KR100985154B1

KR100985154B1 - 우레탄 발포법을 이용한 다공성 지지체의 제조방법

Info

Publication number: KR100985154B1
Application number: KR1020080057300A
Authority: KR
Inventors: 김현정; 김갑근; 박일규; 최백선
Original assignee: 주식회사 동성바이오폴
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-10-05
Also published as: WO2009154345A1; KR20090131433A

Abstract

본 발명은 우레탄 발포법을 이용한 다공성 지지체의 제조방법에 관한 것으로, A) 이소시아네이트 혼합용액과 B) 폴리올 혼합용액을 준비하되, 상기 A) 이소시아네이트 혼합용액에는 이소시아네이트, 세라믹 혼합분말 및 분산제를, 상기 B) 폴리올 혼합용액에는 폴리올, 세라믹 혼합분말, 가교제, 분산제, 발포제 및 계면활성제를 각각 첨가 혼합하는 단계, 상기 A)와 B)를 몰드에 주입한 다음 발포시키는 단계 및 우레탄 유기물을 없애고 남은 무기물을 결정화시킨 다음 고온에서 소결하는 단계로 이루어진다.

상기 본 발명에 의해 얻어지는 지지체는 뼈를 이루는 구성성분과 유사하고, 생체조직 및 치재 등의 임플란트 의료용재로 이용 가능한 다공성 골이식재로서, 생체 활성의 세라믹을 포함한 무기물이나 금속을 이용하여 기존 다공체의 단점을 보완하면서 골대체용 이식재로 적합한 물리적 강도 및 기공률, 기공크기 제어를 효과적으로 할 수 있다.

우레탄, 발포, 다공성, 지지체, 제조방법, 세라믹, 골이식재

Description

우레탄 발포법을 이용한 다공성 지지체의 제조방법{Manufacture of Porous Scaffold by Using Urethane Foaming Method}

상기 본 발명에 의해 얻어지는 지지체는 뼈를 이루는 구성성분과 유사하고, 생체조직 및 치재 등의 임플란트 의료용재로 이용 가능한 다공성 골이식재로서, 생체 활성의 세라믹스를 이용하여 기존 다공체의 단점 보완과 골대체용으로 적합한 이식재 제조를 위해 물리적 강도, 기공률, 기공크기 및 세라믹 비율 등을 효과적으로 제어하여 우수한 생체 적합성과 골전도성을 가지는 지지체를 제조할 수 있다.

합성골 대체재로 가장 일반적으로 이용되어지는 세라믹 재료 중 인산칼슘계 재료는 골조직과 치아의 성분 및 구조와 유사하며, 생체친화성을 가지고 있기 때문에 골이식 재료로써 많은 연구가 이루어져 왔다. 하지만 기계적 강도나 내마모도는 매우 낮아 하중을 받는 곳에서의 사용에 제약을 받는다. 그래서 하중을 받지 않으면서 생체 친화성이 우수한 특징을 최대한 활용할 수 있는 용도로, 여러 가지 형태가 제조되어 사용되고 있다.

인산칼슘계 세라믹스 중 수산화아파타이트(Hydroxyapatite, HA)와 삼인산 칼슘(tricalcium phosphate, TCP) 혹은 이 두 상을 혼합한 2상 인산칼슘(biphasic calcium phosphate, BCP)은 우수한 생체친화성과 골전도성, 그리고 생분해성을 가지고 있어 현재까지 광범위하게 연구보고 되고 있다. 이중 가장 안정적인 HA상과 용해도가 높은 β-TCP상이 혼합된 BCP가 치과와 정형외과에서 성공적인 골이식 대체재로 사용되고 있다. BCP는 체내에서 점진적으로 분해되며 체액으로 방출된 칼슘, 인산염 이온이 국소적인 부위에서 체액의 과포화상태를 유발하여 세라믹 표면에 생물학적 아파타이트의 침전을 이루는 것으로 알려졌다. 이러한 아파타이트층이 골형성 세포의 부착을 조장하고 BCP의 골전도성에 기여하는 것으로 보고되었다.

상기 수산화아파타이트는 무게비로 뼈의 약 70%, 치아 에나멜의 약 97%를 차지하는 인체 경조직의 주요 성분이기 때문에 치과나 의학분야에서 손상된 경조직을 치료 및 대치하기 위한 방법으로 오랫동안 주목을 받아왔다.

HA는 인산칼슘계 (CaO-P₂O₅) 광물군 중 하나로써 Ca/P가 1.67로 아파타이트에서 M=Ca, Z=P, X=OH로 치환된 광물이다. 이 외에도 생체재료로 탄산아파타이트(Ca₁₀(PO₄)₆CO₃)와 불화아파타이트(Ca₁₀(PO₄)₆F)가 사용되고 있고 많은 주목을 받고 있다. 때로는 이들 광물들은 비 화학양론적인 것으로 알려져 있는데, HA는 Ca²⁺ 결함 또는 부분적으로 OH^- 결합이 일반적으로 나타나는데 비 화학양론의 정도는 합성방법에 따라 다르다.

TCP(Ca₃(PO₄)₂)는 HA와 같은 인산칼슘계에 속하며, Ca/P 비가 1.50으로 Ca/P 비가 1.67인 HA에 비해 생분해 되는 특성이 있으며, HA와 함께 생체재료로써 임상에 유용하게 사용되고 있다. TCP는 4개의 동질다상(β, α, α`, γ)이 있는데 고온형인 α-TCP와 저온형인 β-TCP가 있고, α↔β 전이온도는 1120-1180℃이다. β-TCP는 임상에 생분해성 골 대체재료로 많이 사용되는데 간혹 TCP와 HA를 혼합하여 생분해 속도를 조절한 2상(biphasic) 제품으로 제조되기도 한다.

상기 세라믹 재료를 이용한 다공질체의 제조에 있어 다공의 크기는 1-1000㎛의 범위를 가지며 다공이 서로 연결된 구조를 가져야 한다. 그것은 골 대체용 이식제로 사용될 경우 뼈 조직이 다공질체의 적정 다공 크기에서 다공 안으로 자라 들어오며, 이들이 연결된 구조로써 골 재생을 유도하는 구조를 나타내기 때문이다.

이들 합성 골 대체용 이식재는 전형적으로 100-500㎛ 지름의 연결된 거대 다공성 구조를 갖는데, 다공성 구조의 기공크기는 골 전도성에 중요하다. 보고에 따 르면 성장 중 골조직에 대한 적정 기공크기로는 약 200-300㎛를 말한다. 기공크기가 100㎛보다 작으면 골조직은 뼈 성장 없이 표면상에 축적된다. 이식 후 골 대체용 이식재는 서서히 분해되고 그 공백을 신생골의 성장으로 대체되어야 한다. 그것은 수용채 자신의 골 형성 활성에 기인하며 결과적으로 손상된 뼈 부위에서의 뼈 복원이 이루어진다. 그러나 분해는 골치환재료가 기공지름 1 내지 5㎛의 미세다공성인 것을 요한다. '분해성' 뼈이식편의 분해작용은 두 단계 즉, 소결된 입자 중의 경부의 세포외 분해 및 이런 방식으로 분리된 입자의 세포내 식작용으로 이루어진다. 제 1단계는 어닐된 생체 세라믹 벌크에서는 불가능하고 두꺼운 연결벽을 갖는 다공성 합성 뼈이식재에서는 매우 어려운데, 이는 세포가 공격할 수 있는 작은 경부가 없기 때문이다.

상용화 되고 있는 골 대체용 이식재는 일반적으로 무작위적 기공크기 분포를 갖고 연결 다공성 구조로써의 바람직한 방향성이 없다. 이러한 구조는 일정기간 후 생체내에서 혈관 형성을 방해하는 잠재성을 가지며 뼈이식편의 가운데는 일반적으로 뼈가 없는 채로 남아 있다. 비록 대부분의 시중 뼈이식편이 살아있는 뼈의 미네랄 상태에 유사한 화학적 조성을 갖지만, 수술 후 영양소가 합성 다공성 뼈이식편을 통하여 흐를 수 없기 때문에 이식편은 대규모 적용 또는 영구적 치환으로써 사용될 수 없다는 단점을 가지고 있다.

골대체용 다공성 세라믹 이식재를 제조하는 방법으로 미국 특허 제6673285호, 제6316091호, 대한민국 공개특허 제2003-0034560에는 polystyrene, PMMA 등과 같은 고분자 비드(beads)를 이용하여 비드의 크기에 따라 형성되는 공극 사이로 슬 러리를 가압하여 충진시킨 후 고분자를 태워 다공체를 형성하는 방법에 대해 기술하고 있다. 그러나 이는 강도는 강하나 높은 기공율을 갖는 다공체를 형성하기에 적절하지 못하다.

또한, 대한민국 공개특허 제98-46777호, 미국 특허 제4664858호, 제6018095호에는 폴리 우레탄 다공체와 세라믹 슬러리를 제조한 후 이를 각각 코팅 및 열처리하여 세라믹 다공체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법으로는 폴리우레탄 스폰지와 똑같은 모양을 한 기공이 연결된 높은 기공률의 세라믹 다공체를 만들 수 있는 장점이 있으나, 기공의 형상이나 기공률 그리고 연결 통로의 크기 등 다공체 구조는 우레탄 스폰지에 기인하기 때문에 임의대로 기공률 및 기공크기를 설계하거나 조절할 수 없을 뿐만 아니라 폴리우레탄 다공체가 휘발한 부분이 세라믹 다공체의 골격 부분에 결함으로 남게 되어 결국 기계적 강도가 저하되는 한계를 나타내고 있다. 또한 강도를 보완하기 위해 1회 이상의 코팅 및 1회 이상의 소결을 해야 하므로 제조상의 불편한 결점을 가지고 있다.

또한, 미국 특허 제6511510호, 제5679737호, 제4371484호에는 과산화수소, CO₂ Gas, 계면 활성제를 이용하여 고분자 모노머가 포함된 슬러리 내 기공을 형성시킨 후 건조하여, 이를 열처리에 의해 고분자를 휘발시키는 과정을 거쳐 다공체를 제조하는 방법이 기술되어 있다. 이와 비슷한 원리로 미국 특허 제4654314호에서는 계란 흰자에 세라믹 분말을 충진시키고 이를 고속 교반하여 거품을 형성하며, 이를 오븐에 넣고 굳힌 후 소결함으로써 다공체를 얻을 수 있다고 기술하고 있다. 그러 나 이는 기공의 형상 및 기공크기, 균질성을 제어하기가 어려울 뿐만 아니라 높은 기공률을 갖는 형성체를 얻기 힘들다.

또한, 미국 특허 제4212839호, 제4846838호에는 세라믹 분말과 열가소성 고분자, 고무 또는 탄소 입자를 습식 혼합하여 슬러리를 만들고, 이를 일정한 형상의 틀에서 가압 성형하고 건조한 후 고분자 또는 유기물을 휘발시킨 다음 세라믹 성형체를 소결하여 다공체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법은 기공의 크기와 형상 및 기공률을 제어하기 쉬운 장점이 있지만 기공간의 연결 통로가 작으며, 다른 방법에 비하여 높은 기공률의 다공체를 제조하기 어려운 단점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 점을 보완하면서 골대체용 이식재로 적합하고 물리적 강도 및 기공률, 기공크기 제어를 효과적으로 할 수 있는 다공체를 제조하는 기술과 이의 양산화 공정을 개발하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 우레탄 발포법을 기반으로 화학적 발포과정을 응용하여 이에 세라믹을 포함한 무기물 또는 금속을 혼합하여 소결 후 신생골의 성장이 용이한 생체 친화성 골 대체용 다공체를 제조하는 것이 특징이다.

본 발명에 의해 얻어지는 지지체는 뼈를 이루는 구성성분과 유사하고, 생체조직 및 치재 등의 임플란트 의료용재로 이용 가능한 다공성 골이식재로서, 생체 활성의 세라믹을 포함한 무기물 또는 금속을 이용하여 기존 다공체의 단점을 보완하면서 골대체용 이식재로 적합한 물리적 강도 및 기공률, 기공크기 제어를 효과적으로 할 수 있다.

본 발명은 우레탄 발포법을 이용한 다공성 지지체의 제조방법에 관한 것으로, A) 이소시아네이트 혼합용액과 B) 폴리올 혼합용액을 준비하되, 상기 A) 이소시아네이트 혼합용액에는 이소시아네이트, 세라믹 혼합분말 및 분산제를, 상기 B) 폴리올 혼합용액에는 폴리올, 세라믹 혼합분말, 가교제, 분산제, 발포제 및 계면활성제를 각각 첨가 혼합하는 단계, 상기 A)와 B)를 몰드에 주입한 다음 발포시키는 단계 및 우레탄 유기물을 없애고 남은 무기물을 결정화시킨 다음 고온에서 소결하는 단계로 이루어진 것이 특징이다.

여기서, 상기 A) 이소시아네이트 혼합용액의 구성은 이소시아네이트 40~70 중량%, 세라믹 혼합분말 20~40 중량% 및 분산제 10~20 중량%가 바람직하다.

상기 이소시아네이트의 함량이 너무 많으면 지지체의 구성이 어렵고 너무 적게되면 발포가 어렵게 되어 좋지 않다.

또한, 상기 B) 폴리올 혼합용액의 구성은 폴리올 30~60 중량%, 세라믹 혼합 분말 20~40 중량%, 가교제 10~20 중량%, 분산제 및 발포제 1~10 중량%가 바람직하다.

상기 폴리올의 함량이 너무 많거나 적으면 지지체의 구성이 어려워 좋지 않다.

여기서, 상기 이소시아네이트로는 이소포론디이소시아네이트, 2,4-톨루엔디이소시아네이트 및 그 이성질체, 디메틸메탄디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 라이신디이소시아네이트, 트리메틸헥사메틸렌디이소시아네이트, 2,2-bis-4'-프로판이소시아네이트, 6-이소프로필-1,3-페닐디이소시아네이트, bis(2-이소시아네이트에틸)-퓨마레이트, 3,3'-디메틸-4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 1,6-헥산디이소시아네이트, 4,4'-바이페닐렌디이소시아네이트, 3,3'-디메틸페닐렌디이소시아네이트, p-페닐렌디이소시아네이트, m-페닐렌디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌디이소시아네이트, 1,4-자일렌디이소시아네이트, 1,3-자일렌디이소시아네이트, polymeric 디페닐메탄디이소시아네이트 등을 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.

또한, 폴리올로는 에틸렌옥사이드/프로필렌 옥사이드 랜덤 공중합체, 블록 공중합체의 폴리올과 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계 폴리올을 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있고, 가교제로는 글리세롤, 소비톨, 솔보스, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 네오펜틸글리콜, 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜, 트리메탄올에탄, 트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨, 트리에탄올아민, NP-300, NP-400, KR-6350 등을 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 세라믹 혼합분말은 세라믹을 포함한 무기물{α-, β-삼인산칼슘 (β-TCP, β-tri-calcium phosphate), 합성/천연 수산화아파타이트(HA), 칼슘메타포스페이트(CMP, Calcium metaphosphate)나 금속(알루미나) 분말 가운데 2종 이상을 혼합하여 사용하고, 분산 상태의 균일성을 부여할 수 있는 에탄올, 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드, 테트라히드로퓨란 등의 분산제를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 발포제, 계면활성제 등의 첨가물을 첨가하는데, 발포제로는 H₂O, 에탄올, 계면 활성제는 L-62, L-64, P-84, P-85, P-105, F-68, F-87, F-88, F-108, F-127(Basf 사), twin20, twin80, L-508, L-5305, L-5302, L-3150, DC-5098, DC-5258, DC-5169, DC-5043 등을 단독 혹은 혼합하여 사용한다.

상기 본 발명에서는 물리적 강도, 기공률 및 기공크기를 제어할 수 있는 것으로, 여기서 A) 이소시아네이트 혼합용액의 상대 비율을 높여 기공율을 높게 하거나, B) 폴리올 혼합용액의 상대 비율을 높여 다공체의 기공 사이즈를 크게 할 수 있는데, A) 이소시아네이트 혼합용액과 B) 폴리올 혼합용액의 몰드 주입 비율은 2:1~1:2로 하는 것이 바람직하다.

또한, 몰드에 넣는 A) 이소시아네이트 혼합용액과 B) 폴리올 혼합용액의 주입량을 통해서도 물성을 제어할 수 있으며, 이 때 A)와 B)의 주입량이 너무 많으면 기공 사이즈가 작아지고 주입량이 너무 적으면 기공이 균일하지 않게 되어 몰드에 대한 A)와 B)의 주입량은 50~70% 정도가 바람직하다.

상기 본 발명에서의 발포 후 우레탄 유기물을 없애고 남은 무기물을 결정화시키는 단계에서는 얻어지는 우레탄 폼을 승온 속도 분당 0.01~5℃로 200~850℃ 구간에서 유기물을 제거함으로써 무기물 또는 금속으로만 이루어지고 균열이 없이 일정한 다공성 지지체를 형성하고, 이어서, 치밀한 지지체를 위하여 고온에서 소결하는 단계에서는 온도 910~1,350℃의 범위에서 소결하여 완성한다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 본 발명은 우레탄 발포법을 응용한 골 대체용 지지체를 제조하는 방법으로써, 우레탄 발포액인 A) 이소시아네이트 혼합용액과 B) 폴리올 혼합용액 각각에 어트리션 밀(attrition mill)을 이용하여 분쇄된 세라믹을 단독 혹은 혼합하여 첨가시킨다.

이때 반응액(혼합용액)에 첨가하는 세라믹을 포함한 무기물 또는 금속분말의 함유량이 적으면 차후 우레탄 폼 소결시 큰 수축율로 인하여 파손이나 생산성의 문제가 야기되며, 너무 많으면 반응액의 높은 점도로 인하여 균일한 분산이 어렵고, 높은 발열과 불안정한 반응성으로 요구하는 우레탄 발포체를 얻기 어렵다.

분말을 포함한 혼합용액 A), B)의 반응성과 분산성을 위하여 분산제를 첨가시킨다.

우레탄 폼의 기공 크기, 기공률 및 강도 등을 조절하기 위해서 혼합용액 A), B)의 합성 비율, 혼합용액 B)에 함유되어 있는 폴리올의 혼합비율 및 가교제, 발포제와 기타 첨가제 함량 조절 그리고 합성시 몰드 발포 밀도를 조절함으로써 요구하는 우레탄 폼을 얻을 수 있다.

이렇게 얻게 된 폼은 골대체용 지지체의 미세기공을 포함하는 다공체의 골격을 만들어 주는 역할을 하게 되며, 필요한 무기물이나 금속만으로 이루어진 지지체를 얻기 위해서 200-850℃로 분당 0.01-5℃로 승온하여 우레탄 유기물을 태우고 남은 무기물을 결정화시킨다. 그 다음, 우레탄 유기물을 다 태우고 남은 무기물이나 금속만으로 이루어진 다공체는 910-1,350℃로 소결과정을 통해 보다 더 치밀하게 되어 요구하는 강도를 얻게 되며, 구조적으로 10~200㎛의 미세기공과 200~1000㎛의 거대기공이 서로 연결되어 있는 다공성 지지체(골이식재)를 얻는다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다.

실시예 1

우레탄 발포법에 함유될 무기물이나 금속 재료의 sub-micron 이하의 분말을 제조하는 방법은 다음과 같다. 사용한 세라믹으로서의 무기물은 HA (hydroxyapatite), β-TCP(β-tri-calcium phosphate)이다. 무기물 분말은 에탄올에 분산시키고 어트리션 밀을 이용하여 미분쇄 하였다.

먼저, 어트리션 밀 자(attrition mill jar)에 1-5mm의 세라믹 볼을 50vol% 충진시키고, 에탄올 600ml, 초기 입도 150㎛ 이상의 무기물 400g을 넣고 10시간 동안 미분쇄를 실시하였다. 그 중 sub-micron 이하의 입도를 갖는 조건으로 200-500nm의 크기를 갖는 분말을 제조하여 150℃에서 2시간 이상 충분히 건조하였다.

실시예 2(이소시아네이트 혼합용액 제조)

이소시아네이트 58g에 대해 실시예 1에서 얻어진 HA, β-TCP의 2개의 세라믹 분말을 6:4의 비율로 혼합한 혼합분말 30g를 넣고, DMF 12g을 첨가하여 homomixer 또는 고속 교반기를 이용하여 분산시켜 제조하였다. 건조된 분말은 공기 중의 수분 흡수가 용이하기 때문에 실내 습도를 고려하여 신속히 이소시아네이트에 첨가하여 제조하였으며, 상기 반응액의 점도는 brook field 점도계를 이용하여 측정하였고 NCO%를 측정하였다.

실시예 3

상기 실시예 2에서 보다 많은 세라믹 분말을 첨가하기 위해 DMF를 전체 MDI에 대해 10g을 추가로 첨가하여 점도를 조절하였다. 마찬가지로 점도 및 NCO%를 측정하여 안정성을 갖는 반응액(이하 A액)을 제조하였다.

실시예 4(폴리올 혼합용액 제조)

한편 이소시아네이트와 반응하기 위한 폴리올이 첨가된 B) 폴리올 혼합용액은 분산제 9g에 HA, β-TCP 분말 30g를 넣고, 우선 충분히 분산시킨 후에 가교제를 15g로 첨가하여 고속 교반하여 분말의 분산을 실시하였다. 그 후 폴리올 인덱스 100을 기준으로 하여 에틸렌옥사이드/프로필렌옥사이드 랜덤 공중합체와 프로필렌옥사이드계열의 폴리올 5:95-95:5의 혼합물 46g를 혼합한 후 분말과 반응액과의 응집현상을 육안을 통해 관찰한 후 응집현상이 없는 폴리올 혼합용액을 제조하였다.

실시예 5(발포)

본 실시예에서는 기공크기 및 기공 연결성을 조절하기 위한 실시예로서 경화 촉매 및 계면활성제의 첨가에 의해 기공크기 및 연결성 조절을 시도하였다. 먼저 경화시간에 따라 기공의 크기 변화를 쉽게 제어할 수 있기에 경화 촉매 단독 혹은 희석하여 B) 폴리올 혼합용액 100g에 대하여 0.02-0.2g 까지 함량을 달리하여 첨가한 후 발포를 실시하였다. 또한 계면활성제에 의해 기공 제어가 가능하기 때문에 발포제인 H₂O에 계면활성제를 50%로 용해시킨 후 B) 폴리올 혼합용액 전체에 대해 0.2-2g 함량을 변화시켜 발포 시 첨가하여 발포하였다.

실시예 6(발포, 결정화 및 소결단계)

실시예 3,4에서 제조한 A, B액을 2:1-1:2의 비율로 정량한 후 고속 교반하여 몰드 발포를 통해 밀도 0.5-0.8g/cm³를 갖는 무기물을 포함한 우레탄 폼을 얻었다. 그리고 이를 적정 크기로 컷팅하여 전기로에서 소결을 실시하였고, 이렇게 얻은 다공성 지지체는 도 1,2와 같이 표면 분석을 통해 기공크기, 기공률을 확인하였다.

도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 소결 후 다공성 골이식재의 (1) SEM을 이용한 BSE(Back-Scattered Electron)측정, (2) SEM 측정사진을 이용한 기공 크기 측정 X50, (3) X3000 배율로 다공체의 표면 결정화 상태를 확인하였다.

또한, 도 2는 Skyscan 1076 in vivo Micro-CT(Microtomography, SKYSCAN, Belgium) 장치를 사용하여 찍은 사진(좌: 사시도, 우 : 정면도)으로, 이 장치를 이 용하여 골이식재의 기공 구조 및 기공율, 기공연결성을 측정한 바, 기공율 76%, 골격크기 192㎛, 기공크기 599㎛로 확인되었다.

실시예 7(결정화 및 소결 조건)

실시예 6에서 제조한 폴리우레탄 폼의 소결 조건은 도 3과 같이 TGA 분석을 통해 승온 및 소결온도를 결정하였으며, 소결 조건은 0℃에서 200℃까지 3℃/분, 200℃에서 500℃까지 0.05℃/분, 500℃에서 900℃까지 1℃/분 그리고 1200~1300℃구간에서 소결하였다. 소결이 종료된 후 상온까지 자연 냉각된 전기로에서 샘플을 회수하여 다공성 세라믹 지지체를 얻었다. 이를 연마기를 통해 상하가 수평한 원통형으로 가공하여 압축강도를 측정하였고, 도 4에 측정값을 나타내었다.

도 3의 그래프는 TGA 측정 그래프로써 이는 세라믹이 함유된 우레탄 폼을 0℃에서 800℃까지 1℃/min의 속도로 승온시켜 온도에 따른 시료 무게 감소율을 측정한 그래프이다.

도 4는 소결 완료된 다공성 지지체의 두 가지 Lot에 대하여 1200℃-1300℃ 구간에서의 소결 온도 조건에 따른 압축강도 차이를 나타내는 그래프이며, Lot에 따라 조금의 차이는 있지만 소결 온도가 높을수록 압축강도가 높아지는 것을 확인할 수 있다.

상기 실시예 7에서 소결을 거쳐 완성된 다공성 골이식재는 전반적으로 균일하게 기공이 분포되어 있고, 구조적으로 10-250㎛를 가지는 미세기공과 250-1000㎛ 를 가지는 거대기공이 서로 연결되어 있어 전체 65-90%의 기공율을 가진다. 이는 이식시 체액 및 세포의 유동을 원활하게 하여 혈관생성 및 신생골 생성에 용이하다.

도 1은 소결 후 다공성 지지체의 (1) SEM을 이용한 X50 BSE(Back Scattered Electron) 측정 사진, (2) X50, (3) X3000 배율로 다공체의 표면 결정화 상태 사진

도 2는 Skyscan 1076 in vivo Micro-CT(Microtomography, SKYSCAN, Belgium) 장치를 사용하여 찍은 사진(좌: 사시도, 우 : 정면도)

도 3은 TGA 열분석 그래프로써 세라믹이 함유된 우레탄 폼을 승온시켜 온도에 따른 시료 무게 감소율을 측정한 그래프

도 4는 소결 완료된 다공성 지지체의 두 가지 Lot에 대하여 소결 온도 조건에 따른 압축강도 차이를 나타내는 그래프

Claims

다공성 지지체의 제조방법으로서,

A) 이소시아네이트 혼합용액과 B) 폴리올 혼합용액을 준비하되, 상기 A) 이소시아네이트 혼합용액에는 이소시아네이트, 세라믹 혼합분말 및 분산제를, 상기 B) 폴리올 혼합용액에는 폴리올, 세라믹 혼합분말, 가교제, 분산제, 발포제 및 계면활성제를 각각 첨가 혼합하는 단계;

상기 A)와 B)를 몰드에 주입한 다음 발포시키는 단계; 및

우레탄 유기물을 없애고 남은 무기물을 결정화시킨 다음 고온에서 소결하는 단계로 이루어진 우레탄 발포법을 이용한 다공성 지지체의 제조방법
제1항에 있어서,

상기 A) 이소시아네이트 혼합용액은 이소시아네이트 40~70 중량%, 세라믹 혼합분말 20~40 중량% 및 분산제 10~20 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 우레탄 발포법을 이용한 다공성 지지체의 제조방법
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제1항에 있어서,

상기 세라믹 혼합분말은 세라믹을 포함한 무기물{α-, β-삼인산칼슘 (β-TCP, β-tri-calcium phosphate), 합성/천연 수산화아파타이트(HA), 칼슘메타포스페이트(CMP, Calcium metaphosphate)나 금속(알루미나) 분말 가운데 2종 이상을 혼합하여 사용하고, 상기 분산제로서는 에탄올, 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드 또는 테트라히드로퓨란을 사용하는 것을 특징으로 하는 우레탄 발포법을 이용한 다공성 지지체의 제조방법
제1항에 있어서,

상기 A) 이소시아네이트 혼합용액과 B) 폴리올 혼합용액의 몰드 주입 비율은 2:1~1:2로 하는 것을 특징으로 하는 우레탄 발포법을 이용한 다공성 지지체의 제조방법
제1항, 제2항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항의 제조방법으로 얻어진 다공성 지지체로서, 10~250㎛의 미세기공과 250~1000㎛의 거대기공이 서로 연결되어 있으며, 기공률 65~90%를 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 지지체