KR100848468B1

KR100848468B1 - 고분자-티타니아-하이드록시아파타이트 합성 나노섬유 및그 제조방법과 티타니아-하이드록시아파타이트 합성나노섬유 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100848468B1
Application number: KR1020070037124A
Authority: KR
Inventors: 장기환; 강인규; 김석영; 김홍미
Original assignee: 장기환; 강인규; 김석영; (주)비케이 메덴트
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-07-24

Abstract

본 발명은 골대체제로 광범위한 적용성을 가지는 티타니아-하이드록시아파타이트 합성 나노섬유 제조방법에 관한 것으로, 폴리비닐계 고분자를 용매 2-methoxyethanol를 사용하여 고분자 졸을 만든후, Titanium(IV)isopropoxide(TIP) : 2-methoxyethanol : 아세트산(acetic acid)을 섞어 세라믹 전구체 졸을 제조하여, 상기 고분자 졸과 세라믹 전구체 졸을 섞어 교반하여 고분자 세라믹 전구체 졸을 제조하고, 제조된 HA 졸에 상기 고분자 세라믹 전구체 졸을 혼합하여 충분히 교반하여 고분자/TiO₂ /HA졸을 제조한 후 전기방사하여 고분자/TiO₂/HA 나노 섬유를 얻고, 얻어진 고분자/TiO₂/HA 나노섬유에서 고분자를 제거하고 TiO₂와 HA가 각각의 세라믹 특성을 갖는 결정구조를 가지도록 하소하여 TiO₂/HA 나노섬유를 얻고, 부가적으로 상기한 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 수산기를 이용해 콜라겐을 고정화시켜 생체불활성 세라믹과 생체활성 세라믹의 단점을 보완한 TiO₂/HA 나노섬유 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

폴리비닐피롤리돈, 이산화티탄, 골대체제, 세라믹

Description

고분자-티타니아-하이드록시아파타이트 합성 나노섬유 및 그 제조방법과 티타니아-하이드록시아파타이트 합성 나노섬유 및 그 제조방법{high molecular- Titania-Hydroxyapatite composite nanofibers and its manufacturing method and, Titania-Hydroxyapatite composite nanofibers and its manufacturing method}

도 1은 본 발명에 따른 TiO₂/HA 나노섬유의 제조방법을 나타내는 공정도

도 2는 본 발명에 따른 HA 졸 제조방법을 나타내는 공정도

도 3은 본 발명에 따른 전기방사에 의한 나노섬유 제조공정 블럭도

도 4는 본 발명에 따른 PVP/TiO₂/HA 나노섬유의 주사전자현미경(SEM)사진

도 5는 본 발명에 따른 TiO₂/HA 나노섬유의 SEM 사진

도 6은 본 발명에 의해 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 있는 수산기를 이용해 콜라겐이 고정화되는 것을 나타내는 화학식

도 7은 본 발명에 의한 TiO₂/HA 나노섬유에 포함된 원소를 나타내는 도면

도 8은 본 발명에 의한 콜라겐으로 표면개질된 TiO₂/HA 나소섬유에 포함된 원소를 나타내는 도면

도 9는 TiO₂ 나노섬유와 TiO₂/HA나노섬유의 X선 회절분석 결과를 나타내는 그래프

도 10은 제조된 TiO₂/HA 나노섬유와 TiO₂/HA 콜라겐 나노섬유의 표면의 성분을 ATR FT-IR 분광 분석을 통해 분석한 결과를 나타내는 그래프

도 11은 TiO₂/HA 나노섬유의 세포접착을 나타내는 사진

도 12는 콜라겐으로 표면개질한 TiO₂/HA 나노섬유의 6시간 경과 후 세포접착을 나타내는 사진

도 13은 콜라겐으로 표면개질한 TiO₂/HA 나노섬유의 48시간 경과 후 세포접착을 나타내는 사진

본 발명은 골대체제로 광범위한 적용성을 가지는 티타니아-하이드록시아파타이트 합성 나노섬유 제조방법에 관한 것으로서, 특히 생체불활성 세라믹과 생체활성 세라믹의 단점을 보완하기 위한 TiO₂/HA 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

지금까지 인체 내에 도입하여 손상부위를 복구하기 위한 생체적응재료로서 여러가지 금속합금 및 유기물질들이 사용되어 왔는데, 그 중 세라믹은 골유도성 인자가 융합속도를 가속시키도록 뼈의 성장을 유도하면서 뼈의 성장을 위한 안정한 발판을 제공하며, 융합부위에 대한 칼슘 및 인산의 공급원을 유용하게 제공하는 등 생체에 대한 탁월한 적합성(Compatibility)으로 주목받고 있다. 그런데 전통적인 세라믹 물질들은 뼈 형성활동 또는 뼈 충전과정이 상대적으로 늦다는 문제점이 있다.

또한 인공 뼈 및 치아의 분야에서는, 세라믹 물질 또는 생체와 우수한 적합성을 갖는 하이드록시 아파타이트(Hydroxyapatite: 이하 HA로 약기함)의 소결체 내지 단일결정에 대한 연구들이 발달 되어 왔다. 하이드록시 아파타이트에 대한 제조방법 및 용도에 대한 특허로서는 한국특허등록 제 384184호로 칼슘이온 수졸 또는 인산이온 수졸 침지를 통해 기체를 통해 HA를 회수하는 방법이 개시되어 있다. 또한 세라믹 융합 임플런트 및 골유도성 인자를 함유하는 조성물 (한국특허공개번호 제 2000-0052723)은 골이식편 대체물로서 단독으로 각각 사용되어져 왔던 하이드록시아파타이트(HA) 및 인산삼칼슘(TCP)를 융합하여 HA/TCP복합체를 제시하였다. 한국화학연구원이 연구한 한국공개특허 제10-2004-0017726의 순간 겔화법을 이용한 다공성 유무기복합체의 제조방법에서는, 커플링된 고분자에 세라믹전구체를 혼합하여 졸 상태가 되었을 때 기공형성제를 첨가하여 유무기 복합체 기기상 내에서 삼차원으로 균일하게 상호 연결된 기공을 만드는 방법이 제시되어 있다.

이러한 기술들을 기반으로 하여 최근 골대체제(bone substitute)로 보다 안전성이 확보되는 바이오(생체활성) 세라믹에 대한 연구가 이루어지고 있다. 바이오 세라믹은 골전도성이고 신체부위에서 골 형성을 촉진하며, 새로운 뼈의 성장을 도와주는 다공성 매트릭스를 제공한다. 그러나, 세라믹 임플란트는 높은 하중을 지지 하는 강도가 결여되어 있어, 융합 전에 별도의 충분한 고정성이 필요하다.

일반적으로 하이드록시 아파타이트(HA)는 생체 활성 세라믹으로서, 생체 내에 매립되어 주위에 섬유성 피막을 전혀 만들지 않고 주위의 뼈와 직접 접촉하여 강한 화학결합을 이루고 결합에 소요되는 시간도 매우 짧은 장점을 지니고 있다. 그러나, 거의 재흡수가 되지 않으며,단독으로 사용될 때 파괴 인성과 비강도가 약한 단점이 있다.

한편 생체불활성 세라믹인 티타니아는 고분자나 금속에 비해 내마모성, 내열성, 내약품성 등의 기계적 특성과 화학적 안정성, 생체안정성에서 뛰어난 생체재료이지만, 생체 활성 세라믹보다 생체 적합성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해, 생체불활성 세라믹과 생체 활성 세라믹의 각 단점들을 보완하면서 골대체제로 광범위한 적용성을 가지는 산화티탄(TiO₂ )/HA의 합성 나노섬유를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 생체친화성 내지 생체적합성을 높이기 위해 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 콜라겐을 고정화시키는 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 폴리비닐계 고분자를 용매 2-methoxyethanol를 사용하여 8~13wt%의 농도를 가지는 고분자 졸을 만든후, Titanium(IV)isopropoxide(TIP) : 2-methoxyethanol : 아세트산(acetic acid)을 동일 부피비로 섞어 세라믹 전구체 졸을 제조하여, 상기 고분자 졸과 전구체 졸의 비를 4-6:6-4로 하여 섞어 10-14시간 정도 충분히 교반하여 고분자 세라믹 전구체 졸을 제조하는 단계; HA 졸에 상기 고분자 세라믹 전구체 졸을 4-6의 부피비로 혼합하여 20-28시간 충분히 교반하여 고분자/TiO₂ /HA졸을 제조하는 단계; 상기 제조된 고분자/TiO₂/HA를 전기방사하여 고분자/TiO₂/HA 나노 섬유를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자/TiO₂/HA 나노섬유 및 그 제조방법에 있다.

그리고, 상기한 고분자/TiO₂/HA 나노섬유에서 바인더로 사용된 고분자를 제거하고 TiO₂와 HA가 각각의 세라믹 특성을 갖는 결정구조를 가지도록 하기 위하여 500-700℃에서 2-4시간 하소하여 TiO₂/HA 나노섬유를 얻는 단계를 더 포함하도록 하고, 부가적으로 상기한 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 수산기를 이용해 콜라겐을 고정화시키는 단계를 더 포함한 TiO₂/HA 나노섬유 및 그 제조방법에 있다.

상기한 구성에서 콜라겐을 고정화시키는 단계는 3-aminopropyltriethoxysilane(3-APTES)를 2차수와 1:9의 부피비로 섞은 다음 소결시킨 TiO₂/HA 나노섬유를 침지시켜 90℃에서 2시간 동안 반응시킨 후 24시간 건조시켜 아미노기가 도입된 TiO₂/HA 나노섬유를 형성하는 과정과, 3차수와 상기한 3차수에 대하여 콜라겐 0.2-1wt%와 아세트산 0.1-2%(부피비)를 첨가한 용액을 만들고 1-Ethyl-3-(3-Dimethylaminopropyl)Carbodimide(EDC) 0.1-5wt%, N-Hydroxy- Succinimide(NHS) 0.1-5wt% 인 용액과 1:1의 비율로 반응조에 투입하여 20-28시간 동안 얼음이 있는 상태에서 교반하여 콜라겐의 표면을 활성화시키는 과정 및, 아미노기가 도입된 TiO₂/HA 나노섬유를 콜라겐 활성화한 용액에 5시간 침지시켜 TiO₂/HA 나노섬유의 표면에 콜라겐을 고정화시키는 단계로 구성된다.

이하 본 발명을 도면을 통해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 TiO₂/HA 나노섬유의 제조방법을 개략적으로 나타내는 공정도이다.

본 발명에 의한 TiO₂/HA 나노섬유를 제조하기 위해서는 세라믹의 섬유 상 배열을 도울 수 있는 바인더를 사용해야 한다. 본 발명에서 사용한 바인더는 고분자인 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone: 이하 PVP로 약기 함)이고, 세라믹 전구체로써 Titanium(IV)isopropoxide(TIP)를 사용한다.

먼저 PVP는 용매 2-methoxyethanol을 사용하여 8~13wt%의 농도를 가지는 고분자 졸을 만든다. PVP 고분자 졸은 점착성을 가지며 전기 전도성을 지닌다.

다음으로 TIP : 2-methoxyethanol : 아세트산(acetic acid)을 3: 3: 3의 부피비로 섞어 세라믹 전구체 졸(Sol)을 제조한다.

상기 고분자 졸과 세라믹 전구체 졸을 부피비 5:5로 하여 섞어 12시간 정도 충분히 교반하여 고분자 세라믹 전구체 졸(PVP/TiO₂ sol)을 제조한다.

상기 고분자 세라믹 전구체 졸(PVP/TiO₂ sol)에 준비된 HA 졸을 5:1의 부피비로 혼합하여 24시간 충분히 교반하여 PVP/TiO₂/HA졸을 제조한다. 상기 제조된 PVP/TiO₂/HA는 전기방사를 하여 PVP/TiO₂/HA 나노섬유를 제조하게 된다.

상기 과정으로 제조된 PVP/TiO₂/HA 나노섬유에서 바인더로 사용된 고분자 PVP를 제거하고 TiO₂와 HA가 각각의 세라믹 특성을 가지는 결정구조를 가지기 위해서는 하소(Calcination) 단계를 더 수행한다.

또한 본 발명은 상기한 바와 같은 하소 단계를 통해서 PVP가 제거된 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 수산기를 이용해 콜라겐을 고정화시키는 단계를 더 수행한다.

이하 본 발명의 실시예를 각 제조단계별로 보다 상세하게 살펴본다.

PVP / TiO ₂ 졸( Sol) 제조단계

본 발명에 의한 세라믹 나노섬유를 제조하기 위해서는 세라믹의 섬유 상 배열을 도울 수 있는 바인더를 사용해야 한다. 본 발명에서 사용한 바인더용 고분자는 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone: 이하 PVP로 약기함)이고, 세라믹 전구체로써 Titanium(IV)isopropoxide (TIP)를 사용하였다.

먼저 PVP는 용매 2-methoxyethanol을 사용하여 8~13wt%의 농도를 가지는 졸을 만든다. PVP 졸은 점착성을 가지며 전기 전도성을 지닌다. 세라믹 나노섬유를 제조하기 위해서는 세라믹 단독의 졸을 가지고는 전기방사를 하기에 적합하지 않 다. 전기방사를 할 때 HA나 TiO₂ 졸만 가지고는 분자량이 크지 않고, 서로 간의 인력이 크지 않아 연결된 섬유 상의 나노섬유를 얻기 어렵기 때문이다. 이를 보완하기 위해서는 분자량이 1,300,000인 PVP를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 제조되는 TiO₂/HA나노섬유는 바인더를 모두 소결시키게 되므로, 고분자는 단지 바인더 역할만을 하기 때문에, 전기방사에 용이하고 용매로 사용되는 2-methoxyethanol와 호환성이 좋은 것이 중요하다. 따라서, 본 발명에서는 PVP를 사용하였으나, 기타 폴리비닐계의 Polyvinylalcohol(PVA), Polyvinylbutyral(PVB)를 사용할 수도 있다.

용매로는 2-methoxyethanol을 사용하는 것이, PVP와 TiO₂를 모두 안정적으로 녹일 수 있다. 2-methoxyethanol는 전기전도성이 뛰어난 극성 용매로 PVP와 TiO₂ 졸 및 HA졸과의 혼합에도 매우 안정적이다. 다만, 2-methoxyethanol는 인체에 유해하나, 본 발명에 의한 전기방사 과정에서 대부분 휘발 된다. 2-methoxyethanol의 끓는 점은 124-125℃이므로, 전기방사 후 600 ℃에서 소결되는 동안 완벽하게 휘발 되고 만다. 따라서, 본 발명에서 생성된 TiO₂/HA나노섬유에는 2-methoxyethanol 성분이 전혀 남아있지 않아, 본 발명의 세라믹 나노섬유는 인체에 전혀 무해하다.

다음으로 본 발명에서 사용되는 세라믹전구체인 Titanium(IV)isopropoxide (TIP)는, TiO₂의 제조를 위한 전구체로 많이 사용되는 졸이다. TIP : 2-methoxyethanol : 아세트산(acetic acid)을 3: 3: 3의 부피비로 섞어 세라믹 전구 체 졸을 제조한다. 세라믹 전구체는 사람의 혈청 또는 이와 무기이온 농도가 유사한 졸 속에서 표면에 수산화기가 포함된 수화물을 형성하고, 체내에서 복합체의 표면에 저결정성 탄산 아파타이트의 생성을 용이하게 하여, 아파타이트 층이 뼈와 강하게 결합하게 하는 역할을 하게 한다.

상기 고분자 졸과 세라믹 전구체 졸의 비를 5:5로 하여 섞어 12시간 정도 충분히 교반하여 고분자 세라믹 전구체 졸(PVP/TiO₂ sol)을 제조한다. TIP와 물이 반응하여 TiO₂ 기반 물질들의 졸-겔(sol-gel) 합성 반응이 일어나, TiO₂ 졸이 생성된다.

TiO₂ 졸의 생성반응을 화학식으로 나타내면 다음과 같다. 아세트산(Acetic acid)와 2-methoxyethanol이 가수 분해 반응하여 생성된 물(water)이 TIP와 반응하여 TiO₂ 졸이 생성된다.

TIP + acetic acid + 2-methoxyethanol

Ti{OCH(CH₃)₂}₄ + CH₃COOH + CH₂OCH₂CH₂OH

->CH₂OCH₂CH₂COOCH₃ + H₂O + Ti{OCH(CH₃)₂}₄

->TiO₂ + CH₂OCH₂CH₂COOCH₃ + 4(CH₃)₂CHOH

위와 같은 방법으로 생성된 TiO₂ 졸과 PVP 졸이 균일하게 섞이게 되면, 이 졸에 HA졸(sol)을 첨가하여 고분자와 금속이온(metal ion) 사이에 강한 상호인력을 가지는 생체적합성을 향상시킨 방사졸을 제조할 수 있게 된다.

이러한 고분자와 금속이온 사이의 강한 상호작용으로 전기방사를 하였을 때 PVP와 TiO₂, HA가 합성된 섬유형태를 가지는 나노섬유를 제조할 수 있는 것이다. 이러한 고분자와 금속이온 사이의 강한 상호작용으로 PVP와 세라믹 전구체 사이의 상분리 현상은 나타나지 않는다.

HA 졸( Sol ) 제조단계

본 발명에서는 도 2에 기재된 공정으로 제조되는 HA 졸(Sol)을 사용한다.

HA졸을 제조하는 기본 출발 물질로는 질산칼슘(Calcium Nitrate: (Ca[NO₃]4H₂O)와 트리에틸 인산염 (Triethyl phosphate,[C₂H₅O]₃PO)이 사용된다. 용매로 사용되는 2-methoxyethanol에 질산칼륨 정량을 넣고 상온에서 3시간 교반시킨 후, 정량의 트리에틸 인산염을 첨가하여 질산칼슘의 Ca와 트리에틸 인산염의 P의 몰비가 1.67( Ca/P = 1.67)이 되도록 하여, 상온에서 12시간 충분히 교반한다. 교반된 졸은 캡을 씌워 잘 밀봉하여 37.5℃ 인큐베이터에서 7일 동안 숙성과정( Aging)을 거치면 HA sol이 만들어진다.

PVP / TiO ₂ / HA sol 졸의 전기 방사 단계

상기 고분자 세라믹 전구체 졸 (PVP/TiO₂ sol)에 상기 준비된 HA 졸을 5:1의 부피비로 혼합하여, 24시간 충분히 교반하여 전기방사에 사용할 수 있는 방사졸을 제조한다.

도 3은 본 발명에 따른 전기방사에 의한 나노섬유 제조공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.

전기방사법은 노즐을 통해 밀리미터 직경의 액체 분사물(jet)을 방출시켜 나노섬유로 된 부직포를 생산하는 공정이다. 전극의 한 극은 고분자 졸 내에, 다른 한 극은 수집기(collector)에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 사이에서 고분자졸은 고분자 필라멘트로 생성된다. 고분자졸이 작은 구멍을 가진 금속 바늘을 통해 방사되면 졸이 증발되고 수집기에 섬유가 모아지는 기본적 원리에 의해 나노섬유 부직포를 만들 수 있다. 본 발명의 세라믹 나노섬유 부직포도 위의 원리와 같이 전기방사법으로 제조된다.

상기 전기방사법에 의해 생성된 PVP/TiO₂/HA 나노섬유(nanofiber)를 FE-SEM 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope)을 통해 관찰하면, 도 4와 같이 300-500nm의 직경을 갖는 섬유조직이 형성되어 있음을 알 수 있다. FE-SEM은 전자선을 이온 증착된 시료표면 위에 주사하여 시료에서 반사된 2차 전자에 의해 시료의 표면조직과 미세조직을 고배율로 관찰할 수 있어, 나노섬유의 입체적 형상을 관찰할 수 있다.

하소( Calcination)단계

상기 단계에서 생성된 PVP/TiO₂/HA 나노섬유에서 바인더로 사용된 고분자 PVP를 제거하고, TiO₂와 HA가 각각의 세라믹 특성을 가지는 결정구조를 가지기 위해 서는 하소(Calcination) 단계가 필요하다. 또한 하소 단계에서 용매의 인체에 유해한 성분들이 휘발 된다.

하소 단계는 산소가 공급되는 조건에서 전기로 또는 소결로 등에서 온도는 분당 1℃씩 상승하는 조건하에서 600℃에서 3시간 동안 둔 후, 소결로 내부 온도와 외부 온도가 같을 때까지 천천히 온도를 하강시킨다. 이 과정을 거치게 되면 도 5에 나타내는 TiO₂/HA 나노섬유가 제조된다.

도 5에 나타내는 바와 같이 TiO₂/HA 나노섬유의 직경은 100~300nm정도로서, 소결 후 직경이 상당히 줄어든 것을 볼 수 있다. 이것은 바인더로 사용되었던 PVP가 완전히 없어졌기 때문이다. 소결 전과 후는 섬유의 직경 차이만 있지 원통형의 균일한 섬유의 모습에는 영향을 주지 않았다. 이로써 전기방사를 통해 TiO₂/HA 나노섬유가 균일한 원통형 섬유모양으로 형성됨을 확인할 수 있다.

콜라겐 고정화 단계

콜라겐(collagen)은 경단백질로 섬유상 고체로 존재하는데, 콜라겐을 포함하는 골 단백질들은 뼈에서 세포외기질(extracellular matrix)의 구성물질로서, 뼈를 형성하는 골세포가 부착하여 뼈를 생산하는 장소를 제공한다. 또한 콜라겐은 뼈를 구성하는 유기물질로서 뼈에 고인성을 부여하고, 골세포의 선택적 부착을 유도하는 성질이 있다. 이러한 특성을 이용하여 본 발명은 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 콜라겐을 고정화시켜, 골세포의 부착에 우수한 능력이 있는 생체적합성 TiO₂/HA 나노섬유를 제조하였다.

도 6을 통해 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 있는 수산기를 이용해 콜라겐을 고정화시켜, 나노섬유 표면이 개질되는 것을 설명한다.

TiO₂/HA 나노섬유 표면에 있는 수산기(-OH)가 3-aminopropyltriethoxysilane(3-APTES)과 반응하여 TiO₂/HA 나노섬유 표면은 아미노기(-NH₂)를 가지게 된다. 이 아미노기가 콜라겐과 공유결합하여 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 콜라겐을 고정화하게 된다. 이때 아미노기를 가지는 TiO₂/HA 나노섬유 표면과 콜라겐의 카르복시기(-COOH)는 WSC(water-soluble carbodiimide)에 의한 활성화방법으로 방법으로 결합체를 형성하게 된다.

3-APTES를 2차수(증류수)와 1:9의 부피비로 섞은 다음 소결시킨 TiO₂/HA 나노섬유를 침지시켜 90℃에서 2시간 동안 반응시킨다. 수산기가 있던 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 3-APTES가 붙어 반응성이 좋은 아미노기를 가지게 한다. 아미노기가 도입된 TiO₂/HA 나노섬유를 24시간 건조시킨 다음 콜라겐 0.1g과 아세트산 0.2ml 및 3차수 20ml를 첨가한 용액을 만들고 3차수에 대하여 1-Ethyl-3-(3-Dimethylaminopropyl)Carbodimide(EDC) 0.05g, N-Hydroxy-Succinimide(NHS) 0.05g 인 용액과 1:1의 비율로 투입한 반응조를 24시간 동안 얼음이 있는 ice bath에서 교반하여 콜라겐의 표면을 활성화한다. 이후, 아미노기가 도입된 TiO₂/HA 나노섬유를 콜라겐 활성화한 용액에 5시간 침지시켜 TiO₂/HA 나노섬유의 표면에 콜라겐을 고정화시킬 수 있다.

이하 본 발명에 의해 제조된 TiO₂/HA nanofiber를 EDS 분석, XRD 등 다양한 분석기법을 이용하여 물성을 설명한다.

일반적으로 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)분석은, 전자를 만들어 낼 수 있는 장비인 SEM에 장착하여 검출기의 형태로 사용되는데, 각종 원소의 분석 장비로 유용하다. Cold Type의 Gun Electron Spurce로부터 인가된 전자빔이 시료에 조사되면서 이때 발생되는 다양한 전자를 이용하여 여러 분야 시료 표면의 미세한 구조를 관찰, 정성 및 정량하여 시료의 특성 및 결합을 분석할 수 있다. EDS를 통해 본 발명의 TiO₂/HA 나노섬유에 포함되어 있는 원소들의 종류 및 함량,구성비 등은 표 1 및 도 7에 나타나 있다.

Element	Weight%	Atomic%
O K	51.65	73.57
P K	5.46	4.02
Ca K	21.59	12.28
Ti K	21.30	10.13
Totals	100.00

그리고, 콜라겐으로 표면 개질한 TiO₂/HA nanofibers에 포함된 원소를 표 2 및 도 8에 나타낸다.

Element	Weight %	Atomic %
C K	16.29	23.70
O K	61.01	66.63
Si K	0.43	0.26
P K	4.72	2.67
Ca K	4.74	2.06
Ti K	12.81	4.67
Totals	100.00

본 발명에서 TiO₂/HA 나노섬유에 있는 HA는 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂과 같은 구조를 가지고 있다. EDS분석결과 위의 표 1과 도 7에서 볼 수 있듯이, 600℃ 소결 후 순수한 HA 나노섬유가 제조되었음을 알 수 있었다. 바인더가 남아 있었더라면 성분 원소에 C가 포함이 되어 있어야 하나, 표 1에서 알 수 있듯이 TiO₂/HA 나노섬유에서 C를 발견할 수 없었다. 즉, 원소의 성분에서 바인더로 사용되었던 PVP가 완전히 없어졌음을 알 수 있다.

한편 표 2의 TiO₂/HA 나노섬유의 표면에 콜라겐을 고정화한 경우의 EDS는, 표 1과는 달리 갑자기 C의 함량이 16.29%로 크게 증가한 것을 알 수 있는데, 이는 콜라겐의 영향으로 발생한 것이다. 이로써 TiO₂/HA 나노섬유의 표면에 콜라겐이 고정화되었다는 것을 확인할 수 있다. Si peak는 TiO₂/HA 나노섬유에 아미노기 도입을 위해 사용되었던 3-aminopropyltriethoxysilane에 의해 생긴 것이다.

또한, 도 9는 TiO₂ 나노섬유와 TiO₂/HA나노섬유의 X선회절분석 결과를 나타내는 것으로, XRD(X선 회절 분석기, X-ray Diffractometer)를 통해 본 발명의 TiO₂/HA nanofiber의 결정구조를 분석할 수 있다. XRD는 X선관 내에서 전자선의 충돌로 인하여 방출되는 X-선을 시료에 조사할 때 생기는 회절패턴을 이용하여, 원소의 화학적 결합상태 등 물질구조 및 성분분석에 기본적으로 사용되는 장비이다.

TiO₂와 HA 고유의 결정 피크(peak)가 상당히 유사하기 때문에 XRD 분석에서 확연하게 차이를 보기가 쉽지 않다. 600℃ 소결 후 TiO₂ 나노섬유와 TiO₂/HA나노섬유의 XRD 결과를 보면, TiO₂ 나노섬유의 피크에는 없었던 피크가 TiO₂/HA나노섬유에 보이게된다. TiO₂/HA나노섬유에서 TiO₂ 피크에 상당수가 겹쳐 HA 피크가 보이지 않는데 위의 표시된 부분에서는 HA 피크를 확인할 수 있다.

이는 TiO₂와 HA 서로 각자의 결정구조를 가지는 상태로 TiO₂/HA나노섬유를 형성하고 있음을 의미한다. 그러므로 TiO₂/HA나노섬유에서 TiO₂의 특성과 HA의 특성이 모두 구현되고 있음을 확인할 수 있다.

도 10은 본 발명에 의해 제조된 TiO₂/HA 나노섬유와 TiO₂/HA-collagen 나노섬유의 표면의 성분을 ATR FT-IR 분광 분석을 통해 분석한 결과를 나타낸다. 분석도에서 나타내는 바와 같이 TiO₂/HA 나노섬유와 TiO₂/HA-collagen 나노섬유 모두에서 HA의 P-O bond를 1055, 572, 629 cm^-1에서 확인할 수 있다. TiO₂/HA-collagen 나노섬유에는 콜라겐에 의해 1650과 1550 cm^- ¹ 에서 amide Ⅰ, Ⅱ peak가 나타난다.

이를 통해 TiO₂/HA 나노섬유에 콜라겐이 잘 고정된 것을 재차 확인할 수 있다.

도 11은 TiO₂/HA nanofibers에서의 세포접착을 나타내는 사진이고, 도 12는 콜라겐으로 표면개질한 TiO₂/HA nanofibers의 6시간 경과 후 세포접착을 나타내는 사진이며, 도 13은 Collagen으로 표면개질한 TiO₂/HA nanofibers의 48시간 경과 후 세포접착을 나타내는 사진이다.

본 발명의 TiO₂/HA 나노섬유와 TiO₂/HA-collagen 나노섬유의 생체적합성을 알아보기 위해 골아 세포를 각 섬유의 표면에 붙이는 세포부착성 실험을 한 후 시간의 경과 따른 SEM 이미지를 분석해 보면, 48시간 경과되자 콜라겐으로 표면 개질된 나노섬유에는 세포부착 부위가 매우 넓게 분포되어 있음을 확인할 수 있었다.

결과적으로 TiO₂/HA 나노섬유보다 TiO₂/HA-collagen 나노섬유의 세포부착능력매우 탁월한 것으로 나타났다. TiO₂/HA 나노섬유의 표면에 콜라겐이 고정된 나노섬유는 세포가 부착되는 시간이 증가할수록 나노섬유 위에 많은 세포들이 퍼져있는 것을 볼 수 있었다. 이를 통해 TiO₂/HA-collagen 은 생체적합을 가지는 세라믹 나노섬유라고 할 수 있다.

본 발명을 통해 제조된 합성 나노섬유는, 하이드록시 아파타이트(HA) 단독으로 사용될 때의 파괴 인성과 비강도가 약한 단점을 보완하고, 생체불활성 세라믹인 티타니아의 결점인 생체 적합성이 크게 강화된 특성을 지니고 있다.

전통적인 세라믹 물질들은 뼈 형성활동 또는 뼈 충전과정이 상대적으로 늦다는 문제점이 있으나, 본 발명에서는 TiO₂/HA 나노섬유 표면에 콜라겐을 고정화시킴으로서 단기간에 세포가 확산되는 것을 도와, 생체친화성 내지 생체적합성이 크게 개선되어 광범위한 적용성을 가질 수 있는 골이식 대체조성물로서 안전하게 이용될 수 있다.

그리고 상기한 골이식 대체물은 치과의 임플란트(implant)용 덴탈 포스트(dental post)로 사용되거나 뼈에 결함이 있는 부분을 대체하는 용도로 이용 될 수 있으며, 종래에 주로 사용되고 있는 생체합성 고분자인 PMMA가 갖는 문제점인 초기의 강도와 접착력이 영구적이지 않다는 점과 뼈와 임플란트 사이로 새로운 조직이 침투됨으로 인한 무균성 해리 현상, 골시멘트의 적용시 발생하는 중합열로 인해 주변 세포가 괴사된다는 점, 일정 시간 경과 후의 단량체의 용출로 인한 세포 독성의 증가, 주위의 염증 반응 유발 등의 단점을 본 발명에 따른 골이식 대체물이 보완하여, 생체 적합성을 향상시키고 실제 뼈 속 성분과 환경이 비슷해져서 뼈와의 결합력이 향상될 수 있도록 하며, 골시멘트 내부에서 뼈 속과 같은 환경을 만들어 줌으로써 뼈의 전도성을 증가시키고, 그것이 표면에 용출되면 칼슘과 인이 풍부한 하이드록시아파타이트(HA) 층을 형성하여 뼈와 시멘트간의 직접적인 접착력을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

폴리비닐계 고분자를 용매 2-methoxyethanol를 사용하여 8~13wt%의 농도를 가지는 고분자 졸을 만든후, Titanium(IV)isopropoxide(TIP) : 2-methoxyethanol : 아세트산(acetic acid)을 동일 부피비로 섞어 세라믹 전구체 졸을 제조하여, 상기 고분자 졸과 전구체 졸의 비를 4-6:6-4로 하여 섞어 10-14시간 정도 충분히 교반하여 고분자 세라믹 전구체 졸을 제조하는 단계;

하이드록시아파타이트(HA) 졸에 상기 고분자 세라믹 전구체 졸을 4-6의 부피비로 혼합하여 20-28시간 충분히 교반하여 고분자/티타니아(TiO₂) /하이드록시아파타이트(HA)졸을 제조하는 단계;

상기 제조된 고분자/TiO₂/하이드록시아파타이트(HA)를 전기방사하여 고분자/TiO₂/하이드록시아파타이트(HA) 나노 섬유를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자/티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유 제조방법.
제 1항에 있어서, 고분자는 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol), 폴리비닐뷰티랄(Polyvinylbutyral)중에서 택일하여 사용하는 것을 특징으로 하는 고분자/티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유 제조방법.
제 1항에서 생성된 고분자/티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유에서 바인더로 사용된 고분자를 제거하고 TiO₂와 하이드록시아파타이트가 각각의 세라믹 특성을 갖는 결정구조를 가지도록 하기 위하여 500-700℃에서 2-4시간 하소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기한 티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유 표면에 수산기를 이용해 콜라겐을 고정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유 제조방법.
제 4항에 있어서, 수산기를 이용해 콜라겐을 고정화시키는 단계는 3-aminopropyltriethoxysilane(3-APTES)를 2차증류수와 1:9의 부피비로 섞은 다음 소결시킨 티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유를 침지시켜 90℃에서 2시간 동안 반응시킨 후 24시간 건조시켜 아미노기가 도입된 티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유를 형성하는 과정과,

3차증류수와, 상기한 3차증류수에 대하여 콜라겐 0.2-1wt%와 아세트산 0.1-2%(부피비)를 첨가한 용액을 만들고 1-Ethyl-3-(3-Dimethylaminopropyl)Carbodimide(EDC) 0.1-5wt%, N-Hydroxy-Succinimide(NHS) 0.1-5wt% 인 용액과 1:1의 비율로 반응조에 투입하여 20-28시간 동안 얼음이 있는 상태에서 교반하여 콜라겐의 표면을 활성화시키는 과정 및,

아미노기가 도입된 티타니아/하이드록시아파타이트(TiO₂/HA) 나노섬유를 콜라겐 활성화한 용액에 5시간 침지시켜 티타니아/하이드록시아파타이트(TiO₂/HA) 나노섬유의 표면에 콜라겐을 고정화시키는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유 제조방법.
제 1항 또는 2항의 방법으로 제조되고 직경이 300~500nm인 것을 특징으로 하는 고분자/티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유.
제 3내지 5항의 어느 하나의 방법으로 제조되고 직경이 100~200nm인 것을 특징으로 하는 티타니아/하이드록시아파타이트 나노섬유.