 한다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하는 것이 아님은 당업자에게 있어서 명백한 사실이다. 즉, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
실시예 1: HAp 를 기지체로 한 HAp -고분자 생체복합체의 제조
다공질 기지체인 HAp(35g), 성형보조제인 PEG(1.7g), 알콜(100ml)를 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 24시간 동안 습식볼밀(150rpm)을 한 후 85~95℃건조기에서 2~4시간 동안 건조시킨다. 건조된 세라믹분체와 기공형성체인 PMMA를 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 24시간 동안 건식볼밀(150rpm)을 하여 다공질 소결체를 제조한다. 제조된 다공질 소결체 중 0.8g을 채취한 후 일축압축기를 사용하여 디스크타입(직경 1.5cm, 높이 0.5cm)의 성형체 제조 후 공기 분위기에서 700°C로 2시간 (Heating ratio=6도/분당) 탈지하고, 공기 중에서 1200°C로 2시간 (Heating ratio=6도/분당) 소결하여 HAp 다공질소결체를 제조한다. 제조된 HAp 다공질소결체를 120℃에서 녹인 PCL 안에 장입시킨 후 10분 동안 온도를 유지한다.
실시예 2: HAp -(t- ZrO 2 )를 기지체로 한 HAp -(t- ZrO 2 )-고분자 생체복합체의 제조
다공질 기지체인 HAp-(t-ZrO2)(35g), 성형보조제인 PEG(1.7g), 알콜(100ml)를 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 24시간 동안 습식볼밀(150rpm)을 한 후 85~95℃건조기에서 2~4시간 동안 건조시킨다. 건조된 세라믹분체와 기공형성체인 PMMA를 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 24시간 동안 건식볼 밀(150rpm)을 하여 다공질 소결체를 제조한다. 제조된 다공질 소결체 중 0.8g을 채취한 후 일축압축기를 사용하여 디스크타입(직경 1.5cm, 높이 0.5cm)의 성형체 제조 후 공기 분위기에서 700°C로 2시간 (Heating ratio=6도/분당) 탈지하고, 공기 중에서 1200°C로 2시간 (Heating ratio=6도/분당) 소결하여 HAp-(t-ZrO2) 다공질소결체를 제조한다. 제조된 HAp-(t-ZrO2) 다공질소결체를 120℃에서 녹인 PCL 안에 장입시킨 후 10분 동안 온도를 유지한다.
실시예 3: BCP 를 기지체로 한 BCP -고분자 생체복합체의 제조
다공질 기지체인 BCP(35g), 성형보조제인 PEG(1.7g), 알콜(100ml)를 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 24시간 동안 습식볼밀(150rpm)을 한 후 85~95℃건조기에서 2~4시간 동안 건조시킨다. 건조된 세라믹분체와 기공형성체인 PMMA를 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 24시간 동안 건식볼밀(150rpm)을 하여 다공질 소결체를 제조한다. 제조된 다공질 소결체 중 0.8g을 채취한 후 일축압축기를 사용하여 디스크타입(직경 1.5cm, 높이 0.5cm)의 성형체 제조 후 공기 분위기에서 700°C로 2시간 (Heating ratio=6도/분당) 탈지하고, 공기 중에서 1200°C로 2시간 (Heating ratio=6도/분당) 소결하여 BCP 다공질소결체를 제조한다. 제조된 BCP 다공질소결체를 120℃에서 녹인 PCL 안에 장입시킨 후 10분 동안 온도를 유지한다.
표2 : 친뼈와 다공질 HAp 소결체, HAp-PCL 복합체의 기계적 특성.
Relative density(%) Density (g/m3) Hardness (Hv) Bending strength (MPa) Elastic modulus (GPa)
Porous HAp 22.1 - - - -
HAp-PCL 95.7 1.8 11.2±0.5 3.6±0.5 10.8±0.5
Human bone - 1.6~2.1 - 50~150 7~30
상기의 표2를 통해 알 수 있듯이, 다공질 소결체의 경우. 기공률이 70%이상e되면 재료적 특성 또한 하향하기 때문에 현 골충진제 적용에 문제점이 되고 있다. 반면 PCL을 장입시켜 HAp-PCL 복합체의 경우, 밀도는 친뼈와 유사하며, 경도와 굽힙 강도 또한 기존 다공질 소결체보다 우수한 특성을 가지며 친뼈에 근접한 값을 갖는다. 특히 골충진제에서 문제시 되는 탄성계수의 경우, HAp-PCL 복합체의 경우, 친뼈의 수치와 동일하여, 기존 골충진제에서 문제시되는 인체삽입시 탄성계수차로 인한 문제를 해결할 수 있다.
상기 표 2에 나타낸 다공질 HAp 소결체, HAp-PCL 복합체의 기계적 특성을 도 2와 도 3을 통해 확인 할수 있다.
도 2의 (a)는 주사전자현미경의 저배율 사진이고, (b)는 주사전자현미경의 고배율 사진이다.
도 2의 (a)기공형성제로 첨가된 PMMA가 탈지와 소결공정에서 완전히 사라진 것을 확인할 수 있으며 기재체내에 기공들이 잘 분산되어있다.
도 2의 (b)의 이미지에서는 기공의 크기가 150~250마이크로미터이고, 폐기공과 개기공이 서로 연결되어 있는 것을 알 수 있다.
도 3의 (a), (b), (c), (d)는 다공질 소결체내에 용융함침공정 후 세라믹-고 분자 복합체의 주사전자현미경(SEM)사진이다.
도 3의 (a)는 다공질 소결체에 PCL을 용융함침 공정을 한 후의 폴리싱한 표면의 이미지로서 내부까지 PCL이 장입되어 있는 세라믹-고분자(HAp-PCL) 복합체임을 알 수 있다.
도 3의 (b)는 HAp-PCL 복합체의 파단면 이미지로서 다공질 소결체의 기공내에 PCL 장입되어 있는 것을 알 수 있다.
도3의 (c)와 (d)는 HAp-(t-ZrO2) 복합체의 파단면 이미지로서 기지체인 HAp안에 t-ZrO2가 골고루 분산되어 있는 것을 알 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 기공형성제인 구형의 PMMA를 사용하여 다공질 소결체를 제조할 수 있다. 이는 생체세포 배양시 뼈 모세포와 파골세포들이 성장 및 증착하기에 최적의 기공크기 및 기공률로 인하여 생체적합성 및 기계적 특징을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 제조 과정의 다공질 소결체에 생체고분자를 용융함침 공정을 이용하여 장입시킴으로서 골이식제인 세라믹-고분자 생체복합체를 제조할 수 있다.

Claims (6)

  1. 다공질 기지체와 성형보조제인 Polyethylene Glycol와 알콜을 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 22~24시간 동안 습식볼밀을 한 후 건조기(85~95℃)에서 2~4시간 동안 건조시키는 세라믹분체 제조공정ⅰ)과;
    상기 세라믹분체 제조공정ⅰ)에서 제조된 세라믹분체와 기공형성체인 구형의 polymeythyl methacylate를 밀폐용기에 혼합한 후 알루미나 볼을 이용하여 22~24시간 동안 건식볼밀을 시키는 다공질 소결체 제조공정ⅱ)과;
    상기 다공질 소결체 제조공정ⅱ)공정에서 제조된 다공질 소결체를 일축압축기를 이용하여 원기둥형의 디스크타입으로 성형하는 다공질 소결체 성형공정ⅲ)과;
    상기 다공질 소결체 성형공정ⅲ)공정에서 성형된 다공질 소결체를 공기 분위기(Heating ratio, 6℃/분당)에서 650~750℃로 1~3시간 동안 탈지한 후 공기 분위기(Heating ratio, 6℃/분당)에서 1100~1300℃로 1~3시간 동안 소결하는 탈지 및 소결공정ⅳ)과;
    상기 탈지 및 소결공정ⅳ)공정에서 탈지 및 소결된 다공질 소결체를 녹인 생체고분자에 장입시킨 후 5~10분 동안 온도를 유지하는 용융함침공정ⅴ)으로 이루어지는 용융함침공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공질 기지체는 Hydroxyapatite(HAp), HAp-(t-ZrO2), BCP(HAP와 tricalcium phosphate((TCP), Ca3(PO4)2)의 합성분체(biphasic calcium phosphate)) 중 어느 하나를 선택하여 이용하는 것을 특징으로 하는 용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다공질 기지체와 성형보조제와 알콜의 혼합비는 중량대비 23~27:1~2:71~76인 것을 특징으로 하는 용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 세라믹분체:PMMA의 혼합비는 부피대비 25~35:65~75인 것을 특징으로 하는 용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 생체고분자인 polycaprolactone(PCL)은 110~120℃에서 녹인 것을 특징으로 하는 용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-생체고분자 복합체의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 다공질 기지체 중 HAp-(t-ZrO2)는 HAp와 ZrO2를 부피대비 7.5~8.5:1.5~2.5로 혼합하는 것을 특징으로 하는 용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자 생체복합체의 제조방법.
KR1020070011044A 2007-02-02 2007-02-02 용융함침 공정을 이용한 다공질 기지체인 세라믹-고분자생체복합체의 제조방법. KR100778071B1 (ko)

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