KR20120108174A - 다공성 생체 재료 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인공 뼈 등으로 사용되는 다공성 생체 재료 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 프레임과, 상기 프레임의 사이에 형성된 기공을 포함하되, 상기 프레임은 제1세라믹층; 상기 제1세라믹층 상에 형성되고, 제1세라믹과 제2세라믹을 포함하는 복합 중간층; 및 상기 복합 중간층 상에 형성된 제2세라믹층을 포함하고, 상기 제1세라믹은 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 규소(Si), 칼슘(Ca), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg)으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며, 상기 제2세라믹은 칼슘포스페이트계를 포함하는 다공성 생체 재료 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 우수한 기계적 강도와 생체 활성을 가지며, 특히 표면적이 증가된 마이크로 채널 구조를 가져 골아 세포 증식능 등의 생체 활성이 우수하다.
Description
본 발명은 다공성 생체 재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 골격 프레임의 사이에 다수의 기공이 형성된 마이크로 채널형으로서, 생체 활성이 뛰어나고 우수한 기계적 강도를 가지는 다공성 생체 재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
인공 뼈 등으로 사용되는 생체 재료로는 신생 뼈가 자라 들어 갈 수 있는 다공성 구조가 선호되고 있다. 생체 재료는 일반적으로 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 칼슘포스페이트(calcium phosphate)계 등의 바이오세라믹(bio-ceramic)이 많이 사용된다.
상기 생체 재료들 중에서 지르코니아(ZrO2)나 알루미나(Al2O3)는 생체 적합성이 우수하고 기계적 강도가 뛰어나 주로 뼈 이식제 등으로 사용된다. 그러나 지르코니아(ZrO2)나 알루미나(Al2O3) 등의 일반 세라믹재는 골아 세포 증식능, 골 전도성, 골 결합력 및 세포 부착성 등의 생체 활성을 갖고 있지 않거나 낮은 단점이 있다.
이에 비해 칼슘포스페이트(calcium phosphate)계 세라믹은 우수한 생체 활성을 갖는다. 칼슘포스페이트계 세라믹 중에서, 특히 하이드록시아파타이트(HAp ; hydroxyapatite)나 트리칼슘포스페이트(TCP ; tricalcium phosphate)는 인체 조직과의 생체 적합성이 뛰어남은 물론 골아 세포 증식능, 골 전도성, 골 결합력 및 세포 부착성 등의 생체 활성이 우수하다. 이에 따라, 칼슘포스페이트계는 인공 치아, 골 충진제 및 뼈 이식제 등으로 널리 사용되고 있다. 그러나 이들 칼슘포스페이트계는 지르코니아(ZrO2)에 비해 기계적 강도가 떨어진다.
이에 따라, 기계적 강도가 우수한 지르코니아(ZrO2)와 생체 활성이 우수한 바이페이직칼슘포스페이트(BCP) 등의 칼슘포스페이트계를 적정 부피비로 혼합 사용하는 방법이 시도되었다. 그러나 상기 두 가지 재료를 혼합 사용하는 경우, 기계적 강도와 생체 활성에서 상호 보완적이기는 하나, 지르코니아(ZrO2)를 단독으로 사용하는 경우에 비해서는 기계적 강도가 떨어지고, 칼슘포스페이트계를 단독으로 사용하는 경우에 비해서는 생체 활성이 떨어지는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 기계적 강도와 생체 활성, 이들 두 가지 특성이 모두 우수하고, 특히 구조적 개선을 통하여 골아 세포 증식능 등의 생체 활성이 우수한 다공성 생체 재료 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
보다 구체적으로, 본 발명은 지르코니아(ZrO2) 등의 강도 우수 세라믹과 칼슘포스페이트계 등의 생체 활성 세라믹을 각각 단독으로 사용하는 경우보다 동등 또는 그 이상의 우수한 기계적 강도와 생체 활성을 가지는 다공성 생체 재료 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다. 또한, 본 발명은 표면적이 증가된 마이크로 채널 구조를 갖도록 함으로써, 골아 세포 증식능 등의 생체 활성이 우수한 다공성 생체 재료 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
프레임과, 상기 프레임의 사이에 형성된 기공을 포함하되,
상기 프레임은,
제1세라믹층;
상기 제1세라믹층 상에 형성되고, 제1세라믹과 제2세라믹을 포함하는 복합 중간층; 및
상기 복합 중간층 상에 형성된 제2세라믹층을 포함하고,
상기 제1세라믹은 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 규소(Si), 칼슘(Ca), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg)으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며,
상기 제2세라믹은 칼슘포스페이트계를 포함하는 다공성 생체 재료를 제공한다.
또한, 본 발명은,
(1) 기공 형성제를 포함하는 기공 코어층; 상기 기공 코어층 상에 피복된 제2세라믹 조성물층; 상기 제2세라믹 조성물층 상에 피복되고, 제1세라믹과 제2세라믹을 포함하는 복합 조성물층; 및 상기 복합 조성물층 상에 피복된 제1세라믹 조성물층을 가지는 제1필라멘트를 제조하는 단계와,
(2) 중공 형성제를 포함하는 중공 코어층, 및 상기 중공 코어층 상에 피복된 내벽 세라믹 조성물층을 가지는 제2필라멘트를 제조하는 단계와,
(3) 외벽 세라믹 조성물을 이용하여 셀(shell)을 제조하는 단계와,
(4) 상기 제조된 제2필라멘트를 중심으로 하여, 상기 제2필라멘트 주위에 다수 개의 제1필라멘트를 배열하고, 상기 제1필라멘트 상에 셀을 배열한 다음, 압출하여 성형체를 제조하는 단계와,
(5) 상기 성형체를 소진 및 소결하는 단계를 포함하고,
상기 제1세라믹은 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 규소(Si), 칼슘(Ca), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg)으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며,
상기 제2세라믹은 칼슘포스페이트계를 포함하는 다공성 생체 재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 우수한 기계적 강도와 생체 활성을 가지며, 특히 표면적이 증가된 마이크로 채널 구조를 가져 골아 세포 증식능 등의 생체 활성이 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 다공성 생체 재료의 단면 모식도이다.
도 2는 상기 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다공성 생체 재료의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 내부 표면 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 EDS 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 사진으로서, 소결 온도에 따른 구조체의 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 골아 세포 증식능력을 평가한 결과와 독성 실험을 평가한 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 골아 세포 부착능력에 대한 실험 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 세포의 세포분화능력을 평가한 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 confocal image이다.
도 2는 상기 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다공성 생체 재료의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 내부 표면 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 EDS 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 사진으로서, 소결 온도에 따른 구조체의 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 골아 세포 증식능력을 평가한 결과와 독성 실험을 평가한 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 골아 세포 부착능력에 대한 실험 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 세포의 세포분화능력을 평가한 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 생체 재료의 confocal image이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다공성 생체 재료(이하, '생체 재료'라 약칭한다)의 단면 모식도이고, 도 2는 상기 도 1의 A-A선 단면도이다. 그리고 도 3은 본 발명에 따른 생체 재료의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 생체 재료의 사진으로서, 도 4의 a)는 단면 사진이고, b)와 c)는 배율을 달리한 a)의 부분 확대 사진이다.
먼저, 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 생체 재료는 골격으로서의 프레임(10, frame)과, 상기 프레임(10)의 사이에 형성된 다수의 기공(20, pore)을 포함한 다공성 구조를 갖는다. 구체적으로, 상기 프레임(10)은 벌집(honeycomb) 형태로 연결되어 있으며, 상기 기공(20)은 생체 재료의 길이 방향을 따라 형성되어, 채널 구조를 갖는다. 그리고 바람직하게는 외부 둘레에 형성된 외벽(32)을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 생체 재료는, 중앙에 길이 방향을 따라 천공된 중공부(34, hollow)를 더 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 상기 중공부(34)의 주위에는 내벽(36)이 더 형성될 수 있다. 본 발명에서, 상기 외벽(32), 중공부(34) 및 내벽(36)은 임의 선택적인 구성 요소로서, 이들 중에서 적어도 외벽(32)은 형성되는 것이 좋다. 본 발명에 따른 생체 재료는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 도 1 및 도 4에 보인 바와 같이 원통형의 형상을 갖는다.
상기 프레임(10)은 바이오세라믹(bio-ceramic)의 소결체이다. 기공(20)은, 예를 들어 기공 형성제의 소진(burnout)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 상기 외벽(32)과 내벽(36)은 프레임(10)의 소결 과정에서 프레임(10)과 일체로 형성될 수 있으며, 상기 중공부(34)는 중공 형성제의 소진(burnout)에 의해 형성되거나 드릴링(drilling)을 통해 형성될 수 있다.
상기 기공(20)은 프레임(10)의 사이에 위치하여, 상기한 바와 같이 본 발명에 따른 생체 재료의 길이 방향을 따라 다수 개 형성된다. 기공(20)은 마이크로미터(㎛)의 크기를 갖는다. 기공(20)은 예를 들어 2㎛ ~ 500㎛의 크기(직경)를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 생체 재료는, 바람직하게는 20 ~ 200㎛, 보다 바람직하게는 50 ~ 120㎛의 기공(20)을 포함하면 좋다. 아울러, 상기 프레임(10)의 두께는 예를 들어 5 ~ 150㎛가 될 수 있으나, 이에 의해 제한되는 것은 아니다. 상기 기공(20)의 크기와 프레임(10)의 두께는 생체 재료로서의 사용 목적 및 용도 등에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 바람직하게는, 기계적 강도 및 생체 활성 등을 고려하여, 상기 기공(20)은 50 ~ 120㎛의 크기를 가지며, 상기 프레임(10)은 10 ~ 80㎛의 두께를 가지는 것이 좋다. 보다 바람직하게는, 상기 기공(20)은 80 ± 25㎛의 크기를 가지며, 상기 프레임(10)은 40 ± 10㎛의 두께를 가지는 것이 좋다. 그리고 외벽(32)은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 지지 강도를 고려하여 100㎛ ~ 5mm의 두께를 가질 수 있으며, 내벽(36)은 10 ~ 500㎛의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 생체 재료는, 위와 같이 프레임(10)을 사이에 두고, 길이 방향으로 다수 개 형성된 마이크로미터 크기의 기공(20)을 포함하여, 마이크로 채널(micro channel) 구조를 갖는다. 이러한 채널 구조는 높은 비표면적을 제공하여 골아 세포 증식능 등의 생체 활성을 향상시킨다.
또한, 본 발명에 따른 생체 재료는, 그 단면 형상이 도 1에 보인 바와 같이 원형인 경우 2 ~ 50mm, 바람직하게는 5 ~ 20mm의 외경(external diameter)을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 그리고 내경(internal diameter)은, 즉 중공부(34)의 크기(직경)는 0.1 ~ 8mm, 바람직하게는 1 ~ 5mm가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 프레임(10)은 바이오세라믹(bio-ceramic)의 소결체로서, 프레임(10)은 다층 구조를 갖는다. 도 1 및 도 2에 보인 바와 같이, 프레임(10)은 심재(지지체)로서의 제1세라믹층(12); 상기 제1세라믹층(12) 상에 형성된 복합 중간층(14); 및 상기 복합 중간층(14) 상에 형성된 제2세라믹층(16)을 포함한다. 이때, 상기 제1 세라믹층(12)은 강도가 우수한 세라믹의 소결체이고, 상기 제2세라믹층(16)은 생체 활성이 우수한 세라믹의 소결체이다. 그리고 상기 복합 중간층(14)은 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹)의 복합 소결체이다. 상기 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹)은 서로 다르며, 이들은 인체에 무해한 생체 적합성의 바이오세라믹으로부터 선택된다. 본 발명에서 제1세라믹, 즉 '강도 세라믹'은 상기 제1세라믹층(16)을 구성하는 생체 활성 세라믹보다 기계적 강도가 우수한 세라믹을 의미하고, 제2세라믹, 즉 '생체 활성 세라믹'은 상기 제1세라믹층(12)을 구성하는 강도 세라믹보다 생체 활성이 우수한 세라믹을 의미한다.
상기 제1세라믹(강도 세라믹)은 인체에 무해하고, 기계적 강도가 우수한 세라믹으로부터 선택되면 좋다. 제1세라믹(강도 세라믹)은 예를 들어 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 규소(Si), 칼슘(Ca), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg)으로부터 선택된 하나 이상(1개 또는 2개 이상)의 원소를 포함하는 세라믹(무기물)으로부터 선택된다. 제1세라믹(강도 세라믹)은, 바람직하게는 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 실리카(SiO2), 생석회(CaO), 망가니아(MnO2) 및 마그네시아(MgO) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상인 것이 좋다. 또한, 제1세라믹(강도 세라믹)은 앨라이트(alite), 벨라이트(belite), 뮬라이트(mullite), 몬티셀라이트(monticellite) 및 유리(glass) 등과 같이 2개 이상의 금속 원소(예를 들어 Al, Mg, Ca, Si 등)를 포함하는 세라믹으로부터 선택될 수 있다. 제1세라믹(강도 세라믹)은 제2세라믹(생체 활성 세라믹)보다 기계적 강도가 우수한 것이면 제한되지 않으며, 바람직하게는 상기 나열한 산화물 중에서 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합으로부터 선택된다. 보다 바람직한 예를 들어, 상기 제1세라믹(강도 세라믹)은 지르코니아(ZrO2)를 포함하면 좋다. 즉, 지르코니아(ZrO2) 단독을 사용하거나, 지르코니아(ZrO2)에 알루미나(Al2O3) 및/또는 티타니아(TiO2) 등을 혼합 사용하는 것이 좋다.
상기 제2세라믹(생체 활성 세라믹)은 생체 활성이 우수한 세라믹으로서, 칼슘(Ca)과 인(P)을 함유한 칼슘포스페이트(calcium phosphate)계를 포함한다. 구체적으로, 상기 제2세라믹(생체 활성 세라믹)은 칼슘포스페이트계로부터 선택되거나, 칼슘포스페이트계 이외에 생체 활성을 가지는 다른 세라믹을 더 포함하여도 좋다.
상기 칼슘포스페이트계는 하이드록시아파타이트(HAp ; hydroxyapatite), 트리칼슘포스페이트(TCP ; tricalcium phosphate) 및 바이페이직칼슘포스페이트(BCP ; biphasic calcium phosphate) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다. 이들 칼슘포스페이트계는 인체에 무해하고 생체 적합성을 가짐은 물론 골아 세포 증식능, 골 전도성, 골 결합력 및 세포 부착성 등의 생체 활성이 우수하여 본 발명에 유용하다.
또한, 상기 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹)은 분말 상을 사용할 수 있는데, 이때 입도의 크기는 특별히 한정하는 것은 아니지만 1㎚(나노미터) ~ 10㎛(마이크로미터)를 가질 수 있다. 상기 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹)은, 바람직하게는 나노 크기를 가지는 것이 좋으며, 예를 들어 1㎚ ~ 100㎚, 보다 구체적인 예를 들어 1㎚ ~ 50㎚의 크기를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 생체 재료는, 상기한 바와 같이 프레임(10)이 다층 구조로서, 기계적 강도가 우수한 제1세라믹층(12)과, 생체 활성이 우수한 제2세라믹층(16)을 포함하되, 두 재료층(12)(16) 간의 사이에는, 즉 제1세라믹층(12)과 제2세라믹층(16)의 사이에는 두 재료가 복합된 중간층(20)이 형성된 다층 구조를 갖는다. 이에 따라, 우수한 기계적 강도와 생체 활성을 갖는다. 구체적으로, 기계적 강도가 우수한 제1세라믹층(12)이 심재(지지체)로 구성되어 우수한 기계적 강도를 갖는다. 그리고 생체(인체)와 많이 접촉되는 표면층은 생체 활성이 우수한 제2세라믹층(16)으로 구성되어 우수한 생체 활성을 갖는다. 또한, 복합 중간층(14)에 의해 두 재료층(12)(16) 간의 결합 강도(소결 강도)가 증가되어, 우수한 기계적 강도를 확보한다. 아울러, 상기 복합 중간층(14)에 의해 제2세라믹층(16)의 소결 시 균열이 방지된다.
상기 두 재료층(12)(16) 간의 사이에 복합 중간층(14)을 형성하지 않고, 제1세라믹층(12)의 표면에 제2세라믹층(16)을 직접 코팅 형성하는 방법을 고려해 볼 수 있으나 이 경우 두 재료 간의 열팽창 계수차이에 의해 미세 균열(crack)이 발생될 수 있다. 일례를 들어, 제1세라믹층(12)으로서 지르코니아(ZrO2)를 사용하고, 상기 ZrO2의 표면에 칼슘포스페이트계로서 하이드록시아파타이트(HAp)층을 코팅, 소결하고자 하는 경우, ZrO2의 표면에 HAp 용액을 코팅한 후에 HAp 입자의 치밀성과 부착성을 위해 고온 소결(고온 열처리)하여야 한다. 이때, 소결 과정에서 두 재료의 열팽창 계수의 차이로 두 재료층(ZrO2와 HAp층) 간의 사이와 HAp층의 표면에 균열이 발생될 수 있다. 그리고 이러한 균열에 의해 기계적 강도는 물론 생체 활성이 저하될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 복합 중간층(14)은 두 재료층(12)(16) 간의 결합 강도(소결 강도)를 증가시킴은 물론, 열팽창의 완충적인 역할, 즉 두 재료 간의 열팽창 계수차를 최소화하여 생체 활성 세라믹, 즉 제2세라믹층(16)의 소결 시에 발생될 수 있는 균열을 방지한다. 이에 따라, 우수한 기계적 강도와 함께 생체 활성을 확보할 수 있다.
상기 복합 중간층(14)은 전술한 바와 같이 강도 세라믹(제1세라믹)과 생체 활성 세라믹(제2세라믹)을 포함하는 복합 세라믹의 소결체이다. 상기 복합 중간층(14)은, 특별히 한정하는 것은 아니지만 강도 세라믹(제1세라믹)과 생체 활성 세라믹(제2세라믹)을 10 ~ 90 : 10 ~ 90의 함량비(중량비 또는 부피비)로 포함할 수 있다. 즉, 중량비(또는 부피비)로서, 강도 세라믹(제1세라믹) : 생체 활성 세라믹(제2세라믹) = 10 ~ 90 : 10 ~ 90로 조성될 수 있다. 이때, 어느 하나의 재료 함량이 너무 많거나 너무 작으면 결합 강도와 균열 발생 방지능이 미미할 수 있다. 바람직하게는, 강도 세라믹(제1세라믹)과 생체 활성 세라믹(제2세라믹)을 10 ~ 40 : 60 ~ 90의 함량비(중량비 또는 부피비)로 포함할 수 있다.
또한, 상기 복합 중간층(14)은 1층 또는 2층 이상의 다층으로 구성될 수 있다. 복합 중간층(14)은 두 재료(강도 세라믹과 생체 활성 세라믹)가 혼합된 혼합용액을 제1세라믹층(12)의 표면에 예를 들어 2회 이상 코팅하여 2층 이상의 다층으로 형성할 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 복합 중간층(14)은 2층 내지 5층으로 형성할 수 있다.
이때, 상기 복합 중간층(14)이 다층으로 구성되는 경우, 각층마다 두 재료의 함량비(중량비 또는 부피비)가 다를 수 있다. 구체적으로, 상기 복합 중간층(14)은 두 재료의 함량비(중량비 또는 부피비)가 구배(gradient)적인 배합을 가질 수 있다. 보다 바람직한 구현예에 따라서, 상기 복합 중간층(14)은 제1세라믹층(12)에 인접할수록 제2세라믹의 함량보다 제1세라믹의 함량이 많고, 제2세라믹층(16)에 인접할수록 제1세라믹의 함량보다 제2세라믹의 함량이 많은 것이 좋다. 일례로, 복합 중간층(14)을 3개의 층(제1층, 제2층 및 제3층)으로 구성하는 경우, 제1세라믹층(12)의 표면에 인접한 제1층은 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹)을 80 : 20의 함량비(중량비 또는 부피비)로 배합하여 코팅하고, 중앙의 제2층은 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹)을 50 : 50의 함량비(중량비 또는 부피비)로 배합하여 코팅하며, 제2세라믹층(16)에 인접한 제3층은 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹)을 20 : 80의 함량비(중량비 또는 부피비)로 배합하여 코팅할 수 있다. 이와 같이 복합 중간층(14)을 두 재료 간의 구배적인 함량을 갖도록 형성하는 경우, 결합 강도(소결 강도)가 증가되고, 이와 함께 열팽창 계수차를 점진적으로 최소화할 수 있어 균열 방지에 효과적이다.
또한, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 상기 제1세라믹층(12)의 두께는 예를 들어 12 ~ 80㎛가 될 수 있고, 상기 복합 중간층(14)의 두께는 예를 들어 0.1 ~ 20㎛가 될 수 있으며, 상기 제2세라믹층(16)의 두께는 0.5 ~ 50㎛이 될 수 있다. 상기 각층들(12)(14)16)의 두께는 상기 범위에 의해 한정되는 것은 아니며, 각각 기계적 강도, 균열 방지능 및 생체 활성능 등을 가지는 두께라면 그 최소 두께는 제한되지 않는다. 그리고 최대 두께는 기공(20)의 크기를 극단적으로 감소시키지 않는 범위라면 특별히 제한되지 않는다.
또한, 상기 외벽(32)과 내벽(36)은 상기한 바와 같은 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹) 중에서 선택된 하나 이상의 소결체로 구성된다. 바람직하게는, 상기 외벽(32)과 내벽(36)은 1층 이상을 가지되, 외벽(32)의 경우에는 기계적 강도를 위해 제1세라믹층(강도 세라믹)을 포함하는 것이 좋고, 내벽(36)의 경우에는 생체 활성을 위해 제2세라믹층(생체 활성 세라믹)을 포함하는 것이 바람직하다. 아울러, 외벽(32)과 내벽(36)은 상기 프레임(10)과 같이 제1세라믹층(12), 복합 중간층(14) 및 제2세라믹층(16)을 포함하는 다층 구조로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 생체 재료는 바이오세라믹 소결체로서의 프레임(10)과, 상기 프레임(10)의 사이에 형성된 다수의 기공(20)을 포함하는 마이크로 채널 구조를 가지되, 상기 프레임(10)이 전술한 바와 같은 제1세라믹층(12), 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹)의 복합 중간층(14), 및 제2세라믹층(16)을 포함하는 다층 구조를 갖도록 할 수 있는 것이라면, 그 제조방법은 제한되지 않으며, 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 다중 압출 공정을 통한 방법으로서, 이하에서 설명되는 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된다. 이하, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 제조방법을 설명한다.
본 발명에 따른 제조방법은, 상기 도 1에 보인 바와 같은 구조의 다공성 생체 재료를 제조하는 방법으로서, 하기의 (1)단계 내지 (5)단계를 포함한다.
(1) 제1필라멘트 제조 단계
(2) 제2필라멘트 제조 단계
(3) 셀 제조 단계
(4) 성형체 제조 단계
(5) 소진 및 소결 단계
먼저, 본 발명에 따른 제조방법에 사용되는 재료에 대해 설명하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 다공성 생체 재료를 제조함에 있어서는, 아래에서 설명되는 바와 같이 제1세라믹(강도 우수 세라믹), 제2세라믹(생체 활성 우수 세라믹), 기공 형성제, 중공 형성제, 결합제 및 유활제 등의 재료가 사용될 수 있다.
이때, 상기 제1세라믹과 제2세라믹은 전술한 바와 같다. 구체적으로, 상기 제1세라믹은 기계적 강도가 우수한 강도 세라믹으로서 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 규소(Si), 칼슘(Ca), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg)으로부터 선택된 하나 이상(1개 또는 2개 이상)의 원소를 포함하는 세라믹(무기물)으로부터 선택된다. 보다 구체적인 예를 들어, 상기 제1세라믹(강도 세라믹)은 전술한 바와 같이 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 실리카(SiO2), 생석회(CaO), 망가니아(MnO2) 및 마그네시아(MgO) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상(하나 또는 2 이상의 혼합)을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 제2세라믹은 생체 활성이 우수한 생체 활성 세라믹으로서, 칼슘(Ca)과 인(P)을 함유한 칼슘포스페이트(calcium phosphate)계를 포함한다. 구체적으로, 상기 제2세라믹(생체 활성 세라믹)은 하이드록시아파타이트(HAp ; hydroxyapatite), 트리칼슘포스페이트(TCP ; tricalcium phosphate) 및 바이페이직칼슘포스페이트(BCP ; biphasic calcium phosphate) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상(하나 또는 2 이상의 혼합)의 칼슘포스페이트계를 포함한다.
또한, 상기 기공 형성제는 기공(20)을 형성하기 위한 것으로서, 이는 상기 제1세라믹과 제2 세라믹의 소결 온도보다 낮은 온도에서 소진(burnout) 제거될 수 있으면 좋다. 기공 형성제는, 예를 들어 카본 분말(carbon powder) 등을 사용할 수 있다.
아울러, 상기 중공 형성제는 중공부(34)를 형성하기 위한 것으로서, 이는 상기 기공 형성제와 동일한 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 중공 형성제는 상기 제1세라믹과 제2세라믹의 소결 온도보다 낮은 온도에서 소진(burnout) 제거될 수 있으면 좋으며, 예를 들어 카본 분말(carbon powder) 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 결합제는 압축 공정이나 압출 공정 시, 형태 유지(성형성)를 위한 것으로서, 이는 상기 세라믹이나 기공 형성제(및 중공 형성제)를 결합시킬 수 있도록 접착력을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 천연 또는 합성 고분자로부터 선택될 수 있다. 결합제는, 구체적인 예를 들어 폴리비닐부티랄(PVB), 에틸비닐아세테이트(EVA) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 사용할 수 있으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 생체 고분자 등도 예로 들 수 있다.
아울러, 상기 윤활제는 재료간의 윤활한 혼합과, 압출 공정에서의 성형성(이형성)을 위한 것으로서, 이는 스테아릭산(stearic acid)이나 왁스(wax) 등을 사용할 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
이하, 각 단계별로 설명한다.
(1) 제1필라멘트 제조 단계
프레임(10)과 기공(20)의 형성을 위한 제1필라멘트(first filament)를 제조한다. 구체적으로, 도 3을 참조하면, 기공 형성제를 포함하는 기공 코어층(8, core layer), 상기 기공 코어층(8) 상에 피복된 제2세라믹 조성물층(6), 상기 제2세라믹 조성물층(6) 상에 피복된 복합 조성물층(4), 및 상기 복합 조성물층(4) 상에 피복된 제1세라믹 조성물층(2)을 가지는 제1필라멘트(F1)를 제조한다. 이러한 제1필라멘트(F1)는, 바람직하게는 다중 압출 공정을 통하여 제조할 수 있다.
구체적으로, 먼저 기공 코어층(8)을 섬유(filament) 형태로 압출 성형한 다음, 이후 다중 압출을 통하여 상기 기공 코어층(8) 상에 순차적으로 제2세라믹 조성물층(6), 복합 조성물층(4) 및 제1세라믹층(2)이 감싸지게 하여 제1필라멘트(F1)를 제조한다. 상기 제1필라멘트(F1)는 위와 같은 각 층들(2)(4)(6)(8)을 포함하여, 예를 들어 1 ~ 10mm의 두께(외경)를 가질 수 있다.
이때, 상기 기공 코어층(8)은 기공(20)의 형성을 위한 것으로서, 이는 나중에 소진 공정에 의해 제거된다. 기공 코어층(8)은 기공 형성제, 결합제 및 윤활제를 포함하는 조성물이 압출되어 성형된다. 이때, 기공 코어층(8)은 기공 형성제, 결합제 및 윤활제를 30 ~ 70 : 25 ~ 65 : 1 ~ 20의 함량비로 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 본 발명에서 사용되는 함량비는 중량비 또는 부피비이고, 고형분을 기준으로 한다. 즉, 기공 코어층(8)은 기공 형성제 : 결합제 : 윤활제 = 30 ~ 70 : 25 ~ 65 : 1 ~ 20의 함량비(중량비 또는 부피비)로 조성되는 것이 바람직하다. 기공 코어층(8)은, 보다 바람직하게는 기공 형성제, 결합제 및 윤활제를 35 ~ 65 : 30 ~ 60 : 5 ~ 15의 함량비로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2세라믹 조성물층(6)은 프레임(20)의 제2세라믹층(16)을 형성하기 위한 것으로서, 이는 제2세라믹(생체 활성 세라믹), 결합제 및 윤활제를 포함한다. 상기 제2세라믹 조성물층(6)은 제2세라믹(생체 활성 세라믹), 결합제 및 윤활제를 30 ~ 70 : 25 ~ 65 : 1 ~ 20의 함량비(중량비 또는 부피비)로 포함하는 것이 바람직하다. 제2세라믹 조성물층(6)은, 보다 바람직하게는 제2세라믹(생체 활성 세라믹), 결합제 및 윤활제를 35 ~ 65 : 30 ~ 60 : 5 ~ 15의 함량비로 포함할 수 있다.
아울러, 상기 복합 조성물층(4)은 프레임(20)의 복합 중간층(14)을 형성하기 위한 것으로서, 이는 복합 세라믹, 결합제 및 윤활제를 포함한다. 상기 복합 조성물층(4)은 복합 세라믹, 결합제 및 윤활제를 30 ~ 70 : 25 ~ 65 : 1 ~ 20의 함량비(중량비 또는 부피비)로 포함하는 것이 바람직하다. 복합 조성물층(4)은, 보다 바람직하게는 복합 세라믹, 결합제 및 윤활제를 35 ~ 65 : 30 ~ 60 : 5 ~ 15의 함량비로 포함할 수 있다. 이때, 상기 복합 세라믹은 제1세라믹과 제2세라믹을 포함하는 복합 세라믹으로서, 예를 들어 상기 제1세라믹과 제2세라믹을 10 ~ 90 : 10 ~ 90의 함량비(중량비 또는 부피비)로 포함할 수 있다. 상기 복합 세라믹은, 바람직하게는 제1세라믹과 제2세라믹을 10 ~ 40 : 60 ~ 90의 함량비로 포함하는 것이 좋다.
아울러, 상기 복합 조성물층(4)은, 복합 중간층(14)이 전술한 바와 같이 다층으로 구성되도록, 제1세라믹과 제2세라믹의 함량이 다른 다층으 구성될 수 있다. 구체적으로, 복합 조성물층(4)은 제2세라믹 조성물층(6)에 인접할수록 제1세라믹보다 제2세라믹의 함량이 많고, 제1세라믹 조성물층(2)에 인접할수록 제2세라믹보다 제1세라믹의 함량이 많게 조성될 수 있다.
상기 제1세라믹 조성물층(2)은 프레임(20)의 제1세라믹층(12)을 형성하기 위한 것으로서, 이는 제1세라믹(강도 세라믹), 결합제 및 윤활제를 포함한다. 상기 제1세라믹 조성물층(2)은 제1세라믹(강도 세라믹), 결합제 및 윤활제를 30 ~ 70 : 25 ~ 65 : 1 ~ 20의 함량비(중량비 또는 부피비)로 포함하는 것이 바람직하다. 제1세라믹 조성물층(2)은, 보다 바람직하게는 제1세라믹(강도 세라믹), 결합제 및 윤활제를 35 ~ 65 : 30 ~ 60 : 5 ~ 15의 함량비로 포함할 수 있다.
아울러, 상기 각 층(2)(4)(6)(8)을 구성하는 조성물에는 상기 성분들, 즉 제1세라믹, 제2세라믹, 기공 형성제, 결합제, 및 윤활제 이외에 필요에 따라 성형성을 위한 유기 용매나, 기타의 목적으로 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 유기 용매나 첨가제는 특별히 제한되지 않으며, 유기 용매는 알콜계, 글리콜계 및 케톤계 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 구체적인 예로는 에탄올, 이소프로판올, 메틸에틸케톤(MEK) 등을 사용할 수 있다.
(2) 제2필라멘트 제조 단계
중공부(34)와 내벽(36)을 형성하기 위한 제2필라멘트(F2)를 제조한다. 구체적으로, 도 3에 보인 바와 같이, 중공 형성제를 포함하는 중공 코어층(9), 및 상기 중공 코어층(9) 상에 피복된 내벽 세라믹 조성물층(5)을 가지는 제2필라멘트(F2)를 제조한다. 제2필라멘트(F2)는, 예를 들어 압출을 통해 제조될 수 있다. 구체적으로, 먼저 중공 코어층(9)을 섬유 형태로 압출 성형한 다음, 이후 압출을 통하여 상기 중공 코어층(9) 상에 내벽 세라믹 조성물층(5)이 감싸지게 하여 제2필라멘트(F2)를 제조할 수 있다. 이러한 제2필라멘트(F1)는 위와 같은 각 층들(5)(9)을 포함하여, 예를 들어 3 ~ 20mm의 두께(외경)를 가질 수 있다.
이때, 상기 중공 코어층(9)은 중공부(34)의 형성을 위한 것으로서, 이는 나중에 소진 공정에 의해 제거된다. 상기 중공 코어층(9)은 중공 형성제, 결합제 및 윤활제를 포함하는 조성물이 압출되어 성형된다. 이러한 중공 코어층(9)은 중공 형성제, 결합제 및 윤활제를 30 ~ 70 : 25 ~ 65 : 1 ~ 20의 함량비(중량비 또는 부피비)로 포함할 수 있다. 중공 코어층(9)은, 바람직하게는 중공 형성제, 결합제 및 윤활제를 35 ~ 65 : 30 ~ 60 : 5 ~ 15의 함량비로 포함할 수 있다.
상기 내벽 세라믹 조성물층(5)은 내벽(36)을 형성하기 위한 것으로서, 이는 세라믹, 결합제 및 윤활제를 포함하는 내벽 조성물이 압출되어 성형된다. 상기 내벽 세라믹 조성물층(5)은 세라믹, 결합제 및 윤활제를 30 ~ 70 : 25 ~ 65 : 1 ~ 20의 함량비(중량비 또는 부피비)로 포함할 수 있다. 내벽 세라믹 조성물층(5)은, 바람직하게는 세라믹, 결합제 및 윤활제를 35 ~ 65 : 30 ~ 60 : 5 ~ 15의 함량비로 포함할 수 있다. 이때, 내벽 세라믹 조성물층(5)을 구성하는 상기 세라믹은 제1세라믹, 제2세라믹 또는 이들의 혼합일 수 있다. 바람직하게는, 생체 활성이 우수한 제2세라믹을 포함하는 것이 좋으며, 또한 내벽 세라믹 조성물층(5)은 1층 또는 2층 이상의 다층으로 구성될 수 있다.
(3) 셀(
shell
) 제조 단계
외벽(32)을 형성하기 위한 셀(S)을 제조한다. 셀(S)은 외벽 세라믹 조성물을 이용하여 제조한다. 이때, 셀(S)은 70 ~ 150℃ 분위기의 압축 공정(warm press 공정)을 통하여 제조될 수 있다. 구체적으로, 실린더 반쪽 형태의 금형에 상기 외벽 세라믹 조성물을 넣고 압축 공정을 통해 실린더 반쪽 형태의 구조물로서, 도 3에 보인 바와 같은 셀(S)을 제조할 수 있다. 이러한 셀(S)은 100㎛ ~ 5mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 외벽 세라믹 조성물은 세라믹, 결합제 및 윤활제를 포함하는 외벽 조성물이 이용될 수 있다. 상기 외벽 세라믹 조성물은 세라믹, 결합제 및 윤활제를 예를 들어 30 ~ 70 : 25 ~ 65 : 1 ~ 20의 함량비(중량비 또는 부피비)로 포함할 수 있다. 외벽 세라믹 조성물은, 바람직하게는 세라믹, 결합제 및 윤활제를 35 ~ 65 : 30 ~ 60 : 5 ~ 15의 함량비로 포함할 수 있다. 이때, 외벽 세라믹 조성물을 구성하는 상기 세라믹은 제1세라믹, 제2세라믹 또는 이들의 혼합일 수 있으며, 바람직하게는 기계적 강도가 우수한 제1세라믹을 포함하는 것이 좋다.
아울러, 상기 외벽(32) 형성용 셀(S)은 다층으로 구성될 수 있다. 구체적으로, 도 3에 보인 바와 같이, 상기 셀(S)은 제1층(S1), 제2층(S2) 및 제3층(S3)을 포함할 수 있다. 이때, 최외각에 배치된 제1층(S1)은 강도가 우수한 제1세라믹을 구성되고, 제2층(S2)은 복합 세라믹(제1세라믹과 제2세라믹의 혼합)으로 구성되며, 상기 제3층(S3)은 생체 활성이 우수한 제2세라믹으로 구성될 수 있다.
(4)
성형체
제조 단계
상기 제조된 셀(S)과 필라멘트(F1)(F2)를 이용하여 성형체를 제조한다.
도 3을 참조하면, 먼저 제2필라멘트(F2)를 중심으로 하여, 상기 제2필라멘트(F2) 상에 다수 개의 제1필라멘트(F1)가 배열되고, 상기 제1필라멘트(F1) 상에 셀(S)이 배열되도록 정돈한다. 보다 구체적으로, 실린더 내부에 제2필라멘트(F2)가 중심에 위치되도록 넣고, 상기 제2필라멘트(F2) 주위에 다수 개의 제1필라멘트(F1)가 위치되도록 배열한다. 이때, 제1필라멘트(F1)의 배열 개수는 생체 재료의 사용 목적 및 용도에 따라 정해질 수 있으며, 예를 들어 10개 ~ 120개가 배열될 수 있다. 그리고 제1필라멘트(F1)의 주위에 셀(S)이 위치되도록 배열하여, 도 3에 보인 바와 같이 그 단면 형상이 원형 구조를 갖도록 정돈한다. 이때, 상기한 바와 같이 셀(S)이 반쪽 형태를 가지는 경우, 셀(S)은 2개가 사용될 수 있다. 이와 같이, 필라멘트(F1)(F2)와 셀(S)을 배열한 다음, 압출하여 원통형의 성형체를 제조한다.
(5) 소진 및 소결 단계
위와 같이 제조된 성형체를 열처리하여 소진(burnout)한다. 소진은 성형체에 포함된 유기물(결합제), 기공 형성제 및 중공 형성제를 제거하는 것으로서, 이는 사용된 유기물(결합제) 기공 형성제 및 중공 형성제의 종류에 따라 다를 수 있지만, 예를 들어 400 ~ 1200℃로 열처리하는 방법으로 진행될 수 있다.
이때, 소진은 제1차 및 제2차로 구분된 2번에 걸쳐 진행될 수 있다. 제1차 소진 공정은 성형체에 포함된 유기물(결합제)을 제거하는 공정으로서, 이는 예를 들어 불활성 분위기(일례로, 질소 분위기) 하에서 400 ~ 900℃의 온도로 열처리하는 방법으로 진행될 수 있다. 또한, 제1차 소진 공정은 성형체에 포함된 기공 형성제 및 중공 형성제를 제거하는 공정으로서, 이는 예를 들어 공기 중에서 800 ~ 1200℃의 온도로 열처리하는 방법으로 진행될 수 있다.
위와 같이, 소진 공정(제1차 및 제2차 소진)을 통하여 유기물(결합제), 기공 형성제 및 중공 형성제를 제거하면, 다공성의 구조체가 제조되며, 이후 소결(sintering)을 통하여 세라믹의 조직을 치밀화한다.
상기 소결 공정은 사용된 세라믹(제1세라믹 및 제2세라믹)의 종류에 따라 다를 수 있지만, 예를 들어 1000 ~ 1700℃, 바람직하게는 1050 ~ 1550℃의 온도에서 진행될 수 있다. 소결 공정은, 예를 들어 전기로 또는 마이크로 웨이브가 이용될 수 있다. 이러한 소결을 통하여 치밀한 결정 구조를 가지는 다공성 생체 재료가 제조될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 우수한 기계적 강도와 함께 뛰어난 생체 활성을 갖는다. 구체적으로, 지르코니아(ZrO2) 등의 강도 우수 세라믹과 칼슘포스페이트계 등의 생체 활성 세라믹을 각각 단독으로 사용하는 경우보다 동등 또는 그 이상의 기계적 강도와 생체 활성을 동시에 갖는다. 아울러, 복합 중간층(14)에 의해 두 재료층(12)(16)의 결합 강도(소결 강도)가 향상되며, 이와 함께 소결 시 균열이 방지되어 우수한 기계적 강도를 확보한다. 또한, 본 발명에 따르면, 표면적이 증가된 마이크로 채널 구조를 가지면서, 채널의 표면에는 생체 활성이 우수한 칼슘포스페이트계가 분포되어, 골아 세포 증식능 등의 우수한 생체 활성 특성을 갖는다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 다공성 생체 재료는, 생체 이식 재료, 예를 들어 인공 뼈 등으로 유용하게 사용될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 다공성 생체 재료는, 생체 재료로 사용되는 것이라면 그 용도는 특별히 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는, 제1세라믹(강도 세라믹)으로는 지르코니아(t-ZrO2)를 사용하고, 제2세라믹(생체 활성 세라믹)으로는 하이드록시아파타이트(HAp)를 사용하여, 프레임(10)의 단면 구조가 HAp층(16)/HAp-ZrO2층(14)/ZrO2층(12)의 다층 구조를 가지는 것을 예시한 것이다. 그러나 전술한 바와 같이, 상기 제1세라믹(강도 세라믹)과 제2세라믹(생체 활성 세라믹)의 종류는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 모두 사용할 수 있는 것으로서, 이들은 각각 기계적 강도와 생체 활성이 우수한 것이면 어떠한 것이든 사용 가능하고, 하기 실시예에서 예시한 t-ZrO2와 HAp로 제한되지 않는다.
[실시예]
1. 초기 재료 준비
세라믹 재료로서, 70㎚의 평균 크기를 가지는 HAp와 t-ZrO2(TZ-3Y, Tosoh社 제품, Japan)를 준비하였다. 결합제로는 EVA(ethylene vinyl acetate copolymer, ELVAX 210A, Dupont社 제품, USA)을 준비하였고, 기공과 중공 형성제로는 15㎛의 평균 크기를 가지는 카본 분말(carbon powder, Aldrich社 제품, USA)을 준비하였다. 그리고 재료간의 윤활한 혼합을 위한 윤활제로서 스테아릭산(stearic acid, Daejung Chemicals & Metals社 제품, Korea)을 준비하였다.
2. 재료의 혼합과 셀(
shell
) 제조
먼저, 상기 준비된 재료를 다음과 같은 성분 및 함량(체적비율, vol%)으로 혼합한 4개의 조성물을 준비하였다. 이때, 재료의 혼합은 전단 믹서(Shear mixer)를 이용한 shear mixing 공정을 통해 수행하였다.
- 제1조성물 : 45 vol%의 HAp + 45 vol%의 EVA + 10 vol%의 stearic acid
- 제2조성물 : 46 vol%의 HAp-(t-ZrO2) + 43 vol%의 EVA + 11 vol%의 stearic acid
- 제3조성물 : 40 vol%의 t-ZrO2 + 50 vol%의 EVA + 10 vol%의 stearic acid
- 제4조성물 : 50 vol%의 carbon powder + 40 vol%의 EVA + 10 vol%의 stearic acid
이때, 상기 제2조성물에서 HAp-(t-ZrO2)은 HAp 75 vol%와 t-ZrO2 25 vol%의 혼합 분말이다.
다음으로, 120℃의 분위기에서 warm press 공정, 즉 실린더 반쪽 형태의 금형에 상기 조성물을 넣고 압축공정을 통해 실린더 반쪽 형태의 구조물로서 3가지의 셀을 성형하였다. 구체적으로, 상기 제1조성물을 실린더에 넣고 압축하여, 실린더 반쪽 형태의 제1셀(first shell)을 3mm의 두께로 만들었다. 그리고 동일한 방법으로, 제2조성물을 이용하여 두께 3mm의 제2셀(second shell)과, 제2조성물을 이용하여 두께 3mm의 제3셀(third shell)을 만들었다.
3. 압출 공정(
Extrusion
)
(a) 제1필라멘트 제조
먼저, 상기 제4조성물을 압출하여 섬유 상의 카본 코어(carbon core)를 제조한 다음, 상기 카본 코어 상에 다중 압출 공정을 통하여 제1조성물, 제2조성물 및 제3조성물이 순차적으로 압출되어 감싸진 외경 3.5mm의 제1필라멘트(first filament)을 제조하였다.
(b) 제2필라멘트 제조
위와 동일한 방법으로, 제4조성물로 구성된 카본 코어(carbon core)에 제1조성물이 압출되어 감싸진 외경 10mm의 제2필라멘트(second filament)를 제조하였다.
(c) 성형체 제조
지름 30mm의 실린더 타입의 금형 안에, 상기 제조된 셀(shell)과 필라멘트(filament)를 다음과 같이 정돈하였다.
먼저, 실린더 금형에 반쪽 형태의 3개의 셀, 즉 제1셀, 제2셀 및 제3셀을 정돈하되, 최외측에 제3셀이 위치하도록 배열하였다. 그리고 상기 셀 안쪽에 외경 3.5mm의 제1필라멘트 52개를 배열하고, 중심부에는 외경 10mm의 제2필라멘트를 배열하였다. 이때, 상기 각 셀, 즉 1셀, 제2셀 및 제3셀은 2개씩 사용되어, 제1필라멘트들을 감싸도록 하여 단면이 원형이 되도록 하였다. 이와 같이 셀들과 필라멘트들을 실린더에 정돈한 다음, 압출하여 원통형의 성형체를 제조하였다. 성형체는 동일한 과정을 통해 여러 개를 제조하였다.
4. 소진 및 소결(
Burnout
and
Sintering
)
(a) 제1차 소진(1st burnout)
상기 얻어진 성형체를 노(furnace)에 넣은 다음, 질소가 투입된 상태에서 분당 2℃씩 온도를 증가시켜서 700℃까지 가열하여 성형체에 포함된 결합제 EVA와 윤활제 stearic acid를 제거(소진)하였다.
(b) 제2차 소진(2nd burnout)
다음으로, 상기 성형체를 공기 중에서 1000℃까지 가열하여 카본(carbon)을 제거(소진)하였다.
(c) 소결(sintering)
상기 카본이 제거된 성형체를 전기로에서 고온 소결하여 다공성 구조체(생체 재료)를 완성하였다. 이때, 성형체 시편마다 1050 ~ 1500℃의 사이에서 소결 온도를 달리하여 소결하였다.
첨부된 도 4은 상기한 바와 같이 제조된 것으로서, 제1차 및 제2차 소진 과정과 1400℃에서 소결 과정를 거친 다공성 구조체(인공 뼈)의 사진이다. 도 4의 a)는 정배율 SEM 사진이고, b)는 중배율, c)는 고배율의 확대 SEM 사진이다. 도 4의 b)에 보인 바와 같이, 대략 85㎛의 평균 크기를 가지는 기공(pore)이 고르게 분포되고, 평균 52㎛ 두께의 프레임(frame)이 형성되었음을 알 수 있었다. 그리고 도 4의 c)에서와 같이 재료별로 다른 색깔로 나타남을 알 수 있다. 특히, 흰색 계통의 재료는 ZrO2로서, 압출/소결 과정에서 재료간의 혼합 없이 잘 이루어지고 있음을 보여주고 있다.
도 5는 상기 제조된 다공성 구조체의 표면 SEM 사진으로서, 도 5의 a)는 세로방향의 SEM 사진이고, b)는 기공(pore)의 내부 사진이다. 도 5에 보인 바와 같이, 빈 공간이나 미세균열 없이 미세구조가 잘 형성된 것을 알 수 있으며, 기공(pore)의 내부는 거친 표면을 지니고 있어 표면적이 증가되었음을 보여준다.
도 6은 EDS 분석 결과로서, 기공(pore) 사이의 프레임(frame) 구조가 3층(1번째 층 : HAp, 2번째 층 : HAp-(t-ZrO2), 3번째 층 : ZrO2)으로 이루어진 모습을 보여주고 있다. 그리고 2번째층(HAp-(t-ZrO2))에 의해 열팽창 문제가 해결되어, 서로 다른 소결 온도(열팽창 계수)를 가지고 있음에도 HAp층와 ZrO2층 사이(층간 계면)에는 물론 HAp층에 균열이 없음을 알 수 있다.
또한, 도 7은 소결 온도에 따른 구조체의 사진이다. 도 7에서 (a)와 (b)는 1300℃에서 소결된 구조체의 사진이고, (c)와 (d)는 1400℃에서 소결된 구조체의 사진이며, (e)와 (f)는 1500℃에서 소결된 구조체의 사진이다. 도 7에 보인 바와 같이, 소결 온도가 높은 경우 외벽에 균열이 발생할 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 압축 강도를 측정해 본 결과, 1400℃에서 소결된 구조체의 경우 19.97MPa로서 매우 높은 강도를 가졌으며, 1300℃에서 소결된 구조체의 경우에는 7.3MPa, 1500℃에서 소결된 구조체의 경우에는 10.3MPa로서 1400℃보다 낮게 평가되었다. 따라서 본 실험예에서는 1300℃와 1500℃의 사이, 좋게는 1400℃에서 소결하는 경우 외벽에 균열도 없고, 매우 높은 압축 강도(기계적 강도)를 가짐을 알 수 있었다.
도 8의 a)는 골아 세포 증식능력을 평가한 결과이고, 도 8의 b)는 독성 실험 평가 결과로서, 상기 1400℃에서 소결된 구조체(HAp/HAp(t-ZrO2)/t-ZrO2)에 대한 실험 결과이다.
골아 세포 증식능력 평가 결과, 도 8의 a)에 보인 바와 같이 1, 3, 5일 후 각각 0.3, 0.6, 1.2의 흡광도값을 보였으며, 이러한 결과는 구조체의 골아 세포 증식능력과 세포 분열 능력이 우수함을 의미한다.
또한, 도 8의 b)는 MTT 방법을 통하여 측정한 독성 실험 결과로서, 독성 실험은 용출액이 0%일 때 세포의 생존 능력을 100%라는 가정으로 실행되었다. 용출액이 12.5 %일 때 80%의 세포 생존 능력을 보이며, 용출액 25 %에서는 세포 생존 능력이 70%로 감소되는 현상을 보였다. 하지만, 용출액 50%와 100%의 실험에서는 세포 생존 능력의 감소 현상 없이 균일한 70%를 유지하고 있다. 이는 HAp/HAp(t-ZrO2)/t-ZrO2 구조체가 생체 이식에 적합한 무독성 물질임을 증명한다.
도 9는 HAp/HAp(t-ZrO2)/t-ZrO2 구조체 표면에서 골아 세포 부착능력에 대한 실험 결과이다. 도 9의 a)는 60분 후 filopodia의 성장을 보여주며, b)는 lamellipodia의 퍼짐 상태를 보여주고 있다. 이러한 결과는 구조체가 우수한 세포 부착능력을 지니고 있다는 것을 의미한다.
도 10은 골아 세포의 세포분화능력을 평가한 것으로서 1, 3, 7일 기간 동안 배양된 후 측정되었다. 도 10의 c1)은 구조체 위에 놓인 골아 세포를 보여주고 있다. 도 10의 a1) ~ c2)의 화살표는 골아 세포의 1000배와 5000배에서 측정된 것으로 1, 3, 7일 후 매우 우수한 세포의 부착, 퍼짐, 증식능력을 보여주고 있다. 도 10의 a1)와 a2)는 1일 후 2개의 세포가 구조체 위에 부착된 것을 보인 것으로, 세포의 상호작용과 강한 부착 상태를 고배율의 이미지에서 보여주고 있다. 그리고 도 10의 b1)와 b2)는 3일 동안 세포배양 된 후의 이미지로 구조체의 중공(hollow) 내부 표면에 골아 세포들 간의 융합과 배열이 증가되면서 내부를 감싸고 있는 형태의 이미지를 보여준다. 도 10의 c1)과 c2)에서는 7일 후 구조체위를 골아 세포가 완전히 뒤 덮은 것을 보여준다.
좀 더 명확환 골아 세포의 증식능을 확인하기 위하여, confocal image를 촬영하고, 이를 도 11에 나타내었다. 도 11의 a1)과 b1)은 DAPI와 Alexa에 의해 착색되기 전의 HAp/HAp(t-ZrO2)/t-ZrO2 구조체이다. 도 11의 a2)와 b2)는 DAPI에 의해 착색된 골아 세포핵을 보여 주고 있다. 그리고 도 11의 a3)와 b3)는 nucleus와 actin filament를 포함한 이미지와 골아 세포의 actin filament가 Alexa에 의해 착색된 이미지를 보여준다. 구조체에 대한 골아 세포 증식의 우수성을 확인하기 위하여 3일과 7일로 나뉘어 배양되었다. 도 11에 보인 바와 같이, a2)와 a3)보다 b2)와 b3)에서 세포가 매우 많이 증가된 것을 확인 할 수 있었다. 이는 HAp/HAp(t-ZrO2)/t-ZrO2 구조체가 생체 활성이 매우 우수하다는 것을 의미한다.
이상의 실험예에서 확인할 수 있는 바와 같이, ZrO2와 HAp는 생체 적합성을 가지며(독성 없음), HAp/HAp(t-ZrO2)/t-ZrO2 구조체는 우수한 생체 활성(세포 부착, 퍼짐, 골아 세포 증식능 등)을 가짐을 알 수 있다. 또한, HAp/HAp(t-ZrO2)/t-ZrO2의 각 층간에 균열이 없고, 우수한 기계적 강도(압축 강도)를 가짐을 알 수 있다.
10 : 프레임 12 : 제1세라믹층
14 : 복합 중간층 16 : 제2세라믹층
20 : 기공 32 : 외벽
34 : 중공부 36 : 내벽
14 : 복합 중간층 16 : 제2세라믹층
20 : 기공 32 : 외벽
34 : 중공부 36 : 내벽
Claims (3)
- 프레임과, 상기 프레임의 사이에 형성된 기공을 포함하되,
상기 프레임은,
제1세라믹층;
상기 제1세라믹층 상에 형성되고, 제1세라믹과 제2세라믹을 포함하는 복합 중간층; 및
상기 복합 중간층 상에 형성된 제2세라믹층을 포함하고,
상기 제1세라믹은 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 규소(Si), 칼슘(Ca), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg)으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며,
상기 제2세라믹은 칼슘포스페이트계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 생체 재료.
- 제1항에 있어서,
상기 복합 중간층은 제1세라믹층에 인접할수록 제2세라믹보다 제1세라믹의 함량이 많고, 제2세라믹층에 인접할수록 제1세라믹보다 제2세라믹의 함량이 많은 것을 특징으로 하는 다공성 생체 재료.
- (1) 기공 형성제를 포함하는 기공 코어층; 상기 기공 코어층 상에 피복된 제2세라믹 조성물층; 상기 제2세라믹 조성물층 상에 피복되고, 제1세라믹과 제2세라믹을 포함하는 복합 조성물층; 및 상기 복합 조성물층 상에 피복된 제1세라믹 조성물층을 가지는 제1필라멘트를 제조하는 단계와,
(2) 중공 형성제를 포함하는 중공 코어층, 및 상기 중공 코어층 상에 피복된 내벽 세라믹 조성물층을 가지는 제2필라멘트를 제조하는 단계와,
(3) 외벽 세라믹 조성물을 이용하여 셀(shell)을 제조하는 단계와,
(4) 상기 제조된 제2필라멘트를 중심으로 하여, 상기 제2필라멘트 주위에 다수 개의 제1필라멘트를 배열하고, 상기 제1필라멘트 상에 셀을 배열한 다음, 압출하여 성형체를 제조하는 단계와,
(5) 상기 성형체를 소진 및 소결하는 단계를 포함하고,
상기 제1세라믹은 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 규소(Si), 칼슘(Ca), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg)으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며,
상기 제2세라믹은 칼슘포스페이트계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 생체 재료의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110025777A KR20120108174A (ko) | 2011-03-23 | 2011-03-23 | 다공성 생체 재료 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110025777A KR20120108174A (ko) | 2011-03-23 | 2011-03-23 | 다공성 생체 재료 및 그 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120108174A true KR20120108174A (ko) | 2012-10-05 |
Family
ID=47279812
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110025777A Ceased KR20120108174A (ko) | 2011-03-23 | 2011-03-23 | 다공성 생체 재료 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20120108174A (ko) |
-
2011
- 2011-03-23 KR KR1020110025777A patent/KR20120108174A/ko not_active Ceased
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