KR101854163B1 - 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유 및 이의 제조방법 - Google Patents

표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 기계적 물성 및 생리적 특징을 가지는 생체활성 유리 나노섬유 및; 상기 생체활성 유리나노 섬유 상에 코팅되는 생분해성 고분자를 포함하는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 생체활성 유리 나노섬유를 생분해성 고분자로 코팅하여 표면 개질시킴으로서 간편하고 효율적으로 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.

Description

표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유 및 이의 제조방법{Bioactive glass nanofiber having modified surface and a preparation method thereof}
본 발명은 생분해성 고분자로 코팅되어 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
지난 수십 년 동안 인체의 손상된 경조직 및 연조직을 대체하기 위한 연구가 다각적으로 진행되고 있다. 이러한 연구와 관련하여 임상학적으로 금속 보철, 알루미나 힙 조인트 및 생체활성 세라믹 등이 대체물질로서 사용가능하다고 알려져 있다[G.Heimk e, Angew. Chem. Int. Ed. 1, 111 (1989); L.L.Hench and J.M.Polak, Science 295, 1014 (2002); H.-W.Kim, H.-E.Kim, and J.C.Kno wles, Adv. Funct. Mater.16,1529(2006)]. 조직과의 친화성을 증대시키기 위해 경조직이나 연조직과 형태학적으로 유사한 나노섬유 형태를 갖는 대체 물질에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
그 중에서 인산칼슘 (수산화아파타이트 및 인산삼칼슘) 및 유리/유리 세라믹을 비롯한 생체활성 물질은 치과 및 정형외과 분야에서 폭 넓은 임상적 승인을 얻어 왔다. 이들 중에서 실리카계 생체활성 유리는 생체활성, 조직적합성 (경조직 및 연조직 모두), 골전도성 및 골유도성으로 인해 유망한 골조직 재생 물질로서 간주되어 왔다.
전기방사법을 이용한 나노섬유에 대하여 대한민국 공개특허 제10-2005-40187호에는 생리활성고분자로부터 얻어진 나노섬유가 이차원구조 또는 삼차원 구조의 네트워크 형태로 이루어지며, 생체조직이 삼차원으로 재생되며 동시에 나노섬유를 복원하여 공극률을 향상시켜 세포와 관계되는 표면적을 크게하여 세포가 잘 부착 및 증식되는 조직재생을 유도하기 위한 생체 모방형태의 나노섬유와 마이크로 섬유의 복합지지체 및 그의 제조방법이 기재되어 있다.
또한, 전기방사법을 이용한 유리 나노섬유에 대하여 대한민국 등록특허 제10-0791518호는 생체활성 유리의 졸-겔 전구체를 전기방사를 이용하여 생체활성 유리 나노섬유를 제조하였으며, SBF에서 수산화아파타이트의 신속한 표면 침착정도를 보임으로서 우수한 인 비트로 생체활성도를 가지고 골 세포 성장 및 분화율이 높아 탁월한 골형성 능력을 갖는 효과가 기재되어 있다.
그러나 생리활성 고분자로부터 얻어진 나노섬유 형태는 세포 부착 리간드가 없거나, 소수성을 나타내 초기 세포 부착이 어렵거나, 생체 세라믹과 같이 생체활성 소재에 비해 생물학적 특징이 낮아 조직 재생에 한계가 있다. 또한, 생체활성 유리 나노섬유의 형태는 생체활성도는 뛰어나지만 기계적 물성, 즉 인장력, 연장률 또는 탄성력과 같은 특징이 부족하여 골 또는 치주 조직 등 단단한 조직의 재생용 이식재료로서는 한계가 있었다.
이에 본 발명자는, 우수한 조직 재생용 이식 재료에 대하여 연구하던 중, 생체활성 유리 나노섬유의 표면을 생분해성 고분자로 코팅시켜 개질함으로서, 생체활성 유리 나노섬유의 기계적 물성이 현저하게 개선되며 동시에 생체 활성은 잘 유지되는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 우수한 기계적 물성 및 생리적 특징을 가지는 생체활성 유리 나노섬유 및; 상기 생체활성 유리나노 섬유 상에 코팅되는 생분해성 고분자를 포함하는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 생체활성 유리 나노섬유를 생분해성 고분자로 코팅하여 표면 개질시킴으로서 간편하고 효율적으로 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 생체활성 유리 나노섬유; 및 상기 생체활성 유리 나노섬유 상에 코팅되는 생분해성 고분자를 포함하는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유를 제공한다.
본 발명에서 사용되는 '생체활성 유리 나노섬유'는 나노섬유라는 구조적 특성을 통해 외부 용액과 빠른 반응속도로 반응할 수 있으며, 이로 인해 보다 우수한 생체활성을 나타낸다. 또한, 높은 공극률 및 넓은 표면적 특성으로 세포가 잘 부착될 뿐만 아니라 부착된 세포의 성장 및 증식이 효과적으로 이루어지는 장점을 가진다. 상기 생체활성 유리 나노섬유는 SiO2-CaO 또는 SiO2-CaO-P2O5의 기본 유리구조로 이루어진 생체활성 유리 나노섬유일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 생체활성 유리 나노섬유는 그 직경이 수 내지 수백 나노미터가 될 수 있으며, 기계적 및 화학적 물성뿐만 아니라 세포와의 부착성 및 생체 활성 등을 고려할 때 10nm 내지 900nm인 것이 바람직하다. 직경이 10nm 미만이면 기계적 물성이 저하되어 세포성장이나 증식이 이루어지는 동안 충분히 세포를 지지할 수 없고, 이와 반대로 900nm를 초과하면 기공이 커져 세포 부착이 어려워지므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.
특히 본 발명에 따른 생체활성 유리 나노섬유는 그 표면이 생분해성 고분자로 코팅되어 개질된다.
본 발명에서 사용되는 용어 '생분해성 고분자'는 생체 내에서 일정 시간이 지나면 자연적으로 무독성 분해 산물로 서서히 전환되는 고분자를 의미한다. 본 발명에서는 바람직하게 폴리(글리콜산), 폴리(L-락트산), 폴리(D,L-락트산-co-글리콜산), 폴리(L-락타이드-코-D, L-락타이드), 폴리(히드록시부티레이트), 폴리(히드록시발러레이트), 폴리(발레로락톤), 폴리(카프로락톤), 폴리디옥사논, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 생분해성 고분자를 생체활성 유리 나노섬유 상에 코팅하기 위하여 코팅용 용액으로 제조한다. 용매로는 상기 생분해성 고분자를 용해할 수 있는 것이면 제한되지 않으며 바람직하게는 트리플루오로에탄올(TFE)을 사용한다.
코팅용 용액으로서의 생분해성 고분자의 농도는 0.5w/v% 내지 10w/v%인 것이 바람직하다. 상기 생분해성 고분자의 농도가 0.5w/v% 미만인 경우 기계적 물성 향상, 즉 인장력과 연장률의 개선 효과가 미미하고, 상기 농도가 10w/v%를 초과하게 되면 본래 생체활성 유리 나노섬유의 몰폴로지(형태)를 유지하는 것이 어려운 단점을 가지게 된다. 나노섬유는 그 자체의 공극 채널, 섬유상 네트워크가 세포 반응 및 골 형성 유도에 필수적이므로 본래의 몰폴로지(형태)를 보존하는 것이 중요하다. 상기 사용되는 생분해성 고분자의 농도는 그 종류에 따라 적절하게 조절하여 사용할 수 있다.
본 발명의 생체활성 유리 나노섬유는 그 표면이 생분해성 고분자로 코팅되어 개질됨으로서 향상된 기계적 물성을 가지는 동시에 본래의 생리 활성을 유지하는 효과를 가진다.
구체적인 일 실험예에서, 생분해성 고분자로 폴리카프로락톤(PCL) 및 폴리락트산(PLA)를 각각 트리플루오로에탄올(TFE)를 용매로 하여 녹이고 0.5 내지 3w/v%의 코팅용 용액을 제조하였다. 상기 코팅용 용액으로 생체활성 유리 나노섬유를 제조하였을 때 코팅한 생분해성 고분자의 농도 증가에 따라 생체활성 유리 나노섬유의 총 중량도 증가하였으며, 기계적 물성 측정 시험에서, 상기 농도 증가에 따라 인장력 및 연장률이 증가하였으며, PCL 및 PLA에 따라서도 증가하는 인장력 및 연장률이 달라졌다.
즉, 생체활성 유리 나노섬유의 외부 조성에 따라서 인장력 및 연장률이 크게 달라지며, 본래 탄력성 및 인장력이 거의 없던 생체활성 유리 나노섬유는 기계적 물성이 효과적으로 개선된다.
구체적인 또다른 시험예로서 생분해성 고분자로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 몰폴로지 확인 시험 및 SBF에서의 세포 반응 시험에서, 미처리한 생체활성 유리 나노섬유와 비교하여 상기 생분해성 고분자 용액의 농도가 증가하는 경우에도 생체활성 유리 나노섬유 본래의 몰폴로지가 뚜렷한 차이를 나타내지 않았다.
특히, SBF에서 생분해성 고분자로 코팅되어 생체활성 유리 나노섬유의 표면이 개질되는 경우에도 아파타이트 형성이 유지되는 것은, 일단 이온이 방출되면 고분자 표면의 카르복실기 때문에 상대적으로 빠르게 고분자 표면에 이온 침전이 일어나기 때문이다.
본 발명은 또한, 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유를 포함하는 조직 재생용 이식재료를 제공한다. 본 발명의 생체활성 유리 나노섬유는 생분해성 고분자로 코팅되어 강화된 기계적 물성을 가지며 동시에 좋은 생리활성이 유지되므로 우수한 골, 또는 치주 조직의 재생용 이식재료로 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, (1) 생체활성 유리를 성형하여 생체활성 유리 나노섬유를 제조하는 단계(단계 1); (2) 생분해성 고분자를 트리플루오로에탄올(TFE)에 용해하여 코팅용 용액을 제조하는 단계(단계 2);및 (3) 단계 (2)에서 제조한 상기 코팅용 용액에 단계 (1)에서 제조한 생체활성 유리 나노섬유를 침지시켜 그 표면을 생분해성 고분자로 코팅하는 단계를 포함하는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유의 제조방법을 제공한다.
이하 각 단계별로 더욱 상세히 설명한다.
상기 단계 1은, 생체활성 유리를 성형하여 생체활성 유리 나노섬유를 제조하는 단계이다. 상기 생체활성 유리 나노섬유는 당업계에 공지된 다양한 방법에 의해 제조가 가능하며, 드로잉, 템플레이트, 상분리, 자기 조합, 전기방사 방법 등이 가능하다. 바람직하게는 전기방사 방법을 수행하여 제조하고, 이의 예로서 대한민국 등록특허 제10-0791518을 참조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 생체활성 유리 나노섬유는 유리 전구체로 오르소실리케이트(TEOS), 질산칼슘, 및 트리에틸 포스페이트를 혼합하고 얻어진 혼합물과 산을 포함하는 에탄올 수용액에 첨가하여 졸을 제조하고, 이를 숙성시켜 겔을 제조한 후, 적절한 조건으로 전기방사시켜 생체활성 유리 나노섬유를 제조한다.
이때 적절한 조건이란 전장의 세기, 전장 거리, 방사속도 등을 조절하여 형성된 나노섬유가 미세구조상으로 볼 때 비드(bead)가 없이 섬유형이 잘 발달되는 조건을 의미한다.
단계 1에 따라 제조된 생체활성 유리 나노섬유는 바람직하게, SiO2-CaO 또는 SiO2-CaO-P2O5의 기본 유리구조로 이루어진 생체활성 유리 나노섬유이고, 그 직경이 수 내지 수백 나노미터이며, 바람직하게는 그 직경이 10nm 내지 900nm이다.
상기 단계 2는 생분해성 고분자를 트리플루오로에탄올(TFE)에 용해하여 코팅용 용액을 제조하는 단계로서, 생체활성 유리 나노섬유 표면 개질을 위한 생분해성 고분자 코팅용액을 제조하는 단계이다. 상기 생분해성 고분자는 바람직하게 폴리(글리콜산), 폴리(L-락트산), 폴리(D,L-락트산-co-글리콜산), 폴리(L-락타이드-코-D, L-락타이드), 폴리(히드록시부티레이트), 폴리(히드록시발러레이트), 폴리(발레로락톤), 폴리(카프로락톤), 폴리디옥사논, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 코팅용 용액의 용매는 통상적으로 사용되는 다양한 용매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 트리플루오로에탄올(TFE)를 사용한다.
이 때 코팅시키는 생분해성 고분자의 농도는 0.5w/v% 내지 10w/v%인 것이 바람직하다. 상기 생분해성 고분자의 농도가 0.5w/v% 미만인 경우 기계적 물성 향상, 즉 인장력과 연장률의 개선 효과가 미미하고, 상기 농도가 10w/v%를 초과하게 되면 본래 생체활성 유리 나노섬유의 형태를 유지하는 것이 어려운 단점을 가지게 된다. 나노섬유는 그 자체의 공극 채널, 섬유상 네트워크가 세포 반응 및 골 형성을 유도에 필수적이므로 본래의 형태를 보존하는 것이 중요하다. 상기 사용되는 생분해성 고분자의 농도는 그 종류에 따라 적절하게 조절하여 사용할 수 있다.
상기 단계 3은 단계 (2)에서 제조한 상기 코팅용 용액에 단계 (1)에서 제조한 생체활성 유리 나노섬유를 침지시켜 그 표면을 생분해성 고분자로 코팅하는 단계이다. 먼저, 단계 (2)에서 제조한 코팅용 용액과 단계 (1)에서 제조한 생체활성 유리 나노섬유를 접촉시키고, 침지시킨다. 이때 침지 시간 및 방법은 필요에 따라 적절히 조절할 수 있다.
상기 코팅용 용액에 침지시킴으로서 생체활성 유리 나노섬유의 표면을 코팅하는 방법은 공지된 여러 방법이 가능하며, 바람직하게는 침윤 코팅법으로 수행한다. 이 때 침윤 코팅은 생분해성 고분자 용액이 나노섬유 필라멘트의 공극 채널로 모세관힘을 이용하여 코팅되는 것을 의미한다. 상기와 같은 코팅으로 생체활성 유리 나노섬유의 표면이 생분해성 고분자 용액으로 코팅된다.
이와 같이 제조된 생분해성 고분자로 코팅된 생체활성 유리 나노섬유는 기계적 물성이 뛰어날 뿐만 아니라 세포 친화도가 높아, 우수한 물리화학적 및 생물학적 특성을 갖도록 그 표면이 개질된다. 그 결과, 바이오 소재 분야에 적용되어 골 또는 치아 조직의 재생에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 생체활성 유리 나노섬유는 표면이 생분해성 고분자로 코팅하여 개질시킴으로서, 종래 생체활성 유리 나노섬유에 비해 우수한 기계적 물성을 가지며, 세포의 부착, 증식을 도와 조직재생 능력이 향상되어 골 및 치아조직 재생을 위한 조직 이식용 재료로서 이용 가능하다.
또한, 본 발명의 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유의 제조방법은 생분해성 고분자로 상기 생체활성 유리 나노섬유의 표면을 코팅하여 개질시킴으로서 간편하고 효율적인 방법으로 우수한 조직 이식용 재료를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 생체활성 유리 나노섬유의 SEM, TEM 촬영사진 및 생분해성 고분자 코팅에 따른 중량 증가%를 나타낸 그래프이다(a: 미처리한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진, b: 3w/v%의 PCL 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진, c: 3w/v%의 PLA 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진, d: 1w/v% PLA 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 TEM 촬영사진, e: 생분해성 고분자 코팅에 따른 생체활성 유리 나노섬유의 중량 증가% 그래프).
도 2는 생분해성 고분자로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 기계적 물성 시험 결과를 나타낸 그래프이다.(a: 1w/v%, 및 3w/v%의 PCL 및 PLA 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 인장력% 그래프, b: 1w/v% 및 3w/v%의 PCL 및 PLA 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 연장률% 그래프).
도 3은 SBF로 침지시킨 생분해성 고분자로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진이다(a, b, c: 침지 1일째, d, e, f: 침지 7일째, a 및 d: 미처리한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진, b 및 e: 3w/v% PCL 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진, c 및 f: 3w/v% 의 PLA 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진).
도 4는 생분해성 고분자로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 골 생리활성 시험에 대한 중량 증가% 그래프, XRD, 및 EDS 분석 그래프이다(a: SBF에서 침지 7일째 중량 증가% 그래프, b: SBF에서 침지 1, 3 및 7일째 생체활성 유리 나노섬유의 XRD 패턴그래프, c 및 d: SBF에서 침지 7일째 EDS 피크 및 결과 그래프).
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
(1) 생체활성 유리 나노섬유 제조
유리 전구체로 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS), 질산칼슘, 그리고 트리에틸 포스페이트를 각각 0.7:0.25:0.05의 몰비율이 되도록 각각 100g을 혼합하여 전구체 용액을 제조하였다. 상기 전구체 용액을 HCl (1N) 1g을 포함하는 물-에탄올 혼합물 (몰비 = 1:1) 1000ml와 혼합한 다음, 25℃에서 하룻 동안 교반후, 다시 50℃에서 이틀 동안 숙성시켜 겔을 제조하였다. 상기 제조된 겔을 10 % 폴리비닐-부티랄(PVB)과 1:2의 중량비로 혼합한 다음, 10ml을 취해 주사기에 넣고, 1kV/㎝의 DC 전기장 강도 및 0.5 ㎖/h의 주입 속도 하에서 금속컬렉터에 주입한 다음, 전기 방사시켜 생체활성 나노섬유를 제조하였다. 이어 700℃에서 3시간 동안 열처리하여 70SiO2·25CaO·5P2O5의 조성을 가지는 생체활성 유리 나노섬유를 제조하였다. 그 후 코팅 과정에 적합하도록 적당한 크기(10mm x 20mm)로 잘랐다.
(2) 코팅용 용액 제조
PCL(Sigma Aldrich) 또는 PLA(Boeringer Ingelheim)을 트리플루오로에탄올(TFE)에 녹여 0.5, 1 및 3w/v%의 코팅 용액을 각각 제조하였다.
(3) 생분해성 고분자로 코팅된 생체활성 유리 나노섬유의 제조
상기 (2)에서 제조한 코팅 용액에 (1)에서 제조한 생체활성 유리 나노섬유를 접촉시켜 상기 나노섬유 필라멘트의 공극 채널을 통하여 침윤 코팅시킴으로서 생분해성 고분자로 코팅된 생체활성 유리 나노섬유를 제조하였다.
실험예
실험예 1: 몰폴로지 특성 분석
상기 실시예 1에서 제조한 생분해성 고분자로 코팅된 생체활성 유리 나노섬유의 몰폴로지를 주사 전자 현미경(scanning elecrton microscopy, SEM; Hitachi S-3000H) 및 투사 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM; JEOL JEM3010)을 이용하여 촬영하였고 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에서, (a)는 미처리한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진이고, (b)는 3w/v%의 PCL 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진이고, (c)는 3w/v%의 PLA 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 SEM 촬영사진이다. (b) 및 (c)는 (a)와 비교하여 나노섬유 몰폴로지 상에 어떠한 눈에 띠는 변화를 나타내지 않았으며, 본래의 공극 채널과 거의 동일한 섬유상 네트워크를 보존하는 것을 확인할 수 있었다. SEM 촬영사진 상으로는 고분자 코팅층이 잘 나타나지 않아 TEM 촬영을 하였으며, (d)는 1w/v% PLA 용액으로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 TEM 촬영사진으로 얇은 고분자 층으로 코팅된 섬유 몰폴로지를 잘 보여주고 있다. (e)는 생체활성 유리 나노섬유의 코팅 과정 전후의 중량 증가%를 나타낸 그래프로 0.5w/v%의 고분자 코팅 용액을 사용한 경우에는 중량 증가율(~1~2%)이 적었지만, 3w/v%의 고분자 코팅 용액을 사용한 경우에는 중량 증가율(~6~8%)로 높았다. 즉 상기 SEM, TEM 촬영 및 중량 증가율을 비교해본 결과 3w/v% 농도의 생분해성 고분자로 코팅되는 경우에도 본래 섬유 네트워크 상의 공극 채널을 보존하면서 몰폴로지가 유지되었고, 고 농도의 용액으로 코팅할수록 중량 증가율이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2: 기계적 강도 측정
실시예에서 제조한 생분해성 고분자로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 기계적 물성을 인장 하중을 가하고 Instron을 사용하여 기록하였다. 상기 생분해성 고분자로 코팅된 생체활성 유리 나노섬유는 30mm x 5mm(±7.6)㎛ (길이 x 너비 x 두께)의 크기로 준비하였다. 생체활성 유리 나노섬유는 본래 Instron 기계를 이용하여 장력을 측정하기에 강도가 충분하지 못하다. 그러나, 고분자로 코팅된 생체활성 유리 나노섬유의 경우에는 인장 하중이 적용되면 전형적인 스트레스-스트레인 곡선을 나타내는 것이 관찰되었으며, 이 곡선으로부터 인장력 및 연장률을 계산하였다. 끊어지기 직전의 최대 인장 스트레스(인장력) 및 끊어지기 전의 스트레인(strain)인 연장률을 측정하여 기록하였고 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에서, 코팅하는 고분자 용액의 농도가 진해질수록(1 에서 3w/v%) 생체활성 유리 나노섬유의 인장력이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, PLA로 코팅하는 경우가 PCL로 코팅하는 경우보다 인장력 및 연장률이 더욱 증가하는 것을 확인하였다. 이는 코팅되는 고분자의 외부 조성이 코팅된 생체활성 유리 나노섬유의 인장력에 지대한 영향을 미치는 점을 시사한다. 도 3의 (b)에서 가해진 스트레스에 증가하는 인장률%를 확인할 수 있으며, 생분해성 고분자로 코팅된 생체활성 유리 나노셤유는 미처리된 생체활성 유리 나노섬유에서는 전혀 관찰되지 않는 매우 높은 유연성으로 쉬운 조작 및 핸들링을 가능하게 하였다.
실험예 3: 인 비트로 골 생리활성 시험
본 발명의 생분해성 고분자로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유가 단단한 조직의 재생 매트릭스를 타겟으로 하고 있기 때문에, 표면에 골 미네랄-유사 상의 형성을 관찰하기 위하여 SBF에 침지시키고 인 비트로 골 생리활성을 시험하였다.
실시예에 따라 제조한 생분해성 고분자로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유를 유사체액(simulated body fluid, SBF 인간 혈장과 유사한 이온을 포함하는 용액으로, 다음을 포함한다: 142mM Na+, 5mM K+, 2.5mM Ca+, 147.8mM Cl-, 4.2mM HCO3-, 0.5mM SO42-))에 침지시켜 생리활성을 시험하였다. 이때 코팅한 생분해성 고분자의 농도는 각각 0.5w/v%, 1w/v%, 및 3w/v%의 PCL 및 PLA 용액을 사용하였다.
SBF에 침지시킨 후에 꺼내어 몰폴로지 상의 변화를 SEM으로 촬영하여 도 3에 나타내었다. 또한, 상기 조성 변화를 관찰하기 위하여 XRD(X-ray diffraction, Rigaku) 및 EDS(energy dispersive spectroscopy, Bruker SNE-3000M)를 시험하였고, 도 4에 그 결과를 나타내었다. EDS 데이타로부터 침지 시간에 따른 Ca/P의 원자 조성의 변화를 계산하였다.
대조군으로서 미처리한 생체활성 유리 나노섬유를 유사체액에 침지시켜 상기 실험예 3과 동일한 조건으로 시험하였다.
도 3에서, SEM 촬영사진은 a, b,및 c는 SBF 침지 1일째 촬영한 사진, d e, 및 f는 SBF 침지 7일째 촬영사진이고, a 및 d는 미처리한 생체활성 유리 나노섬유, b 및 e는 3w/v% PCL로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유, c 및 f는 3w/v% PLA로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유의 촬영사진이다. 결과를 비교해보면, 고분자로 코팅된 경우나 미처리된 경우나 유사한 정도로 무기물화(mineralization)가 일어나서 SBF에 침지시킨지 7일이 경과한 경우 거의 모든 공극이 무기물로 막힌 것을 확인할 수 있었다. 즉 생리활성 유리 나노섬유의 표면이 고분자로 코팅되어 있으면, 유리 조성으로부터 이온 용해를 개시를 전혀 지연시키지 않고, 오히려 생체활성 유리 나노섬유의 생리활성을 잘 보존하여 우수한 골-생리활성 효과를 나타냄을 확인하였다.
도 4의 (a)에 SBF 용액으로 생체활성 유리 나노섬유를 침지시키는 동안 증가하는 중량 변화%를 나타내었다. 0.5w/v%, 1w/v% 및 3w/v%의 PCL 또는 PLA로 코팅한 모든 생체활성 유리 나노섬유의 중량이 침지 7일째 30 내지 50%의 중량범위로 증가하였다. 코팅시키는 고분자의 농도가 진할수록 중량 증가%도 컸다.
도 4의 (b)에 SBF 용액으로 침지시킨지 1일째, 3일째, 및 7일째의 생체활성 유리 나노섬유의 XRD를 시험하였다. 아파타이트에 관련한 피크가 잘 관찰되었으며 침지 시간일 길어질수록 강도가 강해진 것을 확인하였다.
도 4의 (c) 및 (d)는 생체활성 유리 나노섬유 표면의 원자 조성변화를 EDS로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 침지 시간이 길어질수록 Si의 비율은 급격하게 줄어드는 반면 P 및 Ca는 증가하는 것이 관찰되었다. 또한, Ca/P비율이 1.67까지 감소하였다.
상기 결과는 생분해성 고분자로 코팅한 생체활성 유리 나노섬유가 골-무기물 유사상의 발달과 함께 표면의 무기물화를 잘 유도하는 것을 의미한다.

Claims (10)

  1. 생체활성 유리 나노섬유; 및
    상기 생체활성 유리 나노섬유 상에 침윤 코팅된 생분해성 고분자를 포함하는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유로서, 코팅 전의 생체활성 유리 나노섬유의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 몰폴로지가 유지되어 있으며, 상기 침윤 코팅은 트리플루오로에탄올(TFE)에 용해된 0.5w/v% 내지 3w/v%의 생분해성 고분자 용액을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 생체활성 유리 나노섬유는 SiO2-CaO 또는 SiO2-CaO-P2O5의 기본 유리구조를 가지는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유.
  3. 제1항에 있어서, 상기 생분해성 고분자는 폴리(글리콜산), 폴리(L-락트산), 폴리(D,L-락트산-co-글리콜산), 폴리(L-락타이드-코-D, L-락타이드), 폴리(히드록시부티레이트), 폴리(히드록시발러레이트), 폴리(발레로락톤), 폴리(카프로락톤), 폴리디옥사논, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유.
  4. 제1항에 있어서, 상기 생체활성 유리 나노섬유는 직경이 10 내지 900nm인 것을 특징으로 하는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유.
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유를 포함하는 조직 재생용 이식재료.
  7. (1) 생체활성 유리를 성형하여 생체활성 유리 나노섬유를 제조하는 단계;
    (2) 생분해성 고분자를 트리플루오로에탄올(TFE)에 용해하여 코팅용 용액을 제조하는 단계; 및
    (3) 단계 (2)에서 제조한 상기 코팅용 용액에 단계 (1)에서 제조한 생체활성 유리 나노섬유를 침지시켜 그 표면을 생분해성 고분자로 침윤 코팅하는 단계를 포함하며, 상기 단계 (2)의 코팅용 용액은 0.5w/v% 내지 3w/v%의 생분해성 고분자 용액인 것인, 제1항의 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 생체활성 유리 나노섬유는 SiO2-CaO 또는 SiO2-CaO-P2O5의 기본 유리구조를 가지는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 생분해성 고분자는 폴리(글리콜산), 폴리(L-락트산), 폴리(D,L-락트산-co-글리콜산), 폴리(L-락타이드-코-D, L-락타이드), 폴리(히드록시부티레이트), 폴리(히드록시발러레이트), 폴리(발레로락톤), 폴리(카프로락톤), 폴리디옥사논, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 표면 개질된 생체활성 유리 나노섬유의 제조방법.
  10. 삭제
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