KR101493752B1 - 이중기공 합성골 웨지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 200 내지 450μm 및 0.5 내지 2μm 크기의 기공을 가지는 이중기공 합성골 웨지 및 이의 제조 방법으로, 상기 기공을 통하여 혈관의 유입 및 골세포의 부착이 용이하여 자가골의 재생 능력이 향상되는 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 매크로 및 마이크로 크기의 기공을 가지는 이중기공 합성골 웨지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 정형외과 분야에서 관절염 및 슬관절 손상을 치료하기 위하여 인공관절 시술을 보편적으로 수행하고 있다. 인공관절 시술은 시술이 복잡할 뿐만 아니라 시술 시 많은 양의 자가골을 제거해야 한다. 또한, 예상 수명 주기가 있으므로 인공 슬관절 수술에 의한 슬관절 손상을 치료하는데는 한계가 있다.
이에 반해 근위경골골절술(High Tibial Osteotomy, HTO)은 간단한 골절술을 통하여 정강뼈의 지지각도를 변경하고, 이로 인해 슬관절이 맞물리는 부위를 변경해주어 간단하게 관절염 및 슬관절 손상에 대한 치료를 할 수 있다.
근위경골골절술 시술을 통하여 골절술을 시행한 부위에는 쐐기 모양의 빈 공간이 형성되고, 통상적으로 빈 공간을 비워둔 채 본플레이트로 빈 공간의 아래, 위 부분을 고정하는 시술법이 이용되고 있다. 그러나 이 시술법을 사용하는 경우 비교적 큰 빈 공간이 형성되는 것이므로 골이 재생되는데 매우 긴 시간이 필요하며, 그만큼 환자의 고통에 대한 부담이 늘어나고 완치에 시간이 오래 소요되는 단점이 있다.
이를 보완하기 위하여 현재 쐐기 모양의 합성골 웨지를 사용하고 있으나, 현재 상용화 되어있는 웨지는 대부분 폐기공 구조이거나 부분적으로 개기공 구조를 가지고 있다. 폐기공 구조는 혈관과 골세포가 내부로 유입되기 어려우므로 이식 후에도 이물질로 남아있게 되며, 골융합도 제한적이어서 자가골 점유율이 높지 않은 단점이 있다.
본 발명은 매크로 및 마이크로 크기의 이중 기공 구조를 가지는 개기공 웨지를 사용하여 상기 기공을 통하여 혈관 및 골세포의 유입이 용이한 이중기공 합성골 웨지를 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 근위경골골절술 시술 시 형성되는 빈 공간에 상기 이중기공 합성골 웨지를 넣어 자가골 재생 점유율을 80%까지 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 (1)인산칼슘 분말 및 바인더 수용액을 혼합하여 인산칼슘 페이스트를 제조하는 단계;
(2)폴리우레탄 스펀지를 표면 처리하는 단계;
(3)상기 표면 처리된 폴리우레탄 스펀지를 상기 인산칼슘 페이스트로 코팅하는 단계;
(4)상기 인산칼슘 페이스트로 코팅된 폴리우레탄 스펀지를 건조 및 소성하여 200 내지 450μm 크기의 매크로 기공을 가지는 합성골 웨지를 제조하는 단계;
(5)200 내지 800nm 입자 크기의 인산칼슘 분말 및 바인더 수용액을 혼합하여 인산칼슘 슬러리를 제조하는 단계;
(6)상기 합성골 웨지 표면을 상기 인산칼슘 슬러리로 코팅하는 단계; 및
(7)상기 인산칼슘 슬러리로 코팅된 합성골 웨지를 건조 및 소성하여 0.5 내지 2 μm 크기의 마이크로 기공 및 200 내지 450 μm 크기의 매크로 기공을 가지는 합성골 웨지를 제조하는 단계를 포함하는 이중기공 합성골 웨지의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조 방법으로 제조된 200 내지 450 μm 크기의 매크로 기공 및 0.5 내지 2 μm 크기의 마이크로 기공을 포함하는 이중기공 합성골 웨지를 제공한다.
본 발명의 이중기공 합성골 웨지는 매크로 및 마이크로 크기의 기공을 가지고 있어 매크로 기공으로는 혈관 및 골세포의 유입이 용이하며, 마이크로 기공으로는 혈액 및 체액의 순환이 원활하여 골세포의 성장 및 대사에 유용한 환경을 제공할 수 있어 골세포의 부착을 유리하게 한다.
또한, 본 발명의 이중기공 합성골 웨지는 약 80%의 기공율을 나타내어 상기 기공을 통하여 자가골 재생이 일어나 자가골 재생 점유율을 80%까지 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 이중기공 합성골 웨지는 가로 및 세로에 경사각이 있어 좌측 및 우측 다리에 모두 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 이중기공 합성골 웨지를 나타낸 사진이다.
도 2는 이중기공 합성골 웨지의 매크로 기공을 나타낸 SEM 사진이다.
도 3은 이중기공 합성골 웨지의 마이크로 기공을 나타낸 SEM 사진이다.
도 4의 (a)는 이중기공 합성골 웨지의 서로 연결된 개기공 구조를 나타낸 SEM 사진이고, (b)는 이중기공 합성골 웨지에 골세포가 부착된 것을 나타낸 SEM 사진이다.
도 5의 (a)는 종래의 합성골 웨지의 SEM 사진, (b)는 (a)를 확대한 SEM 사진, (c)는 실시예 1의 이중기공 합성골 웨지의 SEM 사진, (d)는 (c)를 확대한 SEM 사진, (e)는 실시예 2의 이중기공 합성골 웨지의 SEM 사진, (f)는 (e)를 확대한 SEM 사진, (g)는 실시예 3의 이중기공 합성골 웨지의 SEM 사진 및 (h)는 (g)를 확대한 SEM 사진이다.
도 6의 (a)는 실시예 1의 이중기공 합성골 웨지의 마이크로 크기의 기공을 나타낸 SEM 사진, (b)는 실시예 2의 이중기공 합성골 웨지의 마이크로 크기의 기공을 나타낸 SEM 사진 및 (c)는 실시예 3의 이중기공 합성골 웨지의 마이크로 크기의 기공을 나타낸 SEM 사진이다.
도 7은 종래의 합성골 웨지 및 실시예 1 내지 3의 이중기공 합성골 웨지의 시간에 따른 세포 확산을 나타낸 그래프이다.
도 2는 이중기공 합성골 웨지의 매크로 기공을 나타낸 SEM 사진이다.
도 3은 이중기공 합성골 웨지의 마이크로 기공을 나타낸 SEM 사진이다.
도 4의 (a)는 이중기공 합성골 웨지의 서로 연결된 개기공 구조를 나타낸 SEM 사진이고, (b)는 이중기공 합성골 웨지에 골세포가 부착된 것을 나타낸 SEM 사진이다.
도 5의 (a)는 종래의 합성골 웨지의 SEM 사진, (b)는 (a)를 확대한 SEM 사진, (c)는 실시예 1의 이중기공 합성골 웨지의 SEM 사진, (d)는 (c)를 확대한 SEM 사진, (e)는 실시예 2의 이중기공 합성골 웨지의 SEM 사진, (f)는 (e)를 확대한 SEM 사진, (g)는 실시예 3의 이중기공 합성골 웨지의 SEM 사진 및 (h)는 (g)를 확대한 SEM 사진이다.
도 6의 (a)는 실시예 1의 이중기공 합성골 웨지의 마이크로 크기의 기공을 나타낸 SEM 사진, (b)는 실시예 2의 이중기공 합성골 웨지의 마이크로 크기의 기공을 나타낸 SEM 사진 및 (c)는 실시예 3의 이중기공 합성골 웨지의 마이크로 크기의 기공을 나타낸 SEM 사진이다.
도 7은 종래의 합성골 웨지 및 실시예 1 내지 3의 이중기공 합성골 웨지의 시간에 따른 세포 확산을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
본 발명은 이중기공 합성골 웨지의 제조 방법을 제공하며, 제조 방법은 하기와 같다.
(1)인산칼슘 분말 및 바인더 수용액을 혼합하여 인산칼슘 페이스트를 제조하는 단계;
(2)폴리우레탄 스펀지를 표면 처리하는 단계;
(3)상기 표면 처리된 폴리우레탄 스펀지를 상기 인산칼슘 페이스트로 코팅하는 단계;
(4)상기 인산칼슘 페이스트로 코팅된 폴리우레탄 스펀지를 건조 및 소성하여 200 내지 450μm 크기의 매크로 기공을 가지는 합성골 웨지를 제조하는 단계;
(5)200 내지 800nm 입자 크기의 인산칼슘 분말 및 바인더 수용액을 혼합하여 인산칼슘 슬러리를 제조하는 단계;
(6)상기 합성골 웨지 표면을 상기 인산칼슘 슬러리로 코팅하는 단계; 및
(7)상기 인산칼슘 슬러리로 코팅된 합성골 웨지를 건조 및 소성하는 단계를 거쳐 0.5 내지 2 μm 크기의 마이크로 기공 및 200 내지 450 μm 크기의 매크로 기공을 가지는 이중기공 합성골 웨지를 제조할 수 있다.
상기 (1)단계 및 (5)단계의 인산칼슘은 분말은 수산화아파타이트, α-삼인산칼슘, β-삼인산칼슘, 사인산칼슘, 칼슘 메타포스페이트, 칼슘 폴리포스페이트 및 바이오글라스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 수산화아파타이트 및 β-삼인산칼슘을 3:7 내지 7:3으로 혼합하여 제조된 이중상 인산칼슘(BCP, Biphasic Calcium Phosphate)을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (1)단계 및 (5)단계의 바인더 수용액은 PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 셀룰로오스계 바인더 수용액이 사용되며, 바람직하게는 PVA 바인더 수용액이 사용된다.
상기 (1)단계에서 인산칼슘 분말 및 바인더 수용액은 1:0.5 내지 1:3의 중량 비율로 혼합하여 인산칼슘 페이스트를 제조하는 것이 바람직하며, 상기 (2)단계에서 사용하는 폴리우레탄 스펀지는 40 내지 80 ppi의 기공 크기를 가지며, 염기성 수용액에 담가 초음파로 표면 처리한다. 그 후 상기 (3)단계에서 표면 처리된 폴리우레탄 스펀지에 인산칼슘 페이스트를 내부로 침투시켜 코팅하며, 상기 (4)단계에서 건조 및 1100 내지 1250 ℃의 온도로 소성하여 200 내지 450μm 크기의 매크로 기공을 가지는 합성골 웨지를 제조할 수 있다.
또한, 상기 (5)단계에서 200 내지 800nm 입자 크기의 인산칼슘 분말 및 바인더 수용액은 1:0.5 내지 1:8의 중량 비율로 혼합하여 인산칼슘 슬러리를 제조하며, 바람직하게는 1:5 내지 1:6의 중량 비율이다. 상기 (6)단계에서는 상기 (4)단계에서 제조된 200 내지 450μm 크기의 매크로 기공을 가지는 합성골 웨지를 인산칼슘 슬러리에 담근 후 꺼내어 압축 공기로 불어내어 잉여 인산칼슘 슬러리를 제거하여 얇고 균일하게 코팅된 합성골 웨지를 얻으며, 상기 (7)단계에서 합성골 웨지를 건조 및 1100 내지 1250 ℃의 온도로 소성하여 0.5 내지 2 μm 크기의 마이크로 기공을 가지는 합성골 웨지를 얻을 수 있다.
따라서, 상기 제조방법으로 제조된 합성골 웨지는 200 내지 450 μm 크기의 매크로 기공 및 0.5 내지 2 μm 크기의 마이크로 기공을 가지는 것이 특징인 이중기공 합성골 웨지이다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 200 내지 450 μm 크기의 매크로 기공 및 0.5 내지 2 μm 크기의 마이크로 기공을 포함하는 이중기공 합성골 웨지에 관한 것이다.
상기 매크로 기공으로 혈관이 성장하여 들어가며, 골세포도 안으로 이동할 수 있다. 또한, 기존의 합성골 웨지는 표면이 매끈하여 골세포의 부착이 어려웠던 반면, 본 발명의 이중기공 합성골 웨지는 표면에 마이크로 기공이 있어 골세포의 부착이 매우 유리한 구조를 가지고 있으며, 상기 마이크로 기공을 통해 혈액 및 체액의 순환이 용이하여 웨지 내부 및 외부에서 동시에 자가골이 재생될 수 있다.
본 발명의 이중기공 합성골 웨지는 60 내지 80%의 기공율을 가지고 있으며, 상기 기공의 외부 및 내부에서 자가골 재생이 일어나므로 60 내지 80%의 자가골이 재생될 수 있다. 또한, 높은 기공율에도 불구하고 5Mpa의 압력을 견딜 수 있을 정도로 단단한 구조를 지니고 있다.
또한, 상기 이중기공 합성골 웨지는 가로 6 내지 14° 및 세로 6 내지 14°의 경사각을 지니고 있어 좌측 및 우측 다리에 모두 적용 가능한 것이 특징이다.
따라서, 종래의 합성골 웨지보다 매우 높은 자가골 재생 점유율을 보이며, 높은 기공율에도 불구하고 단단한 구조를 지니고 있으며, 양쪽 다리 모두 사용할 수 있으므로 본 발명의 이중기공 합성골 웨지는 근위경골골절술(High Tibial Osteotomy, HTO)에 사용될 수 있는 매우 적합한 합성골 웨지라고 할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 제한되는 것은 아니다.
실시예
1. 이중기공
합성골
웨지의
제조
수산화아파타이트와 β-삼인산칼슘을 6:4의 비율로 혼합하여 이중상 인산칼슘(BCP, Biphasic Calcium Phosphate) 분말을 제조하였다. 상기 BCP 분말과 2%의 PVA 바인더 수용액을 1.5:1의 중량비로 혼합하여 교반하여 BCP 페이스트를 제조하였다.
60ppi의 기공 크기를 가지는 폴리우레탄 스펀지를 2% 수산화 나트륨 수용액에 담근 뒤 초음파로 10분간 표면 처리한 후 흐르는 물에 세척하여 60℃에서 건조하였다. 그 후 표면 처리된 폴리우레탄 스펀지를 BCP 페이스트에 담근 후 막대로 롤링하여 BCP 페이스트를 스펀지 내부로 침투시켜 코팅하고, 롤러에 통과하여 남은 BCP 페이스트를 제거하였다.
BCP 페이스트로 균일하게 코팅된 폴리우레탄 스펀지를 상온에서 24시간 동안 건조한 후 5℃/분의 속도로 승온하여 1200℃에서 3시간 동안 소성하여 200 내지 450μm 크기의 기공을 가지는 합성골 웨지를 제조하였다.
600 내지 800nm 입자 크기의 BCP 분말을 2% PVA 바인더 수용액과 1:2의 중량비로 혼합하여 초음파 수조에서 분산시켜 BCP 슬러리를 제조하였다. 상기에서 제조된 200 내지 450μm의 크기의 매크로 기공을 가지는 합성골 웨지를 BCP 슬러리에 담근 후 꺼내어 건조 압축 공기를 불어 잔여 BCP 슬러리를 제거하여 BCP 슬러리로 균일하게 코팅된 합성골 웨지를 제조하였다. 그 후 상온에서 6시간 이상 건조한 후 5℃/분의 승온 속도로 승온하여 1200℃에서 2시간 동안 열처리 하여 0.5 내지 2μm의 마이크로 기공 및 200 내지 450μm의 기공 크기를 가지는 이중기공 합성골 웨지를 제조하였다.
실시예
2.
600 내지 800nm 입자크기의 BCP 분말을 2% PVA 바인더 수용액과 1:3의 중량비로 혼합하여 BCP 슬러리를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이중기공 합성골 웨지를 제조하였다.
실시예
3.
600 내지 800nm 입자크기의 BCP 분말을 2% PVA 바인더 수용액과 1:6의 중량비로 혼합하여 BCP 슬러리를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이중기공 합성골 웨지를 제조하였다.
실험예
1.
실시예
1 내지 3의 이중기공
합성골
웨지의
골세포 부착 거동
상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 이중기공 합성골 웨지의 골세포 부착 거동을 관찰하였다.
종래의 합성골 웨지는 표면이 매끄러운 반면, 실시예 1 내지 3의 이중기공 합성골 웨지의 표면은 마이크로 크기의 기공으로 인하여 표면이 매끄럽지 않은 것으로 관찰 되었다(도 5).
또한, 상기 실시예 1 내지 3의 이중기공 합성골 웨지를 5000배로 확대하여 관찰한 결과, BCP 슬러리 제조시 PVA 바인더 수용액의 중량비가 높을수록 마이크로 크기의 기공이 더 많이 생성되는 것을 확인하였다(도 6).
기공이 많을수록 세포부착이 많이 일어나는 것이므로, 기공에 따른 자가골 재생 능력을 알아보기 위하여 종래의 합성골 웨지 및 상기 실시예 1 내지 3의 이중기공 합성골 웨지를 사용하여 7일 동안 세포를 배양하여 기공에 따른 세포부착능력을 확인하였다. 종래의 합성골 웨지는 시간이 지나도 골세포의 확산은 차이가 없었지만, 실시예 1 내지 3의 이중기공 합성골 웨지는 시간이 지남에 따라 골세포의 확산이 일어났으며, 특히 BCP 슬러리의 농도(BCP 분말:PVA 바인더 수용액 1:6)가 가장 묽은 실시예 3에서 가장 높은 골세포 확산을 보였다(도 7).
따라서, 상기 결과를 통하여 BCP 슬러리의 농도가 낮을수록 이중기공 합성골 웨지의 기공이 많이 형성되며, 그에 따라 표면이 울퉁불퉁하게 제조되어 골세포의 부착이 용이한 환경을 제공할 수 있어 자가골 재생 능력이 높아 진다는 것을 확인할 수 있었다.
Claims (11)
- (1)인산칼슘 분말 및 바인더 수용액을 혼합하여 인산칼슘 페이스트를 제조하는 단계;
(2)폴리우레탄 스펀지를 표면 처리하는 단계;
(3)상기 표면 처리된 폴리우레탄 스펀지를 상기 인산칼슘 페이스트로 코팅하는 단계;
(4)상기 인산칼슘 페이스트로 코팅된 폴리우레탄 스펀지를 건조 및 소성하여 200 내지 450μm 크기의 매크로 기공을 가지는 합성골 웨지를 제조하는 단계;
(5)200 내지 800nm 입자 크기의 인산칼슘 분말 및 바인더 수용액을 혼합하여 인산칼슘 슬러리를 제조하는 단계;
(6)상기 합성골 웨지 표면을 상기 인산칼슘 슬러리로 코팅하는 단계; 및
(7)상기 인산칼슘 슬러리로 코팅된 합성골 웨지를 건조 및 소성하여 0.5 내지 2 μm 크기의 마이크로 기공 및 200 내지 450 μm 크기의 매크로 기공을 가지는 합성골 웨지를 제조하는 단계를 포함하는 이중기공 합성골 웨지의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 (1)단계 및 (5)단계의 인산칼슘 분말은 수산화아파타이트, α-삼인산칼슘, β-삼인산칼슘, 사인산칼슘, 칼슘 메타포스페이트, 칼슘 폴리포스페이트 및 바이오글라스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지의 제조 방법.
- 청구항 2에 있어서, 상기 인산칼슘 분말은 수산화아파타이트 및 β-삼인산칼슘을 3:7 내지 7:3의 중량비로 혼합한 이중상 인산칼슘인 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 (1)단계 및 (5)단계의 바인더 수용액은 PVA 바인더 수용액 또는 셀룰로오스계 바인더 수용액인 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 폴리우레탄 스펀지는 40 내지 80 ppi의 기공 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 (5)단계의 200 내지 800nm 입자 크기의 인산칼슘 분말 및 바인더 수용액은 1:0.5 내지 1:8의 중량비로 혼합한 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 (4)단계 및 (7)단계의 소성온도는 1100 내지 1250 ℃인 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지의 제조 방법.
- 청구항 1의 제조 방법으로 제조된 200 내지 450 μm 크기의 매크로 기공 및 0.5 내지 2 μm 크기의 마이크로 기공을 포함하는 이중기공 합성골 웨지.
- 청구항 8에 있어서, 상기 이중기공 합성골 웨지는 60 내지 80%의 기공율을 가지는 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지.
- 청구항 8에 있어서, 상기 이중기공 합성골 웨지는 가로 6 내지 14° 및 세로 6 내지 14° 의 경사각을 가지는 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지.
- 청구항 8에 있어서, 상기 이중기공 합성골 웨지는 한 개의 이중기공 합성골 웨지로 좌측 및 우측 다리에 모두 적용 가능한 것을 특징으로 하는 이중기공 합성골 웨지.
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