KR20050014570A

KR20050014570A - 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물 및 이를 이용한생체활성 골 시멘트의 제조방법

Info

Publication number: KR20050014570A
Application number: KR1020030053233A
Authority: KR
Inventors: 조성백; 김상배; 조건준; 오츠스키시카라
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-07
Also published as: KR100559171B1; AU2003264957A1; WO2005011763A1

Abstract

본 발명은 PMMA 분말과 CaO-SiO₂겔을 함유하는 것을 특징으로 하는 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물 상기 혼합물을 이용한 생체활성 골 시멘트의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 CaO-SiO₂겔과 PMMA 분말을 함유하는 혼합물에 MMA 용액을 첨가하는 것을 특징으로 하는 PMMA/CaO-SiO₂골 시멘트의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 PMMA/CaO-SiO₂골 시멘트를 제공한다.

본 발명에 따른 PMMA/CaO-SiO₂골 시멘트는 금속, 폴리머, 세라믹스 등을 뼈에 고정시키는 접착제로서 사용이 가능하고, 동시에 단기간에 뼈와 강하게 결합하므로, 하중 하에서도 사용이 가능하다.

Description

생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물 및 이를 이용한 생체활성 골 시멘트의 제조방법 {Mixture for Producing a Bioactive Bone Cement and Method for Producing a Bioactive Bone Cement Using the Same}

발명의 분야

본 발명은 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물 및 생체활성 골 시멘트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, PMMA와 졸-겔(sol-gel)법으로 제조한 CaO-SiO₂를 주성분으로 하는 골 시멘트 제조용 혼합물 및 상기 혼합물에 MMA 용액을 첨가하는 것을 특징으로 하는 골 시멘트의 제조방법에 관한 것이다.

발명의 배경

우리 몸의 골격은 206개의 뼈(bone)로 구성되어 있다. 이 뼈는 우리 몸을 지탱해 주며, 뇌나 내장 등과 같은 중요한 장기를 보호함은 물론 각각이 독립적으로 움직이게 되어 있어 여러 가지 운동을 가능하게 해 주고 있다.

최근, 고령화 사회의 진전에 따라 골다공증과 같은 질환이나, 자동차 사고 등에 의해 뼈 조직에 손상을 입는 경우가 증가하고 있다. 이러한 손상된 뼈 조직을 수복하기 위한 재료가 오래 전부터 연구되어 왔다. 체내에서 유해한 성분을 용출하지 않고 친수성을 나타내는 재료인 알루미나(Al₂O₃)나 금속 스테인레스 스틸(stainless steel)이나 금속티탄(Ti) 등이 이러한 목적으로 사용되어 왔다.

그러나 이들 재료는 생체의 뼈와 화학적으로 직접 결합하지 않으므로, 뼈와의 결합능을 증진시키기 위해 재료 표면을 다공질로 하거나 일부러 요철을 만들어두어, 그 속에 뼈가 자라 들어가게 하는 기계적 방법으로 고정되게 하였다. 그러나, 이러한 결합이 달성되기까지는 2~3개월 이상의 장시간을 요하므로 임플란트(implant)를 주위의 뼈 조직에 고정시키려는 시도로서 골 시멘트가 사용되기 시작하였다.

복잡한 형상을 하고 있는 골 결손부를 보전하는 경우나, 금속제 인공관절을 자연 골에 고정할 경우에는 분말과 액체를 섞으면, 수분간 유동성을 지니며, 그 후 굳어져 주위의 골과 결합하여 뼈에 가까운 역학적 성질을 나타내는 시멘트 재료가 바람직하다. 이러한 재료라면, 이것을 주사기로 환부에 주입하여, 골다공증 등으로 인해 생긴 골 결손부를 수복하는 것도 가능하게 된다.

이를 달성하기 위해, MMA(methyl methacrylate) 모노머를 중축합(polymerization)에 의해 경화(hardening) 시키거나, 각종 세라믹스 분말을 물, 인산나트륨 수용액, 유기산 혹은 고분자 수용액과 섞어 경화시키는 방법 등이 연구개발 되어 왔다.

생체용 시멘트에 요구되는 성질

생체에 사용하는 시멘트의 성질로서는 환부에 주입되어, 경화될 때까지의 적절한 시간, 충전 후 환부에 주입된 시멘트의 높은 강도가 중요하다. 이 경화시간 및 강도는 시멘트 혼련시의 분제와 액제의 사용비율(분액비)에 의해 크게 다르다. 분액비를 높게 하면 일반적으로 경화시간은 짧고, 또한 고강도인 경화체가 된다. 그러나, 이것이 너무 높은 경우에는 환부에 주입하기 위한 작업성에 곤란이 생겨, 치밀한 충전이 불가능하게 된다.

그 때문에 시멘트 페이스트의 유동성을 확보하면서, 작업에 적절한 시간에서 경화시킴과 동시에 어떻게 고강도로 하는가가 중요하게 된다. 일반의 건축용 시멘트에 있어서는 계면 활성제 등의 함수제를 사용함으로써 상기 목적을 달성하고 있다. 그러나, 생체용 시멘트에 있어서는 사용하는 물질의 안정성 등의 관점으로부터 이러한 물질의 사용은 곤란하며, 분체 자신의 제조방법에 의한 형태제어 등에 의해 이것을 달성하는 것이 바람직하다.

한편, 종래 임상에서 가장 많이 쓰이고 있는 PMMA (polymethylmethacrylate) 골 시멘트는 뼈와 직접 결합하는 성질 즉, 생체활성(bioactivity)을 나타내지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서 골 시멘트가 생체 내에서 장기적으로 안정하기 위해서는 무엇보다도 골 시멘트가 자연 골과 화학적으로 결합하는 생체활성을 갖는 것이 요구되고 있다.

생체활성(Bioactive) 골 시멘트

일반적으로 인공 재료를 뼈의 결손부에 매입하면, 생체는 이것을 섬유성의피막으로 둘러싸 주위의 뼈로부터 격리시키려 한다. 그러나, 무기 고체물질 중에는 이러한 섬유성의 피막을 만들지 않고 주위의 뼈와 직접 강하게 접하여 그것과 강한 화학결합을 만든다. 이런 종류의 세라믹스는 생체활성(bioactive) 세라믹스라 불리고 있다.

지금까지 상기 Na₂O-CaO-SiO₂-P₂O₅계 유리(바이오글래스: Bioglass) 외에, 여러 종류의 유리, 결정화 유리 및 소결 세라믹스가 뼈와 결합하는 것이 알려져 있다. 그 중의 바이오글래스는 단시간에 뼈와 결합하는 특성이 있어 인공 중이골과 치주 충전제로 이용되고, 결정성의 수산아파타이트(Ca₁₀(PO₄)₆(OH₂)) 소결체는 뼈 성분 이외의 것은 함유하지 않는 특성이 있어 골충전제로 이용되며, 결정성의 β-3CaO·P₂O₅소결체도 뼈와 대체될 수 있는 특성이 있어 골충전제로 이용된다.

산소-불소아파타이트(Ca₁₀(PO₄)₆(O,F₂))와β-규회석(β-wollastonite:CaO·SiO₂)을 석출시킨 MgO-CaO-SiO₂-P₂O₅-CaF₂계 결정화유리 A-W는 기계적 강도(215MPa의 곡강도)와 골결합 속도가 뛰어난 특성이 있어 인공 추체, 추간판, 장골, 충전제 등으로 실용화되었다.

그 후 세라비탈(Ceravital)이라고 불리는 유리 중에 아파타이트(Ca₁₀(PO₄)₆(O,F₂))를 석출시킨 Na₂O-K₂O-MgO-CaO-SiO₂-P₂O₅계 결정화 유리, A-W와 약간 조성이 다른 아파타이트와 규회석을 석출시킨 임플란트-L1, 아파타이트와 금운모((Na,K)Mg₃(AlSiO₁₀)F₂)를 Na₂O-K₂O-MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂-P₂O₅-F계 결정화 유리바이오버리트(Bioverit), 결정성 천연 방해석, 유리 중에 자철석(magnetite: Fe₂O₃)과 β-규회석을 석출시킨 결정화 유리 등이, 섬유성의 피막을 만들지 않고 뼈와 직접 강하게 결합하는 성질 즉, 생체활성을 나타내는 것으로 알려져 있다.

지금까지 뼈와 결합하는 것으로 알려진 이들 세라믹스는, 생체 내에서 현저한 표면 분해를 나타내는 결정성 천연 방해석과 결정성의 β-3CaO·P₂O₅를 제외하고, 결정성 수산아파타이트 소결체를 포함한 모든 재료가 생체 내에서 그 표면에 아파타이트 층을 형성하여, 이것을 통해 뼈와 결합하는 것으로 알려져 있다 (J. Non-Cryst. Solids,120, 138-51, 1990;Biomaterials,12, 155-63, 1991).

이 아파타이트 층은 세포나 단백질을 포함하지 않는 무기 이온 농도만을 사람의 체액과 같게 한 유사체액(Simulated Body Fluid(mM) : Na⁺142.0, K⁺5.0, Mg²⁺1.5, Ca²⁺2.5, Cl^-147.8, HCO₃ ^-4.2, HPO₄ ^2-1.0, SO₄ ^2-0.5) (J. Am. Ceram. Soc.,78, 1769-74, 1995)속에서 세라믹스 표면에 형성된다.

그 구조해석에 의하면 상기 아파타이트는 CO₃ ^2-이온을 함유하며, Ca/P 비가 수산화 아파타이트(Ca₁₀(PO₄)₆(OH₂))의 Ca/P 비(1.67)보다 작고, 미립자로 형성되어 있는 점에서 생체 골의 아파타이트와 비슷하다. 또한, 이 아파타이트의 표면에서는 섬유성 피막을 형성하는 섬유아세포보다 뼈를 생성하는 골아 세포가 증식 분화하기 쉽다.

그 결과, 주위로부터 뻗어 온 뼈는 표면 아파타이트와 직접 접할 수 있게 된다. 이것이 생기면 뼈의 아파타이트와 표면 아파타이트 사이에 화학결합이 생겨 인공 재료와 뼈가 결합하게 된다. 따라서, 인공재료가 생체 뼈와 결합하기 위한 필수조건은 생체 내에 매입되었을 때, 그 표면에 생체 뼈와 비슷한 특성을 가지는 아파타이트 층을 형성하는 것이라고 말할 수 있다.

현재 인공재료를 주위의 골(bone)에 고정시키거나, 골 결손부를 충전하기 위하여 가장 많이 쓰이고 있는 시멘트는 PMMA DDS로서 PMMA 분말과 MMA 모노머의 액체를 섞은 다음 생체 내에서 경화시키는 것이다. 종종 X-ray에 대한 불투명성을 증진시키기 위해 분말 성분에 산화지르코늄이나 황산 바륨분말을 섞기도 하였다.

양자의 혼합 페이스트(paste)는 약 4분간 자유로운 형태로 성형할 수 있는 유동성을 나타내며, 90MPa에 달하는 압축강도를 나타낸다. 그러나, 이 시멘트에 있어서는 경화 시, 100℃ 가까운 중축합 열이 주위의 조직을 상하게 하고, 미반응 모노머가 혈관을 통과해서 심장에 해를 끼칠 염려가 있다. 또한, 중축합에 의한 큰 수축(shrinkage)과 시멘트 주위에 형성되는 비교적 두터운 섬유성 피막에 의해 뼈에 인공재료의 고정을 불안정하게 하는 루스닝(loosening)의 원인이 된다는 문제점이 보고되어 왔다.

기존의 PMMA 시멘트 자체는 생체 뼈와 결합하지 않는다. 그리하여, 생체 뼈와의 발열량을 감소시키고 이것에 골과 결합하는 성질을 부여하기 위해서 PMMA시멘트에 생체활성인 세레비탈 결정화 유리분말(J. Biomed. Mater. Res.,13, 89-99, 1979) 혹은 수산아파타이트 섬유를 섞는 시도(日本バイオマテリアル學會抄錄集,第11回, p20, 1989)가 행해져 왔다. 그 결과 생체활성 세라믹스 분말의 양이 증가함에 따라 발열량이 적어지고, 시멘트가 골과 직접 결합하는 계면의 비율도 증가하였다. 아파타이트 섬유의 경우에는 파괴인성도 향상하였다. 그러나 생체활성 세라믹스 분말의 양이 증가하면, 단기간에 경화하는 성질이 감소하고 뼈와도 직접 결합하지 않는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 골 시멘트의 발열량을 감소시키고, 골과 결합하는 성질을 부여하기 위하여 예의 노력한 결과, PMMA 분말에 생체 뼈와 붙는 성질을 가지는 CaO-SiO₂겔 분말을 혼합한 다음 MMA 용액을 첨가하여 제조된 골 시멘트가 우수한 생체 적합성을 가진다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 발열량이 감소되고, 골과 직접 결합하는 성질을 가지는 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물 및 상기 혼합물을 이용한 생체활성 골 시멘트의 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 PMMA/CaO-SiO₂골 시멘트의 제조과정을 도시한 것이다.

도 2는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO₂겔 분말을 중량비로 95:5로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료를 박막 X선 회절 분석기로 분석한 X선 회절 패턴을 도시한 것이다.

도 3은 PMMA 분말과 20CaO-80SiO₂겔 분말을 중량비로 95:5로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 경우, 표면의 구조변화에 대한 주사전자현미경 사진이다.

도 4는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO₂겔 분말을 중량비로 70:30으로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료를 박막 X선 회절 분석기로 분석한 X선 회절패턴을 도시한 것이다.

도 5는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO₂겔 분말을 중량비로 70:30으로 혼합하여제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 경우, 표면의 구조변화에 대한 주사전자현미경 사진이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, PMMA 분말과 CaO-SiO₂겔을 함유하는 것을 특징으로 하는 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 혼합물에 경화용액을 첨가하는 것을 특징으로 하는PMMA/CaO-SiO₂골 시멘트의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 PMMA/CaO-SiO₂골 시멘트를 제공한다.

본 발명에 있어서, CaO-SiO₂겔은 Ca(NO₃)·4H₂O 및 PEG의 혼합 수용액에 TEOS(tetraethoxysilane: Si(C₂H₅O₄))를 첨가하고 교반하여 수득되는 것임을 특징으로 할 수 있고, 상기 경화용액은 MMA 용액인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 CaO-SiO₂겔에서, CaO : SiO₂는 몰비로 2:98 ~ 30:70 범위인 것이 바람직하다. CaO의 비가 2% 이하이면 뼈와 붙을 수 있는 생체활성 골 시멘트로서의 역할을 기대할 수 없고. CaO의 비가 30% 이상이면, 졸겔법으로 CaO-SiO₂겔을 제조하기가 곤란하다는 문제점이 있다.

본 발명에 있어서, CaO-SiO₂의 함량은 PMMA 분말과 CaO-SiO₂겔을 합한 것에 대하여 3 ~ 90중량%인 것이 바람직하다. CaO-SiO₂를 90중량% 이상을 첨가하면 경화되지 않는 문제점이 있고, 3중량% 이하를 혼합하면 골과 결합하는데 소요되는 시간 길어지는 단점이 있다 (매식후 4주 이상).

본 발명에서는 생체활성인 세레비탈 결정화 유리분말 혹은 수산아파타이트 섬유 대신에 졸-겔(sol-gel)법으로 제조한 CaO-SiO₂를 주성분으로 하는 겔을 사용한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.

실시예 1: CaO-SiO ₂ 겔의 제조

표 1에 나타낸 것과 같은 여러 가지 조성의 CaO-SiO₂겔을 TEOS(tetraethoxysilane: Si(C₂H₅O₄))을 수용액 중에서 가수분해(hydrolysis)시킨 후 중축합(polycondensation)시켜 제작하였다.

Ca(NO₃)·4H₂O을 용해시킨 증류수에 분자량 10,000의 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG)을 용해시킨 후, 이 용액 속에 촉매로서 질산(nitric acid, 62 wt%)을 첨가하였다.

상기의 용액을 격렬하게 교반시키면서 TEOS를 첨가하고, 용액이 투명할 때까지 교반시킨 후 추가로 5분 동안 교반시켰다. 이 용액을 플라스틱 용기에 옮겨 넣은 후, 뚜껑을 테이프로 밀봉하여 40℃의 오븐 속에 넣어 습윤 겔(wet gel)을 만든 후, 계속해서 18시간 동안 40℃의 오븐 속에서 숙성시켰다.

이렇게 하여 얻어진 습윤 겔을 1 mol/dm³질산용액으로 6시간 동안 세척하여 겔 속의 수용성 PEG를 제거하였다. 이 때 질산 용액은 2시간마다 교환하였다. 질산 용액으로 세척한 습윤 겔을 40℃오븐 속에서 6일간 건조한 다음, 실리코니트 발열체를 사용하는 로(furnace)속에서 열처리를 행하였다. 이때의 승온 속도는 100℃/h로 200~1300℃ 까지 올린 후 그 온도에서 각각 2시간 유지시켜 열처리를 행한 다음, 냉각하여 로의 온도가 상온에 도달한 후 시료를 꺼내어 데시케이터 속에 보관하여 출발원료로 하였다.

[표 1] xCaO-(100-x)SiO₂겔을 제조하기 위한 출발 원료의 양.

CaO-SiO₂겔	출발원료 양(g)
CaO-SiO₂겔	TEOS[Si(OCH₂CH₃)₄]	Ca(NO₃)₂·4H₂O	PEG	62% HNO₃
100SiO₂	6.5100	-	0.70	0.8100
5CaO-95SiO₂	6.1845	0.365	0.665	0.7695
10CaO-90SiO₂	5.8590	0.730	0.630	0.7290
15CaO-85SiO₂	5.5335	1.095	0.595	0.6885
20CaO-80SiO₂	5.2080	1.460	0.560	0.6480
25CaO-75SiO₂	4.8825	1.825	0.525	0.6075
30CaO-70SiO₂	4.5570	2.190	0.490	0.5670

실시예 2: PMMA/CaO-SiO ₂ 시멘트의 제조

실시예 1에서 제조한 xCaO-(100-x)SiO₂겔을 칭량하고 PMMA 분말을 자제 유발을 이용하여 30분간 섞었다 (도 1). 이때 PMMA 분말과 xCaO-(100-x)SiO₂의 혼합비는 표 2와 같다.

[표 2] PMMA 분말과 xCaO-(100-x)SiO₂의 혼합조성

시료	PMMA (g)	xCaO-(100-x)SiO₂(g)
100P	10	-
95P-5C*	9.5	0.5
90P-10C	9	1
85P-15C	8.5	1.5
80P-20C	8	2
75P-25C	7.5	2.5
70P-30C	7	3
65P-35C	6.5	3.5
60P-40C	6	4
55P-45C	5.5	4.5
50P-50C	5	5
45P-55C	4.5	5.5
40P-60C	4	6
35P-65C	3.5	6.5
30P-70C	3	7
25P-75C	2.5	7.5
20P-80C	2	8
15P-85C	1.5	8.5
10P-90C	1	9
5P-95C	0.5	9.5
100C	-	10

*P는 PMMA를 나타내고, C는 xCaO-(100-x)SiO₂를 나타낸다.

표 2와 같은 분말 혼합체 0.971g에 대해 경화 개시제로서 벤졸퍼옥사이드(benzoyl peroxide)를 0.029g을 넣어 다시 30분간 자제 유발로 섞었다. 경화용액(이하 MMA 용액이라 함)은 액상의 MMA 0.992g에 대해 디메틸-파라-톨루엔(N,N-dimethyl-p-tolune)을 0.008g 혼합하여 제조하였다. 상기의 분말 혼합체에 MMA 용액을 첨가하여 시멘트를 만든 다음, 몰드(mould)에 넣어 실린더 타입으로 성형하고 경화될 때까지의 시간을 측정하여 세팅 시간으로 하였다. 시멘트 제조시 분말 혼합체와 MMA 용액의 비는 중량비로 2:1이 되도록 하였다.

실시예 3: 유사체액을 이용한 생체활성의 평가

생체 밖 테스트를 위해, 표 3와 같이, 사람 혈장의 무기이온 농도와 같은 이온 농도를 가지는 유사체액을 NaCl, NaHCO₃,KCl, K₂HPO₄ ·3H₂O, MgCl₂ ·6H₂O, 1N HCl, CaCl₂, Na₂SO₄의 순서대로 상기 폴리에틸렌 비이커의 증류수 속에 첨가하며 제조하였다. 이때, 시약은 먼저 넣은 시약이 완전히 녹은 것을 확인한 후 다음 시약을 넣었다.

최종적으로 비이커 속의 용액의 pH가 36.5℃에서 7.25가 되도록 트리스-완충액(Tris-hydroxymethyl aminomethane: (CH₂OH)₃CNH₂)과 1N-HCl 용액을 사용하여 조절하였다. 폴리스틸렌 병 속에 30㎖의 유사체액(Simulated body fluid)을 넣은 후, 복합체로부터 10 x 15 x 1.5 mm³크기를 가지는 시료를 잘라 그 속에 침적하였다. 뚜껑을 닫은 후, 사람의 체온인 36.5℃와 같은 온도로 조절한 인큐베이터(incubator) 속에 폴리스틸렌 병을 넣어 일정기간 방치하였다.

시료를 36.5℃의 유사체액 속에 일정 기간 침적한 후, 시료를 꺼내어 증류수로 잘 씻은 후 대기 중에서 자연 건조시켰다. 그 표면을 박막 X선 회절 분석(Thin film X-ray diffraction), FT-IR 리플렉션 스펙트로스코피(reflection spectroscopy) 및 주사전자 현미경 관찰을 행하였다.

박막 X선 회절 분석의 경우 시료 표면은 입사 빔（beam）에 대하여 1°가되도록 고정시켰다. FT-IR 리플렉션 스펙트로스코피는 위 경우 반사각은 75°로 고정시켰다. 이 두 가지 측정 기술은 약 1㎛ 두께의 표면 분석을 가능하게 하는 것으로 알려져 있다.

[표 3]

인간 체액과 유사체액(SBF)의 이온 농도(mM)
	Na⁺	K⁺	Mg²⁺	Ca²⁺	Cl^-	HCO₃ ^-	HPO₄ ^2-	SO₄ ^2-
체액	142.0	5.0	1.5	2.5	147.8	4.2	1.0	0.5
SBF	142.0	5.0	1.5	2.5	147.8	4.2	1.0	0.5

도 2는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO₂겔 분말을 중량비로 90:10으로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료를 박막 X선 회절 분석기로 분석한 X선 회절패턴이다. 유사체액에 넣기 전에는 PMMA 골 시멘트의 회절에 기인하는 비정질의 회절패턴만을 볼 수 있다. 침적 1주일 후에도 회절 패턴에는 변화가 없으나 유사체액 침적 후 2주일 후에는 아파타이트에 기인하는 회절 패턴이 나타남을 볼 수 있다. 따라서 PMMA 분말과 20CaO-80SiO₂겔 분말을 중량비로 90:10으로 혼합하여 제조한 골 시멘트는 유사체액 속에서 아파타이트를 형성함을 알 수 있었다.

도 3은 PMMA 분말 대신에 10wt%의 20CaO-80SiO₂겔 분말을 첨가하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 경우 표면의 구조변화를 주사전자현미경으로 찍은 사진이다. 유사체액에 침적하기 전의 표면에는 구형의 PMMA분말과 20CaO-80SiO₂겔 분말을 볼 수 있으나, 침적 후 2주일 후에는 인편상(leaflike)의 아파타이트 입자가 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.

도 4는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO₂겔 분말을 중량비로 70:30으로 혼합하여제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료를 박막 X선 회절 분석기로 분석한 X선 회절패턴이다. 유사체액에 넣기 전에는 도 2와 마찬가지로 PMMA 골 시멘트의 회절에 기인하는 비정질의 회절패턴만을 볼 수 있다. 그러나 침적 1주일 후에 아파타이트에 기인하는 회절 패턴이 나타남을 볼 수 있다. 따라서 PMMA 분말에 대한 20CaO-80SiO₂겔 분말의 첨가량을 증가시키면 유사체액 속에서 그 표면에 아파타이트를 형성하는 속도가 빨라짐을 알 수 있었다.

도 5는 PMMA 분말과 20CaO-80SiO₂겔 분말을 중량비로 70:30으로 혼합하여 제조한 골 시멘트를 유사체액에 넣은 후의 시료 표면의 구조변화를 주사전자현미경으로 찍은 사진이다. 도3과 비교하여 20CaO-80SiO₂겔 분말을10%에서 30중량비로 첨가함에 따라 아파타이트가 골 시멘트의 표면을 완전히 덮고 있음을 볼 수 있었다. 이 결과는 20CaO-80SiO₂겔 분말을 PMMA 분말에 대해 중량비로 10%에서 30%로 늘리면 아파타이트를 형성하는 속도도 빨라져 뼈와 결합할 수 있는 속도도 빨라 질 수 있다는 것을 나타내는 것이다.

본 발명에 따른 PMMA/CaO-SiO₂골 시멘트는 유사체액에 침적하였을 때 그 표면에 아파타이트를 형성하므로 뼈와 결합할 수 있다. 또한, 금속, 폴리머, 세라믹스 등을 뼈에 고정시키는 접착제로 사용이 가능하고, 단기간에 뼈와 강하게 결합하므로 하중 하에서도 사용이 가능하다. 또한 종래의 PMMA 골 시멘트와 마찬가지로 유동성을 가지고 있으므로 골다공증 등에 의해 손상을 입은 부분에 주입하는 주입형(injectable) 골 대체제로도 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 골 시멘트는 정형외과에서 인공 관절 등의 임플란트 고정에 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 뼈나 치아의 수복, 결손부의 보전 등과 정형외과, 뇌외과, 성형외과, 구강외과 영역 등 폭넓은 분야에서의 응용이 가능하며, DDS(Drug Delivery System)에 유용한 약물 담체로도 응용이 가능하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

PMMA 분말과 CaO-SiO₂겔을 함유하는 것을 특징으로 하는 생체활성 골 시멘트 제조용 혼합물.
제1항에 있어서, CaO-SiO₂겔은 Ca(NO₃)·4H₂O 및 PEG의 혼합 수용액에 TEOS(tetraethoxysilane: Si(C₂H₅O₄))를 첨가하고 교반하여 수득된 것임을 특징으로 하는 혼합물.
제1항에 있어서, 상기 CaO-SiO₂겔의 첨가량은 PMMA 분말과 CaO-SiO₂겔을 합한 것에 대하여 3 내지 90중량%인 것을 특징으로 하는 혼합물.
제1항에 있어서, CaO-SiO₂겔의 CaO : SiO₂는 몰비로 2:98 ~ 30:70인 것을 특징으로 하는 혼합물.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 혼합물에 경화용액을 첨가하는 것을 특징으로 하는 PMMA/CaO-SiO₂골 시멘트의 제조방법.
제5항에 있어서, 경화용액은 MMA 용액인 것을 특징으로 하는 방법.
제5항의 방법에 의하여 제조된 PMMA/CaO-SiO₂골 시멘트.