KR20220065665A - Bone grafting material composition for 3d printing and preparation method of bone grafting material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3D 프린팅용 골이식재 조성물 및 골이식재 제조방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 본 발명의 골이식재 제조방법에 의하여 제조되는 골이식재 및 골이식재 조성물에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 일라이트를 포함하는 골이식재에 관한 것이다.The present invention relates to a bone graft material composition for 3D printing and a method for manufacturing a bone graft material. The present invention also relates to a bone graft material and a bone graft material composition prepared by the method for producing a bone graft material of the present invention. Furthermore, the present invention relates to a bone graft material comprising illite.
일라이트는 운모류 점토광물 중 하나로서 세슘 흡착에 매우 효율적인 광물로 알려져 있다. 층상 구조인 일라이트 광물에서 흡착은 평면부(Planar site)와 풍화된 모서리부위(FES, Frayed Edge Site) 2개의 위치에서 일어난다고 알려져 있다. 이 중 풍화된 모서리부위(FES)는 일라이트 광물 결정의 가장자리가 풍화되었을 때 생성되며, 저농도에서 세슘과 같은 중금속을 잘 흡착하는 특성을 가진다. FES의 양 (빈도와 범위)은 일라이트의 풍화 정도에 따라 달라질 수 있으며, 저농도 세슘의 흡착력과 양의 상관성을 나타낸다(Rajec et al., Clays and Clay Minerals. 1999,47(6), 755-760).Illite is one of the mica-like clay minerals and is known as a very efficient mineral for cesium adsorption. It is known that adsorption in the layered illite mineral occurs at two locations: a planar site and a weathered edge site (FES). Among them, the weathered edge portion (FES) is generated when the edge of the illite mineral crystal is weathered, and has the property of adsorbing heavy metals such as cesium well at low concentrations. The amount (frequency and extent) of FES can vary depending on the degree of weathering of the illite, and it shows a positive correlation with the adsorption capacity of low-concentration cesium (Rajec et al., Clays and Clay Minerals. 1999,47(6), 755- 760).
이와 같이 일라이트는 중금속 흡착 능력이 우수할 뿐만 아니라, 유독가스의 흡착 능력도 우수하고, 원적외선 방사 능력, 음이온 발생 능력, 항균 및 항바이러스 능력이 우수하여 다양한 응용분야에 적용될 수 있는 물질이다.As described above, Illite has excellent ability to adsorb heavy metals, as well as to adsorb toxic gases, and has excellent far-infrared radiation ability, anion generating ability, antibacterial and antiviral ability, so it is a material that can be applied to various fields of application.
또한, 생체유리 조성과 유사한 SiO2-CaO-P2O5-MgO 등을 주요성분으로 하고 있으며, 특히 골형성 촉진 효과가 알려져 있는 Sr과 Zn이온을 포함하고 있어 골다공증 등에도 유효할 것으로 보고되고 있다. In addition, it contains SiO 2 -CaO-P 2 O 5 -MgO, etc., which is similar to the composition of bioglass, as a main component, and it is reported to be effective in osteoporosis, etc. there is.
국내의 경우 충청북도 영동군에 전국 최대 규모의 양으로 일라이트가 매장된 것으로 알려져 있고, 이에 충청북도는 영동군과 함께 일라이트를 산업용으로 활용하여 고부가가치를 창출하는 사업을 이미 다양하게 추진 중에 있다. 구체적으로 영동군은 일라이트의 매장량으로 수백톤에서 약 5억 톤까지로 추정하고 있다.In Korea, Yeongdong-gun, Chungcheongbuk-do is known to have the largest amount of Illite in the country, and Chungcheongbuk-do is already promoting various projects to create high added value by using Illite for industrial purposes together with Yeongdong-gun. Specifically, Yeongdong-gun estimates that the reserves of Illite range from several hundred tons to about 500 million tons.
현재 일라이트는 요업원료와 토양 개량제, 비누 등의 생활용품으로 소량 사용되어 왔고, 현재 추진 중인 활용 분야로는 의료용품 및 뷰티케어 용품 등의 분야가 연구되고 있다.Currently, Illite has been used in small amounts as a raw material for ceramics, as a soil conditioner, and as household products such as soap, and medical supplies and beauty care products are being studied as fields of application currently being promoted.
예를 들어, 국내공개특허 제10-2020-0107011호는 일라이트를 이용한 보차도용 블록을 개시하고 있고, 구체적으로는 블록본체(100); 상기 블록본체(100) 상부에 포설되는 일라이트 분말이 포함된 표면층(200);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 일라이트를 이용한 보차도용 블록을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 블록 본체 상에 단순히 일라이트 분말이 포함된 표면층을 형성하는 기술이고, 표면층은 결합재와 일라이트를 포함하는 혼합골재로 이루어질 뿐, 이를 포함하는 조성물의 생체 활성이나, 이를 이용하여 3D 프린팅 방법 등의 방법으로 골이식재를 제조하는 것과 관련된 언급은 전혀 없다.For example, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2020-0107011 discloses a block for a walkway using Illite, and specifically, the
또한, 국내등록특허 제10-1337385호는 일라이트 보드 제작방법 및 그에 따른 일라이트 보드를 개시하고 있고, 구체적으로는 일라이트 분말 및 점토분말을 각각 제조하는 분말제조 단계(S10); 상기 일라이트 분말 및 점토 분말을 1:1의 중량 비율로 혼합하여 분말혼합물을 제조하는 혼합단계(S20); 상기 분말혼합물을 프레스 장치의 성형틀에 넣은 후 압력을 가하여 성형물을 형성시키는 성형단계(S40); 상기 성형물의 수분 함량이 0 중량% ~ 2 중량%가 되도록 150℃ ~ 250℃에서 적어도 30분 이상 건조시키는 건조단계(S50); 상기 건조된 성형물을 800℃ ~ 1200℃의 가마에서 가열시키는 소성단계(S60)를 포함하는 일라이트 보드 제작방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 문헌 또한 일라이트의 골재생 기능성과 관련한 언급이나, 이를 골이식재 등에 적용하는 것과 관련한 언급이 없다.In addition, Korean Patent Registration No. 10-1337385 discloses a method for manufacturing an illite board and an illite board according thereto, and specifically, a powder manufacturing step (S10) of preparing illite powder and clay powder, respectively; A mixing step of preparing a powder mixture by mixing the illite powder and the clay powder in a weight ratio of 1:1 (S20); A molding step (S40) of putting the powder mixture into a molding die of a press device and then applying pressure to form a molding; a drying step (S50) of drying the molded product at 150° C. to 250° C. for at least 30 minutes so that the moisture content of the molding is 0 wt % to 2 wt %; Disclosed is a method of manufacturing an illite board comprising a firing step (S60) of heating the dried molding in a kiln at 800°C to 1200°C. However, the above document also does not mention the bone regeneration function of Illite or its application to bone graft materials.
또한, 국내공개특허 10-2019-0074871은 기능성 물질이 담지된 일라이트 입자 및 이의 제조 방법을 보고하고 있으며, 특히 기능성물질인 비사보롤을 담지할 경우 물질의 방출거동을 제어할 수 있음을 개시하고 있다. 하지만 상기 문헌 또한 일라이트의 골재생유도 기능성과 관련한 언급이나, 이를 골이식재 등에 적용하는 것과 관련된 언급이 없다. In addition, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2019-0074871 reports illite particles on which a functional material is supported and a manufacturing method thereof, and in particular, when bisabolol, a functional material, is supported, it is possible to control the release behavior of the material. are doing However, in the above document, there is no mention related to the bone regeneration-inducing function of Illite or its application to bone graft materials.
국내공개특허 10-2013-0024299는 일라이트 복합 기능성 분체를 함유한 고 보습 파우더 타입 색조 화장료 조성물에 관하여 기재하고 있으며, 특히 일라이트와 무기 자외선 차단 성분인 티타늄디옥사이드를 복합화한 일라이트 복합 기능성 분체를 함유한 고보습 파우더 타입 색조 화장표 조성물에 관하여 개시하고 있다. 일라이트의 생체적용에 관한 기술이나 상기 문헌 또한 일라이트를 골이식재 등에 적용하는 것과 관련된 언급이 없다. Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2013-0024299 describes a highly moisturizing powder-type color cosmetic composition containing Illite complex functional powder. Disclosed is a highly moisturizing powder-type color makeup composition containing There is no description of the bio-application of Illite or the literature related to the application of Illite to a bone graft material or the like.
이에 본 발명의 발명자들은 일라이트의 종래 생체 세라믹소재와의 조사유사성에 주목하고 일라이트에서 기대되는 골재생 유도효과에 관하여 연구하고, 이를 포함하여 골이식재를 제조하는 방법을 연구하여 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the inventors of the present invention completed the present invention by paying attention to the irradiation similarity of Illite with the conventional bioceramic material, studying the bone regeneration-inducing effect expected from Illite, and studying a method for manufacturing a bone graft material including this. did it
본 발명의 목적은 우수한 성능을 갖는 골이식재 조성물을 제공하는데 있다. 또한, 본 발명의 목적은 3D 프린팅을 수행할 수 있는 골이식재 조성물을 제공하는데 있다. 나아가, 본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되는 골이식재, 및 일라이트를 포함하는 골이식재를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a bone graft composition having excellent performance. In addition, it is an object of the present invention to provide a bone graft material composition capable of performing 3D printing. Furthermore, another object of the present invention is to provide a bone graft material prepared by the above method, and a bone graft material comprising illite.
이를 위하여 본 발명은To this end, the present invention
일라이트, 인산칼슘계 또는 인산마그네슘계 시멘트 원료 및 바인더를 포함하는 3D 프린팅용 골이식재 조성물을 제공한다.Provided is a bone graft material composition for 3D printing comprising illite, a calcium phosphate-based or magnesium phosphate-based cement raw material and a binder.
또한 본 발명은Also, the present invention
상기 골이식재 조성물을 3D 프린터에 도입하여 조형하고, 상온 경화하는 것을 특징으로 하는 골이식재 제조방법을 제공한다.It provides a method for manufacturing a bone graft material, characterized in that the bone graft material composition is introduced into a 3D printer, molded, and cured at room temperature.
나아가 본 발명은Furthermore, the present invention
상기의 방법으로 제조되고 골이식재 총 중량대비 10 중량% 내지 50 중량%로 일라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 골이식재를 제공한다.Provided is a bone graft material prepared by the above method and comprising illite in an amount of 10% to 50% by weight based on the total weight of the bone graft material.
더 나아가 본 발명은Furthermore, the present invention
일라이트를 총 조성물의 중량대비 10 중량% 내지 80 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 골이식재 조성물을 제공한다.It provides a bone graft material composition comprising illite in an amount of 10% to 80% by weight based on the weight of the total composition.
더 나아가 본 발명은Furthermore, the present invention
일라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 골이식재를 제공한다.It provides a bone graft material comprising illite.
본 발명에 따르면, 골이식재가 흡착성능이 우수하고, 골 형성 또는 골 재생을 유도할 수 있으며, 골형성을 촉진하는 일라이트를 포함함으로써, 골이식재로서의 효능이 크게 개선되고, 나아가 골이식재의 물리적 특성도 향상되는 효과가 있다.According to the present invention, the bone graft material has excellent adsorption performance, can induce bone formation or bone regeneration, and contains Illite that promotes bone formation, thereby greatly improving the efficacy as a bone graft material, further improving the physical properties of the bone graft material. Characteristics are also improved.
도 1은 일라이트의 골 재생 유도 효능을 보여주는 그래프이고,
도 2는 본 발명의 방법으로 제조된 일라이트를 포함하는 3D 프린팅 조형체의 사진이고,
도 3은 본 발명의 방법으로 제조된 조형체의 소결 온도에 따른 소결체의 XRD 그래프이고,
도 4는 본 발명의 방법으로 제조된 조형체를 소결한 온도에 따른 소결체의 강도를 확인하는 사진이고,
도 5는 일라이트 조형체의 열처리 여부에 따른 멸균력 변화를 보여주는 그래프이고,
도 6은 경화액 종류에 따른 본 발명의 방법으로 제조된 골이식재의 강도를 보여주는 사진 및 그래프이고,
도 7은 본 발명의 방법으로 제조된 골이식재의 일라이트 함량별 다공도 및 압축강도를 보여주는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 방법으로 제조된 골이식재의 일라이트 함량별 골 재생 유도 효능을 보여주는 그래프이고,
도 9는 본 발명의 방법으로 제조된 골이식재가 세포생존율에 미치는 영향을 보여주는 그래프이고,
도 10은 본 발명의 방법으로 제조된 골이식재가 초기 골분화에 미치는 영향을 보여주는 그래프이고 및,
도 11은 본 발명의 방법으로 제조된 골이식재가 초기 골분화 및 후기 골 석회화에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다.1 is a graph showing the bone regeneration inducing efficacy of Illite;
2 is a photograph of a 3D printed body including illite manufactured by the method of the present invention;
3 is an XRD graph of the sintered body according to the sintering temperature of the shaped body manufactured by the method of the present invention;
4 is a photograph confirming the strength of the sintered body according to the temperature at which the molded body manufactured by the method of the present invention is sintered,
5 is a graph showing the change in sterilization power according to whether or not heat treatment of the illite shaped body,
6 is a photograph and graph showing the strength of the bone graft material prepared by the method of the present invention according to the type of hardening solution;
7 is a graph showing the porosity and compressive strength of the bone graft material prepared by the method of the present invention by illite content;
8 is a graph showing the bone regeneration-inducing efficacy of the bone graft material prepared by the method of the present invention by illite content;
9 is a graph showing the effect of a bone graft material prepared by the method of the present invention on cell viability;
10 is a graph showing the effect of the bone graft material prepared by the method of the present invention on initial bone differentiation;
11 is a graph showing the effect of the bone graft material prepared by the method of the present invention on early bone differentiation and late bone calcification.
본 발명은 일라이트, 인산칼슘계 또는 인산마그네슘계 시멘트 원료 및 바인더를 포함하는 3D 프린팅용 골이식재 조성물을 제공한다.The present invention provides a bone graft material composition for 3D printing comprising illite, a calcium phosphate-based or magnesium phosphate-based cement raw material and a binder.
이하 본 발명의 골이식재 조성물을 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the bone graft material composition of the present invention will be described in detail for each component.
본 발명의 골이식재 조성물은 일라이트를 포함한다. 일라이트는 그 자체로 골 형성 또는 골 재생 유도 능력이 우수하기 때문에, 이를 포함하는 골이식재 조성물은 우수한 골 형성 또는 골 재생 유도 능력을 가지며, 이에 따라, 이를 이용하여 제조되는 골이식재는 골 재생 효능 및 생체적합성이 우수한 효과가 있다. 구체적으로 표 1과 같이 생체활성을 유도할 수 있는 CaO, P2O5 성분을 포함하고, 있고, 표 2와 같이 골형성을 촉진할 수 있는 Sr과 Zn 성분을 포함하고 있다. 표 1과 표 2에서 "황색"은 황색 일라이트를, "백색"은 백색 일라이트를 의미한다.The bone graft material composition of the present invention includes illite. Since Illite itself has excellent bone formation or bone regeneration inducing ability, a bone graft material composition comprising the same has excellent bone formation or bone regeneration induction ability. and excellent biocompatibility. Specifically, as shown in Table 1, CaO and P2O5 components that can induce bioactivity are included, and as shown in Table 2, Sr and Zn components that can promote bone formation are included. In Tables 1 and 2, "yellow" means yellow illite, and "white" means white illite.
일라이트의 주요성분(중량%)Main component of Illite (wt%)
일라이트의 미량성분(ppm)Trace ingredients of Illite (ppm)
한편, 본 발명의 골이식재 조성물은 3D 프린티용 골이식재 조성물로, 3D 프린팅을 위한 원료로 사용되기 위해서는 시멘트 성분이 필요하며, 특히 골이식재를 제조하기 위한 조성물이기 때문에, 생체적합성이 우수한 시멘트 성분으로 인산칼슘계 또는 인산마그네슘계 시멘트 원료를 포함한다.On the other hand, the bone graft material composition of the present invention is a bone graft material composition for 3D printing and requires a cement component to be used as a raw material for 3D printing. Contains calcium phosphate or magnesium phosphate cement raw materials.
또한, 본 발명의 골이식재 조성물은 3D 프린팅을 통하여 광경화되어야 하기 때문에, 바인더, 예를 들어 유기바인더를 포함한다.In addition, since the bone graft material composition of the present invention has to be photocured through 3D printing, it contains a binder, for example, an organic binder.
본 발명의 3D 프린팅용 골이식재 조성물은 총 골이식재 조성물의 중량대비 10 중량% 내지 50 중량%로 일라이트를 포함하는 것이 바람직하다. 만약, 일라이트가 10 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 일라이트를 포함함에 따른 효과가 현저하지 않은 문제점이 있고, 50 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 해당 조성물로 제조되는 골이식재의 물리적 강도를 담보할 수 없는 문제점이 있다.The bone graft material composition for 3D printing of the present invention preferably contains illite in an amount of 10% to 50% by weight based on the weight of the total bone graft composition. If the illite is included in an amount of less than 10% by weight, there is a problem that the effect of including the illite is not remarkable, and when it is included in an amount exceeding 50% by weight, the physical strength of the bone graft material prepared from the composition is reduced. There are problems that cannot be guaranteed.
본 발명의 골이식재 조성물은 골 형성 또는 골 재생 유도를 포함한 다양한 유효한 효과를 갖는 일라이트를 포함하고, 3D 프린팅을 이용하여 조형이 가능하여, 간단한 방법으로 정밀한 골이식재를 제조할 수 있고, 나아가, 제조된 골이식재가 기존의 골이식재와 비교하여 현저히 우수한 효과와, 우수한 강도를 갖게되는 장점이 있다.The bone graft material composition of the present invention contains Illite having various effective effects including induction of bone formation or bone regeneration, and can be molded using 3D printing, so that a precise bone graft material can be manufactured in a simple way, and further, The prepared bone graft material has the advantage of having a significantly superior effect and excellent strength compared to the existing bone graft material.
또한, 본 발명은 상기 본 발명의 골이식재 조성물을 이용한 골이식재 제조방법을 제공한다. 이하 본 발명의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.In addition, the present invention provides a method for producing a bone graft material using the bone graft material composition of the present invention. Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described in detail for each step.
본 발명의 골이식재 제조방법은 상기 본 발명의 골이식재 조성물을 3D 프린터에 도입하여 조형을 수행한다. 본 발명의 골이식재 조성물은 인산칼슘계 또는 인산마그네슘계 시멘트 원료를 포함하고 있고, 바인더를 포함하고 있기 때문에, 3D 프린팅을 통하여 우수한 강도를 갖는 조형체를 조형할 수 있다. 또한, 이와 같이 조형된 조형체는 골 형성 또는 골 재생 유도 기능이 우수하고, 생체적합성이 우수한 장점이 있다.In the method for manufacturing a bone graft material of the present invention, molding is performed by introducing the bone graft material composition of the present invention into a 3D printer. Since the bone graft material composition of the present invention contains a calcium phosphate-based or magnesium phosphate-based cement raw material and contains a binder, a molded body having excellent strength can be molded through 3D printing. In addition, the molded body in this way has the advantage of excellent bone formation or bone regeneration inducing function, and excellent biocompatibility.
다음으로, 본 발명의 골이식재 제조방법은 3D 프린팅을 통하여 조형된 조형체를 상온경화하는 것을 특징으로 한다. 일반적으로 3D 프린팅을 통하여 조형된 조형체는 고온 소결과정을 거치게 되며, 이를 통하여 조형체가 경화되어, 원하는 정도의 물성을 갖게 된다. 그러나, 본 발명의 골이식재 제조방법은 고온에서의 소결을 수행하지 않고, 상온에서 경화를 수행하게 된다. 본 발명의 골이식재 제조방법에 사용되는 골이식재 조성물은 일라이트를 포함하고, 일라이트는 900 ℃ 이상의 온도에서 열처리를 수행하는 경우 결정상 구조가 변화하여, 다공도 및 흡착 특성 등이 변화하는 문제점이 있다. 또한, 고온 열처리를 수행하는 경우, 일라이트의 항균 특성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 일라이트를 포함하는 조성물을 이용하여 골이식재를 제조하는 본원발명의 제조방법에서 일라이트를 포함함에 따른 효과를 유지하기 위해서는 3D 프린터를 통하여 조형된 조형물을 기존의 방법과 같이 고온에서 소결해서는 안되고, 상온에서 경화하는 것이 필요하며, 다만, 충분한 기계적 강도를 가질 수 있도록 경화하는 것이 필요하다.Next, the bone graft material manufacturing method of the present invention is characterized in that the molded body through 3D printing is cured at room temperature. In general, a molded body formed through 3D printing is subjected to a high-temperature sintering process, and through this, the molded body is hardened and has a desired degree of physical properties. However, in the method for manufacturing a bone graft material of the present invention, curing is performed at room temperature without sintering at a high temperature. The bone graft material composition used in the method for manufacturing a bone graft material of the present invention contains illite, and when illite is heat-treated at a temperature of 900 ° C. or higher, the crystalline structure changes, so there is a problem in that porosity and adsorption properties change. . In addition, when high-temperature heat treatment is performed, there is a problem in that the antibacterial properties of Illite are deteriorated. Therefore, in order to maintain the effect of including Illite in the manufacturing method of the present invention for manufacturing a bone graft material using a composition containing Illite, the molded object formed through a 3D printer should not be sintered at a high temperature as in the conventional method. No, it is necessary to harden at room temperature, however, it is necessary to harden so as to have sufficient mechanical strength.
본 발명의 골이식재 제조방법에서 사용되는 골이식재 조성물은 총 조성물 대비 일라이트를 10 중량% 내지 50 중량%로 포함하는 것이 바람직하다. 만약, 일라이트를 10 중량% 미만으로 포함하는 경우, 일라이트를 포함함에 따른 효과를 충분히 발현할 수 없는 문제점이 있고, 일라이트를 50 중량% 초과하여 포함하는 경우에는 제조된 골이식재의 기계적 물성을 담보할 수 없는 문제점이 있다.The bone graft material composition used in the method for preparing a bone graft material of the present invention preferably contains illite in an amount of 10% to 50% by weight relative to the total composition. If the amount of Illite is less than 10% by weight, there is a problem that the effect of including Illite cannot be sufficiently expressed. There is a problem that cannot be guaranteed.
본 발명의 골이식재 제조방법에서 상기 상온 경화는 PBS (Phosphate buffer saline), MCPM (Monocalcium phosphate monohydrate), DSP (Disodium phosphate dehydrate) 및 MSP (Monosodium phosphate dehydrate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 경화액을 사용하여 수행되는 것이 바람직하며, 특히 이들 중 MCPM 또는 MSP를 사용하는 것이 우수한 경화성을 유지하면서도 일라이트 함량을 증가시킬 수 있다는 점에서 보다 바람직하다.In the bone graft material manufacturing method of the present invention, the room temperature curing is at least one hardening solution selected from the group consisting of PBS (Phosphate buffer saline), MCPM (Monocalcium phosphate monohydrate), DSP (Disodium phosphate dehydrate) and MSP (Monosodium phosphate dehydrate). It is preferable to use MCPM or MSP among them, and it is more preferable in that it can increase the illite content while maintaining excellent hardenability.
상기 경화액들 중 MCPM을 사용하고, 사용되는 골이식재 조성물은 일라이트를 총 골이식재 조성물 중량 대비 10 중량% 내지 40 중량%로 포함하는 것이 제조된 골이식재의 물성이 우수하다는 점에서 더욱 바람직하다.Among the hardening solutions, MCPM is used, and the bone graft material composition used is more preferably containing Illite in an amount of 10% to 40% by weight based on the total weight of the bone graft material in view of excellent physical properties of the prepared bone graft material. .
본 발명의 제조방법에 따르면, 3D 프린팅 방법을 통하여 간단하면서도 매우 정밀하게 골이식재를 제조할 수 있고, 또한, 그 원료물질이 일라이트를 포함함으로써, 제조되는 골이식재의 골 형성 또는 골 재생 유도 기능이 증가하고, 물리적 특성이 개선되어 골이식재로서의 효과가 크게 개선되는 장점이 있다. 나아가, 본 발명의 제조방법에서는 3D 프린팅을 통하여 조형된 조형물을 기존의 방법과 같이 고온 소결하는 것이 아니라, 경화액 등을 이용하여 상온에서 경화시키는 방법으로 제조되는 골이식재의 물리적 강도를 향상시킴에 따라, 원료물질에 포함되어 있는 일라이트의 특성을 보존할 수 있는 장점이 있다.According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a bone graft material simply and very precisely through the 3D printing method, and also, since the raw material contains Illite, the function of inducing bone formation or bone regeneration of the manufactured bone graft material There is an advantage in that the effect as a bone graft material is greatly improved due to the increase in bone density and improved physical properties. Furthermore, in the manufacturing method of the present invention, the physical strength of the bone graft material manufactured by curing the molded object through 3D printing at room temperature using a hardening solution, etc. Accordingly, there is an advantage in that the characteristics of the illite contained in the raw material can be preserved.
나아가, 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조되고, 골이식재 총 중량대비 10 중량% 내지 50 중량%로 일라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 골이식재를 제공한다. 본 발명에 따른 골이식재는 10 중량% 내지 50 중량%로 일라이트를 포함함으로써, 이를 포함하지 않는 기존의 통상적인 시멘트 성분으로 제조되는 골이식재 대비 골 형성 또는 골 재생 유도 기능이 더 우수하고, 기계적 강도가 더 높은 장점이 있다. 또한, 본 발명의 골이식재는 3D 프린팅 방법으로 제조됨으로써, 간단한 방법으로 원하는 형태의 골이식재를 제조할 수 있으며, 정확하게 필요한 형태로 골이식재를 조형할 수 있는 장점이 있다.Furthermore, the present invention provides a bone graft material prepared by the above method and comprising illite in an amount of 10% to 50% by weight based on the total weight of the bone graft material. The bone graft material according to the present invention contains Illite in an amount of 10% to 50% by weight, so it has a superior function to induce bone formation or bone regeneration compared to a conventional bone graft material prepared with a conventional cement component that does not contain it, and has a mechanical It has the advantage of higher strength. In addition, since the bone graft material of the present invention is manufactured by the 3D printing method, a bone graft material of a desired shape can be manufactured in a simple manner, and there is an advantage in that the bone graft material can be precisely molded into a required shape.
본 발명의 골이식재는 8 MPa 내지 14 MPa의 압축강도를 가져, 골이식재로서 요구되는 기계적강도 이상의 충분한 물성을 보여주고 있고, 기존의 골이식재보다 우수한 기계적 강도를 보여준다.The bone graft material of the present invention has a compressive strength of 8 MPa to 14 MPa, showing sufficient physical properties beyond the mechanical strength required as a bone graft material, and exhibiting superior mechanical strength than conventional bone graft materials.
또한, 본 발명의 골이식재는 고온에서 소결하는 것이 아니라, 상온에서 경화시켜 제조하기 때문에, 일라이트 원료물질 대비 멸균력이 90 % 이상 유지하는 장점이 있으며, 또한, 원적외선 방사율도 일라이트 원료물질 대비 90 % 이상을 유지하는 장점이 있다.In addition, since the bone graft material of the present invention is manufactured by curing at room temperature rather than sintering at high temperature, it has the advantage of maintaining 90% or more of sterilization power compared to Illite raw materials, and also has far-infrared emissivity compared to Illite raw materials. It has the advantage of maintaining more than 90%.
나아가, 본 발명의 골이식재는 일라이트를 포함함에 따라 이를 포함하지 않는 기존의 골이식재와 비교하여 골 형성 또는 골 재생 유도 기능이 우수하고, 특히 초기의 골분화 거동이 우수한 장점이 있다. 본 발명에서 초기 골분화 거동은 실험 시작 후 2 주 내의 골분화 거동을 의미한다.Furthermore, since the bone graft material of the present invention contains Illite, it has an excellent function of inducing bone formation or bone regeneration compared to a conventional bone graft material that does not include Illite, and in particular, it has an excellent initial bone differentiation behavior. In the present invention, the initial bone differentiation behavior refers to the bone differentiation behavior within 2 weeks after the start of the experiment.
더 나아가, 본 발명은 일라이트를 총 조성물의 중량대비 10 중량% 내지 80 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 골이식재 조성물을 제공한다. 일라이트는 기존의 골이식재의 원료로 사용되는 다양한 성분들을 포함한 일반적인 세라믹 분말 소재들과 비교하여 우수한 골 형성 또는 골 재생 유도 효능을 갖는다. 따라서, 본 발명의 골이식재 조성물은 이와 같은 일라이트를 포함함에 따라, 예를 들어 우수한 골분화 특성과 같은 우수한 특성을 갖는 장점이 있다. 한편, 골이식재 조성물이 일라이트를 10 중량% 미만으로 포함하는 경우에는 일라이트를 포함함에 따른 충분한 효과를 기대할 수 없고, 80 중량%를 초과하여 포함하는 경우에는 시멘트 경화를 방해하여 기계적물성이 저하되는 문제점이 있다. 본 발명의 일라이트를 포함하는 골이식재 조성물은 다양한 조형 방법에 적용되어 골이식재로 사용될 수 있다.Furthermore, the present invention provides a bone graft material composition comprising illite in an amount of 10 wt% to 80 wt% based on the weight of the total composition. Illite has superior bone formation or bone regeneration induction efficacy compared to conventional ceramic powder materials including various components used as raw materials for bone graft materials. Accordingly, the bone graft material composition of the present invention has the advantage of having excellent properties such as, for example, excellent bone differentiation properties by including such illite. On the other hand, when the bone graft composition contains illite in an amount of less than 10% by weight, a sufficient effect cannot be expected due to the inclusion of illite. There is a problem being The bone graft material composition comprising illite of the present invention can be applied to various molding methods and used as a bone graft material.
또한 본 발명은 일라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 골이식재를 제공한다. 본 발명에 따른 골이식재는 일라이트를 포함함으로써, 기존의 골이식재와 비교하여, 골 형성 또는 골 재생 유도 기능이 개선되고, 생체 적합성이 우수해지는 장점이 있다. 이때, 골이식재는 골이식재 총 중량대비 10 중량% 내지 50 중량%로 일라이트를 포함하는 것이 바람직하다. 일라이트가 10 중량% 미만인 경우에는 일라이트를 포함함에 따른 효과가 미미한 문제점이 있고, 50 중량%를 초과하는 경우에는 시멘트 경화를 방해하여 골이식재의 기계적인 물성이 저하되는 문제점이 있다.The present invention also provides a bone graft material comprising illite. Since the bone graft material according to the present invention contains Illite, there is an advantage in that the function of inducing bone formation or bone regeneration is improved and biocompatibility is excellent, compared to the conventional bone graft material. In this case, the bone graft material preferably contains illite in an amount of 10% to 50% by weight based on the total weight of the bone graft material. When the amount of illite is less than 10 wt%, the effect of including the illite is insignificant, and when it exceeds 50 wt%, there is a problem in that the mechanical properties of the bone graft material are deteriorated by interfering with cement hardening.
이하 본 발명을 실험예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실험예는 본 발명을 구체적으로 설명하고자 하는 것일 뿐, 이하의 기재 내용에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되어 해석되는 것을 의도하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of experimental examples. The following experimental examples are only intended to explain the present invention in detail, and are not intended to be interpreted as the scope of the present invention is limited by the following description.
<실험예 1><Experimental Example 1>
일라이트의 골재생 유도 효능 확인Confirmation of the effect of Illite for inducing bone regeneration
일라이트의 골재생 유도 효능을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to confirm the efficacy of Illite for inducing bone regeneration, the following experiment was performed.
생체 소재인 알지네이트에 황색 일라이트 분말을 중량비로 1:1의 비율로 균일하게 혼합하고, 이에 골아세포(MC3T3-E1, 5X106 cell)를 직접 넣고 알지네이트 내부에서 골아세포의 골세포로의 초기 분화거동을 나타내는 ALP를 측정(2주차)하였고, 동일한 실험을 일라이트 외에 다양한 생체세라믹 분말을 사용하여 함께 비교평가를 수행하여, 그 결과를 도 1에 나타내었다.Yellow illite powder is uniformly mixed with alginate, a biological material, in a weight ratio of 1:1, and osteoblasts (MC3T3-E1, 5X10 6 cells) are directly added thereto, and the initial differentiation of osteoblasts into osteocytes inside alginate ALP indicating the behavior was measured (week 2), and comparative evaluation was performed using various bioceramic powders in addition to Illite in the same experiment, and the results are shown in FIG. 1 .
도 1에 따르면, 일라이트를 포함하는 실험 결과가 다른 골이식재 소재를 포함하는 경우뿐만 아니라, 알지네이트만을 포함하는 경우보다도 현저히 초기 골분화 거동이 우수하다는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 일라이트가 골형성 유도 기능이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 1 , it can be seen that the initial bone differentiation behavior is significantly superior to that in the case of including only alginate as well as the case where other bone graft materials were included in the experimental results including Illite. Through this, it can be seen that Illite has a very good bone formation inducing function.
<실험예 2><Experimental Example 2>
일라이트를 원료로 한 3D 프린팅3D printing using illite as a raw material
일라이트를 원료물질로 하여 3D 프린팅을 하는 것이 가능한지 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was performed to confirm whether it is possible to perform 3D printing using illite as a raw material.
황색 일라이트에 유기바인더를 포함한 용매를 중량비로 1:0.62 비율로 혼합하고, 이를 공자전 믹서로 균일화하여 3D 프린팅을 위한 페이스트를 제조하였다. 제조된 페이스트를 300 um 노즐을 구비한 재료연구소 자체 개발 압출형 3D 프린팅 장치를 이용하여 조형체를 제조하였고, 그 결과물을 도 2에 나타내었다. 도 2에 따르면, 일라이트를 원료물질로 포함하여 3D 프린팅을 이용하여 정교한 조형체를 제조할 수 있음을 알 수 있다.A solvent including an organic binder was mixed with yellow illite in a weight ratio of 1:0.62, and this was homogenized with a corotation mixer to prepare a paste for 3D printing. A molded body was manufactured using the manufactured paste using a self-developed extrusion 3D printing apparatus equipped with a 300 um nozzle, and the result is shown in FIG. 2 . According to FIG. 2 , it can be seen that a sophisticated molded body can be manufactured using 3D printing by including illite as a raw material.
<실험예 3><Experimental Example 3>
일라이트의 고온 특성의 확인Confirmation of high temperature characteristics of illite
일라이트의 열처리에 따른 결정상 변화를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to confirm the crystal phase change according to the heat treatment of illite, the following experiment was performed.
황색 일라이트 분말을 각 온도별(미소결, 900 °C 소결, 950 °C 소결, 1000 °C 소결, 1100 °C 소결)로 소결 (승온속도 10°C/분)하여 각각의 상변화를 XRD를 통하여 검토하였다.XRD of each phase change by sintering the yellow illite powder at each temperature (unsintered, 900 °C sintering, 950 °C sintering, 1000 °C sintering, 1100 °C sintering) (
도 3에 따르면, 900 ℃를 초과하는 열처리를 수행하는 경우 28.15 °의 피크가 사라지는 것을 통하여 결정상에 변화가 발생한다는 것을 확인할 수 있다. 결정상은 일라이트의 흡착 특성과 관련이 있기 때문에, 원래의 일라이트 흡착특성을 유지하기 위해서는 900 ℃ 이상의 온도에서 열처리를 수행하는 것은 바람직하지 않다는 것을 알 수 있다. 다만 골이식재로서의 기능은 층상구조가 아닌 일라이트를 구성하는 조성에 기인하므로 강도를 확보하기 위해서는 보다 고온에서 소결도 가능하다.According to FIG. 3 , it can be confirmed that the crystal phase change occurs through the disappearance of the peak of 28.15° when heat treatment exceeding 900° C. is performed. It can be seen that since the crystalline phase is related to the adsorption properties of illite, it is not preferable to perform heat treatment at a temperature of 900° C. or higher in order to maintain the original adsorption properties of illite. However, since its function as a bone graft material is due to the composition constituting the illite rather than the layered structure, sintering at a higher temperature is possible to secure strength.
<실험예 4><Experimental Example 4>
소결 온도에 따른 기계적 특성의 확인Confirmation of mechanical properties according to sintering temperature
3D 프린팅을 통하여 조형된 조형체의 소결 처리 온도에 따른 기계적 특성을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was performed to confirm the mechanical properties according to the sintering processing temperature of the molded body through 3D printing.
상기 실험예 2를 통하여 제조된 조형체와 이를 900 ℃에서 소결한 소결체, 및 1100 ℃에서 소결한 소결체를 손으로 힘을 가하고, 또는 증류수에 담근 후, 그 결과를 도 4에 나타내었다.The molded body prepared in Experimental Example 2, the sintered body sintered at 900° C., and the sintered body sintered at 1100° C. were manually applied with force or immersed in distilled water, and the results are shown in FIG. 4 .
도 4에 따르면, 900 ℃로 소결한 소결체의 경우에도 손으로 눌렀을 때 쉽게 파손되는 것을 확인할 수 있고, 특히 증류수에 담근 결과를 보면, 소결을 하지 않은 조형체와 900 ℃로 소결한 소결체의 경우, 증류수 내에서 서서히 풀어져 형상을 유지하지 못하나, 1100 ℃로 소결한 경우에는 증류수 내에서 그 형상을 유지하고 있어, 기계적 특성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 이 결과에 따르면, 일라이트를 포함하여 골이식재를 제조하는 경우, 요구되는 기계적 특성을 확보하기 위해서는 일정 온도 이상에서 소결하는 것이 필요하다고 판단되나, 이 경우, 실험예 3의 결과에 따르면, 일라이트의 흡착특성이 변하게 되는 문제가 있어, 일라이트의 흡착특성을 유지하면서도 제조된 결과물의 기계적 강도를 향상시키는 방법이 필요하다는 결론을 도출하게 된다.According to Figure 4, it can be confirmed that even in the case of the sintered body sintered at 900 ° C, it is easily damaged when pressed by hand. It can be seen that the shape is not maintained because it is slowly dissolved in distilled water, but when sintered at 1100° C., the shape is maintained in distilled water, and thus it can be seen that the mechanical properties are excellent. According to these results, when manufacturing a bone graft material including Illite, it is determined that sintering at a certain temperature or higher is necessary to secure the required mechanical properties. In this case, according to the results of Experimental Example 3, There is a problem in that the adsorption characteristics of ilite are changed, so it is concluded that a method is needed to improve the mechanical strength of the manufactured product while maintaining the adsorption characteristics of illite.
<실험예 5><Experimental Example 5>
본 발명의 방법으로 제조된 조형체의 황색포도상구균에 대한 항균특성을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to confirm the antibacterial properties of the molded object prepared by the method of the present invention against Staphylococcus aureus, the following experiment was performed.
평가는 한국분석시험연구원에서 진행하였으며 50 mL phosphate buffer에 18시간 전배양한 균을 접종하여 균농도를 1.5-3.0 x 105 CFU/mL로 한 뒤, 시료를 2.0 %(=1.0g) 넣고 1시간 동안 진탕한 뒤 buffer의 CFU (Colony Forming Unit)를 측정하고 아래 식에 따라 균감소율을 측정하였다.The evaluation was conducted at the Korea Analytical Testing & Research Institute, inoculated with 50 mL of phosphate buffer for 18 hours, and the concentration of the bacteria was 1.5-3.0 x 105 CFU/mL. Then, 2.0% (=1.0g) of the sample was added and 1 hour. After shaking for a while, the CFU (Colony Forming Unit) of the buffer was measured, and the bacterial reduction rate was measured according to the following equation.
균감소율(%) = [(Control의 배양후 균수)-(시료의 배양후 균수)] / (Control의 배양후 균수) X 100Bacterial reduction rate (%) = [(number of cells after culturing of Control)-(number of cells after culturing of sample)] / (number of cells after culturing of Control)
도 5에 따르면, 그린바디의 경우, 기존 일라이트 대비 약 90 % 정도의 멸균력을 보이나, 1100 ℃에서 소결을 하는 경우, 멸균력이 약 50 %까지 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 원료물질에 포함되는 일라이트의 특성을 유지하기 위해서는 고온에서의 소결 공정을 회피하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.According to FIG. 5 , in the case of the green body, it can be seen that the sterilization power is about 90% compared to the existing Illite, but when sintering at 1100° C., the sterilization power is greatly reduced by about 50%. Through this, it can be seen that it is preferable to avoid the sintering process at a high temperature in order to maintain the characteristics of the illite included in the raw material.
<실험예 6><Experimental Example 6>
경화액에 따른 기계적 특성의 확인Confirmation of mechanical properties according to the curing liquid
원료물질에 포함되는 일라이트의 함량과 사용되는 경화액의 종류에 따른 결과물의 기계적 강도를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was performed to confirm the mechanical strength of the result according to the content of illite contained in the raw material and the type of curing liquid used.
이상의 실험들을 통하여, 3D 프린팅을 통하여 조형된 조형체를 본 발명의 목적을 위하여 사용하기 위해서는 고온 소결을 수행해서는 안되고, 상온 경화를 수행해야 한다고 판단하였고, 이를 위하여 다양한 조성의 일라이트 함량에 대한 다양한 경화액의 사용 결과를 확인하였다.Through the above experiments, it was determined that high temperature sintering should not be performed and room temperature curing should be performed in order to use the molded body formed through 3D printing for the purpose of the present invention. The results of use of the curing liquid were confirmed.
2000 메쉬로 분채한 일라이트 파우더를 α-TCP(<25 um)와 균일하게 혼합하고, 유기 바인더로 점도를 조절하여 3D 프린팅 가능한 성형성과 흐름성을 갖는 페이스트(페이스트에 포함된 일라이트의 함량은 총 페이스트 중량 대비 0 중량%, 10 중량%, 20 중량%, 40 중량%, 50 중량%로 하여 시료를 준비함)를 제조하였고, 이를 재료연구소 자체개발 압출형 세라믹 3D 프린팅 장치에 도입하여 3차원 조형체를 조형하였다. 각각의 조형체들에 대하여 PBS, MCPM, DSP, MSP 경화액을 이용하여 24시간동안 상온 경화를 수행하였고, 경화 후 경화 완성도를 확인하기 위하여 증류수에 담그고, 그 결과를 확인하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 따르면, MCPM을 사용하는 경우 40 중량%까지 일라이트를 포함하여도 충분한 경화가 이루어진다는 것을 알 수 있고, MSP를 사용하는 경우 10 중량%까지 일라이트를 포함하는 경우 충분한 경화가 이루어지고, 40 중량%까지도 적절한 수준의 경화가 이루어지고 있음을 알 수 있다.Illite powder shredded with 2000 mesh is uniformly mixed with α-TCP (<25 um), and the viscosity is adjusted with an organic binder to make a paste with moldability and flowability that can be 3D printed (the content of Illite in the paste is Samples were prepared at 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 40 wt%, and 50 wt% relative to the total paste weight), which was introduced into an extruded ceramic 3D printing device developed by the Materials Research Institute to create a three-dimensional image shape was formed. For each molded body, curing was performed at room temperature for 24 hours using PBS, MCPM, DSP, and MSP curing solution. 6 is shown. According to FIG. 6, when using MCPM, it can be seen that sufficient curing is achieved even when illite is included up to 40 wt%, and when using MSP, when illite is included in up to 10 wt%, sufficient curing is made, , it can be seen that an appropriate level of curing is achieved even up to 40% by weight.
<실험예 7><Experimental Example 7>
골이식재의 기계적 강도 확인Checking the mechanical strength of the bone graft material
일라이트 함량에 따른 제조된 골이식재의 기공도 및 기계적 강도 변화를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiments were performed to confirm the porosity and mechanical strength changes of the prepared bone graft material according to the illite content.
3D프린팅으로 제작 후 경화된 골이식재의 기공도는 알르키메스법으로 계산하여 측정하였고, 기계적 물성은 1cm x 2cm의 원형기둥을 제작 후 압축강도측정기를 이용하여 평가하였다.The porosity of the hardened bone graft material after fabrication by 3D printing was calculated and measured by the Alchymes method, and the mechanical properties were evaluated using a compressive strength meter after manufacturing a 1 cm x 2 cm circular column.
도 7에 따르면, 일라이트의 함량이 증가함에 따라 기공도는 감소하고, 압축강도는 증가하는 것을 알 수 있고, 일라이트 함량이 40 중량%에서는 압축강도가 증가한 상태에서 유지되고 있음을 확인할 수 있다.According to FIG. 7 , it can be seen that the porosity decreases and the compressive strength increases as the illite content increases, and when the illite content is 40% by weight, it can be confirmed that the compressive strength is maintained in an increased state. .
<실험예 8><Experimental Example 8>
골이식재의 골 재생 유도 효능 확인Confirmation of bone regeneration-inducing efficacy of bone graft materials
본 발명의 방법으로 제조된 골이식재의 골 재생 유도 효능을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was performed to confirm the bone regeneration-inducing efficacy of the bone graft material prepared by the method of the present invention.
생체 소재인 알지네이트에 황색 일라이트 분말을 혼합하고, 본 발명의 방법의 3D 프린팅 방법으로 골이식재를 제조하였다. 제조된 골이식재 내 일라이트 함량은 10 중량%, 20 중량%, 및 40 중량%였다. 각각의 골이식재에 골아세포(MC3T3-E1, 5X106 cell)를 파종하고, 골아세포의 골세포로의 초기 분화거동을 나타내는 ALP를 측정(1주차, 2주차, 3주차)하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.Yellow illite powder was mixed with alginate, a biological material, and a bone graft material was prepared by the 3D printing method of the method of the present invention. The illite content in the prepared bone graft material was 10% by weight, 20% by weight, and 40% by weight. Each bone graft material was seeded with osteoblasts (MC3T3-E1, 5X10 6 cells), and ALP indicating the initial differentiation behavior of osteoblasts into osteocytes was measured (
도 8에 따르면, 골이식재 내 일라이트의 함량이 증가할수록 골 분화 거동이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 특히, 1주 및 2주 후 생체 활성 거동이 일라이트 함량 증가에 따라 크게 영향을 받는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명의 골이식재는 특히 초기의 골분화 거동, 즉 골재생 유도기능이 우수하다는 것을 알 수 있다.According to FIG. 8 , it can be confirmed that the bone differentiation behavior increases as the content of illite in the bone graft material increases, and in particular, it can be confirmed that the bioactivity behavior after 1 week and 2 weeks is greatly affected by the increase of the illite content. can Through this, it can be seen that the bone graft material of the present invention has excellent initial bone differentiation behavior, that is, bone regeneration inducing function.
<실험예 8><Experimental Example 8>
일라이트 함량에 따른 인산칼슘 지지체의 세포생존율에 대한 영향을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to confirm the effect of the calcium phosphate support on the cell viability according to the illite content, the following experiment was performed.
2000 메쉬로 분채한 일라이트 파우더를 α-TCP(<25 um)와 균일하게 혼합하고, 유기 바인더로 점도를 조절하여 3D 프린팅 가능한 성형성과 흐름성을 갖는 페이스트(페이스트에 포함된 일라이트의 함량은 총 페이스트 중량 대비 0 중량%, 10 중량%, 20 중량%, 40 중량%로 하여 시료를 준비함)를 제조하였고, 이를 한국재료연구원 자체개발 압출형 세라믹 3D 프린팅 장치에 도입하여 3차원 지지체를 조형하였다. 각각의 조형체들에 대하여 MCPM 경화액을 이용하여 24시간동안 상온 경화를 수행하였고, 경화 후 잔존하는 산용액인 MCPM을 제거하기 위하여 Tris 버퍼 (pH = 8.5)로 overnight 세척, PBS로 1회 세척 후 건조하였다. 건조된 각 지지체에 인간 골육종 세포라인(human osteosarcoma cell lines)인 MG-63세포를 지지체당 2.0×104개를 파종하고 세포증식거동 분석을 통한 세포생존율을 CCK assay로 측정하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.Illite powder shredded with 2000 mesh is uniformly mixed with α-TCP (<25 um), and the viscosity is adjusted with an organic binder to make a paste with moldability and flowability that can be 3D printed (the content of illite in the paste is Samples were prepared at 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, and 40 wt% relative to the total paste weight), which was introduced into an extruded ceramic 3D printing device developed by the Korea Institute of Materials and Materials to form a three-dimensional support. . Each molded body was cured at room temperature for 24 hours using MCPM curing solution, and washed overnight with Tris buffer (pH = 8.5) in order to remove MCPM, an acid solution remaining after curing, and washed once with PBS. and then dried. 2.0×10 4 MG-63 cells, a human osteosarcoma cell line, were seeded on each dried scaffold, and cell viability was measured by CCK assay through cell proliferation behavior analysis, and the results are shown in Fig. 9 is shown.
도 9에 따르면 일라이트 질량비율을 40%까지 증가시키더라도 세포 초기부착능에는 영향이 없으며 (1일차), 4일차에는 일라이트 유무에 따라 통계적으로 약간의 차이 즉, 일라이트 첨가에 따른 세포증식수의 증가가 확인되었다. 7일차까지 배양하였을 경우 모든 그룹간에 세포증식 수에 큰 차이가 없었다. 즉, 일라이트의 첨가로 세포생존률에 부정적 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한, 일라이트 성분이 세포증식성에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다.According to FIG. 9, even if the illite mass ratio is increased to 40%, the initial cell adhesion ability is not affected (day 1), and on the 4th day there is a statistically slight difference depending on the presence or absence of illite, that is, the number of cell proliferation according to the addition of illite. increase was confirmed. When cultured up to the 7th day, there was no significant difference in the number of cell proliferation between all groups. That is, it can be confirmed that the addition of illite does not negatively affect the cell viability. In addition, it can be confirmed that the illite component does not significantly affect the cell proliferation.
<실험예 9><Experimental Example 9>
본 발명의 방법으로 제조된 골이식재의 골 재생 유도 효능을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was performed to confirm the bone regeneration-inducing efficacy of the bone graft material prepared by the method of the present invention.
2000 메쉬로 분채한 일라이트 파우더를 α-TCP(<25 um)와 균일하게 혼합하고, 유기 바인더로 점도를 조절하여 3D 프린팅 가능한 성형성과 흐름성을 갖는 페이스트(페이스트에 포함된 일라이트의 함량은 총 페이스트 중량 대비 0 중량%, 10 중량%, 20 중량%, 40 중량%로 하여 시료를 준비함)를 제조하였고, 이를 한국재료연구원 자체개발 압출형 세라믹 3D 프린팅 장치에 도입하여 3차원 지지체를 조형하였다. 각각의 조형체들에 대하여 MCPM 경화액을 이용하여 24시간동안 상온 경화를 수행하였고, 경화 후 잔존하는 산용액인 MCPM을 제거하기 위하여 Tris 버퍼 (pH = 8.5)로 오버나잇(overnight) 세척, PBS로 1회 세척 후, 건조하였다. 건조된 각 지지체에 인간 골육종 세포라인(human osteosarcoma cell lines)인 MG-63세포를 지지체당 2.0×104개를 파종하고하고 골생성 분화제(osteogenic differentiation media)에서 배양하고, ALP 활성을 측정(1주차, 2주차, 3주차, 4주차)하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.Illite powder shredded with 2000 mesh is uniformly mixed with α-TCP (<25 um), and the viscosity is adjusted with an organic binder to make a paste with moldability and flowability that can be 3D printed (the content of illite in the paste is Samples were prepared at 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, and 40 wt% relative to the total paste weight), which was introduced into an extruded ceramic 3D printing device developed by the Korea Institute of Materials and Materials to form a three-dimensional support. . For each shaped body, curing was performed at room temperature for 24 hours using MCPM curing solution, and overnight washing with Tris buffer (pH = 8.5) to remove MCPM, an acid solution remaining after curing, PBS After washing once, it was dried. 2.0×10 4 MG-63 cells, which are human osteosarcoma cell lines, were seeded per support and cultured in osteogenic differentiation media, and ALP activity was measured ( 1st week, 2nd week, 3rd week, 4th week), and the result is shown in FIG.
도 10에 따르면, ALP 활성, 즉 초기 골분화에 미치는 영향을 확인할 수 있고, 구체적으로는 1주차부터 일라이트가 40 중량%로 포함된 구조체에서 가장 높은 ALP 활성이 확인되고, 그 효과는 4주간 계속됨을 확인할 수 있어, 40 중량%의 일라이트를 포함한 지지체에서 가장 우수한 초기 골분화 거동이 확인되었다.According to FIG. 10 , the effect on ALP activity, that is, initial bone differentiation, can be confirmed, and specifically, the highest ALP activity is confirmed in the structure containing illite at 40 wt% from the 1st week, and the effect is maintained for 4 weeks. As it can be confirmed that it continues, the best initial bone differentiation behavior was confirmed in the support containing 40% by weight of illite.
<실험예 10><Experimental Example 10>
본 발명의 방법으로 제조되는 골이식재가 초기 골분화에 미치는 영향 및 후기 골 석회화에 미치는 영향을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiments were performed to confirm the effect of the bone graft material prepared by the method of the present invention on early bone differentiation and late bone calcification.
2000 메쉬로 분채한 일라이트 파우더를 α-TCP(<25 um)와 균일하게 혼합하고, 유기 바인더로 점도를 조절하여 3D 프린팅 가능한 성형성과 흐름성을 갖는 페이스트(페이스트에 포함된 일라이트의 함량은 총 페이스트 중량 대비 0 중량%, 10 중량%, 20 중량%, 40 중량%로 하여 시료를 준비함)를 제조하였고, 이를 한국재료연구원 자체개발 압출형 세라믹 3D 프린팅 장치에 도입하여 3차원 지지체를 조형하였다. 각각의 조형체들에 대하여 MCPM 경화액을 이용하여 24시간동안 상온 경화를 수행하였고, 경화 후 잔존하는 산용액인 MCPM을 제거하기 위하여 Tris 버퍼 (pH = 8.5)로 overnight 세척, PBS로 1회 세척 후, 건조하였다. 건조된 각 지지체에 인간 골육종 세포라인(human osteosarcoma cell lines)인 MG-63세포를 지지체당 2.0×104개를 파종하고, 리얼타임 RCR(Real-time PCR)을 통하여 초기 골분화인자인 콜라겐 타입 1(collagen type 1)(COL1)과 말기 및 골석회화 인자인 osteo calcine (OC) 발현을 비교하였고, 그 결과를 도 11에 나타내었다.Illite powder shredded with 2000 mesh is uniformly mixed with α-TCP (<25 um), and the viscosity is adjusted with an organic binder to make a paste with moldability and flowability that can be 3D printed (the content of illite in the paste is Samples were prepared at 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, and 40 wt% relative to the total paste weight), which was introduced into an extruded ceramic 3D printing device developed by the Korea Institute of Materials and Materials to form a three-dimensional support. . Each molded body was cured at room temperature for 24 hours using MCPM curing solution, and washed overnight with Tris buffer (pH = 8.5) in order to remove MCPM, an acid solution remaining after curing, and washed once with PBS. After that, it was dried. 2.0×10 4 MG-63 cells, a human osteosarcoma cell line, were seeded on each dried scaffold, and
도 11에 따르면, 골분화 특이적 인자의 발현량을 확인하였을 때, 초기 골분화인자인 타입 I 콜라겐의 경우 일라이트가 포함되어 있는 시료가 그렇지 않은 시료에 비하여 높은 발현량을 보임을 확인할 수 있고, 일라이트가 40 중량%로 포함된 경우, 10 중량%로 포함된 경우에 비하여 통계적으로 우수한 발현량을 보이고 있음을 확인 할 수 있다. 또한, 골 석회화 인자인 오스테오칼신(osteocalcin)의 경우에도 일라이트가 포함되어 있는 시료가 그렇지 않은 시료에 비하여 확연히 높은 발현량을 보이고 있음을 확인할 수 있다.According to FIG. 11, when the expression level of the bone differentiation-specific factor was confirmed, in the case of type I collagen, which is an initial bone differentiation factor, it was confirmed that the sample containing illite showed a higher expression level than the sample without illite, It can be seen that when the illite is included in 40 wt%, it shows a statistically superior expression amount compared to the case in which it is included in 10 wt%. In addition, in the case of osteocalcin, a bone calcification factor, it can be seen that the sample containing illite shows a significantly higher expression level than the sample without illite.
이상의 내용에 따르면, 본 발명에 따라 일라이트를 포함하고 있는 골이식재는 기존의 인산칼슘 지지체에 비하여 초기 골분화에 확연한 긍정적인 효과가 있음이 확인되고 있고, 후기 골 석회화에도 긍정적인 효과가 있음이 확인되고 있다.According to the above, it is confirmed that the bone graft material containing Illite according to the present invention has a clear positive effect on early bone differentiation compared to the existing calcium phosphate scaffold, and has a positive effect on late bone calcification. is being confirmed
Claims (14)
Bone graft material composition for 3D printing comprising illite, calcium phosphate or magnesium phosphate cement raw material and a binder.
The bone graft material composition for 3D printing according to claim 1, wherein the illite is included in an amount of 10% to 50% by weight based on the total weight of the bone graft material composition.
A method for manufacturing a bone graft material, characterized in that the bone graft material composition according to claim 1 is introduced into a 3D printer, molded, and cured at room temperature.
The method according to claim 3, wherein the bone graft material composition comprises 10% to 50% by weight of illite relative to the total composition.
The method according to claim 3, wherein the room temperature curing is performed using at least one curing solution selected from the group consisting of PBS, MCPM, DSP and MSP.
The method according to claim 5, wherein the hardening solution is MCPM or MSP.
The method according to claim 5, wherein the hardening solution is MCPM, and the illite is included in an amount of 1 wt% to 50 wt% based on the total weight of the bone graft material composition.
A bone graft material prepared by the method of claim 3 and comprising illite in an amount of 1% to 50% by weight based on the total weight of the bone graft material.
The bone graft material according to claim 8, wherein the bone graft material has a compressive strength of 8 MPa to 14 MPa.
The bone graft material according to claim 8, wherein the bone graft material has 90% or more of the sterilization power of the Illite raw material.
The bone graft material according to claim 8, wherein the bone graft material has a far-infrared emissivity of 90% or more of the illite raw material.
The bone graft material according to claim 8, wherein the bone graft material has excellent initial bone differentiation behavior.
Bone graft material composition comprising illite in an amount of 10% to 80% by weight based on the weight of the total composition.
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