KR101832030B1 - 지지체 탄산수소암모늄을 이용한 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지지체를 이용하여 수산화아파타이트와 베타형 인산 삼칼슘(β-TCP)의 혼합물을 소결하여 뼈와 유사한 탄성계수를 가지며 세포와의 결합력을 높인 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 수산화아파타이트 100 중량부, 베타형 인산 삼칼슘 13 내지 30중량부, 탄산수소암모늄 5 내지 35중량부, 거친 기공형성제 1 내지 3 중량부, 그리고 소결촉진제 0.5 내지 1.5 중량부를 혼합하는 단계, 상기 혼합된 분말을 급속소결법으로 소결하는 단계, 및 소결 후 열처리 단계를 포함하는 세라믹 복합재의 제조방법을 제공한다.

Description

지지체 탄산수소암모늄을 이용한 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재 및 이의 제조방법{MULTIPOROUS HYDROXYAPATITE-TRICALCIUM PHOSPHATE CERAMIC COMPOSITES(biphasic calcium phosphate: BCP) USING AMMONIUM HYDROGEN CARBONATE AS SUPPORT BODY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 지지체를 이용하여 수산화아파타이트(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, HAp)와 베타형 인산 삼칼슘(tricalcium phosphate,β-TCP)의 biphasic calcium phosphate(BCP)를 소결하여 뼈와 유사한 탄성계수를 가지며 세포와의 결합력을 높인 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

생체 경조직인 뼈 및 치아의 주성분과 유사한 수산화아파타이트 (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, HAp) 또는 내 생체분해능이 높다고 알려진 베타형 인산 삼칼슘(Tricalcium phosphate,β-TCP)을 인공 뼈, 뼈의 수복재료와 같이 생체재료로써 사용하고자 다양한 연구가 수행되어 왔다.

수산화아파타이트는 생체이식재료로서 인공적으로 제조할 경우에도 신생골과 견고하게 결합하는 골유착성을 가지며, 그 합성조건과 소결 온도를 조절하면 여러 종류의 결정성을 부여할 수 있고 골내흡수성에서 비흡수성까지 자유롭게 만들어낼 수 있으며, 물리적 성질도 다른 의료용 세라믹 복합재보다 넓은 범위로 변화를 줄 수가 있어 골결손 부위의 인공 충진재, 정형외과에서의 인공골 등으로 가장 광범위하게 응용되고 있다.

수산화아파타이트는 염기성 인산캄슘으로서 인체의 뼈나 치아의 무기질 성분과 매우 유사하며 생체친화성 및 생체활성이 매우 우수한 특징을 가지고 있으나, 강도가 낮기 때문에 단독으로 쓰이지 못하고 주로 금속 임플란트 코팅재료 및 모재에 HA를 혼합시켜 사용되고 있다.

한편, 경조직 대체재로써 β-TCP 단독으로 이용할 경우에도, 용해도가 너무 빨라 손상된 뼈가 회복되기 전에 용해되어버리는 문제가 발생한다.

상기와 같이 여러 조성의 인삼칼슘염과 탄산칼슘영 등의 안전한 합성골 이식재에 대한 연구가 진행되고 있으며 메가젠(한국)의 MGSB, Biomatlante(프랑스)의 MBCP, Geistlich-Pharma(스위스)의 Bio-Oss 및 오스코텍(한국)의 BBP의 이식재가 판매되고 있다. 이들 중 MGSB와 MBCP는 BCP(biphasic calcium phosphate) 이식재이고, BBP와 Bio-Oss는 우골유래망상골 이식재이다.

본 발명의 목적은 뼈와 유사한 탄성계수를 가지며 세포와의 결합력을 높인 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재(BCP, biphasic calcium phosphate)를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 탄산수소암모늄(NH₄HCO₃) 지지체를 이용하여 수산화아파타이트와 베타형 인산 삼칼슘의 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산수소암모늄(NH₄HCO₃) 지지체를 포함하는 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재(BCP, biphasic calcium phosphate)를 제공한다.

상기 세라믹 복합재는 상기 수산화아파타이트 100 중량부에 대하여, 베타형 인산 삼칼슘 13 내지 30중량부, 그리고 탄산수소암모늄 5 내지 35중량부를 포함하는 것일 수 있다.

상기 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재(BCP, biphasic calcium phosphate)는 마이크로 사이즈의 기공과 나노 사이즈의 기공으로 인하여 표면 거칠기를 가지는 기공이 다수 형성되어 있는 것일 수 있다.

상기 마이크로 사이즈 기공의 직경은 450 내지 550㎛, 상기 나노 사이즈 기공의 직경은100 내지 200nm일 수 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 수산화아파타이트 100 중량부, 베타형 인산 삼칼슘 13 내지 30중량부, 탄산수소암모늄 5 내지 35중량부, 거친 기공형성제 1 내지 3 중량부, 그리고 소결촉진제 0.5 내지 1.5 중량부를 혼합하는 단계, 상기 혼합된 분말을 급속소결법으로 소결하는 단계, 및 소결 후 열처리 단계를 포함하는 세라믹 복합재의 제조방법을 제공한다.

상기 급속소결법은 방전 플라즈마 소결법(Spark Plasma Sintering, SPS)일 수 있다.

상기 거친 기공형성제는 TiH₂이고, 소결촉진제는 MgO인 것일 수 있다.

상기 열처리 단계는 100 내지 150℃에서 3 내지 7분간 유지하고, 900 내지 1100℃로 상승시켜 7 내지 15분간 유지하는 2단계 열처리인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 다기공 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재(BCP, biphasic calcium phosphate)는 체 내 경골과 유사한 저 탄성계수를 가지며, 보다 높은 압축강도를 갖는다. 또한 본 발명의 산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재는 지지체로 탄산수소암모늄(NH₄HCO₃)을 이용하여 마이크로 사이즈의 기공과 그 안에 나노 사이즈의 기공을 형성하여 표면 거칠기를 가진다.

그 결과 세포와의 결합력을 높여 효율적인 세포 증식 및 고정이 가능하고, 세포괴사를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제조예 1에서 제조된 세라믹 복합재의 단면 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1에서 제조된 세라믹 복합재의 미세조직 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1에서 제조된 세라믹 복합재의 종단면 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 제조예 1에서 제조된 세라믹 복합재의 3D-CT 촬영 사진이다.
도 5는 본 발명의 제조예 1에서 제조된 세라믹 복합재의 압축강도 실험 데이터를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제조예 1에서 제조된 세라믹 복합재의 MTT 분석 실험 데이터를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 비교예 1에 따른, Hanks 용액 내 침전기간에 따른 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 복합재의 단면 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1에 따른, Hanks 용액 내 30일 동안 침전한 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 복합재의 단면 SEM 사진 및 표면 내 포인트 분석 결과를 나타낸 표이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 탄산수소암모늄(NH₄HCO₃) 지지체를 포함하는 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재(BCP, biphasic calcium phosphate)를 제공한다.

수산화아파타이트(Hydroxyapatite, HAp)는 염기성 인산캄슘으로서 인체의 뼈나 치아의 무기질 성분과 매우 유사하며, 생체친화성 및 생체활성이 매우 우수한 특징을 가지고 있다. 하지만 상기 수산화아파타이트는 강도가 낮기 때문에 단독으로 쓰이지 못하고 주로 금속 임플란트 코팅재료 및 모재에 수산화아파타이트를 혼합시켜 사용되고 있다.

베타형 인산 삼칼슘은 생체분해능이 높다고 알려져 있고, 인공 뼈, 뼈의 수복재료와 같이 생체재료로써 사용되나, 용해도가 너무 크다는 단점이 있다.

상기 수산화아파타이트 및 베타형 인산 삼칼슘의 형태는 특히 한정되지 않지만, 통상 분체가 바람직하고, 분체로서는 분산성의 점으로부터 구형상의 것임이 바람직하다. 상기 분체의 평균 입경으로서는, 1 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 이 범위 이내의 입경을 가지는 경우 균일한 혼합물을 용이하게 조제할 수 있고 소결했을 때 혼합되지 않는 두 불질의 복합재료를 만드는 소결화를 양호하게 실시할 수 있다.

탄산수소암모늄(NH₄HCO₃)은 지지체(Space holder)로서의 역할을 한다. 수산화아파타이트 및 베타형 인산 삼칼숨과 혼합되는 탄산수소암모늄이 휘발되면서 탄산수소암모늄이 차지하던 공간에 상당하는 기공을 생성한다.

지지체의 종류가 변함에 따라 기공 크기가 달라져 항복강도 등에 영향을 미친다. 상기 탄산수소암모늄을 이용하여 적절한 기공을 가지는 세라믹 복합재를 제공할 수 있다.

지지체인 탄산수소암모늄은 기공형성을 위하여 구상인 것이 바람직하다. 입경은 100 내지 300㎛인 것이 골 형성세포가 잘 침투할 수 있어 가장 바람직하다.

고강도 세라믹을 얻기 위해서, 상술한 수산화아파타이트에 베타형 인산 삼칼슘을 소결하여 사용한다. 소결 조건 및 방법은 아래 세라믹 복합재의 제조방법에서 후술한다.

상기 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재(BCP)는 23 내지 30GPa의 저 탄성계수를 가지는 것일 수 있다.

인체 뼈(경골)는 10 내지 30GPa정도의 탄성계수를 가진다. 생체 의료용 고분자를 환자의 환부에 이식하였을 때 상기 탄성계수의 차이로 인하여 이식한 부분의 주위 뼈가 퇴화되는 현상(응력차폐 현상)이 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재(BCP)는 복합재의 비율을 조정하고, 복합재 내부에 기공을 삽입하여 특정 구조를 만듦으로써 인체 뼈와의 탄성계수 차이를 줄였다.

상기 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재(BCP)는 165 내지 300MPa의 고 압축강도를 가지는 것일 수 있다.

압축 강도가 피질골(Cortical bone, 150MPa)보다 낮은 경우, 임플란트가 삽입되어 결손된 골이 형성되는 동안 인체의 하중을 견디지 못하고 파괴되는 문제가 발생할 수 있다.

상기 세라믹 복합재의 압축강도는 165 내지 300MPa인 것이 뼈 이상의 강도를 지닌다는 측면에서 바람직하다.

생체 의료용 소재의 압축강도는 크게 변할 수 있다. 소결과정에서 기공의 종류, 크기 및 분포의 영향을 받아 강도가 증가되고 연성이 떨어지는 현상이 일어나기도 하며, 기공의 크기가 너무 커 항복강도에 도달하기도 전에 파괴 될 수도 있다.

상기 범위 이내의 강도를 가진다면, 인공뼈, 인공 관절 등의 생체 재료로서 이용하는 경우에서도 충격 강도 및 인성이 충분하고, 체액중에서의 강도도 충분하기 때문에, 생체내에서 안전하게 기능할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 세라믹 복합재는 정형재료 및 수복재료로의 사용이 기대된다.

상기 탄산수소암모늄(NH₄HCO₃) 지지체를 이용하여 제조한 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재는 마이크로 사이즈의 기공과 그 안에 나노 사이즈의 기공으로 인하여 표면 거칠기를 가지는 기공이 다수 형성되어 있을 수 있다. 상기 나노 사이즈 기공은 거친 기공형성체의 첨가로 인하여 형성된다.

기공을 통해 뼈를 생성시키는 세포가 성장하는 데 충분한 공간을 제공할 수 있고, 기공으로 인해 밀도가 낮아지므로 탄성계수를 낮추는데 기여할 수 있다. 그러나 기공이 지나치게 많을 경우 쉽게 부서질 수 있다(강도가 약하다)는 문제점이 있을 수 있다.

마이크로 사이즈 기공의 직경은 450 내지 550㎛인 것이 생체 의료용 소재를 환부에 이식 후 주위 뼈 세포와의 융화에 유리하다. 나노 사이즈 기공의 직경은 100 내지 200nm이다. 표면 거칠기는 거친 기공형성제를 첨가함에 따라 증가하고, 이는 세포흡착력을 증가시켜 골세포 형성에 유리하다.

이상, 본 발명의 다기공의 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 세라믹 복합재를 설명했지만, 본 발명은 이들로 한정되는 것이 아니고, 복합재에는 다른 성분, 예를 들면 금속재료 등이 첨가될 수 있다.

본 발명은 수산화아파타이트 100 중량부, 베타형 인산 삼칼슘 13 내지 30중량부, 탄산수소암모늄 5 내지 35중량부, 거친 기공형성제 1 내지 3 중량부, 그리고 소결촉진제 0.5 내지 1.5 중량부를 혼합하는 단계, 상기 혼합된 분말을 급속소결법으로 소결하는 단계, 및 소결 후 열처리 단계를 포함하는 세라믹 복합재의 제조방법을 제공한다.

고강도 세라믹을 얻기 위해서, 상술한 수산화아파타이트에 베타형 인산 삼칼슘을 혼합하여 사용하고, 저 탄성계수를 부여하기 위하여 탄산수소암모늄 지지체를 첨가하여 기공을 생성시킨다.

베타형 인산 삼 칼슘의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우 생체 분해가 빨리 일어날 우려가 있고, 그로 인해 기계적 강도의 부족 등의 문제가 발생할 수 있다. 한편, 베타형 인산 삼칼슘이 13 중랑부 미만일 경우 강도의 향상 효과를 볼 수 없는 우려가 있다.

탄산수소암모늄이 5 중량부 미만일 경우 탄성계수가 높아 응력차폐현상이 일어날 우려가 있고, 30 중량부를 넘으면 기계적 강도가 떨어져 골지지체로써 역할을 못하는 문제가 발생할 수도 있다.

상기 거친 기공형성제는 TiH₂일 수 있고, 상기 TiH₂는 지지체로도 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 기공 내부의 거칠기를 개선하기 위한 목적으로 사용된다. TiH₂의 영향으로 혼합분말을 소결함에 따라 Ti가 산화되며 수소가 탈착(desorption)되어 이동하여 기공표면의 거칠도 및 내부 기공의 상호연결성을 증가시킬 수 있다. TiH₂는 1 내지 3 중량부로 소량 첨가되는 것이 바람직하다.

소결촉진제는 MgO일 수 있고, 수산화아파타이트 및 베타형 인산 삼칼슘은 생체 재료로서 난소결세라믹이므로, 이들 세라믹의 소결을 촉진하기 위하여 첨가한다. 상기 소결 촉진제는 0.5 내지 1.5 중량부로 소량 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 비율 이내로 혼합 된 세라믹 복합재는 생체 친화성과 고강도성을 동시에 현저하게 발현할 수 있다.

상기와 같이 혼합된 혼합물은 급속소결법에 의하여 소결되고, 바람직하게는 방전 플라스마 소결법(Spark Plasma Sintering, SPS)을 이용할 수 있다.

방전 플라스마 소결법은, 압분체 입자 간극에 직접 펄스형의 전기에너지를 투입해, 불꽃 방전에 의해 순간에 발생 하는 고온 플라스마의 고에너지를 열확산 또는 전해확산 등에 효과적으로 응용함으로써, 승온 및 지지시간을 포함해도 5 내지 20분 정도로 소결 혹은 소결 복합화를 가능하게 한다.

이러한 방전 플라스마 소결법에 의하면, 단시간에 고품위 복합재를 제조할 수 있다. 즉, 하이드록시아파타이트 등의 인산 칼슘계 세라믹과 알루미나 등의 산화물계 세라믹과의 조합과 같이, 소결 온도 및 강도가 각각 크게 다른 재료 같은 종류의 복합화가 가능해진다. 또, 통상 곤란으로 여겨지는 다공질 소결을 용이하게 실시할 수 있고 생체 재료로서 적합한 복합재를 제조할 수 있다.

상기 방전 플라스마 소결법의 소결 조건은 아래와 같다.

1) 응력 가압

상기 혼합물의 압축시의 가압력은 특히 한정되지 않지만, 10내지 30MPa 정도가 바람직하고, 이를 초과하면 지지체 탄산수소암모늄의 형태가 손상될 우려가 있다. 가압력이 너무 작으면, 불완전 소결로 소결체의 치밀성 및 강도가 불충분할 우려가 있다. 또 소결 시간이 길어지는 등, 제조 효율이 저하한다.

2) 펄스 전류

상기 혼합물을 압축해, 고밀도화한 혼합물에 성형 펀치를 통하고, 펄스 전압을 인가해 펄스 전류를 흐르게 해 소결 한다.

인가하는 펄스 전압의 조건은 특히 한정되지 않고, 예를 들면, 펄스 비(비통전 시간:통전 시간)가1:1 내지 12:1 정도, 전압 1 내지 10V정도일 수 있다.

3) 온도

소결의 열처리 단계는 2단계로 일어나는 것일 수 있다. 1단계는 100 내지 150℃에서 3 내지 7분간 유지하고, 2단계는 900 내지 1100℃ 로 상승시켜 7 내지 15분간 유지하는 것일 수 있다.

1단계 열처리는 기공형성이 용이하도록 지지체(NH₄HCO₃)의 분해온도로서 분해시 발생하는 가스를 배출하도록 한다. 이 후 2단계 900 내지 1100℃에서 단시간에 소결이 일어나면, 소결재의 결정립 성장을 억제하면서 강도가 우수한 복합 소결체를 얻을 수 있다. 즉, 소결 온도가 900℃보다 낮으면 소결, 복합화가 완전하게 진행하지 않고, 소결체의 강도 및 인성 등이 불충분이 되는 경우가 있다. 또, 상대 밀도가 저하되어 높은 강도의 소결체를 얻을 수 없을 우려가 있다. 한편, 소결 온도가 1100℃을 넘으면, 특히 베타형 인산 삼칼슘이 알파 삼 칼슘 인산계로 상변태가 일어나기 때문에, 소결체에 크랙 등이 발생 할 우려가 있다.

4) 시간

상기의 온도로 유지하는 소결 시간은, 1단계에서 3 내지 7분, 2단계 7 내지 15분을 유지하는 것이 바람직하다. 소결 시간이 15분을 초과하면 결정립이 성장하고 기공의 밀도가 감소될 수 있다. 그러나 상기 범위 내에서 소결이 일어나면, 기공형성이 용이하고 소결체의 강도를 충분히 얻을 수 있고 과소결 등을 방지할 수 있다.

본 발명의 방법으로 제조된 세라믹 복합재는, 생체 친화성을 유지하면서 높은 강도 및 인성 등을 가지기 위해, 높은 강도가 요구되는 정형재료, 수복재료 및 인공 관절 등의 생체 재료로서 유효하고 안전하게 이용할 수 있다.

[ 제조예 1: 세라믹 복합재 제조]

< 실시예 1>

수산화아파타이트 분말 80g과 베타형 인산 삼 칼슘 분말 20g을(80:20의 비율로 혼합) 혼합한 분말(총 100g)에 지지체인 탄산수소암모늄을 10g을 첨가하고 거친 기공형성제인 TiH₂ 2g, 소결촉진제인 MgO 1g을 첨가한 후 혼합분말 제조 시에는 탄산수소암모늄의 크기 및 모양의 변형을 방지하기 위해 볼을 사용하지 않고 원통의 폴리에틸렌병에 넣은 후 혼합기계(Mechanical mixer, ABB ACS100)을 이용하여 125RPM의 속도로 24시간 동안 혼합하였다.

상기 급속 소결법에서 혼합된 분말을 실린더 모양의 흑연다이(외경: 35mm, 내경: 10.5mm, 높이: 40mm)에 충진 후 방전 플라스마 소결(SPS) 장치의 챔버 내부에 장착한다. 이 후, 10^-2torr의 진공분위기에서 20MPa의 일축압축을 실시하였으며, 승온 속도는 100℃/min으로 2단계 열처리를 실시하였다. 1단계 열처리에서는 지지체가 분해되는 온도인 120℃에서 5분 동안 유지시켜 가스를 제거 후 1000℃까지 상승시킨 뒤 시편의 치밀화가 충분히 이루어지도록 10분 동안 유지시키는 2단계 열처리를 실시하였다.

< 비교예 1 및 실시예 2, 3>

탄산수소 암모늄의 함량을 하기 표 1과 같이 첨가한 것을 제외하고 상기 실시예 1의 제조 방법과 동일하다.

	탄산수소암모늄(g)
비교예 1	0
실시예 1	10
실시예 2	20
실시예 3	30

[ 실험예1 : 세라믹 복합재 물성평가]

< 실험예 1: 세라믹 복합재의 단면 분석>

상기 비교예 1 및 실시예 1 내지 3에 따른 세라믹 복합재의 단면, 미세조직, 종단면을 주사전자현미경 분석(scanning electron microscopy, SEM)하여 도 1 내지 3에 나타내었다.

또한, 상기 지지체인 탄산수소암모늄의 함량에 따른 수산화아파타이트-베타형 인산 삼칼슘 복합재(비교예 1, 실시예 1 내지 3)를 3D-CT 촬영하여 도 4에 나타내었고, 기공 크기는 아래 표 2에 나타내었다.

	기공 크기(㎛)
비교예 1	2
실시예 1	466
실시예 2	492
실시예 3	525

상기 도 1 내지 4를 참고하면, 지지체를 넣은 복합재의 경우, 지지체를 넣지 않은 복합재와 달리 보다 크고 표면거칠도가 높은 기공을 얻을 수 있었다.

또한, 지지체 양이 증가함에 따라 기공분포가 증가하며 평균 기공 크기가 466㎛에서 525㎛로 증가한 것이 관측되었다.

< 실험예 1: 압축강도>

만능시험기(UTM, universal testing machine)를 사용하여 상기 비교예 1 및 실시예 1 내지 3에 따른 세라믹 복합재의 압축강도 및 탄성계수를 측정 하였다. 모든 측정값은 3개 이상의 샘플을 제조하여 각각의 압축강도 및 탄성계수를 측정하였고, 평균치와 표준오차(standard error)를 함께 평균치와 표준오차 형식으로 표시하였다.

실험 결과를 도 5 및 하기 표 3에 나타내었다.

	압축강도(Mpa)	탄성 모듈러스(Gpa)	이론 밀도(g/cm3)	상대 밀도(%)	경도(HRF)
비교예 1	165.61	30.43	3.514	88.8	126
실시예 1	204.29	26.88	4.424	72.3	124
실시예 2	240.04	23.73	4.502	69.7	122
실시예 3	291.84	23.54	4.74	64.5	120

상기 도 5 및 표 3에 따르면, 지지체를 포함하지 않는 비교예 1은 압축강도 및 밀도가 현저히 낮은 것을 확인할 수 있었다.

한편, 지지체의 양이 증가함에 따라 상대밀도가 88.8%에서 64.5%로 감소하고 이에 따라 이에 따라 경도 값이 126 H_RF에서 120 H_RF으로 감소한 것을 볼 수 있었다. 이는 지지체의 양이 증가함에 따라 기공도가 증가하고 이에 따라 경도가 감소한 것으로 추측된다.

[ 실험예 2: 세라믹 복합재 생물학적 실험]

< 실험예 2: MTT ( Tetrazolium - based colorimetric ) 분석>

세포 생존능을 측정하기 위하여 테트라졸륨 염(Tetrazolium) 중 하나인 MTT용액을 이용한 생체적합성 실험인 MTT 분석을 실시하였다.

모든 측정 값은 조건당 5개의 시편을 제조하여 각각의 세포 생존능을 측정하였고, 평균치와 표준오차(standard error)를 함께 평균치와 표준오차 형식으로 표시하였다. 비교예 2로 경골 및 인공관절로 널리 쓰이는 티타늄(Titanium, Ti)과 비교하여 나타내었다.

실험결과는 도 6에 그래프로 나타내었다.

상기 도 6을 참고하면, 지지체의 분율이 증가할수록 기공 내 기공분포가 증가하면서 시편의 비표면적이 증가하게 되고 이에 따라 세포접착율이 증가하며 그로 인해 세포생존능은 증가함을 확인할 수 있었다.

< 실험예 3: Hanks 액을 이용한 침전실험>

상기 비교예 1에 따른 방법으로 제조된 세라믹 복합재의 체내 생체분해능을 측정하기 위해 인체의 혈장성분과 유사한 Hanks액 내 시편을 7일, 15일, 30일 침전시켜 분해거동을 측정하였다.

측정 결과를 도 7에 나타내었고, 비교예 1의 30일째 침전 실험 결과를 도 8에 나타내었다.

관찰 결과, 시편은 지지체를 첨가하지 않은 시편으로 침전기간이 길어짐에 따라 시편의 표면 내 베타형 인산 삼 칼슘이 분해되며 새로운 층이 형성된 것을 볼 수 있었다.

또한, 새로 형성된 층의 EDS 분석(Energy Dispersive Spectrometry)결과를 아래 표 4에 나타내었다.

요소	Wt%	At%
OK	34.68	51.92
PK	22.29	18.24
CaK	43.03	29.83

상기 표에서 O, P, Ca는 각각의 원소, 산소(O), 인(P), 칼슘(Ca)을 뜻하고 원소 뒤에 K는 원소분석 시, K alpha선에서 측정된 원소를 뜻한다. Ca/P 원자비율은 EDS분석결과를 토대로 Ca와 P의 원자비율(At%)를 나타낸 것으로 Ca원자비율에 P원자비율을 나눠서 구할 수 있다. 표 4를 참고하면, Ca/P 원자비율이 약 1.64로 아파타이트[Ca₅(PO₄)₃]층인 것을 확인할 수 있었다. 이러한 아파타이트층은 골형성 세포의 부착을 조장하여 골전도성에 기여한다고 보고되고 있다. 이에 따라 본 발명에서 제조된 복합재는 체내 임플란트로 삽입시, 아파타이트층이 형성되어 골전도성이 우수할 것으로 사료된다.

이상, 본 발명의 실시예를 통해 확인된 바와 수산화아파타이트에 베타형 인산 삼칼슘 및 지지체 탄산수소암모늄을 첨가함으로써 압축강도가 증가하고 세포활성도가 증가하는 것을 확인하였고, 체내 임플란트로 삽입 시, 아파타이트층이 형성되어 골전도성이 우수할 것으로 사료된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 수산화아파타이트 100 중량부, 베타형 인산 삼칼슘 13 내지 30중량부, 탄산수소암모늄 5 내지 35중량부, 거친 기공형성제 1 내지 3 중량부, 그리고 소결촉진제 0.5 내지 1.5 중량부를 혼합하는 단계,
   상기 혼합된 분말을 급속소결법으로 소결하는 단계, 및
   소결 후 열처리 단계를 포함하고,
   상기 거친 기공형성제는 TiH₂이고, 상기 소결촉진제는 MgO이며,
   상기 열처리 단계는 110 내지 130℃에서 3 내지 7분간 유지하고, 900 내지 1100℃로 상승시켜 7 내지 15분간 유지하는 2단계 열처리 단계인 것인
   직경 450 내지 550㎛의 마이크로 사이즈의 기공과 직경 100 내지 200nm의 나노 사이즈의 기공을 포함하는 세라믹 복합재의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 급속소결법은 방전 플라즈마 소결법(Spark Plasma Sintering, SPS)인 것인 세라믹 복합재의 제조방법.
   
   
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8. 삭제

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