KR20210049766A - 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합성고분자와 천연고분자가 블렌딩되어 형성된 다공성 구조를 가지며, 그 표면은 마이크로 단위의 다공들로 이루어져 있고, 그 내부는 다수의 다공들이 서로 연결된 그물망 구조의 다공성 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조의 다공성 구형 입자와 이의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에서는 이중분사노즐 장치를 이용하여 다공성 구형 입자를 제조함에 있어, 합성고분자와 천연고분자의 용액 제조 과정을 잘 조절함으로써 종래 두 고분자의 상용성이 떨어지는 문제를 해결하여 하이브리드 구조를 가지는 다공성 고분자 구형 입자의 제조가 가능하게 되었다. 결과적으로 합성고분자를 단독으로, 또는 천연고분자를 단독으로 사용하는 종래 기술에 비해, 본 발명과 같이 합성고분자와 천연고분자로 이루어진 하이브리드 형태의 다공성 구형 입자는 다양한 조직의 재생에 보다 효과적으로 이용될 수 있다.

Description

합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법{METHOD FOR PREPARING POROUS BEADS WITH SYNTHETIC POLYMER-NATURAL POLYMER HYBRID STRUCTURE}

본 발명은 합성고분자-천연고분자 하이브리드 다공성 구형 입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 상용성이 없는 합성고분자와 천연고분자를 정교한 방법으로 제어된 용액을 제조하여 합성고분자와 천연고분자가 블렌딩 (하이브리드) 되어 다공성 구조를 가지는 고분자 구형 입자와 이의 제조방법에 관한 것이다.

인체조직의 재생을 위해 사용되는 기질 또는 담체의 재료는 조직세포가 재료 표면에 점착하여 3차원 구조를 가지는 조직을 형성할 수 있도록 기질 또는 담체의 역할을 충분히 해내야 하고, 체내에 이식된 후에도 주위 조직과 융화가 잘 되어야 하며 염증반응이 없고 일정 기간이 지난 후 스스로 분해하여 이물질로 남지 않는 우수한 생체적합성을 가져야 한다.

현재 널리 사용되고 있는 생분해성 고분자로는 폴리락틱산 [poly(lactic acid), PLA], 폴리글리콜산 [poly(glycolic acid), PGA], 이의 공중합체인 폴리락틱산-글리콜산 공중합체 [poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA], 폴리카프로락톤 (poly-ε-caprolactone, PCL) 및 폴리다이옥산온 (polydioxanone, PDO) 등이 있다.

천연고분자는 생체적합성이 우수한 반면 기계적 강도 및 분해속도의 조절이 어려운 단점이 있고 변성이 야기되고 면역반응을 유발하는 경우가 있기 때문에 일반적으로 상기 나열된 합성고분자가 인체 조직의 재생을 위한 재료로 널리 사용되고 있다.

이러한 생분해성 고분자를 사용하여 만든 다공성 고분자 구형입자를 조직공학용으로 사용 시 세포배양액 및 체액이 원활히 입자 내로 침투되어 조직 세포들이 효율적으로 점착, 증식할 수 있는 매우 효과적인 환경을 제공할 수 있다.

또한 주사주입이 가능할 정도의 마이크로 단위의 크기를 가지는 다공성 고분자 구형입자는 그 크기가 작아 배양액이 다공성 구형입자의 내부까지 완전히 확산되며, 외과적 수술 없이 주사 주입을 통해 체내이식이 가능한 장점을 가져 생체조직 배양 및 이식이 요구되는 모든 의학 분야에 응용가능하고 골 충진제 (bone substitute), 성형외과용 필러 (filler) 등 다양한 활용도를 지니고 있다.

그러나 앞서 나열한 합성고분자들은 그 구조상 탄소수가 많아 소수성을 띄며, 세포 부착성이 낮다는 단점이 있다.

이에 대한 연구들을 살펴보면, 특허문헌 1에서는 입자 표면은 평균 다공 크기가 1~100 nm 나노 크기의 다공이 형성된 치밀한 (dense) 구조를 가지며, 입자 내부는 상기 입자 표면의 평균 다공 크기보다 평균 다공 크기가 큰 기둥 (컬럼) 형태의 다공 구조인 입자 표면과 내부가 비대칭 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 PCL 고분자를 이중분사노즐 장치를 이용하여 제조한 기술을 제시하였다.

한편, 상기 합성고분자와 달리 체내에서 자연 합성되어 세포 외 기질에 다량 존재하는 천연고분자인 히알루론산 (hyaluronic acid, HA)은 수산화기 (-OH)가 많은 친수성 물질이다. HA는 다양한 생리적인 작용을 조절해 관절염 치료, 안과 수술, 약물전달과 조직공학 응용에 유용한 재료로써 연구되어져 왔다. 히알루론산은 조직의 수화를 결정하고 세포 외 기질 내의 콜라겐 섬유와 수화된 네트워크를 이루고 있으며, 또한 상처 치유와 그 과정에서 세포의 유동성과 분화에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다.

따라서, 조직 재생에 다양하게 이용되고 있는 합성고분자와 우수한 세포 친화성을 가지는 천연고분자인 HA를 모두 포함하여, 각자의 특성들을 발휘하여 상승 효과를 낼 수 있는 다공성 고분자 제조를 위한 연구들이 있었다.

특허문헌 2에 따르면, 생분해성 합성고분자를 함유한 유기용매과 히알루론산 수용액의 혼합액을 몰드에 주입하여 유화동결 건조시키는 방법으로 생분해성 다공성 하이브리드 담체의 제조방법을 제시하였다. 즉, 특허문헌2에서는 일정한 몰드에 주입하여 일정한 형태를 가지는 담체의 제조는 가능하나, HA를 포함하면서 고분자 입자 형태로의 제조에 대해서는 어떠한 시사나 기재가 없다. 또한 합성고분자와 천연고분자가 균일하게 함께 용해된 용액을 사용한 것이 아니기 때문에 생분해성 합성고분자 담체 내에 분쇄된 HA 하이드로겔 알갱이들이 분산되어 있는 형태의 담체이고, HA 분자들이 합성고분자 내에 균일 혼합되어 분산되어 있는 형태도 아니다.

또한, 상기 특허문헌2에 따르면, 생분해성 합성고분자 용액을 효과적으로 유화동결건조하기 위해서는 유기용매를 사용하는 것이 화학적 안정성 측면에서 바람직하고, 이러한 유기용매로는 아세토니트릴, 디클로로메탄, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란 및 디옥산 중에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용해야 한다고 기재되어 있다.

즉, 특허문헌2에 따른 유화동결건조 방법을 이용한 생분해성 합성고분자와 HA의 하이브리드 담체의 제조는 제조공정이 복잡하고, 반드시 인체 유해한 유기용매의 사용이 불가피함을 알 수 있으나, 이는 상기 특허의 담체를 인체 내에 사용할 목적을 위해서는 매우 바람직하지 못함을 알 수 있다.

이상의 종래 기술들을 살펴본 바와 같이, 천연고분자인 HA를 합성고분자와 접목시키고자 한 노력들은 있었으나, 합성고분자와 HA와의 상용성이 떨어지는 문제로 인해 아직까지 고분자 입자 형태로 개발에 성공한 사례는 없는 실정이다.

KR 10-2015-0108956 A KR 10-2009-0075503 A

이에 본 발명에서는 조직공학용 소재로서의 생체적합성 및 시간이 지나면 체내에서 완전히 흡수되어 수술적인 제거가 필요하지 않은 장점은 살리면서 소수성과 낮은 세포 부착성을 가지는 합성고분자의 단점을 비면역성 친수성 천연고분자를 이용하여 보완시켜 표면과 내부 모두 다공성 구조를 가지는 합성고분자-천연고분자 하이브리드 형태의 다공성 구형 입자를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상용성이 없는 상기 합성고분자와 친수성 천연고분자를 이용하여 하이브리드 형태의 다공성 구형입자를 제조하는 방법을 제공하는 데도 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 합성고분자-천연고분자 하이브리드 다공성 구형 입자는 합성고분자와 천연고분자가 블렌딩 되어 형성된 다공성 구조를 가지며, 그 표면은 마이크로 단위의 다공들로 이루어져 있고, 그 내부는 다수의 다공들이 서로 연결된 그물망 구조의 다공성 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 표면의 마이크로 단위의 다공들은 0.1~10 ㎛의 크기로 이루어진 것일 수 있다.

상기 합성고분자는 폴리락틱산 [poly(lactic acid)], 폴리글리콜산 [poly(glycolic acid)], 폴리카프로락톤 (poly-ε-caprolactone), 폴리다이옥산온 (polydioxanone), 폴리락틱산-글리콜산 공중합체 [poly(lactic acid-co-glycolic acid)], 폴리다이옥산온-카프로락톤 공중합체 (polydioxanone-co-ε-caprolactone), 폴리락틱산-카프로락톤 공중합체 [poly(lactic acid-co-ε-caprolactone)], 폴리하이드록시부티릭산-하이드록시발러릭산 공중합체 (polyhydroxybutyric acid-co-hydroxyvaleric acid), 폴리포스포에스터 (poly(phosphoester), 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중체 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 된 생체적합성 생분해성 고분자가 바람직하다.

상기 천연고분자는 히알루론산 (HA), 콜라겐, 엘라스틴, 젤라틴, 케라틴, 실크, 알긴산, 펙틴, 카라기닌, 겔란 검, 카르복시메틸셀룰로우스 (CMC), 덱스트란, 콘드로이틴 설페이트, 키틴, 키토산, 피브린 및 이들의 유도체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하이브리드 구조의 고분자 구형 입자의 크기는 0.1~3,000 ㎛인 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 다공성 구형 입자의 제조방법은 합성고분자 용액을 제조하는 제 1단계, 천연고분자 수용액을 제조하는 제 2단계, 상기 제조된 천연고분자 수용액에 상기 제1단계의 합성고분자 용액 제조시 사용된 합성고분자용 용매를 상기 천연고분자 수용액 부피 대비 2배~6배의 부피비로 첨가 및 혼합시켜 천연고분자 수용액/합성고분자 용액 제조용 용매의 제1혼합액을 제조하는 제 3단계, 및 고온을 유지하면서 상기 제1단계의 합성고분자 용액과 상기 제2단계의 천연고분자 수용액/합성고분자용 용매의 혼합액을 혼합시켜 제2혼합액을 제조하는 제4단계를 거쳐 제조된 고분자 용액을 이중분사노즐 장치를 이용하여 제조하는 것을 그 특징으로 한다.

상기 합성고분자 용액은 1~40 중량%의 농도로 제조되는 것이 바람직하다.

상기 합성고분자 용액 제조시 사용되는 용매는 1-메틸-2-피롤리디논 (NMP), 테트라글리콜, 트리아세틴 및 벤질 알콜로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 천연고분자 수용액의 농도는 0.05~5 중량%인 것이 바람직하다.

상기 제4단계의 제2혼합액 제조시 고온은 40~200℃인 것이 바람직하다.

상기 다공성 구형 입자는 합성고분자와 천연고분자가 블렌딩되어 형성된 다공성 구조의 입자로서, 표면은 마이크로 단위의 다공들로 이루어져 있고, 그 내부는 다수의 다공들이 서로 연결된 그물망 구조를 가지는 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 것이 바람직하다.

상기 이중노즐분사 장치의 실린지 펌프 속도는 20~400 ml/h인 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 입자의 표면과 내부 전체에 걸쳐 합성고분자와 천연고분자가 블렌딩되어 형성된 다공성 구조를 가지며, 그 표면에는 마이크로 크기의 다공들로 이루어진 다공성 구조이고, 그 내부에는 다수의 다공들이 서로 연결된 그물망 구조의 다공성 구조를 가지는 합성고분자-천연고분자 하이브리드 다공성 구형 입자를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 이중분사노즐장치를 이용하여 다공성 구형입자를 제조함에 있어, 합성고분자와 천연고분자의 용액 제조 과정을 잘 조절함으로써 종래 두 고분자의 상용성이 떨어지는 문제를 해결하여 하이브리드 구조를 가지는 다공성 고분자 구형 입자의 제조가 가능하게 되었다.

결과적으로 합성고분자를 단독으로, 또는 천연고분자를 단독으로 사용하는 종래 기술에 비해, 본 발명과 같이 합성고분자와 천연고분자로 이루어진 하이브리드 형태의 다공성 구형입자는 다양한 조직의 재생에 보다 효과적으로 이용될 수 있다.

도 1은 특허문헌 1의 실시예 2에 따라 제조된 다공성 PCL 미세입자의 표면과 단면 주사전자현미경 사진이고,
도 2는 본 발명에 따른 합성고분자와 천연고분자가 하이브리드된 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 구조를 도식화한 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCL/HA 용액 제조 과정을 나타낸 모식도이고,
도 4는 본 발명 실시예 1~4에 따라 제조된 PCL/HA 하이브리드 다공성 구형입자의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 PCL/HA 하이브리드 다공성 구형 입자의 표면과 단면 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명 실시예 5에 따라 제조된 PCL/ALG 하이브리드 다공성 구형 입자의 표면과 단면 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명 실시예 6에 따라 제조된 PCL/CMC 하이브리드 다공성 구형 입자의 표면과 단면 주사전자현미경 사진이다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명은 합성고분자와 천연고분자가 하이브리드된 구조를 가지는 다공성 구형 입자와 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 합성고분자와 천연고분자가 하이브리드된 구조를 가지는 다공성 고분자 구형입자를 도식화한 다음 도 2를 참조하면, 합성고분자와 천연고분자가 완전히 블렌딩되어 표면과 내부 전체에 걸쳐 다공성 구조를 가지되, 그 표면에서는 마이크로 단위의 다공성 구조를 가지며, 그 내부는 그물망 구조를 가지는 데 특징이 있다.

즉, 본 발명에 따른 다공성 구형입자는 합성고분자와 천연고분자가 블렌딩되어 표면과 내부에 모두 다공성 구조를 가지는 것으로, 표면의 마이크로 단위의 다공들은 0.1~10 ㎛의 크기를 가진다. 본 발명에서는 합성고분자와 천연고분자가 랜덤하게 블렌딩되어 있기 때문에 표면의 다공들이 비교적 큰 마이크로 단위를 가지는 것으로 보여지며, 이러한 마이크로 단위의 다공들로 인해 체액이 구형 입자의 내부까지 완전히 확산되며 구형 입자 표면에서 조직세포들이 효율적으로 점착, 증식할 수 있는 매우 효과적인 환경을 제공하는 장점을 가질 것으로 기대한다.

또한, 그 내부에서는 상기 표면의 마이크로 단위의 다공 구조보다는 더 복잡하게 합성고분자와 천연고분자가 블렌딩된 그물망 다공성 구조를 가지는 데 특징을 가진다. 본 발명에 따른 다공성 구형입자의 내부 구조를 설명한 ‘그물망 다공성 구조’라는 의미는 그 내부에는 수많은 다공들이 형성되어 있고, 상기 수많은 다공들은 서로 복잡하게 그물망처럼 연결된 것과 같은 구조를 형성하는 것을 말한다.

본 발명의 다공성 구형입자를 이루는 데 사용가능한 상기 합성고분자는 폴리락틱산 [poly(lactic acid)], 폴리글리콜산 [poly(glycolic acid)], 폴리카프로락톤 (poly-ε-caprolactone), 폴리다이옥산온 (polydioxanone), 폴리락틱산-글리콜산 공중합체 [poly(lactic acid-co-glycolic acid)], 폴리다이옥산온-카프로락톤 공중합체 (polydioxanone-co-ε-caprolactone), 폴리락틱산-카프로락톤 공중합체 [poly(lactic acid-co-ε-caprolactone)], 폴리하이드록시부티릭산-하이드록시발러릭산 공중합체 (polyhydroxybutyric acid-co-hydroxyvaleric acid), 폴리포스포에스터 (poly(phosphoester), 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중체 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 된 생체적합성 생분해성 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다.

이 중에서 폴리카프로락톤 (polycaprolactone, PCL)은 구조상 탄소수가 많은 소수성 고분자로서 분해속도가 느린 폴리에스터계의 생분해성 합성고분자이다. PCL은 유연성과 탄성이 우수하며 융점은 60℃로 낮아 원하는 형태로의 제조가 용이한 소재로서, 본 발명에서 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, PLA, PGA, PLGA 및 PDO와 더불어 조직공학 분야에 널리 사용되고 있는 고분자이다. 또한 분해 기간이 길기 때문에 장기간 사용되는 골 충진재 및 약물방출 소재로 유용하게 사용되는 의료용 용도로서의 다양한 응용 가능성을 갖는 소재이다.

또한, 이와 함께 다공성 구형 입자 제조에 포함되는 상기 천연고분자는 히알루론산 (HA), 콜라겐, 엘라스틴, 젤라틴, 케라틴, 실크, 알긴산, 펙틴, 카라기닌, 겔란 검, 카르복시메틸셀룰로우스 (CMC), 덱스트란, 콘드로이틴 설페이트, 키틴, 키토산, 피브린 및 이들의 유도체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 천연고분자 중에서 HA는 생체 내 세포 외 기질의 주성분으로써 생체 내에서 합성되는 비면역성 천연고분자이며 수산화기가 많은 친수성 물질이다. 이 고분자는 다양한 상피세포에 발현되어있는 CD44 단백질과 반응하여 다양한 생리적 작용을 조절하여 조직 재생, 염증 반응 및 혈관 신생에 핵심적인 역할을 하며 이로 인해 생체 적합성이 매우 우수하고 면역 반응을 일으키지 않는 소재로서 조직공학 및 의료용 재료로써 다양한 역할로 이용되고 있으며, 본 발명에서 가장 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명에서 상기 합성고분자와 천연고분자의 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자는 0.1~3,000 ㎛의 분포를 가질 수 있으며, 다양한 입자 크기를 가지므로 그 용도에 맞도록 선별하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 다음과 같이 미세하게 조절된 고분자 용액을 이용하여 상기 구조를 가지는 합성고분자와 천연고분자의 하이브리드 다공성 구형 입자의 제조방법을 제공한다.

먼저 상기 고분자 입자 제조에 사용되는 고분자 용액은 다음 도 3에 도식된 바와 같으며, 다음 도 3에서는 합성고분자로서 PCL을, 천연고분자로서 HA를 사용한 예를 도식하였다.

이를 참조하면, 합성고분자 용액을 제조하는 제 1단계, 천연고분자 수용액을 제조하는 제 2단계, 상기 제조된 천연고분자 수용액에 상기 제1단계의 합성고분자 용액 제조시 사용된 합성고분자용 용매를 상기 천연고분자 수용액 부피 대비 2배~6배의 부피비로 첨가 및 혼합시켜 천연고분자 수용액/합성고분자 용액 제조용 용매의 제1혼합액을 제조하는 제 3단계, 및 고온을 유지하면서 상기 제1단계의 합성고분자 용액과 상기 제3단계의 천연고분자 수용액/합성고분자용 용매의 혼합액을 혼합시켜 제2혼합액을 제조하는 제4단계를 거쳐 이중분사노즐 장치를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

종래 본 출원인은 합성고분자와 천연고분자로 이루어진 하이브리드 구조의 다공성 입자 제조를 위해, 각 용액 제조 단계에서 두 용액 간의 상용성 확보를 위해 다양한 시도들을 했으나 원하는 수준에 도달하지 못하였다.

그러나, 본 발명에서는 먼저 상기 나열된 합성고분자를 1-메틸-2-피롤리디논(NMP), 테트라글리콜, 트리아세틴 및 벤질 알콜로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 용매에 용해시켜 1~40 중량% 농도의 합성고분자 용액을 제조한다. 상기 합성고분자 용액 제조시 사용되는 용매들은 물과 잘 섞이는 특성을 가지는 비양자성 용매 (polar aprotic solvent)를 사용하는 것이 균일한 형태의 고분자 용액 제조면에서 바람직하다.

상기 합성고분자 용액의 농도는 고분자와 용매의 비에 따라 조절될 수 있으며, 그 농도가 40 중량%를 초과하는 경우 고분자 용액의 점도가 급격히 증가하여 이중노즐분사 시스템에 적용하기에 바람직하지 못하다.

또한, 제2단계에서는 상기 나열된 천연고분자를 정제수(물)에 용해시켜 0.05~5 중량% 농도의 천연고분자 수용액을 제조한다. 상기 천연고분자 수용액의 농도가 0.05 중량% 미만인 경우 친수성 혹은 사용한 고분자의 특성을 기대하기 어렵고, 또한 5 중량%를 초과하는 경우 블렌딩하였을 때 합성고분자와의 균일혼합이 어려워 천연고분자-합성고분자 하이브리드 구형 입자의 제조를 기대하기 어려워 바람직하지 못하다.

제3단계는 상기 제조된 천연고분자 수용액에 상기 제1단계의 합성고분자 용액 제조시 사용된 합성고분자용 용매를 상기 천연고분자 수용액 부피 대비 2배~6배의 부피비로 첨가 및 혼합시켜 천연고분자 수용액/합성고분자 용액 제조용 용매의 제1혼합액을 제조하는 단계이다.

종래에는 합성고분자용 용매에 상기 천연고분자를 먼저 완전히 용해시킨 다음, 다시 합성고분자를 추가하여 용해시키는 방법을 사용하였으나, 이 경우 두 고분자의 상용성이 현저히 떨어지는 문제가 있었다. 즉, 상용성이 없는 두 고분자로 이루어진 하이브리드 구조의 제조에 사용되는 고분자 용액 제조시 어떤 고분자를 어떤 용매에 용해시키는지, 또한 이들을 어떻게 혼합시킬 것인지 등은 매우 중요한 문제라 할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 고분자 용액에 따라 최종 제조되는 고분자 입자의 표면 및 내부 구조가 다공성을 가지는지 비다공성 (dense) 구조를 가지는지가 결정되고, 다공 크기 및 다공성 구조에서도 차이를 나타냄은 이 분야의 연구자들에게는 자명하다.

따라서, 본 발명에서는 각각의 천연고분자와 합성고분자 용액을 제조한 다음, 합성고분자 용액 제조시 사용된 용매를 상기 천연고분자 수용액의 부피 대비 약 2~6배의 부피비로 첨가하여, 제조한 합성고분자 용액과 잘 혼합될 수 있게 하며 소수성 고분자가 물에 의해 침전되는 것을 막는 효과를 가지도록 한다. 이때 첨가되는 합성고분자 용액 제조용 용매의 첨가량이 천연고분자 수용액 부피 대비 2배 미만인 경우 혼합이 잘 되지 못하고, 또한 6배를 초과하는 경우 이중분사노즐 장치로 구형 입자를 얻기 위한 최소한의 점도에 미치지 못하게 되는 문제가 있어 바람직하지 못하다.

제4단계에서는 고온을 유지하면서 상기 제1단계의 합성고분자 용액과 상기 제3단계의 천연고분자 수용액/합성고분자용 용매의 혼합액을 혼합시켜 제2혼합액을 제조한다.

상기 제4단계의 제2혼합액 제조시의 온도는 약 40~200 ℃를 유지하는 것이 바람직하며, 이는 합성고분자용 용매의 녹는점과 상기 합성고분자용 용매가 천연고분자 수용액 중의 물을 만나면 침전이 일어나기 때문에 침전 방지를 위함이다. 그러나, 상기 온도가 40 ℃ 미만인 경우 합성고분자가 용매에 잘 녹지 못하여 바람직하지 못하고, 또한, 200 ℃를 초과하게 되면 고분자가 열에 의해 변형되거나 분자사슬이 끊어지는 문제가 있을 수 있어 바람직하지 못하다.

본 발명에서는 상기 제조된 고분자 용액을 질소가스와 함께 분사시키는 이중분사노즐 스프레이를 통해 상기 용액을 작은 입자로 분사시키고, 분사된 용액은 적정 비율의 비용매에 담겨져 침전 (coagulation) 되어 구형입자의 형태로 얻어진다.

이때, 이중분사노즐 장치의 실린지 펌프 속도(압력)은 20~400 ml/h인 것이 본 발명에 따른 마이크로 다공 크기의 표면 다공성 구조와 내부의 다공들이 서로 연결된 그물망 내부 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 입경을 가지는 데 있어 바람직하다.

이렇게 제조된 본 발명에 따른 구형 입자는 표면과 내부가 모두 다공성 구조를 가지며, 이러한 표면의 마이크로 단위의 다공성 구조와 내부의 그물망구조로 인해 다양한 물질의 탑재가 용이할 것으로 기대된다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

실시예 1~4 : 다공성 PCL/HA 하이브리드 구형입자 제조

1. 고분자 용액 제조

1) PCL 용액 제조

NMP에 10 wt%의 PCL을 넣고 핫플레이트에서 60 ℃의 온도에서 교반하여 완전히 용해된 10 wt% PCL/NMP 용액을 제조하였다.

2) HA 수용액 제조

30 mg의 HA를 3차 증류수 2.97 g (1 wt%)을 첨가하여 4 ℃에서 보관하였다(총 부피 3 ml). 24 시간 후 완전히 투명해진 것으로 HA가 완전 용해된 것을 확인하였다.

3) HA 수용액/NMP의 제1혼합액 제조

자석 교반기에서 적당한 속도로 교반시키면서 1시간 간격으로 NMP를 상기 HA 수용액에 3 ml 씩 총 4회 주입하였다. 4번의 NMP를 모두 주입하고 1 시간 경과 후 HA 수용액과 NMP 용매가 균일하게 혼합된 것을 확인하였다.

4) PCL 용액과 HA 수용액/NMP가 혼합된 제2혼합액 제조

상기 1)에서 제조한 PCL 용액과 상기 3)에서 제조된 HA 수용액/NMP의 제1혼합액을 최종 PCL:HA 무게 비율 (wt%)이 99:1이 되도록 120 ℃에서 30 분 동안 교반하여 PCL/HA 용액을 제조하였다. 이때, 고온으로 인해 HA 수용액 중의 물이 증발되지 않도록 PCL 용액의 뚜껑을 덮어놓고 주사기를 이용해 HA 수용액을 주입시켰다.

2. 이중노즐분사 장치를 이용한 PCL/HA 하이브리드 구형 입자 제조

이중노즐분사 장치의 실린지-노즐 부분을 열선으로 감싸고 온도는 120 ℃를 유지시켜 주었다. 분사된 용액이 나오는 곳에 70% 에탄올 용액을 위치시켜 주었다.

상기 1-4)에서 제조한 PCL/HA가 혼합된 제1혼합액을 주사기로 옮겨 실린지 펌프에 장치시켰다. 실린지 펌프에 의해 주입된 PCL/HA 혼합 용액은 질소 가스와 동시에 나오면서 분사되어 물방울 형태로 쪼개지고 70% 에탄올 용액에서 응집되어 구형 입자로 침전되었다.

본 발명에서는 다음 표 1에 제시한 실시예 1~4와 같이, 노즐 끝과 에탄올 용액 표면의 이격 거리, 실린지 펌프 속도, 질소 가스 분사 속도를 조절하여 구형 입자의 입경을 조절하였으며, 세척 후 동결건조를 통해 각각 실시예 1~4의 다공성을 갖는 PCL/HA 하이브리드 구형 입자를 제조하였다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
이격 거리 (cm)	25	20	15	10
실린지 펌프 속도 (ml/h)	30	100	200	400
질소 가스 분사 속도 (l/min)	20	15	10	5
구형입자 크기 (㎛)	25~53	53~100	100~300	300~500

실시예 5 : 다공성 PCL/alginate (ALG) 하이브리드 구형입자 제조 상기 실시예 1의 HA 수용액 대신에 ALG 수용액을 1 wt%의 농도로 제조 (3 ml)하고, 3) ALG 수용액/NMP의 제1혼합액 제조시 NMP를 상기 ALG 수용액에 6 ml 씩 총 2회 주입하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 PCL/alginate (ALG) 하이브리드 구형입자를 제조하였다.

실시예 6 : 다공성 PCL/carboxymethyl cellulose (CMC) 하이브리드 구형입자 제조

상기 실시예 1의 HA 수용액 대신에 CMC 수용액을 1 wt%의 농도로 제조 (3 ml)하고, CMC 수용액/NMP의 제1혼합액 제조시 NMP를 상기 ALG 수용액에 6 ml 씩 총 2회 주입하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PCL/carboxymethyl cellulose (CMC) 하이브리드 구형입자를 제조하였다.

비교예 1 : PCL 만으로 이루어진 다공성 구형 입자 제조

특허문헌 1의 실시예 2에 따라 제조된 다공성 PCL 입자를 사용하여 비교하였다.

실험예 1 : 구조 확인

상기 실시예 1~4에 따라 제조된 본 발명의 PCL/HA 하이브리드 구형 입자의 각 표면 구조를 주사전자현미경으로 측정하고, 그 결과를 다음 도 4에 나타내었다.

또한, 상기 실시예 4에 따라 제조된 PCL/HA 하이브리드 구형 입자의 배율에 따른 각 표면사진과 그 단면 사진을 다음 도 5에 나타내어, 상기 비교예 1에 따른 주사전자현미경 사진인 다음 도 1과 그 구조를 비교하였다.

또한, 상기 실시예 5와 6에 따라 각각 제조된 PCL/ALG, PCL/CMC 하이브리드 구형입자의 표면과 단면의 구조를 주사전자현미경으로 측정하였고, 그 결과를 각각 다음 6과 7에 나타내었다.

다음 도 1을 참조하면, 특허문헌 1의 실시예 2에 따라 PCL만으로 이루어진 다공성 입자의 경우 표면과 내부가 모두 다공성 구조를 가지나, 표면에서는 5~50 nm 크기의 다공성 구조를, 그 내부는 큰 기둥 (칼럼) 형태의 구조를 가짐을 알 수 있다.(특허문헌 1의 단락 [0087] 내지 [0093]의 기재 참조)

그러나, 본 발명의 실시예 1~4, 5~6에 따라 제조된 다공성 구형입자는 표면과 내부가 모두 다공성 구조를 가지며, 그 내부에서는 다수의 다공들이 서로 연결된 그물망구조를 가짐을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 합성고분자인 PCL에 HA, ALG, CMC 등 다양한 천연고분자를 혼합했을 때도 동일한 결과를 나타냄을 확인하였다.

한편, 상기 비교예 1의 PCL 다공성 입자의 구조를 나타낸 다음 도 1과 본 발명 실시예 1~4의 PCL/HA 하이브리드 다공성 입자의 구조를 나타낸 다음 도 4의 주사전자현미경으로부터, 표면에 형성된 기공 크기들이 본 발명 실시예와 비교예 1이 현저히 다른 것을 확인할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 실시예 4에 따라 제조된 PCL/HA 다공성 구형입자의 배율에 따른 다양한 표면사진과 그 단면 사진을 나타낸 다음 도 5와 상기 비교예 1에 따른 PCL 구형입자의 표면 및 단면사진인 다음 도 1을 비교했을 때에도, 그 내부 구조도 서로 상이한 것임을 확인할 수 있다.

이러한 차이는 본 발명에서 천연고분자인 HA를 혼합함으로써 표면에서 좀 더 큰 마이크로 단위의 기공이 형성되어 있고, 내부에서는 이들의 랜덤한 블렌딩으로 그물망 다공성 구조를 형성한 것으로 설명될 수 있다.

따라서, 이러한 결과로부터 본 발명에 따라 제조된 다공성 구형입자는 합성고분자인 PCL과 천연고분자인 HA, ALG, CMC가 적절하게 블렌딩되어 하이브리드 구조를 형성함을 확인할 수 있었다.

Claims (8)

1. 합성고분자 용액을 제조하는 제 1단계,
   천연고분자 수용액을 제조하는 제 2단계,
   상기 제조된 천연고분자 수용액에 상기 제1단계의 합성고분자 용액 제조시 사용된 합성고분자용 용매를 상기 천연고분자 수용액 부피 대비 2배~6배의 부피비로 첨가 및 혼합시켜 천연고분자 수용액/합성고분자 용액 제조용 용매의 제1혼합액을 제조하는 제 3단계, 및
   40~200℃을 유지하면서 상기 제1단계의 합성고분자 용액과 상기 제3단계의 천연고분자 수용액/합성고분자용 용매의 혼합액을 혼합시켜 제2혼합액을 제조하는 제4단계를 거쳐 제조된 고분자 용액을 이용하여 이중분사노즐장치로 제조하는 것을 특징으로 하는 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 합성고분자 용액은 1~40 중량%의 농도로 제조되는 것인 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 합성고분자 용액 제조시 사용되는 용매는 1-메틸-2-피롤리디논(NMP), 테트라글리콜, 트리아세틴 및 벤질 알콜로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것인 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 천연고분자 수용액의 농도는 0.05~5 중량%인 것인 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 합성고분자는 폴리락틱산 [poly(lactic acid)], 폴리글리콜산 [poly(glycolic acid)], 폴리카프로락톤 (poly-ε-caprolactone), 폴리다이옥산온 (polydioxanone), 폴리락틱산-글리콜산 공중합체 [poly(lactic acid-co-glycolic acid)], 폴리다이옥산온-카프로락톤 공중합체 (polydioxanone-co-ε-caprolactone), 폴리락틱산-카프로락톤 공중합체 [poly(lactic acid-co-ε-caprolactone)], 폴리하이드록시부티릭산-하이드록시발러릭산 공중합체 (polyhydroxybutyric acid-co-hydroxyvaleric acid), 폴리포스포에스터 (poly(phosphoester), 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리락틱글리콜산 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드-폴리카프로락톤 공중체 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 된 생체적합성 생분해성 고분자인 것인 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 천연고분자는 히알루론산 (HA), 콜라겐, 엘라스틴, 젤라틴, 케라틴, 실크, 알긴산, 펙틴, 카라기닌, 겔란 검, 카르복시메틸셀룰로우스 (CMC), 덱스트란, 콘드로이틴 설페이트, 키틴, 키토산, 피브린 및 이들의 유도체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 다공성 구형 입자는 합성고분자와 천연고분자가 블렌딩되어 형성된 다공성 구조의 입자로서, 표면은 마이크로 단위의 다공들로 이루어져 있고, 그 내부는 다수의 다공들이 서로 연결된 그물망 구조를 가지는 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 이중노즐분사 장치의 실린지 펌프 속도는 20~400 ml/h인 것인 합성고분자-천연고분자 하이브리드 구조를 가지는 다공성 구형 입자의 제조방법.

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