KR101207873B1 - 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법, 그로부터 제조된 골 시멘트용 칼슘 포스페이트, 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 보존방법, 그를 포함하는 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 골 시멘트용 칼슘 포스페이트는 상온의 고염기성 영역에서 제조된 것으로, 소결 반응을 통해 제조된 테트라칼슘 포스페이트에 비하여 무수 디칼슘 포스페이트와 혼합되어 뛰어난 시멘트 활성을 나타낸다.

Description

골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법{Preparation method of calcium phosphate for bone cement}

본 발명은 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법, 그로부터 제조된 골 시멘트용 칼슘 포스페이트, 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 보존방법, 그를 포함하는 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물에 관한 것이다.

골 시멘트는 골다공증과 같은 근골격계 질환의 치료 중 손상된 조직을 보충할 인공적 충전재가 필요하거나 인공 뼈를 접착할 때 사용된다.

골 시멘트로는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 이용한 것이 접착력이 강하기 때문에 많이 사용되고 있으나, 흡수성이 없는 생체 안정성인데다 뼈와의 화학적 결합을 이루지 못하기 때문에 장기적으로는 결합이 약화되고, 폴리메틸메타크릴레이트의 경화 반응시 발생하는 열이 80℃에 달해 주변 조직이 열에 민감한 신경계통의 치료에는 사용에 어려움이 있으므로, 주변조직과의 친화성이 우수하고 경화 반응시의 발열도 심하지 않은 무기계 시멘트가 대안으로 고려되고 있다.

무기계 골 시멘트에는 생체유리와 (NH4)2HPO4를 기초로 한 것, Dreesnan이 개발한 CaSO41/2H2O계 시멘트, Brown과 Chow에 의해 개발된 테트라칼슘 포스페이트(Ca4(PO4)2O, TTCP)와 무수 디칼슘 포스페이트(CaHPO4, DCPA)가 혼합된 TTCP/DCPA계 시멘트, 그리고 Mirtch 등에 의해 개발이 시작된 베타상 트리칼슘포스페이트(β-Ca3PO4 : β-Tricalcium phosphate: β-TCP)계의 시멘트가 있다.

시멘트가 수화반응을 위해서는 각 반응물로부터 여러 이온성분들의 용해가 우선적으로 이루어지고 용해 이온들이 다시 반응을 하게 되는데 이러한 측면에서 용해도가 높은 테트라칼슘 포스페이트를 이용한 무기계 골 시멘트가 이용되고 있다.

테트라칼슘 포스페이트를 포함하는 골 시멘트 조성물에 관한 것으로, 일본공개특허 특개평 7-206489호, 한국등록특허 제0973988호, 미국등록특허 제7294187호, 미국등록특허 제6379453호 등 다수의 기술이 있으나 모두 칼슘 화합물을 1400 내지 1500 ℃의 고온에서 소결해서 제조한 통상의 테트라칼슘 포스페이트를 그대로 이용하는 것들이었다. 테트라칼슘 포스페이트 상(phase)은 상온에서도 형성되는 경우가 있지만, 재현성이 높은 제조 조건을 설정하기가 매우 어렵다.

본 발명에서는 pH와 칼슘 이온의 상평형도에서, 상온에서 테트라칼슘 포스페이트의 칼슘 포스페이트 침전 슬러리를 형성하기 위해 pH 11에서 12 사이를 세밀하게 나누어 확인한 결과, 과포화된 영역인 pH11.6과 11.7에서 칼슘 포스페이트를 제조했을 때 각각의 침전물이 수상에서 현탁액과 유화 상태로 다른 상을 나타내어, 상기 pH 범위가 칼슘 포스페이트 침전물의 현탁액과 유화의 경계 영역임을 알 수 있었고, 상기 pH 11.7 이상에서 콜로이드 형태의 칼슘 포스페이트 상을 갖는 유화 슬러리가 유화 슬러리 상태에서 무수 디칼슘 포스페이트와 대기 중에서 혼합되어 뛰어난 시멘트 반응을 나타냄을 확인하여 본 발명을 완성하였다. 본 발명에서는 상기 pH 11.7 이상에서 얻어진 칼슘 포스페이트 상을 갖는 유화 슬러리를 바이오-테트라칼슘 포스페이트라 명명하였다.

본 발명의 목적은 시멘트 반응이 뛰어난 골 시멘트용 칼슘 포스페이트를 상온에서 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 유화 상태의 골 시멘트용 칼슘 포스페이트 및 그 보존방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 유화 상태의 골 시멘트용 칼슘 포스페이스를 이용하여 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법은, 칼슘 수용액 및 인산을 pH 11.7 이상의 고염기성 영역에서 반응시키는 것이다.

본 발명에서 상기 반응이 일어나는 고염기성 영역은 과포화된 칼슘 수용액의 칼슘 농도에 따라 pH 11.65 내지 12.5, 바람직하게는 pH 11.7 내지 12.0이다. 상기 하한치 미만에서는 침전 반응으로 생성된 칼슘 포스페이트 슬러리가 유화 상태로 존재하지 않고 현탁액 상태로 존재하며, 시멘트 반응 활성이 충분히지 못하다는 한계가 있다. 상기 상한치를 초과하는 경우에는 칼슘의 용해도가 저하되어 침전되기 때문에 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 수율이 저하된다.

본 발명에서 상기 반응은 진공 또는 이산화탄소 비함유 분위기, 예를 들어 질소 분위기에서 수행된다. 이산화탄소 분위기 또는 이산화탄소를 포함하는 통상의 대기 중에서 반응이 수행될 경우 칼슘 수용액에 탄산 이온이 용해되어 제조되는 테트라칼슘 포스페이트가 탄산화되어 테트라칼슘 포스페이트의 수용액 중 용해도가 감소하여, 시멘트를 형성할 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트(CaHPO42H2O, DCPD), DCPA, 모노칼슘 포스페이트 디하이드레이트(Ca(H2PO4)2H2O, MCPD), 무수 모노칼슘 포스페이트(MCPA) 등의 산성 인산칼슘 화합물과의 시멘트 형성 반응도가 급속도로 약화된다.

본 발명에서 상기 칼슘 수용액은 과포화된 칼슘 수용액인 것이고, 바람직하게는 칼슘 수용액의 칼슘 농도는 0.1 M 내지 0.5 M, 더욱 바람직하게는 0.15 내지 0.3 M인 것이다. 칼슘 농도가 상기 상한치를 초과하도록 유지하기 쉽지 않고, 상기 하한치 미만에서는 pH 11.7 이상의 조건을 유지하더라도 유화 상태의 슬러리를 얻지 못하고, 현탁액과 유화 부분으로 2 부분이 존재하는 pH 11.65에서 제조한 슬러리와 유사하게 되고, 이 슬러리는 시멘트 반응 활성이 충분하지 않다.

또한 상기 칼슘 수용액은 산화칼슘이 용해되어 칼슘이 이온화된 수용액으로서, 칼슘 수용액 제조에 사용되는 산화칼슘은 탄산칼슘 함량이 0.1 중량% 미만, 바람직하게는 0.01 중량% 미만인 것이 바람직하다. 탄산칼슘이 산화칼슘에 포함되면 침전법으로 칼슘 포스페이트를 제조할 때 공침(co-precipitatin) 과정에서 탄산 이온이 칼슘 포스페이트 격자에 함입될 수 있고, 또한 탄산칼슘은 수상으로 칼슘 이온의 방출을 저해하는 문제가 있다. 또한 상기 칼슘 수용액은 탄산칼슘을 소결시킨 후 상기 칼슘 수용액 및 인산을 반응시키기 직전에 수화시켜 제조하는 것이 탄산칼슘을 실질적으로 포함하지 않고 칼슘의 95 % 이상, 바람직하게는 99 % 이상, 더욱 바람직하게는 99.9% 이상 이온화된 칼슘 수용액을 제조할 수 있다. 또한 상기 칼슘 수용액은 탄산칼슘을 소결시킨 후 상기 칼슘 수용액 및 인산을 반응시키기 전까지 진공 또는 이산화탄소 비함유 분위기에서 보관하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 칼슘 수용액 및 인산의 반응은 0 내지 45 ℃, 바람직하게는 15 내지 40 ℃에서 수행되는 것으로서, 별도의 소결 공정을 필요로 하지 않기 때문에 장치 및 에너지 비용을 절감할 수 있다.

상기 본 발명의 방법으로 제조된 골 시멘트용 칼슘 포스페이트는 FT-IR 분석에서 3572 cm-1에 피크를 나타내며, 유화 상태로 존재하고, 특별히 한정할 필요는 없으나 8 내지 40 중량%, 바람직하게는 10 내지 30 중량%의 수분을 함유하는 것이다.

본 발명의 골 시멘트용 칼슘 포스페이트는 공기중의 이산화탄소와 접촉하여 탄산화가 진행될 경우 시멘트 활성이 약화되므로, 진공 또는 이산화탄소 비함유 분위기에서 기체 차단 포장, 예를 들어 질소 충전 포장을 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 본 발명의 방법으로 제조된 골 시멘트용 칼슘 포스페이트와 무수 디칼슘 포스페이트 분말을 포함하는 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물을 제공한다. 상기 골 시멘트용 칼슘 포스페이트 및 무수 디칼슘 포스페이트 분말의 혼합비율은 테트라칼슘 포스페이트와 디칼슘 포스페이트의 몰비로 1 : 0.8 내지 1 : 1.2, 실질적으로 1 : 1로 혼합되는 것이 바람직하다. 또한 상기 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물의 수분 함량은 25 내지 40 중량%, 바람직하게는 30 내지 35 중량%이다. 상기 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물에서의 유화 상태의 골 시멘트용 칼슘 포스페이트에서 유래된 수분으로 충분할 경우 물을 별도로 첨가할 필요가 없으나, 부족할 경우에는 물을 첨가하여 상기 범위 내로 수분 함량을 조절한다.

골시멘트용 칼슘 포스페이트 상기 조성물에는 시멘트 반응을 활성화시키기 위하여 하이드록시아파타이트 분말을 더 포함할 수 있고 그 함량은 전체 조성물의 0.1 내지 30 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 5 중량%로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 하이드록시아파타이트 분말은 특별히 한정할 필요는 없으나 습식법으로 합성된 것이 소결법으로 제조된 것에 비해 활성이 높아 바람직하다.

또한 상기 조성물에 시멘트 반응을 활성화시키기 위하여 모노소듐 포스페이트 분말(NaH2PO4), 암모늄 포스페이트 분말(NH4H2PO4) 또는 그 혼합물을 더 포함할 수 있고, 그 함량은 전체 조성물의 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.05 내지 1 중량%로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물에서 유화 상태로 존재하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트는 다른 원재료와 별도로 진공 또는 이산화탄소 비함유 분위기에서 기체 차단 포장된다.

본 발명의 골 시멘트용 칼슘 포스페이트는 상온, 상압에서 제조되는 것으로 제조가 간편하고, 소결 반응을 통해 제조된 테트라칼슘 포스페이트에 비하여 무수 디칼슘 포스페이트와 혼합되어 뛰어난 시멘트 활성을 나타낸다.

도 1a은 칼슘 포스페이트 화합물의 등온 상평형도이다.
도 1b는 칼슘 과포화 영역 및 pH 11.3 내지 12.0에서의 칼슘 이온 농도 및 pH 11.3 내지 12 범위에서의 칼슘 포스페이트 화합물의 등온 상평형도를 나타낸 것이다. pH 11.6과 11.7 사이에 현탁액과 유화 사이의 상 경계가 있다. 별표는 제조예에서의 각각의 칼슘 포스페이트 시료 제조를 위한 칼슘 이온 농도와 pH 조건을 나타낸 것이고, 1st, 2nd 및 3rd 개략도는 각각의 칼슘 이온 농도와 pH 조건에서의 현탁액, 유화 및 중간 상의 모습을 나타낸 것이다.
도 1c는 도 1b의 pH 11.6에서 얻어진 층분리된 칼슘 포스페이트 슬러리의 사진이다.
도 1d는 도 1b의 pH 11.7에서 얻어진 칼슘 포스페이트 슬러리의 유화상태의 사진이다.
도 1e는 B-TTCP-11.7 슬러리의 건조 과정에 따른 X선 회절 분석 패턴이다.
도 2a는 제조예 1의 슬러리 B-TTCP-11.6, B-TTCP-11.65 및 B-TTCP-11.7의 건조시료, 그리고 표준물질로 제조예 2의 TTCP-NIST의 X선 회절 분석 패턴을 나타낸 것이다.
도 2b는 도 2a의 X선 회절 분석 패턴의 일부를 확대한 것이다.
도 2c는 제조예 2의 CPC-B-TTCP-11.6, CPC-B-TTCP-11.65 및 CPC-B-TTCP-11.7, 그리고 표준물질로 CPC-NIST, 침전된 하이드록시아파타이트(HAp)의 X선 회절 분석 패턴을 나타낸 것이다.
도 2d는 도 2c의 확대도를 나타낸 것이다.
도 2e는 TTCP-N24, TTCP-N28 및 TTCP-N30의 X-선 회절 분석 패턴을 나타낸 것이다.
도 2f는 제조예 2의 CPC-B-TTCP-11.6, CPC-B-TTCP-11.65 및 CPC-B-TTCP-11.7, 그리고 표준물질로 CPC-NIST, 침전된 하이드록시아파타이트(HAp)의 FT-IR 분석결과를 나타낸 것이다.
도 3a는 소결법으로 소결 온도를 달리하여 제조한 TTCP-N24, TTCP-N28 및 TTCP-N30 및 표준물질로 TTCP-NIST의 FT-IR 분석결과를 나타낸 것이다.
도 3b는 CPC-NIST, CPC-TTCP-N 및 CPC-TTCP-NIST의 3일 숙성 후의 FT-IR 분석결과를 나타낸 것이다.
도 3c는 도 3b의 wave number 1800 cm-1 이하를 확대한 것이다.
도 3d는 도 3b의 wave number 3500 cm-1 이상을 확대한 것이다.
피크를 나에 안정한 하이드록시아파타이트의 형성을 나타내는 CPC-TTCP-NIST와 유사한 피크 패턴을 나타내었다.
도 4a는 제조예 1의 슬러리 B-TTCP-11.6, B-TTCP-11.65 및 B-TTCP-11.7의 건조시료, 그리고 표준물질로 제조예 2의 TTCP-NIST의 FT-IR 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4b는 도 4a의 wave number 1800 cm-1 이하를 확대한 것이다.
도 4c는 제조예 1의 슬러리 B-TTCP-11.7의 제조직후, 숙성 1일차 및 숙성 3일차 건조시료의 FT-IR 분석결과를 나타낸 것이다.
도 5는 B-TTCP-11.7의 나노 크기를 가진 미세 입자의 응집체의 TEM 사진과, 나노 크기 미만의 미세 입자의 확산 미네랄화(diffused mineralization)에 대한 대조 사진이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

제조예 1: pH 와 칼슘 농도에 따른 칼슘 포스페이트의 제조

도 1a는 칼슘 포스페이트의 상평형도를 나타낸 것으로, pH 10.5 미만에서 다양한 상들로 침전 및 분해되는 경계를 나타낸다. pH 10.5 이상에서는 산화칼슘과 고염기성 상들 사이의 결정축에 따른 상호작용으로 인하여, 침전된 하이드록시아파타이트(HAp), 트리칼슘 포스페이트(TPC), 옥타칼슘 포스페이트(octacalcium phosphate, OCP) 및 테트라칼슘 포스페이트(TTCP)의 염기성 상 사이의 경계가 불분명하였다.

본 발명에서는 상의 경계가 명확하지 않은 pH 11 내지 12 사이에서 칼슘 포스페이트를 침전법으로 합성하였다[M. C. Chang, DL. Ralph, Dental Materials 25, 261 (2009)].

칼슘 이온과 인산 이온의 전구체로서 산화칼슘을 탈이온수에 용해시킨 칼슘 수용액과 인산을 사용하였다. 상기 칼슘 수용액은 칼슘 이온을 효과적으로 생성시키도록, 탄산칼슘을 1150 ℃에서 3시간 소결시켜 얻은 산화칼슘을 탈이온수에 수화시키고 2 시간 교반하여 사용하였다. 사용된 탄산칼슘의 양은 칼슘 이온의 농도에 따라 각각 6, 12, 24, 36 및 50 g 이었다. 충분히 이온화된 칼슘 수용액을 얻은 후 적정을 위한 염기로 이용하였다.

온도를 37±0.1 ℃로 조절하면서 상기 칼슘이 이온화된 칼슘 수용액을 페리스탈릭 펌프를 통해 주입하면서 pH를 11에서 12 사이에서 변화시켜 각각의 칼슘 포스페이트 슬러리를 동시 적정법으로 제조하였다. 칼슘 과포화 영역, 즉 칼슘 이온 농도는 0.06 내지 0.51 M와 pH 11.3 내지 12 사이 실험 범위를 확대하여 도시한 칼슘 포스페이트 상평형도를 도 1b에 나타내었다. 도 1b의 별표는 제조예에서의 각각의 칼슘 포스페이트 시료 제조를 위한 칼슘 이온 농도와 pH 조건을 나타낸 것으로, 제조예 1-1부터 1-11까지 이다.

실험예 1: pH 와 칼슘 농도에 따른 칼슘 포스페이트의 성상

도 1b에서 칼슘 이온 농도가 0.25 M일 때 제조예 1-1, 1-2, 1-3 및 1-4까지 pH 11.6 이하에서 얻어진 칼슘 포스페이트 슬러리는 모두 현탁액 상태로서, 정치시킬 경우 침전층과 상등액으로 층이 구분됨을 알 수 있었다. 이때의 침전층이 형성된 칼슘 포스페이트 슬러리의 개략도를 도 1b에서 1st 개략도에 나타내었으며, 그 사진을 도 1c에 나타내었다. 상기 현탁액 상태의 시료 중에서 제조예 1-4를 B-TTCP-11.6으로 명명하였다.

또한 칼슘 이온 농도가 0.25 M일 때 제조예 1-6, 1-7 및 1-8의 pH 11.7 이상에서 얻어진 칼슘 포스페이트 슬러리는 유화 상태로서, 하루 동안 정치시키더라도 안정화된 콜로이드 형태의 유화 상태를 유지하였다. 이때의 유화 상태의 칼슘 포스페이트 슬러리의 개략도를 도 1b에서 3rd 개략도에 나타내었으며, 그 사진을 도 1d에 나타내었다. 상기 유화 상태의 시료 중에서 제조예 1-6을 B-TTCP-11.7 또는 바이오-테트라칼슘 포스페이트(bio-TTCP)로 명명하였다.

또한 칼슘 이온 농도가 0.25 M일 때 제조예 1-5의 pH 11.65에서 얻어진 칼슘 포스페이트 슬러리는 현탁액과 유화액 상태가 혼합된 형태로서, 부분적으로 일부는 안정화되고 일부는 부상한 상태로서, 하루 동안 정치시키더라도 비이커 내에 현탁액과 유화 부분으로 2개의 부분이 존재하였다. 상기 중간 상태의 시료인 제조예 1-5를 B-TTCP-11.65로 명명하였다.

또한 pH 11.5에서 칼슘 포스페이트 슬러리를 제조하면서 칼슘 이온 농도를 0.12 M 및 0.36 M로 달리하여 제조예 1-9 및 1-10을 제조한 결과, 칼슘 이온의 농도와 관계없이 B-TTCP-11.6과 동일하게 현탁액 상태를 나타내었다. 또한 pH 11.6 칼슘 포스페이트 슬러리를 제조하면서 칼슘 이온 농도를 0.51 M로 높여 제조예 1-11을 제조했을 때에도 역시 B-TTCP-11.6과 동일하게 현탁액 상태를 나타내었다.

또한 pH 11.7 칼슘 포스페이트 슬러리를 제조하면서 칼슘 이온 농도를 0.06 M로 낮춰 제조예 1-12를 제조했을 때에는 부분적으로 일부는 안정화되고, 일부는 부상한 형태로, 하루 동안 정치시키더라도 비이커 내에 현탁액과 유화 부분으로 2 부분이 존재하여 일반 농도의 칼슘을 사용하여 pH 11.65에서 제조한 B-TTCP-11.65와 유사한 성상이 되었다. 이때의 유화 상태의 칼슘 포스페이트 슬러리의 개략도를 도 1b에서 3rd 개략도에 나타내었다.

제조예 2: 칼슘 포스페이트 시멘트의 제조

제조예 1에서 얻은 골 시멘트용 칼슘 포스페이트와 비교를 위해서, 종래 공지된 소결법으로 테트라칼슘 포스페이트 분말을 제조하였다. 무수 디칼슘 포스페이트와 탄산칼슘 사이에서 1400 - 1500 ℃에서 고상 반응으로 테트라칼슘 포스페이트 클링커를 합성하고, 분쇄한 후 체로 쳐서 메디안 평균 직경 17 ㎛인 테트라칼슘 포스페이트 분말을 얻는다. 따라서 본 실험에서는 소결 온도 1400, 1450 및 1500 ℃에서 각각 테트라칼슘 포스페이트 분말을 제조하고 이를 각각 TTCP-N24, TTCP-N28 및 TTCP-N30을 각각 제조하였다. 또한 무수 디칼슘 포스페이트(DCPA) 분말은 메디안 평균 직경 1 ㎛인 것을 분쇄하여 사용하였다.

미국국립표준기술연구소(NIST)의 L. E. Chow 박사로부터 소결법으로 제조된 테트라칼슘 포스페이트 및 이를 이용한 칼슘 포스페이트 시멘트를 입수하여 이를 각각 TTCP-NIST 및 CPC-NIST로 명명하고, 표준물질로 이용하였다.

또한 상기 TTCP-NIST와 상기 무수 디칼슘 포스페이트 분말을 동일 몰로 혼합하여 CPC-TTCP-NIST를 제조하였다.

또한 상기 TTCP-N28과 무수 디칼슘 포스페이트 분말을 동일 몰로 혼합하여 CPC-TTCP-N을 제조하였다.

또한 제조예 1에서 제조한 슬러리 상태의 B-TTCP-11.6, B-TTCP-11.65 및 B-TTCP-11.7를 각각 무수 디칼슘 포스페이트(DCPA) 분말과 동일 몰로 혼합하여 칼슘 포스페이트 시멘트를 제조하였고, 이들 각각을 CPC-B-TTCP-11.6, CPC-B-TTCP-11.65 및 CPC-B-TTCP-11.7로 명명하였다.

상기 각각의 칼슘 포스페이트 시멘트에는 고형분을 기준으로 각각 0.2 중량%의 NaH2PO4 및 2 중량%의 침전된 하이드록시아파타이트(HAp)가 첨가되었고, 시멘트 반응을 위하여, 원재료의 혼합 후에 각각 칼슘 포스페이트 시멘트들에는 수분 함량이 34%가 되도록 필요한 물을 더 첨가하였다.

실험예 2: 칼슘 포스페이트 시멘트의 시멘트 활성

상기 제조예 2의 칼슘 포스페이트 시멘트의 시멘트 활성을 확인하기 위하여 안정화 시간(setting time)을 분(min)으로 표 1에 나타내었다.

구분	안정화 시간(min)
CPC-NIST	30.0
CPC-TTCP-NIST	32.0
CPC-TTCP-N	35.0
CPC-B-TTCP-11.6	40.0
CPC-B-TTCP-11.65	25.0
CPC-B-TTCP-11.7	20.0

B-TTCP-11.7, 즉 바이오-테트라칼슘 포스페이트(bio-TTCP)를 제조예 2와 같이 혼합하여 CPC-B-TTCP-11.7를 제조할 때 매우 활발한 시멘트 반응을 나타내었다. 한편 높은 칼슘 농도 및 pH 11.6 조건에서 제조한 제조예 1-8 및 1-11의 슬러리의 경우, 0.25 M 칼슘 농도 및 pH 11.6 조건에서 제조한 제조예 1-4의 슬러리에 비하여 침전 과정의 종료 후에 안정화(settle down)가 느리게 진행되었다.

실험예 3: pH 와 칼슘 농도에 따른 칼슘 포스페이트의 건조시간에 따른 X선 회절 분석

제조예 1의 슬러리 B-TTCP-11.6, B-TTCP-11.65 및 B-TTCP-11.7을 각각 진공 글래스 필터를 통과시키고, 탈이온수로 1시간 동안 5회 세척하였고, 최종 복합물 케이크의 분석을 위하여 37 ℃에서 바로 건조시키면서 건조 시간에 따른 X-선 회절분석(Siemens 5005, 독일)을 통해 상의 형성을 확인하였다.

상기 슬러리의 침전 반응 및/또는 보존 과정에서 칼슘 포스페이트는 공기중의 이산화탄소에 의해 탄산화 될 수 있으므로, 형성된 슬러리의 탄산화를 방지하기 위해서 침전 반응은 질소 가스 하에서 실시하였고, 보관 역시 이산화탄소를 제거한 상태에서 실시하였다.

B-TTCP-11.7 슬러리의 건조 과정에 따른 X선 회절 분석 패턴은 도 1e에 나타내었다. 제조 직후의 B-TTCP-11.7 슬러리 상태는 B-TTCP-11.7-W, 상온에서 40분 건조한 것은 B-TTCP-11.7-D40, 100 ℃ 건조로에서 100 분 건조한 것은 B-TTCP-11.7-H100으로 나타내었다. B-TTCP-11.7 시료의 슬러리 상태(wet), 상온건조시간 40분, 건조로 사용 100분 건조 등에 따라 HAp를 형성하는 (201)강도가 순차적으로 커지고 있음을 확인할 수 있었다.

X선 회절 분석 패턴에서의 강도와 상 각도는 슬러리 시료의 건조에 따라 변화가 심하다는 것을 확인할 수 있었다. 칼슘 포스페이트 시멘트의 혼합 개시 동안 상 전이를 나타내는 반응속도는 매우 빠르게, 그리고 건조 시간에 따라 점진적으로 감소하였다.

실험예 4: pH 와 칼슘 농도에 따른 칼슘 포스페이트 건조 분말의 X선 회절 분석

제조예 1의 슬러리 B-TTCP-11.6, B-TTCP-11.65 및 B-TTCP-11.7의 건조시료, 그리고 표준물질로 제조예 2의 TTCP-NIST의 X선 회절 분석 패턴을 도 2a에 나타내었다.

상기 도 2a의 각각의 시료는 모두 건조된 것이었기 때문에 주요 상으로 침전된 하이드록시아파타이트(HAp)의 패턴을 나타내었다. 다만 B-TTCP-11.7의 경우 B-TTCP-11.6에 비하여 폭이 좁고, 강도가 가장 강하게 나타났다. B-TTCP-11.65는 B-TTCP-11.7와 B-TTCP-11.6의 중간 정도의 강도를 나타내었고, 더 넓게 분포되어 혼합물로 이루어져 있음을 추정할 수 있었다.

도 2b는 도 2a의 X선 회절 분석 패턴을 확대한 것으로, 도 2b를 보면 B-TTCP-11.7에서 더 높은 각도로 약간의 이동이 있음을 확인할 수 있고, B-TTCP-11.65는 B-TTCP-11.6에 비해 더 넓은 폭으로 되어 있음을 확인할 수 있었다.

도 2e는 TTCP-N24, TTCP-N28 및 TTCP-N30의 X-선 회절 분석 패턴으로, TTCP-NIST와 거의 동일하였고, 이를 통해 소결 온도는 TTCP 상의 결정 형성에 크게 영향을 주지는 않는 것으로 판단하였다.

실험예 5: 칼슘 포스페이트 시멘트의 X선 회절 분석

제조예 2의 CPC-B-TTCP-11.6, CPC-B-TTCP-11.65 및 CPC-B-TTCP-11.7, 그리고 표준물질로 CPC-NIST, 침전된 하이드록시아파타이트(HAp)의 X선 회절 분석 패턴을 도 2c에 나타내었고, 그 확대도를 도 2d에 나타내었다.

CPC-NIST에서는 TTCP 피크가 남아있지만, 제조예 2의 B-TTCP를 이용하여 제조한 칼슘 포스페이트 시멘트의 경우 무수 디칼슘 포스페이트(DCPA)의 존재를 확인할 수 있었다.

B-TTCP-11.6을 사용하여 제조한 칼슘 포스페이트 시멘트의 경우, 양이온 결핍 하이드록시아파타이트(cation deficient hydroxyapatite, CD-HAp)의 패턴을 나타내었지만, B-TTCP-11.7을 사용하여 제조한 칼슘 포스페이트 시멘트의 경우 화학량론적 하이드록시아파타이트(stoichiometric hydroxyapatite, S-HAp)의 패턴을 나타내었다. 또한 B-TTCP-11.65를 사용하여 제조한 칼슘 포스페이트 시멘트의 경우 타 시료에 비해서 강한 피크 강도를 가진 다양한 피크를 나타내었다.

일반적으로 FT-IR에서는 스펙트럼 강도가 크고 분명하면 결정도가 높고 안전한 것으로, 반대로 스펙트럼이 브로드하고 퍼져 있으면 비정질로 반응성 높은 것으로 판단한다. 따라서 도 2f를 보면 CPC-B-TTCP-11.6은 HAp와 유사한 스펙트럼을 보여주고, CPC-B-TTCP-11.7은 로 만들어진 CPC시편은 그림의 내부도를 보면 3575cm^-1에서의 결정수가 적고 인산염 영역을 보여주는 900-1200cm^-1 스펙트럼에서 HAp나 CPC-B-TTCP-11.6에 비해 결정도가 작고 비정질 인산칼슘에 속하는 즉, 반응성 높은 분말임을 나타내고 있다. B-TTCP 슬러리들은 수화된 칼슘 포스페이트의 나노결정으로 구성되어 있었다. 상기 슬러리들은 무수 디칼슘 포스페이트 분말 및/또는 침전된 하이드록시아파타이트와 혼합되었을 때 더욱 활발한 시멘트 반응을 나타내었다.

무수 디칼슘 포스페이트와 B-TTCP를 혼합하는 동안, 상기 슬러리는 치즈처럼 페이스트상이 되고, 성형한 시료는 숙성과 건조를 거쳐 단단해진다. 상기 시멘트 반응은 칼슘 포스페이트에 이산화탄소가 함입되는 것에 의해 민감하게 영향을 받는 것으로 보이고, 이러한 B-TTCP의 탄산화는 도 4a 및 도 4b의 FT-IR결과에서도 확인된다.

B-TTCP는 활발하게 탄산화되고, 탄산화 아파타이트와 같은 안정상으로 전이되므로 수용액 상에서 안정화된 B-TTCP를 관찰하기는 어렵다. B-TTCP의 FT-IR 스펙트럼에서 CO3 피크가 강하게 발달하였고 기존 탄산화아파타이트의 대표적인 FT-IR스펙트럼과 유사한 패턴을 보여주고 있다는 점에서 B-TTCP는 수산기 및 탄산기를 포함하는 Ca4(PO4)2(OH,CO3) 화합물을 형성할 수 있고, Ca4(PO4)2O의 수산화 및 탄산화 화합물과 아파타이트 사이에 결정축에 따른 미세구조를 통해 탄산화 아파타이트를 형성하였다.

실험예 6: 칼슘 포스페이트 및 칼슘 포스페이트 시멘트의 FT - IR 분석

FT-IR 분석은 칼슘 포스페이트의 화학적 상호작용을 추정하기 위한 것으로, diffuse reflectance FT-IR(Magna 750 FT-IR, Nicolet, 미국)을 이용하여 측정하였다.

종래 소결법으로 소결 온도를 달리하여 제조한 TTCP-N24, TTCP-N28 및 TTCP-N30 및 표준물질로 TTCP-NIST의 FT-IR 피크를 도 3a에 나타내었다. 도 3a에 따르면 TTCP의 전형적인 FT-IR 피크는 3643 및 3572 cm-1 밴드에서 나타났다. 소결 온도 1400, 1450 및 1500 ℃에서 각각 제조한 TTCP-N24, TTCP-N28 및 TTCP-N30은 TTCP-NIST와 비교했을 때 상기 밴드에서 강도의 차이를 나타내었다. 또한 TTCP의 소결 온도가 높아짐에 따라 3643 cm-1 밴드는 증가하고, 3572 cm-1 밴드는 감소하였다. 상기 3643 cm-1 밴드는 표면의 P-OH 잔기의 O-H 신장 변화로 인한 것이고, 3572 cm-1 밴드는 격자 수산 이온의 신장 변화로 인한 것이다. TTCP-N24 및 TTCP-N30에서의 3643 cm-1 밴드는 매우 강하게 발현되었고, 이는 냉각 공정 동안 표면의 P-OH 잔기에 CO가 함입되었음을 나타낸다.

도 3b, 도 3c 및 도 3d에서 CPC-TTCP-N은 3일 숙성 후에 안정한 하이드록시아파타이트의 형성을 나타내는 CPC-TTCP-NIST와 유사한 피크 패턴을 나타내었다. 소결 온도의 증가와 함께 PO4의 스펙트럼 패턴은 하이드록시아파타이트의 패턴에 유사해지는 것으로 나타났다. 모든 칼슘 포스페이트 시멘트 시료에서 3572 cm-1에서의 TTCP 밴드 강도의 감소는 차이가 없는 것으로 나타났다. CPC-TTCP-NIST 및 CPC-TTCP-N에서 NaH2PO4는 활성화제로 사용되었고, NaH2PO4 없이 제조한 CPC-NIST에 비해서 넓고 약한 밴드를 나타내었다.

도 3c에 나타낸 것과 같이 NaH2PO4를 사용할 경우 빠른 시멘트 반응으로 인하여 하이드록시아파타이트의 형성이 촉진된다.

도 3d를 보면 CPC-TTCP-N 시료에서 3643 cm-1 밴드는 거의 나타나지 않는다. 또한 도 3d에서 NaH2PO4 없이 제조한 CPC-NIST 시료에서는 C-O 밴드가 여전히 남아 있었다. 그러나 NaH2PO4의 첨가로 인하여 시멘트 반응이 활성화되기 때문에 CPC-TTCP-NIST 및 CPC-TTCP-N에서 C-O 밴드의 강도는 감소하였다. CPC-TTCP-NIST에서 1637 cm-1에서의 CaP 밴드와 PO4 ν3 밴드는 CPC-TTCP-NIST의 것과 유사하였고, CPC-B-TTCP의 스펙트럼의 형태는 도 4a 및 도 4b에 나타낸 것과 같이 노이즈 없이 선명하였다. 도 3d에서의 3572와 3643 cm-1의 TTCP 상의 특징적인 피크는 CPC-TTCP-NIST 및 CPC-TTCP-N에서는 덜 관찰되었다. 이는 NaH2PO4의 첨가로 시멘트 반응이 활성화되었기 때문에 빠른 시멘트 반응으로 인한 하이드록시아파타이트가 형성되었기 때문이다.

제조예 1의 슬러리 B-TTCP-11.6, B-TTCP-11.65 및 B-TTCP-11.7의 건조시료 그리고 표준물질로 제조예 2의 TTCP-NIST의 FT-IR 분석 결과를 도 4a에 나타내었다. 도 4a에서 B-TTCP의 3643 cm-1 밴드는 거의 나타나지 않았으나, B-TTCP-11.7의 3572 cm-1 밴드는 매우 강하게 나타났다.

상기 소결 반응을 통해 제조된 TTCP 클링커의 결과로부터 3643 cm-1 밴드에서의 P-OH에 CO의 함입은 주로 냉각 공정의 영향을 받고, 3572 cm-1 밴드에서 OH 격자로의 CO의 함입은 고온에서의 소결 반응에 의해 영향을 받는 것으로 생각되었다.

도 4c에는 B-TTCP-11.7 시료를 제조 직후 건조한 것, 이를 1일 숙성한 것, 그리고 3일 숙성한 것의 FT-IR 스펙트럼을 확인한 것으로, 숙성이 진행되면서 3572 cm-1 밴드스펙트럼이 급속히 감소하고 사흘 뒤 부터는 건조가 거의 포화됨을 나타내고 있다. 따라서 B-TTCP-11.7 시료에서 3643 cm-1 밴드가 거의 없고, B-TTCP-11.7의 3572 cm-1 밴드가 상당히 강하며, 이는 숙성 및/또는 건조 공정에서 크게 변화하였다.

B-TTCP-11.7은 pH가 높아짐에 따라 B-TTCP의 탄산화가 증가하여 강력한 탄산화를 나타내지만, B-TCP-11.6의 경우에는 탄산화가 상대적으로 작게 나타났다. 이는 나노결정 입자 사이의 유화와 현탁액 사이의 상 차이로 인한 것으로 보였다. 이는 B-TTCP-11.7의 미세구조 및/또는 결정 구조가 B-TTCP-11.6과 매우 다름을 의미한다. 위에서 관찰한 B-TTCP-11.7, 즉 바이오-테트라칼슘 포스페이트의 물성으로부터, B-TTCP-11.7의 유화액은 수산화 및/또는 탄산화된 염기성 칼슘 포스페이트 및 수산화칼슘의 중합체적인 네트워크로 구성된 것임을 알 수 있다.

또한 도 4a에서 CPC-B-TTCP-11.7은 B-TTCP-11.7과 DCPA를 이용하여 제조된 칼슘 포스페이트 시멘트의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다. 활발한 시멘트 반응을 통해서 CPC-B-TTCP-11.7은 PO4 밴드 스펙트럼에서 보여지듯이 안정한 하이드록시아파타이트로 쉽게 전이된다. B-TTCP-11.7은 TTCP-NIST와 비교했을 때 C-O 밴드 스펙트럼이 훨씬 강하다. 그리고 그 결과로 제조되는 칼슘 포스페이트 시멘트인, CPC-B-TTCP-11.7은 B-TTCP-11.6이나 CPC-NIST와 유사하게 더 약한 C-O 및 PO4 밴드를 나타낸다.

B-TTCP-11.7을 이용한 칼슘 포스페이트 시멘트(CPC-B-TTCP-11.7)에서는 결정축에 따른 조합이 발생하는 것으로 생각되어 진다. 전체 밴드 스펙트럼이 아파타이트 결정축에 따른 층들의 정렬과 함께 이동되었다. 이같은 시멘트 반응은 나노결정 상 반응의 기초하에서 조절되어야 한다. 칼슘 포스페이트 화합물에서의 몇몇 결정축에 따른 층들의 조합은 테트라칼슘 포스페이트의 형성을 유도한다. B-TTCP-11.7은 결정축에 따른 층들의 하이드록실화된 화합물이고, 유화 내의 칼슘 포스페이트 착체와 수산기 사이의 분자 결합에 의해 발생하는 중합체적인 네트워크 구조로 추정된다. 수산기에 의한 반데르발스 결합은 B-TTCP-11.7과 DCPA의 혼합 과정에서 치즈 같은 페이스트 상을 유도하는 것으로 보이고, 상기 형성된 시료의 결정 상에서 물을 제거할 경우 안정화된 하이드록시아파타이트로 변화된다. 실제 칼슘 포스페이트 시멘트 혼합물의 시료체는 진공 필터를 이용하여 제거되고, 시료는 더욱 단단해 졌다.

실험예 7: TEM 분석

TEM(JEM-1200-EXII, JEOL, 일본)을 이용하여 B-TTCP-11.7의 미세구조와 상의 분해를 관찰하였다. B-TTCP-11.7의 나노 크기를 가진 미세 입자의 응집체의 TEM 사진과, 나노 크기 미만의 미세 입자의 확산 미네랄화(diffused mineralization)에 대한 대조 사진을 도 5에 나타내었다. 전자현미경 관찰에서 선명한 링 패턴을 확인할 수 있었다.

상기 TEM 및 전자현미경 분석으로부터 상기 입자들은 나노결정이고, 확산 미네랄화된 칼슘 포스페이트로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 상기 TEM관찰 과정에서 미세구조의 형태는 지속적으로 유지되는 것이 아니라 결정 성장과 함께 변화하였다. 상기 TEM 및 전자현미경 분석을 통해 B-TTCP-11.7 슬러리는 나노 크기 이하의 매우 미세한 입자로 구성되고, 유화 입자들 사이에 활발한 상호작용이 일어나고 있음을 알 수 있었다.

Claims (20)

1. 칼슘 수용액 및 인산을 pH 11.65 이상의 고염기성 영역에서 반응시키는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고염기성 영역은 pH 11.65 내지 12.5인 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 반응은 진공 또는 이산화탄소 비함유 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 이산화탄소 비함유 분위기는 질소 분위기인 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 칼슘 수용액은 과포화된 칼슘 수용액인 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 칼슘 수용액의 칼슘 농도는 0.1 M 내지 0.5 M인 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 칼슘 수용액의 칼슘 농도는 0.15 내지 0.3 M인 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
   
8. 제 5 항에 있어서, 상기 칼슘 수용액은 산화칼슘을 용해시킨 수용액인 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
   
9. 제 8 항에 있어서, 상기 산화칼슘은 탄산칼슘 함량이 0.1 중량% 미만인 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
   
10. 제 8 항에 있어서, 상기 칼슘 수용액은 탄산칼슘을 소결시킨 후 상기 칼슘 수용액 및 인산을 반응시키기 직전에 수화시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
    
11. 제 8 항에 있어서, 상기 칼슘 수용액은 탄산칼슘을 소결시킨 후 상기 칼슘 수용액 및 인산을 반응시키기 전까지 진공 또는 이산화탄소 비함유 분위기에서 보관하는 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
    
12. 제 1 항에 있어서, 상기 칼슘 수용액 및 인산의 반응은 0 내지 45 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
    
13. 제 12 항에 있어서, 상기 칼슘 수용액 및 인산의 반응은 15 내지 40 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 제조방법.
    
14. 청구항 제 1 항 내지 제 13 항 중에서 선택되는 어느 한 항의 방법으로 제조되고, FT-IR 분석에서 3572 cm-1에 피크를 나타내며, 유화 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트.
    
15. 진공 또는 이산화탄소 비함유 분위기에서 기체 차단 포장하는 것을 특징으로 하는 청구항 제14항의 골 시멘트용 칼슘 포스페이트의 보존방법.
    
16. 청구항 제14항의 유화 상태로 존재하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트 및 무수 디칼슘 포스페이트 분말을 포함하는 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물.
    
17. 제 16 항에 있어서, 상기 골 시멘트용 칼슘 포스페이트 및 무수 디칼슘 포스페이트 분말의 혼합비율은 테트라칼슘 포스페이트와 디칼슘 포스페이트의 몰비로 1 : 0.8 내지 1 : 1.2 로 혼합된 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물.
    
18. 제 16 항에 있어서, 상기 조성물에 침전된 하이드록시아파타이트 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물.
    
19. 제 16 항에 있어서, 상기 조성물에 모노소듐 포스페이트 분말, 암모늄 포스페이트 분말 또는 그 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물.
    
20. 제 16 항에 있어서, 상기 유화 상태로 존재하는 골 시멘트용 칼슘 포스페이트는 다른 원재료와 별도로 진공 또는 이산화탄소 비함유 분위기에서 기체 차단 포장되어 포함된 것을 특징으로 하는 칼슘 포스페이트 시멘트 조성물.

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