KR970011448B1

KR970011448B1 - 인공골 및 인공치근용 바이오세라믹스 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR970011448B1
Application number: KR1019940013796A
Authority: KR
Inventors: 서청교; 김호건
Original assignee: 삼조실업 주식회사; 안상달
Priority date: 1994-06-18
Filing date: 1994-06-18
Publication date: 1997-07-11
Also published as: KR960000254A

Abstract

요약없음

Description

인공골 및 인공치근용 바이오세라믹스 및 그 제조방법

첨부된 도면은 본 발명의 바이오세라믹스를 제조하는데 사용되는 일방향 결정화 전기로의 개략도이다.

본 발명은 인공골 및 인공치근용 바이오세라믹스(Bioceramics) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

상당히 오래전부터 질병이나 부상, 노화, 선천성이상등에 의해 손상된 신체, 특히 뼈를 인공재료로서 원상 복구하려는 시도를 해왔고, 현재 생체에 적합한 재료들이 개발되어 많이 활용되고 있다.

생체에 직접 이식하는 생체활성(bioactive)의 재료들은 생체와의 경계면에서 조직친화성이 우수해야 하며 소재가 용출하여 생체와 화학적으로 반응할때 신체에 독성이 없어야하고 또한 생체이식후 강도감소나 유독 물질로서의 전환과 같은 화학적변화가 없어야 한다. 현재 생체재료로서 일반적으로 사용되는 물질에는 금속재료, 고분자재료등이 있다. 그러나, 금속재료는 표면이 변질하고 금속이온이 용출되며 생체친화성이 없다. 또한, 고분자재료는 기계적 강도가 떨어지고 유독성인 모노머가 용출되며 역시 생체친화성이 없다.

반면, 무기재료(Ceramics)는 인체와 유사한 조성을 갖기 때문에 용출되어 나오는 성분이 인체에 유해하지 않다. 특히 세라믹스재료중 Al₂O₃세라믹스는 인체에 무해하며 기계적 강도가 매우 크기 때문에(알루미나 곡강도 1270MPa) 인공골 및 인공근치용 재료로서 주목받게 되었다. 그러나 Al₂O₃세라믹스도 생체불활성이어서 뼈와 화학적 결합을 하지 않으며, 이러한 생체불활성재료를 뼈와 접합시키기 위해서는 재료에 구멍을 뚫고 기존의 뼈로부터 생성된 신생골이 재료의 구멍을 통과해서 서로 접합하도록 해야한다.

상기한 문제점들을 보완하기 위해서, 생체활성의 세라믹스 Na₂O-CaO-SiO₂-P₂O₅계의 Bioglass(Hench)가 개발되었으나, 이 Bioglass는 생체친화성은 우수하나 곡강도(72±25MPa)가 낮아서 하중이 걸리는 경우에는 단독으로 사용할 수 없기 때문에 실용화되지 못하고 있다. 그러한 Bioglass의 곡강도를 개선하기위해 유리중의 아파타이트(Apatite)를 석출시켜 제조한 CeravitalBrmer과 고밀도의 히드록시아파타이트[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂] 소결체(압축강도 509MPa)가 개발되었다. 이들 재료 역시 생체뼈와 화학결합을 이루기는 하나 기계적 강도가 약하고 제조방법이 복잡한 단점을 가지고 있다.

상기한 종래의 생체활성 세라믹스의 단점을 보완할 수 있는 재료로서 SiO₂-CaO-MgO-P₂O₅계의 결정화 유리가 검토되고 있다.

아파타이트-월라스토나이트(Apatite-Wollastonite), 결정화 유리는 미세한 아파타이트 결정과 월라스토나이트(CaSiO₃) 결정을 분산석출시켜 아파타이트결정의 강도를 침상의 월라스토나이트결정이 보강하여 주기때문에 아파타이트소결체재료의 단점인 강도문제를 해결할 수 있다. 또한 미세한 아파타이트결정이 동시에 존재하기 때문에 생체친화성이 우수하며 기존의 뼈와 강한 화학결합을 형성할 수 있다. 따라서 생체활성재료인 A-W결정화 유리는 현재까지 개발된 인공골 및 인공치근용 재료의 단점인 낮은 생체친화성 및 기계적 강도를 보완할 수 있다. 또한 제조공정이 간단하다.

본 발명의 목적은 기계적 강도 및 생체친화성의 반응속도를 향상시킨 표면활성 재료인 결정화 유리와 그것의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 의한 표면활성 재료는 체액중에서 재료로부터 Si, Ca, P 등의 이온이 용출되고, 시간이 경과함에 따라 체액중의 Ca, P 이온이 용출된 Si 이온을 매개로 하여 수산화인칼슘결정으로 전이하므로써 인체의 뼈와 화학적으로 결합하는 생체재료이다.

본 발명에 의한 생체재료용 결정화 유리는 CaO 34.6-54.6중량%, SiO₂24.2-44.8중량%, P₂O₅0-8중량%, CaF₂0.1-1.0중량%, MgO 1-10중량%의 조성을 가지며, 주결정상은 월라스토나이트(CaO, SiO₂)이고 아파타이트가 제2결정상으로 존재할 수 있다.

본 발명에 의한 결정화 유리는, 유리조성이 CaO 34.6-54.6중량%, SiO₂24.2-44.8중량%, P₂O₅0-8중량%, CaF₂0.1-1.0중량%, MgO 1-10중량%가 되도록 인산칼슘, 규사, 형석, 탄산칼슘, 산화마그네슘을 혼합하고, 혼합물을 백금도가니를 사용하여 1450℃∼1550℃에서 용융시킨 후 급냉하여 유리컬릿을 만들고, 이것을 미분쇄기를 사용하여 325메쉬 이하의 분말로 분쇄하고, 이 분말을 물을 바인더로 하여 균일하게 혼합하여 약 400kg/㎠의 압력으로 일축성형한 후, 약 1400kg/㎠의 압력으로 등방가압(CIP)에 의해 2차 성형하고, 성형된 제품을 첨부된 도면에 도시된 일방향 결정화 전기로에 넣어서 백금선으로 매달아 전기로의 하단부에 오게 한뒤, 전기로 중심부의 온도를 1000-1100℃까지 승온시키고, 시료를 6-20㎜/h의 속도로 인상시키고 시료의 위쪽 끝이 전기로의 상단부에 왔을때 인상을 멈추고 전기로의 온도를 서서히 냉각시켜서 제조할 수 있다. 본 발명의 제조방법에 의하면, 사용되는 알방향 결정화 전기로의 특이한 내부구조에 의해 제공되는 온도기울기하에서 결정화 소결을 수행하기 때문에 결정조직이 치밀한 결정화 유리를 제조할 수 있으며, 또한 제조공정이 간단하기 때문에 다량생산이 가능하여 생산비의 절감을 도모할 수 있다.

본 발명에 의해 제조된 생체재료용 결정화 유리는 경도가 5.80±0.32GPa이며 압축강도는 1023±151MPa이고 곡강도는 210-240MPa이었다. 생체외(in-vitro) 실험에서 시료를 유사체액에 침적시킨 후 X-레이회절, SEM(주사전자현미경) 분석을 한 결과, 시간이 지남에 따라 시료표면에 아파타이트층이 형성됨을 확인하였다. 또한 생체(in-vivo) 실험을 통해 본 발명에 의한 결정화 유리의 시료는 뼈와 화학적으로 강한 결합을 이루고 또한 생체에 무해함을 확인하였다.

이하, 구체적인 실시예에 의거하여 본 발명을 일층 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

규사, 탄산칼슘, 산화마그네슘, 형석을 조성비가 하기 표 1에 나타낸 바와같이 되도록 볼밀에서 24시간 혼합한 후, 백금도가니에 넣어 1000℃에서 10시간 하소하였다. 하소생성물을 1550℃에서 2시간 용융시킨 후 스테인레스 플레이트에 부어 급냉시켜 유리를 제조하였다. 급냉시 용융물을 다른 스테인레스 플레이트로 눌러 두께를 2㎜ 이하로 만들었다. 만들어진 유리를 분쇄기를 사용하여 325메쉬(45㎛) 이하의 분말로 분쇄하고 분쇄된 유리에 바인더로서 10wt%의 증류수를 첨가하여 균일하게 혼합한 후, 400kg/cm²의 압력으로 일축성형하고, 일방향 결정화 전기로에 넣어 400℃에서 2시간 가열하여 바인더를 휘발시키고, 생성물을 1400㎏/㎠(2000Psi)의 압력으로 등방가압성형(CIP) 하였다. 압축된 성형시료를 일방향전기로에서 1050℃로 6㎜/h의 속도로 인상하였다. 제조된 결정화 유리의 X선회절분석 결과, 주결정상은 월라스토나이트(CaO, SiO₂)이었다.

실시예 2

인산칼슘, 규사, 탄산칼슘을 조성비가 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 되도록 혼합하여 실시예 1과 같은 방법으로 성형, 소결하여 결정화 유리를 제조하였다. 제조된 결정화 유리의 X선회절분석결과, 주결정상은 아파타이트와 월라스토나이트이었다.

[표 1] 원료의 조성(중량%)

제조된 결정화 유리의 역학적물성은 다음과 같은 방법으로 시험하였다.

곡강도

결정화 소결법으로 제작한 바(bar)형태의 소결체를 #400, #800, #1200, #2000의 알루미나연마분을 이용하여 순차적으로 연마한 후, 광학 연마하여 강도측정용 시료를 만든다. 인스트론형 시험기(Instron-type machine ; Model 4204, Instron Co.)를 사용하여 로드(load)의 하강속도를 0.5㎜/min으로 하고, 시료의 지지축간 길이를 20㎜로 고정하여 3-점 곡강도를 측정하였다. 3점 곡강도값은 다음식에 근거하여 계산한다 :

식중, P=하중(kg)

L=지지축간 길이(㎜)

b=시료의 폭

d=시료의 두께

압축강도

5×5×5㎣ 크기의 바형태의 시료를 제작하고 #400, #800, #1200, #2000의 알루미나 연마분을 이용하여 순차적으로 연마하여 시료 상하면의 수평을 맞추고 각면의 요철을 제거한다. 준비된 시료를 MTS(Material Testing System)에 장착한 후 로드속도를 0.5㎜/min으로 압축응력을 가한다. 시료에 가해지는 응력을 시간경과에 따라 증가시키고 파쇄(fracture)가 발생한 순간의 압력(MPa)을 시료의 압축강도로 측정한다.

실시예 1 및 2에서 제조한 결정화 유리를 상기 방법에 따라 그 물성을 시험하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

[표 2] 본 발명에 의한 결정화 유리의 물성

본 발명에 의한 결정화 유리의 생체재료로서의 적합성을 확인하기 위해서 생체외 및 생체실험을 실시하였다.

생체외 시험

시료의 준비 : 제조된 결정화 유리를 10×5×2㎟ 크기의 판상시료로 절단하고 표면을 #2000의 알루미나페이스트로 연마하여 아세톤과 증류수로 세척한다.

유사체액의 제조 : 이온교환수지를 통한 증류수에 NaCl, NaHCO₃, KCl, K₂HPO₄, MgCl₂·6H₂O, CaCl₂및 Na₂SO₄를 Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl²⁺, Cl^-, HCO₃, HPO₄ ^2-, SO₄ ^2-의 이온농도가 각각 142.0, 5.0, 1.5, 2.5, 147.8, 4.2, 1.0, 0.5mM이 되도록 용해하여 제조한다. 제조된 용액에 완충제로서 (CH₂OH)₃NH₂와 HCl을 가하여 pH를 7.25로 고정시키고 36.5℃에서 보관한다.

분석 : 준비된 시료를 유사체액 20ml중에 침적시키고 침적전, 3일, 5일, 7일 동안 각각 침척시킨 시료에 대하여 X-레이회절패턴분석 및 SEM 사진분석을 통해 표면의 미세구조를 조사한다.

결과 : 침적전의 X-레이패턴에서 아파타이트와 월라스토나이트결정에 해당하는 피이크가 혼합되어 나타났으며, 3일 5일, 7일등 침적시간이 증가할수록 월라스토나이트 결정의 피이크는 감소하는 반면 아파타이트의 피이크는 상대적으로 강하게 나타났다. 이러한 결과로부터 시료표면은 침적후에 생성되는 아파타이트에 의해 점차로 덮여감을 알수 있다.

생체시험

1. 생체친화성 조사(치아 및 악골)

생후 3개월 이상된 토끼를 전신마취시키고, 드릴에 의해 하악전치와 악골에 적당한 크기의 원통형 홈을 형성시켰다. 형성된 홈에 본 발명의 생체재료를 넣고 치아의 경우에는 다짐봉으로 다지고 전색제로 처리하여 재료가 탈락되는 것을 방지하였으며 악골의 경우에는 봉합술에 의해 골막과 표비를 봉합하였다. 필요한 항생제를 수일간 투여하면서 사육하고, 1주, 2주 및 4주후 치아 및 악골을 발거하여 그 단면을 SEM 및 방사선 사진으로 관찰한 결과, 생체재료와 생체조직사이의 경계부가 시간이 지남에 따라 점차 불분명해졌는바, 이로부터 시간이 지남에 따라 생체재료와 생체조직이 화학적으로 강한 결합을 형성함을 확인할 수 있었다.

2. 생체친화성 및 강도조사(경골)

체중 2.5kg 전후의 뉴질랜드산 백색토끼를 전신마취시키고, 하퇴 근위부의 전방에서 경골을 절제하여 골결손을 유발하였다. 유발된 골결손부위에 본 발명에 의한 생체재료를 삽입하고 봉합하였다. 수술후 감염을 예방하기위해 토끼의 둔부에 항생제를 근육주사하였다. 2, 4, 8, 16주후에 토끼를 희생시키고 경골을 적출하여 방사선사진으로 관찰한 결과, 토끼의 경골과 생체재료간의 방사선 투과성 간격이 시간 경과에 따라 점차 소실되었는바, 이로부터 본 발명의 생체재료는 경골과 잘 친화되어 감을 확인할 수 있었다. 또한, 생체골-인공골 접합부위에 대한 굴곡하중시험 결과 약 62%의 힘에서 파열되는 우수한 생역학적 강도를 나타내었다.

3. 독성검사

세포배양용 플라스틱배양접시에 본 발명의 원판형 생체재료(13㎜×1㎜)와 L929 조직섬유세포 1.25×10⁶개를 넣어 24시간 배양하되, 배양액으로는 10% 말혈청(Gibco, U.S.A), 페니실린(100unit/ml), 스트렙토마이신(100unit/ml) 및 펀지존(0.3㎛/ml)이 첨가된 기초배지 이글용액(BME ; Gibco, U.S.A)을 사용하였다. 배양은 37℃, 90% 습도, 5%의 CO₂및 95%의 공기조건을 유지하는 배양기(Precision, U.S.A)에서 실시하였다. 24시간 배양후 1.5% 아가(Difco, U.S.A) -BME 용액 3ml를 부어 세포층위에 아가층을 형성시키고, 그 위에 0.01% 뉴트랄레드 용액을 부어 생염색하였다. 생염색된 세포의 탈색과 탈색된 세포의 용해정도를 육안 및 현미경하에 검사하였다. 생체재료 주위 및 그 하부에 탈색된 부위가 발견되지 않았으며, 세포용해도 전혀 일어나지 않았는바, 세포독성이 전혀 없는 것으로 나타났다.

이상의 다양한 시험을 통해 확인된 바와같이, 본원 발명의 생체재료용 결정화 유리는 생체재료로서 적합한 기계적 강도와, 우수한 생체활성 및 생체친화성을 가지며, 독성이 전혀 없어서 인공골 및 인공치근용 생체재료로서 유용하다.

이상은 특정실시예에 의거하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 특허청구의 범위내에서 다양하게 변경실시할 수 있다.

Claims

유리성분의 조성이 CaO 34.6-54.6중량%, SiO₂24.2-44.8중량%, P₂O₅0-8중량%, CaF₂0.1-1.0중량%, MgO 1.0-10.0중량% 범위이며, 월라스토나이트(CaO, SiO₂)가 주결정상으로 존재하고 아파타이트가 제 2 결정상으로 존재할 수 있는 것을 특징으로 하는 생체재료용 결정화 유리.
유리성분의 조성이 CaO 34.6-54.6중량%, SiO₂24.2-44.8중량%, P₂O₅0-8중량%, CaF₂0.1-1.0중량%, MgO 1.0-10.0중량% 범위가 되도록 규사, 탄산칼슘, 산화마그네슘 및 그 형석을 혼합하여 1450∼1550℃에서 용융시키고, 용융물을 급냉시켜 325메쉬 이하의 분말로 분쇄한 후, 분말을 등방가압성형하고, 성형물을 일방향 결정화 전기로에 넣어, 중심온도를 1000-1100℃로 승온시킨 후, 6-20㎜/h의 속도로 인상하고, 성형물의 윗쪽끝이 전기로의 상단부에 도달하면 인상을 멈추고 전기로의 온도를 서서히 냉각시켜서 결정을 석출시키는 것을 특징으로 하는 생체친화성 결정화 유리의 제조방법.