KR100814730B1 - 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 이의 합성방법 - Google Patents

나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 이의 합성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 이의 합성방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 블록공중합체-메틸셀룰로오즈를 템플레이트로 이용하여 2차원 및 3차원의 구조를 가지는 나노사이즈(1~100 nm) 및 매크로사이즈(1~1000μm)의 열린 기공이 계층적으로 상호 연결되어 형성된 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 이의 합성방법에 대한 것이다. 본 발명에 따르면 자기조직화 구조를 가지는 고분자(블록공중합체, 계면활성제)와 생체안정성이 뛰어난 메틸셀룰루오즈를 템플레이트로 이용하고 졸겔법으로 생체활성유리를 유도하는 무기질과 동시에 반응시키는 단일단계 합성방법을 개발하여, 나노사이즈 및 매크로사이즈의 기공을 동시에 유도할 수 있다. 또한, 1번의 소성을 거쳐 나노-매크로 다공성 생체 재료를 합성하는 간단한 과정만이 요구되므로 생산성과 경제성이 뛰어나다. 나아가, 이 합성법은 생체활성유리 외에 하이드록시아파타이트, 트리칼슘포스페이트 등의 인산칼슘계 세라믹 재료 및 칼슘카보네이트, 티타니아 등의 기타 세라믹 재료를 이용한 나노-매크로 다공성 재료의 합성에도 유효성이 기대된다.
생체활성유리, 메틸셀룰로오즈, 블록공중합체, 다공체, 나도-매크로 기공

Description

나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 이의 합성방법{Hierarchically Nanoporous-Macroporous Bioactive Glass and Method for Preparing thereof}
도 1은 본 발명에 따른 계층적 기공구조를 가지는 생체활성유리의 모식도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성유리의 열처리 전 사진 및 그 가공의 용이함을 보여주는 사진;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계층적 기공구조를 가지는 생체활성유리의 소성 전·후의 사진;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 템플레이트 유·무에 대한 생체활성유리 의 기공구조 변화를 나타낸 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM) 사진;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성유리의 블록공중합체 종류에 대한 세라믹 벽 형상 변화 및 기공의 변화를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성유리의 메틸셀룰로오즈 첨가 전·후에 대한 나노사이즈 기공구조 형성여부를 측정한 저각 X-선 회절(Small angle-X-Ray Diffraction; XRD) 그래프; 및
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성유리의 나노사이즈 기공구조 형성 여부를 관찰한 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy; TEM) 사진.
본 발명은 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 이의 합성방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 간단한 합성과정으로 생산성 및 경제성이 뛰어남과 동시에 매크로 사이즈의 기공을 구성하는 무기질 벽이 나노사이즈의 기공을 가지는 다공성 재료로 이루어지는 새로운 개념의 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 이의 합성방법에 대한 것이다.
차세대의 의료기술로 주목받고 있는 재생 의료, 특히 재생을 원하는 조직으로부터 세포를 분리하여 배양하고 이를 적절한 생체 재료에 접종하여 증폭 배양함으로써 인공적으로 조직을 형성하는 시술에 많은 관심이 집중되고 있다. 이러한 시술에는 이식 후 결합조직과의 분리를 막기 위하여 적절한 세포 지지체가 필요하며, 조직접합성과 세포접착성이 뛰어난 지지체의 개발이 필요하다.
종래 일반적으로 세포 지지체로서 고분자 지지체가 많이 이용되고 있으나 골 손실에 있어서의 골 재생 재료로서는 기계적 강도, 골과의 친화력 등의 이유로 하이드록시아파타이트, 트리칼슘포스페이트 등의 인산칼슘계 세라믹 재료, 고분자-세라믹 복합체, 바이오글래스, 및 칼슘카보네이트 등의 세라믹 재료가 대표적으로 이용되고 있다. 또한, 이들 세라믹 재료를 골 재생 재료로 이용하기 위해서는 3차원의 열린 기공구조를 가지는 것이 중요하다. 이들 세라믹 재료를 이용한 3차원 기공을 가지는 지지체 합성법에는 세라믹 미세분말을 슬러리화 한 후 폴리우레탄 등의 고분자 지지체에 코팅시키고 열처리에 의해서 폴리우레탄을 제거, 다공질화 하는 방법(대한민국 등록특허 제0331990호), 다중 압축공정을 이용한 방법(이병택 외 3, J. Kor. Ceram. Soc, 2004, 41, 2004), 구형의 세라믹 입자를 상호 접촉시켜 제조하는 방법(대한민국 공개특허 특2003-0023568호) 및 폴리비닐부티랄(D.M.Liu, Biomaterials, 1955, 17, 1996) 또는 메틸셀룰로오즈(N.O.Engin 외 1, J. Eur. Ceram. Soc., 2569, 19, 1009) 등의 유기물을 세라믹 미세분말의 슬러리와 혼합하여 제조하는 방법 등이 있다. 하지만 이들 모두 매크로사이즈(수십 내지 수백 마이크로)의 기공이 연속적으로 연결된 지지체이기는 하나 그 기공을 이루고 있는 세라믹 벽(frame)의 성질제어는 실시되지 않아 기계적 강도 및 생체친화성은 있으나 조직학적인 골 유도성은 적고 세라믹 벽의 기능성이 낮으며, 또한 시술 후 결합조직의 개재에 의해 빈번히 골 조직과 분리됨이 확인되었다. 이에 세라믹 벽의 구조를 제어함으로써 우수한 생체친화성뿐 아니라, 뛰어난 골 유도성을 가지며 이식 시 적절히 흡수되어 재생 골로 치환될 수 있는 생분해성 이식재가 요구된다.
만약 매크로사이즈의 기공을 이루고 있는 3차원 지지체의 세라믹 벽이 나노사이즈의 상호 연결된 기공으로 이루어져 있다면 비표면적과 기공률의 증대와 더불어 세포접착력의 향상효과를 기대할 수 있다. 또한, 나노사이즈의 기공에 증식인자 혹은 영양소, 산소, 약물 등을 흡착시킬 경우 세포증식, 분화의 향상과 더불어 3차원 구조체의 문제점인 지지체 내에서의 세포괴사를 줄이는 효과를 기대할 수 있을 것이다. 더불어, 항암제나 항염제 등의 약물을 흡착시켜 사용함으로써 골 재생의 역할과 동시에 염증 등의 치유의 역할을 하는 기능성 지지체의 역할이 가능하리라 기대된다. 이러한 다공성 재료를 합성하는 방법으로는 기공의 사이즈나 구조의 제어가 용이하며 거대 비표면적을 제공하는 고분자 템플레이트법(C.T.Kresge 외 4, Nature, 710, 359, 1992)이 유효하며 나노사이즈 기공을 형성하기 위해서는 나노사이즈의 고분자 템플레이트를, 매크로 사이즈의 기공을 합성하기 위해서는 매크로 사이즈의 고분자 템플레이트를 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 생체친화적이고 생분해성을 가지며 세포 지지체로서 기능성이 높은 세라믹재료를 제공하기 위하여 나노사이즈와 매크로사이즈의 열린 기공이 상호 연결되어 2차원 및 3차원의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 생체 세라믹을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상호 연결된 열린 기공을 가지는 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 생체 세라믹의 합성 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분산되어 있는 생체활성유리에 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 블록공중합체를 나노사이즈의 기공유도용 템플레이트로, 메틸셀룰로오즈를 매크로사이즈의 기공유도용 템플레이트로 사용하여 1~100 nm 범위의 나노기공 및 1~1000 μm 범위의 매크로기공이 2차원 및 3차원의 계층적 기공구조로 상호 연결되어 형성된 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리를 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 알코올을 포함하는 유기 용매에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사인드의 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체활성유리 용액을 합성하는 단계, (c) 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체활성유리 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계, (d) 상기 전구체 용액에 메틸셀룰로오즈를 첨가 및 혼합하는 단계 및 (e) 상기 (d)에서 얻어진 혼합액을 건조하고, 소성하여 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제거하는 단계를 포함하는 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리의 합성방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분산되어 있는 생체활성유리에 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 블록공중합체를 나노사이즈의 기공유도용 템플레이트로, 메틸셀룰로오즈를 매크로사이즈의 기공유도용 템플레이트로 사용하여 1~100 nm 범위의 나노사이즈 기공 및 1~1000 μm 범위의 매크로사이즈 기공이 2차원 및 3차원의 계층적 기공구조로 상호 연결되어 형성된 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리를 포함한다.
구체적으로, 본 발명은 2차원 및 3차원의 계층적 기공구조로 상호 연결된 지지체 형상을 얻기 위하여 구조유도제(structure directing agent)로 사이즈가 다른 이종(異種)의 유기물 즉, 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 블록공중합체 및 메틸셀룰로오즈를 이용하여 1~100 nm 범위의 나노사이즈 기공 및 1~1000 μm 범위의 매크로사이즈 기공이 동시에 유도되는 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리를 포함한다.
여기서 상기 나노 사이즈의 기공유도용 템플레이트로 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 블록 공중합체를 사용하였지만, 이에 한정되지 않고 친수성기 및 소수성기의 블록을 가지는 각종 블록 공중합체가 이용될 수 있다. 또한, 이 대신에 CTAB(cetyltrimethylammoniumbromide), CTAC(cetyltrimethylammoniumchloride) 또는 이들과 탄소 수가 다른, 예컨대 C2~C40의 도데실암모늄브로마이드, 도데실황산소듐, 폴리디알릴디메틸암모늄클로라이드, 스테아릴암모늄브로마이드 및 스테아릴메틸암모늄브로마이드 등의 계면활성제를 이용할 수도 있다.
상기 다공성 생체활성유리의 계층적 기공구조 중 나노사이즈 기공은 2차원 및 3차원으로 상호 연결된 열린 기공으로 형성됨이 바람직하다. 2차원 및 3차원의 기공구조란, 블록공중합체 등의 자기조직화구조를 이루는 유기질 템플레이트에 의하여 형성되는 것으로, 나노사이즈의 열린 기공이 2차원 혹은 3차원의 육방정 또는 입방정 등의 규칙구조를 이루는 것을 일컫는다. 또한 계층적 기공구조란 서로 사이즈와 구조가 다른 기공의 규칙구조가 상호 연결되어 이루어지는 기공구조를 일컬으며, 이것은 상기에서 설명한 블록공중합체 및 메틸셀룰로오즈가 소성 혹은 용매추출법에 의하여 분해, 제거됨으로써 각각 나노사이즈 및 매크로사이즈의 기공으로 남는 것을 의미한다.
상기 계층적 기공구조 중 매크로사이즈 기공을 이루는 프레임(frame)은 나노사이즈의 규칙성을 갖는 기공으로 이루어짐이 바람직하다. 이러한 경우, 비표면적 및 기공률이 증대된 세라믹 지지체를 얻을 수 있고, 더불어 생체 내 이식 시, 세포접착력이 향상되고, 또한 기공 사이로 체액이 자유로이 이동할 수 있다.
나노사이즈의 기공에 증식인자 혹은 영양소, 산소, 약물 등을 흡착시켜 사용할 경우, 세포증식, 분화의 향상과 더불어 3차원 구조체의 문제점인 지지체 내에서의 세포괴사를 줄일 수 있고, 항암제나 항염제 등의 약물을 흡착시켜 사용함으로써 골 재생의 역할과 동시에 염증 등의 치유의 역할을 하는 기능성 지지체로서의 역할을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 (a) 알코올을 포함하는 유기 용매에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사인드의 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체활성유리 용액을 합성하는 단계, (c) 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체활성유리 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계, (d) 상기 전구체 용액에 메틸셀룰로오즈를 첨가 및 혼합하는 단계 및 (e) 상기 (d)에서 얻어진 혼합액을 건조하고, 소성하여 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제거하는 단계를 포함하는 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리의 합성방법을 제공한다.
상기 단계 (a)는 알코올을 포함하는 유기 용매에 나노사이즈의 기공유도용 템플레이트인 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계로, 상기 블록공중합체 템플레이트로는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 구조를 갖는 폴록사머(poloxamer)를 사용할 수 있는데, 이때 사용하는 폴록사머는 친수성기 및 소수성기를 갖는 플루로닉(Pluronic)계 또는 테트로닉(Tetronic)계 고분자이다. 이 중, F127((폴리에틸렌옥사이드)100(폴리프로필렌옥사이드)65(폴리에틸렌옥사이드)100, BASF), F108((폴리에틸렌옥사이드)133(폴리프로필렌옥사이드)50(폴리에틸렌옥사이드)133, BASF), F98((폴리에틸렌옥사이드)118(폴리프로필렌옥사이드)44(폴리에틸렌옥사이드)118, BASF), F88((폴리에틸렌옥사이드)104(폴리프로필렌옥사이드)39(폴리에틸렌옥사이드)104, BASF), P123((폴리에틸렌옥사이드)20(폴리프로필렌옥사이드)70(폴리에틸렌옥사이드)20, BASF), P105((폴리에틸렌옥사이드)37(폴리프로필렌옥사이드)56(폴리에틸렌옥사이드)37, BASF), P104((폴리에틸렌옥사이드)27(폴리프로필렌옥사이드)61(폴리에틸렌옥사이드)27, BASF) 및 폴리에틸렌/폴리프로필렌의 비율이 0.1~0.8인 플루로닉, 테트로닉, 리버스 플루로닉(Reverse Pluronic) 또는 리버스 테트로닉(Reverse Tetronic) 등과 같은 친수성 고분자 블록 및 소수성 고분자 블록으로 이루어지는 블록공중합체를 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 블록공중합체의 종류에 따라 기공의 구조가 결정되는데, F127을 사용한 경우, 짧은 로드(rod)형태의 형상이나 다각형의 모양을 가지며 3차원의 입방정(cubic)구조를 이루기 쉽다. 또한, P123을 템플레이트로 사용한 경우, 긴 실사형의 모양을 가지며 2차원의 육방정(hexagonal)의 구조를 이루기 쉽다.
여기서, 상기 나노사이즈 기공유도용 템플레이트로는 블록공중합체 이외에도 CTAB, CTAC 또는 이들과 탄소 수가 다른, 예컨대 C2~C40의 도데실암모늄브로마이드, 도데실황산소듐, 폴리디알릴디메틸암모늄클로라이드, 스테아릴암모늄브로마이드 및 스테아릴메틸암모늄브로마이드 등의 계면활성제를 사용할 수 있다.
상기 알코올 용매로는 탄소수 1 내지 25의 알킬 사슬을 갖는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 용매로 사용한 에탄올에 대하여 블록공중합체 템플레이트를 10~80 질량%의 비율로 혼합하여 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성할 수 있다.
상기 단계 (b)는 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체활성유리 용액을 합성하는 단계로, 일정간격을 두고 각 출발용액을 혼합하는 방법, 또는 산 또는 알칼리 용액을 첨가하는 방법을 이용하여 실리카 안에 칼슘과 인을 균일하게 분산시킬 수 있다. 칼슘이나 인을 실리카에 균일하게 분포시키면 혼합과정에서 발생되는 결정화를 억제할 수 있다.
상기 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물은 Si:Ca:P의 원소비율이 50~80 : 18~45 : 2~10이고, 바람직하게는 75Si:21Ca:4P, 65Si:31Ca:4P, 55Si:41Ca:4P의 원소비율로 혼합하여 생체활성유리 용액을 합성할 수 있다. 상기한 범위에서, 안정한 입방정의 나노 기공구조가 형성되기 때문이다. 그 중에서도 상기 칼슘 화합물은 상기 규소 화합물, 상기 칼슘 화합물 및 상기 인 화합물의 전체 양에 대하여 10~40 질량%로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 농도 범위에서는 입방정의 나노 기공구조의 형성이 확인되나, 40 무게% 이상에서는 다공성은 띄나 기공의 규칙구조는 열악해짐을 알 수 있다.
본 발명에서 상기 규소 화합물은 테트라에틸오르소실리케이트, 3-머캅토프로필트리메톡시실란 및 5,6-에폭시헥실트리에톡시실란 등을 사용할 수 있고, 상기 칼슘 화합물은 칼슘니트레이트 4수화물, 칼슘니트레이트 및 칼슘클로라이드 등을 사용할 수 있으며, 상기 인 화합물은 트리에틸포스페이트, 소듐포스페이트 및 암모니움 포스페이트 다이베이식 등을 사용할 수 있다.
상기 단계 (c)는 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체활성유리 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계로, 700~1500 분당회전(revolutions per minute; rpm) 및 30~80 ℃에서 2~72시간 동안 상기 혼합 용액을 교반하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 단계 (c) 혼합 과정에서 상기 블록공중합체 템플레이트의 농도는 30~50 질량%인 것이 바람직하고, 블록공중합체 템플레이트인 F127의 농도는 상기 생체활성유리의 재료인 TEOS(Tetraethyl orthosilicate)에 대하여 30 질량% 이상일 때, 표면의 요철이 없어지며 장주기의 나노기공 규칙구조가 형성된다.
상기 단계 (d)는 상기 전구체 용액에 메틸셀룰로오즈를 첨가 및 혼합하는 단계로, 상기 메틸셀룰로오스는 생체안정성이 뛰어나 생채 재료로 쓰기에 적합하고, 매크로사이즈의 기공이 유도된다.
상기 전구체 용액에 대하여 2% 수용액의 점도가 15~4000 cps인 상기 메틸셀룰로오스를 0.01~20 질량%로 첨가하여 전구체/메틸셀룰로오스 용액을 얻을 수 있고, 이때 초음파를 가하여 혼합할 수 있다. 또한, 바람직한 메틸셀룰로오즈의 분자량은 17000~86000으로, 생체활성유리의 기공도 및 매크로기공 사이즈는 상기 분자량의 영향을 받는다.
상기 단계 (e)는 상기 (d)에서 얻어진 혼합액을 건조하고, 소성하여 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제조하는 단계로, 상기 단계 (e)에서 건조시 온도 및 습도는 각각 -15~80 ℃, 5~100 RH%인 것이 바람직하다. 상기 온도 및 습도 조건을 만족하는 항온항습기에 24~72시간 동안 두어 용액을 건조시킬 수 있다.
상기 단계 (e)에서 소성은 상기 건조물을 0.2~2 ℃/min의 승온 속도로 600~1000 ℃의 온도 범위에서 2~6시간 동안 유지시켜 골격을 치밀화시키고 서냉하는 단계를 포함하는 것이다. 상기 소성 조건에서 템플레이트로 사용된 F127 혹은P123 및 메틸셀룰로우스를 쉽게 분해·제거할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 딘, 하기 실시예 및 도면들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로 본 발명의 내용이 하기 도면의 일 실시예에 의해 제한되거나 한정되지 않음은 물론 이다.
<실시예 1> F127을 이용한 3차원 다공성 생체활성유리의 합성
입방정의 3차원 나노기공 구조를 유도하기 위하여 플루로닉 F127 ((폴리에틸렌옥사이드)100(폴리프로필렌옥사이드)65(폴리에틸렌옥사이드)100)을 템플레이트로 이용하였다. 먼저, 에탄올(18.1 ml)에 F127(2.88 g)을 넣고 40 ℃에서 완전히 용해될 때까지 0.5~1시간 동안 교반하였다(용액 A). 동시에 생체유리의 원료인 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS, 6 ml) 및 칼슘니트레이트 4수화물(1.36 g)을 천천히 섞은 후 균일한 용액이 생성되었을 때 트리에틸포스페이트(0.26 ml)를 섞어주었다. 다음 미리 준비해놓은 1 M 염산용액(0.95 ml), 에탄올(7.62 ml), 및 증류수(2.86 ml)의 혼합액을 넣어 40 ℃에서 0.5~1시간 동안 세라믹 출발원료가 균일하게 용해될 때까지 교반하였다(용액 B). 용액 A에 용액 B를 천천히 섞으면서 40 ℃에서 2~72시간 동안 700~1500 rpm의 강한 속도로 교반하였다.
얻어진 전구체 용액(10 ml)에 메틸셀룰로오스(1 g)을 섞은 후 초음파처리 하였다. 이때 전구체용액은 점도가 높아지며 겔(gel) 상태가 되기 전에 원하는 형상의 틀에 넣고 -15~80 ℃, 5~100 RH%의 항온항습기에서 24~72시간 두며 용액을 증발, 건조시켰다. 건조과정이 끝나면 원하는 사이즈나 형상으로 가공을 하여 0.5 ℃/min의 속도로 600~1000 ℃에서 4시간 동안 소성시켜 템플레이트로 사용한 메틸셀룰로오스 및 F127 두 가지 고분자 모두를 분해·제거하였다.
<실시예 2> P123을 이용한 3차원 다공성 생체활성유리의 합성
2차원 육방정의 나노기공 구조를 유도하기 위하여 플루로닉 P123 ((Poly-ethylene)70(Poly-propylene)20(Poly-ethylene)70)을 템플레이트로 이용하였다. 먼저 A: 에탄올(18.1 ml)에 P123(2.28 g)을 넣고 40 ℃에서 완전히 용해될때까지 (0.5~1h) 교반시켜 용액 A를 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성유리의 열처리 전 사진 및 그 가공의 용이함을 보여주는 사진이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 얻어진 생체활성유리는 흰색을 띄고 원하는 크기로 합성이 가능하며 유연성을 지니기 때문에 가위나 칼로 용이하게 원하는 모양으로 성형이 가능하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계층적 기공구조를 가지는 3차원 다공성 생체활성유리의 소성 전·후의 사진. 도 3에서 보는 바와 같이, 성형한 복합체(위) 및 다공성 지지체로 만들기 위하여 600 ℃에서, 4시간 동안 소성 후(아래)로 소결 전의 형상을 유지하고 약 30~40%의 체적이 축소된 다공성 물질이 얻어졌다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 템플레이트 유·무에 대한 3차원 다공성 생체활성유리의 기공구조의 변화를 나타낸 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM) 사진이다. 도 4에서 보는 바와 같이, A와 D는 메틸셀룰로오즈만 첨가하고 블록공중합체를 첨가하지 않은 것이고, B와 E는 F127:메틸셀룰로오즈, 및 C와 F는 P123:메틸셀룰로오즈를 첨가하여 얻어진 다공성 생체 재료의 시료 표면을 나타낸다. A(또는 D)의 경우 나노사이즈의 기공, 매크로사이즈의 기공 모두 관찰되지 않았다. 반면, B(또는 E), C(또는 F)의 샘플에서는 매크로 사이즈의 3차원 기공구조가 시료 전면에서 관찰되었다. 이는 B와 C의 표면 및 단면을 비교한 도 5에서도 확인할 수 있다. F127로 유도된 세라믹의 표면(A) 및 단면(B), P123로 유도된 세라믹의 표면(C) 및 단면(D) 모두 열려있는 기공이 연속적으로 연결된 기공으로 형성되어 있으며 그 기공의 크기는 10~150 μm였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성유리의 블록공중합체의 종류에 대한 세라믹 벽 형상 변화 및 기공의 변화를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 5에서 보는 바와 같이, 매크로사이즈 영역에서의 기공도 또는 기공의 사이즈는 생체활성유리 재료/메틸셀룰로오즈의 혼합비 혹은 메틸셀룰로오즈의 분자량으로 조절이 가능하였다. 또한 매크로기공을 이루는 세라믹 벽은 나노사이즈의 기공을 유도하기 위해 첨가한 블록공중합체의 종류에 따라 그 벽의 형상이 상이함을 관찰할 수 있었다. 일반적으로 F127로 합성되는 나노다공성 분말은 짧은 로드형의 형상이나 다각형을 모양을 가지며 3차원의 입방정 기공구조를 이루기 쉽고(도 5의 A, B), 한편 P123으로 합성되는 나노다공성 분말은 긴 실사형의 모양을 가지며 2차원의 육방정 기공구조를 이루기 쉽다(도 5의 C, D). 이러한 나노사이즈의 기공형상이 매크로사이즈의 기공을 형성시키는 벽의 모양에 반영되는 것은 벽의 내부에 나노사이즈의 장주기 규칙구조가 형성되어있음을 의미한다.
나노사이즈의 기공구조의 형성 여부는 저각 X-선 회절 측정 결과 그래프(도 6) 및 투과전자현미경 사진(도 7)에서 확인할 수 있었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성유리의 메틸셀룰로오즈 첨가 전·후에 대한 나노사이즈 기공구조 형성 여부를 측정한 저각 X-선 회절(Small angle X-Ray Diffraction; XRD) 그래프이다. 도 6에서 보는 바와 같이, XRD의 저각 피크는 기공의 결정과 같은 규칙적인 배열에 의하여 얻어지며, 생체 재료의 나노구조는 F127을 템플레이트로 사용한 경우(좌) 및 P123를 템플레이트로 사용한 경우(우) 모두 메틸셀룰로오즈 혼합 후에도 피크가 확인되었고, 각각 입방정 및 육방정 구조를 형성하고 있음이 확인되었다. 이와 같이, 블록공중합체 등의 템플레이트 제어로 나노사이즈에서 기공구조와 기공사이즈의 제어가 가능함을 알 수 있었다.
특히 입방정의 경우 메틸셀룰로오즈와의 혼합 후에도 강도와 날카로움 정도의 변화가 없는 것으로 보아 시료 전체에 장주기의 입방정 기공구조가 분포되어 있음을 추측할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성유리의 나노사이즈 기공구조 형성 여부를 관찰한 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy; TEM) 사진이다. 도 7에서 보는 바와 같이, 도 6에서 확인한 바와 마찬가지로 투과전자현미경 사진에서도 각각 입방정(좌-F127 이용) 및 육방정(우-P123 이용) 기공구조를 형성하고 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 있어서, 자기조직화 구조를 가지는 고분자(블록공중합체, 계면활성제)와 생체안정성이 뛰어난 메틸셀룰루오즈를 템플레이트로 이용하고 졸겔법으로 생체활성유리를 유도하는 무기질과 동시에 반응시키는 단일단계합성 방법을 개발하여, 나노사이즈 및 매크로사이즈의 기공을 동시에 유도할 수 있다. 또한, 매크로 다공성의 생체재료를 합성하기 위하여 2번 이상의 소성이 필요한 종래 합성 방법과 달리, 1번의 소성을 거쳐 나노-매크로 다공성 생체 재료를 합성하는 간단한 과정만이 요구되므로 생산성과 경제성이 뛰어남과 동시에 나노사이즈의 기공을 가지는 새로운 지지체를 제공하여 골수복제 이외에 여러 가지 영역에서 응용이 가능하리라 기대된다. 또한, 이 합성법은 생체활성유리 외에 하이드록시 아파타이트, 트리칼슘포스페이트 등의 인산 칼슘계 세라믹 재료 및 칼슘 카보네이트, 티타니아 등의 기타 세라믹 재료를 이용한 나노-매크로 다공성 재료의 합성에도 유효성이 기대된다.

Claims (12)

  1. 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분산되어 있는 생체활성유리에 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 블록공중합체 또는 계면활성제를 나노사이즈의 기공유도용 템플레이트로, 메틸셀룰로오즈를 매크로사이즈의 기공유도용 템플레이트로 사용하여 1~100 nm 범위의 나노사이즈 기공 및 1~1000 μm 범위의 매크로사이즈 기공이 2차원 및 3차원의 계층적 기공구조로 상호 연결되어 형성된 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리.
  2. (a) 알코올을 포함하는 유기 용매에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사인드의 블록공중합체 또는 계면활성제를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계;
    (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체활성유리 용액을 합성하는 단계;
    (c) 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체활성유리 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계;
    (d) 상기 전구체 용액에 메틸셀룰로오즈를 첨가 및 혼합하는 단계; 및
    (e) 상기 (d)에서 얻어진 혼합액을 건조하고, 소성하여 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제조하는 단계
    를 포함하는, 제1항에 기재된 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 블록공중합체는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 블록공중합체인 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 블록공중합체는 F127, F108, F98, F88, P123, P105, P104, 및 폴리에틸렌/폴리프로필렌의 비율이 0.1~0.8인 플루로닉, 테트로닉, 리버스 플루로닉 또는 리버스 테트로닉으로 이루어진 군 중에서 1종 이상이 선택되는 플루로닉계 또는 테트로닉계 공중합체인 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 규소, 칼슘 및 인은 50~80 : 18~45 : 2~10의 원소비율로 함유되는 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 단계 (c)에서 상기 블록공중합체 템플레이트 용액은 상기 생체활성유리 용액에 대하여 30~50 질량%로 첨가되는 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 단계 (d)에서 메틸셀룰로오즈는 2% 수용액의 점도가 15~4000 cps인 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 단계 (d)에서 메틸셀룰로오즈는 상기 전구체 용액에 대하여 0.01~20 질량%로 첨가되는 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  9. 제3항에 있어서, 상기 단계 (c)는 700~1500 rpm 및 30~80 ℃에서 2~72시간 동안 혼합 교반하는 단계를 포함하는 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  10. 제3항에 있어서, 상기 단계 (d)에서 건조는 -15~80 ℃ 범위의 온도 및 5~100 RH%에서 수행되는 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  11. 제3항에 있어서, 상기 단계 (d)에서 소성은 상기 건조물을 0.2~2 ℃/min의 승온 속도로 600~1000 ℃의 온도 범위에서 2~6시간 동안 유지시켜 골격을 치밀화시키고 서냉하는 단계를 포함하는 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
  12. 제2항에 있어서, 상기 계면활성제는 CTAB 또는 CTAC인 것인 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체활성유리의 합성방법.
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