KR101281722B1

KR101281722B1 - 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법 및 이에 의한 임플란트 재료

Info

Publication number: KR101281722B1
Application number: KR1020110032633A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 한철민
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2013-07-04
Also published as: KR20110113589A

Abstract

본 발명은 티타늄(titanium)의 다공성 산화막을 이용하여 약물 및 성장인자 등의 생체활성 물질을 효과적으로 담지 할 수 있는 임플란트 제조 방법 및 그에 의한 임플란트 재료에 관한 것이다. 본 발명에 의한 임플란트 제조 방법은 티타늄 자체를 양극산화 시켜 표면에 얇은 나노 다공성 산화막을 형성하고 이에 생체활성인자를 담지하여 담지율을 높일 수 있는 장점을 갖는다. 또한 실리카 제로겔에 생체활성인자를 넣어서 기공에 담지할 경우 용출 양상을 조절 할 수 있다. 뿐만 아니라 다공성의 양극산화막 제조가 불가능한 다른 임플란트 재료의 표면에 티타늄을 증착한 후 같은 방법을 이용할 수 있어 다양한 재료에 적용이 가능하게 된다.

Description

다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법 및 이에 의한 임플란트 재료{A manufacturing method for enhancing biomolecule loading property implant materials by using porous titania layer and Implant materials fabricated there by}

본 발명은 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법에 관한 것으로써 더욱 상세하게는 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법 및 이에 의한 임플란트용 재료에 관한 것이다.

기관 장기에 이식할 수 있는 다양한 임플란트(implant) 재료가 널리 사용되고 있는데, 그 중 티타늄(또는 티타늄 합금)은 금속 임플란트 재료 중 가장 생체 적합성이 좋으며 비강도도 좋을 뿐만 아니라 다양한 장점으로 인해서 가장 널리 사용하고 있는 재료이다. 티타늄의 생체 적합성을 좀 더 증진시키기 위한 방법으로 티타늄의 표면처리가 많이 시도되었으며, 양극 산화도 그 중 한 방법으로 연구되어졌다. 마이크로 아크 산화법으로 만든 마이크로 기공의 산화막이 최근 생체 분야에 응용되어 시제품으로도 나오고 있으며, 100 나노의 지름을 갖는 다공성 산화막도 최근 연구가 되어지고 있다. 나노기공의 산화막은 나노구조의 티타늄 산화물이 가지는 성질을 이용하여 센서 분야나 광촉매 분야에서 응용하기 위해 연구된 방법들이나 최근들어 나노 기공 구조가 생체 적합성을 높인다는 보고가 되어지면서 생체 재료분야에서도 연구가 되고 있다.

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 단백질(이하 ‘생체활성물질’)을 표면에 코팅하는 방안이 연구되고 있다. 생체활성물질을 임플란트 재료 표면에 코팅시키는 방법은 약물이 혼합된 기능성 고분자를 코팅하는 방법, 임플란트 표면 위에 수산화 인회석 코팅층을 형성시킨 후 그 위에 생체활성인자를 물리적으로 흡착사키는 법 등이 연구되고 있는데, 이러한 방법들은 생체활성인자의 변화, 담지율 저하 및 방출속도의 제어가 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 최근 생체 적합성을 높이는 용도로 연구되고 있는 나노 기공을 갖는 티타늄 양극 산화막의 기공 구조를 이용하여 약물 및 성장인자 등의 생체활성물질의 담지율을 높이고 더 나아가 용출 속도를 조절할 수 있는 임플란트 재료의 제조방법 및 그에 의한 임플란트 재료를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 양극산화가 불가능한 다른 금속 재료 및 고분자 재료의 표면 위에 티타늄을 증착한 후 양극산화를 하여 나노기공을 얻고 이를 이용하여 생체활성물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법 및 그에 의한 임플란트 재료를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 태양에 따른 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법은, a) 티타늄모재를 불소 이온이 포함된 전해질 용액에 침지하고 양극산화시켜 티타늄모재 표면에 나노기공을 형성하도록 하는 단계; 및, b) 상기 티타늄모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하여 상기 생체활성물질이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 단계를 포함한다.

상기 양극산화는 마이크로 아크 산화인 것이 바람직하다.

또한, 상기 a) 단계 후 상기 티타늄모재 표면의 다공성 산화막을 초음파 세척기를 이용하여 제거한 후 동일한 전해질 용액에 침지하여 다시 양극산화시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 b)단계는 진공 조건 하에서 상기 티타늄모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 b) 단계에서 상기 용액은 실리카 졸(sol)이며, 상기 생체활성물질이 담겨진 실리카 졸에 상기 티타늄모재를 침지한 후 겔(gel)화시킴으로써, 생체활성물질이 담긴 실리카 제로겔이 상기 나노기공에 담지하도록 할 수 있다.

상기 생체활성물질은 약물, 성장인자, 또는 호르몬이 적용된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 태양에 따른 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법은, a) 코발트 크롬이나 스테인레스 스틸 또는 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 중 어느 하나로 이루어진 임플란트모재에 티타늄을 전자빔 증착공정으로 코팅하는 단계; b) 티타늄 코팅된 임플란트모재를 불소 이온이 포함된 전해질 용액에 침지하고 양극산화시켜 임플란트모재 표면에 나노기공을 형성하도록 하는 단계; 및, c) 상기 임플란트모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하여 상기 생체활성물질이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 티타늄을 양극산화 시켜 재료 표면에 나노기공을 형성한 후 약물 및 성장인자 등의 생체활성물질을 담지함으로써 생체활성물질의 담지율을 증가시킬 수 있는 효과를 갖는다. 또한 생체활성물질을 함유하는 실리카 제로젤을 기공 내부에 담지하여 담지율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 용출 속도를 조절할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 양극산화가 어려운 다른 종류의 임플란트 재료에 티타늄 막을 생성시킨 후 양극산화하여 같은 표면 특성을 얻을 수 있기 때문에 다양한 임플란트 표면의 성장인자 담지율을 높이고 용출속도를 조절할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 일반적인 양극산화 방법의 모식도,
도 2는 본 발명의 실시예에 적용되는 전자빔 증착 장치의 모식도,
도 3은 (A) 표면이 개질되지 않은 티타늄과 (B)본 발명의 실시예 1에 따른 양극산화에 의해 표면이 개질된 티타늄의 주사 전자 현미경 사진,
도 4는 (A) 표며이 개질되지 않은 티타늄과 (B)본 발명의 실시예 1에 따른 양극산화에 의해 표면이 개질된 티타늄 위에 GFP를 흡착시킨 것을 공초첨 레이저 주사 현미경을 통해 관찰한 사진,
도 5는 (A) 본 발명의 실시예 2에 따른 티타늄과 (B)본 발명의 실시예 3에 따른 티타늄의 나노 기공 막의 중간 부분을 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진,
도 6은 (A) 본 발명의 실시예 2에 따른 티타늄과 (B) 본 발명의 실시예 3에 따른 티타늄의 약물이 용출되는 양상을 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명의 실시예 4에 따른 임플란트 재료의 (A)측면 및 (B)표면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예 및 실험예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 방법 및 이에 의한 임플란트용 재료를 상세히 설명하기로 한다.

먼저 본 발명의 일 태양에 따른 임플란트 재료의 제조방법은 티타늄을 양극 산화시켜 표면에 나노기공을 형성하도록 하고 그 나노기공에 생체활성물질을 담지시키는 것으로써 구체적으로는, a) 티타늄모재를 불소 이온이 포함된 전해질 용액에 침지하고 양극산화시켜 티타늄모재 표면에 나노기공을 형성하도록 하는 단계, b) 상기 티타늄모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하여 상기 생체활성물질이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 단계를 포함한다.

상기 a) 단계는 양극 산화 공정으로써, 양극 산화는 부동태 막을 쉽게 생성할 수 있는 금속(알루미늄, 티타늄 등)을 특정 전해질에서 양극 전압을 가하여 원하는 성질의 산화막을 얻는 방법으로써, 도 1은 양극 산화 방법을 나타낸 것이다. 도면을 참조하면, 전해조 내에 전해액(Electrolyte)이 담겨져 있고, 또한 캐소드(Cathode)전극 및 애노드(Anode)전극이 침지되어 있다. 애노드전극으로는 티타늄모재를 사용하고, 캐소드전극에는 통상의 보조전극을 사용하는데, 예를 들면 백금, 은, 티타늄 또는 탄소 등을 이용할 수 있다. 상기 전극들에 전원을 인가함으로써 티타늄모재의 표면에서 절연파괴의 불꽃방전이 일어나며, 이로 인하여 표면이 다공질화되게 된다. 티타늄은 기본적으로 얇은 부동태막을 형성하게 되는데, 이 부동태막 내에서는 이온의 전도나 전자의 이동이 매우 어려운 구조이나 외부에서 전압을 인가해 줌으로써 이동이 가능하게 된다. 인가된 전압이 크면 클수록 티타늄은 이온화가 잘 되어 녹아나가며 산소와 만나 산화물이 되는 반응이 일어나며 지속되는 시간에 따라 부동태막이 두꺼워지게 된다. 그러다가 일정 두께가 되면 인가된 전압만으로는 더 이상 이온 및 전자의 이동이 막히게 되고, 일정 전압 이상에서는 불꽃(arc)을 일으키며 산화막이 파괴되어 순간적인 전류의 흐름을 가능하게 하는 반응이 일어난다. 그리고 곧 두터운 산화막이 생기게 되어 반응이 종결된다. 상기 반응이 티타늄 전체에 연속적으로 일어타게 되면서 티타늄모재 표면에 거칠고 다공성의 산화막을 가지게 된다.

한편, 상기 전해액은 불소 이온이 포함된 전해질 용액을 적용하는 것이 바람직하다. 불소 이온은 티타늄의 산화공정에서 나노 기공을 만드는데 중요한 역할을 하는 원소로서, 공정시 다음과 같은 반응이 일어난다. TiO₂ + 6F^- -> TiF₆ ² ^- + 2H₂O.

즉 나노 기공의 생성 메커니즘은 우선적으로 생성된 Ti 산화막이 불소 이온과 반응하여 화학적으로 녹아나가는 것이기 때문에, 전해액에 불소 이온이 포함되는 것이다. 이렇게 상기 공정에 의해 불소 이온이 포함된 전해질 용액에서 티타늄모재의 표면에는 부동태막의 생성 및 불소 이온의 촉매 작용에 의한 화학 반응이 종합적으로 일어나 나노 크기의 기공이 생기게 된다. 이때의 나노 기공의 크기는 전해질 및 전압등의 공정 변수에 의해 크게 좌우되며, 보통 20 내지 130 나노미터 범위(지름)의 크기를 가지나 본 발명의 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 너무 작은 기공 크기를 가질 경우(약물의 분자크기에 비해 작을 경우)에는 약물을 담지하기가 힘들 것이므로, 적정 크기의 기공을 갖는 것이 좋다.

상기 방법으로 제작된 임플란트 재료의 경우 그 자체의 단백질의 흡착성이 더 증진 되었음을 확인할 수 있었다.

한편, 본 발명에 의하면 이단계 양극 산화 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 a) 단계 후 상기 티타늄모재 표면의 다공성 산화막을 초음파 세척기를 이용하여 제거한 후 동일한 전해질 용액에 침지하여 다시 양극산화시키는 단계를 더 포함하는 것이 좋다. 나노 기공을 만드는 양극산화 공정의 경우, 나노 기공이 원래의 금속 표면을 그대로 유지하면서 생성되는 양상을 보입니다. 1단계 양극산화의 경우 원래의 금속표면이 grinding 혹은 polishing 되어있는 상태라 100nm 정도의 스케일에서는 상당히 거칠고 지저분하게 된다. 따라서 grinding 의 흔적이 기공 윗부분을 어느정도 막기도 한다. 이를 한번 제거하고 나면 나노 기공의 바닥 부분 모양이 음각 형태로 표면에 남게 되는데 2단계 양극산화시 이를 따라서 기공이 생성되게 되어 1단계 양극산화 보다 더 깨끗하고 더 넓어진 표면을 가지게 된다. 이렇게 두 번 양극산화 공정을 수행함으로써 좀 더 깨끗하고 넓은 표면 기공 구조를 갖는 이점이 있고, 이로 인해 기공 내부에 생체활성물질이 더 많이 담지될 수 있는 이점이 있다.

상기 b) 단계는 나노기공이 형성된 티타늄모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하여 상기 생체활성물질이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 단계이다. 생체활성물질을 나노 기공에 담지하기 위하여 기존에는 단지 티타늄모재 표면에 뿌려주어 용액의 젖음성 만으로 기공 내부에 약물을 담지하는 방법도 소개된 것도 있으나, 이 경우 담지율이 좋지 않고 기공 내부에 머무는 시간도 오래되지 않는 문제점이 있다. 생체활성물질이 담겨지는 용액은 증류수 등이 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 진공 조건 하에서 나노기공이 형성된 티타늄모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하는 것이 바람직하다. 진공 하에서 침지 공정을 수행함으로써 생체활성물질이 담긴 용액이 기공 내부에 좀 더 원활하게 침투해 들어갈 수 있게 된다. 진공상태 하에서의 담지 시간은 용액이 충분히 기공 내부로 침투할 수 있을 정도면 되므로 특별히 한정할 것은 아니다.

상기 생체활성물질은 약물, 성장인자, 또는 호르몬 등이 적용될 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 일 태양에 의하면 생체활성물질을 실리카 제로겔 등의 전달체를 이용할 수 있는데 이를 구체적으로 살펴보면, 상기 b) 단계에서 상기 용액은 실리카 졸(silica sol)이며, 상기 생체활성물질이 담겨진 실리카 졸에 상기 티타늄모재를 침지한 후 겔(gel)화시킴으로써, 생체활성물질이 담긴 실리카 제로겔이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 공정을 포함한다.

즉, 생체활성물질을 나노 기공에 바로 담지하는 것이 아니라 실리카 졸(silica sol)에 넣어 녹인 후, 이를 나노기공 구조안으로 담지하여 겔(gel)화 시키는 것인데, 이렇게 실리카 제로겔의 성질을 이용하여 생체활성물질의 용출 속도를 조절할 수 있는 이점이 있다. 특히 단순한 코팅이 아니라 나노 기공안에 담지 하는 것이기 때문에 기계적 성질에 영향을 받지 않아 실리카 제로젤 자체를 그대로 이용할 수 있으며, 목적에 따라 고분자와 하이브리드화 하여 이용할 수 도 있다. 이 역시 진공 상태에서 침지 공정을 수행하는 것이 바람직하며, 일정 시간이 경과한 후 상온에서 겔화를 시키게 된다.

본 발명의 다른 태양에 따른 임플란트 재료의 제조방법은 양극산화가 어려운 임플란트 재료에 티타늄 막을 코팅시킨 후 양극 산화시켜 표면에 나노기공을 형성하도록 하고 그 나노기공에 생체활성물질을 담지시키는 것으로써 구체적으로는, a) 코발트 크롬이나 스테인레스 스틸 또는 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 중 어느 하나로 이루어진 임플란트모재에 티타늄을 전자빔 증착공정으로 코팅하는 단계, b) 티타늄 코팅된 임플란트모재를 불소 이온이 포함된 전해질 용액에 침지하고 양극산화시켜 임플란트모재 표면에 나노기공을 형성하도록 하는 단계, c) 상기 임플란트모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하여 상기 생체활성물질이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 단계를 포함한다.

상기 a) 단계를 제외하고는 앞선 일 태양에 따른 임플란트 재료의 제조방법과 동일하므로, a) 단계에 대해서만 설명하고, b) 및 c) 단계는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

전자빔 증착공정은 증착하고자 하는 물질과 기판을 진공 챔버에 넣고 진공상태에서 전자로 증착물질을 조사하여 녹인 후 기판으로 증발시켜 증착시키는 방법이다. 도 2는 일반적인 전자빔 증착공정을 모식적으로 나타낸 도면으로 이를 참조하면, 진공챔버의 내부에 전자빔소스와 타켓물질인 티타늄표면재가 배치되어 있다. 그리고, 타켓물질의 상부에는 기판(substrate)인 임프란트 모재가 배치된다. 상기 임플란트 모재는 코발트 크롬이나 스테인레스 스틸 또는 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 전자빔소스로부터 발생되는 전자빔이 타켓물질인 티타늄표면재에 조사되어 티타늄(Ti) 이온이 상부에 배치된 임플란트 모재를 향하여 그 표면에 증착된다. 전자빔 증착공정은 전자빔증착 속도가 1 내지 1.5Å/s 일 수 있는데, 만일 전자빔증착 속도가 1Å/s 미만이면 증착되는 금속이온의 양이 너무 적어서 공정이 비효율적이며, 반대로 전자빔증착 속도가 1.5Å/s를 초과하면 증착되는 금속이온이 적층될 때 균일성이 저감되는 문제가 생길 수 있다.

이렇게, 전자빔 증착법을 이용하여 티타늄 등의 금속 막을 양극산화가 힘든 다른 임플란트 재료에 충분한 두께로 증착한 후 양극 산화하여 같은 나노크기의 다공성 구조의 산화막을 얻을 수 있고, 이 나노 기공에 생체활성물질을 담지시킴으로써 동일한 효과를 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 임플란트 재료의 제조방법의 실시예를 설명하기로 한다.

<실시예 1>

양극 산화 장치의 모식도는 도 1에 나타난 바와 같으며, 양극 산화용 전원으로는 직류 전원(FinePower. Korea, 전류:0-1.05A, 전압:0-95V, 2 채널)을 사용하였으며, 전해조는 용적 500mL의 PTFE 재질로 된 비커를 이용하였다.

양극 전원에 사용되는 티타늄 시편은 CP Grade 2의 티타늄(가히금속, 한국)을 10 mm X 10 mm X 1 mm 의 크기로 준비하여 1000번 사포까지 연마하여 표면을 평평하게 한 후 아세톤, 에탄올, 증류수 순으로 초음파 세척하였다. 위에서 준비한 시편들을 0.25 wt%의 불화 암모늄(NH₄F)과 2 vol%의 증류수를 포함하는 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol) 기반의 전해액에 침지하여 60V 에서 30분 이상 산화처리 하였다. 그리고, 산화된 막을 초음파 세척기를 이용하여 제거하였으며 다시 동일한 전해액에서 동일한 전압으로 30분 동안 산화처리 하였다.

그리고, 티타늄을 산화시킨 시편을 GFP(Green Fluorescent Protein, 녹색 형광 단백질)이 포함된 GFP 용액(농도 50mg/㎖)에 담가, GFP가 나노기공 산화막에 침투하도록 한다.

<실시예 2>

실시예 1에서 사용된 나노 기공이 형성된 티타늄 시편을, 약물 TCH(Thiocarbohydrazide)를 증류수에 녹인(농도 40mg/㎖) TCH 용액에 진공 하에서 10분간 담가, TCH가 나노기공 산화막에 침투하도록 한다. 그 후 빛을 차단하며 12시간 동안 상온에서 건조시켰다.

티타늄 시편에 양극산화하여 나노 기공의 다공성 산화막을 형성시키는 과정은 실시예 1과 동일하다.

<실시예 3>

실시예 1에서 사용된 나노 기공이 형성된 티타늄 시편을, 약물TCH(Thiocarbohydrazide)가 포함된 TMOS(Tetramethylorthosilicate) 기반의 솔에 진공 하에서 10분동안 침지하였다. 그 후 시편을 꺼내서 약 24시간 상온에서 겔화 시켰다. 티타늄 시편에 양극산화하여 나노 기공의 다공성 산화막을 형성시키는 과정은 실시예 1과 동일하다.

<실시예 4>

다른 재료의 표면에 티타늄 산화막 형성이 가능한지 확인하기 위해, 스테인리스 스틸 기판을 임플란트 모재로 이용하였다. 스테인리스 스틸을 10 mm X 10 mm X 2 mm 의 크기로 준비하여 1000번 사포까지 연마하여 표면을 평평하게 한 후 아세톤, 에탄올, 증류수 순으로 초음파 세척하였다. 본 실시예에서 사용된 전자빔 증착 장치(EVACO - EB800R, Dr. Vacuum, Korea)는 아르곤 이온빔을 이용하여 표면의 불순물 제거 및 에칭 할 수 있는 기능이 있으며, 크라이오펌프를 이용하여 최대 10^-7 torr의 진공을 얻을 수 있는 장치이다. 상기 전자빔 증착 장치를 이용 아르곤 가스를 불어 넣어 약 8 X 10^-4 torr에서 90V, 1.5A의 조건으로 스테인리스 스틸 기판의 표면을 약 15분간 세척한 후, 진공을 안정화 시킨 후 10^-6 torr 이하에서 초당 약 1 Å 의 속도로 2 ㎛의 티타늄 막을 형성하였다.

그 후, 이 다공성 티타늄 산화막이 형성된 기판을 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 양극산화 처리 하였다.

<실험예>

임플란트재료의 표면구조 확인

도 3은 (A)실시예 1에서 사용된 양극산화 되지 않은 티타늄 시편과, (B)실시예 1에서 양극산화 시킨 티타늄 시편의 표면을 관찰한 전자현미경 사진이다. 양극산화를 한 후 티타늄의 표면 위에 약 50 nm의 크기를 가지는 나노 기공이 균일하게 생성되었음을 알 수 있다.

생체활성물질의 담지율(흡착율) 평가

본 발명에 의한 생체활성인자 담지율의 증진은 GFP(Green Fluorescent Protein) 단백질을 이용한 흡착 실험을 통해 평가하였다. 단백질의 흡착 정도는 공초점 레이저 주사 현미경 사진을 이용하여 형광의 밝기정도를 통해 평가하였다. GFP는 해파리에서 추출한 단백질로 특정 파장의 빛을 받아 녹색의 형광을 보이는 성질을 가져, 의학계에서 단백질의 이동을 추적하는 등의 용도로 많이 이용되는 단백질이다. 일반적인 단백질의 흡착 실험에서 시각적인 정보를 제공하기 위해 많이 이용되며, 본 발명에서는 GFP의 거동을 통해 단백질의 담지율을 평가하였다.

도 4는 (A)실시예 1에서 사용된 양극산화 되지 않은 티타늄 시편과 (B)실시예 1에서 양극산화 시킨 티타늄 시편위에 GFP를 흡착시킨 후 공초점 레이저 주사 현미경을 이용해 관찰한 사진이다. 이 결과를 통해 양극산화 시킨 티타늄의 표면에 더 많은 양의 GFP가 흡착되어 있음을 확인할 수 있으며, 이는 나노 기공에 단백질이 잘 담지되어 있는 것을 알 수 있다.

실리카 제로겔을 이용한 생체활성인자의 용출 제어성 평가

나노 기공에 실리카 제로젤이 잘 들어가있음을 확인하기 위해 나노 기공 산화막을 파괴시켜 중간 부분을 전계방출 주사현미경을 통해 관찰하였다. 또한 실리카 제로젤이 약물 방출에 주는 영향을 알아보기 위하여 시편 별로 약물 용출 실험을 하였다. 실리카 제로젤 솔과 증류수에 같은 농도의 약물(TCH)를 녹인 후 나노 기공 시편을 담근 후 진공을 잡아 주었다. 그 후 건조 및 젤화를 거친 후 증류수에 담가 정해진 시간에 용액을 추출하여 자외선 분광기를 통하여 농도를 측정하여 누적된 양을 통해 약물 용출의 제어성을 평가하였다.

도 5는 (A)실시예 2에 의해 양극 산화시킨 티타늄 시편의 나노 기공 구조에 실리카 제로겔이 담겨지 있지 되어있지 않은 것과 (B)실시예 3에 의해 양극 산화시킨 티타늄 시편의 얻은 나노 기공 구조에 실리카 제로겔이 담겨진 것을 주사전자현미경을 통해 관찰한 사진이다. 산화막을 예리한 팁을 이용하여 파괴해 중간 부분을 노출 시킨 후 실리카 제로겔이 안쪽에 잘 담지가 되어있는지 확인하였다. 실리카 제로겔을 담지 한 경우 나노기공이 막혀져 있는 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해 약물이나 성장인자 등의 생체활성인자의 담지 및 용출을 조절할 수 있는 실리카 제로겔을 나노구조 기공에도 이용할 수 있음을 확인했다.

도 6은 (A)실시예 2에 의해 양극 산화시킨 티타늄 시편에 TCH 만을 담지한 경우와 (B)실시예 3에 의해 양극 산화시킨 티타늄 시편에 TCH를 섞은 실리카 솔을 담지한 시편에서 약물이 용출되는 양상을 관찰한 결과이다. 양극 산화에 의해 표면 개질만을 했을 경우 담지되는 용출되는 양은 더 많아졌지만, 용출기간은 그다지 증가하지 않은 것을 알 수 있다. 실리카 솔을 담지한 경우 용출기간도 더 늘어나는 것을 알 수 있으며 실제 관찰한 기간 이후에도 추후의 용출이 예상되는 양상을 보였다.

티타늄 이외의 임플란트 재료에 다공성 티타늄 막을 형성시킨 임플란트 재료의 담지율 평가

도 7은 실시예 4에 따라 스테인리스 스틸의 임플란트 모재에 티타늄을 증착시킨 후 양극 산화한 시편의 전자현미경 사진으로써, (A)단면 사진, (B)표면 사진이다. (A)에서 나타난 바와 같이, 산화막에 흠집을 내어 옆에서 관찰한 결과 앞선 실시예들의 시편들과 비슷하게 나노 기공들이 균일하게 잘 생성되어있음을 확인할 수 있다. (B)를 살펴보면, 앞서 언급한 실시예 1(도3 (B) 참조)의 나노기공과 표면구조의 차이가 있는데 이는 순수 티타늄 막의 미세구조를 닮은 것으로써 나노기공이 원래의 금속층 표면의 모습을 그대로 유지한채 생성되기 때문이다.

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.

Claims

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a) 티타늄모재를 불소 이온이 포함된 전해질 용액에 침지하고 양극산화시켜 티타늄모재 표면에 나노기공을 형성하도록 하는 단계;
a1) 상기 나노기공의 바닥 부분 모양이 음각 형태가 되도록 상기 티타늄모재 표면의 다공성 산화막을 초음파 세척기를 이용하여 제거한 후 동일한 전해질 용액에 침지하여 다시 양극산화시키는 단계; 및,
b) 상기 티타늄모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하여 상기 생체활성물질이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법.
제 3 항에 있어서,
상기 b)단계는 진공 조건 하에서 상기 티타늄모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법.
제 3 항에 있어서,
상기 b) 단계에서 상기 용액은 실리카 졸(sol)이며, 상기 생체활성물질이 담겨진 실리카 졸에 상기 티타늄모재를 침지한 후 겔(gel)화시킴으로써, 생체활성물질이 담긴 실리카 제로겔이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법.
제 3 항에 있어서,
상기 생체활성물질은 약물, 성장인자, 또는 호르몬인 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법.
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a) 코발트 크롬이나 스테인레스 스틸 또는 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 중 어느 하나로 이루어진 임플란트모재에 티타늄을 전자빔 증착공정으로 코팅하는 단계;
b) 티타늄 코팅된 임플란트모재를 불소 이온이 포함된 전해질 용액에 침지하고 양극산화시켜 임플란트모재 표면에 나노기공을 형성하도록 하는 단계;
b1) 상기 나노기공의 바닥 부분 모양이 음각 형태가 되도록 상기 임플란트모재 표면의 다공성 산화막을 초음파 세척기를 이용하여 제거한 후 동일한 전해질 용액에 침지하여 다시 양극산화시키는 단계; 및,
c) 상기 임플란트모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하여 상기 생체활성물질이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 c)단계는 진공 조건 하에서 상기 임플란트모재를 생체활성물질이 담긴 용액에 침지하는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 c) 단계에서 상기 용액은 실리카 졸(sol)이며, 상기 생체활성물질이 담겨진 실리카 졸에 상기 임플란트모재를 침지한 후 겔(gel)화시킴으로써, 생체활성물질이 담긴 실리카 제로겔이 상기 나노기공에 담지하도록 하는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 생체활성물질은 약물, 성장인자, 또는 호르몬인 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 산화막을 이용하여 생체활성 물질의 담지율을 높이는 임플란트 재료의 제조방법.
제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 9 항, 제 10 항, 제 11 항 및 제 12 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 임플란트 재료.