KR101308952B1 - COMPOSITION FOR BONE CEMENT CONTAINING NANO-SIZED β-TRICALCIUM PHOSPHATE AND PREPARING METHOD FOR THEREOF - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나노 크기의 β-트리칼슘포스페이트를 포함하는 골시멘트용 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 골시멘트로 이용되었을 때의 강도특성을 현저히 개선시켜, 스캐폴드 등 골 대체재의 강도를 크게 향상시키고, 인체 이식시술 후의 골 강도 유지에 유리한, 나노 크기의 β-트리칼슘포스페이트를 포함하는 골시멘트용 조성물 및 이를 간단하게 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for bone cement comprising a nano-sized β- tricalcium phosphate and a method for producing the same, and more particularly, to significantly improve the strength characteristics when used as a bone cement, to provide a bone substitute material such as a scaffold The present invention relates to a composition for bone cement comprising a nano-sized β-tricalcium phosphate, which greatly improves strength and is advantageous for maintaining bone strength after a human transplant, and a method for easily preparing the same.
골시멘트는 골다공증과 같은 근골격계 질환의 치료 중 손상된 조직을 보충할 인공적 충전재가 필요하거나 인공 뼈를 접착할 때 사용된다.Bone cements are used when artificial fillers are needed or when artificial bones are needed to replenish damaged tissue during treatment of musculoskeletal disorders such as osteoporosis.
골시멘트로는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 이용한 것이 접착력이 강하기 때문에 많이 사용되고 있으나, 흡수성이 없는 생체 안정성인데다 뼈와의 화학적 결합을 이루지 못하기 때문에 장기적으로는 결합이 약화되고, 폴리메틸메타크릴레이트의 경화 반응시 발생하는 열이 80 ℃에 달해 주변 조직이 열에 민감한 신경계통의 치료에는 사용에 어려움이 있으므로, 주변조직과의 친화성이 우수하고 경화 반응시의 발열도 심하지 않은 무기계 시멘트가 대안으로 고려되고 있다. 특히, 시멘트가 수화반응을 하기 위해서는 각 반응물로부터 여러 이온성분들의 용해가 우선적으로 이루어지고 용해 이온들이 다시 반응을 하게 되는데, 이러한 측면에서 용해도가 높은 칼슘 포스페이트를 이용한 무기계 골시멘트가 각광받고 있다.As bone cement, polymethyl methacrylate (PMMA) is widely used because of its strong adhesive strength, but in the long term, the bond is weakened because it is not bioabsorbable and does not form a chemical bond with bone. Since the heat generated during the curing reaction of acrylate reaches 80 ℃, it is difficult to use for the treatment of the nervous system where the surrounding tissues are heat sensitive. Therefore, the inorganic cement which has excellent affinity with the surrounding tissue and does not generate excessive heat during the curing reaction It is considered as an alternative. In particular, in order for the cement to hydrate, the dissolution of various ionic components is preferentially performed and the dissolved ions are reacted again. In this respect, inorganic bone cements using calcium phosphate having high solubility are spotlighted.
한편, 이러한 칼슘 포스페이트 무기계 골시멘트로서 베타-트리칼슘포스페이트(β-tircalcium phosphate, 이하 β-TCP)를 이용하는 경우, β-TCP의 골유도성으로 인해 골시멘트는 1) 뼈가 자라서 들어갈 수 있는 스캐폴드(scaffold) 구조를 형성하고, 2) 신진대사 중 인체 내의 수용액과 반응하여 Ca 및 P 이온으로 분해되면서 응고부위의 산성화를 방지한다. 결과적으로 β-TCP를 포함하는 골시멘트는 인체 내에서 생체골의 분해손실(osteoporosis) 및 재생(bone regeneration and integration) 반응에 관여하여 이식된 부위의 생체골 재생을 촉진하는 우수한 성능을 보인다.On the other hand, when using the beta-tricalcium phosphate (β-tircalcium phosphate, hereinafter β-TCP) as the calcium phosphate inorganic bone cement, bone cement due to the osteoinductive properties of β-TCP is 1) scaffold that can grow into bone (scaffold) forms a structure, and 2) to react with an aqueous solution in the body of metabolism to decompose into Ca and P ions to prevent acidification of the coagulation site. As a result, the bone cement containing β-TCP exhibits excellent performance in promoting the bone regeneration of the transplanted site by participating in the osteoporosis and bone regeneration and integration reactions of the living bone in the human body.
β-TCP를 포함하는 골시멘트를 이용하기 위한 방법으로서, 종래기술로서는 달걀껍질 분말을 이용하여 β-TCP가 포함된 골시멘트 분말을 제조하는 기술(대한민국 등록특허 제10-0783587호)이 개시된 바 있다. 이 같은 기술로 제조된 골시멘트 분말은 준수한 치밀도와 소결성을 나타내어 골재생성의 골시멘트를 손쉽게 이용할 수 있다는 장점이 있으나, 달걀껍질을 이용해야만 한다는 제조상의 어려움을 수반하는 한편, 이로써 제조된 골시멘트는 단위입자의 크기가 지나치게 커 실제로 적용하였을 경우에 충분한 정도의 치밀도 및 강도를 제공하지 못한다는 한계점을 명백히 드러내고 있다. 이와 같은 한계점은 비단 상기 종래기술만의 것은 아니며, β-TCP의 장점을 취하되 강도특성이 향상된 골시멘트, 그리고 이의 비용효율적 제조방법에 대한 수요는 나날이 높아지고 있는 실정이다.As a method for using bone cement containing β-TCP, a technique for preparing bone cement powder containing β-TCP using egg shell powder as a conventional technique (Korean Patent No. 10-0783587) has been disclosed. have. Bone cement powder produced by this technique has the advantage of easy use of bone regeneration bone cement by showing the adherent density and sinterability, but it is accompanied by the manufacturing difficulties that must use egg shell, while the bone cement produced It clearly shows a limitation that the size of the unit particles is too large to provide sufficient density and strength when applied in practice. Such limitations are not limited to the prior art alone, but taking advantage of β-TCP, but the demand for improved bone cement, and its cost-effective manufacturing method is increasing day by day.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는, 간단한 공업적 공정을 포함하여 비용효율적이고, 용이한 대량생산화가 가능한 골시멘트용 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.The first problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a composition for bone cement which is cost-effective and easy mass production, including a simple industrial process.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는, 골시멘트로 이용되었을 때 강도특성이 현저히 개선되고, 따라서 이를 포함하는 스캐폴드 등 골 대체재의 강도가 크게 향상되며, 인체 이식시술 후의 골 강도 유지를 유리하게 할 뿐만 아니라 골 재생특성을 제공하는 골시멘트용 조성물을 제공하는 것이다.The second problem to be solved by the present invention is that the strength characteristics are significantly improved when used as bone cement, and thus, the strength of bone substitutes, such as scaffolds including the same, is greatly improved, and it is advantageous to maintain the bone strength after human transplantation. In addition to providing a composition for bone cement that provides bone regeneration properties.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는, 상기 골시멘트용 조성물을 포함함으로써 우수한 강도특성 및 골 재생특성을 나타내는 골시멘트를 제공하는 것이다.The third object of the present invention is to provide a bone cement exhibiting excellent strength and bone regeneration properties by including the composition for bone cement.
본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는, 상기 골시멘트용 조성물을 포함함으로써 우수한 강도특성 및 골 재생특성을 나타내는 골 대체재를 제공하는 것이다.The fourth problem to be solved by the present invention is to provide a bone substitute material exhibiting excellent strength characteristics and bone regeneration properties by including the composition for bone cement.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,In order to achieve the first object of the present invention,
칼슘 수용액 및 인산을, pH 4.8 내지 5.5에서 반응시키는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a composition for bone cement, characterized in that the aqueous calcium solution and phosphoric acid are reacted at pH 4.8 to 5.5.
본 발명의 일 실시예에 따르면,According to an embodiment of the present invention,
상기 반응은 이산화탄소 비함유 분위기에서 수행될 수 있다.The reaction may be carried out in a carbon dioxide free atmosphere.
본 발명의 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 이산화탄소 비함유 분위기는 질소 분위기 또는 진공일 수 있다.The carbon dioxide-free atmosphere may be a nitrogen atmosphere or a vacuum.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 반응은 20 내지 125 ℃의 온도에서 이루어질 수 있다.The reaction may be at a temperature of 20 to 125 ℃.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 칼슘 수용액은 칼슘이 과포화된 것일 수 있다.The calcium aqueous solution may be one in which calcium is supersaturated.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 칼슘 수용액의 칼슘 농도는 7 내지 10 mM일 수 있다.The calcium concentration of the calcium aqueous solution may be 7 to 10 mM.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 칼슘 수용액은 산화칼슘의 수용액일 수 있다.The calcium aqueous solution may be an aqueous solution of calcium oxide.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 반응으로부터 생성된 수득물을 건조시키는 단계를 더욱 포함할 수 있다.It may further comprise the step of drying the yield produced from the reaction.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 건조는 이산화탄소 비함유 분위기 및 20 내지 125 ℃의 온도에서 2 내지 48 시간 동안 이루어질 수 있다.The drying may be performed for 2 to 48 hours at a carbon dioxide-free atmosphere and a temperature of 20 to 125 ℃.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 건조된 수득물을 열처리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.The method may further include heat treating the dried product.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 열처리는 700 내지 900 ℃의 온도에서 0.5 내지 12 시간 동안 이루어질 수 있다.The heat treatment may be performed for 0.5 to 12 hours at a temperature of 700 to 900 ℃.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여,According to another aspect of the present invention,
상기 제조방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물을 제공한다.It provides a composition for bone cement, characterized in that prepared according to the method.
본 발명의 일 실시예에 따르면,According to an embodiment of the present invention,
상기 골시멘트용 조성물은 1 내지 50 nm 입경의 β-트리칼슘포스페이트 입자; 또는 20 내지 50 nm 너비 및 20 내지 170 nm 길이의 장방형 β-트리칼슘포스페이트 입자;를 포함할 수 있다.The composition for bone cement is β-tricalcium phosphate particles having a particle size of 1 to 50 nm; Or rectangular β-tricalcium phosphate particles having a width of 20 to 50 nm and a length of 20 to 170 nm.
본 발명의 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 골시멘트용 조성물은 무수 디칼슘 포스페이트(CaHPO4, DCPA), 테트라칼슘 디하이드로겐 포스페이트(Ca4H2P6O20, TCHP), 하이드록시아파타이트(HAp) 또는 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트(CaHPO42H2O, DCPD)을 포함할 수 있다.The composition for bone cement is anhydrous dicalcium phosphate (CaHPO 4 , DCPA), tetracalcium dihydrogen phosphate (Ca 4 H 2 P 6 O 20 , TCHP), hydroxyapatite (HAp) or dicalcium phosphate dihydrate (CaHPO 4 2H 2 O, DCPD).
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,According to another embodiment of the present invention,
상기 골시멘트용 조성물은 폴리스티렌 비드 또는 폴리에틸렌 글리콜 비드의 첨가 및 열분해를 통해 형성된 기공 구조를 더욱 포함할 수 있다.The composition for bone cement may further include a pore structure formed through the addition and pyrolysis of polystyrene beads or polyethylene glycol beads.
본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위하여,In order to achieve the third object,
상기 골시멘트용 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 골시멘트를 제공한다.It provides a bone cement comprising the composition for bone cement.
본 발명은 상기 네 번째 과제를 달성하기 위하여,In order to achieve the fourth object of the present invention,
상기 골시멘트용 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 골 대체재를 제공한다.It provides a bone substitute material comprising the composition for bone cement.
본 발명의 일 실시예에 따르면,According to an embodiment of the present invention,
상기 골 대체재는 스캐폴드, 스크루 및 핀을 포함하는 군으로부터 선택된 구조일 수 있다.The bone substitute may be a structure selected from the group comprising scaffolds, screws and pins.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 강도특성이 현저히 개선된 골 재생특성의 골시멘트를 이용할 수 있고, 이의 제조방법은 간단한 공업적 공정을 포함하여 비용효율적이며 용이한 대량생산화가 가능할 뿐만 아니라, 상기 골시멘트를 포함하는 골 대체재는 우수한 강도특성 및 골 재생특성을 나타낸다.As described above, according to the present invention, bone cements having bone regeneration characteristics with markedly improved strength characteristics can be used, and a method of manufacturing the same can be cost-effective and easy mass production, including a simple industrial process. Bone substitutes including bone cement exhibit excellent strength and bone regeneration properties.
도 1은 칼슘 수용액과 인산을 반응시켰을 때, pH 환경과 칼슘 농도환경에 따라 변화하는 물질들의 상평형 그래프이다.
도 2는 상기 도 1의 일부 확대 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법 중, 건조 공정에 대한 예시적 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 제조방법을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법 중, CO2가 비함유된 공기를 조성하는 방법에 대한 예시적 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법 중, 그에 사용된 기기들의 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물이 포함할 수 있는 성분들에 대한 예시적 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 X선 회절 패턴 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예의 X선 회절 패턴 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 X선 회절 패턴 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물의 주사전자현미경 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물을 포함하는 소결체의 주사전자현미경 이미지이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물을 포함하는 소결체의 주사전자현미경 이미지이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물을 포함하는 소결체의 주사전자현미경 이미지이다.
도 15은 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물을 포함하는 소결체의 주사전자현미경 이미지이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물을 포함하는 소결체의 주사전자현미경 이미지이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물을 포함하는 소결체의 전계방출주사전자현미경 이미지이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물을 포함하는 소결체의 전계방출주사전자현미경 이미지이다.1 is a phase equilibrium graph of materials that change depending on a pH environment and a calcium concentration environment when the aqueous calcium solution and phosphoric acid are reacted.
2 is a partially enlarged graph of FIG. 1.
3 is an exemplary conceptual diagram of a drying process in a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram showing a manufacturing method according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
5 is an exemplary conceptual diagram for a method of forming air containing no CO 2 in the manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
6 is an image of devices used in the manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
7 is an exemplary conceptual diagram of components that may be included in the composition for bone cement according to an embodiment of the present invention.
8 is an X-ray diffraction pattern graph of an embodiment of the present invention.
9 is an X-ray diffraction pattern graph of an embodiment of the present invention.
10 is an X-ray diffraction pattern graph of an embodiment of the present invention.
11 is a scanning electron microscope image of a composition for bone cement according to an embodiment of the present invention.
12 is a scanning electron microscope image of a sintered body including a composition for bone cement according to an embodiment of the present invention.
13 is a scanning electron microscope image of a sintered body including a composition for bone cement according to an embodiment of the present invention.
14 is a scanning electron microscope image of a sintered body including the composition for bone cement according to an embodiment of the present invention.
15 is a scanning electron microscope image of a sintered body including a composition for bone cement according to an embodiment of the present invention.
16 is a scanning electron microscope image of a sintered body including a composition for bone cement according to an embodiment of the present invention.
17 is a field emission scanning electron microscope image of a sintered body including a composition for bone cement according to an embodiment of the present invention.
18 is a field emission scanning electron microscope image of a sintered body including a composition for bone cement according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 골시멘트용 조성물은 골 대체재 또는 골시멘트로 이용되었을 경우 골 재생특성과 함께 매우 우수한 강도와 치밀도를 나타낸다. 이러한 특징을 갖는 본 발명에 따른 골시멘트용 조성물은, 1 내지 50 nm 입경의 β-트리칼슘포스페이트(이하, β-TCP라는 약어로 이를 통칭하기로 한다) 입자 또는 20 내지 50 nm 너비 및 20 내지 170 nm 길이의 장방형 β-TCP 입자를 포함하는 것을 일 특징으로 한다. 상기 나노 크기의 β-TCP는 생체골 인접 부위에 이식되었을 경우 골재생을 촉진하는, 통상적으로 알려진 β-TCP의 특성을 지녔을 뿐만 아니라, 아주 미세한 크기로써 높은 치밀도를 결과하며, 이로써 이를 포함하여 제조된 골 대체재 또는 인조골은 현저히 높은 강도특성을 나타낸다. 대비적으로, 종래기술에 따라 β-TCP의 입경이 지나치게 크게 제조되었을 경우, 이를 포함하여 제조된 다양한 골 대체재 또는 인조골은 그 강도특성이 현저히 저하됨을 본 발명자는 확인한 바 있다. 상기 나노크기의 β-TCP 입자는 본 발명 특유의 제조방법에 의해 구현되는 것으로, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.The composition for bone cement according to the present invention exhibits very good strength and density with bone regeneration properties when used as a bone substitute or bone cement. The composition for bone cement according to the present invention having such a feature is β-tricalcium phosphate having a particle size of 1 to 50 nm (hereinafter referred to collectively as β-TCP) particles or 20 to 50 nm wide and 20 to It is characterized in that it comprises a rectangular β-TCP particles of 170 nm length. The nano-sized β-TCP not only has the characteristics of commonly known β-TCP, which promotes bone regeneration when implanted in adjacent bones of the living body, but also results in high density with very fine size, thereby including The manufactured bone substitutes or artificial bones exhibit markedly high strength properties. In contrast, when the particle size of the β-TCP according to the prior art is manufactured to be too large, the inventors have confirmed that the various bone substitutes or artificial bones, including this, significantly reduced the strength characteristics. The nano-sized β-TCP particles are implemented by the manufacturing method peculiar to the present invention, which will be described later.
본 발명에 따른 골시멘트용 조성물은 β-TCP의 단일 성분으로 이루어질 수 있으나, 또한 무수 디칼슘 포스페이트(CaHPO4, DCPA), 테트라칼슘 디하이드로겐 포스페이트(Ca4H2P6O20, TCHP), 하이드록시아파타이트(HAp) 또는 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트(CaHPO42H2O, DCPD)을 더욱 포함할 수도 있다. 상기 나열된 성분들은 골시멘트용 제재로 통상적으로 선택될 수 있는 것으로서, 본 발명을 재현 또는 구현하려는 당업자는 필요에 의해 본 발명에 따른 제조방법 중 일부를 선택적으로 제한함(이러한 선택적 요소에 대한 설명은 후술하기로 한다)으로써, 이들 성분을 포함시키거나 포함시키지 않을 수 있고, 본 발명은 이러한 추가적인 성분의 포함에 의해 제한되지는 않는다. 즉, 본 발명 제조방법의 선택적 적용, 또는 특정 물질의 추가적인 혼입에 의해서도 상기의 추가적인 물질을 포함시키는 것이 가능하나, 본 발명의 범위는 이에 의해서 한정되지 않으며, 전술한 바와 같이 본 발명에 따라 제조된, 1 내지 50 nm 입경의 β-TCP 또는 20 내지 50 nm 너비 및 20 내지 170 nm 길이의 장방형 β-TCP 입자를 포함하는 골시멘트용 조성물은 모두 본 발명의 권리범위에 포함된다.The composition for bone cement according to the present invention may be composed of a single component of β-TCP, but also anhydrous dicalcium phosphate (CaHPO 4 , DCPA), tetracalcium dihydrogen phosphate (Ca 4 H 2 P 6 O 20 , TCHP) It may further comprise hydroxyapatite (HAp) or dicalcium phosphate dihydrate (CaHPO 4 2H 2 O, DCPD). The components listed above may be conventionally selected as a material for bone cement, and those skilled in the art to reproduce or implement the present invention selectively limit some of the manufacturing methods according to the present invention as necessary. These components may or may not be included, and the present invention is not limited by the inclusion of such additional components. That is, it is possible to include the above additional materials by selective application of the manufacturing method of the present invention, or by additional incorporation of specific materials, but the scope of the present invention is not limited thereto, and is manufactured according to the present invention as described above. , 1 to 50 nm particle diameter β-TCP or a composition for bone cement comprising a rectangular β-TCP particles of 20 to 50 nm wide and 20 to 170 nm long are all included in the scope of the present invention.
본 발명에 따른 골시멘트용 조성물은 칼슘 수용액 및 인산을 pH 4.8 내지 5.5 환경에서 반응시킴으로써 제조된다. 이 같은 화학적 공정은 본 발명을 실시하기 위한 필수적인 조건이며, 본 발명자는 수많은 시험과 연구를 거쳐 상기 조건을 안출해낸 바 있다. 이러한 공정은 초고온(1300 내지 1400 ℃)의 소성을 전제하고, 나노 크기의 입자를 구현해내지도 못하는 종래기술에 비해 현저히 진보된 것이다.The composition for bone cement according to the present invention is prepared by reacting an aqueous calcium solution and phosphoric acid in an environment of pH 4.8 to 5.5. Such chemical processes are essential conditions for carrying out the present invention, and the present inventors have devised the above conditions through numerous tests and studies. This process is a significant advance over the prior art, which presupposes firing at very high temperatures (1300-1400 ° C.) and does not produce nano-sized particles.
도 1 및 도 2(도 1의 일부 확대도)에는 pH 조건에 따라서 변화하는 칼슘의 과포화 농도 및 인산과의 반응 상평형 그래프가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 다양한 pH 조건에 따라서 상평형을 이루어 생성하는 물질이 함께 변화한다. pH 4.2 이하에서는 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트(CaHPO42H2O, DCPD)가 가장 안정한 상으로서 최다량 형성되고, pH 5.5 이상인 경우에서는 하이드록시아파타이트 (HAp)가 가장 안정하여 최다량 형성되며, pH 4.2 내지 4.8 사이의 범위에서는 β-TCP, HAp, 옥타칼슘 포스페이트(OCP), α-트리칼슘포스페이트(α-TCP) 및 테트라칼슘 포스페이트(TTCP)의 혼합상이 형성된다. 또한 본 발명에 따라 pH 환경을 4.8 내지 5.5 로 형성하였을 경우에는 다량의 β-TCP가 형성되어 과포화를 이룬 뒤 석출된다. 첨가되는 인산의 양을 면밀히 조절함으로써 이러한 pH 범위를 설정할 수 있지만, 대량화된 공정에서는 메뉴얼화 된 용량으로써 간편하게 이를 구현할 수 있다.1 and 2 (partially enlarged views of FIG. 1) show graphs of supersaturation concentrations of calcium and reaction phase equilibrium with phosphoric acid, which vary with pH conditions. As shown, the materials resulting in phase equilibrium change together with various pH conditions. Below pH 4.2, dicalcium phosphate dihydrate (CaHPO 4 2H 2 O, DCPD) is formed as the most stable phase, and at the pH above 5.5, hydroxyapatite (HAp) is most stable and the highest amount is formed. In the range of 4.8 to 4.8, a mixed phase of β-TCP, HAp, octacalcium phosphate (OCP), α-tricalcium phosphate (α-TCP) and tetracalcium phosphate (TTCP) is formed. In addition, when the pH environment is formed in the range of 4.8 to 5.5 according to the present invention, a large amount of β-TCP is formed and supersaturated and precipitated. This pH range can be set by closely controlling the amount of phosphoric acid added, but in mass-produced processes this can be achieved simply as a manual dose.
칼슘 수용액과 인산의 혼합은 발열 반응을 일으킨다. 추가적인 온도형성 장치를 이용하지 않아도 본 발명을 실시할 수는 있으나, 온건 환경으로써 β-TCP를 수득하기 위해 20 내지 125 ℃의 온도환경을 유지시키는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 60 내지 95 ℃의 온도조건을 유지시키는 것이 용해도, 반응 및 석출의 수율 면에서 유리하다. 즉, 온도환경이 125 ℃를 초과하는 경우, 형성되는 β-TCP의 용해도가 지나치게 높아져 만족스러울 만큼의 수득이 어렵고, 20 ℃ 미만의 온도에서는 칼슘 수용액과 인산의 충분한 반응이 이루어지기 어렵다. 이러한 결과와 여러 차례의 추가적인 시험을 거쳐, 본 발명자는 60 내지 95 ℃라는 온도로 최적의 수율범위를 산출하였다.Mixing the aqueous calcium solution with phosphoric acid causes an exothermic reaction. Although the present invention can be practiced without using an additional temperature forming apparatus, it is preferable to maintain a temperature environment of 20 to 125 ° C, more preferably 60 to 95 ° C, to obtain β-TCP as a moderate environment. Maintaining temperature conditions is advantageous in terms of solubility, reaction and precipitation yields. That is, when the temperature environment exceeds 125 ° C., the solubility of the formed β-TCP is too high to obtain satisfactorily, and a sufficient reaction between the aqueous calcium solution and phosphoric acid is difficult to be achieved at a temperature below 20 ° C. Through these results and several additional tests, the inventors calculated the optimum yield range at a temperature of 60-95 ° C.
아울러 반응에 사용되는 상기 칼슘 수용액은, pH 및 온도환경에 따라서 칼슘이 과포화된 용액일 수 있다. 상기 "과포화"라는 표현은 당업계 통상의 기술적 지식과 같이, 용질이 수용액에 용해될 수 있는 한계량을 초과하는 만큼 적가되었음을 의미한다. 과포화된 칼슘은 인산과 반응하여 β-TCP를 포함하는 생성물을 석출할 수 있다. 전술한 pH 또는 온도환경(20 내지 125 ℃)에서, 용해되어 과포화된 칼슘의 농도는 7 내지 10 mM일 수 있고, 더욱 바람직한 범위(온도환경 60 내지 95 ℃)에서는 7.8 내지 10 mM일 수 있다. 또한 상기 칼슘 수용액은 준비된 산화칼슘(CaO)의 용해에 의해 제조된 것일 수 있다.In addition, the calcium aqueous solution used for the reaction may be a solution supersaturated calcium depending on the pH and temperature environment. The expression "supersaturated" means that the solute has been added dropwise in excess of the limit amount that can be dissolved in an aqueous solution, as is known in the art. Supersaturated calcium can react with phosphoric acid to precipitate products containing β-TCP. At the aforementioned pH or temperature environment (20-125 ° C.), the concentration of dissolved and supersaturated calcium may be 7-10 mM, and in a more preferred range (temperature environment 60-95 ° C.) may be 7.8-10 mM. In addition, the calcium aqueous solution may be prepared by dissolving prepared calcium oxide (CaO).
또한 상기 반응은, 이산화탄소와의 접촉이 차단된 이산화탄소 비함유 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. Ca2 + 또는 Ca 화합물은 주위 환경 중의 CO2와 쉽게 반응하는 성질을 지녔는데, 이로써 생성된 탄산기는 후에 이루어져야 할 β-TCP 결정화의 방해 요인으로 작용하기 때문이다. 따라서 본 발명을 구현 또는 재현하려는 자는, 질소 분위기 또는 진공 환경을 조성함으로써 이러한 부수적인 반응을 차단하는 것이 바람직하다. Ar 등의 불활성 기체 분위기를 조성하는 것도 본 발명을 실시하는 데에는 부족함이 없으나, 비용의 효율과 편의성을 고려하여, 본 발명에서는 N2 환경을 후술할 실시예의 예시적 환경으로 설정한 바 있다. 같은 맥락에서, 수용액 환경을 전제하는 반응의 특성을 고려하여, 용매로써 이용되는 물 역시 수차례 여과되고 탄산이 제거된 초순수 또는 2차 이상의 증류수를 사용하는 것이 바람직하다.Also, the reaction is preferably performed in a carbon dioxide-free atmosphere in which contact with carbon dioxide is blocked. Ca 2 +, or Ca compounds is due to act as a disturbance of the β-TCP crystallization can be made after a carbon group having jinyeotneun a property of easily reacting with the CO 2 in the environment, thereby generating. Therefore, it is desirable for those who wish to implement or reproduce the present invention to block such side reactions by creating a nitrogen atmosphere or a vacuum environment. Creating an inert gas atmosphere such as Ar is not sufficient to practice the present invention. However, in consideration of cost efficiency and convenience, the present invention has set the N 2 environment as an exemplary environment of an embodiment to be described later. In the same context, in view of the nature of the reaction, which presupposes an aqueous solution environment, it is also preferable to use ultrapure water or secondary distilled water which is filtered and decarbonated several times.
상기의 환경 및 단계에 따르면, 나노 크기의 β-TCP를 포함하는, 본 발명에 따른 골시멘트용 조성물을 수득할 수 있다. 이렇게 수득된 골시멘트용 조성물은 추가적인 건조공정(도 3)을 통해서 분말상으로 이용될 수 있으며, 건조된 조성물을 추가적으로 열처리하여 β-TCP만으로 구성되는, 더욱 정제된 형태의 조성물을 이용할 수도 있다. 아울러 상기 건조는 이산화탄소 비함유 분위기 및 20 내지 125 ℃의 온도환경에서 2 내지 48 시간 동안 이루어지는 것이 바람직한데, 이러한 권고적인 환경은 어디까지나 예시에 불과하고, 이산화탄소와 접촉시키지 않으면서 반응 용매인 수분을 증발시킬 수 있는 공정이라면 어떤 것이라도 적용이 가능하다. 또한 상기 열처리는 본 발명에 따른 골시멘트용 조성물에 포함되는 부수적인 성분들(무수 디칼슘 포스페이트(CaHPO4, DCPA), 테트라칼슘 디하이드로겐 포스페이트(Ca4H2P6O20, TCHP), 하이드록시아파타이트(HAp) 또는 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트(CaHPO42H2O, DCPD))을 모두 β-TCP로 변환시키는 공정을 포함하며, 소결의 특징으로 인해 입성장이 일어나 조성물에 포함된 성분들의 입경을 일정 범위 상승시킬 수 있다. 상기 열처리는 700 내지 900 ℃의 온도환경에서 0.5 내지 12 시간 동안 이루어지는 것이 바람직하나, 이러한 권고적인 환경은 어디까지나 예시에 불과하고, 부수적으로 포함된 성분들을 모두 β-TCP로 변환시킬 수 있는 공정이라면 어떤 것이라도 적용이 가능하다. 전술한 공정상의 특징으로써, 건조 및 열처리까지 거쳐 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물은, 1 내지 200 nm 입경의 순수한 β-TCP로 구성된다고 표현될 수도 있다. According to the above environment and steps, it is possible to obtain a composition for bone cement according to the present invention, including β-TCP of the nano-sized. The thus obtained composition for bone cement may be used in powder form through an additional drying process (FIG. 3), and may be used in a more refined form, which consists of β-TCP only by further heat treating the dried composition. In addition, the drying is preferably carried out for 2 to 48 hours in a carbon dioxide-free atmosphere and a temperature environment of 20 to 125 ℃, this recommended environment is only an example, and the moisture that is the reaction solvent without contacting carbon dioxide without Any process that can evaporate can be applied. In addition, the heat treatment is an additional component included in the composition for bone cement according to the present invention (anhydrous dicalcium phosphate (CaHPO 4 , DCPA), tetracalcium dihydrogen phosphate (Ca 4 H 2 P 6 O 20 , TCHP), Hydroxyapatite (HAp) or dicalcium phosphate dihydrate (CaHPO 4 2H 2 O, DCPD) are all converted to β-TCP, and the grain size is due to the characteristics of the sintering, the particle size of the components included in the composition It can raise the range. The heat treatment is preferably carried out for 0.5 to 12 hours in a temperature environment of 700 to 900 ℃, this recommended environment is only an example, if the process that can convert all the included components to β-TCP Anything can be applied. As a feature of the above-described process, the composition for bone cement according to an embodiment of the present invention manufactured through drying and heat treatment may be expressed as being composed of pure β-TCP having a particle diameter of 1 to 200 nm.
본 발명에 따른 골시멘트용 조성물의 입자들의 직경은 매우 작고, 따라서 고밀도 및 고강도의 골 대체용, 또는 골 접합용 물질 제조에 이용되는 것이 가능하다. 더불어 본 발명에 따른 골시멘트용 조성물은 β-TCP 특유의 골 재생특성을 보유하고 있어, 예컨대 본 발명의 일 실시예에 따른 골시멘트용 조성물을 또 다른 골시멘트용 조성물과 혼입하고 이를 소성함으로써, 향상된 강도특성과 골 재생특성을 나타내는 골 대체재, 또는 골시멘트를 제조할 수도 있다. 통상적으로 사용되는 바와 같이, 상기 골 대체재는 스캐폴드, 스크루 및 핀을 포함하는 군으로부터 선택된 구조일 수 있다. 아울러 추가적인 혼입 또는 소성의 과정, 또는 상기 건조 또는 열처리 공정에서, 목적된 크기의 폴리스티렌 비드 또는 폴리에틸렌 글리콜 비드를 복수개 첨가하고, 열에 의해 분해되는 상기 두 물질의 특징을 이용한 추가적인 다공성 구조를 포함시켜 표면적을 더욱 확대시킬 수도 있다.The diameters of the particles of the composition for bone cement according to the invention are very small, and therefore it is possible to be used for the production of bone replacement materials or bone bonding materials of high density and high strength. In addition, the composition for bone cement according to the present invention possesses bone regeneration characteristics peculiar to β-TCP, for example, by mixing the composition for bone cement according to an embodiment of the present invention with another composition for bone cement and firing it, It is also possible to produce bone substitutes or bone cements that exhibit improved strength and bone regeneration properties. As is commonly used, the bone substitute may be a structure selected from the group comprising scaffolds, screws and pins. In addition, in the process of further incorporation or firing, or in the drying or heat treatment process, a plurality of polystyrene beads or polyethylene glycol beads of a desired size are added, and an additional porous structure using the characteristics of the two materials that are decomposed by heat is included. You can even zoom in.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
제조예Manufacturing example : 산화칼슘( : Calcium oxide ( CaOCaO ), 칼슘 수용액 및 인산의 제조), Aqueous solution of calcium and phosphoric acid
CaCO3를 1050 ℃에서 공기 중 2 시간 이상 하소하여 CaO 분말을 얻었다. 이를 300 ℃까지 서냉한 후 이산화탄소 비함유 분위기의 3구 플라스크로 옮겨 스터링 바와 스터링 챔버를 이용하여 혼련시켰다. 여기에 2차 증류수를 서서히 첨가하였다. 이에 따라 일어나는 격렬한 발열반응의 시간 경과, 첨가되는 증류수의 양 및 속도에 따라 반응기 내부 온도가 변화하였다. 실시예의 실행 두 시간 전부터 이 생석회 분해반응을 진행하여 충분한 양의 Ca2 + 자유이온 및 OH- 자유이온이 용해된 수용액을 제조하였다.CaCO 3 was calcined at 1050 ° C. for 2 hours or more in air to obtain CaO powder. This was slowly cooled to 300 ° C. and transferred to a three-necked flask without a carbon dioxide atmosphere, followed by kneading using a stir bar and a stir chamber. Second distilled water was slowly added thereto. The internal temperature of the reactor was changed according to the time course of the vigorous exothermic reaction occurring, the amount and rate of distilled water added. Embodiment run two hours sufficient amount of Ca 2 + free ions and OH proceeds the decomposition reaction of burnt lime before - the aqueous solution of the free ion is dissolved was prepared.
상기 3구 플라스크의 이산화탄소 비함유 분위기는 N2 가스의 퍼징(purging) 및 KOH를 통과하여 탈탄산화된 공기의 주입으로 이루어졌다. 즉, CaO를 3구 플라스크에 옮긴 후 바로 고무마개를 닫은 뒤, 마개에 연결된 호스와 Schlenk line 을 이용하여 질소가스로 3 회 이상 퍼징하였고, 이어서 KOH 플라스크를 통과시킨 공기를 공급하였다.The carbon dioxide free atmosphere of the three necked flask consisted of purging N 2 gas and injecting decarbonized air through KOH. That is, CaO was transferred to a three-necked flask, and the rubber stopper was immediately closed, followed by purging with nitrogen gas three times or more using a hose connected to the stopper and a Schlenk line, followed by supplying air passed through a KOH flask.
또 다른 3구 플라스크용기에 적정량의 H3PO4용액을 투입하고 초순수증류수로 채운 후, 연결된 에어호스를 앞서와 마찬가지로 질소퍼징한 뒤 KOH 플라스크를 통과시킨 공기가 공급되는 호스와 연결하였다. 후에 pH를 제어할 것이므로 인산의 농도는 측정하지 않았다.
Another three-necked flask vessel was charged with an appropriate amount of H 3 PO 4 solution and filled with ultrapure distilled water, and the connected air hose was purged with nitrogen as before, and then connected with a hose supplied with air passed through a KOH flask. Since the pH will be controlled later, the concentration of phosphoric acid was not measured.
실시예Example 1 및 2: 1 and 2: 골시멘트용For bone cement 조성물의 제조 Preparation of the composition
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조공정의 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 이러한 제조공정에 사용된 기재들의 이미지가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 스터링 챔버에 연결되고, 질소 퍼징 이후 CO2-free 공기가 채워진 메인 반응용기를 칼슘 수용액이 담긴 용기 및 인산이 담긴 용기에 연결한 뒤, 이들 용액을 Msterflex 펌프 및 실리콘 튜브를 이용하여 상기 메인 반응용기에서 혼합하였다. 이들 혼합상의 pH를 5.0로 맞추고, 온도를 60 내지 95 ℃로 조절하면서 침전반응을 진행한다. 침전반응으로 미세한 나노침전물이 형성되고, 칼슘 수용액 또는 인산이 다 소모되면 메인 반응용기를 60 내지 95 ℃에서 건조시켰다. 이 경우 가열되면서 CO2-free air가 메인 반응용기에 지속적으로 공급되기 때문에(도 5), 높은 내부의 부분압으로 호스를 통하여 습기가 용기 밖으로 배출되면서 건조가 이루어진다. 24 시간 동안 완전건조 된 이후에, 메인 반응용기의 뚜껑을 열어 생성된 분말을 걷어냈다. 이 분말을 실시예 1이라 칭하고, 이를 일부 취하여 800 ℃에서 1 시간 동안 열처리한 뒤 냉각한 분말을 실시예 2라 칭하기로 한다.
4 is a schematic diagram of a manufacturing process according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is an image of the substrates used in this manufacturing process. As shown, the main reaction vessel, which is connected to a stiring chamber and, after nitrogen purging, is filled with a CO 2 -free air-filled vessel to a vessel containing aqueous calcium solution and a vessel containing phosphoric acid, and then the solution is connected using a Msterflex pump and a silicone tube. By mixing in the main reaction vessel. The pH of these mixed phases is adjusted to 5.0, and the precipitation reaction is performed while controlling the temperature to 60 to 95 ° C. A fine nanoprecipitate was formed by the precipitation reaction, and when the calcium aqueous solution or phosphoric acid was used up, the main reaction vessel was dried at 60 to 95 ° C. In this case, since the CO2-free air is continuously supplied to the main reaction vessel while being heated (FIG. 5), drying is performed while moisture is discharged out of the container through a hose at a high internal partial pressure. After complete drying for 24 hours, the lid of the main reaction vessel was opened to remove the resulting powder. This powder will be referred to as Example 1, and the powder cooled after a partial heat treatment at 800 ° C. for 1 hour will be referred to as Example 2.
실시예Example 3 및 4 : 골 대체재의 제조 3 and 4: preparation of bone substitutes
실시예 1의 분말을 3 내지 7 질량%로, 200 내지 400 μm 입경의 폴리스티렌 비드를 20 내지 40 질량%로, 나머지를 지르코니아 볼밀로 채운 뒤 3 시간 동안 건식 혼합하였다. 이 혼합물을 이산화탄소 비함유 분위기 및 700 내지 900 ℃ 온도환경에서 1 내지 3 시간 동안 열처리하였고, 이로써 폴리스티렌 비드를 분해시키는 동시에 스캐폴드 구조를 형성하였다(실시예 3). 이후 이를 일부 잘라내어 1100 내지 1200 ℃ 온도환경 및 대기환경의 머플로(muffle 爐)에서 2 내지 4 시간 동안 추가 소결하여 뼈 대체재인 다공성 스캐폴드 블록을 제조하였다(실시예 4).The powder of Example 1 was charged at 3-7 mass%, polystyrene beads of 200-400 μm particle diameter at 20-40 mass%, and the remainder was filled with a zirconia ball mill and then dry mixed for 3 hours. The mixture was heat treated for 1 to 3 hours in a carbon dioxide free atmosphere and a temperature of 700 to 900 ° C., thereby decomposing the polystyrene beads and forming a scaffold structure (Example 3). Thereafter, a portion of the cutout was further sintered for 2 to 4 hours in a muffle furnace at 1100 to 1200 ° C. and an atmospheric environment to prepare a porous scaffold block as a bone substitute (Example 4).
참고로, 상기 폴리스티렌 비드는 같은 크기의 폴리에틸렌 글리콜 비드로 일부 또는 전부가 대체되어도 무방하다.
For reference, the polystyrene beads may be partially or entirely replaced by polyethylene glycol beads of the same size.
실시예Example 5 및 6 : 골 대체재의 제조 5 and 6: Preparation of bone substitute
실시예 2의 분말을 3 내지 7 질량%로, 200 내지 400 μm 입경의 폴리스티렌 비드를 20 내지 40 질량%로, 나머지를 지르코니아 볼밀로 채운 뒤 3 시간 동안 건식 혼합하였다. 이 혼합물을 이산화탄소 비함유 분위기 및 700 내지 900 ℃ 온도환경에서 1 내지 3 시간 동안 열처리하였고, 이로써 폴리스티렌 비드를 분해시키는 동시에 스캐폴드 구조를 형성하였다(실시예 5). 이후 이를 일부 잘라내어 1100 내지 1200 ℃ 온도환경 및 대기환경의 머플로(muffle 爐)에서 2 내지 4 시간 동안 추가 소결하여 뼈 대체재인 다공성 스캐폴드 블록을 제조하였다(실시예 6).The powder of Example 2 was filled with 3 to 7 mass%, 200 to 400 μm particle diameter polystyrene beads to 20 to 40 mass%, and the remainder was filled with a zirconia ball mill and then dry mixed for 3 hours. The mixture was heat treated for 1 to 3 hours in a carbon dioxide free atmosphere and a temperature of 700 to 900 ° C., thereby decomposing the polystyrene beads and simultaneously forming a scaffold structure (Example 5). Thereafter, some of these were cut out and further sintered for 2 to 4 hours in a muffle furnace at a temperature of 1100 to 1200 ° C. and an atmospheric environment to prepare a porous scaffold block as a bone substitute (Example 6).
참고로, 상기 폴리스티렌 비드는 같은 크기의 폴리에틸렌 글리콜 비드로 일부 또는 전부가 대체되어도 무방하다.
For reference, the polystyrene beads may be partially or entirely replaced by polyethylene glycol beads of the same size.
시험예Test Example 1 : One : 골시멘트용For bone cement 조성물의 성분 Components of the composition
도 8 및 도 9에는 실시예 1, 그리고 실시예 1과 같은 환경 및 다양한 조성(칼슘 수용액 및 인산)으로써 제조된 비교예들의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 실시예 1은 TCP, TCHP, DCPA 또는 DCPD등의 인산칼슘화합물 복합체로 구성되어 있음을 확인할 수 있다. 특히, 도면에 표시된 빨간색 화살표는 β-TCP의 피크를 의미한다. 고속교반으로 자유이온 Ca2 + 및 PO4 3 - 사이의 균질반응이 진행되었고, 이로써 나노 크기의 TCP 결정(α, β 또는 σ 상)이 생성되었으며, 미처 이온생성이 끝나지 않은 Ca(OH)2 와 CaHPO4 사이의 추가적인 반응으로 불균질 반응이 일어나 TCHP, DCPA 또는 DCPD가 섞여있음을 확인할 수 있다. 개략적인 실시예 1의 성분이 도 7의 개념도로 도시되었다.8 and 9 show X-ray diffraction (XRD) patterns of Comparative Examples prepared with Example 1 and the same environment as Example 1 and with various compositions (aqueous calcium solution and phosphoric acid). As shown, Example 1 can be confirmed that the calcium phosphate compound complex, such as TCP, TCHP, DCPA or DCPD. In particular, the red arrow shown in the figure means the peak of β-TCP. Free ions at a high speed stirring Ca 2 +, and PO 4 3 - was a homogeneous reaction between the proceeds, so that TCP determines a nanoscale (α, β or σ-phase) has not been generated, ends the micheo ions produced Ca (OH) 2 With CaHPO 4 An additional reaction between the two could result in a heterogeneous reaction, indicating a mixture of TCHP, DCPA or DCPD. The components of schematic example 1 are shown in the conceptual diagram of FIG.
도 10에는 실시예 2의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 실시예 2는 거의 순수한 β-TCP 결정으로 이루어져 있음을 확인할 수 있다. 이를 실시예 1의 결과와 비교하면, 열처리 공정을 거침으로써 실시예 1에 포함되었던 불순물들이 모두 β-TCP로 변환된 것이다. 또한 이후의 측정 결과에서, 실시예 1의 입자는 1 내지 50 nm의 입경 분포를 형성한 반면, 실시예 2의 입자들은 1 내지 200 nm의 입경 분포를 형성하여 입성장이 일어났음을 확인하였다. 이는 실시예 1보다는 크지만, 여전히 종래대비 작은 입자로서, 치밀도 및 강도 특성이 우수하다.
FIG. 10 shows an X-ray diffraction (XRD) pattern of Example 2. FIG. As shown, it can be seen that Example 2 consists of nearly pure β-TCP crystals. Compared with the result of Example 1, all the impurities included in Example 1 were converted to β-TCP by a heat treatment process. In addition, in the following measurement results, the particles of Example 1 formed a particle size distribution of 1 to 50 nm, whereas the particles of Example 2 formed a particle size distribution of 1 to 200 nm, it was confirmed that the grain growth occurred. It is larger than Example 1, but is still smaller than conventional particles, and has excellent density and strength characteristics.
시험예Test Example 2 : 물성 테스트 2: physical property test
도 11에는 실시예 1을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 실시예 1은 1 내지 50 nm 입경의 입자를 포함하며, 20 내지 50 nm 너비 및 20 내지 170 nm 길이의 장방형 β-트리칼슘포스페이트 입자를 또한 포함하고 있다.11 shows an image of Example 1 taken with a scanning electron microscope. As shown, Example 1 includes particles of 1-50 nm particle diameter and also includes rectangular β-tricalcium phosphate particles of 20-50 nm wide and 20-170 nm long.
도 12에는 실시예 2를 주사전자현미경으로 촬영한 이미지가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 실시예 2에서는 실시예 1의 입자들이 입성장을 이루었고, 이러한 형상은 나노 크기의 입자들이 열처리 및 입성장을 거쳐 미세하게 연결됨으로써 더욱 향상된 강도를 제공할 수 있음을 시사한다.12 shows an image of Example 2 taken with a scanning electron microscope. As shown, in Example 2, the particles of Example 1 achieved grain growth, and this shape suggests that nano-sized particles may be finely connected through heat treatment and grain growth to provide further enhanced strength.
도 13에는 실시예 1의 분말(습식 나노 TCP 분말)을 통상적인 TCP 분말(고상 TCP)과 혼합하고, 800 ℃에서 1 시간 동안 열처리한 뒤 냉각한 분말의 주사전자현미경 이미지가 도시되어 있다. 이렇게 제조된 분말의 경우 상기 열처리 공정 중에서 상대적으로 큰 TCP 입자(고상 TCP)의 입성장이 일어남과 동시에, 상기 큰 TCP 입자들의 사이에 실시예 1의 나노 입자가 들어차며, 이들 역시 입성장을 이루면서 미세한 연결구조를 이루어 더욱 개선된 강도를 제공하는 골시멘트용 조성물을 이용할 수 있다.FIG. 13 shows a scanning electron microscope image of the powder of Example 1 (wet nano TCP powder) mixed with a conventional TCP powder (solid TCP), heat treated at 800 ° C. for 1 hour and then cooled. In the case of the powder thus prepared, relatively large TCP particles (solid-state TCP) grain growth occurred during the heat treatment process, and nanoparticles of Example 1 were interposed between the large TCP particles, and they also formed fine grains. It is possible to use a composition for bone cement that provides a more improved strength by forming a connection structure.
도 14a 및 도 15(도 14a의 확대도)에는 실시예 3을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 실시예 1의 분말은 매우 미세하며, 1 내지 50 nm 입경의 β-TCP 입자를 포함하는 한편, 그보다 더 작은 1 내지 20 nm 크기의 β-TCP 입자 또한 포함한다. 이러한 특징은 실시예 1을 골시멘트 또는 골 대체재로 이용할 경우 향상된 치밀도 및 강도특성을 제공할 수 있음을 시사한다.14A and 15 (an enlarged view of FIG. 14A) show an image of Example 3 taken with a scanning electron microscope. As shown, the powder of Example 1 is very fine and contains β-TCP particles having a particle size of 1 to 50 nm, while also smaller β-TCP particles having a smaller size of 1 to 20 nm. This feature suggests that when using Example 1 as bone cement or bone substitute, it can provide improved density and strength properties.
도 14b 및 도 16(도 14b의 확대도)은 실시예 5의 주사전자현미경 이미지이다. 열처리로 인해 정제 및 입성장된 분말을 포함함으로써, 이러한 경우 표면에서 관찰되는 입자들의 직경은 1 내지 200 nm 범위를 형성한다.14B and 16 (enlarged view of FIG. 14B) are scanning electron microscope images of Example 5. FIG. By including tablets and grain grown powders due to heat treatment, the diameter of the particles observed on the surface in this case forms a range from 1 to 200 nm.
도 17은 상기 실시예 3의 전계방출주사전자현미경 이미지이다. 도시된 바와 같이, 실시예 3은 열처리 공정으로써 폴리스티렌 비드 또는 폴리에틸렌 글리콜 비드가 분해되어 형성된 200 내지 400 μm 크기의 공구들을 포함한다. 또한 이로써 입자들은 표면 입성장을 이루었다.17 is a field emission scanning electron microscope image of Example 3. As shown, Example 3 includes tools of 200 to 400 μm size formed by decomposition of polystyrene beads or polyethylene glycol beads as a heat treatment process. In addition, the particles formed surface grain growth.
도 18은 상기 실시예 6의 전계방출주사전자현미경 이미지이다. 도시된 바와 같이, 실시예 4는 열처리 공정으로써 폴리스티렌 비드 또는 폴리에틸렌 글리콜 비드가 분해되어 형성된 200 내지 400 μm 크기의 공구들을 포함하며, 열처리 및 추가적인 소결 공정을 거침으로써 입자들의 표면 입성장이 일어났다.
18 is a field emission scanning electron microscope image of Example 6. As shown, Example 4 includes tools of 200 to 400 μm size formed by decomposition of polystyrene beads or polyethylene glycol beads as a heat treatment process, and surface grain growth of the particles occurred by heat treatment and an additional sintering process.
시험예Test Example 3 : 압축강도 테스트 3: compressive strength test
Chow의 방법에 따라 실시예 6의 압축강도를 시험하였다(L. C. Chow, S. Takagi, and E. Perry, Diametral Tensile Strength and Compressive Strength of a Calcium Phosphate Cement: Effect of Applied Pressure, J. Biomed. Material Research, 53(3) 511-517, 2000). 압축강도 시험용 실시예 6의 시료는 실린더 톱을 사용하여 6 mm x 12mm x 12mm 크기로 가공하여 압축강도 시험을 위한 ASTM C39 규격에 맞추었다. 실린더 시료의 끝부분은 400 내지 600번 샌드페이퍼로 마감하였다. 압축 스피드(overhead speed)는 0.5 mm/min였다. MTS Synergie 100 machine (MTS System Corp., Eden Prairie, MN)를 사용하였고, 압축판과 시료 사이에 시편의 미끄럼 방지를 위한 젖은 타올을 한 장 깔았다. Testworks 4 software (MTS Corp.)로 데이터가 기록되었다.The compressive strength of Example 6 was tested according to the method of Chow (LC Chow, S. Takagi, and E. Perry, Diametral Tensile Strength and Compressive Strength of a Calcium Phosphate Cement: Effect of Applied Pressure, J. Biomed.Material Research , 53 (3) 511-517, 2000). The sample of Example 6 for compressive strength test was processed to a size of 6 mm x 12 mm x 12 mm using a cylinder saw to meet the ASTM C39 standard for compressive strength test. The tip of the cylinder sample was finished with sandpaper 400 to 600 times. The overhead speed was 0.5 mm / min. An MTS Synergie 100 machine (MTS System Corp., Eden Prairie, MN) was used, and a wet towel was placed between the compression plate and the sample to prevent slippage of the specimen. Data was recorded with
동일한 방법으로 6개 시편을 제작하여 각각의 압축강도 값을 얻었고, 그 결과는 다음 표 1과 같다.Six specimens were fabricated in the same way to obtain their respective compressive strength values, and the results are shown in Table 1 below.
(MPa)Compressive strength
(MPa)
Claims (18)
상기 반응은 이산화탄소 비함유 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.The method of claim 1,
The reaction is a method for producing a composition for bone cement, characterized in that carried out in a carbon dioxide-free atmosphere.
상기 이산화탄소 비함유 분위기는 질소 분위기 또는 진공인 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.The method of claim 2,
The carbon dioxide-free atmosphere is a method for producing a composition for bone cement, characterized in that the nitrogen atmosphere or vacuum.
상기 반응은 20 내지 125 ℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.The method of claim 1,
The reaction is a method for producing a composition for bone cement, characterized in that at a temperature of 20 to 125 ℃.
상기 칼슘 수용액은 칼슘이 과포화된 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.The method of claim 1,
The calcium aqueous solution is a method for producing a composition for bone cement, characterized in that supersaturated calcium.
상기 칼슘 수용액의 칼슘 농도는 7 내지 10 mM인 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.The method of claim 1,
The calcium concentration of the calcium aqueous solution is a method for producing a composition for bone cement, characterized in that 7 to 10 mM.
상기 칼슘 수용액은 산화칼슘의 수용액인 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.The method of claim 1,
The calcium aqueous solution is a method for producing a composition for bone cement, characterized in that the aqueous solution of calcium oxide.
상기 반응으로부터 생성된 수득물을 건조시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.The method of claim 1,
Method for producing a composition for bone cement, characterized in that it further comprises the step of drying the resultant produced from the reaction.
상기 건조는 이산화탄소 비함유 분위기 및 20 내지 125 ℃의 온도에서 2 내지 48 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.9. The method of claim 8,
The drying is a method for producing a composition for bone cement, characterized in that for 2 to 48 hours at a carbon dioxide-free atmosphere and a temperature of 20 to 125 ℃.
상기 건조된 수득물을 열처리하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.9. The method of claim 8,
Method for producing a composition for bone cement, characterized in that it further comprises the step of heat-treating the dried product obtained.
상기 열처리는 700 내지 900 ℃의 온도에서 0.5 내지 12 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물의 제조방법.The method of claim 10,
The heat treatment is a method for producing a composition for bone cement, characterized in that made for 0.5 to 12 hours at a temperature of 700 to 900 ℃.
상기 골시멘트용 조성물은 1 내지 50 nm 입경의 β-트리칼슘포스페이트 입자; 또는 20 내지 50 nm 너비 및 20 내지 170 nm 길이의 장방형 β-트리칼슘포스페이트 입자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물.The method of claim 12,
The composition for bone cement is β-tricalcium phosphate particles having a particle size of 1 to 50 nm; Or a rectangular β-tricalcium phosphate particle having a width of 20 to 50 nm and a length of 20 to 170 nm.
상기 골시멘트용 조성물은 무수 디칼슘 포스페이트(CaHPO4, DCPA), 테트라칼슘 디하이드로겐 포스페이트(Ca4H2P6O20, TCHP), 하이드록시아파타이트(HAp) 또는 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트(CaHPO42H2O, DCPD)을 포함하는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물.The method of claim 12,
The composition for bone cement is anhydrous dicalcium phosphate (CaHPO 4 , DCPA), tetracalcium dihydrogen phosphate (Ca 4 H 2 P 6 O 20 , TCHP), hydroxyapatite (HAp) or dicalcium phosphate dihydrate (CaHPO 4 2H 2 O, DCPD) comprising a composition for bone cement.
상기 골시멘트용 조성물은 폴리스티렌 비드 또는 폴리에틸렌 글리콜 비드의 첨가 및 열분해를 통해 형성된 기공 구조를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 골시멘트용 조성물.The method of claim 12,
The composition for bone cement is a composition for bone cement, characterized in that it further comprises a pore structure formed through the addition of polystyrene beads or polyethylene glycol beads and pyrolysis.
상기 골 대체재는 스캐폴드, 스크루 및 핀을 포함하는 군으로부터 선택된 구조인 것을 특징으로 하는 골 대체재.18. The method of claim 17,
The bone substitute is a bone substitute, characterized in that the structure selected from the group comprising a scaffold, screw and pin.
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