KR102105549B1 - A manufacturing method for calcium phosphate hydrogel composition containing a constant content of calcium phosphate - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a hydrogel composition containing a specific amount of calcium phosphate. Since the hydrogel composition prepared by the method has a fixed content of calcium phosphate, it is possible to quantify phosphate contained in the hydrogel composition.

Description

일정한 함량의 인산칼슘을 함유하는 인산칼슘 하이드로겔 조성물의 제조방법{A manufacturing method for calcium phosphate hydrogel composition containing a constant content of calcium phosphate}A manufacturing method for calcium phosphate hydrogel composition containing a constant content of calcium phosphate}

일정한 함량의 인산칼슘을 함유하는 하이드로겔 조성물의 제조방법에 관한 것이다. It relates to a method for producing a hydrogel composition containing a certain amount of calcium phosphate.

골다공증은 골 강도의 약화로 골절이 증가하게 되는 골격계 질환으로서 노인성 질환에 해당되며 인구의 고령화로 인하여 전 세계적으로 중요한 보건학적 문제로 대두되고 있다. 우리나라도 고령화가 빨리 진행되고 있는 나라 중 하나로 골다공증 환자 역시 빠른 속도로 증가할 것으로 예상된다. 우리나라 4차 국민건강영양 조사에 따르면 50세 이상 여성의 약 35% 정도가 골다공증 환자인 것으로 조사되었으며, 향후 그 수가 더 늘어날 것으로 예상된다. 따라서 골다공증 환자의 증가에 따라 많은 골다공증 치료 약제가 이미 개발되었고 또한 현재 개발 중이다. Osteoporosis is a skeletal disease in which fractures increase due to weakening of bone strength, and is a senile disease, and has emerged as an important health problem worldwide due to the aging of the population. Korea is also one of the countries that is aging rapidly, and osteoporosis patients are also expected to increase rapidly. According to the 4th National Health and Nutrition Survey of Korea, about 35% of women over 50 are osteoporosis patients, and the number is expected to increase in the future. Therefore, with the increase in osteoporosis patients, many osteoporosis treatment drugs have already been developed and are currently being developed.

한편, 동물 모델이란 사람과 유사한 질환이나 손상에 대한 연구에서 동물을 사용하는 것을 의미하는 것으로 연구자는 동물모델을 통해 사람에게 시행하기 어려운 치료법과 및 시술 등을 적용할 수 있고 이에 대한 치료 효과 등을 확인할 수 있다. 의약분야에서는 특정 질병의 연구에 분자생물학적, 유전학적, 생명공학적 요소가 중요한 부분을 차지함에 따라 질환모델 동물의 역할이 중요하게 되었고 특정질병에 대한 연구를 수행하기 위해서 피험자를 대상으로 하는 임상시험을 하기 전에 전 임상실험(preclinical test)을 하는 것이 필수적인 단계가 되었다. 그러나, 동물 모델과 관련하여 윤리적 문제가 대두됨에 따라 동물 모델을 대체할 만한 실험 모델의 개발이 필요하다. 뿐만 아니라, 현재 골다공증 동물모델의 제작을 위해서는 최소 6개월 이상의 시간이 소요되며 동물모델을 이용한 골다공증 치료제의 효과 확인을 위해서는 CT 등의 고가 장비들이 사용되고 있다. 이 경우, 장비 사용 및 분석을 위한 전문인력과 많은 시간이 소요되고 있다. 따라서 보다 간단하면서 빠른 시간 내에 골다공증의 확인 및 치료제의 효능을 확인하기 위한 평가방법의 개발이 요구되고 있다. On the other hand, the animal model refers to the use of animals in the study of diseases or injuries similar to humans. Researchers can apply treatment methods and procedures that are difficult to implement to humans through animal models, and show the therapeutic effects. Can be confirmed. In the field of medicine, as molecular biological, genetic, and biotechnological factors play an important part in the study of specific diseases, the role of disease model animals became important and clinical trials involving subjects were conducted to conduct research on specific diseases. Preclinical testing has become an essential step before doing so. However, as ethical issues emerge with respect to animal models, it is necessary to develop experimental models that can replace animal models. In addition, currently, it takes at least six months to produce an animal model of osteoporosis, and expensive equipment such as CT is used to confirm the effect of an osteoporosis treatment using an animal model. In this case, it takes a lot of time and expertise to use and analyze equipment. Therefore, it is necessary to develop an evaluation method for confirming osteoporosis and efficacy of a therapeutic agent in a simpler and faster time.

일 양상은 젤라틴 용액에 키토산을 용해하여 제1 조성물을 제조하는 단계; 염화칼슘 용액에 인산칼슘을 분산하여 제2 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 제1 조성물 및 제2 조성물을 혼합하여 인산칼슘 하이드로겔 조성물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.One aspect is a step of preparing a first composition by dissolving chitosan in a gelatin solution; Dispersing calcium phosphate in a calcium chloride solution to prepare a second composition; And it is to provide a method for preparing a calcium phosphate hydrogel composition by mixing the first composition and the second composition.

다른 양상은 상기 방법에 의해 제조된 하이드로겔 조성물을 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a hydrogel composition prepared by the above method.

다른 양상은 산성용액에 상기 하이드로겔 조성물을 용해하는 단계; 및 상기 조성물로부터 유리된 인산염의 함량을 측정하는 단계를 포함하는 인산칼슘을 정량하는 방법을 제공하는 것이다. Another aspect is dissolving the hydrogel composition in an acidic solution; And measuring the content of phosphate freed from the composition.

일 양상은 젤라틴 용액에 키토산을 용해하여 제1 조성물을 제조하는 단계; 염화칼슘 용액에 인산칼슘을 용해하여 제2 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 제1 조성물 및 제2 조성물을 혼합하여 인산칼슘 하이드로겔 조성물을 제조하는 방법을 제공한다. One aspect is a step of preparing a first composition by dissolving chitosan in a gelatin solution; Preparing a second composition by dissolving calcium phosphate in a calcium chloride solution; And a method for preparing a calcium phosphate hydrogel composition by mixing the first composition and the second composition.

본 명세서에서 용어 "하이드로겔(hydrogel)"은 친수성 고분자가 공유 또는 비공유 결합으로 가교되어 만들어진 3차원 망상구조물을 의미할 수 있다. 구성 물질의 친수성으로 인해 수용액 내 및 수성 환경 하에서 많은 양의 물을 흡수하며 팽윤하지만 가교 구조에 의해 용해되지 않는 성질을 가지고 있다. 따라서 구성성분과 제조방법에 따라 다양한 형태와 성질을 가진 하이드로겔이 만들어질 수 있으며 일반적으로 다량의 수분을 함유하고 있으므로 액체와 고체의 중간성질을 갖는 것일 수 있다.The term "hydrogel (hydrogel)" in the present specification may mean a three-dimensional network structure made by crosslinking a hydrophilic polymer by a covalent or non-covalent bond. Due to the hydrophilicity of the constituent materials, it absorbs and swells a large amount of water in an aqueous solution and under an aqueous environment, but has a property of not dissolving by a crosslinked structure. Therefore, depending on the composition and manufacturing method, hydrogels having various shapes and properties can be made, and generally contain a large amount of moisture, so that they may have liquid and solid intermediate properties.

본 명세서에서 용어 "키토산(chitosan)"은 D-글루코사민과 N-아세틸글루코사민으로 이루어진 선형다당류를 의미할 수 있다. 상기 키토산은 하기 구조식 1로 표시될 수 있으며 대게, 새우와 갑각류 껍데기를 수산화나트륨 염기로 처리함으로써 수득할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 키토산은, 순수 키토산 외에, 키토산 유도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 키토산 유도체는 프탈화 키토산, 에스터화 키토산, 아미드화 키토산, 또는 포르밀화 키토산 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다:The term "chitosan" in the present specification may mean a linear polysaccharide composed of D-glucosamine and N-acetylglucosamine. The chitosan may be represented by the following Structural Formula 1 and may be obtained by treating a shellfish, shellfish and crustacean shells with a sodium hydroxide base, but is not limited thereto. The chitosan may include chitosan derivatives in addition to pure chitosan. For example, the chitosan derivative may include at least one of phthalated chitosan, esterified chitosan, amidated chitosan, or formylated chitosan:

[구조식 1][Structural Formula 1]

Figure 112019076714076-pat00001
Figure 112019076714076-pat00001

본 명세서에서 용어, "인산칼슘 (Calcium Phosphate)"은 칼슘의 각종 인산염을 지칭할 수 있으며 하기 구조식 2로 표시될 수 있다. 상기 인산칼슘은 비정형 인산칼슘(Amorphous calcium phosphate), 삼인산칼슘(Tricalcium phosphate, TCP), 및 사인산칼슘 (Tetracalcium phosphate, TTCP)으로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다:In the present specification, the term "calcium phosphate (Calcium Phosphate)" may refer to various phosphates of calcium and may be represented by the following structural formula 2. The calcium phosphate may be selected from the group consisting of amorphous calcium phosphate, tricalcium phosphate (TCP), and calcium phosphate (Tetracalcium phosphate, TTCP):

[구조식 2][Structural Formula 2]

Figure 112019076714076-pat00002
Figure 112019076714076-pat00002

일 구체예에 따른 방법은 젤라틴 용액에 키토산을 용해하여 제1 조성물을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 키토산은 제1 조성물 100 중량%에 대하여 0.1 내지 10 중량%, 0.1 내지 8 중량%, 0.1 내지 5 중량%, 0.1 내지 0.25 중량%, 0.25 내지 0.3 중량%, 0.15 내지 0.2 중량%, 1 내지 8 중량%, 또는 1 내지 5 중량%로 포함된 것일 수 있다. 이때, 키토산의 함량이 상기 범위 미만인 경우, 제1 조성물의 점도가 낮아 형태가 일정한 하이드로겔 조성물을 제조하기 어려울 뿐만 아니라, 형성된 하이드로겔 조성물로부터 인산칼슘이 쉽게 새어 나올 수 있다는 문제점이 있으며 상기 범위를 초과하는 경우, 제1 조성물의 점도가 높아 인산칼슘이 일정하게 분포하기 어려울 뿐만 아니라 기포가 형성되므로 고른 형태의 하이드로겔을 제조하기 어렵다는 문제점이 있다. The method according to one embodiment comprises dissolving chitosan in a gelatin solution to prepare a first composition. The chitosan is 0.1 to 10% by weight, 0.1 to 8% by weight, 0.1 to 5% by weight, 0.1 to 0.25% by weight, 0.25 to 0.3% by weight, 0.15 to 0.2% by weight, 1 to 8% based on 100% by weight of the first composition It may be included by weight%, or 1 to 5% by weight. At this time, when the content of the chitosan is less than the above range, the viscosity of the first composition is low, so it is difficult to prepare a hydrogel composition having a constant shape, and there is a problem that calcium phosphate can easily leak from the formed hydrogel composition. If it exceeds, the viscosity of the first composition is high, and it is difficult to manufacture the hydrogel in an even form because it is difficult to uniformly distribute calcium phosphate and bubbles are formed.

일 구체예에 따른 방법은 염화칼슘 용액에 인산칼슘을 분산하여 제2 조성물을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 단계는 인산칼슘이 용해된 염화칼슘 용액을 음파 처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 인산칼슘은 제2 조성물 100 중량%에 대하여 0.1 내지 10 중량%, 0.1 내지 8 중량%, 0.1 내지 5 중량%, 0.5 내지 6 중량%, 0.5 내지 3.5 중량%, 4.5 내지 7.5 중량%, 또는 1.5 내지 2.5 중량%로 포함된 것일 수 있다. 이때, 인산칼슘의 함량이 상기 범위 미만인 경우, 인산칼슘 하이드로겔을 골다공증 모델 등에 적용하기 어렵다는 문제점이 있으며 상기 범위를 초과하는 경우, 세포 및 동물에 적용시 독성을 유발할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 생물학적 자극을 일으킬 수 있다는 문제점이 있다. The method according to one embodiment comprises dispersing calcium phosphate in a calcium chloride solution to prepare a second composition. The step may further include sonicating the calcium chloride solution in which calcium phosphate is dissolved. The calcium phosphate is 0.1 to 10% by weight, 0.1 to 8% by weight, 0.1 to 5% by weight, 0.5 to 6% by weight, 0.5 to 3.5% by weight, 4.5 to 7.5% by weight, or 1.5 relative to 100% by weight of the second composition It may be included at 2.5% by weight. At this time, when the content of calcium phosphate is less than the above range, there is a problem that it is difficult to apply calcium phosphate hydrogel to an osteoporosis model, etc., and if it exceeds the above range, it may cause toxicity when applied to cells and animals, as well as other biological stimuli There is a problem that can cause.

일 구체예에 따른 방법은 상기 하이드로겔 조성물을 염기성 용액에 드롭(drop)하여 하이드로겔 비드 조성물을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 염기성 용액은 pH 8 내지 11인 것일 수 있다. 예를 들어, pH 8 내지 11, pH 8 내지 10, pH 8 내지 9, pH 9 내지 11, pH 9 내지 10, 또는 pH 10 내지 11인 것일 수 있다. 이때, 용액의 pH가 상기 범위 미만인 경우, 순간적인 가교반응이 일어나지 않아 비드의 형태를 유지하지 못하고 용매, 즉, 염기성 용액에 용해되는 문제점이 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우, 가교가 너무 빨리 일어나 반복 재현성이 있는 하이드로겔의 형태를 구현하기 어려울 뿐만 아니라, 세포와 함께 배양할 경우 pH로 인한 세포 독성을 일으킬 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 상기 염기성 용액을 예를 들어, 수산화나트륨 용액, 수산화칼슘 용액 또는 암모니아 용액 등인 것일 수 있다. The method according to one embodiment includes the step of preparing a hydrogel bead composition by dropping the hydrogel composition into a basic solution. The basic solution may be pH 8 to 11. For example, it may be pH 8 to 11, pH 8 to 10, pH 8 to 9, pH 9 to 11, pH 9 to 10, or pH 10 to 11. At this time, when the pH of the solution is less than the above range, there is a problem in that the instantaneous crosslinking reaction does not occur to maintain the shape of the beads and is dissolved in a solvent, that is, a basic solution, and when it exceeds the above range, crosslinking occurs too quickly. Not only is it difficult to implement the form of a hydrogel with reproducibility, there is a problem that when cultured with cells, it can cause cytotoxicity due to pH. In addition, the basic solution may be, for example, sodium hydroxide solution, calcium hydroxide solution or ammonia solution.

다른 양상은 상기 방법으로 제조된 인산칼슘 하이드로겔 조성물을 제공한다. 상기 하이드로겔 조성물은 하이드로겔 비드 조성물인 것일 수 있다. 상기 인산칼슘은 하이드로겔 조성물 100 중량%에 대하여 0.1 내지 10 중량%로 포함되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 인산염은 0.1 내지 10 중량%, 0.1 내지 8 중량%, 0.1 내지 5 중량%, 0.5 내지 8 중량%, 0.5 내지 5 중량%, 2.5 내지 5 중량% 또는 1 내지 5 중량%로 포함되는 것일 수 있다. 이때, 인산염의 함량이 상기 범위 미만인 경우, 파골세포와 인산칼슘의 접촉면적이 감소하여 세포의 파골효과를 확인하기 어렵다는 문제점이 있으며 상기 범위를 초과하는 경우, 하이드로겔에 포함될 수 있는 인산칼슘의 양이 과포화되는 바, 형성된 하이드로겔 조성물로부터 인산칼슘이 새어 나오는 문제점이 있다. 즉, 상기 조성물은 인산칼슘의 함량이 일정한 바, 하이드로겔 조성물 내에 포함된 인산염의 함량을 측정함으로써 인산칼슘의 감소량을 정량적으로 확인할 수 있다. Another aspect provides a calcium phosphate hydrogel composition prepared by the above method. The hydrogel composition may be a hydrogel bead composition. The calcium phosphate may be included in 0.1 to 10% by weight based on 100% by weight of the hydrogel composition. For example, the phosphate comprises 0.1 to 10% by weight, 0.1 to 8% by weight, 0.1 to 5% by weight, 0.5 to 8% by weight, 0.5 to 5% by weight, 2.5 to 5% by weight, or 1 to 5% by weight It can be. At this time, when the content of phosphate is less than the above range, there is a problem in that it is difficult to confirm the osteoclast effect of the cells by reducing the contact area between osteoclast and calcium phosphate, and when it exceeds the above range, the amount of calcium phosphate that can be included in the hydrogel As this is supersaturated, there is a problem that calcium phosphate leaks from the formed hydrogel composition. That is, since the composition has a constant content of calcium phosphate, the amount of decrease in calcium phosphate can be quantitatively confirmed by measuring the content of phosphate contained in the hydrogel composition.

또한, 상기 하이드로겔 조성물은 바이오 잉크용 조성물인 것일 수 있다. 하이드로겔 조성물에 함유된 키토산은 pH 6 이하의 산성 환경에서는 용해도가 비교적 우수하지만, 키토산의 함량이 높은 경우 수화된 키토산 고분자체가 높은 점도를 가지고 있는바, 3D 프린팅을 위한 잉크로 사용될 수 있다. In addition, the hydrogel composition may be a composition for bio ink. The chitosan contained in the hydrogel composition has relatively good solubility in an acidic environment of pH 6 or lower, but when the content of chitosan is high, the hydrated chitosan polymer body has a high viscosity, and thus can be used as an ink for 3D printing.

다른 양상은 산성용액에 상기 하이드로겔 조성물을 용해하는 단계; 및 상기 하이드로겔 조성물로부터 유리된 인산염의 함량을 측정하는 단계를 포함하는 인산칼슘을 정량하는 방법을 제공한다. 상기 산성용액은 염화수소 용액, 질산 용액, 황산 용액, 또는 아세트산 용액 등인 것일 수 있다.Another aspect is dissolving the hydrogel composition in an acidic solution; And measuring the content of phosphate freed from the hydrogel composition. The acidic solution may be a hydrogen chloride solution, a nitric acid solution, a sulfuric acid solution, or an acetic acid solution.

일 구체예에서, 산성용액에 하이드로겔 조성물을 용해하는 단계 전, 하이드로겔 조성물을 바이오프린팅 하는 단계를 포함할 수 있다. 바이오프린팅에 의해 제조된 구조체를 산성용액에 용해한 후, 상기 하이드로겔 조성물로부터 유리된 인산염의 함량을 측정함으로써, 인산칼슘을 정량할 수 있다. In one embodiment, prior to dissolving the hydrogel composition in an acidic solution, it may include the step of bioprinting the hydrogel composition. After dissolving the structure prepared by bioprinting in an acidic solution, calcium phosphate can be quantified by measuring the content of phosphate liberated from the hydrogel composition.

다른 구체예에서, 상기 하이드로겔 조성물은 하이드로겔 비드 조성물인 것일 수 있다. 즉, 하이드로겔 비드 조성물은 일정한 함량의 인산칼슘을 포함하고 있으므로, 하이드로겔 비드 조성물로부터 유리된 인산염의 함량을 측정함으로써, 인산칼슘을 정량할 수 있다. In another embodiment, the hydrogel composition may be a hydrogel bead composition. That is, since the hydrogel bead composition contains a certain amount of calcium phosphate, calcium phosphate can be quantified by measuring the content of phosphate liberated from the hydrogel bead composition.

일 양상에 따른 하이드로겔 조성물을 제조하는 방법은 순간적으로 pH를 조절하여 하이드로겔을 가교시킴으로써 인산염의 함량이 일정한 바, 인산칼슘에서 유리된 칼슘염 또는 인산염을 측정하여 하이드로겔 조성물 내에 포함된 인산칼슘을 정량적으로 확인할 수 있다. 또한, 물성 향상을 위해 고온소결 및 동결건조 공정이 필수적으로 요구되는 통상의 인산칼슘 화합물을 포함하는 조성물과 달리, 상온공정으로 생체친화적인 조성물을 제조할 수 있는바, 인체 골조직과 화학적, 물리적으로 유사한 하이드로겔 조성물을 이용한 골다공증 조직의 제작 및 이를 이용한 골다공증 치료제의 평가시스템으로 사용될 수 있다. The method for preparing a hydrogel composition according to one aspect is that the content of the phosphate is constant by crosslinking the hydrogel by adjusting the pH instantaneously, and the calcium phosphate or calcium phosphate contained in the hydrogel composition is measured by measuring the calcium salt or phosphate free from calcium phosphate. Can be quantitatively confirmed. In addition, unlike a composition containing a conventional calcium phosphate compound, which requires a high-temperature sintering and lyophilization process to improve physical properties, it is possible to prepare a bio-friendly composition by a normal temperature process, and thus, human bone tissue and chemically and physically It can be used as a fabrication system for osteoporosis tissues using a similar hydrogel composition and an evaluation system for osteoporosis treatments using the same.

도 1은 일 양상에 따른 하이드로겔 조성물 및 상기 조성물을 포함하는 비드를 제조하는 방법에 관한 그림이다.
도 2a는 일 양상에 따른 하이드로겔을 알리자린 레드 S 용액으로 염색한 후, 하이드로겔 내에 함유된 칼슘을 확인한 사진이다.
도 2b는 일 양상에 따른 하이드로겔에 함유된 칼슘 양을 측정한 그래프이다.
도 2c는 일 양상에 따른 하이드로겔에 함유된 칼슘 양을 정량화하기 위한 그래프이다.
도 3a는 일 양상에 따른 하이드로겔을 3±0.5 ㎜ 크기의 비드로 제조한 사진이다.
도 3b는 일 양상에 따른 하이드로겔 비드 내에 포함된 인산염의 함량을 측정한 그래프이다.
도 4는 일 양상에 따른 하이드로겔 비드 내에 포함된 인산염의 함량을 인산표준용액을 이용하여 측정한 표준곡선 그래프이다.
도 5는 일 양상에 따른 하이드로겔 비드 내에 포함된 인산염의 함량을 시간 변화에 따라 측정한 그래프이다.
1 is a diagram of a hydrogel composition according to an aspect and a method of manufacturing beads comprising the composition.
Figure 2a is a photograph confirming the calcium contained in the hydrogel after dyeing the hydrogel according to one aspect with alizarin Red S solution.
Figure 2b is a graph measuring the amount of calcium contained in the hydrogel according to one aspect.
2C is a graph for quantifying the amount of calcium contained in a hydrogel according to an aspect.
3A is a photograph of a hydrogel according to an aspect made of beads having a size of 3 ± 0.5 mm.
Figure 3b is a graph measuring the content of phosphate contained in a hydrogel bead according to one aspect.
Figure 4 is a standard curve graph measured using a phosphate standard solution for the content of phosphate contained in a hydrogel bead according to one aspect.
5 is a graph measuring the content of phosphate contained in a hydrogel bead according to one aspect over time.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments are provided to help understanding of the present invention. However, the following examples are only provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[실시예][Example]

실시예 1. 키토산 및 인산칼슘을 포함하는 하이드로겔 조성물의 제조Example 1. Preparation of a hydrogel composition comprising chitosan and calcium phosphate

0.1M HCl 8.5㎖에 젤라틴(sigma, G2500) 0.15g을 넣고 120℃에서 120 rpm으로 10 내지 15분 동안 교반하였다. 이후, 키토산(sigma, 448869) 0.15g을 첨가한 후 120℃에서 300 rpm으로 3 내지 4시간 동안 중탕, 교반하여 제1 혼합물을 제조하였다. 키토산은 pH 6 이하의 산성 환경에서는 높은 용해도를 나타내는 반면, pH 6 이상의 환경에서는 겔화되는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여, 상기 제1 혼합물의 용매로 pH 1의 강산성 용매인 HCL 0.1M을 사용하여 혼합물을 제조하였다. 0.15 g of gelatin (sigma, G2500) was added to 8.5 ml of 0.1M HCl, and the mixture was stirred at 120 ° C. at 120 rpm for 10 to 15 minutes. Thereafter, 0.15 g of chitosan (sigma, 448869) was added, followed by bathing and stirring at 120 ° C for 300 to 300 rpm for 3 to 4 hours to prepare a first mixture. Chitosan exhibits high solubility in acidic environments below pH 6, while it has a gelling property in environments above pH 6. Using these properties, a mixture was prepared using HCL 0.1M, a strongly acidic solvent having a pH of 1, as a solvent of the first mixture.

다음으로, 5㎖ 튜브에 0.1M HCl 1.5㎖을 넣고 CaCl2(wako, 031-00435) 0.147g을 추가한 후 충분히 볼텍싱 하였다. 이후, 상기 용액에 인산삼칼슘(tricalcium phosphate, TCP)(samchun, C0196) 0.2g을 추가한 후 10분 동안 음파처리(sonication)하여 제2 혼합물을 제조하였다. 상기 제1 혼합물에 제2 혼합물을 천천히 한 방울씩 넣고, 120℃에서 1시간 동안 교반하여 하이드로겔 조성물을 제조하였다. 이후, 상온에서 강알칼리 수용액인 1N NaOH 용액에 상기 조성물을 10㎕씩 드롭하여 하이드로겔 비드를 제조하였다. Next, 1.5 ml of 0.1M HCl was added to a 5 ml tube, and 0.147 g of CaCl 2 (wako, 031-00435) was added, followed by vortexing sufficiently. Thereafter, 0.2 g of tricalcium phosphate (TC) (samchun, C0196) was added to the solution, followed by sonication for 10 minutes to prepare a second mixture. The second mixture was slowly added dropwise to the first mixture, and stirred at 120 ° C. for 1 hour to prepare a hydrogel composition. Subsequently, the hydrogel beads were prepared by dropping 10 µl of the composition in a 1N NaOH solution as a strong alkaline aqueous solution at room temperature.

도 1은 일 양상에 따른 하이드로겔 조성물 및 상기 조성물을 포함하는 비드를 제조하는 방법에 관한 그림이다. 통상의 인산칼슘 화합물의 경우 고온소결 및 동결건조 공정을 통해 물성을 향상시킨다. 그러나, 상기 하이드로 조성물의 경우, 키토산이 pH에 따라 물성이 달라지는 특성을 이용하여 순간적으로 pH를 조절함으로써 인산칼슘 하이드로겔을 가교하는 방식으로 제조하는 것이다. 즉, 강한 산성 용액에 녹아 있는 키토산과 인산칼슘이 균일하게 분산되어 있는 하이드로겔 조성물을 강알칼리 용액에 투입하게 되면, 순간적으로 키토산이 주변의 인산칼슘을 포매하면서 겔화가 이루어진다. 따라서, 비드에 함유된 인산칼슘의 함량을 일정하게 조절할 수 있는 이점이 있다. 1 is a diagram of a hydrogel composition according to an aspect and a method of manufacturing beads comprising the composition. In the case of a typical calcium phosphate compound, physical properties are improved through a high temperature sintering and freeze-drying process. However, in the case of the hydro composition, chitosan is prepared by crosslinking the calcium phosphate hydrogel by instantaneously adjusting the pH using the property that the physical properties vary depending on the pH. That is, when a hydrogel composition in which chitosan and calcium phosphate dissolved in a strong acidic solution is uniformly dispersed is injected into a strong alkali solution, the chitosan instantly gels while surrounding the surrounding calcium phosphate. Therefore, there is an advantage in that the content of calcium phosphate contained in the beads can be constantly controlled.

[실험예][Experimental Example]

실험예 1. 하이드로겔 조성물에 함유된 칼슘의 검출Experimental Example 1. Detection of calcium contained in hydrogel composition

인산칼슘계 재료는 생체적합성과 인체 골조직과의 화학적, 물리적인 유사성으로 인하여 많은 연구가 이루어져 왔다. 그 중, TCP는 실제 골과 유사한 화학적인 성분인 칼슘과 인산으로 구성되어 있으며 생분해 과정을 거치면서 칼슘과 인산을 방출하게 된다. 따라서, 하이드로겔에 함유된 칼슘염과 결합한 인산칼슘을 간적접으로 측정하여 정량하고자 하였다. 하이드로겔 내 포함된 칼슘을 검출하기 위하여 통상의 방법으로 알리자린 레드 S (Alizarin red S, ARS) 검정을 수행하였다. 먼저, 상기 실시예 1에서 제조한 하이드로겔 조성물을 26G 니들을 이용하여 2개의 층으로 3D 프린팅 한 후, 1M NaOH로 5분 동안 처리하고 D.W로 세척하여 하이드로겔 스캐폴드를 제조하였다. 이후, 상기 스캐폴드를 실온에서 1% w/v 알리자린 레드 S 용액(pH 4.1~4.3)에 넣어 인큐베이션 하였다. 상기 용액을 제거하고, 스캐폴드를 증류수로 세척한 다음 건조하였다. 이후, 디지털 카메라를 이용하여 염색된 스캐폴드를 시각화 하였다. 이후, 알리자린 레드 S로 염색된 스캐폴드를 10mM 인산나트륨 용액(pH 7) 중 10% w/v 세틸피리디늄클로라이드(cetyl pyridinium chloride, CPC)에서 1시간 동안 인큐베이션하여 알리자린 레드 S를 용출 하였다. 이후, 마이크로플레이트 리더를 이용하여 562 ㎚에서 용리 용액의 흡광도를 측정하였다. Calcium phosphate-based materials have been studied a lot due to their biocompatibility and chemical and physical similarities with human bone tissue. Among them, TCP is composed of calcium and phosphoric acid, which are chemical components similar to actual bone, and releases calcium and phosphoric acid through a biodegradation process. Therefore, it was intended to quantify by indirectly measuring calcium phosphate combined with the calcium salt contained in the hydrogel. In order to detect calcium contained in the hydrogel, an alizarin red S (ARS) assay was performed by a conventional method. First, the hydrogel composition prepared in Example 1 was 3D printed in two layers using a 26G needle, and then treated with 1M NaOH for 5 minutes and washed with D.W to prepare a hydrogel scaffold. Thereafter, the scaffold was incubated with 1% w / v alizarin red S solution (pH 4.1-4.3) at room temperature. The solution was removed, the scaffold was washed with distilled water and dried. Thereafter, the stained scaffold was visualized using a digital camera. Thereafter, the scaffold stained with alizarin red S was incubated for 1 hour in 10% w / v cetylpyridinium chloride (CPC) in 10 mM sodium phosphate solution (pH 7) to elute alizarin red S. Thereafter, the absorbance of the elution solution was measured at 562 nm using a microplate reader.

도 2a는 일 양상에 따른 하이드로겔을 알리자린 레드 S 용액으로 염색한 후, 하이드로겔 내에 함유된 칼슘을 확인한 사진이다. 도 2a에 나타난 바와 같이, 하이드로겔 조성물에 포함된 TCP의 양을 0 내지 5%의 범위로 하여 변화를 주었을 때, TCP의 양에 비례하여 하이드로겔의 염색 정도가 시각적으로 구분되는 것을 확인할 수 있었다. Figure 2a is a photograph confirming the calcium contained in the hydrogel after dyeing the hydrogel according to one aspect with alizarin Red S solution. As shown in Figure 2a, when the amount of the TCP contained in the hydrogel composition was changed to a range of 0 to 5%, it was confirmed that the degree of staining of the hydrogel was visually classified in proportion to the amount of TCP. .

도 2b는 일 양상에 따른 하이드로겔에 함유된 칼슘 양을 칼슘염과 결합한 알리자린 레드 S를 용출한 후에, 흡광도를 측정한 그래프이다. 도 2b에 나타난 바와 같이, 하이드로겔 조성물에 포함된 TCP의 양을 0 내지 5%의 범위로 하여 변화를 주고, 염색 시간을 10초로 처리하였을 때 TCP 함유량의 3%까지는 흡광도 값의 차이가 정비례하는 것을 확인할 수 있었다. 2B is a graph measuring absorbance after eluting alizarin red S in which the amount of calcium contained in a hydrogel according to an aspect is combined with a calcium salt. As shown in Figure 2b, the amount of TCP contained in the hydrogel composition is changed to a range of 0 to 5%, and when the dyeing time is treated with 10 seconds, the difference in absorbance value is directly proportional to 3% of the TCP content. I could confirm that.

도 2c는 일 양상에 따른 하이드로겔로부터 용출된 알리자린 레드 S의 양을 정량화 하기 위한 그래프이다. 도 2c에 나타난 바와 같이, 하이드로겔 조성물에 포함된 TCP 함유량의 3%까지는 R 제곱 값이 거의 1에 가까운 값(0.99)을 나타내어 흡광도 값의 차이가 정비례하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 염색 시간이 10초 이상이 될 경우, 과 염색으로 인하여 흡광도 값의 차이를 확인할 수 없었다. 즉, 일 양상에 따른 하이드로겔 조성물은 통상의 칼슘 정성분석법으로 사용되었던 알리자린 레드 S 염색을 통해 칼슘염을 간접적으로 정량 할 수 있다. 2C is a graph for quantifying the amount of alizarin red S eluted from a hydrogel according to one aspect. As shown in Fig. 2c, up to 3% of the TCP content included in the hydrogel composition, the R-squared value was close to 1 (0.99), and it was confirmed that the difference in absorbance value was directly proportional. However, when the dyeing time was 10 seconds or more, a difference in absorbance values could not be confirmed due to overstaining. That is, the hydrogel composition according to one aspect may indirectly quantify the calcium salt through alizarin red S staining, which was used in a conventional calcium qualitative analysis method.

실험예 2. 하이드로겔 조성물에 함유된 인산염의 검출Experimental Example 2. Detection of phosphate contained in hydrogel composition

TCP는 실제 골과 유사한 화학적인 성분인 칼슘과 인산으로 구성되어 있으므로 유리된 칼슘염 또는 인산염의 측정을 통해 TCP 함량의 측정이 가능하다. 따라서, 말라카이트 그린, 몰리브데이트 및 유리 인산염 사이에 형성된 녹색 복합체의 정량을 기반으로 하는 Malachite Green Phosphate Assay 방법을 사용하여 TCP로부터 유리된 인산염의 측정으로 TCP 함량을 측정하고자 하였다. 먼저, 상기 실시예 1에서 제조한 하이드로겔 조성물을 37℃의 D.W에서 10분 동안 총 3회 세척하여 전처리 하였다. 이후, 1.5 ㎖의 튜브에 전처리 완료된 하이드로겔 비드를 1개씩 옮기고 1N HCl 1㎖을 넣은 후 60 내지 70℃에서 1시간 동안 녹여주었다. 이후, 하이드로겔 비드를 녹인 용액을 1/100로 희석하여 표준용액(1~50 mM)과 함께 96 웰에 50 ㎕씩 로딩하였다. 이후, Malachite Green Reagent A 10㎕를 각 웰에 넣고 실온에서 10분 동안 반응시키고, Malachite Green Reagent B 10㎕를 각 웰에 추가로 넣고 실온에서 20분 동안 반응시켰다. 이후, 620㎚에서 흡광도를 측정하였다. Since TCP is composed of calcium and phosphoric acid, which are chemical components similar to actual bone, it is possible to measure the TCP content by measuring free calcium salt or phosphate. Therefore, it was intended to measure the TCP content by measuring the free phosphate from TCP using the Malachite Green Phosphate Assay method based on the quantitation of the green complex formed between malachite green, molybdate and free phosphate. First, the hydrogel composition prepared in Example 1 was pretreated by washing three times for 10 minutes at 37 ° C. D.W. Thereafter, the pretreated hydrogel beads were transferred to 1.5 ml tubes one by one, 1 ml of 1N HCl was added, and then dissolved at 60 to 70 ° C. for 1 hour. Thereafter, the solution in which the hydrogel beads were dissolved was diluted 1/100, and 50 µl was loaded into 96 wells with a standard solution (1-50 mM). Thereafter, 10 µl of Malachite Green Reagent A was added to each well and reacted for 10 minutes at room temperature, and 10 µl of Malachite Green Reagent B was further added to each well and reacted for 20 minutes at room temperature. Thereafter, absorbance was measured at 620 nm.

도 3a는 일 양상에 따른 하이드로겔 조성물을 3±0.5㎜ 크기의 비드로 제조한 사진이다. Figure 3a is a photograph of a hydrogel composition according to an aspect made of beads of 3 ± 0.5㎜ size.

도 3b는 일 양상에 따른 하이드로겔 비드 내에 포함된 TCP의 함량을 측정한 그래프이다.3B is a graph measuring the content of TCP contained in a hydrogel bead according to one aspect.

도 3a에 나타난 바와 같이, 하이드로겔을 비드로 제조하면 크기가 3㎜ 정도로 거의 동일한 것을 확인할 수 있다. 또한, 하이드로겔 비드 내에 TCP 함량은 100±15㎍/개로 일정한 것을 확인할 수 있다(도 3b). 즉, 일 양상에 따른 제조방법은 순간적인 pH 조절을 통하여 동일한 크기의 하이드로겔 비드로의 제조가 가능하며, 하이드로겔 비드 내 함유된 인산염의 함량이 균일한 것을 알 수 있다. As shown in Figure 3a, it can be seen that when the hydrogel is made of beads, the size is almost the same as about 3 mm. In addition, it can be confirmed that the TCP content in the hydrogel beads is constant at 100 ± 15 μg / piece (FIG. 3B). That is, it can be seen that the manufacturing method according to one aspect is capable of producing hydrogel beads of the same size through instantaneous pH adjustment, and the phosphate contained in the hydrogel beads is uniform.

실험예 3. 하이드로겔 조성물에 함유된 인산염의 검출을 통한 정량분석 방법 확인Experimental Example 3. Confirmation of quantitative analysis method through detection of phosphate contained in hydrogel composition

하이드로겔 조성물에 함유된 인산염의 검출을 통해 TCP의 함량을 정량분석하는 방법을 확인하였다. 구체적으로, 상기 실시예 1에서 제조한 하이드로겔 조성물 내 TCP의 함량을 0, 0.3, 0.6 및 1%가 되도록 첨가하여 하이드로겔 비드를 제조하였다. 이후, 상기 실험예 2와 동일한 방법으로 하이드로겔 비드에 포함된 인산염의 양을 정량하였다. Through the detection of the phosphate contained in the hydrogel composition was confirmed a method for quantitative analysis of the content of TCP. Specifically, hydrogel beads were prepared by adding the contents of TCP in the hydrogel composition prepared in Example 1 to be 0, 0.3, 0.6, and 1%. Then, the amount of phosphate contained in the hydrogel beads was quantified in the same manner as in Experimental Example 2.

도 4는 일 양상에 따른 하이드로겔 비드 내에 포함된 인산염의 함량을 인산표준용액을 이용하여 측정한 표준곡선 그래프이다. 구체적으로, 100 μM 인산염 용액을 50, 25, 12.5 및 6.25μM이 되도록 연속 희석한 후, 용액의 흡광도를 측정하였다. 이후, 측정된 일련의 값을 이용하여 주세선을 만들고 비례 정도를 확인하기 위해 R 제곱값을 계산하였다. 그 결과, R 제곱값은 0.9999로서 표준곡선 그래프에 시료의 O.D 값을 대입하면 녹아있는 PO4의 양을 정확하게 확인할 수 있다.Figure 4 is a standard curve graph measured using a phosphate standard solution for the content of phosphate contained in a hydrogel bead according to one aspect. Specifically, 100 μM phosphate solution was continuously diluted to 50, 25, 12.5 and 6.25 μM, and absorbance of the solution was measured. Subsequently, using the measured series of values, the main power line was created and the R squared value was calculated to confirm the proportionality. As a result, the R-squared value is 0.9999, and by substituting the OD value of the sample in the standard curve graph, it is possible to accurately check the amount of PO 4 dissolved.

도 5는 일 양상에 따른 하이드로겔 비드 내에 포함된 인산염의 함량을 시간 변화에 따라 측정한 그래프이다. 5 is a graph measuring the content of phosphate contained in a hydrogel bead according to one aspect over time.

도 5에 나타난 바와 같이, 하이드로겔 비드에 함유된 TCP의 함량이 변화함에 따라 인산염의 함량 역시 정비례하게 변화하는 양상을 나타냈다(R2>0.99 이상). 즉, 일 양상에 따른 하이드로겔 조성물은 칼슘염 및 인산염의 정량을 통해 TCP의 함량을 측정할 수 있는바, 골다공증 조직의 평가 및 골다공증 치료제의 효능 확인을 위한 평가시스템으로 활용할 수 있다. As shown in FIG. 5, as the content of the TCP contained in the hydrogel beads was changed, the content of the phosphate also showed a direct change (R 2 > 0.99 or more). That is, the hydrogel composition according to one aspect can measure the content of TCP through the quantitation of calcium salt and phosphate, and thus can be used as an evaluation system for evaluating osteoporotic tissue and confirming the efficacy of a therapeutic agent for osteoporosis.

Claims (12)

젤라틴을 포함하는 산성 용액에 키토산을 용해하여 제1 조성물을 제조하는 단계;
염화칼슘을 포함하는 산성 용액에 인산칼슘을 첨가한 후, 음파 처리하여 제2 조성물을 제조하는 단계;
상기 제1 조성물 및 제2 조성물을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
상기 혼합 용액을 염기성 용액에 드롭(drop)하는 단계를 포함하는, 하이드로겔 조성물을 제조하는 방법.
Preparing a first composition by dissolving chitosan in an acidic solution containing gelatin;
Adding calcium phosphate to an acidic solution containing calcium chloride, followed by sound treatment to prepare a second composition;
Preparing a mixed solution by mixing the first composition and the second composition; And
A method of preparing a hydrogel composition, comprising dropping the mixed solution into a basic solution.
청구항 1에 있어서, 상기 하이드로겔 조성물은 하이드로겔 비드 조성물인 것인, 하이드로겔 조성물을 제조하는 방법.The method of claim 1, wherein the hydrogel composition is a hydrogel bead composition. 청구항 1에 있어서, 상기 키토산은 제1 조성물 중 0.1 내지 10 중량%로 포함된 것인 하이드로겔을 제조하는 방법. The method according to claim 1, wherein the chitosan is a method for producing a hydrogel that is contained in 0.1 to 10% by weight of the first composition. 청구항 1에 있어서, 상기 인산칼슘은 제2 조성물 중 0.1 내지 10 중량%로 포함된 것인 하이드로겔을 제조하는 방법. The method of claim 1, wherein the calcium phosphate is contained in 0.1 to 10% by weight of the second composition. 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 염기성 용액의 pH는 8 내지 11인 것인 하이드로겔을 제조하는 방법.The method of claim 1, wherein the pH of the basic solution is 8 to 11. 청구항 6에 있어서, 상기 염기성 용액은 수산화나트륨 용액, 수산화칼슘 용액, 및 암모니아 용액으로 구성된 군에서 선택된 것인 하이드로겔을 제조하는 방법. The method of claim 6, wherein the basic solution is selected from the group consisting of sodium hydroxide solution, calcium hydroxide solution, and ammonia solution. 청구항 1의 방법으로 제조된 인산칼슘 하이드로겔 조성물. Calcium phosphate hydrogel composition prepared by the method of claim 1. 청구항 8에 있어서, 하이드로겔 조성물 중 0.1 내지 10 중량%의 인산칼슘을 포함하는 것인 하이드로겔 조성물. The hydrogel composition according to claim 8, which comprises 0.1 to 10% by weight of calcium phosphate in the hydrogel composition. 산성용액에 청구항 8의 하이드로겔 조성물을 용해하는 단계; 및
상기 하이드로겔 조성물로부터 유리된 인산염의 함량을 측정하는 단계를 포함하는 인산칼슘을 정량하는 방법.
Dissolving the hydrogel composition of claim 8 in an acidic solution; And
Method for quantifying calcium phosphate comprising the step of measuring the content of phosphate liberated from the hydrogel composition.
청구항 10에 있어서, 상기 산성용액은 염화수소 용액, 질산 용액, 황산 용액, 및 아세트산 용액으로 구성된 군에서 선택된 것인 인산칼슘을 정량하는 방법. The method of claim 10, wherein the acidic solution is a method for quantifying calcium phosphate selected from the group consisting of a hydrogen chloride solution, a nitric acid solution, a sulfuric acid solution, and an acetic acid solution. 청구항 10에 있어서, 상기 하이드로겔 조성물은 비드 조성물인 것인 인산칼슘을 정량하는 방법. The method of claim 10, wherein the hydrogel composition is a bead composition.
KR1020190090492A 2019-07-25 2019-07-25 A manufacturing method for calcium phosphate hydrogel composition containing a constant content of calcium phosphate KR102105549B1 (en)

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