KR19990067360A

KR19990067360A - 저온성 칼슘 포스페이트 아파타이트와 그 제조방법

Info

Publication number: KR19990067360A
Application number: KR1019980703368A
Authority: KR
Inventors: 이도석; 아이올로바 마리아; 레이 크리스챤; 알리 토휘기
Original assignee: 이도석; 이텍스 코퍼레이션
Priority date: 1995-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 1999-08-16
Also published as: WO1997017285A1; KR100489549B1; EP0859737B1; EP0859737A1; CA2236572A1; CA2236572C; JP2000500110A; JP4117803B2; NZ323168A; US5783217A; AU713435B2; AU7723596A

Abstract

저결정성의 칼슘 포스페이트 아파타이트를 준비하는 방법을 기술하였다. 이러한 방법은 칼슘과 포스페이트 이온들로 이루어진 수용액으로 부터 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트가 침전되는 것; 용액으로 부터 모으는 과정; 그리고 성장을 최소화하고 칼슘 포스페이트 아파타이트로의 전환을 촉진하기 위하여 선택된 습도와 온도에서 탈수하는 것이다. 결과적인 칼슘 포스페이트 아파타이트는 개선된 강도, 다공성도와 생흡수성의 블록 고체이다.

Description

저온성 칼슘 포스페이트 아파타이트와 그 제조방법 (Low Temperature Calcum Phosphate Apatite and a Method of Its Manufacture)

칼슘 포스페이트는 딱딱한 조직의 주된 구성요소들이다(뼈. 연골, 치아의 법랑질과 상아질). 자연적으로 존재하는 뼈의 무기성분은 나노미터 크기의. 하이드록시아파타이트 구조를 가진 저결정 구조의 하이드록시아파타이트로 이루어져 있다. 그러나, Ca/P 원자비 1.67을 가진 이상적인 화학량론적 결정성 하이드록시아파타이트, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂와는 달리, 뼈의 무기성분의 구성은 매우 상이하며 아래의 공식과 같이 나타내어 질 수 있다.

Ca_8.3(PO₄)_4.3(HPO₄, CO₃)_1.7(OH, CO₃)_0.3

뼈 무기성분의 비-화학양론적인 측면은 주로 CO₃ ^2-와 HPO₄ ^2-와 같은 이가 이온의 존재 때문이며, 이러안 이온은 3가 이온인 PO₄ ^3-이온들을 치환할 수 있다. CO₃ ^2-와 HPO₄ ^2-에 의한 치환은 Ca/P 의 비율을 변화시킬 수 있는데 주로 연령이나 뼈의 위치에 따라, 1.50에서 1.70의 비율을 갖게 한다. 일반적으로 Ca/P 비율은 뼈의 나이에 따라 증가하게 되는데, 이것은 오래된 뼈일수록 카보네이트의 양이 많다는 것을 제시하는 것이다.

뼈의 무기성분들의 특정한 용해능은 나노미터의 결정 크기와 저결정구조 특질과 연결된 Ca/P 의 비율에 기인한다. 그리고, 뼈의 조직은 일정한 속도로 조직 재건을 실행하게 되는데, 이 조직 재건은 무기질 흡수 세포들(오스테오클라스트)와 무기질 생산 세포들(오스테오블라스트)에 의하여 조절되어 진다. 무기성분들의 용해 성질은 이러한 세포들의 작용 사이에 정밀한 대사 평형을 유지하는데 중요하다.

자연적으로 존재하는 뼈 물질과 매우 유사하게 만들어진 인공적인 뼈 이식 물질은 자연적으로 존재하는 뼈의 유용한 대체 물질이 될 수 있다. 이용가능한 인공적인 뼈는 자기로 부터 유래된 뼈(환자 자신의 뼈)의 유용성과 생산의 문제와 바이러스 전이 위험과 같은, 타가이식 뼈(사체로 부터의 뼈)와 연관된 위험성과 합병증이 없어야 한다. 결과적으로 이식의 용도로 사용하기 위한 자연적으로 존재하는 뼈와 매우 유사한 세라믹 물질을 합성하기 위한 수 많은 노력이 있어 왔다. 하이드록시아파타이트는 선호되는 물질인데, 그 이유는 비록 이 물질이 화학양론적이며, 일반적으로 큰 크기의 결정으로 된 결정상으로 되어 있지만, 이것은 화학적으로 뼈에 존재하는 무기질과 매우 비슷하기 때문이다.

이상적인 인공합성 뼈 이식 물질은 바람직하게 다음의 특성들을 지녀야 한다.

(1) 하이드록시아파타이트와 같이 화학적으로 생적합성이 있어야 한다.

(2) 환자 자신의 뼈가 그 주위를 치료할 때까지 이식물이 제자리에 그대로 위치할 수 있도록 어느 정도의 구조적 견고성을 지니고 있어야 한다.

(3) 용해될 수 있는 형태로 되어 흡수될 수 있는 성질이 있어, 환자 자신의 뼈가 외부로부터 유래한 하이드록시아파타이트을 대체할 수 있어야 한다

그리고 뼈 합성 오스테오블라스트 세포을 자극하는 뼈 성장 단백질과 같은 생분자물질이 인공합성된 뼈 물질과 결합할 수 있어야 하기 때문에 물질을 만드는 과정이 저온에서 실행되는 것이 바람직하다. 대부분의 뼈 성장 단백질들은 (뼈 형태형성 단백질과 같은) 열에 민감하며 온도가 체온보다 높은 곳에서는 생물활성을 잃는다.

이러한 요구조건들은 Ca/P 비율, 결정 크기, 결정성, 다공성, 밀도, 열 안정성 과 물질 순수도 와 같은 변수들이 조절되었을 때 충족될 수 있다. LeGeros R.Z.는 Calcium Phospates in Oral Biology and medicine (Krager Pub. Co., New York, 1991)- LeGeros R.Z. 구강 생물학과 의학에서의 인산 칼슘 (크라거 출판사, 뉴욕, 1991) 에서 하이드록시아파타이트의 고도로 결정화된 형태는 고온 (800 - 1200℃)에서 소결시킬 때, 용액의 침전물에서 만들어진다고 하였다. 고온처리는 Ca/P 비율이 1.67을 가진 몇 마이크론에 가까운 결정 크기로 고도의 화학량론적인 하이드록시아파타이트를 생산한다. 이러한 고도로 결정화된 하이드록시아파타이트는 매우 낮은 용해성을 가짐으로서, 피수용체의 조직에서 용해되지 않는다. 그래서, 살아 있는 뼈 조직에 의하여 대체되지 않으며 바람직하지 않은 긴 시간동안 환자의 몸에서 본래대로 남아 있게 된다.

또한, 하이드록시아파타이트는 주로 결정화된 칼슘 포스페이트 반응물들의 고체상태에서의 산-염기 반응에 의하여 생산되어 질수 있다. 이러한 접근은 때때로 반응이 잘 안 되거나, 동질하지 않은 물질을 생성하며, 많은 양의 결정성 하이드록시아파타이트을 갖게 된다.

미국 특허, No.4,880,610에서 Constanz 는 염기성 물질과 하이드록시아파타이트 결정체의 존재 하에 칼슘 원료원과 고도로 농축된 인산과의 반응에 의하여 칼슘 포스페이트 무기물질 생성을 보고하였다. 결과물질은 하이드록시아파타이트의 물질의 결정 형태를 지닌 다결정성의 물질이다. 이것과 같이, Constantz 에게 주어진 미국 특허 No. 5,053,212는 가루로 된 산성 원료의 이용을 발표하였는 데, 이것은 생산의 용이성과 함께 염기성/산성의 혼합성을 증가 시키기 위한 것이다; 그러나 미국 특허 No.4,880,610 의 그것과 유사한 혼합상의 칼슘 포스페이트가 보고 되었다. 최근에 Constantz 는 Science 지(Vol. 267, pp. 1766-9 (1995년3월 24일)에서 모노칼슘 포스페이트 모노하이드레이트, 베타-트리칼슘 포스페이트, 알파-트리칼슘 포스페이트과 소디움 포스페이트 용액에서의 칼슘 카보네이트의 반응으로부터 카보네이티드 아파이트의 형성을 보고하였는데, 이것은 칼슘 포스페이트 물질을 만들기 위한 것인데 이것은 여전히 자연적으로 존재하는 뼈와 비교하였을 때, 여전히 많은 결정성을 가지고 있다.

유사하게, U.S. reissue No. 33,221에서 Brown 은 결정성 테트라칼슘 포스페이트(Ca/P 비율, 2)와 산성의 칼슘 포스페이트의 반응을 보고하였다. 미국특허, No. 5,149,368에서 Liu 는 산성의 싸이트레이트와 결정성의 칼슘 포스페이트의 반응을 보고하였다.

이러한 모든 종래 기술에서는 하이드록시아파타이트의 결정성 형태을 형성하는 칼슘 포스페이트의 반응을 발표하였다. 무정형이나 또는 저결정성의 하이드록시아파타이트 블록 고체(block solid)들의 준비에 대하여는 발표가 거의 없었는데, 왜냐하면, 그러한 문비에 사용되는 무정형의 칼슘 포스페이트가 칼슘 포스페이트중에서 가장 덜 이해되어진 것이며, 그리고 일반적으로 무정형 칼슘 포스페이트는 대개 불활성이고 비-반응성의 고체로 생각되었기 때문이다.

종래의 기술에서 저결정성 칼슘 포스페이트 물질에 대한 유일한 언급은, 일반적으로 고온의 조건하에서 고도의 결정화된 하이드록시아파타이트 합성물의 형성에 대한 직접적인 선구물질로서 사용되는 무정형 인산 칼슘의 사용에 대한 것에만 집중되었다. 이러한 고도로 결정화된 물질은 인공적인 뼈 물질로 적합하지 않은데, 이러한 물질은 생리학적 조건에서 비 용해성을 띠기 때문이다.

예를 들어, 미국특허 No. 4,849,193에서 Palmer 는 무정형의 하이드록시아파타이트 침전 가루를 만들기 위하여, 칼슘 하이드록사이드 용액과 산성의 칼슘 포스페이트 용액의 반응에 의한 결정성 하이드록시아파타이트 가루의 형성을 보고하였는 데, 이 두용액은 거의 포화 상태에 가까운 것이였다. 이 무정형의 가루는 고도의 결정화된 하이드록시아파타이트를 얻기 위해, 즉시 건조되어지고, 700에서 1100℃의 고온에서 소결한다. U.S. Reissue No. 33,221에서 Brown 은 특별히 제한된 무정형상의 테트라칼슘포스페이트 (Ca/P 비율, 2.0)과 적어도 좀 더 산성의(결정성) 칼슘 포스페이트의 하나와 반응함으로서, 치과용 시멘트로 쓰기 위한 결정성 하이드록시아파타이트의 형성을 보고하였다. 미국특허 No. 5,037,639에서 Tung 은 치아의 광물성분 재보급을 위한 기본적인 무정형의 칼슘 포스페이트 반죽 사용과 응용에 대하여 발표하였다. Tung 은 기본적인 불활성 무정형 칼슘 포스페이트가 씹는 껌이나, 구강 청정제 또는 치약등과 혼합하여 구강으로 전달하는 방법으로 구강에 전달된 용액들은 불소를 포함하는 함유하는 결정성 하이드록시아파타이트로 전환하게 되는데, 이것은 치아 에나멜에 광물성분 재보급에 이용할 수 있는 방법을 제시하였다. PCT/GB93/01519에서 Simkiss 는 Mg²⁺이온이나 파이로포스페이트와 같은 억제재의 무정형의 칼슘 포스페이트와 함께 사용되는 것과, 살아 있는 조직으로 이식하는 이용에 대하여 언급하였다. 주변의 체 용액으로 Mg²⁺이온과 같은 것의 침출에 대하여, 무정형 칼슘-마그네슘 포스페이트는 결정성 하이드록시아파타이트로 전환한다.

자연적으로 존재하는 뼈의 성질을 닮은 저결정성의 칼슘 포스페이트을 제공하는 것과 더불어, 높은 견고성의 세라믹 블록의 형태로 그 물질을 얻는 것이 또한 바람직하다. 그러한 블록은 기계 등을 이용하여 바라는 기하학적 형태를 갖도록 할수 있다. 특별히, 고체의 하이드록시아파타이트 블록을 얻는 방법은 열과 압력하에서 가루의 물질을 고밀도의 블록으로 압력을 가하는 것을 포함한다. 이러하게, 프레스로 가압된 가루 블록은 강한 강도를 가지고 있지 않으며, 그 물질의 기계적 성질을 좋게하기 위한 열의 사용은 물질의 화학적 성분, 결정성의 정도을 바꿀수 있거나/또는 여러 다른 반대되는 영향을 가질 수 있다. 특별히, 단백질이나 다른 열에 민감한 부분들이 존재하는 곳에서 그러하다. 위의 설명된 어떤 과정들도 준비과정으로 부터 직접적으로 그리고 부가적인 프레스 과정없이 그러한, 하이드록시아파타이트 물질을 제공할 수 없다.

뼈에 자연적으로 존재하는 무기 성분의 특성을 닮은 새로운 인공으로 합성된 뼈 물질의 개발의 필요성이 남아있다. 특별히, 완전히 생흡수되는, 저결정성의, 저온에서 형성가능한 나노미터크기의 인공합성 뼈 물질을 만드는 필요성이 있다. 더욱이, 블록 형태로 제조과정에서 얻어지고, 원하는 형태로 만들어 질수 있는 고 강도와 다공성을 가진 세라믹 하이드록시아파타이트을 만드는 필요성이 있다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 쉽게 생흡수되고 저결정성을 가진 칼슘 포스페이트을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 그러한 칼슘 포스페이트를 가루나 블록 형태로 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 자연적으로 존재하는 뼈 무기성분의 표면 반응성을 닮은 표면을 갖는 저결정성의 칼슘 포스페이트 고체을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 강한 강도성이 있어 기계적으로, 바라는 기하학적 형태로 쉽게 만들 수 있는 블록형태로 만들어 질 수 있는 저결정성의 칼슘 포스페이트 아파테이트 물질과 그것의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른한 측면에서는, 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트가 칼슘과 포스페이트 이온들로 구성된 수용액으로 부터 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트 침전하는 것으로 준비된다; 수용액으로 부터 저결정성 칼슘 포스페이트를 모으는 것; 그리고, 결정 성장을 줄이고, 칼슘 포스페이트 아파타이트로의 변환을 촉진하기 위하여, 적당한 상대 습도와 온도에서 저결정성 칼슘 포스페이트을 탈수화 하는 것이다.

본 발명의 칼슘 포스페이트 아파타이트는 아파타이트 구조를 하고 있으며 구조와 구성분에서 하이드록시아파타이트와 관계있다. 그러나, 본 발명의 칼슘 포스페이트 아파타이트는 카보네이트와 파이로포스페이트 리간드을 포함하게 되는데, 이것은 자연적으로 존재하는 뼈와 매우 닮았다. 더욱이, 칼슘 포스페이트 아파타이트의 하이드록시 양은 하이드록시아파타이트에서 발견되는 구성율을 갖는 것으로 부터 실질적으로 전혀 없는 것의 범위에서 하이드록시 양이 변할 수 있다.

"저결정성(low crystallinity)" 물질이라고 하는 것은, 없거나 또는 길지 않은 범위의 오더(order) 을 갖는 무정형의 물질 또는 나노미터나 옹스트롬의 오더에서 결정성 도메인을 보이는 나노결정체 물질이다.

적당한 조건에서, 저 결정성의 칼슘 포스페이트는 탈수화전에 성형틀(mold)로 넣어 진다. 다른, 적당한 조건에서는, 수용액은 약 1.3에서 1.7의 칼슘대 포스페이트 비율 범위를 갖도록 선택되는데, 바람직하게는 약 1.5에서 1.68의 범위를 갖는다. 침전은 부가적으로 카보네이트 이온들을 포함하는 수용액에서 진행될 수 있다. 다른 적당한 조건하에서, 수용액은 약 6.0에서 약 8.6의 범위에서 pH를 갖는데, 바람직하게는 약 7.3에서 약 7.5의 범위을 갖는다. 칼슘과 포스페이트 이온들은 예 적정(example titration) 과 같은 빠른 첨가에 의하여 수용액으로 넣어진다. 다른 적당한 조건에서는, 모으는 과정은 여과, 원심분리와 침전을 포함하는 그룹으로 부터 선택된다.

또한, 다른 적당한 조건에서, 부가적으로 수용액은 결정화 억제인자를 포함한다. 이 억제인자는 칼슘과 포스페이트의 약 0.5wt% 에서 30wt%의 전체 건조 중량의 범위를 갖는다. 이 억제인자는 카보네이트 이온들, 마그네슘 이온들과 파이로포스페이트 이온들로 구성된 그룹에서 선택된다.

본 발명의 다른 조건에서, 저결정성 칼슘 포스페이트는 모으는 과정 전에 용액속에서 성숙(maturation)한다. 성숙은 바라는 바와 같이 아이들의 뼈, 어른들의 뼈 또는 고령의 뼈와 실질적으로 유사한 구성을 가진 칼슘 포스페이트를 얻기 위한 충분한 시간을 통하여 수행된다. 적당한 조건에서, 성숙 시간은 약 한 시간에서 약 일년의 범위를 가지며, 바람직하게는 약 2주에서 약 6개월의 범위를 가진다.

여기서 사용되는 "성숙(maturation)"이라는 것은 칼슘 포스페이트 전구체가, 반응성, 구성, 결정도 그리고 결정 도메인 크기 등의 칼슘 포스페이트의 여러 특성에 영향을 줄수 있는 시간에서, 수용액과 접촉을 유지하는 과정을 것이다.

또 다른 적당한 조건에서, 탈수화 과정은 약 섭씨 1도에서 50도의 범위에서 이루어지며, 바람직하게는 섭씨 4도에서 37도의 범위이다. 탈수화 과정은 선택된 온도에서 약 55%에서 약 99%의 상대 습도의 범위에서 조절된 습도를 갖는 곳에서 이루어진다. 바람직하게는 섭씨 25도에서 약 60%에서 70%의 상대 습도를 갖는다. 탈수 과정은 약 일주에서 약 일년의 범위를 가지며, 바람직하게는 약 2주에서 약 6개월의 범위를 가고, 더 바람직하게는 약 3주에서 4주의 범위를 갖는다.

본 발명의 다른 적당한 조건에서는, 뼈 재생성 단백질이나 항생제와 같은 생분자들이 칼슘 포스페이트 아파타이트에 첨가될 수 있다. 생활성 분자들은 수용액이나 또는 탈수화전에 모아진 침전물에 도입될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서, 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트는 칼슘과 포스페이트 이온들로 구성되는 수용액으로 부터 저결정성의 칼슘 포스페이트를 침전하는 것으로 준비된다; 용액으로 부터 저결정성 칼슘 포스페이트를 모으는 것; 그리고, 결정 성장을 막기 위하여 그리고, 칼슘 포스페이트로의 변화을 촉진시키기 위하여 모아진 침전물을 냉동 건조(lyophilization)하는 것.

본 발명의 또 다른 측면에서, 저결정성의 칼슘 포스페이트 아파타이트는 약 30Å에서 약 100Å의 범위의 다공성도와 약 20VHN에서 40VH의 범위의 경도를 갖는 고체 블록 물질로 준비된다.

"블록 고체 (block solid)" 라는 것은 가루된 것이나 과립으로 된것과 비교하여 하나의 케이크나 조각으로 얻어지는 것을 의미하는 용어이다.

본 발명은 인간이나 동물의 이식 물질과 같은 여러 가지 용도를 가진 인공적 칼슘 포스페이트 아파타이트에 관한 것으로 특히, 고도의 기계적 강도와 다공성(porosity)을 가진 칼슘 포스페이트 아파타이트에 관한 것이다.

발명의 설명은 다음의 도에서 설명할 수 있다.

도 1은 본 발명의 방법을 기술하는 블록 다이아그램(block diagram)이다.

도 2는 발명에 따라 준비된 칼슘 포스페이트 아파타이트 (a)와 인간의 뼈(b)의 X - 선 회절 패턴이다; 그리고, 도 3은 본 발명의 다른 방법을 기술하는 블록 다이아그램이다.

본 발명은 고도의 생흡수성인 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트 물질을 준비하는 새로운 방법을 제공하는 것이다. 칼슘 포스페이트 아파타이트는 미세한 가루나 또는 고도의 기계적 강도를 가진 블록 고체로서 준비되어 질 수 있다. 본 발명의 과정은 저결정성 칼슘 포스페이트를 조심스럽게 조절된 구멍의 크기, 다공성도, 구성과 결정성도를 가진 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록(block)으로 전환하는 것이다. 이 방법은 저결정성 칼슘 포스페이트의 침전 및 모으는 과정을 포함하고, 결과 물질인 칼슘 포스페이트 아파타이트 세라믹 고체의 결정의크기, 강도와 마이크로포러시티(microporosity)을 조절하기 위하여 조절된 반응과 탈수과정을 갖는다. 이 방법은 또한 저결정성 칼슘 포스페이트의 침전 및 모으는 과정을 포함하고, 결과 물질인 칼슘 포스페이트 아파타이트 가루의 과립의 크기, 결정성도와 마이크로포러시티를 조절하기 위하여 냉동 건조 (lyophilization) 과정을 갖는다. 중요하게, 그 과정은 상온(ambient temperature)이나 이하의 온도(sub-ambient temperature)을 포함하0는 저온에서 수행될 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 화학 구성의 변경을 허용하는데, 그래서 산물인 나노결정성(nanocrystalline)의 칼슘 포스페이트 아파타이트의 생활성을변경하는 것을 제공한다.본 발명의 인공적인 뼈 이식 물질의 생활성은, 환자에 있어서 조절된 용해도 때문에 기본적인 결정성의 칼슘 포스페이트 아파타이트와 비교할 때, 나아질 수 있다. 바람직하게, 저결정성의 칼슘 포스페이트 아파타이트의 뼈 이식물은 최적의 속도로 뼈가 성장하여 그것을 대체할 수 있도록 한다. 저결정성 칼슘 아파타이트의 용해도는 Ca/P의 화학 구성 그리고/또는 여기서 설명한 나노미터 크기(nano-sized)의 결정의 마이크로구조(microstructure)를 바꿈으로서 변화시킬 수 있다. 일반적으로, 저결정성 고체는 비교할 수 있는 결정성 고체보다 더 수용성이다. 뼈 이식(bone graft) 물질로서 사용되는 최종 산물의 용해도를 조절하게 됨으로서, 젊거나 나이가 들거나 또는 다른 뼈위치의 응용을 위한 생물학적으로 적합한 물질의 구성을 디자인할 수 있다.

본 발명의 방법은 도 1의 흐름도에 기술되있다. 칼슘 포스테이트의 침전은 도 1에서의 과정 10에서 보여지는 저온 (섭씨 영도에서 40도)에 수용액에서 칼슘 염과 포스페이트 염사이의 이중의 decomposition 에 의하여 수행된다. 그 반응은 칼슘 포스페이트의 빠른 반응과 침전을 촉진하는 pH에서 실행된다. 전형적인 pH 값은 약 6.5에서 약 8.5의범위를 가지며, 더욱 바라직하게는 약 7.3에서 약 7.5의 범위이다. 침전은 부가적으로 카보네이트 이온을 포함할 수 있다. 카보네이트 이온은 여러 가지 Ca/P 비율을 가진 칼슘 포스페이트의 침전에 유용한데, 왜냐하면 카보네이트 이온은 포스페이트 이온이 점거하지 않으면, 그 위치를 점유하게되는데, 이러하여, 침전물의 포스페이트 양을 줄인다. 아파타이트 구조안으로의 카보네이트 리간드의 도입은 자연적으로 존재하는 뼈과 매우 닮은 물질을 준비하는데 매우 유용하다. 카보네이트 이온은 또한 결정화 억제인자(crystalline inhibitors)(아래를 보시오)로서의 역할을 한다. 그래서, 침전물의 칼슘, 포스페이트와 카보네이트의 양을 조절함으로서 그 물질의 최종 구성이 조절될 수 있다. 1.3에서 약 1.7의 칼슘대 포스페이트 비율이 적당하다. 특별히 약 1.6의 화학량론적인 하이드록시아파타이트 Ca/P의 비율을 갖는 것이 적당하다.

침전에서 저결정성은 침전 과정의 속도와 기간을 조절함으로서 얻어질 수 있다. 저결정성은 무정형과 나노-결정의 구조 모두를 포함한다. 저결정성 칼슘 포스페이트는 초기 침전이 빠른 조건하에서 용액으로부터 침전된다. 빠른 침전은 많은 매우 작은 칼슘 포스페이트 핵의 형성을 초래한다. 부가적으로, 빠른 결정이나 과립의 성장은 각 과립안에 좀 더 많은 결손을 초래하는데, 이러므로서, 또한 용해도를 향상시킬 수 있다. 빠르게 형성되는 침전물들은 나노결정이며, 매우 고도의 반응성을 주는 labile 포스페이트(와 카보네이트) 환경들에서 풍부하다. 그 스페트럼 최말단에서, 결정 또는 과립(grain)의 성장은 매우 빠르며, 결손된 밀도는 매우 커서 무정형 칼슘 포스페이트가 만들어진다. 이러한 물질들은 긴 범위의 구조를 갖지 않지만 옹스트롬 크기에서 측정되면 동질적이다. 그 나노결정의 무정형의 침전물들의 구성은 매우 비슷하며 다른 침전 조건들과 함꼐 강하게 변하지 않는다.

여기서 사용되는 "labile 표면"이라는 것은 용어는 물질이나 미립자 (Particle)의 표면이 반응성이 있어서 주위의 물질의 표면과 반응할 수 있는 것으로 화학적인 구성의 변화, 결정도의 변화, 그 물질의 크리스탈 도메인 (crystal domain)크기를 변하게 할 수 있는 것을 말한다.

칼슘 포스페이트 아파타이트의 열역학적으로 좋은 결정 구조는 반응의 속도를 감소시킴으로서 촉진될 수 있다. 그래서, 무정형이나 나도결정의 침전물을 얻기 위하여 반응 속도를 증가시키는 단계들을 고려할 수 있다. 칼슘과 포스페이트의 빠른 혼합은 산물로서 비-안정한 국면(Phase)의 형성을 만든다. 고체를 형성하기 위하여 각 이온들이 정확하게 정스타포지션(juxtaposition) 할 수 있도록 반응시간을 주는 것은 좀 더 열역학적으로 안정한 결정 구조들과 안정된 구조를 만들어 낼 것이다. 더욱이, 핵화된 아파타이트(nucleated)의 결정화을 막기 위하여 조절된 방법으로 칼슘이온과 포스페이트 이온을 분리하여 용액에 도입하는 것이 좋다. 예를 들면, 칼슘과 포스페이트 이온은 적당한 온도와 적정에 의한 적정한 pH의 용액으로 도입될 수 있는데, 이리하여 형성되는 칼슘 포스페이트의 양을 제한 할 수 있다. 고도로 농축된 것 또는 과포화에 기까운 용액을 사용하는 것은 좀 더 빠른 반응을 확실히 한다. 선호되는 칼슘 이온들은 Ca(NO₃)₂, CaCo₃,Cacl₂와 칼슘 아세테이트(Ca(CH₃COO)₂)이다. 선호되는 포스페이트 이온들은 Na₂HPO₄, KH₂PO₄, NaH₂PO₄, K₂HPO₄,NH₄H₂PO₄와 (NH₄)₂HPO₄. 비록 그 반응이 상온이나 상온이하의 온도에서 실행되지만, 반응물의 농도를 증가시키기 위하여, 끓는점에 가까운 온도는 반응 속도를 증가시키는 가능한 방법이다.

일단, 침전물이 형성되면, 도 1의 과정 12에서 보여지는 바와 같이 모 용액(mother liquor)로 부터 모아 진다. 모아지는 과정은 기존의 방법으로 수행할 수 있는 데, 여과, 원심분리와 침강(sedimentation)과 같은 방법등으로 수행하며, 꼭 이러한 방법으로만 한정되지는 않는다. 선호되는 모으는 방법은 여과인데, 이것은 케이크(Cake)와 같은 무정형의 젤을 가능하게 한다. 모으는 과정후에 또는 똑같은 시간에, 그 젤은 도 1의 과정 14에서 기술한 바와 같이 반응하지 않은 용액 이온들을 갖는 모 용액의 미량물들을 제거하기 위하여 세척될 수 있다. 여과물이 이온을 갖지 않을 때 까지 증류수를 가지고 세척하는 것이 좋다.

본 발명의 블록 고체의 칼슘 포스페이트 아파타이트를 준비하기 위하여, 모아진 젤은 도 1의 과정 16에서 보여지는 바와 같이 비친수성의 성형틀에 넣어진다. 성형틀을 메우는 과정을 촉진하기 위하여, 부가적인 물(5에서8wt%)을 켸이크와 같은 칼슘 포스페이트 젤에 넣어 젖고 혼합하여 부을수 있을 정도의 일관성을 갖게한다. 이 성형틀은 채워져야 하며, 안에 들어 있는 가스 (공기 버블)가 제거되는 것이 좋다. 이것은 sonication 또는 압력을 줄임으로서 이루어 질 수 있다. 이 성형틀은 젤과 붙지 않는 것이 좋다. 이 성형틀은 폴리테트라프루오로에칠렌(PTFE)로 만들어 질 수 있다. 이 성형틀로 부터의 젤의 쉬운 방출은 건조 동안에 쪼개짐을 방지하고, 내부 스트레스의 형성을 막는다. 이러한 주물에 있어서의 스트레스와 쪼개짐의 방지는 고 강도의 고체 블록 산물을 형성할 때 바람직하다. 그 산물 물질을 갈아서 과립 형태로할 때, 쪼개짐을 방지하기 위한 부수적인 조치는 필요하지 않는다. 성형틀의 기하학과 크기는 건조 동안에 쪼개짐을 최소화하는데 중대한 역할을 하는 것으로 관찰되었다. 좀 더 큰 성형틀과 고 방출 코팅없는 성형틀은 결과 산물인 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체의 기계적 강도를 낮추거나 쪼개짐을 만드는 경향이 있다.

세라믹과 같은 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체 물질은, 표면이 강하게 반응하는, 성형된 칼슘 포스페이트의, 탈수 반웅과 반응 연합(association)에 의하여 얻어 진다. 칼슘 포스페이트 젤은 이 단계에서 여전히 반응성이 있으며, 칼슘 포스페이트 아파타이트 고체를 형성하기 위하여 반응한다. 젤은 도 1의 과정 17에서 보여지는 바와 같이, 조절된 습도에서, 섭씨 영도에서 50도의 범위 안의 낮은 온도에서 서서히 탈수화되는데, 바람직한 범위는 섭씨 4도에서 37도이다. 습도는 선택된 온도에서 약 55%에서 99%의 RH의 범위를 유지한다. 습도는 일반적으로 사용하는 방법이나 상업적으로 판매되는 습도 조절 챔버에서 조절되어 진다. 상온(ambient) 습도 그리고/또는 온도가 심하게 변동하지 않는 환경에서 일반적인 조건들이 사용될 수 있는 것으로 관찰된다. 탈수화와 반웅의 속도는 이 점에서 큰 크기의 결정화를 막기 위하여 적정하게 조절된다. 그 과정은 몇 주에서 일년까지의 기간동안에 수행된다. 긴 반응/탈수화 시간들은 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체의 증가된 밀도와 기계적 강도와 연관되어 있다. 그래서, 낮은 온도와 높은 상대 습도는 일반적으로 그 과정에서 양호한데, 그 이유는 그것들이 건조 시간과 그래서 반응 시간을 증가 시키기 때문이다. 건조가 1일이나 3일 정도에 일어날 수는 있지만, 그 산물은 일반적으로 만족할 만하지 못한데, 그 이유는 기계적 강도를 약하게 하는 쪼개짐 때문이다. 1 주 이상의 건조 시간이 좋다.

결과적인 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체는 고 반응성이며, 고강도의 물질이다. 그 물질은 원하는 모양으로 기계를 이용하여 만들 수 있고, 그래서, 이식형 기구로 사용하기 위한 물질을 만들 수 있다. 고 반응성은 고흡수성을 제시한다. 본 발명의 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체는 이식 물질들로 받아 들여지는 현재의 범위와 비교할 수 있는 경도와 마이크로다공성(microporosity)을 가지고 있다. 평균 다공성도는 약 30Å에서 100Å 의 범위안에 있다. 경도는 약 20에서 40VHN 의 범위를 가지고 있다. 블록 고체는 프레스로 압력이 가해진 가루의 콤팩트(Compacts)들 보다 좀 더 큰 강도와 경도를 가지고 있다. 더욱이, 일반적인 프레스로 압력을 가한 콤팩트들은 고온의 처리 없이는 그들의 강도를 유지할 수 없는데, 이러한 처리는 그 콤팩트들의 구성과 결정성도를 바꿀 수 도 있다. 바란다면, 블록 고체는 저결정성의 칼슘 포스페이트 아파타이트 가루를 얻기 위하여 마쇄할 수도 있다. 약250μm에서 약 0.5 mm 의 범위의 미립자 크기를 갖는 가루를 생각할 수 있다. 결과물인 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체는 자연적으로 존재하는 뼈의 구성과 결정성을 닮는다. 도 2는 자연적으로 존재한 뼈의 X 선 회절 패턴(XRD)(a)과 본 발명에 따라서 준비된 칼슘 포스페이트 아파타이트 고체의 X선 회절 패턴이다. 두 개의 X 선 회절 패턴을 비교하여 본다면, 칼슘 포스페이트 아파타이트가 결정성의 정도(XRD 피크의 뽁족함에 의하여 보여지는)와 구성(피크의 위치와 인텐시티(intensity)의 의하여 보여지는) 둘 다에서 인간의 뼈를 유사하게 닮았다는 것이 확실하다.

본 발명의 적당한 조건에서, 침전은 도 1의 과정 18의 선택적 과정에서 보여지는 바와 같이 느린 탈수 전에 선택적으로 성숙될 수 있다. 성숙은 조절된 조건하에서 시간 동안에 수용액과 침전물과의 접촉을 포함한다. 칼슘-, 카보네이트- 또는 포스페이트- 를 가진 용액과 같은 이온성의 용액들이 사용될 수 는 있지만 용액은 전형적으로 증류수이다. 성숙은 전체적이며, 요구되는 다공성과 구성을 가진 세라믹을 절대적으로 얻기 위하여 젤 나노결정체의 표면 트랜스포맨이션(Transformation)과 그들의 크기의 조절을 목적으로 한다. 성숙은 뼈가 나이를 먹는 과정과 유사하다. 카보네이트가 모 용액에 존재하는 침전과 성숙동안에 카보네이트는 아파타이트 구조속으로 들어 갈수 있고 젊거나 또는 늙은 뼈의 무기질에 상응하는 다른 아파타이트 구성을 얻을 수 있다. 그래서, 성숙은 칼슘 포스페이트 젤의 구성과 반응성에 영향을 준다.

성숙은 결정성의 증가와 관계가 있으며, labile 포스페이트 환경의 감소와 관계가 있으며, 카보네이트 환경의 증가와 관계가 있다. 일반적으로, 성숙 시간이 길면 길수록, 결정의 크기가 크며, 칼슘 포스페이트 물질의 표면 반응성이 감소한다. 또한, 성숙기간이 진행할수록 그 물질의 카보네이트 양은 증가하며 그 물질의 HPO₄ ^2-의 양은 감소한다.

성숙은 약 한 시간에서 약 일년동안까지의 범위에서 일어날 수 있다. 성숙의 길이는 특정한 나이의 뼈의 구성에 접근하는 칼슘 포스페이트 아파타이트를 얻기 위하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 약 2일이나 3일의 성숙은 어린아이의 뼈의 구성과 유사한 구성을 가진 칼슘 포스페이트 아파타이트를 만들 수 있는 것으로 관찰된다. 유사하게, 약 1달에서 6달 그리고, 6달에서 12달의 성숙은 각 각 성인이나 노인의 뼈의 구성과 유사한 구성을 가진 산물을 초래한다. 억제인자(아래를 보라)의 존재와 없음은 선호되어 지는 성숙 시간에 또한 영향을 줄 수 있다. 본 발명의 다른 적당한 조건에서, 초기의 핵화 후에, 결정의 성장을 막는 방법을 제공할 수 있다. 아파타이트 결정의 연속적인 성장을 막는 첨가물은 도 1의 과정 19의 선택과정에서 보여지는 바와 같이 침전 용액에 첨가 된다. 본 발명에의 방법에 유용한 전형적인 억제인자는 Mg²⁺, 카보네이트와 파이로포스페이트등이 있는데, 이것에만 국한되지는 않는다. 마그네슘 이온은 바람직하게 칼슘 용액에 첨가될 수 있고 그리고/또는 파이로포스페이트나 카보네이트 이온들은 포스페이트 용액에 첨가될 수 있다. 이 억제인자들은 단일하게 사용되거나 다른 것들과 조합으로 사용될 수 있다. 칼슘 포스페이트 시스템에서의 결정화를 억제하는 다른 첨가물들은 본 발명의 고려 대상안에 있다. 억제인자는 칼슘 포스페이트 아파타이트의 결정 성장을 막는데, 효과적인 양을 첨가한다. 전형적인 양은 칼슘과 포스페이트 원료의 전체 건조 중량의 약 0.5wt% 에서 약 30wt% 의 범위에 있다. 억제인자의 효과적인 양은 사용되어지는 특별한 억제인자에 따라 변할 것이다. 예를 들면, 소디움 바이카보네이트(NaHCO₃) 많은 양 (30wt%)가 첨가될 수 있으며, 반면에 마그네슘 이온의 적은 양이 효과적이기 위하여 필요할 수 있다.

본 발명의 다른 방법에 있어서, 칼슘 포스페이트 아파타이트는 미세하세 나누어진 가루로서 얻어질 수 있다. 이 방법은 도3에 기술되어 있다. 과정 10에서의 칼슘 포스페이트의 고체의 침전, 과정 12에서의 모 용액으로 부터 침전의 모음 그리고, 과정 14에서의 고체의 세척은 위에서 기수한 바와 같이 수행된다. 미세한 가루는 과정 30에서 보여지는 과정과 같이 이 점에서 침전의 동결 건조로 얻어질 수 있다. 냉동 건조(lyophilization)가 사용되어 지는데, 그 이유는 그것이 저온에서 침전물의 건조를 할 수 있다는 것이며, 그래서, 결정화나 더 이상의 반응이 일어나지 않는다. 그래서, 냉동 건조된 가루는 반응성의 자리를 유지하고 침전물의 무정형 결정상을 유지할 수 있다.

본 발명의 방법에 따르면, 칼슘 포스테이트 침전물은 즉시 모아지고 여과된다. 이러한 과정은 모아진 침전물의 저결정성상을 유지하기 위하여 차가운 방이나 실온이하의 온도에서 행하여 지는 것이 바람직하다. 모으는 과정은 일반적인 과정으로 가능한데, 중력 여과, 진공 여과, 침강과 원심분리와 같은 것들이 있으며, 이러한 방법에만 국한되지는 않는다. 모아진 침전물은 젤라틴같으며 위에서 기술한 바와 같이 증류수로 한 번이상 세척한다. 그리고, 세척된 침전물은 즉시 냉동되어 지는데, 예를 들면 질소 용액에 넣는 방법이 있지만 이것에만 국한되지는 않는다. 냉동되면 이러한 언 상태에서 안에 잡혀 있는 많은 양의 용액을 건조시킨다. 이러한 과정은 냉도 침전물을 주어진 시간동안에 진공 챔버에 위치시키는 것이다. 이러한 냉동건조 방법은 12에서 78시간 동안의 범위, 바람직하게는 약 24시간의 범위의 시간 동안에 10^-3에서 10^-5토르의 범위의 진공에서 질소 용액의 온도에서 일어나다. 선호되는 방법은 냉동 건조(lyophilization) 방법을 포함하는데, 이것은 동결 건조에서 사용되어지는 전형적인 cryogenic 온도가 그 물질의 좀 더 결정화되는 것을 막기 때문이다. 결과적으로, 이렇게하여 얻어진 칼슘 포스페이트 아파타이트 가루는 아주 미세한 매우 유동적인 가루가 된다.

다른 조건에서, 생활성 분자들이 도 1의 과정 20의 선택적 과정에서 기술되어 지는 바와 같이 그 젤에 첨가될 수 있다. 골 재 생성 단백질(BRP)의 칼슘 포스페이트 아파타이트 가루나 블록 고체에로의 첨가가 고려된다. BRP는 뼈의 성장 속도를 증가시키고 뼈의 치료를 가속화하는 것을 보여주었다. BRP와 성긴 결정 구조의 칼슘 포스페이트 아파타이트를 포함하는 뼈의 이식은, 본 발명의 칼슘 포스페이트 아파타이트만을 이용한 뼈 이식보다 매우 빠르게 뼈의 복구를 촉진할 것으로 예상된다. BRP의 유효성은 성긴 결정구조의 칼슘 포스페이트 아파타이트의 용해도를 조절함으로서 향상될 수 있는데, 뼈 성장을 위한 적당한 양(dosage)에서 BRP, 칼슘 과 포스포로오스를 전달하는 속도에서 용해되도록 하는 것이다.

BRP와 연합하는 그러한 방법은 증류수 대신에, 단백질의 활성을 유지하는 적당한 pH를 갖으며, BRP을 포함하는 과정 10에서의 칼슘 포스페이트의 분해를 위한 완충용액과 혼합하는 것을 포함하는데, 이것에만 한정되지는 않는다. 예로서의 BRP들은 전환 성장 인자-베타, 세포 부착 인자들, 내피 세포 성장 인자들과 골 형태 형성 단백질을 포함하는데 이것에만 한정하지는 않는다. 그러한 BRP 들은 현재 Genetics Institute, Cambridge, MA; Genetech, Palo Alto, CA; 그리고 Creative Biomolecules, Hopkinton, MA 사에서 개발중이다. 택일적으로, 과정 12의 여과 과정후에 칼슘 포스페이트젤과 혼합될 수 있다. 또한, 항생제나 그것의 약품을 칼슘 포스페이트 아파타이트 가루 또는 고체로의 결합이 고려된다. 임상적인 면에 있어서, 골-이식 수술로부터 발생하는 주된 어려움중에 하나는 수술 후의 염증이나 감염의 통제 필요성이다. 성긴 결정 구조의 칼슘 포스페이트 아파타이트와 항생제(들)을 포함하는 골 이식은 수술 부위의 국부적 감염을 줄이는데, 이것은 감염이 없게 하고 골 치료의 치료 과정을 빠르게 한다. 항생물질의 유효성은 성긴 결정구조의 칼슘 포스페이트 아파타이트의 방출을 조절함으로서 향상될 수 있는데, 조직 복구 부위에 가장 적당한 양(dosage)에서 항생제 펩타이드와 그것의 반응성 콤포넌트(components)을 방출하는 전달하는 속도에서 용해되도록 하는 것이다. 예를들어, 항생제는 페니실린, 클로르테트라싸이클린 하이드로클로라이드(오레오마이신), 클로암페니콜과 옥시테트라싸이클린(테라마이신)이 있는데, 이것에만 국한되지는 않는다. 골 조직 복구을 위한 최적의 조건을 촉진시키기위한 필수적인 구성부분의 대부분 또는 전부를 부분적으로 전달하기 위하여, 항생제들, 대부분 폴리펩타이드들, 과 골 재생성 단백질들이 본 발명의 성긴 결정 구조의 하이드록시아파타이트와 섞일 수 있다.

본 발명은 아래의 예들로 좀 더 예시화될 수 있는데, 이것은 발명을 제한하는 것으로 간주되지 않고 오직 설명하는 목적으로 제시된 것이다.

예 1.

이 예는 본 발명의 방법에 따르는 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체의 전형적인 생성을 기술한다.

침전(precipitation)

1200ml의 증류수에 디소디움 하이드로전 오르도포스페이트(Na₂HPO₄,12H₂O) 218g 의 용액과 500ml의 증류수에 칼슘 나이트레이트[Ca(NO₃)₂,4H₂O) 70g 의 용액이 준비되었다.

칼슘 용액은 실온에서 빠르게 포스페이트 용액으로 부으며 젖는다. 침전은 빠르고 실질적으로 완전하다. 침전물의 pH는 산성의 칼슘 포스페이트의 형성을 피하기 위하여 소디움 하리드록사이드 용액의 적정으로 7.4 까지 맞춘다. 침전은 부크너 필터(약 0.1 sq.m 전체 표면적를 가진)를 통하여 여과를 모 용액으로부터 빠르게 분리하며, 약 3L의 증류수로 세척한다. 필터 종이위에 저결정성 칼슘 포스페이트 젤 케이크가 얻어진다.

저온에서의 세라믹 같은 블록 고체의 형성

여과와 세척 후에, 적당한 양의 증류수(5에서 8 중량 %)가 젤 침전물에 첨가되었다. 이 젤은 몇 분동안 동질적이 되도록 잘 혼합한다. 그리고, 폴리테트라플루오로에칠렌(PTFE)의 성형 틀(직경 60 mm ; 높이 22 mm)에 넣고, 젤 안에 잡혀있는 공기 거품을 방출시키기 위하여 몇 분동안 sonicaion 한다. 이 성형틀은 조절된 온도 (섭씨 5도에서 37도)와 습도 (10에서 95%RH)에서 챔버에서 건조된다. 이러한 샘플은 건조하면서 천천히 줄어 들었고, 대부분의 수분을 방출하였다. 샘플의 건조 속도와 수축은 초기의 수분 함량에 달려 있다. 그 물질은 건조하면서 경화되었고, 유리와 같이 되었다. 그것은 약 10%의 잔여 수분을 함유하였다. 밀도가 있는 펠레트(Dense pellet)(아파타이트의 이론적인 밀도인 60%) 가 얻어질 수 있다. 펠레트의 biaxial flexure stress는 약 4 MPa 였으며, 그리고 마이크로경도 테스팅은 약 20 VHN 이였다. 그 샘플의 마이크로 구멍의 크기는 평균 30에서 100Å이였다. 이러한 특성은 뼈 이식물로서 받아들여질수 있는 것으로 알려진 범위에 비교될 수 있다. 30 에서 100Å의 구멍 크기는 단백질 흡수, 세포 고정과 multiplication 에 유용하다.

예2-4

이 예는 예 1에서 기술된바와 같이 수행되었고, 결과 산물인 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체의 경도에 있어서의 다른 탈수 시간들에 대한 효과를 기술한 것이다.

표 1. 여러 가지 건조 시간을 사용한 블록 고체 아파타이트의 준비

번호	온도(℃)	상대습도(%)	탈수시간(일)	경도(VHN)
2	4	85-95	∼14
3	25	60-70	∼8
4	50	20-30	∼3	마이크로쪼개짐

좀 더 빠른 탈수 시간이 블록 고체의 기계적 성질의 좋지 못한 결과를 초래하였다.

예 5.

이 예는 억제인자를 사용한 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체의 전형적인 형성을 기술한 것이다.

예 1의 준비하는 방법을 따르며, 물질의 미립자 크기를 줄이기 위하여, 그리하여 구멍의 크기, 몇 몇 결정 성장 억제인자들은 침전 그리고 성숙 용액속(CO₃ ^2-,Mg²⁺과 P₂O₇ ^4-이온들)에서 각 각 또는 동시에 쓰일 수 있다.

CO₃ ^2-이온들을 첨가할 때, 전형적으로 소디움 바이카보네이트(NaHCO₃)의 80g을 포스페이트 용액에 첨가한다. Mg²⁺이온들을 첨가하 때, 전형적으로 소디움 파이로포스페이트(Na₄P₂O₇,10H₂O)가 포스페이트 용액에 첨가되었다.

이러한 결정 성장 인자 억제인자의 영향은 X-선회절 패턴에서 명확하게 보여졌다. 밴드는 예 1에서 얻어진 샘플보다 넓었고 매우 성긴 결정성의 특징을 가지고 있었다.

IR 스펙트럼은 CO₃ ^2-밴드들을 보여 주었다. 그래서, 카보네이트는 칼슘 포스페이트 아파타이트 산물에 결합되어져 왔다. 카보네이트의 위치는 뼈의 무기 성분에서 발견되는 것과 비슷하였다. 873과 879cm^-1의 두 카보네이트 밴드가 각 각 타입 A와 타입 B 카보네이트로 정하여졌다. 866cm^-1에서의세 번째 카보네이트 밴드는 주로 가루의 표면서 labile 카보네이트 종으로 정하여 졌다. 동결 건조된 결정체의 비표면적은 120 sq.mg^-1에 달한다.

세라믹과 같은 물질은 예 1에서 기술된 방법으로 얻어졌다. 마이크로구멍 크기는 110Å이였고, flexure stress는 3.5 MPa 이었고, 마이크로 경도는 35 VHN 이였다. 일반적으로, 억제인자의 사용은 억제인자없이 얻어진 고체보다 증가된 기계적 강도를 가진 고체 블록 물질을 생산 하였다.

예 6-8

이러한 예는 예 5에서 기술된바와 같이 실행되었으며, 결과 산물인 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체에 성질에서 다른 억제 인자의 영향을 기술하였다.

표 2. 다른 억제 인자들을 이용한 블록 고체 아파타이트의 준비

번호	억제인자	첨가된 억제인자(g)	결정 크기 (Å)	비표면적(sq.m/g)	CO₃ ^2-양(wt%)	경도(VHN)
6	CO32-	NaHCO₃(80)	255	76	1.2	28.9
7	CO32-, Mg2+	NaHCO₃(80)MgCl₂.6H₂O (1.25)	200	80	1.5	30.4
8	CO32-, Mg2+,P2O74-	NaHCO₃(80)MgCl₂.6H₂O (1.25)Na₄P₂O₇.10H₂O (1)	200	88	1.8	32.4

억제인자의 사용이 경도에 있어서 증가를 나타내는 것이 매우 확실하다. 더욱이, 다양한 억제인자의 선택은 바라는 경도, 카보네이트 양, 결정의 크기와 비표면적의 선택을 할 수 있도록 한다. 이러한 샘플은 성숙과 관여가 없는 것에 유의한다.

예 9-12

이러한 예는 예 5에서 기술된 바와 같이 실행되었으며, 결과 산물인 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체에 성질에서 다른 억제 인자의 영향을 기술하였다.

표 3. 다양한 성숙시간을 사용한 블록 고체 아파타이트의 준비

번호	성숙 시간 (일)	비표면적(sq.m/g)	Ca/P비율	CO₃ ^2-양(wt%)
9	10	92	1.63	4.3
10	100	117	1.66	5.7
11	250	120	1.72	6.7

성숙이 결과물이 칼슘 포스페이트 아파타이트 고체 블록의 카보네이트 양을 심하게 증가 시켰음이 매우 확실하다. 더욱이, 이러한 결과는 바라는대로 칼슘과/포스페이트의 비율을 바꿀 수 있는 가능성을 보여 주는 것이다.

예 12

이 예는 본 발며의 방법에 따라 미세하게 나누어진(finely devided) 칼슘 포스페이트 아파타이트의 형성을 기술하는 것이다.

칼슘과 포스페이트 이온 용액들은 예 1에서 처럼 준비되고, 결합된다. 침전물은 예 1에서 처럼 모아지고 세척된다.

모으는 과정 후에 그리고, 세척 전에, 얻어진 고체는 동결 건조되어 자유롭게 흐르는 고체로 되었고, 미립자 크기와 화학적 구성이 조사되었다. 화학적 분석은 Ca/P = 1.45 를 주었고, 비-화학량론적 아파타이트 상의 특징을 갖느다.

동결 건조된 가루의 X 선 회절은 뼈 무기질에서 발견되는 것과 도일한 넓은 피크들을 가진 성긴 결정구조을 보여 주었다. 아파타이트 구조에서 211, 002, 310, 222 와 213의 피크를 확인할 수 있다. 투과 전자 현미경에 의하여 관찰된 미립자는 플레이트와 비슷한 결정과 불규칙적인 모양(약 300Å평균 길이)에 연장(elongation)되어 있었다.

IR 스펙트럼은, 아파타이트 환경에서 PO₄ ^3-에 기인하는 흡수 밴드를 가지고, 인공적인 아파타이트의 스펙트럼과 뼈 무기질의 스펙트럼과 동일하다는 것을 보여준다. 게다가, 벼 무기질에서 발견되는 환경과 동일한 비-아파타이트 labile 환경은 610과 530cm^-1에서 관찰된다. 이 마지막 밴드는 HPO₄이온들에 기인하는 것이다.

비표면적은 약 100sq.m/g 으로서 뼈 무기질 결정에서 예상되는 것과 유사하다. 머큐리 포로스미터(Mercury Porosimetry)는 평균 구멍의 크기가 30에서 100Å를 갖는 동질성의 마이크로구멍의 분배를 보여준다. 이러한 마이크로다공성도는 단백질 결합을 위하여 좋은 것으로 보인다(아래를 보라).

예 13

이 예는 뼈의 무기질에 대항하여 가까운 카보네이트 아파타이트를 얻기위한 침전의 성숙을 기술한 것이다. 카보네이트 이온들은 뼈의 무기질을 이루는 세 번째의 주된 구성분이다. 성숙은 뼈의 무기질의 특성과 가까운 카보네이트 아파타이트의 침전물의 특성을 갖도록 한다.

예 2에 따라 얻어진 침전물은 1 시간에서 일년의 시간 범위의 여러 가지 기간 동안 모 용액에서 성숙되도록 남겨진다. 침전후에 흡수된 카보네이트 이온들의 양은 매우 낮고(1에서 2%), 카보네이트 이온들의 대부분은 모용액에서 침전물의 성숙동안에 결합된다(한달에 6% 카보네이트). 카보네이트 이온들은 뼈 무기질에서와 같은 동일한 위치를 차지 하고 있었다. 카본에이트 이온들의 결합은 HPO₄ ^2-양의 감소, 아파타이트의 결정성의 증가 그리고, labile 비-아파타이틱 환경의 감소와 연관 되어 있다. 한달의 성숙후에 얻어지는 샘플은 인간의 뼈 무기질과 유사하였다.

이러한 샘플은 예 1에서 기술되어진 과정에 따르는 고체 물질들을 주었다. 그것들은 2.5 Mpa의 flexure strength, 25 VHN의 마이크로경도와 105Å의 평균 마이크로구멍(micropore)을 특징으로 한다(3 개의 억제인자와 100일의 성숙 시간).

예 14

이 예는 단백질의 칼슘 포스페이트 아파타이트 블록 고체에로의 결합을 기술을 기술한다.

예 1 의 준비 방법에 따라, 여러양의 보바인 시럼 알부민 (bovine serum albumin)이 0.5에서 50wt% 의 범위의 알부민/(알부민+아파타이트)의 비율에서 아파타이트 젤로 결합되었다.

혼합(whipping)후에, 세라믹은 예 1에 따라 준비되었다. 가장 높은 알부민 농도(50%)를 가진 샘플에 대하여, 약 8%가 물에서 펠레트의 잠김 후에 50 시간안에 방출되었다. 남아있는 것(42%)는 단지 산성의 매체에서 그 세라믹의 전체 dissolution에 의하여 방출되었다.

본 발명의 다른 조건들은 여기에 있는 발명의 명세 또는 실행으로 부터 익숙한이에게는 명확할 수가 있다. 명세와 예들은 단지 설명으로서 여겨지고, 다음의 청구항에 의하여 나타나는 발명의 진정한 범위와 정신을 가지는 것으로 의도된다.

Claims

칼슘과 포스페이트 이온들로 이루어진 수용액으로 부터 저결정성의 칼슘 포스페이트를 침전시키는 단계와;

그 용액으로 부터 저결정성의 칼슘 포스페이트를 모으는 단계;

칼슘 포스페이트 아파타이트로의 전환을 촉진하고 결정 성장을 최소화하도록 설정된 온도와 상대 습도에서 저결정성의 칼슘 포스페이트를 탈수하는 단계로 이루어진 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 탈수 단계전에 저결정성의 칼슘 포스페이트를 성형틀에 주조하는 단계가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 수용액이 상기 칼슘대 포스페이트의 비율이 1.3에서 1.7의 범위안에 있도록 선택되어진 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 수용액이 칼슘대 포스페이트의 비율이 1.5에서 1.68의 범위안에 있도록 선택되어진 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 침전단계가 카보네이트 이온들이 부가되어 이루어진 수용액에서 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 여기서 수용액은 pH의 범위가 약 6.0에서 약 8.5의 범위이다.
제 1 항에 있어서, 상기 수용액이 약 7.3에서 약 7.5의 pH의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 칼슘과 포스페이트 이온들이 빠른첨가에 의하여 수용액 안으로 도입되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 칼슘과 포스페이트 이온들이 적정에 의하여 수용액 안으로 도입되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 모으는 단계가 여과, 원심분리와 침강으로 이루어지는 그룹으로 부터 선택된 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 수용액이 결정화 억제인자를 갖는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 억제인자가 칼슘과 포스페이트 원료들의 약 0.5wt%에서 약 30wt% 총 드라이웨이트의 범위 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 억제인자가 카보네이트 이온, 마그네슘 이온과 파이로포스페이트 이온으로 구성된 그룹으로 부터 선택된 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 모으는 단계에 앞서 수용액에서 저결정성의 칼슘 포스페이트를 숙성시키는 단계가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 숙성이 아이들의 뼈와 실질적으로 유사한 구성을 갖는 칼슘 포스페이트 젤을 얻기 위한 충분한 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 숙성이 어른들의 뼈와 실질적으로 유사한 구성을 갖는 칼슘 포스페이트 젤을 얻기 위한 충분한 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 숙성이 늙은 뼈와 실질적으로 유사한 구성을 갖는 칼슘 포스페이트 젤을 얻기 위한 충분한 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 칼슘 포스페이트 아파타이트가 약 한 시간 에서 약 일년의 범위의 시간에서 숙성되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 칼슘 포스페이트 아파타이트가 약 이주일 에서 약 육 개월의 범위의 시간에서 숙성되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 탈수 단계가 약 1℃에서 50℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 탈수 단계가 약 1℃에서 50℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 탈수 단계가 약 4℃에서 37℃ 범위의 온도에서 수행 되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서, 저결정성 칼슘 포스페이트을 탈수하는 단계가 선택된 온도에서 약 55%에서 약 99%RH 범위내에서 조절되어지는 습도에서 탈수되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 저결정성 칼슘 포스페이트을 탈수하는 단계가 선택된 온도에서 약 55%에서 약 99%RH 범위안에서 조절되어지는 습도에서 탈수되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 저결정성 칼슘 포스페이트을 탈수하는 단계가 섭씨 25℃ 약 60%에서 약 70%RH의 범위안에서 조절되어지는 습도에서 탈수되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 탈수 단계가 약 일주일에서 약 일년의 범위안에서 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 탈수 단계가 약 일주일에서 약 일년의 범위안에서 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 탈수 단계가 약 이주일에서 약 6 개월의 범위안에서 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 탈수 단계가 약 3주에서 약 4주의 범위안에서 수행되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 탈수 단계가 블록 고체 형태의 모양으로 칼슘 포스페이트 아파타이트를 제공하기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항에 있어서, 생활성 분자들을 칼슘 포스페이트 아파타이트에 포함하는 단계가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 31 항에 있어서, 상기 생활성 분자가 탈수 전에 모아진 침전물에 첨가되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 31 항에 있어서, 상기 생물활성 물질이 수용액에 첨가되어 지는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 31 항에 있어서, 상기 생활성 물질이 골 재생 단백질들과 항생제 그리고 그 약품으로 이루어진 그룹으로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
칼슘과 포스페이트 이온들로 이루어진 수용액으로 부터 저결정성의 칼슘 포스페이트를 침전시키는 단계와;

그 용액으로 부터 저결정성의 칼슘 포스페이트를 모으는 단계;

결정 성장을 최소화하고 그리고 칼슘 포스페이트 아파타이트로의 전환을 촉진하기 위하여 모아진 침전물을 냉동 건조하는 단계로 이루어진 저결정성 칼슘 포스페이트를 준비하는 방법.
제 1 항, 제 11 항 또는 제 31 항의 방법에 따라 준비된 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트.
제 14 항의 방법에 따라 준비된 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트.
약 30Å에서 약 100Å의 범위를 갖는 다공성도와 약 20 VHN에서 약 40 VHN 범위의 경도를 가지는 고체 블록 물질로서 특징지어지는 저결정성 칼슘 포스페이트 아파타이트.