KR20040075029A

KR20040075029A - 세라믹 재료 및 제조 방법

Info

Publication number: KR20040075029A
Application number: KR10-2004-7009968A
Authority: KR
Inventors: 악센니클라스; 헤르만슨라이프; 페르슨토비아스; 뵈르클룬트카자; 크라프트라르스
Original assignee: 세르비오 테크 에이비
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-08-26
Also published as: SE0104441D0; CA2470979A1; SE521938C2; BR0215373A; AU2002359180A1; WO2003055450A1; EP1465581A1; CN1293853C; RU2004122908A; CN1627931A; US7025824B2; JP2005520798A; SE0104441L; US20040237847A1

Abstract

본 발명은 주로 티탄산 칼슘 및 화학적으로 이와 유사한 화합물의 첨가제를 가진 알루민산 칼슘 수화물을 기반으로한 화학 결합된 세라믹 재료에 관한 것이다. 상기 재료는, 특히 정형외과 및 치과 응용에 있어서 임플란트용으로 생체적합한 재료이다. 본 발명은 또한, 적어도 부분적으로 상기 재료로 제조된 제품에 관한 것이다. 본 발명의 재료는 정형외과의 바이오시멘트에 필요한 성질을 갖는다. 상기 재료는 물과의 반응을 통해 경화되어 단시간 내에 그 강도를 발전시키고, 경화전에 우수한 작업성을 갖고, 형상이 안정성이 있고, 경화 과정동안 낮은 열 발생을 가지며, 인접 조직에 친화적이다.

Description

세라믹 재료 및 제조 방법{CERAMIC MATERIAL AND PROCESS FOR MANUFACTURING}

바이오시멘트(Biocements)

특히 정형외과에서는, 임상 환경에서 최종 사용하도록 완성될 수 있는 생체재료(biomaterials), 즉 외과 수술시 마지막으로 정형화될(shape) 수 있는 화합물이 필요하다. 정형화된 후, 상기 재료는 수술실에서 벗겨진 상태 또는 인체에 놓여진 상태 중 한 상태에서 경화되어야(harden 또는 cure) 한다. 이러한 유형의 재료에 대해 일반적으로 허용된 명칭은 없다. 골격 접합용 시멘트(bone cement)의 개념은 일반적으로 대퇴골에서 엉덩이-임플란트(hip-implants)를 고정시키는데 종종 사용되는 정립된 중합체 계열 시멘트에 적용된다. 바이오시멘트는 세라믹 화합물을 포함한 화학 반응을 통해 적절한 장소에서 경화되는 가공될 수 있는 생체적합 재료에 대한 보다 보편화된 단어이다(이하에 기술됨).

PMMA 골격 접합용 시멘트

상업적으로 이용될 수 있는 정형외과 시멘트가 다수 존재한다. 대부분 중합체 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate:PMMA)를 기반으로 정립되어 있다. 이러한 부류의 골격접합용 시멘트는 대퇴골 및 골반뼈에 고관절 protheses를 고정시키거나, 또는 상응하는 무릎 관절의 고정에 주로 사용된다. PMMA 골격접합용 시멘트 중에서 유명한 상표명으로는 Merck사의 Palacos^®이 있다.

PMMA계 재료는, 주로 적합한 기계적 성질, 경화 이전의 높은 등급의 작업성(workability), 및 실용적인 경화 시간으로 인해 정형외과에 보급되었다.

PMMA 골격접합용 시멘트의 기계적 성질은 비교적 높은 파괴 인성(fracture toughness), 대퇴골과 동일하거나 또는 그 보다 약간 더 낮은 압축 강도(80-120 MPa), 및 상기 대퇴골보다 상당히 낮은 탄성률; 즉 대퇴골의 경우 10-15 GPa인 것과 비교해 시멘트의 경우에는 1-3 GPa로 낮은 탄성률을 특징으로 한다(표 1 참조).

그러나, PMMA-계 시멘트는 열악한 생체적합성을 갖는다. 조직 내증식(tissue in-growth)이 정립될 수 없다. 중합 반응이 완료상태로 진행하지 않기 때문에, 재료는 인정된 독성의 성분인 단량체를 누출하는 경향이 있다. 더욱이, 경화과정 동안 열 발현(development)은, 인접한 조직내의 세포 괴사를 일으키는 정도로(50℃ 를 넘게) 온도가 상승하도록 이루어진다.

PMMA-계 시멘트의 또 다른 단점은 경화과정 동안 발생하는 수축(약 2-5%)이다. 이것은 인접한 뼈의 기계적 고정을 약화시킴으로써, 골절의 조기 부하(earlyloading) 가능성을 약화시킨다. 이하 또한 논의되어 있는 바와 같이, 정형외과 시멘트는 경화과정 중에 약간 팽창하는 것이 바람직하다.

세라믹 바이오시멘트

중합체 계열 골격접합용 시멘트 외에, 세라믹 성분을 기반으로한 화학적으로 경화되는 시멘트가 다수 존재한다. 정형외과적 응용을 위한 세라믹 바이오시멘트는 종종 인산 칼슘, 탄산 칼슘 또는 황산 칼슘을 기반으로 한다. 세라믹 바이오시멘트 제품의 예로는: Norian SRS^®, Osteoset^®, Proosteon^®및 Biobon^®이 있다.

일반적으로, 세라믹 시멘트는 PMMA 보다 훨씬 더 생체적합성이 있다. 그러나, 상기 세라믹 시멘트는 불충분한 기계적 강도를 갖는다. Norian^®및 Biobon^®의 제조업자는 각각 천연 뼈보다 훨씬 더 낮은 값인 대략 30 및 40 MPa 정도의 압축 강도값을 제공한다(표 1 참조).

Norian SRS는 Acta Orthop Scand, 1999;70 (1) 1-5에, P.Kopylov, K.Runnqvist, K.Jonsson 및 P.Aspenberg에 의한 "Norian SRS versus external fixation in redisplaced distal radial fractures-A randomized study in 40 patients"에 기재되어 있다.

Biobon에 대한 정보는 J Biomed Mater Res(Applied Biomater) 1998; 43:399-409에, Knaack D, Goad M E P, Aiolova M, Rey Ch, Tofighi A, Chakravarthy P, Lee D D에 의한 "Resorbable calcium phosphate bone substitute"에 제공되어 있다.

그 밖의 생체재료

세라믹 재료의 경우, 다양한 유형의 수산회인회석(hydroxyapatites)(또는 인산 칼슘)에 대해 특별한 주의가 기울여졌으며, 이것에 의해 뼈 조직이 우수하게 재생성된다. 수산화인회석은 또한 뼈 조직에서 자연적으로 발생한다. 무기질 부분(뼈는 약 68-70%의 무기질을 함유함)은 주로 수산화인회석 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂와 같은 인산 칼슘 물질이다. 수산화인회석으로의 뼈 부착은, Eur Spine J(2001) 10: 334-339에, B.Sanden, C.Olerud, S.Larsson 의 "Hydroxyapatite coating enhances fixation of loaded pedicle screws: a mechanical in vivo study in sheep"에 기재되어 있다.

수산화인회석 및 그 밖의 인산 칼슘은 단독으로 사용될 때 치과용 및 정형외과용으로 이용될 경우 매우 열악한 기계적 성질을 갖는다(WO/11979 참조).

덜 확산된 다른 생체재료로는 본 발명의 주요 성분인 알루민산 칼슘(calcium aluminate)이 있다. 의학용 알루민산 칼슘, 예컨대 J.Biomed.Master.res, vol.4, PP.433-456(1970)에, S.F.Hulbert, F.A.Young, R.S.Mathews, J.J.Klawitter, C.D.Talbert 및 F.H.Stelling의 "Potential of Ceramic Masterials as Permanently Implantable Skeletion Prostheses"에 기재되어 있다.

알루민산 칼슘은, 예컨대 Doxa Certex AB에 의해 제조된 제품 Doxadent^®과 같은 치아 충전 재료로서 연구되어 왔다(1999년 9월 29일자의 "Satt att framstalla en kemiskt bunden keramisk produkt, samt produkt"라는 명칭의 PCT/SE99/01729 호와; 1999년 10월 8일자의 "Dimension stable binding agentsystems"라는 명칭의 PCT/SE99/01803 호를 참조).

SE-463 493 호에는, 알루민산, 규산 및 인산을 포함한 그룹에서 선택된 제1 결합제(binding agent)를 포함하는 화학 결합 세라믹 재료가 개시되어 있다. 상기 재료는 세라믹 보디(body)의 사전-압축(pre-compaction)을 수반하는 소정의 생산 기술을 통해 얻어진다. 이 외에도, 세라믹 재료는 티타늄, 지르코늄, 아연 및 알루미늄의 산화물 또는 수산화인회석의 비활성상을 포함할 수도 있다. 이와같이 첨가하는 근거는 강도 및 생체적합성이다.

본 발명은 특히 정형외과학(orthopaedics) 및 치의학(odontology) 분야에서 임플란트용으로 적합한 수화된 알루민산 칼슘(hydrated calcuim aluminate)을 기반으로한 세라믹 재료에 관한 것이다. 본 발명은 또한 적어도 부분적으로 상기 재료로 제조된 제품에 관한 것이다.

도 1은 0, 30 또는 50 wt.%의 티탄산 칼슘(CT)을 가진 알루미늄산 칼슘(CA)의 경화 시간에 대한 온도 발현 그래프. CT를 가지지않은 재료는 기준용이며, 그 밖의 것들은 본 발명의 재료를 나타낸다. 경화는 대기중에서 또는 물속에서 수행된다. 물 대 시멘트(w/c) 비율은 모든 재료에 대해 0.5이다.

도 2는 상이한 상(phase)의 본 발명 재료의 발현을 나타내는 X-선 회절도(diffractogram). 상위 곡선은 알루민산 칼슘 샘플로부터 얻어진 것이고, 하위 곡선은 실온에서 4주간 경화시킨 후 50 wt.%의 티탄산 칼슘을 가진 알루민산 칼슘으로부터 얻어진 것이다. 물 대 시멘트(w/c) 비율은 양쪽 재료 모두 0.5이다.

종래 재료와 관련된 결점을 고려하면, 단시간내에 적절한 강도 특성으로 발전하고, 우수한 작업성을 갖고, 형상이 안정되고, 경화과정 동안 낮은 열 발생을 갖고, 인접한 조직에 친화적이며, 독성 물질을 누출하지 않는 생체적합성 바이오시멘트가 필요하다.

본 발명 재료의 사용은 주로 정형외과 및 치과 분야에서 특히 임플란트를 수행하기 위한 것이다.

본 발명은 청구범위 제1항에 정의된 재료 및 청구범위 제10항에 정의된 제조 방법을 이용하여 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항에 정의되어 있다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이다.

본 발명은, 특히 정형외과의 임플란트용으로 설계된 화학 결합 세라믹 재료에 관한 것이다. 이것은 또한 치과용으로도 적합하다. 본 발명의 재료는 골절 지지 재료로서의 사용, 골다공증으로부터 고통을 받고 있는 환자들의 뼈 강화, 및 골격내의 임플란트의 고착(고정)에 적합한 바이오시멘트의 필요한 성질을 갖는다. 이러한 유형의 응용에 적합하기 위해, 상기 재료는 아래 제시된 조건 프로파일을 충족한다.

정형외과 바이오시멘트에 대한 조건 프로파일

기계적 강도

바이오시멘트의 기계적 강도는 임플란트에 의해 영향을 받는 영역의 통상적인 부하를 허용해야 한다. 정형외과 응용의 경우, 강도는 실질적으로 천연 뼈로부터 벗어나지 말아야 한다. 지나친 강도의 임플란트는 임플란트에 인접한 영역으로 응력(stress)을 집중시킬 수도 있다.

천연 뼈의 강도는 뼈의 유형, 그 조성 및 나이에 따라 상당히 변화한다. 대퇴골(thighbone(femur))의 강한 외측(겉질(cortical))뼈의 압축 강도가 보편적으로 약 150 MPa인 반면, 더 해면질의 내측 뼈는 10 MPa 미만의 압축 강도를 나타낼 수 있다. 표 1에는, 사람 대퇴골 전체의 보편적인 기계적 성질값이 제시되어 있다. 또한, PMMA-계 뼈 시멘트, 세라믹 바이오시멘트 Norian SRS, 및 본 발명의 기본 재료인 수화된 알루민산 칼슘 CAH에 대한 데이터가 포함되어 있다.

사람 대퇴골 및 몇몇 정형외과 재료: 즉, PMMA-계 뼈 시멘트, Norian SRS 제품, 및 수화된 알루민산 칼슘(CAH)의 기계적 성질.

성질	대퇴골	PMMA(뼈 시멘트)	Norian SRS	CAH
밀도, g/cm³	1.6-1.7	1.1-1.2	2.0-2.5	2.2-2.5
영률, GPa	10-15	1-3	20-30	10-20
인장 강도, MPa	90-130	30-70	5-7	10-20
압축 강도, MPa	130-200	80-120	20-30	100-250
골절 변형, %	1-3	0.1-0.3	0.1-1	0.5-1
인성, MPa·m^1/2	1-2	1-3	0.06-0.14	0.5-2
경도(비커스(Vickers))	50-100	50-100	10-20	50-100

정형외과 임플란트 재료에 있어서, 기계적 강도는 임플란트의 조기 부하를 가능하게 하기 위해 두 시간내에 비교적 빠르게 발현되어야 한다. 임플란트의 조기 고정 및 강도의 신속한 발현은 처리된 영역의 조기 부하를 가능하게 하는데 있어 매우 중요하다. 이것은 치료 과정 속도를 높이고, 회복 기간을 단축시킨다.

작업성

바이오시멘트의 작업성에 대한 소정의 조건이 설정된다. 경화 전에, 임의의구조의 공동에 맞게 재료를 형성할 수 있어야 한다. 최소의 외과 수술을 이용한 주사에 의해 재료를 배치하는 것이 가능하다. 고도의 작업성이 약 10 내지 30 분 동안 지속되어야 하며, 그 이후 재료가 경화되어야 한다.

치수 안정성(dimensional stability)

치수 안정성, 즉 경화과정 중에 발생하는 팽창 또는 수축의 정도가 바이오시멘트에 있어 매우 중요하다. 형상 변경은 경화 과정의 화학적 변환에 의해 발생한다. 정형외과적 응용의 경우, 경화과정 동안의 약간의 팽창이 가장 큰 장점이다.

팽창은 인접한 뼈의 섬유 (세포) 구조에 시멘트를 고정하는 것을 향상시킴으로써, 더 높고 더 이른 임플란트 부하를 가능하게 한다. 팽창은 또한, 축적된 체액을 임플란트와 천연 뼈 사이의 구역에서 벗어나게 함으로써, 임플란트와 뼈 조직간의 직접적인 기계적 접촉을 촉진한다. 이것은 경화과정 동안 또는 그 후 시멘트 재료가 축소된다면 매우 불리해진다.

그러나, 내부 장력의 결과로서 발전되는 균열 위험을 피하기 위해, 또한 허용가능한 팽창 정도에 대한 상한이 있다. 세라믹의 경우, 팽창은 재료의 골절 장력에 상응하여 1% 를 초과하지 말아야 한다. 따라서, 세라믹 바이오시멘트의 경우 0.5 내지 0.8%의 팽창이 가장 적합하다. 그러나, 치아 충전 재료로 사용될 때는, 치아의 균열을 피하는데 0.3% 미만의 팽창이 필요하다.

이러한 치아 충전 재료의 팽창 성질은 1999년 11월 8일자 "Dimension stable binding agent systems"이란 명칭의 PCT/SE99/01803 호에 기재되어 있다. 이 특허 출원에는 또한, 알루민산 칼슘계 결합 시스템의 팽창이 적은 양의 첨가제를 이용하여 제어되는 방법이 기재되어 있다. 이들 첨가제는 또한 본 발명 재료의 팽창을 제어하는데 사용될 수도 있다.

온도 증가

바이오시멘트를 경화하는 동안 발생되는 열이 인접 조직에 안좋은 영향을 미치는 것을 피하기 위해서, 온도는 40℃ 미만으로 유지되어야 한다. 조직이 죽는(tissue death) 괴사는 약 50℃의 온도에서부터 발생할 수 있다. 따라서, 발열 반응을 통해 경화하는 바이오시멘트는 약간의 열을 발생시키고, 시간에 따라 열 발생을 확산시켜, 임플란트로부터의 열을 가능한 효과적으로 주변 조직으로 분산시켜야 한다.

생체적합성

생체적합성은 모든 임플란트 재료에 있어 근본적으로 중요한 것이다. 정형외과적 응용의 경우, 뼈의 자연 재생이 임플란트 표면에 인접하여 계속될 수 있어야 한다. 바이오시멘트는 조직 환경내에서 화학적으로 안정해야 하며 생물학적으로 허용된 물질을 포함해야 한다. 독성 물질의 누출 및 알레르기 반응의 활성화를 피해야 한다. 티타늄 및 수산화인회석과 같은 소정의 물질이 특히 생체적합성인 것으로 인정되어, 정형외과학 및 치의학 분야에 잘 정립되어 있다. 수산화인회석은 특히 뼈와 접촉하여 양호한 특성을 나타낸다.

본 출원 전체에 걸쳐, 해당 재료 또는 표면상의 소정의 성질을 의미하는 생체적합성이란 용어가 여러번 사용된다. 생체적합성은 생물학적 조직과 접촉할 수 있는 재료에 필요하거나 바람직한 각기 다른 성질에 대한 포괄적인 용어로서 사용된다는 것을 알아야 한다.

알루민산 칼슘

본 발명 재료의 기본 물질은 세라믹이며, 이것은 소위 알루민산 칼슘이라는 3원 산화물계 CaO·Al₂O₃상으로 주로 구성된다. 상기 계에 대한 다수의 화학량론이 존재한다. 화학적으로 이용가능한 분말은 주로 CA 또는 CA₂로 구성되는데, 여기서 허용된 시멘트의 화학적 표기에 따라, C는 CaO를 나타내고, A는 Al₂O₃를 나타낸다. C₁₂A₇과 CA₆및 C₃A는 논문에서 이미 언급된 상이다. 모든 상이 본 발명에 이용될 수 있다.

알루민산 칼슘은, 예컨대 LaFarge Aluminates 의 제품 Secar 또는 Ternal White 와 같이 비교적 순도가 우수한 분말로서 상업적으로 이용될 수 있다. 이들 제품은 주로 CA 또는 CA₂상으로 구성된다.

알루민산 칼슘 분말이 수성 용액과 혼합된다면, 경화 과정이 시작된다. 이것은 소위 수화(hydration)라고 하는, 알루민산 칼슘 입자와 물 사이의 화학적 반응으로 인해 발생한다. 경화과정 동안, 알루민산 칼슘 수화물(calcium aluminate hydrates)로 이루어진 새로운 결합상이 나타난다. 수화물은 액체상으로부터 수화물 결정의 침전을 통해 나타난다.

초기에 형성된 수화물은 여러 단계를 거쳐 더 안정된 수화물 상으로 변형된 다음, 이하 제공된 화학적 반응이 일어난다. 수화물의 변형이 발생하는 속도는 온도 및 첨가제에 의존한다. 실온에서, 초기 수화물 상은 CaO·Al₂O₃·10H₂O 이며, 보편적으로 CAH₁₀(C=CaO, Al=Al₂O₃, H=H₂O)로 간략히표현된다. 이 상에서는, CaO 한 단위(unit)와 Al₂O₃한 단위가 10 단위의 물과 결합한다. 이하에서 알 수 있는 바와 같이, 가장 안정한 상은 CAH₁₀보다 더 적은 물을 포함하는 C₃AH₆이다.

다음과 같은 수화 반응이 확인되었다:

CA + 10H →CAH₁₀

2CA + 11H →C₂AH₈+ AH₃

3CA + 12H →C₃AH₆+ 2AH₃

2CAH₁₀→C₂AH₈+ AH₃+ 9H

3C₂AH₈→2C₃AH₆+ AH₃+ 9H

모든 반응 단계는 발열이며, 열이 발생한다. 자유수(free water) H₂0 가 몇몇 반응에서 형성된다. 이러한 물은 다른 것의 수화반응에 참여할 수 있지만, 아직은 수화된 알루민산 칼슘 결정은 아니다. 이 외에도, 수산화 알루미늄인 AH₃(Al(OH)₃) 상이 수화물 변형동안 형성된다. 이것은 화학적으로 최소의 안정한 물-결합 상이다.

수화된 알루미늄산 칼슘을 기반으로한 결합상계(binding phase system)는 고유의 성질을 갖는다. 예컨대 규산, 탄산 및 황산 칼슘과 같은 다른 물 결합계와 비교하여, 알루민산염은 높은 내화학성, 높은 강도 및 비교적 신속한 경화를 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 성질로 인해, CA-시멘트는 온도 상승 및 부식을 수반하는 특히 거친 환경에서 구성 재료로서 사용된다.

고강도의 알루민산 칼슘 시멘트는 수화된 물의 높은 흡수능으로 인한 것이며, 이것은 남은 물의 함유량이 낮아지고 다공도가 낮아지는 결과를 가져온다. 높은 압축은 또한 부식에 대한 저항성을 증가시킨다.

따라서, 수화하는 결합상계 중에서, 알루민산 칼슘이 임플란트 재료로서 가장 중요한 이점을 갖는다. 재료는 물과의 반응을 통해 경화하며, 이것은 경화 과정이 수성 체액에 의해 방해를받지 않는다는 것을 의미한다. 경화전에, 상기 재료는 작업성이 우수하여; 이것은 슬러리 또는 페이스트로서 사용될 수 있다. 경화된 상태에서, 상기 재료는 다른 수화 화합물과 비교하여, 고유의 화학적 비활성도와 기계적 강도의 조합을 갖는다.

본 발명에 있어서, 알루민산 칼슘이 조성내에서 결합상으로 사용되며, 이것은 상기 설명된 바와 같이, 선택된 비-수화 비활성상을 첨가함으로써 정형외과 바이오시멘트에 필요한 성질면에서 최고로 활용된다.

알루민산 칼슘을 함유하는 생체재료에 있어 특히 관심이되는 것은, 알루미늄 함유량과 알루미늄 누출 위험을 줄이는 것이다. 조직에 대한 알루미늄의 부정적인 영향이 단지 매우 높은 농도의 이온성 알루미늄에서만 발견된다 하더라도, 티타늄과 같이 잘 정립된 생체친화적인 금속으로 알루미늄을 교체하는 것이 여전히 바람직하다.

경화 반응이 완료되기 전의 단계와 주로 관련되는 알루미늄 누출 위험은 낮으며, 두 가지 방법으로 더 감소될 수 있다. 한 가지 방법은 재료내의 알루미늄의 총량을 줄이는 것이고, 다른 한 가지 방법은 알루민산 칼슘의 수화과정 동안 형성되는 화학적으로 최소 안정한 상인 AH₃상의 형성을 억압하는 것이다.

본 발명에 따른 재료 조성

본 발명에서는, 정형외과 바이오시멘트에 바람직한 성질을 제공하는 조성을 얻고자 한다. 기계적 성질 향상, 경화과정 동안의 온도 발생 제어, 팽창 제어, 생체적합성 증가, 및 알루미늄 함유량 감소가 특히 중요하다.

실험은 화합물 티탄산 칼슘(CT)이 최대 50 wt.%에 달하는 양으로 CA에 대한 첨가제로서 매우 놀라운 기능을 한다는 것을 보여준다. 이하의 실시예에 설명되는 바와 같이, CA에 CT를 첨가하면 재료에 대한 강도와 경도가 증가한다.

실험은 또한, CT를 첨가하면 순수한 CA의 기준 샘플과 비교하여, 안정된 C₃AH₆-상으로의 수화물의 전이는 물론 AH₃-상의 형성 두 가지 모두가 억압된다는 것을 보여준다. 이것은 Al-누출 위험을 줄여, 기계적 성질에 유리하다.

비교적 높은 양의 비활성 상으로 인해, 경화과정 동안의 온도 발생이 완화된다(damp). 더욱이, 알루미늄이 구조내에서 티타늄으로 교체된다. 또한, 티탄산 칼슘이 기본 재료의 팽창 성질에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 1999년 11월 8일자, PCT/SE99/01803 호의 "Dimension stable binding agent systems" 에 기재된 바와같이, 상기와 동일한 첨가제를 사용하여 팽창이 제어될 수 있다.

티탄산 칼슘(CT)은 화학량론 CaO·TiO₂(CaTiO₃)을 가진 자연적으로 발생하는 산화 광물질 화합물이며, 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는다. 티탄산 칼슘은 ABO₃유형의 다른 여러 3원 금속 산화물과 페로브스카이트 구조를 공유한다. 여기서 O는 산소이고, A와 B는 양이온의 금속이다. 구조는 단위 세포내에 A가 그 중심에 배치되고, 세포의 가장자리에 배치된 12개의 O-원자와 8개의 B-원자가 그 주위를 둘러싸고 있는 입방체이다.

원자 A는 주기율표에서 제2 족에 속하는 모든 금속 Mg, Ca, Sr 또는 Ba 중 임의의 금속일 수 있다. Ti, Zr 또는 Hf인 원자 B는 제4 족에서 발견된다. 이들 페로브스카이트 3원 산화물 모두는 물론이고 그 화합물은 유사한 물리적 성질을 가지며 본 발명에 있어 상호연관되어 있다.

Ca 및 Ti보다 더 무거운 원소의 화합물로 티탄산 칼슘을 교체하는 한 가지 이유는 재료의 X-선 불투명도를 증가시켜, 병원에서 종종 사용되는 X-선 검사 유형에서 임플란트가 더 잘 관찰될 수 있게 하기 위한 것이다.

실험은 또한, 최대 50 wt.%에 달하는 비활성 상의 3원 산화물계 수산화인회석 Ca₁₀(PO₄)₆·(OH)₂이 기계적 성질을 유지 또는 심지어 개선하여 CA에 추가될 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 사실은, 수산화인회석이 특히 뼈 접촉에 있어서 인정된 바이오세라믹이기 때문에 매우 중요하다.

수산화인회석을 포함하는 재료가 공지되어 있다. 수산화인회석을 가진 소결된 세라믹 재료가 특허 WO90/11979 호 "Composite Ceramic Material and Method to Manufacture the Material"에 기재되어 있다. 수화하는 결합상(이것은 예컨대 알루민산 칼슘일 수도 있음)에 수산화인회석을 추가할 수 있다는 것이 특허 SE-463 493 호 "Satt vid framstallning av en kemiskt bunden keramisk produkt samt enligt sattet framestalld produkt"에 기재되어 있다.

준비

본 발명 재료는 아래 기재된 다음과 같은 단계에 따른 방법을 이용하여 준비된다.

시작점은 분말 형태의 알루민산 칼슘을 기반으로한 결합상계이다. 분말은 더 자주 나타나는 상인 CA 또는 CA₂로 이루어질 수도 있지만, C₁₂A₇, CA₆또는 C₃A의 상이 또한 사용될 수도 있다. 분말은, 예컨대 볼밀(ball mill)을 사용하여 원하는 입자 크기로 갈아진다. 10㎛ 미만의 입자 크기가 기능적인 것으로 확인되었지만, 더 큰 입자가 이용될 수도 있다.

재료의 기계적 성질 또는 경화에 영향을 미칠 수 있는 오염이 제거되어야 한다. 유기 오염은 300-400℃ 온도의 노에서 공기중에 분말을 가열시킴으로써 제거될 수 있다.

알루민산 칼슘 분말에, 비활성상 세라믹 성분이 미세한 입자 분말로서 추가된다. 실험은, 최대 50 wt.%에 달하는 양의 세라믹이 사용될 수 있다는 것을 보여준다. 비활성상 분말의 경우에 있어서도, 적합한 입자 크기는 10㎛ 미만이다. 본발명의 특징은 상기 기재된 페로브스카이트 유형의 3원 산화물 상, 특히 티탄산 칼슘의 3원 산화물 상이지만, 일반적인 유형인 ABO₃산화물도 가능한데, 여기서 O는 산소이고, A는 Mg, Ca, Sr 또는 Ba 이며, B는 Ti, Zr 또는 Hf이다.

상기 기재된 바이오시멘트는 또한 수산화인회석을 함유한 합성물을 기반으로 할 수도 있다. 이러한 합성물에서, 바이오시멘트는 수산화인회석을 유지하는 기질(matrix) 기능을 한다. 이러한 합성물을 제조하기 위해, 최대 50 wt.%에 달하는 양의 수산화인회석(또는 인산 칼슘) 분말이 세라믹 재료에 추가될 수 있다.

더욱이, 치수 제어 상, 주로 규산 칼슘 및 흄 실리카(fumed silica)(매우 미세한 입자의 실리카)가 첨가될 수도 있다. 이러한 첨가제의 기능은, 정형외과적 응용의 경우에는 약 0.5-0.8% 팽창하고 또는 치과 충전 응용의 경우에는 약 0.3% 팽창하도록 적절히 경화과정 동안 발생하는 팽창을 제어하는 것이다. 팽창 제어 첨가제는 특허 출원 PCT/SE99/01803 호 "Dimension stable binding agent systems"에 기재되어 있다.

경화는 적합한 첨가제를 이용하여 수용액을 첨가함으로써 얻어진다(본 발명만의 특징은 아님). 경화 속도는, I.Odler의 "Special Inorganic Cements" (2000) 173-204에 기재된 바와 같이, 다양한 염, 주로 염화 리튬 LiCl을 첨가함으로써 제어된다.

점성 또는 작업성을 제어하기 위해 다른 첨가제가 사용될 수도 있다. 가장 바람직한 것은 분산 효과를 제공하는 유기 중합체이다. 이들은, 예컨대 다양한 폴리카르본산 또는 폴리아크릴산일 수도 있다.

수용액은, 물의 양 대 수화물 상의 양의 비(물 대 시멘트 비, w/c-비)가 제어될 수 있는 양으로 첨가되어 분말과 잘 혼합된다. 적합한 w/c-비는 0.2 내지 0.4 이다. 정형화한 후, 분말-액 혼합물이 경화된 상태로 남는다.

본 발명에 따른 재료의 이점

알루민산 칼슘(CA)에 티탄산 칼슘(CT)을 첨가하면 결과적으로 정형외과적 응용을 위한 바이오시멘트로서 다음과 같은 이점을 가진 재료가 얻어진다는 것이 제시되었다.

CT를 첨가함으로써, 세라믹내의 상당한 부분의 알루미늄이 티타늄으로 대체된다. 이러한 방식으로, 알루미늄의 누출 위험이 감소되는데; 그 이유는 부분적으로는 존재하는 알루미늄 양이 감소하기 때문이며, 또한 초기 단계 동안 CT가 AH₃-상의 형성 범위를 감소시키기 때문이다. 티타늄은 또한 그 생체적합성에 대해 인정받고 있다.

예상밖으로, 실험은 경화된 재료의 기계적 성질을 감소시키지 않고 CT가 최대 50%에 달하는 양으로 CA에 추가될 수 있다는 것을 보여준다. 실제로, 실험은 CT를 가지지않은 재료보다 CT를 가진 재료에 대해 더 우수한 강도를 나타낸다.

CT의 첨가는 또한 CA의 팽창 성질에 영향을 미치지않고 사용될 수 있다. 실험은, CA에서 최대 50 wt.%를 가진 CA/CA-혼합물이 순수한 CA 와 본래 동일하게 팽창한다는 것을 보여준다. 팽창은 상기 기재된 바와 같이 첨가제를 이용하여 0.3-0.8의 원하는 값으로 제어될 수 있다.

또한 본 발명 재료는, 예컨대 금속, 중합체 또는 그 외의 세라믹과 같은 다른 재료의 기판상에 층 또는 도료(coating)로서 구현될 수도 있다. CA계 도료는 공동 계류중인 스웨덴왕국 특허 출원 SE-0104440-3 에 기재되어 있다.

실시예

실험예는 본 발명의 재료를 제조하는 방법 및 재료의 성질을 설명하게 된다. 이것들이 본 발명 범위를 제한하는 것으로 여겨져서는 안된다.

실시예 1

이 실시예는 다양한 양의 티탄산 칼슘을 가진 수화된 알루민산 칼슘으로 이루어진 세라믹 재료의 제조 절차 및 이들 재료의 기계적 성질을 설명한다.

원재료로서, Lafarge Aluminates사의 상품 Ternal White^®이 선택되었다. 이것은 약 70/30의 Al₂O₃/CaO-비를 갖는 알루민산 칼슘이다. 그러나, 상기와 유사한 임의의 다른 알루민산 칼슘 분말이 유사한 결과를 유도할 것이다.

이 분말의 입자 크기는 볼 밀링으로 감소되었다. 상기 밀링은 90%의 입자의 크기를 10㎛ 미만으로 감소시켰다.

밀링은, 부피의 1/3이 분말로 충전되고 부피의 약 1/3이 약 10 mm의 직경을 가진 비활성 질화 규소 밀링 구로 충전되는 회전하는 원통형 플라스틱 용기를 이용하여 수행되었다. 밀링 액체는 이소프로판올(isopropanol)이었다. 총 밀링 시간은 3일이다.

밀링 후, 밀링 보디가 체질(sieving)에 의해 제거되며, 알코올이 증발되었다. 그 후, 밀링된 분말이 4시간 동안 400℃에서 연소되어, 남아있는 물 및 잔류 유기 오염이 제거되었다.

알루민산 칼슘과 유사하거나 그 보다 작은 입자 크기를 가진, Aldrich Chemical Company 의 티탄산 분말(순도 99%)이 상기 분말에 첨가되었다. 티탄산 칼슘 분말은 30, 40 및 50 중량 %의 비율로 상기 밀링된 Ternal White^®분말에 첨가되었다.

탈이온수(de-ionised water)로 제조된 수성 용액과 분말 혼합물이, 밀링된 Ternal White^®분말의 양에 대한 물의 양의 비(w/c-비)가 분말 중량과 관련하여 0.25, 0.30 또는 0.50으로 일정하게 유지되게 하는 비율로 혼합되었다.

물과 분말을 혼합하기 전에, 어떤 약물(agent)이 물에 첨가되었다. 경화 과정을 촉진하기 위해, 0.1 wt.%의 촉진제 LiCl이 첨가되었다. 높은 유동성을 유지하는데 필요한 물의 양을 감소시키는 1 wt.%의 약물을 첨가함으로써(이하 감수제(water reducing agent)라 함), 유동성이 증가한 슬러리가 얻어졌다. 물의 양을 감소시키는 약물은, 예컨대 Perstorp AB의 상품인 Conpac 30^®과 같이 고성능감수제(superplasticiser)라 하는 매우 효율적인 감수제 그룹에서 선택되었지만, 상기와 유사한 임의의 다른 약물이 또한 유사한 기능을 할 것이다. 이들 첨가제(촉진제 및 감수제)의 효과는 해당 분야에 공지되어 있다.

분말-액체 혼합물은 37℃에서 습한 환경, 즉 물로 포화된 습한 환경에서 플라스틱 용기내에서 경화되었다. 각 용기는 약 10g의 재료를 보유하였다.

경도 및 강도에 대한 경화 시간과 조성의 효과가 표 2에 제공되어 있다. 확인할 수 있는 바와 같이, CT를 첨가함으로써 경도 및 강도에 대한 긍정적인 효과가 얻어진다. 재료 성질은 처음 4 주 동안 증가한다. 경도/강도에 있어서의 상기와 같은 초기 증가는 공지된 현상이다.

37℃의 포화 습도에서 경화된, 알루민산 칼슘 및 티탄산 칼슘(CA 및 CT) 조성의 기계적 성질

재료 조성및 경화 시간	경도, HVw/c = 0.50	경도, HVw/c = 0.25	굽힘 강도, MPaw/c = 0.30
CA, 24 hrs	35-45	60-70	6-8
CA+30% CT, 24 hrs	40-50	65-75	6-10
CA+50% CT, 24 hrs	45-55	70-75	8-10
CA, 4 weeks	50-60	90-110	14-18
CA+30% CT, 4 weeks	55-65	100-110	16-20
CA+50% CT, 4 weeks	60-70	105-115	16-20

실시예 2

이 실시예는 다양한 양의 인산 칼슘을 가진 수화된 CA 재료 및 이들의 기계적 성질을 설명한다.

Lafarge Aluminates의 Ternal White 유형의 CA 분말이 실시예 1과 동일한 절차를 따라 준비되었다.

이 분말에, CA와 동일한 입자 크기를 갖는 Carl Roth GmbH+Co Karlsruhe 사의 인산 칼슘 분말(Ca₅(PO₄)₃OH)이 10, 20 및 50 wt.%의 비율로 첨가되었다. 인산첨가제를 이용하지 않고 상기와 유사하게 준비된 CA가 기준으로 사용되었다. 실시예 1과 동일한 약물이 물에 첨가되었다. 분말 중량과 관련하여 w/c-비는 0.4로 설정되었다.

실시예 1에서와 같이, 분말-물 혼합물은 37℃에서 물로 포화된 환경에서 약 10g의 재료를 보유하는 용기내에서 경화되었다.

경도 결과가 표 3에 제시되어 있다. 확인할 수 있는 바와 같이, 2주동안의 경화 이후, 경도에 대해 인산 칼슘 첨가제의 긍정적인 효과가 얻어진다. 인산 칼슘을 첨가하면 경도가 증가되었다.

37℃의 포화 습도에서 경화된 알루민산 칼슘 및 인산 칼슘(CA 및 CP) 조성의 비커 경도

재료 조성및 경화 시간	경도, HVw/c = 0.40
CA, 24 hrs	30-40
CA+10% CP, 24 hrs	35-40
CA+20% CP, 24 hrs	35-40
CA+50% CP, 24 hrs	35-40
CA, 2 weeks	55-65
CA+10% CP, 2 weeks	75-85
CA+20% CP, 2 weeks	90-100
CA+50% CP, 2 weeks	90-100

실시예 3

이 실시예는, 티탄산 칼슘 CT를 첨가하는 것이 CA의 경화과정 중의 온도 발생을 줄이는데 사용될 수 있다는 것을 설명하는 기능을 한다. Lafarge Aluminates의 Ternal White 유형의 CA 분말이 실시예 1에서와 동일한 절차를 따라 준비되었다. 30 wt.% 및 50 wt.% 의 티탄산을 가진 분말 혼합물이 또한 준비되었다.

분말 혼합물은 CA 분말의 중량에 대한 물의 중량의 비를 0.5로 일정하게 유지하면서 탈이온수와 혼합된다.

모든 분말 혼합물에 있어서, Li-염 형태의 촉진제인 LiCl이 탈이온수에 첨가되었다. 이것은 경화 시간을 약 10분으로 증가시켰다. 주변 매질(surrounding medium)의 영향을 설명하기 위해, 공기 중에서 및 물속에서 경화가 수행되었다.

물-분말 혼합물은 플라스틱 용기에서 경화되며, 각각 약 10g의 혼합물을 보유하고 있다. 세라믹 경화중에, 세라믹 보디 중심의 온도는 열전대(thermo-couple)를 이용하여 측정되었다. 0, 30 또는 50 wt.%의 CT를 가진 CA에 대한 시간에 따른 온도의 발현이 도 1에 제시되어 있다. 경화 시간은 신속한 온도 증가의 시작점에서부터 온도가 피크값으로 될 때의 시간까지 고려된다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 경화 시간이 대략 10분일 때, 습한 환경에서 경화된 50 wt.%의 CT를 가진 화합물에 대해 온도가 40℃ 미만으로 떨어진다.

실시예 4

이 실시예는 티탄산 칼슘 CT을 첨가함으로써 야기되는 상의 발생 효과를 설명하는 역할을 한다.

Lafarge Aluminates 의 Ternal White 유형의 알루민산 칼슘 분말이 실시예 1에서와 동일한 절차를 따라 준비되었다. 또한, 50 wt.% CT를 가진 분말 혼합물이 실시예 1에서와 같이 준비되었다. 물 대 시멘트(w/c) 비는 두 재료 모두 0.5이다.

w/c 비를 0.5로 유지하면서, 상기 분말 혼합물에 탈이온수가 첨가되었다. 촉진제와 분산제는 전혀 사용되지 않았다. 4주간 경화시킨 이후의 상 조성이 도 2에 회절도로 도시되어 있다. 상위 곡선은 CA 샘플로부터 얻어진 것이고, 하위 곡선은 실온에서 4주간 경화시킨 후 50 wt.% CT를 가진 CA로부터 얻어진 것이다

회절도는, CA+CT 재료의 경우, 순수한 CA-재료와 비교해, 더 약화된 C₃AH₆-상으로의 전이가 아직 발생하지 않았고, AH₃-상이 억압된다.

상세한 설명 및 특정 실시예가 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타지만 이들은 단지 예로서 제공된 것임을 알아야 한다. 당업자들에게는, 본 발명의 사상 및 범위내에서의 다양한 변경과 변형이 상기 상세한 설명로부터 명백할 것이다.

Claims

화학 결합된 세라믹 재료에 있어서,

부분적으로 또는 완전히 수화된 알루민산 칼슘을 기반으로 한 50-99 wt.%의 결합상계(binding phase system), 및

ABO₃(여기서 O는 산소, A 및 B는 금속임)형식으로 기재된 페로브스카이트 구조의 3원 산화물인, 1-50 wt.%의 비활성 첨가제를 포함하며,

상기 비활성 첨가제의 양은 상기 결합상의 양과 동일하거나 그 보다 더 적은 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
제 1 항에 있어서,

상기 페로브스카이트 구조의 A는 Mg, Ca, Sr 또는 Ba를 포함하는 그룹에서 선택되며, 페로브스카이트 구조의 B는 Ti, Zr 또는 Hf를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 비활성 첨가제는 두 개 이상의 3원 산화물의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 결합상의 양의 0-50 wt.% 양으로 수산회인회석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

전구물질(precursor) 분말 입자의 입자 크기가 10㎛ 보다 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

황산 칼슘 및/또는 흄 실리카를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
제 6 항에 있어서,

경화과정 동안 상기 재료의 팽창은 0.8% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
상기 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 세라믹 재료는 적어도 100MPa 의 압축 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
상기 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 세라믹 재료는 적어도 80 비커스의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
제 1 항에 따른 세라믹 재료를 제조하는 방법으로서,

알루민산 칼슘 수화물(calcium aluminate hydrate), 비활성 첨가제 및 경화제를 포함하는 슬러리를 준비하는 단계, 및

상기 슬러리를 경화하는 단계를 포함하는, 세라믹 재료 제조 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 슬러리는 습한 환경에서 경화되는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료 제조 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,

상기 재료의 온도는 살아있는 인체내에서 경화될 때 40℃ 보다 더 증가하지 않는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료 제조 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 경화제는 경화를 촉진하는 첨가제를 부가적으로 가진 물인 것을 특징으로 하는 세라믹 재료 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 경화를 촉진하는 첨가제가 염화 리튬인 것을 특징으로 하는 세라믹 재료 제조 방법.
제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

폴리카르본산 또는 폴리아크릴산 화합물을 기반으로한 감수제 또는 고성능감수제와 같은 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 재료 제조 방법.
제 1 항 내지 제 9 항에 따른 세라믹 재료를 포함하는 뼈 임플란트.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 세라믹 재료를 포함하는 치아 충전 임플란트.
제 1 항 내지 제 9 항에 따른 세라믹 재료를 포함하는 바이오시멘트.