KR20150092450A - 내·외경이 연결된 다공성구조의 인공뼈를 만들기 위한 제조방법 - Google Patents

내·외경이 연결된 다공성구조의 인공뼈를 만들기 위한 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 인공뼈 제조방법은, 내·외경이 연결된 인공뼈를 만들기 위하여 바이오세라믹(biocermaics)과 폴리머(polymer)가 고온에서 혼합되어 만들어진 bio-rod와 poly-rod를 만드는 공정; bio-rod와 poly-rod가 교차 배열되어 twist-rod가 형성되는 공정; twist-rod가 일정길이로 절단되어 금형 안에서 배열된 후 고온 압축되는 공정; 고온압축 후 1, 2차 소결 과정을 통해 인공뼈가 만들어지는 공정을 포함하며, 상기 제조방법은 천연골이 가지는 생체적합성과 내·외경이 연결된 다공성 구조가 동시에 구현된 인공뼈을 제조할 수 있으며, 자가골과 이종골을 대체하여 의료분야에서 다양하게 활용 가능하다.

Description

내·외경이 연결된 다공성구조의 인공뼈를 만들기 위한 제조방법{Method for making the artificial bone with connected structure}
본 발명은 바이오 세라믹이 포함된 줄형태의 가닥과 바이오세라믹이 포함되지 않은 줄형태의 가닥이 교차 배열되어 만들어진 Twist-rod를 이용해 제조된 인공뼈에 관한 것이다.
많은 연구자들이 바이오 세라믹을 이용해 천연골 형태를 모방한 인공뼈 제작에 노력하고 있지만 현재까지는 천연골과 같이 내·외경이 연결된 다공성구조의 형태 모방에 한계를 보이고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 Block/Injection type의 골충진제들은 다공성구조를 모방하고는 있지만 안쪽으로 서로 연결되지 못하여 다공성구조체로서의 실질적인 역할을 못하고 있다, 이러한 구조는 인체에 이식된 후 세포들이 골충진제 안쪽으로 차 들어가지 못하게 하여 안쪽과 바깥쪽을 연결해주는 혈관들을 원활히 생성하지 못하고 있다. 혈관생성의 어려움으로 원할한 영양과 산소공급이 이루어지지 않아 이식 부위의 안정화에 여러 문제점을 야기 하며 심한 경우 괴사가 발생되어 재수술이 이루어진다. 이러한 문제점들의 인식으로 바깥쪽과 안쪽이 서로 연결된 구조를 실현하기 위하여 현재 널리 사용되고 있는 방법으로는 Sponge 복제법이 상업화 되어 이용되고 있지만 약한 기계적 강도, 크기의 제한성, 균일한 형상 제어 및 생산의 자동화 등의 제한성으로 내·외경이 연결된 다공성구조의 인공뼈 제작에 많은 제약이 따르고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 내·외경이 연결된 다공성구조의 인공뼈제작에 관한 새로운 방법을 제시하여 기존 기술의 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명의 목적은 고온 압출로 제어된 rod형태의 바이오세라믹을 응용한 형상제어기술로 천연골이 가지는 생체적합성과 기계적 강도가 동시에 구현된 새로운 인공뼈 제조방법이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인공뼈 제조방법은 바이오세라믹(bioceramics)과 폴리머(polymer)가 혼합된 bio-rod와 폴리머(polymer)로 구성된 poly-rod가 서로 교차되게 배열된 Twist-rod를 이용하여 만드는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 바이오세라믹(Bioceramics)은 특별히 제한되는 것은 아니나, HAp(hydroxyapatite), TCP(tricalcium phoshpate) 또는 두 물질이 같이 존재하는 BCP(biphasic calcium phosphates) 등에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있다. 위와 같은 칼슘포스페이트(Calcium phosphate)계 세라믹은 천연골과 비슷한 무기물질로 구성되어 있기 때문에 생체적합성이 우수하다는 장점이 있다. 한편, 상기 칼슘포스페이트(Calcium phosphate)계에 규소(silicon)와 스트론튬(strontium)를 포함시킨 바이오세라믹(Bioceramics) 또는 이들의 혼합물 또는 화합물 등이 사용될 수도 있다
다공성구조를 제어하기 위해서는 일정온도에서 소멸되는 폴리머(Polymer)가 사용되었으며 에틸렌비닐아세테이트(EVA, Ethylene vinyl acetate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 왁스(Wax) 또는 폴리프로필렌(Polypropylene) 등에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있고 강도를 증가시키기 위하여 상기 폴리머에 선택적으로 carbon을 5%이상 더욱 포함시킬 수도 있다.
바이오세라믹(Bioceramics)와 폴리머(Polymer)가 고온 결합된 bio-rod와 폴리머(polymer)로 구성된 poly-rod를 서로 교차 배열시켜 Twist-rod를 제작하였다. Twist-rod를 일정공간에서 고온 압축하여 내·외경이 연결된 다공성구조의 인공뼈를 제작 하였다.
상기 내·외경이 하나의 선으로 연결된 다공성구조의 인공뼈의 제조방법은
바이오세라믹을 포함하는 rod (Bio-rod를) 준비하는 단계;
폴리머를 포함하는 rod (poly-rod)를 준비하는 단계;
필요에 따라 바이오세라믹과 폴리머가 일정비율로 섞여 있는 rod (Bio&pol-rod)를 준비하는 단계;
상기 준비된 각 Rod의 일부 또는 전부를 순차 또는 교차 배열하여 twist-rod를 사출하는 단계;
필요에 따라 상기 사출된 twist-rod를 절단하는 단계;
일정공간에 고온압축하여 형상을 제어하는 단계;
필요에 따라 상기 제조단계를 반복하여 twist-rod를 성형하는 단계; 및
소결하여 polymer를 제거하는 단계를 포함한다.
상기 제조방법에 의해 제조된 인공뼈는 필요에 따라 적당한 크기로 분쇄 또는 제단되어 사용될 수 있고 하나의 예로 분말형태로 사용될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 인공뼈 제조방법은 Twist-rod 제작 이후에, 고온 압축과정으로 형상을 제어한 후, 소결공정을 거치게 된다.
고온 압축된 Twist-rod는 반복적인 압출과정을 통해 보다 향상된 강도증가를 기대할 수 있으며 미세구조의 크기를 조절하는 공정으로 활용이 가능하다.
또한, Twist-rod를 이용한 인공뼈 제조방법은 기존 다공성구조의 인공뼈 제조방법이 지니고 있는 수작업형태의 제조공정상 문제점을 해결하여 인공뼈제조공정의 자동화라는 획기적인 인공뼈제조공정 제시가 가능하다.
또 다른 예로, 3가닥의 bio-rod와 1가닥의 poly-rod로 구성된 twist-rod로 제작된 인공뼈는 1가닥의 bio-rod와 1가닥의 poly-rod로 구성된 twist-rod로 만들어진 인공뼈보다 높은 기계적강도 구현과 공극률의 감소를 의도적으로 조절할 수도 있다.
필요에 따라, 바이오세라믹과 폴리머가 일정비율로 섞여 있는 rod (Bio&poly-rod)를 사용할 수 있으며, 이 때 바이오세라믹(Bioceramics)은 적어도 30% 이상 포함되고 폴리머(Polymer)는 10% 이상 포함되는 것이 바람직하다.
인공뼈는 인체의 많은 곳에서 사용되고 있는 만큼 다양한 형태와 강도를 요구하고 있다. 일반적으로 높은 기계적강도를 필요로 하는 정형외과의 인공뼈와는 다르게 치과용 소재들은 기계적강도 보다는 높은 생체적합성과 공극률을 필요로 한다. 이처럼 다양한 인공뼈를 만들기에 twist-rod를 이용한 제조방법은 수술부위의 환경에 맞추어 강도를 조절하거나 다공성 구조를 필요로 하는 다양한 형상과 구조를 구현하여 최적의 조건을 갖춘 인공뼈 설계와 제작에 적합한 제조 방법이다.
여러 가지 제조단계에서의 변화를 통하여 인공뼈의 미세구조 크기와 제조되는 인공뼈의 강도가 조절될 수 있다. 예를 들어 각 rod의 가닥수, 굵기, 배열순서 및/또는 twist-rod의 압출과정의 반복수 및/또는 bio-rod에 사용되는 세라믹 소재의 다양한 조합 또는 선택을 통하여 제조되는 인공뼈의 강도 또는 미세구조나 그 크기가 조절될 수 있다.
또 다른 조절방법으로 고온압출하기 전 단계에서 금형안에 배열되는 twist-rod의 배열방법과 가닥 수를 조절하거나, 금형안에 배열되는 twist-rod의 종류를 서로 다른 2종 이상을 배열한 후 고온압출할 때 입구의 크기 또는 모양을 조절하기도 하고, twist-rod를 고온압축하고 재차 사출할 때 교차 배열되는 가닥수를 조절하는 방법이나 고온압축 및 사출을 수차례 사출을 반복하기도 하고, 이러한 조절방법을 하나 또는 그 이상 복합적으로 적용하거나 반복함으로써 다공성미세구조 및 강도를 아주 다양하게 구현시킬 수 있다. 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 상기 조절방법 중 가장 대표적인 실시예로 그 구체적인 제조예를 나타내었으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 인공뼈 제조방법은, 기존 방법과 다르게 새로이 제시되는 내경과 외경이 연결된 다공성구조의 인공뼈 제조 방법이다. 이 제조공정은 임의적인 미세구조 크기 조절이 가능하여 제조될 인공뼈의 강도를 증가 시킬 수 있다. 미세구조 크기의 조절 또는 제조되는 인공뼈의 강도는 rod의 가닥수, 굵기, 배열순서 및/또는 twist-rod 압출과정의 반복수 및/또는 bio-rod에 사용되는 세라믹 소재의 다양한 조합 또는 선택을 통하여 조절할 수 있다.
또한, 수작업형태의 인공뼈제조공정에서 벗어나 인공뼈제조의 자동화를 실현 할 수 있다. 이러한 인공뼈는 의공학 및 의료분야 등에서 다양하게 활용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공뼈을 제조과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 2가닥의 bio-rod와 1가닥의 poly-rod가 교차배열 되어 제작된 3가닥의 twist-rod(a)이며 2가닥의 bio-rod와 2가닥의 poly-rod가 교차배열 되어 제작된 4가닥의 twist-rod(b)를 보여주는 사진이다.
도 3은 도 2-(a)에서 3가닥으로 이루어진 twist-rod를 고온압축 후 생성된 구조체의 바깥형상(a)과 전단단면(b)를 보여주며 (c)와 (d)는 도 2-(b)에서 4가닥으로 이루어진 twist-rod를 고온압축 하여 생성된 구조체의 바깥형상과 내부단면을 보여주는 사진이다.
도 4는 도 3-(a, b)를 소결하여 생성된 소결체 사진(d, e, f)으로 외부에서 내부로 연결된 경로를 보여주는 사진이다.
도 5는 소결 후 생성된 소결체(도 4-(d))의 희석된 추출물에 대하여 MTT assay 분석을 한 결과로 전조골세포(MC3T3-E1)대한 상대적 세포 활성을 나타내고 있으며 높은 세포 생존율을 나타내고 있다.
이하, 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예 등은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
본 실시예에서는 골 결손부위에 충진 가능한 인공뼈를 제조하였으며, 도 1에 제조공정을 모식적으로 나타내었다. 형상제어물질로 BCP(biphasic calcium phosphates)를 사용하였고, 다공성 구조 형성물질로 EVA(ethylene vinyl acetate)가 사용 되었다.
Bioceramics composite(BCP 50vol%/EVA 50vol%)와 Polymer composite(EVA 98%vol/Carbon 2vol%)는 120ㅀC의 고온과정에서 혼합하여 합성하였다.
Poly-rod와 bio-rod는 100ㅀC의 고온조건에서 지름1mm의 금형을 통해 형상제어를 실시하였다. Twist-rod는 지름1mm로 제어된 2개의 Poly-rod와 2개의 bio-rod를 교차 배열시켜 균일한 형상을 제어하였다.
Twist-rod를 15mm의 길이로 균일하게 절단한다. 지름 9mm의 금형에 8개의 절단된 twist-rod를 넣고 100ㅀC의 분위기에서 90kgf의 힘으로 압축하여 인공뼈의 최종형상을 제어한다. 고온압축 된 인공뼈의 최종형상은 금형설계 변경을 통해 다양한 형태의 인공뼈설계가 가능하다.
흰색부분은 bio-rod로 생성된 부분으로 1,2차 소결과정을 통해 인공뼈의 형상을 유지시켜주는 부분이며 검은색 부분은 poly-rod로 생성된 부분으로 1,2차 소결과정을 통해 내·외경을 연결해 주는 다공성구조를 형성 시켜주는 역할을 한다.
고온압축된 twist-rod는 1차 소결 과정에서 900ㅀC까지 서서히 온도를 변화시켜 Poly-rod를 제거 하였고 2차 소결 과정에서는 1250ㅀC까지 서서히 온도를 변화시켜 소결 과정을 마무리 하였다.
[실시예 2]
다음 결과값은 소결 후 소결체에 대한 물리적 특성 평가를 보여준다.
소결온도
(ㅀC)		 외부직경
(mm)		 압축강도
(MPa)		 상대밀도
(%)
1250 9ㅁ0.4 5.7ㅁ1.2 37.3ㅁ2.4
소결온도를 1250ㅀC로 설정하여 소결체를 완성하였다. 금형를 이용하여 소결체의 형상을 제어하였지만 bioceramics 특성상 높은 온도의 소결과정에서 형상변화가 발생되었다. 압축강도는 대략 5.7(MPa)로 높지 않은 값을 보여주고 있지만, Twist-rod를 구성하는 Poly-rod와 bio-rod의 굵기와 가닥수를 조절하여 전체적인 압축강도과 상대밀도에 대한 값의 증가와 감소가 가능할 것으로 기대된다. 또한, 소결온도의 증가에 비례하여 압축강도의 증가를 기대할 수 있다.
도 1에서 bio-rod, poly-rod, twist-rod 에 관해 도식으로 설명되어 있음.

Claims (16)

  1. 내·외경이 연결된 구조를 갖는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 바이오세라믹(Bioceramics)은 칼슘포스페이트(Calcium phosphate)계의 HAp(hydroxyapatite), TCP(tricalcium phoshpate), BCP(biphasic calcium phosphates)과 칼슘포스페이트(Calcium phosphate)계에 규소(silicon)와 스트론튬(strontium)를 포함시킨 바이오세라믹(Bioceramics)으로 이루어진 것을 특징하는 다공성구조의 바이오세라믹 인공뼈
  3. 제 1 항 내지 제 2 항에 있어서, 상기 인공뼈는 분말형태인 것을 특징으로 하는 다공성구조의 바이오세라믹 인공뼈
  4. 바이오세라믹을 포함하는 rod (Bio-rod를) 준비하는 단계;
    폴리머를 포함하는 rod (poly-rod)를 준비하는 단계;
    필요에 따라 바이오세라믹과 폴리머가 일정비율로 섞여 있는 rod (Bio&pol-rod)를 준비하는 단계;
    상기 준비된 각 Rod의 일부 또는 전부를 순차 또는 교차 배열하여 twist-rod를 사출하는 단계;
    필요에 따라 상기 사출된 twist-rod를 절단하는 단계;
    일정공간에 고온압축하여 형상을 제어하는 단계;
    필요에 따라 상기 제조단계를 반복하여 twist-rod를 성형하는 단계; 및
    소결하여 polymer를 제거하는 단계를 포함하는
    내·외경이 연결된 구조를 갖는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 폴리머(Polymer)는 에틸렌비닐아세테이트(EVA, Ethylene vinyl acetate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 왁스(Wax), 폴리프로필렌(Polypropylene)에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 twist-rod는 poly-rod와 bio-rod가 교차 배열되는 것임을 특징으로 하는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  7. 제 4 항에 있어서, twist-rod의 poly-rod와 bio-rod의 가닥수의 조절을 통하여 불규칙적인 다공성구조를 갖는 것임을 특징으로 하는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  8. 제 4 항에 있어서, twist-rod의 poly-rod와 bio-rod의 배열순서를 조절함으로써 불규칙적인 다공성구조를 갖는 것임을 특징으로 하는 갖게 함을 특징으로 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  9. 제 4 항에 있어서, twist-rod의 poly-rod와 bio-rod의 굵기를 조절하거나 각 rod의 굵기를 서로 다르게 하여 다공성구조를 제어하는 것임을 특징으로 하는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 twist-rod의 사출횟수의 조절을 통하여 불규칙적인 다공성구조를 갖는 것임을 특징으로 하는 갖게 함을 특징으로 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  11. 제 4 항에 있어서, twist-rod를 고온압축하고 재차 사출할 때 교차 배열되는 가닥수를 조절하거나 및/또는 배열순서를 조절하거나 및/또는 rod의 굵기를 조절함으로써 다공성구조를 제어하는 것임을 특징으로 하는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  12. 제 4 항에 있어서, 고온압출하기 전 단계에서 금형안에 배열되는 twist-rod의 배열방법과 가닥 수를 조절함으로써 다공성구조를 제어하는 것임을 특징으로 하는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  13. 제 4 항에 있어서, 금형안에 배열되는 twist-rod의 종류를 서로 다른 2종 이상을 배열한 후 고온압출하고 입구의 크기 또는 모양을 조절함으로써 다공성구조를 제어하는 것임을 특징으로 하는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  14. 제 4 항의 바이오세라믹과 폴리머가 일정비율로 섞여 있는 rod (Bio&poly-rod) 는 바이오세라믹(Bioceramics)이 30% 이상 포함되고 폴리머(Polymer)가 10% 이상 포함되는 것임을 특징으로 하는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법
  15. 제 4 항에 있어서, 상기 poly-rod의 폴리머는 에틸렌비닐아세테이트(EVA, Ethylene vinyl acetate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 왁스(Wax), 폴리프로필렌(Polypropylene)에서 선택된 어느 하나 이상과 5% 이상의 carbon을 추가로 포함하는 것임을 특징으로 하는 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈의 제조방법.
  16. 제 4 항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 다공성 구조의 바이오세라믹 인공뼈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019031772A3 (en) * 2017-08-11 2019-03-28 Bioalpha Corporation AGGREGATE OF PELLETS FOR BONE REPLACEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

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