KR20230022392A - 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 이를 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트 - Google Patents
유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 이를 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 이를 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트에 관한 것으로, 구체적으로는 광가교 가능한 관능기를 갖는 생체적합성 고분자; 및 인산칼슘계 세라믹 분말;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물, 및 이를 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 이를 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트에 관한 것이다.
조직공학(tissue engineering)은 질병 또는 사고로 인해 손상된 인체의 생체조직이나 장기를 재생 또는 대체할 수 있는 방법으로 알려져 왔다.이 방법에 따르면 인공의 조직과 장기들은 일반적으로 환자 자신의 세포와 고분자 지지체의 사용으로 제조될 수 있다.
간단하게는, 우선 생체조직의 일부를 환자로부터 채취한 후 필요한 세포만 분리하고 배양하여 충분히 필요한 수의 세포를 확보한다. 세포들은 3차원 구조를 가진 다공성 고분자 지지체 안에서 생체조직으로 성장한 후 외과적 수술을 통하여 환자에게 다시 이식될 수 있고 또는 하이드로겔과 같은 지지체와 혼합한 후 주사기 등을 사용하여 생체에 주입되어 생체조직을 재생할 수 있다. 이때 사용되는 고분자 지지체는 생체조직의 세포외기질(extracellular matrix, ECM)의 다양한 역할을 모방하게 된다. 고분자 지지체는 세포의 부착, 증식, 분화에 참여하고, 재생될 생체조직의 기능 및 구조를 제어한다. 또한, 수용성 인자와 영양분, 대사 산물의 확산 등을 조절한다. 특히 고분자 지지체와 세포와의 상호작용은 조직공학에 있어서 매우 중요한 요소이다. 세포와 지지체간의 상호작용을 조절하기 위해서 생물학적인 상호작용, 고분자 지지체의 물리적 특성, 지지체로부터 수용성 인자의 방출 제어 등에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이러한 요소들을 적절하게 조절하여 세포의 성장 및 분화를 제어함으로써 원하는 생체조직을 성공적으로 재생할 수 있다.
이러한 고분자 지지체로서 다량의 수분을 함유할 수 있는 3차원 친수성 고분자 망상구조를 가진 하이드로겔은 높은 함수율 및 세포외기질(ECM)구조와 유사한 구조적 특성으로 인해 최근 가장 주목받고 있으나, 기계적 강도가 낮아 이의 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행되어 왔다.
이와 관련된 종래의 기술로 특허문헌 1에서는 세포가 담지된 생체적합성 고분자-생체적합성 천연재료 하이브리드 구조체 제조방법으로, (a) 생체적합성 고분자 지주(strut) 둘 이상을 플레이트 위에 나란히 분배하여 지주층을 형성하는 단계; (b) 상기 분배된 생체적합성 고분자 지주층 위에, 분배된 생체적합성 고분자 지주의 방향과 엇갈리는 방향으로 생체적합성 고분자 지주들을 간격을 두어 나란히 분배하는 단계; (c) 세포가 담지된 젤라틴, 푸코이단, 콜라겐, 알지네이트, 키토산 및 히알루론산으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 천연 생체적합성 재료로 이루어진 지주를 상기 (b) 단계에서 분배된 생체적합성 고분자 지주 사이에 분배하되, 생체적합성 고분자 지주와 맞닿지 않도록 분배하면서, 분배되는 생체적합성 천연재료에 가교를 형성하는 단계; 및 (d)상기 (b) 단계와 (c) 단계를 순차적으로 반복하여 하이브리드 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는, 세포가 담지된 생체적합성 고분자-생체적합성 천연재료 하이브리드 구조체 제조방법을 제안된 바 있다.
또한, 특허문헌 2에서는 고분자 및 세라믹의 혼합 비율을 특정 범위로 조절하여 유연성 미 기계적 물성을 조절한 고분자-세라믹 하이브리드 필름 및 이의 제조방법이 제안된 바 있다.
하지만 특허문헌 1에서 제안한 방법은 열처리공정이 필요하여 상온 제조가 어렵고 다양한 형태로 제조될 수 없는 단점이 있으며, 특허문헌 2에서 제안한 방법은 하이드로겔의 기계적 특성을 어느 정도 향상시킬 수 있었으나 기계적 강도를 향상시키기 위해 세라믹을 보다 많이 사용하는 경우 하이드로겔이 형성되기 어려운 문제가 있다.
본 발명자들은 상기 문제를 해결하기 위하여, 높은 함수율을 갖는 동시에 현저히 우수한 기계적 물성을 나타내는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물로서, 광중합 가능한 생체적합성 고분자 및 수화반응으로 상온 경화될 수 있는 인산칼슘 세라믹 분말을 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 상기 조성물과 경화액을 포함하는 키트를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
일 측면에서의 목적은
조직재생용 지지체를 형성하기 위한 유무기 복합 하이드로겔 조성물 및 이를 포함하는 키트를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
일 측면에서는,
광가교 가능한 관능기를 갖는 생체적합성 고분자; 및
인산칼슘계 세라믹 분말;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물이 제공된다.
상기 생체적합성 고분자 및 상기 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량비는 1:1 내지 1:20미만일 수 있고, 보다 바람직하게는 1:2 내지 1:20미만일 수 있고, 보다 바람직하게는 1:5 내지 1:15일 수 있고, 보다 바람직하게는 1:7 내지 1:12일 수 있다.
상기 생체적합성 고분자는,
알지네이트(Alginate), 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈(HPMC), 하이드록시 에틸 셀룰로오스(HEC), 메틸셀룰로오스(Methyl cellulose), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 젤라틴(Gelatin), 콜라겐(Collagen), 파이브리노젠(fibrinogen), 키토산(Chitosan), 아가(Agar), 마트리겔(Matrigel), 스타치(Starch), 펙틴(Pectin), 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리에틸렌 글라이콜(Poly(ethylene glycol)), 폴리프로필렌 글라이콜(Poly(propylene glycol)), 히알루로난(Hyaluronan) 및 폴리비닐피롤리돈(Poly(vinylpyrrolidone))으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 인산칼슘계 세라믹 분말은,
TCP(Tricalcium phosphate), 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), DCPD(Dicalcium phosphate dihydrate), MCPM(Monocalcium phosphate monohydrate), DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous) 및 BCP(Biphasic Calcium Phosphate)로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는α-TCP(α-Tricalcium phosphate)일 수 있다.
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 기능성 부재 및 세포 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에서는,
광가교 가능한 관능기를 갖는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘계 세라믹 분말을 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물; 및
경화액;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트가 제공된다.
상기 생체적합성 고분자 및 상기 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량비는 1:1 이상 및 1:20 미만일 수 있고, 바람직하게는 1:2 내지 1:20미만일 수 있고, 보다 바람직하게는 1:5 내지 1:15일 수 있고, 보다 바람직하게는 1:7 내지 1:12일 수 있다.
상기 경화액은
식염수(saline), PBS(Phosphate buffer saline), MCPM(Monocalcium phosphate monohydrate), DSP(Disodium phosphate dehydrate), MSP(Monosodium phosphate dehydrate), a-MEM(Minimum Essential Medium) 및 HBSS(Hank's balanced salt solution)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 경화액은 칼슘 이온(Ca2+)을 더 포함할 수 있다.
상기 키트는 기능성 부재 및 세포 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에서는,
광가교성 관능기를 갖는 생체적합성 고분자; 및
상기 생체적합성 고분자와 결합된 인산칼슘계 세라믹;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔이 제공된다.
상기 인산칼슘계 세라믹은 CDHA(Ca-deficient hydroxyapatite)이다.
다른 일 측면에서는
상기 유무기 복합 하이드로겔을 포함하는 생체재료가 제공된다.
일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 상온에서 높은 함수율 및 기계적 특성을 갖는 유무기 복합 하이드로겔을 제조할 수 있다.
일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 UV 조사를 통해 생체적합성 고분자가 광가교되고 경화액을 통해 인산칼슘 세라믹을 경화시킴으로써 현저히 우수한 기계적 특성을 갖는 유무기 복합 하이드로겔을 제조할 수 있다.
다른 일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트는 상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 경화액을 포함하는 키트로서, 상기 조성물이 유동성이 높아 인체 주입이 용이하며 상온 경화된 후 우수한 세포 부착효과를 가지므로 인체 내 주입한 후 UV 조사 및 경화액을 이용하여 경화시킴으로써 최소한의 외과적 침해를 통해 약물 또는 세포를 체내의 원하는 위치로 전달시킬 수 있고, 제조한 유무기 복합 하이드로겔을 조직재생용 지지체로서 사용할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 5는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 경화액에 의한 경화 전 및 후의 크기를 측정한 결과 그래프이다.
도 6 내지 11은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비 및 경화액의 종류를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔 각각에 대한 압축강도값을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 경화액에 의한 경화 전의 결정구조를 X-선 회절분석(XRD)장치를 이용하여 측정한 결과 그래프이다.
도 13은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 경화액에 의한 경화 후의 결정구조를 X-선 회절분석(XRD)장치를 이용하여 측정한 결과 그래프이다.
도 14는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 동결건조 전의 함수율을 측정한 결과 그래프이다.
도 15는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 동결건조 후의 함수율을 측정한 결과 그래프이다.
도 16은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 17은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔에 옥타데실 로다민 B(Octadecyl rhodamine B)를 염색한 세포를 배양한 후 세포부착능을 형광 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 18은 하이드로겔 형성 유무를 확인하기 위해 실시 예 및 비교 예에 따른 조성물의 광 가교 및 이온 가교 결합 후의 상태를 관찰한 사진이다.
도 19는 하이드로겔 형성 유무를 확인하기 위해 실시 예에 따라 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 1:20으로 혼합한 조성물의 광 가교 결합 후의 상태를 관찰한 사진이다.
도 20은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 초기 약물담지효율을 나타낸 그래프이다.
도 21은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 약물 담지 후 한달 간의 방출 거동을 나타낸 그래프이다.
도 22는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 골분화 유도 가능성 여부를 확인하기 위하여, 상기 하이드로겔의 표면에 MG-63 세포를 배양하고 2주간 배양한 후 표면의 세포에 대한 DNA 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 23은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 골분화 유도 가능성 여부를 확인하기 위하여, 상기 하이드로겔의 표면에 MG-63 세포를 배양하고 2주간 배양한 후 표면의 세포에 대한 ALP activity를 측정한 결과 그래프이다.
도 24는 실시 예 및 비교 예에 따른 조성물의 생체조직 내 주입 후 UV에 의한 경화 여부를 확인하는 실험 과정을 나타낸 사진이다.
도 25는 도 12의 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 26은 생체조직 내 주입 후 UV에 의해 경화된 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔에 대한 압축강도값을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6 내지 11은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비 및 경화액의 종류를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔 각각에 대한 압축강도값을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 경화액에 의한 경화 전의 결정구조를 X-선 회절분석(XRD)장치를 이용하여 측정한 결과 그래프이다.
도 13은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 경화액에 의한 경화 후의 결정구조를 X-선 회절분석(XRD)장치를 이용하여 측정한 결과 그래프이다.
도 14는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 동결건조 전의 함수율을 측정한 결과 그래프이다.
도 15는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 동결건조 후의 함수율을 측정한 결과 그래프이다.
도 16은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 17은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔에 옥타데실 로다민 B(Octadecyl rhodamine B)를 염색한 세포를 배양한 후 세포부착능을 형광 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 18은 하이드로겔 형성 유무를 확인하기 위해 실시 예 및 비교 예에 따른 조성물의 광 가교 및 이온 가교 결합 후의 상태를 관찰한 사진이다.
도 19는 하이드로겔 형성 유무를 확인하기 위해 실시 예에 따라 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 1:20으로 혼합한 조성물의 광 가교 결합 후의 상태를 관찰한 사진이다.
도 20은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 초기 약물담지효율을 나타낸 그래프이다.
도 21은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 약물 담지 후 한달 간의 방출 거동을 나타낸 그래프이다.
도 22는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 골분화 유도 가능성 여부를 확인하기 위하여, 상기 하이드로겔의 표면에 MG-63 세포를 배양하고 2주간 배양한 후 표면의 세포에 대한 DNA 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 23은 생체적합성 고분자 및 인산칼슘 세라믹 분말의 중량비를 달리하여 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔의 골분화 유도 가능성 여부를 확인하기 위하여, 상기 하이드로겔의 표면에 MG-63 세포를 배양하고 2주간 배양한 후 표면의 세포에 대한 ALP activity를 측정한 결과 그래프이다.
도 24는 실시 예 및 비교 예에 따른 조성물의 생체조직 내 주입 후 UV에 의한 경화 여부를 확인하는 실험 과정을 나타낸 사진이다.
도 25는 도 12의 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 26은 생체조직 내 주입 후 UV에 의해 경화된 실시 예 및 비교 예에 따른 하이드로겔에 대한 압축강도값을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 실시 예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
일 측면에서는
광가교 가능한 관능기를 갖는 생체적합성 고분자; 및
인산칼슘계 세라믹 분말;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물이 제공된다.
일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 높은 함수율을 갖는 동시에 기계적 강도가 현저히 우수한 유무기 복합 하이드로겔을 제조하는 데 사용될 수 있다.
또한, 일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 세포부착성이 우수한 유무기 복합 하이드로겔을 제조하는 데 사용될 수 있다.
이에 일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 조직재생용 지지체 등 생체재료로서 사용하기 위한 하이드로겔을 제조하기 위한 조성물일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.
이하, 일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물에 대해 상세히 설명한다.
일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 광가교 가능한 관능기를 갖는 생체적합성 고분자를 포함한다.
상기 생체적합성 고분자는 알지네이트(Alginate), 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈(HPMC), 하이드록시 에틸 셀룰로오스(HEC), 메틸셀룰로오스(Methyl cellulose), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 젤라틴(Gelatin), 콜라겐(Collagen), 파이브리노젠(fibrinogen), 키토산(Chitosan), 아가(Agar), 마트리겔(Matrigel), 스타치(Starch), 펙틴(Pectin), 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리에틸렌 글라이콜(Poly(ethylene glycol)), 폴리프로필렌 글라이콜(Poly(propylene glycol)), 히알루로난(Hyaluronan) 및 폴리비닐피롤리돈(Poly(vinylpyrrolidone))으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 생체척합성 고분자의 분자량은 5,000 Da 내지 5,000,000 Da일 수 있고, 보다 바람직하게는 10,000 Da 내지 1,000,000 Da일 수 있다.
상기 생체적합성 고분자는 광가교 가능한 관능기를 가지며, 이를 통해 광에 의해 가교결합할 수 있다.
이때 상기 광가교 가능한 관능기는 메타크릴레이트기, 아크릴레이트기, 비닐기, 에폭시기 및 타이로신기 1종 이상일 수 있다.
일례로 상기 생체적합성 고분자는 메틸레이트기를 갖는 알지네이트일 수 있다.
상기 생체적합성 고분자가 광가교 가능한 관능기를 포함하지 않을 경우, 상기 조성물을 이용하여 유무기 복합 하이드로겔 제조 시 가교 결합이 제대로 이루어지지 않아 하이드로겔이 제조되지 못하거나 기계적 강도가 보다 낮은 하이드로겔을 제조하는 문제가 발생될 수 있다.
일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 인산칼슘계 세라믹 분말을 포함한다.
상기 인산칼슘계 세라믹 분말은, α-TCP(α-Tricalcium phosphate), β-TCP(β-Tricalcium phosphate), 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), DCPD(Dicalcium phosphate dihydrate), MCPM(Monocalcium phosphate monohydrate), DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous) 및 BCP(Biphasic Calcium Phosphate)로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나 상온에서 수화반응에 의해 경화될 수 있는 α-TCP인것이 보다 바람직할 수 있다.
구체적으로, 상기 α-TCP는 상온에서 PBS등의 경화액과 수화반응으로 세포부착능이 우수하고 기계적 강도가 우수한 CDHA(Ca-deficient hydroxyapatite)로 상변형되면서 경화될 수 있다.
이에 일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 광조사 및 경화액 침지시키는 방법으로 상온에서 유무기 복합 하이드로겔을 형성할 수 있으며, 상기 형성된 유무기 복합 하이드로겔은 하이드로겔의 광가교 및 세라믹 분말의 경화에 의해 결합되므로 현저히 우수한 기계적 물성을 가질 수 있다.
일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 상기 생체적합성 고분자의 중량과 같거나 보다 많은 양의 인산칼슘계 세라믹 분말을 포함한다.
바람직하게는 상기 조성물은 상기 생체적합성 고분자 및 상기 인산칼슘계 세라믹 분말을 1:1 내지 1:20미만의 중량비로 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 1:2 내지 1:20미만의 중량비로 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 1:5 내지 1:15의 중량비로 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 1:7 내지 1:12의 중량비로 포함할 수 있다.
만약, 상기 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량을 상기 생체적합성 고분자의 중량보다 적게 포함할 경우, 제조되는 유무기 복합 하이드로겔의 기계적 강도가 낮아 보다 높은 기계적 강도가 요구되는 목적으로 사용되기 어려운 문제가 발생될 수 있고, 또한, 세포부착능이 낮아 조직재생을 위한 지지체등 생체재료로서 사용하기 어려운 문제가 발생될 수 있다.
또한, 만약 상기 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량을 상기 생체적합성 고분자의 중량의 20배 이상으로 너무 많이 포함할 경우, 상기 고분자의 광 가교가 제대로 이루어지지 않아 유무기 복합 하이드로겔이 형성되지 못하는 문제가 발생될 수 있다.
일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 기능성 부재 및 세포 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 기능성 부재는 약물, 성장인자등의 단백질 등을 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 기능성 부재 및 세포 중 적어도 하나를 더 포함하여 생체 내 세포, 성장인자, 약물등의 전달의 목적으로 사용될 수 있고, 또한, 생체 내 조직재생을 위한 지지체등의 생체재료로 사용될 수 있다.
다른 일 측면에서는,
광가교 가능한 관능기를 갖는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘계 세라믹 분말을 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물; 및
경화액;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트가 제공된다.
이하, 다른 일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트를 상세히 설명한다.
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트는 유무기 복합 하이드로겔을 제조하기 위한 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 상기 조성물에 포함되어 있는 인산칼슘계 세라믹 분말을 상온 경화시키는 경화액을 포함할 수 있다.
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 전술한 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물의 구성을 포함할 수 있다.
상기 경화액은 수계 용액이 사용될 수 있으나 제조되는 유무기 하이드로겔의 생체적합성을 높이기 위해 바람직하게는 세포 배양에 사용되는 배양액이 사용될 수 있다.
상기 경화액은 식염수(saline), PBS(Phosphate buffer saline), MCPM(Monocalcium phosphate monohydrate), DSP(Disodium phosphate dehydrate), MSP(Monosodium phosphate dehydrate), α-MEM(Minimum Essential Medium) 및 HBSS(Hank's balanced salt solution)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트는 조직재생용 지지체 등 생체재료로서 사용하기 위한 하이드로겔을 제조하기 위한 키트로서, 기능성 부재 및 세포 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 기능성 부재는 약물, 성장인자등의 단백질 등을 포함할 수 있다.
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트를 이용하여 이하의 방법으로 유무기 복합 하이드로겔을 제조할 수 있다.
구체적으로는, 상기 광가교 가능한 관능기를 갖는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘계 세라믹 분말을 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물에 광을 조사하여 광가교시키는 단계; 및
상기 광가교된 조성물을 경화액에 침지시키는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물에 UV등의 광을 조사하여 광가교시키는 단계를 수행한다.
상기 단계는 상기 조성물에 포함되어 있는 생체적합성 고분자을 광 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 단계이다.
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 광 조사에 의해 보다 우수한 기계적 강도를 갖는 하이드로겔을 형성할 수 있다.
일례로, 알지네이트 및 α-TCP를 1:10의 중량비로 함유하는 용액에 UV를 조사하는 경우 상기 알지네이트의 가교결합이 잘 형성되는 반면, 칼슘이온을 포함하는 용액에 침지시켜 이온 가교 결합시키는 경우 알지네이트의 가교결합이 제대로 형성되지 못할 수 있다.
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 유동성을 가지므로 최소한의 침습적 방법으로 생체 내 목표로하는 위치에 용이하게 전달될 수 있다. 이에, 상기 조성물에 UV등의 광을 조사하여 광가교시키는 단계는 상기 조성물을 생체 내 목표로하는 위치에 전달한 이후 수행될 수 있다.
상기 생체적합성 고분자 및 상기 인산칼슘계 세라믹 분말을 1:1 내지 1:20미만의 중량비로 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 1:2 내지 1:20미만의 중량비로 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 1:5 내지 1:15의 중량비로 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 1:7 내지 1:12의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 상기 중량비로 생체적합성 고분자 및 인산칼슘계 세라믹 분말을 포함함으로써, 높은 함수율을 갖는 동시에 현저히 우수한 기계적 강도를 갖는 유무기 복합 하이드로겔을 제조할 수 있다.
다음, 상기 광가교된 조성물을 경화액에 침지시키는 단계;를 수행할 수 있다.
상기 단계는 광가교되어 형성된 하이드로겔에 함유된 세라믹 분말을 경화시키는 단계이다.
이때 상기 경화액은 수계 용액이 사용될 수 있으나 제조되는 유무기 하이드로겔의 생체적합성을 높이기 위해 바람직하게는 세포 배양에 사용되는 배양액이 사용될 수 있다.
이에, 생체 내 주입 후 UV를 조사하여 형성된 세라믹 분말을 포함하는 하이드로겔은 상기 배양액을 주입하여 경화시킬 수 있고 또는 별도의 경화액 주입없이 체액에 의해 경화시킬 수도 있다.
상기 경화액은 제조되는 유무기 하이드로겔의 기계적 강도를 보다 향상시키기 위해 바람직하게는 PBS(Phosphate buffer saline)일 수 있고, 보다 바람직하게는 칼슘 이온(Ca2+)을 포함하는 PBS(Phosphate buffer saline)일 수 있다.
다른 일 측면에서는,
광가교성 관능기를 갖는 생체적합성 고분자; 및
상기 생체적합성 고분자와 결합된 인산칼슘계 세라믹;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔이 제공된다.
상기 유무기 복합 하이드로겔은 광가교성 관능기를 갖는 생체적합성 고분자 및 상기 생체적합성 고분자와 결합된 인산칼슘계 세라믹을 포함하며, 상기 인산칼슘계 세라믹은 바람직하게는 CDHA(Ca-deficient hydroxyapatite)일 수 있다.
상기 유무기 복합 하이드로겔은 높은 함수율을 갖는 동시에 기계적 강도 및 세포부착성이 우수하여 조직재생용 지지체 등 생체재료로서 사용될 수 있다.
다른 일 측면에서는
상기 유무기 복합 하이드로겔을 포함하는 생체재료가 제공된다.
이하, 실시 예 및 실험 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시 예 및 실험 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조 예 1>
3 g의 소듐 알지네이트(분자량 200,000-300,000; FMC Biopolymer)를 300 ml 0.1 M 2-(N-모폴리노)에테인설폰산(MES) 완충용액 (0.3 M NaCL, pH = 6.5)에 녹인 후 1.628 g N-하이드록시석신이미드(sulfo-NHS), 2.875 g 이염화에틸렌(EDC), 1.234 g N-(2-아미노에틸)메타크릴아미드 하이드로클로라이드(AEMA)를 혼합한 후 20시간 합성하였다. 합성 후 증류수를 활용해 4일동안 투석하고 활성탄으로 처리했으며, 0.22 μm의 필터로 여과하였고 동결건조하여 메타크릴레이트기를 갖는 알지네이트를 제조하였다.
<실시 예 1> 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물
상기 제조 예 1에서 제조한 알지네이트 0.087g을 증류수에 녹여 알지네이트 용액을 제조하였다. 이후 상기 용액에 α-TCP(α-Tricalcium phosphate) 0.0435g을 넣고 3차원 초음파 혼합기를 이용하여 분산시켜 상기 알지네이트 및 α-TCP의 중량비가 1:0.5인 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물을 제조하였다.
<실시 예 2> 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물
상기 실시 예 1에서의 α-TCP의 중량을 0.087g으로 달리하는 것을 제외하고 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여 상기 알지네이트 및 α-TCP의 중량비가 1:1인 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물을 제조하였다.
<실시 예 3> 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물
상기 실시 예 1에서의 α-TCP의 중량을 0.174g으로 달리하는 것을 제외하고 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여 상기 알지네이트 및 α-TCP의 중량비가 1:2인 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물을 제조하였다.
<실시 예 4> 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물
상기 실시 예 1에서의 α-TCP의 중량을 0.435g으로 달리하는 것을 제외하고 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여 상기 알지네이트 및 α-TCP의 중량비가 1:5인 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물을 제조하였다.
<실시 예 5> 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물
상기 실시 예 1에서의 α-TCP의 중량을 0.87g으로 달리하는 것을 제외하고 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여 상기 알지네이트 및 α-TCP의 중량비가 1:10인 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물을 제조하였다.
<실시 예 6> 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물
상기 실시 예 1에서의 α-TCP의 중량을 1.74g으로 달리하는 것을 제외하고 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여 상기 알지네이트 및 α-TCP의 중량비가 1:20인 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물을 제조하였다.
<실시 예 7> 유무기 복합 하이드로겔
상기 실시 예 1 내지 6의 용액에 UV를 조사하여 광가교시키고, 이후 아래의 경화액 각각에 37℃조건에서 약 25시간동안 침지하여 유무기 복합 하이드로겔을 제조하였다.
이때 경화액으로 α-MEM(Minimum Essential Medium), PBS(Phosphate buffer saline), 염화칼슘(CaCl2)을 0.1g/L정도 포함하는 PBS(Phosphate buffer saline), HBSS(Hank's balanced salt solution) 및 식염수(saline)를 사용하였다.
<비교 예 1>
상기 제조 예 1에서 제조한 알지네이트 0.087g을 5 ml증류수에 녹여 알지네이트 용액을 제조하였다.
<비교 예 2>
상기 비교 예 1의 용액에 UV를 조사하여 광가교시키고, 이후 아래의 경화액 각각에 37℃조건에서 약 25시간동안 침지하여 하이드로겔을 제조하였다.
이때 경화액으로 α-MEM(Minimum Essential Medium), PBS(Phosphate buffer saline), 염화칼슘(CaCl2)을 0.1g/L정도 포함하는 PBS(Phosphate buffer saline), HBSS(Hank's balanced salt solution) 및 식염수(saline)를 사용하였다.
<비교 예 3>
상기 비교 예 1(α-TCP/알지네이트=0), 실시 예 2(α-TCP/알지네이트=1), 실시 예 5(α-TCP/알지네이트=10), 실시 예 6(α-TCP/알지네이트=20)의 용액에 칼슘이온(Ca2+)을 첨가하여 이온가교시키고, 이후 아래의 PBS(Phosphate buffer saline)경화액 각각에 37℃조건에서 약 25시간동안 침지하여 유무기 복합 하이드로겔을 제조하였다.
<실험 예 1> 크기 변화 분석
일 측면에 따른 유무기 하이드로겔 제조 과정에서, 경화액에 의한 경화 전 및 후의 크기를 확인하기 위하여, 상기 실시 예 7 및 비교 예 2에서, 생체적합성 고분자 및 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량비 및 경화액의 종류를 달리하여 각각에 대해 경화액에 의한 경화 전 및 후의 크기를 ImageJ 프로그램을 이용하여 측정하여 그 결과를 도 1 내지 도 5에 나타내었다.
도 1 내지 도 5의 가로축은 조성물에 함유된 알지네이트 대비 α-TCP의 중량비를 나타낸다.
도 1 내지 도 5에 나타난 바와 같이, UV를 조사하여 광가교시킨 후 및 경화액에 의한 경화시키기 전 대비 경화액에 의한 경화 후 하이드로겔의 크기가 다소 감소하는 경향을 보였으나 유의미한 차이는 없는 것을 알 수 있다. 이는 일 측면에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물을 조직 대체 및 재생소재로 활용하기 위해 체내에 주입한 후 체내에서 경화시키더라도 상기 경화액에 의한 부피 감소없이 초기 부피를 유지할 것으로 예상해볼 수 있다.
<실험 예 2> 기계적 물성 평가
일 측면에 따른 유무기 하이드로겔의 기계적 물성에 대해, 제조시 사용한 경화액 사용 유무, 생체적합성 고분자 및 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량비 및 경화액의 종류에 따른 차이를 확인하기 위하여, 상기 실시 예 7에서 제조한 유무기 복합 하이드로겔 및 비교 예 2에서 제조한 하이드로겔 각각에 대해 TA instruments사의 회전형 레오미터(rotational rheometer)를 이용한 축 방향 압축모드(axial compression mode)의 방법으로 압축강도 측정 실험을 수행하고, 이로부터 얻은 응력- 변형도 곡선(Stress-strain curve)의 low modulus값을 비교하여 도 6 내지 도 11에 나타내었다.
압축강도 실험 결과, 도 6 내지 도 11에 나타난 바와 같이 경화액을 사용하지 않은 경우(before setting), α-TCP의 함량을 높이더라도 압축강도 향상이 나타나지 않는 반면, 경화액을 사용하는 경우 α-TCP의 함량을 높일수록 압축강도가 향상되는 것을 알 수 있다.
이를 통해, 유무기 복합 하이드로겔 제조시 인산칼슘계 세라믹 분말을 함유시키는 경우가 그렇지 않은 경우보다 기계적 물성이 우수함을 알 수 있고, 이는 α-TCP를 포함하지 않는 경우 UV 조사로 광가교시킨 유무기 복합 하이드로겔의 경화액에 의해 경화가 진행되지 않는 반면, α-TCP를 포함하는 경우, 경화액에 의한 경화가 진행되기 때문인 것으로 볼 수 있다.
또한, 경화액에 구별없이 α-TCP을 사용하지 않은 비교예 1(α-TCP/alginate 중량비=0) 대비 실시 예 1 내지 5(α-TCP/alginate 중량비=0.5~10)에서 보다 높은 압축강도를 나타냄을 알 수 있으며, 특히 알지네이트 중량 대비 α-TCP의 중량이 5배 내지 10배에서 보다 높고, 10배에서 현저히 높아지는 것을 알 수 있다.
이를 통해 생체적합성 고분자 및 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량비가 5배 내지 10배일 때, 특히 10배일 때 기계적 물성을 현저히 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 사용한 경화액 중 칼슘 이온(Ca2+)을 포함하는 PBS(PBS w/ Ca)를 사용하는 경우 다른 경화액을 사용하는 경우 및 칼슘 이온을 포함하지 않는 PBS(PBS w/o Ca)을 사용하는 경우 대비 생체적합성 고분자 및 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량비가 5배 내지 10배일 때, 특히 10배일 때 기계적 물성을 보다 현저히 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
<실험 예 3> 결정구조 변화 분석
일 측면에 따른 유무기 하이드로겔 제조 과정에서, 경화액에 의한 경화 전 및 후의 결정구조를 확인하기 위하여, 상기 실시 예 7 및 비교 예 2에서, 경화액에 침지시키기 전 및 후의 결정구조를 X-선 회절분석(XRD)를 이용하여 측정하였으며, 경화액으로 PBS를 사용한 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다.
결정구조 분석 결과 경화액에 침지시키기 전에는 도 12에 나타난 바와 같이, 조성물의 주요 성분인 알지네이트 및 α-TCP가 그대로 존재하는 반면, 경화액에 침지시킨 후에는 도 13에 나타난 바와 같이, 알지네이트 및 CDHA가 존재함을 알 수 있다.
이는 조성물에 함유되어 있던 α-TCP가 경화액에 의해 CDHA로 상변화되었기 때문으로 볼 수 있다.
상기 기계적 물성 특성 평가 및 결정구조 분석 결과를 통해, 일 측면에 따른 유무기 하이드로겔은 생체적합성 고분자 및 α-TCP를 혼합한 후 UV조사하여 광가교시킨 후 경화액을 사용하여 상기 α-TCP를 CDHA로 상변화하여 저온 경화시킴으로써 기계적 물성을 현저히 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
<실험 예 4> 함수율 평가
일 측면에 따른 유무기 하이드로겔의 함수율을 평가하기 위해, 상기 실시 예 7에서 제조한 유무기 복합 하이드로겔 및 비교 예 2에서 제조한 하이드로겔에 대해 동결건조 전(도 14) 및 후(도 15)의 함수율을 측정하였으며, 경화액으로 PBS를 사용한 결과를 도 14 및 도15에 나타내었다.
도 14 및 도 15에 나타난 바와 같이, 동결건조 전후 비교 결과, 사용한 α-TCP의 함량이 증가할수록 함수율이 다소 감소하였으나 알지네이트 중량 대비 α-TCP를 10배 포함하는 경우에도 80% 이상으로 높은 함수율을 나타내는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 알지네이트 중량 대비 α-TCP를 10배 포함하더라도 하이드로겔의 우수한 함수 특성을 유지하고 있음을 알 수 있다.
또한, 알지네이트 중량 대비 α-TCP를 10배 포함한 경우, 동결건조 후 대비 동결건조 전 약 4.2배의 물을 함유할 수 있음을 알 수 있으며, 이를 통해 높은 세포친화적 특성을 나타내며, 체내에서 영양분 전달 및 가스 공급 등에 유리할 것으로 예상해볼 수 있다.
<실험 예 5> 표면 분석
일 측면에 따른 유무기 하이드로겔의 표면 구조 분석을 위해, 상기 실시 예 7에서 제조한 유무기 복합 하이드로겔 및 비교 예 2에서 제조한 하이드로겔의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 경화액으로 PBS를 사용한 결과를 도 16에 나타내었다.
도 16에 나타난 바와 같이, α-TCP의 함량이 높아질수록 표면에 α-TCP 입자의 노출량이 많아지고 α-TCP 입자가 서로 응집되어 서로 연결되어 있음을 알 수 있으며 상기 연결을 통해 유무기 복합 하이드로겔의 기계적 물성을 향상시킬 것으로 볼 수 있다. 이에, 세라믹 분말에 의한 기계적 물성 향상 효과를 얻기 위해서는 유무기 복합 하이드로겔 조성물에 일정 비율 이상의 α-TCP가 함유되어야 함을 알 수 있다.
<실험 예 6> 세포 부착능 평가
일 측면에 따른 유무기 하이드로겔의 세포 부착 특성을 확인하기 위하여, 상기 실시 예 7에서 제조한 유무기 복합 하이드로겔 및 비교 예 2에서 제조한 하이드로겔의 표면에 옥타데실 로다민 B(Octadecyl rhodamine B)를 염색한 세포를 시딩(seeding)한 후 24시간 배양한 후 형광 현미경으로 관찰하여 세포 부착 정도를 확인하였으며, 경화액으로 PBS를 사용하여 관찰한 결과를 도 17에 나타내었다.
도 17에 나타난 바와 같이, α-TCP를 포함하지 않는 비교 예 1(α-TCP 0)의 조성물을 사용하여 제조된 하이드로겔은 세포 배양이 거의 이뤄어지지 않은 반면, 알지네이트 대비 α-TCP 중량비가 1인 실시 예 2(α-TCP 1)의 조성물을 사용하여 제조된 유무기 복합 하이드로겔에서 세포 배양이 미비하게 이루어졌으며 보다 많은 α-TCP를 함유하는 조성물을 사용하여 제조된 유무기 복합 하이드로겔에서 보다 많은 양의 세포 배양이 이뤄어 졌으며, 특히 알지네이트 대비α-TCP의 중량이 5배 내지 10배인 조성물을 사용하여 제조한 유무기 복합 하이드로겔에서 현저히 많은 수의 세포가 배양됨을 알 수 있다.
이는 일 측면에 따른 유무기 하이드로겔의 표면에 α-TCP가 결정화되어 생성된 CHDA가 노출되어 상기 CHDA에 의한 세포 부착능이 현저히 향상되었기 때문인 것으로 볼 수 있다.
<실험 예 7> 광 가교 및 이온 가교에 따른 차이
유무기 하이드로겔 형성시 광 가교 및 이온 가교에 따른 차이를 확인하기 위해, 실시 예 2, 실시 예 5, 실시 예 6, 비교 예 1의 조성물을 실시 예 7의 방법으로 광가교 시켜 하이드로겔을 형성하고 비교 예 3의 방법으로 이온 가교시킨 후의 형상을 비교 관찰하였으며 그 결과를 도 18 및 19에 나타내었다.
도 18은 실시 예 2, 실시 예 5, 비교 예 1의 조성물을 실시 예 7의 방법으로 광가교시켜 하이드로겔을 형성하고 비교 예 3의 방법으로 이온 가교시킨 후의 형상을 비교 관찰한 것으로, 도 8에 나타난 바와 같이, α-TCP를 함유하지 않은 비교 예 1의 조성물을 광 가교 및 이온 가교 결합 모두에서 하이드로겔이 형성되지만, α-TCP를 함유하는 실시 예 2 및 실시 예 5의 조성물은 광 가교결합으로 하이드로겔이 형성되는 반면, 칼슘 이온에 의해서는 가교가 제대로 이루어 지지 않아 하이드로겔이 형성되지 않음을 확인하였다. 이를 통해 알지네이트 및 α-TCP를 함유하는 조성물을 하이드로겔 구조로 형성하기 위해서는 이온 가교보다 광 가교가 보다 효과적임을 알 수 있다.
도 19는 실시 예 6의 조성물을 실시 예 7의 방법으로 광가교 시킨 후의 형상을 관찰한 결과로서, 도 9에 나타난 바와 같이, 알지네이트 및 α-TCP의 중량비가 1:20인 경우 광 가교방법에 의해서도 가교 결합이 제대로 이루어지지 않아 하이드로겔이 형성되지 못함을 확인하였다.
상기 결과를 통해 알지네이트 및 α-TCP를 함유하는 조성물은 α-TCP를 α-TCP/알지네이트의 중량비가 20 미만일 때, 광 가교를 통해 하이드로겔을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
<실험 예 8> 성장인자 전달 특성
조직 분화를 유도하기 위한 단백질 형태인 성장인자 전달 활용가능성 확인을 위해 상기 비교 예 1, 실시 예 2 내지 5의 용액에 BSA를 첨가하고, UV를 조사하여 광가교시킨 후 PBS(Phosphate buffer saline) 경화액에 37℃조건에서 약 24시간동안 침지하여 유무기 복합 하이드로겔을 제조하고, 초기 약물담지효율 및 한달간의 방출거동을 확인하고 그 결과를 각각 도 20 및 도 21에 나타내었다.
도 20은 초기 약물담지효율을 나타낸 그래프로서, 유무기 복합 하이드로겔 내에 세라믹 물질의 비율이 높아질수록 초기 24 h 경화 후 남아 있는 단백질의 양이 향상됨을 확인하였다.
또한 도 21은 한달 간의 방출 거동을 나타낸 그래프로서, 상기 유무기 볼합 하이드로겔로부터 1달 이상의 단백질 방출을 유도할 수 있음을 확인하였다.
<실험 예 9> 골분화 유도 특성
기능성 골대체제로서의 골분화 유도 가능성 여부를 확인하기 위해 실시 예 2 내지 5의 용액에 대해 실시 예 7의 방법으로 제조한 유무기 복합 하이드로겔 표면에 MG-63 세포를 배양하고 2주간 배양한 후 표면의 세포에 대한 DNA 및 ALP activity를 확인하였으며 그 결과 각각 도 22 및 도 23에 나타내었다.
도 22 및 도 23에 나타난 바와 같이, 세라믹 비율이 높아질수록 골분화인자인 ALP activity가 향상되는 것을 확인하였으며, 특히 알지네이트 대비 α-TCP의 중량이 5대 이상인 경우 매우 급격하게 골분화가 유도됨을 확인하였다.
<실험 예 10> 생체조직 내에 주입 후 경화특성 평가
생체조직 내에 주입 후 UV에 의한 경화 및 경화액에 의한 경화특성을 확인하기 위하여, 이하의 실험을 수행하였다.
도 24는 생체조직 내에 주입 후 UV에 의한 경화특성을 확인하기 위한 실험 과정을 나타낸 사진이다.
도 24에 도시된 바와 같이, 실시 예 1 내지 5의 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 비교 예 1의 조성물 각각을 유리기판상에 떨어뜨린 후, 실험용 쥐의 피부의 아래에 상기 조성물이 놓이도록 쥐의 피부를 도포하고, 상기 쥐의 피부의 UV를 조사하여 상기 UV가 쥐의 피부를 통과하여 상기 조성물로부터 하이드로겔을 제조하는 지 여부를 확인하였다.
실험 결과, UV는 쥐의 피부를 통과하여 실시 예 1 내지 5의 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 비교 예 1의 조성물로부터 하이드로겔을 형성함을 확인하였으며, 그 중 실시 예 5 및 비교 예 1의 결과를 도 25에 나타내었다.
또한, 상기 실험을 통해 실시 예 1 내지 5의 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 비교 예 1의 조성물로부터 형성된 하이드로겔을 식염수(saline)에 37℃조건에서 약 24시간동안 침지한 후, 실험 예 2와 동일한 방법으로, 압축강도 측정 실험을 수행하고, 이로부터 얻은 응력- 변형도 곡선(Stress-strain curve)의 low modulus값을 비교하여 도 26에 나타내었다.
도 26에 나타난 바와 같이, 압축강도 실험 결과, α-TCP을 사용하지 않은 비교예 1(α-TCP/alginate 중량비=0) 대비 실시 예 1 내지 5(α-TCP/alginate 중량비=0.5~10)에서 보다 높은 압축강도를 나타냄을 알 수 있으며, 특히 알지네이트 중량 대비 α-TCP의 중량이 5배 내지 10배에서 보다 높고, 10배에서 현저히 높아지는 것을 알 수 있다.
상기 결과를 통해, 일 실시 예에 따른 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물을 동물 내에 주입 후 UV 조사에 의해 하이드로겔로 경화시킬 수 있고, 이후 식염수등의 경화액에 의해 강도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
Claims (14)
- 광가교 가능한 관능기를 갖는 생체적합성 고분자; 및
인산칼슘계 세라믹 분말;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 생체적합성 고분자 및 상기 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량비는 1:1 이상 및 1:20 미만인, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 생체적합성 고분자는,
알지네이트(Alginate), 하이드록시프로필 메틸셀룰로오즈(HPMC), 하이드록시 에틸 셀룰로오스(HEC), 메틸셀룰로오스(Methyl cellulose), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 젤라틴(Gelatin), 콜라겐(Collagen), 파이브리노젠(fibrinogen), 키토산(Chitosan), 아가(Agar), 마트리겔(Matrigel), 스타치(Starch), 펙틴(Pectin), 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리에틸렌 글라이콜(Poly(ethylene glycol)), 폴리프로필렌 글라이콜(Poly(propylene glycol)), 히알루로난(Hyaluronan) 및 폴리비닐피롤리돈(Poly(vinylpyrrolidone))으로부터 선택되는 1종 이상인, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 인산칼슘계 세라믹 분말은,
α-TCP(α-Tricalcium phosphate), β-TCP(β-Tricalcium phosphate), 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), DCPD(Dicalcium phosphate dihydrate), MCPM(Monocalcium phosphate monohydrate), DCPA(Dicalcium phosphate anhydrous) 및 BCP(Biphasic Calcium Phosphate)로부터 선택되는 1종 이상인, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 인산칼슘계 세라믹 분말은 α-TCP(α-Tricalcium phosphate)인, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물은 기능성 부재 및 세포 중 적어도 하나를 더 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물.
- 광가교 가능한 관능기를 갖는 생체적합성 고분자 및 인산칼슘계 세라믹 분말을 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물; 및
경화액;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트.
- 제7항에 있어서,
상기 생체적합성 고분자 및 상기 인산칼슘계 세라믹 분말의 중량비는 1:1 이상 및 1:20 미만인, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물.
- 제7항에 있어서,
상기 경화액은
식염수(saline), PBS(Phosphate buffer saline), MCPM(Monocalcium phosphate monohydrate), DSP(Disodium phosphate dehydrate), MSP(Monosodium phosphate dehydrate), α-MEM(Minimum Essential Medium) 및 HBSS(Hank's balanced salt solution)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트.
- 제7항에 있어서,
상기 경화액은 칼슘 이온(Ca2+)을 더 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트.
- 제7항에 있어서,
상기 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트는 기능성 부재 및 세포 중 적어도 하나를 더 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트.
- 광가교성 관능기를 갖는 생체적합성 고분자; 및
상기 생체적합성 고분자와 결합된 인산칼슘계 세라믹;을 포함하는, 유무기 복합 하이드로겔.
- 제12항에 있어서,
상기 인산칼슘계 세라믹은 CDHA(Ca-deficient hydroxyapatite)인, 유무기 복합 하이드로겔.
- 제12항의 유무기 복합 하이드로겔을 포함하는 생체재료.
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-
2022
- 2022-07-26 KR KR1020220092331A patent/KR20230022392A/ko unknown
Patent Citations (2)
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