KR20160135266A

KR20160135266A - 표면 개질된 하이브리드 표면 임플란트 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20160135266A
Application number: KR1020167028397A
Authority: KR
Inventors: 이정태; 박세준; 이승환
Original assignee: 이정태
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2016-11-25
Also published as: KR101909690B1; CN106456287A; US20170049537A1; WO2015167044A1

Abstract

본 발명은 표면에 나노튜브를 구비한 임플란트 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 임플란트 표면에 나노튜브가 구비되고, 여기에 약물 등을 탑재하는 나노캡슐이 부착됨으로써 주위 연조직과의 부착력이 강화되고, 골형성, 염증 예방 및 치료 등과 관련된 인자들을 안정적으로 탑재하여, 임플란트 식립과정에서 이들 인자들이 유실되지 않아 수명이 증가되었으면서도 임플란트로 인한 부작용이 거의 일어나지 않는 안정성 및 유효성이 우수한 임플란트에 관한 것이다.

Description

표면 개질된 하이브리드 표면 임플란트 및 이의 제조방법{Surface-modified hybrid surface implant and method for manufacturing same}

본 발명은 표면 개질된 하이브리드 표면 임플란트 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 기존의 마이크로 스케일의 거친 표면을 갖는 임플란트(rough surfaced implant)를 나노 스케일 임플란트(nano scaled implant)로 개질하여 기존 거친 표면을 갖는 임플란트(rough surfaced implant)의 균질성을 확보하고, 전체적으로 마이크로 및 나노 스케일의 하이브리드 표면을 갖는 임플란트를 제조하는 방법, 또한 표면 개질에 사용되는 나노 캡슐을 이용하여 DDS기능을 부여한 임플란트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

치아 임플란트(dental implant)란 치아의 결손 부위 또는 발치한 부위의 턱뼈에 골 이식, 골 신장술 등의 부가적 수술을 통해 생체적합적인 임플란트 본체를 식립하는 치과치료술의 하나로써, 정상적인 기능이 유지되고 있는 턱뼈와 식립된 임플란트 본체 표면과의 형태적, 생리적, 직접적 결합인 골유착(osseointegration 또는 osteointegration)이 이루어진 후 임플란트 주위 턱뼈의 골 개조의 과정을 거치게 된다. 임플란트는 그 식립 위치에 따라 골막하 임플란트, 골내 임플란트, 골 관통형 임플란트 등으로 구분할 수 있으며, 임플란트의 외형에 따르면 나사형 임플란트, 실린더형 임플란트 등으로 나눌 수 있다. 상기 임플란트는 인접 치아를 깎을 필요가 없고, 잇몸 뼈가 흡수되는 것을 막아 기능적 및 심미적으로 우수하기 때문에 근래 그 보급이 확산되고 있다.

그러나 종래의 임플란트는 시술 후 임플란트와 연조직간의 부착이 불완전할 뿐만 아니라, 필연적으로 접합상피의 하방이동이 발생하고, 부착부분에 틈이 생겨 세균의 침투가 용이할 수 있어 염증이 빈번히 발생하는 문제점이 있다. 즉, 임플란트 주위의 치은염증 발생과 함께 임플란트 수명의 감소까지도 초래할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 임플란트 표면에 항생제, 골형성촉진인자 등과 같은 물질을 코팅하여 식립하기도 하나 식립과정에서 회전력이 가해지기 때문에 물리적 힘에 의해 임플란트 식립부위에는 결국 항생제, 골형성촉진인자가 남아있지 아니하고 대부분이 유실되는 문제가 있었다.

표면을 가공한 치과용 임플란트에 재조합 골형성 촉진 단백질을 도포하여 턱뼈에 매식하는 기술이 있다(대한민국 공개특허 제10-2007-0068240호). 여기에서는 치과용 임플란트 표면을 가공하고, 재조합 촉진 단백질 분자들을 도포하여 음압을 가한 상태에서 냉동 건조시키는 단계를 거쳐 임플란트를 제조하고 있으나, 이러한 방법을 통해 제조된 임플란트의 경우 식립과정에서 가해지는 물리적 힘에 의해 표면에 도포된 물질이 모두 유실되는 문제가 발생할 가능성이 높다.

또한, 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어진 종래의 임플란트는 식립 초기에 골 조직과의 결합력이 낮아 초기 고정에 어려움이 있었고, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 수산화아파타이트(HAp: Hydroxyapatite) 분말을 사용하여 임플란트의 표면을 코팅시키는 방법이 개발되었다. 그러나 수산화아파타이트(HAp)를 티타늄으로 된 임플란트의 표면에 단순 코팅시켜 사용하는 경우, 임플란트를 신체의 턱뼈에 식립하는 과정에서 임플란트 표면과 뼈와의 마찰에 의해 수산화아파타이트(HAp) 코팅이 임플란트의 표면에서 떨어져 나가게 되고, 이에 따라 수산화아파타이트(HAp)에 의한 효과가 현저하게 저하되거나 효과를 거의 볼 수 없는 문제가 있었다.

임플란트와 골조직 간의 부착이 강할 수 있고, 특히 티타늄의 부착은 비교적 강할 수 있으나 이러한 부착력을 더욱 향상시키는 것이 바람직하며 이를 위한 여러 연구들이 다각도로 진행되어 왔다. 현재까지 임플란트-골 유착을 더욱 향상시키기 위하여 임플란트 표면상에 상대적으로 큰 불규칙한 부분을 생성하는 표면 거칠기를 증가시키는 방법이 존재하며, 증가된 표면 거칠기는 임플란트와 골조직 사이에 더 큰 접촉 및 고착영역을 부여함으로써 더 양호한 기계적 구속력과 강도를 얻을 수 있다.

이와 같이 기존의(치과용) 임플란트의 표면은 가공면(machined surface)에서 불규칙한 표면을 갖는 거친 표면(rough surface)으로 개발이 되었으며 향후 불규칙성(roughness)를 극대화하는 방향으로 발전하여 RBM, SLA, Laser처리 등의 표면처리로 이러한 거친 표면을 갖는 임플란트를 개발하기에 이르렀다. 현재 유통되는 거친 표면 임플란트(rough surface implant)는 그 거칠기 정도(roughness scale)가 마이크로-스케일(micro-scale)이며 거칠기(roughness)는 극대화 되었지만, 균질성에서는 그 방향성이 없거나 조절방법도 매우 제한적이라는 문제가 있다. 또한 임플란트 표면에 기능성 인자를 부착하는 시도가 있으나 생체내에 매식 시 기능성 인자들의 발현시간이 매우 짧거나 바로 분해되어 기능성 인자로서의 작용이 어렵다.

상기한 바와 같은 단점들을 극복하기 위해 마이크로 스케일의 거칠기를 가지면서도 균질하도록 표면을 개질할 필요가 있으며, 충분한 안정성과 임플란트의 식립이 가능하면서, 임플란트와 골 및 연조직 사이에서 높은 부착력을 가지고, 임플란트 표면에 항생제와 같은 약물, 골형성촉진인자, 신생혈관생성인자 등을 안정적으로 탑재할 수 있는 임플란트를 개발하는 것이 요구된다.

본 발명은 기존의 마이크로 스케일의 거친 표면을 갖는 임플란트(rough surfaced implant)를 나노 스케일 임플란트(nano scaled implant)로 개질하여 기존 거친 표면을 갖는 임플란트(rough surfaced implant)의 균질성을 확보 할 수 있으며 그 정도의 조절 또한 가능하며 전체적으로 마이크로 및 나노 스케일의 하이브리드 표면 임플란트를 제조하는 것을 목적으로 한다. 또한 표면 개질에 사용되는 나노 캡슐을 이용하여 DDS 기능을 부여하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 기존의 마이크로 스케일의 거친 표면을 갖는 임플란트(rough surfaced implant)를 나노 스케일 임플란트(nano scaled implant)로 개질하는 과정만을 거쳐 임플란트 표면을 개질함으로써 기존 거친 표면을 갖는 임플란트(rough surfaced implant)에 있어서, 일정 수준의 균질성을 확보할 수 있고, 이로써 골형성에 관여하는 세포의 보다 빠른 부착(settle-down)을 유도하여 빠른 창상치유, 견고한 골질의 재생을 유도할 수 있다는 점을 규명함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

종래 균질성 측면에서 방향성이 없는 거친 표면의 임플란트의 표면을 나노 단위의 표면으로 개질하여 기존의 무방향성의 거친 표면 임플란트에 균질성을 부여함으로써, 임플란트 표면을 소수성에서 친수성으로 바꾸어 골형성에 관여하는 세포의 보다 빠른 부착(settle-down)을 유도하여 빠른 창상치유, 견고한 골질의 재생을 유도할 수 있다는 장점이 있다.

또한 골형성 시 우수한 스캐폴드로서의 기능을 갖는 수산화 아파타이트(HA), 트리 칼슘 포스페이트(TCP), TiO₂ 등의 나노캡슐을 표면에 부착하여 안정적이며 빠른 골재생을 유도할 수 있다. 소니케이션 등의 방법으로 표면의 거칠기(roughness)와 균질성(homogeneity)를 조절할 수 있다.

한편 할로우 나노캡슐의 경우 크기 및 두께를 다양하게 제조할 수 있고(크기의 경우 100 nm~500 nm, 두께의 경우 20 nm~100 nm) 우선 주형으로 사용되는 나노캡슐의 크기는 나노입자의 코어로 사용되는 실리카입자의 크기 조절에 의해 결정된다. 실리카는 Stober 방법을 사용하여 다양한 크기를 갖는 실리카 나노입자를 제조할 수 있다. 졸-젤 반응에서 용매의 종류, 촉매의 양, 물의 양, 그리고 전구체인 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS)의 양 등은 입자의 크기에 영향을 미친다. 먼저 반응 용기에 무수에탄올을 정량하여 일정한 농도의 전구체인 테트라에틸오르토실리케이트를 녹인다. 이후에 테트라에틸오르토실리케이트는 물이 첨가되어 가수분해를 통해 테트라에틸에테르가 제거되고 물의 히드록실기가 치환되어 들어간다. 이때 반응은 염기성 상태에서 구형의 나노입자가 고르게 형성되므로 암모니아수를 첨가하는 과정을 거친다. 특히 무수에탄올에 녹아있는 테트라에틸오르토실리케이트 용액은 물이 한방울씩 분별깔대기를 통해 교반을 통해 고르게 첨가되면서 미세하게 실리카전구체를 형성하면서 실리카 나노입자 분산액을 제조한다. 한편 단일메조기공을 가진 코어-쉘 실리카 입자는 다음과 같이 제조한다. 반응 용기에 실리카 나노입자 분산액을 암모니아수 등이 포함된 증류수에 첨가한 후, cetyltrimethylammonium bromide (CTABr), 1,3,5-trimethylbenzene (TMB), decane이 혼합된 증류수와 에탄올이 2:1로 섞인 용매에 넣어 교반해준다. 실리카 전구체를 교반하면서 첨가하고, 열을 가하면 실리카 주형체가 제조될 수 있다. 캡슐형 실리카-수산화 아파타이트(HA), 트리 칼슘 포스페이트(TCP), TiO₂ 등의 복합체 제조는 상기 단계에서 제조된 실리카 주형체를 유기용매와 물의 혼합용액에 넣고 분산시킨다. 에틸렌 글리콜과 같은 유기용매 및 물의 혼합용액에 수산화 아파타이트(HA), 트리 칼슘 포스페이트(TCP), TiO₂ 등의 전구체 물질을 첨가한 후 교반하여 이들 전구체를 고르게 용액으로 분산한다. 이때 상기 분산된 실리카 주형체에 상기 전구체 용액을 한방울씩 적하하여 세게 교반하며 반응을 진행하면 실리카 주형체의 표면에 전구체가 가수분해를 통해 침착하며 코팅이 시작된다. 이때 전구체 용액의 농도와 적하시간에 따라 코팅두께가 결정된다. 충분히 30분 이상 첨가 및 교반한 뒤 원심분리기를 이용하여 코팅된 캡슐형 실리카-수산화 아파타이트(HA), 트리 칼슘 포스페이트(TCP), TiO₂ 등의 복합체를 원심분리한다. 이때 이들 입자의 표면에 붙은 불순물을 유기용매로 세척하고 대기건조시킨다. 그리고 이때 60℃ 이상의 열처리 건조공정을 통하여 용매와 불순물이 완전히 제거된 순수한 캡슐형 실리카 복합체가 제조될 수 있다. 이후 다공성 중공캡슐은 다음과 같이 제조한다. 상기 제조된 캡슐형 실리카 복합체를 물과 유기용매가 섞인 용매 중에 고르게 분산시킨 뒤, 실리카를 강염기를 수용액 상에서 적절히 희석하여 가온교반을 30분 이상 진행한다. 이때 코어에 있는 실리카주형체는 침투된 수용액의 염기이온과 반응하여 서서히 실리카가 용출되어 코어가 제거된 다공성 중공캡슐을 제조할 수 있다. 캡슐 표면의 성상을 다르게 하거나 원재료를 달리할 수 있고, 여기에 다양한 기능성 인자를 탑재할 수 있어 약물 전달 시스템으로서 작용할 수 있고, 필요에 따라 맞춤식 테라피가 가능한 임플란트를 생산할 수 있다.

도 1은 임플란트 표면의 개발과정을 도식화한 것이다.
도 2는 여러 성상의 할로우 나노캡슐의 형상을 나타낸 것이다.
도 3은 임플란트 표면의 불규칙한 형상위에 세포부착이 되는 전자현미경 사진이다.
도 4는 임플란트 표면의 불규칙한 형상위에 세포부착이 되는 전자현미경 사진이다.
도 5는 균질한 표면인 경우, 세포의 부착(settle-down)이 빠르다는 점을 나타내는 실험결과를 나타낸 것이다.
도 6은 시판되고 있는 임플란트의 불규칙한 표면을 나타내는 사진이다.
도 7 및 도8은 시판되고 있는 임플란트의 매우 불규칙한 표면을 나타내는 사진이다.
도 9는 SiO₂. 템플레이트 사진이다.
도 10은 TiO₂ 나노캡슐 사진이다.
도 11은 본 발명에 따른 1차 하이브리드 표면 임플란트 사진이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명에 따른 2차 하이브리드 표면 임플란트 사진이다.
도 15는 SiO₂ 비드 사진이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

본 발명은 기존의 마이크로 스케일의 거친 표면을 갖는 임플란트(rough surfaced implant)를 나노 스케일 임플란트(nano scaled implant)로 개질하여 기존 거친 표면을 갖는 임플란트(rough surfaced implant)의 균질성(homogeneity)을 확보 할 수 있고, 그 정도의 조절 또한 가능하며 전체적으로 마이크로 및 나노 스케일의 하이브리드 표면을 갖는 임플란트를 제공한다.

이로써 기존의 거친 표면을 갖는 임플란트의 장점 및 균질화된 표면을 갖는 임플란트의 장점을 모두 가질 수 있게 되고, 기존의 임플란트에 표면 개질 과정만을 거침으로써 균질화된 표면을 갖는 임플란트를 제조할 수 있게 되어 간편하게 하이브리드 표면을 갖는 임플란트를 제조할 수 있다.

본 발명은 또한 표면 개질에 사용되는 나노 캡슐을 이용하여 DDS 기능을 나타내는 기능성 인자를 탑재한 나노 캡슐이 부착되어 있는 형태의 임플란트를 제공한다.

발명의 실시를 위한 형태

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 (a) 임플란트 픽스쳐의 표면을 소니케이션 처리하고, 용매로 세척하는 단계; (b1) SiO₂ 비드를 제조하고, 이를 템플레이트로 이용하여 나노캡슐을 제조하되, SiO₂ 템플레이트 상에 생체 친화성 재료를 코팅하고 SiO₂ 비드를 제거하여 할로우 나노캡슐을 제조하는 단계, 또는 (b2) 생체 친화성 재료를 사용하여 나노캡슐을 제조하는 단계; 및 (c) 단계(b1)에서 제조된 할로우 캡슐, 또는 단계(b2)에서 제조된 비드를 단계(a)에서 제조된 임플란트 픽스쳐에 디핑(dipping) 및 교반, 또는 원심분리방법으로 부착시켜 1차 하이브리드 표면 임플란트를 제조하는 단계를 포함하는, 하이브리드 표면을 갖는 임플란트의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 단계(b1)에서 기능성 인자를 할로우 나노캡슐 내로 로딩하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 상기 제조방법에 따라 제조된 임플란트의 경우, 나노캡슐이 표면에 결합됨으로써 전체적으로 균질한 형태의 표면으로 개질되는 효과를 나타낸다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 단계(b1) 또는 단계(b2)에서 생체 친화성 재료는 TiO₂, Ti₃O, Ti₂O, Ti₃O₂, TiO, Ti₂O₃, Ti₃O₅ 및 티타늄 부톡시드로 구성된 그룹으로부터 선택되는 티타늄 산화물; 트리 칼슘 포스페이트, 칼슘 포스페이트; 수산화 아파타이트, 실리콘 및 마그네슘이 치환된 수산화 아파타이트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 아파타이트; 칼슘 설페이트; 지르코늄 디옥시드; 실리콘 디옥시드; 및 이들의 복합물로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있고, 보다 구체적으로 TiO₂, 수산화 아파타이트 및 트리 칼슘 포스페이트로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 단계(b1)에서, SiO₂ 나노캡슐의 직경은 500 nm 이상 1 μm 이하, 보다 구체적으로 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm, 1 μm일 수 있다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 상기 기능성 인자는 골형성 촉진, 항균, 항염증 및 산성화도(acidity)를 증대시키는 기능을 나타내는 인자, 성장호르몬, 세포분화유도제 및 신생혈관생성인자(angiogenic factor)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 기능성 인자는 디핑(dipping), 원심분리 및 소니케이션법으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 방법을 사용하여 할로우 나노캡슐 내로 로딩(loading)될 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 일 양태에서, 상기 방법에 따라 제조된 하이브리드 표면을 갖는 임플란트가 제공된다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 상기 임플란트는 치과용 임플란트인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 나노캡슐은 다음과 같은 과정에 따라 제조될 수 있다:

(1) 실리카 나노입자 분산액의 제조

Stober 방법을 사용하여 다양한 크기를 갖는 실리카 나노입자를 제조할 수 있다. 졸-젤 반응에서 용매의 종류, 촉매의 양, 물의 양, 그리고 전구체인 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS)의 양 등은 입자의 크기에 영향을 미친다. 반응 용기에 에탄올 및 물을 넣은 후 촉매를 첨가하고 교반한다. 그리고 실리카 전구체를 첨가하고 교반하면서 반응시켜 실리카 나노입자 분산액을 제조한다.

(2) 단일메조기공을 가진 코어-쉘 실리카 입자의 제조

반응 용기에 실리카 나노입자 분산액을 암모니아수 등이 포함된 증류수에 첨가한 후, 교반하여 용액 A를 제조하고, 계면활성제 용액을 교반한 후 위 용액 A에 첨가하여 교반해준다. 실리카 전구체를 교반하면서 첨가하고, 열을 가하면 실리카 주형체가 제조될 수 있다.

(3) 캡슐형 실리카-티타니아 복합체 제조

상기 단계에서 제조된 실리카 주형체를 유기용매와 물의 혼합용액에 넣고 분산시킨다. 에틸렌 글리콜과 같은 용매에 티타늄부톡사이드 등을 첨가한 후 1교반하여 TiO₂ 전구체를 제조할 수 있다. 상기 분산된 실리카 주형체에 상기 TiO₂ 전구체를 첨가한 후, 교반한 뒤 유기용매로 세척하고 건조시킨다. 그리고 열처리를 하면 금속 또는 금속산화물 층을 형성한 캡슐형 실리카 복합체가 제조될 수 있다.

(4) 다공성 중공캡슐 제조

상기 제조된 캡슐형 실리카 복합체를 유기용매 중에 분산시킨 뒤, 적절히 반응시켜 실리카 주형체를 제거하여 다공성 중공캡슐을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명에 따르는 실시예 및 제조예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1. 하이브리드 표면을 갖는 임플란트 픽스쳐의 제조

(1) 100 nm 이상 1 μm이하 크기의 SiO₂ 비드를 제조하였다. SiO₂ 나노캡슐은 다음과 같은 과정에 따라 제조되었다.

1) 실리카 나노입자 분산액의 제조

Stober 방법을 사용하여 다양한 크기를 갖는 실리카 나노입자를 제조하였다. 졸-젤 반응에서 용매의 종류, 촉매의 양, 물의 양, 그리고 전구체인 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS)의 양 등은 입자의 크기에 영향을 미친다. 보다 구체적인 제조과정은 다음과 같다:

반응 용기에 에탄올 1,000 mL 및 3차 증류수 10 mL을 첨가한 후 촉매인 28wt% 암모니아수 1 mol을 첨가하여 상온에서 1시간 동안 교반하였다. 그리고 실리카 전구체로서 TEOS 0.14 mol을 첨가하고 상온에서 3시간 동안 교반하면서 반응시켜 실리카 나노입자 분산액을 제조하였다. 생성된 실리카 입자(particles)는 지름이 약 500 nm였다(도 1 참조).

2) 단일메조기공을 가진 코어-쉘 실리카 입자의 제조

반응 용기에 1)에서 제조된 실리카 나노입자 분산액 10 mL을 암모니아수(28wt%, 0.1 mL)가 포함된 증류수 20 mL에 첨가한 후, 30분 동안 교반하여 용액 A를 제조하였다. 그리고 몰비가 세틸트리메틸암모늄브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide): 1,3,5-트리메틸벤젠(1,3,5-trimethylbenzene):데케인(decane):증류수:에탄올이 1:1:1:113.99:17.77로 구성된 계면활성제 용액 6.24 mL을 실온에서 30분 동안 교반한 후 위 용액 A에 첨가하여 실온에서 30분 동안 교반해 주었다. 그리고 TEOS 0.43 mL을 교반하면서 첨가하여 10분 동안 교반해 주었다. 교반이 끝난 뒤 70℃로 설정되어 있는 오븐에서 15시간 동안 수열반응을 시켰다. 제조된 시료는 원심분리기로 회수하고, 70℃에서 건조한 후, 관화로(tube furnace)를 이용하여 산소를 불어주면서 실온에서 500℃까지 1시간 40분 동안 서서히 올리고, 500℃에서 5시간 동안 유지한 후, 다시 실온으로 온도를 내려주어 유기물을 제거하였다.

3) 캡슐형 실리카-티타니아 복합체 제조

상기 단계2)에서 제조된 실리카 주형체 0.1 g을 아세톤 50 mL과 3차증류수 0.1 mL의 혼합용액에 넣고 초음파기를 이용하여 분산시켰다. 에틸렌 글리콜 60 mL에 티타늄부톡사이드 0.4 mL을 첨가한 후 12시간 동안 교반하여 TiO₂ 전구체를 제조하였다. 상기 분산된 실리카 주형체에 상기 TiO₂ 전구체 10 mL을 첨가한 후, 3시간 동안 교반한 뒤 에탄올로 세척하고 70℃에서 12시간 동안 건조하였다. 그리고 관화로를 이용하여 450℃에서 5시간 동안 산소를 흘려주면서 열처리를 하여 금속 또는 금속산화물 층을 형성한 캡슐형 실리카 복합체를 제조하였다. 상기 산화물 층의 두께는 25 nm였다.

4) 다공성 중공캡슐 제조

상기 제조된 캡슐형 실리카 복합체 0.1 g을 에탄올 3 mL에 분산시킨 후, 1M NaOH 수용액 5mL에 넣고 70℃ 반응 오븐에 3 내지 5시간 동안 반응시켜 상기 실리카 주형체를 제거하여 다공성 중공캡슐을 제조하였다. 상기 제조된 다공성 중공캡슐은 원심분리를 이용하여 분리하였고, 에탄올로 세척한 후 70℃에서 12시간 동안 건조하였다.

(2) TiO₂, HA 또는 TCP를 각 단위 직경의 SiO₂ 비드를 템플레이트로 사용하여 SiO₂ 비드 템플레이트에 코팅하고, SiO₂ 비드 템플레이트를 제거(용해)하여 TiO₂, HA 또는 TCP 할로우 캡슐(hollow capsule)을 제조하였다. 캡슐형 실리카-티타니아 복합체 제조는 상기 단계에서 제조된 실리카 주형체를 유기용매와 물의 혼합용액에 넣고 분산시켰다. 에틸렌 글리콜과 같은 유기용매 및 물의 혼합용액에 티타니아 전구체를 첨가한 후 교반하여 이들 전구체를 고르게 용액으로 분산하였다. 이때 상기 분산된 실리카 주형체에 상기 전구체 용액을 한방울씩 적하하여 세게 교반하며 반응을 진행하면 실리카 주형체의 표면에 전구체가 가수분해를 통해 침착하며 코팅이 시작된다. 이때 전구체 용액의 농도와 적하시간에 따라 코팅두께가 결정된다. 충분히 30분 이상 첨가 및 교반한 뒤 원심분리기를 이용하여 코팅된 캡슐형 실리카-티타니아 복합체를 원심분리하였다. 이때 이들 입자의 표면에 붙은 불순물을 유기용매로 세척하고 대기건조시켰다. 그리고 이때 60℃ 이상의 열처리 건조공정을 통하여 용매와 불순물이 완전히 제거된 순수한 캡슐형 실리카 복합체가 제조될 수 있다. 이후 다공성 중공캡슐은 다음과 같이 제조하였다. 상기 제조된 캡슐형 실리카 복합체를 물과 유기용매가 섞인 용매 중에 고르게 분산시킨 뒤, 실리카를 강염기를 수용액 상에서 적절히 희석하여 가온교반을 30분 이상 진행하였다. 이때 코어에 있는 실리카주형체는 침투된 수용액의 염기이온과 반응하여 서서히 실리카가 용출되어 코어가 제거된 다공성 중공캡슐을 제조할 수 있었다.

(3) 임플란트(오스템사, RBM 타입, SLA 타입 또는 Laser 타입)의 픽스쳐 표면을 5 내지 10분간 소니케이션 한 후 알코올로 세척하였다. 세척 후 실란 처리하고 건조시켰다.

(4) 상기 (3)단계를 거쳐 제조된 임플란트 픽스쳐에 상기 (1) 및 (2)단계를 거쳐 제조된 실리카 나노캡슐 및 할로우 나노캡슐을 넣고 디핑 및 교반하거나, 또는 원심분리하여 부착시켰다. 이후 소니케이션하여 초과량(excess ramnant) 및 약한 결합으로 결합된 나노캡슐 및 할로우 나노캡슐을 떨어뜨려 제거하였다. 이로써 1차 하이브리드 표면을 갖는 임플란트, 즉 나노 및 마이크로 스케일의 하이브리드 표면을 갖는 임플란트를 제조하였다.

(5) 상기 단계(2)를 통해 제조된 할로우 나노캡슐은 폐쇄성의 캡슐이 아니라 다양한 크기의 불규칙한 기공(pore)를 갖는 구형의 캡슐로 캡슐 직경의 1/100 ~ 1/10의 기공 크기를 갖는 것으로 나타났다.

(6) 상기 단계(4)를 통해 제조된 1차 하이브리드 표면을 갖는 임플란트에 부착된 할로우 나노캡슐은 20 nm 이상 100 nm 이하 크기의 기공을 갖는 것으로 나타났고, 할로우 나노캡슐 내부로는 골형성 촉진에 관여하는 펩타이드, 산성화도를 증대시키는 인자, 예를 들어 시트르산, 아스코르브산, 항생제, 항균제, 항염증제와 같은 약물과 같은 기능성 인자들을 디핑, 원심분리, 소니케이션의 방법으로 할로우 나노캡슐 내로 로딩할 수 있다. 이로써 기능성 인자가 서서히 방출되는 약물 전달 시스템(DDS) 기능이 탑재된 하이브리드 표면을 갖는 임플란트를 제조할 수 있다(2차 하이브리드 표면을 갖는 임플란트, 즉 DDS 기능을 탑재한 하이브리드 표면을 갖는 임플란트).

본 발명에 따른 임플란트는 골 형성에 관여하는 세포의 빠른 부착(settle-down)을 유도하여 빠른 창상 치유가 가능하고, 견고한 골질의 재생이 유도될 수 있으며, 나노캡슐을 탑재하여 약물 전달 시스템으로서의 기능을 수행할 수 있어 산업상 매우 유용하다.

Claims

(a) 임플란트 픽스쳐의 표면을 소니케이션 처리하고, 용매로 세척하는 단계;
(b1) SiO₂ 비드를 제조하고, 이를 템플레이트로 이용하여 나노 크기의 캡슐을 제조하되, SiO₂ 템플레이트 상에 생체 친화성 재료를 코팅하고 SiO₂ 비드를 제거하여 할로우 캡슐을 제조하는 단계, 또는 (b2) 생체 친화성 재료를 사용하여 비드를 제조하는 단계; 및
(c) 단계(b1)에서 제조된 할로우 캡슐, 또는 단계(b2)에서 제조된 비드를 단계(a)에서 제조된 임플란트 픽스쳐에 디핑(dipping) 및 교반, 또는 원심분리방법으로 부착시켜 1차 하이브리드 표면 임플란트를 제조하는 단계를 포함하는, 하이브리드 표면을 갖는 임플란트의 제조방법.
제1항에 있어서,
단계(b1)에서 기능성 인자를 할로우 캡슐 내로 로딩하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 표면을 갖는 임플란트의 제조방법.
제1항에 있어서,
단계(b1) 또는 단계(b2)에서 생체 친화성 재료는 TiO₂, Ti₃O, Ti₂O, Ti₃O₂, TiO, Ti₂O₃, Ti₃O₅ 및 티타늄 부톡시드로 구성된 그룹으로부터 선택되는 티타늄 산화물; 트리 칼슘 포스페이트, 칼슘 포스페이트; 수산화 아파타이트, 실리콘 및 마그네슘이 치환된 수산화 아파타이트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 아파타이트; 칼슘 설페이트; 지르코늄 디옥시드; 실리콘 디옥시드; 및 이들의 복합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 표면을 갖는 임플란트의 제조방법.
제1항에 있어서,
단계(b1) 또는 단계(b2)에서 생체 친화성 재료는 TiO₂, 수산화 아파타이트 및 트리 칼슘 포스페이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 표면을 갖는 임플란트의 제조방법.
제1항에 있어서,
단계(a)에서, SiO₂ 비드의 직경이 500 nm 이상 1 μm 이하인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 표면을 갖는 임플란트의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 기능성 인자는 골형성 촉진, 항균, 항염증 및 산성화도(acidity)를 증대시키는 기능을 나타내는 인자, 성장호르몬, 세포분화유도제, 골세포형성인자 및 신생혈관생성인자(angiogenic factor)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 표면을 갖는 임플란트의 제조방법.
제2항에 있어서,
기능성 인자는 디핑(dipping), 원심분리 및 소니케이션법으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 방법을 사용하여 할로우 캡슐 내로 로딩되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 표면을 갖는 임플란트의 제조방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 하이브리드 표면을 갖는 임플란트.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제8항에 있어서,
상기 임플란트는 치과용 임플란트인 것을 특징으로 하는 하이브리드 표면을 갖는 임플란트.조된 하이브리드 표면을 갖는 임플란트.