KR101043628B1

KR101043628B1 - 세라믹-고분자 복합체 제조방법

Info

Publication number: KR101043628B1
Application number: KR1020090115313A
Authority: KR
Inventors: 이상훈
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-06-22
Also published as: KR20110058498A

Abstract

고분자 지지체 표면에 세라믹 결정을 코팅한 후 열처리를 통해 세라믹-고분자 복합체를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 세라믹-고분자 복합체 제조방법은 본 발명에 따른 세라믹-고분자 복합체 제조방법은, (a) 열가소성 고분자 지지체 표면에 세라믹 결정을 코팅하는 단계; 및 (b) 상기 세라믹 결정이 코팅된 고분자 지지체를 열처리하여 상기 고분자 지지체 내로 상기 세라믹 결정을 적어도 일부 함입시키는 단계;를 포함한다. 본 발명은 기존 방법과는 달리 고가의 장비나 세라믹과 고분자 상간의 화학적 결합이 필요 없고 코팅된 세라믹 결정의 양, 세라믹 결정의 분포, 열처리 온도, 혹은 열처리 시간을 조절하여 세라믹 결정이 고분자 내부로 함입되는 정도를 달리할 수 있을 뿐만 아니라 열처리 후 세라믹 결정을 재 코팅하는 공정을 통하여 복합체 표면의 화학적/물리적 조성을 선택적으로 결정할 수도 있다. 이 방법은 특히 세라믹과 고분자간의 화학적 결합이 제한되는 임플란트 재료 용도로 사용하기에 용이한 특징이 있다.

복합체, 세라믹, 고분자, 열처리

Description

세라믹-고분자 복합체 제조방법 {Method for preparing ceramic-polymer composite}

본 발명은 세라믹-고분자 복합체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 고분자로 지지체를 제조하고 그 표면에 세라믹 결정을 코팅한 후 열처리하여 표면에 코팅된 세라믹 결정이 열이 가해짐에 따라 점도가 낮아진 고분자 지지체 내부로 함입되어 세라믹-고분자 복합체를 형성하게 하는 방법에 관한 것이다.

현재까지 세라믹-고분자 복합체를 제조하는 방법에는 열가소성 수지를 녹인 후 여기에 세라믹 분말을 첨가하여 압출 혹은 사출 성형하거나, 고분자를 유기용매에 용해시킨 후 세라믹 분말을 첨가하여 혼합한 후 일정 형태의 용기에 부어 만드는 솔벤트 캐스팅(solvent casting) 방법이 있다. 그런데 고분자는 소수성이고 세라믹은 친수성이다 보니, 이 방법들은 모두 세라믹과 고분자간의 서로 다른 젖음성(wettability) 차이로 인하여 고분자 기지상 내에 세라믹 분말의 균일한 분산이 불가능하다. 그 때문에 분산제를 사용해야만 하고 분산제를 첨가하더라도 세라믹 분율을 40% 이상 증가시키는 것이 불가능하다는 단점이 있다. 또한 솔벤트 캐스팅 방법은, 캐스팅 후 고분자 용액에 비해 상대적으로 비중이 큰 세라믹 분말들이 고 분자 용액의 하단부에 침전하여 이것이 고형화됐을 때 시편 상하 쪽의 조성이 달라지기 때문에 매우 얇은 지지체만이 제조가 가능하다는 단점이 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 특정 작용기를 갖는 고분자에 실란커플링제를 결합시킨 후 금속 알콕사이드와 졸-겔 방법을 통하여 나노복합체를 제조하는 방법 등이 개발되었다. 그런데, 이는 고분자와 실란커플링제간에 새로운 화학결합이 발생하므로 체내에 매식하는 임플란트용 재료로의 응용이 어렵다.

또한 고분자 표면에 플라즈마 방전 처리 등을 통하여 특정 작용기를 형성시키고 여기에 실란커플링제를 결합시킨 뒤 다시 실리카-칼슘 용액과 반응시킨 후 이를 사람 혈청 중의 무기이온 조성과 농도를 비슷하게 제작한 의사체액 중에 침적시켜 표면에 아파타이트 상을 코팅하는 방법이 개발되었으나, 이도 앞서의 예와 마찬가지로 새로운 화학결합이 발생할 뿐만 아니라 공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고가의 특수 장비나 분산제 혹은 실란커플링제의 사용과 같은 새로운 화학결합의 도입 없이 세라믹과 고분자의 복합체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 세라믹-고분자 복합체 제조방법은, (a) 열가소성 고분자 지지체 표면에 세라믹 결정을 코팅하는 단계; 및 (b) 상기 세라믹 결정이 코팅된 고분자 지지체를 열처리하여 상기 고분자 지지체 내로 상기 세라믹 결정을 적어도 일부 함입시키는 단계;를 포함한다.

상기 세라믹 결정은 상기 고분자 지지체 표면에 부분적으로 코팅하거나 균일한 층을 형성하도록 코팅할 수 있고, 상기 세라믹 결정의 코팅 및/또는 상기 열처리는 수차례에 걸쳐 수행이 가능하다. 특히 상기 (a) 단계와 (b) 단계를 번갈아 여러 번 수행할 수 있다.

상기 복합체 표면에 세라믹 결정을 재코팅하는 단계를 더 포함할 수도 있는데, 이 때 단백질, 성장인자 및 약물 중 적어도 어느 하나를 더 포함시킬 수도 있다.

상기 열처리시 열처리 온도와 시간을 조절하면 상기 세라믹 결정을 상기 고분자 지지체 내로 함입시키는 정도를 조절할 수 있다.

기타 실시예의 구체적 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 고분자 지지체 표면에 세라믹 결정을 코팅한 후 적절한 열처리를 통하여 고분자 지지체 표면에 코팅된 세라믹 결정이 열이 가해짐에 따라 점도가 낮아진 고분자 지지체 내부로 함입되어 세라믹-고분자 복합체를 제조할 수 있다. 이를 통해 기계적 물성과 세라믹 결정의 접착강도를 증가시킬 수 있다. 이 방법은 기존의 복합체 제조 방법과는 달리 세라믹 분말과 고분자를 혼합하는 고가의 장비가 필요 없고 세라믹과 고분자간의 화학결합 없이도 세라믹 결정을 고분자 지지체 내부에 균일하게 혼합할 수 있다.

세라믹 분말을 고분자 내에 분산시키기 위하여 사용되는 생체적합성이 좋지 않은 분산제나 실란커플링제와 같은 화학물질을 사용하지 않는다. 이에 따라 제품의 안전성과 신뢰성이 뛰어나고 대량생산이 가능하다. 따라서, 임플란트용 소재에의 적용에 적합한 장점이 있다.

기존 방법은 분산제를 첨가하더라도 세라믹 분율을 40% 이상 증가시키는 것이 불가능하나 본 발명에 따르면 제약이 없다. 또한 시편 상하 쪽의 조성이 달라질 우려가 없어 두꺼운 고분자 지지체를 이용하여 제조할 수도 있다.

또한, 세라믹 결정 코팅과 열처리만으로 세라믹-고분자 복합체 제조가 가능하여 간단한 공정으로 복합체를 제조할 수 있어 대량 생산에 유리하다. 본 발명에 따라 제조되는 세라믹-고분자 복합체는 코팅되는 세라믹 결정의 크기에 따라 나노와 마크로 복합체를 제조할 수 있다.

뿐만 아니라, 세라믹-고분자 복합체 제조 후 세라믹 결정을 재코팅하는 공정을 통하여 세라믹, 고분자, 세라믹-고분자 복합체, 약물이나 펩타이드 혹은 단백질이 함유된 세라믹 혹은 약물이나 펩타이드 혹은 단백질이 함유된 세라믹-고분자 복합체 등 복합체의 표면 조성을 임의적으로 선택할 수도 있다.

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 세라믹-고분자 복합체 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 2 내지 도 9는 그에 따른 다양한 복합체 제조공정의 개략도들이다.

먼저 도 1과 도 2를 참조하면, 우선, 단계 s1에서, 방법과 형태에 상관없이 고분자 지지체(20)를 제조한다. 이미 제조된 고분자 지지체를 준비하는 것도 이 단계와 동일하다. 단, 이 때 사용되는 고분자는 열을 가하였을 때 연화되는 성질을 갖는 열가소성 고분자여야 한다.

다음 단계 s2에서는 단계 s1에서의 고분자 지지체(20) 표면에 방법과 형상에 상관없이 세라믹 결정(10)을 코팅한다. 여기서 세라믹 결정이라는 용어는 세라믹 분말 혹은 과립을 포함하는 의미로 사용하였다.

이 때 세라믹 결정(10)을 고분자 지지체(20) 표면에 균일하고 연속적으로 코팅하여 균일한 세라믹 층을 형성시킬 수도 있고 혹은 불균일하고 무작위로 세라믹 결정을 코팅시킬 수도 있으며, 그 코팅 형태나 코팅 층의 두께는 고분자 지지체의 두께와 세라믹 결정의 함입 깊이를 고려하여 결정하도록 한다. 도 2의 (a)에는 고분자 지지체(20) 표면에 세라믹 결정(10)을 부분적으로 코팅한 상태를 도시하였다.

단계 s3에서는 열처리를 통하여 고분자 지지체(20) 표면에 코팅된 세라믹 결정(10)을 연화된 고분자 지지체(20) 내부로 함입시켜 복합체를 제조한다. 이 때, 세라믹 결정(10)이 코팅된 고분자 지지체(20)가 모든 부분에서 균일하게 열을 받도록 하여야 한다. 이 때 사용되는 고분자의 종류에 따라 열처리 온도와 시간이 다르게 적용되는데, 열처리 온도와 시간 및 코팅되는 세라믹 결정(10)의 형태를 조절하 여 코팅된 세라믹 결정(10)이 고분자 지지체(20) 내부로 함입되는 깊이와 양을 조절하거나 용융된 고분자가 세라믹 결정 사이로 상승하여 복합화를 유도할 수 있다.

즉, 도 2의 (a)에서와 같이 세라믹 결정(10)을 고분자 지지체(20)의 두께보다 얇고 불균일하게 코팅하여, 뒤따르는 단계 s3에서 열처리 후 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 고분자 지지체(20) 표면부에 세라믹 결정(10)들의 일부만 함입되도록 할 수 있다. 이러한 형태를 세라믹 결정의 표면 부분 함입형 세라믹-고분자 복합체 구조라고 칭한다.

아니면 도 3의 (a)에서와 같이 세라믹 결정(10)을 고분자 지지체(20)의 두께보다 얇고 불균일하게 코팅하는 것은 도 2의 (a)와 동일하게 하여도, 열처리 온도와 시간을 조정하여 세라믹 결정(10)이 고분자 지지체(20) 표면 하단부로 도 3의 (b)와 같이 완전히 함입되게 할 수도 있다. 도 3의 (b) 형태는 세라믹 결정의 표면 근위 함입형 세라믹-고분자 복합체라고 하겠다.

또한 세라믹 결정 코팅 단계 s2와 열처리 단계 s3를 번갈아 여러 번 수행하여, 즉 도 4의 (a)와 같이 고분자 지지체(20) 위에 세라믹 결정(10)을 코팅한 후 도 4의 (b)에서처럼 열처리하여 도 3의 (b)에서 본 바와 같은 세라믹 결정의 표면 근위 함입형 세라믹-고분자 복합체를 만든다. 그런 다음, 복합체 위에 도 4의 (c)처럼 다시 세라믹 결정(10)을 코팅하고 열처리를 수행하면, 최종적으로 도 4의 (d)와 같이 고분자 지지체(20) 두께만큼 세라믹 결정(10)이 함입되도록 할 수도 있다. 이것은 세라믹 결정의 내부 균일 함입형 세라믹-고분자 복합체라고 할 수 있다.

뿐만 아니라 도 5를 참조하면, 도 5의 (a) 내지 (d)는 도 4의 (a) 내지 (d) 에 각각 대응되는 동일한 공정을 수행하여 일단 도 4의 (d)와 같은 세라믹 결정의 내부 균일 함입형 세라믹-고분자 복합체를 제조하는 것을 나타낸다. 그런 다음, 도 5의 (e)에서와 같이 복합체 위에 세라믹 결정(10')을 재코팅함으로써, 고분자 지지체(20) 내부에는 고분자 지지체(20) 두께만큼 세라믹 결정(10)이 채워지고 표면에는 세라믹 결정(10')이 불균일하게 코팅된 구조로 만들 수도 있다. 도 5의 (e) 구조는 불균일한 세라믹 결정 코팅 표면층을 갖는 세라믹 결정 내부 균일 함입형 세라믹-고분자 복합체라고 하면 되겠다.

나아가, 도 6의 (a)와 같이 고분자 지지체(20) 위에 세라믹 결정(10) 코팅하고 열처리하여 (b)와 같이 복합체를 만들고, 다시 (c)와 같이 세라믹 결정(10)을 코팅하고 열처리하여 (d)와 같이 고분자 지지체(20) 내부를 세라믹 결정(10)으로 채운 후, 그 위에 다시 세라믹 결정(10)을 코팅하고 앞의 열처리 시간보다 짧게 및/또는 앞의 열처리 온도보다 낮게 열처리를 시행하여 (e)처럼 고분자 지지체(20) 내부에는 세라믹 결정(10)이 채워지고 표면부에 세라믹 결정(10')들의 일부만 함입되도록 할 수도 있다. 이것은 불균일한 세라믹 결정 코팅층이 고분자 지지체 표면에 부분 함입된 표면층을 갖는 세라믹 결정 내부 균일 함입형 세라믹-고분자 복합체라고 할 수 있다.

그리고 도 7을 참조하면, 도 7의 (a) 내지 (d)는 도 6의 (a) 내지 (d)에 각각 대응되는 동일한 공정을 수행하여 일단 도 6의 (d)와 같은 세라믹 결정의 내부 균일 함입형 세라믹-고분자 복합체를 제조하는 것을 나타낸다. 그런 다음, (e)에서와 같이 그 위에 균일한 세라믹층(30)을 코팅하여 균일한 세라믹 결정 코팅 층을 갖는 세라믹 결정 내부 균일 함입형 세라믹-고분자 복합체로 제조할 수도 있다.

이는 또 도 8의 (a)와 같이 고분자 지지체(20) 표면에 균일하고 밀도가 높은 세라믹층(30)을 형성시킨 후, 적절한 온도와 시간 동안 열처리하여, 도 8의 (b)에서처럼 세라믹층(30)을 구성하는 세라믹 결정 사이에 형성된 모세관 힘에 따라 용융된 고분자가 세라믹층(30)의 일부까지만 상승, 내부는 순수한 고분자 지지체(20)로 존재하고 고분자 지지체(20) 위로는 세라믹-고분자 복합층(30')을 이루며 상부는 순수한 세라믹층(30)으로 이루어진 형태로 제작할 수 있다. 이것은 고분자 지지체 표면에 고분자와 부분 혼합된 균일한 세라믹 결정 코팅 층을 갖는 코어/림 구조형 세라믹-고분자 복합체 구조라고 부르겠다.

또한 도 9의 (a)와 같이 고분자 지지체(20) 표면에 균일하고 밀도가 높은 세라믹층(30)을 형성시키는 것은 도 8의 (a)와 동일하지만, 열처리 시간을 길게 하거나 열처리 온도를 상승시켜 고분자 용액이 고분자 지지체(20) 표면에 형성된 세라믹층(30)을 완전히 덮어 도 9의 (b)와 같이 내부에는 고분자 지지체(20)가 존재하고 바깥쪽에는 세라믹-고분자 복합층(30')이 형성되게 할 수도 있다. 이것은 고분자 지지체 표면에 고분자와 완전 혼합된 균일한 세라믹 결정 코팅 층을 갖는 코어/림 구조형 세라믹-고분자 복합체라고 할 수 있다.

또한 사용되는 세라믹 결정의 크기에 따라 제조 공정상의 변화 없이 나노 혹은 마크로 복합체로의 전환이 용이하고 코팅과 열처리 조건에 따라 세라믹과 고분자간의 조합되는 형태를 다양하게 할 수 있으며, 더 나아가서는 지금까지 고분자 표면에 세라믹 결정을 물리적으로 코팅 후 발생하는 세라믹 결정의 이탈 현상을 효 과적으로 억제할 수 있다. 세라믹-고분자 복합체 제조 시의 이러한 공정상의 이점들은 특히 세라믹-고분자 복합체를 임플란트 소재로 응용할 때 더욱 중요한데, 이는 기존의 세라믹-고분자 복합화 공정들 대부분이 세라믹과 고분자간의 상 분리 현상을 억제하기 위해 인위적으로 커플링제를 사용하는데 이는 허가되지 않은 새로운 화학결합을 제약하는 체내 매식용 임플란트 소재에는 적합하지 않기 때문이다.

(실시예)

앞에서 설명한 본 발명에 따른 세라믹-고분자 복합체 제조방법에 따라 실시예 1 내지 19를 진행하였으며, 실시예와의 비교를 위한 비교예도 진행하였다.

실시예 1: 아파타이트의 표면 부분 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 2에 해당)

분자량 80,000의 폴리카프로락톤을 1,1,3,3-hexafluoro-2-propanol(HFIP) 용매에 10% 중량비로 용해시킨 후 이를 2 kV/cm의 전장 하에서 전기방사하였다.

도 10은 이렇게 제조된 폴리카프로락톤 부직포의 주사전자현미경(FE-SEM) 사진(× 1,000배 확대 사진)이다. 폴리카프로락톤 섬유의 굵기는 약 5 ㎛정도였으며 서로 무작위로 얽혀 있는 구조를 갖고 있다.

도 11(a)는 도 10과 같은 전기방사된 폴리카프로락톤 섬유 위에 아파타이트 결정을 불균일하게 코팅한 후의 SEM 사진(× 10,000배 확대 사진)으로서, 아파타이트 결정들은 불연속적으로 연결된 형태를 보인다. 도 11(b)는 도 11(a)의 시편을 70℃에서 1시간 열처리한 후의 SEM 사진(× 10,000배 확대 사진)으로서, 도 11(a)에서 폴리카프로락톤 섬유 표면에 존재하던 아파타이트 결정들은 일부만 폴리카프 로락톤 섬유 속으로 함입되고 일부는 표면 위에 그대로 노출된 것을 볼 수 있어, 도 2의 (b)에서 도식적으로 보여준 형태의 세라믹 결정 부분 함입형 복합체가 형성된 것을 알 수 있다.

실시예 2: 아파타이트의 표면 근위 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 3에 해당)

열처리 시간을 3시간 수행한 것 이외에는 실시예 1과 모두 동일하게 하였다. 도 12(a)는 도 11(a)와 마찬가지로, 전기방사된 폴리카프로락톤 섬유 위에 아파타이트 결정을 불균일하게 코팅한 후의 SEM 사진(× 10,000배 확대 사진)으로서 아파타이트 결정들은 불연속적으로 연결된 형태를 보인다. 도 12(b)는 도 12(a)의 시편을 70℃에서 3시간 열처리한 후의 SEM 사진(× 10,000배 확대 사진)이다. 도 12(a)에서 폴리카프로락톤 섬유 표면에 존재하던 아파타이트 결정들 모두가 섬유의 표면 바로 밑 부분으로 함입되어, 도 3의 (b)에서 도식적으로 보여준 형태의 세라믹 결정 표면 근위 함입형 복합체가 만들어진 것을 확인할 수 있다.

실시예 3: 아파타이트의 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 4에 해당)

도 13(a)는 아파타이트 결정을 불균일하게 1차 코팅한 후의 폴리카프로락톤 섬유를 촬영한 SEM 사진(× 10,000배 확대 사진)이다. 1차 열처리 시 70℃에서 3시간 동안 열처리를 수행하면 도 13(b)와 같이 아파타이트 결정을 섬유 표면 하단부에 함입시킬 수 있다(× 10,000배 확대 사진). 도 13 (c)(× 5,000배 확대 사진)와 같이 다시 2차적으로 아파타이트를 코팅한 후 70℃에서 3시간 동안 열처리하면, 도 13(d)(× 10,000배 확대 사진)에서 보는 것처럼 2차 코팅 시 생성된 아파타이트 결정이 섬유 안쪽으로 함입되어 섬유 내부까지 아파타이트 결정이 균일하게 함입된 아파타이트/폴리카프로락톤 복합체를 제조할 수 있다.

실시예 4: 불균일한 아파타이트 코팅 표면층을 갖는 아파타이트 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 5에 해당)

도 14(a)(× 5,000배 확대 사진), (b)(× 10,000배 확대 사진), (c)(× 1,000배 확대 사진) 및 (d)(× 5,000배 확대 사진)에서 보는 것처럼 실시예 3에서의 2차 열처리까지 진행한 후, 도 14(e)(× 10,000배 확대 사진)와 같이 다시 아파타이트를 불균일하게 3차 코팅한 것을 제외하고는 실시예 3과 모두 동일하다. 이렇게 하여 불균일한 아파타이트 코팅 표면층을 갖는 아파타이트 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체를 제조할 수 있었다.

실시예 5: 불균일한 아파타이트 결정 코팅층이 섬유 표면에 부분 함입된 표면층을 갖는 아파타이트 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 6에 해당)

실시예 4에서 불균일하게 아파타이트를 3차 코팅한 것까지 동일하게 진행하여 도 15(a), (b), (c)(모두 × 10,000배 확대 사진) 및 (d)(× 5,000배 확대 사진)의 결과를 얻었다. 그 후, 70℃에서 1시간 동안 열처리하여 도 15 (e)(× 10,000배 확대 사진)와 같이 불균일하게 코팅된 아파타이트 결정 층이 부분적으로 폴리카프로락톤 섬유 속에 함입된 복합체를 제조할 수 있었다.

실시예 6: 균일한 아파타이트 결정 코팅 층을 갖는 아파타이트 내부 균일 함 입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 7에 해당)

3차 아파타이트 코팅 층을 섬유 표면에 균일하게 코팅한 것 이외에는 실시예 5와 모두 동일하다. 즉, 코팅, 열처리, 코팅, 열처리의 과정을 거쳐 도 16(a)(× 5,000배 확대 사진), (b)(× 10,000배 확대 사진), (c)(× 5,000배 확대 사진) 및 (d)(× 10,000배 확대 사진)와 같은 결과를 얻은 후, 도 16(e)(× 10,000배 확대 사진)로 보이는 바와 같이 아파타이트 결정을 복합체 위에 균일하게 코팅하여 층을 형성함으로써, 균일한 세라믹 결정 코팅 표면층을 갖는 내부 균일 함입형 복합체로 제조하였다.

실시예 7: 폴리카프로락톤 섬유 표면에 폴리카프로락톤과 부분 혼합된 균일한 아파타이트 코팅 층을 갖는 코어/림 구조형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 8에 해당)

도 10과 같이 전기방사된 폴리카프로락톤 섬유 위에 도 17(a), (b)(모두 × 10,000배 확대 사진)와 같이 아파타이트 결정을 균일하게 코팅하고 이를 70℃에서 1시간 동안 열처리하여 도 17 (c)(× 10,000배 확대 사진) 및 (d)(× 30,000배 확대 사진)와 같이 융해된 폴리카프로락톤이 아파타이트 결정 층 사이에 형성된 모세관 압력에 의해 빨려 올라와 표면 아파타이트 층의 하단부에는 아파타이트와 폴리카프로락톤이 부분 혼합된 형태를 갖고 내부는 폴리카프로락톤 섬유로만 구성되어 있는 코어/림 구조형 아파타이트/폴리카프로락톤 복합체를 제조할 수 있었다.

실시예 8: 폴리카프로락톤 섬유 표면에 폴리카프로락톤과 완전 혼합된 균일한 아파타이트 코팅 층을 갖는 코어/림 구조형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 9에 해당)

열처리를 70℃에서 3시간 동안 수행한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일하게 진행하였다. 도 18(a), (b)(모두 × 10,000배 확대 사진)을 보면, 표면에는 아파타이트 결정 층 사이로 융해된 폴리카프로락톤이 모세관 압력에 의해 빨려 올라와 폴리카프로락톤과 아파타이트 층이 서로 완전히 혼합된 형태를 갖고 내부는 폴리카프로락톤 섬유로만 구성되어 있는 코어/림 구조형 아파타이트/폴리카프로락톤 복합체를 확인할 수 있다.

실시예 9: 불균일한 아파타이트 코팅 표면층에 단백질을 포함하는 아파타이트 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 5에 해당)

최종적으로 아파타이트를 불균일하게 3차 코팅할 때 콜라겐을 포함시킨 것을 제외하고는 실시예 4와 모두 동일하다.

실시예 10: 불균일한 아파타이트 코팅 표면층에 성장인자를 포함하는 아파타이트 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 5에 해당)

최종적으로 아파타이트를 불균일하게 3차 코팅할 때 성장인자로 BMP를 포함시킨 것을 제외하고는 실시예 4와 모두 동일하다.

실시예 11: 불균일한 아파타이트 코팅 표면층에 약물을 포함하는 아파타이트 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 부직포 복합체 제조 (도 5에 해당)

최종적으로 아파타이트를 불균일하게 3차 코팅할 때 항생제로 테트라사이클 린(tetracycline)을 포함시킨 것을 제외하고는 실시예 4와 모두 동일하다.

실시예 12: 아파타이트의 표면 부분 함입 형 아파타이트/폴리카프로락톤 필름 복합체 제조 (도 2에 해당)

솔벤트 캐스팅을 이용하여 제작한 폴리카프로락톤 필름을 아파타이트 코팅을 위한 지지체로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 모두 동일하다.

실시예 13: 아파타이트의 표면 근위 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 필름 복합체 제조 (도 3에 해당)

솔벤트 캐스팅을 이용하여 제작한 폴리카프로락톤 필름을 아파타이트 코팅을 위한 지지체로 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 모두 동일하다.

실시예 14: 아파타이트의 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 필름 복합체 제조 (도 4에 해당)

솔벤트 캐스팅을 이용하여 제작한 폴리카프로락톤 필름을 아파타이트 코팅을 위한 지지체로 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 모두 동일하다.

실시예 15: 불균일한 아파타이트 코팅 표면층을 갖는 아파타이트 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 필름 복합체 제조 (도 5에 해당)

솔벤트 캐스팅을 이용하여 제작한 폴리카프로락톤 필름을 아파타이트 코팅을 위한 지지체로 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 모두 동일하다.

실시예 16: 불균일한 아파타이트 결정 코팅층이 섬유 표면에 부분 함입된 표면층을 갖는 아파타이트 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 필름 복합체 제조 (도 6에 해당)

솔벤트 캐스팅을 이용하여 제작한 폴리카프로락톤 필름을 아파타이트 코팅을 위한 지지체로 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 모두 동일하다.

실시예 17: 균일한 아파타이트 결정 코팅 층을 갖는 아파타이트 내부 균일 함입형 아파타이트/폴리카프로락톤 필름 복합체 제조 (도 7에 해당)

솔벤트 캐스팅을 이용하여 제작한 폴리카프로락톤 필름을 아파타이트 코팅을 위한 지지체로 사용한 것을 제외하고는 실시예 6과 모두 동일하다.

실시예 18: 폴리카프로락톤 섬유 표면에 폴리카프로락톤과 부분 혼합된 균일한 아파타이트 코팅 층을 갖는 코어/림 구조형 아파타이트/폴리카프로락톤 필름 복합체 제조 (도 8에 해당)

솔벤트 캐스팅을 이용하여 제작한 폴리카프로락톤 필름을 아파타이트 코팅을 위한 지지체로 사용한 것을 제외하고는 실시예 7과 모두 동일하다.

실시예 19: 폴리카프로락톤 섬유 표면에 폴리카프로락톤과 완전 혼합된 균일한 아파타이트 코팅 층을 갖는 코어/림 구조형 아파타이트/폴리카프로락톤 필름 복합체 제조 (도 9에 해당)

솔벤트 캐스팅을 이용하여 제작한 폴리카프로락톤 필름을 아파타이트 코팅을 위한 지지체로 사용한 것을 제외하고는 실시예 8과 모두 동일하다.

비교예 1: 순수한 폴리카프로락톤 부직포

아파타이트가 전혀 코팅되지 않은 순수한 폴리카프로락톤 부직포를 실시예 1에 기술한 전기방사법으로 제조하였고 그 결과는 앞서 설명한 도 10과 같다.

비교예 2: 아파타이트 결정이 균일하게 도포된 폴리카프로락톤 부직포 (도 8 (a)의 경우)

실시예 7에서 도 17(a)의 시편과 같이 폴리카프로락톤 부직포 표면에 아파타이트 결정을 균일하게 도포한 후 열처리를 전혀 가하지 않았다.

비교예 3: 아파타이트 결정이 균일하게 도포된 폴리카프로락톤 필름

비교예 2에서 폴리카프로락톤 부직포 대신 폴리카프로락톤 필름을 사용한 것 이외에는 비교예 2와 모두 동일하다.

(실험예)

상기 실시예 1~19 및 비교예에서 제조한 복합체의 특성을 다음과 같은 방법에 의해 평가하였으며, 각 실시예 및 비교예의 공정 조건과 특성 평가 결과는 표 1로 정리하였다.

<아파타이트 결정 함입 정도>

아파타이트 결정의 함입 형태와 정도를 평가하기 위하여 시편의 파단면을 SEM을 이용하여 관찰하였으며, 아파타이트 결정과 고분자 지지체와의 상대적인 위치에 따라 표면 부분 함입형, 표면 근위 함입형, 내부 균일 함입형, 불균일 표면 도포/내부 균일 함입 혼합형, 표면 부분 함입/내부 균일 함입 혼합형, 균일 표면 도포/내부 균일 함입 혼합형, 아파타이트/아파타이트+폴리카프로락톤 복합체/폴리카프로락톤 층상구조 형, 아파타이트+폴리카프로락톤 복합체/폴리카프로락톤 층상구조 형으로 분류하였다.

<아파타이트 결정 함입 형태에 따른 기계적 물성 평가>

아파타이트 결정의 함입 형태와 정도에 따른 기계적 물성을 평가하기 위하여, 실시예와 비교예의 결과물을 이용하여 인장강도, 탄성률, 신장률을 측정하였다. 인장강도는 아파타이트가 전혀 코팅되지 않고 제조방법이 동일한 순수 고분자 대조군 시편과 비교하여 인장강도와 탄성률의 증가가 25% 이하이면 "없음", 25~50%이면 "소", 50~100%이면 "중", 100% 이상이면 "대"로 평가하였다. 한편 신장률은 아파타이트가 전혀 코팅되지 않고 제조방법이 동일한 순수 고분자 대조군 시편과 비교하여 신장률 감소가 25% 이하이면 "소", 25~50%이면 "중", 50~100%이면 "대"로 평가하였다.

<열처리에 따른 아파타이트 층의 접착력 평가>

열처리 조건에 따라 고분자 표면에 코팅된 아파타이트 결정이 고분자 지지체 내로의 함입 정도에 따른 아파타이트 층의 접착력을 평가하기 위하여 아파타이트 결정을 코팅 후 열처리를 하지 않은 시편과 열처리를 하여 아파타이트 결정이 고분자 지지체 속으로 일부 함입된 시편을 직경 20mm의 디스크 형태로 제작하였다. 그 후 각 시편의 표면을 100% 알코올로 세척 후 건조하고 ASTM D3359-08 부착테스트 방법에 따라 PA-2000 부착 테스트 테이프를 아파타이트가 코팅된 부분에 부착시키고 테이프를 떼어낸 뒤 SEM으로 표면을 사진으로 찍은 후 이미지 분석 소프트웨어를 이용하여 아파타이트 층의 탈락 정도를 평가하였다. 부착시험의 결과는 ASTM D3359-08에 따라 6가지로 분류하였는데 5B급은 전혀 탈락이 발생하지 않은 경우, 4B 급은 5% 이하로 탈락이 발생한 경우, 3B급은 5~15% 탈락이 발생한 경우, 2B급은 15~35% 탈락이 발생한 경우, 1B급은 35~65% 탈락이 발생한 경우, 0B는 65% 이상 탈락이 발생한 경우로 평가하였다.

<아파타이트 결정 함입 형태에 따른 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 5%이하이면 "없음", 10% 이하이면 "소", 10~30%이면 "중", 30% 이상이면 "대"로 성적을 평가하였다.

도 19는 순수한 폴리카프로락톤 부직포(비교예 1)와, 순수한 폴리카프로락톤 부직포 위에 아파타이트 결정을 코팅한 것(비교예 2), 및 이를 다시 열처리에 의해 아파타이트 코팅 결정을 부분 함입시킨 복합체(실시예 1)의 기계적 물성 변화를 평가한 그래프이고 표 2는 물성치이다.

도 19와 표 2에서 보는 바와 같이 비교예 1에서 제조한 순수한 폴리카프로락톤 부직포의 인장강도는 2.8 ± 0.2 MPa, 비교예 2에서와 같이 폴리카프로락톤 부직포 위에 아파타이트를 코팅 후 열처리를 하지 않은 지지체의 인장강도는 4.4 ± 0.3 MPa, 아파타이트를 코팅 후 열처리 하여 아파타이트 결정을 부분 함입시킨 경우는 12.2 ± 3.3 MPa여서 아파타이트 코팅 후 열처리 하였을 때 인장강도가 통계적으로 유의한 수준에서 증가한 것을 확인할 수 있다.

또한 표 2에서 보는 바와 같이 비교예 1에서 제조한 순수한 폴리카프로락톤 부직포의 탄성률은 120.7 ± 33.5 MPa, 비교예 2에서와 같이 폴리카프로락톤 부직포 위에 아파타이트를 코팅 후 열처리를 하지 않은 지지체의 탄성률은 152.6 ± 13.3 MPa, 아파타이트를 코팅 후 열처리 하여 아파타이트 결정을 부분 함입시킨 경우의 탄성률은 551.9 ± 50.5 MPa여서 아파타이트 코팅 후 열처리 하였을 때 인장강도 및 탄성률은 통계적으로 유의한 수준에서 증가한 것을 확인할 수 있었다.

또한 비교예 1에서 제조한 순수한 폴리카프로락톤 부직포의 신장률은 119.8 ± 32.5%, 비교예 2에서와 같이 폴리카프로락톤 부직포 위에 아파타이트를 코팅 후 열처리를 하지 않은 지지체의 신장률은 70.7 ± 24.6%, 아파타이트를 코팅 후 열처리 하여 아파타이트 결정을 부분만 함입시킨 지지체의 신장률은 7.2 ± 2.8%여서 아파타이트를 코팅 후 열처리를 하지 않았을 때는 고분자와 유사하게 연성의 질긴(ductile-tough) 파괴거동을 보이나 열처리를 한 경우는 세라믹과 같이 단단한 취성(hard-brittle) 파괴거동을 보이는 것을 알 수 있다.

도 20과 도 21은 열처리에 따른 아파타이트 층의 접착력 평가 결과로서 시험에는 실시예 12와 비교예 3에서 제조된 시편을 사용했다. 도 20은 접착력 평가 시험 후의 SEM 사진(× 40배 확대사진)이고, 도 21은 잔존 아파타이트의 양을 이미지 분석기를 이용하여 측정한 결과이다.

접착력 평가 시험 후 폴리카프로락톤 필름 위에 남은 아파타이트의 양은 실시예 12에서 제조된 시편의 경우 89%, 비교예 3에서 제조된 시편은 61% 잔류하여 실시예 12의 시편은 4B등급, 비교예 3의 시편은 1B 등급을 받아서 열처리 후 유의한 수준에서 아파타이트의 부착력이 증가함을 확인할 수 있었다.

신생골의 생성량은 순수한 아파타이트가 표면에 균일하게 코팅된 경우 가장 커서 "대"의 성적을 보였고 표면에 아파타이트가 불균일하게 코팅되었거나 아파타이트가 고분자 지지체 내부에 부분 함입된 경우는 "중"의 성적을 보였다. 한편 아파타이트 결정이 고분자 지지체 내부에 완전히 함입된 경우, 즉, 표면에 아파타이트 층이 없는 경우는 순수한 고분자의 경우 "없음"인데 반해 "소"의 성적을 보였다. 한편 아파타이트 층을 코팅 시 콜라겐과 같은 단백질, BMP와 같은 성장인자, 및 테트라사이클린과 같은 항생제를 포함시켰을 때 생물학적인 요인에 의해 신생골의 생성량이 "대"의 성적을 보여서 순수한 아파타이트 이외에 이와 같은 물질을 아파타이트 결정에 포함시키는 것이 신생골의 증가에 유리한 것을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단 내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹-고분자 복합체 제조방법을 도시한 순서도이다.

도 2 내지 도 9는 본 발명에 따른 다양한 세라믹-고분자 복합체 제조방법을 보여주는 제조공정의 개략도들이다.

도 10은 순수한 폴리카프로락톤 부직포의 SEM 사진이다.

도 11 내지 도 18은 본 발명에 따라 세라믹-고분자 복합체를 제조하는 실시예의 SEM 사진들이다.

도 19는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 인장강도를 측정한 결과이다.

도 20은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 접착력 평가 시험 후의 SEM 사진이다.

도 21은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 접착력 평가 시험 후 잔존 아파타이트의 양을 이미지 분석기를 이용하여 측정한 결과이다.

Claims

(a) 열가소성 고분자 지지체 표면에 세라믹 결정을 코팅하는 단계; 및

(b) 상기 세라믹 결정이 코팅된 고분자 지지체를 열처리하여 상기 고분자 지지체 내로 상기 세라믹 결정을 적어도 일부 함입시키는 단계; 를 포함하는 세라믹-고분자 복합체 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 결정은 상기 고분자 지지체 표면에 부분적으로 코팅하거나 균일한 층을 형성하도록 코팅하는 것을 특징으로 하는 세라믹-고분자 복합체 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계와 (b) 단계를 번갈아 여러 번 수행하는 것을 특징으로 하는 세라믹-고분자 복합체 제조방법.
제1항 또는 제3항에 있어서, 마지막 열처리 이후에 상기 복합체 표면에 세라믹 결정을 재코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-고분자 복합체 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 재코팅 시 단백질, 성장인자 및 약물 중 적어도 어느 하나를 더 포함시키는 것을 특징으로 하는 세라믹-고분자 복합체 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 열처리 시 열처리 온도와 시간을 조절하여 상기 세라믹 결정을 상기 고분자 지지체 내로 함입시키는 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 세라믹-고분자 복합체 제조방법.