KR100692608B1 - 생체 이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체 이식용 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 생체 이식용 복합체는 불화아파타이트 및 콜라겐으로 구성된다.

본 발명의 생체 이식용 복합체의 제조방법은,

(a) 칼슘 공급원과 인 공급원은 각각 물에 분산 또는 용해시키고, 상기 분산액 또는 용액 중의 하나에 콜라겐을 용해시키고,

(b) 완충액에 상기 용액들을 서서히 부가하여 교반하여 반응시킨 다음,

(c) 불화물의 수용액을 첨가하며 교반하여 불화시키고

(d) 불화반응이 완료된 복합체를 숙성시킨 후 여과 및 세척하고

(e) 복합체를 동결건조하여 과립 형상을 얻은 후

(f) 상기 과립 형상의 복합체를 성형하여 원하는 형상의 이식체를 얻는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

불화아파타이트, 콜라겐, 이식

Description

생체 이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체 및 그 제조방법 {Fluorapatite/ collagen complex for transplnting and preparing method thereof}

도 1은 본 발명의 생체 이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체의 제조공정의 일례를 도시한 순서도이다.

도 2는 불소 이온의 양에 따른 불소화의 정도를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 생체 이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체의 X-선 회절 분석을 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 생체 이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체의 주사현미경 사진이다.

도 5는 본 발명의 생체 이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체의 용출 양상을 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 생체 이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체에 대한 세포실험 결과이다.

본 발명은 생체 이식용 복합체에 관한 것으로, 상세하게는 생체 이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체에 관한 것이다.

골 손상부를 채우거나, 골절 부위의 뼈를 대체하기 위해, 금속, 무기, 유기 분야에서 다양한 노력이 시행되어 왔다. 최근에는 인체의 뼈 조성 및 구조를 모방하고자 수산화아파타이트와 콜라겐을 주성분으로 하는 복합체에 대한 연구가 활발히 진행되어 관련제품이 출시되어 있다.

그러나, 상용화된 제품의 경우, 고온에서 열처리한 수산화아파타이트 및 삼인산칼슘을 콜라겐과 단순 혼합하여 사용한 제품으로 콜라겐과 무기물 사이의 화학적 결합이 약해서 생체 내 분해가 빠르고, 기계적 물성이 약한 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하면서 실제 뼈와 보다 유사한 복합체를 제조하기 위해 생체 모방 공학을 활용하여 콜라겐 섬유와 수산화아파타이트가 자기 조직화에 의해 복합체를 형성할 수 있도록 하는 공침법이 최근 개발되어 연구 중이다.

하지만, 상기 복합체에도 다음과 같은 한계가 있다.

우선, 콜라겐이 40℃ 이상의 온도에서는 변성되므로 저온에서 합성해야 된다는 한계로 인해 수산화아파타이트의 저결정성으로 인한 낮은 화학적 및 생리적 안정성때문에 체내 분해 속도가 뼈의 재생속도보다 빠를 우려가 있다.

또, 최근 개발된 공침법 조성의 경우 대부분이 수산화아파타이트 대 콜라겐 의 질량비가 80 대 20으로 수산화아파타이트의 비중이 높음에도 불구하고, 이러한 불안정성을 극복하기 위해 가교제나 자외선 조사 등의 방법을 이용한 콜라겐의 구조 변화 및 콜라겐을 가교시키는 방법만 연구되어 그 효과가 충분하지 못하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 공침법에 의한 수산화아파타이트/콜라겐 복합체의 이러한 문제점을 해결하는 것으로, 불소 이온 방출을 통해 생체 활성을 증진시킬 수 있으면서도 안정한 불화아파타이트-콜라겐 복합체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 안정한 불화아파타이트-콜라겐 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 불화아파타이트 및 콜라겐으로 구성된 생체 이식용 복합체에 의해 달성된다.

불화아파타이트[Ca₁₀(PO₄)₆F₂]는 수산화아파타이트를 불소이온으로 치환하여 제조되며, 콜라겐은 바람직하게는 제 1 형 콜라겐이 사용된다.

본 발명의 생체 이식용 복합체의 제조방법은,

(a) 칼슘 공급원과 인 공급원은 각각 물에 용해(또는 분산)시키고, 상기 용액 중의 하나에 콜라겐을 용해시키고,

(b) 완충액에 상기 용액들을 서서히 부가하여 교반하여 반응시킨 다음,

(c) 불화물의 수용액을 첨가하며 교반하여 불화시키고

(d) 불화반응이 완료된 복합체를 숙성시킨 후 여과 및 세척하고

(e) 복합체를 동결건조하여 과립 형상을 얻은 후

(f) 상기 과립 형상의 복합체를 성형하여 원하는 형상의 이식체를 얻는 단계로 구성된다.

생리적 환경에에서의 안정도를 증진시키기 위해 질량 분율로 80% 를 차지하는 수산화아파타이트를 불화시키는 방법을 도입하였다. 이를 위해 물에 해리가 잘 되고 해리의 다른 물질인 암모늄 이온이 수산화아파타이트 내로 치환될 가능성이 낮은 불화암모늄을 사용하였다. 첨가한 불화암모늄의 양이 증가할수록 불화가 증진되어 불-수산화아파타이트를 거쳐 불화아파타이트/콜라겐 복합체가 얻어졌다. 이러한 불화아파타이트/콜라겐 복합체는 동일온도와 pH에서 합성된 수산화아파타이트/콜라겐 복합체보다 화학적으로 안정하여 생리적 환경에서 분해 속도가 현저하게 감소한다.

뿐만 아니라, 저결정성 불화아파타이트는 그 자체로서 생체학적인 장점을 가지고 있다. 상기의 화학적 안정성 이외에도 생체 내에서 불소 이온 자체의 효과 또한 기대할 수 있는데, 뼈의 용출 저지로 인한 항우식 효과와 같은 치의학적 효과와 더불어 골모세포의 증식 및 분화를 촉진시키는 역활을 하는 것으로 알려져 있다.

본 발명의 생체 이식용 무기물/유기물 복합체에서 아파타이트의 화학식은 하기 식 (1)과 같이 표시된다.

Ca₁₀(PO₄)₆(OH)_2-XF_2X (0<x≤1) (1)

상기 화학식에서 x는 수산화아파타이트의 OH가 F로 치환되는 정도를 나타내는 값으로서 0에서 1의 값을 갖는다. 특히 x=0일때는 수산화아파타이트, x=1일때는 불화아파타이트이며, 이 두 작용기는 상호 치환이 가능하다.

본 발명의 복합체 제조에 있어서 중점을 둘 부분은 다음과 같다.

첫째, 복합체 내의 수산화아파타이트에서 불소 이온의 치환을 통한 불화아파타이트의 형성이다. 이는 화학적, 구조적으로 안정한 불화아파타이트를 형성함으로써 저온 합성된 수산화아파타이트의 결정화도 및 안정성을 증가시키기 위함이다.

둘째, 불소이온의 치환을 위한 불화물로 불화암모늄을 사용하는 것이다. 복합체 내의 수산화아파타이트의 불화를 위해서는 불화나트륨, 불화암모늄 등의 불화물이 사용될 수 있다. 이 중 불화나트륨의 경우는 나트륨이 수산화아파타이트의 금속 이온(주로 칼슘) 자리에 치환될 수 있는 가능성이 있고, 불화 암모늄의 경우 물에 해리되더라도 암모늄 이온의 부피가 커서 수산화아파타이트의 구조 내로 침입할 가능성이 낮아 바람직하다.

상기 불화물은 수용성이어야 유리하게 작용할 수 있고, 상기한 바와 같이 해리되어 나오는 물질이 아파타이트에 치환되어 악영향을 미치지 않는 것이 바람직하다.

셋째, 수용성 불화물의 첨가 시점은 수산화아파타이트의 합성이 진행된 일정시점이어야 한다. 이는 공침법 원료 중 하나인 수산화칼슘 현탁액과 불화물이 반응 하여 원치않는 상인 불화칼슘을 쉽게 형성 할 수 있기 때문에 중요한 사안이다.

본 발명의 제조공정의 일례가 도시되어 있다. 먼저, 칼슘 공급원과 인 공급원은 각각 물에 분산시키거나 물에 용해시킨다음 상기 용액이나 분산액 중의 하나에 콜라겐을 용해시킨다. 예를 들어, 수산화칼슘 현탁액과 인산칼슘 수용액을 준비하고, 인산칼슘 수용액에 콜라겐을 용해시킨다. 일정온도에서 pH를 일정하게 유지시킬 수 있는 완충액에 상기 수산화칼슘 현탁액과 콜라겐을 포함하는 인산칼슘 수용액을 서서히 부가하여 교반하여 반응시켜 공침법으로 수산화아파타이트/콜라겐 복합체의 슬러리를 제조한다. 일정시간이 흘러 반응이 더 이상 진행되지 않을 때, 불화물 수용액, 예를 들어 불화암모늄 수용액을 첨가하며 교반하여 불화시킨다. 불화반응이 완료된 복합체를 숙성시킨 후 여과 및 세척한다. 숙성 조건은 예를 들어 37℃에서 24시간 숙성하여 불화아파타이트 결정의 숙성과 콜라겐의 재생을 도모하는 것이 바람직하다. 복합체를 동결건조하여 과립 형상을 얻은 후, 상기 과립 형상의 복합체를 성형한다. 성형은 바람직하게는, 금속 몰드에 넣고 낮은 압력으로 성형 한 후, 다시 고압의 정수압 성형을 시행하여 원하는 형상의 이식체를 얻는다.

이하 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.

실시예 1 복합체의 제조

수산화칼슘을 3차 증류수에 분산시켜 99.7mM 농도의 현탁액을 만들었다. 인산칼슘을 3차 증류슈에 녹여 59.7mM의 수용액을 만든 후, 콜라겐을 녹였다. 트리스-염산을 사용하여 완충액의 pH를 9.0으로 유지시키고, 항온 수조를 이용해 온도를 37℃로 유지시키면서, 수산화칼슘 현탁액과 콜라겐이 용해된 인산칼슘 수용 액을 서서히 적하시키면서 교반하였다. 적하 완료되고 30분 후 불화암모늄을 소량의 3차 증류슈에 녹인 수용액을 상기 슬러리에 적하시키면서 교반하였다. 37℃의 오븐에서 24시간 유지한후, 3차 증류슈를 사용하여 감압 여과하여 불순물 및 미반응물을 제거하였다. 얻어진 물질을 영하 70℃에서 동결 후, 영하 50℃의 온도와 5mmHg의 압력에서 건조시켰다. 얻어진 복합체를 자르고 빻고 체를 통과시켜 1.5밀리미터 내지 1밀리미터 범위의 과립형태를 얻었다. 얻어진 과립을 직경 10밀리미터의 금속몰드에 넣고 낮은 압력을 가해 성형한 후, 보다 높은 압력에서 정수압 성형을 시행하였다.

실시예 2 특성분석

1) 불화암모늄의 첨가량에 따른 불화의 정도

도 2는 불화암모늄의 첨가량에 따른 불화의 정도를 나타낸 도면으로, 점선은 첨가된 불소가 모두 수산화아파타이트의 수산 이온을 치환하였을 때를 나타내는 이론적인 선이고, 실선이 실제 치환정도를 나타내는 선이다. 이온크로마토그래피를 통해 넣어 준 이온의 농도와 반응액 내에서 반응에 참여하지 못한 잔존 불소 이온 농도의 차이를 측정해서 나타내고 있다.

전반적으로 불소 이온농도가 증가함에따라 불화의 정도가 증가하는데, 첨가된 불소 이온의 양이 적을 경우에는 대부분 불화에 참가하나, 첨가된 불소 이온의 양이 많아질수록 미반응불소가 늘어남을 알 수 있으며, 포화됨을 알 수 있다.

2) X-선 회절분석

도 3a는 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 불화아파타이트/콜라겐 복합체 분말의 X-선 회절 분석 자료이고, 도 3b는 900℃의 열처리를 통해 콜라겐을 제거하고 세라믹 성분을 결정화시켜 측정한 자료이다.

각각을 수산화아파타이트/콜라겐 복합체와 비교하였으며, 불화에 따른 결정화도의 증가 및 상변화를 알 수 있다.

3) 주사현미경 분석

도 4a는 본 발명의 실시예 1의 동결건조 직후의 불화아파타이트/콜라겐 복합체에 대한 2000배 주사현미경 사진으로 콜라겐 섬유에 불화아파타이트가 나노스케일로서 잘 침착되어 있는 것을 나타내고, 도 4b는 실시예 1의 정수압 성형 후 최종제품의 표면에 대한 주사현미경 사진으로 약간의 기공을 포함하고 있음을 알 수 있다.

4) 안정성

도 5는 본 발명의 복합체의 용출 양상을 나타낸 도면으로서, 도 5a를 보면, 칼슘 이온의 용출이 수산화아파타이트/콜라겐 복합체에 비해 20% 정도 감소하였으므로, 불화아파타이트/콜라겐 복합체의 안정성이 우수함을 알 수 있다. 도 5b는 시간에 따른 불소 이온의 용출을 나타낸 그래프로서, 세포 활성 증진을 설명할 수 있는 근거를 제공한다.

5) 세포 활성 증진

도 6은 본 발명의 실시예 1에 의해 제조한 불화아파타이트/콜라겐 복합체의 세포 실험 결과로서, 수산화아파타이트/콜라겐 복합체에 비해 불화아파타이트/콜라겐 복합체에서 유사골모세포(osteblast-like cell)의 증식(도 6a)은 약 20%, 분화( 도 6b)는 약 80% 증진되었음을 알 수 있다.

상기 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 생체이식용 유기물/무기물 복합체는 무기질 조성의 변화를 통해 종래의 복합체에 비해 생리적 안정성이 개선되는 효과가 있다.

또, 본 발명에 의한 본 발명의 생체이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체는 불소 이온을 포함하고 있어, 불소 이온 자체가 지니는 많은 이로운 생체 특성 효과를 볼 수 있으며, 특히 골모세포의 활성 증진을 통해 생체 내에서 우수한 활성을 유추할 수 있다.

또한, 본 발명의 생체이식용 불화아파타이트/콜라겐 복합체를 공지의 콜라겐 구조 변화(가교) 방법과 함께 사용하는 경우 보다 큰 안정성을 얻을 수도 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. (a) 칼슘 공급원과 인 공급원은 각각 물에 분산 및 용해시키고, 상기 분산액이나 용액 중의 하나에 콜라겐을 용해시키고,

   (b) 완충액에 상기 용액들을 서서히 부가하여 교반하여 반응시킨 다음,

   (c) 불화물의 수용액을 첨가하며 교반하여 불화시키고

   (d) 불화반응이 완료된 복합체를 숙성시킨 후 여과 및 세척하고

   (e) 복합체를 동결건조하여 과립 형상을 얻은 후

   (f) 상기 과립 형상의 복합체를 성형하여 원하는 형상의 이식체를 얻는 단계 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체 이식용 복합체의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 칼슘 공급원은 수산화칼슘이고 상기 인공급원은 인산칼슘인 것을 특징으로 하는 생체 이식용 복합체의 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 단계 (c)의 불화물로 불화암모늄을 사용하는 것을 특징으로 하는 생체 이식용 복합체의 제조방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 단계 (d)에서의 숙성은 37℃에서 24시간 행해지는 것을 특징으로 하는 생체 이식용 복합체의 제조방법.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 단계 (f)에서의 성형은 금속 몰드에 넣고 낮은 압력으로 성형 한 후, 다시 고압의 정수압 성형을 행하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체 이식용 복합체의 제조방법.

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