KR101640986B1

KR101640986B1 - 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101640986B1
Application number: KR1020140112269A
Authority: KR
Inventors: 오승한
Original assignee: 원광대학교산학협력단
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2016-07-19
Also published as: KR20160025262A

Abstract

본 발명은 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브 및 이의 제조방법에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브, 및 티타늄 소재의 표면에 티타니아 나노튜브층을 형성시키는 단계; 티타니아 나노튜브층 표면에 SH기를 치환시키는 단계; 및 티타니아 나노튜브층 표면 상 SH기에 금 나노로드를 결합시키는 단계를 포함하는 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 원하는 시간에 원하는 기간 동안 약물을 방출할 수 있도록 하여 불필요한 투약을 방지하는 동시에 불필요한 투약으로 인한 부작용을 최소화할 수 있다.

Description

금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브 및 이의 제조방법{Gold nanorod-grafted titania nanotubes and preparation method thereof}

본 발명은 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브 및 이의 제조방법에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브를 함유하는 항균성 복합체, 및 티타늄 소재의 표면에 티타니아 나노튜브층을 형성시키는 단계; 티타니아 나노튜브층 표면에 SH기를 치환시키는 단계; 및 티타니아 나노튜브층 표면 상 SH기에 금 나노로드를 결합시키는 단계를 포함하는, 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다.

임플란트의 장기간 임상 성공은 임플란트 수술 초기 임플란트와 골 티슈간 임플란트 골유착(osseointegration)으로 결정된다. 골유착을 증가시키기 위하여, 임플란트의 표면거칠기를 조절하거나, 성장인자 또는 호르몬을 코팅하는 방법을 채택하였고, 이로써 임플란트 표면의 화학적 특성, 전하, 미세구조 및 다공성이 달라져 골수 세포의 초기 부착을 증가시킬 수 있다. 그러나 연구결과 골유착을 증대시키는 경우 박테리아 감염에 취약한 것으로 나타났다. 박테리아는 골수 세포들처럼 성장인자 또는 단백질로 코팅된 표면에 쉽게 달라붙는다. 일단 박테리아가 코팅된 표면 내로 침투하면 통상의 멸균 기술을 사용하여서는 제거하기가 어렵다.

따라서 박테리아 감염을 예방 또는 치료하기 위하여 임플란트 수술 후 약 2개월이 경과한 후 항생제 치료가 필요하다. 이러한 경우 개체에 경구투여, 정맥 내 투여, 피하투여, 국소투여 등의 방법을 사용할 수 있다.

일반적으로, 약물전달시스템(Drug delivery system, DDS)은 기존 의약품의 부작용을 최소화하고 효능 및 효과를 극대화시켜 필요한 양의 약물을 전달할 수 있도록 설계한 제형으로서, 이 약물전달시스템은 약물의 경구적인 복용이나 주사에 따른 불편함을 해소하는 수단으로 이용된다. 예를 들어, 약물전달시스템은 항생제 치료 시 약물을 경구로 투약했을 때 약물이 병원균에 작용할 경우는 약효를 나타내지만 그 이외의 부분 특히 위 장관에서의 궤양과 같은 부작용을 나타내므로, 이러한 부작용을 줄이고 약효를 극대화하도록 체형을 설계하는 것을 의미한다.

그 밖에도, 치료법이나 약물의 특이한 물리화학적 특성, 약동학적 특성 등을 고려하여 약물의 전달 경로와 전달 형태에 새로운 방법을 도입함으로써, 효과적인 치료방법을 얻고 환자의 불편감을 줄이는 등 편익을 목적으로 개발 사용되고 있으며 현재 상당한 연구가 진행 중이다.

그러나 이러한 대부분의 약물전달시스템의 경우 약물 용출 시간 및 기간을 조절하는 것과 관련된 기술은 많지 않다. 예를 들어 임플란트 수술 후 항생제 치료를 하는 경우에는, 임플란트 수술 직후에는 항생제가 용출될 필요가 없고, 상기 설명한 바와 같이 수술 후 약 2개월 후에 필요하다. 따라서 약물의 용출 시간 및 그 기간을 조절하는 기술의 도입이 필요하나, 관련 기술에 대하여는 알려진 바가 없다.

한편 한국등록특허 1,219,471호는 치과용 임플란트의 표면처리 방법 및 이에 의해 표면처리된 치과용 임플란트에 관한 것으로서, 여기에는 a) 치과용 임플란트의 표면에 티타니아 나노튜브를 형성하는 단계; b) 상기 치과용 임플란트를 열처리하여 상기 티타니아 나노튜브를 결정상으로 전환시키는 단계; 및 c) 상기 티타니아 나노튜브에 탄소나노튜브를 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트의 표면처리 방법과 상기한 방법에 의해 표면처리된 치과용 임플란트가 개시되어 있다.

또한 한국등록특허 1,385,010호는 양극 산화법에 의해 나노 크기의 티타니아를 식립형 임플란트에 코팅하는 방법에 관한 것으로, Ca-P와 Ti 산화물계로 형성된 기지 및 양극 산화법에 의해 기지 표면 전체에 코팅되는 나노 티타니아 코팅 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 산화법에 의해 나노 티타니아를 코팅한 식립형 임플란트에 대해 개시되어 있다.

그러나 상기 문헌들에는 치과용 임플란트의 표면처리 방법에 대해 개시하고 있을 뿐이다.

미국공개특허 2010/0247611호에는 광화학적 조건 하에서 NO를 방출하는, 이산화티타늄 나노물질 및 이산화티타늄 나노물질 상에 증착된 NO-방출 화합물을 함유하는 조성물에 관한 것으로, 이산화티타늄 나노튜브 상에 PbS, PbSe, CuS, Cu₂S, FeS₂, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, Ag₂S, CuInS₂, Rh₂S₃ 및 RuS₂와 같은 반도체 물질을 추가로 함유할 수 있다는 점이 개시되어 있다.

또한 한국등록특허 1,336,780호에는 임플란트를 이용한 약물전달장치가 개시되어 있으며, 보다 상세하게는 인체에 심어져 지지기능을 수행하는 임플란트, 및 임플란트에 결합되어 막음기능을 수행하는 덮개부를 포함하며, 약물카트리지를 수용하고 덮개부에 의해 개폐되는 수용부, 약물카트리지의 내용물을 확산 방출하는 다수개의 확산부 및 확산부의 단부에 형성되어 약물카트리지의 내용물을 인체로 주입하는 투약부를 구비하는 임플란트를 이용한 약물전달장치가 개시되어 있다.

그리고 한국공개특허 2014-0098273호에는 약물 전달층을 포함하는 임플란트의 제조방법 및 이를 포함하는 생체이식용 임플란트 조성물, 더 자세하게는 키토산-생체활성유리 복합 용액을 제조하는 단계; 상기 키토산-생체활성유리 복합 용액에 약물을 첨가하여 약물 함유 복합 코팅 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 복합 코팅 조성물을 임플란트 표면에 전기영동증착하여 약물 전달층을 제조하는 단계를 포함하는 약물 전달층을 포함하는 임플란트의 제조방법 및 이를 포함하는 생체이식용 임플란트 조성물이 개시되어 있다.

상기 문헌들에는 각각 NO를 방출하는 이산화티타늄 나노물질, 약물 투약부를 구비하는 임플란트, 및 약물을 방출할 수 있는 형태의 임플란트가 개시되어 있기는 하나, 약물의 방출 시간 및 방출 기간을 조절할 수 있는 기술에 대하여는 구체적으로 개시되어 있지 않다.

본 발명의 발명자는 티타니아 나노튜브 표면에 금 나노로드를 고정하고 약물을 여기에 주입하였을 때 자외선 레이저 조사에 의해 약물의 방출이 on-off 되어, 약물의 방출 시간 및 기간을 조절할 수 있다는 점을 새로이 규명함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

한국등록특허 1,219,471호 한국등록특허 1,385,010호 미국공개특허 2010/0247611호 한국등록특허 1,336,780호 한국공개특허 2014-0098273호 일본특개 2005-320616호 일본특개 2005-255582호.

K. Gulati et al. Nanoscale Research Letters, vol. 6, article 571, 2011; S. Liu and A. Chen, Langmuir, Vol. 21, no. 18, pp. 8409-13, 2006; M. Paulose et al., Journal of Physical Chemistry B, vol. 110, no. 33, pp. 16179-184, 2006; H. Zhang et al., Langmuir, vol. 26, no. 13, pp. 11226-232, 2010; M. Bigerelle et al., Biomaterials, vol. 23, no. 7, pp. 1563-77, 2002; A. L. Linsebigler et al., Chemical Reviews, vol. 95, no. 3, pp. 735-58, 1995; S. Oh et al., Journal of Nanomaterials, vol. 2013, Article ID 802318, 7 pages, 2013; J. Choi et al., Small, vol. 8, no. 5, pp. 746-753, 2012.

본 발명에서는 약물의 방출 시간 및 방출 기간을 조절할 수 있는 약물전달시스템(Drug Delivery System, DDS)을 제공하여, 원하는 시간에 원하는 기간 동안 약물을 방출할 수 있도록 하여 불필요한 투약을 방지하고, 동시에 불필요한 투약으로 인한 부작용을 최소화하고자 한다.

본 발명은 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브 복합체, 및 이러한 복합체를 제조하는 방법, 즉 티타늄 소재의 표면에 티타니아 나노튜브층을 형성시키는 단계; 티타니아 나노튜브층 표면에 SH기를 치환시키는 단계; 및 티타니아 나노튜브층 표면 상 SH기에 금 나노로드를 결합시키는 단계를 포함하는, 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브 복합체를 제조하는 방법을 제공함으로써, 약물의 방출 시간 및 방출 기간을 조절할 수 있는 약물전달시스템(Drug Delivery System, DDS)을 제공한다.

본 발명에 따른 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브 복합체를 사용하는 경우, 원하는 시간에 원하는 기간 동안 약물을 방출할 수 있도록 하여 불필요한 투약을 방지하는 동시에 불필요한 투약으로 인한 부작용을 최소화할 수 있다.

도 1은 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브의 제조공정의 모식도이다.
도 2는 기계가공된 티타늄판(좌측)과 전기분해 연마된 티타늄판(우측)의 사진이다.
도 3은 양극산화법으로 티타늄판 상에 수직방향으로 정렬된 티타니아 나노튜브의 모습을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 4는 각각 금 나노로드의 TEM 이미지(a); 금 나노로드 UV-Vis 분광광도계 스펙트럼(b); 및 금 나노로드 종횡비 분석 그래프(c)이다.
도 5는 (a) 0.1 M, (b) 0.5 M, (c) 1.0 M 각 농도별 티오락트산으로 표면처리된 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브의 FE-SEM 이미지, (d) 0.1 M 티오락트산으로 표면처리된 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브의 EDX 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 금 나노로드 코팅된 100 nm 티타니아 나노튜브의 X-ray 회절 패턴을 나타낸 것이다.
도 7은 각각 적외선 레이저 조사 사진(a) 및 실험군 간의 테트라사이클린 용출량 그래프(b)이다.
도 8은 항균 아가 확산 실험결과를 나타내는 사진(a) 및 실험군 간의 세균 사멸 존 측정결과를 나타낸 그래프(b)이다.

본 발명은 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브 및 이의 제조방법에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브, 및 티타늄 소재의 표면에 티타니아 나노튜브층을 형성시키는 단계; 티타니아 나노튜브층 표면에 SH기를 치환시키는 단계; 및 티타니아 나노튜브층 표면 상 SH기에 금 나노로드를 결합시키는 단계를 포함하는, 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 티타늄 소재의 표면에 형성된 티타니아 나노튜브층; 및 상기 티타니아 나노튜브층에 SH기를 통해 결합된 금 나노로드를 포함하는 항균성 복합체에 관한 것이다.

본 발명에서 용어 “티타니아”(titania)는 티타늄의 산화물을 말한다.

본 발명의 일 양태에서, 금 나노로드는 티타니아 나노튜브층과 공유(covalent) 결합된 상태일 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 금 나노로드는 흡수 피크 파장이 400 nm에서 1,200 nm까지의 영역 내에 존재할 수 있으며, 상기 파장 범위의 전자파가 조사되면 플라스몬 흡수라 불리는 광의 흡수현상을 일으켜 자기발열할 수 있다. 그리고 이 금 나노로드는 형상 또는 크기가 다르면 그 흡수파장도 달라지는데, 종횡비가 1.1 내지 8.0인 로드상(rod shape)의 금 나노로드인 경우 400 내지 1,200 nm의 흡수역을 갖는 것으로 알려져 있다. 다만 피부 및 조직을 침투할 수 있는 파장인 600 내지 1,000 nm의 영역 내에서 흡수 피크를 갖는 금 나노로드를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 양태에서, 본 발명은 티타늄 소재의 표면에 형성된 티타니아 나노튜브층; 상기 티타니아 나노튜브층에 SH기를 통해 결합된 금 나노로드; 및 약물층을 포함하고, 여기에서 약물층은 약물이 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브 내로 로딩(loading)된 형태이다.

상기 복합체는 별도의 항생제를 로딩하지 않아도 그 자체로 항균성을 나타낸다. 다만 항균 효과의 증대를 위하여 항생제가 추가로 로딩될 수 있다. 또한, 목적에 따라 항생제 이외에도, 소염제, 진통제, 항암제, 항당뇨약, 심혈관질환 치료제, 고지혈증 치료제, 대사증후군 치료제, 정신신경용제, 중추신경용제, 정장제, 진해거담제, 소화성궤양용제 또는 안과용제 등의 약물이 추가로 로딩될 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니고, 치료목적에 따라 다양한 약물이 선별적으로 로딩될 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 테트라사이클린, 아미노글리코사이드계 항생제, 마크로라이드계 항생제, 베타 락탐계 항생제, 암포테리신, 폴리믹신, 반코마이신, 리팜핀, 퀴놀론계 항생제, 설파계 항생제, 피리메타민 등의 항생제가 로딩될 수 있으며, 특히 치과용 임플란트에 로딩되는 경우 임플란트 수술 후 항생제의 용출이 필요한 시기에 적외선 등을 조사하여 약물을 방출되도록 함으로써 원하는 치료효과를 얻을 수 있고, 치료 스케쥴에 맞는 맞춤식 약물치료가 가능하다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 약물은 적외선 또는 자외선 조사에 의해 방출될 수 있고, 보다 구체적으로 적외선 조사에 의해 방출될 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 금 나노로드의 종횡비에 따라 광열효과(Photothermal effect)를 나타내는 파장이 변화하므로, 사용할 파장에 적합한 종횡비를 가지는 금 나노로드를 합성하여 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용된 적외선 레이저의 파장(830 nm)에 적합한 금 나노로드의 종횡비는 약 ~3.83으로, 적외선을 조사하여 약물을 방출시킬 것을 의도하는 경우에는 금 나노로드의 종횡비를 상기 값으로 조정하여 제조하면 된다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 약물은 약물-생분해성 고분자 복합재일 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 약물-생분해성 고분자 복합재를 사용하는 경우, 생분해성 고분자가 서서히 생분해되면서 약물을 서서히 용출/방출시킬 수 있어 보다 바람직하다.

본 발명의 일 양태에서, 생분해성 고분자로는 폴리락트산, 폴리글리콜산, 폴리락트산-글리콜산 공중합체, 폴리-ε-카프로락톤, 폴리락타이드 카프로락톤, 폴리아미노산, 폴리안하이드라이드, 지방족 폴리에스테르, 셀룰로오스, 리그닌, 전분, 알긴산, 바이오 폴리에스테르, 바이오 셀룰로오스, 다당류 및 폴리아민산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있고, 보다 구체적으로 폴리락트산을 사용할 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 복합체는 의료용 임플란트의 형태일 수 있고, 보다 구체적으로 치과용 임플란트의 형태일 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 일 양태에서, 본 발명은 (a) 티타늄 소재의 표면에 티타니아 나노튜브층을 형성시키는 단계; (b) 상기 티타니아 나노튜브층 표면에 SH기를 치환시키는 단계; 및 (c) 상기 티타니아 나노튜브층 표면 상 SH기에 금 나노로드를 결합시키는 단계를 포함하는, 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 양태에서, 티타니아 나노튜브층 표면 상 SH기에 금 나노로드는 공유(covalent) 결합될 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 단계(b)에서 티오락트산(thiolactic acid), 티오크산텐, 티오살리실산, 티오프로피온산 및 티오글리콜산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용하여 SH기를 치환시킬 수 있고, 보다 구체적으로 티오락트산을 이용하여 티타니아 나노튜브층 표면에 SH기를 치환시킬 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 단계(b)에서 티오락트산(thiolactic acid), 티오크산텐, 티오살리실산, 티오프로피온산 및 티오글리콜산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 티오계 화합물을 0.1 내지 1 M의 농도로 처리할 수 있고, 보다 구체적으로 약 1 M의 농도로 처리할 수 있다. 티오계 화합물 표면처리에 의한 티타니아 나노튜브의 구조변화 및 붕괴가 일어나지 않는 것으로 나타났다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 단계 (c) 이후, 티타니아 나노튜브층 내로 약물을 주입하는 과정을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 상기 약물은 상기 약물은, 약물-생분해성 고분자 복합재일 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 약물을 단독으로 티타니아 나노튜브에 로딩시킬 경우 바로 용출되는 문제가 발생할 수 있으나, 생분해성 고분자와 결합된 상태 또는 복합체를 형성한 상태로 로딩시키는 경우, 생분해성 고분자가 서서히 생분해되면서 약물을 서서히 용출/방출시킬 수 있다.

여기서 생분해성 고분자가 사용된 이유는 약물 단독으로 나노튜브에 담지시킬 경우 붙잡아줄 고정체가 없으므로 바로 용출되는 문제점이 있으나, 약물을 생분해성 고분자와 함께 섞어서 담지할 경우, 생분해성 고분자의 느린 분해속도로 인하여 약물을 천천히 소량으로 용출시킬 수 있는 장점이 있기 때문이다.

또한, 적외선 레이저 조사 시 금 나노로드의 광열효과에 의해 표면의 모든 물질들을 떼어낼 경우 한꺼번에 다 용출되어도 생분해성 고분자가 약물을 코팅하고 있기 때문에 용출된 약물이 무작위로 이동하지 않고 원하는 부위에 생분해성 고분자와 함께 지속적으로 존재하게 된다. 그리고 폴리락트산과 같은 생분해성 고분자는 이미 검증된 생분해성 고분자이므로 인체 내에 용출되어도 서서히 분해되며 인체에 무해하다. 이러한 이유로 본 발명에서는 생분해성 고분자와 약물을 함께 혼합한 복합체를 티타니아 나노튜브에 담지하였다.

다만, 본 발명의 일 양태에서 약물을 로딩하지 않더라도 금 나노로드의 존재로 인하여 항균성을 나타낼 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 구체적으로는 균질화된 티타니아 나노튜브를 제작하고, 금 나노로드 코팅을 위하여 티타니아 나노튜브 표면에 티오락트산으로 표면처리하여 SH기가 활성화된 티타니아 나노튜브 표면을 제작하고, 합성된 금 나노로드를 티타니아 나노튜브 표면에 화학적 결합으로 결합시킴으로써, 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브를 제조할 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 금 나노로드는 종래 알려진 방법을 사용하여 제조할 수 있다.

예를 들어 성장용액(growth solution)에서 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide, CTAB)와 벤질디메틸암모늄 클로라이드(benzyldimethylammonium chloride, BDAC)를 함께 사용하여 종횡비가 큰 금 나노로드를 합성할 수 있음이 알려져 있다(B. Nikoobakht and M. A. El-Sayed, Chem . Mater. 15, 1957-1962, 2003). CTAB와 BDAC는 매우 유사한 구조로 되어 있고 금의 표면에 선택적 결합력을 갖고 있다. 상기 논문에는 CTAB 에 대하여 BDAC의 양이 증가할수록, 즉, BDAC/CTAB 값이 커질수록, 금 나노로드의 폭(width)이 좁아져, 금 나노로드의 종횡비가 커지며, 이에 따라 흡수 피크(Absorption peak)가 장파장으로 이동(Shift)됨을 개시하고 있다. 그에 따라, BDAC/CTAB 값이 6 이상인 경우가 바람직하게 사용됨이 개시되어 있다.

본 발명의 일 양태에서, 구체적인 금 나노로드의 제조방법을 예시하면 다음과 같다:

HAuCl₄와 NaBH₄를 혼합하면서 CTAB를 첨가하여 씨드 용액을 제조하고, 금 나노로드의 성장을 위해 AgNO₃, HAuCl₄ 및 CTAB를 혼합한 성장용액을 제조한다. 씨드 용액과 성장용액을 혼합하면서 L-아스코르브산을 첨가하여 금 나노로드를 제조한다. 성장용액과 L-아스코르브산의 첨가량을 조절하여 금 나노로드의 종횡비를 변화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브 복합체는 약물전달시스템(DDS)용 약물 담체 뿐만 아니라, 생체 내 진단용 키트, 치료용 조성물, 화장품, 바이오센서 등으로 다양하게 응용이 가능하다.

이하, 제조예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만 하기 제조예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이고, 본 발명의 권리범위를 이로 한정하는 것을 의도하지 않는다.

제조예 1. 티타니아 나노튜브 시편 제작

티타늄 판(thickness: 250 μm, purity: 99.5%; Alfa-Aesar, MA, USA)을 아세톤, 에탄올, 및 증류수의 순서로 세척한 후, 6% 퍼클로르산(Perchloric acid, Sigma, USA), 37% 부톡시 에틸렌 글리콜(Butoxy ethylene glycol, JunseiI, Japan), 59% 메탄올(Sigma, USA)을 이용한 전기분해법으로 표면처리를 하고 연마를 수행하여 5 nm 이하의 평탄도(flatness)를 가지는 표면이 깨끗한 티타늄 판을 제조하였다(Shin 등, 2008).

전기분해 연마된 티타늄 판을 0.5 wt% 불산(purity: 48%, Sigma, USA)을 전해질 용액으로 하여 5 - 20 V의 범위에서 30분 동안 양극산화 시켰다. 양극산화 완료 후, 시편을 증류수에 세척하고, 60℃ 오븐에서 24시간 건조한 후, 500℃에서 2시간동안 열처리를 하였다(공기 중 열처리, 승온 및 냉각속도 = 1 K/min).

제조예 2. 금 나노로드 합성

금 나노로드는 이미 알려진 기술을 부분 수정하여 합성하였다.

금 나노로드의 출발물질인 HAuCl₄와 NaBH₄를 혼합하면서 CTAB를 첨가하여 씨드(seed) 용액을 제조하였다. 씨드 용액의 금 나노로드의 성장을 위하여 AgNO₃, HAuCl₄, 및 CTAB를 혼합한 성장용액을 제조하였다. 씨드 용액과 성장용액을 혼합하면서 L-아스코르브산을 첨가하여 금 나노로드를 합성하였다. 성장용액과 L-아스코르브산의 첨가량에 따라 금 나노로드의 종횡비가 변화하였다. 그리고, 금 나노로드의 종횡비에 따라 광열효과(Photothermal effect)를 나타내는 파장이 변화하므로 본 발명에서 사용된 적외선 레이저의 파장(830 nm)에 적합한 금 나노로드를 합성하였다.

금 나노로드의 형상 및 광특성 분석은 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)과 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Visible Spectrophotometer)로 각각 수행하였다.

TEM 이미지 확인 결과, 종횡비 ~ 3.83의 금 나노로드가 합성된 것이 관찰되었고, 자외선-가시광선 분광광도계 측정결과, 830 nm에서 광에 의한 활성이 관찰되었다.

제조예 3. 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브 제조

금 나노로드를 티타니아 나노튜브 표면에 화학적으로 코팅하기 위해서는 나노튜브의 표면에 SH기가 존재해야 한다. 따라서, SH기로 나노튜브의 표면을 치환하기 위하여 3가지 농도(0.1, 0.5 및 1.0 M)의 티오락트산으로 나노튜브 표면을 처리하였다. 최적의 티오락트산 농도를 찾기 위하여 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) 및 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)로 분석한 결과, 도 5 및 표 1에서 보는 바와 같이 0.1 M에서 가장 많은 금 나노로드가 코팅되는 것을 확인하였고, 티오락트산 표면처리에 의한 티타니아 나노튜브의 구조변화 및 붕괴는 관찰되지 않았다.

또한, XRD(X-ray Diffractometer)로 결정구조를 분석한 결과, Au (111) 및 (200) 의 결정격자가 확인되어 금 나노로드가 티타니아 나노튜브에 확실하게 코팅된 것을 확인할 수 있었다.

실험예 1. 적외선 레이저 조사에 의한 원격제어 약물용출 실험

10 g 테트라사이클린을 50 ml DMSO에 용해시키고, 4 g 폴리락트산(polylactic acid, PLA)를 50 ml 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran)에 용해시킨 후, 각각의 용액을 혼합하여 테트라사이클린-PLA 복합체 용액을 제조하였다. 제조된 용액을 진공 주입법을 이용하여 티타니아 나노튜브 내에 주입하였다. 복합체가 주입된 티타니아 나노튜브 시편은 24시간 상온에서 건조시킨 후, 830 nm 파장의 수지형 (hand-held) 적외선 레이저(출력: 200 mW, RaeHwa LMA, Korea)로 1분간 조사하였다. 적외선 레이저의 원격제어에 의해 용출된 약물의 용출량 측정은 microplate ELISA reader(Spectra Max 250, Thermo Electron Co., USA)를 이용하여 405 nm의 파장에서의 측정하였다.

용출량 측정 결과, 적외선 레이저를 조사한 실험군의 결과가 다른 실험군에 비하여 유의하게 높은 값을 나타내었다(p<0.05).

실험예 2. 항균 아가 확산 실험( Antimicrobial Agar Diffusion Test )

스트렙토코커스 뮤탄스(Streptococcus mutans, ATCC 25176, ATCC, USA) 균주를 이용하여 항균 아가 확산 시험을 수행하였다. 1* 10⁵ CFU/ml의 세균을 아가 배지에 접종시키고, 37 ℃에서 24시간 배양시켰다. 24시간 배양 후, 1*1 cm²의 시편을 고형화된 아가 배지에 올리고 실험을 수행하였다. 적외선 레이저 조사 실험군은 적외선 레이저를 1분 조사하였고, 그 외의 실험군은 그냥 그대로 시편을 올린 후, 37 ℃에서 24시간 추가 배양시켰다. 24시간 이차 배양 후, 시편 주위에 세균 사멸된 동그란 지역(세균 사멸 존)의 직경을 4군데 측정하여 평균값을 산출하였다.

항균 아가 확산 실험 결과, 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브의 적외선 레이저에 의한 원격제어 약물용출 기능이 확실히 나타남을 확인할 수 있었고, 항균특성 또한 우수하게 나타남을 확인할 수 있었다. 금 나노로드 만으로도 어느 정도의 항균능을 나타내는 것이 관찰되었다.

Claims

티타늄 소재의 표면에 형성된 티타니아 나노튜브층;
상기 티타니아 나노튜브층에 SH기를 통해 결합된 금 나노로드; 및
약물층을 포함하고,
여기에서 약물층은 금 나노로드가 결합된 티타니아 나노튜브 내로, 약물이 로딩(loading)된 형태인,
항균성 복합체.
삭제
제1항에 있어서,
상기 약물은 자외선 또는 적외선 조사에 의해 방출되는 것을 특징으로 하는, 복합체.
제1항에 있어서,
상기 약물은, 약물-생분해성 고분자 복합재인 것을 특징으로 하는, 복합체.
제1항에 있어서,
상기 복합체는 의료용 임플란트인, 복합체.
(a) 티타늄 소재의 표면에 티타니아 나노튜브층을 형성시키는 단계;
(b) 상기 티타니아 나노튜브층 표면에 SH기를 치환시키는 단계;
(c) 상기 티타니아 나노튜브층 표면 상 SH기에 금 나노로드를 결합시키는 단계; 및
(d) 티타니아 나노튜브층 내로 약물을 주입하는 단계를 포함하는, 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 단계(b)에서 티오락트산(thiolactic acid), 티오크산텐, 티오살리실산, 티오프로피온산 및 티오글리콜산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용하여 SH기를 치환시키는 것을 특징으로 하는, 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브의 제조방법.
삭제
제6항에 있어서,
상기 약물은 약물-생분해성 고분자 복합재인 것을 특징으로 하는, 금 나노로드 코팅된 티타니아 나노튜브의 제조방법.