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1 Biomaterials Research (2009) 13(4) : Biomaterials Research C The Korean Society for Biomaterials 알긴화합물이도입된인산칼슘시멘트의제조및특성분석 Preparation and Characterization of Calcium Phosphate Cement Incorporated with Alginic Compounds 남동진 1,2 유주석 3 권순용 3 최동훈 1 김승수 2 * Dong jin Nam 1,2, Ju-Seok Yoo 3, Soon Yong Kwon 3, Dong hoon Choi 1, and Sung soo Kim 2 * 1 고려대학교이과대학화학과, 2 한국화학연구원나노바이오융합연구센터, 3 가톨릭대학교의과대학정형외과 1 Department of Chemistry, Korea University, Seoul, , South Korea 2 NanoBio Fusion Research Center, P.O Box 107, Sinseongno 19, Yuseong-Gu, Daejeon , South Korea 3 Department of Orthopedic Surgery, CollegeofMedicine,TheCatholicUniversityofKorea,Seoul,Korea (Received November 9, 2009/Acccepted November 13, 2009) Calcium phosphate cements (CPCs) incorporated with alginic acid (Alg) and sodium alginate (Alg-Na) were prepared and characterized to compare the effects of the alginic compounds on CPC properties. A powder component of the CPC was α-tricalcium phosphate (α-tcp) powders and its liquid component was an aqueous solution of sodium hydrogen phosphate. The alginic compounds were dissolved in the liquid component. The CPC was characterized by the measurement of dynamic viscosity, ph, initial setting time, water absorbance, and mechanical strength. The characterization of CPC material properties were performed using SEM, FT-IR, and XRD. A radical increase in dynamic viscosity of the CPC with 0.7 wt% alginic acid was shown between approximately 100 and 120 sec, while that of the CPC with 0.7 wt% sodium alginate was shown at approximately 400 sec. The CPC ph was decreased by the addition of alginic acid and reached to near neutral. The diametral tensile and compressive strengths of the CPC incorporated with above 0.7 wt% alginic acid were significantly higher than that of cement incorporated with sodium alginate at equivalent concentrations (p < 0.05). The maximal diametral tensile and compressive strengths of the CPC with alginic acid, incubated for 1 week in physiological saline solution were approximately 2.3 and 13.2 MPa, Key words: Calcium phosphate cement, α-tricalcium phosphate, alginic acid 골 서 시멘트란생체재료의일종으로손상된골결손부위를채워주거나뼈와임플란트사이의빈공간을채워주어둘사이를고정하고안정화시켜주는역할을한다. 현재가장일반적으로사용되고있는주입형골시멘트는 PMMA를기본으로한아크릴계시멘트가있다. 이아크릴계시멘트는상온에서경화되어시술이간편하고적절한기계적강도를유지하여뼈와이식물사이에가해지는압력을효과적으로분배하여환자의통증감소와빠른회복력을유도하는장점이있다. 1) 그러나주입시중합열로인해주변세포가괴사된다는점, 미반응의단량체용출로인한세포독성의증가, 시멘트의수축, 생분해되지않고체내에지속되어신생골형성에의한골유합을방해한다는점등이단점으로지적되고있다. 2,3) 이러한문제점을해결하기위하여최근생체친화성이우수한인산칼슘계시멘트 (Calcium phosphate cement, CPC) 가대두되고있다. CPC는 1986년 Brown과 Chow가처음으로발표 * 책임연락저자 : sskim@krict.re.kr 론 하였고, 이어서 Mirtchi와 Lemaitre에의해 β-제3 인산칼슘 (β- TCP) 과제1인산칼슘수화물 (MCPM) 의반응에의한 Brushite 시스템에관한연구가발표되었으며, 그후일련의 CPC에관한연구가진행되어제품화되기시작되었다. 3,4) 주입형 CPC는일반적인수술방환경에서사용할수있고, 물속에서낮은발열반응으로도자가경화반응이효과적으로발생되고, 생체친화성이우수하며현재임상에서효과적으로다양하게사용되고있으며골조직과유사한화학적구성및구조를갖는다. 대표적인분야로는골다공증골절과연관되는원위요골부골절, 척추골절, 척추유합, 양성골종양및인공관절재치환술그리고치과적재건술및치조골이식등이있다. 특히주사형태로의이식이가능하여비침습적인척추수술분야에서도효과적이다. 5,6) 그러나무기입자와수용액만으로제조된 CPC는점도가낮아체내이식시체액에의하여유실 (wash-out) 되는문제점이있고또한초기강도의취약성과연관된다수의보고가있다. 3,7) 이러한문제점을보완한적절한생분해성과생역학적우수성을동시에가지는적용이용이한새로운주사형인산칼슘계골대체물질의필요성및이에대한연구가대두되고있다. 8,9) 144

2 알긴화합물이도입된인산칼슘시멘트의제조및특성분석 145 본연구에서사용되는알긴산화합물은많은음이온의카르복실기를함유하고있어서, Ca 2+, Mg 2+ 와같은 2 가양이온과반응하여겔을형성하는성질을가지고있어서타화합물과혼합시점도를효과적으로높이며, 무독성이고생체적합성이있어최근약물전달시스템혹은조직공학에서매트릭스담체로사용되고있다. 10,11) 알긴산염은 CPC 의유실방지를위해연구된바있다. 본연구에서는중성인알긴산염과산성인알긴산을 CPC 에도입하여 CPC 의특성에미치는영향을상호비교연구하였다. 즉 α- 제 3 인산칼슘 (α-tcp) 을기본으로한 CPC 에알긴산염및알긴산을도입하여 CPC 의 ph, 동적점도, 경화시간, 기계적강도등과같은시멘트의물성과결정형태및조성변화등에관해상호비교연구를행하였다. 재료및방법 α-tcp 제조 α-tcp 제조를위하여인산수소칼슘 (CaHPO 4, Sigma Chemical) 과탄산칼슘 (CaCO 3, Sigma Chemical) 을 2:1의몰비 (molar ratio) 로볼밀에넣은후, 적정량의에탄올을첨가한다음 24시간동안분쇄하였다 (Ca/P의몰비 = 1.5). 12) 건조된입자를 1300 o C의전기로에서 12시간동안소성시킨후, 실내온도에서급냉하였다. 얻어진괴상의 α-tcp 는볼밀에서 24 시간동안분쇄한후, 채의직경이 38 µm인자동체 (automatic siever) 를이용하여, 가능한균일한 α-tcp 분말을얻었다. 본실험에서사용한 α-tcp 의입자크기는약 ± 0.5 µm이었다. 인산칼슘시멘트의제조 CPC 의분말상은직접제조한 α-tcp 를단독으로사용하였고, 시멘트액상은 2.5 wt% 인산수소이나트륨 (Na 2 HPO 4, Merck) 수용액에알긴산및알긴산염 (Hayashi Pure Chem. Ind., Japan) 을각각 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 wt% 넣어혼합제조하였다 (Table 1). 시멘트제조는 α-tcp 분말상과시멘트액상의무게비율을 2:1 로칭량하여상온에서골고루 60 초간직접혼합 (hand-mixing) 하여제조하였다. Table 1. Sample names and amounts of incoporated alginic compounds of the experimented calcium phosphate cements. Sample name Alg-Na (g) Alg (g) 2.5% SHP soln (g) No polymer wt% Alg-Na wt% Alg-Na wt% Alg-Na wt% Alg-Na wt% Alg-Na wt% Alg wt% Alg wt% Alg wt% Alg wt% Alg 동적점도 CPC 죽상의동적점도 (dynamic viscosity) 변화를측정하기위해시멘트의분말상과액상을상온에서약 1분간혼합한후, 즉시죽상약 5g을사용하여동적점도계 (rheometric dynamic spectrometer, Rheometric RDA-III, Rheometric scientific TM ) 로측정하였다. 이때측정조건은진동수 10 Hz, 5% constant strain으로설정하여측정하였다. 또한임상적용시같은온도를맞추기위하여측정온도는체내와같은 37 o C를유지하여측정하였다. ph 측정 CPC 의 ph 변화를조사하기위하여각각혼합비율에따라준비된시멘트약 10 g 을죽상의상태로상온에서 1 분간혼합하였다. 혼합된죽상을바로 30 ml 의 PBS 용액 (Phosphate Buffered Saline, ph = 7.4) 에넣어체내온도와같은 37 o C 배양기 (incubator) 에넣어서 5 분간격으로꺼내어 60 분간측정하였다. 경화시간측정각각분말상 / 액상혼합비율에따라준비된시멘트를원통형의플라스틱몰드에넣어 PBS 용액에담근후, 체내온도와같은 37 o C 를유지시키면서유리주사기 (100 g) 를접촉하여압력을가하여자국이남지않을때를각시료의경화시간으로하였다 (Gilmore needle method). 이때각시료당 5 회씩측정하여평균값을계산하였다. 물흡수도측정각각혼합비율에따라준비된죽상의시멘트를원통형의몰드에넣어만든시료를체내온도와같은 37 o C 의 PBS 용액에넣어 3 일간경화시켰다. 이시료의물흡수도를측정하기위하여각시료를 100 ml 의 PBS 용액에넣고체내온도와같은 37 o C 를유지시키며하루동안보관한후, 시료표면의물을필터지로제거한후시료무게를측정하였다 ( 팽윤무게, Wt wet ). 팽윤된시료는 80 o C 건조오븐에서충분히건조한다음시료무게를측정하였다 ( 건조무게, Wt dry ). 이때각소재당시료수 (n) 는 5 개로하였다. 물흡수도는다음과같은식에의하여계산하였다. water absorbance (%)= Wt wet Wt dry 100 Wt wet 기계적강도측정 CPC 의기계적인물성을알아보기위해간접인장강도및압축시험을행하였다. 모든시료는 1 분동안상온에서수동으로혼합한후직경 6mm 의원통형몰드에넣어체내온도와같은 37 o C 의 PBS 용액에넣어보관하여 3 일간경화시켰다. 간접인장강도용시편은직경 6 mm, 높이 3mm 의규격으로가공하였고압축강도용시편은높이 12 mm 의규격으로제조하였다. 기계적강도측정은만능재료시험기 (Universal Testing Machine, UTM 4482) 를사용하였으며, 간접인장강도측정은 Vol. 13, No. 4

3 146 남동진 유주석 권순용 최동훈 김승수 Figure 2. The variation of initial viscosity of CPCs according to the amount of sodium alginate and alginic acid. Rotaflex diffractometer (D/Max-2200 Ultima/PC, rotating Cu target, 3 KW X-ray and set to 40 kv and 40 ma, Rigaku co., Tokyo, Japan) 를이용하여측정하였다. 각샘플은 10 초당 0.02 o 간격의단계별주사형태로 20 o 에서 40 o 까지를측정하였으며, 최상계수 (peak index) 는상품화된카드 (Joint Committee on Powder Diffraction Standards, Rigaku co., Tokyo, Japan) 를이용하였다. α-tcp는 JCPDS 를, hydroxyapatite (HA) 는 JCPDS-9-432를각각이용하였다 (Joint Committee on Powder Diffraction Standards, 1988). Figure 1. The change of dynamic viscosity of CPCs versus time (a: CPC with sodium alginate; b: CPC with alginic acid). cross-head speed 가 20.0 mm/min 이었고, 압축시험의 crosshead speed 는 1.0 mm/min 이었다. 각시료당 5 개이상의시편을측정하였다. 간접인장강도 (diametral tensile strength, DTS) 는다음의식을사용하여계산하였다 : DTS( Mpα) = L dh 여기에서 L 은부하압력, d 는시료직경, h 는시료높이이다. 소재특성분석 CPC 표면의형태학적분석을위하여, 기계적강도실험후파괴된시편의파단면을 SEM (Scanning Electron Microscopy, JSM-840A, JEOL) 을이용하여관찰하였다. 또한적외선분광기 (FT-IR spectroscopy, EQUINOX 55, Buker) 를이용하여시료내의특정결합의작용기에대한화학적분석을행하였다. CPC 의결정상태의특성을조사하기위하여 WAXS (wide angle X-ray diffraction) 분석하였는데, 0.02 o 의입사각에서 Rigaku 통계분석알긴산및알긴산염의함유량에따른 α-tcp 시멘트들간의동적점도, 경화시간, 물흡수도, 기계적강도와같은물질특성의측정결과에대한통계학적분석은 SPSS Ver 프로그램 (SPSS Inc, Chicago, IL, USA) 을이용하였다. 유의수준이 0.05 이하일때통계학적으로의의가있는것으로판정하였다. 결 동적점도 CPC 는채내이식시체액에의하여유실될수있다. 특히출혈중인환부에적용할때는경화시간이늦어지고유실되는문제가있으므로적절한점도가요구되어진다. 따라서시간에따른 CPC 죽상의점도변화를조사하기위하여동적점도계를이용하여측정하였다 (Figure 1). 알긴산을포함하지않은대조군에서는급격한점도상승현상이약 초후에나타난반면, 알긴산염이포함된 CPC 는 초경과후에나타났다. 한편알긴산이포함되었을때는이현상이보다빨리나타났다. 또한 30 초이내의점도인초기점도를측정하여알긴산화합물함유에따른변화를 Figure 2 에나타내었다. 알긴산염을포 과 Biomaterials Research 2009

4 알긴화합물이도입된인산칼슘시멘트의제조및특성분석 147 Figure 3. The variation of ph of CPCs according to the amount of sodium alginate and alginic acid. Figure 4. The variation of initial setting time of CPCs according to the amount of sodium alginate and alginic acid. 함한 CPC 의경우에있어서는고분자의함유량의증가에영향을거의받지않고초기점도가일정한양상을보였다. 반면, 알긴산을포함하는경우에는약 0.5% 의함유량이상에서는초기점도가급격히증가하는현상을관찰할수있었다. CPC 의점도가상승하는현상은체내에서 CPC 의유실을방지할수있으므로바람직한현상이다. ph 변화 CPC 의 ph 가체액에비해차이가많이나게되면이식시주위조직을손상시키는문제점이발생할수있으므로 CPC 의 ph 를조사하였다. 13,14) CPC 의액상으로사용된인산수소이나트륨수용액은 ph 가 9.43 이었으나알기산염의도입에따라다소감소하여 0.9 wt% 알긴산염을포함한액상은 ph 가약 9.25 를나타내었다. 한편산성인알긴산을도입하였을때는 ph 가보다감소하여 0.9 wt% 알긴산포함액상은 ph 가약 7.66 을나타내었다. 한편 CPC 의 ph 를유추하기위하여일정량의 CPC 죽상을 PBS 용액에넣고시간에따른용액의 ph 변화를조사하였다 (Figure 3). 알긴화합물이함유되지않은대조군인 CPC 에서는초기 ph 가약 8.3 으로약알칼리성을띄었으며, 60 분뒤에는 ph 가약 9.2 로증가하였다. 중성에가까운알긴산염을 CPC 에도입하였을때는알긴화합물이함유되지않은 CPC 보다 ph 가다소증가하였다. 즉 0.9 wt% 알긴산염을포함한 CPC 는초기 ph 가약 8.6 에서 60 분뒤에는 ph 가약 9.7 을나타내었다. 그러나산성인알긴산을도입하였을때는알긴화합물이함유되지않은대조군 CPC 보다감소하였다. 즉 0.9 wt% 알긴산포함 CPC 는초기 ph 가약 7.3 에서 60 분뒤에는 ph 가약 8.1 을나타내었다. 이와같이모든시료에서 60 분동안측정한 ph 는증가하는경향을나타내었다. 그러나 24 시간후에는모든시료에서의 ph 는약 로중성에가깝게나타내었다. 초기경화시간초기경화시간은시멘트가체내에서유실되지않을정도의강도를나타내는시점의시간을말한다. 이인산칼슘시멘트의초기경화시간은죽상이고체화에걸리는시간으로너무빠르면이식하기전에고체화가되므로임상적으로적용하기가불편하고너무늦으면체내에서유실되는문제점이있다. 따라서일반적으로경화시간은 7-15 분정도가적절한것으로알려져있다. 본연구에서는알긴화합물의도입양을변화시키며 CPC 를제조한후, Gilmore needle 법을이용하여 CPC 의초기경화시간을측정하였다 (Figure 4). 그림에서보는바와같이 0.5% 의함량까지는알긴산염및알긴산모두에서유사한경화시간을보였으나, 0.7% 의함량부터는알긴산염에비하여알긴산을함유한 CPC 의경화시간이상대적으로급격하게단축되어약 분으로나타났다. 이는임상적적용에바람직한것으로생각되며통계학적으로도유의한양상을관찰할수있었다 (p < 0.05). 물흡수도물흡수도는 CPC 의기계적물성에밀접한영향을미치므로알긴화합물의도입양을변화시키며 CPC 를제조한후, CPC 의물흡수도를측정하였다 (Figure 5). 알긴산이포함되지않은 CPC 는약 29% 의물흡수도를나타내었고, 알긴산염및알긴산의고분자를 0.1% 부터 0.9% 까지함유된실험의시행한전 CPC 군에서크게변이를보이지않는평균 % 의범위를나타내었다. 전반적으로알긴산을포함하지않는 CPC 에비하여알긴산고분자가함유된 CPC 는물흡수도측면에서상호간에큰차이를보이지않으며, 대부분통계학적으로도유의한차이를나타내지않았다 (p > 0.05). 기계적강도인산칼슘시멘트의기계적강도는생체골조직과유사한값을나타내는것이가장이상적이고이에따라임상적적용분 Vol. 13, No. 4

5 148 남동진 유주석 권순용 최동훈 김승수 Figure 5. The variation of water absorbance of CPCs according to the amount of sodium alginate and alginic acid. 야도확대될것이다. 일반적으로압축력에는비교적우수하나인장력에는다소취약한양상을보이는것이일반적이며, 15) 아직이와같이우수한강도의시멘트는개발되지못하고있는실정이지만, 될수있는대로높은강도를나타낼수록체내에서의고정력이향상되어보다바람직할것으로생각되어진다. 본실험에서도알긴화합물의함유량에따른 CPC 의간접인장강도및압축강도변화를조사하였다 (Figure 6). 그림의간접인장강도변화에서보는바와같이, 알긴산염을포함한 CPC 는알긴산염의함유량에따른강도변화는거의나타나지않았다. 반면알긴산도입 CPC 에서는 0.7 wt% 이상의알긴산을포함하였을때는강도증가가현저하게나타났다. 이는통계학적으로유의한차이를나타내었다. 또한, 압축강도변화에있어서 0.5 wt% 이하의알긴화합물을포함하였을때는서로크게차이를나타내지않았으나, 0.7 wt% 이상에서는알긴산을포함한 CPC 가통계학적으로상대적으로유의한높은강도값을나타내었다 (p < 0.05). 소재특성분석알긴화합물의함유량에따른 CPC 시편들의구조적특성에대한형태학적관찰을 SEM 으로관찰하였다. CPC 의구성입자는크기가작은상태로응결된것을관찰할수있었으며침상모양의결정상이조사되었는데이는재결정된수산화아파타이트들이다. 알긴산염의경우에는함유율이증가함에따라구성입자의크기가균등하게증가하며입자간의차이가별로없는균일한양상을보였다. 그러나알긴산의경우, 특히 0.9% 함유량의 CPC 에서구성입자가불규칙하게되면서작아진상태로더욱조밀하게응결된것을관찰할수있었다 (Figure 7). 이는인산칼슘입자들의이온화가많이일어나발생하는현상으로생각된다. 따라서이온화된칼슘이온의증가에의하여재침전수산화아파타이트의생성이증가함으로써강도향상현상이일어난것으로추정되어진다. Figure 6. The variation of diametral tensile strength (a) and compressive strength (b) of CPCs according to the amount of sodium alginate and alginic acid. 알긴화합물과 TCP 와의반응을확인하기위하여 FT-IR 분석을행하였다 (Figure 8). 알긴산은 1750 cm -1 근처에서카르복실산의 C=O 피크가나타났고알긴산염은 1630 cm -1 근처에서카르복실산염의피크가나타났다. 알긴산및알긴산염을포함한 CPC 는 cm -1 근처에서동일하게 C=O 피크가나타났다. 따라서 CPC 내의알긴산및알긴산염모두칼슘이온과이온결합을형성하는것을확인할수있었다 CPC 의화학적및결정학적조성을조사하기위하여 XRD 분석을시행하였다 (Figure 9). 이에대한대조군으로 α-tcp 및고분자가포함되지않은 CPC 의스팩트럼을나타내었다. 그림에서보는바와같이 α-tcp 시료에서는 α-tcp 및 β-tcp 의피크가혼재되어있어이들의복합체로보인다. 대조군인알긴화합물비포함 CPC 및알긴화합물포함 CPC 등에서동일하게수산화아파타이트피크가나타나, 모든종류에서경화시수산화아파타이트를생성하는것을확인할수있었다. Biomaterials Research 2009

알긴화합물이 도입된 인산칼슘 시멘트의 제조 및 특성분석 149 Figure 7. SEM images ( 2000) of CPCs (a : CPC without alginic compounds; b : CPC with 0.9 wt% sodium alginate; c : CPC with 0.9 wt% alginic acid).

6 알긴화합물이 도입된 인산칼슘 시멘트의 제조 및 특성분석 149 Figure 7. SEM images ( 2000) of CPCs (a : CPC without alginic compounds; b : CPC with 0.9 wt% sodium alginate; c : CPC with 0.9 wt% alginic acid). 고 찰 인산칼슘 시멘트(CPC)는 죽상의 미반응 인산칼슘 혼합물을 주사나 페이스트 상태로 체내에 도입하여 골결손부의 충진의 목적으로 주로 사용된다. 따라서 이 CPC는 죽상에서는 체내에 서 유실되지 않도록 적절한 점도를 유지하여야 하고 적절한 시 간 내에 자가 반응에 의하여 경화반응이 일어나 고체화되어야 한다. 고체화된 시멘트는 생분해 특성을 가져 신생골조직의 생 성에 따라 대체되어야 한다. 또한 생체조직을 손상시키지 않도 록 될 수 있는 대로 생리학적 ph와 유사하여야 하고 독성물질 을 포함하거나 생성하지 않는 생체적합성이 우수하여야 한다. 이상적으로는 생체골조직과 유사한 정도의 기계적 물성을 가져 골조직을 지지하고 외부충격에 의하여 파손되지 않아야한다.16) 알긴산염은 CPC의 점도를 향상시키는 목적으로 연구된 바 있 다.17) 본 연구에서는 CPC에 알긴화합물인 중성의 알긴산염과 산성인 알긴산을 도입하여 CPC의 취급 및 초기특성인 점도, ph, 경화시간, 물흡수도, 기계적 강도 등에 미치는 영향을 조 사하였다. CPC는 죽상에서 인산칼슘이 이온화하며 용해되었다 이온이 Figure 8. The FT-IR spectra of CPC with 0.9 wt% sodium alginate, CPC with 0.9 wt% alginic acid, sodium alginate, and alginic acid. 과포화되면 다시 인산칼슘 입자 간에 침전이 일어나 입자들이 접합되어 고체화가 된다. 경화촉진제로 사용하는 인산수소이나 트륨은 HPO42- 이온을 생성하는데 이는 α-tcp가 이온화 시 Vol. 13, No. 4

7 150 남동진 유주석 권순용 최동훈 김승수 Figure 9. The XRD patterns of α-tricalcium phosphate (TCP powder), the CPCs without alginic compounds (No polymer), with 0.9 wt% sodium alginate (0.9 wt% Alg-Na), and with 0.9 wt% alginic acid (0.9 wt% Alg). 생성하는이온과같아공통이온효과를나타낸다. 따라서이경화촉진제는이온화된칼슘및인산이온들을침전시켜수산화아파타이트의생성을촉진하고이에따라경화반응속도를증가시키는역할을한다. 동적점도를측정하였을때알긴화합물의도입이없는대조군인 CPC에서약 10분후에발생하는급격한점도증가현상은과포화된이온들의침전반응이급격히일어나며발생하는현상으로사료된다 (Figure 1). 알긴산염을도입하였을때이점도증가현상이대조군에비해빠르게일어나는데, 이는알긴화합물과칼슘이온간에이온결합이일어나이온가교가증가하여죽상의유동성저하가빠르게일어나기때문으로생각된다. 한편산성인알긴산을도입되었을때는알긴산염의도입에비해점도증가현상이보다빠르게나타났다. 이는알긴화합물-칼슘이온간의이온가교뿐만아니라 ph 저하에따른인산칼슘의용해도감소에기인하는것으로사료된다. 즉대부분인산칼슘화합물은산성및염기성영역에서용해가잘되고중성근처인 ph가약 7-8에서는용해가잘되지않는특성이있다. 18) 따라서알긴산의도입에의하여 CPC의 ph가중성에가까워져인산칼슘의용해도가낮아져침전현상이빠르게나타날것으로예측된다. 이와같이빠른침전현상은점도의급상승현상을촉진하게된다. 이와같이점도가상승하는현상은체내에서시멘트의유실을방지할수있으므로바람직한현상이다. 그러나 0.9 wt% 알긴산을도입하였을때는점도상승속도가너무빨라시멘트의주입을방해하여주사를통한임상적적용에는문제가있을것으로사료되어진다. 본연구의 CPC는경화하는동안죽상에서 ph 증가하는현상을나타내었다 (Figure 3). 이와같이 ph가초기에상승하는이유는 α-tcp가용해하는동안 OH - 이온을생성하기때문이다. 한편충분한시간이경과된후에는모두 PBS 용액의 ph 에근접하였다. 이는 PBS 용액의완충작용및액상의경화촉 진제로사용된인산수소이나트륨의공통이온효과때문으로사료된다. 즉 PBS, 인산수소이나트륨, α-tcp 등은물에용해되었을때공통이온인인산이온을생성한다. 따라서르샤틀리에의원리에의해용해도평형을이루기위해수산화아파타이트로재결정되면서 ph가감소되는것으로생각되어진다. 본연구의초기경화시간은시멘트가체내에서유실되지않을정도의강도를나타내는시점의시간을말한다. 초기경화시간은이온화된인산칼슘의침전에의한경화반응에의하여일어나므로 CPC의동적점도와연관성이깊다. 즉동적점도증가에따라경화시간이단축되는현상이나타났다. 본연구의 wt% 알긴산포함 CPC는초기경화시간이약 10-20분으로매우바람직한수치를나타내었다 (Figure 4). 즉경화시간이너무늦으면체내에서유실될우려가있고너무빠르면주입하는도중에경화가일어날수있어임상적용에어려움을줄수있다. 19) 본연구에서는인산칼슘시멘트의물흡수도는기계적강도에직접적으로영향을미치므로이에대하여측정하였다. 그결과, 알긴산또는이의염이도입되었을때대부분통계학적으로유의한차이를나타내지않았다. 따라서알긴산의도입에따른물흡수도변화는크지않은것으로생각되어진다 (Figure 5). 인산칼슘시멘트의기계적강도는생체골조직과유사한값을나타내는것이가장이상적이고이에따라임상적적용분야도확대될것이다. 일반적으로압축강도에는비교적우수하나인장강도에는다소취약한양상을보이는것이일반적이며, 20) 아직이와같이우수한강도의시멘트는개발되지못하고있는실정이지만, 될수있는대로높은강도를나타낼수록체내에서의고정력이향상되어보다바람직할것으로생각되어진다. 알긴산및이의염을도입한시멘트의간접인장강도및압축강도를조사한결과, 알긴산염을도입한경우에는강도의향상이나타나지않았다. 반면알긴산을도입하였을때는 0.7 wt% 이상에서간접인장강도및압축강도가대조군이나알긴산염을도입한경우에비하여상대적으로증가하는현상을나타내었다. 이는알긴산의증가에따라이온화인산칼슘의침전속도가증가하고이에따라입자간접합이견고해져일어나는현상으로생각되어진다 (Figure 6). 경화된시멘트의조직을관찰하기위하여강도시험을행한시료의파단면을 SEM으로분석하였다. 저배율조사에의하면모든시료에서기공 (pore) 들이관찰되었다. 이와같은기공생성이시멘트의강도를저하시키는원인으로생각되어진다. 고배율로조사한결과, 바늘모양의결정상이조사되었는데이는재결정된수산화아파타이트들이다. 고배율조사에의하면알긴산염 ( wt%) 을도입한시멘트는초기의인산칼슘입자의형태를대체로유지하고있는반면, 알긴산을도입한시료 ( wt%) 에서는입자의형태가변화되거나작아진것으로나타났다. 이는인산칼슘입자들의이온화가많이일어나발생하는현상으로생각된다. 따라서이온화된칼슘이온의증가에의하여재침전수산화아파타이트의생성이증가함으로써강도향상현상이일어난것으로추정되어진다 (Figure 7). Biomaterials Research 2009

8 알긴화합물이도입된인산칼슘시멘트의제조및특성분석 151 알긴산또는이의염과인산칼슘간의이온결합을확인하기위하여경화된시멘트의 FT-IR 분석을행하였다. 그결과, 알긴산의카르복실산피크는없어지고카르복실산염의피크가나타났다. 알긴산염은애초에소듐염과결합하고있어피크이동현상은일어나지않았으나칼슘이온과의이온결합은일어날것으로예측되어진다 (Figure 8). 인산칼슘시멘트의경화반응에서수산화아파타이트의생성을조사하기위하여경화된시멘트의 XRD 분석을행하였다. 그결과, 첨가물의상호작용에따라인산칼슘시멘트의궁극적성분및구조의변화발생여부를관찰하였을때, 알긴산또는이의염을도입한경우에도대조군과유사하게수산화아파타이트의생성을확인할수있었다 (Figure 9). 결 본연구에서는 α-tcp 를기초물질로한인산칼슘시멘트에알긴산또는이의염을도입하여동적점도, ph, 초기경화시간, 물흡수도, 기계적강도등과같은물성변화및 FT-IR, SEM, XRD 등과같은화학적분석을통하여, 아래와같은결론을내릴수있었다. 시멘트의동적점도는알긴산염에비해알긴산을도입하였을때보다증가하는현상을나타내었다. ph 의측정결과, 알긴산을도입한 CPC 는상대적으로중성에근접하였고모든시료들은약알칼리성을나타내었으며시간의경과에따라증가하는현상을나타내었다. 그러나 1 일경과후측정결과모든시료가생리적 ph 에근접하는현상이나타났다. 초기경화시간은알긴산을도입하였을때보다단축되는현상이나타났다. 알긴산및이의염의도입에따른물흡수도변화는크게나타나지않았고, 0.7 wt% 이상의알긴산을도입하였을때기계적강도향상현상이나타났다. 형태학적조사결과, 인산칼슘입자의변형은알긴산을도입하였을때보다크게나타나입자의이온화현상이증가된것으로사료되어지고, 수산화아파타이트는알긴산화합물의도입과상관없이생성되는것으로조사되었다. 론 감사의글 본연구는 2008 년도보건복지가족부보건의료기술개발사업 ( 과제번호 : A080739) 의지원으로수행되었으며, 이에감사드립니다. 참고문헌 1. S. S. Kim and T. S. Park, Polymethyl methacrylate/montmorillonite nanocomposite beads through a suspension polymerizationderived process, J Appl Polym Sci, in press (2005). 2. G. Lewis, Properties of acryl bone cement: state of the art review, J Bio Res, 38, (1997). 3. Y. Fukase, E. D. Eanes, S. Takagi, L. C. Chow and W. E. Brown, Setting reactions and compressive strengths of calcium phosphate cements, J Dent Res., 69, (1990). 4. C. Hamanishi, K. Kitamoto, K. Ohura, S. Tanaka and Y. Doi. Self-setting, bioactive, and biodegradable TTCP-DCPD apatite cement, J Biomed Mater Res., 32, (1996). 5. T. Lindner, N. K. Kanakaris, B. Marx, A. Cockbain, G Kontakis and P. V. Giannoudis, Fractures of the hip and osteoporosis: the role of bone substitutes., J Bone Joint Surg Br., 91, (2009). 6. T. H. Lim, G. T. Brebach, S. M. Renner, W. J. Kim, J. G. Kim, R. E. Lee, G. B. Andersson and H. S. An, Biomechanical evaluation of an injectable calcium phosphate cement for vertebroplasty., Spine., 27, (2002). 7. U. Gbureck, O. Grolms, J. E. Barralet, L. M. Grover and R. Thull, Mechanical activation and cement formation of beta-tricalcium phosphate., Biomaterials., 24, (2003). 8. J. W. Chung, J. M. Kim, S. S. Kim and S. Y. Kwon, Mechanical and biological assessment of calcium phophate cement mixed with poly-gamma-glutamic acid and citric acid., Tissue Eng and Reg Med., 6, (2009). 9. T. Yu, J. Ye and Y. Wang, Preparation and characterization of a novel strontium-containing calcium phosphate cement with the two-step hydration process., Acta Biomater., 5, (2009). 10. H. R. Lin and Y. J. Yeh, Porous alginate/hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering: preparation, characterization, and in vitro studies., J Biomed Mater Res B Appl Biomater., 71, (2004). 11. T. Masaaki, M. Youji, I. Kunio, N. Masaru, K. Masayuki, A. Kenzo and S. Kazuomi, Effects of added antibiotics on the basic properties of anti-washout-type fast-setting calcium phosphate cement., J Biomed Mater Res., 39, (1998). 12. L. Yubao, C. P. A. T. Klein, Z. Xingdong and K. De Groot, Formation of a bone apatite-like layer on the surface of porous hydroxyapatite ceramics., Biomaterials., 15, (1994). 13. M. Bohner, U. Gbureck and J. E. Barralet, Technological issues for the development of more efficient calcium phosphate bone cements: a critical assessment., Biomaterials., 26, (2005). 14. E. P. Frankenburger, S. A. Goldstein, T. W. Bauer, S. A. Harris and R. D. Poser, Biomechanical and histological evaluation of a calcium phosphate cement., J Bone Joint Surg Am., 80, (1998). 15. K. Ishikawa and K. Asaoka, Estimation of ideal mechanical strength and critical porosity of calcium phosphate cement., J Biomed Mater Res., 29, (1995). 16. E. Fernandez, M. P. Ginebra, O. Bermudez, M. G. Boltong, F. C. M. Driessens and J. A. Planell, Dimensional and thermal behaviour of calcium phosphate cements during setting compared to PMMA bone cements., J Mater Sci Lett., 14, 4-5 (1995). 17. K. Ishikawa, Y. Miyamoto, M. Kon, M. Nagayama and K. Asaoka, Non-decay type fast-setting calcium phosphate cement: composite with sodium alginate, Biomaterials., 16, (1995). 18. E. Fernandez, F. J. Gil, M. P. Ginebra, F. C. M. Driessens, J. A. Planell and S. M. Best, Calcium phosphate bone cements for clinical applications, Part I: Solution chemistry., J Mater Sci Mater Med., 10, (1999). 19. M. Bohner, Reactivity of calcium phosphate cements., J Mater Chem., 17, (2007). 20. K. Ishikawa, K. Asaoka, Estimation of ideal mechanical strength and critical porosity of calcium phosphate cement., J Biomed Mater Res., 29, (1995). Vol. 13, No. 4

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