KR20060135782A

KR20060135782A - 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체의 평균기공 지름 제어 방법

Info

Publication number: KR20060135782A
Application number: KR1020067017265A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 쇼지; 가츠미 가와무라; 다케히코 나카지마; 준조 다나카; 마사노리 기쿠치; 도시유키 이코마; 나오미 모치즈키
Original assignee: 펜탁스 가부시키가이샤; 도쿠리츠교세이호징 붓시쯔 자이료 겐큐키코
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-12-29
Also published as: CN1950113A; JP2005279078A; CN1950113B; US8008357B2; US20080234396A1; AU2005230313B2; EP1743661B1; EP1743661A4; WO2005097217A1; JP4643166B2; EP1743661A1; KR101155969B1; AU2005230313A1

Abstract

애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유와 콜라겐과 물을 포함하는 분산물을 겔화한 후, 얻어진 겔체를 동결 및 건조함으로써 다공질체로 만들고, 다공질체 중의 콜라겐을 가교함으로써 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체를 제조하는 과정에 있어서, 동결 공정에서의 겔체의 응고 시간에 의해 다공체의 평균 기공 지름을 제어하는 방법.

애퍼타이트, 콜라겐, 복합체, 섬유, 분산물, 겔, 동결, 건조, 다공질, 응고, 기공, 지름, 제어.

Description

애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체의 평균 기공 지름 제어 방법{METHOD OF CONTROLLING AVERAGE PORE DIAMETER OF POROUS MATERIAL CONTAINING APATITE/COLLAGEN COMPOSITE FIBER}

본 발명은 인공 골재, 세포의 발판재 등에 적합한 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체(이하, 단순히 "애퍼타이트/콜라겐 다공체"라고 함)에 관한 것으로서, 특히 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름을 제어하는 방법에 관한 것이다.

애퍼타이트로 이루어지는 인공 뼈는 자가 뼈에 대한 친화성을 가지며, 자가 뼈에 직접 결합할 수 있기 때문에 그 유용성이 평가되고 있으며, 정형 외과, 뇌신경 외과, 성형 외과, 구강 외과 등에서 임상 응용되고 있다. 그러나 애퍼타이트와 같은 세라믹스계의 인공 뼈의 기계적 특성 및 생리적 성질은 자가 뼈와 완전히 동일한 것은 아니다. 예컨대 애퍼타이트만으로 이루어지는 소위 세라믹스계 인공 뼈는 자가 뼈보다 단단하고 부서지기 쉽다. 또한 자가 뼈는 흡수와 재생이라는 대사를 반복하는 데 반하여, 애퍼타이트로 이루어지는 인공 뼈는 생체 내에서 거의 용해되지 않기 때문에 생체 내에 반영구적으로 잔존한다. 따라서, 잔존한 인공 뼈가 인공 뼈와 자가 뼈 사이의 계면에서 자가 뼈를 파괴하여 골절의 원인이 되는 것이 우려되고 있다.

최근 애퍼타이트 인공 뼈보다 자가 뼈의 조성에 가깝고, 생체 내에서 분해되는 인공 뼈가 연구되고 있다. 예컨대 특표평 11-513590호 공보(특허 문헌 1)는 하이드록시애퍼타이트에 콜라겐 및 필요에 따라 기타 바인더가 결합한 네트워크를 포함하는 다공체를 개시하고 있다. 이 다공체는 생체 분해성을 가지므로 다공체 내에 자가 뼈가 형성됨과 함께, 다공체 자신은 체내에 흡수된다. 따라서, 이 다공체는 척추 고정, 뼈 결손의 보충, 골절 수복 및 주(周) 결손 이식에 이용할 수 있다.

애퍼타이트가 콜라겐으로 이루어지는 다공체의 기계적 강도와 생체 친화성은 대략 반비례의 관계에 있으며, 기계적 강도를 크게 할수록 생체 친화성은 작아지는 경향이 있다. 따라서, 용도에 따른 밸런스로 이들 특성을 갖도록 다공체를 설계하고자 하는 요망이 있다. 애퍼타이트와 콜라겐으로 이루어지는 다공체의 특성은 기공율에 어느 정도 의존하며, 다공체의 기공율은 원료 중의 액체(물, 인산 수용액 등)의 비율 등에 의해 제어 가능하다. 그러나 인공 뼈의 용도는 다양해지고 있으며, 용도에 따른 바람직한 특성의 차이도 커졌기 때문에, 기공율의 제어만으로는 충분하다 할 수 없다.

기계적 강도나 생체 친화성은 애퍼타이트와 콜라겐으로 이루어지는 다공체의 기공율뿐만 아니라, 평균 기공 지름에도 의존하는 것이 알려져 있다. 예컨대 다공체의 평균 기공 지름이 클수록 생체에 매립하였을 때 기공 내에 체액, 조직 등이 들어가기 쉬우므로, 다공체는 커다란 생체 친화성을 갖는다 할 수 있다. 평균 기공 지름은 애퍼타이트와 콜라겐으로 이루어지는 다공체의 특성에 커다란 영향을 주 는 인자이며, 다공체가 원하는 크기의 평균 기공 지름을 갖도록 하고자 하는 요망은 최근 더욱 높아져 오고 있다. 그러나, 평균 기공 지름을 제어하여 애퍼타이트와 콜라겐으로 이루어지는 다공체를 제작하는 방법은 아직 알려지지 않았다.

특허 문헌 1 : 특표평 11-513590호 공보

따라서 본 발명의 목적은, 애퍼타이트/콜라겐 다공체를 제조하는 공정에 있어서, 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적에 비추어 예의 연구한 결과, 본 발명자들은 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유 및 콜라겐을 포함하는 겔체를 동결 및 건조하고, 얻어진 다공질체를 가교하여 이루어지는 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름은 겔체의 동결에 필요한 시간에 의존하는 것을 발견하고 본 발명에 이르렀다.

즉 본 발명의 다공체의 평균 기공 지름 제어 방법은, 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유와 콜라겐과 물을 포함하는 분산물을 겔화한 후, 얻어진 겔체를 동결 및 건조함으로써 다공질체로 만들고, 상기 다공질체 중의 콜라겐을 가교함으로써 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체를 제조하는 과정에 있어서, 상기 동결 공정에서의 상기 겔체의 응고 시간에 의해 상기 다공체의 평균 기공 지름을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 동결을 위하여 상기 겔체를 유지하는 온도에 의해 상기 겔체의 응고 시간을 제어하는 것이 바람직하다. 상기 겔체를 유지하는 온도는 -100∼0℃로 하는 것이 바람직하며, -90∼0℃로 하는 것이 보다 바람직하고, -80∼-20℃ 사이에서 대략 일정한 온도로 하는 것이 특히 바람직하다.

도 1은 온도 센서를 삽입한 겔체를 도시한 단면도이다.

도 2는 동결 공정에서의 다공체의 온도 변화를 개략적으로 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

도 4는 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 함유하는 다공체 (a-1), (b-1) 및 (c-1)의 동결 환경 온도에 대한 겔체의 응고 시간을 도시한 그래프이다.

도 5는 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 함유하는 다공체 (a-1), (b-1) 및 (c-1)의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.

도 6은 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 함유하는 다공체 (a-2), (b-2) 및 (c-2)의 동결 환경 온도에 대한 겔체의 응고 시간을 도시한 그래프이다.

도 7은 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 함유하는 다공체 (a-2), (b-2) 및 (c-2)의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.

도 8은 응고 시간에 대한 평균 기공 지름을 도시한 그래프이다.

본 발명의 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름 제어 방법은 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유와 바인더인 콜라겐을 포함하는 분산물을 겔화한 후, 얻어 진 겔체를 동결하고 콜라겐을 가교하는 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체의 제조 공정에 있어서, 겔체를 동결하는 시간을 제어함으로써 원하는 평균 기공 지름을 갖는 다공체를 제조하는 것이다. 따라서, 먼저 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 제조 방법을 설명하고, 다음으로 겔체의 동결 공정에서의 평균 기공 지름 제어를 설명한다.

[1] 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체의 제조 방법

(1) 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유

(a) 원료

애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유는 콜라겐, 인산 또는 그 염, 칼슘 염을 원료로 한다. 콜라겐으로는 특별히 한정되지 않으며, 동물 등으로부터 추출한 것을 사용할 수 있다. 한편 유래하는 동물의 종, 조직 부위, 연령 등은 특별히 한정되지 않는다. 일반적으로는 포유 동물(예컨대 소, 돼지, 말, 토끼, 쥐)이나 조류(예컨대 닭)의 피부, 뼈, 연골, 힘줄, 장기 등으로부터 얻어지는 콜라겐을 사용할 수 있다. 또한 어류(예컨대 대구, 광어, 가자미, 연어, 송어, 다랑어, 고등어, 도미, 정어리, 상어)의 껍질, 뼈, 연골, 지느러미, 비늘, 장기 등으로부터 얻어지는 콜라겐 유사 단백을 사용하여도 좋다. 한편 콜라겐의 추출 방법은 특별히 한정되지 않으며, 일반적인 추출 방법을 이용할 수 있다. 또한 동물 조직으로부터 추출된 콜라겐에 한정되지 않으며, 유전자 재조합 기술에 의해 얻어진 것을 사용하여도 좋다.

인산 또는 그 염(이하 단순히 "인산(염)"이라고 함)으로는 인산, 인산 수소 2 나트륨, 인산 2 수소 나트륨, 인산 수소 2 칼륨, 인산 2 수소 칼륨을 들 수 있다. 또한 칼슘 염으로는 탄산 칼슘, 아세트산 칼슘, 수산화 칼슘을 들 수 있다. 인산 염 및 칼슘 염은 각각 균일한 수용액 또는 현탁액의 상태에서 첨가하는 것이 바람직하다.

사용하는 애퍼타이트 원료(인산(염) 및 칼슘 염)와 콜라겐의 질량비에 의해 생성물 중의 애퍼타이트/콜라겐의 질량비를 제어할 수 있다. 따라서, 사용하는 애퍼타이트 원료와 콜라겐의 질량비는 목적으로 하는 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 조성비에 의해 적당히 결정한다. 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유 중의 애퍼타이트/콜라겐의 비율은 9/1∼6/4로 하는 것이 바람직하며, 예컨대 8/2로 한다.

(b) 용액의 조제

인산(염) 수용액 및 칼슘 염 수용액을 조제한다. 인산(염) 수용액 및 칼슘 염 수용액의 농도는 인산(염)과 칼슘염이 원하는 배합비가 되는 한 특별히 한정되지 않으나, 후술하는 적하 조작의 편의 상 인산(염) 수용액의 농도를 50∼250mM 정도로 하고, 칼슘 염 수용액의 농도를 200∼600mM 정도로 하는 것이 바람직하다. 콜라겐은 일반적으로는 인산 수용액의 상태에서 전술한 인산(염) 수용액에 부가한다. 콜라겐의 인산 수용액으로는 콜라겐의 농도가 약 0.5∼1 질량%, 인산의 농도가 10∼30mM 정도인 것을 사용한다. 실용적으로는 콜라겐의 농도가 0.8∼0.9 질량%(예컨대 0.85 질량%), 인산의 농도가 15∼25mM(예컨대 20mM) 정도이다.

(c) 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 제조

첨가할 칼슘 염 수용액의 양과 대략 동량의 물을 미리 반응 용기에 넣고 40 ℃ 정도로 가열해 둔다. 여기에 콜라겐을 함유하는 인산(염) 수용액과 칼슘 염 수용액을 적하한다. 적하 조건을 제어함으로써 합성할 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 길이를 제어할 수 있다. 콜라겐을 함유하는 인산(염) 수용액과 칼슘 염 수용액의 적하를 병행하고, 적하 속도는 10∼50ml/min 정도로 하는 것이 바람직하다. 반응 용액은 50∼300rpm 정도로 교반하는 것이 바람직하다. 적하 중, 반응 용액 중의 칼슘 이온 농도를 3.75mM 이하, 그리고 인산 이온 농도를 2.25mM 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 칼슘 이온 농도 및 인산 이온 농도를 이 범위로 유지함으로써 반응 용액의 pH는 8.9∼9.1로 유지된다. 칼슘 이온 및 / 또는 인산 이온의 농도가 상기 범위를 초과하면 복합체의 자체 조직화가 방해된다. 본 명세서에서 "자체 조직화"란 콜라겐 섬유를 따라 하이드록시애퍼타이트(애퍼타이트 구조를 갖는 인산 칼슘)가 생체 뼈 특유의 배향을 취하는 것, 즉 하이드록시애퍼타이트의 C축이 콜라겐 섬유를 따르도록 배향하는 것을 의미한다. 전술한 적하 조건에 의해, 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 길이는 다공체의 원료로서 적합한 1mm 이하가 된다. 또한 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유는 자체 조직화된 것이 된다.

적하 종료 후, 슬러리 형태가 된 물과 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 혼합물을 동결 건조한다. 동결 건조는 -10℃ 이하로 동결한 상태에서 진공 처리하고 급속하게 건조시킴으로써 수행할 수 있다.

(2) 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 분산물의 조제

애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유에 물, 인산 수용액 등의 액체를 부가하여 교반하여 페이스트 형태의 분산물을 조제한다. 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포 함하는 분산물 중의 액체의 비율이 80∼99 부피%가 되도록 액체의 첨가량을 결정하는 것이 바람직하며, 90∼97 부피%로 하는 것이 보다 바람직하다. 제조하는 다공체의 기공율(P)은 분산물 중의 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유와 액체의 부피비에 의존하며, 하기 식 (1):

P = X / (X+Y) … (1)

(단, X는 분산물 중의 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 부피를 나타내고, Y는 분산물 중의 액체의 부피를 나타낸다.)에 의해 표시된다. 따라서, 부가하는 액체의 양에 의해 다공체의 기공율(P)을 결정할 수 있다. 액체를 부가한 후, 얻어진 분산물을 교반하는 것이 바람직하다. 분산물을 충분히 교반함으로써 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 절단하여 섬유 길이의 분포 폭을 크게 하고, 제조하는 다공체의 강도를 크게 할 수 있다.

복합체의 분산물에 바인더인 콜라겐을 부가하고 더 교반한다. 콜라겐의 첨가량은 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유 100 질량%에 대하여 1∼10 질량%로 하는 것이 바람직하며, 3∼6 질량%로 하는 것이 보다 바람직하다. 복합체의 경우와 동일하게, 인산 수용액의 상태에서 콜라겐을 부가하는 것이 바람직하다. 콜라겐의 인산 수용액의 농도 등은 특별히 한정되지 않으며, 실용적으로는 콜라겐의 농도가 0.8∼0.9 질량%(예컨대 0.85 질량%), 인산의 농도가 15∼25mM(예컨대 20mM)이다.

(3) 분산물의 겔화

콜라겐의 인산(염) 수용액의 첨가에 의해 분산물은 산성으로 되어 있으므로, 여기에 pH가 7 정도가 될 때까지 수산화 나트륨 용액을 부가한다. 분산물의 pH를 6.8∼7.6으로 하는 것이 바람직하고, 7.0∼7.4로 하는 것이 보다 바람직하다. 분산물의 pH를 6.8∼7.6으로 함으로써 바인더로서 부가한 콜라겐의 섬유화를 촉진할 수 있다.

분산물에 인산 완충 용액(PBS)의 2.5∼10배 정도의 농축액을 부가하여 교반하여 이온 강도를 0.2∼0.8로 조정한다. 보다 바람직한 이온 강도는 PBS와 동일한 정도의 이온 강도(0.2∼0.8 정도)이다. 분산물의 이온 강도를 크게 함으로써 바인더로서 부가한 콜라겐의 섬유화를 촉진할 수 있다.

분산물을 성형 틀에 넣은 후, 35∼43℃의 온도로 유지함으로써 분산물을 겔화시킨다. 분산물의 온도를 35∼43℃로 유지함으로써 바인더로서 부가한 콜라겐이 섬유화되어 분산물이 겔 형태로 된다. 유지 온도는 35∼40℃로 하는 것이 바람직하다. 분산물을 충분히 겔화시키기 위하여, 유지하는 시간은 0.5∼3.5 시간으로 하는 것이 바람직하고, 1∼3 시간으로 하는 것이 보다 바람직하다. 분산물을 겔화시킴으로써 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유가 분산물 중에서 침강하는 것을 막을 수 있기 때문에, 균일한 다공질체를 제조하는 것이 가능해진다. 겔화 처리를 실시한 분산물은 젤리 형태가 된다.

(4) 겔체의 동결 및 건조

애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 겔체를 동결기에서 동결시킨다. 목적으로 하는 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름은 겔체의 동결에 필요한 시간에 의존한다. 평균 기공 지름의 제어 방법에 대해서는 나중에 상세하게 설명한다. 동결기 내의 온도는 -100∼0℃로 하는 것이 바람직하고, -100∼-10℃로 하는 것이 보다 바람직하며, -80∼-20℃로 하는 것이 특히 바람직하다. -100℃ 미만이면 얻어지는 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름이 지나치게 작다. 0℃ 초과이면 동결되지 않거나 동결에 시간이 지나치게 많이 걸리는 데다가, 다공체의 평균 기공 지름이 지나치게 커진다.

응고한 겔체를 동결 건조하여 다공질체로 만든다. 동결 건조는 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 경우와 마찬가지로 -10℃ 이하로 동결한 상태에서 진공 처리 하고 급속하게 건조시킴으로써 수행한다. 동결 건조는 분산물이 충분히 건조될 때까지 수행하면 되며, 시간은 특별히 제한되지 않으나, 일반적으로는 24∼72 시간 정도이다.

(5) 콜라겐의 가교

콜라겐의 가교는 γ선, 자외선, 열 탈수, 전자선 등을 이용한 물리적 가교, 가교제나 축합제를 이용한 화학적 가교 등 어느 방법을 이용하여도 좋다. 화학적 가교의 경우, 가교제의 용액에 동결 건조한 다공질체를 담금으로써 다공질체 중의 콜라겐을 가교한다. 가교제로는, 예컨대 글루탈알데하이드, 포름알데하이드 등의 알데하이드계 가교제, 헥사메틸렌디이소시아네이트 등의 이소시아네이트계 가교제, 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드 염산염 등의 카보다이드계 가교제, 에틸렌글리콜디에틸에테르 등의 폴리에폭시계 가교제, 트랜스글루타미나아제를 들 수 있다. 이들 가교제 중 가교도의 제어하기 쉬움이나 얻어지는 다공체의 생체 적합성의 면에서 글루탈알데하이드가 특히 바람직하다.

글루탈알데하이드에 의해 가교하는 경우, 조제하는 글루탈알데하이드 용액의 농도는 0.005∼0.015 질량%로 하는 것이 바람직하고, 0.005∼0.01 질량%로 하는 것이 보다 바람직하다. 다공체는 탈수할 필요가 있는데, 글루탈알데하이드 용액의 용매로서 에탄올 등의 알코올을 사용하면, 다공체의 탈수를 콜라겐의 가교와 동시에 수행할 수 있다. 탈수를 가교와 동시에 수행함으로써 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유가 수축한 상태에서 가교 반응을 일으켜 생성하는 다공체의 탄성을 향상시킬 수 있다.

가교 처리 후, 미반응의 글루탈알데하이드를 제거하기 위하여 2 질량% 정도의 글리신 수용액에 다공체를 침지하고, 이어서 수세한다. 다시 에탄올에 침지시킴으로써 다공체를 탈수한 후, 실온에서 건조시킨다.

열 탈수 가교의 경우, 동결 건조 후의 다공질체를 100∼160℃, 0∼100 hPa의 진공 오븐 중에 10∼12 시간 유지하면 된다.

[2] 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체의 평균 기공 지름 제어 방법

애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름은 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 겔체를 동결시키는 시간에 의존한다. 따라서 평균 기공 지름을 제어하려면 먼저 겔체를 동결시키는 조건(동결 환경 온도 및 응고 시간)과 생성할 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름의 관계를 살펴볼 필요가 있다.

(1) 동결 환경 온도(T₀)와 응고 시간(Sb)

도 1에 도시한 바와 같이, 원주형의 성형 틀(1)에 들어간 겔체(2)의 중심부 에 온도 센서(3)를 삽입한다. 이 성형 틀(1)을 동결기에 넣고 겔체(2)가 응고할 때까지 유지한다. 도 2는 동결기에 넣은 겔체의 온도의 시간 변화를 개략적으로 도시한 그래프이다. 동결기의 온도는 T₀℃로 설정되어 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 동결기에 넣으면 겔체의 온도는 실온으로부터 급속하게 저하하며(Sa), 어느 정도의 온도에 도달하면 그 이후에는 일정해지거나 완만하게 하강(Sb)한다. 이와 같이 겔체의 온도가 일정 또는 완만한 하강을 보이고 있는 동안에 겔체는 응고한다. 본 명세서에서 겔체가 응고 중으로서, 온도 변화가 일정 또는 완반한 하강을 보이는 시간을 응고 시간(Sb)이라고 하며, 그 동안의 온도(t℃)를 응고 온도라고 한다. 또한 동결시키기 위하여 겔체를 유지하는 환경의 온도(예컨대 동결기의 온도)를 동결 환경 온도(T₀)라고 한다. 완전히 응고한 후, 겔체의 온도는 동결 환경 온도(T₀)가 될 때까지 내려간다(Sc).

응고 시간(Sb)은 동결 환경 온도(T₀)에 의해 제어할 수 있다. 예컨대 직경 1∼2cm, 높이 3∼5cm의 원주형 겔체의 경우, 동결 환경 온도(T₀)를 -80℃로 하면 응고 시간(Sb)은 300∼500초가 되며, 동결 환경 온도(T₀)를 -20℃로 하면 응고 시간(Sb)은 3000∼3500초가 된다. 동결 환경 온도(T₀)는 일정하지 않아도 좋으나, 온도 변화를 ±5℃ 이내로 유지하면 응고 시간(Sb)을 제어하기 쉬우므로 바람직하다.

도 3에 도시한 바와 같이, 복수의 겔체(2)를 다양한 동결 환경 온도(T₀)에서 동결시키고(공정 A1), 각 겔체(2)의 응고 시간(Sb)을 측정한다(공정 A2). 이에 따 라, 동결 환경 온도(T₀)에 대한 응고 시간(Sb)을 나타내는 그래프(A3)를 작성할 수 있다. 응고 시간(Sb)은 동결 환경 온도(T₀)에 대략 비례한다. 도 3에 도시한 예에서는 동결 환경 온도(T₀)에 대한 응고 시간(Sb)의 그래프는 직선 형태이나, 겔체(2)의 형상이나 조성에 따라서는 곡선이 될 수도 있다. 신용성을 위하여 3종류 이상의 동결 환경 온도(T₀)에서 응고 시간(Sb)을 측정하고 그래프화하는 것이 바람직하다. 그래프가 곡선이 되는 경우에는 4종류 이상의 동결 환경 온도(T₀)에서 측정하는 것이 바람직하다.

(2) 응고 시간(Sb)과 평균 기공 지름

동결 건조(공정 B)에 의해 얻어진 다공질체(20)를 콜라겐 가교(공정 C)한 다음, 얻어진 다공체(200)의 평균 기공 지름을 측정(공정 D1)한다. 온도 센서(3)로부터 0∼10mm의 위치에 있는 기공 중 3개 이상의 지름을 측정하고, 그 평균을 구하는 것이 바람직하다. 다양한 응고 시간(Sb)에서 얻은 애퍼타이트/콜라겐 다공체(200)의 평균 기공 지름을 측정함으로써 응고 시간(Sb)에 대한 평균 기공 지름의 그래프(D2)를 작성할 수 있다. 다공체의 평균 기공 지름은 선 인터셉트법에 의해 구할 수 있다. 구체적으로는, 먼저 다공체(200)의 연마면을 현미경 사진으로 찍고, 사진에 무작위로 직선을 긋는다. 다음, 이 직선이 가로지르는 모든 기공의 내경을 측정하고, 그 평균값을 구한다. 평균 기공 지름은 응고 시간(Sb)에 대략 비례하며, 응고 시간(Sb)이 짧을수록 평균 기공 지름은 작고, 응고 시간(Sb)이 길수 록 평균 기공 지름은 크다. 도 3에 도시한 예에서는 응고 시간(Sb)에 대한 평균 기공 지름의 그래프는 직선 형태이나, 곡선 형태가 될 수도 있다.

(3) 평균 기공 지름 제어 방법

응고 시간(Sb)과 평균 기공 지름의 그래프(D2) 및 동결 환경 온도(T₀)와 응고 시간(Sb)의 그래프(A3)를 이용하여 원하는 평균 기공 지름을 갖는 애퍼타이트/콜라겐 다공체를 제조하기 위한 동결 환경 온도(T₀)를 구할 수 있다. 예컨대, 평균 기공 지름(d㎛)의 애퍼타이트/콜라겐 다공체를 제조하려면, 응고 시간(Sb)과 평균 기공 지름의 그래프로부터 평균 기공 지름(d㎛)에 대응하는 응고 시간(Sb(d))을 구하고(공정 E1), 동결 환경 온도(T₀)와 응고 시간(Sb)의 그래프로부터 응고 시간을 Sb(d)로 하기 위한 동결 환경 온도(T₀)를 구한다(공정 E2). 이와 같이 하여 원하는 평균 기공 지름을 갖는 애퍼타이트/콜라겐 다공체를 제조하기 위한 겔체의 동결 환경 온도(T₀)를 결정할 수 있다(공정 E).

예컨대 직경 1∼2cm의 원주형 다공체를 제조하는 경우, 평균 기공 지름을 100㎛로 하려면 응고 시간(Sb)을 450∼500초로 할 필요가 있으므로, 동결 환경 온도(T₀)를 -85∼-75℃로 설정한다. 평균 기공 지름을 350㎛로 하려면 응고 시간(Sb)을 2700∼3000초로 할 필요가 있으므로, 동결 환경 온도(T₀)를 -40∼-30℃로 설정하면 된다. 이와 같이 동결 환경 온도(T₀)를 -80∼-10℃로 함으로써 응고 시간(Sb)을 200∼3500초로 하고, 다공체의 평균 기공 지름을 50∼500㎛로 할 수 있다.

실시예

본 발명을 이하의 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.

실시예 1

(1) 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 제조

120mM 인산 수용액 400ml에 콜라겐의 인산 수용액(농도 0.97wt%, 20mM 인산)을 412g 부가하여 교반함으로써 용액 Ⅰ을 얻었다. 한편, 400mM 수산화 칼슘 용액(용액 Ⅱ)을 400ml 조제하였다. 반응 용기에 200ml의 순수를 넣은 후, 용액 Ⅰ 및 Ⅱ를 동시에 적하하였다. 적하 중 반응 용액을 교반하고, 용액 Ⅰ 및 Ⅱ의 적하 속도를 컨트롤하여 반응 용액의 pH를 8.9∼9.1로 유지하였다. 생성한 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 길이는 대략 1∼2mm이었다. 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 슬러리는 동결 및 동결 건조하였다. 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유 중의 애퍼타이트/콜라겐의 배합비는 질량 기준으로 8/2이었다.

(2) 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체 (a-1)의 제조

건조한 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유 2g에 순수 4.84ml를 부가한 다음, 1N의 NaOH 수용액 0.06ml를 부가하여 교반하였다. 얻어진 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유의 슬러리에 콜라겐의 인산 수용액(농도 0.97wt%, 20mL 인산)을 2g 부가하여 교반한 다음, 10배 농축의 PBS를 1.61ml 부가하여 교반하여 분산물을 얻었다. 액체(순수, 인산 수용액, NaOH, PBS)의 첨가량은 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 분산물의 95 부피%이었다.

분산물을 성형 틀(스티롤(styrol)제, 원주형, 내경 1.5cm × 높이 3.5cm)에 넣고, 37℃에서 2시간 유지하여 젤리 형태의 성형체(a)를 얻었다. 이 성형체(a)의 중심에 온도 센서를 넣고, -80℃로 설정한 동결기 내에 넣었다. 성형체(a)의 응고 온도는 -5∼-1℃이며, 응고 시간은 350초이었다. 얻어진 응고체를 진공 오븐(0∼240℃, 760∼1Torr)을 이용하여 건조한 후, 감압(1.33 hPa), 140℃에서 열 탈수 가교함으로써 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 함유하는 다공체 (a-1)를 얻었다.

(3) 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체 (b-1) 및 (c-1)의 제조

젤리 형태 성형체(a)와 동일한 형상 및 조성의 성형체(b) 및 (c)를 각각 -50℃, -20℃로 설정한 동결기 내에 넣은 것 이외에는 실시예 1(1) 및 (2)와 동일한 방법으로 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 함유하는 다공체 (b-1) 및 (c-1)를 얻었다. 성형체(b)의 응고 시간은 1609초이었으며, 성형체(c)의 응고 시간은 3240초이었다. 응고 온도는 모두 -5℃∼-1℃이었다. 다공체 (a-1), (b-1) 및 (c-1)의 기공율은 모두 약 95%이었다. 다공체 (a-1), (b-1) 및 (c-1)의 동결 환경 온도(T₀)(동결기 내의 온도)와 응고 시간(Sb)의 관계를 도 4에 나타내었다. 응고 시간(Sb)은 동결 환경 온도(T₀)에 대략 비례하였다.

(4) 평균 기공 지름의 측정

애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 함유하는 다공체 (a-1), (b-1) 및 (c-1)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도 5에 나타내었다. 선 인터셉트법에 의해 각 다공체의 평균 기공 지름을 구하였더니, 표 1에 나타낸 바와 같았다. 한편 기공 지름은 온도 센서로부터 약 7mm 떨어진 곳에 있는 기공의 것을 측정하였다. 응고 시간을 짧게 할수록 평균 기공 지름은 작아졌으며, 응고 시간을 길게 할수록 평균 기공 지름은 커졌다.

실시예 2

원료의 배합량을 표 2와 같이 한 것 이외에는 실시예 1(1)∼(3)과 동일한 방법으로 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 함유하는 다공체 (a-2), (b-2) 및 (c-2)를 얻었다. 어느 다공체도 응고 온도는 -5∼-1℃이었다.

주 : 액체의 첨가량은 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 분산물에 대한 순수, 인산 수용액, NaOH 수용액 및 PBS의 총 부피비를 나타낸다.

다공체 (a-2), (b-2) 및 (c-2)의 동결 환경 온도(T₀)(동결기 내의 온도)와 응고 시간(Sb)의 관계를 도 6에 나타내었다. 실시예 1과 마찬가지로, 응고 시간(Sb)은 동결 환경 온도(T₀)에 대략 비례하였다. 다공체 (a-2), (b-2) 및 (c-2)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7로부터, 기공율 90%의 다공체 (a-2), (b-2) 및 (c-2)는 기공율 95%의 것(실시예 1)과 비교하여 굵은 들보 부분을 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 선 인터셉트법에 의해 각 다공체의 평균 기공 지름을 구하였더니 아래 표 3과 같았다.

실시예 1 및 2에 있어서 다공체 제조시의 응고 시간(Sb)과 평균 기공 지름의 관계를 도 8에 나타내었다. 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 함유하는 다공체의 평균 기공 지름은 성형체의 응고 시간(Sb)에 대략 비례하였다. 또한 평균 기공 지름/응고 시간(Sb)의 그래프의 기울기는 기공율 90%(실시예 2)일 때가 기공율 95%일 때(실시예 1)보다 컸다. 이는 동일한 응고 시간이라면 응고할 물의 양이 적을수록 얼음의 결정 성장 시간이 길어, 각 얼음을 수용하는 기공의 지름이 커지기 때문으로 사료된다. 도 4, 6 및 8에 도시한 그래프를 이용함으로써 원하는 평균 기공 지름을 갖는 다공체를 제조하는 것이 가능하였다.

본 발명의 방법은 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유와 콜라겐과 물을 포함하는 분산물의 겔체를 응고시키는 시간에 의해 얻어지는 애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름을 제어하는 것이다. 응고 시간은 겔체를 동결시키기 위하여 유지하는 환경의 온도, 즉 동결 환경 온도에 의존하므로, 미리 응고 시간과 동결 환경 온도의 관계를 구해 두면 애퍼타이트/콜라겐 다공체를 제조할 때 소정의 온도에서 겔체를 응고시키는 것만으로 원하는 평균 기공 지름을 갖는 것을 얻을 수 있다. 이와 같이 동결 환경 온도에 의해서만 생성물의 평균 기공 지름을 제어할 수 있는 방법은 매우 간편하다 할 수 있다.

애퍼타이트/콜라겐 다공체의 평균 기공 지름은 그 다공체의 기계적 강도 및 생체 친화성에 영향을 준다. 따라서 원하는 평균 기공 지름을 갖는 애퍼타이트/콜라겐 다공체를 제조할 수 있는 본 발명의 방법은 인공 골재, 세포의 발판재 등에 사용하는 다공체의 제조에 유용하다.

Claims

애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유와 콜라겐과 물을 포함하는 분산물을 겔화한 후, 얻어진 겔체를 동결 및 건조함으로써 다공질체로 만들고, 상기 다공질체 중의 콜라겐을 가교함으로써 애퍼타이트/콜라겐 복합체 섬유를 포함하는 다공체를 제조하는 과정에 있어서,

상기 동결 공정에서의 상기 겔체의 응고 시간에 의해 상기 다공체의 평균 기공 지름을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 동결을 위하여 상기 겔체를 유지하는 온도에 의해 상기 겔체의 응고 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 동결을 위하여 상기 겔체를 유지하는 온도를 -100∼0℃로 하는 것을 특징으로 하는 방법.