KR20050023298A - Orthopaedic materials derived from keratin - Google Patents

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KR20050023298A
KR20050023298A KR10-2004-7019998A KR20047019998A KR20050023298A KR 20050023298 A KR20050023298 A KR 20050023298A KR 20047019998 A KR20047019998 A KR 20047019998A KR 20050023298 A KR20050023298 A KR 20050023298A
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KR10-2004-7019998A
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필립 빅터 펩로우
수바심히 니산케 조지 프리말랄 자얀타 디아스
알리사 던 로드딕-랜질로타
로버트 제임스 켈리
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케라텍 리미티드
유니버시티 오브 오타고
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Abstract

본 발명은 골의 의학적 처치의 여러 일면에 유용한 케라틴으로부터 유래된 생체적합성 재료를 제공한다. 케라틴 재료는 골 대체와 증대 산물로서 사용하기 위하여 다공성일 수 있지만 또한 골절의 치료 및 골 재생에서 내부 고정 기구로서 사용하기 위한 골 치료에서 조밀성 케라틴 재료의 용도, 및 골의 형태와 기능의 보존, 복구 및 발생에 사용하기 위한 케라틴 재료의 제조 방법도 제공된다.The present invention provides biocompatible materials derived from keratin useful in many aspects of medical treatment of bone. The keratin materials may be porous for use as a bone replacement and augmentation product, but also the use of dense keratin materials in bone therapy for use as an internal fixation device in the treatment of fractures and bone regeneration, as well as preserving and restoring bone form and function And methods of making keratin materials for use in development.

Description

케라틴 유래의 정형외과 재료{ORTHOPAEDIC MATERIALS DERIVED FROM KERATIN}Orthopedic materials derived from keratin {ORTHOPAEDIC MATERIALS DERIVED FROM KERATIN}

본 발명은 울, 헤어, 뿔, 발굽, 및 비늘과 같은 동물의 공급원으로부터 유래된 케라틴으로부터의 의료 재료의 제조에 관한 것이다. 기술되는 케라틴 재료는 생체적합성, 생체통합성(biointegratable) 및 생분해성이고, 재료의 주된 적용은 골(bone)의 대체 및 증대, 및 골절 및 골 단편의 고정과 부동화를 위한 정형외과 수술에 있다. The present invention relates to the manufacture of medical materials from keratin derived from sources of animals such as wool, hair, horns, hoofs, and scales. The keratin materials described are biocompatible, biointegratable and biodegradable, and the main application of the materials is in orthopedic surgery for replacement and augmentation of bone, and fixation and immobilization of fractures and bone fragments.

케라틴은 생물학적 구조, 특히 고등 척추동물의 상피 조직에서 광범위하게 나타나는 구조 단백질 부류이다. 케라틴은 두 주된 부류, 즉 연질 케라틴(피부와 몇몇 타 조직에서 발생)과 경질 케라틴(손톱, 발톱, 헤어, 뿔, 깃털 및 비늘의 재료 형성)으로 세분될 수 있다.Keratin is a class of structural proteins that are present extensively in biological structures, particularly epithelial tissue of higher vertebrates. Keratin can be subdivided into two main classes: soft keratin (occurring in the skin and some other tissues) and hard keratin (forming materials of nails, toenails, hair, horns, feathers and scales).

다수의 생물학적 시스템에서 본질적인 구조적 역할을 수행하게끔 하는 경질 케라틴의 인성과 불용성은 합성 중합체로부터 유래되는 다수의 공업 재료 및 소비재에서 발견되는 바람직한 특징들이다. 단백질로서 케라틴은 우수한 물성을 보유하는 것 외에도, 고도의 화학적 작용기를 갖는 중합체이며 결과적으로 합성 중합체가 성취할 수 없는 다수의 성질을 보인다. 따라서, 케라틴은 고 가치의 틈새 시장 적용을 갖는 의료 제품의 개발에 아주 적합하다. 기능을 다한 후에 체조직에 의해 흡수(재흡수)되는 의료 재료는 케라틴의 특정한 특징이 이들로 하여금 천연 및 합성 경쟁 재료 모두의 성능을 능가하게 하는 고가치 제품 분야의 일례이다. The toughness and insolubility of hard keratin, allowing it to play an essential structural role in many biological systems, is a desirable feature found in many industrial and consumer products derived from synthetic polymers. In addition to retaining good physical properties, keratin as a protein is a polymer with a high degree of chemical functionality and consequently exhibits a number of properties that synthetic polymers cannot achieve. Thus, keratin is well suited for the development of medical products with high value niche applications. Medical materials that are absorbed (reabsorbed) by body tissues after functioning are examples of high-value product fields in which certain characteristics of keratin allow them to outperform both natural and synthetic competition materials.

야마우치(K. Yamauchi, M. Maniwa and T. Mori, Journal of Biomaterial Science, Polymer edition, 3, 259, 1998)는 케라틴이 시험관내 및 생체내 성질에 의해 생체적합성인 것으로 생각되는 매트릭스로 가공될 수 있음을 논증하고 있다. 이들 재료의 제조에 사용되는 가공 방법은 티올과 같은 고 농도의 환원제, 및 상업적인 재료 생산에는 적합하지 않은 가공 조건을 요한다. Yamauchi (K. Yamauchi, M. Maniwa and T. Mori, Journal of Biomaterial Science, Polymer edition, 3, 259, 1998) can be processed into a matrix in which keratin is considered biocompatible by in vitro and in vivo properties. It is arguing. The processing methods used to make these materials require high concentrations of reducing agents such as thiols, and processing conditions that are not suitable for commercial material production.

Kelly (WO 03/19673)는 케라틴이 상업적으로 실행가능한 화학 및 가공 조건을 이용하여 복잡한 형상으로 가공될 수 있음을 보여주고 있다.Kelly (WO 03/19673) shows that keratin can be processed into complex shapes using commercially viable chemistry and processing conditions.

Blanchard (US 5,358,935 및 US 2003/0035820A1)은 케라틴이 고농도의 환원제, 또는 엄격한 산화제를 사용하여 인간의 체모로부터 추출하여 가공함으로써 일부 연질 조직 적용에 유용한 재료를 생산할 수 있음을 논증하고 있다. 그러나, 추출과 재구성 방법은 엄격하며 특유의 케라틴 아미노산 시스틴을 시스테인 산으로의 비가역적 산화를 통해 또는 펩타이드 가수분해를 초래하게 되는 고 pH 조건에 단백질을 노출시킴으로써 케라틴의 분해를 유발한다. 이렇게 함으로써 단백질의 다수의 유익한 특징, 특히 경질 조직 적용에 필수적인 인성이 상실된다.Blanchard (US 5,358,935 and US 2003 / 0035820A1) demonstrate that keratin can be extracted and processed from human hair using high concentrations of reducing agents, or stringent oxidizing agents, to produce materials useful for some soft tissue applications. However, extraction and reconstitution methods are rigorous and lead to the breakdown of keratin by irreversible oxidation of the unique keratin amino acid cystine to cysteinic acid or by exposure of the protein to high pH conditions that will result in peptide hydrolysis. This results in the loss of many of the beneficial properties of the protein, particularly the toughness necessary for hard tissue application.

정형외과 적용에 적합한 케라틴 생체재료를 생산하기 위해서는, 케라틴 특징을 유지하고 재료에 양호한 인성 특성을 제공하는 가공 방법이 필요하다. 본 발명은 그러한 재료와 생산 방법을 설명한다.In order to produce keratin biomaterials suitable for orthopedic applications, there is a need for processing methods that maintain keratin characteristics and provide the material with good toughness properties. The present invention describes such materials and production methods.

US 6,432,435는 친수성 그룹이 달린 케라틴을 갖는 조직 공학 골격을 청구하고 있으며, 여기에서 케라틴은 케라틴-케라틴 디설파이드 결합으로 결합된다. 그러나, 상기 특허는 어떻게 설폰화된 케라틴이 골과 같은 경질 조직 중으로 혼입 될 수 있는지를 개시하고 있지 않다. 거기에 제공되어 있는 실시예는 전부 연질 조직 또는 다공성 구조물에서의 용도에 관한 것이다.US 6,432,435 claims a tissue engineering backbone with keratin with a hydrophilic group, where the keratin is bound by keratin-keratin disulfide bonds. However, the patent does not disclose how sulfonated keratin can be incorporated into hard tissues such as bone. The examples provided therein are all directed to use in soft tissues or porous structures.

본 발명은 케라틴이 골과 같은 경질 조직 중으로 혼입될 수 있고 따라서 골 손상의 치료에 사용될 수 있음을 발견하였다.The present invention has found that keratin can be incorporated into hard tissues such as bone and thus used in the treatment of bone damage.

골을 포함하여 신체의 많은 조직은 지속적으로 재생되고 있다. (광화될 mineralized) 새로운 골 매트릭스는 주로 골아 세포로 불리는 특정 세포에 의해 부설되고, 골의 상이한 성분은 파골 세포에 의해 제거된다. 이러한 생물학적 과정에 의해 제거되고 골 조직으로 대체되는 이식 재료는 체내의 다른 메커니즘, 예를 들면, 화학적 분해에 의해 분해되는 재료들에 비해 더 큰 이점을 지니게 된다. 신골(new bone)이 이식 재료의 표면과 병렬되게 형성되고, 이에 따라 이러한 재료는 완전히 재흡수 및 대체될 때까지 조직 중으로 통합된다.Many tissues in the body, including bones, are constantly being regenerated. The new bone matrix (mineralized to be mineralized) is laid down by certain cells, mainly called osteoblasts, and different components of the bone are removed by osteoclasts. Implants that are removed by these biological processes and replaced with bone tissue have greater advantages over other mechanisms in the body, such as those degraded by chemical degradation. The new bone is formed in parallel with the surface of the implant material, thereby integrating it into the tissue until it is completely reabsorbed and replaced.

골은 4종의 미세구조 성분: 세포, 유기 매트릭스, 무기 매트릭스, 및 가용성 시그널링 인자로 범주를 나눌 수 있다. 파골 세포는 가용성 시그널링 인자, 및 세포외 변형에 의해 대부분 제 I 형 콜라겐으로 이루어지는 유기 불용성 하층을 산출하는 산물인 유골(osteoid)을 발현하는 대사적으로 활성을 띠는 분비성 세포이다. 골아 세포에 의한 이들 산물의 발현은 유지 관리(예를 들면, 리모델링), 및 골의 수선 중에 일어난다. 골수에서 발견되는 단핵구-대식구 전구체는 순환 상태에 들어가고, 비동시성 융합을 통해 파골 세포로 알려져 있는, 평균 10 내지 12개의 핵을 갖는 직경 100 마이크론 이하의 다핵 세포를 생성한다. 파골 세포는 주름진 경계를 가지고 이러한 점은 골 표면의 효소적 분해가 일어나는 파골 세포의 재흡수 구역을 구성한다. "리모델링"이란 용어는 성인에서 골 수선 및 항상성과 관련된 동적 사건을 기술하는 데 사용된다. 항상성 리모델링과 연관된 과정의 총화는 활성화-재흡수-형성으로 알려져 있다. 골아 세포가 시그널링 인자에 의해 활성화되어 골의 영역을 떠나면; 파골 세포가 자극되기 시작하고, 골아 세포가 떠난 빈 영역에 들어 와서, 부착, 재흡수되고, 아직 확인되지 않은 특정 시그널에 반응하여 재흡수를 중지하고 부착을 포기한다. 파골 세포 재흡수 피트(pit)는 복구되는 골을 석회화하는 유골을 발현하는 골아 세포 파견단에 의해 재증식되기 시작한다. 인간에서, 활성화-재흡수-형성 과정은 3 내지 6개월 사이에 일어난다.Bone can be divided into four microstructural components: cells, organic matrix, inorganic matrix, and soluble signaling factors. Osteoclasts are metabolically active secretory cells expressing soluble signaling factors and osteoids, products that yield an organic insoluble underlayer consisting mostly of type I collagen by extracellular modification. Expression of these products by osteoblasts occurs during maintenance (eg, remodeling), and bone repair. The monocyte-macrophage precursor found in the bone marrow enters the circulatory state and, via asynchronous fusion, produces multinuclear cells up to 100 microns in diameter with an average of 10 to 12 nuclei, known as osteoclasts. Osteoclasts have corrugated boundaries and these points constitute the resorption zone of osteoclasts where enzymatic degradation of the bone surface occurs. The term "remodeling" is used to describe dynamic events associated with bone marrow repair and homeostasis in adults. The summation of the processes associated with homeostasis remodeling is known as activation-resorption-forming. When osteoblasts are activated by signaling factors leaving the area of bone; Osteoclasts begin to stimulate, and osteoblasts enter the empty areas where they leave, attach, reabsorb, and stop reabsorption and abandon attachment in response to certain signals that have not yet been identified. Osteoclast resorption pit begins to repopulate by osteoblastic detachments expressing the ashes that calcify the bone being repaired. In humans, the activation-resorption-forming process occurs between three and six months.

골에 대한 상해(예를 들면, 골절 또는 종양의 수술 제거) 뒤에는 대규모의 출혈이 존재하고, 2 내지 5일 내에 출혈은 거대한 혈병을 형성한다. 이러한 혈병 주위로 신혈관 형성이 일어나기 시작한다. 또한, 주변의 연질 조직에서 표준 염증 반응이 일어나서 혈병 주변에 다형핵 백혈구, 대식구, 및 단핵구 세포의 축적을 초래하게 된다. 첫주의 말미까지, 대부분의 혈병은 혈관의 침입과 조기 섬유증에 의해 조직화된다. 최초의 골(교직골 woven bone)은 7일 후에 형성된다. 골 형성은 원활한 혈액 공급을 요하기 때문에, 혈관 형성이 최대로 일어나는 혈병 주변에서 교직골 침골이 형성되기 시작한다. 주변 연질 조직으로부터 및 골수 내부로부터의 다능성 간엽 세포는 교직골을 합성하는 골아 세포를 생기게 한다. 빈번하게는 연골도 형성되며 궁극적으로는 연골내 골화에 의해 대체된다. 골-연골을 함유하는 육아 조직은 가골(callus)(염증기)로 불린다.There is a massive bleeding behind injury to the bone (eg, surgical removal of a fracture or tumor), and within 2 to 5 days the bleeding forms a massive blood clot. Neovascularization begins to develop around these blood clots. In addition, a standard inflammatory response occurs in the surrounding soft tissue resulting in the accumulation of polymorphonuclear leukocytes, macrophages, and monocyte cells around the blood clot. By the end of the first week, most blood clots are organized by blood vessel invasion and early fibrosis. The first bone (woven bone) is formed after 7 days. Since bone formation requires a smooth blood supply, the occlusal bones begin to form around the blood clots where vascular formation is greatest. Pluripotent mesenchymal cells from the surrounding soft tissue and from inside the bone marrow give rise to osteoblasts that synthesize the occlusal bone. Frequently cartilage is also formed and ultimately replaced by intrachondral ossification. Granulation tissue containing bone-cartilage is called callus (salt).

첫주 후에, 후속 단계가 개시되고 운동과 고정 정도에 따라 수개 월간 연장된다. 이 단계까지, 급성 염증 세포는 소산되고 다능성 세포의 섬유아세포로의 분화를 수반하는 수선 과정이 개시된다. 수선은 주변으로부터 중앙으로 진행되며 두 목적을 달성한다: 하나는 조직화하여 혈병을 재흡수하는 것이고; 두 번째는 더 중요한데, 가골의 구축을 위한 신혈관 형성을 제공하여, 궁극적으로는 골-결핍 부위를 브리징한다. 수선을 이끄는 사건은 다음과 같다. 주변 골로부터의 다수의 파골 세포가 치유가 일어나는 부위로 이동한다. 신혈관은 영양분을 공급하고 세포 재생을 위한 더 많은 다능성 세포를 제공하는 이들 세포를 동반한다. 해당 부위는 파골 세포에 의해 리모델링된다(회복기).After the first week, subsequent steps are initiated and extended for several months depending on the degree of exercise and fixation. By this stage, acute inflammatory cells are dissipated and a repair process commences with the differentiation of pluripotent cells into fibroblasts. Repair proceeds from the periphery to the center and accomplishes two purposes: one is to organize and reabsorb blood clots; The second is more important, providing neovascularization for the construction of the bone, ultimately bridging the bone-deficient site. The events that lead to the repair are: Many osteoclasts from the surrounding bone migrate to the site where healing occurs. The renal vessels are accompanied by these cells to nourish and provide more pluripotent cells for cell regeneration. The site is remodeled by osteoclasts (recovery phase).

수 주일 후, 가골은 골 말단을 봉합하고 리모델링이 개시되며, 여기에서 골은 재조직화되어 최초의 피질이 복구된다(리모델링기).After a few weeks, the osteotomy sutures the bone end and remodeling begins, where the bone is reorganized and the original cortex is restored (remodeler).

발명의 목적Purpose of the Invention

본 발명의 목적은 케라틴을 함유하고 골 형성 보조에 유용하며/하거나 공중에게 유용한 선택을 제공하는 재료를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide materials that contain keratin and are useful for assisting bone formation and / or provide a useful choice for the public.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 골격계에서 골의 형태와 기능의 보존, 복구 및 발생에 사용하기 위한 케라틴-함유 재료를 제공한다.The present invention provides keratin-containing materials for use in the preservation, repair and development of bone morphology and function in the skeletal system.

본 발명은 또한 골의 대체 및 증대에 사용하기 위한 다공성 케라틴 재료를 제공한다.The present invention also provides a porous keratin material for use in replacing and augmenting bone.

본 발명은 또한 골 고정과 부동화에 사용하기 위한 조밀성 케라틴 재료를 제공한다.The present invention also provides a dense keratin material for use in bone fixation and passivation.

케라틴은 바람직하게는 S-설폰화되며 더욱 바람직하게는 중간 필라멘트 단백질에서 풍부해진다Keratin is preferably S-sulfonated and more preferably enriched in intermediate filament proteins

조밀성 케라틴 재료는 고형 케라틴 분말의 압축에 의해 또는 케라틴 필름의 압축에 의해 제조될 수 있다.Dense keratin materials may be prepared by compacting solid keratin powders or by compacting keratin films.

재료는 칼슘 염을 60%까지 함유할 수 있다.The material may contain up to 60% calcium salt.

재료는 고형 케라틴의 압축 및 동결건조에 의해 제조될 수 있다.The material may be prepared by compression and lyophilization of solid keratin.

이와 달리, 케라틴의 용액은 동결 건조될 수 있다.Alternatively, the solution of keratin may be lyophilized.

본 발명은 또한, 골 형태와 기능의 보존, 복구 및 발생에 있어서 케라틴 재료의 용도를 제공한다.The invention also provides the use of keratin materials in the preservation, repair and development of bone morphology and function.

본 발명은 또한, The present invention also provides

a) 가용성 포로젠(porogen)의 존재하에 케라틴을 압축하는 단계;a) compacting keratin in the presence of soluble porogen;

b) 포로젠을 제거하고 재료를 강화시키는 단계;b) removing the porogen and strengthening the material;

c) 단백질 재료를 세척하는 단계; 및c) washing the protein material; And

d) 재료를 동결 건조하는 단계를 포함하는, d) freeze drying the material;

다공성 S-설폰화 케라틴 농축(enriched) 재료의 형성 방법을 제공한다.Provided are methods of forming porous S-sulfonated keratin enriched materials.

본 발명은 또한 케라틴 재료를 정형외과 산물로 형성하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method of forming a keratin material into an orthopedic product.

본 발명은 또한 골 대체/증대 요법에 사용하기 위한 중간 필라멘트 단백질에 농축되는 다공성 케라틴 형태의 생체적합성 재료를 제공한다.The invention also provides a biocompatible material in the form of porous keratin that is concentrated in intermediate filament proteins for use in bone replacement / enhancement therapy.

재료는 포로젠의 존재하에 고형 케라틴 분말의 압축에 의해 제조될 수 있으며 압축 뒤에는 동결 건조가 수행될 수 있다. 포로젠은 염화나트륨 또는 또 다른 생체적합성 염, 또는 글리세롤 또는 또 다른 생체적합성 용매 중에서 선택될 수 있다. 포로겐의 양과 종류를 조절하여 세공 크기를 선택하고 이식시에 골 선조세포의 침윤이 케라틴 재료의 전이증식(colonization)을 촉진하도록 할 수 있다.The material may be prepared by the compression of the solid keratin powder in the presence of porogen, followed by freeze drying after the compression. Porogens may be selected from sodium chloride or another biocompatible salt, or glycerol or another biocompatible solvent. The amount and type of porogen can be controlled to select the pore size and to allow the infiltration of bone progenitor cells at the time of transplantation to promote the colonization of keratin materials.

본 발명은 또한 The invention also

a) 케라틴을 열과 물의 존재하에 압축하는 단계;a) compressing keratin in the presence of heat and water;

b) 재료를 강화하는 단계;b) strengthening the material;

c) 재료를 세척하여 잔류 화학약품을 제거하는 단계; 및c) washing the material to remove residual chemicals; And

d) 재료를 건조시키는 단계를 포함하는, d) drying the material,

S-설폰화 케라틴 재료의 조밀성 재료를 정형외과 산물로 형성하는 방법을 제공한다.A method of forming a dense material of S-sulfonated keratin materials into orthopedic products.

본 발명은 또한 The invention also

a) 케라틴-함유 출발 물질을 강화하는 단계;a) strengthening the keratin-containing starting material;

b) 재료를 세척하여 잔류 화학약품을 제거하는 단계;b) washing the material to remove residual chemicals;

c) 재료를 건조시키는 단계; 및 c) drying the material; And

d) 열과 물의 존재하에 케라틴을 압축하는 단계를 포함하는, d) compacting the keratin in the presence of heat and water,

S-설폰화 케라틴의 조밀성 재료를 정형외과 산물로 형성하는 방법을 제공한다.A method of forming a dense material of S-sulfonated keratin into an orthopedic product.

본 발명은 또한, 내부 고정 및 골 단편의 고정과 부동화에 의한 골절의 치료를 위한 생체적합성 케라틴 재료로부터 제조된 플레이트, 핀 및 스크루와 같은 정형외과용 의료 재료를 제공한다.The present invention also provides orthopedic medical materials such as plates, pins and screws made from biocompatible keratin materials for the treatment of fractures by internal fixation and fixation and immobilization of bone fragments.

본 발명은 또한, 골절의 치료에 내부 고정 기구로서 사용하기 위한, 중간 필라멘트 단백질에 농축된 S-설폰화 케라틴을 질기고 조밀한 생체적합성 재료로 재형성하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for reforming S-sulfonated keratin concentrated in intermediate filament proteins into a tough and dense biocompatible material for use as an internal fixation device in the treatment of fractures.

수분과 화학약품이 첨가될 수도 있다. 환원제의 통제된 사용을 이용하여 S-설포네이트 케라틴으로부터 설포네이트 그룹을 제거하고 본래 존재하는 디설파이드를 재형성할 수 있다.Water and chemicals may be added. Controlled use of a reducing agent can be used to remove sulfonate groups from S-sulfonate keratin and to reconstitute the disulfide originally present.

골 형성에 사용되는 케라틴은 고분자량의 케라틴 유도체의 제조 방법을 제공하고 있는 WO 03/011894에 따른 방법에 의해 제조될 수 있으며, 이에 따르면 방법은 산화적 설피토라이시스(sulfitolysis)에 의해 케라틴 공급원을 설폰화시키는 제 1 스테이지 소화 단계, 가용성 및 불용성 케라틴의 분리를 수반하는 제 2 스테이지 반복성 수성 추출, 및 후속하여 불용성 케라틴을 재추출하여 고도로 S-설폰화된 케라틴 유도체를 생성하는 과정을 포함한다.The keratin used for bone formation can be prepared by the method according to WO 03/011894, which provides a process for the preparation of high molecular weight keratin derivatives, according to which the method is used to remove the keratin source by oxidative sulfitolysis. A first stage digestion step of sulfonation, a second stage repeat aqueous extraction with separation of soluble and insoluble keratin, and subsequently re-extracting insoluble keratin to produce a highly S-sulfonated keratin derivative.

WO 03/018673은 S-설폰화 케라틴 단백질로부터 유래된 발포체 섬유 접착 재료 또는 필름을 제공한다. 방법은 S-설폰화 케라틴 단백질의 용액을 용매 캐스팅하는 과정을 수반한다.WO 03/018673 provides foam fiber adhesive materials or films derived from S-sulfonated keratin proteins. The method involves solvent casting a solution of S-sulfonated keratin protein.

또한, 고도로 S-설폰화된 케라틴 중간 필라멘트 단백질로부터 유래된 필름, 발포체 또는 접착 재료의 제조 방법이 제공된다.Also provided are methods of making films, foams or adhesive materials derived from highly S-sulfonated keratin intermediate filament proteins.

본 발명은 골 구조물에 사용하기에 적합한 케라틴 재료의 제조 방법을 제공하고 또한 WO 03/018673 및 WO 03/011894의 방법에 기초한 골 구조물에 사용하기 위한 케라틴 재료도 제공한다.The present invention provides a method of making keratin materials suitable for use in bone structures and also provides keratin materials for use in bone structures based on the methods of WO 03/018673 and WO 03/011894.

분해성 케라틴 기구는 기능성 부하를 치유되고 있는 골로 점진적으로 전달함으로써 (현재 사용되고 있는 일부 경질 영구 재료와는 달리) 신골 성장 촉진을 위한 충분한 융통성을 제공할 것이다. 또한, 케라틴-유래 고정 기구 또는 장치를 제거하는 데 후속적인 수술이 필요하지 않다.Degradable keratin devices will provide sufficient flexibility for promoting bone growth (unlike some hard permanent materials currently in use) by progressively delivering functional loads to the healing bone. In addition, no subsequent surgery is required to remove the keratin-derived fixation device or device.

중간 필라멘트 단백질에 농축된 S-설폰화 케라틴을 골절 치료에서 내부 고정 기구로 사용하기 위한 질기고 조밀성 재료로 재형성하는 방법은 수분, 화학약품, 및 일부 경우에는 열의 존재하에 생체적합성 단백질을 압축하여 목적하는 형상을 형성하는 과정을 포함할 수 있다. 생물학적 조건하에서 강도와 인성을 보장하기 위한 재료 내의 가교 결합의 형성은 압축하는 동안에, 또는 후속적으로 화학적 처리를 통해 발생한다.Reconstruction of S-sulfonated keratin, concentrated in intermediate filament proteins, into a tough, dense material for use as an internal fixation device in fracture therapy involves the compression of biocompatible proteins in the presence of moisture, chemicals, and in some cases heat. It may include the process of forming the desired shape. The formation of crosslinks in the material to ensure strength and toughness under biological conditions occurs during compaction or subsequently through chemical treatment.

방법은 또한 환원제의 통제된 사용을 통해 S-설폰화 케라틴으로부터 설포네이트 그룹을 제거하고 네이티브 케라틴에 본래 존재하는 디설파이드를 재형성하는 과정을 수반할 수 있다. 이러한 과정은 첫째, 디설파이드 가교결합의 확장된 네트워크를 통해 케라틴 단백질을 효과적으로 중합함으로써 생물학적 조건하에서 강도와 인성을 제공하고; 둘째, 재료의 효소적 소화를 방해함으로써 일어나는 생분해 속도와 정도를 조절하는 이중 목적의 역할을 한다. 생분해 속도를 조절함으로써, 본 발명은 케라틴 산물이 소정 범위의 치유 기간이 요망되는 적용에 사용될 수 있게 한다.The method may also involve removing sulfonate groups from S-sulfonated keratin and reforming the disulfide originally present in native keratin through controlled use of reducing agents. This process firstly provides strength and toughness under biological conditions by effectively polymerizing keratin proteins through an extended network of disulfide crosslinks; Second, it serves a dual purpose of regulating the rate and extent of biodegradation that occurs by disrupting the enzymatic digestion of materials. By controlling the rate of biodegradation, the present invention allows keratin products to be used in applications where a range of healing periods are desired.

본 특허 명세서에서 기술되는 재구성된 케라틴은 완전히 생체적합성이고 어떠한 유의할 만한 이물형(foreign body type) 면역 반응도 도출하지 않는다. 케라틴은 전술한 골에서 발생하는 정상적인 과정에 의해 분해되고 정상적인 골로 대체된다. 따라서, 골 대체 및 증대에 있어서, 케라틴은 자가조직성 골과 유사한 성질을 지닌다. 골절 치료의 경우에, 이러한 케라틴으로 만들어진 기구는 골 단편의 고정과 부동화를 수행하기 위한 필요한 물성을 보유하게 될 것이고, 일단 이러한 기능이 완수되면 케라틴은 점진적으로 재흡수될 것이고 궁극적으로는 조직으로부터 사라지게 된다. 재흡수의 초기 기간 동안, 점진적으로 약화되는 케라틴 기구는 골을 증가하는 기능성 부하에 투입함으로써 신골 형성을 촉진하게 된다. 이러한 과정은 금속 기구로 발견되는 응력 차폐 효과를 방지하게 될 것이다. 또한, 케라틴의 분해와 재흡수는 체내에 영구적으로 존속되거나 이들의 제거를 위해 2차적인 수술 절차를 요하는 금속 기구에 비해 커다란 이점이다.The reconstituted keratin described in this patent specification is completely biocompatible and does not elicit any significant foreign body type immune response. Keratin is broken down and replaced with normal bone by the normal processes occurring in the bone described above. Thus, in bone replacement and augmentation, keratin has properties similar to autologous bone. In the case of fracture treatment, such keratin-made instruments will possess the necessary physical properties to perform fixation and immobilization of bone fragments, and once this function is completed, the keratin will be gradually reabsorbed and ultimately disappeared from the tissue. do. During the initial period of resorption, the progressively weakening keratin machinery promotes bone formation by putting bone into increasing functional load. This process will prevent the stress shielding effect found with metal instruments. In addition, the degradation and resorption of keratin is a major advantage over metal instruments that are permanently present in the body or require secondary surgical procedures for their removal.

본 발명은 임의의 골 형성 기능에 적용될 수 있다. 골의 형태와 기능은 하기에 의해 붕괴될 수 있다:The present invention can be applied to any bone forming function. The shape and function of the bone can be disrupted by:

- 골이 발육 부전이거나 비정상적으로 발육되는 발육 이상,Developmental abnormalities in which the bones are underdeveloped or abnormally developed,

- 골 손실 없이, 골절 또는 골절 탈구를 일으키는 외상,Trauma causing fracture or fracture dislocation, without bone loss,

- 악성 또는 양성 종양/종양-유사 증상의 절개, 또는 골의 퇴행 증상에서와 같은 수술적 개입,Surgical interventions such as incisions in malignant or benign tumor / tumor-like symptoms, or degenerative symptoms of bone,

- 감염과 같은 증상에 의해 유발된 골 괴사 및 파괴-Bone necrosis and destruction caused by symptoms such as infection

이들 증상에 대한 치료 양식은 골격계의 병에 걸린 골의 정상 형태와 기능의 보존, 복구 및 발육을 꾀한다.Therapeutic modalities for these symptoms seek to preserve, repair, and develop the normal form and function of diseased bone in the skeletal system.

"중간 필라멘트 단백질"이란 용어는 중간 필라멘트 단백질 부류로부터의 케라틴 단백질을 기술한다. 문헌[참조: Marshall et al., Structure and Biochemistry of Mammalian Hard Keratin, Electron Microscopy Review, Vol 4, pp 47-83, 1991]에 논의되어 있는 바와 같이, 케라틴 중간 필라멘트는 경질 알파 케라틴으로부터 유래되며 일반적으로는 나선형 및 비-나선형 단편 모두를 함유하는 두 계열의 저황 폴리펩타이드를 포함하는 것으로서 당업계에 인식되어 있다.The term "middle filament protein" describes keratin proteins from the middle filament protein class. As discussed in Marshall et al., Structure and Biochemistry of Mammalian Hard Keratin, Electron Microscopy Review, Vol 4, pp 47-83, 1991, keratin intermediate filaments are derived from hard alpha keratin and are generally Is recognized in the art as including two families of low sulfur polypeptides containing both helical and non-helical fragments.

"중간 필라멘트 단백질에 농축된"이란 네이티브 케라틴 공급원의 상응하는 양에서보다 생성물에 더 많은 중간 필라멘트 단백질이 존재함을 의미한다."Concentrated in intermediate filament protein" means that there are more intermediate filament proteins present in the product than in the corresponding amounts of native keratin sources.

본 발명의 바람직한 양태의 설명Description of Preferred Embodiments of the Invention

이하에서 본 발명은 단지 하기 바람직한 양태를 참조로 하여 예시적으로 설명된다.The invention is described below by way of example only with reference to the following preferred embodiments.

본 발명의 특징은 울로부터의 경질 α-케라틴에 기초한 일부 방법과 적용을 특이적으로 예시한다. 그러나, 그러한 원리는 대안의 α-케라틴, 또는 중간 필라멘트(IF) 타입의 단백질을 산출할 수 있는 임의 공급원에도 동등하게 잘 적용될 수 있다.Features of the present invention specifically illustrate some methods and applications based on hard α-keratin from wool. However, such principles can equally well apply to any source capable of producing alternative α-keratin, or intermediate filament (IF) type proteins.

유사한 준비 방법이 본 출원인에 의해 깃털과 같은 다른 케라틴 공급원에 적용되어 후술되는 적용의 일부에 대해 동등하게 아주 적합한 재료를 생산하였다. 본 발명의 특징은 α형의 단백질(IF 단백질)의 존재에 의존하지 않는 적용에서, 그러한 케라틴의 이용의 제한된 영역을 포괄하도록 확대된다. 여기에는 β케라틴 또는 깃털 케라틴에 기초한 제제가 IF 단백질과 병합될 수 있는 적용이 포함된다.Similar preparation methods have been applied by the applicant to other keratin sources, such as feathers, to produce materials that are equally well suited for some of the applications described below. Features of the present invention extend to encompass a limited area of use of such keratin in applications that do not depend on the presence of a type of protein (IF protein). This includes applications where agents based on β-keratin or feather keratin can be incorporated with IF proteins.

울은 경질 α-케라틴의 편리한 공급원을 대표하지만, 여타의 동물 섬유, 또는 뿔, 또는 발굽도 목적하는 단백질의 공급원으로서 동등하게 잘 기능할 것이다. 울은 3종의 단백질 부류로 대별될 수 있는, 대략 95%의 케라틴으로 구성되어 있다. 중간 필라멘트 단백질은 전형적으로 고분자량(45-60 kD)이며, 부분적으로 피브릴 3차 구조를 가지며 6% 정도의 시스테인 함량을 갖는다. 이들은 질량 기준으로 울 섬유의 대략 58%를 차지하지만 이러한 질량의 일부만이 구조에 있어서 실제로 나선을 형성한다. 울 섬유의 대략 26%를 차지하는 고황 및 초고황 단백질은 구조에 있어서 구형이고, 10 내지 40 kD의 분자량을 가지며 최대 30 몰%까지 시스테인 수준을 함유할 수 있다. 고-글라이신-타이로신 단백질은 울 섬유의 6%를 구성하는 소 부류이고, 10 kD 정도의 분자량을 가지며 글라이신과 타이로신 아미노산 잔기의 높은 함량을 특징으로 한다.Wool represents a convenient source of hard α-keratin, but other animal fibers, or horns, or hoofs, will function equally well as a source of protein of interest. Wool consists of approximately 95% keratin, which can be roughly divided into three protein classes. Intermediate filament proteins are typically high molecular weight (45-60 kD), partially fibrillated tertiary structure and having a cysteine content of about 6%. They make up about 58% of wool fibers by mass, but only a fraction of this mass actually spirals in structure. High and ultra high sulfur proteins, which comprise approximately 26% of the wool fibers, are spherical in structure, have a molecular weight of 10 to 40 kD and can contain cysteine levels up to 30 mole%. High-glycine-tyrosine proteins are a small class of 6% of wool fibers, have molecular weights on the order of 10 kD and are characterized by high content of glycine and tyrosine amino acid residues.

울 케라틴의 상이한 부류로부터의 단백질은 이들에게 특이적 적용에 있어서 특유의 이점을 부여하게 될 특징을 보유한다.Proteins from different classes of wool keratin possess characteristics that will confer them unique advantages in specific applications.

본 발명은 대체로 중간 필라멘트 단백질의 용도, 및 정형외과 수술에 사용하기 위한 재료를 생산하기 위한 용도에 관한 것이다.The present invention generally relates to the use of intermediate filament proteins and to the production of materials for use in orthopedic surgery.

그럼에도 불구하고, 다른 비-피브릴성 단백질도 좀더 제한된 분야에서 당연히 응용된다.Nevertheless, other non-fibrillary proteins are naturally applicable in more limited applications.

전술한 바와 같은 동물 공급원으로부터 유래되는 고도로 S-설폰화된 케라틴은, 중간 필라멘트 단백질 성분을 분리하기 위하여 정제될 때, 정형외과 용도를 위한 산물의 범위에 사용하기에 이상적인 생체적합성/생분해성 재료이다. 케라틴은 WO 03/011894에 개략된 바와 같은 방법에 의해 제조될 수 있다. S-설폰화된 케라틴 단백질 자체는 WO 03/018673에 기재된 방법에 따라 제조될 수 있다. 이들 방법에 따르면 최초 케라틴 공급원에 존재하는 시스틴이 S-설포시스테인이 되도록 변형된다. 이러한 그룹은 고도로 극성을 띠며 유도체화된 케라틴이 pH >4의 수성 조건하에서 가용성이 되게 할 수 있다. 또한, S-설폰화된 재료는 수분에 민감하며 정형외과 처치에서 유용한 매트릭스로 가공하는 데 적합하다. 일부 경우에는 S-설포네이트 작용기를 보유하는 것이 유용하며, 반면에 다른 매트릭스의 경우에는 재구성 과정의 일부로서 단백질을 화학적으로 처리하여 S-설포네이트 작용기를 제거하고 케라틴내에 본래부터 존재하는 디설파이드 결합을 복구하는 것이 유용하다. 고도로 극성을 띠고 따라서 수분에 민감하므로, S-설포 유도체화의 존재는 재구성된 케라틴 재료를 생체내에 존재하는 단백질 분해 효소에 의한 효소 분해에 민감하게 만든다. S-설포 그룹의 시스틴으로의 전환은 제조된 케라틴 재료를 불용성으로 만들고 또한 단백질 분해 효소에 대한 소정의 저항성을 부여한다. 시스테인 함유 재료는 따라서 체내에서 더 느린 속도로 분해되며, 이는 일부 정형외과 적용에서 중요한 성능 특징이다.Highly S-sulfonated keratin derived from an animal source as described above is an ideal biocompatible / biodegradable material for use in a range of products for orthopedic applications when purified to separate intermediate filament protein components. . Keratin can be prepared by a method as outlined in WO 03/011894. S-sulfonated keratin proteins themselves can be prepared according to the methods described in WO 03/018673. According to these methods the cystine present in the original keratin source is modified to be S-sulfocysteine. This group is highly polar and can make derivatized keratin soluble under aqueous conditions of pH > In addition, S-sulfonated materials are moisture sensitive and suitable for processing into matrices useful in orthopedic procedures. In some cases it is useful to have S-sulfonate functional groups, while in other matrices, the protein is chemically treated as part of the reconstitution process to remove the S-sulfonate functional groups and remove the disulfide bonds inherent in keratin. It is useful to recover. Since it is highly polar and therefore moisture sensitive, the presence of S-sulfo derivatization makes the reconstituted keratin material susceptible to enzymatic degradation by proteolytic enzymes present in vivo. The conversion of the S-sulfo group to cystine renders the prepared keratin materials insoluble and also imparts some resistance to proteolytic enzymes. Cysteine-containing materials therefore degrade at a slower rate in the body, which is an important performance feature in some orthopedic applications.

S-설포시스테인에서 시스틴으로의 전환은 환원제, 전형적으로는 암모늄 티오글리콜레이트와 같은 티올 함유 용액의 적용을 통해, 또는 WO 03/018673에 기재된 바와 같은 방법을 통해 일어날 수 있다.The conversion of S-sulfocysteine to cystine can occur through the application of a reducing agent, typically a thiol containing solution such as ammonium thioglycolate, or via a method as described in WO 03/018673.

단백질성 재료로서, 케라틴은 잘 문서화된 골형성원 하이드록시아파타이트와 같이 골형성원제를 혼입하는 정형외과 처치 재료의 생산에 사용되는 재료로서 매우 적합하다. 재구성 방법에 따라, 0 내지 60% 수준으로 하이드록시아파타이트를 함유하는 재구성된 케라틴 재료를 용이하게 제조할 수 있다. 생체재료에 하이드록시아파타이트를 포함시킴에 의한 유익한 치유 효과는 잘 문서화되어 있으며 또는 본 발명의 일부로서 논증된다.As a proteinaceous material, keratin is well suited as a material used in the production of orthopedic treatment materials incorporating osteogenic agents such as well-documented osteogenic hydroxyapatite. Depending on the reconstitution method, reconstituted keratin materials containing hydroxyapatite at levels of 0 to 60% can be readily prepared. The beneficial healing effects of including hydroxyapatite in biomaterials are well documented or justified as part of the present invention.

본 발명의 일 양태에서, S-설폰화된 케라틴은 골 대체 또는 증대 산물로서 사용하기 위한 다공성 재료로 재구성된다. 이는 염화나트륨 같은 가용성 포로젠과 물의 존재하에 케라틴 단백질을 압축함으로써 성취된다. 일반적으로, 분말 압축을 보조하기 위하여 소정 입자 크기로 분쇄된, 바람직하게는 125 내지 200 마이크론의 S-설폰화 케라틴 중간체를 물과 1:0.1 내지 1:10, 바람직하게는 1:1의 비로, 그리고 또한 염화 나트륨과는 1:0.01 내지 1:10의 비로 혼합된다. 하이드록시아파타이트는 또한 상기 혼합물에 0 내지 60 질량%, 바람직하게는 0 내지 10 질량%의 수준으로 혼입된다. 이 혼합물을 다이에 충진하고 10,000 내지 50,000 kPa 범위의 압력으로 1 내지 30분간 가압한다. 다이로부터 제거시에, 실린더를 펠릿으로부터 절단하고 실린더를 화학적 처리용액에 액침하여 포로젠을 세척해 내고 다공성 재료를 남기면서, 또한 케라틴으로부터 설포네이트 작용기를 제거하고 단백질에 디설파이드 가교결합을 복구시킨다. 이러한 화학적 처리는 두 형태 중 하나를 취할 수 있다. 첫째, 바람직하게는 pH 7.0으로 완충된 0.1M 농도의 인산 나트륨을 함유하는, 바람직하게는 0.25M 농도의 암모늄 티오글리콜레이트의 용액을 사용하여 2 내지 48시간, 바람직하게는 18시간 동안 실린더를 처리할 수 있다. 잔류 화학약품은 물속에서 펠릿의 후속 세척에 의해 제거된다. 세척 후, 실린더를 동결 건조시킨다. 이와 달리, 실린더는 티오글리콜산을 바람직하게는 0.1M 함유하는 용액에서 2 내지 48시간, 바람직하게는 18시간 동안 화학적 처리에 투입할 수 있다. 수중에서 단기 세척한 뒤에, 실린더를 완충 용액에서 48 내지 96시간 동안 세척함으로써 잔류 화학약품을 제거한다. 용액을 매 24시간 마다 보충한다. 물에서 추가 세척 후, 실린더를 동결 건조시킨다.In one aspect of the invention, the S-sulfonated keratin is reconstituted with a porous material for use as a bone replacement or augmentation product. This is accomplished by compacting keratin proteins in the presence of soluble porogens such as sodium chloride and water. In general, S-sulfonated keratin intermediates, preferably 125-200 microns, of S-sulfonated keratin intermediate, ground to a desired particle size to aid powder compaction, are in a ratio of 1: 0.1 to 1:10, preferably 1: 1, And also sodium chloride in a ratio of 1: 0.01 to 1:10. Hydroxyapatite is also incorporated into the mixture at a level of 0 to 60% by mass, preferably 0 to 10% by mass. The mixture is charged to a die and pressurized for 1 to 30 minutes at a pressure in the range of 10,000 to 50,000 kPa. Upon removal from the die, the cylinder is cut from the pellet and the cylinder is immersed in a chemical treatment solution to wash out the porogen and leave a porous material, while also removing sulfonate functionality from keratin and restoring disulfide crosslinking to the protein. Such chemical treatment may take one of two forms. First, the cylinder is treated for 2 to 48 hours, preferably 18 hours, using a solution of ammonium thioglycolate, preferably 0.25 M, containing 0.1 M sodium phosphate buffered to pH 7.0. can do. Residual chemicals are removed by subsequent washing of the pellets in water. After washing, the cylinder is lyophilized. Alternatively, the cylinder may be subjected to chemical treatment for 2 to 48 hours, preferably 18 hours in a solution containing thioglycolic acid, preferably 0.1 M. After a short wash in water, residual chemicals are removed by washing the cylinder in a buffer solution for 48 to 96 hours. Replenish the solution every 24 hours. After further washing in water, the cylinder is lyophilized.

재료 중의 세공 크기는 제조에 사용된 염화나트륨의 양을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 예를 들면, 단백질 1 g당 염화나트륨 0.06 g을 사용하여 제조하기 위한 전형적인 세공 크기는 50 내지 150 마이크론인 반면, 단백질 1 g당 염화나트륨 0.14 g은 320 마이크론 이하의 세공이 생성된다.The pore size in the material can be controlled by varying the amount of sodium chloride used in the preparation. For example, typical pore sizes for preparation using 0.06 g sodium chloride per g protein are 50 to 150 microns, while 0.14 g sodium chloride per g protein produces less than 320 microns pores.

티오글리콜산법을 이용하여 제조된 다공성 케라틴 재료의 생물학적 성질이 시험관내 및 생체내 모두에서 증명된다. 시험관내에서, 재료는 세포독성이 아니고 인간 및 양 섬유아세포의 성장을 지원한다. 양 섬유아세포를 사용하여, ISO 10993-5에 기재된 바와 같이, 다공성 재료를 세포와 직접 접촉시키면 다음과 같은 효과가 생성된다. 대조군으로서 다공성 재료를 함유하거나 함유하지 않는 폴리스티렌 세포 배양판의 웰을 초기에 약 10,000 세포(0 시간)로 시딩하였다. 시딩 후 최초 24시간 동안, 배양액은 세포 수의 감소에 의해 입증되듯이 지체 시간을 거쳤다. 이러한 현상은 수행된 모든 분석에서 인지되었으며 시험 재료를 함유하는 것들 외에 대조군 웰에서도 강하(drop)가 관찰되었다. 실험은 이러한 지체 시간이 12시간 이하 지속되며 지수 증식기가 이 시점에서 개시됨을 보여 주었다. 대략 24 내지 48시간마다 대수 증식기의 말미를 표시하는 준-유착성(대략 80% 유착성)으로 개체수 배가가 일어난다. 이는 실험 기간(5일 또는 120 시간)의 말미에 해당한다. 연장된 기간의 실험은 이 직후에 배양액의 완전 유착성으로 세포 증식에 있어 정체기를 표시하였다. 접촉 억제 및 영양소의 고갈은 이 시점에서 증식 속도 제한에 있어 주된 역할을 하며 단층 배양액은 세포사의 징후(즉, 막 보존성의 상실, 세포수의 감소, 개별 세포의 공포 형성)를 보인다. 분석 중에, 세포는 디스크의 상부 표면에 부착하는 것으로 목격되었다. 광학 현미경 검사에 의하면, 이들 세포의 형태학적 외형은 비-재료 대조군과 비교하여 모든 기질 상에서 유사한 것으로 간주되었다. 인간 섬유아세포를 가지고 행한 유사 분석도 다공성 재료의 존재하에 발생하는 전형적인 섬유아세포 증식 곡선을 갖는 매우 유사한 결과를 보였으며, 배양 120시간 후 대략 80%의 유착성에 도달하였다. 대조군 웰은 이 시점에서 100% 유착성에 도달하였다.The biological properties of porous keratin materials prepared using thioglycolic acid methods are demonstrated both in vitro and in vivo. In vitro, the material is not cytotoxic and supports the growth of human and sheep fibroblasts. Using both fibroblasts, direct contact of the porous material with the cells, as described in ISO 10993-5, produces the following effects. Wells of polystyrene cell culture plates with or without porous material as a control were initially seeded at about 10,000 cells (0 hours). During the first 24 hours after seeding, the cultures had a lag time as evidenced by a decrease in cell number. This phenomenon was recognized in all analyzes performed and a drop was observed in the control wells as well as those containing the test material. Experiments have shown that this lag time lasts less than 12 hours and exponential growth begins at this point. Population doubling occurs semi-adhesive (approximately 80% adhesion) marking the end of the logarithmic growth phase approximately every 24 to 48 hours. This corresponds to the end of the experiment period (5 days or 120 hours). An extended period of experiment indicated a plateau in cell proliferation immediately after this with complete adherence of the culture. Contact inhibition and nutrient depletion play a major role in limiting the rate of proliferation at this point and monolayer cultures show signs of cell death (ie loss of membrane preservation, decrease in cell number, fear formation of individual cells). During the analysis, the cells were observed to attach to the upper surface of the disk. According to light microscopy, the morphological appearance of these cells was considered similar on all substrates compared to the non-material control. Similar analyzes with human fibroblasts showed very similar results with typical fibroblast proliferation curves occurring in the presence of porous materials, reaching approximately 80% adhesion after 120 hours of culture. Control wells reached 100% adhesion at this point.

생체내 연구는 상기 방법에 의해 처리된 케라틴 재료, 및 또한 6% 하이드록시아파타이트를 함유하고, 직경 3 mm, 길이 3 mm의 막대로서 제조되고 감마선 조사(2.8 Mrad)로 멸균시켰으며 성체 양의 뒷다리의 장골의 중앙 부분(피질골) 및 근위 및 원위 말단(피질-해면골) 중으로 이식되는 상기 재료의 복합재를 포함하였다. 이식된 재료에 대한 조직 반응을 10일, 3, 6, 8, 12 및 24주째에서 생검 샘플의 조직학적 검사에 의해 연구하였다. 티오글리콜산을 이용하여 제조된 재료에 대한 골 조직은 임플란트의 존재에 대한 최소 이물형 면역 반응을 보였고 임플란트와 주변 골 사이에 형성된 육아 조직(섬유증 유도)의 박층만이 존재하였다. 3 내지 6주 안에 임플란트 재료는 유골 조직에 의해 전이증식되어 케라틴 임플란트 재료의 재흡수에 의해 생성된 공간에 교직골의 부설을 유도하며, 신골이 6 내지 8주쯤에 주변 골 중으로 결합된다. 6주부터는, 교직골의 피질해면골 중으로의 외향 리모델링이 일어났다. 이러한 과정이 지속되어 성숙골에 의해 대체되는 임플란트 재료의 완전 통합이 일어나고, 골 결함이 완전히 치유되었다.In vivo studies consisted of keratin materials treated by the method, and also 6% hydroxyapatite, prepared as rods 3 mm in diameter and 3 mm in length, sterilized by gamma irradiation (2.8 Mrad) and adult hind limbs. And a composite of the material that is implanted into the central portion of the long bone (cortical bone) and the proximal and distal ends (cortical-cavernosal bone) of. Tissue responses to the implanted material were studied by histological examination of biopsy samples at days 10, 3, 6, 8, 12 and 24 weeks. Bone tissue for materials made using thioglycolic acid showed a minimal foreign immune response to the presence of the implant and only a thin layer of granulation tissue (fibrosis induction) formed between the implant and the surrounding bone. Within three to six weeks, the implant material is metastasized by the bone tissue to induce the placement of the occlusal bone in the space created by resorption of the keratin implant material, and the renal bone joins into the surrounding bone about six to eight weeks. From week 6, outward remodeling of the occlusal bone into the cortical spongy bone occurred. This process continued to result in full integration of the implant material replaced by mature bone, and bone defects were fully healed.

또한, 이러한 다공성 재료의 물성은 재료를 길이 12 mm, 폭 4 mm, 깊이 3 mm의 판 형태로 제조하여 조사하고 양에 피하 이식하였다. 판을 Instron 머신 상에서 시험하여 얻은 데이터는 인장 특성이 3 내지 6주간에 걸쳐서 대략 10%까지 약화되었음을 보여주었다. 이러한 결과는 이 시점에서 약 10%의 건량 감소와 일치하였다. 이러한 발견은 본 재료의 신골 형성 촉진 및 응력 차폐 방지능, 및 본 재료의 점진적 재흡수를 지지한다.In addition, the physical properties of these porous materials were prepared in the form of plates having a length of 12 mm, a width of 4 mm, and a depth of 3 mm and irradiated subcutaneously in sheep. Data obtained by testing the plates on an Instron machine showed that the tensile properties were attenuated by approximately 10% over 3-6 weeks. This result is consistent with a dry weight reduction of about 10% at this point. These findings support the new bone formation promotion and stress shielding prevention of the material, and the progressive resorption of the material.

다공성 케라틴 재료는 또한 WO 03/018673에 기재된 바와 같은 방법을 이용하여 S-설폰화 케라틴의 수용액을 동결 건조시킴으로써 제조되며, 이들 재료는 골 이식 적용에 사용하기에 적합하다. 고비율의 하이드록시아파타이트를 함유하는 다공성 케라틴 재료는 바람직하게는 5%의 S-설폰화 케라틴의 수용액으로부터, 불용성 하이드록시아파타이트를 케라틴 용액에 1:0.1 내지 1:2의 케라틴:하이드록시아파타이트 질량비, 바람직하게는 1:1로 현탁시킴으로써 제조된다. 동결 및 후속 동결 건조시에, 케라틴과 하이드록시아파타이트의 균질 혼합물이 골 이식 산물에 사용하기에 적합한 다공성 해면질로 생성된다.Porous keratin materials are also prepared by freeze drying an aqueous solution of S-sulfonated keratin using a method as described in WO 03/018673, which materials are suitable for use in bone graft applications. Porous keratin materials containing a high proportion of hydroxyapatite preferably contain insoluble hydroxyapatite in an aqueous solution of 5% S-sulfonated keratin in a keratin solution of from 1: 0.1 to 1: 2 keratin: hydroxyapatite mass ratio. , Preferably by suspending 1: 1. Upon freezing and subsequent freeze drying, a homogeneous mixture of keratin and hydroxyapatite is produced with a porous spongy material suitable for use in bone graft products.

본 발명의 또다른 양태에서, S-설폰화 케라틴은 골 고정 산물로서 사용하기 위한 질기고 조밀한 재료로 재구성된다. 이는 케라틴 단백질을 압축함으로써 성취된다. 일반적으로, 분말 압축을 보조하기 위하여 바람직하게는 125 내지 200 마이크론의 입자 크기로 분쇄된 S-설폰화 케라틴을 물과 1:0.1 내지 1:10, 바람직하게는 1:1의 비로 혼합한다. 하이드록시아파타이트 또한 상기 혼합물 중으로 0 내지 60 질량%, 바람직하게는 0 내지 10 질량% 수준으로 혼입된다. 이 혼합물을 다이에 충진하고 10,000 내지 50,000 kPa 범위의 압력으로 1 내지 30분 범위의 시간 동안 가압하였다. 다이로부터 제거시에 실린더를 펠릿으로부터 절단하고 실린더를 화학 처리 용액에 액침시켜 포로젠을 세척해 내고 다공성 재료를 남기면서, 또한 케라틴으로부터 설포네이트 작용기를 제거하고 단백질에 디설파이드 가교결합을 복구시킨다. 이러한 화학적 처리는 두 형태 중 하나를 취할 수 있다. 첫째, 바람직하게는 pH 7.0으로 완충된 0.1M 농도의 인산 나트륨을 함유하는, 바람직하게는 0.25M 농도의 암모늄 티오글리콜레이트의 용액을 사용하여 2 내지 48시간, 바람직하게는 18시간 동안 실린더를 처리할 수 있다. 잔류 화학약품은 물속에서 펠릿의 후속 세척에 의해 제거된다. 세척 후, 실린더를 동결 건조시킨다. 이와 달리, 실린더는 티오글리콜산을 바람직하게는 0.1M 함유하는 용액에서 2 내지 48시간, 바람직하게는 18시간 동안 화학적 처리에 투입할 수 있다. 수중에서 단기 세척한 뒤에, 실린더를 완충 용액에서 48 내지 96시간 동안 세척함으로써 잔류 화학약품을 제거한다. 용액을 매 24시간 마다 보충한다. 물에서 추가 세척 후, 실린더를 동결 건조시킨다.In another embodiment of the invention, the S-sulfonated keratin is reconstituted with a tough and dense material for use as a bone fixation product. This is accomplished by compacting keratin proteins. In general, the S-sulfonated keratin, which is ground to a particle size of 125 to 200 microns, is mixed with water in a ratio of 1: 0.1 to 1:10, preferably 1: 1 to aid in powder compaction. Hydroxyapatite is also incorporated into the mixture at levels of 0 to 60% by mass, preferably 0 to 10% by mass. The mixture was charged to a die and pressurized for a time ranging from 1 to 30 minutes at a pressure ranging from 10,000 to 50,000 kPa. Upon removal from the die, the cylinder is cut from the pellet and the cylinder is immersed in a chemical treatment solution to wash out the porogen and leave a porous material, while also removing sulfonate functionality from keratin and restoring disulfide crosslinking to the protein. Such chemical treatment may take one of two forms. First, the cylinder is treated for 2 to 48 hours, preferably 18 hours, using a solution of ammonium thioglycolate, preferably 0.25 M, containing 0.1 M sodium phosphate buffered to pH 7.0. can do. Residual chemicals are removed by subsequent washing of the pellets in water. After washing, the cylinder is lyophilized. Alternatively, the cylinder may be subjected to chemical treatment for 2 to 48 hours, preferably 18 hours in a solution containing thioglycolic acid, preferably 0.1 M. After a short wash in water, residual chemicals are removed by washing the cylinder in a buffer solution for 48 to 96 hours. Replenish the solution every 24 hours. After further washing in water, the cylinder is lyophilized.

조밀성 케라틴 재료의 생물학적 성질은 시험관내에서 증명되었고 생물리학적 성질은 생체내에서 검사되었다. 시험관내에서, 재료는 세포독성이 아니고 인간 및 양 섬유아세포의 성장을 지원한다. 양 섬유아세포를 사용하여, ISO 10993-5에 기재된 바와 같이, 다공성 재료를 세포와 직접 접촉시키면 다음과 같은 효과가 생성된다. 대조군으로서 비-다공성 재료를 함유하거나 함유하지 않는 폴리스티렌 세포 배양판의 웰을 초기에 약 10,000 세포(0 시간)로 시딩하였다. 시딩 후 최초 24시간 동안, 배양액은 세포 수의 감소에 의해 입증되듯이 지체 시간을 거쳤다. 이러한 현상은 수행된 모든 분석에서 인지되었으며 시험 재료를 함유하는 것들 외에 대조군 웰에서도 강하가 관찰되었다. 실험은 이러한 지체 시간이 12시간 이하 지속되며 지수 증식기가 이 시점에서 개시됨을 보여 주었다. 대략 24 내지 48시간마다 대수증식기의 말미를 표시하는 준-유착성(대략 80% 유착성)으로 개체수 배가가 일어난다. 이는 실험 기간(5일 또는 120 시간)의 말미에 해당한다. 연장된 기간의 실험은 이 직후에 배양액의 완전 유착성으로 세포 증식에 있어 정체기를 표시하였다. 접촉 억제 및 영양소의 고갈은 이 시점에서 증식 속도 제한에 있어 주된 역할을 하며 단층 배양액은 세포사의 징후(즉, 막 보존성의 상실, 세포수의 감소, 개별 세포의 공포 형성)를 보인다. 분석 중에, 세포는 디스크의 상부 표면에 부착하는 것으로 목격되었다. 광학 현미경 검사에 의하면, 이들 세포의 형태학적 외형은 비-재료 대조군과 비교하여 모든 기질 상에서 유사한 것으로 간주되었다. 인간 섬유아세포를 가지고 행한 유사 분석도 다공성 재료의 존재하에 발생하는 전형적인 섬유아세포 증식 곡선을 갖는 매우 유사한 결과를 보였으며, 배양 120시간 후 대략 80%의 유착성에 도달하였다. 대조군 웰은 이 시점에서 100% 유착성에 도달하였다.The biological properties of the dense keratin materials have been demonstrated in vitro and the biophysical properties have been examined in vivo. In vitro, the material is not cytotoxic and supports the growth of human and sheep fibroblasts. Using both fibroblasts, direct contact of the porous material with the cells, as described in ISO 10993-5, produces the following effects. Wells of polystyrene cell culture plates with or without non-porous material as a control were initially seeded at about 10,000 cells (0 hour). During the first 24 hours after seeding, the cultures had a lag time as evidenced by a decrease in cell number. This phenomenon was recognized in all analyzes performed and a drop was observed in the control wells as well as those containing the test material. Experiments have shown that this lag time lasts less than 12 hours and exponential growth begins at this point. Population doubling occurs to sub-adhesion (approximately 80% adhesion) marking the end of the logarithmic growth phase approximately every 24 to 48 hours. This corresponds to the end of the experiment period (5 days or 120 hours). An extended period of experiment indicated a plateau in cell proliferation immediately after this with complete adherence of the culture. Contact inhibition and nutrient depletion play a major role in limiting the rate of proliferation at this point and monolayer cultures show signs of cell death (ie loss of membrane preservation, decrease in cell number, fear formation of individual cells). During the analysis, the cells were observed to attach to the upper surface of the disk. According to light microscopy, the morphological appearance of these cells was considered similar on all substrates compared to the non-material control. Similar analyzes with human fibroblasts showed very similar results with typical fibroblast proliferation curves occurring in the presence of porous materials, reaching approximately 80% adhesion after 120 hours of culture. Control wells reached 100% adhesion at this point.

생물리학적 성질(탄성률, 파단 계수, 인장 강도)은 티오글리콜산으로 처리되고 길이 12 mm, 폭 4 mm 및 깊이 3 mm의 판으로 제조된 재료를 성체 래트에 피하 이식함으로써 시험되었다. 판을 래트로부터 1, 3, 6 및 12주로부터 제거하고 물리적 강도를 평가하였다. 탄성률은 3 내지 6주간에 걸쳐서 40 내지 70%의 감소를 보였다. 이들 2회에서 건량 감소는 5 내지 10%였고 이는 다공성 재료의 판을 가지고 양에서 행한 연구와 일치하였다.Biophysical properties (elastic modulus, fracture modulus, tensile strength) were tested by subcutaneous implantation of materials into adult rats treated with thioglycolic acid and made from plates 12 mm long, 4 mm wide and 3 mm deep. Plates were removed from rats at 1, 3, 6 and 12 weeks and physical strength was evaluated. The modulus of elasticity showed a decrease of 40 to 70% over 3 to 6 weeks. The dry weight reduction in these two times was 5 to 10%, which is consistent with the studies done in sheep with a plate of porous material.

본 발명의 또 다른 일면은 케라틴 필름의 다중층의 가열 압축으로부터 제작된, 골 고정에 사용하기 위한 질기고 조밀한 케라틴 재료이다. 케라틴 필름은 WO 03/018673에 기재된 바와 같은 방법을 이용하여 S-설폰화 케라틴으로부터 용이하게 제조된다. 케라틴 필름은 또한, 하이드록시아파타이트의 현탁액을 함유하는 S-설폰화 케라틴의 용액을 이용하여 제작될 수도 있다. 이러한 방법을 이용하여, 하이드록시아파타이트는 케라틴 질량에 대한 0 내지 50%의 수준으로 케라틴 필름 중으로 혼입된다. 형성되는 필름은 층으로 쌓은 다음 10,000 내지 100,000 kPa 범위의 압력으로 50 내지 200℃ 범위의 온도에서 1 내지 60분 범위의 시간 동안 압축시킬 수 있다. 압축한 뒤에, 물을 압축된 혼합물에 첨가하고 동일 조건하에서 추가 압축을 한다. 생성되는 재료는 조밀하고 질긴 블록 형태로 케라틴과 하이드록시아파타이트의 균질 혼합물을 함유한다. 이어서, 화학 처리를 이용하여 S-설포네이트 그룹을 시스틴으로 전환시킨다. 전술한 바와 동일한 처리 및 세척 조건하에서, 티오글리콜산 또는 암모늄 티오글리콜레이트를 사용한다. 일단 건조되면, 생성되는 재료를 기계 가공하여 스크루 또는 핀 같은 정형외과 수술에서의 장치로서 유용한 형상으로 만들 수 있다.Another aspect of the invention is a tough and dense keratin material for use in bone fixation, made from heat compression of multiple layers of keratin films. Keratin films are readily prepared from S-sulfonated keratin using the method as described in WO 03/018673. Keratin films can also be made using a solution of S-sulfonated keratin containing a suspension of hydroxyapatite. Using this method, hydroxyapatite is incorporated into the keratin film at a level of 0-50% relative to the keratin mass. The resulting film can be layered and then compacted for a time ranging from 1 to 60 minutes at a temperature ranging from 50 to 200 ° C. at a pressure ranging from 10,000 to 100,000 kPa. After compaction, water is added to the compacted mixture and further compacted under the same conditions. The resulting material contains a homogeneous mixture of keratin and hydroxyapatite in the form of dense, tough blocks. The chemical treatment is then used to convert the S-sulfonate group to cystine. Under the same treatment and washing conditions as described above, thioglycolic acid or ammonium thioglycolate is used. Once dried, the resulting material can be machined into shapes useful as devices in orthopedic surgery such as screws or pins.

대안의 접근 방식으로, 층으로 쌓기에 앞서 하이드록시아파타이트를 0 내지 60% 수준으로 함유하는 케라틴 필름에 화학적 처리를 가한다. 화학적 처리는 필름을 전술한 바와 유사한 조성의 암모늄 티오글리콜레이트의 용액에 20 내지 60분간 액침함으로써 성취된다. 물에서 필름을 여러번 세척하여 잔류 화학약품을 제거하고 건조하면 생성되는 재료는 S-설포 그룹이 다시 시스틴으로 전환된 케라틴을 함유한다. 이어서, 필름을 층으로 쌓고 전술한 바와 동일한 방식으로 압축하면, 생성되는 재료는 조밀하고 질간 블록 형태의 케라틴과 하이드록시아파타이트의 균질 혼합물을 함유한다. 추가의 화학적 처리는 필요하지 않으며, 재료는 기계 가공하여 스크루 또는 핀 같은 정형외과 수술에서의 장치로서 유용한 형상으로 만들 수 있다. In an alternative approach, chemical treatment is applied to keratin films containing 0 to 60% of hydroxyapatite prior to stacking. Chemical treatment is accomplished by immersing the film in a solution of ammonium thioglycolate of a composition similar to that described above for 20 to 60 minutes. After washing the film several times in water to remove residual chemicals and drying, the resulting material contains keratin, in which the S-sulfo group is converted back to cystine. The film is then layered and compressed in the same manner as described above, the resulting material contains a homogeneous mixture of keratin and hydroxyapatite in the form of a dense, interstellar block. No additional chemical treatment is required, and the material can be machined into shapes useful as devices in orthopedic surgery such as screws or pins.

본 발명의 일면은 단백질로부터 설포네이트 작용기를 제거하고 네이티브 케라틴에 본래 존재하는 디설파이드 결합을 복구하기 위하여, 전술한 암모늄 티오글리콜레이트 또는 티오글리콜산 같은 환원제를 사용하는 것이다. 설포네이트 형태에서, 케라틴은 pH 4 이상에서 가용성이고 생체내에서 용이하게 재흡수된다. 재료를 장기간 체내에 유지시키고, 재료의 분해 및 재흡수 속도를 조절하기 위하여, 설포네이트 작용기를 제거하고 단백질을 가교시키는 환원제가 사용될 수 있다. 환원제가 사용되는 범위, 노출 시간 및 시약의 농도는 재료내에 존재하는 설포네이트 그룹:디설파이드 결합의 비에 영향을 준다. 이는 다시 강도와 생체내 분해 속도에 영향을 준다. 다른 생물학적 생체 재료의 성질을 개질하는 데 사용되는 것들과 같은 다른 가교결합제, 예를 들면 콜라겐 생체 재료의 성질을 개질하는 데 사용되고 있는 글루타르알데하이드 및 에틸디메틸아미노프로필카보디이미드 하이드로클로라이드(EDC)도 케라틴 생체 재료의 성질을 개질하는 데 사용될 수 있다.One aspect of the present invention is the use of a reducing agent such as ammonium thioglycolate or thioglycolic acid, as described above, to remove sulfonate functionality from proteins and restore disulfide bonds inherent in native keratin. In the sulfonate form, keratin is soluble above pH 4 and readily reabsorbed in vivo. In order to keep the material in the body for a long time and to control the rate of decomposition and resorption of the material, a reducing agent may be used to remove sulfonate functionality and crosslink the protein. The range in which the reducing agent is used, the exposure time and the concentration of the reagents affect the ratio of sulfonate group: disulfide bonds present in the material. This in turn affects strength and rate of degradation in vivo. Other crosslinkers such as those used to modify the properties of other biological biomaterials, such as glutaraldehyde and ethyldimethylaminopropylcarbodiimide hydrochloride (EDC), which are used to modify the properties of collagen biomaterials, are also It can be used to modify the properties of keratin biomaterials.

실시예Example

실시예 1a: 다공성 케라틴 재료Example 1a Porous Keratin Material

125 내지 300 마이크론의 입자 크기로 분쇄된 0.4 g의 S-설폰화 케라틴 중간 필라멘트 단백질 분말을 0.5 ml의 물 및 0.024 g의 염화나트륨과 혼합한 다음 5분간 정치시킨다. 이 혼합물을 12 mm 직경의 다이에 충진하여 15,000 kPa의 압력으로 2분간 가압한다. 다이로부터 제거시에 3 mm 직경의 실린더를 펠릿으로부터 절단하고 실린더를 화학적 처리 용액에 액침시켜 포로젠을 세척해 내고 다공성 재료를 남기면서, 또한 케라틴으로부터 설포네이트 작용기를 제거하고 단백질에 디설파이드 가교결합을 복구시킨다. 이러한 화학적 처리는 두 형태 중 하나를 취할 수 있다. 첫째, pH 7.0으로 완충된 0.1M 인산 나트륨을 함유하는 0.25M 암모늄 티오글리콜레이트의 용액을 사용하여 18시간 동안 실린더를 처리할 수 있다. 잔류 화학약품은 물속에서 펠릿을 10, 40 및 10분간 연속적으로 후속 세척에 의해 제거된다. 세척 후, 실린더를 동결 건조시킨다. 이와 달리, 실린더는 0.1M 티오글리콜산을 함유하는 용액에서 18시간 동안 화학적 처리에 투입할 수 있다. 수중에서 단기 세척한 뒤에, 실린더를 0.1M TRIS 11.25mM 염화칼슘 용액에서 72시간 동안 세척함으로써 잔류 화학약품을 제거한다. 용액을 매 24시간 마다 보충한다. 물에서 추가 세척 후, 실린더를 동결 건조시킨다. 0.4 g of S-sulfonated keratin intermediate filament protein powder ground to a particle size of 125 to 300 microns is mixed with 0.5 ml of water and 0.024 g of sodium chloride and then left to stand for 5 minutes. The mixture is filled into a 12 mm diameter die and pressurized for 2 minutes at a pressure of 15,000 kPa. Upon removal from the die, a 3 mm diameter cylinder is cut from the pellet and the cylinder is immersed in a chemical treatment solution to wash out the porogen and leave a porous material, while also removing sulfonate functionality from keratin and disulfide crosslinking to the protein. Restore Such chemical treatment may take one of two forms. First, the cylinder can be treated for 18 hours using a solution of 0.25M ammonium thioglycolate containing 0.1M sodium phosphate buffered to pH 7.0. The residual chemical is removed by subsequent washing of the pellets in water for 10, 40 and 10 minutes in succession. After washing, the cylinder is lyophilized. Alternatively, the cylinder may be subjected to chemical treatment for 18 hours in a solution containing 0.1M thioglycolic acid. After a short wash in water, the residual chemicals are removed by washing the cylinder in a 0.1 M TRIS 11.25 mM calcium chloride solution for 72 hours. Replenish the solution every 24 hours. After further washing in water, the cylinder is lyophilized.

실시예 1b: 하이드록시아파타이트를 함유하는 다공성 케라틴 재료Example 1b Porous Keratin Material Containing Hydroxyapatite

상기 재료의 생산은 실시예 1a에 기재된 방법과 동일하며, 염화나트륨의 포함과 동일 시점에서 0.034 g 하이드록시아파타이트를 첨가하여 6 질량% 하이드록시아파타이트의 수준으로 최종 산물을 생성하였다. The production of this material was the same as the method described in Example 1a, with the addition of 0.034 g hydroxyapatite at the same time as the inclusion of sodium chloride to produce the final product at the level of 6 mass% hydroxyapatite.

실시예 1c: 하이드록시아파타이트를 함유하는 다공성 케라틴 재료Example 1c Porous Keratin Material Containing Hydroxyapatite

다공성 케라틴 재료를 제조하기 위하여, 0.5 g S-설폰화 울 케라틴 단백질을 물에 현탁시킨 다음, 격렬하게 교반된 용액에 대략 2시간에 걸쳐서 0.5 ml의 1M 수산화나트륨을 점진적으로 첨가함으로써 5% 케라틴 용액을 제조하였다. 용액의 pH를 신중하게 모니터링하였으며 염기의 즉각적인 첨가시에 약 pH 10으로 상승하였다가, 단백질의 용해에 의해 염기가 흡수됨에 따라 점진적으로 떨어지는 것으로 관찰되었다. 최종 pH 9.5가 수득되었다. 단백질 용액을 34,000 g로 원심분리하여 불용성 물질을 제거하고 0.5 g의 하이드록시아파타이트를 철저히 용액에 혼합시켰다. 혼합물을 동결 및 동결 건조시켜 다공성 재료를 생성하였다. 재료를 실시예 1a에서 사용된 것과 동일한 암모늄 티오글리콜레이트 용액에 30분간 침지시키고, 3회분의 물에서 20분간 후속 세척하고 동결 건조하였다. To prepare porous keratin materials, a 5% keratin solution by suspending 0.5 g S-sulfonated wool keratin protein in water and then gradually adding 0.5 ml of 1M sodium hydroxide over vigorously stirred solution over approximately 2 hours. Was prepared. The pH of the solution was carefully monitored and increased to about pH 10 upon immediate addition of base, and then observed to drop gradually as the base was absorbed by dissolution of the protein. A final pH of 9.5 was obtained. The protein solution was centrifuged at 34,000 g to remove insoluble material and 0.5 g of hydroxyapatite was thoroughly mixed into the solution. The mixture was lyophilized and lyophilized to produce a porous material. The material was immersed in the same ammonium thioglycolate solution as used in Example 1a for 30 minutes, followed by 20 minutes of wash in 3 portions of water and freeze dried.

실시예 2a: 조밀성 케라틴 재료Example 2a Dense Keratin Material

125 내지 200 마이크론의 입자 크기로 분쇄된 0.5 g의 S-설폰화 케라틴 단백질 분말을 0.5 ml의 물과 혼합한 다음 5분간 정치시킨다. 이 혼합물을 12 mm 직경의 다이에 충진하여 15,000 kPa의 압력으로 2분간 가압한다. 다이로부터 제거시에 12 mm x 4 mm 블록 같은 목적하는 형상을 펠릿으로부터 절단한다. 블록을 화학적 처리 용액에 액침시켜 케라틴으로부터 설포네이트 작용기를 제거하고 단백질에 디설파이드 가교결합을 복구시킨다. 이러한 화학적 처리는 두 형태 중 하나를 취할 수 있다. 첫째, pH 7.0으로 완충된 0.1M 인산 나트륨을 함유하는 0.25M 암모늄 티오글리콜레이트의 용액을 사용하여 18시간 동안 블록을 처리할 수 있다. 잔류 화학약품은 물속에서 블록을 10, 40 및 10분간 연속적으로 후속 세척에 의해 제거된다. 세척 후, 블록을 공기 중, 실온에서 건조시킨다. 이와 달리, 블록은 0.1M 티오글리콜산을 함유하는 용액에서 18시간 동안 화학적 처리에 투입할 수도 있다. 수중에서 단기 세척한 뒤에, 블록을 0.1M TRIS 11.25mM 염화칼슘 용액에서 48시간 동안 세척함으로써 잔류 화학약품을 제거한다. 용액을 매 24시간 마다 보충한다. 물에서 추가 세척 후, 블록을 공기 중 주위 온도에서 건조시킨다. 0.5 g of S-sulfonated keratin protein powder ground to a particle size of 125 to 200 microns is mixed with 0.5 ml of water and then left to stand for 5 minutes. The mixture is filled into a 12 mm diameter die and pressurized for 2 minutes at a pressure of 15,000 kPa. Upon removal from the die, the desired shape, such as a 12 mm x 4 mm block, is cut from the pellets. The block is immersed in a chemical treatment solution to remove sulfonate functionality from keratin and restore disulfide crosslinking to the protein. Such chemical treatment may take one of two forms. First, a block can be treated for 18 hours using a solution of 0.25M ammonium thioglycolate containing 0.1M sodium phosphate buffered to pH 7.0. Residual chemicals are removed by subsequent washing of the blocks in water for 10, 40 and 10 minutes in succession. After washing, the blocks are dried in air at room temperature. Alternatively, the block may be subjected to chemical treatment for 18 hours in a solution containing 0.1M thioglycolic acid. After a short wash in water, the block is washed in a 0.1 M TRIS 11.25 mM calcium chloride solution for 48 hours to remove residual chemicals. Replenish the solution every 24 hours. After further washing in water, the blocks are dried at ambient temperature in air.

실시예 2b: 하이드록시아파타이트를 함유하는 조밀성 케라틴 재료Example 2b Dense Keratin Material Containing Hydroxyapatite

상기 재료의 생산은 실시예 2a에 기재된 방법과 동일하며, 공정의 개시 때 케라틴 분말에 0.032 g 하이드록시아파타이트를 첨가하여 6 질량% 하이드록시아파타이트의 수준으로 최종 산물을 생성하였다. The production of this material was the same as the method described in Example 2a, where 0.032 g hydroxyapatite was added to the keratin powder at the beginning of the process to produce a final product at the level of 6 mass% hydroxyapatite.

실시예 2c: 케라틴 필름으로부터 제작된 조밀성 케라틴 재료Example 2c: Density keratin materials made from keratin films

WO 03/018673에 개략된 바와 같은 방법에 의해 제조된 0.3 mm 두께의 S-설폰화 케라틴의 필름을 4 x 50 mm로 절단하였다. 총 질량 1 g의 다수의 필름(50개 필름에 해당)을 내부 치수가 5x50 mm인 가열된 강철 블록에서 층으로 쌓아 50,000 kPa의 압력으로 5분간 가압하고 강철 블록의 가열을 통해 80 내지 100℃의 온도에서 유지시켰다. 형성된 케라틴 블록을 실시예 1a에서 기재된 암모늄 티오글리콜레이트 용액에 18시간 동안 침지시키고, 물에서 10, 40 및 10분간 후속 세척하였다. 공기 건조시킨다.A 0.3 mm thick film of S-sulfonated keratin prepared by the method as outlined in WO 03/018673 was cut to 4 x 50 mm. Multiple films with a total mass of 1 g (corresponding to 50 films) are stacked in a heated steel block with an internal dimension of 5x50 mm, pressurized for 5 minutes at a pressure of 50,000 kPa and heated to 80 to 100 ° C through heating of the steel block. Kept at temperature. The formed keratin blocks were immersed in the ammonium thioglycolate solution described in Example 1a for 18 hours and subsequently washed in water for 10, 40 and 10 minutes. Air dry.

별법으로, 사용되는 필름은 50% 하이드록시아파타이트를 함유하였으며 다음과 같이 제조하였다: 1.0 g S-설폰화 울 케라틴 단백질을 물에 현탁시켰다. 0.2 g의 글레세롤과 1.0 ml의 1M 수산화나트륨을 격렬하게 교반된 용액에 대략 2시간에 걸쳐서 점진적으로 첨가하였다. 용액의 pH를 신중하게 모니터링하였으며 염기의 즉각적인 첨가시에 약 pH 10으로 상승하였다가, 단백질의 용해에 의해 염기가 흡수됨에 따라 점진적으로 떨어지는 것으로 관찰되었다. 최종 pH 9.5가 수득되었다. 단백질 용액을 27,000 g로 원심분리하여 불용성 물질을 제거하였다. 1.0 g의 하이드록시아파타이트를 소량의 99% 에탄올(약 1 ml)로 페이스트가 되게 만들고 이어서 5% 용액에서 철저히 혼합시켰다. 혼합물을 100 mm 정사각형 페트리 디쉬 상에 캐스팅하고 주위 조건하에서 건조시켰다. Alternatively, the film used contained 50% hydroxyapatite and was prepared as follows: 1.0 g S-sulfonated wool keratin protein was suspended in water. 0.2 g of glaserol and 1.0 ml of 1 M sodium hydroxide were gradually added to the vigorously stirred solution over approximately 2 hours. The pH of the solution was carefully monitored and increased to about pH 10 upon immediate addition of base, and then observed to drop gradually as the base was absorbed by dissolution of the protein. A final pH of 9.5 was obtained. The insoluble material was removed by centrifuging the protein solution at 27,000 g. 1.0 g of hydroxyapatite was pasted with a small amount of 99% ethanol (about 1 ml) and then thoroughly mixed in a 5% solution. The mixture was cast on 100 mm square Petri dishes and dried under ambient conditions.

실시예 2d: 예비처리된 케라틴 필름으로부터 제작된 조밀성 케라틴 재료Example 2d: Dense Keratin Material Made from Pretreated Keratin Films

WO 03/018673에 개략된 바와 같은 방법에 의해 제조된 0.3 mm 두께의 S-설폰화 케라틴의 필름을 실시예 1a에 기재된 암모늄 티오글리콜레이트 용액에서 30분간 처리하였다. 처리한 뒤에, 필름을 물에서 세척하고 건조시켜 S-설포네이트 작용기보다는 디설파이드를 함유하는 필름을 남게 하였다. 이들 필름을 4 x 50 mm로 절단하였다. 총 질량 1 g의 다수의 필름(70개 필름에 해당)을 내부 치수가 5x50 mm인 가열된 강철 블록에서 층으로 쌓아 50,000 kPa의 압력으로 5분간 가압하고 강철 블록의 가열을 통해 80 내지 100℃의 온도에서 유지시켰다. 케라틴 블록을 제거하고 물에 잠시 액침한 다음 가열 블록에 가압하여 20,000 kPa로 5분간 압축한다. 블록을 가압하에 80 내지 100℃로 가열한다. 30,000 kpa로 30분간 가압한다.A film of 0.3 mm thick S-sulfonated keratin prepared by the method as outlined in WO 03/018673 was treated for 30 minutes in the ammonium thioglycolate solution described in Example 1a. After treatment, the film was washed in water and dried to leave a film containing disulfide rather than an S-sulfonate functional group. These films were cut to 4 x 50 mm. Multiple films with a total mass of 1 g (corresponding to 70 films) are stacked in a heated steel block with an internal dimension of 5x50 mm, pressurized for 5 minutes at a pressure of 50,000 kPa and heated to 80 to 100 ° C by heating the steel block. Kept at temperature. The keratin blocks are removed, briefly immersed in water, pressurized on a heating block and compressed for 5 minutes at 20,000 kPa. The block is heated to 80-100 ° C. under pressure. Pressurized at 30,000 kpa for 30 minutes.

별법으로, 사용되는 필름은 50% 하이드록시아파타이트를 함유하였고 실시예 2b에 대해 기술된 바와 같이 제조하였다. 실시예 2c와 동일하게 하이드록시아파타이트를 함유하는 조밀성 케라틴 재료를 제조하였다.Alternatively, the film used contained 50% hydroxyapatite and was prepared as described for Example 2b. In the same manner as in Example 2c, a dense keratin material containing hydroxyapatite was prepared.

전술한 설명에서는, 등가인 것으로 알려진 본 발명의 특정 성분 또는 완전체가 언급되었으며, 그러한 등가물은 개별적으로 기재되는 바와 같이 본원에 병합된다.In the foregoing description, certain components or integrals of the present invention which are known to be equivalent are mentioned, and such equivalents are incorporated herein as described separately.

본 발명은 의료 분야, 특히 골 상해 분야에 유용할 것이다. 본 발명에 따른 케라틴 재료는 생체적합성이고 골 대체물 및 증대 산물로서 사용될 수 있다.The invention will be useful in the medical field, especially in the field of bone injury. The keratin materials according to the present invention are biocompatible and can be used as bone substitutes and enhancement products.

산물은 예를 들면 외상 또는 종양 같은 임상적 증상에 기인하여 상실된 골을 대체하는 데 사용될 수 있으며 신골의 부설을 위한 골격으로 작용함으로써 치유를 촉진할 것이다. 다공성 케라틴 골격은 재흡수되어 새로운 교직골에 의해 대체되고 이는 후속적으로 해면골 및 피질골로 리모델링될 것이다.The product can be used to replace lost bone, for example due to clinical symptoms such as trauma or tumors, and will promote healing by acting as a framework for laying the renal bone. The porous keratin backbone is reabsorbed and replaced by a new occlusal bone which will subsequently be remodeled into cavernous and cortical bone.

Claims (43)

골의 형태와 기능의 보존, 복구 및 발생에 사용하기 위한 케라틴-함유 재료.Keratin-containing material for use in the preservation, repair and development of bone morphology and function. 골의 대체와 증대에 사용하기 위한 다공성 케라틴 재료.Porous keratin materials for use in bone replacement and augmentation. 골 고정과 부동화에 사용하기 위한 조밀성 케라틴 재료.Dense keratin materials for use in bone fixation and passivation. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 케라틴이 S-설폰화되는 재료.The material of claim 1, wherein the keratin is S-sulfonated. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 케라틴이 중간 필라멘트 단백질에 농축되는 재료.The material of claim 1, wherein the keratin is concentrated in the intermediate filament protein. 제 5 항에 있어서, 고형 케라틴 분말의 압축에 의해 제조되는 케라틴 재료.The keratin material according to claim 5, which is prepared by compacting solid keratin powder. 제 3 항에 있어서, 케라틴 필름의 압축에 의해 제조되는 조밀성 재료.4. The dense material of claim 3, wherein the dense material is produced by compression of a keratin film. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 칼슘 염을 60%까지 함유하는 재료.8. Material according to any one of the preceding claims, containing up to 60% calcium salt. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 압축한 뒤에 고형 케라틴이 동결 건조되는 재료.8. Material according to claim 6 or 7, wherein the solid keratin is lyophilized after compression. 골의 형태와 기능의 보존, 복구 및 발생에서 의료용 지지체 또는 골격의 제조에 있어서 조밀성 케라틴 재료의 용도.Use of dense keratin materials in the manufacture of a medical support or skeleton in the preservation, repair and development of bone morphology and function. 제 10 항에 있어서, 케라틴 재료가 S-설폰화되는 용도.Use according to claim 10, wherein the keratin materials are S-sulfonated. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 케라틴이 중간 필라멘트 단백질에 농축되는 용도.Use according to claim 10 or 11, wherein the keratin is concentrated in the intermediate filament protein. a) 케라틴을 열과 물의 존재하에 압축하는 단계;a) compressing keratin in the presence of heat and water; b) 재료를 강화하는 단계;b) strengthening the material; c) 재료를 세척하여 잔류 화학약품을 제거하는 단계; 및c) washing the material to remove residual chemicals; And d) 재료를 건조시키는 단계를 포함하는, d) drying the material, S-설폰화 케라틴 재료의 조밀성 재료를 정형외과 산물로 형성하는 방법.A method of forming a dense material of S-sulfonated keratin materials into orthopedic products. a) 케라틴-함유 출발 물질을 강화하는 단계;a) strengthening the keratin-containing starting material; b) 재료를 세척하여 잔류 화학약품을 제거하는 단계;b) washing the material to remove residual chemicals; c) 재료를 건조시키는 단계; 및 c) drying the material; And d) 열과 물의 존재하에 케라틴을 압축하는 단계를 포함하는, d) compacting the keratin in the presence of heat and water, S-설폰화 케라틴의 조밀성 재료를 정형외과 산물로 형성하는 방법Method of forming dense material of S-sulfonated keratin as orthopedic product a) 가용성 포로젠(porogen)의 존재하에 케라틴을 압축하는 단계;a) compacting keratin in the presence of soluble porogen; b) 포로젠을 제거하고 재료를 강화시키는 단계;b) removing the porogen and strengthening the material; c) 단백질 재료를 세척하는 단계; 및c) washing the protein material; And d) 재료를 동결 건조하는 단계를 포함하는, d) freeze drying the material; 다공성 S-설폰화 농축(enriched) 케라틴 재료의 형성 방법.A method of forming a porous S-sulfonated enriched keratin material. 제 15 항에 있어서, 포로젠이 염화나트륨 또는 또 다른 생체적합성 염, 또는 글리세롤 또는 또 다른 생체적합성 용매 중에서 선택되는 방법.The method of claim 15 wherein the porogen is selected from sodium chloride or another biocompatible salt, or glycerol or another biocompatible solvent. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 포로겐의 양과 종류를 조절하여 세공 크기를 선택하고 이식시에 골 선조세포의 침윤이 케라틴 재료의 전이증식(colonization)을 촉진하도록 하는 방법.17. The method according to claim 15 or 16, wherein the amount and type of porogen is adjusted to select pore size and infiltrate bone progenitor cells upon transplantation to promote colonization of keratin materials. 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 케라틴 출발 물질에 하이드록시아파타이트의 첨가를 추가로 포함하는 방법.18. The method of any of claims 13 to 17, further comprising the addition of hydroxyapatite to the keratin starting material. 제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 케라틴이 중간 필라멘트 단백질에 농축되는 방법.19. The method of any one of claims 13-18, wherein the keratin is concentrated in the intermediate filament protein. 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 케라틴 재료.A keratin material prepared by the method of claim 13. 골 대체/증대 요법에 사용하기 위한 중간 필라멘트 단백질에 농축되는 다공성 케라틴 형태의 생체적합성 재료.A biocompatible material in the form of porous keratin that is concentrated in an intermediate filament protein for use in bone replacement / enhancement therapy. 제 21 항에 있어서, 케라틴이 S-설폰화되는 생체적합성 재료.22. The biocompatible material of claim 21 wherein the keratin is S-sulfonated. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 칼슘 염을 60%까지 함유하는 생체적합성 재료.23. The biocompatible material of claim 21 or 22 containing up to 60% calcium salt. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 재료가 고형 케라틴 분말의 압축에 의해 제조되는 생체적합성 재료.The biocompatible material according to any one of claims 21 to 23, wherein the material is prepared by compacting solid keratin powder. 제 24 항에 있어서, 압축한 뒤에 동결 건조되는 생체적합성 재료.The biocompatible material of claim 24 wherein the material is lyophilized after compression. 제 21 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 재료가 케라틴의 용액으로부터 제조되는 생체적합성 재료.26. The biocompatible material according to any one of claims 21 to 25, wherein the material is made from a solution of keratin. 제 26 항에 있어서, 케라틴의 용액이 동결 건조되는 생체적합성 재료.27. The biocompatible material of claim 26 wherein the solution of keratin is lyophilized. 내부 고정 및 골 단편의 고정과 부동화에 의한 골절 치료용 생체적합성 케라틴 재료로부터 제조된 정형외과 의료용 재료.An orthopedic medical material made from biocompatible keratin materials for treating fractures by fixation and immobilization of internal fixation and bone fragments. 제 28 항에 있어서, S-설폰화 케라틴 재료로부터 제조되는 정형외과 의료용 재료.The orthopedic material of claim 28, wherein the orthopedic material is made from an S-sulfonated keratin material. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서, 케라틴 재료가 중간 필라멘트 단백질에 농축되는 정형외과 의료용 재료.30. The orthopedic material of claim 28 or 29, wherein the keratin materials are concentrated in intermediate filament proteins. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 고형 케라틴 분말의 압축에 의해 제조되는 정형외과 의료용 재료.The orthopedic material according to any one of claims 28 to 30, which is produced by compression of solid keratin powder. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 케라틴 필름의 압축에 의해 제조되는 정형외과 의료용 재료.31. The orthopedic material according to any one of claims 28 to 30, which is produced by compression of a keratin film. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 케라틴의 용액으로부터 제조되는 정형외과 의료용 재료.The orthopedic material according to any one of claims 28 to 30, which is made from a solution of keratin. 제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 칼슘 염을 60%까지 함유하는 정형외과 의료용 재료.The orthopedic material according to any one of claims 28 to 30, which contains up to 60% calcium salt. 제 31 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 케라틴이 압축 후에 동결 건조되는 정형외과 의료용 재료.34. The orthopedic material according to any one of claims 31 to 33, wherein the keratin is lyophilized after compression. 제 28 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 정형외과 재료.36. An orthopedic material according to any of claims 28 to 35, prepared according to the method of any one of claims 13 to 19. 중간 필라멘트 단백질에 농축된 S-설폰화 케라틴을 골절 치료에 내부 고정 기구로 사용하기 위한 질기고 조밀한 생체적합성 재료로 재형성하는 방법.A method of reforming S-sulfonated keratin concentrated in an intermediate filament protein into a tough and dense biocompatible material for use as an internal fixation device for fracture treatment. 제 36 항에 있어서, 케라틴이 중간 필라멘트 단백질에 농축되는 방법.37. The method of claim 36, wherein the keratin is concentrated in the intermediate filament protein. 제 37 항에 있어서, 수분 및 화학약품의 존재하에 생체적합성 단백질을 압축하는 단계를 포함하는 방법.38. The method of claim 37 comprising compacting the biocompatible protein in the presence of moisture and chemicals. 제 39 항에 있어서, 목적하는 형상을 형성하는 데 열이 또한 사용되는 방법.40. The method of claim 39, wherein heat is also used to form the desired shape. 제 37 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서, S-설폰화 케라틴으로부터 설포네이트 그룹을 제거하고 네이티브 케라틴에 본래 존재하는 디설파이드를 재형성하기 위하여 환원제의 통제된 사용을 또한 수반하는 방법.41. The method of any one of claims 37-40, which also involves the controlled use of a reducing agent to remove the sulfonate group from the S-sulfonated keratin and to reconstruct the disulfide originally present in the native keratin. 제 37 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 따라 제조되는 생체적합성 케라틴 농축 재료.42. A biocompatible keratin concentrate material prepared according to any of claims 37-41. 제 28 항에 있어서, 재료가 플레이트, 핀 또는 스크루인 정형외과 재료.29. The orthopedic material of claim 28, wherein the material is a plate, pin or screw.
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