Biomaterials Research (2005) 9(3) : 138-144 Biomaterials Research 7 The Korean Society for Biomaterials j p w s(p kjp) p Preparation and Characterization of Poly(methyl methacrylate) Beads for Acrylic Bone Cements 1 Á 1 Áy 1 Á 2 Á 3 Á½ 2 * Eun Hee Son 1, Jin Sook Lim 2, Sung-Joo Hwang 1, Eun Chang Lee 2, Sung Jae Lee 3, and Sung Soo Kim 2 * 1 vš ŠŠ hš, 2 ŠŒŠe tg, 3 fhš fdš 1 Laboratory of Industrial Pharmacy, College of Pharmacy, Chungnam National University, 220 Kung-Dong, Yusung-Gu, Daejon 305-764, Korea 2 Nano-biomaterials Lab., Korea Research Institute of Chemical Technology, P.O.Box 107, 100 Jang-Dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea 3 Laboratory of Biomedical Engineering, College of Biomedical Science and Engineering, Inje University, 607 Obang-dong, Kimhae, Kyungnam 621-749, Korea (Received June 10, 2005/Accepted August 11, 2005) Poly(methyl methacrylate) (PMMA) beads were prepared using a suspension polymerization method for applying acrylic bone cements. The changes in th shape and size of the polymer beads due to the preparation conditions such as suspending stabilizers, stirring speed, concentration of poly(vinyl pyrrollidone)g(pvp) as a suspension stabilizer, and addition of styrene and PMMA, etc. were observed by scanning electron microscopy and particle size analysis. The effect of bead size and molecular weights of PMMA beads to the mechanical properties of bone cements was characterized. The PMMA beads prepared with PVP were more uniform and less aggregated than those prepared with poly(vinyl alcohol)(pva). The size of the polymer beads was decreased by increasing the stirring speed. The bead size was decreased with increasing the degree of polymerization and the concentration of PVP molecules. The bead size was slightly reduced by adding of styrene to the MMA solution. The incorporation of PMMA into monomer portion enlarged the bead size. The tensile and compressive properties of bone cements were enhanced by increasing the average size of PMMA beads but were deteriorated by increasing the molecular weight of PMMA. Key words: Acrylic bone cement, Suspension polymerization, PMMA beads } ƒ(acrylic bone cement) ft ( h, h ) f f ff f sej, f ff h~ eš f 1960 Charnley fš hœd g d f tfd g jf Šf. 1-5) } ƒ ŒŒ(f ŒŒ)f f Š f f Šl f hf Š Œff l f eš ghf f. 6) jš ƒf fš ~h f tf v fš ŒŠhf ~h ƒf v f hf l f. 6,7) } ƒ f f, f Œf f ff( 50 µm)f ~} *sfhf: sskim@krict.re.kr fƒ(poly methyl methacrylate, PMMA), ff jš t h if f(benzoyl peroxide, BPO) t, ih Œ(barium sulfate) f d. f hœhf tf ~}fƒ (mehtyl methacrylate : MMA) tlhf -p- f(dimetyl-p-toluidine : DMPT) jšlh Š f}(hydroquinone) f dl f. 8-12) } ƒ d PMMA f }f PMMA Š f u ~ jš f fdš hiš f. ~jšf 5-1000 µmf e l ff hi hšš f 1909 Hoffman Delbruchf sff Šf 1931 Bauer Lauth ~ jšf } f ff ŠŠ. 13) ~ jš t dš BPO f fe x h dš, f t f ( ) f z jšš, f t ehf er lf eš hf f hh ŠdŠ. t ~~f 138
} ƒ ff hi 139 t df } f fff } h tdf h df erf Œ f iš. f jšf Œf ff d ~ jšf Š. ~jš fš PMMA fff f f x ff ~hhf f, tf, hf f f. 14,15) f, d ~hh } l f l. Š fx f d gf, l Š hydroxy ethyl cellulose, poly(vinyl alcohol) (PVA) poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) f d ff. 16-23) PVP ~hh dš } ƒ eš PMMA ffš Š ŠŠ. f ~hhf i,, t, t Še PMMA f ~jši ff Œ~ ff} f iš. Š jšhf PMMAf f x f iš. Š jš hf PMMAf f x f iš. Š Š PMMA ff fdš ƒ hiš ff fg v f h Œ iš. t MMA(Junsei Chem, f) styrene(wako, f ) dš. jšh BPO(Aldrich Chem. ) dš, ~hh PVP(Acros Organics, ) PVA(Aldrich Chem, ) dš. jštlh DMPT(Aldrich Chemical, )f dš. ~ f Œ x(cah 2 ) Œ(CuCl) dš. xkw w PMMA MMA hh eš MMA 5 wt% Œƒ df sš, l jf l sš jšlh hš f, Œf tš gi f hš -20 o C Š. jšš h f MMA t Œx Œ tš l Š lš dš. BPO iš f hš dš. ~ f hhh f dš. 2 (two-bladed) Œ~f f gr 2Lf 3 } f ~jš Š. fi ~hh( f 0.2 wt%) dš f (~f) Š fi f 80 o C Š BPO(tf 2 wt%) dš~ t hšš jšz. 8 ff i~ f ff e Š l v sš 60 o Cf i i x ~ Š. ~jšif f ff x f iš eš ~hhf, t f e, jšh f jšif Œ~ PMMA ff ŠŠ ffœ~ } f Š. d ~hhf i ff x f i Š eš d ff PVA PVP dš jš 80 o C, 800 rpm, ~hhf 0.2 wt% jšš. PMMA ff x f iš eš 300, 400, 600, 700, 800 rpmf Œ~ jšš. f t f ef 1:10f elš ~hhf 0.2 wt% el Š. ~hh PMMA ffœ f jš 80 o C 400 rpmf h~, t f ef 1:10f elš i ~ hhf 0.05~0.5 wt% Œ~ fff Œ rš. tf PMMA ff Œ f 400 rpmf h~ ~ t f ef Œz 8 ~jš Š, f ~ hh(pvp)f Š 0.2 wt% elš. Š jšh Œ eš 400 rpmf h~ ~ t f ef 1:10f elš ~hh(pvp)f 0.2 wt% elš hf f Œ j jšf Š. styrenef jšf ff x f i Š. Styrenef MMA 0, 5, 10 wt%f if Š Š ht t ef 10.0 wt% elš 400 rpmf 8 jšš ff rš. PMMA t ff x f iš e Š MMA t f 120,000 g/molf PMMA 5, 10, 20 wt% ŒŠŠ f, ~ jšf ŠŠ. p x r ƒf f hiš eš f PMMA f f 97.75 wt% BPO 2.25 wt% hf 2 ŒŠŠ, } 250 µmf t tlš hiš. f MMA 99.18 wt%, DMPT 0.82 wt% ŒŠŠ hiš. ƒ y f 2:1f - 1~2 ŒŠ(hand-mixing)Š, jf Œ fgd f ASTM D638-01 v dumbbell f, vd f ASTM F451-86 fš l 6 mm, f 12 mm l e Œf f h Œz. if dˆf CMW1 Original(DePuy, ) ƒ dš fš f f hfš. p fh h e fdš f(particle Size Vol. 9, No. 3
손은희 임진숙 황성주 이은창 이성재 김승수 140 Analyzer, Microtrac S3000)를 사용하여 현탁중합으로 얻어진 PMMA의 입자 크기 및 분포를 조사하였다. 입자의 형태와 표 면을 관찰하기 위하여 백금으로 코팅한 후 주사 전자현미경 (SEM, JEOL, JSM-6700F)을 사용하여 조사하였다. 입자의 분자 량을 조사하기 위하여 tetrahydrofuran(thf)을 사용하여 입자를 녹인 후, 0.45 µm 기공을 가진 필터(주사형 여과기)로 여과 한 후, 겔 투과 크로마토그래피(GPC, Waters 2690)로 수평균 분자량(Mn), 무게평균분자량(Mw), 다분산도(Mw/Mn) 등을 측 정하였다. 골시멘트의 기계적 물성은 Instron사의 만능재료시험기 (Universal Testing Machine, UTM 4482)를 사용하여 측정하 였다. 인장강도 측정의 cross-head 속도는 1.0 mm/min 이었 고, 100 kgf의 load cell을 이용하여 수행하였다. 압축강도 측 정의 cross-head 속도는 20.0 mm/min 이었고, 1000 kgf의 load cell을 이용하여 수행하였다. 각 시료 당 8개의 시편을 준비하여 측정하였고, 각각의 강도 및 탄성율의 평균값을 구하 였다. 결과 및 토론 현탁안정제의 종류에 따른 안정화 실험 수용성 고분자인 PVA와 PVP를 이용하여 현탁안정제가 입자 생성에 미치는 영향을 조사하였다. Figure 1은 현탁안정제로 PVA의 중합도(DP)에 따른 PMMA 입자의 형태를 SEM을 이용 하여 관찰한 결과를 나타낸 것 이다. 이때 사용한 PVA의 중 합도는 500, 1000, 2800, 3500이었다. 비교적 낮은 중합도 (500, 1000, 2800)를 가진 PVA를 사용한 실험에서는 구형인 입자와 포도송이처럼 입자끼리 엉겨 붙은 클러스터가 형성되었 다. 이에 반해 중합도 3500에서는 클러스터 형성이 일어나지 는 않지만 작은 입자가 많이 생성되었다. 이와 같은 차이는 현 탁중합 할 때, 단량체 유적의 표면에 흡착된 현탁안정제의 분 자량 크기에 기인하는 것으로 생각된다. 현탁안정제는 현탁중 SEM micrographs of PMMA beads prepared with different degrees of polymerization of PVA as a suspension stabilizer: (a) DP=300, (b) DP=1000, (c) DP=2800, and (d) DP=3500. Figure 1. Biomaterials Research 2005 합 시 단량체 유적에 흡착하여 단량체끼리의 유착을 방지하고 반응이 안정하게 일어나게 하는 역할을 한다. 높은 중합도를 지닌 현탁안정제를 사용하면, 단량체 유적 표면에 생성되는 필 름의 두께가 낮은 중합도를 지닌 현탁안정제를 사용하였을 때 보다 두껍게 생성되어 단량체 유적끼리의 유착을 원활하게 방 해하기 때문에 클러스터 형성이 줄어들고, 입자의 크기도 작아 지게 되는 것으로 사료된다. Figure 2는 현탁안정제로 사용된 PVP의 분자량에 따른 입자 의 형태를 SEM을 통해 관찰한 것이다. 이때 PVP의 분자량은 10,000과 1,300,000 g/mol이었다. PVP 분자량 크기에 상관없 이 생성된 입자의 크기가 약 90~100 µm으로 뚜렷하게 차이 가 나타나지 않으나, 입도분석을 통해 관찰했을 때, 높은 분자 량(Mw = 1,300,000 g/mol)에서 생성된 PMMA 입자의 분 포가 좁은 것을 확인 할 수 있었다. 이는 PVA의 중합도에 따 른 현상처럼 높은 분자량의 현탁안정제를 사용하였을 경우, 단 량체 유적표면에 현탁 안정제가 두껍게 흡착되어서 단량체 유 적간의 유착이 어려워지고, 그 결과 입자의 크기도 작아지는 것으로 사료된다. PVA에 비해 PVP를 현탁 안정제로 사용하였 을 때, 입자들이 유착된 클러스터 형성이 적게 되고 입자크기 분포도 좁게 나타났다. 또한 SEM 상으로 관찰하였을 때 PVA 에서 PMMA 입자표면이 비교적 매끄럽고 균일한 입자를 제조 할 수 있었다. 따라서 본 실험에서는 현탁 안정제로 PVP를 사용하여 아래 와 같은 여러 가지 다른 중합 조건을 변화시키며 PMMA 입 자의 크기변화와 분자량 변화를 알아보고 이에 따른 골 시멘 트의 물성변화를 관찰하였다. 교반속도에 의한 입자 크기 변화 교반속도가 생성되는 입자에 미치는 영향을 조사하기 위해 교반속도를 달리하여 중합 한 후 생성된 각각의 PMMA 입자 를 입도분석기를 통하여 입자의 크기와 분포를 분석하였다. Figure 3에서 보듯이 PMMA의 평균입자 크기는 교반속도가 빨라질수록 작아지며 입자분포도 작아지는 경향을 나타낸다. 이 는 교반속도가 높아지면 단량체유적에 작용되는 응집력에 비해 전단응력이 높아져 입자들이 분쇄되는 현상이 많이 일어나기 때문으로 사료된다. SEM micrographs of PMMA beads prepared with different molecular weights of PVP as a suspension stabilizer: (a) Mw = 10,000 g/mol and (b) Mw = 1,300,000 g/mol. Figure 2.
아크릴계 골시멘트 입자 제조 Figure 3. Dependence of the size of PMMA beads on stirring speeds. 현탁안정제 농도 변화에 따른 입자 크기 변화 Figure 4는 분산매에 함유된 현탁안정제(PVP)의 농도변화에 따른 PMMA 입자 형태를 나타낸 것이고, Figure 5는 PVP의 농도변화에 따른 PMMA 평균 입자크기 변화를 나타낸 것이 다. 이때, PVP의 농도 범위는 0.05-0.5 wt% 분산매 대비 현 탁안정제의 농도)이었다. Figure 4에서 보는 바와 같이 0.2 wt%의 PVP를 사용하였을 때부터 일정한 크기의 구 형태로 PMMA 입자가 생성되었다. Figure 5에서 보면 PVP의 농도가 증가할수록 입자의 평균크기와 분포가 감소하는 경향이 나타났 다. 이는 PVP의 농도가 낮은 조건에서는 PVP 분자가 단량체 유적표면에 충분히 흡착되지 않아 유적간 유착이 많이 일어나 PMMA 입자의 크기가 커지게 되고, PVP의 농도가 높은 조건 에서는 PVP 분자가 단량체 유적표면에 흡착이 충분히 일어나 게 되어 유적간의 유착을 방해하여 입자 크기가 작아지게 되 는 것으로 판단된다. Figure 5. trations. 141 Dependence of the size of PMMA beads on PVP concen- 단량체 농도에 따른 입자크기 변화 반응기내 단량체 농도가 입자생성에 미치는 영향을 조사하였 다. Figure 6(a)는 PMMA 입자의 크기 분포도를 나타낸 것이 고, (b)는 단량체 농도에 따른 PMMA 입자 직경의 변화를 나 타낸 것이다. (a)와 (b)에서 보면 분산매에 대한 단량체 비율이 크면 평균 입자 크기가 커지고 분포도가 넓어짐이 확인되고, 분산매에 대한 단량체의 비율이 줄어들면 입자의 평균 크기가 작아지고 분포도 줄어드는 것을 알 수 있다. 이는 분산매에 대 한 단량체 비율이 높으면 분산매 속에서 단량체 유적간의 접 촉이 많아지게 되어 유적간 유착이 증가되어 현탁중합 시 입 자가 커지는 것으로 판단된다. 스티렌 함유량에 따른 입자 크기 변화 MMA 단량체에 스티렌(styrene)을 함유 시켜 그 함량에 따른 입자의 크기를 조사하였다. Figure 7과 같이 스티렌의 SEM micrographs of PMMA polymer beads prepared with different PVP concentrations: (a) 0.05 wt%, (b) 0.1 wt%, (c) 0.2 wt%, (d) 0.3 wt%, and (e) 0.5 wt%. Figure 4. Vol. 9, No. 3
142 fáfláœjáffráfgá Figure 6. Dependence of the size of PMMA beads on monomer concentration in dispersion media. Figure 8. Effect of PMMA addition into MMA monomer to the size of polymer beads. f ~. f PMMA tš h l Šf fff flf h ff } lš f. 6) w w y Figure 9 jšh(bpo) ŠŒ PMMA fff f Œ ~ f. PMMA ff } (GPC) whš, f(mn), f(mw)f ŒfŠ. BPOf Šf l ff ff fl f f. h Šf Œ~f ƒ hhš ff ŠŠ ff f.» Figure 10 Figure 11 PMMA ff } ƒf v fg ƒ x f ~. f PMMA f f(mw)f 260,000~400,000 g/mol.f elš Š. fff } yl v v ~ ef lš f ~, fg h f fff } f } l f ~. Š f f if d CMW1 original (DePuy, ) Š } rf ~l. Figure 7. Effect of styrene concentration to the size of polymer beads. Šf l fff } fl, ff j. f f tš tf ht hf f lš gf Š f f vh. PMMA j» y MMA t PMMA dšz t ehf h ff x f iš. Figure 8 ~ f PMMAf Šef l fff } yl Figure 9. Effect of initiator concentration to the molecular weights of PMMA beads. Biomaterials Research 2005
아크릴계 골시멘트 입자 제조 Dependence of mechanical properties on the size of PMMA beads: (a) compression strength (MPa) and (b) compression modulus (GPa). Figure 10. Dependence of mechanical properties on the size of PMMA beads: (a) tensile strength (MPa) and (b) tensile modulus (GPa). Figure 11. PMMA 입자 크기의 증가에 의한 압축 특성의 향상은 입자 크 기 증가에 따른 계면 면적의 감소에 의해 판단될 수 있는 확 률이 줄어들어 일어나는 현상으로 사료된다. Figure 12 및 Figure 13에 PMMA의 분자량이 골시멘트의 압축 및 인장 특성에 미치는 영향을 나타내었다. 이때 PMMA 입자의 크기는 약 50~60 µm으로 고정하였다. PMMA 분자 량(Mw)이 200,000~400,000 g/mol인 경우에는 압축 및 인 장 특성이 비슷한 경향을 나타내었다. 반면 분자량(Mw)이 600,000 g/mol에서는 기계적 물성이 상대적으로 감소하는 경 향을 나타내었다. 또한 이들 물성 값은 대조군인 CMW1에 비 해 높거나 큰 차이를 나타내지 않았다. PMMA 분자량이 높은 600,000 g/mol에서 기계적 물성이 저하하는 것은 골 시멘트의 분말상과 액상 혼합 시, PMMA 입자가 MMA에 충분히 녹지 않아 계면이 생성되어 일어나는 현상으로 판단된다. 143 Dependence of mechanical properties on the molecular weights of polymer beads: (a) compression strength (MPa) and (b) compression modulus (GPa). Figure 12. Dependence of mechanical properties on the molecular weights of polymer beads: (a) tensile strength (MPa) and (b) tensile modulus (GPa). Figure 13. 결 론 본 연구는 골 시멘트 제조에 관한 것으로서 골 시멘트에 사 용되는 PMMA 입자의 중합조건이 입자 생성에 미치는 영향과 PMMA 입자가 골시멘트 물성에 미치는 영향을 조사하였다. 본 연구에서 사용한 현탁안정제의 분자량 범위내에서는 현탁안정 제로 PVP를 사용하였을 때, PVA를 사용했을 때 보다 입자가 균일하고 클러스터가 일어나지 않았다. 따라서 현탁안정제로 PVP가 보다 적합한 것으로 사료된다. 교반속도, PVP 농도의 증가에 따라 입자 크기가 감소하고 단량체 농도의 증가에 의 해 입자 크기가 증가 하였다. 소수성 단량체인 스티렌의 공중 합에 의해 입자크기는 감소하는 경향을 나타내었으며, PMMA 의 함유에 의해 점도증가로 인하여 입자 크기가 증가하는 경 향을 나타내었다. PMMA 입자의 분자량은 중합개시제인 BPO Vol. 9, No. 3
144 fáfláœjáffráfgá f l fš hlhf Š f ih edš f. h ƒ d PMMA fff } yl h f i ~ f l, f ƒf h f Mw 400,000 g/molf Š f f f h f f. Š Š fš Šf f. šx 1. E. Duguet and M. Abboud, PMMA encapsulation of alumina particles through aqueous suspension polymerisation Processes, Macromol. Symp., 151, 365-370 2. M. Abboud, S. Vol, and E. Duguet, PMMA-based composite materials with reactive ceramic fillers-part Ä: Radiopacifying particle-reinforced bone cements, J. Mater. Sci., 11, 295-300 3. S. M. Kurtz and M. L. Villarraga, Static and fatigue mechanical behavior of bone cement with elevated barium sulfate content for treatment of vertebral compression fractures, Biomaterials, 26, 3699-3712 (2005). 4. A. Bettencourt and A. Calado, Surface studies on acrylic bone cement, Int. J. Pharm, 278, 181-186 (2004). 5. C. I. Vallo, Influence of load type on flexural strength of a bone cement based on PMMA, Polymer Testing, 21, 793-800 (2002). 6. S. S. Kim and T. S. Park, Polymethyl methacrylate/ montmorillonite nanocomposite beads through a suspension polymerization-derived process, J. Appl. Polym. Sci., in press (2005). 7. G. Lewis, Properties of acrylic bone cement: state of the art review, J. Bio. Mater. Res., 38, 155-182 (1997). 8. Catharina S. J. van Hooy-Corstjens and L. E. Govaert, Mechanical behaviour of a new acrylic radiopaque iodinecontaining bone cement, Biomaterials, 25, 2657-2667 (2004). 9. M. Stanczyk, Study on modelling of PMMA bone cement polymerisation, J. Biomech., 38, 1397-1403 (2005). 10. B. Pascual and B. Vazquex, New aspects of the effect of size and size distribution on the setting parameters and mechanical properties of acrylic bone cement, Biomaterials, 17, 509-516 (1996). 11. K.-D. Kuhn, Bone Cements, Springer, Berlin, 2000. 12. D. K. Han and K. D. Ahn, Recent trend of R&D in bioadhesives for medical applications, Biomaterials Research, 7, 148-156 (2003). 13. P. J. Dowdin and B. Vincent, Suspension polymerisation to form polymer beads, Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp, 161, 259-269 14. J. S. Shm, W. T. Chang, and J. K. Lee, The Suspension polymerization of methyl methacrylate-the effect of phase ratio and stabilizer concentration, Polymer(Korea), 2, 261-268 (1978). 15. F. H. Winslow and W. Matreyek, Particle size in suspension polymerization, Ind. Eng. Chem., 43, 1108-1112 (1951). 16. D. Wolters, W. M. Zaika, and F. Bandermann, Suspension polymerization of styrene with pickering emulsifiers, Macromol. Mater. Eng., 286, 94-106 (2001). 17. R. Olayo and E. Garcia, Poly(vinyl alcohol) as a stabilizer in the suspension polymerization of styrene: the effect of the molecular weight, J. Appl. Polym. Sci., 67, 71-77 (1998). 18. H. S. Kim and S. H. Lee, Effect of polyvinylpyrrolidone on the copolymerization of acrylonitrile and methylacrylate initiated by aqueous sulfite-chlorate redox system, J. Korean Fiber Soc., 33, 224-229 (1996). 19. D. Maggioris and A. Goulas, Prediction of particle size distribution in suspension polymerization reactors: effect of turbulence nonhomogeneity, Chem., Eng., Sci., 55, 4611-1627 20. J. X. Huang and X. Y. Yuan, Dispersion copolymerization of methyl methacrylate and acrylic acid in polar media: Effect of reaction parameters on the particle size and size distribution of the copolymer microspheres, Polym. Int., 52, 819-826 (2003). 21. C. M. Cordovi, A. D. Lucas, A. Duran, and J. F. Rodriguez, Development of a suspension copolymerization process for bone cement production, J. Appl. Polym. Sci., 76, 814-823 22. K. Cao and J. Yu, Micro-size uniform poly(methyl methacrylate) particles by dispersion polymerization in polar media-1.particle size and particle size distribution, Chem. Eng. J., 78, 211-215 23. Q. Ye, X. Ge, and Z. Zhang, Formation of monodisperse PMMA particles by radiation-induced dispersion polymerization-ä. Synthesis and polymerization kinetics, Radiation Physics and Chemistry, 66, 11-16 (2003). Biomaterials Research 2005