KR20160001390A - 생체활성 물질로 표면개질된 임플란트 및 이의 제조방법 - Google Patents

생체활성 물질로 표면개질된 임플란트 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노튜브 내에 탑재된 생체활성 물질로 표면개질된 임플란트 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 표면개질된 임플란트는 나노튜브 내에 탑재된 생체활성 물질을 임플란트 표면에 코팅하여 제조됨으로써, 생체활성 물질의 박리 또는 유실 없이 시술부위에 생체활성 물질을 정확하게 전달하여 안정적인 시술 및 치유기간의 단축이 가능한 효과가 있다.

Description

생체활성 물질로 표면개질된 임플란트 및 이의 제조방법{Implant surface- modified by bioactive material and method for preparing the same}
본 발명은 나노튜브 내에 탑재된 생체활성 물질로 표면개질된 임플란트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
임플란트는 생체 내에 매식되어 소기의 기능을 발휘하는 생체 매식용 의료기구이다. 따라서 임플란트는 반복되는 하중 및 순간적인 압력에도 견딜 수 있는 기계적 강도를 지니고 있어야 함은 물론, 생체 친화성, 화학적 적합성 등의 조건을 만족해야 한다. 일반적으로 임플란트 소재로는 우수한 화학, 기계적 특성을 갖는 티타늄 및 그 합금이 가장 널리 사용되어 왔다. 그러나 티타늄이 나타내는 생체활성은 부족하여 골형성을 적극적으로 유도하지 못하여 치유기간이 길고, 염증반응을 나타내며, 골질이 불량한 부위에서는 성공률이 낮은 단점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 티타늄 표면특성이 중요시 대두되면서 다양한 표면개질 방법이 연구되어 왔다. 최근에는, 생체활성을 부여하기 위해 임플란트 소재 표면에 인산 또는 인산칼슘을 코팅하거나 양극산화와 같은 전기화학적인 방법을 이용하여 나노구조물을 코팅하는 등의 다양한 물리적, 화학적 표면처리 방법들이 적용되어 왔다. 그러나, 이러한 다양한 표면처리 방법에도 불구하고, 임플란트 시술시 주변골과의 마찰에 의해 코팅된 생체활성 물질이 박리되거나, 시술시 동반되는 혈액 또는 생리식염수 등에 의해 유실되는 등의 시술부위에 생체활성 물질을 정확하게 전달할 수 없는 문제는 여전히 존재하고 있다.
따라서, 생체활성 물질의 박리 또는 유실 없이 시술부위에 생체활성 물질을 정확하게 전달할 수 있는 표면개질된 임플란트에 대한 연구의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
KR 10-2007-0061993
본 발명자들은 표면개질된 임플란트에 대해 탐색하던 중, 나노튜브 내에 탑재된 생체활성 물질을 임플란트 표면에 코팅하는 경우, 생체활성 물질의 박리 또는 유실 없이 시술부위에 생체활성 물질을 정확하게 전달하여 안정적인 시술 및 치유기간의 단축이 가능한 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 나노튜브 내에 탑재된 생체활성 물질로 표면개질된 임플란트 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서,
본 발명은
임플란트 표면 위에 형성된 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층, 및 상기 나노튜브 층 내에 탑재된 생체활성 물질을 포함하는, 표면개질된 임플란트를 제공한다.
또한, 본 발명은
(1) 임플란트 표면 위에 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층을 형성하는 단계;
(2) 상기 나노튜브 층이 형성된 임플란트를 열처리하는 단계; 및
(3) 상기 열처리된 나노튜브 층이 형성된 임플란트 표면 위에 생체활성 물질을 도포한 후, 진공 분위기하에서 20 내지 30 시간 동안 건조하는 단계를 포함하는, 표면개질된 임플란트의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 임플란트 표면 위에 형성된 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층, 및 상기 나노튜브 층 내에 탑재된 생체활성 물질을 포함하는, 표면개질된 임플란트를 제공한다.
또한, 본 발명은 (1) 임플란트 표면 위에 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층을 형성하는 단계; (2) 상기 나노튜브 층이 형성된 임플란트를 열처리하는 단계; 및 (3) 상기 열처리된 나노튜브 층이 형성된 임플란트 표면 위에 생체활성 물질을 도포한 후, 진공 분위기하에서 20 내지 30 시간 동안 건조하는 단계를 포함하는, 표면개질된 임플란트의 제조방법을 제공한다.
상기 (1)단계는 임플란트 표면 위에 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층을 형성하는 단계로, 상기 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층은 티타늄 또는 티타늄 합금을 양극산화 처리하여 형성되는 것이 바람직하다. 상기 티타늄 표면에 형성된 얇은 산화층은 체내에 매식 후 금속이온의 용출과 부식을 막는 역할을 하며, 골조직과 접촉하고 있어 티타늄 임플란트의 생체적합성에 기여한다.
상기 티타늄 합금은 알루미늄, 탄탈륨, 니오븀, 바나듐, 지르코늄, 플래티늄, 마그네슘 및 나트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상과 상기 티타늄을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (2)단계는 상기 나노튜브 층이 형성된 임플란트를 열처리하는 단계로, 상기 열처리는 3~7℃/min의 승온속도로 400~600℃에서 1~3시간 동안 수행하는 것이 바람직하고, 5℃/min의 승온속도로 500℃에서 2시간 동안 수행하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 열처리를 통해, 이산화티타늄 나노튜브 층의 구조적 안정화와 결정화 및 불순물 제거하는 효과가 있다.
상기 (3)단계는 상기 열처리된 임플란트 표면 위에 생체활성 물질을 도포한 후, 진공 분위기하에서 20 내지 30 시간 동안 건조하는 단계이다.
상기 생체활성 물질은 항염증, 항산화 또는 골생성 효과를 갖는 천연 및 인공물질일 수 있다. 일 예로, 금 나노입자, 펩타이드, 효소, 전사인자, 소분자약물, 리포좀, 뉴클레오티드, 독소, 항원성 펩티드, 항체, 호르몬, 운반 단백질, 면역글로불린, 구조 단백질, 운동 기능 단백질, 수용체, 신호(signaling) 단백질, 저장 단백질, 막 단백질, 막횡단(transmembrane) 단백질, 내부(internal) 단백질, 외부(external) 단백질, 분비 단백질, 바이러스 단백질, 선천성(native) 단백질, 당 단백질, 절단된 단백질, 이황화 결합을 갖는 단백질, 단백질 복합체, 화학적으로 개질된 단백질, 프리온(prions), 및 항체 단편으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것이 바람직하고, 금 나노입자인 것이 더욱 바람직하다.
상기 생체활성 물질의 탑재는 나노튜브 층이 형성된 임플란트 표면 위에 생체활성 물질을 도포한 후, 진공 분위기하에서 20 내지 30 시간 동안 건조하는 것이 바람직하고, 24시간 동안 건조하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 임플란트 재료로 사용되는 티타늄 또는 티타늄 합금은 생체활성이 부족하여 골형성을 적극적으로 유도하지는 못하고, 치유기간이 길고, 골질이 불량한 부위에서는 성공률이 감소하는 단점을 가지고 있다. 따라서, 항염증, 항산화 또는 골생성 기능을 갖는 생체활성 물질을 나노구조물에 탑재하여 시술부위에 생체활성 물질을 정확하게 전달함으로써 항염증, 항산화 또는 골생성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 표면개질된 임플란트는 나노튜브 내에 탑재된 생체활성 물질을 임플란트 표면에 코팅하여 제조됨으로써, 생체활성 물질의 박리 또는 유실 없이 시술부위에 생체활성 물질을 정확하게 전달하여 안정적인 시술 및 치유기간의 단축이 가능한 효과가 있다.
도 1은 실시예 1에 따른 금 나노입자를 도포한 후, 진공분위기 하에서 24시간 동안 건조하여 표면개질한 임플란트 표면을 전계-주사전자현미경(FE-SEM)으로 관찰한 도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 금 나노입자를 도포한 후, 대기분위기 하에서 24시간 동안 건조하여 표면개질한 임플란트 표면을 FE-SEM으로 관찰한 도이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 표면개질된 임플란트의 제조
1-1. 나노튜브 양극산화
티타늄 임플란트 시편(10mm × 10mm)을 준비한 다음, 상기 시편 위에 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층의 생성을 위해 직류전원공급장치(DADP-1003R, 다우나노텍, Korea)를 이용하여 양극과 음극에 각각 티타늄 임플란트 시편과 백금판을 연결하고, 전압 20V, 전류밀도 30mA/cm2, 직류 전원을 1시간 동안 인가하였다. 전해액은 20 wt% H2O와 1 wt% NH4F가 포함된 글리세롤(glycerol)을 혼합하여 사용하였다.
양극산화처리 후, 시편의 표면을 3차 증류수로 세척한 다음 50℃가 유지되는 건조기에서 24시간 이상 보관하였다. 시편의 표면에 형성된 이산화티타늄 나노튜브 층의 구조적 안정화와 결정화 및 불순물 제거를 위해 승온속도 5℃/min의 속도로 500℃에서 2시간 동안 유지하였다.
1-2. 생체활성 물질의 탑재
상기 실시예 1-1에서 준비된 이산화티타늄 나노튜브 층이 형성된 티타늄 임플란트 시편에 금 나노입자 용액을 도포한 후, 각각 별도로 진공분위기 또는 대기분위기 하에서 24시간 동안 실온 건조함으로써, 금 나노입자를 나노튜브 층 내에 탑재하였다.
실험예 1. 표면개질된 임플란트의 SEM 측정 결과
실시예 1에 따른 금 나노입자를 도포하고, 진공분위기 하에서 24시간 건조하여 표면개질한 임플란트의 표면을 전계-주사전자현미경(FE-SEM)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다,
또한 금 나노입자를 도포하고, 대기분위기 하에서 24시간 건조하여 표면개질한 임플란트의 표면을 FE-SEM으로 관찰하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 금 나노입자의 도포 후, 진공분위기 하에서 건조한 경우는 나노튜브 층 내에 금 나노입자가 탑재된 것을 확인할 수 있으나, 대기분위기 하에서 건조한 경우는 금 나노입자가 탑재되지 않은 것을 확인할 수 있다. 이것은 진공분위기 하에서 나노튜브 내부의 공기가 외부로 방출되면서 나노튜브 표면에 도포되어 있던 금 나노입자가 나노튜브 내부로 탑재된 것으로 생각된다.
상기 결과에 따른, 나노튜브 내에 탑재된 생체활성 물질이 코팅된 임플란트는, 시술시 주변골과의 마찰에 의해 코팅된 생체활성 물질이 박리되거나, 동반되는 혈액 또는 생리식염수 등에 의해 생체활성 물질이 유실되는 문제가 없으므로, 시술부위에 생체활성 물질을 정확하게 전달할 수 있다.

Claims (9)

  1. 임플란트 표면 위에 형성된 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층, 및 상기 나노튜브 층 내에 탑재된 생체활성 물질을 포함하는, 표면개질된 임플란트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층은 티타늄 또는 티타늄 합금을 양극산화 처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 표면개질된 임플란트.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 티타늄 합금은 알루미늄, 탄탈륨, 니오븀, 바나듐, 지르코늄, 플래티늄, 마그네슘 및 나트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상과 상기 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는, 표면개질된 임플란트.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 생체활성 물질은 금 나노입자, 펩타이드, 효소, 전사인자, 소분자약물, 리포좀, 뉴클레오티드, 독소, 항원성 펩티드, 항체, 호르몬, 운반 단백질, 면역글로불린, 구조 단백질, 운동 기능 단백질, 수용체, 신호(signaling) 단백질, 저장 단백질, 막 단백질, 막횡단(transmembrane) 단백질, 내부(internal) 단백질, 외부(external) 단백질, 분비 단백질, 바이러스 단백질, 선천성(native) 단백질, 당 단백질, 절단된 단백질, 이황화 결합을 갖는 단백질, 단백질 복합체, 화학적으로 개질된 단백질, 프리온(prions), 및 항체 단편으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 표면개질된 임플란트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 생체활성 물질의 탑재는 나노튜브 층이 형성된 임플란트 표면 위에 생체활성 물질을 도포한 후, 진공분위기 하에서 20 내지 30 시간 동안 건조하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 표면개질된 임플란트.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 표면개질된 임플란트는 항염증, 항산화 또는 골생성 활성을 갖는 것을 특징으로 하는, 표면개질된 임플란트.
  7. (1) 임플란트 표면 위에 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 층을 형성하는 단계;
    (2) 상기 나노튜브 층이 형성된 임플란트를 열처리하는 단계; 및
    (3) 상기 열처리된 나노튜브 층이 형성된 임플란트 표면 위에 생체활성 물질을 도포한 후, 진공 분위기하에서 20 내지 30 시간 동안 건조하는 단계를 포함하는, 표면개질된 임플란트의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 열처리는 3~7℃/min의 승온속도로 400~600℃에서 1~3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는, 표면개질된 임플란트의 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 생체활성 물질은 금 나노입자, 펩타이드, 효소, 전사인자, 소분자약물, 리포좀, 뉴클레오티드, 독소, 항원성 펩티드, 항체, 호르몬, 운반 단백질, 면역글로불린, 구조 단백질, 운동 기능 단백질, 수용체, 신호(signaling) 단백질, 저장 단백질, 막 단백질, 막횡단(transmembrane) 단백질, 내부(internal) 단백질, 외부(external) 단백질, 분비 단백질, 바이러스 단백질, 선천성(native) 단백질, 당 단백질, 절단된 단백질, 이황화 결합을 갖는 단백질, 단백질 복합체, 화학적으로 개질된 단백질, 프리온(prions), 및 항체 단편으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 표면개질된 임플란트의 제조방법.
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