KR101278098B1

KR101278098B1 - 골조직 재생용 생체세라믹 다공체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공체

Info

Publication number: KR101278098B1
Application number: KR1020120005259A
Authority: KR
Inventors: 고영학; 문영욱
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-06-24

Abstract

본 발명은 생체세라믹 분말과 캠핀(camphene)을 캠핀의 융점(예, 60 ℃) 이상의 온도로 가열하여 액상 상태의 균질한 세라믹/동결매체 슬러리를 제조하고, 이를 상온에서 고체화(solidification)시킨 후, 세라믹/캠핀 복합체를 상온에서 압출하여 고체화된 캠핀이 압출 방향으로 고도로 정렬되도록 유도한 후, 이를 세라믹/캠핀 슬러리의 고화온도(solidification point) 근처에서 일정 시간 동안 다시 1차 열처리하여, 캠핀이 압출 방향에 따라 정렬된 방향에 수직한 방향으로만 성장하도록 유도하고, 이를 동결건조하여 제거하고 고온에서 세라믹을 2차 열처리(소결)하여, 골조직 재생에 필요한 임계 크기(예, 100 마이크론) 이상의 정렬된 기공구조를 갖는 고기능성 생체세라믹 다공체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공체에 관한 것이다.

Description

골조직 재생용 생체세라믹 다공체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공체{Method for producing porous bioceramics for bone regeneration and porous bioceramics manufactured thereby}

본 발명은 골조직 재생용 생체세라믹 다공체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공체에 관한 것이다.

정렬된 다공체를 가지는 물질은 우수한 기계적 성질 때문에 여러 분야에서 널리 쓰이고 있다. 대표적인 분야가 바이오 인공 뼈로 질병이나 사고에 의해 손상된 인체의 뼈를 대체하기 위해 체내에 매식되는 재료로 쓰이고 있다. 바이오 인공 뼈는 체내에 매식되어 초기 골세포의 증착 및 분화를 촉진하여, 궁극적으로 빠른 골 생성을 유도하는 재료이다. 현재 바이오 인공 뼈는 전 세계적으로 연구하는 분야이며, 다양한 제조기술들이 이에 적용되고 있으며 더 나은 제조기술을 위한 연구가 한창이다.

스폰지 복제법(Sponge replication)은 생체세라믹 다공체를 손쉽게 제조할 수 있는 기술 중에 하나이다[비특허문헌 1]. 폴리우레탄 스폰지를 세라믹 슬러리로 코팅하여 다공체를 제조하는 기술로, 기공율이 높으며 3차원적으로 연결된 기공구조는 초기 골세포의 증착 및 분화에 우수한 장점이 있지만, 기계적 강도가 낮으며 폴리우레탄 스폰지의 열분해 과정 중에 세라믹에 결함을 유발시킬 수 있는 단점이 있다.

이와 유사한 방법으로는 구 형태의 고분자 입자들과 세라믹 분말을 혼합하여 열처리 과정을 통해 고분자를 제거하여 다공체를 제조하는 방법이 있으나, 스폰지 복제법과 마찬가지로 고분자를 열처리를 통해 제거하는 과정 중에 다공체 변형 및 파괴를 유발시킬 수 있다. 또한, 기공 크기나 기공율을 용이하게 조절하기가 어렵다.

최근, 세라믹 슬러리 포밍법이 다공체를 제조할 수 있는 신기술로 제안되었는데, 세라믹 분말을 물에 분산시키고 자석 교반을 통해 공기방울을 형성하여 동결건조를 통해 물을 제거함으로써 세라믹 다공체를 얻는 기술이다. 하지만 기공크기가 불균일하고 낮은 강도 때문에 생체 내에 적용하는데 있어서 한계를 가지고 있다.

따라서, 생체 세라믹은 높은 기공률에도 불구하고 높은 강도를 가지는 것이 그 기능면에서 유리한 측면이 있다. 기공률을 유지하면서 높은 강도를 가지게 하는 방법 중에 하나가 정렬된 기공을 형성해 주는 것이다. 정렬된 기공구조를 갖는 세라믹 다공체는 기존의 소재에 비해 월등히 우수한 기계적 물성(강도)를 갖기 때문에 이러한 기공구조를 형성해주는 것이 중요하다.

이러한 생체 세라믹을 만드는 방법 중에 정렬된 기공을 제조하는 대표적인 방법이 동결주조법이다[비특허문헌 2]. 이러한 동결주조법은 동결매체에 따라 달라지는데, 대표적인 동결매체들은 다음과 같다.

우선, 물을 이용한 동결주조법은 가장 보편적인 동결주조법 중에 하나로 세라믹 슬러리를 동결하여, 얼음을 제거하고 열처리를 통해 세라믹 다공체를 제조하는 기술로서, 전형적인 세라믹 습식공정으로 친환경적이며 매우 경제적인 방법이다. 하지만, 기공을 제어하는 방법으로 동결주조에 의한 얼음의 수지상에 의존하기 때문에 기공 길이의 한계를 가지고 있다.

또한, 터트-뷰틸 알콜(tert-butyl alcohol, TBA)을 동결매체로 사용한 동결주조법은 기공의 정렬성이 좋지만, 내부 연결 기공이 부족하며 역시 기공 길이의 한계를 가지고 있다.

최근에는 캠핀(Camphene)을 이용한 동결주조법이 많이 사용되고 있는데, 캠핀은 상온에서 동결이 가능하며 기공크기의 제어가 뛰어나고 내부 연결기공이 훌륭하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 캠핀 역시 기공길이의 한계를 가지고 있어서 이를 극복하기 위해 제조된 여러 다공체를 부착시키는 방법(assmbly)이 최근에 사용되고 있다. 이는 캠핀이 가지는 우수한 장점 중에 하나이다.

하지만, 이러한 동결주조법은 모두 기공 길이의 한계를 가지고 있으며, 설령 여러 다공체를 부착시키는 방법이 가능하나 근본적인 문제를 가지고 있다. 또한, 정렬된 기공구조를 가지고 있으나, 보다 더 세밀한 조정을 위하여 압출법을 적용하였다[비특허문헌 3].

그러나, 기공크기가 골 지지체(bone scaffolds)로 사용되기 위해서는 100 ㎛ 이상의 크기를 가져야 하는데 원활한 골조직 재생에 필요한 임계 크기(예, 100 ㎛) 이상의 크기를 갖는 생체세라믹 스캐폴드 개발은 불가능할 뿐만 아니라, 제조된 세라믹 다공체의 강도가 너무 약해 골조직 재생용 생체세라믹 스캐폴드로 활용하기에는 어려운 문제가 있다.

따라서, 골조직 재생에 적합한 크기를 갖는 정렬된 기공을 형성함과 동시에 다공체의 기계적 물성을 획기적으로 증진시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다.

S. Callcut, J.C. Knowles, Correlation between structure and compressive strength in a reticulated glass-reinforced hydroxyapatite foam, J. Mater. Sci.: Mater. Med. 13 (2002) 485-489. T.M.G Chu, D.G. Orton, S.J Hollister, S.E. Feinberg, W.Halloran, Mechanical and in vivo performance of hydroxyapatite implants with controlled architectures, Biomaterials 23 (2002) 1283-1293 Young-Hag Koh et al, Production of highly aligned porous alumina ceramics by extruding frozen alumina/camphene body, Journal of the European Ceramic Society 31 (2011) 1945-1950

이에, 본 발명자들은 고도로 정렬된 기공구조를 가지는 알루미나 세라믹을 압출이 된 세라믹/캠핀 슬러리의 녹는점과 가까운 온도에서 1차 열처리를 하여 기존의 소재에 비해 기공크기가 획기적으로 증진할 뿐만 아니라, 다공체를 이루는 세라믹 벽이 매우 치밀화되어, 소재의 기계적 물성(압축 강도)이 획기적으로 증진된 생체 세라믹 다공체를 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 기공이 정렬된 구조를 갖고 기계적 물성이 향상될 뿐만 아니라 기공크기가 100 ㎛ 이상으로 골조직 재생용으로 사용 가능한 생체 세라믹 다공체를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 생체 세라믹 다공체 및 이를 포함하는 골 지지체를 제공하는데 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은

생체 세라믹 분말, 바인더, 분산제 및 동결매체로 세라믹 슬러리를 제조하는 단계;

상기 세라믹 슬러리를 동결매체의 어는점 이하에서 동결 성형 후, 압출 성형을 통해 기공을 정렬시키는 단계; 및

상기 압출 성형된 성형체를 1차 열처리하고 동결 건조하여 동결 매체를 제거한 후, 2차 열처리하는 단계;

를 포함하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명은

기공이 정렬된 구조를 갖고 기계적 물성이 향상될 뿐만 아니라 기공크기가 100 ㎛ 이상으로 골조직 재생용으로 사용 가능한 생체 세라믹 다공체를 제공한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명은

상기 생체 세라믹 다공체를 포함하는 골 지지체를 제공한다.

본 발명에 따른 고기능성 생체 세라믹 다공체는 골 조직 재생에 필요한 임계 크기(예, 100 ㎛) 이상의 정렬된 기공구조를 가질 뿐만 아니라 다공체를 이루는 세라믹 벽이 매우 치밀화되어, 소재의 기계적 물성(압축 강도)가 획기적으로 증진되어 골조직 재생용 지지체(scaffold)로 활용하기에 적합하다.

도 1은 압출 후 기공이 정렬된 알루미나/캠핀 바디와 1차 열처리 후 캠핀이 압출에 의해 정렬된 방향의 수직방향으로만 과대 성장하였음을 보여주는 도면이다.
도 2는 1차 열처리 공정에 따른 생체세라믹 다공체의 기공 구조 및 세라믹 벽 치밀화 양상을 나타낸 도면이다[(A), (C): 1차 열처리 전 (기공이 매우 잘 정렬되어 있지만, 세라믹 벽이 상대적으로 치밀화 되지 못함), (B), (D): 1차 열처리 후 (정렬된 기공구조를 잘 유지하면서도, 세라믹 벽이 매우 잘 치밀화되었음)].
도 3은 1차 열처리 시간에 따른 생체 세라믹 다공체의 기공 변화상을 나타낸 SEM 사진이다.
도 4는 1차 열처리 시간에 따른 생체 세라믹 다공체의 기공 크기 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 1차 열처리 시간에 따른 생체 세라믹 다공체의 압축강도 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 넓은 면적을 가지는 샘플을 제작하기 위해 조립 과정을 나타낸 모식도(A)와 조립체들 간의 결합이 잘 되었음을 보여주는 조립된 샘플의 전형적인 SEM 사진(B)을 나타낸 도면이다[E: 압출체, A: 조립된 샘플, scale = 1 mm].

본 발명은

를 포함하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법에 관한 것이다.

상기 생체 세라믹 다공체의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제 1 단계는, 생체 세라믹 분말, 바인더, 분산제 및 동결매체로 세라믹 슬러리를 제조한다.

즉, 생체 세라믹 분말, 바인더, 분산제 및 동결매체로 액체 상태의 균질한 슬러리를 제조하는 단계로서, 상기 슬러리는 동결매체에 생체 세라믹 분말을 분산시켜서 만든다.

상기 생체 세라믹 분말은 수산화인회석(Hydroxy Apatite; HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite, FHA), 삼인산칼슘(tricalciumphosphate;TCP) 등의 인산 칼슘계 화합물(Calcium Phosphates), BCP(biphasic calcium phosphate), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconina), 실리카(silica) 및 바이오글래스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 바람직 하나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 생체 세라믹 분말은 입자 평균 크기가 0.3 내지 45 ㎛인 것이 바람직하다.

상기 동결매체는 캠핀(camphene), 캠포(campho) 또는 나프탈렌(naphthalene)로 한정되며, 구체적으로는 캠핀이 바람직하다.

상기 동결매체와 생체 세라믹 분말이 균일하게 혼합되기 위하여는 바인더와, 분산제를 사용하는데, 상기 바인더로는 기공구조의 형상을 잘 재현할 수 있는 한 특별히 제한할 필요는 없으나, 바람직하게는 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐 부티랄, 젤라틴, 키토산 등 물에 녹는 수용성 고분자 및 폴리에틸렌옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기 분산제는 균일한 슬러리가 형성될 수 있는 한 특별하게 제한할 필요는 없는데, 바람직하게는 올리고머 폴리에스터(oligomeric polyester)를 사용할 수 있다. 또한, 액상으로 슬러리가 제조되는 관계상 상기 동결매체의 녹는점 이상의 온도에서 분산할 수 있다. 여기서 분산하여 균일하게 혼합하는 방법으로는 특별하게 한정할 것은 아니나, 온도 조절이 용이한 핫플레이트를 사용하여 혼합하는 방법, 상기 혼합물의 내부에 볼 밀링 장치가 설계된 오븐을 이용하여 혼합하는 방법이 있을 수 있는데, 양산(mass production)을 위하여는 통상 후자가 사용될 수 있다.

상기 액체 상태의 균질한 슬러리라 함은, 압출 성형을 위한 세라믹 슬러리를 제조하기 위한 바람직한 점도를 갖는 슬러리로서, 상기 바람직한 점도는 60℃에서 0.1 내지 10 Paㆍs를 의미한다

한편, 상기 동결매체는 세라믹 분말 100 중량부에 대하여 80 내지 500 중량부, 바람직하게는 100 내지 400 중량부, 보다 바람직하게는 120 내지 300 중량부 사용하는 것이 적합하며, 만일 동결매체를 80 중량부 미만으로 사용하면 다공체의 강도가 너무 약해 쉽게 부서질 우려가 있으며, 500 중량부를 초과하면 압출 성형에 적합한 점도를 갖는 세라믹 슬러리의 제조의 어려움이 있다.

상기 바인더는 세라믹 분말 100 중량부에 대하여 0.5 내지 20 중량부, 바람직하게는 1 내지 15 중량부, 보다 바람직하게는 1.5 내지 12 중량부를 사용하는 것이 적합하며, 만일 바인더를 0.5 중량부 미만 사용하면 압출된 성형체의 강도가 떨어지는 문제가 있고, 20 중량부를 초과하면 소결 시 균열이 발생할 우려가 있다

상기 분산제는 세라믹 분말 100 중량부에 대하여 0.5 내지 20 중량부, 바람직하게는 1 내지 15 중량부, 보다 바람직하게는 1.5 내지 12 중량부를 사용하는 것이 적합하며, 만일 분산제를 0.5 중량부 미만 사용하면 세라믹 입자들이 서로 응집하여 균일한 조성을 갖는 슬러리를 제조하기 어려우며, 20 중량부를 초과하면 강도가 떨어지는 문제가 있다.

다음은 상기 세라믹 슬러리를 동결매체의 어는점 이하에서 동결 성형 후, 압출 성형을 통해 기공을 정렬시키는 단계로서, 동결 성형법과 압출 성형법을 함께 실시한다. 동결 성형법에서 캠핀의 수지상이 낮은 온도에서 높은 온도 쪽으로 우선 성장하는 성질을 이용하여 1차 정렬을 유도한 후에 고도로 정렬시키기 위하여 압출 성형법을 통해 캠핀의 수지상이 좁은 압출구를 통과하면서 늘어지면서 변형되는 성질을 이용하여 2차 정렬을 시행한다.

상기 동결 성형은 동결매체의 어는점 이하에서. 즉 -20 내지 10 ℃에서 실시하며 압출 전 -20 내지 30 ℃로 유지하여 안정된 상태로 유지한다.

또한, 상기 압출 성형 시 압출 속도는 5 ~ 10 mm/min의 범위 내로 제어하여 압출된 다공체가 안정된 상태로 제조되도록 한다.

다음은, 상기 압출 성형된 성형체를 1차 열처리하고 동결 건조하여 동결 매체를 제거한 후, 2차 열처리(소결)하는 단계로서, 상기 압출 성형으로 인해 정렬된 구조의 기공을 1차 열처리를 통해 동결매체의 성장으로 정렬된 기공구조는 유지하면서 기공 크기가 확대되고 동결 건조를 실시하여 동결 매체를 제거한 다음, 고온에서 소결하여 세라믹 벽이 치밀화되도록 한다.

상기 1처 열처리는 상기 세라믹 슬러리의 고화온도 근처인 20 내지 50 ℃에서 10 내지 25 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 만일 20 ℃ 미만일 경우에는 캠핀의 수지상 성장을 유도할 수 없기 때문에 기공 구조의 변화가 없으며, 50 ℃를 초과하면 캠핀이 녹아버리기 때문에 형태 유지를 할 수 없는 문제가 있다.

상기 2차 열처리(소결)은 1300 내지 1600 ℃에서 1 내지 5 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 만일 소결 온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧은 경우에는 기계적 강도가 낮아질 수 있고 세라믹 외 바인더와 분산제가 잘 제거되지 않을 수도 있으며, 소결 온도가 너무 높거나 시간이 너무 길면 화학적 조성이 달라질 수 있다.

본 발명은, 또한 상기 방법으로 제조된 생체 세라믹 다공체에 관한 것이다.

특히, 상기 생체 세라믹 다공체는 골 조직 재생에 필요한 임계 크기 이상(평균 직경이 80 내지 150 ㎛)인 기공이 정렬된 구조를 가지므로 골 지지체로 활용될 수 있다. 또한, 상기 생체 세라믹 다공체는 하기 일반식 1을 만족할 수 있다:

[일반식 1]

8 ≤ X ≤ 15

상기 X는 만능재료시험기(OTU-05D)의 속도를 1 mm/min으로 하여 측정된 압축강도(MPa)를 나타낸다.

이하, 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1: 생체 세라믹 다공체의 제조

유통되고 있는 알루미나 분말[고순도 입자크기 0.3 ㎛, Kojundo Chem-ical Co., Ltd, Japan) 8 g과 캠핀[C₁₀H₁₆, Alfa Aesar/Avocado Organics, Ward Hill, MA, USA] 10 g을 세라믹과 동결매체로 각각 사용하였다. 알루미나/캠핀의 슬러리는 바인더로 10vol%의 폴리스타이렌 바인더(PS; [-CH₂CH(C₆H₅)-] _n , Mw = 230,000 g/mol, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 0.25 g 첨가하였으며, 분산제로 올리고머 폴리에스터(Hypermer KD-4, UniQema, Everburg, Belgium) 0.25 g을 사용하여 60 ℃에서 24시간 동안 볼밀을 하였다. 이때, 슬러리의 점도는 60 ℃에서 약 1.1 Paㆍs였다.

준비된 슬러리를 3 ℃에서 20x20 mm 크기의 몰드에서 한 방향으로 동결하고(동결 성형), 압출 크기가 5x5 mm인 구멍을 통해 만능재료시험기(OTU-05D, Oriental TM Corp., Korea)를 이용하여 상온에서 5 mm/min로 압출하였다. 상기 압출 시 압력은 초기 슬러리의 조성에 따라 달라지는데 실시예의 조성에서는 약 1700 N이 필요했으며, 시간과 거리는 슬러리의 양과 관련이 있으며, 실시예의 양으로는 10분이 소요되었다[Moon YW, Shin KH, Koh YH, Choi WY, Kim HE. Production of highly aligned porous alumina ceramics by extruding frozen alumina/camphene body. J Eur Ceram Soc 2011;31:1945-50].

압출된 알루미나/캠핀은 캠핀 수지상을 지속적인 성장을 위해 33℃에서 12 시간 동안 1차 열처리를 하였다. 그런 다음, 동결 건조(-54 ℃, 10 m Torr 이하)하여 캠핀을 제거하고 알루미나 벽을 치밀화하기 위하여 1450 ℃에서 3시간 동안 소결하였다.

실험예 : 물성 증진 확인

1)실험 과정

실시예 1에서 제작된 시편의 기공구조(기공률, 기공크기, 기공의 정렬된 정도, 기공 간의 연결도, 알루미나 벽의 치밀성) 주사 전자현미경(SEM)(FE-SEM, JSM-6701F, JEOL Techniques, Tokyo, Japan)을 통해 관찰되었다. 공률은 시편의 면적과 무게를 측정하여 계산하였다.

기공크기는 다공성 알루미나 세라믹 안에 에폭시 레진(Epoxy Mount Resin, Allied High Tech Products Inc., USA)을 채워 넣은 후에 SEM 사진을 통해 측정되었다.

1, 6, 12, 24 시간 동안 열처리된 샘플의 기계적인 특성으로 압축강도를 측정하였다.

소결된 시편을 길이가 11mm 정도 되게 자른 후에 표면을 연마한 후 측정하였다. 샘플의 크기는 4x4x10mm 정도였으며, 정렬된 기공 방향에서 압축강도를 만능재료시험기(OTU-05D, Oriental TM Corp., Korea)의 속도를 1mm/min으로 하여 측정하였다.

2) 실험 결과

도 2(A)에 보여지듯이, 고도로 정렬된 기공구조를 가지는 알루미나 세라믹은 상온에서 압출을 통해 성공적으로 만들어졌으며, 그러한 기공구조는 압출이 이루어지는 동안 늘어나고 길어진 캠핀 수지상으로 인해 형성되었다.

그러나 1450 ℃에서 소결된 알루미나 벽은 도 2의 (C)에서 치밀하지 않은 것을 확인할 수 있다.

반면에, 도 2의 (B)에 보이듯이 33℃에서 1시간 동안 열처리한 시편은 캠핀 수지 상의 성장으로 인하여 정렬된 기공구조를 유지하면서 기공크기가 커진 것을 확인할 수 있다. 게다가 알루미나 벽도 매우 치밀해졌다[도 2의 (D)].

비록 이러한 현상이 동결주조에서 흔하지 않은 현상이긴 하지만 이것은 동결주조[Araki K, Halloran JW. Porous ceramic bodies with interconnected pore chan-nels by a novel freeze casting technique. J Am Ceram Soc 2005;88:1108-14.; Koh YH, Song JH, Lee EJ, Kim HE. Freezing dilute ceramic/camphene slurry for ultra-high porosity ceramics with completely interconnected pore networks. J Am Ceram Soc 2006;89:3089-93.]에서 고도로 채워진 알루미나 파우더 벽이 초기 동결주조에서 형성되지만 압출되는 동안 변형되면서 부분적으로 붕괴가 이루어 졌다고 볼 수 있다. 그러나, 이러한 느슨하게 채워진 알루미나 파우더는 열처리를 통해 캠핀 수지 상의 성장으로 인하여 재조정 되었다.

이러한 결과로 알루미나 파우더의 위치가 고도로 집중되면서 벽이 형성되면서 1450 ℃에서 3 시간 동안 소결(2차 열처리) 후에는 치밀한 벽을 형성하게 되었다.

게다가 이러한 다공성 물질은 기공 간의 연결도가 좋기 때문에 기존의 압출방법[Isobe T, Kameshima Y, Nakajima A, Okada K. Preparation and properties of porous alumina ceramics with uni-directionally oriented pores by extru- sion method using a plastic substance as a pore former. J Eur Ceram Soc 2007;27:61-6.; Okada K, Shimizu M, Isobe T, Kameshima Y, Sakai M, Nakajima A, et al. Characteristics of microbubbles generated by porous mullite ceramics pre-pared by an extrusion method using organic fibers as the pore former. J Eur Ceram Soc 2010;30:1245-51]으로는 형성하기 힘든 좋은 구조이다.

1차 열 처리를 통한 기공 정렬에 대한 영향은 SEM을 통해 관찰되었다.

도 3의 (A)-(F)는 다양한 시간(6, 12, 24 시간) 동안 열처리를 한 SEM 사진이다. 1차 열처리 시간이 다름에도 불구하고 만들어진 모든 샘플은 고도로 정렬된 기공구조를 가지고 있다[도 3의 (A)-(C)].

이는 캠핀 수지상의 성장이 주로 그들의 주된 성장방향의 수직 방향으로 성장이 이루어진다는 것을 보여준다. 그러나 열처리 시간이 증가함에 따라 기공의 정렬도는 약간 감소하는 것을 볼 수 있다.

또한, 만들어진 모든 샘플의 알루미나 벽은 매우 치밀해져 있는 것을 볼 수 있다[도 3의 (D)-(F)].

6, 12, 24 시간 동안 1차 열처리된 샘플들은 에폭시를 채운 후에 SEM 사진을 통해 기공크기가 측정되었다.

1차 열처리 시간이 증가할수록, 기공 크기가 증가하였으며, 궁극적으로 골조직 재생에 필요한 임계크기(예, 100 마이크론) 이상의 기공을 얻을 수 있었다.

도 4에 삽입된 사진은 12시간 동안 열처리된 시편의 디지털 칼라 이미지이다[어두운 부분: 에폭시로 채워진 부분, 밝은 부분: 알루미나].

기공크기는 51 ㎛에서 125 ㎛로 1차 열처리 시간에 따라 현저하게 증가하였다[도 4].

이러한 커진 기공은 골 지지체로서 사용되었을 때 뼈가 자라나기 위한 좋은 환경을 제공해 줄 것이라 기대된다.

그러나, 너무 긴 시간 동안 열처리를 하면 기공크기는 증가하지만 기공 정렬도는 불가피하게 떨어지는 것을 알 수 있다.

다시 말해서 열처리 시간이 증가하는 동안 기공율이 거의 변하지 않은 것은 캠핀과 알루미나 파우더 간에 고려해야될 만한 상 분리가 일어나지 않은 것을 보여준다.

도 5는 열처리 시간에 따른 영향을 압축강도 측정으로 보여준다.

도 5에 삽입된 그림은 정렬된 기공방향에서 압축강도가 측정되어졌음을 알려준다.

기본적으로 만들어진 모든 샘플은 전형적인 다공성 세라믹의 파절 양상을 보여준다. 즉, 압축 강도는 탄성 응답에 따라 직선으로 증가하다가 알루미나 벽이 파절됨에 따라 급격하게 떨어진다[Gibson LJ, Ashby MF. Cellular solids , structure and properties. 2nd ed. UK: Cambridge University Press; 1999].

압축강도는 6.4 ± 1.5 MPa에서 11.6 ± 1.2 MPa로 1 ~ 12시간 동안 열처리한 시편에서 증가하였는데 이는 알루미나 벽이 치밀해졌기 때문이다. 그러나 오랜 시간(24시간) 1차 열처리한 샘플은 약간 압축강도의 감소가 일어났는데 이는 기공의 정렬도가 떨어졌기 때문이다.

이러한 수치는 기존의 열처리 없이 만들어진 시편의 압축강도인 0.28± 0.1 MPa에 비해 약 40배 이상의 증가된 결과이다.

정렬된 기공방향에서 측정된 압축강도는 수평방향으로 측정된 압축강도보다 상당히 높다라는 것을 주의해야 한다.

또 하나의 놀라운 이점은 간단하게 조립(부착)함으로써 넓은 면적을 가지는 시편의 제작이 가능하다는 것이다.

이것을 보여주기 위해 압출된 알루미나/캠핀을 상온에서 부착하여 33℃에서 12시간 동안 1차 열처리를 했다[도 6의 (A)].

도 6의 (B)에 삽입된 사진은 이러한 샘플의 실제 사진이다. (E: extrudate, A: assembled sample)

도 6의 (B)는 조립된 샘플이 잘 붙어있는 것을 보여주면 그 부착된 면은 화살표로 표시되어 있다. 또한, 원래 가지고 있던 정렬된 기공 구조는 변함이 없음을 알 수 있다.

적절한 온도(녹는점에 가까운 33 ℃)에서 1차 열처리를 했을 때 다양한 물질에 적용할 수 있음을 보여준다.

Claims

생체 세라믹 분말, 바인더, 분산제 및 동결매체로 세라믹 슬러리를 제조하는 단계;
상기 세라믹 슬러리를 동결매체의 어는점 이하에서 동결 성형 후, 압출 성형을 통해 기공을 정렬시키는 단계; 및
상기 압출 성형된 성형체를 1차 열처리하고 동결 건조하여 동결 매체를 제거한 후, 2차 열처리하는 단계;
를 포함하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 생체 세라믹 분말은 수산화 인회석(Hydroxy Apatite; HA), 불소 함유 수산화 인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite, FHA), 삼인산 칼슘(tricalciumphosphate; TCP), BCP(biphasic calcium phosphate), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconina), 실리카(silica) 및 바이오글래스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 바인더는 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐 부티랄, 젤라틴, 키토산 및 폴리에틸렌옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 분산제는 올리고머 폴리에스터(oligomeric polyester)인 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 동결매체는 캠핀, 캠포 또는 나프탈렌 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 슬러리는 60℃에서 0.1 내지 10 Paㆍs 점도를 갖는 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 동결 성형은 -20 내지 10 ℃에서 실시하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 1차 열 처리는 20 내지 50 ℃에서 10 내지 25 시간 동안 실시하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 2차 열 처리는 1300 내지 1600 ℃에서 1 내지 5 시간 동안 실시하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중에서 선택된 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되며, 평균 직경이 80 내지 150 ㎛인 기공이 정렬된 구조를 갖는 생체 세라믹 다공체.
청구항 10의 생체 세라믹 다공체를 포함하는 골 지지체(bone scaffold).