KR101413541B1 - 삼차원 인공 지지체 제조방법 - Google Patents

삼차원 인공 지지체 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체세라믹 미립자를 주성분으로 하는 인공 지지체 슬러리를 이용해 삼차원형상의 인공 지지체를 형성한 후 이물질이 제거되도록 고온에서 소결함으로써, 순수한 생체세라믹만으로 이루어진 인공 지지체를 제공할 수 있게 하는 삼차원 인공 지지체 제조방법에 관한 것으로, 생체세라믹이 포함된 인공 지지체 슬러리를 제조하는 단계; 제조된 상기 인공 지지체 슬러리에 연성(軟性)을 부여하기 위해 열처리하는 단계; 시린지를 이용하여 열처리된 인공 지지체 슬러리를 적층되도록 토출시킴과 아울러 형성되는 각 층마다 토출된 인공 지지체 슬러리를 열풍으로 경화시켜 삼차원 형상의 인공 지지체를 제조하는 단계; 및 상기 단계에서 제조된 삼차원 형상의 인공 지지체를 소결하여 생체세라믹으로만 이루어진 삼차원 인공 지지체를 완성하는 단계;를 포함한다.

Description

삼차원 인공 지지체 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A THREE-DIMENSIONAL SCAFFOLD}
본 발명은 삼차원 인공 지지체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순수한 생체세라믹만으로 형성되는 삼차원 인공 지지체 제조방법에 관한 것이다.
조직 공학(Tissue Engineering)은 손상된 인체의 다양한 조직과 기관의 기능을 복원하기 위해 다양한 접근 방식으로 연구를 진행하고 있으며, 최근의 조직 공학 분야에서는 새로운 시도로서 세포의 증착, 증식 및 분화를 도울 수 있는 생체 적합성 인공 지지체(Scaffold) 개발과 관련된 연구가 진행되고 있다.
인공 지지체는 세포의 원활한 증착, 증식 및 분화를 유도할 수 있도록 적절한 세포외기질(Extra Cellular matrix; ECM) 구조를 가져야함과 아울러 주위의 조직과 유사한 지지대로서 생체 적합성 또는 생체 분해성 재료로 제작되어야 하며, 또한 인공 지지체는 세포의 이동, 신진대사 촉진 및 영양분 공급을 위한 혈관 침투를 위해 적절한 크기로 서로 연결된 다공성 구조로 가지면서 조직 재생 기간 동안 그 형태를 유지할 수 있는 일정 이상의 강도가 유지되어야 한다.
전술한 인공 지지체의 재료로는 PLA(Poly-lactic Acid), 또는 PGA(Poly-glycolic Acid), 또는 PLGA(Ploy-lacti-co-glycolic Acid)가 사용되는데, 이러한 재료를 이용한 인공 지지체는 염발포법, 상분리법, 염침출법, 유화 동결 건조법 등의 방법을 이용해 제작된다. 그러나 이러한 방법으로 제작된 인공 지지체들은 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라 다양한 3차원 형태의 정밀한 구조로 제작할 수 없고, 공극의 크기(Pore Size) 및 공극률(Porosity)을 사용자가 원하는 형태로 제어하기 어려운 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 내외부 공극들의 연결성을 높이고, 충분한 강도를 가지는 3차원 인공 지지체를 제작하는 MSTL 기술이 사용되고 있다. MSTL(Micro-stereolithography) 기술은 쾌속 조형 기술로서 3차원으로 제어된 형상을 수십 마이크로의 정밀도로 3차원 인공 지지체를 제작할 수 있게 하고 있으나, MSTL 기술에 사용되는 많은 재료는 생체에 부적합하여 직접 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서 쾌속 조형 기술을 이용하면서도 우수한 생체적합성, 및 생체친화성을 가지는 삼차원 인공 지지체의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 생체세라믹 미립자를 주성분으로 하는 인공 지지체 슬러리를 이용해 삼차원형상의 인공 지지체를 형성한 후 이물질이 제거되도록 고온에서 소결함으로써, 순수한 생체세라믹만으로 이루어진 인공 지지체를 제공할 수 있게 하는 삼차원 인공 지지체 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 삼차원 인공 지지체 제조방법은, 생체세라믹이 포함된 인공 지지체 슬러리를 제조하는 단계(S10); 제조된 상기 인공 지지체 슬러리에 연성(軟性)을 부여하기 위해 열처리하는 단계(S20); 시린지를 이용하여 열처리된 상기 인공 지지체 슬러리를 적층되도록 토출시킴과 아울러 형성되는 각 층마다 토출된 상기 인공 지지체 슬러리를 열풍으로 경화시켜 삼차원 형상의 인공 지지체를 제조하는 단계(S30); 및 상기 단계(S30)에서 제조된 삼차원 형상의 상기 인공 지지체를 소결하여 생체세라믹으로만 이루어진 삼차원 인공 지지체를 완성하는 단계(S40);를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 단계(S10)에서의 상기 인공 지지체 슬러리는 25~35중량%의 생체세라믹 미립자에, 액상의 형태로 제공되는 42~58중량%의 분산제, 파우더 형태로 제공되는 3.6~4.5중량%의 점성제, 젤 형태로 제공되는 13.4~18.5중량%의 응집제를 혼합하여 제조될 수 있다.
더 구체적으로 상기 생체세라믹 미립자는, 인산칼슘계 세라믹, 또는 하이드록시 아파타이트, 또는 2상 인산칼슘 중 선택된 어느 하나, 또는 둘 이상을 혼합하여 구성될 수 있다.
더 구체적으로 상기 인산칼슘계 세라믹은, α-트리칼슘포스페이트 또는 β-트리칼슘포스페이트 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
더 구체적으로 상기 생체세라믹 미립자는 100㎚의 입도를 가질 수 있다.
더 구체적으로 상기 분산제는 암모늄 폴리메타크릴레이트로 구성되고, 상기 점성제는 하이드록시프로필 메틸셀룰로스로 구성되며, 상기 응집제는 폴리에틸렌이민으로 구성될 수 있다.
구체적으로 상기 단계(S20)의 상기 열처리는 상기 인공 지지체 슬러리를 오븐에 넣은 후, 50~70℃의 온도에서 20~40분 동안 가열할 수 있다.
구체적으로 상기 단계(S30)에서는 인공 지지체 슬러리를 미리 설정된 간격만큼 이격되게 다수의 라인형태로 토출시켜 각각의 층을 형성하고, 어느 하나의 층을 이루는 상기 인공 지지체 슬러리와 상부 또는 하부로 이웃한 또 다른 층을 이루는 상기 인공 지지체 슬러리는 서로 교차되도록 토출되며, 층을 형성하는 상기 인공 지지체 슬러리들 사이로는 공극이 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 단계(S30)에서의 상기 열풍은 90~110℃의 온도를 가지며 15~25초 동안 송풍될 수 있다.
구체적으로 상기 단계(S40)에서의 소결은 소결로에서 진행되며, 삼차원 형상의 상기 인공 지지체에 포함된 이물질을 제거할 수 있도록 1000~1400℃에서 1~3시간 동안 열처리될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 생체세라믹 미립자를 주성분으로 하는 인공 지지체 슬러리를 이용해 삼차원형상의 인공 지지체를 형성한 후 이물질이 제거되도록 고온에서 소결함으로써, 순수한 생체세라믹만으로 이루어진 인공 지지체를 제조할 수 있어 우수한 생체적합성, 및 생체친화성을 기대할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은, 순수한 생체세라믹만으로 이루어져 생체적합성, 및 생체친화성이 우수한 삼차원 인공 지지체를 개발하려는 것으로, 본 발명은 삼차원 인공 지지체를 제조하기 위한 제조방법을 설명한다.
인공 지지체 슬러리 제조
본 발명에서의 인공 지지체 슬러리는 생체세라믹을 주성분으로 하는 것에 특징으로 한다.
본 발명에서의 인공 지지체 슬러리는 25~35중량%의 생체세라믹 미립자에, 액상의 형태로 제공되는 42~58중량%의 분산제, 파우더 형태로 제공되는 3.6~4.5중량%의 점성제, 젤(gel) 형태로 제공되는 13.4~18.5중량%의 응집제를 혼합하여 제조된다(단계 S10). 누구나 알 수 있듯이, 생체 세라믹 미립자는 제조되는 인공 지지체의 기계적 강도를 부여하며, 분산제는 생체 세라믹 미립자를 분산시켜 재료가 안정적이고 골고루 응집될 수 있게 한다. 그리고 점성제는 생체 세라믹 미립자들이 서로 끈끈하게 결합되도록 하여 제조되는 인공 지지체 형상이 잘 유지하도록 도와주며, 응집제는 인공 지지체 슬러리가 용이하게 노즐을 통해 분사될 수 있도록 인공 지지체 슬러리를 젤 타입으로 만들어 준다.
생체세라믹 미립자는 뼈를 구성하는 주요 무기질과 동일한 구조를 가지는 인산칼슘계 세라믹(Hydroxiapatite), 또는 하이드록시 아파타이트(hydroxyapatite; HA), 또는 2상 인산칼슘(biphasic calcium phosphate; BCP) 중 선택된 어느 하나, 또는 둘 이상을 혼합하여 구성된다.
바람직하게는 생체세라믹 미립자는 대략 100㎚ 정도의 입도를 가진다.
더욱 바람직하게는 인산칼슘계 세라믹(Hydroxiapatite)은 α-트리칼슘포스페이트(tricalcium phosphate; α-TCP), 또는 β-트리칼슘포스페이트(tricalcium phosphate; β-TCP) 중 어느 하나로 구성된다.
그리고 분산제는 암모늄 폴리메타크릴레이트(Ammonium polymethacrylate water)로 구성되고, 점성제는 하이드록시프로필 메틸셀룰로스(HydroxyProrylMethylCellulose; HPMC)로 구성되며, 응집제는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine; PEI)으로 구성된다.
이때, 생체세라믹 미립자의 조성 비율이 25중량% 미만 일 때에는 제조되는 삼차원 인공 지지체의 강도가 약해 조직 재생 기간 동안 형태를 유지할 수 없다. 그리고 생체세라믹 미립자의 조성 비율이 35중량% 초과 일 때에는 요구되는 삼차원 인공 지지체의 강도를 얻을 수 있지만 과도한 분말 함량으로 인하여 후술하는 인공 지지체 형성 시(단계 S30) 인공 지지체 슬러리가 시린지(syringe)에 충진된 후, 원활하게 토출되지 못하게 된다. 즉 시린지 노즐이 막혀 작업이 중단된다.
또한 분산제의 조성 비율이 42중량% 미만 일 때에는 생체세라믹 미립자를 안정화시키기 어려울 뿐만 아니라 제조되는 인공 지지체 슬러리가 빡빡하게 되며, 분산제의 조성 비율이 58중량% 초과 일 때에는 제조되는 인공 지지체 슬러리가 물러지기 때문에 인공 지지체 형성 시(단계 S30) 시린지를 통해 인공 지지체 슬러리가 토출됨과 동시에 토출되는 형상을 유지하지 못하고 무너지게 된다.
또한 점성제의 조성 비율이 3.6중량% 미만 일 때에는 요구하는 점성을 유지하기 곤란하며, 점성제의 조성 비율이 4.5중량% 초과 일 때에는 과도한 분말 함량으로 인하여 인공 지지체 형성 시(단계 S30) 인공 지지체 슬러리가 시린지(syringe)에 충진된 후, 원활하게 토출되지 못하게 된다.
또한 응집제가 13.4중량% 미만 일 때에는 제조되는 인공 지지체의 응집력이 떨어지게 되기 때문에 인공 지지체 형성 시(단계 S30) 시린지를 통해 인공 지지체 슬러리가 토출됨과 동시에 토출되는 형상을 유지하지 못하고 무너지게 되며, 응집제가 18.5중량% 초과 일 때에는 인공 지지체 슬러리의 점력이 높아 인공 지지체 형성 시 시린지에서 토출되지 못해 인공 지지체 형성이 어렵게 된다.
인공 지지체 슬러리 열처리
제조된 인공 지지체 슬러리에 연성(軟性)을 부여하기 위해 인공 지지체 슬러리를 가열시킨다(단계 S20).
인공 지지체 슬러리에 대한 열처리는 통상의 오븐(oven, OF-12, JEIO TECH, Korea)에서 이루어진다. 즉 제조된 인공 지지체 슬러리를 오븐에 넣은 후, 50~70℃의 온도에서 20~40분 동안 가열시키는데, 가열된 인공 지지체 슬러리는 수분 함유율이 줄어들면서 부드럽고 무르면서 연한 성질을 가지게 된다. 이렇게 인공 지지체 슬러리를 가열하는 것은 후술하는 인공 지지체 형성(단계 S30) 공정에서 인공 지지체를 용이하게 경화시키기 위함이다.
한편, 인공 지지체 슬러리에 대한 열처리 온도 및 시간이 50℃ 및 20분 미만일 때에는 인공 지지체 슬러리가 응집되는데 시간이 오래 걸리는 단점이 있고, 온도 및 시간이 70℃ 및 40분을 초과하게 되면 수분 함유율이 과도하게 줄어들어 인공 지지체 슬러리가 고체화되는 단점이 있다.
삼차원 형상으로 인공 지지체 제조
삼차원 형상으로 인공 지지체를 형성하기 위해서는, 열처리가 완료된 인공 지지체 슬러리를 시린지를 이용하여 적층되도록 토출시킴과 아울러 각 층마다 토출된 인공 지지체 슬러리를 열풍으로 경화시켜 삼차원 인공 지지체를 제조한다(단계 S30).
즉, 단계(S30)에서 인공 지지체를 형성하기 위해서 시린지는 각각 층마다 기설정된 간격만큼 이격되게 인공 지지체 슬러리를 다수의 라인형태로 토출시켜 각각의 층을 형성하는데, 이때 어느 하나의 층을 이루는 인공 지지체 슬러리와 상부 및 하부로 이웃한 또 다른 층을 이루는 인공 지지체 슬러리는 서로 교차되도록 토출되며, 토출된 인공 지지체 슬러리들 사이로는 공극이 형성된다. 그리고 시린지에 의해 각각의 층이 형성될 때 마다 열풍을 송풍하여 인공 지지체 슬러리를 경화시킨다.
여기서 시린지의 내부로는 충진된 인공 지지체 슬러리를 토출하기 위해 450~750㎪의 압축공기가 주입되며, 열풍은 90~110℃의 온도를 가지며 15~25초 동안 송풍된다. 시린지로 450㎪ 미만의 압축공기가 주입되면 시린지에 충진된 인공 지지체 슬러리가 용이하게 토출되지 못하고, 시린지로 750㎪을 초과하는 압축공기가 주입되면 시린지에 충진된 인공 지지체 슬러리가 고르게 토출되지 못하고 분출된다. 또한 열풍의 온도가 90℃ 미만일 경우 공정시간이 길이어지고, 열풍의 온도가 110℃를 초과하면 공정시간이 빠르게 진행되지만 인공 지지체 슬러리가 변색되는 문제가 있다. 또한 열풍의 공급시간이 15초 미만일 경우 공정시간이 빨라지고, 열풍의 공급시간이 25초를 초과하게 되면 공정시간이 길어지게 된다.
한편, 단계(S30)에서 형성되는 각층을 열풍으로 경화시키는 것은, 상부로 적층되는 인공 지지체 슬러리에 의해 삼차원 인공 지지체의 형상이 무너지는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 단계(S30)에서의 삼차원 인공 지지체는 통상의 쾌속 조형기(Rapid prototyping)를 통해 제조된다.
삼차원 형상의 인공 지지체 소결
전술한 바와 같이 삼차원 형상으로 인공 지지체가 형성되면(단계 S30), 제조된 삼차원 형상의 인공 지지체를 소결하여 생체세라믹으로만 이루어진 삼차원 인공 지지체를 완성한다(단계 S40).
삼차원 형상의 인공 지지체 소결은 소결로(MF-12GH, JEIO TECH, Korea)에서 진행되며, 1000~1400℃에서 1~3시간 동안 열처리한다. 이러한 소결 공정 중 삼차원 형상의 인공 지지체에 포함된 이물질(분산제, 점성제, 응집제)은 제거되면서 수축현상의 발생되며, 생체세라믹 미립자들은 표면 에너지가 감소하면서 서로 결합되는데, 그 결과 생체세라믹으로만 이루어진 삼차원 인공 지지체가 완성된다.
여기서 소결온도가 1000℃ 미만이면 수축률이 낮고, 생체세라믹 미립자의 결합 밀도 및 기계적 강도가 낮게 된다. 그리고 소결온도가 1400℃를 초과하면 생체세라믹 미립자의 상 및 결정 구조가 변화되기 때문에 최적의 삼차원 인공 지지체를 얻기 어렵다.
한편, 삼차원 형상의 인공 지지체를 소결함으로써 삼차원 형상의 인공 지지체에는 수축현상이 발생하는데, 삼차원 형상의 인공 지지체를 크기를 9.6ㅧ 9.6ㅧ 3.6㎜로, 적층 폭을 600㎛로, 적층 높이를 300㎛, 그리고 공극을 400㎛로 제작하여 1200℃에서 2시간 소결한 결과, 삼차원 인공 지지체를 크기는 7.6ㅧ 7.6ㅧ 2.9㎜로, 적층 폭을 500㎛로, 적층 높이를 240㎛, 그리고 공극을 350㎛로 감소되는 것을 확인하였다. 즉 감소율을 평균적으로 계산한 결과, 평균 감소율을 20%로 확인되었으며, 이러한 수축현상으로 인해 삼차원 인공 지지체의 가공 정밀도가 높아지게 된다.
이와 같이 제작된 삼차원 인공 지지체는 생체세라믹으로만 이루어지기 때문에 우수한 생체적합성 및 생체친화성을 가진다.
상기와 같은 삼차원 인공 지지체 제조방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 생체세라믹이 포함된 인공 지지체 슬러리를 제조하는 단계(S10);
    제조된 상기 인공 지지체 슬러리에 연성(軟性)을 부여하기 위해 열처리하는 단계(S20);
    시린지를 이용하여 열처리된 상기 인공 지지체 슬러리를 적층되도록 토출시킴과 아울러 형성되는 각 층마다 토출된 상기 인공 지지체 슬러리를 열풍으로 경화시켜 삼차원 형상의 인공 지지체를 제조하는 단계(S30); 및
    상기 단계(S30)에서 제조된 삼차원 형상의 상기 인공 지지체를 소결하여 생체세라믹으로만 이루어진 삼차원 인공 지지체를 완성하는 단계(S40);를 포함하며,
    상기 단계(S10)에서의 상기 인공 지지체 슬러리는 25~35중량%의 생체세라믹 미립자에, 액상의 형태로 제공되는 42~58중량%의 분산제, 파우더 형태로 제공되는 3.6~4.5중량%의 점성제, 젤 형태로 제공되는 13.4~18.5중량%의 응집제를 혼합하여 제조되고,
    상기 단계(S20)에서는 상기 인공 지지체 슬러리를 오븐에 넣은 후, 50~70℃의 온도에서 20~40분 동안 가열하여 열처리하며,
    상기 단계(S30)에서의 상기 열풍은 90~110℃의 온도를 가지며 15~25초 동안 송풍되고,
    상기 단계(S10)에서의 상기 생체세라믹 미립자는, 인산칼슘계 세라믹, 또는 하이드록시 아파타이트, 또는 2상 인산칼슘 중 선택된 어느 하나, 또는 둘 이상을 혼합하여 구성되며, 상기 분산제는 암모늄 폴리메타크릴레이트로 구성되고, 상기 점성제는 하이드록시프로필 메틸셀룰로스로 구성되며, 상기 응집제는 폴리에틸렌이민으로 구성되는 삼차원 인공 지지체 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 인산칼슘계 세라믹은, α-트리칼슘포스페이트 또는 β-트리칼슘포스페이트 중 어느 하나로 구성되는 삼차원 지지체 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 생체세라믹 미립자는 100㎚의 입도를 가지는 삼차원 인공 지지체 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(S30)에서는 상기 인공 지지체 슬러리를 미리 설정된 간격만큼 이격되게 다수의 라인형태로 토출시켜 각각의 층을 형성하고, 어느 하나의 층을 이루는 상기 인공 지지체 슬러리와 상부 또는 하부로 이웃한 또 다른 층을 이루는 상기 인공 지지체 슬러리는 서로 교차되도록 토출되며, 층을 형성하는 상기 인공 지지체 슬러리들 사이로는 공극이 형성되는 삼차원 인공 지지체 제조방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(S40)에서의 소결은 소결로에서 진행되며, 상기 인공 지지체에 포함된 이물질을 제거할 수 있도록 1000~1400℃에서 1~3시간 동안 열처리되는 삼차원 인공 지지체 제조방법.
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