KR100824726B1

KR100824726B1 - 골조직 침투형 골유착 임플란트

Info

Publication number: KR100824726B1
Application number: KR1020060099479A
Authority: KR
Inventors: 황순정; 박용두; 태기융; 노인섭; 이규백; 김인숙; 정성민
Original assignee: 주식회사 덴티움
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2008-05-06
Also published as: KR20080032985A

Abstract

본 발명은 하이드로겔 또는 하이드로겔을 포함하는 조성물로 코팅된 임플란트에 관한 것이다.　 하이드로겔로 코팅된 임플란트는 식립 후 조직액을 흡수하여 팽윤하면서 임플란트와 뼈와의 갭을 충진시킬 수 있을 뿐 아니라, 골형성을 유도하는 성장요소(예: BMP)을 서방하여 효과적으로 골형성을 유도할 수 있다.

하이드로겔, 골형성 촉진 성장요소, 임플란트

Description

골조직 침투형 골유착 임플란트{Implant with bone tissue infiltrative osseointegration}

도 1은 제조된 히알루론산 하이드로젤의 모습이다.

도 2는 임플란트에 하이드로겔을 코팅하고 1일 건조시킨 후 표본과 SEM 사진으로, 도 2a는 표본을10배 확대한 사진, 2b는 표본을100배로 확대한 부분 사진, 도 2c 내지 2e는 하이드로겔이 코팅된 임플란트 표면(x30, x100, x1000 )의 SEM 사진이다.

도 3는 토끼의 무릎뼈에 하이드로겔을 코팅하고 식립된 임플란트의 조직표본 (1일 경과) 사진이다.

도 4a는 토끼의 무릎뼈에 하이드로겔을 코팅하지 않고 식립한 임플란트의 조직표본 (2주 경과)이고, 도 4b는 토끼의 무릅뼈에 식립된 BMP-2를 포함한 하이드로겔이 코팅된 임플란트의 조직표본 (2주 경과).

본 발명은 하이드로겔 또는 하이드로겔을 포함하는 조성물로 코팅된 임플란 트에 관한 것이다.　

하이드로겔은 조직공학 및 약물 전달 분야에서 널리 사용되는 물질로서, 하이드로겔에 약물 및 세포를 함께 포함시켜 조직 재생에 사용되고 있다.　 종래에는 하이드로겔을 사용하여 지지체를 제조하여 왔으며, 생체 활성이 좋으며 생체에 적용하기 용이한 주사형 지지체의 개발이 다양하게 시도되어 왔다.

조직 재생용 하이드로겔의 개발은 다양한 물질을 사용하여 다양한 방법으로 수행되어 왔다.　 기본적으로 사용되는 물질은 생체 적합성이 좋은 것으로 알려진 고분자로 PEG 등이 사용되어져 왔으나, 생체 외에서 유래한 물질들은 여러 가지 한계점을 가지고 있다.

생체 내 물질을 사용하여 조직공학용 지지체를 만드는 시도들이 행해져 왔으며, 그 중의 하나가 히알루론산 (Hyaluronic acid)을 이용하는 방법이다. 히알루론산은 연골 및 연조직에 넓게 퍼져있는 생체 내 물질로, 생체 적합성이 좋으며 단일 체인으로 구성되어 있는 고분자로서, 면역반응이 없는 비부착성 글리코사민글리칸이다.　 세포의 표면물질과 반응을 하여 세포의 생장 및 분화를 조절하는 능력도 가지고 있어, 조직공학 및 약물전달용 물질로 사용되어 왔다.

히알루론산은 일작용성 및 다작용성 하이드라지드를 이용하여 화학적으로 변성을 시키거나 (Prestwich, G.D., et al., Controlled chemical modification of hyaluronic acid: synthesis, applications, and biodegradation of hydrazide derivatives. J Control Release, 1998. 53(1-3): p. 93-103.), 메타크릴레이트 그룹을 이용하여 변성시키거나 (Park, Y.D., N. Tirelli, and J.A. Hubbell, Photopolymerized hyaluronic acid-based hydrogels and interpenetrating networks. Biomaterials, 2003. 24(6): p. 893-900.과 Baier Leach, J., et al., Photocrosslinked hyaluronic acid hydrogels: Natural, biodegradable tissue engineering scaffolds. Biotechnol Bioeng, 2003. 82(5): p. 578-89.), 아미노 또는 알데하이드를 이용하여 변성시킨 바 있다 (Bulpitt, P. and D. Aeschlimann, New strategy for chemical modification of hyaluronic acid: preparation of functionalized derivatives and their use in the formation of novel biocompatible hydrogels. J Biomed Mater Res, 1999. 47(2): p. 152-69.).　 이렇게 변성된 히알루론산을 이용하여 많은 연구자들은 새로운 지지체를 만들었으며, Leach 등 (Leach, J.B. and C.E. Schmidt, Characterization of protein release from photocrosslinkable hyaluronic acid-polyethylene glycol hydrogel tissue engineering scaffolds. Biomaterials, 2005. 26(2): p. 125-35.)은 분해속도를 조절하고, BSA(bovine serum albumin)를 분비하는 글리시딜 메타크릴레이트-히알루론산 (GMHA) 하이드로겔을 만들었다. 또한, Kisiday 등 (Kisiday, J., et al., Self-assembling peptide hydrogel fosters chondrocyte extracellular matrix production and cell division: implications for cartilage tissue repair. Proc Natl Acad Sci U S A, 2002. 99(15): p. 9996-10001.)은 연골 재생을 위한 펩타이드 수화겔 내에 연골세포를 넣는 기술을 개발하여 자가 조합의 펩타이드 수화겔 지지체를 만들었다.　

본 발명자도 공동 발명자들과 함께 아크릴화된 히알루론산 유도체를 이용하 여 생체적합성이 높은 생분해성 하이드로겔을 개발하고 특허출원한 바 있다.

한편, 종래 임플란트에는 펩타이드 또는 단백질을 부착시켰는데 그 이유는 조골세포의 초기 유착성과 골형성을 높이기 위해서이다. 대표적인 예로, 펩타이드 부착은 fibronectin이나 vitronectin을 단백질부착은 BMP를 자주 사용하는데, fibronetin이나 vitronectin은 조골세포의 초기부착을 좋게 하기 위해서, BMP는 골형성을 유도하는 단백질로 골형성을 증가시킨다. BMP는 고가의 골성장단백질로 단순히 부착을 하거나 표면에 흡착을 시키면 조직액에 의해 쉽게 용해되어, 짧은 기간에만 작용을 하여 골형성 효과가 낮으므로 이러한 단백질은 서방형으로 만들어야 한다.

위턱의 치조골, 특히 구치부에서는 골밀도가 매우 낮아 임플란트 실패율이 다른 부위에 비해 상대적으로 높다. 이러한 골질이 좋지 않은 곳에서는 임플란트와 뼈(망사골)이 접촉하는 정도가 적어 골유착의 정도가 낮기 때문인데, 이렇게 골질이 좋지 않은 곳에서 골밀도와 골유착을 증가시킬 수 있는 방법의 개발이 필요하다. 더불어, 임플란트 식립 수술 후에는 식립 부위에 일시적인 염증이 생기고, 치주염과 같이 국소적으로 염증이 있는 경우 임플란트의 발치후 즉시 또는 조기 식립이 불가능하거나 식립 후 실패율이 높다, 뿐만 아니라, 골소적 골염이 있는 경우에는 염증이 오래 지속될 수 있어 임플란트 식립에 어려움이 있어, 이러한 국소적 염증을 치료할 수 있는 서방형 약물 방출 기능을 가진 방법의 개발이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 임플란트 표면에 골형성 촉진 성장요소 등을 포함한 하이드로겔을 코팅하여 건조시키고, 이를 턱뼈에 식립하면, 임플란트 주위의 조직액으로 하이드로겔이 팽윤하여 임플란트와 망사골과의 갭을 충진시키고, 하이드로겔은 신생골이 생기면서 서서히 분해되어, 신생골이 생기기 전에 연조직이 갭을 채워 골유착을 이루지 못하는 것을 막을 수 있는, 하이드로겔 또는 하이드로겔을 포함하는 조성물을 코팅된 임플란트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 임플란트가 식립되는 조직의 국소적인 환경을 개선시키고, 신생혈관 및/또는 골형성을 촉진하는 물질을 서방하여 효과적으로 골형성을 유도할 수 있는, 하이드로겔 또는 하이드로겔을 포함하는 조성물로 코팅된 임플란트를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 하이드로겔 또는 하이드로겔을 포함하는 조성물을 코팅된 임플란트에 의해 달성된다.

본 발명에 사용되는 하이드로겔은 생체 적합성이 있는 모든 하이드로겔을 사용할 수 있으며, 예를 들어 히아루론산 유도체를 기초로 하는 하이드로겔, 펩타이드를 기초로 하는 하이드로겔 등을 제한 없이 사용할 수 있다. 또한, 이러한 하이드로겔에 임플란트가 식립되는 조직의 국소적인 환경을 개선시키는, 예를 들어 항생제나, 신생혈관 및/또는 골형성을 촉진하는 물질, 예를 들어 BMP (bone morphogenic protein)-2, BMP-4, BMP-6, BMP-7, IGF (insulin like growth fadtor)-1, IGF-2, FGF (fibroblast growth factor), PDGF (platelet derived growth factor), 기타TGF (transforming growth factor)-β, VEGF (vascular endothelial growth factor), 파이브로넥틴 (fibronectin), 및 비트로넥틴 (vitronectin)과 같은 단백질을 혼합한 조성물 형태로 코팅할 수 있다.

하나의 실시예로서, 본 발명은 하기 화학식 1의 아크릴화된 히알루론산 유도체 또는 이의 염을 기초로 하는 하이드로겔을 임플란트에 코팅할 수 있다.

상기식에서, R은

이고, n은 4 내지 8이다.

치환기 R에서 n은 바람직하게는 4이다(n을 일정 범위값, 예를 들어 4 내지 6과 같이 나타낼 수도 있습니다).

여기에 사용된 히알루론산은, 특별히 제한되지는 않으나, 일반적으로 천연 물질, 바람직하게는 척추동물 또는 미생물로부터 유래되는 것을 사용할 수 있다.　 히알루론산의 분자량은 통상적으로 400,000 내지 10,000,000, 바람직하게는 600,000 내지 6,000,000 이다.　 히알루론산의 카복실 그룹의 형태는 염의 형태를 취할 수 있으며, 이러한 경우 알칼리 금속염, 또는 알칼리 토금속염의 형태일 수 있다.　 이러한 염은 나트륨염 또는 칼륨염이 바람직하다.

히알루론산은 조직으로부터 추출하거나 생합성될 수 있으며, 이와 관련한 많은 선행 문헌이 공지되어 있다 (대한민국 특허 출원 10-1987-0014225　 (1987.12.12), 10-1989-0009566　 (1989.07.06), 10-1985-0003599　 (1985.05.24)).　 예를 들어, 조직으로부터 추출하는 경우에는 닭의 볏, 관절의 활액, 사람 탯줄 조직, 소 기관지 등으로부터 추출할 수 있으며, 미생물로부터 얻는 경우에는 비용혈성 스트렙토코커스 속에 속하는 미생물을 배양하여 수득할 수 있다.　

상기 히알루론산 유도체로 구성된 하이드로겔의 제조방법은 본 발명자의 선행 출원인 대한민국 특허출원 제 10-2006- 0000463호에 게시되어 있다.

이하, 실시 예를 들어 본 발명은 보다 구체적으로 설명하고자 한다.　 그러나, 본 발명이 이들 구체적 예로 한정되는 것은 아니며, 이는 단지 설명을 위한 것으로 간주되어야 하며, 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.

실시예

제조실시예 1: 하이드로겔의 제조

겔 형성 반응은 아크릴화된 히알루론산(한국 특허 출원 제 10-2006- 0000463호의 실시예 1)을 트리에탄올아민-완충 용액 (TEA; 0.3M, pH 8)에 녹여 1% (w/v)용액을 만들고 티올 그룹을 갖는 가교결합제인 티올레이티드 폴리(에틸렌 글리콜)을 아크릴 그룹과 티올 그룹의 몰비가 1:1이 되게 넣어주어 37℃ 조건 하에서 반응시켜 제조하였다. 제조된 하이드로겔의 사진을 도 1에 게시하였다.

실험예 1: 임플란트에 하이드로겔의 코팅

임플란트를 제조실시예1에 의해 제조된 하이드로겔에 넣어 코팅시키고, 공기를 균일하게 분사하여 하이드로겔이 임플란트 거친 표면 깊이 침투하게 하고, 이 과정을 2-3번 반복하였다. 청정실(clean bench 또는 clean room)에서 수시간 이상 건조시킨 후, 포장하여 방사선 조사를 하여 소독하였다. 임플란트에 하이드로겔을 코팅하고 1일 건조시킨 후 표본과 SEM 사진을 도 2에 게시하였다. 도 2a는 10배 확대한 사진, 2b는 100배로 확대한 모습이며, 나사 홈 표면에 불규칙하게 얇게 코팅된 모습을 볼 수 있다.

도 2c 내지 2e는 하이드로겔이 코팅된 임플란트 표면(x30, x100, x1000 )이다.

실험예 2: 임플란트에 코팅된 하이드로겔이 뼈 속의 조직액에 의해 팽창되는지를 검증하는 실험

토끼의 무릅뼈(tibia)에 임플란트 모터로 통상의 과정대로 임플란트가 식립될 식립와(hole)을 형성하였다. 실험예 1에서와 같이 하이드로겔이 코팅된 임플란트를 형성된 식립와에 식립하였다. 1일 경과한 후, 토끼를 안락사시키고 임플란트가 식립된 무릎뼈를 채취하여 조직표본을 만들었다. 토끼의 무릎뼈에 하이드로겔을 코팅하고 식립된 임플란트의 조직표본 (1일 경과) 사진을 도 3a에 게시하였다. 도 3b는 40배 확대한 것(x40), 도 3c는 200배 확대한 것이다. 임플란트에 코팅된 하이드로젤이 팽윤하여 임플란트 주위 조직으로 퍼져 나감을 관찰할 수 있다. 특히 무릅뼈의 겉을 이루고 있는 피질골에서 임플란트와 피질골에서의 갭을 팽창된 하이드로젤이 채우고 있음을 관찰할 수 있다.

실험예 3: 골형성 단백질(BMP-2)이 포함된 하이드로겔이 코팅된 임플란트에서 임플란트 주위에 골형성이 촉진되는 실험

하이드로겔에 BMP-2(100ng)를 혼합하고, 실험예 1에서와 같이 임플란트에 코팅을 하였다. 실험예 2에서와 같이 토끼의 무릎뼈에 임플란트를 식립하였다. 임플란트 식립 2주 후에 토끼를 안락사시키고, 임플란트가 식립된 무릎뼈를 채취하여 조직표본을 만들었다. 토끼의 무릎뼈에 하이드로겔을 코팅하지 않고 식립한 임플란트의 조직표본 (2주 경과)과 토끼의 무릅뼈에 식립된 BMP-2를 포함한 하이드로겔이 코팅된 임플란트의 조직표본 (2주 경과)을 도 4a 및 도 4b에 게시하였다.

토끼의 무릎뼈에 하이드로겔을 코팅하지 않고 식립한 임플란트의 조직표본에 서는 임플란트 주위에 골형성이 거의 없는 반면, BMP-2를 포함한 하이드로겔이 코팅된 임플란트를 식립한 조직표본에서는 임플란트 주위로 많은 신생골이 형성되었다.

본 발명의 하이드로겔로 코팅된 임플란트는 팽윤시 임플란트와 치조골 사이의 갭을 충진시킬 수 있을 뿐 아니라, 골형성을 유도하는 단백질을 서방하여 효과적으로 골형성을 유도할 수 있다.

Claims

하기 화학식 1의 아크릴화된 히알루론산 유도체 또는 이의 염을 기초로 하는 하이드로겔 또는 상기 하이드로겔을 포함하는 조성물로 코팅된 임플란트.

화학식 1

상기식에서, R은
이고, n은 4 내지 8이다.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 BMP (bone morphogenic protein)-2, BMP-4, BMP-6, BMP-7, IGF (insulin like growth fadtor)-1, IGF-2, FGF (fibroblast growth factor), PDGF (platelet derived growth factor), 기타TGF (transforming growth factor)-β, VEGF (vascular endothelial growth factor), 파이브로넥틴 (fibronectin), 및 비트로넥틴 (vitronectin)중에서 선택된 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트.
삭제
제 1항 또는 3 항에 있어서, 상기 조성물은 항생제를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트.
삭제