KR101815367B1

KR101815367B1 - 균일하게 분산된 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101815367B1
Application number: KR1020160017284A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 이성미; 강인구
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2018-01-05
Also published as: KR20170096268A

Abstract

본 발명은 아크릴계 폴리머를 함유하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스에 균일하게 분산된 평균 직경 10 내지 500 μm의 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체, 상기 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

균일하게 분산된 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체 및 이의 제조방법{Acrylic bone cement composite comprising calcium phosphate microsphere uniformly spreaded therein and a preparation method thereof}

최근 의학 기술의 발달로 인체 내에서 손상된 부위를 대체 및 수복하기 위해 인공 장기나 이식용 재료가 사용되고 있으며, 이를 임플란트라고 한다. 임플란트란 기관 장기에 이식할 수 있는 성형된 부품, 예컨대 막, 고정 박판, 기차 입체적 또는 공간적 부품, 나사, 핀, 리벳, 압정 등의 고정 수단과 같이 치료 중에 조직을 지지하거나 부착시키는 용도, 또는 조직을 다른 조직으로부터 분리시키는 용도에 사용되는 것을 의미한다.

임플란트는 점차적으로 그 적용 범위가 넓어지고 있으며, 이에 따라 임플란트의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 의료적 치료를 목적으로 사용되는 임플란트의 대표적 재료로는 금속, 세라믹 및 고분자 등이 있다. 그러나, 인체 내에 사용되는 임플란트 재료는 생체적합성(biocompatibility)이 있어야 하고, 혈액과 접촉하는 경우에는 혈액적합성(blood compatibility)이 있어야 하며, 혈액 이외의 생체 조직이나 세포와 접촉하는 경우에는 조직접학성(tissue compatibility)이 요구되므로, 사용 가능한 임플란트 재료는 매우 제한적이다.

구체적으로, 금속성 임플란트의 경우 기계적 성질 및 가공성이 우수하지만 응력차폐현상(Stress Shielding), 이미지 왜곡(Image Degradation) 및 임플란트 이동(Implant Migration) 등의 단점이 있으며, 세라믹 임플란트의 경우에는 생체적합성은 상대적으로 우수하지만 외부 충격에 파손 가능성 및 가공이 어려운 단점이 있다. 또한, 고분자 임플란트의 경우는 상대적으로 강도가 약한 단점이 있다.

따라서, 인체에 무해하면서도 우수한 성형성 및 안정적인 물성을 가진 고분자 재료들이 각광받고 있으며, 특히 생분해성 고분자는 일정 시간이 경과한 후에 분해되는 특성으로 인하여, 임플란트를 이식한 후에 나타나는 생체 자기 방어 기능에 의한 이물 반응을 최소화할 수 있다.

그러나, 생분해성 고분자는 다른 고분자에 비하여 상대적으로 물성이 나쁘고, 생분해되면서 락트산, 글라이콜산, 수산화카프로산, 말레산, 포스파젠, 수산화부틸산, 수산화에톡시아세트산, 세바식산, 알콜, 트리메틸렌글라이콜, 아미노산, 포르말린, 알킬시아노아크릴레이트 등의 산성 물질이 생성되어 인체 내에서 염증반응 및 세포 독성 문제를 야기한다.

한편, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA)와 같은 아크릴계 고분자는 골 시멘트로 널리 알려진 물질로서, 체내에 삽입하는 인공 보형물과 뼈 사이의 결합력을 증진시키거나, 뼈 조직이 외상, 종양, 기형 등에 의해 손상된 부위를 채워 하중을 지지하는 용도로 사용된다. 그러나, 골조직과의 부착성은 다소 낮아 체내에서 뼈와 결합이 좋지 못하고 이로 인해 보형물이 이탈하거나 하여 재수술을 필요로 하기도 한다. 따라서, 이를 개선하기 위하여 표면에 생체활성금속을 코팅하거나 세라믹과 복합화시키는 방법 등이 시행되고 있다. 이러한 노력의 일환으로 키토산이나 실리카와 같은 다양한 생체활성 재료를 첨가하는 연구가 진행되고 있으나, 이들 재료의 경우 생분해속도가 느려 골조직으로 대체되는데에 많은 시간이 소요된다.

또한, 고분자로 이루어진 특성으로 인해 X선을 투과시키는 성질이 있어, 손상된 골조직을 대신하기 위하여 체내에 삽입하는 이식체로 사용하는 경우 자체로서는 이식된 위치 및/또는 상태를 모니터하기 어려워 산화지르코늄이나 황산바륨과 같은 별도의 조영제를 추가하거나 해야하나 이들 조영제는 생체 특성이 좋지 못할 뿐만 아니라 바륨과 같은 경우에는 체내에서 독성을 일으키는 단점이 있다.

본 발명자들은 아크릴계 고분자를 기반으로 하는 골 시멘트에 있어서 생체적합성을 향상시키는 동시에 X선을 통해 조영 가능한 복합체를 발굴하고자 예의 연구노력한 결과, 인산칼슘계 화합물을 마이크로스피어 형태로 아크릴계 고분자 매트릭스에 고르게 분산시켜 제조한 복합체가 우수한 생체적합성을 나타낼 뿐만 아니라 별도의 조영제 없이도 자체로서 X선에 의한 검출을 가능하게 함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 제1양태는 아크릴계 폴리머를 함유하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스에 균일하게 분산된 평균 직경 10 내지 500 μm의 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체를 제공한다.

본 발명의 제2양태는 아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제, 및 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 분말 조성물; 및 비가교 아크릴계 고분자 단량체, 및 자유라디칼 활성제를 포함하는 액상 조성물을 구비한 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트를 제공한다.

본 발명의 제3양태는 아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제, 및 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 분말 조성물을 준비하는 제1단계; 비가교 아크릴계 고분자 단량체, 및 자유라디칼 활성제를 포함하는 액상 조성물을 준비하는 제2단계; 상기 분말성분과 액상성분을 혼합하고 반죽하는 제3단계; 및 원하는 형태의 주형에 주입하여 성형하는 제4단계를 포함하는, 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.

본 발명은 아크릴계 폴리머를 함유하는 매트릭스에 인산칼슘계 마이크로스피어를 고르게 분산시켜 아크릴계 골시멘트 복합체로 제조하면 생체적합성 및/또는 골 재생능이 향상됨은 물론 조영제 없이도 X선에 의해 검출 가능하므로 생체 내 이식 후 자체로서 모니터링 가능한 이식체로 사용될 수 있음을 규명한 것이 특징이다. 예컨대, 본 발명의 복합체와 달리 인산칼슘계 화합물을 분말의 형태로 첨가하는 경우 입자들끼리의 뭉침현상으로 인해 해당 성분이 매트릭스 내에 고르게 분산되지 못하고 불균일하게 분포되어 복합체의 기계적 특성이 저해될 수 있다.

전술한 바와 같이, 인산칼슘계 마이크로스피어는 10 내지 500 μm의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 상기 크기로 제조되었을 때 조영성을 확보할 수 있으며, 추후 체내에서 생분해되어 기공을 형성할 때 골세포 및/또는 기타 생체 조직들에 의해 빈 공간을 용이하게 수복할 수 있다. 예컨대, 최종적으로 생분해성 인산칼슘계 마이크로스피어가 분해되어 골조직이 차들어오기에 유용한 공간을 확보할 수 있다.

상기 인산칼슘계 마이크로스피어는 유중수형 에멀젼(water-in-oil emulsion)으로 제조하거나, 분무 건조법(spray drying)으로 제조할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어 "복합체(composite)"는, 2 종류 이상의 물질을 조합함으로써 물리적 및 화학적으로 원래 소재와는 다른 성질을 갖는, 우수한 기능을 갖는 재료를 의미하는 것으로, 아크릴계 고분자 매트릭스 전반에 인산칼슘계 마이크로스피어가 박혀있는 구조를 포함한다.

본 발명의 아크릴계 골시멘트 복합체는 인산칼슘계 마이크로스피어를 1 내지 50 부피%로 함유할 수 있다. 바람직하게는 20 내지 40 부피%로 함유할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 인산칼슘계 마이크로스피어의 함량이 1 부피% 미만인 경우 원하는 정도의 생체적합성 향상 및/또는 조영성을 달성하기 어려울 수 있고, 50 부피%를 초과하는 경우에는 과다한 마이크로스피어의 개입으로 인해 아크릴계 골시멘트 매트릭스 자체의 결합이 감소하여 허용가능한 수준 이상으로 압축강도가 감소할 수 있다.

상기 인산칼슘계 마이크로스피어는 알파-인산삼칼슘, 베타-인산삼칼슘, 하이드록시아파타이트, 및 인산사칼슘으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 인산칼슘계 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 인산칼슘계 마이크로스피어로는 생체적합성, 생분해성 및 X-선에 의해 검출가능한 조영성을 갖는 물질을 제한없이 사용할 수 있다.

예컨대, 상기 아크릴계 골시멘트 복합체는 골재생용 이식체에 사용될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어 "이식체(또는 임플란트, implant)"는, 인체 내에서 손상된 부위를 대체 및 수복하기 위하여 사용되는 인공 장기나 이식용 재료 등을 포함하는 것으로, 기관 장기에 이식할 수 있는 성형된 부품, 예컨대 막, 고정 박판, 입체적 또는 공간적 부품, 또는 나사, 핀, 리벳, 압정 등의 고정 수단 등과 같이 치료 중에 조직을 지지하거나 부착시키는 용도, 또는 조직을 다른 조직으로부터 분리시키는 용도에 사용되는 것을 의미한다. 상기 본 발명의 이식체는 골 대체용일 수 있다. 본 발명의 이식체는 생체적합성이 향상되어 세포 부착에 유리할 뿐만 아니라 생체 내에 이식한 후 복합체 내부에 매립된 인산칼슘계 마이크로스피어가 시간이 지남에 따라 분해되어 기공을 형성하고 이에 신규한 골세포들이 채워질 수 있어 단순한 골 대체효과를 넘어 우수한 골재생 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 예컨대, PMMA 골시멘트 복합체와 함께 전조골세포주(MC3T3-E1 세포)를 배양한 후 세포의 부착 정도를 확인한 결과, 대조군으로 사용한 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하지 않는 PMMA 골시멘트의 표면에는 둥근 형태의 약간의 세포가 부착되어 있는 초기 부착 상태를 보이는 반면, 본 발명의 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 각각 20 및 40 부피%로 포함하는 골시멘트 복합체는 복합체 전반에 세포가 넓게 퍼져있음은 물론 세포 수도 대조군과 비교하여 현저히 많은 것을 확인하였다(도 6). 이는, 본 발명의 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 골시멘트 복합체가 세포와 우수한 친화력을 가지는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명의 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 골시멘트 복합체는 생체 이식용 임플란트로 유용하게 활용될 수 있다.

또한, 알파-인산삼칼슘을 동일한 함량으로 포함하되 마이크로스피어가 아닌 분말형태로 포함하는 복합체의 경우 여전히 X선에 투과성을 나타내었으나, 이를 마이크로스피어의 형태로 포함하는 본 발명의 복합체의 경우 별도의 조영제를 첨가하지 않고도 X선으로 검출가능하였는 바(도 5), 별도의 조영제를 필요로 하지 않는 생체 이식용 임플란트로 유용하게 활용될 수 있다.

또한, 본 발명은 아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제, 및 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 분말 조성물; 및 비가교 아크릴계 고분자 단량체, 및 자유라디칼 활성제를 포함하는 액상 조성물을 구비한 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트를 제공할 수 있다.

본 발명의 키트에 있어서, 상기 아크릴계 폴리머는 상기 비가교 아크릴계 고분자 단량체의 중합체로서, 분말 또는 비드형태로 제공될 수 있다. 예컨대, 비드형태의 아크릴계 폴리머를 사용하는 경우 그 크기는 직경 10 내지 50 μm의 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

예컨대, 상기 아크릴계 폴리머는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리스티렌 또는 이들의 공중합체일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 당업계에 공지된 아크릴계 골시멘트를 사용할 수 있다.

예컨대, 상기 자유 라디칼 개시제는 벤조일 퍼록사이드일 수 있다. 상기 자유 라디칼 개시제는 분말 조성물의 전체 중량에 대해 0.3 내지 1 중량%로 포함될 수 있다.

한편, 상기 자유 라디칼 활성제는 N,N-디메틸-파라-톨루이딘일 수 있다. 상기 자유 라디칼 활성제는 액상 조성물의 전체 부피에 대해 0.7 내지 1.3 부피%로 포함될 수 있다.

상기 조성물에서 자유 라디칼 개시제 및 활성제의 함량은 추후 이들 분말 조성물 및 액상 조성물을 혼합하여 골시멘트 복합체 제조시 형성되는 반죽의 점도를 조절하는 요소이며, 상기 범위를 벗어나는 함량으로 사용하는 경우, 점도가 너무 낮거나 높아져 성형에 불리할 수 있다. 예컨대, 너무 빠른 시간 내에 경화되어 원하는 형태로 제조하거나 미세 구조를 구현하기 어려울 수 있으며, 경화에 너무 오랜 시간을 소요하여 불필요한 공정시간의 지연을 야기할 수 있다.

상기 본 발명의 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트는 분말 조성물과 액상 조성물을 별도로 구비하여 이들 조성물을 소정의 비율로 혼합하는 경우 즉시 반죽상(dough time) 점도를 갖는 것이 특징인 액상-분말 이원성 고분자계 골시멘트 복합체 제조용 키트이다.

상기 분말 조성물과 액상 조성물의 바람직한 혼합 비율은 액상 조성분 1 mL에 대해 분말 조성물 1.5 내지 2 g 중량인 것이 바람직하다.

본 발명의 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체는 아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제, 및 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 분말 조성물을 준비하는 제1단계; 비가교 아크릴계 고분자 단량체, 및 자유라디칼 활성제를 포함하는 액상 조성물을 준비하는 제2단계; 상기 분말성분과 액상성분을 혼합하고 반죽하는 제3단계; 및 원하는 형태의 주형에 주입하여 성형하는 제4단계를 포함하는, 방법에 의해 제조될 수 있다.

예컨대, 상기 제3단계의 반죽은 손으로 만져보아 섬유상이 묻어 나오지 않을 때까지 지속할 수 있다.

상기 제4단계에서 성형시 아크릴계 고분자 단량체의 중합에 의한 경화가 일어날 수 있다.

예컨대, 제4단계의 경화가 끝난 이후 남아있는 단량체를 제거하기 위하여, 15 내지 50℃에서 3 내지 24시간 동안 유지하는 제5단계를 추가로 수행할 수 있다.

예컨대, MMA 단량체는 물이나 심지어는 공기 중에서도 확산이 용이하므로 약간의 열을 가하여 수시간 방치하는 것만으로 휘발되어 제거될 수 있다.

본 발명의 아크릴계 고분자 매트릭스에 균일하게 분산된 소정의 크기의 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하므로 우수한 생체적합성을 나타냄은 물론 자체로서 X선을 통해 조영 가능한 복합체이므로 별도의 조영제 없이도 생체 내 이식 후 자체로서 X선에 의해 검출 가능하므로 모니터가 용이한 이식체를 제공할 수 있으며, 복합체 내부에 매립된 인산칼슘계 마이크로스피어는 생체 내에 이식한 후 시간이 지남에 따라 분해되어 기공을 형성하므로 이에 신규한 골세포들이 채워질 수 있으므로 우수한 골재생 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어의 제조방법의 예를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 주사전자현미경으로 관찰한, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 (a) 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어 및 (b) 하이드록시아파타이트 마이크로스피어의 표면을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 (a) 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어 및 (b) 하이드록시아파타이트 마이크로스피어의 X선 회절 분석 스펙트럼을 각각의 분말과 비교하여 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 20 및 40 부피%로 함유하는 복합체의 (a) 압축강도 및 (b) 강성도를 나타낸 도이다. 대조군으로는 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하지 않는 순수한 PMMA를 사용하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 각각 20 및 40 부피%로 함유하는 복합체의 마이크로 CT 측정 결과를 나타낸 도이다. 대조군으로는 동일한 성분 및 함량의 인산칼슘계 화합물을 분말형태로 포함하는 복합체를 사용하였다.
도 6은 (a) 순수한 PMMA 표면에서, 또는 (b) 및 (c) 본 발명에 따른 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 각각 20 부피% 및 40 부피%로 함유하는 복합체 표면에서 배양한 세포의 형상을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 알파- 인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트의 제조

1-1. 알파- 인산삼칼슘 분말의 제조

인산수소칼슘(CaHPO₄)과 탄산칼슘(CaCO₃)을 3.5:1의 몰질량비로 혼합하고 에탄올을 용매로 사용하여 볼밀링하였다. 수득한 분말을 40 내지 50℃에서 1일 동안 건조한 후, 백금 도가니에 넣어 1300℃에서 6시간 동안 열처리하고 급냉시켰다. 충분히 냉각시킨 후, 진공 상태의 글러브 박스 안에서 막자 사발을 이용하여 분쇄하고 20 μm 이하로 체거름하여 알파-인산삼칼슘 분말을 수득하였다.

1-2. 알파- 인산삼칼슘 마이크로스피어의 제조

본 발명에 따른 인산삼칼슘 마이크로스피어의 제조 공정의 예를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 구체적으로, 올리브유 10 mL과 계면활성제로서 라브라필(Labrafil) 0.5 mL가 혼합된 에멀젼 용액을 10℃에서 분당 500회의 회전속도로 교반하여 준비하였다. 상기 실시예 1-1에 따라 준비한 알파-인산삼칼슘 분말 1 g을, 증류수에 20질량%로 희석시킨 구연산(0.6 mL)과 혼합하여 얻은 고점도의 반죽상을 상기 준비된 에멀젼 용액에 분산시켜 유중수형 에멀젼화를 통해 마이크로스피어를 제조하였다. 생성된 마이크로스피어를 체거름하여 평균직경 100 내지 500 μm의 마이크로스피어를 수득하였다.

1-3. 알파- 인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체의 제조

자유 라디칼 개시제로서 미량의 벤조일 퍼록사이드를 제외한 나머지 분말성분의 총 질량을 2 g으로 하되, 아크릴계 고분자인 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA) 분말 질량 2 g에 대해 상기 실시예 1-2에 따라 준비한 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 20 내지 40 부피%(즉, 50 내지 70 질량%)가 되도록 하여 0.01 g의 벤조일 퍼록사이드와 함께 혼합하였다. 이와 별도로 비가교 아크릴계 고분자 단량체로서 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate; MMA) 단량체 1 mL을 자유 라디칼 활성제로 사용되는 N,N-디메틸-파라-톨루이딘 10 μL와 혼합하여 액상성분을 준비하였다. 상기 상온에서 각각 준비한 분말성분과 액상성분을 혼합하고, 반죽을 만졌을 때 손에 섬유상이 묻어 나오지 않을 때까지 손으로 저어주었다. 이상과 같이 반죽을 만졌을 때 손에 섬유상이 묻어 나오지 않는 순간 이후 반죽을 주사기에 넣어 직경 6 mm 또는 12 mm 몰드에 주입하여 성형하였다. 충분히 경화시킨 후 37℃ 오븐에서 하루 동안 보관하여 잔류하는 단량체를 제거하였다.

실시예 2: 하이드록시아파타이트 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트의 제조

2-1. 하이드록시아파타이트 마이크로스피어의 제조

분무 건조법을 이용하여 하이드록시아파타이트 마이크로스피어를 제조하였다. 구체적으로, 에탄올 10 mL에 하이드록시아파타이트 분말 4 g(40 중량%), 바인더로서 폴리비틸부티랄(polyvinyl butyral; PVB) 1.5 중량% 분산제로는 올리고머 폴리에스테르(Hypermer KD-6) 0.1 중량%를 포함하는 용액을 제조한 후 분무기 내 온도 30℃, 바람세기 0.15 MPa 이상의 조건에서 1 mm 크기의 노즐로 분사하여 마이크로스피어를 제조하였다. 이후 500℃에서 10시간 열처리하여 바인더와 분산제를 제거하고, 1350℃에서 2시간 동안 소결하여 최종적으로 하이드록시아파타이트 마이크로스피어를 수득하였다.

2-2. 하이드록시아파타이트 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체의 제조

20 내지 40 부피%(즉, 50 내지 70 질량%)의 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어 대신에 상기 실시예 2-1에 따라 준비한 하이드록시아파타이트 마이크로스피어 20 내지 40 부피%(즉, 50 내지 80 질량%)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1-3과 동일한 방법으로 하이드록시아파타이트 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체를 제조하였다.

실험예 1: 주사전자현미경 분석

상기 실시예 1-2 및 2-1로부터 수득한 인산칼슘계 마이크로스피어의 표면 형태를 관찰하기 위하여 백금으로 코팅한 후 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 관찰하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 알파-인산삼칼슘(도 2a) 및 하이드록시아파타이트(도 2b)는 각각 250 내지 500 μm 및 100 내지 250 μm의 직경을 갖는 구형의 입자로 형성되었다.

실험예 2: XRD 분석

X선 회절 분석기를 이용하여 상기 실시예 1-2로부터 수득한 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어(빨간 실선)의 스펙트럼을 획득하고 각각 동일성분의 분말(검은 실선)에 대한 스펙트럼과 비교 분석하고, 그 결과를 도 3a에 나타내었다.

도 3a에 나타난 바와 같이, 빨간 실선 및 검은 실선으로 각각 표시되는 마이크로스피어 및 분말형태의 알파-인산삼칼슘의 X선 회절 스펙트럼 모두로부터 알파-인산삼칼슘 결정의 피크가 관찰되었으며, 이는 마이크로스피어로 제조한 이후에도 알파-인산삼칼슘 결정형이 그대로 유지됨을 나타내는 것이다. 나아가, 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 복합체가 알파-인산삼칼슘의 우수한 생체적합성을 유지할 수 있음을 나타내는 것이다.

또한, 상기 실시예 2-1로부터 수득한 하이드록시아파타이트 마이크로스피어의 X선 회절 스펙트럼을 획득하여 도 2b에 나타내었다. 도 2b에 나타난 바와 같이, 하이드록시아파타이트 마이크로스피어의 X선 회절 스펙트럼으로부터 하이드록시아파타이트 결정의 피크가 관찰되었으며, 이는 마이크로스피어로 제조한 이후에도 하이드록시아파타이트 결정형이 그대로 유지됨을 나타내는 것이다. 나아가, 하이드록시아파타이트 마이크로스피어를 포함하는 복합체가 하이드록시아파타이트의 우수한 생체적합성을 유지할 수 있음을 나타내는 것이다.

실험예 3: 기계적 물성 분석

본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 PMMA 골시멘트 복합체의 기계적 물성을 분석하였다. 먼저 압축강도 측정을 위하여 ISO 5833 규정에 따라 직경 6 mm, 높이 12 mm의 시편을 각각 5개씩 준비하였다. 시료는 순수한 PMMA와 각각 20 부피% 및 40 부피%로 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 복합체, 이상의 3종을 준비하였다. 각 시편에 대해 압축강도 측정 기계로 분당 1 mm의 속도로 측정하여 그래프를 그리고, 이로부터 도출된 2% 오프셋 하중을 시편의 단면적으로 나누어 압축강도를 계산하였다. 시편의 강성도는 상기 그래프의 기울기를 계산하여 얻었다. 이와 같이 측정한 시편들의 압축강도 및 강성도를 각각 도 4a 및 4b에 나타내었다.

도 4a에 나타난 바와 같이, 순수한 PMMA의 압축강도는 100 MPa 수준인 것에 비해, 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 PMMA 골시멘트 복합체의 경우 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어의 함량이 증가함에 따라 약간 감소하는 경향을 나타내었으나, 상기 감소는 오차범위 이내의 수준이며, 이는 본 발명에 따른 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 PMMA 골시멘트 복합체는 순수한 PMMA와 유사한 수준의 압축강도를 가짐을 나타내는 것이다.

한편, 도 4b에 나타난 바와 같이, 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어의 함량이 증가함에 따라 복합체의 강성도 역시 증가하였다. 그러나, 상기 3종의 시편 모두 인간 뼈의 강성도와 비교하여 큰 차이를 나타내지 않았으므로, 인체에 식립되었을 때, 응력차폐현상에 따른 부작용은 나타나지 않을 것으로 예상할 수 있다.

실시예 2에 따라 제조된 하이드록시아파타이트 마이크로스피어를 포함하는 복합체에 대해서도 동일한 방법으로 테스트하였으며, 그 결과는 상기 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 복합체에 대한 것과 유사한 경향을 나타내었다.

실험예 4: 조영성 분석

상기 실시예 1에 따라 제조한 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 PMMA 골시멘트 복합체의 조영성을 확인하기 위하여 마이크로 CT를 이용하여 분석하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 구체적으로 분말형태 및 실시예 1-2에 따라 제조된 마이크로스피어 형태의 알파-인산삼칼슘을 각각 20 및 40 부피%로 포함하도록 하여 동일한 조건에서 실시예 1-3에 따라 복합체로 제조하고 이의 마이크로 CT 영상을 촬영하였다. 그 결과 함량과 무관하게, 알파-인산삼칼슘 분말을 포함하는 복합체의 경우 PMMA 골시멘트는 물론 그 내부에 함유된 알파-인산삼칼슘 성분도 마이크로 CT로 거의 식별할 수 없었으나, 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 복합체의 경우 PMMA 골시멘트 복합체의 윤곽은 확인하기 어려우나 그 내부에 포함된 알파-인산삼칼슘 입자는 뚜렷이 확인할 수 있었으며, 실시예 2이 따라 제조한 하이드록시아파타이트 마이크로스피어를 포함하는 복합체 역시 동일한 특성을 나타내었다. 이로부터 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 복합체는 그 내부에 인산칼슘계 마이크로스피어, 예컨대, 알파-인산삼칼슘 또는 하이드록시아파타이트 마이크로스피어가 고르게 분포되어 있음을 확인할 수 있었다.

실험예 5: 전조골세포 배양

본 발명의 실시예에 따라 제조된 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체의 생체적합성을 확인하기 위하여, 상기 마이크로스피어를 포함하는 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 아크릴계 골시멘트 복합체와 함께 전조골세포(pre-osteoblast)인 쥐-유래 MC3T3-E1 세포를 배양하여 복합체 표면에 대한 세포의 부착 여부 및/또는 복합체의 표면에 부착되어 배양된 세포의 형상을 관찰하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

세포를 분주하기에 앞서 직경 12 mm, 높이 2 mm의 디스크 형태로 제조한 복합체를 70 부피% 에탄올에 1시간 동안 세척하고 오토클레이브로 121℃에서 15분 동안 멸균한 후, 하루 동안 자외선 처리하였다. 대조군으로는 동일한 크기로 제조한 순수한 PMMA 디스크를 동일한 방법으로 멸균처리하여 사용하였다. 상기와 같이 멸균된 디스크 형태의 시편(순수한 PMMA, 20 부피% 및 40 부피% 마이크로스피어를 포함하는 PMMA 복합체)을 4-웰 플레이트의 각 웰에 넣고 1 mL의 세포 부유액(cell suspension, 세포농도 5×10⁴ 세포/mL)을 각 웰에 분주하였다. 상기 시편 상에 분주한 세포를 95% CO₂ 인큐베이터에서 1일 동안 배양한 후 복합체 표면에 부착된 세포의 형상을 관찰하였다.

이를 위하여 배양된 세포가 부착된 시편을 글루타르알데하이드로 고정하고 일련의 농도 구배 에탄올 용액(50%, 70%, 90%, 95% 및 100%)으로 탈수화한 후, 헥사메틸디실라잔으로 처리하고 백금으로 코팅하여 주사전자현미경으로 관찰하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6a에 나타난 바와 같이, 순수한 PMMA 시편 상에서 배양된 세포는 위족을 뻗지 못하고 비교적 원형을 유지하는 것을 확인하였다. 반면, 도 6b에 나타난 바와 같이, 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 포함하는 복합체 시편 상에서 배양한 세포는 상기 마이크로스피어 표면(빨간 점선)에 세포가 잘 부착되어 표면을 따라 확장됨을 확인할 수 있었다. 또한, 도 6c에 나타난 바와 같이, 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어의 함량이 증가하였을 때도 마이크로스피어의 표면에 세포득이 잘 부착되었으며, 이웃한 세포들끼리 서로 가교하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 세포들이 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어의 표면에 선택적으로 부착되었음을 나타내는 것이며, 상기 알파-인산삼칼슘 마이크로스피어를 함유함으로써 복합체의 생체적합성이 개선되었음을 나타내는 것이다.

상기 실시예 2에 따라 제조한 하이드록시아파타이트를 포함하는 복합체에 대해서도 동일한 방법으로 실험을 수행하였으며, 위와 유사한 결과를 나타냄을 확인하였다.

Claims

아크릴계 폴리머를 함유하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스에 균일하게 분산되고, X선에 의해 검출 가능한 조영성을 갖도록 평균 직경 100 내지 500 ㎛로 조절된 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는, X선에 의한 조영성을 갖는 아크릴계 골시멘트 복합체.
제1항에 있어서,
상기 마이크로스피어의 함량은 1 내지 50 부피%인 것인 아크릴계 골시멘트 복합체.
제1항에 있어서,
상기 인산칼슘계 마이크로스피어는 알파-인산삼칼슘, 베타-인산삼칼슘, 하이드록시아파타이트, 및 인산사칼슘으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 인산칼슘계 화합물을 포함하는 것인 아크릴계 골시멘트 복합체.
제1항에 있어서,
상기 인산칼슘계 마이크로스피어는 생체적합성 및 생분해성인 아크릴계 골시멘트 복합체.
제1항에 있어서,
상기 아크릴계 골시멘트 복합체는 골재생용 이식체에 사용되는 것인 아크릴계 골시멘트 복합체.
아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제 및 X선에 의해 검출 가능한 조영성을 갖도록 평균 직경 100 내지 500 ㎛로 조절된 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 분말 조성물; 및
비가교 아크릴계 고분자 단량체, 및 자유라디칼 활성제를 포함하는 액상 조성물을 구비한, X선에 의한 조영성을 갖는 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트.
제6항에 있어서,
상기 아크릴계 폴리머는 상기 비가교 아크릴계 고분자 단량체의 중합체로서, 분말 또는 비드형태인 것인 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트.
제6항에 있어서,
상기 아크릴계 폴리머는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리스티렌 또는 이들의 공중합체인 것인 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트.
제6항에 있어서,
상기 자유 라디칼 개시제는 벤조일 퍼록사이드인 것인 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트.
제6항에 있어서,
상기 자유 라디칼 개시제는 분말 조성물의 전체 중량에 대해 0.3 내지 1 중량%로 포함되는 것인 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트.
제6항에 있어서,
상기 자유 라디칼 활성제는 N,N-디메틸-파라-톨루이딘인 것인 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트.
제6항에 있어서,
상기 자유 라디칼 활성제는 액상 조성물의 전체 부피에 대해 0.7 내지 1.3 부피%로 포함되는 것인 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트.
제6항에 있어서,
상기 분말 조성물과 액상 조성물은 액상 조성물 1 mL에 대해 분말 조성물 1.5 내지 2 g의 비율로 혼합하여 사용하는 것인 아크릴계 골시멘트 복합체 제조용 키트.
아크릴계 폴리머, 자유 라디칼 개시제, 및 X선에 의해 검출 가능한 조영성을 갖도록 평균 직경 100 내지 500 ㎛로 조절된 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는 분말 조성물을 준비하는 제1단계;
비가교 아크릴계 고분자 단량체, 및 자유라디칼 활성제를 포함하는 액상 조성물을 준비하는 제2단계;
상기 분말성분과 액상성분을 혼합하고 반죽하는 제3단계; 및
원하는 형태의 주형에 주입하여 성형하는 제4단계를 포함하는, 인산칼슘계 마이크로스피어를 포함하는, X선에 의한 조영성을 갖는 아크릴계 골시멘트 복합체의 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 제4단계에서 성형시 아크릴계 고분자 단량체의 중합에 의한 경화가 일어나는 것인 제조방법.
제15항에 있어서,
제4단계 이후 15 내지 50℃에서 3 내지 24시간 동안 유지하는 제5단계를 추가로 포함하는 것인 제조방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 아크릴계 골시멘트 복합체로부터 제조된 이식체.
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