KR101294315B1 - 골시멘트 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 골시멘트 조성물을 제공하는데 있다. 특히, 조형 공정에서 페이스트로 사용하기에 용이한 골시멘트 조성물을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 상기 골시멘트 조성물을 제조하는 방법을 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 발명은 β-3인산칼슘(β-tricalcium phosphate, β-TCP), 제1인산암모늄(NH₄H₂PO₄), 제2인산암모늄((NH₄)₂HPO₄) 및 물을 포함하는 골시멘트 조성물을 제공하며, 출발분말로 β-3인산칼슘 분말을 준비하는 단계(단계 1); 제1인산암모늄, 제2인산암모늄 및 물을 혼합 및 교반하여 경화액을 제조하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 제조된 경화액을 상기 단계 1에서 준비된 β-3인산칼슘 분말에 도입하고 교반하는 단계(단계 3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 골시멘트 조성물의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 골시멘트 조성물의 경화시간이 연장되어, 기존 골시멘트 조성물이 경화시간이 짧아 3차원 조형공정에 사용할 수 없었던 문제점을 해소할 수 있고, 경화후 고온 열처리가 필요 없어 생체 적합성이 매우 우수한 효과가 있다.

Description

골시멘트 조성물 및 이의 제조방법{BONE CEMENT COMPOSITIONS AND THE METHOD FOR PREPARING THE SAME}

본 발명은 골시멘트 조성물 및 골시멘트 조성물의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 β-3인산칼슘(β-tricalcium phosphate, β-TCP), 제1인산암모늄(NH₄H₂PO₄), 제2인산암모늄((NH₄)₂HPO₄) 및 물을 포함하는 골시멘트 조성물 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

현대 사회는 급격히 고령화가 진전되고 있으며, 보다 건강하고 활동적으로 노후생활을 영위하고 경제활동 연령을 높이기 위해서는 고령화 및 그에 따른 질환에 의하여 퇴화하는 신체기능의 대체, 회복 및 재생기술개발이 요구된다. 이러한 기술은 다양화된 현대사회에서 생길 수 있는 각종 사고로 인한 신체기능 손상을 치료하는 분야에도 적용이 가능하다. 인체는 피부와 각종 장기로 대표되는 연조직과 뼈와 치아로 대표되는 경조직으로 구성되어 있다. 이 중 경조직 (특히, 뼈)은 우리 몸을 지탱하고 체내의 각종 중요한 장기를 보호하는 등의 역할을 수행하며, 하이드록시카보네이트아파타이트로 대표되는 무기질성분 (약70%)과 콜라겐으로 대표되는 유기질성분 (약20%), 그리고 물 (약10%)로 구성되어 있다. 경조직 관련 치료에 사용되는 생체소재로는 자가골이 가장 우선시 되나 확보할 수 있는 양이 불충분하고 복수의 수술과정이 필요하다는 점에서 생체골를 대신할 수 있는 인공 생체소재개발이 강하게 요구되고 있다. 인공 생체소재는 생체골과 유사한 조성과 구조를 가지는 것이 바람직하며, 생체적합성과 생체활성, 기계적 물성 등이 좋아야하고, 수술시 가공과 멸균 등의 공정이 용이하여야 한다. 이러한 생체소재에는 생체기능을 대체하는 임플란트, 임플란트와 뼈 사이의 공간 혹은 불규칙적인 복잡한 형상의 골 손상부위를 수복하는 골시멘트, 그리고 생체기능의 재생을 유도하는 지지체 등이 있으며, 현재의 치료기술인 임플란트를 이용한 ‘조직기능 대체’에서 지지체를 통한 ‘조직기능 재생’으로 기술전환이 가까운 미래에 기대되어지고 있다. 본 발명의 발명자들은 조직기능 재생기술에 활용 가능하도록 골시멘트의 조건을 제어하기 위한 신규한 골시멘트 조성물을 연구하였다. 골시멘트는 의료용으로 사용되는 시멘트를 말하며, 분말과 경화액을 포함하고, 이들을 혼합하면 유동성을 가진 페이스트 상태가 되어 치료부위에 용이하게 적용할 수 있으며, 시간경과에 따라 중화반응, 수화반응 혹은 산염기 반응 등에 의하여 경화된다. 골시멘트는 분말과 경화액의 혼합 후 환부에 적용될 수 있도록 적당한 유동성 (주사성)을 가져야 하며, 점착성이 우수하여야 하고, 환부적용 후 주변조직에 영향을 미치지 않고 빠르게 경화될 수 있도록 경화속도의 제어 가능하여야 하며, 경화 후 기계적 강도가 충분하여야 한다.

현재까지 가장 널리 사용되어 지고 있는 골시멘트는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA)로 대표되는 아크릴계 시멘트계로 PMMA의 분말과 메틸메타크릴레이트 단량체의 액체를 섞은 다음 생체 내에서 경화시키는 것이다. 상기 혼합 페이스트는 약 4분간 자유로운 형태로 성형할 수 있는 유동성을 나타내며, 90 MPa에 달하는 압축강도를 나타낸다. 그러나, PMMA 골시멘트는 경화시 100 ℃에 가까운 중축합 열이 주위의 조직을 상하게 하고, 미반응 단량체의 용출로 인한 독성 증가와 주위조직의 염증 반응 유발 등이 단점으로 지적되고 있다. 더불어 초기 강도와 접착력이 영구적이지 않고 중축합에 의한 큰 수축과 시멘트 주위에 형성되는 두터운 섬유성 피막에 의한 해리현상 등이 해결해야 할 과제로 남아있다.

이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2008-00233340호는 디메타크릴레이트 단량체, 일관능성 메타크릴레이트 단량체, 및 메타크릴레이트 단량체를 포함하는 골시멘트 조성물을 개시하고 있다. 상기 발명은 기계적 강도가 우수하면서도 골접합성이 우수한 특성을 갖는다는 효과를 기재하고 있다. 그러나, 상기 특허는 메타크릴레이트계 단량체를 사용하여 생체 내에서 중축합되는 과정에서 열이 발생함에 따라 주변 조직을 손상시킬 위험이 있고, 중합과정에서의 수축에 의하여 뼈에 대한 고정이 불안정하게 되는 문제점이 있다.

글라스 이오노머(Glass ionomer) 시멘트는 치과분야에서 충전제 등으로 널리 사용되어 왔다. 이는 약 4 분간 자유로운 형태로 성형할 수 있는 유동성을 지니며, 6 분 정도에서 경화하여, 130 ~ 200 MPa에 달하는 높은 압축강도를 나타내게 된다. 이 시멘트에 있어서는 단량체에 의한 독성도, 중축합에 의한 큰 수축이나 발열도 발생하지 않는 장점이 있다. 그러나, 이 시멘트는 혼련 직후 강한 산성을 나타내고, 경화 후에도 pH 4 정도의 산성을 나타내어, 주위의 조직에 염증반응을 일으킬 염려가 있다.

이와 관련하여 대한민국 공개특허 제10-2010-0138683호는 시아노아크릴레이트와 글라스이오노머를 포함하는 치아수복용 시멘트 조성물을 개시하고 있다. 상기 발명은 습윤 분위기에서도 신속한 중합이 가능한 시아노아크릴레이트를 포함하여 치아수복 시술시 시술이 간편하고, 초기 접착력 및 강도가 우수하다는 효과를 기재하고 있다. 그러나, 상기 발명의 조성물은 글라스 이오노머의 강산성으로 인하여 주변 조직에 염증을 발생시킬 수 있는 문제점이 있다.

이에 상기 재료들의 문제점을 해결하기 위하여, 생체 내에서 경화 후 생체 적합성이 우수한 아파타이트로 변화하는 인산칼슘계 골시멘트가 연구되었다. 연구 초기에는 경화액으로 물이 사용되었으나, 이 경우 경화하는데 80 ℃ 이상의 고온에서 장시간이 필요하여, 그 후 유기산 등을 경화액으로 사용하는 방법이 개발되었다. 경화액을 포함하는 인산칼슘계 골시멘트 조성물은 경화시간 및 유동성에 따라 다양한 조성이 연구되어왔다. 인산칼슘계 골시멘트는 최종 생성물을 기준으로 아파타이트(Apatite)계와 부르사이트(Brushite)계로 분류된다. 아파타이트계 시멘트의 대표적 출발분말은 무정형 인산칼슘(ACP), 제2인산칼슘 (DCPD), 제4인산칼슘 (TTCP), 알파형 제3인산칼슘 (α-TCP) 등이 있고, 경화액으로는 Na₂HPO₄, NaH₂PO₄, H₃PO₄, 석신산나트륨(sodium succinate), 콘드로이틴 황산나트륨(sodium chondroitin sulphate) 등이 경화시간, 주사성, 점착성 등의 조절을 목적으로 첨가된다. 한편 부르사이트계 시멘트의 대표적 출발분말은 베타형 제3인산칼슘 (β-TCP)과 제1인산칼슘 (MCPM)이 주성분이며, 경화액으로 히알루론산 나트륨(sodium hyaluronate), H₃PO₄, H₂SO₄ 등이 사용되고 있다. 부르사이트계 시멘트의 경화는 10분 이하로 비교적 신속하며, 아파타이트계 시멘트에 비해 화학적, 생물학적 생분해 속도가 매우 높아 (0.25mm/week) 미성숙 골의 형성을 유도하기도 한다(Materials 2009, 2, 221-291).

본 발명에서는 골시멘트의 출발분말-경화액 혼합조성을 제어하여 주사성과 점착성을 향상시키고 경화시간을 연장시키어 조직기능 재생용 소재로 활용할 수 있도록 반응을 제어하고 3차원 조형장치에 적용 가능한 조건을 제공하는 새로운 출발분말-경화액의 조합을 연구하고 신규 인산칼슘계 골시멘트 조성물을 제안함으로 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 골시멘트 조성물을 제공하는데 있다. 특히, 조형 공정에서 페이스트로 사용하기에 용이하도록 주사성과 점착성이 향상되고 경화시간이 연장된 골시멘트의 출발분말과 경화액 조성물을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 상기 골시멘트 조성물을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 β-3인산칼슘(β-tricalcium phosphate, β-TCP), 제1인산암모늄(NH₄H₂PO₄), 제2인산암모늄((NH₄)₂HPO₄) 및 물을 포함하는 골시멘트 조성물을 제공하며, 출발분말로 β-3인산칼슘 분말을 준비하는 단계(단계 1); 제1인산암모늄, 제2인산암모늄 및 물을 혼합 및 교반하여 경화액을 제조하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 제조된 경화액을 상기 단계 1에서 준비된 β-3인산칼슘 분말에 도입하고 교반하는 단계(단계 3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 골시멘트 조성물의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 골시멘트 조성물은 주사성, 점착성 향상과 더불어 경화시간이 연장되어, 기존 골시멘트 조성물의 경우 짧은 경화시간으로 3차원 조직재생용 소재를 조형하기위하여 필요한 시간과 유동성, 점착성을 만족시키지 못해 3차원 조형공정에 사용할 수 없었던 문제점을 해소하였고, 조형 후 저온 열처리를 통하여 기계적 물성 향상을 유도할 수 있는 장점이 있으며, 구조제어성과 생체안전성도 양호하여 조직재생 기술용 소재분야에 유효하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 골시멘트 조성물의 경화시간을 측정한 그래프이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 골시멘트 조성물을 이용하여 제조된 지지체의 열처리 온도에 따른 XRD 피크를 나타낸 그래프이고,
도 3은 도 2를 확대한 XRD 피크 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 골시멘트 조성물을 이용하여 제조된 지지체의 열처리 온도에 따른 압축강도를 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명의 실시에 3에 따른 골시멘트 조성물을 이용하여 제조된 지지체의 사진이다.

본 발명은 골시멘트 조성물을 제공한다. 일반적으로 개발이 진행되거나 완료되어 있는 부르사이트계 시멘트는 β-3인산칼슘과 H₃PO₄ 수용액을 각각 출발분말과 경화액으로 이용하여 얻어지며 경화속도는 10분 이하로 비교적 신속하다. 일반적인 골시멘트의 경우 분말과 경화액의 혼합 후 환부에 주입 될 때까지의 적절한 유동성 (주사성)을 가지나 환부 충전 후에는 재빨리 경화되어 수술시간의 단축과 고강도가 유지되어야 하며, 수술방법 및 적용부위에 따른 차이는 있으나 비교적 재빠른 경화속도가 필요조건으로 요구된다. 그러나 본 발명에서는 β-3인산칼슘과 새로운 경화액의 조합으로 골시멘트의 경화시간을 최대한 연장하고자 하였다. 이는 골시멘트를 새로운 분야, 즉 조직재생기능을 가지는 3차원 지지체 개발에 적용하고자 하는 것으로, 3차원 지지체 제조방법으로는 3차원 적층조형기술 중 일정한 점착성과 유동성을 가지는 페이스트를 주사기에 넣고 압력을 가하여 페이스트를 밀어내고 컴퓨터로 3차원의 기공구조와 형상을 제어하는 신규기술인 융착조형법 (특허등록 10-0880593)을 이용하고자 하므로, 적층조형에 필요한 골시멘트의 유동성 (주사성), 점착성과 3차원 지지체가 완성될 때까지 경화되지 않고 원료가 용이하게 공급될 수 있도록 경화시간을 최대한 연장할 필요가 있다. 본 발명은 이와 같은 필요조건을 만족시키기 위하여 종래의 부르사이트계 골시멘트 보다 경화시간이 연장된 골시멘트 조성물을 제공한다.

이하 본 발명에 따른 골시멘트 조성물을 상세히 설명한다.

본 발명은 β-3인산칼슘(β-tricalcium phosphate, β-TCP), 제1인산암모늄(NH₄H₂PO₄), 제2인산암모늄((NH₄)₂HPO₄) 및 물을 포함하는 골시멘트 조성물을 제공한다.

일반적으로 시판되고 사용되는 β-TCP를 출발원으로 사용하는 브루사이트(Brushite)계 시멘트는 경화액으로 물, 히알루론산 나트륨, 인산 등을 사용한다. 그러나 본 발명에서는 생체활성유리 (CaO-SiO₂-P₂O₅)계 시멘트에서 경화액으로 사용되는 제1인산암모늄, 제2인산암모늄 및 물과 α-TCP와 같은 아파타이트(Apatite)계 시멘트에서 경화액으로 사용되는 제2인산나트륨 및 물을 혼합하여 β-TCP 시멘트의 새로운 경화액으로 사용한다. 일반적으로 사용되고 있는 β-TCP를 출발원으로 사용하는 브루사이트계 시멘트의 유동성을 잃는 경화속도는 상온에서 10분 이내로 최소 30분 이상의 조형시간이 요구되는 3차원 적층조형 공정의 페이스트로 사용하기에는 한계가 있다. 그러나, 본 발명에 따른 골시멘트 조성물의 경화속도는 상온에서 60 분 내지 120 분으로, 이를 3차원 조형 공정에서 페이스트로 사용하기가 매우 용이한 효과가 있다.

본 발명에 따른 골시멘트 조성물은 제2인산나트륨(Na₂HPO₄)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 제2인산나트륨 또한 일반적으로 아파타이트계 시멘트에 사용되는 경화액이나, 본 발명의 조성물은 제2인산나트륨을 더 포함하여 점착성을 높이고 3차원 조형물을 성형성을 높이는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 골시멘트 조성물은 일반적인 골시멘트의 출발분말 첨가물인 일인산석회 일수화물 (Monocalcium Phosphate Monohydrate, MCPM) 및 황산칼슘 반수화물 (CaSO₄·1/2H₂O), 산성피로인산나트륨 (NaH2P2O7), 탄산칼슘 (CaCO3), 인산수소마그네슘 (MgHPO₄3H₂O) 등을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 골시멘트 조성물은 β-3인산칼슘, 제1인산암모늄, 제2인산암모늄 및 물을 포함하며, 이때 그 조성은 β-3인산칼슘이 40 내지 50 중량%, 제1인산암모늄이 0.5 내지 3 중량%, 및 제2인산암모늄이 5 내지 15 중량%인 것이 바람직하다. 제1인산암모늄과 제2인산암모늄 각각이 최저 중량비 보다 낮을 경우 불충분한 시멘트 반응으로 충분한 점착성, 유동성, 경화성을 기대하기 어려우며, 최대 중량비 보다 높을 경우 미반응 인산암모늄의 잔류 등으로 인한 경화성, 생체적합성, 기계적 물성 등의 저하를 초래할 수 있다.

본 발명에 따른 골시멘트 조성물은 β-3인산칼슘, 제1인산암모늄, 제2인산암모늄, 제2인산나트륨 및 물을 포함할 수 있으며, 이때 그 조성은 β-3인산칼슘이 40 내지 50 중량%, 제1인산암모늄이 0.5 내지 3 중량%, 제2인산암모늄이 5 내지 15 중량%, 및 제2인산나트륨이 0.5 내지 1 중량%인 것이 바람직하다. 제1인산암모늄, 제2인산암모늄, 제2인산나트륨 각각이 최저 중량비 보다 낮을 경우 불충분한 시멘트 반응으로 충분한 점착성, 유동성, 경화성을 기대하기 어려우며, 최대 중량비 보다 높을 경우 미반응 인산암모늄의 잔류 등으로 인한 경화성, 생체적합성, 기계적 물성 등의 저하를 초래할 수 있다.

본 발명에 따른 골시멘트 조성물은 기존의 β-3인산칼슘을 출발원으로 사용하는 골시멘트 조성물과는 다른 경화액을 사용함으로써 경화시간을 연장하였다. 기존의 부르사이트계 골시멘트 조성물의 경화속도는 일반적으로 상온에서 10분 이내임에 비하여, 본 발명에 따른 골시멘트 조성물의 경화속도는 상온에서 60 내지 120 분임을 확인하였다. 이와 같이, 본 발명에 따른 골시멘트 조성물은 경화시간이 연장되어 최근 생체 의료용 지지체와 같은 분야에 많이 사용되는 쾌속 조형 공정에서 페이스트로 사용될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은

출발분말로 β-3인산칼슘 분말을 준비하는 단계(단계 1);

제1인산암모늄, 제2인산암모늄 및 물을 혼합 및 교반하여 경화액을 제조하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 2에서 제조된 경화액을 상기 단계 1에서 준비된 β-3인산칼슘 분말에 도입하고 교반하는 단계(단계 3)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 골시멘트 조성물의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 제조방법 중 단계 1은 출발분말로 β-3인산칼슘 출발분말을 준비하는 단계로 공지의 분말 제조법을 사용하여 준비한다. 이때, β-3인산칼슘은 나노크기의 저결정성 분말인 것이 바람직하다. 결정성이 높을 경우 충분한 시멘트 경화반응을 기대할 수 없으며 종종 경화액과의 분리를 초래할 수 있는 문제점이 있다. 또한 분말의 크기가 클 경우 적층조형시 주사기 입구의 막힘현상을 초래할 가능성이 있으며 사용하는 주사기 바늘의 게이지 크기를 고려한 분말크기 조건 선택이 바람직하다.

본 발명에 따른 제조방법 중 단계 2는 골시멘트를 경화시키기 위한 경화액을 제조하는 단계로, 제1인산암모늄, 제2인산암모늄 및 물을 혼합 및 교반하여 경화액을 제조한다. 본 발명에 따른 제조방법에서는 기존의 부르사이트계 골시멘트 조성물에서 사용되는 경화액 성분이 아닌, 생체활성유리계 골시멘트 조성물에서 사용되는 경화액 성분을 사용하여 골시멘트 조성물의 경화시간을 연장할 수 있음을 확인하였다.

상기 제조방법 중 단계 2에서 경화액을 제조함에 있어서, 경화액은 제1인산암모늄, 제2인산암모늄 및 물 이외로 제2인산나트륨을 더 포함하는 것이 바람직하다. 경화액에 포함되는 제2인산나트륨은 점착성을 높이고 3차원 조형물의 성형성을 높이는 효과가 있다.

본 발명에 따른 제조방법 중 단계 3은 출발분말과 경화액을 혼합하여 골시멘트 조성물을 제조하는 단계로, 상기 단계 2에서 제조된 경화액을 상기 단계 1에서 준비된 출발분말에 도입하고 교반함으로써 골시멘트 조성물을 제조한다. 골시멘트 조성물이 균일한 기계적 강도를 갖고 경화될 수 있도록 하기 위하여, 경화액과 분산액을 혼합한 후 균일한 반응이 일어날 수 있도록 충분히 교반해 주는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 제조방법 중 단계 3에는 인산석회 일수화물 및 황산칼슘 반수화물이 더 도입될 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시 예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

<실시예 1>

골시멘트 조성물의 제조 1

β-3인산칼슘 2 g을 분채하여 응집되지 않은 상태로 준비하였다. 제1인산암모늄 0.036 g, 제2인산암모늄 0.44 g, 및 물 0.73 ml를 혼합하고 상온에서 균일한 용매가 될 때까지 30 분 동안 교반하여 경화액을 제조하였다. 제조된 경화액을 준비된 분말에 도입하고 상온에서 0.5 - 1 분동안 균일하게 혼합하여 골시멘트 조성물을 제조하였다.

<실시예 2>

골시멘트 조성물의 제조 2

경화액을 제조함에 있어서, 제1인산암모늄 0.036 g, 제2인산암모늄 0.44 g, 제 2인산 나트륨 0.024 g 및 물 1.9 ml를 혼합하여 경화액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 골시멘트 조성물을 제조하였다.

<비교예>

<비교예 1>

본 골시멘트 조성의 유의성을 검증하기 위하여 β-3인산칼슘을 브루사이트계 시멘트의 주원료로 할 경우 일반적으로 적용되는 인산수용액(인산 0.3 ml 및 물 5.7 ml)을 경화액으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 골시멘트를 제조하였다.

<실험예>

<실험예 1>

골시멘트 조성물의 경화시간 측정

본 발명에 따른 골시멘트 조성물의 경화시간을 확인하기 위하여 실시예 1 및 2와 비교예 1에 따른 골시멘트 조성물에 대하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.

골시멘트 조성물이 경화되는 과정에서 시멘트 표면에 하중을 가했을 때 변형이 일어나지 않는 상태에 도달하는 시간을 측정하는 방법으로 조성물의 경화시간을 측정하였다. 한국산업규격 (L5103)에 따라 길모어(Gimore) 침에 의한 평가를 실시하였고, 그 결과를 표 1 및 도 1에 나타내었다.

시간 (h)	실시예 1	실시예 2	비교예 1
시작	0	0	0
겔화	1.5	1	0.08
초결	9.25	2.17	0.167
종결	27.25	5.5	1.96

상기 표 1에서 겔화라고 표기한 것은 초결침을 견디지 못하나 침의 흔적이 남는 정도, 초결은 초결침을 견디는 정도, 종결은 종결침을 견디는 정도를 의미한다. 온도는 28도, 습도는 40RH%로 유지하였다. 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 골시멘트 조성물의 경우 겔화가 일어나는 시간이 1시간 내지 1시간 반으로 기존의 골시멘트 조합인 비교예 1의 0.08시간에 비하여 시멘트 반응이 천천히 일어나 경화시간의 연장이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 페이스트 상태의 시멘트를 3차원 적층 조형용 패이스트로 사용할 경우 ,일반 골시멘트에서는 초결과 종결시점이 중요한 것과는 달리, 시작에서 초결까지의 시간과 유동성, 점착성 상태가 중요하며, 이 세가지 관점에서 실시예 1 및 실시예 2 모두 비교예 1에 비해 월등히 우수함을 확인할 수 있었다. 실시예 1과 실시예 2를 비교한 경우, 실시예 2가 성형성, 유동성, 점착성 모두에 있어서 3차원 형상을 만들기에 가장 우수한 성향을 보였다. 즉, 겔화 시간의 경우, 실시예 1과 실시예 2에서 큰 차이를 보이지 않으나 실시예 1의 경우 초결과 종결까지의 시간이 너무 길어 성형 후 성형성을 유지하고 안정한 기계적 물성을 얻을 수 있는데 지나치게 긴 시간이 필요하였다. 결론적으로 실시예 2가 본 발명에서 실시한 예 중 가장 우수한 조건을 가지는 신규 골시멘트 조합으로 판단되며 종래의 브루사이트계 골시멘트와 비교하였을때 도 1에서 나타내는 바와 같이 경화시간을 연장시킬 수 있음이 확인되었다.

<실험예 2>

골시멘트 조성물의 유동성 분석

본 발명에 따른 골시멘트 조성물의 유동성을 확인하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.

주사기에 실시예 2와 비교예1에 따라 제조된 골시멘트 조성물 5ml을 채우고 같은 힘을 주어 밀어내었을때 압출되는 양과 시간, 균일성을 확인하여 각 조성물의 유동성 및 이에 따른 적층조형용 페이스트로의 활용가능성을 확인하였다. 우선, 비교예 1의 경우, 초기 주입용량 중 약 50% (2.56 ml)만이 12.3분에 걸쳐 압출되었으며 나머지는 막힘과 경화에 의하여 압출이 불가능 하였다. 반면, 실시예 2의 경우, 초기 용량 모두가 압출 가능하였으며 압출종료까지 14분 16초가 걸렸으며 이 시점까지 막힘없이 균일하게 압출되었다. 이와 같은 결과를 통하여, 본 발명에 따른 골시멘트 조성물이 적층조형용 페이스트로 유용하게 활용될 수 있음을 알 수 있다.

<실험예 3>

골시멘트 조성물의 결정상 변화 분석

실시예 1 및 실시예 2에 따른 골시멘트 조성물을 사용하여 제조된 지지체를 종결 종료 후 용액내 안정성평가를 실시한 결과 실시예 1 및 실시예 2 모두 용액 내에서 형상은 유지하나 외부의 압력에 의하여 쉽게 분쇄되어버리는 현상이 확인되었다. 또한, 사용한 용액의 초기 pH변화가 급격한 산성을 나타내는 것도 확인되었다. 이러한 현상을 방지하고자 제조한 지지체를 300 ℃, 600 ℃, 900 ℃에서 열처리하고 각 열처리에 따른 결정상 변화를 X선 분광장치를 이용하여 조사하였고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 나타내는 바와 같이 본 발명의 주 원료인 β-3인산칼슘은 열처리 전에는 저결정성상을 띄며 900도 열처리로 완전한 β-3인산칼슘 결정상으로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 실시예 1 및 실시예 2는 600도 열처리에서 부터 β-3인산칼슘 출발원료와 다른 결정상을 나타내는 것을 알 수 있다. 도 3은 실시예 1과 실시예 2를 비교한 그래프이다. 인산칼슘의 경우 염기성 분위기에서 제2인산칼슘의 형태가 안전상으로 존재하며, 브루사이트의 경우 280도 이상으로 가열하면 피로인산칼슘으로 전이하는 것이 알려져 있다. 실시예 2의 경우 이들 두상이 복합상을 이루고 있는 것을 확인할 수 있으며 일반적으로 β-3인산칼슘을 이용한 골시멘트 조성물과는 다른 상을 나타냄을 알 수 있다. 실시예 1의 경우는 이들 두상과 더불어 인산암모늄칼슘제1수화물이 공존하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 4>

열처리에 따른 기계적 물성 변화

본 발명의 골시멘트 조성물로 제조된 지지체의 열처리에 따른 기계적 물성 변화를 확인하기 위하여 상기 실시예 2에 의하여 제조된 골시멘트 조성물을 이용하여 지지체를 제조하고 이를 다음과 같이 열처리한 후 기계적 물성 변화를 확인하였다.

본 발명의 실시예 2에 의하여 제조된 골시멘트 조성물을 이용하여 지지체를 제조하고 이를 300 ℃, 600 ℃ 및 900 ℃로 열처리한 후, 이의 압축강도를 측정하였다. 압축강도의 측정은 제조된 지지체 시편을 만능재료 시험기에서 서서히 압축하여 지지체 시편이 파괴되는 시점의 압력을 측정하는 방법으로 수행되었고 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 따르면, 300 ℃ 열처리 후에는 0.7 MPa의 압축강도를 가지며, 600 ℃ 열처리를 통하여 1.7 내지 2 MPa의 기계적 물성 개선이 확인되었다. 하지만 900 ℃ 이상의 열처리는 지지체의 수축을 유도하고 이에 압축강도의 저하, 즉 기계적 물성의 저하를 초래하는 것을 확인할 수 있었다. 결정구조 분석, 용액내 안정성 분석, 기계적 물성 분석을 통하여 본 발명에서 제안한 골시멘트 조성물로 제조된 지지체의 경우 600 ℃ 저온열처리를 통하여 조직재생 유도용 소재로의 활용가능성을 더욱 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.

<실시예 5>

적층조형 지지체의 제조

본 발명에 따른 골시멘트 조성물의 3축조형용 소재로서의 활용 가능성을 확인하기 위하여 실시예 3에 따른 조성물을 페이스트 상태로 유지하여 3축조형기의 주사용기에 넣고 X축과 Y축의 간격 및 모양을 제어하여 원하는 크기와 형상의 기공을 갖는 지지체를 제조하였고, 그 결과물을 도 5에 나타내었다. 도 5에 따르면, 3축조형기를 이용한 지지체의 제조에 있어 본 발명에 따른 골시멘트 조성물을 유용하게 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

1. β-3인산칼슘(β-tricalcium phosphate, β-TCP) 40 내지 50 중량%, 제1인산암모늄(NH₄H₂PO₄) 0.5 내지 3 중량%, 제2인산암모늄((NH₄)₂HPO₄) 5 내지 15 중량% 및 물을 포함하는 적층조형용 골시멘트 조성물.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 골시멘트 조성물은 제2인산나트륨(Na₂HPO₄)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층조형용 골시멘트 조성물.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 골시멘트 조성물은 일인산석회 일수화물(Monocalcium Phosphate Monohydrate, MCPM) 및 황산칼슘 반수화물(CaSO₄·1/2H₂O)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층조형용 골시멘트 조성물.
   
4. 삭제
5. 제2항에 있어서, 상기 골시멘트 조성물은 β-3인산칼슘 40 내지 50 중량%, 제1인산암모늄 0.5 내지 3 중량%, 제2인산암모늄 5 내지 15 중량%, 및 제2인산나트륨 0.5 내지 1 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층조형용 골시멘트 조성물.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 골시멘트 조성물의 경화속도는 상온에서 60 내지 120 분인 것을 특징으로 하는 적층조형용 골시멘트 조성물.
   
7. 삭제
8. 출발분말로 β-3인산칼슘 분말을 준비하는 단계(단계 1);
   제1인산암모늄, 제2인산암모늄 및 물을 혼합 및 교반하여 경화액을 제조하는 단계(단계 2); 및
   상기 단계 2에서 제조된 경화액을 상기 단계 1에서 준비된 β-3인산칼슘 분말에 도입하고 교반하는 단계(단계 3)
   를 포함하되, β-3인산칼슘은 40 내지 50 중량%, 제1인산암모늄은 0.5 내지 3 중량%, 제2인산암모늄은 5 내지 15 중량%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 적층조형용 골시멘트 조성물의 제조방법.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 단계 2의 경화액은 제2인산나트륨을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층조형용 골시멘트 조성물의 제조방법.
   
10. 제8항에 있어서, 상기 단계 3에는 일인산석회 일수화물 및 황산칼슘 반수화물이 더 도입되는 것을 특징으로 하는 적층조형용 골시멘트 조성물의 제조방법.

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