KR20020096521A - 고강도 생체활성 세라믹복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 생체활성 세라믹복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 하이드록시아파타이트와 인산삼칼슘 복합체에 마그네슘염을 첨가한 고강도 생체활성 세라믹복합체를 제공하며, 하이드록시아파타이트 및 인산삼칼슘을 합성하기 전단계에서 칼슘염 대신에 마그네슘염을 첨가하여 소결하거나 또는 하이드록시아파타이트와 인산삼칼슘을 합성한 후 상기의 복합분말에 마그네슘염을 첨가하여 소결하여 이루어지는 생체활성 세라믹복합체의 제조방법을 제공함으로써, 인산삼칼슘의 상전이온도를 상승시켜 1200℃ 이상에서 소결을 가능케하여 고밀도의 세라믹을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 미세구조를 균열을 방지하여 강도를 향상시킴으로써 인공치아 및 골이식재에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

고강도 생체활성 세라믹복합체 및 그 제조방법{High strength of bioactive ceramics and manufacturing process of the same}

본 발명은 고강도 생체활성 세라믹복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 하이드록시아파타이트와 인산삼칼슘에 마그네슘을 첨가함으로써 생체용해성의 조절을 용이하게 하는 고강도의 생체활성 세라믹복합체와 그 제조방법에 관한 것이다.

인구의 노령화와 교통수단의 발달은 인류의 골관련 질환을 증가시키고 이에 따라 각종 수술에 필요한 인공골 및 인공치아에 대한 수요가 증대되고 있다. 예로부터 인공골로서 많은 재료가 사용되어 왔으나 보다 강도가 높고 생체에 적합한 재료를 개발하고자 하는 노력은 계속되고 있다. 지금까지 주로 금속재료가 사용되어왔으나 체액에 의한 부식 현상과 마모에 의한 염증반응, 그리고 계면에서 생체이물반응에 의한 섬유성 피막의 형성으로 골조직과 분리되어 탈리되는 문제가 있어 최근에서는 골과 직접 결합하는 생체활성세라믹이 골대체재료로서 관심이 모아지고 있다.

생체활성세라믹은 골의 무기성분과 결정학적 및 화학적으로 유사한 하이드록시 아파타이트[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]가 대표적인데 이 재료로 만든 인공골 이식재는 골과 직접 결합하고 생체이물반응이 없는 것이 확인되었다. 그러나 하이드록시 아파타이트는 물이나 체액 속에서 안정하기 때문에 용해가 적어 자연골이 성장할 유효공간이 없고 골결합강도가 약한 단점이 있다. 따라서 하이드록시 아파타이트를 다공질체로 만들어 골이 성장해 들어갈 수 있는 공간을 인위적으로 확보해 주거나 강도가 요구되는 부위에는 보다 흡수가 잘 되는 생체용해성 물질과 복합화하여 사용하는 것이 유리하다.

특히 생체용해성 물질과 복합화에는 같은 칼슘과 인으로 이루어진 인산삼칼슘(Ca₃(PO₄)₂)과의 복합화가 많이 시도되고 있다. 그러나 하이드록시 아파타이트와는 달리 인산삼칼슘은 저온상(β), 고온상(α)이 있으며 소결이 진행되는 도중에 상전이가 일어나고 일단 상전이가 되면 소결성이 급격히 떨어져서 고밀도의 소결체를 얻기 힘들며 특히 고온형의 부피가 저온형의 부피보다 크기 때문에 상전이는 국부적인 부피의 상승을 가져와 미세 균열이 발생하여 재료의 강도를 급격히 떨어뜨리는 문제점이 있다. 상기와 같은 인산삼칼슘의 문제점을 해결하기 위하여 인산삼칼슘(TCP)을 액상법으로 합성하여 나노크기의 인산삼칼슘 분말을 제조하여 소결성을 높여 주었다.(K. Itatani et al., J. Am. Ceram. Soc., 77 [3], 801-805, 1994 ; K. Umegaki et al., J. Ceram. Soc. Jpn., 95, 770-774, 1987)

정형외과용, 치과용 골대체재료로 사용될 수 있는 생체활성세라믹으로 가장 관심이 모아지는 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘 복합체는 골 수복 부위에서 거의 용해되지 않는 하드록시 이파타이트의 단점과 이식 후 빠른 속도로 흡수되는 인산삼칼슘의 단점을 보완할 수 있는 재료이나, 하이드록시 아파타이트는 1300℃에서 소결되고, 인산삼칼슘은 1200℃에서 소결되는 등 온도에 따른 소결특성이 다를 뿐만 아니라 상기에서 설명한 바와 같이 인산삼칼슘이 1180℃ 부근에서 상전이하므로 이 온도이상에서는 복합체의 소결성도 급격히 저하되고 상전이에 따른 부피의 변화로 미세 균열이 발생, 강도를 떨어뜨리는 원인이 되며, 특히 인산삼칼슘의 고온상은 저온상보다 용해성이 크므로 생체내 이식시 안정성이 크게 떨어진다.

따라서 고밀도의 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘 복합체를 소결하기 위해서는 1180℃ 이하에서 충분히 소결될 수 있는 분말을 합성하거나 인산삼칼슘의 상전이 온도를 1300℃ 이상으로 상승시켜 1300℃에서 소결이 가능하게 하는 기술이 필요하다. 그런데 1180℃ 이하에서 소결할 수 있는 분말은 특수한 환경에서 합성되므로 상업적으로 이용할 수 있는 공정으로는 적합하지 않다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘 복합체의 소결성을 향상시킴으로써 고강도의 생체용해성 조절이 용이한 생체활성 세라믹복합체와 그 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 실시예 및 비교예의 열처리 온도에 따른 수축율을 나타내는 그래프.

도 2는 실시예 및 비교예의 소결온도에 따른 상대 밀도를 나타내는 그래프.

도 3은 실시예 및 비교예의 시편의 미세조직을 주사전자현미경으로 측정한 사진.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하이드록시아파타이트와 인산삼칼슘 복합체에 마그네슘염을 첨가한 고강도 생체활성 세라믹복합체를 제공한다.

이 때, 상기의 첨가한 마그네슘염은 하이드록시 아파타이트와 반응하지 않고 인산삼칼슘과 반응하여 인산삼칼슘의 상전이 온도를 1350℃ 이상으로 상승시키고 보통 1200℃에서 소결이 완료되는 인산삼칼슘의 온도에 따른 소결거동을 1300℃에서 소결이 완료되는 아파타이트의 소결거동과 유사하게 변화시키므로서 인산삼칼슘이 주소결온도에서 상전이가 없으며 아파타이트와 동시에 소결하는 것이 가능하게 한다. 그리고 마그네슘이 주위의 인산삼칼슘과 반응하여 아파타이트의 입자 주위에 미세한 인산삼칼슘 입자들이 분포되어 하중이 가해질 때 균열의 성장을 방해하는 효과가 있어 미세구조의 변화에 따른 고강도를 가능하게 한다.

이하 첨부한 도면을 포함하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 종래의 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘 복합체에서 기대할 수 없었던 고밀도, 고강도의 복합세라믹을 얻기 위해 마그네슘으로 이루어진 염이나 화합물을 일부 첨가하여 소결시킨다. 마그네슘은 하이드록시 아파타이트/인산삼칼슘의 양이온인 칼슘과 같은 알칼리토금속으로 2가의 원자가를 갖고 인체의 골성분에도 0.4 중량%을 차지하고 있으며 인체에 무해한 성분이다.

첨가한 마그네슘은 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘의 혼합 분말에서 하이드록시 아파타이트보다는 인산삼칼슘과 주로 반응하는 것으로 확인되었다. 일단 마그네슘이 인산삼칼슘과 반응하면 첨가하지 않은 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘 복합체보다 소결이 더 높은 온도에서 시작되었고 인산삼칼슘의 상전이 온도가 상승하였으며 이에 따라 더 높은 온도에서 소결이 가능하여 99% 이상의 소결 상대 밀도를 보였다. 그리고 가장 두드러진 결과는 미세구조의 변화에 따른 강도의 증가이다. 첨가된 마그네슘은 주위 인산삼칼슘의 입자와 반응하여 하이드록시 아파타이트 입자 주위에 미세한 마그네슘 치환 인산삼칼슘 입자들이 모여있는 구조를 하고 있었으며 이는 균열의 진행을 효과적으로 방해하여 같은 밀도의 하이드록시 아파타이트 소결체의 압축강도(500-1000MPa)와 인산삼칼슘의 압축강도(450-650MPa)보다 휠씬 높은 강도를 보이는 장점이 있다.

본 발명에서 마그네슘은 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘 복합체에 대해서 0.2~10 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 0.2 중량% 미만인 경우에는 첨가량이 너무 작아 마그네슘을 첨가하지 않은 경우와 비슷한 문제가 있으며 10 중량%를 초과하면 마그네슘이 너무 많아 소결이 잘 안되며 여러 가지 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘 외 여러 가지 인산사칼슘(Ca₄P₂O₉), 산화칼슘(CaO) 등과 같은 이차상이 생성되고 생체내에서 많은 양의 마그네슘 용출에 의한 문제점이 발생할 수 있다.

또한 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘의 비는 5:95~80:20의 중량비가 바람직하다. 인산삼칼슘의 중량비가 95를 초과하는 경우에는 아파타이트가 적어 생체용해성 조절에 도움이 되지 못하며 아파타이트의 중량비가 80을 초과하는 경우에는 인산삼칼슘에 의한 강도 증가가 이루어지지 않는 문제점이 있다.

상기의 마그네슘은 마그네슘염, 즉 질산화마그네슘 (Mg(NO₃)_2,Mg(NO₃)₂·6H₂O) 또는 염화마그네슘 (MgCl₂)과 마그네슘화합물인 산화마그네슘(MgO), 탄산마그네슘(MgCO₃)의 형태로 첨가되고 종류에 따른 차이는 없으며 마그네슘을 하이드록시 아파타이트, 인산삼칼슘 상합성 시에 처음부터 칼슘염 대신 첨가하거나, 아니면 순수 하이드록시 아파타이트, 인산삼칼슘을 합성한 후 이들의 혼합분말에 따로 첨가하여도 무방하다.

본 발명을 비교예와 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<비교예 1>

순수 하이드록시 아파타이트와 β형 인산삼칼슘을 중량비로 50:50으로 혼합한 분말 40g을 24시간동안 볼밀(ball-mill)로 다시 분쇄하였다. 이를 프레스를 이용하여 알약모양(pellet)로 성형하였다.

< 실시예 1-3>

하이드록시 아파타이트와 β형 인산삼칼슘을 중량비로 50:50으로 혼합한 분말 40g에 산화마그네슘 (MgO)을 1, 3, 5중량% 각각 첨가하고 24시간동안 볼밀(ball-mill)로 다시 혼합하였다. 이를 프레스을 이용하여 알약모양(pellet)으로 성형하였다.

상기 비교예와 실시예의 성형체를 팽창계(dilatometer)로 열처리 온도에 따른 수축율을 관찰하였고 이를 도 1에 나타내었다. 마그네슘을 첨가하지 않은 비교예는 1150℃ 부근에서 상전이가 일어나 소결성이 급격히 떨어져 수축되는 속도가 늦어지나, 마그네슘을 각가 1, 3, 5 중량%로 첨가한 실시예 1-3에서는 모두 수축이 완료된 1350℃ 이후에서 상전이가 일어났다. 이를 통해 마그네슘이 하이드록시 아파타이트와 반응보다는 인산삼칼슘에 우선적으로 반응하여 인산삼칼슘의 상전이를 효과적으로 늦춤을 확인할 수 있었다.

도 2에는 1150~1300℃ 범위의 각 온도에서 2시간동안 소결시킨 비교예와 실시예의 상대 밀도이다. 비교예는 엑스레이회절기(XRD)로 분석한 결과 모든 온도구간에서 인산삼칼슘의 저온형 β상이 없는 하이드록시 아파타이트/α형 인산삼칼슘이였으며 소결 상대밀도가 80% 이하로 치밀하지 못했다. 이에 반해 실시예는 1300℃ 소결체까지 모두 하이드록시 아파타이트/β형 인산삼칼슘이였으며 모두 95% 이상의 상대밀도를 보이고 있다.

99%의 상대밀도를 보이는 1중량% 산화마그네슘을 첨가한 실시예 1의 복합세라믹과 77%의 상대밀도를 보이는 산화마그네슘을 첨가하지 않은 비교예 1의 복합세라믹의 압축강도를 측정하였으며 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1의 결과로부터 비교예의 시편에서는 1200MPa의 압축강도를 보였고 실시예의 시편에서는 400MPa의 압축강도를 보여 마그네슘을 첨가하면 3배의 강도증가 효과를 나타내었다. 그리고 이러한 강도는 순수 하이드록시 아파타이트 세라믹의 압축강도인 500~1000MPa과 순수 인산삼칼슘의 압축강도인 450-650MPa보다 크고 생체활성세라믹 중 가장 강한 재료로 알려진 아파타이트/월라스토나이트(CaO·SiO₂)의 압축강도인 1080MPa보다도 높은 값이다.

종류	상대 밀도	상종류	압축강도(MPa)
비교예	76.5±0.2	HA.α -TCP	405.4±37.8
실시예	99.0±0.4	HA.β -TCP	1203±44.9

도 3은 실시예 및 비교예의 시편의 미세조직을 주사전자현미경(SEM)를 통해서 관찰한 사진으로서, 기공이 많이 남아있는 도 3a의 비교예와 비교하여 도 3b의 실시예의 시편에서는 기공을 찾아보기가 힘들며 특히 보통 세라믹 미세구조와는 달리 큰 아파타이트 입자 주위에 미세한 인산삼칼슘 입자들이 모여있는 특징있는 구조를 관찰할 수 있다. 이러한 미세구조는 입자경계를 따라 진행되는 균열을 막는 데 효과가 있으며 이 때문에 강도가 크게 증가한 것이다. 인산삼칼슘의 미세 입자는 마그네슘이 인산삼칼슘과 반응하여 인산삼칼슘의 입자성장을 방해했기 때문이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 생체용해성이 조절하기 위한 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘 복합 세라믹에 마그네슘을 첨가하므로써 인산삼칼슘의 상전이온도를 상승시켜 1200℃ 이상에서 소결이 가능하고 이에 따라 고밀도의 세라믹을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 첨가된 마그네슘은 미세구조를 균열의 진행이 어려운 형태로 바꾸는 효과가 있어 강도를 3배 정도 향상시키므로 고강도가 필요한 인공치아 및 골이식재에 응용이 가능하다.

Claims (7)

1. 하이드록시아파타이트와 인산삼칼슘 복합체에 마그네슘염을 첨가한 고강도 생체활성 세라믹복합체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기의 마그네슘염은 질산화마그네슘(Mg(NO₃)_2,Mg(NO₃)₂·6H₂O), 염화마그네슘(MgCl₂), 산화마그네슘(MgO), 수산화마그네슘 (Mg(OH)₂), 탄산마그네슘(MgCO₃)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 고강도 생체활성 세라믹복합체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기의 마그네슘염은 하이드록시아파타이트와 인산삼칼슘의 복합체에 대해서 0.2~10 중량%로 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고강도 생체활성 세라믹복합체.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기의 하이드록시 아파타이트와 인산삼칼슘은 중량비 5:95 내지 80:20 으 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 생체활성 세라믹복합체.
5. 제 1 항의 고강도 생체활성 세라믹복합체의 제조방법에 있어서,

   하이드록시아파타이트 또는 인산삼칼슘을 합성하기 전단계에서 칼슘염 대신에 마그네슘염을 첨가하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 생체활성 세라믹복합체의 제조방법.
6. 제 1 항의 고강도 생체활성 세라믹복합체의 제조방법에 있어서,

   하이드록시아파타이트와 인산삼칼슘을 합성하는 단계와, 상기의 복합분말에 마그네슘염을 첨가하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 생체활성 세라믹복합체의 제조방법.
7. 제 1 항의 고강도 생체활성 세라믹복합체로 제조되는 것을 특징으로 하는 인공치아 및 골이식재.