KR100563476B1

KR100563476B1 - 골재생재료

Info

Publication number: KR100563476B1
Application number: KR1019990023362A
Authority: KR
Inventors: 이진용; 김홍렬; 시바토시카쯔
Original assignee: 이진용; 김홍렬
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2006-03-27
Also published as: EP0968729B1; KR20000011318A; EP0968729A3; DE69914264T2; US6406711B1; EP0968729A2; DE69914264D1

Abstract

본 발명은 물리적 충격에 의한 골절이나 외과수술에 수반하는 골손상의 치료에 있어서, 신생골의 형성을 촉진하고, 치료·회복에 이르기까지의 시간을 단축할 수 있는 골재생재료를 제공하는 것으로, 폴리인산 또는/및 폴리인산염이 생체 적합성 재료, 정형외과용 충진물, 골 유도단백질 등에 함유되어 이루어지는 신생골 조직형성을 촉진하기 위한 골재생재료를 제공한다.

Description

골재생재료{Bone regeneration material}

도 1은 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 1주간후 대퇴골 구멍의 실체현미경 사진이고,

도 2는 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 1주간후 대퇴골 구멍의 실체현미경 사진이고,

도 3은 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 1주간후 대퇴골 구멍에서 신생골 재생의 양상을 조직학적으로 관찰한 현미경 사진이고,

도 4는 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 1주간후 대퇴골 구멍에서 신생골 재생의 양상을 조직학적으로 관찰한 현미경 사진이고,

도 5는 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 2주간후 대퇴골 구멍에서 신생골 재생의 양상을 조직학적으로 관찰한 현미경 사진이고,

도 6은 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 2주간후 대퇴골 구멍에서 신생골 재생의 양상을 조직학적으로 관찰한 현미경 사진이고,

도 7은 멸균수를 배어들게 한 골분쇄물로 처리한 2주간후 대퇴골 구멍에서 신생골 재생의 양상을 조직학적으로 관찰한 현미경 사진이고,

도 8은 폴리인산 수용액을 배어들게 한 골분쇄물로 처리한 2주간후 대퇴골 구멍에서 신생골 재생의 양상을 조직학적으로 관찰한 현미경 사진이다.

본 발명은 신생골조직 형성을 촉진하기 위한 골재생재료에 관한 것으로, 상세하게는 그 재료로서 무기 폴리포스페이트를 포함하는 골재생재료에 관한 것이다.

골은 세포와 세포외 메트릭스로 이루어지는 특이화된 경화된 결합조직으로, 골의 메트릭스가 무기질화 된 것이 다른 결합조직과 다른 것이다. 이 무기질은 히드록시아파타이트결정{Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂}으로 되는 인산칼슘이다. 골은 물리적 응력을 지지되고 방어될 수 있는 극히 경화된 조직이므로, 골절이나 병리학적 변화에 의해 골의 감소 또는 손상은 사람의 능력결여를 이끌어 시간적, 경제적 낭비로 된다. 따라서, 어떠한 이유에 의해 골이 제거되었을 때 가능한 한 빨리 손상된 골이 재생되어야 한다. 만일 손상의 재생이 될 수 없다면 인조골로 접속하거나 신체의 다른 골을 사용하여 골의 재치환이 행해져야 한다.

또한, 물리적 충격에 의해 골의 파손(골절)이나 외과수술에 수반하는 골손상의 치료에는 인조골을 포함하는 각종의 보철용 기구인 골의 인공적 중계, 골절계수의 부동화, 고정화가 행해지고 있고, 골이 원래 형태와 기능을 회복하기에는 장시간을 요하고, 환자의 육체적·정신적 스트레스는 상당히 크다. 또, 치료에 이르기까지의 과정이 길면 길수록 세균감염의 위험성이 점점 더 증가하고, 완전치료에 다다르지 못할 위험도 있다. 현재의 골의 증대 및 재건을 위한 선택재료에는 바이오 세라믹스·복합재료·골유도체와 더불어 천연 및 합성폴리머와 같은 골수복을 위한 인공충진제로써 기능할 수 있는 각종의 재료가 연구되고 있다.

치아의 경우 구상악안면(口上顎顔面) 부위중 골질의 골절, 손상 및 병리학적·물리학적인 창상의 치료 또한 여러 측면에서 중요하다. 특히, 치아를 지지하는 치조골은 세균감염을 받기 쉽고, 일단 감염 또는 사멸되어지면 스스로 원래 수준까지 재생하기 어렵다. 일반적으로, 티탄을 기재로 한 금속이식편을 악골에 삽입하여 인조치를 구축하는 이식은 본래 치아의 손실에 대해서는 유익하지만, 이 이식술은 이식의 주변 신체의 지지에는 불충분하고, 인접한 치조골에 과도한 교합력(咬合力)을 작용하여 통상 성공리에 행해지지 않는다.

이들 문제를 해결하는 치료법으로써 조직·골의 재생을 촉진하는 방법이 있고, 결손골 영역중의 골재생을 촉진하기 위해 탈미네랄화한 골, 히드록시아파타이트, 다른 이식 대용품이 사용되기도 하고 있지만, 충분한 성과가 발현되지 않고 있다.

이상적인 충진제 또는 이식재료는 생체 적합성·멸균성·골 유도활성(골형성에 관하여 간엽세포를 골아세포에 표현형 변환하는 자극) 및 골 전도활성(신생골 형성을 위한 격자로써 작용)과 같은 성질이 필요하다. 또한, 충진제는 생분해성이고, 면역원성이 없고, 생체조직에 독성이 없는 것이 호적하다. 그러나, 현실로는 이들 요건을 전부 만족한 재료는 없고, 부분적으로 만족하는 것이 있음에 지나지 않는다.

본 발명의 목적은 이들 종래의 골치환수단 혹은 대체골재료의 결점을 극복하 기 위해 된 것으로써, 신생골의 형성을 촉진하고, 치료·회복에 다다를때까지의 시간을 단축할 수 있는 골재생재료를 제공함에 있다.

즉, 본 발명은 직쇄축합 폴리인산 또는/및 폴리인산염이 함유되어 되는 신생 골 조직형성을 촉진하기 위한 골재생재료이다.

또한, 본 발명은 상기 골재생재료에 있어서, 손상을 받은 골의 재생을 촉진하기 위한 재료가 생체 적합성을 가지는 재료로 되는 기재에 폴리인산염이 함유되어 이루어지는 골재생재료이다.

게다가, 본 발명은 상기 골재생재료에 있어서, 신생골 조직형성을 촉진하기 위한 재료가 정형외과용 충진물에 폴리인산이 함유되어 이루어지는 골재생재료이다.

더욱이나, 본 발명은 상기 골재생재료에 있어서, 폴리인산에 골 유도단백질 또는/및 골 유도인자를 함유하는 천연물질을 혼합하여 이루어지는 골재생재료이다.

폴리인산은, 오르토인산이 탈수축합되어 얻어지는 직쇄축합 폴리인산, 측쇄에 유기기가 도입된 측쇄폴리인산, 환상폴리인산등이 열거되고, 특히, 일반식이 P_nO_(3n+1)H_(n+2)로 표시되고, 2개이상의 PO₄ 4면체가 정점의 산소원자를 공유하여 직쇄상으로 연결된 구조를 한 직쇄축합 폴리인산이 소망스럽다. 폴리인산의 수산기의 수소가 금속과 치환한 분자구조를 한 것이 폴리인산염이다. 금속으로써는 나트륨, 칼륨등이 들어진다. n은 적어도 2의 정수로써 좋기로는 5∼5000, 보다 좋기로는 15∼2000이다.

생체 적합성을 가지는 재료로 되는 기재로써는 생체 적합성을 가지는 합성고분자, 천연재료등에서 되는 시트, 필름, 섬유, 다공체등이 들어진다. 폴리인산은 이들 재료에 혼합되기도 하고, 기재의 표면에 코팅되기도 하고, 섬유 및 다공체에 함침되기도 하여 사용된다. 합성고분자로써는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 셀루로오스, 폴리아미드, 폴리불화에틸렌, 폴리우레탄등과 같은 생체비흡수 고분자, 혹은 폴리글리콜산, 폴리락티드, 콜라겐, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아미노산, 폴리카프로락톤, 폴리디옥산, 초산비닐과 불포화카르본산 공중합체등과 같이 생체흡수성 고분자등이 들어진다. 이들 생체 적합성을 가지는 재료에 폴리인산이 함유되어 되지만, 생체 적합성을 가지는 재료에 함유되는 폴리인산의 함량은 0.001∼20중량%, 좋기로는 0.005∼10중량%, 보다 좋기로는 1∼5중량%이다. 폴리인산의 함량이 20중량%를 넘으면 세포가 괴사하는 경향이 있고, 0.001중량% 미만이면 골재생 효과가 적다.

또한, 정형외과용 충진물은 정형외과영역에서 골충진제로써 사용되고 있는 인조골 성분에 있어서, 히드록시아파타이트, 제2인산칼슘, 제3인산칼슘, 제4인산칼슘등이 들어진다. 또한, 골 유도단백질로써는 BMP-1, BMP-2, BMP-3 등의 골형태 형성단백질(Bone Morphogenetic Protein), TGF-β와 같은 형질전환성장인자(Transforming Growth Factor), 오스테오폰틴, 오스테오칼신등이 들어진다. 게다가, 골 유도인자를 포함하는 천연물질로서는 동물골 분쇄물, 광질소실 골기질등이 들어진다. 골 유도인자를 포함하는 천연물질은 골 유도단백질과 병용하여 폴리인산에 혼합하여 인플랜트 또는 디바이스로써 국소투여할 수 있다. 이 경우, 투여물질은 발열성 물질을 포함하지 않고, 생리적으로 허용할 수 있는 형태로 골손상 부위로의 공급에 적용한 점주성 형태로 봉입 또는 주사된다. 이에의해, 골손상 부위에 경골·연골구조를 형성하고, 최적상태에서 체내에 재흡수될 수 있는 매트릭스가 형성된다.

본 발명의 골재생재료는, 폴리인산을 함유하여 골원성제제로써 폐쇄골절 또는 복합골절의 축소와 인공관절의 고정개선 등의 예방적 용도로 사용된다. 또한, 골원성제제에 의해 새로이 골형성이 유도되어 선천적·외상성·종상절제에 의한 결손개소의 수복에 사용되기도 하고, 미용형성 외과·치주병의 처치·다른 치수복 프로세스 등에 사용되기도 한다. 게다가, 본 발명의 골재생재료는 시트, 필름, 섬유, 다공체 등의 생체 적합성을 가지는 재료로 되는 기재의 표면에 폴리인산을 함유한 재료가 코팅되어 사용된다.

[실시예]

이하, 본 발명의 일예를 실시예로서 설명한다.

[실시예 1]

흰토끼(뉴질랜드산, 체중 3㎏)를 마취주사를 하여 대퇴골을 노출시켰다. 멸균한 드릴(직경 3㎜)을 사용하여 드릴의 선반이 대퇴골중의 연조직에 도달할 때까지 대퇴골 머리와 대퇴골의 말단인 관절구 부근에 두 개의 구멍을 뚫었다. 1㎝×1㎝의 콜라겐테이프(CollaTape, Calcitec社製)에 30㎕의 2% 폴리인산 나트륨염(평균 쇄길이 75) 수용액을 배어들게 하여 무균적으로 건조시켰다. 그 콜라겐테이프를 흰토끼 오른쪽 다리의 대퇴골에 뚫은 구멍에 채워넣다. 또한, 대조품으로써 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프를 왼쪽 다리 대퇴골에 뚫은 구멍에 채워넣다. 이 상태로 절개부분을 봉합하고, 1주간 및 2주간후의 대퇴골부의 구멍에서 신생골재생의 상태를 관찰했다. 관찰을 위해 적출한 대퇴골을 10% 포르말린으로 고정했다.

도 1 및 도 2는, 1주간후의 구멍부분을 종방향으로 절단하고, 실체현미경으로 관찰한 것이다. 도 1은 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 것이고, 도 2는 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 것이다. 도 1의 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프에서는 신생골의 형성은 전혀 관찰되지 않았지만, 도 2의 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프는 구멍의 바닥 주변에 상당량의 신생골의 형성이 확인되어 연조직에까지 신장하고 있는 것이 관찰되었다.

상기와 같은 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프와 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프를 사용하여 1주간 및 2주간후의 대퇴골부 구멍에서 신생골 재생에 요함을 조직학적으로 관찰할 목적으로 대퇴골 구멍부분의 조직샘플 일부를 취출하고, 10% EDTA에서 2개월간 처리하고 탈석회화를 행했다. 탈석회화를 행한 샘플은 여러 가지 농도의 에탄올과 최종단계로써 크실렌으로 탈수하여 파라핀으로 덮어씌웠다. 덮어씌운 샘플을 5㎛의 두께로 절편을 자르고, 아잔(Azan)염색을 하여 현미경하에서 관찰했다. 1주간후의 조직상태에 있어서, 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 것을 도 3에, 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 것을 도 4에 나타내었다.

멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 것에서는 도 3에서 명확한 바 와같이, 콜라겐테이프(C)는 섬유상 조직(F)에 씌워지고, 치밀골(B)의 골내막 유래의 골소주(TB)가 그 섬유성 조직에 계속 접근하였다. 이에대하여, 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 도 4의 것에서는, 콜라겐테이프는 거의 흡수되어 섬유상 조직(F)로 치환하였다. 또한, 치밀골(B) 유래에서는 없었고, 구멍중의 신생섬유상 조직에 유래하는 미숙한 섬유상 골소주의 괴(塊)(*)가 이미 섬유상 조직중 6개소에서 확인할 수 있었다.

다음에, 2주간후의 상태에 대해서는 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 것은 도 5에, 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 것은 도 6에 도시했다. 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 것에서는 도 5에 도시한 바와같이 구멍의 양단은 골소주(TB)에 의해 붙어 있었지만, 콜라겐테이프(C)는 완전히 흡수되어 있지 않고, 골내막 유래의 골소주(TB)가 콜라겐테이프(C)를 둘러싸아 가골(假骨)을 형성하였다. 이에대하여, 폴리인산 수용액을 배어들게 한 콜라겐테이프로 처리한 것은 도 6에 도시한 바와같이, 콜라겐테이프는 거의 완전히 흡수되어 확인할 수 없었다. 또한, 새로이 형성된 1차골인 골소주가 서로 접착하여 콜라겐테이프와 치환하였다. 콜라겐테이프와 치환한 신생 섬유조직에서 유래하는 골소주(*)는 골내막 유래의 골소주와 결합하고, 두 개의 다른 기원의 골소주에 의해 가골이 형성되어 이들이 구멍 양단을 묶은 형으로 구멍을 수복하고 있다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일하게 하여 흰토끼의 대퇴골에 구멍을 뚫고, 탈미네랄화한 사 람의 골분쇄물(입경 250∼300㎛) 10㎎에, 2% 폴리인산 나트륨염(평균쇄길이 75) 수용액 30㎕를 배어들게 하여 무균적으로 건조시켰다. 그 골분쇄물을 흰토끼의 오른쪽 다리 대퇴골에 뚫은 구멍에 채워넣었다. 또한, 대조군으로서 멸균수를 배어들게 한 골분쇄물을 흰토끼 왼쪽 다리의 대퇴골에 뚫은 구멍에 채워넣었다. 이 상태에서, 절개부분을 봉합하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 2주간후 대퇴골부의 구멍에서 신생골 재생의 양상을 조직학적으로 관찰했다. 도 7은 멸균수를 배어들게 한 골분쇄물로 처리한 현미경 사진의 결과로서, 구멍은 주로 골분(DB)과 섬유상 조직(F)에 의해 채워지고, 드문드문하게 신생골소주가 관찰되는 정도이였다. 도 8은 폴리인산 수용액을 배어들게 한 골분쇄물로 처리한 현미경 사진의 결과로서, 구멍은 신생골소주(*) 및 골분(DB)으로 채워져 있었다.

[실시예 3]

실시예 1과 동일하게 하여 흰토끼의 대퇴골에 구멍을 뚫고, 콜라겐테이프에 여러 가지 쇄길이의 폴리인산 나트륨염(Polyphosphate glass, Sigma社製)의 2% 수용액 30㎕를 배어들게 하고, 무균적으로 건조시켰다. 그 콜라겐테이프를 흰토끼 오른쪽 다리의 대퇴골내에 뚫은 구멍에 채워넣었다. 또한, 대조군으로서 멸균수를 배어들게 한 콜라겐테이프를 흰토끼의 왼쪽 다리의 대퇴골내에 뚫은 구멍에 채워넣었다. 이 상태에서 절개부분을 봉합하고, 2주간후의 대퇴골부 구멍에서 신생골 재생의 양상을 조직학적으로 관찰했다. 사용한 폴리인산 나트륨염의 쇄길이는 인산기로 치환하여 (1) 평균쇄길이 15(Na₁₇P₁₅O₄₆) (2) 평균쇄길이 25(Na₂₇P₂₅O₇₆) (3) 평균 쇄길이 35(Na₃₇P₃₅O₁₀₆) (4) 평균쇄길이 65(Na₆₇P₆₅O ₁₉₆) 이였다.

어떤 폴리인산을 사용하여 행한 실험에 있어서도 신생골 형성은 촉진되고, 폴리인산의 쇄길이에 영향받지 않고 신생골 형성은 촉진되었다.

[실시예 4]

골형성을 포함하는 골원성 세포에 대한 폴리인산염의 직접적인 효과를 관찰하기 위해 마우스 골유래의 MC3T3-E1 골원성 세포의 세포활성을 다양한 농도로 사슬길이 75의 폴리인산염 존재하에 MTT(3-[4, 5-디메틸티아졸-2-일]-2, 5-디페닐테트라조늄 브로마이드)분석으로 측정했다.

먼저, 골원성 E1세포를 10% 송아지 태아 혈청(FBS)이 보충된 α-최소 필수배지(α-MEM; 미국 Gibco사제)에 37℃에서 5% CO₂로 배양한다. 배양된 세포를 24-웰 플레이트의 각 웰에 ㎖당 5×10⁴ 세포수로 조정하여 분배하고 1일간 동 배지에서 배양한다. 그 진행단계(Go stage)에서 세포를 FBS가 제거된 배지에서 밤새도록 더 배양한다. 배양배지 제거후 전체 1㎖의 α-MEM에서 폴리인산염의 증가농도(최종농도 0.001∼0.01%)로 24시간 세포를 배양한다. 폴리인산염 대신 10㎕의 증류수 또는 10% FBS의 α-MEM을 대조군으로 배지에 포함한다. 배양 상등액을 버리고, FBS 무존재 450㎕ α-MEM과 50㎕ MTT(50㎎/㎖; 어크로스 오르가닉사제, 벨기에)로 세포를 37℃에서 4시간동안 5% CO₂로 배양한다. 상등액을 제거하고 나서 세포를 0.04 NHCl 함유 500㎕ 이소프로판올로 처리한다. 이 혼합물은 수거하여 대조로 630㎚와 비교하여 570㎚에서 MTT 활성을 색도계로 측정한다.

진행단계에서 MC3T3-E1 골원성 세포의 MTT활성은 농도 0.001∼0.0025%의 폴리인산염 존재하에서 약 27% 증가했는데 이는 다양한 성장인자를 함유한 FBS보다 30% 증가된 활성이다. 활성은 폴리인산염의 농도증가에 따라 점진적으로 대조군수준으로 감소된다(표 1 참고).

표 1. 사슬길이 75의 폴리인산염 존재하의 MC3T3-E1 골원성 세포의 MTT활성

활성자	흡광도(A570㎚∼A630㎚)	상대율
증류수 송아지 태아 혈청(10%) 폴리인산염(0.001%) 폴리인산염(0.0025%) 폴리인산염(0.005%) 폴리인산염(0.0075%) 폴리인산염(0.01%)	0.223 0.427 0.282 0.284 0.260 0.238 0.222	100.0 191.5 126.5 127.4 116.6 106.7 99.6

본 발명의 골재생재료는 물리적 충격에 의한 골절이나 손상, 외과수술에 의해 손상한 골의 치료에 신생골의 형성을 촉진하고, 치료·회복에 이르기까지의 시간을 단축할 수 있다.

Claims

일반식 P_nO_(3n+1)H_(n+2)(식 중에서 n은 2~5000의 정수이다)로 표시되는 오르토인산이 탈수 축합되어 얻어지는 직쇄축합 폴리인산 또는 그 폴리인산염이 함유되어 있는 신생 골조직 형성을 촉진하기 위한 골재생재료.
제 1항에 있어서, 상기한 n이 5~5000의 정수인 골재생재료.
제 1항에 있어서, 상기한 n이 15~2000의 정수인 골재생재료.
삭제
제 1항에 있어서, 폴리인산과 폴리인산염으로 이루어지는 군(group)으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물이 생체 적합성을 가지는 재료로 되는 기재에 함유되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 골재생재료.
제 5항에 있어서, 폴리인산과 폴리인산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물이 생체 적합성을 가지는 재료에 0.001~20중량% 함유되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 골재생재료.
제 5항 또는 제 6항에 있어서, 생체 적합성을 가지는 재료로 되는 기재가 시트 상으로 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 골재생재료.
제 1항에 있어서, 폴리인산과 폴리인산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물이 성형외과 또는 정형외과의 재활재생외과용 충진물(filler)에 함유되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 골재생재료.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항, 또는 제 5항, 또는 제 6항에 있어서, 폴리인산과 폴리인산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물이 골재생 또는 골 형성 촉진물질과 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 골재생재료.
제 9항에 있어서, 골재생 또는 골 형성 촉진물질이 골 유도단백질임을 특징으로 하는 골재생재료.
삭제