KR100813605B1 - 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유·무기 하이브리드나노섬유 부직포 및 그 제조방법 - Google Patents

전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유·무기 하이브리드나노섬유 부직포 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노섬유의 조성은 뼈(bone)를 모방한 것으로 유기물 성분인 단백질 기질(protein)에 무기물 성분인 수산화아파타이트(hydroxyapatite: HA)가 침착된 생체모방 (biomimetic)형 유-무기 하이브리드 조성이며, 그 형태는 직경이 수십에서 수백나노미터 크기의 나노섬유 형상으로 이루어진 3차원적 부직포(3-D web)를 이용한 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유·무기 하이브리드 나노섬유 부직포 및 그 제조방법에 관한 것이다.
조직유도재생용, 생체이식용, 전기방사, 유·무기 하이브리드, 생체모방구조; 나노섬유; 3차원 부직포; 골대체재료

Description

전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유·무기 하이브리드 나노섬유 부직포 및 그 제조방법{Electrospun Organic-Inorganic Hybrid Nanofiber Webs for Guided Bone Regeneration and Method for Manufacturing the Same}
도 1은 본 발명의 유-무기 하이브리드 나노섬유의 제조방법 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 유-무기 하이브리드 나노섬유의 주사전자현미경 미세구조 사진: (A) 콜라젠-20wt%수산화아파타이트, (B) 젤라틴-20wt%수산화아파타이트 (C) 젤라틴-40wt%수산화아파타이트, (D) 젤라틴-60wt%수산화아파타이트.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 유-무기 하이브리드 나노섬유 (콜라젠-20wt%수산화아파타이트)의 투과전자현미경 분석사진으로 큰 배율사진 (우측)에서는 나노섬유 내부에 긴 침상형의 수산화아파타이트 결정들이 콜라젠 기질에 잘 침착된 것을 보여줌.
도4는 본 발명의 실시예에 의한 콜라젠 20 wt%수산화아파타이트 유-무기 하이브리드 나노섬유의 생물학적 특성으로 나노섬유 위에서 3일 배양 후 골형성 세포의 성장 모습을 나타낸 전자 현미경 사진.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 콜라젠 20wt%수산화아파타이트 유-무기 하이브리드 나노섬유의 생체적 특성을 것으로 나노섬유 위에서 자란 골 형성세포의 알칼리성 포스파타아제 활성도를 나타낸 그래프.
본 발명은 전기방사법을 이용한 골 조직 재생용 유-무기 하이브리드 지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
하이브리드 지지체는 전기방사법을 통해 나노 섬유상의 형태로 제조한 것이며, 섬유상 내부는 생체 모방법에 의한 하이브리드형 구조를 지닌다. 생체 모방법에 의해 제조된 나노 단위의 하이브리드는 그 구조적 화학적 특성이 뼈와 매우 흡사하여 뛰어난 골 조직 재생 능력을 지닌다. 전기방사를 통한 나노섬유상 형태는 세포 부착을 유도하고, 골 재생을 위한 지지체로서 뛰어난 역할을 한다.
본 발명의 유-무기 하이브리드 나노섬유는 골 형성 세포의 부착과 증식 그리고 분화 단계에서 뛰어난 특성을 보이며, 골조직 유도재생용 지지체로서 치과, 정형외과, 성형외과 부분에 유용하게 사용될 수 있다.
인체의 손상된 골 조직을 대체할만한 인공재료의 개발에서 그 구조와 성분을 최대한 모방하고자 하는 노력은 오랫동안 골 대체 물질 및 골 조직 공학 분야에 있어 주된 목표 중 하나라 할 수 있다.
인체의 골 조직, 특히 세포를 제외한 세포 외 기질(extracellular matrix)은 결국 유기질인 콜라젠 섬유와 무기질인 수산화아파타이트 (hydroxyapatite: HA)의 나노결정으로 이루어진 나노복합체라 할 수 있다. 이러한 생물학적 구조는 세포내외에서 이루어지는 긴밀한 생체적 메카니즘에 의해 장기간 형성된 것인데, 주로 유기질 메트릭스 내에 무기질이 침전되는 과정을 통해 이루어진다. 이와 같은 원리를 이용하여 오랫동안 골 조직을 모방하고자 하는 노력들은 많이 있어 왔다.
그러나 대부분의 연구들은 유기질과 무기질의 형성 원리규명에 치중되어 있으며, 이를 인공 생체재료로서 이용하고자 하는 노력은 비교적 제한되어 있다. 대표적으로 콜라젠과 수산화아파타이트의 나노복합체에 대한 연구를 들 수 있는데, 이 나노복합체는 주로 복합분말이나 분말을 압력을 가해 만든 치밀한 구조체 등만이 실험연구가 진행되었을 뿐이다.
이는 비교적 다루기가 쉬운 생체고분자들에 비해 수산화아파타이트를 포함한 생체세라믹 및 이들의 나노복합체들은 박막이나 복잡한 3차원적 구조로 제조하는데 제한적이다.
특히 나노입자(nanoparticles), 나노구(nanospheres), 나노튜브(nanotubes), 나노섬유(nanofibers)와 같은 나노단위로 형상화하는데 어려움이 많다. 그러나 이러한 생체모방 나노복합체를 나노단위로 형상화 함으로써 초기 단백질 부착이나 세포를 유도하여 증식과 분화력을 증진시킬 수 있기에 골조직을 재생할 수 있는 잠재력을 월등히 높일 수 있다.
고분자 나노섬유에 관한 국내특허로서 국내공개특허공보 공개번호제10-2005-40187호에는 생리활성고분자로부터 얻어진 나노섬유가 이차원구조 또는 삼차원 구조의 네트워크 형태로 이루어지며, 생체조직이 삼차원으로 재생되며 동시에 나노섬 유를 복원하여 공극률을 향상시켜 세포와 관계되는 표면적을 크게 하여 세포가 부착되고 증식되어 조직재생을 유도하기 위한 생체 모방형태의 나노섬유와 마이크로 섬유의 복합지지체 및 그의 제조방법이 기술되어 있으며,
동 공보 공개번호 제10-2006-38096호에는 전기방사로 제조된 견피브로인 나노섬유로 이루어진 부직포 형태의 골조직 유도 재생용 차폐막 및 그 제조방법이 기재되어 있고,
국내등록특허공보 등록번호 제10-439871호에는 고분자매트릭스 10~90체적%와 직경 10~500나노미터인 생체 분해성 나노섬유 90~10체적%로 구성되며 굽힘력이 290MPa이상이고 굽힘 탄성율이 17GPa 이상인 나노섬유로 강화된 의료기구용 복합재료 및 그의 제조방법이 기술되어 있으며,
동 공보 등록번호 제10-564366호에는 나노섬유형 부직포를 이용한 조직재생용 차폐막 및 그의 제조방법이 공개되어 있으나,
상기와 같은 종래의 기술은 전기방사법을 이용한 기술이지만 고분자만으로 이루어진 조성을 사용함으로서 연조직 재생용도로 쓰이게 되며, 뼈와 같은 경조직 재생물질로는 물리화학적 특성과 생물학적 특성 등에서 한계가 있다. 비록 나노섬유형태가 생체의 연조직을 모방하는 형태이나, 골 조직과 같이 유-무기가 복합된 구조는 모방하기가 매우 어려우며, 이를 나노섬유로 제조한 보고는 현재까지 없다고 하겠다.
따라서, 본 발명에서는 유-무기의 나노복합구조로 이루어진 골 조직을 모방하고 이를 나노섬유형태로 제조함으로써 기존에 이루지 못한 기술적 한계를 극복하여 우수한 골 대체물질을 개발한 것으로,
유기물 성분인 단백질 기질(protein)에 무기물 성분인 수산화아파타이트(hydroxyapatite: HA)가 침착된 생체모방 (biomimetic)형 유-무기 하이브리드 조성이며, 그 형태는 직경이 수십에서 수백나노미터 크기의 나노섬유 형상으로 이루어진 3차원적 부직포(3-D web)를 이용한 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포 및 그 제조방법을 제공하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제인 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 뼈를 구성하는 대표적 단백질인 천연고분자 콜라젠 및 이와 비슷한 젤라틴에 무기질 성분인 수산화아파타이트(HA) 나노결정으로 구성된 유-무기 하이브리드 조성으로 되어 있으며, 직경이 수십에서 수백나노미터의 나노섬유로 이루어진 3차원적 부직포로서 전기방사법을 이용하여 제조한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유에 관한 것이다.
보다 구체적으로 설명하면, 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 및 그 제조방법에 관해 기술한 것으로서,
유-무기 하이브리드 나노섬유는 전기방사법을 통해 나노 섬유상의 형태로 제조한 것이며, 섬유상 내부는 생체 모방법에 의한 하이브리드 형 구조를 지닌다. 생 체 모방법에 의해 제조된 나노 단위의 하이브리드는 그 구조적 화학적 특성이 뼈와 매우 흡사하여 뛰어난 골 조직 재생 능력을 지닌다. 전기방사를 통한 나노섬유상 형태는 세포 부착을 유도하고, 골 재생을 위한 지지체로서 뛰어난 역할을 한다. 본 발명의 유-무기 하이브리드 나노섬유는 골 형성 세포의 부착과 증식 그리고 분화 단계에서 뛰어난 특성을 보이며, 골조직 유도재생용 지지체로서 치과, 정형외과, 성형외과 및 신경외과 부분에 유용하게 사용될 수 있다.
나노복합체 조성에 사용된 유기물로는 인체의 뼈를 구성하는 대표적 단백질인 콜라젠을 사용하였으며, 이는 수산화아파타이트(HA) 무기물이 침착되는 과정인 바이오미네랄리제이션(biomineralization)을 위해 메트릭스로 이용되었다.
콜라젠 메트릭스에 생체 모방법에 의해서 수산화아파타이트 나노결정립을 침전시켜서 (collagen-HA) 나노복합체을 얻었고, 이를 사용하여 전기방사(ES)를 통해 나노섬유의 형태로 제조하였다.
전기방사(ES)기술은 조직공학을 포함한 다수의 분야에서 나노단위의 섬유를 제조하는데 이용되어져 왔다.
많은 고분자 물질들은 의용공학 및 생체의학 분야에서 전기방사법을 통해 나노섬유 형태로 제조되는 기술이 널리 알려져 있으며, 본 발명에서는 그에 관한 방법 및 장치를 구체적으로 기술하지 않기로 하였다.
그러나, 수산화아파타이트를 포함한 생체세라믹 및 특히 이들과 고분자와의 나노복합체를 전기방사(ES)한 보고는 거의 알려지지 않았는데, 본 발명에서는 전기방사(ES) 과정을 이용하여 이와 같은 나노복합체 나노섬유를 제조한 것이다.
본 발명의 실시 예에서는 천연고분자로서 콜라젠과 젤라틴을 사용하였는데, 수산화아파타이트의 무기질 결정을 침착시키기 위한 기질로서 콜라젠이나 젤라틴에만 국한되지 않고 다른 천연 고분자, 이를테면, 알지네이트(alginate), 키토산(chitosan), 하이알루론산(hyaluronic acid), 콘드로이틴 설페이트(chondrotin sulfate)등이 비슷한 용도로 이용될 수 있다.
천연고분자 기질 내에 수산화아파타이트 나노결정들 을 침착시키기 위해서 칼슘과 인의 전구체를 증류된 물에서 [Ca] / [P] 1.67의 비율로 분해되어 용해한다. 여기서 1.67의 비율은 수산화아파타이트의 화학양론을 기준으로 맞춘 것이다. 이어서 콜라젠을 칼슘과 인의 각 용액에 첨가하고 교반한다. 이때 천연고분자의 양은 칼슘과 인이 반응하여 수산화아파타이트가 합성되는 양을 고려한, 즉 나노복합체의 성분을 고려하여 조절된다:
본 발명의 실시 예에서는 (80wt%콜라젠-20wt%수산화아파타이트, 80wt%젤라틴-20wt%수산화아파타이트, 60wt%젤라틴-40wt%수산화아파타이트,40wt%젤라틴-60wt%수산화아파타이트)
수산화아파타이트의 양을 콜라젠의 경우는 수산화아파타이트/콜라젠+수산화아파타이트=20wt%, 젤라틴의 경우는 수산화아파타이트/젤라틴+수산화아파타이트=20, 40, 60wt%로 하였으나, 이 양은 0wt% 초과 100wt% 미만에서 쓰임에 따라 조절이 가능하며,
이는 콜라젠 및 젤라틴에 대한 칼슘과 인 원료의 양을 달리하면 가능하다.
특히 수산화아파타이트가 합성되는 온도는 40℃ 정도에서, pH는 수산화암모늄(NH4OH)을 추가해서 염기성 분위기인 9~11 정도의 값에서 조절된다.
여기서 pH 와 온도의 조절은 아파타이트의 조성과 결정형상을 결정하는데, pH 는 9이상 온도는 35℃ 이상이면 대략 아파타이트의 결정상이 나온다.
본 발명의 제조공정을 살펴보면, 일반적으로 유-무기의 복합체를 만들 경우 무기질 분말을 단순히 유기질 내에 분산하는 형태인데 반해, 본 발명에서는 그보다는 훨씬 개선된 방법인 생체모방 기술을 응용한 나노복합화를 시도하였다. 즉 콜라젠 기질 내에서 칼슘과 인의 반응을 통한 아파타이트의 형성을 유도하였는데, 이는 보다 더 미세하고 균질한 아파타이트 결정립을 만들어 이후 전기방사를 효과적으로 시행하는데 있어 필수적이다.
나노복합체 졸(sol)은 건조를 통해 나노복합체를 얻었으며, 이를 전기방사를 하기 위해 유기물용매로
HFP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol)에서 용해한다.
여기서 콜라젠이나 젤라틴의 고분자를 녹이는 용매로 HFP를 사용하였으나, 쓰는 유기물에 따라 그 유기질을 녹이는 용매로서 HFP에 국한되지 아니하고 콜라젠이나 젤라틴을 녹이는 유기용매는 무엇이든 사용될 수 있다.
전기방사는 주사기에 용액을 넣고 (지름이 500㎛ 인 바늘을 가진) 높은 DC 전기장 강도 (12 kV / 8 cm) 아래에 놓인 회전원통에 0.05 ml/h의 주입속도로 주입하면서 시행하였으며, 여기서 전기방사장치의 조건 (용액량, 바늘지름, 전장의 세기, 방사속도 등)은 용액의 특성에 따라 달라지는데, 미세구조상으로 나노섬유가 잘 나오는 조건을 결정해야 한다.
전기방사 후 나노섬유는 가교 결합을 하였는데 이는 천연고분자들이 용액 내에서 쉽게 용해되는 것을 방지한다.
칼슘과 인의 원료로서 질산칼슘과 인산암모늄 이외에 다음과 같은 다른 원료도 가능하며, Ca 원료로는 수산화칼슘 (calcium hydroxide), 질산칼슘(Calcium nitrate), 아세트산칼슘(calcium acetate), 염화칼슘(calcium chloride), 중에서 선택된 어느 하나의 화합물을 사용할 수 있으며,
P 원료로 인산(phosphoric acid),인산암모늄 ((NH3)2HPO4 ), 인산나트륨(sodium hydrogen phosphate), 수소인산이나트륨(sodium dihydrogen phosphate), 인산 암모늄((NH3)2HPO4 )중 에서 선택된 어느 하나의 화합물을 사용한다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하기로 하겠다
실시예1 ( 콜라젠 - 수산화아파타이트형 유무기하이브리드 나노섬유 부직포)
Ca 원료로 수산화칼슘(Ca(OH)2) 1몰 100g과 P 원료로 인산(H3PO4) 0.6몰 100 g을 (단, Ca/P의 몰비는 1.67로 고정됨) 각각 증류된 물 5000 ml에 용해한 다음,
상기 용해액에 400g의 콜라젠 용액을 첨가하여 칼슘-콜라젠과 인-콜라젠 졸(sol) 혼합물을 제조한 다음 (이때 콜라젠 양은 칼슘과 인이 반응하여 최종 생성된 수산화아파타이트(HA)가 생성됨을 고려하여 첨가함), 제조된 칼슘-콜라젠과 인-콜라젠 졸(sol) 100g에 수산화암모늄(NH4OH)을 첨가하여 pH 10, 온도 37℃ 으로 조정후, 교반하여 HA/HA+콜라젠 = 20wt% 조성으로 된 나노복합체 졸(sol)을 제조하고,
제조된나노복합체 졸을 진공상태의 냉동건조에서 따른 -20 ~ -70℃에서 동결건조 한 다음, 동결건조된 나노복합체 샘플 5g을
유기질용매로 HFP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) 100g에 용해시킨 다음,
주사기에 용해된 나노복합체졸 용액 10ml를 넣고 높은 DC 전기장 강도 (0.5~2 kV/cm) 아래에 놓인 금속 컬렉터에 0.01~5 ml/h의 주입속도로 주입하여 전기방사한 후에,
80wt%콜라젠-20wt%수산화아파타이트형 유무기 하이브리드 나노섬유 부직포를 제조하였다.
실시예2 ( 콜라젠 - 수산화아파타이트형 유무기하이브리드 나노섬유 부직포)
Ca 원료로 수산화칼슘(Ca(OH)2) 1몰 10g과 P 원료로 인산(H3PO4) 0.6몰 10g을 (단, Ca/P의 몰비는 1.67로 고정됨) 각각 증류된 물 500ml에 용해한 다음,
상기 용해액에 40g의 콜라젠 용액을 첨가하여 칼슘-콜라젠과 인-콜라젠 졸(sol) 혼합물을 제조한 다음 (이때 콜라젠 양은 칼슘과 인이 반응하여 최종 생성된 수산화아파타이트(HA)가 생성됨을 고려하여 첨가함), 제조된 칼슘-콜라젠과 인-콜라젠 졸(sol) 10g에 수산화암모늄(NH4OH)을 첨가하여 pH 10, 온도 40℃ 으로 조정후, 교반하여 HA/HA+콜라젠 = 20wt% 조성으로 된 나노복합체 졸(sol)을 제조하고,
제조된 나노복합체 졸을 진공상태의 냉동건조에서 따른 -20 ~ -70℃에서 동결건조 한 다음, 동결건조된 나노복합체 샘플 0.5g을
유기질용매로 HFP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) 10g에 용해시킨 다음,
주사기에 용해된 나노복합체졸 용액 5ml를 넣고 높은 DC 전기장 강도 (0.5~2 kV/cm) 아래에 놓인 금속 컬렉터에 0.01~5 ml/h의 주입속도로 주입하여 전기방사한 후에,
80wt%콜라젠-20wt%수산화아파타이트형 유무기 하이브리드 나노섬유 부직포를 제조하였다.
실시예3 (젤라틴- 수산화아파타이트형 유무기하이브리드 나노섬유 부직포)
Ca 원료로 질산칼슘(Ca(NO3)2ㅇ4H2O) 1몰 100g과 P 원료로 인산암모늄((NH3)2HPO4) 0.6몰 100g을 (단, Ca/P의 몰비는 1.67로 고정됨) 각각 증류된 물 5000ml에 용해한 다음,
상기 용해액에 400g의 젤라틴 용액을 첨가하여 칼슘-젤라틴과 인-젤라틴 졸(sol) 혼합물을 제조하는데, 이때 젤라틴 양은 칼슘과 인이 반응하여 최종 생성된 수산화아파타이트(HA)가 생성됨을 고려하여 첨가하는데, 본 실시예에서는 제조된 칼슘-젤라틴과 인-젤라틴 졸(sol) 100g에 수산화암모늄(NH4OH)을 첨가하여 pH 10, 온도 40℃으로 조정 후 교반하여 HA/HA+젤라틴 = 20wt% 의 조성으로 된 나노복합체 졸(sol)을 제조하고,
제조된 나노복합체 졸을 진공상태의 냉동건조에서 따른 -20 ~ -70℃에서 동결건조 한 다음, 동결건조된 나노복합체 샘플 10g을
유기질용매로 HFP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) 100g에 용해시킨 다음,
주사기에 용해된 나노복합체졸 용액 1~10 ml를 넣고 높은 DC 전기장 강도 (0.5~2 kV/cm) 아래에 놓인 금속 컬렉터에 0.01~5 ml/h의 주입속도로 주입하여 전기방사한 후에,
80wt%젤라틴-20wt% 수산화아파타이트 하이브리드 나노섬유 부직포를 제조하였다.
실시예4 (젤라틴- 수산화아파타이트형 유무기하이브리드 나노섬유 부직포)
Ca 원료로 질산칼슘(Ca(NO3)2ㅇ4H2O) 1몰 40g과 P 원료로 인산암모늄((NH3)2HPO4) 0.6몰 40g을 (단, Ca/P의 몰비는 1.67로 고정됨) 각각 증류된 물 2000ml에 용해한 다음,
상기 용해액에 60g의 젤라틴 용액을 첨가하여 칼슘-젤라틴과 인-젤라틴 졸(sol) 혼합물을 제조하는데, 이때 젤라틴 양은 칼슘과 인이 반응하여 최종 생성된 수산화아파타이트(HA)가 생성됨을 고려하여 첨가하는데, 본 실시예에서는 제조된 칼슘-젤라틴과 인-젤라틴 졸(sol) 40g에 수산화암모늄(NH4OH)을 첨가하여 pH 10,온도 40℃으로 조정후 교반하여 HA/HA+젤라틴 = 60wt% 의 조성으로 된 나노복합체 졸(sol)을 제조하고,
제조된 나노복합체 졸을 진공상태의 냉동건조에서 따른 -20 ~ -70℃에서 동결건조 한 다음, 동결건조된 나노복합체 샘플 5g을
유기질용매로 HFP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) 50g에 용해시킨 다음,
주사기에 용해된 나노복합체졸 용액 5ml를 넣고 높은 DC 전기장 강도 (0.5~2 kV/cm) 아래에 놓인 금속 컬렉터에 0.01~5ml/h의 주입속도로 주입하여 전기방사한 후에,
60wt%젤라틴-40wt% 수산화아파타이트 하이브리드 나노섬유 부직포를 제조하였다.
실시예5 (젤라틴- 수산화아파타이트형 유무기하이브리드 나노섬유 부직포)
Ca 원료로 질산칼슘(Ca(NO3)2ㅇ4H2O) 1몰 6g과 P 원료로 인산암모늄((NH3)2HPO4) 0.6몰 6 g을 (단, Ca/P의 몰비는 1.67로 고정됨) 각각 증류된 물 300 ml에 용해한 다음,
상기 용해액에 4g의 젤라틴 용액을 첨가하여 칼슘-젤라틴과 인-젤라틴 졸(sol) 혼합물을 제조하는데, 이때 젤라틴 양은 칼슘과 인이 반응하여 최종 생성된 수산화아파타이트(HA)가 생성됨을 고려하여 첨가하는데, 본 실시예에서는 제조된 칼슘-젤라틴과 인-젤라틴 졸(sol) 6g에 수산화암모늄(NH4OH)을 첨가하여 pH 10,온도 40℃으로 조정후 교반하여 HA/HA+젤라틴 = 40wt% 의 조성으로 된 나노복합체 졸(sol)을 제조하고,
제조된 나노복합체 졸을 진공상태의 냉동건조에서 따른 -20 ~ -70℃에서 동결건조 한 다음, 동결건조된 나노복합체 샘플 1g을
유기질용매로 HFP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) 10g에 용해시킨 다음,
주사기에 용해된 나노복합체졸 용액 5ml를 넣고 높은 DC 전기장 강도 (0.5~2 kV/cm) 아래에 놓인 금속 컬렉터에 0.01~5 ml/h의 주입속도로 주입하여 전기방사한 후에,
40wt%젤라틴-60wt% 수산화아파타이트 하이브리드 나노섬유 부직포를 제조하였다.
도 1에 본 발명의 제조 공정의 개략도를 나타내었다.
실험예 1 ( 하이브리드 나노섬유의 구조)
도2에서는 나노복합 나노섬유의 전형적인 주사전자현미경 사진을 나타낸 것으로 (A)는 80wt%콜라젠-20wt%수산화아파타이트, (B)는 80wt%젤라틴-20wt%수산화아파타이트, (C)는 60wt%젤라틴-40wt%수산화아파타이트, (D)는 40wt%젤라틴-60wt%수산화아파타이트이다.
도3은 하이브리드 나노섬유의 내부구조를 보여주는 사진으로 80wt%콜라젠-20wt%수산화아파타이트의 투과전자현미경의 고배율 사진을 나타낸 것으로 나노섬유 내부에 침상형의 수산화아파타이트 나노결정체(nanocrystals)들이 침전된 모습을 잘 보여준다.
관찰결과에 따르면, 천연고분자와 뼈의 미네랄 성분인 수산화아파타이트의 유-무기의 하이브리드구조가 나노섬유형태의 부직포 형태로 잘 제조된 것을 알 수 있다.
실험예 2 ( 하이브리드 나노섬유의 생체적 특성)
도3에서는 80wt%콜라젠-20wt%수산화아파타이트 하이브리드 나노섬유에서 3일 동안 성장한 골형성 세포를 전자현미경으로 관찰한 것인데, 전형적으로 잘 성장하 고 있는 골세포의 모습을 보여준다.
도4에서는, 80wt%콜라젠-20wt%수산화아파타이트 하이브리드 나노 섬유에서 14일 동안 성장된 골형성 세포의 알카리성 포스파타아제(Alkaline phosphatase: ALP) 활성도를 보여주는데, 이는 골세포의 분화지표를 나타낸다.
실험결과에 따르면 골형성 세포는 하이브리드 나노섬유에서 잘 성장하고 있으며, 특히 순수 콜라젠 나노섬유에 비해 하이브리드 나노섬유 상에서 ALP의 레벨이 두드러지게 높은 것을 알 수 있었는데, 이는 뼈를 모방하는 유-무기 나노구조로 이루어진 콜라젠-수산화아파타이트(HA) 하이브리드 나노섬유가 골 조직의 재생에 있어 우수한 잠재력을 가지는 것을 말해 준다.
이러한 결과들을 종합할 때,
1) 생체모방 침전법에 천연고분자와 수산화아파타이트의 나노복합체는 구조적 화학적 특성을 뼈와 치아 등 경조직과 보다 가깝게 조절될 수 있고,
2) 나노복합체 용액을 이용하여 전기방사 공법을 통해 유-무기 하이브리드형 나노섬유형 부직포를 성공적으로 제조할 수 있으며,
3) 하이브리드형 나노섬유는 순수한 고분자 나노섬유에 비해 우수한 골 세포 분화도를 지님으로서 골조직 재생 물질로서의 우수함을 확인하였으며,
본 발명에 의한 유-무기 생체모방 하이브리드형 나노섬유체는 조직 재생용 및 약물전달용 재료로서 치과, 정형외과, 성형외과 및 신경외과 부분에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (6)

  1. 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포에 있어서,
    전기방사법으로 제조되며, 천연고분자 성분인 콜라젠 및 젤라틴과 골의 무기질 성분인 수산화아파타이트(HA)의 유-무기 하이브리드 조성으로 이루어져 있으며, 직경이 수십에서 수백나노미터의 나노 섬유로 이루어진 3차원적 부직포임을 특징으로 하는 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유-무기 하이브리드 조성은 수산화아파타이트의 양이 0.1wt% ~99.9wt%임을 특징으로 하는 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 유-무기 하이브리드 조성은 80wt%콜라젠-20wt%수산화아파타이트, 80wt%젤라틴-20wt%수산화아파타이트, 60wt%젤라틴-40wt%수산화아파타이트, 40wt%젤라틴-60wt%수산화아파타이트에서 선택된 어느 하나의 조성성분으로 된 부직포임을 특징으로 하는 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포.
  4. 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포의 제조방법에 있어서,
    Ca 원료로 수산화칼슘(Ca(OH)2) 1몰 1~100g과 P 원료로 인산(H3PO4) 0.6몰 1-100g을 (단, Ca/P의 몰비는 1.67로 고정됨) 각각 증류된 물 50~5000ml에 용해한 다음,
    상기 용해액에 1~100g의 콜라젠 용액을 첨가하여 칼슘-콜라젠과 인-콜라젠 졸(sol) 혼합물을 제조한 다음 (이때 콜라젠 양은 칼슘과 인이 반응하여 최종 생성된 수산화아파타이트(HA)가 생성됨을 고려하여 첨가함), 제조된 칼슘-콜라젠과 인-콜라젠 졸(sol) 1~100g에 수산화암모늄(NH4OH)을 첨가하여 pH 10 온도 40℃ 으로 조정후, 교반하여 HA/HA+콜라젠 = 20wt% 조성으로 된 나노복합체 졸(sol)을 제조하고,
    제조된 나노복합체 졸을 진공상태의 냉동건조에서 따른 -20 ~ -70℃에서 동결건조 한 다음, 동결건조된 나노복합체 샘플 0.1~10g을
    유기질용매로 HFP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) 1~100g에 용해시킨 다음,
    주사기에 용해된 나노복합체졸 용액 1~10 ml를 넣고 높은 DC 전기장 강도 (0.5~2 kV/cm) 아래에 놓인 금속 컬렉터에 0.01~5 ml/h의 주입속도로 주입하여 전기방사하여 콜라젠-수산화아파타이트형의 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포를 제조함을 특징으로 하는 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포의 제조방법.
  5. 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포의 제조방법에 있어서,
    Ca 원료로 질산칼슘(Ca(NO3)2ㅇ4H2O) 1몰 1~100g과 P 원료로 인산암모늄((NH3)2HPO4) 0.6몰 1-100 g을 각각 증류된 물 50~5000ml에 용해한 다음,
    상기 용해액에 1~100g의 젤라틴 용액을 첨가하여 칼슘-젤라틴과 인-젤라틴 졸(sol) 혼합물을 제조한 후에, 제조된 칼슘-젤라틴과 인-젤라틴 졸(sol) 1~100g에 수산화암모늄(NH4OH)을 첨가하여 pH 10, 온도 40℃ 으로 조정후, 교반하여 HA/HA+젤라틴의 조성으로 된 나노복합체 졸(sol)을 제조하고,
    제조된 나노복합체 졸을 진공상태의 냉동건조에서 따른 -20 ~ -70℃에서 동결건조 한 다음, 동결건조된 나노복합체 샘플 0.1~10 g을
    유기질용매로 HFP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) 1~100g에 용해시킨 다음,
    주사기에 용해된 나노복합체졸 용액 1~10 ml를 넣고 높은 DC 전기장 강도 (0.5~2 kV/cm) 아래에 놓인 금속 컬렉터에 0.01~5 ml/h의 주입속도로 주입하여 전기방사하여 젤라틴-수산화아파타이트형의 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포를 제조함을 특징으로 하는 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포의 제조방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항5에 있어서, 상기 Ca 원료로는 수산화칼슘(Calcium hydroxide), 아세트산칼슘(calcium acetate), 염화칼슘(calcium chloride), 질산칼슘(Ca(NO3)2ㅇ4H2O)중에서 선택된 어느 하나의 화합물을 사용할 수 있으며, 상기 P 원료로 인산(phosphoric acid), 인산나트륨(sodium hydrogen phosphate), 수소인산이나트륨(sodium dihydrogen phosphate), 인산 암모늄((NH3)2HPO4)중 에서 선택된 어느 하나의 화합물을 사용될 수 있으며,
    유기질 용매는 콜라젠이나 젤라틴을 녹이는 유기용매는 무엇이든 사용될 수 있음을 특징으로 하는 전기방사법을 이용한 골 유도 재생용 유-무기 하이브리드 나노섬유 부직포의 제조방법.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100851431B1 (ko) * 2007-02-09 2008-08-11 서강대학교산학협력단 전기방사법에 의한 고분자 섬유 내 탄소나노튜브의배향방법
KR101238539B1 (ko) 2010-10-07 2013-02-28 단국대학교 산학협력단 젤라틴-아파타이트를 함유하는 생체고분자를 이용한 골 조직 재생용 나노섬유의 제조방법
KR101239136B1 (ko) * 2011-02-21 2013-03-07 금오공과대학교 산학협력단 아파타이트를 복합한 항균 나노섬유 웹의 제조방법
KR101803400B1 (ko) * 2014-05-02 2017-11-30 충남대학교산학협력단 재조합 칼슘 결합 단백질 및 이를 함유하는 나노섬유 지지체

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005290610A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Akihiko Tanioka 多糖類のナノスケールの繊維および成形体

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005290610A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Akihiko Tanioka 多糖類のナノスケールの繊維および成形体

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100851431B1 (ko) * 2007-02-09 2008-08-11 서강대학교산학협력단 전기방사법에 의한 고분자 섬유 내 탄소나노튜브의배향방법
KR101238539B1 (ko) 2010-10-07 2013-02-28 단국대학교 산학협력단 젤라틴-아파타이트를 함유하는 생체고분자를 이용한 골 조직 재생용 나노섬유의 제조방법
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KR101803400B1 (ko) * 2014-05-02 2017-11-30 충남대학교산학협력단 재조합 칼슘 결합 단백질 및 이를 함유하는 나노섬유 지지체

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