KR20160122657A - 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생분해성 고분자 하이드로겔에 인산칼슘 입자들이 삽입된 복합체에 추가로 투입된 2가 금속 이온을 통해 음이온성 작용기들이 가교결합된 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체 및 이의 제조방법{Dual crossslinked biodegradable polymer hydrogel-calcium phosphate complex and a preparation method therof}
본 발명은 생분해성 고분자 하이드로겔에 인산칼슘 입자들이 삽입된 복합체에 추가로 투입된 2가 금속 이온을 통해 음이온성 작용기들이 가교결합된 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
생체적합성이 우수한 하이드로겔과 같은 생체재료를 기반으로 하는 지지체를 이용하여 세포를 생체 외에서 배양하여 이식 가능한 조직으로 키우는 조직공학연구가 활발해짐에 따라 그 지지체로 사용가능한 생체재료 예컨대, 하이드로겔에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. 하이드로겔은 크게 히알루론산(hyaluronic acid), 알지네이트(alginate), 콜라겐(collagen), 알긴산(alginic acid), 헤파린(heparin) 및 헤파란(heparan) 등의 천연 하이드로겔과 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol); PEG)나 폴리락트산-글리콜산 공중합체(poly(latic-co-glycolic acid); PLGA)를 기반으로 하는 합성 하이드로겔로 분류될 수 있으며, 상기 천연 하이드로겔은 체내에 존재하는 물질로 생체적합성이 우수하고 체내의 특이적인 효소에 의해 분해되어 자연적으로 흡수될 수 있는 생분해성 고분자이다.
그러나, 상기 생분해성 고분자들이 생체조직 재생용 지지체로 사용되기 위해서는 일정수준 이상의 하중을 견딜 수 있는 기계적 강도가 필요한데, 상기 고분자들 자체로는 기계적 강도가 약하다는 단점이 있어, 제한적으로 사용되고 있다.
이들 생분해성 고분자의 기계적 강도를 향상시키기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다. 예컨대, 가교 시스템을 늘리거나, 기계적 강도를 높일 수 있는 물질을 첨가하는 것이 대표적인 방법이다. 먼저, 가교 시스템을 늘리는 방법으로는 광가교법, 가교제를 이용한 화학적 가교법 등을 같이 사용하거나, 다수의 가교제를 사용하여 가교 정도를 늘리는 방법 등이 있다. 또한, 화학적 가교법을 이용하여 고분자 구조의 반응기를 공유결합시켜 연결하는 동시에 수소결합이나 이온결합을 추가적으로 유도하여 가교 시스템을 늘리는 방법이 있다. 다양한 가교방법을 조합하여 가교 시스템을 늘리거나, 가교제의 농도 및 함량을 증가시켜 가교 정도를 증가시키는 방법도 이에 해당한다. 그러나, 가교제의 양이 지나치게 많을 경우, 잔류하는 가교제의 독성으로 인해 생체 특성이 현저히 저하되는 단점이 있다. 따라서, 적정 농도 및 양으로 가교제를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 기계적 강도를 높일 수 있는 물질을 첨가하는 방법으로는 생체적합성이 우수한 천연 고분자 2종 이상을 혼합한 하이드로겔, 또는 합성 고분자인 PCL, PLGA, PGA와 혼합하거나, 실리카, 히드록시아파타이트 등의 생체세라믹 소재와 혼합하는 방법 등이 있다. 구체적으로, 겔 내부에서 생체세라믹 입자 특히, 인산칼슘을 공침시키는 방법으로 제조된 생분해성 고분자 예컨대, 광가교 히알루론산 하이드로겔에 인산칼슘이 균일하게 분포된 복합체가 개발되었다.
그러나, 상기 인산칼슘 입자들이 히알루론산 하이드로겔에 삽입된 복합체는 인산칼슘을 포함하지 않는 히알루론산 하이드로겔 자체에 비해서는 향상된 강도를 제공할 수 있었으나, 조직공학적 지지체로 사용하기에는 여전히 부족한 수준이었다.
본 발명자들은 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체에 추가적인 강도를 부여하기 위한 방법을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 자유 음이온성 작용기 예컨대, 카르복시기 또는 히드록시기를 포함하는 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체을 단순히 2가 금속 이온을 함유하는 용액에 침지시킴으로서 추가적인 가교제 등이 없이도 추가적인 가교결합을 형성하여 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 제공할 수 있으며, 상기 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체는 추가적인 가교결합을 형성하지 않은 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체에 비해 현저히 향상된 강도를 가짐을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1양태는 생분해성 고분자 하이드로겔에 인산칼슘 입자들이 삽입된 복합체에 추가로 투입된 2가 금속 이온을 통해 음이온성 작용기들이 가교결합된 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 제공한다.
본 발명의 제2양태는 생분해성 고분자 하이드로겔을 준비하는 제1단계; 상기 하이드로겔을 칼슘이온 및 인산이온을 함유하는 용액에 침지시킨 후 암모늄 용액에 침지시켜 인산칼슘을 석출시켜 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 형성하는 제2단계; 및 2가 금속 이온을 함유하는 용액에 상기 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 침지시켜 가교시키는 제3단계를 포함하는, 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체을 다가 금속 이온 특히, 2가 금속 이온으로 처리하여 가교제 등을 첨가하지 않고도 추가적인 가교결합을 형성하여 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 제조할 수 있으며, 이와 같이 제조된 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체는 현저히 향상된 강도를 갖는다는 것을 최초로 발견한 것이 특징이다.
본 발명은 생분해성 고분자 하이드로겔에 인산칼슘 입자들이 삽입된 복합체에 추가로 투입된 2가 금속 이온을 통해 음이온성 작용기들이 가교결합된 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 제공할 수 있다.
상기 생분해성 고분자는 글루코사민, N-아세틸글루코사민, 글루쿠론산, 갈락토사민, N-아세틸갈락토사민설페이트 및 이두론산으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 단량체로부터 제조된 것일 수 있다. 바람직하게, 상기 생분해성 고분자는 히알루론산, 키토산, 알긴산, 콘드로이틴, 헤파린 또는 헤파란일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이때, 생분해성 고분자 하이드로겔에 삽입된 인산칼슘 입자들은 평균 직경 50 nm 내지 500 nm의 크기를 갖는 것일 수 있다. 상기 인산칼슘 입자의 크기는 이를 형성하기 위하여 첨가되는 칼슘이온 및 인산이온을 함유하는 용액의 농도에 따라 조절될 수 있다. 인산칼슘 입자의 평균 직경이 50 nm 미만인 경우 체내 주입시 인산칼슘이 대식세포에 인식되어 빠르게 분해되므로 복합체의 강도증강효과가 미비할 수 있으며, 500 nm 초과하는 경우 즉, 고농도의 칼슘이온 및 인산이온을 함유하는 용액을 사용하여 반응시킬 경우 인산칼슘 석출이 가능하기는 하나 형성되는 입자의 생성 균일도가 떨어지고 겔 내부에서가 아니라 겔의 겉표면에서 석출입자가 불균일하게 생성될 수 있다.
또한, 상기 인산칼슘 입자를 총 하이드로겔 복합체 중량에 대해 10 내지 50 중량%로 함유할 수 있다. 인산칼슘의 함량이 10% 미만일 경우 인산칼슘 입자가 매우 작아져서 전술한 바와 같이 생체 내에 주입시 빠르게 분해될 우려가 있으며, 50 중량%를 초과하는 경우에는 겔 내에서 석출되지 않고 표면에서 불균일하게 형성될 가능성이 있다.
본 발명에 따른 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체는 500 Pa 이상의 전단계수를 가질 수 있다. 응용분야 중 한 예로 일반적인 필러 상품의 경우 대부분이 500 Pa 이하 또는 비슷한 전단계수를 나타내는데 본 발명으로 인산칼슘 함량을 조절함으로써 500 Pa 이상의 다양한 전단계수 값으로 조절이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 하중을 어느 정도 버텨야하는 지지체 역할로 응용이 될 경우, 500 Pa의 전단계수를 갖는 것이 바람직하며, 생체 조직의 하중을 견디기 위해서는 보다 높은 전단계수를 갖도록 증진시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체는 생분해성 고분자 하이드로겔을 준비하는 제1단계; 상기 하이드로겔을 칼슘이온 및 인산이온을 함유하는 용액에 침지시킨 후 암모늄 용액에 침지시켜 인산칼슘을 석출시켜 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 형성하는 제2단계; 및 2가 금속 이온을 함유하는 용액에 상기 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 침지시켜 가교시키는 제3단계를 통해 제조할 수 있다.
상기 생분해성 고분자 하이드로겔은 고분자를 메타크릴레이트 작용기로 수식하고 광가교시켜 준비할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 당업계에 공지된 방법을 적절히 변형하여 제조할 수 있다.
상기 생분해성 고분자는 결합가능한 음이온성 작용기 예컨대, 자유 카르복시기 또는 히드록시기를 포함하는 고분자일 수 있다. 상기 자유 카르복시기 또는 히드록시기는 음이온성 작용기로 pH에 따라 -COO- 또는 -O-로 전환되어 첨가된 2가 금속 이온과의 이온결합에 참여할 수 있다.
상기 2가 금속 이온은 Ca2 +, Be2 +, Mg2 +, Sr2 +, Ba2 +, Ra2 + 또는 이들의 조합일 수 있다. 2가 금속 이온은 생분해성 고분자의 2개의 자유 음이온성 작용기와 이온결합할 수 있으므로 상기 복수의 이온결합을 통해 추가적인 가교결합을 제공할 수 있다.
상기 2가 금속 이온을 함유하는 용액의 농도는 0.001 내지 1.5 M일 수 있다. 상기 금속 이온의 농도가 0.001 M 미만인 경우 현저한 강도증진효과를 기대하기 어려우며, 1.5 M 초과인 경우 불필요한 결정들이 형성되어 생체특성이 저하될 수 있다.
바람직하게, 2가 금속 이온과 추가적인 가교를 형성하는 상기 제3단계는 pH 6 이상 13 이하의 용액에서 수행할 수 있다. 상기 가교 반응은 음이온성 작용기인 자유 카르복시기 또는 히드록시기를 통해 발생하는 바, 상기 작용기들이 음이온의 형태로 존재하는 것이 바람직하다. 따라서 이들 작용기가 약산성 작용기임을 감안할 때 이들이 음이온 형태로 존재하기 위해서는 약산성 또는 염기성인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제3단계의 가교 반응을 수행하기에 앞서, 용액의 pH가 상기 조건을 만족하도록 염기성 용액으로 처리하여 pH를 조절하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.
상기 제3단계는 3 내지 12시간 동안 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 제3단계를 3시간 미만으로 수행하는 경우 가교 결합이 충분히 이루어지지 못해 원하는 만큼의 강도 향상 효과를 나타내지 못할 수 있으며, 12시간을 초과하여 수행하는 경우에는 이미 충분히 가교 결합된 상태에서 불필요하게 시간을 지체함으로 역반응을 유발할 수 있다. 또한, pH가 낮은 용액에서 장시간 반응을 수행하는 경우, 오히려 하이드로겔의 분해가 일어날 수 있어 안정성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에 따른 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체는 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 다가 금속 이온 특히, 2가 금속 이온으로 처리하여 가교제 등을 첨가하지 않고도 추가적인 가교결합을 형성하여 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 제조할 수 있으며, 이와 같이 제조된 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체는 현저히 향상된 강도를 제공할 수 있으므로, 조직공학적 지지체로 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 이중가교를 이용하여 제작한 히알루론산 하이드로겔-인산칼슘 복합체 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히알루론산 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 육안으로 확인한 결과를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘이온을 이용하여 제조한 히알루론산 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 주파수에 따른 전단계수를 나타낸 도이다.
도 4는 다양한 양이온(Ca2 +, Na+, Al3 +, Ba2 +, Sr2 + 및 Fe3 +)을 이용하여 제조한 히알루론산 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 전단계수를 비교하여 나타낸 도이다.
도 5는 다양한 양이온(Ca2 +, Na+, Al3 +, Ba2 +, Sr2 + 및 Fe3 +)을 이용하여 제조한 히알루론산 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 팽윤도를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히알루론산 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 pH에 따른 전단계수 변화를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히알루론산 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 물성 향상 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 8은 공침법으로 석출된 인산칼슘 입자 변화를 TEM으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
비교예 및 실시예 : 시료의 제조
스텝 1: 광가교를 통한 히알루론산 하이드로겔의 제조
히알루론산에 메타크릴레이트 작용기를 도입하고 광가교하여 단일가교(single crosslinking) 히알루론산 하이드로겔을 제조하였다. 구체적으로, 히알루론산 1% 용액에 글리시딜메타크릴레이트(glycidyl methacrylate)를 처리하여 글리시딜메타크릴화된 히알루론산(glycidyl methacrylateㅇ hyaluronic acid; GMHA)를 합성한 후 이를 다시 1% 수용액으로 제조하였다. 상기 반응 용액에 광개시제로써 Iragacure 2959를 첨가하고 425 nm 파장의 자외선을 15분 동안 조사하여 광가교된 하이드로겔을 제조하였다.
스텝 2: 하이드로겔 내에서 인산칼슘의 석출
공침법을 이용하여 상기 비교예 1에서 제조한 히알루론산 하이드로겔과 인산칼슘의 복합체를 제조하였다. 구체적으로 CaCl2와 H3PO4를 각각 0.153 M 및 0.092 M 농도로 준비하여 혼합용액을 제조한 뒤 하이드로겔을 침지시켰다. 이로부터 생성된 Ca2+ 및 PO4 3 + 이온을 함유한 하이드로겔을 7.5 중량% 암모늄 용액에 다시 침지시켜 겔 내부에 인산칼슘을 석출시켰다. 이때, 석출된 인산칼슘 입자들은 평균 170 nm의 크기를 가졌으며, 석출량은 히알루론산 대비 30 중량%였다.
스텝 3: 양이온 첨가에 의한 추가적인 이온가교
상기 스텝 1 또는 스텝 1 및 2를 통해 제조된 내부에 석출된 인산칼슘을 불포함 또는 포함하는 히알루론산 하이드로겔을 다양한 다가 금속 양이온이 1 M 농도로 용해된 용액(대조군; Na+, 2가 금속 이온; Ca2 +, Ba2 + 및 Sr2 +, 3가 금속 양이온; Al3 + 및 Fe3 +)에 6시간 동안 침지시켜 이온가교를 진행하였다. 상기 과정으로 히알루론산의 가교되지 않은 작용기(-COOH 또는 -OH)가 다가 금속 양이온을 통해 추가적으로 교차결합되었으며, 이를 이중가교(dual crosslinking)라 칭하였다. 이와 같이, 다양한 금속이온을 함유하는 용액에서 이중가교를 진행함으로서 이온의 전하수 및/또는 종류에 따른 효과를 확인하였다. 상기 금속이온을 제공하기 위하여 각각 NaCl, CaCl2, BaCl2, SrCl2, Al(NO3)3, FeCl3을 사용하였다. 이때, NaCl, CaCl2, BaCl2 및 SrCl2 용액은 중성이었으며, Al(NO3)3 및 FeCl3 용액은 강한 산성을 나타내었다.
상기 스텝 1 내지 3 중 하나 이상을 조합하여 수행함으로써 4개 그룹의 시료를 준비하였다. 우선 스텝 2의 인산칼슘 석출 과정을 포함(w/o precipitation) 또는 불포함(w/ precipitation)하는 공정에 의해 제조되는 시료를 각각 히알루론산(hyaluronic acid; HAc) 순물질(pure)과 인산칼슘(calcium phosphate; CaP)과의 복합체(composite; HAc/CaP)로 구분하였다. 또한, 스텝 3의 추가적인 이온가교의 수행여부에 따라 단일가교(single crosslinking; 도면에서 Single-CL로 표기)와 이중가교(dual crosslinking; 도면에서 dual-CL로 표기) 군으로 구분하였다. 이에 따라 최종적으로, 스텝 1에 따라 제조된 단일가교된 히알루론산인 음성대조군(Single-CL HAc); 스텝 1 및 스텝 2에 따라 제조된 단일가교된 히알루론산 인산칼슘 복합체인 제1비교군(Single-CL HAc/CaP); 스텝 1 및 스텝 3에 따라 제조된 이중가교된 히알루론산인 제2비교군(Dual-CL HAc); 및 스텝 1 내지 3에 따라 제조된 이중가교된 히알루론산 인산칼슘 복합체인 실험군(Dual-CL HAc/CaP)의 총 4개 시료군으로 구분할 수 있으며, 이중가교된 시료는 이에 사용한 양이온을 병기하였다.
실험예 1: 인산칼슘 석출 및/또는 이중가교에 의한 히알루론산 하이드로겔의 형태변화
상기 비교예 및 실시예를 통해 제조한 4개 그룹의 시료의 크기 및 형태변화를 확인하기 위하여 나란히 배열하여 육안으로 관찰하고 사진을 찍어 직접 비교하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 단일가교 하이드로겔에 비해 이중가교된 하이드로겔에서 크기가 감소하였다. 이때, 1가 양이온인 Na+를 첨가한 경우 감소율은 다소 낮았으나, 다가 금속 양이온 특히 2가 금속 이온 예컨대, Ca2 +, Ba2+ 및 Sr2 +을 첨가하여 이중가교시킨 경우 현저한 크기 감소가 나타났다. 한편, 3가 금속 양이온을 함유하는 용액 예컨대, Al(NO3)3 및 FeCl3 용액은 강한 산성을 띠므로 하이드로겔 및/또는 그 내부의 석출된 인산칼슘 입자가 분해되는 경향을 나타내었다. 이에 따라 Al(NO3)3 용액에 침지시킨 경우 하이드로겔 자체가 분해되어 입자를 회수할 수 없었다. 또한 FeCl3 용액에 침지시킨 경우 하이드로겔 내부에 형성된 인산칼슘 입자의 상당량이 분해되어 석출과정 없이 이중가교시킨 하이드로겔은 구형을 유지(최우측 상단)하는 반면 인산칼슘 석출 후 이중가교시킨 하이드로겔로부터 최종 회수된 입자는 불규칙한 형태(최우측 하단)를 나타내었다.
실험예 2: 인산칼슘 석출 및/또는 이중가교에 의한 히알루론산 하이드로겔의 물성변화
이중가교에 의한 물성 향상 효과를 확인하기 위하여 상기 비교예 및 실시예를 통해 제조한 4개 그룹의 시료에 대한 전단계수(G') 및 손실탄성계수(G")를 측정하고 그 결과를 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3에 나타난 바와 같이, 인산칼슘 석출 여부와 무관하게 단일가교된 하이드로겔에 비해 이중가교된 하이드로겔에서 전단계수 증가를 나타내었다. 이때, 이중가교 이전에 석출과정을 추가로 수행하여 내부에 형성된 인산칼슘을 포함하는 하이드로겔의 경우 이중가교에 의해 보다 현저한 전단계수 증가를 나타내었다. 이는 내부의 인산칼슘와 하이드로겔의 추가적인 가교에 의한 시너지적 향상 효과로 해석될 수 있다.
또한, 도 4에 나타난 바와 같이, 3가 금속 양이온에 비해 2가 금속 이온으로 처리하여 이중가교시켰을 때 그 효과가 극대화되었다. 이는 3가 금속 양이온을 함유하는 용액의 낮은 pH로 인해 하이드로겔 및/또는 내부에 존재하는 인산칼슘이 분해되어 물성향상효과가 사라지기 때문인 것으로 유추되었다. 한편, 2가 금속 이온 중에서도 특히 칼슘이온을 함유하는 용액을 이용하여 이중가교시켰을 때 현저한 물성 향상 효과를 나타내었는데, 이는 공통이온 효과로 인해 첨가된 칼슘이온이 하이드로겔 내부에 존재할 수 있는 잔여 인산이온과 추가적인 인산칼슘 석출 효과를 나타낼 수 있기 때문인 것으로 사료된다.
실험예 3: 인산칼슘 석출 및/또는 이중가교에 의한 히알루론산 하이드로겔의 팽윤도변화
상기 비교예 및 실시예에 따라 제조한 시료의 팽윤정도를 확인하기 위하여, 4개 군의 각 시료를 건조시켜 무게를 측정하고 증류수(10 ml)에 담궈 물을 흡수시켰다. 37℃에서 24시간 동안 방치한 후 물을 머금은 시료의 무게를 측정하여, 그 비율을 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 이중가교시킨 시료 특히, 2가 금속 이온으로 이중가교 시킨 시료의 경우 인산칼슘 석출 여부와 무관하게 물 흡수에 의한 하이드로겔의 팽윤이 거의 나타나지 않았으나, 이중가교 효과가 거의 없는 1가 양이온이나 3가 금속 양이온 Fe3 +으로 이중가교시킨 시료의 경우, 단일가교 시료에 비해서는 현저히 감소되었으나, 여전히 물을 흡수하여 팽윤되었으며, 특히 팽윤정도는 인산칼슘을 석출시키지 않은 시료에서 더 높았다.
실험예 4: 인산칼슘 석출 및/또는 이중가교에 의한 히알루론산 하이드로겔의 pH에 따른 물성변화
상기 비교예 및 실시예에 따라 제조한 시료들에서 물성 증진 효과를 나타내는 원인을 확인하기 위하여, 다가 금속 양이온에 의한 추가적인 가교를 진행하기에 앞서 pH 11의 염기성 용액에 침지시킨 후 다가 금속 양이온을 함유하는 용액으로 처리하여 이온가교를 수행하고 각각에 대한 전단계수를 측정하여 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타난 바와 같이, pH 11의 용액에 침지시킨 시료에서 전단계수가 증가하였으며, 특히 내부에 석출된 인산칼슘을 포함하는 하이드로겔에서 pH에 따른 증가가 현저하였다. 이는 pH 11의 용액으로 처리하는 경우 추가적인 가교결합 가능한 작용기인 약산성의 -COOH 및/또는 -OH기가 음전하를 띠는 -COO-와 -OH-로 전환시켜 다가 금속 양이온 첨가시 추가적인 가교결합을 용이하게 함으로써 달성되는 것으로 사료된다. 이와 같은 원리를 도 7에 개략적으로 나타내었다.
실험예 5: 이중가교시 금속이온 첨가에 의한 하이드로겔 내부의 석출입자의 변화
본 발명에 따른 이중가교시 금속이온의 첨가가 하이드로겔 내부에 형성된 인산칼슘 석출입자에 미치는 영향을 확인하기 위하여, TEM으로 관찰하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. 이온가교 효과가 높은 2가 금속 이온(Ca2+, Ba2+ 및 Sr2+)로 처리하여 이온가교시킨 하이드로겔에 대한 결과를 각각 도 8a 내지 도 8c에 나타내었다. 도 8a에 나타난 바와 같이, Ca2 + 함유 용액을 처리하였을 때, 기존에 형성된 석출입자와 유사하거나 더 작은 크기의 석출입자의 수가 증가한 것은 이온가교를 위해 첨가된 칼슘이온에 의한 추가적인 석출이 유발되었음을 나타내는 것이다. 반면, 도 8b 및 8c에 나타난 바와 같이, Ba2 + 및 Sr2 + 함유 용액으로 처리하였을 때에는 석출입자에서 Ba2 + 또는 Sr2 + 성분은 검출되지 않았으며, 비교적 균일한 크기의 입자를 유지하는 것은 Ba2 + 및 Sr2 + 이온은 석출입자에 영향을 주지 않으며 오로지 추가적인 이온가교에만 관여함을 나타내는 것이다. 이는 또한 같은 2가 금속 이온이라 하더라도 Ca2+ 용액으로 이온가교시킨 경우 추가적인 전단계수의 증가를 나타낸 이전의 결과를 뒷받침하는 것이다.

Claims (12)

  1. 생분해성 고분자 하이드로겔에 인산칼슘 입자들이 삽입된 복합체에 추가로 투입된 2가 금속 이온을 통해 음이온성 작용기들이 가교결합된 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생분해성 고분자는 글루코사민, N-아세틸글루코사민, 글루쿠론산, 갈락토사민, N-아세틸갈락토사민설페이트 및 이두론산으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 단량체로부터 제조된 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 생분해성 고분자는 히알루론산, 키토산, 알긴산, 콘드로이틴, 헤파린 또는 헤파란인 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인산칼슘 입자는 평균 직경 50 nm 내지 500 nm의 크기를 갖는 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인산칼슘 입자를 총 하이드로겔 복합체 중량에 대해 10 내지 50 중량%로 함유하는 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    500 Pa 이상의 전단계수를 갖는 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체.
  7. 생분해성 고분자 하이드로겔을 준비하는 제1단계;
    상기 하이드로겔을 칼슘이온 및 인산이온을 함유하는 용액에 침지시킨 후 암모늄 용액에 침지시켜 인산칼슘을 석출시켜 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 형성하는 제2단계; 및
    2가 금속 이온을 함유하는 용액에 상기 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체를 침지시켜 가교시키는 제3단계를 포함하는, 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 생분해성 고분자는 결합가능한 자유 카르복시기 또는 히드록시기를 포함하는 고분자인 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 2가 금속 이온은 Ca2 +, Be2 +, Mg2 +, Sr2 +, Ba2 +, Ra2 + 또는 이들의 조합인 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 2가 금속 이온을 함유하는 용액의 농도는 0.001 내지 1.5 M인 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    제3단계는 pH 6 이상 13 이하의 용액에서 수행되는 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    제3단계는 3 내지 12시간 동안 수행하는 것인 이중가교된 생분해성 고분자 하이드로겔-인산칼슘 복합체의 제조방법.
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