KR100853635B1

KR100853635B1 - 다공성 합성 뼈이식편과 그것의 제조방법

Info

Publication number: KR100853635B1
Application number: KR1020037001591A
Authority: KR
Inventors: 로웨이젠
Original assignee: 오르토겜 리미티드
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2008-08-25
Also published as: GB0019003D0; KR20030027943A; GB0030295D0; GB2365423A; ZA200300964B

Abstract

(i) 미세하게 분리된 생체적합성 세라믹 분말, 유기 바인더 및 기공형성제의 혼합물을 비활성 액체 중에서 제조하여 물체를 형성시키고 적어도 일부의 기공형성제를 공축을 따라 정렬하게 하는 단계;

(ii) 선택적으로 결과의 물체를 성형하는 단계;

(iii) 기공형성제가 물체 내에 다공성 구조를 형성하도록 하는 단계;

(iv) 성형된 물체를 다공성 구조가 고정되기에 충분한 온도로 가열하는 단계; 및

(v) 물체를 더 가열하여 유기 바인더의 잔류물과 기공형성제를 제거하고 그것을 융합시키는 단계를 포함하는 인공뼈의 제조방법이 기재된다.

인공뼈, 다공성 세라믹, 뼈이식편

Description

다공성 합성 뼈이식편과 그것의 제조방법{POROUS SYNTHETIC BONE GRAFT AND METHOD OF MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은 인산칼슘이나 다른 세라믹 분말로부터의 다공성 덩어리 형태의 합성 뼈의 제작에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 제어 가능한 다공성 구조를 갖는 양호한 합성 뼈이식편을 생산하는 신규 제조방법에 관한 것이다. 그것은 척추재건술, 근육골격재건술, 골절복구, 엉덩이와 무릎 재건술, 뼈증대술 방법 및 구강/턱얼굴 수술을 포함하는 정형외과 수술을 위한 자기이식 및 동종이식을 대체하는데 사용될 수 있다.

현재 유럽의 뼈이식편 시장은 자기이식편 (신체 중 일부로부터 채취된 후 동일한 개인의 다른 일부로 이식되는 뼈)과 동종 이식편 (한 개인으로부터 채취된 후 상이한 개인에게 이식되는 뼈)이 주도하고 있다. 자기이식 방법에서, 뼈이식편은 환자로부터, 전형적으로 골반으로부터 채취된다. 동시에 두가지 수술이 수행되어야 한다. 환자는 손상 부위에 작용하는 적합성 있는, 살아있는 세포를 갖게 되어 유리하다. 그러나, 단점도 유의할 수 있다. 그 중에는 채취 수술로 인한 만성적인, 종종 쇠약하게 만드는 통증, 혈 손실, 감염 위험, 및 장기 입원 및 회복기간이 있다. 2 차 수술 또한 경제적 부담을 실질적으로 가중시킨다.

동종이식은 일반적으로 사체로부터의 뼈를 사용한다. 이것은 2 차 수술의 필 요성을 제거하지만, 이식된 뼈는 숙주 뼈에 적합하지 않을 수 있어서 궁극적으로 거부될 수 있다. 동종이식은 또한 비록 확률이 낮기는 하지만, AIDS나 간염을 유발하는 것을 포함하는 다양한 바이러스를 환자내로 도입하는 커다란 위험을 안고 있다. 그러므로 생체적합성인, 합성 뼈이식편을 개발하는데 많은 노력이 경주되어 왔다.

시중구입 가능한 합성 뼈이식편은 일반적으로 인산 칼슘 세라믹 (인간 뼈의 주요 무기 재료)으로 제조되고 인간 다공성 뼈와 유사한 다공성 구조를 갖는다. 그것 중 다수는 실제로 동물 (어린 소) 또는 해양 생물 (산호)로부터 유래한다. 그것들은 연결된 거대다공성 구조를 제공하고 집중적 뼈전도성을 제공하여 숙주 뼈 조직을 재생시키고 치유하려는 의도이다. 그러나, 그것들 중 어느 것도 자기이식편의 우수한 수준과 동등한 생체역학적 및 뼈완전성 특성을 제공하지 못한다.

이들 합성 뼈이식편은 일반적으로, 전형적으로 100 - 500 ㎛ 지름의 연결된 거대다공성 구조를 갖는데, 다공성 구조의 기공크기는 뼈전도성에 중요하다. 시험관내 및 생체내 실험에 따르면, 성장중 뼈조직에 대한 적당한 기공크기는 약 200 - 300 ㎛이다. 기공크기가 100 ㎛보다 작으면 뼈조직은 뼈성장 없이 표면상에 축적된다. 이식 후, 뼈이식편은 서서히 분해되고 성장하는 뼈로 대체되어야 한다. 그것은 수용자 자신의 뼈형성 활성에 의하여 손상된 뼈 부위에서의 뼈 교체를 가져와야 한다. 그러나, 분해는 뼈치환재료가 기공지름 1 내지 5 ㎛의 미세다공성인 것을 요한다. "분해성" 뼈이식편의 분해작용은 두 단계: 소결된 입자 중의 경부의 세포외 분해 및 이런 방식으로 분리된 입자의 세포내 식작용으로 이루어진다. 제 1 단계는 어닐된 생체세라믹 벌크에서는 불가능하고 두꺼운 연결벽을 갖는 다공성 합성 뼈이식편에서는 매우 어려운데, 이는 세포가 공격할 수 있는 작은 경부가 없기 때문이다.

시중구입가능한 합성 뼈이식편은 일반적으로 무작위적 기공크기 분포를 갖고 연결 다공성 구조의 관찰되는 바람직한 방향성이 없다. 구조는 일정기간 후 생체내에서 혈관형성을 방해하는 잠재성을 가지며 뼈이식편의 가운데는 일반적으로 뼈가 없는 채로 남아 있다. 비록 대부분의 시중 뼈이식편이 생체 뼈의 미네랄 상태에 유사한 화학적 조성을 갖지만, 수술 후 영양소가 합성 다공성 뼈이식편을 통하여 흐를 수 없기 때문에 이식편은 대규모 적용 또는 영구적 치환으로서는 적당하지 않다.

(발명의 개요)

본 발명은 유일하고 극도로 유연한 다공성 구조를 제조하는 신규의 제조방법을 제공한다. 어떤 생물학적 재료도 최종제품에 포함될 필요가 없다. 그것은 대규모로 인간 해면뼈를 모방할 수 있고, 기공크기는 수 미크론 내지 수 밀리미터로 다양할 수 있다. 방법은 제어가능한 기공크기, 모양 및 기공 방향을 허용한다. 다수의 다양한 크기의 (바람직한 방향을 갖는) 상호연결 관-유사 기공이 제공되어 뼈성장과 혈관형성을 신속하게 전체 구조를 통하여 안내할 수 있다. 다공성 구조는, 뼈모세포가 부착하는 것을 용이하게 하여 무기질침착을 촉진하는 얇은 벽을 가질 수 있다. 뼈이식편의 크기와 모양은 성형법에 의하여 조정될 수 있고, 예를 들어, 또는 정형외과적 수술에 의하여 수술 동안 금강석 휠 또는 고속 드릴 같은 도구에 의하여 성형될 수 있다.

본 발명에 따라:

(ii) 선택적으로 결과의 물체를 성형하는 단계;

(v) 물체를 더 가열하여 유기 바인더의 잔류물과 기공형성제를 제거하고 그것을 융합시키는 단계를 포함하는 인공뼈의 제조방법이 제공된다.

(본 발명의 상세한 설명)

본 발명을 일반적인 용어로 설명하였고, 이제 본 발명은 도식이 본 발명의 전형적 방법의 플로챠트를 나타내는 첨부된 도면을 참고하여 기술될 것이다.

방법의 본질적인 성분은 생체적합성 세라믹 분말, 유기 바인더 및 기공형성제이다. 세라믹 분말은 생체적합성의 어떤 세라믹 재료일 수 있다. 예를 들어 그것은 결과의 인공 뼈이식편이 충분한 세기를 갖기 위하여 기계제 세라믹일 수 있다. 사용될 수 있는 재료는 지르코늄과 알루미나를 포함한다. 그러나, 인산 칼슘 세라 믹을 사용하는 것이 바람직하다. α-인산삼칼슘(TCP), β-TCP 및 히드록시 아파타이트 (HA) Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ 를 포함하는 모든 의료 등급의 인산삼칼슘이 이 목적으로 사용될 수 있지만, 대규모 생산을 위하여는 HA를 사용하는 것이 바람직한데, 그것이 더 안정하기 때문이다. 생체적합성 재료의 혼합물, 예를 들어, 인산칼슘 세라믹 및 알루미나 또는 지르코니아의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 소량의, 예를 들어 5 중량% 이하의, 실리카와 유기 아연 화합물이 분말에 혼합되어 뼈전도성을 증가시킬 수 있다.

세라믹 분말은 균일하게 분산되는 것이 바람직하다. 입자가 더 작을수록 표면적은 더 크고 따라서 입자가 액체에 의하여 젖는 경향이 더 증가하는데; 이는 또한 최종 소결을 용이하게 한다. 일반적으로, 분말은 약 100 미크론의 평균 지름을 넘지 않는다. 그러므로, 분말은 바람직한 분말은 1 nm 내지 50 미크론, 예를 들어 0.1 내지 10 미크론의 평균 입경을 갖을 것이다.

유기 바인더는 세라믹 분말을 함께 결합시켜, 비활성 액체가 잔류하는 열극의 갭을 갖는 각 세라믹 입자 사이에 다수의 접촉점을 갖는 조밀하게 패킹된 구조를 형성하여야 한다. 유기 바인더의 정확한 성질은, 그것이 소성 후 잔류물을 남기지 않는다면 중요하지 않은데; 그것은 일반적으로 고체일 것이다. 탄수화물 분말, 특히 옥수수가루 또는 밀가루가 특히 유용하다는 것이 발견되었지만, 천연 추출 녹말 같은 다른 유기 재료도 사용될 수 있다. 당업계 숙련자는 어떤 대안적 재료가 사용될 수 있는지 이해할 것이다. 바인더는 슬러리에 분말로서 혼합되어야 한다.

기공형성제는 세라믹 분말과 바인더로부터 형성된 물체에 기공을 형성하기 위하여 존재한다. 이는 일반적으로 기공형성제로부터의 가스 발생에 의하여 달성된다. 안정된 기공형성제는 인함유 및 탄소로부터 유도된 산의 무기염, 특히 인산과 탄산의 나트륨염 같은 알칼리 금속염과 함께, 예를 들어 효모세포 같은 미생물을 포함한다. 구체적 예는 이인산이나트륨 및 중탄산나트륨을 포함한다.

비활성 액체에서 슬러리가 형성된다, 즉, 액체는 실온에서 기공형성제와 반응하지 않아야 하고 세라믹 바인더와도 반응하지 않아야 한다. 비록 에탄올 같은 유기액체 또한 사용될 수 있지만 전형적으로 비활성 액체는 물, 특히 탈이온수이다.

단계 (i)의 한 구체예에서 세라믹 분말의 슬러리가 먼저 제조된 후 유기 바인더와 기공형성제가 그것에 첨가된다 (도의 단계 1과 2). 그러나, 또한 세라믹 분말, 유기 바인더 및 기공형성제가 함께 혼합된 후 액체 용매가 첨가될 수도 있다. 바람직한 구체예에서, 인산 칼슘 세라믹 슬러리는 먼저 인산칼슘을 물 또는 다른 비활성 액체와 함께 혼합함으로써 제조된다. 분산을 돕기 위하여, 분산제를 첨가하여 슬러리 전체에 세라믹 분말이 균일하게 분포하는 것을 확실히 하는 것이 바람직하다. 이 목적으로 사용될 수 있는 전형적인 분산제는 인산염과 아크릴레이트 폴리머 같은 산/염기 용액과 폴리머를 포함한다. 바람직한 분산제는 암모니아, 오르토인산 같은 인산, 또는 암모늄 폴리아크릴레이트와 암모늄 폴리메타크릴레이트 같은 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 폴리머의 암모늄염을 포함한다.

그 다음으로 선택적으로 비드 또는 알루미나, 스텐레스강 또는 텅스텐 카바이드의 실린더 같은 제분 매체로 슬러리를 제분하는 것이 바람직하다. 물론 이들 제분 매체는 제분 후 제거된다.

바람직한 구체예에서, 제분은, 전형적으로 고무벽의 실린더 제분기 중에서 수행된다. 통상, 밀폐된 실린더 제분기는 낮은 속도로 수 시간 동안 회전하도록 되어 고밀도로 양호하게 분산된 세라믹 슬러리를 형성한다. 분말의 크기를 최적화하기 위하여, 제분 작업은 적어도 1 시간 내지 약 50 시간이 걸리는 것이 일반적으로 바람직하다. 사실상 기공 구조는 공정의 최종 단계 동안 이웃하는 것들과 융합된 일련의 밀집된 불규칙한 세라믹 입자들이므로, 슬러리내 분말의 크기가 기공의 크기를 결정할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

일반적으로, 그 후, 탄수화물 분말과 기공형성제는 서서히 슬러리에 첨가되어 고점도 신축성 재료로서 기술되는 것을 형성한다. 밀폐된 산소 챔버내에서 혼합이 수행되어 기공형성제가 반응하기 위하여 혼합된 재료가 산소가 풍부한 것이 보장되는 것이 바람직하다. 기공형성제의 양이 최종 제품의 전체 기공률을 제어하지만 바인더의 품질이 혼합물의 신축성 특성을 결정한다는 것이 이해될 것이다.

단계 (iii)에서 사용되는 정확한 조건은 기공형성제의 형태에 의존할 것이라는 것 또한 이해될 것이다. 그러므로, 효모가 사용되면 이산화탄소를 생성하기 위한 기작을 촉진하기 위하여 소량의 당 같은 영양원이 존재하는 것이 일반적으로 필요하다. 일반적으로 체온의 증가는 기공형성제가 반응하도록 유발할 것이고, 가스 발생을 결과할 것이다. 기공형성 단계는 온도 및/또는 압력을 증가시킴으로써 가속될 수 있지만, 효모가 사멸되는 온도 이하로 온도가 유지되는 것을 보장하도록 하는 주의가 요구되는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 28 내지 30 ℃ 온도가 효모가 기공을 형성하도록 할 것이다. 그러나, 다량의 효모가 사용되면 일부의 효모가 살아남아 더 높은 온도, 예를 들어 40 ℃ 이하를 결딜수 있는 것이 발견되었다. 기공 크기는 온도와 사용된 기공형성제에 의하여 대략적으로 한정된다. 밀폐 산소 챔버의 사용은 공정의 재현성을 보조하지만 물론 혼합은 단순히 공기 중에서도 수행될 수 있다.

사용된 세라믹 분말의 양은 일반적으로 되도록 많아야 한다. 전형적으로 전체 중량의 80 %의 세라믹 분말, 19 %의 탄수화물 및 약 1 %의 효모를 사용한다. 그러므로, 일반적으로 50 내지 90 중량% 세라믹, 5 내지 50 중량% 바인더 및 0.5 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량% 기공형성제를 사용한다. 명백히, 사용된 기공형성제의 정확한 양은 약제의 형태에 따른다.

충분한 기공형성제가 존재한다면, 시간에 따라 기공의 크기는 증가할 것이 또한 이해될 것이다. 이상적으로는, 기공 크기는 약 200 내지 300 미크론이 되어야 한다. 기공 크기가 이것보다 유의하게 작으면, 뼈모세포가 안쪽으로 성장하기에 불충분할 것이다. 게다가, 어떤 방향으로도 기공이 채워지는 것이 바람직하다면, 하기되는 바와 같이, 그렇지 않으면 분자가 기공에 의하여 유지되지 않을 것이므로 이상적인 기공 크기보다 약간 커야 한다.

이 시기에 물체는 반죽-유사 외형을 갖는다는 것, 즉 그것의 구체적 모습을 띠지 않음이 이해될 것이다.

바람직하게는, 선택적 성형 단계 (ii) 이전에 산물은 압출기 또는 다른 장치로 옮겨져 성형 단계를 위하여 필요한 형태와 크기를 제공한다 (도의 단계 3). 압출 단계의 목적은 최종 다공성 구조에서 바람직한 기공 모양과 방향을 제조하는 것이다. 상이한 압출력과 전면 몰드의 상이한 형태를 사용하여, 재료는 수직 또는 수평면으로의 선형, 중공관, 가교 재료 또는 나선형의 기공 같은 소망의 정렬을 갖는 어떤 기하학적 형태로 형성될 수 있다. 기공형성제는 압출 방향을 따라 펴지고 궁극적으로 소망의 기공 방향을 제조할 것이다, 즉 공축을 따라 정렬할 것이다. 명백하게, 물체는 이 정렬이 가능하도록 반죽-유사체에서와 같이 충분한 점도를 가져야 한다. 때때로, 이것은 단순히 잡아늘이기에 의하여 달성될 수 있다. 미생물을 사용하는 것의 특정 이점은 양호하게 연결되는 기공이 형성될 수 있다는 것임을 이해할 것이다. 대조적으로, 화학제는 일반적으로 잘 연결되지 않은 기공을 가져온다.

압출 단계는 해면 또는 피질 뼈구조 모방체의 제조에 필수적이지만, 인공뼈이식편이 부하부담 응용에 사용되는 경우 그것은 일반적으로 필수적이다. 이는 대퇴와 엉덩이 관절 같은 천연 부하부담뼈의 형태의 무기질 조성이 단순한 해면 뼈 구조가 아닌 관-유사 구조를 갖기 때문이다. 이 관-유사 다공성 구조의 방향은 스트레스 분포 부하에 따를 것이고, 이는 부하부담뼈가 늑골의 뼈보다 강하도록 결과한다.

그 후 혼합물은 선택적으로 성형된다 (도의 단계 4). 바람직하게, 그것은 몰드에서 성형된다. 몰드의 3 차원적 형태는 형태가 환자의 결여된 뼈구조를 복제할 수 있도록 컴퓨터 보조 의학 이미지 분석 기술로 고안될 수 있다. 물체가 일단 몰 드에서 밀폐되었으면, 기공형성제가 반응하고 기공을 형성할 수 있도록 하기 위하여 몰드의 온도는 상승될 수 있다. 기공형성제의 확장에 의하여 유발되는 힘이 세라믹 분말체를 압축하는 것이 이해될 것이다. 공정 시간 및 공정 온도와 함께 기공형성제의 양은 최종 제품의 다공성 밀도와 기계적 강도를 결정한다. 최적화된 공정 온도에서 반응을 완결하기 위하여 요구되는 전체 시간은 물체의 크기에 따라 전형적으로 30 내지 90 분, 바람직하게는 40 내지 60 분, 특히 약 45 분이다.

단계 (iv) 전에, 물을 비활성 액체로 사용한 경우, 물체의 온도를 물의 어는점 이하로 감소시키는 것이 바람직하다 (도의 단계 5). 바람직하게는, 밀폐 몰드는 약 -5 ℃ 내지 액체질소의 온도로 감소된다. 동결 단계는 기공형성제가 더 이상 반응하는 것을 방지할 수 있다. 물로부터 얼음의 형성으로부터 결과하는 확장은 물체의 다공성구조를 더 강화시킨다. 동결된 샘플은 그 후 몰드로부터 제거될 수 있다.

그 후 액체의 일부를 전형적으로 증발에 의하여 물체로부터 제거하는 것이 일반적으로 필요하다. 이는 물이나 다른 액체가 표면으로부터 증발되고 콤팩트를 통한 유체정역학적 압력 구배는 이동할 액체에 대한 추진력을 제공하는 진공 챔버에서 달성될 수 있다. 물체의 내부로부터 표면으로 유체가 다공성 채널을 통하여 유동함으로서 더 균일한 압력이 발생한다. 자연적으로, 공정 온도, 온도 증가율, 진공압 및 승화 과정의 지속시간은 물체의 크기와 형태 및 채택된 액체의 형태에 의존한다. 이들은 일상적인 실험에 의하여 측정될 수 있다.

단계 (iv)의 목적은 물품의 안정화이다 (도의 단계 6). 이 목적을 위하여, 물품이 위치할 (건조하거나 습윤할 수 있는) 공기, 전형적으로 바람직하게는 습도 제어되는 오븐을 전-가열하는 것이 일반적으로 바람직하다. 안정화를 위하여 100, 130 또는 150 내지 230 ℃의 온도가 일반적으로 적당하다. 일반적으로, 안정화는 1 시간 미만, 일반적으로 5 내지 50 분, 예를 들어 15 내지 45 분 내에 달성될 수 있다. 스팀의 사용은 일반적으로 직접 가열 과정에 의하여 유발될 수 있는 샘플 표면상에 형성되는 미세균열 없이 유기 바인더의 중합을 유발하므로 유리하다는 것이 발견되었다. 이들 균열은 후속의 어닐링 공정 동안 유지되고 더 심화되므로 생산성을 크게 감소시킬 수 있다.

일단 물체가 안정화되면 그것은, 바람직하다면, 인공 뼈이식편의 소망의 형태에 대응하도록 어떤 불규칙한 흐름을 제거하고/또는 물품의 최종 기하학적 형태를 조정하기 위하여 규격화될 수 있다.

단계 (v) 에서 물품은 가열되거나 구워져 바인더 및 어떤 잔류 기공형성제도 제거한다. 일반적으로 400 ℃ 내지 1000 ℃의 온도가 이 목적에 필요하다. 이것은 어느 정도는 사용된 바인더의 양과 적용된 가열속도에 의존하기는 한다. 이 가열 단계는 전형적으로 탄소-함유 가스가 발생하는 것을 결과하므로, 가열은 이들 가스가 연결된 다공성 채널을 통하여 인공뼈로부터 확산되도록 서서히 수행되어야 함이 이해될 것이다. 만약 이것이 이루어지지 않으면, 갇힌 가스가 축적되어 밀집된 다공성 구조에 내부적 손상을 유발하기에 충분할 수 있다. 일반적으로, 가열속도는 분당 10 ℃를 넘지 않아야 하고, 전형적로 분당 5 ℃ 미만, 아마도 큰 샘플에 대하여는 분당 1 또는 2 ℃ 이어야 한다.

바인더를 제거하는 단계는 일반적으로 물품으로부터 더이상의 탄소 가스가 나타나지 않을 때 완성된다.

바람직하게는, 이 가열단계에 이어 샘플은 고온에서, 전형적으로 약 1200 내지 약 1450 ℃에서 어닐되거나 소성되어 필요한 생체역학적 강도와 생체적합성을 달성한다 (도의 단계 7). 반복하여 기술하면, 가열의 온도와 시간은 샘플의 크기와 최초 세라믹 농도에 의존한다. 너무 고온이 사용되지 않도록 주의하여야 하는데, 이는 작은 상호연결된 기공이 융합되어 거대기공이 고립되기 시작하는 결과를 낳을 수 있기 때문이다.

몇몇 경우에, 제품은 몇몇 목적에는 충분하게 세지만, 몇몇 다른 목적에는 불충분하게 세다. 제품의 세기는 그것을 비록 최초에 사용된 것과 동일할 필요는 없으나 전형적으로 아파타이트 세라믹 분말로 형성된 세라믹 슬러리 안에 침지함으로써 강화될 수 있다는 것이 발견되었다. 슬러리는 또한 최초에 사용된 것과 동일하거나 상이한 형태일 수 있는 분산제를 함유하여야 한다. 바람직하게는 슬러리는 입도를 감소시키도록, 예를 들어 평균 5 ㎛ 내지 평균 1 ㎛로, 사용하기 전에 제분되어야 한다. 슬러리는 약 한 시간 반 동안 놓아두어 큰 입자가 분해되도록 한다. 적당한 평균 입도, 즉 0.2 ㎛ 미만의 입자가 형성된 현탁액으로부터 부어질 수 있다.

침지는 전형적으로 슬러리의 연속적 교반과 함께 적어도 0.5 시간동안 지속되어야 한다. 그 이후에, 슬러리는 더이상의 기포가 샘플로부터 발생하지 않을 때까지 바람직하게 끓인다. 이는 샘플의 크기에 따라서 전형적으로 10 분 내지 1 시간이 소요된다. 이 공정은 샘플의 세공이 아파타이트 입자로 패킹되는 것을 보장한다. 어떤 여분의 슬러리와 아파타이트 입자도 상호연결 거대 기공 구조를 통하여 원심분리 공정 (예를 들어 2500 내지 15000 rpm)에 의하여 제거될 수 있다. 이 침지 단계는 필요하다면 반복될 수 있다. 그 후 샘플은 어닐링 단계를 반복하여 받을 수 있다.

다공성 구조의 기계적 강도를 개선시키는 다른 방법은 그것을 폴리머, 바람직하게는 폴리카프로락톤 (PCL) 같은 생분해성 폴리머로 재강화시키는 것인데; 폴리머는 충전제 역할을 한다. 이 목적으로 폴리머가 용매에 용해되어 약 10 내지 50 중량%, 전형적으로 20 내지 40 중량% 농도를 제공한 후, 물체는 약 5 분 내지 1 시간, 예를 들어 20 분 동안 침지된다. 그 후, 물체를 분리하고 원심분리하여 어떤 잔류 용액도 제거한다. 그 후 샘플을 가열하여 기공을 차단하는 어떤 폴리머도 녹도록 하는 것이 바람직하다. 바람직하다면 이 과정은 반복될 수 있다.

본 발명의 유리한 구체예에서 인공뼈의 기공의 몇몇 또는 모두는 제어 방출 기작을 갖는 약물전달 시스템으로 사용될 수 있다. 이는 인공뼈를 소망의 세포 성장 인자 또는 약물의 용액에 침지함으로써 일반적으로 달성될 수 있다.

현재, 조작된 고분자량 단백질 또는 효소를 뼈 안으로 송달하기 위한 유효한 약물전달 기작은 없다. 뼈이식편의 크기가 분자를 수용하도록 조정될 수 있으므로 본 발명에 따라 이것이 달성될 수 있다. 그러므로, 이 방식으로 삽입된 고분자량 조작 단백질 또는 효소는 뼈이식편으로부터 방출되어 뼈성장을 자극할 수 있고, 다공성 매트릭스는 뼈모세포를 증식하고 분화하도록 안내할 수 있다. 형질전환 성장인자 (TGF-β1), 뼈 형태 유전 단백질 (BMP-2) 및 뼈형성 단백질 (OP-1)을 포함하 는 뼈성장을 위한 성장 인자가 이 방식으로 본 발명의 인공뼈 내로 삽입될 수 있다.

삽입될 수 있는 다른 재료는 염의 형태로 삽입될 수 있는 비타민 D 같은 비타민 및 아연 같은 미량 미네랄을 포함한다.

바람직한 구체예에서, 이들 분자는 생분해성 폴리머와 함께 기공 내로 삽입된다. 생분해성 폴리머는 활성 분자를 기공내에 "고정"하는 것을 돕는 동시에, 인공뼈의 세기를 개선시킨다.

이 목적으로 사용될 수 있는 적당한 생분해성 폴리머는 녹말, 전형적으로 옥수수 녹말, 또는 다른 천연 발생 폴리머 또는 그 같은 폴리머와 예를 들어 폴리에틸렌 또는 폴리(젖산) 또는 폴리(글리콜산)의 혼합물을 포함한다. 일반적으로, 비-천연 발생 폴리머의 농도는 가능한 어떤 생물학적 부작용을 피하기 위하여 낮게 유지되어야 한다. 녹말과 약 50 중량% 까지의 저밀도 폴리에틸렌의 혼합물을 사용하는 것이 가능할 수 있기는 하다.

활성 화합물은, 만약 생분해성 폴리머가 만약 사용된 경우, 침지에 의하여 재료의 용액으로부터 적용될 수 있다. 인공 뼈이식편에 대한 약간의 진공의 적용은 용액의 흡수를 증가시킬 것이므로 유용할 수 있다.

이 침지 단계를 여러 차례 수행하는 경우, 인공뼈의 강도는 매우 유의하게 증가될 수 있다. 잔류 생분해성 폴리머는 일반적으로 원심분리에 의하여 제거될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 인공뼈이식편은 시험관내 조작된 자기이식편을 위한 3- D 비계로서 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

방법의 제조비용은 일반적으로 현존 방법에 대한 것보다 유의하게 낮고, 제조 시간은 다른 방법보다 일반적으로 신속하다. 일반적인 환경하에서, 비정규적 형태를 갖는 대규모 시료도 24 시간 내에 제조될 수 있다. 그러므로, 주문제작될 수 있다. 예를 들어, 턱얼굴 수술 전에 환자의 3-D 골격 스캔 이미지에 따라 뼈이식편의 소망의 형태가 제작될 수 있다. 그러므로, 뼈이식편은 각 환자에 대하여 개별적으로 생산될 수 있다.

다음 실시예는 본 발명을 설명한다.

실시예 1

입도 0.6 ㎛ 내지 1 ㎛의 시중 의료 등급의 히드록시 아파타이트 Ca_l0(PO₄)₆(OH)₂ 분말 (ASTM F118588)을 합성 다공성 뼈이식편을 제작하기 위하여 사용하였다. 제 1 단계는 성분이:

히드록시아파타이트 분말 160 g

탈이온수 70 ml

암모늄 폴리아크릴레이트 2 g 인 슬러리를 제작하는 것이다.

이들 성분은 먼저 가소성 용기내에서 약숟가락으로 균일하게 혼합하였다. 균질의 용액이 형성된 후, 이중날 교반기로 약 1200 rpm 으로 5 분 동안 기계적으로 교반하였다. 이것은 약 115 ml의 슬러리가 되었다. 슬러리를 그 후 응집물의 추가 적 분산을 위하여 폴리에틸렌 플라스크이고 10 cm 길이이고 6 cm 직경이며 100 cm³ 고밀도 작은 Al₂O₃를 함유한 실린더인 실린더 제분기 내에 부었다. 실린더 제분기를 밀폐하고 120 rpm에서 30 분 동안 교반하여 균질의 슬러리를 형성시켰다.

70 g의 미세하고, 체질된 밀가루와 7 g의 효모세포를 그 후 서서히 첨가한 후 혼합기 내에서 타격하여 취급 가능하고 소성인 혼합물을 형성시켰다.

A. 압출하지 않는 샘플

그 후, 혼합물을 동량으로 나누고, 압출 없이 네 개의 테플론 피복 페트리 디쉬에 밀폐하지 않고 위치시켰다. 그 후 이들 페트리 디쉬를 온도 제어 인큐베이터에 옮겨 28 - 30 ℃에서 유지시켰다. 인큐베이터의 시간은 15 분 씩 증가시켜 15 분 내지 1 시간으로 네 가지로 변화시켰다. 각 단계의 마지막에 페트리 디쉬 중 하나를 액체 질소에서 서서히 온도하강시켜 생물학적 반응을 정지시켰고 다음 단계 공정을 준비하였다.

그 후 여분의 물은 압력 10^-1 내지 10^-3 mmHg 에서 20 ℃에서 샘플로부터 제거하였다. 건조된 샘플을 그 후 30 분 동안 200 ℃에서 화덕에서 안정화시켰다. 포맷된 샘플을 그 후 화덕에서 분당 5 ℃의 속도로 서서히 가열하여 1000 ℃에서 유지하여 유기 첨가제를 제거하였다. 그 후, 샘플을 1250 ℃에서 2 시간 동안 어닐하고 분당 5 ℃ 속도로 서서히 실온으로 냉각시켰다.

소성된 샘플의 각각의 다공성 구조의 최적 현미경적 시험은 그것들이 모두 인간 해면뼈와 거의 동일한 다공성 구조를 나타낸는 것을 나타내었다. 표 1에 나타 난 바와 같이, 기공과 상호연결된 기공의 크기는 인큐베이션 시간이 증가할수록 더 증가하였다.

시간	기공 크기	상호연결된 기공 크기
15 분	50 - 100 ㎛	평균 직경 40 ㎛
30 분	300 - 500 ㎛	평균 직경 200 ㎛
45 분	800 - 1000 ㎛	평균 직경 400 ㎛
60 분	2000 - 3000 ㎛	평균 직경 1000 ㎛

B. 압출하는 경우

혼합 공정 후 혼합물은 압출 유닛을 통하여 처리하여 원기둥 형태의 시료를 형성하였다. 압출 유닛의 전면 몰드는 두개의 연결된 원기둥이었고 직경은 각각 첫 단계에 대하여 5 cm와 제 2 단계에 대하여 3 cm였다. 3 mm 망을 갖는 스틸 그물이 제 2 단계 원기둥의 양쪽 말단에 부착되었다. 그 후, 압출된 혼합물을 테플론 피복 플레이트에 밀폐하지 않고 위치시켰다. 그 후, 그 혼합물과 함께, 플레이트를 온도 제어 인큐베이터에 옮겨 28 - 30 ℃에서 유지시켰다. 그 후, 혼합물을 냉장고에 옮겨 -5 ℃에서 2 시간 동안 유지한 후, 여분의 물은 동결 건조 챔버에서 압력 10^-1 내지 10^-3 mmHg 에서 20 ℃에서 샘플로부터 승화시켰다. 포맷, 가열 및 어닐링 공정은 A절에서 기재된 바와 동일하였다. 샘플은 800 내지 1000 ㎛ 길이의 기공 크기 및 약 200 ㎛의 평균 직경을 갖는 균일한 관-유사 다공성 구조를 나타내었다. 약 200 ㎛ 평균 직경의 상호연결된 기공은 이들 관-유사 거대 기공의 말단에서 연결되었다. 구조는 뼈성장과 혈관형성의 도입에 이상적이다.

C. 밀폐 성형하는 경우

압출 공정은 B 절에서 기술된 것과 동일하였다. 그러나, 압출 공정 동안 스틸 그물을 제거하였다. 압출된 원기둥형 샘플을 밀폐 원기둥 몰드 내로 옮겼다. 삽입 방법과 승화 공정은 B 절에 기재된 것과 동일하였고, 포맷, 가열 및 어닐링 공정은 A절에서 기재된 바와 동일하였다. 샘플의 단면은 인간의 긴 뼈의 것과 유사한 구조를 나타내었다. 조밀한 구조는 샘플의 외측 껍질을 형성하였는데; 그것은 동심 층에 정렬된 Ca/P 세라믹으로 만들어진 단단한 실질적으로 솔리드체로 구성되었다. 해면/스펀지 뼈에서 발견되는 것과 유사한 다공성 구조를 샘플의 중간에서 발견하였는데; 기공 크기는 점차 감소하여 최종적으로 조밀 구조로 연결되었다.

실시예 2

실시예 1B에서 얻어진 다공성 HA 제품의 샘플을 평균 입도 0.2 ㎛를 갖는 끓는 HA 슬러리에 침지하였다. 침지 시간을 30 분 간격으로 30 분 내지 90 분으로 하였고 슬러리를 연속적으로 교반하였다. 그 후 잔여 슬러리를 원심분리 공정 (2500 내지 15000 rpm)에 의하여 제거하였다. 샘플을 1280 ℃에서 5 시간 동안 어닐링 공정을 받게 하였다.

샘플의 기계적 시험을 2.5 kN 로드셀과 원격 컴퓨터 제저 유닛으로 피팅된 Lloyd 벤치탑 시험 기계를 사용하여 수행하였다. 로드는 취성파괴가 발생할 때까지 크로스헤드 속도 분당 0.1 mm로 시료 (평균 샘플 접촉면적은 0.8 cm²)에 적용하였다. 얻어진 결과는 도 2에 나타낸다. 다공성 HA 샘플의 압축성 세기는 침지 시간이 증가함에 따라 증가하는 것을 알 수 있다.

실시예 3

PCL 6 g을 150 cc 유리 비커에서 60 ℃ 오븐 중에서 녹였다. 솔리드 PCL이 투명한 점성액으로 녹은 후, 20 ml 아세톤을 첨가하여 PCl을 용해하고 유동성 용액을 형성시킨다. 용액의 점도는 0.8835 ± 0.025 pas.이었다. 그 후 실시예 1B의 다공성 샘플을 용액내에 침지하였고 뜨거운 플레이트 상에 위치시킴으로써 일정한 온도 57 ℃에서 끓도록 하였다.

20 분 후, 샘플을 제거하고 원심분리 공정 (2500 내지 15000 rpm)을 받도록 하여 어떤 잔여 용액도 상호연결 거대기공 구조로부터 제거하였다. 그 후 샘플을 60 ℃ 오븐에 위치시켜 거대기공 구조 중의 어떤 차단 PCL도 녹도록 하였고 원심분리 공정을 반복하였다.

실시예 2의 기계적 시험을 수행하였다. 얻어진 결과는 도 3에 나타낸 바와 같다. PCL 재강화된 다공성 HA 샘플은 유의하게 증가된 압축 강도를 갖는 것을 알 수 있다.

ASTMC134 표준에 따라 침지 공정 전에 시험된 샘플의 다공성 성질은 다음과 같았다.

시험된 다공성 HA 샘플의 기공률
전체 부피, cm³	1.06078 ± 0.01493
열린 기공의 부피, cm³	0.79737 ± 0.01935
비투과 기공의 부피, cm³	0.20262 ± 0.00596
겉보기 기공률, P%	79.6589 ± 0.28677
물 흡수도, A%	133.81 ± 1.89755
겉보기 비중	2.93957 ± 0.03229
벌크 밀도, g/cm³	0.59597 ± 0.0074

Claims

(i) 미세하게 분리된 생체적합성 세라믹 분말, 유기 바인더 및 기공형성제로서의 효모의 혼합물을 비활성 액체 중에서 제조하여 물체를 형성시키고 적어도 일부의 기공형성제를 공축을 따라 정렬하게 하는 단계;

(ii) 기공형성제가 물체 내에 다공성 구조를 형성하도록 하는 단계;

(iii) 성형된 물체를 다공성 구조가 고정되기에 충분한 온도로 가열하는 단계; 및

(iv) 물체를 더 가열하여 유기 바인더의 잔류물과 기공형성제를 제거하고 그것을 융합시키는 단계를 포함하는 인공뼈의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 세라믹 분말은 인산칼슘의 것임을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 세라믹 분말은 α 또는 β 인산삼칼슘인 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 인산칼슘은 히드록시 아파타이트인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 분말은 100 미크론을 초과하지 않는 평균 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 유기 바인더는 탄수화물 분말인 것을 특징으로 하는 방법.
제 6 항에 있어서, 유기 바인더는 옥수수가루 또는 밀가루인 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 비활성 액체는 물인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 분말의 슬러리를 먼저 얻고 유기 바인더와 기공형성제를 거기에 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 10 항에 있어서, 세라믹 분말의 슬러리는, 제분으로 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
제 10 항에 있어서, 분산제가 세라믹 분말에 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서, 분산제는 암모니아 용액, 오르토인산, 아크릴산의 폴리머의 암모늄염, 메타크릴산의 폴리머의 암모늄염, 또는 아크릴산과 메타크릴산의 폴리머의 암모늄염인 것을 특징으로 하는 방법.
제 10 항에 있어서, 유기 바인더와 기공형성제는 밀폐 산소-함유 챔버 내에서 슬러리 내에 균일하게 분산되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 기공형성제는 물체를 압출함으로써 단계 (i)에서 정렬되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 물체는 몰드를 사용하여 성형되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 비활성 액체는 물이고, 밀폐된 몰드는 어는점 이하로 냉각됨으로써 물체의 다공성 구조를 강화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (i) 후에 비활성 액체는 물체로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (ⅲ)는 100 내지 230 ℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (ⅲ)는 물체가 스팀을 받게 하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (iv)는 분당 10 ℃를 초과하지 않는 속도로 400 내지 1000 ℃로 가열함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (iv) 후에 물체는 1450 ℃ 이하의 온도에서 어닐링되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (iv)의 제품은 세라믹 슬러리 안에 침지된 후 끓여져서 결과의 물체가 원심분리에 의하여 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의하여 제조된 인공뼈.
제 25 항에 있어서, 하나 이상의 단백질, 비타민 또는 미량원소나 미네랄을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공뼈.
제 26 항에 있어서, 생분해성 폴리머를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공뼈.
제 1 항에 있어서, 상기 단계 (i)과 (ii)의 사이에, 결과의 물체를 성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 10 항에 있어서, 세라믹 분말의 슬러리는, 제분매체와 함께 제분으로 얻는 것을 특징으로 하는 방법.