KR101767458B1

KR101767458B1 - 다중치수기공형 세라믹 과립 및 분무열분해법과 발포법을 이용한 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101767458B1
Application number: KR1020160017715A
Authority: KR
Inventors: 이상훈
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2017-08-11

Abstract

본 발명은 세라믹 분말을 제조시 분무열분해법을 사용함으로서 팟(pot)형 혹은 할로우(hollow)형 세라믹 분말로 제조하고 이 분말을 물과 혼합, 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말 안으로 물을 침투시켜 내부에 갇혀 있던 공기의 배출에 의해 슬러리 안에 큰 기포를 형성시키고 이를 건조, 소결 후 분쇄 및 체가름하여 기포에 의해 형성된 큰 크기의 기공과 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말의 분쇄로부터 작은 기공들이 과립의 표면에 무작위로 노출되게 하여 다중치수기공형 세라믹 과립을 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 다중치수기공형 세라믹 과립에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다중치수기공형 세라믹 과립으로 이루어진 골 이식 대체재는 이를 매식시 큰 기공에 의해 혈관생성이 쉽고 넓은 비표면적을 형성시키는 작은 기공에 의해 골세포 부착 및 분화가 용이하여 골 형성을 크게 촉진하며, 인체 적합성이 향상되는 효과가 있다.

Description

다중치수기공형 세라믹 과립 및 분무열분해법과 발포법을 이용한 그 제조 방법{Ceramics with multi pore structure and method for manufacturing the same using spray pyrolysis and gas forming method}

본 발명은 골 이식 대체재(bone grafting substitute)로 이용할 수 있는 세라믹 과립 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 골형성능 개선을 위하여 큰 기공과 높은 비표면적을 가지는 세라믹 과립 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

골 이식 대체재란 여러 가지 치과질환 또는 외상, 질병에 의한 퇴화 또는 기타 조직의 손실로 인하여 신생골 조직의 결손부가 생긴 경우, 이를 대체하여 신생골 조직 내의 공간을 충진시키고 신생골의 형성을 촉진시키기 위하여 사용하는 이식재를 말한다. 일반적으로 가장 좋은 이식재는 본인 뼈의 일부분을 떼어내어서 이식하는 자가골로 알려져 있으나, 이차적인 수술이 필요하고, 필요한 만큼의 양을 얻기 힘들며, 일반 개원가에서 시행하기가 힘들고, 환자의 통증 및 병적 상태가 심각해질 가능성이 있는 단점을 가지고 있다.

따라서 동종골(남의 뼈)이나 이종골(여러 가지 처리를 한 동물의 뼈), 혹은 뼈의 무기물 성분인 수산화인회석[Hydroxyapatite, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]으로 구성된 합성골 등 여러 가지 대체물을 이용하여 이식하는 데 사용하여 왔다. 상업적으로 사용되는 골 이식 대체재들은 분말, 겔, 슬러리/퍼티(putty), 정제, 칩, 모르슬(morsel) 및 펠렛, 스틱, 쉬트(sheet) 및 블록(block)과 같은 몇 가지 형태로 입수가능하다.

우수한 골형성능을 갖는 골 이식 대체재가 반드시 갖추어야 할 필요조건 중 하나는 신생혈관이 자라 들어올 수 있도록 100 마이크로미터(um) 크기 이상의 큰 기공이 과립 안에 존재해야 한다는 것이다. 사람이나 동물의 뼈 중 해면골의 경우, 100 마이크로미터 이상 크기의 기공을 함유하고 있으나 동종골이나 이종골을 이용한 골 이식 대체재 과립은 큰 크기의 뼈를 분쇄 후 일반적으로 250 ~ 1000 마이크로미터 크기로 체가름을 해 사용하기 때문에 100 마이크로미터 크기 이상의 큰 기공이 한 과립 안에 온전히 존재하기 어렵고 뼈 안에 존재하는 기공의 수 또한 적다. 합성골의 경우는 동종골이나 이종골과는 달리 인공적으로 기공을 형성시키기도 어렵고 과립 제조시 역시 소결체를 분쇄하고 체가름 후 사용하기 때문에 온전한 형태의 기공을 형성하기 어렵다.

골 이식 대체재가 우수한 골형성능을 갖기 위해서는 큰 크기의 기공 외에도 가능한 한 큰 크기의 비표면적을 갖고 있어야 한다. 이는 임플란트시 체액 중의 혈청 단백질이 잘 흡착되게 하고 그에 따라 골세포가 원활히 부착, 증식, 분화하여 골형성능을 증강시키게 하기 위함이다. 이를 위해서는 수십 마이크로미터 수준의 작은 기공이 과립 안에 많이 존재할수록 좋으나 동종골이나 이종골 안에는 작은 기공이 거의 존재하지 않고 합성골은 기존의 제조 방법으로는 큰 기공과 작은 기공이 혼재된 형태를 만들기 매우 어렵다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 큰 기공과 작은 기공이 혼재된 형태의 다중치수기공형 세라믹 과립 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 다중치수기공형 세라믹은 50 마이크로미터보다 큰 크기의 큰 기공을 내부에 포함하고, 50 마이크로미터 이하 크기의 작은 기공을 파단면에 포함하여, 일정 크기의 세라믹 과립 내에 상기 큰 기공과 작은 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 따른 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법은 팟(pot)형 혹은 할로우(hollow)형 세라믹 분말을 제조하는 단계; 상기 세라믹 분말을 물과 혼합한 슬러리를 이용해 성형체를 제조하는 단계; 상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계; 및 상기 소결체를 분쇄 후 체가름하는 단계를 포함한다.

특히 본 발명에 따른 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법은 (a) 세라믹 분말 전구 수용액을 준비하는 단계; (b) 상기 세라믹 분말 전구 수용액을 분무열분해하여 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말을 제조하는 단계; (c) 상기 세라믹 분말을 물과 혼합한 슬러리를 성형틀에 붓는 단계; (d) 상기 (c)단계의 결과물을 오븐에서 건조하여 50 마이크로미터보다 큰 크기의 큰 기공을 갖는 성형체를 제조하는 단계; (e) 상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계; 및 (f) 상기 소결체를 분쇄 후 체가름하여 상기 소결체의 파단면에 50 마이크로미터 이하 크기의 작은 기공을 형성시키는 단계를 포함하여, 일정 크기의 세라믹 과립 내에 상기 큰 기공과 작은 기공을 갖도록 하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 양태에 있어서, 상기 세라믹 분말은 산에 용해되지 않는 물질이고, 상기 세라믹 분말 전구 수용액은 해당 세라믹 분말의 금속 이온 부분을 포함하는 금속 이온 염을 물에 용해시켜 제조한다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 상기 세라믹 분말은 물에는 용해되지 않으나 산에 용해 가능한 물질이고, 상기 세라믹 분말 전구 수용액은 상기 세라믹 분말을 물에서 합성하거나 분산시켜 현탁액을 제조하고, 상기 현탁액에 산을 첨가하여 제조한다.

특히 본 발명에서는 상기 (c) 단계에서 상기 세라믹 분말 안으로 상기 물을 침투시켜 상기 분말 내부에 갇혀 있는 공기의 배출에 의해 상기 슬러리 안에 기포를 형성할 수 있다.

그리고, 상기 (d) 단계의 건조온도 조절을 통해 상기 기포의 크기를 조절할 수 있다.

상기 성형체 안의 기공은 상기 기포의 응집을 통해 형성되도록 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 금속 이온 염은 물에 용해되는 모든 금속 이온 염 혹은 이들의 조합을 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 물에는 용해되지 않으나 산에 용해 가능한 세라믹 분말은 모든 산에 용해 가능한 세라믹 분말, 이들과 수용성 금속 이온 염의 조합, 혹은 이들 모든 것과의 조합을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 산은 황산, 염산, 질산, 불산, 아세트산, 초산 등 수용액 중에 분산된 세라믹 분말을 용해시킬 수 있는 모든 산 혹은 이들의 조합을 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 분무열분해에 이용할 수 있는 장치는 상기 세라믹 분말 전구 수용액을 마이크로미터 크기의 액적으로 만들 수 있는 초음파 진동자, 이 액적을 소결로로 이동시킬 수 있는 운반용 가스 장치, 튜브형태의 관을 사용하는 수직 혹은 수평 소결로, 합성된 분말을 수거하는 필터, 냉각장치, 환기장치 등으로 구성될 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 운반용 가스 장치에서 이용할 수 있는 운반용 가스는 공기, 질소, 아르곤 등 모든 가스를 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말이라 함은 구(sphere)에서 한 쪽이 트여서 항아리 모양을 갖거나 안쪽이 빈 구 모양을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 상기 성형틀은 슬러리 상태의 물질이 새지 않고 담겨질 수 있는 모든 형태 및 재료로 만들어 짐을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명은 세라믹 분말 제조시 분무열분해법을 이용함으로써 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말을 제조하고 이 분말을 물과 혼합, 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말 안으로 물을 침투시켜 내부에 갇혀 있던 공기의 배출에 의해 슬러리 안에 큰 기포를 형성시키고 이를 건조, 소결 후 분쇄 및 체가름하여 기포에 의해 형성된 큰 크기의 기공과 분쇄로부터 유발된 작은 기공들이 과립의 표면에 무작위로 노출되게 하여 다중치수기공형 세라믹 과립을 만들 수 있다.

본 발명에 따른 다중치수기공형 세라믹 과립으로 이루어진 골 이식 대체재는 이를 매식시 큰 기공에 의해 혈관생성이 쉽고 넓은 비표면적을 형성시키는 작은 기공에 의해 골세포 부착 및 분화가 용이하여 골 형성을 크게 촉진하며, 인체 적합성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 넓은 비표면적에 의해 이를 수산화인회석에 대해 과포화된 용액(의사체액 혹은 피)에 침적할 경우, 나노미터(nm) 크기의 저 결정성 탄산인회석이 표면에 생성되어 비표면적이 더욱 증가되고, 각종 펩타이드, 단백질, 성장인자 등의 부착효율을 증가시켜 골 전도도를 획기적으로 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 팟형 및 할로우형 알루미나 분말의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 팟형 및 할로우형 알루미나 분말의 XRD 측정결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 다중치수기공형 알루미나 과립의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 팟형 및 할로우형 지르코니아 분말의 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 팟형 및 할로우형 지르코니아 분말의 XRD 측정결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 다중치수기공형 지르코니아 과립의 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명에 따라 제조된 팟형 및 할로우형 수산화인회석 분말의 SEM 사진이다.
도 9는 본 발명에 따라 제조된 팟형 및 할로우형 수산화인회석 분말의 XRD 측정결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 따라 제조된 다중치수기공형 수산화인회석 과립의 SEM 사진이다.
도 11은 본 발명에 따라 물과 분말의 혼합비를 달리 하여 제조된 다중치수기공형 수산화인회석 과립의 SEM 사진이다.
도 12는 본 발명에 따라 건조온도를 달리하여 제조된 다중치수기공형 수산화인회석 과립의 저배율 SEM 사진(50배)이고, 도 13은 고배율 SEM 사진이다(1000배).
도 14는 치밀한 구조를 갖는 수산화인회석 분말의 (a) SEM 및 (b) 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 15는 치밀한 구조를 갖는 수산화인회석 분말을 이용해 제조한 과립의 SEM 사진이다.
도 16은 치밀한 구조를 갖는 수산화인회석 과립을 의사체액 중에 7일간 침적하기 전후의 SEM 사진이다.
도 17은 본 발명에 따라 제조된 다중치수기공형 수산화인회석 과립을 의사체액 중에 7일간 침적하기 전후의 SEM 사진이다.
도 18은 골형성능 실험을 위하여 본 발명에 따라 건조온도를 달리하여 제조된 수산화인회석 과립과 기공이 없는 구조를 갖는 수산화인회석 과립의 저배율 SEM 사진(100배)이고, 도 19는 고배율 SEM 사진이다(5000배).
도 20은 호주산 웅성 가토의 두개골에 원형결손을 형성하고 본 발명에 따라 건조온도를 달리하여 제조된 다중치수기공형 수산화인회석 과립과 기공이 없는 구조를 갖는 수산화인회석 과립을 매식한 뒤 한 달 후의 조직시편 사진이다.
도 21은 호주산 웅성 가토의 두개골에 원형결손을 형성하고 기공이 없는 구조를 갖는 알루미나 과립과 본 발명에 따라 제조된 다중치수기공형 알루미나 과립을 각각 매식한 뒤 한 달 후의 조직시편 사진이다.
도 22는 호주산 웅성 가토의 두개골에 원형결손을 형성하고 기공이 없는 구조를 갖는 지르코니아 과립과 본 발명에 따라 제조된 다중치수기공형 지르코니아 과립을 각각 매식한 뒤 한 달 후의 조직시편 사진이다.

본 발명자는 종래기술의 단점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 다음과 같은 다중치수기공형 세라믹 과립 및 그 제조 방법을 창안하기에 이르렀다.

본 발명자는 세라믹 분말 전구 수용액을 준비한 뒤 이를 분무열분해하여 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말을 제조하였다. 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말은 그 내부에 공기를 포함하게 하기 위한 특별한 형태의 분말이다.

그 후 이 세라믹 분말을 다시 물과 혼합하여, 세라믹 분말 안으로 물을 침투시키면 세라믹 분말 안에 갇혀 있던 공기가 배출돼 슬러리 안에서 기포가 형성되게 하였다. 그 후 이 슬러리를 건조해 성형체를 제조하는 과정 중 건조온도의 조절을 통해 기포의 크기를 조절함으로써 성형체 안에 50 마이크로미터보다 큰 크기의 큰 기공을 형성시킬 수 있었다.

이를 소결하고 분쇄 후 체가름을 하면 50 마이크로미터보다 큰 크기의 큰 기공을 내부에 포함하는 동시에 파단면에 50 마이크로미터 이하 크기의 작은 기공이 형성된 세라믹 과립을 제조할 수 있어, 일정 크기의 세라믹 과립 내에 큰 크기와 작은 크기의 기공을 동시에 발현되게 할 수 있었다.

또한 이 과립을 이용해 의사체액 중에 침적시 사람의 뼈 성분과 동일한 저 결정성 탄산인회석이 발생하는 것과 동물실험시 골형성능이 획기적으로 향상되는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성시켰다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법의 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법은 세라믹 분말 전구 수용액을 준비하는 단계(s10); 상기 세라믹 분말 전구 수용액을 분무열분해하여 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말을 제조하는 단계(s20); 상기 세라믹 분말을 물과 혼합한 슬러리를 성형틀에 붓는 단계(s30); 오븐에서 건조하여 50 마이크로미터보다 큰 크기의 큰 기공을 갖는 성형체를 제조하는 단계(s40); 상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계(s50); 및 상기 소결체를 분쇄 후 체가름하여 상기 소결체의 파단면에 50 마이크로미터 이하 크기의 작은 기공을 형성시키는 단계(s60)를 포함한다.

먼저 본 발명의 일 양태는 산에 용해되지 않는 세라믹 분말을 이용해 다중치수기공형 세라믹 과립을 제조하는 방법이다.

먼저 해당 세라믹 분말의 금속 이온 부분을 포함하는 금속 이온 염을 물에 용해시켜 금속 이온 염 수용액 타입의 세라믹 분말 전구 수용액을 만들어 도 1의 단계 s10을 수행한다. 이 때 금속 이온 염의 농도는 0.1M ~ 10M 범위일 수 있다. 금속 이온 염의 농도가 0.1M 이하이면 분말이 너무 작아져서 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말이 제대로 형성되지 않으며, 10M 이상이면 농도가 너무 짙어서 역시 큰 크기의 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말이 형성되지 않는다.

다음, 상기 세라믹 분말 전구 수용액을 분무열분해하여 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말을 제조한다(단계 s20). 이 단계는 다음의 세부 과정으로 이루어질 수 있다.

먼저 상기 세라믹 분말 전구 수용액은 초음파 진동자를 이용해 액적을 제조하는데 이 때 진동자의 출력이 0.5 ~ 5 MHz 범위를 갖도록 할 수 있다. 출력이 0.5 MHz 이하이면 액적의 크기가 너무 작아져 분무열분해 후 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말이 제대로 만들어지지 않으며, 출력이 5 MHz 이상일 때는 액적이 너무 많이 만들어져 서로 엉겨 붙어 반응관 속에서 수용액 상태로 흐르게 돼 분말이 형성되지 않는다.

상기 초음파 진동자로 형성된 액적은 운반용 가스를 이용해 반응관 속으로 운반되는데 이 때 운반용 가스의 유량은 1 L/분 ~ 100 L/분 범위를 사용할 수 있다. 운반용 가스의 유량이 1 L/분 이하일 때는 속이 비지 않은 치밀한 구조의 분말이 얻어지고, 운반용 가스의 유량이 100 L/분 이상일 때는 액적이 반응관 속을 너무 빠른 속도로 지나가게 돼 분말이 형성되지 않는다.

단계 s30을 위하여, 상기 방법으로 제조된 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말은 물과 혼합하여 슬러리 형태로 제작하는데, 이 때 물과 분말의 반응비는 0.1 ~ 10의 범위를 사용할 수 있다. 물과 분말의 반응비가 0.1 이하이면 물이 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말 안에 침투하며 안에 있던 공기를 배출시킬 만큼 충분한 양이 되지 않기 때문에 큰 크기의 기공이 형성되지 않는다. 반면 물과 분말의 반응비가 10 이상이면 물의 양이 너무 많아서 성형체가 형성되지 않는다.

상기 슬러리는 성형틀 안에 부은 후, 단계 s40과 같이 오븐에서 건조를 하는데, 이 때 건조온도는 25℃ ~ 500℃ 범위일 수 있다. 건조온도가 25℃ 이하이면 슬러리 표면이 굳는 시간이 너무 오래 걸려서 슬러리의 점도가 계속 낮은 상태로 유지, 생성된 기포가 부유, 대부분 슬러리를 통해 바깥으로 빠져 버려 많은 양의 큰 기공이 형성되지 않는다. 또한 낮은 온도로 인해 기포가 열에 의해 팽창하는 효과가 적어 작은 크기의 기공이 형성된다. 한편 건조온도가 500℃ 이상일 때는 너무 빠른 속도로 슬러리 안의 물이 증발돼 버리기 때문에 균일하고 많은 양의 기공이 형성되지 못한다.

건조 후에는 50 마이크로미터보다 큰 크기를 갖는 기공이 포함된 성형체를 얻을 수 있다. 상기 성형체는 단계 s50의 소결을 통해 핸들링 강도를 부여한다. 이 때 소결온도는 해당 세라믹 녹는 온도의 1/10 ~ 2/3 온도범위로 할 수 있다. 해당 세라믹 녹는 온도의 1/10 이하로 소결하면 파괴강도가 너무 낮게 되고, 해당 세라믹 녹는 온도의 2/3 이상으로 소결하면 큰 입성장이 발생해 역시 파괴강도가 낮아지게 된다.

소결로 얻은 소결체는 단계 s60에 따라 분쇄 후 체가름을 하여 과립으로 제조하며, 이를 통해 일정 크기의 세라믹 과립 내에 크고 작은 기공을 파단면에 노출시키게 되어 큰 기공과 작은 기공을 동시에 갖는 다중치수기공형 세라믹 과립을 얻을 수 있다.

이로부터 얻어지는 다중치수기공형 세라믹 과립의 크기범위는 50 마이크로미터 5 밀리미터(mm) 크기의 범위를 갖도록 할 수 있다. 이 때 과립의 크기가 50 마이크로미터 이하이면 체내에 매식시 혈관이 생성될 여유 공간이 부족하게 돼 신생골 발생이 어렵다. 반면 과립의 크기가 5 밀리미터 크기 이상이면 크기가 너무 커서 작은 환부에의 적용이 어렵다.

상기 다중치수기공형 세라믹 과립은 50 마이크로미터보다 큰 크기의 큰 기공을 내부에 포함하고, 50 마이크로미터 이하 크기의 작은 기공을 파단면에 포함하여, 일정 크기의 세라믹 과립 내에 상기 큰 기공과 작은 기공을 갖는다. 바람직하기로 상기 큰 기공은 100 마이크로미터보다 큰 크기를 갖는다. 후술하는 실험예예 따르면 1000 마이크로미터 크기 범위의 큰 기공도 형성할 수 있다. 작은 기공은 20 ~ 30 마이크로미터 이하의 크기를 갖는다. 더욱 바람직하게 작은 기공은 1 ~ 10 마이크로미터 범위의 것일 수 있다. 후술하는 실험예에 따르면 1 ~ 3 마이크로미터 범위의 작은 기공도 형성할 수 있다.

상기 세라믹 과립은 과립 자체, 또는 필요한 경우 적절한 추가 처리를 통하여 분말, 정제, 칩, 모르슬(morsel), 펠렛, 스틱, 쉬트(sheet), 블록(block) 등의 형태를 갖는 골 이식 대체재로 이용될 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 물에는 용해되지 않으나 산에 용해 가능한 세라믹 분말을 이용해 다중치수기공형 세라믹 과립을 제조하는 방법이다.

이 방법은 세라믹 분말 전구 수용액을 준비하는 단계 s10에 있어서만 위의 방법과 차이가 있다.

먼저 세라믹 분말을 물에서 합성하거나 분산시켜 현탁액(혹은 세라믹 분산 수용액)을 만든다. 이 때 세라믹 분말의 농도는 0.1M ~ 10M 범위일 수 있다. 이 때 세라믹 분말의 농도가 0.1M 이하이면 분말이 너무 작아져서 큰 크기의 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말이 형성되지 않으며 10M 이상이면 농도가 너무 짙어서 역시 큰 크기의 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말이 형성되지 않는다.

다음, 상기 현탁액에 산을 첨가하여 세라믹 분말을 용해시키는데 이 때 첨가되는 산의 양은 어떠한 산을 사용하든지 세라믹 분말이 완전히 녹을 때까지 첨가하면 된다. 이로써 세라믹 분말 전구 수용액이 제조된다.

다음, 상기 세라믹 분말 전구 수용액을 분무열분해하여 팟형 혹은 할로우형 세라믹 분말을 제조하고, 앞서 설명한 바와 동일한 방법으로 성형, 소결, 분쇄 및 체가름하여 일정 크기의 세라믹 과립 내에 크고 작은 기공을 파단면에 형성한다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 큰 기공과 작은 기공을 동시에 포함하는 세라믹 과립을 분무열분해법과 발포법에 의해 제조할 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 본 발명에 따른 산에 용해되지 않는 다중치수기공형 알루미나 과립 제조 방법

질화알루미늄 187.6g을 증류수 1000g에 첨가한 후 교반기를 사용해 용해시킨다. 그 후 이를 1.7 MHz 출력으로 17개의 진동자를 가동시켜 액적을 형성시키고 40 L/분 유량의 공기를 운반용 가스로 사용, 900℃의 온도로 맞추어진 소결로를 통과시켜 팟형 혹은 할로우형 알루미나 분말을 제조한다.

도 2는 상기 제조 방법에 의해 만들어진 알루미나 분말의 SEM 사진으로서 약 5 마이크로미터 크기 이하의 팟형 및 할로우형 분말이 제조된 것이 확인된다.

그 후 상기 분말 10g에 물 15g을 혼합해 5 밀리미터 직경의 금속몰드에 넣고 150℃ 오븐에서 건조한다. 그 후 이를 1600℃에서 3시간 소결 후 분쇄한 뒤 400 마이크로미터 ~ 600 마이크로미터 크기로 체가름하였다.

도 3은 소결 후 XRD를 이용해 상 분석한 결과로서, 알루미나 단일상이 생성된 것이 확인됐다.

도 4는 다중치수기공형 알루미나 과립의 SEM 사진으로서, (a) 30배율, (b) 1000배율, (c) 5000배율 사진이다. (a)에서 보는 바와 같이 약 100 마이크로미터 크기부터 250 마이크로미터 크기 범위의 큰 기공이 형성된 것이 확인되고, (c)에서 보는 바와 같이 스트럿(strut) 부분에는 약 1 ~ 4 마이크로미터 크기의 수많은 작은 기공이 존재하는 것이 확인되어 성공적으로 다중치수기공형 알루미나 과립이 형성된 것이 확인된다.

실시예 2: 본 발명에 따른 산에 용해되지 않는 다중치수기공형 지르코니아 과립 제조 방법

지르코늄 옥시나이트레이트 115.6g을 증류수 1000g에 첨가한 후 교반기를 사용해 용해시킨다. 그 후 이를 1.7 MHz 출력으로 17개의 진동자를 가동시켜 액적을 형성시키고 40 L/분 유량의 공기를 운반용 가스로 사용, 900℃의 온도로 맞추어진 소결로를 통과시켜 팟형 혹은 할로우형 지르코니아 분말을 제조한다.

도 5는 상기 제조 방법에 의해 만들어진 지르코니아 분말의 SEM 사진으로서, 약 5 마이크로미터 크기 이하의 팟형 및 할로우형 분말이 제조된 것이 확인된다.

그 후 분말 10g에 물 15g을 혼합해 5 밀리미터 직경의 금속몰드에 넣고 150℃ 오븐에서 건조한다. 그 후 이를 1600℃에서 3시간 소결 후 분쇄한 뒤 400 마이크로미터 ~ 600 마이크로미터 크기로 체가름하였다.

도 6은 소결 후 XRD를 이용해 상 분석한 결과로서, 지르코니아 단일상이 생성된 것이 확인됐다.

도 7은 다중치수기공형 지르코니아 과립의 SEM 사진으로서, (a) 100배율 및 (b) 5000배율 사진이다. (a)의 저배율 사진에서 보는 바와 같이 약 100 마이크로미터 크기부터 250 마이크로미터 크기 범위의 큰 기공이 형성된 것이 확인되고, (b)의 고배율 사진에서 보는 바와 같이 스트럿 부분에는 약 1 ~ 3 마이크로미터 크기 범위의 수많은 작은 기공이 존재하는 것이 확인되어, 성공적으로 다중치수기공형 지르코니아 과립이 형성된 것이 확인된다.

실시예 3: 본 발명에 따른 물에 용해되지 않으나 산에 용해되는 수산화인회석 분말을 이용한 다중치수기공형 과립의 제조 방법

초산칼슘 55.0g을 증류수 1000g에 첨가한 후 교반기를 사용해 용해시킨다. 그 후 인산수소이암모늄 25.1g을 초산칼슘 수용액에 첨가해 두 물질을 반응시켜 아파타이트 현탁액을 제조한다. 상기 아파타이트 현탁액에 60% 질산 12g을 첨가해 아파타이트 수용액을 제조하고 이를 1.7 MHz 출력으로 17개의 진동자를 가동시켜 액적을 형성시키고 40 L/분 유량의 공기를 운반용 가스로 사용, 700℃의 온도로 맞추어진 소결로를 통과시켜 팟형 혹은 할로우형 수산화인회석 분말을 제조한다.

도 8은 상기 제조 방법에 의해 만들어진 수산화인회석 분말의 SEM 사진으로서, 팟형 및 할로우형 분말이 제조된 것이 확인된다.

그 후 분말 10g에 물 15g을 혼합해 5 밀리미터 직경의 금속몰드에 넣고 150℃ 오븐에서 건조한다. 그 후 이를 1100℃에서 3시간 소결 후 분쇄한 뒤 400 마이크로미터 ~ 600 마이크로미터 크기로 체가름하였다.

도 9는 소결 후 XRD를 이용해 상 분석한 결과로서, 수산화인회석 단일상이 생성된 것이 확인됐다.

도 10은 다중치수기공형 수산화인회석 과립의 SEM 사진으로서, (a) 50배율 및 (b) 5000배율 사진이다. (a)의 저배율 사진에서 보는 바와 같이 약 50 마이크로미터 크기부터 1000 마이크로미터 크기 범위의 큰 기공이 형성된 것이 확인되고, (b)의 고배율 사진에서 보는 바와 같이 스트럿 부분에는 약 1 ~ 3 마이크로미터 크기 범위의 수많은 작은 기공이 존재하는 것이 확인된다.

실시예 4: 본 발명에 따른 물에 용해되지 않으나 산에 용해되는 수산화인회석 분말을 이용하여 물의 혼합비에 따른 다중치수기공형 과립의 제조 방법

초산칼슘 55.0g을 증류수 1000g에 첨가한 후 교반기를 사용해 용해시킨다. 그 후 인산수소이암모늄 25.1g을 초산칼슘 수용액에 첨가해 두 물질을 반응시켜 아파타이트 현탁액을 제조한다. 상기 아파타이트 현탁액에 60% 질산 12g을 첨가해 아파타이트 수용액을 제조하고 이를 1.7 MHz 출력으로 17개의 진동자를 가동시켜 액적을 형성시키고 40 L/분 유량의 공기를 운반용 가스로 사용, 700℃의 온도로 맞추어진 소결로를 통과시켜 팟형 혹은 할로우형 수산화인회석 분말을 제조한다. 그 후 (a) 분말 10g에 물 5g (D.W./HAp=0.5), (b) 분말 10g에 물 10g (D.W/HAp=1.0), 그리고 (c) 분말 10g에 물 15g (D.W./HAp=1.5)을 각각 혼합해 5 밀리미터 직경의 금속몰드에 넣고 100℃ 오븐에서 건조한다. 그 후 이를 1100℃에서 3시간 소결 후 분쇄한 뒤 400 마이크로미터 ~ 600 마이크로미터 크기로 체가름하였다.

도 11은 물의 혼합비에 따른 다중치수기공형 수산화인회석 과립의 SEM 사진으로서, (a), (d)와 (g)는 100배율, (b), (e)와 (h)는 1000배율, 그리고 (c), (f)와 (i)는 5000배율이다. (a), (b) 및 (c)는 물과 수산화인회석 분말의 혼합비가 0.5인 경우, (d), (e) 및 (f)는 물과 수산화인회석 분말의 혼합비가 1.0인 경우, (g), (h) 및 (i)는 물과 수산화인회석 분말의 혼합비가 1.5인 경우이다.

도 11의 (a), (d) 및 (g)에서 보는 것과 같이 물과 수산화인회석 분말의 혼합비가 증가할수록 기공의 크기는 커지는 것을 알 수 있고, 반면 도 11의 (c), (f) 및 (i)에서 보는 바와 같이 팟형 혹은 할로우형 입자의 파단면으로부터 형성되는 작은 기공의 크기는 그대로 유지됨을 알 수 있다. 따라서 원하는 큰 크기의 기공은 본 발명에 따라 물의 첨가량으로 조절 가능한 것을 확인할 수 있었다.

실시예 5: 본 발명에 따라 물에는 용해되지 않으나 산에 용해되는 수산화인회석 분말을 이용하여 건조온도에 따른 다중치수기공형 과립의 제조 방법

초산칼슘 55.0g을 증류수 1000g에 첨가한 후 교반기를 사용해 용해시킨다. 그 후 인산수소이암모늄 25.1g을 초산칼슘 수용액에 첨가해 두 물질을 반응시켜 아파타이트 현탁액을 제조한다. 상기 아파타이트 현탁액에 60% 질산 12g을 첨가해 아파타이트 수용액을 제조하고 이를 1.7 MHz 출력으로 17개의 진동자를 가동시켜 액적을 형성시키고 40 L/분 유량의 공기를 운반용 가스로 사용, 700℃의 온도로 맞추어진 소결로를 통과시켜 팟형 혹은 할로우형 수산화인회석 분말을 제조한다. 그 후 분말 10g에 물 15g (D.W./HAp=1.5)을 혼합해 5 밀리미터 직경의 금속몰드에 넣고 25℃, 50℃, 100℃, 150℃, 200℃, 250℃의 오븐에서 각각 건조한다. 그 후 이를 1100℃에서 3시간 소결 후 분쇄한 뒤 400 마이크로미터 ~ 600 마이크로미터 크기로 체가름하였다.

도 12는 본 발명에 따라 건조온도를 달리하여 제조된 다중치수기공형 수산화인회석 과립의 저배율 SEM 사진(50배)이고, 도 13은 고배율 SEM 사진이다(1000배). 도 12와 도 13에서 (a) 25℃, (b) 50℃, (c) 100℃, (d) 150℃, (e) 200℃, (f) 250℃를 가리킨다.

먼저 도 12에서 보는 것과 같이 건조온도가 증가할수록 큰 기공의 크기는 커지는 것을 알 수 있다. 반면 도 13에서 보는 바와 같이 팟형 혹은 할로우형 입자의 파단면으로부터 형성되는 작은 기공의 크기는 그대로 유지됨을 알 수 있다. 따라서 원하는 큰 크기의 기공은 본 발명에 따라 건조온도에 따라 성공적으로 조절 가능함을 확인할 수 있었다.

비교예 1: 팟형 혹은 할로우형 구조를 갖지 않으며 산에 용해되는 수산화인회석 분말을 이용한 과립 제조

초산칼슘 55.0g을 증류수 1000g에 첨가한 후 교반기를 사용해 용해시킨다. 그 후 인산수소이암모늄 25.1g을 초산칼슘 수용액에 첨가해 두 물질을 반응시켜 아파타이트 현탁액을 제조한다. 그 후 폴리에틸렌글리콜(PEG) 45g을 첨가해 잘 혼합한다. 상기 아파타이트/PEG 현탁액에 60% 질산 12g을 첨가해 인산칼슘/PEG 수용액을 제조하고 이를 1.7 MHz 출력으로 17개의 진동자를 가동시켜 액적을 형성시키고 40 L/분 유량의 공기를 운반용 가스로 사용, 1100℃의 온도로 맞추어진 소결로를 통과시켜 수산화인회석 분말을 제조한다. 그 후 잔존한 PEG 분해산물인 탄소를 완전히 제거하기 위해 650℃에서 1시간 동안 재 열처리를 한다.

도 14는 상기 제조 방법에 의해 만들어진 수산화인회석 분말의 SEM 사진(a)과 TEM(b) 사진으로서, 약 100 나노미터 수준의 작은 수산화인회석 분말이 만들어진 것이 확인된다. 그 후 실시예 3에서와 같이 이 분말 10g에 물 15g을 혼합해 5밀리미터 직경의 금속몰드에 넣고 150℃ 오븐에서 건조한다. 그 후 이를 1100℃에서 3시간 소결 후 분쇄한 뒤 400 마이크로미터 ~ 600 마이크로미터 크기로 체가름하였다.

도 15는 치밀한 구조를 갖는 수산화인회석 분말을 이용해 제조한 과립의 SEM 사진으로서, (a) 100배, (b) 1000배 및 (c) 5000배율 사진이다. 도 15에서 보는 바와 같이, 기공이 거의 관찰되지 않는 치밀한 구조의 수산화인회석 과립이 형성됨을 알 수 있다. 즉, 분말의 형태가 팟형 혹은 할로우형이 아닐 경우에는 물과 혼합 후 건조 시에도 다중치수기공이 생성되지 않음을 확인할 수 있다.

시험예 1: 본 발명에 따른 다중치수기공형 수산화인회석 과립과 치밀형 수산화인회석 과립이 저 결정성 탄산인회석 생성능 비교

본 발명에 따라 제조한 다중치수기공형 수산화인회석 과립과 비교예 1의 치밀한 구조의 수산화인회석 과립을 pH 7.4로 맞춘 의사체액에 7일간 침적 후 SEM 사진으로 저 결정성 탄산인회석 생성능을 비교하였다.

도 16은 비교예 1에 의해 제조된 치밀한 수산화인회석 과립을 의사체액 중에 7일간 침적하기 전후의 SEM 사진이다. (a), (c) 및 (e)는 침적하기 전이고 (b), (d) 및 (f)는 침적한 후의 결과로서, 침적 전과 후 새로운 미세구조 변화는 관찰되지 않았다.

도 17은 실시예 3에 의해 제조된 수산화인회석 과립을 역시 의사체액 중에 7일간 침적하기 전후의 SEM 사진이다. (a), (c) 및 (e)는 침적하기 전이고 (b), (d) 및 (f)는 침적한 후의 결과로서, 침상모양의 저 결정성 탄산인회석이 침적 후 기존 수산화인회석 표면에 새로이 석출된 것이 확인된다. 이는 같은 수산화인회석이지만 다중치수기공형이 되면서 비표면적이 증가돼 수산화인회석이 의사체액 중에 녹아나는 정도가 더 커졌기 때문이다.

시험예 2: 본 발명에 따른 다중치수기공형 수산화인회석 과립과 치밀형 수산화인회석 과립의 골형성능 비교

본 발명에 따라 제조한 다중치수기공형 수산화인회석 과립과 치밀형 수산화인회석 과립을 호주산 웅성 가토의 두개골 원형결손부에 매식 한 달 후 신생골의 형성능을 비교하였다.

도 18과 도 19는 골형성능 실험에 사용된 과립의 전자현미경 사진으로서 도 18은 저배율 사진(100배), 도 19는 고배율 사진(5000배)이다. 도 18과 도 19에서 (a)는 비교예 1에서 제조된 치밀형 수산화인회석 과립의 경우이고 (b)는 실시예 5에서 50℃로 건조해 제조한 과립, (c)는 실시예 5에서 100℃로 건조해 제조한 과립, (d)는 실시예 5에서 150℃로 건조해 제조한 과립이다. 실시예 5에서 보듯이 건조온도가 증가할수록 큰 기공의 크기는 증가하나(도 18의 (b), (c), (d) 참조) 작은 기공크기는 그대로 유지됨을 알 수 있다(도 19의(b), (c), (d) 참조).

도 20은 상기의 네 가지 과립을 호주산 웅성가토의 두개골에 원형결손 모델을 만들고 매식 한 달 후의 조직사진이다. (a)는 아무 것도 매식하지 않은 대조군, b) 기공이 없는 구조를 갖는 수산화인회석 과립을 매식한 경우, 그리고 (c), (d), (e)는 건조온도를 각각 50℃, 100℃, 150℃로 달리하여 제조된 다중치수기공형 수산화인회석 과립을 매식한 경우이다.

대조군으로서 결손부에 아무 것도 매식 하지 않은 경우를 blank(a)로 표시하였다. 조직사진에서 보는 바와 같이 결손부에 아무 것도 충진하지 않은 경우 결손부 내에 뼈가 생성되지 않았고, 치밀한 수산화인회석을 사용한 경우도 거의 뼈가 생성되지 않음을 알 수 있다(도 20의 (b). 한편 다중치수기공형 수산화인회석의 경우는 (도 20의 (c), (d), (e)) 큰 기공의 크기가 커질수록 골형성능이 증가하는 것이 확인되었다.

시험예 3: 본 발명에 따른 다중치수기공형 알루미나 과립과 치밀형 알루미나 과립의 골형성능 비교

도 21은 호주산 웅성 가토의 두개골에 원형결손을 형성하고 (a) 기공이 없는 구조를 갖는 알루미나 과립과 (b) 본 발명에 따라 제조된 다중치수기공형 알루미나 과립을 각각 매식한 뒤 한 달 후의 조직시편 사진이다.

도 21 (a)에서 보는 바와 같이 치밀한 알루미나 과립을 매식시에는 신생골이 알루미나 과립 주위에 형성되지 않았으나 도 21 (b)에서와 같이 다중치수기공형 알루미나 과립을 매식시에는 과립 주위에 신생골이 잘 형성된 것이 확인된다.

시험예 4: 본 발명에 따른 다중치수기공형 지르코니아 과립과 치밀형 지르코니아 과립의 골형성능 비교

도 22는 호주산 웅성 가토의 두개골에 원형결손을 형성하고 (a) 기공이 없는 구조를 갖는 지르코니아 과립과 (b) 본 발명에 따라 제조된 다중치수기공형 지르코니아 과립을 각각 매식한 뒤 한 달 후의 조직시편 사진이다.

도 22 (a)에서 보는 바와 같이 치밀한 지르코니아 과립을 매식시에는 신생골이 지르코니아 과립 주위에 형성되지 않았으나 도 22 (b)에서와 같이 다중치수기공형 지르코니아 과립을 매식시에는 과립 주위에 신생골이 잘 형성된 것이 확인된다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 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

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(a) 세라믹 분말 전구 수용액을 준비하는 단계;
(b) 상기 세라믹 분말 전구 수용액을 분무열분해하여 팟(pot)형 혹은 할로우(hollow)형 세라믹 분말을 제조하는 단계;
(c) 상기 세라믹 분말을 물과 혼합한 슬러리를 성형틀에 붓는 단계;
(d) 상기 (c)단계의 결과물을 오븐에서 건조하여 50 마이크로미터보다 큰 크기의 큰 기공을 갖는 성형체를 제조하는 단계;
(e) 상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계; 및
(f) 상기 소결체를 분쇄 후 체가름하여 상기 소결체의 파단면에 50 마이크로미터 이하 크기의 작은 기공을 노출시키는 단계를 포함하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 세라믹 분말은 산에 용해되지 않는 물질이고, 상기 세라믹 분말 전구 수용액은 해당 세라믹 분말의 금속 이온 부분을 포함하는 금속 이온 염을 물에 용해시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 세라믹 분말은 물에는 용해되지 않으나 산에 용해 가능한 물질이고, 상기 세라믹 분말 전구 수용액은 상기 세라믹 분말을 물에서 합성하거나 분산시켜 현탁액을 제조하고, 상기 현탁액에 산을 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 세라믹 분말 전구 수용액의 농도는 0.1M ~ 10M인 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 세라믹 분말 전구 수용액을 마이크로미터 크기의 액적으로 만들 수 있는 초음파 진동자, 이 액적을 소결로로 이동시킬 수 있는 운반용 가스 장치, 튜브형태의 관을 사용하는 수직 혹은 수평 소결로, 합성된 분말을 수거하는 필터, 냉각장치, 환기장치를 적어도 포함하는 분무열분해 장치를 이용해 수행하는 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 초음파 진동자의 출력이 0.5 ~ 5 MHz 범위인 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 운반용 가스 장치 안의 운반용 가스의 유량은 1 L/분 ~ 100 L/분 범위인 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 세라믹 분말 안으로 상기 물을 침투시켜 상기 분말 내부에 갇혀 있는 공기의 배출에 의해 상기 슬러리 안에 기포를 형성하는 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 (d) 단계의 건조온도 조절을 통해 상기 기포의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 건조온도는 25℃ ~ 500℃ 범위인 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 성형체 안의 기공은 상기 기포의 응집을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 슬러리 안의 물과 분말의 반응비는 0.1 ~ 10의 범위인 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 해당 세라믹 녹는 온도의 1/10 ~ 2/3 온도범위로 소결하는 것을 특징으로 하는 다중치수기공형 세라믹 과립 제조 방법.
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