KR101797860B1 - 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법 - Google Patents

다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드의 제조방법은 메조 포어를 가지는 입자와 수용성 입자를 물리적으로 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합물을 압축하여 압축물을 형성하는 압축단계; 및 상기 압축물을 물에 침지하여 상기 수용성 입자를 침출하여 상기 메조 포어를 가지는 입자로 둘러싸인 매크로 포어를 형성하는 침출단계;를 포함하며, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 다공성 스캐폴드는 매크로 포어와 메조 포어를 동시에 보유한 계층적 기공구조를 가지며, 우수한 표면적 및 높은 포어 부피를 가질 수 있다.

Description

다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법{POROUS SCAFFOLD AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 매크로 포어와 메조 포어를 동시에 보유한 계층적 기공구조를 가지며, 우수한 표면적 및 높은 포어 부피를 가지는 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일정한 크기의 기공이 규칙적으로 배열된 다공성 물질은 넓은 표면적 등의 여러 가지 장점들을 가지므로 흡착, 효소 담지화, 및 촉매분야 등에서 응용 가능성이 매우 크다. 이러한 다공성 물질은 기공의 크기에 따라 2nm 이하의 마이크로포러스(microporous), 2 내지 50nm의 메조포러스(mesoporous) 및 50nm 이상의 매크로포러스(macroporous)로 분류된다.
메조포러스 영역(2 내지 50nm)의 큰 기공을 지니는 다공성 물질은 1992년 미국의 모빌사에 의해 최초로 합성된 육방정계의 기공구조를 지니는 MCM-41, 사방정계의 기공구조를 지니는 MCM-48 및 라멜라 구조를 지니는 MCM-50 실리카 물질 이후로 매우 다양한 연구가 진행되고 있다.
최근에 이루어지고 있는 효소 담지화 기술 중 메조포러스 영역의 기공을 지니는 실리카 물질이 사용되고 있는데, 기존에 사용되던 기공이 전혀 없는 실리카 물질에 비해 효소의 안정성 및 반응성 향상에 메조포러스 영역의 기공의 역할이 중요한 요인임이 알려지고 있다. 특히 구형의 기공을 지니는 사방정계의 메조포러스 실리카를 사용하거나, SBA-15 계열의 실리카 물질을 사용하여 다양한 계열의 메조포러스 영역의 기공을 사용한 효소의 담지화가 시도되고 있다. 하지만, 단일 분포의 기공크기는 효소의 안정성 향상을 위한 담지에는 유리하지만 효소의 촉매반응에 실제 관여하는 기질 및 생성물의 자유로운 확산과 기질의 효소 접근성을 고려한다면 큰 단점이 될 수 있어 산업적으로 사용되기에는 제한적이다.
앤더슨(Anderson) 등은 조계면활성제(cosurfactant)의 존재하에서 템플릿으로 삼블럭 공중합체(triblock copolymer)와 폴리스타이렌 라텍스를 사용하여 다공성 실리카(hierarchically ordered porous silica composite)를 합성하였다(참조: M.W. Anderson et al., Chem. Mater., 2004, 16, 2044). 임(Ihm) 등은 마이크로 콜로이달 결정 템프리트(micro-colloidal crystal templating) 방법을 이용하여 거대다공성 실리카(well ordered macroporous MCM-41)를 합성하였다(참조: S.K. Ihm et al., Adv. Mater., 2005, 17, 270).
다공성 물질 중에서 다른 기공 크기 영역의 기공들을 복합적으로 가지고 있는 다공성 물질의 경우는 각 기공 크기 영역으로부터 오는 장점들 또한 복합적으로 작용하기 때문에 많은 연구자에 의하여 제조되어 왔다. 메조 크기의 기공과 매크로 크기의 기공 각 영역에서 오는 장점을 복합적으로 갖는 물질을 합성하고 자 하는 노력이 계속되어 왔으나, 그 제조 과정이 복잡하고 각 기공의 크기 및 그 물질의 전체적인 형태(morphology)를 조절할 수 없으며, 이 물질의 수열 안정성 문제 때문에 실제 흡착이나 다양한 촉매 분야에 적용하는데 한계가 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0126218호는 서로 다른 크기의 메조포러스 영역의 기공을 지니는 다공성 실리카 물질 및 그 제조방법을 개시하고 있으며, 이는 효소와 같은 생체물질의 담지에 유리하다고 개시하고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2015-0087717호는 상온 제조공정에서 육방구조 및 입방구조의 기공구조를 가지는 메조포러스 실리카 물질의 제조방법을 개시하고 있다.
본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은 매크로 포어와 메조 포어를 동시에 보유한 계층적 기공구조를 가지며, 우수한 표면적 및 높은 포어 부피를 가지는 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 메조 포어를 가지는 입자와 수용성 입자를 물리적으로 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합물을 압축하여 압축물을 형성하는 압축단계; 및 상기 압축물을 물에 침지하여 상기 수용성 입자를 침출하여 상기 메조 포어를 가지는 입자로 둘러싸인 매크로 포어를 형성하는 침출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법을 제공한다.
상기 메조 포어를 가지는 입자는 실리카 입자인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 수용성 입자는 염 또는 당인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 수용성 입자는 수~수백 마이크로미터(㎛)의 크기를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 수용성 입자 100 중량부에 대하여 상기 메조 포어를 가지는 입자 3 내지 15 중량부가 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 혼합단계에서 나노입자 또는 화학시약이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 혼합단계에서 나노입자가 추가로 혼합되며, 상기 나노입자의 혼합량은 상기 수용성 입자 100 중량부에 대하여 15 중량부 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 혼합단계에서 화학시약이 추가로 혼합되며, 상기 화학시약의 함량은 상기 메조 포어를 가지는 입자의 포어 부피대비 0.5 이하의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 혼합단계에서 규산나트륨 용액이 추가로 혼합되며, 상기 혼합단계 및 압축 단계 이후에 고온에서 소정시간 동안 반응시킨 후 침출 단계를 진행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압축단계에서 상기 혼합물에 가해지는 압력은 50 내지 650MPa인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압축단계는 상기 혼합물을 몰드에 장입하고, 압축기로 압력을 가하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압축물은 펠렛 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 침출단계는 10 내지 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 혼합단계에서 화학 시약을 추가로 혼합하고, 상기의 압축단계 후에, 고온에서 소정시간 동안 반응시킨 후 상기 침출 단계를 수행하며, 상기 침출 단계는 1 내지 2시간 동안 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 상기의 방법으로 제조되는 다공성 스캐폴드를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드의 제조방법은 메조 포어(mesopore)를 가지는 입자의 장점을 유지함과 동시에 매크로포어(macropore)를 포함할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드는 메조 포러스 입자의 높은 표면적, 높은 포어 부피와 뛰어난 생체적합성을 가지면서 계층적인 포어 구조로 인하여 촉매나 생물 실험을 위한 도구로써 유용한 특징을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 압축 성형과 침출방법에 의하여 메조포러스 실리카의 장점을 유지하면서 원하는 크기와 형태의 스캐폴드를 제조할 수 있고, SBA-15 뿐만 아니라 다양한 특성을 가지는 메조 포어를 가지는 입자를 2차적으로 활용하여 매크로포어 특성이 추가된 스캐폴드를 간단하게 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드는 메조 포러스 입자의 특성이 유지되기 때문에, 약물 담지 스캐폴드로써, 탁월한 능력을 보여줄 것으로 생각되며, 조직 공학, 면역치료를 위한 전략이나 촉매 등에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드의 제조방법을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조되는 압축물에서 수용성 입자를 침출하기 전(왼쪽)과 침출 후(오른쪽) 얻은 다공성 스캐폴드의 이미지이다.
도 3(a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 다공성 스캐폴드의 SEM 및 TEM 이미지이다.
도 4는 질소 수착 분석(BET법)에 따른 것으로, 압축 성형시 가한 힘에 따른 메조포러스 실리카의 메조 포어 물성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 압축 성형 후의 메조포러스 실리카의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다(왼쪽: ~100MPa, 오른쪽: ~700MPa).
도 6(a)는 SBA-15 및 NaCl의 질량비에 따른 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 나타내는 그래프이고, 도 6(b) 실리카 나노입자를 추가적으로 혼합한 경우의 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 규산나트륨용액(sodium silicate solution)의 혼합량에 따른 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 규산나트륨용액(Sodium silicate solution)의 첨가량에 따른 70g 추에 대한 스캐폴드의 기계적 내성을 보여주는 사진이다.
도 9는 규산나트륨용액의 첨가량에 따라 SBA-15의 메조 포어 물성이 사라짐을 보여주는 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다.
이하, 본원의 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시형태를 들어 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 단계가 다른 단계와 “상에”또는 “전에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 단계가 다른 단계와 직접적 시계열적인 관계에 있는 경우 뿐만 아니라, 각 단계 후의 혼합하는 단계와 같이 두 단계의 순서에 시계열적 순서가 바뀔 수 있는 간접적 시계열적 관계에 있는 경우와 동일한 권리를 포함할 수 있다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 “~ (하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명은 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드의 제조방법은 메조 포어를 가지는 입자와 수용성 입자를 물리적으로 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합물을 압축하여 압축물을 형성하는 압축단계; 및 상기 압축물을 물에 침지하여 상기 수용성 입자를 침출하여 상기 메조 포어를 가지는 입자로 둘러싸인 매크로 포어를 형성하는 침출단계;를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드의 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일시형태에 따른 다공성 스캐폴드는 수~수백 마이크로미터의 거대기공인 매크로포어(macropore, 50nm 이상의 대형 기공)와 메조포어(mesopore, 2 내지 50nm)를 동시에 보유한 계층적(hierarchical) 다공성 구조를 가질 수 있다. 이는 메조 포러스(mesoporous, 2nm~50nm 기공) 입자 및 수용성 입자의 존재하에 물리적인 압착을 가한 후 수용성 입자를 제거하여 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 매우 간단한 방법을 통해 균일한 메조포어와 매크로포어를 동시에 보유한 다공성 스캐폴드를 제공할 수 있다.
일반적으로 고분자를 이용한 스캐폴드 합성의 경우 메조포어(mesopore)가 없으며, 메조포러스(mesoporous) 실리카 물질을 기반으로 제조된 다공성 스캐폴드는 매크로포어(macropore)가 없거나, 다양한 고분자를 도입하여 제조되기 때문에 메조포러스 실리카의 다공성 특징이 줄어드는 문제가 있다.
그러나 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드의 제조방법은 메조 포어(mesopore)를 가지는 입자의 장점을 유지함과 동시에 매크로포어(macropore)를 포함할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드는 메조 포러스 입자의 높은 표면적, 높은 포어 부피와 뛰어난 생체적합성을 가지면서 계층적인 포어 구조로 인하여 촉매나 생물 실험을 위한 도구로써 유용한 특징을 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드의 제조방법을 구체적으로 설명한다. 이에 의하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드가 보다 명확하게 특정되고 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드의 제조방법을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
우선, 메조 포어를 가지는 입자(11)와 수용성 입자(12)를 물리적으로 혼합할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 메조 포어를 가지는 입자(11)는 메조포러스 실리카 입자일 수 있다.
상기 메조포러스(mesoporous) 실리카 입자는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에서 일반적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 졸-겔(Sol-Gel) 방법을 이용하여 합성된 메조포러스 실리카(SBA-15)일 수있다.
메조포러스 실리카는 많은 연구가 이루어진 입자로 메조 크기의 다공성 특성으로 인해 높은 표면적/포어 부피를 가지고 여러 분자를 담지하고 전달하는 역할을 하고 있다. 메조포러스 실리카 입자는 합성 방법을 조절하여 입자의 크기, 형태, 메조포어의 크기 등을 조절할 수 있고, 이를 바탕으로 촉매, 바이오 이미징, 약물 전달 시스템 등 여러 분야에서 활용이 가능한 다기능성 입자이다. 특히, 메조포러스 실리카의 생체적합성과 낮은 세포독성, 생물활성(bioactivity)의 특성은 조직 공학에서도 활용될 수 있는 가능성을 보여주고 있다.
메조포러스 실리카를 조직 공학에서 활용하기 위해서는 3차원 형태의 구조인 스캐폴드로 합성할 필요가 있는데, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 압축 성형과 침출방법에 의하여 메조포러스 실리카의 장점을 유지하면서 원하는 크기와 형태의 스캐폴드를 제조할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
상기 수용성 입자(12)는 수~수백 마이크로미터(㎛)의 크기를 가지는 입자를 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 수용성 입자는 메조 포어를 가지는 입자와 물리적으로 혼합되고, 함께 압축 성형된 후에 침출단계에서 침출되어 제거되는 것으로, 이에 따라 압축물에 매크로 포어를 형성하는 것으로, 이러한 기능을 수행할 수 있는 것이면 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 상기 수용성 입자(12)는 염 결정 또는 당일 수 있다. 보다 구체적으로는 NaCl 등의 나트륨염일 수 있다.
또한, 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 수용성 입자(12)의 크기는 350㎛ 내지 500㎛일 수 있다.
상기 메조 포어를 가지는 입자(11)와 수용성 입자(12)는 일정한 질량비로 혼합될 수 있다. 상기 질량비를 조절하여 최종적으로 얻어지는 다공성 스캐폴드(10)의 기계적 강도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 메조 포어를 가지는 입자의 함량이 증가할수록 다공성 스캐폴드의 기계적 강도가 증가될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 상기 수용성 입자 100 중량부에 대하여 상기 메조 포어를 가지는 입자 3 내지 15 중량부가 혼합할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 혼합단계에서 나노입자 또는 화학시약을 추가적으로 혼합하여 기계적 특성을 조절할 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 상기 나노입자 또는 화학 시약은 실리카 나노파티클(silica nanoparticle), 또는 규산나트륨용액(sodium silicate solution)일 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, 상기 나노입자의 혼합량은 상기 수용성 입자 100 중량부에 대하여 15중량부이하일 수 있다.
화학시약인 규산나트륨용액(Sodium silicate solution)을 첨가하는 경우에는 메조 포러스 실리카 입자 간에 추가적인 실리케이트(silicate) 결합을 유도하여 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 증가시킬 수 있다. 화학시약의 종류에 따라 추가적인 반응을 진행시킬 수 있다. 규산나트륨용액을 추가로 혼합하는 경우에는 하기의 압축단계 후에, 고온에서 소정시간 동안 반응시킨 후 침출 단계를 진행할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 100℃의 오븐에서 2시간 이상 반응시킨 후 침출 단계를 수행할 수 있다.
화학 시약을 혼합하는 경우, 화학 시약으로 인하여 메조 포어가 막혀서 메조 포어를 가지는 입자의 포어 부피, 표면적이 저하될 수 있다. 이에 따라, 메조 포어를 가지는 입자의 장점이 상실될 수 있으므로, 메조 포어 물성이 사라지지 않도록 혼합량을 조절하는 것이 중요하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 화학 시약의 함량은 상기 메조 포어를 가지는 입자의 포어 부피대비 0.5 이하의 비율로 혼합될 수 있다.
다음으로, 상기 혼합물을 압축하여 압축물을 형성할 수 있다.
상기 혼합물을 압축하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 일정한 규격의 몰드와 압축기를 이용하여 압축물을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 일정한 규격의 몰드에 상기 혼합물을 장입하고, 압축기로 압력을 가하여 압축물을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 압축물은 펠렛 형태로 압축될 수 있다.
압축 과정에서 가해주는 힘에 따라서 메조 포어를 가지는 입자의 메조 포어의 특성이 변할 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, 상기 압력은 50 내지 650MPa일 수 있다. 압축시간은 특별히 제한되지 않으며, 5분 내지 10분간 압축할 수 있다. 압축은 상온에서 수행될 수 있다.
상기 압력이 50 내지 650MPa인 경우 압축 성형 전의 메조 포어 크기 및 포어 부피와 비슷한 크기를 가져 최종 스캐폴드에서 메조 포어가 유지될 수 있지만, 650MPa를 초과하는 힘을 받게 되면 메조 포어를 유지하기 어려울 수 있다.
또한, 압축물의 크기 및 형태는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 원기둥, 다각기둥의 형태일 수 있고, 직경 내지 너비는 5 내지 30mm일 수 있다. 압축물의 크기는 다공성 스캐폴드의 활용분야 및 목적에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
다음으로, 상기 압축물을 물에 침지하여 상기 수용성 물질(12)을 침출하여 상기 메조 포어를 가지는 입자로 둘러싸인 매크로 포어를 형성하는 침출단계를 수행할 수 있다.
상기 압축물을 물에 침지하면 압축물 내의 수용성 입자(12)가 침출되고, 이에 따라 압축물 내에 매크로 포어가 형성될 수 있다. 이러한 침출 과정에서 매크로-메조 포러스(Macro-Mesoporous)의 계층적 포어가 형성될 수 있다.
상기 침출 과정은 수용성 물질이 충분히 침출될 수 있는 시간 동안 수행될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 10 내지 30분 정도 수행될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 상기 혼합단계에서 화학 시약을 추가로 혼합한 경우에는 상기의 압축단계 후에, 고온에서 소정시간 동안 반응시킨 후 본 침출 단계를 수행할 수 있다. 또한, 사용된 화학 시약의 종류에 따라 본 침출 단계는 보다 장시간 동안 수행될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 화학시약으로 규산나트륨을 용액을 사용한 경우 1시간 내지 2시간 동안 본 침출 단계를 수행할 수 있다.
이러한 침출 과정에서 수용성 입자만이 물에 녹아나오면서 메조 포어를 가지는 입자만으로 이루어진 다공성 스캐폴드가 물에 뜰 수 있다. 수용성 입자가 제거된 스캐폴드를 물에서 꺼내어 오븐에 말리면, 계층적 포어 구조를 가진 다공성 스캐폴드(10)를 얻을 수 있다. 이러한 다공성 스캐폴드는 계층적 포어 구조에 따라 매크로-메조포러스(Macro-mesoporous) 스캐폴드로 지칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드는 메조 포러스 입자가 가지는 높은 표면적/포어부피, 메조 크기의 다공성 등의 장점을 유지하면서 매크로 포어를 가진 스캐폴드를 만들기 위해서 압축 성형과 침출 방법을 이용한 것이다. 매크로 포어를 형성하기 위해서 일정한 크기를 가진 수용성 입자를 메조 포러스 입자와 함께 일정한 형태의 몰드에 넣어 압축하는 방식을 통해 원하는 크기와 형태의 다공성 스캐폴드를 제조한 것이다. 또한, 메조 포러스 입자와 수용성 입자의 질량비 조절, 나노입자 또는 화학 시약의 첨가에 의하여 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 조절한 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, SBA-15 뿐만 아니라 다양한 특성을 가지는 메조 포어를 가지는 입자를 2차적으로 활용하여 매크로포어 특성이 추가된 스캐폴드를 간단하게 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 스캐폴드는 메조 포러스 입자의 특성이 유지되기 때문에, 약물 담지 스캐폴드로써, 탁월한 능력을 보여줄 것으로 생각되며, 조직 공학, 면역치료를 위한 전략이나 촉매 등에 활용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따라 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
[실시예]
제조예(메조포러스 실리카 합성)
Sol-Gel 방법을 이용하여 메조포러스 실리카(SBA-15)를 합성하였다. 보다 구체적으로, P123 4g을 염산 용액 150ml(증류수 130ml + HCl(35~37%) 20ml)에 분산시킨 후, NH4F 46mg을 녹였다(P123:증류수:HCl:NH4F을 질량비 1:32.5:6:0.0115로 하였다). 상기 용액에 TEOS 9.2ml을 넣고 40℃에서 대략 600rpm으로 저어주면서 20시간동안 반응시켰다(질량비 2.1459). 20시간 뒤, 100℃ 오븐에서 정적인 상태로 반응시키고, 생성된 하얀 물질(SBA-15/P123)을 거르고 물과 에탄올로 세척 후, 550℃에서 5시간 동안 반응하여 P123을 제거하였다. 메쉬 필터를 이용하여, 일정 길이 이상의 메조포러스 실리카(SBA-15)를 채집하였다.
[실시예 1]
(매크로-메조포러스(Macro-Mesoporous) 실리카 스캐폴드)
메쉬 필터(355㎛ ~ 500㎛)를 이용하여, 일정한 크기의 NaCl 입자를 준비하였다. 상기에서 합성한 SBA-15 8mg과 NaCl 150mg을 물리적으로 혼합하였다. 혼합된 SBA-15/NaCl 혼합물을 직경 7mm의 원기둥 형태의 금속 몰드에 넣고 압축기를 이용하여 0.5ton 하에서 5분간 압축하였다. 압축된 SBA-15/NaCl 펠렛을 물에 넣어 NaCl 입자를 20분 정도 침출시켰다. NaCl이 제거된 스캐폴드가 물에 뜨면, 물에서 꺼내어 오븐에 건조하여, 직경 7mm 및 높이 3mm의 크기를 가지는 계층적 포어 구조의 매크로-메조포러스(Macro-mesoporous) 스캐폴드를 얻었다.
[실시예 2]
(매크로-메조포러스(Macro-Mesoporous) 실리카 스캐폴드의 기계적 강도 조절)
상기 실시예 1과 동일한 과정으로 진행하되, SBA-15와 NaCl의 물리적으로 혼합과정에서 추가적으로 규산나트륨용액(Sodium silicate solution)을 2㎕ 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물을 실시예 1과 동일한 과정으로 압축하고, 압축된 SBA-15/NaCl 펠렛을 꺼내 100℃에서 4시간 이상 오븐에 두어 열처리를 진행하고, 열처리한 펠렛을 물에 넣어 1시간 ~ 2시간 동안 NaCl을 제거하였다. NaCl이 제거된 스캐폴드를 오븐에서 말려서, 물리적으로 강화된 계층적 포어 구조를 가진 스캐폴드를 얻었다.
[평가]
1) 매크로-메조포러스(Macro-mesoporous) 스캐폴드
도 2는 실시예 1에서 제조된 SBA-15/NaCl(8mg/150mg, 0.5ton)을 7mm 직경의 몰드에 넣고 압축 성형한 원기둥 모양의 펠렛에서 NaCl을 침출하기 전(왼쪽 이미지)과 침출 후(오른쪽 이미지) 얻은 매크로-메조포러스(Macro-mesoporous) 스캐폴드의 이미지이다. 도 2를 참조하면, NaCl 입자 침출 후에도 원기둥 형태를 유지하는 것을 볼 수 있고, NaCl이 제거되면서 매크로포어가 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
도 3(a) 내지 (c)는 실시예 1에서 얻어진 매크로-메조포러스(Macro-mesoporous) 스캐폴드의 SEM(Scanning Electron Microscope) 및 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다. 도 3(a) 내지 (c)를 참조하면, 스캐폴드의 벽면과 벽면을 이루는 SBA-15의 SEM 이미지 (a, b). 도 3(c)는 다공성 스캐폴드를 구성하는 SBA-15의 TEM 이미지로써, 압축 성형 후에도 SBA-15의 메조 포어가 존재함을 확인할 수 있었다.
2) 압축 성형시 압력에 따른 메조 포어의 특성 변화
실시예 1에서 제조된 SBA-15/NaCl 혼합물의 압축 성형시 가해지는 압력에 따른 메조 포러스 실리카 SBA-15의 메조 포어의 물성 변화를 측정하고, 이의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
0 MPa 100 MPa 700 MPa
Surface Area(㎡/g) 892 675 448
Pore Volume(㎤/g) 1.50 1.27 0.419
도 4는 질소 수착 분석(BET법)에 따른 것으로, 압축 성형한 힘에 따른 메조포러스 실리카 SBA-15의 메조 포어 물성 변화를 나타내는 그래프이다. 상기 [표 1] 및 도 4를 참조하면, 0.5ton(~100MPa)의 힘으로 압축 성형한 경우, 성형 전의 SBA-15 (0MPa)와 비슷한 메조 포어 크기와 포어 부피를 가지지만, 700MPa 이상의 힘을 받게 되면 메조 포어를 유지할 수 없게 되는 것을 확인하였다. 실리카 입자 내의 메조 포어를 유지하기 위해서는 일정한 압력 아래에서 다공성 스캐폴드를 제작해야 함을 확인할 수 있었다.
도 5는 압축 성형시 가해지는 압력에 따른 SBA-15의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다(왼쪽: ~100MPa, 오른쪽: ~700MPa). 도 5를 참조하면, 가해진 힘이 ~100MPa이면 메조 포어가 유지됨을 확인할 수 있고, 가해진 힘이 강해지면 SBA-15의 메조 포어가 없어짐을 확인할 수 있다.
3) 기계적 강도 변화
(1) 실리카 입자와 수용성 입자의 질량비, 실리카 나노입자의 첨가에 따른 기계적 강도 변화
실시예 1과 같이 SBA-15 및 NaCl를 물리적으로 혼합할 때, 이들의 질량비에 따른 다공성 스캐폴드의 기계적 강도와 SBA-15 및 NaCl의 혼합 이외에 실리카 나노입자를 추가로 혼합하여 제조된 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 측정하였다.
도 6(a)는 SBA-15 및 NaCl의 질량비에 따른 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 나타내는 그래프이고, 도 6(b) 실리카 나노입자를 추가적으로 혼합한 경우의 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 나타내는 그래프이다.
도 6(a)를 참조하면, NaCl이 200mg일 때, SBA-15를 8mg, 12mg, 18mg을 넣을수록 기계적 강도가 증가하였다.
도 6(b)를 참조하면, SBA-15/NaCl(18mg/200mg)에 실리카 나노입자(stober입자, ~100nm)의 첨가량에 따라 기계적 강도가 증가함을 확인할 수 있다.
(2) 화학시약 첨가에 따른 기계적 강도 변화
실시예 2와 같이 SBA-15와 NaCl의 물리적 혼합과정에서 규산나트륨용액(Sodium silicate solution)을 첨가하여 제조된 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 측정하였다.
도 7은 규산나트륨용액(sodium silicate solution)의 혼합량에 따른 다공성 스캐폴드의 기계적 강도를 나타내는 그래프이다.
도 7를 참조하면, SBA-15와 NaCl의 물리적 혼합과정에서 규산나트륨용액(Sodium silicate solution)을 0, 2, 4㎕(ratio 0, 0.2, 0.4 - 포어 부피 대비 첨가량)로 첨가량이 증가할수록 기계적 강도도 증가함을 확인할 수 있었다.
도 8은 규산나트륨용액(Sodium silicate solution)의 첨가량에 따른 70g 추에 대한 스캐폴드의 기계적 내성을 보여주는 사진이다. 도 8을 참조하면, 규산나트륨용액의 첨가량이 증가함에 따라 기계적 내성이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 9는 규산나트륨용액의 첨가량에 따라 SBA-15의 메조 포어 물성이 사라짐을 보여주는 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다. 도 7 및 8에서 규산나트륨용액의 첨가량에 따라 기계적 물성이 증가함을 확인하였지만, 이에 반하여 SBA-15 메조 포어가 규산나트륨용액에 의해 막히는 것을 관찰할 수 있었다. 이에 따라, 포어 부피, 표면적이 저하되어 메조포러스 실리카가 가지는 장점을 잃어버릴 수 있음을 확인하였다. 따라서, 메조 포어 입자의 포어 부피 대비 규산나트륨용액의 첨가 비율 조절의 필요성을 확인할 수 있었다.
이상, 구현예 및 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 구현예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다. 또한, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: 다공성 스캐폴드 11: 메조포어를 가지는 입자
12: 수용성 입자

Claims (15)

  1. 메조 포어를 가지는 실리카 입자와 수용성 입자를 분말 상태로 물리적으로 혼합하는 혼합단계;
    상기 혼합물을 압축하여 압축물을 형성하는 압축단계; 및
    상기 압축물을 물에 침지하여 상기 수용성 입자를 침출하여 상기 메조 포어를 가지는 입자로 둘러싸인 매크로 포어를 형성하는 침출단계;
    를 포함하고,
    상기 혼합단계에서 규산나트륨 용액이 추가로 혼합되며, 상기 혼합단계 및 압축 단계 이후에 고온에서 소정시간 동안 반응시킨 후 침출 단계를 진행하는 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수용성 입자는 염 또는 당인 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수용성 입자는 수~수백 마이크로미터(㎛)의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수용성 입자 100 중량부에 대하여 상기 메조 포어를 가지는 입자 3 내지 15 중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 규산나트륨의 함량은 상기 메조 포어를 가지는 입자의 포어 부피대비 0.5 이하의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 압축단계에서 상기 혼합물에 가해지는 압력은 50 내지 650MPa인 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 압축단계는 상기 혼합물을 몰드에 장입하고, 압축기로 압력을 가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 압축물은 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 침출단계는 10 내지 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 침출 단계는 1 내지 2시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 다공성 스캐폴드의 제조방법.
  15. 제1항, 제3항, 제4항, 제5항, 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되는 다공성 스캐폴드.
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