KR101538645B1 - 변형성과 강성이 우수한 열가소성 캐스트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재사용이 가능한 열가소성 캐스트에 관한 것으로, 본 발명의 캐스트는 폴리카프로락톤 복합재로 이루어지며, 다각 형상의 개구가 반복적으로 형성됨으로써 그물 형상을 가지는 구조체(10)와; 상기 구조체(10)의 외주면에 부착되는 외피(20)로 이루어지고, 상기 구조체(10)를 이루는 폴리카프로락톤 복합재의 융점은 50~80℃의 범위를 가지며, 상기 외피(20)는 2~35 범위의 Shore D 경도를 가지는 고무 재질 또는 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명의 캐스트는 구조적으로 강건한 동시에 시술이 용이하고, 또한 대량생산에 적합하다.

Description

변형성과 강성이 우수한 열가소성 캐스트{Thermoplastic Orthopedic Cast}

본 발명은 변형성과 강성이 우수한 열가소성 캐스트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열가소성 재질로 이루어져 인간이나 동물의 팔다리나 신체 부분이 골절 또는 손상된 경우 손상된 부위(환부)가 치료 과정에서 움직이는 것을 방지하는 변형성과 강성이 우수한 열가소성 캐스트에 관한 것이다.

일반적으로 관절이나 팔다리가 골절되거나 손상된 경우 원활한 치료가 이루어질 수 있도록 캐스트, 깁스, 스프린터 또는 교정장구(브레이스) 등(이하 '캐스트'라 통칭한다.)을 이용하여 손상된 관절이나 팔다리 또는 척추 등을 고정한다.

종래에는 이러한 손상된 관절이나 팔다리를 고정하기 위해 일반적으로 붕대와 석고를 이용하여 환부에 깁스를 설치하고 있으나, 이러한 석고는 무거울 뿐만 아니라 일단 응고되고 나면 재성형할 수 없고, 또한 습기에 노출되는 경우 열화되거나 손상되기 때문에 환자가 목욕이나 샤워하기가 곤란하며, 아울러 깁스가 설치된 부분에는 공기가 쉽게 통하지 않는다는 등의 단점이 있다.

상기와 같은 이유로 최근에는 목욕이나 샤워를 하더라도 손상되지 않고, 또한 공기가 쉽게 유통되도록 하는 구조의 캐스트가 개발되고 있는데, 그 하나의 예로서 미국 특허공보 제6,673,029호에 개시된 캐스트를 들 수 있으며, 이 캐스트는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 비교적 그 눈(120)의 크기가 큰 망 형상으로 이루어지고, 이때 망 형상을 이루는 소재는 신체 부위를 강건하게 지지하고 보호하는데 충분한 강도를 가질 수 있도록 수지가 함침된 화이버글라스 화이버(110)를 6-12 층으로 적층하여 판재 형태로 형성한 다음, 이러한 판재 형상의 소재를 눈의 형상이 육각형의 메시 배열이 이루어지도록 절단한 것으로서, 이러한 캐스트(100, 망상체)는 수지가 함침된 화이버글라스 화이버(110)를 여러 층으로 적층하기가 곤란할 뿐만 아니라, 상기와 같이 수지가 함침된 화이버글라스 화이버(110)를 여러 층으로 적층하게 되면 수지를 함침하는 과정에서의 함침의 불균일로 인해 화이버 층의 표면이 매끄럽지 않게 되고, 이렇게 매끄럽지 않은 표면으로 이루어진 캐스트(100)를 착용하게 되면 그로 인해 환자가 불편을 느낄 수 있다는 단점이 있다.

그리고 상기 특허는 캐스트(100)를 망상체 형태로 제조하기 위해 먼저 화이버글라스 화이버(110)를 사용하여 천을 만든 다음, 천에서 마름모 형상을 절단해 냄으로써 눈을 만들기 때문에 절단된 부분으로부터 화이버글라스 화이버(110)의 올이 풀려질 수 있고, 이 경우 캐스트(100)의 강도가 약해질 수 있으며, 또한 풀린 올 부분에 수지가 함침된 경우 이 부분이 뾰족하게 되어 사용자의 피부를 자극할 우려가 있다.

더구나 상기 캐스트(100)는 수경화성 수지를 함침시켜 제조하기 때문에 제조과정에서 물이나 수분과의 접촉이 방지되어야 하므로 캐스트를 제조할 때에는 수분이나 습기가 제거된 밀폐공간에서 이루어져야 하기 때문에 생산성이 낮고, 제조 후에도 수분과의 접촉이 차단되어야 하기 때문에 제조된 캐스트를 밀봉하여 보관하여야 하므로 제조관리와 비용이 많이 드는 문제가 있으며, 또한 한 번 경화되고 나면 다시 사용할 수 없기 때문에 환자의 회복정도에 따라 캐스트(100)를 수정할 필요가 있는 경우에도 캐스트(100)의 수정과 재사용이 곤란하다는 문제도 있다.

상기와 같은 수경화성 캐스트가 가지는 문제점을 해결하기 위해 열가소성 망상체로 이루어진 캐스트가 개발되고 있으며, 그 하나의 예로서 미국 특허공개공보 2008-0154164호에 개시된 열가소성 캐스트를 들 수 있다.

상기 미국 특허공개공보 2008-0154164호에 개시된 캐스트는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 캐스트(200)의 스프린트 부재(210)를 대략 다이아몬드 형상의 개구를 가진 망 형상으로 형성함으로써 이들 사이에 복수 개의 마름모 형상의 통로(220)가 형성되도록 한 것으로, 이때 스프린트 부재(210)의 소재는 신체 부위를 강건하게 지지하고 보호하는 데에 충분한 강도를 가질 수 있도록 저온 성형이 가능한 폴리카프로락톤 복합재료로 이루어진 기재에 리그노셀룰로오스 등의 첨가제가 혼합된 소재가 사용되며, 이러한 구조 및 사용 소재에 의해 변의 길이방향으로의 '신장'은 제한되면서도 축선 1과 축선 3의 방향과 평행하는 방향으로는 쉽게 늘어날 수 있도록 함으로써 신체의 외형에 따라 망상체에 형성된 마름모의 형상이 쉽게 변형(이하, 이를 '변형'이라 칭함으로써 변이 길이가 늘어나는 것을 의미하는 '신장'과 구별한다.)되도록 하여 시술의 용이성을 도모한 것이다.

그러나 상기 특허문헌에 개시된 캐스트는 변형이 용이하여 환자의 신체에의 시술은 비교적 수월하지만, 망 형상의 스프린트 부재(210)의 단면 전체가 리그노셀룰로오스가 첨가된 폴리카프로락톤 복합재료에 의해 성형되기 때문에 강도가 상대적으로 약하다는 단점이 있으며, 또한 이러한 재질의 무름으로 인해 변의 길이방향으로의 신장이 제한되지 못하고 어느 정도 늘어나게 되며, 이 경우 변의 두께가 줄어들게 되어 이에 의해서도 캐스트의 강도가 약해질 수 있다는 단점이 있다.

한편, 상기와 같은 소재로 이루어진 캐스트를 사용할 때에는 먼저 환자의 피부를 보호하기 위해 환부 주위에 눈의 크기가 상대적으로 작은 망 형태의 하부 패드(underlying padding, 또는 피부보호대)를 설치한 다음, 이 하부 패드의 상부에 상대적으로 눈의 크기가 큰 망 형상의 캐스트를 가열함으로써 가소성이 유지된 상태에서 환부에 둘러 성형한 다음 클립 등으로 고정함으로써 시술하는데, 이와 같이 캐스트의 하부에 하부 패드를 설치하는 경우 통풍이 원활하지 못하고, 또한 샤워 등으로 인해 하부 패드에 물기가 스며들게 되면 하부 패드에 오랜 시간 동안 습기가 남아 있을 수 있기 때문에 사용자가 불편을 느낄 수 있다.

이에 더하여 상기와 같이 캐스트의 하부에 하부 패드를 추가 설치하는 경우 상부 캐스트와 하부 패드 간의 접촉에 의해 하부 패드가 자유로이 유동되지 못하고 밀리는 현상이 발생되기도 하여 불편하고, 또한 하부 패드의 사용기간이 캐스트 사용기간보다 짧기 때문에 하부 패드를 가끔 교환하여야 하는데 이 경우 먼저 캐스트에 열을 가하여 캐스트를 녹인 다음 하부 패드를 교환한 후 재차 캐스트를 성형하여야 하기 때문에 그 교환절차가 까다롭고 불편하다는 문제도 있다.

열가소성 소재를 이용하는 캐스트의 또 다른 예로서 공개특허공보 10-2005-74734호에 개시된 수지조성물을 이용한 정형외과용 고정재(캐스트)를 들 수 있는데, 이 문헌에 개시된 캐스트는 폴리카프로락톤과 열가소성 폴리우레탄 및 충전제를 특정비율로 혼합한 소재를 이용하여 사출 성형에 의해 제조한 것으로, 캐스트가상대적으로 강도가 약한 폴리카프로락톤과 폴리우레탄을 주재로 하기 때문에 시술과정에서 캐스트가 과도하게 신장될 수 있을 뿐 만 아니라 시술 후에도 변형될 수 있으며, 또한 캐스트가 폴리카프로락톤 복합재 층(layer)으로만 이루어져 있기 때문에 환부에 캐스트를 시술과정에서 과도하게 신장될 수 있고, 또한 캐스트의 표면이 딱딱하여 환자의 피부에 접촉하는 경우 불편을 호소할 수 있다.

따라서 환자의 신체부위에 캐스트를 시술할 때 변의 길이 방향으로의 신장은 제한되도록 함으로써 캐스트의 강도는 그대로 유지될 수 있고, 환자의 신체부위의 외형에 따라 마름모 형태의 눈은 쉽게 변형될 수 있도록 함으로써 캐스트를 쉽게 시술할 수 있도록 하면서도 과도한 변형이 방지되며, 또한 대량생산이 가능한 소재로 이루어진 캐스트의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 열가소성 소재로 이루어진 망 형상의 캐스트가 가지는 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 충분한 강도를 가지면서도 변형성이 우수하고, 착용시 사용자가 불편함을 느끼지 않으며, 대량생산에 적합한 변형성과 강성이 우수한 열가소성 캐스트를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 캐스트를, 폴리카프로락톤 복합재로 이루어지며, 다각 형상의 개구가 반복적으로 형성됨으로써 그물 형상을 가지는 구조체와; 구조체의 외주면에 부착되는 외피로 이루어지고, 구조체를 이루는 폴리카프로락톤 복합재의 융점은 50~80℃의 범위를 가지며, 외피는 2~35 범위의 Shore D 경도를 가지는 고무재질 또는 실리콘으로 구성하는 것에 의해 달성된다.

이때 그물 형상의 구조체는 사출 성형 또는 압축 성형(press)에 의해 성형되고, 구조체의 외주면에 부착되는 외피는 구조체가 금형의 내부에 설치된 상태에서 사출 성형이 이루어지는 인서트 사출에 의해 성형되는 것이 바람직하다.

또한 구조체를 이루는 폴리카프로락톤 복합재는 분자량 20,000 ~ 80,000 범위의 폴리카프로락톤을 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 폴리카프로락톤 복합재에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리우레탄, 폴리에틸렌프탈레이트 중 어느 하나 이상의 합성수지가 블랜딩에 의해 첨가되는 것이 바람직하다.

이에 더하여 폴리카프로락톤 복합재에는 유리섬유 또는 카본섬유로 이루어진 강도 보강재가 혼합되고, 강도 보강재는 카프로락톤 복합재에 대해 10∼60 중량% 혼합되는 것이 더욱 바람직하다.

그리고 폴리카프로락톤 복합재에는 칼슘카보네이트, 탈크, 소듐벤조에이트, MBS, DMBS 및 DEBS 중 어느 한 개 이상의 핵제가 첨가되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 캐스트가 그물 형상을 가지기 때문에 통풍성이 향상된다.

또한 본 발명은 구조체가 강도가 보강된 폴리카프로락톤 복합재로 이루어지고, 이러한 구조체를 연질의 외피가 감쌈으로써 외피가 구조체에 대한 보강재 및 변형 제한요소로 기능함으로써 환부에의 캐스트 시술이 용이하면서도 캐스트의 적절한 강도가 확보된다.

그리고 본 발명은 구조체와 외피를 성형하기 위한 소재가 사출 성형에 적합한 소재로 이루어져 있기 때문에 이중 사출에 의한 대량생산이 가능하다.

이에 더하여 본 발명은 상대적으로 연질의 소재로 이루어진 외피가 딱딱한 구조체의 외주면을 감싸고 있기 때문에 환자의 피부에 캐스트이 표면(외피)이 접촉하는 경우에도 불편을 느끼지 않는다.

도 1a와 도 1b는 종래의 캐스트의 예를 보인 도면,
도 2a와 도 2b는 종래의 캐스트의 또 다른 예를 보인 도면,
도 3은 본 발명에 따른 열가소성 캐스트의 단면 모양을 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 열가소성 캐스트의 외형도이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 환자의 골절 부위 등을 감싸 고정하거나 교정하기 위해 사용되는 열가소성 캐스트의 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 캐스트는 도 3에 도시된 바와 같이 구조체(10)와 이 구조체(10)의 외주면을 감싸는 외피(20)로 이루어지고, 이때 구조체(10)는 사출성형 또는 압축 성형에 의해 제조되고, 외피(20)는 사출성형에 의해 제조된다.

구조체(10)는 다각 형상의 개구부가 규칙적으로 형성됨으로써 그물 형상을 가지며, 이때 그물 형상을 이루는 변의 단면은 외력이나 충격에 대해 충분한 강성이 확보될 수 있도록 폭보다 높이가 상대적으로 더 큰 사각 형상을 가지도록 성형되며, 이러한 구조체(10)는 폴리카프로락톤(PCL, polycaprolactone)을 주재로 하는 폴리카프로락톤 복합재로 이루어진다.

구조체(10)를 구성하는 폴리카프로락톤 복합재의 주재로서 폴리카프로락톤이 사용되며, 본 발명에 사용되는 폴리카프로락톤은 카프로락톤의 개환중합에 의해 생성되는 폴리에스터의 일종으로서 결정성 고분자이며, 50~80℃의 낮은 융점을 가진다.

또한 본 발명에 사용되는 폴리카프로락톤(PCL)은 분자량이 20,000∼80,000 범위인 것이 사용되는데, 이는 폴리카프로락톤의 분자량이 20,000 미만인 경우 아래의 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 기계적 물성(충격강도)이 낮기 때문에 구조체로서의 역할을 기대할 수 없고, 따라서 분자량이 큰 것을 사용하는 것이 바람직하지만, 분자량이 80,000보다 큰 경우 굴곡강도(modulus)와 흐름성이 나빠지게 되어 사출 성형을 위한 재료로서 부적합하다는데 따른 것이다.

또한 상기 조건하에서 폴리카프로락톤의 융점은 약 50∼80℃ 범위를 가지게 되며, 이에 의해 환부에 캐스트를 쉽게 시술할 수 있다.

그러나 상기와 같이 구조체(10)를 폴리카프로락톤만으로 제조하는 경우 기계적 물성, 특히 인장강도가 너무 낮아 환부를 고정지지하기 위한 캐스트로서 사용하기 곤란하며, 이에 따라 본 발명에서는 인장강도 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있도록 주재(폴리카프로락톤)에 강도 보강재를 첨가하는데, 이러한 강도 보강재로서 섬유강화 유리섬유(fiber reinforced glass fiber) 또는 카본섬유(carbon fiber)가 사용된다.

그리고 구조체(10)에는 핵제가 첨가되며, 이러한 핵제는 용융 온도에는 영향을 주지 않으면서 결정성 고분자의 결정화 온도를 올려주고 결정의 성장속도를 빠르게 해 주는 역할을 하며, 이때 핵제로서 칼슘카보네이트(calcium carbonate), DMBS(Di-p-methylbenzylidene sorbitol), DEBS(N,N′-Diphenyl-2,2′-Diselenodibenzoamide Di-p-ethylbenzylidene sorbitol), MBS(monobenzylidene sorbitol), 탈크(talc), 소듐벤조에이트(Sodium Benzoate) 등이 사용될 수 있다.

캐스트를 환자의 환부에 시술할 때에는 먼저 캐스트를 뜨거운 물에 넣거나 가열기 등에 의해 가열하여 캐스트를 연화시킨 다음, 신체의 외형에 맞추어 캐스트의 형상을 변형시켜 가면서 시술하는데, 이때 상기와 같은 재질로 이루어진 구조체(10)만으로 캐스트를 제조하는 경우 구조체(10)의 신장이 과도하게 될 우려가 있을 뿐만 아니라, 신체의 외부에 설치되고 나면 그 표면이 딱딱하여 환자의 피부와 접촉하는 경우 환자가 불편할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 캐스트는 구조체(10)의 외주면에 외피(20)가 성형 부착되는 구조를 가지는데, 이러한 외피(20)는 용융된 구조체(10)를 감싸 구조체의 과도한 신장을 방지함으로써 그물 형상을 이루는 사각형의 형상이 그대로 유지되도록 하는 동시에 연신에 따른 두께가 얇아지는 것을 방지하여 강도가 저하되는 현상을 방지하고, 아울러 구조체(10)의 딱딱한 표면이 환자의 피부에 직접 접촉하는 것을 방지하는 완충재로서 기능한다.

외피(20)가 상기와 같은 기능, 즉 구조체(10)가 과도하게 신장됨으로써 결과적으로 두께가 얇아져 강도가 저하되는 현상을 방지하는 기능을 가지기 위해서는 적절한 두께를 가지는 동시에 적절한 강도를 가져야 하고, 또한 완충재로서 기능하기 위해서는 탄성을 가져야 하는데, 이를 위해 외피(20)는 경도 Shore D 2~35 범위의 고무 재질로 이루어지는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 Shore D 2~30범위의 고무재질로 이루어진다.

한편, 본 발명에 따른 캐스트는 대량 생산이 가능하도록 구조체(10)를 사출에 의해 성형한 다음, 외피(20)도 구조체(10)의 외주면을 감싸도록 사출성형에 의해, 즉 이중사출에 의해 성형한다.

상기와 같이 캐스트를 이중사출에 의해 제조하기 위해서는 구조체(10)와 외피(20)의 재질이 이에 적합한 물성을 가져야 하는데, 이를 위해 본 발명자 등은 실험을 통해 적합한 물성을 조사하였으며, 이하에서는 이에 대해 기술한다.

먼저, 구조체의 기능과 관련하여 살펴보면, 구조체(10)는 외피(20)의 내부에 위치하면서 환자의 환부에 설치하기 위해 적절한 온도(70~80℃ 내외)로 가열하였을 때에는 성형성이 우수하여야 하고, 환부에 설치되었을 때에는 외부 충격이나 외력에도 견고하게 견딜 수 있는 강도를 가져야 하며, 또한 제작(사출성형)에 적합하도록 하기 위해서는 흐름성이 양호하여야 한다.

이에 따라 구조체(10)의 주재인 폴리카프로락톤(PCL)의 분자량의 변화에 따른 흐름성과 기계적 강도에 대해 실험하였으며, 아래의 표 1에 도시된 바와 같은 결과를 얻었다.

실험에 있어서 인장강도는 미국재료시험협회(ASTM)의 측정방법 중 ASTM D638에 의거하여 UTM(Universal Testing Machine)으로 측정하였고, modulus는 ASTM D 790에 의거하여 UTM으로 측정하였고, 충격강도는 ASTM D256에 의거하여 상온(23℃)에서 Izod Notch 충격강도를 측정하였다. 또한 용융점은 ASTM D3418에 의거하여 DSC(differential scanning calorimeter, 시차주사열량계)로 승온 강온시 10℃/min으로 측정하였으며, MI(용융지수, melting index)는 ASTM D 1238에 의거하여 용융온도 130℃, 하중 2.16kg에서 측정하였고, Spiral Flow는 형체력 90톤 사출기를 사용하여 수지 용융온도 130℃, 사출압력 50%, 금형냉각온도 15℃에서 사출하여 사출물의 길이를 측정하였다.

그리고 수축율은 형체력 90톤 사출기를 사용하여 수지 용융온도 130℃, 사출압력 50%, 금형냉각온도 15℃, 냉각시간 130 초의 조건으로 사출한 다음, 시편을 항온항습실에서 48시간 어닐링한 후, 금형에서의 일정길이를 표시한 부분과 사출물에서 표시된 길이를 측정하여 (금형표시길이-시편표시길이)ㆇ금형표시길이ㅧ100의 값을 산출하였다.

분자량			13,000	20,000	35,000	50,000	80,000	100,000
인장강도		kgf/㎠	183	182	178	160	145	134
modulus		kgf/㎠	6,330	6,141	5,267	4,887	4,315	3,892
충격강도		kgf/㎠	2	3	7	8	8	10
유동성	Spiral flow	㎝	125	95	59	36	19	7
	MI	g/10min	430	135	54	12	3	0.5
용융점		℃	62	62	62	62	62	61

위의 표 1(폴리카프로락톤의 분자량별 흐름성 및 기계적 강도 실험결과)로부터 확인할 수 있는 바와 같이 분자량 13,000~100,000의 범위에서 폴리카프로락톤의 융점은 62℃로 거의 동일하고, 분자량이 커질수록 충격강도는 좋아지지만, 굴곡강도(modulus)와 흐름성(유동성)이 저하되며, 또한 캐스트의 구조적 건전성을 담보하는 구조체로서 기능할 수 있을 정도의 충분한 강도가 확보되지 않는다.

구조체(10)의 충분한 강도를 확보하기 위해 본 발명자 등은 분자량 35,000의 폴리카프로락톤에 유리섬유(glass fiber, GF)와 카본섬유(carbon fiber, CF)를 여러 가지 비율로 혼합하여 구조체를 사출성형에 의해 각각 성형한 다음, 유리섬유와 카본섬유의 혼합비율에 따른 구조체(10)의 강도와 수축률 등을 측정하였으며, 그 결과는 아래의 표 2 및 표 3과 같다.

GF 혼합율		중량%	0	10	20	30	50	60	70
인장강도		kgf/㎠	175	312	345	378	395	412	395
modulus		kgf/㎠	5,199	13,890	18,324	23,527	28,873	32,580	34,147
충격강도		kgf/㎠	6.8	11.2	13.5	14.2	14.3	13.7	7.6
수축률		%	1.5	0.8	0.8	0.7	0.6	0.5	0.5
유동성	Spiral Flow	㎝	59	52	46	41	34	27	14
	MI	g/10min	54	42	37	31	24	18	2

위의 표 2(유리섬유의 혼합비에 따른 기계적 강도 실험결과)에서 유리섬유는 평균 4mm 길이의 섬유가 사용되었으며, 유리섬유의 혼합비가 증가할수록 인장강도 등의 기계적 물성이 급격히 증가하면서 수축률도 감소하는 것을 알 수 있는데, 유리섬유의 함량이 60중량%를 초과하는 경우 기계적 물성은 우수하지만 유동성이 나빠지게 되어 가공온도를 10~20℃ 증가시켜야 원활한 가공이 이루어질 수 있기 때문에 사출성형을 위한 재료로서는 적합하지 않으며, 따라서 폴리카프로락톤(PCL) 내에 약 10∼60 중량%의 유리섬유가 포함되는 경우 구조체(10)에 필요한 기계적 강도와 수축률이 확보되는 동시에 사출성형에 적합한 물성이 확보된다는 것을 알 수 있다.

CF 혼합율		중량%	0	10	20	30	50	60	70
인장강도		kgf/㎠	175	324	335	391	437	455	462
modulus		kgf/㎠	5,199	15,524	20,127	27,598	33,251	37,748	39,320
충격강도		kgf/㎠	6.8	13.5	17.6	20.2	22.4	21.2	21.8
수축률		%	1.5	0.7	0.6	0.6	0.5	0.5	0.5
유동성	Spiral Flow	㎝	59	53	48	45	36	28	17
	MI	g/10min	54	45	38	33	25	21	6

위의 표 3(카본섬유의 혼합비에 따른 구조체의 기계적 강도 실험결과)은 카프로락톤(PCL)에 평균 6mm 길이의 카본섬유를 혼합한 경우에 있어서의 혼합비에 따른 구조체의 기계적 물성의 변화를 실험한 결과를 나타낸 것으로, 유리섬유에서와 같이 카본섬유의 혼합비가 증가할수록 인장강도 등의 기계적 물성이 급격히 증가하면서 수축률도 감소하는 것을 알 수 있으며, 특히 강도 보강재로서 카본섬유를 사용하는 경우 동일 함량의 유리섬유를 사용할 때보다 약 10% 정도의 기계적 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

그리고 구조체(10) 내에 카본섬유의 함량이 60 중량% 초과하는 경우 기계적 물성은 우수하지만 유동성이 나빠 사출성형을 위한 재료로서는 적합하지 않고, 따라서 카프로락톤 복합재 내에 약 10∼60 중량%의 카본섬유가 포함되는 경우 구조체에 필요한 기계적 강도와 수축률이 확보되는 동시에 사출성형에 적합한 물성이 확보된다.

그리고 본 발명의 캐스트 원료에는 결정성 고분자인 카프로락톤의 결정 성장속도를 촉진시키기 위해 핵제가 포함될 수 있는데, 이러한 핵제를 사용하는 경우 실제 사출성형 작업시 용융된 구조체 원료(폴리머)가 금형의 내부에서 냉각될 때 높은 온도에서부터 결정화가 일어나게 되고, 그 결과 폴리머가 빨리 고화(固化)됨으로써 냉각시간이 짧아져 성형시간을 단축시킬 수 있는데, 본 발명자 등은 핵제의 종류에 따른 결정화 온도와 냉각시간 등을 조사하기 위해, 핵제의 종류를 바꾸어 가면서 분자량 35,000의 폴리카프로락톤에 평균 4mm 길이의 유리섬유가 30중량% 포함된 폴리머에 한 가지 종류의 핵제를 혼합한 폴리머를 사용하여 단면의 형상은 폭 3mm, 높이 4mm의 사각형으로 이루어지고, 성형된 형상은 그물 형상인 구조체(10)를 성형한 다음, 핵제의 종류에 따른 결정화 온도, 냉각시간 및 유동성 등을 시험하였으며, 그 실험결과는 아래의 표 4와 같고 이때 사용된 핵제는 칼슘카보네이트, 탈크, 소듐벤조에이트, MBS, DMBS 또는 DEBS이며, 핵제 사용량은 칼슘카보네이트와 탈크는 각각 폴리카프로락톤에 대해 1중량%의 비율로 혼합되었고, 소듐벤조에이트, MBS, DMBS 그리고 DEBS는 각각 폴리카프로락톤에 대해 0.1중량%의 비율로 혼합되었다.

실험에 있어서 결정화 온도는 ASTM D3418에 의거하여 DSC(differential scanning calorimeter, 시차주사열량계)로 측정하였으며, 고화시간은 성형작업시간을 예측하는 방안으로 일정크기의 시편을 70℃의 항온조에 60초간 담궜다가 꺼낸 후 작업이 가능할 때까지의 시간을 측정하였고, 시간측정은 캐스트 시술경험이 있는 5명의 석고사들이 각 시편을 5회 테스트하여 작업 가능한 시간을 측정한 후 평균값을 계산한 것이다.

또한 금형냉각시간은 형체력 90톤 사출기를 사용하여 수지 용융온도 130℃, 사출압력 50%, 금형냉각온도 15℃의 조건에서 사출후 시편을 금형에서 취출하여 시편이 고화되는 최소의 냉각시간을 측정한 것이다.

항목		단위	none	칼슘카보네이트	탈크	Na-BZ	DEBS	MBS	DMBS
용융점		℃	62	62	62	62	62	62	62
결정화 온도		℃	25	33	35	36	38	36	39
금형냉각시간		sec	115	75	74	65	63	68	61
수축률		%	0.7	0.6	0.6	0.7	0.7	0.6	0.6
고화시간		sec	210	165	160	152	147	154	153
유동성	Spiral Flow	㎝	57	55	54	55	57	56	56
	MI	g/10min	51	57	50	50	48	58	45

위의 표 4(핵제의 종류에 따른 구조체의 물성 실험결과)에서 어떤 종류의 핵제를 사용하든 핵제를 사용하지 않은 경우에 비해 결정화 온도가 8℃ 상승하여 냉각시간과 고화시간이 대폭 단축되고, 그러함에도 유동성은 그대로 유지되며, 또한 제품성형시 싸이클 타임을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있고, 따라서 장시간의 싸이클타임으로 인한 성형 문제점을 해결할 수 있다.

구조체(10)의 외주면에 사출 성형에 의해 부착되는 외피(20)는 앞서 설명한 바와 같이 구조체(10)의 과도한 변형을 방지할 수 있도록 적절한 두께를 가지는 동시에 적절한 강도를 가져야 하며, 또한 완충재로서 기능하여야 한다.

이에 따라 본 발명자 등은 이러한 기능을 가지는 재질의 외피재를 도출해내기 위해 그물 형상의 구조체(10)의 외주면에 여러 가지의 경도를 가지는 네오프렌 고무, TPE(thermoplastic elastomer) 고무, SEBS(styrene ethylene butylene styrene)고무 또는 실리콘으로 이루어진 외피재(20)를 이중 사출방식에 의해 각각 성형하여 테스트해 본 결과, 외피재로서 네오프렌 고무, TPE고무, SEBS고무를 사용하든 아니면 실리콘을 사용하든 그 물성에 있어서 차이는 유의한 것이 없었고, 다만 경도에 따라 물성에 있어서 차이가 발견되었는데 네오프렌 고무, TPE 고무, SEBS 고무 또는 실리콘의 경도가 낮은 경우, 예를 들면 Shore D 경도가 2보다 낮은 경우 구조체가 과도하게 변형되는 것을 방지하는 기능이 약하고, 이에 반해 Shore D 경도 40과 같이 경도가 Shore D 경도 35보다 큰 경우 과변형 방지 기능은 우수하지만 피부와 닿았을 때 감촉이 나쁠 뿐만 아니라 변형성도 나쁘게 되어 캐스트를 환부에 시술할 때 신체의 굴곡에 따라 쉽게 변형시켜 설치할 수 없게 되는 것을 확인하였으며, 따라서 본 발명에서는 외피재로서 2~35 범위의 Shore D 경도를 가지는 고무 재질 또는 실리콘을 사용한다.

한편, 폴리카프로락톤은 고가의 폴리머인 동시에 분자량이 크기 때문에 무게가 무거우며, 따라서 본 발명자 등은 구조체(10)에 폴리에틸렌(PE, polyethylene), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 폴리부텐(PB, polybutene), 폴리우레탄(PU, polyurethane), 폴리에틸렌프탈레이트(Polyethylene terephthalate) 등의 합성수지를 첨가하는 경우의 물성을 파악하기 위해 폴리카프로락톤에 상기의 합성수지를 각각 블랜딩하여 실험하였으며, 그 결과는 표 5와 같다. 본 실험은 표 4의 실험에서 사용된 분자량 35,000의 폴리카프로락톤에 4mm의 유리섬유 30중량%와 20중량%의 합성수지가 블랜딩된 폴리머를 이용하여 사출시편을 제작하여 물성과 성형성을 측정하였다.

그리고 폴리카프로락톤에 각각의 합성수지를 블랜딩할 때 폴리카프로락톤은 메트릭스(matrix)로 기능하고, 블랜딩되는 합성수지는 도메인(domain)으로 기능하도록 합성수지의 함량(폴리카프로락톤에 대해 약 20중량%)을 각각 조절하였으며, 이에 의해 환자의 환부에 캐스트를 시술하기 위해 캐스트를 가열하였을 때 가열 온도가 합성수지의 융점에 도달하지 못한 경우에도 그물 구조의 캐스트는 변형시킬 수 있다.

합성수지	단위	none	PE	PP	PB	PU	PET
가공온도	℃	170	180	220	200	200	280
냉각시간	sec	115	120	170	160	160	290
인장강도	kgf/㎠	385	368	374	357	376	379
modulus	kgf/㎠	24,251	23,857	24,110	23,052	24,185	24,850
충격강도	kgf/㎠	13.7	14.2	12.6	13.0	14.1	13.5
고화시간	sec	210	293	278	305	307	272

실험결과, 위의 표 5(합성수지 블랜딩에 따른 구조체의 물성 실험결과)에서 확인할 수 있는 바와 같이 폴리카프로락톤에 다른 합성수지를 블랜딩하더라도 인장강도, 굴곡강도(modulus), 충격강도 등의 기계적 물성에 있어서는 유의한 차이가 발견되지 않았고, 합성수지의 종류에 따라 가공온도와 냉각시간 등의 가공성도 큰 차이를 보이지 않았으나, 다만 폴리에틸렌프탈레이트(PET)의 경우는 가공 온도가 높아져 냉각시간이 길어지는 것이 단점이 있으나, 기계적물성이 우수하여 높은 강도를 요구하는 경우 유용한 것으로 확인되었다.

따라서 구조체(10)를 성형하기 위한 폴리머로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐은 상대적으로 경량이면서도 가격이 저렴하고, 폴리우레탄 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트는 가격이 저렴하여 상기의 합성수지 중 어느 한 가지 이상의 합성수지가 블랜딩된 폴리카프로락톤을 사용하는 경우 기계적 물성은 그대로 유지되면서도 가볍고, 또한 가격이 저렴한 캐스트를 제조할 수 있다.

한편 위에서는 구조체(10)의 외부를 둘러싸는 외피(20)를 제조할 때 사출성형에 의해 제조하는 것으로 설명하였으나, 이와 같이 외피(20)를 사출 성형에 의해 제조하지 않고 바인더와 고무 용액의 혼합액이 담긴 저장조에 구조체(10) 전체를 담갔다 꺼냄(딥핑, dipping)으로써 외피(20)를 성형하거나, 또는 고무재질이나 실리콘 재질의 한 쌍의 시트를 상하로 배치하고, 이들 시트 사이에 구조체(10)를 위치시킨 상태에서 상하 시트를 초음파 융착 또는 열융착 방식에 의해 융착(시트 융착)시킴으로써 외피(20)를 성형할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 캐스트의 골격을 이루는 구조체가 강도가 보강된 폴리카프로락톤 복합재로 이루어지고, 이러한 구조체를 연질의 외피가 감쌈으로써 외피가 구조체에 대한 보강재 및 변형 제한요소로 기능함으로써 환부에의 캐스트 시술이 용이하면서도 캐스트의 적절한 강도가 담보된다.

1: 캐스트 10: 구조체
20: 외피

Claims (7)

1. 환자의 골절 부위 등의 신체를 감싸 고정하는 캐스트에 있어서,
   상기 캐스트는 폴리카프로락톤 복합재로 이루어지며, 다각 형상의 개구가 반복적으로 형성됨으로써 그물 형상을 가지는 구조체(10)와; 상기 구조체(10)의 외주면에 부착되는 외피(20)로 이루어지고,
   상기 구조체(10)를 이루는 폴리카프로락톤 복합재의 융점은 50~80℃의 범위를 가지며,
   상기 외피(20)는 2~35 범위의 Shore D 경도를 가지는 고무재질 또는 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캐스트.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 구조체(10)를 이루는 폴리카프로락톤 복합재는 분자량 20,000~ 80,000 범위의 폴리카프로락톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스트.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 그물 형상의 구조체(10)는 사출 성형 또는 압축 성형에 의해 성형되고, 상기 구조체(10)의 외주면에 부착되는 상기 외피(20)는 상기 구조체(10)가 금형의 내부에 설치된 상태에서 사출 성형이 이루어지는 인서트 사출에 의해 성형되는 것을 특징으로 하는 캐스트.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 그물 형상의 구조체(10)는 사출 성형 또는 압축 성형에 의해 성형되고, 상기 구조체(10)의 외주면에 부착되는 상기 외피(20)는 열융착 또는 딥핑 방식에 의해 성형되는 것을 특징으로 하는 캐스트.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 폴리카프로락톤 복합재에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리우레탄, 폴리에틸렌프탈레이트 중 어느 하나 이상의 합성수지가 블랜딩에 의해 첨가되는 것을 특징으로 하는 캐스트.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 폴리카프로락톤 복합재에는 유리섬유 또는 카본섬유로 이루어진 강도 보강재가 혼합되고, 상기 강도 보강재는 상기 카프로락톤 복합재에 대해 10∼60 중량% 혼합되는 것을 특징으로 하는 캐스트.
   
   
7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 폴리카프로락톤 복합재에는 칼슘카보네이트, 탈크, 소듐벤조에이트, MBS, DMBS 및 DEBS 중 어느 한 개 이상의 핵제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 캐스트.

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