KR101562556B1 - 인산마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법 - Google Patents

인산마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인산마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 지지체는 생체적합성 및 기계적 물성이 우수한 인산 마그네슘계 분말의 시멘트 반응을 적층조형기술에 적용하기 위하여 마그네슘 원(source)과 점증제로 구성된 페이스트로 3차원 성형체를 제조한 후 경화액에 침적시켜 시멘트화를 유도하여 경조직 재생용 지지체를 제조하는 새로운 공정을 통하여 제조되므로 3차원 형상 및 기공구조 제어를 위한 충분한 시간을 확보할 수 있어 면밀한 구조제어가 가능하고 고온 소결공정을 거치지 않고 충분한 기계적 강도를 확보할 수 있으며 생체활성과 생체 적합성이 우수한 것을 특징으로 하고, 따라서 종래의 경조직 재생용 세라믹 지지체의 구조적 단점을 크게 극복하고 지지체에 요구되는 기본 조건을 만족시키며 공정의 단순화와 비가열 공정 적용으로 지지체의 기능화 및 제조비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.

Description

인산마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법{The scaffold composition for regeneration of hard tissue having magnesium phosphate, scaffold for regeneration of hard tissue comprising the same and preparation methods thereof}
본 발명은 인산마그네슘을 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물, 이를 포함하는 경조직 재생용 지지체 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
사고, 질병 및 노화 등으로 손실된 신체기능을 기존의 대체(replacement) 개념의 치료가 아닌 재생(regeneration)시켜 복원시키고자 하는 조직공학은 생명과학과 공학 등 여러 가지 분야가 조합하여 이루어지는 다학제간 기술분야이다.
조직공학을 이루는 주요 3요소(세포, 지지체 및 생체활성분자) 중 지지체는 구성재료 선택과 구조제어 기술이 매우 중요하다. 즉, 지지체는 자가복구기능을 손실한 조직을 재생시키기 위하여 조직과 조직을 이어주는 다리와 같은 역할을 하며, 이를 위하여 조직재생이 원활히 이루어지도록 세포친화성이 뛰어나고, 세포가 3차원 적으로 잘 자라며 영양분 및 배설물 등의 교환이 잘 이루어질 수 있도록 일정한 크기영역에서 3차원적으로 잘 연결되어 있는 기공구조를 가지고, 조직의 재생속도에 맞추어 분해되어 없어지는 생분해성과 재생되는 동안 형태를 유지시켜줄 기계적 강도를 가져야하며, 생체안전성이 뛰어나야 한다.
특히 뼈와 치아와 같은 경조직 재생에 있어서는 재생부위에 따른 기계적 물성확보가 중요하다. 이러한 지지체에 요구되는 기능 중 3차원 기공구조와 기계적 물성은 지지체의 디자인 및 제조기술로 나머지 생분해성, 생체적합성 및 기계적 물성 등은 주로 적합한 소재의 선택 및 합성기술로 제어가 가능하다.
경조직 재생용 지지체의 대표적 3차원 기공구조 제조기술에는 다양한 고분자나 유기물질을 이용하는 주형 (template)법, 입자 침출(particle leaching)법, 가스를 이용한 거품성형 (gas foaming)법, 섬유망사 (fiber meshes)법, 상분리 (phase separation)법 및 동결유탁 (emulsion freeze drying) 등이 있으나, 기공크기와 연결성 제어가 어렵고 구조의 재현성이 낮은 단점이 지적되고 있다.
최근 이들 문제점을 보완하기 위하여 컴퓨터 프로그램으로 외부 형상 및 기공구조의 제어가 가능한 쾌속조형기술 (rapid prototyping technique)을 이용하는 지지체 제조법이 제안·개발되고 있다.
한편, 지지체를 구성하는 재료로는 고분자를 중심으로 연구가 이루어지고 있으나 경조직 재생에 있어서 고분자는 충분한 생분해성, 생체활성 및 기계적 물성의 확보가 어려운 단점이 있다. 경조직 중 뼈는 약 70%의 무기질과 20%의 유기질, 그리고 10%의 물로 구성되어 있으며 이를 모방하여 지지체를 구성하는 소재로 세라믹 혹은 세라믹-고분자 복합체를 이용하여 고분자 소재의 단점을 극복하고자 하는 연구가 다수 진행되고 있다. 즉, 세라믹을 재료로 하고 쾌속조형기술로 3차원구조를 제어하면 종래기술의 단점이 보완된 지지체 개발을 기대할 수 있다.
경조직 재생용 소재로 이용되는 대표적인 세라믹에는 뼈 광물상과의 화학적 유사성을 가진 인산칼슘계 세라믹이 있다. 인산칼슘계 세라믹은 일반적으로 분말상으로 존재하며 이것을 원료로 하여 쾌속조형법으로 3차원 지지체를 제작하기 위해서는 세라믹분말과 유기물 바인더의 조합으로 형상제조 후 고온소결을 통하여 유기물을 제거하고 세라믹 분말입자간 결합을 형성시켜 기계적으로 안정성을 가진 지지체를 얻거나, 고분자로 3차원 형상을 제조한 후 이를 주형으로 이용하여 세라믹분말과 유기물 바인더와의 복합체를 주입한 후 고온소성시켜 고분자 및 유기물 바인더를 제거하는 공정이 적용된다.
이와 같이 세라믹을 이용한 3차원 지지체 제조에는 반드시 고온소결 공정이 요구된다. 하지만, 고온에서의 열처리는 예기치 않은 결정화와 이로 인한 생분해성 및 생체활성 저하와 더불어 수축 및 균열로 인한 불안정한 기계적 물성을 초래하기도 한다. 따라서 세라믹 지지체의 저온공정 개발이 요구된다. 한편, 세라믹 분말은 고온 소결로 인한 벌크화 외에 분말과 경화용액의 혼합을 통한 수화 혹은 산염기반응으로 벌크화 할 수 있다. 이와 같은 반응을 시멘트반응이라고 한다. 인산칼슘은 대표적인 골시멘트 소재로 그 결과물에 따라서 아파타이트계과 부루사이트계로 구분된다. 하지만 인산칼슘계 특히 부루사이트계 시멘트의 경우 종종 낮은 기계적 강도와 용액침적시 인산용출로 인한 강한 산성을 띄는 것이 문제로 지적되고 있다.
최근 이러한 인산칼슘계 시멘트의 단점을 보완하는 대체소재로 인산마그네슘계 시멘트가 주목받고 있다. 인산마그네슘계 시멘트는 마그네슘을 포함하는 원료와 인산을 포함하는 원료의 반응으로 생체적합성이 우수한 스트루바이트 (struvite, MgNH4PO46H2O)를 형성시킨다. 인산마그네슘계 시멘트는 기계적 강도가 지지체에 활용하기에 충분하며 용액침적 시 pH의 저하도 없다.
본 발명에서는 인산마그네슘계 시멘트 반응을 이용하고 쾌속조형기술 특히, 일정한 유동성과 성형성을 가지는 페이스트를 압출하여 3차형 조형을 하는 적층조형기술을 이용하여 고온 열처리 공정 없이 종래 세라믹 지지체의 단점을 크게 보완한 경조직 재생용 3차원 지지체 제조공정을 개발하고자한다.
일정한 크기의 3차원 지지체를 제조하기 위해서는 조형에 필요한 충분한 시간동안 압출 페이스트가 일정한 유동성과 성형성을 유지하여야한다. 하지만, 일반적 시멘트의 경우 경화시간이 매우 짧아 적층조형용 지지체로써 사용이 어렵다.
따라서, 본 발명에서는 시멘트 반응을 유도하는 인산마그네슘 분말을 생체안정성이 우수한 저농도의 유기물 바인더와 혼합한 페이스트를 적층조형하여 3차원 성형체를 만든 후 시멘트 용액에 침적시켜 경화시키는 공정을 개발하였다. 시멘트 반응 전 인산마그네슘 페이스트는 경화반응이 일어나지 않으므로 적층조형법을 이용하여 원하는 형상과 구조를 가지는 지지체 제조에 필요한 충분한 시간을 확보할 수 있고 그 후 경화용액에 침적하는 것으로 경화를 유도할 수 있음을 확인하였다. 그 결과 지지체의 형상과 기공구조 조건이 면밀히 제어되고, 양호한 생체적합성을 가지며, 소결공정을 거치지 않고 우수한 기계적 강도(압축강도)를 나타내는 등 기존 세라믹 지지체의 단점을 극복하는 효과가 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 경조직 재생용 지지체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 지지체 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 지지체 조성물을 포함하는 경조직 재생용 지지체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 경조직 재생용 지지체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2), MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 마그네슘 원(source); 및
하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 콜라겐, 알지네이트 및 키토산 용액으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 점증제;를 포함하는 경조직 지지체 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 C1-4 알콜 수용액에 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 콜라겐, 알지네이트 및 키토산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 점증제를 첨가하여 분산용액을 준비하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 준비한 분산용액에 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2), MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 마그네슘 원(source)을 혼합하는 단계(단계 2);를 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법을 제공한다.
나아가, 상기 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 성형체를 얻는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 얻은 성형체를 DAHP(Diammonium hydrogen phosphate), NH4H2PO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 경화액에 침지하여 시멘트 반응을 유도하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 시멘트 반응을 완료한 지지체를 세척한 다음 건조하는 단계(단계 3);를 포함하여 제조되는 경조직 재생용 지지체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 성형체를 얻는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 얻은 성형체를 DAHP(Diammonium hydrogen phosphate), NH4H2PO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 경화액에 침지하여 시멘트 반응을 유도하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 시멘트 반응을 완료한 지지체를 세척한 다음 건조하는 단계(단계 3);를 포함하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 지지체는 생체적합성 및 기계적 물성이 우수한 인산 마그네슘계 분말의 시멘트 반응을 적층조형기술에 적용하기 위하여 인산마그네슘 분말과 점증제로 구성된 페이스트로 3차원 성형체를 제조한 후 경화액에 침적시켜 시멘트화를 유도하여 경조직 재생용 지지체를 제조하는 새로운 공정을 통하여 제조되므로 3차원 형상 및 기공구조 제어를 위한 충분한 시간을 확보할 수 있어 면밀한 구조제어가 가능하고 고온 소결공정을 거치지 않고 충분한 기계적 강도를 확보할 수 있으며 생체활성과 생체 적합성이 우수한 것을 특징으로 하고, 따라서 종래의 경조직 재생용 세라믹 지지체의 구조적 단점을 크게 극복하고 지지체에 요구되는 기본 조건을 만족시키며 공정의 단순화와 비가열 공정 적용으로 지지체의 기능화 및 제조비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 3차원 성형체(green body)를 거쳐 3차원 지지체(scaffold)를 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 성형체를 다양한 모양으로 제조한 것을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 성형체를 다양한 주사바늘의 내경 크기로 제어하여 기공 크기조건을 다양하게 제조한 것을 광학현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 성형체를 다양한 적층법으로 제어하여 기공구조를 제어하고 광학현미경으로 관측한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 성형체 및 지지체의 수용액 내 안정성을 나타낸 사진이다.
도 6은 실시예 2에서 제조한 3차원 지지체의 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다(여기서, 'F'는 "Farringonite"이고, 'S'는 "Struvite"이다).
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체의 기둥두께 및 기둥간격 제어에 따른 기공도 변화를 나타낸 그래프이다(도 7에서 '23G1'은 23G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '21G1'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '19G1'은 19G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '23G1.5'은 23G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '21G1.5'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '19G1.5'은 19G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타낸다).
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체의 기둥두께 및 간격에 따른 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다(도 8에서 '23G1'은 23G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '21G1'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '19G1'은 19G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '23G1.5'은 23G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '21G1.5'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '19G1.5'은 19G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타낸다).
도 9는 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체를 용액 내 침지 시간에 따른 지지체의 건조 전후 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다(도 9에서 '21G1'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, 'Dry'는 SBF 용액에 침지한 후 건조한 상태의 지지체를 나타내고, 'Wet'은 SBF 용액에 침지 후 젖은 상태 그대로의 지지체를 나타낸다).
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체를 생체유사체액(SBF)에 침지 전과 30일 침지 후에 FE-SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체에 조골모세포를 파종하고 3시간, 1일, 4일 및 7일간 배양한 후 MTS 평가를 통해 세포증식거동을 평가한 결과이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체에 조골모세포를 파종하고 3시간, 1일, 4일 및 7일간 배양한 후 지지체의 표면을 관찰한 이미지이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2), MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 마그네슘 원(source); 및
하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 콜라겐, 알지네이트 및 키토산 용액으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 점증제;를 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 지지체 조성물에 있어서, 상기 마그네슘 원(source)은 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2), MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
아울러, 상기 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2)은 하기의 단계를 포함하여 제조되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.
마그네슘:인산이 3:2의 몰비가 되도록 혼합하고 교반하여 반응물을 얻는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 얻은 반응물을 여과하고 건조하여 분말을 얻는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 얻은 분말을 소성하여 제3인산마그네슘을 얻는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 얻은 제3인산마그네슘을 분쇄하고, 1-20 ㎛ 크기로 분체하는 단계(단계 4).
여기서, 상기 마그네슘은 MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종을 원료물질로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 지지체 조성물에 있어서, 상기 점증제는 마그네슘 원(source)에 유동성과 성형성을 부여하고 생체적합성이 우수한 유기물을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 점증제로는 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 콜라겐, 알지네이트, 키토산 용액 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 지지체 조성물은 적층조형법(Layer Manufacturing Process)에 사용가능한 페이스트 형태이고, 적층조형법(Layer Manufacturing Process)을 통해 성형체로 성형된 이후에, DAHP(Diammonium hydrogen phosphate), NH4H2PO4, KH2PO4, K2HPO4, NaH2PO4 등과 같은 경화액으로 처리하여 시멘트 반응을 일으켜 스트루바이트(MgNH4PO46H2O) 지지체로 경화되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 지지체 조성물은 경화액으로 처리하기 전에는 시멘트 반응이 일어나지 않은 상태이므로, 불안정하여 물에서는 쉽게 분해되나 공기 중에서는 안정하여 형상을 유지하는 것을 특징으로 한다. 이러한 특징은 3차원 형상 및 기공구조 제어를 위한 충분한 시간을 확보할 수 있어 면밀한 구조제어가 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 C1-4 알콜 수용액에 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 콜라겐, 알지네이트 및 키토산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 점증제를 첨가하여 분산용액을 준비하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 준비한 분산용액에 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2), MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 마그네슘 원(source)을 혼합하는 단계(단계 2);를 포함하는 경조직 재생용 지지체 조성물의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 지지체 조성물의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 지지체 조성물의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 C1-4 알콜 수용액에 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 콜라겐, 알지네이트, 및 키토산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 점증제를 첨가하여 분산용액을 준비하는 단계이다. 구체적으로, 상기 C1-4 알콜 수용액은 20-40중량% 농도로 사용할 수 있고, 바람직하게는 25-35중량% 농도로 사용할 수 있으며, 30중량% 농도로 사용하는 것이 가장 바람직하다. 예를 들어, 30중량% 농도의 에탄올 수용액을 사용할 수 있다.
또한, 상기 C1-4 알콜 수용액에 상기 점증제를 0.1-10 중량%로 첨가하여 사용할 수 있다. 만약, 상기 점증제의 첨가량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 유동성이 부족하여 성형이 어려운 문제가 있고, 10 중량%를 초과할 경우에는 기계적 물성이 크게 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 지지체 조성물의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 단계 1에서 준비한 분산용액에 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2), MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 마그네슘 원(source)을 혼합하는 단계이다. 구체적으로, 분산용액과 마그네슘 원(source)의 분액비(powder/liquid ratio; P/L)가 1.0-3.0가 되도록 혼합할 수 있고, 분액비가 1.0-2.0이 되도록 혼합하는 것이 바람직하며, 분액비가 1.5가 되도록 혼합하는 것이 더욱 바람직하다.
만약, 상기 분액비가 1.0 미만일 경우에는 낮은 성형성으로 지지체가 형상을 유지하기 어려운 문제가 있고, 3.0을 초과할 경우에는 페이스트가 유동성을 잃어 주사바늘을 통과하기 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 지지체 조성물의 제조방법은 5-30 ℃에서 수행되고, 소성을 위한 열처리 공정을 사용하지 않는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제3인산마그네슘은 하기의 단계를 포함하여 제조되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.
마그네슘:인산이 3:2의 몰비가 되도록 혼합하고 교반하여 반응물을 얻는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 얻은 반응물을 여과하고 건조하여 분말을 얻는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 얻은 분말을 소성하여 제3인산마그네슘을 얻는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 얻은 제3인산마그네슘을 분쇄하고, 1-20 ㎛ 크기로 분체하는 단계(단계 4).
여기서, 상기 마그네슘은 MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종을 원료물질로 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 성형체를 얻는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 얻은 성형체를 DAHP(Diammonium hydrogen phosphate), NH4H2PO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 경화액에 침지하여 시멘트 반응을 유도하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 시멘트 반응을 완료한 지지체를 세척한 다음 건조하는 단계(단계 3);를 포함하여 제조되는 경조직 재생용 지지체를 제공한다.
본 발명에 따른 지지체는 경조직 재생용 지지체로 사용하기 위하여, X축 사이 및 Y축 사이의 간격이 0.5-2 ㎜이고, 기공크기는 130-700 ㎛인 격자무늬로 성형할 수 있으나 이에 제한하지 않는다. 또한, Z축의 간격은 기둥의 두께에 의존한다.
본 발명에 따른 지지체는 성형하는 과정에서 고온의 열처리 과정 없이도, 경조직 재생용 지지체로 사용하기 위한 기계적 강도가 매우 우수한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기의 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 성형체를 얻는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 얻은 성형체를 DAHP(Diammonium hydrogen phosphate), NH4H2PO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 경화액에 침지하여 시멘트 반응을 유도하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 시멘트 반응을 완료한 지지체를 세척한 다음 건조하는 단계(단계 3);를 포함하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 지지체의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 지지체의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 본 발명에 따른 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 성형체를 얻는 단계이다. 구체적으로, 상기 적층조형법은 다양한 크기의 주사바늘을 사용하여 지지체의 기둥두께를 조절할 수 있으며, 컴퓨터 프로그램을 통해 다양한 형상(기둥간격, 기공크기, 기공형상, 지지체 형상 등)으로 성형이 가능하다.
본 발명에 따른 지지체의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 얻은 성형체를 DAHP(Diammonium hydrogen phosphate), NH4H2PO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 경화액에 침지하여 시멘트 반응을 유도하는 단계이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 지지체 조성물은 경화액으로 처리하기 전에는 시멘트 반응이 일어나지 않은 상태이므로, 불안정하여 물에서는 쉽게 분해되나 공기 중에서는 안정하여 형상을 유지할 수 있다. 본 발명에 따른 지지체의 제조방법에서는, 이러한 상기 지지체 조성물의 특징을 이용하여, 성형한 이후에 경화액에 침지하여 시멘트 반응을 유도하여 지지체를 경화시킬 수 있으므로, 3차원 형상 및 기공구조 제어를 위한 충분한 시간을 확보할 수 있어 면밀한 구조제어가 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 단계 2에서 성형체를 경화액에 침지하는 시간은 1시간 내지 1일인 것이 바람직하나, 이에 제한하지 않는다.
나아가, 본 단계 2에서 상기 경화액의 농도는 2.0-5.0 M인 것이 바람직하고, 3.0-4.0 M인 것이 더욱 바람직하며, 3.5 M인 것이 가장 바람직하다. 만약, 상기 경화액의 농도가 2.0 M 미만일 경우에는 경화반응이 늦게 일어나는 문제가 있고, 5.0 M을 초과할 경우에는 경화반응이 지나치게 빨리 일어나 불균일 반응을 초래하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 지지체의 제조방법은 5-30 ℃에서 수행되고, 소성을 위한 열처리 공정을 사용하지 않음에도 불구하고, 경조직 재생용 지지체로 사용하기에 충분한 기계적 강도를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 지지체의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 단계 2에서 시멘트 반응을 완료한 지지체를 세척한 다음 건조하는 단계이다. 구체적으로, 상기 세척은 증류수를 이용할 수 있으나, 이에 제한하지 않는다. 또한, 상기 단계 3에서의 건조는 상온에서 6시간 내지 2일간 수행할 수 있으나, 이에 제한하지 않고 통상의 건조방법을 모두 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지지체는 생체적합성 및 기계적 물성이 우수한 인산 마그네슘계 분말의 시멘트 반응을 적층조형기술에 적용하기 위하여 인산마그네슘 분말과 점증제로 구성된 페이스트로 3차원 성형체를 제조한 후 경화액에 침적시켜 시멘트화를 유도하여 경조직 재생용 지지체를 제조하는 새로운 공정을 통하여 제조되므로 3차원 형상 및 기공구조 제어를 위한 충분한 시간을 확보할 수 있어 면밀한 구조제어가 가능하고 고온 소결공정을 거치지 않고 충분한 기계적 강도를 확보할 수 있으며 생체활성과 생체 적합성이 우수한 것을 특징으로 하고, 따라서 종래의 경조직 재생용 세라믹 지지체의 구조적 단점을 크게 극복하고 지지체에 요구되는 기본 조건을 만족시키며 공정의 단순화와 비가열 공정 적용으로 지지체의 기능화 및 제조비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 3차원 성형체(green body)의 제조
제3인산마그네슘 분말의 준비
마그네슘:인산의 몰비가 3:2가 되도록 혼합하고 10시간 동안 교반하며 반응시키고 24시간 동안 에이징(aging) 하였다. 다음으로, 상기에서 얻은 반응물을 여과하여 80 ℃에서 2일간 건조하여 분말화하였다. 여기서 얻은 분말을 850 ℃에서 6시간 동안 소성하여 얻은 생성물을 볼-밀로 분쇄하였고, 얻어진 분말을 1-20 ㎛ 크기의 체로 분체하여 제3인산마그네슘 분말을 얻었다.
지지체 조성물의 준비
물:에탄올을 70:30 질량비로 혼합한 용액에 점증제로 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈 1 중량%를 첨가하여 분산용액을 준비하고, 상기 분산용액에 마그네슘 원(source)으로써 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2)을 첨가하고 교반하여 지지체 조성물을 압출용 페이스트 형태로 제조하였다. 여기서, 상기 분산용액에 마그네슘 원(source)을 첨가하는 분액비(powder/liquid ratio; P/L)는 1.5로 하였다.
3차원 성형체(green body)의 제조
상기에서 준비한 지지체 조성물을 주사기에 충전한 후 자체 제작된 적층조형기에 장착하고 컴퓨터 프로그램을 통해 지지체 모양과 기공크기를 제어한 성형체를 제조하였다. 이때, 지지체 기둥의 두께는 주사바늘의 내경 크기(18, 19, 및 21G)로 제어하였고, 기둥 간의 간격은 1.0 및 1.5 mm로 제어함으로써 기공크기가 100-700 μm인 3차원 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체는 상온에서 1일간 건조하였다.
<실시예 2> 3차원 지지체(scaffold)의 제조
상기 실시예 1에서 얻은 3차원 성형체를 경화액인 3.5 M의 DAHP(Diammonium hydrogen phosphate)에 침지하여 시멘트 반응을 유도하고 시멘트 반응을 완료한 스트루바이트(MgNH4PO46H2O) 지지체를 증류수로 세척한 다음, 1일간 상온에서 건조하여 3차원 지지체를 제조하였다.
도 1에 본 발명의 3차원 성형체(green body)를 거쳐 3차원 지지체(scaffold)의 제조방법을 개략적으로 나타내었다.
<실험예 1> 3차원 성형체(green body)의 동정
실시예 1에서 제조한 3차원 성형체를 동정하기 위해 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 실시예 1에서 적층조형장치를 이용하여 크기, 기공크기 및 모양이 제어된 3차원 성형체 제조가 가능함을 확인하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 또한, 압출 기둥 간의 간격과 압출용 주사기에 장착된 주사바늘의 내경크기(18, 19 및 21 G)를 제어하여 기공 크기조건을 제어하고 3차원 지지체를 제조한 후 광학현미경 관측을 통해 분석하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 나아가 압출 기둥의 적층법 제어에 따른 기공구조를 제어하고 광학현미경 관측한 결과를 도 4에 나타내었다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 성형체를 다양한 모양으로 제조한 것을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 성형체를 다양한 주사바늘의 내경 크기로 제어하여 기공 크기조건을 다양하게 제조한 것을 광학현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 성형체를 다양한 적층법으로 제어하여 기공구조를 제어하고 광학현미경으로 관측한 이미지이다.
도 2-4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 지지체는 다양한 크기 및 모양으로 제조 가능하고, 기공크기 및 기공구조 또한 제어가 가능한 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 지지체 조성물은 다양한 크기 및 모양뿐만 아니라, 기공의 크기 및 구조 또한 제어가능하므로, 경조직 재생용 지지체의 제조에 유용할 수 있다.
<실험예 2> 3차원 지지체의 동정
3차원 성형체를 경화액에 침지하여 경화됨을 평가
실시예 1에서 제조한 3차원 성형체를 경화액에 침지하여 경화되는 것을 알아보기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 실시예 1에서 제조한 시멘트 반응을 거치지 않은 3차원 성형체를 물에 침지할 경우와 실시예 2에서와 같이 경화액인 DAHP에 침지할 경우에 1, 2 및 3시간 경과 후 지지체의 형태 변화를 관찰하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 성형체 및 지지체의 수용액 내 안정성을 나타낸 사진이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 제조한 시멘트 반응을 거치지 않은 3차원 성형체를 물에 침지하였을 경우 형상을 유지하지 못하고 분해되어 파괴되는 것을 알 수 있었다. 반면에, 실시예 2에서 제조한 시멘트 반응을 거친 3차원 지지체는 형상을 잘 유지하고 있어 경화가 잘 되었음을 확인할 수 있었다.
XRD 분석
실시예 2에서 제조한 3차원 지지체의 성분을 동정하기 위해서 XRD 분석을 하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6은 실시예 2에서 제조한 3차원 지지체의 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다(여기서, 'F'는 "Farringonite"이고, 'S'는 "Struvite"이다).
도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 2에서 시멘트 반응을 거친 3차원 지지체는 Mg3(PO4)2와 (NH4)2HPO4의 반응으로 생성된 스투루바이트(struvite; MgNH4PO46H2O)와 미반응 파링토나이트 (farringtonite; Mg3(PO4)2)로 구성되어 있음을 알 수 있었다.
기공크기 및 기공도 분석
도 2, 3 및 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 지지체 조성물을 사용하여 실시예 2에서 제조한 3차원 지지체는 적층조형장치를 통해 기공구조, 기공크기, 기둥두께, 기둥 간 간격, 지지체 형상 등이 성공적으로 제어되었음을 알 수 있었다. 구체적으로, 실시예에 따른 3차원 지지체의 기둥두께는 약 200-640 ㎛ 범위에서, 기공크기는 130-700 ㎛ 범위에서 제어가능한 것으로 확인하였다.
이러한 기공크기의 제어는 지지체의 기공도 제어와 연결된다. 기둥두께 및 기둥간 간격에 따른 3차원 지지체의 기공도를 도 7에 비교하여 나타내었다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지지체의 기둥두께 및 기둥간격 제어에 따른 기공도 변화를 나타낸 그래프이다(도 7에서 '23G1'은 23G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '21G1'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '19G1'은 19G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '23G1.5'은 23G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '21G1.5'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '19G1.5'은 19G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타낸다).
도 7에 나타난 바와 같이, 약 30-60% 범위에서 기공도의 제어가 가능한 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 3차원 지지체는 열처리 공정을 사용하지 않고도, 기공구조, 기공크기, 기둥두께, 기둥 간 간격, 지지체 형상 등이 성공적으로 제어될 수 있으므로, 경조직 재생용 지지체로 유용할 수 있다.
지지체 강도 분석
실시예 2에서 제조한 3차원 지지체의 강도를 알아보기 위하여, 18, 19 및 21G의 내경을 갖는 압축 주사바늘로 설정하고, 기둥간격을 1.0 및 1.5 mm로 제어하여 제조한 지지체의 압축강도를 평가하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체의 기둥두께 및 간격에 따른 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다(도 8에서 '23G1'은 23G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '21G1'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '19G1'은 19G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '23G1.5'은 23G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '21G1.5'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, '19G1.5'은 19G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1.5 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타낸다).
도 8에 나타난 바와 같이, 압축강도는 3차원 지지체를 구성하는 기둥이 21G일때 가장 우수하였으며 기둥 두께가 두꺼워지거나 기둥간격이 넓어질 수록 압축강도가 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 기둥 두께가 일정크기 이상이 되면 충분한 시멘트 반응이 유도되지 못하여 미반응 부분이 남아 기계적 물성을 저하시키는 것이 원인으로 추측된다. 즉, 21G의 주사바늘을 이용하여 기공간격이 1.0 mm일 때 압축강도는 최고치에 달했으며, 약 14 MPa로 매우 우수함을 확인하였다. 이 결과는 종래의 고온 소결을 통한 다공성 세라믹 지지체의 기계적 강도보다도 우수하다. 즉, 고분자를 이용하여 쾌속조형기술로 3차원 지지체를 제조 후 이를 주형으로 이용하여 아파타이트와 유기질 바인더로 구성된 페이스트를 채우고 1250 ℃에서 3시간 소성하여 제조된 지지체의 경우 압축강도가 약 1.75 MPa이었으며(I.K.Jun et al. J. Mater. Sci.Mater.Med. 18 (2007) 1071), 파라핀 마이크로 스피어를 주형으로 이용하여 콜로이달 실리카와 β-TCP의 3차원 형상을 유도한 후 1100 ℃에서 2시간 소성하여 제조된 지지체의 경우 압축강도가 약 5.02 MPa로 보고 되었으며(G.B.M.Ribeiro et al. Mater. Lett. 65 (2011) 275), 따라서 실온에서 제조된 본 발명의 지지체가 월등히 우수한 기계적 강도를 나타냄이 확인되었다.
나아가, 지지체는 체내에 이식되어 사용되어지므로 젖은 상태에서의 강도유지가 중요하다. 이에, 용액 내 일정시간 침적 후의 지지체 강도변화를 측정하였다. 측정은 일정시간 생체유사체액(SBF)에 침지 후에 젖은 상태를 유지한 지지체와 생체유사체액(SBF)에 침지 후에 건조한 지지체의 압축강도를 확인하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9는 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체를 용액 내 침지 시간에 따른 지지체의 건조 전후 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다(도 9에서 '21G1'은 21G 주사바늘을 이용하여 기둥간격을 1 mm로 설정하여 제조한 지지체를 나타내고, 'Dry'는 SBF 용액에 침지한 후 건조한 상태의 지지체를 나타내고, 'Wet'은 SBF 용액에 침지 후 젖은 상태 그대로의 지지체를 나타낸다).
도 9에 나타난 바와 같이, 실시예 2에서 제조한 지지체의 압축강도는 침지 후 3시간에 일시적으로 급격히 감소하나 침지 시간이 증가할수록 다시 증가하여 7일 후에는 침지 전과 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다. 즉, 침지 7일 후에는 12 MPa로 여전히 우수한 기계적 물성을 나타낸다. 이는 초기 침지 시 지지체 내의 미반응 물질의 용출로 인한 일시적 기계적 강도의 감소가 일어나나 생체활성과 유사한 지지체 내 이온 용출과 동시에 재석출로 인한 재결정화가 일어나 지지체의 강도가 차츰 증가하기 때문이라 추정된다.
이러한 재결정화를 확인하기 위하여 생체유사체액에 침지 전과 30일 침지 후의 FE-SEM 이미지를 촬영하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체를 생체유사체액(SBF)에 침지 전과 30일 침지 후에 FE-SEM으로 관찰한 이미지이다.
따라서, 본 발명에 따른 3차원 지지체는 열처리 공정을 거치지 않고도, 종래의 고온 소결을 통한 세라믹 다공성 지지체 보다도 높은 압축강도를 나타낼 뿐만 아니라, 기둥두께 및 기둥간격의 조절을 통해 압축강도를 조절할 수 있고 용액내 침지 후에도 높은 기계적 강도를 유지하므로, 경조직 재생용 지지체로 유용할 수 있다.
<실험예 3> 지지체의 세포적합성 평가
본 발명의 실시예에 따른 3차원 지지체의 세포적합성을 평가하기 위하여, 지지체 표면의 세포거동을 관찰하였다.
구체적으로, 실시예 2에서 제조한 3차원 지지체를 α-MEM (1% penicilin-streptomycin, 10% FBS)에 30분 동안 침지한 후, 지지체를 꺼내어 새로운 α-MEM에 추가로 30분간 더 침지시켰다. 다시 α-MEM을 바꾸어 지지체를 침지하고, 데시케이터에 넣어 진공을 유지하면서 기포를 10분 이상 2번씩 제거하였다. 이후 α-MEM을 모두 제거하고 48웰(well) 플레이트에 지지체를 옮겼다.
MC3T3-E1(Mouse Osteoblastic Cells) 조골모세포(pre-osteoblast)를 1× 105 (cell/50㎕/지지체)의 농도로 파종하였다. 30분 동안 배양한 후 지지체를 다시 뒤집어 세포가 외부로 나오는 것을 방지하였다. 2시간을 더 배양한 후 1 mL의 배지(α-MEM)를 추가한 후 1일에 한번씩 배지를 교환하고 지지체 표면에서의 세포거동을 시간경과에 따라서 관찰하였고, 그 결과를 도 11-12에 나타내었다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체에 조골모세포를 파종하고 3시간, 1일, 4일 및 7일간 배양한 후 MTS 평가를 통해 세포증식거동을 평가한 결과이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 지지체에 조골모세포를 파종하고 3시간, 1일, 4일 및 7일간 배양한 후 지지체의 표면을 관찰한 이미지이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 세포 파종 초기(3시간-1일)에는 세포수가 증식하지 않고 감소하는 경향을 보이나 그 이후에는 원만하게 증식하고 있음을 알 수 있었다. 이는 지지체를 구성하는 스트로바이트 성분의 빠른 생분해성으로 인하여 배양액에 접촉한 후 1일까지는 배양액의 pH 변화 폭이 커서 세포 증식거동을 방해하나 배양액의 pH가 안정되는 1일 이후부터는 세포가 원활히 증식하기 때문으로 판단된다. 즉, 실시예 2에서 제조된 인산마그네슘 3차원 지지체는 우수한 세포친화성과 생체적합성을 나타낸다고 할 수 있다.
또한 도 12에 나타난 바와 같이, 실시예 2에서 제조한 3차원 지지체의 표면에서 조골모세포는 파종 3시간 후에 지지체 표면에 낮은 접촉각을 가지고 잘 부착됨이 확인되었다. 더불어 파종 후 1일, 4일이 지남에 따라 세포증식이 확인되었고 세포 간의 결합이 확인되었다. 또한, 7일째에는 지지체 전체 표면이 새로이 형성된 세포막으로 덮혀 있음이 확인되었다. 즉, 실시예 2에서 제조한 3차원 지지체는 세포친화성이 우수함을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 3차원 지지체는 생체활성이 우수하므로, 경조직 재생용 지지체로 유용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2), MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 마그네슘원(source); 및
    하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 콜라겐 및 알지네이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 점증제;를 포함하는 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 성형체를 얻는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 얻은 성형체를 DAHP(Diammonium hydrogen phosphate), NH4H2PO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 경화액에 침지하여 시멘트 반응을 유도하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 시멘트 반응을 완료한 지지체를 세척한 다음 건조하는 단계(단계 3);를 포함하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 지지체 조성물은,
    C1-4 알콜 수용액에 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 콜라겐 및 알지네이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 점증제를 첨가하여 분산용액을 준비하는 단계(단계 a); 및
    상기 단계 a에서 준비한 분산용액에 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2), MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 마그네슘원(source)을 혼합하는 단계(단계 b);를 포함하는 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법
  3. 제2항에 있어서,
    상기 C1-4 알콜 수용액 중 알코올의 농도는 20-40 중량%인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 단계 b에서 분산용액에 대한 마그네슘원(source)의 중량비인, 분산용액과 마그네슘원의 분액비(powder/liquid ratio; P/L)는 1.0-3.0인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 경화액 농도는 3.0-4.0 M인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제조방법은 5-30 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제조방법은 열처리 공정을 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 지지체의 제조방법.
  9. 제3인산마그네슘(Mg3(PO4)2), MgO, Mg(OH)2, MgCl2 및 MgSO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 마그네슘원(source); 및
    하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 콜라겐 및 알지네이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 점증제;를 포함하는 지지체 조성물을 적층조형법으로 성형하여 성형체를 얻는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 얻은 성형체를 DAHP(Diammonium hydrogen phosphate), NH4H2PO4, KH2PO4, K2HPO4 및 NaH2PO4으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 경화액에 침지하여 시멘트 반응을 유도하는 단계(단계 2);
    상기 단계 2에서 시멘트 반응을 완료한 지지체를 세척한 다음 건조하는 단계(단계 3);를 포함하는 제조방법을 통해 제조되는 경조직 재생용 지지체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 지지체는 X축 사이 및 Y축 사이의 간격이 0.5-2 ㎜이고, 기공크기는 130-700 ㎛인 격자무늬 형태인 것을 특징으로 하는 경조직 재생용 지지체.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170122101A (ko) * 2016-04-26 2017-11-03 고려대학교 산학협력단 3차원 다공성 지지체의 제조 시스템 및 방법
KR101859642B1 (ko) * 2016-04-26 2018-05-18 고려대학교 산학협력단 광경화성 슬러리를 이용한 3차원 다공성 지지체의 제조 시스템 및 광경화성 슬러리 제조 방법
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CN110141680A (zh) * 2019-05-31 2019-08-20 江苏省人民医院（南京医科大学第一附属医院） 磷酸镁生物陶瓷功能梯度骨再生支架的制作方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100953366B1 (ko) * 2007-12-28 2010-04-20 한양대학교 산학협력단 조직재생용 나노섬유 지지체 및 이의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100953366B1 (ko) * 2007-12-28 2010-04-20 한양대학교 산학협력단 조직재생용 나노섬유 지지체 및 이의 제조방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170122101A (ko) * 2016-04-26 2017-11-03 고려대학교 산학협력단 3차원 다공성 지지체의 제조 시스템 및 방법
KR101859642B1 (ko) * 2016-04-26 2018-05-18 고려대학교 산학협력단 광경화성 슬러리를 이용한 3차원 다공성 지지체의 제조 시스템 및 광경화성 슬러리 제조 방법
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