KR100991099B1 - Silica xerogel physiologically active organic substance hybrid composites and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생체 적합성이 우수한 실리카 계열 제로겔(silica xerogel) 생리활성 유기물이 결합된 유/무기 혼성 복합체 및 이의 제조방법을 제공한다.The present invention provides an organic / inorganic hybrid composite having a silica-based silica gel (silica xerogel) bioactive organic material having excellent biocompatibility and a method for preparing the same.
또한 본 발명은 실리카 계열 제로겔(silica xerogel) 생리활성 유기물이 결합된 유/무기 혼성 복합체를 포함하는 경조직 재생, 이식 또는 대체용 재료; 또는 약물 전달용 캐리어를 제공한다.The present invention also relates to a hard tissue regeneration, transplantation or replacement material including an organic / inorganic hybrid complex in which silica-based xerogel physiologically active organic matter is bound; Or a carrier for drug delivery.
본 발명에서는 상온에서 무기물을 합성하는 솔젤(solgel)법을 사용하여, 별도의 열처리 없이 생체특성이 매우 우수한 생체의료용 유무기 복합체를 제공할 수 있다. In the present invention, by using a solgel (Solgel) method for synthesizing the inorganic material at room temperature, it is possible to provide a biomedical organic-inorganic complex having excellent biological properties without additional heat treatment.
생체재료, 솔젤법, 하이브리드, 유사생체실험 Biomaterials, Sol-Gel Method, Hybrid
Description
본 발명은 솔젤법을 이용한 유/무기 혼성(hybrid) 복합체의 제조방법, 및 상기 방법에 의해 제조된 뛰어난 생체특성을 가지는 생체의료용 실리카 제로겔생리활성 유기물 혼성 복합체, 바람직하게는 실리카 제로겔키토산(chitosan) 혼성 복합체에 관한 것이다. The present invention provides a method for preparing an organic / inorganic hybrid composite using the sol-gel method, and a bio-medical silica zero gel bioactive organic composite hybrid having a superior bio-characteristic prepared by the method, preferably silica zero gel chitosan ( chitosan) hybrid composites.
인체를 이루고 있는 물질 중 유기물의 비율이 가장 높은 만큼, 생체 유기재료는 생체재료의 연구에 있어 많은 비중을 차지한다. 그 중 키토산(chitosan)은 천연 생체 유기재료로 적합하고 값이 저렴하며 수용성 등의 다양한 특성들을 지니고 있기 때문에, 상처 치유나 약물 전달, 코팅 등 여러 연구에 이용되는 대표적인 생체 유기재료이다. 하지만 생체 활성도가 낮기 때문에 이를 극복하려는 연구가 많이 이루어지고 있다. As the ratio of organic matter is the highest among the substances constituting the human body, bio-organic materials take up a large proportion in the study of biomaterials. Among them, chitosan is a representative bio-organic material used for various studies such as wound healing, drug delivery, and coating because it is suitable as a natural bio-organic material, is inexpensive, and has various characteristics such as water solubility. However, because of low bioactivity, many researches have been made to overcome this problem.
한편 인체의 경조직은 유기질 섬유와 무기질 나노입자의 복합체로 이루어져 있기 때문에, 경조직 대체용 생체재료 개발에 있어서 유무기 나노단위의 복합체 기 술개발은 궁극적인 과제라고 할 수 있다. 인체 뼈조직을 모사한 유무기 하이브리드 나노재료의 설계에 있어, 나노기술을 도입하여 현재 기술의 문제점을 개선 또는 극복하는 기술이 절실히 요구되고, 막대한 자본과 시간이 요구되는 새로운 소재의 발견이 아닌 나노재료 기술을 도입함으로써 생체모방형 인공골을 개발한다는 점에서 중요한 가치를 지닌다. 지금까지 국내외에 유무기 하이브리드 복합체를 개발하고자 하는 노력은 많이 이루어지고 있으나, 무기재료는 기본적으로 열처리가 필요한 재료로 열에 비교적 약한 유기물과의 복합화를 이루기 위해서는 본 문제가 해결되어야 한다. On the other hand, since the hard tissue of the human body is composed of a composite of organic fibers and inorganic nanoparticles, it can be said that the development of organic-inorganic nano-composite technology in the development of biomaterials for hard tissue replacement is the ultimate challenge. In the design of organic-inorganic hybrid nanomaterials that mimic human bone tissue, technology is needed to improve or overcome the problems of current technology by introducing nanotechnology, and not to discover new materials that require huge capital and time. The introduction of material technology is of significant value in developing biomimetic artificial bones. Until now, many efforts have been made to develop organic-inorganic hybrid composites at home and abroad, but inorganic materials are basically materials that require heat treatment, and this problem must be solved in order to complex with organic materials that are relatively weak in heat.
이에 따라 유/무기 혼성 복합체를 제조하기 위해 공침법 (coprecipitation)이나 솔젤법을 이용한 연구들이 많이 이루어졌으나, 선행된 실험들에서 사용된 솔젤법은 유기물에 실레인(silane), 실록세인(siloxane) 등을 유기물과 먼저 섞어주어 유기물과 실리콘(Si)과의 복합화를 이루거나 유기물의 구조 결합(crosslinking)을 위해 사용되는 경우가 대부분이었다. 또한 이러한 연구들에 의해 제조된 재료들의 미세구조나 다양한 생체특성에 대해 명확하게 제시된 것이 드물다. 따라서 현재 다양한 생체 특성을 갖는 유/무기 혼성 복합체와 이들의 제조특성을 만족시키는 제조방법이 시급히 요구되는 실정이다. Accordingly, many studies using coprecipitation or sol-gel method have been conducted to prepare an organic / inorganic hybrid composite. However, sol-gel method used in the preceding experiments is silane or siloxane in organic matter. The back is first mixed with an organic material to form a complex of organic material and silicon (Si) or used for crosslinking of the organic material. In addition, the microstructure and various biological properties of the materials produced by these studies are rarely clearly presented. Therefore, there is an urgent need for an organic / inorganic hybrid composite having various biological characteristics and a manufacturing method satisfying their manufacturing characteristics.
본 발명은 별도의 열처리 없이 균질하고 미세하며 생체적합성이 우수한 생체의료용 유무기 혼성 복합체 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to provide a biomedical organic-inorganic hybrid composite having excellent homogeneity, fineness, and biocompatibility without a separate heat treatment, and a method of manufacturing the same.
본 발명은 이에 기초한 것이다. The present invention is based on this.
본 발명은 (a) 실리카 계열 제로겔(silica xerogel)과 (b) 생리활성 유기물이 결합된 유/무기 혼성 복합체로서, 상기 생리활성 유기물이 제로겔의 표면, 또는 제로겔 내 3차원적으로 네트워크(network)화된 기공부 상에 균일하게 분포하는 것이 특징인 유/무기 혼성 복합체를 제공한다.The present invention is an organic / inorganic hybrid composite comprising (a) a silica xerogel and (b) a physiologically active organic compound, wherein the physiologically active organic material is a three-dimensional network in the surface of the zero gel or in the zero gel. Provided is an organic / inorganic hybrid composite characterized by uniform distribution on (networked) pores.
이때 상기 생리활성 유기물은 키토산(chitosan), 천연 고분자, 합성 고분자일 수 있다. In this case, the physiologically active organic material may be chitosan, a natural polymer, or a synthetic polymer.
또한, 본 발명은 상기 유/무기 혼성 복합체를 포함하는 경조직 재생, 이식 또는 대체용 재료를 제공한다.The present invention also provides a material for hard tissue regeneration, transplantation or replacement comprising the organic / inorganic hybrid complex.
나아가, 본 발명은 상기 유/무기 혼성 복합체를 포함하는 약물 전달용 캐리어를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a carrier for drug delivery comprising the organic / inorganic hybrid complex.
추가적으로, 본 발명은 (a) 실리케이트, 촉매, 증류수를 혼합 및 교반시켜 실리카 제로겔 전채물(前菜物)을 제조하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 제조된 실리카 제로겔 전채물(前菜物)에 생리활성 유기물을 액체 상태로 혼합하여 혼성 물질을 형성하는 단계; 및 (c) 액상의 혼성 물질을 중화 및 건조하여 유/무기 혼성 복 합체를 제조하는 단계를 포함하는 실리카 제로겔 생리활성 유기물 혼성 복합체의 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention comprises the steps of (a) preparing a silica zero gel appetizer by mixing and stirring the silicate, catalyst, distilled water; (b) mixing the physiologically active organic material in a liquid state to the silica zero gel appetizer prepared in step (a) to form a hybrid material; And (c) neutralizing and drying the liquid hybrid material to prepare an organic / inorganic hybrid composite.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.
본 발명에서는 상온 졸겔법을 사용하여 나노 스케일의 균일한 미세구조를 가지며 생체특성이 우수한 유/무기 혼성 복합체를 제조하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, using the room temperature sol-gel method has a nano-scale uniform microstructure and characterized in that the organic / inorganic hybrid composite having excellent biological properties.
본 발명의 유/무기 혼성 복합체는, 크게 실리카 계열 제로겔(silica xerogel)과 생리활성 유기물을 포함할 수 있다.The organic / inorganic hybrid composite of the present invention may largely include a silica-based zero gel and a bioactive organic material.
상기 제로겔(xerogel)은 일종의 다공성(porosity) 유리 물질로서 특정 용매 반응을 통해 다공성 중합체를 형성시키는 방식에 따라 제조될 수 있다. 이러한 제로겔은 나노 단위의 기공 구조가 복잡하게 3차원적으로 네트워크(network)화 되어 있는데, 이러한 제로겔의 기공부, 표면의 일부 또는 전부에 생리활성 유기물을 포집하고 균일하게 채워 분포할 수 있으므로, 최종 유/무기 혼성 복합체의 구조적 안정성과 물적 안정성을 나타낼 수 있다. The xerogel is a kind of porosity glass material and may be prepared according to a method of forming a porous polymer through a specific solvent reaction. The zero gel has a complicated three-dimensional network of pore structures in nano units, and it is possible to collect and distribute bioactive organic substances uniformly in the pores of the zero gel, part or all of the surface thereof. It can show the structural and physical stability of the final organic / inorganic hybrid composite.
즉, 본 발명의 유/무기 혼성 복합체는 무기 성분으로 제로겔을 사용함으로써 구조적 안정성과 제조 용이성을 도모할 뿐만 아니라, 제로겔에 견고히 결합된 생리활성 유기물에 의해 우수한 생체 적합성을 안정적, 지속적으로 발휘할 수 있다. That is, the organic / inorganic hybrid composite of the present invention not only promotes structural stability and ease of manufacture by using zero gel as an inorganic component, but also stably and continuously exerts excellent biocompatibility by bioactive organic substances that are firmly bound to zero gel. Can be.
또한, 본 발명에서는 생리활성 물질로서 다양한 천연 및 합성 유기물을 제한없이 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 적용된 유기물의 다양한 생체 특성을 기반으로 하여 다양한 생체 의료 분야에 적용할 수 있다. 특히, 본 발명의 재료는 연조직, 손상된 경조직 재생을 위한 이식 및 약물전달(DDS), 골대체 재료로 다양한 경조직 대체 수요에 대응하는 한편, 관련 경조직 재생의학 분야에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. In addition, in the present invention, not only various natural and synthetic organic materials may be applied as bioactive materials without limitation, but also various biomedical fields may be applied based on various biological properties of the applied organic materials. In particular, the materials of the present invention are expected to contribute to the field of related hard tissue regenerative medicine while addressing the needs of various hard tissue replacements with soft tissues, transplantation and drug delivery (DDS) for damaged hard tissue regeneration, and bone replacement materials.
본 발명의 제로겔은 생리활성 물질을 균일하게 분포시키고 견고히 결합할 수 있다면, 이의 성분, 형태, 성분비 등에 특별한 제한이 없다. 바람직하게는 실리카 계열 제로겔이다. The zero gel of the present invention is not particularly limited as long as it can uniformly distribute and firmly bind the bioactive substance. Preferably it is a silica type zero gel.
실리카 제로겔은 metal alkoxides [M(OR)4 : M=Si]의 가수분해(hydrolysis)응축작용(condensation)의 단계를 통해 형성된 규산염 구조를 이루는 무기재료를 지칭하는 것이다. 이러한 실리카 제로겔은 상온에서 원료 시약들을 혼합하여 솔젤법으로 제조시, 규산염 이외의 성분, 예컨대 에탄올, 메탄올, 물 등을 건조 및 세척을 통해 용이하게 제거할 수 있으며, 간단하게 제조할 수 있다는 이점이 있다. Silica zero gel refers to an inorganic material that forms a silicate structure formed through the step of hydrolysis condensation of metal alkoxides [M (OR) 4 : M = Si]. Such silica zero gel can be easily prepared by mixing raw material reagents at room temperature by the sol-gel method, and easily removing components other than silicates, such as ethanol, methanol, water, etc., by drying and washing. There is this.
상기 실리카 계열 제로겔은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 중에서 선택되는 원소를 함유하는 규산알루미늄(aluminosilicates) 수화물일 수 있으며, 이때 Ca, P, Ga, Ge, Fe, Zr, Ti, Cr, B, Be, V, Zn 및 As로 이루어진 군으로부터 선택되는 원자에 의하여 치환된 것이 바람직하다. 생체적합성을 높이기 위해, Ca 및/또는 P가 포함된 실리카 계열 제로겔이 더욱 바람직하다. 이는 경조직을 이루는 무기질이 일반적으로 칼슘 포스페이트 계열이므로, 본 발명의 생체 재료에 칼슘 포스페이트 계열, 즉 Ca 및/또는 P 성분이 포함되면 이식된 재료가 체액과 반응하면서 경조직(예, 새로운 뼈)의 재생을 보다 빠르게 유도할 수 있기 때문이다.The silica-based zero gel may be an aluminum silicate hydrate containing an element selected from alkali metals and alkaline earth metals, wherein Ca, P, Ga, Ge, Fe, Zr, Ti, Cr, B, Be, V It is preferably substituted by an atom selected from the group consisting of, Zn and As. In order to increase biocompatibility, silica-based zero gels containing Ca and / or P are more preferable. This is because the minerals that make up hard tissues are generally calcium phosphate-based, so if the biomaterials of the present invention contain calcium phosphate-based, Ca and / or P components, the implanted material reacts with body fluids to regenerate hard tissues (e.g., new bone). This can be derived faster.
상기 실리카 제로겔의 크기(입경), 기공도 및/또는 기공 크기는 특별히 제한 되지 않으며, 우수한 생체 적합성과 구조적 안정성을 발휘할 수 있는 범위내에서 적절히 조절 가능하다. The size (particle diameter), porosity and / or pore size of the silica zero gel is not particularly limited, and may be appropriately adjusted within a range capable of exhibiting excellent biocompatibility and structural stability.
본 발명에 따라 제로겔과 혼성 복합체를 형성하는 성분은 생체 활성을 나타내는 유기성분이기만 하면 특별한 제한이 없다. According to the present invention, the component forming the hybrid complex with the zero gel is not particularly limited as long as it is an organic component showing bioactivity.
사용 가능한 생리활성 물질의 비제한적인 예로는, 키토산(chitosan), 젤라틴(gelatine), 콜라젠(collagen), 전분(starch), 폴리락타이드(PLA), 폴리글리콜라이드(PGA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리(카프로락톤락타이드) 랜덤 공중합체(PCLA), 폴리(카프로락톤글리티콜라이드) 랜덤 공중합체(PCGA), 폴리(락타이드글리티콜라이드) 랜덤 공중합체(PLGA), 폴리에틸옥사이드(PEO), 폴리에틸글리콜(PEG) 또는 이들의 1종 이상 혼합물 등이 있다. 특히, 키토산(chitosan)이 바람직하다. 전술한 성분들 이외에, 제로겔 상에 담지되어 생체 적합성을 띨 수 있는 유기물 또한 본 발명의 범주에 속한다. Non-limiting examples of bioactive substances that can be used include chitosan, gelatin, collagen, starch, polylactide (PLA), polyglycolide (PGA), polycaprolactone ( PCL), poly (caprolactone lactide) random copolymer (PCLA), poly (caprolactoneglycolide) random copolymer (PCGA), poly (lactideglycolide) random copolymer (PLGA), poly Ethyl oxide (PEO), polyethylglycol (PEG) or mixtures of one or more thereof. In particular, chitosan is preferable. In addition to the above-mentioned ingredients, organic substances which can be supported on a zero gel to be biocompatible are also within the scope of the present invention.
본 발명에 따른 유/무기 혼성 복합체에서, 실리카 제로겔과 생리활성 유기물의 성분비는 10~95 : 90~5 (부피%) 범위일 수 있으며, 바람직하게는 10~40 : 90~60 (부피%) 범위이다. 그러나 이에 제한되지 않는다. 이때 생리활성 유기물의 함량이 지나치게 많을 경우 생체 적합성이 미미할 수 있으며, 제로겔의 함량이 지나치게 많을 경우 최종 유/무기 혼성 복합체의 기계적 물성이 저하될 수 있다. In the organic / inorganic hybrid composite according to the present invention, the component ratio of the silica zero gel and the bioactive organic compound may be in the range of 10 to 95:90 to 5 (vol%), preferably 10 to 40:90 to 60 (vol%). ) Range. However, it is not limited thereto. At this time, if the content of the physiologically active organic material is too high, biocompatibility may be insignificant, and if the content of zero gel is too high, the mechanical properties of the final organic / inorganic hybrid composite may be reduced.
본 발명의 유/무기 혼성 복합체는 전술한 성분들 이외에, 통상적으로 사용되는 기타 성분 또는 첨가제 등을 포함할 수 있다. In addition to the aforementioned components, the organic / inorganic hybrid composite of the present invention may include other components or additives commonly used.
본 발명의 유/무기 혼성 복합체는 실리카 제로겔과 생리활성 물질을 이용하 여 상온 졸겔(solgel)법을 이용하여 제조될 수 있다. The organic / inorganic hybrid composite of the present invention can be prepared using a room temperature solgel (solgel) method using a silica zero gel and a bioactive material.
특히, 본 발명에서는 상온에서 액상의 유기무기 두 재료를 혼합하여 졸젤법으로 합성시키되, 종래 방법과는 달리 유기물과 무기물 물질을 혼합하기 전, 무기물의 원료 시약을 미리 혼합하여 실리카 제로겔의 가수분해를 먼저 유도하여 미세한 실리카 구조를 포함하는 복합체를 제조한다는 특징을 가진다. Particularly, in the present invention, the two liquid organic inorganic materials are mixed at room temperature and synthesized by a sol-gel method. Unlike the conventional method, before the organic and inorganic materials are mixed, the raw material reagents of the inorganic materials are mixed in advance to hydrolyze the silica zero gel. It is characterized by first inducing to produce a composite comprising a fine silica structure.
상기 제조방법의 바람직한 일 실시형태를 들면, (a) 실리케이트, 촉매, 증류수를 혼합 및 교반시켜 실리카 제로겔 전채물(前菜物)을 제조하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 제조된 실리카 제로겔 전채물(前菜物)에 준비된 키토산 용액을 액체 상태에서 소정의 비율로 혼합하여 유/무기 혼성 물질을 형성하는 단계; 및 (c) 액상의 혼성 물질을 중화 및 건조하여 유/무기 혼성 복합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. For one preferred embodiment of the production method, (a) preparing a silica zero gel antagonist by mixing and stirring the silicate, catalyst, distilled water; (b) mixing the chitosan solution prepared in the silica zero gel appetizer prepared in step (a) in a liquid at a predetermined ratio to form an organic / inorganic hybrid material; And (c) neutralizing and drying the liquid hybrid material to prepare an organic / inorganic hybrid composite.
우선, 실리케이트, 촉매, 증류수를 혼합하여 실리카 제로겔 전채물(前菜物)을 제조한다.First, silicate, a catalyst, and distilled water are mixed to prepare a silica zero gel appetizer.
상기 실리케이트는 당 업계에 알려진 실리케이트 화합물을 사용할 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메톡시시란(TMOS) 등이 있다. 또한 촉매는 산(acid) 등의 산성 촉매가 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때 실리카 제로겔 전채물의 산도는 제조하려는 형태나 요구되는 성질 등에 따라 당 업계의 통상적인 범위내에서 적절히 조절할 수 있다.The silicate may use a silicate compound known in the art, non-limiting examples thereof include tetraethoxysilane (TEOS), tetramethoxysilane (TMOS) and the like. In addition, the catalyst is preferably an acid catalyst such as an acid, but is not limited thereto. In this case, the acidity of the silica zero gel precursor may be appropriately adjusted within a conventional range in the art according to the form to be prepared or required properties.
이때 칼슘과 인이 포함된 실리카 제로겔을 제조하기 위해서, 칼슘과 인을 첨가하고 겔화가 일어나기 전까지 교반시켜 실리카 제로겔 전채물을 제조하는 것이 바람직하다. 바람직한 실리카 제로겔 전채물(前菜物)의 조성비는 전채물 전체 100 중량부를 기준으로 하여, 실리케이트 80~100 중량부, 칼슘 함유 전구체 화합물 0~15 중량부, 인 함유 전구체 화합물 0~5 중량부 범위이다. In this case, in order to prepare a silica zero gel containing calcium and phosphorus, it is preferable to add silica and phosphorus and stir until gelation occurs to prepare a silica zero gel appetizer. The composition ratio of the preferred silica zero gel appetizers ranges from 80 to 100 parts by weight of silicate, 0 to 15 parts by weight of calcium-containing precursor compound and 0 to 5 parts by weight of phosphorus-containing precursor compound, based on 100 parts by weight of the total appetizer. to be.
이후 실리카 제로겔 전채물(前菜物)에 준비된 생리활성 유기물, 예컨대 키토산 용액을 첨가한 후 혼합시켜, 실리카 제로겔생리활성 유기물 혼성 복합체를 제조하기 위한 액상의 합성물을 제조한다. 이때, 실리카 제로겔과 생리활성 유기물의 성분비는 10~95 : 90~5 (부피%) 범위일 수 있으며, 바람직하게는 10~40 : 90~60 (부피%) 범위이다. Thereafter, a physiologically active organic material, such as a chitosan solution, is added to the silica zero gel appetizer, followed by mixing to prepare a liquid composite for preparing a silica zero gel bioactive organic compound hybrid composite. At this time, the component ratio of the silica zero gel and the physiologically active organic material may be in the range of 10 to 95:90 to 5 (vol%), and preferably in the range of 10 to 40:90 to 60 (vol%).
제조된 액상의 합성물을 이용하여 중성으로 중화시킨 후 합성물을 석출시켜 세척 및 건조하면 유/무기 혼성 복합체를 수득할 수 있다. 이때 세척 및 건조 과정은 당 업계에 알려진 통상적인 방법을 사용할 수 있다.Neutralize to neutral using the prepared liquid composite, and then precipitate the composite to wash and dry to obtain an organic / inorganic hybrid composite. At this time, the washing and drying process may use a conventional method known in the art.
실제로, 본 발명의 유/무기 혼성 복합체의 제조방법은 모두 상온에서 이루어지며 공정과정 중 과도한 열의 발생이 일어나지 않으므로, 유기물을 이용한 혼성 복합체를 제조하기에 적합하다. In fact, the method for producing the organic / inorganic hybrid composite of the present invention is all made at room temperature and does not generate excessive heat during the process, it is suitable for manufacturing a hybrid composite using an organic material.
전술한 바와 같이 제조되는 본 발명의 유/무기 혼성 복합체는 생체 의료용으로 사용될 수 있다. 또한 이때 이들은 다양한 공정을 통해 막(membrane), 벌크(bulk), 차폐막, 코팅 등의 형태로 제조될 수 있다. The organic / inorganic hybrid composite of the present invention prepared as described above may be used for biomedical purposes. In addition, they may be manufactured in the form of a membrane, a bulk, a shield, a coating, or the like through various processes.
또한, 본 발명은 유/무기 혼성 복합체로서, 실리카 제로겔생리활성 유기물 혼성 복합체를 포함하는 막(membrane), 바람직하게는 차폐막(遮蔽膜)을 제공한다. In addition, the present invention provides a membrane, preferably a shielding membrane, comprising a silica zero gel bioactive organic hybrid composite as an organic / inorganic hybrid composite.
상기 막은, 예컨대 전술한 액상의 실리카 제로겔키토산 합성물을 중화시키고 교반한 후 합성물을 석출 및 여과하여 건조 및 세척 과정을 거치면 얻을 수 있으며, 생체 적합성(biocompatible membrane) 용도로서 사용될 수 있다. 이때 생체 적합성은 수용자에게 현저히 바람직하지 않은 반응을 일으키지 않는다는 것을 의미한다. The membrane can be obtained, for example, by neutralizing and stirring the liquid silica zero gel chitosan compound described above, followed by precipitation and filtration of the compound, followed by drying and washing, and can be used as a biocompatible membrane. Biocompatibility here means that it does not cause a significantly undesirable reaction to the recipient.
나아가, 본 발명은 유/무기 혼성 복합체로서, 실리카 제로겔-생리활성 유기물 혼성 복합체를 포함하는 경조직 재생, 이식 또는 대체용 재료를 제공한다. Furthermore, the present invention provides materials for hard tissue regeneration, transplantation or replacement, including silica zero gel-bioactive organic hybrid composites as organic / inorganic hybrid composites.
이때, 상기 재료는 생체 안전성과 생체 적합성이 확인된 고분자 재료, 금속이나 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 이들의 비제한적인 예로는 D, L락트산글리콜산 공중합체, 폴리락트산, 폴리락트산 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 콜라겐, 히아루론산, 인산칼슘계 세라믹스 재료 등을 포함할 있다. 또한, 당 분야에 알려진 기타 첨가제, 용매 등을 추가적으로 포함할 수 있으며, 다양한 형태로 제제화하여 사용될 수 있다.In this case, the material may include a polymer material, a metal or a ceramic material, in which biosafety and biocompatibility have been confirmed. Non-limiting examples thereof include D, L-lactic acid glycolic acid copolymer, polylactic acid, polylactic acid copolymer, polymethyl methacrylate (PMMA), collagen, hyaluronic acid, calcium phosphate-based ceramic materials, and the like. In addition, other additives, solvents and the like known in the art may be additionally included, and may be used in various forms.
추가적으로, 본 발명은 (a) 실리카 제로겔생리활성 유기물 혼성 복합체; 및 (b) 상기 복합체 내 봉입될 수 있는 약리 물질을 포함하는 약물 전달용 캐리어(carrier)를 제공한다. In addition, the present invention (a) silica zero gel bioactive organic hybrid composite; And (b) provides a carrier for drug delivery containing a pharmacological material that can be encapsulated in the complex.
상기 복합체에 봉입될 수 있는 약리물질은 질병의 치료, 방지 또는 진단을 위한 물질이라면 특별한 제한이 없다. 이의 비제한적인 예로는 항암제, 항균제, 스테로이드류, 소염진통제, 성호르몬, 면역 억제제, 항바이러스제, 마취제, 항구토제 또는 항히스타민제 등이 있다. 또한, 전술한 성분 이외에 당 업계에 알려진 통상적인 첨가제, 예컨대 부형제, 안정화제, pH 조정제, 항산화제, 보존제, 결합제 또는 붕해제 등을 포함할 수 있다. The pharmacological substance that can be encapsulated in the complex is not particularly limited as long as it is a substance for treatment, prevention or diagnosis of a disease. Non-limiting examples thereof include anticancer agents, antibacterial agents, steroids, anti-inflammatory drugs, sex hormones, immunosuppressants, antiviral agents, anesthetics, antiemetics or antihistamines. In addition to the aforementioned components, it may also include conventional additives known in the art such as excipients, stabilizers, pH adjusters, antioxidants, preservatives, binders or disintegrants and the like.
이하, 본 발명에 따른 실시예 및 실험예들을 제시한다. 이러한 실시예, 실험예들은 본 발명의 구체적인 예를 제시하는 것일 뿐이므로, 본 발명의 범위가 이것들에 한정되는 것으로 이해되어서는 안되며, 다양한 다른 변형 및 변경들이 가능할 수 있음이 고려되어야 할 것이다.Hereinafter, examples and experimental examples according to the present invention are presented. Since these examples and experimental examples are only intended to present specific examples of the present invention, it should not be understood that the scope of the present invention is limited thereto, and that various other modifications and changes may be possible.
상술한 바와 같이, 본 발명은 열처리가 필요 없는 제조방법을 사용하므로 무기물과 열에 약한 유기물들과의 복합화를 손쉽게 이뤄낼 수 있으며 제조과정의 단순화로 경제적인 장점을 갖는다. 또한, 본 발명은 실리카 제로겔과 유기물 재료간의 복합화에 관한 것으로 다양한 생체의료용 유기재료에 함께 적용될 수 있다.As described above, since the present invention uses a manufacturing method that does not require heat treatment, the present invention can easily achieve complexation of inorganic materials with organic materials that are weak to heat, and has an economical advantage by simplifying the manufacturing process. In addition, the present invention relates to the composite between the silica zero gel and the organic material can be applied together in various biomedical organic materials.
유사생체실험을 통해 평가한 결과, 본 발명에 따른 솔젤법을 이용한 유무기 혼성 복합체의 제조방법과 그 방법에 의해 제조된 실리카 제로겔 무기물유기물 복합체는 생체적합성이 우수하여 경조직 분야에 이용되기 위한 잠재력을 지닌다. As a result of evaluating through similar biological experiments, the method for preparing an organic-inorganic hybrid composite using the sol-gel method according to the present invention and the silica zero gel inorganic organic composite prepared by the method have excellent biocompatibility and potential for use in hard tissue fields. Has
이상에서 본 발명은 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명되었지만 여기에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 당업자라면 자명하게 도출 가능한 많은 변형 예들을 포괄하도록 의도된 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어져야 한다.The present invention has been described above with reference to preferred embodiments, but is not limited thereto, and is interpreted by the appended claims, which are intended to cover many modifications that will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Should be done.
실시예Example 1. 실리카 1. Silica 제로겔키토산Zero Gel Chitosan 유/무기 혼성 복합체 제조 Organic / Inorganic Hybrid Composite Manufacturing
본 발명의 실리카 제로겔키토산 유무기 복합체를 도 1과 같이 제조하였다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 실리카 제로겔키토산 유무기 복합체의 제조 과정을 개략적으로 도시한 것이므로, 도면에 도시된 내용으로 만 한정되지 않고 변형 실시가 가능하다.Silica zero gel chitosan organic-inorganic composite of the present invention was prepared as shown in FIG. 1 is a view schematically illustrating a process for preparing a silica zero gel chitosan organic-inorganic composite, which is an embodiment of the present invention, and is not limited to the contents shown in the drawings.
실리카 제로겔키토산 유무기 복합체 제조를 위한 합성물을 제조하기 위해 우선 키토산 용액을 준비하였다. 키토산 용액은 산성용액을 사용하여 5% 키토산 용액을 만들었다. 이후 실리카 제로겔의 원료 시약인 TMOS(tetramethyl orthosilicate), 물, 촉매제(1N HCl)을 먼저 섞고 30분 동안 교반시켜 가수분해를 유도하였다. 교반을 통해 얻어진 실리카 제로겔 전채물과 준비해둔 키토산 용액을 10 : 90 부피% 범위로 혼합하여 실리카 제로겔키토산 유/무기 혼성 복합체를 만들기 위한 액상 합성물을 제조하였다. 상기 제조방법은 상온에서 실시되었다. A chitosan solution was first prepared to prepare a composite for preparing silica zero gel chitosan organic-inorganic complex. Chitosan solution was made of 5% chitosan solution using an acid solution. Thereafter, TMOS (tetramethyl orthosilicate), water, and catalyst (1N HCl), which are raw material reagents of silica zero gel, were first mixed and stirred for 30 minutes to induce hydrolysis. Silica zero gel appetizer obtained through agitation and the prepared chitosan solution were mixed in a range of 10:90 vol% to prepare a liquid composite for making a silica zero gel chitosan organic / inorganic hybrid composite. The manufacturing method was carried out at room temperature.
실시예Example 2 2
칼슘과 인이 포함된 실리카 제로겔을 만들기 위해서, 30분 동안의 교반 이후 칼슘(Ca)과 인(P)을 첨가하고 겔화가 일어나기 전까지 교반시켜 실리카 제로겔의 전채물을 제조한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 실리카 제로겔키토산 유/무기 혼성 복합체를 만들기 위한 액상 합성물을 제조하였다.In order to make silica zero gel containing calcium and phosphorus, except for preparing a whole product of silica zero gel by adding calcium (Ca) and phosphorus (P) after stirring for 30 minutes and stirring until gelation occurred. In the same manner as in Example 1, a liquid composite for preparing silica gel zero chitosan organic / inorganic hybrid composite was prepared.
실시예Example 3 3
실리카 제로겔 전채물과 키토산 용액을 10 : 90 부피% 범위 대신 20 : 80 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하였다. The same method as in Example 1 was carried out except that the silica gel preparation and the chitosan solution were changed to 20: 80% by volume instead of in the range of 10: 90% by volume.
실시예Example 4 4
실리카 제로겔 전채물과 키토산 용액을 10 : 90 부피% 범위 대신 30 : 70 부 피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하였다. The same method as in Example 1 was performed except that the silica zero gel appetizer and chitosan solution were changed to 30: 70% by volume instead of in the range of 10: 90% by volume.
실시예Example 5 5
실리카 제로겔 전채물과 키토산 용액을 10 : 90 부피% 범위 대신 40 : 60 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하였다. The same method as in Example 1 was performed except that the silica zero gel appetizer and the chitosan solution were changed to 40: 60 vol% instead of the 10: 90 vol% range.
실시예Example 6. 6. 차폐막Shield 제조 Produce
하기 표 1에 나타난 조성비를 갖는 실리카 제로겔키토산 합성물을 제조하고, 그 액상의 합성물을 96% 에탄올에 천천히 적가하였다. 충분히 섞이도록 2시간 동안 교반시킨 후 pH 7 정도로 묽은 암모니아수를 첨가하여 중화시키고 약 1시간 동안 교반시켰다. 중화까지 마친 합성물은 여과를 통해 수분을 제거하였으며, 건조 및 세척 과정을 통해 실리카 제로겔키토산 복합 차폐막을 제조하였다. Silica zero gel chitosan composite having the composition ratio shown in Table 1 was prepared, and the liquid composite was slowly added dropwise to 96% ethanol. The mixture was stirred for 2 hours to be sufficiently mixed, neutralized by adding dilute ammonia water to pH 7 and stirred for about 1 hour. The composite was neutralized to remove moisture through filtration, and a silica zero gel chitosan composite shielding membrane was prepared by drying and washing.
비교예Comparative example 1 One
제로겔을 사용하지 않고, 키토산 단독 물질(pure CTS)을 사용하였다. Chitosan alone (pure CTS) was used without using zero gels.
실험예Experimental Example 1. 물성 평가 1. Property evaluation
본 발명에 따른 실리카 제로겔키토산 혼성 복합체의 표면 상태, 미세 조직, 생체 특성을 하기와 같이 수행하였다.The surface state, microstructure, and biological properties of the silica zero gel chitosan hybrid composite according to the present invention were performed as follows.
1-1. 표면 상태1-1. Surface condition
도 2는 본 발명에 따라 제조된 실리카 제로겔키토산 혼성 복합체의 표면 상태를 보여주는 주사전자현미경 사진이다. 이때, 유무기 혼성 복합체 중 ⓐ는 제로겔의 함량이 적은 경우이며 ⓑ는 제로겔의 함량이 많은 복합체의 사진이다. 2 is a scanning electron micrograph showing the surface state of the silica zero gel chitosan hybrid composite prepared according to the present invention. In this case, ⓐ in the organic-inorganic hybrid complex is a case where the content of the zero gel is small and ⓑ is a photograph of the composite having a high content of zero gel.
도 2에서 보는 바와 같이, 100% 순수 키토산만 사용해 제조한 재료의 표면(pure CTS)은 비교적 매끈한 것에 비해, 제로겔의 함량이 높아질수록 표면의 거칠기는 커진다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 도 2의 사진들을 통해, 본 발명의 제로겔키토산 혼성 복합체는 전체적인 면에서 매우 균일한 형태를 갖는다는 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 2, the surface (pure CTS) of the material prepared using only 100% pure chitosan was relatively smooth, and as the content of zero gel increased, the surface roughness was increased. In addition, it can be seen from the photographs of FIG. 2 that the zero gel chitosan hybrid composite of the present invention has a very uniform shape as a whole.
1-2. 미세조직1-2. Microstructure
도 3은 투과전자현미경(TEM)을 통해 관찰된 실리카 제로겔키토산 혼성 복합체의 미세조직을 보여주는 사진이다. Figure 3 is a photograph showing the microstructure of the silica zero gel chitosan hybrid composite observed through a transmission electron microscope (TEM).
사진에서 보이는 나뭇가지 모양의 검은 물질은, 실리카 제로겔키토산 합성물 형성 과정 중에 솔젤(solgel) 반응을 통해 유기물 내에 형성된 실리카 제로겔을 나타내는 것으로서, 실리카 규산염 구조의 대표적인 fractal structure를 보여주는 것이다. The twig-shaped black material shown in the photograph represents silica zero gel formed in the organic material through a solgel reaction during the formation of the silica zero gel chitosan compound, and shows a representative fractal structure of the silica silicate structure.
1-3. 생체 특성 평가1-3. Biometrics evaluation
도 4는 생체재료의 생체특성을 평가하기 위해 일반적으로 행해지는 미네랄 성분의 형성 실험을 통해 얻은 사진을 시간의 흐름에 따라 배열한 것으로서, 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰된 이미지들이다. FIG. 4 is an image observed through a scanning electron microscope (SEM), arranged over time, photographs obtained through experiments on the formation of mineral components, which are generally performed to evaluate the biocharacteristic of a biomaterial.
유사 생체 용액(SBF)에 재료를 담구고 14일 동안 관찰했을 시, 100% 순수 키토산의 경우 14일 동안 미량의 미네랄 성분조차도 형성되지 않은 것에 비해, 본 발명의 제로겔키토산의 복합체는 1일 때부터 표면에 미네랄 성분이 석출되기 시작하였으며, 14일 경과시 표면이 완벽하게 미네랄 성분으로 덮였다는 것을 알 수 있었다. 이는 대조군인 100% 순수 키토산과 비교했을 때, 실리카 제로겔키토산 복합체의 생체적합성이 매우 우수하다는 것으로 해석된다. When the material was soaked in an analogous biological solution (SBF) and observed for 14 days, the complex of zero-gel chitosan of the present invention was found to be 1 in comparison with 100% pure chitosan, which did not form a trace mineral component for 14 days. Mineral components began to precipitate on the surface, and after 14 days, the surface was completely covered with the mineral component. This is interpreted to be very good biocompatibility of the silica zero gel chitosan complex when compared to the control 100% pure chitosan.
또한 본 발명의 제로겔키토산 혼성 복합체 내 미네랄 성분의 침척 정도는 제로겔의 조성비 및 성분(칼슘과 인의 함유 여부)에 따라 다르게 나타났다. 즉, 제로겔의 함량이 높을수록, 또한 칼슘과 인이 포함된 제로겔을 사용한 복합체의 경우 미네랄 성분의 형성 속도가 더 빨라지는 것을 보여주었다. In addition, the degree of infiltration of mineral components in the zero gel chitosan hybrid composite of the present invention was different depending on the composition ratio and components (containing calcium and phosphorus) of the zero gel. In other words, the higher the content of the zero gel, the faster the formation of minerals in the case of the composite using a gel and zero gel containing phosphorus.
실험예Experimental Example 2. 독성 및 생체적합성 평가 2. Toxicity and Biocompatibility Assessment
유사생체실험은 재료의 생체특성을 평가하는 방법으로 재료의 독성(toxicity) 및 생체적합성(biocompatibility)을 측정하는 실험이다. 도 5와 도 6은 분화가 일어나기 전의 세포를 이용한 유사생체실험(in vitro)을 통해 도출된 결과들이다. Similar bioassay is an experiment to evaluate the toxicity and biocompatibility of a material by evaluating the biocharacteristic of the material. Figures 5 and 6 are the results obtained through in vivo experiments using cells before differentiation occurs.
2-1. 독성 유무 및 세포 반응성2-1. Toxicity and Cellular Reactivity
도 5는 세포부착 실험 결과로, 공초점 레이져 주사현미경 (CLSM)을 통해 세포부착(attachment)을 확인했다. 세포부착 실험은 세포를 재료 위에 분주하고 몇 시간 후 세포의 형태관찰로 간단하게 재료의 독성유무 및 초기 세포 반응성을 확인하는 실험이다. FIG. 5 shows the cell attachment experiments. The cell attachment was confirmed through a confocal laser scanning microscope (CLSM). The cell adhesion experiment is an experiment in which the cells are dispensed on the material and after several hours, the morphology of the cells is simply used to confirm the toxicity of the material and the initial cell reactivity.
참고로, 붉게 보이는 물질이 시편 위에 부착된 세포로서, 건강한 세포는 잘 펴져서 자라고, 둥근 모양은 죽어가는 세포를 나타낸다. For reference, the red-looking substance is a cell attached to the specimen, and healthy cells are well spread and grow, and the round shape represents dying cells.
실험 결과, 대조군인 순수 키토산과 실리카 제로겔키토산 복합체 모두에서 붉게 보이는 세포가 잘 펴져서 붙어있는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 순수 키토산 위에서 배양된 세포 중 활성화되지 못하고 둥글게 죽어가는 것이 확인되었다. 도 5를 통해 실리카 제로겔키토산 혼성 복합체가 세포와의 친화력이 순수 키토산보다 현저히 우수하다는 것을 알 수 있었다.As a result of the experiment, it was confirmed that the cells that appeared red in both the pure chitosan and silica zero gel chitosan complexes were expanded and attached well. However, it was confirmed that the cells incubated on pure chitosan could not be activated and die round. 5 shows that the silica zero gel chitosan hybrid complex has significantly superior affinity with cells than pure chitosan.
2-2. 생체적합성2-2. Biocompatibility
도 6은 본 발명에 의한 실리카 제로겔키토산 복합체들 위에서 배양된 세포의 분화능력을 측정한 그래프로서, 알칼라인 효소의 활동성을 분석해 재료간의 생체적합성을 비교해 나타냈다. FIG. 6 is a graph measuring the differentiation capacity of cells cultured on silica zero gel chitosan complexes according to the present invention, and comparing the biocompatibility between materials by analyzing the activity of alkaline enzymes.
실험 결과, 실리카 제로겔키토산 복합체의 알칼라인 효소의 활동성은 제로겔의 조성비 및 성분(칼슘과 인의 함유 여부)에 따라 다르게 나타났다. 즉, 순수 키토산을 사용한 경우보다, 제로겔과 키토산을 이용하여 혼성 복합체를 이룬 경우 분화능력이 높게 측정되었으며, 특히 제로겔의 함량이 높을수록 생체적합성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 나아가, 칼슘과 인이 함유된 제로겔을 이용한 경우 혼성 복합체의 분화능력이 2배 이상 월등히 높게 평가되었다. As a result, the activity of alkaline enzyme of silica zero gel chitosan complex was different depending on the composition ratio and component (containing calcium and phosphorus) of zero gel. That is, the differentiation ability was measured when the hybrid complex was formed using zero gel and chitosan than when using pure chitosan, and in particular, the higher the content of zero gel, the higher the biocompatibility. Furthermore, the differentiation capacity of the hybrid composite was significantly higher than that of the zero gel containing calcium and phosphorus.
이로써, 본 발명의 실리카 제로겔키토산 혼성 복합체는 생체 적합성이 우수하고 경조직 분야에 이용될 수 있다는 것이 입증되었다.As such, it has been demonstrated that the silica zero gel chitosan hybrid composite of the present invention has excellent biocompatibility and can be used in the field of hard tissue.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 생체의료용 실리카 제로겔키토산 유무기 복합체의 제조 과정을 개략적으로 도시한 공정도이다.1 is a process diagram schematically showing a manufacturing process of a silica gel zero gel chitosan organic-inorganic composite for biomedical use in accordance with an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실리카 제로겔키토산 복합체와 대조군인 순수한 키토산의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.Figure 2 is a photograph of the surface of the silica zero gel chitosan complex of the present invention and pure chitosan as a control group by scanning electron microscope (SEM).
도 3은 투과전자현미경(TEM)을 통해 관찰된 나노 크기의 실리카 제로겔키토산 복합체의 미세조직을 보여주는 도이다.Figure 3 is a view showing the microstructure of the nano-size silica zero gel chitosan complex observed through a transmission electron microscope (TEM).
도 4는 실시예 5의 실리카 제로겔키토산 혼성 복합체와 대조군인 키토산을 생체유사액(body simulated fluid :SBF)에 14일 동안 담구고 미네랄 성분이 석출되는 과정을 보여주는 사진이다.FIG. 4 is a photograph showing a process of immersing silica zero gel chitosan hybrid composite of Example 5 and chitosan as a control in a body simulated fluid (SBF) for 14 days and depositing a mineral component.
도 5는 공초점 레이져 주사현미경을 이용하여 관찰된 세포부착 실험 결과를 보여주는 사진이다. 5 is a photograph showing the results of cell adhesion experiments observed using confocal laser scanning microscope.
도 6은 본 발명의 실리카 제로겔키토산 혼성 복합체와 대조군인 키토산의 세포분화능력(Alkaline Phosphptase activity)을 평가한 결과 그래프이다. 6 is a graph showing the results of evaluating the cell differentiation ability (Alkaline Phosphptase activity) of the chitosan silica gel control group and the silica gel gel gel composite of the present invention.
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