KR101388567B1 - 우수한 골 재생효능을 갖는 표면개질된 지지체 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수한 골 재생효능을 갖는 표면개질된 지지체 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 폴리도파민 코팅층과 하이드록시아파타이트 코팅층을 표면에 갖는 본 발명의 표면개질된 지지체는 우수한 골 재생효능을 갖도록 개질되어 의료용 이식재로서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

우수한 골 재생효능을 갖는 표면개질된 지지체 및 그의 제조방법{SURFACE-MODIFIED SCAFFOLD HAVING IMPROVED BONE REGENERATION ABILITY AND PREPARATION THEREOF}

본 발명은 폴리도파민과 하이드록시아파타이트를 이용하여 우수한 골 재생효능을 갖도록 표면이 개질된 지지체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

골 조직은 나노 내지는 마이크로스케일로 계층적으로 조직화된, 다양한 유기 성분(예: 단백질, 세포)과 무기 성분(예: 하이드록시아파타이트 결정)으로 이루어진 유-무기 하이브리드(hybrid) 생복합체 물질이다. 예컨대, 천연골의 중요한 화학적 및 기계적 물성은, 식[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]로 나타내어지는 칼슘 포스페이트(CaP) 결정인 하이드록시아파타이트가 형성되어 콜라겐 피브릴 사이에 공간적으로 배열되는 계층적 구조로부터 유래한다.

의료용으로 사용되는 인공골과 같은 합성 생물질은 계면간 생활성이 결여되어 있는 경우가 대부분이므로, 이러한 합성 생물질의 표면을 개질함으로써 계면간 생활성을 조절하려는 노력이 다양하게 시도되어 왔다.

그의 구체적인 예로서, 인체에 삽입되는 인공골 이식재의 표면 개질을 위해, 모사체액(simulated body fluid: SBF)을 이용하여 인공골 이식재의 표면에 아파타이트를 코팅하는 방법이 문헌[J. Biomed. Mater. Res. 24, 721 (1990)]에 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 아파타이트의 표면 코팅에 상당한 시간을 필요로 할 뿐 아니라 온도 등에 의해 쉽게 코팅 조건이 변한다는 문제점을 갖는다.

문헌[J. Biomed. Mater. Res. 48, 741 (1999)]는 플라즈마 분사법을 이용하여 타겟 재료의 표면에 생체적합성 칼슘 포스페이트 박막을 코팅하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법에 의하면, 다공성을 가진 재료의 안쪽 표면에 균일하게 칼슘 포스페이트 박막을 코팅하기가 어렵고, 플라즈마 방출시 고분자 지지체가 고온에 노출되기 때문에 고분자 지지체가 쉽게 변형될 수 있다는 단점이 있다.

또한, 다양한 재질의 표면에 폴리도파민을 코팅하는 기술이 문헌[Science 318, 426 (2007)]에 개시되어 있다.

그러나, 정형외과, 치과 및 성형외과 등에서 사용하기 위한 다양한 의료용 이식재의 필요성이 점점 커짐에 따라, 더욱 우수한 골 재생효능을 갖는 지지체에 대한 개발이 절실한 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 우수한 골 재생효능을 가져 의료용 이식재로서 사용가능한 지지체 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

표면에 폴리도파민 코팅층 및 하이드록시아파타이트 코팅층을 갖는, 표면개질된 지지체를 제공한다.

또한 본 발명은

하이드록시아파타이트와 폴리도파민을 완충용액에 용해시킨 후, 이 완충용액에 지지체를 침지시킴으로써 지지체의 표면에 폴리도파민과 하이드록시아파타이트가 코팅되도록 하는 것을 포함하는, 표면개질된 지지체의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 표면개질된 지지체는 폴리도파민 코팅층과 하이드록시아파타이트 코팅층을 표면에 가짐으로써 우수한 생체적합성, 세포적합성 및 골전도성(osteoconductivity) 등과 같은 골 재생효능을 갖도록 개질되어 의료용 이식재로서 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법에 의하면, 다양한 재료의 표면을 빠른 시간 내에 효율적으로 개질할 수 있다.

도 1 및 2는 각각 실시예 1에서 제조된 PGA 메쉬의 ATR-FTIR 피크 및 화학분석용 전자분광기(ESCA, electron spectroscopy for chemical analysis) 분석을 통한 C1s 피크를 나타낸 것이고,
도 3 및 4는 각각 실시예 1에서 제조된 PGA 메쉬의 ESCA 내로우 스캔(narrow scan) 및 전자주사현미경 사진을 나타낸 것이고,
도 5 및 6은 각각 실시예 1에서 제조된 PGA 메쉬의 Ca EDS 분석결과 및 이의 정성 분석결과이고,
도 7은 실시예 2에서 회수된 마우스 두개골의 X-선(ray) 사진 및 마이크로컴퓨터 단층촬영(micro-CT(computed tomography)) 사진이고,
도 8 및 9는 실시예 2에서 회수된 마우스 두개골 조직 시편의 조직학 시험결과로서, 각각 골드너의 3색 염색(Goldner's trichrome 염색)을 실시한 후의 사진 및 측정된 골 재생 면적 그래프이다.

본 발명의 표면개질된 지지체는 폴리도파민 코팅층과 하이드록시아파타이트 코팅층을 표면에 갖는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 지지체 표면 위에 폴리도파민 코팅층을, 그 위에 하이드록시아파타이트 코팅층을 차례로 가질 수 있다.

폴리도파민 코팅층의 폴리도파민은 한쪽 말단에 카테콜기를 갖는 것이 적합하며, 한쪽 말단에 카테콜기를 갖는 폴리도파민은 예컨대 3,4-디하이드록시-D-페닐알라닌 및 도파민 염산염과 같은 단량체를 중합시켜 얻을 수 있다. 폴리도파민은 약 100 내지 1000 범위의 수평균 분자량을 가질 수 있다.

하이드록시아파타이트 코팅층의 하이드록시아파타이트는 1 내지 1000nm, 바람직하게는 1 내지 500nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 200nm의 평균 입경을 갖는 나노입자일 수 있다.

본 발명에 사용되는 지지체는 인체 삽입용 인공대체물이나 의료용 이식재로서 사용되는 성형물이라면 무엇이든 사용가능하며, 이러한 지지체의 표면은 예를 들어 금속, 세라믹, 유리, 동물의 생체조직, 또는 생분해성 고분자 물질 등의 재질로 이루어질 수 있다.

상기 생분해성 고분자 물질은 생체 내에서 일정 기간 후 자발적으로 서서히 분해되는 것으로, 혈액친화성, 항석회화 특성, 세포의 영양성분 및 세포간 기질 형성능 중에서 하나 이상의 특성을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 바람직한 생분해성 고분자 물질의 구체적인 예로는 피브린, 콜라겐, 젤라틴, 키토산, 알지네이트, 히알루론산, 덱스트란, 폴리락트산, 폴리글리콜산(PGA), 폴리(락트산-코-글리콜산)(PLGA), 폴리-ε-(카프로락톤), 폴리안하이드라이드, 폴리오르토에스테르, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리우레탄, 폴리아크릴산, 폴리-N-이소프로필아크릴아마이드, 폴리(에틸렌옥사이드)-폴리(프로필렌옥사이드)-폴리(에틸렌옥사이드) 공중합체, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물을 들 수 있다.

이러한 본 발명의 표면개질된 지지체는, 하이드록시아파타이트와 폴리도파민이 용해된 완충용액에 골 재생용 지지체를 침지시킴으로써 지지체의 표면에 폴리도파민과 하이드록시아파타이트가 코팅되도록 하는 것을 포함하는 방법에 의해 제조된다.

상기 하이드록시아파타이트 및 폴리도파민은 각각 물 100 중량부에 대해 2 내지 30 중량부, 바람직하게는 5 내지 20 중량부의 양으로 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 하이드록시아파타이트 및 폴리도파민의 중량비는 0.5~20 : 1 범위일 수 있다.

상기 완충용액은 염의 첨가에 의해 상온에서 8 내지 9, 바람직하게는 8.2 내지 8.7 범위의 pH를 갖는 친수성 용액으로서, 물, 트리스(tris(hydroxymethyl)aminomethane), 트라이신(N-[tris(hydroxymethyl)methyl]glycine), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 용매를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 하이드록시아파타이트 및 폴리도파민의 혼합물 완충용액에 골 재생용 지지체를 예컨대 4 내지 37℃, 바람직하게는 20 내지 35℃에서 5 내지 100시간 동안 침지시킬 수 있다. 이러한 침지를 통해 지지체의 표면에 폴리도파민과 하이드록시아파타이트가 동시에 코팅되는데, 이때 접착성이 우수한 폴리도파민이 먼저 코팅되고, 그 위에 골 재생효능을 갖는 하이드록시아파타이트가 코팅됨으로써, 목적하는 골 재생용 지지체 표면의 개질이 달성된다.

따라서, 본 발명은 상기 표면개질된 지지체로 이루어진 골 재생용 이식재를 제공한다. 본 발명의 표면개질된 지지체는 골 재생을 위해 생체에 이식된 후 일정 시간이 지나면 우수한 골 재생효능을 나타낸다.

이와 같이, 본 발명의 지지체는 폴리도파민 코팅층과 하이드록시아파타이트 코팅층을 표면에 가짐으로써 우수한 생체적합성, 세포적합성 및 골전도성(osteoconductivity) 등과 같은 골 재생효능을 갖도록 개질되어 의료용 이식재로서 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법에 의하면, 다양한 재료(지지체)의 표면을 빠른 시간 내에 효율적으로 개질할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 표면개질된 고분자 PGA 메쉬의 제조

폴리도파민(PD, 수평균 분자량: 197.19)을 용해시킨 pH 6의 수용액에 하이드록시아파타이트 나노입자(nano-HA, 평균 입경: 100nm, Berkeley Advanced Biomaterials Inc.)를 첨가한 후, 이 혼합물 수용액에 고분자 PGA 메쉬(mesh)(밀도 58.9 mg/ml, Albani International Inc., Albany, NY, USA)를 상온에서 8시간, 16시간 및 24시간 동안 각각 침지하여, 폴리도파민과 하이드록시아파타이트 나노입자가 표면에 코팅되어 개질된 PGA 메쉬(PGA-PD-nanoHA)를 얻었다. 이때, 폴리도파민 및 하이드록시아파타이트 나노입자를 각각 물 100 중량부에 대해 20 중량부의 양으로 사용하였다.

비교를 위해, 코팅하지 않은 고분자 PGA 메쉬를 준비하였고, 폴리도파민 및 하이드록시아파타이트 나노입자만을 각각 용해시킨 수용액에 16시간 동안 침지시켜 폴리도파민 및 하이드록시아파타이트 나노입자만이 각각 코팅된 PGA 메쉬(PGA-PD 및 PGA-nanoHA)를 제조하였다.

제조된 PGA 메쉬의 ATR-FTIR 피크 및 화학분석용 전자분광기(ESCA, electron spectroscopy for chemical analysis) 분석을 통한 C1s 피크를 도 1 및 2에 각각 나타내었다. 도 1의 ATR-FTIR을 통해 nano-HA의 (PO₄) 고유 피크가 표면개질된 PGA 메쉬(PGA-PD-nanoHA)에서 확인되었다. 또한, 도 2의 C1s 피크 분석을 통해 폴리도파민이 코팅되었을 때의 C1s 피크의 카복실기가 nano-HA의 코팅에 의해 반응하여 줄어드는 것을 확인하였다.

제조된 PGA 메쉬의 ESCA 내로우 스캔(narrow scan) 및 전자주사현미경 사진을 도 3 및 4에 각각 나타내었다. 도 3의 ESCA 내로우 스캔을 통해 폴리도파민을 이용한 nano-HA의 코팅 시간(침지 시간)이 지남에 따라 Ca 및 P의 피크가 각각 증가함을 정성적으로 확인하였다. 또한, 도 4의 사진으로부터, 폴리도파민과 하이드록시아파타이트 나노입자의 혼합물 수용액을 사용하지 않은 경우에는 코팅이 거의 이루어지지 않았고, 본 발명의 방법에 따라 혼합물 수용액을 사용한 경우에는 침지시간이 증가함에 따라 더욱 많은 하이드록시아파타이트 나노입자가 코팅됨을 확인하였다.

ESCA로 PGA 메쉬 표면을 분석한 결과(표면의 원소 함량(중량 %))를 하기 표 1에 나타내었다.

상기 표 1의 ESCA 표면 분석결과로부터도, 본 발명의 방법에 따라 혼합물 수용액을 사용한 경우 침지시간이 증가함에 따라 하이드록시아파타이트의 Ca 및 P의 함량이 높아짐을 확인하였다.

제조된 PGA 메쉬의 Ca EDS 분석결과를 도 5에 나타내었다. 도 5의 Ca 피크로부터 침지시간이 증가함에 따라 Ca 피크가 증가함을 알 수 있으며, 이러한 사실을 정성적으로도 확인하여 도 6에 나타내었다.

실시예 2: 표면개질된 고분자 PGA 메쉬의 생체내 골 재생효능 실험

마취된 마우스 두개골을 메스를 사용하여 피부를 절개한 후 마우스 두개골에 4 mm 트레핀 드릴(trephine drill)을 사용하여 두개골 결손 모델을 만들었다. 상기 실시예 1에서 제조된 표면개질된 PGA 메쉬(PGA-PD-nanoHA)를 두개골 결손 모델에 이식한 후 절개한 피부를 봉합하고 8주간의 골 재생 기간을 두었다. 8주 후 이식된 재료의 골 재생효능을 확인하기 위해 실험에 사용된 마우스를 마취 후 안락사하였다. 안락사 후 마우스 두개골을 골 재생부위가 상하지 않게 회수하였다. 회수된 마우스 두개골은 포름알데하이드 고정액에 담구어 조직이 손상되는 것을 방지하였다. 이 경우에도, 비교를 위해, 코팅하지 않은 고분자 PGA 메쉬 및 폴리도파민만이 코팅된 PGA 메쉬(PGA-PD)를 동일한 방법으로 이식하였다.

골 재생효능을 확인하기 위해, 회수된 마우스 두개골의 X-선(ray) 사진 및 마이크로컴퓨터 단층촬영(micro-CT(computed tomography)) 사진을 도 7에 나타내었다.

도 7의 사진으로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 방법에 따라 제조된 표면개질된 PGA 메쉬(PGA-PD-nanoHA)에서는 동물 실험 결과 골 재생이 잘 이루어진 반면, 코팅하지 않은 고분자 PGA 메쉬 및 폴리도파민만이 코팅된 PGA 메쉬(PGA-PD)에서는 골 재생이 이루어지지 않았다.

보다 정확한 실험을 하기 위하여 조직학을 실시하였다. 회수한 두개골을 포름알데하이드로 고정한 후 칼슘을 제거하고 탈수과정을 통하여 조직 시편을 제조하였다. 이렇게 제조된 조직 시편은 단면을 4 ㎛의 두께로 박절하여 조직학을 실시하였다. 재생된 조직이 성숙된 골 조직인지를 확인하고자 골드너의 3색 염색(Goldner's trichrome 염색)을 실시하여 그 사진을 도 8에 나타내었으며, 골 재생 면적 또한 측정하여 도 9에 나타내었다. 도 8의 조직학 사진에서 초록색으로 염색된 부분은 골을 형성하는 콜라겐을 염색한 것으로서 이를 통해 재생된 골을 확인하였는데, 본 발명의 방법에 따라 제조된 표면개질된 PGA 메쉬(PGA-PD-nanoHA)를 이식한 군의 경우 다른 군에 비해 골 재생이 우수하였다. 또한, 골 재생 면적을 나타낸 도 9로부터도 PGA-PD-nanoHA를 이식한 군이 다른 군에 비해 유의성 있게 골 재생이 우수함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 방법에 의해 표면개질된 지지체는 인공골을 재생하는 데에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (13)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 표면에 폴리도파민 코팅층 및 하이드록시아파타이트 코팅층을 갖는 표면개질된 지지체의 제조방법으로서,
   상기 지지체는 금속, 세라믹, 유리, 동물의 생체조직, 또는 생분해성 고분자 물질의 재질로 이루어진 표면을 갖고,
   상기 폴리도파민은 한쪽 말단에 카테콜기를 가지며, 3,4-디하이드록시-D-페닐알라닌을 중합시켜 얻어진 것이고,
   상기 제조방법은 하이드록시아파타이트와 폴리도파민을 완충용액에 용해시킨 후, 이 완충용액에 지지체를 침지시킴으로써 지지체의 표면에 폴리도파민과 하이드록시아파타이트가 코팅되도록 하는 것을 포함하며,
   상기 제조방법은 완충용액으로서 모사체액(simulated body fluid: SBF)을 이용하지 않는 것을 특징으로 하는, 표면개질된 지지체의 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 하이드록시아파타이트 및 폴리도파민이 각각 물 100 중량부에 대해 2 내지 30 중량부의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는, 표면개질된 지지체의 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 완충용액이 상온에서 8 내지 9 범위의 pH를 갖는 친수성 용액인 것을 특징으로 하는, 표면개질된 지지체의 제조방법.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 침지가 4 내지 37℃에서 5 내지 100시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 표면개질된 지지체의 제조방법.
12. 삭제
13. 삭제

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