KR100941374B1 - 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분산되어 있는 생분해성 세라믹 분말이 균일하게 분포되어 있는 생분해성 고분자에, 100 내지 1000 ㎛ 범위의 자이언트사이즈 기공, 1 내지 100 ㎛ 범위의 마크로사이즈 기공 및 1 내지 100 nm 범위의 나노사이즈 기공이 3차원적으로 상호 연결된 열린 기공이 형성되어 있는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체와 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 적층조형법과 고분자 템플레이트법의 조합으로 제조되는 2중 기공을 가지는 세라믹-고분자 지지체에 입자침출법을 새로이 도입하여 마크로 크기의 기공을 부가적으로 생성시킴으로써, 지지체가 자이언트, 마크로 및 나노크기의 기공을 모두 포함하도록하여 효율적인 세포 증식 및 분화, 세포괴사 방지, 선택적 약물 방출기능 등을 유지하면서 기계적인 강도를 보완하였으며, 이러한 특성은 세포의 접착, 분열, 증식, 이동 및 분화에 유리한 조건을 제공함으로써 골충진재, 수복재, 지지체 이외에 여러 가지 분야에서 유용하게 사용할 수 있다.

세라믹-고분자, 입자침출법, 3중 기공, 생분해성, 지지체

Description

생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체 및 이의 제조방법{Bio-degradable triple pore ceramic-polymer scaffold and preparation method thereof}

본 발명은 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 적층조형법과 고분자 템플레이트법의 조합으로 제조되는 2중 기공을 가지는 세라믹-고분자 지지체에 입자침출법을 새로이 도입하여 마크로 크기의 기공을 부가적으로 생성시켜 3중 기공의 다공질 세라믹-고분자 지지체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

조직공학은 생명과학과 공학의 원리를 활용하여 조직의 기능을 복원, 유지, 혹은 향상시키는 생물학적 제품을 개발하려는 여러 학문이 제휴한 분야이다. 대표적인 방법으로는 재생을 원하는 조직으로부터 세포를 분리하여 배양하고 이를 적절한 생체재료에 접종하여 증폭 배양함으로서 인공적으로 조직을 형성하는 시술이다. 이러한 시술에는 세포를 지주에 부착하여 필요한 부위에 전달하기 쉽고, 조직이 성장하는데 3차원 구조로 기계적인 보조역할을 할 수 있으며 기능을 할 수 있는 새로운 조직으로 만들어 나가는 적당한 세포지지체가 필요하다. 이러한 지지체는 세포 가 증식하고 특유의 기질을 만들 수 있는 적절한 미세구조를 갖고 있어야 하며, 표면에 3차원으로 상호연결된 많은 기공을 가지고 있어 세포가 이 기공을 통해 안으로 자랄 수 있어야 하고, 기공의 크기가 조직이 자라면서 막히지 않아야 한다. 또한 독성이 없으며 지지체로서의 기능 종료 후에는 생체 내에서 완전히 분해되어 없어질 수 있는 생분해성 재료여야 한다.

일반적으로 지지체로서 다공질 고분자가 많이 이용되고 있으나 고분자는 지지체에 요구되는 적절한 기계적 강도를 얻기 어려우므로 기계적 강도의 확보와 골 친화력 등의 이유로 생체세라믹을 이용한 3차원 다공질 지지체의 개발이 다수 진행되고 있다. 그러나 세라믹 역시 깨지기 쉬운 단점을 가지므로 최근에는 생분해성 고분자와 생체세라믹과의 복합체 제조로 상호 단점을 보완하는 방법도 제안되고 있다.

3차원 기공구조의 합성법으로는 입자 침출(particle leaching)법, 가스를 이용한 거품성형 (gas foaming)법, 섬유망사 (fiber meshes)법, 상분리 (phase separation)법, 동결유탁 (emulsion freeze drying) 등이 있으나 위의 합성방법은 기공의 크기를 조절하는 것이 쉽지 않고 얻어지는 지지체의 표면적과 기공률이 비교적 낮으며 기공 간 열린 구조가 잘 형성되지 않아 지지체 표면의 기공 막힘 현상이 야기되는 등의 문제가 있다. 최근에는 컴퓨터의 도움을 받아 실체의 모델을 만드는 쾌속조형 (rapid prototyping)법이 지지체의 제작에 제안되어지고 있으며 이 방법은 위의 문제를 해결하고 세포의 성장에 필요한 기공크기 (자이언트기공; 100~1000μm)를 3차원적으로 제작하는데 효율적이다.

한편 현재까지의 지지체는 그 기공크기를 자이언트 사이즈 영역에서 대부분 제어하고 있으며, 최근에는 비표면적과 기공률의 증대와 더불어 세포접착력의 향상 및 세포증식, 분화의 향상, 세포괴사 방지 등의 효과를 기대하여 나노, 마크로, 자이언트 기공영역에서 이중기공 (대한민국 등록특허 제751504호) 또는 삼중기공 (대한민국 특허출원 제2006-103013호) 등 기공의 크기와 형상을 제어하는 제작법도 제안되고 있다. 특히 생체활성과 생분해성을 증대시키고 항암제, 항염제와 같은 약물을 보조할 수 있는 효과를 기대하여 나노 사이즈영역의 기공을 지지체에 도입한 연구가 시도되었다. 대한민국 특허출원 제2006-105013호에는 쾌속조형법과 고분자 템플레이트법을 사용하여 자이언트, 마크로, 나노크기의 기공을 가지는 세라믹 지지체 혹은 자이언트, 나노크기의 기공을 가지는 세라믹-고분자 지지체의 합성법이 기재되어 있으며 다중 기공을 갖는 지지체의 유의성을 나타내고 있다. 그러나 상기 다공성 세라믹 지지체의 기계적 특성은 지지체로 이용하기에는 부족하며 한편 세라믹-고분자 지지체의 경우에는 기계적 강도의 개선은 인정되나 자이언트와 나노 크기의 기공만 포함할 뿐 세포영양분과 같은 생체활성 물질과 세포의 배출물 등의 이동경로로써 필요한 마크로 크기의 기공은 포함하지 않는다는 문제가 있다.

이에, 본 발명자들은 겔 상태의 나노 다공질 세라믹-고분자 복합체에 수용성 입자를 분산시킨 페이스트를 적층조형기를 이용하여 3중기공을 갖는 3차원 세라믹 고분자 지지체 및 이를 제조하는 방법을 알아내고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분산되어 있는 생분해성 세라믹 분말이 균일하게 분포되어 있는 생분해성 고분자에, 100~1000 ㎛ 범위의 자이언트사이즈, 1~100 ㎛ 범위의 마크로사이즈 및 1~100 nm 범위의 나노사이즈 기공이 3차원적으로 상호 연결된 열린 기공이 형성되어 있는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체를 제공한다.

또한, 본 발명은 (a)알코올을 포함하는 유기 용매에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드의 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계; (b)규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생분해성 세라믹 용액을 합성하는 단계; (c)상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생분해성 세라믹 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계; (d)상기 전구체 용액을 건조 및 소성하여 다공성 세라믹 재료를 얻는 단계; (e)상기 다공성 세라믹 재료를 서브 마크로 크기로 분쇄하는 단계; (f)상기 분쇄된 다공성 세라믹 재료를 서브마 크로 크기로 분쇄된 침출용 입자와 균일하게 혼합한 후, 생분해성 고분자와 혼합하여 페이스트를 얻는 단계; (g)상기 페이스트를 3축 조형기에 넣고 분사하여 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 단계; 및 (h)상기에서 형성된 다공성 지지체를 건조, 침지 및 세척하는 공정을 수회 반복하여 입자를 침출시키는 단계를 포함하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 적층조형법과 고분자 템플레이트법의 조합으로 제조되는 2중 기공을 가지는 세라믹-고분자 지지체에 입자침출법을 새로이 도입하여 마크로크기의 기공을 부가적으로 생성시킴으로써, 지지체가 자이언트, 마크로 및 나노크기의 기공을 모두 포함하도록 하여 효율적인 세포 증식 및 분화, 세포괴사 방지, 선택적 약물 방출기능 등을 유지하면서 기계적인 강도를 보완하였으며, 이러한 특성은 세포의 접착, 분열, 증식, 이동 및 분화에 유리한 조건을 제공함으로써 골충진재, 수복재, 지지체 이외에 여러 가지 분야에서 유용하게 사용할 수 있다. 또한 지지체는 건조 또는 습윤상태에서 높은 탄성을 나타내며 최소침습수술(minimum invasive surgery)용 지지체로서도 응용이 가능하다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분산되어 있는 생분해성 세라믹 분말이 균일하게 분포되어 있는 생분해성 고분자에, 100~1000 ㎛ 범위의 자이언트사이즈, 1~100 ㎛ 범위의 마크로사이즈 및 1~100 nm 범위의 나노사이즈의 기공이 3차원적으로 상호 연결된 열린 기공이 형성되어 있는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체를 제공한다.

상기 자이언트사이즈의 기공은 3축 조형기에 의해 형성되고, 마크로사이즈의 기공은 입자침출법에 의해 형성되는 것이며, 나노사이즈의 기공은 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드의 블록공중합체를 나노사이즈의 기공 유도용 템플레이트로 사용하여 형성되는 것이 바람직하다.

상기 3차원적으로 상호 연결된 열린 기공구조란, 블록공중합체 등의 자기조직화를 이루는 유기질 템플레이트에 의하여 형성되는 것으로 나노사이즈의 열린 기공이 2차원 혹은 3차원의 육방정, 입방정 등의 규칙구조를 이루며 상호 연결되어 있는 형상을 일컫는다. 상기 다공성 세라믹 재료의 자이언트 기공구조 또한 세포의 지지체 등으로 이용하기 위하여 3차원 방향(x, y, z축 방향)으로 기공이 연결된 형상이 필요하다. 상기 마크로 기공구조는 생분해성 세라믹과 생분해성 고분자 페이스트에 입자를 첨가하여 혼합한 후, 상기 입자를 제거함으로써 생기는 기공을 일컬으며, 이를 통해 기계적 강도가 보장되면서도 3중 기공이 갖는 모든 효율을 가질 수 있게 된다. 상기 입자로는 염화나트륨, 암모늄바이카보네이트, 소듐바이카보네이트, 사카린 등이 바람직하고, 염화나트륨이 더욱 바람직하다.

상기 생분해성 세라믹으로는 생체활성유리, 저결정성 아파타이트, 트리칼슘 포스페이트(tricalcium phosphate; TCP) 등 칼슘과 인을 포함하여 뼈와 유사성분인 아파타이트의 생성을 유도하며 지지체의 생체내 분해를 유도하는 세라믹을 사용할 수 있는데, 생체활성유리를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 생분해성 고분자로는 인공피부 이식재료나 수술용 봉합제 등으로 응용이 가능한 폴리카프로락톤(Poly(ε-caprolactone); PCL), 폴리락트산(Poly(lactic acid); PLA), 폴리락트산-글리콜산 공중합체(PLGA), 폴리아미노산 및 폴리글리콜산(Poly(glycolic acid); PG) 등을 사용할 수 있는데, PCL을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 생분해성 고분자는 특히 장기간의 치료를 요하는 골절치료에 적합한 소재로 생체 내에 이식되었을 때 젖산으로 분해되어 신진대사를 통해 전혀 무해하게 제거된다.

또한 본 발명은 알코올을 포함하는 유기 용매에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드의 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계(단계 (a)); 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생분해성 세라믹 용액을 합성하는 단계(단계 (b)); 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생분해성 세라믹 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계(단계 (c)); 상기 전구체 용액을 건조 및 소성하여 다공성 세라믹 재료를 얻는 단계(단계 (d)); 상기 다공성 세라믹 재료를 서브마크로 크기로 분쇄하는 단계(단계 (e)); 상기 분쇄된 다공성 세라믹 재료를 서브마크로 크기로 분쇄된 입자와 균일하게 혼합한 후 생분해성 고분자와 혼합하여 페이스트를 얻는 단계(단계 (f)); 상기 단계 6의 페이스트를 3축 조형기에 넣고 분사하여 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 단계(단계 (g)); 및 상기 형성된 다공성 지지체를 건조, 침지 및 세척하는 공정을 수회 반복하여 입자를 침출시키는 단계(단계 (h))를 포함하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명에 따른 제조방법을 단계별로 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 단계 (a)는 알코올을 포함하는 유기 용매에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드의 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계로, 상기 블록공중합체 템플레이트로는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 구조를 갖는 폴록사머(poloxamer)를 사용할 수 있는데, 이때 사용하는 폴록사머는 친수성기 및 소수성기를 갖는 플루로닉(Pluronic)계 또는 테트로닉(Tetronic)계 고분자를 사용할 수 있다. 이 중, F127((폴리에틸렌옥사이드)100(폴리프로필렌옥사이드)65(폴리에틸렌옥사이드)100, BASF), F108((폴리에틸렌옥사이드)133(폴리프로필렌옥사이드)50(폴리에틸렌옥사이드)133, BASF), F98((폴리에틸렌옥사이드)118(폴리프로필렌옥사이드)44(폴리에틸렌옥사이드)118, BASF), F88((폴리에틸렌옥사이드)104(폴리프로필렌옥사이드)39(폴리에틸렌옥사이드)104, BASF), P123((폴리에틸렌옥사이드)20(폴리프로필렌옥사이드)70(폴리에틸렌옥사이드)20, BASF), P105((폴리에틸렌옥사이드)37(폴리프로필렌 옥사이드)56(폴리에틸렌옥사이드)37, BASF), P104((폴리에틸렌옥사이드)27(폴리프로필렌옥사이드)61(폴리에틸렌옥사이드)27, BASF), 및 폴리에틸렌/폴리프로필렌의 비율이 0.1~0.8인 플루로닉, 테트로닉, 리버스 플루로닉(Reverse Pluronic), 또는 리버스 테트로닉(Reverse Tetronic) 등과 같은 친수성 고분자 블록 및 소수성 고분자 블록으로 이루어지는 블록공중합체를 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 블록공중합체의 종류에 따라 기공의 구조가 결정되는데, F127을 사용한 경우, 3차원의 입방정(cubic)구조를 이루기 쉽고, P123을 템플레이트로 사용한 경우, 2차원의 육방정(hexagonal)의 구조를 이루기 쉽다.

여기서, 상기 나노사이즈 기공유도용 템플레이트로는 블록공중합체 이외에도 CTAB(cetyltrimethylammoniumbromide) 또는 CTAC(cetyltrimethylammoniumchloride) 또는 이들과 탄소 수가 다른, 예컨대C₂ ~C₄₀의 도데실암모늄 브로마이드, 도데실 황산 소듐, 폴리 디알릴디메틸암모늄 클로라이드, 스테아릴암모늄 브로마이드, 및 스테아릴메틸암모늄 브로마이드 등의 계면활성제를 사용할 수 있다.

상기 알코올 용매를 특별히 한정하는 것은 아니나, 탄소수 1 내지 25의 알킬 사슬을 갖는 것을 사용할 수 있다. 용매로 사용한 에탄올에 대하여 블록공중합체 템플레이트를 10~80 질량%의 비율로 혼합하여 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성할 수 있다.

상기 단계 (b)는 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생분해성 세라믹 용액을 합성하는 단계로, 일정간격을 두고 각 출발용액을 혼합하는 방 법, 또는 산 또는 알칼리 용액을 첨가하는 방법을 이용하여 실리카 안에 칼슘과 인을 균일하게 분산시킬 수 있고, 칼슘이나 인을 실리카에 균일하게 분포시키면 혼합과정에서 발생되는 결정화를 억제할 수 있다.

상기 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물은 Si:Ca:P의 원소비율이 50~80 : 18~45 : 2~10이고, 바람직하게는 75Si : 21Ca : 4P, 55Si : 41Ca : 4P의 원소비율로 혼합하여 생분해성 세라믹 용액을 합성할 수 있다. 상기한 범위에서, 안정한 입방정의 나노 기공구조가 형성되기 때문이다. 그 중에서도 상기 칼슘 화합물은 상기 규소 화합물, 상기 칼슘 화합물 및 상기 인 화합물의 전체 양에 대하여 10~40 질량%로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 농도 범위에서는 입방정의 나노 기공구조의 형성이 확인되나, 40 질량% 이상에서는 다공성은 띄나 기공의 규칙구조가 열악해짐이 확인된다.

상기 생분해성 세라믹으로는 생체활성유리, 저결정성 아파타이트, 트리칼슘포스페이트(tricalcium phosphate; TCP) 등 칼슘과 인을 포함하여 뼈와 유사성분인 아파타이트의 생성을 유도하며 지지체의 생체내 분해를 유도하는 세라믹을 사용할 수 있고, 바람직하게는 생체활성유리를 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 규소 화합물은 테트라에틸올소실리케이트, 3-머캅토프로필트리메톡시실란 및 5,6-에폭시헥실트리에톡시실란 등을 사용할 수 있고, 테트라에틸올소실리케이트를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 칼슘 화합물은 칼슘니트레이트 4수화물, 캄슘니트레이트 및 칼슘클로라이드 등을 사용할 수 있으며, 칼슘니트 레이트 4수화물을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 인 화합물은 트리에틸포스페이트, 소듐포스페이트 및 암모니움 포스페이트 다이베이식 등을 사용할 수 있고, 트리에틸포스페이트를 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로 본 발명에 따른 단계 (c)는 상기 단계 (a)의 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 단계 (b)의 생분해성 세라믹 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계로, 750~1500 rpm 및 30~80 ℃에서 2~72 시간 동안 상기 혼합 용액을 교반하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 단계 (c)의 혼합 과정에서 블록 공중합체 템플레이트 용액과 상기 생분해성 세라믹 용액은 바람직하게는 30~50 질량%로 혼합하여 사용할 수 있다.

다음으로 본 발명에 따른 단계 (d)는 상기 단계(c)의 전구체 용액을 건조 및 소성하여 다공성 세라믹 재료를 얻는 단계로, 상기 소성은 바람직하게는 0.2~2 ℃/min의 승온 속도로 500~800 ℃의 온도범위에서 2~6 시간 동안 유지시켜 골격을 치밀화시키고 서냉할 수 있으며, 이 경우, 상기 소성 온도 및 시간이 상기 범위를 초과하는 경우에는 칼슘 혹은 인 산화물 결정이 불균일하게 생성되어 나노 기공구조의 붕괴를 초래하는 문제가 생길 수 있다.

또한 상기 건조는 바람직하게는 -15~80 ℃의 온도 및 5~100 RH%에서 수행할 수 있다.

다음으로 본 발명에 따른 단계 (e)는 상기 단계 (d)의 다공성 세라믹 재료 를 서브마크로 크기로 분쇄하는 단계로, 예컨대 다공성 세라믹 재료는 볼밀링(ball-milling)을 통하여 1~100 ㎛ 범위에서 분쇄되는 것이 바람직하다.

다음으로 본 발명에 따른 단계 (f)는 상기 단계 (e)에서 분쇄된 다공성 세라믹 재료를 서브마크로 크기로 분쇄된 침출용 입자와 균일하게 혼합한 후, 상기 혼합물을 생분해성 고분자와 혼합하여 페이스트를 얻는 단계로, 상기 생분해성 고분자로는 인공피부 이식재료나 수술용 봉합제 등으로 응용이 가능한 폴리카프로락톤((poly(ε-caprolactone)), 폭리락트산(Poly(lactic acid)), 폴리락트산-글리콜산공중합체(PLGA), 폴리아미노산 또는 폴리글리콜산(Poly(glycolic acid)) 등을 사용할 수 있는데, 폴리카프로락톤을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 생분해성 고분자는 특히 장기간의 치료를 요하는 골절치료에 적합한 소재로 생체 내에 이식되었을 때 젖산으로 분해되어 신진대사를 통해 전혀 무해하게 제거된다.

상기 침출용 입자로는 염화나트륨, 암모늄바이카보네이트, 소듐바이카보네이트, 얼음, 사카린 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 염화나트륨을 사용할 수 있다.

상기 단계 (f)의 다공성 세라믹 재료 및 생분해성 고분자는 20~80 : 80~20의 질량%의 비율로 혼합되는 것이 바람직하며, 침출용 입자는 상기 다공성 세라믹 재료 및 생분해성 고분자의 무게합에 대하여 0.5~2 배의 양이 혼합되는 것이 바람직 하다.

다음으로 본 발명에 따른 단계 (g)는 상기 단계 (f)의 페이스트를 3축 조형기에 넣고 분사하여 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 단계로, 3축 조형기의 분출입경 크기와 X축, Y축의 방향을 제어하고 페이스트 분출 스피드를 제어하여 2차원 혹은 3차원 형상을 간편하게 디자인할 수 있다. 이때, 형상유지를 위하여 필요에 따라 페이스트 압출시 20~40 ℃의 공기를 흘려줌과 동시에 기판을 -5~10 ℃의 온도로 냉각하여 PCL의 고화를 촉진시킬 수 있다.

마지막으로 본 발명에 따른 단계 (h)는 상기 단계 (g)에서 형성된 다공성 지지체를 건조, 침지 및 세척하는 공정을 수회 반복하여 입자를 침출시키는 단계로, 바람직하게는 상기 건조의 경우 5~25 ℃의 온도로, 24~48 시간 동안, 침지는상기 단계 (f)에서 형성된 다공성 지지체를 증류수 또는 생체유사체액에 4~24 시간 동안 하고, 이후 세척하는 것이 바람직하다.

상기 세척의 경우, 잔류해 있는 입자를 제거하기 위하여 지지체에 반복적으로 응력을 가하여 줄 수 있다. 또한 생분해성 세라믹과 같이 수용액 중에서 칼슘 혹은 인 등의 용출이 용이한 시료의 경우 그 방출을 막고 더불어 아파타이트를 생성시켜 기계적 강도와 생체친화성을 향상시키기 위해서 경우에 따라 생체유사체액을 증류수 대신 사용하여 입자를 침출시킬 수 있다. 입자침출이 끝나면 진공건조시 켜 지지체 내부의 수분과 잔존 용매를 제거할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 합성법을 도 1에 개략적으로 나타내었다.

나노 사이즈의 기공을 가지는 나노 다공성 세라믹을 합성한 후 마크로 크기로 분채하고, 상기 세라믹을 마크로 크기로 분채한 입자와 혼합한 후, 상기 혼합물을 생분해성 고분자 페이스트와 함께 교반한다. 상기 교반 후, 적층조형기를 통하여 컴퓨터로 제어된 3차원 형상으로 조형한 후 잔존 용매를 제거함으로써 3중 기공구조를 가지는 세라믹-고분자 다공성 재료를 얻을 수 있다.

< 실시예 1> 3중 기공구조를 가지는 세라믹-고분자 다공성재료

입방정(cubic)의 3차원 나노기공 구조를 유도하기 위하여 플루로닉 F127(폴리에틸렌옥사이드)100(폴리프로필렌옥사이드)65(폴리에틸렌옥사이드)100)를, 육방정(hexagonal)의 나노기공 구조를 유도하기 위하여 플루로닉 P123((폴리에틸렌옥사이드)20(폴리프로필렌옥사이드)70(폴리에틸렌옥사이드)20)을 블록공중합체 템플레이트로 이용하였다. 먼저, 에탄올(18.1 ml)에 F127(2.88 g)을 섞고 40 ℃에서 완전히 용해될 때까지 0.5~1 시간 동안 교반하였다(용액 A). 동시에 생체활성유리의 원 료인 테트라에틸올소실리케이트(TEOS, 6 ml)와 칼슘타이트레이트 4수화물(1.36 g)을 천천히 섞은 후 균일한 용액이 생성되었을 때 트리에틸포스페이트(0.26 ml)를 섞어주었다. 다음으로, 미리 준비해놓은 1 M 염산 용액(0.95 ml) 및 에탄올(7.62 ml), 증류수(2.86 ml)의 혼합액을 넣어 40 ℃에서 0.5~1 시간 동안 무기질 출발원료가 균일하게 용해될 때까지 교반하였다(용액 B). 용액 A에 용액 B를 천천히 섞으면서 40 ℃에서 2~4시간 동안 700~1500 rpm의 강한 속도로 교반하였다.

얻어진 전구체 용액을 소수성 용기(예컨대, 폴리스틸렌 용기)에 적당량 담아 -15~80 ℃, 5~100 RH%의 항온항습기에서 24~48 시간 두며 용액을 증발·건조시켰다. 또한 전구체 용액을 일정한 기판 위에 코팅한 경우 박막형의 다공성 세라믹 재료도 얻을 수 있었다. 이것을 1 ℃/min의 속도로 가열하여 500~1000 ℃에서 4 시간 동안 소성시켜 템플레이트로 사용한 F127을 제거하여 나노사이즈에서 기공의 3차원 규칙 구조를 가지는 다공성 생체활성유리를 얻었다.

상기 얻어진 다공성 생체활성유리를 25 마크로미터 크기 이하로 분채하고, 이와 분리하여 NaCl을 건조 후 분쇄하여 25 마크로미터 이상 35 마크로미터 이하의 크기로 분채하였다. 일정량의 분채된 나노 다공성 생체활성유리와 NaCl을 균일하게 교반한 후, 생체활성유리 분말이 NaCl과 엉기지 않도록 주의하며 클로로포름에 용해시킨 생분해성 폴리머인 폴리카프로락톤(PCL) 페이스트에 혼합하였다. 나노 다공성 생체활성유리 및 PCL은 2 : 8 ~ 8 : 2의 무게비율로 혼합되었으며, NaCl은 생체활성유리 및 PCL을 합한 무게에 대하여 0.5~2 배의 양이 혼합되었다. 상기 나노 다공성 생체유리/NaCl/PCL로 이루어진 페이스트를 3축 조형기에 넣고 X축, Y축, Z축 의 간격 및 모양을 제어하여 원하는 크기와 형상의 자이언트 기공을 만들어 내었다. 이때 형상유지를 위하여 필요에따라 페이스트 압출시 20~40 ℃ 정도의 공기를 주입하여 클로로포름을 제거함과 동시에 기판을 일정 온도로 냉각하여 PCL의 경화를 촉진시켰다. 1 일간 5~25 ℃에서 건조시킨 후, 증류수에 침지하여 NaCl을 침출시키고 세척하는 단계를 수차례 반복하였다. 상기 단계에서 잔류 NaCldmf 제거하기 위하여 지지체에 반복적으로 응력을 가하였다. 또한, 생체활성유리와 같이 수용액 중에서 칼슘 또는 인 등의 용출이 용이한 시료의 경우 그 방출을 억제하고 아파타이트를 생성시켜 기계적 강도 및 생체친화성을 향상시키기 위하여 선택적으로 생체유사체액(simulated body fluid)을 증류수 대사 사용하여 염입자를 침출시켰다. 상기 염입자 침출이 끝난 후 진공건조 단계를 통하여 지지체 내부의 수분 및 잔존 용매를 제거하였다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3중 기공구조를 나타내는 생체활성유리-생분해성 고분자 지지체를 나타낸다. 도 2의 (c)는 적층조형기의 컴퓨터로 디자인된 3차원 모형 및 자이언트 크기의 기공을 재현한 것으로 3차원 형상과 크기는 컴퓨터의 디자인에 의하여 자유롭게 제작될 수 있으며 자이언트 기공의 형상과 크기는 페이스트로 원주형으로 짜내는 기둥간의 거리 또는 기둥을 적층하는 방법에 따라서 제어가 가능하다. 또한 자이언트 기공을 만드는 기둥은 10~50 ㎛ 크기의 마크로 기공을 포함하고 있음을 도 2의 (c) 및 기둥의 일부분을 확대한 사진인 도 2의 (b)를 통하여 확인할 수 있다. 상기 마크로 기공의 크기는 사용한 침출입자의 크기에 따 라 제어할 수 있으며 침출입자의 세라믹-고분자 페이스트에 대한 비율을 증대시킴으로써 기공의 면적을 증가시킬 수 있다. 자이언트 기공을 이루는 기둥은 마크로 크기의 생체활성유리를 포함하고 있으며 상기 생체활성유리는 블록공중합체 등의 나노 구조체 유도인자를 템플레이트로 이용함으로써 5~7 ㎚ 정도 크기의 나노 기공으로 이루어져 있음을 도 2의 (a)의 투과현미경 사진을 통하여 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3중 기공구조를 나타내는 생체활성유리-생분해성 고분자 지지체의 압축률을 평가한 결과를 나타낸다. 도 3의 (a)는 0 NaCl 즉, 생체활성유리를 PCL에 대하여 60 질량퍼센트 첨가한 2중 기공구조의 유무기 복합지지체를 나타내며, 3중 기공구조를 포함하는 세라믹 지지체와 비교하여 10 배 이상 기계적 강도가 증진됨을 알 수 있다. 상기 유무기 복합지지체에 생체활성유리 및 PCL의 무게에 대하여 75%의 NaCl을 첨가한 후 증류수로 NaCl을 제거하여 3중 기공구조를 갖는 유무기 복합 지지체(도 3의 (b))의 경우 기계적 강도는 유무기 복합 지지체보다 줄어드나 여전히 3중 기공구조를 가지는 세라믹 지지체보다는 우수한 기계적 특성을 나타냄을 알 수 있다. 도 3에 따르면 NaCl의 첨가량이 증가됨에 따라 압축률은 줄어드는 경향을 보이며 이것은 마크로 기공률이 증가함에 따라 지지체를 이루는 기둥 속에서 마크로 크기의 기공이 상호 연결된 부분이 늘어나 압축응력에 대한 힘의 불균일 분포가 생기기 때문이다. 그러나 마크로 기공이 늘어날수록 압축률은 줄어드나 세라믹 지지체와 같이 깨어지지는 않고 스폰지와 같은 탄성을 가지며 이를 도 4를 통하여 알 수 있다.

도 4는 NaCl을 생체활성유리와 PCL의 무게에 대하여 100% 첨가하여 얻어진 시료의 결과물이며 이를 통하여 상기 결과물은 높은 탄성을 지님을 알 수 있다. 도 4의 지지체는 건조상태이나 습윤상태에서도 높은 탄성을 가지며 건조상태보다 우수하다. 상기 탄성을 이용하여 작은 절제부위에 큰 지지체를 넣어 수술부위의 빠른 회복을 유도하는 최소침습수술 등에 유용하게 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에서 얻은 3중 기공구조를 나타내는 생체활성유리 -생분해성 고분자 지지체의 생체활성을 평가하기 위하여 유사체액에 침적시킨 후 생체골과 유사성분을 함유하는 아파타이트 결정의 형성여부를 관찰한 결과이다. 도 5의 (d)를 통하여 확인되는 바와 같이 생분해성 고분자 PCL만으로 만들어진 3차원 지지체의 경우 24 시간 침적 후에도 아파타이트로 인정되는 결정의 생성이 확인되지 않았다. 반면, 도 5의 (a)~도 5의 (c)에 의하면 3중 기공구조의 생체활성유리-생분해성 고분자 지지체는 시간의 경과에 따라 아파타이트가 빠르게 형성되는 것을 알 수 있다. 일반적 생체활성유리의 경우 솔젤법으로 제작된 경우 높은 생체활성을 띄나 아파타이트가 생성되기까지 최소 3 일 이상이 소요됨에 반하여 본 발명의 지지체의 경우 나노 다공성 생체활성유리를 사용하는 것으로 생체체액과의 비표면적을 증가시켜 유리의 생체활성을 높였으므로 이를 통하여 생체활성이 없는 PCL과 혼합하여 얻은 복합체에 있어서도 침적 후 약 1 시간 경과 후 아파타이트 결정이 형성됨을 알 수 있었고, 4 시간 후엔 그 양이 증가하고, 24 시간 침적 후에는 지지체 의 많은 부분을 아파타이트 결정이 덮음을 알 수 있다. 이를 통하여 본 발명의 3중 기공구조를 나타내는 생체활성유리-생분해성 고분자 지지체가 빠른 골형성을 유도하는 높은 생체활성을 나타내며, 골형성을 위한 조직공학 분야에서 지지체로서 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다. 도 6은 도 5에서 관찰된 결정체의 성분분석을 한 결과이며 형성된 결정이 아파타이트 유사 결정임을 알 수 있다.

도 1은 3중 기공구조를 가지는 세라믹-고분자 다공성재료 합성법의 모식도이고,

도 2는 3중 기공구조를 가지는 세라믹-생분해성 고분자 다공성 지지체의 주사전자현미경 사진((a):쾌속조형법으로 형성된 자이언트 기공, (b):입자 침출법으로 형성된 마크로 기공) 및 투과전자현미경 사진((c):고분자 템플레이트법으로 형성된 나노 기공)이고,

도 3은 세라믹과 고분자를 합한 무게에 대한 NaCl의 무게 퍼센트((a):0 NaCl, (b):75 NaCl, (c):150 NaCl, (d)300 NaCl)비율의 변화에 의한 마크로기공 형성에 따른 응축률의 변화 및 입자침출법으로 얻어진 고분자 지지체(e)와 세라믹 지지체(f)의 응축률의 변화를 나타내는 그래프이고,

도 4는 3중 기공구조를 가지는 세라믹-생분해성 고분자 다공성 지지체의 탄성을 나타내는 사진이고,

도 5는 3중 기공구조를 가지는 세라믹-생분해성 고분자 다공성 지지체의 유사체액 침적 후 시간((a):0 시간, (b):4 시간, (c):24시간)에 따른 생체활성을 나타내는 광학 현미경 사진 및 생분해성 고분자 지지체를 유사체액에 24 시간 침적한 후 생체활성을 타나내는 광학 현미경 사진(d)이고,

도 6은 3중 기공구조를 가지는 세라믹-생분해성 고분자 다공성 지지체를 유사체액에 침적 후 지지체 상부에 형성된 결정의 조성을 에너지 분산 X-선 분광기를 이용하여 분석한 그래프이다.

Claims (21)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. (a) 알코올을 포함하는 유기 용매에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드의 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계;

   (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생분해성 세라믹 용액을 합성하는 단계(단계 2);

   (c) 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생분해성 세라믹 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계;

   (d) 상기 전구체 용액을 건조 및 소성하여 다공성 세라믹 재료를 얻는 단계;

   (e) 상기 다공성 세라믹 재료를 서브 마크로 크기로 분쇄하는 단계;

   (f) 상기 분쇄된 다공성 세라믹 재료를 서브 마크로 크기로 분쇄된 침출용 입자와 균일하게 혼합한 후 생분해성 고분자와 혼합하여 페이스트를 얻는 단계;

   (g) 상기 페이스트를 3축 조형기에 넣고 분사하여 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 단계; 및

   (h) 상기 형성된 다공성 지지체를 건조, 침지 및 세척하는 공정을 수회 반복하여 입자를 침출시키는 단계를 포함하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (a)의 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드의 블록공중합체는 F127, F108, F98, F88, P123, P105, P104, 및 폴리에틸렌/폴리프로필렌의 비율이 0.1~0.8인 플루로닉, 테트로닉, 리버스 플루로닉, 및 리버스 테트로닉으로 이루어진 군 중에서 1종 이상이 선택되는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (b)의 생분해성 세라믹 용액은 규소, 칼슘 및 인이 50~80 : 18~45 : 2~10의 원소비율로 함유되는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
9. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (b)의 생분해성 세라믹은 생체활성유리, 저결정성 아파타이트 및 트리칼슘포스페이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
10. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (c)의 블록 공중합체 템플레이트 용액과 상기 생분해성 세라믹 용액은 30~50 질량%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
11. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (c)는 750~1500 rpm으로 30~80 ℃에서 2~72 시간 동안 혼합 교반하는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
12. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (d)의 건조는 -15~80℃의 온도 및 5~100 RH%에서 수행되는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
13. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (d)의 소성은 상기 건조물을 0.2~2 ℃/min의 승온 속도로 500~800 ℃의 온도범위에서 2~6 시간 동안 유지시켜 골격을 치밀화시키고 서냉하는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
14. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (f)의 입자는 염화나트륨, 암모늄바이카보네이트, 소듐바이카보네이트, 얼음 및 사카린으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
15. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (f)의 생분해성 고분자는 폴리카프로락톤, 폴리락트산, 폴리락트산-글리콜산공중합체, 폴리아미노산 및 폴리글리콜산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
16. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (f)의 생분해성 고분자는 폴리카프로락톤인 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
17. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (f)의 다공성 세라믹 재료와 생분해성 고분자는 20~80 : 80~20의 질량%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
18. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (f)의 침출용 입자는 상기 다공성 세라믹 재료와 생분해성 고분자의 무게합에 대하여 0.5~2 배의 양이 혼합되는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
19. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (g)는 형성된 자이언트 사이즈의 기공의 형상 유지를 위해 페이스트 압출시 20~40 ℃의 공기를 흘려줌과 동시에 기판을 -5~10 ℃의 온도로 냉각하여 PCL의 고화를 촉진시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
20. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 (h)는 5~25 ℃에서 24~48 시간 동안 건조시킨후, 증류수 또는 생체유사체액에 4~24 시간 침지하여 염을 침출시킨다음 세척하는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.
21. 청구항 6에 있어서, 상기 형성된 다공성 지지체에 잔류하는 침출용 입자를 제거하기 위해 응력을 반복적으로 가하는 것을 특징으로 하는 생분해성 3중 기공 세라믹-고분자 지지체의 제조방법.

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