KR101941244B1

KR101941244B1 - 생활성 유리 지지체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101941244B1
Application number: KR1020167017507A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 정
Original assignee: 모사이 코퍼레이션.
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2019-01-22
Also published as: KR20160086959A; CA2828216C; KR20160086958A; KR101941242B1; CA2828216A1

Abstract

무정형 막에 의해 둘러싸인 내부 다공성 지지체 미세구조가 있는 유리, 유리-세라믹 또는 세라믹 비드는 설명된다. 상기 막은 상기 다공성 미세구조의 전체 강도를 증가시키면서 막의 내부 다공성 미세구조를 보호하기 위해 제공되고 그 자체에 의해 또는 뼈 또는 연조직 증가 또는 재생에 사용되는 생물학적 분해 가능한 퍼티(putty)와 같은 장치 내에서 비드의 유동성을 향상시킨다. 상기 비드의 내부에 존재하는 상기 열린 공극률(porosity)은 고체 입자 또는 구와 비교해서 체외에서 분해성을 향상시킬 수 있고 뼈, 연조직, 혈관 및 신경의 모든 종류를 포함하지만 제한이 없는 조직의 성장을 촉진시킬 수 있다.

Description

생활성 유리 지지체 및 이의 제조방법{BIOACTIVE GLASS SCAFFOLDS, AND METHOD OF MAKING}

본 발명은 조직 복구 및 조직 재생을 가능하게 하는 포유류 내에 이식(implantation)을 위한 생체에 적합한 지지체(scaffold)와 관련된다.

다공성 생활성 유리 지지체는 생체적합물질(biomaterial) 설계를 위한 관심의 대상이 되어왔다. 미세조직은 결국에 분해될 재료(material)로부터 만들어지는 동시에 치유과정을 자극(stimulate)할 수 있고 조직 성장을 촉진(promote)할 수 있는 매력이 있다. 불행하게도, 높은 다공성 물질은 본질적으로 심각한 손상을 일으킬 수 있는 낮은 강도를 갖는다. 또 다른 극복해야 하는 주요 장애물은 쉬급 시 쉽게 부서지고 서로 쉽게 엉킬 수 있는 것 같은 다공성 지지체의 약한 취급성이고, 궁극적으로 바람직한 목적을 위해서는 효과적이지 못하다. 정형외과 산업의 대부분은 수술 중에 요구되는 강도(strength)와 취급성을 갖는 그들의 장비(devices)에서 사체(cadaver) 뼈의 조밀한 입자(particles), 세라믹 기반의 인산칼슘(calcium phosphate) 또는 생활성 유리를 사용한다.

45S5와 S53P4와 같은 생활성 유리를 기반으로 하는 규산염(silicate)의 사용은 정형외과 임플란트(implants)와 같은 삽입할 수 있는 장치(implantable devices)를 사용하기 위하여 미 식품 의약국(US Food Drug Administration) 및 다른 세계 안전 조직에 의해 입증된 제품에 사용되고 3차원 다공성 지지체를 만들 수 있는 것으로 알려져 있다.

결정화 없이 전통적인 열처리에 의한 점성이 있는 소결(intering)을 만든는 것이 어려운 각 유리들을 각각의 유리전이온도(Tg) 이상으로 가열될 때 45S5와 S53P4와 비슷한 구성요소를 갖는 유리들은 급격하게 결정화 된다. 그러므로, 현재 무정형, 단단하고 규산염(silicate) 유리로 구성되는 다공성 지지체는 상업적으로 가능한 것은 없다. 추가되는 실리카와 함께 복합적인(multiple) 알칼리(alkali)와 알칼리성(alkaline) 토금속(earth elements)이 있는 넓은 작업 범위(working range)를 갖는 유리는 필요를 충족시키기 위하여 개발되었지만, 이러한 유리들은 45S5와 S53P4보다 느리게 수산화 인회석(hydroxyl apatite, HA)으로 변환되고, 어떠한 임상(clinical) 시장에 있어서 현재 FDA에 의해 승인된 생산 가능한 지지체는 없다.

500㎛보다 큰 규산염(silicate) 유리 입자는 체액(body fluid)에서 완전한 반응을 위해서는 몇 년이 소요되고 수산화 인회석(HA)으로 알려진 뼈의 무기 성분(component)으로 변환될 수 있다. 왜냐하면, 유리의 큰 입자(>500㎛)는 자연 조직으로 회복(remodel)하는데 몇 년이 걸리는 치유 조직에 공간(voids)을 남기고 큰 입자는 상대적으로 질량에 비해 표면적 비율이 작고 뼈 또는 혈관에 의한 조직 침투(penetration)를 허락하지 않는다.

다공성 지지체는 수산화 인회석(HA) 및 최종 회복(final remodeling)의 변환 시간을 크게 감소시키는 조직의 침투를 가능하게 하고, 체액과 반응을 가능하게 하는 표면적(surface area)은 상대적으로 크고 전체 지지체를 통해 침투 한다. 실리카겔 레이어가 확산 장애물이 되기에 충분히 두꺼울 때 수축량(contracting volume) 모델로부터 확산모델(diffusion model)까지 규산염(silicate) 유리 45S5가 HA로의 상기 변환 속도(conversion kinetics)는 느리다는 것을 보여주었다. 이것은 1년이 걸릴 수 있는 비슷한 크기의 고체 유리 45S5 비드(bead)와 대조적으로 일주일 만에 45S5로 구성된 다공성 지지체가 HA로 변환되는 이유이다.

특히 유리의 상기 결정화 특성과 유리 전이 특성은 유리를 취급하고 다공성 지지체를 만들 때 중요하다. 산화물을 형성하는 유리의 상대적으로 낮은 농도 및 알칼리성(alkaline)과 알칼리성 토금속(alkaline earth) 산화물의 상대적으로 높은 농도로 구성된 유리 조성물은 어려운 점성 유동에 의해 결합을 만드는 유리전이온도 이상으로 가열될 때 빠르게 결정화되는 경향이 있다. 그러므로 전통적인 열처리에 의한 유리에서 다공성 물질 또는 단단한 지지체를 만드는 것은 불가능 하였다.

일반적으로, 유리는 점성유동(viscous flow)을 위한 적절한 점도를 위한 유리전이 온도 이상의 가열에 의해 결합되었다. 공정에 대한 허용 가능한 시간의 양과 필요한 흐름의 양에 따라, 상기 점도는 공정을 위해 사용되는 상기 응용(application)과 함께 다를 수 있다. 이온의 이동성이 높기 때문에 이러한 응용(application)에 사용되는 상기 유리는 공정 온도에서 결정화에 저항하도록 설계된다. 더 많은 유리의 유동(fluid)은 일반적으로 유리를 결정화하기에 더 쉽지만, 이것은 유리 조성물이 결정질 상(crystalline phase)과 얼마나 가까운가와 유리를 결정화 할 수 있는 활성화 에너지(activation energy)가 얼마나 큰가에 의존한다.

결합하는 이 방법으로부터 이익을 얻는 상기 유리는 원자들이 재배열(arrange)할 수 있고, 결정화 형성을 시작할 수 있게 하는 상대적으로 낮은 에너지 투입을 요구한다. 상기 결정체(crystals)의 형성은, 특히 입자 표면에서 이러한 입자의 점성유동을 억제한다. 유리에서 결정체를 이루는 결정질 상(crystalline phase)은 결정화에 요구되는 온도보다 상당히 높은 온도에서 녹는다. 그러므로 상기 결정체(crystals)는 소결 공정(sintering process)에 도움이 될 수 있는 점성 유동(viscous flow)을 형성하지 않는다. 뿐만 아니라, 상기 결정화를 향한 성향은 유리 성분(component)의 부피에 대한 표면적 비율이 증가할 수록 증가한다. 그래서 더 작은 구성요소는 표면 결정화와 결합 억제(inhibited bonding)하는 더 큰 경향이 있다.

특히 골이식(bone grafts)으로서 사용을 위한 이러한 지정된 지지체(scaffolds)는 고도로 다공성(>50%)이고 유리 입자와 다른 유기 및 무기 구성요소로 구성되는 슬러리(slurry)를 소결(sintering)하기 전에 서서히 타는(burned out) 프리폼(preform)(거품 또는 스폰지 또는 다른 다공성 폴리머)으로의 주입에 의해 종종 형성된다. 바람직한 상기 프리폼의 미세구조(microstructure)를 유지하기 위하여, 상기 가열속도는 소결 온도까지 약간의 ℃/min으로 보통 낮게 유지된 다음 상기 소결된 부분(sintered part)은 유리/세라믹 지지체의 열충격을 제거하기 위해 느리게 냉각된다. 빠르게 결정체를 형성하는 유리 (45S5 또는 S53P4)를 위한, 이러한 방법은 단단한 유리 지지체를 만드는데 효과적이지 않다.

도 1은 다음 발명의 가능한 열처리를 위해 사용할 수 있는 흥미 있는 구역(regions)을 설명한 그래프를 보여준다. 소결하는 생활성 유리는 시간-온도-결정화의 공정에 의존하고, 하나의 구성요소도 무시될 수 없다.

일반적으로, 문헌에 논의된 지지체는 거칠고 날카로운데, 이것은 밴치 스케일 테스팅(bench scale testing)에서는 문제가 되지 않지만, 이식된 재료 위에 글러브(glove)의 천공(puncturing) 없이 압력을 가하기를 원하는 정형외과 의사와 같은 임상의에게는 커다란 문제일 수 있다. 천공된 글러브는 임상의와 환자의 질병을 전파할 수 있는 가능성을 열고, 만약 이식 재료가 임상의의 피부에 침투한다면 상기 임상의는 이식 재료에 의해 다칠 수 있다. 그러므로, 45S5 또는 S53P4 생활성 유리를 기반으로 한 규산염(silicate)로 구성된 임상적인 사용을 위한 FDA에 의해 승인된 완전한 비정질 지지체는 없다.

상기 지지체의 표면 거칠기는 취급하는 관점에서 분명히 단점이지만 뼈 퍼티(putty)와 같은 제품 또는 느슨한 과립제(loose granules)와 같은 단상(single phase) 이식 재료에서 거친 가장자리는 각각의 지지체를 서로 잡아 입자의 분산성(flowability)을 감소시킨다. 분산성 감소는 퍼티(putty)에 가해지는 하중을 감소시키고 퍼티 그 자체로 취급성 향상을 위한 윤활류로서의 역할로 통합될 수 있다. 부서진 가장자리의 상기 잔해는 작은 입자를 제거/삼키는 대식세포에 의한 전체 염증 반응을 증가시킨다.

그러므로 결정화를 위한 높은 관련성이 있는 생활성 유리 기반의 규산염(silicate) 결합 방법의 필요성은 존재한다.

본 발명의 하나의 개념은 무정형 막(shield)에 의해 둘러싸이고 휘발성 성분 또는 바인더(binder)와 전 기공(pore former)이 없이 제조된 내부 다공성 지지체 미세구조가 있는 유리(glass), 유리-세라믹(glass-ceramic) 또는 세라믹 비드(ceramic bead)에 관한 것이다. 상기 막(shield)은 다공성 미세구조의 전체 강도가 증가하는 동안 막(shield)의 내부 다공성 미세구조를 보호하고 뼈 또는 연조직(soft tissue)의 확대(augmentation) 또는 재생(regeneration)에 사용되는 그 자체에 의해 또는 생물학적으로 분해될 수 있는 퍼티(putty)와 같은 장치(devices)에 의해서 비드(beads)의 유동성을 향상시킨다. 비드(bead)의 내부에 존재하는 열린 기공(open porosity)은 고체 입자 또는 구체(sphere)와 비교해서 체내 분해성을 향상시키고 또한 한정하지 않는 모든 타입(types) 뼈, 연조직(soft tissue), 혈관 및 신경을 포함한 조직의 성장을 촉진한다. 상기 내부 미세구조의 약간의 예(example)는 섬유의 네트워크에 직접적으로 지향(oriented)되거나 유리 비드와 혼합된 섬유의 네트워크에 무작위로 지향(oriented)되는 섬유의 네트워크에 무작위로 지향되거나 유리 입자의 부분적인 용해(fusing)에 의해 형성된 서로 연결되는 기공으로 구성될 수 있다. 상기 보호된 지지체(shielded scaffolds)는 분해, 생물학적 자극(stimulation) 또는 몇 가지 이름의 항균 특성의 제어를 목적으로 하는 하나 또는 그 이상의 유리 조성물을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 주제(subject)는 상기 다공성 지지체를 포장(packages)하고 바람직한 분해성과 지지체의 강도와 이식(implantation)에 앞서 윤활성(lubricity)을 증가시키고 독립된(standalone) 이식 재료 또는 퍼티(putty)의 구성요소로 사용될 때 취급성을 증가시키는 캡슐화된 껍질(shell) 안에서 지지체의 다공성 미세조직을 유지(retains)하는 방법과 연관이 있다. 그러므로 생활성 유리 지지체 미세구조의 보호는 이식 도중 또는 그에 앞서(prior to) 영향을 받을 수 있고 정형외과, 척추 및 연조직 상처 치유와 같은 시장에서 상처 치유 향상을 가능할 수 있다.

상기 대상 발명(subject invention)의 실시(practice)에서 생활성 유리의 파우더는 분쇄되고 젖는다. 상기 젖은 파우더는 서로 붙는 젖은 입자와 덩어리를 만들기 위해 혼합된 후 소결되거나 퍼티(putty)처럼 사용될 수 있다. 또 다른 실시예는 비슷한 방법 등으로 제조된 소결된 섬유 과립(fiber granules), 유리 섬유와 유리 비드의 혼합과 진동(vibrating)에 의해 제조되고 열처리를 위한 세라믹 도가니(ceramic crucible)에 놓여지는 구조가 연결되는 회전 형상의 섬유 볼(fiber balls)으로 구성된다. 다공성의 단단한 과립은 소결된 섬유와 유리 비드를 포함한다. 또 다른 실시예는 앞서 언급된 연결 섬유와 비드를 사용하고 화염은 풀리거나 느슨하게된 섬유와 비드의 코어(core)를 둘러싸는 상대적으로 부드러운 다공성 막을 형성하는 화염을 통해 연결 구조를 파괴함으로써 상기 과립을 소결한다. 또 다른 실시예는 첫 번째 도가니 내에서 미립자(particulate) 또는 섬유 지지체 소결 이후 표면층(surface layer) 막을 형성하기 위해 화염 내에서 가열 그리고 화염(flame)을 통과하자마자 수집되어 사용하기 위해 준비되는 것과 관련이 있다.

조직 공학(tissue engineering)을 위한 지지체는 생활성 유리로부터 형성될 수 있다. 생활성 유리는 규산염(silicate) 생활성 유리, 붕산염(borate) 생활성 유리 또는 인산염(phosphate) 생활성 유리가 될 수 있다. 대상발명(subject invention) 내에서 이러한 모든 유리는 사용될 수 있으며, 45S5 및 S53P4와 같은 규산염 생활성 유리가 보다 바람직하다. 약 45-60mol% 실리카 및 칼슘과 인산이 2-10 몰 비(molar ratio)를 갖는 유리처럼 규산염 생활성 유리는 일반적으로 탄산나트륨, 탄산칼슘, 오산화인(phosphorus pentoxide) 및 실리카의 구성을 갖는다. 이러한 또는 비슷한 구성을 갖는 유리 물질은 용이하게 뼈에 유리 물질을 부착할 수 있는 수성 환경에서 물질 표면에 실리카가 풍부한 층과 인산칼슘 필름의 형성을 보여준다. 계면층(interfacial layer)에서 실리카 함량이 45-60mol%은 상기 지지체(scaffold), 자연뼈(natural bone)와 연조직(soft tissue) 물질 사이의 결합(bond)을 향상시키기 위한 인산칼슘(calcium phosphate) 필름이 있는 실리카가 풍부한 레이어의 형성에 유리하다는 것이 일반적으로 알려진 것일지라도 마그네시아(magnesia), 산화칼륨(potassium oxide), 산화붕소(boric oxide) 및 다른 화합물과 같은 구성요소의 추가를 통해서 조성변화는 할 수 있다.

무정형(amorphous)인 동안 상기 물질이 섬유로 용융되고 당겨질(drawn) 수 있을 때 유리 화합물은 섬유로 더 손쉽게 형성된다. 상기 섬유 당기기 공정 동안 실투(devitrification) 없이 섬유 형상으로 제작되는 생활성과 생체흡수성(bioresorbable) 물질은 섬유로 당겨질 때 무정형 구조를 유지하기 위해 혼합된 알칼리 효과를 제공하기 위한 높은 실리카 함량 및 산화나트륨과 산화칼륨이 요구된다. 섬유로 쉽게 뽑을 수 있는 혼합된 알칼리와 높은 실리카 함량 유리의 다양한 화합물은 생활성과 생체흡수성을 보여준다.

유리 결정화의 첫 번째 단계는 유리 내에서 핵들(nuclei)의 형성이다. 핵들(nuclei)은 표면과 같은 유리 내에서 결함에 의해서 또는 열처리에 의해서 형성될 수 있다. 핵성형(nucleation)과 유리 세라믹의 성장에 관한 수 많은 연구는 존재한다. 특히 Na₂Ca₂SiO₃O₉ 유리는 결정화 될 때 형성되는 45S5의 상의 관심(interest)의 대상이다. 상기 유리는 핵형성과 결정 성장을 억제하기 위하여 핵형성 온도 범위를 통해 빠르게 가열(최소한 ~300 내지 400℃/min에서 200,000℃/sec의 가열속도) 되므로 짧은 시간(<1sec 내지 10 내지 20min) 사이에 점성 유동의 발생을 가능하게 한 후 ~1000 내지 2500℃/min 내지 200,000℃/sec의 속도로 다시 냉각한다. 급속 가열과 냉각의 이러한 방법은 높은 결정화 관련성(affinity)이 있는 유리의 결정화 효과를 감소시키고 다공성 지지체의 형성을 가능하게 한다.

(섬유 및 비드) 그것 자체에 소결되지 않은 지지체의 섬유/비드의 각 구성요소는 각각의 섬유 또는 비드로 만들어진 유동성 물질이다. 두 개(the two)가 합할 때, 약 25㎛ 크기로 분쇄되고 가볍게 혼합되어 상기 섬유와 비드는 서로 맞물려(interlock) 지름이 약 0.5 내지 4mm로 형성되는 볼은 도 8에 도시된 바와 같이 아직 압축되지 않아 접촉(touch)하기에 부드럽다. 상기 압축성은 개별 구성요소가 가볍게 소결되거나 당해 분야에 공지된 다른 생활성 유리와 같은 고분자 상과 서로 연결되는 경우 보다 더 강한 개별 유리(individual glass) 구성요소로부터 온다. 상기 개별 유리 구성요소는 종래 지지체 물질에 비해서 큰 장점인 이동(move) 및 재구성(reconstitute)할 수 있다.

또한 그것은 오직 약 25㎛로 분쇄되고 볼(balls)을 형성하는데 사용될 수 있는 유리 입자로 사용이 가능하다. 이러한 입자 볼(balls)은 섬유/비드 볼(balls)처럼 비슷한 열처리 과정을 겪는다.

젖었을 때 상기 섬유와 비드의 맞물림(interlocking)은 분해(disassociating)으로부터 과립(granules)을 유지시키고 혈액과 다른 액체를 잘 흡수한다. 상기 과립(granule) 내부의 상기 모세혈관 활동(action)은 하나의 과립(granule)에서 다음으로 액체의 이동시키는데 도움을 준다. 상기 과립(granules)은 유사하게 젖은 유리를 포함한 어떠한 액체도 흡수할 수 있다고 예측되지만, 용액 또는 혼합물 기반의 물, 알코올 용액 또는 혼합물, 및 액체 또는 겔(gels) 기반의 석유(petroleum)에 한정되지 않는다. 임상 포인트(clinical point)의 관점에서, 이러한 과립은 골 이식/치과 지지체로서, 연조직 지지체로서, 또는 모범적인 응용으로서 본 랩(bone wrap) 또는 상처 드레싱(wound dressing)에 한정하지 않는 지지체 구성의 구성요소로서 혈액 손실 제어 (지혈), 골수천자액 흡착, 수술 부위에 약물 전달에 유용하다. 임상적 사용에서, 상기 소결되지 않은 섬유/비드 볼(balls)은 또한 경조직 연조직 상처를 치유하는데 사용되는 것이 바람직하다.

시작 물질이 45S5 생활성 유리인 경우, 길이가 20㎛ 내지 3mm의 범위이며, 직경이 300nm 내지 30μm인 섬유 90%, 지름이 30 내지 425㎛의 범위인 비드 90%, 섬유 10-50% 및 비드 40-90%, 보다 바람직하게 섬유 25% 및 비드 75%이다. 상기 섬유와 비드는 도 8에 도시된 바와 같이 일반적으로 섬유/비드 덩어리(agglomerate) 형상으로 혼합된다. 상기 섬유/비드 덩어리는 뼈/조직 복구 또는 이의 구성요소를 위한 관점에서, 또는 퍼티(putty), 시멘트 또는 조직 랩(tissue wrap)의 구성요소로서 사용된다. 유연한 퍼티(putty) 또는 시멘트 또는 덩어리로서 사용되면 간편하게 체강(body cavity) 내로 밀어서 넣어질 수 있다. 시간이 지나면 성장하는 조직 및/또는 뼈를 지지하고 손상 및/또는 질병에 걸린 조직/뼈의 치료를 위한 회복할 수 있는 조직/뼈 지지체로서 역할을 한다.

섬유/비드 볼(balls)을 소결할 때, 상기 덩어리는 형성되고 세라믹 도가니(25)에 위치시킬 수 있고, 일반적으로 과립(granules)(도 2와 3)을 형성하기 위한 900℉ 내지 1100℉의 가마 또는 전기로 내에서 시간의 문제 동안(for a matter of minute) 유리전이 이상의 온도에서 가열하지만 유리 녹는점(glass melting temperature) (Tm) 이하이다. 이러한 온도에서 상기 시간은 온도에 매우 의존한다. 예를 들어, 900℉에서 약 10분이면 충분한 반면, 더 높은 온도에서는 더 적은 시간이 필요하다. 입자는 오직 볼을 형성하는데 사용될 때 상기 결과는 도 9에 도시되었다. 상기 과립은 도가니에서 제거되고 동판과 같은 열전도성 물질 위에서 급랭된다. 실린더(27) 모양 내에서 공간은 상기 도가니의 중심에서 왼쪽 아래(left down the center)이다. 이것은 상기 섬유는 절연체(insulator)로서 역할을 하지 않고 상기 도가니의 중앙에서 반응하는 상기 물질로부터 열을 차단하기 위하여 실시된다. 또한, 상기 과립이 결합될 때, 상기 과립(granules)의 손상 없이 이것을 제거하기는 어렵다. 상기 공간(void)은 결국 상기 과립(granules)의 열 침투를 허용하고 상기 코어는 Tg 아래로 냉각에 앞서 상기 과립(granules)의 손상을 제거하고 없앤 후 재료가 흐를 수 있게 한다. 도가니 안에 쌓인 덩어리(agglomerate)의 도해(schematic)를 도 5에서 보여준다.

상기 소결된 덩어리(agglomerates)는 프로판/산소 화염을 통해 통과하고 급랭된다. 그렇게 함으로써 차폐된(shielded) 유리 지지체 즉, 섬유/과립의 내부 주위에 용융된 유리 외부 둘레를 갖는 볼을 형성한다. 화염(flame) 내에서 시간의 양에 의존하는 상기 용융된 주변부(periphery)는 더 두껍워지거나 더 얇아질 수 있다.

도 1은 유리 변형(transformation) 커브의 그래프이다.
도 2는 소결된 유리 섬유/비드 지지체 입자의 사진이다.
도 3은 상기 도 2의 지지체 입자의 표면의 확대도이다.
도 4는 대상 발명(subject invention)의 방법에서 사용된 장치의 개략도이다.
도 5는 중간에 공간(void)이 있는 덩어리를 함유한 도가니의 그림이다.
도 6은 소결되고 용해된 섬유/비드 과립(granule)의 사진이다.
도 7은 상기 도 6의 과립(granule)을 반으로 자른 섬유/비드의 사진이다.
도 8은 소결되지 않은 미립자 지지체 볼(scaffold balls)의 개수의 사진이다.
도 9는 소결된 비드 지지체 입자의 사진이다.

분쇄된 혼합물의 대략적으로 100g은 8인치 스테인리스 스틸 팬(pan)에 놓여지고 상기 파우더의 표면을 충분히 적시기 위해 물과 함께 분무된다. 상기 분부된 혼합물은 젖은 입자가 서로 붙게 할 수 있게 부드럽게 혼합된다. 파우더의 덩어리는 1cm 이상으로 만들 수 있지만 1 내지 6mm의 크기가 선택사항이다. 상기 덩어리는 수집되고 세라믹 도가니 내에 놓여진 다음 유리전이온도 이상으로 가열되지만 45S5를 위해 유리용융온도 이하인 약 10분 동안 900℉에서 가열된 다음 도 2와 3의 소결된 섬유/비드 입자를 야기하는 급랭을 한다. 일 실시예에서 섬유/비드가 맞물리는 구조는 초기 소결(initial sintering) 없이 화염에 직접적으로 가열된다. 또 다른 실시예에서 소결된 입자는 화염에 직접적으로 가열된다. 도 8의 (소결 없는) 상기 섬유/비드가 맞물리는 구조는 도 4에 도시된 바와 같이 버너(15)의 산소와 프로판이 혼합되고 연소되는 것을 포함하는 상기 화염(13) 안에 진동 피더(feeder)(12)가 있는 호퍼(hopper)(11)에 놓인다. 상기 화염 설정(setting)은 유리 조성물과 버너 크기에 따라 변화하지만 산소와 프로판은 둘 다 필요하다. 상기 화염의 상기 파생(resulting) 온도는 그래서 3600℉ 내지 5100℉이다. 각 덩어리(agglomerate)는 짧은 시간 동안 화염에서 용융된 중앙에 느슨한(loose) 섬유와 비드가 없는 외관을 갖는다. 이후에 수집관(17) 안으로 불어넣어지고 유리 결정화 및 유리전이온도(Tg) 이하로 냉각된다.

소결된 섬유/비드가 맞물린 구조를 활용한 상기 실시예는 화염을 지나고 그 결과 중앙(center)은 풀리지(loose) 않은 상기 언급된 용융된 외관의 가변적인 두께를 갖는 용융된 덩어리가 된다.

상기 수집관(17)은 15와 45도 사이의 각도로 설정되고 상기 용융된 과립(granules)이 수집팬(21) 안에 존재할 수 있게 하는 진동기(19)와 함께 고정되고 상기 과립(granules)은 상온으로 냉각된다. 화염의 깊이와 덩어리(agglomerate)가 떨어지는 거리에 따라 각 덩어리(agglomerate)의 화염에 노출되는 시간은 1/100 초 내지 1/4 초 범위이다. 도 6은 상기 결과 막이 형성된 과립의 그림이다. 상기 둥근 유리 같은 표면은 눈에 띄지만 조직이 안에서 자라게 하고 도 6과 7에서 보여주는 것처럼 고체 유리 입자 또는 비드와 비교하여 향상된 변화를 위한 섬유질(fibrous) 코어가 중앙에 존재한다. 도 6은 지름이 약 1.1-2.0mm 인 막이 형성된 섬유/비드 과립의 표면을 보여주는 SEM 이미지이다. 상기 과립(granule)의 상기 표면은 조직이 성장하고 액체가 침투할 수 있게 하는 창문(windows)과 기공(pores)로 덮였다. 조직 침투를 위해 충분한 대략적인 기공의 크기 범위는 ~10㎛ 내지 ~200㎛이다. 내부 다공성 미세구조의 증가하는 표면적 때문에 다공성 과립의 반응속도는 고체유리 구(sphere)보다 더 높다. 도 7은 소결 없는 덩어리(agglomerate)와 상기 외부 및 내부 미세구조를 볼 수 있는 두 균열로부터 형성된 도 6의 다공성 섬유/비드 과립을 보여준다. 도 7에서 상기 막(shield)은 상기 과립(granule)의 외부의 용융된 둘레이다. 균열하는 과립으로부터 도 7의 바닥에 풀린(loose) 섬유가 존재한다. 상기 균열된 과립의 중앙은 풀린 섬유와 비드(beads)을 포함한다. 연결(bonding)에 의해 코어는 긴 또는 추가적인 열처리를 통해 섬유와 비드의 연결의 양은 조절될 수 있다. 더 나아가 충분한 시간 동안 추가 열처리는 전체 과립을 결정화한다.

도 7의 상기 분쇄된 지지체는 다소 느슨한(loose) 내부 섬유 망을 덮는 다공성 유리 껍질(shell)을 보여준다. 상기 지지체의 상기 표면은 유리 과립이 녹고 가스 (공기) 안에 갇히고 거품을 만드는 것같이 높은 온도에서 형성되는 표면을 덮는 얇은 창문(windows)을 갖는다. 상기 유리 창문은 체액 또는 혈액과 같은 액체와 접촉할 때 빠르게 수화되고 유체가 지지체에 침투할 수 있게 하며 재료 특성과 의료인에 의한 취급성을 향상시키는 동시에 새로운 조직이 성장할 수 있게 한다.

전술한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명은 여기에 보여지고 설명된 특정 형태로 제한되지 않는 것은 이해될 수 있다. 본 발명을 만들고 사용하는 단계뿐만 아니라 첨부된 청구항에 표현된 것처럼 본 발명의 범위에서 벗어남 없이 여기에 공개된 디자인, 배치(arrangement) 및 요소(elements)의 유형(type)으로 다양한 변형이 만들어질 수 있다.

Claims

소결된 45S5 생활성 유리 섬유와 45S5 생활성 유리 비드, 소결된 다공성 덩어리를 형성하기 위해 서로 융용된 상기 45S5 생활성 유리 섬유와 45S5 생활성 유리 비드의 일부를 포함하는 차폐된 유리 지지체.
제1항에 있어서,
상기 45S5 생활성 유리 섬유는 길이가 20μm 내지 3mm이며, 직경이 300nm 내지 30μm인 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체.
제1항에 있어서,
상기 45S5 생활성 유리 비드 중 90%의 유리 비드는 직경이 30 내지 425μm인 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체.
제1항에 있어서,
10 내지 60%의 상기 45S5 생활성 유리 섬유; 및
40 내지 90%의 상기 생활성 유리 비드;로 구성되는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체.
제1항에 있어서,
25%의 상기 45S5 생활성 유리 섬유; 및
75%의 상기 45S5 생활성 유리 비드;로 구성되는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체.
소결된 덩어리를 형성하기 위한 열처리 이전에 두개 이상의 다른 유리 조성물이 혼합되어 구성되되,
상기 유리 조성물 각각은 적어도 두개의 유리 섬유 조성물과 적어도 두개의 유리 비드 조성물로 구성된 그룹에서 선택된 유리 조성물인 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체.
제6항에 있어서,
유리 파우더를 더 포함하되,
상기 유리 파우더의 평균 입자 크기(mean particle size)는 25μm이며,
상기 유리 파우더 중 90%의 파우더는 입자 크기가 53μm 이하인 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체.
제6항에 있어서,
상기 유리 비드 조성물은
평균 입자 크기가 25μm이고, 총 유리 비드 중 90%의 유리 비드가 53μm 이하의 크기로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체.
제6항에 있어서,
상기 유리 섬유와 상기 유리 비드는 서로 융용되지 않는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체.
다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법:
1) 압축성의 덩어리를 형성하기 위해 생활성 유리 섬유를 가지고 생활성 유리 섬유를 혼합하는 단계;
2) 상기 덩어리를 소결하는 단계; 및
3) 1000℃/분 내지 200,000℃/초의 속도로 상기 소결된 덩어리를 냉각하고 그 결과로 야기된 상기 차폐된 유리 지지체를 수집하는 단계.
다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법:
1) 생활성 유리 덩어리를 형성하는 단계;
2) 800℃/분 내지 200,000℃/초의 속도로 900 내지 1100℃까지 상기 생활성 유리 덩어리를 가열 및 소결하는 단계;
3) 1000℃/분 내지 200,000℃/초의 속도로 상기 가열 및 소결된 덩어리를 냉각하고 그 결과로 야기된 상기 차폐된 유리 지지체를 수집하는 단계.
제11항에 있어서,
상기 소결된 덩어리는 다음을 포함하는 그룹으로부터 선택된 지지체를 형성하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법:
뼈 랩(bone wrap),
뼈 또는 연조직 퍼티(putty),
지혈장치,
정형외과 또는 척추 관련 임플란트,
외부 붕대 및
뼈시멘트(bone cement).
다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법:
1) 생활성 유리 덩어리를 형성하는 단계; 및
2) 상기 생활성 유리 덩어리를 도가니에 넣고 10 내지 20분간 900 내지 1100℃로 가열한 후, 소결된 덩어리를 냉각하는 단계.
제13항에 있어서,
상기 도가니는 중앙 원통형 축방향 개구부(opening)가 형성된 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법.
제13항에 있어서,
상기 생활성 유리 덩어리를 입자로 분쇄하되,
평균 입자 크기가 25μm이고, 총 입자 중 90%의 입자가 53μm 이하의 크기가 되도록 분쇄하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법.
다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법:
1) 생활성 유리 섬유와 입자의 덩어리를 형성하는 단계; 및
2) 상기 생활성 유리 섬유와 입자의 덩어리를 도가니에 넣고, 유리전이온도 이상 그리고 유리용융온도 이하로 가열한 후, 소결된 덩어리를 형성하기 위해 냉각하는 단계.
제16항에 있어서,
상기 차폐된 유지 지지체는 이를 결정화하는 추가적 열처리가 주어지는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법.
제16항에 있어서,
상기 생활성 유리 섬유 및 입자를,
평균 입자 크기가 25μm이고 총 섬유 및 입자 중 90%의 섬유 및 입자의 크기가 53μm 이하가 되도록 분쇄하는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법.
제16항에 있어서,
상기 소결된 덩어리는 다음을 포함하는 그룹으로부터 선택된 지지체를 형성하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법:
뼈 랩(bone wrap),
뼈 또는 연조직 퍼티(putty),
지혈장치,
정형외과 또는 척추 관련 임플란트,
외부 붕대 및
뼈시멘트(bone cement).
제16항에 있어서,
상기 도가니는 중앙 원통형 축방향 개구부(opening)가 형성된 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법.
다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법:
1) 45S5 생활성 유리로부터 생활성 유리 섬유와 입자의 덩어리를 형성하는 단계;
2) 상기 덩어리를 소결한 후, 유리 지지체를 형성하기 위해 1000℃/초의 속도로 냉각하는 단계.
다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법:
1) 생활성 유리 덩어리를 형성하는 단계; 및
2) 상기 생활성 유리 덩어리를 도가니에 넣고, 10 내지 20분간 900 내지 1100℃로 가열한 후 소결된 덩어리를 형성하기 위해 1000℃/초로 냉각하는 단계.
제22항에 있어서,
상기 생활성 유리 덩어리를 도가니에 넣기 전에,
상기 도가니 중간에 원통형 공간을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차폐된 유리 지지체를 제조하는 방법.