KR101370750B1

KR101370750B1 - 부분적으로 표면 코팅된 의료용 보철장치

Info

Publication number: KR101370750B1
Application number: KR1020120118871A
Authority: KR
Inventors: 최영빈; 박민
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-03-06

Abstract

본원은 의료용 보철기구에 관한 것으로, 상기 보철기구의 표면은, 하나 이상의 평면 부위에서 생체적합성 물질로 부분적으로 코팅되고, 상기 부분적 코팅 부위에는 생체활성 물질이 탑재된 것을 특징으로 한다. 본원에 따른 부분적 코팅된 보철기구는, 전면코팅에서 굴곡면에 가해지는 기계적 스트레스로 인한 코팅면이 잘 벗겨질 수 있다는 단점을 보완한 것으로 부분 코팅면에서 약물이 초기에 빠르게 확산되어 임플란트 전면에 필요한 적정 시간 내에 효과가 나타나도록 약물전달을 제어하고, 2종 이상의 약물 전달의 경우 선택된 부분으로부터 원하는 약물을 쉽게 선택하여 약물의 국소적 효과가 극대화된다.

Description

부분적으로 표면 코팅된 의료용 보철장치 {Prosthetic Implants with localized coatings}

본원은 의료용 보철 기구 분야에 관한 것이다.

고관절, 무릎 관절과 같은 신체의 특정 부위를 대체하기 위해, 또는 골절된 뼈의 재생 또는 접합을 위해 다양한 의료용 보철이 사용되고 있다. 이러한 의료용 보철은 신체에 이식된 후에, 신체부위와의 밀착성을 높이거나 또는 감염에 의한 염증을 막거나 또는 치료 효과를 높이기 위해, 생체적합성 물질로 코팅되거나/되고, 그 표면에 항생제 (예를 들면 벤코마이신, 페니실린 등) 또는 골형성 약물들 (예를 들면 BMP-2, 알렌드로네이트 등)와 같은 약물을 표면에 직접 탑재하여 국소 전달을 하기도 한다.

약물의 탑재를 위해 각종 생체적합성 물질, 예를 들면 세라믹 (calcium phosphate, hydroxyapatite), 생분해성 고분자 (PLGA, PCL, PLLA), 유기물(steric acid)등을 이용하여 의료용 보철 전체 표면을 코팅하는 것이 일반적이다.

그러나, 이러한 전면 코팅 방식은 특히 굴곡이 심한 면에서 코팅면에 발생하는 높은 기계적 스트레스로 인하여, 코팅 필름이 벗겨지기 쉬운 단점을 가지고 있다. 특히, 현재 상용화되고 있는 의료용 보철, 예를 들면 골플레이트의 형태의 환자의 골절 상태나 형태에 따라서 다양하고 복잡한 형태로 제작되기 때문에, 모든 면을 코팅하는 경우, 굴곡면에 가해지는 심한 기계적 스트레스로 인해 코팅부위가 쉽게 벗겨지는 문제점이 있다. (Evans A, Crumley G, Demaray R. On the mechanical behavior of brittle coatings and layers. Oxidation of Metals 1983;20(5):193-216.)

한국 공개공보 제2004-0032297호는 생분해성 골접합용 코팅 임플란트에 관한 것으로, 표면에 단백질(protein), 세포외 물질, 사이토카인(cytokine), 호르몬 및 색소 등의 유착 촉진 물질이 코팅된 임플란트를 개시한다.

나아가 의료용 보철의 경우, 항생제 및 치료제를 포함하는 2종 이상의 약물을 동시에 전달하여야할 필요가 있다. 하지만 다종의 약물을 동시에 전달하는 경우, 층층이 쌓는 형태로 약물을 각 층에 탑재하여 층별로 약물을 전달하거나, 같은 전달체계에서 두 가지 약물을 동시에 탑재하여 전달하고 있다.

이러한 경우, 두 가지 약물을 각각 독립적으로 제어 전달하기 어려운 단점을 가지고 있으며, 특히, 층별로 약물을 탑재한 경우, 바깥층에 탑재된 약물부터 방출 되고, 바깥층의 분해가 일어난 후, 안쪽 층에서 약물이 그 다음에 방출되기 때문에, 동시에 2 종의 약물을 방출 및 전달하는 것을 제어하기가 곤란하다.(Strobel C, Bormann N, Kadow-Romacker A, Schmidmaier G, Wildemann B. Sequential release kinetics of two (gentamicin and BMP-2) or three (gentamicin, IGF-I and BMP-2) substances from a one-component polymeric coating on implants. Journal of controlled release 2011;156(1):37-45.)

따라서, 코팅이 전단 스트레스에 강하면서도, 다중 약물의 전달이 가능한 보철의 개발이 필요하다.

본원은 상기 문제점들을 극복하기 위한 것으로, 기계적 스트레스에 의한 영향이 최소화될 수 있으며, 코팅에 탑재된 약물을 선택적 국소적으로 전달 가능한 코팅을 갖는 보철을 제공하고자 한다.

한 양태에서 본원은 의료용 보철기구에 있어서, 상기 보철기구의 표면은 생체적합성 물질로 하나 이상의 굴곡이 최소화된 면 예를 들면 면과 면의 경계를 제외한 면, 평면에서 부분적으로 코팅되고, 상기 코팅 부위에는 생체활성 물질이 탑재된 것을 특징으로 하는, 의료용 보철기구를 제공한다. 본원에 따른 일 구현예에서, 상기 의료용 보철기구는 두 곳 이상의 코팅부위를 포함하며, 상기 각 코팅부위에는 적어도 두 개의 서로 다른 생체활성 물질이 탑재된다. 본원에 따른 일 구현예에서, 상기 두 곳 이상의 코팅부위에 탑재되는 생체활성 물질은 상기 의료용 보철기구가 이식되는 부위의 치료 효과에 맞추어 결정될 수 있으며, 상기 부분적 코팅의 위치, 개수, 크기, 및/또는 각 코팅간의 간격은, 상기 부분적 코팅에 탑재되는 생체활성 물질이, 상기 의료용 보철기구가 이식되는 신체 부위, 예를 들면 넙다리뼈, 정강뼈, 또는 종아리뼈 등에서 보철기구가 이식되는 부위의 전면에 걸쳐 또는 원하는 특정 부위로 확산될 수 있도록 결정될 수 있다. 또는 이와 함께, 또는 독립적으로 상기 부분적 코팅의 위치, 개수, 크기, 및/또는 각 코팅간의 간격은, 상기 부분적 코팅에 탑재되는 생체활성 물질의 농도를 고려하여 결정될 수 있다.

본원에 따른 일 구현예에서, 본원의 보철기구에는 목적하는 치료효과에 맞추어 공지된 다양한 물질이 탑재될 수 있으며, 예를 들면 상기 생체활성 물질은 천연 또는 재조합 생체 접착 물질(bioadhesive); 천연 또는 재조합 세포 유착 인자; 천연 또는 재조합 또는 합성 생체 중합체; 천연 또는 재조합 혈액 단백질; 천연 또는 재조합 효소; 천연 또는 재조합 세포외 기질 단백질; 천연 또는 합성 세포외 기질 생체 분자; 천연 또는 재조합 성장 인자 및 호르몬; 천연, 재조합 또는 합성 펩티드 호르몬; 천연, 재조합 또는 합성 데옥시리보핵산; 천연, 재조합 또는 합성 리보핵산; 천연 또는 재조합 수용체; 효소 억제제; 저분자 화합물 약물; 생물학적으로 활성인 음이온 및 양이온; 비타민; 아데노신 모노포스페이트(AMP), 아데노신 디포스페이트(ADP) 또는 아데노신 트리포스페이트(ATP); 마커 생체 분자; 아미노산; 지방산; 뉴클레오티드(RNA 및 DNA 염기); 항생제 및 당으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다. 본원에 따른 일 구현예에서, 본원의 의료용 보철기구는 골플레이트로 이에는 하나 이상의 항생제 및/또는 골조직 성장 촉진 물질이 탑재될 수 있으며, 골조직 성장 촉진 물질은 알렌드로네이트, 졸레드로네이트, 파미드로네이트, 인터루킨 4(Interleukin 4, IL-4), 인터루킨 6(IL-6) 또는 인터루킨 10(IL-10), 비엠피 1(BMP-1, Bone Morphogenetic Protein 1), 비엠피 2(BMP-2) 또는 이지에프 (EGF, Epidermal Growth Factor), 또는 이들의 조합을 포함한다. 항생제로는 예를 들면 모노박탐계열, 페니실린계열, 카르바페넴계열, 세팔로스포린계열, 아미노글리코사이드계열, 퀴놀론계열, 테트라사이클린 계열, 또는 글리코펩타이드계열을 포함한다.

본원의 부분적 코팅을 갖는 의료용 보철 기구는 굴곡면에 가해지는 기계적 스트레스로 인해 코팅 면이 잘 벗겨질 수 있는 전면 코팅의 단점을 극복한 것이며, 또한 부분적 코팅을 통해서도 이에 탑재된 약물이 초기에 빠르게 확산되어 보철기구 전면에 필요한 적정 시간 내에 효과가 나타나도록 약물전달을 제어하고, 2종 이상의 약물 전달의 경우 선택된 부분으로부터 원하는 약물을 쉽게 선택하여 약물의 국소적 효과가 극대화된다.

도 1은 부분적 선택 코팅과 비교하여 전면 코팅방식에 의해서 면과 면의 경계 부분과 같은 굴곡이 심한 부위에서 코팅이 쉽게 벗겨지는 결과를 보이고 있다. 도1a는 직각으로 굽은 윗면과 옆면에 걸쳐 있는 코팅의 경우, 물에서 침지 후 9-12일 이내에 옆면 한쪽부터 코팅이 벗겨지기 시작하는 결과를 보이고 있다. 도1b는 평면에 코팅한 경우이며, 같은 기간 내에 벗겨지는 형상을 보이지 않았다.
도 2은 부분적 선택 코팅을 통한 전면 코팅 효과를 낼 수 있는 조건을 찾기 위한 실험 결과이다.
도 3은 본원의 일 구현 예에 따른 두 가지 약물, 벤코마이신과 알렌드로네이트를 독립적으로 전달할 수 있는 약물 전달 시스템 구현을 위한 모식도이다.
도 4는 Ti 플레이트 윗면 및 밑면 각각에 약물 효용성이 최적화되게 부분적, 선택적 코팅을 형성하는 모식도이다.
도 5은 임상에서 실제 사용되고 있는 Ti 골접합 플레이트의 앞면 (a)과 뒷면 (b)의 사진이다.
도 6는 코팅된 필름의 SEM 이미지로, (a)는 약물과 고분자가 함께 탑재된 드롭으로 코팅된 필름의 SEM 이미지, (b)는 그 필름 표면을 확대한 것이다.
도 7는 (a) 박테리아를 도말하기 전 블러드아가 플레이트의 사진이고, (b) 박테리아를 도말 한 후, 24 시간 후, 박테리아가 번식한 블러드아가의 사진이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 항생제가 탑재된 골플레이트를 도 5의 박테리이가 도말된 아가 플레이트에 각각 뒷면 및 앞면이 아가 플레이트를 향하도록 올려놓은 후, 플레이트에서 방출되는 항생제에 의한 박테리아 번식 억제효과를 조사한 결과이다.
도 9은 본원의 일 실시예에 따른 항생제가 탑재된 골플레이트에서 방출되는 약물의 방출 양을 시간의 경과에 따라 나타낸 것이다.
도 10은 본원의 일 실시 예에 따른 항생제가 탑재된 골플레이트의 앞면 및 뒷면 각각에서 기간별로 방출된 약물 매체(media)를 이용하여 도 5의 블러드아가에서 박테리아 성장 억제 효과를 조사한 결과이다.
도 11는 도 8의 결과를 Image J 프로그램을 이용하여 각각의 샘플별, 기간별 성장 억제 영역의 넓이를 측정한 결과 그래프이다.
도 12은 본원의 일 실시예에 따른 알렌드로네이트가 탑재된 골플레이트의 고분자기반 드롭으로부터 기간에 따른 약물 방출량을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 골프레이트에 탑재된 알렌드로네이트가 실제 방출되어 세포 성장에 미치는 영향을 세포배양물의 흡광도를 측정하여 조사한 것이다.

한 양태에서 본원은 의료용 보철기구에 관한 것으로, 상기 보철기구의 표면은 한 곳 또는 두 곳 이상의 부위에서 생체적합성 물질로 부분적으로 코팅되고, 상기 코팅되는 보철기구의 표면은 평면이며, 상기 부분적 코팅 부위에는 약물을 포함하는 생체활성 물질이 탑재된 것을 특징으로 한다.

본원에서 용어 의료용 보철 기구란, 척추동물, 특히 인간과 같은 포유 동물의 체내에 이식되어 보조 및/또는 치료용 사용되는 임의의 장치들을 의미하며, 이와 함께 사용되는 각종 부속물 예를 들면 스크루/플레이트 등과 같은 고정 장치 등도 포함한다.

이러한 장치의 예로서는 신체의 특정 부분을 대체하거나, 신체의 기능을 회복시키는 의료용 장치들 예를 들어, 대퇴 고관절; 대퇴골두; 관골구컵(acetabular cup); 스템(stem), 웨지(wedge), 관절 삽입물을 포함하는 엘보우(elbow); 대퇴 및 경골 부속, 스템, 웨지, 관절 삽입물 또는 슬개골 부속을 포함하는 무릎관절; 스템 및 헤드를 포함하는 어깨관절; 손목; 발목; 손; 손가락; 발가락; 척추; 척추 디스크; 인공 관절; 치과용 임플란트; 이소골 임플란트(ossiculoplastic implant); 침골, 추골, 등골, 침골-등골, 추골-침골, 추골-침골-등골을 포함하는 중이 임플란트; 달팽이관 임플란트; 골 고정, 접합 등에 사용되는 정형 외과용 고정 장치 예컨대, 네일, 스크루, 스테이플 및 플레이트; 심판막; 심박동기; 카테터; 혈관; 공간 충전 임플란트(space filling implant); 보청기 수용용 임플란트; 외부 고정용 임플란트; 및 자궁내 장치(IUD); 및 생체 전자 장치 예컨대, 달팽이관내 또는 두개내 전자 장치가 있다.

본원에 따른 의료용 보철기구는 생체적합성 물질로 부분적으로 코팅된다. 코팅되는 표면은 굴곡이 최소화된 면, 예를 들면 가능한 평면, 또는 평면인 것이 바람직하며, 면과 면의 경계를 제외한, 적어도 한 곳 이상의 부위인 것이 바람직하다 (도 3 참조). 부분 코팅 방식은 전면 코팅방식과 달리 굴곡이 심한 부위에는 코팅되지 않아 굴곡이 심한 면에서 코팅면에 발생하는 높은 기계적 스트레스로 인하여, 코팅 필름이 벗겨지는 문제를 해결할 수 있다.

본원에서 용어 "드롭"은 부분면 코팅을 위하여 의료용 보철 장치에 선택적으로 적용되는 액상의 코팅을 위해 사용되는 생체적합성 물질, 또는 생체적합성 물질과 약물을 포함하는 하나 이상의 생체활성 물질과의 혼합물이다.

부분 코팅은 부분 코팅으로도 전면 코팅에 의한 효과, 즉 보철기구가 이식될 신체부위의 전면 또는 목적하는 특정 부위에 걸쳐 균일하게, 코팅에 탑재된 약물이 확산되어, 치료효과가 극대화 될 수 있도록, 평면부위에서, 다양한 위치, 모양, 크기 및/또는 개수 또는 코팅간 다양한 간격으로 도포될 수 있다. 코팅의 모양 및 크기는 보철의 모양 및 보철이 가지고 있는 평면 부위의 면적에 따라서 달라질 수 있으며, 또한, 약물은 탑재된 코팅을 구성하는 고분자의 종류, 고분자/약물의 혼합비율 및/또는 농도구배에 따른 확산에 의해 방출되기 때문에, 약물이 확산되는 거리에 따라서 코팅의 개수 및 위치를 결정할 수 있다. 약물이 확산되는 거리는 약물의 초기 농도에 의해 지배 받기 때문에, 약물의 초기 농도가 높을수록, 작은 코팅 개수를 통하여 전면 코팅의 효과를 기대할 수 있으며, 또한, 드롭의 부피를 증가시키면, 탑재된 약물의 양이 증가함으로써, 약물의 초기 농도를 증가시켜 약물이 확산되는 거리가 증가하여 작은 코팅 개수를 통하여 전면 코팅의 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 본원에 따른 일실시예에서, 벤코마이신 경우, 약물의 농도를 150 mg/ml, 드롭 부피를 30l, 드롭 사이즈는 약 2.87 mm로 결정하여 블러드 아가에서 약물의 확산에 의한 거리를 측정한 결과, 대략 1.4 cm 의 반지름 길이를 갖는 원형 모양으로 약물이 확산되는 결과를 얻을 수 있는데, 이를 바탕으로 전면 코팅 효과를 낼 수 있는 드롭과 드롭간의 거리, 드롭의 개수, 코팅의 크기 또는 간격을 결정할 수 있다. 위의 실시예를 바탕으로 약물의 농도 구배에 따른 다음과 같은 약물 확산 식을 이끌어 올 수 있다.

위의 식에 필요로 하는 변수들 MIC, C, X, D, t는 각각 최소 억제 농도(minimum inhibitory concentration), 초기 농도 (intial concentration), distance (약물의 방출되는 거리), 약물 확산 계수 (diffusion coefficient), 확산소요 시간 (time of antibiotic diffusion)을 의미하며, 위의 식을 바탕으로 코팅에 탑재된 약물의 농도, 코팅 개수, 코팅 부피 및 크기 등을 수학적 모델링을 통하여 예측할 수 있다.

위와 같은 식을 이용하여, 예를 들면 본원에 따른 일 실시예에서, 도 5와 같은 골플레이트 (가로길이: 2.8 cm, 세로길이:0.8 cm, 높이 : 0.15 cm) 에 벤코마이신 약물을 200 mg/ml 농도로 사용하는 경우, 앞면 및 뒷면 각각, 양쪽 스크류 홀 사이 평평한 면위에 2 mm 간격을 두고, 3 mm 직경으로, 에 3개의 드롭 코팅을 형성할 수 있으며, 이 경우, 약물이 전면에 24 시간내에 확산될 수 있다(도 8).

또한 부분면 코팅의 경우, 전면 코팅을 했을 때보다 약물의 방출 범위 및 양이 제한적일 수 있어서 전면에 걸쳐 효과를 내는데 시간적 제약이 있을 수 있기 때문에, 이러한 부분면 코팅이 가지는 단점을 극복하고자, 부분면 코팅으로부터 초기에 약물이 빠르게 방출 및 확산되어서 치료 효과를 낼 수 있는 기간 내에 전면 코팅의 경우와 유사한 효과를 낼 수 있도록, 부분 코팅면에서 방출되는 약물의 방출 패턴을 제어하는 공정 및 기술이 사용될 수 있다. 예를 들면 약물의 전달 체계인 고분자와 약물간의 비율 및 고분자의 분자량, 물과의 친화력, 점성 등 화학적이고 기계적인 고분자의 성질들을 변화시켜 초기에 약물이 빠르게 확산 할 수 있도록 할 수 있다. 본원에 따른 일 실시예에서, 부분면 코팅으로부터 약물의 초기 빠른 확산으로 인하여 24시간 이내에 약물의 효과를 낼 수 있도록 한 것이 그 예라고 할 수 있다.

이러한 효과를 가져오기 위해서 가능한 경우들은 이로 제한하는 것은 아니나 다음과 같다: 1) 고분자의 분자량이 작을수록 생분해되거나, 물에 녹는데 걸리는 시간이 작기 때문에, 고분자에 갇혀 있던 약물들이 빠른 시간 안에 방출될 수 있으며, 2) 약물과 고분자의 비율을 고려할 때, 고분자의 양이 적고, 약물의 양이 많을수록, 상대적으로 고분자에 갇혀 있는 약물의 양이 적기 때문에, 약물이 쉽게 외부로 방출될 수 있으며, 3) 친수성 고분자일수록 물과의 친화력 때문에 물이 충분한 환경 속에서 쉽게 분해되고, 녹을 수 있기 때문에, 고분자에 갇혀 있던 약물이 상대적으로 쉽게 빠져 나올 수 있다. 이러한 조건들을 고려하면 약물 방출 패턴을 원하는 시간 내에 효과를 낼 수 있도록 구현이 가능하다.

코팅은 당업계의 공지된 방법 예를 들면, 드롭 코팅 방법, 선택적 면만이 노출된 마스킹을 통하여 전면에 코팅 재료를 분사하여 선택적 표면만 코팅하는 방법, 일정한 크기의 코팅면을 선제작한 후 이를 접착하는 방법 등 다양한 방법이 사용될 수 있다(Ghosh M, Fan F, Stebe KJ. Spontaneous pattern formation by dip coating of colloidal suspensions on homogeneous surfaces. Langmuir 2007;23(4):2180-2183; 미국특허 제 5912051호 등 참조). 코팅의 크기는 코팅물질 드롭의 크기로 조절될 수 있으며 이는 예를 들면 고분자의 분자량, 고분자의 농도, 부피 등을 고려하여 제어할 수 있다. 또한 다양한 패턴을 구현하기 위하여 보철의 형태를 고려하여, 면과 면의 경계를 제외하고, 면 위에서 다양한 조건 예를 들면, 면의 표면 처리 유무, 면과 드롭 장치간의 각도, 면과 드롭 장치간의 거리)에 드롭을 떨어뜨림으로써, 부분적 선택적 패턴 코팅을 구현할 수 있다 (도 3 참조).

본원에 따른 일 구현예에서 의료용 보철기구는 예를 들면 도 5에 예시한 것과 같은 직사각형 모양의 골플레이트이고, 코팅은 원하는 약물이 보철 전면 또는 목적하는 부위에 균일하게 확산될 수 있도록, 원형이고, 직경은 약 3 내지 5 mm이며, 각 앞면 및 뒷면에 약 2 mm 간격을 두고 2 개 또는 3 개씩 배치되도록 도포된다.

의료용 보철기구는 신체와 접촉하므로 독성이 없고 신체의 거부반응을 최소화하는 생체적합성이 필수적인데, 코팅되는 물질도 생체적합성 물질이 사용된다. 코팅에 사용될 수 있는 생체적합성 물질로는 세라믹 (예를 들면 칼슘 포스페이트, 하이드록시아파타이트), 고분자 물질 예를 들면 반영구적 고분자 물질 (예를 들면 폴리에스테르 우레탄, 폴리에테르 우레탄, 폴리카보네이트 우레탄, 폴리디메틸실록산, 실리콘), 생분해성 고분자 (예를 들면 PLGA, PCL, PLLA), 친수성 고분자 (예를 들면 PEG (polyethylene glycol), PEO[Poly(ethylene oxide)], PVA [poly(vinyl alcohol)]), 또는 유기물(예를 들면 스테르산) 등이 사용될 수 있다.

나아가 코팅에 사용될 수 있는 생체적합성 물질로는 이로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 반영구적 고분자 물질 또는 생분해성 고분자 물질이 사용될 수 있으며 후자의 예로는, 생분해성 고분자가 사용될 수 있다. 생분해성 고분자는 단순 가수분해 또는 효소의 작용으로 분해되는 고분자로 나눌 수 있다. 전자의 비제한적 예로는 폴리글리콜라이드 (PGA), 폴리-L-락타이드 (PLLA), 폴리-D,L-락타이드 (PDLLA), 폴리-ε-카프로락톤 (PCL), 폴리-1,4-디옥산-2-원 (PDO), 폴리트리메틸렌카보네이트(PTMC) 또는 폴리-β-하이드록시부티레이트 (PHB) 또는 이들의 공중합체를 포함한다.

본원에 따른 보철 기구는 이식될 신체 부위의 치료, 성장, 회복 등에 도움을 줄 수 있는, 하나 이상의 생체활성 물질을 포함할 수 있다. 본원에서 용어 “생체활성 물질”은 매우 다양한 생물학적 활성 분자를 포함하는 것으로서, 천연 생체활성 분자(천연 공급원으로부터 유래된 천연 생성 분자), 합성 생체활성 분자 또는 재조합된 생체활성 분자를 포함한다. 이러한 생체활성 분자 물질의 예로는 천연 또는 재조합 생체 접착 물질(bioadhesive); 천연 또는 재조합 세포 유착 인자; 천연 또는 재조합 또는 합성 생체 중합체; 천연 또는 재조합 혈액 단백질; 천연 또는 재조합 효소; 천연 또는 재조합 세포외 기질 단백질; 천연 또는 합성 세포외 기질 생체 분자; 천연 또는 재조합 성장 인자 및 호르몬; 천연, 재조합 또는 합성 펩티드 호르몬; 천연, 재조합 또는 합성 데옥시리보핵산; 천연, 재조합 또는 합성 리보핵산; 천연 또는 재조합 수용체; 효소 억제제; 저분자 화합물 약물; 생물학적으로 활성인 음이온 및 양이온; 비타민; 아데노신 모노포스페이트(AMP), 아데노신 디포스페이트(ADP) 또는 아데노신 트리포스페이트(ATP); 마커 생체 분자; 아미노산; 지방산; 뉴클레오티드(RNA 및 DNA 염기); 항생제 및 당으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

본원에 따른 일 구현예에서 골플레이트의 경우, 골 고정, 접합 또는 성장에 도움을 줄 수 있는 물질을 단독으로 또는 다른 물질과 조합으로 포함할 수 있다. 예를 들면 하이드록시아파타이트, 트리칼슘 포스페이트, 항생제, 항염증제, 섬유화 억제제, 골밀도 증가제 또는 골조직 성장 촉진 물질 등이 탑재될 수 있다. 상기 골조직 성장 촉진 물질의 비제한적 예로는 알렌드로네이트, 졸레드로네이트, 파미드로네이트, 인터루킨 4(Interleukin 4, IL-4), 인터루킨 6(IL-6) 또는 인터루킨 10(IL-10), 비엠피 1(BMP-1, Bone Morphogenetic Protein 1), 비엠피 2(BMP-2) 또는 이지에프 (EGF, Epidermal Growth Factor) 등을 들 수 있다.

본원에 따른 일 구현예에서 골플레이의 경우, 균의 감염을 예방할 수 있는 항생제를 단독으로 또는 예를 들면 골 성장 촉진 물질과 조합으로 포함할 수 있다. 항생제의 예로는 이로 제한하는 것은 아니나, 모노박탐계열, 페니실린계열, 카르바페넴계열, 세팔로스포린계열, 아미노글리코사이드계열, 퀴놀론계열, 테트라사이클린 계열, 글리코펩타이드계열 등과 같은 것을 포함한다.

상술한 바와 같이 본원에 보철 기구에 코팅 부위는 적어도 한 곳 이상의 부위인 것이 바람직하며, 이러한 각 코팅 부위에는 동일 또는 상이한 생체적합성 물질이 탑재될 수 있다. 즉 코팅물질의 드롭마다 각기 다른 종의 약물을 탑재함으로써, 독립적인 약물 전달 형상을 구현 할 수 있다. 코팅 각 부위에 탑재되는 물질의 구체적 종류는 골플레이트의 코팅면이 접하는 신체의 구체적 부위에 따라 달라 질 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 예를 들면 한 코팅부위에는 벤코마이신과 같은 항생제를 탑재하고, 다른 코팅부위에는 알렌드로네이트와 같은 골형성 촉진물질이 탑재될 수 있으며, 이런 방식에 의하여, 개별적으로 원하는 신체 조직 부위로 약물을 방출하는 것이 가능하며, 약물의 종류마다 치료 효과를 극대화 할 수 있는 장점, 즉 약물 전달 양, 전달 기간, 전달 형상을 독립적으로 구현할 수 있는 장점이 있다. 또한 본원에 따른 부분적 선택적 코팅은 특정 농도이상의 약물을 포함할 경우, 부분적 코팅임에도 전체에 걸쳐 그 효과가 나타나는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 전면 코팅과 선택적 부분 코팅에서의 코팅 유리 ( detachment ) 정도 측정

전면 코팅이 선택적 부분 코팅에 비해서 굴곡이 심한 부분에서 필름이 더 쉽게 벗겨지는지 확인하기 위하여, 100 mg/ml 농도의 고분자 용액 10 μl를 굴곡면을 의미하는 윗면과 옆면의 경계 부위에 드롭 코팅을 하고, 이에 상응하여 평평한 면에 드롭 코팅을 실시하여, 3 ml PBS (pH 7.4, 37℃, 125 rpm) 미디어에 완전히 각각의 샘플을 잠긴 후, 3일 간격으로 코팅의 벗겨짐 즉 유리가 일어나는지를 관찰하였다. 실제로, 굴곡면에 코팅된 드롭은 9일~12일 사이에 필름이 옆면에 붙어 있던 부분부터 벗겨지기 시작하였으며, 이에 반해 선택적으로 평평한 면에 코팅한 드롭은 같은 기간 동안 유리가 일어나지 않았다(도 1 참조). 이는 기존의 전면코팅과 같이 굴곡면에 코팅된 경우, 높은 기계적 스트레스로 인하여 더 빨리 필름이 벗겨질 수 있음을 나타내는 것이다.

실시예 2 선택적 부분 코팅에 탑재된 약물의 방출성 측정

코팅 드롭에 탑재된 약물은 농도구배에 의한 확산에 의해서 방출되게 된다. 이러한 원리에 근거하여, 약물의 전면 코팅과 동일한 효과를 선택적 부분 코팅을 통하여 얻기 위하여, 코팅 드롭에 탑재된 약물의 확산정도를 예측할 필요가 있었다. 따라서 우선적으로 지름 1 cm의 코인 모양의 Ti 플레이트에 2 종류의 다른 약물 농도 (100 mg/ml, 150 mg/ml)의 드롭 10 μl를 각각 3 개를 평평한 면에 정삼각형 꼭지점 부분에 떨어 뜨렸다. 그 후, 약물의 확산에 의한 박테리아 억제 영역을 확인 한 결과, 농도가 더 높은 경우, 더 큰 억제 영역이 발생하였으며, 하나의 드롭에서 방출되는 약물의 형태가 확산에 의한 것이기 때문에, 원형의 형태로 방출되며, 각각의 드롭에서 방출하는 확산 영역을 그려 본 결과, 서로 겹치는 부분과 그렇지 않은 부분이 공존하여 도 2(a)와 같은 결과를 얻을 수 있었다.

또한, 실제 임상에서 사용되고 있는 Ti 플레이트의 평평한 면에 150 mg/ml 농도의 약물 드롭을 30μl 떨어뜨려서 약물의 확산 정도를 관찰한 결과, 확산에 의한 원형 형태의 억제영역이 생겼으며, 억제 영역의 반지름은 약 1.4 cm 정도였다. 이를 바탕으로 선택적 부분 코팅을 통하여 전면 코팅 효과를 낼 수 있는 코팅의 개수, 코팅에 탑재된 약물의 농도, 약물의 확산 거리를 고려한 코팅간의 거리를 예측 할 수 있었다(도 2(b) 참고).

실시예 3 부분적 선택적 코팅

실제 임상에서 사용되고 있는 Ti 플레이트 (도 5 참조)를 이용하여 평면 위에 부분 선택 코팅을 형성하고, 항생제 및 알렌드로네이트를 탑재한 고분자 기반 코팅을 플레이트 평면 위에 선택적으로 도포하였다 (도 4 참조).

구체적으로 도 4의 Ti 플레이트 (U&I Corp. BP0001-PT)에 벤코마이신 (시그마 알드리치) 또는 알렌드로네이트 (시그마 알드리치)를 각각 탑재한 PGLA 코팅물질 (100 mg/ml)로 다음과 같이 드롭코팅방법으로 도포하였다. 앞면은 벤코마이신 (50 mg/ml)이 탑재된 15μl의 드롭 3개를 선택적으로 떨어뜨렸으며, 뒷면은 벤코마이신이 (30 mg/ml) 탑재된 30μl 드롭 2개를 양쪽 홀 사이에 떨어뜨렸으며, 홀 바깥 부분에는 3μl를 각각 떨어뜨렸고, 마지막으로 알렌드로네이트 (3 mg/ml)가 탑재된 10μl 드롭을 중앙에 떨어뜨렸다. 그 후, 코팅에 포함된 용매가 증발 하며, 코팅을 충분히 굳히기 위하여 공기 중, 상온에서 약 12시간 동안 놓아두었다. 그 후, 잔류 하고 있는 용매를 완전히 제거하기 위하여 진공 펌프에서 24 시간 동안 놓아 두어 최종적으로 샘플을 완성하였다.

이어 상기와 같이 제조한 코팅 플레이트를 주사전자현미경 (SEM) (7410F, Jeol, Japan)으로 관찰 하였다. 결과는 도 6에 있으며, 이에 나타난 바와 같이, 고분자 기반의 코팅면이 잘 형성되었음을 확인하였다.

실시예 4 부분적 코팅 플레이트의 약물 방출능 측정

임상에서 실제로 Ti 골플레이트 이식 시, 90 % 이상 감염의 원인이 되는 박테리아인 스테필로코커스 아루레스 (Staphylococcus.aureus)를 이용하여 약물의 효과를 조사하였다. 박테리아를 고체 배지인 블러드아가 플레이트에 1 x 10⁶개/ml 농도로 도말 한 후, 24시간 동안 배양하여 (5% CO₂, 37℃) 사용하였다 (도 7 참조).

이어 약물 방출에 따른 박테리아 억제 효과를 보기 위하여 직접적 방법 및 추출 방법을 이용하였다. 직접적 방법은 플레이트를 상기 박테리아가 도말된 블러드아가 플레이트에 실시예 1에서와 같이 코팅된 골플레이트를 올려놓은 후, 박테리아 성장 억제 면적을 측정하여 최소억제 농도 (MIC)를 측정하는 것이고, 후자는 해당부분에서 후술한 바와 같다.

직접적 방법의 경우, 골플레이트 앞면의 경우, 드롭마다 200, 100, 50, 30 mg/ml까지 약물의 농도를 감소시켜가면서, 약물에 의한 억제영역이 생기는 MIC를 조사하였다. 그 결과 24시간내에 50 mg/ml까지 골플레이트를 모두 커버할 수 있는 억제영역이 생기고, 30 mg/ml에서부터는 골플레이트를 모두를 커버할 수 있는 억제영역이 생기지 않았다 (도 8 참조). 위와 동일한 방법으로, 골플레이트 뒷면의 경우도, 드롭마다 200, 100, 30, 20 mg/ml 까지 약물의 농도를 감소시켜가면서, 약물에 의한 억제영역이 생기는 MIC를 조사하였다. 30 mg/ml까지 전면을 커버하는 억제영역이 생기고, 20 mg/ml에서부터는 골플레이트를 모두를 커버할 수 있는 억제영역이 생기지 않았다.(도 8 참조) 이는 약물농도 조절을 통해 부분적 코팅의 경우라도 짧은 시간 내에 (< 24 h) 전체 골플레이트에 걸쳐 항생제 효과가 발휘될 수 있음을 나타내는 것이다.

또한 각 드롭에 탑재된 약물 양의 재현성을 확인하기 위하여 각 드롭에 포함된 약물을 측정한 결과 앞면의 경우, 731.34±27.59μg/drop (이론값: 750μg/drop)이며, 뒷면의 경우, 891.89±43.431μg/drop(이론값: 900μg/drop)이었다. 이는 드롭 코팅 과정에서 발생하는 손실에 의해서 실제 측정한 약물의 정량이 이론값보다는 적지만, 작은 표준 편차 값을 통해 각 드롭에 포함된 약물의 정량이 재현성 있게 나타남을 보이는 것이다.

이어 상기와 같은 직접적 방법을 통한 앞면 및 뒷면 각각의 MIC 값을 바탕으로 추출 방법을 통하여 약물 방출 기간에 따른 박테리아 억제 효과를 다음과 같이 조사하였다.

우선 인비트로 약물 방출 실험은 35일간에 걸쳐 3 ml PBS (pH 7.4, 37℃, 125 rpm)에서 실시하였다. 앞면 과 뒷면만 코팅된 골플레이트 각각을 3 ml PBS 미디어에 완전히 잠기게 한 후, 정해진 기간마다 (1일, 3일, 7일, 14일, 21일, 28일, 35일) 약물의 방출양을 측정하기 위하여 3 ml의 미디어를 모아서, 거기서 1 ml를 뽑은 후, UV-Vis spectrophotometer (UV-1800, SHIMADZU, JAPAN)를 이용하여 281nm에서 흡광도를 측정하였다. 그 후, 새로운 PBS 미디어 3 ml를 다시 채운 후, 지속적으로 약물 방출 실험을 수행하였다.

결과는 도 9에 있다. 코팅된 앞면 및 뒷면 각각의 경우 모두 약물이 약 28일 동안 장기간 서방 방출되는 것을 확인 할 수 있었으며, 이러한 결과를 바탕으로 28일까지 각 기간별로 방출된 약물에 의한 박테리아 억제 효과를 입증하기 위하여 1,3,7,14,21,28일 후에 각각 약물이 방출된 3 ml의 방출배지에서 각각 150 μl를 채취한 후, 이를 지름 1cm의 여과지에 흡수시킨 후 직접적 방법 때와 동일한 박테리아 농도가 도말된 블러드아가 위에 올려놓고, 24시간 동안 배양하였다 (CO₂ 5%, 37℃).

결과는 도 10 및 11에 있다. 이에 나타난 바와 같이, 앞면 및 뒷면 각각 1,3,7,14,21,28일차에 억제영역이 모두 발생하였으며, 각 기간별 샘플에서의 억제영역의 넓이를 image J 프로그램 (NIH, USA)을 이용하여 측정하였다.

또한 수학적 모델링 (Agar diffusion method)을 통하여 샘플별, 기간별로 발생하는 억제 영역의 넓이를 측정한 실험값과 이론값을 각각 다음 표 1 및 2와 같이 비교하였다. 여과지에 흡수되어 있는 약물은 블러드아가 위에서 시간에 따라 농도 구배에 따른 확산(diffusion)에 의해서 약물이 방출되기 때문에, 이를 바탕으로 이론값을 계산하기 위하여 아가 디퓨전 방법을 이용하여 수식을 다음과 같이 먼저 결정하였다. (Bonev B, Hooper J, Parisot J. Principles of assessing bacterial susceptibility to antibiotics using the agar diffusion method. Journal of antimicrobial chemotherapy 2008;61(6):1295-1301.)

위의 변수들 MIC, C, X, D, t는 각각 최소 억제 농도 (minimum inhibitory concentration), 초기 농도 (intial concentration), 약물의 방출에 의해 여과지로부터 억제가 되는 거리(distance), 약물 확산 계수 (diffusion coefficient), 확산 소요 시간 (time of antibiotic diffusion)을 의미한다. 위의 수식을 이용하여 얻고자 하는 이론값은 억제 영역의 넓이이기 때문에, x (약물의 방출에 의해 역과지로부터 억제가 되는 거리)를 이론적으로 얻기 위하여, 나머지 변수들에 적절한 값들(D : 0.72 mm²/hr, MIC : 2 μg/ml, T : 24 hr, C : 샘플별, 기간별 초기 농도) 을 대입 한 후, 샘플별, 기간별로 x값을 얻었다. 실제 억제 영역의 넓이가 원형이기 때문에, 원 넓이 (반지름 X 반지름 X pi) 수식을 사용하여 이론적인 억제 영역의 넓이를 계산하였다. 그리고, 상기 이론적으로 얻은 결과값들을 image J 프로그램을 사용하여 얻은 샘플별, 기간별로 발생하는 억제 영역의 실험값들과 비교하였다. 표1에서 알 수 있는 것처럼, 실험값과 이론값이 샘플별, 기간별로 큰 차이는 없었으며, 전체적으로 이론값이 측정값보다 더 큰 값을 나타나는 경향을 보였다.

수학적 모델링에 의한 이론값과 실제 측정값의 비교 분석은 박테리아 억제 효과를 낼 수 있는 기간에 따른 약물의 방출양을 모델링을 통하여 미리 예측하고, 판단할 수 있다.

앞면	1 일	3 일	7 일	14 일	21 일	28 일
억제 영역 실험값 (cm²)	4.60	2.22	1.33	2.01	1.95	1.56
억제 영역 이론값 (cm²)	5.30	2.37	1.53	2.21	2.20	1.52

뒷면	1 일	3 일	7 일	14 일	21 일	28 일
억제 영역 실험값 (cm²)	2.64	1.96	1.52	2.58	2.60	1.71
억제 영역 이론값 (cm²)	3.46	2.54	2.26	2.89	2.90	2.23

이어 골형성 약물인 알렌드로네이트를 탑재한 고분기반 드롭을 기본적으로 실시예 1과 같이 부분면 선택 코팅을 실시하여 골형성을 촉진할 수 있는지를 평가하였다. 구체적으로 3 mg/ml 약물 농도인 알렌드로네이트를 PGLA 코팅물질에 탑재하여 뼈의 골절 부위에 직접적으로 닿는 부위인 뒷면의 중앙에 10 μl를 떨어뜨려 코팅한 후 사용하였다.

인비트로 약물방출 실험결과는 방출기간을 제외하고는 기본적으로 동일하게 수행되었다. 결과는 도 12에 있다. 1일에서 3일까지 측정한 결과, 약물이 각각 약 3.93 μg, 2.40 μg이 방출된 것을 알 수 있으며, 이론적인 약물의 탑재된 총량은 30 μg이기 때문에, 장기간 약물이 방출될 것으로 판단된다.

이어 기간별로 방출된 약물의 양에 따른 골형성 촉진 효과를 판단하기 위하여 대표적인 인간 골모세포주인 MG-63 세포에 방출된 약물을 처리하여 이에 미치는 증식효과를 MTT 분석기법을 사용하여 측정하였다. MTT 분석은 테트라졸리움 염색약인 MTT를 불용성 물질인 포르마잔으로 분해하는 세포내 활성을 색의 변화로 측정하는 방법으로, MTT 시약 처리를 한 후, 살아 있는 세포수가 많을수록 특정 파장(490nm)에서 흡광도가 높아지기 때문에, 흡광도 값을 측정함으로써 세포수 증가유무를 판단 할 수 있는 방법이다.

구체적으로 약물이 방출된 3 ml의 방출배지에서 각각 100 μl를 채취한 후, 이를 96웰 플레이트의 2 X 10⁵개/ml의 세포에 처리한 후, MTT 분석 키트 (시그마 알드리치)를 제조사의 방법대로 사용하여 분석하였다.

결과는 도 13에 있다. 이에 나타난 바와 같이, 1일 후에 방출된 약물에 의해 처리된 그룹의 흡광도값이 음성대조군에 비해서 높은 것으로 보아, 약물에 의해서 MG-63 세포의 증식이 촉진되었으며, 이는 부분 코팅으로부터 약물이 방출되어 약효를 가짐을 나타내는 것이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

Claims

의료용 보철기구에 있어서, 상기 보철기구의 표면은 생체적합성 물질로 하나 이상의 면과 면의 경계를 제외한 면에서 부분적으로 코팅되고, 상기 부분적 코팅의 위치, 개수, 크기, 또는 각 코팅간의 간격은, 상기 부분적 코팅에 탑재되는 생체활성 물질의 농도를 고려하여, 상기 의료용 보철기구가 이식되는 신체 부위의 전면에 걸쳐 또는 특정 부위로 확산될 수 있도록 결정되고, 상기 코팅 부위에는 생체활성 물질이 탑재된 것을 특징으로 하는, 의료용 보철기구.
제 1 항에 있어서, 상기 의료용 보철기구는 두 곳 이상의 코팅부위를 포함하며, 상기 각 코팅부위에는 적어도 두 개의 서로 다른 생체활성 물질이 탑재된 것인, 의료용 보철기구.
제 2 항에 있어서, 상기 두 곳 이상의 코팅부위에 탑재되는 생체활성 물질은 상기 의료용 보철기구가 이식되는 부위의 치료 효과에 맞추어 결정되는 것인, 의료용 보철기구.
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제 1 항에 있어서, 상기 생체활성 물질은 천연 또는 재조합 생체 접착 물질(bioadhesive); 천연 또는 재조합 세포 유착 인자; 천연 또는 재조합 또는 합성 생체 중합체; 천연 또는 재조합 혈액 단백질; 천연 또는 재조합 효소; 천연 또는 재 조합 세포외 기질 단백질; 천연 또는 합성 세포외 기질 생체 분자; 천연 또는 재조합 성장 인자 및 호르몬; 천연, 재조합 또는 합성 펩티드 호르몬; 천연, 재조합 또는 합성 데옥시리보핵산; 천연, 재조합 또는 합성 리보핵산; 천연 또는 재조합 수용체; 효소 억제제; 저분자 화합물 약물; 생물학적으로 활성인 음이온 및 양이온; 비타민; 아데노신 모노포스페이트(AMP), 아데노신 디포스페이트(ADP) 또는 아데노신 트리포스페이트(ATP); 마커 생체 분자; 아미노산; 지방산; 뉴클레오티드(RNA 및 DNA 염기); 항생제 및 당으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 의료용 보철기구.
제 1 항에 있어서, 상기 의료용 보철기구는 골플레이트인, 의료용 보철기구.
제 7 항에 있어서, 상기 골플레이트는 항생제 또는 골조직 성장 촉진 물질, 또는 항생제 및 골조직 성장 촉진 물질이 탑재된 것인, 의료용 보철기구.
제 8 항에 있어서, 상기 항생제는 모노박탐계열, 페니실린계열, 카르바페넴계열, 세팔로스포린계열, 아미노글리코사이드계열, 퀴놀론계열, 테트라사이클린 계열, 또는 글리코펩타이드계열 중 하나 이상인, 의료용 보철기구.
제 8 항에 있어서, 상기 골조직 성장 촉진 물질은 알렌드로네이트, 졸레드로네이트, 파미드로네이트, 인터루킨 4(Interleukin 4, IL-4), 인터루킨 6(IL-6) 또는 인터루킨 10(IL-10), 비엠피 1(BMP-1, Bone Morphogenetic Protein 1), 비엠피 2(BMP-2) 또는 이지에프 (EGF, Epidermal Growth Factor) 중 하나 이상인, 의료용 보철기구.