KR20050021856A

KR20050021856A - 아파타이트 분말 제조 방법

Info

Publication number: KR20050021856A
Application number: KR1020030060010A
Authority: KR
Inventors: 홍국선; 정현석; 류현승; 이동수; 이상욱
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-07
Also published as: JP2005075722A; KR100593262B1

Abstract

본 발명은 아파타이트 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 형상, 크기 및 기공율을 갖는 아파타이트 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 칼슘염과 인산염이 함유된 혼합 수용액을 숙성하여 아파타이트를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 숙성 단계는 가스의 공급과 동시에 수행될 수 있으며, 공급되는 가스는 아파타이트 입자 형상, 입자 크기 및 비표면적에 영향을 미친다. 본 발명에 따르면, 다양한 형상 및 크기를 갖는 아파타이트 입자 제조의 제조가 가능하다.

Description

아파타이트 분말 제조 방법{METHODS FOR THE MANUFACTURING OF APATITE POWDERS}

본 발명은 아파타이트 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 형상, 크기 및 기공율을 갖는 아파타이트 제조 방법에 관한 것이다.

아파타이트는 생체 친화성이 높은 재료로 알려져 있으며, 그 대표적인 예인 수산화 아파타이트는 일반식 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)_2-x·nH₂O(0≤n≤2.5, 0≤x≤2.5)로 표현된다. 이하 설명하는 본 발명의 상세한 설명에서 아파타이트는 상기 수산화 아파타이트와 상기 수산화 아파타이트의 화학식에서 수산기(OH^-) 자리에 탄산기(CO₃ ^2-), 산소기(O₂ ^-), 불소기(F^-), 염소기(Cl^-) 등의 음이온이 치환된 형태를 통칭하는 용어로 사용된다.

아파타이트는 인간 신체의 뼈를 구성하는 물질과 성분이 매우 유사하기 때문에 인공뼈 이식물질로 각광을 받고 있다. 또한 아파타이트는 생체용 세라믹스의 강화재, 골 결손부의 충진재, 중금속 이온의 교환체, 컬럼 크로마토그래피의 충진재, 단백질 및 핵산 등의 생체 고분자 물질이나 아미노산등의 흡착재, 항균 및 방취용 재료로서 매우 다양한 분야에 적용되고 있다.

그러나, 아파타이트는 용도에 맞는 특성을 제공하기 위해 각 적용 분야별로 적합한 입자 모양 및 입자 크기를 가질 것이 요구되고 있다. 또한, 기공의 크기 및 기공량 또한 아파타이트의 특성 발현에 중요한 역할을 한다.

예를 들면, 이식용 인공 골재료로서의 아파타이트는 매우 높은 강도가 요구된다. 슈카넥(Suchanek) 등은 미국세라믹학회지에 기고한 논문(vol 80, pp 2805∼2813)에서 침상의 아파타이트 입자를 구형의 아파타이트 입자와 혼합하여 섬유 강화형 아파타이트(fiber-reinforced apatite)를 제조하는 방법을 제시한 바 있다. 침상형 아파타이트 입자를 제조하는 다른 방법으로는 오타(Ota) 등의 미국특허 제6,228,339호가 있다.

골충진재 또는 플라스틱이나 고무 등의 보강용 재료로서 사용되는 아파타이트는 판상 입자로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 판상형 아파타이트를 제조하는 방법을 제시한 예로는 일본공개특허번호 제2002-274821호가 있다.

단백질이나 의약품을 아파타이트에 함침시켜 인체에 전달시키기 위해서는 작은 크기의 기공을 함유하는 다공성의 판상형 입자가 요구된다. 미국특허 제6,558,703호는 이러한 다공성 판상형 아파타이트의 제조 방법의 일례를 제시하고 있다.

항균 및 방취용 재료로 사용되는 아파타이트는 큰 비표면적을 제공하여 악취 성분의 흡착을 용이하게 하고, 필요에 따라 이를 분해 또는 살균하기 위한 촉매 물질이 내부에 함유되어 있는 것이 바람직할 때가 있다. 이러한 분야로의 활용 방법의 일례를 제시한 것으로는 미국공개특허번호 제2002-0031489호와 일본공개특허번호 제2000-167410호가 있다. 상기 미국공개특허번호 제2002-0031489호는 아파타이트의 일부 칼슘 이온을 마그네슘(Mg) 등으로 치환함으로써 높은 기공율을 갖는 아파타이트를 제조하는 방법을 제시하고 있으며, 상기 일본공개특허번호 제2000-167410호는 흡착 기능과 광분해 기능을 동시에 수행하는 다공질의 아파타이트-산화티타늄 복합체를 제시하고 있다. 상기 일본공개특허에서 아파타이트는 냄새분자의 흡착 특성을 증대시키며, 산화티타늄은 광촉매 반응을 통하여 흡착된 냄새분자를 분해하는 작용을 한다.

이와 같이, 아파타이트는 적용 분야에 따라 다양한 입자 크기, 입자 형상 및 비표면적을 갖는 것이 매우 중요하다.

침상형의 아파타이트의 제조를 위해 종래에 사용되는 방법으로는 수열합성법과 고체 반응법이 있다. 일례로, 일본공개특허번호 평5-17110호는 알칼리 금속염의 존재 하에서 아파타이트, 인산칼슘 및 인산2칼슘 등을 800℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 열처리함으로써 침상의 아파타이트 분말을 합성하는 방법을 제시하고 있다. 또 다른 예로, 전술한 미국특허 제6,228,339호는 먼저 침상형의 베타칼슘포스페이트 (β-Ca(PO₃)₂)분말에 산화칼슘 등의 원료를 혼합한 후 800℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 열처리하여 침상형의 아파타이트 분말을 제조하는 방법을 제시하고 있으며, 일본공개특허번호 평2-141500호와 동 평4-16600호는 칼슘염과 인산염을 포함한 수용액에 요소를 첨가하여 90℃∼180℃의 온도 범위에서 수열 합성함으로써 침상의 아파타이트를 합성하는 방법을 제시하고 있다.

한편, 판상형 아파타이트의 제조 방법으로는 수열 합성법이 주로 이용되고 있다. 그 일례로, 미국특허 제5,427,754호는 1∼200 kgf/cm²의 압력 하에서 판상형의 아파타이트 분말을 수열 합성하는 방법을 제시하고 있으며, 일본공개특허번호 평10-45405호는 인산염과 칼슘염의 혼합 수용액에 지방산 아민 등의 아민계 화합물을 첨가하여 수열 합성함으로써 판상형의 아파타이트를 제조하는 방법을 제시하고 있다.

이와 같이 종래에는 침상 또는 판상의 아파타이트 입자 제조를 위해 주로 고체 반응법 및 수열 합성법에 의존하여 왔다. 그러나 이러한 종래의 방법들은 많은 문제점을 가지고 있다.

고체상태 반응법은 열처리 온도가 약 800℃ 내지 1200℃의 고온이므로 제조된 입자가 수십 ㎛ 에 이를 정도로 커진다는 문제점이 있고, 반응 후 혼합, 하소, 분쇄 등의 복잡한 후속 공정이 개입되어야 하므로 공업적으로 유리한 방법이 될 수 없었다.

한편, 수열합성법은 일반적으로 비정질의 침전된 칼슘인산화합물(Calcium Phosphate)을 이용하여 오토클레이브에서 약 150 내지 250℃의 온도 범위에서 반응시키는 방법으로 침전 및 수열 합성이라는 두 단계 공정을 요하며, 여러 가지 첨가제를 함께 혼합되어야 하고 공정 자체가 복잡하여 대량생산에 문제가 있었다.

본 발명은 다양한 입자 크기, 입자 형상 및 비표면적을 갖는 아파타이트 분말의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 아파타이트 분말 제조 방법에 있어서, 칼슘염 및 인산염을 포함하는 혼합 수용액을 제공하는 단계, 상기 수용액내의 칼슘염 및 인산염을 반응시켜 상기 아파타이트와는 다른 상을 갖는 중간 반응물을 생성하는 단계, 상기 중간 반응물로부터 아파타이트 분말을 합성하기 위해 상기 수용액을 숙성하는 단계 및 상기 수용액에 침전된 슬러리를 건조하는 단계를 포함하는 아파타이트 제조 방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 중간 반응물은 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트인 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 칼슘염은 수산화칼슘이고, 상기 인산염은 인산인 것이 바람직하다. 본 발명의 상기 숙성 단계는 5 ∼ 90℃에서 수행될 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 판상의 입자 형상을 갖는 아파타이트 분말이 제조될 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 또한, 칼슘염 및 인산염을 포함하는 혼합 수용액을 제공하는 단계, 상기 수용액내에 가스를 공급하면서 인산칼슘 화합물을 합성하는 단계 및 상기 합성된 인산칼슘 화합물을 건조하는 단계를 포함하는 아파타이트 제조 방법을 제공한다.

본 발명에서, 상기 합성 단계는 상기 수용액내의 칼슘염과 인산염을 반응하여 중간 반응물을 생성하는 단계 및 상기 중간 반응물로부터 인산칼슘 화합물을 합성하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에서 상기 중간 생성물은 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트일 수 있다.

본 발명에서 상기 칼슘염은 질산칼슘, 탄산칼슘, 염화칼슘, 수산화칼슘 및 아세트산칼슘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 염을 포함할 수 있다. 또한, 상기 인산염은 인산, 제1인산나트륨, 제2인산나트륨, 제1인산칼륨, 제2인산칼륨, 제1인산암모늄 및 제2인산암모늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 염을 포함할 수 있다. 본 발명에서 상기 혼합 수용액은 마그네슘 이온, 바륨 이온 및 스트론튬 이온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온, 이산화티탄, 산화망간, 산화바나듐 및 산화구리로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 산화물, 은, 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속, 또는 상기 혼합 수용액은 불소 이온, 염소 이온 및 탄산이온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온을 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 상기 합성 단계에서 공급되는 가스는 헬륨, 아르곤, 수소, 산소, 질소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 가스를 포함할 수 있다. 본 발명의 상기 침전 단계에서 상기 혼합 수용액은 약 5℃ 내지 약 90℃에서 유지되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 혼합 수용액은 pH 3.0 ∼ 14.0에서 유지되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 수용액은 인에 대한 칼슘의 몰비가 약 1 내지 약 10의 범위에 있는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 혼합 수용액 제공 단계는 칼슘염을 포함하는 수용액을 교반하는 단계, 인산염을 포함하는 수용액을 교반하는 단계 및 상기 칼슘염 수용액을 상기 인산염 수용액에 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 인산염 교반 단계에서는 헬륨, 아르곤, 수소, 산소, 질소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 가스가 공급될 수도 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상술한다.

도 1a는 본 발명의 방법에 사용되는 반응 장치(100)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 반응 장치(100)는 반응 용기(110), 공급 가스 탱크(120), 분위기 가스 탱크(130), 가스 블로워(150) 및 히터(160)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 반응 장치(100)는 수용액(140)의 pH 측정, 온도 측정, 수용액 교반을 위해 장입된 pH 미터(144) 및 온도계(146), 및 교반기(142)를 포함하고 있다.

상기 공급 가스 탱크(120)는 보관된 압축 가스를 상기 수용액 내로 공급한다. 공급되는 가스가 상기 반응 용기내의 수용액에 균일하게 공급될 수 있도록 상기 반응 용기(110)의 저면에는 가스 블로워(150)가 구비되어 있다. 상기 가스 블로워(150)는 가스 유입구(116) 및 가스 유입 도관(121)을 통해 상기 공급 가스 탱크(120)에 연결된다. 상기 공급되는 가스의 공급 및 공급 유량을 제어하기 위해 가스 유입 도관(121)에는 개폐 밸브(124)와 레귤레이터(122)가 구비되어 있다.

상기 반응 용기(110)내의 수용액(140)은 상기 반응 용기(110)의 저면 및/또는 측면에 구비된 히터(160)에 의해 일정 온도로 유지된다. 상기 히터(160)로는 내부에 열선(162)을 구비한 통상의 것이 사용될 수 있다.

본 발명의 상기 반응 장치(100)에는 대기 중에 존재하는 CO₂ 등의 가스가 상기 수용액(140)에 용해되는 것을 방지하기 위해 분위기 가스를 공급하는 장치를 추가로 구비하고 있다. 본 발명에서 분위기 가스 탱크(130)내의 분위기 가스는 레귤레이터(132), 조절 밸브(134)를 통해 상기 반응 용기(110)로 공급된다. 상기 분위기 가스는 가스 유입구(112)를 통해 상기 반응 용기내로 유입되며, 가스 유출구(114)를 통해 대기 중으로 배출된다. 본 발명에서 상기 분위기 가스로는 N₂ 가스가 사용되는 것이 바람직하다.

도 1b는 본 발명의 아파타이트 제조 방법을 설명하는 절차도이다.

도 1b를 참조하면, 먼저, 별도의 용기에서 칼슘염 수용액을 교반한다(S100). 본 발명에서 사용 가능한 칼슘염의 종류에는 제한이 없으며, 예컨대 질산칼슘(Ca(NO₃)₂), 탄산칼슘(CaCO₃), 염화칼슘(CaCl₂), 수산화칼슘(Ca(OH) ₂), 또는 아세트산칼슘(Ca(CH₃COO)₂) 등이 사용될 수 있다. 상기 칼슘염은 1종 이상이 혼합되어 사용될 수도 있다. 상기 칼슘염은 상온에서 적당한 시간 동안 교반된다.

상기 칼슘염 수용액과는 별도로 인산염 수용액을 교반한다(S200). 본 발명에서 사용되는 인산염의 종류에는 제한이 없으며, 예컨대 인산(H₃PO₄), 제1인산나트륨(NaH₂PO₄), 제2인산나트륨(Na₂HPO₄), 제1인산칼륨(KH ₂PO₄), 제2인산칼륨(K₂HPO₄), 제1인산암모늄(NH₄H₂PO₄) 또는 제2인산암모늄((NH₄)₂HPO₄) 등이 사용될 수 있다. 본 발명에서 상기 인산염은 1종 이상이 혼합 사용될 수도 있다.

상기 교반 단계(S200)는 도 1a의 반응 용기(110)내에서 수행되거나 별도의 용기에서 수행될 수 있다. 교반을 용이하게 하는 등의 필요에 따라 공급 가스 탱크(120)로부터 일정 유량의 가스가 지속적으로 공급될 수 있다. 상기 가스는 후술하는 숙성 단계에서 공급되는 것과 동일한 종류의 가스가 공급되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 칼슘염 수용액의 교반시 필요에 따라 최종 제조될 아파타이트의 특성 향상을 위한 물질, 예컨대 입자 성장 제어 또는 촉매 기능을 수행하는 물질이 첨가되어 함께 교반될 수 있다. 상기 첨가 물질로는 마그네슘이온(Mg²⁺), 바륨이온(Ba²⁺), 스트론튬이온(Sr²⁺)등의 알칼리토금속이온 또는 이산화티탄(TiO₂), 산화망간(MnO), 산화바나듐(V₂O₅), 산화구리(CuO)등의 산화물 또는 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd)의 금속이 사용될 수 있다. 상기 첨가 물질은 1종 이상이 혼합되어 사용될 수도 있다. 또한 아파타이트 탈취 성능의 향상 및/또는 인체에 사용될 때 생체 친화성의 향상을 위해 불산이온(F^-), 염소이온(Cl^-), 탄산이온(CO3^2-) 등의 음이온이 첨가될 수도 있다.

이어서, 반응 용기(110) 내에 상기 칼슘염 수용액과 인산염 수용액을 혼합한다(S300). 이와 같이 제조된 혼합 수용액의 칼슘염과 인산염의 비는 적절히 선택될 수 있다. 예컨대, 수산화 아파타이트의 제조시 상기 Ca/P의 화학량론적 몰비는 약 1.67이지만, 상기 몰비보다 크거나 작은 값을 갖는 수용액도 본 발명에서 사용 가능하다. 본 발명에서 상기 몰비는 약 1 ∼ 10 범위에 있는 것이 바람직하다. Ca/P의 몰비가 1보다 작은 경우에는 건조된 분말에 인산일칼슘 등의 이차상이 잔류하며, 10보다 큰 경우에는 침전물에 칼슘염이 존재하여 순수한 아파타이트의 생성이 곤란하다. 또한, 후술하는 숙성 단계(S500)에서 아파타이트를 포함하는 인산칼슘 화합물의 생성 반응이 느린 경우, 반응 촉진을 위해 상기 혼합 수용액내에 칼슘 이온 또는 인산 이온을 추가로 첨가하는 등으로 인해 공정 중에 몰비를 변화시킬 수도 있다.

전술한 혼합 단계(S300)에 의해 상기 수용액 내의 칼슘염과 인산염의 반응이 시작되며, 그 반응의 결과로서 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트(dicalcium phosphate dihydrate, 이하 'DCPD'라 한다)와 같은 수화물이 중간 반응물로 생성된다(S400).

반응에 의해 생성되는 상기 중간 반응물은 사용된 칼슘염과 인산염의 종류에 따라 결정되며, 그 일례로 DCPD 형성 반응은 다음의 반응식으로 표현될 수 있다.

이어서, 상기 중간 반응물로부터 인산 칼슘 화합물을 합성하기 위한 숙성 단계(S500)가 수행된다. 상기 숙성 단계(S500)에서의 DCPD로부터 아파타이트를 생성하는 반응은 다음의 반응식으로 표현될 수 있다.

본 발명의 숙성 단계(S500)를 통해 생성되는 인산 칼슘 화합물은 아파타이트 외에도 인산일칼슘(Ca₂P₂O₇), 인산삼칼슘(Ca₂P₂O ₇) 및 육인산사칼슘(Ca₄P₂O₇)을 포함할 수 있다. 본 발명에서 침전되는 인산 칼슘 화합물 중 인산일칼슘, 인산삼칼슘 및 육인산사칼슘을 포함하는 이차상과 아파타이트의 비는 후술하는 공정 조건들을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.

상기 숙성 단계(S400)는 다양한 온도범위에서 수행될 수 있다. 본 발명에서 상기 수용액(140)의 온도는 반응 속도 및 입자의 크기에 영향을 미치므로, 원하는 입자 크기에 따라 적절히 선택될 수 있다. 본 발명에서 바람직한 반응 온도는 약 5℃ 내지 약 90℃이다.

상기 숙성 단계(S500)에서 숙성 시간은 생성되는 인산칼슘 화합물의 종류와 관련되어 있으므로 이를 고려하여 적절히 선택되어야 한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 반응 시간이 10분 미만인 경우에는 침전 슬러리 내에 DCPD와 같은 중간 반응물의 함량이 높고, 인산일칼슘(Ca₂P₂O₇) 등의 이차상이 존재하기 때문에 순수한 아파타이트를 얻기가 곤란하다. 한편, 숙성 시간은 침전량과 입자의 크기에 영향을 미친다. 본 발명의 실시예에 따르면 숙성 시간의 증가는 입자 크기의 증가를 가져온다. 따라서 본 발명에서 숙성 시간은 원하는 입자 크기에 맞추어 적절히 선택될 수 있다. 그러나, 48시간 이상의 반응 시간은 입자의 크기나 수율 등에 미치는 영향이 미미하기 때문에 실용적인 측면에서 무의미하다.

상기 숙성 단계(S500)에서 상기 혼합 수용액의 pH는 3.0 ∼ 14.0의 범위에서 유지되는 것이 바람직하다. 수용액의 pH는 침전되는 인산칼슘 화합물의 종류와 관련이 있다. 예컨대, 수산화 아파타이트의 경우 pH가 3.0 이하에서는 순수한 아파타이트가 얻어지지 않는다.

전술한 숙성 단계(S500)는 상기 반응 용기(110) 내에 그대로 유지된 상태로 또는 교반기(142)에 의한 교반과 동시에 수행될 수도 있지만, 상기 공급 가스 탱크(120)로부터 일정 유량의 가스를 수용액 내로 공급하면서 수행될 수도 있다. 이것은 본 발명에서 또 하나의 중요한 특징을 이룬다. 전술한 바와 같이, 아파타이트는 응용 분야에 따라 다양한 형상, 크기 및 비표면적을 가질 것이 요구되는데, 본 발명자들은 상기 숙성 단계(S500)에서 상기 수용액 내에 임의의 가스를 공급함으로써, 생성되는 아파타이트의 입자 형상, 입자 크기 및 비표면적을 다양하게 조절할 수 있음을 발견하였다.

본 발명에서 사용 가능한 공급 가스는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 수소(H₂), 산소(O₂), 질소(N₂) 또는 이산화탄소(CO₂) 등이 있으며, 이들 가스가 혼합되어 공급될 수도 있다. 또한, 본 발명의 상기 숙성 단계(S500)에서 주입되는 가스의 유량은 아파타이트를 포함하는 인산 칼슘 화합물의 생성 속도에 영향을 미치므로 제반 공정 조건을 고려하여 적절히 선정될 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 900cc의 혼합 수용액으로 실험한 결과에 따르면, 가스 유량이 100cc/min 이하인 경우에는 가스 공급이 입자 생성에 미치는 영향이 미미하였고, 2000cc/min 이상에서는 수용액의 증발이 심하여 재현성 있는 분말의 합성이 곤란하였다. 물론, 상기 가스 유량의 선정에는 반응 용기내의 수용액의 양 및 수용액 중 칼슘염과 인산염의 함유량이 함께 고려되어야 한다.

반응이 완료되면, 침전된 슬러리를 건조한다(S600). 건조는 -50℃ ∼ -100℃ 및 약 50mTorr 이하에서 수행되는 동결 건조 방식을 사용할 수 있다. 상기 동결 건조 방식은 입자의 응집 및 성장을 억제할 수 있기 때문에 미세한 분말을 얻을 수 있다는 점에서 바람직하다. 반면, 입자 크기가 큰 분말을 원할 경우에는 통상의 건조 방식 즉 25℃ ∼ 200℃의 온도 및 상압에서 건조하는 방식을 사용할 수도 있다. 상기 건조 단계(S600)에 의해 아파타이트의 제조가 완료된다.

이하, 전술한 본 발명의 다양한 측면을 바람직한 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.

실시예1은 전술한 본 발명의 아파타이트 생성 메커니즘을 보여주는 실시예이다.

<실시예1>

수산화칼슘(Ca(OH)₂) 36.689g를 450cc의 증류수와 혼합하여 상온에서 약 30분 동안 교반하여 수산화칼슘 수용액을 준비하였다. 본 실시예를 포함하여 이하 기술되는 실시예에서 사용되는 증류수는 이산화탄소가 용해에 의한 영향을 배제하기 위해 100℃에서 끓인 후 다시 상온으로 냉각하는 과정에서 질소가스를 불어 넣어 탈탄산(Decarbonation) 처리한 것이다.

도 1a의 반응 용기(110)에 인산(H₃PO₄) 31.131g를 450cc의 증류수와 혼합하고 상온에서 30분 동안 교반하여 인산 수용액을 준비하였다. 이어서, 준비된 수산화칼슘 수용액을 상기 반응 용기(110)에 급격히 주입하여 상기 인산 수용액과 혼합하고, 숙성한 후 침전된 슬러리를 건조하였다. 상기 숙성 단계에서 상기 수용액의 온도는 30℃로 유지하였다. 숙성 과정에서 반응물의 상 변화를 관찰하기 위해 숙성 시간을 달리하여 실험하였다.

도 2는 30℃의 숙성 온도에서 숙성 시간을 10분, 40분, 1시간, 2시간, 12시간, 24시간, 36시간, 48시간으로 달리하여 얻어진 각각의 분말에 대한 X선 회절 패턴이다.

도시된 회절 패턴으로부터 알 수 있는 바와 같이, 숙성 시간이 2시간 이하인 경우 DCPD의 (020)면을 나타내는 높은 강도의 피크가 검출된 반면, 수산화 아파타이트의 피크는 거의 검출되지 않았다. 이로 부터 인산염과 칼슘염의 반응에 의해 아파타이트가 생성되기 전에 중간 생성물로 결정질 DCPD가 먼저 생성된다는 것을 확인할 수 있었다. 숙성 시간이 12시간을 경과함에 따라 DCPD 피크는 현저히 감소하며, 24시간 동안 숙성하여 얻어진 분말에는 DCPD 피크를 검출할 수 없었다.

도 3a 및 도 3b는 30℃의 숙성 온도에서 각각 10분 및 12시간의 숙성 과정을 거쳐 얻어진 분말의 주사전자현미경 사진이다. 도 3a로부터 10분간 숙성된 분말은 수십 내지 수백 마이크론의 조대한 DCPD 입자로 이루어져 있으며, DCPD 입자 표면에 미세한 아파타이트 입자가 성장하고 있음을 알 수 있다. 이 미세한 입자는 12시간의 숙성을 거치면 도 3b에 도시된 바와 같이 판상의 입자로 성장하였다.

본 실시예를 통해 수용액내의 칼슘염과 인산염은 먼저 반응식1에 따라 DCPD를 생성한 뒤 수산화 아파타이트로 석출됨을 확인할 수 있다.

이하의 실시예2 내지 실시예8은 가스 공급 및 공급 가스 종류에 따라 생성되는 아파타이트의 입자 형상, 입자 크기 및 비표면적이 다양하게 변화하는 것을 보여주는 실시예들이다.

<실시예2>

전술한 실시예1과 동일한 조건으로 수산화칼슘 수용액과 인산 수용액을 혼합하여 혼합 수용액을 제조하였다.

숙성 단계에서 상기 수용액은 30℃ 및 80℃의 온도에서 48시간 동안 유지하였다. 또한, 건조 조건이 입자 크기에 미치는 영향을 알아보기 위하여 온도 -50℃ 압력 6mTorr에서 동결 건조한 경우 및 온도 150℃에서 상압 건조한 경우를 비교하였다.

위 4가지 조건에 대해 입자 형상, 입자 크기 및 비표면적 데이터를 표 1에 나타내었다. 비표면적은 미국 마이크로메리틱스(Micromeritics)사의 BET 측정 장비인 ASAP2010 장비를 사용하여 측정하였다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 숙성 온도 및 건조 방식에 무관하게 판상의 분말을 얻을 수 있었다. 반응 온도를 30℃에서 48시간 숙성하고 동결 건조한 시편의 경우 입자 크기가 약 1 ∼ 2.4㎛에 달하며, 비표면적이 75.2 m²/g임을 알 수 있다. 숙성 온도가 증가함에 따라 입자 크기는 증가하였고 비표면적은 감소하였다. 건조 온도가 증가하는 경우에도 마찬가지의 경향성을 나타내었다.

<실시예3>

도 1a의 반응 용기(110)에 인산(H₃PO₄) 31.131g를 450cc의 증류수와 혼합하고, 이산화탄소(CO₂) 가스를 500 cc/min으로 불어넣어 주며 상온에서 30분 동안 교반하여 인산칼슘 수용액을 준비하였다. 이어서, 실시예2에서와 동일한 방법으로 준비된 수산화칼슘 수용액을 상기 반응 용기(110)에 급격히 주입하여 상기 인산 수용액과 혼합한 뒤 숙성하였다. 상기 숙성 과정에서 이산화탄소 가스를 500cc/min의 유량으로 지속적으로 주입하였다. 이어서, 침전된 슬러리를 건조하여 아파타이트 분말을 제조하였다. 숙성 온도 및 건조 온도가 생성된 수산화 아파타이트의 입자 크기에 미치는 영향을 알아보기 위해 실시예2와 동일한 조건에서 숙성 및 건조하였다.

각 조건에 따른 입자 형상, 입자 크기 및 비표면적 데이터를 표 1에 나타내었다.

표 1로부터 숙성 온도가 증가하면 입자 크기가 증가하고 비표면적이 감소한다는 것을 알 수 있으며, 동결 건조를 통해 일반 건조의 경우보다 입자 크기가 작고 비표면적이 큰 입자를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 위 4가지 조건 중 숙성 온도를 30℃로 유지하고 동결 건조한 시편에 대한 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다. 도 4a의 회절 패턴으로부터 침전물이 순수한 수산화 아파타이트로 이루어진 것을 알 수 있다. 한편, 도시하지는 않았지만 본 실시예와 달리 숙성 시간을 24시간 이하로 유지한 경우에는 침전물에 인산일칼슘(Ca₂P₂O₇) 등의 이차상이 잔류함을 X선 회절 패턴으로부터 확인할 수 있었다. 도 4b로부터 기공의 지름이 약 100 ∼ 300nm인 허니컴구조의 다공성 판상형 아파타이트 입자가 생성됨을 알 수 있다. 이 분말의 비표면적은 약 181m²/g이었다.

<실시예4>

공급 가스를 산소(O₂)로 바꾸는 외에는 실시예3과 동일한 조건에서 실험하였다. 본 실시예에서 생성된 아파타이트 입자는 침상형이었다. 실시예3과 마찬가지로 4가지 조건에서 얻어진 아파타이트 입자크기 및 비표면적 데이터를 표 1에 나타내었다.

도 5a, 5b는 숙성 온도를 30℃로 유지하고 동결 건조한 시편에 대한 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진으로, 길이 약 300 ∼ 400nm, 두께 50 ∼ 70nm의 침상형의 수산화아파타이트가 생성됨을 확인할 수 있다. 이 분말의 비표면적은 78.3 m²/g이었다.

<실시예 5>

공급 가스를 수소(H₂)로 바꾸는 외에는 실시예 3에서와 동일한 조건으로 실험하였다. 본 실시예에서 생성된 아파타이트는 침상형 입자였다. 도 6a 및 6b는 각각 숙성 온도를 30℃로 유지하고 동결 건조한 시편에 대한 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진으로 길이 약 500 ∼ 600nm, 두께 80 ∼ 120nm의 침상형의 수산화아파타이트가 생성됨을 확인할 수 있다. 이 분말의 비표면적은 55.1 m²/g이었다. 표 1로부터 입자 크기 및 비표면적에 미치는 숙성 온도 및 건조 온도의 영향은 실시예3과 마찬가지의 경향성을 나타냄을 알 수 있다.

<실시예 6>

공급 가스를 질소(N₂)로 바꾸는 외에는 실시예 3과 동일한 조건으로 실험하였다. 본 실시예에서는 매우 큰 판상형의 아파타이트 입자가 생성되었다. 도 7a 및 7b는 각각 숙성 온도를 30℃로 유지하고 동결 건조한 시편에 대한 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진으로 너비 약 1 ∼ 2㎛, 두께 약 50nm인 판상형의 수산화 아파타이트가 생성됨을 확인할 수 있다. 이 분말의 비표면적은 87.2 m²/g이었다.

<실시예 7>

공급 가스를 헬륨(He)로 바꾸는 외에는 실시예 3과 동일한 조건으로 실험하였다. 본 실시예에서는 매우 큰 판상형의 아파타이트 입자가 생성되었다. 표 1로부터 숙성 온도를 30℃로 유지하고 동결 건조한 시편의 경우 입자 크기가 약 1 ∼ 3㎛에 달하며, 비표면적이 70.6 m²/g임을 알 수 있다. 숙성 온도의 증가에 따라 입자 크기가 약 10배 가량 증가하며, 비표면적이 현저히 감소함을 알 수 있다. 건조 온도가 증가하는 경우에도 마찬가지의 경향성을 나타내었다.

<실시예 8>

공급 가스를 아르곤(Ar)으로 바꾸는 외에는 실시예 3과 동일한 조건으로 실험하였다. 본 실시예에서는 매우 큰 판상형의 아파타이트 입자가 생성되었다. 표 1로부터 숙성 온도를 30℃로 유지하고 동결 건조한 시편의 경우 입자 크기가 약 1 ∼ 3㎛에 달하며, 비표면적이 65.3 m²/g임을 알 수 있다. 실시예7의 경우와 마찬가지로 숙성 온도의 증가에 따라 입자 크기 및 비표면적의 현저한 증감 경향을 나타내었다. 건조 온도가 증가하는 경우에도 유사한 경향성을 나타내었다.

구분	가스종류	숙성온도(℃)	동결건조(영하 50℃, 6 mtorr)			일반건조(150℃)
			입자형태	입자크기(㎛)	비표면적(m²/g)	입자형태	입자크기(㎛)	비표면적(m²/g)
실시예2	공급가스 없음	30	판상	1∼2.4	75.2	판상	5∼11	4.2
		80		7∼13	8.4		11∼21	3.1
실시예3	CO₂	30	다공성판상	0.1∼0.3	181	다공성판상	0.9∼1.6	59.7
		80		2∼3	78.5		3∼5	34.9
실시예4	O₂	30	침상	0.3∼0.4	78.3	침상	2∼3	18.5
		80		1∼2	59.8		2∼3	35.7
실시예5	H₂	30	침상	0.5∼0.6	55.1	침상	3∼4	38.6
		80		3∼5	42.3		6∼10	11.8
실시예6	N₂	30	판상	1∼2	87.2	판상	5∼10	6.2
		80		6∼13	9.7		8∼20	4.2
실시예7	He	30	판상	1∼3	70.6	판상	6∼11	4.5
		80		12∼25	1.4		15∼31	1.2
실시예8	Ar	30	판상	1∼3	65.3	판상	5∼12	3.8
		80		11∼21	2.3		13∼22	2.7

한편, 전술한 바와 같이 아파타이트 분말의 탈취, 향균, 생체용 재료 등의 용도에 적합하게 하기 위해 다른 이온, 산화물 또는 금속 등의 물질이 분말 내부에 함유되는 것이 바람직하다. 이하의 실시예9 및 실시예10은 본 발명의 방법을 이용하여 이와 같은 아파타이트 분말을 제조하는 예를 설명하는 것이다.

<실시예 9>

인산염 수용액에 약 9.23 g의 Mg(NO₃)₂·6H₂O(칼슘이온에 대해 Mg 이온이 약 8 몰%)를 반응 용기에 장입하여 교반하였다. 이어서, 교반된 수산화칼슘 수용액을 상기 반응 용기에 주입하여 혼합 수용액을 제조한 후, 산소 가스를 공급해주며 48시간동안 숙성하였다. 반응 후 얻어진 슬러리를 동결 건조하였다. 여타의 조건은 실시예4와 동일하였다.

이와 같이 얻어진 아파타이트 분말에 대한 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진을 각각 도 8a 및 8b에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따라 길이 약 100 ∼ 200 nm, 두께 20 ∼ 40 nm의 침상 아파타이트 입자가 얻어졌다. 전술한 실시예4와 비교할 때, 마그네슘 이온의 첨가로 인해 아파타이트 입자 성장이 억제되는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

한편, 마그네슘 이온을 칼슘 이온에 대하여 20몰% 이상 첨가할 경우에는 인산삼칼슘(Ca₃(PO₄)₂)상이 생성됨을 확인할 수 있었다. 따라서 순수한 아파타이트 분말을 얻기 위해서는 첨가되는 칼슘 이온의 양이 20몰%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

<실시예 10>

인산염 수용액에 49.84g (50 wt%)의 산화티타늄(TiO₂)을 반응 용기에 장입하여 교반하였다. 이어서, 교반된 수산화칼슘 수용액을 상기 반응 용기에 주입하여 혼합 수용액을 제조한 후, 질소 가스를 공급해주며 48시간동안 숙성하였다. 반응 후 얻어진 슬러리를 동결 건조하였다. 여타의 실험 조건은 실시예6과 동일하였다.

도 9a 및 9b에 이와 같이 제조된 아파타이트 분말의 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진을 도시하였다. 도시된 바와 같이, 직경 약 30 ∼ 120nm의 구형 아파타이트/산화티타늄 혼합 분말을 얻을 수 있었다.

아파타이트/산화티타늄 혼합 분말을 탈취 등의 목적을 위해 사용하기 위해서는 이산화티탄이 10wt%이상이 첨가되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이산화티탄의 첨가량이 10wt% 이하일 경우 광분해효율이 현저히 떨어지기 때문이다. 또한, 전술한 실시예9와는 달리 첨가된 이산화티탄의 함량이 80wt%이상인 경우에는 인산일칼슘(Ca₂P₂O₇) 등의 이차상이 잔류하는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 순수한 아파타이트의 제조를 위해서는 이산화티탄의 함량이 80wt% 이하에서 유지되는 것이 바람직하다.

전술한 실시예2 내지 실시예10으로부터 가스의 공급 여부 또는 가스의 종류에 따라 입자의 형상 및 입자 크기에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 그러나, 이를 명확히 설명하기는 어렵다. 다만, 본 발명에 따르면 아파타이트상이 중간 반응물을 개재하여 생성되기 때문에, 공급된 가스가 DCPD 표면에 생성된 아파타이트 입자의 성장에 영향을 미쳐 입자의 형상 및 크기를 변화시키는 것으로 짐작된다.

전술한 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니라, 본 발명을 구현하는 예시적인 것에 불과하다. 전술한 구체적인 실시예들이 수산화 아파타이트의 제조 방법과 관련된 것이지만 이 분야의 당업자라면 전술한 실시예의 방법이 아파타이트 전반에 걸쳐 확장되는 데 특별한 기술적 고려가 필요 없다는 것을 잘 알 수 있을 것이며, 2종 이상의 공급 가스를 사용하는 경우에도 본 발명이 목적하는 입자 형상 및 입자 크기의 변화가 발생할 수 있다는 사실을 이해하고 이를 실시하는 데에 아무런 곤란도 느끼지 않을 것이다.

본 발명의 방법에 따르면, 아파타이트는 칼슘염과 인산염으로부터 DCPD와 같은 중간 반응 생성물을 먼저 형성한 뒤 재석출되는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서, 이 과정에서 입자의 크기 및 형상을 제어할 수 있게 되며, 가스 공급 여부에 따라 또는 공급 가스의 종류에 따라 다양한 형상 및 크기를 갖는 아파타이트 입자 제조가 가능하다.

또한, 본 발명의 제조 방법에 따르면 반응 온도 및 건조 조건을 조절하여 다양한 기공율과 비표면적을 갖는 아파타이트 분말을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명의 방법에 따르면, 특정 응용 분야에서 요구되는 사양에 맞는 물성을 갖는 아파타이트를 제공할 수 있게 된다.

이에 따라, 본 발명은 인체 이식용 고강도 아파타이트 복합체로서 요구되는 침상 혹은 판상의 아파타이트 입자, 골 충진재 및 고무와 제지의 충진재로서 사용되기 위한 판상형의 아파타이트 입자, 인체에 공급되는 단백질 혹은 의약품 전달체용으로 적합한 허니컴 구조의 다공성 아파타이트 입자 및 항균 및 방취용 재료로 이용할 수 있는 다양한 금속이온과 음이온 혹은 각종 촉매를 함유한 다공성의 아파타이트 입자를 제공할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 아파타이트 제조용 반응 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 아파타이트 제조 방법을 도시한 절차도이다.

도 2는 본 발명에 따라 숙성 시간을 달리하여 얻어진 각각의 분말에 대한 X선 회절 패턴이다.

도 3a 및 도 3b는 도 2의 숙성 시간을 달리하여 얻어진 분말 중 10분 및 12시간의 숙성 과정을 거쳐 얻어진 분말의 주사전자현미경 사진이다.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 이산화탄소 가스를 공급하여 제조한 수산화 아파타이트의 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진이다.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 산소 가스를 공급하여 제조한 수산화 아파타이트의 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진이다.

도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 산소 가스를 공급하여 제조한 수산화 아파타이트의 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진이다.

도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 질소 가스를 공급하여 제조한 수산화 아파타이트의 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진이다.

도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 산소 가스를 공급하여 제조한 Mg 이온이 첨가된 수산화 아파타이트의 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진이다.

도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 질소 가스를 공급하여 제조한 TiO₂분말이 첨가된 수산화아파타이트의 X선 회절 패턴 및 주사전자현미경 사진이다.

<도면의 부호에 대한 간략한 설명>

100 : 반응 장치 110 : 반응 용기

120 : 공급 가스 탱크 130 : 분위기 가스 탱크

150 : 가스 블로워 160 : 히터

Claims

아파타이트 분말 제조 방법에 있어서,

칼슘염 및 인산염을 포함하는 혼합 수용액을 제공하는 단계;

상기 수용액내의 칼슘염 및 인산염을 반응시켜 상기 아파타이트와는 다른 상을 갖는 중간 반응물을 생성하는 단계;

상기 중간 반응물로부터 아파타이트 분말을 합성하기 위해 상기 수용액을 숙성하는 단계; 및

상기 수용액에 침전된 슬러리를 건조하는 단계를 포함하는 아파타이트 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 중간 반응물은 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트인 것인 아파타이트 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 칼슘염은 수산화칼슘이고, 상기 인산염은 인산인 것인 아파타이트 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 숙성 단계는 5 ∼ 90℃에서 수행되는 것인 아파타이트 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 아파타이트 분말은 판상의 입자 형상을 가지는 것인 아파타이트 제조 방법.
칼슘염 및 인산염을 포함하는 혼합 수용액을 제공하는 단계;

상기 수용액내에 가스를 공급하면서 인산칼슘 화합물을 합성하는 단계; 및

상기 합성된 인산칼슘 화합물을 건조하는 단계를 포함하는 아파타이트 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 합성 단계는

상기 수용액내의 칼슘염과 인산염을 반응하여 중간 반응물을 생성하는 단계; 및

상기 중간 반응물로부터 인산칼슘 화합물을 합성하는 단계를 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 중간 생성물은 디칼슘 포스페이트 디하이드레이트인 것인 아파타이트 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 칼슘염은 질산칼슘, 탄산칼슘, 염화칼슘, 수산화칼슘 및 아세트산칼슘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 염을 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 인산염은 인산, 제1인산나트륨, 제2인산나트륨, 제1인산칼륨, 제2인산칼륨, 제1인산암모늄 및 제2인산암모늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 염을 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 혼합 수용액은 마그네슘 이온, 바륨 이온 및 스트론튬 이온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온을 더 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 혼합 수용액은 불소 이온, 염소 이온 및 탄산이온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온을 더 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 혼합 수용액은 이산화티탄, 산화망간, 산화바나듐 및 산화구리로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 산화물을 더 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 혼합 수용액은 은, 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 더 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 혼합 수용액 제공 단계는

칼슘염을 포함하는 수용액을 교반하는 단계;

인산염을 포함하는 수용액을 교반하는 단계; 및

상기 칼슘염 수용액을 상기 인산염 수용액에 혼합하는 단계를 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.
제15항에 있어서,

상기 인산염 수용액 교반 단계는 인산염을 포함하는 수용액에 헬륨, 아르곤, 수소, 산소, 질소 및 이산화 탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 가스를 공급하면서 교반되는 것인 아파타이트 제조 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,

상기 인산염 교반 단계에서 상기 인산염 수용액은 마그네슘 이온, 바륨 이온, 스트론튬 이온, 불소 이온, 염소 이온, 탄산이온, 이산화티탄, 산화망간, 산화바나듐, 산화구리, 은, 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 촉매 물질을 더 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 가스는 헬륨, 아르곤, 수소, 산소, 질소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 가스를 포함하는 것인 아파타이트 제조 방법.