KR101089126B1

KR101089126B1 - 골 접합용 고분자계 골 시멘트

Info

Publication number: KR101089126B1
Application number: KR1020080123277A
Authority: KR
Inventors: 황승주; 최정길; 정인화; 이세민
Original assignee: (주) 코리아나메디칼
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2011-12-02
Also published as: KR20100064713A

Abstract

본 발명은 정형외과에서 인체 내에 삽입, 시술되는 각종 인공삽입물을 고정 및 접착시키기 위한 골 시멘트에 관한 것으로서, 본 발명은 30∼50μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 10∼20 중량%, 50∼120μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 40∼50 중량%, 알파형 트리칼슘포스페이트 15∼25 중량% 및 알루민산칼슘 5∼10 중량%, 벤조일 페록사이드 1∼3 중량% 및 황산바륨 9∼12 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고상과, 메틸메타아크릴레이트 97∼99 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 1∼3 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 이루어진다.

골 시멘트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 알파형 트리칼슘포스페이트, 알루민산칼슘, 벤조일 페록사이드, 황산바륨, N,N-디메틸-P-톨루이딘, 하이드로퀴논

Description

골 접합용 고분자계 골 시멘트{Polymer Line Bone Cement}

본 발명은 정형외과에서 인체 내에 삽입, 시술되는 각종 인공삽입물을 고정 및 접착시키기 위한 골 시멘트에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 인공삽입물을 고정시키기 위한 골 시멘트의 경화시간을 충분하게 확보하고 골 시멘트가 경화 반응할 때 반응온도를 낮추어 주위의 생체조직의 괴사를 막는 한편, 인공삽입물이 생체조직에 잘 고정되도록 하기 위한 고분자계 골 시멘트에 관한 것이다.

각종 관절부위, 척추 및 뼈의 손상으로 인하여 슬관절이나 고관절의 전치환술 및 재수술이 널리 시술되고 있으며 또한 척추 및 뼈의 파손 등으로 인하여 인공물을 체내에 삽입, 시술하는 방법이 사용되고 있다. 한편, 이와 같이 체내에 시술되는 인공물은 그 위치를 고정시키기 위하여 골 시멘트를 사용하고 있다.

골 시멘트는 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 사용되고 있다.

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 중합반응을 촉진시키기 위한 활성화제로서 N,N-디메틸-P-톨루이딘(또는 디메틸아미노페닐 에타놀)이 첨가되기도 한다. 추가적으로 골 시멘트를 보관 중에 중합반응을 억제하는 안정화제로서 하이드로퀴논을 미량 첨가한다.

고상과 액상을 서로 혼합하게 되면 고상에 있는 중합개시제 벤조일 페록사이드와 액상의 메틸메타아크릴레이트가 서로 만나 고분자 중합을 수행하며, 중합촉진제 N,N-디메틸-P-톨루이딘(또는 디메틸아미노페닐 에타놀)은 중합이 빨리 잘 일어날 수 있도록 반응을 촉진하는 작용을 한다. 이러한 죽상의 시멘트는 고분자 중합에 의하여 고형화되며 인공물을 고정시키는 역할을 하게 된다.

그러나 고분자계 골 시멘트는 메틸메타아크릴레이트의 중합 반응시 1몰 당 약 57킬로쥴의 높은 열이 발생하게 되며 이 열로 인하여 골 시멘트 자체의 온도가 60∼85℃의 고온으로 승온되며 실제 인체 내에 적용시 뼈와 시멘트 사이의 계면에서 40∼47℃에 달하게 된다. 이러한 고온은 계면에서의 체세포의 괴사를 유발할 수 있을 정도로 높은 고온으로 이에 대한 개선이 요구된다. 또한 경화시간이 3∼6분 정도로 짧아서 인공물을 시술할 때 때때로 골 시멘트의 경화반응이 진행돼서 점도가 증가하고 골 시멘트의 성능이 열화되는 현상이 종종 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서 골 시멘트의 강도를 어느 정도 유지하면서 경화반응을 할 때 최고 온도가 65℃ 이하가 되도록 유지하며 경화시간을 4∼12분정도로 연장시키고 인체조직과의 생체 적합성이 확보될 수 있는 골 시멘트의 조성물을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 골 시멘트는 경화시간을 늦추어서 시술시간을 충분히 확보하게 되며 또한 중합반응시 온도가 낮아서 체세포의 괴사현상을 방지할 수 있게 된다. 또한 칼슘계 화합물을 혼합하여 첨가함으로써 인체조직과의 융합성을 높일 수 있게 되었다.

본 발명은 고분자계 골 시멘트의 조성을 일부 변경, 개선함으로써 골 시멘트가 경화반응을 할 때 최고 온도가 65℃ 이하가 되도록 하며 경화시간을 연장시켜서 시술시 충분한 시간을 확보하고 또한 골 시멘트가 인체조직과 융합할 수 있는, 생체 적합성을 구비할 수 있는 골 시멘트의 조성물을 제공한다.

골 시멘트가 경화반응을 할 때 발열 온도는 폴리메틸메타아크릴레이트의 입자크기에 크게 좌우된다.

현재 시중에서 판매되고 있는 폴리메틸메타아크릴레이트 제품의 입도는 대략 10∼15μm범위에 있는 바, 이와 같은 입자 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 제품을 사용한 결과 상기와 같이 높은 발열온도를 가져온다는 것을 여러 차례의 실험결과 확인하였다.

따라서 본 발명에서는 폴리메틸메타아크릴레이트의 입자크기가 더 조대한 것을 사용해서 30∼120μm범위의 것으로서 특히 50μm이상의 것이 70%이상을 점유하도록 입도조절을 행하였다. 즉, 30∼50μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 15∼30 중량%, 50∼120μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 60∼70 중량%, 벤조일 페록사이드 1∼3 중량% 및 황산바륨 9∼12 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고상과, 메틸메타아크릴레이트 97∼99 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 1∼3 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 골 시멘트를 제조하였다.

이처럼 조대한 폴리메틸메타아크릴레이트를 사용하게 되면 골 시멘트의 경화시간이 3∼6분에서 4∼12분정도로 길어지며 경화시 최고 온도가 60∼85℃에서 40∼65℃로 낮아지게 되어서 인체 세포의 괴사현상이 거의 사라지게 된다. 그리고 이처럼 조대한 입자를 사용하면 기존의 미세 입자보다 표면적이 작아져서 액상을 적게 첨가해도 점도가 유사해지는 특징이 나타나게 되므로 액상 대 고상의 혼합 비율을 높일 수 있는 이점이 있다. 액상과 고상의 혼합비는 일반적인 고분자계 시멘트에서 0.45ml/g이상을 추천하고 있으며 그 상한은 1.0ml/g이다.

그러나 폴리메틸메타아크릴레이트는 강도가 커서 인공 삽입물을 강력하게 고정시켜 주는 장점은 있지만 인체조직과의 융합성이 전혀 없으므로 폴리메틸메타아크릴레이트를 주성분으로 한 골 시멘트는 단지 인체 내에 삽입된 인공물의 고정물로서의 역할만을 담당하게 된다. 그러므로 폴리메틸메타아크릴레이트를 주성분으로 한 골 시멘트와 인체조직과의 융합성을 높일 필요가 있으며, 이 과제는 칼슘계 화합물을 혼합하여 첨가함으로써 해결할 수 있다.

칼슘계 화합물로서는 인산 칼슘계 화합물인 알파형 및 베타형 트리칼슘포스페이트(Ca₃(PO₄)₂₎와 알루민산 칼슘 (CaO·Al₂O₃이)이 있으며, 인산 칼슘계 화합물과 알루민산 칼슘을 혼합하여 첨가한다.

알루민산 칼슘은 고온에서 소결한 것이 적당하고 두 물질의 입도는 2∼10μm인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 인산 칼슘계 화합물과 알루민산 칼슘의 혼합비는 인산 칼슘계 화합물이 50∼75 중량%, 알루민산 칼슘이 25∼50 중량%이며, 전체 고상 분말 중에서는 인산 칼슘계 화합물과 알루민산 칼슘의 합이 24∼32 중량%를 점유하게 된다. 이와 같이 혼합된 칼슘계 화합물을 상기 고분자계 골 시멘트에 혼합하여 골 시멘트를 제작하였다. 즉, 30∼50μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 10∼20 중량%, 50∼120μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 40∼50 중량%, 알파형 트리칼슘포스페이트 15∼25 중량% 및 알루민산칼슘 5∼10 중량%, 벤조일 페록사이드 1∼3 중량% 및 황산바륨 9∼12 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고상과, 메틸메타아크릴레이트 97∼99 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 1∼3 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 골 시멘트를 제조하였다.

상기와 같이 보다 입자가 조대한 폴리메틸메타아크릴레이트를 주성분으로 한 고분자계 골 시멘트에 칼슘계 화합물을 첨가한 결과 경화시간이 길어지고 최고온도가 크게 낮아졌음을 알 수 있다. 따라서 시술시간을 충분히 확보할 수 있게 되었으며 또 중합반응시 온도가 낮아서 체세포의 괴사현상을 방지할 수 있게 되었다. 한편, 시술 후 골 시멘트 주위에 새로 형성된 뼈 조직이 관찰되었고 뼈와 밀접한 골 유합 현상이 발생하였음을 확인하였다.

한편, 입자크기가 10∼50μm인 폴리메틸메타아크릴레이트를 주성분으로 한 기존의 고분자계 골 시멘트에 칼슘계 화합물을 첨가하여 골 시멘트를 제조하였다. 즉, 입자크기가 10∼50μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 50∼70 중량%, 알파형 트리칼슘포스페이트 15∼25 중량% 및 알루민산칼슘 5∼10 중량%, 벤조일 페록사이드 1∼3 중량% 및 황산바륨 9∼12 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고 상과, 메틸메타아크릴레이트 97∼99 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 1∼3 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 골 시멘트를 제조하였다.

이 경우에도 기존의 고분자계 골 시멘트에 비하여 경화시간이 크게 길어지고 또 최고온도도 크게 낮아졌다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1

30∼50μm의 폴리메틸메타아크릴레이트 23 중량%, 50∼120μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 65중량%, 벤조일 페록사이드 2 중량% 및 황산바륨 10 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합하는 한편, 메틸메타아크릴레이트 98 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 2 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합하였다.

이어 상기 고상과 액상을 2 : 1의 비율로 혼합한 후 경화시간과 최고 온도를 측정하였다. 경화시간(단면적이 1mm²인 비카트 니들장치에서 300g 적용) 및 최고온도 (디지탈 온도계 사용)측정은 ISO 5833(부록C)에 따라서 진행되었으며 액상과 고상의 비는 0.50ml/g을 사용했으며 5개 시편중에서 최저 및 최고값을 제외하고 나머지 3개 시편의 평균값을 제시하였다.

실시예 2

30∼50μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 15 중량%, 50∼120μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 45 중량%, 알파형 트리칼슘포스페이트 21 중량% 및 알루민산칼슘 7 중량%, 벤조일 페록사이드 2 중량% 및 황산바륨 10 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고상과, 메틸메타아크릴레이트 98 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 2 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 골 시멘트를 제조하였다.

이어 상기 고상과 액상을 2 : 1의 비율로 혼합한 후 경화시간과 최고 온도를 실시예 1과 같이 측정하였다.

실시예 3

입자 크기가 10∼50μm인 폴리메틸메타아크릴레이트 60 중량%, 알파형 트리칼슘포스페이트 21 중량% 및 알루민산칼슘 7 중량%, 벤조일 페록사이드 2 중량% 및 황산바륨 10 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합하는 한편, 메틸메타아크릴레이트 98 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 2 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합하였다.

비교예 1

폴리메틸메타아크릴레이트의 입자크기가 10∼50μm로서 기존의 고분자계 골 시멘트 로서 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

실시예 1과 비교예 1에서 동일한 액/고비인 0.50ml/g을 사용하여 혼합했으며 점도 측정은 하지 않았지만 실시예 1의 점도가 비교예 1의 점도보다 낮은 것이 관찰됐으며 그 이유는 폴리메틸메타아크릴레이트의 입자가 커서 액상이 적게 소요되기 때문인 것으로 분석되었다.

표는 실시예 1∼3과 비교예 1의 경화시간과 최고 온도를 나타낸 것이다.

< 표 >

	경화시간(분)	최고 온도(℃)
실시예 1	9.7	61.4
실시예 2	11.8	54.5
실시예 3	8.5	58.9
비교예 1	4.6	84.2

실시예 1에서 보는 바와 같이 단지 폴리메틸메타아크릴레이트의 입자크기가 기존의 것에 비하여 큰 것을 첨가하여 제조된 것만으로도 기존의 고분자계 골 시멘트보다 경화시간이 2배 정도로 연장됨으로써 충분한 시술시간을 확보할 수 있고 또한 최고온도가 20℃ 정도 낮아져서 체세포의 괴사현상을 방지할 수 있다.

또 기존의 고분자계 골 시멘트에 칼슘계 화합물을 혼합하여 첨가한 것(실시예 3)만으로도 경화시간이 획기적으로 연장되고 최고온도도 25℃ 정도 낮아지는 것을 알 수 있다. 그러나 가장 바람직한 것은 입자가 큰 폴리메틸메타아크릴레이트를 주성분으로 한 고분자계 골 시멘트에 칼슘계 화합물을 혼합하여 첨가한 것(실시예 2)이 가장 바람직한 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 폴리메틸메타아크릴레이트, 벤조일 페록사이드 및 황산바륨을 혼합한 분말형태의 고상과 메틸메타아크릴레이트, N,N-디메틸-P-톨루이딘 및 하이드 로퀴논을 혼합한 액상을 혼합하여 제조되는 고분자계 골 시멘트에 있어서, 상기 폴리메틸메타아크릴레이트의 입자 크기가 30∼120μm인 것을 특징으로 하는 고분자계 골 시멘트를 제공한다.

또한 본 발명은 30∼50μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 15∼30 중량%, 50∼120μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 60∼70 중량%, 벤조일 페록사이드 1∼3 중량% 및 황산바륨 9∼12 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고상과, 메틸메타아크릴레이트 97∼99 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 1∼3 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 고분자계 골 시멘트를 제공한다.

또 본 발명은 30∼50μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 10∼20 중량%, 50∼120μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 40∼50 중량%, 알파형 트리칼슘포스페이트 15∼25 중량% 및 알루민산칼슘 5∼10 중량%, 벤조일 페록사이드 1∼3 중량% 및 황산바륨 9∼12 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고상과, 메틸메타아크릴레이트 97∼99 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 1∼3 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 고분자계 골 시멘트를 제공한다.

또 본 발명은 입자 크기가 10∼50μm인 폴리메틸메타아크릴레이트 50∼65 중량%, 알파형 트리칼슘포스페이트 15∼25 중량% 및 알루민산칼슘 5∼10 중량%, 벤조일 페록사이드 1∼3 중량% 및 황산바륨 9∼12 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고상과, 메틸메타아크릴레이트 97∼99 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 1∼3 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 고분자계 골 시멘트를 제공한다.

Claims

삭제
30∼50μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 15∼30 중량%, 50∼120μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 60∼70 중량%, 벤조일 페록사이드 1∼3 중량% 및 황산바륨 9∼12 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고상과, 메틸메타아크릴레이트 97∼99 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 1∼3 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 고분자계 골 시멘트.
30∼50μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 10∼20 중량%, 50∼120μm 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 40∼50 중량%, 알파형 트리칼슘포스페이트 15∼25 중량% 및 알루민산칼슘 5∼10 중량%, 벤조일 페록사이드 1∼3 중량% 및 황산바륨 9∼12 중량%를 균질화되도록 충분히 혼합한 분말형태의 고상과, 메틸메타아크릴레이트 97∼99 중량%, N,N-디메틸-P-톨루이딘 1∼3 중량% 및 하이드로퀴논 50ppm을 혼합한 액상을 2 : 1의 비율로 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 고분자계 골 시멘트
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