KR100537404B1 - 조직공학용 다공성 지지체의 비용매 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조직재생용으로 사용될 수 있는 안정성이 우수한 다공성 고분자 지지체의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 고분자 입자와 수용성 염을 균일하게 혼합한 후 일정한 주형에서 고압으로 압착하고 열에 의해 접합시킴으로써 일정한 형태를 갖도록 유도하고, 형성된 고분자 입자와 가용성 염의 성형물에서 가용성 염을 용해함으로써 다공성 지지체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의해 제공된 생분해성 다공성 지지체는 기존의 생분해성 소재를 이용한 지지체에 비해 유기용매를 사용하지 않아 조직의 재생시 매우 안정적으로 사용될 수 있으며 제조 과정이 간편하고 두꺼운 지지체의 성형에도 매우 효과적이라고 할 수 있다. 또한 이러한 제조 방법은 기존에 난용성 생분해성 고분자뿐 아니라 비분해성 고분자를 이용한 다공성 지지체 제조에도 매우 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 관점에서 볼 때, 본 제조 방법을 통한 지지체 제조는 조직공학용 다공성 재료를 만드는 획기적인 제조법으로 널리 사용될 수 있으리라 기대된다.

Description

조직공학용 다공성 지지체의 비용매 제조 방법{Method of Fabricating Porous Scaffold for Tissue Engineering}

본 발명은 조직공학용 다공성 지지체의 제조 방법에 관한 것이다.

지금까지 일반적으로 사용되어진 지지체의 소재로서 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 등과 같은 비분해성 고분자와 폴리락타이드 (혹은 폴리락트산), 폴리글라이콜리드 (혹은 폴리글라이콜산) 등의 생분해성 고분자가 사용되고 있다. 비분해성 고분자의 경우 인체 내에서 분해되지 않기 때문에, 수술 부분이 완치된 후 별도의 제거 수술이 필요하다. 만일 비분해성 고분자가 인체 내에 장시간 존재하게 될 경우에는 인체 내 조직에 불필요한 자극을 주며, 염증 반응과 같은 부작용을 유발하는 문제점을 갖는다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 사용되는 합성 생분해성 고분자 재료는 물리적 특성 및 가수분해 특성이 우수한 지방족 폴리에스테르를 중심으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 현재 널리 상용되고 있는 합성 생분해성 고분자로는 폴리아미노산, 폴리안하이드라이드, 폴리카프로락톤, 폴리글라이콜리드, 폴리락타이드 및 이들의 유도체인 락타이드/글라이콜리드 공중합체 등이 있다. 이러한 생분해성 고분자를 사용하여 다공성 지지체를 제조하는 여러 가지 방법이 최근에 많이 보고되고 있다.

먼저 고분자용액을 염화나트륨과 혼합하여 건조한 후 염화나트륨을 물에 용해시켜내는 미세분말 석출법 (Solvent-casting/particle-leaching method : A. G. Mikos et al., Polymer, 35, 1068 (1994)), CO₂ 가스를 이용하여 고분자를 팽창시키는 방법 (Gas foaming method : L. D. Harris et al., J. Biomed. Mater. Res., 42, 396 (1998)), 고분자 용액과 발포성 염을 혼합하여 건조한 후 물 또는 산성 용액에서 발포성 염을 발포하여 지지체를 제조하는 방법 (Gas foaming salt method : Y. S. Nam, et al., J. Biomed. Mater. Res., 53, 1 (2000)), 고분자 섬유로 부직포를 만들어 고분자 체로 제조하는 방법 (Fiber extrusion and fabric forming process : K. T. Paige and C. A. Vacanti, Tissue Engineering, 1, 97 (1995)), 고분자 용액에 함유되어 있는 용매를 비용매 속에 담구어 상분리시키는 상분리법 (Thermally induced phase peparation method : C. Schugens, et al., J. Biomed. Mater. Res., 30, 449 (1996)), 고분자 용액과 비용매가 혼합된 유화용액을 액체질소에 급속 냉동시켜 동결건조하는 유화동결건조법 (Emulsion freeze-drying method : K. Whang, Polymer, 36, 837 (1995)) 등이 있다.

상기에 열거된 각각의 방법들은 용매의 사용 여부, 다공도의 균일성, 다공도의 분포, 다공도의 연결성, 다공도의 크기 등 여러 가지 문제점에 있어, 장·단점을 모두 지니고 있어 다공성 지지체 제조를 위한 표준 방법은 아직 확정되지 못한 상태이다.

또한, 상기의 대부분 방법들에 있어 고분자 물질을 녹이기 위해 용매로서 클로로포름이나 메틸렌클로라이드와 같은 용매가 사용되고 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 용매를 제거하는데 많은 시간이 소요되기 때문에 제조시간이 길어지며, 10ppm 이하로 유지되어야 하는 용매의 잔류량 조절 등의 문제점이 제기되고 있다. 특히, 매우 민감한 신체부위에 사용되는 다공성 지지체의 경우에는 용매의 잔류량이 ppb 이하로 유지되어야 하는 문제점이 있다. 따라서 용매를 사용하지 않고 다공성 지지체를 제조하려는 연구가 진행 중에 있으나 대부분의 경우 그 다공도의 균일성 및 내부 연결성이 양호하지 못한 상태이다.

현재까지 폴리글라이콜리드, 폴리락타이드, 락타이드/글라이콜리드 공중합체 등의 생분해성 고분자 재료를 이용한 다공성 고분자 지지체들이 많이 사용되고 있으나 제한된 물성과 유기용매의 사용, 균일하고 상호연결성의 미흡, 형태의 제한성 등의 많은 한계점을 지니고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 생분해성 고분자 지지체를 제조함에 있어서 유기용매의 사용없이 균일하고 상호연결성이 뛰어난 다공성 지지체를 원하는 형태로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 고분자 입자와 수용성 염을 균일하게 혼합하여 일정한 주형에서 압착하고 열에 의해 접합시킨 후 성형물에서 수용성 염을 물에 용해시켜 제거함으로써 유기용매의 사용없이 다공성 및 상호연결성이 우수한 생분해성 고분자 지지체를 제조할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 조직재생용으로 사용될 수 있는 안정성이 우수한 다공성 고분자 지지체의 제조 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로는, 본 발명은 고분자 입자와 수용성 염을 균일하게 혼합한 후 일정한 주형에서 고압으로 압착하고 열에 의해 접합시킴으로써 일정한 형태를 갖도록 유도하고, 형성된 고분자 입자와 수용성 염의 성형물에서 수용성 염을 물에 용해시켜 제거함으로써 다공성 지지체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 사용할 수 있는 생분해성 고분자 재료의 선택에 있어 중요하게 고려되어야 할 사항은 조직세포의 유착과 증식이 잘되어야 하고, 분화된 세포의 기능이 보전되어야 하며, 체내에 이식된 후에도 주위 조직과 융화가 잘 되어 염증 반응이 없고 일정 기간이 지난 후 스스로 분해되어 이물질로 남지 않아야 한다. 따라서, 생분해성 고분자 재료로는 폴리락타이드, 폴리글라이콜리드, 폴리카프로락톤, 폴리트리메틸렌카보네이트, 폴리아미노산, 폴리오르토에스테르, 폴리에틸렌옥사이드 및 이들의 공중합체 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 지지체 제조 방법은 고분자와 수용성 염을 압착 후 열에 의해 접합시킴으로써 녹는점이 존재하는 모든 생분해성 고분자 뿐만 아니라 비분해성 고분자, 예를 들어 폴리우레탄, 폴리에틸렌 또는 폴리카보네이트에도 적용될 수 있는 장점이 있다. 특히, 본 발명에서의 제조 방법은 용매를 사용하지 않으므로 난용성 폴리글라이콜리드 고분자의 지지체 제조도 가능하다.

제조된 지지체의 이상적인 형태는 일정한 크기의 공극 형성, 높은 내부의 상호연결성 및 적절한 기계적 강도 등을 유지하는 것이다. 지지체의 공극 크기 및 다공도는 제조시 사용되는 수용성 염의 크기와 양에 따라 조절될 수 있으며, 이러한 조절에 의해 지지체의 전체적인 형태가 좌우된다.

공극을 형성하는 물질로는 염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 염화마그네슘 등의 결정성 염류, 수산화나트륨, 수산화칼슘 등의 결정성 수산화물 및 설탕, 녹말 등의 수용성 다량류의 사용이 가능하며, 그 크기는 10∼800 ㎛의 크기를 갖는 염의 사용이 가능하다. 염의 크기가 10 ㎛ 미만일 경우에는 막혀진 공극과 염성분의 잔존 가능성이 매우 높아지며, 800 ㎛를 초과할 경우에는 고분자 입자의 접착이 용이하지 않다.

지지체의 형태에 대한 공극의 크기와 다공도의 영향은 다음과 같다. 공극의 크기는 100∼500 ㎛ 정도일 때 지지체의 가장 좋은 구조적 형태를 갖고, 50 ㎛ 내지 100 ㎛ 미만과 500 ㎛ 내지 800 ㎛의 크기도 비교적 지지체의 형태가 양호하다. 1∼50 ㎛의 크기는 비교적 좋은 형태의 지지체가 얻어지지는 않으나 지지체로서의 역할을 충분히 수행할 수 있는 형태를 가질 수 있다. 공극의 크기가 1 ㎛ 미만인 경우 지지체에 들어있는 염의 추출이 용이하지 못할 뿐만 아니라 제조된 지지체 내부의 상호연결이 양호하지 못하다. 한편, 800 ㎛ 초과의 크기를 갖는 지지체의 경우 지지체에 기계적 강도가 매우 약하여 지지체로서의 역할을 수행하기 부적합하다.

다공도에 있어서는 90∼96％일 때 지지체의 가장 좋은 구조적 형태를 유지하고, 80% 이상 90％ 미만과 96% 초과 99％ 이하일 때도 비교적 지지체의 형태가 양호하다. 50% 이상 80％ 미만일 때의 지지체는 비교적 좋은 형태의 지지체가 얻어지지 않으나 지지체로서의 역할을 충분히 수행할 수 있는 형태를 지지고 있다. 다공도가 50％ 미만인 경우 공극의 상호연결성이 크게 떨어져 지지체로서 부적합하고, 99％ 초과인 경우 기계적 강도가 매우 약하여 지지체로서의 역할을 수행하기 부적합하다.

본 발명의 지지체 제조 방법에 따르면, 먼저 생체분해성 고분자 입자와 수용성 염을 원하는 다공도를 갖도록 조절하여 혼합한 후 고압에서 압착한다. 압착시 고분자 입자와 염 입자의 혼합물에 100 MPa 이상이 압력이 가해져야만 일정한 형태의 성형물을 얻을 수 있다. 50 MPa 이하의 압력 하에서 성형물은 입자 사이의 물리적 접합력이 매우 취약하여 일정한 형태를 유지하지 못하고 부스러지는 현상을 보였다.

다음으로는 압착된 고분자 입자와 염의 성형물에 고분자 입자가 서로 접합할 수 있도록 열을 가해준다. 이때 가해주는 열량은 매우 중요하므로, 적절한 온도 및 시간의 조절이 필수적이다. 이러한 접합 온도는 대부분 고분자의 용융 온도보다 조금 낮은 온도에서 유지되어야 하므로 생분해성 고분자의 종류에 따라 각각 다른 접합 온도와 시간이 요구된다. 이러한 접합 온도 및 유지 시간은 고분자의 종류 및 그의 용융 온도에 따라 당업계의 숙련자에 의해 용이하게 설정할 수 있다.

예로써 폴리락타이드의 경우에 있어서는 폴리락타이드 입자의 용융 온도 180℃보다 조금 낮은 175∼177℃가 적당하다. 이러한 접합 온도에서 접합시간은 예를 들어 약 3분 가량이 적당하다. 만일 접합 온도가 높고 접합시간이 길어질 경우 가해지는 열량의 증가로 인하여, 생분해성 고분자 입자의 용융으로 표면에 필름이 형성되며 염성분은 제거되지 않는다. 한편, 접합 온도가 낮고 접합시간이 너무 짧은 경우에는 고분자 입자의 불완전한 접합으로 인하여 염성분의 용해시에 그 형태를 유지하지 못하는 문제점이 있다.

이러한 제조 방법에 따르면 두꺼운 지지체의 제조도 가능하다. 먼저 압착된 고분자 입자와 염의 두꺼운 성형물을 적절한 접합 온도에서 접합한 후, 증류수로 염성분을 제거하고 접합 온도에서 다시 접합시킨 후 염성분을 제거하는 방법을 3∼4회 반복할 경우 내부에서의 접합도 유도할 수 있는 것으로 확인하였다.

이와 같은 제조 방법에 의해 제조된 생분해성 다공성 지지체는 녹는점이 존재하는 모든 생분해성 혹은 비분해성 소재에 적용이 가능하며, 또한 유기용매를 사용하지 않아 그 제조 방법이 매우 간단하여 인공피부, 인공뼈, 인공관절 등의 조직 재생을 위한 지지체 제조 방법으로 매우 효과적일 것이다.

이하, 본 발명을 다음의 비교예 및 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이들 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

크기가 30~40 ㎛인 폴리락타이드 분말과 크기가 300∼500 ㎛인 염화나트륨 결정을 사용해 염화나트륨/폴리락타이드 중량비 95wt%가 되도록 조절한 후 균일하게 혼합하여 주형에 넣었다. 유압 프레스를 사용하여 직경 1.3 cm 주형을 5,000 파운드 (pound)로 압착하여 폴리락타이드/염화나트륨 시편을 제조하였다. 제조된 시편은 175℃에서 3분 동안 오븐에서 접합시켰다. 폴리락타이드 분말이 접합된 시편은 증류수를 사용하여 시편 내부에 존재하는 염화나트륨을 완전히 제거하며, 이때 증류수는 1일 동안 5회 정도 교환하였다. 얻어진 시편을 동결건조하여 다공성 지지체를 제조하였다. 제조된 다공성 지지체의 두께는 첨가하는 폴리락타이드/염화나트륨의 양에 따라 조절될 수 있으며, 0.5 ∼ 10 mm의 두께를 갖는 다공성 지지체의 제조가 가능하였다.

이러한 방법에 의해 제조된 다공성 지지체의 무게를 측정하여 지지체에서 염화나트륨이 제거되었음을 확인하였다. 또한, 주사전자현미경(Scanning electron microscopy)으로 분석한 결과, 지지체 외부 (도 1a)와 내부 단면 (도 1b)에서 다공성의 형태가 매우 균일하여 다공성의 연결도가 매우 우수하였다. 다양한 공극의 크기 및 다공도를 갖는 지지체는 사용하는 NaCl의 크기와 양을 조절함으로써 얻을 수 있다. 수은 다공도 분석기(Mercury Porosimetry analyzer)를 통해 지지체의 다공도를 분석한 결과, 다공도는 93％, 공극의 크기는 230-400 ㎛로 나타났으며, 다공도의 분포가 매우 균일한 상태로 측정되었다 (도 8 참조).

<실시예 2>

실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하되, 직경(ψ) 200∼300 ㎛의 크기의 염화나트륨을 사용해 염화나트륨/폴리락타이드 중량비를 95 wt%로 조절하여 다공도 93％ 및 직경(ψ) 120-220 ㎛의 공극 크기를 갖는 다공성 지지체를 제조하였다.

<실시예 3>

실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하되, 직경(ψ) 80∼120 ㎛의 크기의 염화나트륨을 사용해 염화나트륨/폴리락타이드 중량비를 95wt%로 조절하여 다공도 92% 및 직경(ψ) 50-100 ㎛의 다공성 지지체를 제조하였다.

<실시예 4>

실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하되, 직경(ψ) 300∼500 ㎛의 크기의 염화나트륨을 사용해 염화나트륨/폴리락타이드 중량비를 93wt%로 조절하여 다공도 90％ 및 직경(ψ) 220-410 ㎛의 다공성 지지체를 제조하였다.

<실시예 5>

실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하되, 직경(ψ) 300∼500 ㎛의 크기의 염화나트륨을 사용해 염화나트륨/폴리락타이드 중량비를 90 wt%로 조절하여 다공도 86％ 및 직경(ψ) 230-410 ㎛의 다공성 지지체를 제조하였다.

<실시예 6>

크기가 30~50 ㎛인 폴리에틸렌 분말을 사용하여 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하되, 가해진 용융접합온도는 폴리에틸렌 분말의 용융온도를 고려하여 130 ℃로 유지하였으며, 직경(ψ) 300∼500 ㎛의 크기의 염화나트륨을 사용해 염화나트륨/폴리에틸렌 중량비를 75 wt%로 조절하여 다공도 72％ 및 직경(ψ) 230-410 ㎛의 다공성 지지체를 제조하였다.

<비교예 1>

비교예 1에서 얻어진 폴리락타이드 중합체를 클로로포름 용액에 자석 교반기를 사용하여 균일하게 용해시켰다. 제조된 고분자 용액을 바이알에 넣고, 여기에 직경(ψ) 300∼500 ㎛의 크기의 염화나트륨을 사용해 염화나트륨/폴리락타이드 중량비를 95 wt%로 조절하여 첨가한 후, 소용돌이 혼합기(Voltex mixer)를 사용하여 균일하게 혼합하였다. 준비된 주형에 혼합 용액을 붓고 24시간 동안 용매를 완전히 건조시켰다. 용매가 모두 증발된 후, 증류수를 사용하여 시편 내부에 존재하는 염화나트륨을 완전히 제거하며, 이때 증류수는 1일 동안 5회 정도 교환해 주었다. 얻어진 시편을 동결건조하여 다공도 94％ 및 직경(ψ) 180-440 ㎛의 다공성 지지체를 제조하였다.

이와 같은 방법에 의해 제조된 다공성 지지체를 주사전자현미경을 사용하여 분석한 결과 표면에 부분적으로 막혀진 공극을 형성하였으며 (도 7a 및 도 7b), 수은 다공도 분석기를 이용한 공극 분포의 측정한 결과 불균일함을 확인할 수 있었다 (도 8 참조).

상기한 바와 같이 본 발명에 의해 제공된 생분해성 다공성 지지체는 기존의 생분해성 소재를 이용한 지지체에 비해 유기용매를 사용하지 않아 조직의 재생시 매우 안정적으로 사용될 수 있으며 제조 과정이 간편하고, 10 mm 두께의 두꺼운 지지체의 성형에도 매우 효과적이라고 할 수 있다. 또한 이러한 제조 방법은 기존에 난용성 생분해성 고분자뿐 아니라 비분해성 고분자를 이용한 다공성 지지체 제조에도 매우 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 관점에서 볼 때, 본 제조 방법을 통한 지지체 제조는 조직공학용 다공성 재료를 만드는 획기적인 제조법으로 널리 사용될 수 있으리라 기대된다.

도 1a는 본 발명의 실시예 1의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 표면의 전자주사현미경 사진.

도 1b는 본 발명의 실시예 1의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 단면의 전자주사현미경 사진.

도 2a는 본 발명의 실시예 2의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 표면의 전자주사현미경 사진.

도 2b는 본 발명의 실시예 2의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 단면의 전자주사현미경 사진.

도 3a는 본 발명의 실시예 3의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 표면의 전자주사현미경 사진.

도 3b는 본 발명의 실시예 3의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 단면의 전자주사현미경 사진.

도 4a는 본 발명의 실시예 4의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 표면의 전자주사현미경 사진.

도 4b는 본 발명의 실시예 4의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 단면의 전자주사현미경 사진.

도 5a는 본 발명의 실시예 5의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 표면의 전자주사현미경 사진.

도 5b는 본 발명의 실시예 5의 비용매 제조 방법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 단면의 전자주사현미경 사진.

도 6a는 본 발명의 실시예 6의 비용매 제조 방법으로 제조된 비분해성 폴리에틸렌 지지체 표면의 전자주사현미경 사진.

도 6b는 본 발명의 실시예 6의 비용매 제조 방법으로 제조된 비분해성 폴리에틸렌 지지체 단면의 전자주사현미경 사진.

도 7a는 비교예 1의 미세분말 석출법으로 제조된 폴리락타이드 지지체 표면의 전자주사현미경 사진.

도 7b는 비교예 1의 미세분말 석출법으로 제조된 폴리락타이드 지지체의 단면 전자주사현미경 사진.

도 8은 비교예 1(미세분말 석출법)과 실시예 1(비용매 제조법)에 의해 제조된 폴리락타이드 지지체의 수은 다공도 분석기에 의한 다공도 분포 그래프.

Claims (5)

1. 조직공학용 고분자 지지체를 제조함에 있어서, 고분자 분말과 수용성 염을 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 주형에서 압착 성형하는 단계, 상기 성형물을 가열하여 접합시키는 단계 및 상기 성형물 내의 수용성염을 물에 용해시켜 제거하는 단계를 포함하는 조직공학용 다공성 고분자 지지체의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 고분자가 폴리락타이드, 폴리글라이콜리드, 폴리카프로락톤, 폴리트리메틸렌카보네이트, 폴리아미노산, 폴리오르토에스테르, 폴리에틸렌옥사이드 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 생분해성 고분자인 방법.
3. 제1항에 있어서, 고분자가 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 비분해성 고분자인 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 공극의 크기가 1∼800 ㎛인 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 다공도가 50∼99％인 방법.