KR101345794B1 - 기공 생성제를 이용한 제3인산칼슘의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 제3인산칼슘 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기공 생성제를 이용한 제3인산칼슘의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 제3인산칼슘에 관한 것으로, 상세하게는 제3인산칼슘의 원료물질 및 기공 생성제(pore forming agent)를 혼합하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 혼합된 혼합물을 1200 내지 1400 ℃의 온도로 하소시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 하소된 하소체를 드라이 아이스를 이용하여 냉각시키는 단계(단계 3)를 포함하는 기공 생성제를 이용한 제3인산칼슘의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 기공 생성제를 이용한 제3인산칼슘의 제조방법은 기공 생성제를 첨가하여 제3인산칼슘에 기공을 형성시키며, 형성된 기공을 통해 공기의 출입이 원활하게 이루어질 수 있어 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 냉매로 드라이아이스를 사용하여 급속냉각을 수행함에 따라 고순도의 α형 제3인산칼슘을 안전하게 제조할 수 있으며, 제조된 제3인산칼슘은 반응성이 우수하여 이를 포함하는 골시멘트 조성물은 빠른 경화시간을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 기공 생성제를 이용한 제3인산칼슘의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 제3인산칼슘에 관한 것으로, 상세하게는 기공 생성제를 이용하여 α형 제3인산칼슘(α-Tricalcium phosphate, α-TCP)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
인산칼슘 골시멘트는 정형외과, 치과, 성형외과 등에서 골접합, 골충전제, 골조직 성장촉진제 등으로 사용되는 생체의료용 소재의 일종으로 주사기를 사용하여 환부에 주입할 수 있어 최소절개술(non-invasive theraphy)이 가능함에 따라 최근 널리 시술되고 있다. 인산칼슘 골시멘트는 임상적으로 손목 및 무릎 등의 관절 부근, 두개골, 요추 등에서 골절이나 골결손이 일어났을 경우, 골충진 및 접합을 목적으로 주로 사용되고 있으며, 특히 최근에는 골다공증 환자의 척추보강술 등에 인산칼슘 골시멘트가 사용되고 있다.
인산칼슘 골시멘트에는 보통 브루사이트(brusite) 시멘트와 아파타이트(apatite) 시멘트로 구분된다. 브루사이트 시멘트는 경화시간이 빠른 장점은 있으나 기계적 강도가 낮고 생분해속도가 높아 골조직 보강술에는 사용하기 어려운 문제가 있다. 반면, 아파타이트 시멘트는 기계적 강도가 높고 생분해속도가 낮아 골조직 보강술에 적합한 장점이 있다. 그러나, 일반적으로 아파타이트 시멘트는 경화시간이 느린 문제가 있다. 따라서, 경화시간을 증진시키기 위하여 하기와 같은 다양한 방법이 사용되고 있다: 1) 반응물의 미세입자화; 2) 액상 비율 축소; 3) 높은 용해도의 반응물 사용; 4) 핵재의 사용; 5) 최종 생성물의 용해도 하강(M. Bohner, J. Mater. Chem., 17, 3980, (2007)).
α형 제3인산칼슘은 인산칼슘 화합물 중에 유일하게 단독으로 경화가 일어나는 자가경화형 인산칼슘으로서 아파타이트 시멘트의 원료로 사용되며, 아파타이트 시멘트의 경화속도 및 반응성은 α형 제3인산칼슘의 순도에 의해 큰 영향을 받는다. α형 제3인산칼슘의 합성은 일반적으로 탄산칼슘 1몰과 제2인산칼슘 무수물(dicalcium phosphate anhydrous, DCPA, DCP) 2몰을 1300 ℃의 온도에서 반응시킨 후 이를 냉각하여 제조한다. 이때, 약 1150 ℃ 이하의 온도에서는 β형 제3인산칼슘이 더욱 안정하여 생성물을 서냉하게 되면 많은 양의 α형 제3인산칼슘이 β형 제3인산칼슘으로 변하여 α형 제3인산칼슘의 생성량 및 순도가 낮아지고, 이에 따라 제조된 인산칼슘의 반응성도 낮아진다.
즉, 냉각조건에 따라 α형 제3인산칼슘의 순도가 저하될 수 있는 문제가 있으나, 종래에는 상온에서 냉각하거나 또는 냉각조건을 명확히 개시하고 있지 않다(E. Ferniindez, et . al ., Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 32, 367-374 (1996); Tobias J. Brunner, et . al ., J. Mater. Chem., 2007, 17, 40724078; Saint-Jean, et . al ., Journal of Materials Science: Materials in Medicine (2005), 16(11), 993-1001; M. Bohner, WO 2009/132466).
A. Bigi 등은 탄산칼슘과 제2인산칼슘 2수화물(dicalcium phosphate dihydrate, DCPD)을 반응시켜 α형 제3인산칼슘을 제조하였으나 냉각조건에 따른 α형 제3인산칼슘의 순도에 대해 전혀 언급하고 있지 않다(Biomaterials 23 (2002) 1849). 또한, 미국공개특허 제2003-465595호 및 Kevor S. TenHuisen 등은 칼슘나이트레이트 테트라히드레이트(Calcium nitrate tetrahydrate)와 인산수소암모늄(ammonium hydrogen phosphate)를 반응시켜 α형 제3인산칼슘을 제조한 바 있으나, 냉각조건에 따른 α형 제3인산칼슘의 순도에 대해 전혀 언급하고 있지 않다 (Kevor S. TenHuisen and Paul W. Brown, Biomaterials 19 (1998) 2209-2217). 나아가, Hugo Leonardo Rocha Alves 등은 탄산칼슘과 칼슘 파이로포스페이트(calcium pyrophosphate)를 반응시켜 α형 제3인산칼슘을 제조하였으나 이들도 냉각조건에 따른 α형 제3인산칼슘의 순도에 대해 전혀 언급하고 있지 않다(J Mater Sci: Mater Med (2008) 19:2241).
한편, 국제공개공보 WO 96/14265 및 미국등록특허 제5709742호에서는 탄산칼슘 1몰과 제2인산칼슘 무수물(Dicalcium phosphate anhydrous, DCPA, DCP) 2몰을 1300 ℃의 도가니에서 반응시킨 후, 냉각기체 또는 액체를 이용하여 냉각하여 α형 제3인산칼슘을 제조하되, 제조된 α형 제3인산칼슘을 기계적으로 파괴하여 냉각속도를 향상시킴으로써 α형 제3인산칼슘의 생성량을 증가시키는 방법이 개시된 바 있다.
그러나, 상기 선행문헌과 같이 α형 제3인산칼슘를 제조하는 경우, 다음과 같은 문제점이 있다:
1) 차가운 기체로 질소가스를 사용하여 냉각하는 경우, 냉각을 더욱 빠르게 수행하기 위하여 가스의 속도를 빠르게 하면, 제조된 인산칼슘 분말들이 가스에 의해 비산되는 문제점이 있다.
2) 생성된 α형 제3인산칼슘의 냉각속도를 향상시키기 위하여 기계적으로 파괴시키는 경우, 사용된 도가니로부터 α형 제3인산칼슘을 분리해야 하지만 도가니가 1000 ℃ 이상의 매우 뜨거운 상태이기 때문에 작업하기 어려운 문제가 있으며,또한 고온의 α형 제3인산칼슘을 깨는 작업도 매우 위험하고 불편한 문제점이 있다.
3) 차가운 액체로 물을 이용하는 경우에는 α형 제3인산칼슘이 물과 접촉하면 수산화아파타이트로 변하는 문제가 있고, 기타 유기용매를 이용하는 경우에는 1000 ℃ 이상의 α형 제3인산칼슘와 접촉하면 화재의 위험이 있다. 또한, 염소계 용매들은 화재위험은 없는 반면, 독성이 높아 사용하기 위험한 문제가 있으며, 액체질소를 이용하여 냉각을 수행하는 경우에는 1000 ℃ 이상의 α형 제3인산칼슘이 액체질소와 접촉함에 따라 액체질소가 끓으며 방울들이 튀어올라 작업자가 위험한 문제가 있다.
한편, 제3인산칼슘을 제조하기 위한 원료물질로 탄산칼슘과 제2인산칼슘 2수화물을 이용하는 경우에는 반응 중 4몰의 물(H2O)이 생성되고, 생성된 물이 기화되며 기공이 형성된다. 반면, 원료물질로 탄산칼슘과 제2인산칼슘 무수물을 이용하는 경우에는 반응 중 1몰의 물(H2O)이 생성되어 상대적으로 적은 수의 기공이 형성된다. 이를 보완하기 위하여, 원료물질에 물을 더욱 첨가하여 제3인산칼슘을 제조하는 방안이 있으나, 기화시켜야 하는 기화물질(물)이 많아 생산효율이 좋지않은 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 고순도의 α형 제3인산칼슘을 안전하고 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 개발하기 위해 연구하던 중, 기공 생성제를 첨가하여 제3인산칼슘에 기공을 형성시키고, 냉매로 드라이아이스를 사용하여 α형 제3인산칼슘을 상변화없이 급속냉각시켜 고순도의 α형 제3인산칼슘을 안전하게 제조할 수 있는 제조방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 기공 생성제를 이용한 제3인산칼슘의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 제3인산칼슘을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
제3인산칼슘의 원료물질 및 기공 생성제(pore forming agent)를 혼합하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 혼합된 혼합물을 1200 내지 1400 ℃의 온도로 하소시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 하소된 하소체를 드라이 아이스를 이용하여 냉각시키는 단계(단계 3)를 포함하는 기공 생성제를 이용한 제3인산칼슘의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법을 통해 제조되는 제3인산칼슘을 제공한다.
본 발명에 따른 기공 생성제를 이용한 제3인산칼슘의 제조방법은 기공 생성제를 첨가하여 제3인산칼슘에 기공을 형성시키며, 형성된 기공을 통해 공기의 출입이 원활하게 이루어질 수 있어 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 냉매로 드라이아이스를 사용하여 급속냉각을 수행함에 따라 고순도의 α형 제3인산칼슘을 안전하게 제조할 수 있으며, 제조된 제3인산칼슘은 반응성이 우수하여 이를 포함하는 골시멘트 조성물은 빠른 경화시간을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 2는 본 발명에 따른 실시예 3에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 4에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 실시예 6에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 실시예 7에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 6은 비교예 1에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 7은 비교예 2에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 3에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 4에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 실시예 6에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 실시예 7에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 6은 비교예 1에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 7은 비교예 2에서 제조된 제3인산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
본 발명은
제3인산칼슘의 원료물질 및 기공 생성제(pore forming agent)를 혼합하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 혼합된 혼합물을 1200 내지 1400 ℃의 온도로 하소시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 하소된 하소체를 드라이 아이스를 이용하여 냉각시키는 단계(단계 3)를 포함하는 기공 생성제를 이용한 제3인산칼슘의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 제3인산칼슘의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 제3인산칼슘의 제조방법에 있어서, 단계 1은 제3인산칼슘의 원료물질 및 기공 생성제(pore forming agent)를 혼합하는 단계이다.
제3인산칼슘을 제조하기 위한 원료물질로는 탄산칼슘(CaCO3) 및 제2인산칼슘 수화물을 사용할 수 있으며, 또는 탄산칼슘(CaCO3) 및 제2인산칼슘 무수물(CaHPO4)을 사용할 수 있고, 탄산칼슘(CaCO3) 및 칼슘 파이로포스페이트(calcium pyrophosphate, Ca2O7P2) 또한 원료물질로 사용할 수 있다.
원료물질로써, 상기한 바와 같이 제2인산칼슘 수화물, 제2인산칼슘 무수물 또는 칼슘 파이로포스페이트를 탄산칼슘과 함께 사용함으로써 제조되는 제3인산칼슘에 다수의 기공을 형성시킬 수 있다. 이는 원료물질들이 고온에서 반응함에 따라 수분(H2O)이 생성되고, 생성된 수분이 기화됨에 따라 수분이 빠져나간 자리가 기공형성되는 것이다.
이때, 상기 단계 1에서는 기공 생성제(pore forming agent)를 원료물질과 함께 혼합하며, 이를 통해 제조되는 제3인산칼슘에 더욱 많은 기공을 형성시킨다. 상기 기공 생성제에 의해 형성된 기공들은 제3인산칼슘을 냉각 시에 더욱 냉각효율을 향상시키며, 이에 따라 제3인산칼슘의 생산효율이 향상된다.
상기 기공 생성제로는 고온에서 기화되거나 연소되는 유기물이라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 원료물질이 800 ℃ 부근에서부터 반응하기 시작하므로 기공 생성재는 800 ℃ 이하의 온도에서 대부분 연소되어 반응에 영향을 미치지 않는 물질인 것이 바람직하다. 또한, 기공 생성재의 연소물질의 독성이 낮은 것이 바람직하다.
따라서, 상기 기공 생성제로는 폴리락틱산(polylactic acid), 폴리글리콜산(polyglycolic acid), 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate), 폴리에스테르(poly ester), 나일론, 아크릴수지, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리글리콜(polyglycol), 나프탈렌, 셀룰로오즈, 알긴산(alginic acid), 카르기난(Carrageenan), 녹말, 탄수화물, 설탕 등을 이용할 수 있다. 이들은 800 ℃ 이하의 온도에서 대부분 연소되어 제거되며, 연소 시 독성물질을 거의 발생하지 않는 장점이 있다.
상기 단계 1에 있어서, 기공 생성재의 첨가량은 특별히 제한되지는 않지만, 과량이 사용되는 경우, 연소시켜야할 기공 생성재의 부피가 커 생산효율이 저하될 수 있다. 따라서, 바람직하게는 제3인산칼슘 원료물질의 부피에 대하여 20 내지 500 부피%의 비율로 혼합되는 것이 바람직하며, 50 내지 200 부피%의 비율로 혼합되는 것이 더욱 바람직하다. 기공 생성제의 첨가량이 20 부피% 이하인 경우에는 개기공(open cell)이 생성되지 않아 냉각공기가 제3인산칼슘 내부로 잘 침투하지 못해 냉각이 원활히 이루어지지 않는 문제가 있다. 또한, 기공 생성제의 첨가량이 500 부피%를 초과하는 경우에는 기공은 원활히 형성되는 반면, 연소시켜야할 물질이 너무 많아 생산효율이 저하되는 문제가 있다.
한편, 상기 원료물질들의 혼합을 수행함에 있어서, 상기 탄산칼슘과 제2인산칼슘 수화물, 또는 탄산칼슘과 제2인산칼슘 무수물, 또는 탄산칼슘과 칼슘 파이로포스페이트는 1 : 1 내지 2의 몰비로 혼합되는 것이 바람직하며, 제3인산칼슘이 형성되는 화학반응의 화학적 당량비에 따라 상기 범위 내에서 결정할 수 있다. 만약, 상기 범위를 벗어나는 몰비로 혼합이 수행되는 경우에는 미만의 비율로 혼합이 수행되는 경우에는 제3인산칼슘이 아닌 다른 화합물이 형성되는 문제가 있다.
상기 단계 1의 혼합은 원료물질들을 균질하게 혼합하고,미세입자화할 수 있는 볼밀링을 통해 수행되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며 원료물질들을 균질하게 혼합할 수 있는 혼합방법을 적절히 선택하여 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 제3인산칼슘의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 혼합된 혼합물을 1200 내지 1400 ℃의 온도로 하소하는 단계이다.
단계 2의 하소를 통해 원료물질들을 반응시켜 제3인산칼슘을 제조할 수 있으며, 원료물질로써 제2인산칼슘 무수물을 사용하였을 경우, 제3인산칼슘으로의 반응은 하기 반응식 1과 같다.
<반응식 1>
상기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 원료물질로 제2인산칼슘 무수물과 탄산칼슘을 사용하는 경우 고온에서 이들이 반응하여 제3인산칼슘을 형성하고, 이와 동시에 1몰의 이산화탄소와 1몰의 물(H2O)가 생성된다. 생성된 1몰의 물은 기화되며, 물이 존재하던 자리는 기공으로 형성된다.
또한, 원료물질로 제2인산칼슘 이수화물을 반응물로 사용하는 경우, 하기 반응식 2와 같이 1몰의 이산화탄소와 4몰의 물이 생성되어 기화되고 1몰의 제3인산칼슘이 생성된다.
<반응식 2>
나아가, 탄산칼슘과 칼슘 파이로포스페이트(calcium pyrophosphate)를 반응물로 사용하는 경우, 하기 반응식 3과 같이 1몰의 제3인산칼슘이 생성된다.
<반응식 3>
즉, 제2인산칼슘 이수화물을 원료물질로 사용하는 경우는 4몰의 물이 기화되어 제거됨에 따라 제조된 제3인산칼슘에 더욱 많은 기공을 형성시킬 수 있다. 이와 같이 제조된 제3인산칼슘이 많은 기공을 포함함에 따라 제3인산칼슘을 냉각 시 찬 공기가 쉽게 제3인산칼슘의 내부로 들어갈 수 있어 냉각을 더욱 원활하게 수행할 수 있다.
반면, 제2인산칼슘 무수물을 원료물질로 사용하는 경우에는 1몰의 물이 형성되고 기화됨에 따라 상대적으로 적은 기공이 형성되며, 칼슘 파이로포스페이트를 원료로 사용하는 경우, 반응을 통해 형성되는 물이 없기 때문에 기공을 형성시키는 것이 용이하지 않다.
그러나, 상기 단계 1에서 원료물질과 함께 혼합된 기공 생성제가 연소되어 제거됨에 따라, 기공 생성제가 존재하였던 자리가 기공으로 형성되며, 원료물질로 제2인산칼슘 무수물 또는 칼슘 파이로포스페이트를 사용하더라도 제조되는 제3인산칼슘에 기공을 형성시킬 수 있다. 이와 같이 형성된 기공으로는 다음의 냉각 공정 시 외부공기의 출입이 원활하게 이루어져 냉각효율을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 생산효율이 향상된다.
상기 단계 2에 있어서, 상기 하소는 1200 내지 1400 ℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 이는 1150 ℃ 이하의 온도에서는 β형 제3인산칼슘이 더욱 안정하기 때문으로, α형 제3인산칼슘의 순도를 향상시키기 위해서는 단계 2의 하소를 1200 내지 1400 ℃의 온도로 수행하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 2의 하소를 1200 ℃ 미만의 온도에서 수행하는 경우, β형 제3인산칼슘이 많이 형성되는 문제가 있고, 상기 하소를 1400 ℃를 초과하는 온도로 수행하는 경우 불필요한 수준의 고온으로 가열하기 위한 시간적 및 경제적 손실이 발생하는 문제가 있다.
또한, 상기 단계 2의 하소는 6 내지 10 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 하소를 6 시간 미만 동안 수행하는 경우에는 제3인산칼슘으로의 반응이 완전히 수행되지 않을 수 있고, 상기 하소를 10 시간을 초과하여 수행하는 경우에는 공정시간의 손실이 발생하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 제3인산칼슘의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 하소된 하소체를 드라이 아이스를 이용하여 냉각시키는 단계이다.
상기 단계 2의 하소를 통해 형성된 제3인산칼슘을 냉각시키는 것은 α형 제3인산칼슘의 순도를 유지하기 위해서 매우 중요한 공정요소이다. 즉, 1150 ℃ 이하의 온도에서는 β형 제3인산칼슘이 더욱 안정하기 때문에 하소를 통해 형성된 제3인산칼슘을 서냉하는 경우에는 β형 제3인산칼슘이 많이 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 상기 단계 3에서는 상기 단계 2의 하소를 통해 형성된 제3인산칼슘을 드라이 아이스를 이용하여 급냉함으로써 β형 제3인산칼슘이 형성되는 것을 최소화하여 높은 α형 제3인산칼슘의 순도를 나타내는 제3인산칼슘을 제조한다.
한편, 상기한 바와 같이 종래기술에서의 냉각은 단순 상온으로 냉각하는 것은 언급하고 있을 뿐, 급냉수단에 대한 언급이 없다. 또한, 국제공개공보 WO 96/14265 및 미국등록특허 제5709742호에서 개시한 바와 같이, 냉각기체 또는 액체를 이용하여 냉각하고, 제조된 α형 제3인산칼슘을 기계적으로 파괴하여 냉각속도를 향상시키는 것은 다음과 같은 문제점이 있다
1) 차가운 기체(질소가스)를 사용하여 냉각하는 경우,분말들이 가스에 의해 비산되는 문제;
2) 냉각속도 향상을 위해 기계적으로 파괴시키는 경우, 고온의 도가니를 분리하는 작업 및 고온의 α형 제3인산칼슘을 깨는 작업이 매우 위험한 문제;
3) 물을 이용하는 경우에는 α형 제3인산칼슘이 물과 접촉하여 수산화아파타이트로 변하는 문제가 있고, 기타 유기용매를 이용하는 경우에는 화재의 위험이 있으며, 염소계 용매들은 독성이 높아 사용하기 위험한 문제가 있고, 액체질소를 이용하여 냉각을 수행하는 경우에는 1000 ℃ 이상의 α형 제3인산칼슘이 액체질소와 접촉함에 따라 액체질소가 끓으며 방울들이 튀어올라 작업자가 위험한 문제가 있다.
반면, 본 발명에 따른 상기 단계 3에서는 드라이아이스를 이용하여 냉각을 수행함에 따라, 상기 단계 2의 하소를 통해 형성된 제3인산칼슘을 급냉시킬 수 있어 고순도의 α형 제3인산칼슘을 제조할 수 있으며, 안전상의 어떠한 문제도 방지할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 상기 단계 3의 냉각은 드라이아이스를 이용하여 50 내지 200 ℃/분의 냉각속도로 수행될 수 있으며, 이를 통해 고순도의 α형 제3인산칼슘을 제조할 수 있다. 상기 단계 3의 냉각이 50 ℃/분 미만의 냉각속도로 수행되는 경우에는 냉각과정 중 β형 제3인산칼슘이 형성될 수 있으며, 상기 단계 3의 냉각이 200 ℃/분을 초과하는 냉각속도로 수행되는 경우에는, 과량의 드라이아이스가 사용되어 공정비용이 증가하는 문제가 있다.
또한, 본 발명은
상기 제조방법에 의해 제조되는 제3인산칼슘을 제공한다.
본 발명에 따른 제3인산칼슘은 기공 생성제를 통해 형성된 다수의 기공을 포함하며, 이에 따라 α형 제3인산칼슘(α-Tricalcium phosphate, α-TCP)이 원활하게 생성될 수 있다. 상기 α형 제3인산칼슘은 생체 내에서 골조직과 동일한 물질인 수산화아파타이트를 생성하므로 골시멘트에 적용 시 높은 생체적합성을 나타낼 수 있어 임플란트 등의 다양한 의료분야에서 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 제3인산칼슘은 α형 제3인산칼슘(α-Tricalcium phosphate, α-TCP)을 80% 이상 포함한다. 이는 본 발명에 따른 제3인산칼슘이 드라이아이스를 통해 급냉됨에 따라, β형 제3인산칼슘이 형성되는 것을 방지하기 때문이다. 상기 α형 제3인산칼슘은 β형 제3인산칼슘보다 반응성이 우수하여 더욱 빠른 경화속도를 나타낼 수 있고, 산성물질의 사용 없이도 경화가 되므로 골시멘트에 적용하기 더욱 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 제3인산칼슘이 α형 제3인산칼슘을 고순도로 포함함에 따라 골시멘트에 적용하기 적합한 것을 알 수 있다.
나아가, 본 발명은
상기 제3인산칼슘을 포함하는 골시멘트 조성물을 제공한다.
α형 제3인산칼슘을 고순도로 포함하고, 높은 기공율을 나타내는 상기 제3인산칼슘을 포함하는 골시멘트 조성물은 우수한 생체적합성 및 빠른 경화속도를 나타낼 수 있으며, 이에 따라 다양한 의료분야에 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 제3인산칼슘의 제조 1
단계 1 : 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g), 제2인산칼슘 이수화물 (CaHPO42H2O) 2 몰 (344.18 g) 및 나프탈렌 100 g을 에탄올과 함께 볼밀링 장치에 장입하고 8 시간 동안 혼합하였으며, 혼합물을 분리한 후 건조시켜 에탄올을 제거하였다.
단계 2 : 상기 단계 1에서 혼합이 수행된 혼합물을 도가니에 넣고 1300 ℃ 온도인 전기로에서 12시간 동안 하소하여 반응시킴으로써 제3인산칼슘을 제조하였다.
단계 3 : 상기 단계 2에서 하소되어 제조된 제3인산칼슘을 도가니로부터 분리한 후, 적당량의 드라이아이스가 담긴 용기에 즉시 넣고, 용기 상부를 적당량의 드라이아이스를 덮었으며, 20분간 방치하여 냉각을 수행하였다.
<실시예 2> 제3인산칼슘의 제조 2
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g), 제2인산칼슘 (CaHPO4) 2 몰 (272.12 g) 및 나프탈렌 100 g을 물과 함께 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제3인산칼슘을 제조하였다.
<실시예 3> 제3인산칼슘의 제조 3
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g), 칼슘 파이로포스페이트(calcium pyrophosphate, Ca2P2O7) 1 몰 (254 g) 및 셀룰로스 분말 70 g을 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제3인산칼슘을 제조하였다.
<실시예 4> 제3인산칼슘의 제조 4
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g), 제2인산칼슘 (CaHPO4) 2 몰 (272.12 g) 및 폴리비닐알콜 비드 100 g을 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제3인산칼슘을 제조하였다.
<실시예 5> 제3인산칼슘의 제조 5
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g), 제2인산칼슘 (CaHPO4) 2 몰 (272.12 g) 및 폴리락틱산(polylactic acid) 비드 100 g을 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제3인산칼슘을 제조하였다.
<실시예 6> 제3인산칼슘의 제조 6
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g), 칼슘 파이로포스페이트(Ca2P2O7) 1 몰 (254 g) 및 녹말 비드 100 g을 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제3인산칼슘을 제조하였다.
<실시예 7> 제3인산칼슘의 제조 7
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g), 칼슘 파이로포스페이트(Ca2P2O7) 1 몰 (254 g) 및 알긴산 비드 150 g을 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제3인산칼슘을 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g) 및 제2인산칼슘 (CaHPO4) 2 몰 (272.12 g)을 에탄올과 함께 볼밀에 넣고 8 시간 혼합한 것과,
상기 실시예 1의 단계 3에서 드라이아이스를 이용하지 않고, 상온에서 선풍기를 이용하여 냉각을 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제3인산칼슘을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g)과 칼슘 파이로포스페이트 (Ca2P2O7) 1 몰 (254 g)을 에탄올과 함께 볼밀에 넣고 8 시간 혼합한 것과,
상기 실시예 1의 단계 3에서 드라이아이스를 이용하지 않고, 상온에서 선풍기를 이용하여 냉각을 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제3인산칼슘을 제조하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄산칼슘 (CaCO3) 1몰 (100.09 g)과 제2인산칼슘 (CaHPO4) 2 몰 (272.12 g)을 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제3인산칼슘을 제조하였다.
<실험예 1> 주사전자현미경 관찰
상기 실시예 1, 3, 4, 6 및 7과 비교예 1 및 2에서 제조된 제3인산칼슘의 미세구조를 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였고, 그 결과를 도 1 내지 도 7에 나타내었다.
도 1 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1, 3, 4, 6 및 7에서 제조된 제3인산칼슘은 비교예 1 및 2에서 제조된 제3인산칼슘 보다 높은 다공성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 상기 실시예들에서 제조된 제3인산칼슘이 높은 다공성을 나타내는 이유는 기공 생성제를 첨가되어 다수의 기공이 형성되었기 때문으로, 높은 다공성을 나타내는 상기 제3인산칼슘은 급냉 시 외부 공기가 내부까지 쉽게 침투할 수 있도록 하며, 이에 따라 냉각시간을 단축하는 효과가 있다.
<실험예 2> α형 제3인산칼슘의 순도 분석
상기 실시예 1, 2, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 제3인산칼슘을 정성분석하기 위하여, X-선 회절 분석 수행 및 순수한 α형 및 β형 제3인산칼슘 특급 시약을 이용하여 검정선 및 검정식을 작성하였으며, 작성된 검정식에 X-선 회절 분석 결과(2θ = 27.80의 피크면적 및 2θ = 22.86의 피크면적)를 대입하여 α형 제3인산칼슘의 순도를 계산하였고, 계산된 α형 제3인산칼슘의 순도를 하기 표 1에 나타내었다.
| 시료 | 순도 (%) |
| 실시예 1 | 99.7 |
| 실시예 2 | 88.2 |
| 실시예 3 | 85.8 |
| 실시예 4 | 84.7 |
| 실시예 5 | 87.9 |
| 실시예 6 | 82.3 |
| 실시예 7 | 83.6 |
| 비교예 1 | 65.9 |
| 비교예 2 | 67.4 |
| 비교예 3 | 76.9 |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 7에서 제조된 제3인산칼슘의 α형 제3인산칼슘의 순도가 비교예 1 내지 3에서 제조된 제3인산칼슘의 순도보다 높은 것을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명에서 기공 생성제를 이용하여 기공을 형성시키고, 드라이 아이스를 이용하여 급냉을 수행함으로써 α형 제3인산칼슘의 순도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
Claims (10)
- 탄산칼슘(CaCO3), 제2인산칼슘 이수화물(CaHPO4·2H2O) 및 기공 생성제(pore forming agent)를 혼합하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 혼합된 혼합물을 1200 내지 1400 ℃의 온도로 하소시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 하소된 하소체를 드라이 아이스를 이용하여 50 내지 200 ℃/분의 냉각속도로 냉각시키는 단계(단계 3)를 포함하는 기공 생성제를 이용한 α형 제3인산칼슘의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 원료물질은 증류수를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기공 생성제를 이용한 α형 제3인산칼슘의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 기공 생성제는 폴리락틱산(polylactic acid), 폴리글리콜산(polyglycolic acid), 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate), 폴리에스테르(poly ester), 나일론, 아크릴수지, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리글리콜(polyglycol), 나프탈렌, 셀룰로오즈, 알긴산(alginic acid), 카르기난(Carrageenan), 녹말, 탄수화물 및 설탕을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 기공 생성제를 이용한 α형 제3인산칼슘의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 하소는 6 내지 10 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 기공 생성제를 이용한 α형 제3인산칼슘의 제조방법.
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