KR101258086B1 - 생분해성 고분자 소재의 제조방법, 생분해성 고분자 소재 및 이를 이용하여 제조한 뼈 조직 고정용 제품 - Google Patents

생분해성 고분자 소재의 제조방법, 생분해성 고분자 소재 및 이를 이용하여 제조한 뼈 조직 고정용 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생분해성 고분자 소재의 제조방법, 생분해성 고분자 소재 및 조직 고정용 제품에 관한 것으로, 본 발명에 의한 생분해성 고분자 소재의 제조방법은 중량평균분자량이 100,000 이상인 중합체를 이용하여 폴리락티드 입체이성질 복합체를 제조하는 복합체 제조단계, 상기 복합체를 압축성형하는 성형단계, 상기 압축성형된 복합체를 냉각하는 냉각단계, 그리고 상기 냉각된 복합체를 고상압출하는 압출단계를 포함한다. 상기 제조방법에 의하여 제조된 생분해성 고분자 소재는 고강도가 필요한 뼈나 척추 등의 고정용으로 적용할 수 있는 뼈 조직 고정용 제품으로 적용할 수 있어서 체내에서 부식의 염려가 없으면서도, 뼈 및 조직의 치유 후에도 별도의 제거수술이 필요 없고, 응력차폐(stress shielding) 현상도 막을 수 있는 생분해성 고분자 소재를 적용할 수 있다.

Description

생분해성 고분자 소재의 제조방법, 생분해성 고분자 소재 및 이를 이용하여 제조한 뼈 조직 고정용 제품{METHOD FOR PREPARING BIODEGRADABLE POLYMER MATERIALS, BIODEGRADABLE POLYMER MATERIALS AND PRODUCT FOR BONE FIXING}
본 발명은 생분해성 고분자 소재의 제조방법, 생분해성 고분자 소재 및 뼈 조직 고정용 제품에 관한 것으로, 제조과정에서 분자량 감소를 줄일 수 있고, 생분해성이면서도 피질뼈의 강도보다 고강도를 가질 수 있어서, 뼈 공학용 제품으로 응용하는 경우에는 체내에서 부식의 염려가 없으면서도, 뼈 및 조직의 치유 후에도 별도의 제거수술이 필요 없고, 응력차폐(stress shielding) 현상도 막을 수 있는 생분해성 고분자 소재의 제조방법, 생분해성 고분자 소재 및 뼈 조직 고정용 제품에 관한 것이다.
근래에 의학 분야에서, 생체의 치유를 도우면서도 그 기능을 다한 후에는 생체 내에서 신진대사를 통하여 소멸되는 특성을 갖는 생분해성 고분자소재가 다양하게 사용되고 있다.
이러한 생분해성 고분자소재는 금속 및 세라믹소재에 비하여 몇 가지 뛰어난 이점을 가지고 있는데, 고분자소재는 부식 문제점이 없고, 뼈 및 조직의 치유 후 별도의 제거 수술이 필요 없다. 또한, 금속 및 세라믹이 생체조직의 강도보다 너무 커서 골절/상처 부위의 강도가 완전히 회복되지 못하는 응력차폐(stress shielding) 문제가 있지만, 생분해성 고분자는 상처가 치유됨에 따라 서서히 분해되도록 분해 특성을 조절할 수 있으므로 새로 생성되는 연조직 또는 경조직이 점차적으로 충분한 기능과 강도를 갖도록 도와줄 수 있다.
따라서, 최근에 이러한 합성 생분해성 고분자 의료제품에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여러 가지 합성 생분해성 고분자 소재 중에서 지방족 폴리에스터는 그 우수한 물리적 특성과 가수분해 특성으로 인하여 가장 널리 연구되고 있다.
특히, 폴리글리콜리드(PGA)와 L-폴리락티드, 그리고 그 공중합체 등은 대표적인 합성 생분해성 고분자로서 연조직 및 경조직 고정용 소재인 수술용 봉합사; 로드, 핀, 스크류, 고정판 등의 정형 및 성형외과적 조직 고정용 소재; 약물 전달시스템으로 많이 사용되고 있다.
상기의 지방족 폴리에스터계 합성 생분해성 고분자 소재는 그 구조에 따라 강도와 분해기간이 다른 것으로 알려져 있다.
PGA(polyglycolide)는 화학구조가 간단하여 결정성이 높아서 인장 탄성율이 약 7 GPa로 강도가 높으나, 친수성이 크므로 분해속도가 빨라서 체내 강도유지기간이 약 1 달, 체내 소멸기간이 약 3 달이다.
PLLA(Poly(L-lactide))는 결정성이 PGA보다 낮아서 인장탄성율이 약 1.6 GPa이나, 소수성이 크므로 분해가 훨씬 느려서 체내 강도유지기간이 6 달 내지 1 년, 체내 소멸기간이 1 년 내지 3 년 소요된다.
그러나, 이러한 지방족 폴리에스터계 합성 생분해성 고분자소재는 금속 및 세라믹에 비해 강도가 매우 낮아서 작은 힘만을 지탱할 수 있는 부위에만 사용되고 있는 실정이다.
즉, 현재 사용 중인 뼈 고정용 지지체의 용도는 작은 하중을 받는 부위로만 제한되어 있고, 그 예로서 발목, 무릎, 손 등의 고정에 사용되는 스크류[Linvatec사의 Bioscrew(등록상표), Arthrex사의 Arthrex(등록상표), Bionx사의 SmartScrew (등록상표) 등]; 인대나 반월뼈 고정에 사용되는 택(tack)이나 핀[Bionx사의 SmartTack(등록상표), Bionx사의 Biofix(등록상표)]; 봉합사 고정대, 두개안면골의 고정에 사용되는 고정판 및 스크류[Lorenz사의 LactoSorb (등록상표)] 등이 있다.
그러나, 대퇴골 또는 척추 등과 같이 큰 하중을 지지해야 하는 곳에 사용할 만한 강도를 가진 것은 아직 보고되고 있지 않다.
현재 PLA 입체이성질 복합체를 제조하여 응용하는 데에는 몇 가지 해결하여야 할 문제점이 있다. 이러한 PLA 입체이성질 복합체는 주로 유기용매를 사용하는 용액주조법(solution casting)으로 제조되는데, PLA의 중량평균분자량이 약 십만 이하인 경우에는 입체이성질 복합체 형성율이 상당히 높지만, 보다 큰 분자량의 경우에는 그 형성율이 크게 감소하는 제한이 있고, 제조 후 용기용매를 완전히 제거하는데 오랜 시간이 걸리는 단점이 있다[Tsugi et al., Macromolecules, 25, 4144 (1992), Fukushima et al., Macromol. Symp., 224, 133 (2005)].
한편, PLA 입체이성질 복합체를 직접 용융혼합법 또는 벌크중합법을 이용하여 제조하는 경우도, 역시 분자량의 제한이 있고, 단일상 고분자의 결정화가 유도되어 입체이성체 형성율이 높지 않으며, 200℃ 이상의 고온에서 용융 시에 PLA의 열분해가 수반되는 단점이 있다[Tsugi et al., Macromol. Biosci., 5, 569 (2005)]. 이러한 이유로 고강도의 높은 분자량의 PLA 입체이성질 복합체를 제조하는 새로운 방법에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
또한, PLA 및 PGA 등의 지방족 폴리에스터는 내열성이 약하여 일반적인 고분자 성형가공법인 압출, 사출, 압축성형 등의 용융가공을 하는 경우에 열분해로 상당한 양의 분자쇄 절단이 발생되어 고분자의 분자량이 감소되고, 그 결과 최종적인 강도가 저하된다[문헌 S. Gogolewski 등, Polym. Deg. Stab., 40, 313(1993) 참조].
따라서, 개선된 가공방법으로서 자기강화법(self-reinforcing) 및 고상압출법(solid- state extrusion) 등이 개발되었다.
자기강화법에 의해 제조된 PGA 또는 PLLA 스크류 또는 핀이 시판되고 있으나, 만족할만한 강도를 갖지 못한 실정이다[Bionx사의 Biofix(등록상표) 및 SmartScrew(등록상표)].
한편, 고상압출법은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드 등의 비분해성 고분자의 물성 향상을 위해 개발된 방법으로서, 고분자의 유리전이온도보다 높지만 녹는점보다 낮은 범위의 온도에서 정수압(hydrostatic pressure), 램압출(ram extrusion) 또는 다이 연신(die drawing)의 방법으로 분자쇄를 일축 방향으로 연신 배향시킴으로써 고상압출물의 결정화도와 배향도를 증가시키고, 결과적으로 고분자의 강도를 월등히 향상시킨다. 이 때, 고분자의 녹는점 이하에서 가공이 진행되므로 일반적인 용융가공에 비해 열분해에 의한 분자쇄 절단 현상을 현저히 감소시킬 수가 있고, 그에 따라 강도의 저하도 줄일 수 있다.
분자쇄가 절단되면 분자량 및 분자쇄 엉킴(molecular entanglement)의 수가 감소하고, 이는 강도의 감소로 연결된다는 것은 잘 알려져 있다. 예를 들어, 페르구손(Ferguson) 등은 먼저 PLLA를 용융압출하여 얻어진 빌렛(billet)을 다이 연신 형태의 고상압출로서 피질뼈(cortical bone)의 강도를 상회하는 215 MPa의 굴곡강도와 13.7 GPa의 굴곡탄성률을 얻었다.
이 연구에서 고상압출 과정에서는 분자량 감소를 방지하며 강도를 향상하였으나, 고상압출에 사용되는 빌렛 제조를 위한 용융압출 과정에서 열분해가 심하여 점도평균분자량이 415,000에서 200,000으로 50% 이상 감소한 결과를 나타내었다 [문헌 S. Ferguson 등, J. Biomed. Mater. Res., 30, 543(1996) 참조].
또한, 바일러(Weiler)와 고골레프스키(Gogolewski)는 PLLA의 입체이성체인 PDLA를 고상압출하여 200 MPa의 굴곡강도와 9 GPa의 굴곡탄성률 값을 얻었지만, 역시 빌렛을 제조하는 용융압출 과정에서 열분해가 일어나 점도평균분자량이 280,000에서 160,000으로 40% 정도의 감소하였다[문헌 W. Weiler와 S. Gogolewski, Biomaterials, 17, 529(1996) 참조].
상기 예들은 뼈 고정용 생분해성 고분자 소재의 제조시 가공공정에서의 열분해와 신체 내에서의 지지 기간을 고려하여 점도 평균분자량 280,000 내지 500,000 정도의 비교적 높은 분자량을 갖는 생분해성 지방족 폴리에스터를 사용한 연구이나, 공정 특성상 최종적으로 얻어진 지지체의 분자량이 초기량 대비 40% 이상 감소한 결과를 보여주었다.
1. Tsugi et al., Macromolecules, 25, 4144 (1992), Fukushima et al., Macromol. Symp., 224, 133 (2005) 2. W. Weiler, S. Gogolewski, Biomaterials, 17, 529(1996)
본 발명의 목적은 생분해성 고분자 소재의 제조방법, 생분해성 고분자 소재 및 이를 이용하여 제조한 뼈 조직 고정용 제품에 관한 것으로, 제조과정에서 분자량 감소를 줄일 수 있고, 피질 뼈의 강도보다 고강도를 가질 수 있어서, 고강도가 필요한 뼈나 척추 등의 고정용으로 적용 가능한 생분해성 분자 소재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 고분자 소재의 제조방법은 중량평균분자량이 100,000 이상인 중합체를 이용하여 폴리락티드 입체이성질 복합체를 제조하는 복합체 제조단계, 상기 복합체를 압축성형하는 성형단계, 상기 압축성형된 복합체를 냉각하는 냉각단계, 그리고 상기 냉각된 복합체를 고상압출하는 압출단계를 포함한다.
상기 중합체는 D-형 고분자 또는 L-형 고분자로 구분될 수 있고, 상기 중합체를 구성하는 단량체가 키랄 탄소(chiral carbon)을 갖는 고리형 에스테르 단량체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 고리형 에스테르 단량체는 락티드류(lactides), 락톤류(lactones), 고리형 탄산염류(cyclic carbonates), 고리형 무수물류(cyclic anhydrides), 티오락톤류(thiolactones) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 고리형 에스테르 단량체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
[화학식1]
Figure 112011060475288-pat00001
상기 화학식1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이다.
상기 중합체는 PLLA(L-polylactide), PDLA(D-polylactide), PGA(polyglycolide), PLLA/PGA(polyglycolic acid), PDLA/PGA, PLLA/PCL(polycaprolactone), PDLA/PCL 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 중합체는 중량평균분자량이 100,000 내지 1,000,000인 것일 수 있다.
상기 복합체 제조단계는 용매 하에서 25 내지 250℃, 40 내지 700 bar인 초임계 유체 시스템에서 제조하는 것일 수 있다.
상기 성형단계의 압축성형 온도가 150℃ 내지 280℃인 것일 수 있다.
상기 냉각단계에서 상기 압축성형된 복합체를 냉각하는 냉각속도는 1℃/분 내지 100℃/분인 것일 수 있다.
상기 냉각단계는 상기 압축성형된 복합체를 20℃ 내지 150℃로 냉각시키는 것일 수 있다.
상기 압출단계에서 고상압출의 다이 토출부는 지름이 1 ㎜ 내지 20 ㎜인 것일 수 있다.
상기 압출단계에서 상기 고상압출은 다이의 입사각을 5° 내지 60°로 하여 이루어지는 것일 수 있다.
상기 압출단계는 압출온도가 40℃ 내지 170℃으로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 압출단계는 압출압력을 5,000lb 내지 30,000lb으로 하여 이루어지는 것일 수 있다.
상기 압출단계에서 연신비는 2배 이상인 것일 수 있다.
상기 압출단계에서 연신속도는 5 ㎜/분 내지 300 ㎜/분인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 생분해성 고분자 소재는 상기 생분해성 고분자 소재의 제조방법에 의하여 제조된다.
상기 생분해성 고분자 소재는 분자량 저하가 20% 이하이고, 굴곡강도가 200 MPa 내지 400 MPa이며, 굴곡탄성률이 5 GPa 내지 20 GPa인 것일 수 있다.
본 발명이 또 다른 일 실시예에 따른 조직 공학용 제품은 상기 생분해성 고분자 소재를 포함하여 제조되고, 척추와 대퇴골을 포함하는 뼈 조직을 고정할 수 있다.
상기 조직 고정용 제품은 뼈 고정용 로드(rod), 판(plate), 핀(pin) 및 스크류(screw)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 고분자 소재의 제조방법은 복합체의 제조단계, 성형단계, 냉각단계 그리고 압출단계를 포함한다.
상기 복합체의 제조단계에서, 폴리락티드(PLA, polylactide) 입체이성질 복합체는 중량평균분자량이 100,000 이상인 중합체를 이용하여 제조한다.
상기 폴리락티드입체이성질 복합체(polylactide stereocomplex)는, 상기 중합체를 이용하여 제조할 수 있고, 상기 중합체는 D-형 고분자 또는 L-형 고분자로 구분되고, 상기 중합체를 구성하는 단량체가 키랄 탄소(chiral carbon)을 갖는 고리형 에스테르 단량체를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 생분해성 고분자로는 고리형 에스테르 단량체로부터 중합된 고분자가 바람직하며, 특히 지방족 폴리에스테르(aliphatic polyester) 또는 공중합 폴리에스테르 등과 같은 생분해성 폴리에스테르 종류가 바람직하다. 이때 고분자의 단량체로서 락티드류(lactides), 락톤류(lactones), 고리형 탄산염류(cyclic carbonates), 고리형 무수물류(cyclic anhydrides) 및 티오락톤류(thiolactones) 화합물 중에서 1종 이상이 선택되며, 이들 단량체가 키랄 카본(Chiral carbon)을 가지고 있는 경우 적용될 수 있다.
상기 고리형 에스테르 단량체 중에서 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중에서 1종 이상을 선택하여 사용하는 것이 보다 바람직하며, 화학식 1의 화합물 중에서 락티드를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
[화학식1]
Figure 112011060475288-pat00002
상기 화학식1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이다.
상기 복합체는 PLLA(L-polylactide), PDLA(D-polylactide), PGA(polyglycolic acid), PCL(polycaprolactone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 중합체를 이용하여 제조될 수 있다.
상기 중합체는 PLLA와 이의 공중합체, PDLA와 이의 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 중합체는 PLLA, PDLA, PGA, PLLA/PGA, PDLA/PGA, PLLA/PCL, PDLA/PCA 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 공중합체일 수 있으며, 상기 중합체는 PLLA(L-polylactide)와 PDLA(D-polylactide)로 이루어진 것일 수 있다.
폴리락티드(PLA)는 서로 반대의 입체배열(configuration)을 갖는 L-형과 D-형의 입체이성체(stereoisomer)를 가지고 있는데, 이러한 입체이성체는 화학적 구조와 물성이 동일하지만 입체배열만이 거울상으로 서로 대칭되고 있다.
즉, PLLA는 왼손 방향의 나선형 구조를, D-폴리락티드는 오른손 방향의 나선형 구조를 가지고 있는데, 두 고분자를 균일하게 혼합하면 고분자쇄가 평행하게 차곡차곡 쌓이는 층상구조를 형성하여 새로운 결정 구조인 입체이성질 복합체를 형성될 수 있다.
이렇게 입체이성질 복합체를 형성하는 경우에는, 결정성이 크게 증가하여 융점이 높아지고, 내열성 및 기계적인 강도가 향상될 수 있다.
상기 폴리락티드 입체이성질 복합체는 0.5:1.5 내지 1.5:0.5의 중량비의 PLLA(L-polylactide)와 PDLA(D-polylactide)로 제조된 것일 수 있고, 0.8:1.2 내지 1.2:0.8의 중량비로 제조된 것일 수 있다.
상기 중합체는 겔투과 크로마토그래피를 이용하여 측정한 중량평균분자량의 값이 100,000 이상인 것일 수 있고, 100,000 내지 1,000,000인 것일 수 있다.
상기 복합체 제조단계는 용매 하에서 초임계 유체 시스템에서 제조될 수 있다.
상기 용매는 유기용매라면 적용될 수 있고, 구체적으로 클로로포름, 디클로로메탄, 다이옥산, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠, 디클로로에틸렌, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 테트라히드로퓨란, 디벤질에테르, 디메틸에테르, 아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논, 아세토페논, 메틸이소부틸케톤, 이소포론, 디이소부틸케톤, 메틸아세테이트, 에틸포르메이트, 에틸아세테이트, 디에틸카르보네이트, 디에틸설페이트, 부틸아세테이트, 디아세톤알콜, 디에틸글리콜모노부틸에테르, 데카놀, 벤젠산, 스테아르산, 테트라클로로에탄, 헥사플루오로이소프로파놀, 헥사플루오로아세톤 세스키히드레이트, 아세토니트릴, 클로로디플루오로메탄, 트리플루오로에탄, 디플루오로에탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 초임계 유체 시스템은 초임계 유체를 주입하여 25 내지 250℃, 40 내지 700 bar인 온도 및 압력의 조건에서 이루어질 수 있다.
상기 초임계 유체는 이산화탄소(CO2), 디클로로트리플루오로에탄(HFC-23), 디플루오로메탄(HFC-32), 디플루오로에탄(HFC-152a), 트리플루오로에탄(HFC-143a), 테트라플루오로에탄(HFC-134a), 펜타플루오로에탄(HFC-125), 헵타플루오로프로판(HFC-227ea), 헥사플루오로프로판(HFC-236fa), 펜타플루오로프로판(HFC-245fa), 육불화황(SF6), 퍼플루오로시클로부탄(perfluoro cyclobutane, C-318), 클로로플루오로에탄(HCFC-1416), 클로로디플루오로에탄(HCFC-1426), 디메틸에테르, 이산화질소(NO2), 프로판, 부탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 초임계 유체 시스템에서 적용되는 온도는 25 내지 250℃일 수 있고, 바람직하게 25 내지 150℃일 수 있다. 또한 상기 초임계 유체 시스템에서 적용되는 압력은 40 내지 700 bar일 수 있고, 바람직하게 100 내지 400 bar일 수 있다.
상기 온도 및 압력의 초임계 유체 시스템에서 상기 복합물의 제조단계가 이루어지는 경우에는, 반응이 빠르고, 반응 후에 잔존하는 용매를 줄일 수 있어서 제조공정을 단순화 할 수 있다.
또한, 상기 복합체의 제조방법에 의하여 폴리락티드 입체이성질 복합체를 제조하는 경우에는 복합체의 결정성을 향상시킬 수 있고, 용해도를 감소시킬 수 있어서 입자 또는 작은 덩어리의 형태로 침전된 상기 복합체를 수득할 수 있다.
상기 복합체 제조단계에서 상기 용매의 함량은, 상기 초임계유체 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 100 중량부일 수 있다.
상기 복합체 제조단계에서 상기 중합체의 함량은, 상기 초임계유체와 상기 용매를 포함하는 혼합물 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부일 수 있다.
상기 폴리락티드 입체이성질 복합체는 PLLA 또는 PDLA보다 융점이 높고, 인장탄성률, 인장강도, 파단신율 등의 기계적인 물성도 우수할 수 있다.
상기 성형단계는 상기 복합체를 압축성형하는 과정을 포함한다.
상기 압축성형은 성가 복합체를 금형에 넣고, 상기 금형을 고온고압용 필름으로 만들어진 진공 백에 넣어서 압축성형하는 과정으로 이루어질 수 있다.
상기 압축성형의 온도는 중합체의 용융이 가능한 온도의 범위에서 이루어져야 하고, 상기 압축성형의 온도는 150℃ 내지 280℃일 수 있고, 바람직하게 170℃ 내지 250℃일 수 있다.
상기 압축성형의 온도가 280℃를 초과하는 경우에는 압축성형 과정에서 중합체의 열분해 현상이 증가될 수 있고, 150℃ 미만에서 압축성형이 이루어지는 경우에는 중합체의 용융이 충분하지 않아서, 빌렛 제조가 가능할 정도의 균일한 압축성형물을 얻기 어려울 수 있다.
상기 성형단계의 압축성형은 10 분 내지 5 시간 동안 이루어질 수 있고, 바람직하게 30 분 내지 3 시간 동안 이루어질 수 있다.
상기 냉각단계는 상기 압축성형된 복합체를 냉각하는 과정을 포함한다.
상기 냉각단계의 조건에 따라서, 상기 압축성형된 복합체의 미세구조가 결정되는데, 상기 냉각단계에서 냉각속도는 1℃/분 내지 100℃/분일 수 있고, 바람직하게 5℃/분 내지 30℃/분일 수 있다.
상기 냉각단계에서 냉각 목표 온도는 상온(20℃) 내지 200℃일 수 있고, 바람직하게 상온(20℃) 내지 180℃일 수 있으며, 상기 냉각 목표 온도에 도달한 후에는 상온(20℃) 에서 방치한다.
상기 압축성형시 냉각속도와 냉각 목표 온도의 두 가지는, 서로 유기적인 관계를 가지며 고분자 압축성형물의 미세구조, 특히 결정화도에 결정적인 영향을 미치게 된다[U. W. Gedde, Polymer Physics, Chapman & Hall, Chapter 8(1995) 참조].
상기 냉각속도보다 작은 속도로 냉각하면, 냉각 목표 온도까지 소요 시간이 너무 길어져 부가적인 결정화 거동이 일어나게 되어서 압축성형물의 미세구조 조절이 어려워질 수 있고, 상기 냉각속도보다 큰 속도로 냉각할 경우에는 의도하는 결정화의 정도에 이르지 못할 수 있다.
상기 냉각 목표 온도는 얻고자 하는 압축성형물의 결정화도에 따라 상기 목표 온도의 범위 내에서 조절할 수 있는데, 폴리락티드 입체이성질 복합체의 냉각 시 결정화 거동을 나타내는 온도 범위가 약 100℃ 내지 190℃이므로, 상기 온도범위 이외의 목표 온도로 냉각하는 것은 상기 조건과 구별되는 것이 아니며 모두 상기 조건에 포함되며, 본 발명에서는 상기 두 가지 조건의 적절한 조합을 통하여 원하는 수준의 결정화도인 5 내지 50%의 결정화도를 갖는 압축성형된 복합체를 제조할 수 있었다.
또한, 본 발명에 사용된 진공 압축성형으로 제조된 압축성형물의 중량평균분자량은, 압축성형물의 모르폴로지에 관계없이 모두 사용한 PLA 입체이성질 복합체의 초기 중량평균분자량 대비 약 10% 이하의 감소만을 보여서, 본 발명의 압축성형 공정을 이용하면, 가공되는 고분자의 열분해 및 분자량의 감소를 최소화할 수 있다.
그리고, 압축성형된 복합체의 3점 굴곡시험(3-point flexural test) 결과, 모두 메짐성 파단(brittle fracture) 현상을 보였으며, 굴곡강도 및 굴곡탄성률 값은 결정화도 증가에 따라 조금씩 증가하였으나, 그 차이는 크지 않았다.
일반적으로, 고분자소재의 결정화도가 높을수록 강도가 증가되는 경향을 보이지만, 상기 압축성형 과정은 고분자 분자쇄의 배향을 동반하지 않는 결정화 과정이고, 생성된 결정상들도 등방성인 구정(spherulite)이므로, 결정화도에 의한 강도 차이는 크지 않은 것으로 보인다.
상기 압출단계는 상기 냉각된 복합체를 고상압출하는 과정을 포함한다.
상기 고상압출하는 과정은, 상기 냉각된 복합체를 빌렛 형태로 제조하는 과정, 상기 빌렛을 고상압출기를 이용하여 고상압출하는 과정을 포함한다.
상기 냉각된 복합체를 빌렛 형태로 제조하는 과정은 선반작업으로 이루어질 수 있고, 원기둥 형태로 형성된 빌렛은 그 끝부분이 고상 압출 다이(die)의 입사각(중심축으로부터의 각도)와 같은 각도를 갖도록 가공할 수 있다.
상기 빌렛의 직경은 2 ㎜ 내지 30 ㎜일 수 있고, 바람직하게는 3 ㎜ 내지 20 ㎜일 수 있다.
상기 빌렛을 고상압출기 중에서 고상압출한다. 상기 고상압출 다이의 토출부 지름은 1 ㎜ 내지 20 ㎜일 수 있고, 바람직하게는 1.5 ㎜ 내지 10 ㎜일 수 있다.
상기 고상압출 다이 토출부의 지름은 바로 고상압출된 로드(rod)의 지름이므로, 가공성과 더불어 로드의 실제 신체 내에서의 사용 가능성을 고려하여 상기 토출부의 지름을 결정할 수 있다.
상기 다이 토출부의 지름이 상기 범위를 벗어나면 고상압출된 로드를 뼈 고정용 소재로 사용하기에는 너무 얇거나 굵게 되어 사용 가능성에 제한이 생길 수 있고, 또한 가공성의 측면에서도 정수압과 외부에서 잡아당기는 힘의 적용이 어려울 수 있다.
상기 고상압출 다이의 입사각은 5°내지 60°일 수 있고, 바람직하게는 10°내지 30°일 수 있다.
상기 고상압출 다이의 기하를 결정하는 가장 중요한 요소는, 가공성과 고상압출에 의한 연신의 효율성이다. 상기 가공성과 상기 연신의 효율성은 서로 상반되는 측면이 있는데, 즉 다이의 입사각을 높이면 같은 다이 길이에서 연신의 효율성이 높아져 고상압출물 내의 분자 배향이 증진되는 효과가 있지만, 그러한 고상 변형을 부가하는 것은 입사각이 커질수록 어려워질 수 있다.
따라서, 상기 다이의 입사각이 상기 각도 범위보다 작은 경우에는 연신의 효율성이 떨어질 수 있고, 상기 각도의 범위보다 큰 경우에는 가공성이 현저히 떨어질 수 있다.
상기 압출단계의 고상압출은 상기 고상압출기의 내부에 오일을 채우고, 사용된 PLA 입체이성질 복합체의 유리전이온도 이상, 융점 이하로 오일의 온도를 올린 상태에서 행해질 수 있다.
상기 고상압출기 내부의 온도는 40℃ 내지 195℃일 수 있고, 바람직하게는 80℃ 내지 190℃일 수 있으며, 보다 바람직하게는 100℃ 내지 185℃일 수 있다.
생분해성 고분자인 PLA 입체이성질 복합체의 경우, 유리전이온도는 70℃이고 융점은 230℃이므로, 바람직한 고상압출 온도 범위를 상기 유리전이온도 이상, 상기 융점 이하의 범위로 설정한다.
상기 고상압출기 내부의 온도를 상기 온도의 범위 미만으로 하는 경우에는, 고상압출의 가공성이 현저히 떨어질 수 있고, 상기 온도의 범위를 초과하는 경우에는 압출물의 일부 용융되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 고상압출 온도까지 승온속도는 1℃/분 내지 20℃/분일 수 있고, 바람직하게는 2℃/분 내지 10℃/분일 수 있다.
상기 빌렛은 상기 고상압출기의 다이에 끼운 상태에서 상기 빌렛을 둘러싸고 있는 오일의 온도가 고상압출 적정 온도에 이르면 정수압을 가하고 외부에서 잡아당기는 힘을 주어 고상압출시킨다.
상기 압출에 가하는 정수압은 5,000 lb 내지 30,000 lb일 수 있고, 바람직하게는 10,000 lb 내지 20,000 lb일 수 있다. 상기 고상압출기 내부에서 빌렛에 부가되는 정수압은, 상기 고상압출기의 용량과 다이의 기하 등에 따라 결정되는데, 상기 정수압이 5,000 lb 미만인 경우에는 고상압출이 어려울 수 있고, 30,000 lb을 초과하는 경우에는 공정의 안정성이 감소할 수 있다.
상기 압출단계에서 연신속도는 5 ㎜/분 내지 300 ㎜/분일 수 있고, 바람직하게는 10 ㎜/분 내지 200 ㎜/분일 수 있다. 상기 연신속도는 가공성과 제조 공정의 균일성을 해치지 않는 범위에서 결정할 수 있고, 상기 연신속도가 5 ㎜/분 미만인 경우에는 생산성이 너무 떨어질 수 있고, 300 ㎜/분을 초과하는 경우에는 고상압출물의 두께가 현저히 작아지거나 고상압출 도중 절단될 수 있다.
고상압출 시 연신비는 하기 수학식 1과 같이 빌렛과 압출된 로드의 면적비로 계산되는데, 연신비가 증가됨에 따라 고분자 연신물의 역학적 성질이 개선됨은 잘 알려져 있다. 본 발명에서는 다양한 부위의 강도 요구 조건을 충족시키고자 연신비를 2 배 이상으로 적용할 수 있고, 2 내지 6 배로 적용할 수 있으며, 2.5 내지 5배로 적용할 수 있다.
[수학식 1]
연신비 = Db 2 / Df 2
상기 식에서, Db는 빌렛의 지름이고, Df는 고상압출된 로드의 지름이다.
위에서, 상기 성형단계에 의하는 경우에는 형성된 압축성형된 복합체의 분자량 감소가 매우 적음을 확인한 바 있다. 상기 압축성형된 복합체를 이용하여 제조한 빌렛을 상기 압출단계를 통하여 얻은 생분해성 고분자 소재의 중량평균분자랑도 빌렛의 결정화도, 빌렛의 두께에 따른 연신비의 변화, 연신 속도의 변화에 관계없이 전 가공공정에 걸쳐 초기 중량평균분자량 대비 10% 미만으로 감소되는 결과를 나타내어서, 40% 이상의 분자량 감소를 나타낸 종래의 다른 방법에 비하여 매우 양호한 분자량 감소가 나타난다.
상기 생분해성 고분자 소재의 제조방법에 의하여 제조된 생분해성 고분자 소재는, 압출단계에서 수 분 내지 수 십분 동안 압출온도의 범위 내에서 유지되어서, 고상압출기 내에서 열유도결정화(thermally-induced crystallization) 현상이 일어난다. 이는 고상압출 온도가 유리전이온도 이상 융점 이하의 범위로서 PLA 입체이성질 복합체의 시차주사열량분석 결과, 냉결정화가 일어나는 온도 구간이기 때문이다.
따라서, 성형단계에서 5% 내지 50%이었던 빌렛의 결정화도는, 상기의 압출단계를 거치면서 열유도결정화된 결과, 고상압출 온도와 승온속도에 따라 20% 내지 60% 수준으로 증가하였고, 결정화도 증가로 인한 배향도의 증가는 미미하다.
또한, 상기 고상압출기 내의 오일 또는 복합체의 온도가 고상압출 온도에 이르게 되면 정수압을 가하고 잡아당기는 힘을 가함으로써 연신되면서 고상압출되는데, 이 때 빌렛의 두께 방향 치수 감소와 함께 소재의 구정 형태의 결정구조가 피브릴(fibril) 형태의 결정구조로 변환된다.
이러한 압출 과정에서 고분자사슬이 일축 방향으로 배열함으로써 3차원적으로 입체규칙적인 구조를 형성하고, 배향에 의한 배향유도결정화(orientation-induced crystallization)가 일어나며 결정화도는 더욱 더 증가하고, 또한 배향도도 같이 크게 증가하게 된다.
즉, PLA 입체이성질 복합체와 같이 결정을 형성할 수 있는 고분자를 고상압출하면, 우선 고상압출 온도까지의 승온에 의한 열유도결정화가 발생되고, 그 이후 고상압출 과정에서 결정구조가 구정상태에서 피브릴 구조로 전이되며, 배향유도결정화에 의해 배향도가 높은 결정이 형성되고 전체적인 배향성도 증가됨을 알 수 있다. 이상의 결과들은 광각 X-선산란, 시차주사열량분석, 복굴절 등의 방법으로 분석하여 확인할 수 있다.
이하, 진공 압축성형-고상압출 공정 조건이 PLA 입체이성질 복합체의 구조와 물성에 미치는 영향을 살펴본다. 압축성형 조건의 조절에 의하여 빌렛의 모르폴로지를 결정할 수 있는데, 빌렛의 결정화도가 클수록 고상압출물의 결정화도와 복굴절이 증가하였으며, 그에 따라 굴곡강도와 굴곡탄성률도 증가할 수 있다.
빌렛의 두께를 크게 하면 연신비가 증가되는데, 그에 따라 결정화도, 복굴절, 굴곡강도 및 굴곡탄성률이 증가하고, 연신속도를 증가시키면 연신비의 증가를 야기하여 연신비 증가의 효과와 유사한 결과를 보였다.
본 발명에서 개발된 방법으로 고상압출을 수행한 결과, 굴곡강도와 굴곡탄성률 모두 압축성형물에 비해 2 배 이상 증가되었고, 또한 굴곡강도 실험 조건에서 가한 최대 굴곡변형 25 ㎜의 조건에서 매짐성 파단이 일어나지 않아, 결과적으로 파단일(work of rupture)이 크게 개선되었음을 알 수 있다.
본 발명에서 얻은 PLA 입체이성질 복합체의 최대 굴곡강도와 최대 굴곡탄성률은 각각 400 MPa과 20 GPa 이었는데, 이는 망상 조직뼈(cancellous bone)의 굴곡강도 20 MPa과 굴곡탄성률 1 내지 5 GPa보다는 매우 크고, 피질뼈의 굴곡 강도 150 MPa과 굴곡탄성률 5 내지 15 GPa의 강도를 크게 상회하는 수준이다.
또한, 상기 본 발명의 방법에 따라 중량평균분자량 100,000 이상의 PLLA를 같은 방법으로 진공 압축성형-냉각-고상압출하여 열분해에 의한 분자량 감소를 최소화하고 강도가 훨씬 증가된 생분해성 합성 고분자소재를 제조할 수 있다.
단, PLLA의 유리전이온도는 60℃, 융점은 약 175°C로서 PLA 입체이성질 복합체의 유리전이온도는 70℃, 융점 230°C보다 낮으므로, PLLA를 압축성형 또는 고상압출하는 온도 범위가 PLA 입체이성질 복합체보다 20 내지 50°C 낮은 범위에서 수행할 수 있다.
얻어진 고상 압출 PLLA 소재의 최대 굴곡강도와 최대 굴곡탄성률은 각각 300 MPa과 15.0 GPa로서 PLA 입체이성질 복합체보다는 다소 낮은 값을 보였지만, 위에 적은 뼈의 강도를 상회하는 값이므로, 실제 적용하는데에 충분하다.
본 발명에서는 진공 압축성형-고상압출 공정을 통해 결정화와 배향성을 증진시키고, 분자량 감소를 최소한 억제시킴으로써 우수한 굴곡강도를 가진 척추 및 뼈 고정용 PLA 입체이성질 복합체를 제조하였다. 또한, 빌렛의 결정화도, 연신비, 연신속도 등의 공정 조건 조절에 의해 원하는 역학적 성질을 구현할 수 있는 공정-구조-물성간의 관계를 확립하였다. 이에 따라 체내 뼈 고정 부위에 따라 요구되는 다양한 강도 조건을 만족시킬 수 있게 되어 생분해성 고분자 소재를 척추 및 뼈 고정용 소재로서 광범위하게 응용할 수 있게 하였다.
본 발명의 다른 일 실시예인 생분해성 고분자 소재는 상기 생분해성 고분자 소재의 제조방법에 의하여 제조된다.
상기 생분해성 고분자 소재는 겔투과 크로마토그래피에 의한 중량평균분자량에 의하여 측정한 분자량 감소가 20% 이하이고, 굴곡강도가 200 MPa 내지 400 MPa이며, 굴곡탄성률이 5 GPa 내지 20 GPa 인 것일 수 있다.
또한, 상기 생분해성 고분자 소재는 분자량 저하가 20% 이하이고, 굴곡강도가 270 MPa 내지 370 MPa이고, 굴곡탄성률이 9 GPa 내지 18 GPa인 것일 수 있다.
상기 생분해성 고분자 소재의 구체적인 제조방법과 특성에 관한 기재는 상기 생분해성 고분자 소재의 제조방법에 기재된 것과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 조직 고정용 제품은 상기의 생분해성 고분자 소재를 포함하고, 척추와 대퇴골을 포함하는 뼈 조직을 고정할 수 있다.
상기 조직 고정용 제품은, 기존에 강도의 취약성 등을 이유로 하여 적용되지 못하던 척추, 대퇴골을 포함하는 고강도의 소재를 필요로 하는 부위에도 적용할 수 있다.
바람직하게 상기 뼈 및 척추를 비롯한 조직 고정용 제품은 척추, 대퇴골을 포함하는 뼈의 고정용 로드(rod), 판(plate), 핀(pin) 및 스크류(screw)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 뼈 조직 고정용 제품일 수 있다.
상기 조직 고정용 제품은 뼈의 고정용 로드(rod), 판(plate), 핀(pin), 스크류(screw) 등일 수 있고, 특히 대퇴골 및 척추를 비롯한 고강도의 소재를 필요로 하는 부위에 적용할 수 있다.
본 발명의 생분해성 고분자 소재의 제조방법 및 생분해성 고분자 소재는 제조과정에서 분자량 감소를 줄일 수 있고, 생분해성이면서도 피질뼈의 강도보다 고강도를 가질 수 있다.
본 발명의 조직 고정용 제품은 고강도가 필요한 뼈나 척추 등의 고정용으로 적용할 수 있어서, 체내에서 부식의 염려가 없으면서도, 뼈 및 조직의 치유 후에도 별도의 제거수술이 필요 없고, 응력차폐(stress shielding, 금속 및 세라믹을 적용하는 경우에 생체조직의 강도보다 강도가 너무 커서 골절 부위의 강도가 완전히 회복되지 못하는 현상) 현상도 막을 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
< PLA 입체이성질 복합체 제조단계>
실시예
40 mL 고압반응기에 각각 중량평균분자량이 150,000인 PLLA(무게 0.84g)와 PDLA를 1:1로 넣었다. 상기 고압반응기는 5분간 질소로 충진하였고, 40℃에서 한 시간 동안 진공을 걸어 주었다.
상기 고압반응기 내부로 주사기를 이용하여 유기용매(디클로로메탄)를 주입한 후에, 고압용 액체 펌프를 사용하여 이산화탄소를 주입하였다. 이때 상기 고압빈응기 내부의 이산화탄소 및 유기용매의 함량은 70:30(이산화탄소:디클로로메탄)의 중량비로 하였다.
상기 고압반응기 내부의 고분자는 상기 유기용매와 상기 이산화탄소를 포함하는 전체 용매를 기준으로 100: 5(이산화탄소+디클로로메탄:고분자)의 중량비를 갖도록 조절하였다.
상기 고압반응기는 점차적으로 가온, 가압하여 내부 온도를 85℃, 내부 압력을 250 bar로 맞추고, 5시간 동안 교반하여 반응을 진행하였다. 상기 반응이 완료되면 반응기를 열어 가루형태의 PLA 입체이성질 복합체를 얻었다.
비교예
일반적인 용액주조법(solution casting)을 적용한 점을 제외하면, 상기 PLA 입체이성질 복합체 제조단계의 실시예와 동일하게 PLA 입체이성질 복합체를 제조하여 제조된 복합체의 물성을 비교하였다.
상기 PLA 입체이성질 복합체 제조단계의 실시예에서 이용한 PLLA, PDLA, 및 상기 실시예의 복합체, 그리고 상기 비교예의 복합체의 인장강도 등을 평가하여 하기 표1에 나타내었다. 하기 인장강도의 평가는 Instron 사의 물성 시험 장비 (Nodel 5567)를 이용하여 측정하였다.
물질 파단신율(%) 인장강도(MPa)　 영률(GPa)
PDLA 2.2 14.3　 1.6
PLLA 2.4 10.9 1.59
용액주조법에 의한 PLA 입체이성질 복합체 3.7 36.4 1.64
초임계 탄산가스-디클로로메탄에 의한 PLA 입체이성질 복합체 4.3　 47.8 2.02
상기 표1을 참조하면, 실시예(초임계유체 조건에서 제조된 PLA 입체이성질 복합체)와 비교예(통상의 용액주조법으로 제조된 PLA 입체이성질 복합체), PLLA 및 PDLA의 인장강도를 측정 비교한 결과, PLA 입체이성질 복합체의 기계적 물성이 PLLA 또는 PDLA보다 크게 증가하였고, 통상의 용액주조법으로 제조된 PLA 입체이성질 복합체보다 초임계유체에서 제조된 PLA 입체이성질 복합체의 강도가 가장 우수한 것으로 나타났다.
또한, 시차주사열량계 (TA2910 DSC thermal analyzer, DuPont, USA) 로 분석한 결과를 참고하면, PLLA 또는 PDLA의 융점이 175℃인 것과 비교하여, PLA 입체이성질 복합체의 융점은 230℃로 나타나서, 융점이 50℃ 이상 증가하여 복합체의 경우가 열적 안정성이 우월함을 확인할 수 있었다.
<성형, 냉각, 압출단계 >
실시예1 -1(성형단계 및 냉각단계)
중량평균분자량이 170,000인 PLLA와 중량평균분자량이 170,000인 PDLA를 이용하는 것을 제외하고는 상기 PLA 입체이성질 복합체 제조단계에서의 실시예와 동일한 방법으로 PLA 입체이성질 복합체를 제조하였다.
상기 제조된 PLA 입체이성질 복합체 400g을 60℃에서 48시간 동안 진공 건조하고, 압축성형기(테트라히드론사 제품) 내의 금형 안에 넣은 후, 금형 전체를 고온고압용 필름으로 만든 진공 백 내부에 위치시켰다. 상기 진공 백 내부를 진공 상태로 유지해주며, 250℃의 온도에서 2 시간 동안 압축성형하였다.
상기 압축성형된 PLA 입체이성질 복합체를 10℃/분의 냉각속도로 상온(약 20℃)까지 냉각시킨 후 상온에서 수 시간 방치하여 냉각된 복합체를 제조하였다.
상기 성형단계 및 냉각단계를 거친 PLA 입체이성질 복합체의 중량평균분자량은 겔투과 크로마토그래피 측정 결과 160,000이었고, 시차주사열량분석 결과 결정화도는 20%, 결정 용융온도는 231℃이었다. 또한, 굴곡강도, 굴곡탄성률은 각각 30 MPa, 3.2 GPa이었고 10 ㎜ 정도의 굴곡 변형에서 매짐성 파단 현상을 보였다.
상기 실시예1-1에서 제조된 PLA 입체이성질 복합체 압축성형물(압출단계를 거치지 아니한 성형물)의 경우 분자량 감소가 비교예 1에 비해 대단히 작았다. 그러나, 강도 수치로 보아 압축 성형물 자체로는 뼈 고정용 소재로 사용하기에 부족하다.
실시예1 -2( 압출단계 )
실시예1-1에서 제조한 결정화도 20%인 PLA 입체이성질 복합체 압축성형물을 사용하여 고상압출하였다.
상기 실시예1-1에서 제조한 PLA 입체이성질 복합체 압축성형물을 선반 작업을 통해 직경 9.0 ㎜ 내지 13.5 ㎜인 원기둥 형태의 빌렛을 제조하였다. 빌렛의 끝 부분은 고상압출 다이의 입사각과 같은 15°를 갖도록 뾰죽하게 제조하였다. 또한, 고상압출 다이 토출부의 지름을 5 ㎜로 하고 연신비를 조절하였다.
고상압출기의 내부에 오일을 채우고, 180℃까지 4℃/분으로 승온시킨 후 18,000 lb의 정수압을 가하고 외부에서 잡아당기는 힘을 가하여 생분해성 고분자 소재를 고상압출하였다. 이때, 연신속도는 40 ㎜/분으로 고정하였다.
상기 고상압출된 생분해성 고분자 소재의 중량평균분자량은 빌렛의 두께에 따른 연신비의 변화에 관계없이 전 시료에 걸쳐 150,000 이상의 값을 보여 10% 미만의 작은 분자량 감소를 보였다.
고상압축물의 지름은 4.8mm 내외의 값을 보여 지름은 모두 압출기 다이의 지름보다 작았는데, 이로부터 고상압출 다이 내부에서의 치수의 감소에 의한 연신뿐만 아니라 다이 출구 밖에서도 잡아당기는 힘에 의한 추가 연신이 이루어졌음을 알 수 있었다.
상기 고상압출된 생분해성 고분자 소재의 연신비는, 빌렛의 두께 증가에 따라 규칙적으로 증가하여 최대 연신비 7.65 배를 얻었다. 연신비 증가에 따라 고상 압출보여 결정화도와 복굴절이 증가하였고, 그에 따라 굴곡강도와 굴곡탄성률이 증가하였다.
하기 표2는 상기 실시예1-2에서 제조한 생분해성 고분자 소재의 치수 및 구조 물성 변화와 관련하여 특성을 측정(Instron 사의 Nodel 5567 이용)하여 나타내었다.
하기 표2를 참조하면, 빌렛 결정화도가 20%이고, 연신속도가 40 ㎜/분로 고정된 경우에 생분해성 고분자 소재는 최고 320 MPa의 굴곡강도와 14 GPa의 굴곡탄성률을 얻었다.
1) Db
(㎜)		 2) Df
(㎜)		 연신비 결정화도
(%)		 복굴절
(ㅿnX103)		 굴곡강도
(MPa)		 굴곡탄성률
(GPa)
9 4.85 3.44 50 17.7 270 9
11 4.83 5.19 53.3 2127 295 11.6
12 4.76 6.36 55 23.9 310 12.5
13 4.7 7.65 59.2 26.7 320 14
주) 상기 표2은 결정화도=20%인 빌렛을 적용하고, 연신속도=40 ㎜/분인 경우임.
1) Db는 빌렛의 직경을 의미함.
2) Df는 토출물인 고상압출된 로드의 직경을 의미함.
실시예2( 압출단계 )
상기 실시예1-1에서 제조한 결정화도 20%인 PLA 입체이성질 복합체 압축성형물을 이용하여 고상압출하였다.
상기 고상압출의 경우에는 빌렛의 두께를 13.0 ㎜로 고정하고, 연신속도를 40 ㎜/분 내지 145 ㎜/분으로 적용한 것 외에는, 상기 실시예1-2에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하였다. 즉, 연신비를 고정시키고 연신속도를 변화하여 제조된 생분해성 고분자 소재의 물성을 고찰하였다.
다이와 빌렛의 두께를 일정하게 할 경우, 이론적으로는 일정한 연신비를 보여야 하지만 실험 결과 연신속도를 증가시킴에 따라 고상압출된 로드의 지름이 지속적으로 감소함으로써 결과적으로 계산된 연신비가 계속해서 증가하는 결과가 나타났다. 이로부터 고상압출시 다른 조건이 동일한 상태일 때 연신속도의 효과는 연신비의 효과로 전이됨을 알 수 있다. 또한, 실시예2의 생분해성 고분자 소재의 경우에도 10% 미만의 작은 분자량 감소만이 있음을 확인할 수 있었다.
하기 표3은 상기 실시예2에서 고상압출한 생분해성 고분자 소재의 물성을 나타낸 것으로, 본 발명의 생분해성 고분자 소재는 최대 9.14 배의 연신비를 얻었다.
또한, 연신속도 증가에 따라 고상압출물의 결정화도는 큰 변화가 없었으나 복굴절은 대체로 증가하였고, 굴곡강도와 굴곡탄성률도 증가하는 경향을 보였으며, 최고 350 MPa의 굴곡강도와 16.0 GPa의 굴곡탄성률을 얻었다.
1) Db
(㎜)		 연신 속도
(㎜/분)		 2) Df
(㎜)		 연신비 결정화도
(%)		 복굴절
(ㅿnX103)		 굴곡강도
(MPa)		 굴곡탄성률
(GPa)
13 40 4.7 7.65 59.2 26.7 320 14
70 4.5 8.35 59.3 27.8 329 14.7
110 4.32 9.06 59.3 28.9 341 15.2
140 4.3 9.14 59.8 31.2 350 16
주) 상기 표3은 빌렛의 결정화도=20%인 경우임.
1) Db는 빌렛의 직경을 의미함.
2) Df는 토출물인 고상압출된 로드의 직경을 의미함.
실시예3( 압출단계 )
실시예1-1에서 제조한 결정화도 20%인 PLA 입체이성질 복합체 압축성형물을 사용하여 얻어진 빌렛을 사용하여 고상압출한 것을 제외하고는 실시예2에 기재된 것과 동일한 방법으로 생분해성 고분자 소재를 제조하였다.
상기 실시예3에 의하여 제조된 생분해성 고분자 소재의 치수 및 구조적인 물성의 변화를 측정하여 하기 표4에 나타냈으며, 실시예3의 경우에도 중량평균분자량으로 비교한 분자량 감소의 결과는 10% 미만이었다.
하기 표4를 참조하면, 연신비는 실시예2과 마찬가지로 빌렛의 두께 증가에 따라 규칙적으로 증가하여 최대 연신비 7.65 배를 얻었다. 연신비 증가에 따라 고상 압출물의 결정화도와 복굴절이 증가하였고, 그에 따라 굴곡강도와 굴곡탄성률이 증가하였다.
실시예3에 의한 생분해성 고분자 소재(빌렛 결정화도=30%)는 최고 370 MPa의 굴곡강도와 18.0 GPa의 굴곡탄성률을 얻었다. 상기 표3과 하기 표4의 측정결과를 비교하면, 빌렛의 결정화도가 클수록 고상압출물의 결정화도와 복굴절이 증가하여 더 높은 수준의 굴곡강도를 나타낸다는 사실을 알 수 있었다.
1) Db
(㎜)		 2) Df
(㎜)		 연신비 결정화도
(%)		 복굴절
(ㅿnX103)		 굴곡강도
(MPa)		 굴곡탄성률
(GPa)
9 4.85 3.44 56 18.6 285 10.5
11 4.83 5.19 58.1 22.8 302 13
12 4.75 6.38 60.5 25.5 340 15.8
13 4.7 7.65 64 28 370 18
주) 상기 표4은 빌렛의 결정화도=30%, 연신속도=40mm/분인 경우임.
1) Db는 빌렛의 직경을 의미함.
2) Df는 토출물인 고상압출된 로드의 직경을 의미함.
비교예1 -1( 용융압출 )
중량평균분자량이 450,000인 PLLA를 단축 압출기 내에 일정 속도로 넣고, 압출기 내의 온도를 200℃ 내지 220℃로 유지하면서 완전히 용융시켜 고분자 용융물을 제조하였다.
압출기의 압출온도를 200℃ 내지 220℃로 유지하면서, 상기 고분자 용융물을압출시키고, 2m/분의 속도로 권취하여 원통형의 용융압출물을 제조하였다.
상기 용융압출물의 중량평균분자량은 겔투과 크로마토그래피 측정 결과 260,000이었고, 시차주사열량분석 결과 결정화도는 12%, 결정 용융온도는 175℃이었다. 상기 용융암출물의 굴곡강도, 굴곡탄성률은 각각 20 MPa, 2.6 GPa이었다.
상기 비교예1-1에서 제조된 PLLA 용융압출물인 생분해성 고분자 소재는 열분해에 의하여 분자량이 크게 감소하였고, 굴곡강도 및 굴곡탄성률이 낮아 경조직 고정용 소재로는 부적합하였다.
비교예1 -2( 고상압출 )
상기 비교예1-1에서 제조한 용융압출물을 고상압출하여 비교예1-2의 생분해성 고분자 소재를 제조하였다.
상기 비교예1-1의 원통형 용융압출물의 끝 부분을 고상압출 다이의 입사각과 같은 각도 15°를 갖도록 다듬어 빌렛을 제조하였다. 고상압출기의 내부에 오일을 채우고 PLLA의 유리전이온도 이상, 융점 이하인 130℃까지 4℃/분으로 승온시킨 후 15,000 lb의 정수압을 가하고 외부에서 잡아당기는 힘을 가하여 고상압출하였다.
상기 고상압출기에서 고상압출 다이는 토출부의 지름이 5 ㎜이었고, 연신속도는 40 ㎜/분이었다.
상기 비교예1-2에 의하여 제조된 생분해성 고분자 소재의 중량평균분자량은 겔투과 크로모토그래피 측정 결과 240,000, 시차주사열량분석 결과 결정화도는 24%, 결정용융온도는 177℃였으며, 제조된 고상압출물의 굴곡강도, 굴곡탄성률은 각각 175 MPa, 5.2 GPa이었다.
상기 결과를 참조하면, 상기 비교예1-2에서 제조된 PLLA 고상압출물(생분해성 고분자 소재)은 용융압출물에 비해 굴곡강도 및 굴곡탄성률이 많이 증가되었지만 여전히 경조직 고정용 소재로는 부적합하였다.
비교예2 -1( 압축성형 )
중량평균분자량이 400,000인 PLLA 400g을 실시예 1과 같은 방법으로 200℃의 압축 성형 온도에서 2 시간 동안 진공 압축성형하였다.
상기 압축성형된 복합체의 중량평균분자량은, 겔투과 크로마토그래피 측정 결과 380,000이었고, 시차주사열량분석 결과 결정화도는 10%, 결정 용융온도는 177℃이었다.
또한, 상기 압축성형된 복합체의 굴곡강도, 굴곡탄성률은 각각 28 MPa, 2.8 GPa이었고, 0 10 ㎜ 정도의 굴곡 변형에서 매짐성 파단 현상을 보였다.
상기 비교예2-1에서 제조된 PLLA 압축 성형물의 경우 분자량 감소가 비교예 1에 비해 대단히 작았다. 그러나, 강도 수치로 보아 압축성형물 자체로는 뼈 고정용 소재로 사용하기에 부족하였다.
비교예2 -2( 고상압출 )
상기 비교예2-1에서 제조한 결정화도 10%인 PLLA 압축성형물을 사용하여 실시예1-2와 같은 방법으로 고상압출하였다. 이때, 선반 작업을 통해 제조된 원통형 빌렛의 크기 및 끝 부분의 입사각도 상기 실시예1-2와 동일하게 하였고, 고상압출 시의 연신 속도도 40 ㎜/분으로 고정하였다.
고상압출물의 분자량(중량평균분자량)은 빌렛의 두께에 따른 연신비의 변화에 관계없이 전 시료에 걸쳐 370,000 이상의 값을 보여, 10% 미만의 작은 분자량 감소를 보였다. 또한, 연신비는 빌렛의 두께 증가에 따라 규칙적으로 증가하여 최대 연신비 8.9 배를 얻었다.
연신비 증가에 따라 고상 압출물의 결정화도와 복굴절이 증가하였고, 그에 따라 굴곡강도와 굴곡탄성률이 증가하였다. 얻어진 PLLA 고상압출물은 최고 250 MPa의 굴곡강도와 11 GPa의 굴곡탄성률을 얻었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 중량평균분자량이 100,000 이상인 중합체를 이용하여 폴리락티드 입체이성질 복합체를 제조하는 복합체 제조단계,
    상기 복합체를 압축성형하는 성형단계,
    상기 압축성형된 복합체를 냉각하는 냉각단계, 그리고
    상기 냉각된 복합체를 고상압출하는 압출단계를 포함하고,
    상기 중합체는 D-형 고분자 또는 L-형 고분자로 구분되는 것으로, 상기 중합체를 구성하는 단량체가 키랄 탄소(chiral carbon)을 갖는 고리형 에스테르 단량체를 포함하는 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고리형 에스테르 단량체는 락티드류(lactides), 락톤류(lactones), 고리형 탄산염류(cyclic carbonates), 고리형 무수물류(cyclic anhydrides), 티오락톤류(thiolactones) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고리형 에스테르 단량체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
    [화학식1]
    Figure 112012105015313-pat00003

    상기 화학식1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중합체는 PLLA(L-polylactide), PDLA(D-polylactide), PGA(polyglycolide), PLLA/PGA(polyglycolic acid), PDLA/PGA, PLLA/PCL(polycaprolactone), PDLA/PCL 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중합체는 중량평균분자량이 100,000 내지 1,000,000인 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복합체 제조단계는 용매 하에서 25 내지 250℃, 40 내지 700 bar인 초임계 유체 시스템에서 제조하는 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 성형단계의 압축성형 온도가 150℃ 내지 280℃인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각단계에서 상기 압축성형된 복합체를 냉각하는 냉각속도는 1℃/분 내지 100℃/분인 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각단계는 상기 압축성형된 복합체를 20℃ 내지 150℃로 냉각시키는 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 압출단계에서 고상압출의 다이 토출부는 지름이 1 ㎜ 내지 20 ㎜인 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 압출단계에서 상기 고상압출은 다이의 입사각을 5° 내지 60°로 하여 이루어지는 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 압출단계는 압출온도가 40℃ 내지 170℃으로 이루어진 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 압출단계는 압출압력을 5,000lb 내지 30,000lb으로 하여 이루어지는 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 압출단계에서 연신비는 2배 이상인 것인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 압출단계에서 연신속도는 5 ㎜/분 내지 300 ㎜/분인 생분해성 고분자 소재의 제조방법.
  17. 제1항 및 제3항 내지 제16항 중에서 선택된 어느 하나의 항의 제조방법에 의하여 제조된 것으로, 상기 생분해성 고분자 소재는 분자량 저하가 20% 이하이고, 굴곡강도가 340 MPa 내지 400 MPa이며, 굴곡탄성률이 15.8 GPa 내지 20 GPa인 것인 생분해성 고분자 소재.
  18. 삭제
  19. 제17항에 의한 생분해성 고분자 소재를 포함하고,
    척추 및 대퇴골로 이루어진 군에서 선택된 뼈 조직을 고정하는 조직 고정용 제품.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 조직 고정용 제품은 뼈 고정용 로드(rod), 판(plate), 핀(pin) 및 스크류(screw)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 조직 고정용 제품.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9732184B2 (en) 2014-07-29 2017-08-15 W. L. Gore & Associates, Inc. Process for producing articles formed from polylactic acid and articles made therefrom
CN115591015B (zh) * 2022-10-25 2024-01-26 季华实验室 可降解的金属/聚合物复合接骨板及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010100249A (ko) * 2000-03-29 2001-11-14 박호군 뼈 고정용 고강도 생분해성 고분자 소재 및 그의 제조 방법
KR20020083888A (ko) * 2001-06-29 2002-11-04 주식회사 씨엠리서치 고강도 뼈 고정용 생분해성 유기 고분자/무기 복합 소재의제조 방법 및 그에 의해 제조된 생분해성 유기고분자/무기 복합 소재
KR20110093353A (ko) * 2010-02-12 2011-08-18 한국과학기술연구원 초임계 유체-유기용매 시스템을 이용한 생분해성 고분자 입체이성질 복합체의 제조 방법 및 그로부터 제조된 고분자 입체이성질 복합체

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5238968A (en) * 1991-04-24 1993-08-24 Mitsui Toatsu Chemicals, Inc. Process for preparing a degradable high polymer network
US5317064A (en) * 1992-12-11 1994-05-31 E. I. Du Pont De Nemours And Company Manufacture of polylactide stereocomplexes
US6365173B1 (en) * 1999-01-14 2002-04-02 Efrat Biopolymers Ltd. Stereocomplex polymeric carriers for drug delivery
KR100503890B1 (ko) * 2002-10-08 2005-07-26 한국과학기술연구원 생분해성 폴리에스테르 중합체 및 압축기체를 이용한 이의제조방법
GB0703761D0 (en) * 2007-02-27 2007-04-04 Tate & Lyle Plc Polylactic acid stereocomplex
US8926876B2 (en) * 2007-08-15 2015-01-06 University Of Washington Through Its Center For Commercialization Method for making shapeable microcellular poly lactic acid articles
WO2009044403A2 (en) * 2007-10-05 2009-04-09 Juvenis Ltd. Injectable biodegradable polymer compositions for soft tissue repair and augmentation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010100249A (ko) * 2000-03-29 2001-11-14 박호군 뼈 고정용 고강도 생분해성 고분자 소재 및 그의 제조 방법
KR20020083888A (ko) * 2001-06-29 2002-11-04 주식회사 씨엠리서치 고강도 뼈 고정용 생분해성 유기 고분자/무기 복합 소재의제조 방법 및 그에 의해 제조된 생분해성 유기고분자/무기 복합 소재
KR20110093353A (ko) * 2010-02-12 2011-08-18 한국과학기술연구원 초임계 유체-유기용매 시스템을 이용한 생분해성 고분자 입체이성질 복합체의 제조 방법 및 그로부터 제조된 고분자 입체이성질 복합체

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