KR20130073302A - 우선배향성 기공구조를 갖는 생체세라믹 다공체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우선 배향성 기공구조를 갖는 생체세라믹 다공체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원적으로 균일한 기공구조를 갖는 스폰지를 열처리하여 한 방향으로 늘리고, 이의 표면을 내부 골격 보강용 슬러리로 코팅한 후, 한 방향으로 늘어난 기공 속에 생체세라믹 슬러리를 채우고, 고온에서 열처리하여 스폰지를 제거하고, 생체세라믹을 치밀화하여, 기존의 소재에 비해 월등히 향상된 기계적 물성을 갖는 다공성 생체세라믹 제조방법 및 그에 의해 제조된 다공체에 관한 것이다.

Description

우선배향성 기공구조를 갖는 생체세라믹 다공체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공체{Method for producing porous bioceramics with aligned pores and porous bioceramics manufactured thereby}

본 발명은 우선배향성 기공구조를 갖는 생체세라믹 다공체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공체에 관한 것이다.

생체 세라믹 다공체는 질병이나 외상 등으로 인해 손상된 내체의 뼈조직을 대신하기 위해 매식되는 소재로서, 치과 및 정형외과 등의 다양한 의료분야에서 골충진재 또는 대체재 등으로 널리 사용되고 있다. 생체의 뼈를 모방하여 다공성 구조를 제조할 수 있는 다양한 방법들이 연구되어 왔다.

스폰지 복제법(Sponge replication)은 세라믹 슬러리로 코팅된 폴리우레탄 스폰지로 다공성 구조를 제조하는 기술로서[비특허문헌 1], 3차원으로 연결된 기공을 형성하면서 매우 높은 기공율을 갖는 다공체 제조에는 매우 용이하지만, 기계적 강도가 상대적으로 낮고, 열처리 과정 중에 다공체 상에 결함이 생길 수 있는 단점이 있다.

공압출법(Co-extrusion)은 세라믹과 고분자파이버를 교대로 적층하여 3차원의 다공성 구조를 제조하는 기술로서[비특허문헌 2], 고분자의 제거를 위한 열처리 과정 등이 매우 복잡한 단점이 있지만, 기공크기와 기공율을 제어하기에 매우 용이하다는 장점이 있다.

자유형상 제조방법(Solid freeform fabrication)은 자유로운 형태로 디자인된 다공체를 제조하는 기술로서[비특허문헌 3], 요구되는 형태로 디자인하고 기공구조와 기공크기 및 기공율을 제어하기에 용이하지만, 세밀한 구조를 형상화하기가 어렵다는 단점이 있다.

동결주조법(Freeze casting)은 동결매체의 어는점 이하에서 세라믹 슬러리를 냉각시켜, 동결매체의 결정상을 형성하고 이를 동결건조를 통해 제거하고 나서 열처리 과정을 거쳐 다공체를 제조하는 기술로서[비특허문헌 4], 비교적 간단한 공정으로 다공체 제조가 가능하나, 슬러리의 냉각 이전 과정에서 동결매체의 어는점 이상의 온도에서 슬러리를 조작해야 하고 슬러리가 전체적으로 냉각되기 전까지 동결매체가 미리 제거되지 않도록 주의해야 한다.

다공성 인산칼슘 세라믹은 우수한 생체적합성과 세포의 부착, 증식, 분화를 활성화시켜주는 3차원적으로 상호연결된 기공은 골조직 공학에 적용 가능한 잠재성을 가지고 있다. 그러나, 이러한 재료들은 골대체재로 사용될 때 비교적 약한 기계적 특징을 가지고 있다. 그래서, 임의형상제작법(Solid Freeform Fabrications: SFFs) [비특허문헌 3]과 일방향성 동결주조(Unidirectional freeze casting)[비특허문헌 4]의 방법과 같이 높은 기공율의 변화 없이 다공체의 압축강도를 증진시키기 위해 상당히 연구 노력하고 있다.

폴리머 스폰지 복제법은 특히 높은 다공성과 기공간의 우수한 상호연결도를 가지는 다공성 소재를 만드는 매우 유용한 방법들 중 하나이다. 하지만 타제조법에 비해 높은 기공율과 열처리 중 발생하는 균열에 의해 상대적으로 기계적 물성이 취약한 문제가 있다.

S. Callcut, J.C. Knowles, Correlation between structure and compressive strength in a reticulated glass-reinforced hydroxyapatite foam, J. Mater. Sci.: Mater. Med. 13 (2002) 485-489. C. J. Bae, H. W. Kim, Y. H. Koh, and H. E. Kim, Hydroxyapatite (HA) Bone Scaffolds with Controlled Macrochannel Pores, J. Mater Sci.: Mater. Med. 17 (2006) 517-521 B. H.Yoon, Y. H. Koh, C. S. Park, and H. E. Kim, Generation of Large Pore Channels for Bone Tissue Engineering using Camphene-based Freeze Casting", J. Am. Ceram. Soc., 90 (2007) 1744-1752 T.M.G Chu, D.G. Orton, S.J Hollister, S.E. Feinberg, W.Halloran, Mechanical and in vivo performance of hydroxyapatite implants with controlled architectures, Biomaterials 23 (2002) 1283-1293

이에, 본 발명자들은 종래의 스폰지 복제법의 한계를 극복하고, 기존의 폴리우레탄 스폰지 구조로부터 높은 기공연결도를 갖고, 한 방향으로 특정비율 늘리고 그 표면을 골격 보강용 슬러리로 코팅하여 기본구조가 보강된 스폰지 구조에 세라믹 슬러리를 채워 우수한 기계적 특성을 갖는 세라믹 다공체를 제조하는 방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 카본이 코팅됨으로 기본 골격이 보강된 늘어난 기공구조를 이용하여 수직방향에서 높은 강도를 갖는 세라믹 다공체를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 세라믹 다공체 및 이를 포함하는 골 충진재 또는 골 대체재를 제공하는데 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은

스폰지를 열처리하여 기공을 한 방향으로 늘려 기본구조를 형성하는 제 1 단계;

내부 골격 보강 물질, 분산제, 결합제를 포함하는 골격 보강용 슬러리를 제조하는 제 2 단계;

상기 골격 보강용 슬러리를 상기 기본구조를 형성한 스폰지에 코팅 후 건조하여 골격이 보강된 스폰지를 형성하는 제 3 단계;

생체 세라믹 분말, 분산제 및 동결매체로 세라믹 슬러리를 제조하는 제 4 단계;

상기 골격이 보강된 스폰지를 상기 세라믹 슬러리로 채우고, 동결매체의 어는점 이하로 냉각시킨 후, 동결건조 시켜 다공성 세라믹 그린 바디를 형성하는 제 5 단계;

상기 다공성 세라믹 그린 바디를 열처리하는 제 6 단계;

를 포함하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명은

상기 방법에 의해 제조된 생체 세라믹 다공체를 제공한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명은

상기 생체 세라믹 다공체를 포함하는 골 충진재 또는 골 대체재를 제공한다.

본 발명은 골격보강 물질이 코팅됨으로써 기본 골격이 보강된 늘어난 기공구조를 이용하여 수직 방향에서 높은 강도를 가지며, 기공연결도가 향상된 생체 세라믹 다공체를 제조할 수 있는 신기술이다.

본 발명에 따른 우선배향성 기공 구조를 갖는 생체 세라믹 다공체는 골절 부위에 깎아 끼워 넣거나 부수어 충진 용도, 즉 골 충진재 또는 골 대체재로 사용 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 우선배향성 기공구조를 갖는 생체 세라믹 다공체의 제조과정을 간략히 도식화한 것이다.
도 2는 실시예 1에 따른 카본이 코팅된 늘어난 스폰지 구조를 갖는 인산칼슘 다공체를 단계별로 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 인산칼슘 다공체를 3차원 구조로 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 인산칼슘 다공체의 단면도이다.
도 5와 도 6은 실시예 1에서 제조된 인산칼슘 다공체의 수평 방향, 수직 방향에 따른 압축 강도를 나타낸 것이다.

본 발명은 스폰지 복제법을 개선시켜 우선배향성 기공 구조를 갖는 생체 세라믹 다공체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은

스폰지를 열처리하여 기공을 한 방향으로 늘려 기본구조를 형성하는 제 1 단계;

내부 골격 보강 물질, 분산제, 결합제를 포함하는 골격 보강용 슬러리를 제조하는 제 2 단계;

상기 골격 보강용 슬러리를 상기 기본구조를 형성한 스폰지에 코팅 후 건조하여 골격이 보강된 스폰지를 형성하는 제 3 단계;

생체 세라믹 분말, 분산제 및 동결매체로 세라믹 슬러리를 제조하는 제 4 단계;

상기 골격이 보강된 스폰지를 상기 세라믹 슬러리로 채우고, 동결매체의 어는점 이하로 냉각시킨 후, 동결건조시켜 다공성 세라믹 그린 바디를 형성하는 제 5 단계;

상기 다공성 세라믹 그린 바디를 열처리하는 제 6 단계;

를 포함하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법을 포함한다.

상기 생체 세라믹 다공체의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제 1 단계는, 다공체의 골격형성에 이용되는 스폰지를 특정 온도로 열 처리하여 한 방향으로 기공구조를 늘려 기본 구조를 형성시킨다.

스폰지를 150 내지 350 ℃에서 1 내지 4시간의 열처리로 기공 구조를 한 방향으로 늘려 고정시킨 후 20 ~ 30℃로 식혀 기본 골격 구조를 형성시킨다. 이때, 열처리 온도가 너무 낮으면 한 방향으로 늘어난 기공구조가 형성이 유지되지 않고 기존 스폰지 구조로 되돌아보며, 열처리 온도가 너무 높으면 스폰지 구조가 무너져 내리거나 스폰지가 연소될 수 있다.

상기 스폰지로는 폴리머 스폰지로 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리메타크릴산(poly-methacrylate) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

상기 기공을 늘린 스폰지의 기공 평균 크기는 열처리 전의 스폰지 기공 평균 크기 100% 기준으로 110% 내지 160% 늘어나도록 한다. 늘어난 길이가 160% 보다 큰 경우 스폰지의 구조가 끊어지거나, 세라믹 다공체에 결함이 생겨 바람직하지 못하다.

제 2 단계는, 기본 구조 내부의 골격을 보강해 주는 물질(골격 보강 물질)을 분산제, 결합제를 포함하는 적당한 점도를 갖는 골격 보강용 슬러지를 제조한다.

상기 골격 보강 물질로는 슬러리 상태로 제조가 가능하면서 세라믹의 소결 온도보다 낮은 온도에서 완벽하게 제거 가능한 물질인 카본이 바람직하다.

상기 분산제는 균일한 슬러리가 형성될 수 있는 한 특별하게 제한할 필요는 없는데, 트리에틸 포스페이트(triethyl phosphate, TEP)를 사용할 수 있다.

상기 결합제는 스폰지에 일정한 두께로 코팅이 될 수 있는 한 특별히 제한할 필요는 없으나, 바람직하게는 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐 부티랄, 젤라틴, 키토산 등 물에 녹는 수용성 고분자 및 폴리에틸렌옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기 적당한 점도는 스폰지에 균일한 두께로 코팅을 위한 세라믹 슬러리를 제조하기 위한 바람직한 점도로서, 구체적으로 15 ~ 23 ℃에서 0.1 ~ 1.5 Paㆍs의 점도를 의미한다.

제 3 단계는, 상기 다공체 내부의 골격을 보강해 주는 단계로서, 상기 슬러리를 상기 스폰지에 일정한 두께를 유지하면서 코팅 및 건조 과정을 거쳐 골격이 보강된 스폰지 구조를 형성시킨다.

상기 코팅 및 건조 과정은 2회 이상 반복하며, 상기 코팅 두께는 100 μm 내지 1000 μm을 유지하도록 한다. 100 μm 미만일 경우 스폰지의 골격을 보강하기에 부족하고 1000 μm 초과할 경우 다공체를 구성할 세라믹 슬러리 구조 형성에 바람직하지 못하다.

제 4단계는, 생체 세라믹 분말을 분산제 및 동결매체로 세라믹 슬러리를 제조하는 단계로서, 적당한 점도를 갖는 세라믹 슬러리를 제조한다.

상기 생체 세라믹 분말은 수산화인회석(Hydroxy Apatite; HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite, FHA), 삼인산칼슘(tricalciumphosphate;TCP) 등의 인산 칼슘계 화합물(Calcium Phosphates), BCP(biphasic calcium phosphate), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconina), 실리카(silica) 및 바이오글래스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.

상기 동결매체로는 캠핀(camphene), 물(water), 나프탈렌(naphthalene), 캠퍼(camphor), 티-뷰티알코올(tert-butyl alcohol) 등이 바람직하나, 동결건조 시 한 방향으로 자라는 특성을 가진 캠핀(camphene)이 가장 바람직하다.

상기 동결매체와 생체 세라믹 분말이 균일하게 혼합되기 위하여는 분산제를 사용하는데, 상기 분산제는 균일한 슬러리가 형성될 수 있는 한 특별하게 제한할 필요는 없는데, 바람직하게는 올리고머 폴리에스터(oligomeric polyester)를 사용할 수 있다.

상기 세라믹 분말은 동결매체 100 중량부에 대하여 200 내지 400 중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 만일 너무 적게 사용하면 최종 다공성 세라믹의 강도가 저하되는 문제가 있고 너무 많이 사용하면 슬러리의 점도가 너무 낮아 상기 기본골격을 채우기에 어려움이 있다.

상기 제 4 단계의 분산제는 동결매체에 대하여 100 중량부에 대하여 5 내지 25 중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 만일 너무 적게 사용하면 세라믹 분말의 분산이 원활하지 않아 세라믹 슬러리 제작이 어렵고 너무 많이 사용하면 세라믹 최종 열처리 과정에서 분산제의 제거가 용이하지 않다는 어려움이 있다.

상기 적당한 점도는 기본 골격을 채워 우수한 강도의 다공체를 얻기 위해 제조되는 세라믹 슬러리의 바람직한 점도로서, 구체적으로 50 ~ 70 ℃에서 0.1 ~ 1.5 Paㆍs의 점도를 의미한다. 슬러리의 점도가 너무 낮으면 흐름성이 저하되어 상기 기본골격을 채우기에 어려움이 있다.

제 5 단계는 상기 골격이 보강된 스폰지 구조를 상기 세라믹 슬러리로 채우고 냉각시킨 후, 동결건조 시키는 단계로서, 다공성 세라믹 그린 바디를 형성시킨다. 최종 형성될 다공체에 강도를 저하할 수 있는 요인이 되므로 상기 스폰지 골격과 슬러리 사이에 빈 공간이 생기는 것은 유의해야 한다.

동결성형 후 일정한 온도범위를 유지하면서 세라믹 슬러리를 냉각하여 고체화시키는데, 냉각 온도는 균일한 기공 구조를 얻기 위해 동결매체의 어는점(33 ℃) 보다 최소 10℃ 이하 낮은 온도(바람직하게는 -80 ℃ 내지 23 ℃)에서 급속히 동결을 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 동결건조 과정을 거쳐 응결상과 공기방울을 제거하여 다공성 세라믹 그린바디를 제조한다.

마지막으로, 상기 다공성 세라믹 그린바디를 열처리하는 단계로서, 다공성 세라믹의 그린바디를 열처리하여 스폰지, 골격 보강 물질, 분산제를 제거하고, 세라믹을 치밀화하게 함으로써 세라믹으로 형성된 다공체에 강도를 부여한다. 상기 열처리는 800 내지 1300℃에서 1 내지 3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 소결 온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧은 경우에는 기계적 강도가 낮아질 수 있고 세라믹 외 바인더와 분산제가 잘 제거되지 않을 수도 있으며, 소결 온도가 너무 높거나 시간이 너무 길면 화학적 조성이 달라질 수 있다.

본 발명은, 또한 상기 방법으로 제조된 생체 세라믹 다공체에 관한 것이다.

특히, 상기 생체 세라믹 다공체는 압축강도가 10 내지 30 MPa이므로, 골 대체재 또는 골 충진재로 사용 가능하다.

이하, 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1: 우선배향성 기공 구조를 갖는 생체 세라믹 다공체의 제조

1) 기본 골격 구조 형성 단계:

폴리우레탄 스폰지를 200℃ 오븐에서 2시간 동안 열처리한 후 실온에서 식혀 기본 골격 구조를 제작하였다. 이때, 열처리 전의 폴리우레탄 스폰지의 기공 크기는 1.4 내지 1.7 mm이였으며, 열처리 후 스폰지 기공 크기는 2.0 내지 2.2 mm으로, 143 내지 157% 늘어났음을 확인할 수 있다.

2) 골격 보강용 슬러리 제조 단계

실온에서 에탄올 100 ㎖에 카본 분말 30 g, PVB 6 g 및 TEP 6 g을 혼합한 후 볼밀기계로 점도가 20 ℃에서 0.5 ~ 0.7 Paㆍs인 골격 보강용 슬러리를 제조하였다.

3) 내부 골격 구조 보강 단계

상기 제조된 골격 보강용 슬러리를 상기 1) 기본구조를 형성한 스폰지에 침적 후 압축공기를 분사하여 코팅하고 60 ℃ 오븐에서 30분 동안 건조하는 과정을 5회 반복하여 골격이 보강된 스폰지 구조를 형성하였다[도 2 참조]. 이때, 5회 코팅한 골격 보강용 슬러리를 코팅한 두께는 300 ~ 800 μm이다.

4) 세라믹 슬러리 준비 단계

동결매체(camphene) 10 g, 분산제(KD-4) 1.14 g과 인산칼슘(CaP) 분말 27.27 g을 혼합한 후, 볼밀기계로 점도가 60 ℃에서 0.5 ~ 0.7 Paㆍs인 CaP 세라믹을 제조하였다.

5) 동결주조법( freeze casting )

골격이 보강된 스폰지 구조에 세라믹 슬러리로 채워 20℃로 냉각시켜 세라믹 그린바디를 제조함과 동시에 동결매체의 결정상을 형성하여 동결된 세라믹 그린바디를 형성한 후 동결건조 과정을 24 시간 거쳐 동결매체를 제거하여 그린 바디를 제조하였다[도 2 참조].

6) 그린바디의 소결( sintering )

800℃까지 분당상승온도(5℃/min)로 조절하여 3시간 동안 유지시켜 기본골격인 폴리머 스폰지, 골격을 보강하는 카본, 그린 바디 시편에 함유된 분산제(TEP, KD-4)를 제거하고, 1250℃까지 분당상승온도(5℃/min)로 올린 후 3시간 정도 홀딩시간을 주어 세라믹 다공체를 치밀화하게 함으로써 세라믹으로 형성된 다공체에 강도를 부여하였다.

이렇게 제조된 생체 세라믹 다공체의 기공구조는 도 3과 같이, 한 방향으로 늘어난 기공구조를 나타낸다.

실험예 : 기계적 물성 증진 확인

상기 실시예 1에서 제조된 세라믹 다공체를 기공방향에 따라 수직방향, 수평방향으로 압축강도를 측정하였다.

수평방향에서는 12±2.4 MPa, 수직방향에서는 21±4.9 MPa의 압축강도를 보였다[도 5, 도 6 참조].

Claims (10)

1. 스폰지를 열처리하여 기공을 한 방향으로 늘려 기본구조를 형성하는 제 1 단계;
   내부 골격 보강 물질, 분산제, 결합제를 포함하는 골격 보강용 슬러리를 제조하는 제 2 단계;
   상기 골격 보강용 슬러리를 상기 기본구조를 형성한 스폰지에 코팅 후 건조하여 골격이 보강된 스폰지를 형성하는 제 3 단계;
   생체 세라믹 분말, 분산제 및 동결매체로 세라믹 슬러리를 제조하는 제 4 단계;
   상기 골격이 보강된 스폰지를 상기 세라믹 슬러리로 채우고, 동결매체의 어는점 이하로 냉각시킨 후, 동결건조시켜 다공성 세라믹 그린 바디를 형성하는 제 5 단계;
   상기 다공성 세라믹 그린 바디를 열처리하는 제 6 단계;
   를 포함하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 단계에서 열 처리는 150 내지 350 ℃에서 1 내지 4시간 동안 실시하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 단계에서 기공을 열처리 전 스폰지의 기공 직경 100% 기준으로 110% 내지 160% 늘어난 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 단계의 내부 골격 보강 물질은 카본인 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 단계의 분산제는 트리에틸 포스페이트(triethyl phosphate, TEP)이고, 제 4 단계의 분산제는 올리고머 폴리에스터(oligomeric polyester)인 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 단계의 결합체는 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐 부티랄, 젤라틴, 키토산 및 폴리에틸렌옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 단계의 골격 보강용 슬러리는 15 ~ 25 ℃에서 0.1 ~ 1.5 Paㆍs의 점도를 갖고, 상기 제 4 단계의 세라믹 슬러리는 50 ~ 70 ℃에서 0.1 ~ 1.5 Paㆍs의 점도를 갖는 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 6 단계의 열 처리는 800 내지 1300 ℃에서 1 내지 3 시간 동안 실시하는 생체 세라믹 다공체의 제조방법.
   
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중에서 선택된 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되며, 압축강도가 10 내지 30 MPa인 생체 세라믹 다공체.
   
10. 청구항 9의 생체 세라믹 다공체를 포함하는 골 대체재 또는 골 충진재.

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