KR102312170B1 - 유기 매트릭스내의 치환된 하이드록시아파타이트로 이루어진 물리적인 태양광 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기 매트릭스, 바람직하게는 젤라틴, 및 티타늄에 의한 인의 일부 및 철에 의한 칼슘의 일부의 치환에 의해서 개질된 하이드록시아파타이트 나노입자로 이루어진 태양광 방사선에 대항하는 보호를 위한 조성물에 관한 것이다.

Description

유기 매트릭스내의 치환된 하이드록시아파타이트로 이루어진 물리적인 태양광 필터

본 발명은 생체적합성 중합체로 이루어진 유기 매트릭스 내의 티타늄 및/또는 철 이온으로 치환된 하이드록시아파타이트의 입자에 의해서 형성된 물리적인 태양광 필터에 관한 것이다.

태양 방사선, 특히, 이들 방사선 스펙트럼의 자외선(UV) 성분은 다양한 유형의 광화학적 분해의 원인임이 공지되어 있다. 이들은 페인트, 직물 및 플라스틱 코팅의 퇴색(fading) 및 노화(aging) 뿐만 아니라, 인간의 피부 조직의 모든 변화, 잠재적으로는 피부 암의 개시까지 포함할 수 있고; UV 선에 대한 급성 및 만성 노출은 사실 청년, 특히, 어린이의 경우에 중대한 문제인 일광화상, 광노화, 광면역억제(photoimmunosuppression), 및 광발암(photocarcinogenity)을 유도할 수 있다.

UV 방사선은 UVC (100-290 nm), UVB (290-320 nm) 및 UVA (320-400 nm)로 추가로 분류되는 100 내지 400 nm의 파장 스펙트럼의 부분을 포함한다. UVC 방사선 노출은 실질적인 관심이 별로 없는데, 그 이유는, UVA 및 UVB에 대한 노출은 불가피한 것으로 여겨지지만, 290 nm 미만의 파장이 오존층에 의해서 흡수되고 지구 표혐에 도달하지 않기 때문이다.

UV 선 노출의 부정적인 효과를 방지하거나 완화시키기 위해서, 보호하고자 하는 부분 상에 도포될 수 있는 유체 조성물이며 그 부분에 도달하는 UV 방사선의 양을 감소시킬 수 있는 성분을 함유하는 소위 태양광 필터들이 사용될 수 있으며; 이러한 특징으로 인해서, 태양광 필터는 또한 일반적으로 선스크린으로 일컬어진다. 비록, 상기 언급된 바와 같이, UV 노출은 제조된 물품 및 산업상의 제품에서 분해를 유발시킬 수 있지만, 이하 설명에서는, 피부 보호가 중요함을 고려하여, 피부 보호에 대한 적용이 참조될 것이며; 어쨌든, 본원에서 설명되는 태양광 필터는 또한 다른 분야에도 적용될 수 있음이 이해되어야 한다.

태양광 필터는 두 가지의 주요 부류로 나뉜다: a) 광보호에서의 활성 성분이 UV 선을 흡수할 수 있는 유기 분자인 화학적 또는 생물학적 필터; 및 b) 방사선을 반사하는 물리적인 장벽을 포함하는 물리적인 또는 무기 UV 필터. 화학적 광보호 성분 중에, 광범위하게 사용되는 한 가지는 사용명으로 메톡시디벤조일메탄 부틸 또는 아보벤존으로 일반적으로 일컬어지는 화합물 1-(4-메톡시페닐)-3-(4-3차-부틸페닐)-프로판-1,3-디온인 한편, 물리적인 활성을 갖는 화합물 중에, 특히, TiO₂ 및 ZnO가 언급될 수 있다.

그러나, 현재의 시중의 태양광 필터는 중요한 문제의 예외가 아니고; 이들의 사용과 관련되어 논의되는 점들은 이들의 성분 및 환경에서의 이들의 분포의 효과뿐만 아니라, 태양광에 대한 노출시의 이들의 분해 및 분해 생성물의 효과와 관련이 있다. 예를 들어, 크림 성분의 피부에 대한 효과(예, 자극 및 감작화) 및 피부 투과; 화학적 UV 필터의 에스트로겐 효과; UV 방사선 노출을 통한 광촉매 활성 및 광분해; 및 피부에 의한 UV 방사선의 불충분한 흡수를 초래하는 선스크린의 남용에 의해서 유발된 비타민 D 결핍이 조사되었다.

광촉매 활성(상기 언급된 세 번째 점)은 어떠한 태양광 보호의 원치않는 특징이며, 그 이유는 그것이 그 자체로 UV 선에 대한 노출과 연관된 건강상 문제중 어떠한 문제의 원인일 수 있는 자유 라디칼 및 반응성 종의 생성을 유도할 수 있기 때문이고; 이와 관련하여, 예를 들어, 논문 ["Current Sunscreen Controversies: A Critical Review" M. E. Burnett et al., Photodermatology Photoimmunology and Photomedicine, 2011, 27(6): 58-67]을 참조할 수 있다.

이러한 단점은, 예를 들어, 광분해를 진행시키는 것으로 공지되어 있는 활성 구성요소로서의 화합물 아보벤존을 함유하는 화학적 UV 필터뿐만 아니라, 특히 TiO₂, SiO₂, Fe_xO_y, Mg_xO_y, ZnO의 나노입자를 함유하는 물리적인 UV 필터의 사용과 연관되어 있다. 나노입자의 형태의 이들 화합물의 사용은 이의 유효성을 향상시켜 더 큰 광보호 효과를 생성시키는 반면에, 그러나, UV-가시광선 하의 이들 무기물의 광촉매 특성 및 UV 방사선 노출에 의한 반응성 유리 라디칼을 생성시키는 이들의 잘-문서화된 능력 관련된 가능한 안전성 우려를 유발시킴이 밝혀졌다. 또한, 물리적인 선스크린의 사용의 증가로 인해서, TiO₂ 및 ZnO의 나노입자의 농도의 증가가 최근에 환경에서, 특히, 연안수에서 검출되었다. ZnO 나노입자는 광범위한 분류군 범위내에서 수생 및 지상 종 둘 모두에 환경독성학적 효과가 있으며, 자연 환경에서의 특정의 농도 수준 이상에서는, 이들은 환경 생물군에 대한 유의한 위험을 유발시킬 수 있다. 참조예, 문헌["Ecotoxicity of manufactured ZnO nanoparticles - A review" H. Ma et al., Environmental Pollution, 2013, 172, 76-85].

비록, TiO₂ 나노입자는 조류(algae) 및 물벼룩(Daphnia)에 대한 환경 독성 효과를 갖는 것으로 밝혀졌지만, 이들은 ZnO에 비해서 해양 광플랑크톤에 대한 낮은 수준의 독성을 나타내는 듯하다.

무기 나노입자를 기반으로 하는 UV 필터의 사용과 관련된 또 다른 문제는 선스크린의 국소 적용 후의 무기 나노입자의 상피 투과와 관련되어 있다. 각질층은 건강한 피부의 더 깊은 층에 ZnO 및 TiO₂ 나노입자의 유입을 방지하기 위한 효과적인 방벽인 것으로 입증되었지만, 더 높은 투과도가 손상된 또는 병든 피부의 경우에서 관찰된다. 또한, 일부 연구는 선스크린에서의 어떠한 바람직하지 않은 미백 효과를 방지하기 위해서 사용되는 이산화티타늄 및 산화아연(이들은 입자의 크기를 나노미터 크기 정도로 감소시킴으로써 가시광선은 아니지만 UV와 같은 낮은-파장 방사선을 차단하게 한다)의 미분화(micronized) 형태가 표피의 가장 안쪽 층에의 물리적인 필터의 증가된 투과를 초래할 수 있으며, 여기서, 그것은 산화성 스트레스 반응을 촉발시켜 콜라겐의 고갈, 광노화 및 광발암을 유발시킬 수 있음을 나타냈다. 이와 관련한 참조예, 논문["Toxicity and penetration of TiO₂ nanoparticles in airless mice and porcine skin after subchronic dermal exposure", Jianhong Wu et al., Toxicology letters 191 (2009) 1-8]

따라서, 물리적인 UV 필터에서의 TiO₂ 및 ZnO 나노입자의 사용에 의해서 유발된 주된 우려는 인간 및 다른 유기체에서의 전신 및 생물축적 효과를 유발시키는 이들의 잠재적인 광독성 및 이들의 투과와 관련되어 있다.

따라서, 상기 개괄된 단점이 없거나, 어떠한 경우에, 현재 사용되는 물질과 관련하여 더 낮은 범위로 이들을 나타내는 선스크린을 위한 활성 성분에 대한 요구가 본 기술분야에서 여전하다.

본 발명의 목적은 감소된 광독성 및 피부 투과 특성을 갖는 태양광 필터에 사용하기 위한 광활성 재료를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명에 의해서 달성되며, 첫 번째 양태에서, 본 발명은 중합체 분자에 의해서 형성된 유기 매트릭스를 포함하는 조성물로서, 그러한 중합체 분자 상에 티타늄 및/또는 철 이온으로 치환된 하이드록시아파타이트의 나노입자가 연결되어 있고, 여기서, 인이 인에 대하여 8 내지 50원자%의 양으로 티타늄으로 부분적으로 대체되어 있고/있거나 칼슘이 칼슘에 대하여 2 내지 40원자%의 양으로 철에 의해서 부분적으로 대체되어 있고, 여기서, 유기 매트릭스의 양은 5 내지 60중량%이고, 치환된 하이드록시아파타이트의 양은 35 내지 90중량%이고, 나머지 부분은 물에 의해서 구성되는 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 두 번째 양태에서, 본 발명은 상기 조성물을 얻는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 조성물의 다양한 샘플의 전자 현미경 사진을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 조성물의 세 가지 샘플의 분말 x-선 회절 스펙트럼을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 조성물의 샘플들의 UV-가시광선의 반사 및 흡수 스펙트럼을 나타낸다.

본 발명이 이하 도면을 참고로 하여 상세히 기재된다.

하이드록시아파타이트는 이량체 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂로도 종종 보고된 화학식 Ca₅(PO₄)₃(OH)의 화합물이며, 이는 결정의 기본 셀에서의 두 가지 기본 단위의 존재를 반영한다. 화합물은 무기물(여기서, 하이드록실 이온이 염소, 불소 또는 카르보네이트 이온에 의해서 부분적으로 치환될 수 있다)로서 자연적으로 발생하고, 또한 인간 및 동물의 뼈의 무기물 구성요소이다. 화합물은 또한 hydroxyapatite(하이드록시아파타이트)로부터의 약어 HA로 문헌에서 표시되며, 이는 또한 본 명세서에서도 사용될 것이다.

본 발명의 발명자들은 하이드록시아파타이트가 새로운 안전한 태양광 필터의 개발을 가능하게 하는 특징을 가지는데, 그 이유는, ZnO 및 TiO₂에 비한 이의 높은 생체적합성과 함께, 이의 UV 방사선의 흡수/반사 밴드가 적합한 도펀드 이온들을 이의 결정질 구조에 도입함으로써 요망되는 범위로 연장되고 변조될 수 있기 때문임을 입증하였다.

본 발명의 첫 번째 양태에서, 본 발명은, 상기 나타낸 바와 같이, 광활성 요소로서, 티타늄 및/또는 철 이온에 의해서 치환된 하이드록시아파타이트 나노입자가 존재하는 유기 매트릭스를 포함하는 조성물에 관한 것이다.

본 발명에서, 용어 나노입자는 최대 크기가 500 nm를 초과하지 않는 입자를 나타내며; 특히, 본 발명의 방법에 따라서 얻은 나노 입자는 일반적으로 약 200 nm보다 더 크지 않는다는 것이 관찰되었다.

더욱이, 매트릭스는 물론 보호되는 표면에 유해하지 않아야 하고, 피부의 경우에, 그것은 비독성이고 최종 제품에서 생리학적 pH 값(약간 산성 pH, 대략 4.2 내지 5.6)을 보장해야 한다. 본 발명의 발명자들은 적합한 유기 매트릭스가 폴리유산(polylactic acid), 콜라겐, 알긴산 나트륨, 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 키토산, 고형 지질 입자(SLP) 및 특히, 공지된 생체적합성 젤라틴으로부터 선택될 수 있음을 밝혀냈다.

언급된 바와 같이, 본 발명의 조성물의 광활성 성분은 8 내지 50원자%의 인의 양이 티타늄에 의해서 치환되고/되거나, 2 내지 40원자%의 칼슘이 철에 의해서 치환된 개질된 하이드록시아파타이트이다. 본 발명의 치환된 HA는, 이의 성장 및 성숙을 방해하는, 특허 대상인 복합재료의 형성 과정 동안에, 도핑 이온의 존재에 의해서 유도된 결정질 구조의 왜곡의 효과 및 중합체 매트릭스와의 상호작용으로 인한, 비치환된 HA에 비한 감소된 결정도를 특징으로 한다.

그러한 조성물은 낮은 중량 백분율 값의 물, 일반적으로는 5% 미만의 물을 추가로 함유한다.

본 발명의 조성물에 함유된 HA 입자는 나노미터 크기이며, 그에 의해서, 이들은 미백 효과 문제를 제거하고; 더욱이, 유기 매트릭스와의 밀접한 구조적 관계에 있고, 그에 따라서, 더 큰 복합 입자의 일부이므로, 이들은 또한 낮은 피부 투과능을 갖는다.

태양광 필터로서의 적용의 경우에, 물의 어떠한 가능한 첨가 후에, 본 발명의 조성물은 일반적으로는 대양 방사선에 대항한 보호를 위한 상업적 제품의 다른 전형적인 성분들, 예컨대, 피부상의 고른 분포를 허용하는 크림 및 오일, 향기나는 오일 또는 물 중의 침수의 경우에서의 크림이 내성이도록 하는 방수 성분과 혼합된다.

본 발명의 두 번째 양태는 상기 기재된 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

매트릭스내의 HA 나노입자의 분산은 유기 매트릭스 내의 미리 형성된 HA 입자의 기계적인 혼합에 의해서 발생되지 않지만, HA 나노입자가 매트릭스 자체 내에서 직접 생성되는 소위 "생물학적 광물 생성(biomineralization)" 공정을 통해서 발생된다.

생물학적 광물 생성 공정에서, 유기 매트릭스는 무기 상의 증착이 발생하는 기판(substrate)을 대신함으로써 기본적인 역할을 한다. 본 발명의 방법을 위해서 선택된 중합체 매트릭스는 양전하 또는 음전하가 풍부하고; 이들 전하는 용액에 존재하는 양이온, 주로 Ca²⁺, 또는 음이온, 주로 PO₄ ^3-와 선택적으로 상호작용하며, 무기 상의 성장을 안내하고 그에 영향을 준다. 이러한 방식으로, 중합체 매트릭스는, 주로 결정화 억제제의 역할을 하는, 하이드록시아파타이트 입자의 핵형성, 배향, 결정화 및 형태를 조절한다. 이러한 공정의 결과, 하이드록시아파타이트는 유기 매트릭스 상에 핵화되고, 그와 밀접한 구조적 관계에 있다.

본 발명의 방법은

a) 칼슘 및 철(II)의 적어도 하나의 염 및 철(III)의 적어도 하나의 염의 전구체를 함유하는 수용액을 제조하는 단계;

b) 티타늄 전구체의 하이드로알코올 용액을 제조하는 단계;

c) 유기 매트릭스의 구성요소를 함유하는, 수용성 인 화합물의 수용액을 제조하는 단계;

d) 티타늄의 전구체 및 인 화합물/유기 매트릭스의 용액을 칼슘의 전구체를 함유하는 용액에 동시에 및 서서히 첨가하는 단계;

e) 시스템을 실온 내지 70℃의 온도에서 1 내지 5 시간 동안 반응되도록 하는 단계; 및

f) 단계 e)의 결과물로서 수득한 제품을 동결-건조 처리에 가하는 단계를 포함한다.

본 기술분야에서의 전문가에게는 자명한 바와 같이, 상기 언급된 단계는 이들을 명확하게 확인하기 위해서 문자 a)로부터 f)까지 지정되어 있지만, 이는 상기 단계가 반드시 이러한 순서로 수행되어야 하는 것임을 의미하지 않으며, 특히, 단계 a), 단계 b) 및 단계 c)가 임의의 순서로 수행될 수 있다.

단계 a), 단계 b) 및 단계 c)는 칼슘/철의 전구체, 티타늄 및 인(후자는 유기 매트릭스의 구성요소를 함유함)의 용액의 제조로 이루어진다.

칼슘 전구체의 수용액의 제조(단계 a)의 경우에, 이의 염 또는 바람직하게는 하이드록사이드, Ca(OH)₂가 사용된다. 이러한 용액에, Fe(II)의 전구체 및 Fe(III)의 전구체가 1 : 1의 몰 비율로 첨가되고; 바람직한 철 전구체는 이의 니트레이트, 특히, 이의 클로라이드 FeCl₂·4H₂O 및/또는 FeCl₃·6H₂O이다.

티타늄 전구체의 용액의 제조(단계 b)에 바람직한 화합물은 이의 클로라이드 및 알콕사이드, 특히, 이소프로폭사이드(이소프로필레이트로도 공지됨), Ti(-O-CH(CH₃)₂)₄이며; 알콕사이드가 사용되는 경우에, 이들은 바람직하게는 먼저 알코올 또는 하이드로알코올 혼합물(사용된 알코올은 바람직하게는 그의 라디칼이 화합물에 존재하는 것과 동일하다)에 용해된다.

인 전구체의 용액을 제조(단계 c)하기 위해서 사용되는 화합물은 가용성 인 화합물이며, 이는 염(예컨대, 인산암모늄)일 수 있지만, 바람직하게는 인산, 더욱 바람직하게는 오르토인산, H₃PO₄이다.

하이드록시아파타이트의 형성은 원칙적으로 용액 중에 Ca²⁺ 및 PO₄ ^3- 이온들을 생성시키는 가용성 염의 반응에 의해서 수행되고; 이러한 경우에, 그 반대이온이 최종 조성물, 예컨대, Ca(NO₃)₂·₄H₂O(칼슘 이온의 반대이온으로서의 니트레이트) 및 (NH₄)₂HPO₄(포스페이트 이온의 반대이온으로서의 암모늄)을 방해하지 않는 염이 선택된다. 그러나, 바람직한 반응은 Ca(OH)₂ e H₃PO₄를 사용하는 것인데, 그 이유는 염기에 의한 산의 중화가 유일한 부산물로서 물을 생성시키고, 특히 신속하기 때문이다. 따라서, 이하, 이러한 반응이 특별히 참조될 것이다.

언급된 바와 같이, HA 입자를 함유할 유기 매트릭스의 구성요소는 인 전구체의 용액에 용해된다. 이러한 경우에, 칼슘, 인, 티타늄 및 철과는 달리, 그것은 전구체가 아닌데, 그 이유는 용액에 용해된 유기 성분은 최종 매트릭스를 구성시킬 것과 동일하다.

치환된 HA의 합성 반응에 사용된 Ca 용액의 농도는 전형적으로는 Ca 용액의 경우에 50-150 mg/mL, P의 경우에 75 내지 110 mg/mL, 티타늄의 경우에 12 내지 100 mg/mL 및 Fe의 경우에 10 내지 45 mg/mL 범위에 있다.

Ca, Ti 및 Fe 전구체의 양은 이들 세 가지 요소들 사이의 바람직한 화학양론적 비율을 얻기에 적합하도록 계산되고; H₃PO₄가 인의 전구체로서 사용되는 경우에, 이것은 일반적으로는 칼슘 전구체의 몰에 대해서 약 0.5 내지 0.7배의 범위의 몰량으로 첨가된다. 상이한 금속 및 인의 전구체의 양의 계산은 최종 치환된 하이드록시아파타이트에서 요구되는 칼슘의 특정한 치환도에 좌우되고, 평균적인 화학자의 기술 범위 내에 있다.

단계 d)에서, Ti 및 P/유기 매트릭스 전구체의 용액은 Ca 및 Fe 전구체를 함유하는 용액에 동시에 첨가된다. 이러한 단계에서, 초기 염기성 Ca(OH)₂ 용액의 중화(염화)는 인산에 의해서 수행되고; 반응 환경에 존재하는 이온은 중합체 매트릭스의 분자와 상호작용하고 반응의 결과로서 형성되는 하이드록시아파타이트 구조내로 동시에 혼입된다. 결과 혼합물은 일반적으로는 1 내지 5 시간, 바람직하게는 실온 내지 70℃(단계 e) 사이의 온도에서 교반하에 반응되게 한다.

이러한 공정에 의해서, 치환된 HA 나노입자는 유기 매트릭스의 중합체 사슬상에 직접적으로 형성된다. 매트릭스 내의 형성은 또한 나노크기 치수를 생성시키고; Ti에 의해서 또는 Ti 및 Fe에 의해서 치환된 HA 나노입자는 타원 모양 또는 어떠한 경우에, 세 개의 공간적 방향에서 동일한 치수 및 약 10 내지 200 nm를 가지며; 역으로, 단지 Fe로 치환된 HA 나노입자는 로드 형태를 가지며, 장축은 약 100 내지 200 nm의 길이를 가지며, 단축은 약 20 내지 30 nm의 길이를 갖는다.

방법의 최종 단계, 동결 건조는 본 기술분야에서 공지된 장치 및 공정을 이용하여 수행된다.

본 발명은 특성화 시험을 수행하기 위한 방법의 기재 및 본 발명의 복합재료의 다양한 형태의 생산예 및 이들 성질의 측정을 포함하는 하기 실험 부분에 의해서 추가로 기재될 것이다.

방법 및 계측

화학적 분석

생산된 샘플 중의 Ca, Ti, Fe, 및 P의 함량을 422.673 nm (Ca), 334.941 nm (Ti), 259.940 nm (Fe) 및 213.618 nm (P)의 파장을 사용하는 유도 결합 플라즈마 분광계(ICP-OES Liberty 200, Varian, Clayton South, Australia)를 사용하여 측정되었다. ICP 분석 용액을 20 mg의 샘플을 희석된 HNO₃/HCl 용액에 용해시킴으로써 제조하였다.

Fe²⁺의 양을 논문["Intrinsic magnetism and hyperthermia in bioactive Fe-doped hydroxyapatite", Tampieri A. et al., (2012) Acta biomaterialia, 8(2), 843-851]에 기재된 오르토페난트롤린(1,10-페난트롤린, Merck, 99% 순도)의 사용을 기준으로 하여 비색법으로 측정하였다.

요약하면, 그러한 방법은 4-5의 pH 범위에서 안정한 레드-오렌지 착물[(Ci₂H₈N₂)₃Fe]²⁺의 UV-가시광 분광광도계(Lambda 35 UV/VIS spectrometer, Perkin Elmer)에 의해서 510 nm에서의 검출을 기반으로 한다. 측정의 경우에, 황산이 적어도 분석을 수행하기에 필요한 시간에 Fe²⁺ 착물의 농도를 변경시키지 않음을 확인한 후에, 20 mg의 분말을 0.8 mL의 H₂SO₄(Aldrich, 순도 96중량%)내로 용해되고; 이어서, 10 mL의 소듐 아세테이트 완충액(0.1 M, pH = 4)을 첨가하고, 이어서, 1 : 3의 Fe²⁺ : 오르토페난트롤린의 공칭 몰비를 얻기에 필요한 0.2중량% 오르토페난트롤린 용액의 양이 첨가된다. 최종 용액의 양은 밀리포어 워터(Millipore water)로 50 mL가 되게 하는 양이다. 오르토페난트롤린의 첨가는 황산에 의한 샘플의 용해 직후에 수행되고, 용액은 오르토페난트롤린을 첨가한 15분 후에 분석된다.

Fe³⁺의 양은 상기 기재된 방법에 의해서 Fe의 전체 양(ICP에 의해서 측정됨)과 UV-VIS에 의해서 측정된 Fe²⁺의 양 사이의 차이로서 측정된다.

회절계 분석

각각의 샘플의 상 조성을 40 kV 및 40 mA에서 생성된 Cu Kα 방사선(λ = 1.54178 Å)을 사용하여 위치-민감성 검출기 Lynx-eye가 구비된 D8 Advance 회절계 (Bruker, Karlsruhe, Germany)를 사용하여 x-선 회절(XRD)에 의해서 측정하였다. XRD 스펙트럼을 0.04°의 단차(2θ) 및 0.5초의 계수시간으로 2θ 10-80° 범위에서 기록하였다. 상 조성 및 셀 파라미터의 정량적 평가의 경우에, 0.02 °의 단차를 이용하였다.

SEM 분석

샘플의 형태를 주사 전자 현미경(SEM, FEI Quanta 200, Eindhoven, The Netherlands)을 사용하여 분석하였고, 원소 조성을 에너지-분산형 x-선 분광계(energy-dispersing x-ray spectroscopy: EDX)에 의해서 분석하였다. 샘플을 탄소 테이프와 함께 알루미늄으로 제조된 지지체 상에 탑재하였다. EDX 측정의 경우에, 10/12 kV의 가속 전압 및 10 mm의 작업 거리를 이용하였다.

열중량 분석

카르보네이트 함량을 Stanton STA 1500 instrument (Stanton, London, UK)를 사용하여 열중량 분석(TGA)에 의해서 건조된 샘플에 대해서 평가하였다. 각각의 시험의 경우에, 약 10 mg의 아파타이트를 백금 도가니에 칭량하고, 질소 흐름하에 10℃/min의 가열속도로 및 참고 표준으로서 알루미나를 사용하여 실온으로부터 1100℃로 가열하였다. CO₃ ^2- 함량을 550 내지 950℃(논문["The cooperative effect of size and crystallinity degree on the resorption of biomimetic hydroxyapatite for soft tissue augmentation", lafisco, M. et al., (2010), The International journal of artificial organs, 33 (11), 765-774]에 기재된 바와 같이, HA로부터 카르보네이트의 분해와 관련되는 범위)에서 관찰된 질량 손실을 기준으로 평가되었다.

UV-Vis 흡수 및 반사

샘플의 UV-Vis 흡광 스펙트럼을 5 mg의 분말을 5ml의 밀리포어 워터에 현탁시킴으로써 얻었다. 그 후에, 용액을 UV-VIS 분광광도계(LAMBDA 35, Perkin Elmer)로 측정하였다. 반사 스펙트럼의 측정의 경우에, 분광광도계에 적분구(Labsphere RSA-PE-20)가 제공된다. 요약하면, 50 mg의 분말의 샘플을 샘플 홀더에 도입하고, 이어서, 샘플 홀더를 적분구의 슬롯 내에 넣었다. 장치를 Spectralon 표준(Labsphere SRS-99-010)으로 보정하였고, 반사 스펙트럼을 280-800 nm의 파장 범위에서 수집하였다.

제타 전위 및 입자 크기의 측정

샘플의 크기 및 ζ 전위를 Zetasizer Nano ZS 장치 (Malvern, Worcestershire, UK)을 사용한 동적 광산란(dynamic light scattering: DLS)에 의해서 측정하였다. 샘플을 0.1 mg/mL의 농도로 물 중에 현탁시켰다.

작은 용적의 수정 큐벳(quartz cuvette)(105.251 -QS; Hellma, Muellheim, Germany)을 사용하여 크기 분포를 측정하였다. 각각의 측정은 각각 30초의 시험으로 이루어지고, 4회 측정이 각각의 샘플에 대해서 수행되었다. 샘플의 다분산 지수(polydispersity index: PDI)는 또한 이들 측정의 결과로부터 측정된다.

ζ 전위를 일회용 전기영동 셀(DTS1061 ; Malvern, Worcestershire, UK)을 사용한 레이저 도플러 속도 측정계에 의해서 전기 영동 이동성으로서 측정하였다. 각각 3초의 20회 시험을 각각의 측정에 대해서 수행하였다.

약어

다음 약어가 하기 실시예에서 사용된다:

HA: 하이드록시아파타이트

Ti(iOPr)₄: 티타늄 테트라이소프로필레이트

FeHA: 티타늄 및 철로 부분적으로 치환된 하이드록시아파타이트

TiHA: 티타늄으로 부분적으로 치환된 하이드록시아파타이트

FeTiHA: 철 및 티타늄으로 부분적으로 치환된 하이드록시아파타이트

실시예 1

본 실시예는 TiHA 나노입자으로 생물학적 광물 생성 작용된 젤라틴 조성물의 제조를 나타낸다.

3.32 g의 돼지가죽 젤라틴(Italgelatine)을 4℃의 83 mL의 밀리포어 워터에 희석시켜 4중량% 젤라틴 용액을 얻었다. 이러한 용액에, 3.46 g의 인산(H₃PO₄, 85중량% 수용액)을 첨가하고, 30mL의 밀리포어 워터에 희석시켰다. Ti(iOPr)₄의 용액을 2.20 g의 화합물을 15 mL의 이소프로판올(순도 > 99.7%)과 혼합함으로써 별도로 제조하였다. 인산/젤라틴 용액 및 Ti(iOPr)₄ 용액을 3.90 g의 Ca(OH)₂ (97% 순도)를 45℃의 100 mL의 밀리포어 워터에 분산시킴으로써 얻은 현탁액에 적가하였다.

생성되는 혼합물을 교반하에 2 시간 동안 45℃에서 반응시키고, 이어서, 실온에서 추가의 2 시간 동안 정치시켰다. 생성되는 고형 분획을 원심분리에 의해서 제거하고, 물로 반복적으로 세척하였다. 마지막에, 그렇게 얻은 샘플이 -40℃가 되게 하고 동결-건조시켰다. 이러한 샘플을 Gel-TiHA로 지칭하였다. 도 1에 C 및 D로서 확인된 SEM 현미경사진은, 두 가지의 상이한 크기로, 이러한 샘플의 입자를 나타내고 있고; 이미지에서 알 수 있는 바와 같이, Gel-TiHA 샘플은 약 100 내지 200 nm 사이의 세 개의 공간 방향에서 유사한 치수를 갖는 입자로 이루어져 있다.

실시예 2

본 실시예는 FeHA 나노입자로 생물학적 광물 생성 작용된 젤라틴 조성물의 제조를 나타낸다.

실시예 1에서의 것과 유사한 공정이 FeHA에 의한 젤라틴의 광물질화에 대해서 수행되었다. 요약하면, 4.2 g의 인산을 100 mL의 돼지가죽 젤라틴의 4중량% 용액과 혼합하였다. 철 염의 두 용액을 각각 1.25 g의 FeCl₂·4H₂O (순도 > 99.0%) 및 1.74 g의 FeCl₃·6H₂O (순도 > 99.0%)를 각각에 대해서 8mL의 밀리포어 워터에 첨가함으로써 별도로 제조하였다. 마지막으로, 칼슘 전구체의 현탁액을 4.72 g의 Ca(OH)₂를 100 mL의 45℃의 밀리포어 워터와 혼합함으로써 제조하였다. 철 염의 두 현탁액을 Ca(OH)₂의 현탁액에 동시에 붓고, 그 후, 즉각적으로, 인산/젤라틴의 용액을 적가하였다. 중화 반응의 마지막에, 생성되는 고형 샘플을 원심분리에 의해서 회수하고, 물로 반복적으로 세척하고, -40℃가 되게 하고, 동결-건조시켰다. 이러한 샘플을 Gel-FeHA로 명명하였다. 도 1에 E 및 F로서 확인된 SEM 현미경사진은, 두 가지의 상이한 크기로, 이러한 샘플의 입자를 나타내고 있고; 이미지에서 알 수 있는 바와 같이, Gel-FeHA 샘플은 약 100 내지 200 nm 사이의 길이를 갖는 장축 및 약 20 내지 30nm 사이의 길이를 갖는 단축을 갖는 바늘-유사 형태의 입자로 이루어져 있다.

실시예 3

본 실시예는 FeTiHA 나노입자로 생물학적 광물 생성 작용된 젤라틴 조성물의 제조를 나타낸다.

FeTiHA에 의한 젤라틴 광물화의 경우에, Gel-TiHA 및 Gel-FeHA를 얻기 위해서 기재된 두 가지 절차를 조합하였다. 요약하면, 4.2 g의 인산을 30 mL의 밀리포어 워터와 혼합하고, 이어서, 125 mL의 돼지가죽 젤라틴의 4중량% 용액과 혼합하였다. 티타늄 전구체 용액을 3.15 g의 Ti(iOPr)₄를 15 mL의 이소프로판올과 혼합함으로써 얻었다. 칼슘 전구체 현탁액을 4.72 g의 Ca(OH)₂를 100 mL의 45℃의 밀리포어 워터에 첨가함으로써 제조하였다. 철 전구체의 두 용액을 각각 1.2 g의 FeCl₂·4H₂O 및 1.65 g의 FeCl₆·6H₂O를 각각에 대해서 8mL의 밀리포어 워터에 첨가함으로써 제조하였다. 두 철 전구체 용액을 칼슘 전구체 용액내로 붓고, 인산/젤라틴 및 Ti(iOPr)₄의 두 용액을 그 후에 즉각적으로 그렇게 얻은 혼합물에 적가하였다. 중화 반응의 마지막에, 생성되는 고형 샘플을 원심분리에 의해서 회수하고, 물로 반복적으로 세척하고, -40℃가 되게 하고, 동결-건조시켰다. 이러한 샘플을 Gel-FeTiHA로 명명하였다. 도 1에 A 및 B로서 확인된 SEM 현미경사진은, 두 가지의 상이한 크기로, 이러한 샘플의 입자를 나타내고 있고; 이미지에서 알 수 있는 바와 같이, Gel-FeTiHA 샘플은 Gel-TiHA 샘플의 것들과 유사한 형태 및 치수의 입자로 이루어져 있다.

실시예 4

열중량 및 ICP 분석을 실시예 1 내지 3에서 제조된 샘플에 대해서 수행하여 이의 화학적 조성을 측정하였다.

열중량 분석은 물, 젤라틴 및 무기물 분획의 중량% 면에서 샘플의 조성을 측정한다. 물 및 젤라틴 함량을, 치환된 HA에 대한 잔류 질량의 원인이 되는, 각각 25-110 ℃ 및 120-1000℃ 범위에서 발생하는 중량 손실에 의해서 계산하였다. 이들 분석의 결과를 표 1에 나타낸다.

물의 양의 값은 세 가지 샘플에서 매우 유사하였고; 그 대신 젤라틴 및 HA의 양은 상이한 샘플에서 더 큰 변동을 나타냈다.

무기물 부분의 화학적 조성(치환된 HA)은 다양한 원소들 사이의 원자 비율 면에서 ICP 분석에 의해서 측정되었고, 시험 결과는 표 2에 요약되어 있다.

일반적으로, 모든 샘플은 순수한 HA(이론적 비율 1.67)와는 매우 상이한 Ca/P 원자 비율 값을 나타낸다: 이러한 비율의 값은 이론적인 값보다 더 낮고 Gel-FeHA 및 Gel-FeTiHA 샘플(각각 1.33 및 1.35)에서와 유사한 반면에, Gel-TiHA 샘플의 값, 1.90은 이론적인 값보다 현저히 더 높다.

Gel-TiHA 샘플의 Ti/Ca 원자 비율은 이의 제조 동안에 공칭적으로 도입된 티타늄의 양에 따르는 반면에, 원자 Ca/(P+Ti) 비율은 화학양론적 HA의 Ca/P 비율로부터 벗어나 있다.

Gel-FeTiHA 샘플에서, Ti/Ca 원자 비율(0.21)은 Gel-TiHA 샘플의 것보다 더 크고, 합성 동안에 도입된 티타늄의 공칭 양(Ca와 관련하여 15mol%)으로부터 유도 가능한 것보다 훨씬 더 높다. 더욱이, 매우 낮은 원자 Ca/(P+Ti) 비율이 이러한 샘플에서 측정되었고, 1.05와 동일하였고; 이것은, 화학양론적 HA의 값에 근접한 값인 1.63의 원자 비율 (Ca+Fe)/P에 의해서 확인되는 바와 같이, Fe 이온에 의한 Ca의 치환에 기인될 수 있다. 이들 데이터는 TiO₂의 이차 상의 존재를 암시한다.

마지막으로, Gel-FeHA 샘플은 Gel-FeTiHA과 관련한 Fe의 더 큰 상대적인 함량을 나타낸다: 두 샘플 중의 Fe/Ca 원자 비율은 각각 0.33 및 0.21이다. 그 결과, 또한, 원자 비율 (Ca+Fe)/P의 값이 Gel-FeTiHA (1.63)에서 보다 Gel-FeHA (1.77)에서 더 높다. 둘 모두의 샘플에 대한 Fe²⁺/Fe³⁺ 비율은 합성 동안에 공칭적으로 도입된 두 이온의 양과 완전히 일치한다.

실시예 5

분말 x-선 회절 분석(XRD)을 실시예 1 내지 3에서 제조된 세 개의 샘플에 대해서 수행하였다. 모든 세 개의 스펙트럼이 도 2에 도시되어 있으며, 이들은 이들을 구별하기 위해서 수직축을 따라서 서로 엇갈리게 도시되어 있다: Gel-FeTiHA 샘플과 관련된 스펙트럼은 도면에서 더 낮은 것이고, Gel-TiHA과 관련된 것은 중간의 것이고, Gel-FeHA와 관련된 것은 도면의 상부에 있다.

XRD 프로파일은, 모든 세 개의 샘플에 대해서, HA로서 확인될 수 있는 결정질 상의 존재만을 나타낸다: 피크 위치는 이러한 화합물에 기인하는 문헌 데이터(도면에서 나타낸 밀러 지수(Miller index)를 통해)에 상응한다. 2차 결정질 상이 확인되지 않고; 이러한 관찰을 기준으로 하여, 실시예 4의 화학적 분석으로부터 존재가 추론된 TiO₂ 상이 비정질이라고 결론지어질 수 있다. 물론, 젤라틴에 기인하는 회절 피크는 검출되지 않았는데, 그 이유는 이것이 비정질 유기 중합체이기 때문이다.

세 개의 회절도의 모든 피크가 배경에 대해서 낮은 상대적인 세기 및 절반 높이에서의 폭에 대한 높이의 낮은 비율로 낮은 해상도를 보이는데, 특히, Gel-FeTiHA의 경우에 그러하다. 피크들의 이들 특징은 재료의 낮은 결정도의 정도를 나타낸다. 이것은 다양한 요인에 기인될 수 있다. 첫째로, 낮은 생물학적 광물 생성 온도가 열역학적으로 더욱 안정한 더욱 결정질인 구조를 선호하는 원자 재배열을 허용하지 않는다. 두 번째 인자는 젤라틴의 존재이다: 비정질 유기 중합체는, 본 기술분야에서 공지된 바와 같이, 관물질화 공정을 낮은 결정도 상으로 유도할 수 있다. 마지막으로, 결정 격자가 형성되는 생물학적 광물 생성 동안의 철 및/또는 티타늄 이온의 존재는 이의 격자를 왜곡하는 효과를 가지며, 그에 따라서, 무질서한 영역의 증가를 유도하고 불량한 결정질 HA의 형성을 유발시킨다.

실시예 6

실시예 1 내지 3에서 제조된 샘플의 유체 역학적 직경(hydrodynamic diameter: Hd) 값, 다분산 지수(PDI) 및 ζ 전위를 상기 기재된 장치 및 방법을 사용하여 측정하였다.

결과를 표 3에 나타낸다.

광 회절에 의해서 기록된 Hd 값은 SEM 분석에 의해서 측정된 것들보다 훨씬 더 높고; 이들 값은 Gel-TiHA 및 Gel-FeHA (각각 531.3 nm 및 552.0 nm)의 경우에 유사한 값, 및 Gel-FeTiHA (421 .9 nm)의 경우에 단지 약간 낮은 값으로 각각의 샘플의 경우에 수백 나노미터이다. 이러한 차이는 SEM 분석의 경우에, 샘플은 에탄올에 현탁되고 알루미나 매트릭스 상의 적외선 램프에 의해서 건조되는 반면에, DLS 분석의 경우에, 현탁액을 제조하는 것이 필요하였다는 사실에 기인한다. 이러한 방식으로, SEM으로는 단일의 건조한 입자의 크기를 측정하는 것이 가능한 반면에, DLS 분석에 의해서 얻은 결과는 수성 매질 중의 입자의 크기를 측정하여, 물 중에 광물질화된 젤라틴 입자의 거동에 대한 추가의 정보를 제공한다. 문헌에 잘 공지된 바와 같이, 나노-크기 입자는 이들이 수성 매질에 현탁되는 때에 함께 덩어리를 형성하는 경향이 있으므로, DLS로부터 얻은 값은 단일 입자와 관련되지 않으며, 이의 응집체와 관련된다.

실시예 7

본 발명의 조성물의 UV-Vis 광 흡수 및 반사 특성을 상기 기재된 장치 및 방법을 이용하여 측정하였다. 결과를 도 3에 도시한다. 도 3a는 파장의 함수로서 반사된 방사선의 백분율 면에서의 샘플의 반사 스펙트럼을 나타내며; 흡수 스펙트럼은 파장의 함수로서 임의 단위(arbitrary unit: a.u.)로, 도 3b에 도시되어 있다.

Gel-FeHA 및 Gel-FeTiHA의 반사 프로파일은, 280-500 nm의 범위의 파장에서 비교적 낮은 반사 용량(약 20%)에 이어서 650 nm 파장 주변에서 반사된 60%의 광에 도달하는 점진적인 증가로, 서로 유사하다. 다른 한편으로, Gel-TiHA의 반사 프로파일은, 280 내지 320 nm의 평균 반사율의 범위에 이어서 약 350 nm에서 최대 반사율(90%)에 도달하는 신속한 증가로, 매우 상이하고; 이러한 피크 후에, 반사율은 서서히 증가하지만, 약 65%(800nm에서)의 값 미만으로 결코 저하되지 않는다.

흡수에서의 거동에 관해서도, Gel-FeHA와 Gel-FeTiHA는 280 nm에서 기록된 최대의 값 후에, 약 360 nm에서의 변곡점에 이어서, 약 400 nm까지의 신속한 증가로, 유사한 프로파일을 가지며, 그 후에, 흡수 값은 가시광선 영역 전체에 걸쳐서 기본적으로 일정하게 유지된다. 다른 한편으로, 전체 측정 범위에 걸친 Gel-TiHA 샘플은, 파장이 증가함에 따라서, 거의 선형 방식으로 감소하는 프로파일로, 낮은 흡수 수준을 나타낸다.

이들 이들 결과는 Gel-TiHA이 UVA 범위에서의 우수한 반사율 특성(350nm에서 최대 반사율)을 가지며, UVB 범위에서 또한 방사선을 반사할 수 있다(반사율 값이 65%보다 결코 낮지 않다). 그 대신에 Gel-FeHA와 Gel-FeTiHA는 UVB 범위에서 우수한 흡수 특성을 가짐을 입증하고 있다. 이들 특성은 Gel-TiHA가 선스크린 조성물에 효율적인 물리적인 필터가 되게 하는 반면에, Gel-FeHA와 Gel-FeTiHA가 UVB 범위에서의 태양광 필터의 보호 범위 및 보호 효능을 연장시키고 증가시키기 위한 첫번째 것과 조합으로 사용될 수 있다.

Claims (9)

1. 중합체 분자에 의해서 형성된 유기 매트릭스를 포함하는, 물리적인 태양광 필터(solar filter)의 제조를 위한 조성물로서, 중합체 분자 상에 티타늄 및/또는 철 이온으로 치환된 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite)의 나노입자가 연결되어 있고, 여기서, 인이 인에 대하여 8 내지 50원자%의 양으로 티타늄에 의해서 부분적으로 대체되어 있고/있거나, 칼슘이 칼슘에 대하여 2 내지 40원자%의 양으로 철에 의해서 부분적으로 대체되어 있고, 여기서, 유기 매트릭스의 양은 5 내지 60중량%이고, 치환된 하이드록시아파타이트의 양은 35 내지 90중량%이고, 나머지 부분은 물로 구성되는 조성물.
2. 청구항 1에 있어서,
   유기 매트릭스를 구성하는 화합물이 폴리유산(polylactic acid), 콜라겐, 알긴산 나트륨, 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 키토산, 고형 지질 입자(SLP) 및 젤라틴으로부터 선택되는 조성물.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 하이드록시아파타이트 입자가 10 내지 200 nm의 크기를 갖는 조성물.
4. 청구항 1에 따른 조성물의 제조 방법으로서,
   a) 칼슘 및 철(II)의 적어도 하나의 염 및 철(III)의 적어도 하나의 염의 전구체를 함유하는 수용액을 제조하는 단계;
   b) 티타늄 전구체의 하이드로알코올 용액(hydroalcoholic solution)을 제조하는 단계;
   c) 유기 매트릭스의 구성요소를 함유하는, 수용성 인 화합물의 수용액을 제조하는 단계;
   d) 티타늄의 전구체 및 인 화합물/유기 매트릭스의 용액을 칼슘의 전구체를 함유하는 용액에 동시에 및 서서히 첨가하는 단계;
   e) 시스템을 실온 내지 70℃의 온도에서 1 내지 5 시간 동안 반응되도록 하는 단계; 및
   f) 단계 e)의 결과물로서 수득한 제품을 동결-건조 처리에 적용하는 단계를 포함하며,
   여기서, 티타늄 및/또는 철 이온에 의해 치환된 하이드록시아파타이트의 나노입자가 공정 동안에 유기 매트릭스의 중합체 분자 상에 직접적으로 생성되는 제조 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   단계 a)의 용액 중에, 칼슘의 전구체로서, 이의 염 또는 하이드록사이드(Ca(OH)₂))가 사용되고, 칼슘 이온이 50 내지 150 mg/mL의 농도를 가지며, 철 전구체가 10 내지 45 mg/mL의 철 이온의 전체 농도로 1:1의 몰 비율로 사용되는 제조 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   칼슘의 전구체가 Ca(OH)₂이고, 철(II) 및 철(III)의 전구체가 이들의 클로라이드, 각각 FeCl₂·4H₂O 및 FeCl₃·6H₂O인 제조 방법.
7. 청구항 4에 있어서,
   단계 b)의 용액 중에, 티타늄의 전구체로서, 이소프로폭사이드(Ti(-O-CH(CH₃)₂)₄)가 사용되며, 용액이 12 내지 100 mg/mL의 티타늄의 농도를 갖는 제조 방법.
8. 청구항 4에 있어서,
   단계 c)의 용액 중에, 인의 전구체로서, 이의 염 또는 인산이 사용되며, 용액이 75 내지 110 mg/mL의 인의 농도를 갖는 제조 방법.
9. 삭제

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