인산칼슘계 골 시멘트용 TTCP의 합성과 특성

국문 초록 (Abstract)

인산칼슘계 물질은 치과 및 의학분야에서 대표적인 골 대체재료 중의 하나로 널리 사용되고 있다. 그 중에서 인산칼슘계 골 시멘트는 1986년 Brown과 Chow박사에 의해 고안이 되었다. 그 이후 인산칼슘계 골 시멘트는 높은 생체적합성, 우수한 생체활성, 자가 경화특성, 낮은 발열온도 그리고 성형성이 좋은 여러 가지 장점으로 인해 많이 연구되어 왔다. 인산칼슘계 골 시멘트는 서로 다른 인산칼슘계 물질을 사용하여 많은 종류로 발전이 되어왔다. 하지만 인산칼슘계 골 시멘트의 최종상은 대부분 HA인데, 이는 HA가 가지고 있는 우수한 생체적합성과 골전도성, 그리고 자연골과 같은 화학적 구성을 가지기 때문이다. 세라믹 골 시멘트에서의 TTCP는 불안정한 특성과 높은 용해도를 가짐으로서 다른 물질과 반응성이 좋아 골 시멘트의 출발물질로 가장 널리 사용되고 있다. 많은 연구에서 TTCP의 합성에는 높은 온도와 긴 공정시간을 가져야만 높은 순도의 TTCP를 얻을 수 있다고 알려져 있지만, 많은 연구에도 불구하고 이에 대해서 구체적으로 언급된 연구결과는 아직 없다. 하지만 Brown과 Chow박사가 고안한 방법은 공정시간이 길며 볼밀링시 발생되는 오염등의 문제점이 제기되어왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기존의 방법과는 다른 TTCP 합성법이 필요로 하다.

본 연구에서는 새로운 방법의 TTCP합성법을 제안을 하고, 이렇게 합성된 TTCP 분말을 사용한 시멘트들의 특성을 서로 비교해 보았다.

기존의 TTCP 제조방법 외에 새롭게 제안한 TTCP 합성법을 이용하여 90 - 100%까지 서로 다른 TTCP의 양을 갖는 TTCP 분말을 합성을 하였다. TTCP-b의 정량 및 정성분석결과가 기존 합성법으로 합성된 TTCP-a의 정량 및 정성분석결과와 가장 비슷한 특성을 지니고 있었다. TTCP 합성에 있어서 1500℃에서 유지시간이 길수록 그리고 로냉 하였을 때 보다는 공기 중 급랭 하였을때 보다 높은 순도의 TTCP를 얻을 수 있다. 골 시멘트-c의 경화시간은 1분 이내로 가장 짧았는데 이는 TTCP-c가 가진 HA의 함량이 약 6wt%정도로 분말에 포함된 HA가 경화 시 HA로의 상 전이 시 Seed 역할을 하여 경화를 촉진시킨 것으로 판단된다. 세 가지의 다른 물질과 방법으로 합성된 TTCP를 이용한 골 시멘트의 특성은 서로 다르게 나타났으며, 이는 합성된 TTCP 분말내의 순도와 TTCP합성의 출발 물질에 따라 서로 다른 것으로 보인다. 새로운 방법으로 합성한 TTCP의 경우 TTCP-a의 방법보다는 합성시간을 약 18시간 이상 단축시키면서 볼밀링에서 발생되는 오염으로부터 자유로워 보다 높은 순도를 갖는 TTCP를 합성 할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Calcium phosphate materials are widely applied as a variety of bone substitute materials in dental and medical fields. Brown and Chow in 1986 was firstly developed calcium phosphate cements (CPC). Since then, many studies for the development of CPC have been conducted due to many advantages such as good biocompatibility, excellent bioactivity, self-setting characteristic, low setting temperature and easy shaping for any complicated geometry. The CPC is developed by the mixing of many types of calcium phosphate materials. The final mineral of the most set CPC was HA due to its excellent biocompatibility, osteoconduction and same as natural bone mineral. In ceramic bone cements, TTCP materials an unstable and high soluble phase and is a well-known starting material due to its good hydration and other chemical reactions. In practice, the synthesis of TTCP requires high temperature treatment, long processing time and high purity TTCP. However, the obtaining of high pure TTCP powder is generally not easy. Despite of the many works, only few woks focus in detail on the synthesis of pure TTCP powder for CPC. Brown and Chow suggested a method, but it is a time-consuming process and causes a contamination from milling media. In order to solve the purity and processing time problems, the development of new method or protocol for TTCP synthesis is needed.

In this work, new synthetic methods of TTCP have been proposed. In addition, the characteristics of hardened bone cements with three types of synthesized TTCP are analyzed.

TTCP powders having different HA amounts were prepared by newly proposed process. The HA content of the TTCP-b is similar to that of conventional milling powder (TTCP-a). However, the properties of the TTCP-c are quite different compare to other two powders. The cement-c (with TTCP-c) showed the fastest setting time due to the high amount of HA (about 6wt%). The newly proposed method for the TTCP-b powder is suitable process, in terms of the contamination from milling, setting time, setting temperature and compressive strength.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• Ⅰ. 서 론 ------------------------------------- 1
• Ⅱ. 이론적 배경
• Ⅱ-1. 생체세라믹스 ------------------------------ 4
• Ⅱ-2. 골 시멘트 --------------------------------- 7
• Ⅱ-3. TTCP ------------------------------------ 9
• Ⅱ-4. HA -------------------------------------- 10
• Ⅲ. 실험방법 ---------------------------------- 11
• Ⅳ. 결과 및 고찰
• Ⅳ-1. 합성된 분말의 열분석 특성 ------------------ 19
• Ⅳ-2. 열처리된 TTCP 분말의 정성 및 정량 분석 ----- 24
• Ⅳ-3. 골 시멘트 분말의 입도분석 ------------------ 29
• Ⅳ-4. 골 시멘트의 경화 시 발열온도 결과 ----------- 33
• Ⅳ-5. 골 시멘트의 경화시간 측정 결과 -------------- 38
• Ⅳ-6. 경화된 골 시멘트의 기공률 측정 결과 --------- 40
• Ⅳ-7. 경화된 골 시멘트 시편의 압축강도 결과 -------- 42
• Ⅳ-8. 경화된 골 시멘트 시편의 미세구조 관찰 결과 ---- 44
• Ⅳ-9. 경화된 골 시멘트 시편의 정성 및 정량 분석 결과 -48
• Ⅴ. 결론 ------------------------------------- 51
• Ⅵ. 참고문헌---------------------------------- 52
• 영문 초록 ------------------------------------ 54