KR20030023568A - 생체용 세라믹스 - Google Patents

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묘이 아키라
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Abstract

본 발명은 세포를 생체용 세라믹스 내에 용이하게 도입할 수 있도록 하고, 또한, 생체에의 친숙함이 양호하고 생체 위해성(爲害性)도 없는 생체용 세라믹스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
거의 구형인 기공(1)을 다수 갖는 다공질 세라믹스로서, 인산칼슘계를 포함하는 성분으로 이루어진다. 이들 기공(1, 1)끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 통기성을 발휘한다. 이 통기성은 150 센티더시(centidarcy) 이상 8000 센티더시 이하로 설정된다.

Description

생체용 세라믹스{CERAMICS FOR IN VIVO USE}
본 발명은 다공질 인산칼슘계 세라믹스에 관한 것이다. 구체적으로는, 인공 뼈, 뼈 보충재, 세포 배양 담체 등 세포를 정착 및 담지시켜 증식 및 배양시키는 데 적합한 생체용 세라믹스에 관한 것이다.
인산칼슘계 세라믹스는 생체 위해성이 없고, 또한 천연 뼈로 치환되는 경향이 강하여 인공 뼈 등으로서는 바람직한 재료이다.
하지만, 종래의 인공 뼈 등에 사용되는 인산칼슘계 세라믹스는 치밀체(緻密體)로서 제조하면 강도는 크지만 세포가 정착하기 어렵다. 또한, 다공체(多孔體)로서 제조하면 세포는 들어가지만 강도가 작아 취급이 어려운 경향이 있다.
이러한 인산칼슘계 세라믹스의 이용법의 하나로서, 강도를 어느 정도까지 향상시키고, 가능한 초기에 많은 세포를 정착시키고 활발하게 증식시킴으로써 세포 스스로의 힘에 의하여 뼈 형성을 촉진시킴으로써 조기 회복을 꾀할 수 있다.
도 1은 본 발명의 생체용 세라믹스의 하나의 실시 형태를 도시한 확대 단면도이다.
도 2는 본 발명의 생체용 세라믹스의 또 하나의 실시 형태를 도시한 확대 단면도이다.
본 발명은 이러한 이용법에 알맞은 것으로, 세포가 침입하기 쉽고 정착하기 쉬운 생체용 세라믹스를 제공하는 것이며, 그 결과로서 조기 회복 등을 기대할 수 있는 것이다.
우선, 본 발명에서 말하는 인산칼슘계 소재로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 히드록시아파타이트, 탄산아파타이트 및 인산삼칼슘 또는 이들 화합물의 2종 또는 그 이상의 혼합물, 또는 이들 화합물 1종 이상을 주성분으로 하는 것들이 바람직하다. 또한, 인산삼칼슘은 강도의 면을 생각하면 β상인 것이 보다 바람직하다.
제1 발명은 인산칼슘계 소재로 이루어지고, 거의 구형인 기공을 무수히 포함하는(다수 갖는) 생체용 다공질 세라믹스로서, 이 기공들끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 이 통기성은 150 센티더시(centidarcy) 이상 8000 센티더시 이하이다.
제2 발명은 인산칼슘계 소재로 이루어지고, 거의 구형인 기공을 무수히 포함하는(다수 갖는) 생체용 다공질 세라믹스로서, 이 기공들끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 구멍 직경이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 연통부와 연결되어 통하는 기공의 체적은 전 기공 체적의 2% 이상 18% 이하이다.
제3 발명은 인산칼슘계 소재로 이루어지고, 거의 구형인 기공을 무수히 포함하는(다수 갖는) 생체용 다공질 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 그 통기성은 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하이고, 구멍 직경이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 연통부에 연결되어 통하는 기공의 체적은 전 기공 체적의 2% 이상 18% 이하이다.
제4 발명은 인산칼슘계 소재로 이루어지고, 거의 구형인 기공을 무수히 포함하는(다수 갖는) 생체용 다공질 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 자체의 직경이 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 구형의 기공 체적은 전 기공 체적의 0.5% 이상 15% 이하이다.
제5 발명은 인산칼슘계 소재로 이루어지고, 거의 구형인 기공을 무수히 포함하는(다수 갖는) 생체용 다공질 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 그 통기성은 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하이고, 자체의 직경이 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 구형의 기공 체적이 전 기공 체적의 0.5% 이상 15% 이하이다.
제6 발명은 인산칼슘계 소재로 이루어지고, 거의 구형인 기공을 무수히 포함하는(다수 갖는) 생체용 다공질 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 그 통기성은 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하이고, 구멍 직경이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 연통부와 연결되어 통하는 기공의 체적은 전 기공 체적의 2% 이상 18% 이하이며, 자체의 직경이 8 ㎛이상 15 ㎛ 이하인 구형의 기공 체적은 전 기공 체적의 0.5% 이상 15% 이하이다.
본 발명은 확실히 확립되어 있는 방법을 이용하여 비교적 간단히 측정할 수 있고 기체의 침투성을 나타내는 통기성을 특정한 범위로 설정함으로써 및/또는 특정 범위의 기공 직경이나 연통 기공 직경을 갖는 기공의 각 부분을 특정 범위로 설정함으로써 상기 세라믹스를 생체용 부재에 대한 뼈형성 세포 등의 세포의 침입에 적합하도록 하고, 또한 침입한 세포의 정착을 용이하게 하는 것이다.
제1 발명의 실시 형태에 대해서 설명하면, 도 1의 확대 단면도에 있어서, 이 생체용 세라믹스는 다공질 인산칼슘계 소결체(sintered body)로 이루어지고, 생체 위해성이 없으며, 다공질이라도 비교적 강도를 가지며, 거의 구형인 기공(1)을 다수 가지며, 기공(1, 1)끼리 접촉함으로써 연통부(구멍; 2)를 형성한다. 이 연통부(구멍; 2)의 구멍 직경(D2)의 설정과 연통부의 갯수 등의 선정에 의하여 통기성(투과율)을 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하로 설정한다.
즉, 통기성을 150 센티더시 이상으로 함으로써 세포의 침입이 용이해진다. 그러나, 통기성이 8000 센티더시를 넘으면 세포 침입은 용이하지만 강도의 문제가 생기게 된다. 또한, 일단 침입한 세포가 정착되지 않고 흘러버리기 쉽게 된다. 통기성은 600 센티더시 이상 5000 센티더시 이하인 것이 바람직하고, 1000 센티더시 이상 2000 센티더시 이하인 것이 더욱 바람직하다.
기공률(pore ratio)은 50% 이상 90% 이하인 것이 바람직하고, 65% 이상 85% 이하인 것이 더욱 바람직하다.
적당한 기공량과 적절한 통기성이 있는(지나치게 흘러도 바람직하지 못하다) 것이 세포의 침입 정착에 필요하다.
그런데, 사람 세포의 크기는 10 마이크론(㎛)에 가깝고, 5 마이크론(㎛) 이하의 연통 구멍(2)을 갖는 기공(1)은 세포 정착에는 기여하지 않는다. 연통 구멍(2)의 크기가 약 8 마이크론(㎛) 정도라면, 상기 세라믹스로의 세포의 침입은 어떻게든 가능하다. 침입은 용이하지 않지만, 지름이 8 마이크론(㎛) 이상 20 마이크론(㎛) 이하인 좁은 연통 구멍(2)을 통과하여 기공(1)으로 침입한 세포는 그 기공(1)내에서의 체류 시간이 지름이 20 마이크론(㎛) 이상인 연통 구멍을 갖는 기공으로 침입한 것보다 상대적으로 길어진다. 기공의 내표면(내벽면)은 세포가 고착(attach)하기 쉬운 하이드록시아파타이트 등의 인산칼슘계 소결체로 형성되어 있다. 이 때문에, 세포가 거기에 장기간 체류할 수 있어 기공 내벽면으로의 세포의 고착이 촉진되어 기공내에 정착하기 쉬운 경향이 나타난다.
특히, 세포 크기(길이 치수)의 수배에서 수십배의 공간이 있으면 세포는 정착하기 쉬운 경향이 강하다. 따라서, 연통 구멍 직경(D2)의 범위를 약 10 마이크론(㎛)으로 설정하면 세포 정착에 매우 유리하다.
이와 같이, 연통 구멍(2)의 크기가 8 마이크론(㎛) 미만이면 세포가 특히 침입하기 어렵고, 반면 20 마이크론(㎛)을 넘으면 일단 기공(1)에 침입한 세포가 다시 나가기 쉬워지게 된다. 따라서, 제조과정에서 기공량을 적절히 제어하면 세포 정착의 효율을 높일 수 있다.
연통 구멍 직경(D2)이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 연통 구멍과 연결되어 통하고 있는 기공(1)의 체적의 비율은 누적 체적 분률로 전체 기공 체적의 2% 이상 18% 이하의 비율을 갖는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 비율이 2% 미만인 경우 세포가 확실히 정착되는 기공(1)의 비율이 너무 적어 세포 정착에 기여할 수 없고, 상기 비율이 18%를 넘으면 세포가 침입하기 어려운 기공(1)의 비율이 너무 많아져서(이것은 대부분의 기공이 원래 세포가 침입하기 어려운 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 직경을 갖는 연통 구멍에 연결되어 있다는 것을 의미한다), 세포 침입에 시간이 더 걸리고, 또한 상기 비율이 18%를 넘으면 큰 연통 구멍(2)을 갖는 기공(1)의 양(비율)이 적어져 인산칼슘계 소결체의 전체에 구석구석까지 영양분 등을 함유하는 유체를 골고루 미치게 할 수 없게 된다. 상기 비율의 보다 바람직한 범위는 3% 이상 15% 이하이다.
또, 본 발명에서 말하는 구멍 직경(D2)이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 기공의 체적과 전 기공 체적의 관계, 즉 청구항 2의 수치는 수은 포로시미터(mercury porosimeter)의 측정 데이터로부터 구하면 된다.
다음에, 거의 구형인 기공(1)을 다수 갖는 인산칼슘계 다공질 세라믹스를, 이 기공(1)끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 통기성을 가지며, 이 통기성이 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하이고, 구멍 직경(D2)이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 연통부(2)와 연결되어 통해 있는 기공(1)의 체적이 전 기공 체적의 2% 이상 18% 이하인 구조로 제조하면, 생체용 세라믹스 전체에 세포가 침입하기 쉽고, 또한 일단 침입한 세포가 확실히 정착된다.
또, 본 발명의 생체용 세라믹스는 비교적 균일한 크기의 다수의(많은) 기공(1)의 집합인 것이 바람직하고, 또한 구형에 가까운 형상의 기공(1)의 집합으로서 인접하는 기공(1, 1)과 같은 방식으로 서로 연결되어 통하면서 전체적으로 통기성을 갖는 것이 바람직하다. 거의 구형인 기공이 강도 향상에 공헌한다. 이러한 다공체의 제조 방법으로는 인산칼슘계 원료에 구형의 가연성 비드 등을 첨가하고, 가압 성형하여 소성시에 비드를 소실시키는 방법과, 인산칼슘계 원료를 함유하는 슬러리를 제조하고, 이어서 이 슬러리의 점성을 제어하면서 교반하고, 기포를 슬러리 속에 도입하여, 그 기포 상태를 유지하면서 소성하는 방법 등이 있지만, 후자의 방법이 통기성을 제어하기 쉬워 바람직하다.
또한, 세포가 정착하기 쉬운 연통 구멍 직경(D2)이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 기공도 거의 구형의 것으로서 얻어지기 때문에 이 점에서도 후자의 방법이 바람직하다.
다음에, 도 2에 도시된 또 하나의 실시 형태에 있어서, 자체의 직경이 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 구형인 기공(1a)이 존재하고, 이들 기공 체적이 전 기공 체적의 0.5% 이상 15% 이하가 되도록 구성한 생체용 세라믹스이다. 즉, 비교적 큰 기공(1)의 내표면에 오목부와 같이 작은 기공(1a)을 형성하고, 그 작은 기공(1a)의 각각의 직경 자체가 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하로 세포의 크기에 가까운 것이다. 각 기공(1a)의 입구 크기는 약간 좁아도 좋고, 기공(1a)의 기공 직경과 동일한 정도이어도 좋다.이러한 기공(1a)에는 세포가 꽉 담겨져 안정하기 쉽고, 또한 큰 기공(1)에 접하고 있기 때문에 영양분 등을 받아들이는 데 편리하다. 다시 말해서, 큰 기공(1)의 내부 둘레 표면에 (여러 개의) 소형 기공(1a)을 오목 형상으로 설치하고, 그 기공(1a)의 직경을 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하로 설정하고 있다.
또, 도 2에서 기술한 구성에 의해 통기성(투과성)을 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하로 하는 것이 바람직하고, 그것에 의하여 생체용 세라믹스 전체에 세포가 침입하기 쉬우며, 또한 일단 침입한 세포가 확실히 정착한다.
또, 본 발명은 전술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 세라믹스는 다른 치밀한 부재와 조합하여도 좋고, 기공 표면이나 인산칼슘계 세라믹스 자체 속에 활성 물질 등을 함유시켜도 좋다.
[실시예]
실시예 1∼5, 비교예 1
교반 및 기포에 의하여 제조되고 하이드록시아파타이트로 이루어진 생체용 부재 6점(6종류)을 이하와 같은 제조 방법에 의해 제작하였다.
우선, 평균 입자 직경이 1 ㎛ 이하인 하이드록시아파타이트 분말, 분산매인 이온 교환수, 가교 중합성 유기 물질인 폴리에틸렌이미드를 중량비 10:8:1의 비율로 혼합하고, 이 성분들을 볼 밀(ball mill)에 의하여 10시간 혼합하여 슬러리를 제조하였다.
이 슬러리에 비이온성 계면활성제를 첨가하고, 기계 교반하여 기포를 슬러리 속에 혼입시켰다. 이 때의 교반 강도와 속도 및 계면활성제의 첨가량을 변화시켜상이한 6점의 슬러리를 제작하였다.
각 슬러리에 가교제로서의 에폭시 화합물을 첨가하고, 계속해서 교반한 후, 이 혼합물을 주형(鑄型)하였다. 이 혼합물을 가교 중합에 의해 고화한 후, 탈형(脫型) 및 건조하여 1200℃로 소성하였다.
얻어진 소성체는 복수로 분할하여 성형 가공한 후 세정하였다.
얻어진 각 생체용 부재에 대해서, 수은 포로시미터에 의하여 기공의 상태를 측정하는 동시에, ASTM C577-68에 의하여 각 부재의 통기성을 측정하였다.
그 후, 각 부재를 토끼의 대퇴골에 매입(embedding)하여 2주일 후, 6주일 후에 추출하여 세포의 상태를 관찰하였다.
통기성이 150 센티더시 이상, 특히 190 센티더시 이상이면 세포는 효율적으로 침입하였다. 그러나, 통기성이 8000 센티더시를 넘어, 특히, 10000 센티더시인 생체용 부재는 실험의 전후로 파손되어 세포 침입은 용이하다고 생각되지만 상기 부재들은 실용적이지 못하였다.
비교예 2, 3
A사의 인산칼슘계 생체용 부재에 대해서, 각 부재의 통기성을 측정한 결과 전부 100보다 작았다. 또한, 마찬가지로 B사의 인산칼슘계 생체용 부재에 대해서, 각 부재의 통기성을 측정한 결과 전부 150보다 작았다. 각 부재를 토끼의 대퇴골에 매입하여 2주일 후, 6주일 후에 추출하여 세포의 상태를 관찰하였다. 2주일 후, 6주일 후의 세포 정착은 모두 양적으로 본 발명의 절반 이하였다. 또, A사의 전 기공에 대한 기공 직경이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 기공의 체적 비율은 30% 이상이며,B사는 20% 이상이었다.
이상의 실시예 1∼5 및 비교예 1∼3에 대해서 각 통기성, 기공의 체적 비율, 실험(관찰) 결과를 다음 표 1에 나타낸다.
실험 결과
통기성(센티더시)1기압 25℃ N2가스 연통 구멍 직경이 8 ㎛이상 20 ㎛이하인 기공 체적 대 전 기공 체적의 비율(%) 2 주후의생체 조직의침입 용이성 6 주후의골수 조직의형성 여부
비교예 1 10000 5
실시예 1 7000 5
실시예 2 4000 8
실시예 3 1300 10 O O
실시예 4 650 10 O O
실시예 5 190 13 O O
비교예 2 100 24 X X
비교예 3 50 35 X X
◎: 매우 양호O: 양호△: 실용적X: 비실용적
다음에, 하기의 실시예 6 및 비교예 4에 대해서 동일한 실험을 행하였다. 그 실험의 결과를 다음 표 2에 나타낸다.
실시예 6
상기한 실시예와 동일한 방법으로 교반 및 기포에 의하여 제조되고 하이드록시아파타이트로 이루어진 생체용 부재를 준비하여 기공 직경을 측정하였다. 이 측정은 생체용 부재 전체를 수지 속에 매입시켜 연마한 후, 현미경 관찰에 의해 행하였다.
또한, 화상 해석에 있어서, 기공 화상을 존슨-살토코브법(Johnson-Saltokov method)을 이용하여 2차원에서 3차원으로 보정한 후, 크기가 8∼15 ㎛인 기공 체적의 비율을 구하였다.
또한, ASTM C577-68에 의해 상기 부재의 통기성을 측정하였다.
비교예 4
또한, 하이드록시아파타이트를 함유하는 슬러리를 우레탄 폼에 도포하여 우레탄 폼을 태워 없앤 것을 비교예로 하였다.
실험 결과
통기성(센티더시)1기압 25℃ N2가스 기공 직경이 8 ㎛이상 15 ㎛이하인 기공 자체 체적의 비율(%) 2 주후의생체 조직의 침입 용이성 6 주후의골수 조직의 형성 여부
실시예 6 190 2 O O
비교예 4 8800 0.01
◎: 매우 양호O: 양호△: 실용적X: 비실용적
다음에, 실시예 3과 동일한 시료(기공률이 75%인 하이드록시아파타이트로부터 형성된 직경 30 ㎜, 높이 10 ㎜의 원주체)에 대해서, 차압 620 ㎜ H2O, 24∼34℃에서 투수량을 측정한 결과 105(cc/㎠·분)이었다.
이 투수량은 16(cc/㎠·분) 이상 600(cc/㎠·분) 이하의 범위인 경우, 액체의 침입이 용이하여 세포에 대한 영양분 등이 운반되기 쉬워져서 바람직하다.
또한, 투수량은 예컨대, 일본 특허 공고 평성 4-77609호에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.
(청구항 1에 따르면) 세포를 생체용 세라믹스 속에 용이하게 도입할 수 있다. 물론, 다공질의 인산칼슘을 소재로 사용하기 때문에, 상기 세라믹스는 생체에의 친숙함도 양호하고 생체 위해성도 없다.
(청구항 2에 따르면) 청구항 1과 동일한 효과를 발휘하고, 또한 생체용 세라믹스 속에 들어 온 세포를 확실히 정착시킬 수 있다.
(청구항 3에 따르면) 세포를 재빠르게 도입하여 정착시킬 수 있다.
(청구항 4, 5, 6에 따르면) 생체용 세라믹스 속으로 세포를 재빠르게 도입할 수 있는 동시에, 생체용 세라믹스 속에 들어 온 세포를 확실히 정착시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 거의 구형인 기공을 다수 갖는 인산칼슘계 다공질 생체용 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 이 통기성은 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하인 것을 특징으로 하는 생체용 세라믹스.
  2. 거의 구형인 기공을 다수 갖는 인산칼슘계 다공질 생체용 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 구멍 직경이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 연통부와 연결되어 통해 있는 기공의 체적이 전 기공 체적의 2% 이상 18% 이하인 것을 특징으로 하는 생체용 세라믹스.
  3. 거의 구형인 기공을 다수 갖는 인산칼슘계 다공질 생체용 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 이 통기성은 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하이고, 구멍 직경이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 연통부와 연결되어 통해 있는 기공의 체적이 전 기공 체적의 2% 이상 18% 이하인 것을 특징으로 하는 생체용 세라믹스.
  4. 거의 구형인 기공을 다수 갖는 인산칼슘계 다공질 생체용 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며,기공 자체의 직경이 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 구형의 기공 체적이 전 기공 체적의 0.5% 이상 15% 이하인 것을 특징으로 하는 생체용 세라믹스.
  5. 거의 구형인 기공을 다수 갖는 인산칼슘계 다공질 생체용 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 이 통기성은 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하이고, 기공 자체의 직경이 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 구형의 기공 체적이 전 기공 체적의 0.5% 이상 15% 이하인 것을 특징으로 하는 생체용 세라믹스.
  6. 거의 구형인 기공을 다수 갖는 인산칼슘계 다공질 생체용 세라믹스로서, 이 기공끼리 접촉하여 서로 연결되어 통함으로써 상기 세라믹스는 통기성을 가지며, 이 통기성은 150 센티더시 이상 8000 센티더시 이하이고, 구멍 직경이 8 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 연통부와 연결되어 통해 있는 기공의 체적이 전 기공 체적의 2% 이상 18% 이하이며, 기공 자체의 직경이 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 구형의 기공 체적이 전 기공 체적의 0.5% 이상 15% 이하인 것을 특징으로 하는 생체용 세라믹스.
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