KR101031864B1

KR101031864B1 - 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트 및 이의 투입장치

Info

Publication number: KR101031864B1
Application number: KR1020100107656A
Authority: KR
Inventors: 심재범
Original assignee: (주)인젝타
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2011-05-02
Also published as: WO2011056006A3; CN102639157B; WO2011056006A2; US10016526B2; EP2497504A4; EP2497504B1; EP2497504A2; US20110270259A1; CN102639157A

Abstract

본 발명은 인공 관절 치환술(arthroplasty)이나 척추 성형술 (vertebro plasty)에서 사용되는 고분자계 골시멘트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분말성분들 중 화학반응을 일으키지 않는 일정 분말 성분들을 액상의 모노머에 용해시켜 점성을 페이스트로 끌어올려 준비하고, 시술시에 나머지 분말성분들을 페이스트와 최소의 공기 노출로 혼합하여 추가 점착 시간 없이 시술부위에 바로 사용할 수 있는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트 및 이의 투입장치에 관한 것이다.

Description

페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트 및 이의 투입장치{Polymer -based bone cement using duality of paste-powder and loading apparatus thereof}

척추 및 뼈의 파손 등으로 인하여 인공물을 체내에 삽입, 시술하는 방법이 사용되고 있을 뿐만 아니라 각종 관절부위, 척추 및 뼈의 손상으로 인하여 슬관절이나 고관절의 전치환술 및 재수술이 널리 시술되고 있는데, 이러한 수술시 골결손을 충진하는 역할을 위해 체내에 시술되는 인공물의 위치를 고정시키는데 골 시멘트가 사용되고 있다.

골 시멘트는 유동성 보강 물질로써 일차 기능은 골절이나 외과적 시술에 의해 생긴 골 결손 부위를 충진해주는 역할을 하거나 임플란트를 안정화시켜 임플란트와 뼈 사이의 기계적 하중을 전달하는 역할을 하게 되는데, 고분자계와 인산칼슘 및 바이오 세라믹 등의 세라믹계로 대별할 수 있다. 세라믹 계 골 시멘트는 각종 인산칼슘(아파타이트 포함) 및 생체적합성을 구비한 바이오 세라믹 등이 주성분을 이루고 있으며 인체조직과의 생체 적합성이 우수해서 뼈의 결손부위 치료물 및 대체물로 많이 사용되고 있지만 강도 등의 물성이 낮아서 임플란트 등의 인공물의 고정에는 고분자계 골 시멘트가 주로 사용된다.

고분자계 골 시멘트는 분말형태의 고상(固狀)과 액상(液狀)으로 나누어져 있고 시술할 때에는 이들 고상과 액상을 혼합하여 죽상(粥狀)으로 만들어 사용한다. 고상인 분말의 주성분으로서는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)가 주종을 이루고 있으며 메타아크릴레이트 및 스티렌 등의 공중합체를 사용하는 상용 제품도 있다. 또한 고상의 보조성분으로서는 액상의 중합용 개시제로서 벤조일 페록사이드(benzoyl peroxide)가 첨가되며 X-ray에 대한 불투명성을 증진시키기 위하여 방사선 조영제인 황산바륨이나 산화지르코늄이 주로 사용된다. 그 밖에 수술시 세균감염 예방을 위한 항생제로서 젠타마이신 등을 첨가한다.

액상의 주성분은 단량체인 메틸메타아크릴레이트가 주종을 이루고 또한 점결제의 전부 또는 대부분을 차지하고 있으며 그 밖에 활성화제로서 N,N-디메틸-P-톨루이딘(또는 디메틸아미노페닐 에타놀)이 첨가되기도 하는데, N,N-디메틸-P-톨루이딘(또는 디메틸아미노페닐 에타놀)은 Free-radical activator로 작용하여 자유라디칼의 생성을 활성화시킨다. 추가적으로 골 시멘트를 보관 중에 중합반응을 억제하는 안정화제로서 하이드로퀴논을 미량 첨가한다.

이러한 고상과 액상을 서로 혼합하게 되면 초기 높은 유동성 상태에서 폴리머 분말이 모노머에 용해되는 속도에 따라 빠르게 점성이 증가하여 반죽상 (dough time)에 이르게 되며 발열성 라디칼 중합이 개시되는데, 즉 고상에 있는 중합개시제 벤조일 페록사이드와 액상의 메틸메타아크릴레이트가 서로 만나 고분자 중합을 수행하는데, 최초 고상에 있는 폴리머(PMMA)의 액상에서의 용해성에 따라 결정되는 초기 점도에 의한 자유전자의 자유도와 농도로 전체 중합의 정도, 강도, 유공성 및 잔류 모노머가 결정된다. 이러한 죽상의 시멘트는 고분자 중합에 의하여 고형화되며 인공물을 고정시키는 역할을 하게 된다.

골 시멘트의 외과적 시술에서는 고상과 액상을 서로 혼합한 후 점도가 일정 성질을 보이는 시간대(반죽상 단계 : dough time - 수술 장갑 (파우더 프리 라텍스 장갑) 에 점착되지 않는 시점)가 되면, 임상적 적용시점(작업시간 : working time) 즉 골질이나 골 결손 부위에서 주변부로 이탈하지 않고 잘 점착하는 체내 투입 시점으로 이 때 시술이 진행된다. 따라서, 고상과 액상의 혼합부터 반죽상의 시점까지는 혼합 및 점착성 단계, 그 반죽상 단계(dough time)는 작업 시간 (working time)의 시작이라 할 수 있다. 또한. 반죽상 상태로부터 중합으로 인한 점성의 소실로 더 이상의 물리적 작업이 불가능한 시점을 경화시간 (setting time)이라 하는데, 이러한 혼합, 점착, 작업 및 경화 시간은 고상 즉 분상의 PMMA 폴리머의 특성 [예, 비드 크기, 분자량, 비가교 MMA 모노머에 대한 팽윤 (swelling) 특성]과 작업 온도에 많은 영향을 받게 된다.

따라서, 골 시멘트와 임플란트 또는 독립적으로 골 결손부에서 최상의 점착은 적용되는 골 시멘트의 상기 중합 특성과 체내 투입 시점의 판단이 종합적으로 이루어질 때 가능하게 된다. 즉 골질내에 투입된 반죽상의 발열성 자유 라디칼 중합은 상온에서 체온으로 주변부 온도가 상승하면서 빠르게 가속되는데, 이는 유동성 (viscoelastic) 반죽상의 탄성(elasticity)을 증가시켜서 라디칼과 모노머 분자의 분산 운동성 감소(diffusion limitation)로 빠르게 경화 시간에 다다르게 된다. 빠르게 증가하는 반죽상의 탄성력은 물리적인 시술을 제한하게 되기 때문에 적용되는 골 시멘트의 상기 중합 특성을 이해하지 못하고 골 시멘트의 투입 시점을 너무 빠르거나 느리게 판단하게 되면, 유동성 반죽상이 주변부로 흐르게 되거나 투입 과정 중에 굳어버리게 된다. 그러므로 의사들의 임상적 경험차이로 인한 시술적 차이를 최소화하기 위한 다양한 혼합과 분배장치들이 개발되고 있는 실정이다.

한편, 통상적인 고상-액상 골 시멘트는, 초기 반죽 점성에 따라 보통 두 가지 카테고리로 나뉘게 되는데, 저 및 고 점성 시멘트로 초기 유동성이 높은 저 점도 시멘트는 반죽상에 도달하는 점착 시간이 길어서 작업시점까지 충분한 준비를 할 수 있으나 시술시간이 길어지는 문제점이 있고, 높은 초기 점도를 갖는 고 점도 시멘트는 점착 시간이 매우 짧아서 빠르게 시술해야 되는 제한이 따른다. 하지만, 고 점도 시멘트는 시술 주변부에서 일어날 수 있는 출혈 압력을 견뎌 혈액과 혼합되는 문제점이 적고 빠르게 시술 할 수 있는 장점이 있다. 다만, 이러한 고 점도 시멘트의 시술에는 혼합과정 중 높은 점도로 인한 공기 혼입을 방지하는 진공 혼합기와 고 점도의 반죽상의 투입에 필요한 고압의 투입기가 추가로 사용되어야 하며 이러한 혼합 및 투입 기기들은 점차 다양화, 복잡화되어지고 있는데, 이러한 다양하고 복잡한 기기들은 골 시멘트의 복잡한 중합 특성으로 인한 임상적 차이를 감소시키는 순기능을 가지고 있지만, 혼합과 투입과정으로 시술을 위한 제조와 준비시간이 길어지고 각각에 필요한 기기들을 구입해야 하기에 높은 의료비 상승을 이끌고 있는 문제점이 있다.

본 발명자는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과 분말성분들 중 저장기간 동안 모노머와 화학반응을 일으키지 않는 일정 분말 성분들을 액상의 모노머에 용해시켜 점성을 페이스트로 끌어올려 준비하는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 고분자계 골 시멘트를 페이스트성상(Vs)과 분말성상(Ps)이 혼합되면 바로 체내 투입이 가능한 반죽상의 점도가 될 수 있는 페이스트-분말의 이원성으로 준비함으로써, 통상적인 분말-액상 골 시멘트에서 혼합, 점착시간을 거쳐 반죽상에 이르는 것과는 달리 점착기가 추가적으로 필요 없어 시술시간을 단축할 수 있는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트 및 이의 투입장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 BPO-DMPT 개시반응(initiation)에 의해 생성된 자유 라디칼이 반죽상의 높은 점성으로 인해 MMA 분자 주위에서 낮은 분자 이동성(molecular diffusion limitation)을 가지게 되어 MMA 중합을 체내 투입과 동시에 개시하게 되어 혼합과 투입과정에서 일어날 수 있는 시술인의 개인적 기술 차이를 최소화할 수 있는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트 및 이의 투입장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고분자계 골 시멘트를 체내에 투입하기 적절한 점도의 반죽상이 되고 혼합하는 과정 동안 공기 노출과 혼입을 최소화하여 균일한 반죽상 골 시멘트를 환자에게 투입시킬 수 있는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트 및 이의 투입장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 추가적인 공기 노출 방지를 위한 진공 혼합과 투입에 필요한 고압의 투입 장치가 필요하지 않고, 그로 인한 시술을 위해 필요한 준비과정이 별도로 필요하지 않기 때문에 빠르게 시술 할 수 있으며 별도의 기기와 장치를 구비할 필요가 없기 때문에 의료비의 절감을 이끌어 내어 환자들의 경제적 부담을 덜 수 있게 되는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트 및 이의 투입장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고분자계 골 시멘트에 있어서, 제1분말성분이 액상성분에 예비 용해되어 구성된 페이스트상과 제2분말성분으로 구성된 고상으로 준비되고, 상기 페이스트상과 상기 고상을 혼합하면 즉시 반죽상(dough time) 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 액상성분 1ml 당 포함되는 상기 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량은 1.5 내지 2.5g이고, 상기 제1분말성분은 상기 합산중량 중 25 내지 80중량%를 구성하고, 상기 제2분말성분은 상기 합산중량 중 20 내지 75중량%를 구성한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1분말성분은 아크릴계 폴리머, 방사선비투과제, 항생제이고, 상기 액상성분은 비가교 MMA 모노머[non-crosslinking MMA], 자유 라디칼 활성제, 자유 라디칼 저해제이며, 상기 제2분말성분은 아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제, 항생제이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 아크릴계 폴리머는 비가교 MMA 모노머의 선형 또는 공중합체인 PMMA 폴리머(폴리메틸 메타아크릴레이트), 폴리메틸아크릴레이트, 폴리스타일렌, 및 이들의 공중합체로 구성된 그룹에서 선택된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 아크릴계 폴리머는 직경 10 내지 100 μm의 비드 크기를 갖는다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 아크릴계 폴리머는 50,000 내지 200,000의 중량 평균 분자량을 갖는다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 자유 라디칼 개시제는 벤조일 페록사이드이고, 자유라디칼활성제는 N,N-디메틸-파라-톨루이딘이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 자유 라디칼 개시제는 상기 제1분말성분과 상기 제2분말성분의 합산중량 중 0.25 내지 2.5 중량 %를 구성하고, 상기 자유 라디칼 활성제는 상기 액상성분 부피의 0.5 내지 2.5 부피%로 존재한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 방사선 비투과제는 바륨 설페이트(BaSO₄) 또는 지르코늄 디옥사이드(ZrO₂)이고 상기 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량 중 10 내지 30 중량%를 구성한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 자유 라디칼 억제제는 하이드로퀴논이고 상기 액상성분 부피의 0.01 내지 150 ppm으로 존재한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 항생제는 상기 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량 중 2.5 중량%이하로 존재한다.

본 발명은 또한, 상술된 어느 하나의 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트 투입장치로서, 내부 및 외부 카트리지를 갖는 공축 이성분 카트리지; 및 상기 카트리지에 연결되고 내부에 믹싱 임펠러(impeller)를 포함하는 혼합관을 구비하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트용 투입장치를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공축 이성분 카트리지의 한쪽에 페이스트상을 채우고, 상기 공축 이성분 카트리지의 다른 쪽에 고상을 채운다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공축 이성분 카트리지의 내부 카트리지는 평면튜브 형태를 이루어 외부 카트리지가 상기 내부 카트리지를 원형으로 감싼다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공축 이성분 카트리지와 상기 혼합관은 탈부착 가능하다.

본 발명의 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트 및 이의 투입장치는 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.

먼저, 본 발명에 의하면 고분자계 골 시멘트를 페이스트성상(Vs)과 분말성상(Ps)이 혼합되면 바로 체내 투입이 가능한 반죽상의 점도가 될 수 있는 페이스트-분말의 이원성으로 준비함으로써, 통상적인 분말-액상 골 시멘트에서 혼합, 점착시간을 거쳐 반죽상에 이르는 것과는 달리 점착기가 추가적으로 필요 없어 시술시간을 단축할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 BPO-DMPT 개시반응(initiation)에 의해 생성된 자유 라디칼이 반죽상의 높은 점성으로 인해 MMA 분자 주위에서 낮은 분자 이동성(molecular diffusion limitation)을 가지게 되어 MMA 중합을 체내 투입과 동시에 개시하게 되어 혼합과 투입과정에서 일어날 수 있는 시술인의 개인적 기술 차이를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 고분자계 골 시멘트를 체내에 투입하기 적절한 점도의 반죽상이 되고 혼합하는 과정 동안 공기 노출과 혼입을 최소화하여 균일한 반죽상 골 시멘트를 환자에게 투입시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 추가적인 공기 노출 방지를 위한 진공 혼합과 투입에 필요한 고압의 투입 장치가 필요하지 않고, 그로 인한 시술을 위해 필요한 준비과정이 별도로 필요하지 않기 때문에 빠르게 시술 할 수 있으며 별도의 기기와 장치를 구비할 필요가 없기 때문에 의료비의 절감을 이끌어 내어 환자들의 경제적 부담을 덜 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 다양한 P/L (g/ml) 비율 조성의 페이스트상(Vs)의 점도(log (Pa·s))를 나타내는 그래프,
도 2는 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 페이스트상(Vs) P/L비율 0.9 g/ml에서 다양한 BPO(g) 및 DMPT(ml)에 따르는 작업시간의 변화를 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 페이스트상(Vs) P/L비율 0.9 g/ml에서 다양한 BPO(g) 및 DMPT(ml)에 따르는 MMA 중합도의 변화를 나타낸 그래프,
도 4는 기존 분말-액상 골 시멘트의 대조군들과 본 발명의 실시예4에 따라 제조된 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트의 등온 온도별 경화 시간을 나타내는 그래프,
도 5는 기존 분말-액상 골 시멘트의 대조군들과 본 발명의 실시예4에 따라 제조된 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트의 MMA 중합도를 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트와 기존 분말-액상 골 시멘트의 압축 강도 (compressive strength)를 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명의 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트와 기존 분말-액상 골 시멘트의 굴곡 강도 (flexural bending strength)를 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명의 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트에서 페이스트상Vs)의 비가교 MMA 모노머의 자가 중합 반응을 시차 주사 열량계(DSC)로 실험하여 페이스트 성분(Vs)의 유효 기간을 아레니우스 분석법 (Arrhenius analysis)으로 표적 온도에서의 유효기간을 나타낸 그래프.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 기술적 특징은 점착기가 추가적으로 필요 없어 시술시간을 단축할 수 있도록 혼합되면 바로 체내 투입이 가능한 반죽상의 점도가 될 수 있는 조성으로 페이스트성상(Vs)과 분말성상(Ps)의 이원성으로 고분자계 골 시멘트를 제공하는 것이다. 그 결과 본 발명은 통상적인 분말-액상 골 시멘트가 혼합, 점착시간을 거쳐 반죽상 즉 페이스트에 이르기 때문에 발생하는 문제점을 해결할 수 있다.

따라서, 본 발명의 고분자계 골 시멘트는 제1분말성분이 액상성분에 예비 용해되어 구성된 페이스트상과 제2분말성분으로 구성된 고상으로 준비되고, 상기 페이스트상과 상기 고상을 혼합하면 즉시 반죽상(dough time) 점도를 갖게 된다.

여기서, 액상성분 1ml 당 포함되는 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량은 1.5 내지 2.5g이고, 제1분말성분은 합산중량 중 25 내지 80중량%를 구성하고, 제2분말성분은 상기 합산중량 중 20 내지 75중량%를 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 제1분말성분은 아크릴계 폴리머, 방사선비투과제, 항생제이고, 액상성분은 비가교 MMA 모노머[non-crosslinking MMA], 자유 라디칼 활성제, 자유 라디칼 저해제이며, 제2분말성분은 아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제, 항생제인 것이 바람직하다.

이때, 아크릴계 폴리머는 비가교 MMA 모노머의 선형 또는 공중합체인 PMMA 폴리머(폴리메틸 메타아크릴레이트), 폴리메틸아크릴레이트, 폴리스타일렌, 및 이들의 공중합체로 구성된 그룹에서 선택될 수 있는데, 폴리머가 액상성분에 예비 용해되기 때문에 제한되지는 않으나, 비드 크기는 직경 10 내지 100 μm로서, 20 내지 50μm가 바람직하하고, 보다 바람직하게는 평균 직경 25μm인데, 직경 25μm일 때 페이스트상과 혼합시에 가장 좋은 반죽상의 점도를 얻을 수 있는 용해성을 보였다. 분자량은 50,000 내지 200,000의 중량 평균 분자량을 갖는 것이 바람직할 수 있는데, 특히 평균분자량(Mw)이 100,000 g/mol일 경우 예비 용해되기에 가장 적합하다.

또한, 자유 라디칼 개시제, 자유라디칼활성제, 방사선 비투과제, 자유 라디칼 억제제, 항생제는 동일 기능을 갖는 공지된 구성의 물질이 모두 사용될 수 있는데, 특히 자유라디칼 개시제로는 벤조일 페록사이드(BPO), 자유라디칼활성제로는 N,N-디메틸-파라-톨루이딘(DMPT ), 방사선 비투과제로는 바륨 설페이트(BaSO₄) 또는 지르코늄 디옥사이드(ZrO₂), 자유 라디칼 억제제로는 하이드로퀴논(HQ), 항생제로는 겐타마이신(GM)이 바람직하다.

특히, 자유 라디칼 개시제는 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량 중 0.25 내지 2.5 중량 %를 구성하고, 자유 라디칼 활성제는 액상성분 부피의 0.5 내지 2.5 부피%로 존재하며, 방사선 비투과제는 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량 중 10 내지 30 중량%를 구성하고, 자유 라디칼 억제제는 액상성분 부피의 0.01 내지 150 ppm으로 존재하며, 항생제는 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량 중 2.5 중량%이하로 존재비가교 MMA 모노머에 용해되지 않는 상기 방사선비투과제(BaSO₄,바륨 설페이트)와 상기 항생제(GM,겐타마이신)는 중합 경화된 매트릭스에서 기계적 물성을 약화시키는 역할을 하기 때문에 균일하게 액상성분에 예비 혼합된다. 이는 통상적인 분말-액상 골 시멘트의 혼합에서 균일하게 혼합되지 않고 덩어리 형태로 뭉치는 것을 방지하여 준다.

여기서, 방사선비투과제는 방사선 영상화를 위한 것으로 비가교 MMA 모노머에 화학적으로 용해되지 않기 때문에 페이스트상에서 덩어리로 뭉치지 않고 균질하게 분포시키기 위해서는 제1분말성분의 아크릴계 폴리머를 용해시켜 점성을 띠기 전 단계에서 분리 혼합하는 것이 바람직하다. 동일한 이유에서, 항생제 또한 방사선비투과제와 함께 혼합하게 된다. 즉, 방사선비투과제와 항생제의 예비 혼합과정은 제1분말성분의 아크릴계 폴리머를 포함하지 않은 상태에서 이루어져 액상성분이 되기 때문에 기존의 분말-액상의 골 시멘트에서 혼합되는 반죽상 보다는 높은 균일성을 얻을 수 있다.

한편, 항생제의 균일한 분포는 주변 골질로 용해된 후에 생기게 되는 공극의 분포에도 영향을 주기 때문에 골 시멘트의 기계적 강도 측면에서 매우 중요한 특징을 갖으며 페이스트상과 고상 두 조성에 대하여 동일 분량으로 적용되는 것이 바람직한데, 고상에 포함된 항생제는 페이스트상에 예비 혼합된 항생제보다 반죽상 투입과정 동안 주위 조직 또는 뼈로 쉽게 확산 될 수 있고, 페이스트상에 예비 혼합된 항생제는 중합된 매트릭스에 오랜 기간 머무르며 장기간의 균일한 항생 효과를 내기 위함이다.

이와 같이 액상성분은 비가교 MMA 모노머에 자유 라디칼 활성제(N,N-디메틸-파라-톨루이딘) 및 자유 라디칼 억제제(HQ,하이드로퀴논)와 미리 혼합, 용해되는데, 자유 라디칼 억제제는 저장기간 동안 열과 빛에 노출되어 자발적인 비가교 MMA 모노머의 중합을 방지해주는 역할을 한다. 일반적으로 약 10 내지 100ppm의 자유 라디칼 억제제가 비가교 MMA 모노머에 상업적으로 포함되어 있다.

액상성분에 용해되는 제1분말 성분의 아크릴계 폴리머의 질량에 따라서 다양한 P/L 비율의 페이스트상 조성이 가능하게 되는데, 페이스트상(Vs)에서 예비 용해되는 제1분말성분 대 액상성분 (P/L, g/ml) 비율은 약 0.5 내지 1.5g/ml의 범위에 있는 것이 바람직한데, 이는 아크릴계 폴리머 비드의 평균분자량(Mw) 및 액상성분의 비가교 MMA 모노머에 대한 팽윤 특성에 따라서 선택될 수 있다. 예를 들어, 페이스트상(Vs)의 P/L 비율이 1g/ml 비율의 경우, 총량 40g의 분말은 페이스트상(Vs)의 제1분말성분이 20g이고, 고상의 제2분말(Ps)에 20g으로 분배되고, 제1분말성분 20g은 20ml 액상성분(MMA, DMPT, HQ)과 예비 용해되어 페이스트상(Vs)을 형성한다.

제2분말성분은 상술된 바와 같이 아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제, 항생제로 구성되는데, 분말 2.5g질량당 직경 10mm 세라믹 볼 한 개와 함께 볼밀에서 2Hz으로 5시간 동안 회전, 혼합되어 형성되는 것이 바람직하고, 아크릴계 폴리머는 평균 직경 25μm의 비드 크기를 가진 PMMA 폴리머이며, 자유 라디칼 개시제는 벤조일 페록사이드로서 평균비드크기는 직경 20μm이고, 항생제는 겐타마이신으로서 평균 비드 크기는 직경 10μm로 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 제2분말성분과 페이스트상(Vs)이 혼합되면 빠르게 혼합, 용해되면서 제2분말성분을 이루는 균일하게 혼합된 자유 라디칼 개시제와 페이스트상(Vs)에 포함된 자유 라디칼 활성제가 빠르게 확산, 자유 라디칼을 생성한다.

다음으로, 본 발명은 상술된 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트를 투입하기 위한 장치를 제공하는데, 본 발명의 투입장치 즉 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트용 투입장치는 내부 및 외부 카트리지를 갖는 공축 이성분 카트리지; 및 카트리지에 연결되고 내부에 믹싱 임펠러(impeller)를 포함하는 혼합관을 포함한다. 여기서, 공축 이성분 카트리지의 한쪽에 페이스트상(Vs)을 채우고, 공축 이성분 카트리지의 다른 쪽에 고상(Ps)을 채울 수 있는데, 특히 고상(Ps)은 세라믹 볼을 제거하고 낮은 내부 마찰의 장점이 있는 공축 이성분 카트리지의 내부 카트리지에 채워지며, 페이스트상(Vs)은 세라믹 볼 없이 0.5Hz로 예비 혼합되어 외부 카트리지에 채워지는 것이 바람직하다.

또한, 공축 이성분 카트리지의 내부 카트리지는 평면튜브 형태를 이루고 외부 카트리지가 내부 카트리지를 원형으로 감싸는 구조이므로, 본 발명의 투입장치가 공지된 구성의 압출건에 장착(또는 장입)된 후 압출건이 동작되면 공축 이성분 카트리지에서 고상(Ps) 압출분과 페이스트상(Vs) 압출분이 동시에 압출되면서 혼합관의 믹싱 임펠러를 통하여 혼합과 압출이 되는 동시에 체내에 투입이 가능하게 된다.

즉, 본 발명의 투입장치는 원 튜브 형태의 내부 카트리지를 직경이 큰 외부 카트리지의 중앙에 위치시켜 압출건에 의해 압출시에 내,외부 카트리지의 화합물이 동시에 압출되는 구조로서 내부 카트리지의 부피를 조절하여 이성분 화합물을 다양한 부피비로 압출할 수 있기 때문이다.

이와 같이 본 발명의 투입장치는 공축 이성분 카트리지에 연결되는 혼합관의 내부가 믹싱 임펠러(impeller)를 포함하여 구성되므로, 점성을 띠는 페이스트상(Vs)과 분말상의 고상(Ps)을 믹싱 임펠러를 통해 최소의 공기 접촉과 혼입으로 혼합해 주는 혼합관을 이용하여 연속적으로 반죽상의 골 시멘트를 환자의 골질이나 골 결손 부위에 투입하게 해준다.

한편, 필요에 따라 공축 이성분 카트리지의 외부 카트리지 외에 혼합드럼을 사용하여 페이스트상(Vs)을 대량 조성 후에 카트리지에 일정량을 진공 주입할 수도 있으며 적은 량의 부피, 전체 부피가 50ml 이하에서는 기존의 에폭시 접착제용으로 사용되어지는 50cc 이중 주사기의 사용도 가능하다.

또한 본 발명의 투입장치는 공축 이성분 카트리지와 혼합관을 탈부착 가능하게 형성함으로써 혼합 임펠러를 포함하는 혼합관을 추가로 사용하여 다수의 시술부위를 시술할 수 있다. 즉, 특정부위의 시술 후 혼합관을 공축 이성분 카트리지에서 분리한 다음 이성분 카트리지를 밀봉하고 추가 시술시에는 새로운 혼합관을 사용할 수 있도록 구성할 수도 있다.

본 발명에서 체내에 투입된 반죽상(dough time)의 골 시멘트의 중합 반응은 반죽상의 점도에 따른 자유 라디칼 농도(예, BPO-DMPT)와 충분한 임상 작업시간을 고려하여 조절될 수 있는데, 특히 반죽상의 점도는 페이스트상(Vs)을 이루는 아크릴계 폴리머의 평균분자량(Mw), 비가교 MMA 모노머에 대한 팽윤 특성에 따른 페이스트상(Vs)의 점도 측정으로 복합적으로 고찰되었다.

또한 본 발명은, 최종 반죽상의 점도는 후술하는 바와 같이 기존의 분말-액상 골 시멘트의 반죽상 점도와 페이스트 성분(Vs)의 다양한 P/L 비율로 비교 측정되었으며, 다양한 온도 조건 하에서의 중합 특성과 경화된 중합체의 기계적 물성들은 발열 시험법, DSC (시차 주사 열량계), UTM (만능재료시험기)등을 사용하여 발열 온도, 응고 시간 및 MMA 중합도, 압축 및 굴절 강도등을 ASTM (American society for testing and materials) F451 및 ISO (International organization of standardization) 5833 시험 조건에서 조사하였다.

실시예1

페이스트상(Vs)1은 제1분말성분인 BaSO₄4g, 겐타마이신(GM) 0.5g, PMMA 5.5g을 액상성분인 비가교 MMA 모노머 19.8ml(자유 라디칼 억제제인 HQ 포함됨), DMPT 0.178ml와 예비 혼합시킨 후, 제1분말성분인 PMMA 폴리머를 볼밀을 사용하여 0.5Hz으로 회전시켜 정적으로 혼합하여 얻어진다. 이 때, 페이스상(Vs)의 형성과정이 외부카트리지 내에서 이루어지는 경우, 5시간 혼합 후 외부 카트리지는 4℃에서 냉장 보관하여 24시간 동안 혼합 과정 중에 포획될 수 있는 임의의 공기 기포를 제거하는 과정을 거치는 것이 바람직하다.

고상(Ps)1은 테플론 광구 병 (50ml)을 사용하여, 제2분말성분인 PMMA 폴리머29g, BPO 0.5g, GM 0.5g을 포함하는 분말상의 혼합물을 볼밀에서 5시간 동안 2Hz로 10mm 세라믹 볼(2.5 g 당 1개)과 균일하게 혼합하여 준비하였다.

여기서, 제1분말성분과 제2분말성분의 총 합계는 질량 40g이고, 액상성분 부피는 20ml이므로, 준비된 페이스트상(Vs)1과 고상(Ps)1의 부피 비(P/L 비율)는 0.5이다.

실시예2 내지 11

페이스트상에 포함되는 PMMA 폴리머와 고상에 포함되는 PMMA 폴리머의 함량만하기 표1과 같이 다른 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 페이스트상(Vs)2내지 11과 고상(Ps)2 내지 11을 준비하였고, 준비된 페이스트상(Vs)과 고상(Ps)의 부피 비(P/L 비율)는 표1에 나타낸 바와 같다.

구분	페이스트상(Vs)							고상(Ps)
	P/L ratio (g/ml)		제1분말성분(g)			액상성분(ml)			제2분말성분(g)
	P/L ratio (g/ml)		PMMA	BaSO₄	GM	MMA	DMPT		PMMA	BPO	GM
실시예2	0.6	페이스트상(Vs)2	7.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)2	27	0.5	0.5
실시예3	0.7	페이스트상(Vs)3	9.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)3	25	0.5	0.5
실시예4	0.8	페이스트상(Vs)4	11.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)4	23	0.5	0.5
실시예5	0.9	페이스트상(Vs)5	13.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)5	21	0.5	0.5
실시예6	1	페이스트상(Vs)6	15.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)6	19	0.5	0.5
실시예7	1.1	페이스트상(Vs)7	17.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)7	17	0.5	0.5
실시예8	1.2	페이스트상(Vs)8	19.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)8	15	0.5	0.5
실시예9	1.3	페이스트상(Vs)9	21.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)9	13	0.5	0.5
실시예10	1.4	페이스트상(Vs)10	23.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)10	11	0.5	0.5
실시예11	1.5	페이스트상(Vs)11	25.5	4	0.5	19.8	0.178	고상(Ps)11	9	0.5	0.5

실험예1

실시예1 내지 실시예11에서 얻어진 페이스트상(Vs)1 내지 11의 다양한 P/L 비율에 따른 점도를 실험하고 그 결과를 도 1에 나타내었다.

페이스트상(Vs)의 P/L 비율에 따라 변화하는 점도는 도 1에 도시된 바와 같이, PMMA 폴리머 농도에 따라 기하급수적으로 증가함을 보여준다. 이는 적용되는 PMMA 폴리머의 평균분자량(Mw)이나 비가교 MMA 모노머에 대한 팽윤 특성에 따라 P/L 비율에 따른 페이스트상(Vs)의 점도 변이가 PMMA-MMA의 용해물의 유리화 특성 (vitrification)을 따르기 때문이다.

즉 페이스트상(Vs)의 점도는 23℃에서 5 내지 500 Pa·s이 적당한 것으로 평가되었고, 이는 P/L 비율 0.7 내지 1.5g/ml 내에서 얻어진다. 상기 P/L 범위 내에서 P/L 비율의 증가는 페이스트상(Vs)의 점성을 증가시키고 상대적으로 고상(Ps) 질량을 감소시키게 되기 때문에 최종 페이스트상(Vs)과 고상(Ps)의 반죽상 점도는 혼합 개시 후 3분에서 1000 내지 2000 Pa·s의 범위로 한정되어 진다.

실험예2에서 후술하는 바와 같이 P/L 비율이 0.8 내지 1g/ml에서의 페이스트상(Vs)과 고상(Ps)의 반죽상 점도는 23℃에서 약 1500Pa·s로 일반적인 반죽상 점도의 특성인 수술용 파우더 프리 라텍스 장갑 표면과 쉽게 분리되는 특성(dough condition)을 보였다.

실험예2

실시예1 내지 실시예11에서 얻어진 페이스트상(Vs)1 내지 11의 다양한 P/L 비율에 따라 내부 카트리지의 부피를 고상(Ps)의 비중(g/ml)을 고려하여 주문 제작한 내부 카트리지를 사용하여 외부 및 내부 카트리지[페이스트 상(Vs)과 고상(Ps)]의 부피 비를 조정하였고, 고상(Ps)의 내부 카트리지는 점성의 페이스트상(Vs)을 함유한 외부 카트리지와 결합되어 본 발명의 투입장치에 의해 투입될 수 있는데, 압출 시에 분말상의 고상(Ps)을 감싸는 페이스트상(Vs)은 카트리지 부피 비에 따라 상기 믹싱 임펠러를 통하여 공기 접촉 및 포획 없이 정적으로 혼합되어 반죽상이 되었다.

각각의 혼합된 반죽상 약 40ml를 100ml 코니칼 튜브에 담기도록 하여 각 반죽상의 점도를 스핀들 점도계로 스핀들 - 07, 스핀들 회전수 0.5rpm하에서 평가하였다(RVDV-II, 브룩필드, 매사추세츠, 미국). 페이스트상(Vs)의 P/L 비율이 0.8 내지 1 g/ml 범위(즉 페이스트상4 내지 6)에서 반죽상의 점도는 측정 온도 23℃, 측정 시간 혼합 개시 후 평균 3분에서 평균 1500Pa·s의 점도로 평가되었다. 이는 골질 내 투입시 해면골 (cancellous bone)의 해면 조직 내로 골 시멘트의 반죽상이 효과적으로 침투하여 최종 경화 시에 주변 골조직과 치밀한 구조적 안정성을 얻을 수 있고, 또한 시술 부위에서 발생되는 출혈을 막아낼 수 있는 점도이다.

실험예3

상기 표1에서 페이스트상(Vs)의 P/L 비율이 0.9g/ml인 조성에서 자유 라디칼 개시제(BPO) 및 자유 라디칼 활성제(DMPT)의 농도만 다양하게 변화되게 실시예1과 같이 준비된 페이스트상(Vs) 및 고상(Ps)를 준비하여, 각각의 P/L 비율에 따른 BPO-DMPT의 농도가 반죽상의 중합 반응에 미치는 영향을 시차 주사 열량계(Diamond DSC, Perkin Elmer, 매사추세츠, 미국)를 사용하여 등온 환경(isothermal condition)에서 시험되었고 그 결과를 도 2에 도시하였다. 상이한 등온 조건으로 일반적인 수술실 온도, 18.3 내지 23℃와 체온 37.5의 농도반죽상의 발열 중합 반응은 상기 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 측정되는 발열의 정도로써 중합율(conversion rate)이 간접적으로 분석되었다. 이는 실험된 Sample의 일반적인농도 비율(일반적인mass fraction)을 Sample의 질량에 곱해주게 되면 상기 시차 주사 열량계(DSC)의 발열 변이는 상기 비가교 일반적인모노머의 중합율로, 발열 변이와 시간의 면적은 총 열량, 즉 총 일반적의 중합도(conversion)를 분석할 수 있게 된다. 중합 변이의 피크는 경화 시간(setting time)으로 실험 전 혼합 시간과 피크 시간의 합으로 계산되고, 작업 시간(working time)은 상기 시차 주사 열량계(DSC)의 중합 변이의 발열 개시(onset)에서 피크 시간까지의 시간으로 계산되었다.

상대적으로 높은 자유 라디칼 활성제(DMPT) 농도를 함유하고 있는 기존 분말-액상 골 시멘트(예, Surgical Simplex P, Howmedica, 아일랜드 및 CMW3G, Depuy, 영국)들의 작업시간은 65℉ (18.3℃)에서 2 내지 4분의 혼합 및 점착 시간 후, 약 5.5 및 6.5 분으로 알려져 있다.

도 2 및 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트는 적은 농도의 자유 라디칼 개시제(BPO)와 자유 라디칼 활성제(DMPT)를 가진 Sample에서 P/L 비율이 높을수록 빠른 중합을 보였다. 0.15ml의 자유 라디칼 활성제(DMPT)를 포함하는 P/L 비율이 0.9g/ml인 Sample은 다양한 자유 라디칼 개시제(BPO) 농도에서 기존 분말-액상 골 시멘트와 비슷한 5 내지 7분 사이의 작업시간을 나타냈다. 또한, 0.175ml의 자유 라디칼 활성제(DMPT)를 포함하는 P/L 비율이 0.9g/ml인 Sample의 작업시간(6 내지 7 분)은 다양한 자유 라디칼 개시제(BPO)의 농도에 그 중합도는 약 80%로 유지하여 중합의 안정도를 보였다. P/L 비율이 0.9g/ml인 골 시멘트는 전반적으로 고상(Ps)에 포함된 자유 라디칼 개시제(BPO)의 농도에 따라 중합도는 증가하고 작업시간은 감소되었지만, 0.15ml의 자유 라디칼 활성제(DMPT) 농도에서는 이 같은 중합 추이는 상이하게 자유 라디칼 개시제(BPO) 농도 증가에도 작업시간은 증가함을 보였다.

골 시멘트 반죽상의 중합은 중합 환경 중, 주변 온도에 가장 많은 영향을 받게 되는데, 높은 중합 온도는 각각의 분자들의 활성 에너지를 증가시켜서 반죽상의 점도를 낮추고 분자들의 운동성(molecular diffusion)를 증가시켜 중합을 빠르게 해준다. 이는 골 시멘트 시술에서 가장 중요한 특징으로 열적 민감도(thermal sensitivity)가 높은 골 시멘트의 경우에는 상온(23℃)에서 환자의 체온(37.5℃) 내에로 투입 시에 빠른 중합으로 경화가 빠르게 일어나기 때문에 작업시간이 짧아지게 된다.

실험예 4

기존 분말-액상 골 시멘트의 대조군들(Simplex P: P/L비율 0.8 g/ml, 총분말중량 40g, 액상성분부피 20ml, BPO 0.6g, DMPT 0.512 ml, CMW3G : P/L비율 0.8 g/ml, 총분말중량 40g, 액상성분부피 19ml, BPO 0.8g, DMPT 0.48 ml)과 페이스트상(Vs) P/L비율이 0.8 g/ml, 0.5g의 BPO , 0.178 ml의 DMPT인 본 발명의 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트(INJ1 : 실시예4)의 반죽상에서의 등온 온도별 경화 시간과 MMA 중합도를 실험예 3에 개시된 방법과 동일하게 실험하고 그 결과를 도4 및 도5에 나타내었다.

도 4에서 보는 바와 같이, 기존 분말-액상 골 시멘트 (예, Surgical Simplex P, Howmedica, 아일랜드 및 CMW3G, Depuy, 영국)는 주변 온도가 반죽상에 이르는 중합을 빠르게 하여 주변 온도에 따른 열적 민감도가 점착기 없이 반죽상으로 중합이 이루어지는 본 발명의 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트(INJ1)보다 매우 높아서 전체 경화 시간(setting time)은 주변 온도(iso-temperature)에 증가에 따라 급격하게 감소하는 높은 열적 민감도를 보였다.

또한, 도 5에서 보는 바와 같이, 주변 온도에 따라 증가하는 중합도(conversion)도 본 발명의 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트(INJ1) 조성이 기존 분말-액상 골 시멘트들보다 높게 평가되어 본 발명의 페이스트-분말의 이원성 골 시멘트는 기존 분말-액상 골 시멘트보다 낮은 열적 민감성을 가지지만, 전체적인 중합도는 기존 제품들보다 높다고 평가됐다.

실험예 5

본 발명에 따른 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트(Sample1 내지 Sample3)와 기존 분말-액상 골 시멘트들 간의 기계적 물성(압축 및 굴곡 시험)과 경화 특성 (응고 시간 및 최대 온도)를 ASTM F451과 ISO 5833의 시험조건 하에서 평가 비교하였다. 이 때, Sample1은 실시예4와 동일한 조성을 갖고, Sample2는 BPO가 0.6g인 것을 제외하면 Sample1과 동일하며, Sample3은 PMMA 폴리머 비드 크기의 특성 평가를 위해 고상(Ps)에 포함되는 PMMA 폴리머 분말과 동일한 평균분자량(Mw) 100,000 g/mol에 평균 직경이 두 배인 50μm 가 사용되고, DMPT가 0.3ml 사용된 것을 제외하면 Sample2와 동일하다. 기존의 분말-액상 골 시멘트인 대조군들 (예, Surgical Simplex P, Howmedica, 아일랜드 및 CMW3G, Depuy, 영국)은 제조사가 추천하는 혼합 방법 및 온도에서 혼합되었다. 혼합된 상기 골 시멘트들의 반죽상은 경화 실험용 테플론 몰드, 압축 실린더형 몰드(6x12 mm 직경 및 높이), 및 굴곡 사각 몰드(75x10x3.3 mm)에 각각 분배하여 발열 온도를 측정하고 압축 및 굴곡 Sample을 얻었다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 비드 크기 50μm의 PMMA 폴리머가 포함된 Sample 3은 상대적으로 높은 압축 특성을 보였으나, 굴곡 강도에서는 다른 실험군(Sample 1,2)과 대조군(예, Surgical Simplex P, Howmedica, 아일랜드 및 CMW3G, Depuy, 영국)에 비하여 상대적으로 더 낮았다. 자유 라디칼 개시제(BPO)가 0.5g인 Sample 1은 압축 강도에 비해 높은 굴곡 강도를 나타냈다. 또한, 모든 실험군(Sample 1,2,3)은 발열 온도가 대조군인 분말-액상 골 시멘트들(예, Surgical Simplex P, Howmedica, 아일랜드 및 CMW3G, Depuy, 영국)보다 낮은 최대 온도를 보였는데, 이는 높은 중합도에도 불구하고 본 발명에 따른 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트가 반죽상으로 중합이 바로 개시되기 때문에 발열 온도 변이가 분말-액상으로 조성된 대조군들에 비해 완만하게 오르는 특성을 보이기 때문이다.

실험예6

페이스트상(Vs)의 저장기간 동안 열이나 빛에 노출되어 일어나게 되는 비가교 MMA 모노머의 자가 중합 반응의 유효기간(shelf-life)을 분석하고 추가적인 자유 라디칼 억제제(HQ)의 효과를 평가하였다. 다양한 농도의 자유 라디칼 억제제(HQ)(0, 50, 100 및 150 ppm)와 페이스트상(Vs)의 P/L 비율(0.8, 0.9, 1 및 1.2 g/ml)로, 0.5ml의 자유 라디칼 활성제(DMPT), 4g의 방사선비투과제(BaSO₄) 및 0.5g의 항생제(GM)로 실시예1과 동일한 방법을 이용하여 제조하였다. 페이스트상(Vs)의 유효기간을 위해 가속 온도를 각각 50, 55, 60℃에서 보관하여, 매 24시간 마다 점도 변화를 실험예1과 같은 실험 방법으로 측정하였다. 또한, 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 열적 자가 중합 반응의 발열 변이를 등온 온도(T) 80, 90, 100℃에서 측정하여 발열의 개시시간(t_o)을 분석하여, 아레니우스 분석법(Arrhenius analysis, 1/t_o = A*exp[-Q/RT])를 이용하여 분석하였다. 상기 식에서 A는 지수앞인자(pre-exponential factor)이고, Q(J/mol)는 활성화 에너지이고, R(8.31 J/mol·ㅀK)는 보편 기체상수 (universal gas constant) 및 T(ㅀK)는 절대온도이다. 각각의 등온 온도(T)(80, 90, 100℃)와 측정된 개시시간(t_o)을 아레니우스 식에 대입하여 얻어낸 추세선을 분석하여 지수앞인자(A)와 활성화 에너지(Q) 값을 분석하여 표적온도(예, 상온)의 개시시간을 예측하였다.

상기 가속 온도(50, 55, 60℃)하에서의 페이스트상(Vs)의 점성 변화는 저장 기간에 기하급수적으로 증가하였다. 그러나, 페이스트상(Vs)에 추가된 자유 라디칼 억제제(HQ)의 자가 중합 억제의 효과성은 가속 온도하의 점도 실험에서는 통계적으로 유효하지 않았다.

도 8에 도시된 바와 같이, 추가되는 자유 라디칼 억제제(HQ) 없이 P/L비율이 1g/ml이고, 0.5 ml의 자유 라디칼 활성제(DMPT)로 구성된 페이스트상(Vs)의 시차 주사 열량계(DSC) 개시기간 분석을 위한 아레니우스 예측 1/t_o=(1.09*10²⁵)*exp[-17246/T], R²=0.99 으로, 20℃하에서 예측되는 개시시간(유효 기간)은 약 3.3 년으로 기존 분말-액상 골 시멘트의 평균 유효기간 3년을 상위하였다. 이는 MMA 모노머 제조에서 상업적으로 함유된 약 10 내지 100 ppm의 자유 라디칼 억제제(HQ)의 농도로 본 발명 조성에서 페이스트 성분(Vs)의 적정 유효기간을 확보하는 것이 추가되는 자유 라디칼 억제제(HQ) 없이도 가능하다고 판단된다.

그러나 시차 주사 열량계(DSC)를 사용한 아레니우스 분석 실험에서는 가속 온도(50, 55, 60℃)하의 점도 실험에서와는 달리 페이스트 성분(Vs)에 추가적으로 50ppm의 상기 자유 라디칼 억제제(HQ)를 포함시킨 Sample의 유효 기간 분석이 표적온도인 상온에서 가장 유효하게 평가되었다.

본 발명에 따른 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트는 상술된 바와 같이 페이스트상(Vs)의 조성은 제1분말성분과 액상성분의 예비 혼합이 공축 이성분 카트리지의 외부 카트리지를 사용하여 직접 혼합 작업이 진행될 수도 있지만, 대량 조성 시에는 혼합 드럼을 사용하여 카트리지에 일정량을 진공 주입할 수도 있다. 이는 상업적으로 에폭시 접착제 카트리지 생산에서 이루어지는 작업 공정으로, 페이스트상(Vs)의 예비 용해 과정뿐 아니라 주입 과정에서도 진공 상태로 진행할 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한, 본 발명에서는 투입장치의 구성을 고상(Ps)의 압출 시 분말과 카트리지 출구의 마찰을 감소시키기 위해 공축 이성분 카트리지의 내부 카트리지를 개조하여 평면 튜브 형태로 외부 카트리지가 출구에서 내부 카트리지를 원형으로 감싸서 원활한 고상(Ps)의 압출을 얻어낼 수 있게 된다. 이는 점성인 페이스트상(Vs)이 분말상의 고상(Ps)을 원형으로 감싸며 압출되어 페이스트상(Vs)과 고상(Ps)의 혼합물이 혼합관의 믹싱 임펠러를 통해 원활하게 혼합되게 하기 위해서이다. 하지만, 적은 량의 부피, 전체 부피가 50ml(본 발명의 페이스트상(Vs)와 고상(Ps)의 총 부피는 약 60ml)이하에서는 기존의 에폭시 접착제용으로 사용되는 50cc 이중주사기(dual syringe)의 사용도 가능하게 된다.

경우에 따라서는 본 발명의 투입장치에서 혼합관을 사용하지 않고 카트리지에서 추가적인 믹싱볼에 소량의 페이스트상(Vs)과 고상(Ps)을 압출하여 스파튜라(spatula)를 사용하여 수제 혼합도 가능하다. 따라서 혼합관을 사용하지 않고 믹싱볼을 이용하여 소량씩 수제 혼합 시술도 가능하다는 장점이 있다.

또한, 특정 골 시멘트 시술에서 적은 량을 다수의 시술 부위에 간헐적으로 시술할 때 효과적인 방법으로 기존의 분말-액상 골 시멘트의 경우에는 다수의 시술 부위에 골 시멘트를 시술하기에는 반죽상이 가지는 작업시간이 짧아서 시술 부위만큼의 골 시멘트가 필요하지만, 본 발명의 경우에는 상술된 바와 같이 투입장치에서 혼합관을 탈부착가능하게 구성하여 추가적인 혼합관을 이용하여 특정 부위의 시술 후에 혼합관을 카트리지에서 분리하고 카트리지를 밀봉하고, 추가 시술에서 새로운 혼합관을 사용하여 압출, 재시술이 가능하다.

한편, 구체적인 실시예로 개시하지는 않지만 본 발명에 따른 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트에서 페이스트상(Vs)의 조성을 자유 라디칼 개시제(BPO)를 제외한 모든 분말을 예비 용해시키고, 고상(Ps)의 조성에 미량의 자유 라디칼 개시제(BPO)를 포함하도록 구성하는 것도 페이스트상(Vs)의 적절한 점도를 얻을 수 있는 PMMA 폴리머의 사용으로 가능하다고 판단된다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

고분자계 골 시멘트에 있어서,
제1분말성분이 액상성분에 예비 용해되어 구성된 페이스트상과 제2분말성분으로 구성된 고상으로 준비되고, 상기 페이스트상과 상기 고상을 혼합하면 즉시 반죽상(dough time) 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
제 1 항에 있어서,
상기 액상성분 1ml 당 포함되는 상기 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량은 1.5 내지 2.5g이고,
상기 제1분말성분은 상기 합산중량 중 25 내지 80중량%를 구성하고, 상기 제2분말성분은 상기 합산중량 중 20 내지 75중량%를 구성하는 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
제 1 항에 있어서,
상기 제1분말성분은 비가교 MMA 모노머의 선형 또는 공중합체인 PMMA 폴리머(폴리메틸 메타아크릴레이트), 폴리메틸아크릴레이트, 폴리스타일렌, 및 이들의 공중합체로 구성된 그룹에서 선택되는 아크릴계 폴리머, 방사선비투과제, 항생제이고,
상기 액상성분은 비가교 MMA 모노머[non-crosslinking MMA], 자유 라디칼 활성제, 자유 라디칼 저해제이며,
상기 제2분말성분은 아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제, 항생제인 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
삭제
제 3 항에 있어서,
상기 아크릴계 폴리머는 직경 10 내지 100 μm의 비드 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 아크릴계 폴리머는 50,000 내지 200,000의 중량 평균 분자량을 가지는 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 자유 라디칼 개시제는 벤조일 페록사이드이고, 자유라디칼활성제는 N,N-디메틸-파라-톨루이딘인 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 자유 라디칼 개시제는 상기 제1분말성분과 상기 제2분말성분의 합산중량 중 0.25 내지 2.5 중량 %를 구성하고, 상기 자유 라디칼 활성제는 상기 액상성분 부피의 0.5 내지 2.5 부피%로 존재하는 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 방사선 비투과제는 바륨 설페이트(BaSO₄) 또는 지르코늄 디옥사이드(ZrO₂)이고 상기 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량 중 10 내지 30 중량%를 구성하는 것을 특징으로 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 자유 라디칼 억제제는 하이드로퀴논이고 상기 액상성분 부피의 0.01 내지 150 ppm으로 존재하는 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 항생제는 상기 제1분말성분과 제2분말성분의 합산중량 중 2.5 중량%이하로 존재하는 것을 특징으로 하는 페이스트-분말의 이원성 고분자계 골 시멘트.
삭제
삭제
삭제
삭제