KR100786312B1 - 칼슘 포스페이트의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 칼슘포스페이트 - Google Patents

Abstract

천연물로부터 유래한 칼슘 카보네이트를 이용하여 칼슘 포스페이트를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 칼슘 포스페이트를 제공한다. 칼슘 포스페이트 제조 방법은 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 천연물과 포스페이트 수용액을 수열 반응하여 칼슘 카보네이트의 적어도 일부를 하이드록시아파타이트로 변환하는 것을 포함한다.

천연물, 칼슘 카보네이트, 난각, 골 이식재

Description

칼슘 포스페이트의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 칼슘 포스페이트{Method for fabricating calcium phosphate and calcium phosphate fabricated by using the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 포스페이트의 제조 방법을 순서대로 도시한 공정 순서도이다.

도 2, 도 4a, 도 5a 및 도 6a는 실험예 1 내지 5와 비교예 1과 2의 X선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프들이다.

도 3, 도 4b, 도 5b 및 도 6b는 실험예 1 내지 5와 비교예 1과 2의 적외선 분광 분석 결과를 나타내는 그래프들이다.

도 7 내지 도 11은 실험예 6 내지 10의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy; 이하 "SEM") 사진들이다.

도 12 내지 도 15는 실험예 11 내지 14의 4주 후의 골결손부의 치유 양상의 조직학적 결과를 나타내는 헤마톡실린(Hematoxyline)과 에오신(Eosin) 염색법으로 제작된 탈회된 조직 표본 사진들이다. 이때, 조직 표본 사진들의 배율은 50배이다.

도 16 및 도 17은 비교예 3과 4의 4주 후의 골결손부의 치유 양상의 조직학적 결과를 나타내는 헤마톡실린과 에오신(H&E) 염색법으로 제작된 탈회된 조직 표본 사진들이다. 이때, 조직 표본 사진들의 배율은 50배이다.

본 발명은 칼슘 포스페이트의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 칼슘 포스페이트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 천연물로부터 유래한 칼슘 카보네이트를 이용하여 칼슘 포스페이트를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 칼슘 포스페이트에 관한 것이다.

일반적으로 외상이나 골다공증과 같은 질환으로 인해 골결손부가 발생할 경우 그 부위에 골을 채워서 골조직을 재생시킨다. 골조직 재생에 가장 보편적인 방법은 다른 부위의 자신의 골을 일부 채취해서 이식하는 자가골 이식법과 동물의 뼈를 화학 처리하여 이식하는 이종골 이식법이 있다.

자가골 이식법의 경우에는 많은 양을 채취하기 어렵고 공여 부위에 합병증이 발생할 수 있다. 또한, 이종골 이식법의 경우에는 면역 반응과 함께 골유합이 지연될 수 있으며, 예를 들어 우골 유래 이종골 이식재를 사용하는 경우에는 광우병의 전염 가능성도 있다. 따라서, 자가골과 이종골을 대체할 만한 성능을 가진 골 이식재가 최근에 많이 개발되고 있다.

골 이식재로서 뼈, 치아 등의 구성 성분이며 칼슘 포스페이트의 한 종류인 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite)가 사용된다. 하이드록시아파타이트는 우수한 생체 활성을 가지는 것으로 알려져 있으며, 골전도성이 우수하여 바이오 세라믹으로서 많이 사용되고 있다. 그러나, 화학적으로 합성된 하이드록시아파타이트는 그 표면 구조 등에 따라 실제로 생체 내에서 생체 활성이 없거나 많이 떨어지는 경우가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 낮은 공정 비용으로 고부가가치를 갖는 칼슘 포스페이트를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 이러한 제조 방법에 의해 제조되는 안전하고 생체 활성이 우수한 칼슘 포스페이트를 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 칼슘 포스페이트의 제조 방법은 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 천연물과 포스페이트 수용액을 수열 반응하여 상기 칼슘 카보네이트의 적어도 일부를 하이드록시아파타이트로 변환하는 것을 포함한다.

여기서, 상기 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 천연물로는 예를 들어 난각을 사용할 수 있다.

또한, 상기 칼슘 카보네이트를 하이드록시아파타이트로 변환하는 수열 반응에 있어서 반응 온도는 약 150 내지 250℃일 수 있으며, 이 경우 반응 압력은 약 5 내지 30기압일 수 있다. 상기 수열 반응은 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트의 적어도 일부가 하이드록시아파타이트로 변환하는 소정의 시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어 수열 반응은 상기한 바와 같은 반응 온도와 압력 하에서 약 6 내지 24시간 동안 수행될 수 있다.

또한, 상기 칼슘 카보네이트를 하이드록시아파타이트로 변환하는 수열 반응에 있어서 반응 온도는 약 37 내지 90℃일 수 있으며, 이 경우 반응 압력은 대기압일 수 있다. 상기한 바와 같은 반응 조건에서 수열 반응은 예를 들어 약 3 내지 7일 동안 수행될 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 칼슘 포스페이트는 상기한 바와 같은 제조 방법에 의해 제조된 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 천연물로부터 유래된 하이드록시아파타이트를 포함한다.

여기서, 상기 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 천연물은 예를 들어 난각일 수 있다

또한, 상기 하이드록시아파타이트는 평균 1㎛ 이하의 크기의 결정 구조를 가질 수 있고, 상기 결정 사이에 마이크로 단위의 미세 다공을 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발 명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

또한, 본 발명에서는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 칼슘 포스페이트가 골 이식재 사용되는 경우에 대해 설명하겠지만, 상기 칼슘 포스페이트는 이에 한정되지 않고 발포성 폴리스틸렌 중합시의 분산제, 의족 또는 의치 등의 코팅제, 사료 또는 식품의 칼슘 강화 첨가제, 단백질 핵산을 분리하기 위한 액체 크로마토그래피의 칼슘 충진제로 사용될 수 있으며, 그외 촉매나 가스 센서 등으로 사용될 수 있음은 물론이다.

또한, 본 발명에서 칼슘 카보네이트의 적어도 일부가 하이드록시아파타이트로 변환한다는 것은 전체 칼슘 카보네이트의 일부가 하이드록시아파타이트로 변환한다는 것과 개개의 칼슘 카보네이트의 표면이 하이드록시아파타이트로 변환한다는 것 모두를 의미한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 포스페이트의 제조 방법에 대해 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 포스페이트의 제조 방법을 순서대로 도시한 공정 순서도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 천연물을 전처리한다(S1).

천연물은 삼방정계의 캘사이트 결정상을 갖는 칼슘 카보네이트 포함하는 것으로, 캘사이트 결정상을 포함하는 천연물로는 예를 들어 타조, 닭 등의 조류의 난 각(卵殼), 게, 가재 등의 갑각류의 껍질, 조개 등의 패류의 껍질 등이 있다. 상술한 천연물 중 입수가 용이하고 구매 비용이 거의 발생하지 않으며 멸균과 가공이 쉬울 뿐만 아니라, 후술하는 수열 반응을 통해 상대적으로 낮은 온도와 비교적 짧은 시간 내에 목적하는 칼슘 포스페이트로의 전환이 용이한 난각을 이용할 수 있다. 이러한 난각은 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 약 95 내지 97%를 포함하고, 그외 마그네슘과 포스페이트와 같은 광물 성분이 소량 존재한다.

이하, 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 천연물로서 난각을 예시하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법을 설명한다.

우선, 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 난각을 수집하고, 난각으로부터 난막을 제거한 후, 이를 끓는물에 소정 시간 침적하여 멸균한 다음 건조한다. 이어, 난각을 소정 크기로 분쇄하여 분말화한다. 다음, 분말화된 난각을 예를 들어 소듐 하이포클로라이트(NaOCl) 용액 등에 소정 시간 동안 침지하여 난각에 함유되어 있는 유기물을 제거한다. 이때, 추가로 소듐 하이드록사이드(NaOH) 용액 등을 이용하여 난각에 잔존하는 유기물을 제거할 수 있다. 이어, 잔존 유기물까지 제거된 난각을 탈이온수(deionized water)를 이용하여 세정한 후 건조한다.

계속해서, 전처리한 천연물을 포스페이트 수용액과 수열 반응한다(S2).

유기물이 제거된 난각 분말을 포스페이트 수용액과 수열 반응 시켜 난각에 포함되어 있는 칼슘 카보네이트의 적어도 일부를 칼슘 포스페이트의 일종인 하이드록시아파타이트로 변환시킨다. 예를 들어 밀폐 용기 내에 난각 분말과 포스페이트 수용액을 충진시킨 후 소정 온도와 압력에서 수열 반응시키면 다음 식 1에서와 같 이 하이드록시아파타이트가 형성된다.

식 1

10Ca^{2 +}+6PO₄ ^{3 -}+2OH^- --> Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂

이러한 수열 반응은 다양한 조건 하에서 수행될 수 있으며, 반응 조건을 조절함으로써 수열 반응에 의해 형성되는 하이드록시아파타이트의 표면 구조 등을 여러가지로 변화시킬 수 있다.

이하, 하이드록시아파타이트를 형성하기 위한 수열 반응 조건을 보다 상세히 설명하지만, 수열 반응 조건이 하기한 바에 의해 한정되는 것은 아니다.

우선, 밀폐 용기에 난각 분말을 포스페이트 수용액, 예를 들어 약 1 내지 5중량%의 암모늄 하이드로겐 포스페이트((NH₄)₂HPO₄) 수용액 또는 인산 완충 생리 식염수에 침지하여, 약 150 내지 250℃ 온도에서 약 5 내지 30기압으로 수열 반응을 수행할 수 있다. 이때, 반응 시간은 난각에 포함되어 있는 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트의 적어도 일부가 하이드록시아파타이트로 변환하는 시간동안 수행할 수 있다. 예를 들어 6 내지 24 시간 동안 수열 반응을 수행할 수 있다. 상술한 조건의 수열 반응에서 사용되는 밀폐 용기는 반응 압력을 견딜 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 테프론으로 코팅된 스테인레스 스틸로 제작된 밀폐 용기를 사용할 수 있다.

또한, 밀폐 용기에 난각 분말을 포스페이트 수용액, 예를 들어 인산완충생리식염수에 침지하거나, 포타슘 디하이드로겐 포스페이트(KH₂PO₄), 소듐 디하이드로겐 포스페이트(NaH₂PO₄) 등을 탈이온수에 용해한 용액 등에 침지하거나, 칼슘 클로라이드(CaCl₂), 소듐 디하이드로겐 포스페이트(NaH₂PO₄), 소듐 하이드로겐 카보네이트(NaHCO₃) 등을 탈이온수에 용해하여 형성된 과포화 수용액에 침지하여, 약 37 내지 90℃ 온도에서 대기압으로 수열 반응을 수행할 수 있다. 이때, 반응 시간은 난각에 포함되어 있는 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트의 적어도 일부가 하이드록시아파타이트로 변환하는 시간동안 수행할 수 있다. 예를 들어 3일에 한번씩 포스페이트 수용액을 교환하여 3 내지 6일 동안 수열 반응을 수행할 수 있다. 상술한 조건의 수열 반응에서 사용되는 밀폐 용기는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 유리병으로 제작된 밀폐 용기를 사용할 수 있다.

또한, 밀폐 용기에 난각 분말을 칼슘과 포스페이트 수용액, 예를 들어 소듐 클로라이드(NaCl), 소듐 하이드로겐 카보네이트(NaHCO₃), 포타슘 클로라이드(KCl), 디포타슘 하이드로겐 포스페이트 삼수화물(K₂HPO₄·6H₂O), 마그네슘 클로라이드 육수화물(MgCl·6H₂O), 칼슘 클로라이드(CaCl₂), 소듐 설페이트(Na₂SO₄)를 탈이온수에 녹여 트리스-하이드록시메틸아미노메탄(tris-hydroxymethylaminomethane, (CH₂OH)₃CNH₃)과 염산(HCl)을 이용하여 pH를 7.4로 조정하고, 소듐 이온(Na⁺), 포타슘 이온(K⁺), 마그네슘 이온(Mg^{2 +}), 칼슘 이온(Ca^{2 +}), 클로라이드 이온(Cl^-), 하이드 로카보네이트 이온(HCO₃ ^-), 하이드로포스페이트 이온(HPO₄ ^{2 -}) 및 설페이트 이온(SO₄ ^2-) 농도가 각각 142mM, 5mM, 1.5mM, 2.5mM, 147.8mM, 4.2mM, 1mM 및 0.5 mM가 되도록 제조한 생체 유사 용액(simulated body fluid)에 침지하여, 약 37 내지 90℃ 온도에서 대기압으로 수열 반응을 수행할 수 있다. 이때, 반응 시간은 난각에 포함되어 있는 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트의 적어도 일부가 하이드록시아파타이트로 변환하는 시간동안 수행할 수 있다. 예를 들어 1일에 한번씩 포스페이트 수용액을 교환하여 3 내지 6일 동안 수열 반응을 수행할 수 있다. 상술한 조건의 수열 반응에서 사용되는 밀폐 용기는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 유리병으로 제작된 밀폐 용기를 사용할 수 있다.

상술한 수열 반응 조건으로 난각에 포함된 캘사이트 결정형 칼슘 카보네이트를 하이드록시아파타이트로 변환하는 경우, 칼슘 카보네이트 전체를 하이드록시아파타이트로 변환할 수도 있고, 칼슘 카보네이트의 표면 또는 표면의 상당 두께를 하이드록시아파타이트로 변환할 수도 있다.

후자와 같이 난각을 수열 반응하여 칼슘 카보네이트 표면을 하이드록시아파타이트로 변환하여 형성된 난각 유래 분말의 경우, 생체에서의 흡수율이 빠른 칼슘 카보네이트와, 생체 활성은 우수하지만 칼슘 카보네이트보다 상대적으로 생체 흡수율이 낮은 하이드록시아파타이트를 모두 포함함으로써, 이러한 난각 유래 분말을 포함하는 골 이식재를 사용하게 되면 적절한 생체 흡수율과 우수한 생체 활성을 동 시에 제공할 수 있다.

계속해서, 수득된 칼슘 포스페이트를 건조한다(S3).

즉, 난각에 포함되어 있는 캘사이트 결정형의 칼슘 카보네이트와 포스페이트가 반응하여 형성된 칼슘 포스페이트의 일종인 하이드록시아파타이트를 탈이온수로 세척한 후 건조한다.

상술한 바와 같은 제조 방법에 의해 제조된 하이드록시아파타이트는 마이크로 단위의 표면 구조와 미세 다공을 갖는다. 예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드록시아파타이트는 평균 1㎛ 이하의 크기의 결정 구조를 가질 수 있으며, 결정 사이에 마이크로 단위의 미세 다공을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드록시아파타이트는 넓은 표면적을 갖고 있어, 이를 실제로 몸속에 임플란트(implant) 하였을 때 체액과의 접촉 면적이 넓어지고, 미세 다공을 통해 체액이 자유로이 통과할 수 있어 새로운 뼈 생성을 돕는다.

이하, 실험예들 및 비교예들을 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실험예들은 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명이 하기 실험예들에 의하여 한정되는 것은 아님이 이해되어야 한다.

실험예 1

닭의 난각에서 난막을 제거하고 끓는 물에 30분 동안 침적한 후 건조하였다. 다음, 건조한 난각을 분쇄기와 거름체를 이용하여 평균 약 300㎛ 정도가 되는 분말로 제조하였다. 이어 5중량%의 소듐 하이포클로라이트(NaOCl) 용액에 24시간동안 침지하는 것을 2회 반복하여 난각에 함유된 유기물을 제거하였다. 이후 난각을 부가적으로 2몰 농도의 소듐 하이드록사이드(NaOH) 수용액에 12시간동안 더 침지하여 잔존 유기물을 제거하였다. 이어, 유기물을 제거한 난각을 탈이온수로 세척한 다음 24시간동안 탈이온수에 침지한 후 건조하였다.

계속해서, 테프론으로 코팅된 스테인레스 스틸로 제작된 수열 반응 장치에 유기물이 제거된 난각 분말과 2중량% 암모늄 하이드로겐 포스페이트((NH₄)₂HPO₄) 수용액을 넣고 수열 반응 장치를 밀봉한 후, 150℃, 5기압에서 24시간동안 수열 반응을 수행하였다.

계속해서, 수열 반응을 통해 수득한 분말을 탈이온수로 세척한 후 80℃에서 2시간 동안 건조한 다음, 이를 X선 회절 분석기(X-ray Diffractometer, Philips사 모델명; X'ert-APD)와 FT 적외선 분광기(Fourier-Transform infrared spectroscopy, Mattson Instruments사, 모델명 Galaxy 7020A)를 이용하여 X선 회절 데이터와 적외선 분광 데이터를 얻어 분석하였다. 그 결과를 각각 도 2의 (a)와 도 3의 (a)에 각각 도시하였다.

실험예 2

유기물이 제거된 난각 분말을 유리병에 넣고 인산 완충 생리 식염수로 침지하고, 80℃에서 3일에 한번씩 인산 완충 생리 식염수를 교환하여 6일 동안 수열 반응을 수행한 것을 제외하고는, 실험예 1과 동일하게 제조하여 수득한 분말의 X선 회절 데이터와 적외선 분광 데이터를 얻어 이를 분석하였다. 그 결과를 도 2의 (b) 와 도 3의 (b)에 각각 도시하였다.

실험예 3

유기물이 제거된 난각 분말을 유리병에 넣고, 포타슘 디하이드로겐 포스페이트(KH₂PO₄), 소듐 하이드로겐 포스페이트(Na₂HPO₄)를 탈이온수에 용해하여 포스페이트 이온(PO₄ ^{3 -}), 소듐 이온(Na⁺) 및 포타슘 이온(K⁺)의 농도가 각각 19.5mM, 30mM 및 4mM 되도록 제작한 포스페이트 수용액으로 침지하고, 80?에서 3일에 한번씩 수용액을 교환하여 6일 동안 수열 반응을 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 제조하여 수득한 분말의 X선 회절 데이터와 적외선 분광 데이터를 얻어 이를 분석하였다. 그 결과를 도 4a와 도 4b에 각각 도시하였다.

실험예 4

유기물이 제거된 난각 분말을 유리병에 넣고, 칼슘 클로라이드 (CaCl₂), 소듐 디하이드로겐 포스페이트(NaH₂PO₄), 소듐 하이드로겐 카보네이트(NaHCO₃)를 탈이온수에 용해하여 칼슘 이온(Ca^{2 +}), 디하이드로겐 포스페이트 이온(H₂P0₄ ^-), 염소 이온(Cl^-), 소듐 이온(Na⁺) 및 탄산 이온(HCO^{3 -})의 농도가 각각 10mM, 2.5mM, 20mM, 4mM 및 1.5mM이 되도록 제작한 과포화 수용액으로 침지하고, 37?에서 1일에 한번씩 수용액을 교환하여 2일 동안 수열 반응을 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 제조하여 수득한 분말의 X선 회절 데이터와 적외선 분광 데이터를 얻어 이 를 분석하였다. 그 결과를 도 5a와 도 5b에 각각 도시하였다.

실험예 5

유기물이 제거된 난각 분말을 유리병에 넣고, Kokubo의 방법에 따라 소듐 이온(Na⁺), 포타슘 이온(K⁺), 마그네슘 이온(Mg^{2 +}), 칼슘 이온(Ca^{2 +}), 클로라이드 이온(Cl^-), 하이드로겐 포스페이트 이온(HPO₄ ^{2 -}), 설페이트 이온(SO₄ ^{2 -}) 및 하이드로겐 카보네이트 이온(HCO^{3 -})의 농도가 142mM, 5mM, 1.5mM, 2.5mM, 147.8mM, 1mM, 0.5mM 및 4.2mM이 되도록 제작한 생체 유사 용액으로 침지하고, 37?에서 1일에 한번씩 수용액을 교환하여 3일 동안 수열 반응을 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 제조하여 수득한 분말의 X선 회절 데이터와 적외선 분광 데이터를 얻어 이를 분석하였다. 그 결과를 도 6a와 도 6b에 각각 도시하였다.

비교예 1

닭의 난각에서 난막을 제거하고 끓는 물에 30분 동안 침적한 후 건조하였다. 다음, 건조한 난각을 분쇄기와 거름체를 이용하여 평균 약 300㎛ 정도가 되는 분말로 제조하였다. 이어 5중량%의 소듐 하이포클로라이트(NaOCl) 용액에 24시간동안 침지하는 것을 2회 반복하여 난각에 함유된 유기물을 제거하였다. 이후 부가적으로 2몰 농도의 소듐 하이드록사이드(NaOH) 수용액에 12시간동안 더 침지하여 잔존 유기물을 제거하였다. 이어, 유기물을 제거한 난각을 탈이온수로 세척한 다음 24시간 동안 탈이온수에 침지한 후 건조하였다.

계속해서, 유기물이 제거된 난각 분말을 X선 회절 분석기(Philips사 모델명; X'ert-APD)와 FT 적외선 분광기(Fourier-Transform infrared spectroscopy, Mattson Instruments사, 모델명 Galaxy 7020A)를 이용하여 X선 회절 데이터와 적외선 분광 데이터를 얻어 이를 분석하였다. 그 결과를 각각 도 2의 (c)와 도 3의 (c)에 도시하였다.

비교예 2

우골에서 유래한 생물학적 아파타이트(biological apatite)로 이루어진 이종골 이식재(상품명; Bio-Oss) 분말을 X선 회절 분석기(Philips사 모델명; X'ert-APD)와 FT 적외선 분광기(Fourier-Transform infrared spectroscopy, Mattson Instruments사, 모델명 Galaxy 7020A)를 이용하여 X선 회절 데이터와 적외선 분광 데이터를 얻어 이를 분석하였다. 그 결과를 각각 도 2의 (d)와 도 3의 (d)에 도시하였다.

실험예 1 내지 5를 비교예 1의 X선 회절 분석 결과를 비교하여 보면, 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이 난각 분말에 대해 수열 반응을 수행하지 않은 비교예 1의 경우 전형적인 캘사이트 결정형의 칼슘 카보네이트의 피크(삼각형으로 표시되지 않은 모든 피크)가 관찰되는데, 반면 실험예 1 내지 5의 경우는 도 2의 (a)와 (b), 도 4a, 도 5a 및 도 6a에 도시한 바와 같이 칼슘 카보네이트의 피크의 강도가 약해지거나 관찰되지 않음을 알 수 있다.

또한, 실험예 1 내지 5를 비교예 2의 X선 회절 분석 결과를 비교하여 보면, 도 2의 (d)에 도시한 바와 같이 생물학적 아파타이트로 이루어진 우골 유래 이종골 이식재인 비교예 2의 경우 하이드록시아파타이트 피크(JCPDS #9-432) 가 관찰되고, 실험예 1 내지 5의 경우도 도 2의 (a)와 (b), 도 4a, 도 5a 및 도 6a에 도시한 바와 같이 도 2의 (d)에서 하이드록시아파타이트 피크가 관찰되는 위치와 중첩하는 위치에서 피크가 관찰되었다.

이로부터 실험예 1 내지 5의 경우 난각 분말에 포스페이트 수용액을 이용한 수열 반응을 수행함으로써 칼슘 카보네이트가 하이드록시아파타이트로 전환됨을 확인할 수 있었다.

또한, 실험예 1 내지 5, 비교예 1과 2의 적외선 분광 분석 결과를 비교하여 보면, 도 3의 (a), (b)와 (d), 도 4b, 도 5b 및 도 6b를 도 3의 (c)와 비교시 전자의 경우 포스페이트 밴드가 565, 603, 1063 cm^{- 1}주위에서 나타남을 관찰할 수 있었다.

이로부터 실험예 1 내지 5의 경우 난각 분말에 포스페이트 수용액을 이용한 수열 반응을 수행함으로써 칼슘 카보네이트의 적어도 일부가 하이드록시아파타이트로 전환됨을 확인할 수 있었다.

실험예 6 내지 10

실험예 1 내지 실험예 5의 하이드록시아파타이트 분말의 형태학적 미세 구조를 주사 전자 현미경을 이용하여 관찰하였다. 그 결과를 각각 도 7 내지 도 11에 도시하였다.

도 7 내지 도 9에 도시한 실험예 6 내지 8은 10,000배에서 관찰한 SEM 사진(바: 5㎛)이고, 도 10에 도시한 실험예 9는 3,000배에서 관찰한 SEM 사진(바: 10 ㎛)이며, 도 11에 도시한 실험예 10은 10,000배에서 관찰한 SEM 사진(바: 5㎛)이다.

도 7 내지 도 11의 SEM 사진으로부터 실험예 6 내지 10의 난각 분말을 수열 반응하여 얻어진 난각 유래 분말은 미세 다공을 갖고, 마이크론 단위의 표면 구조를 가지는 여러 형태의 결정상으로 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 11 내지 14

실험예 1 내지 4의 난각 유래 분말을 건열 멸균 한 후, 각 난각 유래 분말 당 두개골에 인위적으로 5㎜의 원형의 골결손부를 형성한 백서(Sprague Dawley rat)에 충진하여, 난각 유래 분말의 골형성능을 조직학적, 조직계측학적으로 평가하였다. 이때, 실험예 1 내지 4의 난각 유래 분말 하나당 4마리의 백서의 골결손부에 충진하여 골형성능을 조직학적, 조직계측학적으로 평가하였다. 4주 후의 골결손부의 치유 양상의 조직학적 결과를 도 12 내지 도 15에 도시하였다.

여기서, 조직학적 평가라 함은 정성적인 평가로서, 이식재 주위로의 세포 반응을 포함한 조직 반응이 양호한지 여부, 즉 새로 형성된 뼈조직과 이식재 사이에 어느 정도의 직접적인 접촉을 보이는지를 관찰하는 것이다. 또한, 조직계측학적 평가라 함은 소정 기간 동안 새로 형성된 뼈조직의 양을 계측하여 정량적으로 평가하 는 것이다.

비교예 3 및 4

비교예 1의 유기물이 제거된 난각 분말과 비교예 2의 우골 유래 이종골 이식재 분말을 건열 멸균 한 후, 두개골에 인위적으로 5㎜의 원형의 골결손부를 형성한 백서에 충진하여, 난각 분말과 우골 유래 이종골 이식재 분말의 골형성능을 조직학적, 조직계측학적으로 평가하였다. 4주 후의 골결손부의 치유 양상을 나타내는 조직학적 결과는 도 16 및 도 17에 도시하였다.

실험예 11 내지 14의 경우 도 12 내지 도 15에 도시한 바와 같이, 골결손부에서 신생골 형성이 활발하게 이루어진 것을 관찰할 수 있었다. 골 이식재로 사용된 난각 유래 분말과 새로 형성된 광물화된 골조직은 연조직의 개재가 없이 직접적인 접촉률이 높아 이상적인 골 이식재가 가져야 할 필수적인 요구 조건인 골전도성(뼈조직이 이식재 표면을 따라 성장해나가는 성질)이 우수한 것으로 나타났다.

비교예 3의 경우 도 16에 도시한 바와 같이, 신생골 형성이 비교적 양호한 것으로 관찰되었지만, 새로 형성된 뼈조직과 이식된 난각 분말 사이의 직접적인 골접촉률은 실험예 11 내지 14와 비교하여 낮은 것으로 나타났다.

또한, 비교예 4의 경우 도 17에 도시한 바와 같이, 실험예 11 내지 14의 골조직 치유 양상과 비교하여 새로운 뼈조직의 형성양이 매우 적음을 알 수 있으며, 새로 형성된 뼈조직과 이식재와의 직접적인 접촉률도 적은 것을 관찰할 수 있었다.

실험예 11 내지 14와 비교예 3 및 4의 골결손부의 치유 양상의 조직학적 결과에서 알 수 있듯이, 수열 반응을 통하여 미세 다공의 표면 구조의 하이드록시아 파타이트 성분을 갖는 난각 유래의 분말을 골 이식재로 사용시 새로운 뼈조직의 형성양이 우수하고, 또한 골전도성이 뛰어난 것을 알 수 있다.

상술한 4주에서의 조직학적 평가와 동일하게 8주의 조직학적 평가에서도 실험예 11 내지 14의 난각 유래 분말의 골조직 치유 양상은 비교예 3과 4와 비교하여 우수한 것을 관찰할 수 있었다.

조직학적 평가와 더불어 동물 실험에 사용된 난각 유래 분말의 4주와 8주에서 골조직의 치유 양상을 정량적으로 평가하기 위하여 새로 형성된 광물화된 뼈 조직의 양(신생골 형성양)을 조직계측학적으로 평가한 결과는 다음과 같다.

4주의 치유 후 신생골 형성양을 전체 골 결손부 면적에 대해 새로 형성된 광물화된 뼈조직의 양을 %로 나타내는 조직계측학적으로 평가한 결과, 실시예 11의 경우 26.5±7.4%, 실험예 12의 경우 36.5±6.0%, 실험예 13의 경우 29.3±5.1%, 실험예 14의 경우 19.2±5.9%의 신생골 형성양을 보였다. 또한, 비교예 3의 경우에는 18.3±4.3%, 비교예 4의 경우 15.1±3.5%의 신생골 형성양을 보였다.

8주의 치유 후의 신생골 형성양을 조직계측학적으로 평가한 결과, 실험예 11의 경우 47.4±1.8%, 실험예 12의 경우 44.2±11.6%, 실험예 13의 경우 33.2±5.1%, 실험예 14의 경우 54.1±2.2%의 신생골 형성양을 보였다. 또한, 비교예 3의 경우에는 39.6±7.7%, 비교예 4의 경우 17.2±9.3%의 신생골 형성양을 보였다.

이러한 4주 및 8주 후의 조직계측학적 평가로부터 실험예 11 내지 14의 난각 유래 분말이 우수한 신생골 형성 능력이 있음을 알 수 있었다.

상술한 바와 같은 조직학적, 조직계측학적 평가로부터 알 수 있듯이, 본 발 명의 일 실시예에 따라 제조된 칼슘 포스페이트는 이종골 이식재와 비교시 신생골 형성능이 월등히 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한 유기물을 제거한 난각 분말은 새로운 뼈조직과 이식된 분말 사이의 직접적인 골 접촉률은 수열 반응을 시행하여 제작된 칼슘 포스페이트 분말과 비교시에는 낮았지만, 이종골 이식재와 비교시에는 신생골 형성양이 높게 나타났고, 새로 형성된 뼈 조직과 이식된 분말 사이의 직접적인 골 접촉률도 차이가 나지 않았다.

이상 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 칼슘 포스페이트 제조 방법은 난각 등의 천연물을 사용하여 안전하고 생체 활성이 우수한 칼슘 포스페이트의 일종인 하이드록시아파타이트를 제조하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 칼슘 포스페이트 제조 방법은 원자재 비용이 저렴하여 낮은 공정 비용으로 고부가가치의 바이오 세라믹을 제조하는 것이 가능하여 생산 효율이 우수하다.

Claims (10)

1. 유기물이 제거된 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 천연물과 포스페이트 수용액을 수열 반응하여 상기 칼슘 카보네이트의 적어도 일부를 하이드록시아파타이트로서, 평균 1㎛ 이하의 크기의 결정 구조를 갖고, 상기 결정 사이에 마이크로 단위의 미세 다공을 포함하는 하이드록시아파타이트로 변환하는 것을 포함하는 칼슘 포스페이트 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 천연물은 난각인 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 수열 반응은 150 내지 250℃의 온도와 5 내지 30기압에서 수행하는 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 수열 반응은 6 내지 24시간 수행하는 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트 제조 방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 수열 반응은 37 내지 90℃의 온도와 대기압에서 수행하는 것을 특징으 로 하는 칼슘 포스페이트 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 수열 반응은 3 내지 7일 수행하는 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 수열 반응은 과포화 칼슘 포스페이트 수용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트 제조 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 캘사이트 결정상의 칼슘 카보네이트를 포함하는 천연물로부터 유래된 하이드록시아파타이트로서, 1㎛ 이하의 크기의 결정 구조를 갖고, 상기 결정 사이에 마이크로 단위의 미세 다공을 포함하는 하이드록시아파타이트를 포함하는 칼슘 포스페이트.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 천연물은 난각인 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트.
10. 삭제

Images