KR101982090B1 - 스핀코팅 기술과 동결건조 기술을 융합한 이중층 다공성 생체활성막 제조 방법 및 그에 의해 제조된 이중층 다공성 생체활성막 - Google Patents

Abstract

스핀코팅 기술과 동결건조 기술을 융합한 생체활성막 제조 방법 및 그에 의해 제조된 생체활성막이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성막 제조 방법은 (a1) 생분해성 고분자와 용매를 포함하는 고분자 용액을 준비하는 단계; (a2) 스핀코팅에 의해 상기 고분자 용액으로 이루어진 박막을 형성하는 단계; (a3) 상기 박막을 동결시키는 단계; 및 (a4) 상기 동결된 박막 내의 용매를 승화시켜 상기 박막을 건조하는 단계;를 포함한다.

Description

스핀코팅 기술과 동결건조 기술을 융합한 이중층 다공성 생체활성막 제조 방법 및 그에 의해 제조된 이중층 다공성 생체활성막{A method for fabricating two-layer porous bioactive membranes using spin coating technology and freeze-drying technology, and two-layer porous bioactive membranes fabricated by the method}

본 발명은 스핀코팅 기술과 동결건조 기술을 융합한 생체활성막 제조 방법 및 그에 의해 제조된 생체활성막에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 그 두 가지 기술을 융합하여 다공 구조를 가지며 단일층 또는 복수층으로 이루어진 생체활성막을 제조하는 방법 및 그에 의해 제조된 생체활성막에 관한 것이다.

수술 처치를 받은 수술 부위를 보호하기 위해 수술용 커버재가 일반적으로 사용된다. 예를 들어, 치과 수술을 받은 치조골 조직, 정형외과 수술을 받은 뼈 조직, 외과 수술 또는 산부인과 수술을 받은 장기 조직 등 다양한 수술 부위에 수술용 커버재가 사용된다.

수술용 커버재로서는 얇은 거즈(gauze)나 필름(film)이 일반적으로 사용되고 있다.

거즈 형태의 커버재는 다수의 기공들을 보유한 특징을 갖는데, 그 기공들의 크기가 조직 재생 시에 선호되는 크기인 10 내지 100 ㎛에 비해 과도하게 크기 때문에 조직 재생을 촉진하는 효과를 기대하기는 어렵고, 오히려 그 기공들에 의해 세균 또는 주변 조직이 수술 부위에 침투하기 쉬운 단점이 있다. 필름 형태의 커버재는 기공이 없는 치밀 구조를 갖기 때문에 세균 또는 주변 조직이 수술 부위에 침투하는 것을 막는 데에는 효과적이지만 기공 구조로 인한 조직 재생 촉진 효과는 전혀 기대할 수 없다.

한편, 상처난 피부에는 이를 보호하기 위한 피부용 커버재가 흔히 사용된다. 대표적인 피부용 커버재로는 상처 부위에 직접 닿는 폼층(foam layer) 및 이의 부착을 돕는 접착 테이프로 구성된 형태를 들 수 있다.

여기서 폼층은 상처 부위에 외부 자극이 가해지는 것을 막는 역할 및 상처 부위의 빠른 회복을 위해 습윤 환경을 조성하는 역할을 하는 것으로서, 일반적으로 폴리우레탄 폼으로 구비된다.

이러한 폼층은 피부에 대해서는 적합하게 사용될 수 있지만, 생분해성이 없기 때문에 체내 수술 부위를 커버하기 위한 용도로 사용되기 어렵다.

본 발명은 수술 부위, 상처난 피부 등에 폭넓게 사용될 수 있도록 다공성 구조 및 생분해성을 가진 생체활성막 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 (a1) 생분해성 고분자와 용매를 포함하는 고분자 용액을 준비하는 단계; (a2) 스핀코팅에 의해 상기 고분자 용액으로 이루어진 박막을 형성하는 단계; (a3) 상기 박막을 동결시키는 단계; 및 (a4) 상기 동결된 박막 내의 용매를 승화시켜 상기 박막을 건조하는 단계;를 포함하는 단일층 다공성 생체활성막 제조 방법 및 그에 의해 제조된 단일층 다공성 생체활성막을 제공한다.

상기 고분자 용액은 가교제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 가교제는 글루타르알데히드(glutaraldehyde)일 수 있다.

상기 생분해성 고분자는 메틸셀룰로오스(methyl cellulose)일 수 있고, 상기 용매는 물(water)일 수 있다.

본 발명은 또한, (b1) 제1 생분해성 고분자와 제1용매를 포함하는 제1 고분자 용액 및 제2 생분해성 고분자와 제2용매를 포함하는 제2 고분자 용액을 준비하는 단계; (b2) 스핀코팅에 의해 상기 제1 고분자 용액으로 이루어진 제1층을 형성하는 단계; (b3) 상기 제1층 내의 제1용매를 증발시켜 상기 제1층을 건조하는 단계; (b4) 스핀코팅에 의해 상기 제1층 위에 상기 제2 고분자 용액으로 이루어진 제2층을 형성하는 단계; (b5) 상기 제2층을 동결시키는 단계; (b6) 상기 제2층 내의 제2용매를 승화시켜 상기 제2층을 건조시키는 단계;를 포함하는 이중층 다공성 생체활성막 제조 방법 및 그에 따라 제조된 이중층 다공성 생체활성막을 제공한다.

상기 제1 및 제2 고분자 용액은 각각 가교제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 가교제는 글루타르알데히드(glutaraldehyde)일 수 있다.

상기 제1 및 제2 생분해성 고분자는 같은 물질일 수 있고, 상기 제1 및 제2 용매도 같은 물질일 수 있다.

상기 제1 및 제2 생분해성 고분자는 메틸셀룰로오스(methyl cellulose)일 수 있고, 상기 제1 및 제2 용매는 물(water)일 수 있다.

상기 제1 고분자 용액 내 상기 제1 생분해성 고분자의 함량 및 상기 제2 고분자 용액 내 상기 제2 생분해성 고분자의 함량은 각각 2 내지 14 중량% 일 수 있다.

상기 제2 고분자 용액은 인공뼈 성분(artificial bone substance)를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 고분자 용액은 적어도 한 종류의 약 성분(drug substance)을 더 포함할 수 있다.

상기 이중층 다공성 생체활성막에서 제1층의 두께는 5 내지 10 ㎛ 이고, 상기 제2층의 두께는 100 내지 300 ㎛일 수 있다.

본 발명은 또한, (c1) 제1 생분해성 고분자와 제1 용매를 포함하는 제1 고분자 용액, 제2 생분해성 고분자와 제2 용매를 포함하는 제2 고분자 용액 및 제3 생분해성 고분자와 제3 용매를 포함하는 제3 고분자 용액을 준비하는 단계; (c2) 스핀코팅에 의해 상기 제1 고분자 용액으로 이루어진 제1층을 형성하는 단계; (c3) 상기 제1층 내의 제1용매를 증발시켜 상기 제1층을 건조시키는 단계; (c4) 스핀코팅에 의해 상기 제1층 위에 상기 제2 고분자 용액으로 이루어진 제2층을 형성하는 단계; (c5) 상기 제2층 내의 제2용매를 증발시켜 상기 제2층을 건조시키는 단계; (c6) 스핀코팅에 의해 상기 제2층 위에 상기 제3 고분자 용액으로 이루어진 제3층을 형성하는 단계; (c7) 상기 제3층을 동결시키는 단계; (c8) 상기 제3층 내의 제3용매를 승화시켜 상기 제3층을 건조시키는 단계;를 포함하는 삼중층 다공성 생체활성막 제조 방법 및 그에 따라 제조된 삼중층 다공성 생체활성막을 제공한다.

상기 제1 내지 제3 고분자 용액은 각각 가교제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 가교제는 글루타르알데히드(glutaraldehyde)일 수 있다.

상기 제1 내지 제3 생분해성 고분자는 같은 물질일 수 있고, 상기 제1 내지 제3 용매도 같은 물질일 수 있다.

상기 제1 내지 제3 생분해성 고분자는 메틸셀룰로오스(methyl cellulose)일 수 있고, 상기 제1 내지 제3 용매는 물(water)일 수 있다.

상기 제1 고분자 용액 내 상기 제1 생분해성 고분자의 함량, 상기 제2 고분자 용액 내 상기 제2 생분해성 고분자의 함량 및 상기 제3 고분자 용액 내 상기 제3 생분해성 고분자의 함량은 각각 2 내지 14 중량% 일 수 있다.

상기 제2 고분자 용액과 상기 제3 고분자 용액 중 적어도 하나는 인공뼈 성분(artificial bone substance)를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 고분자 용액과 상기 제3 고분자 용액 중 적어도 하나는 적어도 한 종류의 약 성분(drug substance)을 포함할 수 있다.

상기 삼중층 다공성 생체활성막에서 상기 제1층 및 상기 제2층의 두께는 각각 5 내지 10 ㎛ 이고, 상기 제3층의 두께는 100 내지 300 ㎛ 일 수 있다.

본 발명에 의하면 스핀코팅 기술과 동결건조 기술을 융합 적용함으로써 다공 구조를 가진 생체활성막을 비교적 간단한 공정 및 시스템을 통해 생산할 수 있다. 이때 자연건조 또는 오븐건조에 의해 하나 이상의 치밀층을 형성하고 그 위에 동결건조에 의해 다공층을 형성하는 방식으로 하나 이상의 치밀층과 하나의 다공층으로 이루어진 다중층 생체활성막을 생산하는 것도 가능하다. 이러한 다중층 생체활성막은 각 층들이 서로 화학적으로 결합되기 때문에 한 몸을 이룬다.

본 발명의 생체활성막은 생분해성 고분자를 원료로 하여 제조되므로 생분해성을 가지며 제조 과정에서 가교제가 사용됨으로써 우수한 구조적 안정성을 갖는다. 또한 본 발명의 생체활성막은 신축성이 크고 감김 특성(wound ability)이 우수하여 뼈와 같은 굴곡진 대상물에도 용이하게 부착될 수 있다.

본 발명의 생체활성막은 수술용 커버재, 피부용 커버재 등 다양한 용도의 의료용 커버재로 사용될 수 있다.

수술용 커버재로 사용되는 경우 본 발명의 생체활성막은 다공 구조를 가지므로 조직의 빠른 재생에 기여할 수 있으며, 바깥에 위치하는 치밀층을 가진 경우 세균이나 주변조직이 수술 부위에 침투하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

피부 커버재로 사용되는 경우 본 발명의 생체활성막은 다공 구조를 가지므로 상처 부위를 습윤 환경으로 유지시킬 수 있고 상처 부위에서 나오는 진물을 효과적으로 빨아들임으로써 상처의 빠른 회복을 촉진할 수 있으며, 바깥에 위치하는 치밀층을 가진 경우 세균 등의 침입을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성막 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 그 제조 방법에 의해 제조된 단일층 다공성 생체활성막을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 그 제조 방법에 의해 실제 제조된 단일층 다공성 생체활성막 샘플의 사진이다.
도 4 내지 도 6은 그 단일층 다공성 생체활성막 샘플의 SEM 사진이다.
도 7 내지 도 9는 그 단일층 다공성 생체활성막 샘플의 특성을 설명하기 위한 사진이다.
도 10a 내지 도 10e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체활성막 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 그 제조 방법에 의해 제조된 이중층 다공성 생체활성막을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 그 제조 방법에 의해 실제 제조된 이중층 다공성 생체활성막 샘플의 사진이다.
도 13 내지 도 16은 그 이중층 다공성 생체활성막 샘플의 SEM 사진이다.
도 17a 내지 도 17f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생체활성막 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 그 제조 방법에 의해 제조된 삼중층 다공성 생체활성막을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 19는 그 제조 방법에 의해 실제 제조된 삼중층 다공성 생체활성막 샘플의 사진이다.
도 20 내지 도 23은 그 삼중층 다공성 생체활성막 샘플의 SEM 사진이다.

이하에서는 도면에 도시된 실시예들을 참조하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

1. 단일층 다공성 생체활성막

1.1. 제조 방법

도 1a 내지 도 1d를 참조하여 단일층 다공성 생체활성막 제조 방법에 대해 설명한다.

도 1a를 참조하면, 먼저 고분자 용액(100a)을 준비한다.

고분자 용액(100a)은 생체활성막의 재료가 되는 용액이다. 고분자 용액(100a)은 생분해성 고분자와 용매를 포함하며, 생분해성 고분자가 용매에 용해되어 고르게 분산된 상태를 갖는다.

생분해성 고분자로는 인체에 대해 독성이 없고 상온에서 형태가 안정적으로 유지되는 고분자가 사용된다. 생분해성 고분자로서 메틸셀룰로오스(methyl cellulose)가 적합하게 사용될 수 있다. 고분자 용액(100a)에서 생분해성 고분자의 함량 범위는 2 내지 14 중량% 일 수 있다.

용매로는 생분해성 고분자를 용해시킬 수 있는 액체가 사용된다. 메틸셀룰로오스와 같은 수용성 고분자가 사용되는 경우, 물(water)이 용매로서 적합하게 사용될 수 있다.

고분자 용액(100a)은 가교제(cross linking agent)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 가교제는 생체활성막의 구조적, 화학적 안정성을 증대시키기 위한 것으로서, 예로써 글루타르알데히드(glutaraldehyde)가 가교제로 사용될 수 있다. 고분자 용액에서 가교제의 함량 범위는 1 내지 5 중량% 일 수 있다.

고분자 용액(100a)에 가교제가 포함된 경우 가교 위한 산촉매 환경을 제공하기 위해 고분자 용액(100a)에 산촉매가 첨가될 수 있다. 산촉매로는 염산(HCl)이 사용될 수 있다.

고분자 용액(100a)은 첨가제로서 인공뼈 성분(artificial bone substance)을 또한 포함할 수 있다.

고분자 용액(100a)은 첨가제로서 한 종류 이상의 약 성분(drug substance)을 또한 포함할 수 있다. 예로써, 고분자 용액(100a)은 약 성분으로서 THF(tetrahydrofolate)와 같은 항생제나 BMP(bone morphogenetic proteins)와 같은 성장촉진제를 포함할 수 있다.

도 1b를 참조하면, 다음으로 스핀코팅(spin coating)에 의해 고분자 용액으로 이루어진 박막(100b)을 형성한다.

구체적으로, 접시(20)에 적정 양의 고분자 용액을 부은 후 스핀코팅 장치(10)로 접시(20)를 고속 회전시킴으로써 고분자 용액이 박막(100b)의 형태가 되도록 한다.

고분자 용액을 접시(20)에 붓기 전에 접시(20)의 상면에 분리 필름이 깔려질 수 있다. 분리 필름은 제조 과정이 끝난 후에 생체활성막이 접시(20)로부터 잘 떨어지도록 하기 위한 것이며, OHP 필름이나 테프론 필름이 분리 필름으로 사용될 수 있다.

도 1c를 참조하면, 다음으로 동결장치(300)를 이용하여 고분자 용액으로 이루어진 박막을 동결시킨다.

동결장치(300)는 받침대(31), 드라이아이스(32) 및 금속판(33)을 포함하는 것일 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 드라이아이스(32) 위에 금속판(33)이 놓여지고 그 위에 접시(20)가 놓여진다. 드라이아이스(32)가 승화되면서 접시(20) 안의 박막이 냉각되어 동결되며, 이때 금속판(33)은 박막이 전체 면적에 걸쳐 균일하게 냉각되는 것을 돕는다. 금속판(33)으로는 구리판이 사용될 수 있다.

이러한 동결을 통해 박막(100c)에 다공 구조가 형성된다. 구체적으로, 동결 과정에서 박막에 함유된 용매는 나무가 자랄 때처럼 박막의 아래에서부터 시작하여 위쪽으로 점차 얼려지게 되는데, 이때 박막 내에서 동결된 용매가 점유하는 공간의 구조가 다공 구조가 된다.

이 과정에서 박막의 볼륨이 크게 부풀려지게 되며 따라서 동결된 박막(100c)의 두께는 동결되기 이전 박막(100b)의 두께에 비해 크게 신장된다. 대략적으로 동결된 박막(100c)의 두께는 동결 이전 박막(100b)의 두께보다 10 내지 30 배가 된다.

도 1d를 참조하면, 다음으로 박막 내의 용매를 승화시킴으로써 박막을 건조한다.

박막 건조를 위해 감압용기(41), 진공펌프(42) 및 냉각기(43)를 구비한 도 1d의 건조장치(40)가 사용될 수 있다. 구체적으로, 감압용기(41) 안의 받침대(41a) 위에 동결된 박막을 수용한 접시(20)가 놓여지며, 냉각기(43)에 의해 감압용기(41)의 내부 온도를 설정 온도 이하로 유지하면서, 진공펌프(42)를 통해 감압용기(41)의 내부 압력을 떨어뜨림으로써 박막에 함유된 용매가 승화되어 감압용기(41) 밖으로 배출되도록 한다.

이때 감압용기(41)의 내부 온도를 설정 온도 이하로 유지시키는 것은 박막 내의 용매가 승화되기 전에 녹는 것을 방지하기 위한 것이다. 예로써 상기 설정 온도는 용매의 어는점 온도일 수 있다.

이와 같이 건조장치(40)를 통해 박막 내 용매를 승화시켜 제거함으로써 박막의 건조가 수행되며, 이 과정에서 박막(100d)은 부풀려진 형태 그대로 고체화되고 동결 상태의 용매로 채워졌던 박막(100d) 내 다공 구조는 빈 공간이 된다.

건조 단계 이후에 박막(100d)에 대한 세척 단계를 거침으로써 생체활성막(100)이 완성된다.

이상 설명한 바와 같이, 스핀코팅(spin coating) 기술과 동결건조(freeze-drying) 기술을 융합 적용함으로써 비교적 간단한 제조 공정 및 시스템으로 단일층의 다공성 생체활성막(100)을 생산하는 것이 가능하게 된다.

1.2. 단일층 생체활성막(100)의 특징

도 2는 전술한 제조 방법에 의해 제조되는 생체활성막(100)을 개략적으로 나타낸 것이다. 이 도면에서 막 두께는 설명의 편의상 실제보다 훨씬 두껍게 도시되었음에 유의한다. 도시된 바와 같이, 생체활성막(100)은 단일층으로 이루어지며 도 2에 나타내지는 않았으나 저면(101)에서부터 상면(102)에까지 형성된 다공 구조를 갖는다.

전술한 제조 방법과 아래 표 1의 조건들을 적용하여 도 3의 단일층 다공성 생체활성막 샘플을 제조하였으며, 전자현미경(SEM)을 사용하여 그 샘플을 확대 촬영한 사진들을 도 4 내지 도 6에 첨부하였다. 도 4, 도 5, 도 6은 각각 샘플의 저면, 상면, 종단면을 보이는 것이다.

단일층 생체활성막 제조 조건

고분자 용액 조성	① 용매: 물 ② 고분자: 메틸셀룰로우스 4 wt% ③ 가교제: 글루타르알데히드 2 wt% (가교 시간: 1 hr) ④ 산촉매: 염산 1 wt%
스핀코팅	회전속도: 1000 rpm 시간: 45 sec
동결	냉매: 드라이아이스 시간: 5 min
건조(승화)	온도: -60 ℃ 압력: 60 kPa 시간: 3 hr

도 4 내지 도 6을 참조하면, 생체활성막(100)은 단일층으로 이루어져 있고 대략 300 ㎛의 두께를 가짐을 확인할 수 있다. 생체활성막(100)의 두께는 고분자 용액 내 고분자 함량 조절을 통해 다양하게 가변될 수 있다.

생체활성막(100)에 막 전체에 걸쳐 촘촘하며 3차원적으로 배열된 수 많은 기공들로 이루어진 다공 구조가 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 그리고 저면 사진(도 4)과 상면 사진(도 5)을 비교하면 상면(102)보다는 저면(101)에서 기공의 크기가 좀 더 크다는 것을 확인할 수 있는데, 이는 막 동결 과정에서 용매의 동결이 막의 저면에서 시작되어 상면 쪽으로 진행되고 그러한 동결 용매의 성장을 통해 다공 구조가 형성되기 때문이다. 그리고 생체활성막(100)에 형성된 기공들은 대략 10 내지 100 ㎛ 의 크기를 가짐을 확인할 수 있다.

이러한 생체활성막(100)은 메틸셀룰로우스와 같이 독성이 없는 생분해성 고분자로 만들어지므로 생분해성 및 생체적합성을 갖는다.

또한 생체활성막(100)은 가교를 통해 높은 구조적 안전성(또는 형태적 안전성)을 갖도록 제조되었기 때문에, 도 7에 도시된 바와 같이, 물이나 혈액 등의 액체에 적셔지는 경우에도 부스러지지 않고 그 형태가 안정적으로 유지된다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 생체활성막(100)은 높은 신축성을 가지므로 잘 늘어나고 원래 모양으로 잘 복원되는 특성을 나타낸다. 그리고 도 9에 도시된 바와 같이, 생체활성막(100)은 식염수와 같은 액체에 적셔 사용할 경우 뛰어난 감김 특성(wound ability)을 나타내므로 뼈와 같은 둥근 대상물도 용이하게 커버할 수 있다.

또한, 생체활성막(100)은 수많은 기공들로 이루어진 다공 구조를 가지므로 혈액이나 영양분을 잘 흡수하는 특성을 나타낸다. 따라서 피부나 뼈와 같은 생체 조직을 덮는 용도로 사용될 경우 해당 조직이 회복하거나 성장하는 데 기여할 수 있다.

2. 이중층 다공성 생체활성막

2.1. 제조 방법

도 10a 내지 도 10e를 참조하여 이중층 다공성 생체활성막 제조 방법에 대해 설명한다. 이 설명을 하면서 전술한 단일층 다공성 생체활성막 제조 방법의 설명에서 이미 소개한 내용은 간략히 언급하거나 생략한다.

도 10a를 참조하면, 먼저 제1 생분해성 고분자와 제1용매를 포함하는 제1 고분자 용액(210a) 및 제2 생분해성 고분자와 제2용매를 포함하는 제2 고분자 용액(220a)을 준비한다.

제1 고분자 용액(210a)은 생체활성막의 제1층(치밀한 하층)의 재료가 되는 용액이고, 제2 고분자 용액(220a)은 생체활성막의 제2층(다공성 상층)의 재료가 되는 용액이다.

제1 및 제2 생분해성 고분자로 같은 물질이 적용될 수 있는데, 다른 물질의 적용을 배제하는 것은 아니다. 예로써 제1 및 제2 생분해성 고분자로서 메틸셀룰로오스(methyl cellulose)가 공통적으로 적용될 수 있다.

제1 고분자 용액(210a)에서 제1 생분해성 고분자의 함량 및 제2 고분자 용액(220a)에서 제2 생분해성 고분자의 함량은 각각 2 내지 14 중량% 일 수 있다.

제1 및 제2 용매로 같은 물질이 적용될 수 있는데, 다른 물질의 적용을 배제하는 것은 아니다. 예로써 제1 및 제2 용매로서 물(water)이 공통적으로 적용될 수 있다.

제1 및 제2 고분자 용액(210a, 220a)은 각각 가교제를 더 포함하는 것이 바람직하며, 가료제로서 글루타르알데히드가 사용될 수 있다. 각 고분자 용액에서 가교제인 함량 범위는 1 내지 5 중량% 일 수 있다. 이처럼 가교제가 사용된 경우 각 고분자 용액에는 산촉매가 첨가될 수 있으며, 산촉매로서는 염산(HCl)이 사용될 수 있다.

제1 및 제2 고분자 용액(210a, 220a) 중 적어도 하나는 첨가제로서 인공뼈 성분이나 약(drug) 성분을 포함할 수 있다.

도 10b를 참조하면, 다음으로 스핀코팅에 의해 제1 고분자 용액으로 이루어진 제1층(210b)을 형성한다. 이 스핀코팅을 위해 전술한 스핀코팅 장치(10)가 사용될 수 있다.

다음으로, 상기 제1층(210b)을 건조한다. 이 건조 단계는 제1층(210b)에 함유된 제1용매를 증발시킴으로써 수행되며, 오븐 건조 방식 내지 자연 건조 방식이 적용될 수 있다.

도 10c를 참조하면, 다음으로 스핀코팅에 의해 건조 상태의 제1층(210c) 위에 제2 고분자 용액으로 이루어진 제2층(220b)을 형성한다. 이 스핀코팅을 위해 전술한 스핀코팅 장치(10)가 사용될 수 있다.

이때, 제2층(220b) 형성을 위해 사용되는 제2 고분자 용액(220a)의 양(m2)은 제1층(210b)의 형성을 위해 사용된 제1 고분자 용액(210a)의 양(m1)과 비교하여 그와 같거나 그보다 더 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 비율 m1:m2 은 1:1 내지 1:3 일 수 있다.

도 10d를 참조하면, 다음으로 동결장치를 이용하여 제2층을 동결시킨다. 동결장치로는 전술한 동결장치(30)가 사용될 수 있다. 이 동결 과정에서 제2층(220c)이 크게 부풀려지면서 제2층(220c)에 다공 구조가 형성된다. 따라서 동결된 제2층(220c)의 두께는 동결 이전에 비해 대략 10 내지 30배까지 신장된다.

도 10e를 참조하면, 다음으로 제2층 내의 용매를 승화시킴으로써 제2층을 건조한다. 이 건조 단계를 위해 전술한 건조장치(40)가 사용될 수 있다. 이 건조 과정에서 제2층(220d)은 부풀려진 형태 그대로 고체화되며, 그에 함유된 용매가 승화되어 제거됨으로써 빈 공간의 다공 구조를 갖게 된다.

여기서 주목할 점은 제2층(220d)이 고체화되는 과정에서 제1층(210c)과 제2층(220d) 간의 공유 결합(covalent bond)이 진행된다는 것이다. 이는 제1층(210c)과 제2층(220d)이 화학적 결합에 의해 한 몸체가 됨을 의미한다. 따라서 두 층의 결합을 위해 접착제와 같은 접착수단의 도움이 전혀 필요하지 않다.

마지막으로 세척 단계를 거쳐 생체활성막(100)이 완성된다.

이상 설명한 바와 같이, 스핀코팅(spin coating) 기술과 동결건조(freeze-drying) 기술을 융합 적용함으로써 비교적 간단한 제조 공정 및 시스템으로 치밀층(dense layer or non-porous layer)인 제1층과 다공층(porous layer)인 제2층으로 이루어지며 두 층이 화학적으로 결합된 이중층 다공성 생체활성막(200)을 생산하는 것이 가능하게 된다.

2.2. 이중층 생체활성막(200)의 특징

도 11은 전술한 제조 방법에 의해 제조되는 이중층 다공성 생체활성막(200)을 개략적으로 나타낸 것이다. 이 도면에서 막 두께는 설명의 편의상 실제보다 훨씬 두껍게 도시되었음에 유의한다.

생체활성막(200)은 치밀층(비다공층)인 제1층(210) 및 다공층인 제2층(220)으로 구성된다. 도면에 표시된 점선(205)은 두 층(210, 220) 간의 경계를 가리키는 것이나, 이는 생체활성막(200)의 층 구조를 쉽게 설명하기 위해 개념적으로 표시한 것이며 전술했듯이 두 층(210, 220)이 화학적 결합에 의해 한 몸을 이루기 때문에 실제로는 생체활성막(200)의 외관 상에 두 층(210, 220)을 구분하는 경계가 나타나지 않음에 유의해야 한다.

전술한 제조 방법과 아래 표 2의 조건들을 적용하여 도 12의 이중층 다공성 생체활성막(200) 샘플을 제조하였으며, 전자현미경(SEM)을 사용하여 그 샘플을 확대 촬영한 사진들을 도 13 내지 도 16에 첨부하였다. 도 13, 도 14, 도 15는 각각 샘플의 저면, 상면, 종단면을 보이는 것이고, 도 16은 도 15의 사진보다 더 큰 배율로 촬영된 샘플의 종단면 사진이다.

이중층 생체활성막 제조 조건

고분자 용액 조성	① 용매: 물 ② 고분자: 메틸셀룰로우스 4 wt% ③ 가교제: 글루타르알데히드 2 wt% (가교 시간: 1 hr) ④ 산촉매: 염산 1 wt%
스핀코팅	회전속도: 1000 rpm 시간: 45 sec
제1층 건조(증발)	온도: 43 ℃ 시간: 3 hr
동결	냉매: 드라이아이스 시간: 5 min
제2층 건조(승화)	온도: -60 ℃ 압력: 60 kPa 시간: 3 hr

도 13 내지 도 16을 참조하면, 생체활성막(200)은 대략 10 ㎛의 두께를 가진 치밀한 비다공성의 제1층(210) 및 대략 200 ㎛의 두께를 가진 다공성의 제2층(220)으로 이루어짐을 확인할 수 있다. 각 층의 두께는 상응하는 고분자 용액의 고분자 함량의 조절을 통해 다양하게 가변될 수 있다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 다공성의 제2층(220)에는 수 많은 기공들이 3차원적으로 연결된 다공 구조가 형성되었음을 확인할 수 있다. 그리고 도 16에서 잘 보여지듯이, 치밀한 제1층(210)과 다공성의 제2층(220)은 한 몸을 이루고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 제2층(220)에 형성된 기공들은 대략 10 내지 100 ㎛ 의 크기를 가짐을 확인할 수 있다.

단일층 다공성 생체활성막(100)과 마찬가지로, 이중층 다공성 생체활성막(200)은 생분해성과 생체적합성을 가지며, 높은 구조적(또는 형태적) 안정성을 가지며, 높은 신축성 및 우수한 감김 특성(wound ability)을 가지며, 또한 다공성 구조로 인해 혈액이나 영양분을 잘 흡수하는 특성을 갖는다.

그 뿐만 아니라, 이중층 다공성 생체활성막(200)은 다공층(제2층)의 일측을 커버하는 치밀층(제1층)을 보유하고 있으므로 세균 침투 방지 등을 위한 별도의 보호막이 추가될 필요 없이 그 치밀층이 보호막으로서의 기능을 수행할 수 있다.

3. 삼중층 다공성 생체활성막

3.1. 제조 방법

도 17a 내지 도 17f를 참조하여 삼중층 다공성 생체활성막 제조 방법에 대해 설명한다. 이 설명을 하면서 전술한 단일층 다공성 생체활성막 제조 방법의 설명에서 이미 소개한 내용은 간략히 언급하거나 생략한다.

도 17a를 참조하면, 먼저 제1 생분해성 고분자와 제1 용매를 포함하는 제1 고분자 용액(310a), 제2 생분해성 고분자와 제2 용매를 포함하는 제2 고분자 용액(320a) 및 제3 생분해성 고분자와 제3 용매를 포함하는 제3 고분자 용액(330a)을 준비한다.

제1 고분자 용액(310a)은 생체활성막의 제1층(치밀한 하층)의 재료가 되는 용액이고, 제2 고분자 용액(320a)은 생체활성막의 제2층(치밀한 중간층)의 재료가 되는 용액이며, 제3 고분자 용액(330a)은 생체활성막의 제3층(다공성 상층)의 재료가 되는 용액이다.

제1, 제2 및 제3 생분해성 고분자로서 같은 물질이 적용될 수 있는데, 다른 물질의 적용을 배제하는 것은 아니다. 예로써 제1, 제2 및 제3 생분해성 고분자로서 메틸셀룰로오스(methyl cellulose)가 공통적으로 적용될 수 있다.

제1 고분자 용액(310a)에서 제1 생분해성 고분자의 함량, 제2 고분자 용액(320a)에서 제2 생분해성 고분자의 함량 및 제3 고분자 용액(330a)에서 제3 생분해성 고분자의 함량은 각각 2 내지 14 중량% 일 수 있다.

제1, 제2 및 제3 용매로 같은 물질이 적용될 수 있는데, 다른 물질의 적용을 배제하는 것은 아니다. 예로써 제1 및 제2 용매로서 물(water)이 공통적으로 적용될 수 있다.

제1, 제2 및 제3 고분자 용액(310a, 320a, 330a)은 각각 가교제를 더 포함하는 것이 바람직하며, 가료제로서 글루타르알데히드가 사용될 수 있다. 각 고분자 용액에서 가교제인 함량 범위는 1 내지 5 중량% 일 수 있다. 이처럼 가교제가 사용된 경우 각 고분자 용액에는 산촉매가 첨가될 수 있으며, 산촉매로서는 염산(HCl)이 사용될 수 있다.

제1, 제2 및 제2 고분자 용액(310a, 320a, 330a) 중 적어도 하나는 첨가제로서 인공뼈 성분이나 약(drug) 성분을 포함할 수 있다.

도 17b를 참조하면, 다음으로 스핀코팅에 의해 제1 고분자 용액으로 이루어진 제1층(310b)을 형성한다. 이 스핀코팅을 위해 전술한 스핀코팅 장치(10)가 사용될 수 있다.

다음으로, 상기 제1층(310b)을 건조시킨다. 이 건조 단계는 박막(310b)에 함유된 제1용매를 증발시킴으로써 수행되며, 오븐 건조 방식 내지 자연 건조 방식이 적용될 수 있다.

도 17c를 참조하면, 다음으로 스핀코팅에 의해 건조 상태의 제1층(310c) 위에 제2 고분자 용액으로 이루어진 제2층(320b)을 형성한다. 이 스핀코팅을 위해 전술한 스핀코팅 장치(10)가 사용될 수 있다.

다음으로, 상기 제2층(320b)을 건조시킨다. 이 건조 단계는 제2층(320b)에 함유된 제1용매를 증발시킴으로써 수행되며, 오븐 건조 방식 내지 자연 건조 방식이 적용될 수 있다.

제2층(320b)이 건조되어 고체화되는 과정에서 제1층(310c)과 제2층(320b) 간의 공유 결합이 진행된다. 이는 제1층(310c)과 제2층(320b)이 화학적 결합에 의해 한 몸체가 됨을 의미한다. 따라서 두 층(310c, 320b)의 결합을 위해 접착제와 같은 접착수단의 도움이 전혀 필요하지 않다.

도 17d를 참조하면, 다음으로 스핀코팅에 의해 건조 상태의 제2층(320c) 위에 제3 고분자 용액으로 이루어진 제3층(320b)을 형성한다. 이 스핀코팅을 위해 전술한 스핀코팅 장치(10)가 사용될 수 있다.

이때, 제3층(320b) 형성을 위해 사용되는 제3 고분자 용액(320a)의 양(m3)은 제1층(310b)의 형성을 위해 사용된 제1 고분자 용액(310a)의 양(m1) 및 제2층(320b)의 형성을 위해 사용된 제2 고분자 용액(320a)의 양(m2)과 비교하여 그와 같거나 그보다 더 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 비율 m1:m2 및 비율 m1:m3는 각각 1:1 내지 1:3 일 수 있다.

도 17e를 참조하면, 다음으로 동결장치를 이용하여 제3층을 동결시킨다. 동결장치로는 전술한 동결장치(30)가 사용될 수 있다. 이 동결 과정에서 제3층(330c)이 크게 부풀려지면서 제3층(330c)에 다공 구조가 형성된다. 따라서 동결된 제3층(330c)의 두께는 동결 이전에 비해 대략 10 내지 30배까지 신장된다.

도 17f를 참조하면, 다음으로 제3층 내의 용매를 승화시켜 제3층을 건조시킨다. 이 건조 단계를 위해 전술한 건조장치(40)가 사용될 수 있다. 이 건조 과정에서 제3층(330d)은 부풀려진 형태 그대로 고체화되며, 그에 함유된 용매가 승화되어 제거됨으로써 빈 공간의 다공 구조를 갖게 된다.

여기서 주목할 점은 제3층(330d)이 고체화되는 과정에서 제2층(320c)과 제3층(330d) 간의 공유 결합(covalent bond)이 진행된다는 것이다. 이는 제2층(320c)과 제3층(330d)은 화학적 결합에 의해 한 몸체가 됨을 의미한다. 따라서 두 층의 결합을 위해 접착제와 같은 접착수단의 도움이 전혀 필요하지 않다.

마지막으로 세척 단계를 거쳐 생체활성막(300)이 완성된다.

이상 설명한 바와 같이, 스핀코팅(spin coating) 기술과 동결건조(freeze-drying) 기술을 융합 적용함으로써 비교적 간단한 제조 공정 및 시스템으로 치밀층(dense layer or non-porous layer)인 제1층과 제2층 그리고 다공층(porous layer)인 제3층으로 이루어지며 그 세 개의 층이 화학적으로 결합된 삼중층 다공성 생체활성막(300)을 생산하는 것이 가능하게 된다.

3.2. 삼중층 생체활성막(300)의 특징

도 18은 전술한 제조 방법에 의해 제조되는 삼중층 다공성 생체활성막(300)을 개략적으로 나타낸 것이다. 이 도면에서 막 두께는 설명의 편의상 실제보다 훨씬 두껍게 도시되었음에 유의한다.

생체활성막(300)은 치밀층(비다공층)인 제1층(310)과 제2층(320) 및 다공층인 제3층(330)으로 구성된다. 도면에 표시된 점선들(305, 306)은 층들(310, 320, 330) 간의 경계를 가리키는 것이나, 이는 생체활성막(300)의 층 구조를 쉽게 설명하기 위해 개념적으로 표시한 것이며 전술했듯이 제1 및 제2층(310, 320)이 서로 화학적으로 결합하고 또한 제2 및 제3 층(320, 330)이 서로 화학적으로 결합하여 세 개의 층(310, 320, 330) 전체가 한 몸을 이루기 때문에 실제로는 생체활성막(300)의 외관 상에 세 개의(310, 320, 330)을 구분하는 경계가 나타나는 것은 아님에 유의해야 한다.

전술한 제조 방법과 아래 표 3의 조건들을 적용하여 도 19의 삼중층 다공성 생체활성막(300) 샘플을 제조하였으며, 전자현미경(SEM)을 사용하여 그 샘플을 확대 촬영한 사진들을 도 20 내지 도 23에 첨부하였다. 도 20, 도 21, 도 22는 각각 샘플의 저면, 상면, 종단면을 보이는 것이고, 도 23은 도 22의 사진보다 더 큰 배율로 촬영된 샘플의 종단면 사진이다.

삼중층 생체활성막 제조 조건

고분자 용액 조성	① 용매: 물 ② 고분자: 메틸셀룰로우스 4 wt% ③ 가교제: 글루타르알데히드 2 wt% (가교 시간: 1 hr) ④ 산촉매: 염산 1 wt% ⑤ 인공뼈가루(수산화인회석): 1 wt% (제2층에만 적용)
스핀코팅	회전속도: 1000 rpm 시간: 45 sec
제1층 건조(증발)	온도: 43 ℃ 시간: 3 hr
동결	냉매: 드라이아이스 시간: 5 min
제2층 건조(승화)	온도: -60 ℃ 압력: 60 kPa 시간: 3 hr

도 20 내지 도 23을 참조하면, 생체활성막(300)은 대략 7 ㎛의 두께를 가진 치밀한 제1층(310) 및 제2층(320) 그리고 대략 200 ㎛의 두께를 가진 다공성의 제3층(220)으로 이루어짐을 확인할 수 있다. 각 층의 두께는 상응하는 고분자 용액의 고분자 함량의 조절을 통해 다양하게 가변될 수 있다.

도 22 및 도 23을 참조하면, 다공성의 제3층(330)에는 수 많은 기공들이 3차원적으로 연결된 다공 구조가 형성되었음을 확인할 수 있다. 그리고 도 23에서 잘 보여지듯이, 세 개의 층(310, 320, 330)은 한 몸을 이루고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 제3층(330)에 형성된 기공들은 대략 10 내지 100 ㎛ 의 크기를 가짐을 확인할 수 있다.

4. 생체활성막들(100, 200, 300)의 용도

상술한 생체활성막(100, 200, 300)은 다양한 용도로 활용될 수 있으며, 대표적으로 수술용 커버재 및 피부용 커버재로서 활용될 수 있다. 이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

4.1. 수술용 커버재로서의 활용

생체활성막(100, 200, 300)은 수술 부위를 덮기 위한 커버재로 적합하게 사용될 수 있다.

생체활성막(100, 200, 300)은 생분해성이 있고, 구조적 안정성이 커서 피나 물 등의 액체가 적셔지는 경우에도 부스러지지 않으며, 뼈와 같은 굴곡 있는 대상물에도 잘 부착되는 성질을 갖는다. 따라서 치과 수술을 받은 치조골 조직, 정형외과 수술을 받은 뼈 조직, 외과 수술 또는 산부인과 수술을 받은 장기 조직 등 다양한 수술 부위가 생체활성막(100, 200, 300)의 적용 대상이 될 수 있다.그리고 생체활성막(100, 200, 300)에 구비된 다공 구조는 수술 부위 조직의 빠른 재생을 돕는다. 구체적으로, 생체활성막(100, 200, 300)의 다공 구조는 10 내지 100 ㎛ 정도의 크기를 갖는데 이는 생체 조직을 이루는 세포가 선호하는 크기이고 모세관 현상에 의해 혈액이나 영양분을 빨아들이기에 이상적인 크기이기 때문에 그 다공 구조에 의해 수술 부위 조직의 재생이 촉진될 수 있다.

다만 단일층의 생체활성막(100)보다는 복수층의 생체활성막(200, 300)이 수술용 커버재로서 보다 더 적합하게 사용될 수 있다. 이중층 생체활성막(200)은 다공층인 제2층(220)이 수술 부위에 접촉되게 위치하고 치밀층(비다공층)인 제1층(210)이 바깥에 위치하도록 사용될 수 있으며, 치밀한 제1층(210)에 의해 수술 부위에 세균이나 주변조직이 침투하는 것이 방지될 수 있다. 그리고, 삼중층 생체활성막(300)은 다공층인 제3층(330)이 수술 부위에 접촉되게 위치하고 치밀층인 제1층(310)이 제일 바깥에 위치하도록 사용될 수 있으며, 치밀한 제1층(210)에 의해 수술 부위에 세균이나 주변조직이 침투하는 것이 방지될 수 있다. 반면 단일층의 생체활성막(100)은 다공 구조를 가진 하나의 층으로만 이루어져 있고 치밀층을 갖지 않기 때문에 세균 내지 주변조직의 침투를 방지하는 측면에서는 상대적으로 취약하다.

뼈 조직을 덮는 용도로 사용되는 경우 생체활성막(100, 200, 300)에는 막이 분해되는 과정에서 뼈 조직에 제공되어 그 재생을 돕는 인공뼈 성분(artificial bone substance)이 포함될 수 있다. 이중층 생체활성막(200)의 경우 다공층인 제2층(220)에 인공뼈 성분이 포함되는 것이 바람직하며, 삼충증 생체활성막(300)의 경우 치밀한 중간층인 제2층(320)에 인공뼈 성분이 포함되는 것이 바람직하다.

또한 생체활성막(100, 200, 300)에는 한 종류 이상의 약 성분(drug substance)이 포함될 수 있다. 예를 들어 약 성분은 THF(tetrahydrofolate)와 같은 항생제나 BMP(bone morphogenetic proteins)와 같은 성장촉진제일 수 있다. 이중층 생체활성막(200)의 경우 다공층인 제2층(220)에 약 성분이 포함되는 것이 바람직하며, 삼충증 생체활성막(300)의 경우 치밀한 중간층인 제2층(320)에 인공뼈 성분이 포함되는 것이 바람직하다.

4.2. 피부 커버재로서의 활용

생체활성막(100, 200, 300)은 상처난 피부를 덮기 위한 커버재로도 적합하게 사용될 수 있다.

생체활성막(100, 200, 300)은 수많은 기공을 포함한 다공 구조를 가지므로 상처 부위를 습윤 환경으로 유지시킬 수 있으며 상처 부위에서 나오는 진물을 효과적으로 빨아들일 수 있다.

복수층의 생체활성막(200, 300)이 피부 커버재로 사용될 경우 바깥에 위치하는 치밀층(비다공층)인 제1층(210, 310)을 가지고 있으므로 세균 등의 침입을 효과적으로 막을 수 있다.

생체활성막(100, 200, 300)은 기존의 폴리우레탄 폼에 의해 훨씬 얇게 제작될 수 있으므로 피부 커버재를 얇게 제작하고자 하는 경우 특히 유용하게 적용될 수 있다.

10 : 스핀코팅 장치
20 : 접시
30 : 동결장치
40 : 건조장치
100 : 단일층 다공성 생체활성막
200 : 이중층 다공성 생체활성막
210a : 제1 고분자 용액
220a : 제2 고분자 용액
210 : 제1층
220 : 제2층
300 : 삼중층 다공성 생체활성막
310a : 제1 고분자 용액
320a : 제2 고분자 용액
330a : 제3 고분자 용액
310 : 제1층
320 : 제2층
330 : 제3층

Claims (12)

1. (b1) 제1 생분해성 고분자와 제1용매를 포함하는 제1 고분자 용액 및 제2 생분해성 고분자와 제2용매를 포함하는 제2 고분자 용액을 준비하는 단계;
   (b2) 스핀코팅에 의해 상기 제1 고분자 용액으로 이루어진 제1층을 형성하는 단계;
   (b3) 상기 제1층 내의 제1용매를 증발시켜 상기 제1층을 건조시키는 단계;
   (b4) 스핀코팅에 의해 상기 제1층 위에 상기 제2 고분자 용액으로 이루어진 제2층을 형성하는 단계;
   (b5) 상기 제2층을 동결시키는 단계;
   (b6) 상기 제2층 내의 제2용매를 승화시켜 상기 제2층을 건조시키는 단계;
   를 포함하는 이중층 다공성 생체활성막 제조 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 고분자 용액은 각각 가교제를 더 포함하는,
   이중층 다공성 생체활성막 제조 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 가교제는 글루타르알데히드(glutaraldehyde)인,
   이중층 다공성 생체활성막 제조 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 생분해성 고분자는 같은 물질이며, 상기 제1 및 제2 용매는 같은 물질인,
   이중층 다공성 생체활성막 제조 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1 및 제2 생분해성 고분자는 메틸셀룰로오스(methyl cellulose)인,
   이중층 다공성 생체활성막 제조 방법.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1 및 제2 용매는 물인,
   이중층 다공성 생체활성막 제조 방법.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 고분자 용액 내 상기 제1 생분해성 고분자의 함량 및 상기 제2 고분자 용액 내 상기 제2 생분해성 고분자의 함량은 각각 2 내지 14 중량% 인,
   이중층 다공성 생체활성막 제조 방법.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 고분자 용액은 인공뼈 성분(artificial bone substance)를 포함하는,
   이중층 다공성 생체활성막 제조 방법.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 고분자 용액은 적어도 한 종류의 약 성분(drug substance)을 포함하는,
   이중층 다공성 생체활성막 제조 방법.
   
10. 청구항 1 내지 9 중에서 어느 하나의 청구항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 이중층 다공성 생체활성막.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1층과 상기 제2층은 공유 결합에 의해 서로 화학적으로 결합된,
    이중층 다공성 생체활성막.
    
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1층의 두께는 5 내지 10 ㎛ 이고, 상기 제2층의 두께는 100 내지 300 ㎛인,
    이중층 다공성 생체활성막.

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