KR20040010200A

KR20040010200A - ＣａＯ-ＳｉＯ2계 생체활성 유리 및 그것을 사용하는인산칼슘 유리 소결체

Info

Publication number: KR20040010200A
Application number: KR1020030048382A
Authority: KR
Inventors: 오가와데츠로; 다다시 고쿠보
Original assignee: 펜탁스 가부시키가이샤; 다다시 고쿠보
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2004-01-31
Also published as: CN1480419A; TW200406364A; US7332452B2; GB2390848A; SG103933A1; TWI283657B; FR2842187A1; GB0316557D0; US20040087429A1; GB2390848B; DE10332086A1

Abstract

실질적으로 30 내지 60 몰%의 CaO, 40 내지 70몰%의 SiO₂, 및 20몰%이하의 Na₂O를 포함하는 조성을 갖는 생체활성 유리는 낮은 유리 전이 온도 및/또는 결정화 온도를 가지며, 소결조제로서 생체 활성 유리를 사용함으로써 얻어진 인산칼슘 유리 소결체는 뛰어난 생체친화성, 기계적 강도 및 소결성을 갖는다.

Description

ＣａＯ-ＳｉＯ2계 생체활성 유리 및 그것을 사용하는 인산칼슘 유리 소결체{CaO-SiO2-BASED BIOACTIVE GLASS AND SINTERED CALCIUM PHOSPHATE GLASS USING SAME}

기술분야

본 발명은 인공 관절, 인공 치근 및 인공 뼈와 같은 골 수복 재료에 사용가능한 CaO-SiO₂계 생체활성 유리, 및 생체활성 유리를 사용한 인산칼슘 유리 소결체에 관한 것이다.

종래기술

인공 재료를 생체의 손상된 영역에 이식할때, 재료는 일반적으로 콜라겐 섬유의 막에 의해 둘러싸이고 따라서 이웃하는 뼈들로부터 고립된다. 그러나, 그러한 섬유질 막에 의해 고립되지 않고 생체에서 뼈에 강하게 연결되는 일부 공지된 인공 재료가 있다. 그러한 인공 재료의 예는 Na₂O-CaO-SiO₂-P₂O₅계 바이오유리, 소결 히드록시아파타이트 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, 및 결정화 유리를 포함한다. 결정화 유리로 공지된 것은 예를 들어, 월라스토나이트 결정 및 히드록시아파타이트 결정과 같은 아파타이트 결정을 함유하는 CaO-MgO-SiO₂-P₂O₅계 생체활성 유리이다. 이들 재료는 생체활성 세라믹스라고 말하며, 그들 중 일부는 중요한 골 수복 재료로서 실용화가 되었다.

소결 히드록시아파타이트는 높은 생체친화성을 갖는 골 수복재료로서 의료적 처치에 널리 사용되어 왔고, 그들의 제조 방법이 널리 연구되어 왔다. 그러나, 최근에 증가하는 보다 생체친화성 인공 뼈 등에 대한 요구로, 생체의 뼈의 성분인 탄산 아파타이트를 함유하는 생체활성 세라믹스를 개발하는 것이 요망된다.

탄산 아파타이트가 히드록시아파타이트보다 분해 온도가 더 낮기 때문에, 탄산 아파타이트 세라믹을 제공하기 위해 비교적 낮은 온도에서 소결을 수행한다. JP 2000-72572 A 는 아파타이트 소결체를 소성가공함으로써 제조된 성형된 임플란트를 개시한다. 그것은 900℃ 이하에서 아파타이트를 소결하고, 소정의 몰드에 소결된 아파타이트를 채우고, 300 내지 780℃에서 소결된 아파타이트를 소성가공하는 단계를 포함한다. 이 방법에서, 소결 온도가 낮기 때문에, 낮은 분해 온도를 갖는 탄산 또는 플루오르화 아파타이트를 사용하여, 높은 생체활성을 갖는 임플란트를 제조할 수 있다. 그러나, 이 임플란트는 아파타이트를 주로 포함하여 다른 결정 상이 없기 때문에 낮은 기계적 강도를 갖는다.

소결조제로서 유리의 사용은 탄산 아파타이트와 같은 아파타이트로 구성되는 골 수복 세라믹 재료의 기계적 강도를 증가시키는 것으로 공지되어 있다. 소결 과정에서, 유리는 아파타이트의 주 결정 주변에서 연화되고, 소결되는 주결정 사이에서 결정들이 석출되고, 그로써 아파타이트 유리 소결체의 기계적 강도가 증가된다.

관례적으로, 생체 비활성 유리는 히드록시아파타이트 소결체의 소결조제로 사용된다. 그러나, 그러한 생체 비활성 유리가 높은 유리 전이 온도 및/또는 결정화 온도를 가지기 때문에, 그들은 탄산 아파타이트의 분해 온도보다 낮은 온도에서 소결함으로써 바람직한 결정을 석출할 수 없다. 따라서, 소결조제로서 생체활성 유리를 사용하여 탄산 아파타이트 소결체는 기계적 강도가 충분하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 유리 전이 온도 및/또는 결정화 온도가 낮은 생체활성 유리와, 높은 생체친화성 및 기계적 강도를 갖도록 생체활성 유리를 사용하는 인산칼슘 유리 소결체를 제공하는 것이다.

도 1은 CaO-SiO₂계 유리의 시차 열분석의 결과를 나타내는 그래프이다.

도 2는 CaO-SiO₂계 유리를 소결하는 과정에서 β-월라스토나이트 결정의 형성을 나타내는 개략도이다.

도 3(a) 내지 3(d)는 히드록시아파타이트 입자들 및 CaO-SiO₂계 유리 입자들로 구성되는 성형체를 소결하는 과정에서 입계의 변화를 나타내는 개략적인 횡단면이고, 여기서, 도 3(a)는 유리 전이 온도보다 더 낮은 온도에서 히드록시아파타이트 입자와 CaO-SiO₂계 유리 입자를 나타내고, 도 3(b)는 유리 전이 온도에 도달한 직후의 입자들을 보여주며, 도 3(c)는 입계 상(유리 상)의 형성과 함께 소결에 의한 치밀화를 보여주며, 도 3(d)는 온도가 결정화 온도에 도달한 후에 β-월라스토나이트 결정의 형성을 보여준다.

도 4(a)와 4(b)는 X-선 구조 분석의 결과를 보여주는 그래프이고, 여기서 도 4(a)는 실시예 1 내지 6의 생체활성 유리의 결과를 보여주고, 도 4(b)는 비교예 1 내지 5의 생체활성 유리의 결과를 보여준다.

도 5는 실시예 7에서의 인산칼슘 유리 소결체의 X선 분석의 결과를 보여주는 그래프이다.

도 6은 실시예 8에서의 인산칼슘 유리 소결체의 X선 분석의 결과를 보여주는 그래프이다.

도 7은 비교예 6에서 히드록시아파타이트 소결체의 X선 분석의 결과를 보여주는 그래프이다.

도 8은 일주일동안 실시예 9의 담체상에서 배양된 HOS 세포의 200배율의 현미경 사진이며;

도 9는 일주일동안 비교예 7의 담체상에서 배양된 HOS 세포의 200배율의 현미경 사진이다.

발명의 개요

상기 목적의 관점에서 집중적인 연구의 결과로, 본 발명자들은 30 내지 60 몰%의 CaO, 40 내지 70몰%의 SiO₂, 및 20몰%이하의 Na₂O를 포함하는 생체활성 유리가 유리 전이 온도 및/또는 결정화 온도가 낮고, 소결 조제로서 생체활성 유리를 사용하는 인산칼슘 유리 소결체는 생체친화성과 기계적 강도가 뛰어나다는 것을 발견하였다. 본 발명은 이러한 발견에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 생체활성 유리는 실질적으로 30 내지 60 몰%의 CaO, 40 내지 70몰%의 SiO₂, 및 20몰%이하의 Na₂O를 포함하는 조성을 갖는다.

본 발명의 생체활성 유리가 CaF₂및/또는 B₂O₃를 더 포함하는 것이 바람직하다. 생체활성 유리는 바람직하게는 790℃ 이하의 유리 전이 온도를 가진다. 생체활성 유리의 유리 전이 온도와 결정화 개시 온도간의 차이는 바람직하게는 80℃이상이다. 생체활성 유리는 결정화될 때, 바람직하게 β-월라스토나이트 결정을 형성한다.

바람직한 구체예에서, 생체활성 유리는 실질적으로 30 내지 60 몰%의 CaO, 40 내지 70몰%의 SiO₂, 그리고 Na₂O, CaF₂및 B₂O₃중의 적어도 한가지가 20몰%이하, CaF₂가 1몰%, 그리고 B₂O₃가 5 몰% 이하를 포함하는 조성을 갖는다. 생체활성 유리는 바람직하게는 실질적으로 P₂O₅가 없다.

본 발명의 인산칼슘 유리 소결체는 소결조제로서 본 발명의 생체활성 유리를 포함한다.

본 발명의 인산칼슘 유리 소결체에 함유된 인산칼슘는 바람직하게 히드록시아파타이트, 탄산 아파타이트 또는 인산삼칼슘이다.

바람직한 구체예의 상세한 설명

[1] 생체활성 유리

본 발명의 생체활성 유리는 30 내지 60 몰%의 CaO, 40 내지 70몰%의 SiO₂, 및 20몰%이하의 Na₂O를 포함하는, 그리고 보다 바람직하게는 실질적으로 40 내지 50 몰%의 CaO, 40 내지 50몰%의 SiO₂, 및 20몰%이하의 Na₂O를 포함하는 조성을 갖는다. 그러한 조성을 갖는 유리는 생체활성 재료로서 사용하기에 바람직한 생체활성을 가지고, 인산칼슘 유리 소결체에서 소결조제로서 사용하기에 바람직한 기계적 강도, 소결성 등을 가진다.

CaO를 포함하는 생체활성 유리는 생체에서 칼슘 이온을 방출하고, 그로써 생체활성을 나타낸다. 용출에 의한 칼슘 이온의 손실 부분을 갖는 생체활성 유리는 주로 산화규소로 구성된다. 실리카 겔 층은 인산칼슘 결정의 핵형성의 기초를 형성하고, 그로써 생체활성 유리는 피질골에 강고하게 연결될 수 있다.

본 발명의 생체활성 유리는 대략 동일한 몰비율을 갖는 주성분으로서 CaO와 SiO₂를 포함한다. 따라서, 생체활성 유리의 조성은 실질적으로 β-월라스토나이트 결정과 동일하고, 그것에 의해 생체활성 유리는 결정화 온도에서 β-월라스토나이트 결정을 쉽게 석출한다. 결정화 온도에서 석출된 결정은 바람직하게는 침상 조직을 갖는 β-월라스토나이트 결정인데 인산칼슘 유리 소결체의 기계적 강도는 다른 결정과 비교하여 그러한 β-월라스토나이트 결정에 의해 더욱 증가되기 때문이다. 종래의 방법에 의해 다량의 P₂O₅를 첨가하여 생체친화성을 개선하는 경우에, 그러나, β-월라스토나이트 결정의 형성은 종종 결정화 온도에서 방해된다.

본 발명의 생체활성 유리는 P₂O₅는 필요로 하지 않고, 증가된 CaO 함량과 함께 개선된 생체친화성을 가진다. 게다가, 생체활성 유리의 유리 전이 온도 및/또는 결정화 온도는 종종 P₂O₅에 의해 증가된다. 본 발명의 생체활성 유리는 P₂O₅가 없다. 따라서, 본 발명의 생체활성 유리는 P₂O₅를 함유하지 않고 그로써 쉽게 β-월라스토나이트를 석출한다.

본 발명의 생체활성 유리에서, CaO 및 SiO₂의 총 몰비는 바람직하게는 90몰% 이상, 보다 바람직하게는 95몰% 이상이다.

인산삼칼슘 Ca₃(PO₄)₂의 결정은 결정화 온도에서 석출될 수 있다. 인산삼칼슘는 히드록시아파타이트와 물리적 성질, 용해성 및 생체친화성이 유사하다. 더욱이, 인산삼칼슘의결정은 인산칼슘 유리 소결체의 생체친화성을 개선할 수 있다.

생체활성 유리의 소결 조제가 (1)낮은 유리 전이 온도 Tg,(2) 인산칼슘의 분해 온도보다 현저히 낮은 결정화 개시 온도 Tc₀, 및 (3)유리 전이 온도와 결정화개시 온도 Tc₀간의 큰 차이 △T를 갖는 경우에 개선된다. 본 발명에서, 용어 "결정화 개시 온도"는 생체활성 유리가 β-월라스토나이트 결정과 같은 결정을 석출하기 시작하는 온도를 의미한다. 특히, 결정화 개시 온도는 시차열분석 곡선의 베이스 라인과 발열 피크의 바닥의 교점의 온도로서 정의된다. 용어 "결정화 온도"는 결정이 생성되는 온도를 의미하는데 시차 열 분석 곡선에서 발열 피크의 온도로서 정의된다.

CaO, SiO₂및 Na₂O의 계에서, 유리 전이 온도 등에 대한 Na₂O 등의 효과를 평가하기 위해, 50몰%의 CaO와 50몰%의 SiO₂로 구성되는 생체활성 유리는 이후에 대조군으로서 사용된다.

도 1의 그래프는 50몰%의 CaO와 50몰%의 SiO₂로 구성되는 생체활성 유리의 100℃ 내지 1100℃로 시차 열 분석에서 온도에 대한 발열 및 흡열 변화를 보여준다. 생체활성 유리는 곡선이 라인 L 위에 있는 온도 범위에서 열을 발생하고, 곡선이 라인 L 아래에 있는 온도 범위에서 열을 흡수한다. 열 흡수의 초기에 곡선의 굴절 포인트에서 접선 a , 대략 라인 b(베이스 라인), 변곡점에서 발열피크의 상승시의 변곡점에서 접선 c 가 흡열 변화를 나타내는 온도 범위에서 시차 열 분석에 주어진다. 유리 전이 온도 Tg는 접선 a와 대략 직선 b 와 결정화 개시 온도 Tc₀는 직선 b와 접선 c의 교점으로부터 얻어진다. 도 1에서, Tc1과 Tc2의 각각은 결정화 온도를 나타내고, △T는 유리 전이 온도 Tg와 결정화 개시 온도 Tc₀의 차이를 나타낸다. 생체활성 유리는 유리 전이 온도 Tg와 결정화 개시 온도 Tc₀사이의 온도 영역에서 연화 거동을 보인다.

낮은 유리 전이 온도 Tg를 갖는 생체활성 유리는 낮은 분해 온도를 갖는 탄산 아파타이트 등에 대한 소결 조제로서 사용될 수 있다. 인산칼슘의 분해 온도보다 낮은 온도 및 결정화 개시 온도 Tc₀보다 더 높은 온도에서 쉽게 소결하기 위해, 결정화 개시 온도 Tc₀는 바람직하게는 대략 400℃ 이상의 차이를 가지고 분해 온도보다 더 낮다. 유리 전이 온도 Tg는 바람직하게는 790℃ 이하, 보다 바람직하게는 770℃ 이하이다. 더욱이, 본 발명의 생체활성 유리는 바람직하게는 유리 전이 온도와 결정화 개시 온도 사이에 큰 차이 △T를 갖는다. 차이 △T가 클때, 소결 온도의 정밀한 제어를 필요로 하지 않고 치밀한 결정이 쉽게 얻어진다. 생체활성 유리의 차이 △T는 바람직하게는 80℃ 이상, 보다 바람직하게는 90℃ 이상이다.

생체활성 유리의 유리 전이 온도 Tg는 Na₂O를 첨가함으로써 낮출 수 있다. 그러나, 과도한 양의 Na₂O는 종종 β-월라스토나이트 결정의 석출을 억제한다. 따라서, Na₂O의 양은 바람직하게는 10몰% 이하, 보다 바람직하게는 5몰% 이하, 특히 바람직하게는 1몰% 이하이다. Na₂O의 양의 하한은 0.1몰%인 것이 바람직하다. Na₂O의 첨가량이 0.1 몰% 미만일때, Na₂O의 첨가의 효과는 실질적으로 얻어지지 않는다.

생체활성 유리에 CaF₂의 첨가는 그것의 유리 전이 온도 Tg를 낮추고 차이 △T를 증가시킬 수 있다. CaF₂를 첨가하면, 유리 전이 온도 Tg와 결정화 개시 온도 Tc₀가 둘다 낮아지고, 결정화 개시 온도 Tc₀의 감소가 유리 전이 온도 Tg 의 감소보다 더 작다. 따라서, 유리 전이 온도 Tg가 낮아지고, 차이 △T가 증가된다. 첨가된 CaF₂의 첨가량은 바람직하게는 1몰% 이하, 더욱 바람직하게는 0.5 몰% 이하이다.

B₂O₃가 생체활성 유리에 첨가될 수도 있다. 소량의 B₂O₃의 첨가는 그것의 유리 전이 온도 Tg 및 결정화 개시 온도 Tc₀를 낮추고 CaF₂의 첨가와 같이 차이 △T를 증가시킬 수 있다. B₂O₃의 첨가량은 바람직하게는 5몰%이하, 더욱 바람직하게는 1몰%이하이다.

Na₂O, CaF₂및 B₂O₃중 적어도 하나는 본 발명의 생체활성 유리에 함유되어야 한다. Na₂O, CaF₂및 B₂O₃가 조합하여 생체활성 유리에 첨가되는 것이 바람직하다. Na₂O, CaF₂및 B₂O₃를 적당히 조합함으로써 바람직한 유리 전이 온도 Tg 및 바람직한 차이 △T 를 갖는 생체활성 유리가 얻어질 수 있다. Na₂O, CaF₂및 B₂O₃의 총량은 바람직하게는 5몰% 이하, 보다 바람직하게는 2몰% 이하이다. Na₂O, CaF₂및 B₂O₃의 총량의 하한은 바람직하게는 0.1 몰%이다.

K₂O, Li₂O, TiO₂, Al₂O₃, MgO 및 ZrO₂와 같은 무기 화합물이 생체활성 유리에 첨가될 수도 있다. 유리 전이 온도 Tg 를 증가시키지 않고 β-월라스토나이트 결정의 형성을 억제하지 않는 무기 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 생체활성 유리의 제조방법에는 특별한 제한은 없다. 생체활성 유리는 JP 60-239341 A 등에 기술된 방법에 의해 제조될 수 있다. 특히, 원하는 조성을 갖는 재료의 분말(CaO, SiO₂, Na₂O, CaF₂, B₂O₃등)을 백금 도가니에 넣고 1200℃내지 1600℃로 약 3시간동안 가열하여 용융 유리를 얻는다. 용융 유리를 몰딩하고 어닐링하여 생체활성 유리를 제조한다. 특별히 제한적이지는 않지만, 생체활성 유리의 형태는 목적에 따라 잉곳, 구, 비즈, 입자, 과립상 등의 형태에서 선택될 수 있다. 생체활성 유리를 하기에 설명될 본 발명의 인산칼슘 유리 소결체를 위한 출발 물질로 사용할때, 생체활성 유리의 직경은 분쇄 또는 분급에 의해 제어될 수 있다.

[2] 인산칼슘 유리 소결체

(a) 인산칼슘 유리 소결체의 조성

본 발명의 인산칼슘 유리 소결체에 함유된 인산칼슘는 바람직하게는 히드록시아파타이트, 탄산 아파타이트 또는 인산삼칼슘이다.

히드록시아파타이트를 가열할때, 그것은 약 1,000℃ 이상에서 점차적으로 히드록실 기를 빼앗겨, 약 1300 ℃ 이상에서 분해를 일으킨다. 따라서, 인산칼슘 유리 소결체를 위해 히드록시아파타이트를 사용하는 경우에, 소결 공정은 바람직하게는 1000℃ 보다 낮은 온도에서 수행된다.

인산칼슘 유리 소결체의 생체친화성은 탄산 아파타이트를 사용함으로써 더욱 증가될 수도 있다. 탄산 아파타이트의 탄산 부분은 히드록시아파타이트의 히드록실기의 제거온도보다 더 낮은 약 900℃보다 높은 온도에서 제거된다. 따라서, 인산칼슘 유리 소결체를 위해 탄산 아파타이트를 사용하는 경우에 소결공정은 바람직하게는 900℃보다 낮은 온도에서 수행된다.

본 발명의 인산칼슘 유리 소결체는 소결조제로서 본 발명의 생체활성 유리를포함한다. 생체활성 유리는 바람직하게는 도 2에 나타낸 바와 같은 결정화 온도에서 β-월라스토나이트 결정을 석출한다. 생체활성 유리에 대한 석출된 β-월라스토나이트 결정의 퍼센트는 바람직하게는 10 내지 100중량%이다.

(b) 인산칼슘 유리 소결체의 제조방법

본 발명의 인산칼슘 유리 소결체는 통상적인 소결법에 의해 제조될 수 있다.

인산칼슘 입자의 평균 입자 직경은 바람직하게는 1 내지 100μm, 보다 바람직하게는 10 내지 20μm이다. 그러한 평균 입자 직경을 갖는 인산칼슘 입자는 스프레이 조립법에 의해 제조될 수 있다. 따라서, 인산칼슘 입자는 미세한 인산칼슘 결정(1차 입자)의 덩어리이다. 인산칼슘 결정은 바람직하게는 1 μm 이하, 보다 바람직하게는 10 내지 500nm의 직경을 갖는 나노 입자의 형태이다.

본 발명의 생체활성 유리의 분쇄 입자는 인산칼슘 입자에 첨가될 수 있다. 생체활성 유리 입자의 평균 입자 직경은 0.1 내지 10μm이고, 보다 바람직하게는 5 μm 이하이다. 인산칼슘 입자에 대한 생체활성 유리의 퍼센트는 바람직하게는 0.5 내지 10중량% , 보다 바람직하게는 1 내지 5중량%이다.

인산칼슘 입자 및 생체활성 유리 입자는 알루미나 볼과 이소프로필 알코올, 에탄올 등과 같은 용매와 습윤 혼합될 수 있고, 건조시켜 소결용 혼합물을 얻을 수 있다. 건조 시간은 바람직하게는 0.5 내지 5 시간, 보다 바람직하게는 2 내지 5 시간이다. 혼합물은 스테인레스 강 몰드 등에 넣고 프레스 성형한 후 냉간 정수압 성형하는 것이 바람직하다.

얻어진 성형체(그린바디)를 소결한다. 성형체의 소결 온도는 바람직하게는700 내지 1300℃, 보다 바람직하게는 700 내지 900 ℃이다. 소결 시간은 바람직하게는 0.5 내지 10 시간, 보다 바람직하게는 2 내지 5시간이다. 소결 과정은 도 3(a) 내지 3(d)의 개략도를 참고하여 설명된다. 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 인산칼슘 입자 및 유리 입자는 균일하게 성형체에 분포되어 있다. 성형체를 유리 전이 온도 이상에서 가열할때, 유리 입자들은 도 3(b)에 나타낸 바와 같이 연화된다. 성형체가 더욱 가열될때, 연화된 유리 입자는 인산칼슘 입자들 사이의 기공안으로 침투하여 치밀화를 야기하고, 그로인해 도 3(c)에 나타낸 입계상(유리 상)을 형성한다.

도 3(d)에 나타낸 바와 같이, 소결 과정이 진행되고 성형체가 유리 성분의 적어도 일부분이 결정을 형성하는 온도에서, 성형체가 가열될 때, 입계 상에서 결정이 석출되어 결정 상을 형성한다. 소결 온도가 소결 과정 내내 인산칼슘의 용융 온도 및 분해 온도보다 낮기 때문에, 인산칼슘 입자는 거의 분해되거나 용해되지 않는다. 따라서, 어떤 유리 성분의 β-월라스토나이트 결정과 같은 결정이 인산칼슘 결정들 사이에 석출되어 치밀한 인산칼슘 유리 소결체를 제공한다. 가열 속도는 바람직하게는 균일하고, 바람직한 가열 속도는 대략 10℃/분이다. 소결 온도는 바람직하게는 1 내지 5시간동안 유리 전이 온도와 결정화 온도 사이에서 유지된다. 인산칼슘 유리 소결체는 바람직하게 노에서 냉각되는 것이 바람직하다.

본 발명은 본 발명의 범위를 제한하려는 의도는 없이 하기 실시예를 참고하여 상세하게 설명될 것이다.

실시예 1

49.5 몰%의 CaO 분말, 49.5 몰%의 SiO₂분말, 및 1몰%의 Na₂O 분말을 혼합하고 2시간동안 1500℃에서 용융시켜, 균일한 조성을 갖는 생체활성 유리 잉곳을 제조하였다.

실시예 2 내지 6

재료 분말을 2시간동안 1500℃에서 용융시켜, 표 1에 나타낸 균일한 조성을 갖는 생체활성 유리 잉곳을 제조하였다.

생체활성유리	조성(몰%)
생체활성유리	CaO	SiO₂	Na₂O	CaF₂	Ba₂O₃
실시예 1	49.5	49.5	1.0	-	-
실시예 2	47.5	47.5	5.0	-	-
실시예 3	40.0	50.0	10.0	-	-
실시예 4	49.5	50.0	-	0.5	-
실시예 5	49.0	49.5	1.0	0.5	-
실시예 6	49.5	49.0	1.0	0.5	1.0

비교예 1 내지 5

재료 분말을 2시간동안 1500℃에서 용융시켜, 표 2에 나타낸 균일한 조성을 갖는 생체활성 유리 잉곳을 제조하였다.

생체활성유리	조성(몰%)
생체활성유리	CaO	SiO₂	P₂O₅
비교예 1	50.0	50.0	-
비교예 2	49.0	51.0	-
비교예 3	40.0	60.0	-
비교예 4	47.5	47.5	5.0
비교예 5	60.0	30.0	10.0

실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 5의 각각의 생체활성 유리를 시차 열 분석을 행하여, 유리 전이 온도 Tg, 결정화 개시 온도 Tc₀, 결정화 온도 Tc, 및 유리 전이 온도와 결정화 개시 온도간의 차이 △T를 얻었다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 6의 각각의 생체 활성 유리는 Na₂O 등이 없는 비교예의 생체활성 유리에 비해, 낮은 유리 전이 온도 Tg를 가졌다. CaF₂를 함유하는 실시예 4 내지 6의 각각의 생체활성 유리는 비교적 큰 차이 △T를 가졌다.

생체활성유리	유리전이온도Tg(℃)	결정화 개시온도Tc₀(℃)	결정화 온도Tc(℃)	유리전이온도와 결정화 개시온도간의 차이△T(℃)
실시예 1	774.4	862.5	882.6	88.1
실시예 2	717.4	859.0	829.3	141.6
실시예 3	662.9	726.0	753.0814.3918.2	63.1
실시예 4	780.4	862.6	883.8	82.2
실시예 5	763.1	859.0	874.9	95.9
실시예 6	746.4	837.4	851.6869.4	91.0
비교예 1	792.9	861.8	880.6914.7	68.8
비교예 2	789.6	866.7	886.2	77.1
비교예 3	780.8	882.2	911.9	101.4
비교예 4	789.1	896.1	944.9	107.0
비교예 5	807.2	873.4	885.9	66.2

실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 5의 각각의 생체활성 유리를 결정화 온도 이상에서 가열하고, 생성된 결정을 X-선 결정 분석에 의해 분석하였다. 실시예 1 내지 6 의 X-선 분석의 결과는 도 4(a)의 그래프에 나타내고, 비교예 1 내지 5의 결과는 도 4(b)의 그래프에 나타낸다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 대략 동일한 몰 양의 CaO와 SiO₂를 함유하는 실시예 1,2 및 4 내지 6 그리고 비교예 1 내지 3의 생체활성 유리에서는 β-월라스토나이트 결정이 주로 생성되었다. 한편으로는, β-월라스토나이트 결정은 P₂O₅를 함유하는 비교예 4와 5의 생체활성 유리에서 거의 석출되지 않았다.

생체활성유리	결정화 온도Tc(℃)	결정계
실시예 1	882.6	β-월라스토나이트≫Na₂CaSiO₄ ⁽¹⁾
실시예 2	829.3	β-월라스토나이트≫Na₂CaSiO_4,Na₂Ca₂SiO₇ ⁽²⁾
실시예 3	753.0814.3918.2	Na₂CaSi₃O₈≫Na₂CaSiO₄Na₂CaSi₃O₈≫Na₂CaSiO₄Na₂CaSi₃O₈≫Na₂CaSiO₄
실시예 4	883.8	β-월라스토나이트
실시예 5	874.9	β-월라스토나이트≫Na₂CaSiO₄
실시예 6	851.6869.4	Na₂CaSiO₄〉β-월라스토나이트β-월라스토나이트〉Na₂CaSiO₄
비교예 1	880.6914.7	β-월라스토나이트β-월라스토나이트
비교예 2	886.2	β-월라스토나이트
비교예 3	911.9	β-월라스토나이트
비교예 4	944.9	α-월라스토나이트〉β-월라스토나이트
비교예 5	885.9	CaSiO₄〉Ca(PO₃)₂
주: (1)">>"는 좌측에 있는 결정이 훨씬 더 많은 양으로 생성되었다는 것을 의미한다.(2)">"는 좌측에 있는 결정이 더 많은 양으로 생성되었다는 것을 의미한다.

실시예 7

실시예 1의 생체활성 유리 잉곳을 10 μm의 평균 입자 직경을 갖는 입자들로 분쇄하고, 그것의 5중량%을 펜탁스 고가쿠고교(주)로부터 입수가능한 히드록시아파타이트 나노 입자들의 덩어리된 입자들(평균 직경:15 μm)의 100중량%에 첨가하였다. 결과된 혼합물을 이소프로필 알코올 및 알루미나 볼을 사용하여 습식혼합하고, 건조시켜 소결용 분말을 얻었다. 0.2g의 분말을 스테인레스 강 몰드에 넣고,프레스 성형하고 냉간정수압성형(CIP)하고, 마무리가공하여 직경 10 mm와 두께 2mm를 갖는 원판상의 성형체를 제조하였다. 성형체를 3시간동안 900℃에서 소결하고 노에서 냉각시켜 히드록시아파타이트 유리의 소결체를 제조하였다. 소결할 때 가열 속도는 10℃/분이었다. 또한, 소결 온도를 1,000℃, 1,100℃ 또는 1200℃로 변화시키는 것을 제외하고는 동일한 방식으로 히드록시아파타이트 유리의 3개의 소결체를 제조하였다. 소결체와 소결 전 성형체를 X선 분석을 행했다. X선 분석의 결과를 도 5의 그래프에 나타낸다.

실시예 8

실시예 5의 생체활성 유리를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 7과 동일한 방식으로 다른 온도에서 소결함으로써 동일한 히드록시아파타이트 유리의 4개의 소결체를 제조하였다. 소결체 및 소결 전 성형체를 X선 분석을 행했다. X선 분석의 결과를 도 6의 그래프에 나타낸다.

비교예 6

실시예 7과 8의 히드록시아파타이트 성형체를 3시간동안 각각 900℃, 1000 ℃, 1100℃ 또는 1200℃에서 소결하였다. 결과된 소결체와 소결 전 성형체를 X선 분석을 행했다. X선 분석의 결과를 도 7의 그래프에 나타낸다.

비교예 6의 경우에, 소결 온도와 상관없이 히드록시아파타이트의 피크만이 검출되었다. 생체활성 유리를 함유하는 실시예 7과 8의 소결체의 경우에, 1000 ℃ 이상에서 소결된 것들은 β-월라스토나이트의 피크를 나타내었고, 1100 ℃ 이상에서 소결된 것들은 더욱 β-인산삼칼슘의 피크를 나타내었다. β-월라스토나이트 상은 입계를 강화하는데 바람직하고, β-인산삼칼슘 상은 생체활성을 향상시키는데 바람직하다.

실시예 9

실시예 5 에서 제조된 생체활성 유리를 하기와 같이 세포 부착성, 세포 증식성 및 알칼리 포스포타제 활성에 관하여 측정하였다: 실시예 5의 생체활성 유리의 시험편(5mm×5mm×2mm)을 고압 증기 멸균시키고, 세포 배양을 위해 24-웰 멀티플레이트(스미토모 바켈라이트 (주)제, 직경:16.3 mm, 배양저면적: 1.8 cm³)에 넣었다. 1.0×10⁴개의 인간 골육종 유래의 HOS 세포(ATCC No. CRL-1543)를 각각의 플레이트에 파종하고, 1mL의 D-MEM 10% FBS (GIBCO-BRL로부터 입수)을 플레이트에 첨가하였다. 세포를 5% CO₂함량의 공기중에서, 37℃에서 60분 또는 7일동안 배양하였다. 7일 배양중에 4일째에 배양 배지를 교환하였다.

비교예 7

HOS 세포를 담체로서 생체활성 유리 대신에 비교예 6의 히드록시아파타이트 소결체(소결 온도:1,000℃)의 시험편(직경:6 mm×2mm)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 9에서와 동일한 방법으로 배양하였다. 히드록시아파타이트 소결체의 세포 부착성, 세포 증식성 및 알칼리 포스포타제 활성을 측정하였다.

배양된 세포를 10% 중성 완충 포르말린 용액에 고정하고, 메틸렌 블루로 염색하고, 광학 현미경과 전자 현미경으로 관찰하였다. 세포 분화를 평가하기 위해, 배양된 세포를 호모게나이즈하고 알칼리 포스포타제 활성을 Alkalipha K-testWako(와코순야쿠고교(주)제)에 의해 측정하였다.

60분 배양후에 실시예 9와 비교예 7에서 사용된 각각의 담체에의 세포의 부착을 관찰하였다. 실시예 9에 따르는 담체의 경우에, 생체활성 유리상에서 세포를 증식시키고, 배양의 4일째에는 거의 컨플루언트 상태에 가까웠다. 7일 배양 후에, 세포를 실시예 9와 비교예 7의 각각의 담체위에서 컨플루언트 상태로 증식시켰다. 일주일 동안 배양한 HOS 세포의 현미경 사진(200배)을 도 8과 9에 나타낸다. 도 8은 실시예 9의 담체에 배양된 HOS 세포를 나타내고, 도 9는 비교예 7의 담체에서 배양된 HOS 세포를 나타낸다. 더욱이, 60분과 7일의 배양 후에 생체활성 유리 및 히드록시아파타이트 소결체에 부착된 세포의 숫자는 표 5에 나타낸다. 비교예 7의 담체는 물론이고, 실시예 9의 담체는 우수한 세포 증식을 제공하였다.

담체	부착세포수
	배양시간
	60분간	7일간
실시예 9	6.8×10³/㎠	1.8×10⁵/㎠
비교예 7	6.0×10³/㎠	2.0×10⁵/㎠

7일의 배양후에 알칼리 포스포타제 활성은 표 6에 나타낸다. 실시예 9의 담체는 비교예 7의 담체보다 알칼리 포스포타제 활성이 더 높았다. 이 결과는 생체활성 유리가 세포 분화에 영향을 준다는 것을 가리킨다.

담체	1㎠당 알칼리 포스파타제 활성(단위:K-A)
실시예 9	2.4
비교예 7	1.1

상기 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명의 생체활성 유리는 실질적으로 30 내지 60 몰%의 CaO, 40 내지 70 몰%의 SiO₂및 20몰% 이하의 Na₂O 를 포함하는 조성을 갖는다. 주성분으로서 CaO와 SiO₂를 함유함으로써, 생체활성 유리는 결정화 온도에서 쉽게 β-월라스토나이트 결정을 석출하여, 우수한 기계적 강도를 초래한다. Na₂O를 함유함으로써, 생체활성 유리는 낮은 유리 전이 온도 및/또는 결정화 온도를 갖는다. 게다가, 본 발명의 생체활성 유리가 CaF₂및/또는 B₂O₃를 함유할때, 유리 전이 온도와 결정화 온도 사이의 차이가 증가된다. 본 발명의 인산칼슘 유리 소결체는 소결조제로서 생체활성 유리를 포함하고, 그로인해 높은 생체친화성 및 우수한 기계적 강도와 소결성을 나타낸다.

Claims

실질적으로 30 내지 60 몰%의 CaO, 40 내지 70몰%의 SiO₂, 및 20몰%이하의 Na₂O를 포함하는 조성을 갖는 생체활성 유리.
제 1항에 있어서, CaF₂를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체활성 유리.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, B₂O₃를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체활성 유리.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생체활성 유리가 790℃ 이하의 유리 전이 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 생체활성 유리.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 유리 전이 온도와 결정화 개시 온도간의 차이가 80℃ 이상인 것을 특징으로 하는 생체활성 유리.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생체활성 유리가 결정화 온도에서 β-월라스토나이트 결정을 석출하는 것을 특징으로 하는 생체활성 유리.
실질적으로 30 내지 60 몰%의 CaO, 40 내지 70몰%의 SiO₂를 포함하며, Na₂O, CaF₂및 B₂O₃중의 적어도 한가지가 20몰%이하, CaF₂가 1몰%, 그리고 B₂O₃가 5 몰% 이하인 조성을 갖는 생체활성 유리.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생체활성 유리가 실질적으로 P₂O₅가 없는 것을 특징으로 하는 생체활성 유리.
소결조제로서 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 열거된 생체활성 유리를 포함하는 인산칼슘 유리 소결체.
제 9항에 있어서, 상기 인산칼슘 유리 소결체는 히드록시아파타이트, 탄산 아파타이트 또는 인산삼칼슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 인산칼슘 유리 소결체.