KR20140094305A - 아파타이트가 코팅된 콜라겐 지지체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콜라겐 지지체의 표면을 pH 8~11의 모사체액으로 처리하여 아파타이트가 코팅된 콜라겐 지지체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 아파타이트로 코팅처리된 콜라겐 지지체는 단시간에 효율적으로 제조되어, 우수한 생체적합성, 세포적합성, 골전도성 및 골형성단백질 서방형 방출성 등과 같은 골 재생효능을 갖도록 개질되어 의료용 이식재로서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

아파타이트가 코팅된 콜라겐 지지체 제조방법{METHOD FOR PREPARING APATITE-COATED COLLAGEN SCAFFOLD}

본 발명은 우수한 골 재생효능을 갖는 의료용 지지체, 보다 상세하게는 아파타이트로 코팅된 콜라겐 지지체의 제조방법에 관한 것이다.

뼈는 뼈 조직(bone tissue)으로 구성되어 있고 신체의 장기를 지지하고 보호하는 역할을 한다. 뼈 조직을 구성하는 것은 골 조직(osseous tissue)이며 이는 뼈 기관의 강직한 부분을 구성하여 골격계를 이루기 때문에 신체의 중요한 지지적 결합 조직으로 분류된다. 골 조직은 다양한 유기 성분(예: 단백질, 세포)과 무기 성분(예: 아파타이트)으로 이루어진 유-무기 하이브리드(hybrid) 생복합체 물질이다. 예컨대, 천연골의 중요한 화학적 및 기계적 물성은, 칼슘 포스페이트(CaP) 결정인 하이드록시아파타이트[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]가 형성되어 콜라겐 피브릴 사이에 공간적으로 배열되는 계층적 구조로부터 유래한다.

뼈는 신체적 외상으로 인해 균열 또는 분열될 수 있다. 또한 골다공증 또는 뼈를 약화시키는 특정한 의료적 질환으로 인해 생길 수도 있다. 골절 또는 손상된 뼈를 치유하기 위해 인공골과 같은 합성 생물질이 사용되는데, 이러한 합성 생물질을 개질하기 위한 다양한 방법들이 시도되어 왔다.

구체적인 예로서, 플라즈마 분사법을 이용하여 타겟 재료의 표면에 생체적합성 칼슘 포스페이트 박막을 코팅하는 방법이 비특허문헌 1에 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에 의하면, 재료의 안쪽 표면에 균일하게 칼슘 포스페이트 박막을 코팅하기가 어렵고, 플라즈마 방출 시 고온에 고분자 지지체가 노출되기 때문에 지지체가 변형될 수 있다는 단점이 존재한다.

한편, 지지체를 pH 7의 모사체액 (simulated body fluid: SBF)에 담구어 지지체 표면에 칼슘과 인이 주요 성분인 아파타이트 결정을 코팅하는 방법이 비특허문헌 2 내지 4에 개시되어 있다. 또한 특허문헌 1의 경우에도 pH 6 또는 7의 모사체액에 지지체를 담구어 지지체 표면에 아파타이트를 코팅하는 방법을 개시하고 있다. 하지만, 상기 방법들에 의하면, 아파타이트의 표면 코팅에 상당한 시간이 소요된다.

따라서 다양한 의료용 이식재의 필요성이 점점 커짐에 따라, 더욱 우수한 골 재생효능을 갖는 지지체를 보다 효율적으로 제조할 수 있는 기술에 대한 개발이 필요하다.

일본특허출원공개 제 2004-275533 호

J. Biomed. Mater. Res. 48, 741 (1999) J. Biomed. Mater. Res. 24, 721 (1990) Tissue Eng Part A. 17 (17-18):2153-64 (2011) J. Biomater. Sci. 23 1659-1671 (2012)

따라서 본 발명은 우수한 골 재생 효능을 갖는 의료용 지지체를 보다 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 콜라겐 지지체의 표면을 pH 8~11의 모사체액으로 처리하여 아파타이트가 코팅된 콜라겐 지지체를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 콜라겐 지지체가 콜라겐 스펀지인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 모사체액의 온도를 20~40℃로 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명은 최적의 pH 및 온도 조건에서 골의 무기 성분인 아파타이트를 스폰지 형태의 콜라겐 지지체에 효율적으로 코팅시킬 수 있는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 골 재생용 지지체는 우수한 생체적합성과 골전도성을 나타내고, 골 재생을 촉진시키는 성장인자 단백질인 골형성단백질(bone morphogenetic protein)을 서방형으로 방출시킬 수 있으므로, 골 관련 질환을 치료하기 위한 의료용 이식재 또는 골 재생용 골형성단백질의 전달체로 효과적으로 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 방법에 의하면 콜라겐 지지체의 표면을 비교적 빠른 시간 안에 간편하게 개질시킬 수 있어 매우 유용하다.

도 1은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 개괄적인 모식도이다.
도 2 및 도 3은 실시예 및 비교예에 따라 각각 pH와 온도 변화에 따른 콜라겐 지지체 표면에 코팅된 아파타이트의 양을 정량적으로 비교한 결과이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따라 콜라겐 지지체 표면에 코팅된 아파타이트를 촬영한 SEM 사진이다.

이하 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 원리를 보여주는 개괄적인 모식도이다.

본 발명은 NaCl, NaHCO₃, KCl, K₂HPO₄, MgCl₂, CaCl₂, Na₂SO₄ 등이 용해된 모사체액의 pH를 콜라겐의 등전점인 8 이상으로 조절한 것을 특징으로 한다. 콜라겐의 등전점(PI)을 기준으로 모사체액의 pH가 등전점보다 낮은 pH 범위에서는 콜라겐 표면이 양전하를 띄게 되어서 콜라겐 표면에 아파타이트의 주요 성분인 칼슘 이온이 흡착되기 힘들다. 따라서 아파타이트 코팅이 적게 이루어진다. 하지만 모사체액의 pH가 등전점보다 높아지면 콜라겐 표면 전하가 음전하를 많이 띄기 때문에 양전하를 띄는 칼슘 이온이 정전기적 인력에 의해 상대적으로 콜라겐에 잘 결합할 것이다. 따라서 모사체액의 pH가 높아질수록 콜라겐 표면에 아파타이트가 코팅되는 효율이 극대화된다는 결론을 내릴 수 있다.

콜라겐 지지체는 콜라겐 스펀지(collagen sponge)인 것이 바람직하다. 콜라겐 스펀지란 콜라겐에 공동이나 공극을 가지는 구조체라면 형상에 특별히 제한은 없고, 구체적으로는 콜라겐 용액 또는 분산액을 동결건조 하여 제조될 수 있다. 동결건조의 방법에 특별히 제한은 없다.

콜라겐 지지체 표면에 아파타이트 코팅을 실시할 때 콜라겐은 모사체액에 용해되지 않아야 한다. 따라서 필요에 따라 가교시키거나 불용화할 필요가 있다. 구체적으로는 물리적, 화학적 가교를 이용할 수 있고, 구체적으로는 UV 등의 물리적 가교, 글루타르알데히드, 포르말린, 디알데히드 전분 등의 알데히드 화합물, 폴리에틸렌글리콜디글리시딜에테르 등의 수용성 폴리에폭시 화합물, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 등의 이소시아네이트 화합물 등의 화학적 가교를 들 수 있다.당연히 가교제 및 가교물은 세포 독성이 없고, 생체 친화성에 우수한 것이라야 할 것이다.

본 발명에서는 콜라겐 지지체의 표면을 모사체액에 용해된 칼슘과 인이 주요 성분인 아파타이트로 코팅한다. 상기 표면이란 구체적으로는 콜라겐 지지체 바람직하게는 콜라겐 스펀지의 전체적인 표면 이외에, 지지체에 존재하는 공동, 공극의 표면도 포함된다. 아파타이트가 표면 전부에 코팅되어도 좋고, 표면 일부에 부분적으로 코팅되어도 좋다. 코팅 수단은 특별히 한정되는 것이 아니나, 모사체액에 콜라겐 지지체를 침지하는 방법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

모사체액은, 증류수에 염류가 포함되는 용액을 말한 것이고, 염 성분으로는 NaCl, NaHCO₃, KCl, K₂HPO₄, MgCl₂, CaCl₂, Na₂SO₄ 등이고, 바람직하게는 NaCl, NaHCO₃, K₂HPO₄, CaCl₂ 를 함유하는 체액이다. 모사체액의 염 농도는 정상적인 체액의 농도 내지 10 배 농도의 범위이다.

침지 시간은 1일 이상으로, 길면 길수록 다량의 아파타이트를 코팅할 수 있다. 본 발명은 1일이라는 단시간에도 놀라운 코팅효과를 얻을 수 있다. 단시간 내 코팅은 콜라겐 변성을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 침지 온도 4~40℃의 범위, 더욱 바람직하게는 20~40℃의 범위이다. 콜라겐이 변성을 일으키지 않는 한 높은 온도일수록 코팅시간을 단축시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 아파타이트로 코팅처리된 콜라겐 지지체는 단시간에 효율적으로 제조되어, 우수한 생체적합성, 세포적합성 및 골전도성(osteoconductivity) 등과 같은 골 재생효능을 갖도록 개질되어 의료용 이식재로서 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

우선 소 유래의 콜라겐 타입 1로 이루어진 콜라겐 스펀지를 준비하였다. 다음과 같은 구성의 모사체액을 제조하였다. NaCl (8.0035 g/L), NaHCO₃ (0.355 g/L), KCl (0.225 g/L), K₂HPO₄·3H₂O (0.231 g/L), CaCl₂ (0.292 g/L), Na₂SO₄ (0.072 g/L), and MgCl₂·6H₂O (0.311 g/L)을 증류수에 용해시켰다.

위 구성성분의 모사체액에 NaOH 또는 HCl을 첨가하여 pH 범위를 pH 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11로 설정하였다. pH 4, 5, 6, 7은 비교예이고, pH 8, 9, 10, 11은 실시예이다.

상기 모사체액 각각에 콜라겐 고분자 지지체를 침지시켜 4℃, 20℃, 40℃의 서로 다른 온도 조건에서 24시간 동안 반응시켜, 아파타이트가 표면에 코팅된 콜라겐 지지체를 얻었다. 그리고 비교를 위해 아무런 처리를 하지 않은 콜라겐 지지체를 준비하였다.

각 온도 조건에서 모사체액의 pH를 4부터 11까지 변화시켜 처리한 콜라겐 지지체의 아파타이트 양을 도 2에 나타내었다. 온도 조건에 상관없이 pH가 증가할 수록, 특히 pH 8 이상에서 지지체 표면에 코팅된 아파타이트의 양이 확실히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉 모사체액의 pH가 점점 높아질수록 콜라겐 지지체의 표면 전하가 더 강한 음전하를 띠게 되므로, 양전하를 띠는 칼슘 이온이 정전기적 인력에 의해 콜라겐 지지체 표면에 더욱 잘 결합하게 되는 것을 확인하였다.

도 3은 각각의 pH 조건에서 모사체액의 온도 변화(4℃, 20℃, 40℃)에 따른 콜라겐 지지체 표면의 아파타이트 양을 나타낸 것이다. 이를 통해, 대체적으로 온도가 높을수록 아파타이트의 코팅이 더 잘 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 온도가 높아질수록 이온상태의 Ca^{2 +}와 음전하를 띠는 콜라겐 지지체의 정전기적 결합 반응 속도가 증가하는 것으로 설명할 수 있다.

도 4는 각 조건에서 콜라겐 표면에 코팅된 아파타이트의 양을 보여주는 SEM 이미지이다. SEM 사진으로부터도 모사체액의 pH와 온도가 높을수록 콜라겐 지지체 표면에 코팅된 아파타이트의 양이 대폭 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Claims (3)

1. 콜라겐 지지체를 pH 8~11의 모사체액으로 처리하여 아파타이트가 코팅된 콜라겐 지지체를 제조하는 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 콜라겐 지지체가 콜라겐 스펀지인 것을 특징으로 하는 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 모사체액의 온도를 20~40℃로 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.

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