KR101188400B1 - 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

알지네이트(alginate) 수용액을 동결해 결빙상태의 중간재를 만들고 이를 가교제 수용액에 저온 상태에서(0-5℃) 침지시켜, 완만한 화학 반응을 유도하여 기존 방법보다 간단하게 제조할 수 있고, 구조 및 기공(pore)의 치밀성과 물성이 향상된 구조의 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, (a) 액상의 소디움 알지네이트 수용액을 소정의 용기에 투입하여 동결하여 동결된 중간재를 만드는 단계, (b) 상기의 중간재를 저온의 수용액에 침지하는 단계 및 (c) 상기 단계 (b)의 중간재를 동결건조하는 단계를 포함하며, 상기 단계 (a)의 소디움 알지네이트 수용액은 소디움 알지네이트 분말을 멸균된 물에 풀어 용해시킨 후, 감압기로 감압해서 이루어지고, 상기 단계 (b)의 저온의 수용액은 칼슘 수용액 또는 또는 2가 이상의 다가 양이온 수용액인 구성을 마련한다.

상기와 같은 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법을 이용하는 것에 의해, 다공성 스펀지의 제조시한을 단축시키며, 수분흡수력이 기존 방법보다 뛰어난 기능을 갖는 스펀지를 만들 수 있다.

다공성, 스펀지, 알지네이트, 키토산

Description

의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법{Medical porous sponge and fabrication method thereof}

본 발명은 지혈, 유착방지, 또는 창상 치유 등의 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 알지네이트(alginate) 수용액을 동결해 결빙상태의 중간재를 만들고 이를 가교제 수용액에 저온 상태에서(0-5℃) 침지시켜, 완만한 화학 반응을 유도하여 기존 방법보다 간단하게 제조할 수 있고, 구조 및 기공(pore)의 치밀성과 물성이 향상된 구조의 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 알지네이트(혹은 알긴산)는 의료용 및 조직공학용 다공성 지지체(스카폴드, 스펀지)를 만드는데 가장 많이 사용되는 물질이다.

이는 해조류의 점액질에서 나오는 다당류로 백색의 분말형태로 되어 있으며, 이를 물에 용해하면 점성의 투명액체가 된다. 2가 이상의 다(多)가 양이온(예; Ca++) 등이 포함된 용액을 섞으면 투명한 겔이 되는데 이를 동결 건조하면 마치 스펀지 같은 생분해성 재료가 되어 지혈제나, 수술 후 상처 치료 등에 사용되어 왔 다(Kaltostat, 미국). 이를 만드는 방법으로는, 알지네이트 나트륨 수용액을 염화칼슘 등의 다가 양이온이 있는 수용액 속으로 방사하거나, 알긴산에 미리 가교제를 투여해 얻어진 겔을 동결 건조해 지지체를 만들었으나 이들의 물성이 거칠고 부직포에서 떨어져 나오는 단섬유들이 오히려 염증반응을 초래하는 단점이 있었다. 또한 이는 입방체 등의 모양으로 성형할 수 없었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 3에 개시되어 있다.

즉 하기 문헌 1은 시트형 알긴산 팩 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 알긴산 또는 알긴산 알칼리 금속염을 일정 농도로 용해시켜 형성된 수화겔(hydrogel)을 동결건조하여 알긴산(alginic acid) 스폰지를 제조한 후 압축하여 시트형으로 제조하고, 여기에 피부 상처 치료용 성분 또는 기능성 미용성분을 함유하는 수용액을 도포함으로써, 상처치료용 드레싱 또는 피부 미용 팩으로 사용하기에 적합한 물성을 갖는 시트형 알긴산 팩 및 그의 제조방법이 개시되어 있다.

또 하기 문헌 2는 키토산으로 코팅된 알긴산 스폰지의 제조방법에 관한 것으로서, 알긴산 수용액을 성형하고 동결 건조하여 알긴산 스폰지 중간재를 제조하는 단계, 상기 알긴산 스폰지 중간재를 가교제 수용액에 침지하여 가교, 세정하는 단계, 상기 가교된 알긴산 스폰지를 키토산 산 수용액에 침지하여 키토산을 코팅하는 단계 및 상기 코팅된 스폰지를 알칼리 용액에 중화한 후, 세정 및 건조하는 단계를 포함하는 키토산으로 코팅된 알긴산 스폰지의 제조방법이 개시되어 있다.

또한 하기 문헌 3은 알긴산 수용액을 성형하고 동결건조하여 제조한 알긴산 스폰지 중간재를 가교제 수용액에 침지하여 가교시킨 후, 세정 및 건조하여 의료용 및 조직공학용으로 가용가능한 물성, 즉 최대 굽힘 각도(유연성)가 90°이상이고, 겉보기 밀도(구조치밀성)가 0.006~0.1 g/㎤이고, 식염수 흡수율이 150~700%를 가지는 알긴산 스폰지를 간단한 공정으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 유연성, 구조치밀성, 흡수성, 가공성 등을 현저히 향상시킬 수 있는 알긴산 스폰지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 알긴산 수용액을 동결건조하고, 이를 염화칼슘용액에 침지시켜 세척 후, 다시 동결건조 함으로써 물성이 향상되고 성형성이 좋은 방법을 개시하고 있다.

[문헌 1] 대한민국 공개 특허 공보 2007-0070278호 (2007.07.04 공개)

[문헌 2] 대한민국 공개 특허 공보 2005-0050911호 (2005.05.01 공개)

[문헌 3] 대한민국 공개 특허 공보 2004-0082172호 (2004.09.24 공개)

그러나, 상기 공보 등에 개시된 종래의 기술은 두 번의 동결건조에 따른 시간지체(동결건조 1회당 60-75 시간), 그리고 두 번의 동결에 따른 크랙(crack)으로 구조가 치밀하지 못해 부정형으로 잘 부서지는 단점이 있었다.

따라서 수분이나 체액 등을 흡수 시 그 인장력이 매우 떨어지는 단점이 있다. 예를 들어 이비인후과 영역에서 비강내 수술 후 비출혈의 지혈을 위해 이를 사용할 경우 좁은 콧구멍을 통과하면서 대부분이 부숴져 버린다는 것을 임상실험을 통해 확인할 수 있다.

또한 의료용과 조직공학용으로 사용하기 위해선 기공(pore)이 많고 일정한 배열로 제작되어야 조직의 침투나, 세포의 침투가 균일하게 이루어져 항상 일정한 결과를 예측할 수 있어야 하나, 상기 종래의 방법으로는 기공이 매우 부정형으로 만들어 진다는 문제점이 있다.

이와 같이 스펀지나 다공성 지지체를 만드는데 기존의 방법으로는 두 번의 동결건조에 따른 시간 소모는 물론 물성의 약화 등이 문제로 지적되고 있으며 특히 체액 등을 흡수한 후 쉽게 파쇄되는 단점이 있고, 기공의 형태가 치밀하지 못해, 액상의 수용액을 가교하여 다공성 지지체를 만드는 데 있어 시간적으로 경제성이 있고 유연성, 구조 치밀성, 치밀한 기공, 가공성, 성형성이 우월한 지지체를 만드는 방법에 대한 연구가 필요하다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 시간적으로 경제성이 있고 전체구조가 더욱 치밀하고 유연성, 일정한 기공을 가지며, 가공성이 우월하며, 특히 흡습 시 더욱 유연성이 강한 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다공성 스펀지의 제조방법은 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지의 제조방법으로서, (a) 액상의 소디움 알지네이트 수용액을 소정의 용기에 투입하여 동결하여 동결된 중간재를 만드는 단계, (b) 상기의 중간재를 저온의 수용액에 침지하는 단계 및 (c) 상기 단계 (b)의 중간재를 동결건조 하는 단계를 포함하며, 상기 단계 (a)의 소디움 알지네이트 수용액은 소디움 알지네이트 분말을 멸균된 물에 풀어 용해시킨 후, 감압기로 감압해서 이루어지고, 상기 단계 (b)의 저온의 수용액은 칼슘 수용액 또는 또는 2가 이상의 다가 양이온 수용액인 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 다공성 스펀지의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (a)의 동결은 영하 20℃에서 영하 70℃ 사이에서 동결되고, 상기 단계 (b)는 급속한 온도상승을 방지하기 위해 보온재로 상기 용기를 감싸 영하 20℃ 냉동고에서 한 시간, 0℃ 냉장고에서 한 시간 방치 후, 0℃로 미리 냉각된 CaCl₂ 용액을 붓고 6 ~ 24시간 4℃를 유지하여 서서히 가교가 일어나도록 유도하는 단계를 포함하고, 상기 단계 (c)에서의 동결건조는 48~72시간 동안 실행되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 다공성 스펀지의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (a)의 소디움 알지네이트 수용액에는 10-20중량%의 폴리비닐 알코올이 함유되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다공성 스펀지의 제조방법은 의료용 다공성 스펀지의 제조방법으로서, (a) 키토산을 초산수용액에 용해시켜 동결시킨 중간재를 만드는 단계, (b) 상기의 중간재를 저온의 수용액인 수산화 나트륨 또는 알칼리성 수용액에 침지하는 단계 및 (c) 상기 단계 (b)의 중간재를 동결건조 하는 단계를 포함하며, 상기 단계 (a)의 동결은 영하 20℃에서 영하 70℃ 사이에서 동결되고, 상기 단계 (b)는 급속한 온도상승을 방지하기 위해 보온재로 상기 용기를 감싸 영하 20℃ 냉동고에서 한 시간, 0℃ 냉장고에서 한 시간 방치 후, 0℃로 미리 냉각된 수산화나트륨 용액을 붓고 6 ~ 24시간 4℃를 유지하여 서서히 가교가 일어나도록 유도하는 단계를 포함하고, 상기 단계 (c)에서의 동결건조는 48~72시간 동안 실행되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다공성 스펀지는 상술한 의료용 다공성 스펀지의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법 에 의하면, 알지네이트 수용액을 동결해 결빙상태의 중간재를 만들고 이를 가교제 수용액에 저온 상태에서(0-5℃) 침지시켜, 완만한 화학 반응을 유도하여 간단하게 제조할 수 있으므로, 다공성 스펀지의 제조시한을 단축시키며 수분흡수력이 기존 방법보다 뛰어난 기능을 갖는 스펀지를 만들 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법에 의하면, 구조 및 기공의 치밀성과 물성을 더욱 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법은 한 번의 동결건조로 스펀지를 제공할 수 있으며, 기존의 비교 예와 비교하여 식염수 흡수율, 기공 형태의 일정도, 치밀도, 유연성이 비교 예 보다 우수한 스펀지를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지의 제조방법은 액상의 수용액을 가교하여 스펀지를 제조하며, (a) 액상의 소디움 알지네이트 수용액을 동결하여 동결된 중간재를 만드는 단계, (b) 상기의 중간재를 저온의 수용액(칼슘 수용액과 같은 다가 양이온 수용액)에 침지하는 단계 및 (c) 상기 (b)의 중간재를 동결건조 하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지의 제조방법을 설명한다.

< 제1 단계 >

물에 용해시킨 0.5-3중량%의 소디움 알지네이트 용액을 원하는 모양에 따른 용기에 부어 깊이 1cm 정도를 유지하게 한 후, 영하 20℃에서 영하 152℃ 사이에서 동결한다. 소디움 알지네이트가 0.5중량% 미만이면 구조가 치밀하지 못하고, 3중량%를 초월하면 너무 치밀하여 스펀지의 기능이 떨어진다. 따라서 소디움 알지네이트는 1.5-2중량%의 농도가 바람직하다. 한편 동결하는 온도는 영하 20℃ 미만이면 중간재의 빙질에 결이 생겨 고르지 않고, 영하 152℃를 초월하는 경우 동결을 위한 비용이 상승되며, 영하 20℃ 내지 영하 70도℃ 이하가 바람직하다.

이때 결과물의 유연성을 키우기 위해 10-20중량%의 폴리비닐 알코올을 첨가할 수 있다. 폴리비닐 알코올이 10중량% 미만이면 유연성의 효과가 미비하고, 20중량%를 초과하면 스펀지의 경화도가 저하하므로, 10-20중량%의 폴리비닐 알코올을 첨가하는 것이 바람직하다.

또한 소디움 알지네이트 이외에도 생분해성 및 생적합성이 높은 키토산을 초산수용액에 용해시켜 동결시킨 중간재를 만들 수도 있다.

< 제2 단계 >

동결된 중간재가 급격한 온도변화에 의해 깨지지 않도록 서서히 온도를 상승 시켜 0℃ 주위까지 상승시킨 후, 미리 0 ~ 5℃ 정도로 냉각시킨 가교수용액(2가 이상의 양이온을 포함한 다가 양이온 수용액으로 가교할수 있으며 예를 들어, 2가 양이온을 함유하고 있는 칼슘 크로라이드 50 ~ 500mM 수용액)을 천천히 붓는다. 가교액을 붓고 최종온도 역시 0 ~ 5℃ 를 유지해야 하는데 온도가 너무 상승되면 동결된 중간재가 녹아버려 부정형의 칼슘 알지네이트가 되어 기공이 매우 적고 너무 치밀한 구조가 되며, 온도를 0℃ 이하로 내리면 반응이 일어나지 않는다.

이때 가교액의 양은 동결된 중간재의 용량에 최소 1배 이상이 되게 한다. 중간재의 크기에 따라 6 ~ 24시간 동안 침지한 후, 손으로 눌러보아 동결된 부분이 남아있지 않고 가교가 다된 것을 확인한 후, 흐르는 물에 2-3회 세척한다.

한편 중간재의 크기에 따라 가교 수용액에 침지하는 시간이 정해지는데 10 x 10 x 1cm 크기의 스펀지를 만드는데 6시간 이하에선 반응이 완결되지 않아 12시간이 적당하며, 이보다 큰 스펀지의 경우 24시간이면 충분히 가교반응이 완성된다.

키토산을 이용한 중간재인 경우 키토산은 산성용액에 용해되고(예; 초산) 이를 중화시키거나 알칼리화시킬 수 있는 모든 알칼리용액에 의해 가교되므로, 이의 가교용액으로는 수산화나트륨 용액을 사용한다.

< 제3 단계 >

가교된 중간재를 세척 후 영하 20℃에서 다시 동결 후, 48~72시간 동결 건조한다. 이때 더욱 강력한 인장력을 위해 동량의 에탄올에 침지, 세척 후 동결건조하기도 한다.

본 발명의 실시예와 비교예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명이 이들 예에만 한정된 것은 아니다.

< 실시예 >

1. 4g의 소디움 알지네이트(야쿠리퓨어메디칼, 일본) 분말을 200cc의 멸균된 물에 풀어 용해시킨 후, 감압기로 감압해 2중량%의 소디움 알지네이트 수용액을 만든다.

2. 이를 10 X 20cm의 직사각형 몰드에 부어 깊이 1cm이 되도록 한 후 -70℃에서 6시간 동결한다.

3. 급속한 온도상승을 방지하기 위해 보온재로 이를 감싸 -20℃ 냉동고에서 한시간, 0℃ 냉장고에서 한 시간 방치 후, 0℃로 미리 냉각된 100mM CaCl₂ 용액 200cc를 천천히 붓고 24시간 4℃를 유지하여 서서히 가교가 일어나도록 유도한다.

4. 손으로 눌러보아 해동이 모두 되고 가교가 완성된 것을 확인한 후 이를 멸균수에 2-3회 세척한다.

5. 상기 4번의 동결물을 60시간 동결 건조한다.

이렇게 얻어진 스펀지의 수분흡수력, 및 유연성을 하기의 방법으로 측정하여 표 1에 나타내었다. 수분 흡수력은 하기식 1과 같다.

수분흡수력 = 수화된 스펀지의 무게(g)-건조된 스펀지의 무게(g)/건조된 스펀지의 무게(g)

한편, 유연성을 알아보는 방법으로는 스펀지를 1cm x 3cm의 크기로 잘라 이를 반으로 완전히 접었을 때 부수어지는지를 O 혹은 X로 알아 보았으며, 임상적 사용가능성을 보기 위해서는 같은 크기의 스펀지를 수술용 핀셋(forceps)으로 20명의 자원자에게 비강내 삽입시, 몇 명에서 파쇄되는지 그 수를 측정하였다. 파쇄율은 하기식 2와 같다.

파쇄율(%) = 자원자의 비강내 삽입시 부수어진 횟수/20 X 100

또한 기공의 크기와 치밀성에 대한 비교법으로는 전자현미경과 일반 현미경을 사용하여 비교해 보았다.

< 비교예 >

1. 실시예와 같은 종류, 같은 양, 같은 조건의 재료를 쓰되 실시 예 2번 과정 후 동결 건조한다.

2. 동결건조된 중간재를 100mM CaCl₂ 용액 200cc에 한 시간 침지 후, 이를 멸균수로 세척한다.

3. 이를 다시 한번 60시간 동안 동결 건조한다.

	비교예	실시예
흡수율(%)	299	891
유연성	o	X
파쇄율(%)	65	0

상술한 바와 같은 실시예와 비교예에 따른 샘플의 구조 및 기공의 상태를 도 1 내지 도 4에 따라 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지의 단면에 대한 전자현미경의 사진으로서. 기공이 치밀하며 큰 기공 사이엔 작은 기공이 있어 모든 기공이 연결되어있는 것을 알 수 있다.

한편, 도 2는 전자현미경에 의한 비교예의 사진에서 알 수 있는 바와 같이, 기공이 치밀하지 못하며 부정형이다.

또한 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지의 단면에 대한 광학염색사진이고, 도 4는 비교예의 광학염색사진으로서, 도 3과 도 4의 대비에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 구조 및 기공이 치밀함을 알 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

즉 상기 실시예에 있어서는 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지 및 그의 제조방법에 대해서만 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 스폰지를 압축하여 시트형상 또는 팩 형상 스폰지를 제조하던가 또는 상기 시트형상 또는 팩 형상 스펀지에 수분을 함유하는 기능성 배합액을 도포하는 구성을 마련할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지의 단면에 대한 전자현미경의 사진.

도 2는 전자현미경에 의한 비교예의 사진.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지의 단면에 대한 광학염색사진.

도 4는 비교예로서 광학염색사진.

Claims (5)

1. 알지네이트를 이용한 의료용 다공성 스펀지의 제조방법으로서,

   (a) 액상의 소디움 알지네이트 수용액을 소정의 용기에 투입하여 영하 20℃에서 영하 70℃ 사이에서 동결하여 동결된 중간재를 만드는 단계,

   (b) 상기의 중간재를 0 ~ 5℃의 수용액에 침지하는 단계 및

   (c) 상기 단계 (b)의 중간재를 48~72시간 동안 동결건조하는 단계를 포함하며,

   상기 단계 (a)의 소디움 알지네이트 수용액은 소디움 알지네이트 분말을 멸균된 물에 풀어 용해시킨 후, 감압기로 감압해서 이루어지고,

   상기 단계 (b)의 수용액은 칼슘 수용액 또는 2가 이상의 다가 양이온 수용액이며,

   상기 단계 (b)는 급속한 온도상승을 방지하기 위해 보온재로 상기 용기를 감싸 영하 20℃ 냉동고에서 한 시간, 0℃ 냉장고에서 한 시간 방치 후, 상기 수용액을 붓고 6 ~ 24시간 4℃를 유지하여 서서히 가교가 일어나도록 유도하는 것을 특징으로 하는 다공성 스펀지의 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서.

   상기 단계 (a)의 소디움 알지네이트 수용액에는 10-20중량%의 폴리비닐 알코올이 함유되는 것을 특징으로 하는 다공성 스펀지의 제조방법.
4. 삭제
5. 특허청구의 범위 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항의 의료용 다공성 스펀지의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 다공성 스펀지.

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