KR100831348B1

KR100831348B1 - 3차원 기공구조를 가지는 나노다공성 생체활성 유리 및 이의 합성 방법

Info

Publication number: KR100831348B1
Application number: KR1020060105010A
Authority: KR
Inventors: 윤희숙; 김승언
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2008-05-22
Also published as: KR20080037836A

Abstract

본 발명은 3차원 기공구조를 가지는 나노다공성 생체활성 유리 및 이의 합성 방법에 관한 것이다. 특히, 템플레이트로 블록공중합체 및 계면활성제를 이용하여 3차원 기공구조를 가지는 나노다공성 생체활성 유리 및 이의 합성 방법에 대한 것이다.

본 발명에 따르면, 3차원 기공구조를 가지는 나노다공성 생체활성 유리는 종래의 합성 방법으로 얻어진 나노다공성 생체활성 유리에 비하여, 3차원으로 상호 연결된 열린 기공이 규칙적인 구조를 가지며 큰 비표면적 및 큰 기공체적과 같이 월등히 뛰어난 기공특성을 가지고 있으므로, 기공의 기능성 및 효율성이 뛰어나고 재료의 생체 활성을 높여 약물전달시스템 재료, 골 지지체, 골 수복재, 골 충진재 등의 차세대 의료기술로서 주목받고 있는 생체 재료로서의 응용이 기대된다.

생체활성 유리, 나노다공성, 3차원 기공구조, 템플레이트법, 블록공중합체, 계면활성제

Description

3차원 기공구조를 가지는 나노다공성 생체활성 유리 및 이의 합성 방법{Nanoporous Bioactive Glass With 3-D Pore Structure and Preparation Method Thereof}

도 1은 본 발명의 일 실시예의 블록공중합체(F127)의 상태도 및 구조의 모식도;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성 유리 자립막 겔(gel)의 사진;

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성 유리의 소각 X-선 회절(Small angle-X-Ray Diffraction; XRD) 패턴을 나타내는 그래프;

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 졸-겔법 및 고분자 템플레이트법에 의해 합성된 생체활성 유리와 졸-겔법으로 합성된 생체활성 유리의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy; TEM) 사진;

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 F127의 첨가량에 대한 생체활성 유리의 표면 변화를 나타낸 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM) 사진;

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성 유리의 에너지분산형 X-선 분석(Energy Dispersive X-ray spectroscopy; EDX)을 이용한 성분분석 결과를 나타낸 그래프 및 동 시료의 각 원소(Si, Ca, P)분포를 정성평가 한 결과; 및

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성 유리의 비표면적을 측정한 그래프.

본 발명은 3차원 기공구조를 가지는 나노다공성 생체활성 유리 및 이의 합성 방법에 관한 것이다. 특히, 3차원으로 상호 연결된 열린 기공이 규칙적인 구조를 가지며 큰 비표면적 및 큰 기공체적과 같이 월등히 뛰어난 기공특성을 가지는 것으로, 기공의 기능성 및 효율성이 뛰어나고 재료의 생체 활성이 높은 나노다공성 생체활성 유리 및 이의 합성 방법에 대한 것이다.

1992년에 모빌사의 연구그룹이 계면활성제를 템플레이트(Template)로 이용하여 균일한 기공크기와 거대 비표면적을 가지는 나노다공성 실리카 재료의 합성을 성공(C.T.Kresge et al., Nature, 710, 359, 1992)한 이래 나노다공성 재료는 흡착제, 촉매, 센서, 광에너지 디바이스 등 광범위한 분야에서 그 응용이 기대되고 있다. 특히, 최근에는 생체 재료 분야에서 관심을 받고 있으며, 그 대부분이 약물전달시스템 재료로서의 응용이 제안되고 있다(M. Hartmann, Chem . Mater ., 4577, 17, 2005; M. Vallet-Regi, J. Mater . Chem ., 26, 16, 2006; 대한민국 등록특허 제0588555호, 제0588534호).

고분자 템플레이트법에 의해 이루어지는 나노다공성 재료개발은 주로 실리카를 중심으로 행해지고 있으며 기능성의 실현을 위하여 실리카 외에 티타니아, 탄소, 텅스텐, 망간, 몰리브덴, 바나듐, 스트론튬, 틴 등 여러 가지 나노 다공성 재료도 개발되고 있다. 나노 사이즈 영역에서 규칙적인 기공구조를 만들기 위해서는 기공을 이루는 프레임 워크(무기질 벽)의 생성을 면밀히 제어할 필요가 있다. 그러나, 실리카를 제외한 대부분의 재료들은 빠른 반응속도 및 결정화 속도로 인해 제어가 힘들고, 나노다공성 재료의 특징인 큰 비표면적을 만들어 내기가 극히 어렵다. 또한, 기공구조 제어 및 형상 제어도 쉽지 않다(P. Yang, Nature, 152, 396, 1998). 이러한 이유로 합성반응이 안정하고 비정질상을 가지며 구조 안정성이 뛰어난 실리카가 나노다공성 재료의 주재료로써 연구되고 있으며 생체 재료 분야에 있어서도 같은 현실이다.

한편, 상호 연결된 열린 기공이 규칙적인 구조를 가지며 큰 비표면적을 이루는 나노다공성 재료는 약물전달시스템 재료 이외에 차세대 의료기술로서 주목받고 있는 조직공학 재료로서의 응용(특히 Hard tissue engineering)도 기대되며 이를 위해서는 보다 생체안정성이 높고 뼈와의 결합성이 높으며 생분해성이 뛰어난 재료 개발이 요구된다. 조직공학 재료로서 이용되는 대표적인 세라믹재료에는 인산칼슘계 및 생체활성 유리계가 있다. 현재까지 인산칼슘계 재료로서의 합성 예는 보고된 바 없고, 생체활성 유리계에서 나노다공성 실리카를 SBF(stimulated body fluid) 용액에 침적시켜 아파타이트를 형성시키거나 아파타이트 입자를 코팅하여 그 응용가능성을 발표한 예가 있다(대한민국 등록특허 제0588534호; I. Izquierdo-Barba et al., Solid State Sci., 983(3), 7, 2005).

또한, 생체활성 유리의 합성 성공 예는 2004년 샤오샤 양 등에 의해 발표된 후(Angew. Chem. Int. Ed., 5980, 43, 2004), 현재까지 4건의 연구가 보고되었다(X. X. Yan et al., J. Non-Cryst. Solids, 3209, 351, 2005; X. X. Yan et al., Biomaterials, 3396, 27, 2006; Q. Shi et al., Adv. Mater., 1038, 18, 2006; W. Xia et al. J. Controlled Release, 522, 110, 2006). 2004년의 첫 발표를 포함한 현재까지 발표된 모든 연구는 육방정(hexagonal)의 기공구조를 유도하는 블록공중합체인 P123((폴리에틸렌옥사이드)20(폴리프로필렌옥사이드)70(폴리에틸렌옥사이드)20)을 템플레이트로 이용하여 2차원 육방정 기공구조(p6mm)를 가지는 나노다공성 생체활성 유리(비표면적 < 400 m²/g)의 합성 및 그 생체 활성에 관한 것들이다.

하지만 나노다공성 생체활성 유리를 조직공학 분야에서의 응용을 위해서는 산소 또는 배양액, 영양소 등의 세포로의 전달효율, 세포배설물의 방출효율 및 세포성장효율을 높일 수 있는 지지체 형상이 필요하다. 이는 지지체의 비표면적과 기공체적이 커질수록 상기 물질들의 액세스가 용이해지므로 그 효율성은 높아지리라 예상된다. 즉, 2차원 구조보다는 3차원 기공구조가 지지체로써 뛰어난 성능이 기대되어지나 현재까지는 그 합성 예가 없다. 또한, 블록공중합체의 경우 기공사이즈가 4 nm 이상으로 형성되고, 그 이하 크기의 기공을 얻기 위해서는 일반적으로 계면활성제가 템플레이트로 이용되나 계면활성제를 이용한 합성 예의 보고도 없는 실정이다.

따라서, 본 발명은 차세대 의료기술의 재료로서 주목받고 있는 나노 다공성 재료를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 상호 연결된 열린 기공이 3차원의 규칙적인 구조를 가지며 큰 비표면적을 이루는 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분포되어 있으며, 비표면적이 400 ㎡/g 이상, 기공체적이 0.5 cc/g 이상 및 기공 크기가 1~100 nm 범위의 나노다공성 생체활성 유리를 제공한다.

또한, (a) 알코올을 포함하는 유기 용매에 블록공중합체 템플레이트를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 기본 원소로 혼합하여 생체활성 유리 용액을 합성하는 단계, (c) 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체활성 유리 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계 및 (d) 상기 전구체 용액을 건조하는 단계를 포함하는 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법을 제공한다.

또한, (a) 암모니아수를 포함하는 유기 용매에 계면활성제를 용해시켜 계면활성제 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체활성 유리 용액을 합성하는 단계, (c) 상기 계면활성제 템플레이트 용액에 상기 생체활성 유리 용액을 첨가 혼합하여 분말을 얻는 단계 및 (d) 상기 분말을 여과, 세척, 건조 및 소성시켜 상기 계면활성제 템플레이트를 제거하는 단계를 포함하는 나노다공성 생체활성 유리 합성방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분포되어 있으며, 비표면적이 400 ㎡/g 이상, 기공체적이 0.5 cc/g 이상, 및 기공 크기가 1~100 nm 범위의 나노다공성 생체활성 유리를 포함한다.

구체적으로, 본 발명은 산소 또는 배양액, 영양소 등의 세포로의 전달효율, 세포배설물의 방출효율 및 세포성장효율을 높일 수 있는 3차원 구조의 지지체 형상을 얻기 위하여 구조유도제(structure directing agent)로 고분자 템플레이트를 이용하여 비표면적이 400 ㎡/g 이상, 바람직하게는 400~1300 ㎡/g, 기공체적이 0.5 cc/g 이상, 바람직하게는 0.5~1.5 cc/g 및 기공 크기가 1~100 nm 범위의 기공구조의 나노사이즈의 영역에서 규칙적으로 상호연결된 열린 기공의 3차원 기공구조를 가지는 나노다공성 생체활성 유리를 포함한다.

상기 기공구조는 3차원의 규칙적이고 상호 연결된 열린 기공구조를 갖는다. 이는 3차원 기공구조를 이루어 2차원의 기공보다 더 큰 비표면적 및 기공체적을 제공하며 효율적 기공 공간의 이용을 가능하게 하고 이는 기공 사이로 체액, 산소, 영양소 등이 자유로이 통과하여 새로운 뼈의 생성을 도와 치유효과를 높일 수 있으므로 골 지지체로써의 효율성이 뛰어나다.

상기 칼슘은 상기 규소에 대하여 10~40 질량%로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 농도 범위에서는 입방정(cubic)의 나노기공 구조의 형성이 확인되나, 40 질량% 이상에서는 다공성은 띄나 기공의 규칙적인 구조는 열악해짐을 알 수 있다.

또한, 본 발명은 (a) 알코올을 포함하는 유기 용매에 블록공중합체 템플레이트를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 기본 원소로 혼합하여 생체활성 유리 용액을 합성하는 단계, (c) 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체활성 유리 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계 및 (d) 상기 전구체 용액을 건조하는 단계를 포함하는 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법을 포함한다.

상기 단계 (a)는 알코올을 포함하는 유기 용매에 블록공중합체 템플레이트를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계로, 이 단계에서 상기 템 플레이트의 농도 및 용매의 온도에 따라 기공구조의 규칙성이 결정된다.

상기 알코올 용매로는 탄소수 1 내지 25의 알킬 사슬을 갖는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 용매로 사용한 에탄올에 대하여 상기 블록공중합체 템플레이트를 10~80 질량%의 비율로 혼합하여 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성할 수 있다.

상기 블록공중합체 템플레이트로는 폴록사머(poloxamer: 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드)를 사용할 수 있는데, 이때 사용하는 폴록사머는 친수성기 및 소수성기를 갖는 플루로닉(Pluronic)계 또는 테트로닉(Tetronic)계 고분자이다. 이중 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), 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 있고, 바람직하게는 F127이다. F127을 템플레이트로 이용하는 경우, 입방정의 3차원 기공구조를 가지는 생체활성 유리가 합성됨이 확인되었고, 상기 템플레이트를 이용하여 합성된 다공성 재료는 3차원의 큰 비표면적을 제공한다.

상기 단계 (b)는 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체활성 유리 용액을 합성하는 단계로, 일정간격을 두고 각 출발 용액을 혼합하는 방법, 또는 산 또는 알칼리 용액을 첨가하는 방법을 이용하여 실리카 안에 칼슘과 인을 균일하게 분산시킬 수 있다. 칼슘이나 인을 실리카에 균일하게 분포시키면 졸-겔반응 과정에서 발생되는 결정화를 억제할 수 있다. 따라서, 나노사이즈의 규칙적인 기공구조의 형성에서 특히, 육방정 구조보다 무기질 벽의 높은 곡률(曲律)이 요구되는 입방정의 기공구조의 형성이 가능하다.

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 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 Si:Ca:P는 원소비율로 50~80 : 18~45 : 2~10이고, 바람직하게는 75Si:21Ca:4P, 65Si:31Ca:4P, 55Si:41Ca:4P의 원소비율로 혼합하여 생체활성 유리 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 확인되었으나, 40 질량% 이상에서는 다공성은 띄나 기공의 규칙적인 구조는 열악해짐을 알 수 있었다.

상기 단계 (c)는 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체활성 유리 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계로, 700~1500 분당회전(revolutions per minute; rpm) 및 30~80 ℃에서 2~24시간 상기 혼합 용액을 교반하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체활성 유리 용액을 1:1의 비율로 첨가하여 전구체 용액을 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 단계 (c) 혼합 과정에서 상기 블록공중합체 템플레이트의 농도는 30~50 질량%인 것이 바람직하고, 블록공중합체 템플레이트인 F127의 농도는 상기 생체활성 유리의 재료인 TEOS(Tetraethyl orthosilicate)에 대하여 30 질량% 이상일 때, 표면의 요철이 없어지며 장주기의 규칙적인 구조가 형성되었다.

상기 단계 (d)는 전구체 용액을 건조하는 단계로, 에이징(aging) 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 전구체 용액을 폴리스틸렌 용기를 비롯한 테프론 등의 소수성 용기에 적당량 담아 항온항습기에서 용액을 건조시키면 소수성 용기에 담은 전구체 용액은 용기로부터 쉽게 분리되며 도 2와 같은 자립막을 얻을 수 있고, 이를 분쇄하면 분말상의 다공성 생체활성 유리가 된다. 또한, 전구체 용액을 일정한 기판 위에 코팅한 경우 박막형의 다공성 생체활성 유리도 얻을 수 있다.

상기 건조 단계 이후에 상기 블록공중합체 템플레이트를 제거하기 위해 소성시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 소성은 1 ℃/min의 속도로 500~1000 ℃에서 3~5시간 동안 가열하는 것이 바람직하고, 상기 소성 조건에서 템플레이트로 사용된 F127를 분해·제거할 수 있다.

또한, 본 발명은 (a) 암모니아수를 포함하는 유기 용매에 계면활성제를 용해시켜 계면활성제 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체활성 유리 용액을 합성하는 단계, (c) 상기 계면활성제 템플레이트 용액에 상기 생체활성 유리 용액을 첨가 혼합하여 분말을 얻는 단계 및 (d) 상기 분말을 여과, 세척, 건조 및 소성시켜 상기 계면활성제 템플레이트를 제거하는 단계를 포함하는 나노다공성 생체활성 유리 합성방법을 포함한다.

상기 계면활성제 템플레이트는 CTAB(cetyltrimethylammoniumbromide), CTAC(cetyltrimethylammoniumchloride) 또는 이들과 탄소 수가 다른, 예컨대 C₂~C₄₀의 도데실암모늄브로마이드, 도데실황산소듐, 폴리디알릴디메틸암모늄클로라이드, 스테아릴암모늄브로마이드 및 스테아릴메틸암모늄브로마이드로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종을 사용할 수 있고, CTAB인 것이 바람직하다. CTAB를 이용하여 합성된 생체활성 유리의 경우, 장주기의 규칙적인 구조는 가지지 않으나 웜홀(Wormhole-like) 구조를 가지는 다공성 재료가 합성됨을 확인하였다.

상기 단계 (c)는 상기 계면활성제 템플레이트 용액에 상기 생체활성 유리 용액을 첨가 혼합하여 분말을 얻는 단계로, 700~1500 rpm으로 실온에서 3~5시간 상기 혼합 용액을 교반하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 단계 (d)는 분말을 여과, 세척, 건조 및 소성시켜 상기 계면활성제 템플레이트를 제거하는 단계로, 상기 소성은 0.5~2 ℃/min의 속도로 500~1000 ℃에서 4~6시간 동안 가열하는 것이 바람직하다. 상기 소성 조건에서 템플레이트로 사용된 CTAB를 분해·제거할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예 및 도면들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로 본 발명의 내용이 하기 도면의 일 실시예에 의해 제한되거나 한정되지 않음은 물론이다.

<실시예 1> 블록공중합체를 템플레이트로 이용한 생체활성 유리의 합성

입방정 구조의 기공구조를 유도하기 위하여, 도 1과 같은 상태도를 가지는 블록공중합체인 플루로닉 F127((폴리에틸렌옥사이드)100(폴리프로필렌옥사이드)65(폴리에틸렌옥사이드)100)를 템플레이트로 이용하여 생체활성 유리를 합성하였다. 먼저, 에탄올(18.1 ml)에 F127(0.36~2.88 g)을 섞고 40 ℃에서 완전히 용해될 때까지 0.5~1시간 동안 교반하였다(용액 A). 동시에 생체활성 유리의 원료인 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS, 6 ml)와 칼슘나이트레이트 4수화물(실리콘, 칼슘 및 인 전체 양에 대하여 10~40 질량%에 해당하는 양 첨가)을 천천히 섞은 후 균일한 용액이 생성되었을 때 트리에틸포스페이트(0.26 ml)를 섞어주었다. 다음으로, 미리 준비해놓은 1 M 염산 용액(0.95 ml), 에탄올(7.62 ml) 및 증류수(2.86 ml)의 혼합액을 넣어 40 ℃에서 0.5~1 시간 동안 무기질 출발원료가 균일하게 용해될 때까지 교반하였다(용액 B). 용액 A에 용액 B를 천천히 섞으면서 40 ℃에서 2~4시간 동안 1000~1500 rpm의 강한 속도로 교반하였다.

얻어진 전구체 용액을 소수성 용기(예컨대, 폴리스틸렌 용기)에 적당량 담아 -15~80 ℃, 5~100 RH%의 항온항습기에서 24~72시간 두며 용액을 증발·건조시켰다. 항온항습기의 건조과정이 끝나면 소수성 용기에 담은 전구체 용액은 용기로부터 쉽게 분리되며 도 2와 같은 자립막을 얻었다. 또한 전구체 용액을 일정한 기판 위에 코팅한 경우 박막형의 다공성 생체활성 유리도 얻을 수 있었다. 이것을 1 ℃/min의 속도로 가열하여 500~1000 ℃에서 4시간 동안 소성시켜 템플레이트로 사용한 F127를 제거하여 나노사이즈에서 기공의 3차원 규칙적인 구조를 가지는 다공성 생체활성 유리를 얻었다.

<실시예 2> 계면활성제를 템플레이트로 이용한 생체활성 유리의 합성

2~3 nm의 나노기공를 얻기 위하여, 템플레이트로 계면활성제 CTAB를 이용하였다. 먼저, 증류수(1037 ml) 및 암모니아수(26.6 ml)에 CTAB(0.66 g)을 넣고 50 ℃에서 CTAB가 완전히 용해될 때까지 30분 동안 교반시킨 후 용액이 실온으로 돌아올 때까지 다시 교반하였다(용액 A). 생체활성 유리의 원료인 TEOS(3.35ml), 칼슘나이트레이트 4수화물(0.7 g) 및 트리에틸포스페이트(0.37 ml)를 혼합하였다(용액 B). 용액 A에 용액 B를 천천히 섞으면서 실온에서 2~4시간 동안 700~1500 rpm의 강한 속도로 교반한 후, 석출된 분말을 여과·세척·건조시키고 1 ℃/min의 속도로 가열하여 500~1000 ℃에서 4~6시간 동안 소성시켜 웜홀(Wormhole-like) 구조를 가지는 다공성 생체활성 유리를 얻었다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성 유리의 소각 X-선 회절(Small angle-X-Ray Diffraction; XRD) 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 3에서 보는 바와 같이, F127를 고분자 템플레이트로 이용하고 F127/TEOS 및 Si/Ca의 질량비의 적절한 조절과 합성온도, 에이징 온도 및 습도의 제어에 의하여 입방구조(Fm3m)의 3 차원 기공구조를 가지는 생체활성 유리가 합성됨이 확인되었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 졸-겔법 및 고분자 템플레이트법에 의해 합성된 생체활성 유리와 졸-겔법으로 합성된 생체활성 유리의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy; TEM) 사진이다. 도 4에서 보는 바와 같이, 템플레이트를 첨가하지 않은 생체활성 유리에서는 규칙적 기공구조가 확인되지 않으나(도 4 좌), F127가 첨가된 재료에 있어서는 기공이 이루는 장주기의 입방정 규칙구조를 확인할 수 있다(도 4 우).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 F127의 첨가량에 대한 생체활성 유리의 표면 변화를 나타낸 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM) 사진이다. 도 5에서 보는 바와 같이, 규칙성 기공구조는 F127의 농도에 크게 의존하며 F127가 TEOS에 대하여 36 질량% 이상에서 장주기의 규칙구조를 형성함이 확인되었다. F127/TEOS 양이 6 질량%에서 48 질량%로 증가함에 따라 불투명하던 자립막이 투명해짐이 관찰되었다. 이는 F127의 TEOS 내에 분포 정도에 따른 것으로, 6 질량% 내지 24 질량%의 경우 마크로 사이즈(2~10 μm)의 기공이 표면요철이 이루고 있는 것이 확인되었는데, 이것은 F127가 TEOS와 균일하게 반응하지 않고 뭉쳐있어서 나노구조가 형성되지 않고 마크로 사이즈의 기공이 형성된 것으로 사료된다. 그러나, 상기 마크로 사이즈의 요철 또한 골 충진제 등의 응용에서 요구되는 특성이다(특2003-0065795). 또한, F127/TEOS가 36 질량% 이상에서는 표면의 요철이 없어지며 그와 더불어 장주기의 나노사이즈의 기공구조가 형성됨이 확인되었다.

규칙적인 기공구조는 F127의 양과 더불어 Ca의 농도에도 크게 의존한다. 칼 슘의 함유량이 10~30 질량% (Ca/Si)인 조건에서는 입방정의 나노기공구조의 형성이 확인되었으나, 40 질량% 이상에서는 다공성은 띄나 기공의 규칙적인 구조는 열악해짐을 알 수 있었다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성 유리의 에너지분산형 X-선 분석(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; EDX)을 이용한 성분분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6에서 보는 바와 같이, Ca, Si 및 P 모두 재료 내에 뭉침 없이 균일하게 분포되어 있음이 확인되었으며 이것은 Ca의 농도가 높아져도(60 질량% 까지 확인) 같은 경향을 나타내었다. 이러한 결과를 통하여, 본 합성법이 Ca 또는 P을 Si 중에 균일하게 분포시켜 결정화를 억제하는 효과가 있고, 또한 그로 인하여 나노사이즈의 규칙 기공구조의 합성 특히 2차원 육방정 구조보다 무기질 벽의 높은 곡률(曲律)이 요구되는 3차원 입방정의 기공구조의 합성이 가능하게 되었음을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체활성 유리의 비표면적을 측정한 그래프이다. 도 7에서 보는 바와 같이, 얻어진 나노기공구조를 가지는 생체활성 유리는 비표면적이 520 m²/g, 기공체적이 0.51 cc/g, 기공사이즈가 5.4 nm인 다공성 물질임을 질소흡착측정결과에서 알 수 있었다. 이로써, 본 발명의 나노다공성 생채활성유리가 종래의 합성법에서 얻어진 나노다공성 생체활성 유리보다 월등히 뛰어난 다공성을 가짐을 확인할 수 있다. 질소흡탈착등온선 모양에서도 케이지(Cage)형 즉, 입방정의 기공구조로 존재함을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 합성법으로 이미 합성 예가 있는 P123를 템플레이트로 이용하여 2차원 육방정 구조의 다공성 생체활성 유리를 합성한 결과에서도, 샤오샤 그룹이 발표한 결과(< 351 m²/g)보다 월등히 우수한 비표면적(< 460 m²/g)을 가져 비표면적 개선에 유리한 합성법임을 알 수 있었다.

본 발명에 따른 CTAB를 이용하여 합성한 생체활성 유리는 장주기의 규칙구조는 가지지 않으나 웜홀(Wormhole-like) 구조를 가지는 다공성(비표면적 < 300 m²/g, 기공사이즈 2.4 nm) 재료임이 확인되었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 3차원 기공구조를 가지는 나노다공성 생체활성 유리는 종래의 합성 방법으로 얻어진 나노다공성 생체활성 유리에 비하여, 3차원으로 상호 연결된 열린 기공의 규칙적인 구조를 가지며 큰 비표면적 및 큰 기공체적과 같이 월등히 뛰어난 기공특성을 가지고 있으므로, 기공의 기능성 및 효율성이 뛰어나고 재료의 생체 활성을 높여 약물전달시스템 재료, 골 지지체, 골 수복재, 골 충진재 등의 차세대 의료기술로서 주목받고 있는 생체 재료로서의 응용이 기대된다.

Claims

칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분포되어 있으며, 비표면적이 400 ㎡/g 이상, 기공체적이 0.5 cc/g 이상 및 기공 크기가 1~100 nm 범위의 나노다공성 생체활성 유리.
제1항에 있어서, 상기 칼슘은 상기 규소에 대하여 10~40 질량%로 함유되는 것인 나노다공성 생체활성 유리.
(a) 알코올을 포함하는 유기 용매에 블록공중합체 템플레이트를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계;

(b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 기본 원소로 혼합하여 생체활성 유리 용액을 합성하는 단계;

(c) 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체활성 유리 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계; 및

(d) 상기 전구체 용액을 건조하는 단계

를 포함하는, 제1항 또는 제2항에 기재된 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제3항에 있어서, 상기 블록공중합체 템플레이트는 F127, F108, F98, F88, P105, P104, 및 플루로닉, 테트로닉, 리버스 플루로닉 및 리버스 테트로닉으로부터 선택된 친수성 고분자 블록과 소수성 고분자 블록으로 이루어지는 블록공중합체로부터 선택되는 1종 이상인 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제3항에 있어서, 상기 블록공중합체 템플레이트의 상기 알코올에 대한 비율은 10~80 질량%인 것임을 특징으로 하는 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제3항에 있어서, 상기 칼슘 화합물은 상기 규소 화합물, 상기 칼슘 화합물 및 상기 인 화합물 전체량에 대하여 10~40 질량%로 함유되는 것인 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제3항에 있어서, 상기 칼슘 화합물, 상기 규소 화합물, 상기 칼슘 화합물 및 상기 인 화합물의 비율은 75Si:21Ca:4P, 65Si:31Ca:4P, 55Si:41Ca:4P로 혼합됨을 특징으로 하는 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제3항에 있어서, 상기 단계 (c) 는 700~1500 rpm 및 30~80 ℃에서 2~24시간 상기 혼합 용액을 교반하는 단계를 포함하는 것인 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제3항에 있어서, 상기 건조는 -15~80 ℃의 온도 및 5~100 RH%에서 수행되는 것인 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제3항에 있어서, 상기 건조 단계 이후에 상기 블록공중합체 템플레이트를 제거하기 위해 소성시키는 단계를 추가로 포함하는 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제10항에 있어서, 상기 소성은 500~1000 ℃의 온도 범위에서 3~5시간 수행되는 것인 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
(a) 암모니아수를 포함하는 유기 용매에 계면활성제를 용해시켜 계면활성제 템플레이트 용액을 합성하는 단계;

(b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 기본 원소로 혼합하여 생체활성 유리 용액을 합성하는 단계;

(c) 상기 계면활성제 템플레이트 용액에 상기 생체활성 유리 용액을 첨가 혼합하여 분말을 얻는 단계; 및

(d) 상기 분말을 여과, 세척, 건조 및 소성시켜 상기 계면활성제 템플레이트를 제거하는 단계

를 포함하는 제1항 또는 제2항에 기재된 나노다공성 생체활성 유리 합성방법.
제12항에 있어서, 상기 계면활성제 템플레이트는 CTAB 또는 CTAC인 것인 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제12항에 있어서, 상기 단계 (c)는 700~1500 rpm 및 실온에서 3~5시간 상기 혼합 용액을 교반하는 단계를 포함하는 것인 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
제12항에 있어서, 상기 소성은 500~1000 ℃의 온도 범위에서 4~6시간 수행되는 것인 나노다공성 생체활성 유리의 합성방법.
삭제