KR100853816B1

KR100853816B1 - 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법

Info

Publication number: KR100853816B1
Application number: KR1020070018353A
Authority: KR
Inventors: 이상훈
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-08-22

Abstract

멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법은 세라믹 전구체를 졸-겔 방법을 통하여 겔화시킨 후 전기방사(electrospinning)함으로써, 세라믹 섬유로 구성된 멤브레인형 부직포를 만드는 것이다. 본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포는 비표면적이 넓고 친수성이 우수하며 체내에서 사람의 뼈와 유사한 저결정성 탄산 아파타이트가 생성되고 시간이 경과한 후 생분해될 수 있는 특징을 갖는다.

골 대체재, 세라믹, 아파타이트, 전기방사, 부직포

Description

멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법{Method for preparing membrane type bioactive non-woven ceramic fabrics}

도 1은 본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법을 도시한 순서도이다.

도 2는 본 발명에 따라 전기방사(electrospinning) 방법으로 제조한 멤브레인형 실리카 부직포 사진이다.

도 3은 도 2에 나타낸 멤브레인형 실리카 부직포의 주사전자현미경(SEM) 사진(× 1,000배 확대 사진)이다.

도 4는 본 발명에 따른 방법으로 전기방사 후 300℃에서 3시간 동안 열처리하여 제조한 멤브레인형 티타니아 부직포 사진이다.

도 5는 도 4에 나타낸 멤브레인형 티타니아 부직포의 주사전자현미경 사진(× 1,000배 확대 사진)이다.

도 6은 본 발명에 따른 방법으로 전기방사 후 300℃에서 3시간 동안 열처리하여 제조한 멤브레인형 지르코니아 부직포 사진이다.

도 7은 도 6에 나타낸 멤브레인형 지르코니아 부직포의 주사전자현미경 사진(× 1,000배 확대 사진)이다.

도 8은 본 발명에 따른 방법으로 전기방사 후 300℃에서 3시간 동안 열처리 하여 제조한 멤브레인형 알루미나 부직포 사진이다.

도 9는 도 8에 나타낸 멤브레인형 알루미나 부직포의 주사전자현미경 사진(× 1,000배 확대 사진)이다.

도 10은 비교를 위해 전기방사 후 300℃에서 3시간 동안 열처리하여 얻은 솜사탕형 실리카 부직포의 사진이다.

도 11은 도 10에 나타낸 솜사탕형 실리카 부직포의 주사전자현미경 사진(× 1,000배 확대 사진)이다.

도 12는 본 발명에 따라 제조한 멤브레인형 실리카 부직포를 의사체액 중에 7일간 침적한 후의 주사전자현미경 사진(× 5,000배 확대 사진)이다.

도 13은 도 12의 시편에 대해 박막 XRD로 표면에 형성된 결정들의 상을 분석한 결과이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20...멤브레인형 실리카 부직포 40...멤브레인형 티타니아 부직포

60...멤브레인형 지르코니아 부직포 80...멤브레인형 알루미나 부직포

본 발명은 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 세라믹 전구체를 졸-겔 방법을 통하여 겔화시킨 후 전기방사(electrospinning)함으로써 세라믹 섬유로 구성된 부직포를 제조하는 방법에 관 한 것이다.

전기방사법을 사용한 나노섬유 부직포는 그 공정 특성상 고분자 시스템을 이용한 개발이 주로 되어 왔으며, 약 500nm 전후 굵기의 섬유들이 방향성 없이 밀집되어 있는 형태로서 비표면적이 매우 넓고 세포외기질을 모방하는 형상으로 인해 세포 및 조직 반응성이 매우 우수한 것으로 알려져 있다. 현재 개발된 나노섬유 부직포의 경우 대부분이 고분자 섬유를 사용함으로써 이 자체로는 골 전도성이 없어 직접 골 대체재로의 사용은 적합하지 않다.

세라믹계 전기방사체는 실리카 글래스계, 티타니아계, 아파타이트계 등이 개발되었으나, 아파타이트계를 제외하고는 모두 골 대체재로의 응용 목적이 아니었으며, 또한 생체활성 설계능력 부족으로 세라믹계에 골 전도성을 부여하지 못하고 있다. 더구나 지금까지는 방사체의 형태가 단순히 솜사탕형으로 밖에 제조할 수 없었고 이는 치과영역에서 차폐막(guided bone regeneration membrane)용으로 사용하기 불편하였다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 세라믹 부직포의 표면에 골 전도성을 획기적으로 높일 수 있는 저결정성 탄산 아파타이트가 체내 혹은 아파타이트에 대해 과포화된 수용액에 침적하였을 때 형성되며, 신생혈관의 침투가 용이한 3차원적으로 연결된 기공 구조를 갖고 있고, 그 비표면적이 커서 각종 생리활성 물질의 흡착이 용이할 뿐만 아니라 일정 시간이 경과한 후에는 생분해될 수 있는 특징을 갖는 멤브레인형 세라믹 부직포를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법은, 금속 알콕사이드에 희석액으로 알콜류 1을 첨가하여 반응물 1을 만드는 단계; 알콜류 2에 물, 칼슘염 및 산 촉매를 첨가하여 반응물 2를 만드는 단계; 상기 반응물 2를 반응물 1에 첨가하여 금속 알콕사이드를 수화시키는 단계; 상기 수화된 금속 알콕사이드를 열처리, 탈수반응을 통하여 축합시켜 세라믹 고분자체를 제조하는 단계; 및 상기 세라믹 고분자체를 전기방사(electrospinning)하여 세라믹 부직포를 만드는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 세라믹 부직포 제조 후, 상기 세라믹 부직포를 열처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 그리고, 상기 세라믹 고분자체 제조시, 방사에 적절한 점도를 맞추기 위하여 음압 하에서 추가적으로 열처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 세라믹 전구체를 졸-겔 방법을 통하여 겔화시킨 후 전기방사하여 세라믹 섬유로 구성된 전기방사체를 만들고 이를 열처리함으로써, 골 조직 재건능이 우수한 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포를 제조할 수 있다. 본 발명에 따라 제조되는 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포는, 비표면적이 커서 각종 생리활성 물질의 흡착이 용이하며, 체내에서 사람의 뼈와 유사하여 골 전도성을 획기적으로 높일 수 있는 저결정성 탄산 아파타이트가 생성되고, 신생혈관의 침투가 용이한 3차원적으로 연결된 기공 구조를 갖고 있으며, 시간이 경과한 후 생분해될 수 있는 특징을 가지므로 골 대체재로서 사용될 수 있다. 또한 이는 멤브레인형이기 때문에 치과 및 정형외과에서 사용되는 골 조직 재건용 차폐막으로의 응용에 특히 적합하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법을 도시한 순서도이다. 외부 공기 중에 존재하는 습기가 침투하는 것을 막기 위하여 s4 공정까지는 닫힌 계, 건조된 불활성 가스(dry inert gas) 하에서 진행한다.

우선, 단계 s1에서, 금속 알콕사이드에 희석액으로 알콜류 1을 첨가하여 반응물 1을 만든다. 예컨대 테트라에틸올소실리케이트(TEOS)에 무수에탄올(EtOH)을 첨가하여 반응물 1을 제조한다.

단계 s1에서 반응물 1 제조 시, 알콜류 1을 금속 알콕사이드에 대하여 몰비로 1~5 사이로 첨가하는 것이 바람직한데, 만일 그 첨가량이 1 이하이면 차기 산 촉매 하에서 수화 반응 시 반응이 균일하게 발생하지 않으며, 만일 그 첨가량이 5 이상일 경우에는 반응이 지연되어 공정 시간이 길어지는 단점이 있다.

본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법에 있어서 사용되는 금속 알콕사이드는 금속이온에 에톡시 혹은 메톡시 등과 같이 유기그룹이 결합되어 있는 세라믹 전구체이다. 그리고, 이것은 가수분해 가능한 실란계 알콕사이드, 티타니아계 알콕사이드, 지르코니아계 알콕사이드 및 알루미나계 알콕사이드 중에서 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대 실란계 알콕사이드로는 테트라에틸올소실리케이트, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 프로필트리메톡시실란, 프로필트리에톡시실란, 이소부틸트리메톡시실란, 펜틸트리에톡시실란, 옥틸트리에톡시실란, 옥타데실트리에톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 테트라프록시실란, 테트라이소프록시실란, 테트라부톡시실란, 테트라키스에스부톡시실란, 테트라키스투에틸헥소시실란, 테트라키스투메톡시에톡시실란, 테트라페녹시실란, 헥사에톡시디실록세인 또는 에틸실리케이트40 등을 사용할 수 있다. 티타니아계 알콕사이드로는 티타늄에톡사이드, 테트라이소프로필티타네이트 또는 테트라클로라이드 등을 사용할 수 있다. 지르코니아계 알콕사이드로는 지르코늄테트라엔프로폭사이드, 지르코늄이소프로폭사이드, 지르코늄부톡사이드 또는 지르코늄테트라클로라이드 등을 사용할 수 있다. 그리고, 알루미나계 전구체로는 알루미늄에톡사이드, 알루미늄이소프로폭사이드, 알루미늄엔부톡싸이드 또는 트리부톡시알루미늄 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법에 있어서 사용하는 알콜류 1은 메탄올, 에탄올, 이소프로파놀 등일 수 있다.

계속하여, 알콜류 2에 물, 칼슘염 및 산 촉매를 첨가하여 반응물 2를 만든 다(단계 s2). 예컨대 무수에탄올에 물(H₂O), 염산(HCl) 및 칼슘염으로서 칼슘클로라이드디하이드레이트(CaCl₂·2H₂O)를 차례로 넣고 혼합하여 반응물 2를 제조한다. 산 촉매와 칼슘염의 첨가 순서는 바뀔 수도 있다. 또한, 반드시 단계 s1 다음에 단계 s2를 수행해야 하는 것은 아니며, 단계 s1 전에 단계 s2를 수행하거나, 단계 s1과 단계 s2를 동시에 수행하여도 된다.

단계 s2에서 반응물 2 제조 시, 물은 금속 알콕사이드에 대하여 몰비로 1~3 사이로 첨가하는 것이 바람직하며, 만일 그 첨가량이 몰비로 1 이하이면 졸-겔 반응속도가 지연되어 전체 공정 시간이 길어지며 전기방사 시 방사체가 액적으로 생성되는 단점이 있고, 그 첨가량이 몰비로 3 이상이 되면 방사체가 멤브레인형이 아니라 솜사탕형으로 나오는 단점이 있다.

그리고 단계 s2에서 사용하는 산 촉매는 염산, 질산, 황산, 초산 등을 사용할 수 있다. 이러한 산 촉매는 금속 알콕사이드에 대하여 몰비로 0.005~0.1 사이로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일 그 첨가량이 몰비로 0.005 이하이면 반응속도가 지연되어 전체 공정 시간이 길어지는 단점이 있고, 몰비로 0.1 이상이 첨가될 때는 반응이 급격히 진행되어 공정을 제어할 수 없는 문제가 있다.

또한 단계 s2에서 사용하는 칼슘염은 수용성 칼슘염으로서 칼슘나이트레이트, 칼슘나이트레이트하이드레이트, 칼슘나이트레이트테트라하이드레이트, 칼슘클로라이드, 칼슘클로라이드하이드레이트, 칼슘클로라이드디하이드레이트, 칼슘클로라이드헥사하이드레이트, 칼슘아세테이트하이드레이트, 칼슘아세테이트모노하이드 레이트 또는 칼슘싸이트레이트테트라하이드레이트 등일 수 있다. 이러한 칼슘염은 금속 알콕사이드에 대하여 몰비로 0.05~0.15 사이에서 첨가하는 것이 바람직하며, 만일 그 첨가량이 몰비로 0.05 이하일 때는 아파타이트에 대해 과포화된 수용액 (예를 들어 사람의 혈청 혹은 사람 혈청 중 무기이온 농도와 유사하게 제조한 의사체액; (Kokubo T, Kushitani H, Sakka S, Kitsugi T, Yamamuro T. Solutions able to reproduce in vivo surface-structure changes in bioactive glass-ceramic A-W. J Biomed Mater Res 1990;24(6):721-34)) 혹은 체내에서 표면에 저결정성 탄산아파타이트의 생성 양과 속도가 저하되는 단점이 있고 그 첨가량이 몰비로 0.15 이상일 때는 전기방사 시 세라믹 섬유의 길이가 짧아져서 핸들링하기 어려워지고 의사체액 혹은 체내에서 용해되는 속도가 너무 빠른 단점이 있다.

본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법에 있어서 사용하는 알콜류 2는 메탄올, 에탄올, 이소프로파놀 등일 수 있다.

다음으로, 반응물 2를 반응물 1에 첨가하여 금속 알콕사이드를 수화시킨다(단계 s3). 보통은 반응물 2를 반응물 1에 적하하여 혼합을 하는데, 동속도로 적하하는 것이 필요하며, 10~100 mL/h 속도로 적하하는 것이 바람직하다. 만일 그 적하속도가 10 mL/h 이하이면 초기에 형성된 금속 수화물이 적하 도중 서로 반응하여 분자량이 너무 큰 세라믹 중합체가 발생하여 전기방사 시 과립형태로 방사되는 단점이 있고, 적하속도가 100 mL/h 이상이면 수화가 불균일하게 발생하는 단점이 있다.

그런 다음, 수화된 금속 알콕사이드를 열처리하고, 탈수반응을 통하여 축합 시켜 세라믹 고분자체를 제조한다(단계 s4). 수화된 금속 알콕사이드를 겔화시키는 열처리 단계는 40~100℃ 사이에서 행하는 것이 바람직하며, 만일 그 온도가 40℃ 이하에서는 방사 시 적절한 점도를 갖는 겔을 만드는 데 걸리는 시간이 너무 길어지는 단점이 있고, 그 온도가 100℃ 이상에서는 겔화 반응이 너무 빨리 진행되어 충분한 방사 시간을 확보하지 못하게 되는 단점이 있으며, 가장 적당하게는 80℃라 할 수 있다.

그리고, 수화된 금속 알콕사이드를 겔화시키는 열처리 시간은 10에서 30시간 사이가 적절하고 만일 겔화 시간이 10시간 이하이면 방사에 필요한 충분한 점도를 얻지 못하여 방사 시 액적 형태로 방사되는 문제가 있고, 겔화 시간이 30시간 이상이 되면 점도가 너무 높아져서 분말 형태로 방사되며, 가장 적절하게는 20시간이라 할 수 있다.

그리고, 방사에 적합한 점도 조절을 위하여, 수화된 금속 알콕사이드를 겔화시키는 2차 열처리를 더 수행할 수 있는데, 이 때에는 외부 공기와 차단된 반응조에 50~150Torr 사이의 음압을 걸고 60℃에서 30분에서 2시간 사이로 진행한다. 음압이 50Torr 이하이면 방사에 적합한 점도를 얻기 위하여 반응 시간이 너무 길어지는 단점이 있고, 150Torr 이상이면 반응이 너무 빨리 진행되어 충분한 방사 시간을 확보하지 못하게 되며, 가장 적절하게는 76Torr라 할 수 있다. 또한, 반응 시간이 30분 이하이면 겔의 점도가 너무 낮고, 2시간 이상이면 겔의 점도가 너무 높아져서 충분한 방사 시간을 얻지 못하는 단점이 있다.

이렇게 제조한 세라믹 고분자체를 전기방사(electrospinning)하여 세라믹 부 직포를 만든다(단계 s5). 일반적으로 전기방사는 금속 노즐을 통하여 형성된 액적이 부가된 전장에 의해서 표면에너지를 이기지 못하고 액체 분사물(jet)로 방출되어 나노섬유로 형성된 부직포를 생산하는 공정이다. 전극의 한 극은 겔화된 세라믹 고분자체 내에, 다른 한극은 수집기(collector)에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 사이에서 겔화된 세라믹 고분자체는 가는 방출구를 통하여 한번 방사되면 용액이 증발되고 수집기에 세라믹 섬유가 모아진다. 이 때 가해지는 전장은 방사 용액의 특성, 점도 등에 따라 달라진다. 본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법에 있어서, 전기방사는 1~2 KV/cm 사이의 전장 하에서 수행하는 것이 적절하며, 그 이유는, 만일 그 값이 1 KV/cm 이하이면 방사체가 섬유상이 아니고 액적 형태나 과립으로 형성되는 양이 많아지는 단점이 있으며, 만일 그 값이 2 KV/cm 이상이면 실험자가 감전될 위험성이 높아지기 때문이다.

그런 다음, 필요에 따라 세라믹 부직포를 열처리하는 단계를 더 수행한다(단계 s6). 열처리 단계인 단계 s6는 반드시 수행하여야 하는 것은 아니지만, 이 단계를 수행함으로써 잔존 유기물을 제거하고 세라믹 부직포에 강도를 부여하며 생분해성을 조절할 수 있는 효과가 있으므로 수행하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 세라믹 부직포에 대한 열처리는 100℃에서 600℃ 사이가 적절하며, 만일 100℃ 이하에서 열처리하는 경우에는 원자간의 결합력이 약하여서 체내에서 생분해 속도가 너무 빨라지고 미반응 유기물질이 잔존하게 되어 체내에서 염증반응을 유발할 가능성이 높아지는 단점이 있다. 반면, 600℃ 이상에서 열처리하는 경우에는 표면에 존재하는 실라놀 그룹의 양이 급격히 감소하여 체내에서 아파타이트가 표면에 생성되지 않아 골 전도도가 저하되는 단점이 있다.

본 발명에 따르면, 생체활성 세라믹스가 멤브레인형 부직포 형태로 제조되기 때문에 치과 및 정형외과에서 사용되는 골 조직 재건용 차폐막으로 사용하였을 때 골 결손부에 섬유상 조직의 침투를 효과적으로 막을 수 있으며, 비표면적이 증가하여 골 조직 재생에 유용한 각종 생리활성 물질이 쉽게 흡착하고, 3차원적으로 연결된 기공을 통하여 신생 혈관이 용이하게 생성되어 골 전도도가 향상된다. 또한 아파타이트에 대해 과포화된 수용액 내에서는 표면에 골 전도도를 효과적으로 높이는 것으로 알려진 저결정성 탄산 아파타이트가 스스로 형성된다. 따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포는 골 대체재로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 아파타이트에 대해 과포화된 수용액 내에 둠으로써 체외에서 아파타이트를 형성시킨 후 치과 및 정형외과에서 사용되는 골 조직 재건용 차폐막으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.

(실시예)

앞에서 설명한 본 발명에 따른 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법에 따라 실시예 1 내지 10을 진행하였으며, 실시예 3과의 비교를 위한 비교예도 진행하였다. 각 실시예 및 비교예의 공정 조건은 다음의 표 1로 정리하였다.

	반응물 1	반응물 2	열처리 조건	결과
실시예 1	TEOS, EtOH	EtOH, 물, 염산, 칼슘클로라이드디하이드레이트(TEOS 몰 대비 0.1만큼 첨가)	안함	멤브레인형 실리카 부직포
실시예 2	상동	상동	100℃, 3시간	상동
실시예 3	상동	상동	300℃, 3시간	상동
실시예 4	상동	상동	600℃, 3시간	상동
실시예 5	상동	EtOH, 물, 염산	300℃, 3시간	상동
실시예 6	상동	EtOH, 물, 염산, 칼슘클로라이드디하이드레이트(TEOS 몰 대비 0.05만큼 첨가)	상동	상동
실시예 7	상동	EtOH, 물, 염산, 칼슘클로라이드디하이드레이트(TEOS 몰 대비 0.15만큼 첨가)	상동	상동
실시예 8	테트라이소프로필티타니아,EtOH,에틸아세토아세테이트	EtOH, 물, 염산, 칼슘클로라이드디하이드레이트	상동	멤브레인형 티타니아 부직포
실시예 9	지르코늄이소프로폭사이드, EtOH	상동	상동	멤브레인형 지르코니아 부직포
실시예 10	알루미늄이소프로폭사이드, EtOH	상동	상동	멤브레인형 알루미나 부직포
비교예	TEOS, EtOH	EtOH, 물(TEOS에 대한 물의 몰비가 실시예1과 다름), 염산, 칼슘클로라이드디하이드레이트	상동	솜사탕형 실리카 부직포

실시예 1: 멤브레인형 생체활성 실리카 부직포의 제조

테트라에틸올소실리케이트(TEOS) 100g에 무수에탄올(EtOH) 50g을 첨가하며 반응물 1을 제조한다. 이 때 반응물 1은 건조된 불활성 가스가 차 있으며 외부 공기와 차단된 반응조에서 제조한다. 그 후 무수에탄올 3.3g에 물(H₂O) 7.6g, 1N 염산(HCl) 9.6g, 칼슘염으로서 칼슘클로라이드디하이드레이트 7g (테트라에틸올소실리케이트 대비 몰비로 0.1)을 차례로 넣고 혼합하여 반응물 2를 제조한다. 그 후 반응물 2를 외부 공기와 차단된 상태의 반응물 1에 차단된 상태를 유지하며 10 mL/h의 속도로 적하하고 이를 80℃에서 20시간 반응시킨 후 진공펌프를 이용하여 76Torr의 음압 하 60℃에서 1시간 30분 더 반응시킨다. 그 후 이를 2 KV/cm의 전장 하에서 방사를 한다. 그 후 이를 공기 중에서 하루 동안 건조하여 멤브레인형 실리카 부직포를 완성하였다.

도 2는 이러한 방법으로 제조한 전기방사된 멤브레인형 실리카 부직포(20) 사진으로서 그 외관을 보여주고, 도 3은 도 2에 나타낸 실리카 부직포(20)의 주사전자현미경(SEM) 사진(× 1,000배 확대 사진)으로서, 그 미세조직을 보여준다. 도 2에서 보는 바와 같이 실리카 부직포(20)는 약 1mm의 두께로 매끈한 표면을 갖고 있으며, 도 3에서 보는 바와 같이 이는 약 100nm 굵기의 실리카 섬유들이 무작위로 얽혀 있는 구조를 갖고 있다.

실시예 2: 멤브레인형 생체활성 실리카 부직포의 제조

실시예 1에서 전기방사 후 100℃에서 3시간 동안 열처리하여 멤브레인형 실리카 부직포를 완성한 것 이외에는 모두 동일하다.

실시예 3: 멤브레인형 생체활성 실리카 부직포의 제조

실시예 1에서 전기방사 후 300℃에서 3시간 동안 열처리하여 멤브레인형 실리카 부직포를 완성한 것 이외에는 모두 동일하다.

실시예 4: 멤브레인형 생체활성 실리카 부직포의 제조

실시예 1에서 전기방사 후 600℃에서 3시간 동안 열처리하여 멤브레인형 실리카 부직포를 완성한 것 이외에는 모두 동일하다.

실시예 5: 멤브레인형 생체활성 실리카 부직포의 제조

실시예 3에서 칼슘클로라이드디하이드레이트를 첨가하지 않은 것 이외에는 모두 동일하다.

실시예 6: 멤브레인형 생체활성 실리카 부직포의 제조

실시예 3에서 칼슘클로라이드디하이드레이트를 테트라에틸올소실리케이드 대비 몰비로 0.05만큼 첨가한 것 이외에는 모두 동일하다.

실시예 7: 멤브레인형 생체활성 실리카 부직포의 제조

실시예 3에서 칼슘클로라이드디하이드레이트를 테트라에틸올소실리케이드 대비 몰비로 0.15만큼 첨가한 것 이외에는 모두 동일하다.

실시예 8: 멤브레인형 생체활성 티타니아 부직포의 제조

테트라이소프로필티타니아 100g에 무수에탄올 16g과 에틸아세토아세테이트 95g을 첨가하여 반응물 1을 제조한다. 그 후 무수에탄올 16g에 물 16g, 1N 염산 3.59g, 칼슘클로라이드디하이드레이트 5g을 차례로 넣고 혼합하여 반응물 2를 제조한다. 그 후 반응물 2를 반응물 1에 10 mL/h의 속도로 적하하고 이를 대기압 하 80℃에서 20시간 반응시킨 후 진공펌프를 이용하여 76Torr의 압력 하에서 1시간 30분 더 반응시킨다. 그 후 이를 2 KV/cm의 전장 하에서 방사 한다. 그 후 이를 공기 중에서 하루 동안 건조한 후 분당 2℃로 승온하여 300℃에서 3시간 동안 열처리하여 멤브레인형 생체활성 티타니아 부직포를 완성하였다. 멤브레인형 생체활성 티타니아 부직포(40)의 외관은 도 4와 같고, 주사전자현미경으로 관찰한 미세조직은 도 5와 같다(× 1,000배 확대 사진).

도 4에서 보는 바와 같이, 티타니아 부직포(40)는 약 1mm의 두께로 매끈한 표면을 갖고 있으며, 도 5에서 보는 미세구조 역시 도 3에서 본 실리카 부직포(20)와 유사하게 약 100nm 굵기의 티타니아 섬유들이 무작위로 얽혀 있는 구조를 갖고 있다.

실시예 9: 멤브레인형 생체활성 지르코니아 부직포의 제조

지르코늄이소프로폭사이드 100g에 무수에탄올 50g을 첨가하며 반응물 1을 제조한다. 그 후 무수에탄올 3g에 물 8g, 1N 염산 3g, 칼슘클로라이드디하이드레이트 4.5g을 차례로 넣고 혼합하여 반응물 2를 제조한다. 그 후 반응물 2를 반응물 1에 10 mL/h의 속도로 적하하고 이를 80℃에서 20시간 반응시킨 후 진공펌프를 이용하여 76Torr의 압력 하에서 1시간 30분 더 반응시킨다. 그 후 이를 2 KV/cm의 전장 하에서 방사를 한다. 그 후 이를 공기 중에서 하루 동안 건조한 후 분당 2℃로 승온하여 300℃에서 3시간 동안 열처리하여 멤브레인형 생체활성 지르코니아 부직포를 완성하였다. 도 6으로부터 멤브레인형 생체활성 지르코니아 부직포(60)의 외관을 확인할 수 있으며, 주사전자현미경으로 관찰한 미세조직은 도 7과 같다(× 1,000배 확대 사진).

도 6에서 보는 바와 같이, 지르코니아 부직포(60)는 약 1mm의 두께로 매끈한 표면을 갖고 있으며, 도 7에서 보는 바와 같이 이는 약 100nm 굵기의 지르코니아 섬유들이 무작위로 얽혀 있는 구조를 갖고 있다.

실시예 10: 멤브레인형 생체활성 알루미나 부직포의 제조

알루미늄이소프로폭사이드 100g에 무수에탄올 50g을 첨가하며 반응물 1을 제조한다. 그 후 무수에탄올 3g에 물 8.5g, 1N 염산 5g, 칼슘클로라이드디하이드레이트 7g을 차례로 넣고 혼합하여 반응물 2를 제조한다. 그 후 반응물 2를 반응물 1에 10 mL/h의 속도로 적하하고 이를 80℃에서 20시간 반응시킨 후 진공펌프를 이용하여 76Torr의 압력 하에서 1시간 30분 더 반응시킨다. 그 후 이를 2 KV/cm의 전장 하에서 방사를 한다. 그 후 이를 공기 중에서 하루 동안 건조한 후 분당 2℃로 승온하여 300℃에서 3시간 동안 열처리하여 멤브레인형 생체활성 알루미나 부직포를 완성하였다. 멤브레인형 생체활성 알루미나 부직포(80)의 외관은 도 8과 같고 주사전자현미경으로 관찰한 미세조직은 도 9와 같다(× 1,000배 확대 사진).

도 8에서 보는 바와 같이 알루미나 부직포(80)는 약 1mm의 두께로 매끈한 표면을 갖고 있으며, 도 9에서 보는 바와 같이 이는 약 100nm 굵기의 알루미나 섬유들이 무작위로 얽혀 있는 구조를 갖고 있다.

비교예: 솜사탕형 생체활성 실리카 부직포의 제조

테트라에틸올소실리케이트 100g에 무수에탄올 50g을 첨가하며 반응물 1을 제조한다. 그 후 무수에탄올 3.3g에 물 25g, 1N 염산 9.6g을 차례로 넣고 혼합한 후 칼슘클로라이드디하이드레이트 7g을 첨가하여 반응물 2를 제조한다. 그 후 반응물 2를 반응물 1에 10 mL/h의 속도로 적하하고 이를 60℃에서 5 시간 반응시킨 후 이를 2 KV/cm의 전장 하에서 방사를 하고 공기 중에서 하루 간 방치하여 건조한다. 건조가 완료된 방사체는 분당 2℃의 속도로 승온, 300℃에서 3 시간 열처리하여 솜사탕형 실리카 부직포를 완성하며, 완성된 솜사탕형 실리카 부직포(100)의 모양은 다음 도 10과 같다. 이는 도 2에서 보여준 멤브레인형 실리카 부직포(20)와 매우 다른 형태를 보인다. 멤브레인형 실리카 부직포(20)의 경우는 종이처럼 얇은 형태를 유지하여 2차원적인 형태를 가지지만, 비교예의 솜사탕형 실리카 부직포(100)의 경우는 3차원적인 형태를 보인다.

도 11은 도 10에 나타낸 솜사탕형 실리카 부직포(100)의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰한 결과(× 1,000배 확대 사진)인데, 도 3에서 예시한 것과 같은 멤브레인형 실리카 부직포와 그 섬유의 얽힌 형태는 유사하나 실리카 섬유의 굵기가 1~10 ㎛ 크기 범위를 보여 멤브레인형 실리카 부직포의 섬유 굵기에 비해 10~100배 사이로 증가된 것을 알 수 있다.

(실험예)

상기 실시예 1~10 및 비교예에서 제조한 세라믹 부직포의 특성을 다음과 같은 방법에 의해 평가하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

<칼슘클로라이드디하이드레이트의 첨가량에 따른 저결정성 탄산 아파타이트의 생성능 평가>

전기방사 된 세라믹 부직포가 사람의 혈청과 유사한 무기이온의 농도를 갖는 의사체액, 즉, 아파타이트에 대한 이온화용해도 적(ionic activity product)이 10^-95인 용액에 침적하였을 때 골 전도도를 획기적으로 증가시킬 수 있는 저결정성 탄산 아파타이트를 생성할 수 있는 능력이 있는가를 확인하기 위하여, 실시예와 비교예의 결과물을 이용하여 의사체액 속에 7일간 침적한 후 주사전자현미경으로 미세조직을, 박막 XRD를 이용하여 새로이 생성된 상을 평가하였다. 아파타이트의 생성능은 7일간 침적하고 주사전자현미경으로 관찰하는 전체 면적에서 아파타이트가 전혀 발견되지 않았으면 "없음", 25% 이하면 "소", 25~75%면 "중", 75% 이상이면 "대"로 평가하였다.

<열처리 온도에 따른 저결정성 탄산 아파타이트의 생성능 평가>

열처리하는 온도에 따라 방사된 세라믹 부직포의 저결정성 탄산 아파타이트생성능을 평가하였으며 역시 각 실시예 및 비교예의 방사체를 의사체액 중에 7일간 침적시킨 후 표면에 형성되는 저결정성 탄산 아파타이트를 주사전자현미경과 박막 XRD를 사용하여 확인하였다. 아파타이트의 생성능은 7일간 침적하고 주사전자현미경으로 관찰하는 전체 면적에서 아파타이트가 전혀 발견되지 않았으면 "없음", 25% 이하면 "소", 25~75%면 "중", 75% 이상이면 "대"로 평가하였다.

<전기방사된 세라믹 부직포의 생분해성 평가>

세라믹 방사체를 PBS(phosphate buffered saline) 용액 중에 침적 전후의 무게를 측정하여 침적 후 감소된 무게의 양으로 생분해도를 평가하였으며, 침적 전 무게 대비 90% 이상 남아있으면 생분해도를 "소"로, 50~90% 사이이면 "중"으로, 50% 이하이면 "대"로 평가하였다.

<전기방사된 세라믹 부직포의 뼈 생성능력 평가>

체중 3Kg 내외의 가토를 이용하여 전신마취 하에서 가토의 두개부의 피부, 근막 및 골막을 절개하고, 노출된 골에 8㎜의 골 결손부를 정중선 양측에 형성하였으며 각각 재료를 이식한 후 피부를 봉합하였고, 4주 후 조직을 적출하여 조직 표본을 제조하고 광학현미경으로 관찰하여 신생골의 생성량으로 평가하였다. 이 때 신생골의 양이 관찰된 골 결손부 면적에서 10% 이하이면 "소", 10~30%면 "중", 30% 이상이면 "대"로 성적을 평가하였다.

	방사체 모양	의사체액 중에서의 아파타이트 생성능	생분해도	뼈 생성량
실시예 1	멤브레인형	없음	대	소
실시예 2	멤브레인형	소	대	소
실시예 3	멤브레인형	중	중	대
실시예 4	멤브레인형	없음	소	중
실시예 5	멤브레인형	없음	소	소
실시예 6	멤브레인형	소	소	중
실시예 7	멤브레인형	대	대	중
실시예 8	멤브레인형	중	중	대
실시예 9	멤브레인형	중	중	대
실시예 10	멤브레인형	중	중	대
비교예	솜사탕형	중	중	소

한편, 도 12는 실시예 3, 5, 6 및 7로 제조된 멤브레인형 실리카 부직포를 의사체액 중에 7일간 침적한 후의 주사전자현미경 사진(× 1,000배 확대 사진)이다. 도 12에서 (a)는 실시예 5, (b)는 실시예 6, (c)는 실시예 3, 그리고 (d)는 실시예 7의 경우이다.

의사체액 중에서 저결정성 탄산 아파타이트의 생성능은 도 12에서 보는 바와 같이, 열처리 온도가 300℃로 동일할 경우(실시예 3, 5, 6, 7의 경우) 칼슘염의 첨가량이 증가할수록 (즉, 실시예 5, 6, 3, 7의 순으로) 증가하였다.

도 13은 도 12의 시편의 표면을 박막 XRD로 측정한 결과로서 도 12의 결과와 마찬가지로, 칼슘염의 첨가량이 증가할수록 (즉, 실시예 5, 6, 3, 7의 순으로) 저결정성 탄산 아파타이트의 생성량이 증가했음을 볼 수 있다(2θ 30ㅀ 전후에 나타나는 두 개의 피크가 저결정성 탄산 아파타이트 상).

한편, 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1~4와 같이 동일한 칼슘염의 첨가량을 갖는 경우는 열처리를 하지 않은 경우(실시예 1) 의사체액 중에서 실리카 섬유가 너무 빨리 용해되어 버려 아파타이트가 생성되지 않았으며, 열처리 온도가 낮은 경우(실시예 2)도 아파타이트의 생성량이 낮았다. 열처리 온도가 300℃가 되면(실시예 3) 실리카 섬유가 의사체액 중에서 생분해되는 속도가 낮아져서 원활하게 아파타이트 상이 석출되었고, 600℃에서는(실시예 4) 높은 열처리 온도에 의해 아파타이트 생성에 필요한 실라놀 그룹이 실록세인 기로 변환되면서 아파타이트가 생성되지 않았다.

생분해도는 실시예 1~4와 같이 동일한 칼슘염의 첨가량을 갖는 경우는 열처리 온도가 낮을수록 생분해도가 커졌으며(실시예 1, 2가 실시예 3, 4보다 생분해도가 큼), 실시예 3, 5, 6, 7과 같이 동일한 열처리 온도 하에서는 칼슘염의 첨가량이 증가할수록(즉, 실시예 5, 6, 3, 7의 순으로) 생분해도가 커졌다. 이는 열처리 온도가 낮을수록 실리카를 구성하고 있는 원자간 결합력이 낮아서 쉽게 용해되는 것이고, 칼슘염의 첨가량이 증가할수록 수용액 중에서 칼슘이온이 실리카 섬유 중에서 빠져 나오는 양이 증가하며 실리카 섬유가 붕괴되는 것이다.

신생골의 생성량은 역시 실시예 1~4와 같이 동일한 양의 칼슘염이 첨가된 경우 열처리 온도가 낮았을 때 신생골의 생성량이 가장 낮았고 300℃에서 가장 많았으며 600℃에서는 감소하였다. 이는 앞서 아파타이트의 생성능과 분해능 결과를 토대로 하여 볼 때 열처리 온도가 낮은 경우는 체내에서 쉽게 분해되고 아파타이트가 제대로 생성되지 않아 신생골이 성장할 지지체가 없었기 때문에 신생골 생성량이 적은 것으로 판단된다. 한편 동일한 열처리 온도 하에서는 칼슘염의 첨가량이 낮은 경우 신생골 생성량은 "소"의 성적을 보였고 너무 많은 경우는 "중" 정도의 성적을 보였으며 중간 정도의 첨가량에서 "대"의 성적을 보였다. 이는 역시 칼슘 첨가량이 낮았을 경우 신생골 생성에 도움이 되는 저결정성 탄산 아파타이트가 생성되지 않기 때문에 신생골의 생성량이 적은 것이며 반대로 칼슘 첨가량이 너무 많았을 경우는 생분해 속도가 증가하여 신생골의 지지체 역할을 할 수 있는 아파타이트가 코팅된 실리카 섬유의 양이 감소하기 때문에 신생골의 생성량이 적으며 칼슘염의 첨가량이 중간 정도 되었을 때 실리카 섬유도 거의 분해되지 않고 아파타이트의 생성도 원활하여 신생골의 생성량이 많은 것으로 판단된다.

한편 칼슘염의 첨가량과 열처리 온도가 동일하고 물의 첨가량이 달라져서 멤브레인형과 솜사탕형으로 그 형태가 달라질 경우(즉, 실시예 3과 비교예의 경우)는 멤브레인형의 실리카 부직포가 솜사탕형 부직포에 비해 신생골의 생성량이 많았는데, 이는 멤브레인형 실리카 부직포의 경우 섬유가 촘촘히 짜져 있기 때문에 두부의 피부로부터 들어오는 연조직의 침투를 효과적으로 막아서 신생골이 생성될 수 있는 공간을 충분히 확보한 데 반해, 솜사탕형 부직포의 경우는 섬유가 성글게 짜져 있어서 두부의 피부로부터 들어오는 연조직을 효과적으로 막지 못하기 때문에 신생골이 적절히 생성되지 못한 것으로 분석된다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 설명하였으나, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하며, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의될 뿐이다.

본 발명은 금속 알콕사이드를 출발 물질로 하여 전기방사를 통한 멤브레인형 세라믹 부직포의 제조와 의사체액 혹은 체내에서 이의 표면에 저결정성 탄산 아파타이트가 생성되게 하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 생체활성 세라믹스가 멤브레인형 부직포 형태로 제조되기 때문에 치과 및 정형외과에서 골 조직 재건용 차폐막으로 사용하였을 때 골 결손부에 섬유상 조직의 침투를 효과적으로 막을 수 있으며 비표면적이 증가하여 골 조직 재생에 유용한 각종 생리활성 물질이 쉽게 흡착하고 3차원적으로 연결된 기공을 통하여 신생 혈관이 용이하게 생성되어 골 전도도가 향상된다. 또한 아파타이트에 대해 과포화된 수용액 내에서는 세라믹 섬유 표면에 골 전도도를 효과적으로 높이는 것으로 알려진 저결정성 탄산 아파타이트가 스스로 형성되어 체외에서 아파타이트를 형성시킨 후 치과 및 정형외과용 골 조직 재건용 차폐막으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.

Claims

(a) 금속 알콕사이드에 희석액으로 알콜류 1을 첨가하여 반응물 1을 만드는 단계;

(b) 알콜류 2에 물, 칼슘염 및 산 촉매를 첨가하여 반응물 2를 만들되, 상기 물은 상기 금속 알콕사이드에 대하여 몰비로 1~3 사이로 첨가하는 단계;

(c) 상기 반응물 2를 반응물 1에 첨가하여 금속 알콕사이드를 수화시키는 단계;

(d) 상기 수화된 금속 알콕사이드를 열처리, 탈수반응을 통하여 축합시켜 세라믹 고분자체를 제조하는 단계; 및

(e) 상기 세라믹 고분자체를 전기방사(electrospinning)하여 세라믹 부직포를 만드는 단계를 포함하는 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 부직포를 100℃~600℃ 사이에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (a)부터 (d)까지의 단계는 닫힌 계, 건조된 불활성 가스(dry inert gas) 하에서 진행하는 것을 특징으로 하는 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 알콜류 1은 상기 금속 알콕사이드 에 대하여 몰비로 1~5 사이로 첨가하는 것을 특징으로 하는 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 산 촉매는 상기 금속 알콕사이드에 대하여 몰비로 0.005~0.1 사이로 첨가하는 것을 특징으로 하는 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 칼슘염은 상기 금속 알콕사이드에 대하여 몰비로 0.05~0.15 사이로 첨가하는 것을 특징으로 하는 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 수화된 금속 알콕사이드의 열처리는 40~100℃ 사이에서 10~30시간 사이로 수행하는 것을 특징으로 하는 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 열처리 후 음압 하에서 추가적으로 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포의 제조방법.
제2항의 방법으로 제조된 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포.
제2항의 방법으로 제조된 멤브레인형 생체활성 세라믹 부직포를 이용한 골 조직 재건용 차폐막(guided bone regeneration membrane).