KR20040086968A - 고강도의 무기계 골시멘트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트리칼슘포스페이트(TCP) 분말을 전부 또는 부분적으로 함유하는 무기계 골시멘트 조성물에 있어서, 상기 TCP 분말의 적어도 일부 또는 전부를 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형으로 대체한 무기계 골시멘트 조성물에 관한 것으로, 본 조성물은 20 MPa이상의 높은 압축 강도와 경화시 발열이 억제되는 생체 흡수성을 나타내므로 근골격계통의 질환 치료 등에 사용되는 의료용 생체 재료로 매우 유용하다.

Description

고강도의 무기계 골시멘트 조성물{Inorganic bone cement composition with high strength}

본 발명은 골시멘트(bone cement)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고강도이면서 생체흡수성이 우수한 무기계 골시멘트 조성물에 관한 것이다.

골시멘트는 근골격계 질환의 치료 중 손상된 조직을 보충할 인공적 충전재가필요하거나 인공뼈를 접착할 때 사용된다.

현재 널리 사용되는 생체 시멘트인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA: polymethyl metacrylate)는 접착력이 우수하지만 흡수성이 없는 생체 안정성인데다 뼈와의 화학적 결합을 이루지 못하기 때문에 장기적으로는 결합이 약화되는 문제점이 있다. 또한 PMMA는 경화 반응시 발생하는 열이 80℃에 달해 주변 조직이 열에 민감한 신경계통의 치료에는 사용에 어려움이 있다. 그러므로 주변조직과의 친화성이 우수하고 경화 반응시의 발열도 심하지 않은 무기계, 특히 인산 칼슘염계 시멘트가 PMMA계 시멘트의 대안으로 각광을 받고 있다.

골시멘트에 대한 생체내(in vivo) 테스트에서 10~20 ㎜ 크기의 시편을 개에게 이식한 후 관찰하였을 때 염증의 나타난 곳은 50군데 중 2군데에 불과하였고 7달이 지났을 때에는 뼈에 둘러 쌓인 TCP입자만 일부 관찰될 뿐 나머지는 모두 흡수된 상태라는 것이 알려져 있다.

무기계 생체시멘트에는 생체유리와 (NH₄)₂HPO₄를 기초로 한 것, 드리스난(Dreesnan)이 개발한 CaSO₄1/2H₂O계 시멘트, 브라운(Brown)과 초우(Chow)의 Ca₄P₂O₉(Tetracalcium phosphate:TTCP) 와 CaHPO₄2H₂O (Dicalcium phosphate: DCPD)계 시멘트 그리고 미르치(Mirtch)등에 의해 개발이 시작된 베타상 트리칼슘포스페이트(-Ca₃PO₄:-Tricalcium phosphate:-TCP)계의 시멘트가 있다. 이중에서도 특히-TCP 시멘트는 시술 후 생체조직에 흡수되어 생체조직에서의 부작용 예방 방지를 지향하므로 관심을 모으고 있다. 이러한-TCP계의 시멘트가 가진 문제점은 기계적 강도가 취약한 점이다.

현재까지에 보고된 바에 따르면 순수-TCP-DCPD의 경우 강도는 약 1.2 MPa정도로 취약하다. CaSO₄1/2H₂O(Calcium sulfate hemihydrate: CSH)나 CPP (Ca₂P₂O₇) 등을 혼합하면 강도가 3.2 MPa정도로 개선되지만 TTCP계 골시멘트에 비해서는 취약하다.

따라서 본 발명은 보다 향상된 강도를 갖는 무기계 골시멘트를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명자의 연구에서, 무기계 골시멘트의 제조과정에서 경화액의 비율을 증가시키면 기공율의 증가로 강도가 감소한다는 사실과, 무기계 골시멘트 제조시 비표면적이 작은 응집체형의 트리칼슘포스페이트(TCP) 분말을 사용하면 경화액의 비율을 낮출수 있게 된다는 사실을 확인하고, 이에 기초하여 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형의 TCP 분말을 원료로 사용한 결과 경화액 필요량을 감소시킴으로써 유동성을 확보하면서도 20 MPa이상의 높은 압축강도를 실현할 수 있으며 발열도 억제할 수 있는 무기계 골시멘트를 제공할 수 있었고, 그 결과 본 발명을 완성하게 된 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 응집체형 베타상-트리칼슘포스페이트

(-TCP)의 주사 전자 현미경 사진.

도 2는 비교예 1에서 사용한 일반-TCP 분말의 투과 전자 현미경 사진.

도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 골시멘트 조성물을 경화한 후 만능시험기(Instron)을 이용하여 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프.

도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 골시멘트 조성물의 경화 과정에서의 발열 특성을 열전대를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 그래프.

그러므로 본 발명에 의하면, TCP 분말을 전부 또는 부분적으로 함유하는 무기계 골시멘트 조성물에 있어서, 상기 TCP 분말의 적어도 일부 또는 전부가 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형 TCP 분말인 것을 특징으로 하는 무기계 골시멘트 조성물이 제공된다.

또한 본 발명에 의하면 상기한 응집체형 TCP 분말이-TCP 분말,-TCP분말 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 무기계 골시멘트 조성물이 제공된다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 조성물은 무기계 골시멘트의 강도를 향상시키기 위하여 특정 TCP 분말, 즉 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형 TCP 분말을 사용하는 것을 주된 특징으로 한다.

일반적으로 무기계 골시멘트는 근골격계 질환의 치료 중 손상된 조직을 보충할 인공적 충전재가 필요하거나 인공뼈를 접착할 때 용해, 핵생성 및 핵성장을 거쳐 경화시키게 된다. 본 발명에 따라 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형 TCP 분말을 사용하게 되면 경화액(통상적으로 증류수를 이용)의 혼합비를 낮춰서 기공율을 감소시킬 수 있게 되며, 그 결과 제조되는 골시멘트의 강도를 크게 향상시킬 수 있게 된다. 또한 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형 TCP 분말은 용해도가 낮아 경화반응을 느리게 하므로 경화 반응시 발열이 억제되어 경화 시간이 비교적 짧은 종래 TCP계의 약점을 보완하는 효과도 제공한다.

종래, 1150℃에서 하소한 후 150㎛의 체로 걸러서 응집된-TCP를 얻는 방법이 알려진 바 있다. 그러나 이 방법에 의해 얻어진 응집된-TCP는 약 1 ㎛의 직경을 가진 1차 입자들이 엉성하게 응집되었을 뿐 충분히 치밀하지 않은 상태이므로 본 발명에서 목적하는 효과를 기대할 수 없는 것이다.

따라서, 본 발명에 의하면 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형 TCP 분말을 얻는 방법이 제공된다. 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형 TCP 분말은 습식성형으로 보다 치밀한 충전 상태에서 소결하여 제조할 수 있다. 예를 들어, TCP 분말의 현탁액을 스펀지 위에 침전시키고, 스펀지 위에 형성된 침전물을 건조한 후, 건조된 침전물을 소결하여 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형 TCP 분말을 제조할 수 있다. 이때, 응집체형-TCP 분말은 침전물을 건조한 후 1000∼1195℃로 소결하여 얻을 수 있고, 응집체형-TCP 분말은 동일한 침전물을 같은 방법으로 건조한 후 1200∼1400℃로 소결하여 얻을 수 있다. 물론 본 발명의 골시멘트 조성물에 사용되는 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형 TCP 분말은 상기한 방법으로 얻은 것에 국한되는 것이 아니다.

본 조성물에는 응집체형 TCP 분말로서-TCP 분말,-TCP분말 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.

본 발명의 골시멘트 조성물은 TCP 만으로 된 것일 수도 있고, 또는 골시멘트의 제조에서 TCP와 함께 사용하는 것이 알려진 다른 무기분말이 혼합된 것일 수도 있다. 이러한 무기분말의 예를 들면 모노칼슘포스페이트 모노하이드레이트{(Ca(H₂PO₄)₂H₂O:MCPM)}, 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), Ca₂P₂O₇,CaHPO₄2H₂O, CaHPO_4,Ca₈H₂(PO₄)₆5H₂O, Ca₄P₂O₉등과 같은 인산칼슘계화합물; 칼슘설페이트 헤미하이드레이트(CaSO₄1/2H₂O: CSH) 등과 같은 황산칼슘계 화합물 등이 있다. 이들 중에서도 특히 바람직한 무기분말은 Ca(H₂PO₄)₂H₂O와 CaSO₄1/2H₂O이다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단, 본 발명이 하기 실시예로 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

* 응집체형 TCP의 제조

Ca(NO₃)₂4H₂O 0.4M 수용액과 (NH₄)₂HPO₄0.154M 수용액을 Ca/P의 비율이 1.4가 되도록 혼합하고 40℃에서 반응시켜 얻은 침전물을 증류수로 충분히 세척한 후 전기 오븐에서 120℃로 24시간 동안 건조하고 900℃에서 1시간 동안 열처리하여-TCP 분말을 제조하였다. 얻어진-TCP 분말을 증류수에 분산시키고 분산제(Darvan C)를 첨가하여 현탁액을 제조하고, 얻어진 현탁액을 80 ppi 규격의 폴리우레탄 스펀지에 함침시킨 후 서서히 현탁액을 건조시켜 딱딱한 침전을 얻었다. 건조된 침전을 1000∼1195℃에서 소결하여 치밀한-TCP 응집체를 제조하였다. 소결된 시료를 분쇄하고 체를 이용하여 300∼400㎛의 응집체를 분리하였다.

얻어진 직경 300∼400 ㎛의-TCP 응집체 41.7g, Ca(H₂PO₄)₂H₂O 분말 13.0g, CaSO₄1/2H₂O 분말 10.4g의 비율로 골시멘트를 조성하고, 얻어진 조성물에증류수를 혼합하여 경화시켜 골시멘트 시편을 제조하였다.

* 또한 얻어진 골시멘트에 대해서 다음과 같은 실험을 행하였다. 하기 실험에서 골시멘트의 압축강도와 발열특성은 골시멘트의 유동성을 확보하는 데 필요한 경화액의 최소양을 결정하여 이 결과에 따라 골시멘트 분말 1 g에 대해 0.2 ml의 증류수를 경화액으로 혼합하여 경화시켰고 압축강도와 발열특성을 관찰하였다.

[비교예 1]

치밀한-TCP 응집체 대신 일반-TCP 분말을 사용하였으며 유동성 확보에 필요한 경화액(증류수) 양인 0.6ml/g을 사용한 것 이외에 상기 실시예 1과 같은 방법으로 압축강도와 발열특성을 관찰하였다.

1. 응집체형-TCP의 분석

실시예 1에서 제조된 치밀한-TCP 응집체의 미세조직을 주사 전자현미경을 사용하여 촬영하였고(도 1 참조), 비교예 1의 일반-TCP 분말은 투과 전자 현미경을 이용하여 촬영하였다(도 2 참조). 그 결과, 본 발명에 따른 실시예 1의-TCP 응집체는 직경 약 350 ㎛으로 98%이상의 상대밀도를 가진 것으로 나타나 비교예 1의 1 ㎛ 이하인 일반-TCP 분말에 비해 매우 조대함을 알 수 있었다.

2. 골시멘트의 압축강도

상기 실시예 1 및 비교예 1로 제조된 골시멘트의 압축강도를 모서리의 길이가 1 cm로 가공된 정육면체 시편에 대해 만능시험기(Universal Testing Machine; Instron)을 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 2에 나타내었다.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1(압축 강도 20.7MPa)은 비교예 1(압축강도 3.9 MPa) 보다 월등히 높은 압축 강도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

3. 골시멘트의 발열특성

상기 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 골시멘트의 경화 반응에 따른 온도 변화를 열전대를 이용하여 시간에 따라 측정하였으며 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1(최대 발열 온도 0.2℃ 이하)은 비교예 1(최대 발열 온도 3.2℃) 보다 경화시 발열이 미미함을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형 TCP 분말을 함유하는 본 발명의 무기계 골시멘트 조성물은 20 MPa이상의 높은 압축 강도와 함께 경화시 발열이 억제되는 생체 흡수성을 나타내므로, 근골격계통의 질환 치료 등에 사용되는 의료용 생체 재료로 매우 유용하다.

Claims (3)

1. 트리칼슘포스페이트(TCP) 분말을 전부 또는 부분적으로 함유하는 무기계 골시멘트 조성물에 있어서, 상기 TCP 분말의 적어도 일부 또는 전부가 직경 300∼400 ㎛의 치밀한 응집체형-TCP,-TCP 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 무기계 골시멘트 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, Ca(H₂PO₄)₂H₂O, 하이드록시아파타이트, Ca₂P₂O₇, CaHPO₄2H₂O, CaHPO_4,Ca₈H₂(PO₄)₆5H₂O, Ca₄P₂O₉및 CaSO₄

   1/2H₂O 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 무기계 골시멘트 조성물.
3. 제 1 항에 있어서, 상기한 응집체형 TCP 분말이 TCP 분말의 현탁액을 스펀지 위에 침전시키고, 스펀지 위에 형성된 침전물을 건조한 후, 건조된 침전물을 소결하는 것에 의해 제조된 것임을 특징으로 하는 무기계 골시멘트 조성물.