KR101070345B1

KR101070345B1 - 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층, 생체 이식용 임플란트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101070345B1
Application number: KR1020100028216A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 이은정; 전신희
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-06
Also published as: KR20110003250A

Abstract

개시된 본 발명에 따른 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법은, a) 실리카 계열의 제로겔(silica zerogel)을 제조하는 단계, b) 상기 실리카 계열의 제로겔에 생리활성 유기물을 혼합하여 유무기 혼성 복합체를 형성하는 단계, c) 상기 유무기 혼성 복합체에 생체활성인자를 첨가하는 단계 및, d) 상기 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합체를 금속 또는 세라믹 지지체 기판 표면에 코팅하는 단계를 포함한다. 이에 의하면, 유무기 혼성 복합체를 금속 재료나 세라믹 표면에 코팅시킴으로써 금속 재료나 세라믹 표면의 강도와 생체 적합성 및 생체활성도를 모두 만족 및 증진시키는 효과가 있다. 또한 유무기 혼성 복합체에 생체활성인자를 첨가하고 유무기의 혼합 비율 조절에 의해 농도와 담지능 및 방출능 제어를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

Description

생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층, 생체 이식용 임플란트 및 그 제조방법{Organic/Inorganic hybrid coating layer containg body vitality factor, Biomedical implants and Method thereof}

본 발명은 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생체의료용 금속 또는 세라믹 표면에 형성되며 생체활성인자가 포함되고 생체 활성도가 높은 실리카 제로겔과 생리활성 유기물이 혼합된 혼성 복합 코팅층과, 이 유무기 혼성 복합 코팅층을 가지는 생체 이식용 임플란트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

의료용 임플란트, 인공 고관절 등(이하 '생체 이식용 임플란트')으로 티타늄, 스테인레스 스틸 합금, 코발트-크롬 합금 등과 같은 금속 재료나 알루미나, 지르코니아 등과 같은 생체 불활성 세라믹 재료 또는 수산화아파타이트(Hydroxyapatite)와 같은 생체 활성 세라믹 재료가 널리 사용되고 있다. 상기 재료 중에서 수산화아파타이트는 인체의 뼈나 치아와 유사한 성분으로 있어 가장 우수한 생체적합성을 갖고 있는 반면에, 강도가 낮고 쉽게 파괴가 일어나는 세라믹 특유의 약한 취성(brittleness) 때문에 우수한 생체 적합성에도 불구하고 골 대체제로써 한계를 지닌다.

보편적으로 사용되고 있는 다른 고강도 세라믹 재료나 금속 재료는 높은 기계적 강도를 특징으로 하나 생체적합성이 낮아 골 재생을 유도하는데 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 생체적합성이 좋은 수산화아파타이트와 같은 인산칼슘계 물질을 금속 또는 생체 불활성 세라믹 표면에 코팅하는 방법이 일반적으로 시행되고 있다.

한편, 최근에는 표면에 코팅된 생체활성도가 높은 무기물의 취성을 보완하고, 보다 생체 모방형(Biomimetic) 구조를 만들기 위하여 유기물과 함께 혼성 복합체를 만들려는 시도들이 이루어지고 있다. 그러나 대부분의 무기물은 제조 공정 중 열처리 과정을 필요로 하여, 유기물과의 혼성 복합화를 어렵게 만드는 요인이 되고 있다. 이를 해결하기 위해 본 출원인에 의해 출원되고 공개된 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0044858호는 생체의료용 실리카 제로겔 키토산 유무기 하이브리드 복합체 및 그 제조방법을 개시하고 있는데, 이에 의하면 별도의 열처리 없이 상온 과정에서 졸겔법(solgel)을 이용하여 무기물과 유기물의 혼성 복합체를 제조할 수 있게 된다.

한편, 임플란트 또는 인공 고관절을 인체에 시술한 후에, 손상된 부위의 회복시간과, 임플란트 또는 인공 고관절과 뼈가 안정적으로 결합하는 시간을 단축시키고, 수술이 끝난 후 초기에 발생할 수 있는 급성 염증을 방지하여 임플란트 또는 인공 고관절과 뼈와의 골유착 기간을 단축시켜 회복을 촉진시키기 위해 항생제와 같은 약물이나, 성장인자나 인슐린과 같은 단백질을 표면에 코팅하는 방안이 연구되고 있다.

임플란트 표면에 약물을 코팅하는 방법은 크게 세 가지 기술로 나누어질 수 있다.

첫째는 임플란트 표면에 약물이 혼합된 기능성 고분자를 코팅하는 방법이다. 상기 기능성 고분자 코팅법은 고분자가 쉽게 열화되거나, 변질되는 문제와 생체 적합성이 나쁜 문제가 있다.

둘째는 임플란트 표면 위에 수산화 인회석 코팅층을 형성시킨 후 그 위에 약물을 물리적으로 흡착시키는 방법이다. 상기 물리적 흡착법은 표면에 흡착된 약물의 방출 속도 제어가 어렵다는 문제가 있다.

셋째는 생체모방(Biomimetic) 코팅법을 이용하여 수산화아파타이트와 약물을 동시에 복합화시키는 방법으로, 적절한 pH 하에서 Ca과 P 성분을 함유하는 수용액으로부터 Ca² ⁺, PO₄ ³ ^- 이온을 석출시켜 생성된 수산화아파타이트 결정을 임플란트 표면에 코팅되는 방법으로서 상기 수용액에 약물을 첨가함으로써 수산화 인회석과 약물을 동시에 코팅을 가능하게 한다. 상기 생체모방법은 이온의 석출을 이용하기 때문에, 코팅층의 증착속도가 시간당 0.5㎛ 이하로 매우 느리고, 코팅공정이 복잡하며, 코팅층 내의 약물의 농도를 정확하게 제어하기가 어려울 뿐만 아니라 고농도 약물의 첨가가 어렵고, 코팅층과 금속재료 표면 간의 결합력이 낮다는 문제가 있어 산업적으로 적용함에 큰 제한이 있는 문제가 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0044858호

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 생체 의료용 금속 또는 세라믹 표면에 형성되는 코팅층으로써, 상온에서 제조되며 생체적합성이 우수하고 균열 등이 없이 균질하며, 또한 다양한 생체활성인자를 용이하게 담지할 수 있고 상기 생체활성인자의 담지능과 방출능 제어가 용이하도록 하는 유무기 혼성 복합 코팅층, 상기 유무기 혼성 복합 코팅층을 가지는 생체 이식용 임플란트 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법은, a) 실리카 계열의 제로겔(silica zerogel)을 제조하는 단계; b) 상기 실리카 계열의 제로겔에 생리활성 유기물을 혼합하여 유무기 혼성 복합체를 형성하는 단계; c) 상기 유무기 혼성 복합체에 생체활성인자를 첨가하는 단계; 및, d) 상기 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합체를 금속 또는 세라믹 지지체 기판 표면에 코팅하는 단계;를 포함한다.

상기 a)단계의 실리카 계열의 제로겔은 실리케이트 화합물과, 증류수, 촉매를 혼합 및 교반하여 실리카 제로겔 전채물(前菜物)을 제조하는 것이고, 상기 b)단계의 상기 유무기 혼성 복합체는 상기 실리카 제로겔 전채물에 상기 생리활성 유기물을 액체 상태에서 혼합하여 유무기 혼성 복합 용액을 제조하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 c)단계의 생체활성인자는 상기 b)단계의 상기 유무기 혼성 복합 용액의 제조 중에 첨가하여 교반하는 것이 바람직하다.

상기 d) 단계에서 상기 금속 또는 세라믹 지지체 기판은 수산화나트륨 수용액에 담지시켜 표면 처리된 기판인 것이 바람직하다.

상기 생체활성인자는, 항생 소염제인 베타락탐계 항생물질(페니실린류, 세팔로스포린류), 아미노글리코사이드계 항생물질(카나마이신, 겐타마이신, 리보스타마이신, 토브라마이신, 스트렙토마이신, 아미카신, 네오마이신 등), 테트라사이클린류 항생물질(테트라사이클린, 메타사이클린, 독시사이크린, 미노사이클린 등), 린코사이드계 항생물질(린코마이신, 클린다마이신), 마크로라이드계 항생물질(스피라마이신, 미데카마이신, 조사마이신, 에리스로마이신, 클라리스로마이신), 반코마이신, 세파렉신, 세파클러, 세파만돌, 세파로딘, 아목실린, 카베니실린, 에티드로네이트 등의 항생물질과 헤파린, 파크리탁셀, 티클로피린 등의 항혈전제, 시롤리무스(라파마이신)의 면역억제제와 같은 약물일 수 있다.

또한 상기 생체활성인자는, 골 형성 단백질(BMP), 섬유아세포 성장인자(FGF), 상피세포 성장인자(EGF), 혈관내피 성장인자(VEGF)와 같은 성장인자나, 인슐린과 같은 단백질일 수 있다.

상기 실리카 제로겔과 생리활성 유기물의 성분비는 10~90:90~10(부피비)인 것이 바람직하다.

상기 생리활성 유기물은, 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 혼합물일 수 있다.

한편, 상기 a) 내지 d) 단계의 공정은 모두 상온에서 수행된다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층은, 생체 의료용 금속 또는 세라믹 표면에 형성되며, 코팅층은 실리카 계열 제로겔과 생리활성 유기물이 결합된 유무기 혼성 복합체로 형성되며 생체활성인자가 포함된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 유무기 혼성 복합체를 금속 재료나 세라믹 지지체 표면에 코팅시킴으로써 금속 재료나 세라믹 지지체 표면의 강도와 생체 적합성 및 생체활성도를 모두 만족 및 증진시키는 효과가 있다. 또한 유무기 혼성 복합체에 생체활성인자를 첨가하고 유무기의 혼합 비율 조절에 의해 생체활성인자의 담지능과 방출능 제어를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다. 또한, 유무기 혼성 복합체의 제조 중에 생체활성인자를 첨가함으로써 생체활성인자의 농도를 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 상온에서 코팅층을 제조함으로써, 반응 시 열이 발생하지 않으므로 약물, 단백질 등과 같은 생체활성인자를 변성 등의 염려 없이 유무기 혼성 복합체에 담지하기에 적합하다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 실리카 제로겔/키토산 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조를 위해 염기성 용액에 의해 표면 처리된 티타늄 기판의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진,
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 실리카 제로겔/키토산 유무기 혼성 복합 코팅층이 형성된 티타늄 기판의 표면과 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진,
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 실리카 제로겔/키토산 유무기 혼성 복합 코팅층을 생체유사액(simulated body fluid: SBF)에 7일 동안 담그고, 미네랄 성분이 검출되는 과정을 주사전자현미경을 통해 관찰한 사진,
도 4는 티타늄 금속 기판과 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 유무기 혼성 복합 코팅층의 표면의 세포 부착을 공초점 레이져 주사현미경(CLSM)을 이용하여 관찰한 사진,
도 5는 티타늄 금속 기판과 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 실리카 제로겔/키토산 유무기 혼성 복합 코팅층의 골세포 분화 능력(Alkaline Phosphate activity)을 평가한 그래프,
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 항생제의 일종인 반코마이신(vancomycin)이 함유된 실리카 제로겔/키토산 유무기 혼성 복합 코팅층의 방출능을 평가한 그래프,
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 성장인자의 일종인 Fibroblast Growth Factor(FGF)가 함유된 실리카 제로겔/키토산 유무기 혼성 복합 코팅층의 방출능을 평가한 그래프이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 생체 의료용 금속 또는 세라믹 표면에 형성되는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

먼저 본 발명에 따른 생체 의료용 금속 또는 세라믹 표면에 형성되는 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법은, a) 실리카 계열의 제로겔(silica zerogel)을 제조하는 단계, b) 상기 실리카 계열의 제로겔에 생리활성 유기물을 혼합하여 유무기 혼성 복합체를 형성하는 단계, c) 상기 유무기 혼성 복합체에 생체활성인자를 첨가하는 단계, 및 d) 상기 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합체를 금속 또는 세라믹 지지체 표면에 코팅하는 단계;를 포함한다.

먼저 유무기 혼성 복합체를 제조하는데, a) 실리카 계열의 제로겔(silica zerogel)을 제조하고, b) 여기에 생리활성 유기물을 액체상태에서 혼합한다.

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. 즉, 본 발명의 유무기 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.

실리카 계열의 제로겔을 제조하기 위하여 상온 졸겔법(sol-gel)을 사용한다. 상기 제로겔은 수 나노 크기의 기공을 가지는 유리물질로 실리콘(Si) 기반의 alkoxide의 가수분해(hydrolysis), 응축작용(condensation)의 과정을 거쳐 형성된 규산염 구조를 이루는 무기재료를 지칭한다. 이러한 실리카 제로겔은 상온에서 원료 시약들을 혼합하여 졸겔법으로 제조시, 규산염 이외의 성분 예컨데 에탄올, 메탄올, 물 등을 건조 및 세척 과정을 통해 용이하게 제거할 수 있고, 또한 간단하게 제조할 수 있는 이점이 있다.

상기 실리카 계열 제로겔은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 중에서 선택되는 원소를 함유하는 규산알루미늄(aluminosilicates) 수화물일 수 있으며, 이 때 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.

실리카 계열의 제로겔을 제조하기 위하여 테트라에톡시실레인(TEOS), 테트라메톡시실레인(TMOS)와 같은 실리케이트 화합물과 증류수, 촉매를 이용할 수 있다.이를 구체적으로 살펴보면, 우선 실리케이트, 촉매, 증류수를 혼합하여 실리카 제로겔 전채물(前菜物)을 제조한다. 상기 실리케이트는 당 업계에 알려진 실리케이트 화합물 예를 들면, 테트라에톡시실레인(TEOS), 테트라메톡시실레인(TMOS)을 사용할 수 있으며, 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. 한편, 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.

유무기 혼성 복합체를 만들기 위하여 키토산과 같은 생리활성 유기물을 준비한다. 사용 가능한 생리활성 유기물의 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 있는데 특히, 키토산(chitosan)이 바람직하다.

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.

미리 준비된 실리카 제로겔 전채물에 상기 키토산 용액을 첨가하여 혼합시켜 액상의 합성물을 제조한다. 이 때, 실리카 제로겔과 생리활성 유기물의 성분비는 10~90 : 90~10 (부피비)일 수 있다. 생리활성 유기물의 함량이 지나치게 많을 경우 생체 적합성이 미미할 수 있으며, 제로겔의 함량이 지나치게 많을 경우 유무기 혼성 복합체의 기계적 물성이 저하될 수 있다. 본 발명에 따른 유무기 혼성 복합체는 상기 성분들 이외에 통상적으로 사용되는 기타 성분 또는 첨가제 등을 포함할 수 있다.

그리고, 제조된 액상의 합성물을 이용하여 중성으로 중화시킨 후 합성물을 석출시켜 세척 및 건조하면 유무기 혼성 복합체를 얻을 수 있다. 이때 세척 및 건조 과정은 당 업계에 알려진 통상적인 방법을 사용할 수 있다.

다음으로 c) 상기 유무기 혼성 복합체에 생체활성인자를 첨가하는 단계를 설명하다. 여기서 생체활성인자란 약물이나 단백질 등을 포함하는 개념이다.

생체활성인자를 첨가하는 방법은 여러 가지 방법이 있을 수 있으나, 상기 유무기 혼성 복합체의 액상의 합성물을 제조하는 과정에서, 상기 생체활성인자를 첨가하여 교반시키는 방법으로 할 수 있다. 생체활성인자들은 열에

매우 취약하며, 재료와의 화학적인 결합 등에 의해 변성 등이 일어나기 쉽다. 따라서 기존에는 일반적으로 약물의 전달을 목적으로 하는 재료를 먼저 만들고, 약물이 용해되어 있는 용액에 재료를 담그어 약물을 담지시키는 방법들이 주로 이용되어진다. 본 발명은 저온(상온)에서 재료를 합성하는 것을 특징으로 하며 또한 재료를 만들면서 동시에 약물을 담지시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. 따라서 많은 양의 약물을 재료에 넣을 수 있으며, 담지되는 약물의 양을 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.

항생제와 같은 약물은 박테리아를 사멸시킬 수 있는 최소 농도 이상의 양이 요구되어지며, 그 양은 항생제의 종류나 박테리아 종류에 따라 다양하다. 실 예로, 반코마이신과 같은 약물의 경우 2 μg 이상의 경우 박테리아 사멸의 효과가 있다고 보고되어 진다. 일반적으로 10 ~ 2000μg의 항생제의 방출 농도가 적정하며, 이상의 약물이 방출되는 경우, 오히려 주위 조직의 재생을 방해하거나 다른 기관에서 약물이 반응하는 등의 부작용이 발생할 소지가 있다.

성장인자와 같은 생체활성인자의 경우는 시술되는 부위나 이용되어지는 형태, 성장인자의 종류에 따라 요구되어지는 농도가 매우 다양하다. 본 발명을 통해 제조된 유무기 혼성 복합체는 담지되어지는 생체활성인자의 양을 조절할 수 있으며, 성장인자의 종류에 따라 그 농도를 임의로 조절 가능한 이점이 있다. 또한 성장인자는 생체 내에서 매우 짧은 반감기를 가지고 있으므로, 일정한 양의 성장인자가 지속적으로 방출되어 나오는 것이 중요하다. 코팅층 내에서 방출되어 진 성장인자가 조직 재생에 효과를 나타내기 위하여 일반적으로 1~6개월동안 지속적으로 방출 되는 것이 요구되어진다.

한편, 상기 약물로서 항생 소염제인 베타락탐계 항생물질(페니실린류, 세팔로스포린류), 아미노글리코사이드계 항생물질(카나마이신, 겐타마이신, 리보스타마이신, 토브라마이신, 스트렙토마이신, 아미카신, 네오마이신 등), 테트라사이클린류 항생물질(테트라사이클린, 메타사이클린, 독시사이크린, 미노사이클린 등), 린코사이드계 항생물질(린코마이신, 클린다마이신), 마크로라이드계 항생물질(스피라마이신, 미데카마이신, 조사마이신, 에리스로마이신, 클라리스로마이신), 반코마이신, 세파렉신, 세파클러, 세파만돌, 세파로딘, 아목실린, 카베니실린, 에티드로네이트 등의 항생물질과 헤파린, 파크리탁셀, 티클로피린 등의 항혈전제, 시롤리무스(라파마이신)의 면역억제제 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 약물은 항생물질, 항혈전물질 또는 면역억제물질로서 외부경조직이 이식됨으로써 발생될 수 있는 염증질환, 혈관 재협착 등의 부작용을 방지하여, 신체 조직과의 친화도를 높일 수 있다.

상기 단백질로서 골 형성 단백질(Bone Morphogenic Protein(BMP)), 섬유아세포 성장인자(Fibroblast Growth Factor (FGF)), 상피세포 성장인자(Epidermal Growth Factor (EGF)), 혈관내피 성장인자(Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF))과 같은 성장인자나 인슐린 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.

한편, 상기와 같은 생체활성인자를 포함하는 유무기 혼성 복합체의 제조 공정은 모두 상온에서 제조된다. 상온에서 제조됨으로써 반응시 열이 발생하지 않기 때문에, 약물이나 성장인자 등과 같은 생체활성인자가 변성 등의 염려 없이 유무기 혼성 복합체에 혼합될 수 있게 된다.

한편, 생체활성인자의 담지능과 방출능을 용이하게 제어하는 것이 바람직한데, 이를 위해 실리카 계열의 제로겔과 생리활성 유기물의 성분비를 조절하는 것이 바람직하다. 나노 크기의 기공을 가지는 실리카 계열의 제로겔은 생체활성인자의 담지능을 높일 수 있으나 생체활성인자의 방출 시간이 짧은 단점이 있다. 한편, 생리활성 유기물의 경우, 생체활성인자의 담지능은 낮으나 방출 시간을 길게 할 수 있다. 따라서, 생체활성인자의 요구되어지는 담지능과 방출 시간을 고려하여 유무기 혼상 복합체의 성분비를 조절하여 후술할 코팅층을 제조하게 된다. 바람직한 유무기 혼성 복합체의 성분비는 상기와 같이, 실리카 제로겔과 생리활성 유기물의 성분비가 90~10 : 10~90 (부피비)이다.

다음으로 d) 상기 생체활성인자가 첨가된 유/무기 혼성 복합체를 생체 의료용 금속 또는 세라믹 지지체에 코팅하는 단계를 설명한다. 상기 금속 또는 세라믹 지지체로 사용되는 재료는 생체 적합성이 있는 것이면 족하고 어느 것에 한정되지 않으며, 바람직하게는 티타늄 금속을 사용할 수 있다.

상온에서 유/무기 혼성 복합체를 금속 또는 세라믹 재료 위에 코팅하기 위하여 스핀 코팅(spin coating) 또는 딥 코팅(dip coating) 등의 습식 코팅을 이용할 수 있다. 특히 생체 의료용 재료로써 금속 기판 표면에 유기물 혹은 무기물과 같은 재료를 코팅하는 경우 두 물질 사이의 접착강도가 중요하며, 산업적으로 이용되기 위하여 20~30 MPa 이상의 접착 강도가 요구되어진다. 한편, 본 발명에서는 금속 기판을 염기성 용액, 바람직하게는 수산화나트륨 수용액에 담지시켜 표면처리된 기판을 이용하는 것을 특징으로 한다. 알칼리 금속으로 처리된 금속 표면은 그 표면 구조가 균일한 거칠기를 가지며, 표면에 남아있는 수산화 기(-OH)를 통해 유기물인 키토산과 화학적인 결합 또한 기대할 수 있다. 실험 결과에 의하면 위와 같은 방법으로 코팅된 유/무기 혼성 복합체 코팅의 경우, 표면 처리되지 않은 기판에 코팅된 재료는 10 MPa 내외의 접착 강도를 보이는 데 반해, 표면 처리된 기판에 코팅된 재료는 60 MPa 이상의 접착 강도를 나타내었다.

균열없이 균질한 유무기 혼성 복합 코팅층을 얻기 위하여 코팅층의 두께는 0.1~100 μm로 하는 것이 바람직하다. 상기 두께가 0.1μm 미만인 경우 기판의 모든 표면을 균일하게 코팅하기 어려우며, 담지되는 생체활성인자의 양이 작고, 코팅층이 용해되어 없어지는 기간이 짧아지므로 적정 기간 동안 방출 정도를 유지하기 어려운 단점을 지닌다. 또한 상기 두께가 100 μm 초과가 되는 경우 코팅층이 기판과 분리되기 쉬운 안정성의 문제 및 두께의 균질성을 유지하기도 어려운 문제를 가지게 된다.

한편, 본 발명에 따른 상기 공정 들은 상온에서 제조되는 것을 특징으로 한다. 상온에서 제조함으로써, 반응 시 열이 발생하지 않으므로 약물, 단백질 등과 같은 생체활성인자를 변성 등의 염려 없이 유/무기 혼성 복합체에 담지하기에 적합하다.

<실시예 1>

먼저, 1단계로써 실리카 계열의 알콕사이드, 물을 촉매제인 염산(1N HCl)을 이용하여 1시간 동안 교반하여 상온에서 솔젤법에 의해 실리카 제로겔을 합성한다. 그리고, 400~600 rpm으로 교반 중인 부피비에 의해 계산된 키토산 용액에 합성된 실리카 제로겔을 첨가하여 1~2 시간동안 더 교반시킨다. 이 때 실리카 제로겔과 키토산 용액의 부피비는 90 : 10 부피%이다.

2단계에서 염기성용액에 표면 처리된 티타늄 금속을 준비한다. 5N의 수산화나트륨 수용액에 24시간 동안 담지시킨 티타늄 금속 표면을 증류수를 이용하여 세척한 뒤, 400℃에서 한 시간 동안 열처리하여 티타늄 금속 표면을 안정화시킨다.

3단계에서 표면 처리된 티타늄 금속 기판 위에 상기 제조된 유/무기 혼성 복합 용액을 스핀 코팅을 이용하여 3000rpm에서 1분간 코팅하여 코팅층을 형성하였다.

4단계에서 코팅된 시편을 37℃의 온도를 유지하며 습기가 있는 상태에서 1~2시간 동안 건조시킨 후, 증류수를 이용하여 세척한다.

<실시예 2>

실리카 제로겔과 키토산 용액의 부피비를 70 : 30 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

<실시예 3>

실리카 제로겔과 키토산 용액의 부피비를 50 : 50 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

<실시예 4>

실시예 2에서 키토산 용액에 합성된 실리카 제로겔을 첨가하여 교반 하는 중, 정량된 항생제(반코마이신)를 넣어 1시간 동안 교반시키는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법을 수행하여 코팅층을 형성하였다. 이 때, 반코마이신은 코팅층의 부피에 대하여 대략 30㎎/㎖의 양이 담지되도록 계산하여 첨가된다.

<실시예 5>

실시예 4에서 실리카 제로겔과 키토산 용액의 부피비를 50 : 50 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 4와 동일하게 수행하였다.

<실시예 6>

실시예 4에서 실리카 제로겔과 키토산 용액의 부피비를 30 : 70 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 4와 동일하게 수행하였다.

<실시예 7>

실시예 4에서 실리카 제로겔과 키토산 용액의 부피비를 10 : 90 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 4와 동일하게 수행하였다.

<실시예 8>

실시예 2에서 키토산 용액에 합성된 실리카 제로겔을 첨가하여 교반 하는 중, 정량된 성장인자(FGF)를 넣어 1시간 동안 교반시키는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법을 수행하여 코팅층을 형성하였다. 이 때, 성장인자(FGF)는 형성된 코팅층의 부피에 대하여 100㎍/㎖의 양이 담지되도록 계산하여 첨가된다

<실시예 9>

실시예 8에서 실리카 제로겔과 키토산 용액의 부피비를 50 : 50 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 8과 동일하게 수행하였다.

<실시예 10>

실시예 8에서 실리카 제로겔과 키토산 용액의 부피비를 30 : 70 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 8과 동일하게 수행하였다.

<실시예 11>

실시예 8에서 실리카 제로겔과 키토산 용액의 부피비를 10 : 90 부피%로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 8과 동일하게 수행하였다.

< 실험예 >

- 유무기 혼성 복합 코팅층의 구조 및 생체특성평가

도 1은 실시예 1의 유무기 혼성 복합 코팅층을 위하여 수산화나트륨 수용액을 통해 표면 처리된 티타늄 금속을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고, 도 2는 실시예 1에 의해 제조된 실리카 제로겔/키토산의 유무기 혼성 복합 코팅층(Coating layer)이 형성된 티타늄 기판(Ti substrate)의 표면(좌측)과 단면(우측)을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 도 3은 실시예 1에 의해 제조된 유/무기 혼성 복합 코팅층을 유사생체용액(simulated body fluid: SBF)에 7일 동안 담그고, 미네랄 성분이 검출되는 과정을 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰한 사진이다.

유사생체용액(SBF)에 재료를 담그고 7일 동안 관찰했을 때, 유/무기 혼성 혼성 복합 코팅층의 표면에는 경과 1일 때부터 미네랄 성분이 석출되기 시작하였으며, 7일 경과시 표면이 완벽하게 미네랄 성분으로 덮였다는 것을 알 수 있다. 이에 의하면 생체적합성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.

- 유무기 혼성 복합 코팅층의 독성 유무 및 세포 반응성

도 4는 공초점 레이져 주사현미경(CLSM)을 이용하여 관찰된 코팅되지 않은 티타늄 기판(좌측)과 실시예 1에 의한 유무기 혼성 복합 코팅층이 형성된 티타늄 기판(우측)의 표면의 세포 부착 사진이다. 세포부착 실험은 세포를 재료 위에 분주하고 몇 시간 후 세포의 형태관찰로 간단하게 재료의 독성유무 및 초기 세포 반응성을 확인하는 실험이다. 참고로, 붉게 염색되어 관찰되는 물질이 시편 표면에 부착된 세포이며, 초기에 표면에 둥근 형태로 부착이 되어 있다가 점점 세포가 뻗어나가 자라는 형태로 관찰되게 된다.

실험 결과, 티타늄 기판(좌측)에는 세포가 시편 표면에 활성화를 시작하기 위한 초기 부착 상태를 확인하여 볼 수 있다. 반면, 실시예 1에 의한 시편(우측)의 경우 붉게 보이는 세포가 티타늄 기판에 비해 잘 퍼져서 붙어있으며, 그 세포 수도 월등히 많음을 확인하여 볼 수 있다. 이를 통해, 유무기 혼성 복합 코팅층이 형성된 티타늄 기판이 세포와의 친화력이 우수하다는 것을 알 수 있다.

- 유무기 혼성 복합 코팅층의 생체적합성

도 5는 코팅되지 않은 티타늄 기판(Ti)과 상기 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 실리카 제로겔/키토산 유무기 혼성 복합 코팅층의 골세포 분화 능력(Alkaline Phosphate(ALP) Activity)을 평가한 그래프이다. 골세포 분화 능력은 기판 또는 코팅층 표면 위에서 배양된 세포의 분화능력을 측정한 것으로써, 알카라인 효소의 활동성을 분석하여 재료간의 생체적합성을 나타낸다.

그래프에 나타난 바와 같이, 유무기 혼성 복합 코팅층은 코팅되지 않은 티타늄 기판보다 골세포 분화 능력이 대략 50~100% 향상된 것을 알 수 있으며, 이는 생체적합성이 매우 우수하다는 것을 의미한다.

- 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 방출능 평가

도 6은 실시예 4 내지 실시에 7에 따라 생체활성인자인 항생제(반코마이신(vancomycin))가 포함된 실리카 제로겔/키토산 유무기 혼성 복합 코팅층의 방출능을 평가한 그래프이다.

그리고, 도 7은 실시예 8 내지 실시예 11에 따라 생체활성인자인 성장인자(FGF)가 함유된 실리카 제로겔/키토산 유무기 혼성 복합 코팅층의 방출능을 평가한 그래프이다.

상기 도 6 및 도 7을 통해 유무기 혼성 복합 코팅층이 오랜 기간동안 꾸준한 양의 생체활성인자를 방출할 수 있음을 확인하여 볼 수 있다. 도 6에서 확인한 바와 같이 반코마이신과 같은 항생제 계열의 약물은 약 14일에서 50일까지 약물의 방출기간을 조절해 볼 수 있다. 항생물질과 같은 약물은 초기 감염 치료가 목적이므로 시술 부위에 따라 요구되어지는 필요한 양이나 방출기간은 차이가 있을 수 있으나, 일반적으로 시술 후 꾸준한 양이 초기 약 14~30일의 기간 동안 방출되는 것이 중요하다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 유무기 복합 코팅층이 오랜 시간동안 약물을 지속적으로 방출해 내는 재료로써 합당하다고 할 수 있다.

성장인자와 같은 경우에도 시술 부위에 따라 요구되어지는 인자의 농도나 방출기간은 큰 차이를 가지지만, 일반적으로 1~6달 동안 지속적으로 인자를 방출시켜 조직의 재생을 돕도록 하는 것이 중요하다. 도 7에서 보는 바와 같이 FGF의 경우 유무기 복합 코팅을 이용하여 약 30일의 기간동안 꾸준한 양의 성장인자들이 일정하게 방출되고 있음을 확인하여 볼 수 있었으며, 원하는 방출기간에 따라 유무기 복합체의 조성 비율을 조절하여 볼 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

본 발명은 의료용 임플란트, 인공 고관절 등 생체(인체)에 이식되는 임플란트 재료, 기구 등에 이용될 수 있다.

Claims

a) 실리카 계열의 제로겔(silica zerogel)을 제조하는 단계;
b) 상기 실리카 계열의 제로겔에 생리활성 유기물을 혼합하여 유무기 혼성 복합체를 형성하는 단계;
c) 상기 유무기 혼성 복합체에 생체활성인자를 첨가하는 단계; 및,
d) 상기 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합체를 금속 또는 세라믹 지지체 기판 표면에 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 a)단계의 실리카 계열의 제로겔은 실리케이트 화합물과, 증류수, 촉매를 혼합 및 교반하여 실리카 제로겔 전채물(前菜物)을 제조하는 것이고, 상기 b)단계의 상기 유무기 혼성 복합체는 상기 실리카 제로겔 전채물에 상기 생리활성 유기물을 액체 상태에서 혼합하여 유무기 혼성 복합 용액을 제조하는 것인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 c)단계의 생체활성인자는 상기 b)단계의 상기 유무기 혼성 복합 용액의 제조 중에 첨가하여 교반하는 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 d) 단계에서 상기 금속 또는 세라믹 지지체 기판은 수산화나트륨 수용액에 담지시켜 표면 처리된 기판인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 생체활성인자는,
항생 소염제인 베타락탐계 항생물질(페니실린류, 세팔로스포린류), 아미노글리코사이드계 항생물질(카나마이신, 겐타마이신, 리보스타마이신, 토브라마이신, 스트렙토마이신, 아미카신, 네오마이신 등), 테트라사이클린류 항생물질(테트라사이클린, 메타사이클린, 독시사이크린, 미노사이클린 등), 린코사이드계 항생물질(린코마이신, 클린다마이신), 마크로라이드계 항생물질(스피라마이신, 미데카마이신, 조사마이신, 에리스로마이신, 클라리스로마이신), 반코마이신, 세파렉신, 세파클러, 세파만돌, 세파로딘, 아목실린, 카베니실린, 에티드로네이트 등의 항생물질과 헤파린, 파크리탁셀, 티클로피린 등의 항혈전제, 시롤리무스(라파마이신)의 면역억제제와 같은 약물인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 생체활성인자는,
골 형성 단백질(BMP), 섬유아세포 성장인자(FGF), 상피세포 성장인자(EGF), 혈관내피 성장인자(VEGF)와 같은 성장인자나, 인슐린과 같은 단백질인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 실리카 제로겔과 생리활성 유기물의 성분비는 10~90:90~10(부피비)인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법.
제 1 항이 있어서, 상기 생리활성 유기물은,
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 혼합물인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 a) 내지 d) 단계의 공정은 모두 상온에서 수행되는 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층의 제조방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되며 생체 의료용 금속 또는 세라믹 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층을 가지는 생체 이식용 임플란트.
생체 의료용 금속 또는 세라믹 표면에 형성되는 코팅층에 있어서,
상기 코팅층은 실리카 계열 제로겔과 생리활성 유기물이 결합된 유무기 혼성 복합체로 형성되며 생체활성인자가 포함된 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층.
제 12 항에 있어서,
상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층.
제 12 항에 있어서,
상기 생체의료용 금속 또는 세라믹은 수산화나트륨 수용액에 담지시켜 표면 처리된 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층.
제 12 항에 있어서, 상기 생체활성인자는,
항생 소염제인 베타락탐계 항생물질(페니실린류, 세팔로스포린류), 아미노글리코사이드계 항생물질(카나마이신, 겐타마이신, 리보스타마이신, 토브라마이신, 스트렙토마이신, 아미카신, 네오마이신 등), 테트라사이클린류 항생물질(테트라사이클린, 메타사이클린, 독시사이크린, 미노사이클린 등), 린코사이드계 항생물질(린코마이신, 클린다마이신), 마크로라이드계 항생물질(스피라마이신, 미데카마이신, 조사마이신, 에리스로마이신, 클라리스로마이신), 반코마이신, 세파렉신, 세파클러, 세파만돌, 세파로딘, 아목실린, 카베니실린, 에티드로네이트 등의 항생물질과 헤파린, 파크리탁셀, 티클로피린 등의 항혈전제, 시롤리무스(라파마이신)의 면역억제제와 같은 약물인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층.
제 12 항에 있어서, 상기 생체활성인자는,
골 형성 단백질(BMP), 섬유아세포 성장인자(FGF), 상피세포 성장인자(EGF), 혈관내피 성장인자(VEGF)와 같은 성장인자나, 인슐린과 같은 단백질인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층.
제 12 항에 있어서, 상기 생리활성 유기물은,
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 혼합물인 것을 특징으로 하는 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층.
제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 생체활성인자가 포함된 유무기 혼성 복합 코팅층을 가지는 생체 이식용 임플란트.