KR101357673B1 - 인산 마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법 - Google Patents

인산 마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법 Download PDF

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Abstract

인산 및 마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 지지체는 생체적합성이 우수한 인산 마그네슘계 분말의 시멘트 반응을 적층조형용 페이스트 제조에 응용하고, 페이스트의 점도와 압출성 및 성형성 등을 경화액과 반응온도 조건으로 제어함으로써, 3차원 형상 및 기공구조의 제어가 용이하고, 고온 소결공정을 필요로 하지 않고 기계적 강도를 크게 높일 수 있으며, 생체적합성이 양호한 것을 특징으로 하며 따라서, 종래의 경조직 재생용 세라믹 지지체의 구조적 단점을 극복하고 공정의 단순화와 비가열 공정 적용으로 지지체의 기능화 및 제조비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.

Description

인산 마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법{The scaffold composition for regeneration of hard tissue having magnesium phosphate, scaffold for regeneration of hard tissue comprising the same and preparation methods thereof}
인산 및 마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
조직공학은 생명과학과 공학의 원리를 활용하여 조직의 기능을 복원, 유지, 혹은 향상시키는 생물학적 제품을 개발하려는 여러 학문이 제휴한 분야이다. 대표적인 방법으로는 재생을 원하는 조직으로부터 세포를 분리하여 배양하고 이를 적절한 생체재료에 접종하여 증폭 배양함으로서 인공적으로 조직을 형성하는 시술이다.
이러한 시술에는 세포를 필요한 부위에 전달하기 쉽고, 조직이 성장하는데 3차원 구조로 기계적인 보조역할을 할 수 있으며 기능을 할 수 있는 새로운 조직으로 만들어 나가는 적당한 세포지지체가 필요하다. 이러한 지지체는 세포가 증식하고 특유의 기질을 만들 수 있는 적절한 미세구조를 갖고 있어야 하며, 3차원으로 상호연결된 많은 기공을 가지고 있어 세포가 이 기공을 통해 안으로 자랄 수 있어야 하고, 기공의 크기가 조직이 자라면서 막히지 않아야 한다. 또한 독성이 없으며 지지체로서의 기능 종료 후에는 생체 내에서 완전히 분해되어 없어질 수 있는 생분해성 재료여야 한다. 특히, 뼈와 치아와 같은 경조직 재생용 지지체의 경우 이식 부위에 따라 적절한 기계적 강도가 확보되어야한다.
일반적으로, 지지체 재료로써 고분자가 많이 이용되고 있으나, 경조직 재생에 있어서 고분자는 지지체에 요구되는 적절한 기계적 강도를 얻기 어렵고 생분해성이나 생체활성 및 골 친화성에 있어서도 해결해야 할 문제점이 다수 지적되고 있다. 한편, 뼈조직은 질량의 약 70%가 하이드록시카보네이트 아파타이트계의 무기질, 즉 세라믹으로 구성되어 있다. 세라믹은 생체활성이나 골 친화성에 있어서 고분자에 비하여 우수한 특성을 나타내고 있어 생체 뼈 구조를 모방한 생체세라믹 지지체 개발 또한 다수 연구가 진행되고 있다. 생체세라믹 지지체 개발에 있어 생체모방 구조 제어법 개발과 더불어 세라믹의 취약점인 취성을 가지는 낮은 기계적 물성 극복이 해결해야 될 문제점으로 지적되고 있다.
생체세라믹 중 인산칼슘이 뼈의 광물상(mineral phase)과의 화학적 유사성으로 인하여 대표적인 뼈조직 재생유도용 재료로 가장 많이 연구되고 있다. 인산칼슘을 원료로 한 대표적인 지지체 제조방법으로는 인산칼슘 분말을 유기질 바인더와 혼합한 뒤 폴리우레탄, 메틸셀룰로오즈, 산호골격 등을 주형(template)으로 이용해 형태를 확보하고, 입자간의 결합 및 유기질 바인더와 주형을 제거하기 위하여 1000 ℃ 이상에서 고온 소결하여 다공성 지지체를 얻는 주형법이 있다. 그 외, 입자 침출(particle leaching)법, 가스를 이용한 거품성형(gas foaming)법, 상분리(phase separation)법, 동결유탁(emulsion freeze drying) 등이 있으며, 이 방법 모두 3차원 구조체 형성을 유도한 후 분말 입자간의 결합과 기계적 물성 확보를 위하여 고온소결공정을 통해 제조공정이 완성된다.
하지만 이와 같은 종래의 제조방법으로 얻어지는 3차원 지지체는 기공구조의 연결성 및 기공크기 제어가 어렵고 기공구조의 재현성이 낮다. 또한, 고온 소결공정은 예기치 않은 소재의 결정화와 생체활성 및 생분해성의 저하와 더불어 수축 등에 의하여 구조 불안전을 초래한다. 또한, 지지체를 약물 혹은 세포 전달체로 이용하기 위해서는 소결 공정이 끝난 뒤 흡착에 의한 기능화가 시도되어야 하는 복잡한 프로세스를 거쳐야하며 약물 및 세포 등이 불균일, 불안정하게 지지체에 흡착되어 그 기능화에 한계가 있다.
이와 같은 종래 세라믹 지지체 제조공정의 구조적 한계를 극복하기 위하여 환자의 손상부위를 촬영하여 데이터로 전환한 뒤 이 데이터를 통해 컴퓨터 제어 가능한 로봇을 이용하여 여러 가지 형상 및 기공크기 등의 제어가 면밀히 가능한 쾌속조형기술(rapid prototyping technique) 적용이 제안되었다. 생체세라믹 분말과 유기질 바인더를 이용하여 압출, 광경화, 레이저소결 등의 공정을 통해 지지체의 구조적 요건을 만족시키는 3차원 지지체를 제조할 수 있으나 이 공정 역시 지지체 제조 후 고온소결 공정을 필요로 한다.
본 발명은 이러한 세라믹재료를 이용한 지지체 제조공정의 한계점을 극복하기 위하여 쾌속조형기술을 이용한 지지체 제조의 비소결 공정 개발을 목적으로 하였다. 이를 위하여 소결의 큰 목적 중 하나인 입자간의 결합유도를 통한 지지체의 경화를 분말과 경화액을 혼합하여 비가열 경화가 가능한 시멘트 경화원리에 주목하고 생체용 시멘트를 쾌속조형기술에 접목할 수 있도록 필요한 물성제어를 시도하였다. 대표적인 생체용 시멘트에는 인산칼슘계 시멘트가 있으며 정형외과, 성형외과, 치과 등에서 임플란트의 고정을 위한 충진재 혹은 결손부를 덮는 수복재 및 최소 침습형 척추수술용 소재로써 활용되고 있다.
시멘트 원리를 쾌속조형기술에 이용하기 위해서는 시멘트가 형상을 유지하기 시작하는 시간부터 유동성을 잃는 시간까지의 점성, 유동성 및 작업성 등의 제어가 중요하며, 하나의 지지체를 제조하는데 필요한 시간 동안 안정하게 이들 성질을 유지할 수 있어야한다. 이러한 조건은 일반 생체시멘트에 요구되는 빠른 경화와 같은 조건과는 상반되며, 따라서 시멘트 원리를 이용하되 쾌속조형기술에 적용할 수 있도록 그 물성이 제어되어야한다.
이와 동시에 경조직 재생용 지지체에 요구되는 기계적 물성을 확보할 수 있는 소재선택이 중요하다. 대표적인 골시멘트인 인산칼슘의 경우 낮은 기계적 강도와 빠른 생분해성, 그리고 많은 경우 강산 용액을 경화액으로 사용하여 제조되기에 잔류 산성물질이 배출되어 독성을 띄는 단점이 종종 보고되고 있다. 이러한 문제점을 극복할 대체 시멘트 재료로 최근 주목받고 있는 것이 인산마그네슘계 시멘트이다. 인산마그네슘 시멘트는 대표적으로 다음의 두 반응에 의해 생체적합성이 우수한 스트루바이트 (struvite)를 생성한다.
MgO + NH4H2PO4 + 5H2O → MgNH4PO4·6H2O (struvite)
Mg3(PO4)2 + (NH4)2HPO4 + 15H2O → 2MgNH4PO4·6H2O + MgHPO4·3H2O
인산마그네슘계 시멘트는 비교적 우수한 기계적 강도를 가지고 비산성 용액으로 경화가 가능하며 적당한 생분해성과 생체적합성이 확인되고 있다. 하지만 인산마그네슘 시멘트 반응을 이용한 지지체 특히, 적층조형법을 이용하여 3차원 구조가 제어된 지지체를 개발하는 연구는 전무하다.
이에, 본 발명자들은 상기 언급한 문제점들을 극복하기 위하여, 인산마그네슘 시멘트 반응을 이용함으로써 세라믹 지지체의 실온제조와 기계적 강도확보를 가능하게 하고, 이를 쾌속조형기술에 접목시킴으로써 면밀한 형상 및 기공구조를 제어하여 종래 세라믹 지지체의 한계를 극복하고자 하였다. 즉, 인산마그네슘계 물질을 원료로 하고 경화액의 조건 및 반응온도의 제어 등으로 쾌속조형기술에 적용 가능한 시멘트 페이스트를 개발하고, 이를 쾌속조형기 특히, 적층조형기의 압출용 페이스트로 활용함으로써 경조직 재생용 3차원 지지체를 제작·평가하였다. 그 결과 지지체의 형상과 기공구조 조건이 면밀히 제어되고, 양호한 생체적합성을 가지며, 소결공정을 거치지 않고 우수한 기계적 강도(압축강도)를 나타내는 등 기존 세라믹 지지체의 단점을 극복하는 효과가 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 경조직 재생용 지지체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 지지체 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물을 포함하는 경조직 재생용 지지체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 경조직 재생용 지지체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 MgO, Mg3(PO4)2, Mg(OH)2, MgCl2, MgSO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종의 원료물질이 반응하여 스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O)를 형성하는 인산마그네슘계 분말, 및 DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous), TCP(Tricalcium phosphate), α-TCP(α-Tricalcium phosphate) 및 β-TCP(β-Tricalcium phosphate) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산칼슘계 분말을 포함하는 골 시멘트 분말; 및
에탄올, 구연산, 붕산, 히아론산 나트륨, 황산콘드로이틴 및 젤라틴 수용액 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 경화액;을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 MgO, Mg3(PO4)2, Mg(OH)2, MgCl2, MgSO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종의 원료물질이 반응하여 스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O)를 형성하는 인산마그네슘계 분말, 및 DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous), TCP(Tricalcium phosphate), α-TCP(α-Tricalcium phosphate) 및 β-TCP(β-Tricalcium phosphate) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산칼슘계 분말을 혼합하여 골 시멘트 분말을 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 얻은 골 시멘트 분말에 에탄올, 구연산, 붕산, 히아론산 나트륨, 황산콘드로이틴 및 젤라틴 수용액 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 경화액을 첨가하고 교반하여 페이스트를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 지지체 조성물을 포함하는 경조직 재생용 지지체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 지지체를 얻는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 얻은 지지체를 건조하는 단계(단계 2);를 포함하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 지지체는 생체적합성이 우수한 인산 마그네슘계 분말의 시멘트 반응을 적층조형용 페이스트 제조에 응용하고, 페이스트의 점도와 압출성 및 성형성 등을 경화액과 반응온도 조건으로 제어함으로써, 3차원 형상 및 기공구조의 제어가 용이하고, 고온 소결공정을 필요로 하지 않고 기계적 강도를 크게 높일 수 있으며, 생체적합성이 양호한 것을 특징으로 하며 따라서, 종래의 경조직 재생용 세라믹 지지체의 구조적 단점을 극복하고 공정의 단순화와 비가열 공정 적용으로 지지체의 기능화 및 제조비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 지지체 조성물과 적층조형 기술을 이용하여 인산마그네슘 3차원 지지체를 제조하는 공정을 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하고 적층조형시 온도를 0-40℃ 범위에서 제어하여 지지체를 제조한 결과를 광학현미경으로 관찰한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하고 적층조형시 온도를 25℃ 및 40℃로 제어할 경우 인산마그네슘 압출 페이스트의 시간에 따른 점도변화를 측정한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하고 지지체의 형상 및 적층방법을 제어하여 제조된 지지체의 광학현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하고, 다양한 주사바늘 내경으로 기둥 간 간격을 1 및 1.5 mm로 조절하여 제조한 지지체를 FE-SEM으로 분석한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체의 기둥두께 및 기둥간격 제어에 따른 기공도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체의 기둥두께 및 기둥간격 제어에 따른 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1에서 제조한 지지체의 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다(여기서, 'ADP'는 NH4H2PO4이고, "struvite"는 MgNH4PO4·6H2O이다).
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 지지체의 구성성분을 FE-SEM, EDX 및 맵핑(mapping)에 의하여 분석한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체를 SBF 용액 내 침지 후 시간경과에 따른 표면의 형상변화를 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체를 SBF 용액 내 침지 후 시간경과에 따른 지지체 표면의 결정생성 변화를 XRD로 분석한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 지지체를 SBF 용액 내 침지 7일 후 지지체의 표면변화의 FE-SEM, EDX 및 맵핑분석 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 MgO, Mg3(PO4)2, Mg(OH)2, MgCl2, MgSO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종의 원료물질이 반응하여 스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O)를 형성하는 인산마그네슘계 분말, 및 DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous), TCP(Tricalcium phosphate), α-TCP(α-Tricalcium phosphate) 및 β-TCP(β-Tricalcium phosphate) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산칼슘계 분말을 포함하는 골 시멘트 분말; 및
에탄올, 구연산, 붕산, 히아론산 나트륨, 황산콘드로이틴 및 젤라틴 수용액 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 경화액;을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 지지체 조성물에 있어서, 상기 골 시멘트 분말은 MgO, Mg3(PO4)2, Mg(OH)2, MgCl2, MgSO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종의 원료물질이 반응하여 스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O)를 형성하는 인산마그네슘계 분말, 및 DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous), TCP(Tricalcium phosphate), α-TCP(α-Tricalcium phosphate) 및 β-TCP(β-Tricalcium phosphate) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산칼슘계 분말을 포함한다.
여기서, 상기 인산마그네슘계 분말은 최종생성물로 스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O)를 얻고자하므로, 인산염:마그네슘이온:암모니아가 1:1:1의 몰비가 되도록 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 인산마그네슘계 분말과 인산칼슘계 분말은 7-9:3-1 질량비로 혼합하여 사용할 수 있고, 8:2 질량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
만약, 상기 인산마그네슘계 분말과 인산칼슘계 분말의 혼합비 중에서 인산칼슘계 분말의 혼합비가 3 질량비보다 클 경우에는 적층조형용 페이스트 조건을 만족시키지 못해 3차원 지지체를 형성하지 못하거나 용액 내 안정성이 떨어질 수 있고, 지지체의 기계적 강도를 저하시키며, 인산칼슘의 용출에 의해 생체적합성이 저하되는 문제가 있고, 1 질량비보다 작은 경우에는 지지체의 생체활성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 지지체 조성물에 있어서, 상기 경화액은 인산 마그네슘 분말의 시멘트 반응을 유도하고 그 반응 속도를 제어함으로써 적층조형용 페이스트로 활용할 수 있도록 점도와 압출성 및 성형성 등의 물성을 제어하는 역할을 한다. 여기서 경화액은 에탄올, 구연산, 붕산, 히아론산 나트륨, 황산콘드로이틴, 젤라틴 등의 수용성 고분자를 포함한 수용액 등이 적용될 수 있으며 특히, 구연산과 에탄올의 혼합 용액 사용이 바람직하다. 구연산은 시멘트 분말의 용해-재석출 반응을 지연시키고 최종 생성물의 기계적 물성을 향상시키는 효과가 있으며, 에탄올은 시멘트 분말의 물에 의한 수화반응속도 지연효과가 있다.
또한, 상기 경화액은 [0.5-2 M의 구연산]:[에탄올]을 60-90:40-10 부피% 비로 혼합하여 사용할 수 있고, 70:30 부피% 비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
만약, 상기 바람직한 경화액의 예 중에서 에탄올이 40 부피% 비를 초과할 경우에는 압출 페이스트의 성형성이 저하될 수 있고, 결과물의 기계적 강도가 저하되는 문제가 있고, 10 부피% 비보다 낮을 경우에는 빠른 시멘트 경화반응으로 압출에 필요한 페이스트의 유동성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 지지체 조성물에 있어서, 상기 골 시멘트 분말과 경화액의 분액비(powder/liquid ratio; P/L)는 3.0-5.0로 할 수 있고, 4.0으로 혼합하는 것이 가장 바람직하다.
만약, 상기 분액비가 3.0 미만일 경우에는 페이스트가 묽어 압출은 잘되나 성형성이 저하되어 3차원 지지체 형상을 유지할 수 없는 문제가 있고, 5.0를 초과할 경우에는 시멘트 반응이 골고루 이루어지지 못하여 페이스트의 연속성이 떨어지며 압출능이 현저히 저하되어 지지체 제조가 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 지지체 조성물은 적층조형용 페이스트로 활용되며, 제조된 인산마그네슘 시멘트 페이스트를 적층조형기에 장착되는 주사기 내에 주입한 후, 컴퓨터 프로그램에 의하여 적층조형기를 제어하여 압출조건 및 지지체의 3차원 형상 및 기공구조의 제어를 통한 3차원 지지체를 제조한다. 3차원 형상을 제조하는 동안에 페이스트가 경화되지 않고 균일하게 압출되어야 하며, 이때 페이스트의 점성, 압출성 및 성형성과 크게 관련된 시멘트 반응을 제어하기 위하여 주사기 내에 있는 시멘트 페이스트의 온도를 제어해주는 것이 바람직하다. 바람직하게는 5-30 ℃에서 작업이 가능하며, 25 ℃에서의 압출이 가장 바람직하다. 만약, 작업온도가 5 ℃ 보다 낮을 경우에는 시멘트 반응의 급격한 저하로 압출된 페이스트가 형상을 유지하지 못하는 문제가 있고, 30 ℃ 보다 높을 경우에는 시멘트 반응이 빨라지며 지지체를 성형하는 동안 균일한 페이스트 상태를 유지할 수 없어 지지체 제조가 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 지지체 조성물은 적층조형법(Layer Manufacturing Process)에 사용가능한 페이스트 형태이고, 시멘트 반응을 이용하여 경화되는 것을 특징으로 한다. 특히, 본 발명에 따른 지지체 조성물은 지지체로 성형하는 과정에 고온의 열처리 과정이 없이도, 경조직 재생용 지지체로 사용하기 위한 기계적 강도가 우수한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 MgO, Mg3(PO4)2, Mg(OH)2, MgCl2, MgSO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종의 원료물질이 반응하여 스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O)를 형성하는 인산마그네슘계 분말, 및 DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous), TCP(Tricalcium phosphate), α-TCP(α-Tricalcium phosphate) 및 β-TCP(β-Tricalcium phosphate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산칼슘계 분말을 혼합하여 골 시멘트 분말을 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 얻은 골 시멘트 분말에 에탄올, 구연산, 붕산, 히아론산 나트륨, 황산콘드로이틴 및 젤라틴 수용액으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 경화액을 첨가하고 교반하여 페이스트를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 지지체 조성물의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 지지체 조성물의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 인산마그네슘 분말과 인산칼슘계 분말을 혼합하여 골 시멘트 분말을 제조하는 단계이다. 구체적으로, 상기 골 시멘트 분말은 MgO, Mg3(PO4)2, Mg(OH)2, MgCl2, MgSO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종의 원료물질이 반응하여 스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O)를 형성하는 인산마그네슘계 분말, 및 DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous), TCP(Tricalcium phosphate), α-TCP(α-Tricalcium phosphate) 및 β-TCP(β-Tricalcium phosphate) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산칼슘계 분말을 포함한다.
여기서, 상기 인산마그네슘계 분말은 최종생성물로 스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O)를 얻고자하므로, 인산염:마그네슘이온:암모니아가 1:1:1의 몰비가 되도록 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 인산마그네슘계 분말과 인산칼슘계 분말은 7-9:3-1 질량비로 혼합하여 사용할 수 있고, 8:2 질량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
만약, 상기 인산마그네슘계 분말과 인산칼슘계 분말의 혼합비 중에서 인산칼슘계 분말의 혼합비가 3 질량비보다 클 경우에는 적층조형용 페이스트 조건을 만족시키지 못해 3차원 지지체를 형성하지 못하거나 용액 내 안정성이 떨어질 수 있고, 지지체의 기계적 강도를 저하시키며, 인산칼슘의 용출에 의해 생체적합성이 저하되는 문제가 있고, 1 질량비보다 작은 경우에는 지지체의 생체활성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 지지체 조성물의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 단계 1에서 준비한 골 시멘트 분말에 경화액을 첨가하고 교반하여 페이스트를 제조하는 단계이다.
구체적으로, 상기 경화액은 인산 마그네슘 분말의 시멘트 반응을 유도하고 그 반응 속도를 제어함으로써 적층조형용 페이스트로 활용할 수 있도록 점도와 압출성 및 성형성 등의 물성을 제어하는 역할을 한다. 여기서 경화액은 에탄올, 구연산, 붕산, 히아론산 나트륨, 황산콘드로이틴, 젤라틴 등의 수용성 고분자를 포함한 수용액 등이 적용될 수 있으며 특히, 구연산과 에탄올의 혼합 용액 사용이 바람직하다. 구연산은 시멘트 분말의 용해-재석출 반응을 지연시키고 최종 생성물의 기계적 물성을 향상시키는 효과가 있으며, 에탄올은 시멘트 분말의 물에 의한 수화반응속도 지연효과가 있다.
또한, 상기 경화액은 [0.5-2 M의 구연산]:[에탄올]을 60-90:40-10 부피% 비로 혼합하여 사용할 수 있고, 70:30 부피% 비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
만약, 상기 바람직한 경화액의 예 중에서 에탄올이 40 부피% 비를 초과할 경우에는 압출 페이스트의 성형성이 저하될 수 있고, 결과물의 기계적 강도가 저하되는 문제가 있고, 10 부피% 비보다 낮을 경우에는 빠른 시멘트 경화반응으로 압출에 필요한 페이스트의 유동성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 골 시멘트 분말과 경화액의 분액비(powder/liquid ratio; P/L)는 3.0-5.0로 할 수 있고, 4.0으로 혼합하는 것이 가장 바람직하다.
만약, 상기 분액비가 3.0 미만일 경우에는 페이스트가 묽어 압출은 잘되나 성형성이 저하되어 3차원 지지체 형상을 유지할 수 없는 문제가 있고, 5.0를 초과할 경우에는 시멘트 반응이 골고루 이루어지지 못하여 페이스트의 연속성이 떨어지며 압출능이 현저히 저하되어 지지체 제조가 어려운 문제가 있다.
나아가, 본 발명에 따른 지지체 조성물은 적층조형용 페이스트로 활용되며, 제조된 인산마그네슘 시멘트 페이스트를 적층조형기에 장착되는 주사기 내에 주입한 후, 컴퓨터 프로그램에 의하여 적층조형기를 제어하여 압출조건 및 지지체의 3차원 형상 및 기공구조의 제어를 통한 3차원 지지체를 제조한다. 3차원 형상을 제조하는 동안에 페이스트가 경화되지 않고 균일하게 압출되어야 하며, 이때 페이스트의 점성, 압출성 및 성형성과 크게 관련된 시멘트 반응을 제어하기 위하여 주사기 내에 있는 시멘트 페이스트의 온도를 제어해주는 것이 바람직하다. 바람직하게는 5-30 ℃에서 작업이 가능하며, 25 ℃에서의 압출이 가장 바람직하다. 만약, 작업온도가 5 ℃ 보다 낮을 경우에는 시멘트 반응의 급격한 저하로 압출된 페이스트가 형상을 유지하지 못하는 문제가 있고, 30 ℃ 보다 높을 경우에는 시멘트 반응이 빨라지며 지지체를 성형하는 동안 균일한 페이스트 상태를 유지할 수 없어 지지체 제조가 어려운 문제가 있다.
나아가, 본 발명은 상기 지지체 조성물을 포함하는 경조직 재생용 지지체를 제공한다.
본 발명에 따른 지지체는 경조직 재생용 지지체로 사용하기 위하여, X축 및 Y축 사이의 간격이 0.5-2 ㎜이고, 기공크기는 130-700 ㎛인 격자무늬로 성형할 수 있으나 이에 제한하지 않는다. 또한, Z축의 간격은 기둥의 두께에 의존한다.
또한, 본 발명은 상기 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 지지체를 얻는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 얻은 지지체를 건조하는 단계(단계 2);를 포함하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 지지체의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 지지체의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 본 발명에 따른 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 성형물을 얻는 단계이다. 구체적으로, 상기 적층조형법은 다양한 크기의 주사바늘을 사용하여 지지체의 기둥두께를 조절할 수 있으며, 컴퓨터 프로그램을 통해 다양한 형상(기둥간격, 기공크기, 기공형상, 지지체 형상 등)으로 성형이 가능하다.
본 발명에 따른 지지체의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 단계 1에서 얻은 성형물을 건조하는 단계이다. 구체적으로, 적층조형법을 통해 성형이 끝난 성형물을 별도의 열처리 과정 없이 상온에서 건조하여 골 시멘트 반응을 완료할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 지지체 조성물은 적층조형용 페이스트로 활용되며, 제조된 인산마그네슘 시멘트 페이스트를 적층조형기에 장착되는 주사기 내에 주입한 후, 컴퓨터 프로그램에 의하여 적층조형기를 제어하여 압출조건 및 지지체의 3차원 형상 및 기공구조의 제어를 통한 3차원 지지체를 제조한다. 3차원 형상을 제조하는 동안에 페이스트가 경화되지 않고 균일하게 압출되어야 하며, 이때 페이스트의 점성, 압출성 및 성형성과 크게 관련된 시멘트 반응을 제어하기 위하여 주사기 내에 있는 시멘트 페이스트의 온도를 제어해주는 것이 바람직하다. 바람직하게는 5-30 ℃에서 작업이 가능하며, 25 ℃에서의 압출이 가장 바람직하다. 만약, 작업온도가 5 ℃ 보다 낮을 경우에는 시멘트 반응의 급격한 저하로 압출된 페이스트가 형상을 유지하지 못하는 문제가 있고, 30 ℃ 보다 높을 경우에는 시멘트 반응이 빨라지며 지지체를 성형하는 동안 균일한 페이스트 상태를 유지할 수 없어 지지체 제조가 어려운 문제가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지지체는 생체적합성이 우수한 인산 마그네슘계 분말의 시멘트 반응을 적층조형용 페이스트 제조에 응용하고, 페이스트의 점도와 압출성 및 성형성 등을 경화액과 반응온도 조건으로 제어함으로써, 3차원 형상 및 기공구조의 제어가 용이하고, 고온 소결공정을 필요로 하지 않고 기계적 강도를 크게 높일 수 있으며, 생체적합성이 양호한 것을 특징으로 하며 따라서, 종래의 경조직 재생용 세라믹 지지체의 구조적 단점을 극복하고 공정의 단순화와 비가열 공정 적용으로 지지체의 기능화 및 제조비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1-7 및 비교예 1-9> 3차원 지지체의 제조
지지체 조성물의 준비
MgO 및 NH4H2PO4를 1:1 질량비로 혼합한 인산마그네슘 분말과, 상기 인산마그네슘 분말과 인산칼슘계 분말을 8:2 질량비로 혼합하여 골 시멘트 분말을 준비하고, 상기 골 시멘트 분말에 1 M의 구연산과 에탄올을 70:30 부피비로 혼합한 경화액을 첨가하고 교반하여 압출용 페이스트를 제조하였다. 여기서, 상기 골 시멘트 분말의 종류 및 혼합량과, 상기 경화액의 종류와 분액비(powder/liquid ratio; P/L) 등을 조절하여 페이스트의 압출성을 제어한 여러 가지 실시예 및 비교예를 하기 표 1에 나타내었다.
3차원 지지체의 제조
상기에서 준비한 지지체 조성물을 주사기에 충전한 후 자체 제작된 적층조형기에 장착하고 컴퓨터 프로그램을 통해 지지체 모양과 기공크기를 제어한 지지체를 제조하였다. 이때 장착된 주사기 주변 온도를 5-30 ℃로 제어하여 페이스트 반응속도를 제어하였다. 도 1에 본 발명의 지지체 제조법을 개략적으로 나타내었다. 이때, 지지체 기둥의 두께는 주사바늘의 내경 크기 (18, 19, 및 21G)로 제어하였고, 기둥 간의 간격은 1.0 및 1.5 mm로 제어함으로써 기공크기가 100-700 μm인 3차원 지지체를 제조하였다. 제조된 지지체는 상온에서 1일간 건조 후 평가하였다.
골 시멘트 분말 경화액 분액비
(P/L)
실시예1 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[DCPA]
= 80:20 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 4
실시예2 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[DCPA]
= 80:20 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산]:[5 부피%의 붕산용액]
= 75:25 부피비		 4
실시예3 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[DCPA]
= 80:20 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 3.3
실시예4 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[DCPA]
= 50:50 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 4
실시예5 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[DCPA]
= 40:60 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 3.3
실시예6 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[β-TCP]
= 40:60 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 1.8
실시예7 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[nano-TCP]
= 40:60 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 1.8
비교예1 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[DCPA]
= 80:20 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산]:[5 부피%의 붕산용액]
= 90:10 부피비		 4
비교예2 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[DCPA]
= 80:20 질량비		 [5 부피%의 붕산용액을 포함한 1 M의 구연산] 5
비교예3 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[DCPA]
= 80:20 질량비		 [5 부피%의 붕산용액을 포함한 1 M의 구연산] 4
비교예4 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[DCPA]:[SiO2]
= 50:25:25 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 3.3
비교예5 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[brushite]
= 40:60 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 2.5
비교예6 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[brushite]
= 50:50 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 2.5
비교예7 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[α-TCP]
= 40:60 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 2
비교예8 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[nano-TCP]:[SiO2]
= 60:20:20 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 2.5
비교예9 [MgO:NH4H2PO4(1:1질량비)]:[nano-TCP]
= 60:40 질량비		 [30 부피%의 에탄올을 포함한 1 M의 구연산] 2.1
상기 표 1에서,
"DCPA"는 비수화 디칼슘 포스페이트(Dicalcium phosphate anhydrous)이고,
"nano-TCP"는 트리칼슘 포스페이트(Tricalcium phosphate) 나노분말이고,
"α-TCP"는 알파-트리칼슘 포스페이트(α-Tricalcium phosphate)이고,
"β-TCP"는 베타-트리칼슘 포스페이트(β-Tricalcium phosphate)이다.
< 실험예 1> 적층조형 온도제어 효과
실시예 1의 지지체 조성물을 주사기에 주입 후 적층조형기기에 장착하고 주사기 주변온도를 0-40 ℃로 제어하여 적층조형시 압출용 페이스트에 온도가 미치는 영향을 확인하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 또한, 주변온도에 따른 지지체 조성물의 점도를 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하고 적층조형시 온도를 0-40 ℃ 범위에서 제어하여 지지체를 제조한 결과를 광학현미경으로 관찰한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하고 적층조형시 온도를 25 ℃ 및 40 ℃로 제어할 경우 인산마그네슘 압출 페이스트의 시간에 따른 점도변화를 측정한 결과이다.
도 2 및 3에 나타난 바와 같이, 10-30 ℃ 범위에서는 적층조형 후 지지체 형상이 잘 유지되나 0 ℃ 혹은 40 ℃ 조건에서는 적층조형 후 지지체의 형상이 잘 유지되지 않으며 또한 압출되는 페이스트의 작업성도 일정하지 않았다. 특히, 25 ℃로 온도제어된 경우 가장 성형성이 우수한 것이 확인되었다. 이것은 작업 온도가 인산마크네슘 페이스트의 점도에 영향을 미치기 때문이며, 도 3의 25 ℃ 및 40 ℃에서 인산마그네슘 페이스트의 점도를 측정한 결과와 같이 일정한 점도를 비교적 장시간 유지할 수 있는 25 ℃에서의 작업이 3차원 지지체 제조에 적합함을 확인하였다.
< 실험예 2> 지지체의 동정
지지체 구조 분석
실시예와 같이 3차원 인산마그네슘계 지지체를 제조하고, 그 제조 조건에 따른 지지체의 물성을 평가하였다.
구체적으로, 실시예 1의 지지체 조성물과 적층조형장치를 이용하여 지지체의 모양, 크기, 기공크기 및 모양이 제어된 3차원 인산마그네슘 지지체 제조가 가능함을 확인하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 또한, 압출 기둥 간의 간격과 압출용 주사기에 장착된 주사바늘의 내경크기(18, 19 및 21 G)를 제어하여 기공 구조조건을 제어하고 3차원 지지체를 제조한 후 광학현미경 관측을 통해 분석하였고, 그 결과를 하기 표 2와 도 5에 나타내었다.
주사바늘 기둥 간 간격 기둥 두께(㎛) 기공크기(㎛) 주사바늘 내경 주사바늘 내경에 대한 기둥두께 비율(%)
18 G 1 mm 637 128 838 76
19 G 1 mm 587 233 686 86
21 G 1 mm 404 364 514 79
18 G 1.5 mm 699 488 838 83
19 G 1.5 mm 638 537 686 93
21 G 1.5 mm 430 697 514 84
도 4는 본 발명의 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하고 지지체의 형상 및 적층방법을 제어하여 제조된 지지체의 광학현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하고, 다양한 주사바늘 내경으로 기둥 간 간격을 1 및 1.5 mm로 조절하여 제조한 지지체를 FE-SEM으로 분석한 사진이다.
도 4 및 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하여 제조한 지지체는 적층조형장치를 통해 기공구조, 기공크기, 기둥두께, 기둥 간 간격, 지지체 형상 등이 성공적으로 제어되었음을 알 수 있었다. 구체적으로, 실시예에 따른 지지체의 기둥두께는 약 200-640 ㎛ 범위에서, 기공크기는 130-700 ㎛ 범위에서 제어가능한 것으로 확인하였다.
이러한 기공크기의 제어는 지지체의 기공도 제어와 연결된다. 기둥두께 및 기둥 간 간격에 따른 3차원 지지체의 기공도를 도 6에 비교하여 나타내었다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체의 기둥두께 및 기둥간격 제어에 따른 기공도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 약 20-60% 범위에서 기공도의 제어가 가능한 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명에 따른 지지체는 열처리 공정을 사용하지 않고도, 기공구조, 기공크기, 기둥두께, 기둥 간 간격, 지지체 형상 등이 성공적으로 제어될 수 있으므로, 경조직 재생용 지지체로 유용할 수 있다.
지지체 강도 분석
실시예에서 제조한 지지체의 강도를 알아보기 위하여, 18, 19 및 21G의 내경을 갖는 압축 주사바늘로 설정하고, 기둥간격을 1.0 및 1.5 mm로 제어하여 제조한 지지체의 압축강도를 평가하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체의 기둥두께 및 간격에 따른 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 압축강도는 3차원 지지체를 구성하는 기둥이 두껍고(즉, 압축 주사바늘 게이지 수가 작을수록), 기공간격이 좁을수록 증가하는 경향을 보였으며, 특히 18 G의 압축 주사바늘을 사용하여 기공간격이 1.0 mm가 되도록 제어하여 제조한 지지체의 경우 압축강도가 약 14.4 MPa로 매우 우수함을 확인하였다. 이 결과는 종래의 고온 소결을 통한 다공성 세라믹 지지체의 기계적 강도보다도 우수하다. 즉, 고분자를 이용하여 쾌속조형기술로 3차원 지지체를 제조 후 이를 주형으로 이용하여 아파타이트와 유기질 바인더로 구성된 페이스트를 채우고 1250 ℃에서 3시간 소성하여 제조된 지지체의 경우 압축강도가 약 1.75 MPa이었으며(I.K.Jun et al. J. Mater. Sci.Mater.Med. 18 (2007) 1071), 파라핀 마이크로 스피어를 주형으로 이용하여 콜로이달 실리카와 β-TCP의 3차원 형상을 유도한 후 1100 ℃에서 2시간 소성하여 제조된 지지체의 경우 압축강도가 약 5.02 MPa로 보고 되었으며(G.B.M.Ribeiro et al. Mater. Lett. 65 (2011) 275), 따라서 실온에서 제조된 본 발명의 지지체가 월등히 우수한 기계적 강도를 나타냄이 확인되었다.
따라서, 본 발명에 따른 지지체는 열처리 공정을 거치지 않고도, 종래의 고온 소결을 통한 세라믹 다공성 지지체 보다도 높은 압축강도를 나타낼 뿐만 아니라, 기둥두께 및 기둥간격의 조절을 통해 압축강도를 조절할 수 있으므로, 경조직 재생용 지지체로 유용할 수 있다.
XRD 분석
실시예 1에서 제조한 지지체의 성분을 동정하기 위해서 XRD 분석을 하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8은 실시예 1에서 제조한 지지체의 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다(여기서, 'ADP'는 NH4H2PO4이고, "struvite"는 MgNH4PO4·6H2O이다).
도 8에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하여 제조한 지지체는 MgO와 NH4H2PO4의 반응으로 생성된 스투루바이트(struvite; MgNH4PO4·6H2O)와 DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous) 및 미반응 MgO와 NH4H2PO4로 구성되어 있음을 알 수 있었다.
FE - SEM 및 EDX 분석
실시예 1에서 제조한 지지체의 형상 및 구성성분을 동정하기 위해서 FE-SEM, EDX, 맴핑(mapping)을 실시하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 지지체의 구성성분을 FE-SEM, EDX 및 맵핑(mapping)에 의하여 분석한 결과이다.
도 9에 나타난 바와 같이, FE-SEM 관찰결과에서 지지체는 기공구조가 잘 제어되어져 있음을 확인할 수 있고 EDX 분석결과에서 마그네슘, 인산, 칼슘으로 구성되어 있으며, 맴핑 결과에서 이들 각 성분은 균일하게 분포되어 구성되어 있음을 확인할 수 있었다.
< 실험예 3> 지지체의 생체활성 평가
실시예에서 제조한 지지체의 생체활성을 알아보기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하여 제조한 지지체를 생체 체액 유사성분인 SBF(simulated body fluid) 내에 침지한 후 시간경과에 따른 표면의 형상변화를 관찰하여 평가하였다. 여기서, 시간경과에 따른 표면의 형상변화는 FE-SEM으로 확인하여 도 10에 나타내었고, 지지체 표면의 결정 생성 변화는 XRD로 분석하여 도 11에 나타내었다. 또한, SBF 용액 내 침지 7일 후 지지체 표면변화의 FE-SEM, 맵핑(mapping), EDX 분석결과를 도 12에 나타내었다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체의 SBF 용액 내 침지 후 시간경과에 따른 표면의 형상변화를 FE-SEM으로 분석한 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체의 SBF 용액 내 침지 후 시간경과에 따른 지지체 표면의 결정생성 변화를 XRD로 분석한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 지지체를 SBF 용액 내 침지 7일 후 지지체의 표면변화의 FE-SEM, 맵핑(mapping), EDX 분석결과를 나타낸 것이다.
도 10-12에 나타난 바와 같이, SBF 용액 내 침지 시간에 따라 지지체 표면에 새로운 침상의 결정상의 형성·성장과 함께 구형의 결정상이 형성되는 것을 확인하였다. EDX 및 맵핑(mapping)을 통하여 침상의 결정의 주요 성분은 Mg-P-O로 이것은 XRD 결과에서 검출된 홀테달라이트(holtedahlite) (Mg2(PO4)(OH)로 유추되며, 구형의 결정상은 Mg-O-P-Ca로 MgO나 홀테달라이트 상 위에 생성된 칼슘-인계 결정으로 사료된다. 즉, SBF 용액 내 침적된 지지체는 지지체 표면에서 용출된 이온과 SBF 내의 과포화된 이온이 새로운 결정상으로 재석출 되는 과정이 확인되고 있으며 이 새로운 결정상은 인산마그네슘의 홀테달라이트와 인산칼슘의 결정상임이 확인되었다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 지지체가 생체활성을 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 지지체는 생체활성이 있으므로, 경조직 재생용 지지체로 유용할 수 있다.

Claims (22)

  1. MgO, Mg3(PO4)2, Mg(OH)2, MgCl2, 및 MgSO4, 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 마그네슘원(source) 및
    NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산원(source)을 포함하는 인산마그네슘계 분말과,
    DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous), TCP(Tricalcium phosphate), α-TCP(α-Tricalcium phosphate) 및 β-TCP(β-Tricalcium phosphate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산칼슘계 분말을 포함하는 골 시멘트 분말; 및
    에탄올, 구연산, 붕산, 히아론산 나트륨, 황산콘드로이틴 및 젤라틴 수용액으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 경화액;을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인산마그네슘계 분말은 인산이온(PO4 3-):마그네슘이온:암모니아가 1:1:1의 몰비로 이루어지며, 상기 인산마그네슘계 분말과 인산칼슘계 분말의 질량비는 7-9:3-1인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인산마그네슘계 분말은 인산이온(PO4 3-):마그네슘이온:암모니아가 1:1:1의 몰비로 이루어지며, 상기 인산마그네슘계 분말과 인산칼슘계 분말의 질량비는 8:2인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경화액은 [0.5-2 M의 구연산]:[에탄올]을 60-90:40-10 부피%로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 경화액은 [0.5-2 M의 구연산]:[에탄올]을 70:30 부피%로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지체 조성물은 페이스트 형태인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지체 조성물은 적층조형법(Layer Manufacturing Process)을 통해 지지체로 성형된 이후에, 시멘트 반응을 일으켜 경화되는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    경화액에 대한 골 시멘트 분말의 중량비인, 상기 골 시멘트 분말과 경화액의 분액비(powder/liquid ratio)는 3.0-5.0인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    경화액에 대한 골 시멘트 분말의 중량비인, 상기 골 시멘트 분말과 경화액의 분액비(powder/liquid ratio)는 4.0인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  10. MgO, Mg3(PO4)2, Mg(OH)2, MgCl2, 및 MgSO4, 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 마그네슘원(source)과,
    NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산원(source)을 포함하는 인산마그네슘계 분말; 및
    DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous), TCP(Tricalcium phosphate), α-TCP(α-Tricalcium phosphate) 및 β-TCP(β-Tricalcium phosphate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 인산칼슘계 분말;을 혼합하여 골 시멘트 분말을 제조하는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1에서 얻은 골 시멘트 분말에 에탄올, 구연산, 붕산, 히아론산 나트륨, 황산콘드로이틴 및 젤라틴 수용액으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 경화액을 첨가하고 교반하여 페이스트를 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 인산마그네슘계 분말은 인산이온(PO4 3-):마그네슘이온:암모니아가 1:1:1의 몰비로 이루어지며, 상기 인산마그네슘계 분말과 인산칼슘계 분말의 질량비는 7-9:3-1인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 인산마그네슘계 분말은 인산이온(PO4 3-):마그네슘이온:암모니아가 1:1:1의 몰비로 이루어지며, 상기 인산마그네슘계 분말과 인산칼슘계 분말의 질량비는 8:2인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 경화액은 [0.5-2 M의 구연산]:[에탄올]을 60-90:40-10 부피%로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 경화액은 [0.5-2 M의 구연산]:[에탄올]을 70:30 부피%로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    경화액에 대한 골 시멘트 분말의 중량비인, 상기 골 시멘트 분말과 경화액의 분액비(powder/liquid ratio)는 3.0-5.0인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    경화액에 대한 골 시멘트 분말의 중량비인, 상기 골 시멘트 분말과 경화액의 분액비(powder/liquid ratio)는 4.0인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제조방법은 5-30 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  18. 제1항의 지지체 조성물을 포함하는 경조직 재생용 지지체.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 지지체는 X축 및 Y축 사이의 간격이 0.5-2 ㎜인 격자무늬 형태이고, 지지체의 기공크기는 130-700 ㎛인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체.
  20. 제1항의 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 지지체를 얻는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1에서 얻은 지지체를 건조하는 단계(단계 2);를 포함하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제조방법은 5-30 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제조방법은 열처리 공정을 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 지지체의 제조방법.
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