KR20120082156A - 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌이민 및 도파를 포함하는 친수성 고분자를 이용하여 피복된 생체 의료 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홍합의 접착 단백질을 모방한 친수성 고분자를 이용하여 표면이 피복된 생체 의료 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 생체 의료 장치는 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌이민 및 도파를 포함하는 고분자의 피복에 의해 표면이 친수성으로 개질되어, 생물학적 오염(단백질, 지질, 세포 등의 부착)이 방지되며, 항혈전성 및 생체적합성이 향상되는 우수한 효과를 나타낸다.

Description

폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌이민 및 도파를 포함하는 친수성 고분자를 이용하여 피복된 생체 의료 장치 및 그 제조방법{BIOMEDICAL DEVICE COATED WITH HYDROPHILIC POLYMER COMPRISING POLYETHYLENEGLYCOL, POLYETHYLENEIMINE AND DOPA, AND METHOD PREPARING THE SAME}

본 발명은 홍합의 접착 단백질을 모방한 친수성 고분자를 이용하여 피복된 생체 의료 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌이민 및 도파를 포함하는 공중합체로 피복됨으로써 친수성으로 표면 개질된 생체 의료 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

사람의 체내 및 사람의 신체에 사용하기 위한 장치는 널리 공지되어 있다. 이와 같은 장치 표면의 화학 조성물은 장치의 전반적인 효력을 나타내는데 중요한 역할을 한다. 예를 들면, 카테터, 스텐트, 렌즈 및 임플란트를 포함하는 많은 장치들은 생물학적으로 오염되지 않은, 즉 단백질, 지질 및 세포가 장치 표면에 부착되지 않을 것을 요구한다. 이러한 형태는 의료 장치를 피복함으로써 획득될 수 있다. 또한 렌즈는 착용자의 편안함을 보장하기 위해서 누액에 의해 습윤성으로 되어야 한다. 추가 예로, 항미생물이 피복된 표면을 갖는 장치는 미생물 감염을 감소시키는 유리한 이점이 있다. 장치 표면에 목적하는 특징을 제공하기 위한 장치 표면의 다양한 피복 방법이 개발되어 왔다. 그러나 안정한 피복물을 제공하는 간단하고 효율적인 방법이 여전히 요구되고 있는 실정이다.

인공심장판막은 선천적 또는 후천적으로 결손된 심장판막 대신에 이식되어 사용되고 있으며, 생체조직으로 만들어진 생체조직 판막(tissue valve) 또는 티타늄 등의 금속 재료로 만들어진 기계식 판막(mechanical valve)이 있다. 이 중에 생체조직 판막은 생체적합성은 좋으나, 석회화 등으로 인하여 체내 내구성이 떨어지는 단점이 있고, 기계식 판막은 내구성은 우수하나 혈전(thrombus) 형성이 수반되므로 평생 항혈전제(anticoagulant)를 복용해야 하는 단점이 있다. 기계식 판막의 항혈전성을 개선하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔으나, 혈전 생성은 인체의 정상적인 생리 기능으로서 완전히 방지하기 어렵고, 그 생성 기구(mechanism)도 완전히 규명되지 못하고 있는 것이 현실이다.

협착된 관상동맥 질환을 치료하기 위하여 관상동맥 내에 동맥내 벌룬 카테터(intraaortic balloon catheter)를 삽입하여 혈관을 확장시키는 경피관상동맥확장술(percutaneous transluminal coronary antioplasty)이 많이 시술되고 있다. 이 시술은 비교적 결과가 양호하고, 시술 방법 및 시술 기구가 계속적으로 발전하고 있으나, 급성 폐색(chronic closure) 및 재협착(restenosis)과 같은 문제점이 여전히 해결되지 못하고 있다.

스텐트(stent)는 이러한 재협착을 방지하기 위하여 시술 후 혈관 내부에 삽입되어 혈관을 지지하여 주는 스프링 모양의 금속 이식물로서, 최근에 그 사용이 확대되고 있다. 스텐트의 재질은 스텐레스스틸, 탄탈륨(tantalum) 및 티타늄-니켈 합금 등으로, 풍선형 및 튜브형 등 다양한 형태가 개발 사용되고 있다. 그러나, 스텐트를 이식한 후에도 재협착의 예방이 20-30% 정도 실패하고 있는데, 그 주된 원인은 급만성 혈전 생성과 스텐트 시술 상처로 인한 혈관 내벽의 평활근세포(smooth musclecell)의 이상증식(proliferation)에 따른 재협착 때문인 것으로 밝혀졌다.

금속은 재료의 특성상 표면에 혈전이 쉽게 형성된다. 금속의 표면은 일반적으로 양(positive) 전하를 띠고 있어 음 전하를 띠고 있는 혈액과의 상호 작용이 크며, 금속은 또한 임계(critical) 표면 장력이 커서 혈전 생성이 쉬운 것으로 설명되고 있다.

미국특허 제5,824,045호 또는 제5,976,169호에서는 스텐레스 스틸 등의 재질로 제조된 스텐트 표면에 금, 백금, 은 또는 이들의 합금 박막을 증착시켜 알레르기 반응을 줄이고 항혈전성을 개선하려고 시도한 예가 보고된 바 있다. 그러나 그의 항혈전성 효과는 우수하지 못하였다.

또한, 아르미니(A.J. Armini)는 미국특허 제5,919,126호에서 스텐레스 스틸, 티타늄, 또는 니켈-티타늄 합금 재질의 스텐트 표면에 금, 백금, 티타늄 또는 니켈 등의 박막을 증착하고 방사성 동위원소를 주입하여 베타선 방출에 의한 재협착 방지형 스텐트를 고안한 예도 있다.

기계식 심장판막 및 스텐트 등에 사용되는 금속 재료의 항혈전성을 개선하기 위하여 표면에 고분자를 피복하는 연구가 다수 진행되었다. 예를 들면, 나일론 그물(mesh)로 표면을 덮어 주는 방법, 실리콘 또는 폴리우레탄으로 피복하는 방법 등이 제안되었으나 만족할 만한 결과를 얻지 못하였다.

또한, 항혈전제인 헤파린(heparin)이 결합된 고분자 또는 피브린을 피복하거나, 또는 덱사메타존 등 약제를 함유하는 고분자를 피복하여 약제를 서서히 방출시키는 방법들이 제안되었으나 큰 효과를 나타내지 못하였다.

또한, 재료의 항혈전성을 개선하기 위하여 친수성, 소수성, 친수/소수성 미세영역(micro-domain) 구조 및 음이온성 표면을 대상으로 많은 연구들이 진행되어 왔다. 그 중 PEO가 결합된 표면은 단백질 및 혈소판 등의 혈액성분의 부착이 적고 따라서 항혈전성이 개선된다고 보고되었다. 또한 PEO가 결합된 표면에는 세포의 부착 및 퍼짐(spreading)도 대폭 감소하는 한편 박테리아의 부착 및 감염도 크게 감소한다고 보고되었다.

금속은 유기 재료인 고분자와 달리 화학적으로 활성이 있는 관능기가 없으므로 화학적 개질이 불가능하다. 금속, 특히 스텐트 표면을 개질하기 위하여 PEO, 폴리비닐알콜 또는 유사한 친수성 고분자들이 적용된 예가 있지만(미국특허 제5,843,172호 및 제5,897,911호), 금속 표면에 단순히 피복된 것이기 때문에 접착력이 우수하지 못하고 항혈전성 효과도 만족할 만한 수준은 아니었다.

최근 과학자들은 홍합을 생체 접착제의 잠재적 원천으로 보고 많은 연구들을 수행하였다. 홍합은 염도, 습도, 조류, 난류, 파도 등에 의해 특징지어지는 해양 환경에서 그들 스스로가 수중 접착할 수 있게 기능적으로 분화된 접착제를 생산하여 분비한다. 이들은 발에서부터 분비된 섬유다발로 구성된 족사(thread)를 사용하여 물속에서 물질 표면에 강하게 접착한다. 각각의 섬유 끝에는 내수성 접착제로 구성된 플라크(plaque)가 있어서 젖은 고체 표면에 붙을 수 있다. 이러한 족사 단백질은 폴리페놀 산화제(polyphenol oxidase)를 이용해 타이로신(tyrosine) 기를 수화(hydroxylation) 시켜 얻어지는 아미노산인 3,4-디하이드록시페닐-L-알라닌(Dopa)를 많이 포함한다. 도파의 곁가지에 있는 3,4-디하이드록시페닐 (즉, 카테콜)은 친수성 표면과 매우 강한 수소결합을 형성할 수 있으며, 금속이온, 금속산화물(Fe³⁺, Mn³⁺ 등), 반금속(실리콘 등) 등과 강한 결합을 이룰 수 있다.

따라서 본 발명자들은 이러한 홍합의 접착 단백질의 모방 구조를 이용하여 금속 또는 비금속 생체 의료 장치의 표면에 월등한 친수성을 유도하고, 이를 통해 우수한 생물학적 오염 방지능과 항혈전성 및 생체적합성을 얻는 기술을 개발하고자 하였다.

본 발명의 목적은, 홍합의 접착 단백질에 많이 함유되어 있는 도파 아미노산을 포함하는 고분자를 이용하여 상기 의료 장치의 표면을 피복함으로써 친수성으로 표면 개질된 생체 의료 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 생체 의료 장치의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌이민 및 도파를 포함하는 친수성 고분자를 이용하여 피복된 생체 의료 장치를 제공한다.

일 실시예에서, 상기 친수성 고분자는 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민과 폴리도파의 공중합체이다.

일 실시예에서, 상기 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민은 공유결합을 통해서 화학적으로 결합되어 있다.

일 실시예에서, 상기 폴리에틸렌글리콜은 분자량이 300~50,000이다.

일 실시예에서, 상기 폴리에틸렌이민은 분자량이 100~25,000인 가지형 폴리에틸렌이민이다.

일 실시예에서, 상기 도파는 L-도파, D-도파 또는 도파민이다.

일 실시예에서, 상기 도파는 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 단량체를 포함한다.

[화학식 1]

[화학식 2]

일 실시예에서, 상기 친수성 고분자 중 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민과 도파의 몰비율은 1:0.1 내지 1:100 이다.

일 실시예에서, 상기 생체 의료 장치는 금속 또는 비금속으로 이루어진 것이다.

일 실시예에서, 상기 생체 의료 장치는 스텐트, 카테터, 안내철심(guide wire), 인공심장판막, 렌즈 또는 임플란트이다.

또한 본 발명은 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민을 공유 결합시켜 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체를 형성하는 단계; 상기 공유결합체와 도파의 N-카르복실 무수물을 반응시켜 친수성 고분자를 제조하는 단계; 및 상기 친수성 고분자를 완충용액에 녹인 후 생체 의료 장치와 함께 수상에서 피복과정을 수행하는 단계를 포함하는 상기 생체 의료 장치의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민을 공유 결합시켜 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체를 형성하는 단계; 및 상기 공유결합체와 도파민을 완충용액에 용해시킨 후 생체 의료 장치와 함께 수상에서 피복과정을 수행하는 단계를 포함하는 상기 생체 의료 장치의 제조방법을 제공한다.

일 실시예에서, 상기 완충용액은 pH 7 이상 pH 13 이하인 것을 사용한다.

일 실시예에서, 상기 피복과정은 20~90℃에서 수행된다.

본 발명에 의하면, 금속 또는 비금속으로 된 생체 의료 장치에 홍합의 접착 단백질을 모방한 구조의 친수성 고분자를 용이하게 피복할 수 있으며, 그 결과 생체 의료 장치의 표면 친수성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한 본 발명의 친수성 고분자로 피복된 생체 의료 장치의 표면을 전자현미경을 통해 관찰하면, 큰 형태의 변화 없이 균일하게 피복되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 상기 친수성 고분자의 생물학적 오염방지능을 확인하기 위하여 피복 후 평활근세포의 부착을 살펴보면, 세포의 부착이 대조군에 비해 현저하게 저하되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명은 다양한 금속 또는 비금속의 생체 의료 장치에 우수한 접착력을 가지는 새로운 구조의 친수성 고분자를 이용하여, 상기 의료 장치의 표면을 손쉽게 피복할 수 있고, 이를 통해서 상기 의료 장치의 생물학적 오염을 감소시키고 생체적합성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실험예 1에서 피복된 물질 표면의 친수성 정도를 파악하기 위하여 접촉각을 측정한 것이다. (A)는 대조군인 폴리에틸렌 필름의 접촉각 측정 결과이고, (B)는 본 발명의 친수성 고분자(폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체)로 피복된 폴리에틸렌 필름의 접촉각 측정 결과이다.
도 2는 실험예 2에서 피복된 물질 표면의 형태를 조사하기 위해 주사 전자 현미경을 이용하여 분석한 사진이다. (A)는 대조군인 폴리에틸렌 필름의 전자현미경 사진, (B)는 본 발명의 친수성 고분자로 피복된 폴리에틸렌 필름의 전자현미경 사진이다.
도 3은 실험예 3에서 피복된 물질 표면의 생물학적 오염(세포의 부착) 정도를 조사하기 위하여 피복된 물질에 평활근 세포를 배양 후 광학현미경을 통해 분석한 사진이다. (A)는 완충용액으로 세척하기 전의 폴리에틸렌 대조군의 세포배양 사진, (B)는 완충용액으로 세척한 후 폴리에틸렌 대조군의 세포배양 사진, (C)는 완충용액으로 세척하기 전 본 발명의 친수성 고분자로 피복된 폴리에틸렌의 세포 배양 사진, (D)는 완충용액으로 세척한 후 본 발명의 친수성 고분자로 피복된 폴리에틸렌의 세포배양 사진이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌이민 및 도파를 포함하는 친수성 고분자를 이용하여 피복된 생체 의료 장치를 제공한다.

본 발명에서, 상기 친수성 고분자는 홍합의 접착 아미노산인 도파 또는 도파민을 포함하여 금속 또는 비금속 재질의 의료 장치 표면에 친화성을 가지며, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌이민을 포함하여 뛰어난 친수성과 생체적합성을 가진다. 따라서 각종 의료 장치의 표면에 적용되어 그 표면을 친수화 개질시키고, 그로 인해 생물학적 오염(단백질, 지질, 세포 등의 부착)을 방지하며 항혈전성과 생체적합성을 월등하게 높일 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 친수성 고분자는 친수성 및 생체적합성을 가지는 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민, 그리고 금속 또는 비금속 생체 의료 장치와 친화성이 있는 도파 혹은 도파민을 포함하는 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파(민) 공중합체이다.

본 발명에서 사용되는 폴리에틸렌글리콜은 반드시 이에 제한되는 것은 아니나, 분자량이 300~50,000 Da인 것으로, 말단이 기능기로 치환되거나 치환되지 않은 형태일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 폴리에틸렌글리콜은 한쪽 말단이 메톡시기로 치환된 메톡시 폴리에틸렌글리콜(mPEG)을 사용하였는데, 그 이유는 메톡시기로 보호되어 있는 폴리에틸렌글리콜이 구조적으로 보다 안정성을 유지할 수 있기 때문이다.

본 발명에서 사용되는 폴리에틸렌이민은 독성이 없는 가지형 폴리에틸렌이민으로, 분자량이 100~25,000 Da, 바람직하게는 100 내지 2,000 Da인 것을 사용한다. 상기 가지형 폴리에틸렌이민의 분자량이 100 미만일 경우에는 본 발명의 친수성 고분자가 유용한 생리활성물질과 잘 결합할 수 없고, 분자량이 25,000 초과일 경우에는 본 발명의 친수성 고분자가 체내에서 신장을 통해 몸밖으로 배출되기 어려운 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서 상기 폴리에틸렌이민은 분자량이 상기 범위 내인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

바람직하게는 상기 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민은 공유결합을 통해서 화학적으로 결합되어 있다.

본 발명에서 사용되는 도파는 홍합의 접착 아미노산의 일종으로 도파 또는 도파민이다. 예를 들면, L-도파(L-3,4-다이하이드록시페닐알라닌), D-도파(D-3,4-다이하이드록시페닐알라닌) 또는 도파민 중에서 선택된 1종 이상이나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 폴리도파는 이러한 도파의 N-카르복실 무수물(NCA)로부터 합성된 것이거나 혹인 폴리도파민인데, 구체적으로는 L-도파의 N-카르복실 무수물로부터 합성한 L-폴리도파, D-도파의 N-카르복실 무수물로부터 합성한 D-폴리도파, 또는 폴리도파민이다.

바람직하게는 상기 폴리도파는 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 단량체를 포함할 수 있다.

[화학식 1]

[화학식 2]

한편 본 발명에서 사용되는 친수성 고분자에서 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민과 도파의 몰비율은 크게 제한은 없으나, 바람직하게는 1:0.1 내지 1:100, 더욱 바람직하게는 1:1 내지 1:50, 더더욱 바람직하게는 1:3 내지 1:20이다. 몰비율이 상기 범위 내이면 생체 의료 장치에의 피복이 최적화될 수 있다.

이러한 친수성 고분자를 이용하여 피복이 가능한 생체 의료 장치는 금속 또는 비금속 재질의 것으로, 특별히 제한은 없으나, 예를 들면 스텐트, 카테터, 안내철심(guide wire), 인공심장판막, 렌즈, 임플란트 등일 수 있다.

상기 피복방법으로는 당업계에서 공지된 통상의 피복법 또는 코팅법을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 제조된 친수성 고분자를 완충용액에 녹인 후 생체 의료 장치와 함께 수상에서 피복과정을 수행하였다.

본 발명에서 상기 친수성 고분자는 생체 의료 장치의 표면에 직접적으로 피복시킬 수도 있지만, 경우에 따라서는 상기 생체 의료 장치의 표면에 금속 박막을 형성한 후 상기 박막 위에 피복시킬 수도 있다. 나아가 상기 금속 박막에 본 발명의 친수성 고분자와 결합 가능한 관능기를 흡착시킨 후 상기 관능기에 친수성 고분자를 화학적으로 결합시킬 수도 있다. 이 때, 상기 금속 박막은 금, 백금, 은 또는 이들의 합금 박막일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한 본 발명은 상기와 같이 친수성 고분자로 피복되어 표면이 친수성으로 개질된 생체 의료 장치의 제조방법을 제공한다.

구체적으로, 상기 제조방법은,

(1) 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민을 공유 결합시켜 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체를 형성하는 단계; 상기 공유결합체와 도파의 N-카르복실 무수물을 반응시켜 친수성 고분자를 제조하는 단계; 및 상기 친수성 고분자를 완충용액에 녹인 후 생체 의료 장치와 함께 수상에서 피복과정을 수행하는 단계를 포함하거나, 또는

(2) 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민을 공유 결합시켜 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체를 형성하는 단계; 및 상기 공유결합체와 도파민을 완충용액에 용해시킨 후 생체 의료 장치와 함께 수상에서 피복과정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기에서, (1)의 방법으로 제조되는 생체 의료 장치는 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체로 구성된 친수성 고분자가 피복되어 있는 것이고, (2)의 방법으로 제조되는 생체 의료 장치는 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파민 공중합체로 구성된 친수성 고분자가 피복되어 있는 것이다.

먼저, 상기 (1)의 방법에 대해 설명한다.

본 발명에서 사용되는 친수성 고분자의 제조를 위해서, 먼저 폴리에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌이민을 공유결합 시켜 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체를 형성한다. 상기 공유결합체는 친수성 고분자 개시제(macroinitiator)로서 사용되며, 그 구체적인 예로는 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다.

[화학식 3]

상기 식에서, n은 10 내지 10000이고, m은 7 내지 2300이며, p는 9 내지 700이다.

이 때, 폴리에틸렌글리콜은 활성화시킨 후 이용하는 것이 바람직한데, 본 발명의 일 실시예에서는 메톡시 폴리에틸렌글리콜 카르복실을 메틸렌클로라이드에 용해시킨 후 N-하이드록시숙시닐이미드 및 다이사이클로카보다이이미드를 첨가하여 반응시키고, 이어서 다이사이클로헥실우레아를 제거한 후 디에틸에테르에 침전시킴으로써 활성화 형태의 폴리에틸렌글리콜을 수득하였다.

활성화된 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민의 공유결합은 상기 두 고분자가 공유결합될 수 있는 반응이라면 모두 사용 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는 활성화된 폴리에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌이민을 클로로포름에 각각 녹인 다음, 폴리에틸렌글리콜 용액을 폴리에틸렌이민 용액에 한방울씩 떨어뜨려 두 고분자를 공유결합시켰다. 이후 반응이 완료되면 반응액을 농축한 다음 디에틸에테르에 침전시킴으로써 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민의 공유결합체를 수득하였다.

이어서 상기 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민 공유결합체와 도파의 N-카르복실 무수물을 유기용매 상에서 반응시켜 폴리도파를 합성하는 과정을 통해 친수성 고분자를 제조한다.

상기 도파의 N-카르복실 무수물은 도파아미노산을 당업계에서 공지된 아미노산 N-카르복실 무수물의 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 도파를 빙초산에 부유시킨 후 염산 기체를 상온에서 퍼지시키고, 아세트산 무수물을 첨가하여 반응시킨 다음, 진공농축하고 디에틸에테르에 침전시킴으로써 하이드록실 그룹이 보호된 도파 아미노산을 수득하였다. 그 다음 상기 하이드록실 그룹이 보호된 도파 아미노산을 트라이포스젠과 함께 용매에 분산시키고, 오일배스에서 반응시킨 후 헥산에 침전시키는 과정을 수차례 반복함으로써 최종적으로 도파의 N-카르복실 무수물을 수득하였다.

이 때, 상기 유기용매로는 예컨대 THF를 사용할 수 있다.

상기 폴리도파는 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 일차아민이 다중개시제로 역할을 하여 도파 아미노산의 N-카르복실 무수물의 중합을 유도함으로써 합성할 수 있다. 이와 같은 과정을 통해 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민에 합성된 폴리도파가 결합됨에 따라 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체, 즉 친수성 고분자가 합성된다. 이때, 얻어진 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체는 도파의 하이드록실 보호기를 탈보호화하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 방법으로 합성된 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체의 예를 들면, 하기 화학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

[화학식 4]

상기 식에서, n은 10 내지 10000, m은 7 내지 2300, p는 9 내지 700, x+y는 1 내지 10000이다.

이어서 상기 친수성 고분자(공중합체)를 완충용액에 녹인 후 생체 의료 장치와 함께 수상에서 피복과정을 수행함으로써, 본 발명의 표면이 피복된 생체 의료 장치를 제조할 수 있다.

이 때 상기 완충용액으로는 pH 7 이상 pH 13 이하, 바람직하게는 pH 7 이상 pH 10 이하인 것을 사용할 수 있는데, 예를 들면 트리스 완충용액을 사용할 수 있다. 또한 상기의 피복과정은 반응온도 및 반응시간을 적절히 결정할 수 있으나, 20~90℃에서 1~24시간 동안, 바람직하게는 5~20시간 동안 수행될 수 있다.

한편 상기 (2)의 제조방법의 경우에는, 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체를 형성한 다음, 상기 공유결합체와 도파민을 완충용액에 용해시키고 생체 의료 장치와 함께 수상에서 피복과정을 수행한다. 이 방법에서는 생체 의료 장치에 피복이 이루어짐과 동시에 친수성 고분자가 형성된다. 상기의 친수성 고분자는 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파민 공중합체로 구성된 것으로, 이 과정에서 폴리도파민과 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민이 미첼 첨가(Michael addition)와 쉬프 염기 반응(shiff base reaction)을 통해 접합된 형태가 될 수 있다.

이 방법에서 사용되는 친수성 고분자, 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파민 공중합체의 예를 들면, 하기 화학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

[화학식 5]

상기 식에서, n은 10 내지 10000, m은 7 내지 2300, p는 9 내지 700, x는 2 내지 10000이다.

한편 상기 (2)의 방법에서 사용 가능한 완충용액의 종류, 반응온도 및 반응시간 등에 대한 설명은 상기 (1)의 방법에서와 동일하다.

이하 본 발명의 구성을 실시예 및 실험예를 들어 설명하나, 이는 본 발명을 예시하는 것으로, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1. 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민 공유결합체의 합성

1-1.폴리에틸렌글리콜의 활성화

환류 응축기 설치 후 메톡시 폴리에틸렌글리콜카르복실(mPEG-COOH, 5,000)(10g)을 250ml의 플라스크를 이용하여 메틸렌클로라이드(CHCl₂)(50ml)에 용해시켰다. 이후 N-하이드록시숙시닐이미드(0.52g)과 다이사이클로카보다이이미드(0.74g)를 첨가한 후 20시간 동안 상온에서 반응시켰다. 다이사이클로헥실우레아를 필터 과정을 통해서 제거한 후 디에틸에테르에 침전시킴으로써 활성화 형태의 폴리에틸렌글리콜(mPEG-NHS)를 수득하였다.

1-2.폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민 공유결합체의 합성

상기 1-1에서 수득한 활성화 형태의 폴리에틸렌글리콜(mPEG-NHS, 2g)을 클로로포름(200ml)에 녹였다. 이후, 폴리에틸렌이민(Alfa Aesar, 1800da, 0.5g)을 클로로포름(50ml)에 녹인 다음, 여기에 상기 폴리에틸렌글리콜을 녹인 용액을 한 방울씩 떨어뜨림으로써 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민의 공유결합 반응을 수행하였다. 이 때, 상기 반응은 24시간 동안 수행하였으며, 반응 완료 후 진공농축장치를 이용하여 총 부피가 30ml가 되도록 농축한 다음, 디에틸에테르에 침전시킴으로써 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민의 공유결합체(mPEG-bPEI)를 수득하였다.

실시예 2. 도파 N-카르복실 무수물을 이용한 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체의 합성 1

2-1.도파아미노산 N-카르복실 무수물(NCA)의 합성

L-도파(3g)을 빙초산(100ml)에 부유시킨 후 건조된 염산 기체를 5시간 동안 상온에서 퍼지(purging)시켰다. 아세트산무수물(3ml)을 첨가한 후 상온에서 1시간 30분 동안 반응시키고, 다시 아세트산무수물 3ml을 첨가하여 60℃의 오일배스에서 30분 동안 반응한 다음, 진공농축장치에서 농축하고 에탄올을 첨가하여 미반응 아세트산 무수물을 제거하였다. 그 후 디에틸에테르에 침전시킴으로써 하이드록실 그룹이 보호된 도파 아미노산(DOPA(Ac)₂)을 수득하였다.

THF(50ml)에 상기에서 합성된 하이드록실 그룹이 보호된 도파 아미노산 (0.5g) 및 트라이포스젠(triphosgene, 0.5g)을 분산시킨 후, 오일배스에서 60℃의 온도로 반응시킨 다음 헥산(800ml)에 침전시키고, 다시 THF(50ml)에 녹인 후 헥산에 침전시켰다. 이러한 과정을 3번 반복 수행하였으며, 정제 후 진공건조기에서 건조시켜 도파 N-카르복실 무수물(DOPA(AC)₂-NCA)을 수득하였다.

2-2.폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파아미노산 공중합체(mPEG-bPEI-p(DOPA))의 합성

상기 실시예 1에서 제조된 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체(mPEG-bPEI)와 상기 2-1에서 제조된 도파 N-카르복실 무수물(DOPA(AC)₂-NCA)을 1:5의 몰비율로 사용하여 THF 용매에서 반응시킴으로써 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체를 합성하였다.

2-3.폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파아미노산 공중합체의 탈보호화

상기 2-2에서 합성된 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체(0.5g)를 DMF(30ml)에 녹인 후 피페리딘(piperidine, 8ml)을 첨가하고 15분간 반응시킨 다음 디에틸에테르에 침전시킴으로써, 도파의 하이드로실 보호기가 탈보호화된 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체를 수득하였다.

실시예 3. 도파 N-카르복실 무수물을 이용한 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체의 합성 2

실시예 1에서 제조된 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체와 실시예 2-1에서 제조된 도파 N-카르복실 무수물을 1:15의 몰비율로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 실시하여 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체를 수득하였다.

실시예 4. 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체를 이용한 생체 의료 장치의 피복 1

실시예 2에서 합성된 친수성 고분자, 즉 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파의 공중합체(10mg 내지 100mg)를 트리스 완충용액(0.1M, pH 8.5)에 녹인 후 20~90℃에서 생체 의료 장치와 함께 12시간 동안 수상에서 피복과정을 수행하였다.

실시예 5. 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파 공중합체를 이용한 생체 의료 장치의 피복 2

실시예 3에서 합성된 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파의 공중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 실시하였다.

실시예 6. 도파민을 이용한 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파민 공중합체의 합성 및 생체 의료 장치의 피복

도파민 10mg을 5ml의 트리스 완충용액(0.1M, pH 8.5)에 녹인 후 실시예 1에서 합성된 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체(10mg 내지 100mg)를 함께 용해시키고, 20~90℃에서 생체 의료 장치와 함께 12시간 동안 수상에서 피복과정을 수행하였다. 본 과정이 끝나면 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-폴리도파민의 공중합체 형태로 생체 의료 장치 표면에 피복되게 된다.

실험예 1: 피복 후 친수화 정도 분석을 위한 접촉각 측정

본 발명의 친수성 고분자(공중합체)를 이용한 피복 후 친수화 향상 정도를 분석하기 위하여 접촉각을 측정하였다. 본 실험을 위하여 폴리에틸렌 필름 상에 실시예 2에서 얻어진 공중합체를 피복한 후 Contact Angle Meter G10 (독일, Kruss)를 사용하여 접촉각을 측정하였다. 접촉각은 고착된 물방울법에 의해 얻어졌으며, 대조군으로 폴리에틸렌필름을 사용하였다. 그 결과를 도 1에 나타내었다.

도 1에서 보듯이, 본 발명에 따른 친수성 고분자를 이용하여 피복한 경우(B)에는 대조군(A)에 비해 접촉각이 현저히 낮아지는 것으로 나타나, 상기 피복에 의하여 친수성 개질이 일어나는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 2: 주사 전자현미경 분석

본 발명에 따른 피복의 일반적 특성을 관찰하기 위해서, JEOL-6060SEM(일본, JEOL Ltd) 주사 전자현미경(SEM)을 사용하여 피복된 물질 표면의 형태를 조사하였다. 실시예 2에서 얻어진 공중합체로 피복한 폴리에틸렌 필름을 Desk II 냉각 스퍼터/에칭 유닛(뉴저지주 Denton Vacuum LLC)을 사용하여 영상화를 위해 2~3nm의 백금으로 된 층을 스퍼터 코팅하였다. 상기 섬유 직경은 AnalySIS 이미지 처리 소프트웨어(미국 레이크우드 소재 Soft Imaging System Corp.)를 사용하여 판정하였다. 본 실험결과를 도 2에 나타내었다.

도 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 피복의 경우(B), 대조군인 폴리에틸렌 필름(A) 대비 표면의 형태변화가 거의 없다는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 3: 피복 후 생물학적 오염 방지 분석을 위한 평활근 세포의 부착

본 발명에 따른 피복 후 생물학적 오염의 방지 여부를 확인하기 위해서, 평활근 세포를 피복한 6 well 플레이트에 플레이트 당 2 x 10⁶ 세포 농도로 분주하고 12시간 후 현미경을 이용하여 사진을 찍은 다음, 세척 후 다시 사진을 찍어 피복물과 대조군(폴리에틸렌 필름)을 비교하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에서 보듯이, 본 발명에 따른 피복의 경우(C, D)에는 세포가 물질에 잘 달라붙지 못하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 발명에 따라 제조되는 표면이 피복된 생체 의료 장치는 생물학적 오염 방지, 특히 세포 부착 방지에 효과적이라는 사실을 알 수 있었다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

1. 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌이민 및 도파를 포함하는 친수성 고분자를 이용하여 피복된 생체 의료 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 친수성 고분자는 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민과 폴리도파의 공중합체인 것을 특징으로 하는 생체 의료 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 친수성 고분자는 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민이 공유결합을 통해서 화학적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 생체 의료 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 폴리에틸렌글리콜은 분자량이 300~50,000인 것을 특징으로 하는 생체 의료 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 폴리에틸렌이민은 분자량이 100~25,000인 가지형 폴리에틸렌이민인 것을 특징으로 하는 생체 의료 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 도파는 L-도파, D-도파 또는 도파민인 것을 특징으로 하는 생체 의료 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 도파는 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 의료 장치.
   [화학식 1]
   

   

   
   [화학식 2]
   

   

   
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 친수성 고분자 중 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민과 도파의 몰비율이 1:0.1 내지 1:100인 것을 특징으로 하는 생체 의료 장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 생체 의료 장치는 금속 또는 비금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 생체 의료 장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 생체 의료 장치는 스텐트, 카테터, 안내철심(guide wire), 인공심장판막, 렌즈 또는 임플란트인 것을 특징으로 하는 생체 의료 장치.
    
11. 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민을 공유 결합시켜 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체를 형성하는 단계;
    상기 공유결합체와 도파의 N-카르복실 무수물을 반응시켜 친수성 고분자를 제조하는 단계; 및
    상기 친수성 고분자를 완충용액에 녹인 후 생체 의료 장치와 함께 수상에서 피복과정을 수행하는 단계;
    를 포함하는 제1항 기재의 생체 의료 장치의 제조방법.
    
12. 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민을 공유 결합시켜 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민의 공유결합체를 형성하는 단계; 및
    상기 공유결합체와 도파민을 완충용액에 용해시킨 후 생체 의료 장치와 함께 수상에서 피복과정을 수행하는 단계;
    를 포함하는 제1항 기재의 생체 의료 장치의 제조방법.
    
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 완충용액은 pH 7 이상 pH 13 이하인 것을 특징으로 하는 제조방법.
    
14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 피복과정은 20~90℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.

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