KR20190117863A

KR20190117863A - 선택적 플라즈마 에칭법에 의한, 혈액적합성이 향상된 ePTFE 인공혈관의 제조방법

Info

Publication number: KR20190117863A
Application number: KR1020180040434A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 박천일; 정성민
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 주식회사 제노스
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2019-10-17
Also published as: KR102131101B1

Abstract

본 발명은 생체 활성 금속(bioactive metals) 타겟을 사용한 플라즈마 에칭을 수행하여 연신 폴리테트라플루오르에틸렌(expanded polytetrafluoroethylene: ePTFE) 표면에 계면 없이 생체 활성 금속을 주입하는 단계를 포함하는 인공혈관의 제조방법 및 이에 따라 제조된 혈액적합성이 향상된 인공혈관에 관한 것이다.

Description

선택적 플라즈마 에칭법에 의한, 혈액적합성이 향상된 ePTFE 인공혈관의 제조방법{Method for preparation of ePTFE-based artificial vessels with enhanced hemocompatibility via selective plasma etching}

체내의 동맥 또는 정맥 등의 혈관 내벽에 콜레스테롤이나 지방 등이 쌓여 혈관이 좁아지고 경화되면 원활한 혈액 순환을 방해하여 협심증, 심근경색증, 관상동맥 질환 등과 같은 각종 혈관질환(vascular disease)을 유발한다. 오늘날 이와 같은 혈관질환의 발생률은 특히 선진국에서 편향된 식습관과 정적인 생활 습관으로 인해 당뇨나 비만이 늘어남에 따라 급격히 증가하고 있는 추세이며, 이러한 혈관질환은 한번 혈관이 막히게 되어 혈액의 흐름에 장애가 일어나게 되면 치사율 또한 높아 매우 치명적인 질환으로 보고되고 있다. 혈관질환의 비수술적인 치료 방법으로 항 협심증 약물을 복용하여 추가로 발생하는 협착을 억제하는 방법이 있으나 이러한 약물치료는 협착 부위를 근본적으로 해결하는 것이 아니며 지속적인 약물 복용에도 협심증에 의한 통증은 계속 남아있다. 이에 혈관질환을 치료하는 방법으로 수술을 통해 경화된 혈관을 제거하고 그 부위에 인공혈관을 연결하는 혈관 이식 수술 및 혈관우회로술 등의 외과적인 치료방법이 대두되고 있다.

상기 외과적 수술에 의한 치료방법에 있어서, 초기에는 공여자의 동맥 또는 정맥을 채취하여 이식하는 방법을 이용하였으나, 거부반응 또는 경화 등의 발생으로 성공률이 높지 못하였다. 반면, 환자 본인의 건강한 혈관을 채취하여 손상된 부분을 대체하는 자가이식술(autograft)은 이식 후 면역반응이 낮아, 성공률이 가장 높은 방법이나, 단 회에 확보할 수 있는 혈관 수량이 제한적이며 혈관 채취를 위한 추가적인 수술이 요구되므로 환자에 부담이 가중되는 단점이 있다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 최근에는 합성고분자로 제작한 인공혈관(artificial vascular graft)을 이용하여 기존 손상된 혈관을 대체하는 수술이 진행되고 있다. 이와 같이 인공혈관에 적용하기 위해 선택 가능한 합성고분자는 우선 인체에 무해해야하며 생체 내 적합성이 높은 재질이어야 한다. 또한, 체내 이식시 면역계에 의해 거부되지 않고, 장시간 체내에서 유지될 수 있어야 한다. 나아가, 이식 후 발생될 수 있는 협착 및 혈관 경화를 방지하기 위해 단백질이나 지질의 침전 또는 혈전 생성 및 염증 반응이 일어나지 않는 것이어야 한다.

상기 조건을 고려하여 선택된 인공혈관 소재로 현재 상용화되어 사용되고 있는 물질은 불소계 고분자인 연신 폴리테트라플루오르에틸렌(expanded polytetrafluoroethylene: ePTFE)이다. 이는 기존 폴리테트라플루오르에틸렌 제조과정에 연신공정을 추가하여 마이크로 단위의 미세 다공성 구조를 갖도록 개질된 소재이다. 불소계 고분자로 구성된 ePTFE는 높은 표면 소수성으로 체내에서 매우 안정적이며 다른 물질과 반응성이 없어 혈관 내벽에 혈전 부착을 억제할 수 있다. 동시에 ePTFE의 미세 기공 구조는 혈관 내벽과 외벽 사이의 통로를 제공하여 혈액 내 영양분의 흡수를 촉진하여 인공혈관에 적합한 소재로 알려져 있다. 실제 임상 결과에서도 직경 6 mm 이상의 대구경 인공혈관 이식수술에서는 높은 성공률이 보고되어 비교적 안정적인 수술방법으로 적용되고 있다.

그러나, 직경 6 mm 이하의 소구경 인공혈관에서는 낮은 혈류속도로 인해 ePTFE 소재만으로 된 인공혈관을 이식한 경우, 여전히 높은 비율로 협착증이 발생하고 있다. 따라서, ePTFE 인공혈관의 내벽을 개질하여 혈액적합성을 보다 향상시키고자 하는 연구가 진행되고 있다. 구체적인 예로서, 대한민국 등록특허공보 제10-1483846호에는 고분자 튜브 내벽을 마이크로플라즈마로 처리하여 내부 표면에 반응성을 부여함으로써 혈액적합성을 증진시키는 방법이 개시되어 있고, 미국 등록특허공보 제6,306,165호에는 대표적인 항혈전 단백질인 헤파린을 ePTFE 인공혈관 내벽에 코팅하여 혈전 생성을 억제하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 종래 플라즈마를 이용한 표면 개질 방법은, 생체적합성을 개선할 수 있으나, 플라즈마 처리 후 생성되는 라디칼의 높은 반응성으로 인해 표면 안정성이 낮아질 수 있고, 이를 유지시키기 위해 에이징(aging) 처리가 수반되어야 하는 한계가 있다. 한편, 천연고분자나 항응고제 등의 약물을 코팅하는 방법은 표면의 소수성으로 인해 이들 약물과의 결합력이 약하므로 혈액 흐름 하에 빠른 시간 내에 방출되어 약효가 오래 유지되기 어려운 단점이 있으며, 항응고제인 헤파린의 경우 과도하게 방출되면 혈소판을 감소시키므로 환자의 나이나 건강 상태에 따라 심각한 2차 질환을 유발할 수 있는 저혈소판증(heparin-induced thrombocytopenia; HIT)의 발생 위험이 있다.

본 발명자들은 ePTFE를 기반으로 하는 인공혈관을 제조함에 있어서, 6 mm 이하의 소구경으로 사용하여도 협착증을 유발하지 않도록 표면의 혈액적합성을 향상시키기 위한 표면 개질 방법을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 선택적 플라즈마 에칭법을 이용하여 ePTFE 표면에 계면 없이 생체 활성 금속을 주입함으로써 혈관내피세포의 부착 및/또는 증식은 현저히 증가되고, 활성화된 혈소판의 부착 및/또는 증식은 억제된, 표면을 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 제1양태는 미리 결정된 반응 조건에서 생체 활성 금속(bioactive metals) 타겟을 사용한 플라즈마 에칭을 수행하여 연신 폴리테트라플루오르에틸렌(expanded polytetrafluoroethylene: ePTFE) 표면에 계면 없이 생체 활성 금속을 주입하는 단계로서, 불활성 기체 존재 하에 생체 활성 금속 타겟에 음전압을 인가함과 동시에 ePTFE 시편을 위치시킨 고정판에 바이어스용 음전압을 인가하여, 생체 활성 금속 타겟과 ePTFE 시편 사이에 형성된 전위차에 의해 생체 활성 금속 양이온을 가속시키는 단계를 포함하는, ePTFE 시편 및 이의 일면에 계면 없이 주입된 생체 활성 금속을 포함하는 금속화된 표면을 갖는 인공혈관의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제2양태는 ePTFE 기재; 및 상기 ePTFE 기재의 일면에 계면 없이 주입된 생체 활성 금속을 포함하는, 금속화된 표면을 갖는 인공혈관을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

본 발명은 현재 인공혈관 소재로 사용되는 ePTFE 튜브가 6 mm 이내의 소구경으로 사용하는 경우, 낮은 혈류 속도로 인해 협착증이 높은 비율로 발생하는 것을 개선하기 위하여 고안된 것이다. 이를 해결하기 위하여, 튜브의 내경을 플라즈마로 처리하는 경우 잔류하는 높은 반응성의 라디칼에 의해 표면 안정성이 낮으므로 이를 개선하기 위한 에이징 처리를 수반하는 번거로움이 있고, 천연 고분자나 항응고제 등의 약물을 코팅하는 경우에는 혈액의 흐름에 의해 코팅이 벗겨지거나 약물이 빠르게 방출되어 원하는 효과를 지속적으로 얻기 어려우며, 방출되는 약물에 의해 2차 질환을 유발할 수 있는 가능성이 있다. 그러나, 본 발명에 따른 선택적 플라즈마 에칭에 의해 ePTFE 표면에 생체 활성 금속 이온을 주입하여 제조한 금속화된 표면을 갖는 인공혈관은, 혈관내피세포의 부착 및/또는 증식을 현저히 향상시키고, 활성화된 혈소판의 부착 및/또는 증식은 억제할 뿐만 아니, 금속을 단순 증착하여 코팅한 기재와 달리 계면 없이 금속 이온이 고분자 표면 및 표면으로부터 특정 깊이까지 주입되어 금속 산화물을 형성하므로 쉽게 박리되거나 마모되지 않고 구조적 안정성을 나타내므로 체내에 이식된 상태에서도 장기간 안정하게 유지될 수 있는 것이 특징이다.

미리 결정된 반응 조건에서 생체 활성 금속 타겟을 사용한 플라즈마 에칭을 수행하여 ePTFE 표면에 계면 없이 생체 활성 금속을 주입하는 단계로서, 불활성 기체 존재 하에 생체 활성 금속 타겟에 음전압을 인가함과 동시에 ePTFE 시편을 위치시킨 고정판에 바이어스용 음전압을 인가하여, 생체 활성 금속 타겟과 ePTFE 시편 사이에 형성된 전위차에 의해 생체 활성 금속 양이온을 가속시키는 단계를 포함하는, ePTFE 시편 및 이의 일면에 계면 없이 주입된 생체 활성 금속을 포함하는 금속화된 표면을 갖는 인공혈관의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제조방법에서 사용되는 생체 활성 금속은 플라즈마 발생시 형성되는 이온이 상대적으로 비중이 낮은 고분자 기재의 표면을 에칭시켜 표면에서 형상변화를 일으키는 동시에 함께 형성되는 원자는 표면에 증착되어 잔류함으로써 표면의 화학적 조성을 변화시킬 수 있는 물질일 수 있다. 상기 생체 활성 금속의 비제한적인 예는 탄탈룸, 니오븀, 텅스텐, 레눔, 오스뭄, 이리듐, 하프늄, 백금 또는 금을 포함한다. 바람직하게, 상기 생체 활성 금속은 탄탈룸일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 탄탈룸은 매우 항부식성 및 내마모성이 높은 소재이므로 그 자체로 또는 합금의 형태로 전지 및 전자소자 등의 내부식성 재료 및 체내 삽입을 위한 임플란트 등으로 또는 이들의 코팅에 다양하게 사용되는 생체적합성 물질이다.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 생체 활성 금속 타겟에 인가되는 전압은 생체 활성 금속 타겟으로부터 금속 양이온을 방출하기 시작하는 문턱 전압 이상의 음전압일 수 있다. 예컨대, 탄탈룸을 타겟으로 사용하는 경우 10 내지 500 V 범위의 음전압을 인가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 이는 사용하는 생체 활성 금속의 종류 및 이온 발생 가능성을 고려하여 선택할 수 있다.

나아가, 상기 ePTFE 시편을 위치시킨 고정판에 인가되는 바이어스용 음전압은 생체 활성 금속 타겟에 인가되는 음전압보다 큰 음전압, 예컨대, 500 내지 2000 V 범위의 음전압을 인가할 수 있다.

이와 같이 상기 ePTFE 시편을 위치시킨 고정판에 바이어스용 음전압, 즉, 생체 활성 금속에 인가되는 전압보다 높은 음전압을 인가함으로써, 생체 활성 금속 타겟으로부터 발생하는 생체 활성 금속 양이온을 ePTFE 시편을 향해 가속시켜 ePTFE 시편 표면으로의 금속 이온 주입을 유도할 수 있다.

본 발명의 제조방법에서는 ePTFE 시편의 표면에 주입되는 생체 활성 금속의 함량을 극대화하기 위하여, 상기 생체 활성 금속 타겟 및 ePTFE 시편을 위치시킨 고정판의 거리를 조절할 수 있으며, 이들 타겟과 시편은 5 내지 15 cm 간격으로 이격시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

예컨대, 본 발명의 제조방법은 생체 활성 금속 타겟 및 ePTFE 시편을 위치시킨 고정판에 각각 연결된 직류 전원공급장치를 구비한 마그네트론 스퍼터링(DC magnetron sputtering) 장치를 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

바람직하게, 상기 플라즈마 에칭은 내부에 서로 이격되어 위치한 생체 활성 금속 타겟 및 ePTFE 시편을 포함하는 진공 챔버; 및 상기 생체 활성 금속 타겟 및 ePTFE 시편에 각각 연결된 직류 전원공급장치;를 구비한 스퍼터를 기반으로 하는 장치를 이용하여 수행할 수 있다. 바람직하게는 서로 마주보도록 이격하여 위치한 생체 활성 금속 타겟 및 ePTFE 시편에 각각 음전압을 인가하되 ePTFE 시편에 생체 활성 금속 타겟에 비해 보다 큰 음전압을 적용하여 전압구배에 의해 생성된 생체 활성 금속 이온 및 원자가 ePTFE 시편을 향하여 가속되도록 할 수 있다.

상기 진공 챔버에는 상기 플라즈마 공정에 요구되는 소정의 압력을 제공하기 위하여 불활성 기체를 주입하여 소정의 압력을 유지하도록 할 수 있다. 상기 불활성 기체로는 아르곤 기체를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 압력은 0.5×10^-2 내지 5×10^-2 torr일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 당업자에 의해 적절히 선택될 수 있다.

상기 조건에서의 선택적 플라즈마 에칭에 의해 생체 활성 금속 이온을 ePTFE 표면 및 표면으로부터 특정 깊이, 예를 들어 1 내지 100 nm 깊이까지 고분자와의 계면 없이 주입할 수 있다.

상기 본 발명의 제조방법에 사용되는 ePTFE 시편은 최종적으로 제공하고자 하는 인공혈관의 두께와 동일한 두께를 가지며, 그 폭과 길이는 각각 제공하고자 하는 인공혈관의 내경과 길이 이상인 평면의 시편일 수 있다.

이에, 본 발명의 제조방법은, 상기 생체 활성 금속을 주입하는 단계 이후, 생체 활성 금속이 주입된 면이 안쪽을 향하도록 혈관모양으로 구부려 봉합 또는 접착하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 구체적으로, 개질하고자 하는 ePTFE 표면과 주입하고자 하는 생체 활성 금속 타겟이 소정의 간격으로 이격되어야 하는 본 발명의 제조방법의 특성상 피주입체인 ePTFE 시편은 평면인 것이 바람직하다. 예컨대, 원하는 크기 및/또는 길이의 ePTFE 튜브를 원통방향으로 절개하여 펼쳐서 내면에 생체 활성 금속을 주입한 후 다시 튜브 형태로 봉합 또는 접착하여 튜브형태로 복원하거나, 평면형인 ePTFE 기재에 생체 활성 금속을 주입한 후, 금속이 주입된 면이 안쪽을 향하도록 혈관형태로 구부려 봉합 또는 접착하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 제조되는 인공혈관의 두께는 0.01 내지 0.2 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 보다 구체적으로, 인공혈관의 두께 및/또는 직경은 이식하고자 하는 혈관 결손부의 혈류량, 혈압 및 혈관을 두께 등을 고려하여 조절할 수 있다.

상기 생체 활성 금속이 주입된 평면의 ePTFE 기재를 혈관모양으로 구부리는 과정은 플라스틱 캐뉼라 등의 혈관용 의료기기를 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 플라스틱 캐뉼라는 제조하고자 하는 인공혈관의 직경을 고려하여 그 크기를 선택할 수 있다.

혈액이 새지 않도록 옆면이 닫힌 튜브 형태로 제공될 수 있도록, 혈관모양으로 구부린 기재는 서로 닿는 부분을 봉합 또는 접착할 수 있다. 상기 봉합은 봉합사를 이용하여 봉합하는 등 인공혈관을 봉합할 수 있는 모든 방법 및/또는 수단을 이용하여 수행할 수 있다. 상기 봉합에 사용되는 봉합사는 혈관을 결찰하여 지혈 효과를 가져오거나 손상 받은 조직이 치유될 때까지 조직을 지지해주는 역할을 하므로, 조직과 반응을 일으키지 않는 비활성이어야 하며, 유연해야 하고, 조직에 손상을 주지 않으며, 이물 작용이 없어야 한다. 이러한 봉합사로는 실크, 나일론, 바이크릴(Vicryl), 프로린(Prolin) 및 다크론(Dacron)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 실크는 잘 미끄러지지 않기 때문에 봉합 시 3~4회만 묶어주면 매듭이 풀리는 일은 거의 없고, 값이 저렴하며, 피부 봉합 및 장관 봉합, 광범위한 근막 봉합 등에 사용되고 있다. 또한, 나일론은 성분이 폴리아미드 폴리머로 모노필라멘트와 멀티필라멘트의 2종류가 있다. 주로 모노필라멘트로 된 나일론을 많이 사용하며, 첫 번호가 커질수록 굵기가 가늘어진다. 상기 봉합에는 6-0 내지 10-0 모노필라멘트로 된 나일론을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 한편, 상기 접착은 생체 조직용 접착제를 이용하여 인공혈관을 접착할 수 있는 모든 방법 및/또는 수단을 이용하여 수행할 수 있다. 생체 조직용 접착제로는 미세 수술, 혈관 수술, 폐 수술 및 성형외과, 정형외과, 치과 등 다양한 의료 영역에서 조직의 고정, 상처의 봉합, 지혈, 공기유출방지 등의 목적으로 사용되는 물질을 제한없이 사용할 수 있다. 생체 내에서 사용되기 때문에 생분해성을 가져야 하며, 독성과 위해성이 없어야 한다. 또한, 인공혈관으로서 체내에 삽입하는 것을 목적으로 하는 바, 이식 후 체액이나 혈액에 의하여 젖은 상태에 노출되므로 충분한 접착력을 얻기가 어렵고, 빠른 접착력과 생체 적합성 등의 특성이 있어야 하므로 제한된 소재만이 사용될 수 있다. 이러한 생체 조직용 접착제로는 피브린 글루, 젤라틴 글루, 폴리우레탄계 접착제 및 시아노아크릴레이트계 접착제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.

나아가, 본 발명은 ePTFE 기재; 및 상기 ePTFE 기재의 일면에 계면 없이 주입된 생체 활성 금속을 포함하는, 금속화된 표면을 갖는 인공혈관을 제공한다.

본 발명의 금속화된 표면을 갖는 인공혈관은 선택적 플라즈마 에칭법에 의해 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

구체적으로, 상기 본 발명의 인공혈관은 전술한 제조방법에 의해 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

이와 같이 제조된 인공혈관은 생체 활성 금속이 ePTFE 표면으로부터 1 내지 100 nm 깊이까지 주입된 것일 수 있다. 상기 생체 활성 금속 주입층의 두께가 1 nm 미만으로 얇은 경우 원하는 정도의 혈액적합성 향상 효과를 달성하기 어려울 수 있는 반면, 100 nm를 초과하도록 깊이 형성된 경우, 강도가 증가하여 가요성을 요구하는 혈관으로서의 사용이 어려울 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 인공혈관은 ePTFE의 표면에 생체 활성 금속 이온이 계면 없이 주입된 것이 특징이다. 이때, ePTFE 표면으로부터 10 nm 이내에 함유된 생체 활성 금속의 함량은 평균 1 내지 50원자%이며, ePTFE 표면으로부터 깊이에 따라 생체 활성 금속의 함량이 감소하는 경향의 패턴을 나타내는 것이 특징이다. 이상과 같이, 본 발명의 인공혈관은 최외각 표면으로부터 깊이가 증가함에 따라 금속의 함량이 감소하는 패턴의 함량 구배로 계면 없이 금속 이온을 ePTFE 기재에 함유하므로 외부 자극이나 생체 내 삽입에 의한 습윤한 조건 및 혈액의 흐름에 노출되어도 금속층이 박리되거나 하지 않고 일정한 함량을 유지하므로 구조적으로 안정하며 장기간에 지난 후에도 개선된 성질을 유지할 수 있다.

예컨대, 본 발명의 인공혈관은 생체 활성 금속을 주입하지 않은 ePTFE 기재에 비해 혈액적합성이 향상된 것이 특징이다. 구체적으로, 본 발명의 인공혈관은 생체 활성 금속을 주입하지 않은 ePTFE 기재에 비해 혈관내피세포의 부착, 증식 또는 둘 모두는 증가되고, 활성화된 혈소판의 부착, 증식 또는 둘 모두는 감소시킬 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는, 비처리 ePTFE와 비교하여 본 발명의 선택적 플라즈마 에칭에 의해 표면에 탄탈룸 이온을 주입한 ePTFE 표면에서 혈관내피세포 배양시 세포의 부착성 및 증식률이 현저히 증가한 것으로 확인하였으며, 혈소판을 분주하여 배양한 경우, 동일한 시간 내에 비처리 ePTFE 표면에서는 위족(filopods)을 통해 넓게 부착된 활성화된 혈소판이 높은 밀도로 부착 및 증식된 것으로 나타났으나, 본 발명의 선택적 플라즈마 에칭에 의해 표면에 탄탈룸 이온을 주입한 ePTFE 표면에는 현저히 적은 수의 혈소판 부착이 관찰되었으며, 이들 혈소판은 디스크 형태를 유지하는 불활성 혈소판으로 확인되었다(도 5 및 6).

이상 본 발명의 인공혈관은 생체 내 결손된 혈관 부위에 봉합 또는 접착하여 이식할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 인공혈관은 봉합사를 이용하여, 당업계에 공지된 비제한적인 봉합 방법으로, 혈관 결손부와 봉합하거나, 생체 조직용 접착제를 이용하여, 당업계에 공지된 비제한적인 접착 방법으로, 혈관 결손부와 접착시킬 수 있다. 이때, 사용가능한 봉합사 및/또는 생체 조직용 접착제의 종류는 전술한 바와 같다.

본 발명에 따른 인공혈관은 혈전 방지 성분을 추가로 포함할 수 있다. 상기 혈전 방지 성분은 상업적으로 구입할 수 있는 것을 제한없이 사용할 수 있고, 예를 들어, 4-헥실레조르시놀 등의 혈전 방지 성분을 함유하는 용액에 침지시켜 ePTFE의 기공에 상기 혈전 방지 성분을 담지시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 선택적 플라즈마 에칭법에 의해 ePTFE 시편의 일면에 계면 없이 주입된 생체 활성 금속을 포함하는 금속화된 표면을 갖는 인공혈관

도 1은 선택적 플라즈마 에칭에 의한 표면처리 전과 후의 ePTFE 표면의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 이미지를 나타낸 도이다.
도 2는 선택적 플라즈마 에칭에 의한 표면처리 전과 후의 ePTFE 표면의 원자의 화학결합 상태를 X-선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)으로 분석한 결과를 나타낸 도이다.
도 3은 선택적 플라즈마 에칭에 의한 표면처리 전과 후의 ePTFE 표면의 물 접촉각(contact angle)을 나타낸 도이다.
도 4는 공초점현미경(confocal microscope)으로 관찰한, 선택적 플라즈마 에칭에 의한 표면처리 전과 후의 ePTFE 표면에서 1일 및 7일 동안 배양한 혈관내피세포의 부착된 이미지를 나타낸 도이다.
도 5는 SEM을 이용하여 배율에 따라 관찰한, 선택적 플라즈마 에칭에 의한 표면처리 전과 후의 ePTFE 표면에서 1일 동안 배양한 혈소판의 부착된 이미지를 나타낸 도이다.
도 6은 선택적 플라즈마 에칭에 의한 표면처리 전과 후의 ePTFE 표면에서 1일 동안 배양한 혈소판의 ePTFE 표면에 대한 부착 밀도를 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 1: 비처리 ePTFE의 준비

Gore사에서 시판하는 의료용 ePTFE 인공혈관(GORE-TEX, Stretchable Vascular Grafts)을 구입하여 이어지는 실험에 용이하도록 10 mm×10 mm 크기로 가공하였다.

실시예 1: 선택적 플라즈마 에칭법으로 표면처리한 ePTFE의 제조

상기 비교예 1에 따라 10 mm×10 mm 크기로 준비한 ePTFE 시편의 표면에 선택적 플라즈마 에칭법을 이용하여 생체 활성 금속 탄탈룸 이온을 주입하기 위하여, 상기 ePTFE 시편 및 탄탈룸 타겟을 마그네트론 스퍼터(DC magnetron sputter)의 진공챔버 내에 15 cm 정도 이격시켜 위치시킨 후, 챔버 내에 플라즈마가 형성될 수 있도록 스퍼터링 기체로서 아르곤 가스를 유입시켜 약 10^-2 torr 수준의 진공도를 형성하였다. 이후, 탄탈룸 타겟(순도 99.99%)에 음전압을 인가하여 진공챔버 내부에 플라즈마를 형성하는 동시에 상기 ePTFE 시편이 놓인 고정판에는 보다 높은 음전압을 인가하여, 타겟과 고정판 사이에 전위차를 형성하였다. 상기 전위차에 의한 전기적 인력에 의해 고정판으로 가속화된 탄탈룸 이온은 ePTFE 시편의 표면에 충돌하여 주입되었으며, 최종적으로 표면에 탄탈룸 이온이 주입된 금속화된 표면을 갖는 ePTFE를 수득하였다. 이때, 탄탈룸 타겟에 인가한 전압은 500 V 이하였으며, 처리 시간은 총 1분 이내로 완료하였다.

실험예 1: 선택적 플라즈마 에칭법으로 표면처리한 , 탄탈룸 이온 주입된 ePTFE의 표면 구조 변화 확인

본 발명에 따른 선택적 플라즈마 에칭법에 의한 표면처리 전(비교예)과 후(실시예)의 ePTFE 표면 구조 변화를 확인하기 위하여, 전계주사전자현미경(field emission-scanning electron microscope; FE-SEM)으로 관찰하고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이, 비교예 및 실시예의 고배율 이미지는 선택적 플라즈마 에칭법에 의한 표면처리에 의해 어떠한 표면 구조 변화 없이 비처리 ePTFE의 다공성 기공 구조를 안정적으로 유지함을 확인하였다.

실험예 2: 선택적 플라즈마 에칭법으로 표면처리한 , 탄탈룸 이온 주입된 ePTFE 표면의 화학구조물 동정

상기 실험예 1에서 확인된 선택적 플라즈마 에칭에 의한 탄탈룸 이온의 주입에 의한 표면에서의 화학종 변화를 동정하기 위하여, X-선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)으로 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 시편의 표면 원자의 화학결합 상태 및 조성을 확인하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 비처리 ePTFE 시편인 비교예에서는 탄소, 산소 및 불소를 제외한 어떠한 원자도 검출되지 않았으나, 선택적 플라즈마 에칭에 의해 탄탈룸 이온을 주입한 ePTFE 시편인 실시예에서는 탄탈룸 원자가 추가적으로 검출(4.04%)되었다.

실험예 3: 선택적 플라즈마 에칭법으로 표면처리한 , 탄탈룸 이온 주입된 ePTFE 표면의 친수성 확인

선택적 플라즈마 에칭법으로의 표면처리에 따른 ePTFE 표면의 특성 변화를 확인하기 위하여, 대표적인 고분자 기재의 표면 특성인 친수성을 확인하였다. 구체적으로, 비교예 1 및 실시예 1의 시료의 탄탈룸 주입면에 대해 물 접촉각을 측정하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와 같이, 비처리 ePTFE 시편인 비교예는 약 133°의 매우 높은 물 접촉각을 갖는 고도의 소수성으로 확인되었으나, 선택적 플라즈마 에칭에 의한 탄탈룸 이온의 주입된 ePTFE 시편인 실시예는 약 96°로 현저히 감소된 물 접촉각을 나타내었다. 이는 소수성이던 ePTFE 표면에 선택적 플라즈마 에칭법에 의한 표면처리에 의해 친수성이 부여되었음을 나타내는 것이다.

실험예 4: 선택적 플라즈마 에칭법으로 표면처리한 , 탄탈룸 이온 주입된 ePTFE 표면에서 혈관내피세포의 부착 및 증식 평가

선택적 플라즈마 에칭법으로의 표면처리의 ePTFE 표면의 혈액적합성에 대한 효과를 확인하기 위하여, 비교예 1 및 실시예 1의 시편 상에 혈관내피세포(endothelial cell)를 분주하여 공지의 방법으로 배양하고, 기재 상에서 상기 세포의 부착 및 증식 정도를 공초점 현미경(confocal microscope)으로 확인하였다. 구체적으로, 혈관내피세포(ATCC, CRL-1730)를 비교예 및 실시예의 비처리 및 선택적 플라즈마 에칭법으로 처리된 표면에 분주하여 배양하면서, 각각 1일 및 7일차에 표면에 부착된 세포의 형태를 관찰하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, 비처리 ePTFE 시편(비교예) 상에서는 7일까지 배양하여도 증식의 정도가 미약하였으며, 이는 비처리 ePTFE 표면의 고도의 소수성에 기인하는 것으로 사료된다. 반면, 선택적 플라즈마 에칭법으로 처리된 ePTFE 표면에서는 배양 7일 후 현저히 증가된 혈관내피세포의 증식이 관찰되었으며, 이들 세포는 전체 표면에 고르게 퍼져 부착되었다. 이는 선택적 플라즈마 에칭법에 의한 표면처리에 의해 부여된 표면의 친수성에 기인할 수 있다.

실험예 5: 선택적 플라즈마 에칭법으로 표면처리한 , 탄탈룸 이온 주입된 ePTFE 표면에서 혈소판의 부착 경향 및 밀도 평가

선택적 플라즈마 에칭법으로의 표면처리의 ePTFE 표면의 혈액적합성에 대한 효과를 확인하기 위하여, 비교예 1 및 실시예 1의 시편 상에서의 혈소판 부착 경향 및 밀도를 FE-SEM으로 확인하고, 그 결과를 도 5 및 6에 나타내었다. 구체적으로, 건강한 인간의 혈액으로부터 추출한 혈소판을 비처리 및 선택적 플라즈마 에칭법으로 처리된 표면에 분주하고, 1시간 동안 배양한 후, 표면에 부착된 혈소판을 관찰하였다. 도 5에 나타난 바와 같이, 비처리 ePTFE 시편(비교예) 상에서는 전체 영역에서 고르게 부착된 혈소판이 관찰되었으며, 이들 혈소판의 부착된 형태를 고배율의 이미지로 관찰하여, 기재의 표면에 강하게 부착된 활성화된 혈소판임을 확인하였다. 반면, 선택적 플라즈마 에칭법으로 처리된 ePTFE 표면에서 관찰된 부착된 혈소판의 수는 현저히 적었으며, 이들 부착된 혈소판을 고배율의 이미지로 관찰한 바, 비활성화된 혈소판임을 확인하였다. 도 6에 나타난 바와 같이, 이들 이미지로부터 부착된 혈소판의 밀도를 정량적으로 산출한 결과, 비처리 ePTFE에 비해 선택적 플라즈마 에칭법으로 표면처리된 본 발명의 기재에서 부착된 혈소판의 밀도는 거의 1/6 수준으로 감소하였다. 이는 본 발명에 따른 선택적 플라즈마 에칭법으로 표면처리된 ePTFE는 비처리 ePTFE에 비해 혈전 형성 및/또는 혈액응고를 현저히 감소시킬 수 있음을 나타내는 것이다.

Claims

미리 결정된 반응 조건에서 생체 활성 금속(bioactive metals) 타겟을 사용한 플라즈마 에칭을 수행하여 연신 폴리테트라플루오르에틸렌(expanded polytetrafluoroethylene: ePTFE) 표면에 계면 없이 생체 활성 금속을 주입하는 단계로서, 불활성 기체 존재 하에 생체 활성 금속 타겟에 음전압을 인가함과 동시에 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 시편을 위치시킨 고정판에 바이어스용 음전압을 인가하여, 생체 활성 금속 타겟과 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 시편 사이에 형성된 전위차에 의해 생체 활성 금속 양이온을 가속시키는 단계를 포함하는, 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 시편 및 이의 일면에 계면 없이 주입된 생체 활성 금속을 포함하는 금속화된 표면을 갖는 인공혈관의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 생체 활성 금속은 탄탈룸, 니오븀, 텅스텐, 레눔, 오스뭄, 이리듐, 하프늄, 백금 또는 금인 것인, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 생체 활성 금속 타겟에 인가되는 전압은 생체 활성 금속 타겟으로부터 금속 양이온을 방출하기 시작하는 문턱 전압 이상의 음전압인 것인, 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 생체 활성 금속 타겟에 인가되는 전압은 10 내지 500 V 범위의 음전압인 것인, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 시편을 위치시킨 고정판에 인가되는 전압은 생체 활성 금속 타겟에 인가되는 음전압보다 큰 음전압인 것인, 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 시편을 위치시킨 고정판에 인가되는 전압은 500 내지 2000 V 범위의 음전압인 것인, 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 생체 활성 금속 타겟 및 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 시편을 위치시킨 고정판은 5 내지 15 cm 간격으로 이격된 것인, 제조방법.
제1항에 있어서,
생체 활성 금속 타겟 및 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 시편을 위치시킨 고정판에 각각 연결된 직류 전원공급장치를 구비한 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 수행하는 것인, 제조방법.
연신 폴리테트라플루오르에틸렌 기재; 및 상기 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 기재의 일면에 계면 없이 주입된 생체 활성 금속을 포함하는, 금속화된 표면을 갖는 인공혈관.
제9항에 있어서,
선택적 플라즈마 에칭법에 의해 제조된 것인, 인공혈관.
제9항에 있어서,
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 것인, 인공혈관.
제9항에 있어서,
상기 생체 활성 금속은 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 표면으로부터 1 내지 100 nm 깊이까지 주입된 것인, 인공혈관.
제9항에 있어서,
연신 폴리테트라플루오르에틸렌 표면으로부터 10 nm 이내에 함유된 생체 활성 금속의 함량은 평균 1 내지 50원자%이며, 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 표면으로부터 깊이에 따라 생체 활성 금속의 함량이 감소하는 경향의 패턴을 나타내는 것인, 인공혈관.
제9항에 있어서,
생체 활성 금속을 주입하지 않은 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 기재에 비해 혈액적합성이 향상된 것인, 인공혈관.
제14항에 있어서,
생체 활성 금속을 주입하지 않은 연신 폴리테트라플루오르에틸렌 기재에 비해 혈관내피세포의 부착, 증식 또는 둘 모두는 증가되고, 활성화된 혈소판의 부착, 증식 또는 둘 모두는 감소된 것인, 인공혈관.