KR101309416B1 - Carbonnanotube-chitosan-silica nanohybrid for bone regeneration and method of preparation thereof - Google Patents

Carbonnanotube-chitosan-silica nanohybrid for bone regeneration and method of preparation thereof Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite for osteanagenesis and a manufacturing method thereof are provided to improve bio-compatibility and mechanical properties. CONSTITUTION: A method for manufacturing a carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite comprises: a step of manufacturing a carbon nanotube-chitosan composite solution by adding a carbon nanotube to a chitosan solution and treating the mixture with ultrasonic waves; a step of adding silica sol to the carbon nanotube-chitosan composite solution and mixing; a step of mixing the mixture for 3-6 hours and gelling; and a step of filtering and drying the gelled mixture.

Description

골 재생용 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 이의 제조방법{Carbonnanotube-chitosan-silica nanohybrid for bone regeneration and method of preparation thereof}Carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite for bone regeneration and its preparation method {Carbonnanotube-chitosan-silica nanohybrid for bone regeneration and method of preparation

본 발명은 골 재생용 유기-무기 나노복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 키토산-실리카 복합체에 탄소나노튜브를 결합하여 기계적 물성이 강화된 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an organic-inorganic nanocomposite for bone regeneration and a method of manufacturing the same, and more particularly, to carbon nanotubes-chitosan-silica nanocomposites and their preparations by combining carbon nanotubes with chitosan-silica complexes. It is about a method.

일반적으로 골조직 재생을 위하여 자가골이나 동종골을 이식하는 방법이 오래전부터 이용되어 왔으며 현재에도 널리 이용되고 있다. 그러나 자가골은 그 공급이 충분치 않으며, 감염의 위험이 존재하고 자가골을 얻기 위한 수술이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 또한, 동종골의 경우에는 면역반응의 유발과 질병 전염의 가능성이 존재한다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 충분한 양의 골을 쉽게 얻을 수 있으며, 면역반응과 질병 전염의 가능성이 없는 골이식재의 개발이 절실히 요구되고 있다.
In general, autologous or allogeneic bone graft for bone tissue regeneration has been used for a long time and is still widely used. However, autologous bone has the disadvantage that the supply is insufficient, there is a risk of infection and surgery to obtain autologous bone. In addition, in case of allogeneic bone has the disadvantage that there is a possibility of causing an immune response and transmission of the disease. Therefore, a sufficient amount of bone can be easily obtained, and there is an urgent need for the development of bone graft material without the possibility of immune response and disease transmission.

현재까지 개발되어진 골조직 재생 소재로는 동결건조 동종탈회 골피층부조직 및 망상골조직, 탄소화합물, 인회석 및 비흡수성 경조직 대체 고분자, 트리칼슘인산세라믹 등의 물질들이 손상부에서의 충전기능 및 재생기능성을 어느 정도 갖춘 것으로서 보고되고 있다. 그러나 골분말 등의 재료에서는 면역반응 및 질병의 전염 등의 문제점이 있고, 합성물질들은 감염에 민감하고 이식 후 자기들끼리 집적되어 버리는 단점을 안고 있다. 또한, 이들이 자생적으로 발생한 것이 아니라 인위적으로 끼워 넣어진 뼈대 역할을 할 뿐이므로 이들이 주위조직세포를 자극하여 세포수준으로부터 조직재생력을 가질지 여부는 미지로 남아있다.
The bone regeneration materials that have been developed up to now include lyophilized allograft dermal and reticular bones, carbon compounds, apatite and non-absorbable hard tissue substitute polymers, tricalcium phosphate ceramics, etc. It is reported as having. However, materials such as bone powder have problems such as immune response and transmission of diseases, and synthetic materials are susceptible to infection and have a disadvantage in that they are accumulated after transplantation. In addition, they do not occur spontaneously, but serve as artificially inserted skeletons, it remains unknown whether they stimulate surrounding tissue cells to have tissue regeneration from the cellular level.

하이드록시 아파타이트를 주성분으로 하는 다공질 칼슘 인산계 세라믹스의 경우, 화학적 성분이 골과 유사하여 생체 친화성이 매우 뛰어난 장점 때문에 생체 재료로서 각광을 받고 있다. 그러나 하이드록시 아파타이트는 분해속도가 너무 느려 이식부위에서 새로이 형성되는 골조직에 장애요인이 될 소지가 있는바, 최근에는 생체적합성과 골친화성이 우수할 뿐만 아니라 외과적인 수술 후 일정 기간이 지난 후 골 재생에 맞추어 적절히 인체 내에서 분해되어 신생골로 치환될 수 있는 생분해성 재료가 요구되고 있다.
BACKGROUND OF THE INVENTION In the case of porous calcium phosphate ceramics containing hydroxyapatite as a main component, its chemical composition is similar to that of bone, which has attracted much attention as a biomaterial because of its excellent biocompatibility. However, hydroxyapatite has a slow decomposition rate, which may cause obstacles to newly formed bone tissue at the graft site. Recently, it is not only excellent in biocompatibility and bone affinity, but also in bone regeneration after a certain period of time after surgery. There is a need for a biodegradable material that can be properly degraded in the human body and replaced with new bone.

이상적인 골 충진제 또는 이식재료는 골 손상부위에 충진시킴으로써 상피조직의 침입을 막고 골조직이 입자 사이로 전도되어 골 재생을 증가시킬 수 있어야 한다. 골 대체제의 요건은 다음과 같다. 첫째, 생체적합하여 면역반응, 조직독성, 염증반응을 유발하지 않아야 한다. 둘째, 초기에 적절한 기계적 강도가 있어야 하고, 조직이 재생됨에 따라 분해되어야 한다. 셋째, 입자 사이의 공극으로 조직과 신생혈관이 자라나 들어와야 한다. 또한, 멸균방법에 제한을 받지 않아야 하고, 조작하기 용이해야 한다. 그러나, 현실로는 이들 요건을 전부 만족한 재료는 없고, 부분적으로 만족 될 뿐이다.
An ideal bone filler or graft material should be able to fill the bone injury site to prevent invasion of epithelial tissue and to allow bone tissue to conduct between particles and increase bone regeneration. The requirements for bone substitutes are as follows. First, biocompatibility should not induce immune response, histotoxicity, or inflammatory response. Second, there must be adequate mechanical strength initially and must degrade as the tissue regenerates. Third, tissue and neovascularization must grow and enter into the voids between the particles. In addition, it should not be restricted to sterilization methods and should be easy to operate. In reality, however, no material satisfies all of these requirements, but only partially.

한편, 최근 몇몇 연구에서 골 재생 매트릭스로서 키토산 및 탄소나노튜브의 가능성에 대하여 발표하고 있다. 키토산은 -NH2, -NHC(O)CH3 및 -OH와 같은 극성 양성자기를 갖는 N-탈아세틸화 D-글루코사민(N-deacetylated D-glucosamine) 단위체 및 N-아세틸화 D-클루코사민(N-acetylated D-glucosamine) 단위체로 구성되는 선형 다당류로, 비독성, 생분해성 및 친수성기 특성을 가지고 있어 생물의학 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. Recently, several studies have published the possibility of chitosan and carbon nanotubes as bone regeneration matrices. Chitosan is composed of N-deacetylated D-glucosamine monomers with polar proton groups such as -NH 2 , -NHC (O) CH 3 and -OH and N-acetylated D-glucosamine ( N-acetylated D-glucosamine) is a linear polysaccharide composed of monomers. Its non-toxic, biodegradable and hydrophilic properties make it widely used in biomedical fields.

탄소나노튜브(carbon-nanotube, CNT)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 수 나노미터 정도의 튜브 모양의 구조를 이루며, 화학적 안정성, 물리적 특성, 전기적 전도도, 열전도도 및 높은 suface-to-volume 비율 때문에 많은 분야에서 응용이 가능하다. 특히, 탄소나노튜브의 높은 영률(Young's modulus, 1.0-1.8 TPa), 높은 인장 강도(60-150 GPa) 및 높은 연신률(10-30%)로 인해 생체고분자-탄소나노튜브를 포함한 나노조성물로 사용성이 언급되고 있다.
Carbon-nanotubes (CNTs) form a tube-like structure of several nanometers of carbons connected by hexagonal rings, and because of their chemical stability, physical properties, electrical conductivity, thermal conductivity and high suface-to-volume ratio Applications are possible in many fields. In particular, due to the high Young's modulus (1.0-1.8 TPa), high tensile strength (60-150 GPa) and high elongation (10-30%) of carbon nanotubes, it is usable as a nanocomposite containing biopolymer-carbon nanotubes. This is mentioned.

이에, 본 발명자들은 생물학적 물성의 손실 없이 기계적 물성이 향상된 신규한 골 재생용 소재를 연구하던 중, 키토산-실리카 복합체에 탄소나노튜브를 결합시킨 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체가 우수한 생체 적합성, 골 형성 가능성 및 향상된 기계적 물성을 나타내는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
Thus, the inventors of the present invention while studying a novel bone regeneration material with improved mechanical properties without loss of biological properties, the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites incorporating carbon nanotubes in the chitosan-silica complex has excellent biocompatibility, The present invention was completed by confirming that bone formation potential and improved mechanical properties are exhibited.

본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 결합하여 기계적 물성이 우수한 골 재생용 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite for bone regeneration having excellent mechanical properties by combining carbon nanotubes.

본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 골 재생용 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention to provide a carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite for bone regeneration prepared by the above method.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 키토산 용액에 탄소나노튜브를 첨가하고 초음파 처리하여 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액을 제조하는 단계(단계 1); 상기 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액에 실리카 졸을 첨가하여 혼합하는 단계(단계 2); 상기 혼합물을 3 내지 6 시간 동안 교반하여 겔화하는 단계(단계 3); 및 상기 겔화된 혼합물을 여과 및 건조하는 단계(단계 4)를 포함하는, 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention comprises the steps of preparing a carbon nanotube-chitosan complex solution by adding carbon nanotubes to the chitosan solution and sonicating (step 1); Adding and mixing silica sol to the carbon nanotube-chitosan composite solution (step 2); Gelling the mixture by stirring for 3 to 6 hours (step 3); And it provides a method for producing a carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite comprising the step of filtering and drying the gelled mixture (step 4).

본 발명의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 초기 투입 함량은 0.025 g:1.28 g:5 g 내지 0.15 g:1.28 g:5 g일 수 있다.
The initial input content of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of the present invention may be 0.025 g: 1.28 g: 5 g to 0.15 g: 1.28 g: 5 g.

상기 단계 1은, 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액을 제조하기 위하여, 탄소나노튜브를 키토산 용액에 첨가하고 초음파 처리하여 균질화함으로써 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액을 제조하는 단계이다. 상기 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액을 제조하는 단계는 0.5N 내지 1N 염산 용액 내에서 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 초음파처리는 40 kHz 내지 60 kHz 세기이며, 10분 내지 30분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
Step 1 is a step of preparing a carbon nanotube-chitosan complex solution by adding carbon nanotubes to the chitosan solution and homogenizing the same to prepare a carbon nanotube-chitosan complex solution. The preparing of the carbon nanotube-chitosan complex solution is preferably prepared in 0.5N to 1N hydrochloric acid solution. In addition, the ultrasonic treatment is 40 kHz to 60 kHz intensity, it is preferably carried out for 10 to 30 minutes.

한편, 본 발명의 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 탄소나노튜브는 키토산 용액 중량을 기준으로 0.5 내지 3.0 wt%로 포함되는 것이 바람직하다.
Meanwhile, the carbon nanotube of the present invention is preferably a multi-walled carbon nanotube, but is not limited thereto. In addition, the carbon nanotubes are preferably contained in 0.5 to 3.0 wt% based on the weight of the chitosan solution.

상기 단계 2는, 실리카 졸에 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액을 결합시키기 위하여, 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액에 실리카 졸을 첨가한 후 혼합하는 단계이다. 상기 실리카 졸은 실리카 전구체 물질을 pH 2.0 내지 pH 5.0의 산성수용액에 첨가하여 3 내지 6 시간 동안 상온에서 교반하여 생성된 것이 바람직하다. 또한, 상기 실리카 전구체 물질은 tetramethylorthosilane(TMOS) 또는 tetraethylorthosilan(TEOS) 인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
In step 2, in order to bind the carbon nanotube-chitosan complex solution to the silica sol, silica sol is added to the carbon nanotube-chitosan complex solution and then mixed. The silica sol is preferably produced by adding a silica precursor material to an acidic aqueous solution of pH 2.0 to pH 5.0 and stirring at room temperature for 3 to 6 hours. In addition, the silica precursor material is preferably tetramethylorthosilane (TMOS) or tetraethylorthosilan (TEOS), but is not limited thereto.

상기 단계 3은, 상기 실리카 졸 및 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액 혼합물의 졸-겔 전이 유도를 위하여, 3시간 내지 6 시간 동안 교반하고 균질화하여 겔화하는 단계이다.
Step 3 is a step of gelling by stirring and homogenizing for 3 to 6 hours to induce the sol-gel transition of the silica sol and carbon nanotube-chitosan complex solution mixture.

상기 단계 4는, 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체를 얻기 위하여, 상기 겔화된 탄소나노튜브-키토산-실리카 혼합물을 여과 및 건조하는 단계이다. 상기 여과 및 건조는 섬유 구조의 복합체 침전물을 유도하는 에탄올을 상기 겔화된 탄소나노튜브-키토산-실리카 혼합물에 첨가한 후 여과 및 건조하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 건조는 냉동건조가 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Step 4 is a step of filtering and drying the gelled carbon nanotube-chitosan-silica mixture to obtain a carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite. The filtration and drying is preferably added to the gelled carbon nanotube-chitosan-silica mixture followed by filtration and drying to induce a fibrous complex precipitate. In addition, the drying is preferably freeze-drying, but is not limited thereto.

상기 키토산은 상기 나노복합체 전체 중량에 대하여 15 wt% 내지 25 wt%의 비율로 사용할 수 있으며, 19 wt% 내지 21 wt%의 비율이 바람직하다. 더 바람직하게는 19.9 wt% 내지 20.3 wt%일 수 있다.
The chitosan may be used in a ratio of 15 wt% to 25 wt% with respect to the total weight of the nanocomposite, and preferably 19 wt% to 21 wt%. More preferably 19.9 wt% to 20.3 wt%.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체를 제공한다.
In addition, the present invention provides a carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite prepared by the above method.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 우수한 생체 적합성은 물론 높은 인장 강도, 탄성계수 등과 같은 뛰어난 기계적 특성을 갖는 것을 확인하였다.
According to one embodiment of the present invention, it was confirmed that the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of the present invention have excellent mechanical properties such as high tensile strength, modulus of elasticity, as well as excellent biocompatibility.

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 함유한 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 우수한 생체 적합성 및 골 형성 효과가 있음은 물론, 향상된 기계적 물성이 있다.
Carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites containing carbon nanotubes according to the present invention have excellent biocompatibility and bone formation effect, as well as improved mechanical properties.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 키토산-실리카 복합체, (b) 0.5 wt% 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체, (c) 1.5 wt% 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 (d) 2.0 wt% 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 함유량 변화에 대한 FT-Raman 측정 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 3는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 함유량에 대한 FT-IR 측정 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 3.0 wt% 탄소나노튜브를 함유하는 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 XPS 측정 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 함유량 변화에 대한 TGA 측정 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 함유량 변화에 대한 (a) 응력-변형률 곡선, (b) 탄성계수, (c) 인장 강도 및 (d) 연신율을 나타낸 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 함유량 변화에 대한 (a) 물 흡수율, (b) 에탄올 흡수율, 및 (c) 인산완충식염수(PBS) 내에서 분해율을 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 함유량 변화에 대한 아파타이트 형성에 따른 (a) 표면 SEM 이미지, (b) XRD 결과 그래프 및 (c) TGA 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 두개골 결손 랫트의 골 조직 양상에 대한 (a) 키토산-실리카 복합체 부착 및 (b) 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 부착에 따른 광학 현미경 이미지를 나타낸 것이다. 1, (a) chitosan-silica complex according to an embodiment of the present invention, (b) 0.5 wt% carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite, (c) 1.5 wt% carbon nanotube-chitosan-silica nano SEM image of the composite and (d) 2.0 wt% carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite is shown.
Figure 2 shows the graph of the FT-Raman measurement results for the carbon nanotube content change according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a graph of the FT-IR measurement results for the carbon nanotube content according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the XPS measurement graph of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite containing 3.0 wt% carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a graph of the TGA measurement results for carbon nanotube content change according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing (a) stress-strain curves, (b) elastic modulus, (c) tensile strength, and (d) elongation with respect to carbon nanotube content change according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing (a) water absorption rate, (b) ethanol absorption rate, and (c) decomposition rate in phosphate buffered saline (PBS) with respect to carbon nanotube content change according to an embodiment of the present invention.
8 shows (a) surface SEM image, (b) XRD result graph, and (c) TGA result graph according to apatite formation for carbon nanotube content change according to an embodiment of the present invention.
9 shows optical microscopy images of (a) chitosan-silica complex attachment and (b) carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite attachment to bone tissue profiles of cranial deficient rats according to an embodiment of the present invention. will be.

이하, 하기 제조예 및 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 제조예 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Production Examples and Examples. However, the following Preparation Examples and Examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1 내지 5: 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 제조 1 to 5: carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite preparation

키토산(CS, Mw 1.86×105, 78-85% 탈아세틸화), tetramethylorhosilane(TMOS) 및 산 처리된 다중벽 탄소나노튜브(CNT-COOH=CNTs, >95%, 20-30 nm 외직경, 10-30 ㎛ 길이)는 Sigma-Aldrich(USA)로부터 구입하여 사용하였다. 모든 보조 화학물질은 추가적인 정제 없이 사용하였다. Chitosan (CS, Mw 1.86 × 10 5 , 78-85% deacetylated), tetramethylorhosilane (TMOS) and acid treated multiwall carbon nanotubes (CNT-COOH = CNTs,> 95%, 20-30 nm outer diameter, 10-30 μm in length) was purchased from Sigma-Aldrich (USA) and used. All auxiliary chemicals were used without further purification.

다양한 농도의 탄소나노튜브를 함유한 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 졸-겔 공정을 통하여 제조하였으며, 하기 표 1에 탄소나노튜브 함량을 나타내었다. 실리카 졸은 1 ㎖(6.7 mmol) TMOS를 pH 2.0의 1 ㎖ 산성수용액(1N 염산으로 적정)에 상온에서 교반하면서 첨가하여 제조하였다. 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액은 5% 키토산 용액에 다양한 농도의 탄소나노튜브를 각각 첨가한 후 초음파로 균질화하여 제조하였으며, 이는 0.5 N 염산 용액 내에서 제조하였다. 상기 제조된 실라카 졸 및 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액을 혼합한 후 졸-겔 전이 유도를 위하여 3시간 동안 교반을 통하여 균질화하였다. 그 후, 섬유 구조의 복합체 침전물을 유도하는 에탄올을 주입한 후 생성된 침전물을 여과 및 냉동건조하여 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체를 수득하였다. 수득한 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 10 cm×10 cm×1 mm(길이×너비×두께)의 두꺼운 멤브레인 형으로 얻기 위해 40℃, 2 psi로 30분 동안 핫 프레스(hot press) 하였으며, 생성된 맴브레인 형 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 샘플로 사용하였다. Carbon nanotubes-chitosan-silica nanocomposites containing various concentrations of carbon nanotubes were prepared through a sol-gel process, and the carbon nanotube contents are shown in Table 1 below. Silica sol was prepared by adding 1 mL (6.7 mmol) TMOS to 1 mL acidic aqueous solution (pH titrated with 1N hydrochloric acid) at pH 2.0 with stirring at room temperature. The carbon nanotube-chitosan complex solution was prepared by adding homogenizing ultrasonically after adding various concentrations of carbon nanotubes to a 5% chitosan solution, respectively, in a 0.5 N hydrochloric acid solution. The prepared silica solution and the carbon nanotube-chitosan complex solution were mixed and homogenized by stirring for 3 hours to induce sol-gel transition. Thereafter, after injecting ethanol to induce a composite precipitate of fiber structure, the resulting precipitate was filtered and freeze-dried to obtain a carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite. The obtained carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite was hot pressed at 40 ° C. and 2 psi for 30 minutes to obtain a thick membrane of 10 cm × 10 cm × 1 mm (length × width × thickness). The membrane-type carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites were used as samples.

구분division 탄소나노튜브 함량(키토산 중량 기준)Carbon nanotube content (based on chitosan weight) 실시예 1Example 1 0.5 wt%0.5 wt% 실시예 2Example 2 1.0 wt%1.0 wt% 실시예 3Example 3 1.5 wt%1.5 wt% 실시예 4Example 4 2.0 wt%2.0 wt% 실시예 5Example 5 3.0 wt%3.0 wt%

비교예Comparative example : 키토산-실리카 복합체 제조Chitosan-Silica Complex Preparation

상기 실시예에서 사용한 물질을 사용하여, 탄소나노튜브를 첨가하지 않고 동일한 방법을 통해 키토산-실리카 복합체를 제조하였다. 제조된 키토산-실리카 복합체를 대조구로 사용하였다.
Using the material used in the above example, a chitosan-silica composite was prepared in the same manner without adding carbon nanotubes. The prepared chitosan-silica complex was used as a control.

실험예Experimental Example 1:  One: InIn -- vitrovitro

상기 실시예의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체(샘플) 및 비교예의 키토산-실리카 복합체(대조구)의 특성 분석을 위하여 FT-Raman, FT-IR, XPS, TGA, SEM 및 기계적 물성 측정 등을 수행하였다.
In order to characterize the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite (sample) of the example and the chitosan-silica complex (control) of the comparative example, FT-Raman, FT-IR, XPS, TGA, SEM and mechanical properties were measured. It was.

1) SEM(Scanning electron microscopic) 측정1) Scanning electron microscopic (SEM) measurement

상기 실시예 1 내지 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 비교예의 키토산-실리카 복합체 표면 형태를 측정하기 위하여, JSM7000F(JEOL. Tokyo, Japan) 및 HITACHI S-3000H(Japan) 현미경을 사용하여 SEM 측정을 수행하였다. 각 샘플은 실험에 앞서 금(~20 nm) 박막 스퍼터 코팅하였으며, 전극 접촉각은 유동상으로 물을 사용한 자동 리서치 그레이드 접촉각 측정 시스템인 영상 기반 FDSC-OCA 20을 사용하여 측정였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다. In order to measure the surface morphology of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of Examples 1 to 5 and the chitosan-silica complexes of the comparative examples, JSM7000F (JEOL. Tokyo, Japan) and HITACHI S-3000H (Japan) microscopes were used. SEM measurements were performed. Each sample was coated with a gold (~ 20 nm) thin film sputtered prior to the experiment, and the electrode contact angle was measured using an image-based FDSC-OCA 20, an automatic research grade contact angle measurement system using water as the fluidized bed. Shown in

도 1에 나타난 바와 같이, 핫 프레싱을 통해 막 형태로 제조된 상기 실시예 1 내지 4의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 유사한 표면 거칠기를 나타내었으나, 비교예의 키토산-실리카 복합체는 표면이 부드러운 형태인 것을 확인하였다. 또한, 탄소나노튜브의 함량에 따라 흰색에서 다크그레이로 색 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
As shown in FIG. 1, the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of Examples 1 to 4 prepared in a film form through hot pressing showed similar surface roughness, but the chitosan-silica complex of Comparative Example had a smooth surface. It confirmed that it was a form. In addition, it was confirmed that the color change appeared from white to dark gray depending on the content of carbon nanotubes.

2) FT-Raman(Fourier-Transform Raman) 측정2) FT-Raman (Fourier-Transform Raman) measurement

상기 실시예 1 내지 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 비교예의 키토산-실리카 복합체의 정성분석을 위하여, Nd-YAG-laser(1064 nm 여기파장)을 갖는 라만 스펙트로미터(Bruker, FRA 106/S)로 FT-Raman 측정을 수행하였다. 모든 샘플은 건조상태에서 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다. For qualitative analysis of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Examples 1 to 5 and the chitosan-silica complex of Comparative Example, a Raman spectrometer having Nd-YAG-laser (1064 nm excitation wavelength) (Bruker, FRA 106) FT-Raman measurements were performed in / S). All samples were analyzed in the dry state and the results are shown in FIG. 2.

도 2에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브는 일반적으로 각각 sp3 구조(D 밴드) 및 tangenitial 구조(G 밴드)와 일치하는 1290 cm-1 및 1600 cm-1에서 두 개의 중요한 신호를 나타내었다. 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 라만 스펙트라는 1285 cm-1(D 밴드), 1603 cm-1(G 밴드) 및 3168 cm-1에서 각각 특정 피크를 명확하게 나타었으나, 비교예의 키토산-실리카 복합체는 탄소나노튜브와 관련된 어떤 피크도 나타나지 않는 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 2, carbon nanotubes generally exhibited two important signals at 1290 cm −1 and 1600 cm −1 , consistent with the sp3 structure (D band) and tangenitial structure (G band), respectively. The carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite Raman spectra of Examples 1, 3 and 5 were specific peaks at 1285 cm −1 (D band), 1603 cm −1 (G band) and 3168 cm −1 , respectively Although clearly shown, the chitosan-silica complex of the comparative example was confirmed that no peak associated with the carbon nanotubes.

3) FT-IR(Fourier-Transform Infrared Spectrometry) 측정3) Fourier-Transform Infrared Spectrometry (FT-IR) Measurement

나노복합체 내에 구성 물질의 존재 여부를 확인하기 위하여 상기 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체, 탄소나노튜브 및 키토산의 FT-IR 스펙트라를 기록하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. FT-IR spectra of the carbon nanotubes-chitosan-silica nanocomposites, carbon nanotubes and chitosan of Example 5 were recorded to confirm the presence of constituent materials in the nanocomposites, and the results are shown in FIG. 3.

도 3에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체에서 3120-3385 cm-1(키토산 및 탄소나노튜브의 -OH 및 -NH 신축), 2925 cm-1 및 2856 cm-1(키토산의 -CH2기의 -CH 신축), 1632 cm-1(키토산의 카보닐기의 C=O 신축), 1558 cm-1(탄소나노튜브의 C=C 신축), 962-752 cm-1(실리카의 Si-O-H, Si-O 및 O-Si-O 신축)에 특정 피크를 관찰할 수 있다. O-Si-O 피크 형성으로 키토산에서 비롯된 -OH 피크 강도가 감소하였다. 이는, 키토산 및 탄소나노튜브의 -OH 기능기 간에 SiO2 무기 결합을 통한 네트워킹이 발생하였음을 의미한다.
As shown in FIG. 3, 3120-3385 cm -1 (-OH and -NH stretching of chitosan and carbon nanotubes), 2925 cm -1 and 2856 cm in the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 5 -1 (-CH stretch of -CH 2 group of chitosan), 1632 cm -1 (C = O stretch of carbonyl group of chitosan), 1558 cm -1 (C = C stretch of carbon nanotube), 962-752 cm Specific peaks can be observed at -1 (Si-OH, Si-O and O-Si-O stretching of silica). O-Si-O peak formation reduced the -OH peak intensity derived from chitosan. This means that networking through SiO 2 inorganic bonds occurred between -OH functional groups of chitosan and carbon nanotubes.

4) XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 및 TGA(Thermogravimetric) 측정4) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and thermogravimetric (TGA) measurements

XPS 및 TGA 측정은 단색화 알루미늄 Kα 양극(350 W, 25 mA)을 갖는 PHI 5800 ESCA 시스템 및 Exstar 6000(TG/DTA 6100, Seiko Inst., Japan)을 사용하여 가열속도 10℃/min로 25에서 900℃까지 공기 분위기 하에서 수행하였다.
XPS and TGA measurements were performed at 25 to 900 at 10 ° C / min heating rate using a PHI 5800 ESCA system with monochrome aluminum Kα anodes (350 W, 25 mA) and Exstar 6000 (TG / DTA 6100, Seiko Inst., Japan). It was carried out under an air atmosphere up to ℃.

상기 XPS를 이용하여 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 성분을 분석하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. The carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite component of Example 5 was analyzed using XPS, and the results are shown in FIG. 4.

도 4에 나타난 바와 같이, XPS 스펙트럼은 184 eV(C 1s), 402 eV(N 1s) 및 568 eV(O 1s)에 키토산의 특정 피크를 포함하여, 184 eV(C 1s) 및 568 eV(O 1s)에서 산 처리된 탄소나노튜브와 관련된 피크를 나타내었다. 실리카 관련 신호는 107 eV(Si 2p) 및 158 eV(Si 2s)에서 관찰되었으며, 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 모든 기반 물질이 두 요소를 함유하고 있어 C 1s 및 O 1s 피크는 강하게 나타났다.
As shown in FIG. 4, the XPS spectra include specific peaks of chitosan at 184 eV (C 1s), 402 eV (N 1s) and 568 eV (O 1s), resulting in 184 eV (C 1s) and 568 eV (O). 1s) shows a peak related to the acid treated carbon nanotubes. Silica-related signals were observed at 107 eV (Si 2p) and 158 eV (Si 2s), and all of the base materials of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of Example 5 contained two elements, thus C 1s and O 1s. The peak was strong.

또한, 상기 TGA를 이용하여 실시예 3 및 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 비교예의 키토산-실리카 복합체의 유기/무기 비율을 분석하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. In addition, the TGA was used to analyze the organic / inorganic ratios of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of Example 3 and Example 5 and the chitosan-silica complex of Comparative Example, and the results are shown in FIG. 5.

도 5에 나타난 바와 같이, 상기 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 내에 키토산은 약 250℃에서 분해되기 시작하였으며, 탄소나노튜브 및 실리카의 열분해 및 상기 나노복합체의 완전 분해는 약 400 내지 600℃에서 나타났다. 상기 나노복합체의 평균 질량 손실은 600℃에서 약 80 내지 84%인 것을 확인할 수 있었다.
As shown in FIG. 5, chitosan in the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite began to decompose at about 250 ° C., and pyrolysis of carbon nanotubes and silica and complete decomposition of the nanocomposite at about 400 ° C. to 600 ° C. appear. The average mass loss of the nanocomposite was found to be about 80 to 84% at 600 ℃.

5) 기계적 물성 측정5) Mechanical property measurement

탄소나노튜브 함량비에 따른 기계적 물성을 분석하기 위하여, 상기 실시예 1내지 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 비교예의 키노산-실리카 복합체의 기계적 물성을 만능재료시험기(Instron universal testing machine, Instron 3344)를 사용하여 측정하였다. 각각 10 cm×3 cm×1 cm(길이×너비×두께) 크기로 준비된 샘플을 5 mm/min의 속도로 끌어당긴 후, 응력-변형률을 기록하였다. 선형 영역에 초기 기울기를 탄성계수로 보았으며, 파괴 이전 최고 인장 응력을 샘플의 인장 응력으로 보았다. 그리고 파괴점에 변형률을 연실율로 보았다. 총 4개 샘플을 시험하고 평균 수치를 기록하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. In order to analyze the mechanical properties according to the carbon nanotube content ratio, the mechanical properties of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of Examples 1 to 5 and the chinosan-silica composites of the comparative examples were used. , Instron 3344). Samples prepared in 10 cm × 3 cm × 1 cm (length × width × thickness) sizes, respectively, were pulled at a rate of 5 mm / min, and then the stress-strain was recorded. The initial slope over the linear region was viewed as the modulus of elasticity and the highest tensile stress before fracture was seen as the tensile stress of the sample. And the strain at break point was regarded as loss rate. A total of four samples were tested and averaged values were recorded and the results are shown in FIG. 6.

도 6에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브 결합으로 기계적 물성은 전반적으로 유의성있게 향상하였으며, 탄소나노튜브 함유량 증가에 따라 기계적 물성도 더 향상되었다. 비교예의 키토산-실리카 복합체는 약 0.6 MPa 인장 응력, 50 MPa 탄성계수를 나타내었다. 반면에, 실시예 1 내지 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 인장 응력 및 탄성계수는 현저히 우수한 수치를 나타내었다. 비교예의 키토산-실리카 복합체와 비교하여 실시예 1의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 각각 2.8 MPa(약 4배) 및 270 MPa(약 2.3배)의 인장 응력 및 탄성계수를 나타내었으며, 실시예 4의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 각각 7.5 MPa(약 12.5배) 및 550 MPa(약 11배)의 인장 응력 및 탄성계수를 나타내었다. 반면에, 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 각각 5.5 MPa(약 9.2배) 및 350 MPa(약 7배)의 인장 응력 및 탄성계수를 나타내었다. 이는, 탄소나노튜브를 2 wt% 함유한 실시예 4의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체가 기계적 물성 향상에 가장 효과적인 것을 의미한다. 2 wt%까지의 탄소나노튜브 함량 증가로 지속적으로 증가된 기계적 물성 수치는 탄소나노튜브가 키토산-실리카 매트릭스에 가능한 균일하게 분산되었음을 의미하는 것으로 볼 수 있으며, 탄소나노튜브의 과도한 첨가(3 wt%)는 혼합용액의 hydridization 공정 및 불필요한 매트릭스의 생성 동안에 탄소나노튜브의 응집이 발생되는 것을 의미한다. As shown in FIG. 6, the mechanical properties of the carbon nanotube bonds were significantly improved overall, and the mechanical properties were further improved as the carbon nanotube content was increased. The chitosan-silica composite of the comparative example exhibited about 0.6 MPa tensile stress and 50 MPa modulus. On the other hand, the tensile stress and the modulus of elasticity of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of Examples 1 to 5 showed remarkably excellent values. Compared with the chitosan-silica complex of the comparative example, the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 1 exhibited tensile stress and modulus of elasticity of 2.8 MPa (about 4 times) and 270 MPa (about 2.3 times), respectively. The carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of Example 4 exhibited tensile stresses and modulus of elasticity of 7.5 MPa (about 12.5 times) and 550 MPa (about 11 times), respectively. On the other hand, the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 5 exhibited tensile stress and modulus of elasticity of 5.5 MPa (about 9.2 times) and 350 MPa (about 7 times), respectively. This means that the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 4 containing 2 wt% of carbon nanotubes is most effective for improving mechanical properties. The continuous increase in mechanical properties with increasing carbon nanotube content of up to 2 wt% indicates that the carbon nanotubes are dispersed as uniformly as possible in the chitosan-silica matrix, with excessive addition of carbon nanotubes (3 wt% ) Means that agglomeration of carbon nanotubes occurs during the hydridization process of the mixed solution and the formation of the unnecessary matrix.

상기와 같은 기계적 물성 향상은, 산 처리된 탄소나노튜브가 키토산 및 실리카의 친수성 요소와 우수한 화학적 결합성을 갖는 -OH 및 -COOH와 같은 많은 친수성기를 포함하며, 키토산의 존재가 매트릭스 내부에 산 처리된 탄소나노튜브의 분산을 향상시키는 결과로 생각할 수 있다. 더욱이, 키토산 및 탄소나노튜브의 수산화기는 졸-겔 공정 동안 -O-Si-O와 같은 강한 결합 형성을 위하여 교차 공유결합을 이루며, 키토산의 -NHAc 및 탄소나노튜브의 -OH(또는 -COOH)기 분자 간에 수소결합 형성뿐만 아니라 탄소나노튜브의 카르복시기 및 키토산의 아민기 사이에 산-염기 반응을 통한 더 강한 이온 상호작용은 나노복합체의 기계적 물성 향상을 위한 중요한 요소로 생각된다.
Such mechanical property improvement is that the acid-treated carbon nanotubes include many hydrophilic groups such as -OH and -COOH, which have excellent chemical bonds with the hydrophilic elements of chitosan and silica, and the presence of chitosan is acid-treated inside the matrix. It can be considered as a result of improving the dispersion of the prepared carbon nanotubes. Moreover, the hydroxyl groups of chitosan and carbon nanotubes form cross-covalent bonds to form strong bonds such as -O-Si-O during the sol-gel process, -NHAc of chitosan and -OH (or -COOH) of carbon nanotubes. In addition to the formation of hydrogen bonds between group molecules, stronger ionic interactions through acid-base reactions between carboxyl groups of carbon nanotubes and amine groups of chitosan are considered to be important factors for improving mechanical properties of nanocomposites.

6) 나노복합체의 수분흡수능 및 분해율 측정6) Measurement of water absorption and decomposition rate of nanocomposites

상기 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 비교예의 키토산-실리카 복합체의 수분흡수능을 측정하기 위하여, 최대 24시간 동안 물에 적시고 흡수량을 측정하였으며, 그 결과를 도 7a에 나타내었다. In order to measure the water absorption capacity of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Examples 1, 3 and 5 and the chitosan-silica complex of Comparative Example, the wetness was measured in water for up to 24 hours, and the absorption was measured. The results are shown in Figure 7a.

도 7a에 나타난 바와 같이, 수분 흡수량은 일정 기간 증가하고나서 포화하였다. 비교예의 키토산-실리카 복합체의 포화점은 약 12.5 h인 반면에 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 포화점은 약 2.5 h이었다. 또한, 수분 흡수율은 탄소나노튜브 함량 증가에 따라 증가하였으며, 탄소나노튜브를 함유하지 않은 비교예의 키토산-실리카 복합체는 약 250%, 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 각각 약 350%, 520% 및 630%로 나타났다. 이 결과는 탄소나노튜브를 함유한 나노복합체의 친수성 특성에 따른 것으로 생각할 수 있다.
As shown in Figure 7a, the moisture uptake increased after a certain period of time and became saturated. The saturation point of the chitosan-silica complex of the comparative example was about 12.5 h, while the saturation point of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 5 was about 2.5 h. In addition, the water absorption rate increased with increasing carbon nanotube content, and the chitosan-silica composite of the comparative example containing no carbon nanotubes was about 250%, and the carbon nanotube-chitosan of Examples 1, 3 and 5, respectively. Silica nanocomposites were about 350%, 520% and 630%, respectively. This result can be thought to be due to the hydrophilic properties of the nanocomposites containing carbon nanotubes.

또한, 기공 구조 또는 스웰링 물성 실험을 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 비교예의 키토산-실리카 복합체 샘플 내에 에탄올 소킹(soaking) 시험을 수행하였다. 에탄올 소킹(soaking)은 상기 각 샘플의 스웰링 없이 오직 샘플의 기공 안으로 스며들게 하였으며, 그 결과를 도 7b에 나타내었다. In addition, in order to test the pore structure or swelling physical properties, the ethanol soaking test was carried out in the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Examples 1, 3 and 5 and the chitosan-silica composite sample of the comparative example. Was performed. Ethanol soaking was allowed to soak into the pores of the sample only without swelling of each sample, the results are shown in Figure 7b.

도 7b에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브 함량 증가로 에탄올 흡수율이 증가하였다. 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 에탄올 흡수율은 약 176%, 실시예 3의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 에탄올 흡수율은 약 115% 및 실시예 1의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 에탄올 흡수율은 약 76%인 반면에, 탄소나노튜브를 함유하지 않은 비교예의 키토산-실리카 복합체는 약 50%의 에탄올 흡수율을 나타내었다. 이는 탄소나노튜브가 첨가된 나노복합체는 에탄올 흡수를 위한 더 많은 오픈-다공성 구조를 가지고 있음을 의미한다.
As shown in Figure 7b, the ethanol absorption rate was increased by increasing the carbon nanotube content. The ethanol absorption rate of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 5 is about 176%, and the ethanol absorption rate of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 3 is about 115% and the carbon nanotubes of Example 1- The ethanol uptake of the chitosan-silica nanocomposite was about 76%, whereas the chitosan-silica complex of the comparative example without carbon nanotubes showed an ethanol uptake of about 50%. This means that the carbon nanotube-added nanocomposites have more open-porous structures for ethanol absorption.

또한, 탄소나노튜브 결합에 따른 가수분해율을 분석하기 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 비교예의 키토산-실리카 복합체의 분해율을 측정하였다. 상기 분해율 측정을 위하여, 상기 각 나노복합체 샘플을 PBS(인산완충식염수)에 침지하여 7일, 14일 및 21일에 질량 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 7c에 나타내었다.In addition, in order to analyze the hydrolysis rate according to the carbon nanotube bond, the decomposition rate of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Examples 1, 3 and 5 and the chitosan-silica complex of Comparative Example were measured. In order to measure the degradation rate, each nanocomposite sample was immersed in PBS (phosphate buffered saline), and mass changes were measured at 7 days, 14 days, and 21 days, and the results are shown in FIG. 7C.

도 7c에 나타난 바와 같이, 각 나노복합체 샘플의 질량 감소는 탄소나노튜브 함량 증가에 따라 더 감소하였다. 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 질량은 7일, 14일 및 21일 후에 각각 3%, 8% 및 9% 감소하였으나, 비교예의 키토산-실리카 복합체는 같은 시간 동안 12%, 25% 및 28% 질량 감소를 나타내었다. 이는, 습한 조건에서 나노복합체의 화학적 안정도에 대한 결과로 볼 수 있다. 이는, 산 처리된 탄소나노튜브가 내부에 결합한 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 키토산의 아민기 및 탄소나노튜브의 카르복시기 사이의 산-염기 반응을 통해 형성된 [-NH3]+[O(O)C-]와 같은 이온결합을 통해 키토산 분자와 강하게 네트워크 할 수 있음을 의미한다. 이를 통해, 오직 산 조건하에서(pH<6) 분리될 수 있는 이온결합이 키토산 분자의 분해를 지연하는 것으로 생각된다.
As shown in FIG. 7C, the mass reduction of each nanocomposite sample was further decreased with increasing carbon nanotube content. The mass of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 5 decreased by 3%, 8% and 9% after 7 days, 14 days and 21 days, respectively, but the chitosan-silica complex of the comparative example was 12%, 25% and 28% mass reductions were shown. This can be seen as a result of the chemical stability of the nanocomposites in wet conditions. The carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite in which the acid-treated carbon nanotubes are bonded to each other is formed through the acid-base reaction between the amine group of the chitosan and the carboxy group of the carbon nanotube, [-NH 3 ] + [O ( O) C -] and means that the network can be strongly and chitosan molecules through ionic bonding, such as. This suggests that ionic bonds that can be separated only under acidic conditions (pH <6) delay the degradation of chitosan molecules.

7) 나노복합체의 아파타이트 형성능7) Apatite Formability of Nanocomposites

상기 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 비교예의 키토산-실리카 복합체의 아파타이트 형성 능력을 평가하기 위하여, 유사 체액(인체 플라즈마와 유사한 이온을 함유한 SBF; 142.0 mM Na+, 5 mM K+, 1.5 mM Mg2 +, 2.5 mM Ca2 +, 147.8 mM Cl-, 4.2 mM HCO3 -, 1.0 mM HPO4 2 - 및 0.5 mM SO4 2-) 내에 침지하여 수행하였다. 상기 나노복합체 및 복합체 샘플을 1.5×SBF(유사 체액)에 1, 3 및 7일 동안 침지시켰다. 형태학적 변화는 SEM으로 관찰하고 상 및 구성은 XRD로 검출하였으며, 무기질화 정도는 TGA로 분석하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다. 또한, 하기 표 2에 탄소나노튜브 함량비에 따른 HA 무기질화 정도를 나타내었다. In order to evaluate the apatite-forming ability of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of Examples 1, 3 and 5 and the chitosan-silica complex of the comparative example, an analogous body fluid (SBF containing ions similar to human plasma) and immersed in a 0.5 mM SO 4 2-) - 142.0 mM Na +, 5 mM K +, 1.5 mM Mg 2 +, 2.5 mM Ca 2 +, 147.8 mM Cl -, 4.2 mM HCO 3 -, 1.0 mM HPO 4 2; It was performed by. The nanocomposite and composite samples were immersed in 1.5 × SBF (analog body fluid) for 1, 3 and 7 days. Morphological changes were observed by SEM, phase and composition were detected by XRD, and the degree of mineralization was analyzed by TGA. The results are shown in Fig. In addition, Table 2 shows the degree of HA mineralization according to the carbon nanotube content ratio.

탄소나노튜브 함량(wt%)Carbon nanotube content (wt%) HA 무기질 무게 분율(wt%)HA mineral weight fraction (wt%) 00 66 1.51.5 2727 3.03.0 3333

도 8a에 나타난 바와 같이, 1일 동안 침지한 후에는 몇몇의 아주 작은 결정이 표면에 형성되었으며, 3일 후에는 표면이 무기질(미네랄)로 완벽히 덮였다. 이 무기질은 모든 샘플 군(탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 키토산-실리카 복합체)에서 발견되었으나, 그 정도는 현저히 상이하였다. As shown in FIG. 8A, after soaking for 1 day some very small crystals formed on the surface, and after 3 days the surface was completely covered with mineral (mineral). This mineral was found in all sample groups (carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites and chitosan-silica complexes), but the extents were significantly different.

도 8b에 나타난 바와 같이, XRD 스펙트럼은 일반적인 HA 피크 패턴을 나타내었다. 특히, 2θ=32°에서 넓은 피크는 결정화된 아파타이트가 거의 없는 것을 의미한다. As shown in FIG. 8B, the XRD spectrum showed a typical HA peak pattern. In particular, a broad peak at 2θ = 32 ° means little crystallized apatite.

도 8c에 나타난 바와 같이, 7일 동안 발생된 무기질화 정도는, 비교예의 키토산-실리카 복합체에 비하여 실시예 3 및 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체에서 약 5배의 HA 무기질 양을 확인할 수 있었다. 이는, -COOH, -OH 및 -C=O와 같은 관능기 음이온을 포함하는 탄소나노튜브가 아파타이트 무기질화를 이끄는 포스페이트기의 결합을 가속화시키는 칼슘 이온을 위한 다량의 결합 사이트를 제공하는 것으로 보인다.
As shown in FIG. 8C, the degree of mineralization generated for 7 days was about 5 times the amount of HA minerals in the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites of Examples 3 and 5 compared to the chitosan-silica complex of Comparative Example. I could confirm it. It appears that carbon nanotubes comprising functional group anions such as -COOH, -OH and -C = O provide a large amount of binding sites for calcium ions to accelerate the binding of phosphate groups leading to apatite mineralization.

실험예Experimental Example 2:  2: InIn -- vivovivo

상기 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 비교예의 키토산-실리카 복합체의 생체 적합성을 평가하기 위하여, 두개골 결손 랫트 모델을 사용하여 조직 반응 및 골 형성에 대한 상기 실시예 5 및 비교예의 부착 효과를 조사하였다. 11주된 수컷 Sprague-Dwaley 랫트 6마리를 연구에 사용하였다. 서지컬 오퍼레이션(외과수술) 동안, 랫트는 80 mg/kg 케타민 및 10 mg/kg 자일라진을 근육주사하여 마취하였다. 모든 수술 절차는 무균술을 통한 전신마취 하에 수행하였다. 두개골은 정중선 절개하고 #10 메스를 이용하여 뼈막을 제거하여 노출시켰다. 한 동물마다 각 5 mm 직경의 두개골 결손 조각을 만들었으며, 두개골 결손 모델을 무작위로 2 그룹으로 나누었다; 그룹 A는 비교예의 키토산-실리카 복합체 부착, 그룹 B는 실시예 5의 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 부착. 그리고 흡수되는 봉합물질로 피하를 봉합하고, 흡수되지 않는 모노필라멘트 봉합물질로 피부를 봉합하였다. 수술 후, 랫트는 케이지 당 한 마리씩 보관하였으며, 일반적인 자유 식이를 제공하면서 12시간 명암주기로 관리하였다. 4주 후, 랫트로부터 표본을 채취하고 10% 중성 완충 폼알데하이드 용액(NBF)에 고정시켰다. 표본은 칼슘을 제거하고 탈수화하여 파라핀에 고정하였다. 두개골에서 5 ㎛ 조각을 채취하고 조직학적 분석을 위하여 Hematoxylin-Eosin(HE)로 착색하였으며, 광학 현미경으로 관찰하였다. 그 결과를 도 9에 나타내었다. In order to evaluate the biocompatibility of the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 5 and the chitosan-silica complex of Comparative Example, the skull-defected rat model was used for the example 5 and comparative examples for tissue reaction and bone formation. The adhesion effect was investigated. Six 11-week-old male Sprague-Dwaley rats were used for the study. During surgical operations (surgery), rats were anesthetized by intramuscular injection of 80 mg / kg ketamine and 10 mg / kg xylazine. All surgical procedures were performed under general anesthesia via aseptic surgery. The skulls were exposed by midline incision and removal of the bone membrane using a # 10 scalpel. Each 5 mm diameter skull defect piece was made per animal, and the skull defect model was randomly divided into 2 groups; Group A is the chitosan-silica complex of Comparative Example, group B is the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite of Example 5. Subcutaneous suture was closed with the absorbing suture material, and the skin was closed with the monofilament suture material that was not absorbed. After surgery, one rat per cage was stored and administered on a 12-hour light cycle, providing a general free diet. After 4 weeks, samples were taken from rats and fixed in 10% neutral buffered formaldehyde solution (NBF). Samples were fixed in paraffin by removing calcium and dehydrating. 5 μm pieces were taken from the skull and stained with Hematoxylin-Eosin (HE) for histological analysis. The results are shown in Fig.

도 9에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 및 키토산-실리카 복합체에서 유사한 조직 적합성을 나타내었다. 조골세포 라이팅(내벽)은 복합체 가까이 대부분 외측연에서 확인할 수 있었으며, 새 골이 복합체의 표면 뿐만 아니라 네트워크 내부에서도 형성되는 것을 확인하였다. 이 현상은 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체 내에서 골분화 유도 양상이 더 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 하이드로겔-결합 스웰링 물성에 의한 것으로 생각할 수 있으며, 결과적으로 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체는 결합조직 없이 부드럽고 안정하게 새롭게 형성된 골과 결합할 수 있음을 확인하였다. 반면, 탄소나토튜브가 함유되지 않은 키토산-실리카 복합체의 경우 새롭게 형성된 골이 종종 상기 복합체로부터 분리되는 것을 확인하였다. 이를 통해, 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체가 우수한 조직 적합성 및 골 형성 가능성이 있음을 확인하였다. As shown in FIG. 9, similar histocompatibility was shown in the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite and chitosan-silica complex. Osteoblast writing (inner wall) was found in most lateral margins near the complex and confirmed that new bone was formed not only on the surface of the complex but also inside the network. This phenomenon was confirmed that the bone differentiation in the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite is more pronounced. This can be considered to be due to the hydrogel-bonded swelling properties, and as a result, it was confirmed that the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite can be combined with the newly formed bone smoothly and stably without a connective tissue. On the other hand, in the case of chitosan-silica complex containing no carbon natotubes, it was confirmed that newly formed bones were often separated from the complex. Through this, it was confirmed that the carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite has excellent tissue suitability and bone formation potential.

Claims (10)

1) 키토산 용액에 탄소나노튜브를 첨가하고 초음파처리하여 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액을 제조하는 단계;
2) 상기 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액에 실리카 졸을 첨가하여 혼합하는 단계;
3) 상기 혼합물을 3 내지 6 시간 동안 교반하여 겔화하는 단계; 및
4) 상기 겔화된 혼합물을 여과 및 건조하는 단계를 포함하는,
탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법.
1) preparing a carbon nanotube-chitosan composite solution by adding carbon nanotubes to the chitosan solution and sonicating;
2) adding and mixing a silica sol to the carbon nanotube-chitosan composite solution;
3) gelling the mixture by stirring for 3 to 6 hours; And
4) filtering and drying the gelled mixture,
Method for preparing carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 탄소나노튜브-키토산 복합체 용액을 제조하는 단계는 0.5N 내지 1N 염산 용액 내에서 제조하는 것을 특징으로 하는,
탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the preparing of the carbon nanotube-chitosan complex solution of step 1 is characterized in that it is prepared in 0.5N to 1N hydrochloric acid solution,
Method for preparing carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites.
제1항에 있어서, 상기 단계 4의 여과 및 건조하는 단계는 상기 겔화된 혼합물에 에탄올을 첨가한 후 여과 및 건조하는 것을 특징으로 하는,
탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the filtration and drying of step 4 is characterized in that the filtration and drying after adding ethanol to the gelled mixture,
Method for preparing carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites.
제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는,
탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the carbon nanotubes are multi-walled carbon nanotubes,
Method for preparing carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites.
제1항에 있어서, 상기 초음파처리는 40 kHz 내지 60 kHz 세기이며, 10분 내지 30분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는,
탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법.
According to claim 1, The ultrasonic treatment is 40 kHz to 60 kHz intensity, characterized in that performed for 10 to 30 minutes,
Method for preparing carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites.
제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 상기 키토산 중량에 대하여 0.5 내지 3.0 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는,
탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법.
According to claim 1, wherein the carbon nanotubes, characterized in that contained in 0.5 to 3.0 wt% based on the weight of the chitosan,
Method for preparing carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites.
제1항에 있어서, 상기 키토산은 상기 나노복합체 전체 중량에 대하여 15 wt% 내지 25 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는,
탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법.

The method of claim 1, wherein the chitosan is characterized in that it comprises 15 wt% to 25 wt% based on the total weight of the nanocomposite,
Method for preparing carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites.

제1항에 있어서, 상기 실리카 졸은 실리카 전구체 물질을 pH 2.0 내지 pH 5.0의 산성수용액에 첨가하여 3 내지 6 시간 동안 상온에서 교반하여 생성된 것을 특징으로 하는,
탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the silica sol is characterized in that the silica precursor material is produced by adding to the acidic aqueous solution of pH 2.0 to pH 5.0 and stirred at room temperature for 3 to 6 hours,
Method for preparing carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites.
제8항에 있어서, 상기 실리카 전구체 물질은 tetramethylorthosilane(TMOS) 또는 tetraethylorthosilane(TEOS) 인 것을 특징으로 하는,
탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체의 제조방법.
The method of claim 8, wherein the silica precursor material is tetramethylorthosilane (TMOS) or tetraethylorthosilane (TEOS),
Method for preparing carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposites.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 탄소나노튜브-키토산-실리카 나노복합체.A carbon nanotube-chitosan-silica nanocomposite prepared by the method according to any one of claims 1 to 9.
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