KR101405104B1

KR101405104B1 - 약물의 서방형 방출 특성을 가지는 골 시멘트

Info

Publication number: KR101405104B1
Application number: KR1020110142083A
Authority: KR
Inventors: 이진호; 오세행; 오은조
Original assignee: 한남대학교 산학협력단
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2014-06-10
Also published as: KR20130074171A

Abstract

본 발명은 약물을 포함하는 골 시멘트 매트릭스, 및 양친매성 첨가제(amphiphilic additive)를 포함하는 골 시멘트에 관한 것으로, 본 발명에 따른 양친매성 첨가제가 포함된 약물 함유 골 시멘트는 국소 환부에 적용 시, 골 시멘트에 유의한 물성변화를 야기하지 않을 정도의 양친매성 첨가제를 첨가하여도 골 시멘트 내에 포함된 약물을 국소 환부에 보다 장기적이며 효율적으로 전달할 수 있어 현재까지 임상에서 선택의 여지없이 사용하고 있는, 시술 초기에만 항균효과를 가지는, 기존 약물 포함 골 시멘트를 대체할 수 있는 효과를 가진다.

Description

약물의 서방형 방출 특성을 가지는 골 시멘트 {Bone cement with sustained drug release behavior}

본 발명은 기계적 물성을 유지하면서, 약물의 서방형 방출을 유도할 수 있는 골 시멘트에 관한 것이다.

외과용 골 시멘트는 손상된 뼈와 뼈 혹은 뼈와 이식물 사이의 빈 공간을 채워주어 두 물질 사이를 고정하고 안정화시켜 주는, 정형외과 영역에서 널리 사용되는 중요한 재료 중 하나이다. 이러한 골 시멘트는 1974년에 Charnley이 상온 경화용 골 시멘트를 시술하여 성공한 이후 정형외과 영역에서 활발히 사용되고 있다.

일반적으로 골 시멘트는 N,N-디메틸-p-톨루이딘 (N,N-dimethyl-p-toluidine)이라는 중합촉진제가 들어있는 메틸메타크릴레이트 (MMA) 단량체와, 개시제인 벤조일퍼옥사이드 (BPO)가 섞여있는 분말 상태인 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA)의 두 부분으로 구성되어 있으며, 이를 혼합하면 중합이 개시되어 골 시멘트의 역할을 수행하게 된다.

그러나 PMMA 골 시멘트는 중합 시 다량의 기포가 생성되어 기계적 물성을 저하시키는 요인이 되고, 이들이 중합반응 시에 중합열이 발생하여 인근에 있는 뼈와 근육세포들이 괴사하는 경우가 생기고, 미반응 MMA 단량체가 주변 세포 및 조직에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다는 단점을 가지고 있기도 하다.

뿐만 아니라, 수술 시 흔히 발생되는 감염 또한 골 시멘트를 이용한 수술에서 매우 심각하게 고려하여야 할 요소로 인식되고 있다. 관절 치환술 이후의 감염 발생률은 0.5 ~ 3%로 보고되고 있으며, 이는 인공관절 치환술 후 해리 다음으로 흔한 합병증으로 보고되고 있다.

이러한 감염에 대한 대책으로는 항생제를 혈관 및 근육을 통해 주사주입하거나 혹은 골 시멘트에 직접 혼합하여 적용하여 감염을 제거하려는 치료법이 사용되고 있으며, 골 시멘트에 항생제를 혼합하여 사용하는 것이 인공관절의 감염 억제에 보다 효율적인 것으로 알려졌다.

1970년에 Buchholz와 Engelbrecht가 처음으로 감염된 인공 관절 수술 환자에서 젠타마이신(Gentamicin)을 섞은 PMMA를 사용한 이래, 항생제 혼합 골 시멘트에 대한 연구, 개발이 집중적으로 진행되었으며, 미국 식약청에서는 2003년에 인공 관절 감염에서 시행되는 2단계 재치환술 (2-stage revisional arthroplasty)에서 겐타마이신 (Gentamicin), 토브라마이신 (Tobramycin) 및 반코마이신 (Vancomycin) 등이 함유된 골 시멘트의 인체 사용을 허가하기에 이르렀다. 또한, 만성 골수염 및 암의 치료를 위해 골 시멘트에 항생제 및 항암제를 포함시켜 상기 병변을 치유하고자 하는 연구들도 활발히 진행되고 있다.

하지만, 일반적으로 골 시멘트에 약물을 혼합하여 사용할 경우 초기 국소적인 약물 농도의 상승에 의해 수술 직후 치료에는 도움을 주지만, 처치 후 2주 내에 함유 약물의 일부만이 방출되고 [10 ~ 20%의 약물의 초기 방출 (burst)] 더 이상 방출이 되지 않아 소정의 약효를 나타내지 못하는 문제가 있다. 또한, 초기 방출 문제를 해결하기 위해 과량의 약물을 사용할 경우에는, 방출에는 다소 효과가 있으나 골 시멘트의 기계적 강도가 떨어지는 문제가 발생되었다.

이를 해결하기 위해 다양한 친수성 고분자를 골 시멘트에 첨가하였으나, 통상적인 골 시멘트의 매트릭스로 사용되는 PMMA 고분자의 소수성 (hydrophobic property)으로 첨가된 친수성 고분자와 상분리되는 문제가 있다. 따라서 친수성 고분자를 첨가제로 사용했음에도 불구하고 오히려 물성이 약화될 뿐만 아니라 여전히 짧은 약물 방출 거동은 해결되지 않고 있다.

이상과 같이, 약물 함유 골 시멘트에 대한 활발한 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 상기한 문제점들 (약물의 초기 짧은 방출 및 물성 약화)은 여전히 풀지 못한 숙제로 남아있는 실정이다.

이에 본 발명은 종래 약물을 포함하고 있는 골 시멘트를 적용함에 있어, 실제 포함하고 있는 약물의 10 ~ 20% 만이 빠른 초기 방출 (burst; 시간이 흐르면서 국소부위 약물의 농도가 치료영역 이하로 감소)되어 소정의 시간 동안 약물 효과가 유지되지 못하는 점을 해결할 수 있으며, 첨가제 혼합에 따른 기계적 물성이 약화되지 않는 골 시멘트를 제공하는 데 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 골 시멘트에 약물을 도입함에 있어서 첨가제의 혼합에 따른 기계적 물성 약화없이 외과적 수술에 적합한 물성을 가지며, 수술 후 빠른 방출에 의한 초기만의 약효가 아닌 약물의 서방형 방출에 의한 장기간의 효과적인 약효를 가지는 약물함유 골 시멘트를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 골 시멘트는 약물, 골 시멘트 매트릭스, 및 양친매성 첨가제 (amphiphilic additive)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양친매성 첨가제는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알콜, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르류, 폴리옥시에틸렌 케스터 오일 유도체류, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스터류 및 폴리옥시에틸렌 스테아레이트류로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 양친매성 첨가제는 상기 골 시멘트 매트릭스 100 중량부에 대해 0.1 ~ 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 약물은 항생제, 항암제, 항균제, 소염제 및 진통제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 약물은 젠타마이신 (Gentamicin), 테트라사이클린 (Tetracycline), 미노사이클린 (Minocycline), 독시사이클린(Doxycycline), 반코마이신 (Vancomycin), 카나마이신 (Kanamycin), 파로모마이신 (Paramomycin), 스트렙토마이신 (Streptomycin), 리노테칸 (Irinotecan), 린코마이신 (Lincomycin), 콜리스틴 (Colistin), 폴리믹스비 (Polymyxin B), 시타라빈(Cytarabine), 네탈마이신 (Netilmicin), 아마카신 (Amikacin), 리보스타마이신(Ribostamycin), 싸이클로포스파마이드 (Cyclophosphamide), 테모카프릴(Temocapril), 토브라마이신 (Tobramycin), 니트로소우레아 (Nitrosourea), 도노루비신 (Daunorubicin), 덱사메타손 (Dexamethasone), 테이코프라닌 (Teicoplanin), 세파로틴 (Cefalotin), 콜리스티메테이트 (Colistimethate), 아목시실린 (Amoxicillin), 암페낙 (Amfenan), 세파졸린 (Cefazolin), 세폭시틴 (Cefoxitin), 세프록심 (Cefuroxime), 디클로페낙 (Diclofenac), 플루르비프로펜 (Flurbiprofen), 록소프로펜 (Loxoprofen), 메클로페남산 (Meclofenamate), 이부프로펜 (Ibuprofen), 나프록센 (Naproxen), 톨메틴 (Tolmetin), 인도메타신 (Indomethacin), 아세트아미노펜 (Acetaminophen), 아스피린 (Aspirin), 엔도르핀 (Endorphin), 이소프로필안티피린 (Isopropylantipyrine), 젬시타빈 (Gemcitabine), 독소루비신 (Doxorubicin), 탁솔 (Taxol), 타목시펜 (Tamoxifen), 시스플라틴 (Cisplatin), 카보플라틴 (Carboplatin), 카무스틴 (Carmustine), 블레오마이신 (Bleomycin), 빈크리스틴 (Vincristine), 및 메토트레세이트 (Methotrexate)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 골 시멘트 매트릭스는 아크릴계 시멘트 및 인산칼슘계 시멘트 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 양친매성 첨가제가 포함된 약물 함유 골 시멘트는 국소 환부에 적용 시, 골 시멘트에 유의한 물성변화를 야기하지 않을 정도의 양을 첨가하여도 골 시멘트 내에 포함된 약물을 국소 환부에 보다 장기적이며 효율적으로 전달할 수 있어 현재까지 임상에서 선택의 여지없이 사용하고 있는, 시술 초기에만 항균효과를 가지는, 기존 약물 포함 골 시멘트를 대체할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 양친매성 첨가제가 포함된 골 시멘트의 제조 과정이고,
도 2는 비교예 1, 및 실시예 1~5에 따른 골 시멘트로부터 약물의 방출 거동을 나타낸 그래프이며,
도 3은 비교예 1, 및 실시예 1~5에 따른 골 시멘트의 국제 규격 (ISO 5833:2002)에 따른 기계적 물성 측정 결과 [(A) 응력-변형 (stress-strain) 그래프, (B) 항복 응력 (yield stress)]이고,
도 4는 비교예 1, 및 실시예 1~5에 따른 골 시멘트에서 방출된 약물에 의한 세포독성 평가 결과이며,
도 5는 비교예 1, 및 실시예 1~5에 따른 골 시멘트의 항균력 평가 결과이다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 약물, 골 시멘트 매트릭스 및 양친매성 첨가제를 도입하여, 상기 양친매성 첨가제에 의한 기계적 물성 약화 없이 약물의 서방형 방출을 유도할 수 있는 약물이 함유된 골 시멘트에 관한 것이다.

본 발명에 따른 '양친매성 첨가제 (amphiphilic additive)'란 소수성(hydrophobicity)과 친수성 (hydrophilicity)의 양쪽 특성을 모두 가지고 있는 첨가제를 의미한다. 즉, 유화제 (emulsifiers)와 분산제 (dispersants)의 역할을 동시에 수행할 수 있는 물질로 볼 수 있다.

본 발명의 골 시멘트에서 이러한 양친매성 첨가제를 포함하게 되면, 소수성인 상기 골 시멘트 매트릭스를 친수화시켜 수용액을 골 시멘트 내부로 침투시킬 수 있다. 따라서, 상기 침투된 수용액을 따라 골 시멘트 매트릭스 내의 약물이 효과적으로 방출될 수 있게 된다.

또한, 상기 양친매성 첨가제가 소수성의 특성도 가지기 때문에 골 시멘트 매트릭스와 상분리되지 않고 상용성을 유지할 수 있기 때문에 종래와 같이 상분리로 인한 물성 저하를 해결할 수 있게 된다.

이러한 본 발명에 따른 양친매성 첨가제는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중합체, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르류, 폴리옥시에틸렌 케스터 오일 유도체류, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스터류 및 폴리옥시에틸렌 스테아레이트류로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.

본 발명의 양친매성 첨가제는 상기 골 시멘트 매트릭스 100 중량부에 대해 0.1 ~ 40 중량부, 보다 바람직하기로는 1 ~ 10 중량부로 혼합 사용되는 것이 바람직하다. 상기 양친매성 첨가제가 0.1 중량부 미만으로 사용되면 약물이 장기간 지속적으로 방출되지 못하는 문제가 있으며, 40 중량부를 초과하는 경우에는 약물이 너무 빨리 방출되거나 물성이 약해지는 문제가 있다.

본 발명의 상기 양친매성 첨가제는 약물을 포함하는 골 시멘트 매트릭스에 첨가되는데, 여기서 상기 약물은 항생제, 항암제, 항균제, 소염제 및 진통제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

구체적으로 상기 약물은 젠타마이신 (Gentamicin), 테트라사이클린 (Tetracycline), 미노사이클린 (Minocycline), 독시사이클린(Doxycycline), 반코마이신 (Vancomycin), 카나마이신 (Kanamycin), 파로모마이신 (Paramomycin), 스트렙토마이신 (Streptomycin), 리노테칸 (Irinotecan), 린코마이신 (Lincomycin), 콜리스틴 (Colistin), 폴리믹스비 (Polymyxin B), 시타라빈(Cytarabine), 네탈마이신 (Netilmicin), 아마카신 (Amikacin), 리보스타마이신(Ribostamycin), 싸이클로포스파마이드 (Cyclophosphamide), 테모카프릴 (Temocapril), 토브라마이신 (Tobramycin), 니트로소우레아 (Nitrosourea), 도노루비신 (Daunorubicin), 덱사메타손 (Dexamethasone), 테이코프라닌 (Teicoplanin), 세파로틴 (Cefalotin), 콜리스티메테이트 (Colistimethate), 아목시실린 (Amoxicillin), 암페낙 (Amfenan), 세파졸린 (Cefazolin), 세폭시틴 (Cefoxitin), 세프록심 (Cefuroxime), 디클로페낙 (Diclofenac), 플루르비프로펜 (Flurbiprofen), 록소프로펜 (Loxoprofen), 메클로페남산 (Meclofenamate), 이부프로펜 (Ibuprofen), 나프록센 (Naproxen), 톨메틴 (Tolmetin), 인도메타신 (Indomethacin), 아세트아미노펜 (Acetaminophen), 아스피린 (Aspirin), 엔도르핀 (Endorphin), 이소프로필안티피린 (Isopropylantipyrine), 젬시타빈 (Gemcitabine), 독소루비신 (Doxorubicin), 탁솔 (Taxol), 타목시펜 (Tamoxifen), 시스플라틴 (Cisplatin), 카보플라틴 (Carboplatin), 카무스틴 (Carmustine), 블레오마이신 (Bleomycin), 빈크리스틴 (Vincristine), 및 메토트레세이트 (Methotrexate)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이들에만 특별히 한정되는 것은 아니고, 상기 약물들 이외에도 본 발명에 따른 골 시멘트를 적용하여 약효를 나타낼 수 있는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 골 시멘트 매트릭스는 유기 고분자 및 무기물 중에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 골 시멘트 매트릭스는 아크릴계 시멘트 및 인산 칼슘계 시멘트 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 이 중에서 아크릴계 시멘트로서 PMMA가 가장 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 골 시멘트 제조 조건 및 포함 약물의 농도는 이미 상용화된, 약물을 포함하는 골 시멘트의 제조조건 및 농도를 따르며, 그 방법이 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 양친매성 첨가제가 포함된 골 시멘트는 인공관절 시술시 발생되는 감염억제, 통증억제, 만성골수염 및 암의 치료 등에 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 양친매성 첨가제가 포함된 골 시멘트를 체내 도입 시 약물은 1주 ~ 6주 이상 서방형 방출을 나타내는 특징을 가진다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 양친매성 첨가제가 포함된 골 시멘트를 이하의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

실시예 1~5

PMMA 분말 (R40x1, BIOMET; Switzerland) 100 중량부에 대해 항생제로서 염산 반코마이신 (Sigma aldrich, USA) 5 중량부, 및 양친매성 첨가제인 Pluronic F68 (EO₇₉PO₂₈EO₇₉, Mw 8,750; BASF, USA)을 각각 1 중량부 (실시예 1), 3 중량부 (실시예 2), 5 중량부 (실시예 3), 7 중량부 (실시예 4), 및 10 중량부 (실시예 5)로 첨가하여 PMMA/반코마이신/Pluronic F68 혼합 분말을 준비하였다.

여기에 PMMA 분말 100 부피부에 대해 50 부피부의 MMA 용액을 혼합한 후 각각 몰드에 부어 디스크형태 (직경 6 mm, 높이 2 mm; 약물방출/세포독성/항균력평가) 및 실린더형태 (직경 6 mm, 높이 12 mm; 물성평가)를 가지는, 항생제 약물과 양친매성 첨가제로서 Pluronic F68이 첨가된 골 시멘트 시료를 제조하였다.

전체 제조 과정은 다음 도 1에 나타낸 바와 같다.

실시예 6~10

PMMA 분말 (R40x1, BIOMET) 100 중량부에 대해 소염제로서 이부프로펜 (Sigma) 5 중량부, 및 양친매성 첨가제인 Pluronic F68 (EO₇₉PO₂₈EO₇₉, Mw 8,750; BASF)을 각각 1 중량부 (실시예 6), 3 중량부 (실시예 7), 5 중량부 (실시예 8), 7 중량부 (실시예 9), 및 10 중량부 (실시예 10)로 첨가하여 PMMA/이부프로펜/Pluronic F68 혼합 분말을 준비하였고, 이로부터 상기 실시예 1~5와 동일한 과정으로 소염제 약물과 양친매성 첨가제로서 Pluronic F68이 첨가된 골 시멘트 시료를 제조하였다.

실시예 11~15

PMMA 분말 (R40x1, BIOMET) 100 중량부에 대해 항암제로서 독소루비신 (보령제약) 5 중량부, 및 양친매성 첨가제인 Pluronic F68 (EO₇₉PO₂₈EO₇₉, Mw 8,750; BASF)을 각각 1 중량부 (실시예 11), 3 중량부 (실시예 12), 5 중량부 (실시예 13), 7 중량부 (실시예 14), 및 10 중량부 (실시예 15)로 첨가하여 PMMA/이부프로펜/Pluronic F68 혼합 분말을 준비하였고, 이로부터 상기 실시예 1~5와 동일한 과정으로 항암제 약물과 양친매성 첨가제로서 Pluronic F68이 첨가된 골 시멘트 시료를 제조하였다.

실시예 16~20

PMMA 분말 (R40x1, BIOMET) 100 중량부에 대해 항생제로서 염산 반코마이신(Sigma aldrich) 5 중량부, 및 양친매성 첨가제인 Pluronic F127 (EO₉₉PO₆₅EO₉₉, Mw 12,500; BASF)을 각각 1 중량부 (실시예 16), 3 중량부 (실시예 17), 5 중량부 (실시예 18), 7 중량부 (실시예 19), 및 10 중량부 (실시예 20)로 첨가하여 PMMA/반코마이신/Pluronic F127 혼합 분말을 준비하였고, 이로부터 상기 실시예 1~5와 동일한 과정으로 항생제 약물과 양친매성 첨가제로서 Pluronic F127이 첨가된 골 시멘트 시료를 제조하였다.

실시예 21~25

PMMA 분말 (R40x1, BIOMET) 100 중량부에 대해 소염제로서 이부프로펜 (Sigma) 5 중량부, 및 양친매성 첨가제인 Pluronic F127 (EO₉₉PO₆₅EO₉₉, Mw 12,500; BASF)을 각각 1 중량부 (실시예 21), 3 중량부 (실시예 22), 5 중량부 (실시예 23), 7 중량부 (실시예 24), 및 10 중량부 (실시예 25)로 첨가하여 PMMA/이부프로펜/Pluronic F127 혼합 분말을 준비하였고, 이로부터 상기 실시예 1~5와 동일한 과정으로 소염제 약물과 양친매성 첨가제로서 Pluronic F127이 첨가된 골 시멘트 시료를 제조하였다.

실시예 26~30

PMMA 분말 (R40x1, BIOMET) 100 중량부에 대해 항암제로서 독소루비신 (보령제약) 5 중량부, 및 양친매성 첨가제인 Pluronic F127 (EO₉₉PO₆₅EO₉₉, Mw 12,500; BASF)을 각각 1 중량부 (실시예 26), 3 중량부 (실시예 27), 5 중량부 (실시예 28), 7 중량부 (실시예 29), 및 10 중량부 (실시예 30)로 첨가하여 PMMA/독소루비신/Pluronic F127 혼합 분말을 준비하였고, 이로부터 상기 실시예 1~5와 동일한 과정으로 항암제 약물과 양친매성 첨가제로서 Pluronic F127이 첨가된 골 시멘트 시료를 제조하였다.

비교예 1

양친매성 첨가제를 첨가하지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1~5와 동일한 과정으로 반코마이신이 함유된 PMMA 골 시멘트 시료를 제조하였다.

실험예 1 : 약물 방출실험

상기 실시예 1 ~ 5 에서 제조된 반코마이신과 Pluronic F68이 첨가된 PMMA 골 시멘트와 상기 비교예 1의 반코마이신은 함유하나 Pluronic F68이 포함되지 않는 PMMA 골 시멘트의 수용액 상에서 방출되는 반코마이신의 약물방출 거동을 비교 분석하였다.

약물의 방출실험은 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1에서 제조된 디스크 형태의 시료를 EP tube에 위치시키고 이에 완충용액 [phosphate buffered saline (PBS, pH ~ 7.4)] 1 mL을 첨가하여 수행되었다. 시료를 포함하고 있는 EP tube를 37 ℃의 항온조에서 50 rpm으로 흔들어주면서 (orbital shaking) 일정시간 (1일, 3일, 5일, 7일, 10일, 14일, 21일, 28일, 35일, 42일, 49일, 56일, 63일, 70일, 77일) 유지하였다. 이때 사용된 완충용액은 약물의 방출에 가장 민감하게 작용하는 삼투압농도 및 이온농도 등이 인체 내 환경과 매우 유사한 PBS가 사용되었다. 정해진 시간마다 완충용액을 채취하고 다시 새로운 완충용액을 교환해 주는 방법으로 시료를 채취하였으며, 완충용액으로 용출된 약물의 분석을 위해 UV/VIS spectrometer (Lambda 14, PERKIN ELMER, USA)을 사용하여 정량 분석하였다.

다음의 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 양친매성 첨가제인 Pluronic F68이 포함되지 않은 비교예 1은 PMMA 골 시멘트에서의 반코마이신이 10일 동안 도입된 약물의 약 15%만이 방출되고 이후에는 거의 방출되지 않는 결과를 보였다.

그러나, 본 발명의 실시예 1~5에서와 같이 양친매성 첨가제인 Pluronic F68이 포함된 골 시멘트에서는 Pluronic F68의 도입량이 증가할수록 골 시멘트에 포함된 반코마이신의 방출량이 점진적으로 증가됨을 확인할 수 있었다. 즉, 양친매성 첨가제을 도입함으로써, 기존 약물 함유 골 시멘트에서 해결하지 못한 약물의 지속적인 방출의 실현은 물론, 약물의 방출량까지 조절할 수 있음을 확인하였다.

이러한 효과는 첨가제로 사용된 Pluronic F68이 소수성 PMMA 골 시멘트 매트릭스를 친수화시켜 수용액의 골 시멘트 내로의 침투를 향상시켰으며, 침투된 수용액을 따라 약물이 골 시멘트 외부로 방출을 유도하였기 때문인 것으로 보여진다. 뿐만 아니라 양친매성 첨가제인 Pluronic F68의 도입량에 따라 PMMA 골 시멘트의 친수화 정도를 조절하여 약물의 방출 속도를 조절하는 효과를 보였다.

또한, 소염제로서 이부프로펜, 양친매성 첨가제로 Pluronic F68을 사용한 실시예 6~10; 항암제로서 독소루비신, 양친매성 첨가제로 Pluronic F68을 사용한 실시예 11~15; 항생제로서 반코마이신, 양친매성 첨가제로 Pluronic F127을 사용한 실시예 16~20; 소염제로서 이부프로펜, 양친매성 첨가제로 Pluronic F127을 사용한 실시예 21~25; 항암제로서 독소루비신, 양친매성 첨가제로 Pluronic F127을 사용한 실시예 26~30의 골 시멘트에서도 상기 실시예 1~5에서와 유사한 효과를 나타냈다.

실험예 2 : 기계적 물성 평가

상기 실시예 1 ~ 5와 비교예 1에서 제조한 골 시멘트의 Pluronic F68의 첨가량에 따른 기계적 물성 변화를 비교, 분석하였다.

상기 실시예와 비교예에서 제조된 골 시멘트 (직경 6 mm, 높이 12 mm)의 기계적 물성은 국제표준화기구가 제정한 품질보증 및 품질관리를 위한 국제 규격 (ISO 5833:2002)에 따라 측정되었다. Universal Test Machine (AG-5000G, Shimadzu, Japan)을 이용한 압축강도 실험 (Compression test)이 수행되었으며, 이때 cross-head speed 는 25 mm/min이었다.

도 3은 상기 기계적 물성 평가 결과를 나타낸 것으로, Pluronic F68의 첨가량이 증가함에 따라 항생제를 포함한 골 시멘트의 물성이 다소 감소하나, Pluronic F68의 첨가량이 7 중량부 까지는 물성 변화가 크지 않았다. 하지만 Pluronic F68의 첨가량이 10 중량부를 초과하는 경우에서는 물성이 다소 감소함을 확인할 수 있었다.

또한, 품질보증 및 품질관리를 위한 국제 규격 (ISO 5833:2002)에 따르면, 임상에 사용되기 위한 골 시멘트의 압축강도는 70 MPa 이상인 조건을 만족해야 한다. 본 발명에 따르면, 약물의 서방형 장기간 방출은 물론 임상적용에 가능한 정도의 물성을 지니는, 양친매성 첨가제가 포함된 골 시멘트의 제공이 가능함을 확인할 수 있다.

실험예 3 : 세포독성 평가

실시예 1 ~ 5 및 비교예 1에서 제조한 시료의 in vitro 세포독성 평가가 수행되었다. In vitro 세포독성시험은 일반적으로 시험에 대한 접근이 상대적으로 용이하기 때문에 다양한 의료기기나 시험물질들에 대한 생체적합성과 관련된 평가의 초기 수단으로서 많이 이용되고 있다.

본 실험은 섬유아세포 (fibroblasts; NIH/3T3 mouse embryo fibroblasts, Korean Cell Line Bank, Korea)를 이용하여 제조된 시료의 세포 배양 환경에서의 세포독성이 문헌에 보고된 바에 따라 평가되었다 (International Organization for Standardization 10993:Biological Evaluation of Medical Devices, Part 5: Tests for Cytotoxicity : In Vitro Methods).

먼저, 제조된 시료들을 각각의 무혈청 1 x RPMI 배지를 이용하여 용출하고 이를 여과한 후 혈청을 첨가하는 방식으로 시험액을 준비하였다. 이 시험액을 직접 세포에 접촉시킴으로써 제조된 시료의 용출액이 세포에 독성을 나타내는지 여부를 판단하였다. 혈청을 포함하는 RPMI 배양액으로 단층 배양된 세포를 트립신 처리하여 세포농도가 5 x 10³ cells/mL이 되도록 조정하고 이를 96 well plate (Corning, USA)에 200 uL 씩 분주하였다 (1 x 10³cells/well).

24시간 동안 단층 배양한 후, 배양액을 제거하고 준비된 용출액을 각각의 well에 200 uL씩 첨가한 후 인큐베이터 (5% CO₂ _,37℃)에서 24시간 동안 배양하였다. 배양 후, MTS assay방법을 이용하여 세포 생존율을 관찰하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

대조군 (control)으로 세포배양 용기에 일반 세포배양액을 이용하여 정상적인 세포배양을 한 경우를 사용하였다. 대조군과 유사한 세포수를 가지거나, 대조군에 비해 70 ~ 80% 이상의 세포수를 가지는 경우 통상 세포친화성을 가지는 것으로 판단할 수 있다.

다음 도 4의 결과에서 확인할 수 있듯이, Pluronic F68의 첨가량이 증가할수록 세포의 생존률이 미미하게 감소함을 확인할 수 있었으나, 세포 생존률이 75% 이상으로 모든 군에서 세포독성이 현저하지 않는 즉, 골 시멘트로부터 방출된 반코마이신에 의한 세포독성이 나타나지 않음을 확인할 수 있었다.

또한, 소염제로서 이부프로펜, 소염제로서 이부프로펜, 양친매성 첨가제로 Pluronic F68을 사용한 실시예 6~10; 항암제로서 독소루비신, 양친매성 첨가제로 Pluronic F68을 사용한 실시예 11~15; 항생제로서 반코마이신, 양친매성 첨가제로 Pluronic F127을 사용한 실시예 16~20; 소염제로서 이부프로펜, 양친매성 첨가제로 Pluronic F127을 사용한 실시예 21~25; 항암제로서 독소루비신, 양친매성 첨가제로 Pluronic F127을 사용한 실시예 26~30의 골 시멘트에서도 상기 실시예 1~5에서와 유사한 효과를 나타냈다.

실험예 4 : 항균력 평가

양친매성 첨가제가 포함된 골 시멘트로부터 방출되는 반코마이신에 의한 항균력 평가를 위해 수술 후 감염을 유발하며 골수염에서 많이 발견되는 포도상구균 (Staphylococcus aureus)이 이용되었다.

실시예 1 ~ 5 및 비교예 1에서 제조한 시료를 RPMI 1640 (Gibco, USA)가 담겨있는 EP tube에 함침시킨 후, 37 ℃의 항온조에서 50 rpm으로 흔들어주면서 (orbital shaking) 일정시간 방치하였다. 1 주와 3 주째 방출액 전체를 채취하고, 이 용액에 ~ 10⁸개의 포도상구균을 접종하고 24시간 후 박테리아의 수를 측정하여 항균력을 평가하였으며 그 결과를 도 5에 나타내었다.

대조군 (control)으로 박테리아만을 배양하여 비교하였다. 즉, 박테리아가 잘 자랄 수 있는 환경에서의 박테리아를 성장시켰으며, 본 실험군들은 이러한 박테리아를 사멸시킬 수 있는 항균력을 가지는지 여부를 확인하였다.

다음 도 5의 결과에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1 ~ 5의 경우에는 시간에 상관없이 우수한 항균력을 보임을 확인할 수 있었으나, 비교예 1의 경우에는 1 주에서만 항균효과가 있고, 3 주에서는 항균효과가 거의 없음을 확인할 수 있었다.

이로부터 기존에 사용되고 있는 항생제를 포함한 골 시멘트 (비교예 1)는 초기에만 항균효과가 있음을 다시한번 확인 할 수 있었으며, 이에 비해 본 발명의 경우, 보다 오랜기간 동안 우수한 항균력을 가짐을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 본 발명에 제조한 골 시멘트로 부터 항생제의 지속적이며 장기간 방출에 따른 결과라 판단된다. 즉, 본 발명에 따른 새로운 양친매성 첨가제를 포함한 약물/골 시멘트는, 기존 어떠한 연구에서도 실현하지 못한, 장기간의 항생효과를 가지는 우수한 골 시멘트를 제조할 수 있었다.

Claims

소수성 아크릴계 골 시멘트 매트릭스 내에 고형의 약물과 양친매성(amphiphilic additive) 첨가제로 이루어진 골 시멘트이고,
상기 소수성 아크릴계 골 시멘트 매트릭스 내의 상기 양친매성 첨가제는 그 친수성 특성으로 상기 소수성 아크릴계 골 시멘트 매트릭스를 친수화시켜 상기 골 시멘트 내부로 수용액을 침투시킬 수 있으며,
상기 골 시멘트 매트릭스 내의 약물은 상기 골 시멘트 내부로 침투된 수용액을 따라 골 시멘트 외부로 서방형 방출되는 것을 특징으로 하는 골 시멘트.
제1항에 있어서,
상기 양친매성 첨가제는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알콜, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르류, 폴리옥시에틸렌 케스터 오일 유도체류, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스터류 및 폴리옥시에틸렌 스테아레이트류로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 골 시멘트.
제1항에 있어서,
상기 양친매성 첨가제는 상기 골 시멘트 매트릭스 100 중량부에 대해 0.1 ~ 40 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 골 시멘트.
제1항에 있어서,
상기 약물은 항생제, 항암제, 항균제, 소염제 및 진통제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 골 시멘트.
제4항에 있어서,
상기 약물은 젠타마이신 (Gentamicin), 테트라사이클린 (Tetracycline), 미노사이클린 (Minocycline), 독시사이클린(Doxycycline), 반코마이신 (Vancomycin), 카나마이신 (Kanamycin), 파로모마이신 (Paramomycin), 스트렙토마이신 (Streptomycin), 리노테칸 (Irinotecan), 린코마이신 (Lincomycin), 콜리스틴 (Colistin), 폴리믹스비 (Polymyxin B), 시타라빈(Cytarabine), 네탈마이신 (Netilmicin), 아마카신 (Amikacin), 리보스타마이신 (Ribostamycin), 싸이클로포스파마이드 (Cyclophosphamide), 테모카프릴(Temocapril), 토브라마이신 (Tobramycin), 니트로소우레아 (Nitrosourea), 도노루비신 (Daunorubicin), 덱사메타손 (Dexamethasone), 테이코프라닌 (Teicoplanin), 세파로틴 (Cefalotin), 콜리스티메테이트 (Colistimethate), 아목시실린 (Amoxicillin), 암페낙 (Amfenan), 세파졸린 (Cefazolin), 세폭시틴 (Cefoxitin), 세프록심 (Cefuroxime), 디클로페낙 (Diclofenac), 플루르비프로펜 (Flurbiprofen), 록소프로펜 (Loxoprofen), 메클로페남산 (Meclofenamate), 이부프로펜 (Ibuprofen), 나프록센 (Naproxen), 톨메틴 (Tolmetin), 인도메타신 (Indomethacin), 아세트아미노펜 (Acetaminophen), 아스피린 (Aspirin), 엔도르핀 (Endorphin), 이소프로필안티피린 (Isopropylantipyrine), 젬시타빈 (Gemcitabine), 독소루비신 (Doxorubicin), 탁솔 (Taxol), 타목시펜 (Tamoxifen), 시스플라틴 (Cisplatin), 카보플라틴 (Carboplatin), 카무스틴 (Carmustine), 블레오마이신 (Bleomycin), 빈크리스틴 (Vincristine), 및 메토트레세이트 (Methotrexate)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 골 시멘트.
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제1항에 있어서,
상기 골 시멘트 매트릭스 내의 약물은 1주 내지 6주 동안 서방형 방출되는 것인 골 시멘트.