KR101423129B1

KR101423129B1 - 압축강도 증가 및 혈액 순환 보완을 위한 고강도 골 대체용 합성 골 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101423129B1
Application number: KR1020140022572A
Authority: KR
Inventors: 박경준; 박석봉; 신재오
Original assignee: 주식회사 오쎄인
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-07-25
Also published as: EP3111967A1; EP3111967A4; US20170065740A1; WO2015129972A1

Abstract

본 발명은 압축강도 증가 및 혈액 순환 보완을 위한 고강도 골 대체용 합성 골 및 이의 제조방법에 관한 것으로, β-TCP(β-tricalcium phosphate) 등과 같은 다공성 무기재료의 기공에 CSH(Calcium sulfafe hemihydrate)와 NaCl을 입자 상태에서 침투시킨 후 습식처리를 함으로써, 기공 내 침투한 CSH가 수분과 결합하여 CSD(Calcium sulfafe dihydrate)로 함수물 결정체를 만들어 기공 내에서 부피 팽창을 일으켜 물리적 힘에 의한 충진재 이탈을 방지한 고강도 골 대체용 합성 골을 제공한다.

Description

압축강도 증가 및 혈액 순환 보완을 위한 고강도 골 대체용 합성 골 및 이의 제조방법{High strength bone alternative synthetic bone for increasing compressive strength and supplementing blood circulation, and method for producing the same}

본 발명은 새로운 골 대체용 무기재료 합성 골 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 β-TCP 등과 같은 다공성 무기재료의 기공에 칼슘 설페이트 반수화물(CSH; calcium sulfate hemihydrate)의 입자 상태로 충진된 후 수분과 결합하여 칼슘 설페이트 이수화물(CSD; calcium sulfate dihydrate)로 전환되면서 부피가 팽창되는 석고와 NaCl을 침투시킴으로써, 강도를 증가시키고 혈액 순환을 보완할 수 있는 골 대체용 합성 골 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

뼈는 인체를 지탱하고 동작을 수행하는 기계적 기능 이외에도, 체내의 칼슘 이온농도를 조절하면서 칼슘의 저장고 역할을 하며, 골수에서 인체에 필요한 적혈구 및 백혈구를 생산하는 중요한 생리적 기능도 보유하고 있다. 뼈는 노화 및 다른 생리적인 이유로 손상되거나 여러 가지 사고로 손상될 수 있다.

뼈의 이식에는 환자 자신의 조직을 이식하는 방법(자가골 이식), 타인(동종골)이나 동물(이종골)의 뼈를 이식하는 방법 등이 있다. 그러나, 타인의 조직을 이식함으로써 면역학적 거부반응이 발생되거나, 손상부위가 커서 환자 몸에서 사용할 수 있는 재료가 충분하지 않은 경우, 인공 골 이식재(골 대체재)를 사용한다.

현재 사용되는 합성 골은 칼슘 설페이트(calcium sulfate)계 및 칼슘 포스페이트(calcium phosphate)계가 대부분이나, 자가골 이식의 효능에 미치기에는 한계가 있다.

칼슘 포스페이트는 천연 뼈 조성과의 유사성 및 뛰어난 뼈 전도성(osteoconductivity) 때문에, 골 대체재(bone substitutes)로 상당한 관심을 받고 있는 무기재료이다. Brown 등은 무기 재료 중 흡수성인 다공성 하이드록시-아파타이트(hydroxy-apatite, 이하 HA)를 연구하였으며, Wolfe는 베타-트리칼슘 포스페이트(β-tricalcium phosphate, 이하 β-TCP)가 자연골의 무기성분과 구조가 유사하기 때문에 서서히 분해되어 신생골로 대체된다고 하였다. Chow 등은 β-TCP의 골전도성에 대해 보고한 바 있다. 그 외에도 Posset 등은 테트라칼슘 포스페이트(tetracalcium phosphate)를, Frankenburg 등은 칼슘 포스페이트 시멘트(calcium phosphate cement) 등에 대한 연구를 보고한 바 있다. 또한 무기재료의 단독이 아닌 여러 가지의 무기재료를 혼합한 골 시멘트(bone cement)의 형태로 만드는 연구도 있다. 이는 분말의 형태가 아닌 점도를 갖는 재료로 초기 유동성을 막고, 어느 정도의 형태를 유지한다는 면에서 좋은 생각이라 판단되지만, 만족한 결과를 기대하기에는 부족하다. 이들 재료 대부분이 분말로 공급되거나, 분말이 아니더라도 형태 부여 시, 강도가 미약하고 그 형태 유지가 어려워 사용할 수 있는 부위에 제약을 받는다.

이들 골 재생용 생체 세라믹 재료는 골 유도성이 아닌 골 전도성 재료이기 때문에, 골 조직이 재료 내로 성장되어 들어올 수 있는 적당한 크기의 연결된 기공을 갖는 다공체로 사용되는 것이 바람직하며, 신생골의 성장 속도와 유사한 생분해 속도를 가져야 한다는 것이 요구되는 성질이다.

이러한 연구에 따라 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점인 저강도 및 저 신생골 치환성들을 극복하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 생체 활성적(Bioactive) 성질을 유지하면서 신생골 전도 능력이 빠르고 강도가 높은 신규 골 대체용 무기재료를 합성하기 위하여, β-TCP 등과 같은 다공성 무기재료의 기공에 칼슘 설페이트 반수화물(CSH; calcium sulfate hemihydrate)의 입자 상태로 충진된 후 수분과 결합하여 칼슘 설페이트 이수화물(CSD; calcium sulfate dihydrate)로 전환되면서 부피가 팽창되는 석고와 NaCl을 입자상태로 침투시켜 기공을 충진한 후, 소재의 밀도를 높여 강도를 증가시키고 NaCl 등을 통해 상평형을 유도시켜 신생골 전도 능력을 증가시킨 고강도 골 대체용 무기재료를 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 다공성 무기재료의 기공에 상기 석고와 NaCl을 침투시킴으로써, 강도와 신생골 전도 능력을 증가시킨 고강도 골 대체용 합성 골 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 다공성 무기재료; 다공성 무기재료의 기공에 충진된 석고; 및 다공성 무기재료의 기공에 충진된 NaCl을 포함하는 골 대체용 합성 골을 제공한다.

본 발명에서 다공성 무기재료는 베타-트리칼슘 포스페이트, 알파-트리칼슘 포스페이트, 디칼슘 포스페이트 다이베이식, 테트라칼슘 포스페이트, 하이드록시아파타이트, 칼슘 포스페이트 시멘트, 칼슘 카보네이트, 칼슘 설페이트, 생체 활성 글라스 세라믹, 실리카 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.

본 발명에서 석고는 다공성 무기재료의 기공에 칼슘 설페이트 반수화물의 입자 상태로 충진된 후, 수분과 결합하여 칼슘 설페이트 이수화물로 전환되면서 부피가 팽창되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 골 대체용 합성 골은 다공성 무기재료의 기공에 충진된 다당류를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에서 석고 및 NaCl은 각각 100 ㎛ 이하의 입자 상태로 충진되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 NaCl 및 석고의 혼합비는 중량비로서 1:4 내지 1:99인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 다공성 무기재료, 석고 및 NaCl을 혼합하여 다공성 무기재료의 기공에 석고 및 NaCl을 충진하는 단계; 석고 및 NaCl이 충진된 다공성 무기재료를 습식 처리하는 단계; 및 습식 처리된 다공성 무기재료를 건조하는 단계를 포함하는 골 대체용 합성 골의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 고강도 골 대체용 합성 골은 압축강도가 높아짐에 따라 뼈 결함 충진을 위한 골 대체재 매식 시술시 시술 전 재료 성형의 용이성 증가와 시술 후 체내에서 일정 기간 동안 성형된 형체를 원래 상태대로 유지함과 동시에, 충진재 NaCl의 용해에 따른 무기재료 기공 내에서의 체액 농도변화는 삼투압 현상과 유사한 상평형 반응을 유도하여 기공 내 혈액순환이 개선됨에 따라 기존의 골대체용 합성 골을 대체할 우수한 재료로 널리 사용될 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 고강도 골 대체용 합성 골의 표면 형태학을 보여주는 현미경 사진으로, (a) 원통형 β-TCP 초기, (b) 석고와 NaCl 혼합 후, (c) SBF에 함침 1주 후, (d) SBF에 함침 2주 후의 사진이다.
도 2는 본 발명의 고강도 골 대체용 합성 골의 유사 체액(SBF) 침적 조건에 따른 압축강도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 충진재(CSH, NaCl)를 침투시켰을 때, NaCl의 함량 변화에 따른 고강도 골 대체용 합성 골의 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 SBF에 1주간 침적시켰을 때, NaCl의 함량변화에 따른 고강도 골 대체용 합성 골의 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 SBF에 2주간 침적시켰을 때, NaCl의 함량변화에 따른 고강도 골 대체용 합성 골의 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 고강도 골 대체용 합성 골 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 고강도 골 대체용 합성 골은 다공성 무기재료; 다공성 무기재료의 기공에 충진된 석고; 및 다공성 무기재료의 기공에 충진된 NaCl을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 고강도 골 대체용 합성 골은 다공성 골 대체용 무기재료의 기공 부분을 체내 용해가 용이한 첨가제(CSH, NaCl 등)로 충진시킨 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 무기재료는 다공성이면서 골 전도성 무기재료인 것이 바람직하다. 무기재료는 골 조직이 재료 내로 성장되어 들어올 수 있는 적당한 크기의 연결된 기공을 갖는 다공체로 사용되는 것이 바람직하다. 무기재료 내부에 형성된 기공은 적어도 부분적으로 서로 연결되는 것이 바람직하다. 기공의 크기는 500 ㎛ 이하, 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 다공성 무기재료는 뼈 형태로 제작될 수 있으며, 또한 원통형 등과 같은 다양한 형태로 제작될 수 있다.

본 발명의 골 대체용 무기재료에 있어서, 상기 골 대체용 무기재료로는 뼈의 무기성분과 같이 체내에서 흡수 또는 잔류하며 뼈의 생성을 전도(conduct)할 수 있는 무기재료들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 수산화 인회석(Hydroxyapatite, HA: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), 칼슘 포스페이트 시멘트(calcium phosphate cement), 칼슘 카보네이트(calcium carbonate), 칼슘 설페이트(calcium sulfate), 트리칼슘 포스페이트(TCP), 바이오플라스트(Bioplast) HTR(Hard Tissue Replacement), 생체 활성 글라스 세라믹(bioactive glass ceramic), 실리카(silica) 등을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 바람직하게는 α-트리칼슘 포스페이트, β-트리칼슘 포스페이트, 디칼슘 포스페이트 다이베이식(dicalcium phosphate dibasic), 테트라칼슘 포스페이트(tetracalcium phosphate)와 같은 칼슘 포스페이트(calcium phosphate)를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 β-트리칼슘 포스페이트(β-TCP)를 사용할 수 있다.

본 발명에서 석고는 골 대체용 무기재료의 강도를 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 또한 체액 내에서 급속히 용해될 수 있는 용해물질이다. 본 발명에서 석고는 다공성 무기재료의 기공에 칼슘 설페이트 반수화물(calcium sulfate hemihydrate, CaSO₄·1/2H₂O, 이하 CSH)의 입자 상태로 충진된 후, 수분과 결합하여 칼슘 설페이트 이수화물(calcium sulfate dihydrate, CaSO₄·2H₂O, 이하 CSD)로 전환되면서 부피가 팽창되는 것을 특징으로 한다.

석고는 물(H₂O) 2분자와 결합되어 함수물 결정체인 CaSO₄·2H₂O(CSD) 상태로 존재하나, 이를 가열 감압 건조하면 물과 결합력이 좋은 CaSO₄·1/2H₂O(CSH), 혹은 CaSO₄·H₂O(calcium sulfate monohydrate, CSM)로 상태로 처리할 수 있으며, 이렇게 준비한 CSH를 다공성 무기재료(β-TCP 등)의 기공에 침투시킨 후 습식 처리하여 CSD로 환원시킬 경우, 다공성 무기재료의 기공에서 CSD의 부피가 팽창되어 물리적 충격에 의해서는 CSD가 기공 밖으로 빠져나오지 못하고 기공을 막은 상태로 존재하게 되고, 이에 따라 다공성 무기재료의 밀도가 높아지고, 결과적으로 우수한 압축강도를 갖게 된다.

본 발명에서 NaCl은 우수한 생분해 속도를 가지며, 체내에서 용해되면서 결정 주변의 농도를 일시적으로 증가시키고, 이렇게 형성된 체액과의 농도 차이에 의해 삼투압 현상과 같은 체액의 확산을 유도하여 기공 내에 신생 골 형성 능력을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 고강도 골 대체용 합성 골에 있어서, NaCl 및 다공성 무기재료의 기공에 칼슘 설페이트 반수화물(CSH; calcium sulfate hemihydrate)의 입자 상태로 충진된 후 수분과 결합하여 칼슘 설페이트 이수화물(CSD; calcium sulfate dihydrate)로 전환되면서 부피가 팽창되는 석고는 양 재료의 장점을 모두 살릴 수 있는 어떤 비율로도 혼합될 수 있으나, 바람직하게는 NaCl 및 석고의 혼합비는 중량비로서 1:4 내지 1:99인 것이 바람직하다. 중량%로 환산할 경우, NaCl 및 석고의 혼합물 전체 중량에 대하여, 석고는 80 내지 99 중량%로 사용될 수 있고, NaCl은 1 내지 20 중량%로 사용될 수 있다.

본 발명에서 석고 및 NaCl은 다공성 무기재료의 기공에 용이하게 침투할 수 있도록, 각각 100 ㎛ 이하의 입자 상태로 충진되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 고강도 골 대체용 합성 골은 다공성 무기재료의 기공에 충진되는 다당류를 추가로 포함할 수 있다. 다당류는 체내에서 상평형을 유도할 수 있다.

또한, 본 발명은 고강도 골 대체용 합성 골의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 고강도 골 대체용 합성 골의 제조방법은 다공성 무기재료와 다공성 무기재료의 기공에 칼슘 설페이트 반수화물(CSH; calcium sulfate hemihydrate)의 입자 상태로 충진된 후 수분과 결합하여 칼슘 설페이트 이수화물(CSD; calcium sulfate dihydrate)로 전환되면서 부피가 팽창되는 석고 및 NaCl을 혼합하여 다공성 무기재료의 기공에 상기 석고 및 NaCl을 충진하는 단계; 상기 석고 및 NaCl이 충진된 다공성 무기재료를 습식 처리하는 단계; 및 습식 처리된 다공성 무기재료를 건조하는 단계를 포함할 수 있다.

다공성 무기재료 및 석고는 혼합 전에 충분히 건조하여 수분을 제거한 후 혼합하는 것이 바람직하다. 예를 들어 20 내지 50℃의 진공 오븐에서 10 내지 40시간 동안 건조할 수 있다. 다공성 무기재료 및 석고는 건조 완료 후 분쇄하는데, 체 거름 등을 이용하여 100 ㎛ 이하의 것만 사용하는 것이 바람직하다. 각 재료의 혼합은 분말 믹서기를 이용하여 수행할 수 있다. 혼합시간은 예를 들어 1 내지 60분일 수 있다. 습식처리는 물을 분사하는 방법 등을 통해 수행할 수 있다. 물의 분사량은 다공성 무기재료의 크기 또는 무게에 따라 다르지만, 예를 들어 0.01 내지 100 mL일 수 있다. 최종 건조는 예를 들어 20 내지 50℃의 진공 오븐에서 10 내지 40시간 동안 수행할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 골 대체용 무기재료에 충진재(용해물질)를 침투시킨 고강도 골 대체용 합성 골에 있어서, 상기 골 대체용 무기재료는 β-트리칼슘 포스페이트(β-TCP)이고, 상기 충진재는 CSH와 NaCl인 것을 특징으로 하는 고강도 골 대체용 합성 골을 제공한다.

본 발명에서는, 먼저 골 대체용 무기재료에 사용할 각각의 재료는 흡수성 재료를 선택하였다. 구체적으로, 현재 무기재료 중 흡수성 재료이고 그 연구가 가장 활발하다고 할 수 있는 β-TCP를 연구 대상으로 선정하였다. 또한 충진재로는 β-TCP보다 체내 용해도가 높고 압축강도를 높일 수 있는 CSH와 NaCl을 선택하였다.

β-TCP는 자연골과 유사한 화학적 조성을 가지며, 생체 조직과의 생체적합성이 우수해 합성 골 이식재료로서 많은 관심과 연구가 진행되어 왔다. β-TCP를 매식하면, 재료와 골조직 계면에서 골-유사 아파타이트(bone-like apatite)가 생성된다고 알려져 있어, 직간접적으로 골조직과 결합이 이루어지게 된다.

β-TCP의 용해속도는 물질의 화학적 구조와 결정성, 다공성 및 용액의 pH 등에 의하여 크게 영향을 받는다. β-TCP는 골 전도성이 있고, 새로운 뼈의 침착을 위해 알맞은 물리적 기질을 제공하기 때문에 골 재생 재료로서 사용되고 있다.

이들 골 대체용 무기재료는 골 유도성이 아닌 골 전도성 재료이기 때문에, 골 조직이 재료 내로 성장되어 들어올 수 있는 적당한 크기의 연결된 기공을 갖는 다공체로 사용되는 것이 바람직하며, 신생 골의 성장 속도와 유사한 생분해 속도를 가져야 한다는 것이 요구되는 성질이다. 하지만 다공체의 경우, 기공의 양이 많아짐에 따라 강도가 낮아지게 된다. β-TCP는 다공체로 제조하게 되면 강도가 떨어지기 때문에, 시술 시에 다공체인 블록(Block)형 β-TCP가 성형성을 유지하기 힘든 문제가 있고, 임플란트 매식 시 치조골 부족으로 인한 골 이식재료로 사용할 경우, 임플란트를 견고히 지탱하는 힘이 현저히 떨어지게 되어 흔들림 현상이 발생하고 있다. 이러한 문제로 생체 내에서 β-TCP 블록의 강도를 증가시켜 줄 수 있는 재료가 절실히 필요하게 되었다.

현재, 골 대체재 재료는 정형외과 영역(인공 고관절, 부골 접합 등), 성형외과 영역(비골 축조, 악안면 골 축성 등), 치과영역(치조골 재생, 치조골 축조, 임플란트 매식 등)에 적용되고 있다. 따라서 결손된 골을 재건할 수 있는 효과적인 고강도 골 대체용 합성 골을 개발하게 되면, 세계적으로 기술 우위에 있는 제품을 생산할 수 있다. 본 발명에 의해 개발된 고강도 골 대체용 합성 골이 양산화되면, 고부가가치의 영업이익을 창출할 뿐만 아니라, 수입대체 효과도 클 것이라고 기대된다.

본 발명은 골 대체용 합성 골에 사용되는 무기재료의 압축강도 개선에 관한 것으로, 바람직하게는 β-TCP(β-tricalcium phosphate)의 기공에 CSH(Calcium sulfafe hemihydrate)와 NaCl을 입자 상태에서 침투시킨 후 습식처리를 함으로써, 기공 내 침투한 CSH가 수분과 결합하여 CSD(Calcium sulfafe dihydrate)로 함수물 결정체를 만들어 기공 내에서 부피 팽창을 일으켜 물리적 힘에 의한 충진재 이탈을 방지한 고강도 골 대체용 합성 골을 제공한다.

본 발명에 따르면, 다공성 무기재료(β-TCP 블록 등)의 압축 강도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 침투된 충진재(CSH, NaCl 등)가 체내에서 체액으로 용출되는 과정에서 환원된 기공으로 신생골 전도 능력을 향상시킬 수 있어 고강도 골 대체용 합성 골을 제조할 수 있다. 구체적으로 CSH는 다공성 무기재료의 기공에 침투되어 1/2H₂O 함수물에서 2H₂O 함수물 결정체인 CSD로 전환되면서 기공 내에서 부피 팽창을 일으키고, 이로 인하여 한번 충진이 되면 물리적인 힘에 의하여 기공 밖으로 이탈되지 않아 무기재료의 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 같이 침투된 충진재 NaCl은 매식 시술 이후 무기재료의 기공 내에서 체액에 의해 용해되면서 기공 내 체액의 농도를 증가시키고, 이러한 기공 내 부분적 농도 차이는 마치 삼투압 현상처럼 체액을 기공 내로 빠르게 유인하는 상 평형작용을 일으켜 결론적으로 혈액순환을 향상시키게 되어 신생 골 생성에 도움을 준다.

따라서 본 발명에 따른 고강도 골 대체용 합성 골은 압축강도가 높아짐에 따라, 뼈 결함 충진을 위한 골 대체재 매식 시술시, 시술 전 재료 성형의 용이성이 증가하고, 시술 후 체내에서 일정 기간 동안 성형된 형체를 원래 상태대로 유지할 수 있으며, 이와 동시에 충진재 NaCl의 용해에 따른 무기재료 기공 내에서의 체액 농도변화는 삼투압 현상과 유사한 상평형 반응을 유도하여 기공 내 혈액순환이 개선됨에 따라, 기존의 골 대체용 합성 골을 대체할 우수한 재료로 널리 사용될 것으로 기대된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.

[실시예 1]

1% NaCl-CSH 혼합 충진재를 침투시킨 고강도 골 대체용 합성 골을 제조하기 위하여 표 1과 같은 재료를 사용하였다.

본 실험에 사용된 재료

Materials	Manufacturer
원통형 β-Tricalcium phosphate	Ossgen
CSH	SIGMA-ALDRICH
NaCl	SIGMA-ALDRICH

가. 원통형 β-TCP 블록의 준비

상용품으로 유통되는 직경 5 mm 및 길이 10 mm의 원통형 β-TCP 블록(Block)을 37℃ 진공 오븐(제이오텍, OV-12)에서 24시간 감압 건조하여 수분을 제거한 것을 준비하였다.

나. 혼합 충진재의 제조

분말 상태의 CSH와 NaCl을 표 2와 같이 각각을 중량% 비율로 계량하여 준비하고 파우더 믹서(KM Tech, LS-300)를 이용하여 혼합한 후 막자사발을 이용하여 분쇄하였다. 분쇄된 각각의 혼합 충진재를 100 ㎛ 걸음 체(sieve)를 통해 걸러준 후 100 ㎛ 걸음 체를 통과한 각각의 혼합 충진재를 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하여 수분을 제거한 것을 준비하였다.

충진재(CSH, NaCl)의 중량 혼합 비율

Sample No.	혼합 충진재	CSH	NaCl
1	1% NaCl-CSH	99	1
2	5% NaCl-CSH	95	5
3	10% NaCl-CSH	90	10
4	15% NaCl-CSH	85	15
5	20% NaCl-CSH	80	20

다. 1% NaCl-CSH 혼합 충진재를 침투시킨 고강도 골 대체용 합성 골의 제조

상기 혼합 충진재의 제조 과정에서 준비한 혼합 충진재 1을 시브 쉐이커(청계상공사, CG-212S)에 담고, 상기 원통형 β-TCP 블록의 준비 과정에서 준비한 원통형 β-TCP 블록을 혼합 충진재 1이 담긴 시브 쉐이커에서 20분간 쉐이킹 하였다. 쉐이킹이 끝난 후 원통형 β-TCP 블록 표면을 솔을 이용하여 털어낸 후 H₂O 2 ml를 β-TCP 블록에 흡수시킨 후 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 2]

5% NaCl-CSH 혼합 충진재를 침투시킨 고강도 골 대체용 합성 골을 제조하기 위해, 실시예 1의 다항에서 혼합 충진재 1 대신에 혼합 충진재 2를 사용하여 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하다.

[실시예 3]

10% NaCl-CSH 혼합 충진재를 침투시킨 고강도 골 대체용 합성 골을 제조하기 위해, 실시예 1의 다항에서 혼합 충진재 1 대신에 혼합 충진재 3을 사용하여 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하다.

[실시예 4]

15% NaCl-CSH 혼합 충진재를 침투시킨 고강도 골 대체용 합성 골을 제조하기 위해, 실시예 1의 다항에서 혼합 충진재 1대신 혼합 충진재 4를 사용하여 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하다.

[실시예 5]

20% NaCl-CSH 혼합 충진재를 침투시킨 고강도 골 대체용 합성 골을 제조하기 위해, 실시예 1의 다항에서 혼합 충진재 1 대신에 혼합 충진재 5를 사용하여 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하다.

[실시예 6]

인간 혈장과 유사한 이온 농도를 갖고 있는 유사 체액(SBF)를 제조하기 위하여 표 3과 같은 재료를 사용하였다. 2차 증류수 700 ml에 각각 하기 표 3의 재료들을 순서대로 용해시키고 pH 7.25, 37℃에서 (CH₂OH₃)CNH₂ 및 1 M 염산으로 버퍼링하여 제조하였다.

유사 체액의 시약

용액	용량
NaCl	7.996 g
NaHCO₃	0.35 g
KCl	0.224 g
K₂HPO₄·3H₂O	0.228 g
MgCl₂·6H₂O	0.305 g
1M HCl	40 mL
CaCl₂	0.278 g
Na₂SO₄	0.071 g
(CH₂OH₃)CNH₂	6.057 g

상기 실시예 1, 2, 3, 4, 5에서 준비한 NaCl-CSH 혼합 충진재를 침투시킨 고강도 골 대체용 합성 골이 체내에서 원활하게 용해 용출되어 원래 상태의 다공성 무기재료로 다시 환원되는지를 확인하기 위하여, 인간 혈장과 유사한 실시예 6에서 준비한 유사 체액에 기간을 달리하여 침적시킨 후 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 7]

1% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 1주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 8]

1% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 2주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 9]

5% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 1주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 10]

5% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 2주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 11]

10% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 1주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 12]

10% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 2주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 13]

15% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 1주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 14]

15% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 2주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 15]

20% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 1주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 16]

20% NaCl-CSH 혼합 충진재가 침투된 원통형 β-TCP 블록을 2주간 유사 체액에 침적시킨 후 건져내어 37℃ 진공 오븐에서 24시간 감압 건조하였다.

[실시예 17]

실시예에 대해 시험관내 시험(In Vitro Study)을 다음과 같이 진행하였다.

(1) 압축강도

높이 10 mm 및 지름 5 mm의 원통형 β-TCP에 대해 만능시험기(Instron 3366, U.S.A.)를 이용하여 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 1 mm/min로 압축강도를 측정하였다. 도 2 내지 5는 본 발명의 고강도 골 대체용 합성 골의 혼합비율 및 SBF 침적조건에 따른 압축강도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2 내지 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 다공성 무기재료에 충진재인 CSH와 NaCl을 충진함에 따라 압축강도가 크게 증가하였으며, SBF에 침적시킨 후에는 CSH와 NaCl이 용해되어 압축강도가 원 상태와 비슷한 수준으로 감소하였다.

(2) 표면관찰

고강도 골 대체용 합성 골을 제작하여 SBF에 침적 용해시키고 건조 후 표면형상의 변화를 관찰하고자 표면을 USB 현미경(이시웍스, K89)으로 1000배의 배율로 관찰하였다. 도 1은 본 발명의 무기재료의 표면 형태학을 보여주는 현미경 사진으로, (a) 원통형 β-TCP 초기, (b) 석고와 NaCl 혼합 후, (c) SBF에 함침 1주 후, (d) SBF에 함침 2주 후의 사진이다. 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 다공성 무기재료의 기공에 석고와 NaCl을 침투시킴에 따라 기공의 양과 크기가 감소하였으며, SBF에 침적시킨 후에는 석고 및 NaCl이 용해되어 기공의 양과 크기가 원 상태와 비슷한 수준으로 증가하였다.

결론적으로, 본 발명에서는 원통형 골 대체용 무기재료인 β-TCP의 기공에 석고와 NaCl을 침투시켜 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 원통형 β-TCP의 기공에 석고와 NaCl을 침투시키게 되면, 기공의 양과 크기가 감소하였다.

2. 원통형 β-TCP의 기공에 석고와 NaCl을 침투시키게 되면, 압축강도가 증가하였다.

3. 고강도 골 대체용 합성 골을 유사 체액(SBF)에 1주 및 2주간 침적 시, 석고와 NaCl이 용해 및 용출되어 기공의 양과 크기가 원상태와 비슷한 수준으로 증가하였고 압축강도는 원상태와 비슷한 수준으로 감소하였다.

Claims

다공성 무기재료;
다공성 무기재료의 기공에 칼슘 설페이트 반수화물(CSH; calcium sulfate hemihydrate)의 입자 상태로 충진된 후, 수분과 결합하여 칼슘 설페이트 이수화물(CSD; calcium sulfate dihydrate)로 전환되면서 부피가 팽창된 석고; 및
다공성 무기재료의 기공에 충진된 NaCl을 포함하는 골 대체용 합성 골.
제1항에 있어서,
다공성 무기재료는 베타-트리칼슘 포스페이트, 알파-트리칼슘 포스페이트, 디칼슘 포스페이트 다이베이식, 테트라칼슘 포스페이트, 하이드록시아파타이트, 칼슘 포스페이트 시멘트, 칼슘 카보네이트, 칼슘 설페이트, 생체 활성 글라스 세라믹, 실리카 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 골 대체용 합성 골.
삭제
제1항에 있어서,
다공성 무기재료의 기공에 충진된 다당류를 추가로 포함하는 골 대체용 합성 골.
제1항에 있어서,
석고 및 NaCl은 각각 100 ㎛ 이하의 입자 상태로 충진되는 것을 특징으로 하는 골 대체용 합성 골.
제1항에 있어서,
NaCl 및 석고의 혼합비는 중량비로서 1:4 내지 1:99인 것을 특징으로 하는 골 대체용 합성 골.
다공성 무기재료와 다공성 무기재료의 기공에 칼슘 설페이트 반수화물(CSH; calcium sulfate hemihydrate)의 입자 상태로 충진된 후 수분과 결합하여 칼슘 설페이트 이수화물(CSD; calcium sulfate dihydrate)로 전환되면서 부피가 팽창되는 석고 및 NaCl을 혼합하여 다공성 무기재료의 기공에 상기 석고 및 NaCl을 충진하는 단계;
상기 석고 및 NaCl이 충진된 다공성 무기재료를 습식 처리하는 단계; 및
습식 처리된 다공성 무기재료를 건조하는 단계를 포함하는 골 대체용 합성 골의 제조방법.