KR20170038134A

KR20170038134A - 다공성 골이식재 제조방법

Info

Publication number: KR20170038134A
Application number: KR1020150137169A
Authority: KR
Inventors: 이재준
Original assignee: (주)에스겔
Priority date: 2015-09-26
Filing date: 2015-09-26
Publication date: 2017-04-06
Also published as: KR101762580B1

Abstract

본 발명은 다공성 골이식재 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 골이식재의 주성분으로 하이드록시애피타이트(HA: Hydroxyapatite), 베타-삼칼슘인산(베타- TCP :β- Tricalcium Phosphate) 및 실크 섬유를 포함하는 다공성 골이식재 제조방법을 개시한다.

Description

다공성 골이식재 제조방법{A method for preparing porous bone graft materials}

본 발명은 다공성 골이식재 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 골이식재의 주성분으로 하이드록시애피타이트(HA : Hydroxyapatite), 베타-삼칼슘인산(베타- TCP :β- Tricalcium Phosphate) 및 실크 섬유를 포함하는 다공성 골이식재 제조방법에 관한 것이다.

골조직은 생체 내의 유일한 경조직으로서, 외상, 종양, 기형 혹은 생리학적 현상 등에 의해 뼈 조직이 손상된 경우에 그 부위에 골을 채워서 신생골을 생성시키게 되는데, 이러한 골 결손부의 회복을 위한 가장 보편적인 방법으로는 다른 부위의 자신의 골을 일부 채취하여 이식하는 자가골 이식방법, 다른 사람의 뼈를 화학 처리하여 이식하는 동종골 이식방법, 동물의 뼈를 화학 처리하여 이식하는 이종골 이식방법 등이 있으나, 일반적으로 가장 좋은 이식방법인 자가골 이식방법은 이차적인 수술이 필요하고, 필요한 만큼의 양을 얻기가 힘들며, 일반 개인의원에서 시행하기가 어렵다는 단점이 있고, 동종골 이식방법은 면역 반응이 일어날 수 있고, 확률은 낮지만 AIDS나 간염과 같은 바이러스를 환자 내로 도입할 수 있는 위험이 있고, 이종골 이식 방법 역시 면역 반응의 문제점과 광우병 등의 문제가 발생할 경우 사용에 문제가 발생하게 되는 단점이 있다. 이에 충분한 양의 골을 쉽게 얻을 수 있으며, 질병에 대한 전염 가능성이 없고, 기존 이식재를 대체할 만한 성능을 갖는 생체 친화성이 우수하고 이식시 적절히 흡수되어 재생골로 치환될 수 있는 골이식(bone - grafting) 재료가 요구되고 있다.

이러한 요구에 따라 개발된 골이식재로서 재료에 따라 금속, 세라믹 재료 및 고분자로 구분할 수 있는데, 금속이나 세라믹과 같은 물질은 주로 치아나 뼈와 같은 경조직 대체재로 사용되는데, 최근에는 각 재료가 갖는 장점을 살려, 세라믹을 고분자와 복합화하거나 금속과 세라믹을 혼합하여 사용하기도 한다. 특히 세라믹 재료는 뼈와 치아의 무기성분인 아파타이트가 세라믹이라는 점에서 뼈와 화학적으로 잘 결합할 수 있는 장점이 있다.

이러한 특성이 있는 세라믹 재료 중 특히 생체활성 세라믹으로는 산화칼슘(CaO)과 산화규소(SiO₂)를 주성분으로 하는 생체활성 유리(bioactive glass)와, 뼈의 주요성분인 칼슘과 인으로 구성된 인산칼슘계 세라믹 등이 있다.

다양한 인산칼슘계 세라믹 화합물이 인공 골이식재로 개발되어 왔으며 대표적으로 하이드록시아파타이트(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, hydroxyapatite ; HA)가 골대체제로서 상용화되어 다양한 제품으로 제공되고 있는데, 예를 들어 대한민국 특허공개공보 제2011-0097559호에서는 "하이드록시아파타이트, 옥시 아파타이트, 인산일칼슘, 인산이칼슘, 인산삼칼슘, 인산사칼슘, 칼슘메타 포스페이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 인산칼슘계 세라믹; 트리칼슘 실리케이트, 칼슘 오르소실리케이트, 칼슘 디실리케이트, 트리칼슘 디실리케이트, 월라스토나이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 칼슘실리케이트계 세라믹; 산화나트륨, 산화칼슘, 오산화인 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 생체활성유리; 지르코니아; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종인 생체활성 세라믹으로 이루어진 기재; 및 상기 기재 표면에 형성된 화학식 1로 표시되는 개질 CNT를 포함하는 CNT 코팅층을 포함하는 세라믹/CNT 복합체"를 개시하고 있다. 생체 안정성과 골전도 성능이 뛰어난 상기 HA는 골결손부 이식 후 주위 조직과 자연스럽게 융화되며 잔존골과 생화학적으로 결합하면서 골결손부를 수복한다. 그러나, 반영구적으로 체내에 잔류하는 HA의 특성으로 인해 주기적인 추시가 필요해짐에 따라 이식 후 생분해, 흡수되면서 신생골 생성을 유도하는 생분해성 세라믹 골이식재의 필요성이 대두되었다. 따라서, 이러한 요구에 부응하여, 신생골이 생성되면서 인체 내에서 생분해되고 주위 조직에 흡수되는 경향이 있는 것으로 인산칼슘계 화합물로서 HA와 유사한 화학적 특성을 보이는 제3인산칼슘, 특히 베타-제3인산칼슘(β

-Ca₃(PO₄)₂, β- tricalcium phosphate ; β- TCP)의 사용이 제안되어 정형외과와 치과영역에서 쓰이는 경조직 대체재료로서 널리 사용되고 있다. 이러한 β-TCP는 골결손부의 수복 이후 수년 이내에 분해, 흡수되는 장점이 있어 다양한 제품에 응용되고 있다.

한편, 상기한 특성을 가지는 세라믹 골이식재는 면역반응이 없고 주위 조직에 대한 부작용이 없기 때문에 안전하게 사용할 수 있는 골 대체재료이나, 세라믹 특성상 다양한 형태의 골결손부에 맞추어 성형하거나 가공할 수 없어 주로 그래뉼(Granules) 형태로 활용되고 있다. 또한, 형태 가공 혹은 성형성의 부재로 인해 자기경화 형태의 골이식재가 개발되어 있다. 초기 자기경화형 골이식재로는 경화 후 뼈의 미네랄성분과 동일한 HA를 주성분으로 하는 제품이었으며, 현재까지도 HA를 주성분으로 하는 다양한 자기경화형 골이식재가 제품화되어 있다. 자기경화형 골이식재도 세라믹 골이식재와 마찬가지로 생분해성을 갖는 조성이 요구되었고 그로 인해 베타형-제3인산칼슘과 인산제2칼슘(CaHPO₄2H₂O, Dicalcium phosphate dihydrate; DCPD)으로 구성된 자기경화형 골이식재가 개발되어 왔다.

또한, 골이식재의 구성요소 중 가장 중요한 것은 기공성으로, 평균 직경 150~850um의 기공을 포함하는 이식재가 신생골의 성장과 주위 조직 및 혈관 생성에 도움이 되어 가장 바람직하다. 따라서, 대부분의 세라믹 골이식재들은 성분에 관계없이 다공성의 제품이 상용화되고 있으며 자기경화형 골이식재도 기공율이 높은 형태로 개발되고 있다. 소결에 의해 제조되는 세라믹 골이식재는 스폰지 제조법이나 발포법 등을 활용하여 직경 50um 이상의 거대기공을 형성시킬 수 있다. 그러나, 자기경화형 골이식재는 수화반응에 의해 최종 구조가 결정되기 때문에 인위적인 거대기공을 제품 내부에 형성시킬 수 없어 나노 내지 수 마이크로 단위의 미세기공을 포함하는 제품으로 개발되고 있다. 이는 골이식재 내부로의 조직 성장과 신생 뼈의 전달을 위한 유효공간인 거대기공을 제공할 수 없는 단점이 있어 골대체재로 활용하기 위한 구조적 개선이 필요한 실정이다.

본 발명은 생체 내로 부작용없이 주입될 수 있고 또한 일정 시간 경과 후 생체 내에서 분해 흡수되는 생분해성의 골이식재를 제공하기 위한 것으로, 내부로의 조직 성장과 신생 뼈의 전달을 위한 유효공간인 기공을 효과적으로 제공할 수 있는 골이식재를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수단으로서, 에탄올에 지르코니아 볼을 에탄올의 절반 부피만큼 넣은 후에 HA 및 베타-TCP를 동일한 중량비로 혼합하는 단계, 상기 혼합액을 볼밀기에 넣고 200 ~ 400rpm의 회전속도로 24 ~ 36시간 볼밀과정을 수행하는 단계, 상기 볼밀과정을 거친 혼합액을 소정의 매쉬크기로 채걸음하는 단계, 상기 채걸음한 혼합액을 60±10℃의 드라이오븐에서 3 ~ 5시간 건조한 후에 실온에서 12 ~ 15시간 건조하여 에탄올을 완전히 제거하는 단계, 상기 건조한 혼합물을 알루미나 용기에 넣어 소정의 조건으로 전기로에서 하소처리하는 단계, 상기 하소처리하여 BCP분말을 준비하는 단계, 에탄올을 넣은 용기에 PVB를 넣은 후에 교반하면서 PVB가 완전히 용해되도록 한 다음 TEP를 상기 PVB와 동일한 중량비로 넣고 실크 섬유를 PVB에 대하여 5% 중량비로 첨가하고, 상기 준비한 BCP 분말은 PVB에 대하여 5배의 중량비로 혼합하여 1주일 정도 교반하여 BCP 슬러리를 준비하는 단계, 및 상기 준비한 BCP 슬러리를 나무 및 카본블랙 등의 연소재로 구성되고 다수의 통공(150 ~ 850 ㎛ 크기)이 형성된 입방체 블록의 내외부 표면을 BCP 슬러리로 코팅한 다음 1250℃의 전기로에서 소결처리하여 골이식재를 제조하는 단계를 포함하는 것으로 다수의 통공(150 ~ 850 ㎛ 크기)이 형성된 입방구조체 블록으로 형성된 골이식재를 형성할 수 있게 한다.

본 발명에 따른 줄기세포 저장체를 제공함으로써 골 손상에 따른 치료가 환자의 면역거부반응 및 감염의 위험성을 줄일 수 있게 할 뿐만 아니라 인체로부터 회득한 줄기세포를 배양 분화시켜서 결손 조직 내에서의 항상성을 유지시켜줄 수가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 입방 구조체의 골이식재를 나타낸 사시도이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 골이식재의 제조방법으로, BCP(Bi-calcium phosphate) 분말을 준비한다.

상기 준비한 BCP 분말을 이용하여 BCP 슬러리(slurry)를 제조한 다음 나무나 카본블랙의 연소재로 이루어지되 다수의 통공(150 ~ 850 ㎛ 크기)이 형성된 블록에 BCP 슬러리를 코팅한다.

상기 BCP 슬러리 코팅된 다수의 통공이 형성된 블록을 1250℃의 전기로에서 소결처리함으로써 최종 다공성 골이식재를 생성한다.

실시예

1. BCP ( Bi - calcium phosphate ) 분말 제조

400ml의 에탄올을 메스실린더로 측정한 뒤 500~1000ml 크기의 용기에 넣고, 또한 이 용기에 지르코니아 볼을 약 200ml 부피 가량 넣은 뒤, HA 50 ~ 60g과 베타-TCP 50 ~ 60g을 넣어준다.

이때 HA 및 베타-TCP는 파우더이므로 충분히 흔들어 준 뒤 에탄올이 부족할 경우 약 30 ~ 50ml 정도 보충한다.

볼밀기(ball mill)에서 200 ~ 400rpm으로 24 ~ 30시간 정도 볼밀과정을 거친다.

볼밀 후 325매쉬의 채로 채 걸음 한 뒤, 혼합용액을 트레이에 옮겨 60±10℃의 드라이오븐에서 3 ~ 5시간가량 건조한다.

건조된 상태에서 실온에서 12 ~ 15시간 더 건조한다.

이 건조조건은 잔류 에탄올을 완전히 승화시키기 위함이다.

에탄올을 완전 건조 후 하소 처리를 위하여 알루미나 도가니에 담는다.

이후 퍼니셔에 넣은 후 하소 작업을 실시한다.

이때 하소 처리의 조건은 퍼니셔(FURNACE)의 온도 상승을 분당 5 ~ 10도씩으로 조정하며 90 ~ 180분 동안 상승하여 900도로 맞춘다, 그 상태에서 약 180 ~ 240분간 유지하며, 그 후 시간당 100도 정도 하락하여 약 8 ~ 9시간 후 퍼니셔에서 꺼내면 된다.

이 하소된 파우더를 200㎛로 채걸음 하면 BCP파우더의 제조는 완료된다.

필요에 따라서 선택적으로, 상기 혼합과정에 실크 미섬유 메쉬(silk microfibril mesh) 및 PCL(polycaprolactone) 중 최소한 하나를 첨가할 수도 있다.

2. BCP slurry 의 제조

300ml 부피의 유리병에 에탄올 150 ~ 200ml을 넣은 뒤, 200 ~ 300rpm의 속도로 자석교반기를 이용하여 교반하면서, PVB(poly-(vinyl butyral-co-vinyl alcohol-co-vinyl acetate) 6 ~ 10g을 천천히 넣는 후 약 6 ~ 10시간 정도 교반하여, PVB가 에탄올에 다 용해되었는지 확인한다.

PVB가 다 용해되었으면, 용액에 TEP(triethylphosphate, 99.8% 시그마알드리치) 6 ~ 10g을 넣은 뒤, BCP powder 30g 및 silk 0.3g 을 넣고 약 1주일 정도 충분히 교반하여 BCP slurry를 제조한다.

상기 준비한 BCP 슬러리를 다수의 통공이 형성된 입방체의 블록에 코팅한 다음 1250℃의 전기로에서 소결처리함으로써 도 1에 나타낸 바와 같은 다수의 통공(11)이 형성된 입방체로서 각 채널의 네트워크를 형성한 골 매트릭스(bone matrix)를 생성한다.

Claims

골이식재의 제조방법에 있어서,
에탄올에 지르코니아 볼을 에탄올의 절반 부피만큼 넣은 후에 HA 및 베타-TCP를 동일한 중량비로 혼합하는 단계;
상기 혼합액을 볼밀기에 넣고 200 ~ 400rpm의 회전속도로 24 ~ 30시간 볼밀과정을 수행하는 단계;
상기 볼밀과정을 거친 혼합액을 소정의 매쉬크기로 채걸음하는 단계;
상기 채걸음한 혼합액을 60±10℃의 드라이오븐에서 3 ~ 5시간 건조한 후에 실온에서 12 ~ 15시간 건조하여 에탄올을 완전히 제거하는 단계;
상기 건조한 혼합물을 알루미나 용기에 넣어 소정의 조건으로 전기로(FURNACE)에서 하소처리하는 단계;
상기 하소처리하여 200㎛ 입경크기의 BCP분말을 준비하는 단계;
에탄올을 넣은 용기에 PVB를 넣은 후에 교반하면서 PVB가 완전히 용해되도록 한 다음 TEP를 상기 PVB와 동일한 중량비로 넣고 실크 섬유를 PVB에 대하여 5% 중량비로 첨가하고, 상기 준비한 BCP 분말은 PVB에 대하여 5배의 중량비로 혼합하여 1주일 정도 교반하여 BCP 슬러리를 준비하는 단계; 및
상기 준비한 BCP 슬러리를 나무 또는 카본블랙의 연소재로 구성되어 다수의 통공이 형성된 입방체에 코팅한 다음 1250℃의 전기로에서 소결처리하여 골이식재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 골이식재 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 소정의 매쉬크기는 325인 것을 특징으로 하는 골이식재 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 전기로에서 하소처리하는 소정의 조건은 전기로의 온도 상승을 분당 5 ~ 10℃씩으로 조정하며 90 ~ 180분 동안 상승하여 900℃로 가열한 후에 그 상태에서 180 ~ 240분 정도 유지하며, 그 후 시간당 100℃ 정도 하락하여 8 ~ 9시간 후 전기로에서 꺼내는 것을 특징으로 하는 골이식재 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 골이식재의 형성된 다수의 통공의 크기(poresize)는 150~850㎛로 조절하여 만든 골이식재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 골이식재의 혼합과정에서 실크 미섬유 메쉬(silk microfibril mesh) 및 PCL(polycaprolactone) 중 최소한 하나를 포함하는 골이식재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 골이식재의 블록은 각 채널의 네트워크를 형성한 골매트릭스(bone matrix)를 형성한 골이식재의 제조방법.