KR101413232B1 - 경조직 재생용 지지체 조성물 및 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경조직 재생용 지지체 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 생체활성유리 전구체에 실란커플링제가 첨가된 경조직 재생용 지지체 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물은 졸-겔법으로 제조된 생체활성유리 전구체에 실란커플링제를 첨가하여 유·무기 복합체 형성을 유도하고, 졸 용액의 중축합 반응을 유도하여 겔화 시키는 에이징(Aging)단계와 응축(용매증발 유도)단계에서 쾌속조형공정 특히, 적층조형법에 적용할 수 있는 점성, 압출특성 및 성형성을 갖는 압출용 페이스트 조건을 제어하고, 이를 이용하여 별도의 소성공정 없이 실온에서 우수한 기계적 강도를 나타내는 3차원 다공성 구조의 경조직 재생용 지지체를 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

경조직 재생용 지지체 조성물 및 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법{The scaffold composition for regeneration of hard tissue and scaffold for regeneration of hard tissue comprising the composition and methods of their preparation}
본 발명은 경조직 재생용 지지체 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 생체활성유리 전구체에 실란커플링제가 첨가된 경조직 재생용 지지체 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
생체활성유리(Bioactive glass)는 규소 및 칼슘을 주성분으로 하고, 생체조직과 친화성이 우수하여 인공뼈 및 인공치아 등의 재질로 연구되고 있는 물질이다. 일반적으로, 생체활성유리란 생체 내에 이식할 경우, 생체골의 유사성분인 아파타이트계 물질을 형성시켜 체내 조직, 특히 골조직과 화학적인 결합을 유도하여 이식체의 생체조직과의 분리 및 면역반응, 염증반응 등을 발생시키지 않고 골재생을 유도할 수 있는 생체활성을 갖는 유리를 말한다.
생체활성유리를 제조하는 방법으로는 크게 고온용융법 및 졸-겔(sol-gel)법이 있다. 고온용융법을 통해 제조된 생체활성유리는 칼슘의 양에 따라 생체활성이 좌우되는 반면에, 졸-겔법을 통해 제조된 생체활성유리는 나노기공구조가 형성되어 주로 비표면적 또는 나노구조에 의해 생체활성이 좌우된다. 즉, 졸-겔법을 통해 제조된 생체활성유리는 고온용융법으로 제조된 생체활성유리보다 칼슘의 함유량이 적더라도 높은 생체활성을 나타내며, 이를 통해 빠른 골재생을 유도할 수 있어 경조직 재생용 지지체의 원료로 유리한 장점이 있다.
일반적으로 졸-겔법으로 제조되는 생체활성유리는 졸-겔 반응 후 600 ℃ 이상의 소성공정을 거쳐 분말형상을 갖게 된다. 따라서, 현재까지 제안된 생체활성유리를 이용한 경조직 재생용 지지체는 대부분 유기물 바인더를 생체활성유리 분말과 혼합하여 페이스트 상태로 만든 후, 폴리우레탄, 메틸셀룰로오즈, 산호골격 등과 같은 유기물을 주형으로 이용하여 이들에 페이스트를 주입하고, 1000 ℃ 이상의 고온에서 소성하여 유기물 바인더 및 유기물 주형을 제거하고 분말입자를 결합시키는 공정을 거쳐 제조된다. 그러나, 이러한 방법으로 제조된 지지체는 기공 구조의 연결성 및 재현성이 떨어져 구조적으로 취약하고, 소성공정을 거치면서 낮은 생체활성 및 기계적 물성을 초래하는 단점을 나타낸다.
최근에는, 상기와 같은 문제를 해결하는 방안으로써 지지체의 외부 형상 및 내부 3차원 기공구조를 컴퓨터 프로그램에 의하여 제어 가능한 쾌속조형공정 (rapid prototyping technique)을 지지체 개발에 적용하려는 노력이 진행되고 있다. 쾌속조형공정은 제조하고자 하는 물질의 3차원 구조 이미지를 컴퓨터 프로그램에 입력하고, 페이스트 형태의 재료를 노즐을 통해 압출시켜 적층하여 제조한다. 그러나, 졸-겔법을 통해 제조된 생체활성유리 전구체는 점도가 매우 낮고, 성형성이 전혀 없으므로 상기 쾌속조형공정에 적용하기 어려운 단점이 있다.
이를 극복하기 위하여, 생체활성유리 졸-겔 전구체 용액에 블록공중합체와 메틸셀룰로오즈를 첨가하여 점도와 성형성을 향상시킨 후, 쾌속조형공정을 통해 3차원 구조체를 제조하고 600 ℃ 이상에서 소성하여 지지체를 제조하는 공정을 본 발명자 그룹에서 제안한 바 있다(대한민국등록특허 제10-0805303호, 다중적 기공구조를 가지는 다공성 세라믹 재료 및 그 제조방법, 등록일 : 2008.02.13). 상기 특허공정으로 얻어진 지지체의 경우 기공구조 및 재현성, 생체활성 등 경조직 재생용 지지체의 제조방법으로써 우수한 특성을 실현하였으나, 소성 전의 상태로는 지지체가 체액 내에서 불안정하며 형상을 유지할 수 없어 입자간 결합이 유도되어야 하는 동시에 주형으로 사용된 고분자가 제거되어야 하므로 반드시 소성공정을 거쳐야 한다. 그러나, 소성공정 후 얻어진 다공성 세라믹 지지체의 경우 기계적 물성이 매우 낮은(압축강도 < 1 MPa) 단점이 있다. 또한, 세라믹 지지체 제조공정에서 반드시 실시되는 소성공정은 지지체 내부에 약물이나 세포 등의 기능성 물질을 포함시켜 지지체에 기능성을 부여하기 어렵게 하기 때문에 반드시 소성공정 후에 흡착에 의한 기능화가 일반적으로 실시되고 있다.
따라서, 졸-겔법으로 제조된 생체활성 유리와 쾌속조형공정의 장점을 최대한 살린 경조직 재생용 지지체를 제조하기 위해서는 생체활성유리 전구체 졸 용액을 쾌속조형공정에 적용할 수 있도록 점성, 성형성 및 응고 특성이 제어된 압출용 페이스트의 개발과 더불어 지지체의 기능성을 높이기 위하여 비소성 공정개발이 요구된다.
이에, 본 발명자들은 상기 언급한 문제들을 해결하기 위하여, 졸-겔법으로 제조되는 생체활성유리의 전구체 용액에 생체적합성이 우수한 실란커플링제를 첨가하여 유무기 복합체 형성을 유도하고, 졸 용액의 중축합 반응을 유도하여 겔화 시키는 에이징 (Aging) 단계와 응축 단계에서 쾌속조형공정 특히, 적층조형법에 적합한 점성, 압출특성 및 성형성을 갖는 압출 페이스트 조건을 제어하고, 이를 이용하여 별도의 소성공정 없이 실온에서 우수한 기계적 강도를 나타내는 3차원 다공성 구조의 경조직 재생용 지지체를 제조할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 적층조형법에 적합한 점성, 압출특성, 성형성, 작업성 등을 제어할 수 있고, 별도의 소성공정 없이 우수한 기계적 강도를 갖는 경조직 재생용 지지체를 제조하기 위한 경조직 재생용 지지체 조성물을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 경조직 재생용 지지체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 경조직 재생용 지지체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 생체활성유리 전구체에 실란커플링제가 첨가된 경조직 재생용 지지체 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 용매에 실리카원 및 칼슘원을 혼합하여 생체활성유리 전구체를 합성하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 합성된 생체활성유리 전구체에 실란커플링제를 첨가하는 단계(단계 2)를 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 경조직 재생용 지지체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 경조직 재생용 지지체 조성물을 원료로 사용하고, 적층조형법을 이용하여 3차원 다공성 지지체를 제조하는 단계를 포함하는 경조직 재생용 지지체의 비소성 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물은 졸-겔법으로 제조된 생체활성유리 전구체에 실란커플링제를 첨가하여 유·무기 복합체 형성을 유도하고, 졸 용액의 중축합 반응을 유도하여 겔화 시키는 에이징(Aging)단계와 응축(용매증발 유도)단계에서 쾌속조형공정 특히, 적층조형법에 적용할 수 있는 점성, 압출특성 및 성형성을 갖는 압출용 페이스트 조건을 제어하고, 이를 이용하여 별도의 소성공정 없이 실온에서 우수한 기계적 강도를 나타내는 3차원 다공성 구조의 경조직 재생용 지지체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 5에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 13에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 3 및 실시예 6에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 FE-SEM을 이용하여 촬영한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 5 및 실시예 8에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 FE-SEM을 이용하여 촬영한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 5 제조된 경조직 재생용 지지체를 μ-CT를 이용하여 촬영한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 13 및 실시예 15에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 FE-SEM을 이용하여 촬영한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 4 - 5 및 실시예 9 - 11에서 제조된 경조직 재생용 지지체의 기둥간격 및 기둥굵기에 따른 압축강도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 4 - 5 및 실시예 7 - 8에서 제조된 경조직 재생용 지지체의 적층형태 및 기둥굵기에 따른 압축강도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예 10 및 실시예 13에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 SBF 용액에 7일간 침적시킨 후, 세척 건조시켜 FE-SEM을 이용하여 표면을 분석한 결과이다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예 10에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 FE-SEM, EDAX 및 Mapping을 이용하여 표면을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 실시예 10에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 SBF 용액에 7일간 침적시킨 후, FE-SEM, EDAX 및 Mapping을 이용하여 표면을 분석한 결과이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 생체활성유리 전구체에 실란커플링제가 첨가된 경조직 재생용 지지체 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물에 있어서, 상기 생체활성유리 전구체 및 실란커플링제는 유·무기 복합체를 형성한다.
본 발명의 경조직 재생용 지지체 조성물은 생체활성유리 전구체 및 실란커플링제가 유·무기 복합체를 형성함으로써 유·무기 상의 결합력이 증가하여 별도의 고분자를 사용하지 않아도 쾌속조형공정, 특히 적층조형법에 적합한 점도 및 성형성, 작업성 등을 제어하기 용이한 장점이 있다. 또한, 상기 조성물을 원료로 하여 경조직 재생용 지지체를 제조하는 경우에는 종래 고분자를 제거하는 소성공정을 포함하는 주형법과 달리 소성공정을 필요로 하지 않으므로 기계적 강도가 우수한 경조직 재생용 지지체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물에 있어서, 상기 생체활성유리 전구체는 실리카원 및 칼슘원을 원료물질로 하여 졸-겔(sol-gel)법을 통해 합성되는 것이 바람직하다. 졸-겔법을 통해 합성된 생체활성유리는 고온용융법을 통해 합성된 생체활성유리와 달리 나노크기의 기공을 갖는 나노다공성 구조를 나타내며 이로 인하여 칼슘의 함량이 적더라도 높은 생체활성을 나타내며, 이를 통해 빠른 골재생을 유도할 수 있어 경조직 재생용 지지체의 원료로 유리한 장점이 있다.
본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물에 있어서, 상기 실란커플링제는 상기 생체활성유리 전구체에 포함되는 실리카원에 대하여 1 : 0.4 - 1 : 0.6의 몰비로 첨가되는 것이 바람직하다. 이때, 실란커플링제가 상기 몰비 보다 적게 포함되는 경우에는, 생체활성유리 전구체 및 실란커플링제간의 유·무기 복합체가 충분히 형성되지 않아 이로부터 제조되는 압출용 페이스트는 충분한 점성 및 성형성이 없어 적층조형을 통한 지지체 제조에 적합하지 않은 문제가 있다. 또한, 실란커플링제가 상기 몰비를 초과하여 포함되는 경우에는, 매우 빠른 반응으로 경화가 일어나 적층조형시 압출용 페이스트에 요구되는 충분한 유동성, 성형성 및 작업성을 확보할 수 없는 문제가 있다.
이때, 상기 경조직 재생용 지지체 조성물에 포함되는 실란커플링제는 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyl)trimethoxysilane, GPTMS), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane, MTMS), 메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(Methacryloxypropyl trimethoxysilane, MPTMS), 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyl triethoxysilane, APS) 등 중 1종 또는 이의 혼합물일 수 있다. 상기 실란커플링제로는 무기재료와 친화성 및 반응성을 갖는 가수분해기, 유기재료와 화학결합하는 유기관능기를 포함하는 실란커플링제라면 이에 제한 없이 사용할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물은 실란커플링제로서 유·무기 상의 결합력을 증가시키고 생체적합성이 우수한 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물에 있어서, 상기 생체활성유리 전구체에 실란커플링제를 첨가하지 않게되면, 경조직 재생용 지지체 조성물이 응축 전에는 에탄올과 물이 섞인 용매 베이스로 제조되므로 점도가 매우 낮으며, 응축 후에는 두꺼운 필름형상의 물체가 얻어진다. 그러나, 상기와 같이 굳기 전에는 높은 점성을 갖지만 성형성이 없어 압출시 형상을 유지하지 못하고 퍼져버려 지지체 제조에 적합하지 않은 문제가 있다.
본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물은 쾌속조형공정(rapid prototyping technique)에 이용될 수 있다. 쾌속조형공정은 생체활성유리 전구체를 포함한 페이스트를 노즐을 통해 압출하여 경조직 재생용 지지체를 제조한다. 따라서, 쾌속조형공정을 이용한 3차원 구조의 경조직 재생용 지지체의 제조는 생체활성유리 페이스트의 성형성 및 압출조건에 크게 좌우된다. 본 발명의 따른 경조직 재생용 지지체 조성물은 종래 졸-겔법을 통해 합성된 생체활성유리 조성물과 달리 에이징단계 및 응축(용액증발)을 통해 쾌속조형공정, 특히 적층조형법에 적합한 점성과 압출특성 및 성형성 등을 용이하게 제어할 수 있고 성형 후 소성공정 없이 건조공정만으로 기계적 물성이 우수한 3차원 다공성 지지체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
예를 들면, 본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물의 점도는 50 - 100 cP인 것이 바람직하나, 상기 조성물의 점도는 쾌속조형공정에 사용되는 노즐의 직경 또는 압출조건에 따라 적절히 조절될 수 있다.
또한, 본 발명은,
용매에 실리카원 및 칼슘원을 혼합하여 생체활성유리 전구체를 합성하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 합성된 생체활성유리 전구체에 실란커플링제를 첨가하는 단계(단계 2)를 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 용매에 실리카원 및 칼슘원을 혼합하여 생체활성유리 전구체를 합성하는 단계이다.
상기 단계 1의 생체활성유리 전구체를 합성하는 단계는 졸-겔(sol-gel)법을 통해 수행될 수 있다.
상기 용매에 혼합되는 실리카원 및 칼슘원은 각각 70 - 80 : 30 - 20의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 실리카 및 칼슘의 최종 몰비가 원하는 비율이 될 수 있도록 실리카원 및 칼슘원의 농도를 조절하여 용매에 혼합된다. 예를 들면, 생체활성유리 전구체로서 80Si20Ca를 합성할 경우에 혼합되는 테트라에틸오르소실리케이트 : γ-글리시독시프로필트리메톡시실란 : 칼슘나이트레이트의 몰비는 1:0.501:0.395이다.
다음으로, 본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 합성된 생체활성유리 전구체에 실란커플링제를 첨가하는 단계이다.
상기 단계 2는 상기 실란커플링제를 상기 단계 1에서 합성된 생체활성유리 전구체에 포함되는 실리카원에 대하여 1 : 0.4 - 1 : 0.6의 몰비로 첨가하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 실란커플링제가 상기 몰비보다 적게 첨가되는 경우에는, 생체활성유리 전구체 및 실란커플링제간의 유·무기 복합체가 충분히 형성되지 않아 이로부터 제조되는 압출용 페이스트는 충분한 점성 및 성형성이 없어 적층조형법을 통한 지지체 제조에 적합하지 않은 문제가 있다. 또한, 상기 실란커플링제가 상기 몰비를 초과하여 첨가되는 경우에는, 매우 빠른 반응으로 경화가 일어나 적층조형시 압출용 페이스트에 요구되는 충분한 유동성, 성형성 및 작업성 등을 확보할 수 없는 문제가 있다.
나아가, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 경조직 재생용 지지체를 제공한다.
본 발명의 경조직 재생용 지지체는 생체활성유리 전구체에 실란커플링제가 첨가되어 유·무기 복합체를 형성하는 경조직 재생용 지지체 조성물을 포함함으로써, 경조직 재생용 지지체의 구조적 특성 및 생체활성과 같은 경조직 재생용 지지체로서 활용조건을 만족시킬 뿐만 아니라 비소성공정임에도 불구하고 지지체에 요구되는 기계적 강도가 우수한 장점이 있다.
본 발명의 경조직 재생용 지지체는 100 - 1000 ㎛의 기공크기를 갖는 것이 바람직하다. 이때, 경조직 재생용 지지체의 기공의 크기는 X축으로 배열된 기둥간의 간격 및 Y축으로 배열된 기둥간의 간격에 의해 결정된다. 이때, 경조직 재생용 지지체의 기공크기가 100 ㎛ 미만일 경우에는, 지지체 내부로 세포가 침투하기 어려워 상기 경조직 재생용 지지체를 통한 경조직이 재생되기 어려운 문제가 있다. 또한, 상기 경조직 재생용 지지체의 기공크기가 1000 ㎛를 초과할 경우에는, 지지체 표면에 접착된 세포간의 연결이 어려워 조직재생 유도능력이 저하되며, 구조적으로는 기계적 강도가 낮아 경조직 재생용 지지체로 활용되기 어려운 문제가 있다.
또한, 본 발명은 상기 경조직 재생용 지지체 조성물을 원료로 하고, 적층조형법을 이용하여 3차원 다공성 지지체를 제조하는 단계를 포함하는 경조직 재생용 지지체의 비소성 제조방법을 제공한다.
상기 경조직 재생용 지지체 조성물은 30 - 70 ℃의 온도 및 30 - 70 %의 상대습도에서 0.5 - 2 시간 동안 에이징 및 응축과정을 거친 후, 쾌속조형공정의 원료 페이스트로 사용되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 조건으로 경조직 재생용 지지체 조성물을 2 시간을 초과하여 응축시키는 경우에는, 상기 조성물의 겔화가 진전되어 경화로 인한 압출 페이스트의 유동성 및 연속성이 저하되고, 결과적으로 지지체 제조가 어렵거나 이로부터 제조되는 경조직 재생용 지지체의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다.
상기 온도 및 상대습도에서 응축시간을 조절함으로써 경조직 재생용 지지체 조성물이 적층조형법에 적합한 점도조건을 갖도록 조절할 수 있다. 예를 들면, 경조직 재생용 지지체 조성물은 일정량의 용매가 증발되고 나면 점도가 급격히 증가한다. 상기 응축된 경조직 재생용 지지체 조성물은 압출 후에도 형상은 유지하되, 충분한 유동성을 가져, 성형성 및 작업성이 우수한 페이스트 형상을 나타내는 장점이 있다. 또한, 이로부터 제조되는 경조직 재생용 지지체는 별도의 소성공정을 필요로 하지 않으며 기계적 강도가 우수한 장점이 있다.
이때, 상기 응축은 경조직 재생용 지지체 조성물의 점도가 50 - 100 cP가 되도록 수행되는 것이 바람직하나, 상기 조성물의 점도는 경조직 재생용 지지체 제작을 위한 적층조형법에서 노즐의 직경, 압출조건과 같은 작업조건에 적합하도록 상기 범위에 한정되지 않고 조절될 수 있다.
또한, 상기 쾌속조형공정(Rapid prototyping technique)으로는 적층조형법을 사용하는 것이 바람직하다.
종래 졸-겔법을 통해 제조되는 생체활성유리의 전구체 용액은 쾌속조형공정에 적용하기 위한 점성, 성형성 등을 제어하기가 어려운 문제가 있었다. 반면에, 본 발명의 경조직 재생용 지지체 조성물은 생체활성유리 전구체에 실란커플링제를 첨가하여 유·무기 복합체를 형성하고, 응축과정을 통해 압출특성, 성형성, 작업성, 점도조건 등을 제어할 수 있어 쾌속조형공정에 적합하게 사용될 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용은 하기의 내용에 제한되지 않는다.
<실시예 1> 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조 1
단계 1. 생체활성유리 전구체를 합성하는 단계
실리카원인 테트라에틸오르소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate)(순도 98%) 17.1 ㎖ 및 에탄올 8.8 ㎖를 혼합한 용액에 1 M의 염산 0.7 ㎖를 첨가하여 60 분간 교반하여 반응시킨 후, 칼슘원인 칼슘나이트레이트·4수화물(Ca(NO3)2·4H2O) 7.67 g을 천천히 첨가하여 실온에서 교반하면서 24시간 동안 반응시켜 생체활성유리 전구체인 Si70Ca30_NO를 합성하여, Si70Ca30_NO를 포함하는 전구체 용액을 제조하였다.
단계 2. 실란커플링제를 첨가하는 단계
상기 단계 1의 전구체 용액에 실란커플링제인 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyl)trimethoxysilane) 9.06 ㎖를 천천히 첨가하고 2 시간 실온에서 교반하며 반응시켜 경조직 재생용 지지체 조성물을 제조하였다.
<실시예 2> 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조 2
단계 1. 생체활성유리 전구체를 합성하는 단계
실리카원인 테트라에틸오르소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate) 17.1 ㎖ 및 에탄올 8.8 ㎖를 혼합한 용액에 1 M의 염산 0.7 ㎖를 첨가하여 60 분간 교반하여 반응시킨 후, 칼슘원인 염화칼슘·2수화물(CaCl2·2H2O) 3.57 g을 천천히 첨가하여 실온에서 교반하면서 24시간 동안 반응시켜 생체활성유리 전구체인 Si70Ca30_Cl을 합성하여, Si70Ca30_Cl를 포함하는 전구체 용액을 제조하였다.
단계 2. 실란커플링제를 첨가하는 단계
상기 단계 1의 전구체 용액에 실란커플링제인 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyl)trimethoxysilane) 9.06 ㎖를 천천히 첨가하고 2 시간 실온에서 교반하며 반응시켜 경조직 재생용 지지체 조성물을 제조하였다.
<실시예 3 - 11> 경조직 재생용 지지체의 제조 1
단계 1. 경조직 재생용 지지체 조성물을 응축시키는 단계
실시예 1에서 제조된 경조직 재생용 지지체 조성물을 비이커에 담고, 70 ℃ 및 40 %의 상대습도로 설정된 항온항습기에 넣어 점도가 50 - 100 cP가 되도록 응축시켰다.
단계 2. 경조직 재생용 지지체를 제조하는 단계
상기 단계 1에서 응축하여 점도 및 유동성을 제어한 조성물을 적층조형기에 넣고 하기 표 1의 조건을 통해 적층하여 3차원 다공성의 경조직 재생용 지지체를 제조하였다(도 1 : 실시예 5).
구분 조성물 종류 기둥간격 기둥굵기 적층형태
실시예 3



Si70Ca30_NO


 1.0 ㎜ 19 G 입방형
실시예 4 1.0 ㎜ 21 G 입방형
실시예 5 1.0 ㎜ 23 G 입방형
실시예 6 1.0 ㎜ 19 G 지그재그형
실시예 7 1.0 ㎜ 21 G 지그재그형
실시예 8 1.0 ㎜ 23 G 지그재그형
실시예 9 1.5 ㎜ 19 G 입방형
실시예 10 1.5 ㎜ 21 G 입방형
실시예 11 1.5 ㎜ 23 G 입방형
<실시예 12 - 15> 경조직 재생용 지지체의 제조 3
상기 실시예 3 중 단계 1에서 제조된 경조직 재생용 지지체 조성물(생체활성유리 전구체:Si70Ca30_NO)대신에 칼슘원이 첨가되지 않은 조성물(Si100)을 하기 표 2의 조건을 통해 적층한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 경조직 재생용 지지체를 제조하였다(도 2 : 실시예 13).
구분 조성물 종류 기둥간격 기둥굵기 적층형태
실시예 12
Si100		 1.5 ㎜ 19 G 입방형
실시예 13 1.5 ㎜ 21 G 입방형
실시예 14 1.5 ㎜ 23 G 입방형
실시예 15 1.5 ㎜ 21 G 지그재그형
<실험예 1> 경조직 재생용 지지체의 구조분석
본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체의 구조를 분석하기 위하여, FE-SEM을 이용하여 실시예 3, 실시예 5 - 6, 실시예 8에서 제조된 경조직 재생용 지지체; 및 실시예 13 및 실시예 15에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 각각 분석하였고, 그 결과를 도 3 - 6에 나타내었다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 생체활성유리 전구체로서 Si70Ca30_NO를 포함하는 실시예 3, 실시예 5 - 6, 실시예 8에서 제조된 경조직 재생용 지지체는 표면에 요철이 관찰되었고, 쾌속조형공정을 통해 기공구조, 기공크기, 기둥두께, 구조체 형상 등이 성공적으로 제어되었음을 알 수 있다.
또한, 도 5의 μ-CT 이미지를 참조하면, 상기 실시예 5에서 제조된 경조직 재생용 지지체는 약 500 ㎛의 기공으로 구성되어 있음을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 유리 전구체로서 Si100을 포함하는 실시예 13 및 실시예 15에서 제조된 경조직 재생용 지지체는 표면이 매끄럽고, 쾌속조형공정을 통해 기공구조, 기공크기, 기둥두께, 구조체 형상 등이 성공적으로 제어되었음을 알 수 있다.
이로부터, 본 발명의 졸-겔반응을 유도하는 전구체 용액에 실란커플링제를 첨가함으로써 얻은 경조직 재생용 지지체 조성물은 적층조형법에 적합한 압출특성, 성형성, 작업성 등의 제어가 용이하고, 별도의 소성공정 없이 3차원 구조의 경조직 재생용 지지체를 성공적으로 제조할 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 2> 경조직 재생용 지지체의 기계적 강도 분석
본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체의 기계적 강도를 분석하기 위하여, 실시예 4 - 5, 실시예 7 - 8 및 실시예 9 - 11에서 제조된 경조직 재생용 지지체에 대하여 기둥굵기, 기둥간격 및 적층형태에 따른 압축강도 변화를 분석하였고, 그 결과를 도 7 및 도 8에 나타내었다.
도 7은 실시예 4 - 5 및 실시예 9 - 11에서 제조된 경조직 재생용 지지체의 기둥간격 및 기둥굵기에 따른 압축강도를 나타낸 것이고, 도 8은 실시예 4 - 5 및 실시예 7 - 8에서 제조된 경조직 재생용 지지체의 적층형태 및 기둥굵기에 따른 압축강도를 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 기둥간격이 1.5 ㎜인 실시예 9 - 11에서 제조된 경조직 재생용 지지체는 기둥굵기가 19 G일 때, 압축강도가 약 10 ㎫로 우수함을 나타내었다. 또한, 기둥간격이 1.0 ㎜인 실시예 4 - 5에서 제조된 경조직 재생용 지지체는 상기 기둥간격이 1.5 ㎜인 경조직 재생용 지지체보다 모든 기둥굵기에서 압축강도가 향상됨을 나타내었고, 특히, 기둥굵기가 21 G일 때, 압축강도가 약 12 ㎫로 매우 우수함을 나타내었다.
도 8을 참조하면, 기둥굵기가 21 G일 때, 입방형으로 적층된 실시예 4에서 제조된 경조직 재생용 지지체는 지그재그형으로 적층된 실시예 7에서 제조된 경조직 재생용 지지체보다 압축강도가 우수함을 나타내었다.
이로부터, 본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체 조성물을 포함하는 경조직 재생용 지지체는 기계적 강도가 우수하며, 기둥굵기, 기둥간격 및 적층형태의 조절을 통해 기계적 강도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 3> SBF 침적후의 경조직 재생용 지지체 표면형태 분석 1
본 발명에 따른 경조직 재생용 지지체의 생체활성을 분석하기 위하여, 실시예 10 및 실시예 13에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 SBF 용액에 1일, 4일, 7일 및 14 일간 침적시킨 후 표면 변화를 관찰하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
상기 도 9는 실시예 10 및 실시예 13에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 SBF 용액에 7일간 침적시킨 후, 세척 건조시켜 FE-SEM을 이용하여 표면을 분석한 결과이다.
도 9를 참조하면, 실시예 13에서 제조된 칼슘을 포함하지 않고 Si100으로 구성된 경조직 재생용 지지체는 SBF 용액에 7일간 침적 후 표면 전체에 걸쳐 큰 균열이 형성되었으며, 시간이 경과함에 따라 균열이 진행되는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 경조직 재생용 지지체는 SBF 용액에 7일간 침적 후에도, 표면에 어떠한 구조체도 형성되지 않았으나, 14일간 침적 후에는 표면에 작은 결정형이 부분적으로 생성되었음을 확인할 수 있다.
반면에, 실시예 10에서 제조된 칼슘을 포함하고 Si70Ca30_NO로 구성된 경조직 재생용 지지체는 부분적인 균열은 확인되었으나, 상기 실시예 13에서 제조된 경조직 재생용 지지체에 비해 SBF 용액에 대한 안전성이 월등히 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 상기 경조직 재생용 지지체는 SBF 용액에 1일간 침적 후, 표면에 새로운 구조체가 형성되었음을 알 수 있다. 이때, 상기 구조체는 아파타이트를 형성하기 위한 칼슘-인 계 결정으로 유추할 수 있다. 상기 경조직 재생용 지지체는 SBF 용액에 14일간 침적 후 표면 전체에 걸쳐 새로운 구조체가 형성되었고, 이로 인해 경조직 재생용 지지체 표면의 두께가 증가되었음을 확인할 수 있다.
이로부터, 본 발명에 따른 실리카원 및 칼슘원을 원료물질로 하여 졸-겔법으로 제조된 생체활성유리 전구체 용액에 실란커플링제를 첨가하여 비소성 제조된 생체활성유리 지지체는 지지체에 요구되는 생체활성이 우수함을 알 수 있다.
<실험예 4> SBF 침적후의 경조직 재생용 지지체 표면형태 분석 2
SBF 용액에 7일간 침적시킨 본 발명에 따른 실시예 10에서 제조된 경조직 재생용 지지체 표면에 생성된 구조체를 더 분석하기 위하여, EDAX 및 Mapping을 이용하여 분석하였고, 그 결과를 도 10 및 도 11에 나타내었다.
도 10은 실시예 10에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 FE-SEM, EDAX 및 Mapping을 이용하여 표면을 분석한 결과이고, 도 11은 실시예 10에서 제조된 경조직 재생용 지지체를 SBF 용액에 7일간 침적시킨 후, FE-SEM, EDAX 및 Mapping을 이용하여 표면을 분석한 결과이다.
도 10을 참조하면, 실시예 10에서 제조된 경조직 재생용 지지체는 본래 규소 및 칼슘으로 구성되어 있음을 알 수 있다.
도 11을 참조하면, SBF 용액에 7일간 침적시킨 실시예 10에서 제조된 경조직 재생용 지지체는 표면에 구형의 새로운 물질이 형성되어 있는 것을 알 수 있고, 칼슘 및 인의 검출량이 증가한 것을 알 수 있다. 이때, 상기 지지체 표면에 형성된 물질은 인산칼슘계 결정체로 유추할 수 있다.
이로부터, 본 발명에 따른 실리카원 및 칼슘원을 원료물질로 하고 졸-겔법으로 제조된 생체활성유리 전구체 용액에 실란커플링제를 첨가하여 비소성 제조된 생체활성유리 지지체는 생체활성이 우수하며, 경조직 재생용 지지체로써 활용될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (18)

  1. 생체활성유리 전구체에 실란커플링제가 첨가되고, 상기 생체활성유리 전구체는 실리카원 및 칼슘원을 원료물질로 하여 졸-겔(sol-gel)방법을 통해 합성되며, 상기 실란커플링제는 상기 생체활성유리 전구체에 포함되는 실리카원에 대하여 1 : 0.4 - 1 : 0.6의 몰비로 첨가되고, 고분자 지지체 성분을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 생체활성유리 전구체 및 상기 실란커플링제는 유·무기 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 실란커플링제는 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyl)trimethoxysilane, GPTMS), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane, MTMS), 메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(Methacryloxypropyl trimethoxysilane, MPTMS) 및 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyl triethoxysilane, APS)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 실란커플링제는 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 경조직 재생용 지지체 조성물은 쾌속조형공정(rapid prototyping technique)에 이용되는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 경조직 재생용 지지체 조성물의 점도는 50 - 100 cP 인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물.
  9. 용매에 실리카원 및 칼슘원을 혼합하여 졸-겔(sol-gel)법을 통해 생체활성유리 전구체를 합성하는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1에서 합성된 생체활성유리 전구체에 실란커플링제를 첨가하되, 상기 실란커플링제는 상기 단계 1에서 합성된 생체활성유리 전구체에 포함되는 실리카원에 대하여 1 : 0.4 - 1 : 0.6의 몰비로 첨가되는 단계(단계 2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 지지체 성분을 포함하지 않는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서, 상기 단계 1의 실리카원 및 칼슘원은 70 - 80 : 30 - 20의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제1항의 조성물을 포함하는 경조직 재생용 지지체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 경조직 재생용 지지체는 100 - 1000 ㎛의 기공크기를 갖는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체.
  15. 제1항의 경조직 재생용 지지체 조성물을 원료로 사용하고, 적층조형법을 이용하여 3차원 다공성 지지체를 제조하는 단계를 포함하는 경조직 재생용 지지체의 비소성 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 조성물은 30 - 70 ℃의 온도 및 30 - 70 %의 상대습도에서 0.5 - 2 시간 동안 에이징 및 응축과정을 거친 후, 쾌속조형공정의 원료 페이스트로 사용되는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체의 비소성 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 응축과정은 조성물의 점도가 50 - 100 cP이 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체의 비소성 제조방법.
  18. 제15항에 있어서, 쾌속조형공정(Rapid prototyping technique)으로 상기 적층조형법을 사용하는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체의 비소성 제조방법.
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