KR102116955B1

KR102116955B1 - 탄탈룸 코팅된 나노구조를 갖는 제조산물, 이를 제조 및 사용하는 방법

Info

Publication number: KR102116955B1
Application number: KR1020147024521A
Authority: KR
Inventors: 성호 진; 크리스틴 프란센
Original assignee: 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2020-06-01
Also published as: JP2015513410A; AU2013217081B2; KR20140122746A; WO2013119772A1; JP6279488B2; EP2812040A1; AU2013217081A1; US20140086962A1; US10149921B2; EP2812040A4; EP2812040B1; CN104203293A

Abstract

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 탄탈룸을 포함하는 표면을 갖는 나노튜브와 같은 나노구조를 포함하는 제조산물(물품)을 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물은 탄탈룸 표면층을 포함하는 나노구조, 예를 들어, 나노튜브, 나노와이어, 나노포어 등을 포함한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물 또는 제조물품은 바이오임플란트이며, 본 발명의 탄탈룸-표면-코팅된 나노구조는 생물활성 및 골 형성능의 증가를 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물 또는 제조물품, 예를 들어, 본 발명의 탄탈룸-표면-코팅된 나노구조를 포함하는 바이오임플란트는 시험관내, 생체외 및 생체내 실험, 임플란트, 생물의학적 디바이스 및 요법에 사용된다.

Description

탄탈룸 코팅된 나노구조를 갖는 제조산물, 이를 제조 및 사용하는 방법{Products of manufacture having tantalum coated nanostructures, and methods of making and using them}

본 출원은 2012년 2월 7일자 출원된 미국 가출원 번호 제61/596,143호의 35 U.S.C.§119(e) 하의 우선권을 주장한다. 상기 출원은 그 전체 내용이 모든 목적을 위해 참고로 본 명세서에 명시적으로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 세포 생물학, 의약 및 나노기술에 관한 것이다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명은 탄탈룸을 포함하는 표면을 갖는 나노튜브와 같은 나노구조(nanostructure)를 포함하는 제조산물(물품)을 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물은 탄탈룸 표면층을 포함하는 나노구조, 예를 들어, 나노튜브, 나노와이어, 나노포어(nanopore) 등을 포함한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물 또는 제조물품은 바이오임플란트이며, 본 발명의 탄탈룸-표면-코팅된 나노구조는 생물활성(bioactivity) 및 골 형성능의 증가를 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물 또는 제조물품, 예를 들어, 본 발명의 탄탈룸-표면-코팅된 나노구조를 포함하는 바이오임플란트는 시험관내, 생체외 및 생체내 실험, 임플란트, 생물의학적 디바이스 및 요법에 사용된다.

금속 탄탈룸(Ta)은 부식에 대해 매우 저항성이고 생체불활성일 뿐아니라 생체내 생물활성이어서 생물학적으로 뼈에 결합하는 유사체액에서 골-유사 아파타이트층을 형성하는 것으로 밝혀졌기 때문에 최근 정형외과 응용에 있어서 최근 관심의 대상인 생체재료이다. 탄탈룸은 우수한 골유착성을 보유하는 것으로 나타난, 1997년 FDA에 의해 승인된 마이크로-다공성의 새로운 다공성(섬유주) 탄탈룸 재료로 인하여 주로 생체재료 분야에서 다시금 관심을 받고 있다. 그 이후로부터, 많은 연구에서 Ta의 생체적합성, 세균 부착 및 골전도능을 기타 일반적인 임플란트 재료, 예컨대 Ti 및 CoCr과 비교하였다. 최근에, 다공성 Ta가 노령의 여성 환자로부터 절충된 골 형성능과 함께 조골 세포의 증식 및 골생성(osteogenesis)을 자극하는 것이 입증되었다. 그러나, 지금까지의 유망한 결과에도 불구하고, 비교적 고가의 제조비용 뿐아니라 모듈식의 전체-Ta 임플란트의 생산 불능으로 인하여 그의 광범위한 수용이 저해되었다. 탄탈룸은 또한 16.69 g/㎤의 밀도를 나타내는 중금속으로서, 4.51 g/㎤의 밀도를 나타내는 Ti 임플란트에 비해 거의 4배나 무겁다. 이와 같이 무거운 임플란트를 정형외과에 응용하는 것은 바람직하지 않다. 탄탈룸 금속은 또한 티타늄 금속에 비해 훨씬 더 비싸다.

[1] Lampin M, Warocquier C, Legris C, Degrange M, Sigot-Luizard MF. Correlation between substratum roughness and wettability, cell adhesion, and cell migration. J Biomed Mater Res 1997;36:99-108. [2] Deligianni DD, Katsala N, Ladas S, Sotiropoulou D, Amedee J, Missirlis YF. Effect of surface roughness of the titanium alloy Ti-6Al-4V on human bone marrow cell response and on protein adsorption. Biomaterials 2001;22:1241-51. [3] Deligianni DD, Katsala ND, Koutsoukos PG, Missirlis YF. Effect of surface roughness of hydroxyapatite on human bone marrow cell adhesion, proliferation, differentiation and detachment strength. Biomaterials 2001;22:87-96. [4] Sista S, Wen C, Hodgson PD, Pande G. The influence of surface energy of titanium-zirconium alloy on osteoblast cell functions in vitro. J Biomed Mater Res A 2011. [5] Dalby MJ. Topographically induced direct cell mechanotransduction. Med Eng Phys 2005;27:730-42. [6] Dalby MJ. Cellular response to low adhesion nanotopographies. Int J Nanomedicine 2007;2:373-81. [7] Dalby MJ. nanostructured surfaces: cell engineering and cell biology. Nanomedicine(Lond) 2009;4:247-8. [8] Biggs MJ, Richards RG, Gadegaard N, Wilkinson CD, Dalby MJ. The effects of nanoscale pits on primary human osteoblast adhesion formation and cellular spreading. J Mater Sci Mater Med 2007;18:399-404. [9] Meirelles L, Currie F, Jacobsson M, Albrektsson T, Wennerberg A. The effect of chemical and nanotopographical modifications on the early stages of osseointegration. Int J Oral Maxillofac Implants 2008;23:641-7. [10] Black J. Biological performance of tantalum. Clin Mater 1994;16:167-73. [11] Kato H, Nakamura T, Nishiguchi S, Matsusue Y, Kobayashi M, Miyazaki T, et al. Bonding of alkali- and heat-treated tantalum implants to bone. J Biomed Mater Res 2000;53:28-35. [12] Balla VK, Banerjee S, Bose S, Bandyopadhyay A. Direct laser processing of a tantalum coating on titanium for bone replacement structures. Acta Biomater 2010;6:2329-34. [13] Schildhauer TA, Robie B, Muhr G, Koller M. Bacterial adherence to tantalum versus commonly used orthopedic metallic implant materials. J Orthop Trauma 2006;20:476-84. [14] Findlay DM, Welldon K, Atkins GJ, Howie DW, Zannettino AC, Bobyn D. The proliferation and phenotypic expression of human osteoblasts on tantalum metal. Biomaterials 2004;25:2215-27. [15] Sagomonyants KB, Hakim-Zargar M, Jhaveri A, Aronow MS, Gronowicz G. Porous tantalum stimulates the proliferation and osteogenesis of osteoblasts from elderly female patients. J Orthop Res 2011;29:609-16. [16] Oh S, Daraio C, Chen LH, Pisanic TR, Finones RR, Jin S. Significantly accelerated osteoblast cell growth on aligned TiO2 nanotubes. J Biomed Mater Res A 2006;78:97-103. [17] Brammer KS, Oh S, Cobb CJ, Bjursten LM, van der Heyde H, Jin S. Improved bone-forming functionality on diameter-controlled TiO(2) nanotube surface. Acta Biomater 2009;5:3215-23. [18] Oh S, Brammer KS, Li YS, Teng D, Engler AJ, Chien S, et al. Stem cell fate dictated solely by altered nanotube dimension. Proc Natl Acad Sci U S A 2009;106:2130-5. [19] Stiehler M, Lind M, Mygind T, Baatrup A, Dolatshahi-Pirouz A, Li H, et al. Morphology, proliferation, and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells cultured on titanium, tantalum, and chromium surfaces. J Biomed Mater Res A 2008;86:448-58. [20] Dalby MJ, Riehle MO, Johnstone H, Affrossman S, Curtis AS. Investigating the limits of filopodial sensing: a brief report using SEM to image the interaction between 10 nm high nano-topography and fibroblast filopodia. Cell Biol Int 2004;28:229-36. [21] Frandsen CJ, Brammer KS, Noh K, Connelly LS, Oh S, Chen LH, et al. Zirconium oxide nanotube surface prompts increased osteoblast functionality and mineralization. Mat Sci Eng C-Mater 2011;31:1716-22. [22] Miyazaki T, Kim HM, Kokubo T, Kato H, Nakamura T. Induction and acceleration of bonelike apatite formation on tantalum oxide gel in simulated body fluid. J Sol-Gel Sci Techn 2001;21:83-8. [23] Kaneko S, Tsuru K, Hayakawa S, Takemoto S, Ohtsuki C, Ozaki T, et al. In vivo evaluation of bone-bonding of titanium metal chemically treated with a hydrogen peroxide solution containing tantalum chloride. Biomaterials 2001;22:875-81. [24] Brammer KS, Choi C, Frandsen CJ, Oh S, Johnston G, Jin S. Comparative cell behavior on carbon-coated TiO2 nanotube surfaces for osteoblasts vs. osteo-progenitor cells. Acta Biomater 2011;7:2697-703.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은

나노구조 또는 나노구조체(nanoarchitecture)를 포함하며,

여기에서 상기 나노구조 또는 나노구조체는 부분적으로 그의 실질적으로 모든 또는 모든 표면이 피복되거나 코팅되고, 코팅 또는 외부(outer) 피복 또는 외부 층이 전체로 또는 그의 실질적인 전체로 또는 부분적으로 탄탈룸(Ta), Ta 또는 Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅ 코팅, 결정성 탄탈룸(Ta), 또는 무정형 Ta를 포함하며,

여기에서 임의로 상기 코팅, 외부 피복 또는 외부 층은 적어도 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 그 이상의 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 또는 Ta 합금 옥사이드 또는 Ta₂O₅ 코팅, 결정성 탄탈룸(Ta), 또는 무정형 Ta를 포함하거나 이로 구성되고,

임의로 적어도 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 그 이상, 또는 약 99.9% 이하 또는 초과, 또는 약 1% 내지 99.5%의 나노구조 또는 나노구조체가 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 또는 Ta 합금 옥사이드 또는 Ta₂O₅ 코팅, 결정성 탄탈룸(Ta), 또는 무정형 Ta로복되거나, 코팅되며,

임의로 적어도 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 그 이상, 또는 약 99.9% 이하 또는 초과, 또는 약 1% 내지 99.5%의 제조산물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트; 또는 제조산물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트의 표면; 또는 제조산물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트의 코팅 또는 외부 피복, 외부 층 또는 외부 표면이 나노구조 또는 나노구조체로 피복되거나 코팅된 것으로 이루어진, 제조산물, 산물, 조성물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트를 제공한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물, 산물, 조성물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트는 표면 위에 마이크로규모(microscale) 구조 또는 복수개의 마이크로규모 구조를 추가로 포함하거나 가지며, 임의로 적어도 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 그 이상, 또는 약 99.9% 이하 또는 초과, 또는 약 1% 내지 99.5%의 마이크로규모 구조 또는 구조들은 나노구조 또는 나노구조체로 피복되거나, 코팅된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물, 산물, 조성물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트는 생물의학적 디바이스 또는 임플란트; 정형외과, 치과, 척수, 무릎, 관절 또는 균등한 임플란트; 또는 뼈의 핀, 골수내 막대, 골수내 네일(IM nail) 또는 상호록킹 네일 또는 K 네일(Kuentscher nail); 또는 뼈 또는 치아 임플란트; 또는 관절 대치 임플란트; 또는 핀, 플레이트 또는 포스트 또는 균등물로서 제작되거나 사용된다.

대안적인 실시양태에서, 나노구조 또는 나노구조체는 나노튜브, 나노기둥(nanopillar), 나노리본, 나노와이어, 나노막대 또는 나노섬유, 또는 그의 균등물; 또는 복수개의 나노튜브, 나노리본, 나노기둥, 나노막대, 나노섬유 또는 나노와이어, 또는 그의 균등물; 또는 나노기둥, 나노리본, 나노튜브, 나노섬유, 나노막대 또는 나노와이어, 또는 그의 조합의 배열 구조를 포함하며,

임의로 상기 배열은 수직으로 정렬된 배열 또는 실질적으로 수직으로 정렬된 배열이고,

임의로 나노기둥, 나노리본, 나노튜브, 나노섬유, 나노막대 또는 나노와이어, 또는 그의 조합의 배열 구조는 약 20 내지 800 nm 범위의 평균 직경을 나타내고, 약 50 내지 2,000 nm 범위의 평균 높이를 나타낸다.

대안적인 실시양태에서, 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 또는 Ta 합금 옥사이드, 또는 Ta₂O₅, 결정성 Ta, 또는 무정형 Ta의 코팅 또는 외부 피복 또는 외부 층의 두께는

약 0.1 mm(100 마이크로미터), 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 1.0 mm 이하이거나;

약 0.01 mm(10 마이크로미터), 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09 또는 0.10 mm 미만이거나;

약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 마이크로미터 미만이거나;

약 0.1 마이크로미터(100 nm), 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 1.0 nm 미만이거나;

최소 두께는 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 나노미터(nm)이다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물, 산물, 조성물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트는 하기 (a) 및 (b)를 추가로 포함한다:

(a) 세포 또는 복수개의 세포, 여기에서, 임의로 상기 세포 또는 세포들은 인간 세포; 또는 줄기 세포; 또는 연골 세포, 섬유모세포, 파골 세포 또는 조골 세포; 또는 치아 발생 또는 골 형성에 관여하는 세포; 또는 골 세포, 근육 세포, 간 세포, 간실질 세포, 내피 세포, 지방 세포, 섬유모세포, 쿱퍼(Kupffer) 세포, 신장 세포, 혈관 세포, 피부 세포, 치주 세포, 치아모세포, 상아질모세포, 시멘트질모세포, 에나멜질모세포 또는 치원성 체외 간엽조직; 또는 그의 임의의 조합이며, 여기에서 임의로 상기 세포 또는 세포들은 나노구조 또는 나노구조체에 부착되거나 그의 표면 위에서 성장함); 및/또는

(b) 뼈 또는 연골, 또는 성장 및 부착된 뼈 구조, 여기에서, 임의로 상기 뼈 또는 부착된 뼈 구조는 전체적으로 또는 부분적으로 정형외과의 뼈, 치과의 뼈, 척수뼈, 인간 또는 동물의 뼈를 포함하고, 임의로 상기 뼈 또는 연골, 또는 성장 및 부착된 뼈 구조는 Ta 또는 Ta 옥사이드 코팅의 상단 또는 외부 표면에 있음).

대안적인 실시양태에서, 상기 코팅, 외부 피복, 외부 표면 또는 외부 층은 물리적 증착 공정, 스퍼터링 또는 증발 공정, 또는 레이저 절제(laser ablation) 또는 플라즈마 분무 공정, 또는 화학적 증착 공정, 또는 화학적/전기화학적 침착 공정에 의해 부가된다.

대안적인 실시양태에서, 제조산물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트; 또는 제조산물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트의 베이스 (base) 또는 외부 표면 또는 외부 층; 또는 나노구조 또는 나노구조체, 또는 나노구조 또는 나노구조체 베이스는

금속, 티타늄(Ti), 티타늄 옥사이드, TiO₂, 또는 그의 조합;

Ti 또는 Ti 옥사이드를 적어도 약 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75 중량% 또는 그 이상 함유하거나 포함하고, 임의로 합금 원소를 포함하는 합금;

임의로 적어도 약 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75 중량% 또는 그 이상의 금속 성분, ZrO₂, HfO₂, NbO 또는 Nb₂O₅, MoO₂ 또는 MoO₃, VO₂ 또는 V₂O₅, WO₂ 또는 WO₃, 또는 그의 임의의 합금 또는 옥사이드, 또는 그의 옥사이드, 또는 Ti, Zr, Hf, Nb, Mo, V 또는 W 옥사이드(여기에서, 임의로 금속 성분은 복수개의 금속 또는 원소를 포함하거나, Al, Ag, C, F, Mg, Ca, Si, P, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Pd, Ag, In, Sn, Sb, Re, Os, Ir, Pt, Au 또는 Bi 또는 하나 이상의 희토류 원소 또는 그의 조합을 포함함); 또는

스테인레스강, Si, Si 옥사이드, 탄소, 다이아몬드, 귀금속, Au, Ag, Pt, 또는 이들의 합금, 또는 복합 금속(composite metal),

하나의 지르코니아 또는 지르코니아 또는 그의 임의의 합금 또는 옥사이드,

코발트-크롬 합금,

세라믹 또는 중합체 또는 플라스틱 재료,

또는 그의 임의의 조합을 포함한다.

대안적인 실시양태에서, 나노구조, 나노구조체 또는 나노튜브는 양극산화처리되며;

임의로 나노구조, 나노구조체 또는 나노튜브는 Ti 금속 또는 Ti 함유 합금의 표면을 양극산화처리하여 형성되는 나노구조, 나노구조체 또는 나노튜브 층 또는 배열이거나,

Ti 불함유 기판, 베이스, 표면 또는 임플란트 상의 Ti 또는 Ti-함유 합금의 코팅된 두꺼운 필름 층을 양극산화처리하여 형성되는 나노구조, 나노구조체 또는 나노튜브 층 또는 배열이다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물, 산물, 조성물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트는 화학물질(chemical), 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물, 추적자(tracer)를 추가로 포함하며,

여기에서 임의로 상기 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자는 펩티드, 단백질, 폴리펩티드, 항체, 핵산, DNA 또는 RNA, miRNA, siRNA, 유전자, 벡터, 폴리사카라이드, 지질, 성장인자, 사이토킨, 항생제, 호르몬, 치료약물, 작용성 입자, 자성 입자, 금속 입자, 세라믹 입자, 중합체 입자 또는 그의 조합을 포함하고;

임의로 상기 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자는 나노튜브 또는 중공형 나노와이어 또는 나노기둥 내 또는 내부, 또는 나노구조 또는 나노구조체의 공간 사이 또는 그의 내부 또는 그 위에 부착되어 저장되며;

임의로 나노구조들 또는 나노구조체들은 내부(나노와이어 내, 또는 중공형 나노튜브 또는 나노기둥 내와 같은); 또는 나노구조들 또는 나노구조체들 사이; 또는 나노구조들 또는 나노구조체들 위에 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자를 저장함으로써 복수개의 나노데포를 형성하고;

임의로 나노구조들 또는 나노구조체들은 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자가 촉발가능한, 실행가능한, 제어되거나 서방성의 방식으로 방출되도록 허용하기 위하여 부분적으로 차단되거나, 제약되거나, 촉발가능하거나 실행가능한, 또는 부분적인 병목 구성, 개방구를 추가로 포함하며,

임의로 나노데포의 입구 치수는 금속 또는 옥사이드 재료의 선택적 침착에 의해 감소되어 부분적인 병목 구성을 유도하여 그 안에 저장된 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자의 방출 속도를 낮추고,

임의로 상기 자성 옥사이드 입자 또는 금속 입자로 만들어질 수 있는 작용성 입자는 원격 구동되는 RF 가열 및 나노데포 공간 내에 저장된 생물학적 제제의 가속화된 또는 스위치-온, 스위치-오프 방출을 위한 온도 구배의 창출에 이용된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 새롭거나 강화된 세포 성장; 새롭거나 강화된 조골 세포, 치아모세포, 상아질모세포 또는 시멘트질모세포 성장; 새롭거나 강화된 뼈 또는 연골 성장; 및/또는 새롭거나 강화된 광물화 매트릭스 형성을 위한 시험관내, 생체외 또는 생체내 세포 배양 기판 또는 기판들을 제공하며, 여기에서 배양 기판 또는 기판 표면은 하기 (a) 및 (b)를 포함한다:

(a) 나노구조 또는 나노구조체,

(여기에서 상기 나노구조 또는 나노구조체는 부분적으로 그의 실질적으로 모든 또는 모든 표면이 피복되거나 코팅되고, 코팅 또는 외부 피복 또는 외부 층이 전체로 또는 그의 실질적인 전체로 또는 부분적으로 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅ 코팅, 탄탈룸(Ta), 또는 Ta 합금 또는 Ta 합금 옥사이드를 포함하며,

여기에서 임의로 상기 코팅, 외부 피복 또는 외부 층은 적어도 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 그 이상의 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅ 코팅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta 또는 Ta 합금 또는 Ta 합금 옥사이드를 포함하거나 이로 구성되고,

임의로 적어도 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 그 이상, 또는 약 99.9% 이하 또는 초과, 또는 약 1% 내지 99.5%의 나노구조 또는 나노구조체가 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅ 코팅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 Ta 합금 또는 Ta 합금 옥사이드로 피복되거나, 코팅됨); 또는

(b) 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 정의된 바와 같은 나노구조- 또는 나노구조체-포함 표면.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 새롭거나 강화된 세포 성장; 새롭거나 강화된 조골 세포, 치아모세포, 상아질모세포 또는 시멘트질모세포 성장; 새롭거나 강화된 뼈 또는 연골 성장; 및/또는 새롭거나 강화된 광물화 매트릭스 형성을 위한 시험관내, 생체외 또는 생체내 지지 비계(supportive scaffolding)을 제공하며, 비계 표면은 하기 (a) 및 (b)를 포함한다:

(a) 나노구조 또는 나노구조체,

여기에서 임의로 상기 코팅, 외부 피복 또는 외부 층은 적어도 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 그 이상의 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅ 코팅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 Ta 합금 또는 Ta 합금 옥사이드를 포함하거나 이로 구성되고,

(b) 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 정의된 바와 같은 나노구조- 또는 나노구조체-포함 표면.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트, 또는 본 발명의 시험관내, 생체외 또는 생체내 배양 기판 또는 기판, 또는 본 발명의 시험관내, 생체외 또는 생체내 지지 비계의 제조산물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트; 또는 배양 기판 또는 기판; 또는 지지 비계는 뼈 임플란트 또는 얹기뼈이식(bone onlay) 또는 뼈 지지 부위를 위한 임플란트의 위에 있거나 이의 일부이며, 여기에서 임의로 상기 뼈 임플란트, 얹기뼈이식 또는 지지체는 하기를 위하여 제작되거나, 하기의 전부 또는 일부를 대치한다:

- 손가락 관절의 복구 또는 대치,

- 손목의 복구 또는 대치,

- 팔꿈치의 복구 또는 대치,

- 어깨의 복구 또는 대치,

- 다리의 복구 또는 대치,

- 팔의 복구 또는 대치,

- 엉덩이(hip)의 복구 또는 대치,

- 무릎의 복구 또는 대치,

- 발목의 복구 또는 대치,

- 발 또는 발가락의 복구 또는 대치,

- 척수 추간판의 복구 또는 대치,

- 흉곽의 복구 또는 늑골의 대치,

- 두개골 메쉬(mesh), 패치(patch) 또는 대치,

- 핀, 메쉬 또는 막대, 또는

- 막대, 나사 또는 뼈 안정판 임플란트.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 새롭거나 강화된 세포 성장; 새롭거나 강화된 조골 세포, 치아모세포, 상아질모세포 또는 시멘트질모세포 성장; 새롭거나 강화된 뼈 또는 연골 성장; 및/또는 새롭거나 강화된 광물화 매트릭스 형성을 개시하거나 유도하기 위하여 하기를 생체내 이식하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다:

(a) 나노구조 또는 나노구조체,

임의로 적어도 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 그 이상, 또는 약 99.9% 이하 또는 초과, 또는 약 1% 내지 99.5%의 나노구조 또는 나노구조체가 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅ 코팅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 Ta 합금 또는 Ta 합금 옥사이드로 피복되거나, 코팅됨);

(b) 청구범위의 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 정의된 바와 같은 나노구조- 또는 나노구조체-포함 표면; 또는

(c) 청구범위의 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항의 제조산물, 제조물품, 디바이스 또는 임플란트, 또는 제11항의 시험관내, 생체외 또는 생체내 배양 기판 또는 기판, 또는 제12항의 시험관내, 생체외 또는 생체내 지지 비계.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 이중블록 공중합체 층을 사용하고, 합금 층, 또는 2-상 합금 필름을 스피노달적으로 분해한 후 생체재료 표면을 선택적으로 에칭하여 나노튜브 또는 나노기둥 표면 구성을 생성하는 단계를 포함하는, 2-상 차폐 층의 양극산화처리, 형성 및 선택적 상 제거를 사용한 뼈-강화 나노튜브 또는 나노기둥 구성의 제작 방법을 제공한다.

본 발명의 하나 이상의 실시양태의 세부사항은 첨부된 도면 및 하기 상세한 설명에 서술된다. 본 발명의 다른 특징, 대상, 및 이점은 상세한 설명 및 도면, 및 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.

본 명세서에 인용된 모든 공개문헌, 특허, 특허출원들은 모든 목적을 위해 참고로 본 명세서에 명시적으로 포함된다.

본 명세서에 설명된 도면은 본 발명의 실시양태를 설명하기 위한 것일 뿐, 특허청구범위에 의해 포괄되는 발명의 범위를 제한하고자 하지 않는다.
다양한 도면에서 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 나타낸다.
도 1(a)-(b)는 조골 세포 증식 및 뼈의 골유착능을 가속화하기 위하여 나노튜브 표면에 침착된 Ta 박막과 함께 티타늄 기판 위에 형성된 자가-조직된 TiO₂ 나노튜브 배열을 포함하는 본 발명의 예시적인 디바이스를 도식적으로 보여주고, 도 1(a)는 좌우로 간격을 두고 수직으로 배향된 TiO₂ 나노튜브 배열, 및 스퍼터링 또는 증발 공정을 포함하는, 나노튜브 상에 Ta 박막 코팅을 침착시키기 위한 예시적인 방법을 보여주며, 최종 산물은 Ta 박막 코팅으로 코팅되거나 이를 포함하는 나노튜브(본 실시예에서는 나노튜브 배열로서 구성됨)를 포함하고, 본 발명의 디바이스를 언급하는 본 도면은 예를 들어 박막 코팅으로서 Ta 코팅을 가지는 임의의 나노구조를 포함할 수 있으며; 도 1(b)는 본 발명의 디바이스의 예시적인 용도, 본 발명의 예시적인 방법을 보여주며, 여기에서 생체내, 시험관내 또는 인 사이투(in situ) 조골 세포가 Ta 코팅된 나노구조들에 부착되고 그 위에서 성장하며, 본 실시예에서 나노튜브는 나노튜브 배열로서 구성되고, 일 실시양태에서 세포외 매트릭스도 Ta 코팅된 나노구조들 위에서 성장할(또는 적용될) 수 있으며, Ta 코팅된 나노구조들 사이의 간격이 Ta 코팅된 나노구조들 위에서 성장하는 세포에 영양분 등의 흐름을 제공할 수 있다.
도 2는 나노튜브 기판의 2가지 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여준다. 이미지는 탄탈룸 코팅 후 나노튜브 기하형태 및 구조의 보존을 묘사한다. 각 표면에 대한 접촉각은 황색으로 나타내었으며, 이는 탄탈룸-코팅된 표면 위의 친수성이 4° 에서 0°로 증가함을 보여준다. 축척 막대 = 200 nm.
도 3은 (a) 사시도 주사 전자 현미경(SEM) 이미지, (b) 나노튜브 정렬에 평행한 길이 방향의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지, (c) 나노튜브 정렬에 대해 수직 방향의 단면도 TEM 이미지를 보여주는 양극산화처리 가공된 TiO₂ 나노튜브 배열의 예시적인 구성(configuration)을 보여준다.
도 4(a)-(b)는 본 발명의 예시적인 디바이스를 도식적으로 보여주며; 도 4(a)는 티타늄 기판일 수 있는 기판 위에 Ta 코팅된 TiO₂ 나노기둥 배열일 수 있는 Ta 코팅된 나노기둥을 포함하는 본 발명의 예시적인 디바이스를 도식적으로 보여주고; 도 4(b)는 Ta 코팅된 TiO₂ 나노기둥 배열이 조골 세포를 추가로 포함하고 본 발명의 예시적인 디바이스가 조골 세포 증식 및 뼈의 골유착능을 가속화할 수 있는 일 실시양태를 도식적으로 보여준다. Ta 코팅된 나노기둥 사이의 간격이 Ta 코팅된 나노기둥들 위에서 성장하는 세포에 영양분 등의 흐름을 제공할 수 있으며; 일 실시양태에서 세포외 매트릭스는 또한 Ta 코팅된 나노기둥들 위에서 성장할(또는 적용될) 수 있다.
도 5(a)-(b)는 본 발명의 디바이스를 제조하기 위한 예시적인 "나노스탬핑(nanostamping)" 방법을 도식적으로 보여주며; 도 5(a)는 본 발명의 예시적인 디바이스를 제조하기 위한 Ti 또는 합금된 Ti 베이스의 나노스탬핑을 도식적으로 보여주고, 여기에서 차폐 중합체의 임의적 이용을 또한 보여주며; 도 5(b)는 Ti 나노기둥의 화학적 또는 반응성 이온 에칭(RIE) 후 나노기둥 배열의 Ta 또는 Ta₂O₆ 스퍼터 코팅을 양자 모두 도식적으로 보여준다.
도 6(a)-(f)는 수직의 2-상 분해 코팅, 예를 들어, 이중블록 공중합체 또는 2-상 합금 필름을 사용하는 예시적인 "유도 에칭(guided etching)" 방법에 의해 편평 표면 위 또는 비편평 표면 위의 나노기둥 배열을 형성하는, 본 발명의 디바이스를 제조하기 위한 예시적인 "유도 에칭" 방법을 도식적으로 보여주며; 도 6(a)는 예를 들어 대안적인 실시양태에서 뼈 성장을 위한 임플란트로 사용하기 위한 예를 들어 티타늄(Ti)을 포함하는 출발 재료 또는 기판을 도식적으로 보여주고; 도 6(b)는 텍스처드 재료의 코팅, 예를 들어, 동시-스퍼터링된 층, 분해성 이중블록 공중합체, 스피노달적으로 분해하는 합금 등에 의한 코팅을 도식적으로 보여주며; 도 6(c)는 2 상 중의 하나를 우선적으로 에칭하여 제거한 후 남은 예시적인 "나노섬(nanoisland)" 차폐 코팅 절차를 도식적으로 보여주고; 도 6(d)는 본 발명의 예시적인 나노기둥 배열의 형성을 위해 섬의 차폐를 통한 Ti 또는 Ti 합금의 에칭 단계를 포함하는 예시적인 차폐 코팅 절차를 도식적으로 보여주며; 도 6(e)는 코팅 제거를 도식적으로 보여주고; 도 6(f)는 대안적인 실시양태에서 임플란트일 수 있는 본 발명의 디바이스 표면 위에 더 깊은 나노기둥 또는 나노튜브를 생성하기 위한 부가적인 에칭 또는 양극산화처리의 임의 단계를 도식적으로 보여준다.
도 7(a)는 인큐베이션 시간의 함수로(n = 3) 예시적인 나노튜브 표면(Ti, TiO₂ 나노튜브(NT), Ta, 및 Ta-코팅된 나노튜브(NT)) 위에서 배양된 인간 조골 세포(Hob)의 MTT 작업 용액의 반응 산물의 광학 밀도(OD)를 보여주는 MTT(3-(4,5-디메틸티아졸-2-일)-2,5-디페닐 테트라졸륨 브로마이드) 어세이 데이터를 그래프로 보여주며; 막대 그래프는 평균 ± 표준 오차 막대를 나타낸다. 도 7(b)는 예시적인 나노튜브 표면(Ti, TiO₂나노튜브(NT), Ta, 및 Ta-코팅된 나노튜브(NT)) 위에서 24 시간 인큐베이션 후 HOb 세포의 SEM 현미경 사진을 보여주며, 이는 양쪽 나노표면 위에서의 광범위한 사상위족(filopodia) 활성을 나타낸다(화살표 참조); 축척 막대 = 5 ㎛.
도 8은 인큐베이션 시간(일)(n = 3) 대비 나노튜브 표면(Ti, TiO₂ 나노튜브(NT), Ta, 및 Ta-코팅된 나노튜브(NT)) 위에서 배양된 인간 조골 세포(Hob)의 알칼린 포스파타제(ALP) 활성 데이터를 그래프로 보여주며; 그래프 점들은 평균 ± 표준 오차 막대를 나타내고; ANOVA 테스트를 실행한 후에 통계적 유의성(p < 0.001)에 도달한 p-값은 그래프 상에 표시되어 있다(*).
도 9는 3주간 배양된 HOb 세포에 의한 골결절의 형성을 보여주며; 도 9(a)는 나노튜브 표면(Ti, TiO₂ 나노튜브(NT), Ta, 및 Ta-코팅된 나노튜브(NT)) 위에서 배양된 HOb 세포의 2000x 에서의 SEM 현미경사진을 보여주고, 이미지는 3주 후 Ta-코팅된 NT 표면 위에서 더 큰 골결절이 형성됨을 보여주며(축척 막대 = 10 ㎛); 도 9(b)는 표면 위의 칼슘 및 인 광물 원소의 원자 퍼센트의 에너지 분산형 x-선(EDX) 분석으로부터의 데이터를 그래프로 보여주고(n = 5), 막대 그래프는 평균 ± 표준 오차 막대를 나타내며; ANOVA 테스트를 실행한 후에 통계적 유의성(p ≤ 0.001)에 도달한 p-값은 (*)에 의해 표시되며; P 및 Ca의 양은 Ta-코팅된 표면 위에서 유의적으로 더 높았다.
도 10은 광물화 동력학 연구, 시간의 함수(n = 5)로 표면 위의 인(도 10(a)) 및 칼슘(도 10(b)) 광물 원소 원자 퍼센트의 에너지 분산형 x-선(EDX) 분석을 그래프적으로 보여주며, 선형 추세선(trendline)이 덧씌워지고 상관관계 계수가 표시되어 있다. 도 10(c)는 각 기판에 대한 인 및 칼슘 침착의 상응하는 속도(선형 추세선의 기울기)를 제시하는 표를 보여주고; 선 그래프는 평균 ± 표준 오차 막대를 나타내며; Ti 대 Ta를 제외한 시료들 사이의 모든 비교에서 ANOVA 테스트를 실행한 후의 p-값은 통계적 유의성(p ≤ 0.001)에 도달하였다.
도 11은 나노튜브 표면(Ti, TiO₂ 나노튜브(NT), Ta, 및 Ta-코팅된 나노튜브(NT)) 위에서 1, 2 및 3 주간 배양된 HOb에 의한 광물 침착에 대한 알리자린 적색 염색을 보여주고; 형광 이미지는 광물 침착에 대한 알리자린 적색 염색(밝은 적색)을 나타내며; 화살표는 골결절 형성을 표시하고; 축척 막대 = 50 ㎛이며; 매트릭스 광물화 동력학 결과는 1, 2 및 3주에 알리자린 적색 S 염색(밝은 적색)에 의해 확인되었다. 나노튜브 표면은 시각적으로 더 밝아보이며, 이는 Ca 침착물의 농도가 더 높음을 나타낸다.
도 12는 TiO₂ 나노튜브를 기본으로 하는 디바이스, 예를 들어, 임플란트를 포함하며, 여기에서 상기 나노튜브는 대안적으로 하나 이상의 제제, 예를 들어, 생물학적 제제, 예를 들어, 수직으로 정렬된 나노튜브 기공 내에 저장된 서방성 생물학적 제제와 함께 Ta 또는 Ta 옥사이드(Ta₂O₅) 코팅을 가지는 예시적인 실시양태를 도식적으로 보여주며, 도 12(a)는 Ti 기판 위에 Ta 또는 Ta₂O₅ 표면 코팅을 갖는 TiO₂ 나노튜브를 도식적으로 보여주고; 도 12(b)는 하나 이상의 제제, 예를 들어, 생물학적 제제, 예를 들어, 폴리펩티드, 성장인자, 호르몬 또는 스테로이드, 핵산 또는 DNA, 콜라겐, 항생제, 나노입자 등이 수직으로 정렬된 나노튜브 기공 내에, 예를 들어, 소위 "나노-데포" 내에 저장되어 있는 실시양태를 도식적으로 보여주며; 도 12(c)는 수직으로 정렬된 나노튜브 기공의 유출구 위의 직경-감소 구조, 예를 들어, 저장된 제제, 예를 들어, 생물학적 제제의 더 느리거나 제어된 방출을 위한 나노-데포 입구 상의 직경-감소 구조로서의 이용을 포함하는 대안적인 실시양태를 도식적으로 보여준다.
도 13은 수직으로 정렬된 나노기둥 사이의 틈 내에 저장된 제제, 예를 들어, 생물학적 제제, 예를 들어, 서방성 생물학적 제제를 포함하는 TiO₂ 나노기둥으로 구성된 임플란트를 포함하는 예시적인 실시양태를 도식적으로 보여주며: 도 12(a)는 Ta 또는 Ta₂O₅ 표면 코팅을 갖는 TiO₂ 나노기둥을 도식적으로 보여주고; 도 12(b)는 하나 이상의 제제, 예를 들어, 생물학적 제제, 예를 들어, 폴리펩티드, 성장인자, 호르몬 또는 스테로이드, 핵산 또는 DNA, 콜라겐, 항생제, 나노입자 등이 나노기둥 사이의 틈에 저장되어 있는 실시양태를 도식적으로 보여주며; 도 12(c)는, 예를 들어, 나노기둥 틈으로부터 저장된 생물학적 제제의 더 느린 방출을 위해 치수-감소된 입구를 창출하기 위한 직경-감소 구조의 이용을 포함하는 대안적인 실시양태를 도식적으로 보여준다.
도 14: 상단의 열은 24 시간의 배양 인큐베이션 후에 HOb 세포의 세포골격 액틴(적색)의 면역형광 이미지를 보여주며, 이는 TiO₂ 및 Ta 표면 양쪽 위에서 십자형 패턴을 나타내고(황색 화살표)(축척 막대 = 50 ㎛); 하단의 열은 24 시간 인큐베이션 후에 HOb 세포의 SEM 현미경 사진을 보여준다(축척 막대 = 50 ㎛): 도 14(a) TiO₂ NT, 도 14(b) 침착된 Ta-코팅된 NT, 도 14(c) 금속 Ta-코팅된 NT, 도 14(d) 산화 Ta-코팅된 NT, 도 14(e) Ta₂O₅-코팅된 NT.
도 15는 인큐베이션 시간(n = 3)의 함수로 나노튜브(NT) 표면(TiO₂ NT, 침착된 Ta-코팅된 NT, 금속-코팅된 NT, 산화 Ta-코팅된 NT, Ta₂O₅ 표면-코팅된 NT) 위에서 배양된 HOb 세포의 MTT 작업 용액의 반응 산물의 광학 밀도(OD)를 나타내는 MTT 어세이 데이터로부터의 데이터를 그래프적으로 보여주고; 막대 그래프는 평균 ± 표준 오차 막대를 나타내며; 여기에서 MTT 어세이는 세포 생존력, 또는 각 표면 위의 추산된 생존 세포를 나타낸다. 21일에 금속-코팅된 NT, 산화 Ta-코팅된 NT, 및 Ta₂O₅ 표면-코팅된 NT는 더 크게 "추산된 생존 세포" 생존력을 나타내었다.
도 16은 나노튜브 표면(TiO₂ NT, 침착된 Ta-코팅된 NT, 금속-코팅된 NT, 산화 Ta-코팅된 NT, Ta₂O₅ 표면-코팅된 NT) 위에서 배양된 HOb 세포의 알칼린 포스파타제(ALP) 활성(이는 세포의 작용성 또는 골-형성능을 반영함) 대 인큐베이션 시간(n = 3)으로부터의 데이터를 그래프로 보여주며; 그래프 점들은 평균 ± 표준 오차 막대를 나타낸다. 조골 세포 작용성은 금속 및 침착된 Ta에 비해 산화 탄탈룸 표면을 선호하는 것으로 보여진다.
도 17은 3주간 배양된 HOb 세포에 의한 골결절 형성 어세이(또는 매트릭스 광물화, 또는 골 형성)로부터의 데이터(좌측 그래프는 P 또는 인에 대한 것이고, 우측 그래프는 Ca 또는 칼슘에 대한 것임)로서 표면(TiO₂ NT, 침착된 Ta-코팅된 NT, 금속-코팅된 NT, 산화 Ta-코팅된 NT, Ta₂O₅ 표면-코팅된 NT)(n = 5) 위의 칼슘 및 인 광물 원소의 원자 퍼센트의 에너지 분산형 x-선(EDX) 분석 데이터를 그래프로 보여주며; 막대 그래프는 평균 ± 표준 오차 막대를 나타내고; ANOVA 테스트를 실행한 후에 통계적 유의성(p ≤ 0.001)에 도달한 p-값은 (*)에 의해 표시되었다.
도 18은 3주간 배양된 HOb 세포에 의한 골결절 형성의 상대적인 정도를 나타내는 2,000x에서의 SEM 현미경 사진을 보여주며, Ta 금속 코팅된 표면과 비교하여 Ta₂O₅-코팅된 나노튜브 표면에서 더 큰 골결절 형성이 확인되었다. 축척 막대 = 10 ㎛. (a) TiO₂ NT, (b) 침착된 Ta-코팅된 NT, (c) 금속 Ta-코팅된 NT(진공 어닐링됨), (d) 산화 Ta-코팅된 NT(공기중 어닐링됨), (e) Ta₂O₅-코팅된 NT(직접적으로 RF 스퍼터링됨). 뼈의 광물화는 금속 및 침착된 Ta보다 산화 탄탈룸 표면을 선호하였다.
이들 도면은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 목적을 갖는 것으로서 축척(scale)을 위한 것이 아니다. 예를 들어, 일부 요소의 치수는 다른 요소에 비해 과장되어 있다.
이제 본 발명의 다양한 예시적인 실시양태를 구체적으로 참조할 것이며, 그의 실시예가 첨부 도면에 설명되어 있다. 하기 상세한 설명은 본 발명의 특정 측면 및 실시양태의 세부사항에 대한 보다 양호한 이해를 독자에게 제공하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 얇은 탄탈룸 보호층(conformal layer)을 을 포함하는 제조산물 또는 제조물품, 예를 들어, 임플란트, 입자, 구체 등을 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명은 나노토포그래피(nanotopography) 상의 탄탈룸 표면 보호층을 포함하는 나노구조, 예를 들어, 나노튜브, 나노와이어, 나노포어 등을 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명은 나노토포그래피 상의 얇은 탄탈룸 보호층을 지닌 나노구조, 예를 들어, 나노튜브, 나노와이어 또는 나노포어 배열을 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물 또는 제조물품, 예를 들어, 바이오임플란트, 및 본 발명의 탄탈룸-표면-코팅된 나노구조는 생물활성 및 골 형성능 증가를 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물 또는 제조물품, 예를 들어, 바이오임플란트, 및 본 발명의 탄탈룸-표면-코팅된 나노구조는 시험관내, 생체외 및 생체내 실험, 임플란트, 생물의학적 디바이스 및 요법에 사용된다.

대안적인 실시양태에서, 제조산물 또는 제조물품은 Ti 임플란트 상의 탄탈룸-코팅된(Ta-코팅된) TiO₂ 나노튜브를 사용하여 골 형성의 개선을 제공한다. 탄탈룸-코팅된(Ta-코팅된) TiO₂ 나노튜브를 포함하는 본 발명의 Ti 임플란트는 TiO₂ 나노튜브를 단독으로 사용하는 경우와 비교하여 동물(마우스) 뼈세포 및 인간 뼈세포(인간 조골 세포) 양자 모두에서 골 형성의 개선을 제공하는 것으로 입증되었다. 양쪽 표면 모두 균등한 수준의 세포 부착, 증식 및 형태를 부추기는 것으로 측정되었다. 후기(advanced) 배양 시간에, Ta 표면 위의 골-작용성은 알칼린 포스파타제 활성, 골결절 형성 및 매트릭스 광물 침착의 측면에서 강화되었다.　 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 탄탈룸-코팅된(Ta-코팅된) TiO₂ 나노튜브는 정형외과 및 치과 임플란트에 유리하게 응용된다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물 또는 제조물품은 생물의학적 임플란트, 예를 들어, 뼈 또는 치아 임플란트, 또는 관절 대치 임플란트, 또는 골 침착이 필요한 경우의 핀, 플레이트 또는 포스트 등이다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 부분적으로, 실질적으로 또는 완전히 탄탈룸-코팅된(Ta-코팅된) 표면을 포함하는 나노구조의 제조산물 및 생체재료, 이러한 생체재료를 포함하는 디바이스를 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물 및 생체재료를 사용하여, 본 발명은 또한 인간 및 동물 신체 내 뼈의 효율적인 생성을 위한 제작 방법을 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 나노구조의 제조산물 및 생체재료는 조골 세포 성장 및 뼈의 광물화를 가속화할 수 있으며, 또한 나노구조의 생체재료 표면의 나노-데포 내에 저장된 성장인자 및 기타 화학적 또는 생물학적 재료를 방출시키도록 제작된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 부분적으로, 실질적으로 또는 완전히 탄탈룸-코팅된(Ta-코팅된) 표면을 포함하는 티타늄 옥사이드 나노구조, 예를 들어, 나노튜브, 나노와이어 등을 제공한다. 본 발명의 이들 조성물은 뼈 성장을 강화하는 나노기판을 포함한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 Ti 및/또는 TiO₂를 조합한 방법 및 구조를 제공하며, 이는 탄탈룸, 및 탄탈룸-코팅된(Ta-코팅된) 표면보다 훨씬 더 가벼운 재료이다. 대안적인 실시양태에서, TiO₂ 나노튜브 기하형태는 뼈 성장 및 줄기세포 분화를 증진시키며, 본 발명은 Ta 표면의 화학적 특성과 함께 TiO₂ 나노튜브의 이점을 조합한다.

대안적인 실시양태에서, 제한된 양의 탄탈룸을 사용하는 것은 임플란트가 무겁고 고가로 되는 것을 최소화하기 위해 필수적이다. 따라서, 대안적인 실시양태에서, Ta는 금속, 세라믹 및/또는 중합체 등의 나노튜브 또는 나노구조를 포함하는 베이스 구조 위에 얇은 코팅 재료로서 부가된다. 대안적인 실시양태에서, 따라서, Ta 표면 코팅의 두께는 0.1 mm(100 마이크로미터) 이하, 또는 0.01 mm(10 마이크로미터) 미만, 또는 1 마이크로미터 미만, 또는 0.1 마이크로미터(100 nm) 미만이다. 대안적인 실시양태에서, Ta 코팅의 최소 두께는 적어도 5 나노미터(nm)이다.

대안적인 실시양태에서 Ta 코팅은 물리적 증착, 예컨대 스퍼터링 또는 증발, 또는 화학적 증착, 또는 화학적/전기화학적 침착에 의해 부가된다.

대안적인 실시양태에서, 골-유도성 기판 재료는 Ta 또는 Ta 옥사이드 표면 코팅과 함께 나노튜브 및 나노기둥의 표면 구성 내로 혼입된다. 본 발명의 경우에 나노구조의 기판은 Ti 및 Ti 옥사이드 뿐아니라 적어도 50 중량% 만큼 Ti 또는 Ti 옥사이드를 함유하는 합금이다.

대안적인 실시양태에서, 표면, 예를 들어, Ti 또는 TiO₂나노튜브 또는 기타 나노구조 위의 Ta 필름 침착에 부가하여, Ta 금속 침착을 위한 기타 바람직한 정형외과, 치과, 척수, 무릎 또는 기타 임플란트 기판 재료가 사용되며, 예를 들어, 나노튜브 또는 기타 나노구조, 예컨대 합금 Ti, 예컨대 Ti-6Al-4V 합금으로 만들어진것, 및 ZrO₂, HfO₂, NbO 또는 Nb₂O₅, MoO₂또는MoO₃, VO₂또는V₂O₅, WO₂또는WO₃로 만들어진 나노튜브 또는 기타 나노구조, 또는 적어도 50 중량%의 하나 이상의 Ti, Zr, Hf, Nb, Mo, V, W, 옥사이드인 금속 성분을 포함하고 나머지 금속 성분이 Al, Ag, C, F, Mg, Ca, Si, P, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Pd, Ag, In, Sn, Sb, Re, Os, Ir, Pt, Au, Bi, 및 하나 이상의 희토류 원소와 같은 하나 이상의 다양한 기타 금속 또는 원소로부터 선택된 합금 옥사이드로 만들어진 나노튜브 또는 기타 나노구조를 포함한다. 스테인레스강, Si, Si 옥사이드, 탄소, 다이아몬드, 귀금속(예컨대 Au, Ag, Pt 및 이들의 합금), 중합체 또는 플라스틱 재료, 또는 복합 금속, 세라믹 또는 중합체와 같은 기타 재료도 바이오임플란트 및 세포 성장 응용을 위해 유사한 목적 표면 구성을 생성하고 사용하기 위해 이용될 수 있으며; 대안적인 실시양태에서, 적어도 약 5 nm의 두께 및 총 표면의 적어도 80%의 코팅 커버리지를 갖는 나노구조 Ta 또는 Ta 옥사이드 코팅이 사용된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 나노구조 표면, 특히 Ta 또는 Ta 옥사이드 표면 코팅을 갖는 Ti 옥사이드계 나노튜브 또는 나노기둥 구성을 기본으로 하는 골-유도성 생체재료 기판의 재료, 제작 방법 및 치료 응용을 제공한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물, 예를 들어, 디바이스, 생체재료 또는 임플란트는 양극산화처리 또는 나노차폐된(nanomasked) 에칭 기술에 의해 제작된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물, 예를 들어, 디바이스, 생체재료 또는 임플란트는 조골 세포 성장 및 골 형성을 가속화할 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물, 예를 들어, 디바이스, 생체재료 또는 임플란트는 나노구조 생체재료 표면의 나노-데포에 저장된 성장인자 및 기타 화학적 또는 생물학적 재료의 방출을 허용하는 나노-데포를 포함한다. 기타 재료, 예컨대 Ti 합금을 기본으로 하는 옥사이드 또는 Al, Zr, Hf, Nb, V, Mo, W를 기본으로 하는 옥사이드, 또는 스테인레스강을 기본으로 하는 합금을 함유하는 것도 하단의 기판 재료로 이용된다. 또한, 나노구조체 위의 표면 코팅은 다양한 결정 구조의 산화 Ta 뿐아니라 무정형 Ta를 포함한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물은, 예를 들어, 접촉면에서 기존의 뼈에 대한 골유착능을 유도하기 위해 뼈 임플란트 표면 코팅의 형태로 임의의 정형외과 임플란트 부위에서 뼈의 복구를 위해 이용될 수 있는, Ta 코팅된 나노구조를 갖는 골-통합성 생체재료이다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물은 조골 세포 성장 강화 및 광물화 매트릭스의 형성 후 인간 또는 동물 신체 내로의 이식을 위한 시험관내 세포 배양 기판로 이용될 수 있는 골-유도성 Ta-코팅된 나노규모 생체재료이거나 이를 포함한다. 본 발명의 골-유도성 Ta-코팅된 나노규모 생체재료는 뼈 또는 연골 세포로 진행중인 간엽성 또는 배아 줄기 세포의 분화 강화에도 이용될 수 있다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물은, 예를 들어, Ta 표면 코팅을 포함하는 생체재료 위에 나노-데포 구성을 포함하며; 이들 나노-데포 구성은 환자에 대한 추가의 치료 이익을 위해 성장인자, 항생제, 및 기타 약물 및 생화학 물질을 저장하고 서서히 그리고 지속적으로 전달하기 위한 저장소로서 이용될 수 있다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 본 발명의 제조산물, 예를 들어, 본 발명의 세포/골-성장 가속화 생체재료를 사용하는 다양한 제조 방법, 세포 배양 방법, 임플란트 응용 방법을 제공한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 Ta-코팅된 티타늄 옥사이드 나노튜브, ZrO2, HfO2, NbO 또는 Nb2O5, MoO2 또는 MoO3, VO2 또는 V2O5, WO2 또는 WO3 나노튜브 또는 나노와이어, 대안적인 금속 및 합금을 포함하는 제조산물(물품), 예를 들어, 생체재료 및 임플란트를 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명은 이들 조성물의 제작 방법, 및 본 발명의 이들 조성물에 대한 응용 및 방법, 예를 들어, 강하게 부착되고 동력학적으로 가속화된 뼈 성장, 연골 성장, 치주 세포 성장, 기관 세포 성장(간, 신장 등), 약물 독성 실험, 세포 검출, 인조 기관 등에 대한 생물의학적 생체내 및 시험관내 응용을 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명은 본 발명의 도면에 설명된 특이적 실시양태를 제공한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 그의 대부분이 Ti 또는 TiO₂로 구성되고 Ta 또는 Ta₂O₅ 박막으로 코팅된 나노튜브 또는 나노기둥 구조체를 포함하는 뼈 성장 강화 생체재료, 또는 적어도 50 중량%의 Ti 또는 Ti 옥사이드를 함유하는 합금 옥사이드로 만들어진 유사 구조, 또는 적어도 50 중량%의 Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, V, W를 함유하는 합금 옥사이드로 만들어진 유사 구조, 또는 스테인레스강으로 만들어진 유사 구조를 제공하며, 여기에서 광물화 매트릭스 형성의 정도에 의해 표시되는 조골 세포 작용성이 나노튜브 또는 나노기둥 표면 구성이 없는 동일 재료와 비교하여 적어도 10%, 또는 적어도 30%, 또는 적어도 50% 증가된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 뼈 성장 강화 생체재료를 제공하며, 여기에서 상기 나노튜브 또는 나노기둥 구조의 치수는 본 명세서에 나타낸 특정 범위로 제어된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 뼈 성장 강화 생체재료를 제공하며, 여기에서 상기 나노튜브의 나노데포 공간 내부 또는 나노기둥들 사이의 틈은 저장소로 이용되고, 환자에 대한 추가의 치료 이익을 위해 생물학적 제제를 저장하고 제어가능한 방식으로 전달한다. 대안적인 실시양태에서, 나노데포의 입구 치수는 저장된 생물학적 제제의 방출 속도를 늦추고자 부분적인 병목 구성을 유도하기 위한 금속 또는 옥사이드의 선택적 침착에 의해 감소된다. 제제는 성장인자, 콜라겐, 다양한 단백질/생물분자, 유전자, DNA, 항생제, 호르몬, 치료 약물, 자성, 금속, 세라믹, 중합체 입자의 작용성 입자를 포함할 수 있다. 자성 옥사이드 입자 또는 금속 입자로 만들어질 수 있는 작용성 입자는 원격 구동되는 RF 가열 및 나노데포 공간 내에 저장된 생물학적 제제의 가속화된 또는 스위치-온, 스위치-오프 방출을 위한 온도 구배의 창출에 이용된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 이중블록 공중합체 층을 사용하고, 합금 층, 또는 2-상 합금 필름을 스피노달적으로 분해한 후 생체재료 표면을 선택적으로 에칭하여 나노튜브 또는 나노기둥 표면 구성을 생성하는, 2-상 차폐 층의 양극산화처리, 형성 및 선택적 상 제거를 사용한 뼈-강화 나노튜브 또는 나노기둥 구성의 제작 방법을 제공한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 본 발명의 뼈-유도성 임플란트, 디바이스 및 생체재료의 용도를 제공하며, 여기에서 용도는 손가락, 손목, 팔꿈치, 어깨, 다리, 팔, 엉덩이, 무릎, 발목, 발 또는 발가락, 추간판의 뼈 또는 연골의 복구, 또는 흉곽 복구 또는 대치 뿐아니라 임의의 막대, 나사 또는 기타 뼈 안정판 임플란트를 포함한다. 본 발명의 조성물 및 방법은 관절 또는 뼈의 복구 또는 대치를 가능하게 함과 동시에 새로운 뼈 매트릭스가 성장하기 위한 구조적 지지체 및 화학적 환경을 제공함으로써, 골다공증과 같은 다양한 질환, 또는 면역시스템이 신체 세포 및 조직을 공격하여 뼈의 붕괴 또는 손상을 유발하는 자가면역 질환에 의해 유발된, 손상되거나, 감염되거나, 노화되거나, 질환에 걸린 뼈를 대치할 수 있다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 본 발명의 골-통합성 임플란트, 디바이스 및 생체재료의 생체내 용도를 제공하며, 여기에서 생체재료는 강한 골유착능을 유도하는 패치 뼈 임플란트 조각으로서 적용된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 본 발명의 뼈 매트릭스 유도성 임플란트, 디바이스 및 생체재료의 생체내 용도를 제공하며, 여기에서 생체재료는 바람직하게 환자 자신의 세포를 사용한 다음 뼈 손상 영역 근처의 인간 또는 동물 신체 내로 이식함에 의해 뼈 매트릭스 생성의 강화를 위한 조골 세포 배양 기판에 이용된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 그의 표면이 TiO₂ 유형 나노튜브 또는 나노포어로 변환되고 Ta 박층으로 코팅된 비-금속 또는 비-Ti계 기판을 제공한다. 대안적인 실시양태에서, Ti 또는 TiO₂ 박막 코팅이 이미 나노다공성인 재료의 표면 위에 적용되거나, 두꺼운 Ti 필름이 침착되고 양극산화처리되어 TiO₂ 나노튜브 유형을 창출함으로써 바람직한 세포 또는 뼈 성장 가속화 특성을 발휘한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명은 TiO₂ 표면 나노튜브 등에 의해 생체적합성이고 세포- 또는 뼈-성장-가속화시킨 다공성 또는 패턴화 기판, 다양한 제작 방법, 및 생물의학적 응용을 제공한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 느슨한(loose) 입자, 느슨한 단-섬유 또는 느슨한 플레이크 내에 구성된 Ta 코팅된 생체적합성 재료를 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 분말 표면은 느슨한 분말이 세포- 또는 뼈-성장-가속화 특성을 나타내도록 나노포어 또는 나노튜브 배열 나노구조를 포함하도록 가공되며, 이는 뼈의 시멘트 및 기타 조직 연결 응용에 유용하다. 대안적인 실시양태에서 느슨한 분말, 단-섬유, 플레이크, 파쇄된 메쉬 스크린 상의 TiO₂ 표면 나노튜브에 대한 다양한 유형의 제작 방법이 사용될 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 뼈 성장, 치아 뼈 성장, 치주 조직 성장의 가속화를 포함하는 다양한 응용 방법 및 생물의학적 응용이 사용된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 Ti, TiO₂또는 관련 금속 및 금속 옥사이드 필름에 의해 코팅된, 탄력적으로 순응하는 돌출 나노구조 기판을 포함하는, Ta-코팅된 생체적합성이고 세포-성장-강화성 배양 기판을 제공한다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명은 Ti, TiO₂또는 관련 금속 및 금속 옥사이드 필름에 의해 코팅되고 세포 배양 특성이 강화된, 탄력적으로 순응하는 돌출 나노구조 기판, 이와 같이 생체적합성이고 탄력적으로 순응하는 나노구조의 세포-배양 기판에 대한 다양한 유형의 제작 방법, 및 시험관내 세포 배양 또는 생체내 치료 응용에 대한 이들의 응용을 제공한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 스퍼터링, 증발, 레이저 절제, 이온빔 침착, 플라즈마 분무, 화학적 증착 등을 사용하여 임플란트 표면 위에 Ta-코팅을 형성하는 방법을 제공한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은, 예를 들어, 전기도금, 무전극 도금, 화학적 증착, 물리적 증착, 스퍼터링 등에 의해 치과 뼈 복구, 골다공증의 치료를 위한 잠재적 응용을 위해 Ti, Zr, Hf, Nb, Mo, V 또는 W, 또는 이들의 옥사이드의 Ta-코팅된 과립 또는 입자 제조의 물품, 방법 및 용도를 제공한다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 본 발명의 도면에 설명된 Ta-코팅된 나노구조, 재료, 다양한 기하형태 및 다양한 실시양태를 제공한다.

TiO₂ 나노튜브는 다양한 양극산화처리 방법에 의해 제조할 수 있다(문헌 참조: Gong, et al., Journal of Materials Research, Vol. 16 , No 12, page 3331-3334(2001), by J. M. Macak, et al., Angew. Chem. Int. Ed., vol. 44 , page 7463 -7465(2005), Electrochimica Acta 50(2005) 3679-3684(2005), and Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 44 , 2100-2102(2005), by A. Ghicov, et al., Electrochemistry Communications, Vol.7, page 505-509(2005) and by S. Oh et al, Biomaterials, Vol. 26 , page 4938-4943(2005)).

대안적인 실시양태에서, 양극산화처리된 TiO₂ 나노튜브 배열의 구조, 예컨대 나노튜브의 직경, 간격 및 높이는 전기화학적 양극산화처리 공정 중에 제어할 수 있다. 대안적인 실시양태에서 전해질 농도는 상기 언급된 문헌(Gong, et al., Oh, et al, Macak, et al., and Ghicov, et al.)에 보고된 바와 같이 주의깊게 선택된다. 일부 예시적인 전해질 및 이들의 농도는 다음과 같다: 물 중의 0.5 중량% 불화수소산(HF), 1 M 황산암모늄((NH₄)₂SO₄) 중의 0.5 중량% 불화암모늄(NH₄F), 및 1M Na₂SO₄ 용액 중의 1 중량% NaF. 인가 전압, 반응 시간, 배쓰의 pH 및 온도 등과 같은 다양한 양극산화처리 공정 파라미터는 잘 제어되고 최적화되어야 한다.

대안적인 실시양태에서 양극산화처리된 나노튜브용 베이스 재료는 순수한 Ti일 수 있거나, 기계적 강도 및 내구성이 증가된 Ti-V-Al 합금과 같이 Ti를 기본으로 하는 합금 또는 기타 고체 용액 경화된 또는 침전 경화된 합금일 수 있다.

대안적인 실시양태에서, 가속화된 조골 세포 골-형성 작용성 및 광물화 세포외 매트릭스 형성의 특이적인 예는 주로 Ta 박막 코팅을 갖는 Ti 및 Ti 옥사이드의 기판 재료 상에 있는 한편, 기타 원소를 함유하지만 적어도 50 중량%의 Ti 또는 Ti 옥사이드를 가질 수 있는 기타 티타늄 합금도 하단 기판로서 사용될 수 있다. 대안적인 실시양태에서 Al, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W 및 이들의 옥사이드, 또는 이들 금속의 합금과 같은 기타 전이금속 또는 내화 금속이 사용된다.

대안적인 실시양태에서, 특이적 나노튜브 또는 나노포어 배열 구조로 제작된, 스테인레스강, Si, Si 옥사이드, 탄소, 다이아몬드, 귀금속(예컨대, Au, Ag, Pt 및 이들의 합금), 중합체 또는 플라스틱 재료, 또는 복합 금속, 세라믹 또는 중합체와 같은 기타 재료가, 예를 들어, 바이오임플란트 및 골 형성 가속화 응용에 이용되며; 대안적인 실시양태에서 적어도 5 nm 의 두께 및 총 표면의 적어도 80%의 코팅 커버리지를 갖는 Ta 및 Ta 옥사이드의 우선적인 코팅이 사용된다.

대안적인 실시양태에서 양극산화처리된 티타늄 옥사이드와 유사한 방법에 의해 형성되며 고도로 정의된 특징부의 나노다공성 배열이 초래되는 양극산화처리된 알루미늄 옥사이드가 본 발명의 하단 기판로 사용된다. 대안적인 실시양태에서 이러한 기판은 동일한 방식으로 Ta 또는 Ta 옥사이드에 의해 코팅되며, 매우 생물활성이고 신속한 골-형성 기판을 제공한다.

조골 세포 성장 및 광물화 매트릭스의 형성에 중요한 요인은 단백질, 광물 이온, 유체 등의 영양분을 체액의 흐름을 통해 세포에 지속적으로 공급하는 것이다. 대안적인 실시양태에서, 예를 들어, 도 1에서와 같이 인접한 TiO₂ 나노세관 사이의 틈(간격)은 체액이 지속적으로 통과하여 영양분을 성장하는 세포의 기저부위로 공급하도록 허용하는 작용을 한다. 대안적인 실시양태에서 나노세관 사이의 원하는 틈은 도 3에서 양극산화처리 가공된 TiO₂ 나노튜브의 예시적인 현미경 사진으로 나타낸 바와 같이 약 2 내지 100 nm, 또는 약 5 내지 30 nm 범위이다. 도 3(b) 및 (c)에서 예시적인 본 발명의 TiO₂ 나노튜브 배열 구조에 대해 나타낸 투과 전자 현미경(TEM) 사진은 나노튜브 사이의 평균 약 15 nm 간격을 나타낸다.

상기 나노튜브 배열 구성이 지속적인 세포 성장 영양분의 공급을 허용하는 한편, 도 4에 설명된 나노기둥 배열 구성도 세포 성장 영양분의 지속적인 공급의 유사 기능을 실행하며, 그의 나노토포그래피 구조 및 나노기둥 사이의 틈은 강한 세포 부착을 허용한다. 이러한 나노기둥 구조는 패턴화 차폐 및 에칭, 또는 초기 패턴화 에칭 및 후속의 양극산화처리의 조합에 의해 Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, 또는 이들의 합금, 또는 이들 금속 및 합금의 얇은 코팅의 표면 위에 형성될 수 있다. 그 후, 나노구조의 표면은 양극산화처리된 나노튜브 배열의 경우에서와 같이 Ta 또는 Ta 옥사이드 박막으로 코팅될 수 있다.

예를 들어, 일 실시양태에서, 조골 세포의 코팅 또는 골 형성 강화 Ta 또는 Ta 옥사이드 코팅 전에, Ti를 기본으로 하는 임플란트 또는 기판이 그 위에 본 발명의 나노구조 또는 나노구조체가 형성되는 예시적인 기판 재료인 한편, 기타 재료도 베이스 임플란트 또는 기판로 이용될 수 있다. 예를 들어, 대안적인 실시양태에서, 양극산화처리에 의해 형성되고 국소 기판 표면 위에 순응적으로 형성된 수직 정렬된 구성을 갖는 나노튜브는 약 20 내지 800 nm 범위의 직경, 및/또는 약 50 내지 2,000 nm 범위의 높이를 나타내고; 예를 들어, 적어도 약 50 중량% Ti를 함유하고 임의로 하나 이상의 합금 원소를 함유하는 Ti 또는 기타 내화 금속을 함유하는 옥사이드로 만들어진 벌크 기하형태 기판 재료 위에 형성될 수 있다.

대안적인 실시양태에서, 나노구조 또는 나노구조체, 예를 들어, 나노튜브는, 예를 들어, 스퍼터링, 증발, 레이저 절제, 화학적 증착 또는 플라즈마 분무 공정, 또는 그의 조합에 의해 침착된 약 0.5 내지 20 마이크로미터 두께의 Ti 금속층의 두께를 갖는 두꺼운 Ti 금속 또는 Ti 함유 합금 필름의 표면을 양극산화처리하여 형성될 수 있다. 이러한 Ti 금속층은 Ti 불함유 기판 또는 임플란트, 예컨대 지르코니아를 기본으로 하는 임플란트(예를 들어 지르코니아 세라믹을 기본으로 하는 무릎 임플란트) 또는 코발트-크롬 유형 또는 스테인레스강 유형 합금을 기본으로 하는 임플란트, 또는 중합체를 기본으로 하는 임플란트, 예컨대 폴리에테르 에테르케톤(PEEK) 유형 또는 초-고 분자량 중합체 유형 임플란트(예를 들어, 척추 임플란트에 유용할 수 있음) 위에 코팅될 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 그 후, 코팅된 Ti 층은 양극산화처리되어 골-형성 특성의 강화를 위해 그 위에 얇은 Ta 또는 Ta 옥사이드 코팅이 부가될 수 있는 TiO₂ 나노튜브를 형성할 수 있다.

일 실시양태에서, 뼈-강화 나노기둥 구조를 제작하는 한 가지 편리한 방법은 나노-임프린트 기술을 이용하는 것이다. 도 5에 설명된 바와 같이, PMMA(폴리메틸-메타크릴레이트) 층과 같은 중합체 차폐 레지스트의 나노스탬핑이 목적하는 표면, 이 경우에, Ti 또는 관련 금속 및 합금 표면 위에서 수행될 수 있다. PMMA가 먼저 박층, 예를 들어 약 20 내지 100 nm 두께 층 위로 스핀-코팅된 다음, 이 경화되지 않은 PMMA 층에 나노스탬프를 찍어 레지스트 섬을 획득하고, 이를 다시 Ti 또는 합금 표면에 찍어 PMMA 차폐 섬을 남긴다. 그 후, Ti 또는 합금 베이스를 화학적으로 에칭하거나 반응성 이온 에칭(RIE)하여 목적하는 TiO₂ 나노기둥 구조를 형성한다. 기둥은 전체로 TiO₂로 구성될 수 있거나, 기둥의 표면만 양극산화처리의 산화 열 처리에 의해 TiO₂로 변환될 수 있다. 나노스탬프는 패턴화 Si, 금속 또는 엘라스토머(PDMS)로 만들어질 수 있으며, 기계적으로 유연한 엘라스토머 스탬프는 차폐 레지스트 섬의 더욱 신뢰성있는 이동을 허용한다. Ta 또는 Ta 옥사이드의 박막은 그 후 나노기둥 배열 위에 침착될 수 있다.

본 발명에 따라 Ti 또는 관련 금속 및 합금의 비편평 표면 위에 나노기둥 구조를 제작하기에 특히 유리한, 이와 같이 목적하는, 위치-유도되고 직경-유도된 균일한 나노기둥 배열을 형성하는 다른 대안적인 기술은 도 6에 설명된 바와 같이 수직의 2-상 분해성 코팅을 사용하는 유도 에칭을 도입하는 것이다. 먼저, 조골 세포 배양 및 뼈 성장을 위한 Ti 임플란트 또는 기판이 재료로 코팅된 후, 이는 수직으로 정렬된 2-상 구조로 분해된다. 이와 같은 분해성 재료의 예는 가열시 수직으로 정렬된 2-상으로 분해될 수 있는 이중블록 공중합체 층이다(문헌 참조: M. Park et al., "Block copolymer lithography: Periodic arrays of 10¹¹ holes in 1 square centimeter", Science, Vol. 272, page 1401(1997)).

수직으로 정렬된 2-상 구조에 이르는 분해성 재료의 다른 예는 스피노달적으로 분해하는 합금이다(문헌 참조: N. Yasui et al, "Perpendicular recording media using phase-separated AlSi films", Journal of Applied Physics, Vol. 97, page 10N103 (2005)). RF 플라즈마 스퍼터 침착 공정 중의 자가-가열 또는 ~100-700 ℃에서의 침착 후 어닐링을 사용한 박막 침착 중에, 바람직하게 수직으로 정렬된 나노포어 구조 또는 나노 섬 구조가 일반적으로 스피노달 합금으로부터 얻어질 수 있다. Al-Si 합금 필름의 경우, 적절한 화학적 에칭을 사용하여, Al이 선택적으로 에칭될 수 있는 한편 Si는 SiO₂ 다공성 막 또는 SiO₂ 섬 배열로 산화됨으로써, 2 상의 상대적인 부피 분획에 따라 나노포어 또는 나노기둥 구조를 창출한다.

이러한 분해성 코팅이 부가되어 정렬된 2 상 구조로 분해된 후(도 6(b)), 차등 에칭, 예를 들어, 화학적 에칭 또는 이온 에칭을 통해 2 상 구조로부터 상들 중의 하나를 제거하여 나노 섬 배열을 나타낸다(도 6(c)). 차폐 섬들을 통한 Ti 또는 합금 베이스의 에칭에 의해 도 6(d)의 나노기둥 배열이 생성된다. 코팅 재료가 제거된 후(도 6(e)), 임의의 부가적인 에칭 또는 유도 양극산화처리 공정을 이용하여 나노기둥의 깊이를 추가로 증가시킬 수 있다(도 6(f)).

대안적인 실시양태에서, 이중블록 공중합체가 사용되며; 이들은 2가지의 화학적으로 상이한 중합체 사슬 또는 블록이 공유결합에 의해 연결되어 만들어진다. 이 연결성 제약과 상호간의 화학적 비양립성 때문에, 이중블록 공중합체는 상분리되어 규칙적인(ordered)(종종 6각형 기하형태의) 나노규모의 혼합-상 복합체로 자가-조립하는 경향이 있다. 화학 및 분해 조건에 따라, 이들은 중합체 성분 중의 하나가 나노-원통형으로 다른 중합체 성분에 포매되어 있는 규칙적인 배열을 형성할 수 있다. 이중블록 공중합체의 예로는 폴리스티렌-폴리부타디엔 공중합체 및 폴리스티렌-폴리이소프렌 공중합체를 들 수 있다. 이중블록 공중합체는 톨루엔과 같은 용매로 희석되고, 기판 위에 딥 코팅, 브러쉬 코팅 또는 분무 코팅될 수 있다. 열이 적용되고 건조가 진행되며 공중합체 농도 및 온도가 임계점에 도달할 때, 규칙적인 구조로 이중블록 공중합체의 상 분해가 일어난다. 대안적인 실시양태에서, 규칙적이며 분해된 이중블록 공중합체 구조를 응집시키고 성장시키기 위한 목적 온도 상승은 약 50 - 350 ℃, 또는 약 100 - 250 ℃ 범위이다.

대안적인 실시양태에서, 스피노달 합금이 사용되며; 이들은 스피노달 상 안정성 범위 내의 고온으로 가열함에 의해 자발적으로 균일한 2 상 구조로 분해된다. Fe-Cr-Co, Al-Ni-Co-Fe, Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co 및 Al-Si 합금이 스피노달적으로 분해되는 합금의 주지된 예이다. 2개의 분해된 상 사이의 화학적 에칭성의 차이로 인하여, 도 6(c)의 나노섬 차폐 구조가 넓은 면적에 걸쳐 얻어질 수 있다.

도 6(b)에 기재된 바와 같이, Ti 임플란트 표면 위의 나노구조 패턴화는 이중블록 공중합체 2 상 분해 또는 2 상으로의 스피노달 분해를 이용할 수 있으며, 이로부터 상들 중의 하나가 용해되거나 에칭(습식 에칭 또는 건식 에칭, 예컨대 반응성 이온 에칭)에 의해 제거되어 섬 배열 또는 다공성 필름 층으로서 하나의 상 나노구조 만을 남겨놓을 수 있다. 스피노달적으로 분해된 합금의 이중블록 공중합체의 이들 남겨진 재료는 그 후 Ti 임플란트 표면을 에칭(습식 또는 건식)하기 위한 마스크로서 사용되어 목적하는 나노구조 표면 패턴을 창출할 수 있다.

다른 예시적인 접근법은 표면 유형 중합체 매트릭스 및 무기 나노입자를 포함하는 콜로이드성 재료를 사용하는 것으로서, 이는 용매가 건조됨에 따라 나노입자의 주기적인 배열로 자가-조립된다. 자가-조립은 트리옥틸포스핀 옥사이드 또는 올레산과 같은 유기 계면활성제 재료에 의해 유발될 수 있고, 계면활성제 재료에 분산된 양자점(quantum dot) 또는 자성 나노입자와 같은 나노입자는 계면활성제 분자에 의해 기하형태적으로 제약되어 계면활성제 매트릭스 내부에 나노입자의 주기적인 배열을 생성한다. 콜로이드성 나노입자 배열 구조는 문헌(Sun, et al. Science, Vol. 287, page 1989(2000); Murray et al., Science, vol. 270, page 1335(1995))에 기재된 바와 같이 본 발명의 조성물 내로 혼입될 수 있다.

대안적인 실시양태에서, 이중블록 공중합체 내의 규칙적인 나노포어의 치수는 대체적으로 약 10 nm 내지 약 100 nm이다. 이중블록 공중합체의 예로는 폴리스티렌(PS)-폴리(b-메틸 메타크릴레이트-폴리스티렌)(PMMA), 폴리스티렌-폴리부타디엔(PS-PB) 및 PS-폴리이소프렌(PI)을 들 수 있다. 문헌(Park, et al., Science, Vol. 276, page 1402(1997); Templin et al, Science, Vol. 278, page 1795(1997); Albrecht et al, Science, Vol. 290, page 2126(2000); Pai et al, Science, Vol. 303, page 507(2004); Chan et al, Science, Vol. 286, page 1716(1999))에 기재된 바와 같이, 나노-섬 또는 나노패턴 형성을 위해 규칙적인 블록 공중합체 구조를 사용하는 임의의 방법이 사용될 수 있다.

대안적인 실시양태에서, 예를 들어, 고온에서 저온으로의 냉각에 대한 열역학적 구동력에 의해 합금의 2 상 분해로서 스피노달 분해가 사용된다. 대안적인 실시양태에서, 스피노달 분해는 비교적 균일하고 주기적인 나노구조를 얻는 편리한 방법이다. 스피노달 합금 조성물에서, 임의의 작거나 큰 조성 변동이 합금 시스템의 자유 에너지를 낮춘다(문헌 참조: J. Cahn, Acta Met, vol. 10, p. 179(1962), a book by P. G. Shewmon, Transformations in Metals, McGraw-Hill Book Company, New York, 1969, page 292-295, and a book by A. G. Guy and J. J. Hren, Elements of Physical Metallurgy, Addison-Wesley, Menro Park, California, 1974, page 425-427). 대안적인 실시양태에서, 이 균일성 및 작은 입자 크기는 Ti 임플란트 금속 또는 합금 표면과 같은 재료 층을 패턴화하기 위한 나노규모 에칭 마스크로서 사용하기에 유리하다.

대안적인 실시양태에서, 2개의 스피노달적으로 분해된 상 중의 하나가 습식 에칭되거나 건식 에칭된 후, 나노 마스크로서 작용하는 남아 있는 상은 습식 또는 건식 에칭에 의해 아래 표면의 에칭 패턴화를 허용한다. 스피노달 분해로부터 얻어진 나노 마스크 치수는, 예를 들어, 10 - 200 nm 범위로 작을 수 있다. 스피노달 분해에 사용하기에 적합한 합금 시스템의 예로는 스피노달 범위(예: 약 35-65 중량% Cr)의 조성을 지닌 Fe--Cr 시스템, Fe--Cr--Co(20-65% Cr, 1-30% Co 및 잔량의 Fe), Cu--Ni--Fe(약 15-40% Ni, 15-30% Fe 및 잔량의 Cu), Cu--Ni--Co(약 20-40% Ni, 20-40% Co 및 잔량의 Cu), Au-Ni(약 20-80% Ni)를 들 수 있다. AlNiCo 마그넷 합금(Fe-Al-Ni-Co 합금), Cu-Ni-Sn 합금, Cu-Ni-Ru, Al-Zn, Al-Si 합금 및 기타와 같이 본 발명에 또한 이용될 수 있는 기타 스피노달 합금이 있다. 합금 필름이 먼저 나노-패턴화되는 재료 표면, 예를 들어, Ti 임플란트 위에 침착된다. 필름 침착은 주지의 침착 기술, 예컨대 물리적 증착(예: DC 스퍼터링, RF 스퍼터링, 이온 빔 침착, 열 또는 전자-빔 증발) 또는 화학적 침착(예: 화학적 증착, 전착, 무전해 침착)을 사용하여 수행될 수 있다.

본 발명의 하기 실시예에서, 100 nm 직경의 TiO₂ 나노튜브가 제작되고 Ta의 박막을 사용하여 스퍼터 코팅되었다. 조골 세포 작용성의 강화 및 뼈 매트릭스 형성의 가속화가 입증되었다.

조골 세포 배양 실험용 나노튜브 배열 구조의 제작

도 2는 제조된 TiO₂ 나노튜브 및 Ta-코팅된 나노튜브 표면 양자에 대해 얻어진 SEM 이미지를 나타내며, 예를 들어, 하기 참조문헌 16 및 17에 미리 기재된 바와 같이 약 100 nm의 외부 직경, 약 10 nm 벽 두께, 약 10 nm 간격, 및 약 300 nm 높이의 거의 동일한 구조로 밝혀졌다. 진공 스퍼터 침착에 의해 실행된 Ta 코팅은 Ta 두께(20 nm)가 고도로 제어된 보호층의 침착을 허용한다. Ta는 생체적합성 재료이며, 그의 부식 저항성은 Ti와 균등하고, Ta 및 Ta 옥사이드 양자 모두 참조문헌 10, 하기 [19]에 기재된 바와 같이 낮은 용해도 및 독성을 보유한다. Ta 코팅은 각각 TiO₂ 및 Ta 코팅된 표면 위에서 약 4° 에서 약 0°로 친수성의 미소한 증가를 유도하였다. 양자 모두 초친수성 범위 내로 남아있으므로 표면 에너지에 있어서 이러한 약간의 변화는 세포 거동에 유의적으로 영향을 미치리라 예상되지 않는다.

예를 들어, 하기 참조문헌 16에 이미 기재된 바와 같이 2개 전극 체제 양극산화처리 공정을 사용하여 TiO₂ 나노튜브 표면을 창출하였다. 이 공정에 0.25 mm 두께의 상업적으로 순수한 Ti 시트(99.5 % 금속 기준, Alfa-Aesar, USA)를 사용하였고, 이를 먼저 초음파 처리와 함께 아세톤 및 이소프로필 알콜에서 연속하여 세정한 다음 DI 물로 헹구었다. 20 V에서 30분간 아세트산(≥99.99 % 순도, Sigma-Aldrich, USA) 대 0.5 % 불화수소산 수용액의 중량 퍼센트 분획(48 % w/v, EM Science, USA)의 1:7 부피비에서 나노튜브를 제조하였다. 백금 전극(99.9 %, Alfa-Aesar, USA)이 음극(cathode)으로 작용하였다. 그 후, 제작된 무정형 구조의 TiO₂ 나노튜브를 아나타제 구조로 결정화하기 위하여 시료를 탈이온수로 세척하고, 80 ℃에서 건조시키고, 500 ℃에서 2 시간 열처리하였다. 덴톤 디스커버리 18 스퍼터 시스템(Denton Discovery 18 sputter system)에서 탄탈룸 표적으로부터 TiO₂ 나노튜브 및 편평한 Ti 대조군 기판 위로 탄탈룸 필름(20 nm-두께)을 진공-침착시켰다. TiO₂ 나노튜브 표면의 우선적인 코팅을 확보하기 위하여, 사용된 침착 각은 침착 중의 기판 회전과 함께 수직축의 ~30°오프였다. 베이스 압력이 10^-6 Torr에 도달한 후 Ar 압력이 3 mTorr에 도달하였을 때 200 W 플라즈마를 적용하였다. 침착된 Ta 필름은 무정형 성질인 것으로 예상된다.

조골 세포 생존력 및 형태

세포의 대사 활성을 측정하고 생존 세포의 수를 간접적으로 추산하기 위하여 MTT(3-(4,5-디메틸티아졸-2-일)-2,5-디페닐 테트라졸륨 브로마이드) 어세이를 이용하였다. 도 7(a)의 MTT 분석 결과는 편평한 대조군 시료와 TiO₂ 및 Ta-코팅된 나노튜브 표면 사이에 거의 차이가 없음을 보여준다. 세포 부착 및 증식이 나노튜브의 화학에 의해 영향을 받지 않는 것으로 보여진다. 또한, 24 시간 배양 후의 SEM 형태학적 조사(도 7(b))는 TiO₂ 및 Ta 표면 양자 모두에서의 광범위한 사상위족 활성을 밝혀냈지만, 편평한 대조군 표면에서는 그렇지 않았다. 예를 들어, 하기 참조문헌 20에 기재된 바와 같이, 손가락-유사 사상위족이 화학적 및 나노토포그래피적 신호 양자 모두를 검출하는데 사용되는 세포-감수성 메카니즘인 것으로 추측된다. 각각의 편평한 대조군 표면과 비교할 때, TiO₂ 및 ZrO₂ 나노튜브 구조체(예를 들어, 각각 하기 참조문헌 17 및 21에 기재됨) 양자 모두에서 사상위족 활성의 증가가 이미 입증되었다. 양쪽 나노튜브 표면에서의 많은 사상위족의 존재는 표면 화학과 독립적으로 나노튜브 구조체에 의해 HOb 세포가 비교적 동등하게 활성화됨을 나타낸다. 이들 결과는, 예를 들어, 하기 참조문헌 14에 기재된 바와 같이, Ta 및 Ti 기판 위에서 배양된 인간 조골 세포 사이에 증식, 부가(attachment) 또는 형태 사이의 차이가 없음을 보여주는 기존 결과와 일치한다.

작용성 점검: 골-형성능

실험 기판 위의 조골 세포의 골-형성능을 추산하기 위하여 알칼린 포스파타제(ALP) 활성을 인큐베이션 시간의 함수로 측정하였다(도 8). 더 짧은 시점에서는 차이가 관찰되지 않았지만; 10일 이후에는 기타 모든 시료들과 비교할 때 Ta-코팅된 나노튜브 표면 위에서 유의적으로 더 높은 ALP 활성이 검출되었다. 관찰된 ALP 활성의 상향조절은 Ta 코팅이 나노튜브 표면 위의 HOb 세포의 골생성 작용성을 강화시킬 수 있음을 나타낸다. Ta 상의 ALP 활성이 증가하는 이러한 경향은, 예를 들어, 하기 참조문헌 19에 기재된 바와 같이, 유리 디스크 위에 침착된 편평한 Ti 및 Ta 박막 표면에 대한 MSC 골생성 반응성의 비교 연구를 제시한 스틸러 등(Stiehler, et al.)에 의해서도 관찰되었다. 동일 방법에 의해 침착된 2개 필름의 비교에서도 동일한 경향이 관찰되었으므로 세포 거동이 원소 표면의 화학적 특성에 의해서만 영향을 받으며, 임의의 기타 표면 특성에 의해서는 영향받지 않는 것으로 추측할 수 있다. 도 8에서, 편평한 Ti와 비교할 때 편평한 Ta 대조군 위에서 ALP 활성이 약간 증가함을 볼 수 있다. 그러나, Ta-코팅된 나노튜브 표면은 TiO₂ 나노튜브 표면 뿐아니라 편평한 대조군보다 ALP 활성이 상당히 더 높다. 이는 나노튜브 나노구조 및 탄탈룸 표면 화학의 조합이 인간 조골 세포 배양에 대해 최상의 표면을 제공할 수 있음을 제시한다.

각 실험 표면 위에서 뼈 세포의 매트릭스 광물화 정도를 평가하기 위하여, 다양한 분석 기술을 통해 골결절 형성에 대해 조골 세포를 분석하였다. 3주간 배양된 HOb 세포에 의한 골결절 형성을 분석하였다. 1000x 에서의 도 9(a) SEM 현미경사진은 Ta-코팅된 NT 표면 위에서 더 큰 골결절 형성을 보여주었다(축척 막대 = 20 ㎛). 도 9(b)는 표면 위의 칼슘 및 인 광물 원소의 원자 퍼센트의 EDX 분석을 보여준다(n = 5). 막대 그래프는 평균 ± 표준 오차 막대를 나타낸다. ANOVA 테스트를 실행한 후에 통계적 유의성(p ≤ 0.001)에 도달한 p-값은 (*)에 의해 표시된다. 3주 후, 큰 골결절의 존재가 Ta-코팅된 나노튜브 표면 위에서 가장 뚜렷하였다. 또한, P 및 Ca의 양은 Ta-코팅된 표면 위에서 유의적으로 더 높았다.

그러나, 에너지 분산형 x-선(EDX) 분석은, 도 9(b)의 그래프에 나타낸 바와 같이, 다른 모든 시료에서 발견되는 것보다 Ta-코팅된 나노튜브 시료 위에서 인 및 칼슘 양자 모두(광물화된 뼈의 주된 성분)가 유의적으로 더 많은 양임을 드러내었다. 이는 비록 골결절 형성이 양쪽 나노튜브 표면 위에서 쉽게 발생하기는 하지만, Ta-코팅이 뼈 매트릭스 광물의 침착 증가를 유도하는 효과를 가지는 것으로 보임을 보여준다. 예를 들어 하기 참조문헌 22에 기재된 바와 같은 유사체액 내의 탄탈룸 금속 위, 및 예를 들어 하기 참조문헌 23에 기재된 바와 같은 과산화수소 함유 탄탈룸 클로라이드로 처리된 Ti 위의 골-유사 아파타이트 형성이 이미 보고되어 있다. Ta 원소가 아파타이트-유도 특성을 가지고 있다는 추정은 이것이 또한 HOb 세포에 의한 광물화 매트릭스의 생성을 장려한다는 가설을 뒷받침한다.

광물화 속도가 나노구조 또는 표면 화학에 의해 영향을 받는지 여부를 결정하기 위하여 매트릭스 광물화의 동력학을 또한 조사하였다. 7, 14 및 21일의 배양 후 각각의 기판 위의 인(도 10(a)) 및 칼슘(도 10(b))의 원자 퍼센트를 추산하는 EDX 분석은 가장 높은 속도의 광물화가 Ta-코팅된 나노튜브 표면에서 발생함을 드러내었다. 각 시료 유형에 대해 인큐베이션 시간의 함수로 광물 원자 퍼센트에 대해 선형 추세선이 추산되었으며, 각 선의 기울기를 결정하고 인 또는 칼슘 침착 속도로 기록하였다(도 10(c)). 인 및 칼슘 양자 모두의 침착 속도가 TiO₂ 나노튜브 기판에 비해 Ta-코팅된 나노튜브 기판에서 30% 더 빠른 것으로 결정되었다.

각 인큐베이션 시점에서의 매트릭스 광물화 동력학 결과를 칼슘 광물 침착을 검출하기 위한 단순하고 편리한 방법인 알리자린 적색 S 염색으로 확인하였다. 도 11에서 면역형광 이미지는 1, 2 및 3주의 배양 후(좌측에서 우측으로) 각각의 실험 표면 위 염색된 면적(밝은 적색)을 보여준다. 1주 후, TiO₂ 및 Ta-코팅된 나노튜브 표면 위에서 단지 소량의 광물이 검출된 한편, 편평한 기판 위에서는 아무것도 보이지 않았다. 2주 후, 칼슘 광물 침착물의 더 많이 농축된 면적(화살표로 표시)이 나노튜브 표면 위에서 보였다. 3주 후, 넓은 면적의 골결절이 나노튜브 표면 위에 존재하였다. Ta-코팅된 나노튜브 표면 위에 존재하는 큰 결절의 양도 가장 많은 것으로 보였다. 이들 결과는 EDX 분석에 의한 관찰의 시각적 확인이다. 또한, 알리자린 적색 염색의 증가가 Ti와 비교할 때 Ta 상의 MSC에서 스틸러 등(하기 참조문헌 19 참조)에 의해 보고되었는데, 이는 본 명세서에 기재된 본 발명의 결과를 추인한다.

TiO₂ 및 Ta-코팅된 나노튜브 표면은 양자 모두 매끈한 Ti 및 Ta-코팅된 매끈한 Ti의 편평한 대조군에 대해 조골 세포 성장 및 작용을 강화시켰다. 그러나, Ta-코팅된 나노튜브 표면은 ALP 활성, 골결절 형성, 및 매트릭스 광물화의 속도 측면에서 월등한 골작용성(osteofunctionality)을 나타내었다. 이들 결과는 비록 HOb 확산(spreading), 증식 및 형태가 주로 나노토포그래피적 신호에 의해 영향을 받기는 하지만, 골생성은 나노토포그래피보다는 표면 화학/재료 특성에 의해 훨씬 크게 영향받을 수 있음을 나타낸다. 이러한 가설은 탄소-코팅된 나노튜브 표면에서의 기존 발견과 일치한다(예를 들어, 하기 참조문헌 24 참조). 이들 표면 특성의 상호작용이 완전히 이해되고 있지는 않지만, 독특한 조합이 실질적인 결과를 나타낼 수 있음은 명백하다. 본 발명의 전반적인 발견은 Ta-코팅된 나노튜브 상의 골생성 반응성의 증가를 보여주며, 이는 금속 Ta와 연계된 표면 화학, 및 이에 따른 본 발명의 조성물이 최상의 뼈 임플란트 표면을 창출함에 있어 실질적인 기회를 제공함을 나타낸다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 목적은 골-형성능의 측면에서 Ta 대 TiO₂ 나노튜브 표면에 대한 조골 세포 반응성을 강화시키기 위한 것이다. 본 발명의 결과는 나노토포그래피적인 Ta가 성인 인간 조골 세포로부터 골작용성 및 매트릭스 광물화의 강화를 촉발시킴을 입증한다. TiO₂ 및 Ta 나노튜브 표면에 대해 관찰된 조골 세포 반응성에 있어서의 차이가 명백하기는 하지만, 이것이 단지 표면 화학의 결과인지 여부는 결론지을 수 없다. Ta 코팅이 부가되면, TiO₂ 나노튜브의 아나타제 결정성 표면과 비교하여 친수성이 약간 변화하는 것으로 관찰되었다. 본 발명의 일 실시양태는 나노튜브 내부 또는 나노기둥들 사이의 공간 내 나노데포 공간을 이용하여 Ta 또는 Ta 옥사이드 표면 층으로 코팅된 TiO₂ 나노튜브로부터 서서히 방출될 수 있는 연골 세포의 배양 강화에 바람직한 생물학적 제제, 예컨대 성장인자, 기타 생물분자, 항생제 등을 편리하게 저장할 수 있다는 것이다. 마이크로크기의 기공과 비교하여 TiO₂ 나노튜브의 나노규모 공간 또는 나노기둥들 사이의 간격은 저장된 생물학적 제제를 훨씬 더 오래 유지하고 장기간에 걸쳐 더 느린 방출을 허용할 수 있다는 이점을 나타낸다. 항생제(예컨대, 페니실린, 스트렙토마이신, 반코마이신)와 같은 약물의 제어된 느린 방출은 뼈 임플란트 근처의 감염을 예방할 수 있다. 나노데포 공간에 저장되어 이로부터 서서히 방출되는 성장인자도 연장된 기간에 걸쳐 조골 세포의 성장 및 성숙을 증진할 수 있다.

대안적인 실시양태에서, 이러한 나노데포 공간 내에 편리하게 저장될 수 있는 생물학적 제제는 성장인자, 콜라겐, 다양한 단백질/생물분자, 유전자, DNA, 항생제, 호르몬, 치료 약물, 자성, 금속, 세라믹, 중합체 입자와 같은 작용성 입자를 포함한다. 자성 옥사이드 입자 또는 금속 입자로 만들어진 작용성 입자는 원격 구동되는 RF 가열 및 나노데포 내에 저장된 생물학적 제제의 가속화된 또는 스위치-온, 스위치-오프 방출을 위한 온도 구배의 창출에 이용될 수 있다.

도면을 참조하면, 도 12는 수직으로 정렬된 나노튜브 기공 내에 저장되어 느리게 방출되는 생물학적 제제와 함께 Ta 표면 층으로 코팅된 나노튜브를 포함하는 TiO₂ 나노튜브를 기본으로 하는 임플란트의 추가로 개선된 실시양태를 도식적으로 설명한다. 도 12(a)는 Ta 박막으로 코팅되어 제조된 TiO₂ 나노튜브 배열을 나타내고, 도 12(b)는 나노-데포 내에 저장된 생물학적 제제를 갖는 나노 배열을 보여준다. 가속화된 뼈 매트릭스 형성을 위해, TiO₂ 나노튜브는 단지 200 내지 500 nm 키의 나노튜브 대신에 1-10 마이크로미터 키와 같이 더 큰 키로 만들어짐으로써 더 많은 생물학적 제제가 저장되고 더 긴 기간 동안 더 느린 방출이 달성될 수 있다. 저장된 생물학적 제제의 방출을 둔화시키기 위한 대안적인 본 발명의 접근법은 Ta 또는 Ta₂O₅의 의도적인 스퍼터링 또는 증착에 의해 나노튜브 입구를 더 좁게 만드는 것이다. 이는 도 12(c)에 도식적으로 설명된다. 규칙적인 수직 입사 침착도 이러한 병목을 형성하는 경향이 있지만, 침착 중에 회전하는 기판을 사용한 임의의 사선 입사 침착은 의도적인 병목 구성이 더 쉽게 형성되도록 한다.

대안적인 실시양태에서, 생물학적 제제의 나노-데포 저장 및 서방출은 나노기둥 배열 구조를 사용하여 달성된다. 이는 도 13에 도식적으로 설명되어 있다. 의도적으로 유도된 병목 구성을 사용하여 느린 속도의 방출이 달성된다.

대안적인 실시양태에서, 나노튜브 또는 나노기둥 배열 구성 내의 수직으로 정렬된 TiO₂ 및 관련 재료가 임의로 나노-데포를 기본으로 하는 저장소 및 화학물질 또는 생물학적 제제의 서방출과 함께 사용되며, 이는 임의로 이들 나노튜브 또는 나노기둥 구조가 없는 동일한 바이오 임플란트 재료 또는 바이오 기판 재료와 비교하여 예를 들어 적어도 30%, 또는 적어도 50% 만큼 조골 세포 작용성 및 광물화 매트릭스 형성의 동력학 및 양을 실질적으로 증진시킬 수 있다.

대안적인 실시양태에서 다양한 유형의 표면 나노구조 또는 마이크로구조화된 세포-배양 또는 골-배양 기판을 본 발명에서 실시하고자 하며, 예를 들어, 이들은 세포 및 뼈의 시험관내 배양을 위해, 또는 생체내 임플란트 구조의 일부로서 사용될 수 있다. 이와 같이 강화된 뼈 성장은 인간 및 동물의 다양한 치료 응용에 유용할 수 있다. 대안적인 실시양태에서 본 발명의 방법은 하기를 포함하지만 이로 제한되지는 않는 임의의 뼈 임플란트 부위에서 새로운 뼈 성장을 위한 지지 비계를 제공한다:

- 손가락 관절의 복구 또는 대치,

- 손목의 복구 또는 대치,

- 팔꿈치의 복구 또는 대치,

- 어깨의 복구 또는 대치,

- 다리,

- 팔,

- 엉덩이의 복구 또는 대치,

- 무릎의 복구 또는 대치,

- 발목의 복구 또는 대치,

- 발 및 발가락의 복구 또는 대치,

- 척수 추간판의 복구 또는 대치,

- 흉곽의 복구 또는 대치,

- 임의의 막대, 나사 또는 기타 뼈 안정판 임플란트.

대안적인 실시양태에서, 본 발명은 관절 또는 뼈의 복구 또는 대치를 가능하게 하는 한편 새로운 뼈 조직이 성장하고 결함을 충전하기 위한 구조적 지지체 및 화학적 환경을 제공함으로써, 골다공증, 또는 예를 들어 면역시스템이 신체 세포 및 조직을 공격하여 뼈의 붕괴 또는 손상을 유발하는 자가면역 질환과 같은 다양한 질환에 의해 유발된, 손상되거나, 감염되거나, 노화되거나, 질환에 걸린 뼈를 대치할 수 있다.

본 발명의 산물 및 방법, 예를 들어, Ta 코팅된 기판에 의해 향상된 방식으로 배양될 수 있는 세포 또는 경조직의 유형은 강하게 부착하는 뼈의 신속한 형성/성장을 위한 조골 세포, 치주 세포, 또는 줄기 세포를 포함한다. 본 발명의 구조체는 신뢰할 수 있으며 더 신속한 정형외과 또는 치과 뼈의 복구, 또는 외부적으로 제어가능한 약물 방출 및 치료 처치에 유용할 수 있다.

상기 실시양태는 본 발명의 응용을 나타낼 수 있는 많은 가능한 특이적 실시양태의 단지 몇가지를 설명하는 것으로 이해된다. 당업자는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 많은 다양한 기타 변형을 할 수 있을 것이다.

삭제

본 발명은 하기 실시예를 참조하여 추가로 기술될 것이나, 본 발명이 이러한 실시예로 제한되지 않음이 이해되어야 한다.

실시예

실시예 1: 본 발명의 조성물은 뼈 성장을 유도하는데 효과적이다

본 명세서에 제시된 데이터는, 예를 들어, Ta 또는 Ta 옥사이드 유형 나노구조를 갖는 생체재료를 포함하는 본 발명의 조성물, 및 본 발명의 방법이 뼈 성장의 가속화에 효과적이고 이를 가능하게 할 수 있으며, 신속하고 안전한 정형외과, 치과, 치주, 세포/기관 임플란트, 치료, 및 질환 진단을 포함하는 다양한 용도에 유용할 수 있음을 입증한다. 본 실시예는 또한 본 발명의 예시적인 조성물의 제조를 기술한다.

대안적인 실시양태에서, 기판 생체재료의 표면은 Ta 또는 Ta 옥사이드, 또는 Ta 또는 Ta 옥사이드를 함유하는 합금을 포함하거나 이로 구성된다. 대안적인 실시양태에서 기타 재료가 받침 기판에 사용된다.

대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물(물품)은 탄탈룸 또는 탄탈룸 옥사이드(Ta₂O₅) 코팅을 포함함에 의해 조골 세포 작용성 및 뼈 광물 성장을 강화할 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 제조산물(물품)은 Ti 또는 TiO₂로 만들어진 나노구조(예: 나노튜브, 나노와이어), 또는 기타 재료로 만들어지지만 생체적합성 Ta 또는 Ta₂O₅ 필름으로 코팅된 균등한 구조를 포함한다.

Ta 표면 화학을 포함하는 예시적인 나노구조는 조골 세포 광물화 속도 증진 을 가능케 하며, 더 짧은 시점에서의 골 형성능을 입증한다.

도면을 참조하면, 도 1(a)는 도 1(b)에 설명된 바와 같은 조골 세포 성숙을 가속화하는 예시적인 방법에서 사용하기 위한, 티타늄 금속 또는 합금 기판 위에서 성장한 다음 스퍼터 침착, 또는 이온 빔 침착, 증발, 레이저 절제, 화학적 증착에 의해 탄탈룸(Ta) 또는 Ta 옥사이드(Ta₂O₅) 박막이 침착된 자가-조직된 TiO₂를 기본으로 하는 나노튜브 배열을 포함하는 예시적인 디바이스를 설명한다. 대안적인 실시양태에서, TiO₂ 나노튜브 또는 임의의 기타 생체적합성 나노튜브(예: Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂, NbO 또는 Nb₂O₅, MoO₂또는MoO₃, VO₂또는V₂O₅, WO₂또는WO₃)는 본 발명의 조성물 및 디바이스와 함께 사용되며; 이들 나노튜브는 약 10 내지 1000 nm 직경, 또는 약 30 내지 300 nm, 또는 약 60 내지 200 nm 직경의 치수를 나타낼 수 있다.

대안적인 실시양태에서 세관의 목적하는 높이는 부분적으로 목적하는 종횡비에 의해 결정되는데, 왜냐하면 10 미만, 바람직하게 5 미만의 종횡비를 나타내는 비교적 짧은 높이가 세관 구멍 내부에 의도적으로 위치한 약물 또는 생물학적 제제의 저장 및 궁극적인 분배의 용이성에 대한 추세 감소에 바람직할 뿐아니라 두꺼운 나노튜브 층 내의 긴 세관들이 인체 내 주변에서 층간분리되고(delaminating), 갈라지고(breaking off), 부유할(floating) 가능성을 감소시키기 때문이다. 대안적인 실시양태에서 목적하는 높이는 40 - 2000 nm, 또는 100 - 600 nm이다.

대안적인 실시양태에서, 나노튜브 형상 기판 대신에 또는 이에 부가하여, 나노기둥 또는 나노와이어 또는 나노리본 또는 균등한 나노구조가 Ta(또는 그의 옥사이드) 박막을 침착시켜 뼈 또는 연골 형성을 강화하거나 줄기 세포 분화를 강화하기 위한 기초(예: 수퍼구조, 또는 주형, 또는 표면)로서 사용된다. 대안적인 실시양태에서 Ta 코팅의 목적하는 두께는 약 1 - 1,000 nm, 또는 5 - 300 nm, 또는 훨씬 더 또는 약 10 - 100 nm의 범위이다.

대안적인 실시양태에서 도 1(a)에 설명된 나노튜브의 개방된 상단은 도 1(b)에 설명된 바와 같은 양호한 부착을 위해 나노포어 구멍 내로 세포가 침투하도록 하기 때문에 개방된 상단 기공을 지닌 수직 정렬이 바이오 임플란트 및 관련 응용에 중요하다. 표면에 잘 부착하는 세포는 일반적으로 건강하게 유지되며 빨리 성장하는 한편, 부착하지 않는 세포는 성장 감소 또는 최소의 성장을 나타낸다.

도 2에 예시된 본 발명의 수직 나노튜브 구조에서, 이와 같이 바람직한 구성이 제공된다. 도 2는 또한 탄탈룸 코팅 후 나노튜브 기하형태 및 구조의 보존을 묘사한다. 각 표면에 대한 접촉각이 황색으로 표시되어 있으며, 이는 탄탈룸-코팅된 표면 위의 친수성이 4°에서 0°로 증가하였음을 나타낸다. 대안적인 실시양태에서, 뼈 및 연골 성장 강화를 위한 Ta 코팅된 나노튜브 또는 나노와이어 표면 구조를 포함하는 임플란트는 3도 미만, 바람직하게 2도 미만의 물방울 접촉각의 측면에서 개선된 친수성을 나타낸다.

대안적인 실시양태에서 티타늄 나노튜브가 전해 양극산화처리, 예를 들어 5% 불화수소산을 사용하고 약 10 - 20 볼트의 포텐셜을 적용하여 온도 및 기타 전기화학적 공정 파라미터에 따라 몇 분 내지 몇 시간을 허용함에 의해 형성된다. 생성된 TiO₂나노튜브 직경은 양극산화처리 전압에 좌우된다.

도 14 내지 18은 본 발명의 디바이스 상의 나노구조 표면 위의 Ta 코팅 대 Ta-옥사이드 코팅을 비교하고 인간 조골 세포 성장 및 골 형성을 유도하거나 자극하는 이들의 능력을 비교하기 위한 산화 탄탈룸 연구 데이터를 제시한다. 실험은 표준 양극산화처리 공정에 의해 약 100 nm 직경 x 약 300 nm 키의 나노튜브에서 동일 유형의 TiO₂ 나노튜브 표면에 대해 이루어졌으며, 약 3 밀리 Torr Ar 압력에서 하기 다양한 표면에 대해 이루어졌다: TiO₂ 나노튜브(제조됨), Ta-코팅된 나노튜브(스퍼터링에 의해 침착됨), 금속 Ta-코팅된 나노튜브(Ta-옥사이드 형성 없이 이를 금속으로 유지하는 동안 어닐링을 제공하기 위해 진공에서 열처리됨), 산화 Ta-코팅된 나노튜브(Ta 스퍼터 코팅됨 + Ta 코팅을 Ta-옥사이드 코팅으로 변환하기 위해 공기중에서 열처리됨), 및 Ta₂O₅-코팅된 나노튜브(약 20 nm 두께, 400 와트 전력에서 Ta-옥사이드 표적으로부터 직접 RF 스퍼터 코팅됨). 도 14 내지 18로부터, 조골 세포 작용성 및 뼈의 광물화가 금속 및 침착된 Ta에 비해 산화 탄탈룸 표면을 선호하는 것으로 보인다.

본 발명의 다수 실시양태가 기재되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 기타 실시양태도 하기 특허청구범위의 범위 내에 있다.

Claims

나노구조물(nanostructure) 또는 나노구조체(nanoarchitecture)를 포함하는 제품으로서,
여기서 나노구조물 또는 나노구조체의 표면의 적어도 일부가 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 이들의 조합의 코팅, 외부(outer) 피복 또는 외부 층으로 피복, 코팅, 또는 적층되는 것인, 제품.
제1항에 있어서,
코팅, 외부 피복 또는 외부 층이 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%의 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 제품.
제1항에 있어서,
나노구조물 또는 나노구조체의 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%가 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 이들의 조합으로 피복, 코팅 또는 적층되는 것인, 제품.
제1항에 있어서,
제품; 제품의 표면; 또는 제품의 코팅, 외부 피복, 외부 층 또는 외부 표면의 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%가 나노구조물 또는 나노구조체로 피복, 코팅 또는 적층된 것인, 제품.
제1항에 있어서,
표면 위에 하나 또는 복수 개의 마이크로규모(microscale) 구조물을 추가로 포함하는 것인, 제품.
제5항에 있어서,
마이크로규모 구조물 또는 구조물들의 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%가 나노구조물 또는 나노구조체로 피복, 코팅 또는 적층된 것인, 제품.
제1항에 있어서,
생물의학적 디바이스 또는 임플란트; 정형외과, 치과, 척수, 무릎, 관절 또는 균등물의 임플란트; 또는 뼈의 핀, 골수내 막대, 골수내 네일(IM nail) 또는 상호록킹 네일(inter-locking nail) 또는 K 네일(Kuentscher nail); 또는 뼈 또는 치아 임플란트; 또는 관절 대치 임플란트; 또는 핀, 플레이트 또는 포스트 또는 균등물로서 제작되거나 사용하기 위한 것인, 제품.
제1항에 있어서,
나노구조물 또는 나노구조체가
나노튜브, 나노기둥(nanopillar), 나노리본, 나노와이어, 나노막대 또는 나노섬유, 또는 이들의 균등물;
복수 개의 나노튜브, 나노리본, 나노기둥, 나노막대, 나노섬유 또는 나노와이어, 또는 이들의 균등물; 또는
나노기둥, 나노리본, 나노튜브, 나노섬유, 나노막대 또는 나노와이어 또는 이들의 조합의 어레이 구조물을 포함하는 것인, 제품.
제8항에 있어서,
어레이가 수직으로 정렬된 어레이인, 제품.
제8항에 있어서,
나노기둥, 나노리본, 나노튜브, 나노섬유, 나노막대 또는 나노와이어 또는 이들의 조합의 어레이 구조물이 20 내지 800 nm 범위의 평균 직경을 갖고, 50 내지 2,000 nm 범위의 평균 높이를 갖는 것인, 제품.
제1항에 있어서,
코팅, 외부 피복 또는 외부 층의 두께가
0.1 mm(100 마이크로미터), 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 1.0 mm 이하이거나;
0.01 mm(10 마이크로미터), 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09 또는 0.10 mm 미만이거나;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 마이크로미터 미만이거나;
0.1 마이크로미터(100 nm), 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 1.0 nm 미만이거나;
최소 두께가 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 나노미터(nm)인, 제품.
제1항에 있어서,
하나 또는 복수 개의 세포를 추가로 포함하는 것인, 제품.
제12항에 있어서,
세포 또는 세포들이 인간 세포; 줄기 세포; 연골 세포, 섬유모세포, 파골 세포 또는 조골 세포; 치아 발생 또는 골 형성에 관여하는 세포; 골 세포, 근육 세포, 간 세포, 간실질 세포, 내피 세포, 지방 세포, 섬유모세포, 쿱퍼(Kupffer) 세포, 신장 세포, 혈관 세포, 피부 세포, 치주 세포, 치아모세포, 상아질모세포, 시멘트질모세포, 에나멜질모세포, 또는 치원성 체외 간엽조직; 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 제품.
제12항에 있어서,
세포 또는 세포들이 나노구조물 또는 나노구조체에 부착되거나 그의 표면 위에서 성장하는 것인, 제품.
제1항에 있어서,
뼈; 연골; 또는 성장 및 부착된 뼈 구조를 추가로 포함하는 것인, 제품.
제15항에 있어서,
뼈 또는 성장 및 부착된 뼈 구조가 정형외과의 뼈; 치과의 뼈; 척수뼈; 또는 인간 또는 동물의 뼈를 포함하는 것인, 제품.
제15항에 있어서,
뼈, 연골, 또는 성장 및 부착된 뼈 구조가 Ta 또는 Ta 옥사이드 코팅의 상단 또는 외부 표면에 있는 것인, 제품.
제1항에 있어서,
코팅, 외부 피복, 또는 외부 층이 물리적 증착 공정, 스퍼터링 또는 증발 공정, 또는 레이저 절제(laser ablation) 또는 플라즈마 분무 공정, 또는 화학적 증착 공정, 또는 화학적/전기화학적 침착 공정에 의해 부가되는 것인, 제품.
제1항에 있어서,
제품; 제품의 베이스, 외부 표면 또는 외부 층; 나노구조물 또는 나노구조체; 또는 나노구조물 또는 나노구조체의 베이스가
(a) 티타늄(Ti), 티타늄 옥사이드, TiO₂, 또는 이들의 조합;
(b) Ti 또는 Ti 옥사이드를 적어도 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 또는 75 중량% 포함하는 합금;
(c) 금속 성분;
(d) 희토류 원소;
(e) 스테인레스강;
(f) Si, 또는 Si 옥사이드;
(g) 탄소, 또는 다이아몬드;
(h) 세라믹;
(i) 중합체 또는 플라스틱 재료; 또는
(j) 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 제품.
제19항에 있어서,
금속 성분이
(a) ZrO₂, HfO₂, NbO 또는 Nb₂O₅, MoO₂ 또는 MoO₃, VO₂ 또는 V₂O₅, WO₂ 또는 WO₃, 또는 이들의 임의의 합금 또는 옥사이드, 또는 이들의 옥사이드;
(b) Ti, Zr, Hf, Nb, Mo, V 또는 W 옥사이드;
(c) Al, Ag, C, F, Mg, Ca, Si, P, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Pd, In, Sn, Sb, Re, Os, Ir, Pt, Au 또는 Bi; 및
(d) 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 제품.
제19항에 있어서,
금속 성분이 적어도 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 또는 75 중량%를 차지하는 것인, 제품.
제1항에 있어서,
나노구조물 또는 나노구조체가 양극산화처리되는 것인, 제품.
제22항에 있어서,
나노구조물 또는 나노구조체가
(a) Ti 금속 또는 Ti 함유 합금의 표면의 양극산화처리; 또는
(b) Ti-비함유 기판, 베이스, 표면 또는 임플란트 상의 Ti 또는 Ti-함유 합금의 코팅된 두꺼운 필름 층의 양극산화처리에 의해 형성된 나노구조물 또는 나노구조체 층 또는 어레이인, 제품.
제1항에 있어서,
화학물질(chemical), 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물, 또는 추적자(tracer)를 추가로 포함하는 것인, 제품.
제24항에 있어서,
(a) 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자가 펩티드, 단백질, 폴리펩티드, 항체, 핵산, DNA 또는 RNA, miRNA, siRNA, 유전자, 벡터, 폴리사카라이드, 지질, 성장인자, 사이토킨, 항생제, 호르몬, 치료약물, 작용성 입자, 자성 입자, 금속 입자, 세라믹 입자, 중합체 입자 또는 이들의 조합으로 이루어진 군의 멤버를 포함하거나;
(b) 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자가 나노튜브 또는 중공형 나노와이어 또는 나노기둥 내 또는 내부, 또는 나노구조물 또는 나노구조체의 공간 사이 또는 그의 내부 또는 그 위에 부착되어 저장되거나; 또는
(c) 나노구조물 또는 나노구조체가 나노구조물 또는 나노구조체 내부(나노와이어 내, 또는 중공형 나노튜브 또는 나노기둥 내와 같은); 또는 나노구조물들 또는 나노구조체들 사이; 또는 나노구조물 또는 나노구조체 위에 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자를 저장함으로써 복수개의 나노데포(nanodepot)를 형성하는 것인, 제품.
제1항에 있어서, 나노구조물 또는 나노구조체가
(a) 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자를, 촉발가능한, 실행가능한, 제어된, 또는 서방성의 방식으로 방출되도록 하기 위하여, 부분적으로 차단되거나 협착된, 또는 촉발가능하거나 실행가능한, 또는 부분적인 병목형 구성의, 개방구를 추가로 포함하거나;
(b) 금속 또는 옥사이드 재료의 선택적 침착에 의해 감소된 입구 치수를 갖고, 부분적인 병목형 구성을 유도하여 그 내부에 저장된 화학물질, 화합물, 소분자, 제제, 활성 제제, 생물학적 제제, 약물 또는 추적자의 방출 속도를 낮추는, 나노데포를 추가로 포함하거나;
(c) 나노데포 공간 내에 저장된 생물학적 제제의 가속화된 또는 스위치-온, 스위치-오프 방출을 위한 온도 구배의 창출 및 원격 구동되는 RF 가열에 이용되는, 자성 옥사이드 입자 또는 금속 입자로 만들어질 수 있는 작용성 입자를 추가로 포함하는 것인, 제품.
시험관내, 생체외 또는 생체내 세포 배양 기판으로서,
새롭거나 강화된 세포 성장; 새롭거나 강화된 조골 세포, 치아모세포, 상아질모세포 또는 시멘트질모세포 성장; 새롭거나 강화된 뼈 또는 연골 성장; 또는 새롭거나 강화된 광물화 매트릭스 형성을 위한 것이고,
여기서 세포 배양 기판 또는 기판의 표면이 제1항의 나노구조체 또는 나노구조물을 포함하는 것인, 세포 배양 기판.
제27항에 있어서,
코팅, 외부 피복 또는 외부 층이 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%의 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 세포 배양 기판.
제27항에 있어서,
나노구조물 또는 나노구조체의 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%가 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 이들의 조합으로 피복, 코팅 또는 적층되는 것인, 세포 배양 기판.
시험관내, 생체외 또는 생체내 지지 비계(supportive scaffolding)로서,
새롭거나 강화된 세포 성장; 새롭거나 강화된 조골 세포, 치아모세포, 상아질모세포 또는 시멘트질모세포 성장; 새롭거나 강화된 뼈 또는 연골 성장; 또는 새롭거나 강화된 광물화 매트릭스 형성을 위한 것이고,
비계(scaffolding) 표면이 제1항의 나노구조체 또는 나노구조물을 포함하는 것인, 지지 비계.
제30항에 있어서,
코팅, 외부 피복 또는 외부 층이 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%의 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 지지 비계.
제30항에 있어서,
나노구조물 또는 나노구조체의 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%가 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 이들의 조합으로 피복, 코팅 또는 적층되는 것인, 지지 비계.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
제품이 뼈 임플란트, 얹기뼈이식(bone onlay) 또는 뼈 지지체 부위를 위한 임플란트의 위에 있거나 이의 일부인, 제품.
제33항에 있어서,
뼈 임플란트, 얹기뼈이식 또는 지지체가 하기를 위하여 제작되거나, 하기의 전부 또는 일부를 대치하기 위한 것인, 제품:
- 손가락 관절의 복구 또는 대치,
- 손목의 복구 또는 대치,
- 팔꿈치의 복구 또는 대치,
- 어깨의 복구 또는 대치,
- 다리의 복구 또는 대치,
- 팔의 복구 또는 대치,
- 엉덩이(hip)의 복구 또는 대치,
- 무릎의 복구 또는 대치,
- 발목의 복구 또는 대치,
- 발 또는 발가락의 복구 또는 대치,
- 척수 추간판의 복구 또는 대치,
- 흉곽의 복구 또는 늑골의 대치,
- 두개골 메쉬(mesh), 패치(patch) 또는 대치,
- 핀, 메쉬 또는 막대, 또는
- 막대, 나사 또는 뼈 안정판 임플란트.
새롭거나 강화된 세포 성장; 새롭거나 강화된 조골 세포, 치아모세포, 상아질모세포 또는 시멘트질모세포 성장; 새롭거나 강화된 뼈 또는 연골 성장; 및/또는 새롭거나 강화된 광물화 매트릭스 형성을 개시하거나 유도하는 방법으로서,
(a) 나노구조물 또는 나노구조체로서,
여기서 나노구조물 또는 나노구조체의 표면의 적어도 일부가 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 또는 Ta 합금 옥사이드의 코팅, 외부 피복 또는 외부 층으로 피복, 코팅, 또는 적층되는 것인, 나노구조물 또는 나노구조체; 또는
(b) 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 제품;
제27항의 시험관내, 생체외 또는 생체내 세포 배양 기판; 또는
제30항의 시험관내, 생체외 또는 생체내 지지 비계를, 인체를 제외한 생체내에 이식하는 단계를 포함하는, 방법.
제35항에 있어서,
코팅, 외부 피복 또는 외부 층이 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%의 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 방법.
제35항에 있어서,
나노구조물 또는 나노구조체의 적어도 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 또는 99%가 탄탈룸(Ta), Ta 합금, Ta 옥사이드 또는 Ta₂O₅, 결정성 탄탈룸(Ta), 무정형 Ta, 또는 이들의 조합으로 피복, 코팅 또는 적층되는 것인, 방법.
뼈-강화 나노튜브 또는 나노기둥 구조물의 제작 방법으로서,
(a) 생체재료 상에 이중블록 공중합체 층, 스피노달적으로 분해하는 합금 층, 또는 2-상 합금 필름의 2-상 차폐 층의 형성;
(b) 2-상 차폐 층의 선택적 상 제거;
(c) 나노튜브 또는 나노기둥 표면 구조물을 생성하기 위한 생체재료 표면의 선택적 에칭; 및
(d) 생체재료 표면의 양극산화처리를 포함하는, 방법.