KR101850414B1

KR101850414B1 - 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법

Info

Publication number: KR101850414B1
Application number: KR1020160162067A
Authority: KR
Inventors: 김종영; 사민우
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-04-19

Abstract

본 발명은, (a) 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 생체 적합성 고분자를 적층하여 3차원 구조의 고분자 몰드를 제조하는 단계; (b) 상기 고분자 몰드에 슬러리를 공급하여 몰드-슬러리 구조물을 제조하는 단계; (c) 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리하여 슬러리 구조물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 슬러리 구조물을 소결하는 단계;를 포함하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법에 따르면, 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 정밀한 구조의 고분자 몰드를 제조하고, 제조한 몰드에 생체 적합성 세라믹 입자와 증점안정제를 포함하는 슬러리를 공급한 후 소성하는 간단한 방법으로, 이중 공극이 형성되어 생체 도입시 세포의 부착, 증식 및 분화를 촉진하기 위해 적합한 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 인공 지지체를 제조할 수 있다.

Description

이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법{Method for preparing three-dimensional ceramic scaffolds having dual-pore structure}

본 발명은 이중 공극이 형성된 구조의 3차원 세라믹 인공 지지체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

골 조직 공학(bone tissue engineering) 분야에서 생체 의학자들은 유실된 골 조직(bone tissue)을 복원하기 위해 결함(defect)이 있는 부분에 삽입하여 사용할 수 있는 3차원의 인공 지지체(bio-scaffold)를 개발하고 있다. 상기 인공 지지체는 생체 골격 및 조직을 복원하는데 필요한 세포의 부착, 증식 그리고 분화를 위해 생체내에서 적합한 환경을 제공하는 지지체의 역할을 할 수 있다.

현재 널리 알려진 인공 지지체 제조용 재료는 크게 고분자, 금속, 세라믹 그리고 복합재료로 구분된다. 이 중에서, 세라믹 재료는 골대체재 또는 골 시멘트 등과 같이 인체의 뼈와 가장 연관성이 깊다.

특히, 상기 세라믹 재료 중에서도 산화물 계열에 속하는 이상 인산칼슘(biphasic calcium phosphate, BCP)은 베타 삼인산칼슘(β-tricalcium phosphate, TCP)과 수산화인회석(hydroxyapatite, HA)이 합성된 바이오 세라믹스로서, BCP는 β-TCP의 빠른 생분해성 특성과 HA의 낮은 용해도를 동시에 포함하는 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 뼈와 치아 무기질의 구성 성분과 화학적으로 가장 유사한 특성을 가지고 있어 골 조직 재생에 적합한 재료로 널리 이용되고 있으나, 상기 BCP는 기계적 강도 및 저항성이 낮은 단점이 있다.

상기 단점을 보완할 수 있도록, 최근에는 BCP에 실리카 등을 혼합하여 인공 지지체 제조를 위한 소재로 사용하고 있으며, 상기 실리카는 세라믹의 강도(strength) 및 인성(toughness)을 높이고, 골세포(osteoblast)의 부착과 증식을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 생체 적합성과 골유도성(osteoconductivity)이 높은 생체 활성을 나타내어 골 조직 재생에 많이 이용되고 있다.

종래에는 3D 프린팅 방식과 몰드 방식을 접목하여 인공 지지체를 제작하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 광조형 기술을 이용하거나, 압출 적층 조형 기술을 이용하여 3차원 인공 지지체를 제조하는 방법에 관한 기술 내용이 개시된 바 있다.

하지만, 상기와 같은 방법으로 인공 지지체를 제조하기 위해서 사용되는 합성 고분자는 실제 골 조직의 성분과 상이하고, 세포 부착, 증식 및 분화가 쉽게 유도되지 못해, 생체내에 직접적으로 도입하기 힘든 문제가 있어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.

Young-Joon Seol, Jong Young Kim, Eui Kyun Park, Shin-Yoon Kim and Dong-Woo Cho, "Fabrication of a hydroxyapatite scaffold for bone tissue regeneration using microstereolithography and molding technology" Microelectronic Engineering, 86, pp. 1443-1446, 2009. SabreeI., Gough, J. E. and Derby, B., "Mechanical properties of porous ceramic scaffolds: Influence of internal dimensions," Ceramic International, Vol. 41, pp. 8425~8432, 2015. Mohanty, S., Sanger, K., Heiskanen, A., Trifol, J., Szabo, P., Dufva, M., Emneus, J. and Wolff, A., "Fabrication of scalable tissue engineering scaffolds with dual-pore microarchitecture by combining 3D printing and particle leaching," Materials Science and Engineering C, Vol. 61, pp. 180~189, 2016.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 실제 골 조직과 동일하거나 매우 유사한 생체 세라믹 입자 및 알긴산 나트륨을 이용하여, 세포의 부착, 증식 및 분화를 촉진하기 위해 적합한 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 인공 지지체를 제조할 수 있는 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, (a) 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 생체 적합성 고분자를 적층하여 3차원 구조의 고분자 몰드를 제조하는 단계; (b) 상기 고분자 몰드에 슬러리를 공급하여 몰드-슬러리 구조물을 제조하는 단계; (c) 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리하여 슬러리 구조물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 슬러리 구조물을 소결하는 단계;를 포함하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 슬러리는 33.7 내지 43.7 중량%의 생체 세라믹 입자, 31.2 내지 41.2 중량%의 액상 분산제, 2.3 내지 7.3 중량%의 점성제, 9.5 내지 19.5 중량%의 응집제 및 0 초과 11 중량% 이하의 알긴산 나트륨을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 생체 세라믹 입자는 인산칼슘계 세라믹, 하이드록시아파타이트, 및 이상 인산칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기 세라믹 재료 및 실리카, 지르코니아, 과산화아연 및 과산화마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 충진제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계 (c)는 90 내지 110 ℃의 온도로 1 내지 3시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계 (d)에서는 1,000 내지 1,400 ℃의 온도로 1 내지 3시간 동안 소결하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법으로 제조하여 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체를 제공한다.

본 발명에 따른 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법에 따르면, 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 정밀한 구조의 고분자 몰드를 제조하고, 제조한 몰드에 생체 적합성 세라믹 입자와 증점안정제를 포함하는 슬러리를 공급한 후 소성하는 간단한 방법으로, 이중 공극이 형성되어 생체 도입시 세포의 부착, 증식 및 분화를 촉진하기 위해 적합한 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 인공 지지체를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법을 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 실시예의 인공 지지체를 제조하는 방법을 나타낸 공정도이다.
도 3은 실시예에 따른 방법으로 제조한 몰드를 촬영한 SEM 이미지이다.
도 4는 실시예에 따른 방법으로 제조하여 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체를 촬영한 SEM 이미지이다.
도 5는 (a) 비교예 1, (b) 실시예, (c) 비교예 2 및 (d) 비교예 3의 인공 지지체의 표면을 확대촬영한 SEM 이미지이다.
도 6은 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 인공 지지체의 (a) 응력-변형률 곡선, (b) 압축 강도 및 (c) 압축 탄성계수를 분석한 결과이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명은 (a) 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 생체 적합성 고분자를 적층하여 3차원 구조의 고분자 몰드를 제조하는 단계; (b) 상기 고분자 몰드에 슬러리를 공급하여 몰드-슬러리 구조물을 제조하는 단계; (c) 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리하여 슬러리 구조물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 슬러리 구조물을 소결하는 단계;를 포함하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법을 제공한다(도 1 참조).

상기 단계 (a)는, 열 용해 적층 방법으로 생체 적합성 고분자를 적층하여 3차원 구조의 고분자 몰드를 제조하는 단계이다.

상기 고분자 몰드를 제조하기 위해서는 생체 적합성 고분자를 사용할 수 있으며, 생체 적합성 고분자는 지지체로서 충분한 기계적 강도를 지닌 다양한 소재의 고분자를 사용할 수 있다. 또한, 생체 적합성 고분자는 후술할 인공 지지체를 제조한 후, 인공 지지체에 미량 잔류하는 상태로 생체내 도입된 후에도 혈액응고나 염증반응을 유발하지 않고, 원하는 시간 안에 생체 내에서 완전히 분해되어 사라질 수 있는 생분해성 특성을 갖는다.

상기 생체 적합성 고분자는 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리락트산[poly(lactic acid), PLA], 폴리글리콜산[poly(glycolic acid), PGA], 폴리락트산-글리콜산[poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA], 폴리우레탄(polyurethane, PU) 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있으며, 바람직하게는, 생체 적합성 고분자로 폴리카프로락톤(PCL)을 사용할 수 있다.

한편, 상기 열 용해 적층 방법(fused deposition modeling, FDM)은 쾌속 조형 기술로써 수십 마이크로의 정밀도로 제어가 가능하여 생체내 도입을 위한 적합한 크기 및 형태로 정밀한 몰드를 제조할 수 있다.

상기 열 용해 적층 방법을 이용한 3차원 프린팅은, 생체 적합성 고분자 포함 혼합물을 3D 프린팅 장치에 공급하고, 상기 혼합물을 디스펜서에서 가열하여 용융시킨 후, 공기압을 이용해 노즐(nozzle)로 용융된 혼합물을 배출하여 노즐의 3차원 움직임에 의하여 섬유(strand) 형태로 혼합물을 분사하면, 분사한 섬유가 서로 얽혀지고, 3차원으로 플로팅되어 메쉬 구조의 고분자 몰드를 형성할 수 있게 된다. 이때, 상기 노즐은 100 내지 500 ㎛ 크기의 직경을 갖는 것을 사용할 수 있으며, 메쉬 구조를 이루는 사각형 격자에서 섬유의 간격을 50 내지 500 ㎛의 길이로 섬유를 분사하고, 메쉬 구조가 3차원 플로팅되어 고분자 몰드를 제조할 수 있다.

상기 단계 (b)는, 상기 고분자 몰드에 슬러리를 공급하여 몰드-슬러리 구조물을 제조하는 단계로서, 고분자 몰드에 슬러리를 충진하여 몰드에 의해 특정 형상으로 슬러리를 성형할 수 있어 후술할 슬러리 구조물을 형성시킬 수 있게 된다.

상기 슬러리는 생체 친화성을 가져 생체내로 도입되어도, 안정한 생체 적합성 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 슬러리에 포함된 생체 세라믹 입자는 후술할 단계에서 제조되는 인공 지지체의 기계적 강도를 부여하는 역할을 하고, 인체의 뼈를 구성하는 주요 무기질과 동일하거나 유사한 구조를 가지는 소재를 사용할 수 있다.

상기와 같은 생체 세라믹 입자는 인산칼슘계 세라믹, 하이드록시아파타이트, 이상 인산칼슘 또는 이들의 혼합물을 포함하는 유기 세라믹 재료와, 실리카, 지르코니아, 과산화아연, 과산화마그네슘 또는 이들의 혼합물을 포함하여 생체 친화성이 우수할 뿐만 아니라, 충분한 기계적 물성을 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 슬러리는 이상 인산칼슘 및 실리카를 포함하는 생체 세라믹 입자를 포함할 수 있으며, 상기 생체 세라믹 입자는 평균 입경이 50 내지 200 nm 크기의 미립자를 사용하여, 치밀한 구조를 갖는 인공 지지체를 형성시키도록 구성할 수 있다.

상기 슬러리에 포함되는 액상 분산제는 생체 세라믹 입자를 균일하게 분산시키고, 안정화시키는 역할을 하며, 암모늄 폴리메타크릴레이트(ammonium polymethacrylate), 에탄올(ethanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는, 생체 적합성이 우수한 암모늄 폴리메타크릴레이트를 사용할 수 있다.

상기 슬러리에 포함되는 점성제는 생체 세라믹 입자들 간의 점착성 및 점도를 증가시키기 위해서 사용할 수 있으며, 젤라틴, 카제인, 덱스트란, 아라비아검, 트래거캔스 고무, 폴리에틸렌글리콜, 카복시메틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필셀룰로오즈, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 메틸셀룰로오즈, 하이드록시에틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈 프탈레이트, 비결정질 셀룰로오즈, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴록사머, 유드라짓 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다. 바람직하게는, 상기 점성제로 생체 적합성이 우수한 하이드록시 메틸셀룰로오즈(hydroxyprophyl methylcellulose)를 사용할 수 있고, 액상, 분말 등의 형태에 제한받지 않는다.

상기 슬러리에 포함되는 응집제는 생체 세라믹 입자를 응집시키기 위해 사용할 수 있으며, 폴리에틸렌 이민(polyethylenimine), 키토산, 키토산 유도체 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다. 바람직하게는, 상기 응집제로 폴리에틸렌 이민을 사용할 수 있으며, 액상, 분말 등의 형태에 제한받지 않는다.

상기 슬러리에 포함되는 알긴산 나트륨(sodium alginate)은 점착성 및 점도를 부여하여 후술할 인공 지지체에 기계적 강도를 증가시키는 증점안정제로서의 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라, 후술할 단계에서 소결을 통해 인공 지지체에 이중 공극을 형성시키는 역할을 한다. 상기 알긴산 나트륨은 액상, 분말 등의 형태에 제한받지 않는다.

한편, 상기 슬러리는 고분자 몰드에 공급하여 성형하고, 고분자 몰드를 제거하여 인공 지지체를 형성시키기 때문에, 슬러리에 포함되는 생체 세라믹 입자, 분산제, 점성제, 응집제 및 공극형성제를 다양한 혼합비율로 혼합하여 물성을 조절할 수 있다. 특히, 슬러리에 공극형성제를 첨가함으로써 인공 지지체의 기계적 강도가 향상될 뿐만 아니라, 인공 지지체에 이중 공극을 형성시킬 수 있다.

이를 위해, 상기 슬러리는 33.7 내지 43.7 중량%의 생체 세라믹 입자, 31.2 내지 41.2 중량%의 분산제, 2.3 내지 7.3 중량%의 점성제, 9.5 내지 19.5 중량%의 응집제 및 0 초과 11 중량% 이하의 알긴산 나트륨을 포함하여, 후술할 단계에서 형성되는 인공 지지체의 기계적 강도 및 압축 탄성계수 등의 특성이 우수하여 생체 내에 안정적으로 도입하여 사용할 수 있다.

상기 슬러리에 생체 세라믹 입자가 33.7 중량% 미만으로 포함될 경우 인공 지지체의 강도가 약해 생체내에서 조직재생 기간 동안에 형태를 유지하기 힘든 문제가 있고, 43.7 중량%를 초과하도록 포함될 경우 균일한 분산이 어려워 기계적 강도가 오히려 감소하는 문제가 있다.

상기 슬러리에 분산제가 31.2 중량% 미만으로 포함될 경우 생체 세라믹 입자의 안정화 및 균일한 분산이 어렵고, 41.2 중량%를 초과하도록 포함될 경우 인공 지지체의 기계적 강도가 떨어지는 문제가 있다.

상기 슬러리에 점성제가 2.3 중량% 미만으로 포함될 경우 점성 유지가 어려운 문제가 있고, 7.3 중량%를 초과하도록 포함될 경우 생체 세라믹 입자가 응집되어 균일한 분산이 어렵다.

상기 슬러리에 응집제가 9.5 중량% 미만으로 포함될 경우 슬러리의 응집력이 떨어져 인공 지지체의 기계적 강도가 저하되는 문제가 있고, 19.5 중량%를 초과하도록 포함될 경우 강하게 응집되어 균일한 분산이 어렵다.

상기 슬러리에 알긴산 나트륨이 포함되지 않을 경우 인공 지지체에 이중 공극이 다량 형성되지 않는 문제가 있고, 11 중량%를 초과하도록 포함될 경우 인공 지지체의 기계적 강도가 떨어지는 문제가 있으며, 상기 알긴산 나트륨은 바람직하게는 10 중량%로 포함하여 우수한 기계적 물성을 달성할 수 있다.

또한, 상기 슬러리는 생체 세라믹 입자, 액상 분산제, 점성제 분말, 겔형 응집제 및 공극형성제 분말을 혼합한 후, 50 내지 70 ℃의 온도에서 20 내지 40분 동안 가열하는 열처리 과정을 포함하여 슬러리에 포함된 가스 성분을 제거하고, 응집력을 높여 기계적 강도를 향상시키며, 생체 세라믹 입자가 균질하게 혼합되어 균일한 밀도를 갖는 인공 지지체를 형성시킬 수 있게 된다.

상기 단계 (c)는, 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리하여 슬러리 구조물을 제조하는 단계로서, 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리함으로써, 고분자 몰드를 제거하고, 슬러리 구조물을 형성시킬 수 있다.

이를 위해, 본 단계는 90 내지 110 ℃의 온도로 1 내지 3시간 동안 열처리하여 몰드-슬러리 구조물에서 고분자 몰드를 제거하여 생체 세라믹 입자를 포함하는 슬러리 구조물을 형성시킬 수 있다.

상기 단계 (d)는, 상기 슬러리 구조물을 소결하는 단계로서, 슬러리 구조물을 소결함으로써, 슬러리 구조물에 포함된 생체 세라믹 입자의 결합 밀도를 향상시켜 인공 지지체를 형성시킬 수 있고, 이때, 슬러리 구조물에 포함된 알긴산 나트륨으로 인해 인공 지지체에 표면에는 마이크로 또는 나노미터 크기의 미세 공극이 다량 형성되게 된다.

따라서, 본 단계를 통해 제조된 인공 지지체는 고분자 몰드에 의해 성형되어 인공 지지체 자체가 형성하는 공극과 알긴산 나트륨을 포함하는 슬러리 구조물을 소결함에 따라 인공 지지체의 표면에 형성되는 미세 공극을 포함하는 이중 구조의 인공 지지체를 형성시킬 수 있게 된다.

본 단계에서는 1,000 내지 1,400 ℃의 온도로 1 내지 3시간 동안 소결하여 인공 지지체를 제조할 수 있으며, 소결온도가 1,000 ℃ 미만이면 수축률이 낮고, 생체 세라믹 입자의 결합 밀도 및 기계적 강도가 떨어지게 되고, 소결온도가 1,400 ℃를 초과하는 경우에는 생체 세라믹 입자의 상 및 결정 구조가 변화되기 때문에 최적의 3차원 인공 지지체를 얻기 어려운 문제가 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법에 따르면, 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 정밀한 구조의 고분자 몰드를 제조하고, 제조한 몰드에 생체 적합성 세라믹 입자와 증점안정제를 포함하는 슬러리를 공급한 후 소성하는 간단한 방법으로, 이중 공극이 형성되어 생체 도입시 세포의 부착, 증식 및 분화를 촉진하기 위해 적합한 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 인공 지지체를 제조할 수 있다.

나아가, 본 발명에서는 상기 방법으로 제조하여 이중 공극 구조가 형성된 인공 지지체를 제공한다.

상기 인공 지지체는 인체의 뼈를 구성하는 주요 무기질과 동일하거나 유사한 구조를 가지는 생체 세라믹 입자를 포함하여 생체 친화적일 뿐만 아니라, 기계적 강도가 우수하고, 세포의 부착, 증식 그리고 분화를 위해 적합한 환경을 제공할 수 있도록 이중 공극이 형성되어 생체 도입을 위한 용도로 활용이 가능하다.

특히, 상기 인공 지지체는 BMP 단백질 또는 NELL 단백질 등과 같이 골형성을 촉진하는 단백질 등으로 표면을 코팅하면 인공 지지체에 형성된 이중 공극에 단백질이 효과적으로 고정화될 수 있어, 생체 도입시 우수한 골형성 효과를 달성할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.

제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

<실시예>

도 2에 나타낸 바와 같은 순서로 PCL 몰드 및 슬러리를 제조하고, 몰드-슬러리 구조물을 제조한 후, 인공 지지체를 제조하였다.

(1) PCL 몰드 제조

3차원 프린팅 방법을 이용하여 3차원 구조를 갖는 폴리카프로락톤 몰드(PCL mold)를 제조하였다.

먼저, 폴리머 적층을 위한 작업 평판 위에 양면 테이프를 부착하고, 양면 테이프의 상면에 폴리머를 적층하여 PCL 몰드를 제조하였다. 이때, 세라믹 슬러리를 충전시 몰드에서 세라믹 슬러리가 새어나가지 않도록, 1층은 빈 공간 없이 0.75 mm의 간격으로 폴리머를 적층하였고, 2층 부터는 내부를 1.5 mm의 간격으로 적층하였으며, 외부 벽면은 완전히 막히게 적층하여 PCL 몰드를 제조하였다. 이를 위해, 10 cc 스틸 시린지 및 500 ㎛ 정밀 노즐에 PCL 폴리머 입자를 충진하고, 히터를 이용해 100 ℃로 가열하고, 평균 650 kPa의 공압을 사용하여 200 mm/분의 이송속도 및 500 ㎛ 선폭으로 분사하였으며, 이를 통해, 공극 크기가 1 mm이고, 8.2 × 8.2 × 3.5 mm의 크기를 갖는 PCL 몰드를 제작하였다.

(2) 인공 지지체 슬러리 제조 및 몰드-슬러리 구조물 제조

이상 인산칼슘 및 실리카를 1:10의 중량비로 포함하는 생체 세라믹 미립자, 0.75 mL의 폴리메타크릴레이트(DavanⓡC, R.T. Vanderbilt, USA), 0.1 g의 하이드록시메틸셀룰로오즈(Sigm-Aldrich, USA), 0.3 mL의 폴리에틸렌 이민(Sigm-Aldrich, USA) 및 10 중량%의 알긴산 나트륨(sodium alginate) 분말을 첨가하고, 약수저(spatula)로 균일하게 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 제조한 혼합물을 50˚C 오븐(oven, OF-12, JEIO TECH, Korea)에서 10분 동안 열처리하여 혼합물에 포함된 가스를 제거하고 응집력을 증가시켜 슬러리를 제조하였다. 제조한 슬러리를 한번 더 골고루 섞어 동일한 조건으로 오븐에서 열처리하여 응집력을 더욱 높여주고, 인공 지지체 제조용 슬러리를 제조하였다.

(3) 몰드-슬러리 구조물의 제조

인공 지지체 제조용 슬러리 및 PCL 몰드를 1:1 중량비로 하고, 상기 인공 지지체 제조용 슬러리를 PCL 몰드에 빽빽하게 채워넣은 후, 1일 동안 자연 건조하여 몰드 및 슬러리를 포함하는 몰드-슬러리 구조물을 제조하였다.

PCL 몰드를 제거하기 위해서, 몰드-슬러리 구조물을 100 ℃의 오븐에서 2시간 동안 열처리하여, 바닥면과 외부 벽면에 있던 PCL 몰드를 제거하고, 3차원 형상의 더욱 단단한 슬러리 구조물(mold-slurry structure)을 형성시켰다.

(4) 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조

상기 슬러리 구조물은 2시간 동안 자연 건조시킨 다음 소결로(Electric furnace, MF-12H, JEIO TECH, Korea)에서 1100 ℃의 온도로 2시간 동안 소결하여 3차원 세라믹 인공 지지체를 제조하였다.

<비교예 1>

알긴산 나트륨을 첨가하지 않고 슬러리를 제조하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 몰드-슬러리 구조물을 제조하고, 이를 이용해 인공 지지체를 제조하였다.

<비교예 2>

20 중량%의 알긴산 나트륨(sodium alginate) 분말을 첨가하여 슬러리를 제조하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 몰드-슬러리 구조물을 제조하고, 이를 이용해 인공 지지체를 제조하였다.

<비교예 3>

30 중량%의 알긴산 나트륨(sodium alginate) 분말을 첨가하여 슬러리를 제조하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 몰드-슬러리 구조물을 제조하고, 이를 이용해 인공 지지체를 제조하였다.

<실험예 1> 몰드, 구조물 및 인공 지지체의 형태적 특성 분석

(1) PCL 몰드

제조한 PCL 몰드의 형태를 확인하기 위해서, 주사 전자현미경(SEM)을 이용하여 PCL 몰드를 촬영하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3(a)에 나타난 바와 같이, 제조한 PCL 몰드는 3차원 입체형상을 갖는다는 사실을 확인할 수 있었고, 도 3(b)에 나타난 바와 같이, PCL 몰드는 격자 패턴으로 제작된 선과 공극을 갖는 형태인 것을 확인할 수 있었다.

(2) 몰드-슬러리 구조물

제조한 몰드-슬러리 구조물의 형태를 확인한 결과, 몰드-슬러리 구조물은 5.7 × 5.7 × 3.0 mm의 크기, 1 mm의 선 폭, 500 ㎛의 공극 크기를 갖는다는 사실을 확인할 수 있었다.

(3) 인공 지지체

제조한 3차원 세라믹 인공 지지체의 형태학적 특성을 분석하기 위해서, 주사 전자현미경을 이용하여 실시예에 따른 방법으로 제조한 3차원 세라믹 인공 지지체를 촬영하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이, 제조한 인공 지지체는 3차원 형상을 가지고, 이중 공극이 형성되어 있음을 확인할 수 있었으며, 매우 거친 표면 특성을 나타내어 인공 지지체가 세포의 부착, 증식 및 분화에 매우 유리할 것으로 판단되었다.

또한, 제조한 인공 지지체는 평균 5.8 × 5.8 × 2.8 mm의 크기, 1400 ㎛의 선 폭, 그리고 360 ㎛의 공극 크기를 갖는다는 사실을 확인할 수 있었으며, 소결에 의해 수축현상이 발생되어 몰드-슬러리 구조물에 비해 크기가 감소하였다는 사실을 확인할 수 있었다.

(4) 인공 지지체의 겉보기 밀도 및 공극률 계산

알긴산 나트륨에 의해 형성된 인공 지지체의 표면에 형성된 공극특성을 분석하기 위해서, 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 인공 지지체의 겉보기 밀도을 계산하였으며, 하기 수학식 1을 이용하여 겉보기 밀도(apparent density, g/cm³)를 산출하였으며, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다. 또한, 질량을 측정하기 위해서 정밀 저울(Pioneer PAG214, Ohaus Corp., USA)을 사용하였다(단, 상기 수학식 1에서 S_m은 질량이고, S_v는 부피를 나타냄).

[수학식 1]

또한, 알긴산 나트륨에 의해 형성된 인공 지지체의 표면에 형성된 공극 특성을 분석하기 위해서, 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 인공 지지체의 공극률을 계산하였으며, 하기 수학식 2를 이용하여 공극률을 산출하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다(단, 하기 수학식 2에서 V는 인공 지지체의 전체 부피, M은 질량, ρ는 밀도를 나타냄).

[수학식 2]

표 1에 나타낸 바와 같이, 알긴산 나트륨의 첨가량이 인공 지지체의 형태에 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있었다. 알긴산 나트륨이 첨가되지 않은 비교예 1의 경우, 수축이 9.31%나 진행되었으나, 알긴산 나트륨의 첨가량이 증가할수록 생체 세라믹 미립자들 간의 결합력이 약해져 수축이 잘 이루어지지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다.

또한, 제조한 인공 지지체에 형성된 공극률을 측정한 결과, 알긴산 나트륨의 혼합량(0 중량%, 10 중량%, 20 중량%, 30 중량%)이 증가함에 따라, 인공 지지체의 공극률 또한 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다(도 5 참조).

<실험예 3> 인공 지지체의 기계적 특성 평가

제조한 인공 지지체의 기계적 특성을 평가하기 위해서, 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 방법으로 제조한 인공 지지체의 압축 강도 및 압축 탄성계수를 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 인공 지지체의 압축 강도는 1 mm/분의 이송 속도에서 압축 시험기(JSV-H1000, Japan)를 이용해 측정하였으며, 압축 시험동안 하중-변위 선도는 컴퓨터로 모니터링 하였다. 인공 지지체의 탄성계수(E)는 압축 시험 선도로부터 산출하였으며, 4개의 동일한 인공 지지체 시료를 이용하여 평균값을 산출하였다.

도 6은 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 인공 지지체의 (a) 응력-변형률 곡선, (b) 압축 강도 및 (c) 압축 탄성계수를 분석한 결과이다.

도 6에 나타난 바와 같이, 실시예에 따른 방법으로 제조한 인공 지지체는 수축률이 가장 좋은 것으로 확인되었고, 압축 강도 및 탄성계수는 수축률과 연관성이 있는 것으로 판단되었다. 알긴산 나트륨은 슬러리를 제조한 후 소결될 때까지 입자가 잘 유지되었던 것으로 판단되나, 포함함량이 증가하면 팽윤하는 특성으로 인해 소결동안 부풀어오르는 현상을 나타내는 것으로 확인되었다.

알긴산 나트륨을 첨가하지 않은 비교예 1에 비해 실시예에 따른 인공 지지체의 기계적 특성이 향상되는 것으로 볼 때, 알긴산 나트륨이 슬러리의 점착성 및 점도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 세라믹 인공 지지체의 결합력 또한 증가시키는 역할을 하고, 이중 공극 또한 다량 형성시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.

상기한 바와 같은 결과를 통해, 본 발명에 따른 제조방법은 기계적 특성 및 형태적 특성이 우수한 인공 지지체를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었고, 통상의 인공 지지체가 지녀야할 압축강도의 범위(1 내지 10 MPa)와 비교할 때, 본 발명에 따른 인공 지지체는 압축강도가 8.90 ± 0.58로 확인되어 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 인공 지지체는 거친 표면 특성을 나타내고, 미세 공극이 다량 형성된 이중 공극 구조가 형성되어 세포의 부착, 증식 및 분화에 매우 유리한 환경을 제공할 수 있을 것으로 판단되었다.

Claims

(a) 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 생체 적합성 고분자를 적층하여 3차원 구조의 고분자 몰드를 제조하는 단계;
(b) 상기 고분자 몰드에 슬러리를 공급하여 몰드-슬러리 구조물을 제조하는 단계;
(c) 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리하여 슬러리 구조물을 제조하는 단계; 및
(d) 상기 슬러리 구조물을 소결하는 단계;를 포함하며,
상기 슬러리는 33.7 내지 43.7 중량%의 생체 세라믹 입자, 31.2 내지 41.2 중량%의 액상 분산제, 2.3 내지 7.3 중량%의 점성제, 9.5 내지 19.5 중량%의 응집제 및 0 초과 11 중량% 이하의 알긴산 나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 생체 세라믹 입자는 인산칼슘계 세라믹, 하이드록시아파타이트 및 이상 인산칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기 세라믹 재료와, 실리카, 지르코니아, 과산화아연 및 과산화마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 충진제를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)는 90 내지 110 ℃의 온도로 1 내지 3시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (d)에서는 1,000 내지 1400 ℃의 온도로 1 내지 3시간 동안 소결하는 것을 특징으로 하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법.
제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조하여 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체.