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실란처리된 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스/상전이된 칼슘포스페이트 복합체 골시멘트의 제조 및 특성평가
Preparation and characterization of silanized-hydroxypropyl methylcellulose/phase transformed calcium phosphate composite bone cements 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.26 no.6, 2016년, pp.243 - 251  

정나현 (부산대학교 재료공학부) ,  김동현 (유펙스.메드 기술개발부) ,  조훈상 (유펙스.메드 기술개발부) ,  윤석영 (부산대학교 재료공학부)

초록
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실란처리된 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스/상전이된 칼슘포스페이트 복합체 시멘트는 향상된 생체적합성을 가지는 주입이 가능한 골시멘트로서 제조 되었다. 복합체 시멘트의 고체상과 액체상으로서 상전이된 칼슘포스페이트와 실란처리된 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스의 결정구조 및 화학적 상태는 XRD 및 FT-IR에 의해 측정 되었고, 시멘트의 조작성 및 기계적 물성은 주입성 및 3점 굽힘 시험에 의해 측정하였다. 체외에서 진행된 골시멘트의 기계적 물성, XRD 및 SEM 결과는 골시멘트의 고유 기능으로서의 향상된 경화거동을 보였다. 또한 골시멘트의 세포독성 결과 향상된 생체적합성을 보였다. 따라서 이러한 주입이 가능한 시멘트는 생체의학 응용에 대한 칼슘포스페이트 시멘트로서 사용이 가능하리라 판단되어진다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Silanized-hydroxypropyl methylcellulose (Si-HPMC)/phase transformed calcium phosphate (PTCP) composites are prepared to purpose application of injectable bone cements with enhanced biocompatibility. The crystal structure and chemical state of the synthesized PTCP and Si-HPMC as solid and liquid phas...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 이후 온도를 100oC까지 올리면서 GPTMS(glycidoxypropyltrimethoxysilane)를 첨가하였다. 100oC에서 3시간 가열한 후, 40oC까지 온도를 떨어트린 후에 중성반응을 위하여 아세트산을 첨가하였다. 30분 후, 혼합물의 여과 및 불순물의 제거를 위하여 아세톤으로 2번 수세하여 얻은 분말을 50oC에서 1시간 건조하였다.
  • C온도의 인큐베이터에서 침적 실험을 하였으며, 일정한 이온 농도를 유지하기 위하여 HBSS을 2일마다 교환해주었다. 1주, 2주, 4주 침적 후 잔류 HBSS를 제거하기 위해 수세 및 건조시켰다. 침적 시간에 따른 상전이 칼슘포스페이트 골시멘트의 형상, 결정상 및 압축 강도의 변화를 XRD, 주사전자현미경(FE-SEM, MIRA3 TESCAN, Czech republic) 및 만능재료시험기로 분석하였다.
  • 250 ml의 탈이온 증류수에 Ca(NO3)2 · 4H2O 및 (NH4)2HPO4을 첨가한 후 NH3(JUNSEI Chemical, Japan)를 천천히 첨가하여 pH 11로 조절하여 공침시켰다.
  • MG-63 cells(human osteosarcoma cell line)을 상전이된 칼슘포스페이트 분말(α-TCP/HAp)과 칼슘포스페이트 시멘트를 첨가한 96-well plate와 첨가하지않은 96-well plate에서 6, 12, 24 그리고 48시간 동안 배양하였다.
  • 골시멘트 액상 재료인 Si-HPMC 분말을 합성하기 위하여 n-heptane과 1-propanol이 혼합된 용액을 교반하면서 HPMC 분말과 NaOH 분말을 첨가하였다. 혼합물에 질소가스를 투입하여 상온에서 45분 동안 유지시켰다.
  • 칼슘포스페이트 시멘트의 액체상을 제조하기 위하여 합성한 Si-HPMC에 대하여 파수 400~4000 cm−1 범위에서 적외선 분광 분석(PerkinElmer, Spectrum GX, USA)을 실시하였다. 골시멘트의 주입성검사(injectability)를 측정하기 위하여 syringe pump(KD Scientific, KDS100, USA)를 이용하였다. 시멘트의 굽힘 및 압축강도를 측정하기 위하여 테프론 몰드를 이용하여 시편을 제조 하였고, 경화과정을 거친 시편을 만능재료시험기(TXA, YEONJIN, KOREA)로 측정하였다.
  • 시멘트의 굽힘 및 압축강도를 측정하기 위하여 테프론 몰드를 이용하여 시편을 제조 하였고, 경화과정을 거친 시편을 만능재료시험기(TXA, YEONJIN, KOREA)로 측정하였다. 또한 골시멘트의 다공성 측정을 위해 수은기공 측정기(Micromeritics, USA)을 이용하여 측정하였다.
  • 반응생성물의 여과 및 미 반응물을 제거하기 위해 1 μm의 미세필터를 이용하여 증류수로 최소한 5회 이상 반복적으로 수세하였다.
  • 본 연구에서 biphasic calcium phosphate(BCP, β-TCP/ HAp)를 제조하기 위해 시약급의 Ca(NO3)2 · 4H2O(JUNSEI Chemical, Japan)과 (NH4)2HPO4(JUNSEI Chemical, Japan)을 공침 및 하소처리과정을 통해 합성하였다.
  • 본 연구에서는 β-TCP/HAp로 이루어진 BCP 분말을 열처리를 통해 α-TCP/HAp로 상전이(phase transition) 시킨 칼슘포스페이트 분말(PTCP)을 합성하였고, 골시멘트의 특성 중 하나인 주입성을 향상시키기 위해 Si-HPMC를 액상 재료로 적용하여 골시멘트를 제조하였다.
  • 본연구에 있어 HPMC를 실란 처리하고 칼슘포스페이트를 상전이시켜 향상된 골시멘트를 제조하였다. 이러한 골시멘트의 기계적 성질과 주입성을 조절하는 중요한 요소는 고분자의 실란처리 및 액상과 고상의 비율에 있다고 판단되어진다.
  • 골시멘트의 주입성검사(injectability)를 측정하기 위하여 syringe pump(KD Scientific, KDS100, USA)를 이용하였다. 시멘트의 굽힘 및 압축강도를 측정하기 위하여 테프론 몰드를 이용하여 시편을 제조 하였고, 경화과정을 거친 시편을 만능재료시험기(TXA, YEONJIN, KOREA)로 측정하였다. 또한 골시멘트의 다공성 측정을 위해 수은기공 측정기(Micromeritics, USA)을 이용하여 측정하였다.
  • 본 연구에서는 β-TCP/HAp로 이루어진 BCP 분말을 열처리를 통해 α-TCP/HAp로 상전이(phase transition) 시킨 칼슘포스페이트 분말(PTCP)을 합성하였고, 골시멘트의 특성 중 하나인 주입성을 향상시키기 위해 Si-HPMC를 액상 재료로 적용하여 골시멘트를 제조하였다. 아울러 제조된 Si-HPMC/PTCP 골시멘트의 주입성, 기계적 특성, 유사체액내 침적 후 경화거동을 관찰하였다.
  • 의사체액에 침적된 골시멘트의 기계적 물성을 특성평가 하기 위해 제조한 HBSS 50 ml에 상전이 칼슘포스페이트 골시멘트를 1주, 2주, 4주간에 걸쳐 37oC온도의 인큐베이터에서 침적 실험을 하였으며, 일정한 이온 농도를 유지하기 위하여 HBSS을 2일마다 교환해주었다. 1주, 2주, 4주 침적 후 잔류 HBSS를 제거하기 위해 수세 및 건조시켰다.
  • 이러한 과정을 통해 얻어진 BCP 분말을 상전이(α-TCP/HAp) 시키기 위해 1400oC에서 10시간 동안 하소한 후, 자동유발기를 이용하여 분쇄하고 체가름을 실시하였다.
  • 건조된 분말을 아세톤/증류수(85 : 15(v/v))으로 3번 연속적으로 수세한 후 50oC에서 하루동안 건조시켰다. 이런 과정을 통해 얻어낸 Si-HPMC 분말을 0.2 M NaOH 용액에 용해시켜 두 가지 농도(2, 4 % w/v)의 Si-HPMC 용액을 제조하였다. 칼슘포스페이트 시멘트의 액체상으로 사용하기 위하여, 제조된 Si-HPMC 용액에 30 wt% NaH2PO4 용액을 첨가하여 Si-HPMC 용액을 겔화(gelation) 시키고, 최종 pH 범위를 7~8이 되도록 하였다.
  • 혼합물에 질소가스를 투입하여 상온에서 45분 동안 유지시켰다. 이후 온도를 100oC까지 올리면서 GPTMS(glycidoxypropyltrimethoxysilane)를 첨가하였다. 100oC에서 3시간 가열한 후, 40oC까지 온도를 떨어트린 후에 중성반응을 위하여 아세트산을 첨가하였다.
  • 측정조건은 5o~90o(2θ)의 측정 범위를 40 kV, 40 mA, 스캔 속도 1o /min의 조건으로 분석하였고, 리트 벨트 분석을 통해 상분율을 측정하였다.
  • 1주, 2주, 4주 침적 후 잔류 HBSS를 제거하기 위해 수세 및 건조시켰다. 침적 시간에 따른 상전이 칼슘포스페이트 골시멘트의 형상, 결정상 및 압축 강도의 변화를 XRD, 주사전자현미경(FE-SEM, MIRA3 TESCAN, Czech republic) 및 만능재료시험기로 분석하였다.
  • 0)에 따라 제조되었다. 칼슘 포스페이트 시멘트의 액체상(이하 L로 표기)과 고체상(이하 P로 표기)을 L/P 비율에 따라 무게를 측정하고 유발에 넣어 혼합하였다. 전체적인 제조법은 Fig.
  • 칼슘포스페이트 골시멘트는 액체 상과 분말 상의 비율 (L/P ratio; 0.4, 0.6, 0.8, 1.0)에 따라 제조되었다. 칼슘 포스페이트 시멘트의 액체상(이하 L로 표기)과 고체상(이하 P로 표기)을 L/P 비율에 따라 무게를 측정하고 유발에 넣어 혼합하였다.
  • 2 M NaOH 용액에 용해시켜 두 가지 농도(2, 4 % w/v)의 Si-HPMC 용액을 제조하였다. 칼슘포스페이트 시멘트의 액체상으로 사용하기 위하여, 제조된 Si-HPMC 용액에 30 wt% NaH2PO4 용액을 첨가하여 Si-HPMC 용액을 겔화(gelation) 시키고, 최종 pH 범위를 7~8이 되도록 하였다.
  • 칼슘포스페이트 시멘트의 액체상을 제조하기 위하여 합성한 Si-HPMC에 대하여 파수 400~4000 cm−1 범위에서 적외선 분광 분석(PerkinElmer, Spectrum GX, USA)을 실시하였다.
  • 굽힘 강도는 시편의 파단이 일어나기 직전의 최대 응력 값이다. 합성된 Si-HPMC를 액상재료로 고정하고 L(Si-HPMC액상)/P(PTCP 고체분말) 비율에 따른 골시멘트의 굽힘강도를 측정하였다. L/P 비율이 증가함에 따라 굽힘 강도 값은 감소하였다(Fig.

대상 데이터

  • BCP 분말의 합성조건은 선행실험 결과에 근거하여 목표한 HAp와 β-TCP의 60 : 40 비율이 되기 위해 Ca(NO3)2 ·4H2O와 (NH4)2HPO4를 Ca/P 몰 비 1.602에 맞추어 정량하였다.
  • 이는 1400oC에서 열처리 과정을 통해 β-TCP가 α-TCP로 상전이 되었음을 짐작할 수 있었고, HAp와 α-TCP로 이루어진 상전이 칼슘포스페이트 분말(PTCP)은 골시멘트의 분말 부분으로 사용하였다.

이론/모형

  • 공침법으로 합성한 칼슘포스페이트 분말상을 확인하기 위하여 X-선 회절분석장치(XRD, Ultima IV, Japan)를 이용하였다. 측정조건은 5o~90o(2θ)의 측정 범위를 40 kV, 40 mA, 스캔 속도 1o /min의 조건으로 분석하였고, 리트 벨트 분석을 통해 상분율을 측정하였다.
  • 제조한 골시멘트에 대하여 3점 굽힘 시험(three-point bending test)을 실행하고 이에 대한 파단면 관찰과 굽힘 강도 및 탄성계수 값을 Fig. 5에 나타내었다. 굽힘 강도는 시편의 파단이 일어나기 직전의 최대 응력 값이다.
  • 합성한 상전이 칼슘포스페이트 분말과 칼슘포스페이트 시멘트의 독성을 평가하기 위하여 세포생존율 평가(MTT assay)를 하였다. MG-63 cells(human osteosarcoma cell line)을 상전이된 칼슘포스페이트 분말(α-TCP/HAp)과 칼슘포스페이트 시멘트를 첨가한 96-well plate와 첨가하지않은 96-well plate에서 6, 12, 24 그리고 48시간 동안 배양하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
골시멘트의 종류에는 무엇이 있는가? 이러한 골시멘트는 일반적으로 인체에 무해한 생체적용 고분자 및 경화액체가 포함된 액상 부분과 고체상인 분말형태와의 혼합물질로 구성되어 있으며, 완전히 경화되기 전까지 유동성을 유지하므로 시술 시에는 두 부분이 혼합된 고점도의 액상 상태로 주사기 혹은 수작업으로 적용되고 있다. 골시멘트의 종류는 크게 PMMA(polymethyl methacrylate)계와 인산칼슘 (calcium phosphate)계로 구분할 수 있다 [1, 2]. PMMA 계 시멘트의 경우에는 자기경화에 의한 내구성과 접착력에서 장점을 있으나 시술 후, 재료 자체의 비분해성에 의한 단점을 가지고 있으며, 종종 단량체의 용출로 인해 세포 독성을 증가시키고 중합 반응에 의한 발열로 세포 괴사를 야기할 수도 있다.
PMMA 계 시멘트의 장단점은? 골시멘트의 종류는 크게 PMMA(polymethyl methacrylate)계와 인산칼슘 (calcium phosphate)계로 구분할 수 있다 [1, 2]. PMMA 계 시멘트의 경우에는 자기경화에 의한 내구성과 접착력에서 장점을 있으나 시술 후, 재료 자체의 비분해성에 의한 단점을 가지고 있으며, 종종 단량체의 용출로 인해 세포 독성을 증가시키고 중합 반응에 의한 발열로 세포 괴사를 야기할 수도 있다. 이와 달리 인산칼슘계 시멘트는 생체친화성과 생체흡수성에 장점을 가지고 있음에도 불구하고 PMMA계 골시멘트 보다 상대적으로 낮은 기계적 물성과 높은 취성을 가지고 있는 단점을 가지고 있어 이를 보완하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다[3-7].
인산칼슘계 골시멘트의 고유한 한계 극복을 위해 혼합하는 고분자의 종류로는 무엇이 있는가? 이러한 연구 중, 조작성(handling property)과 같은 인산칼슘계 골시멘트의 고유한 한계를 극복하기 위한 방법으로 고분자를 혼합하려는 연구가 가장 관심을 받고 있다. 특히, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(hydroxypropyl methylcellulose, HPMC)와 메틸셀룰로오스(methylcellulose, MC) 같은 셀룰로오스 에테르는 생체적합성이 우수하고 적은 양으로도 주입성과 응집력(cohesion) 및 파괴 인성(fracture toughness)을 향상시킨다. 그럼에도 불구하고, 초기 이식부위에 있어 이러한 고분자가 적용된 골시멘트는 이식 후 유실이 되는 단점이 있어, 이를 보완하기 위해 silane 처리된 HPMC(silanized-hydroxypropyl methylcellulose, Si-HPMC)의 자가 가교반응(self-crosslinking)을 이용하여 인산칼슘계 골시멘트의 조작성을 증가시키는 연구가 진행 중이다[11-19].
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참고문헌 (19)

  1. S.Y. Kim and S.H. Jeon, "Setting properties, mechanical strength and in vivo evaluation of calcium phosphate-based bone cements", J. Ind. Eng. Chem. 18 (2012) 128. 

  2. W. Liu, J. Zhang, G. Rethore, K. Khairoun, P. Pilet, F. Tancret, J.M. Bouler and P. Weiss, "A novel injectable, cohesive and toughened Si-HPMC (silanized-hydroxypropyl methylcellulose) composite calcium phosphate cement for bone substitution", Acta Biomater. 10 (2014) 3335. 

  3. T.M. Turner, R.M. Urban, K. Singh, D.J. Hall, S.M. Renner, T.H. Lim, M.J. Tomlinson and H.S. An, "Vertebroplasty comparing injectable calcium phosphate cement compared with polymethylmethacrylate in a unique canine vertebral body large defect model", Spine J. 8 (2008) 482. 

  4. D. Meng, L. Dong, Y. Wen and Q. Xie, "Effects of adding resorbable chitosan microspheres to calcium phosphate cements for bone regeneration", Mater. Sci. Eng. C 47 (2015) 266. 

  5. C.J. O'Dowd-Booth, J. White, P. Smitham, W. Khan and D.R. Marsh, "Bone cement: perioperative issues, orthopaedic applications and future developments", J. Perioper. Pract. 21 (2011) 304. 

  6. M.P. Ginebra, C. Canal, M. Espanol, D. Pastorino and E.B. Montufar, "Calcium phosphate cements as drug delivery materials", Adv. Drug Deliv. Rev. 64 (2012) 1090. 

  7. L. Comuzzi, E. Ooms and J.A. Jansen, "Injectable calcium phosphate cement as a filler for bone defects around oral implants: an experimental study in goats", Clin. Oral Impl. Res. 13 (2002) 304. 

  8. R.G. Carrodeguas and S. De Aza, "Alpha-tricalcium phosphate: Synthesis, properties and biomedical applications", Acta Biomater. 7 (2011) 3536. 

  9. K. Hurle, J. Neubauer, M. Bohner, N. Doebelin and F. Goetz-Neunhoeffer, "Effect of amorphous phases during the hydraulic conversion of ${\alpha}$ -TCP into calcium-deficient hydroxyapatite", Acta Biomater. 10 (2014) 3931. 

  10. S. Sarda, E. Fernandez, M. Nilsson, M. Balcells and J.A. Planell, "Kinetic study of citric acid influence on calcium phosphate bone cements as water-reducing agent", J. Biomed. Mater. Res. 61 (2002) 653. 

  11. Z. Kojic, D. Stojanovic and S. Popadic, "The irritative property of a-tricalcium phosphate to the rabbit skin", Gen. Physiol. Biophys. 28 (2009) 168. 

  12. M. Habib, G. Baroud, F. Gitzhofer and M. Bohner, "Mechanisms underlying the limited injectability of hydraulic calcium phosphate paste. Part II: Particle separation study", Acta Biomater. 6 (2010) 250. 

  13. R. Schmidt, B. Cakir, T. Mattes, M. Wegener, W. Puhl and M. Richter, "Cement leakage during vertebroplasty: an underestimated problem?", Eur Spine J. 14 (2005) 466. 

  14. I. Khairoun, F.C. Driessens, M.G. Boltong, J.A. Planell and R. Wenz, "Addition of cohesion promotors to calcium phosphate cements", Biomaterials 20 (1999) 393-398. 

  15. C. Canal and M.P. Ginebra, "Fibre-reinforced calcium phosphate cements: A review", J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4 (2011) 1658. 

  16. Y.K. Lee, B.S. Lim and C.W. Kim, "Mechanical properties of calcium phosphate based dental filling and regeneration materials", J. Oral Rehabil. 30 (2003) 418. 

  17. M. Bohner, "Physical and chemical aspects of calcium phosphates used in spinal surgery", Eur Spine J 10 (2001) S114. 

  18. W. Liu, J. Zhang, P. Weiss, F. Tancret and J.M. Bouler, "The influence of different cellulose ethers on both the handling and mechanical properties of calcium phosphate cements for bone substitution", Acta Biomater. 9 (2013) 5740. 

  19. C. Vinatier, D. Magne, A. Moreau, O. Gauthier, O. Malard, C. Vignes-Colombeix, G. Daculsi, P. Weiss and J. Guicheux, "Engineering cartilage with human nasal chondrocytes and a silanized hydroxypropyl methylcellulose hydrogel", J. Biomed. Mater. Res. A 80 (2007) 66. 

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