KR20220047788A - 복합 물질, 이를 포함하는 임플란트, 복합 물질의 용도 및 복합 물질 및 의료 장치의 제조 방법 - Google Patents

복합 물질, 이를 포함하는 임플란트, 복합 물질의 용도 및 복합 물질 및 의료 장치의 제조 방법 Download PDF

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KR20220047788A
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KR1020227006060A
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킴모 라흐텐코르바
토미 눔미넨
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바이오레텍 오와이
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Abstract

본 출원은 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생분해성 복합 물질, 및 상기 복합 물질을 포함하는 생체재흡수성 임플란트를 제공한다. 본 출원은 또한 복합 물질의 용도, 및 복합 물질 및 그의 부분의 의료 장치의 제조 방법을 제공한다.

Description

복합 물질, 이를 포함하는 임플란트, 복합 물질의 용도 및 복합 물질 및 의료 장치의 제조 방법
본 출원은 생체재흡수성(bioresorbable) 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩(embedding)된 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생분해성 복합 물질, 그의 제조 방법 및 복합 물질을 포함하는 생체재흡수성 임플란트에 관한 것이다. 본 출원은 또한 복합 물질의 용도, 및 그의 부분의 의료 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
정형외과 응용의 경우, 티타늄 및 그의 합금, 스테인레스강 및 Co-Cr 등의 현재의 생체물질은 바람직한 금속 임플란트 물질이고, 이들은 신체에서 상대적으로 불활성이며, 이는 이들이 긍정적이든 부정적이든 숙주 반응을 거의 나타내지 않음을 의미하고, 이들은 체내에서 안전하게 분해되도록 디자인되지 않는다. 그러나, 외과적으로 이식된 모든 금속 합금은 신체의 복잡한 및 부식성 환경으로 인해 일부 전기화학적 분해를 겪는다. 하중 지지 응용에서 발생할 수 있는 심각한 마모와 조합되어, 임플란트의 입자가 주변 조직으로 방출되고, 이는 불편함 및 잠재적인 건강 위험을 유발할 수 있다. 추가로, 이러한 마모 및 부식으로 인해 환자의 평생 동안 두번째 임플란트가 필요할 수 있다. 벌크 물질은 생체불활성으로 간주될 수 있지만, 입자가 체내에서 대사되는 방식은 급성 염증 및 결국 임플란트 실패로 이어질 수 있다. 또한, 이들의 기계적 특성은 일반적으로 뼈의 특성과 잘 맞지 않고, 즉, 이들 금속의 강도 및 강성은 피질 골보다 훨씬 더 높고, 결과적으로 응력 차폐 현상과 관련된 부작용이 여러 번 발생한다. 응력 차폐는 뼈의 강도를 감소시키는 부정적인 장기적 영향이다. 금속 임플란트는 뼈보다 훨씬 더 높은 강성을 갖고, 따라서 응력 하중-지지 활동 하에 변형될 가능성이 적다. 하중의 대부분을 흡수함으로써, 임플란트는 뼈 자체에 전송되는 기계적 힘을 감소시킨다. 뼈는 리모델링 및 재성장을 위해 지속적인 기계적 자극을 필요로 하기 때문에, 응력-차폐 임플란트 부위는 점차 골 밀도를 잃을 것이며, 이는 골 재흡수로서 공지되어 있고; 이 현상은 칼카르(calcar) 영역으로서 공지된 내측 근위 대퇴골에서 특히 만연한다. 이러한 감소된 골 밀도는 무균성 해리 및 줄기 이동, 뿐만 아니라 삽입물주위 골절로 이어질 수 있다. 또한, 정형외과 응용을 위한 중합체는 일반적으로 이러한 응용을 위해 충분한 기계적 강도를 제공하지 않으며, 종종 "이물질 반응"과 관련된다. 추가로, 생체재흡수성 중합체는 가수분해에 의해 분해되고, 산성 pH 환경이 생성될 수 있고, 이는 파골세포 생성을 향상시켜 골아세포 발생을 저해할 수 있다 [Arnett 2008]. 이 분야는 상기 언급된 문제를 해결하기 위해 새로운 생체물질을 필요로 한다.
생체물질 분야는 끊임없이 확장되고 발전하고 있고, 따라서 용어 "생체물질"을 정의하는 것조차 간단한 작업이 아니다. 80년대에, 미국 국립보건원 (NIH)은 하기 정의를 제안하였다: "신체의 임의의 조직, 기관, 또는 기능을 치료하거나, 증대시키거나 대체하는 시스템 전체 또는 그의 부분으로서의, 임의의 기간 동안 사용될 수 있는, 합성 또는 천연 기원의 임의의 물질 (약물 이외) 또는 물질의 조합". '생체물질'의 정의의 발달은 생체물질 자체의 개발과 밀접하게 연결되어 있다. 1세대 생체물질은 주로 최소한의 독성 반응으로 이들의 응용의 기계적, 화학적, 및 물리적 요건을 충족하도록 디자인되었다. 그러나, 생체물질은 불활성이 아니고, 물질 독성에 대한 이해 증가는 보다 큰 생체적합성에 대한 요구로 이어졌다. 예를 들어, 티타늄 및 그의 합금은 정형외과 응용을 위해 가장 통상적으로 사용되는 생체물질 중 하나이다. 응력-차폐의 부정적인 영향은 뼈가 치유된 후에도 강직성 임플란트가 존재하는 한 계속해서 골질을 감소시킨다. 또한, 임플란트 수명 동안 마모 파편이 생성되고, 이는 정형외과-임플란트 무균성 해리의 주요 원인인 골용해를 유도할 수 있다. 이들 불편함을 극복하기 위해 합금이 개발되고 폭넓게 다양한 표면 처리가 사용되었다. 또한, "이물 반응" (임플란트 캡슐화로 이어지는 염증 및 상처 치유 반응의 후기 단계)의 개념, 뿐만 아니라 골유착 또는 골유도의 개념은 생체물질과 주변/살아있는 조직 사이의 상호작용의 보다 깊은 이해의 필요성을 강조하였다. 조합된 연구 노력은 하기 두 부류로 나뉠 수 있는 2세대 생체물질의 개발로 이어졌다: (1) "재흡수성", 이는 조직이 그 자체의 안정성을 되찾고, 그 후 신체에 의해 흡수될 때까지 이들이 기계적 온전성을 유지할 수 있어야 함을 의미함, 및 (2) "생체활성", 즉, 특정 조직 반응을 이끌어내거나 임플란트와 골 조직 사이의 긴밀한 접촉을 강화시킬 수 있음. 세라믹 또는 금속 코팅으로서의 생체활성 유리 또는 칼슘 포스페이트 (예: 히드록시아파타이트), 금속 표면 또는 다공성 구조 상의 펩티드 또는 인지질의 그래프팅, 및 키토산 및 폴리락티드와 같은 재흡수성 중합체의 개발이 사용된 전략 중 일부이다. 최신 3세대 생체물질 ("스마트" 물질)은 생체활성 및 생분해성, 즉 생체-재흡수성을 조합하는 것을 목표로 하며, 분자 수준에서 특정 세포 반응을 이끌어내야 한다).
생체활성 복합 물질은 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내에 충전제 또는 보강재로서 혼입된 생체활성 상과 함께 고체 및 다공성 시스템 둘 다로서 존재할 수 있다. 하중-지지 부위에서 인간 뼈의 재생을 위한 고-강도 복합 구조를 얻을 수 있다. 그러나, 인간 피질 골과 비교하여 이들의 기계적 특성과 관련하여, 기존의 중합체/유리 복합체는 골수내 네일 또는 척추 케이지와 같은 진정한 하중-지지 응용에서 뼈의 치유 기간에 걸쳐 하중을 전달하기에 불충분한 강성 및 굴곡 탄성률 및 강도 유지를 나타냈다.
뼈와 더 유사한 기계적 특성을 갖는, 생체재흡수성 임플란트를 제공할 수 있는 3세대 생체물질에 대한 필요성이 존재한다.
요약
놀랍게도, 보강 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스와 조합하면, 즉, 하이브리드 복합체를 형성하면, 두 물질의, 선행 기술에 제시된 바와 같은, 기계적 특성에서의 주요 단점이 극복될 수 있고, 또한 마그네슘의 부식 속도가 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스에 의해 제어될 수 있음이 이제 밝혀졌다. 이 하이브리드 복합 물질은 하중-지지 조직-공학을 위한 의료 분야에서 3세대 생체물질의 요건을 충족시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 하이브리드 복합체는, 환경적 제어 및 오염 방지가, 구조 부분에 사용될 수 있고 임의의 유해 및 독성 부산물을 자연에 남기지 않으면서 생성물의 수명 주기 후에 분해될 수 있는 완전 분해성의 강한 물질로의 지속가능한 해결책을 필요로 하는 기술 분야에서 현재 문제에 대한 해결책의 역할을 한다.
요망되는 특성 및 거동을 갖는 의료 생성물을 얻는 것이 가능하다. 예를 들어, 생성물이, 체내에서 사전 정의된 기간 동안과 같이 제어된 방식으로 열화되도록 배열될 수 있고, 분해 생성물은 생체흡수될 수 있다.
또한, 생성물의 기계적 특성은 의료 용도 뿐만 아니라 자동차 및 스포츠 장비의 물체 및 구조에서와 같이, 경량, 성형성 및 기계적 강도 및 다른 기계적 특성과 같은 특성들이 요구되는 다른 용도에 적합하다.
본 출원은, 하기를 포함하는, 생분해성 복합 물질의 제조 방법을 제공한다:
- 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 제공하는 단계,
- 생체재흡수성 유리 섬유를 제공하는 단계,
- 생체재흡수성 중합체를 제공하는 단계,
- 물질들을 조합하여 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 보강 형태의 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생분해성 복합 물질을 형성하는 단계.
본 출원은 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 보강 형태의 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생분해성 복합 물질을 제공한다. 이 복합 물질은 본원에 개시된 방법으로 얻어질 수 있다.
본 출원은 또한, 복합 물질을 포함하는 생체재흡수성 임플란트를 제공한다.
본 출원은 또한, 의료 장치, 예컨대 임플란트의 제조에서의 복합 물질의 용도를 제공한다.
본 출원은 또한, 상업, 자동차, 산업, 항공우주, 해양, 및 레크리에이션 구조에서 1차 구조의 제조에서의 복합 물질의 용도를 제공한다. 본 출원은 또한, 복합 물질을 포함하는 본원에 개시된 이러한 의료 장치, 1차 구조 및 다른 물체를 제공한다.
본 출원은 또한, 하기를 포함하는, 의료 장치 또는 그의 부분의 제조 방법을 제공한다:
- 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 보강 형태의 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생분해성 복합 물질을 제공하는 단계,
- 하나 이상의 가공처리 장치를 제공하는 단계,
- 가공처리 장치로 복합 물질을 의료 장치 또는 그의 부분으로 가공처리하는 단계.
주요 구현예는 독립 청구항에서 특성규명된다. 다양한 구현예가 종속 청구항에 개시된다. 청구범위 및 명세서에서 언급된 구현예 및 실시예는 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 상호 자유롭게 조합가능하다.
본 발명의 하이브리드 복합 물질은 특정 기계적 특성, 예컨대 압축 및/또는 인장에 대한 저항을 필요로 하는 응용에 적합하다.
본 발명의 하이브리드 복합 물질은, 여러 의료적 치료 방법 및 응용, 특히 뼈 및/또는 이식과 관련된 것에 적합하다. 물질은 치료받을 뼈와 유사한 기계적 특성을 나타낸다. 예를 들어 복합 물질은, 티타늄-기반 물질과 같은 통상적으로 사용되는 물질과 달리, 피질 골과 유사한 압축 강도를 갖는다.
본 발명의 하이브리드 복합 물질은 또한 효율적인 생체활성, 예컨대 골유도 특성을 나타낸다. 이는, 뼈의 재생이 요망되는 경우, 예를 들어 의료용 생성물이 척추에 삽입되는 경우와 같은 여러 응용에서 중요하다.
본 발명의 복합 물질은 또한 완전히 생분해성 및 생체재흡수성이고, 그에 따라 복합체에 사용된 모든 물질이 체내에서 실질적으로 분해될 것이고, 분해 생성물이 안전한 방식으로 대사될 것이고, 즉 생체재흡수될 것이다. 임플란트와 같은 생분해성 생성물을 신체로부터 제거할 필요가 없고, 따라서 불필요한 수술 또는 마취 등의 의료적 처치를 피할 수 있고, 이는 특히 소아 또는 노인 환자 또는 상태가 좋지 않은 환자와 같은 고위험 환자군에서 중요하다.
도 1은 마그네슘 합금 막대 및 생체재흡수성 유리 섬유 단방향 보강 PLDLA 막대를 기계가공함으로써 얻어진 하이브리드 복합 물질의 원형 막대의 개략적 예를 나타낸다.
도 2는 생체재흡수성 유리 섬유를 마그네슘 합금 막대 주위에 테이프 권취함으로써 얻어진 하이브리드 복합 물질의 원형 막대의 개략적 예를 나타낸다.
도 3은 벌집 구조를 갖는 척추 케이지의 예를 나타낸다.
도 4는 제조된 유리 섬유 중합체 복합체 튜브 및 하이브리드 복합체 생성물의 사진을 나타낸다.
도 5는 케이지의 마그네슘 인서트 및 마그네슘 인서트를 함유하고 권취된 유리 섬유 중합체 테이프에 의해 둘러싸인 제조된 하이브리드 복합 케이지의 사진을 나타낸다.
도 6a 및 6b는 제조된 하이브리드 복합체 케이지로부터 측정하고, 상업적으로 입수가능한 케이지 물질 및 피질 골의 문헌 값과 비교한 기계적 특성 (탄성 계수 및 압축 항복 강도)을 나타낸다.
도 7a 및 7b는 마그네슘 코어 튜브, 테이프 권취에 의해 얻어진 3개의 하이브리드 복합체 생성물, 및 테이프 권취에 사용된 유리 섬유 중합체 테이프의 코일의 사진을 나타낸다.
본 명세서에서, 임의의 수치 범위가 제공되는 경우, 그 범위는 상한값 및 하한값을 포함한다. 개방형 용어 "포함하다"는 또한 하나의 옵션으로서 폐쇄형 용어 "~로 이루어짐"을 포함한다.
본 출원은 일반적으로, 자연 환경에서 복합체의 분해 및/또는 재순환성을 허용하기 위한, 하이브리드 복합체, 또한 보다 특별하게는, 물 또는 생리학적 매질에서 가용성 또는 분해성을 갖는 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스를 갖는 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 하이브리드 복합체에 관한 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에서, 문맥에서 달리 요구하는 경우를 제외하고, 용어 "포함하다(comprise)", "포함하다(comprises)" 및 "포함하는(comprising)"은 각각 "함유하다(include)", "함유하다(includes)" 및 "함유하는(including)"을 의미한다. 즉, 본 발명이 특정된 특징을 포함하는 것으로 기술되거나 정의되는 경우, 동일한 발명의 다양한 구현예는 추가의 특징을 또한 포함할 수 있다.
어구 "중량 기준 퍼센트" 및 "중량 기준" 또는 "wt%"는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 나타낸 총 조성물의 중량 퍼센트로서 정의되도록 의도된다. 추가로, 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "중량 퍼센트" 및 "중량 기준 퍼센트"는 상호교환가능하게 사용될 수 있고, 표현된 총 조성물을 기준으로 한 중량 퍼센트 (또는 중량 기준 퍼센트)를 나타내도록 의도된다.
용어 "생체재흡수성"은, 배치 후, 토양 또는 퇴비와 같은 자연 환경 또는 생물학적 조직 및/또는 생리학적 유체와 접촉시, 특정 기간 동안 그의 기계적 특성을 유지하면서 환경으로 분해, 재흡수 및/또는 흡수되는 물질을 지칭한다.
접두어 "생체"를 갖거나 갖지 않는 용어 "생체재흡수성", "생분해성", "생체가용성", "생체흡수성", 생체부식성 및 "생체침식성"은 본원에서 상호교환가능하게 사용될 수 있다.
용어 "생체재흡수성 유리 섬유", "생체재흡수성 섬유", "바이오유리 섬유", "제어 수명 유리 섬유", "변경가능 유리 섬유", "유리 섬유", 및 "섬유"는 본원에서 상호교환가능하게 사용될 수 있다.
용어 분해성은 본원에서, (생물학) 박테리아 또는 진균 작용에 의해 물리적 및 화학적으로 (유기 물질을) 분해하거나 (유기 물질이) 분해되도록 하는 것; (화학) 보다 간단한 화학 화합물로 분해되거나 분해를 일으키는 또는 구성요소 부분으로 분열 또는 분리되는 것으로 정의된다.
"하이브리드 복합체"는, 하이브리드 복합 물질이 둘 이상의 상이한 유형의 보강재를 단일 중합체 매트릭스와 조합함으로써 제작되거나 얻어지도록 정의되며, 여기서 중합체 매트릭스는 하나 이상의 중합체를 함유하며 연속적 또는 불연속적일 수 있다.
본 출원은 일반적으로, 자연 환경에서 복합체의 분해 및/또는 재순환성을 허용하기 위한, 하이브리드 복합체, 또한 보다 특별하게는, 물 또는 생리학적 매질에서 가용성 및/또는 분해성을 갖는 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스를 갖는 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 복합체에 관한 것이다.
본원에서, 또한 하기에서, "임의적" 또는 "임의로"는 이후에 기재되는 이벤트 또는 상황이 발생할 수 있지만 반드시 필요한 것은 아님을 나타내며, 기재는 이벤트 또는 상황이 발생하는 경우와 그렇지 않은 경우를 포함한다. "포함하다" 또는 "포함하는"은 이후에 기재되는 세트가 다른 요소를 포함할 수 있지만 반드시 필요한 것은 아님을 나타낸다.
본 출원은 마그네슘-함유 복합 물질, 및 임플란트 및 다른 물체를 포함한, 복합 물질을 함유하는 또는 포함하는 생성물에 관한 것이다. 임플란트의 주요 이점은 하기와 같다: (1) 2차 또는 재수술을 피할 수 있고, 따라서 환자 이환율, 새로운 증상이 발생할 위험, 및 건강 관리 비용이 감소함, (2) 조직 회복 동안 일시적 지지, (3) 고유 수복 (즉, 골유도)이 가능함, 및 (4) 외과의가 삽입 전에 뼈의 해부학적 구조 및 형상에 따라 임플란트를 굽힘으로써 그를 성형할 수 있게 하는, 가단성. 마그네슘 합금의 금속성, 가소성 성질로 인해, 새로운 형상이 치유 기간 동안 변하지 않고 남아 있을 것이다.
상당한 최근 연구에도 불구하고, 다양한 응용에서 마그네슘 기반 물질의 성공적인 실행에 대한 선행 기술의 도전과제가 있었다. 이러한 도전과제 중 다수는 부식 속도, 모폴로지(morphology) 또는 생성물과 관련되며, 이는 현재의 하이브리드 복합체의 발명에 따라 해결할 수 있다. 그러나, 본 출원은 중합체 및 합성 생체물질에 의해 나타나는 분해성 및 생물학적 이점과 조합된 금속의 기계적 이점을 갖는 하이브리드 복합 물질을 제공한다.
일반적으로 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금 이식가능 물질은 심각한 문제 없이는 제공되지 않는다. 순수 마그네슘은, 가장 통상적인 Ti 합금 (110-120 GPa)보다 인간 피질 골의 굴곡 탄성률 (15-20 GPa)에 훨씬 더 가까운 45 GPa의 굴곡 탄성률을 가짐에도 불구하고, 순수 Mg는 폭넓게 다양한 임플란트 응용에 요구되는 필수적인 기계적 및 부식 특성을 제공할 수 없고, 마그네슘은 여전히 응력 차폐에 취약할 수 있다. 임플란트 물질로서의 사용에 대한 주요 관심사는 주로 그의 분해 전반에 걸친 그의 기계적 강도, 즉, 강도 유지 및 분해 동안 수소 기체를 생성하는 고유 특성이었고, 이는 생체내 기체 공동의 형성으로 이어지며, 이들 둘 다 마그네슘 부식, 즉 재흡수 속도와 관련된다. 따라서, 잠재적 합금화 원소가 고려되었고, 마그네슘 순도, 합금화 원소의 선택, 금속 미세구조, 및 물질 가공처리 경로와 같은 다양한 요인을 조정하여 금속 부식 속도 뿐만 아니라 기계적 특성을 해결하려고 시도하였다. 마그네슘의 기계적 및 부식 특성을 증가시키기 위해, 특히 정형외과적 응용을 위한 마그네슘에 대한 잠재적 합금화 시스템이 선행 기술에서 제안되었다. 가장 폭넓게 연구된 합금화 원소는, 특히, 희토류 원소 (예컨대 이트륨 및 가돌리늄), 지르코늄, 망가니즈, 아연, 칼슘, 리튬, 알루미늄 및 스트론튬이다. 합금화 원소는, 수소 발생 및 가용성 (또는 불용성) 부식 생성물의 잠재적 위험 이외에도, 희토류의 생체적합성과 같은 알려지지 않은 독성의 새로운 원소를 함유할 수 있으며, 이는 여전히 논쟁의 여지가 있다. 그러나, 체내에 정상적으로 존재하는 원소 (예: Zn, Ca 및 Mn)조차도, 수준이 적절하게 처리될 수 없기 때문에 (예를 들어, 신장을 통한 과잉 Mg, 연조직을 통한 수소 가스), 방출 속도가 지나치게 높으면 독성이 될 수 있다. 따라서, 독성 합금화 원소의 사용을 피하고 다른 원소, 심지어 자연적으로 발생하는 것들에 대한 적절한 방출 속도를 보장하기 위하여, 진정으로 생체적합성인 Mg 합금이 요구된다.
합금화는 일반적인 부식 거동을 더욱 개선시킬 수 있지만, 마그네슘이 다른 금속 및 전해질과 접촉하고 순수하게 사용될 수 없는 경우, 갈바니 부식 문제를 변화시키지 않는다. 따라서 다양한 Mg 합금의 분해 속도를 늦추기 위해 코팅 또는 표면 변형을 개발하는 것이 필수적이다. 생체물질, 특히 생분해성 마그네슘에 대한 코팅은 생체 적합성 및 완전 분해성이라는 기본 물질 자체와 동일한 요건을 갖는다. 후자는 임플란트 수명 주기에 걸쳐 어떤 일이 발생하는지 이해하기 위해 특히 중요하다. 마그네슘의 경우, 코팅 자체는 부식에 대한 완벽한 장벽 (이는 구조 물질에 대한 코팅 시스템의 목표가 됨)이 될 수 없다. Mg 임플란트가 생분해되는 것을 가능하게 하기 위해, 코팅은 일부 단계에서는 부식 장벽이 되지 않아야 하지만, 이들은 나금속(bare metal)의 초기 부식 속도를 감소시켜 주변 뼈 조직 (정형외과의 경우)이 형성을 시작할 수 있게 하기 위한 효과적인 방법을 제공하도록 요구될 수 있다. 이상적으로, 코팅은 그 자체가 점진적으로 분해되어, 유해한 흔적을 남기지 않으면서 전체 부식 과정을 제어하는 데 도움이 될 것이다. 양극산화(anodization), 금속-금속 코팅, 플라즈마 분무, 화학 증착, 원자층 증착, 펄스화 레이저 증착, 이온빔 보조 증착, 용액, 에멀젼 및 현탁액 코팅, 다양한 수단에 의해 달성되는 칼슘 포스페이트 (CaP) 증착 및 전착 및 전환 코팅의 널리 공지된 방법을 포함한 Mg 생체물질에 대한 가능한 코팅 기술이 다수 존재한다. 또한, 갈바니 부식 문제는 단지 적절한 코팅 시스템에 의해 해결될 수 있지만, 화학적 전환 코팅은 단지 수 마이크로미터 두께이고, 따라서 이들은 단지 제한된 보호를 제공하고 있다.
마그네슘 및 마그네슘 합금을 기반으로 하는 본 발명의 기능적 생체재흡수성 임플란트는 중합체 및 합성 생체물질에 의해 나타내는 분해성 및 생물학적 이점과 조합된 금속의 기계적 이점을 제공한다. 물질 개발에 있어, 신체의 다양한 응용에서의 마그네슘-기반 물질의 성공적 실현에는 도전과제가 있었다. 많은 이들 도전과제는 부식 속도, 모폴로지 또는 생성물과 관련되었다.
본원에 개시된 3세대 생체물질은 생체활성 무기 물질을 생분해성 중합체와 조합하는 것에 기초한다. 이들은 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 복합 물질을 함유하며, 여기서 유리 섬유 및 중합체 매트릭스는 둘 다 자연 환경, 예컨대 자연에서 또는 인체에서 분해성, 즉 생체재흡수성이다. 유리 섬유는, EP2243749B1, US5108957A, WO2012001449A1 및 EP0802890B1에 제시된 유리와 같은 생체재흡수성 및 생체적합성 유리로부터 제조될 수 있다.
생체재흡수성 및 생체활성 유리는, 물질 표면과의 뼈 조직의 효과적인 생물학적 상호작용 및 고정으로 이어지는 뼈-유사 히드록시아파타이트 층의 형성을 통해 뼈에 대한 완강한 결합을 형성하는 생리학적 유체와 반응하는 능력을 갖는다. 또한, 실리케이트 및 포스페이트 생체활성 유리의 경우, 물질 표면 상에서의 반응은 임계 농도의 가용성 Ca, P 및 Na 이온의 방출 및 교환을 유도하고, 이는 빠른 뼈 형성을 촉진시키는 유리한 세포내 및 세포외 반응으로 이어질 수 있다. 많은 생체재흡수성 유리 조성물이 플루오린, 마그네슘, 스트론튬, 철, 은, 붕소, 칼륨, 아연, 구리, 바륨, 리튬 또는 이들의 조합과 같은 실리케이트 또는 포스페이트 네트워크 내에 혼입된 추가의 원소를 갖도록 또는 나트륨을 함유하지 않도록 수년에 걸쳐 개발되었다. 생체활성 유리 또는 유리 섬유에 대한 제작 기술은 전통적 용융 방법 및 졸-겔 기술 둘 다를 포함한다. 용융 또는 졸-겔 유도되는 모든 생체활성 유리에 대하여 공통적인 전형적인 특징은 살아 있는 조직과 상호작용하는, 특히 뼈에 대한 강한 결합을 형성하는 능력 (또한, 일부 경우 연조직에서, 통상적으로 상기에 언급된 바와 같은 생체반응성 또는 생체활성이라 불리는 특성이다. 뼈와의 결합을 확립하기 위해, 이러한 생물학적 활성 아파타이트, 표면 층이 물질/뼈 계면에 형성되어야 한다. 따라서, 생체활성 유리의 뼈 결합 특성의 하나의 기초는 생리학적 체액에서의 화학 반응성 (시험관내 및 생체내)이고, 이는 뼈가 결합될 수 있는 히드록시카르보네이트 아파타이트 (HCA)의 형성을 제공할 수 있다. 간단히, 유리 표면에서의 과정은 이온 침출/교환, 유리 네트워크의 용해 및 칼슘-결핍 탄산 아파타이트 (HCA) 표면층의 침전 및 성장을 특징으로 하는 반면, 세포 반응은 관련 (뼈) 세포의 콜로니화, 증식 및 분화를 포함한다.
이전에 제시된 생체활성 유리는 조직 공학 응용에서 다른 생체활성 세라믹, 예를 들어, 소결 히드록시아파타이트에 비해 여러 장점을 나타낸다. 중합체/바이오세라믹 복합 물질은 다양한 특성 (예: 기계적 및 구조적 거동, 분해 동역학 및 생체활성 정도)을 조정할 수 있는 가능성으로 인해 편리한 대안을 나타낸다. 중합체 및 바이오세라믹으로 제조된 복합체는 이들의 단일 구성요소의 이점을 조합할 수 있다. 중합체는 일반적으로 높은 유연성, 인성, 유리한 성형성 뿐만 아니라 가공성 및 가소성을 나타낸다. 유리 또는 유리-세라믹 상은 복합체에 강성 및 기계적 강도를 부가한다. 특히, 생분해성 중합체를 기반으로 하는 복합체는, 새로 형성된 뼈가 분해 동안 이식된 물질을 점차 대체함에 따라 이 특정 조합이 이들의 제거를 위한 재수술을 필요로 하지 않기 때문에 뼈 조직 공학 물질로서 유용할 수 있다.
복합 물질
(하이브리드) 복합 물질은 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스와 조합된 또는 임베딩된 (순수) 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함한다. 이는, 바람직하게는 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스에 대한 접착 층으로서 작용하도록 및/또는 수소 기체 발생을 늦추기 위한 추가의 층으로서 작용하도록, 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 표면 상의 코팅을 추가로 포함할 수 있다. 이는 또한, 구조로부터의 수소 방출을 방지하는 수소 트랩으로서 작용할 수 있고/거나, 이는 부식 억제 층을 형성하는 마그네슘 합금의 표면 상의 부식 생성물을 유지할 수 있다.
따라서, 본 출원은, 선행 기술의 복합체와 달리, 하이브리드 복합 구조의 결과로 개선된 기계적 특성을 나타내는, 하중-지지 목적을 위한 구조적 고정으로서 유용한 복합 물질을 제공한다. 실로, 마그네슘 또는 마그네슘 합금이 생체재흡수성 유리 섬유 중합체 매트릭스와 조합되거나 임베딩된 하이브리드 복합 물질을 제공하는 본 출원의 해결책에 의해 선행 기술의 단점이 극복되거나 적어도 최소화된다.
본 출원은 선행 기술 물질의 단점이 최소화되거나 심지어 제거될 수 있는, 즉 복합체가 예를 들어 뼈 골절 치유를 위해 충분한 기간 동안 생체내에서 그의 강도 및 탄성률을 유지하는 하이브리드 복합 물질을 제공한다. 실로, 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내로 두 생체재흡수성 보강재, 마그네슘/마그네슘 합금 및 유리 섬유를 조합하는 것을 통해 생체내 조건에서 우수한 강도 유지를 갖는 피질 골과 일치하는 높은 강도 및 굴곡 탄성률이 달성될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 기계적 강도는 굽힘 강도, 비틀림 강도, 충격 강도, 압축 강도 및 인장 강도를 포함한다.
본 출원은 가단성인 하이브리드 복합 물질을 제공하며, 즉 외과의가 뼈의 해부학적 구조 및 형상에 따라 임플란트를 삽입 전에 구부림으로써 이를 성형할 수 있다. 하이브리드 복합 물질의 금속성, 가소성 성질로 인해, 새로운 형상이 치유 기간 동안 변하지 않고 남아 있을 것이다.
본 출원은 또한 하이브리드 복합 물질의 화학적 및 물리적 강도 및 안정성에 대하여 제어를 가능하게 하는 제조 방법을 제공한다. 하이브리드 복합체의 강도 및 안정성은, 마그네슘 합금화 시스템을 변화시킴으로써, 마그네슘 또는 마그네슘 합금 상의 임의적 화학 코팅을 변화시킴으로써, 생체재흡수성 유리 섬유 조성을 변화시킴으로써 및/또는 생체재흡수성 중합체 매트릭스를 변화시킴으로써 또는 이들의 조합 및 상대적 비율(들)에 의해 변형될 수 있다.
강도 및 안정성을 변형시키는 한가지 방법은, 생체재흡수성 섬유 보강 중합체 매트릭스에 의해 임베딩된, 또한 하이브리드 복합체에 보강 효과를 제공하는 상이한 형태, 예컨대 막대, 플레이트, 코어, 튜브 또는 섬유 또는 다른 물리적 형태 또는 형상의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 사용하는 것이다. 또 다른 방식은 생체재흡수성 중합체 매트릭스에 연속적 또는 불연속적인 생체재흡수성 유리 섬유를 사용하는 것이다.
본 출원은, 하기를 포함하는, 생분해성 복합 물질의 제조 방법을 제공한다:
- 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 제공하는 단계,
- 생체재흡수성 유리 섬유를 제공하는 단계,
- 생체재흡수성 중합체를 제공하는 단계, 및
- 물질들을 조합하여 생분해성 복합 물질을 형성하는 단계. 복합 물질은 완전히 또는 실질적으로 완전히 생분해성이다.
마그네슘 또는 마그네슘 합금은 보강 형태로 되며, 이는 이것이 기계적 지지를 제공할 수 있고 자가-지지되는 보강재로서 존재함, 예를 들어 이는 상이한 물질 상의 코팅으로서 제공되고/거나 존재하지 않음을 의미한다. 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금은 막대, 플레이트, 코어, 튜브 또는 섬유 또는 다른 보강 형상의 형태일 수 있다. 따라서, 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금은, 도 1-5 및 7a 및 7b의 예에서와 같이 코어로서 작용할 수 있고, 이는 생체재흡수성 유리 섬유 및 생체재흡수성 중합체로 임베딩되고, 예컨대 혼합, 커버링 또는 코팅된다. 마그네슘 또는 마그네슘 합금이 튜브로서 존재하거나 제공되는 경우, 튜브의 개구가 임의의 물질로 충전되지 않도록 요망될 수 있지만, 이는 생성물을 신체 내에 적용하고/거나 그로부터 제거하는 동안 적합한 취급의 사용을 가능하게 하도록 충전되지 않고 남아 있을 수 있다.
생체재흡수성 유리 섬유 및 생체재흡수성 중합체가 먼저 조합되고 이어서 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금과 조합될 수 있다. 생체재흡수성 유리 섬유 및 생체재흡수성 중합체는 기성품, 즉 유리-섬유-중합체 복합체로서, 예를 들어 테이프, 필라멘트, 얀(yarn), 기계가공 물체로서 및/또는 성형가능 복합 물질로서 제공될 수 있다. 유리-섬유-중합체 복합체를 추가로 가열, 가압 및/또는 다른 방식으로 가공처리 및/또는 반응시켜 이를 요망되는 형상으로 형성, 즉 마그네슘 또는 마그네슘 합금과 조합할 수 있다. 예를 들어 유리-섬유-중합체 복합체를 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금 상으로의 적용 전에 및/또는 그 동안 가열할 수 있다. 유리-섬유-중합체 복합체를 바람직하게는 가열하여 중합체의 용융물을 얻는다. 중합체는 이것이 성형가능하게 되는 정도로 용융되어야 한다. 유리-섬유-중합체 복합체가 적용된 후, 이는 용융물이 고화되도록 냉각되거나 냉각되도록 허용될 것이다.
상이한 조합 순서를 갖는 것도 가능하며, 예를 들어 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금이 먼저 생체재흡수성 중합체와 조합되고 이어서 생체재흡수성 유리 섬유와 조합될 수 있다.
하나의 구현예에서 방법은 하기를 포함한다:
- 생체재흡수성 유리 섬유 및 생체재흡수성 중합체를 조합하여 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 생체재흡수성 유리 섬유를 얻는 단계, 및
- 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 생체재흡수성 유리 섬유를 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금과 조합하여 생분해성 복합 물질을 형성하는 단계.
하나의 구현예에서 방법은 하기를 포함한다:
- 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금 및 생체재흡수성 중합체를 조합하여 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 얻는 단계, 및
- 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 생체재흡수성 유리 섬유와 조합하여 생분해성 복합 물질을 형성하는 단계.
도포, 압축, 용융, 라미네이팅 및 중합으로부터 선택된 하나 이상과 같은, 임의의 적합한 조합 방법 및 이들의 조합이 사용될 수 있다. 대부분의 경우, 중합체가 유리 섬유 및/또는 마그네슘 또는 마그네슘 합금 주위에 매트릭스를 형성할 수 있도록, 성형가능 상태, 예컨대 용융된 또는 유동가능 상태의 중합체(들) 또는 그의 전구체(들)를 제공하는 것이 필수적이다.
성분들의 조합시, 일부 방법에서는, 용융물, 보다 특별하게는 생체재흡수성 중합체의 용융물을 얻거나 형성하는 것이 필수적이다. 이는 생체재흡수성 중합체의 융점 또는 그 초과의 온도와 같은 증가된 온도를 사용함으로써 달성될 수 있다. 생체재흡수성 중합체는 열가소성 중합체이거나 이를 포함할 수 있다. 이어서 용융 중합체를 유리 섬유 및/또는 마그네슘 또는 마그네슘 합금과 조합하고/거나 혼합한다.
이러한 방식으로, 중합체를 다른 성분(들)과 조합하고, 그에 따라 중합체가 매트릭스로서 존재하는, 복합 물질이라 불릴 수 있는 혼합물을 형성하는 것이 가능하다. 중합 반응과 같은 적합한 반응을 사용함으로써 요망되는 중합체로 형성되는, 단량체, 올리고머 및/또는 중합체와 같은 중합체 또는 중합체 매트릭스의 전구체를 제공함으로써 중합체 또는 중합체 매트릭스를 얻는 것이 가능하다. 화학 개시제, (UV) 광, 다른 방사선 및/또는 열과 같은 중합 개시제가 제공될 수 있다.
적합한 장치로의 압축에 의한 것과 같이, 조합 동안 압력이 적용될 수 있고, 그에 따라 이 압력은 중합체(들) 또는 전구체(들)이 성형가능하게 되도록 할 수 있다. 열이 사용될 수도 있고, 이는 외부 열 및/또는 압력 적용에 의해 유발된 열일 수 있다.
보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금이 코어 등의 구조로서 제공되는 경우, 생체재흡수성 유리 섬유 및 생체재흡수성 중합체는, 예를 들어, 유리 섬유-중합체 테이프가 마그네슘 코어 상으로 권취되어 있는 도 2에 나타낸 바와 같이, 권취에 의해, 예컨대 필라멘트 권취 또는 테이프 권취에 의해, 또는 임의의 적합한 방법을 사용하여, 예컨대 혼련에 의해, 공압출 및 열가소성 인발을 포함한 압출에 의해, 사출 성형에 의해 또는 본원에 개시된 임의의 다른 장치 및 방법에 의해 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금 상으로 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 생체재흡수성 유리 섬유의 용융물을 제공함으로써, 이러한 자가-지지 구조를 커버링하도록 제공될 수 있다. 중합체 매트릭스 부분 내의 유리 섬유 및/또는 마그네슘 부분은 서로 핏팅되도록 기계가공된 물체로서 제공되고, 이어서 조합되어 복합 구조를 형성하도록 적용될 수 있다. 예를 들어 마그네슘 합금의 막대가 유리-섬유-중합체 튜브 또는 상기 막대를 수용하도록 적합화된 다른 적합한 구조 내의 개구 내로 적용될 수 있다. 핏팅은 바람직하게는, 막대가 개구 내로 강제이동되고, 그에 따라 두 물체 사이의 압축 접촉이 발생하도록 적용 동안 압축을 필요로 하는 핏팅과 같은 타이트 핏팅일 것이다. 도 1에 나타낸 것과 같은 구조는 이러한 방법을 사용함으로써 얻어질 수 있다.
마그네슘 또는 그의 합금은, 기계적 기계가공, 레이저 기계가공, 프레싱, 워터 젯 가공처리, 적층 가공(additive manufacturing), 예컨대 하기 포함: 분말, 과립으로서 또는 와이어로서의 생분해성 마그네슘 합금의 제공, 또는 요변성 성형, 액체 금속 성형 또는 금속 사출 성형에 의한 것과 같은 사출 성형, 또는 이들의 조합 등에 의한 장치의 임의의 적합한 가공처리 또는 기계가공을 사용함으로써, 다른 성분들과의 조합을 위해 요망되는 형태로 가공처리 및/또는 기계가공될 수 있다. 이러한 가공처리 및/또는 기계가공 후, 막대, 플레이트, 코어, 튜브 또는 섬유 또는 다른 물리적 형태 또는 형상 등의 적합한 형태가 얻어질 수 있다.
생체재흡수성 유리 섬유는 연속적 형태 및/또는 불연속적 형태로 제공될 수 있다. 또한 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금도 연속적 형태 및/또는 불연속적 형태로 제공될 수 있다.
하나의 구현예에 따라 하이브리드 복합 물질은 각각의 유형이 상이한 조성을 갖는 둘 이상의 유형의 마그네슘 합금을 포함하거나 1차 마그네슘 또는 마그네슘 합금 이외의 제2 생체재흡수성 금속, 예컨대 그 합금을 포함한 아연 또는 철을 포함한다. 마그네슘, 마그네슘 합금 또는 다른 금속 또는 그의 합금일 수 있는 금속, 또는 금속의 유형은 진행 번호에 의해 제1 금속, 제2 금속 및 임의로 제3 또는 추가의 금속(들)이라 불릴 수 있다. 재흡수성 금속의 제2 유형은 예를 들어 보다 높은 재흡수 속도 또는 상이한 기계적 특성을 갖는 금속 또는 합금일 수 있고, 이는 과립, 구, 블록 또는 섬유의 형태일 수 있다.
하나의 구현예에 따라 하이브리드 복합 물질은 각각의 유형이 상이한 조성, 재흡수 속도 및/또는 생체활성을 갖는 둘 이상의 유형의 재흡수성 및 생체적합성 유리 또는 유리 섬유를 포함한다. 유리, 또는 유리의 유형은 진행 번호에 의해 제1 유리, 제2 유리 및 임의로 제3 또는 추가의 유리(들)라 불릴 수 있다. 유리의 제2 유형은 예를 들어 보다 높은 생체활성 및 재흡수 속도를 갖는 유리일 수 있다. 보다 빠른 재흡수 속도 및 보다 높은 생체활성의 경우, 주요 기능은 복합체의 보강이 아니라, 대신에 보다 골전도성 또는 항미생물성 물질이 되는 것이며, 이는 이것이, 예를 들어 BonAlive® S53P4 유리와 같은 과립, 섬유 및/또는 분말 형태로, 뼈 치유를 촉진시키고 용이하게 함을 의미한다. 유리의 상이한 유형은 예를 들어 실리카, 포스페이트, 붕소 및 마그네슘 기반의 생체재흡수성 유리로부터 선택된 상이한 유형일 수 있다.
복합 물질은 또한 둘 이상의 유형의 생체재흡수성 중합체, 둘 이상의 유형의 화학 코팅 또는 부분 코팅/코팅들, 패턴을 갖는 코팅 또는 가변 두께를 갖는 코팅을 포함할 수 있고, 이들은 디자인 특이적 최적화/프로그램화된 부식 속도 또는 접착 거동을 제공한다. 또한, 복합 물질은 상이한 중앙값 직경을 갖는 섬유의 둘 이상의 그룹 형태의 유리를 또한 포함할 수 있다.
본원에 개시된 복합 물질은 하이브리드 복합 물질이라 불릴 수 있다. 용어 하이브리드 복합체는 본 설명에서 사용되는 바와 같이 복합체의 특성을 개선시키기 위해 적어도 2종의 보강 원소가 매트릭스 내로 통합된 여러 상의 조합의 결과인 물질을 지칭하며, 즉 하이브리드 복합체는 단일 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 둘 이상의 유형의 보강재를 포함하거나 이들로 이루어질 수 있는 물질로서 정의될 수 있다. 구성요소의 모폴로지, 성질, 및 배향은 복합체가 외부 하중에 대하여 반응하는 방식에 상당히 영향을 준다. 사실상, 복합체의 특성은, 하이브리드 복합체의 구성성분 원소의 특징적 특성에 의해 좌우되는, 그의 내부 구조와 밀접하게 연결된다. 하이브리드 복합체의 기계적 특성은 n개 (n > 2)의 연합 작업 상들로 이루어지며, 이는 매우 중요하다. 그러나, 하이브리드 복합체의 기계적 거동은 매트릭스 및 보강재의 특질 뿐만 아니라 이들 구성요소와 매트릭스 사이의 계면의 특성에 따라 달라지고, 이것이 고려되어야 한다. 하이브리드 복합체는 동일한 매트릭스에서 하나 초과의 종류의 보강재를 사용하고; 따라서, 아이디어는 복합체의 전체적 특성에 대한 보강재의 특성의 상승작용 효과를 얻는 것이다. 하이브리드 복합체 사용으로, 특성을 보다 많이 제어하는 것이 가능할 수 있어, 임의의 복합 물질에서의 이점과 단점 사이의 보다 유리한 균형을 달성한다. 또한, 저신율을 갖는 보강재 (유리 섬유)의 파괴에 따라 주변 고신율 보강재 (마그네슘 또는 마그네슘 합금)에 하중이 여전히 브릿징될 수 있고, 그에 따라 복합체의 기계적 특성이 향상되는 물질에서, 긍정적 하이브리드 효과가 인식될 수 있다.
사실상, 하이브리드 복합체는 구성성분의 이점과 단점의 균형이 달성되는 개개의 구성성분의 가중 합계로서 고려될 수 있다. 본 발명에 따라 보다 높은 강성 및 굴곡 탄성률을 갖는 마그네슘 또는 마그네슘 합금이 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 강성 및 굴곡 탄성률을 보완하는 것과 같이 하이브리드를 통해 하나의 보강재의 이점이 또 다른 보강재의 단점을 보완할 수 있음이 확인된다. 유사하게, 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스는 마그네슘 및 마그네슘 합금의 강도 특성을 보완한다. 따라서, 마그네슘 또는 마그네슘 합금 및 생체재흡수성 유리 섬유 보강 매트릭스로부터 제조된 하이브리드 복합체는 하중-지지 임플란트 또는 구조 물질로부터 요구되는 최적의 강도, 강성 및 탄성률을 얻는다.
하이브리드 복합체의 특성은 보강재의 배향, 보강재 함량 및 길이, 두 보강재의 레이어링 패턴, 이들의 상호혼합 능력, 보강재-매트릭스 계면, 및 또한 단일 보강재의 파괴 변형률에 의해 영향받을 수 있다.
하나의 구현예에 따라 하이브리드 복합체는 ISO 178:2019 또는 ASTM D790-17에 의해 측정된 200-1500 MPa, 보다 바람직하게는 300-800 MPa 또는 300-500 MPa, 및 가장 바람직하게는 400-500 MPa의 굴곡 강도를 갖는다.
또 다른 구현예에 따라 하이브리드 복합체는 ISO 178:2019 또는 ASTM D790-17에 의해 측정된 20-40 GPa, 보다 바람직하게는 25-35 GPa, 및 가장 바람직하게는 약 30 GPa의 굴곡 탄성률을 갖는다.
또 다른 구현예에 따라 하이브리드 복합체는 BS 2782-3 방법 340A-B에 의해 측정된 (속도 10 mm/min) 4000-5000 N, 보다 바람직하게는 4200-4800 N의 전단 강도를 갖는다.
하이브리드 복합체는 ISO 178:2019 또는 ASTM D790-17에 의해 측정시 적어도 3개월 동안, 바람직하게는 4-5개월 동안, 및 가장 바람직하게는 6개월 동안 생리학적 조건 (시험관내, 온도 37℃)에서 그의 기계적 특성의 적어도 60%를 유지할 수 있다.
본 출원은 또한 의료 장치의 제조 또는 제작시 하이브리드 복합 물질의 용도에 관한 것이다. 본 출원은 또한 본원에 설명된 바와 같은 하이브리드 복합 물질을 포함하는 의료 장치에 관한 것이다. 의료 장치는 예를 들어 임플란트일 수 있다. 피질 골 바로 위의 높은 강도, 탄성률 및 생체내에서의 이들 특성의 유지를 갖는 복합체로부터 제조된 의료 장치는, 상기 언급된 특성이 가수분해 조건 하에 현재의 불활성 생체금속, 예컨대 티타늄 및 그의 합금과 동일한 디자인 자유 및 유용성을 제공하기 때문에, 예를 들어 뼈 골절 고정 장치의 제조에서 유용하다.
의료 장치는 조직 지지 또는 뼈 치유 및/또는 재생을 위한 장치 또는 신체 내에 사용되는 임의의 종류의 임플란트일 수 있다.
본원에 따른 임플란트는, 치유를 위해 뼈 조각을 부동화하기 위한 절골술 및/또는 뼈 골절의 고정을 위한, 나사, 플레이트, 핀, 압정 또는 네일; 뼈-대-뼈, 연조직-대-뼈, 뼈-내-연조직 및 연조직-대-연조직 고정을 위한 봉합 앵커, 압정, 나사, 볼트, 네일, 클램프, 스텐트 및 다른 장치; 조직 지지 또는 뼈 치유 또는 재생을 위해 사용되는 장치; 또는 척추 외과수술에서 척추골 융합 및 다른 수술을 위한 경추 쐐기 및 요추 케이지 및 플레이트 및 나사 등의 외과적 근골격 응용에 사용될 수 있는 임의의 종류의 임플란트, 보다 특별히 (완전) 생체재흡수성 임플란트를 포함할 수 있다.
일부 추가의 예에서 임플란트는 치유를 위해 뼈 조각을 부동화하기 위한 절골술 및/또는 뼈 골절의 고정을 위한, 네일, 예컨대 골수내 네일, 클립, 스테이플, 메쉬, 스캐폴드, 케이지, 또는 키르쉬너(Kirschner) 와이어를 포함한다.
본 발명의 하이브리드 복합 물질은 대형 또는 거대 임플란트 등의 의료 장치, 예컨대 플레이트, 네일 또는 나사, 또는 압축, 인장 및/또는 비틀림 힘에 노출되는 임의의 다른 임플란트 및 의료 장치에 특히 적합하다. 이러한 네일 또는 나사는 적어도 10 cm, 적어도 15 cm 또는 적어도 20 cm의 길이를 가질 수 있다. 물질은 이러한 생성물에 요망되는 기계적 특성, 예컨대 굽힘 강도, 비틀림 강도, 충격 강도, 압축 강도 및 인장 강도를 제공할 수 있다.
하나의 구현예에서 생체재흡수성 임플란트는 골수내 네일이거나 이를 포함한다. 또한 골수내 장치, 골수내 막대 또는 인터-락킹 네일이라 불리는 골수내 네일은 통상적으로, 특히 신체의 긴 뼈의 골절을 치료하기 위해, 뼈의 골수강 내에 강제삽입되도록 디자인된 금속 막대이다. 본 발명의 하이브리드 복합 물질은 통상적으로 티타늄으로 제조된 대형 구조이고 따라서 신체로부터 제거되어야 하는 골수내 네일의 제조에 특히 적합하다. 이는 마취, 외과적 방법 및 힘의 사용을 필요로 하는 힘들고 고위험 작업일 수 있으며, 이는 합병증, 추가 부상 또는 본원에서 논의된 것과 같은 다른 원치 않는 영향을 초래할 수 있다. 본 발명의 하이브리드 물질을 사용하면, 제거할 필요가 없지만 높은 강도, 강성 및 탄성률과 같은 이러한 대형 네일에서 요구되는 매우 우수한 기계적 특성을 나타내는 생분해성 골수내 네일을 제공할 수 있다. 본 발명의 제조 방법을 사용하면, 요망되는 크기 및 특성을 갖는 이러한 거대 네일을 쉽게 얻을 수 있다. 생성물이 생분해성이기 때문에, 이는 제거를 필요로 하지 않고, 따라서 종래의 골수내 네일의 많은 단점을 피할 수 있다.
하나의 구현예에서 생체재흡수성 임플란트는 스캐폴드 또는 케이지, 예컨대 척추 케이지이거나 이를 포함한다. 또한 체간 케이지 또는 체간 융합 케이지라 불리는 척추 케이지는 추간공 높이 및 강하를 유지하기 위해 척추 융합 절차에 사용되는 보형물이다. 이들은 예를 들어 원통형 또는 정사각형 형상일 수 있으며, 쓰레딩(threading)될 수 있다. 이러한 보형물은 추간판 사이의 공간이 흐트러져 있을 때 삽입되어, 임플란트가 쓰레딩시 나사와 같이 압축되도록 한다. 도 3은, 중합체 복합 물질과 같은, 골전도성 또는 골유도 물질로 충전될 수 있는, 마그네슘 합금 벌집 구조(14)를 포함하는 척추 케이지(10)의 예를 나타낸다. 외부 층(12)은 마그네슘 합금 구조를 둘러싸고 지지하는 유리-섬유-중합체 층으로 형성된다. 척추 케이지(10)가 2개의 큰 개구 및 벌집 구조를 포함하는 개방형이고 사용 동안 압축 힘에 적용됨에 따라, 전체 구조가 변형되지 않고 이들 기계적 힘을 견딜 수 있는 것이 중요하다. 일반적으로, 본 발명의 하이브리드 물질은 상이한 종류의 셀형(cellular) 또는 다공성 구조, 예컨대 상기 벌집 구조 또는 기공, 공극 또는 개구를 포함하는 다른 구조를 지지하기에 적합하다. 본 발명의 물질은 이러한 셀형 부분 또는 다른 다공성 부분, 예컨대 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 또는 이들로 이루어진 셀형 부분을 포함할 수 있다. 이러한 생성물의 예는 케이지, 스캐폴드 또는 본원에 개시된 다른 적용가능 생성물을 포함한다.
본 발명의 하이브리드 복합 물질은, 높은 압력 하중 또는 응력을 견뎌내야 하는 스캐폴드 및 케이지에 특히 적합하다. 종래의 생분해성 물질은 이러한 용도에서 그다지 내구성이 아니고, 특히 중합체-기반 물질은 압축 크리프(creep) 및 평탄화 경향이 있다. 본 발명의 하이브리드 물질에서 비-크리핑 유리 섬유는 임플란트를 함께 지탱할 수 있고, 마그네슘은 압축 강도를 제공한다. 유리 섬유는 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금 주위에 권취되거나 다른 방식으로 배치될 수 있고, 따라서 마그네슘 물질의 퍼짐을 억제할 수 있다.
척추 융합의 기본 전제는 약화된 척추 세그먼트 위의 강하고 건강한 뼈와 그 아래의 강하고 건강한 뼈를 연결하는 뼈 "브릿지"의 창출이다.
장기적 척추 안정성은 뼈의 우수한 융합으로 가장 잘 달성된다. 뼈 융합의 과정은 여러 척추 세그먼트에 걸쳐 연장되는 융합을 갖는 환자에 대하여 수개월 또는 최대 1년 이상이 걸린다. 척추 융합에서 현재 황금 표준인, 현재의 금속성 케이지, 예를 들어 티타늄 케이지는 종종 응력 차폐, 장치-관련 골감소증, 및 침하와 같은 수술후 합병증을 증가시킬 수 있는 과도한 강직성과 관련된다. 기계적 강도가 우수함에도 불구하고, 금속성 케이지는 비-생체활성이고 종종 뼈 조직 리모델링을 자극하기 위해 효과적으로 하중을 전달하는 것에 실패한다. 방사선불투과성 금속성 케이지는 또한 수술후 추적 관찰 동안 이식 부위의 뼈 융합의 시각화를 방해하여, 뼈 치유의 진행을 결정하기 어렵게 만든다. 본 발명의 생분해성 케이지는 응력 차폐 및 장기적 이물 반응과 같은 비-분해성 케이지의 사용과 관련된 합병증을 해결하기 위해 체간 융합을 포함하는 척추 절차에 특히 적합하다. 선행 기술에서는 영구 물질에 비해 생분해성 케이지의 비교적 약한 초기 물질 강도 및 낮은 크리프 저항 및 분해로 인한 강도의 후속 감소가 문제가 되었고, 이는 유리한 임상 결과를 제공하지 않았다. 본 발명의 생분해성 하이브리드 복합체의 생체활성은 척추골에 대한 케이지의 빠른 뼈-결합을 가능하게 하고 임플란트 이동 및 변위를 방지하고, 또한 척추골로부터 척추골로의 하이브리드 복합체 임플란트 상에서의, 또한 이를 통한 뼈 조직 리모델링, 즉 척추 융합을 자극한다. 하이브리드 복합체 케이지의 기계적 특성은 실시예 6에 나타낸 바와 같이 피질 골과 등탄성이고, 응력 차폐를 유발하지 않지만 현재의 생체중합체 케이지보다 더 강하고, 따라서 척추 융합에 대한 적절한 안정성을 가능하게 한다. 추가로 하이브리드 복합체는 MRI 안전성이고, 이들은 수술후 시각화를 방해하지 않는다.
하나의 구현예에서 임플란트는 나사이거나 이를 포함한다. 나사는 외상 나사 또는 정형외과용 외과적 나사일 수 있다. 나사는 통상적으로 하나 이상의 나사 쓰레드(들)를 포함한다.
또한 K-와이어 또는 K-핀이라 불리는 키르쉬너 와이어는 첨예화된 매끄러운 와이어 또는 핀이다. 이들은 상이한 크기로 제공될 수 있고 뼈 조각을 함께 지탱하기 위해 (핀 고정) 또는 골격 견인을 위한 앵커를 제공하기 위해 사용된다.
하이브리드 복합 물질은 또한 다공성 조직 공학 스캐폴드로서 사용될 수 있다. 스캐폴드, 또는 복합 물질 또는 이를 함유하는 의료 장치는, 40-95% 범위, 예컨대 40-60% 40-90% 60-90% 또는 60-80% 범위, 바람직하게는 적어도 80%, 또한 보다 바람직하게는 적어도 90%의 다공도를 가질 수 있다.
본 출원에 따른 의료 장치의 이점은, 이들이 지나치게 빠른 수소 발생과 같은 부작용을 일으키지 않고 분해에 의해 신체로부터 사라진다는 점이다.
의료 장치 물질의 응용 및 목적에 따라, 의료 장치는, 생체적합성인 것에 추가로, 또한 포유류 신체에서 제어된 재흡수를 나타낸다. 최적 재흡수 속도는 요망되는 이식 위치에서 조직의 재생 속도에 정비례한다. 뼈 조직의 경우, 임플란트의 상당 비율은 바람직하게는 조직 내에서 12 내지 24개월 내에 재흡수/분해된다. 치유 조직에 대한 보다 많은 물리적 지지가 바람직한 경우, 재흡수 속도는 수개월 또는 심지어 수년일 수 있다. 또한, 본 발명은 캐뉼라, 카테터 및 스텐트 등의 의료 장치에서 사용될 수 있다.
의료 장치 또는 구조 부분의 또 다른 이점은 이들의 강도 및 실현가능한 제조이다. 의료 장치 또는 구조 부분은, 임의의 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금 및 생체재흡수성 유리 섬유를 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내에 배열하고, 중합체 또는 복합체 가공처리 장치(들) 또는 장비, 예컨대 기술분야에 공지된 기계적 가공처리 장치, 예를 들어 개방 또는 폐쇄 배치 혼합기 또는 혼련기, 하기를 포함한 압출기: 공압출 및 열가소성 인발, 하기를 포함한 사출 성형 기계: 사출 성형, 반응성 사출 성형 (RIM), 라미네이션, 캘린더, 이송 성형, 압축 성형, 기계적 기계가공, 인발, 용매 캐스팅, 3D 프린팅, 필라멘트 권취, 자동화 테이프 레이-업, 자동화 섬유 배치 또는 다른 표준 용융 가공처리 또는 용융 혼합 장비 및 상기 언급된 것들의 조합 중 하나 이상의 적합한 것을 사용하고, 요망되는 배향 및 비율의 마그네슘 또는 마그네슘 합금 및 연속 생체재흡수성 유리 섬유 및/또는 세단된/절단된 섬유 및/또는 제직, 부직 매트/텍스타일을 갖는 임플란트 또는 구조 부분으로 생성 및/또는 성형함으로써 제조될 수 있다.
의료 장치, 예컨대 임플란트는, 의료 장치를 대상체, 예컨대 환자 내에 삽입하는 것을 포함하는 방법 등의 의료적 치료 방법에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 방법은 하기를 포함할 수 있다:
- 바람직하게는 치료 또는 요법을 필요로 하는 대상체를 인식하는 단계,
- 의료 장치를 제공하는 단계,
- 의료 장치를 대상체 내에 삽입하는 단계.
대상체는 인간 또는 동물 대상체일 수 있다. 요법의 필요는 뼈 또는 다른 적합한 조직의 손상에 의해 유발될 수 있다. 예를 들어 대상체는 뼈 골절 또는 다른 손상, 또는 본원에 개시된 것들과 같은 다른 적용가능 병태를 앓고 있을 수 있다.
본 출원은, 하기를 포함하는 의료 장치 또는 그의 부분의 제조 방법을 제공한다:
- 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금 및 생체재흡수성 유리 섬유를 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 형태로 제공하여 복합 물질을 형성하는 단계,
- 하나 이상의 가공처리 장치를 제공하는 단계,
- 가공처리 장치로 복합 물질을 의료 장치 또는 그의 부분으로 가공처리하는 단계.
방법은, 먼저 마그네슘을, 바람직하게는 적합한 형태로 제공하고, 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 생체재흡수성 유리 섬유를 제공하고, 이들을 조합하여 복합 물질을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 후속 단계에서와 동일, 유사 또는 상이할 수 있는 가공처리 장치가 또한 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 생체재흡수성 유리 섬유의 가공처리를 위해 사용될 수 있다.
형성된 복합 물질은 본원에 기재된 적용가능 복합 물질의 임의의 유형일 수 있다. 하이브리드 복합 물질의 제조 공정은 연속적 공정 또는 배치 공정일 수 있다.
최종 임플란트의 분해를 변형시키기 위해, 이들의 표면 특성을 향상시키기 위해, 또는 생물학적 활성 화합물을 그에 첨가하기 위해, 공-압출, 딥 코팅, 전기 분무, 사출 성형, 용액 함침 또는 중합체, 제약, 장치 또는 텍스타일 산업에서 사용되는 임의의 다른 공지된 기술을 포함할 수 있는 공정으로 추가의 재흡수성 중합체 코팅 층에 의해 이들을 추가로 변형시킬 수 있다. 중합체는 하기에 언급된 것들일 수 있다.
하이브리드 복합체는 또한, 환경적 제어 및 오염 방지가, 구조 부분에 사용될 수 있고 임의의 유해 및 독성 부산물을 자연에 남기지 않으면서 생성물의 수명 주기 후에 분해될 수 있는 완전 분해성 물질로의 지속가능한 해결책을 필요로 하는 기술 분야에서 현재 문제에 대한 해결책의 역할을 한다.
하이브리드 복합체는 상업, 자동차, 산업, 항공우주, 해양, 및 레크리에이션 구조 또는 물체에서 1차 구조에 사용될 수 있다. 이는 우수한 피로 및 내부식성, 및 탁월한 내충격성과 같은, 항공우주 산업에서의 폭넓은 범위의 이점을 갖는다. 가장 중요한 이점은 중량 감소이고, 여기서는 전통적 금속 부분에 비해 20%-50% 범위의 절감을 생성할 수 있다. 또한, 기계적 특성이 보강층의 두께가 테이퍼링되고 배향이 변화되는 "레이-업" 디자인에 의해 조정될 수 있다.
마그네슘 및 마그네슘 합금
마그네슘은 이것이 비교적 우수한 강도, 저중량 및 우수한 표면 품질의 조합을 가짐에 따라 매우 매력적인 물질이다. 중량이 주요 역할을 하는 구조 응용에서, 마그네슘은 좋은 선택이다. 그의 재순환성 특성 또한 유리함을 제공한다. 자동차 구성요소에서의 마그네슘 및 그의 합금의 사용은 60년대 및 70년대 초반에 제한적이었지만, 오늘날에는 감소된 CO2 배출을 통한 환경 보호 및 원료 절약에 대한 인식이 이 물질을 매력적으로 만든다. 마그네슘은 항공기 및 미사일 구성요소, 항공기 엔진 마운트, 제어 힌지, 연료 탱크, 날개를 위한 방위 및 항공우주 공학 분야에서 좋은 선택 물질로 간주된다. 자동차 부문에서 마그네슘은 바퀴, 하우징, 변속기 케이스, 엔진 블록, 스티어링 휠 및 기둥, 시트 프레임, 노트북, 텔레비전, 휴대폰 등의 전자 제품을 위해, 또한 더 많은 영역에서 사용된다.
마그네슘은 질량 기준으로 지각에서 8번째로 풍부한 원소이며 전체적으로 우주에서 9번째로 풍부한 원소인 것으로 나타나 있다. 이는 전체적으로 지구 질량에 기여하는 원소 중 철, 산소 및 규소 다음으로 4위를 차지한다. 이는 해수에 용해된 3번째로 풍부한 원소로 랭크된다. 마그네슘은 또한 미네랄로서 인체가 필요로 한다. 마그네슘은 인체 내의 2번째로 풍부한 세포내 2가 양이온이다. 마그네슘 및 그의 부식 생성물은 높은 생체적합성을 나타낸다. 이는 세포막 및 염색체에서 구조적 역할을 하고, 예를 들어 300개 초과의 효소 및 대사 경로에 대한 보조인자로서 다양한 메커니즘에 관여한다. 뼈는 신체 마그네슘의 대략 67%를 함유하며, 이 중 30%는 뼈 표면 상의 그의 존재로 인해 교환가능하고, 따라서 마그네슘 항상성의 유지를 위한 동적 저장소를 제공한다. 다른 한편으로, 신체는 신장을 통해 과잉 마그네슘을 쉽고 효과적으로 제거할 수 있다.
마그네슘 및 마그네슘 합금은 하이브리드 복합체에서 하나의 보강 구성요소로서 사용된다. 마그네슘은 순수하게 사용될 수 있다. 이와 관련하여 순수의 정의는 마그네슘이 0.1 wt. % 미만의 하나 이상의 다른 원소를 가지며 나머지는 마그네슘임을 의미한다. 바람직하게는 순수 마그네슘은 0.01 wt.% 미만의 하나 이상의 다른 원소를 가지며 나머지는 마그네슘이고, 가장 바람직하게는 0.005 wt.% 미만이다.
마그네슘은 생체적합성, 생체재흡수성 및 비-독성인 것으로 고려되고, 마그네슘은 또한 새로운 뼈 형성에 있어 핵심 부분인, 뼈 미네랄의 벌크를 구성하는 생물학적 아파타이트의 형성에 있어 중요한 이온이기 때문에, 뼈 형성의 속도를 증가시키는 것으로, 즉 골유도성인 것으로 나타났다. 따라서, 마그네슘은 생체활성 물질로서 분류된다. 마그네슘은 또한 뼈 취약성 및 강도에 긍정적인 영향을 주는 것으로 공지되어 있다.
순수 마그네슘은 폭넓게 다양한 임플란트 응용을 위해 요구되는 필수적인 기계적 강도 및 부식 특성을 제공할 수 없지만, 본원에 개시된 하이브리드 복합체는, 마그네슘 또는 그의 합금으로부터의 주요 입력이 강성 및 굴곡 탄성률로부터 나오기 때문에, 순수 마그네슘 또한 사용할 수 있게 만든다. 생체재흡수성 유리 섬유 보강 매트릭스는 강도, 부식 특성 및 수소 기체 발생을 상향조절한다. 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 이식에 따른 수소 기체의 방출 및 후속 포낭 형성은 다양한 문제를 유발할 수 있다. 기체 포켓이 임플란트 옆에 형성될 수 있고, 이는 조직 및/또는 조직 층의 분리를 유발한다. 수소 기포는 외과적 부위의 치유를 지연시킬 수 있고, 이는 주변 조직의 괴사로 이어진다. 최악의 경우의 시나리오에서는, 기포가 혈류를 막아 사망을 유발할 수 있다. 분해가 지나치게 빠르면, 생성된 수소 기체의 양이 축적될 것이고 여기서 이는 충분한 속도로 주변 연주직을 통해 확산될 수 없다. 더욱 더 높은 기계적 강도 또는 상이한 재흡수 속도가 요구되는 경우, 마그네슘과 다른 금속의 혼합물인 마그네슘 합금이 사용될 수 있지만, 잠재적 합금화 원소는 주의깊게 고려되어야 한다. 마그네슘 및 그의 합금은 갈바니 부식에 대해 극히 취약하기 때문에, 이는 금속에 심각한 구멍을 유발하여 감소된 기계적 안정성 및 매력적이지 못한 외관을 초래한다. 중금속 불순물 및 철, 니켈 및 구리를 임계치 미만으로 유지하는 고순도 합금을 사용하여 부식을 최소화할 수 있다. 따라서, 합금 디자인에서의 자유는 여전히 필요한 기계적 특성을 제공하면서 생물학적으로 비-독성인 합금화 부가의 범위로 제한되어야 하기 때문에, 적합한 생분해성 임플란트 합금은 다양한 분야에 걸친 도전과제이다. 이는 Mg와 합금화시 기계적 또는 부식적 이점을 제공할 수 있는 소수의 상용성 요소를 남긴다. 이는 알려지지 않은 독성의 요소를 함유할 수 있는, 수소 발생 및 가용성 (또는 불용성) 부식 생성물의 잠재적인 위험에 추가된다. 마그네슘의 통상적인 합금화 원소는 알루미늄, 아연, 칼슘, 희토류 원소, 리튬, 망가니즈, 규소 및 지르코늄을 포함한다. 국제 순수 응용 화학 연맹에 의해 정의된, 희토류 원소 (REE) 또는 희토류 금속 (REM)은, 주기율표의 17개 화학 원소, 구체적으로 15개의 란타나이드, 뿐만 아니라 스칸듐 및 이트륨의 세트 중 하나이다. 모든 이용가능한 원소들 중, 의료 분야에서 아마도 가장 논란의 여지가 있는 것은 알루미늄 및 REE이다. 알루미늄 및 REE는 구조적 마그네슘 합금에 대한 가장 통상적인 합금화 부가물로, 부식 속도를 증가시키지 않으면서 기계적 특성을 얻는 것을 가능하게 하지만, 생체적합성 문제가 REE 또는 알루미늄을 함유하는 합금에 대해 존재하고, 이는 시험관내 및 생체내 연구에도 불구하고, 이식시 이들의 장기적 효과에 대한 지식의 부족을 또한 갖기 때문이다. 이는, 알루미늄 또는 REE를 함유하는 합금을 사용하여 수행되어 왔고 수행될 상당량의 작업이, 물질이 비-독성인 것으로 입증될 수 없다면, 결국 사용되지 않을 수 있다는 가능성을 창출한다.
마그네슘 합금의 빠른 분해는, 마그네슘 및 다른 원소 이온이 주변 조직 내로 지나치게 빠르게 방출됨에 따라, 불리한 생물학적 반응을 유발할 수 있다. 모든 합금화 원소가 결국 환자에게 도입될 것이며 주요 요인을 비-독성으로 하여 선택되어야 한다. 하나의 접근은 체내에 정상적으로 존재하는 원소, 예를 들어 아연, 칼슘, 규소 및 망가니즈를 사용하는 것이다.
ASTM(American Society for Testing and Materials) 사양 B275는 원소를 정의하는 2개 문자로 마그네슘 합금을 명명하고, 여기서 숫자는 백분율을 나타내고 추가의 숫자는 중간 특성을 나타낸다. 예를 들어, AZ 91 Mg 합금은 알루미늄 (Al) 및 아연 (Zn)을 각각 총 9%, 1%로 함유하고 나머지는 순수 마그네슘이다. 표 1은 특성을 개선시키기 위해 마그네슘에 첨가될 수 있는 다양한 예시 합금화 원소를 나열한다.
표 1
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임의의 마그네슘 합금화 시스템이 하이브리드 복합체에서 사용될 수 있지만, 하이브리드 복합체가 의료 장치로서 사용되면, 임의의 생체적합성 마그네슘 합금화 시스템이 사용될 수 있다. 바람직한 합금화 원소는 아연, 칼슘, 망가니즈, 규소, 지르코늄, 알루미늄, 리튬, 희토류 원소 및 이들의 혼합물이다. 가장 바람직한 합금화 원소는 규소, 아연 및 칼슘이다.
마그네슘 또는 마그네슘 합금은 보강재이고, 하이브리드 복합체에게 보강 효과를 제공하는 물리적 형태일 수 있는 막대, 플레이트, 코어, 튜브 또는 섬유 또는 다른 보강 형상의 형태일 수 있고 생체재흡수성 섬유 보강 중합체 매트릭스에 의해 임베딩될 수 있다.
예에 따라, 마그네슘 합금 중의, 또는 마그네슘 합금화 시스템 중의 다른 금속의 양은, 마그네슘 합금 물질의 총 중량의 0.1-49 중량-%, 바람직하게는 0.25-10 중량-%, 및 가장 바람직하게는 0.5-2 중량-%일 수 있다.
예에 따라, 하이브리드 복합체 중의 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 양은 하이브리드 복합 물질의 총 중량의 1-99 중량-%, 바람직하게는 10-90 중량-%, 보다 바람직하게는 20-80 중량-%, 및 가장 바람직하게는 30-70 중량-%일 수 있다.
Ti에 비해 Mg의 보다 낮은 강도가 응력 차폐에 대하여 이익일 수 있음에도 불구하고, 특정 활동 동안 압축 하중이 3500 N을 초과할 수 있는 척추와 같은 고하중 응용에서는 실패할 가능성이 더 커질 수 있음을 의미한다. 모든 임플란트가 변형 없이 그의 하중을 견디도록 디자인되는 것을 보장하는 것이 중요하다. 그러나, 전체 생체재흡수 및 뼈 리모델링 과정 전반에 걸쳐 적절한 기계적 지지가 요구됨에 따라, 분해성 물질 고려시 이 측면이 더욱 중요하다.
화학 코팅
이전에 설명된 바와 같이, 마그네슘 및 그의 합금은 많은 응용을 위해 우수한 물리적 및 기계적 특성을 갖는다. 특히, 중량비에 대한 그의 높은 강도는 이를 중량 감소가 중요한 관심사인 자동차 및 항공우주 응용에 대한 옵션으로 만든다. 불행히도, 마그네슘 및 그의 합금은 부식에 대해, 특히 물/습기 또는 염-분무 조건에서, 부식에 대해 매우 취약하다. 이는 가혹한 서비스 조건을 피할 수 없는 자동차, 항공우주 및 의료 산업에서의 그의 사용을 제한하였다. 부식을 피하는 가장 간단한 방식은 마그네슘-기반 기판을 환경과의 접촉을 방지하도록 코팅하거나 표면 처리하는 것이다. 그러나, 화학 코팅은 단지 몇 마이크로미터 두께이고, 따라서 이들은 단지 제한된 보호만을 제공한다. 그러나, 이들은, 금속과 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 사이에 우수한 접착이 요구되는 경우, 하이브리드 복합체에서의 후속 유기 코팅에 대한 탁월한 프라이머이다. 또한, 화학 코팅은 내부식성 특성을 개선시키고 심지어 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스의 상단에서의 수소 기체 발생을 저해할 수도 있다.
코팅이 적절한 부식 보호를 제공하기 위해, 코팅은 균일하고, 잘 접착되고, 기공을 갖지 않고, 또한 가능하게는 코팅에 대한 물리적 손상이 일어날 수 있는 하이브리드 복합체의 제조 방법을 위해 자가-치유성이어야 한다. 마그네슘에서의 문제 중 하나는 그의 화학 반응성이다. 이것이 공기 또는 물과 접촉하자마자 산화물/수산화물 층이 표면 상에 형성되고, 이는 코팅 접착 및 균일성에 악영향을 줄 수 있다.
적용된 코팅/코팅들은 또한 의도적으로 부분적일 수 있다. 코팅/코팅들은 특정 패턴 또는 가변 두께 (두께 구배)를 가질 수 있고, 이는 디자인 특이적 최적화/프로그램화된, 즉 사전 정의된 부식 속도 또는 접착 거동을 제공하고, 즉 예를 들어 물질의 기계적 특성이 접착을 잃거나 프로그램된 위치로부터 먼저 부식됨으로써 제어된 방식으로 열화되기 시작하도록 배열될 수 있다.
마그네슘 및 그의 합금에 대해 이용가능한 많은 가능한 코팅 기술이 존재하며, 이들은 각각 그 자체의 이점 및 단점을 갖는다. 이들은 전기화학 도금, 전환 코팅, 양극 산화, 수소화물 코팅, 세라믹 코팅 및 기상 공정을 포함한다.
본 경우에서 임의적 화학 코팅의 주요 목적은 생체재흡수성 중합체에 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로부터 화학적 또는 물리적 접착을, 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 2차 내부식성을, 또한 다른 3차 특성, 예를 들어 항미생물 또는 항박테리아 특성을 제공하는 것이다.
따라서 하나의 구현예에서 마그네슘 또는 마그네슘 합금은, 바람직하게는 본원에 개시된 하나 이상의 물질로 및/또는 본원에 개시된 임의의 방법을 사용하여 완전히 또는 부분적으로 코팅된다.
코팅을 위해 사용될 수 있는 물질의 예는 하기를 포함하나 이에 제한되지는 않는다: 유기-실란, 유기-티타네이트, 유기-지르코네이트, 표면 처리된 또는 미처리된 마그네슘 또는 그의 합금과 반응하는 능력을 갖는 기능화된 생분해성 중합체, 산화알루미늄, 산화아연, 금속, 예를 들어 아연, 금, 은, 구리, 및 니켈.
화학 코팅은 임의적이고, 화학 코팅은 하나의 층에 또는 상이한 층에 하나 이상의 물질의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
전기화학 도금
도금 공정은 하기 두가지 유형으로 세분될 수 있다: 전해도금 및 무전해 도금. 두 경우에, 용액 중의 금속 염은 작업편의 표면 상에서 그의 금속 형태로 환원된다. 전해도금에서 환원을 위한 전자는 외부 공급원으로부터 공급된다. 무전해 또는 화학 도금에서 환원 전자는 용액 중의 화학 환원제, 또는 침지 도금의 경우, 기판 자체에 의해 공급된다. 마그네슘 또는 그의 합금 상의 Cu-Ni-Cr 도금은 내부 및 온화한 외부 환경에서 우수한 내부식성을 갖는 것으로 나타났다. 마그네슘 및 그의 합금은 또한, 대부분의 다른 금속이 보다 고귀한 전기화학 전위를 갖기 때문에, 또한 갈바니 부식이 일어나기 쉽다. 또 다른 금속과의 전해 접촉은 구멍을 초래하는 표면 상의 국소 부식 셀의 형성을 유발할 수 있다. 따라서, 금속 코팅은 기공을 갖지 않아야 하고, 그렇지 않은 경우 부식 속도가 증가할 수 있다. 기공을 갖지 않는 코팅을 보장하기 위해 50 um의 최소 코팅 두께가 제안되었다. 무전해 도금의 또 다른 이점은 제2 상 입자, 예컨대 탄화물, 다이아몬드 또는 PTFE가 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스의 경도, 연마 특성 또는 윤활성을 개선시키기 위해 도금 공정 동안 공동-증착될 수 있다는 점이다. 지금까지 아연, 금, 은, 구리, 및 니켈은 마그네슘 상에 직접 도금되었고, 후속 공정 단계를 위한 언더 코팅 또는 프라이머로서 사용된다. 특히, 아연, 은 및 구리는 또한 화학 코팅 층에 항미생물 특성을 가져온다.
전환 코팅
전환 코팅은 표면에 화학적으로 결합된 기판 금속 산화물, 크로메이트, 포스페이트, 실란, 티타네이트, 지르코네이트 또는 다른 화합물의 표피 층을 생성하기 위해 금속 표면을 화학적 또는 전기화학적 처리함으로써 생성된다. 전환 코팅은 화학 결합 및/또는 친화성 또는 물리적 얽힘에 의해 중합체 매트릭스에 접착을 제공하고 금속 표면과 환경 사이에서 저용해도의 절연 장벽으로서 작용함으로써 및/또는 부식 억제 화합물을 함유함으로써 기판을 부식으로부터 보호한다. 알콕시 유기-실란, 유기-티타네이트, 유기-지르코네이트, 즉 규소, 티타늄, 지르코늄에 직접 부착된 1차, 2차 또는 3차 알콕시 기를 함유하는 것들을 미립자 물질 및 중합체 수지에 대한 커플링제로서 사용하는 것은 널리 공지되어 있다. 또한, 플루오로티타네이트 및 지르코네이트의 사용도 마그네슘 및 마그네슘 합금의 코팅에서 널리 공지되어 있다. 또 다른 화학적 전환 공정은 유기 첨가제 및 유기 산을 함유하는 용액을 사용하는 것이고, 이는 중합체에 대한 접착을 증가시키고 금속 표면을 패시베이션하는 것으로 나타났다. 이러한 공정에서는, 탈지 후, 마그네슘 또는 그의 합금을 나트륨 벤조에이트, 나트륨 글루코세이트 및 유기 산을 함유하는 용액 중에 침지시킨다. 생성된 코팅은 크로메이트 처리된 샘플에 비해 약간 더 우수한 내부식성을 갖고 환경적으로 및 독성에 있어 안전한 것으로 나타났다. 전환 코팅의 모폴로지는 처리된 마그네슘 부분의 접착 및 내부식성을 추가로 향상시킬 수 있는 후속 공정 단계에 대한 우수한 기반을 제공한다. 대안적 화학 코팅 공정은 히드록시 아세트산 용액 중에서의 산 세척(acid pickling)을 포함한 화학 처리 후 유기 작용성 실란 화합물로의 전환 코팅이다. 이 공정은 마그네슘 합금 상의 코팅에 대한 염 분무 시험에서 우수한 접착 및 내부식성을 유지하는 것으로 나타났다.
수소화물 코팅
Cr-기반 전환 코팅에 대한 대안으로서, 전기화학적 수단에 의해 마그네슘 및 그의 합금 상의 마그네슘 수소화물 코팅을 생성하기 위한 기술이 개발되었다.
양극산화
양극산화는 금속 및 합금 상에 두껍고 안정적인 산화물 필름을 생성하기 위한 전해 공정이다. 이들 코팅 층은, 염색 또는 패시베이션 처리를 위한 비결로서, 금속에 대한 중합체 접착을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 코팅은 금속-코팅 계면에서의 얇은 장벽 층, 그 후 셀형 구조를 갖는 층을 갖는다. 각각의 셀은 기공을 함유하고, 그의 크기는 전해질의 농도 및 그의 농도, 온도, 전류 밀도 및 적용된 전압에 의해 결정된다. 이들의 크기 및 밀도는 양극산화된 코팅의 밀봉의 정도 및 품질을 결정한다.
Magoxid-코트 공정은 마그네슘 물질 상에 산화물 세라믹 층을 형성하는 양극 플라즈마-화학 표면 처리이다. 플라즈마는, 시스템의 양극으로서 작용하는, 작업편의 표면 근처의 약간 알칼리성인 전해질에서 외부 전원에 의해 방전된다. 생성된 산소 플라즈마는 부분적 단기간 표면 용융 및 궁극적으로 산화물-세라믹 층의 형성을 유발한다. 이 공정을 위한 양극산화조는 클로라이드를 갖지 않으며 무기 음이온, 예컨대 포스페이트, 보레이트, 실리케이트, 알루미네이트 또는 플루오라이드를 함유할 수 있다. 양극산화조는 또한 유기 산, 예컨대 시트레이트, 옥살레이트 및 아세테이트를 함유할 수 있다. 양이온의 공급원이 또한 존재하고 이는 알칼리 이온, 알칼리 토 이온 또는 알루미늄 이온으로부터 선택될 수 있다. 마지막으로, 안정화제, 예컨대 우레아, 헥사메틸렌디아민, 헥사메틸렌테트라민, 글리콜 또는 글리세린이 또한 첨가된다. 코팅은 3개 층, 금속 표면에서의 얇은 (약 100 nm) 장벽 층, 그 후 저다공성 산화물 세라믹 층 및 마지막으로 보다 높은 다공성 세라믹 층으로 이루어진다. 최종 층은 중합체 접착 및 함침 처리를 위한 우수한 기반으로서 작용한다. 플루오린 중합체의 입자로의 코팅의 함침은 우수한 접착 및 내부식성을 유지하면서 코팅의 하중 지지 특성을 현저히 개선시키는 것으로 나타났다. 코팅은 주로 MgAl2O4로 이루어지는 것으로 나타났다. 이 공정은 연부 및 공동에서도 균일한 코팅을 생성할 수 있다.
기상 증착 공정
지금까지 논의된 모든 공정은 습식 화학 표면 처리였다. 접착제 및 보호 코팅은 또한 기상으로부터 생성될 수 있다. 이들은 전형적으로 금속성 또는 금속 산화물 코팅이지만, 유기 코팅, 예컨대 열 분무 중합체 코팅 및 다이아몬드 유사 코팅을 포함할 수 있다. 열 분무 코팅은 금속, 세라믹, 서멧 또는 중합체일 수 있는 코팅 물질을 토치 또는 건에 공급하고 여기서 이를 그의 융점 초과 또는 근처로 가열하는 기상 증착 공정이다. 생성된 액적은 기체 스트림에서 기판 상으로 가속화되고 액적은 얇은 층상 입자 내로 유동되고 표면에 접착된다. 화염 분무, 와이어 분무, 기폭 건 증착, 플라즈마 분무 및 고속 산소연료를 포함한 많은 코팅 기술이 이 상위 안에 포함된다. 이 기술의 일부 이점은 분해되지 않고 용융되는 실질적으로 모든 물질의 코팅을 생성하는 능력, 증착 동안 최소 기판 가열, 및 부분의 특성 또는 치수 변화 없이 마모 또는 손상된 코팅을 벗겨내고 재코팅하는 능력을 포함한다. 대부분의 표면 처리와 같이, 적절한 접착을 보장하기 위해, 기판이 적당히 제조되어야 한다. 기판은 열 분무 코팅의 적용 전에 세정되고 조면화되어야 한다. 화학 증착 (CVD)은 고품질, 고성능, 고체 물질의 생성을 위해 사용되는 진공 증착 방법이다. 공정은 종종 박막을 생성하기 위해 사용된다. CVD는 물질을 하기를 포함한 다양한 형태로 증착시킨다: 단결정질, 다결정질, 비정질, 및 에피택셜(epitaxial). 이들 물질은 하기를 포함한다: 규소 (이산화물, 탄화물, 질화물, 옥시질화물), 탄소 (섬유, 나노섬유, 나노튜브, 다이아몬드 및 그래핀), 플루오로카본, 필라멘트, 텅스텐, 질화티타늄. 화학 증착 (CVD)은 기상으로부터의 화학 반응을 통한 가열된 표면 상의 고체의 증착으로서 정의될 수 있다. 이 기술의 이점은 그의 융점 훨씬 미만의 내화 물질의 증착, 이론적 밀도 근처의 달성, 알갱이 크기 및 배향에 대한 제어, 대기압에서의 가공처리 및 우수한 접착을 포함한다. 이 공정은 대부분의 물리적 증착 (PVD)과 같이 가시선으로 제한되지 않고, 따라서 깊은 후퇴부, 높은 종횡비 홀 및 복잡한 형상이 코팅될 수 있다. 마그네슘 합금 상에 TiCN 및 ZrCN 층을 증착시키기 위해 플라즈마-보조 CVD 기술이 성공적으로 사용되었다. 마그네슘 함유 기판 상의 보호 필름을 생성하기 위한 특허 공정이 개시되었다 [US4980203]. 코팅 공정은 중간 알루미늄 층, 그 후 산화티타늄, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화크로뮴 또는 산화규소의 금속 산화물 층의 CVD를 포함한다. 다이아몬드 유사 탄소 필름은 PVD, CVD 및 이온 주입 등의 많은 상이한 공정을 사용하여 생성될 수 있다. 우수한 윤활성, 내부식성, 접착 및 평활성을 갖는 마그네슘 합금 상의 다이아몬드-유사 탄소 필름이 CVD 공정을 사용하여 생성되었다. PVD는 기판 상으로의 기상으로부터의 원자 또는 분자의 증착을 포함한다. 이 공정은 진공 증착, 스퍼터 증착, 이온 도금, 펄스화-레이저 증착 및 확산 코팅을 포함한다. 특허 공정 [JP2025564]에서는 PVD-PLD를 사용하여 마그네슘 기판을 티타늄 또는 티타늄 합금 물질로 코팅하였다. 집속 레이저 빔을 사용하여 티타늄 또는 티타늄 합금 표적을 가열하고 기화시킨다. 증기를 마그네슘 또는 마그네슘 합금 기판 상에 증착시켜 박막을 형성한다.
원자 층 증착 (ALD)은 기상 화학 공정의 순차적 사용을 기반으로 한 박막 증착 기술이고; 이는 화학 증착의 서브클래스이다. 대부분의 ALD 반응은 전구체라 불리는 2종의 화학물질을 사용한다. 이들 전구체는 순차적 자가-제한 방식으로 한번에 하나씩 물질의 표면과 반응한다. 별도의 전구체로의 반복된 노출을 통해, 박막이 서서히 증착된다. ALD는 금속 산화물 (예: Al2O3 및 ZnO) 및 니트레이트 (예: SiN)를 기반으로 하는 얇은 코팅을 생성하기 위한 우수한 방법이다.
유기 마감은 코팅 공정의 최종 단계에서 전형적으로 사용된다. 이들 코팅은 접착, 내부식성, 연마 및 마모 특성을 향상시키기 위해 적용될 수 있다. 우수한 접착, 내부식성 및 외관을 갖는 코팅을 생성하기 위해 적절한 전처리 공정이 요구된다. 마그네슘 표면은 얼룩 및 느슨한 실리케이트, 산화물 및 금속간 화합물을 갖지 않아야 한다. 마그네슘에 대한 세정 공정은 기계적 전처리, 용매 세정 또는 알칼리 세정을 포함할 수 있다. 세정 후 전형적으로 전환 코팅 또는 양극산화 등의 화학 처리와 커플링된 산세척 또는 에칭 단계가 후속된다. 이들 처리는 유기 코팅이 표면에 대한 우수한 접착을 갖도록 표면을 조면화하고 화학적으로 변형시킨다. 유기 코팅의 적용 전에 마그네슘 표면을 처리하기 위한 또 다른 기술은 물질을 적절한 세정 및 산세척 절차 후에 유기 화합물을 함유하는 수용액에 노출시키는 것을 포함한다. 화합물은 특정 구조 XYZ를 가져야 하며, 여기서 X 및 Z는 둘 다 극성 작용기이고 Y는 2-50개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 구조이다. 이들의 일부 예는 1-포스폰산-12-(N-에틸아미노)도데칸, 1-포스폰산-12-히드록시-도데칸, p-크실렌 디포스폰산 및 1,12-도데칸 디포스폰산을 포함한다. 이들 화합물은 산 기를 통해 마그네슘 표면 상의 수산화물 기와 반응하여 화학 결합을 형성한다. 또한 나머지 작용기 사이의 반응 및 후속 유기 코팅이 존재한다. 이들 코팅은 중합체 접착을 현저히 향상시키고 부식을 억제하기 위한 것이다. 유기 코팅 시스템은, 페인팅, 분말 코팅, E-코팅 (음극 에폭시 전기코팅) 및 래커, 에나멜 및 바니시의 적용 등의, 생분해성 유기 중합체를 사용하는 다양한 상이한 공정을 포함할 수 있다. 분말 코팅은 열가소성 분말의 정전 분말 분무, 유동층 또는 화염 분무를 포함한 많은 방식으로 적용될 수 있다. 화염 분무는 다양한 기판 상의 에틸렌 아크릴산 (EAA) 공중합체의 적용에서 사용되었다. 이 공정에서는 코팅 입자가 합체되고 연속적 코팅 내로 유동하도록 중합체 및 표면을 가열하고 용융시키는 화염을 통해 가소성 분말이 추진된다. EAA 중합체는 아크릴산 작용기로 인해 금속에 대한 탁월한 접착을 갖는 것으로 나타났고, 이는 수소에 의한 접착 및 기판에 대한 이오노머 결합을 촉진시킨다. 이들 시스템은 하기와 같은 다양한 생분해성 또는 수용성 코팅 수지를 기반으로 할 수 있다: 폴리락티드 (PLA), 폴리-L-락티드 (PLLA), 폴리-DL-락티드 (PDLLA); 폴리글리콜리드 (PGA); 글리콜리드의 공중합체, 글리콜리드/트리메틸렌 카르보네이트 공중합체 (PGA/TMC); PLA의 다른 공중합체, 예컨대 락티드/테트라메틸글리콜리드 공중합체, 락티드/트리메틸렌 카르보네이트 공중합체, 락티드/d-발레로락톤 공중합체, 락티드/e-카프로락톤 공중합체, L-락티드/DL-락티드 공중합체, 글리콜리드/L-락티드 공중합체 (PGA/PLLA), 폴리락티드-co-글리콜리드; PLA의 삼원공중합체, 예컨대 락티드/글리콜리드/트리메틸렌 카르보네이트 삼원공중합체, 락티드/글리콜리드/e-카프로락톤 삼원공중합체, PLA/폴리에틸렌 옥시드 공중합체; 폴리뎁시펩티드; 비대칭 3,6-치환된 폴리-1,4-디옥산-2,5-디온; 폴리히드록시알카노에이트; 예컨대 폴리히드록시부티레이트 (PHB); PHB/b-히드록시발레레이트 공중합체 (PHB/PHV); 폴리-b-히드록시프로피오네이트 (PHPA); 폴리-p-디옥사논 (PDS); 폴리-d-발레로락톤 - 폴리-s-카프라락톤, 폴리티로신 및 그의 공중합체; 폴리아크릴아미드, 폴리(e-카프로락톤-DL-락티드) 공중합체; 메틸메타크릴레이트-N-비닐피롤리돈 공중합체; 폴리비닐피롤리돈 및 그의 공중합체; 폴리에스테르아미드; 폴리아크릴산, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리옥사졸린, 폴리에틸렌 글리콜, 옥살산의 폴리에스테르; 폴리디히드로피란; 폴리알킬-2-시아노아크릴레이트; 폴리우레탄 (PU); 폴리비닐알콜 (PVA); 폴리펩티드; 폴리-b-말산 (PMLA): 폴리-b-알칸산; 폴리카르보네이트; 폴리오르토에스테르; 폴리포스페이트; 폴리포스파젠; 폴리(에스테르 무수물); 생분해성 액정 중합체; 크산탄 검; 펙틴; 덱스트란; 카라기난; 구아 검, 셀룰로스 에테르; 글루코만난; 나트륨 CMC; HPC; HPMC; 및 이들의 혼합물; 및 천연 중합체, 예컨대 당; 전분 또는 전분 기반 유도체, 셀룰로스 및 셀룰로스 유도체, 폴리사카라이드, 콜라겐, 키틴, 키토산, 피브린, 히알루론산, 폴리펩티드 및 단백질. 임의의 상기 언급된 중합체 및 그의 다양한 형태의 혼합물 및 공중합체가 사용될 수도 있다. 전통적으로, 유기 코팅은 이들의 사용에서 중대한 환경 문제를 야기하는 용매 기반의 것이었다. 그러나 이 문제를 제거하는 대안적 공정이 이용가능하다. 이들 중 일부는 분말 코팅, 컴플라이언스 용매 및 수계 용매의 사용을 포함한다. 유기 코팅의 주요 기능은 금속 기판과 중합체 매트릭스 사이의 계면으로서 작용하는 것이다. 이들 코팅이 중합체 매트릭스와의 화학적 결합 또는 물리적 결합을 형성하도록 반응하기 위한 작용기 및/또는 화학적 친화도 및/또는 물리적 얽힘을 제공하는 것이 중요하다. 물리적 손상이 일어날 가능성이 있는 제조 방법에서는, 코팅이 자가-치유 특징을 갖는 것이 또한 중요하다. 이는 코팅 중의 부식 억제 안료 또는 첨가제의 존재 또는 코팅 중의 희생 양극 화합물의 사용에 의해 달성될 수 있다. 효과적인 접착제 및 보호로서 작용하는 유기 코팅을 위해, 이는 균일하고 마그네슘 또는 마그네슘 합금 또는 프라이머에 잘 접착되어야 한다. 전형적으로 가장 소수성이고 UV 저항성인 코팅인 탑코트, 및 높은 가교 밀도 및 마그네슘 및 서로에 대한 습윤 접착을 갖는 프라이머 및 중간-코트로 이루어진 다층 코팅 시스템이 사용될 수 있다. 다층 시스템을 사용하면, 결함 영역이 겹칠 가능성이 거의 없고, 이는 기판이 유기 물질로 완전히 코팅되도록 보장한다. 이들 코팅은 또한 충격 에너지를 흡수하고 소산시키기 위한 엘라스토머일 수 있다. 유기 코팅은 또한 첨가제, 예를 들어 할로겐 치환된 실란과 같은 항미생물제를 포함할 수 있다.
졸-겔 공정
졸-겔 공정에 의한 겔 또는 유리의 합성은 금속 알콕시드, 알콕시-실란, -티타네이트, -지르코네이트 및/또는 포스페이트의 가수분해 및 축중합을 포함한다. 이 공정은 무기-유기 복합 물질의 중합체 네트워크를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 코팅될 표면과 반응성인 구성요소를 반응 혼합물에 첨가함으로써 금속 표면 상에 접착성 균일 코팅을 형성하는 것이 가능하다. 이 공정은 안정적인 맞춤형 계면 형성을 통한 간단한 습식 코팅 기술에 의해 마그네슘 및 마그네슘 합금 상에 부식-보호 코팅을 생성할 수 있다. 코팅은 탁월한 접착, 긁힘 및 내마모성, 및 부식 보호를 가지며 투명하다. 하나의 접근은 졸-겔 공정에 의해 마그네슘 및 그의 합금에 대한 바이오유리 코팅을 생성하는 것이고, 이러한 졸-겔 바이오유리 조성물의 일례는 58S (60 mol% SiO2, 36 mol% CaO, 4 mol% P2O5)이다.
생체물질, 특히 생체재흡수성 마그네슘 및 그의 합금에 대한 코팅은, 생체적합성이고 완전히 분해성인 기반 물질 자체와 동일한 요건을 갖는다. 후자는 임플란트 수명 주기에 걸쳐 어떤 일이 발생하는지 이해하기 위해 특히 중요하다. 마그네슘의 경우, 코팅 자체는 부식에 대한 완벽한 장벽 (이는 구조 비-분해성 물질에 대한 코팅 시스템의 목표가 됨)이 될 수 없다. 하이브리드 복합체 임플란트가 생분해되는 것을 가능하게 하기 위해, 코팅은 일부 단계에서는 접착 계면 및 부식 장벽이 되지 않아야 하지만, 이들은 중합체에 대한 우수한 접착성 계면을 제공하고 나금속의 초기 부식 속도를 감소시켜 주변 뼈 조직 (정형외과의 경우)이 형성을 시작할 수 있게 하기 위한 효과적인 방법을 제공하도록 요구된다. 이상적으로, 코팅은 그 자체가 점진적으로 분해되어, 유해한 흔적을 남기지 않으면서 전체 부식 과정을 제어하는 데 도움이 될 것이다. 화학 코팅은 생체적합성 및 비-독성이고 제어된 생분해 속도를 나타내어야 한다.
일례는 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로부터 생체재흡수성 중합체에 대하여 화학적 또는 물리적 접착을 제공하기 위해 마그네슘 및 마그네슘 합금에서의 화학 코팅을 사용한다.
일례는 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 내부식성을 제공하기 위해 마그네슘 및 마그네슘 합금에서의 화학 코팅을 사용한다.
일례는 계면에 다른 특성, 예를 들어 항미생물 또는 항박테리아 특성을 제공하기 위해 마그네슘 및 마그네슘 합금에서의 화학 코팅을 사용한다.
화학 코팅의 두께는 분자 층으로부터 수백 마이크로미터까지일 수 있고, 화학 코팅은 하나 이상의 상이한 물질의 하나의 층 또는 여러 층으로 이루어지거나 이를 포함할 수 있다.
생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스
본 출원은, 불연속적 또는 연속 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 포함된, 예컨대 임베딩된 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 하이브리드 복합 물질을 제공한다. 본원에 개시된 복합 물질은 하나 이상의 연속적 층, 바람직하게는 적어도 유리 섬유에서 자유 섬유 배향을 포함하며, 여기서 층은 생체재흡수성 중합체 매트릭스 및 생체재흡수성 보강 섬유 또는 섬유 다발을 포함한다.
용어 "자유 섬유 배향"은 정형외과용 임플란트의 요망되는 섬유 배향 디자인시 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스의 생체재흡수성 보강 섬유 또는 섬유 다발의 섬유 배향의 비제한적 선택을 지칭한다. 그러나, 요망되는 섬유 배향은 응용의 요건에 따라 달라질 수 있다.
생체재흡수성 유리 섬유는 스트랜드, 로빙, 얀, 테이프, 텍스타일과 같은 연속적 형태로서 또는 세단된 스트랜드 세그먼트를 형성하도록 세단되어 사용될 수 있다. 세단된 스트랜드 세그먼트는 압출 공정 동안 중합체 수지와 배합되어 짧은 섬유, 배합된 펠릿 또는 과립을 생성할 수 있다. 다른 한편으로, 연속 섬유 스트랜드 패키지가 장섬유 열가소성 (LFT) 공정을 사용하는 연속 섬유 열가소성 복합체 제작에서 사용되어 연속 유리 섬유 보강 중합체 스트랜드, 막대, 테이프, 텍스타일 또는 세단된 장섬유 보강 펠릿 또는 과립을 형성할 수 있다. 이들 형태 또는 구조가, 차례로, 하이브리드 복합체 물품 형성에 사용될 수 있다. 펠릿 또는 과립을 첨가할 수 있고, 이들을 압축 또는 압축 성형하여 요망되는 표면, 예컨대 조질 표면을 제공하고/거나, 마그네슘 또는 마그네슘 합금 내의 임의의 기공 또는 공극의 다른 개구를 충전시킬 수 있고, 이는 그에 따라 셀형 구조를 가질 수 있다.
하이브리드 복합체의 구현예에서, 연속 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스는 생체재흡수성 중합체 매트릭스 및 연속 생체재흡수성 보강 유리 섬유를 포함하는 마그네슘 또는 마그네슘 합금과 사용되며, 여기서 유리 섬유는 약 2000 MPa 또는 그 초과의 인장 강도를 갖는다. 이는 450 MPa 초과의 하이브리드 복합체 인장 강도, 및 450 MPa 초과의 복합체 굴곡 강도를 얻는 것을 가능하게 한다. 이로써 450 MPa 초과의 복합체 인장 강도, 및 450 MPa 초과의 복합체 굴곡 강도를 갖는 정형외과용 임플란트가 얻어진다.
용어 "생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스"는 구조 내에 생체재흡수성 중합체 매트릭스 및 생체재흡수성 보강 섬유 또는 섬유 다발을 포함하는 임의의 적합한 침착가능 구조를 지칭한다. 생체재흡수성 보강 섬유는 구조 내에서 불연속적 또는 연속적이거나 이들의 혼합물일 수 있다.
생체재흡수성 중합체에 대한 연속 생체재흡수성 보강 섬유 또는 섬유 다발의 중량비는 바람직하게는, 생체재흡수성 보강 섬유 함량이 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스의 총 중량의 1 내지 99 wt%, 바람직하게는 20 내지 80 wt%, 보다 바람직하게는 30 내지 70 wt%, 및 가장 바람직하게는 40 내지 60 wt%가 되도록 하는 중량비이다.
생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스의 최소 치수는 바람직하게는 0.05 mm 내지 100 mm, 보다 바람직하게는 0.1 mm 내지 20 mm, 더욱 더 바람직하게는 0.5 mm 내지 10.0 mm, 가장 바람직하게는 0.8 mm 내지 5.0 mm이다. 생체재흡수성 중합체는 단독중합체 또는 랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 또는 그래프트 공중합체를 포함한 공중합체일 수 있다. 또한, 생체재흡수성 중합체는 선형 중합체, 분지형 중합체, 또는 덴드리머일 수 있다. 생체재흡수성 중합체는 천연 또는 합성 기원의 것일 수 있다.
하기 재흡수성 중합체, 공중합체 및 삼원공중합체 중 하나 이상이 적합한 생체재흡수성 중합체로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 폴리락티드 (PLA), 폴리-L-락티드 (PLLA), 폴리-DL-락티드 (PDLLA); 폴리글리콜리드 (PGA); 글리콜리드의 공중합체, 글리콜리드/트리메틸렌 카르보네이트 공중합체 (PGA/TMC); PLA의 다른 공중합체, 예컨대 락티드/테트라메틸글리콜리드 공중합체, 락티드/트리메틸렌 카르보네이트 공중합체, 락티드/d-발레로락톤 공중합체, 락티드/e-카프로락톤 공중합체, L-락티드/DL-락티드 공중합체, 글리콜리드/L-락티드 공중합체 (PGA/PLLA), 폴리락티드-co-글리콜리드; 삼원공중합체 of PLA, 예컨대 락티드/글리콜리드/트리메틸렌 카르보네이트 삼원공중합체, 락티드/글리콜리드/e-카프로락톤 삼원공중합체, PLA/폴리에틸렌 옥시드 공중합체; 폴리뎁시펩티드; 비대칭 3,6-치환된 폴리-1,4-디옥산-2,5-디온; 폴리히드록시-알카노에이트; 예컨대 폴리히드록시부티레이트 (PHB); PHB/b-히드록시발레레이트 공중합체 (PHB/PHV); 폴리-b-히드록시프로피오네이트 (PHPA); 폴리-p-디옥사논 (PDS); 폴리-d-발레로락톤 - 폴리-s-카프라락톤, 폴리티로신 및 그의 공중합체; 폴리아크릴아미드, 폴리(e-카프로락톤-DL-락티드) 공중합체; 메틸메타크릴레이트-N-비닐피롤리돈 공중합체; 폴리비닐피롤리돈 및 그의 공중합체; 폴리에스테르아미드; 폴리아크릴산, 폴리부틸렌 숙시네이트 및 그의 공중합체; 폴리옥사졸린, 폴리에틸렌 글리콜, 옥살산의 폴리에스테르; 폴리디히드로피란; 폴리알킬-2-시아노아크릴레이트; 폴리우레탄 (PU); 폴리비닐알콜 (PVA); 폴리펩티드; 폴리-b-말산 (PMLA): 폴리-b-알칸산; 폴리카르보네이트; 폴리오르토에스테르; 폴리포스페이트; 폴리포스파젠; 폴리(에스테르 무수물); 생분해성 액정 중합체; 크산탄 검; 펙틴; 덱스트란; 카라기난; 구아 검, 셀룰로스 에테르; 글루코만난; 나트륨 CMC; HPC; HPMC; 및 이들의 혼합물; 및 천연 중합체, 예컨대 당; 전분 또는 전분 기반 유도체, 셀룰로스 및 셀룰로스 유도체, 폴리사카라이드, 콜라겐, 키틴, 키토산, 피브린, 히알루론산, 폴리펩티드 및 단백질. 임의의 상기 언급된 중합체 및 그의 다양한 형태의 혼합물 및 공중합체가 사용될 수도 있다.
적합한 생체재흡수성 중합체의 특정 예는 하기를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다: 락티드, 글리콜리드, 카프로락톤, 발레로락톤, 카르보네이트, 디옥사논, 6-발레로락톤, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 옥시드, 에스테르아미드, y-히드록시발레레이트, B-히드록시프로피오네이트, 알파-히드록시산, 히드록시부테레이트, 폴리오르토에스테르, 히드록시 알카노에이트, 티로신 카르보네이트, 폴리이미드 카르보네이트, 폴리이미노 카르보네이트, 폴리우레탄, 폴리무수물, 및 이들의 공중합체 및 임의의 조합으로부터 제조된, 이로부터 얻어진 또는 이를 포함하는 중합체. 적합한 천연 생분해성 중합체는 콜라겐, 키틴, 키토산, 셀룰로스, 폴리아미노산, 폴리사카라이드, 및 이들의 공중합체, 유도체 및 조합을 포함한다.
생체재흡수성 중합체는 바람직하게는 생체흡수성 폴리에스테르, PLLA (폴리-L-락티드), PDLLA (폴리-DL-락티드), PLDLA, PGA (폴리-글리콜산), PLGA (폴리-락티드-글리콜산), PCL (폴리카프로락톤), PLLA-PCL 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
생체재흡수성 중합체에 추가로 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스는 생체재흡수성 보강 유리 섬유 또는 섬유 다발을 포함한다.
단일 보강 섬유의 평균 섬유 직경은 1-100 마이크로미터, 바람직하게는 5-30 마이크로미터, 보다 바람직하게는 10-20 마이크로미터의 범위이다. 이는 현미경으로 검출되고 결정될 수 있다.
바람직한 예에서, 생체재흡수성 보강 유리 섬유 또는 섬유 다발은 포스페이트 또는 실리카-기반 미네랄 화합물을 포함하거나 이것으로 구성된다. 가장 바람직하게는 생체재흡수성 보강 섬유 또는 섬유 다발은 용융 유래된 실리카-기반 생체재흡수성 유리 섬유이다. 하나의 구현예에서 생체재흡수성 유리는 실리카, 포스페이트, 붕소 및 마그네슘 기반의 생체재흡수성 유리로부터 선택된다.
전형적으로, 유리 섬유는 부싱(bushing)으로부터의 용융된 유리 물질의 스트림을 감쇠시킴으로써 형성된다. 사이징 조성물, 또는 화학 처리는 윤활제, 커플링제, 필름-형성제, 결합제, 유화제, 계면활성제, 용융 점도 감소제, 상용화제, 접착 촉진제 및 대전방지제, 습윤제, 분산제, 촉매를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 사이징은 전형적으로 부싱으로부터의 취출 후 섬유에 적용된다. 사이징 조성물은 필라멘트간 마모로부터 섬유를 보호하고 상용성 및 유리 섬유와 유리 섬유가 사용되는 매트릭스 사이의 접착을 촉진시킨다. 섬유를 사이징 조성물로 처리한 후, 이들을 건조시키고 연속 섬유 스트랜드 패키지로 형성하거나 세단된 스트랜드 세그먼트로 세단할 수 있다. 이어서, 유리 섬유는 중합체 매트릭스에서 연속적 또는 세단된 필라멘트, 스트랜드, 로빙, 제직물, 부직물, 메쉬, 및 스크림의 형태로 사용될 수 있다.
생체재흡수성 유리 섬유는 하기 wt% 범위 (유리 섬유 조성물의 총 중량에 대한 퍼센트로서)의 조성물을 포함하거나 가질 수 있다:
SiO2 40-90 wt%,
Na2O 1-30 wt%,
K2O 0-20 wt %,
CaO 5-30 wt%,
MgO 0-20 wt%,
P2O5 0-20 wt%,
B2O3 0-20 wt%,
Al2O3 0-10 wt%,
CaF3 0-25 wt%,
SrO 0-10 wt%, 및
Li2O 0-5 wt%.
제1 예에서, 생체재흡수성 유리 섬유는 하기 wt% 범위의 조성을 갖는다:
SiO2 50-75 wt%,
Na2O 5-20 wt%,
K2O 0-10 wt%,
CaO 5-25 wt%,
MgO 0-10 wt%,
P2O5 0.5-5 wt%,
B2O3 0-15 wt%,
Al2O3 0-5 wt%, 및
SrO 0-5 wt%.
제2 예에서, 용융 유래된 생체흡수성 유리 섬유는 하기 wt% 범위의 조성을 갖는다:
SiO2 60-72 wt%,
Na2O 10-20 wt%,
K2O 0.1-10 wt%,
CaO 5-15 wt%,
MgO 1-10 wt%,
P2O5 0.5-2 wt%,
SrO 0-3 wt%, 및
B2O3 0-10 wt%.
조성물의 성분들의 합계는 100%로 합산된다.
따라서, 본 출원은 또한 생체재흡수성 유리 섬유 및 생체재흡수성 유리 섬유 형성을 위한 조성물을 개시한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "생체재흡수성 유리 섬유"는 유리 섬유가 물 또는 다른 천연 작용제의 작용에 의해 용해 및/또는 분해될 수 있음을 나타내도록 의도된다. 생체재흡수성 섬유는 복합체 부분에 대한 보강재로서 사용될 수 있다. 생체재흡수성 보강 유리 섬유는 유리 조성에 따라 생체활성 및/또는 골전도성일 수 있다.
생체재흡수성 유리 섬유는 자연적으로 비-독성, 생체적합성, 생체재흡수성, 생체가용성 및 일정 기간에 걸쳐 생분해성인 하이브리드 복합체 생성물을 형성하기 위해 생체재흡수성 중합체 및 마그네슘 또는 그의 합금과 함께 사용될 수 있다. 생체재흡수성 섬유는 종래의 비-가용성 유리 섬유에 맞먹는 기계적 특성을 갖고, 수성 매질 중에서 낮은 내지 높은 용해 속도, 즉 낮은 가수분해 강도를 갖고, 쉽게 섬유화된다.
하이브리드 복합체의 유리한 예에서, 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스는 바람직하게는 생체재흡수성 폴리에스테르, PLLA (폴리-L-락티드), PDLLA (폴리-DL-락티드), PLDLA, PGA (폴리-글리콜산), PLGA (폴리-락티드-글리콜산), PCL (폴리카프로락톤), PLLA-PCL 및 이들의 조합; 및 용융 유래된 생체재흡수성 유리 섬유로 구성된 생체재흡수성 보강 유리 섬유 또는 섬유 다발로 이루어진 군으로부터 선택된 생체재흡수성 중합체를 포함한다. 바람직하게는 용융 유래된 생체재흡수성 유리 섬유의 조성은 상기에 정의된 바와 같다.
중합체 매트릭스 및 생체재흡수성 보강 유리 섬유 또는 섬유 다발에 추가로 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스는, 무기 유리 및 유기 중합체 상 사이의 접착을 개선시키고, 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스의 가공성 및 중합체 매트릭스에서의 섬유 분산을 개선시키기 위해 생체재흡수성 보강 유리 섬유 중에 생체재흡수성 사이징을 또한 포함할 수 있다.
추가로 또는 대안적으로, 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스는 세라믹 입자 (예: 트리칼슘 포스페이트 입자), 항미생물제, 생체활성제, 활성 제약 성분, 다른 보강 섬유 등의, 생체재흡수성 유리 섬유 이외의 하나 이상의 보강재 또는 충전제 물질을 또한 포함할 수 있고, 이는 생체재흡수성 중합체의 기계적 특성을 증가시키기 위해 다른 생체재흡수성 유리 조성물 또는 유리-유사 물질, 세라믹, 미네랄 조성물, 예컨대 히드록시아파타이트, 트리칼슘 포스페이트, 칼슘 술페이트 또는 칼슘 포스페이트, 셀룰로스성 물질, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 연속 섬유를 포함할 수 있다. 연속적 보강 섬유는 또한 생체재흡수성 중합체 자체일 수 있다.
본 발명의 임의의 측면과 관련하여 상기에 기재된 구현예 및 변법은 본 발명의 다른 측면에 필요한 수정을 가하여 적용된다.
이제, 본 발명의 구현예를 실험부의 하기 실시예에서 상세히 설명할 것이다. 실시예는 예시적인 것으로, 본 발명의 조성물, 방법, 응용 및 용도를 제한하는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
마그네슘 합금 막대 (SynerMag 430, Luxfer Mel Technologies) 및 생체재흡수성 유리 섬유 단방향 보강 PLDLA 막대 (Evolvecomp™ GF40PLD96, Arctic Biomaterials, 생체재흡수성 유리 섬유 대 PLDLA 중량 퍼센트 비율 40:60)를 중량 퍼센트 비율 50:50으로 기계가공하고 압축시켜 최종 하이브리드 복합체 시험 샘플을 형성함으로써 하이브리드 복합체 (도 1)의 7 mm 직경의 원형 막대를 제조하였다. 보다 특별하게는 코어로서의 마그네슘 합금 막대를 기계가공에 의해 얻어진 유리 섬유 중합체 복합체 튜브 내의 개구에 삽입하였다. 도 4는 기계가공된 유리 섬유 중합체 복합체 튜브 (좌측) 및 마그네슘 합금 막대가 삽입된 하이브리드 복합체 생성물 (우측)의 사진을 나타낸다.
실시예 2
실시예 1에 따라 제조된 하이브리드 복합체 샘플을 3점-굽힘 시험에 적용하여 ISO 178:2019 (폭 16:1, 속도 1 mm/min)에 따라 굴곡 강도 및 굴곡 탄성률을 측정하였다. 참조 물질로서의 Mg 합금 (SynerMag 430), 생체재흡수성 유리 섬유 보강 PLDLA (Evolvecomp™ GF40PLD96) 및 생체재흡수성 자가-보강 SR-PLGLA (Resomer LG 857 S, Evonik) 막대. 측정된 굴곡 강도 및 굴곡 탄성률을 표 2에 나타내었다.
표 2
Figure pct00002
실시예 3
실시예 1에 따라 제조된 하이브리드 복합체 샘플을 이중 전단 시험에 적용하여 BS 2782-3 방법 340A-B (속도 10 mm/min)에 따라 전단 강도를 측정하였다. 참조 물질로서의 Mg 합금 (SynerMag 430), 생체재흡수성 유리 섬유 보강 PLDLA (Evolvecomp™ GF40PLD96) 및 생체재흡수성 자가-보강 SR-PLGLA (Resomer LG 857 S, Evonik) 막대. 측정된 직경 및 굴곡 강도를 표 3에 나타내었다.
표 3
Figure pct00003
실시예 4
생체재흡수성 유리 섬유 단방향 보강 PLDLA 테이프 (Evolvecomp™ GF40PLD96, Arctic Biomaterials)를 45°/45° 각도로 마그네슘 합금 막대 (MgCaZn, 여기서 Ca 0.5 wt.-% 및 Zn 0.5 wt.-%, de Cavis AG) 주위에 중량 퍼센트 비율 50:50으로 테이프 권취하고 (도 2) 압축 성형하여 최종 하이브리드 복합체 시험 샘플을 형성함으로써 하이브리드 복합체의 7 mm 직경의 원형 막대를 제조하였다. Mg 합금을 5% 에탄올 용액 (아세트산에 의해 ph 4.5로 조정됨) 중으로의 mg 합금 딥 코팅에 의해 3-글리시딜옥시프로필트리에톡시실란 (Dynasylan GLYEO, Evonik)에 의해 테이프 권취하기 전에 화학 코팅하고 120℃에서 4시간 경화시켰다. 압축 성형 조건은 200 kN 프레싱 힘으로 5분 동안 200℃였고 10℃의 냉각수 온도로 냉각시켰다 (냉각 속도 80 K/min).
실시예 5
실시예 2에 따라 제조된 하이브리드 복합체 샘플을 3점-굽힘 시험에 적용하여 ISO 178:2019 (폭 16:1, 속도 1 mm/min)에 따라 굴곡 강도 및 굴곡 탄성률을 측정하였다. 측정된 굴곡 강도 및 굴곡 탄성률을 표 4에 나타내었다.
표 4
Figure pct00004
실시예 6
셀형 구조를 갖는 마그네슘 합금 코어로부터, 또한 생체재흡수성 유리 섬유 보강 PLDLA (Evolvecomp GF40PLD96)로부터, 도 5에 나타낸 하이브리드 복합체 척추 케이지를 제조하였다. 마그네슘 합금 코어 (좌측)를 생체재흡수성 유리 섬유 보강 PLDLA 테이프로 필라멘트 권취하고 이어서 압축 성형 기계에서 생체재흡수성 유리 섬유 보강 PLDLA 종방향 과립으로 오버-몰딩하여 최종 케이지 (우측)를 얻었다. 테이프 권취는 극도의 반경방향 강도 및 크리프 저항을 제공하며, 압축 성형된 과립은 마그네슘 합금 공동을 충전시키고 적합한 조질 표면 텍스쳐를 제공한다 (상단에).
마그네슘 합금 및 생체재흡수성 유리 섬유 보강 PLDLA의 비율은 50:50이었다. 제조된 하이브리드 복합체 케이지로부터 기계적 특성 (탄성 계수 및 압축 항복 강도, 도 6a 및 6b)을 측정하고, 상업적으로 입수가능한 케이지 물질 및 피질 골 (남성, 35세)의 문헌 값과 비교하였다. 하이브리드 복합체는 피질 골과 유사한 등탄성 거동을 나타내었다. 또한, 통상적으로 사용되는 티타늄 물질의 특성이 피질 골의 특성과 어떻게 상이한지를 볼 수 있다.
실시예 7
실시예 4에서 설명된 바와 같이, 마그네슘 합금 코어 튜브를 생체재흡수성 유리 섬유 단방향 보강 PLDLA 테이프 (Evolvecomp™ GF40PLD96, Arctic Biomaterials)로 테이프 권취함으로써 상이한 하이브리드 복합체 생성물을 얻었다. 도 7a 및 7b는 마그네슘 코어 튜브, 테이프 권취에 의해 얻어진 3개의 하이브리드 복합체 생성물, 및 테이프 권취에 사용된 유리 섬유 중합체 테이프의 롤의 사진을 나타낸다.

Claims (25)

  1. 생분해성 복합 물질로서,
    생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 보강 형태의 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는, 복합 물질.
  2. 제1항에 있어서,
    마그네슘 또는 마그네슘 합금이 막대, 플레이트, 코어, 튜브 또는 섬유의 형태인, 복합 물질.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 유형이 상이한 조성을 갖는 둘 이상의 유형의 마그네슘 합금을 포함하거나, 또는 1차 마그네슘 또는 마그네슘 합금 이외의 제2 생체재흡수성 금속, 예컨대 그 합금을 포함한 아연 또는 철을 포함하는, 복합 물질.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    마그네슘 또는 마그네슘 합금이, 바람직하게는 유기-실란, 유기-티타네이트, 유기-지르코네이트, 표면 처리된 또는 미처리된 마그네슘 또는 그의 합금과 반응하는 능력을 갖는 기능화된 생분해성 중합체, 산화알루미늄, 산화아연, 금속, 예를 들어 아연, 금, 은, 구리, 및 니켈 중 하나 이상으로, 완전히 또는 부분적으로 코팅된 것인, 복합 물질.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 유형이 상이한 조성, 재흡수 속도 및/또는 생체활성을 갖는 둘 이상의 유형의 재흡수성 및 생체적합성 유리 또는 유리 섬유를 포함하는, 복합 물질.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 연속적 층에서 자유 섬유 배향을 포함하며, 상기 층은 생체재흡수성 중합체 매트릭스 및 생체재흡수성 보강 섬유 또는 섬유 다발을 포함하는 것인, 복합 물질.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    중합체 매트릭스 내의 중합체가, 락티드, 글리콜리드, 카프로락톤, 발레로락톤, 카르보네이트, 디옥사논, 6-발레로락톤, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 옥시드, 에스테르아미드, γ-히드록시발레레이트, β-히드록시프로피오네이트, 알파-히드록시산, 히드록시부테레이트, 폴리오르토에스테르, 히드록시 알카노에이트, 티로신 카르보네이트, 폴리이미드 카르보네이트, 폴리이미노 카르보네이트, 폴리우레탄, 폴리무수물, 및 이들의 공중합체 및 임의의 조합, 예컨대 콜라겐, 키틴, 키토산, 셀룰로스, 폴리아미노산, 폴리사카라이드를 포함한 천연 생분해성 중합체, 및 이들의 공중합체, 유도체 및 조합, 바람직하게는 생체흡수성 폴리에스테르, PLLA (폴리-L-락티드), PDLLA (폴리-DL-락티드), PLDLA, PGA (폴리-글리콜산), PLGA (폴리-락티드-글리콜산), PCL (폴리카프로락톤), PLLA-PCL 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 중합체(들)로부터 제조된, 이로부터 얻어진 또는 이를 포함하는 중합체 중 하나 이상을 포함하는 것인, 복합 물질.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    생체재흡수성 보강 섬유 함량이 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스의 총 중량의 1 내지 99 wt%, 바람직하게는 20 내지 80 wt%, 보다 바람직하게는 30 내지 70 wt%, 및 가장 바람직하게는 40 내지 60 wt%인, 복합 물질.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    단일 보강 섬유의 평균 섬유 직경이 1-100 마이크로미터, 바람직하게는 5-30 마이크로미터, 보다 바람직하게는 10-20 마이크로미터의 범위인, 복합 물질.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    생체재흡수성 유리가
    SiO2 40-90 wt%,
    Na2O 1-30 wt%,
    K2O 0-20 wt%,
    CaO 5-30 wt%,
    MgO 0-20 wt%,
    P2O5 0-20 wt%,
    B2O3 0-20 wt%,
    Al2O3 0-10 wt%,
    CaF3 0-25 wt%,
    SrO 0-10 wt%, 및
    Li2O 0-5 wt%
    를 포함하는 것인, 복합 물질.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    생체재흡수성 유리가 실리카, 포스페이트, 붕소 및 마그네슘 기반의 생체재흡수성 유리로부터 선택되는 것인, 복합 물질.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    ISO 178:2019 또는 ASTM D790-17에 의해 측정된 200-1500 MPa, 보다 바람직하게는 300-800 MPa, 및 가장 바람직하게는 400-500 MPa의 굴곡 강도를 갖는, 복합 물질.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    ISO 178:2019 또는 ASTM D790-17에 의해 측정된 20-40 GPa, 보다 바람직하게는 25-35 GPa, 및 가장 바람직하게는 약 30 GPa의 굴곡 탄성률을 갖는, 복합 물질.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 제공함,
    - 생체재흡수성 유리 섬유를 제공함,
    - 생체재흡수성 중합체를 제공함,
    - 물질들을 조합하여 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 보강 형태의 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생분해성 복합 물질을 형성함
    으로써 얻어진, 복합 물질.
  15. 생체재흡수성 임플란트로서, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 복합 물질, 예컨대 치유를 위해 뼈 조각을 부동화하기 위한 절골술 및/또는 뼈 골절의 고정을 위한, 나사, 플레이트, 핀, 압정 또는 네일; 뼈-대-뼈, 연조직-대-뼈, 뼈-내-연조직 및 연조직-대-연조직 고정을 위한 봉합 앵커, 압정, 나사, 볼트, 네일, 클램프, 스텐트 및 다른 장치; 조직 지지 또는 뼈 치유 또는 재생을 위해 사용되는 장치; 또는 척추 외과수술에서 척추골 융합 및 다른 수술을 위한 경추 쐐기 및 요추 케이지 및 플레이트 및 나사를 포함하는, 생체재흡수성 임플란트.
  16. 제15항에 있어서,
    골수내 네일이거나 또는 이를 포함하는, 생체재흡수성 임플란트.
  17. 제15항에 있어서,
    스캐폴드 또는 케이지, 예컨대 척추 케이지이거나 또는 이를 포함하는, 생체재흡수성 임플란트.
  18. 의료 장치, 예컨대 임플란트의 제조에서의 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 복합 물질의 용도.
  19. 상업, 자동차, 산업, 항공우주, 해양, 및 레크리에이션 구조 또는 물체에서 1차 구조의 제조에서의 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 복합 물질의 용도.
  20. 생분해성 복합 물질의 제조 방법으로서,
    - 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 제공하는 단계,
    - 생체재흡수성 유리 섬유를 제공하는 단계,
    - 생체재흡수성 중합체를 제공하는 단계,
    - 물질들을 조합하여 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 보강 형태의 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생분해성 복합 물질을 형성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    - 생체재흡수성 유리 섬유 및 생체재흡수성 중합체를 조합하여 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 생체재흡수성 유리 섬유를 얻는 단계, 및
    - 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 생체재흡수성 유리 섬유를 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금과 조합하여 생분해성 복합 물질을 형성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    - 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금 및 생체재흡수성 중합체를 조합하여 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 얻는 단계, 및
    - 생체재흡수성 중합체 매트릭스 내의 보강 형태의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 생체재흡수성 유리 섬유와 조합하여 생분해성 복합 물질을 형성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    얻어진 생분해성 복합 물질이 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 생분해성 복합 물질인, 방법.
  24. 의료 장치 또는 그의 부분의 제조 방법으로서,
    - 생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 보강 형태의 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생분해성 복합 물질을 제공하는 단계,
    - 하나 이상의 가공처리 장치를 제공하는 단계,
    - 가공처리 장치로 복합 물질을 의료 장치 또는 그의 부분으로 가공처리하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    생체재흡수성 유리 섬유 보강 중합체 매트릭스 내에 임베딩된 보강 형태의 생체재흡수성 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 생분해성 복합 물질이 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 생분해성 복합 물질인, 방법.
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