KR101907408B1 - 난각과 인산-암모니아 용액을 이용한 인산칼슘계 물질의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난각분말을 인산-암모니아 용액과 반응시켜 HA 또는 β-TCP와 같은 생체적합성이 뛰어난 인산칼슘계 물질의 제조방법을 제공한다.
상기 인산-암모니아 용액에 포함된 인산이온의 양을 조절하면 동일한 반응조건을 사용하여도 HA 또는 β-TCP 각각 분리하여 합성할 수 있는 효과가 있다. 상기 인산-암모니아 용액에 포함된 인산이온의 농도는 열처리 후 HA 또는 β-TCP 입자의 모양을 결정하는 효과가 있으며 인산이온의 농도가 높을수록 휘스커 형태의 입자형성이 촉진되어 비표면적이 향상되는 효과가 있다. 상기 인산-암모니아 용액에 포함된 암모니아이온은 상온반응의 원료물질인 수산화칼슘의 생성을 촉진시켜 최종산물인 HA 또는 β-TCP의 합성을 촉진하는 효과가 있으며 열처리로 인한 입자의 성장 및 비표면적의 증가를 향상시키는 효과가 있다.
따라서 인산-암모니아 용액에 포함된 인산이온의 양과 암모니아이온의 양(pH)을 조절하여 난각분말과 반응시키고 그 반응물을 열처리하면 비표면적이 향상되어 반응성이 뛰어난 HA 또는 β-TCP을 각각 합성할 수 있는 효과가 있다.

Description

난각과 인산-암모니아 용액을 이용한 인산칼슘계 물질의 제조방법{Manufacturing Method Of Calcium Phosphate Using Eggshell And Phosphate-ammonia solution}

본 발명은 난각과 인산-암모니아용액을 이용한 인산칼슘계 물질의 제조방법에 관한 것이다.

생체재료(biomaterial)는 신체의 일부를 대체하거나 부족한 신체기능을 충족시키는데 사용하는 재료를 의미한다. 상기 생체재료는 안전하며, 믿을 수 있고 경제적이며 생리학적으로 적합한 것을 특징으로 한다. 제 3 인산칼슘(Tri-calcium phosphate, β-TCP) 및 수산화인회석(하이드록시아파타이트, hydroxyapatite, HA)은 널리 알려진 생체적합물질이다. 인회석(apitite)은 인체에서 뼈나 치아와 같이 단단한 조직을 구성하는 주된 무기물이다. 상기 인회석의 생물학적 광물생성(bio-mineralization)은 조골세포(osteoblast)와 여러 단백질에 의해 유도된 자가 재형성 과정(self-remodeling process)이다. 상기 조골세포 및 단백질들은 인회석을 이용하여 자신의 표면에 광물생성을 수행하며 상기 광물이 생성된 표면은 살아있는 조직과 연속적으로 융합되기 위한 접촉 면으로 활용된다. 인산칼슘에 기반을 둔 세라믹은 전형적으로 불충분한 기계적 강도를 가지는 특징이 있다. 상기와 같은 이유로 HA는 티타늄금속을 대체하는 구성물질의 코팅제로서 사용되었다. 최근 들어 생체부적합성을 가진 다양한 물질들을 생체에 적합한 물질로 변환시키기 위한 연구들이 진행되고 있다. 상기와 같은 방법에서는 인산칼슘 분말의 상 결정도(phase crystallinity) 및 상 형태(phase morphology)가 중요한 성질이 된다. 최근 들어 자연 칼슘 재료를 이용한 인산칼슘을 합성하는 연구가 진행 중이다. 참치뼈, 갑오징어뼈, 굴 껍질, 조가비 껍질 및 난각(egg shell)과 같은 자연재료들은 상기 선행연구들의 부족한 생체적합성을 향상시키기 위한 재료로 사용되고 있다. 특히, 난각은 간단한 열 처리만으로 산화칼슘(CaO) 분말을 수득할 수 있는 장점이 있다. 따라서 난각을 이용하면 β-TCP나 HA와 같은 인산칼슘들을 합성할 수 있다.

Liu 등은 제 2 인산칼슘(CaHPO₄2H₂O) 및 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 분말의 제조에 관련된 수열합성방법(hydrothermal method)을 이용하여 HA를 합성할 경우, 수열과정의 온도와 용액의 pH에 의해 HA의 형태(morphology)가 영향을 받는다는 것을 보고하였다(비특허문헌 16 참조). 용액의 pH가 상승하면 합성된 HA 분말의 결정상이 변화되는 것이 보고되었으며 특히 pH 6 및 pH 9 용액을 이용하여 수열합성법을 수행하면 휘스커 형태(whisker type morphology)를 가진 HA가 합성된다는 것이 알려졌다.

따라서 수열과정의 pH와 온도 조건 등을 조절하여 결정상의 변화를 유도하면 비표면적이 향상되고 입자크기가 향상된 인산칼슘이 합성될 것으로 기대된다.

본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.

J. Park and R. S. Lakes "Biomaterials: An Introduction, 3ed"(Springer,2007)p.371-377. T. Kokubo, J. Ceram. Soc. Jpn. 99[10] (1991) 965-973. T. Kokubo "Bone-Bonding Materials" (Reed Healthcare Communications, 1992) p.31-46. L. L. Hench, J. Am. Ceram. Soc. 74[7] (1991) 1487-1510. H. M. Kim, J. Ceram. Soc. Jpn. 109[1268] (2001) 49-57. C. Ohtsuki, H. Kushitani, T. Kokubo, S. Kotani and T. Yamamuro, J. Biomed. Mater. Res. 25[11] (1991) 1363-1370. H. Monma, T. Kamiya, M. Tsutsumi and Y. T. Hasegawa, Gypsum & Lime, 208[3] (1987) 127-135. M. Akao, N. Miura and H. Aoki, J. Ceram. Soc. Jpn. 92[11] (1984) 672-674. M. Akao, H. Aoki and K. Kato, J. Mater. Sci. 16[3] (1981) 809-812. I. J. Macha, L. S. Ozyegin, J. Chou, R. Samur, F. N. Oktar and B. Ben-Nissan, J. Aust. Ceram. Soc. 49 (2013) 122-128. H. Onoda, M. Ichimura and A. Takenaka, Phosphorus Res. Bull. 24 (2010) 49-53. H. Onoda and H. Nakanishi, Nat. Resources, 3[2] (2012) 71. M. D. Kwon, S. H. Oh and S. J. Lee, J. Kor. Ceram. Soc. 39[11] (2002) 1103-1107. S. J. Lee, Y. S. Yoon, M. H. Lee and N. S. Oh, Mater. Lett. 61[6] (2007) 1279-1282. S. J. Lee, Y. C. Lee and Y. S. Yoon, J. Ceram. Proc. Res. 8[6] (2007) 427-430. J. Liu, X. Ye, H. Wang, M. Zhu, B. Wang and H. Yan, Ceram. Int. 29[6] (2003) 629-633. K. E. Watson, K. S. Tenhuisen and P. W. Brown, J. Mater Sci: Mater. Med. 10[4] (1999) 205-213. D. K. Pattanayak, P. Divya, S. Upadhyay, R. C. Prasad, B. T. Rao and T. R. R. Mohan, Trends Biomater. Artif. Organs, 18[2] (2005) 87-92.

본 발명자들은 버려지는 난각으로부터 생체적합성이 뛰어난 인산칼슘계물질을 합성하기 위해 노력한 결과, 난각을 하소하여 습식밀링방법으로 나노사이즈의 분말을 제조한 후 이를 인산-암모니아용액과 반응시켜 열처리를 수행하면 비표면적이 넓어 생물학적 광물생성 및 세포 접촉성이 뛰어난 하이드록시아파타이트 또는 제 3 인산칼슘을 제조할 수 있음을 실험적으로 입증하여 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명은 평균입도가 20nm인 난각분말을 수득하는 제 1 단계; 인산-암모니아용액을 제조하는 제 2 단계; 상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액을 혼합하여 난각반응액을 제조하고 상온에서 반응시키는 제 3 단계; 상기 반응이 끝난 난각반응액을 건조하여 열처리를 수행하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난각을 이용한 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA) 또는 제 3 인산칼슘(Tri-calcium phosphate, β-TCP)의 합성방법을 제공한다.

본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 850 ~ 950 ℃의 온도범위에서 하소(caline)한 난각에 대하여 용제로서 이소프로필알코올을 이용하고 미디어로서 지르코니아볼(zrconia ball)을 이용하여 24시간 동안 습식 밀링 한 후 60 ~ 100 ℃의 온도범위에서 건조하여 평균입도가 20nm인 난각분말을 수득하는 제 1 단계; 30 ~ 45 wt%의 인산용액, 3 ~ 20 wt%의 암모니아용액 및 35 ~ 65 wt%의 물을 포함하는 인산-암모니아용액을 제조하는 제 2 단계; 상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액을 1 : 1 ~ 2 (난각분말 : 인산-암모니아용액)의 질량비로 혼합하여 난각반응액을 제조하고 상온에서 반응시키는 제 3 단계; 및 상기 반응이 끝난 난각반응액을 건조하여 인산칼슘(CaHPO₄)분말을 제조하고 상기 인산칼슘분말을 상온에서 750 ~ 850 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 750 ~ 850 ℃의 온도범위에서 3 ~ 5시간동안 유지시켜 열처리를 수행하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난각을 이용한 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)의 합성방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 난각을 이용한 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)의 합성방법의 제 2 단계 인산-암모니아 반응용액은 pH가 0.5 ~ 5.5이며 상기 인산-암모니아용액의 암모니아는 상기 제 3 단계 반응의 반응력을 향상시켜 중간산물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 생성이 증가된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 850 ~ 950 ℃의 온도범위에서 하소(caline)한 난각에 대하여 용제로서 이소프로필 알코올을 이용하고 미디어로서 지르코니아볼(zrconia ball)을 이용하여 24시간 동안 습식 밀링 한 후 60 ~ 100 ℃의 온도범위에서 건조하여 평균입도가 20nm인 난각분말을 수득하는 제 1 단계; 50 ~ 70 wt%의 인산용액, 2 ~ 12 wt%의 암모니아용액 및 20 ~ 45 wt%의 물을 포함하는 인산-암모니아용액을 제조하는 제 2 단계; 상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액을 1 : 1 ~ 2 (난각분말 : 인산-암모니아용액)의 질량비로 혼합하여 난각반응액을 제조하고 상온에서 반응시키는 제 3 단계; 및 상기 반응이 끝난 난각반응액을 건조하여 인산칼슘(CaHPO₄)분말을 제조하고 상기 인산칼슘분말을 상온에서 750 ~ 850 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 750 ~ 850 ℃의 온도범위에서 3 ~ 5시간동안 유지시켜 열처리를 수행하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난각을 이용한 제 3 인산칼슘(Tri-calcium phosphate, β-TCP)의 합성방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 난각을 이용한 제 3 인산칼슘(Tri-calcium phosphate, β-TCP)의 합성방법의 제 2 단계 인산-암모니아 반응용액은 pH가 0.09 ~ 0.69이며 상기 인산-암모니아용액의 암모니아는 상기 제 3 단계 반응의 반응력을 향상시켜 중간산물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 생성이 증가된다.

본 발명은 난각분말을 인산-암모니아 용액과 반응시켜 HA 또는 β-TCP와 같은 생체적합성이 뛰어난 인산칼슘계 물질의 제조하는 방법을 제공한다.

상기 인산-암모니아 용액에 포함된 인산이온의 양을 조절하면 동일한 반응조건을 사용하여도 HA 또는 β-TCP 각각 분리하여 합성할 수 있는 효과가 있다. 상기 인산-암모니아 용액에 포함된 인산이온의 농도는 열처리 후 HA 또는 β-TCP 입자의 모양을 결정하는 효과가 있으며 인산이온의 농도가 높을수록 휘스커 형태의 입자형성이 촉진되어 비표면적이 향상되는 효과가 있다. 상기 인산-암모니아 용액에 포함된 암모니아이온은 상온반응의 원료물질인 수산화칼슘의 생성을 촉진해 최종산물인 HA 또는 β-TCP의 합성을 촉진하는 효과가 있으며 열처리로 인한 입자의 성장 및 비표면적의 증가를 향상시키는 효과가 있다.

따라서 인산-암모니아 용액에 포함된 인산이온의 양과 암모니아이온의 양(pH)을 조절하여 난각분말과 반응시키고 그 반응물을 열처리하면 비표면적이 향상되어 반응성이 뛰어난 HA 또는 β-TCP을 각각 합성할 수 있는 효과가 있다.

도 1의 패널(a)는 하소된 후 습식볼밀로 분쇄된 난각분말에 대한 투과전자현미경(transmission electron microscope) 분석결과 및 SAD 패턴을 보여준다. 패널(b)는 패널(a)를 확대한 사진을 보여준다. 패널(b)의 검은 점은 산화칼슘(CaO)를 나타낸다.
도 2는 60 wt% 인산용액을 포함하는 인산-암모니아용액을 이용하여 반응시키고 800 ℃에서 열처리하여 제조한 합성분말의 X-선회절 분석법(X-ray Diffraction Spectroscopy, XRD)결과를 나타낸다.
도 3은 40 wt% 인산용액을 포함하는 인산-암모니아용액을 이용하여 반응시키고 800 ℃에서 열처리하여 제조한 합성분말의 X-선회절 분석법(X-ray Diffraction Spectroscopy, XRD) 분석결과를 보여준다.
도 4는 40 wt% 인산용액을 포함하는 인산-암모니아용액을 이용하여 반응시키고 상온에서 유지하거나, 800 ℃에서 열처리하여 제조한 합성분말의 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 분석결과를 보여준다. 패널 (a), (c), (e) 및 (g)는 상온에서 유지하여 제조한 합성분말의 SEM 분석결과를 보여주며 패널 (b), (d), (f) 및 (h)는 800 ℃에서 열처리하여 제조ks 합성분말의 SEM 분석결과를 보여준다.
도 5는 60 wt% 인산용액을 포함하는 인산-암모니아용액을 이용하여 반응시키고 상온에서 유지하거나, 800 ℃에서 열처리하여 제조한 합성분말의 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 분석결과를 보여준다. 패널 (a), (c), (e) 및 (g)는 상온에서 유지하여 제조한 합성분말의 SEM 분석결과를 보여주며 패널 (b), (d), (f) 및 (h)는 800 ℃에서 열처리하여 제조된 합성분말의 SEM 분석결과를 보여준다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 난각을 이용한 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA, Ca₅(OH)(PO₄)₃)의 합성방법을 제공한다.

제 1 단계: 850 ~ 950 ℃의 온도범위에서 하소(caline)한 난각에 대하여 용제로서 이소프로필 알코올을 이용하고 미디어로서 지르코니아볼(zrconia ball)을 이용하여 24시간 동안 습식밀링 한 후 60 ~ 100 ℃의 온도범위에서 건조하여 평균입도가 20nm인 난각분말을 수득하는 단계;

제 2 단계: 30 ~ 45 wt%의 인산용액, 3 ~ 20 wt%의 암모니아용액 및 35 ~ 65 wt%의 물을 포함하는 인산-암모니아용액을 제조하는 단계;

제 3 단계: 상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액을 1 : 1 ~ 2 (난각분말 : 인산-암모니아용액)의 질량비로 혼합하여 난각반응액을 제조하고 상온에서 반응시키는 단계;

제 4 단계: 상기 반응이 끝난 난각반응액을 건조하여 인산칼슘(CaHPO₄)분말을 제조하고 상기 인산칼슘분말을 상온에서 750 ~ 850 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 750 ~ 850 ℃의 온도범위에서 3 ~ 5시간동안 유지시켜 열처리를 수행하는 단계.

제 1 단계: 나노사이즈의 난각분말을 수득하는 단계

본 발명의 난각(eggshell)은 알의 보호를 위하여 알의 가장 바깥쪽 단단하게 된 껍데기를 의미한다. 상기 난각의 외 측에는 얇은 탄산칼슘층이 표면에 직각으로 늘어서 있고, 내측에는 두꺼운 비결정층이 있으며 이를 하소(caline)하고 분쇄하면 산화칼슘이 주성분인 분말을 수득할 수 있다. 상기 난각은 모든 종류의 알의 껍데기일 수 있으나 바람직하게는 달걀 껍데기이다. 상기 달걀 껍데기는 93 %의 탄산칼슘(CaCO₃), 1 %의 탄산마그네슘(MgCO₃), 1 %의 인산칼슘(Ca₃(PO₄)₂) 및 5 %의 유기물로 구성되어있다. 상기 하소(caline)는 상기 난각을 고온으로 가열하여 휘발성분의 일부 또는 전부를 제거하는 과정을 의미하므로 구성물질이 고온으로 인하여 소결(燒結)되는 과정과 구분된다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 난각에 대한 하소는 850 ~ 950 ℃의 온도범위에서 수행한다. 바람직하게는 상기 하소는 870 ~ 920 ℃의 온도범위에서 수행하며 보다 바람직하게는 900 ℃에서 수행한다. 상기 하소 온도가 850 ℃미만이면 상기 탄산칼슘 및 탄산마그네슘의 탄산기가 제거되지 않아 산화칼슘 외의 다른 물질들이 존재하게 되며 상기 하소온도가 950 ℃를 초과하여 1000 ℃에 가까우면 구성물질이 하소가 아닌 소결될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 제 1 단계의 난각분말은 산화칼슘(CaO)이 주성분이다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 본 발명은 상기 하소된 난각을 나노사이즈로 분쇄하기 위하여 용제로서 이소프로필알코올 및 미디어로서 지르코니아볼(zrconia ball)을 이용하여 24시간 동안 습식밀링을 수행한다. 상기 습식밀링은 볼 비드, 원료물질, 용매(물 또는 기름)를 혼합하여 원료물질을 분쇄 및 분산시키 는것을 의미한다. 상기 습식밀링은 원료물질이 단속되어 공정 중 지속적으로 고온(1000℃ 정도)과 저온을 오르내리는 볼 밀링 또는 어트리션 밀링과 같은 건식밀링방법과 달리 용매 상에서 미디어에 의해 원료물질이 분산 및 분쇄되므로 온도변화가 적은 효과가 있다. 본 발명의 상기 하소된 난각의 분쇄는 단속공정 중 발생하는 고온(1000℃ 정도)으로 인하여 하소된 난각이 소결될 수 있는 건식밀링방법이 아닌 상기 습식밀링방법을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 습식밀링의 용제는 반응성이 낮은 알코올류와 같은 유기용매를 사용하는 것이 바람직하며 미디어는 상기 하소된 난각의 경도를 고려하여 충분한 분쇄효과를 가질 수 있는 것이면 제한 없이 사용할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 습식밀링으로 분쇄 및 분산시킨 상기 하소된 난각은 60 ~ 100 ℃의 온도범위에서 건조하여 평균입도가 20nm인 난각분말로 제조된다. 상기 건조온도가 60 ℃ 미만이면 건조시간이 많이 소요되어 비효율적이며 상기 건조온도가 100 ℃를 초과하면 건조속도가 너무 빨라 분산된 난각입자가 뭉치는 단점이 있다. 바람직하게는 상기 건조는 60 ~ 100 ℃의 온도범위에서 수행하며 보다 바람직하게는 상기 건조는 80 ℃의 온도에서 수행한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 건조된 난각분말은 평균적으로 20nm의 입도를 갖는다. 상기 난각분말의 입도는 분말의 반응성을 결정할 수 있다. 상기 난각분말의 입도가 작을수록 비표면적이 증가하므로 난각분말의 반응성은 증가한다. 본 발명의 난각분말은 상기 인산-암모니아용액과 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)₂)를 생성하며 상기 수산화칼슘은 상온반응 및 열처리를 통해 HA 또는 β-TCP으로 합성된다. 따라서 상기 난간분말의 입도가 커서 반응성이 감소되면 HA 또는 β-TCP의 합성 역시 감소하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 난각분말은 평균적으로 20nm의 입도를 가지는 것이 바람직하다.

제 2 단계: HA 합성용 인산-암모니아용액을 제조하는 단계

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명은 30 ~ 45 wt%의 인산용액, 3 ~ 20 wt%의 암모니아용액 및 35 ~ 65 wt%의 물을 포함하는 인산-암모니아용액을 제조한다. 상기 인산-암모니아용액에 포함된 인산용액은 난각분말과의 반응에서 HA를 생성하는데 필요한 인산이온을 공급한다. 상기 인산-암모니아 용액은 30 ~ 45 wt%의 인산용액을 포함할 수 있다. 상기 인산용액이 30 wt% 미만으로 포함되면 공급되는 인산이온의 양이 너무 적어 HA의 합성이 저하되는 단점 및 반응 후 열처리로 인한 입자의 성장이 미미하여 비표면적이 작은 단점이 있다. 상기 인산용액이 45 wt%를 초과하여 포함되면 공급되는 인산이온의 양이 너무 많아 HA와 동시에 β-TCP가 합성될 수 있는 단점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 HA 합성용 인산-암모니아용액은 30 ~ 45 wt%의 인산용액을 포함한다. 바람직하게는 상기 인산-암모니아용액은 37 ~ 42 wt%의 인산용액을 포함하며 보다 바람직하게는 40 wt%의 인산용액을 포함한다. 상기 인산-암모니아용액에 포함된 암모니아용액은 난각분말과의 반응에서 HA를 생성하는데 필요한 암모니아이온을 공급한다. 상기 암모니아이온은 인산-암모니아용액과 난각분말의 반응을 지연시켜 반응력을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인산-암모니아용액과 상기 난각분말은 접촉 후 바로 반응이 일어나지 않고 1 ~ 3 분이 지나야 반응이 시작되는 특징이 있으며 암모니아용액이 포함되지 않은 인산용액의 난각분말과의 반응에 대비하여 더 강한 발열반응을 보인다. 상기 더 강한 발열반응은 인산-암모니아용액에 포함된 암모니아용액의 양에 비례하며 이는 상기 암모니아용액으로부터 공급된 암모니아이온이 일정시간 반응을 지연시킨 후 난각분말과 반응하여 더 많은 수산화칼슘을 생성하며 상기 생성된 수산산화칼슘이 인산이온과 반응하여 발열반응을 일으키기 때문이다. 정리하면 상기 암모니아이온의 첨가는 수산화칼슘의 생성 및 공급을 촉진하고 상기 수산화칼슘이 많이 공급되면 인산이온과의 반응으로 인한 HA의 합성이 촉진된다. 상기 암모니아용액은 상기 인산-암모니아용액에 3 ~ 20 wt%로 포함될 수 있다. 상기 암모니아용액이 3 wt% 미만으로 공급되면 암모니아이온의 공급이 모자라 수산화칼슘의 생성이 저조하므로 HA 합성 촉진효과가 미미하며 상기 암모니아용액이 20 wt%를 초과하여 공급되면 과도한 암모니아이온의 공급으로 인한 폭발적인 발열반응으로 인해 안정적인 반응이 수행되지 않을 수 있다. 또한, 상기 암모니아용액이 3 wt% 미만으로 공급되면 암모니아이온의 공급이 모자라 상기 인산-암모니아용액의 pH가 0.5 미만으로 떨어지므로 열처리에 의한 입자성장효과가 미미하며 상기 암모니아용액이 20 wt%를 초과하여 공급되면 과도한 암모니아이온의 공급으로 인해 pH가 5.5 이상으로 상승하므로 열처리로 인한 입자성장이 오히려 저하된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 HA 합성용 인산-암모니아용액은 3 ~ 20 wt%의 암모니아용액을 포함한다. 바람직하게는 상기 인산-암모니아용액은 4 ~ 10 wt%의 암모니아용액을 포함하며 보다 바람직하게는 5.13 wt%의 암모니아용액을 포함한다. 상기 암모니아용액은 상기 인산-암모니아용액의 pH를 조절하는 기능을 한다. 상기 pH는 열처리를 통한 입자의 성장에 있어서 HA 입자의 모양 및 크기에 영향을 준다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 인산-암모니아 반응용액의 pH는 0.5 ~ 5.5이다. 상기 인산-암모니아용액의 pH가 0.5 미만이면 열처리로 인한 HA 입자의 성장효과가 미미하며 상기 인산-암모니아용액의 pH가 5.5 를 초과하면 열처리로 인한 HA 입자의 성장효과가 오히려 줄어들게 된다. 바람직하게는 상기 인산-암모니아 반응용액의 pH는 0.5 ~ 2.68이다. 보다 바람직하게는 상기 인산-암모니아 반응용액의 pH는 0.5이다.

제 3 단계: 난각분말과 인산-암모니아용액을 반응시키는 단계

상기 준비한 난각분말과 인산-암모니아용액을 상온에서 반응시킨다. 상기 반응은 발열반응이다. 따라서 상기 발열반응으로 인해 발생한 열을 발산할 수 있는 환경에서 반응을 수행하는 것이 유리하다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액은 상온에서 반응을 수행할 수 있다. 상기 반응은 상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액을 1 : 1 ~ 2 (난각분말 : 인산-암모니아용액)의 질량비로 혼합하여 난각반응액을 제조하고 상온에서 반응시킬 수 있다. 상기 난각분말은 평균입도 20nm의 나노사이즈 입자이기 때문에 반응액이 적으면 상기 난각분말의 분산되지 않고 반죽처럼 뭉쳐 반응성이 저하될 수 있다. 상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액의 질량비가 1:1 미만이면 분산이 어려워 반응성이 저하되는 단점이 있으며 상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액의 질량비가 1:2를 초과하면 상기 부피가 증가하여 반응효율 및 건조에 비효율적인 단점이 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 난각반응액은 난각분말과 인산-암모니아용액을 1 : 1 ~ 2 (난각분말 : 인산-암모니아용액)의 질량비로 혼합하여 제조한다. 바람직하게는 난각분말과 인산-암모니아용액을 1 : 1.2 ~ 1.7 의 질량비로 혼합하여 제조하며 보다 바람직하게는 난각분말과 인산-암모니아용액을 1 : 1.5 의 질량비로 혼합하여 제조한다.

제 4 단계: 인산칼슘분말을 열처리하는 단계

상기 난각분말과 인산-암모니아용액의 반응액을 완전히 건조하여 인산칼슘분말을 제조한다. 상기 난각분말은 나노사이즈의 입자로 분쇄되고 분산되어 반응이 수행되었기 때문에 상기 인산칼슘분말 역시 상기 난각분말과 같은 나노사이즈의 입자크기를 유지할 수 있다. 상기 인산칼슘분말은 열처리를 수행하여 인산칼슘의 화학적 구성을 변환시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인산칼슘분말에 대하여 열처리를 수행하지 않고 상온에서 완전히 건조하면 CaHPO₄가 주결정상으로 합성된다. 또한, 상기 인산칼슘분말을 400 ℃ 정도의 온도범위에서 열처리를 수행하면 Ca₄O(PO₄)₂가 주된 결정상으로 합성되며 800 ℃ 정도의 온도범위에서 열처리를 수행하면 HA가 주된 결정상으로 합성된다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명은 상기 인산칼슘분말을 상온에서 750 ~ 850 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 750 ~ 850 ℃의 온도범위에서 3 ~ 5시간 동안 유지시켜 열처리를 수행한다. 상기 열처리를 위한 온도 상승은 분당 3 ℃의 속도로 상승시키는 것이 바람직하다. 상기 열처리의 효율을 위하여 분당 3 ℃의 속도 미만으로 상승시키는 것은 시간이 많이 소모되어 바람직하지 않으며 분당 3 ℃의 속도를 초과하여 온도를 상승시키면 열이 상기 인산칼슘분말 전체에 온도가 골고루 전해지지 않아 열처리용기와 접하는 인산칼슘분말과 그렇지 않은 인산분말칼슘 사이에 열처리효과가 상이하게 수행되어 HA의 합성효율이 저하되는 단점이 있다. 상기 열처리 온도가 750 ℃ 미만이고 열처리 시간이 3시간 미만이면 HA의 합성률이 저하되는 단점이 있으며 상기 열처리 온도가 850 ℃를 초과하고 열처리시간이 5시간을 초과하면 일부 HA가 합성의 단계를 넘어 소결될 수 있다. 따라서 상기 열처리는 상기 인산칼슘분말을 상온에서 750 ~ 850 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 750 ~ 850 ℃의 온도범위에서 3 ~ 5시간 동안 유지시켜 열처리를 수행한다. 바람직하게는 상기 인산칼슘분말을 상온에서 800 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 800 ℃의 온도범위에서 4시간 동안 유지시켜 열처리를 수행한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 난각을 이용한 제 3 인산칼슘(Tri-calcium phosphate, β-TCP, Ca₃(PO₄)₂)의 합성방법을 제공한다.

제 1 단계: 850 ~ 950 ℃의 온도범위에서 하소(caline)한 난각에 대하여 용제로서 이소프로필 알코올을 이용하고 미디어로서 지르코니아볼(zrconia ball)을 이용하여 24시간 동안 습식 밀링 한 후 60 ~ 100 ℃의 온도범위에서 건조하여 평균입도가 20nm인 난각분말을 수득하는 단계;

제 2 단계: 50 ~ 70 wt%의 인산용액, 2 ~ 12 wt%의 암모니아용액 및 20 ~ 45 wt%의 물을 포함하는 인산-암모니아용액을 제조하는 단계;

제 3 단계: 상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액을 1 : 1 ~ 2 (난각분말 : 인산-암모니아용액)의 질량비로 혼합하여 난각반응액을 제조하고 상온에서 반응시키는 단계;

제 4 단계: 상기 반응이 끝난 난각반응액을 건조하여 인산칼슘(CaHPO₄)분말을 제조하고 상기 인산칼슘분말을 상온에서 750 ~ 850 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 750 ~ 850 ℃의 온도범위에서 3 ~ 5시간동안 유지시켜 열처리를 수행하는 단계.

제 1 단계: 나노사이즈의 난각분말을 수득하는 단계

상기 나노사이즈의 난각분말을 수득하는 단계는 상기 “난각을 이용한 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA, Ca₅(OH)(PO₄)₃)의 합성방법”의 제 1 단계와 동일하므로 명세서의 과도한 중복을 피하기 위하여 설명하지 않는다.

제 2 단계: β-TCP 합성용 인산-암모니아용액을 제조하는 단계

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명은 50 ~ 70 wt%의 인산용액, 2 ~ 12 wt%의 암모니아용액 및 20 ~ 45 wt%의 물을 포함하는 인산-암모니아용액을 제조하는 단계를 제공한다.

상기 인산-암모니아용액에 포함된 인산용액은 난각분말과의 반응에서 β-TCP를 생성하는데 필요한 인산이온을 공급한다. 상기 인산용액은 50 ~ 70 wt%의 인산용액으로 상기 인산-암모니아용액에 포함될 수 있다. 상기 인산용액이 50 wt% 미만으로 포함되면 공급되는 인산이온의 양이 너무 적어 상온반응으로 인해 Ca₃(PO₄)₂와 함께 CaHPO₄가 생성되므로 β-TCP와 HA가 함께 합성될 수 있는 단점이 있으며 반응 후 열처리로 인한 입자의 성장이 미미하여 비표면적이 증가하지 않는 단점이 있다. 상기 인산용액이 70 wt%를 초과하여 포함되면 공급되는 물의 함량이 너무 적어 중간산물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 합성이 저하되므로 최종산물인 β-TCP의 합성이 저하될 수 있는 단점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 β-TCP 합성용 인산-암모니아용액은 50 ~ 70 wt%의 인산용액을 포함한다. 바람직하게는 상기 인산-암모니아용액은 55 ~ 65 wt%의 인산용액을 포함하며 보다 바람직하게는 60 wt%의 인산용액을 포함한다. 상기 인산-암모니아용액에 포함된 암모니아용액은 난각분말과의 반응에서 β-TCP를 합성하는데 필요한 암모니아이온을 공급한다. 상기 암모니아이온은 인산-암모니아용액과 난각분말의 반응을 지연시켜 반응력을 향상시키는 효과가 있다.

상기 인산-암모니아용액과 상기 난각분말은 접촉 후 바로 반응이 일어나지 않고 1 ~ 3 분이 지나야 반응이 시작되는 특징이 있으며 암모니아용액이 포함되지 않은 인산용액의 난각분말과의 반응에 대비하여 더 강한 발열반응을 보인다. 상기 더 강한 발열반응은 인산-암모니아용액에 포함된 암모니아용액의 양에 비례하며 이는 상기 암모니아용액으로부터 공급된 암모니아이온이 일정시간 반응을 지연시킨 후 난각분말과 반응하여 더 많은 수산화칼슘을 생성하며 상기 생성된 수산산화칼슘이 인산이온과 반응하여 발열반응을 일으키기 때문이다. 정리하면 상기 암모니아이온의 첨가는 수산화칼슘의 생성 및 공급을 촉진하고 상기 수산화칼슘이 많이 공급되면 인산이온과의 반응으로 인한 β-TCP의 합성이 촉진된다. 상기 암모니아용액은 상기 인산-암모니아용액에 2 ~ 12 wt%로 포함될 수 있다. 상기 암모니아용액이 2 wt% 미만으로 공급되면 암모니아이온의 공급이 모자라 수산화칼슘의 생성이 저조하므로 β-TCP 합성 촉진효과가 미미할 수 있으며 상기 인산-암모니아용액의 pH가 0.09 미만을 유지하므로 열처리에 의한 β-TCP 입자성장효과가 미미할 수 있다. 상기 암모니아용액이 12 wt%를 초과하여 공급되면 pH가 0.69 이상으로 상승하므로 열처리로 인한 β-TCP 입자성장이 오히려 저하될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 β-TCP 합성용 인산-암모니아용액은 2 ~ 12 wt%의 암모니아용액을 포함한다. 바람직하게는 상기 인산-암모니아용액은 4 ~ 10 wt%의 암모니아용액을 포함하며 보다 바람직하게는 5.13 wt%의 암모니아용액을 포함한다. 상기 암모니아용액은 상기 인산-암모니아용액의 pH를 조절하는 기능을 한다. 상기 pH는 열처리를 통한 입자의 성장에 있어서 입자의 모양 및 크기에 영향을 준다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 인산-암모니아 반응용액은 pH가 0.09 ~ 0.69이다. 상기 인산-암모니아용액의 pH가 0.09 미만이면 열처리로 인한 β-TCP 입자의 성장효과가 미미하며 상기 인산-암모니아용액의 pH가 0.69 를 초과하면 열처리로 인한 β-TCP 입자의 성장효과가 오히려 줄어들게 된다. 바람직하게는 상기 인산-암모니아 반응용액은 pH는 0.12 ~ 0.69이다. 보다 바람직하게는 상기 인산-암모니아 반응용액은 pH는 0.69이다.

제 3 단계: 난각분말과 인산-암모니아용액을 반응시키는 단계

상기 난각분말과 인산-암모니아용액을 반응시키는 단계는 상기 “난각을 이용한 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA, Ca₅(OH)(PO₄)₃)의 합성방법”의 제 3 단계와 동일하므로 명세서의 과도한 중복을 피하기 위하여 설명하지 않는다.

제 4 단계: 인산칼슘분말을 열처리하는 단계

상기 난각분말과 인산-암모니아용액의 반응액을 완전히 건조하여 인산칼슘분말을 제조한다. 상기 난각분말은 나노사이즈의 입자로 분쇄되고 분산되어 반응이 수행되었기 때문에 상기 인산칼슘분말 역시 상기 난각분말과 같은 나노사이즈의 입자크기를 유지할 수 있다. 상기 인산칼슘분말은 열처리를 수행하여 인산칼슘의 화학적 구성을 변환시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인산칼슘분말에 대하여 열처리를 수행하지 않고 상온에서 완전히 건조하면 CaHPO₄가 주결정상으로 합성된다. 또한, 상기 인산칼슘분말을 400 ℃ 정도의 온도범위에서 열처리를 수행하면 Ca₄O(PO₄)₂가 주된 결정상으로 합성되며 800 ℃ 정도의 온도범위에서 열처리를 수행하면 HA가 주된 결정상으로 합성된다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명은 상기 인산칼슘분말을 상온에서 750 ~ 850 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 750 ~ 850 ℃의 온도범위에서 3 ~ 5시간동안 유지시켜 열처리를 수행한다. 상기 열처리를 위한 온도 상승은 분당 3 ℃의 속도로 상승시키는 것이 바람직하다. 상기 열처리의 효율을 위하여 분당 3 ℃의 속도 미만으로 상승시키는 것은 시간이 많이 소모되어 바람직하지 않으며 분당 3 ℃의 속도를 초과하여 온도를 상승시키면 열이 상기 인산칼슘분말 전체에 온도가 골고루 전해지지 않아 열처리용기와 접하는 인산칼슘분말과 그렇지 않은 인산분말칼슘 사이에 열처리효과가 상이하게 수행되어 HA의 합성효율이 저하되는 단점이 있다. 상기 열처리 온도가 750 ℃ 미만이고 열처리 시간이 3시간 미만이면 HA의 합성률이 저하되는 단점이 있으며 상기 열처리 온도가 850 ℃를 초과하고 열처리시간이 5시간을 초과하면 일부 HA가 합성의 단계를 넘어 소결될 수 있다. 따라서 상기 열처리는 상기 인산칼슘분말을 상온에서 750 ~ 850 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 750 ~ 850 ℃의 온도범위에서 3 ~ 5시간동안 유지시켜 열처리를 수행한다. 바람직하게는 상기 인산칼슘분말을 상온에서 800 ℃의 온도범위까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 상기 800 ℃의 온도범위에서 4시간 동안 유지시켜 열처리를 수행한다.

실시예

1. 실험방법

1) 난각분말의 제조

세척한 난각을 대기압, 900℃의 조건에서 4시간 동안 하소(caline)하였다. 상기 하소된 난각응집체는 습식볼밀링을 이용하여 난간분말로 분쇄하였다. 상기 습식밀링은 이소프로필알코올(isopropyl alcohol, IPA: 99.5%, 대정화금, 한국)을 용제로 사용하고 지르코니아 볼(zirconia ball) 미디어를 이용하여 24시간 동안 수행하였다. 상기 하소된 난각과 IPA은 1 : 1의 질량비로 사용하였으며 상기 밀링된 난각분말은 80℃에서 48시간동안 건조하였다.

2) 난각분말과 인산용액의 반응

HA의 합성은 인산용액과 상기 밀링된 난각분말을 혼합하여 수행하였다. 40 wt%와 60 wt%의 인산 농도를 가지는 두 가지 인산용액을 사용하였다. 상기 인산용액은 인산시약(85 wt% 수용액, DC 화학, 한국)과 물을 혼합하여 제조하였으며 암모니아 시약(29% NH3 수용액, JUNSEI, 일본)을 사용하여 pH를 보정하였다. 상기 인산용액(인산-암모니아용액)의 pH는 pH 측정기(pH Benchtop Meter, Orion 2-star, Electrode : 8157BNUMD, 미국)을 이용하여 측정하였다. 상기 인산용액의 농도 및 pH는 시약에 포함되어 있는 물의 양을 고려하여 계산되었으며 상기 제조된 인산용액의 구성은 표 1과 같다.

상기 인산용액과 상기 하소된 난각분말은 1 : 1.5 (인산용액 : 하소된 난각분말)의 질량비로 혼합하여 난각반응액을 제조하였다. 상온에서 반응시킨 샘플의 경우, 상기 난각반응액을 상온에서 완전히 건조하여 분말형태(인산칼슘분말)로 제조하였다. 상기 상온에서의 건조기간동안 인산용액과 하소된 난각분말의 발열반응이 일어난다. 열처리를 수행한 샘플은 상기 난각반응액을 완전히 건조하여 분말형태(인산칼슘분말)로 제조한 후 상기 제조한 인산칼슘분말을 분당 3 ℃씩 상승시키는 방법으로 400 ~ 800 ℃의 온도범위를 설정한 후 상기 온도범위에서 4시간 동안 상기 인산칼슘분말을 유지하는 방법으로 열처리를 수행하였다. 상기 상온에서의 건조기간동안 인산용액과 하소된 난각분말의 발열반응이 일어난다.

3) 난각분말 및 인산칼슘의 물성분석

상기 열처리를 통해 합성한 분말에서 성장한 결정상은 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, X'pert-pro MPD, PAN analytical, 네덜란드)을 통해 분석하였다. 상기 분말의 형태학적 특징은 필드 방사 주사 전자 현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM, S-4800, 히타치, 일본)과 투과 전자 현미(transmission electron microscopy, TEM, JEM-2100F, JEOL, 일본)을 이용하여 분석하였다.

2. 실험결과

1) 난각분말

도 1은 하소된 후 습식볼밀링을 통해 제조된 난각 분말에 대한 TEM 이미지와 SAD(selected area diffraction) 패턴 결과를 보여준다. 상기 하소된 후 습식볼밀링을 통해 제조된 난각 분말은 약 20 nm의 입자크기를 가지는 것이 확인되었다. 상기 SAD 패턴분석결과는 상기 난각 분말이 산화칼슘의 링-패턴을 보이며 나노사이즈의 특징을 가진 분말임을 보여준다. 상기 TEM 분석결과는 상기 난각분말의 주위에 무정형(amorphous)의 수산화물이 존재한다는 것을 보여준다. 상기 무정형의 수산화물은 공기 중에 존재하는 습기가 원인인 것으로 판단된다.

2) 난각분말과 인산용액의 반응특성

상온에서 상기 인산용액과 상기 하소되고 습식볼밀링으로 처리된 난각분말을 혼합하면 상기 난각분말의 높은 비표면적에 의하여 발열반응이 발생한다. 특히, 암모니아 용액으로 pH를 보정한 인산용액(인산-암모니아용액)과 상기 난각분말을 반응시키면, 암모니아 용액을 사용하지 않은 인산용액의 반응과 다른 특성을 보인다. 상기 인산-암모니아용액은 반응이 즉시 일어나지 않고 난각분말과의 혼합 후 1 ~ 3분이 지나서야 반응이 시작되는 특징이 있으며 상기 인산-암모니아용액의 반응은 암모니아가 포함되지 않은 인산용액과 난각분말의 반응에 대비하여 강한 발열반응을 보이는 특징이 있다. 상기 인산-암모니아용액과 난각분말의 반응력은 상기 암모니아의 양에 비례한다. 상기 결과는 상기 인산-암모니아용액에 포함된 암모니아 이온이 상기 난각분말과 강력하게 반응하여 더 많은 양의 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 생성하게 되고 상기 생성된 많은 양의 수산화물(수산화칼슘)이 상기 인산-암모니아용액에 의해 공급된 인산이온과 반응하므로 휘발성이 더 높은 반응이 이루어지기 때문으로 판단된다.

3) 난각분말과 인산-암모니아용액의 반응산물

표 2는 열처리 없이 상온에서만 반응을 수행하거나 다양한 온도(400 ℃ 내지 800 ℃)에서 열처리하여 반응을 수행한 반응산물(합성분말)에 대한 XRD 분석결과를 보여준다.

상온(room temperature)에서 40 wt% 인산-암모니아용액으로 반응시킨 합성분말은 CaHPO₄가 주된 결정상(주결정상)인 것으로 확인되었다. 이에 반하여 상온에서 60 wt% 인산-암모니아용액으로 반응시킨 합성분말의 경우 Ca₃(PO₄)₂가 주결정상인 것으로 확인되었다. 다만, 상온에서 pH 0.69인 60 wt% 인산-암모니아용액으로 반응시킨 합성분말은 주 결정상으로 Ca₄(PO₄)₂가 확인되었다. 상기 주 결정상의 차이점은 발열반응시 발산되는 열의 차이에 의한 것으로 판단된다. 본 발명의 XRD 분석결과에 따르면, 상기 합성분말들은 작은 무정형의 피크(peak)들을 나타낸다. 특히, pH 0.69인 60 wt% 인산-암모니아용액과 반응시켜 제조한 합성분말에서 주 결정상으로 Ca₄O(PO₄)₂가 형성되는 것은 발열반응 중 생성된 높은 열에 의한 것으로 판단된다.

상기 표 2에 따르면, 400 ℃에서 열처리를 수행할 경우, 인산-암모니아용액의 종류 및 pH에 관계없이 모든 합성분말의 주 결정상은 Ca₄O(PO₄)₂인 것이 확인되었다.

4) 합성분말의 XRD 분석

도 2 및 3은 40 wt% 인산-암모니아용액 및 60 wt% 인산-암모니아용액을 이용하고 800 ℃에서 열처리를 수행하여 합성한 합성분말에 대한 XRD 분석결과를 보여준다. 상기 도 2 및 도 3의 XRD 패턴을 비교해 보면, 60 wt% 인산-암모니아용액을 이용하여 합성한 분말들의 XRD 패턴은 pH의 차이에 관계없이 모두 유사하였으나 40 wt% 인산-암모니아용액을 이용하여 합성한 분말들의 XRD 패턴은 pH에 따라 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 피크의 강도가 서로 차이가 있는 것이 확인되었다. 상기 40 wt% 인산-암모니아용액을 이용하여 합성한 분말들의 pH에 따른 XRD 패턴의 차이는 암모니아 용액의 첨가량의 차이에 의한 것으로 판단된다. 암모니아 용액의 첨가량이 많을수록 난각분말과의 반응성이 더 강해지고 이에 따라 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 생성이 증가하므로 더 강한 피크를 보이게 된다. 도 2는 60 wt% 인산-암모니아용액을 이용하며 800 ℃에서 열처리를 수행하여 합성한 합성분말(β-tricalcium phosphate, β-TCP)의 XRD패턴을 보여준다. 다른 연구에 의하면, 제 4 인산칼슘(tetra-calcium phosphate, Ca₄O(PO₄)₂)은 인산칼슘 물질들의 기본 물질인 것으로 알려졌으며 수산화인회석(hydroxyapatitie, HA, Ca₅(OH)(PO₄)₃)과도 구조적 연관성이 있는 것으로 알려졌다. 이는 다른 인산칼슘계 물질들 사이에 산-염기반응이 수행되면 상기 인산칼슘계 물질이 수산화인회석으로 변형될 수 있다는 것을 의미한다. Pattanayak 등의 연구에 의하면 수산화인회석을 1000 ℃이상에서 열처리하면 제 3 인산칼슘(tri-calcium phosphate, β-TCP, Ca₃O₈P₂) 및 제 2 인산칼슘(dicalcium phosphate, DCP, Ca₂O₇P₂)으로 분해된다는 것이 알려졌다(비특허문헌 18 참조).

이론적으로 HA 및 β-TCP의 Ca/P 비율은 각각 1.67 및 1.5임에 반하여 본 발명의 40 wt% 인산-암모니아용액을 이용하여 합성한 분말과 60 wt% 인산-암모니아용액을 이용하여 합성한 분말의 Ca/P 비율은 각각 3.41 및 2.28이다. 상기 인산이온의 부족으로 인하여 불안정한 β-TCP 중간 결정상이 생성된 것으로 판단된다.

5) 합성분말의 미세구조

도 4 및 5는 열처리를 수행하지 않고 상온반응만을 수행하여 제조한 합성분말과 800 ℃에서 열처리를 수행하여 제조한 합성분말의 미세구조를 보여준다. 상온에서 반응을 수행한 모든 합성분말은 막대(rod)형 또는 판상(plate)형의 입자를 보여준다. 상기 40 wt% 인산-암모니아용액을 이용하여 합성한 분말은 막대와 구의 중간 형태를 가진 입자로 확인(도 4 참조)되는 반면 상기 60 wt% 인산-암모니아용액을 이용하여 합성한 분말은 얇은 조각(flake) 및 판상 형태를 가진 입자인 것으로 확인되었다(도 5 참조). 특히 암모니아용액을 포함하지 않은 40 wt% 인산용액을 이용하여 반응시키고 800 ℃에서 열처리를 수행하여 제조한 합성분말의 경우, 상기 합성분말의 입자는 크기가 성장하지 않고 오히려 작아지는 것이 확인되었다(도 4의 패널 (b) 참조). 이에 반하여 인산-암모니아용액을 이용하고 800 ℃에서 열처리를 수행하여 제조한 합성분말은 모든 합성분말에서 알갱이 모양의 입자가 성장한 것이 확인되었다(도 4의 패널(d), (f), 및 (h) 참조). 또한, 상기 인산-암모니아용액을 이용하는 경우 열처리를 수행함에 따라 입자의 크기가 증가하며 입자의 모양이 불규칙한 합성분말이 제조되는 것이 확인되었다. 이러한 경향은 암모니아 용액을 이용하여 pH가 0.5로 보정된 40 wt% 인산-암모니아용액을 사용한 경우에서 가장 강하게 나타난 것이 확인되었다(도 4의 패널(c) 및 (d) 참조). 상기 입자의 성장과 관련하여 상기 40 wt% 인산-암모니아용액을 이용하여 제조한 합성분말과 상기 60 wt% 인산-암모니아용액을 이용하여 제조한 합성분말의 미세구조를 서로 비교하여 보면, 인산의 농도가 높을수록 열처리로 인한 알갱이 모양 입자의 형성이 왕성한 것으로 확인되었으며 높은 pH를 가진 인산-암모니아용액을 사용한 경우에서 고온에 의한 휘스커 형태의 입자형성이 더 왕성한 것으로 확인되었다(도 5의 패널(h) 참조). 상기결과는 Liu 등은 결과에 의해 지지된다. Liu 등은 pH가 6 내지 9인 인산용액을 140 ℃에서 24시간 동안 수열 합성한 결과 휘스커 형태의 입자가 수득되었다고 보고하였다(비특허문헌 16 참조). 정리하면 상기 결과는 인산칼슘계 물질의 합성에서 인산의 양과 첨가된 암모니아의 양에 따라 인산칼슘 입자의 크기와 형상이 중대한 영향을 받는다는 것을 의미한다.

4. 결론

본 발명은 인산-암모니아 용액을 이용하여 HA 또는 β-TCP와 같은 생체적합성이 뛰어난 인산칼슘계 물질의 제조방법을 제공한다. 난각을 하소하고 습식밀링하여 제조한 나노사이즈의 난각분말에 인산-암모니아용액을 첨가하여 상온에서 반응시키면 인산칼슘(CaHPO₄, Ca₃(PO₄)₂ 또는 Ca₄O(PO₄)₂)이 생성 되며 상기 인산칼슘을 열처리하면 제 4 인산칼슘(Ca₄O(PO₄)₂), HA 또는 β-TCP이 합성된다.

본 발명의 인산칼슘계 물질의 제조방법 및 효과를 정리하면 아래와 같다.

1) 인산이온의 영향

반응액에 포함된 인산이온의 농도는 최종 합성물의 종류를 결정하는 효과가 있다. 40 wt% 인산이 포함된 반응액은 상온반응에 의하여 CaHPO₄ 및 Ca(OH)₂를 합성하며 상기 상온반응의 반응물을 400 ℃에서 열처리하면 Ca₄O(PO₄)₂가 합성되고 상기 상온반응의 반응물을 800 ℃에서 열처리하면 HA가 합성된다. 이에 반하여, 60 wt% 인산이 포함된 반응액은 상온반응에 의하여 Ca₃O(PO₄)₂, Ca₄O(PO₄)₂ 및 Ca(OH)₂를 합성하며 상기 상온반응의 반응물을 400 ℃에서 열처리하면 Ca₄O(PO₄)₂만이 합성되고 상기 상온반응의 반응물을 800 ℃에서 열처리하면 β-TCP가 합성된다. 따라서 인산이온의 양을 조절하면 동일한 반응조건을 사용하여도 HA 또는 β-TCP 각각 분리하여 합성할 수 있는 효과가 있다.

반응액에 포함된 인산이온의 농도는 열처리 후 입자의 모양을 결정하는 효과가 있다. 인산이온의 농도가 높을수록 휘스커 형태의 입자형성이 촉진되어 비표면적이 향상되는 효과가 있다.

2) 암모니아이온의 양 및 pH의 영향

반응액에 포함된 암모니아이온은 상온반응의 원료물질인 수산화칼슘의 생성을 촉진시켜 최종산물인 HA 또는 β-TCP의 합성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 상기 암모니아는 열처리로 인한 입자의 성장 및 비표면적의 증가를 촉진하는 효과가 있다. 상기 암모니아가 포함되지 않은 반응으로 생성된 HA 또는 β-TCP의 경우 열처리로 인한 입자성장효과가 없는 반면, 암모니아가 포함된 반응으로 생성된 HA 또는 β-TCP의 경우 열처리를 통하여 입자가 성장하여 알갱이 또는 휘스커 모양을 형성하는 효과가 있다. 상기 성장한 알갱이 또는 휘스커 모양의 입자는 비표면적이 커 반응성이 뛰어난 장점이 있다. 본 발명에서 상기 암모니아는 상기 인산-암모니아용액의 pH를 보정하였다. 따라서 상기 암모니아용액의 양은 상기 인산-암모니아용액의 pH와 직접적인 관련이 있다. 본 발명에서 열처리로 인하여 입자가 잘 성장하고 비표면적이 넓은 HA 또는 β-TCP의 합성을 위한 인산-암모니아용액의 pH는 각각 0.5 및 0.69이다. pH가 0.5인 HA 합성용 인산-암모니아용액에 사용된 암모니아용액의 양과 pH가 0.69인 HA 합성용 인산-암모니아용액에 사용된 암모니아용액의 양을 비교해보면 각각 5.13 wt%와 10.72 wt%이다. 따라서 절대적인 암모니아용액의 양이 HA 또는 β-TCP 입자의 성장 및 모양(비표면적)을 결정하는 것보다는 상기 반응용액의 pH로 인한 초기 입자의 형성이 열처리로 인한 HA 또는 β-TCP 입자의 성장 및 모양을 결정하는 것으로 판단된다.

3) 반응조건 조절을 통한 최적의 HA 또는 β-TCP의 제조

상기에서 설명한 바와 같이 난각을 하소하고 나노사이즈(20nm)로 분쇄한 난각분말을 인산-암모니아용액으로 반응시킨 후 열처리를 수행하면 입자가 성장하여 비표면적이 향상된 HA 또는 β-TCP를 합성할 수 있다. 상기 합성은 인산이온의 양, 암모니아이온의 양, 인산-암모니아용액의 pH 및 열처리온도에 따라 최상의 HA 또는 β-TCP 합성조건이 결정된다.

상기 HA 및 β-TCP는 아래의 조건에서 각각 가장 비표면적이 큰 HA 및 β-TCP가 합성된다.

(1) HA의 최적 합성조건: 37.95 wt% 인산용액, 5.13 wt% 암모니아용액 및 56.92 wt% 물을 포함하여 pH가 0.5인 인산-암모니아용액을 사용하여 상온에서 반응시킨 후 800 ℃에서 4시간동안 열처리를 수행한다.

(2) β-TCP의 최적의 합성조건: 53.57 wt% 인산용액, 10.72 wt% 암모니아용액 및 35.71 wt% 물을 포함하여 pH가 0.69인 인산-암모니아용액을 사용하여 상온에서 반응시킨 후 800 ℃에서 4시간 동안 열처리를 수행한다.

본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (10)

1. 900 ℃에서 하소(caline)한 난각에 대하여 용제로서 이소프로필알코올을 이용하고 미디어로서 지르코니아볼(zrconia ball)을 이용하여 24시간 동안 습식 밀링 한 후 80℃에서 건조하여 주성분이 산화칼슘(CaO)이고 평균입도가 20nm인 난각분말을 수득하는 제 1 단계;
   37.95wt%의 인산용액, 5.13wt%의 암모니아용액 및 56.92wt%의 물을 포함하는 pH가 0.5인 인산-암모니아용액을 제조하는 제 2 단계;
   상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액을 1 : 1.5 (난각분말 : 인산-암모니아용액)의 질량비로 혼합하여 난각반응액을 제조하고 상온에서 암모니아에 의해 반응력이 향상되어 중간산물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 생성이 증가된 것으로서 1-3 분 간 지연된 후에 반응시키는 제 3 단계; 및
   상기 반응이 끝난 난각반응액을 건조하여 인산칼슘(CaHPO₄)분말을 제조하고 상기 인산칼슘분말을 상온에서 800 ℃까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 800 ℃의 온도에서 4시간동안 유지시켜 열처리를 수행하는 제 4 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 난각을 이용한 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)의 합성방법.
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6. 900 ℃에서 하소(caline)한 난각에 대하여 용제로서 이소프로필알코올을 이용하고 미디어로서 지르코니아볼(zrconia ball)을 이용하여 24시간 동안 습식 밀링 한 후 80 ℃에서 건조하여 주성분이 산화칼슘(CaO)인 평균입도가 20nm인 난각분말을 수득하는 제 1 단계;
   53.57wt%의 인산용액, 10.72wt%의 암모니아용액 및 35.71wt%의 물을 포함하는 pH가 0.69인 인산-암모니아용액을 제조하는 제 2 단계;
   상기 난각분말과 상기 인산-암모니아용액을 1 : 1.5 (난각분말 : 인산-암모니아용액)의 질량비로 혼합하여 난각반응액을 제조하고 상온에서 암모니아에 의해 반응력이 향상되고 중간산물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 생성이 증가된 것으로서 1-3분 간 지연된 후 반응시키는 제 3 단계; 및
   상기 반응이 끝난 난각반응액을 건조하여 인산칼슘(CaHPO₄)분말을 제조하고 상기 인산칼슘분말을 상온에서 800℃까지 분당 3 ℃의 속도로 상승시킨 후 800℃에서 4시간 동안 유지시켜 열처리를 수행하는 제 4 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 난각을 이용한 제 3 인산칼슘(Tri-calcium phosphate, β-TCP)의 합성방법.
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