KR101712508B1 - 나노 크기의 기공을 포함하는 합성골 이식재용 다공성 지지체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예는 나노 크기의 합성골 이식재료를 준비하는 제1 단계 및 상기 준비된 이식재료를 압축성형 및 소결하여 지지체를 형성하는 제2 단계를 포함하는 합성골 이식재용 다공성 지지체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 다른 일실시예는 나노 크기의 합성골 이식재료 및 폴리머를 준비하는 제1 단계, 상기 준비된 이식재료 및 폴리머를 압축성형 및 소결하여 지지체를 형성하는 제2 단계; 및 상기 지지체를 세척하여 상기 폴리머를 제거하는 단계를 포함하는 합성골 이식재용 다공성 지지체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

나노 크기의 기공을 포함하는 합성골 이식재용 다공성 지지체 및 이의 제조 방법 {POROUS SCAFFOLD FOR SYNTHETIC BONE GRAFT COMPRISING NANO SIZED PORES AND METHOD FOR MANUFACTURING POROUS SCAFFOLD FOR SYNTHETIC BONE GRAFT}

본 발명은 다양한 분포 및 크기의 기공을 포함하는 합성골 이식재용 다공성 지지체 및 이의의 제조방법에 관한 것이다.

현재 임플란트와 같은 의료용 재료 산업 시장의 규모가 증가함에 따라 골형성과 관련된 재료들의 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 이종골 재료인 동물뼈는 재료의 확보가 용이하고 가격이 저렴하다는 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있는 추세이다. 하지만 다른 생물 종의 뼈를 사용하기 때문에 체내에서의 세포 생장률이나 생체 적합성과 관련된 한계점을 지니고 있다.

합성골 이식재는 치조골 이식 수술 시 면역 거부 반응이 없고, 재료의 확보가 용이하여 이종골 이식재의 대안으로 주목받고 있다. 특히, 3차원적으로 서로 연결된 기공 구조는 골 및 조직세포의 부착과 분화를 유도할 수 있기 때문에 기공구조를 제어할 수 있는 기술 개발이 활발히 진행 중에 있다.

여러가지 기술들이 제시되어 왔는데, 이 중, 전기방사법은 적당한 점도의 고분자 용액에 고전압을 인가하여 나노 섬유 형태의 다공성 지지체를 제조할 수 있는 방법이나 지지체 내부의 기공 구조를 제어하기에는 많은 제약이 있다. 또한, 용매 캐스팅(solvent casting) 방법은 고분자를 용매에 용해한 후 이를 다양한 형판에 주입하고 용매를 증발시킴으로 다공성 지지체를 제조할 수 있는 방법이나, 지지체의 표면에 비교적 치밀한 층(dense layer)이 형성되어지며, 기공 구조를 제어하기 위해서는 다양한 변수들을 조절해야 하는 단점이 있다. 그리고, 현재 사용되고 있는 대부분의 합성골 이식재 내에는 100-200 ㎛ 크기의 매크로(macro) 기공이 많이 존재한다. 하지만 합성골의 성능에 큰 영향을 끼치는 10 ㎛ 이하의 마이크로(micro) 기공이 매우 적게 존재하기 때문에, 이종골 이식재와 비교하여 좋지 않은 세포 생착력과 골재생능을 보이고 있는 문제가 있다. 현재까지 탁월한 신기술이 개발되지 못하고 있는 현실이기 때문에, 원하는 형상의 지지체의 기공 크기, 표면적, 기공 구조 등을 함께 모두 제어할 수 있는 신기술 개발이 필요한 시점이다.

본 발명의 일 목적은 다양한 크기의 기공을 포함하는 합성골 이식재용 다공성 지지체의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 합성골 이식재용 다공성 지지체의 제조방법은, 나노 크기의 합성골 이식재료를 준비하는 제1 단계; 및 상기 준비된 이식재료를 압축성형 및 소결하여 지지체를 형성하는 제2 단계를 포함한다.

상기 제1 단계에서, 나노 크기의 합성골 이식재료 외에 폴리머를 추가로 준비하며, 상기 제2 단계의 중간이나 제 2 단계 이후에 상기 지지체를 세척하여 상기 폴리머를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 폴리머는 양친매성 폴리머가 이용되는 것이 바람직하며, PVP(폴리비닐피롤리돈, Polyvinylpyrrolidone)가 이용된다.

상기 합성골 이식재료 및 폴리머는 90~10 중량% : 10~90 중량%로 포함한다.

상기 지지체를 세척하여 상기 폴리머를 제거하는 단계는 상기 다공성 지지체가 폴리머 용해도가 높은 용매에 침지된 후 건조됨으로써 이루어진다.

상기 합성골 이식재료는 HAp, BCP, TCP, Bioglass 및 SiO₂ 중 적어도 하나 이상을 포함한다.

상기 나노 크기의 합성골 이식재료의 입자 형태는 구상, 침상, 및 판상 중 적어도 하나 이상의 형태를 갖는다.

상기 제2 단계는 50 내지 800 MPa의 압력하에서 실시된다.

상기 제2 단계는 1000^oC 이하의 온도에서 실시된다.

상기 준비된 이식재료를 압축성형 및 소결하여 지지체를 형성하는 제2 단계는, 상기 준비된 이식재료를 프레싱(pressing)하는 단계; 및 상기 프레싱된 이식 재료를 소결(sintering)하는 단계로 이루어지고, 상기 프레싱 단계 이후 또는 상기 소결 단계 이후에 상기 지지체를 세척하여 폴리머를 제거한다.

상기 지지체의 표면의 형상은 구상, 침상, 및 판상 적어도 하나 이상의 형태를 포함한다.

상기 지지체의 기공은 나노 크기, 마이크로 크기 및 마크로 크기 중 적어도 하나 또는 그 이상의 크기를 갖는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 합성골 이식재용 다공성 지지체는, 100nm 이하의 나노 크기의 기공, 1-10 ㎛의 마이크로 크기의 기공 및 20 ㎛ 이상의 마크로 크기의 기공 중 어느 하나 이상을 포함한다.

상기 합성골 이식재료는 HAp, BCP, TCP, Bioglass, 및 SiO₂ 중 적어도 하나 이상을 포함한다.

상기 나노 크기의 합성골 이식재료의 입자 형태는 구상, 침상, 및 판상 중 적어도 하나 이상의 형태를 갖는다.

상기 지지체의 표면의 형상은 구상, 침상, 및 판상 적어도 하나 이상의 형태를 포함한다.

본 발명의 일실시예인 합성골 이식재용 다공성 지지체는 나노 크기, 마이크로 크기 및 마크로 크기 등 다양한 크기의 기공을 포함하고, 넓은 표면적을 제공하여, 높은 세포 생착력과 골재생능력을 발휘한다.

도 1은 본 발명의 일실시예인 제조방법에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일시예인 제조방법에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일시예인 제조방법에 대한 모식도이다.
도 4는 나노 크기 HAp의 형상을 나타내는 사진이다.
도 5는 나노 크기의 HAp를 압축 성형시켰을 때의 사진이다.
도 6는 지지체의 표면에 존재하는 나노 미터 크기의 공공의 형상에 대한 이미지이다.
도 7는 PVP의 형상 및 미세구조를 나타내는 사진이다.
도 8은 PVP와 HAp의 양의 조절에 따은 지지체 내부의 macro pore의 크기 조절에 대한 SEM 사진이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명의 일실시예로서, 합성골 이식재용 다공성 지지체의 제조방법은 나노 크기의 합성골 이식재료를 준비하는 제1 단계 및 상기 준비된 이식재료를 압축성형 및 소결하여 지지체를 형성하는 제2 단계를 포함한다.

본 명세서에서 나노(nano) 크기는 100 nm 이하를 나타내고, 마이크로(micro) 크기는 1-10㎛를 나타내며, 마크로(macro) 크기는 10㎛ 이상을 나타낸다.

먼저 합성골 이식재료를 준비한다. 준비된 이식재료에 압력을 가하여 성형 및 소결시켜 지지체를 형성할 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 나노 입자를 압축하여 목표하고자 하는 형태로 성형하고 소결시킴으로써, 기공이 많이 포진한 지지체를 확보할 수 있다. 나노 입자와 나노 입자 사이에 수많은 기공들이 존재하며, 표면적을 확장시켜, 세포 생착력을 향상시킬 수 있다.

상기 이식재료는 합성골 이식재료에 이용될 수 있는 어떠한 재료도 포함될 수 있다. 다만, 본 발명에서는 HAp, BCP, TCP, Bioglass 및 SiO₂ 중 적어도 하나 이상을 포함한다.

본 발명에서, 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HAp)를 이용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 뼈와 유사한 성분으로 구성되어 있으며, 합성 조건을 변경함으로써 침상, 판상과 같은 다양한 형태와 크기의 나노 구조를 형성할 수 있다는 장점을 가지고 있는 나노 입자이기 때문이다.

TCP (Tribasic calcium phosphate)는 이온화도가 매우 높은 재료로 Ca과 phosphate의 공급체로 뛰어난 역할을 하기에 신생골 형성 능력을 높여주어 생물활성도가 높은 합성골 이식재로 사용하기에 적합하다. α-TCP와 β-TCP 모두 존재하는데 일반적으로 β-TCP를 많이 사용한다. TCP의 경우에는 나노입자 뿐 만 아니라 마이크론 크기의 입자도 활용할 수 있다.

BCP(Biphase calcium phosphate)는 HAp와 TCP가 공존하는 재료로 높은 안정성을 지니는 HAp와 생물활성도가 높은 TCP의 장점을 한꺼번에 모두 활용할 수 있기에 이상적인 합성골 이식재의 재료로 사용된다.

생체활성유리 (Bioglass)는 SiO₂의 양이 적고 Na₂O, CaO, P₂O₅의 양이 많이 포함된 유리로 생체활성이 높고 체내에서 생분해될 수 있기 때문에 합성골에 활용이 가능하다.

그 외에도 SiO₂의 경우에는 다양한 크기 및 형태의 SiO₂를 만들 수 있을 뿐 아니라 내부에 나노미터의 공공을 갖고 있는 다공성 SiO₂ 도 합성이 가능하다. 실리카의 경우 생체내에서 생분해되어질 수 있기 때문에 합성골 제작에 활용할 수 있다.

상기 나노 크기의 합성골 이식재료의 입자 형태는 구상, 침상, 및 판상 중 적어도 하나 이상의 형태를 갖는다. 이러한 형태를 통하여 나노 입자들이 성형 및 소결된 후, 더 많은 기공을 갖게 되는 것이다. 또한, 이러한 나노 입자의 형태는, 상기 지지체의 표면에 구상, 침상, 및 판상 적어도 하나 이상의 형태를 포함하도록 한다. 이를 통하여 본 발명이 목표로 하고자 하는 표면 거칠기를 확보할 수 있다. 또한, 상기 지지체의 기공은 나노 크기, 마이크로 크기 및 마크로 크기 중 적어도 하나 또는 그 이상의 크기를 갖는다. 즉, 다양한 크기를 갖는 기공들이 형성되어, 지지체의 표면적을 확장시켜 준다.

본 발명에서, 상기 제2 단계는 50 내지 800 MPa (혹은 511 내지 8160 kgf/cm²) 의 압력하에서 실시되는 것이 바람직하다. 50 MPa 미만으로 압력을 가하였을 경우 입자끼리 밀착이 충분히 되지 않는 문제가 있으며 800 MPa 이상으로 압력을 가하였을 경우 입자끼리 밀착이 너무 심하여 충분한 나노 미터 크기의 공공이 확보되지 못하는 문제가 있다.

더불어, 상기 제2 단계는 상온이나 1000 ^oC 이하의 낮은 온도에서 실시되는 것이 바람직하다. 1000^oC 이상의 높은 온도에서 소결을 하는 경우 소결이 과도하게 일어나 나노 미터 크기의 공공이 확보되지 못할 수 있다.

상기 제2 단계에서 프레싱과 소결이 따로 진행되어질 수 있으며 프레싱과 소결 과정의 중간에 또는 소결 과정 이후 세척과정을 통하여 폴리머를 제거하는 단계를 도입할 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예로서, 나노 크기의 합성골 이식재료 및 폴리머를 준비하는 제1 단계, 상기 준비된 이식재료 및 폴리머를 압축성형 및 소결하여 지지체를 형성하는 제2 단계 이외에 상기 지지체를 세척하여 상기 폴리머를 제거하는 단계를 포함한다. 여기서, 폴리머를 추가하는 이유는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 압축성형시 폴리머가 이식재료 사이 사이에 위치한 채 소결되고, 상기 폴리머를 세척하는 경우, 폴리머가 위치하였던 위치에 거대한 기공이 형성되게 된다. 이를 통하여, 더 많은 기공, 다양한 기공이 분포된 지지체를 제공할 수 있는 것이다. 또한, 넓은 표면적을 제공할 수 있으며, 세포 생착력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.

상기 폴리머는 양친매성 폴리머가 바람직하다. 양친매성 폴리머를 사용하는 이유는 "양친매성 폴리머의 경우 물에 잘 녹는 하이드록시 아파타이트와 접촉을 잘 할 뿐 아니라 에탄올과 같은 유기용매에 의하여 세척이 가능하기 때문"이다. 보다 바람직하게는 상기 폴리머는 PVP(폴리비닐피롤리돈 [Polyvinylpyrrolidone)이다. PVP를 이용하는 이유는 "PVP가 둥근 비드 (bead) 모양으로 존재하기에 소결하기에 적합할 뿐 아니라 다양한 분자량의 PVP가 존재하여 분자량의 조절을 통해 마크로 공공의 크기를 조절할 수 있기 때문이다"이다. PVP 뿐 아니라 10 μm 이상의 크기를 갖고 있는 microsphere로서 프레싱 후에 에탄올이나 물과 같은 용매에 의해 제거될 수 있는 PEG, PCL, PLGA 등과 같은 폴리머는 모두 사용 가능하다. 또한 반드시 폴리머가 아니어도 작은 소금이나 설탕 등과 같이 마이크론 크기의 입자를 갖고 있으면서 물이나 에탄올과 같은 유기용매에 의해 제거될 수 있는 것은 모두 가능하다.

여기서, 상기 합성골 이식재료 및 폴리머는 90~10 중량% : 10~90 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상기 지지체를 세척하여 상기 폴리머를 제거하는 단계는 상기 다공성 지지체가 폴리머 용해도가 높은 용매에 침지된 후 건조될 수 있으며, 이를 통하여 세척 단계가 실시될 수 있다.

세척을 통하여, 폴리머가 제거되면, 폴리머가 위치하였던 자리는 큰 기공으로 남기 때문에, 지지체는 거대한 기공을 포함할 수 있는 것이다.

또한, 상술한 제1 단계 및 제2 단계로 실시되는 제조방법에 적용되는 기술은 어떠한 것이라도 상기 단계들로 실시되는 제조방법에 적용될 수 있음은 당연하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 합성골 이식재용 다공성 지지체는 다양한 크기의 기공을 포함하며, 구체적으로 100nm 이하의 나노 크기의 기공, 1-10 ㎛의 마이크로 크기의 기공 및 20 ㎛ 이상의 마크로 크기의 기공 중 어느 하나 이상을 포함한다.

특히 본 발명의 일 실시예에 따른 합성골 이식재용 다공성 지지체는 나노미터 크기의 기공을 포함한다. 나노 크기의 기공 이외에 추가적으로 마이크로 또는 마크로 크기의 기공을 포함할 수도 있다.

이러한 합성골 이식재료는 HAp, BCP, TCP, Bioglass, 및 SiO₂ 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 나노 크기의 합성골 이식재료의 입자 형태는 구상, 침상, 및 판상 중 적어도 하나 이상의 형태를 갖는다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

실험예 1

본 실험에서는, 하이드록시아파타이트 나노 입자를 이용하였으며, 이러한 하이드록시아파타이트 나노 입자는 합성 조건을 변경함으로써 침상 또는 판상과 같은 형태가 가능하다. 침상 형태의 하이드록시아파타이트 나노 입자는 다음과 같이 합성될 수 있는데, 1L 비커에 Gelatine 500 mg (Gelatine B type from bovine skin) 넣고, 증류수를 500 mL 넣고, Ca(NO₃)₂4H₂O 2.41g 넣고, NaH₂PO₄2H₂O 1.59g 넣고, Urea 1.214g을 넣고, 0.2M NaOH 용액으로 pH 10까지 적정한 후 90℃에서 96h동안 반응시킨 후 원심분리기를 통해서 워싱(Washing)한 후 동결건조를 통해 제공하였다. 판상 형태의 하이드록시아파타이트 나노 입자는 다음과 같이 합성될 수 있는데, 1L 비커에 Gelatine 500mg (Gelatine B type from bovine skin) 넣고, 증류수를 500mL 넣고, Urea 1.214g 넣고, 50℃에서 Urea와 Gelatine을 완전히 녹인 후, Ca(NO₃)₂4H₂O 2.41g 을 넣고, NaH₂PO₄2H₂O 1.59g을 넣고, 0.1M NaOH 용액으로 pH 7까지 적정한 후 상온에서 24 h~48 h 동안 반응시킨 다음 원심분리기를 통해 워싱한 후 동결건조를 통해 제공하였다.

도 4에 (a) 구상, (b) 침상 및 (c) 판상의 형상을 나타내는 사진을 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 나노 입자의 형태가 각각 구상, 침상 및 판상임을 사진으로 확인할 수 있었다.

이렇게 준비된 하이드록시아파타이트 나노 입자를 상온에서 100MPa를 가하여 압축성형하여 지지체를 형성하였다. 지지체의 표면의 나노 구조 형상을 확인하기 위하여 사진을 촬영하여 도 5((a) 구상, (b) 침상, (c) 판상 나노 입자를 이용한 경우)에 나타내었다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 나노 입자의 형상이 지지체의 표면에 전달됨을 확인할 수 있었다. 또한 압축성형한 지지체를 소결하면 도 6과 같은 나노 기공이 포함된 구조체를 얻을 수 있다. 이를 통하여, 지지체의 표면의 형상 또는 거칠기를 본 발명의 목적에 맞도록 제어할 수 있음을 추가로 확인할 수 있었다.

실험예 2

본 실험에서는 상기 실험예 1에서 준비한 하이드록시아파타이트를 이용하였으며, 상기 하이드록시아파타이트에 폴리머로서 PVP를 추가하였다. 상기 PVP의 (a) 형태와 (b) 미세구조를 관찰해보기 위하여 도 7에 사진을 나타내었다. 도 7에서 보는 것처럼, PVP를 함께 프레싱(pressing)한 후 워싱을 통해서 제거하고 소결하여 합성골을 제작하게 된다.

이 때, PVP의 함량은 50 중량%였다. 그 외의 실험조건은 실험예 1과 동일한 조건을 사용하였다. 다만, 압축성형 후, 용해도가 높은 용매에 세척한 후, 오븐에서 건조시켜 지지체를 얻었다. 도 6에 이러한 실험 방법의 모식도 및 형성된 지지체의 기공을 확인할 수 있는 사진을 첨부하였다. 도 8에 나타낸 바와 같이, PVP 입자가 제거되면, 그 자리에 거대한 기공이 형성되고, 이는 도 8의 SEM 사진을 통하여 확인할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 실험예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

1. 나노 크기의 합성골 이식재료를 준비하는 제1 단계; 및
   상기 준비된 이식재료를 압축성형 및 소결하여 기공을 포함한 지지체를 형성하는 제2 단계;를 포함하고,
   상기 나노 크기의 합성골 이식재료의 입자 형태는 구상 및 침상 중 적어도 하나 이상의 형태를 가지며,
   상기 제2 단계는 50 내지 800 MPa의 압력 및 1000^oC 이하의 온도에서 실시되고,
   상기 지지체의 표면의 형상은 구상 및 침상 중 적어도 하나 이상의 형태를 포함하며,
   상기 기공은 100nm 이하의 나노 크기를 갖는,
   나노 크기의 기공을 포함하는 합성골 이식재용 다공성 지지체의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 나노 크기의 합성골 이식재료는 HAp, BCP, TCP, Bioglass 및 SiO₂ 중 적어도 하나 이상을 포함하는,
   나노 크기의 기공을 포함하는 합성골 이식재용 다공성 지지체의 제조방법.
   
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