KR101517691B1 - 인산칼슘 세라믹 다공체 제조방법 - Google Patents

인산칼슘 세라믹 다공체 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 칼슘과 인이 포함된 혼합물 및 기공형성제를 건식 혼합하는 단계; 상기 혼합된 건식 혼합물에 바인더를 첨가시켜 혼련하는 단계; 상기 혼련된 혼합물을 숙성하는 단계; 상기 숙성된 혼합물을 압출기에 장입 후 압력을 가하여 고상압출하는 단계; 상기 고상압출된 압출물을 건조하는 단계; 상기 건조된 건조물을 소결하는 단계; 및 염산, 수산화나트륨 및 질산으로 이루어진 군에서 선택된 에칭용액에 상기 소결된 소결체를 담지하여 에칭하는 단계를 포함하는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법을 제공한다.
따라서 골대체제로 사용 시 생분해가 일어나도 일정기간 동안 기계적 강도를 유지하는 특성을 지니면서 높은 기공률 및 기공의 크기, 삼차원적으로 잘 연결된 기공의 형상을 갖는 다공성 골 대체물을 용이하게 제작할 수 있다. 특히 다공체의 골격 조직을 치밀하게 하고, 다공체 기공의 상호연결성을 증가시키면서도 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.

Description

인산칼슘 세라믹 다공체 제조방법{Fabrication method of Porous Calcium Phosphate Ceramics}
본 발명은 골대체제로 사용할 수 있는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공체 기공의 상호연결성을 증가시키면서도 기계적 강도를 향상시킨 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법에 관한 것이다.
삼차원적으로 잘 연결된 기공을 가진 망목구조와 우수한 생체적합성을 지니고 있는 인산칼슘계 다공성 생체세라믹스는 골세포의 증식과 분화를 촉진할 수 있어 현재 골 대체물질로 주목을 받고 있다. 정형외과와 구강외과 영역에서 골 결손 치료를 위하여 자가 해면골의 사용이 가장 좋다고 일반적으로 알려져 있지만 자가골의 채취 가능 영역 및 양의 제한과 채취 부위의 염증발생 등의 문제로 인하여 극히 제한적으로 시술되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 일부 소 뼈를 처리하여 제조된 이종골 대체물을 사용하여 시술하고 있지만 대량생산이 어렵고 면역학적인 문제의 위험성을 지니고 있다. 이러한 자가골 및 이종골 대체물의 문제를 해결하기 위하여 인공합성골 대체물질의 개발 및 임상적용이 많이 시도되고 있다.
일반적으로 인공골 대체물은 생체적합성이 우수하여야 하며 주위의 뼈 조직이 잘 자라 들어갈 수 있도록 다공성 구조를 지니고 있어야 한다고 알려져 있다. 즉, 골 대체물의 물질은 뼈와 동일한 성분으로 수산화아파타이트(HAp), 삼인산칼슘(β-TCP) 등 인산칼슘계 세라믹 광물로 이루어져 있으며, 구조적으로 3차원적으로 연결된 다공체 재료가 요구되고 있다. 골 대체물은 위에서 언급한 특성뿐만 아니라 재생 골의 성장 속도와 대체물질의 생분해 속도를 일치시키는 것도 중요한 요소이다. 즉, 주변의 골조직이 성장해 들어갈 때 골 대체물 또는 지지체는 생분해가 일어나도 일정기간 동안 기계적 강도를 유지하는 특성을 보유해야 하는데, 이와 함께 기공률 및 기공의 크기, 형상, 그리고 연결성을 제어 할 수 있는 방법이 다양하게 시도되고 있다.
현재까지 다공성의 재료를 구현하기 위하여 템플레이팅법(templating), 스펀지법(sponge method), 발포법(foaming), 동결건조법 (freeze-drying), 겔 캐스팅주입법(gel-casting), 래피드 프로토타이핑법(rapid-prototyping), 필터 프레싱법(fillter-pressing), 압출법(extrusion) 등이 사용되어 왔다. 그 외에도 분무 건조한 구형의 입자를 몰드(mold)에 충진하고 바인더(binder)를 침투시켜 성형하고 고정하여 소결을 거쳐 다공체를 만드는 무가압분말충전성형법, PMMA비드를 웜프레싱(warm-pressing)하여 템플레이트를 만들고 내부로 졸(sol)을 침투시키고 중합반응을 일으켜 성형하여 다공체를 구현하는 방법, 그리고 슬러리(slurry)를 만들고 이것을 전자레인지를 이용하여 내부에 있는 물 분자를 급속히 기화시켜서 다공체를 제조하는 방법 등도 소개되었다.
대한민국 특허공개공보 제2012-0099058호는 가공된 다공도를 갖는 동적 생체활성 골 이식재에 관한 것으로서, 하나의 양태에서, 목적하는 이식형상으로 성형 가능한 다공성 매트릭스에 배열된 생체활성 유리 섬유를 갖는 골 이식재가 제공된다. 상기 이식재는 실질적으로 첨가제가 부재하고, 하나 이상의 나노섬유를 포함할 수 있다. 다공성 매트릭스는 나노기공, 매크로기공, 메소기공 및 마이크로기공을 포함하는 하나 이상의 기공 크기의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 양태에서, 복수의 오버랩핑 및 인터록킹 생체활성 유리 섬유를 포함하는 매트릭스를 갖고, 생체활성 유리 섬유에 제공된 기공의 범위를 기준으로 하여 분포된 다공도를 갖는 골 이식재가 제공된다. 분포된 다공도는 매크로기공들, 메소기공들 및 마이크로기공들의 조합을 포함할 수 있고, 매트릭스는 환자에게 이식하기 위한 목적하는 형상으로 형성 가능할 수 있다.
그런데, 상기와 같은 종래의 템플레이팅법은 제조하기 어려운 형태의 나노 구조물을 간단하고 저렴한 비용으로 제작할 수는 있지만, 연속적인 제조 과정 시 결함이 없는 일정한 구조물을 양산하기 어렵다. 또한 스펀지법은 좋은 기공구조를 가진 세라믹을 만들 수 있지만 압축강도가 낮아 강도를 높이기 위한 공정이 추가로 필요하다. 동결건조법은 큰 기공을 형성하는데 어려움이 따르는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 압출법을 통하여 다공체의 골격 조직을 치밀하게 하고, 다공체 기공의 상호연결성과 기계적 강도를 증가시킬 수 있는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 칼슘과 인이 포함된 혼합물 및 기공형성제를 건식 혼합하는 단계; 상기 혼합된 건식 혼합물에 바인더를 첨가시켜 혼련하는 단계; 상기 혼련된 혼합물을 숙성하는 단계;상기 숙성된 혼합물을 압출기에 장입 후 압력을 가하여 고상압출하는 단계; 상기 고상압출된 압출체를 건조하는 단계; 상기 건조된 건조물을 소결하는 단계; 및 염산, 수산화나트륨 및 질산으로 이루어진 군에서 선택된 에칭용액에 상기 소결된 소결체를 담지하여 에칭하는 단계를 포함하는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법을 제공한다.
또한 상기 칼슘과 인이 포함된 혼합물은, 탄산 칼슘(calcium carbonate), 디칼슘 포스페이트 안하이드러스(Dicalcium phosphate anhydrous), 옥타칼슘 포스페이트(Octacalcium phosphate), 테트라칼슘 포스페이트(Tetracalcium phosphate), 모노칼슘 포스페이트 모노하이드레이트(Monocalcium phosphate monohydrate), 이인산 칼슘(dicalcium phosphate dehydrate, DCPD, CaHPO4·2H2O) 및 수산화칼슘으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 혼합한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 건식 혼합하는 단계에서, 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite, HA) 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 건식 혼합하는 단계에서, 이인산 칼슘과 수산화칼슘의 혼합 시 Ca/P 몰비는 1.5 내지 2인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 이인산 칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 100 중량%에 대하여 하이드록시아파타이트 분말을 50중량% 내지 200중량% 추가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 기공형성제는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 바인더는 메틸셀룰로오스, 녹말 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 윤활제는 올리브오일, 폴리에틸렌글리콜 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 고상압출된 압출물을 건조하는 단계는, 상기 고상압출된 압출물을 40 내지 70℃에서 18 내지 36 시간 동안 상대습도 70%에서 30%까지 건조하고, 90 내지 120℃에서 12 내지 48 시간 동안 건조하여 수분을 완전히 증발시키는 과정을 포함을 포함할 수 있다.
또한 상기 건조된 건조물을 소결하는 단계는, 상기 건조물을 400℃ 까지 0.5℃/min으로 승온시키고, 다시 700℃ 까지 1℃/min으로 승온시키며, 1250℃ 까지 5℃/min으로 승온시켜 소결시킨 이후, 4 내지 7시간 동안 유지시키고 노냉하는 과정을 포함을 포함할 수 있다.
또한 상기 에칭용액은, 0.01내지 1N 염산, 5내지 36 부피% 염산, 1 내지 20N 수산화나트륨 및 1 내지 71부피% 질산의 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명 따른 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법에 의하면, 생분해가 일어나도 일정기간 동안 기계적 강도를 유지하는 특성을 지니면서 높은 기공률 및 기공의 크기, 삼차원적으로 잘 연결된 기공의 형상을 갖는 다공성 골 대체물을 용이하게 제작할 수 있다. 특히 다공체의 골격 조직을 치밀하게 하고, 다공체 기공의 상호연결성을 증가시키면서도 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하소된 이인산 칼슘, 수산화칼슘 및 HA의 SEM 이미지,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기공형성제인 PMMA 비드의 SEM 이미지,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소결된 인산칼슘 다공체의 미세구조에 대한 SEM 이미지,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인산칼슘 세라믹 다공체 시료의 XRD패턴을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에에 따른 인산칼슘 세라믹 다공체 시료의 결정상을 리트벨트(Rietveld) 분석법을 이용하여 HA와 TCP양을 정량분석한 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인산칼슘 세라믹 다공체의 에칭 처리 후의 SEM 이미지[(a) 에칭처리 없음, (b) 0.1N HCl 4분간 에칭, (c) 5N NaOH 4분간 에칭, (d) 85% H3PO4 4분간 에칭, (e) 36% HCl 15초간 에칭, (f) 71% HNO3 15초간 에칭]
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인산칼슘 세라믹 다공체를 수산화나트륨으로 에칭 처리한 후의 SEM 이미지이다.
본 발명은 골다공체로 사용될 수 있는 인산칼슘 세라믹을 압출법으로 성형하여 생분해가 일어나도 일정기간 동안 기계적 강도를 유지하는 특성을 지니면서 높은 기공률 및 기공의 크기, 삼차원적으로 잘 연결된 기공의 형상을 갖는 다공성 골 대체물을 용이하게 제작할 수 있다. 특히 인산 이칼슘 이수화물(dicalcium phosphate dihydrate, DCPD, CaHPO4·2H2O) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 고상반응을 통하여 뼈대 부위에 미세기공을 만들며 기공형성제를 사용하여 형성된 미세기공을 상호 연결시켜 다양한 크기가 혼재된 인산칼슘 세라믹 다공체를 제조할 수 있다.
또한 염산, 수산화나트륨 및 질산으로 이루어진 군에서 선택된 에칭용액을 특정 농도로 사용하여 인산칼슘 세라믹 다공체의 기공률과 기공간 상호연결성을 크게 증가시켰다.
이하 본 발명을 구체적 실시 형태를 통하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인산 이칼슘 이수화물, 수산화칼슘, 및 기공형성제를 건식 혼합하는 단계; 상기 혼합된 건식 혼합물에 바인더를 첨가시켜 혼련하는 단계; 상기 혼련된 혼합물을 숙성하는 단계; 상기 숙성된 혼합물을 압출기에 장입 후 압력을 가하여 고상압출하는 단계; 상기 고상압출된 압출체를 40 내지 70 ℃에서 18 내지 36시간 동안 상대습도 70%에서 30%까지 건조하고, 90 내지 120 ℃에서 12 내지 48시간 동안 건조하는 단계; 및 1 내지 20N 수산화나트륨인 에칭용액에 상기 소결된 소결체를 담지하여 에칭하는 단계를 포함하는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법을 제공한다.
또한 상기 건식 혼합하는 단계에서, 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite, HA) 분말이 추가로 혼합될 수 있다.
여기서 인산 이칼슘 이수화물과 수산화칼슘의 혼합 시 Ca/P 몰비는 1.5 내지 2이며, 상기 인산 이칼슘 이수화물과 수산화칼슘의 혼합물 100 중량%에 대하여 하이드록시아파타이트 분말을 50 중량% 내지 200 중량% 추가되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 인산 이칼슘 이수화물과 수산화칼슘의 상기 Ca/P 몰비를 맞추기 위하여 상기 혼합물 100중량%에 대하여 인산 이칼슘 이수화물은 70 내지 80 중량%이고, 수산화칼슘은 20 내지 30 중량%로 할 수 있다.
HA는 소결 특성을 향상시키고, 최종 소결체의 HA와 TCP(tricalcium phosphate; Ca3(PO4)2) 상의 비율을 조절하여 포함되는 HA 함량이 많을수록 밀도 및 강도가 증가한다. 한편 HA 첨가량이 감소할수록 인산칼슘 세라믹 다공체의 생분해 정도는 증가하나, HA 첨가량이 증가될수록 골대체물로 사용하기 위한 생분해성이 감소한다.
따라서 본 발명에서 HA의 함량은 소결 특성을 향상시키면서도 생분해성이 유지될 수 있도록 조절되었다.
또한 상기 기공형성제는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비드는 직경이 10 내지 1000μm인 당업계에서 기공 형성을 위하여 사용되는 통상의 비드를 사용할 수 있으나 바람직하게는 평균 175μm인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드를 사용할 수 있다.
상기 비드의 사용으로 인해 큰 기공을 가지는 인산칼슘 세라믹 다공체를 제조할 수 있다.
상기 바인더는 메틸셀룰로오스(methyl cellulose), 녹말 및 이들의 혼합인 것을 특징으로 할 수 있다. 메틸셀룰로오스는 및 녹말은 상기 건식 혼합물의 성형성을 증가시킨다. 또한 압출기에서 원활한 압출을 위하여 윤활제가 추가로 혼합될 수 있다.
상기 윤활제로는 올리브 오일, 폴리에틸렌글리콜 또는 이들의 혼합물일 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 이 때 상기 윤활제는 상기 건식 혼합물 100중량% 대비 5 내지 20 중량%로 포함될 수 있다.
상기 건식 혼합물을 혼련하는 단계는 상기 건식 혼합물이 반죽 형태의 전구체가 형성될 때까지 수행할 수 있으며, 이후 진공으로 포장되어 상온에서 24시간 동안 숙성시킬 수 있다.
이후 상기 숙성된 혼합물을 압출기에 장입 후 압력을 가하여 고상압출을 수행한다.
상기 압출기는 스크류 형태의 압출기를 사용할 수 있으며, 이때 압력은 1 내지 10 MPa 또는 4 내지 6 MPa의 범위 내에서 일정하게 유지되며 압출이 수행된다.
상기 압출기를 사용하여 균일한 압력으로 압출 공정이 수행되면, 피스톤으로 압출 공정이 이루어지는 경우에 비해 강도 및 밀도가 우수한 골 대체물이 균일하게 반복적으로 제조될 수 있다.
상기 압출체는 와이어 컷(Wire cut)을 이용하여 로드(Rod) 형상으로 제조될 수 있으며, 이후 상기 압출체를 건조하는 단계가 수행된다.
상기 건조하는 단계는 상기 고상압출된 압출체를 40 내지 70℃에서 18 내지 36시간 동안 상대습도 70%에서 30%까지 건조하고, 90 내지 120℃에서 12 내지 48시간 동안 건조하여 수분을 완전히 증발시키는 과정을 포함을 포함할 수 있다.
상기와 같은 과정을 거치는 경우에는 상기 압출체의 균열(Crack)을 방지할 수 있다.
상기 건조된 건조물을 소결하는 단계는 상기 건조물을 400℃까지 0.5℃/min 으로 승온시키고, 다시 700℃까지 1℃/min으로 승온시키며, 1250℃까지 5℃/min 으로 승온시켜 소결시킨 이후, 4 내지 7시간 동안 유지시키고 노냉(Furnace-cooling)하는 과정을 포함할 수 있다.
상기와 같은 과정을 거치는 경우에는 상기 건조물의 균열을 방지할 수 있으며, 또한 소결과정에서 700℃까지 승온시키는 경우 탈지공정(De-binding)으로 인하여 상기 바인더 성분을 제거할 수 있다.
상기 염산, 수산화나트륨 및 질산으로 이루어진 군에서 선택된 에칭용액에 상기 소결된 소결체를 담지하여 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 0.01 내지 1N 염산, 5 내지 36부피% 염산, 1내지 20N 수산화나트륨 및 1내지 71부피% 질산의 군에서 선택된 어느 하나 인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 범위에서 소결체를 에칭하는 경우 기공률이 증가되어 기계적 강도를 증가시킬 수 있으나, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 기계적 강도가 심각하게 감소되는 문제점이 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
< 실시예 1> 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조
출발물질로 인산 이칼슘 이수화물(dicalcium phosphate dihydrate, CaHPO4·2H2O), 수산화칼슘(calcium hydroxide(Ca(OH)2) 및 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, 이하 “HA")를 사용하였고, 기공형성제로 PMMA(poly-methyl methacrylate) 비드(Bead)를 사용하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하소된 인산 이칼슘 이수화물, 수산화칼슘 및 HA의 SEM 이미지이다. 인산 이칼슘 이수화물은 비교적 큰 판상 형태를 가지고 있으므로 600℃에서 하소시킨 후 분쇄하였다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기공형성제인 PMMA 비드의 SEM 이미지이다. PMMA 비드의 평균직경은 175μm이였다.
인산 이칼슘 이수화물 및 수산화칼슘의 Ca/P 비를 1.5로 맞추기 위하여 인산 이칼슘 이수화물 100g과 수산화칼슘 30.07g을 건식 혼합하였다.
상기 건식 혼합하는 단계는 HA/TCP 광물의 비율을 조절하기 위하여 하이드록시아파타이트를 상기 인산 이칼슘 이수화물과 수산화칼슘의 혼합물에 100중량% 대비 하이드록시아파타이트 분말을 50 중량% 내지 200중량% 추가하며 비교하였다.
이때 상기 건식 혼합물을 균질하게 혼합하기 위하여 볼밀링(Ball-milling)하였고, 장시간 볼밀링 하는 동안 발생하는 오염을 막기 위하여 날진 병(Nalgene bottle)에 넣고 이산화 지르코늄 볼(ZrO2 Ball)을 사용하여 4시간 동안 볼밀링을 수행하였다.
상기 건식혼합물을 회전식 증발농축기를 이용하여 건조하였고, 마노유발을 사용하여 다시 분쇄하였다. 이후에는 PMMA를 70 부피% 로 첨가하고 혼합기로 혼합하였다.
상기 건식혼합물의 성형성을 증가시키기 위해 바인더를 첨가하여 혼련(kneading)하였다. 상기 바인더로 메틸셀룰로오스 및 녹말의 혼합물을 사용하였으며, 압출기에서 원활한 압출을 위하여 윤활제로 올리브 오일을 첨하가여 혼련하였다. 상기 혼합물은 진공포장기로 포장하여 수분의 증발을 막으면서 윤활제를 골고루 분포시키기 위하여 상온에서 하루 동안 숙성(aging) 시켰다.
숙성된 혼합물은 반죽형태이며, 상기 혼합물의 일정량 스크류 타입 압출기(Screw type extruder)에 장입 후 압력을 가하여 고상압출하였다. 압출물은 로드 형상으로 제조하였으며, 와이어 컷팅을 이용하여 블록으로 제조하였다.
상기 고상압출된 60℃에서 하루 동안 상대습도 70%에서 30%까지 건조하고, 100℃에서 하루 동안 건조하여 수분을 완전히 증발시켰다. 상기 압출물은 균열(crack)을 막기 위하여 400℃ 까지 0.5℃/min으로 승온시키고, 다시 700℃ 까지 1℃/min으로 승온시키며, 1250℃ 까지 5℃/min으로 승온시켜 소결시킨 이후, 5시간 동안 유지시키고 노냉하여 소결체를 완성하였다.
< 실시예 2> 화학적 처리를 통한 에칭
상기 소결체의 기공률과 상호 연결성을 향상시키기 위하여 염산, 수산화나트륨 및 질산으로 이루어진 군에서 선택된 에칭용액에 상기 소결된 소결체를 담지하여 에칭을 실시하였다.
우선 소결체 표면을 실리콘 카바이드 연마지(SiC abrasive paper, 지립 #2000)으로 연마하였다. 상기 소결체의 에칭을 위하여 원심관(Centrifuge tube)에 에칭용액을 채우고 상기 소결체를 투입하여 세이킹인큐베이터(Shaking incubator)를 사용하여 속도와 시간을 조절하며 에칭을 수행하였다.
사용한 에칭용액은 0.1N HCl, 36부피% HCl, 5N NaOH, 71부피% HNO3 그리고 비교예로 85부피% H3PO4를 사용하였으며, 속도는 모두 300rpm으로 동일하게 유지하고 시간은 36부피% HCl, 71부피% HNO3는 15초간, 나머지는 4분간 처리하였다. 에칭 후, 다공체 내에 잔류화학용액을 제거하기 위하여 초음파세척기에서 에탄올과 증류수로 각각 10분씩 세척하였다.
< 실험예 1> 인산칼슘 세라믹 다공체의 물성 검토
구리를 타겟으로 하여 40kV 및 30mA에서 x-선 회절분석기(X’pert MPD-PRO, Panalytical Japan)를 사용하여 결정상의 분포를 확인하였고, 자동 모드에서 X’pert highscore plus program을 사용하여 정량화하였다.
전자현미경(SEM, S-4200, Hitach, japan)으로 기공의 구조 크기, 분포 등의 미세조직을 관찰하였다. 소결체의 압축강도는 압출방향과 평행한 방향으로 힘을 가하여 측정하였고, 500kgf 로드 셀(load cell)을 가진 만능시험기를 사용하여 분당 0.5mm의 속도로 측정하였다.
소결체의 부피와 무게를 측정하여 겉보기 밀도를 계산하였고, 리트벨트(Rietveld) 분석법을 이용하여 결정상 분율을 계산하여 이론 밀도를 구하였다. 소결체의 압축강도는 압출방향과 평행한 방향으로 힘을 가하여 측정하였고, 500kgf 로드 셀을 가진 만능시험기를 사용하여 분당 0.5mm의 속도로 측정하였다.
표 1은 상기 건식 혼합하는 단계는 HA/TCP 광물의 비율을 조절하기 위하여 하이드록시아파타이트를 추가한 건식혼합물의 조성을 나타낸 표이다.
조성(Composition) DCPD (g) Ca(OH)2(g) HA(g) PMMA(g) H2O(ml) MV(g) 녹말(Starch) 오일(ml)
H0D100 100 30.07 0

70vol%

72vol%

15wt%

5wt%

10wt%
H50D100 100 30.07 50
H100D100 100 30.07 100
H100D50 100 30.07 200
F100D0 0 0 100
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소결된 인산칼슘 다공체의 미세구조에 대한 SEM 이미지이다. 모든 조성의 다공체에서 PMMA 비드가 균질하게 분포되어 소결 후 매크로(Macro) 크기의 균질한 기공이 생성되었음을 알 수 있었다. H100D0 조성의 시료는 오로지 PMMA에 의해서만 매크로 기공이 형성되었으나, 다른 4가지 조성의 시편인 경우에는 매크로 기공 외에 골격(Strut) 부분에 마이크로(Micro) 크기의 기공이 추가로 형성되었음을 확인할 수 있었다. 이것은 비교예인 H100D0 조성을 제외하고 나머지 조성에 모두 첨가된 인산 이칼슘 이수화물과 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 고상반응에 의하여 생성된 것으로 생각된다.
조성(Composition) 수축률(Shrinkage,%) 기공률(Porosity,%) 압축강도(Compressive strength, MPa) 평균 기공크기(Average pore size, ㎛)
H0D100 17.95±1.35 79.52±1.20 6.87±0.31 160.52±5.03
H50D100 18.53±1.24 79.04±0.98 7.78±0.29 157.33±3.11
H100D100 19.95±1.01 74.64±0.74 8.01±0.87 152.55±4.25
H100D50 24.11±0.98 67.05±1.11 8.62±0.45 147.23±4.11
H100D0 27.18±1.11 62.12±0.88 - 140.87±3.28
표 2는 소결된 인산칼슘 세라믹 다공체의 수축률(Shrinkage), 기공률(Porosity), 압축강도(Compressive strength) 그리고 평균 기공크기(Average pore size)를 나타낸 것이다.
HA의 첨가량이 많아질수록 수축률과 압축강도가 증가하였으며, 기공률과 평균 기공크기는 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 HA의 첨가가 소결성을 향상 시켰으나, HA가 상기 건식혼합물 대비100 중량%인 H100D0 시편의 경우 내부에 균열이 발생하여 매우 낮은 압축강도를 나타내었다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인산칼슘 세라믹 다공체 시료의 XRD 패턴을 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인산칼슘 세라믹 다공체 시료의 결정상을 리트벨트(Rietveld) 분석법을 이용하여 HA와 TCP양을 정량분석한 그래프이다.
소결체의 HA/TCP 비율이 HA첨가량에 따라 선형적으로 변함을 알 수 있었다. 이러한 선형적인 비율의 변화를 토대로 출발물질의 HA양을 조절해 원하는 HA/TCP 비율을 갖는 다공성소결체를 얻을 수 있을 것이라 예상된다.
상기 건식혼합물에 HA의 첨가량에 따라 상기 건식혼합물 100중량% 대비 소결체의 HA의 상은 약 7.2중량%(H0D100)에서 100중량%(H100D0)로 증가하였으며, TCP의 상은 약 92.8중량% (H0D100)에서 0중량%(H100D0)로 감소하였다. 따라서 TCP의 상이 제일 많은 H0D100이 생분해성이 가장 높으며, H100D0은 생분해성이 가장 낮을 것으로 예상된다. 일반적으로 알려진 이상성인산칼슘(biphasic calcium phosphate,BCP)의 최적조건인 HA : TCP = 6 : 4 는 시편 H100D100이 가장 비슷하였고, 이 조성은 골대체물로 사용되기에 적합한 생분해성을 가지는 것으로 예상된다.
또한 HA의 첨가량 조절에 의해 본 발명의 다공성 골 대체물의 생분해성이 조절될 수 있음을 알 수 있었다.
< 실험예 2> 다공체 기공의 상호연결성 및 기계적강도 향상
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인산칼슘 세라믹 다공체의 에칭 처리 후의 SEM 이미지이다. 표 3은 인산칼슘 세라믹 다공체의 에칭 처리 후의 특성을 나타낸 표이다.
에천트(Etchant) 에칭 조건 무게 변화(Wt. change,%) 기공률(Porosity,%) 압축강도(Compressive strength, MPa)
미처리(Untreated) 71.192±0.248 8.881±0737
0.1 N HCl 300rpm, 4mins -4.120±2.313 71.152±1.585
(+0.056)		 7.644±0.026
(-13.929)
36% HCl 300rpm, 15sec -23.252±2.848 76.301±1.618
(+7.716)		 0.806±0.079
(-71.737)
5 N NaOH 300rpm, 4mins 0.000 71.340±2.423
(+0.207)		 10.805±0.439
(+13.557)
85% H3PO4 300rpm, 4mins +40.869±3.619 61.110±3.791
(-14.162)		 22.154±0.336
(+131.607)
71% HNO3 300rpm, 15sec -33.582±2.213 78.603±1.288
(+10.417)		 0.819±0.212
(-90.778)
0.1N HCl 용액으로 4분간 에칭 한 결과 골격 부분에 나노크기의 미세 기공이 형성 된 것을 알 수 있었으며, 약 4% 정도의 무게 감량과 약 13%의 압축강도의 하락을 보였으며, 약 0.05%의 기공률을 증가시켰다. 5N NaOH 용액으로 4분간 에칭 한 경우 침상의 미세구조를 형성되었다.
에칭 전과 후 무게의 변화는 없었으나 13% 정도의 압축강도를 향상되었고, 기공률은 약 0.2% 증가하였다.
NaOH의 에칭은 무게나 기공률의 큰 변화 없이 기계적 강도를 향상시켰음을 알 수 있었다. 36부피% HCl과 71부피% HNO3으로 15초간 에칭한 결과 각각 약 23%, 33%의 비교적 큰 무게감량이 있었으며, 기공률은 크게 증가하였으나 기계적 강도는 심각하게 감소하였다. 압축강도는 각각 약 70%, 90% 정도 감소하였고, 기공의 기공률은 각각 약 7%, 10%정도 증가되었다. 85%의 H3PO4용액으로 4분간 에칭한 결과 다른 에칭용액과는 반대 결과로 무게가 약 40%정도 증가하였다. 표면 관찰 결과, 오히려 기공이 막혀있는 현상이 보였는데 이는 H3PO4와 다공체가 반응하여 표면에 코팅층을 형성하였기 때문으로 사료된다. 무게가 증가함에 따라 압축강도는 약 132% 정도 크게 증가하였으며, 기공률은 약 14% 가량 감소하였다.
따라서 5N NaOH는 다른 특성은 큰 변화 없이 압축강도를 향상 시키는 것에 적합하며, 0.1N의 HCl에칭은 미세기공을 형성시키는데 기여를 할 것이라 예상된다. 또한 36% HCl과 71%의 HNO3 보다 낮은 농도의 용액으로 에칭 처리를 한다면 구조의 무너짐 없이 기공률을 높일 수 있을 것이라 생각된다.
그리고 비교예인 H3PO4는 오히려 기공을 막고 표면에 코팅 층을 형성하여 기계적 강도는 증가하나 기공률과 기공연결성을 나쁘게 하여, 에칭용액으로 적합하지 않다고 생각된다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 인산 이칼슘 이수화물, 수산화칼슘, 및 기공형성제를 건식 혼합하는 단계;
    상기 혼합된 건식 혼합물에 바인더를 첨가시켜 혼련하는 단계;
    상기 혼련된 혼합물을 숙성하는 단계;
    상기 숙성된 혼합물을 압출기에 장입 후 압력을 가하여 고상압출하는 단계;
    상기 고상압출된 압출체를 40 내지 70 ℃에서 18 내지 36시간 동안 상대습도 70%에서 30%까지 건조하고, 90 내지 120 ℃에서 12 내지 48시간 동안 건조하는 단계;
    상기 건조된 건조물을 소결하는 단계; 및
    1 내지 20N 수산화나트륨인 에칭용액에 상기 소결된 소결체를 담지하여 에칭하는 단계를 포함하는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1항에 있어서,
    상기 건식 혼합하는 단계에서, 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite, HA) 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법.
  4. 청구항 1항에 있어서,
    상기 건식 혼합하는 단계에서,
    상기 인산 이칼슘 이수화물과 수산화칼슘의 혼합 시 Ca/P 몰비는 1.5 내지 2인 것을 특징으로 하는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법.
  5. 청구항 1항에 있어서,
    상기 건식 혼합하는 단계에서,
    상기 인산 이칼슘 이수화물과 수산화칼슘의 혼합물 100 중량%에 대하여 하이드록시아파타이트 분말을 50 중량% 내지 200 중량% 추가하는 것을 특징으로 하는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기공형성제는,
    폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 비드에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 인산칼슘 세라믹 다공체의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 바인더는,
    메틸셀룰로오스, 녹말 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 인산칼슘 세라믹 다공체 제조방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 건조된 건조물을 소결하는 단계는,
    상기 건조물을 400℃까지 0.5℃/min으로 승온시키고, 다시 700℃ 지 1℃/min으로 승온시키며, 1250℃ 까지 5℃/min 으로 승온시켜 소결시킨 이후, 4내지 7시간 동안 유지시키고 노냉하는 과정을 포함하는 인산칼슘 다공체 제조방법.
  10. 삭제
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