KR20090116211A - 다공성 티타늄 지지체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공성 티타늄 지지체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 가볍고 내부식성이 우수하며 생체적합성이 좋은 티타늄 입자를 구형 또는 부정형의 입자형태로 생분해성 고분자에 혼합하여 압출하기에 적당한 점도로 제조하고, 이를 3축 조형기를 이용하여 자이언트 사이즈 기공과 마이크로 사이즈의 기공을 갖는 3차원 구조의 지지체를 제조하는 것이다. 이와 같이 제조된 지지체를 진공분위기에서 가열하여 생분해성 고분자를 제거하고, 티타늄 입자의 소결을 통하여 기계적 강도를 향상시킨 티타늄 지지체를 제조하였다. 3축 조형기를 통하여 제조된 티타늄 지지체는 탈지 및 소결 공정을 통하여 지지체가 자이언트, 마크로의 기공을 포함하도록 함으로써 효율적인 세포증식 및 분화기능 등을 유지하면서도 기계적 강도가 강화되었다. 이러한 특성은 생체재료로서 세포의 접착, 분열, 증식, 이동 및 분화에 유리한 조건을 제공함으로써 정형외과용 임플란트재, 수복재, 지지체 이외에 티타늄의 표면 특성을 이용한 필터, 염료감응형 태양전지 등 여러 가지 분야에서 유용하게 사용할 수 있다.

티타늄, 다공성, 지지체, 3축 조형

Description

다공성 티타늄 지지체 및 이의 제조방법{Porous titanium scaffold and preparation method thereof}

본 발명은 다공성 티타늄 지지체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

조직공학은 생명과학과 공학의 원리를 활용하여 조직의 기능을 복원, 유지, 혹은 향상시키는 생물학적 제품을 개발하려는 여러 학문이 제휴한 분야이다. 대표적인 방법으로는 재생을 원하는 조직으로부터 세포를 분리하여 배양하고 이를 적절한 생체재료에 접종하여 증폭 배양함으로써 인공적으로 조직을 형성하는 시술이다. 이러한 시술에는 세포를 지주에 부착하여 필요한 부위에 전달하기 쉽고, 조직이 성장하는데 3차원 구조로 기계적인 보조역할을 할 수 있으며 기능을 할 수 있는 새로운 조직으로 만들어 나가는 적당한 세포지지체가 필요하다. 이러한 지지체는 세포가 증식하고 특유의 기질을 만들 수 있는 적절한 미세구조를 갖고 있어야 하며, 표면에 3차원으로 상호연결된 많은 기공을 가지고 있어 세포가 이 기공을 통해 안으로 자랄 수 있어야 하고, 기공의 크기가 조직이 자라면서 막히지 않아야 한다. 또한 독성이 없으며 지지체로서의 기능 종료 후에는 생체 내에서 완전히 분해되어 없 어질 수 있는 생분해성 재료여야 한다.

일반적으로 지지체로서 다공질 고분자가 많이 이용되고 있으나 고분자는 지지체에 요구되는 적절한 기계적 강도를 얻기 어려우므로 기계적 강도의 확보와 골 친화력 등의 이유로 생체세라믹을 이용한 3차원 다공질 지지체의 개발이 다수 진행되고 있다. 그러나 세라믹 역시 깨지기 쉬운 단점을 가지므로 최근에는 생분해성 고분자와 생체세라믹과의 복합체 제조로 상호 단점을 보완하는 방법도 제안되고 있다.

3차원 기공구조의 합성법으로는 입자 침출(particle leaching)법, 가스를 이용한 거품성형 (gas foaming)법, 섬유망사 (fiber meshes)법, 상분리 (phase separation)법, 동결유탁 (emulsion freeze drying) 등이 있으나 위의 합성방법은 기공의 크기를 조절하는 것이 쉽지 않고 얻어지는 지지체의 표면적과 기공률이 비교적 낮으며 기공 간 열린 구조가 잘 형성되지 않아 지지체 표면의 기공 막힘 현상이 야기되는 등의 문제가 있다. 최근에는 컴퓨터의 도움을 받아 실체의 모델을 만드는 쾌속조형 (rapid prototyping)법이 지지체의 제작에 제안되고 있으며 이 방법은 위의 문제를 해결하고 세포의 성장에 필요한 기공크기 (자이언트기공; 100 - 1000μm)를 3차원적으로 제작하는데 효율적이다.

한편 현재까지의 지지체는 그 기공크기를 자이언트 사이즈 영역에서 대부분 제어하고 있으며, 최근에는 비표면적과 기공률의 증대와 더불어 세포접착력의 향상 및 세포증식, 분화의 향상, 세포괴사 방지 등의 효과를 기대하여 나노, 마크로, 자이언트 기공영역에서 이중기공 (대한민국 등록특허 제751504호) 또는 삼중기공 (대 한민국 특허출원 제2006-103013호) 등 기공의 크기와 형상을 제어하는 제작법도 제안되고 있다. 특히 생체활성과 생분해성을 증대시키고 항암제, 항염제와 같은 약물을 보조할 수 있는 효과를 기대하여 나노 사이즈영역의 기공을 지지체에 도입한 연구가 시도되었다. 대한민국 특허출원 제2006-105013호에는 쾌속조형법과 고분자 템플레이트법을 사용하여 자이언트, 마크로, 나노크기의 기공을 가지는 세라믹 지지체 혹은 자이언트, 나노크기의 기공을 가지는 세라믹-고분자 지지체의 합성법이 기재되어 있으며 다중 기공을 갖는 지지체의 유의성을 나타내고 있다.

그러나 상기 다공성 세라믹 지지체의 기계적 특성은 지지체로 이용하기에는 부족하며 한편 세라믹-고분자 지지체의 경우에는 기계적 강도의 개선은 인정되나 자이언트와 나노 크기의 기공만 포함할 뿐 세포영양분과 같은 생체활성 물질과 세포의 배출물 등의 이동경로로써 필요한 마크로 크기의 기공은 포함하지 않는다는 문제가 있다.

티타늄 합금은 1950년대에 가볍고, 강하며 부식에 강한 금속이 요구되는 비행기 산업분야에서 처음 사용되었으며, 1950년대 후반과 1960년대부터 인체에 사용되기 시작하여 최근에는 널리 사용되고 있다.

티타늄 합금은 생체에 적합성이 높고 물성이 강하고, 높은 피로(fatigue) 저항성을 갖고있으며, 코발트 크롬(Co-Cr-Mo)합금이나 316L 스테인레스 스틸에 비해서 거의 절반 밖에 되지 않는 낮은 탄성계수를 갖고 있다. 상기와 같이, 티타늄은 비록 낮은 탄성계수를 갖고 있지만 뼈와의 탄성계수 차이에 의해 뼈에 응력 전달이 제대로 이루어지지 않는 응력차폐(stress shielding)현상이 발생할 수 있으므로 최근에는 더욱 낮은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금 개발 연구가 진행되고 있다. 정형외과용으로 사용되는 임플란트용 생체재료는 충분한 강도와 더불어 장기간에 걸친 하중에도 견딜 수 있고, 뼈와 유사한 정도의 탄성계수와 더불어 주위 조직과도 친화성이 좋아야 한다. 이와 같은 관점에서 최근 경조직으로 적용을 위한 다공성 금속 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.

이에, 본 발명자들는 티타늄의 구형 또는 부정형 입자로 이루어지는 다공성 지지체를 3축 조형기를 이용하여 제조하는 방법을 알아내고, 이로 제조된 다공성 지지체의 기공크기를 100 - 1,000 ㎛로 제어하여, 본 발명에 따른 다공성 지지체의 기공율이 60 - 80 %, 기계적 강도가 150 Mpa임을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 다공성 티타늄 지지체를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 다공성 티타늄 지지체의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부식성이 강하고, 경량인 티타늄을 이용한 다공성 티타늄 지지체를 제공한다.

또한 본 발명은 티타늄 입자와 생분해성 고분자를 혼합하여 티타늄 페이스트를 제조하는 단계(단계 1); 상기 페이스트를 3축 조형기에 넣고 분사하여 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 단계(단계 2); 상기 형성된 다공성 지지체를 탈지 및 소결하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 다공성 티타늄 지지체의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 가볍고 내부식성이 우수한 티타늄 입자를 구형 또는 부정형의 입자형태로 생체활성 고분자에 혼합하고, 이를 3축 조형기를 이용하여 자이언트 사이즈 기공을 형성하고, 생체활성 고분자를 소결과 동시에 제거하여 마이크로 사이즈 기공을 생성시킴으로써, 지지체가 자이언트, 마이크로의 기공을 포함하도록 하여 효율적인 세포증식 및 분화기능 등을 유지하면서도 기계적 강도가 강화되었다. 이러한 특성은 세포의 접착, 분열, 증식, 이동 및 분화에 유리한 조건을 제공함으로써 정형외과용 임플란트재, 수복재, 지지체 이외에 티타늄의 표면 특성을 이용한 필터, 염료감응형 태양전지 등 여러 가지 분야에서 유용하게 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 티타늄 입자가 균일하게 분산되어 있는 생분해성 고분자에, 100 - 1000 ㎛범위의 자이언트 사이즈 기공 및 1 - 100 ㎛ 범위의 마이크로 사이즈 기공이 3차원적으로 상호연결된 열린 기공이 형성되어 있으며 상기 자이언트사이즈의 기공은 3축 조형기에 의해 형성되고, 상기 마이크로 사이즈의 기공은 티타늄 입자의 공극으로 형성되는 다공성 티타늄 지지체를 제공한다.

상기 티타늄 입자는 구형 또는 부정형으로, 20 - 60 ㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.

구형의 티타늄 입자를 이용하여 지지체를 제조할 경우 소결조건에 따라 특정 크기의 마이크로 기공을 형성시킬 수 있고, 부정형의 티타늄 입자를 사용할 경우에 는 소결 후 입자간의 확산에 의해 견고한 결합을 얻을 수 있다. 이때, 상기 티타늄 입자가 60 ㎛를 초과하면 3축 조형공정에서 티타늄 페이스트를 이용하여 압출시 티타늄 섬유 직경을 제어하거나 압출하중 제어에 어려움이 있고, 20 ㎛미만이면 소결 후 마이크로 크기의 기공이 쉽게 형성되지 못하는 문제가 있다.

본 발명에 따른 지지체의 기공도는 3축 조형에 의해 형성되는 압출재의 직경과 압출 섬유의 간격에 따른 자이언트 사이즈의 기공에 의해 결정되며, 지지체용으로 적용하기 위해서는 60 % ~ 80 %인 것이 바람직하다.

상기 생분해성 고분자는 소결단계를 통해 제거되지만, 잔존할 수 있는 고분자가 생체에 영향을 고분자가 생체에 영향을 미칠 수 있으므로 인공피부 이직재료나 수술용 봉합제 등으로 사용 가능한 고분자를 사용하여 인체에 대한 부작용을 최소화한다. 이에, 상기 생분해성 고분자는 폴리카프로락톤, 폴리락트산, 폴리락트산-글리콜산공중합체, 폴리아미노 산 또는 폴리글리산을 사용하는 것이 바람직하며, 폴리카프로락톤을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명은 티타늄 입자와 생분해성 고분자를 혼합하여 티타늄 페이스트를 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 페이스트를 3축 조형기의 압출장치에 주입 후 압출을 통하여 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 형성된 3차원 다공성 지지체를 탈지 및 소결하는 단계(단계 3)를 포함하 는 다공성 티타늄 지지체의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 지지체의 제조방법에 있어서, 단계 1은 티타늄 입자와 생분해성 고분자를 혼합하여 티타늄 페이스트를 제조하는 단계이다.

상기 단계 1은 상기 단계 2의 3축 조형기에 넣을 티타늄 페이스트를 제조하는 단계이다.

상기 단계 1의 티타늄 입자는 구형 또는 부정형의 20 - 60 ㎛크기인 것이 바람직하다.

상기 단계 1의 티타늄 페이스트는 티타늄 입자와 생분해성 고분자가 4:1- 2:1로 혼합될 수 있다. 상기 비율이 벗어나면 페이스트의 점도가 맞지 않아 3축 조형기로 지지체를 형성하기에 어려운 문제가 있다.

상기 생분해성 고분자는 소결단계를 통해 고온에서 제거되나, 잔존할 수 있는 고분자가 생체에 영향을 미칠 수 있으므로 인공피부 이식재료나 수술용 봉합제 등으로 응용이 가능한 고분자를 사용하여 부작용을 최소화한다. 고분자폴리카프로락톤, 폴리락트산, 폴리락트산-글리콜산공중합체, 폴리아미노 산 또는 폴리글리콜산을 사용할 수 있으며, 폴리카프로락톤을 사용하는 것이 더욱 바람직하다

본 발명에 따른 지지체의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 페이 스트를 3축 조형기의 압출장치에 주입 후 압출을 통하여 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 단계이다.

상기 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 페이스트를 3축 조형기의 압출장치에 주입하고, 주입된 페이스트에 압축력을 가함에 따라 페이스트가 노즐 크기로 압출시켜 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 단계이다.

상기 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 것은 3축 조형기를 통하여 압출되는 티타늄 섬유 크기와 X축, Y축의 방향을 제어하고 페이스트 압출 스피드를 제어하여 2차원 또는 3차원 형상을 간편하게 디자인할 수 있다. 나아가, Z축으로 적층시 선형의 페이스트가 교차 또는 평행을 이루어 유사한 기공도를 지니지만 적층방식이 다른 형태의 지지체를 형성할 수 있다(도 2 및 도 3 참조).

이때, 형상유지를 위하여 필요에 따라 페이스트 압출시 20 - 40 ℃의 공기를 흘려줌과 동시에 기판을 -5 ℃ - 10 ℃의 온도로 냉각하여 고분자의 고화를 촉진시킬 수 있다.

본 발명에 따른 지지체의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 단계 2에서 형성된 다공성 지지체를 탈지 및 소결시키는 단계이다.

상기 단계 3은 상기 다공성 지지체의 강도를 증가시키고, 유기물 템플레이트로 사용하였던 생분해성 고분자를 제거시키는 단계이다.

상기 단계 3의 탈지는 상기 단계 2에서 형성된 지지체에 있는 유기물을 제거하기 위한 공정으로 진공에서 200 - 300 ℃으로 가열시키는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 가열이 300 ℃를 초과하면 3차원 구조의 지지체 형상이 무너져버리는 문제가 있고, 200 ℃ 미만이면 상기 지지체에 유기물이 잔존하여 지지체의 물성을 저하시키는 문제가 있다.

상기 단계 3의 소결은 구형 또는 부정형의 티타늄 입자를 소결시키는 단계로 지지체의 강도를 증가시키고, 유기물 템플레이트로 사용하였던 생분해성 고분자를 완전히 제거시키는 단계이다.

이때, 상기 소결은 진공에서 1100 - 1400 ℃으로 1 - 3시간 동안 가열하여 수행할 수 있다. 상기 소결온도가 1400 ℃를 초과하면 티타늄 입자간 체적확산에 의하여 마이크로 기공이 형성되지 않는 문제가 있고, 1100 ℃미만이면 티타늄 입자간에 충분한 확산이 일어나지 않고 접촉면적이 작아 응력집중요소로 작용하는 문제가 있다. 상기 진공은 5 × 10^-5- 5 × 10^-6 torr로 수행될 수 있다. 상기 범위를 벗어나면 탈지 및 소결이 이루어지지 않아 상기 지지체의 물성이 저하되는 문제가 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1> 다공성 티타늄 지지체의 제조

단계 1. 티타늄 페이스트의 제조

평균 입자크기 45㎛인 구형의 티타늄 입자 10 g을 클로로포름에 20 w/v%로 용해되어 있는 폴리카프로락톤(poly ε-caprolactone)에 혼합하고, 30분 동안 교반시켰다.

단계 2. 3축 조형기를 이용한 자이언트 사이즈 기공 형성

상기 단계 2에서 제조된 티타늄 페이스트를 3축 조형기에 넣고 X축, Y축, Z축의 간격 및 모양을 제어하여 섬유상 형태로 압출하면서 원하는 크기와 형상의 자이언트 기공이 형성된 다공성 티타늄 지지체를 제조하였다.

단계 3. 탈지 및 소결

상기 제조된 다공성 티타늄 지지체를 건조 후 약 200 - 300℃에서 탈지처리 후 약 5.0x10^-6torr의 진공도, 1200 ℃에서 2시간 동안 소결하여 다공성 티타늄 지지체를 제조하였다.

<실시예 2>

상기 실시예 1에서 구형의 티타늄 입자 대신 부정형의 티타늄 입자 10g을 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 작성하였다.

<분석>

1. 지지체의 마이크로 사이즈 기공 형성 확인

다공성 티타늄 지지체의 기공 형상을 관찰하기 위하여, 실시예 1 내지 실시예 2를 주사전자현미경(JSM-5800, JEOL)을 이용하여 측정하여 도 1에 나타내었다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 2는 200 - 500 ㎛의 자이언트 기공을 갖고 있으며, 자이언트 사이즈를 이루고 있는 섬유의 내부에는 1 - 100 ㎛ 마이크로 사이즈의 기공이 형성되어 있는 것을 확인하였다.

또한, 실시예 1의 티타늄 입자의 목 크기(neck size)가 티타늄 입자의 1/3 - 1/2로 측정되어, 본 발명에 따른 티타늄 입자는 표면 확산(surface diffusion)보다 용적 확산(bulk diffusion)에 의한 소결이 일어나 더욱 지지체의 강도가 증가하였음을 확인하였다.

2. 기공도 측정

다공성 티타늄 지지체의 기공도를 측정하기 위하여, 실시예 1 내지 실시예 2를 다층 기공구조 분석기(CFP-1200-AEL, USA)을 이용하여 기공도를 측정하였다.

그 결과, 실시예 1 내지 실시예 2 모두 약 70%의 기공도를 갖고 있는 것을 확인하였다.

도 1은 본 발명의 일실시 형태를 전자주사현미경으로 관찰한 사진(a: 실시예 1, b: 실시예 1의 입자, c: 실시예 2, d:실시예 2의 입자);

도 2는 본 발명의 일실시 형태의 모식도이고((a)Z축으로 평행한 지지체,(b)Z축으로 교차된 지지체); 및

도 3은 본 발명의 일실시 형태를 촬영한 사진이다((a)Z축으로 평행한 지지체,(b)Z축으로 교차된 지지체).

Claims (12)

1. 티타늄 입자가 균일하게 분산되어 있는 생분해성 고분자에, 100 - 1000 ㎛범위의 자이언트사이즈 기공 및 1 - 100 ㎛ 범위의 마이크로 사이즈 기공이 3차원적으로 상호연결된 열린 기공이 형성되어 있으며 상기 자이언트사이즈의 기공은 3축 조형기에 의해 형성되고, 상기 마이크로 사이즈의 기공은 티타늄 입자의 공극으로 형성되는 다공성 티타늄 지지체.
2. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 입자는 구형 또는 부정형이고, 20 - 60 ㎛의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체.
3. 제1항에 있어서, 상기 지지체의 기공도는 60 - 80 % 인 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체.
4. 제1항에 있어서, 상기 생분해성 고분자는 폴리카프로락톤, 폴리락트산, 폴리락트산-글리콜산공중합체, 폴리아미노산 및 폴리글리콜산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체.
5. 제1항에 있어서, 상기 생분해성 고분자는 폴리카프로락톤인 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체.
6. 티타늄 입자와 생분해성 고분자를 혼합하여 티타늄 페이스트를 제조하는 단계(단계 1);

   상기 단계 1의 페이스트를 3축 조형기의 압출장치에 주입 후 압출을 통하여 자이언트 사이즈의 기공을 형성하는 단계(단계 2);

   상기 형성된 3차원 다공성 지지체를 탈지 및 소_결하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 다공성 티타늄 지지체의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 단계 1의 티타늄 페이스트는 티타늄 입자와 생분해성 고분자가 4:1 -2:1인 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체의 제조방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 단계 1의 티타늄 입자는 구형 또는 부정형의 20 - 60 ㎛크기인 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체의 제조방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 단계 1의 생분해성 고분자는 폴리카프로락톤, 폴리락트산, 폴리락트산-글리콜산공중합체, 폴리아미노 산 및 폴리글리콜산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체의 제조방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 단계 3의 탈지는 진공에서 200 - 300 ℃으로 가열시키는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체의 제조방법.
11. 제6항에 있어서, 상기 단계 3의 소결은 진공에서 1100 - 1400 ℃으로 1 - 3시간 동안 가열시키는 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체의 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 진공은 5 × 10^-6 - 5 ×10^-5 torr인 것을 특징으로 하는 다공성 티타늄 지지체의 제조방법.

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