KR100946268B1

KR100946268B1 - 골재생 유도막 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR100946268B1
Application number: KR1020070108334A
Authority: KR
Inventors: 박광범; 류경호; 최석규; 양동준; 안현욱; 박근오; 유창국
Original assignee: 주식회사 메가젠임플란트; 유창국
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2010-03-09
Also published as: KR20090042529A; WO2009054609A1

Abstract

본 발명은, 의료용 생분해성 고분자와, 친수기 및 소수기를 갖는 양극성 고분자(amphiphilic polymer)를 포함하는 다공성 반투막 형태의 외층; 및 상기 다공성 반투막 형태의 외층 상에 형성되며, 의료용 생분해성 고분자와 인산칼슘의 혼합물로 형성된 섬유방사형의 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 포함하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막 및 이의 제조방법을 제공한다.

골재생 유도막, 다공성 반투막, 양극성 고분자

Description

골재생 유도막 및 이의 제조방법{BONE REGENERATION MEMBRANE AND METHOD FOR MANUFACTURING BONE REGENERATION MEMBRANE}

본 발명은, 다공성 반투막 형태의 외층; 및 상기 다공성 반투막 형태의 외층 상에 형성된 섬유방사형의 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 포함하는 골재생 유도막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

치주 질환에 의해 손상된 치조골을 치료하기 위해 최근 인공막을 손상된 치주 조직 내에 도입하여 치유를 증진시키고 완전한 치주 조직의 복원을 유도하는 동시에 골이식 결과를 개선시켜 새로운 치조골의 생성을 유도하려는 시도가 이루어지고 있다.

이러한 시도의 일환으로, 비생분해성 또는 생분해성 재료로 형성된 차폐막이 유도 조직 재생술이나 피부 또는 점막 조직의 드레싱 소재로 적용되고 있다.

비생분해성 재료로는 e-PTFE(expanded-polytetrafloroethylene), EC (ethyl cellulose), 고밀도 PTFE(high density polytetrafloroethylene), FDDMA(freeze-dried dura mater) 및 티타늄 메쉬 등이 사용되고 있다.

이러한 비생분해성 재료로 형성된 차폐막의 경우 충분한 골수복이 이루어진 다음에는 2차 수술에 의해 잇몸을 다시 절개하고 제거해야하므로, 골수복 기간 동안 염증반응의 유발 가능성이 있고, 2차 수술에 의한 환자의 부담이 큰 단점이 있다.

생분해성 재료로는 PLA(polylactic acid), 콜라겐(collagen type I, III), polyglatin, PLGA(polylactic-co-glycolic acid), PGA(polyglycolic acid), lactide, PLLA(poly-L-lactic acid)-polysiloxane-calcium carbonate 등이 사용되고 있다.

이러한 생분해성 재료로 형성된 차폐막의 경우, 골수복 후 체내에 흡수되어 제거되므로 2차 수술은 필요 없으나, 대부분 단일층 구조로 구성되어 있으며, 미크론 크기의 비교적 큰 기공크기로 인해 섬유아세포의 유입을 원천적으로 차단하지 못해 잇몸조직의 일부가 충진된 합성골 사이로 일부 성장하는 경우가 있다.

또한 대부분의 생분해성 고분자 물질은 인산칼슘계 재료에 비해 골재생의 원천이 되는 골아세포 (osteoblast)의 부착 및 친화성이 부족하여 원활한 골수복에 제약이 있다.

섬유아세포의 크기는 대략 5~15 ㎛의 크기로서, 섬유아세포를 원천적으로 차단하기 위해서는 기공크기가 이보다 작은 나노미터 수준의 기공크기가 필요하고, 아울러, 섬유아세포의 부착을 억제하거나 섬유아세포의 부착 후 증식을 억제할 수 있는 기공구조가 필요하나, 현재 사용되고 있는 기술로는 이러한 기능을 하기에 한계가 있으며, 기공을 통해 혈액, 체액, 산소 등이 원활이 통하도록 하기 위해서는 충분한 기공률을 확보가 쉽지 않다는 문제점이 있다.

구조적인 측면에서 보면, 대부분 메쉬형 구조를 갖거나 섬유가 뒤엉킨 다공성 형상을 갖고 있으며, 이 경우 기공연결성은 우수하나 기공크기가 10~100 ㎛ 정도로서 섬유아세포의 유입을 차단하기 어려우며, 골아세포의 부착과 함께 섬유아세포의 부착도 용이하므로 효과적으로 잇몸조직을 차단하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 임플란트 식립 또는 치주질환 치료 목적으로 발치 후, 빈 공간을 의료용 합성골 분말로 충진하여 골수복하는 경우, 잇몸조직 (gingiva tissue) 또는 그 근원이 되는 섬유아세포 (fibroblast)의 유입을 차단함으로써 합성골 충진재 매립에 의한 골수복 기간 동안 잇몸조직의 성장을 억제하고, 생체 치조골이 충진된 합성골 분말 사이로 성장하여 충분히 안정적인 골수복을 유도할 수 있는 골재생 유도막 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 의료용 생분해성 고분자와, 친수기 및 소수기를 갖는 양극성 고분자(amphiphilic polymer)를 포함하는 다공성 반투막 형태의 외층; 및상기 다공성 반투막 형태의 외층 상에 형성되며, 의료용 생분해성 고분자와 인산칼슘의 혼합물로 형성된 섬유방사형의 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 포함하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막을 제공한다.

본 발명은, a) 의료용 생분해성 고분자에 친수기 및 소수기를 갖는 양극성 고분자(amphiphilic polymer)를 첨가하여 교반하는 단계; b) 상기 a) 단계에서 제조된 용액을 기재 위에 코팅하여 기재 위에 막을 형성하는 단계; c) 상기 b) 단계의 막 위에 수증기 입자를 흡착하는 단계; d) 상기 c)에서 수증기 입자가 흡착된 막을 중합하여 상기 수증기 입자를 증발시킴으로써, 다공성 반투막 형태의 외층을 제조하는 단계; e) 인산칼슘 용액을 제조하는 단계; f) 상기 e) 단계의 인산칼슘 용액과 의료용 생분해성 고분자를 혼합하는 단계; 및 g) 상기 f) 단계의 혼합물로 상기 d) 단계에서 제조된 다공성 반투막 형태의 외층 상에 섬유방사형의 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 골재생 유도막은 기존의 기공크기가 매우 큰 단일층 구조의 반투막과 달리 내외부 기공크기가 서로 다른 이중층 비대칭 구조의 반투막으로서, 골재생 유도막의 외층은 미세한 기공이 규칙적으로 배열되어 있는 치밀한 기공구조를 가짐에 따라, 혈액과 체액, 산소를 원활히 통과시키면서, 잇몸조직의 원천인 섬유아세포의 유입을 효과적으로 방지할 수 있다.

그리고, 골재생 유도막의 내층이 섬유방사 구조를 가짐에 따라 큰 비표면적과 인산칼슘 성분의 혼합으로 인해 골조직의 원천인 골아세포의 부착능이 매우 향상되어, 치과분야 인공골 매립 후 골재생 기간 동안 안정적인 골수복을 유도할 수 있다.

또한, 그리고, 골재생 유도막의 내층의 경우, 인산칼슘의 혼합으로 생체활성을 그대로 유지하면서 의료용 생분해성 고분자를 사용함에 따라, 충분한 골수복 기간이 지나면 점차 체내에서 흡수되어 사라지므로, 환자의 2차 수술의 부담이 없어 치과 분야에서 질 높은 의료 서비스를 제공할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 골재생 유도막은, 의료용 생분해성 고분자와, 친수기 및 소 수기를 갖는 양극성 고분자(amphiphilic polymer)를 포함하는 다공성 반투막 형태의 외층; 및 상기 다공성 반투막 형태의 외층 상에 형성되며, 의료용 생분해성 고분자와 인산칼슘의 혼합물로 형성된 섬유방사형의 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 포함한다.

상기 외층을 형성하기 위해 사용되는 의료용 생분해성 고분자는 poly(lactic acid), poly(-L-lactic acid), poly(-DL-lactic acid), copoly(lactide-mandelate), poly(glycolic acid), poly(β-hydroxybutyrate), poly(η-caprolactone), poly(ε-caprolactone), poly(dioxanone-ε-caprolactone), poly(lactic-co-glycolic acid), poly(lactide-co-glycolide)-ε-carprolactone, poly(trimethylene carbonate) 및 poly(orthoesters) 중에서 선택된 1종 이상 또는 이들의 공중합 유도체일 수 있다.

상기 양극성 고분자는 폴리스티렌(polystyrene)계 기본 골격 구조에 블록 공중합 치환한 구조를 가질 수 있다. 즉, 기본 골격으로는 폴리스티렌(polystyrene)을 중심으로 여기에 음이온성 블록 공중합을 통해 폴리스티렌(polystyrene)에 다양한 블록 공중합체를 형성할 수 있다.

이때, 폴리스티렌(polystyrene)과 블록 공중합 치환체의 비가 2:1 내지 5:1에 이르는 화학구조를 갖는 화합물을 사용할 수 있다.

예컨대, 상기 양극성 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.

(화학식 1)

상기 화학식 1에서 M의 자리에 치환되는 블록 중합체로서, 4-vinylpyridine, butadiene, polybutadiene, methacrylic acid, dodecylacrylamide, ω-carboxyhexylacrylamide, polyparapheylene, polythiophene, poly-3-hexylthiophene, polymethylmethacrylate, polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, polyacrylamide, 및 poly-N,N dimethylacrylamide 중에서 선택된 1종 이상을 공중합 치환하게 되며, 이때, n:m의 비는 2:1내지 5:1의 범위 내에서 이루어진다.

상기 다공성 반투막 형태의 외층은 자가배열법 (self-assembly)에 의해 제조될 수 있다. 여기서, 자가배열법은 상기 의료용 생분해성 고분자와 상기 양극성 고분자(amphiphilic polymer)의 혼합물을 스핀 코팅하여 형성한 막을 습도 챔버에 넣어서 미세한 수증기 입자를 균일하게 흡착 및 배열하고 중합 건조하는 방법이다.

자가배열법에 의해 상기 다공성 반투막 형태의 외층을 제조하는 경우, 규칙적 기공배열 구조의 외층을 제조할 수 있다. 그러나 외층의 제조방법이 이로 한정되는 것은 아니다.

상기 다공성 반투막 형태의 외층의 기공 크기는 200nm 내지 50㎛일 수 있다.

상기 내층을 형성하기 위해 사용되는 의료용 생분해성 고분자는 poly(lactic acid), poly(-L-lactic acid), poly(-DL-lactic acid), copoly(lactide-mandelate), poly(glycolic acid), poly(β-hydroxybutyrate), poly(η-caprolactone), poly(ε-caprolactone), poly(dioxanone-ε-caprolactone), poly(lactic-co-glycolic acid), poly(lactide-co-glycolide)-ε-carprolactone, poly(trimethylene carbonate) 및 poly(orthoesters) 중에서 선택된 1종 이상 또는 이들의 공중합 유도체일 수 있다.

상기 의료용 생분해성 고분자와 상기 인산칼슘의 혼합물에서 상기 인산칼슘은 졸-겔(zol-gel)법에 의해 제조된 용액 형태로 첨가될 수 있다.

상기 졸-겔(zol-gel)법에 의해 제조된 용액은 HA(hydroxyapatite), β-TCP(β-tricalcium phosphate), 및 BCP(biphasic calcium phosphate) 와 같은 생분해성 인산칼슘계의 용액일 수 있다.

상기 내층은 전기방사법(electrospinning)에 의해 제조될 수 있다.

여기서, 안정적인 분해를 위해 상기 생분해성 인산칼슘계 용액을 전기방사법을 이용하여 상기 내층으로 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 골재생 유도막의 외층이 의료용 생분해성 고분자와, 친수기 및 소수기를 갖는 양극성 고분자(amphiphilic polymer)를 포함하는 치밀한 기공구조를 갖는 다공성 반투막 형태임에 따라, 치과 분야에서 골수복재 매립 후 잇몸 조직 피하에 삽입하였을 때, 혈액과 체액, 산소를 원활히 통과시키면서 잇몸조직의 원천인 섬유아세포의 유입 및 부착을 효과적으로 방지할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 골재생 유도막의 내층이 의료용 생분해성 고분자와 인산칼슘의 혼합물로 형성된 섬유방사형의 다공성 메쉬(mesh)형태임에 따라, 큰 비표면적과 인산칼슘 성분의 혼합으로 골조직의 원천인 골아세포의 부착능이 매우 향상되어, 잇몸 조직의 골 조직 내부로의 유입을 원천적으로 차단하며, 치과분야 인공골 매립 후 골재생 기간 동안 안정적인 골수복을 유도할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 골재생 유도막의 제조방법은, a) 의료용 생분해성 고분자에 친수기 및 소수기를 갖는 양극성 고분자(amphiphilic polymer)를 첨가하여 교반하는 단계; b) 상기 a) 단계에서 제조된 용액을 기재 위에 코팅하여 기재 위에 막을 형성하는 단계; c) 상기 b) 단계의 막 위에 수증기 입자를 흡착하는 단계; d) 상기 c)에서 수증기 입자가 흡착된 막을 중합하여 상기 수증기 입자를 증발시킴으로써, 다공성 반투막 형태의 외층을 제조하는 단계; e) 인산칼슘 용액을 제조하는 단계; f) 상기 e) 단계의 인산칼슘 용액과 의료용 생분해성 고분자를 혼합하는 단계; 및 g) 상기 f) 단계의 혼합물로 상기 d) 단계에서 제조된 다공성 반투막 형태의 외층 상에 섬유방사형 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 a) 단계의 의료용 생분해성 고분자는 poly(lactic acid), poly(-L-lactic acid), poly(-DL-lactic acid), copoly(lactide-mandelate), poly(glycolic acid), poly(β-hydroxybutyrate), poly(η-caprolactone), poly(ε-caprolactone), poly(dioxanone-ε-caprolactone), poly(lactic-co-glycolic acid), poly(lactide-co-glycolide)-ε-carprolactone, poly(trimethylene carbonate) 및 poly(orthoesters) 중에서 선택된 1종 이상 또는 이들의 공중합 유 도체일 수 있다.

상기 a) 단계의 양극성 고분자는 폴리스티렌(polystyrene)계 기본 골격 구조에 블록 공중합 치환한 구조를 가질 수 있다. 즉, 기본 골격으로는 폴리스티렌(polystyrene)을 중심으로 여기에 음이온성 블록 공중합을 통해 폴리스티렌(polystyrene)에 다양한 블록 공중합체를 형성할 수 있다.

예컨대, 상기 a) 단계의 양극성 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.

(화학식 1)

상기 a) 단계에서는, 상기 양극성 고분자를 상기 의료용 생분해성 고분자에 대해 1~30중량부 첨가할 수 있다. 이들의 혼합물을 용매에 대해 mL당 1 내지 10mg의 농도로 용해하고 교반할 수 있다. 여기서, 용매로는 클로로포름을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 양극성 고분자를 상기 의료용 생분해성 고분자에 대해 1~30중량% 첨가하고, 70~100중량%의 클로로포름과 0~30중량%의 메탄올과의 혼합용액에, 1~15중량%의 비율로 용해할 수 있다.

그리고, 후술할 d) 단계에서 UV를 이용한 광중합을 하는 경우, 상기 a) 단계의 의료용 생분해성 고분자 및 양극성 고분자의 혼합물에, 광개시제0.1 내지 1중량%를 첨가할 수 있다.

상기 b) 단계에서는 스핀코팅법에 의해 막을 형성할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 상기 b) 단계에서는 상기 a) 단계에서 제조된 의료용 생분해성 고분자와 양극성 고분자의 혼합 용액을, 직경 2 내지 10cm의 기재인 유리판 위에 1 내지 7ml 정도 적하하고 100 내지 4000rpm의 회전 속도로 스핀 코팅하여 막을 형성할 수 있다.

상기 c) 단계에서는 상기 b) 단계의 막을 습도가 20 내지 90%로 조절된 챔버에 넣어, 수증기 입자를 흡착시킬 수 있다.

구체적으로 설명하면, 상기 c) 단계에서는 20 내지 90%로 조절된 챔버에 넣어, 0.2 내지 1.0 L/min의 속도로 수증기를 공급하면서 5초 내지 30분 동안 방치할 수 있다.

상기 d) 단계에서는 상기 c) 단계의 막을 열중합 또는 광중합시킬 수 있다. 여기서, 광중합을 하는 경우, 자외선(UV)을 조사하여 광중합할 수 있다.

이러한, 상기 d) 단계에서 제조된 다공성 반투막 형태의 외층의 기공크기는 200nm 내지 50㎛일 수 있다.

상기 e) 단계에서 인산칼슘 용액은 졸-겔(zol-gel)법에 의해 제조될 수 있다.

상기 e) 단계에서 졸-겔(zol-gel)법에 의해 제조된 인산칼슘 용액은 HA(hydroxyapatite), β-TCP(β-tricalcium phosphate), 및 BCP(biphasic calcium phosphate)와 같은 생분해성 인산칼슘계의 용액일 수 있다.

상기 e) 단계를 구체적으로 설명하면, 졸-겔(zol-gel)법으로 인산칼슘 용액을 제조할 때, Ca/P 몰비를 0.5 내지 2.0으로 조절하여 합성하고, Ca 및 P 출발물질을 각각 10몰 배에 해당하는 메탄올에 용해하고, P(OC₂H₅)₃의 5몰 배에 해당하는 증류수를 첨가하여 2시간 동안 가수분해시킨 후, 준비된 Ca 및 P 출발물질을 반응시켜 교반하고 1 내지 3일에 걸쳐 35℃에서 방치하여 숙성하여 인산칼슘 용액을 제조할 수 있다.

여기서, Ca 출발물질로서 Ca(NO₃)₂4H₂O, Ca(OC₂H₅)₂에서 선택되는 1종 이상의 물질이 사용되며, P 출발물질로서 P(OC₂H₅)₃, P(OCH₃)₃, OP(OC₂H₅)₃, OP(OCH₃)₃에서 선택되는 1종 이상의 물질이 사용된다.

즉, Ca 출발물질로서 Ca(NO₃)₂4H₂O, Ca(OC₂H₅)₂에서 1종 이상 선택하고, P 출 발물질로서 P(OC₂H₅)₃, P(OCH₃)₃, OP(OC₂H₅)₃, OP(OCH₃)₃에서 1종 이상을 선택하여 3~10몰 배의 증류수를 첨가하여 10분~5시간에 걸쳐 가수분해하고, Ca 출발물질과 반응하여 제조될 수 있다.

바람직하게는 상기 e) 단계에서 인산칼슘 용액을 Ca(NO₃)₂4H₂O와 P(OC₂H₅)₃를 반응시키고 숙성시켜 상기 졸-겔(zol-gel)에 의해 제조할 수 있다. 이에 의해 BCP 인산칼슘 용액이 제조될 수 있다.

상기 f) 단계의 의료용 생분해성 고분자는 poly(lactic acid), poly(-L-lactic acid), poly(-DL-lactic acid), copoly(lactide-mandelate), poly(glycolic acid), poly(β-hydroxybutyrate), poly(η-caprolactone), poly(ε-caprolactone), poly(dioxanone-ε-caprolactone), poly(lactic-co-glycolic acid), poly(lactide-co-glycolide)-ε-carprolactone, poly(trimethylene carbonate) 및 poly(orthoesters) 중에서 선택된 1종 이상 또는 이들의 공중합 유도체일 수 있다.

상기 f) 단계에서는, 상기 e) 단계의 인산칼슘 용액과 의료용 생분해성 고분자를 10:90 내지 90:10의 비율로 혼합할 수 있다.

여기서, 의료용 생분해성 고분자를, 70~100 중량%의 클로로포름과 0~30 중량%의 메탄과의 혼합용액에, 1~15 중량%의 비율로 용해시킬 수 있다.

이에, 상기 f) 단계에서는 상기 유기결합제에 상기 의료용 생분해성 고분자를 용해시킨 용액과 상기 e) 단계에서 제조된 인산칼슘 용액을 10:90 내지 90:10의 비율로 혼합하여, 후술할 g) 단계의 전기방사를 위한 용액을 제조할 수 있다.

상기 g) 단계에서는 전기방사법(electrospinning)에 의해 상기 섬유방사형 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 형성할 수 있다.

구체적으로 상기 g) 단계에서는 10~30kV의 전압을 인가하고, 상기 f) 단계에서 제조된 혼합용액을 0.5~3 ml/h의 공급속도로 공급하면서, 1~60분 동안 전기방사할 수 있다.

예컨대, 상기 전기방사법의 경우, 상기 d) 단계에서 제조된 외층을 바닥 평면 전극 위에 놓고, 노즐과 전극 간의 거리를 10 내지 30 cm로 유지하고, 10 내지 30KV의 전압에서 1 내지 30분 동안 방사한 후 60 내지 200℃의 온도에서 10 내지 30분간 건조시킬 수 있다.

이하에서는, 도 1 내지 도 5를 통해 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은, 본 발명에 따른 골재생 유도막의 구조를 나타내는 사진으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 골재생 유도막은 자가배열법에 의해 제조된 규칙적 기공을 갖는 외층(a)과, 전기방사법에 의해 제조된 섬유방사형 내층(b)으로 구성된다.

외층은 치구강 구조에서 잇몸쪽에 접촉하고, 내층은 합성골을 매립한 치조골 쪽에 접촉하게 된다.

도 2는, 자가배열법으로, 다공성 반투막 형태의 외층을 제조할 때, 80%의 습도 챔버에서 수증기의 흐름속도에 따른 수증기 입자 흡착 거동 및 기공크기를 나 타낸 사진이다.

수증기가 없을 경우 막은 기공이 없는 치밀한 구조를 나타내며, 수증기가 0.2 L/min의 속도로 공급될 때 약 500 nm의 균일한 기공 구조를 나타내며, 수증기 공급속도가 증가할수록 기공의 크기가 커짐을 알 수 있다.

하지만 1.0 L/min 이상의 속도로 수증기가 공급될 때, 흡착된 수증기 입자끼리 결합하여 큰 증기 입자를 형성하여 독립된 규칙적 기공 배열 구조가 무너짐을 알 수 있다.

도 3은, 졸-겔법에 의해 제조한 hydroxyapatite (HA), β-tricalcium phosphate (β-TCP), biphasic calcium phosphate (BCP)의 X-선 회절 분석결과를 나타낸 것이다.

HA 합성을 위해서 Ca/P 몰비를 1.6~1.7, β-TCP는 1.4~1.6, BCP를 위해서 1.5~1.6으로 각각 조절하여 합성하였다. 생분해성 골재생 유도막에 응용하기 위해서 생분해성 인산칼슘계 물질로 알려진 β-TCP와 BCP 물질을 선택할 수 있으며, 안정적 분해를 위해서 BCP를 전기방사에 적용하였다.

도 4는, 본 발명에 따른 골재생 유도막의 내층을 전기방사하여 섬유방사형 메쉬를 제조하는 과정에서, 의료용 고분자인 polycaprolactone (PCL)을 단독으로 사용한 경우와 PCL에 졸겔법으로 제조한 BCP를 25:75의 비율로 혼합하여 전기방사한 표면의 사진이다.

각각의 경우에 대한 EDX element mapping 분석 결과, BCP가 혼재한 경우 Ca 이온이 mapping 전체에 걸쳐 나타났으며, 균일하게 분포함을 확인하였으며, BCP가 골아세포 친화성이 더 우수하므로 상기와 같이 BCP가 혼합된 경우 골아세포의 부착능이 PCL 단독의 경우보다 향상될 수 있다.

도 5는, 본 발명에 따라 이중층의 내층을 PCL과 BCP가 혼합된 물질로 전기방사하여 제조된 이중층 생분해성 골재생 유도막에 골아세포를 배양하고 1일 경과 후 골아세포가 유도막 내층에 안정적으로 부착된 모습을 나타낸 사진이다. 골아세포 안착 후 1일 경과 시 섬유방사형 골격 구조를 따라 세포가 안정적으로 퍼지고 증식하고 있음을 확인하였다.

이하에서는, 본 발명에 따른 실시예들을 통해 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 이로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1~5>자가배열법에 의한 골재생 유도막의 다공성 반투막 형태의 외층 제조

실시예 1 내지 5에 있어서, polycaprolactone (분자량 80,000)을 75 중량%의 클로로포름과 25 중량%의 메탄올 혼합용액에 용해하였다. polycaprolactone과 함께 양극성 고분자는 polystyrene-b-polybutadiene을 사용하여 polycaprolactone에 대해 10 중량%의 비율로 첨가하고 이 두 물질을 상기 용매에 0.5 중량%의 비율로 용해하였다. 이 용액에 광중합개시제로서 2-hydroxyl-2-methyl-1-phenyl-propan-1-one을 0.5 중량% 첨가하였다.

직경 8 cm의 유리판에 5 ml를 적하하고 상온에서 500 rpm의 회전 속도로 스핀코팅하여 얇은 박막을 형성하였다. 박막 코팅된 유리판은 즉시 습도가 80%로 조 절된 챔버에 넣고, 수증기는 0.2~1.0 L/min의 속도로 공급하면서 10초간 방치한 후 꺼냈다. 바로 이어서 자외선 조사 챔버에 넣어 약 10분간 방치하여 광중합하여 규칙적으로 미세 기공이 배열된 형태의 반투막을 제조하였다.

[표 1] 자가배열법에 의한 골재생 유도막의 다공성 반투막 형태의 외층의 수증기 공급량에 따른 기공 특성

	챔버 습도	수증기 공급량	평균 기공크기	기공배열특성
실시예 1	80%	0.2 L/min	0.8 ㎛	규칙적배열
실시예 2	80%	0.4 L/min	1.2 ㎛	규칙적배열
실시예 3	80%	0.6 L/min	1.3 ㎛	규칙적배열
실시예 4	80%	0.8 L/min	2.5 ㎛	규칙적배열
실시예 5	80%	1.0 L/min	3.8 ㎛	불규칙적 배열

표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 수증기가 전혀 공급되지 않은 경우에서는 기공이 전혀 형성되지 않았으며, 수증기 공급량이 증가할수록 기공크기가 커지는 것으로 나타났다.

수증기 공급량이 증가하면 수증기 입자가 서로 뭉쳐져서 더 큰 수증기 입자를 형성하므로, 결과적으로 더 큰 기공이 얻어진다.

하지만, 임계 수증기 공급량 보다 수증기량이 더 많아지면, 즉, 위와 같이 1.0 L/min보다 커질 경우 너무 큰 수증기 입자가 형성되어 불규칙적인 기공배열 구조가 나타나게 된다.

상기의 실시예를 통해서 가장 균일하고 작은 기공크기를 얻기 위해서 수증기 공급량을 0.2 L/min로 유지하는 것이 가장 효과적임을 확인할 수 있었다.

<실시예 6~9>전기방사법에 의한 골재생 유도막의 내층 제조

실시예 6~9에 있어서, polycaprlactone을 75 중량%의 클로로포름과 25 중량% 의 메탄올이 혼합된 용액에 5～7.5 중량%의 농도로 용해하여 고분자 출발용액을 제조하였다.

졸-겔법으로 BCP 인산칼슘 용액을 제조하기 위하여 Ca/P 몰비는 1.55로 조정하였다. Ca 출발물질로서 0.02 mol의 Ca(NO₃)₂4H₂O를 0.2 mol의 메탄올에 용해하여 준비하였고, P 출발물질로서 0.013 mol의 P(OC₂H₅)₃를 0.13 mol의 메탄올에 용해한 다음, 가수분해를 위해 0.065 mol의 증류수를 첨가하여 2시간 동안 교반하였다.

가수분해가 끝난 P 출발물질을 Ca 출발물질에 천천히 적하하면서 30분간 교반하면서 반응시키고, 35 ℃에서 3일간 숙성하여 BCP 출발용액을 제조하였다.

준비된 polycaprolactone 용액과 BCP 용액을 중량비로 각각 75:25와 25:75의 비율로 혼합하고, 전기방사를 위해 주사기에 넣어서 자동 주사기 펌프에 연결하였다.

전기방사를 위해 주사기 노즐 끝과 평면 전극 사이 간격을 13 cm로 유지하였고, 상기 실시예 1~5에 따른 자가배열법에 의해 제조된 골재생 유도막의 외층을 바닥의 평면 전극에 위치하였다.

전기 방사는 습도가 30~40%로 유지된 상태에서 20 kV의 전압을 인가하면서, 1.0 ml/h의 속도로 용액을 공급하면서 천천히 전기방사하여 섬유방사형의 골재생 유도막의 내층을 제조하였다. 전기방사한 골재생 유도막은 60~150 ℃의 온도에서 10～60분에 걸쳐 건조하였다.

[표 2] 전기방사법에 의한 내층 제조 시, 수증기 공급량에 따른 기공특성

	챔버 습도	PCL 농도	PCL:BCP 비	섬유방사구조
실시예 6	30～40%	5 중량%	PCL 100%	뭉침현상 발생
실시예 7	30～40%	7.5 중량%	PCL 100%	매끈한 방사구조
실시예 8	30～40%	3 중량%	25:75	뭉침현상 발생
실시예 9	30～40%	5 중량%	25:75	매끈한 방사구조

PCL만 단독으로 전기방사한 경우, 5 중량%에서는 방사섬유가 서로 교차하는 부분에 큰 비드(bead)와 같이 뭉침현상이 매우 많이 발생하였으나, PCL 함량을 7.5 중량%까지 증가한 경우 매우 매끈한 섬유 방사 구조를 나타내었다.

하지만, BCP가 75 중량% 첨가된 경우, PCL이 5 중량% 첨가된 경우에서 비교적 매끈한 방사구조를 나타내었으며, 이보다 적은 3 중량%에서는 실시예 6과 같이 비교적 거칠고 뭉침현상이 많이 나타나서 골재생 유도막으로서 적합하지 않음을 알 수 있었다.

또한 골아세포 부착시험에서 PCL 단독으로 제조한 경우보다 BCP가 첨가된 경우, 골아세포의 부착성이 더 우수함을 확인하였다.

상기 실시예 6~9에 따라 전기방사법에 의해 골재생 유도막의 내층을 제조할 경우 BCP룰 75 중량% 첨가할 때 PCL 농도가 5 중량%가 가장 적합함을 알 수 있었다.

도 1은 본 발명에 따른 골재생 유도막의 외층(a)과 내층(b)를 나타낸 사진이고,

도 2는, 자가배열법으로 골재생 유도막의 외층을 제조할 때, 수증기의 흐름 속도에 따른 외층 표면의 기공크기 변화를 6,000배로 확대하여 나타낸 사진이고,

도 3은 전기방사법으로 골재생 유도막의 섬유방사형 내층을 제조하기 위해, 의료용 고분자와 혼합할 인산칼슘계 합성 용액을 하소하여 X-선 회절 분석한 결과이고,

도 4는 전기방사법으로 골재생 유도막의 외층을 제조할 때 의료용 고분자인 polycaprolactone과 polycaprolactone에 biphasic calcium phosphate (BCP)를 25:75의 비율로 혼합한 것을 각각 전기방사한 사진을 3,000배 확대하여 나타낸 것이고,

도 5는 본 발명에 의해 제조된 골재생 유도막에 골아세포를 배양하여 부착 특성을 나타낸 사진을 750 배로 확대하여 나타낸 것이다.

Claims

의료용 생분해성 고분자와, 친수기 및 소수기를 갖는 양극성 고분자(amphiphilic polymer)를 포함하는 다공성 반투막 형태의 외층; 및

상기 다공성 반투막 형태의 외층 상에 형성되며, 의료용 생분해성 고분자와 인산칼슘의 혼합물로 형성된 섬유방사형의 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 포함하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막.
청구항 1에 있어서, 상기 외층을 형성하기 위해 사용되는 의료용 생분해성 고분자 또는 상기 내층을 형성하기 위해 사용되는 의료용 생분해성 고분자는 poly(lactic acid), poly(-L-lactic acid), poly(-DL-lactic acid), copoly(lactide-mandelate), poly(glycolic acid), poly(β-hydroxybutyrate), poly(η-caprolactone), poly(ε-caprolactone), poly(dioxanone-ε-caprolactone), poly(lactic-co-glycolic acid), poly(lactide-co-glycolide)-ε-carprolactone, poly(trimethylene carbonate) 및 poly(orthoesters) 중에서 선택된 1종 이상 또는 이들의 공중합 유도체인 것을 특징으로 하는 골재생 유도막.
청구항 1에 있어서, 상기 양극성 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 골재생 유도막:

(화학식 1)

상기 화학식 1에서 M은 4-vinylpyridine, butadiene, polybutadiene, methacrylic acid, dodecylacrylamide, ω-carboxyhexylacrylamide, polyparapheylene, polythiophene, poly-3-hexylthiophene, polymethylmethacrylate, polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, polyacrylamide, 및 poly-N,N dimethylacrylamide 중에서 선택된 1종 이상이며,

n:m의 비는 2:1내지 5:1이다.
청구항 1에 있어서, 상기 외층의 기공 크기는 200nm 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 골재생 유도막.
청구항 1에 있어서, 상기 다공성 반투막 형태의 외층은 자가배열법 (self-assembly)에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 골재생 유도막.
청구항 1에 있어서, 상기 의료용 생분해성 고분자와 상기 인산칼슘의 혼합물에서 상기 인산칼슘은 졸-겔(zol-gel)법에 의해 제조된 용액 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막.
청구항 6에 있어서, 상기 졸-겔(zol-gel)법에 의해 제조된 용액은 HA(hydroxyapatite), β-TCP(β-tricalcium phosphate), 및 BCP(biphasic calcium phosphate) 중 선택된 생분해성 인산칼슘계의 용액인 것을 특징으로 하는 골재생 유도막.
청구항 1에 있어서, 상기 내층은 전기방사법(electrospinning)에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 골재생 유도막.
a) 의료용 생분해성 고분자에 친수기 및 소수기를 갖는 양극성 고분자(amphiphilic polymer)를 첨가하여 교반하는 단계;

b) 상기 a) 단계에서 제조된 용액을 기재 위에 코팅하여 기재 위에 막을 형성하는 단계;

c) 상기 b) 단계의 막 위에 수증기 입자를 흡착하는 단계;

d) 상기 c)에서 수증기 입자가 흡착된 막을 중합하여 상기 수증기 입자를 증발시킴으로써, 다공성 반투막 형태의 외층을 제조하는 단계;

e) 인산칼슘 용액을 제조하는 단계;

f) 상기 e) 단계의 인산칼슘 용액과 의료용 생분해성 고분자를 혼합하는 단계; 및

g) 상기 f) 단계의 혼합물로 상기 d) 단계에서 제조된 다공성 반투막 형태의 외층 상에 섬유방사형의 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 9에 있어서, 상기 a) 단계의 의료용 생분해성 고분자 또는 상기 f) 단계의 의료용 생분해성 고분자는 poly(lactic acid), poly(-L-lactic acid), poly(-DL-lactic acid), copoly(lactide-mandelate), poly(glycolic acid), poly(β-hydroxybutyrate), poly(η-caprolactone), poly(ε-caprolactone), poly(dioxanone-ε-caprolactone), poly(lactic-co-glycolic acid), poly(lactide-co-glycolide)-ε-carprolactone, poly(trimethylene carbonate) 및 poly(orthoesters) 중에서 선택된 1종 이상 또는 이들의 공중합 유도체인 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 9에 있어서, 상기 a) 단계의 양극성 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법:

(화학식 1)

상기 화학식 1에서 M은 4-vinylpyridine, butadiene, polybutadiene, methacrylic acid, dodecylacrylamide, ω-carboxyhexylacrylamide, polyparapheylene, polythiophene, poly-3-hexylthiophene, polymethylmethacrylate, polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, polyacrylamide, 및 poly-N,N dimethylacrylamide 중에서 선택된 1종 이상이며,

n:m의 비는 2:1내지 5:1이다.
청구항 9에 있어서, 상기 a) 단계에서는, 상기 양극성 고분자를 상기 의료용 생분해성 고분자에 대해 1~30중량부 첨가하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 9에 있어서, 상기 b) 단계에서는 스핀코팅법에 의해 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 9에 있어서, 상기 c) 단계에서는 상기 b) 단계의 막을 습도가 20 내지 90%로 조절된 챔버에 넣어, 수증기 입자를 흡착시키는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 9에 있어서, 상기 d) 단계에서는 상기 c) 단계의 막을 열중합 또는 광중합시키는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 9에 있어서, 상기 d) 단계에서 제조된 상기 외층의 기공 크기는 200nm 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 9에 있어서, 상기 e) 단계에서 인산칼슘 용액은 졸-겔(zol-gel)법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 17에 있어서, 상기 e) 단계에서 졸-겔(zol-gel)법에 의해 제조된 인산칼슘 용액은 HA(hydroxyapatite), β-TCP(β-tricalcium phosphate), 및 BCP(biphasic calcium phosphate) 중 선택된 생분해성 인산칼슘계의 용액인 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 17에 있어서, 상기 e) 단계에서 인산칼슘 용액은 칼슘(Ca)과 인산염(P)의 몰비를 0.5 내지 2.0으로 조절하여 상기 졸-겔(zol-gel)법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 19에 있어서, 상기 Ca 출발물질은 Ca(NO₃)₂4H₂O, 및 Ca(OC₂H₅)₂중에서 선택된 1종 이상의 물질이고, 상기 P 출발물질은P(OC₂H₅)₃, P(OCH₃)₃, OP(OC₂H₅)₃, 및 OP(OCH₃)₃중에서 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 20에 있어서, 상기 e) 단계에서 인산칼슘 용액은 상기 Ca(NO₃)₂4H₂O와 상기 P(OC₂H₅)₃를 반응시키고 숙성시켜 상기 졸-겔(zol-gel)에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 9에 있어서, 상기 f) 단계에서는, 상기 e) 단계의 인산칼슘 용액과 의료용 생분해성 고분자가 용해된 용액을 10:90 내지 90:10의 중량 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 9에 있어서, 상기 g) 단계에서는 전기방사법(electrospinning)에 의해 상기 섬유방사형 메쉬(mesh)형태를 갖는 내층을 형성하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.
청구항 23에 있어서, 상기 g) 단계에서는 10~30kV의 전압을 인가하고, 상기 f) 단계에서 제조된 혼합용액을 0.5~3 ml/h의 공급속도로 공급하면서, 1~60분 동안 전기방사하는 것을 특징으로 하는 골재생 유도막의 제조방법.