KR20070039609A

KR20070039609A - 다공성 생체 유리 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20070039609A
Application number: KR1020077004604A
Authority: KR
Inventors: 하시드 제나띠; 질베르 팡또지; 제롬 슈발리에; 무라드 아리우아
Original assignee: 엥스띠뛰 나씨오날 데 씨앙스 아쁠리께
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-04-12
Also published as: ES2367972T3; US20080038534A1; EP1778306B1; WO2006018531A2; FR2873683A1; EP1778306A2; WO2006018531A3; CN101018573B; ATE514438T1; CA2574712A1; US7709081B2; CN101018573A; FR2873683B1

Abstract

본 발명은 다공성 생체 유리 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 적어도 SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅를 포함하고, 미세공극 및 대공극을 포함하는 단단한 다공성의 결정질 또는 부분 결정질 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 공극률이 기하학적 방법으로 측정하여 50% 내지 80%, 바람직하게는 60% 내지 75%이고; 대공극의 평균 직경이 100 내지 1250 마이크로미터, 바람직하게는 150 내지 300 마이크로미터이며; 미세공극의 평균 직경이 5 마이크로미터 이하이고; 압축 강도가 7 MPa 내지 70 MPa인 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 이러한 조성물 및 인간 혈장의 이온 조성과 유사한 이온 조성을 가진 생리적 유체로 처리된 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 조성물로 만들어진 임플란트에 관한 것이다.

다공성 생체 유리, 미세공극, 대공극, 공극률, 압축 강도, 수산화인회석, 제3인산칼슘

Description

다공성 생체 유리 및 그 제조방법{POROUS BIOGLASS AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 특히 기계적 저항성이 있고 골 대체물로서 사용될 수 있는 다공성의 결정질 또는 부분 결정질 조성물, 또는 생체 활성 유리(bioactive glass)에 관한 것이다.

합성골 대체물 분야에서, 수산화인회석(hydroxyapatite) 및 제3인산칼슘(tricalcium phosphate)에 기초한 임플란트는 잘 알려져 있으며 오랫동안 사용되고 있다. 수산화인회석은 천연 뼈의 무기질 성분과 비슷한 조성을 가진 인산칼슘 세라믹이다. 수산화인회석은 임플란트의 표면에서 단기간의 치료를 가능하게 한다. 그러나, 수산화인회석은 재흡수될 수 없고 장기간 환자의 신체에 존재한다. 이러한 결점을 극복하기 위하여, 제3인산칼슘이 첨가되며, 그 제3인산칼륨은 뼈가 장기간 임플란트에 복구되도록 하기 위하여 뼈가 그 위치를 차지하도록 하는 재흡수될 수 있는 인산칼슘이다.

수산화인회석과 제3인산칼슘을 화합시킨 임플란트는 자가이식편(autograft) 에 대한 주요한 대체물로서 취급되며, 자가이식편은 항상 가능한 것이 아니다. 그러나, 뼈 자가이식편에 대조적으로, 수산화인회석(hydroxyapatite) 및 제3인산칼슘(tricalcium phosphate)에 기초한 이러한 임플란트는 뼈 유도 물질(osteoinducers)이 아니다. 즉, 그 임플란트는 골세포가 임플란트 내에서 성장하는 것을 촉진하지 않는다.

현재의 임플란트의 다른 결점은 다루기가 어렵고 덩어리 형태로 사용하기가 어렵다는 것이다. 따라서, 수산화인회석/제3인산칼슘 세라믹 덩어리는 너무 단단하고 부스러지기 쉽기 때문에 외과 의사가 수술시에 그것을 원하는 형태로 절단하기가 어렵다.

이러한 결점을 해결하기 위하여, 수산화인회석에 기초한 골 대체물은 종종 과립(granule) 형태로 공급된다. 외과 의사는 이런 과립으로 채워져야 할 공동(空洞)을 채운다. 그러나, 이러한 기술은 세심한 주의를 필요로 하고 치료될 부위 외부로 과립이 흩어지는 것을 방지하기 위하여 보유망(retaining cage)을 필요로 한다. 과립은 부스러질 수 있고 그 파편으로 상처를 유발할 수 있다.

따라서, 다루기 더 쉽고 절단하기 더 쉬운 골 대체물을 만들기 위하여 다공성 수산화인회석에 기초한 골 대체물을 개발하고자 하는 열망이 있었다. 그러나, 이러한 골 대체물의 주요 결점은 취약성이다. 사실상, 콜라겐의 존재로 인해, 천연 뼈는 유연하고 강하다. 이에 반하여, 수산화인회석 및 제3인산칼슘에 기초한 임플란트는 쉽게 부서지고 깨진다. 따라서, 외과 의사가 수산화인회석/제3인산칼슘 덩어리에 기초한 골 대체물을 부서지지 않게 특정한 형태로 절단하는 것은 매우 어렵 다.

생물 의학 물질 저널(Journal of Biomedical Materials Research), 2000, vol. 52, No. 4, pp.783-796에 실린 E.A.B. 에파 카우프만(Effah Kaufmann), P. 듀체니(Ducheyne), I.M. 사피로(Shapiro)의 논문 "조골세포(osteoblast)의 증식 및 성숙에 대한 다공성, 표면 변화 생체활성 유리 45S5의 물리적인 특성 변화의 영향(Effect of varying physical properties of porous, surface modified bioactive glass 45S5 on osteoblast proliferation and maturation)"에는 이식 후에 골세포의 성장을 향상시키는 다공성 생체 활성 유리가 기술되어 있다. 그러나, 이러한 다공성 생체 활성 유리는 너무나 깨지기 쉽다. 그 다공성 생체 활성 유리는 그것을 임플란트의 특정 형태로 만들기 위해 절단하고자 할 때 우수한 기계적 강도를 갖지 못하고 부서진다.

또한, 생물 의학 물질 저널(Journal of Biomedical Materials Research) 2001, vol. 54, No. 3, pp. 320-327에 실린 바이리앙 공(Weiliang Gong),압데셀람 압데오아스(Abdesselam Abdelouas), 베르너 루쯔(Werner Lutze)의 논문 "압력하에 소결시키는 반응에 의해 만들어진 다공성 생체 유리 및 유리-세라믹(Porous bioactive glass and glass-ceramic)"에는 정수압 압력(isostatic press)하에 소결시킴으로써 제조된 유리 및 유리-세라믹이 기술되어 있다. 그러나, 이러한 조성물은 공극률이 낮아 그것을 취급하고 절단하는 것을 어렵게 한다. 또한, 골세포의 성장이 향상되지 않는다.

따라서, 천연 뼈의 대체에 의해 생체 내에서 이식 후에 골세포의 성장을 향 상시킬 수 있고, 그 본래의 형태를 잃지 않고 원하는 형태로 절단될 수 있게 하는 기계적 특성을 가진 다공성의 단단한 생체 활성 유리에 대한 요구가 존재한다.

본 발명은 각각 특정의 크기 및 특정의 공극률의 대공극(macropores) 및 미세공극(micropores)을 포함하고 7 MPa 내지 70 MPa의 압축 강도를 가진, SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅에 기초한 다공성의 결정질 또는 반(半)결정질 조성물을 제공함으로써 이러한 문제를 해결하고자 한다.

본 발명의 첫 번째 대상은 적어도 SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅로 구성되고, 미세공극 및 대공극을 포함하는 단단한 다공성의 결정질 또는 부분 결정질 조성물로서,

- 기하학적 방법으로 측정된 공극률이 50% 내지 80%이고;

- 대공극의 평균 직경이 100 내지 1250 미크론, 바람직하게는 150 내지 300 미크론이며;

- 미세공극의 평균 직경이 5 미크론 이하이고;

- 압축 강도가 7 MPa 내지 70 MPa인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 대상은 상기한 것과 같은 조성물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 임플란트이다.

본 발명의 다른 대상은 기하학적 방법으로 측정된 공극률이 50% 내지 80%이고, 대공극의 평균 직경이 100 내지 1250 미크론, 바람직하게는 150 내지 300 미크론이며, 미세공극의 평균 직경이 5 미크론 이하인, 적어도 SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅로 구성되고 대공극 및 미세공극을 포함하는 단단한 다공성의 결정질 또는 부분 결정질 조성물의 제조 방법으로서,

- a) SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅ 에 기초한 유리를 사용하는 단계;

- b) 분말을 얻기 위하여 상기 a) 단계의 유리를 갈고 체로 치는 단계;

- c) 현탁액을 얻기 위하여 상기 b) 단계에서 획득한 분말을 용매에 부유시키고 분산제를 사용하여 분산시키는 단계;

- d) 증점제(thickening agent)를 상기 c) 단계에서 획득한 현탁액에 첨가하는 단계;

- e) 상기 d) 단계에서 획득한 혼합물을 주형에 붓고 건조시켜 "케이크(cake)"를 형성하는 단계;

- f) "그린 바디(green body)"를 획득하기 위하여 상기 e) 단계에서 획득한 "케이크(cake)"를 약 600 ℃로 가열하는 단계; 및

- g) 조성물의 부분 또는 전체 결정화를 달성하기 위하여 상기 f) 단계에서 획득한 그린 바디(green body)를 600 내지 1100 ℃, 바람직하게는 900 내지 1100 ℃로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 대상은 상기한 방법에 따라 획득할 수 있는 조성물이다.

본 발명에 따른 조성물은 높은 공극률에도 불구하고, 큰 덩어리가 부스러지거나 그 본래의 형태를 잃지 않고 그 덩어리로부터 특정 형상이 절단될 수 있도록 하는 기계적 강도를 가진다. 따라서, 본 발명에 따른 조성물은 다루기가 쉽다. 외과 의사는 본 발명에 따른 조성물을 이식하기 전에 원하는 형태로 간단히 그리고 쉽게 절단할 수 있고, 가능하게는 다시 자를 수 있다.

예를 들어, 뼈가 결손된 부위를 채우기 위하여 본 발명에 따른 조성물을 원하는 형태의 임플란트로 절단하는 것이 가능하다.

생산된 임플란트는 단일 형상이기 때문에, 특히 강하고 안정적이다. 바람직하지 않은 파편을 만들지 않는다.

본 발명에 따른 조성물은 균일한 다공성을 가진다. 이는 특히 이러한 조성물의 압축 강도 측정의 낮은 전성(展性)으로부터 밝혀진다. 미세공극이 존재함으로 인해 세포의 접착이 향상된다. 대공극이 존재함으로 인해 세포, 특히 크기가 큰 세포의 통과가 향상된다.

또한, 본 발명에 따른 조성물로 생산된 임플란트는 흡수성이 있다. 따라서, 그 조성물은 생체 내에서 임플란트, 특히 골 대체물로서 사용될 수 있다. 또한, 그 조성물은 골세포의 성장을 향상시킨다. 장기적으로, 임플란트는 천연 뼈로 대체된다.

마지막으로, 본 발명에 따른 조성물로 제조된 임플란트는 다공성으로 인해 특히 가벼워서 환자 및 외과 의사가 사용하기에 매우 편안하다.

"생체 활성 유리(bioactive glass)"라는 용어는 본 발명에서 인체와 양립할 수 있는 부분적으로 또는 완전히 재결정화된 유리를 의미하는 것으로, 생체 친화성이 있다. 즉, 생체 활성 유리는 그 유리와 생체 조직 사이의 경계면에서 생물학적 반응을 발생시켜 상기 유리와 상기 생체 조직 사이에 결합을 형성할 수 있다.

"단단한" 조성물이라는 용어는 본 발명의 내용에서 임플란트를 절단해 낼 수 있는 3차원 고체 조성물을 의미하는 것으로, 부서지기 쉬운 조성물을 의미하는 것은 아니다.

도 1 내지 3은 본 발명에 따른 방법의 g) 단계를 1100 ℃에서 실행하여 획득한 조성물을 FEI XL30 환경주사전자현미경으로 각각 ×101, ×500 및 ×3000 배율로 찍은 사진;

도 4 내지 6은 본 발명에 따른 방법의 g) 단계를 900 ℃에서 실행하여 획득한 조성물을 FEI XL30 환경주사전자현미경으로 각각 ×101, ×500 및 ×3000 배율로 찍은 사진; 및

도 7 및 8은 본 발명에 따른 방법의 g) 단계를 1100 ℃에서 실행한 다음, 생리적 유체 용액에서 24시간 처리하여 획득한 조성물을 FEI XL30 환경주사전자현미경으로 각각 ×103 및 ×5054 배율로 찍은 사진이다.

본 발명을 이하에서 더욱 상세히 설명한다

본 발명에 따른 조성물은 적어도 SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅를 포함한다. 그 조 성물은 또한 K₂O, MgO, Al₂O₃, CaF₂, B₂O₃ 및 그 혼합물 중에서 선택된 성분을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, SiO₂는 본 발명에 따른 조성물의 전체 중량에 대하여 40 중량% 내지 55 중량% 비율로 존재하고, CaO는 그 조성물의 전체 중량에 대하여 15 중량% 내지 25 중량% 비율로 존재하며, Na₂O는 그 조성물의 전체 중량에 대하여 15 중량% 내지 25 중량% 비율로 존재하고 P₂O₅는 그 조성물의 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 9 중량% 비율로 존재한다.

예를 들어, K₂O는 본 발명에 따른 조성물의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 8 중량% 비율로 존재할 수 있다. MgO는 예를 들어 그 조성물의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량% 비율로 존재할 수 있다. Al₂O₃는 예를 들어 그 조성물의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 1.5 중량% 비율로 존재할 수 있다. CaF₂는 예를 들어 그 조성물의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 12.5 중량% 비율로 존재할 수 있다. B₂O₃는 예를 들어 그 조성물의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 중량% 비율로 존재할 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 조성물은 그 조성물의 전체 중량에 대하여 SiO₂ 45 중량%,CaO 24.5 중량%, Na₂O 24.5 중량% 및 P₂O₅ 6 중량%로 구성된다. 이러한 조성물은 특히 골세포의 성장을 향상시킨다.

본 발명에 따른 조성물은 다공성이고 기하학적 방법으로 측정하여 50% 내지 80%, 바람직하게는 60% 내지 75%의 공극률을 가진다. 상기 기하학적 방법에서, 공극률(T)은 다음의 식으로 계산된다:

T = 1-(겉보기밀도(bulk density)/이론적인 밀도),

겉보기밀도는 기하학적 방법으로 측정된다. 그 겉보기밀도는 다음의 식 ρ = m/V에 따라 계산되며,

- ρ는 밀도(g/㎤)이고;

- m은 샘플의 질량(g)이며;

- V는 샘플의 부티(㎤)이다.

물질의 이론적인 밀도는 산화 조성물임에도 불구하고 약 2.75 g/㎤로 추정된다.

대공극의 평균 직경은 100 내지 1250 미크론, 바람직하게는 150 미크론 내지 300 미크론이다. 따라서, 골세포(osteocytes)와 같은 크기가 큰 세포는 상호 접속을 통해 충분한 크기의 임플란트를 통과할 수 있다. 미세공극의 평균 직경은 5 미크론 이하이다. 따라서, 세포의 접착 및 생리적 유체의 순환은 특히 향상된다.

본 발명에 따른 조성물은 7 MPa 내지 70 MPa, 바람직하게는 25 MPa 내지 70 MPa의 압축 강도를 가진다.

본 출원에서 압축 강도는 다음의 방법으로 측정된다: 본 발명에 따른 조성물을 직경 9 ㎜ 및 높이 6 ㎜인 실린더 형태로 제조한다. 압축 강도 테스트는 5000 N 로드셀(load cell)을 가진 유압식 Instron® 8512 기계를 사용하여 실행한다. 샘플에 1 ㎜/분의 변형 속도로 부하를 가하고 샘플을 부러뜨리기 위해 필요한 힘을 측 정한다. 그 힘이 본 발명에 따른 조성물의 압축 강도에 일치한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 조성물은 이러한 방법으로 측정된 약 7 MPa의 압축 강도와 기하학적 방법으로 측정된 약 75%의 공극률을 가진다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 조성물은 이러한 방법으로 측정된 약 70 MPa의 압축 강도와 기하학적 방법으로 측정된 약 50%의 공극률을 가진다.

본 발명에 따른 조성물은 바람직하게는 이하에서 설명될 방법으로 제조된다.

첫 번째 단계, 즉 a) 단계에서, SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅에 기초한 유리가 사용된다. a) 단계에서 유리는 또한 K₂O, MgO, Al₂O₃, CaF₂, B₂O₃ 및 그 혼합물 중에서 선택된 성분을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예에서, SiO₂는 유리의 전체 중량에 대하여 40 중량% 내지 55 중량% 비율로 존재하고, CaO는 유리의 전체 중량에 대하여 15 중량% 내지 25 중량% 비율로 존재하며, Na₂O는 유리의 전체 중량에 대하여 15 중량% 내지 25 중량% 비율로 존재하고 P₂O₅는 유리의 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 9 중량% 비율로 존재한다.

예를 들어, K₂O는 그 유리의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 8 중량% 비율로 존재할 수 있다. MgO는 예를 들어 그 유리의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량% 비율로 존재할 수 있다. Al₂O₃는 예를 들어 그 유리의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 1.5 중량% 비율로 존재할 수 있다. CaF₂는 예를 들어 그 유리의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 12.5 중량% 비율로 존재할 수 있다. B₂O₃는 예를 들어 그 유리의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 중량% 비율로 존재할 수 있다.

바람직하게는, 상기 유리는 그 유리의 전체 중량에 대하여 SiO₂ 45 중량%,CaO 24.5 중량%, Na₂O 24.5 중량% 및 P₂O₅ 6 중량%로 구성된다. 이러한 유리는 오르토비타(Orthovita)에서 상표명 "45S5®"로 상업적으로 판매된다.

선택적으로, a) 단계에서 유리는 유리 제조를 위한 공지된 방법, 예를 들어 졸겔법(sol-gel method) 또는 단순 용융(simple melting)으로 제조될 수 있다. 졸겔법은 유리를 제조하기 위하여, 일반적으로 금속 산화물을 용액에 혼합하는 단계, 가수분해 단계, 및 일반적으로 600 ℃ 내지 900 ℃ 온도로 겔화(gelling) 및 처리하는 단계로 구성된다. 용융법은 비결정질의 유리를 획득하기 위하여, 일반적으로 산화물 분말을 혼합하는 단계, 일반적으로 1250 ℃ 내지 1600 ℃의 온도에서 혼합물을 용융하고 균질화하는 단계 및 냉각하는 단계로 구성된다.

두 번째 단계, 즉 b) 단계에서는 분말을 얻기 위하여 상기 a) 단계의 유리를 갈고 체로 친다. 바람직하게는, 이러한 분말은 2.5 g/㎤ 내지 3 g/㎤, 바람직하게는 2.6 g/㎤ 내지 2.8 g/㎤의 밀도를 가진다. 분말 입자의 평균 크기는 0.1 내지 100 미크론이다. 바람직하게는, 분말의 유리 전이 온도는 500 ℃ 내지 700 ℃이다. 바람직하게는, 분말의 결정화 온도는 600 ℃ 내지 900 ℃이다. 바람직하게는, 분말의 용융점은 900 ℃ 내지 1200 ℃이다.

세 번째 단계, 즉 c) 단계에서는 현탁액을 얻기 위하여 상기의 분말을 용매에 부유시키고 분산제를 사용하여 분산시킨다. 바람직하게는, 그 용매는 에탄올이다. 바람직하게는, 현탁액의 고체 함량은 그 현탁액의 중량에 대하여 50 중량% 내지 60 중량% 비율이다. 바람직하게는, 분산제는 폴리아크릴산나트륨이다.

네 번째 단계, 즉 d) 단계에서는 증점제를 상기 현탁액에 첨가한다. 바람직하게는, 상기 증점제는 아크릴 유제이다. 이러한 증점제는 현탁액의 점도를 증가시킨다. 그 증점제는 또한 이하에서 기술되는 것처럼 기공 형성제(pore-forming agent)가 첨가되는 경우, 그 기공 형성제 입자의 침강 또는 부양을 방지할 수 있다.

다섯 번째 단계, 즉 e) 단계에서는 상기 d) 단계에서 획득한 혼합물을 주형에 붓고 건조시켜 "케이크(cake)"를 제공한다. 바람직하게는, 건조는 실온에서 실행한다.

여섯 번째 단계, 즉 f) 단계에서는 "그린 바디(green body)를 획득하기 위하여 상기 e) 단계에서 획득한 "케이크(cake)"를 약 600 ℃의 온도로 가열한다. 이러한 열처리는 분산제, 증점제 및 기공 형성제와 같은 유기 첨가제를 제거할 수 있다. 이러한 그린 바디는 대공극을 가진다.

마지막 단계, 즉 g) 단계에서는 조성물의 부분 또는 전체 결정화를 달성하기 위하여 상기 f) 단계에서 획득한 그린 바디를 600 ℃ 내지 1100 ℃, 바람직하게는 900 ℃ 내지 1100 ℃의 온도로 처리된다. 이러한 처리로 단단한 다공성의 결정질 또는 부분 결정질 또는 유리-세라믹 구조를 획득할 수 있다.

본 발명의 방법의 일 실시예에서, 그린 바디를 900 ℃로 처리한다. 최종 조성물의 구조는 도 1 내지 3에서 확인할 수 있다. 다수의 크기가 서로 다른 기공을 관찰할 수 있다. 최종 조성물은 기하학적 방법에 따라 측정된 결과에 의하면 약 76%의 공극률을 가진다.

본 발명의 방법의 다른 실시예에서는 그린 바디를 1000 ℃로 처리한다. 최종 조성물은 기하학적 방법에 따라 측정된 약 64%의 공극률을 가진다.

본 발명의 방법의 또 다른 실시예에서는 그린 바디를 1100 ℃로 처리한다. 최종 조성물의 구조는 도 4 내지 6에서 확인할 수 있다. 그 구조가 도 1 내지 3의 구조보다 더 밀하다는 것을 알 수 있다. 최종 조성물은 기하학적 방법에 따라 측정된 약 60%의 공극률을 가진다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, 기공 형성제는 c) 단계와 d) 단계 사이에서 혼합으로 현탁액에 첨가된다. "기공 형성제"라는 용어는 혼합물에 입자 형태로 주입되는 화합물을 의미하는 것으로, 이러한 입자는 고온에서 분해되어 그 혼합물 내에 빈 공간, 달리 표현하면 기공을 형성한다. 바람직하게는, 기공 형성제는 현탁액의 전체 부피에 대하여 1 vol% 내지 80 vol%, 더 바람직하게는 50 vol% 내지 80 vol% 비율로 첨가된다. 바람직하게는, 기공 형성제는 자당(saccharose) 및 녹말의 혼합물, 폴리에틸렌 글리콜 및 그 혼합물에서 선택된다. 바람직하게는, 자당 및 녹말의 혼합물은 그 혼합물의 전체 중량에 대해 자당 80 중 량% 및 녹말 20 중량%로 구성된다. 바람직하게는, 기공 형성제의 입자 크기는 1250 미크론 이하이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 기공 형성제는 두 입자 크기 개체군의 혼합물로 구성된다. 바람직하게는, 이러한 혼합물은 그 혼합물의 전체 부피에 대하여 630 미크론보다 작은 입자 크기를 가진 기공 형성제 70 vol% 및 630 내지 1250 미크론의 입자 크기를 가진 기공 형성제 30 vol%로 구성된다.

따라서, 바람직하게는 본 발명에 따른 조성물은 기공 형성제 입자의 분해에 의해 만들어진 대공극을 가진다.

획득되는 공극률이 얼마이든지 간에, 본 발명에 따른 조성물의 기계적인 특성, 특히 압축 강도는 우수하다. 사실상, 본 발명에 따른 조성물을 제조하는 특이한 방법 때문에 상호 접속의 벽은 서로 잘 결합된다.

특히, 본 발명에 따른 조성물의 압축 강도는 수산화인회석 및 제3인산칼슘에 기초한 선행 기술의 조성물의 압축 강도보다 훨씬 더 높다.

열처리 후에, 그린 바디는 최종 형태의 뼈 임플란트를 제공하기 위하여 절단될 수 있다. 절단된 블럭, 또는 임플란트는 초음파실에서 알콜로 세척되고 청정실에서 포장되며 γ-조사로 살균된다.

본 발명의 다른 대상은 인간의 혈장에 가까운 이온 조성 및 pH가 7 내지 8, 바람직하게는 7.25 내지 7.42인 생리적 유체 용액으로 처리된 상기한 것과 같은 조성물이다.

바람직하게는, 이러한 생리적 유체의 이온 조성은 다음과 같다:

- Na⁺: 142.0 m㏖/l;

- K⁺ : 5.0 m㏖/l;

- Mg² ⁺ : 1.5 m㏖/l;

- Ca² ⁺ : 2.5 m㏖/l;

- Cl^- : 147.8 m㏖/l;

- HCO₃ ^- : 4.2 m㏖/l;

- HPO₄ ² ^- : 1.0 m㏖/l; 및

- SO₄ ² ^- : 0.5 m㏖/l.

바람직하게는, 본 발명에 따른 조성물은 약 37 ℃에서 1일 내지 10일 동안 이러한 용액에 침지된다. 그 조성물의 표면에 수산화인회석 층의 형성은 이러한 침지 동안 관찰된다. 그 조성물의 미세 구조의 변화는 또한 나노다공체(nanoporous)의 형성을 통해서 관찰되며, 이러한 나노다공체의 평균 직경은 1 미크론 이하, 바람직하게는 100 내지 300 나노미터이다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 그 조성물은 인간의 혈장에 가까운 이온 조성 및 pH가 7 내지 8, 바람직하게는 7.25 내지 7.42인 생리적 유체 용액으로 처리되고 그 표면에 결정화된 수산화인회석 층을 가진다. 더 바람직하게는, 이 렇게 처리된 조성물은 나노다공체를 가지며, 이러한 나노다공체의 평균 직경은 1 미크론 이하, 바람직하게는 100 내지 300 나노미터이다.

도 7 및 도 8에서는 g) 단계를 1100 ℃에서 실행하고, 상기한 것과 같은 이온 조성을 가진 생리적 유체의 용액에 24시간 동안 침지하여 본 발명에 따라 획득한 조성물의 구조를 볼 수 있다. 상기 조성물의 표면에 수산화인회석 층의 형성(도 7) 및 1 미크론 이하의 평균 직경을 가진 나노다공체의 형성(도 8)을 관찰할 수 있다.

이하에서는 본 발명을 설명하는 실시예를 기술한다.

실시예 1(본 발명에 따른 실시예):

전체 조성물의 중량에 대하여 SiO₂ 45 중량%,전체 조성물의 중량에 대하여 CaO 24.5 중량%, 전체 조성물의 중량에 대하여 Na₂O 24.5 중량% 및 전체 조성물의 중량에 대하여 P₂O₅ 6 중량%를 포함하는 조성물을 종래의 용융법으로 제조하였다.

분말을 얻기 위하여 이러한 조성물 100 g을 갈고 체로 걸렸다. 그 분말의 특징은 다음과 같다:

- 밀도(g/㎤) : 2.75;

- 입자 직경(미크론) : 5;

- 유리 전이 온도(T_g)(℃) : 538;

- 결정화 온도(T_c)(℃) : 777; 및

- 용융 온도(T_m)(℃) : 1060.

이러한 분말로부터 다음의 특징을 같은 현탁액 200 g을 제조하였다:

- 분말의 양(중량) : 50%;

- 분산제 : 폴리아크릴산 나트륨;

- 분산제의 양(중량) : 0.5%;

- 증점제 : 아크릴 유제;

- 증점제의 양(중량) : 2 내지 3%;

- 기공 형성제 : 폴리에틸렌 글리콜;

- 기공 형성제의 양(부피) : 80%;

- 기공 형성제의 입자 크기 : 630 미크론 이하 크기 70% 및 630 미크론 내지 1250 미크론 크기 30%의 혼합물; 및

- 용매 : 에탄올.

에탄올에 부유되고 분산되어 제조된 현탁액을 기계 혼합기(볼밀(ball mill))로 폴리에틸렌 분말 콤팩트에 혼합하였다. 그런 다음, 폴리에틸렌을 첨가하고, 그 다음 증점제를 첨가하였다.

그런 다음, 혼합물을 주형에 붓고 실온에서 건조한 다음 주형에서 탈형시켜 케이크를 제공한다. 유기 첨가제, 즉 분산제, 증점제 및 기공 형성제를 제거하기 위하여 상기 케이크를 600 ℃에서 처리한다. 그런 다음, 그린 바디를 1100 ℃에서 처리한다. 다음의 특징을 갖는 단단한 다공성의 결정질 조성물이 획득되었다:

기하학적 방법으로 측정된 최종 조성물의 공극률은 75%였다.

본 출원에서 기술된 방법으로 측정된 최종 조성물의 압축 강도는 7 MPa였다.

대공극의 평균 직경은 100-1250 미크론이었다.

미세공극의 평균 직경은 5 미크론 이하였다.

골 대체물, 또는 임플란트는 부스러지지 않고 이러한 단단한 결정질 조성물로부터 절단된다.

비교적으로, 골 대체물의 전체 중량에 대하여 수산화인회석 70 중량% 및 골 대체물의 전체 중량에 대하여 β-제3인산칼슘 30 중량%로 구성된 골 대체물은 본 출원에서 기술된 방법으로 측정하여 1.5 MPa의 압축 강도, 기하학적 방법으로 측정하여 73%의 전체 공극률 및 600 미크론 보다 작은 평균 기공 직경을 가진다.

Claims

적어도 SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅를 포함하고, 미세공극 및 대공극을 포함하는 단단한 다공성의 결정질 또는 부분 결정질 조성물에 있어서,

- 기하학적 방법으로 측정된 공극률은 50% 내지 80%, 바람직하게는 60% 내지 75%이고;

- 대공극의 평균 직경은 100 내지 1250 미크론, 바람직하게는 150 내지 300 미크론이며;

- 미세공극의 평균 직경은 5 미크론 이하이고;

- 압축 강도는 7 MPa 내지 70 MPa인 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항에 있어서,

K₂O, MgO, Al₂O₃, CaF₂, B₂O₃ 및 그 혼합물 중에서 선택된 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항에 있어서,

상기 조성물의 전체 중량에 대하여 SiO₂는 40 중량% 내지 55 중량% 비율로 존재하고, CaO는 15 중량% 내지 25 중량% 비율로 존재하며, Na₂O는 15 중량% 내지 25 중량% 비율로 존재하고, P₂O₅는 1 중량% 내지 9 중량% 비율로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
제3항에 있어서,

상기 조성물의 전체 중량에 대하여 SiO₂ 45 중량%,CaO 24.5 중량%, Na₂O 24.5 중량% 및 P₂O₅ 6 중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

25 MPa 내지 70 MPa의 압축 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

기하학적 방법에 따라 측정된 공극률 75%에 대하여 7 MPa의 압축 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

기하학적 방법에 따라 측정된 공극률 50%에 대하여 70 MPa의 압축 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 조성물.
적어도 SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅를 포함하고 미세공극 및 대공극을 포함하는 단단한 다공성의 결정질 또는 부분 결정질 조성물로서, 기하학적 방법으로 측정된 공극률이 50% 내지 80%이고, 대공극의 평균 직경이 100 내지 1250 미크론, 바람직하게는 150 내지 300 미크론이며, 미세공극의 평균 직경이 5 미크론 이하인 조성물의 제조 방법에 있어서,

- a) SiO₂, CaO, Na₂O 및 P₂O₅에 기초한 유리를 사용하는 단계;

- b) 상기 a) 단계의 유리를 갈고 체로 쳐서 분말을 얻는 단계;

- c) 상기 b) 단계에서 획득한 분말을 용매에 부유시키고 분산제를 사용하여 분산시켜 현탁액을 얻는 단계;

- d) 상기 c) 단계에서 획득한 현탁액에 증점제(thickening agent)를 첨가하는 단계;

- e) 상기 d) 단계에서 획득한 혼합물을 주형에 붓고 건조시켜 "케이크(cake)"를 형성하는 단계;

- f) 상기 e) 단계에서 획득한 "케이크(cake)"를 약 600 ℃로 가열하여 "그린 바디(green body)"를 형성하는 단계; 및

- g) 상기 f) 단계에서 획득한 그린 바디(green body)를 600 내지 1100 ℃, 바람직하게는 900 내지 1100℃로 가열하여 조성물을 부분적 또는 전체적으로 결정화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서,

상기 증점제는 아크릴 유제인 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 그린 바디는 900 ℃에서 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 그린 바디는 1000 ℃에서 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 그린 바디는 1100 ℃에서 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 c) 단계와 d) 단계 사이에서, 현탁액에 기공 형성제(pore-forming agent)가 첨가되어 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
제13항에 있어서,

상기 기공 형성제는 현탁액의 전체 부피에 대하여 1 vol% 내지 80 vol%, 바람직하게는 50 vol% 내지 80 vol% 비율로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 기공 형성제는 자당(saccharose) 및 녹말의 혼합물, 폴리에틸렌 글리콜 및 그 혼합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기공 형성제는 두 입자 크기 개체군의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서,

상기 혼합물은 그 혼합물의 전체 부피에 대하여 630 미크론보다 작은 입자 크기를 가진 기공 형성제 70 vol% 및 630 내지 1250 미크론의 입자 크기를 가진 기공 형성제 30 vol%로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 획득되는 조성물.
제1항 내지 제7항 또는 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

혈장의 이온 조성과 유사한 이온 조성을 가진 생리적 유체 용액으로 처리되는 것을 특징으로 하는 조성물.
제19항에 있어서,

상기 생리적 유체의 이온 조성은:

- Na⁺: 142.0 m㏖/l;

- K⁺ : 5.0 m㏖/l;

- Mg² ⁺ : 1.5 m㏖/l;

- Ca² ⁺ : 2.5 m㏖/l;

- Cl^- : 147.8 m㏖/l;

- HCO₃ ^- : 4.2 m㏖/l;

- HPO₄ ² ^- : 1.0 m㏖/l; 및

- SO₄ ² ^- : 0.5 m㏖/l인 것을 특징으로 하는 조성물.
제19항 또는 제20항에 있어서,

표면에 수산화인회석 층을 가지는 것을 특징으로 하는 조성물.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,

평균 직경 1 미크론 이하, 바람직하게는 100 내지 300 나노미터인 나노다공체를 가지는 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항 내지 제7항 또는 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에서 청구된 조성물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 임플란트.