KR101271834B1

KR101271834B1 - 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101271834B1
Application number: KR1020127030700A
Authority: KR
Inventors: 페르 크젤린; 마르틴 안데르손
Original assignee: 프로미믹 에이비
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2013-06-07
Also published as: SI1781568T1; JP5285273B2; SE527610C2; ES2659811T3; KR101248673B1; RU2006144275A; AU2005254440B2; HUE035681T2; NZ552035A; US20120282457A1; EP1781568B1; EP3059208B1; KR20070043967A; DK3059208T3; AU2005254440A1; PL3059208T3; SE0401524L; CN1997589A; CA2569756C; IL179955A0

Abstract

비표면적이 50 m²/g 내지 300 m²/g 범위인 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트, 특히 히드록시아파타이트가 개시된다. 상기 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트는 분말의 형태이거나 표면상의 코팅 형태일 수도 있다. 또한 나노 크기의 결정성 칼슘 포스페이트 분말 또는 코팅의 제조 방법이 개시된다. 상기 제조 방법은 칼슘, 인 및 계면활성제의 수용액 중에서 액정상을 형성하고, 상기 상을 암모니아 분위기에 두어 나노 크기의 결정이 형성되는 단계를 포함하며, 이어서 용매와 함께 계면활성제를 제거하고 나노 크기의 결정을 회수하여 분말을 얻는 단계, 또는 암모니아 처리된 액정상을 소수성 유기용매로 희석하여 물 중의 나노 크기 결정의 마이크로에멀젼을 생성시키고 산화물층이 코팅된 대상물 표면을 상기 마이크로에멀젼에 침지시키거나, 또는 대안으로 상기 액정상의 암모니아 처리를 마이크로에멀젼 중 대상물 표면의 침지 후까지 보류하고 이어서 상기 표면으로부터 유기 용매 및 계면활성제를 제거하여 코팅을 얻는 단계가 수반된다.

Description

합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트 및 그 제조 방법{Synthetic nano-sized crystalline calcium phosphate and method of production}

본 발명은 합성의 결정성 칼슘 포스페이트, 특히 150 m²/g 내지 300 m²/g 범위의 높은 비표면적(specific surface area)을 갖는 히드록시아파타이트(hydroxyapatite)에 관한 것이며, 또한 및 나노 크기의 결정성 칼슘 포스페이트, 특히 히드록시아파타이트의 분말 또는 코팅을 제조하는 방법에 관한 것이다.

생체에 이식될 수 있는 여러 가지 생체물질(biomaterial) 중 다양한 식물군이 존재한다. 그들은 그들의 생체내 활성(in vivo activity)에 따라서 생체 비활성(bioactive), 재흡수성(resorbable) 또는 생체 활성(bioactive) 물질로 분류될 수 있다. 생체 비활성 물질은 그들이 생체 조직과 접촉하는 경우 어떤 의미에서는 이물질로 간주된다. 생체는 상기 물질을 얇은 조직으로 둘러싸고, 그럼으로써 상기 대상물을 생체 내부에 기계적으로 고정시킨다. 통상적인 생체 비활성 물질은 알루미늄 산화물 및 지르코늄 이산화물과 같은 세라믹 및 다른 생체 비분해성(non-biodegradable) 중합체이다. 생체 재흡수성 중합체는 손상된 조직을 대체한다. 이는 최종적으로 용해되어 생체 조직에 의하여 대체된다. 생체 활성 물질은, 예를 들면, 히드록시아파타이트 및 일부 유리 및 유리-세라믹을 포함하며, 생체 반응을 개시하여 생체 조직에의 화학적 및 생물학적 결합을 야기하는 그들의 능력을 특징으로 한다.

생체 내의 경질 조직(hard tissue) 및 주위의 생물학적 조직(예를 들면, 뼈)을 수선하거나 대체하기 위한 임플란트의 유착을 의미하는 골결합(osseointegration)은 이식 과정의 성공에 있어서 결정적이다. 불완전한 골결합은 임플란트의 이탈을 초래할 수도 있다. 우수한 골결합을 달성하기 위한 몇 가지 방법이 존재하며, 예를 들면, a) 치과용 임플란트 나사부(screw) 상의 나사선(thread)간의 거리와 같은 임플란트 디자인(Wennerberg, A. , et al., "Design And Surface Characteristics Of 13 Commercially Available Oral Implant Systems," International Journal of Oral & Maxillofacial Implants, vol. 8, No. 6, pp. 622-623 (1993); Wennerberg A, Albrektsson T, Lausmaa J. Torque and histomorphometric evaluation of c. p. titanium screws blasted with 25- and 75-microns-sized particles of A1₂0₃. J Biomed Mater Res 1996; 30: 251-260, 및 U.S. Patent No. 4,330,891 to Branemark, et al.), b) 임플란트 표면 형태(topography)의 튜닝(Larsson et al, "Implant element" US 6,689,170), c) 생체 활성, 재흡수성 또는 생체 활성이거나 어느 하나의, 바람직한 표면 화학의 선택(Ellingsen et al, "Process for treating a metallic surgical implant" US 5,571,188) (R. G.T. Geesink, Clin. Orthop. 261 (1990) 39-58; J. A. Jansen, et al., Mater. Res., 25(1991) 973-989; T. W. Bauer, et al., Bone Join Surg., 73A (1991) 1439-1452; Rashmir-Raven AM, Richardson DC, Aberman HM, DeYoung DJ, The response of cancellous and cortical canine bone to hydroxyapatite-coated and uncoated titanium rods, J Appl Biomater 1995; 6: 237-242.), 및 d) 상기 a) 내지 c) 중 둘 또는 셋 모두의 조합이 있다. 골결합 및 그 메커니즘을 연구하는 추진력은 임플란트 수술을 받는 환자들이 종종 오랜 치료기간을 겪어야 하기 때문이다. 치과용 티타늄 임플란트는, 예를 들면, 환자 및 구강내 위치에 따라 외부의 삽입이 적용되기 전까지 일반적으로 3개월 내지 6개월의 치료기간을 필요로 한다.

동물 및 인간 몸 중에서 주된 미네랄 성분 중 하나인, 히드록시아파타이트, HA, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂는 골과 치아에 경도 및 강도를 제공한다. 생체에 있어, HA는 바늘 모양 구조의 작은 결정으로서 존재한다(Lowenstam, H. A., and Weiner, S. On biomineralization, Oxford University Press, New York, 1989.). 상기 바늘은 두께가 약 1~2 ㎚이고, 폭이 2~4 nm이고, 길이가 20~40 nm이다. HA는, 예를 들면, 경피적 장치(percutaneous devices), 치근막 치료(periodontal treatment), 치조골 증대술(alveolar ridge augmentation), 정형외과(orthopedics), 악골안면(maxillofacial) 수술, 이비인후과, 및 척추 수술에 사용되나(Hench(1991) J. Am. Cer. Soc. 74: 1487), 대부분은 정형외과 및 치과용 임플란트 적용을 위하여 사용된다.

불행히도, 특히 습윤 환경에서, 낮은 기계적 신뢰성 때문에, HA는 단독으로 무거운 부하의 적용을 위하여는 사용될 수 없다(Synthesis and characterization of nano-HA/PA66 composites Mie Huang, Jianqing Feng, Jianxin Wang, Xingdong Zhang, Yubao Li, Yonggang Yan Journal of Materials Science: Materials in Medicine 14 (2003) 655-660). 생체 내에서 HA는 다른 "연질(softer)" 조직으로 통합되어, 복합체를 형성한다. 예를 들면, 사람의 치아는 콜라겐 및 HA의 혼합물로 이루어지며, 이것은 치아를 깨짐(cracking)에 대해서 강인하게 견디도록 한다. 현재, 가장 널리 보급된 합성 히드록시아파타이트의 용도는 티타늄 임플란트의 코팅으로서이다. 이는 임플란트와 주위 조직 사이의 결합을 강화하며, 상기 결합(골결합)을 가능한 우수하고 신속하게 한다. 이러한 적용에 있어서, 히드록시아파타이트의 생체 적합성과 함께 티타늄의 강도의 적용이 이용된다. 연구에 따르면, HA가 생체 활성 효과를 갖는다 하더라도, HA의 적용에 수반하는 문제는 무수히 존재한다. 주된 문제는 티타늄 이산화물 표면상의 HA막의 부착에 관한 것이다. 부착성이 좋지 않기 때문에 HA막은 임플란트로부터 이탈되며, 이는 그로 인해 전체 수술의 실패를 야기할 수 있다. 또한, HA의 결정도에 수반한 문제가 나타나고 있으며, 이는 생체 조직에 제공되는 경우 막의 용해(dissolution)를 초래한다(Wolke J. G. C, Groot K, Jansen J. A, "In vivo dissolution behaviour of various RF magnetron sputtered Ca-P coatings", J. Biomed. Mater. Res. 39 (4): 524-530 Mar 15 1998.).

최근 수년간, 연구 성과는 생체 활성 물질로서의 HA에 대한 관심을 증가시켰으며, 또한 임플란트 상의 코팅 및 다른 적용으로서의 그를 사용하도록 하는 결과를 초래하였다. 더욱 신뢰성이 높은, HA로 제조된 제품을 생산하기 위하여 새로운 경로 또는 이전 방법의 변형에 있어서의 개발에 많은 노력이 기울여져 왔다. 매우 유망한 접근 방법 중 하나는 나노-입자 형태의 히드록시아파타이트를 제조하는 것이다. 이는 그들의 낮은 온도에서 소결될 수 있는 능력, 그들의 높은 비표면적 및 그들이 소결 후 더욱 강한 최종 제품을 제공한다는 점 때문이다.

나노 스케일로 HA 및 유사 물질을 제조하기 위한 몇 가지 방법이 존재한다. 이러한 방법은 낮은 농도의 염용액을 이용하는 제어된 화학적 침전, 퇴적(deposition) 기술(화학적 및 물리적), 기체 상태로부터의 응축 및 생물학적 및 합성의 서로 다른 템플레이팅(templating) 기술을 포함한다. 합성 방법 중에서, 계면활성제의 자기-배열(self-assembly), 특히 마이크로에멀젼(microemulsion)이 성공적으로 적용되고 있는데, 그 내부에서 계면활성제가 작은 수적(water droplet)을 형성하여 작은 HA 입자를 제조하기 위한 마이크로 반응기로서 사용된다(Susmita Bose et. al., Chem. Mater. 2003 (15) 4464-4469; Koumoulidis GC, Katsoulidis AP, Ladavos AK, Pomonis PJ, Trapalis CC, Sdoukos AT, Vaimakis TC, Journal of Colloid and Interface Science 259 (2): 254-260 Mar 15,2003; Lim GK, Wang J, Ng SC, Gan LM Journal of Materials Chemistry, 9 (7): 1635-1639 Jul 1999). 그러나, 생성물의 낮은 수율뿐만 아니라 크기 및 형태의 제어에 관한 문제가 존재한다. 따라서, 형태학적으로(morphologically) 순수한 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트, 특히 히드록시아파타이트를 제조하는데 있어서 신뢰할만한 기술에 대한 요구가 존재한다.

HA 막을 임플란트 대상물 위에 적용하기 위한 다양한 방법이 존재한다. 예를 들면: a) 열 플라즈마 분사(Thermal plasma spray). 플라즈마 분사 과정 도중 혼합 기체 스트림(stream)을 따라 전기 아크를 통과시킴으로써 플라즈마가 생성된다. 그 결과 HA 공급원료의 부분적 용융이 초래되며, 이에 따라 코팅되는 대상물의 외부 표면에 상대적으로 높은 속도로 충돌되게 된다. 이러한 처리는 국소적으로 높은 온도를 야기하며, 이에 따라 부분 무정형 HA 뿐만 아니라 다른 동질이상체(polymorphs)를 제공함으로써 HA의 결정도에 영향을 준다. 이러한 무정형 HA는 생체 내에 용해되어 불충분한 골결합을 제공한다. 또한, 상기 HA-층은 상대적으로 두꺼우며(최소 10 μm), 이는 임플란트에의 부착에 관한 문제를 야기한다(Cheang, P.; Khor, K. A. Biomaterials 1996, 17, 537; Groot, K. d. ; Geesink, R.; Klein, C.; Serekian, P. L. Biomedical. Mater. Res. 1987, 21, 1375; Story, B.; Burgess, A. Prosthetic implants coated with hydroxylapatite and process for treating prosthetic implants plasma-sprayed with hydroxylapatite; S. Calcitek: USA, 1998; and Zyman, Z.; Weng, J.; Liu, X.; Zhang, X.; Ma, Z. Biomaterials 1993, 14, 225.). b) 스퍼터링(Sputtering) 방법, 이는 상대적으로 비용이 높으며 낮은 효율로 인해 실용적이지 않다(Massaro C, Baker MA, Cosentino F, Ramires PA, Klose S, Milella E, Surface and biological evaluation of hydroxyapatite-based coatings on titanium deposited by different techniques. Journal of Biomedical Materials Research, 58 (6): 651-657 Dec 5, 2001). c) 전기화학적 방법, 이는 기재상에 결정을 성장시키기 위하여 전기화학을 사용한다. 이러한 기술은 코팅 막을 갈라지게 하거나 파열시킬 수 있는 기체의 형성에 관한 문제를 안고 있다. 상기 문헌에 기술되어 있는 다른 몇 가지 기술들이 있으나, 현재에는 플라즈마 분사 기술만이 상업적으로 이용되고 있다. 상기 기술들 및 기술되지 않은 다른 기술을 사용하는 문제점은 매우 많으며, 특히 두꺼운 층만이 적용될 수 있기 때문에(수 μm), 기재에의 부착에 관한 문제 및 형태가 복잡한 대상물을 코팅하는 것과 관련된 문제가 초래된다. 또한 사용되거나 테스트된 몇 가지 기술은 국소적으로 높은 온도를 생성하며, 이는 바람직한 결정성 아파타이트 형태 대신에 무정형 HA를 제공한다. 이는 표면상에 HA를 퇴적하기 위한 새로운 코팅 방법을 필요로 한다. 한가지 유망한 기술은 입자 분산으로 이루어진 용액에 기재가 침지되는, 소위, 침지-코팅(dip-coating) 기술이다. 이러한 기술의 사용에 대하여 수행된 몇 가지 연구가 있으나, 적합한 졸의 제조에 관한 문제가 기재에의 부착 및 결합력이 없는 필름의 문제를 초래하였다.

본 발명은 높은 결정성 나노 크기 아파타이트, 특히 분말 형태 또는 표면상의 코팅 형태의 히드록시아파타이트를 제공한다. 얇고 투명한 고도의 결정성 아파타이트, 즉, 히트록시아파타이트와 같은 칼슘포스페이트, 코팅은 이하 기술되는 본 발명의 방법을 사용하여 대상물, 예를 들면 임플란트, 위에 적용된다

본 발명은 작은 입자의 사용이 유리한 몇 가지 생성물을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 금속 또는 비금속 기재의 표면상에 용이하게 퇴적(deposited)될 수 있는 용액을 제공한다. 상기 용액에 존재하는 나노입자는 정전기적으로 기재에 부착되며, 따라서 기재는 표면에의 부착을 최대화하기 위하여 바람직하게는 산화물층을 포함하여야 한다. 이는 기재의 형상에 관계없이 적용될 수 있는 매우 얇은 층(150 nm 이하 정도)의 결정성 아파타이트로 이루어진 표면을 생성한다. 또한, 본 발명은 기재의 표면 거칠기를 모방(follow)할 수 있는 아파타이트층을 제공하여, 골결합에서 매우 중요한 표면 구조 및 아파타이트-코팅을 조합하는 가능성을 제공한다.

재료 공학에 따르면, 소결 후 감소된 입자크기에 있어서 재료의 강도는 증가한다(reference: A. A. Griffith, "The phenomena of rupture and flow in solids", Phil. Trans. Roy. Soc. London, Ser. A. 221 [4] 163-198 (1920-1921 )). 이는 나노 크기의 칼슘 포스페이트가 소결되는 경우 통상의 HA로부터 제조된 물질과 비교하여 더욱 높은 강도의 물질을 얻게 한다. 이는 완전히 HA로 이루어진 높은 강도의 임플란트를 제조하는 것을 가능하게 한다. 또한, 작은 결정 크기는 고체의 기재상에 매우 얇은 HA층을 형성할 수 있는 가능성을 제공한다. 또한 기재상의 코팅 형태의 히드록시아파타이트 나노 결정은 생체 활성 표면을 제공할 뿐만 아니라 금속 또는 비금속으로 제조된 임플란트의 표면적을 증가시키기 위하여 그들을 사용하는 경우 유리하다. 이는 매우 신속하고 더욱 제어된 골결합을 야기한다.

본 발명의 합성의 나노 크기 히드록시아파타이트 결정은, 본 발명자들이 아는 한, 이전에 존재하는 것 중 비표면적이 가장 크다. 상기 결정은 생체에 존재하는 HA 입자와 유사하며, 이는 생체용 임플란트를 제조하기 위한 생체 조직의 생체모방(biomimicking)에 매우 적합하게 한다. 이와 같이, 본 발명의 HA는 임플란트의 표면상에 퇴적되어 초기 치료 과정 도중 골성장을 자극하도록 임플란트에 높은 생체 활성의 표면을 제공하는데 적합하다. 예를 들면, 사람의 치아는 단백질 고분자 콜라겐의 매트릭스 내에 형성된 HA로 구성된 나노입자로 이루어지며, 이는 적절한 기계적 강도 및 안정성을 제공한다.

도 1은 본 발명의 히드록시아파타이트에 대한 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다. 스케일 바는 100 nm 이다.
도 2는 본 발명의 히드록시아파타이트로 코팅된 금속 표면에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다. 상기 도면에 도시되듯이, 본 발명의 히드록시아파타이트층은 금속 표면 형태(topography)에 따른다. 스케일 바는 10 ㎛ 이다.
도 3은 유리 표면상의 본발명의 히드록시아파타이트층에 대한 SEM 사진을 나타낸다. 스케일 바는 1 ㎛이다.
도 4는 비표면적이 220 m²/g인 HA 분말의 X-레이 회절패턴(X-Ray diffractogram)을 나타낸다.

본 발명의 제1 측면은 BET법(S. Brunauer, P. H. Emmet, E. Teller, J. Am. Chem. Soc. 1938,60, 309-319)에 의하여 측정할 경우 비표면적이 150 m²/g 내지 300 m²/g, 예컨데 180 m²/g 내지 280 m²/g 범위인 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트에 관한 것이다.

결정은 직경 측면에서 1~10 nm, 예컨대 2~10 nm, 바람직하게는 1~5 nm의 입자 크기를 갖고 있으며, 이는 도 1에 도시된 TEM 사진으로부터 측정할 수 있다.

본 발명의 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트의 바람직한 일 구현예에 있어서, 칼슘 포스페이트는 히드록시아파타이트이다.

본 발명의 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트의 다른 구현예에 있어서, 비표면적은 180 m²/g, 220 m²/g 및 280 m²/g으로부터 선택된다.

본 발명에 따른 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트는 분말의 형태 또는 표면, 예를 들면 티타늄 표면과 같은 금속 표면상의 코팅의 형태일 수 있다.

표면상 코팅 형태의 합성 나노 크기의 결정성 칼슘 포스페이트의 일 구현예에 있어서, 코팅의 두께는 150 nm 이하, 예컨데 100 nm 이하이다.

본 발명의 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트의 또 다른 구현예에 있어서, 인(phosphor)에 대한 칼슘의 비는 1.67이다.

본 발명의 제2 측면은 나노 크기의 결정성 칼슘 포스페이트의 분말 또는 코팅의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:

나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트의 분말 또는 코팅의 제조 방법으로서,

a) 물 및 화학량적(stoichiometric)으로 용해된 양의 인 전구체 및 칼슘염 전구체의 용액을 제공하는 단계,

b) 계면활성제 및 선택적으로 소수성 유기 용매를 a) 단계의 용액에 첨가하여 액정상(liquid crystalline phase)을 생성하는 단계,

c) 상기 액정상이 평형 상태를 유지하도록 하는 단계, 및

d) 상기 평형 상태의 액정상을 암모니아 분위기에 두고, pH를 상승시켜 상기 액정상의 물 영역 중에서 칼슘 포스페이트의 나노 크기 결정이 형성되도록 하는 단계를 포함하고,

상기 a) 내지 d) 단계는 상온에서 이루어지며,

이어서,

e1) d) 단계의 상기 암모니아 처리된 액정상으로부터 용매를 사용하여 상기 계면활성제를 제거하는 단계 및

f1) 상기 칼슘 포스페이트의 나노 크기 결정을 여과, 세척하여 분말을 얻는 단계가 수반되거나,

또는

e2) d) 단계의 상기 암모니아 처리된 액정상을 소수성 유기 용매로 희석하여 물 중에서 상기 나노 크기 결정의 칼슘 포스페이트의 마이크로에멀젼을 생성하는 단계,

f2) 산화물층으로 코팅된 대상물 표면을 e) 단계의 상기 마이크로에멀젼에 침지하여, 상기 표면상에 상기 마이크로에멀젼을 퇴적시키는(deposite) 단계,

g2) f2) 단계의 상기 표면으로부터 유기 용매를 증발시켜 나노 크기의 결정성 칼슘 포스페이트의 코팅을 얻는 단계, 및

h2) 비활성 분위기하에서 가열하여 계면활성제를 제거하는 단계,

또는 대안으로서

d) 단계를 생략하고

e3) c) 단계의 상기 액정상을 소수성 유기 용매로 희석하여 마이크로에멀젼을 생성하는 단계,

f3) 산화물층으로 코팅된 대상물 표면을 e3) 단계의 상기 마이크로에멀젼에 침지하여 상기 표면상에 상기 마이크로에멀젼을 퇴적시키는 단계,

g3) f3) 단계의 상기 표면으로부터 유기 용매를 증발시켜 액정상을 형성하는 단계, 및

h3) g3) 단계의 상기 표면을 암모니아 분위기 중에 두고 pH를 상승시킴으로써 나노 크기 결정의 칼슘 포스페이트가 상기 액정상의 물 영역 중에 형성되고 상기 표면상에 퇴적되는 단계, 이어서

i2) 비활성 분위기 하에서 가열하여 상기 계면활성제를 제거하는 단계가 수반된다.

일 구현예에 있어서, a) 단계에서 화학량적(stoichiometric)으로 용해된 양은 물에 용해된 양이나, 인 전구체가 예를 들면 트리에틸 포스파이트 또는 칼슘 프로피오네이트와 같이 수용성이 아닌 경우의 일부 다른 구현예에 있어서, 용해된 양은, 각각, 텐사이드(tenside)에 용해되거나 또는 오일에 용해된 것이다.

현재 바람직한 일 구현예에 있어서 b) 단계의 계면활성제는 비이온성 계면활성제이다.

본 발명의 방법에 의하여, 비표면적이 50 m²/g 내지 300 m²/g 범위인(현재 바람직한 범위는 150 m²/g 내지 300 m²/g이지만) 나노 크기의 결정성 칼슘 포스페이트를 제조하는 것도 가능하다.

본 발명 방법에 대한 일 구현예에 있어서, f2) 또는 f3) 단계의 산화물층으로 코팅된 표면은 티타늄 표면과 같은 금속 표면이다.

본 발명 방법에 대한 다른 구현예에 있어서, f2) 또는 f3) 단계의 대상물은 생체용 임플란트(body implant)로, 예를 들면 치과용 임플란트이다.

본 발명의 제1 측면에서와 같이, 본 발명의 제2 측면, 방법의 구현예는 칼슘 포스페이트로 히드록시아파타이트, 인 전구체로 인산, 칼슘염 전구체로 질산 칼슘 및 인에 대한 칼슘의 비로서 1.67을 포함한다.

이와 같이, 또한 생체에서 1.67 정도인 중요한 Ca/P 비율이 유지될 수 있다. 1.67의 Ca/P 비율은 천연적으로 발생하는 히드록시아파타이트의 비율이다. 그러나, 다른 칼슘 포스페이트 화합물은 본 발명에 따라서 디-, 트리, 테트라칼슘 포스페이트와 같이 칼슘 및 인 전구체의 비율을 변경함으로써 제조될 수 있다.

인 전구체의 예는 인산(phosphoric acid), 아인산(phosphorous acid), 차아인산(hypophosphorous acid) 및 트리에틸 포스파이트와 같은 아인산 에스테르를 포함한다.

칼슘염 전구체의 예는, 칼슘 나이트레이트(calcium nitrate) 이외에, 예를 들면 염화 칼슘, 칼슘 아세테이트, 칼슘 에톡사이드와 같은 칼슘 알콕사이드를 포함한다.

*합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트, 특히 히드록시아파타이트는, 산화물층을 포함하기만 한다면, 예를 들어 금속, 고분자 및 임의의 다른 유기 물질, 세라믹류 및 다른 무기 물질과 같은 임의의 대상 표면상에 퇴적될 수 있다. 대상물 또는 임플란트는 판상(flat like), 원형, 동심의 또는 임의의 복합 형상일 수 있으며, 표면은 평탄하거나 다공성일 수 있다. 따라서 생체용 임플란트로서 사용되는 금속, 예컨데 티타늄(이는 항상 표면상에 존재하는 티타늄 이산화물층을 포함한다), 스테인레스강, 몰리브덴, 지르코늄 등은 본 발명에서 기술된 코팅 작용에 의하여 생체 활성화될(bioactivated) 수 있다.

기재에 대한 우수한 부착을 이루기 위하여, 기재 표면은 적절하게 세정된다. 이는 결착에 영향을 끼칠 수 있는 오염물을 제거하기 위함이다. 상기 목적을 위하여 몇 가지 기술, 블라스팅(blasting) 및 폴리싱(polishing)과 같은 기계적 방법 및 유기 용매 및 물을 사용한 세척과 같은 화학적 방법이 모두 사용될 수 있다.

바람직한 결정도, 즉 아파타이트 구조를 얻을 뿐만 아니라 그 결정 크기를 제어하기 위하여, 계면활성제 자기-배열이 본 발명의 방법에서 사용된다. 계면활성제는 하나 이상의 친수성 부분 및 하나 이상의 소수성 부분으로 이루어진 친양쪽성(amphiphilic) 분자이다. 친수성 부분은 그것이 물에 대해 친액성이라는 것, 즉 물을 좋아한다는 것을 의미하는데, 이는 머리가 다소 수용성인 것으로서 언급될 수 있다. 소수성 부분은 물에 대해 비친액성이라는 것, 즉 물을 좋아하지 않는다는 것을 의미하는데, 이는 종종 꼬리가 수용성이 아니거나 친수성 부분보다 덜 수용성이라는 것으로서 언급될 수 있다. 이러한 서로 다른 부분의 조합은 일 부분이 수용성이며 일 부분은 비수용성 또는 덜 수용성인 분자를 야기한다. 서로 다른 조합은 이러한 부분 사이에서 존재하며, 계면활성제는 예를 들면 하나 이상의 소수성 꼬리를 갖는 2중 머리 형태일 수 있으며, 또는 그 반대로, 하나 이상의 머리를 갖는 2중 꼬리 형태일 수도 있다. 또한, 계면활성제는 머리의 종류에 따라 다른 그룹, 즉 이온성 또는 비이온성으로 분류될 수 있으며, 상기 이온성은 양성, 음성, 양쪽이온성(zwitterionic) 또는 양쪽성(amphoteric)이다. 양쪽이온성 계면활성제는 양성 및 음성 전하를 모두 함유한다. 종종 양성 전하는 변함없이 암모늄이며, 음성 전하는 다양하나 보통 카르복실레이트이다. 양성 및 음성 전하가 pH에 의존적이라면, 그들은 양쪽성 계면활성제라 지칭되며, 이는 일정 pH 범위에서 양쪽이온성이다. 계면 활성제의 가장 중요한 특성은 그들이 계면, 예를 들면 공기-액체 계면, 공기-고체 계면 및 액체-고체 계면상에서 흡착하는 경향이다. 계면활성제가 응집된 형태로 존재하지 않는다는 의미에서 유리(free)되어 있는 경우, 그들은 모노머 또는 유니머(unimer)로 호칭된다. 유니머 농도를 증가시키면, 그들은 응집하여 작은 응집체의 실체(entity), 소위, 마이셀(micelle)을 형성한다. 이러한 농도를 임계 마이셀 농도(Critical Micell Concentration)라 칭하며, 종종 CMC로 표기된다. 이러한 마이셀 형성은 계면상의 흡착에 대한 대안으로서 간주될 수 있으며, 이와 같이 열역학의 규칙에 따라 그 유리 에너지(free energy)를 감소시킨다. 마이셀화를 위하여 용매로서 물을 사용하는 경우, CMC는 매우 낮은 마이셀 농도에 도달한다. 이는 1 mM 이하의 값을 갖는 것은 특이한 것은 아니다. 계면활성제의 농도를 CMC 이상으로 더욱 증가시키면 마이셀은 크기 면에서 성장하게 시작한다. 더욱 높은 계면활성제 농도에서 마이셀은 서로서로 면밀하게 밀집되는 단계에 도달하게 되어, 새로운 더 점성인 구조, 즉 액정상을 형성하게 된다. 이러한 실체는 물 또는 유기 용매 중에서 또는 물 및 유기 용매의 혼합물 중에서 형성된다.

액정 구조의 형태에서 계면활성제 자기-배열은 일정 범위의 서로 다른 기하구조(geometry)로 존재한다. 이러한 기하구조의 예는 박판형(lamellar), 육방, 역육방(reversed hexagonal) 및 입방(cubic)이다. 모든 이러한 기하구조는 본 발명을 이용하여 얻어질 수 있다. 존재하는 다른 계면활성제 상은, 소위, 등방성 용액상(isotropic solution phases)이며, 그 예는 희석 및 농축된 마이셀 용액, 역마이셀(reversed micellar) 용액, 마이크로에멀젼 및 베시클(vesicle) 용액이다. 더욱 고도로 농축된 시스템, 즉 액정상은 단범위의 무질서(short-range disorder)를 갖고 있으나, 장범위에서 일정 정도의 질서를 갖고 있다. 이는 장범위 및 근범위의 질서를 모두 갖고 있는 무기 결정과 같은 일반적인 결정과 비교된다. 이러한 특성은 액정을 경질 구조가 되도록 만들지만, 일반적인 결정과 비교할 때, 보다 액체상에 유사하도록 한다. 이러한 구조에 대해 전형적인 크기 범위는 중간 범위(meso range) 내, 즉, 2~50 nm이다.

액정상 및 그들의 농축상 행동(rich phase behavior)을 이용하는 방법은 매우 유망한 경로 및 다공성 물질(중형다공성; mesoporous)을 제조하는 경로를 제공하며, 이는 손상된 골의 교체에 적용하는데 있어서 흥미있는 점일 것이다. 고도로 농축된 액정상을 이용하여 제조된 물질은 비표면적이 50 m²/g보다 커서, 예컨데 100 m²/g이고, 바람직하게는 150 m²/g 보다 커서, 예를 들면 200 m²/g이고, 및 가장 바람직하게는 280 m²/g인데, 이는 본 발명자들이 아는 한 통상적인 N₂ 흡착 방법을 사용한 합성 HA에 대하여 보고된 비표면적 중 가장 크다(Rudin 등이(WO02/02461) 그들은 비표면적이 920 m²/g인 HA를 제조하였다고 한 점이 언급되어야 한다. 그러나 이러한 값은 표준 N₂ 흡착 방법에서 얻어진 값과는 비교될 수 없다).

본 발명에서 결정성 아파타이트, 예를 들면 HA 입자의 형성을 위한 구조 유도제(structure directing agent)로서 사용된 계면활성제는, 대상물상의 입자 분산이 필요한 경우 콜로이드 현탁액을 안정화하는 분산제 및 습윤제로서 기능을 한다. 나노 크기 칼슘 포스페이트의 제조를 위한 적절한 계면활성제는 블록-폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(프로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜) 종류의 비이온성 계면활성제이다. 위에서 언급한 바와 같이, 몇 가지 서로 다른 이액성(lyotropic) 액정 구조 또는 상이 존재한다. 얻을 수 있는 상의 형태는 계면활성제, 소수성 상(만일 존재한다면), 적용된 압력, 온도, pH 및 농도에 의존하며, 이러한 파라미터 중 하나 이상을 변화시킴으로써 상을 변이시키는 것이 가능하다. 이러한 특성은 하나의 특정 계면활성제상(surfactant phase)으로부터 출발하여, 특정의 구현된 분위기 중에서 반응을 수행하고, 하나 이상의 파라미터를 변화시켜 또 다른 상으로 전환시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 다른 상은 제조 과정을 위하여 바람직한 다른 특성을 갖을 수 있으며, 이는 또 다른 단계에서 사용될 수 있다. 온도 및 계면활성제 농도와 같은 파라미터를 변경함으로써 원하는 상 및 본 발명에 의해 제공된 나노 입자을 제조하는 것 및 안정한 현택액으로서 더욱 바람직한 또 다른 상으로 변화시키는 것이 가능하다. 또한, 공지의 조건 하에서 열역학적으로 이러한 계면 활성제 시스템을 제조하는 것은 이루어질 수 있으며 또한 보유될 수 있다. 이는 상기 상이 장기간 유지된다고 하더라도 결코 그 각각의 고유 성분으로 상분리되지 않을 것이란 점을 의미한다. 이는 생성물 및 제조 재현성과 같은 실제적인 문제와 관해서라면 바람직한 특성이다.

혹 사용되는 유기 용매는 많은 다른 용매로부터 선택될 수 있으며, 용매의 예는 부틸아세테이트 및 p-자일렌을 포함한다.

본 발명을 실시예 및 도면을 참조하여 설명할 것이나, 본 발명의 범위는 개시된 구체예에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 한다.

실시예 1

히드록시아파타이트 분말의 제조

분말은 액정상을 이용하여 제조된다. 그러한 상은 계면활성제, 물 및 선택적으로 유기 용매의 소수성 상으로 이루어진다. 본 발명자들이 사용한 계면활성제는 PEG-PPG- PEG(블록 폴리(에틸렌 글리콜)-블록 폴리(프로필렌 글리콜)-블록 폴리(에틸렌 글리콜)) 구조의 소위 블록 공중합체이다. 바스프(BASF)가 이러한 중합체 시리즈를 플루로닉(Pluronic)이란 이름으로 제조하나, 화학 회사인 알드리치(Aldrich)도 대부분의 동일한 블록 공중합체를 판매한다. 본 발명자들은 하기의 중량 퍼센트로 주어지는 네 가지 서로 다른 조성물(recipes)에 의하여 히드록시아파타이트를 제조할 수 있었다:

1) 역육방상(Reverse hexagonal phase)

15 % 수용액: H₂0, H₃P0₄ 및 Ca(N0₃)₂

35 % 부틸아세테이트

50 % 플루로닉 P123

2) 역육방상

15 % 수용액: H₂0, H₃P0₄ 및 Ca(N0₃)₂

15 % p-자일렌

* 70 % 플루로닉 L64

3) 입방상(Cubic phase)

50 % 수용액: H₂0, H₃P0₄ 및 Ca(N0₃)₂

50 % 플루로닉 F127

4) 육방상

30 % 수용액: H₂0, H₃P0₄ 및 Ca(N0₃)₂

70 % 플루로닉 F127

상기 액정상을 일정 시간 동안 평형화시키고 암모니아 분위기 중에서 처리하였다. 암모니아는 물의 pH를 상승시키기 때문에 히드록시아파타이트를 침전시켰다. 4일 후 상기 반응을 멈추고, 용매(예를 들면 에탄올 또는 톨루엔)를 사용하여 계면활성제를 제거하였다. 히드록시아파타이트를 여과, 세척하고 공기건조하였다. 결정화는 액정(직경 5~10 nm) 중에 존재하는 매우 적은 양의 물 영역(water domain) 중에서 발생한다는 점에 기인하여 상기 분말은 극도로 미립자화(fine-grained) 되었다.

상기 조성물로부터 알 수 있듯이, 가용 농도의 인산 및 칼슘 나이트레이트가 수성 상에 첨가된다. 칼슘 나이트레이트 및 인산 사이의 관계는 Ca/P의 비가 1.67이 되도록 유지되었다. 첨가되는 칼슘 나이트레이트 및 인산의 농도에 의존하여 생성되는 히드록시아파타이트 결정의 크기가 제어될 수 있다. 본 발명자들은 칼슘 나이트레이트 및 인산의 농도를 변화시켜서(여전히 Ca/P의 비율은 1.67임) 하기의 비표면적을 측정하였다:

본원에서 모든 비표면적은 질소 가스 흡착, 더욱 상세하게는 Micromeritics instruments의 ASAP 2010 기기를 이용하여 측정되었다.

실시예 2

표면상의 코팅의 제조- 방법 1

코팅은 암모니아 처리된 액정상을 물에 용해되지 않는 유기 용매로 희석함으로써 얻어졌다. 실시예 1에서와 같이 계면활성제를 제거하고 분말을 여과하는 대신에, 비수용성 성분을 액정상에 더 첨가하였다. 그러한 방식으로 유중수(water-in-oil) 마이크로에멀전이 얻어졌으며, 히드록시아파타이트 결정은 상기 용액 중에서 직경이 약 10 nm인 조그만 수액적(water droplets)으로 존재한다. 첨가되는 용매의 양은 마이크로에멀젼을 유지하기 위하여 중요하다. 만약 너무 많은 용매가 첨가되면 히드록시아파타이트는 침전되어 가라앉는다. p-자일렌 및 L64을 사용한 조성물에 있어서, 본 발명자들은 마이크로에멀젼을 얻기 위하여 액정상의 중량 대비 p-자일렌양을 2배 첨가였다:

수용액 15g

p-자일렌 215g

플루로닉 L64 70g

티타늄과 같은 금속이 상기 용액에 침지되는 경우, 히드록시아파타이트는 계면활성제 및 유기용매와 함께 금속에 부착되게 된다. 침지 후, 시료를 30분 동안 건조함으로써 유기 용매를 증발시켰다. 이어서 계면활성제가 550 ℃로 5 분 소성됨에 따라, 오직 순수한 히드록시아파타이트만 남았다. 히드록시아파타이트는 완전한 결정질이며, 또한 비표면적이 높았다. 이와 함께 플라즈마 스퍼터링과 같은 다른 방법을 사용하여 부분적으로 무정형 히드록시아파타이트의 후막(thick layer)을 얻었으며 비표면적은 낮았다. 열처리는 소위 튜브형 퍼니스 중에서, 시료를 통과하여 흐름으로써 티타늄 표면의 산화를 더욱 방지하는 질소 가스를 사용하여 수행되었다.

상기 HA 코팅을 제조하는 방법은 간단하게 다음과 같이 기술될 수 있다:

1. 액정상을 제조하여

2. 이를 암모니아 분위기 중에 4일 동안 배치한다.

3. 상기 상을 용매로 희석하여 코팅 용액을 제조한다.

4. 코팅되는 표면은 코팅 용액에 침지하고 건조하여, 액정상이 표면에 재생성되도록 한다.

5. 계면활성제의 제거를 위하여 상기 표면을 퍼니스 중에서 질소 가스하에 5 분 동안 배치한다.

*실시예 3

표면상의 코팅의 제조-방법 2

암모니아 분위기 중에서 처리되지 않은 액정상을 물에 용해되지 않는 유기 용매로 희석하여 코팅이 얻어졌다. 유중수 마이크로 에멀젼이 얻어졌으나, 액정상이 암모니아에 노출되지 않았기 때문에, 마이크로에멀젼 수적 중에 히드록시아파타이트 결정은 존재하지 않았다. 대신 이러한 수적은 칼슘 및 인 전구체를 함유하였다. 마이크로에멀젼의 조성은 실시예 2에서와 동일하다:

수용액 15 g

p-자일렌 215 g

플루로닉 L64 70 g

HA 코팅을 제조하는 상기 방법은 간단히 다음과 같이 기술될 수 있다:

1. 액정상을 제조하여

2. 이를 용매로 희석하여 코팅 용액을 제조한다.

3. 코팅되는 표면을 코팅 용액에 침지하고 건조하여, 액정상이 표면에 재생성되도록 하며,

4. 이를 암모니아 분위기 중에서 20 분 동안 배치한다.

표면상의 나노 결정성 코팅을 제조하는 두 다른 방법간의 주된 차이는 후자의 경우에 액정상은 4일 동안 암모니아로 처리되지 않는다는 점이다: 대신 표면은 침지 후에 암모니아로 처리되고, pH가 상승하여 HA가 표면상에 퇴적된다. 퍼니스 중에서 계면활성제를 제거하는 최종 단계는 양 방법에 있어 모두 동일하다. 상기 방법은 동일한 결과를 제공하지만, 후자의 방법은 더 짧은 시간 동안 수행된다.

표면상에 산화물층이 존재하며(그렇지 않다면 마이크로에멀젼 중의 히드록시아파타이트가 기재와 충분히 부착하지 않으며) 그 물질이 열처리에 견딜 수 있다면, 금속 표면 이외의 다른 표면을 히드록시아파타이트로 코팅하는 것도 가능하다. HA을 사용한 코팅이 가능한 물질의 예는 스테인레스강 및 티타늄과 같은 금속, 및 지르코늄 산화물과 같은 세라믹, 및 보통의 유리를 포함한다.

Claims

표면상의 코팅 형태로 50 m²/g 내지 300 m²/g 범위의 비표면적을 갖고, 상기 코팅의 두께가 150 nm 이하인 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.
제1항에 있어서, 상기 칼슘 포스페이트가 히드록시아파타이트(hydroxyapatite)인 것을 특징으로 하는 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비표면적이 80 m²/g 내지 300 m²/g 범위인 것을 특징으로 하는 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표면이 금속 표면인 것을 특징으로 하는 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.
제4항에 있어서, 상기 금속 표면이 티타늄 표면인 것을 특징으로 하는 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코팅이 100 nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 인(phosphor)에 대한 칼슘의 비가 1.67인 것을 특징으로 하는 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.
제 1항에 따른 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트의 코팅물의 제조 방법으로서,
a) 물 및 화학량적(stoichiometric)으로 용해된 양의 인 전구체 및 칼슘염 전구체의 용액을 제공하는 단계,
b) 계면활성제 및 선택적으로 소수성 유기 용매를 a) 단계의 용액에 첨가하여 액정상(liquid crystalline phase)을 생성하는 단계,
c) 상기 액정상이 평형 상태를 유지하도록 하는 단계, 및
d) 상기 평형 상태의 액정상을 암모니아 분위기에 두어서, pH를 상승시켜 상기 액정상의 물 영역 중에서 칼슘 포스페이트의 나노 크기 결정이 형성되도록 하는 단계를 포함하고,
상기 a) 내지 d) 단계는 상온에서 이루어지며,
이어서,
e1) d) 단계의 상기 암모니아 처리된 액정상을 희석하여 물 중에서 상기 나노 크기 결정의 칼슘 포스페이트의 마이크로에멀젼을 생성하는 단계,
f1) 산화물층으로 코팅된 대상물 표면을 e1) 단계의 상기 마이크로에멀젼에 침지하여, 상기 표면상에 상기 마이크로에멀젼을 퇴적시키는(deposite) 단계,
g1) f1) 단계의 상기 표면으로부터 상기 유기 용매를 증발시켜 나노 크기의 결정성 칼슘 포스페이트의 코팅을 얻는 단계, 및
h1) 비활성 분위기하에서 가열하여 계면활성제를 제거하는 단계,
또는 대안으로서
d) 단계를 생략하고
e2) c) 단계의 상기 액정상을 소수성 유기 용매로 희석하여 마이크로에멀젼을 생성하는 단계,
f2) 산화물층으로 코팅된 대상물 표면을 e2) 단계의 상기 마이크로에멀젼에 침지하여 상기 표면상에 상기 마이크로에멀젼을 퇴적시키는 단계,
g2) f2) 단계의 상기 표면으로부터 상기 유기 용매를 증발시켜 액정상을 형성하는 단계, 및
h2) g2) 단계의 상기 표면을 암모니아 분위기 중에 두고 pH를 상승시킴으로써 나노 크기 결정의 칼슘 포스페이트가 상기 액정상의 물 영역 중에 형성되고 상기 표면상에 퇴적되는 단계, 이어서
i2) 비활성 분위기 하에서 가열하여 상기 계면활성제를 제거하는 단계가 수반되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제8항에 있어서, b) 단계의 상기 계면활성제는 비이온성 계면활성제인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제8항에 있어서, f1) 또는 f2) 단계의 상기 산화물층이 코팅된 표면은 금속 표면인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 금속 표면은 티타늄 표면인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제8항에 있어서, f1) 또는 f2) 단계의 상기 대상물은 생체용 임플란트(body implant)인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제12항에 있어서, 상기 생체용 임플란트는 치과용 임플란트인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 칼슘 포스페이트는 히드록시아파타이트인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인 전구체는 인산(phosphoric acid)인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 칼슘염 전구체는 칼슘 나이트레이트(calcium nitrate)인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 인에 대한 상기 칼슘의 비는 1.67인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표면이 비-금속 표면인 것을 특징으로 하는 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.
제18항에 있어서, 상기 비-금속 표면이 폴리머인 것을 특징으로 하는 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.
제18항에 있어서, 상기 비-금속 표면이 세라믹인 것을 특징으로 하는 합성의 나노 크기 결정성 칼슘 포스페이트.