KR101840621B1

KR101840621B1 - 생체모사적 고강도 생체유무기 복합체 제조방법

Info

Publication number: KR101840621B1
Application number: KR1020160130446A
Authority: KR
Inventors: 김대준; 윤형준; 김혜리; 조성란; 윤준호
Original assignee: (주)에큐세라
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2018-03-22

Abstract

본 발명은 분산제로서 알지네이트 또는 카르복시메틸셀룰로오즈를 사용하여 분산제 용액을 준비하고, 상기 분산제 용액에 하이드록시아파타이트 분말을 혼합하여 균일하게 분산시킨 제1슬러리를 준비하고, 키토산 용액을 준비하고, 상기 제1슬러리를 키토산 용액에 혼합하여 제2 슬러리를 제조하고, 상기 키토산 용액과 분산제 용액을 혼합하여 제3 슬러리를 제조하고, 상기 제1슬러리 또는 제2슬러리를 테이프 캐스팅하여 무기물 층을 준비하고, 상기 제3 슬러리를 테이프 캐스팅하여 유기물 층을 준비하고, 상기 무기물 층과 유기물 층을 반복하여 적층시켜 구조체를 형성하고, 상기 구조체를 건조하고 가압하여 키토산/하이드록시아파타이트 복합체를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 분산제는 키토산 중량 대비 50wt% ~ 200wt% 의 범위로 포함하고, 상기 하이드록시아파타이트의 함량은 복합체 전체 중량의 50wt% ~ 90wt%의 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 생체모사적 고강도 생체유무기 복합체 제조방법을 제공한다.

Description

생체모사적 고강도 생체유무기 복합체 제조방법 {Synthesis of biomimetic and high strength biopolymer/hydroxyapatite composites}

본 발명은 생체모사적 고강도 복합체에 관한 것으로서, 상세하게는 뼈의 무기질 성분과 유사하면서 골전도와 골유도성을 갖는 수산화아파타이트 (hydroxyapatite: HaP)와 생체활성의 생체고분자인 키토산 (chitosan)을 생체모사적으로 복합하는 방법을 제안한다.

인체 경조직의 대체나 치료에 활용이 가능한 생체활성 또는 생분해성 세라믹스로는 SiO₂-P₂O₅-CaO-Na₂O계 bioglass와 수산화아파타이트 (hydroxyapatite; HAp) 또는 삼인산칼슘(tricalcium phosphate; TCP)의 CaO-P₂O₅계 생체세라믹스들이 있다. 그중 인체 경조직의 약 65%를 차지하는 무기질 성분과 유사한 HAp 소결체는 약 100 MPa의 낮은 강도와 1 MPam¹ ^/2의 미미한 파괴인성으로 인해 높은 하중을 받는 경조직 대체 또는 치유를 위한 cage, screw와 plate 등의 소재로 응용이 불가능하여 과립화한 골충진제나 금속의 생체활성 코팅제로 제한적으로 사용되고 있다.

현재 주로 사용되는 경조직 대체 생체재료로는 PEEK나 PLGA와 같은 인공 생체용 고분자나 타이타늄 합금류, 코발트 합금류, 스테인레스 스틸의 생체금속들이 임상에 적용되고 있으나 이들 생체재료는 생체활성이 생체세라믹스에 비해 낮고 PLGA는 생분해 시 분해 산물의 높은 산성도에 의해 주위 세포가 손상되는 문제가 있다. 한편 PEEK는 높은 하중이 걸리는 경조직 대체용으로 유일하게 사용되고 있는 고분자 생체재료로 인장강도와 전단응력이 100 MPa와 53 MPa로 골피질과 유사하나 생체활성이 없어 뼈와 직접 결합이 불가할 뿐만 아니라 생분해성의 부재로 생체흡수형 이식재로 활용할 수 없다.

기존 정형외과용 금속 임플란트는 우수한 물성으로 인해 초기 고정 및 물리적 지탱은 가능하지만, 골유합 이후 이식재가 잔존하여 뼈로 전달되어야 할 하중을 분산시키지 못함으로 임플란트 주위와 섬유성 조직반응, 골다공증, 인접부위 골절 등을 야기함으로 골유합 이후에 내고정물을 제거하는 이차 수술이 불가피하다. 고강도 임플란트의 장기적인 부작용 (하중의 집중현상, 인번부위 골절, 임플란트 근접골의 골다공증, 이차 제거술)이 점차 대두되면서, elastic modulus가 뼈 조직과 유사한 새로운 재료의 필요성이 강조되고 있으며, 초기 고정력을 달성하면서 시간 경과에 따라 생체 내 흡수되어 자가 뼈로 대체되는 신소재 개발이 필요하다. 또한, 경추 성형술에서 후궁의 개방 상태 유지용, 척추체간 유합술에서 높이 유지용, 종양제거술 후 빈공간의 충전을 위해 사용되는 경우 생흡수는 지양되고 주위 자가 골조직과 융합이 용이하면서도 반영구적 충전과 공간대체의 역할을 할 수 있는 임플란트용 소재가 필요하다.

따라서 안정적이며 효과적인 경조직 대체를 위해 뼈와 유사한 탄성계수와 고강도·고인성의 기계적 물성을 가지면서도 골유합 이후 형태유지가 가능하거나 자연 흡수되어 자가 골조직으로 대체 가능한 신개념의 생체세라믹스 개발이 요구된다.

천연 생체고분자인 chitosan은 기계적 물성의 향상뿐만 아니라 분해산물에 의한 독성이 없을 뿐만 아니라 인체의 glycosaminoglycans (GAGs)와 구조적 유사성으로 인해 세포들의 부착이 촉진되어 치주인대세포 및 조골세포의 활성을 향상시키기 때문에 HAp와 복합화하여 경조직 대체 또는 치료용 생체재료로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나 chitosan 용액과의 균질한 혼합을 위한 HAp 나노 분말 함량의 제한에 따라 강도증가에 한계가 있으며 더욱이 단순한 기계적 혼합에 의한 복합체 합성으로 인해 물성의 최적화가 실현되지 못하고 있는 실정이다.

본 출원인은 특허출원 10-2013-0139402을 통해 분산제를 사용하여 키토산과 HAp의 혼합량을 증가시키고 이에 따른 강도 향상을 제안한 바 있다. 그러나, 생체모사적인 복합체를 통해 인체 기관에 유사한 강도를 유지하는 한편, 생체활성과 생분해성 소재의 개발이 더 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 강도가 우수하고 생체활성이 뛰어난 소재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유기물과 무기물을 생체모사적으로 복합하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 생체활성과 생분해성 조절이 가능한 고강도, 고인성인 이식재 내지 지지체를 제공하는 것이다.

기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 분산제로서 알지네이트 또는 카르복시메틸셀룰로오즈를 사용하여 분산제 용액을 준비하고, 상기 분산제 용액에 하이드록시아파타이트 분말을 혼합하여 균일하게 분산시킨 제1슬러리를 준비하고, 키토산 용액을 준비하고, 상기 제1슬러리를 키토산 용액에 혼합하여 제2 슬러리를 제조하고, 상기 키토산 용액과 분산제 용액을 혼합하여 제3 슬러리를 제조하고, 상기 제1슬러리 또는 제2슬러리를 테이프 캐스팅하여 무기물 층을 준비하고, 상기 제3 슬러리를 테이프 캐스팅하여 유기물 층을 준비하고, 상기 무기물 층과 유기물 층을 반복하여 적층시켜 구조체를 형성하고, 상기 구조체를 건조하고 가압하여 키토산/하이드록시아파타이트 복합체를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 분산제는 키토산 중량 대비 50wt% ~ 200wt% 의 범위로 포함하고, 상기 하이드록시아파타이트의 함량은 복합체 전체 중량의 50wt% ~ 90wt%의 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 생체모사적 고강도 생체유무기 복합체 제조방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 무기물 층과 유기물 층은 건조시켜 무게가 10% ~ 65% 범위로 감소한 후 적층시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 제3슬러리에 분산제의 나노섬유를 20 ~ 80wt% 범위로 첨가하여 유기물 층의 강도를 증진시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 테이프 캐스팅된 무기물 층에 체내 분해성 실크천을 함침시켜 복합체 건조 시 뒤틀림을 방지하고 복합체의 강도를 증진시킬 수 있다.

본 발명은 상기 제1, 제2, 제3 슬러리에 골형성단백질(BMP)을 첨가하고 테이프화하여 복합체에 골전도성을 부여할 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 상기 무기물 층과 유기물 층을 반복하여 적층시킨 구조체를 봉 형태로 말은 다음 진공성형을 통해 층간 압착한 후 열간 가압하여 복합체를 제조할 수 있다.

본 발명에 따르면, HAp와 키토산 복합체의 기계적 물성을 향상시켜 강도와 생분해성이 동시에 구현 가능한 복합체를 제공한다. 분산제로 alginate 또는 CMC를 사용하고 테이프캐스팅을 통해 생체모사적으로 적층구조화하여 보다 개선된 복합체를 제조할 수 있다.

또한, Alginate와 CMC를 분산제로 사용한 HAp/chitosan 복합체의 굽힘 강도는 HAp 함량이 증가함에 따라 강도가 60 wt%까지 증가해 93 MPa 수준의 값을 보였다. 특히, HAp를 포함한 무기물층과 HAp를 포함하지 않는 유기물층을 생체모사적으로 적층한 결과 굽힘강도 133 MPa, 영률 14 GPa 으로 강도 향상의 효과를 확인 하였다.

본 발명에 따라, 해부학적 부위 적합성 (site-specific), 골절치유기간 의존성 (fracture-healing temporally dependent), 생체흡수 (bio-degradable)를 고려한 경조직 대체, 치료용 뿐만 아니라 각 부위별, 질환별, 수술별, 치료 기간에 따른 각기 다른 맞춤형 임플란트를 공급할 수 있게 될 것이다. 또한 골유합, 생체내 흡수성으로 인해 이식 후 제거 수술이 필요 없어 재수술과 관련된 의료비 절감, 환자 고통감소를 기대할 수 있으며, 정형외과용 대체 또는 치료뿐만 아니라 치과용 수복재로도 활용이 가능할 것으로 기대된다.

도 1a 내지 1c는 분산제 유무에 따른 HAp의 분산 정도를 보인 사진
도 2는 분산제 비율에 따른 테이프 캐스팅된 테이프의 형상을 보인 사진
도 3은 tape의 건조시간에 따른 중량감소를 보인 그래프
도 4는 건조 과정에서 뒤틀림이 발생한 적층 구조체를 보인 사진
도 5a 내지 5d는 제조된 복합체의 FTIR 스펙트럼
도 6은 HAp 함량에 따른 복합체의 굽힘강도 그래프
도 7은 HAp 함량에 따른 복합체의 압축강도 그래프
도 8은 생체모사형 반복 적층 구조체의 굽힘강도 그래프
도 9는 나노 CMC 섬유에 따른 유기물층의 인장 강도 변화를 보인 그래프
도 10은 성형체의 안정성 확보와 무기물층의 강도 증진에 사용된 실크 거즈
도 11은 유무기 복합 테이프의 적층화 모식도

본 발명은 뼈의 성분과 유사한 무기질 재료와 생체활성의 고분자 재료를 생체모사적으로 복합화하여 체내분해성 골절치유용 스크류나 플레이트의 소재로 활용하기 위한 복합체 제조방법을 제안한다.

본 발명의 복합체는 무기물로서 인간의 뼈와 주성분이 같고 골전도와 골유도성을 갖는 수산화아파타이트 (hydroxyapatite: HAp)를 사용하고, 유기물로서 생분해성 천연 고분자인 키토산 (chitosan: CS)을 사용한다. 복합체의 nano/micro structure와 architecture는 자연에서 발견되는 계층적인 구조를 응용하여 nano particle을 사용하면서 Tape casting을 이용해 layerd-by-layered(LBL)방법으로 적층해서 생체모사 복합체를 제조한다.

고분자와 세라믹의 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로 탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며 충격에도 쉽게 부러지지 않는 고분자 재료와의 융합을 통해 골과 유사한 기계적 물성을 지니게 할 수 있다. 또한 블록 형태의 제한적인 HAp에 비해 고분자 복합체는 다양한 형태와 기계적 물성을 갖도록 제조 가능하여 cortical bone의 tensile modulus와 fracture strength인 50-151 MPa, 135 MPa와 유사한 기계적 물성을 갖는 복합체를 만들 수 있다. 유기 기지상인 생분해성 천연고분자인 키토산에 HAp를 혼합할 경우 조직재생효능과 뼈전도성(osteoconductivity), 뼈유도성(osteoinductivity)의 능력을 추가할 수 있다.

뼈나 치아와 같은 인체 경조직은 유무기 복합체로 구성되어 있으며 특히 진주조개의 경우 유기물층(<10μm)과 무기물층(<0.5μm)이 층상구조화 되어 높은 경도 외에도 강도와 인성을 동시에 발현시킨다. 본 발명에 따라 HAp와 키토산을 혼합하여 제조한 유무기 복합체의 경우 고분자는 인성과 유연성을 부여하고 무기 첨가제는 강도와 경도를 향상시키는 역할을 하고 HAp는 특히 뼈세포 활성에 기여할 수 있으며, 생체활성 고강도, 고인성인 이식재나 지지체로 활용될 수 있다.

본 발명에서는 나노 HAp의 isoelectric point가 pH ~6임에 착안하여 높은 염기성에 용해되는 생고분자를 천연 분산제로 활용하여 나노분말에 음의 zeta 전하를 유도함으로 electrostatic 분산 뿐만 아니라 HAp의 칼슘 이온과의 킬레이팅을 통해 steric hinderance에 의한 분산을 제안한다.

특히, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 테이프 캐스팅을 이용하여 i) 소량의 키토산과 혼합된 HAp 무기질층과, ii) carboxy methyl cellolose (CMC), chitosan 생체고분자가 주성분인 유기물층을, 복합체의 강화제층으로 생체모사적 적층하며, 적층구조에 있어서 각 층의 함량을 달리함으로써 생분해성 조절이 가능하고 생체활성이 우수하면서도 고강도, 고인성의 생체세라믹스를 제공할 수 있다.

구체적으로 본 발명은 본 발명은 분산제로서 알지네이트 또는 카르복시메틸셀룰로오즈를 사용하여 분산제 용액을 준비하고, 상기 분산제 용액에 하이드록시아파타이트 분말을 혼합하여 균일하게 분산시킨 제1슬러리를 준비하고, 키토산 용액을 준비하고, 상기 제1슬러리를 키토산 용액에 혼합하여 제2 슬러리를 제조하고, 상기 키토산 용액과 분산제 용액을 혼합하여 제3 슬러리를 제조하고, 상기 제1슬러리 또는 제2슬러리를 테이프 캐스팅하여 무기물 층을 준비하고, 상기 제3 슬러리를 테이프 캐스팅하여 유기물 층을 준비하고, 상기 무기물 층과 유기물 층을 반복하여 적층시켜 구조체를 형성하고, 상기 구조체를 건조하고 가압하여 생체모사적 고강도 생체유무기 키토산/하이드록시아파타이트 복합체를 제조한다. 상기 제1, 제2, 제3 슬러리에 골형성단백질 (BMP)을 첨가하고 테이프화하여 복합체에 골전도성을 부여할 수 있다.

이하, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 기술적 구성 및 특징을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

1. 키토산/하이드록시아파타이트 복합체

a) 하이드록시아파타이트 합성

수열합성법을 이용해 HAp를 합성하였다. 출발 물질로 the calcium nitride tetrahydrate(Ca(NO₃)₂·4H₂O, 98%, Sigma-Aldrich Co.), phosphoric acid (H₃PO₄, 85%, Sigma-Aldrich Co.)를 이용해 각각 Ca² ⁺, PO₄ ^3-를 얻었다. Ca(NO₃)₂·4H₂O과 H₃PO₄를 에탄올에 각각 1mol%, 1.2mol%로 녹인 후 이 두 용액을 HAp의 화학 양론비인 Ca/P비율=1.67에 맞게 혼합하였다. 두 용액을 테플론 통에 옮긴 후 충분히 섞일 수 있도록 10분 정도 교반하였다. 이후에 NH₄OH용액을 약 120ml를 한번에 부어 pH 10을 맞춰주고, 암모니아가 첨가된 용액은 겔화가 일어나는데 이 겔화를 유리막대로 충분히 휘저어 풀어 준다. 그리고 나서 용액을 온도 80도를 유지하며 24시간 동안 마그네틱바를 이용해 450 rpm으로 교반해 aging시킨다. Aging공정 후에 잘 혼합된 용액을 오토클래이브에 넣어 180도(승온 속도 1℃/분)으로 2 시간 동안 홀딩시켜 수열합성을 한다. 수열합성된 HAp 분말을 오토클레이브에서 꺼낸 후 증류수와 에탄올을 이용해 차례로 세척해준다. 세척한 HAp 분말을 50-80℃의 오븐에 건조시킨다. 건조된 HAp 분말을 X-ray diffraction (D/MAX - 2500/PC, Rigaku)을 이용해 잘 합성되었는지 확인한다.

b) 하이드록시아파타이트 분산제

HAp의 분산은 균질한 HAp/고분자 복합체를 만드는데 있어서 필수적인 공정이다. 나노 입자는 높은 표면적을 가지고 있기 때문에 균일하게 분산되기 어렵다. 그 이유는 나노 입자가 표면에너지를 줄이기 위해 쉽게 뭉치기 때문이다. 따라서 이를 막기 위해서는 입자들 끼리 충분히 높은 반발력을 갖도록 해야 한다. 본 발명에서는 음이온 다당류인 알지네이트(alginate) 또는 CMC(carboxy methyl cellulose)를 나노 크기의 HAp입자의 분산제로 사용하여 양이온 다당류인 chitosan과 PEC(polyelectrolyte complex)를 형성시켜 높은 기계적 물성을 갖는 HAp/chitosan 복합체를 제조한다.

분산제에 따른 HAp의 분산 효과를 확인하기 위해 증류수에 HAp를 혼합한 경우와 분산제를 사용한 경우를 비교하였다. 도 1a 내지 1c의 결과를 보면 증류수 40g에 HAp 3g을 분산시킨 경우(a), 암모니아용액 0.1g을 더 추가한 경우(b), 분산제로 alginate 0.8g을 사용하고 암모니아용액 0.1g을 더 추가한 경우(c), 분산제로 CMC 1.6g을 사용하고 암모니아용액 0.1g을 더 추가한 경우(d)에 대해 각각 6시간 경과, 24시간 경과, 48시간 경과 후의 모습을 보이고 있다.

수열합성으로 얻은 나노 크기의 HAp 분말을 단순히 증류수에 섞었을 때는 HAp 분말이 쉽게 가라앉는데, 그 이유는 증류수의 pH가 HAp 분말의 등점전인 pH 6.3과 크게 차이 나지 않기 때문이다. 반면, 암모니아를 이용해 pH를 10으로 맞춘 증류수는 더 늦게 가라앉는 것을 알 수 있다. pH 10의 증류수내의 HAp의 경우에는 제타포텐셜이 높기 때문에 정전기적으로 안정화가 되어 좀 더 늦게 HAp 분말이 가라 앉는다. 나아가 추가적으로 alginate와 CMC를 첨가한 경우에는 pH에 의한 정전기적 안정화 뿐만 아니라 고분자에 의한 입체적 안정화도 이루어지기 때문에 48시간이 지난 후에도 HAp가 거의 가라앉지 않은 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 복합체에서 Alginate 또는 CMC 등의 분산제 함량은 키토산 중량 대비 50wt% ~ 200wt% 까지 함유할 수 있다. 분산제는 최종 복합체에 잔류하여 생체 내 인공뼈 등의 성분으로 사용될 수 있으며, 분산제의 함량에 따라 하이드록시아파타이트의 응집이 개선되어 복합체 내 하이드록시아파타이트 비중을 높일 수 있고, 그 결과 후술하는 바와 같이 복합체의 기계적 물성을 개선할 수 있다. 분산제의 함량이 너무 적으면 하이드록시아파타이트의 응집을 개선하는데 효과적이지 못하며, 너무 과도할 경우에는 상대적으로 키토산의 함량이 줄어들어 복합체의 생체 특성이 떨어질 수 있다.

한편, 복합체에서 하이드록시아파타이트는 복합체의 기계적 물성을 증진시키기 위해 그 함량이 높은 것이 바람직한데, 본 발명에 따른 복합체는 하이드록시아파타이트의 함량을 복합체 전체 중량의 50wt% ~ 90wt%의 범위로 포함하는 것이 바람직하다.

c) 복합체 슬러리 제조

나노 크기의 HAp를 alginate 2 wt%(alginate 0.5 g, distilled water 24.5 g)용액에 블레이드를 이용해 혼합하였다. 혼합하는 중에 5 wt%의 NH₄OH 용액을 alginate 용액에 첨가하여 pH를 10정도로 맞추었다. HAp 분말이 충분히 분산될 수 있을 정도로 두 시간동안 교반하였다. 이와 같은 방법으로 alginate 2 wt% 용액 대신 CMC 4 wt% 용액(CMC 1g, distilled water 24g)에 대해서도 nano-HAp를 분산시켰다.

Alginate 3.75 wt% 용액(alginate 1.5 g, distilled water 38.5 g)과 chitosan 3.5 wt% 용액을 미리 준비하였다. 키토산 분말 1.4g과 아세트산 38.6g 을 혼합하여 3.5wt% 키토산 용액을 준비하고 교반기(Impella)를 이용하여 1600 RPM의 속도로 교반하였다. 과립 형태의 키토산을 용해시켜 슬러리 상태로 준비하기 위해 아세트산 대신 아스코빅산(ascrobic acid)을 사용할 수도 있다. 아세트산의 경우 체내 부적합 물질의 이유로 복합체 성형 후에 동결건조 등의 방법으로 제거하여야 하는데 아스코빅산은 제거할 필요가 없어서 생체활성 복합체에 유리하다. 키토산 용해 시 아스코빅산의 농도는 2 - 40 wt%의 범위로 할 수 있다.

nano-HAp를 분산시킨 alginate 2 wt% 용액을 3.75 wt% alginate 용액과 paste mixer기를 사용해 혼합하였다. 혼합된 HAp/alginate를 블레이드를 이용해 1600rpm으로 교반중인 chitosan 3.5 wt%에 조금씩 떨어뜨려 HAp/alginate/chitosan 슬러리를 제조하였다. 마지막으로 HAp/alginate/chitosan을 믹서기에 넣어 약 5분정도 교반시켜 좀더 균일하고 부드러운 슬러리를 얻었다.

이와 동일한 방법으로 alginate 2 wt%, 3.75 wt% 용액 대신 CMC 4 wt% 용액(CMC 1 g, distilled water 24 g), CMC 7.25 wt%(CMC 2.9 g, distilled water 37.1 g)을 사용하여 nano-HAp와 chitosan과 혼합하였다.

d) 테이프 캐스팅

균일하게 혼합된 슬러리를 페이스트믹서 통에 90ml 담은 후 페이스트 믹서기를 통해 디폼, 믹싱 공정을 거친 후, 1mm두께의 doctor blade를 통해 200 mm/min속도를 유지하면서 테이프 캐스팅 하였다.

nano-HAp의 분산은 정전기적 안정화와 입체적 안정화 기구에 의해 일어나는데 분산된 슬러리는 적절한 점도를 가져야 균일한 테이프를 만들 수 있다. Alginate를 분산제로 사용한 경우에는 3 wt%의 alginate 용액과 3.5 wt%의 chitosan 용액을 혼합하였을 때 적절한 점도를 가져 균일한 tape을 얻을 수 있었고, CMC를 분산제로 사용하였을 경우에는 6 wt%의 CMC 용액과 3.5 wt%의 chitosan 용액을 혼합하였을 때 적절한 점도를 가져 균일한 tape을 얻을 수 있었다(도 2 (b), (d) 참조).

2 wt% 분산제를 사용하였을 경우에는 고분자 체인의 bridging과 tangling현상이 일어나 뭉치는 현상이 보였다(도 2 (a), (c) 참조).. 이러한 결과가 나온 이유는 음전하 고분자인 alginate와 CMC 슬리러와 양전하 고분자인 chitosan 슬러리가 polyelectrolyte complex(PEC)를 형성할 때 정전기적 반응이 순간적으로 일어나면서 고분자들이 체인이 뭉치고 비틀어지게 되면서 복합화 되었기 때문이다. 또한 과도한 혼합으로 슬러리의 점도가 낮아지면 수계 테이프 특성상 높은 표면장력으로 인해 테이프의 가장자리 부분이 수축하는 현상이 일어나 균일한 테이프를 얻을 수 없었다(도 2 (e) 참조).

e) 건조 및 가압

균일한 tape을 얻은 이후에 tape을 금형에 층층이 적층하여 한 개의 bulk로 만들어야 한다. 여러 장의 tape이 쌓여 온전한 한 개의 bulk가 되기 위해서는 tape 사이사이에 공간이 없이 밀착되어야 한다. 본 발명에서는 tape 사이사이에 접착제를 사용하지 않고 tape을 적절한 정도로만 건조시켜 반건조상태의 tape끼리 적층하였다. Tape을 적층할 때 tape의 건조도가 부족한 상태에서 적층하면 수분의 함량이 너무 많아 일정한 형태를 유지하기 힘들고, 반대로 지나치게 건조된 경우는 tape사이의 접착이 제대로 이루어지지 못해 tape 사이사이에 공간이 생기게 된다. 이러한 tape사이의 공간은 복합체의 강도를 약하게 하는 원인이 되기 때문에 적절한 건조 조건을 잡는 것이 중요하다. 도 3에서처럼 반복실험을 통해 적층이 가장 잘되는 건조조건은 tape의 무게가 10 ~ 65% 정도로 감소하였을 때였다. 이러한 결과에 따라 테이프 캐스팅한 green sheet를 약 2시간 동안 상온에 건조시켜 tape의 무게가 55% ~ 65% 정도로 감소하였을 때 금형크기에 맞추어 잘라서 약 65 ~ 75장 정도 적층하였다.

반건조된 tape을 적층한 후 핫프레스기를 이용해 24 시간 동안 50℃에서, 1 ~ 10 MPa의 압력을 가해 직육면체형태의 bulk시편을 얻을 수 있었다. 보다 효과적인 적층돤 테이프 사이의 접합은 테이프 적층체를열간등압법(warm isostatic press)으로 70도에서 300 bar로 1 시간 압력을 가했을 때 얻을 수 있었다. 이렇게 얻은 bulk형태 시편 또한 수분이 남아있어 추가적인 건조가 필요하다. bulk건조는 일체의 수분을 남기지 않는 완전건조 하기 때문에 많은 수축과 뒤틀림이 따른다. 그래서 항온항습기를 이용해 온도와 습도를 정확히 조절하여 정밀하게 건조하는 것이 필요하다. 시간에 따른 반건조적층 시편의 무게변화를 조사한 결과 70℃, 98%의 습도에서 약 30 시간 건조하였을 때 무게감소가 50% 정도 이루어지는 것을 확인하였다. 이렇게 무게 50 % 감소됐을 때 시편의 겉 표면이 딱딱하게 굳어진다. 무게 50% 감소 이전까지는 뒤틀림이 심하지 않지만 50% 이후로 뒤틀림이 심하게 일어나기(도 4 참조) 때문에 5~6시간 주기로 시편을 뒤집어주면서 건조시켜 평평한 형태의 bulk시편을 얻는 것이 바람직하다. 이에 따라 적층된 테이프 성형체의 열간 가압 후, 항온항습기에서 70도, 98% 습도의 조건으로 반복적으로 시편을 뒤집으면서 5 ~ 6일 정도 무게변화가 없을 때 까지 건조시켰다.

2. 복합체의 적외선분광분석

키토산/하이드록시아파타이트 복합체에 대해 키토산과 하이드록시아파타이트 간의 결합 상태를 확인하기 위해 FTIR 분석을 실시하였다.

도 5a는 테이프캐스팅을 통해 얻은 HAp와 Alginate의 복합체 필름의 FITR-ATR 스펙트럼이다. 스펙트럼의 범위는 1800 cm^- ¹and 800cm^-1이고 alginate에 해당하는 피크는 COO (1597 cm^-1, 1408 cm^-1) and C-O-C stretching (1022 cm^- ¹)이고 HAp의 해당하는 피크는 phosphate(1019cm^-1)이다. 그래프를 보면 alginate/HAp복합체의 1009 cm^-1부분에서 피크가 형성된 것을 알 수 있다. 이것은 Alginate의 C-O-C와 HAp의 phosphate의 이동에 의한 것으로 보인다. 이러한 변화는 CaCl₂용액과 가교된 alginate에서도 발견 할 수 있다. 낮은 주파수로의 변화는 C-O-C결합의 약화를 나타내는데 이는 Ca² ⁺와 결합을 공유하기 때문이다. 따라서 alginate의 C-O-C피크가 1009 cm^- ¹으로 이동한 것은 C-O-C와 HAp의 Ca² ⁺사이에 상호작용이 있다는 것을 말한다.

도 5b는 HAp와 CMC의 복합체 필름의 FITR-ATR 스펙트럼이다. CMC에 해당하는 피크는 COO (1643 cm^-1, 1429 cm^- ¹)이고 HAp의 해당하는 피크는 phosphate (1019cm^-1)이다. CMC/HAp 복합체는 alginate/HAp 복합체와는 다르게 피크의 이동을 찾아볼 수 없었다.

도 5c는 chitosan, alginate와 chitosan/alginate 복합체의 FTIR 스펙트럼이다. Chitosan의 FTIR 스펙트럼은 amide I (1654cm^-1), amino (1580cm^- ¹)이고, chitosan/alginate 복합체의 1654cm^-1 1421cm^-1은 각각 카르보닐기(C=O)와 카르복실기(-COOH)에 해당한다. Chitosan의 amide I 피크는 1654 에서 1626 cm¹ 으로 이동하였고 amino 피크는 1580 에서 1554 cm¹ 로 이동하였다. 이러한 변화는 chitosan의 양전하인 아미노기와 alginate의 음전하인 카르복실기가 이온결합을 통해 복합화 됐다는 것의 결과이다.

도 5d는 chitosan, CMC, chitosan/CMC 복합체의 FTIR 스펙트럼이다. Chitosan의 FTIR 스펙트럼은 amide I (1654cm^-1), amino (1580cm^-1) 이고, CMC의 FTIR 스펙트럼인 1590, 1429 cm¹ 는 카르복실기에 해당하는 피크이다. 이것을 chitosan/CMC복합체의 스펙트럼과 비교하면 1590에 해당하는 -COO^- 피크가 진동수가 낮은 쪽으로 이동하고, 피크의 세기가 감소한 것을 알 수 있다. 이러한 변화는 chitosan과 CMC가 결합을 하고 있다는 증거이다.

3. 유무기층용 테이프를 이용한 층상구조체의 기계적 물성평가

a) 복합체의 굽힘강도

Alginate와 CMC를 분산제로 사용한 HAp/chitosan 복합체의 굽힘강도는 도 6에 보이는 것과 같다. 여기서 CMC와 alginate는 HAp의 분산제로 활용할 뿐만 아니라 chitosan 테이프화에서 가소제 역할을 한다. 유기물 테이프로만 적층한 경우 chitosan에 CMC를 첨가한 경우 alginate를 첨가한 시편보다 약 두배의 강도값을 보였다.

복합체의 경우 그래프에 보이는 것처럼 사용된 분산제에 따라 HAp 함량에 따른 경향성은 서로 반대되는 결과를 나타냈다. Alginate의 경우 HAp함량이 증가할수록 강도가 증가하며 HAp 함량 60 wt%일 때 93 MPa로 가장 높았고 80 wt%에서는 38 MPa로 급격히 감소하였다. 이와 반대로 CMC를 분산제로 사용한 HAp/chitosan 복합체는 HAp가 증가할수록 강도가 점점 줄어들어 HAp 60 wt%함량일 때 95 MPa로 가장 낮은 강도를 보였다. 이는 CMC와 alginate에 있는 음전하의 카복실기가 HAP의 Ca 양이온과 complex를 형성하여 steric hinderance에 의한 분산효과를 발휘함에 있어서 alginate가 효율적이기 때문으로 사료된다. CMC의 경우 chitosan의 양전하인 아민기와 선택적으로 complex를 형성하여 오히려 HAp 분산을 방해하여 HAp가 증가함에 따라 강도가 감소한다고 볼 수 있다.

b) 복합체의 압축강도

도 7의 결과에 나타난 바와 같이 Alginate를 분산제로 사용한 경우에는 HAp 0 wt%일 때 120 MPa으로 부터 60 wt%에서 157 MPa로 최고값을 보였다. 반면 CMC를 분산제로 사용한 경우에는 0 wt%에서 244 MPa로 최고값을 보였고 60 wt%에서 156 MPa로 가장 낮았다.

압축강도 또한 굴곡강도와 비슷한 경향성을 갖는 것으로 부터 HAp의 분산에 alginate가 CMC 보다 더 효과적임을 확인할 수 있다.

4. 생체모사형 유무기층 층상구조체 및 물성 평가

무기물층과 유기물층이 반복적으로 적층된 복합체를 제조하였다. 분산제로는 CMC를 사용하였고, HAp의 함량은 60wt%이었다. 무기물층과 유기물층은 HAp의 포함 여부를 제외하고는 전술한 실시예와 동일한 방법으로 준비하였다.

HAp 가 포함된 무기물 층 테이프와 HAp가 포함되지 않은 유기물 층 테이프를 교차로 적층하여 다층구조의 복합체를 제조하였고, 무기물층과 유기물층의 최적의 비율을 얻기 위해서 유기물과 무기물 테이프 수를 4:1, 1:1, 1:4비율로 적층하여 강도를 측정하였다. 측정결과를 HAp/CMC/chitosan 굽힘강도 결과와 비교해서 도 8에 나타내었다.

1:1 비율일 때 133 MPa (영률 14 GPa)로 가장 높은 값을 보였고 4:1, 1:4비율은 각각 96 MPa (영률 9.8GPa), 88 MPa (영률 12 GPa) 값을 보였다. 이는 뼈의 기계적 물성(굽힘강도 60-160 MPa, 영률 3-30 GPa)에 부합되고, 기존에 발표된 연구 결과(68-86 MPa) 보다 월등히 향상된 강도 값이다. 측정결과 4:1과 1:4비율은 강도증가의 효과가 없었지만 1:1비율을 경우에는 강도 증가가 확실히 있었고 영률 또한 가장 높은 결과를 보였다.

1:1 비율에서 기계적 물성이 향상된 이유는 유연한 유기물 층과 강한 무기물 층이 교차된 계층구조의 진주조개에서처럼 1:1 적층구조는 응력에 의해 균열이 전파될 때 이를 효과적으로 억제하기 때문에 높은 기계적 물성을 갖는 것으로 보인다. 그러나 4:1과 1:4 비율은 취성과 연성이 한쪽으로 치우쳐 균열에너지를 효율적으로 흡수하지 못해 강도 증가 효과가 없는 것으로 사료된다. 즉, 균열차폐에 있어서 유무기층의 비율이 1:1일 때 효과적인 것으로 생각된다.

또한, alginate가 분산 능력이 CMC보다 우수하기 때문에 alginate를 분산제로 사용해 무기물층을 제작하여 CMC/chitosan 유기물층과 1:1로 교차 적층한 압축강도는 298 MPa로 CMC를 분산제로 사용한 복합체의 압축강도인 244 MPa 보다 높은 값을 보였다.

5. 나노 CMC fiber 첨가에 의한 유기물층의 강도 증진

유기물층의 강도를 높이기 위해 CMC 나노 섬유를 chitosan/CMC 혼합액에 첨가하여 테이프 형태로 제조하였다.

단일층 테이프의 인장강도를 측정한 결과 CMC 나노섬유량이 20 ~ 80wt%의 범위일 때 강도 증가가 확인되었고, 60wt%일 때 첨가하지 않은 테이프 강도에 비해 약 2.5배가 증가한 최적의 강도를 보였다(도 9 참조). 이는 나노섬유가 유기물층 테이프의 치밀화와 균열전파의 저지에 관련된 것으로 판단된다. 80% 이상 첨가한 시편의 경우 나노섬유의 응집에 의해 테이프의 불균질화 때문에 강도가 저하되는 것으로 보인다.

나노섬유를 첨가하지 않은 시편의 강도는 도 6 및 도 7의 0 wt% HAp의 굴곡강도에 비해 낮은데 이는 인장강도 측정을 위한 0.2 mm의 단일층 테이프가 갖는 시편제조 시 결함이 30 mm 두께의 굴곡강도 시편에 비해 강도에 미치는 영향이 지대하기 때문으로 추측된다. 그럼에도 불구하고 나노 CMC fiber가 유기물층의 강도증가에 대한 기여가 명확하므로 생체모사적 유무기 복합체의 강도 증진에 크게 기여할 것으로 판단된다.

6. 실크 거즈를 포함한 성형체

체내 분해성 거즈 형태의 의료용 실크천(도 10 참조)을 테이프 케스팅된 무기물층에 함침시킴으로 유무기 테이프 복합체의 건조 시 발생되는 뒤틀림을 효과적으로 방지하였다. 실크천의 복합화는 무기물층의 강도를 증진시킴으로써 유무기 테이프 적층체의 강도를 증가시키는 효과가 있었다.

7. 유무기 테이프의 진공성형

유무기 테이프의 적층에 있어서 적층체 형상에 따라 미리 재단된 테이프를 적층하는 경우 3차원 적층체의 방향에 따라 물성이 달라질 수 있다.

이를 해결하기 위해 본 실시예에서는 전술한 방법에 따라 준비된 유무기 각각의 테이프를 재단하지 않고 도 11에 도시한 바와 같이 겹친 다음 봉 형태로 말아서 유무기층을 1:1 비율로 적층하였다. 적층된 봉 형태의 복합체는 진공성형법(vacuum forming)을 이용하여 층간 압착을 시행하고 열간등압 (warm isostatic press)로 70도 300기압에서 1시간 이상 추가 압착을 시행하여 복합체를 최종 성형하였다. 봉 형태의 최종 성형체는 용도에 따라 추가로 상기의 열간 가압을 통해 평판 등 다양한 형태로 만들 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

Claims

분산제로서 알지네이트 또는 카르복시메틸셀룰로오즈를 사용하여 분산제 용액을 준비하고,
상기 분산제 용액에 하이드록시아파타이트 분말을 혼합하여 균일하게 분산시킨 제1슬러리를 준비하고,
키토산 용액을 준비하고,
준비된 키토산 용액에 상기 제1슬러리를 혼합하여 제2 슬러리를 제조하고,
준비된 키토산 용액과 상기 분산제 용액을 혼합하여 제3 슬러리를 제조하고,
상기 제1슬러리 또는 제2슬러리를 테이프 캐스팅하여 무기물 층을 준비하고, 상기 제3 슬러리를 테이프 캐스팅하여 유기물 층을 준비하고,
상기 무기물 층과 유기물 층을 반복하여 적층시켜 구조체를 형성하고,
상기 구조체를 건조하고 가압하여 키토산/하이드록시아파타이트 복합체를 제조하는 단계를 포함하며,
상기 분산제는 키토산 중량 대비 50wt% ~ 200wt% 의 범위로 포함하고, 상기 하이드록시아파타이트의 함량은 복합체 전체 중량의 50wt% ~ 90wt%의 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는
생체모사적 고강도 생체유무기 복합체 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 무기물 층과 유기물 층은 건조시켜 무게가 10% ~ 65% 범위로 감소한 후 적층시키는 것을 특징으로 하는 생체모사적 고강도 생체유무기 복합체 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제3슬러리에 분산제로 사용되는 알지네이트 나노섬유 또는 카르복시메틸셀룰로오즈 나노섬유를 20 ~ 80wt% 범위로 첨가하여 유기물 층의 강도를 증진시키는 것을 특징으로 하는 생체모사적 고강도 생체유무기 복합체 제조방법.
제1항에 있어서,
테이프 캐스팅된 무기물 층에 체내 분해성 실크천을 함침시켜 복합체 건조 시 뒤틀림을 방지하고 복합체의 강도를 증진시키는 것을 특징으로 하는 생체모사적 고강도 생체유무기 복합체 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 무기물 층과 유기물 층을 반복하여 적층시킨 구조체를 봉 형태로 말은 다음 진공성형을 통해 층간 압착한 후 열간 가압하여 복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는 생체모사적 고강도 생체유무기 복합체 제조방법.