KR20100024120A

KR20100024120A - 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법 및 이 방법에 의하여 제조된 생체적합성 나노섬유 구조체

Info

Publication number: KR20100024120A
Application number: KR1020080082819A
Authority: KR
Inventors: 강연경; 이용환; 오흥렬; 김철기
Original assignee: 코오롱패션머티리얼 (주)
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2010-03-05

Abstract

본 발명은 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법 및 이 방법에 의하여 제조된 생체적합성 나노섬유 구조체에 관한 것으로서, 특히 그 제조방법은 생체적합성 고분자 폴리머를 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하는 제1단계와; 전기방사장치를 이용하여 상기 방사용액을 전기방사함으로써 나노섬유사를 적층하여 나노섬유 구조체를 제조하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 적층되고 있는 나노섬유사에 10~1000μm의 직경을 갖는 수용성 고체입자를 산포하는 제3단계와; 상기 제3단계의 공정 후 수용성 고체입자가 내재된 나노섬유 구조체를 건조시키는 제4단계와; 건조된 나노섬유 구조체를 수세(水洗)하여 수용성 고체입자를 용해시켜 제거하는 제5단계와; 수세된 나노섬유 구조체를 다시 건조시키는 제6단계;로 구성되어, 이 방법에 의하여 형성되는 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체는 거대공극이 형성되고, 이로 인하여 생체조직이 용이하게 생착할 수 있는 효과가 있다.

전기방사, 나노섬유, 생체적합성, 생체재료

Description

생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법 및 이 방법에 의하여 제조된 생체적합성 나노섬유 구조체{Biocompatible nano fabric manufacturing method and Biocompatible nano fabric}

본 발명은 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법 및 이 방법에 의하여 제조된 생체적합성 나노섬유 구조체에 관한 것으로서, 특히 생체조직이 용이하게 생착가능하도록 나노섬유를 이용하여 특정 구조를 갖도록 한 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법 및 이 방법에 의하여 제조된 생체적합성 나노섬유 구조체에 관한 것이다.

생체재료란 의약품을 제외한 합성, 천연 또는 그들의 복합재료로서, 일정기간 인체의 조직, 기관, 그 기능의 일부 또는 전부를 대체하거나 촉진하는 재료를 말한다. 이러한 생체재료로서의 고분자 재료는 원래 공업용 목적으로 중합, 성형시킨 것이 의료용으로 전용되어 사용되고 있다. 고분자 재료가 생체재료로 사용되기 위한 필수조건은 생체적합성(biocompatibility)으로, 혈액과 접촉하는 경우의 혈액 적합성(bloodcompatibility)과, 혈액 이외의 생체조직이나 세포와의 세포조직 적합성(cell, tissue compatibility)으로 나눌 수 있다.

고분자 재료가 생체조직에 악영향을 끼치지 않고 원하는 기능을 발휘할 수 있다면 이 재료는 생체적합성이 좋은 것이 된다. 아무리 기능이 우수하더라도 생체적합성이 없으면 사용될 수 없다. 고분자 재료를 생체조직에 매입하면 여러 가지 조직반응을 일으키기 때문이다. 생체내의 고분자 재료표면에 형성된 혈전이 인공장기의 기능부전을 가져오고 또 혈류에 의해 탈리한 유리혈전이 노혈전증과 같은 합병증의 원인이 됨을 예로 들 수 있다.

종래에 고분자를 사용한 생체재료는 주로 체내에서 반응성이 없는 폴리에스테르 또는 폴리우레탄계 폴리머를 적당한 모양으로 성형 또는 직조하여 사용하여 왔으며, 소실된 조직의 완벽한 대체 및 적극적인 재건보다는 생명유지에 필요한 일부기능의 수행에 초점을 맞추어왔다.

그러나, 최근의 생체재료는 소실된 신체조직의 기능을 완벽히 수행함과 동시에 적극적으로 재건하는 것을 그 목적으로 하여 나노섬유를 적용한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 아직까지는 나노섬유사 사이사이에 형성된 공극의 크기가 너무나 작아서 체세포 조직이 착생하지 못하므로, 그 목적을 달성하고 있지 못하다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 생체적합성이 높은 고분자 재료를 원료로 한 나노섬유를 이용하여 전기방사법에 의한 나노섬유 구조체를 제조하면서 나노섬유 사이사이에 미세공극 뿐만 아니라 거대공극이 형성되도록 함으로써, 생체조직이 용이하게 생착되어 신체조직의 기능을 수행함과 동시에 적극적으로 신체조직을 재건할 수 있는 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법 및 이 방법에 의하여 제조된 생체적합성 나노섬유 구조체를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법은 생체적합성 고분자 폴리머를 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하는 제1단계와; 전기방사장치를 이용하여 상기 방사용액을 전기방사함으로써 나노섬유사를 적층하여 나노섬유 구조체를 제조하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 적층되고 있는 나노섬유사에 10~1000μm의 직경을 갖는 수용성 고체입자를 산포하는 제3단계와; 상기 제3단계의 공정 후 수용성 고체입자가 내재된 나노섬유 구조체를 건조시키는 제4단계와; 건조된 나노섬유 구조체를 수세(水洗)하여 수용성 고체입자를 용해시켜 제거하는 제5단계와; 수세된 나노섬유 구조체를 다시 건조시키는 제6단계;로 구성된다.

여기서, 상기 생체적합성 고분자 폴리머는 폴리유산계열, 폴리우레탄, 폴리에스터, 폴리아미드, 불소계 고분자, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리글리콜, 키틴, 키토산 중에서 선택된 어느 하나로 구성되고, 상기 수용성 고체입자는 염화나트륨 또는 전분으로 구성된다.

또한, 상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체는 폴리유산계열, 폴리우레탄, 폴리에스터, 폴리아미드, 불소계 고분자, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리글리콜, 키틴, 키토산 중에서 선택된 생체적합성 고분자로 이루어진 평균직경 100~2000nm의 나노섬유사가 적층되고, 나노섬유사 사이사이에는 미세공극 및 염화나트륨 또는 전분이 제거되어 형성된 거대공극이 형성되되, 상기 미세공극은 그 평균직경이 0.1~3μm로 형성되고, 상기 거대공극은 그 평균직경이 10~1000μm로 형성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법 및 이 방법에 의하여 제조된 생체적합성 나노섬유 구조체는 나노섬유사 사이사이에 수용성 고체입자가 용해되어 제거된 거대공극이 형성되어, 체세포 생착이 용이한 이점이 있다.

이하, 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법 및 이 방법에 의하여 제조된 생체적합성 나노섬유 구조체의 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 생체적합성 구조체 제조방법은 크게 6단계의 공정으로 이루어진다.

제1단계는 생체적합성 고분자 폴리머를 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하는 공정이고, 제2단계는 전기방사장치를 이용하여 상기 방사용액을 전기방사함으로써 나노섬유사를 적층하여 나노섬유 구조체를 제조하는 공정이며, 제3단계는 상기 제2단계에서 적층되고 있는 나노섬유사에 10~1000μm의 직경을 갖는 수용성 고체입자를 산포하는 공정이다.

그리고, 제4단계는 상기 제3단계의 공정 후 수용성 고체입자가 내재된 나노섬유 구조체를 건조시키는 공정이고, 제5단계는 건조된 나노섬유 구조체를 수세(水洗)하여 수용성 고체입자를 용해시켜 제거하는 공정이며, 제6단계는 수세된 나노섬유 구조체를 다시 건조시키는 공정이다.

상기 제1단계에서 사용되는 생체적합성 고분자 폴리머는 폴리유산계열, 폴리우레탄, 폴리에스터, 폴리아미드, 불소계 고분자, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리글리콜, 키틴, 키토산 중에서 선택된 어느 하나로 구성된다. 여기서, 폴리유산계열 생체적합성 고분자 폴리머로는 PLA(Polylactic Acid), PLLA(Poly-L-Lactide), PLGA(Poly lactide -co-glycolide), PCL(Polycaprolactone) 등이 있다.

그리고, 상기 제1단계에서 생체적합성 고분자 폴리머를 용해시키기 위하여 사용되는 용매는 상기한 여러 가지 종류의 생체적합성 고분자 폴리머를 용해시킬 수 있는 것이면 되므로 특별한 제한을 두지 않는다. 즉, 각각의 생체적합성 고분자 폴리머를 용해시킬 수 있는 적절한 용매를 선택하면 되는 것이다. 물론, 생체적합성 고분자 폴리머가 상기한 여러 가지 종류의 것으로만 한정되는 것은 아니고, 지금까지 생체적합성이 우수한 것으로 판명된 고분자 폴리머이면 어느 것이든 제한하지 않고 사용할 수 있다.

상기 제2단계와 제3단계는 통상적인 전기방사장치를 사용하여 수행되는데, 이 전기방사장치를 도 1을 참조로 하여 간단히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체를 제조할 때 사용되는 전기방사장치의 개략도이다.

방사용액탱크(1) 내에 저장된 방사용액, 즉 용매에 생체적합성 고분자 폴리머가 용해된 용액을 공급펌프(2)를 통하여 노즐(3)로 공급한다. 이때 상기 노즐(3)은 전압발생장치(6)에 전기적으로 연결된 전압전달로드(5)에 의하여 고전압이 걸려 있고, 컬렉터(4)는 상기 전압발생장치(6)에 전기적으로 연결된 전압전달로드(5)에 의하여 노즐(3)과 반대 전하를 띄는 고전압이 걸려 있다.

이렇게 노즐(3)로 공급된 방사용액을 컬렉터(4)를 향해 전기방사시켜 나노섬유로 휘산시킨 다음, 휘산되는 나노섬유를 상기 컬렉터(4) 상에 적층하여 나노섬유 구조체를 제조한다. 이렇게 나노섬유 구조체를 만들기 위하여 나노섬유사가 적층되는 중간에 간헐적으로 수용성 고체입자를 산포한다. 이때, 사용되는 수용성 고체입자는 염화나트륨 또는 전분으로 이루어진다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 노즐(3)에 공급된 방사용액은 노즐(3)과 컬렉터(4)에 걸려있는 고전압에 의해 고분자 용액의 표면장력보다 법선벡터 방향으로 응력이 커져서 고분자 제트(Jet)를 형성하게 된다. 상기 고분자 제트는 반대 전하를 띄는 컬렉터(4)를 향하게 되고 상기 노즐(3)로부터 일정구간까지는 제트(Jet) 상태를 유지하다가 그 이후에는 나노섬유로 변하면서 휘산되어 컬렉터(4) 상에 집적된다. 이렇게 방사용액이 나노섬유로 변하면서 휘산되어 컬렉터(4) 상에 집적되는 과정 중에 간헐적으로 염화나트륨 또는 전분으로 이루어지는 수용성 고체입자를 산포하는 것이다. 여기서, 상기 수용성 고체입자는 염화나트륨 또는 전분으로 한정되는 것은 아니고 물에 쉽게 용해될 수 있는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있다.

상기 제4단계는 제3단계에서 제조된 수용성 고체입자가 내재된 나노섬유 구조체를 충분히 건조시켜 용매가 나노섬유 구조체에 잔류되지 않도록 하는 공정이다.

상기 제5단계는 건조된 나노섬유 구조체를 물로 깨끗하게 세척하여 수용성 고체입자를 용해시키는 공정이다. 이렇게 수용성 고체입자가 용해되면 나노섬유 구조체에는 수용성 고체입자가 제거된 자리에 거대공극이 형성된다. 좀 더 자세히 설명하면 제5단계까지 진행되어 제조된 나노섬유 구조체에는 미세공극과 거대공극이 형성되는데, 미세공극은 나노섬유사 사이사이에 형성되는 것이고, 거대공극은 수용성 고체입자가 용해된 자리에 형성되는 것이다. 이러한 미세공극은 그 평균직경이 0.1~3μm로 형성되고, 거대공극은 그 평균직경이 10~1000μm로 형성된다. 그리고, 이러한 과정으로 제조되는 나노섬유사는 그 평균직경이 100~2000nm이다.

여기서, 상기와 같이 10~1000μm의 평균직경을 갖는 거대공극을 형성시키는 이유는 생체 재료를 사용한 인공 이식물의 이식 성공을 결정짓는 가장 큰 요인이 인공 이식물 내외부에 체세포가 거부반응 없이 잘 생착되어야만 하는 점이기 때문이다. 다시 말해서 체세포가 잘 생착되기 위해서는 첫째로 인공이식물이 체내에서 무반응성이거나 생분해되더라도 유해한 물질을 형성하지 않아야 하고, 둘째로 재료의 역학적 특성에 영향이 없는 한도 내에서 세포가 쉽게 부착될 수 있는 적정한 크기의 공극을 갖추고 있어야만 하는데, 일반적으로 체세포 생착에 적합한 공극 크기로 알려진 것이 10~100μm 이상인 반면, 나노섬유는 그 평균직경이 매우 작기 때문에 나노섬유 사이사이에 형성되는 공극의 직경도 10~100μm 미만으로 매우 작아서 체세포가 생착하기 힘들다. 이러한 이유로 거대공극을 형성시키는 것이다.

그리고, 수용성 고체입자의 크기를 10~1000μm로 하여 거대공극의 크기가 10~1000μm가 되도록 하는 이유는 공극의 크기가 10μm 미만이 되면 공극이 너무 작아서 이 공극이 세포 생착에 적합한 좌석 역할을 하지 못하며, 1000μm를 초과하면 생성된 공극이 너무 커서 나노섬유 구조체의 모양이 유지되지 못하거나 역학적 특성이 생체 이식용으로 부적합할 정도로 구조적 취약성을 가지기 때문이다.

상기 제6단계는 수세된 나노섬유 구조체에서 수분을 완전히 제거하기 위하여 다시 한 번 건조시키는 공정이다.

상기와 같은 방법으로 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체는 제조된다. 따라서 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체는 폴리유산계열, 폴리우레탄, 폴리에스터, 폴리아미드, 불소계 고분자, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리글리콜, 키틴, 키토산 중에서 선택된 생체적합성 고분자로 이루어진 평균직경 100~2000nm의 나노섬유사가 적층되고, 나노섬유사 사이사이에는 미세공극 및 염화나트륨 또는 전분이 제거되어 형성된 거대공극이 형성되되,

상기 미세공극은 그 평균직경이 0.1~3μm로 형성되고, 상기 거대공극은 그 평균직경이 10~1000μm로 형성된다.

이러한 본 발명의 생체적합성 나노섬유 구조체는 인공장기, 생체지지체, 생체격막 등에 적용되어 사용될 수 있다.

이상에서는 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체의 제조방법과 이 방법에 의하여 제조된 생체적합성 나노섬유 구조체에 대하여 설명하였고, 이하에서는 본 발명의 실시예 및 그와 대비할 수 있는 비교예에 대하여 설명하도록 한다. 실시예와 비교예를 수행함에 있어서, 그 장치는 통상적인 전기방사장치를 사용하였으며, 전기방사의 공정 조건 즉, 폴리머 용액의 토출량, 인가전압, 전극의 방향, 콜렉터와 노즐간의 거리, 노즐의 형태, 콜렉터의 운동속도, 온도 및 습도 등에 대해서는 특별한 제한을 두지 않고 실시하였다.

실시예 1

Poly-L-lactide[PLLA]를 메틸렌클로라이드에 15wt% 용해한 용액으로 통상의 전기방사 장치를 이용하여 나노섬유 구조체를 제조하였다. 방사 당시의 온도와 습도는 각각 25℃, 45%RH 였으며, 인가전압은 18KV, 전기방사 노즐은 통상의 바늘형태로 19게이지를 사용하였다. 방사 도중 100~300㎛ 크기 분포를 가진 염화나트륨 입자를 간헐적으로 적층 중인 나노섬유 위에 도포하여, 내부에 염화나트륨 입자가 고르게 포함된 1000㎛ 두께의 나노섬유 적층 구조체를 구성하였다.

상기의 구조체를 상온의 진공 오븐에서 24시간 이상 충분히 건조 후, 증류수에 잠기도록 담그고 초음파 세척으로 수 회 수세하여 염화나트륨 입자를 제거하였다. 염화나트륨 입자가 제거된 나노섬유 구조체를 다시 상온의 진공 오븐에서 24시간 이상 충분히 건조하여 잔여 수분을 제거하여 거대 기공이 형성된 나노섬유 구조체를 구성하였다.

실시예 2

실시예 1과 같은 방법으로 나노섬유 구조체를 구성하되, 전기방사에 사용된 고분자는 polylactide-co-glycolide[PLGA]이고 용매는 디메틸포름아미드와 테트라하이드로퓨란 혼합 용매를 사용하였다.

실시예 3

실시예 1과 같은 방법으로 나노섬유 구조체를 구성하되, 전기방사에 사용된 고분자는 열가소성폴리우레탄이고, 용매는 디메틸포름아미드를 사용하였다.

비교예 1

실시예 1과 같은 방법으로 나노섬유 구조체를 구성하되, 거대 공극 형성용 염화나트륨 입자를 사용하지 않고 나노섬유 구조체를 형성하였다.

비교예 2

실시예 1과 같은 방법으로 나노섬유 구조체를 구성하되, 3~10㎛ 크기의 염화나트륨 입자를 사용하였다.

실시예와 비교예에서 구성된 나노섬유 구조체의 특성을 평가한 결과는 다음 [표]와 같다.

[표]

구분	공극 크기 분포 범위(㎛)	평균 공극 크기(㎛)
실시예1	0.01~250	150
실시예2	0.01~250	150
실시예3	0.01~250	150
비교예1	0.01~3	1.3
비교예2	0.01~10	4

여기서, 부직포의 섬유 평균 직경 및 공극 평균 크기는 다음과 같은 방법으로 측정하였다.

부직포를 구성하는 나노섬유의 평균 직경은 부직포의 임의의 5곳에 대하여 주사전자현미경을 사용하여 5,000배로 확대, 섬유의 직경을 직접 측정하고, 한 곳의 현미경 관찰에 대해 각 20개소의 직경을 측정하고 평균하여 얻을 수 있다.

그리고, 부직포의 공극의 평균 크기는 ASTM F316-03(Standard Test Methods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean Flow Pore Test), 비수은식 PMI porometer에 의거하여 측정한다.

상기한 [표]에서 알 수 있듯이 실시예 1 내지 3은 공극 크기의 분포범위가 0.01~250㎛이고, 공극의 평균크기가 150㎛인 반면에 비교예 1,2는 공극 크기의 분포범위가 0.01~3 또는 10㎛이고, 공극의 평균크기가 1.3 또는 4㎛이다. 이는 실시예가 비교예보다 그 공극 크기가 미세공극부터 거대공극까지 더 다양하다는 것을 보여주는 자료로서, 거대공극에 의하여 체세포가 잘 생착될 수 있음을 짐작할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 생체적합성 나노섬유 구조체를 제조할 때 사용되는 전기방사장치의 개략도.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

1: 방사용액탱크 2: 공급펌프

3: 노즐 4: 컬렉터

5: 전압전달로드 6: 전압발생장치

Claims

생체적합성 고분자 폴리머를 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하는 제1단계와;

전기방사장치를 이용하여 상기 방사용액을 전기방사함으로써 나노섬유사를 적층하여 나노섬유 구조체를 제조하는 제2단계와;

상기 제2단계에서 적층되고 있는 나노섬유사에 10~1000μm의 직경을 갖는 수용성 고체입자를 산포하는 제3단계와;

상기 제3단계의 공정 후 수용성 고체입자가 내재된 나노섬유 구조체를 건조시키는 제4단계와;

건조된 나노섬유 구조체를 수세(水洗)하여 수용성 고체입자를 용해시켜 제거하는 제5단계와;

수세된 나노섬유 구조체를 다시 건조시키는 제6단계;로 구성된 것을 특징으로 하는 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 생체적합성 고분자 폴리머는 폴리유산계열, 폴리우레탄, 폴리에스터, 폴리아미드, 불소계 고분자, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리글리콜, 키틴, 키토산 중에서 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체적합성 나노섬유 구 조체 제조방법.
청구항 2에 있어서,

상기 나노섬유사의 평균직경은 100~2000nm인 것을 특징으로 하는 생체적합성 나노섬유 구조체 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 수용성 고체입자는 염화나트륨 또는 전분인 것을 특징으로 하는 생체적합성 나노섬유 구조제 제조방법.
청구항 4의 방법으로 제조되어,

폴리유산계열, 폴리우레탄, 폴리에스터, 폴리아미드, 불소계 고분자, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리글리콜, 키틴, 키토산 중에서 선택된 생체적합성 고분자로 이루어진 평균직경 100~2000nm의 나노섬유사가 적층되고, 나노섬유사 사이사이에는 미세공극 및 염화나트륨 또는 전분이 제거되어 형성된 거대공극이 형성되되,

상기 미세공극은 그 평균직경이 0.1~3μm로 형성되고, 상기 거대공극은 그 평균직경이 10~1000μm로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체적합성 나노섬유 구조 체.