KR20200104122A - 정형외과용 생체이식 임플란트와 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정형외과용 생체이식 임플란트와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생체이식을 위한 정형외과용 임플란트의 초기고정력 향상 및 생체친화성 개선을 위한 합성 펩타이드를 표면에 코팅함으로써 시술 후 치유기간의 단축 및 골 형성 촉진이 향상된 임플란트와 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

정형외과용 생체이식 임플란트와 이의 제조방법{implant for bio transplantation manufacturing method thereof}

본 발명은 정형외과용 생체이식 임플란트와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생체이식을 위한 정형외과용 임플란트의 초기고정력 향상 및 생체친화성 개선을 위한 합성 펩타이드를 표면에 코팅함으로써 시술 후 치유기간의 단축 및 골 형성 촉진이 향상된 임플란트와 이의 제조방법에 관한 것이다.

골질환은 65세 이상 환자들이 경험하는 질환의 절반 이상을 차지하고 있고 50세 이상 여성의 40%는 3대 골 질환을 경험할 것으로 예상되는 가운데 임플란트 시술자 중 이들이 차지하는 비중은 갈수록 증가하는 양상을 보이고 있다.

체내에 삽입되는 외과용 임플란트가 오랜기간 동안 유지되기 위해서는, 골과 생체재료의 접합면이 안정적으로 유지되어야 한다. 임플란트 시술부의 빠른 골융합과 생체적합성은 이러한 장기간의 임플란트 사용과 관련이 있다. 그러나 일반적으로 체내에 삽입되는 임플란트는 우수한 기계적 특성에도 불구하고, 골융합 및 생체적합성은 양호하지 않다.

골질환 환자를 대상으로 임플란트 시술 시 고정력 약화 및 식립지 이탈 등의 증상이 증가하여 기존 제품 대비 골형성을 촉진하여 치료기간의 단축과 고정력을 강화할 수 있는 제품 개발의 필요성이 대두되고 있다.

최근에는 골 및 임플란트 표면간의 세포 작용을 자극하는 표면 처리법이 증가하고 있다. 임플란트를 보다 의학적으로 적용하는 데 있어서 중요한 것은 임플란트에 사용되는 생체재료 표면에 생체 활성물질을 고정하는 것이다. 따라서 임플란트 코팅기술에 의하여 골형성 단백질을 골-임플란트 접합면에 전달하는 방법이 임플란트의 효과적인 고정과 시술 부위치유를 위해 많이 사용되어 왔다.

주로 하이드록시아파타이트로 구성된 칼슘 포스페이트는 임플란트 적용에 있어서 전형적이고도 매우 뛰어난 생체적합성이 우수한 세라믹 물질이다. 그러나 하이드록시아파타이트는 골융합을 증가시키는 장점을 갖고 있는 반면, 박리현상이 일어나는 단점이 있다.

최근, 조골세포의 증식과 분화를 촉진시키는 TGF-β family에 속하는 단백질인 BMP(Bone matrix protein)과 같은 생리활성물질을 임플란트 표면에 직접 도포하거나 수술부위 주변에 유포시키는 방법이 사용되고 있다.

BMP계열 단백질이 골 형성 및 골분화, 치조골의 형성에 중요한 기능을 하는 것이 보고된 이후, 많은 실험이 진행되었으며, 동물뿐만 아니라, 인간에서도 BMP 계열의 단백질이 골형성과 분화에 관여하여, 뼈를 재생시키고, 강화해 준다는 결과가 발표된 바 있다.

그러나, BMP는 가격이 비쌀 뿐만 아니라, 체내에 존재하는 효소 등에 의하여 빠르게 분해되어 사라지므로, 효과적인 적용이 어려운 실정이다.

1. 대한민국 등록특허 제10-1744763호: BMP 유래 펩타이드 및 이의 용도 2. 대한민국 등록특허 제10-0630903호: 표면에 골조직 형성 증진 펩타이드가 고정된 차폐막 및 임플란트

본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 골다공증, 골관절염 및 골 결손 질환 치료 시 기존의 치료물질에 비해 부작용이 없고, 기존의 물질을 대체할 수 있을 만큼 우수한 골 형성 효과를 가질 뿐만 아니라 비교적 낮은 제조단가라는 장점을 지니고 있는 합성 펩타이드를 코팅하여 골 형성 기능이 우수하고, 시술 후 부작용을 감소시키고 치유기간을 단축시킬 수 있는 정형외과용 생체이식 임플란트와 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정형외과용 생체이식 임플란트는 금속 또는 고분자 소재로 형성된 지지체와; 상기 지지체의 표면에 형성된 도파민 코팅층과; 고정력 향상 및 골 형성 촉진을 위한 펩타이드를 함유한 코팅조성물을 상기 도파민 코팅층의 표면에 코팅하여 형성시킨 펩타이드 코팅층;을 구비한다.

상기 펩타이드는 SDF-1d 유래의 펩타이드이다.

그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정형외과용 생체이식 임플란트의 제조방법은 금속 또는 고분자 소재로 지지체를 형성시키는 지지체준비단계와; 상기 지지체를 도파민 용액에 침지시켜 상기 지지체의 표면에 도파민 코팅층을 형성시키는 제 1코팅단계와; 고정력 향상 및 골 형성 촉진을 위한 펩타이드를 함유한 코팅조성물을 상기 도파민 코팅층의 표면에 코팅하여 펩타이드 코팅층을 형성시키는 제 2코팅단계;를 포함한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 골다공증, 골관절염 및 골결손 질환 등의 치료시 금속 또는 고분자 소재의 임플란트 표면에 펩타이드를 코팅하여 초기 고정력과 생체 적합성을 향상시켜 시술 후 치유기간의 단축 및 골 형성 촉진이 가능하다.

본 발명은 골 형성 능력의 향상과 적극적인 생물학적 활성이 부여된 바이오소재 사용으로 인한 적은 부작용과 함께 우수한 골형성 효과를 가질 뿐만 아니라 비교적 제조단가가 저렴한 장점을 지닌 펩타이드를 이용하므로 제조의 경제성 향상을 기대할 수 있다.

도 1은 CNC 가공을 통해 준비한 디스크 타입의 금속 지지체의 모습을 나타낸 사진이고,
도 2는 CNC 가공을 통해 준비한 앵커 타입의 금속 지지체의 모습을 나타낸 사진이고,
도 3은 CNC 가공을 통해 준비한 케이지 타입의 금속 지지체의 모습을 나타낸 사진이고,
도 4는 앵커 타입의 금속 지지체에 도파민을 코팅한 임플란트, 도파민과 펩타이드를 코팅한 임플란트, 아무것도 코팅하지 않은 임플란트의 전자현미경 사진이고,
도 5는 앵커 타입의 금속 지지체에 도파민을 코팅한 임플란트, 도파민과 펩타이드를 코팅한 임플란트, 아무것도 코팅하지 않은 임플란트에 대한 세포부착 실험결과를 나타낸 사진이고,
도 6은 케이지 타입의 금속 지지체에 도파민을 코팅한 임플란트, 도파민과 펩타이드를 코팅한 임플란트, 아무것도 코팅하지 않은 임플란트에 대한 세포부착 실험결과를 나타낸 사진이고,
도 7은 디스크 타입의 금속 지지체에 도파민을 코팅한 임플란트, 도파민과 펩타이드를 코팅한 임플란트, 아무것도 코팅하지 않은 임플란트에 대한 세포부착 실험결과를 나타낸 사진이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 정형외과용 생체이식 임플란트와 이의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 예에 따른 정형외과용 생체이식 임플란트는 금속 또는 고분자 소재로 형성된 지지체와, 지지체의 표면에 형성된 도파민 코팅층과, 도파민 코팅층의 표면에 코팅하여 형성시킨 펩타이드 코팅층을 구비한다.

지지체는 임플란트의 골격을 이루는 부분으로서, 금속 또는 고분자 소재로 형성된다.

금속 소재로 순수한 티타늄 또는 티타늄 합금이 이용될 수 있다. 이러한 금속 소재는 CNC가공 등을 통해 특정한 형태의 지지체로 가공할 수 있다.

그리고 고분자 소재로 생체적합성이 우수한 다양한 고분자 물질이 이용될 수 있다. 가령, 고분자 소재로 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL)을 이용할 수 있다. 폴리카프로락톤은 생체 안정성이 우수하여 생체 내부에서 독성이 낮으며, 적절한 탄성 및 기계적 강도를 가진다.

고분자 소재는 다양한 성형방법을 통해 특정한 형태의 지지체로 성형할 수 있다. 바람직하게는 3D 프린팅에 의해 3차원 형상으로 성형한다. 이러한 지지체는 내부에 미세한 기공이 형성된 다공구조를 갖는다.

3D 프린팅에 의한 지지체의 성형은 의도한 3차원 형상의 지지체를 정확하게 구현할 수 있으며 복잡한 형상을 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 기공의 크기와 형태까지 정밀하게 조절할 수 있다. 또한 이러한 방법을 통해 제작된 3차원적 지지체는 기공을 가지는 우수한 내부연결구조를 지니고 있어 세포의 침투를 통해 세포의 증식과 분화를 향상시켜 균일한 조직의 재생을 기대할 수 있다.

도파민 코팅층은 지지체의 표면에 형성된다. 도파민 코팅층은 펩타이드 코팅층의 결합력을 향상시킨다. 도파민 코팅을 위해 도파민(dopamin) 용액에 지지체를 일정 시간 침지시켜 지지체의 표면에 도피민 코팅층을 형성할 수 있다.

펩타이드 코팅층은 도파민 코팅층의 표면에 펩타이드를 함유한 코팅조성물을 코팅하여 형성시킨다. 코팅조성물은 고정력 향상 및 골 형성 촉진을 위한 펩타이드를 함유한다.

펩타이드는 펩타이드 결합에 의해 아미노산 잔기들이 서로 결합되어 형성된 선형의 분자를 의미한다. 펩타이드는 당업계에 공지된 화학적 합성 방법, 특히 고상 합성 기술(solid-phase synthesis techniques)에 따라 제조될 수 있다.

본 발명에 적용된 펩타이드는 바람직하게 SDF-1d 유래의 아미노산 서열을 포함한다. 즉, C-X-C motif chemokine12(CXCL12)로 알려진 stromal cell-derived factor 1(SDF-1)의 델타형의 일부 부위를 기초로 합성된 펩타이드이다.

케모카인(Chemokines)은 선택적으로 백혈구 소집단의 세포접합, 화학유인작용, 활성화 등을 조절하는 사이토카인으로 세포 유주를 주된 작용으로 하며, 4개의 보존된 시스테인 잔기를 가지는 분자량 10kD(90~130 a.a) 정도의 물질로서 연속된 두개의 cystein의 위치에 따라 CC chemokine과 CXC chemokine의 두 가지 종류로 구분된다.

이러한 SDF-1d 유래의 펩타이드는 골형성단백질(BMP)로부터 유래된 펩타이드와 동일하거나 우수한 기능 또는 작용을 할 수 있으면서도 천연 BMP보다 안정성이 우수하고 저가로 생산 가능하다는 장점을 갖는다.

SDF-1d 유래의 펩타이드는 천연 BMP 또는 케모카인 중 하나 이상과 유사한 작용을 수행하여 수용기와 결합하여 분화인자와 같은 기능을 수행한다. 특히 골아세포 또는 혈관내피세포의 분화를 촉진하는 기능을 한다. SDF-1d 유래의 펩타이드는 천연 BMP 또는 케모카인과 거의 동일하거나 더 우수한 활성으로 생리활성을 발휘할 뿐만 아니라, 열안정성 및 산과 알칼리 등의 물리화학적 인자에 대한 안정성이 우수하다.

본 발명에 적용된 펩타이드는 대한민국 등록특허 제10-1747824호에 게재된 서열목록 제1서열의 아미노산 서열로 구성된다. 이러한 서열목록 제1서열의 펩타이드는 bone forming peptiede 5(BFP 5)로 불리울 수 있다.

코팅조성물은 펩타이드의 농도가 0.005 내지 0.5M일 수 있다.

코팅조성물은 다양한 공지의 부형화제, 첨가제 등을 펩타이드와 함께 혼합하여 퍼티, 페이스트, 주형 가능한 스트립, 블록, 칩 등의 형태로 성형되어 사용될 수 있다. 또한, 코팅조성물은 분말, 페이스트, 정제, 펠렛 등의 형태로 사용될 수도 있다. 또한, 코팅조성물은 수용액의 형태로 사용될 수 있다.

수용액 형태의 코팅조성물의 일 예로 인산버퍼용액에 펩타이드를 첨가하여 조성할 수 있다.

펩타이드 코팅층에 의해 본 발명은 골다공증, 골관절염 및 골결손 질환 등의 치료시 초기 고정력과 생체 적합성을 향상시켜 시술 후 치유기간의 단축 및 골 형성 촉진이 가능하다.

이하, 상술한 정형외과용 생체이식 임플란트의 제조방법에 대하여 설명한다.

먼저, 지지체를 준비한다.

금속 소재의 지지체일 경우 CNC와 같은 기계 가공 등을 통해 특정한 형태로 가공한다. 그리고 고분자 소재의 지지체일 경우 3D 프린팅에 의해 3차원 형상으로 성형할 수 있다.

다음으로, 지지체의 표면에 도파민 코팅층을 형성하기 위해 제 1코팅단계를 수행한다.

도파민 코팅층을 형성하기 위해 준비된 지지체를 도파민 수용액에 12 내지 24시간 동안 침지할 수 있다.

다음으로, 펩타이드를 함유한 코팅조성물을 도파민 코팅층의 표면에 코팅하여 펩타이드 코팅층을 형성시킨다.

펩타이드 코팅층을 형성하기 위해 다양한 코팅방법이 적용될 수 있다. 가령, 침지, 도포, 분사 등의 코팅방법, 그리고 물리적 또는 화학적 증착에 의한 코팅방법 등 중 어느 하나를 적용할 수 있다.

이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

1.지지체 준비

CNC 가공을 통해 티타늄 소재의 금속 지지체를 3종류로 준비하였다. 금속 지지체는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 디스크 타입, 앵커 타입, 케이지 타입으로 각각 준비하였다.

2. 도파민 코팅

10mM Tris-HCl에 0.6g Dopamin을 투입하여 용해시킨 도파민 용액에 준비된 지지체를 24시간 동은 침지시켜 도파민 코팅층을 형성한 후 4시간 동안 실온에서 말린 다음 Clean Bench에서 UV 처리를 하였다.

3. 펩타이드 코팅

펩타이드를 함유한 코팅조성물을 도파민 코팅층의 표면에 코팅하여 펩타이드 코팅층을 형성하여 금속 임플란트를 제조하였다.

코팅조성물은 인산버퍼용액에 0.01M의 펩타이드(BFP 5)를 첨가하여 얻었다.

(비교예)

비교예로 아무것도 코팅되지 않은 지지체와, 도파민만 코팅된 지지체를 사용하였다.

<실험예>

1. 앵커타입

전자현미경(SEM)을 통하여 실시예와 비교예의 표면을 관찰하였다. 앵커 타입의 관찰결과를 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 코팅막이 잘 형성된 것을 확인할 수 있다.

그리고 세포의 유착정도를 확인하기 위해 세포부착실험을 한 후 세포의 부착모습을 전자현미경으로 관찰하였다.

실험에 사용된 세포는 생쥐 두개골에서 유래한 조골모세포 MC3T3-E1을 ATCC에 구입하여 사용하였고, 세포배양은 α-MEM(alpha minimum essential medium with ribonucleosides, deoxyribonucleosides, 2mM L-glutamine and 1mM sodium pyruvate, but without ascorbic acid/GIBCO, Custom Product, Catalog NO A1049001)배지에 growth factor를 제공하는 10%(w/v) fetal bovine sereum(FBS, PAA Laboratoris, Inc A15-751)과 항생제(100units/ml penicillin, 100㎍/ml streptomycin)가 혼합된 세포배양액을 제조하여 5%의 CO2가 공급되는 37℃ CO₂ incubator에서 배양하였다. 그리고 3일 마다 계대배양하여 3세대 세포를 실험에 사용하였다.

각 시료 위에 세포를 파종한 후 50분이 지나면, 25%의 Paraformaldehyde(Electron Microscopy Sciences 15714)와 Glutaraldehyde(SIGMA ALDRICH G5882)의 혼합용액으로 2시간 고정을 하여주었고 10분 동안 PBS을 이용하여 세척하여 준 후 osmium tetroxide(SIGMA ALDRICH 201030)를 이용하여 30분 동안 고정을 진행하였다. 그리고 알콜을 준비하여 건조시킨 다음 HMDS(Fluka 52619)를 이용하여 시료 위에 남아있는 알콜을 제거한 후 주사전자 현미경을 이용하여 세포의 형태를 관찰하여 도 5에 나타내었다.

도 5를 참조하면, 표면이 코팅되지 않은 경우 표면에 세포가 고정화가 잘 이루어지지 않은 것으로 나타났다. 이에 반해 도파민과 펩타이드가 함께 코팅된 경우 세포가 표면에 부착되어 전개되는 형태를 보였다. 특히, 주변부로 세포가 뻗어나가는 것을 관찰할 수 있어서 세포부착이 가장 양호한 것으로 확인되었다.

2. 케이지 타입

케이지 타입에 대한 세포부착 실험결과를 도 6에 나타내었다. 실험은 위의 앵커타입과 동일한 방법으로 수행하였다.

도 6을 참조하면, 도파민과 펩타이드가 함께 코팅된 경우 세포가 표면에 부착되어 전개되는 형태를 보였다.

3. 디스크 타입

디스크 타입에 대한 세포부착 실험결과를 도 7에 나타내었다. 실험은 위의 앵커타입과 동일한 방법으로 수행하였다.

도 7을 참조하면, 표면이 코팅되지 않은 경우 표면에 세포가 고정화가 잘 이루어지지 않은 것으로 나타났다. 반면에 도파민과 펩타이드가 함께 코팅된 경우 세포부착이 가장 양호한 것으로 나타났다.

이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 금속 또는 고분자 소재로 형성된 지지체와;
   상기 지지체의 표면에 형성된 도파민 코팅층과;
   고정력 향상 및 골 형성 촉진을 위한 펩타이드를 함유한 코팅조성물을 상기 도파민 코팅층의 표면에 코팅하여 형성시킨 펩타이드 코팅층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 정형외과용 생체이식 임플란트.
2. 제 1항에 있어서, 상기 펩타이드는 SDF-1d 유래의 펩타이드인 것을 특징으로 하는 정형외과용 생체이식 임플란트.
3. 금속 또는 고분자 소재로 지지체를 형성시키는 지지체준비단계와;
   상기 지지체를 도파민 용액에 침지시켜 상기 지지체의 표면에 도파민 코팅층을 형성시키는 제 1코팅단계와;
   고정력 향상 및 골 형성 촉진을 위한 펩타이드를 함유한 코팅조성물을 상기 도파민 코팅층의 표면에 코팅하여 펩타이드 코팅층을 형성시키는 제 2코팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정형외과용 생체이식 임플란트.

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