KR20180132207A - 생체활성 유리 섬유를 이용한 구조체용 생체 세라믹 및 그 제조방법 - Google Patents

생체활성 유리 섬유를 이용한 구조체용 생체 세라믹 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 골시멘트(bone cement)와, 생체 내에 주위의 뼈와 접촉하여 화학결합을 이룰 수 있는 생체활성 유리 섬유가 직조에 의해 얽혀서 망사 형태를 이루는 패브릭 시트를 포함하며, 상기 생체활성 유리 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛이고, 상기 패브릭 시트는 상기 골시멘트의 표면에 부착되어 있거나 상기 골시멘트의 내부에 위치되어 상기 골시멘트와 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 생체활성 유리(Bioactive Glass) 섬유를 포함하는 패브릭 시트가 골시멘트(bone cement)의 단점을 보완하여 주므로 강성, 인성 등의 기계적 특성이 우수하며, 생체활성 유리 섬유가 함유되어 있으므로 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이룰 수 있으며, 생체안정성이 뛰어나고, 동물이나 인체의 신체에 삽입 후에도 부작용이 적다.

Description

생체활성 유리 섬유를 이용한 구조체용 생체 세라믹 및 그 제조방법{Bio ceramic for structural body comprising bioactive glass fiber and manufacturing method of the same}
본 발명은 구조체용 생체 세라믹 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체활성 유리(Bioactive Glass) 섬유를 포함하는 패브릭 시트가 골시멘트(bone cement)의 단점을 보완하여 주므로 강성, 인성 등의 기계적 특성이 우수하며, 생체활성 유리 섬유가 함유되어 있으므로 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이룰 수 있으며, 생체안정성이 뛰어나고, 동물이나 인체의 신체에 삽입 후에도 부작용이 적은 구조체용 생체 세라믹 및 그 제조방법에 관한 것이다.
바이오 세라믹은 매우 우수한 생체 친화성을 갖고, 우수한 내화학성 및 내열성을 가지며, 경도 또한 우수하다. 그러나, 바이오 세라믹은 깨지기 쉽고, 파괴인성이 낮으며, 성형성이 좋지 못하므로 가공을 위해서는 고비용이 요구되는 단점이 있다.
예를 들면, 알루미나(alumina, Al2O3), 지르코니아(zirconia, ZrO2)와 같은 생체불활성 바이오 세라믹스는 우수한 생체 내 안정성을 가지며, 단단하고, 우수한 내마모성과 압축강도를 갖지만, 깨지기 쉬운 취성이 있는 단점이 있다. 이러한 생체불활성 바이오 세라믹스는 치아의 흠집을 메우는 치아수복재, 우수한 내마모성이 요구되는 인공관절의 뼈 등으로 많이 사용되고 있다. 그러나, 주위의 조직과 결합성의 결여로 생체이물반응이 일어나고, 섬유성 피막의 형성으로 고정이 잘 되지 않는 문제가 있다.
따라서, 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고, 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이루는 새로운 생체활성 바이오 세라믹스가 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-1983-0007451호 대한민국 공개특허공보 제10-1985-0001126호 대한민국 등록특허공보 제10-1432207호 대한민국 등록특허공보 제10-1458060호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 생체활성 유리(Bioactive Glass) 섬유를 포함하는 패브릭 시트가 골시멘트(bone cement)의 단점을 보완하여 주므로 강성, 인성 등의 기계적 특성이 우수하며, 생체활성 유리 섬유가 함유되어 있으므로 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이룰 수 있으며, 생체안정성이 뛰어나고, 동물이나 인체의 신체에 삽입 후에도 부작용이 적은 구조체용 생체 세라믹 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 골시멘트(bone cement)와, 생체 내에 주위의 뼈와 접촉하여 화학결합을 이룰 수 있는 생체활성 유리 섬유가 직조에 의해 얽혀서 망사 형태를 이루는 패브릭 시트를 포함하며, 상기 생체활성 유리 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛이고, 상기 패브릭 시트는 상기 골시멘트의 표면에 부착되어 있거나 상기 골시멘트의 내부에 위치되어 상기 골시멘트와 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹을 제공한다.
상기 패브릭 시트는 금속 섬유, 탄소 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 생체미반응 섬유가 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 직조(weaving)되어 망사 형태를 이룰 수 있으며, 상기 생체미반응 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛인 것이 바람직하다.
상기 패브릭 시트는 복수 개 적층되어 적층체를 이루는 것일 수 있다.
상기 패브릭 시트는 둥굴게 말려져 원통체를 이루는 것일 수 있다.
상기 패브릭 시트에 조골 단백질이 흡착되어 있을 수 있다.
상기 패브릭 시트의 가장자리 테두리는 열처리에 의해 연화되어 상기 생체활성 유리 섬유의 단부가 라운딩(rounding)되어 있을 수 있다.
상기 생체활성 유리 섬유는 산화칼슘(CaO) 18∼28중량%, 오산화인(P2O5) 4∼9중량%, 산화규소(SiO2) 35∼58중량% 및 산화나트륨(Na2O) 18∼28중량%를 포함하는 유리로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은, 평균 직경이 0.1∼500㎛인 생체활성 유리 섬유를 준비하는 단계와, 생체 내 주위의 뼈와 접촉하여 화학결합을 이룰 수 있는 상기 생체활성 유리 섬유를 직조하여 망사 형태를 이루는 패브릭 시트를 형성하는 단계와, 상기 패브릭 시트를 원하는 형태로 절단하여 단계와, 상기 패브릭 시트를 골시멘트(bone cement)에 부착하여 상기 패브릭 시트와 상기 골시멘트가 일체화되게 하거나, 상기 패브릭 시트와 골시멘트 조성물을 혼합하고 상기 골시멘트 조성물을 경화시켜 골시멘트의 내부에 상기 패브릭 시트가 위치되게 하여 상기 패브릭 시트와 상기 골시멘트가 일체화되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹의 제조방법을 제공한다.
상기 패브릭 시트를 형성하는 단계에서, 금속 섬유, 탄소 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 생체미반응 섬유를 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 직조(weaving)하여 망사 형태의 상기 패브릭 시트를 형성할 수 있으며, 상기 생체미반응 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛인 것이 바람직하다.
상기 구조체용 생체 세라믹의 제조방법은 상기 패브릭 시트를 복수 개 적층하여 적층체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 구조체용 생체 세라믹의 제조방법은 상기 패브릭 시트를 둥굴게 말아서 원통체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 구조체용 생체 세라믹의 제조방법은 상기 패브릭 시트에 조골 단백질을 흡착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 구조체용 생체 세라믹의 제조방법은 상기 패브릭 시트의 가장자리 테두리를 열처리에 의해 연화시켜 상기 생체활성 유리 섬유의 단부가 라운딩(rounding)되게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 생체활성 유리 섬유는 산화칼슘(CaO) 18∼28중량%, 오산화인(P2O5) 4∼9중량%, 산화규소(SiO2) 35∼58중량% 및 산화나트륨(Na2O) 18∼28중량%를 포함하는 유리로 이루어질 수 있다.
본 발명의 구조체용 생체 세라믹에 의하면, 생체활성 유리(Bioactive Glass) 섬유를 포함하는 패브릭 시트가 골시멘트(bone cement)의 단점을 보완하여 주므로 강성, 인성 등의 기계적 특성이 우수하며, 생체활성 유리 섬유가 함유되어 있으므로 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이룰 수 있으며, 생체안정성이 뛰어나고, 동물이나 인체의 신체에 삽입 후에도 부작용이 적다.
또한, 생체미반응 섬유가 생체활성 유리 섬유의 단점을 보완하여 주므로 강성, 취성 등의 기계적 특성이 우수하며, 생체활성 유리 섬유를 포함하는 섬유들로 이루어지므로 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이룰 수 있으며, 생체안정성이 뛰어나고, 동물이나 인체의 신체에 삽입 후에도 부작용이 발생하지 않는다.
도 1은 생체활성 유리 섬유(110)가 네트워크 형태로 얽혀서 망사 형태를 이루는 패브릭 시트(100)의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 생체활성 유리 섬유(110)와 생체미반응 섬유(120)가 네트워크 형태로 얽혀서 망사 형태를 이루는 패브릭 시트(100)의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 패브릭 시트를 복수 개 쌓아서 적층체를 만드는 모습을 보여주는 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 골시멘트와 패브릭 시트를 포함하는 구조체용 생체 세라믹의 일 예를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하에서, '생체'라 함은 생물의 몸체, 예컨대 사람이나 동물의 신체를 의미하는 것으로 사용한다.
본 발명은 생체활성 유리(Bioactive Glass) 섬유를 포함하는 패브릭 시트가 골시멘트(bone cement)의 단점을 보완하여 주므로 강성, 인성 등의 기계적 특성이 우수하며, 생체활성 유리 섬유가 함유되어 있으므로 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이룰 수 있으며, 생체안정성이 뛰어나고, 동물이나 인체의 신체에 삽입 후에도 부작용이 적은 구조체용 생체 세라믹 및 그 제조방법을 제시한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조체용 생체 세라믹은, 골시멘트(bone cement)와, 생체 내에 주위의 뼈와 접촉하여 화학결합을 이룰 수 있는 생체활성 유리 섬유가 직조에 의해 얽혀서 망사 형태를 이루는 패브릭 시트를 포함하며, 상기 생체활성 유리 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛이고, 상기 패브릭 시트는 상기 골시멘트의 표면에 부착되어 있거나 상기 골시멘트의 내부에 위치되어 상기 골시멘트와 일체화되어 있다.
상기 패브릭 시트는 금속 섬유, 탄소 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 생체미반응 섬유가 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 직조(weaving)되어 망사 형태를 이룰 수 있으며, 상기 생체미반응 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛인 것이 바람직하다.
상기 패브릭 시트는 복수 개 적층되어 적층체를 이루는 것일 수 있다.
상기 패브릭 시트는 둥굴게 말려져 원통체를 이루는 것일 수 있다.
상기 패브릭 시트에 조골 단백질이 흡착되어 있을 수 있다.
상기 패브릭 시트의 가장자리 테두리는 열처리에 의해 연화되어 상기 생체활성 유리 섬유의 단부가 라운딩(rounding)되어 있을 수 있다.
상기 생체활성 유리 섬유는 산화칼슘(CaO) 18∼28중량%, 오산화인(P2O5) 4∼9중량%, 산화규소(SiO2) 35∼58중량% 및 산화나트륨(Na2O) 18∼28중량%를 포함하는 유리로 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조체용 생체 세라믹의 제조방법은, 평균 직경이 0.1∼500㎛인 생체활성 유리 섬유를 준비하는 단계와, 생체 내 주위의 뼈와 접촉하여 화학결합을 이룰 수 있는 상기 생체활성 유리 섬유를 직조하여 망사 형태를 이루는 패브릭 시트를 형성하는 단계와, 상기 패브릭 시트를 원하는 형태로 절단하여 단계와, 상기 패브릭 시트를 골시멘트(bone cement)에 부착하여 상기 패브릭 시트와 상기 골시멘트가 일체화되게 하거나, 상기 패브릭 시트와 골시멘트 조성물을 혼합하고 골시멘트 조성물을 경화시켜 골시멘트의 내부에 상기 패브릭 시트가 위치되게 하여 상기 패브릭 시트와 상기 골시멘트가 일체화되게 하는 단계를 포함한다.
상기 패브릭 시트를 형성하는 단계에서, 금속 섬유, 탄소 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 생체미반응 섬유를 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 직조(weaving)하여 망사 형태의 상기 패브릭 시트를 형성할 수 있으며, 상기 생체미반응 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛인 것이 바람직하다.
상기 구조체용 생체 세라믹의 제조방법은 상기 패브릭 시트를 복수 개 적층하여 적층체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 구조체용 생체 세라믹의 제조방법은 상기 패브릭 시트를 둥굴게 말아서 원통체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 구조체용 생체 세라믹의 제조방법은 상기 패브릭 시트에 조골 단백질을 흡착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 구조체용 생체 세라믹의 제조방법은 상기 패브릭 시트의 가장자리 테두리를 열처리에 의해 연화시켜 상기 생체활성 유리 섬유의 단부가 라운딩(rounding)되게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 생체활성 유리 섬유는 산화칼슘(CaO) 18∼28중량%, 오산화인(P2O5) 4∼9중량%, 산화규소(SiO2) 35∼58중량% 및 산화나트륨(Na2O) 18∼28중량%를 포함하는 유리로 이루어질 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조체용 생체 세라믹을 더욱 구체적으로 설명한다.
골시멘트는 뼈 결손부의 보전제로 사용되거나, 인공 고관절 등을 주위의 뼈와 고정시키는 접착제 등으로서 널리 사용되고 있다. 척추, 뼈 등의 파손으로 인하여 인공물을 체내에 삽입, 시술하는 방법이 사용되고 있고, 각종 관절부위의 전치환술, 재수술 등이 시술되고 있는데, 이러한 수술시 골결손을 충진하는 역할을 위해 체내에 시술되는 인공물의 위치를 고정시키는데 골시멘트가 사용되고 있다. 이러한 골시멘트는 대한민국 등록특허공보 제10-1432207호, 제10-1458060호 등에 개시된 골시멘트가 그 예일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니며, 생체에 사용될 수 있는 골시멘트라면 그 제한이 있는 것은 아니다.
뼈 생성용 반응 촉진 충진재 등으로 사용되는 이러한 골시멘트(bone cement)는 반응이 매우 빠르다는 장점이 있지만, 기계적 물성이 매우 나쁘다는 단점이 있다.
한편, 생체활성 바이오 세라믹스는 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고, 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이루는 세라믹스이다. 생체활성 바이오 세라믹스의 예로 수산화 아파타이트(Hydroxyapatite), 생체활성 유리(Bioactive Glass) 등을 그 예로 들 수 있다.
수산화 아파타이트는 뼈와 치아의 주요 무기성분인 아파타이트를 주성분으로 하며, 유망한 재료 중의 하나이다. 수산화 아파타이트는 칼슘과 인을 주요 구성성분으로 하고, 그 화학식이 Ca10(PO4)6(OH)2이다. 이러한 수산화 아파타이트는 생체 친화적이고 소결체로 만들 수 있어 구조체로 만들 수 있을 뿐 아니라 다공체로도 제조가 가능하다. 수산화 아파타이트는 과립상 형태로 뼈충전재료에 사용될 수 있고, 다공질 형태로 턱뼈와 두개골의 수복재료로 사용될 수 있으며, 치밀한 소결체 형태는 인공이소골, 인공치근 등으로 사용되고 있다. 그러나, 수산화 아파타이트는 반응이 타 생체세라믹(예컨대, TCP(Tricalcium Phosphate, Ca3(PO4)2), TTCP(Tetracalcium Phosphate, Ca4(PO4)2O), Bioactive Glass)보다 다소 느리고, 생체 반응을 높이기 위해 다공체로 만들면 기계적 물성이 급격히 저하되어 구조체로 사용이 곤란하며, 기계적 강도가 알루미나와 지르코니아에 비하여 약하기 때문에 고정용장치나 관절 부분에 사용하기에는 부적당하다는 단점이 있다.
생체활성 유리(Bioactive Glass)는 산화칼슘(CaO), 오산화인(P2O5), 산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)을 주성분으로 하는 유리이다. 상기 산화칼슘(CaO)은 생체활성 유리에 18∼28중량% 함유되어 있을 수 있고, 상기 오산화인(P2O5)은 생체활성 유리에 4∼9중량% 함유되어 있을 수 있으며, 상기 산화규소(SiO2)는 생체활성 유리에 35∼58중량% 함유되어 있을 수 있고, 상기 산화나트륨(Na2O)은 생체활성 유리에 18∼28중량% 함유되어 있을 수 있다.
이러한 생체활성 유리의 대표적인 예들을 아래의 표 1에 나타내었다.
성분 함량(wt%) 함량(wt%) 함량(wt%) 함량(wt%)
CaO 24.5 14.7 21 19.5
P2O5 6 6 6 6
SiO2 45 45 52 55
Na2O 24.5 24.5 21 19.5
CaF2 9.8
이러한 생체활성 유리는 생체 내에 주입되어 주위의 뼈와 접촉하여 화학결합을 이루는 골 형성체의 기능을 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조체용 생체 세라믹은, 골시멘트(bone cement)와, 생체 내에 주위의 뼈와 접촉하여 화학결합을 이룰 수 있는 생체활성 유리 섬유가 직조에 의해 얽혀서 망사 형태를 이루는 패브릭 시트를 포함한다. 도 1은 생체활성 유리 섬유(110)가 네트워크 형태로 얽혀서 망사 형태를 이루는 패브릭 시트(100)의 일 예를 도시한 도면이다.
상기 생체활성 유리 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛인 장(長)섬유일 수 있다. 상기 생체활성 유리 섬유는 산화칼슘(CaO) 18∼28중량%, 오산화인(P2O5) 4∼9중량%, 산화규소(SiO2) 35∼58중량% 및 산화나트륨(Na2O) 18∼28중량%를 포함하는 유리로 이루어질 수 있다.
상기 패브릭 시트는 상기 골시멘트의 표면에 부착되어 있거나 상기 골시멘트의 내부에 위치되어 상기 골시멘트와 일체화되어 있다.
상기 골시멘트는 구조체용 생체 세라믹의 형상을 구현하는 역할을 하고, 상기 패브릭 시트는 골격 유지, 인성 증진 등의 역할을 한다. 생체활성 유리(Bioactive Glass) 섬유를 포함하는 패브릭 시트가 골시멘트(bone cement)의 단점을 보완하여 주므로 강성, 인성 등의 기계적 특성이 우수하며, 생체활성 유리 섬유가 함유되어 있으므로 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이룰 수 있으며, 생체안정성이 뛰어나고, 동물이나 인체의 신체에 삽입 후에도 부작용이 적은 구조체용 생체 세라믹을 구현할 수 있다.
상기 패브릭 시트는 금속 섬유, 탄소 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 생체미반응 섬유가 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 직조(weaving)되어 망사 형태를 이룰 수 있으며, 상기 생체미반응 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛인 것이 바람직하다. 도 2는 생체활성 유리 섬유(110)와 생체미반응 섬유(120)가 네트워크 형태로 얽혀서 망사 형태를 이루는 패브릭 시트(100)의 일 예를 도시한 도면이다.
상기 생체활성 유리 섬유는 표면에 반응 생성물 발생 후에는 기계적 물성이 급격히 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 생체미반응(Bio inert) 섬유를 직조하여 패브릭 시트를 제조한다.
이러한 패브릭 시트(100)는 생체미반응(Bio inert) 섬유가 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 직조(weaving)되어 망사 형태를 이룬다.
상기 패브릭 시트는 일 예로서 제1 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유 및 생체미반응 섬유와 제2 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유 및 생체미반응 섬유를 포함할 수 있다.
제1 방향으로 배열된 생체활성 유리 섬유와 제1 방향으로 배열된 생체미반응 섬유가 서로 교번되게 배열되고, 제2 방향으로 배열된 생체활성 유리 섬유와 제2 방향으로 배열된 생체미반응 섬유가 서로 교번되게 배열되어 있을 수 있다. 생체활성 유리 섬유와 생체미반응 섬유가 서로 교번되는 일 예로서, 제1 방향으로 생체활성 유리 섬유가 1개 배열되고 이와 이웃하게 제1 방향으로 생체미반응 섬유가 적어도 1개가 배열되며 이러한 배열이 교번될 수 있으며, 다른 예로서 제1 방향으로 생체활성 유리 섬유가 복수 개 배열되고 이와 이웃하게 제1 방향으로 생체미반응 섬유가 적어도 1개가 배열되며 이러한 배열이 교번될 수 있다. 또한, 제2 방향으로 생체활성 유리 섬유가 1개 배열되고 이와 이웃하게 제2 방향으로 생체미반응 섬유가 적어도 1개가 배열되며 이러한 배열이 교번될 수도 있고, 다른 예로서 제2 방향으로 생체활성 유리 섬유가 복수 개 배열되고 이와 이웃하게 제2 방향으로 생체미반응 섬유가 적어도 1개가 배열되며 이러한 배열이 교번될 수도 있다.
다른 예로서 상기 패브릭 시트는 제1 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유와 제2 방향으로 배열된 복수의 생체미반응 섬유를 포함할 수도 있다.
또 다른 예로서 상기 패브릭 시트는 제1 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유 및 생체미반응 섬유와 제2 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유를 포함할 수도 있다.
또 다른 예로서 상기 패브릭 시트는 제1 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유 및 생체미반응 섬유와 제2 방향으로 배열된 복수의 생체미반응 섬유를 포함할 수도 있다.
상기 제1 방향으로 배열된 섬유들과 상기 제2 방향으로 배열된 섬유들은 격자형의 망사 형태를 이룬다. 상기 제1 방향으로 배열된 섬유들은 일정 간격으로 주기적으로 배열되어 있을 수 있고, 상기 제2 방향으로 배열된 섬유들도 일정 간격으로 주기적으로 배열되어 있을 수 있다. 상기 제1 방향으로 배열된 섬유들 사이의 간격과 상기 제2 방향으로 배열된 섬유들 사이의 간격은 다를 수 있으나, 상기 제1 방향으로 배열된 섬유들 사이의 간격과 상기 제2 방향으로 배열된 섬유들 사이의 간격이 동일한 것이 바람직하다.
상기 생체미반응(Bio inert) 섬유는 금속 섬유, 탄소 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 섬유를 포함할 수 있다. 상기 생체미반응 섬유는 장(長)섬유로서 평균 직경이 0.1∼500㎛ 정도인 것이 바람직하다. 상기 생체미반응(Bio inert) 섬유는 생체 내에 삽입 또는 주입되더라도 생체와 반응하지 않고 생체 내에서 분해되지 않는 섬유이다. 이러한 생체미반응(Bio inert) 섬유는 패브릭 시트의 강성을 높이는 역할을 하거나 취성 등이 약한 단점을 보완하는 역할 등을 할 수 있다.
상기 금속 섬유는 Ti, Ti 합금, 스테인리스 스틸(stainless steel)(예컨대, 316 스테인리스 스틸), Co-Cr 합금 등의 금속(금속합금을 포함한다) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 폴리머 섬유는 폴리메틸메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate); PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene), 플루오로카본(Fluorocarbon), 폴리아세탈(Polyacetal), 폴리아미드(Polyamide), 폴리아미드 엘라스토머(Polyamide elastomer), 폴리에스테르(Polyester), 폴리에스테르 엘라스토머(Polyester elastomer), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리올레핀(Polyolefin), 폴리설폰(Polysulfone), 폴리비닐클로라이드(Poly(vinyl chloride)) 및 실리콘(Silicon)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 폴리머를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 생체활성 유리 섬유는 표면에 반응 생성물 발생 후에는 기계적 물성이 급격히 저하되는 문제가 있는데, 상술한 생체미반응 섬유를 함께 직조하여 패브릭 시트를 제조함으로써 생체활성 유리 섬유에 반응 생성물이 생겨도 생체미반응 섬유에 의해 기계적 물성(강도, 인성, 취성 등)이 유지될 수 있는 장점이 있다.
상기 패브릭 시트는 복수 개 적층되어 적층체를 이루는 것일 수 있다.
상기 패브릭 시트는 둥굴게 말려져 원통체를 이루는 것일 수 있다.
상기 패브릭 시트에 조골 단백질이 흡착되어 있을 수 있다.
상기 패브릭 시트의 가장자리 테두리는 열처리에 의해 연화되어 상기 생체활성 유리 섬유의 단부 및/또는 상기 생체미반응 섬유의 단부가 라운딩(rounding)되어 있을 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조체용 생체 세라믹의 제조방법을 설명한다.
생체활성 유리 섬유를 준비한다. 상기 생체활성 유리 섬유는 상술한 생체활성 유리(Bioactive Glass)를 섬유(바람직하게는 장(長)섬유) 형태로 만들어 제조할 수 있다. 유리 섬유를 제조하는 방법은 대한민국 공개특허공보 제10-1983-0007451호, 대한민국 공개특허공보 제10-1985-0001126호 등에 기재되어 있으며, 이러한 유리 섬유는 일반적으로 잘 알려져 있는 섬유 제조방법을 이용하여 제조할 수 있고, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 생체활성 유리 섬유의 평균 직경은 0.1∼500㎛ 정도인 것이 바람직하다. 생체활성 유리 섬유의 직경이 너무 작을 경우에는 제작에 어려움이 있을 수 있고, 생체활성 유리 섬유의 직경이 너무 클 경우에는 취성이 클 수 있다. 상기 생체활성 유리 섬유는 산화칼슘(CaO) 18∼28중량%, 오산화인(P2O5) 4∼9중량%, 산화규소(SiO2) 35∼58중량% 및 산화나트륨(Na2O) 18∼28중량%를 포함하는 유리로 이루어질 수 있다.
상기 생체활성 유리 섬유를 직조하여 생체활성 유리 섬유가 네트워크(network) 형태로 얽혀있는 패브릭 시트(Fabric sheet)를 제작한다. 상기 생체활성 유리 섬유를 직조(weaving)하여 망사 형태의 패브릭 시트를 제작하는 방법은 섬유를 이용하여 직조하는 다양한 방법들을 이용할 수 있으며, 다양한 분야에서 적용되고 있는 직조 방법은 이미 많이 알려져 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
상기 생체활성 유리 섬유는 표면에 반응 생성물 발생 후에는 기계적 물성이 급격히 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 생체미반응(Bio inert) 섬유를 직조(weaving)하여 패브릭 시트를 제조할 수도 있다. 이 경우에, 상기 생체활성 유리 섬유와 상기 생체미반응 섬유를 함께 직조하여 생체활성 유리 섬유와 상기 생체미반응 섬유가 네트워크(network) 형태로 얽혀있는 패브릭 시트(Fabric sheet)를 제작한다.
상기 생체미반응(Bio inert) 섬유는 금속 섬유, 탄소 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 섬유(바람직하게는 장(長)섬유) 형태로 만들어 제조할 수 있으며, 생체미반응 섬유는 일반적으로 잘 알려져 있는 섬유 제조방법을 이용하여 제조할 수 있으며, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 상기 생체미반응 섬유는 장(長)섬유로서 평균 직경이 0.1∼500㎛ 정도인 것이 바람직하다. 상기 생체미반응(Bio inert) 섬유는 생체 내에 삽입 또는 주입되더라도 생체와 반응하지 않고 생체 내에서 분해되지 않는 섬유이다. 이러한 생체미반응(Bio inert) 섬유는 패브릭 시트의 강성을 높이는 역할을 하거나 취성 등이 약한 단점을 보완하는 역할 등을 할 수 있다.
상기 금속 섬유는 Ti, Ti 합금, 316 스테인리스 스틸(stainless steel), Co-Cr 합금 등의 금속(금속합금을 포함한다) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 폴리머 섬유는 폴리메틸메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate); PMMA), 폴리에틸렌(Polyethylene), 플루오로카본(Fluorocarbon), 폴리아세탈(Polyacetal), 폴리아미드(Polyamide), 폴리아미드 엘라스토머(Polyamide elastomer), 폴리에스테르(Polyester), 폴리에스테르 엘라스토머(Polyester elastomer), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리올레핀(Polyolefin), 폴리설폰(Polysulfone), 폴리비닐클로라이드(Poly(vinyl chloride)) 및 실리콘(Silicon)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 폴리머를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
이러한 패브릭 시트는 생체활성 유리 섬유와 생체미반응 섬유가 네트워크(network) 형태로 얽혀있는 망사 형태를 갖게 된다. 상기 패브릭 시트는 일 예로서 제1 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유 및 생체미반응 섬유와 제2 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유 및 생체미반응 섬유를 포함할 수 있다.
제1 방향으로 배열된 생체활성 유리 섬유와 제1 방향으로 배열된 생체미반응 섬유가 서로 교번되게 배열되고, 제2 방향으로 배열된 생체활성 유리 섬유와 제2 방향으로 배열된 생체미반응 섬유가 서로 교번되게 배열되어 있을 수 있다. 생체활성 유리 섬유와 생체미반응 섬유가 서로 교번되는 일 예로서, 제1 방향으로 생체활성 유리 섬유가 1개 배열되고 이와 이웃하게 제1 방향으로 생체미반응 섬유가 적어도 1개가 배열되며 이러한 배열이 교번될 수 있으며, 다른 예로서 제1 방향으로 생체활성 유리 섬유가 복수 개 배열되고 이와 이웃하게 제1 방향으로 생체미반응 섬유가 적어도 1개가 배열되며 이러한 배열이 교번될 수 있다. 또한, 제2 방향으로 생체활성 유리 섬유가 1개 배열되고 이와 이웃하게 제2 방향으로 생체미반응 섬유가 적어도 1개가 배열되며 이러한 배열이 교번될 수도 있고, 다른 예로서 제2 방향으로 생체활성 유리 섬유가 복수 개 배열되고 이와 이웃하게 제2 방향으로 생체미반응 섬유가 적어도 1개가 배열되며 이러한 배열이 교번될 수도 있다.
다른 예로서, 상기 패브릭 시트는 제1 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유와 제2 방향으로 배열된 복수의 생체미반응 섬유를 포함할 수도 있다.
또 다른 예로서, 상기 패브릭 시트는 제1 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유 및 생체미반응 섬유와 제2 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유를 포함할 수도 있다.
또 다른 예로서, 상기 패브릭 시트는 제1 방향으로 배열된 복수의 생체활성 유리 섬유 및 생체미반응 섬유와 제2 방향으로 배열된 복수의 생체미반응 섬유를 포함할 수도 있다.
상기 제1 방향으로 배열된 섬유들과 상기 제2 방향으로 배열된 섬유들은 격자형의 망사 형태를 이룬다. 상기 제1 방향으로 배열된 섬유들은 일정 간격으로 주기적으로 배열되어 있을 수 있고, 상기 제2 방향으로 배열된 섬유들도 일정 간격으로 주기적으로 배열되어 있을 수 있다. 상기 제1 방향으로 배열된 섬유들 사이의 간격과 상기 제2 방향으로 배열된 섬유들 사이의 간격은 다를 수 있으나, 상기 제1 방향으로 배열된 섬유들 사이의 간격과 상기 제2 방향으로 배열된 섬유들 사이의 간격이 동일한 것이 바람직하다.
상기 생체미반응(Bio inert) 섬유는 패브릭 시트의 강성을 높이는 역할을 하거나 취성 등이 약한 단점을 보완하는 역할 등을 할 수가 있다.
상기 패브릭 시트를 원하는 형태로 절단한다. 상기 절단에 의해 사각형, 육각형, 원형, 타원형 등의 형태를 갖는 패브릭 시트를 얻을 수 있다.
상기 패브릭 시트의 가장자리 테두리를 열처리에 의해 연화시켜 상기 생체활성 유리 섬유의 단부 및/또는 상기 생체미반응 섬유의 단부가 라운딩(rounding)되게 할 수도 있다. 상기 열처리는 생체활성 유리 섬유의 연화점 보다 높고 상기 생체활성 유리 섬유의 융점보다 낮은 온도에서 수행한다. 상기 패브릭 시트를 절단하게 되면, 생체활성 유리 섬유의 끝은 뾰족하여 날카로울 수 있다. 따라서, 생체활성 유리 섬유의 연화점 보다 높고 상기 생체활성 유리 섬유의 융점보다 낮은 온도에서 열처리하게 되면, 상기 생체활성 유리 섬유의 단부(끝)는 라운드(round)되게 된다. 상기 생체미반응 섬유의 단부를 라운딩 처리하는 경우에는 상기 생체미반응 섬유가 폴리머 재질로 이루어진 경우에 폴리머의 연화점 보다 높고 폴리머의 융점보다 낮은 온도에서 수행한다. 상기 생체미반응 섬유가 금속 또는 탄소 재질로 이루어진 경우에 금속 또는 탄소의 융점보다 약간 낮은 온도에서 수행한다.
상기 패브릭 시트에 단백질을 흡착시킬 수도 있다. 상기 단백질은 조골 단백질(또는 뼈 형성 촉진 단백질)일 수 있다. 상기 패브릭 시트에 단백질을 주입하거나(Protein Infiltration) 침지시키는 방법 등으로 단백질을 흡착시킬 수 있다.
상기 패브릭 시트를 복수 개 쌓아서(build-up, stacking, re-laminating) 적층체를 만들거나, 상기 패브릭 시트를 둥굴게 말아서(rolling) 원통체로 만들어 골 형성체로 사용할 수도 있다. 도 3은 패브릭 시트를 복수 개 쌓아서 적층체를 만드는 모습을 보여주는 모습을 도시한 도면이다. 상기 적층체 또는 상기 원통체에 단백질을 흡착시킬 수도 있다. 상기 단백질은 조골 단백질(또는 뼈 형성 촉진 단백질)일 수 있다.
상기 패브릭 시트를 골시멘트(bone cement)에 부착하여 상기 패브릭 시트와 상기 골시멘트가 일체화되게 하거나, 상기 패브릭 시트와 골시멘트 조성물을 혼합하고 골시멘트 조성물을 경화시켜 골시멘트의 내부에 상기 패브릭 시트가 위치되게 하여 상기 패브릭 시트와 상기 골시멘트가 일체화되게 한다. 골시멘트 조성물이 경화되게 되면 골시멘트가 된다. 도 4는 골시멘트(200)와 패브릭 시트(100)를 포함하는 구조체용 생체 세라믹의 일 예를 보여주는 도면이다.
상기 골시멘트는 구조체용 생체 세라믹의 형상을 구현하는 역할을 하고, 상기 패브릭 시트는 골격 유지, 인성 증진 등의 역할을 한다. 생체활성 유리(Bioactive Glass) 섬유를 포함하는 패브릭 시트가 골시멘트(bone cement)의 단점을 보완하여 주므로 강성, 인성 등의 기계적 특성이 우수하며, 생체활성 유리 섬유가 함유되어 있으므로 생체 내에서 주위에 섬유성 피막을 만들지 않고 주위의 뼈 등과 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이룰 수 있으며, 생체안정성이 뛰어나고, 동물이나 인체의 신체에 삽입 후에도 부작용이 적은 구조체용 생체 세라믹을 구현할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100: 패브릭 시트
110: 생체활성 유리 섬유
120: 생체미반응 섬유
200: 골시멘트

Claims (14)

  1. 골시멘트(bone cement); 및
    생체 내에 주위의 뼈와 접촉하여 화학결합을 이룰 수 있는 생체활성 유리 섬유가 직조에 의해 얽혀서 망사 형태를 이루는 패브릭 시트를 포함하며,
    상기 생체활성 유리 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛이고,
    상기 패브릭 시트는 상기 골시멘트의 표면에 부착되어 있거나 상기 골시멘트의 내부에 위치되어 상기 골시멘트와 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패브릭 시트는 금속 섬유, 탄소 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 생체미반응 섬유가 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 직조(weaving)되어 망사 형태를 이루며,
    상기 생체미반응 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛인 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패브릭 시트는 복수 개 적층되어 적층체를 이루는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패브릭 시트는 둥굴게 말려져 원통체를 이루는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패브릭 시트에 조골 단백질이 흡착되어 있는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패브릭 시트의 가장자리 테두리는 열처리에 의해 연화되어 상기 생체활성 유리 섬유의 단부가 라운딩(rounding)되어 있는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 생체활성 유리 섬유는 산화칼슘(CaO) 18∼28중량%, 오산화인(P2O5) 4∼9중량%, 산화규소(SiO2) 35∼58중량% 및 산화나트륨(Na2O) 18∼28중량%를 포함하는 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹.
  8. 평균 직경이 0.1∼500㎛인 생체활성 유리 섬유를 준비하는 단계;
    생체 내 주위의 뼈와 접촉하여 화학결합을 이룰 수 있는 상기 생체활성 유리 섬유를 직조하여 망사 형태를 이루는 패브릭 시트를 형성하는 단계;
    상기 패브릭 시트를 원하는 형태로 절단하여 단계;
    상기 패브릭 시트를 골시멘트(bone cement)에 부착하여 상기 패브릭 시트와 상기 골시멘트가 일체화되게 하거나, 상기 패브릭 시트와 골시멘트 조성물을 혼합하고 상기 골시멘트 조성물을 경화시켜 골시멘트의 내부에 상기 패브릭 시트가 위치되게 하여 상기 패브릭 시트와 상기 골시멘트가 일체화되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 패브릭 시트를 형성하는 단계에서,
    금속 섬유, 탄소 섬유 및 폴리머 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 생체미반응 섬유를 상기 생체활성 유리 섬유와 함께 직조(weaving)하여 망사 형태의 상기 패브릭 시트를 형성하며,
    상기 생체미반응 섬유는 평균 직경이 0.1∼500㎛인 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹의 제조방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 패브릭 시트를 복수 개 적층하여 적층체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹의 제조방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 패브릭 시트를 둥굴게 말아서 원통체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹의 제조방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 패브릭 시트에 조골 단백질을 흡착시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹의 제조방법.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 패브릭 시트의 가장자리 테두리를 열처리에 의해 연화시켜 상기 생체활성 유리 섬유의 단부가 라운딩(rounding)되게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹의 제조방법.
  14. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 생체활성 유리 섬유는 산화칼슘(CaO) 18∼28중량%, 오산화인(P2O5) 4∼9중량%, 산화규소(SiO2) 35∼58중량% 및 산화나트륨(Na2O) 18∼28중량%를 포함하는 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 구조체용 생체 세라믹의 제조방법.
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