KR101270876B1

KR101270876B1 - 복합 골이식 대용 시멘트 및 그로부터 제조된 물품

Info

Publication number: KR101270876B1
Application number: KR1020087005643A
Authority: KR
Inventors: 존 피 모슬리; 마이클 이 캐롤; 조나단 디 맥캔리스
Original assignee: 아그노보스 헬스케어 엘엘씨
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2013-06-07
Also published as: US9180224B2; US20100249794A1; DK1933892T3; CA2619469C; AU2006287478B2; CA2619469A1; ES2402651T3; US20070128248A1; WO2007030616A2; US20070059281A1; BRPI0617086B8; WO2007030616A3; EP1933892B1; US8685464B2; AU2006287478A1; JP5582702B2; KR20080043332A; BRPI0617086B1; BRPI0617086A2; CN103349793B

Abstract

본 발명은 i) 이봉 입자 분포 및 약 5 내지 약 20 ㎛의 중앙 입자 크기를 가지며, 미립자 조성물 총 중량에 대하여 적어도 약 70 중량%의 농도로 존재하는 황산 칼슘 반수화물 분말; ⅱ) 인산 1칼슘 1수화물 분말; 및 ⅲ) 약 20 ㎛ 이하의 중앙 입자 크기를 갖는 β-인산 3칼슘 분말을 포함하며, 수용액과 혼합하여 골이식 대용 시멘트를 형성하는데 적합한 미립자 조성물을 제공한다. 이로부터 제조된 골이식 대용 시멘트, 상기 미립자 조성물을 포함하는 골이식 대용 키트, 상기 미립자 조성물의 제조방법 및 이용방법, 및 상기 골이식 대용 시멘트로 제조된 물품 또한 제공된다.

Description

복합 골이식 대용 시멘트 및 그로부터 제조된 물품{COMPOSITE BONE GRAFT SUBSTITUTE CEMENT AND ARTICLES PRODUCED THEREFROM}

본 발명은 수용액과 혼합하여 골이식 대용 시멘트 (bone graft substitute cement)를 형성하는데 적용되는 미립자 조성물, 그로부터 제조되는 골이식 대용 시멘트, 상기 미립자 조성물을 포함하는 골이식 대용 키트, 상기 미립자 조성물의 제조방법 및 이용방법, 및 상기 골이식 대용 시멘트로 제조된 물품에 관한 것이다.

뼈 구조의 결함은 외상, 질병 및 수술 같은 다양한 환경에서 발생한다. 악골-두개안면, 치근막병과 및 정형외과를 포함하는 다양한 외과 분야에서, 뼈 결함의 효과적인 회복 (repair)에 대한 요구가 있다. 뼈 결함 부위의 치료를 촉진하기 위하여 많은 천연 및 합성물 및 조성물이 사용되어 왔다. 다른 유형의 조직을 회복하기 위해 사용되는 조성물과 마찬가지로, 뼈 회복 물질의 생물학적 및 기계적 특성은, 임의의 특정 적용에 있어서 물질의 유효성 및 적합성을 결정하는데 중요하다.

혈액 다음으로, 뼈는 두 번째로 가장 흔하게 이식되는 물질이다. 골유도성이 있고 면역성이 없기 때문에, 자기 유래의 다공질 뼈 (autologous cancellous bone)는 오랫동안 가장 효과적인 뼈 회복 물질로 여겨져 왔다. 그러나 모든 환경 하에서 적합한 양의 자기 유래의 다공질 뼈를 입수할 수 없고, 공여 부위의 질병률 (donor site morbidity) 및 외상은 이러한 접근에 대한 심각한 결점이다. 타가 이식골을 사용하는 것은 환자에게 2차 수술부위가 생기는 문제를 피할 수 있으나, 그 자체의 불편한 점이 있다. 예를 들면, 타가 이식골은 일반적으로 자가 이식골보다 골형성 능력이 낮고, 흡수 속도 (resorption rate)가 높으며, 뼈 결함 부위에서 혈관 재생이 적게 되고, 일반적으로 더 큰 면역성 반응이 일어난다. 타가 이식을 사용할 때는 특정 질병의 전염도 위험한 사항이다.

타가 이식 및 자가 이식골과 관련된 문제를 피하기 위해서, 천연 뼈 대신에 사용할 수 있는 합성 뼈 대용 물질 영역에 대한 많은 연구가 수행되어 왔다. 예를 들면, 탈회된 골 기질 (demineralized bone matrix), 인산 칼슘 및 황산 칼슘을 포함하는 다양한 조성물 및 물질이 제안되고 있다.

황산 칼슘을 포함하는 시멘트는 골이식 대용품으로 오랜 역사가 있다. 근래 수술 등급 황산 칼슘 시멘트는 높은 초기 강도, 우수한 조작 특성을 제공하고, 많은 적용에서 일관적으로 뼈를 대체 (replace)하고 있다. 그러나 황산 칼슘 시멘트는 몸에 의해 비교적 빠르게 흡수되는 것이 특징이며, 이는 특정 적용에서는 바람직하지 않을 수 있다.

히드록시 아파타이트는 골이식 물질에서 가장 흔하게 사용되는 인산 칼슘 중 하나이다. 히드록시 아파타이트의 구조는 뼈의 광물상 (mineral phase)과 유사하고, 뛰어난 생체적합성을 나타낸다. 그러나 히드록시 아파타이트는 흡수 속도가 매우 느려서 특정 적용에는 적합하지 않을 수 있다. 히드록시 아파타이트보다 빠 른 흡수 속도를 나타내는 β-인산 3칼슘 (β-tricalcium phosphate)과 같은 다른 인산 칼슘 물질 또한 이 업계에서 사용되어 왔지만, 기계적 강도가 덜하다. 인산 4칼슘 및 인산 2칼슘 무수물 또는 2수화물의 혼합물과 같은 인시츄 (in situ)로 응결하는 특정 인산 칼슘 물질 또한 시도되어 왔는데, 이들은 수용액과 혼합되면 반응하여 히드록시 아파타이트를 형성한다.

현재 입수 가능한 합성 뼈 회복 물질은 모든 골이식 적용에 대해 이상적인 기능적 특성을 나타내지는 않는다. 전술한 바와 같이, 몇몇 조성물은 너무 느리거나 너무 빠른 흡수 속도를 나타낸다. 더욱이 많은 골이식 시멘트는 응결할 수 없거나 주입될 수 없기 때문에 임플란트하기 어렵다. 다른 결점은 강도가 부적합하고, 생물학적 활성 물질에 첨가시 조절 방출이 어렵다는 것이다. 이러한 이유로 당업계에서는, 바람직한 흡수 속도와 함께 높은 기계적 강도, 조작 용이성 및 골전도성이 조합된 골이식 시멘트 조성물에 대한 요구가 여전히 있다.

발명의 요약

본 발명은 수용액과 혼합하여 골이식 대용 시멘트를 형성하기에 적합한 미립자 조성물뿐 아니라 이로부터 제조된 경화된 골이식 대용 시멘트를 제공한다. 본 발명은 또한 상기 미립자 조성물을 포함하는 키트, 및 상기 미립자 조성물의 제조방법 및 이용방법에 관한 것이다. 본 발명의 미립자 조성물은 브루샤이트 (brushite)-형성 인산 칼슘 혼합물과 함께 황산 칼슘 반수화물 (hemihydrate) 분말을 포함한다. 상기 미립자 조성물을 수용성 혼합 용액과 혼합하면, 브루샤이트 및 황산 칼슘 2수화물을 포함하는 경화된 2상 (biphasic) 시멘트가 형성된다. 상기 황산 칼슘 2수화물은 우수한 기계적 강도를 제공하고, 비교적 빠른 흡수 속도로 인하여 결과물인 시멘트 내에서 뼈 조직으로 신속하게 대체되는 반면, 상기 브루샤이트는 황산 칼슘을 단독으로 포함하는 시멘트 조성물과 비교하여 시멘트의 전체 흡수 속도를 감소시킨다. 본 발명의 뼈 대용 시멘트의 특정 구현예는 높은 압축 강도 및 간접 인장 강도 (diametral tensile strength)와 같은 높은 기계적 강도를 나타내고, 적당한 시간 내에 응결하여 경화된 조성물이 되며, 뼈 결함 부위에서 양질의 뼈의 발달을 용이하게 하고, 허용 가능한 조작 특성을 나타낸다.

한 양상에서, 본 발명은 이봉 (bimodal) 입자 분포 및 약 5 내지 약 20 ㎛의 중앙 (median) 입자 크기를 가지는 황산 칼슘 반수화물 분말 및 브루샤이트-형성 인산 칼슘 조성물의 혼합물을 포함하는 미립자 조성물을 제공한다. 상기 브루샤이트-형성 인산 칼슘 혼합물은 인산 1칼슘 1수화물 (monocalcium phosphate monohydrate) 분말 및 β-인산 3칼슘 분말을 포함한다. 상기 β-인산 3칼슘 분말은 약 20 ㎛ 이하의 중앙 입자 크기를 갖는다. 상기 황산 칼슘 반수화물 분말은 상기 미립자 조성물 총 중량에 대하여 적어도 약 50 중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 70 중량%, 가장 바람직하게는 적어도 약 75 중량%의 농도로 존재한다. 상기 브루샤이트-형성 인산 칼슘 조성물은 일반적으로 상기 미립자 조성물 총 중량에 대하여 약 3 내지 약 30 중량%의 농도로 존재한다.

미립자 조성물의 β-인산 3칼슘 분말 부분은, β-인산 3칼슘 분말의 총 부피에 대하여, 약 2.0 내지 약 6.0 ㎛의 최빈치 (mode)를 갖는 입자 약 30 내지 약 70 부피% 및 약 40 내지 약 70 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 30 내지 약 70 부피%로 특징지어지는 이봉 입자 크기 분포를 갖는 것이 바람직하다 다른 구현예에서, 상기 이봉 입자 크기 분포는, β-인산 3칼슘 분말의 총 부피에 대하여, 약 4.0 내지 약 5.5 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 50 내지 약 65 부피% 및 약 60 내지 약 70 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 35 내지 약 50 부피%를 포함한다.

미립자 조성물의 황산 칼슘 반수화물 부분은 α-황산 칼슘 반수화물을 포함하는 것이 바람직하고, 이봉 입자 분포는, 황산 칼슘 반수화물 분말의 총 부피에 대하여, 약 1.0 내지 약 3.0 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 30 내지 약 60 부피% 및 약 20 내지 약 30 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 40 내지 약 70 부피%를 포함하는 것이 바람직하다.

미립자 조성물 혼합물은 중앙 입자 크기가 약 75 내지 약 1,000 ㎛와 같이 적어도 약 75 ㎛인 β-인산 3칼슘 과립을 추가로 포함할 수 있다. 상기 β-인산 3칼슘 과립은 일반적으로 미립자 조성물 총 중량에 대하여 약 20 중량 %까지의 농도로 존재하고, 더욱 바람직하게는 약 12 중량 %까지의 농도로 존재한다.

미립자 조성물은 황산 칼슘 반수화물을 황산 칼슘 2수화물로 전환시키는 것을 촉진하는데 적합한 촉진제를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 촉진제의 예는 수크로오스-코팅된 황산 칼슘 2수화물 입자이다. 더욱이, 상기 조성물은 다공질 골편 (cancellous bone chips), 성장 인자, 항생제, 살충제, 화학요법제, 항바이러스제, 진통제, 항염증제 및 골유도성 또는 골전도성 물질과 같은 생물학적 활성제를 추가로 포함할 수 있다. 탈회된 골 기질은 바람직한 생물학적 활성제 중 하나이다.

하나의 구현예에서, 본 발명의 미립자 조성물은 약 3 내지 약 25분 동안 수용액과 혼합하면 응결하여 경화된 덩어리 (hardened mass)가 된다. 따라서 본 발명의 다른 양상에서, 골이식 대용 시멘트는 본 발명의 미립자 조성물과 수용액을 혼합하여 형성된 페이스트를 포함하는 시멘트로 제공된다. 골이식 대용 시멘트는 β-인산 3칼슘 과립 (존재한다면) 및 본 발명의 미립자 조성물과 수용액을 혼합하여 형성되는 반응 생성물을 포함할 수 있고, 상기 반응 생성물은 황산 칼슘 2수화물 및 브루샤이트를 포함한다. 골이식 대용 시멘트는 펠릿, 과립, 웨지 (wedges), 블록 및 디스크와 같은 소정 형상으로 주조 (cast)되거나, 적용시 바람직한 형상으로 몰딩되거나 또는 미리 몰딩하거나 형상화하지 않고 뼈 결함 부위에 단순히 주입되거나 전달될 수 있다. 상기 본 발명의 시멘트는 임의의 다양한 정형외과 임플란트 장치에 병합될 수도 있는데, 상기 시멘트는, 임플란트 장치의 영역 내에서 뼈의 내부성장 (ingrowth)을 용이하게 하기 위하여 일반적으로 외부 코팅의 형태로 적용되거나 이러한 장치의 다공성 (porous) 외부 층 내의 충전 물질로 적용된다.

상기 경화된 골이식 대용 시멘트는 바람직하게는 간접 인장 강도와 같은 특정 기계적 강도 특성을 나타내는데, 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후에 대기 중에서 1시간 동안 경화한 후의 간접 인장 강도가 적어도 약 4 ㎫, 더욱 바람직하게는 적어도 약 5 ㎫, 가장 바람직하게는 적어도 약 6 ㎫을 나타낸다. 아울러, 상기 골이식 대용 시멘트의 바람직한 구현예는 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후에 대기 중에서 24시간 동안 경화한 후의 간접 인장 강도가 적어도 약 8 ㎫, 더욱 바람직하게는 24시간 동안 경화한 후의 간접 인장 강도가 적어도 약 9 ㎫, 가장 바람직하게는 적어도 약 10 ㎫을 나타낸다.

상기 골이식 대용 시멘트의 바람직한 구현예는 또한 높은 수준의 압축 강도를 나타내는데, 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후에 대기 중에서 1시간 동안 경화한 후의 압축 강도가 적어도 약 15 ㎫, 더욱 바람직하게는 압축 강도가 적어도 약 40 ㎫을 나타낸다. 아울러, 상기 골이식 대용 시멘트의 바람직한 구현예는 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후에 대기 중에서 24시간 동안 경화한 후의 압축 강도가 적어도 약 50 ㎫, 더욱 바람직하게는 압축 강도가 적어도 약 80 ㎫을 나타낸다.

상기 골이식 대용 시멘트의 바람직한 구현예는 또한 1일당 중량 손실의 평균 백분율로 나타내지고, 37℃ 증류수에서 3.3 mm 길이를 갖는 4.8 mm OD (outer diameter, 외경) 펠릿의 침지에 의해 측정되는 평균 용해 속도 (dissolution rate)가 황산 칼슘으로 이루어진 미립자 조성물을 이용하여 형성된 시멘트의 평균 용해 속도보다 적어도 약 25% 낮게 나타난다. 보다 바람직하게는, 상기 평균 용해 속도는 적어도 약 30% 또는 적어도 약 35% 낮다.

또 다른 양상에서, 본 발명은 본 발명에 따른 미립자 조성물을 싸고 있는 적어도 하나의 용기, 무균 수용액을 싸고 있는 별도의 용기, 및 키트의 사용 방법을 기재한 서면 지시 세트 (written instruction set)를 포함하는 골이식 대용 키트를 제공한다. 상기 골이식 대용 키트는 미립자 조성물과 수용액을 혼합하는 혼합 기구 및 골이식 대용 시멘트를 뼈 결함 부위에 전달하는 주입 장치 (예: 주사기)와 같은 장치를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 추가 양상에서는, 뼈 결함의 치료방법이 제공된다. 상기 방법은 뼈 결함 부위에 전술한 골이식 대용 시멘트를 적용하는 단계를 포함한다. 전술한 바와 같이, 상기 골이식 대용 시멘트는 투여 직전에 뼈 결함의 크기와 형상에 근거하여 원하는 형상으로 몰딩된 미리 주조 (precast)되어 몰딩된 형태로 투여되거나, 주입 장치 또는 다른 전달 수단을 이용하여 미리 몰딩하지 않고 뼈 결함에 직접 상기 조성물을 투여할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에서는, 본 발명의 미립자 조성물의 제조방법이 제공된다. 상기 방법은 일반적으로 균질한 혼합물을 형성하기 위하여 미립자 조성물의 각 분말 또는 과립 성분을 혼합 또는 블렌딩하는 단계를 포함한다. 따라서, 한 구현예에서, 상기 미립자 조성물의 형성방법은 β-인산 3칼슘 분말, 황산 칼슘 반수화물 분말 (전술한 촉진제의 첨가에 의해 선택적으로 촉진될 수 있다), 인산 1칼슘 1수화물 분말 및 β-인산 3칼슘 과립 (존재한다면)을 혼합하는 단계를 포함한다. 다양한 분말 또는 과립 성분을 혼합하는 것은 상기 미립자 조성물을 수용액과 혼합하기 직전에 수행하는 것이 바람직하다.

응결 시멘트 (setting cement)를 형성하기 위해 미립자 조성물과 혼합되는 수용액은 멸균수를 포함하는 것이 바람직하고, 그 내부에 적어도 하나의 카르복시산을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 카르복시산은 글리콜산 또는 다른 히드록시 카르복시산이 될 수 있다. 바람직하게는 상기 산은 약 6.5-7.5의 중성 pH로 중화된다.

본 발명의 다른 양상에서, 방법, 조성물 및 키트는 본 발명의 골이식 대용 조성물의 성분들의 저장 안정성을 향상시키기 위해 제공된다. 한 구현예에서, 브루샤이트-형성 인산 칼슘 물질 (즉, β-인산 3칼슘 분말 및 인산 1칼슘 1수화물 분말)은 골이식 대용 시멘트를 제조하기 전에 따로 보관하거나 (예를 들어, 키트 내의 별도 용기 내에 둠), 2개의 인산 칼슘 화합물의 반응을 막기 위하여 완전 건조된 환경에서 밀봉 포장한다. 다른 구현예에서, 수용성 혼합 용액과 관련하여 전술한 유기 카르복시산 성분은, 용액 내보다는 키트의 남은 미립자 성분과 함께 결정 분말 (예를 들어, 알칼리 금속염과 같은 중성염 형태로)로 포장된다. 상기 산 성분을 분말 형태로 이용하면 조성물을 감마선으로 멸균할 때 산의 열화를 피할 수 있고, 이는 본 발명의 골이식 대용 시멘트의 응결 시간의 바람직하지 않은 증가를 가져올 수 있다.

그러므로 한 구현예에서, 본 발명은 미립자 조성물 및 혼합하여 골이식 대용 시멘트를 형성하는데 적합한 수용액을 포함하며, 물 및 카르복시산의 존재 하에 브루샤이트를 형성하는 반응성이 있는 인산 칼슘 분말을 포함하는 키트의 저장 안정성을 향상하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 i) 인산 1칼슘 1수화물 분말 및 β-인산 3칼슘 분말을 키트 내의 별도 용기에 포장하는 단계; 및 ⅱ) 카르복시산을 결정 분말 형태 또는 수용액에 용해된 형태로 키트 내에 포장하되, 카르복시산이 수용액에 용해될 때, 카르복시산은 수용액의 방사선 멸균 후에 용액에 첨가하는 단계를 포함한다. 상기 키트는 황산 칼슘 반수화물 분말을 추가로 포함할 수 있고, 상기 방법은 황산 칼슘 반수화물 분말을 별도 용기 내에서 포장하거나, 인산 1칼슘 1수화물 분말 및 β-인산 3칼슘 파우더 중 하나 또는 모두와의 혼합물 내에서 포장하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 일반적으로 상기 키트의 성분을 멸균하기 위해 감마선으로 조사하는 단계를 추가로 포함할 것이다.

상기 카르복시산 분말로 이용될 수 있는 카르복시산의 중성염의 예는 글리콜산 나트륨 (sodium glycolate), 글리콜산 칼륨, 젖산 나트륨 및 젖산 칼륨을 포함한다. 상기 카르복시산 결정 분말은 일반적으로 용기 내에 별도로 포장되거나, 인산 1칼슘 1수화물 분말을 함유한 용기 또는 β-인산 3칼슘 분말을 함유한 용기에 포장된다.

본 발명의 다른 구현예에서, 골이식 대용 키트가 제공되는데, 이 키트는 i) 인산 1칼슘 1수화물 분말을 싸고 있는 제1 용기; ⅱ) β-인산 3칼슘 분말을 싸고 있는 제2 용기; ⅲ) 별도의 용기 내에 싸여 있거나, 인산 1칼슘 1수화물 분말 및 β-인산 3칼슘 분말 중 하나 또는 모두와 혼합되어 있는 황산 칼슘 반수화물 분말; ⅳ) 별도의 용기 내에 싸여 있는 수용액; 및 v) 수용액 내에 용해되거나 결정 분말 형태로 존재하는 카르복시산을 포함하며, 상기 카르복시산 결정 분말은 별도의 용기 내에 싸여 있거나, 인산 1칼슘 1수화물 분말, β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 이상과 혼합되어 있고, 상기 카르복시산이 수용액 내에 용해되어 있는 경우에 카르복시산은 수용액의 방사선 멸균 후에 용액에 첨가된다. 특정 구현예에서, 상기 카르복시산 결정 분말은, 수용액을 인산 1칼슘 1수화물 분말, β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 이상과 혼합하기 전에 상기 카르복시산 결정 분말이 수용액과 혼합에 의해 환원될 (reconstituted) 수 있도록, 별도의 용기 내에 싸여 있다.

상기 황산 칼슘 반수화물 분말은 혼합물 내에, 황산 칼슘 반수화물을 황산 칼슘 2수화물로 전환시키는 것을 촉진하는데 적합한 촉진제를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 상기 키트는 별도의 용기 내에 또는 인산 1칼슘 1수화물 분말, β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 이상과의 혼합물 내에 β-인산 3칼슘 과립을 추가로 포함할 수 있다. 생물학적 활성제도 상기 키트 내에 포함되어 별도의 용기 내에 싸여 있거나 또는 인산 1칼슘 1수화물 분말, β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 이상과 혼합될 수 있다.

또 다른 구현예에서, 골이식 대용 키트가 제공되는데, 이 키트는 i) 인산 1칼슘 1수화물 분말을 싸고 있는 제1 용기; ⅱ) 중앙 입자 크기가 약 20 ㎛ 이하인 β-인산 3칼슘 분말을 싸고 있는 제2 용기; ⅲ) 별도의 용기 내에 싸여 있거나 제2 용기 내에서 β-인산 3칼슘 분말과 혼합되어 있고, 이봉 입자 분포를 가지며, 중앙 입자 크기가 약 5 내지 약 20 ㎛인 α-황산 칼슘 반수화물 분말; ⅳ) 별도의 용기 내에 싸여 있는 수용액; v) 결정 분말 형태의 카르복시산으로서, 카르복시산 결정 분말은 별도의 용기 내에 싸여 있고, 중성 알칼리 금속염의 형태인 카르복시산; ⅵ) α-황산 칼슘 반수화물 분말과의 혼합물 내에서 황산 칼슘 반수화물로부터 황산 칼슘 2수화물로 전환되는 것을 촉진하는데 적합한 촉진제; 및 ⅶ) 별도의 용기 내에 존재하거나 β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 또는 모두와의 혼합물 내에 존재하며, 중앙 입자 크기가 적어도 약 75 ㎛인 β-인산 3칼슘 과립을 포함한다.

발명의 상세한 설명

첨부하는 도면을 참조로 하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수 있고, 여기에서 설명된 구현예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며; 오히려 본 명세서의 구현예는 해당 법규정을 만족시키기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된, 단수형 "a", "an" 및 "the"는 그렇지 않다고 명확하게 지시되지 않은 경우 복수의 지시물을 포함한다.

본 발명은 수용액과 혼합하면 경화 또는 응결하는 골이식 대용 시멘트로 유용한 미립자 조성물을 제공한다. 상기 미립자 조성물은 황산 칼슘 반수화물 (이하 "CSH"라 함) 분말; 및 인산 1칼슘 1수화물 (이하 "MCPM"이라 함) 분말과 β-인산 3칼슘 (이하 "β-TCP"라 함) 분말을 포함하는 브루샤이트-형성 인산 칼슘 혼합물을 포함한다.

본 발명의 미립자 조성물을 사용하여 황산 칼슘 2수화물 (이하 "CSD"라 함)을 포함하는 골이식 대용 시멘트를 제조하는데, 이것은 CSH 및 물 사이의 반응 생성물이다. 상기 시멘트의 CSD 성분은 시멘트에 우수한 기계적 강도를 부여하고, 뼈 성장을 자극하며, 비교적 빠른 생체내 (in vivo) 흡수 속도를 제공하여 임플란트시 시멘트 내의 다공성 구조가 빨리 생성된다. 따라서, 상기 시멘트의 CSD 성분은 임플란트 부위로의 뼈 조직 내부성장으로 신속하게 대체될 수 있다.

상기 2개의 인산 칼슘 성분은 수용액과 혼합하면 반응하여 브루샤이트를 형성한다. 시멘트 내 브루샤이트가 존재하면, CSD만을 포함하는 시멘트와 비교하여 골이식 대용 시멘트의 흡수 속도를 늦춘다. 따라서, 본 발명의 2상 골이식 대용 시멘트는 CSD 성분 및 브루샤이트 성분에 의해 정의되는 이중 흡수 속도를 제공한다.

더 느린 흡수 속도에 더하여, 본 발명의 미립자 조성물의 구현예는 높은 기계적 강도, 우수한 조작 특성 및 적당한 응결 시간을 나타내는 골이식 대용 시멘트를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 골이식 대용 시멘트의 특정 구현예는 뼈 결함을 치료하기 위해 사용될 때 양질의 뼈를 제조할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 CSH 분말은 이봉 입자 분포를 갖는 것이 바람직하다. 당업계에서 이해되는 바와 같이, 이봉 입자 분포란 입자 크기 대 (vs.) 각 크기의 입자의 부피 백분율의 플롯에서 2개의 피크로 특정된 입자 분포를 의미한다. 도 1은 이봉 입자 크기 분포 플롯의 예를 나타낸다. 바람직한 구현예에서, CSH 분말의 이봉 입자 분포는 CSH 분말의 총 부피에 대하여, 약 1.0 내지 약 3.0 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 30 내지 약 60 부피% 및 약 20 내지 약 30 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 40 내지 약 70 부피%로 특정된다. 다른 구현예에서, 상기 이봉 입자 분포는 약 1.0 내지 약 2.0 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 40 내지 약 60 부피% 및 약 20 내지 약 25 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 40 내지 약 60 부피%를 포함한다. CSH 분말의 중앙 입자 크기는 바람직하게는 약 5 내지 약 20 ㎛, 더욱 바람직하게는 약 8 내지 약 15 ㎛, 가장 바람직하게는 약 10 내지 약 15 ㎛ 이다.

여기서 사용되는 "중앙 입자 크기"란 입자의 모집단 (population)을 반으로 나눈 입자 크기를 말하며, 모집단 내의 입자 부피의 반은 중앙 입자 크기보다 크고, 나머지 반은 중앙 입자 크기보다 작다. 중앙 입자 크기는 고해상도 레이저 회절법으로 얻어진 데이터를 선형 보간법 (linear interpolation)을 이용하여 측정한다. 더욱 구체적으로는, 레이저 회절법은 정주파수가 632.8 nm이고 5㎽의 전력을 나타내는 평행광으로 수행된다. 레이저 회절 측정은 32 채널 검출기 배열을 통해 얻어진다. 측정 시스템으로 입자를 전달하는 것은 -3.5 바 (bar)의 게이지압을 생성하는 공기 흐름과 같은 최적의 분산 매질을 이용하여 비교적 일정한 질량 흐름률을 통해 수행된다. 상업적으로 입수 가능한 레이저-회절 입자 분석용 기계는 OASIS (Sympatec; Clausthal-Zellerfeld, Germany) 분산 유닛이다. OASIS 시스템은 VIBRI 모델 HDD200 및 RODOS M 을 통해 건조 방식으로 이용된다. VIBRI 모델은 75% 공급률 및 3.0 ㎜ 갭 (gap)으로 사용된다. -3.5 바의 게이지압은 4 ㎜ 주입기를 통해 생성된다. 황산 칼슘 반수화물의 입자 크기를 측정하기 위하여, R2 렌즈 (0.25/0.45......87.5 ㎛)가 바람직하고, 인산 3칼슘 성분의 입자 크기를 측정하는데는 R4 렌즈 (0.5/1.8......350 ㎛)가 바람직하다 (양자 모두 Sympatec).

본 발명의 미립자 조성물은 바람직하게는 CSH 분말을 미립자 조성물 총 중량에 대해 적어도 약 50 중량%의 양으로 포함하고, 더욱 바람직하게는 적어도 약 70 중량%, 가장 바람직하게는 약 75 중량%의 양으로 포함한다. 특정 구현예에서, CSH 분말은 적어도 약 80 중량%, 적어도 약 85 중량% 또는 적어도 약 90 중량%의 양으로 존재한다. 일반적으로, CSH 분말은 약 70 중량% 내지 약 99 중량%, 더욱 바람직하게는 약 70중량% 내지 약 90 중량%의 양으로 존재한다.

CSH는 α-황산 칼슘 반수화물인 것이 바람직한데, 이는 응결하여 CSD를 형성하면 베타 형태에 비하여 더 높은 기계적 강도를 나타낸다. 미립자 조성물의 CSH 부분은 결과물인 골이식 대용 시멘트에 기계적 강도를 제공하는데 중요할 뿐만 아니라, 비교적 짧은 기간 내에 응결 또는 경화하는 능력에도 기여한다. 당업계에 알려진 바와 같이, CSH는 식 CaSO₄·½H₂O 를 가지며, 물과 반응하여 황산 칼슘 2수화물 (CaSO₄·2H₂O)을 형성한다. 본 발명의 골이식 대용 시멘트 내에 존재하는 CSD는 뼈 결함 부위에서 뼈 조직이 신속하게 재생되는데 기여한다.

CSH 분말은 가열에 의해 2수화물 형태가 탈수하면 생성될 수 있다. 가열 방법에 따라, 알파 또는 베타 형태가 얻어진다. 2가지 형태는 결정학적 및 입자 형태학적 (morphology) 차이를 나타낸다. 바람직한 알파 형태는 보다 높은 밀도를 가지며, 일반적으로 날카로운 모서리를 갖는 밀 (密)하고 잘 형성된 크고, 6각형 형태의 막대 모양 초정 (primary crystals)으로 특징지어진다.

바람직한 구현예에서, CSH 분말은 미국 특허 제2,616,789호에 기재된 과정에 의해 제조되는데, 이 문헌은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 병합된다. 이 과정은 물 및 무기염의 용액 내에 황산 칼슘 2수화물을 침지하는 것을 포함한다. 바람직한 염은 염화 마그네슘, 염화 칼슘 및 염화 나트륨을 포함한다. 그러나 염화 암모늄, 브롬화 암모늄, 요오드화 암모늄, 질산 암모늄, 황산 암모늄, 브롬화 칼슘, 요오드화 칼슘, 질산 칼슘, 브롬화 마그네슘, 요오드화 마그네슘, 질산 마그네슘, 브롬화 나트륨, 요오드화 나트륨, 질산 나트륨, 염화 칼륨, 브롬화 칼륨, 요오드화 칼륨, 질산 칼륨, 염화 세슘, 질산 세슘, 황산 세슘, 염화 아연, 브롬화 아연, 요오드화 아연, 질산 아연, 황산 아연, 염화 제2구리, 브롬화 제2구리, 질산 제2구리, 황산 제2구리 및 그의 혼합물과 같은 다른 무기 염이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 바람직한 염은 생체적합하고, 염은 모두 무수물 또는 수화물 형태로 이용될 수 있다. 염에 대한 언급은 무수물 또는 수화물 형태 모두를 포함하고자 한다. 황산 칼슘 2수화물 및 용액은 대기압에서 실질적으로 끓는점까지 가열되어, 황산 칼슘 2수화물의 실질적인 부분이 CSH로 전환된다. 결과물인 CSH 는 다른 열수 처리 (hydrothermal process)에 의해 제조된 CSH 와는 다른 결정 구조를 가지며, 분쇄된 이후에 낮은 물-운반 용량 (water-carrying capacity)을 갖는다. 특히, 이 방법에 따라 만들어진 CSH의 결정 구조는 굵고, 뭉툭하며, 막대 모양 결정인 것이 특징이다.

한 구현예에서, CSH 분말은 CSH를 2수화물 형태로 전환하는 것을 촉진할 수 있는 촉진제를 추가로 포함함으로써 그로부터 제조된 골이식 대용 시멘트가 더욱 빨리 응결되도록 한다. 작용 이론에 의해 구속되는 것을 바라는바 아니지만, 촉진제 입자가 CSH의 황산 칼슘 2수화물로의 전환을 위한 결정화 핵 부위로 작용하는 것으로 여겨진다. 촉진제의 예에는 황산 칼슘 2수화물, 황산 칼륨, 황산 나트륨 또는 다른 이온염이 포함된다. 바람직한 촉진제는 수크로오스 (VWR Scientific Products로부터 입수 가능)로 코팅된 황산 칼슘 2수화물 결정 (U.S. Gypsum으로부터 입수 가능)이다. 수크로오스로 코팅된 2수화물 결정을 안정화하는 과정은 미국 특허 제3,573,947호에 기재되어 있으며, 이 문헌은 전체로서 본 명세서 병합된다. 촉진제는 미립자 조성물 총 중량에 대해 약 1.0 중량 %까지의 양으로 존재한다. 특정 구현예에서, 미립자 조성물은 약 0.001 내지 약 0.5 중량%의 촉진제, 더욱 일반적으로는 약 0.01 내지 약 0.3 중량%의 촉진제를 포함한다. 2 이상의 촉진제의 혼합물이 사용될 수 있다.

본 발명의 미립자 조성물의 인산 칼슘 부분은 MCPM 분말 (Ca(H₂PO₄)₂·H₂O) 및 β-TCP 분말 (Ca₃(PO₄)₂)을 포함한다. 당업계에서 이해되는 바와 같이, MCPM 및 β-TCP의 주요 반응 생성물은 인산 2칼슘 2수화물 (CaHPO₄·2H₂O) (DCPD)로도 알려진 브루샤이트이다. 브루샤이트-형성 분말은, 히드록시 아파타이트, 인산 8칼슘 등과 같은 DCPD보다 훨씬 큰 열역학적 안정성을 갖는 특정 인산 칼슘을 형성하는 다른 반응에도 참여한다. 특정 양의 β-TCP 분말은 시멘트 내에 반응되지 않고 남아 있다.

β-TCP 분말은 바람직하게는 약 20 ㎛ 이하의 중앙 입자 크기, 더욱 바람직하게는 약 18 ㎛ 이하의 중앙 입자 크기, 가장 바람직하게는 15 ㎛ 이하의 중앙 입자 크기를 갖는다. 일반적으로, β-TCP 분말은 약 10 ㎛ 내지 약 20 ㎛의 중앙 입자 크기를 가질 것이다. β-TCP 분말의 크기는 골이식 대용 시멘트 내에 형성되는 브루샤이트의 양에 영향을 미칠 수 있다. β-TCP 입자의 크기가 작으면 브루샤이트 형성 속도가 증가하고, β-TCP 입자의 크기가 크면 브루샤이트 형성 속도가 낮아질 것이라고 여겨진다. 일반적으로, 브루샤이트-형성 반응 속도를 증가시키기 위하여 보다 작은 β-TCP 입자를 사용하는 것이 바람직하다.

미립자 조성물의 β-TCP 분말 부분은 β-인산 3칼슘 분말의 총 부피에 대하여, 약 2.0 내지 약 6.0 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 30 내지 약 70 부피% 및 약 40 내지 약 70 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 30 내지 약 70 부피%로 특정된 이봉 입자 크기 분포를 갖는 것이 바람직하다. 한 구현예에서, β-TCP 분말은 β-인산 3칼슘 분말의 총 부피에 대하여, 약 4.0 내지 약 5.5 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 50 내지 약 65 부피% 및 약 60 내지 약 70 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 약 35 내지 약 50 부피%로 특정된 이봉 입자 크기 분포를 갖는다.

MCPM 분말은 비교적 물에 용해 가능하며, 이것은 입자 크기가 비교적 중요하지 않다는 것을 의미한다. 일반적으로, MCPM 분말은 약 350 ㎛ 이하의 입자 크기를 가질 것이다; 그러나 본 발명을 벗어나지 않는 다른 입자 크기도 이용될 수 있다. 이해되는 바와 같이, MCPM 은 인산 1칼슘 (MCP)의 수화물이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, MCPM의 언급은 MCP를 포함하고자 하며, MCP는 단순히 용액 내에서 같은 수의 칼슘 및 인산 이온을 방출하는 MCPM의 무수 형태이다. 그러나 MCPM 대신에 MCP를 사용하는 경우, 골이식 대용 시멘트를 형성하기 위하여 사용되는 물의 양은 MCP로부터 빠진 물 분자를 차지할 만큼 증가될 필요가 있다 (MCPM을 사용할 때 형성되는 것과 정확하게 동일한 용해 생성물을 생성하고자 한다면).

전술한 바와 같이, 본 발명의 골이식 대용 시멘트의 브루샤이트 성분은, 황산 칼슘 시멘트와 비교하여 골이식 대용 시멘트의 생체내 흡수를 느리게 한다. 또한, 흡수 속도가 느리면 골이식 대용 시멘트가 뼈 결함 부위에서 보다 오랜 시간 동안 구조적 지지를 제공할 수 있게 되며, 이것은 특정 적용에서 치유 과정에 도움을 줄 수 있다. 임의의 특정 작용 이론에 구속되는 것은 아니지만, 본 발명의 골이식 대용 시멘트는, 혼합물의 황산 칼슘 성분의 비교적 빠른 흡수로 인하여 생체내 투여된 후에 인산 칼슘 물질의 매우 다공성인 기질로 될 것으로 여겨진다. 이 잔류하는 인산 칼슘의 다공성 기질은 자연 치유 과정 동안 뼈 내부성장을 위한 우수한 스캐폴딩 (scaffolding)을 제공한다.

미립자 조성물 내에 존재하는 MCPM 분말 및 β-TCP 분말의 양은 주로, 골이식 대용 시멘트 내에 필요로 하는 브루샤이트의 양에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 브루샤이트-형성 인산 칼슘 조성물 (즉, MCPM 및 β-TCP 분말의 조합된 양)은 미립자 조성물 총 중량에 대해 약 3 내지 약 30 중량%의 농도, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 20 중량%의 농도, 가장 바람직하게는 약 15 중량%의 농도로 존재할 것이다. MCPM 및 β-TCP의 상대량은, 브루샤이트-형성 반응에서 그들의 동등몰 (equimolar), 화학량론적 관계에 기초하여 선택될 수 있다. 한 구현예에서, MCPM 분말은 미립자 조성물 총 중량에 대하여 약 3 내지 약 7 중량%의 농도로 존재하고, β-TCP는 약 3.72 내지 약 8.67 중량%의 양으로 존재한다.

MCPM 및 β-TCP 분말은 보관하는 동안 잔류 수분의 존재하에 너무 이르게 반응하여 브루샤이트 및/또는 브루샤이트의 바람직하지 않은 무수 유사물인 모네타이트 (monetite)를 형성한다는 것이 발견되었다. 따라서, 브루샤이트-형성 인산 칼슘 분말을 균질 혼합물 내에 함께 보관하면, 골이식 대용 시멘트를 형성하기 위해 미립자 조성물과 수용성 혼합 용액을 혼합할 때 생성되는 브루샤이트의 양의 감소를 초래하는데, 이는 골이식 대용 시멘트의 특성을 바람직하지 않은 방식으로 변하게 할 수 있다. 결과적으로, 바람직한 구현예에서, 2가지 인산 칼슘 성분은 건조한 환경에서 함께 포장하고 보관하는 동안 습기의 침투하지 못하도록 밀봉하거나 보관 동안 따로따로 포장한다. 한 구현예에서, 2가지 인산 칼슘 분말은 별도로 포장되는데, 각각의 분말은 본 발명의 미립자 조성물의 다른 성분 없이 단독으로 포장하거나, 하나 이상의 잔류 성분 (예: CSH 분말)과 함께 혼합하여 포장한다.

특정 구현예에서, 본 발명의 미립자 조성물은 β-TCP 분말의 중앙 입자 크기보다 큰 중앙 입자 크기를 갖는 복수의 β-TCP 과립도 포함할 것이다. β-TCP 과립은 일반적으로 약 75 내지 약 1,000 ㎛, 보다 바람직하게는 약 100 내지 약 400 ㎛, 가장 바람직하게는 약 180 내지 약 240 ㎛의 중앙 입자 크기를 갖는다. 과립은 골이식 대용 시멘트의 흡수 속도를 추가로 감소시키고 스캐폴드 형성에 기여하는 역할을 한다. β-TCP 과립은 일반적으로 미립자 조성물의 총 중량에 대하여 약 20 중량 %까지, 더욱 바람직하게는 미립자 조성물의 총 중량에 대하여 약 15 중량 %까지, 가장 바람직하게는 약 12 중량 %까지의 농도로 존재한다. 한 바람직한 구현예에서, β-TCP 과립은 약 8 내지 약 12 중량%의 농도로 존재한다. β-TCP 과립은 최종 시멘트 내에 비교적 불활성인 3상 (inert third phase)을 제공할 수 있으며, MCPM과 β-TCP 분말의 반응에 의해 형성되는 브루샤이트보다 더 느린 흡수 속도를 나타낸다. 따라서, 과립이 존재하면 결과물인 골이식 대용 시멘트의 흡수 프로파일을 더욱 변화시킬 수 있다.

본 발명에서 사용되는 β-TCP 과립 및 β-TCP 분말은 모두, Plasma Biotal Ltd. (Derbyshire, UK)로부터 구입할 수 있는 β-TCP 분말과 같은 상업적으로 입수 가능한 β-TCP 분말을 출발 물질로 이용하여 제조될 수 있다. 한 구현예에서, 미립자 조성물의 β-TCP 성분은, 우선 상업적으로 입수 가능한 β-TCP 분말을 볼 밀 (ball mill) 내에서 1.0 ㎛ 이하의 중앙 입자 크기로 습식 분쇄한 다음, 결과 슬러리를 스트레이너 (strainer)를 통해 배출하여 분쇄한 매질을 제거함으로써 제조된다. 그런 다음, 원심분리, 중력분리, 압착 여과, 증발 등과 같이 업계에 알려진 다양한 기술을 이용하여 남아 있는 액체 성분으로부터 β-TCP 고체 케이크를 분리할 수 있다. 다음, 건조된 케이크를 일련의 체를 통과시켜 처리함으로써 다른 중앙 입자 크기를 갖는 2가지 별도의 β-TCP 성분을 생성한다. 건조된 β-TCP 케이크는 일반적으로 케이크를 분해 (fragment)하기 위하여 체를 통과하는 동안 또는 체를 통과하기 전에 분쇄된다. 한 바람직한 구현예에 의하면, 체 시스템은 약 125 내지 약 355 ㎛의 입자 크기 범위를 갖는 β-TCP 성분을 녹색 (즉, 소성되지 않은 (unfired)) 상태로 제조하고, 75 내지 약 355 ㎛의 입자 크기 범위를 갖는 다른 β-TCP 성분을 녹색 상태로 제조한다. 그 후, 2가지 β-TCP 성분을 로 (furnace)에서 열처리에 의해 소결함으로써 치밀화한다. 한 구현예에서, 로 처리는 β-TCP 분말 성분을 알루미나 플레이트에서 약 1100-1200 ℃ 온도로 약 3시간 동안 가열하는 것을 포함한다. 분당 5-6 ℃보다 크지 않은 속도로 온도를 바람직한 소결 온도까지 상승시키고, 냉각 기간 동안 상기 속도로 온도를 내리는 것이 일반적이다.

소결 과정에 이어서, 약 125 내지 약 355 ㎛의 녹색 상태 입자 크기를 갖는 치밀화된 β-TCP 과립이 미립자 조성물의 과립 성분으로 사용될 수 있다. 약 75 내지 약 355 ㎛의 녹색 (즉, 소성되지 않은) 상태 입자 크기를 갖는 소결된 β-TCP 과립은, 중앙 입자 크기가 약 20 ㎛ 이하인 β-TCP 분말을 형성하기 위하여 대략 1 내지 4시간 동안 볼 밀에서 건식 분쇄될 수 있고, 그런 다음 전술한 바와 같이 미립자 조성물 내에 사용될 수 있다.

본 발명의 미립자 조성물과 혼합되는 수용성 성분은, 상기 조성물에 바람직한 농도 (consistency) 및 경화 또는 응결 시간을 제공하기 위하여 선택된다. 일반적으로, 수용액은, 적어도 약 0.2, 보다 바람직하게는 적어도 약 0.21, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 0.23의 액체 대 분말 질량률 (liquid to powder mass ratio: L/P)을 달성하기에 필요한 양으로 제공된다. 바람직한 L/P 비율 범위는 약 0.2 내지 약 0.3, 더욱 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.25이다.

적당한 수용성 성분의 예에는 물 (예: 멸균수) 및 그의 용액이 포함되며, 선택적으로 염화 나트륨, 염화 칼륨, 황산 나트륨, 황산 칼륨, EDTA, 황산 암모늄, 아세트산 암모늄 및 아세트산 나트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함한다. 한 바람직한 구현예에서, 사용되는 수용성 혼합 용액은 염수 용액 (saline solution) 또는 인산염 완충 염수 용액이다. 수용액의 예는 Baxter International (Deerfield, IL) 및 다른 곳으로부터 입수 가능한 0.9% NaCl 염수 용액이다.

한 구현예에서, 수용액은 하나 이상의 유기 또는 무기 카르복시산-함유 화합물 (이하 카르복시산 또는 카르복시산 화합물이라 함)을 추가로 포함하는데, 이때 카르복시산은 알파 탄소에 히드록시기를 함유하거나 함유하지 않을 수 있고, 선택적으로, 적절한 염기를 이용하여 중성 pH로 적정될 수 있으며 (예: 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨과 같은 알칼리 금속 염기를 이용하여 약 6.5 내지 약 7.5의 pH로 중화), 혼합되면 골이식 대용 시멘트의 물 요구량, 유동성 및/또는 점도를 변경시킬 수 있다. 카르복시산의 예로는 글리콜산 및 젖산을 들 수 있다. 바람직한 카르복시산은 1개의 카르복시기를 가지고, 1 내지 약 10개의 총 탄소 원자 (예: 카보닐 탄소를 포함하여 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10개의 탄소 원자) 및 탄소 체인에 부착된 0-5 히드록시기 (예: 0, 1, 2, 3, 4 또는 5)를 갖는다. 한 구현예에서, 혼합 용액은 NaOH를 이용하여 pH 7.0으로 중화된 0.6 M의 글리콜산 용액이다. 여기서 카르복시산 화합물이라 함은 유리산 또는 염 형태를 모두 포함한다.

실시예 3에서 나타낸 바와 같이, 감마선 멸균 전에 수용액 내에 카르복시산 성분이 존재하면, 광 노출에 의해 산이 열화됨으로 인한 시멘트 응결 시간의 "드리프트 (drift)"와 같이 골이식 대용 시멘트가 조화롭지 못하게 (inconsistent)될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 한 바람직한 구현예에서, 수용성 혼합 용액과 관련하여 전술한 카르복시산 화합물은 키트의 남아 있는 미립자 성분과 함께, 용액 중에서보다는 하나 이상의 다른 분말 성분과의 혼합물로 또는 별도 용기 내에서 결정 분말 (예: 유리산 또는 염 형태)로 포장된다. 산 성분을 분말 형태로 사용하면 상기 조성물을 감마선으로 멸균할 때 산의 열화를 피할 수 있다. 아니면, 카르복시산이 용액 내에서 멸균 조사에 노출되지 않도록 용액이 조사에 의해 멸균된 후에 카르복시산 성분을 멸균 용액에 첨가한다.

한 구현예에서, 본 발명에서 사용되는 카르복시산은 예를 들면 전술한 알칼리 금속 염기를 이용하여 용액 내에서 약 6.5 내지 약 7.5의 pH로 중화된 다음, 용매 (예: 물)를 증발시켜 결정 분말로 단리된다. 결정 분말은 일반적으로 알칼리 금속염 형태 (예: 리튬, 나트륨 또는 칼륨염)와 같은 염 형태로 단리된다. 본 발명에서 사용되는 염 형태의 카르복시산 건조 결정 분말은 글리콜산 나트륨, 글리콜산 칼륨, 젖산 나트륨 및 젖산 칼륨을 포함한다. 분말화된 카르복시산염은, CSH 성분 또는 인산 칼슘 성분 중 어느 하나와 같이 골이식 대용 시멘트의 미립자 부분을 함께 형성하는 다른 분말 성분에 첨가될 수 있다. 그러나 특정 구현예에서, 수용액과 조성물의 남아 있는 미립자 성분을 혼합하기 전에 분말화된 카르복시산이 수용액으로 환원될 (reconstituted) 수 있도록, 분말화된 카르복시산은 별도의 용기 내에 저장된다.

본 발명의 골이식 대용 시멘트는 해당 업계에서 알려진 다른 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 첨가제는 본 발명의 미립자 조성물 또는 수용성 혼합 용액에 고체 또는 액체로 첨가될 수 있다. 황산 칼슘 조성물용 첨가제의 한 예는 상기 조성물의 농도 및 응결 시간을 변경시키기 위해 디자인된 가소제이다. 이러한 가소제 성분은 황산 칼슘 반수화물 페이스트의 응결을 지연시킴으로써 이어지는 수용액과의 혼합시 조성물이 응결하는데 걸리는 시간을 증가시킬 수 있다. 가소제의 예에는 글리세롤 및 다른 폴리올, 비닐 알코올, 스테아린산, 히알루론산, 셀룰로오스 유도체 및 그들의 혼합물이 포함된다. 가소제 성분으로는 알킬 셀룰로오스가 특히 바람직하다. 알킬 셀룰로오스의 예로는 메틸히드록시프로필셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 및 그들의 혼합물 또는 염이 있다.

첨가제의 예에는 생물학적 활성제도 포함된다. 여기서 사용된 바와 같이, "생물학적 활성제"라는 용어는 생체내 또는 시험관내 (in vitro)에서 입증될 수 있는 특정 약학적 효과를 제공하는 물질 또는 혼합물의 임의의 약제 (agent), 약물 (drug), 화합물, 조성물을 가리킨다. 생물학적 활성제의 예는 펩티드, 단백질, 효소, 소분자 약물, 염료, 지질, 뉴클레오시드, 올리고뉴글레오티드, 폴리뉴클레오티드, 핵산, 세포, 바이러스, 리포좀, 미세입자 (microparticle) 및 미셀 등이 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 생물학적 활성제는 환자에게 국소 (localized) 또는 전신 (systemic) 효과를 내는 약제를 포함한다.

특히 바람직한 생물학적 활성제의 부류는 골유도성 또는 골전도성 물질, 항생제, 화학요법제, 살충제 (예: 항균제 및 구충제), 항바이러스제, 항염증제 및 진통제를 포함한다. 항생제의 예는 시프로플록사신, 테트라사이클린, 옥시테트라사이클린, 클로로테트라사이클린, 세파로스포린, 아미노글리코시드 (예: 토브라마이신, 케나마이신, 네오마이신, 에리스로마이신, 반코마이신, 겐타마이신 및 스트렙토마이신), 바시트라신, 리팜피신, N-디메틸리팜피신, 클로로마이세틴 및 그들의 유도체를 포함한다. 화학요법제의 예는 시스-백금, 5-플루오로우라실 (5-FU), 탁솔 및/또는 탁소테레, 이포스파미드, 메토트렉세이트 및 염산 독소루비신을 포함한다. 진통제의 예는 염산 리도카인, 비피바카인 및 케토로락 트로메타민과 같은 비스테로이드성 항염증 약물을 포함한다. 항바이러스제의 예는 간시클로버, 지도부딘, 아만티딘, 비다라빈, 리바라빈, 트리플루리딘, 아시클로버, 디데옥시우리딘, 바이러스 성분에 대한 항체 또는 유전자 산물, 사이토킨 및 인터류킨를 포함한다. 구충제의 예는 펜타미딘이다. 항염증제의 예는 α-1-안티-트립신 및 α-1-안티키모트립신을 포함한다.

유용한 항균제는 참조로서 전체가 본 명세서에 병합된 미국 특허 제3,717,655호에 기재된 디플루칸, 케타코니졸, 니스타틴, 글리세오플루빈, 마이코스타틴, 미코나졸 및 이들의 유도체; 클로로헥시딘과 같은 비스디구아나이드 (bisdiguanide); 및 더욱 구체적으로는 참조로서 전체가 본 명세서에 병합된 미국 특허 제3,228,828호에 기재된 도미펜 브로마이드, 도미펜 클로라이드, 도미펜 플루오라이드, 벤잘코늄 클로라이드, 세틸 피리디늄 클로라이드, 데쿠알리늄 클로라이드 (dequalinium chloride), 1-(3-클로알릴)-3,5,7-트리아자-1-아조니아아다만테인 클로라이드의 시스 이성질체 (Dowicil 200 이라는 상표로 Dow Chemical Company로부터 상업적으로 입수 가능) 및 그의 유사체, 참조로서 전체가 본 명세서에 병합된 미국 특허 제2,170,111; 2,115,250; 및 2,229,024호에 기재된 것과 같은 벤제토늄 클로라이드 및 메틸벤제토늄 클로라이드에 더하여 세틸 트리메틸 암모늄 브로마이드와 같은 4차 암모늄 화합물; 3,4,4'-트리클로로카바닐라이드 및 3,4,5-트리브로로살리실아닐라이드와 같은 카바닐라이드 및 살리실아닐라이드; 디클로로펜, 테트라클로로펜, 헥사클로로펜 및 2,4,4'-트리클로로-2'-히드록시디페닐에테르와 같은 히드록시디페닐; 및 징크 피리티온, 실버 설파디아존, 실버 우라실, 요오드 및 참조로서 전체가 본 명세서에 병합된 미국 특허 제2,710,277호 및 제 2,977,315호에 기재된 것과 같은 비이온성 계면활성제로부터 유도되고, 또한 참조로서 전체가 본 명세서에 병합된 미국 특허 제2,706,701호, 제2,826,532호 및 제 2,900,305호에 기재된 것과 같은 폴리비닐피롤리돈으로부터 유도된 요오드포 (iodophores)와 같은 유기금속 및 할로겐 소독제를 포함한다.

여기서 사용된 바와 같이, "성장 인자"라는 용어는 다른 세포, 특히 결합조직 전구 세포의 성장 또는 분화를 조절하는 모든 세포 생성물 (cellular product)을 포함한다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 성장 인자는 섬유아세포 성장 인자 (예: FGF-1, FGF-2, FGF-4); PDGF-AB, PDGF-BB 및 PDGF-AA를 포함하는 혈소판-유래 성장 인자 (PDGF); BMP-1 내지 BMP-18 중 어느 하나와 같은 골 형태발생 단백질 (BMPs); 골형성 단백질 (예: OP-1, OP-2 또는 OP-3); 변형 성장 인자-α, 변형 성장 인자-β (예: β1, β2 또는 β3); LIM 광화 단백질 (mineralization protein) (LMPs); 유골-유도 인자 (OIF); 엔지오제닌; 엔도텔린; 성장 분화 인자 (GDF's); ADMP-1; 엔도텔린; 간세포 성장 인자 및 각질세포 성장 인자; 오스테오제닌 (골 형태발생 단백질-3); HBGF-1 및 HBGF-2와 같은 헤파린-결합 성장 인자 (HBGFs); 인디언, 소닉 및 데저트 헤지호그를 포함하는 헤지호그과 단백질; IL-1 내지 -6을 포함하는 인터류킨 (IL); CSF-1, G-CSF 및 GM-CSF를 포함하는 콜로니-자극 인자 (CSF); 상피세포 성장 인자 (EGFs); 인슐린-유사 성장 인자 (예: IGF-I 및 -Ⅱ); 탈회된 골 기질 (DBM); 시토킨; 오스테오폰틴; 오스테오넥틴; 및 전술한 단백질의 모든 이소폼 (isoform)을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 미립자 DBM은 바람직한 골유도성 첨가제이다.

생물학적 활성제는 항체도 될 수 있다. 적합한 항체의 예를 들면, STRO-1, SH-2, SH-3, SH-4, SB-10, SB-20 및 알칼리성 인삼염에 대한 항체를 포함한다. 이러한 항체들은 Haynesworth et al., Bone (1992), 13:69-80; Bruder, S. et al., Trans Ortho Res Soc (1996), 21:574; Haynesworth, S.E., et al., Bone (1992), 13:69-80; Stewart, K., et al., J Bone Miner Res (1996), 11 (Suppl.):S142; Flemming J E, et al., in "Embryonic Human Skin. Developmental Dynamics", 212:119-132, (1998); 및 Bruder S P, et al., Bone (1997), 21(3):225-235 에 기재되어 있으며, 상기 문헌은 전체가 본 명세서에 참조로서 병합된다.

생물학적 활성제의 다른 예로는 골수 천자액 (bone marrow aspirate), 혈소판 농축액, 혈액, 타가이식골, 다공질 골편, 인산 칼슘 또는 탄산 칼슘과 같은 합성으로 유도된 또는 천연 유래의 미네랄 조각, 중간엽 줄기 세포, 및 황산 칼슘의 덩어리 (chunks), 파편 (shards) 및/또는 펠릿을 들 수 있다.

본 발명에 따른 골이식 대용 시멘트는, 해당 기술분야에서 알려진 수동 또는 기계적 혼합 기술 및 기구를 이용하여, 미립자 조성물과 수용액을 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 시멘트의 성분들은, 대기압 이하 (예: 진공하)의 압력 및 혼합물 중의 수용성 성분이 얼거나 많이 증발되지 않을 정도의 온도에서 혼합하는 것이 바람직하다. 이어지는 혼합시, 혼합물의 점도 및 유동성은 그 내부의 첨가제에 따라 달라질 수 있기는 하지만, 균질한 조성물은 일반적으로 페이스트-유사 농도를 갖는다. 골이식 대용 시멘트 물질은 예를 들면 뼈 결함의 갈라진 틈 (cracks)이나 보이드 (voids)를 메우기 위하여 주사기와 같은 전달 장치로 이동된 다음 타겟 위치로 주입될 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 물질은 예를 들면 최대 10 cm 길이의 11 내지 16-게이지 니들을 통해 주입될 수 있다.

본 발명의 골이식 대용 시멘트는 일반적으로 후술하는 비캣 니들 낙하 테스트 (Vicat needle drop test)에 정의한 바에 따르면 약 3 내지 약 25분 내에, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 20분 내에 응결한다. 일반적으로, 본 발명의 골이식 대용 시멘트는 약 30 내지 약 60분 내에 뼈에 필적하는 또는 그보다 큰 경도에 도달할 것이다. 상기 물질의 응결은 공기, 물, 생체내 및 많은 시험관내 조건 하를 포함하는 다양한 환경 중에서 일어날 수 있다.

경화된 골이식 대용 시멘트는 특히 간접 인장 강도 및 압축 강도로 특징 지워지는 특정 기계적 강도 특성을 바람직하게 나타낸다. 상기 시멘트의 바람직한 구현예는, 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후에 대기 중에서 1시간 동안 경화한 후의 간접 인장 강도가 적어도 약 4 ㎫을 나타내고, 더욱 바람직하게는 적어도 약 5 ㎫의 간접 인장 강도, 가장 바람직하게는 적어도 약 6 ㎫의 간접 인장 강도를 나타낸다. 더욱이, 골이식 대용 시멘트의 바람직한 구현예는 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후에 대기 중에서 24시간 동안 경화한 후의 간접 인장 강도가 적어도 약 8 ㎫을 나타내고, 더욱 바람직하게는 24시간 경화 후에 적어도 약 9 ㎫의 간접 인장 강도, 가장 바람직하게는 적어도 약 10 ㎫의 간접 인장 강도를 나타낸다.

골이식 대용 시멘트의 바람직한 구현예는 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후 대기 중에서 1시간 동안 경화한 후 적어도 약 15 ㎫의 압축 강도, 더욱 바람직하게는 적어도 약 40 ㎫의 압축 강도와 같이, 높은 수준의 압축 강도도 나타낸다. 더욱이, 골이식 대용 시멘트의 바람직한 구현예는 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후에 대기 중에서 24시간 동안 경화한 후의 압축 강도가 적어도 약 50 ㎫을 나타내고, 더욱 바람직하게는 적어도 약 80 ㎫의 압축 강도를 나타낼 것이다.

본 발명의 골이식 대용 시멘트는 또한, 실질적으로 전체가 황산칼슘으로 제조된 골이식 대용 시멘트에 비하여 매우 느린 용해 속도를 나타낼 것이다. 특정 구현예에서, 하기에서 매우 자세하게 기재되어 있는 바와 같이, 1일당 중량 손실의 평균 백분율로 나타내지고, 37℃ 증류수에서 3.3 mm 길이를 갖는 4.8 mm OD 펠릿의 침지에 의해 측정되는 평균 용해 속도가 황산 칼슘으로 이루어진 미립자 조성물을 이용하여 형성된 시멘트의 평균 용해 속도보다 적어도 약 25% 낮게 나타난다. 보다 바람직하게는, 본 발명의 골이식 대용 시멘트의 평균 용해 속도는 황산 칼슘 시멘트보다 적어도 약 30% 낮고, 가장 바람직하게는 적어도 약 35% 낮으며, 특정 구현예에서는 40% 이상이나 낮다. 하기 시험 과정을 이용하여 측정된 1일당 중량 손실의 평균 백분율로 나타내지는 용해의 바람직한 범위는 약 5% 내지 약 15%, 더욱 바람직하게는 약 7% 내지 약 13%이다. 언급된 평균 용해 속도는, 하기에 설명한 과정을 이용하여 결정된 0, 1, 2, 3 및 4일로부터의 데이터를 이용하여 1일당 중량 손실 %의 선형 회귀 (linear regression)에 의해 결정된다.

본 발명은 또한 본 발명의 미립자 조성물을 포함하는 골이식 대용 키트를 제공한다. 일반적으로, 상기 키트는 전술한 미립자 조성물을 싸고 있는 하나 이상의 용기 및 멸균 수용액을 싸고 있는 별도의 용기를 포함한다. 상기 키트는 일반적으로 키트의 사용 방법을 기재한 서면 지시 세트를 포함할 것이다. 또한, 본 발명의 골이식 대용 키트는 진공 혼합 기구와 같은, 골이식 시멘트를 제조하기 위해 미립자 조성물과 수용액을 혼합하는 기구를 바람직하게 포함할 것이다. 추가로, 상기 키트는 주입 장치 (예: 니들 및 주사기)와 같은, 골이식 시멘트를 뼈 결함 부위에 전달하는 장치를 일반적으로 포함할 것이다. 미립자 조성물 및 멸균 수용액은 일반적으로, 키트 내에 포장하기 전에 조사에 의해 멸균될 것이다.

전술한 바와 같이, 특정 구현예에서, 본 발명의 키트는 보관중 반응을 피하기 위해서 2개의 인산 칼슘 분말 성분을 다른 용기 내로 분리할 것이다. 이러한 목표를 달성할 수 있는 포장 구성 (packaging configuration)은 많다. 예를 들면, 한 구현예에서, 상기 키트는 CSH 분말용 하나의 용기, β-TCP 분말용 하나의 용기 및 MCPM 분말용 하나의 용기를 포함한다. 다른 구현예에서, 상기 키트는 미립자 조성물용으로 2개의 용기를 포함하는데, 하나의 용기는 β-TCP 분말 및 일부의 CSH 성분을 포함하고, 다른 하나의 용기는 MCPM 분말 및 일부의 CSH 성분을 포함한다. 또 다른 구현예에서, MCPM 분말은 그 자체로 별도의 용기에 포장되고, β-TCP 분말 및 CSH 분말은 함께 포장된다. 또 다른 구현예에서, β-TCP 분말은 그 자체로 별도의 용기에 포장되고, MCPM 분말 및 CSH 분말은 함께 포장된다. 상기 구현예에서, 모든 분말 용기는 카르복시산 염 성분의 결정성 분말 및/또는 β-TCP 과립을 추가로 포함할 수 있으며, 또는 이들 성분은 그들 자신의 용기에 별도로 포장될 수 있다. CSH에서 CSD로의 전환을 촉진하는데 적합한 촉진제가 존재한다면, 이 촉진제는 일반적으로 CSH 분말과의 혼합물 내에 있다. 한 바람직한 구현예에서, 상기 키트는 MCPM 분말을 싸고 있는 제1 용기, 및 CSH 분말, CSH 촉진제, β-TCP 분말, β-TCP 과립 및 카르복시산 결정성 분말 중 하나 이상과 같은 혼합물 내 남아 있는 미립자 성분을 싸고 있는 제2 용기를 포함한다.

한 바람직한 구현예에서, 카르복시산의 분말화된 형태는, 남아 있는 미립자 성분과 수용액을 혼합하기 전에, 필요하면, 수용액 내에서 환원될 수 있도록 별도로 포장된다. 그러나 전술한 바와 같이, 카르복시산이 키트의 수용성 성분의 방사선 멸균 후에 첨가되면 상기 키트의 수용액은 용액 형태 내에 카르복시산 성분을 함유할 수도 있다.

일정한 응결 시간을 달성하는 것을 확실히 하기 위해서 키트 내에 포장된 수용액 모두를 이용하는 것이 중요할 수 있다. 한 구현예에서, 상기 수용액은 유리 주사기 또는 다른 유리 용기와 같이 매우 소수성인 용기 내에 포장되는데, 이런 용기는 잔류 용액이 골이식 대용 시멘트의 성능 특성의 변화를 일으킬 정도의 양으로 보유되기가 쉽지 않다.

본 발명은 뼈 결함의 치료방법도 제공한다. 본 발명의 치료 방법은 전술한 골이식 대용 시멘트를 뼈 결함 부위에 적용하는 것을 포함한다. 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후 조성물이 응결하기 전에, 골이식 대용 시멘트는 주입 장치 등을 통과하여 흐를 수 있는 형태로 적용될 수 있다. 아니면, 골이식 대용 시멘트는 펠릿, 과립, 웨지, 블록 또는 디스크와 같은 소정의 형상으로 미리 주조되어 경화된 형태로 사용되거나, 시멘트 덩어리를 작은 조각들로 기계적으로 부수어 제조되는 임의-형상의 파편 형태로 사용될 수 있다. 추가 구현예에서, 임상의는 골이식 시멘트 혼합물을 형성하여, 적용하기 전에 특정 뼈 결함을 충전하기에 필요한 형상과 같은 원하는 형상으로 상기 혼합물을 수동으로 몰딩할 수 있다.

다른 구현예에서, 본 발명의 골이식 대용 시멘트는 관절 대체 (joint replacement)용으로 적합한 임의의 다양한 장치와 같은 정형외과 임플란트로 병합될 수 있다. 상기 골이식 대체 시멘트는 일반적으로, 외부 코팅으로 또는 상기 장치의 다공성 외부 성분의 기공내 충전 물질로 상기 장치에 병합된다. 이 구현예에서, 상기 골이식 대용 시멘트는 임플란트된 장치 주변 영역에서 뼈 내부성장을 용이하게 한다. 정형외과 임플란트의 예는 무릎 대체 장치 (예: 구속형 (constrained) 또는 비-구속형 무릎 대체 장치, 무릎 힌지 장치 (hinged knee device), 금속 플라토 (plateau) 무릎 장치 및 슬개골 장치), 엉덩이 대체 장치 (예: 관골구 성분 및 대퇴골 성분), 팔꿈치 대체 장치 (예: 구속형, 반-구속형 및 비-구속형 장치), 상 대퇴골 장치, 상완골 장치, 손목 대체 장치 (예: 반-구속형 2- 및 3-파트 관절 장치), 어깨 장치, 수동 건 (passive tendon) 장치, 척추 장치 (예: 흉요부 척추 고정 장치, 경추 고정 장치 및 척추 융합 케이지 (spinal fusion cages)), 손가락/발가락 장치 및 골간 장치를 포함한다.

본 발명을 일반적인 용어로 기술하는데 있어, 하기와 같은 첨부 도면을 참조로 한다:

도 1은 고해상도 레이저 회절에 기초한 이봉 입자 크기 분포 플롯의 개념을 나타낸 그래프이다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c는 간접 인장 강도 견본 주형 (mold)의 예를 나타낸 도면으로서, 도 2a는 평면도 및 저면도, 도 2b는 측면도, 도 2c는 정면도 및 배면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 골이식 시멘트와 상업적으로 입수 가능한 황산 칼슘 시멘트의 간접 인장 강도를 비교한 그래프이다.

도 4는 상업적으로 입수 가능한 황산 칼슘 시멘트와 비교하여 본 발명에 따른 골이식 시멘트의 시험관내 용해 특성을 나타낸 그래프이다.

도 5는 감마선 조사되지 않은 결정 글리콜산 및 감마선 조사된 결정 글리콜산을 이용하여 제조된 용액의 적정 곡선을 나타낸 그래프이다.

본 발명을 하기 비제한적인 실시예에 의해 추가로 설명할 것이다.

실험 관련

실시예 1은 본 발명의 골이식 대용 시멘트의 생체내 이용을 설명하며, 특히 본 발명의 조성물에 의해 나타나는 감소된 흡수 속도 (황산 칼슘 조성물과 비교하여), 우수한 기계적 특성, 및 허용가능한 응결 시간을 기재한다. 실시예 2는 기존의 CaSO₄ 펠릿을 이용한 때와 비교하여, 본 발명의 조성물의 구현예가 회복된 뼈의 양, 강도 및 강성 (stiffness)을 증가시키는 능력을 보여준다. 실시예 3은 용액 내 글리콜산에 대한 감마선의 감소 효과 (degradation effect) 및 골이식 대용 시멘트의 응결 시간 감소 효과를 보여준다. 실시예 4는 미립자 조성물 내에 글리콜산 염 형태가 있으면 특정 조작 및 기계적 강도 특성과 같은 다른 유리한 특성을 희생시키지 않고 골이식 대용 시멘트의 성능에 대한 방사선의 효과를 감소시킨다는 것을 보여준다.

응결 시간 측정

응결 시간은 지름 1 mm, 길이 5 cm, 총중량 300g (모두 본 명세서에 참조로서 전체가 병합된 ASTM C-472에 의한 것임)인 비캣 니들을 이용하여 측정할 수 있다. 테스트할 샘플은 균질하고 흐를 수 있는 페이스트가 제조되는 방식으로 혼합되어야 한다. 비캣 니들 낙하 테스트용 샘플 크기는 대략 20 mL 폴리에틸렌 컵 내의 케이크로 가볍게 쳐 내리는 (tapped down) 약 3 cc 내지 약 5 cc의 물질이고; 샘플은 비캣 니들의 낙하 및 제거를 제외하고 수용액이 미립자 조성물과 접촉한 1분 후에 물질에 어떠한 교반도 가해지지 않도록 조작되어야 한다. 상기 컵은 상기 케이크가 높이 약 1/4" 내지 약 3/8"로 측정되는 짧고 평평한 원통인 치수이어야 한다.

비캣 니들 낙하 테스트에 따른 응결 시간은 수용액이 미립자 조성물에 접촉한 시간 및 비캣 니들이 샘플 상부 표면으로부터 낙하될 때 시멘트 샘플 높이의 50%를 통과하지 못한 시간 사이에 경과된 시간의 양으로 정의된다. 니들은 원통형 샘플 케이크의 최상부 및 바닥의 평평한 면에, 그 자신의 중량 하에서, 오로지 중력 하에서, 수직한 선으로 떨어지는 것이 허용된다. 니들은 첫 번째 낙하 이후 매 30초마다 낙하된다. 니들은 테스트를 지속하는 동안 6번 이상 낙하되지 않는다. 만약 니들이 6번째 낙하 이후에 샘플 높이의 50% 이상을 계속하여 통과한다면, 새로운 물질; 새것이고 깨끗한 컵; 및 특히 이전 테스트 이후에 남아 있는 잔해 (debris)가 없는 깨끗한 비캣 니들을 이용하여 상기 시험을 반복해야 한다. 컵, 혼합 설비 및 물질 이동 설비는 재사용되어서는 안 된다. 테스트 동안 사용되는 모든 물질 및 설비는 21-27℃의 온도에 있어야 하고, 20-50%의 상대 습도를 갖는 환경에 노출되어야 한다.

압축 강도 측정

물질의 압축 강도는 하기 테스트 방법론을 통해 결정된다. 8개 견본 용량을 갖는 스테인리스 스틸 분할 주형 (split mold)을 이용하여, 본 명세서에 그 전체가 참조로서 병합된 ASTM F451에 의한 크기 (외경 6 mm × 길이 12 mm)로 견본을 주조한다.

분할 주형은 원통형 보이드, 견본 슬롯 (slots), 스탠딩 업라이트 (standing upright)를 갖는 유리판 위에 배치된다. 물질을 혼합한 후, 물질을 슬롯 내부로 운송하는 장치로 밀어 넣는데, 이때 되메우기 방법 (back filling method)이 사용될 수 있으며; 잠시디 유형 (jamshidi-type)의 니들을 갖는 주사기가 보통 사용된다. 각 견본 슬롯은 되메우기 방식으로 바닥부터 최상부까지 채워진다. 과잉의 물질이 분할 주형의 용적 이상으로 압출되어 나오도록 주형을 과도하게 채우는 것이 통상적이며, 이는 견본 슬롯 내에 잡혀있는 공기를 없애는 것을 확실하게 한다. 유리판과 주형 사이에서, 물질이 견본 슬롯의 바닥으로부터 압출되는 것을 막기 위하여 주조하는 동안 주형을 유리판을 향하여 아래쪽으로 유지할 필요가 있다.

각 견본 슬롯을 채울 때 다른 유리판을 주형 최상부에 위치한 과잉의 물질 위로 손으로 밀면, 견본 및 분할 주형 그 자체의 최상부를 가로질러 얇은 플래싱 (flashing) 시트가 생성된다. 상기 유리판은 물질이 경화되는 과잉의 압축력 또는 가압된 환경을 발생시키지 않는 크기이다. 모든 견본들은 주조되고 수용액이 미립자 성분과 접촉된 2분 이내에 플래싱이 발생된다.

수용액이 미립자 성분과 접촉하게 된 30분 후에 상기 견본은 탈형된다. 우선 견본의 면을 포함하는 분할 주형의 양측으로부터 플래싱이 제거되고; 주조시 하부 유리판에 대해 유지되어 있는 주형과 무관하게, 주형의 하부 면에 플래싱 박막이 생성된다. 보통, 플래싱을 벗겨내고 견본에 부드러운 면을 생성하는데 면도날을 사용한다. 분할 주형은 분리되고 견본은 제거된다. 수용액이 미립자 성분과 접촉하게 된 32분 내에 모든 견본은 제거되야 한다. 견본을 제거할 때, 이들은 테스트시까지 실내 조건의 공기 중에서 (21-27℃; 상대 습도 20-50%) 계속 경화될 수 있도록 허용되어야 한다.

물질의 테스트는 수용액이 미립자 성분과 접촉하게 된 소정의 시간 후에 수행된다. 보통, 테스트는 1시간 및 24시간에서 수행된다. 테스트는, 그 전체가 본 명세서에 참조로서 병합된 ASTM D695에 의한 압축 테스트 시설로 수행된다. 압축 시험 시설은, 50 Hz보다 빠르게 운전하여 얻어진 데이터를 통하여 변위 (displacement) 제어 및 변위와 힘을 모니터할 수 있는 기계적 테스트 프레임 위에 설치된다.

견본은 압축 테스트 프레임 상에서 개별적으로 테스트된다. 견본은, 원통 면이 압반 (platen) 반대 방향에 위치하도록 하는 방식으로 압반 사이에 위치한다. 견본을 함유한 압축 테스트 프레임은 파손 (failure)될 때까지 0.333 mm/초의 속도 로 압축 하중이 부여된다. 테스트 내내 힘 및 이동을 모니터하고, 파손시 최대 힘을 기록한다. 적당한 파손은 견본의 높이를 가로지르는 파쇄 (fracture)가 될 것이다. 파손시 최대 압축력을 기록한다. 파손은 하중시 갑작스러운 낙하 (drop), 견본의 하중에 의해 생성되는 초기 슬로프로부터 하중 곡선의 벗어남 (deviation) 및/또는 견본의 시각적인 파손시 기록된 힘으로 정의된다.

다음, 압축 강도 (㎫)는 하기와 같이 계산된다:

(Pmax)/(π*R²);

여기서, Pmax는 파손시의 하중 (Newtons), π는 대략 3.14, R은 견본의 반지름 (mm) (3)이다.

압축 강도 견본 제조시, 사용되는 모든 설비는 모든 잔해, 특히 대상이 되는 경화된 물질의 잔해로부터 청결해야 한다는 것이 중요하다.

간접 인장 강도 측정

간접 인장 강도는 하기 테스트 방법론을 통해 결정된다. 약 5/8 in. (15.8 mm) 외경을 갖는 원통형 보이드 및 측면 제거용 노치 (notch)를 갖는 10 lb/ft³ 의 폐쇄-기포 (closed-cell) 폴리우레탄 폼 (General Plastics Manufacturing Company, Tacoma, WA로부터 Last-A-Foam®으로 입수 가능)의 1" 정육면체가 견본 주형으로 사용한다. 약 5/8 in. 외경의 원통형 보이드는, 5/8 in. 드릴 비트 (drill bit)를 이용한 드릴 프레스로 한 번 눌러 상기 정육면체의 반대 면을 통과하여 수직으로 뚫음으로써 생성된다. 상기 보이드는 상기 정육면체의 전체 길이에 걸쳐 있으며 중앙에 위치하여, 양쪽 반대측의 뚫린 면은 뚫릴 때 생긴 원형 보이드와 동일한 중앙부를 공유한다. 남아있는 4개의 구멍이 뚫리지 않은 측면으로부터 2개의 반대측은 최종 견본의 개구측 (opening side)이 되도록 지정되며; 이들 면은 노치를 통해 제거될 것이다. 이들 측면은, 테스트 직전에 제거되고 샘플 통일성 (integrity)에 영향을 미치지 않는 방식으로 측면당 2개의 노치로 새겨진다 (notched). 상기 노치는 상기 정육면체의 전체 길이에 걸쳐 있으며, 제거시 견본 높이의 50% 이상 (>50%)이 노출되는 방식으로 분리된다. 보통, 노치는 직립 띠톱 (upright band saw)을 이용하여 생성된다. 도 2a 내지 도 2c는 간접 인장 테스트 주형 (20)의 예를 도시한다. 도 2a는 상기 주형 (20)의 평면도 및 저면도이다. 도 2b는 상기 주형 (20)의 측면도이다. 도 2c는 상기 주형 (20)의 정면도 및 배면도이고, 그 내부에 외경이 16 mm인 원통형 보이드 (30)가 보인다.

테스트될 물질을 균질한 페이스트로 혼합하여 이 페이스트를 외경이 16 mm인 원통형 보이드로 주입하기에 적합한 장치로 밀어넣는다. 보통, 이를 위해 1 cm 개구부를 갖는 30 cc 주사기가 사용된다. 반대의 노칭된 측면에 위치한 엄지와 중지를 이용하여 손으로 상기 주형을 잡는다. 손의 검지를 이용하여 상기 주형의 원형 개구부 중 하나가 위쪽으로 위치하도록 잡는다. 다음, 물질은 검지로부터 보이드의 반대측으로부터 보이드 내로 주입되고; 1 cm 개구부를 나타내는 주사기의 전체 면을 주형의 원형 개구부에 대하여 가볍게 누른다. 물질을 주형 내로 주입하면, 배출되는 물질로부터 뒤쪽 개구부를 덮는 압력이 검지 위에 느껴질 것이다. 페이스트가 보이드와 동일한 16 mm의 외경으로 압출되어 주형의 뒤쪽으로부터 흘러나오 도록 하면서, 충전이 계속되는 동안 검지를 천천히 뗀다. 주사기로부터 추가 배출을 통하여 전체 보이드가 채워지고 과잉의 물질이 최초의 정육면체 폼의 용적 밖에 위치할 때까지 페이스트의 되메우기가 수행되는 동안 주사기를 앞쪽 개구부로부터 천천히 뗀다. 견본의 전면 및 후면을 부드럽게 닦고, 스패튤러를 이용하여 주형의 전면 및 후면을 평평하게 한다 (flush). 모든 견본은 수용액이 미립자 조성물과 접촉하게 되는 것으로 정의되는 혼합 시작으로부터 2분 내에 만들어져야 한다.

견본은 주형의 전면과 후면이 실온에서 소정 량의 시간, 보통 1시간 또는 24시간 동안 노출되도록 주형 내 공기 중에서 수평 상태로 경화될 수 있도록 한다 (21-27℃; 상대 습도 20-50%). 상기 소정 량의 시간은 혼합 과정 시작시에 수용액이 미립자 조성물과 접촉하게 되는 시간에서 시작된다.

테스트는 20 Hz보다 빨리 운전하여 얻어진 데이터를 통하여 변위 제어 및 변위와 힘을 모니터할 수 있는 기계적 테스트 프레임 상에서 수행된다. 견본 주형의 측면은 테스트 직전에 제거되며; 노치 사이의 영역만이 제거된다.

측면의 제거는 보통 칼로 행한다. 주형의 최상부 및 바닥을 2개의 손가락 사이에서, 견본 표면과 주형의 계면 손상을 막기 위하여 약간의 압력으로 잡는다. 칼날을 노치 중 하나의 속에 넣은 다음, 노치 사이의 영역을 자유롭게 파괴하기 위하여 뒤튼다; 이것을 동일한 방식으로 다른 측면에 대해 반복한다. 몰드의 최상부 및 바닥은 견본을 유지하기 위한 위치에 두어 표면의 전단 응력을 방지한다. 견본은 2개의 평평하고 평행한 압반 사이에 위치하며; 이들 중 하나는 로딩 트레인 (loading train)과 정렬할 수 있도록 자유롭게 회전한다. 회전하는 압반은, 견본 접촉점을 가로지르는 하중이 동등하게 분포하는 것을 확실하게 한다. 견본은 파손시까지 5 mm/분의 속도로 가로로 하중이 부가된다. 적당한 파손이란 견본의 길이를 통하여 완전히 수직으로 파쇄되는 것일 것이다. 파손시의 최대 힘을 기록한다.

파손시 최대 힘을 결정하기 위하여 힘 대 이동의 하중 곡선을 생성하는데, 위치 및 힘은 양의 값이다. 하중 곡선의 제1 부분은 폼이 하중 부가에 이어 압축되는 것을 보여준다. 폼 부분의 압축은 힘의 실질적인 증가 없이 계속되는 이동에 의해 명확해 질 것이고; 이는 또한 테스트 동안 시각적으로 볼 수 있다. 상기 폼이 완전히 압축되면, 힘은 다시 증가하기 시작하고, 하중 곡선의 슬로프 증가가 발생하며, 뒤이어 하중이 견본으로 이동되면서 슬로프가 일정해 진다. 증가하는 슬로프는 보통 "토인 (toe in)"으로 알려져 있다. 파손은 하중의 갑작스러운 낙하, 견본 하중이 달성된 것에 의한 일정한 슬로프 후에 하중 곡선 슬로프의 감소 및/또는 테스트가 진행되는 동안 견본의 시각적인 파손시 기록된 힘으로 정의된다.

다음, 간접 인장 강도 (㎫)는 하기와 같이 계산된다:

(2*Pmax)/(π*L*H);

여기서, Pmax는 파손시의 하중 (Newtons), π는 대략 3.14, L은 견본의 길이 (mm) (25.4), 및 H는 견본의 높이 (mm) (16)이다. 견본은 다음에 기재하는 것 중 하나 이상이 발생하면 간접 인장 강도에 대해 부적격인 것으로 간주한다: 파쇄가 수직이 아닌 경우, 파쇄가 완전하게 견본의 길이만큼이 되지 않는 경우, 견본의 길이가 파손된 경우, 또는 견본의 파쇄된 벽면 상에서 물질 내 보이드가 보이는 경우.

간접 인장 강도 견본 제조시 사용되는 모든 설비는 모든 잔해, 특히 대상이 되는 경화된 물질의 잔해로부터 청결해야 한다는 것이 중요하다.

용해 속도 측정

물질의 용해 속도는 하기 방법론으로 결정된다. 견본은 실리콘 주형 내에서 4.8 mm 크기의 외경 및 3.3 mm의 높이를 갖는 원통형으로 주조된다. 원통형 보이드를 포함하는 3.3 mm 두께의 실리콘 시트가 주형으로 사용된다. 원통형 보이드는 4.8 mm의 외경 및 3.3 mm의 높이를 가지며, 보이드의 원형 면이 평행하고 상기 실리콘 시트의 표면과 동일한 평면에 있도록 배향된다.

얇은 폴리에틸렌 시트를 테이블 위에 놓는다. 폴리에틸렌 시트 상부에 폴리에틸렌 메시를 놓고; 시트와 메시를 동일한 치수로 하고 (두께 제외), 메시가 시트를 상부로부터 가리도록 위치시킨다. 다음, 더 작은 치수의 실리콘 주형을 상기 메시 상부에 놓는다 (두께 제외). 주형의 어떤 부분도 상기 메시나 시트의 가장자리로부터 떨어지지 않는다.

다음, 테스트될 물질을 함께 혼합하여 균질한 페이스트를 형성한다. 다음, 보이드가 물질로 충전되도록 하는 방식으로, 스패튤러를 이용하여 주형의 최상부를 가로질러 상기 페이스트를 문질러준다. 상기 주형이 채워질 때, 상기 메시는 공기가 보이드 밖으로 나오도록 한다. 상기 물질이 주형의 바닥을 완전히 통과하고, 메시를 통해 하부의 폴리에틸렌 시트로 압출되는 것을 확실하게 하기 위하여 문지기를 몇 차례 수행한다. 스패튤러를 이용한 주형의 최상부를 가로지르는 마지막 문지르기를 수행하여 대부분의 과잉 물질을 제거하고 견본용의 평탄한 최상부 면을 생성한다.

다음, 처음과 동일한 치수의 다른 폴리에틸렌 시트를 주형의 최상부를 가로질러 놓아, 주형의 최상부를 완전히 덮도록 한다. 다음, 상기 시트를 부드럽게 문지르는 동작으로 손가락을 이용하여 주형에 대하여 부드럽게 누른다. 최상부 폴리에틸렌 시트와 견본 사이에 친밀한 접촉이 발생한다.

다음, 모든 시스템 (시트, 메시, 주형 및 시트)을 전체로 집어 최초의 최상부가 아래로 가도록 뒤집는다. 주형 내에 잡혀 있는 공기가 물질에 의해 교체되도록 상기 시스템을 손으로 잡아 테이블 위로 반복적으로 치는데; 시스템을 치는 것은 힘이나 반복의 면에서 과도하지 않아야 한다. 대부분의 공기를 제거하면 상기 시스템을, 시트와 메시 측이 위로 되게 뒤집힌 배향으로 테이블 위에 되돌려 놓는다. 원래는 바닥이었던 최상부 폴리에틸렌 시트 및 메시를 제거하고, 다시 스패튤러를 이용하여 공기 제거로 생성된 견본의 최상부 (이전에는 바닥) 내의 보이드 내로 물질을 문지른다. 스패튤러를 이용한 주형의 최상부를 가로지르는 마지막 문지르기를 수행하여 대부분의 과잉 물질을 제거한다. 상기 시트 (메시 없음)를 주형의 최상부로 되돌려 놓는다. 다음, 상기 시트를 부드럽게 문지르는 동작으로 손가락을 이용하여 주형에 대하여 부드럽게 누른다. 최상부 및 바닥 폴리에틸렌 시트와 견본 사이에 친밀한 접촉이 발생한다.

두 번째 폴리에틸렌 시트가 견본 및 주형 (메시 없음)과 직접 접촉하도록 위치한 후 최소 8시간 동안 견본을 주형 내에 두어 경화시켰다. 적어도 8시간이 경과한 후에, 견본을 손으로 탈형하였다. 손가락 사이에서 견본을 굴림으로써 펠릿 면에 부착된 남아있는 플래시가 제거된다. 결함이 있는 모든 견본은 테스트로부터 부적격으로 간주하여 버린다. 결함이 있는 견본은 원통 형태를 나타내지 않는 견본으로 정의되는데, 이는 잡혀 있는 공기, 탈형시 생성된 결함 및/또는 견본 자체의 물리적인 손상에 의해 야기될 수 있다.

결함이 없는 모든 견본을 스테인리스 스틸 팬을 가로질러 단층으로 펼친다. 다음, 상기 팬 및 견본을 40℃ 오븐에서 최소 4시간 동안 건조하고, 오븐으로부터 제거하여 실내 조건 (21-27℃; 상대 습도 20-50%)에서 30분 동안 냉각시키도록 한다.

생성된 견본으로부터, 용해 테스트에 사용될 5개 견본을 임의로 선택한다. 선택된 각 견본을 하기 치수의 깨끗한 원통형 소결 유리 추출 골무 (fritted glass extraction thimble)와 짝을 짓는다: 전체 높이 90.25 mm, 골무 최상부로부터 80 mm에 위치한 4 mm 소결 유리 베이스 (40-60 ㎛ 기공), 외경 25 mm 및 내경 22 mm. 각 추출 골무의 질량이 측정되고 (0.01 mg) 기록된다. 폴리에틸렌 병 (300 mL)이 각 쌍 (견본 및 골무)에 지정된다. 상기 병은, 골무와 견본이 병 내부에 쉽게 위치하고 병으로부터 쉽게 제거될 수 있는 치수를 가지며, 275 mL의 물을 채우면 골무보다 높은 물기둥을 생성할 것이다. 상기 병은 실온에서 (21-27℃) 275 mL의 증류수로 채워진다. 견본을 대응하는 골무 내에 넣고, 그 골무를 병 내부로 낮추되; 물질의 어느 부분도 골무로부터 빠져나오지 않도록 주의한다. 상기 병에 덮개를 씌우고 교반 없이 37℃ 수조에 넣어 시간을 기록한다.

견본을 물에 넣은지 24시간 후에 견본을 포함한 골무를 회수한다. 소결 유 리 베이스를 통하여 물이 골무 밖으로 배출되도록 한다. 다음, 견본을 포함하는 골무를 40℃ 오븐에서 4시간 동안 또는 완전히 건조될 때까지 (중량측정에 의해 결정) 건조시켰다. 다음, 견본을 포함하는 골무를 실내 조건 (21-27℃; 상대 습도 20-50%)에서 30분 동안 냉각시키도록 한다.

다음, 펠릿 함유-골무를 0.01 mg 정확도로 칭량한다. 조합된 질량으로부터 알고 있는 빈 골무 질량을 빼면 견본 단독의 질량이 된다. 이 질량을 최초 견본 질량으로부터 빼면 용해로 손실된 질량이 나온다. 이 손실된 질량을 견본 초기 질량으로 나누고, 그 값에 100을 곱하면 용해로부터의 질량 손실 %가 구해진다.

이 시점에서 펠릿을 포함하는 골무를 실온 (21-27℃)에서 새로운 증류수 (275 mL)를 함유하는 병에 다시 넣고, 이 병에 덮개를 씌운 다음 수조에 되돌린다. 24시간 후에 건조와 칭량 과정을 반복한다. 이러한 과정을, 테스트가 끝날 때까지 또는 물질이 완전히 용해될 때까지 매 24시간 담그기 후에 새로운 증류수로 반복한다.

실시예 1

본 발명의 골이식 시멘트의 간접 인장 강도, 용해 특성, 및 신생골 (new bone) 내부성장 및 잔류 물질의 생체내 평가를 상업적으로 입수 가능한 황산 칼슘 물질과 비교하였다. 모든 실험에 대한 실험군은, 74.906 중량% 황산 칼슘 반수화물, 0.094 중량% 촉진제 (수크로오스 코팅된 황산 칼슘 2수화물), 6.7 중량% 인산 1칼슘 1수화물, 8.3 중량% 베타 인산 3칼슘 분말, 10중량% 베타 인산 3칼슘 과립 및 10 N 수산화나트륨 용액을 이용해 pH 7.00으로 중화된 0.6 몰의 글리콜산 수용 액으로 이루어진 시멘트 (이하 "SR"이라 함)를 포함하는 본 발명의 한 구현예였다. 모든 실험에 대한 대조군으로 MIIG^® X3 골이식 대용 (이하 "X3"이라 함) (Wright Medical, Arlington, TN) 황산 칼슘이 사용되었다. SR 물질은 14-19분 내에 응결되도록 제형화된 반면, X3 물질은 7-10분 내에 응결되도록 제형화되었다.

중간 흡수성인 (intermediate resorbing) 황산 칼슘, 인산 칼슘 복합 시멘트도 본 연구에서 평가되었다. 이 물질에 대한 용해 특성, 압축 강도, 및 신생골 내부성장 및 잔류 물질의 생체내 평가를 수행하였다. 이 물질도 본 발명의 구현예이며, 84.999 중량% 황산 칼슘 반수화물, 6.7 중량% 인산 1칼슘 1수화물, 8.3 중량% 베타 인산 3칼슘 분말, 0.0013 중량% 촉진제 (수크로오스 코팅된 황산 칼슘 2수화물) 및 수용성 성분인 물을 포함한다. 이 중간 물질은 11-16 분 내에 응결되도록 제형화되었다.

전술한 방식으로 주조된 진공 혼합 견본에 대해 압축 강도를 측정하였다. 견본 (n=6)을 환경 대기 중에서 1시간 동안 경화시켰다. 견본 (n=3)을 환경 대기 중에서 24시간 동안 경화시켰다. 상기 견본에, MTS 858 바이오닉스 (Bionix) 테스트 시스템을 이용하여 0.333 mm/초의 일정 속도로 세로로 하중을 가하였다. 압축 강도 (㎫)는 식 (Pmax)/(π*R²)를 이용하여 계산하였다.

전술한 방식으로 주조된 진공 혼합 견본에 대해 간접 인장 강도 (DTS)를 측정하였다. 테스트 전에 폼 블록의 측면을 제거하였다. 견본 (n=4)을 환경 대기 중, 실온에서 1시간 및 24시간 동안 경화시켰다. 상기 견본에, MTS 858 바이오닉 스 테스트 시스템을 이용하여 5 mm/초의 일정 속도로 가로로 하중을 가하여 압축 파손시켰다. 간접 인장 강도 (DTS)는 식 DTS = (2*P_max)/(π*L*H)를 이용하여 계산하였다.

용해 시험은 4.8 mm OD × 3.3mm 원통형 펠릿으로 수행되었다 (n=5). 견본들을 275 mL의 37℃ 증류수에 넣었다. 용액은 매일 바꾸었다. 견본을 건조하고, 잔류 질량 <5%가 달성될 때까지 처음 30일 동안은 매일, 그 후에는 5일마다 칭량하였다. X-레이 회절 (XRD)을 이용하여 잔류 물질을 확인하였다.

결과:

도 3은 DTS 결과를 보여준다. JMP 소프트웨어 (SAS, Cary, NC)를 이용하여 일원 변량분석 (one-way ANOVA)을 수행하였다. 공기 중에서 경화된 SR의 경우는 경화 시간 1시간 및 24시간 사이에 유의한 차이가 보였으며 (p<0.001), X3의 경우는 차이가 없었다 (p=0.508). 공기 경화된 데이터로부터 SR 반응은 1시간에서는 불완전하지만 X3 응결 반응은 본래 완전하다는 것이 명확하다. 응결 시간이 다른 경우에도 이와 같은 결과가 기대되었다.

중간 물질에 대한 평균, 최대 및 최소 압축 강도 값을 결정하였다. 1시간 경화 시간 데이터에서는 평균 강도 19.4 ㎫, 최소 강도 16.2 ㎫ 및 최대 강도 21.4 ㎫를 나타냈다. 24시간 경화 시간 데이터에서는 평균 강도 69.9 ㎫, 최소 강도 61.4 ㎫ 및 최대 강도 77.3 ㎫를 나타냈다.

용해 결과는 도 4에 나타낸다. 0 내지 4일의 선형 회귀 곡선이 용해 속도를 산정하는데 사용되었다. 평균 SR 속도는 10.7%/일인 반면, X3 속도는 17.8%/일이었다. 중간 물질의 평균 속도는 13.5%/일이었다. 골이식 대용 시멘트 물질의 용해 속도가 95%인 것에 이어서, 잔류 SR 물질의 XRD는 그 물질이 알려진 생체흡수성 (bioresorbable) 및 골전도성 물질인 베타 인산 3칼슘이라는 점을 보여주었다.

연구기관 동물 관리 및 사용 위원회 (Institutional Animal Care and Use Committee, IACUC) 승인 프로토콜 하에 6주간 생체내 예비 연구 (pilot study)가 수행되었다. 3마리의 개 각각의 각 근위부 상완골에 9 mm × 15mm 로 측정되는 2개의 결함을 생성하였다. SR의 주입용 볼루스 (injected bolus) (1-1.5 cc), 4.8 mm OD × 3.3 mm의 SR 펠릿, 4.8 mm OD × 3.3 mm의 X3 펠릿 또는 중간 흡수 황산칼슘, 인산 칼슘 복합 시멘트의 주입용 볼루스 중 어느 하나를 각 부위에 충전시켰다. 임플란트를 감마선으로 멸균하였다. 각각의 개는 각 물질의 임플란트 하나를 수용하였다. 결함의 치유 및 펠릿과 볼루스의 흡수는 0, 2 및 4주 후의 얻어진 방사선 사진 및 6주 후의 접촉 방사선 사진 (contact radiographs)으로 평가하였다. 염기성 푹신 (fuchsin) 및 톨루이딘 블루로 염색된 탈회되지 않은 (undecalcified) 플라스틱 봉매한 조직학 박편 (section)을 광학 현미경을 이용하여 결함 내 신생골 형성 및 잔류 임플란트된 물질을 평가하였다. 결함 내 신생골 및 잔류 임플란트된 물질의 면적 분율 (area fraction)은 조직형태계측 (histomorphometry)을 이용하여 결정하였다.

생체내 연구에서, 방사선 사진 및 조직학적 데이터는, 펠릿 및 볼루스 유형 모두 이전의 임플란트 부위에서 동심의 박막 (concentric lamellae) 내에 형성되었 었던 새로 형성된 유골의, 직조된 층판골 (lamellar bone)로 교체될 수 있음을 가리킨다. 6주째에, SR 펠릿으로 임플란트된 결함의 신생골 형성 면적 분율은 35.9±6.1%이었고, X3 펠릿으로 임플란트된 결함에 대해서는 26.7±10.0%이었다. 6주째에, 임플란트된 펠릿 물질의 대부분이 흡수되었으나, X3 펠릿 결함에 비하여 SR 펠릿 결함에서 잔류 임플란트 물질이 약간 더 많았다. SR 볼루스 임플란트에 대한 신생골 형성은 15.6±5.6%이고, 잔류 임플란트 물질은 29.9±11.9%이었다. 중간 흡수 황산 칼슘, 인산 칼슘 복합 시멘트의 볼루스에 대한 신생골 형성은 23.4±7.1%이고, 잔류 임플란트 물질은 19.3±8.0%이었다. 잔류 물질의 비율이 더 높고, 임플란트 부피비 대비 표면적이 더 작으므로, 볼루스 물질은 초기에는 펠릿에 비하여 신생골 형성 분율이 더 작을 것으로 예상할 수 있다.

본 발명의 복합 시멘트는 대조군과 유사하게 일관된 응결 및 강도 특성을 나타내었다. 용해 속도를 늦춘다는 목표는 달성되었으며, 초기 생체내 뼈 성장은 순수한 황산 칼슘 대조군과 동등하거나 우수하였다.

실시예 2

물질 및 방법:

IACUC-승인된 프로토콜 하에서, 10마리의 골격이 성숙한 수컷 개 (25-32 kg)에게 임계-크기의 축성 수질 (axial medullary) 결함을 근위부 상완골에 양방향으로 생성시키고, 13주 (n=5) 및 26주 (n=5) 동안 연구하였다. 한쪽 상완골의 결함에 6 cc의 테스트 물질 (실시예 1에 따른 SR 시멘트)을 주입하였다. 반대쪽에 위 치한 상완골 내 동일한 결함은 동일한 부피의 CaSO₄ 펠릿 (OSEOSET® 펠릿, Wright Medical)을 수용하였다. 0, 2, 6, 13 및 26주째에 방사선 사진을 얻었다. 상기 뼈의 가로의 (transverse) 탈회되지 않은 염색 박편을 준비하였다. 결함 내 신생골 및 임플란트된 잔류 물질의 면적 분율을 표준 점계수법 (point-counting techniques)을 이용하여 정량하였다. 상기 박편은 또한 고해상도 접촉 방사선 사진을 이용해서 조사하였다. 각 결함의 중간 위치에서 채취한 8 mm 지름 × 20 mm 테스트 원통의 항복 강도 및 모듈러스를 0.5 mm/분의 크로스헤드 속도로 일축 압축 테스트 (unconfined, uniaxial compression test)로 측정하였다. 조직형태계측 및 생물 역학 데이터는 프리드만과 만-휘트니 테스트 (Friedman and Mann-Whitney test)를 이용하여 분석하였다. 데이터는 평균과 표준 편차로 나타낸다.

결과:

임상 및 사후 (postmortem) 방사선 사진은, 골이식 대용체의 흡수 및 결함 내 뼈의 대체에서 현저하게 다른 속도를 나타냈다. CaSO₄ 펠릿의 흡수는 2주째에 시작되는 것이 명확했고 6주까지 실질적으로 완료되었다. SR 시멘트는 더 느린 흡수를 보이는데, 역시 2주째에 시작되지만 일부 시멘트는 26주째에도 존속하였다.

염색된 조직학적 박편 모두에서, 섬유 조직의 하나의 초점 영역 (focal area) 및 비교적 낮은 부피의 잔류 임플란트 물질을 갖는 뼈와 골수에 의한 결함의 회복이 있었다. SR 시멘트로 치료된 결함에서의 13주째 신생 광화 (mineralized) 골의 면적 분율 (39.4±4.7%)은 종래의 CaSO₄ 펠릿으로 치료된 결함에서의 면적 분 율 (17.3±4.3%)보다 2배 컸다 (p=0.025). 26주째에, 뼈는 더욱 정상적인 구조로 개조 (remodel) 되었으나, 펠릿 (11.2±2.6%)에 비하여 시멘트 (18.0±3.4%)로 치료된 결함에 더욱 많은 뼈가 있었다 (p=0.025).

잔류 기질 및 β-TCP 과립은 뼈 잔기둥 (bone trabeculae)에 병합되었다. 뼈로 덮여있지 않은 물질의 표면은 파골-유사 세포에 의해 개조가 진행되는 것으로 보이는데, 이들 중 일부는 미세한 입자를 함유하였다. 시멘트로 치료된 결함에서의 13주째 (2.9±2.8%) 및 26주째 (0.6±0.8%)의 잔류 기질의 면적 분율은 펠릿으로 치료된 결함에서의 면적 분율 (13주째 및 26주째 0.0%)보다 컸다 (각각 p = .025 및 .083). 시멘트로 치료된 결함에서 잔류 기질은 시간에 따라 감소하였다 (p=.047). 잔류 β-TCP 과립의 면적 분율도 13주째 (3.6±1.0%)로부터 26주째 (0.8±1.4%)로 감소하였다 (p=.016). β-TCP 과립의 최대 치수는 13주째 348±13 ㎛로부터 26주째 296±29 ㎛로 감소하였다.

시멘트로 치료된 결함으로부터 채취한 뼈 샘플은 13주 및 26주 모두에서 CaSO₄ 펠릿으로 치료된 것보다 훨씬 강하고 단단하였다 (하기 표 1). 비교를 위하여, 8개의 정상 근위부 상완골로부터 채취된 유사한 잔기둥뼈 견본은 1.4±0.66 ㎫의 항복 강도 및 117±72 ㎫의 모듈러스를 가졌다.

	시간 (주)	SR 시멘트	CaSO₄ 펠릿
항복 강도 (㎫)	13	5.3 (2.6)*	.90 (.44)
항복 강도 (㎫)	26	2.2 (.41)**	.47 (.46)
모듈러스 (㎫)	13	283 (217)	40.8 (35.6)
모듈러스 (㎫)	26	150 (73)*	15.8 (23.6)
* p = 0.025, ** p = .046, 펠릿과 다름

결론:

맞춤형의, 보다 느린 흡수 프로파일을 갖는 시멘트를 제조하기 위하여 다른 흡수 속도를 갖는 Ca-계 물질 몇 가지가 성공적으로 조합되었다. 이런 시멘트에서, 황산 칼슘 및 인산 2칼슘 2수화물 기질은 대부분 뼈 형성을 촉진시키면서 시멘트의 볼루스 속으로 깊게, 초기에 흡수되는 반면, 분산된 β-TCP 과립은 스캐폴드를 제공하고, 신생골로 병합되며, 보다 늦게 흡수된다. 만들어진 시멘트는, 종래의 CaSO₄ 펠릿에 비하여 13주 및 26주 후에 흡수된 뼈의 양, 강도 및 강성이 증가하였다. 이 시멘트는 강하고, 주입 가능하며 생체적합성이 높은 골이식 대용체가 이점이 되는 임상 적용에 대해 기대를 모으고 있다.

실시예 3

물질 및 방법:

수산화 나트륨으로 중화된 0.6 M 글리콜산의 250 mL의 혼합 용액을 제조하고, pH는 눈금조정된 pH 미터로 기록하였다. 상기 용액은 결정성 글리콜산 (Alfa Aesar Part # A12511; Ward Hill, MA), 10 N 수산화 나트륨 용액 (EMD Chemical Part # SX0607N-6; Darmstadt, Germany) 및 USP 관개용수 (Baxter Healthcare Corporation Part # 2F7112; Deerfield, IL)를 이용하여 제조하였다.

다음, 상기 용액을 두 개의 ~125 mL 분취량 (aliquots)으로 나눈 다음, 각각 다시 병에 넣었다. 병 하나는 25-32 kGy 조사량으로 벌크 감마선 멸균을 위해 보내고, 나머지 하나는 멸균되지 않은 대조군으로 유지하였다. 멸균된 용액이 되돌아온 후에, 멸균된 용액 및 멸균되지 않은 용액의 pH를 눈금 조정된 pH 미터로 체크하고 기록하였다.

응결 시간과 주입력에 대한 로트 간의 변이 (lot-to-lot variability)를 피하기 위하여, 실시예 1에서 이용한 유형의 SR 분말 싱글 로트 (single lot)를 본 연구에서도 이용하였다.

3개의 바이알 (vial)을 6.9 mL의 멸균되지 않은 용액으로 채우고, 멸균되지 않은 SR 분말을 바이알 당 30 g 함유하는 3개의 바이알과 짝지웠다. 이 군은 대조군으로서 역할을 한다.

다른 군은 중화된 글리콜산 개별 유닛이 무균 충전된 옵션을 나타낸다. 이 군은 125 mL 벌크 멸균 용액으로 충전된 6.9 mL 글리콜산의 3개의 바이알 및 30 g까지 채워진 SR 분말의 3개의 바이알로 구성된다. 분말 바이알을 감마 방사선 멸균을 위해 보냈다. 이는 벌크 용액의 멸균 후에 무균 충전되고, 이미 멸균된 분말 유닛을 함유하는 키트에 결합된다는 것을 나타낸다.

세 번째 및 마지막 군은 우위에 있는 제조 상황을 나타낸다: 벌크 용액의 감마 방사선 멸균 후에 개별 유닛의 감마 방사선 멸균이 이어진다. 3개의 용액 바이알은 멸균된 벌크 용액으로 6.9 mL까지 채웠다. 다른 3개의 바이알은 30 g의 SR 분말로 채웠다. 상기 6개의 바이알 모두를 살균하기 위해 보냈다. 이는, 용액을 멸균된 벌크 용액으로 충전하고, 멸균되지 않은 분말을 함유하는 키트를 멸균된 벌크 용액과 포장한 다음 이 키트를 최종 멸균을 위해 보낸다는 것을 의미한다.

모든 군들이 되돌아 오면 하기 테스트를 수행하였다. 나머지 벌크 용액을 포함하여 모든 용액의 pH를 눈금 조정된 pH 미터로 체크하고 기록하였다. 9개 세트의 유닛 (멸균되지 않은 용액과 멸균되지 않은 분말의 3개 유닛; 1회 멸균된 벌크 용액 및 멸균된 유닛 분말의 3개 유닛; 및 2회 멸균된 용액 (한번은 벌크 내에서, 다음 한번은 유닛으로서) 및 1회 멸균된 유닛 분말의 3개 유닛)을 진공하에서 혼합하여 균질한 페이스트를 형성하였다. 25 mL 플라스틱 컵 내의 약 ¼ in. 두께의 페이스트 분취물 (aliquot)의 응결 시간은 300 g 비캣 니들을 이용하여 결정되었다. 6 cm 11 게이지 아래로 갈수록 커지는 (non-tapered), 포티드 (ported) 잠시디 유형 니들에 부착된 3 cc 주사기로부터의 주입력은, 분말 및 용액이 서로 접촉하게 된 이후 3분 및 5분에 측정하였다. 주입력은 4.4 mm/초에서 이동되는 15 mm의 플런저 이동 (plunger displacement)에서 보이는 힘으로 보고된다. 주입 테스트는 변위 제어로 물질 테스트 프레임을 이용하여 수행되었고, 데이터 취득은 50 Hz의 힘 및 이동에서 취해졌다.

결과:

모든 용액에 대해 pH 드리프트가 보였다. 2회 멸균 용액은 대조군 및 1회 멸균된 군과 다른 pH를 생성하지만, 결과는 군 내에서 일치하였다. 구체적으로, 2회 멸균된 용액은 평균 약 6.3의 pH를 생성하는데 반해, 나머지 용액 군은 약 5.5의 pH를 나타내었다.

모든 군의 주입력은 동일하였다. 3분 시점에서 주입력은 약 25 N이었고, 5분 시점에서 주입력은 약 40 N 이었다.

멸균되지 않은 군 및 1회 멸균된 군의 응결 시간은, 1회 멸균된 군 중 하나의 유닛이 19.75분인 것을 제외하고는, 약 18.5분으로 일정하였다. 2회 멸균된 용액 군 및 1회 멸균된 분말의 응결 시간 측정은 일정하게 약 22분으로 이동 (shift)되었다.

결론:

2회 멸균 용액 군에서 pH 및 응결 시간의 이동은 감마 방사선 멸균을 통해 중화된 글리콜산 용액이 감소 (degradation) 했다는 것을 보여준다. 상기 효과가 1회 멸균 용액에서 분명하지는 않지만, 방사선 감소가 추가 공정인 군에서는 감소가 일어났음에 틀림없다.

실시예 4

물질 및 방법:

우선, 0.6 M 수산화 나트륨 (NaOH) 저장 용액을 이용한 물질의 산-염기 적정 곡선에서 결정성 글리콜산 (GA)의 감마 멸균 효과를 조사하였다. 다음, 전구체 분말 속에 혼합된 고체 글리콜산 나트륨 (Na-GA)과 함께 시멘트 분말의 방사선 멸균 샘플과 조사되지 않은 물질 사이의 물리적 특성 비교를 행하였다. 각 구성으로부터 응결 시멘트의 간접인장 강도, 주입력, 비캣 응결 시간 및 형태학적 (SEM) 비교를 행하였다. 또한, 비캣 응결 시간 비교는 멸균되지 않은 각 생성물 구성의 샘플들 사이에서 행하였다.

약 50 g의 GA (Dupont으로부터 입수한 GLYPURE^®)에 대하여 감마 방사선 멸균 (조사량 25-32 kGy)을 수행하였다. 2개의 ~1 M GA 용액을 동일 부피로 제조하되, 하나는 감마선 조사된 GA 용액, 다른 하나는 동일한 제조 로트의 조사되지 않은 GA 용액이었다. 액체 이동 중 증발에 의한 물질 손실을 피하기 위하여, 상기 용액은 3.803 g의 GA를 250 mL 비이커 내 50.000g 탈이온수에 용해함으로써 사용되기 직전에 제조되었다.

30 mL의 10 N NaOH를 500 mL 부피 플라스크 내 탈이온수로 희석시켜 500 mL 0.6 M NaOH 저장 용액을 제조하였다. 이 저장 용액은 상기 2개의 GA 용액에 대한 적정제로 사용되었다.

마개 (stopcock)가 장착된 50 mL 뷰렛 (0.1 mL 인크리먼트)을 사용하여 NaOH 저장 용액을 다양한 인크리먼트로 ~1 M GA를 함유한 250 mL 비이커에 직접 분배하였다. 적정하는 동안 폴리테트라플루오로에틸렌 코팅된 자석 교반 막대 및 플레이트를 이용하여 GA 용액을 교반하였다. 적정하는 내내 분배된 NaOH 저장 용액의 부피를 모니터링하고 기록하였다. GA 용액의 pH도 각각의 첨가된 NaOH 저장 용액 인크리먼트로 모니터링되고 기록되었다. 표준 완충 용액 (VWR Scientific, P/N 각각 34170-130 및 34170-127)을 이용하여 pH = 4.00 및 7.00 사이에서 눈금 조정된 pH 미터 (VWR Scientific; Model 8000) 및 전극 (VWR Scientific, P/N 14002-780)을 이용하여 pH 측정을 하였다. 적정은 저장 용액의 연속적인 첨가와 함께 알칼리 범위 내에서 최소한의 pH 변화가 보일 때까지 수행되었다. 적정 곡선 (GA 용액의 pH 대 0.6 M NaOH의 mL)이 플롯되었고 결정성 GA 의 감마 방사선 효과를 감지하기 위한 비교를 행하였다.

실시예 1에 기재된 SR 물질의 300 g 배치 (용액 내 NA-GA를 갖는 구성 1)를, 60 Hz P-K 트윈-쉘 요크 블렌더 (Twin-Shell Yoke blender) (Patterson-Kelly Co.; East Stroudsburg, PA)를 이용하여 1 qt 아크릴 V-쉘 내에서 20분 동안 블렌드하였다. 구성 1로 제조된 페이스트는 모두 액체 중량 대 분말 중량비 (L/P) 값이 0.23인 0.6 M Na-GA를 이용하여 제조되었다.

60 Hz P-K 트윈-쉘 요크 블렌더를 이용하여 2 qt 스테인리스 V-쉘 내에서 20분 동안 블렌드한 1013.071 g 배치로부터, 변형된 SR 물질 (≤45 ㎛ NA-GA 분말 1.290 중량%를 포함하는 구성 2)의 15 cc 주입가능한 키트 25개를 제조하였다 (35.00±0.01 g 분말 및 7.59±0.01 g 멸균된 관개용수). 물은 이동하는 동안 바이알 내 용액 손실을 보충하기 위하여 0.10 g 과충전하였다. 상기 키트에 감마 방사선 멸균 (25-32 kGy 조사량)을 실시하였다. 상기 키트 중 4개를 본 연구에 사용하였다.

구성 2에 대한 L/P 값은 0.214이다. 두 가지 구성의 L/P 값의 차이는, 용액으로부터 분말로 Na-GA가 이동하는 것에 기인한다.

결과:

비캣 응결 시간의 결과는 구성 2가 소량으로 비캣 응결 시간을 이동시켰음을 보여준다. 2개의 구성 내에서 Na-GA의 위치를 제외하고, 유일한 다른 변수는 구성 2 키트는 방사선 조사되었고, 구성 1 물질은 그렇지 않다는 것이다. 상기 2개의 변수를 조사하기 위하여, 각 구성에 대한 2개의 추가 샘플의 비캣 응결 시간을 취하였다; 그러나 구성 2의 샘플에 멸균을 실시하지 않았다.

구성 1 분말의 35 g 유닛 2개에 대하여 비캣 응결 시간을 테스트하였다. 전체 혼합물을 50 mL 폴리스티렌 비이커 컵 (VWR Scientific P/N 13916-015)에 옮기고; 페이스트를 평평하게 하고 테이블 위의 상기 컵을 부드럽게 쳐서 대부분의 에어 포켓을 제거하였다. 2개 샘플에 대하여 위에서 수행한 것과 동일한 방법으로 비캣 응결 시간을 측정하였다.

구성 2 분말의 2개 유닛을 테스트하였고, 전체 혼합물을 이용하여 앞 단락에서 수행한 대로 비캣 응결 시간을 결정하였다. 혼합물 중 하나는 물질 부족으로 인해 분말 30 g으로 수행되었다.

부피를 제외하고는 견본 처리에 차이가 없기 때문에 구성 1에서 얻어진 새로운 데이터를 전술한 비캣 테스트의 결과와 조합하였다. 구성 2에 대한 새로운 데이터는 구성 1의 결과와 비교하기 위하여 독립적으로 사용되었다.

도 5는 감마선 멸균을 한 것과 하지 않은 결정성 GA로부터 얻어진 1 M GA 용액의 겹쳐진 적정 곡선을 나타낸다. 결과 곡선은 구별할 수 없다. 실시예 3에서 지적된 바와 같이, 구성 1 키트의 제조에서 사용된 Na-GA 용액은 감마선 멸균 후에 pH 이동을 보였다. 그러나 이러한 pH 변화는 결정 형태에서 감마선 조사된 GA로 제조된 용액에서는 보이지 않았다. 이러한 결과는, 감마선 조사를 통한 글리콜산염 이온의 감소는 완전하지는 않지만, 결정 형태에서의 노출에 의해서 매우 경감된다는 것을 가리킨다. 이것은, 구성 2 내의 결정성 Na-GA 성분은 감마선 조사에 의해 영향을 덜 받을 것이라는 점에 대한 강한 증거이다.

하기 표 2는 각 구성의 24시간 건조 DTS 테스트로부터의 평균 결과를 보여준다. 2개의 구성은, 각 군 내에서 10% 이하의 변동 계수로 9 ㎫에 가까운 DTS 값을 나타냈다. 구성 2가 9.29 ㎫의 약간 높은 평균 강도 값을 나타냈지만, 두 구성 간의 차이는 통계적으로 유의하지 않다 (p=0.25). 관찰된 차이는 테스트 방법론 고유의 에러에 기인할 수 있다. 이러한 결과는 두 구성의 최종 응결 시멘트는 동일한 기계적 강도를 나타낸다는 것을 보여준다.

24시간 DTS (㎫), n = 6
구성	평균 [SD]
1	8.80 [0.62]
2	9.29 [0.75]

하기 표 3은 각 구성의 4일 용해 테스트로부터의 평균 결과를 보여준다. 두 구성은 4일 후 평균 중량% 잔류값 63%로 거의 동일한 용해 결과를 나타냈다. 각 구성에서 보이는 측정의 유사성은 양 시스템이 같은 반응 화학 및 반응 정도의 결과를 나타낸다는 것의 추가 증거이다.

4일 용해 (중량% 잔류), n = 5
구성	평균 [SD]
1	63.24 [3.72]
2	62.55 [1.94]

각 구성으로부터 제조된 DTS 견본의 파쇄 표면에서 취한 응결 시멘트의 벌크를 통해 보이는 독특한 특징의 SEM 현미경 사진을 검토하였다. 각 구성의 최종 생성물은 현미경 평가에 기초하면 실질적으로 동일하다.

하기 표 4는 각 구성에 대한 평균 주입력 및 비캣 응결 시간 결과를 보여준다. 2개의 구성은, 10 N 이하로 차이 나는 평균과 매우 유사한 주입력 결과를 나타내는데, 이는 전체 평균의 3% 이하이다. 양 측정의 변동 계수는 6% 미만이며, 이는 방법론에서 우수한 재현성을 나타내는 것이다. 구성 2의 평균 주입력은 336.9 N로 구성 1보다 약간 낮았다 (2.6%). 이러한 결과는 두 구성으로 만들어진 페이스트가 점도 및 흐름 특성에서 동등성을 나타낸다는 것을 보여준다.

주입력 및 비캣 응결 시간, n = 3
구성	평균 주입력 (N) [SD]	평균 응결 시간 (mm:ss) [SD]
1	346.0 [19.6]	15:00 [00:30]
2	336.9 [13.4]	17:40 [01:26]

두 구성은 비캣 응결 시간 측정에서는 차이를 나타냈다. 구성 2의 평균 비캣 응결 시간은 17:40 (ms:ss)로, 구성 1에서 보이는 것보다 2:40 더 길다. 표준 편차 30초인 구성 1의 측정은, 표준 편차 1:26인 구성 2의 데이터와 비교하여 매우 타이트한 데이터 분포를 보였다. 구성 1 및 감마 멸균된 구성 2의 비캣 응결 시간 사이에는 명확한 차이가 있었다.

조사된 구성 2 키트에서 비캣 응결 시간 이동을 설명하기 위하여, 2개의 추가 비캣 응결 시간 측정을 각 구성에 대해 실시하였다. 멸균 전에 보존된 구성 2 분말을 사용하여, 상기 이동이 방사선에 의해서 유도되는지 Na-GA의 재배치로부터 유도되는지를 결정하였다. 하기 표 5는 두 구성에 대한 평균 비캣 응결 시간을 보여준다. 구성 1에 대한 결과는 전술한 3개 측정뿐 아니라 2개의 추가 유닛으로부터 조합된 결과이다.

멸균되지 않은 구성에 대한 비캣 응결 시간, n = 5 구성 1; n = 2 구성 2
구성	평균 응결 시간 (mm:ss) [SD]
1	14:18 [01:02]
2	14:45 [00:21]

이러한 각본에서는, 각 구성의 비캣 응결 시간은, 조사된 구성 2의 데이터에 대해 전술한 것과는 달리, 30초 이하의 평균들 사이의 차이와 매우 잘 매치되었다. 이는 2개 구성에 대한 반응 속도론이 매우 유사한 비캣 응결 시간의 결과를 초래하며, 추가로 2개 구성 간의 동등성을 나타내는 것을 보여준다. 위에서 보여준 데이터에서 비캣 응결 시간의 이동은 2개 구성 간의 차이의 결과가 아니라 감마선 조사의 결과였다.

감마선 조사가 구성 2에 대한 비캣 응결의 이동을 유도한다는 관찰은 예상되지 않았다. 이러한 관찰은, 구성 1 유형의 분말 혼합물이 동일한 조사량 범위에서는 Na-GA 용액의 연속적인 감마선 조사에 따라 증가하는 평균 비캣 응결 시간을 보인다는 실시예 3과 일치한다.

결론:

2개의 생성물 구성 간에 DTS, 용해 및 주입력 값 사이에 통계적으로 유의한 차이는 관찰되지 않았다. 조사된 (irradiated) 구성 2 데이터가 평가될 때 측정된 비캣 응결 시간 값에는 통계적인 차이가 평가되었으나 (p-값 = 0.04), 분석이 멸균되지 않은 구성 2 데이터로 수행되었을 때는 차이가 보이지 않았다 (p-값 = 0.59). Na-GA의 재배치가 원인이라면 두 번째 비캣 응결 시간 비교도 마찬가지로 유의한 차이를 보였을 것이기 때문에 상기와 같은 차이는 구성 변경에 책임이 있다고 할 수 없다. 그러므로 이러한 연구는, 페이스트 형태 및 시멘트 형태의 2개 구성 상이에 화학적, 물리적, 기계적 및 형태적 동등성을 보여준다.

여기에서 설명한 본 발명의 많은 변형과 다른 구현예들이 본 발명과 관계된 기술의 당업자에게 전술한 명세서 및 관련 도면에 개시된 이익과 가르침을 가지면서 떠오를 것이다. 그러므로 본 발명은 기재된 특정 구현예로 한정되는 것이 아니며, 변형 및 다른 구현예들은 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함될 의도라는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에 특정 용어가 사용되었을지라도, 이들 용어는 일반적이고 묘사적인 의미로 사용되며 한정의 목적으로 사용되는 것은 아니다.

Claims

i) 이봉 (bimodal) 입자 분포 및 5 내지 20 ㎛의 중앙 입자 크기를 가지며, 미립자 조성물 총 중량에 대하여 70 중량% 이상의 농도로 존재하는 황산 칼슘 반수화물 분말;

ⅱ) 인산 1칼슘 1수화물 분말; 및

ⅲ) 20 ㎛ 이하의 중앙 입자 크기를 갖는 β-인산 3칼슘 분말을 포함하며, 수용액과 혼합하여 골이식 대용 시멘트를 형성하는데 적용되는 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

중앙 입자 크기가 75 ㎛ 이상인 β-인산 3칼슘 과립을 추가로 포함하는 미립자 조성물.
청구항 2에 있어서,

상기 β-인산 3칼슘 과립은 75 내지 1,000 ㎛의 중앙 입자 크기를 갖는 미립자 조성물.
청구항 2에 있어서,

상기 β-인산 3칼슘 과립은 미립자 조성물 총 중량에 대하여 20 중량 % 이하의 농도로 존재하는 미립자 조성물.
청구항 4에 있어서,

상기 β-인산 3칼슘 과립은 미립자 조성물 총 중량에 대하여 12 중량 % 이하의 농도로 존재하는 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 황산 칼슘 반수화물은 α-황산 칼슘 반수화물인 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 황산 칼슘 반수화물 분말은, 황산 칼슘 반수화물 분말의 총 부피에 대하여, 1.0 내지 3.0 ㎛의 최빈치 (mode)를 갖는 입자 30 내지 60 부피% 및 20 내지 30 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 40 내지 70 부피%를 포함하는 이봉 입자 분포를 갖는 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 황산 칼슘 반수화물은 75 중량% 이상의 농도로 존재하는 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 인산 1칼슘 1수화물 분말 및 β-인산 3칼슘 분말의 조합 농도는 미립자 조성물 총 중량에 대하여 3 내지 30 중량%인 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 β-인산 3칼슘 분말은, β-인산 3칼슘 분말의 총 부피에 대하여, 2.0 내지 6.0 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 30 내지 70 부피% 및 40 내지 70 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 30 내지 70 부피%를 포함하는 이봉 입자 분포를 갖는 미립자 조성물.
청구항 10에 있어서,

상기 β-인산 3칼슘 분말은, β-인산 3칼슘 분말의 총 부피에 대하여, 4.0 내지 5.5 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 50 내지 65 부피% 및 60 내지 70 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 35 내지 50 부피%를 포함하는 이봉 입자 분포를 갖는 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

황산 칼슘 반수화물을 황산 칼슘 2수화물로 전환시키는 것을 촉진하는 촉진제를 추가로 포함하는 미립자 조성물.
청구항 12에 있어서,

상기 촉진제는 황산 칼슘 2수화물 결정, 황산 칼륨 입자 및 황산 나트륨 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 미립자 조성물.
청구항 12에 있어서,

상기 촉진제는 미립자 조성물 총 중량에 대해 1 중량 % 이하의 농도로 존재하는 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 미립자 조성물은 3 내지 25분 동안 수용액과 혼합하면 응결하여 경화된 덩어리 (hardened mass)가 되는 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

i) 이봉 입자 분포 및 5 내지 20 ㎛의 중앙 입자 크기를 가지며, 미립자 조성물 총 중량에 대하여 75 중량% 이상의 농도로 존재하는 황산 칼슘 반수화물 분말;

ⅱ) 인산 1칼슘 1수화물 분말;

ⅲ) 20 ㎛ 이하의 중앙 입자 크기를 갖는 β-인산 3칼슘 분말, 이때 인산 1칼슘 1수화물 분말 및 β-인산 3칼슘 분말은 미립자 조성물 총 중량에 대하여 3 내지 30 중량%의 조합 농도로 존재하고;

ⅳ) 중앙 입자 크기가 75 ㎛ 이상이며, 미립자 조성물 총 중량에 대하여 20 중량 % 이하의 농도로 존재하는 β-인산 3칼슘 과립; 및

v) 미립자 조성물 총 중량에 대해 1 중량 % 이하의 농도로 존재하며, 황산 칼슘 반수화물을 황산 칼슘 2수화물로 전환시키는 것을 촉진하는 촉진제를 포함하는 미립자 조성물.
청구항 1에 있어서,

i) 이봉 입자 분포 및 5 내지 20 ㎛의 중앙 입자 크기를 가지는 α-황산 칼슘 반수화물로서, 미립자 조성물 총 중량에 대하여 75 중량% 이상의 농도로 존재하고, 황산 칼슘 반수화물 분말의 총 부피에 대하여, 1.0 내지 3.0 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 30 내지 60 부피% 및 20 내지 30 ㎛의 최빈치를 갖는 입자 40 내지 70 부피%를 포함하는 이봉 입자 분포를 갖는 α-황산 칼슘 반수화물 분말;

ⅱ) 인산 1칼슘 1수화물 분말;

ⅲ) 20 ㎛ 이하의 중앙 입자 크기를 갖는 β-인산 3칼슘 분말, 이때 인산 1칼슘 1수화물 분말 및 β-인산 3칼슘 분말은 미립자 조성물 총 중량에 대하여 10 내지 20 중량%의 조합 농도로 존재하고;

ⅳ) 중앙 입자 크기가 100 내지 400 ㎛이며, 미립자 조성물 총 중량에 대하여 12 중량 % 이하의 농도로 존재하는 β-인산 3칼슘 과립; 및

v) 미립자 조성물 총 중량에 대해 1 중량 % 이하의 농도로 존재하며, 황산 칼슘 반수화물을 황산 칼슘 2수화물로 전환시키는 것을 촉진하는 촉진제를 포함하는 미립자 조성물.
청구항 1, 청구항 16 및 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,

생물학적 활성제를 추가로 포함하는 미립자 조성물.
청구항 18에 있어서,

상기 생물학적 활성제는 다공질 골편, 성장 인자, 항생제, 살충제, 화학요법제, 항바이러스제, 진통제 및 항염증제로 이루어진 군으로부터 선택되는 미립자 조성물.
청구항 18에 있어서,

상기 생물학적 활성제는 골유도성 물질인 미립자 조성물.
청구항 20에 있어서,

상기 골유도성 물질은 탈회된 골 기질인 미립자 조성물.
청구항 18에 있어서,

상기 생물학적 활성제는 섬유아세포 성장 인자, 혈소판-유래 성장 인자, 골 형태발생 단백질, 골형성 단백질, 변형 성장 인자, LIM 광화 단백질, 유골-유도 인자, 엔지오제닌, 엔도텔린; 성장 분화 인자, ADMP-1, 엔도텔린, 간세포 성장 인자 및 각질세포 성장 인자, 헤파린-결합 성장 인자, 헤지호그 단백질, 인터류킨, 콜로니-자극 인자, 상피세포 성장 인자, 인슐린-유사 성장 인자, 시토킨, 오스테오폰틴 및 오스테오넥틴으로 이루어진 군으로부터 선택되는 성장 인자인 미립자 조성물.
청구항 1, 청구항 16 및 청구항 17 중 어느 한 항에 기재된 미립자 조성물을 수용액과 혼합하여 형성된 반응 생성물을 포함하되, 상기 반응 생성물은 황산 칼슘 2수화물 및 브루샤이트를 포함하는 골이식 대용 시멘트.
청구항 23에 있어서,

β-인산 3칼슘 과립을 추가로 포함하는 골이식 대용 시멘트.
청구항 23에 있어서,

상기 시멘트는 소정 형상으로 주조되는 골이식 대용 시멘트.
청구항 25에 있어서,

상기 소정 형상은 펠릿, 과립, 웨지, 블록 및 디스크로 이루어진 군으로부터 선택된 골이식 대용 시멘트.
청구항 23에 있어서,

상기 시멘트는 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후에 대기 중에서 1시간 동안 경화한 후의 간접 인장 강도가 4 ㎫ 이상을 나타내는 골이식 대용 시멘트.
청구항 27에 있어서,

상기 시멘트는 대기 중에서 1시간 동안 경화한 후의 간접 인장 강도가 6 ㎫ 이상을 나타내는 골이식 대용 시멘트.
청구항 23에 있어서,

상기 시멘트는 상기 미립자 조성물과 수용액을 혼합한 후에 대기 중에서 24시간 동안 경화한 후의 간접 인장 강도가 8 ㎫ 이상을 나타내는 골이식 대용 시멘트.
청구항 29에 있어서,

상기 시멘트는 대기 중에서 24시간 동안 경화한 후의 간접 인장 강도가 10 ㎫ 이상을 나타내는 골이식 대용 시멘트.
청구항 23에 있어서,

상기 시멘트는, 1일당 중량 손실의 평균 백분율로 나타내지고, 37℃ 증류수에서 3.3 mm 길이를 갖는 4.8 mm OD 펠릿의 침지에 의해 측정되는 평균 용해 속도가 황산 칼슘으로 이루어진 미립자 조성물을 이용하여 형성된 시멘트의 평균 용해 속도보다 25% 이상 낮게 나타나는 골이식 대용 시멘트.
청구항 31에 있어서,

상기 시멘트는 황산 칼슘만으로 이루어진 미립자 조성물을 이용하여 형성된 시멘트보다 30% 이상 낮은 평균 용해 속도를 나타내는 골이식 대용 시멘트.
청구항 23에 있어서,

상기 수용액은 카르복시산을 포함하는 골이식 대용 시멘트.
청구항 33에 있어서,

상기 카르복시산은 히드록시 카르복시산인 골이식 대용 시멘트.
청구항 34에 있어서,

상기 히드록시 카르복시산은 글리콜산인 골이식 대용 시멘트.
청구항 33에 있어서,

상기 카르복시산은 pH 6.5 내지 7.5로 중화되는 골이식 대용 시멘트.
청구항 1, 청구항 16 및 청구항 17 중 어느 한 항에 기재된 미립자 조성물을 싸고 있는 하나 이상의 용기, 무균 수용액을 싸고 있는 별도의 용기, 및 키트의 사 용 방법을 기재한 서면 지시 세트를 포함하는 골이식 대용 키트.
청구항 37에 있어서,

상기 미립자 조성물 및 수용액을 혼합하는 혼합 기구를 추가로 포함하는 골이식 대용 키트.
청구항 37에 있어서,

골이식 대용 시멘트 혼합물을 뼈 결함 부위에 전달하는 주입 장치를 추가로 포함하는 골이식 대용 키트.
청구항 37에 있어서,

i) 인산 1칼슘 1수화물 분말을 싸고 있는 제1 용기;

ⅱ) β-인산 3칼슘 분말을 싸고 있는 제2 용기;

ⅲ) 별도의 용기 내에 싸여 있거나, 인산 1칼슘 1수화물 분말 및 β-인산 3칼슘 분말 중 하나 또는 모두와 혼합되어 있는 황산 칼슘 반수화물 분말;

ⅳ) 별도의 용기 내에 싸여 있는 수용액; 및

v) 수용액 내에 용해되거나 결정 분말 형태로 존재하는 카르복시산을 포함하며,

상기 카르복시산 결정 분말은 별도의 용기 내에 싸여 있거나, 인산 1칼슘 1수화물 분말, β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 이상과 혼 합되어 있고, 상기 카르복시산이 수용액 내에 용해되어 있는 경우에 카르복시산은 수용액의 방사선 멸균 후에 용액에 첨가되는 골이식 대용 키트.
청구항 40에 있어서,

상기 키트는 감마선에 노출되어 멸균되는 골이식 대용 키트.
청구항 40에 있어서,

상기 카르복시산은 글리콜산 나트륨, 글리콜산 칼륨, 젖산 나트륨 및 젖산 칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 중성염의 형태인 골이식 대용 키트.
청구항 40에 있어서,

수용액을 인산 1칼슘 1수화물 분말, β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 이상과 혼합하기 전에 상기 카르복시산 결정 분말이 수용액과 혼합에 의해 환원될 (reconstituted) 수 있도록, 상기 카르복시산 결정 분말은 별도의 용기 내에 싸여 있는 골이식 대용 키트.
청구항 40에 있어서,

상기 황산 칼슘 반수화물 분말은 혼합물 내에, 황산 칼슘 반수화물을 황산 칼슘 2수화물로 전환시키는 것을 촉진하는 촉진제를 추가로 포함하는 골이식 대용 키트.
청구항 44에 있어서,

상기 촉진제는 황산 칼슘 2수화물 입자, 황산 칼륨 입자 및 황산 나트륨 입자로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 촉진제는 선택적으로 수크로오스로 코팅된 골이식 대용 키트.
청구항 40에 있어서,

별도의 용기 내에 또는 인산 1칼슘 1수화물 분말, β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 이상과의 혼합물 내에 β-인산 3칼슘 과립을 추가로 포함하는 골이식 대용 키트.
청구항 40에 있어서,

별도의 용기 내에 싸여 있거나 또는 인산 1칼슘 1수화물 분말, β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 이상과 혼합되어 있는 생물학적 활성제를 추가로 포함하는 골이식 대용 키트.
청구항 47에 있어서,

상기 생물학적 활성제는 다공질 골편, 성장 인자, 항생제, 살충제, 화학요법제, 항바이러스제, 진통제 및 항염증제로 이루어진 군으로부터 선택되는 골이식 대용 키트.
청구항 37에 있어서,

i) 인산 1칼슘 1수화물 분말을 싸고 있는 제1 용기;

ⅱ) 중앙 입자 크기가 20 ㎛ 이하인 β-인산 3칼슘 분말을 싸고 있는 제2 용기;

ⅲ) 별도의 용기 내에 싸여 있거나, 제2 용기 내에서 β-인산 3칼슘 분말과 혼합되어 있고, 이봉 입자 분포를 가지며, 중앙 입자 크기가 5 내지 20 ㎛인 α-황산 칼슘 반수화물 분말;

ⅳ) 별도의 용기 내에 싸여 있는 수용액;

v) 결정 분말 형태의 카르복시산으로서, 카르복시산 결정 분말은 별도의 용기 내에 싸여 있고, 중성 알칼리 금속염의 형태인 카르복시산;

ⅵ) α-황산 칼슘 반수화물 분말과의 혼합물 내에서 황산 칼슘 반수화물로부터 황산 칼슘 2수화물로 전환되는 것을 촉진하는 촉진제; 및

ⅶ) 별도의 용기 내에 존재하거나, β-인산 3칼슘 분말 및 황산 칼슘 반수화물 분말 중 하나 또는 모두와의 혼합물 내에 존재하며, 중앙 입자 크기가 75 ㎛ 이상인 β-인산 3칼슘 과립을 포함하는 골이식 대용 키트.
삭제
미립자 조성물, 및 혼합하여 골이식 대용 시멘트를 형성하는 수용액을 포함하며, 물 및 카르복시산의 존재 하에 브루샤이트를 형성하는 반응성이 있는 인산 칼슘 분말을 포함하는 키트의 저장 안정성을 향상하는 방법으로서, 상기 방법은

i) 인산 1칼슘 1수화물 분말 및 β-인산 3칼슘 분말을 키트 내의 별도 용기에 포장하는 단계; 및

ⅱ) 카르복시산을 결정 분말 형태 또는 수용액에 용해된 형태로 키트 내에 포장하되, 카르복시산이 수용액에 용해될 때, 카르복시산은 수용액의 방사선 멸균 후에 용액에 첨가하는 단계를 포함하는 방법.
청구항 51에 있어서,

상기 카르복시산은 글리콜산 나트륨, 글리콜산 칼륨, 젖산 나트륨 및 젖산 칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 중성염의 형태인 방법.
청구항 51에 있어서,

상기 키트의 성분을 멸균용 감마선으로 조사하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
청구항 51에 있어서,

상기 카르복시산 결정 분말은 용기 내에 별도로 포장되는 방법.
청구항 51에 있어서,

상기 카르복시산 결정 분말은 인산 1칼슘 1수화물 분말을 함유한 용기 또는 β-인산 3칼슘 분말을 함유한 용기 내에 포장하는 방법.
청구항 12에 있어서,

상기 촉진제는 수크로오스로 코팅된 미립자 조성물.