KR20070100230A

KR20070100230A - 히알루론산으로 코팅된 골 임플란트 장치

Info

Publication number: KR20070100230A
Application number: KR1020077007824A
Authority: KR
Inventors: 지안루카 가차
Original assignee: 베이코 테크 리미티드
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2007-10-10

Abstract

본 발명은 선행기술의 장치와 비교하여 보다 빠른 골-융합 작용을 갖는, 특히 치과 및 척주에서의 정형외과 인공삽입물에 사용하기 위한 골 임플란트 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 골 조직의 성장에 관한 활성을 자극하며, 임플란트 장치의 표면 상에 화학적으로 결합된 히알루론산의 금속 또는 중합체 성질을 갖는 층을 갖는, 골 접촉에 사용하기 위한 임플란트 장치 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

골-접촉(bone-contact)에 사용하기 위한 임플란트 장치, 골-융합(osteointegration), 히알루론산, 샌드블라스트(sandblasting)

Description

히알루론산으로 코팅된 골 임플란트 장치{HYALURONIC ACID COATED BONE IMPLANT DEVICE}

본 발명은 골 임플란트 장치, 특히 이전 문헌의 장치보다 신속히 골-융합(osteo-integration) 을 제공하는 척주에서의 정형외과용 인공삽입물 및 치과보철물에 관한 것이다.

골 조직에 영구적으로 이식가능한 금속 장치는 다양한 분야의 의약에 널리 사용된다. 예를 들어, 치과용 임플란트 수술은 치근을 상실했거나 더이상 기능을 하지못하는 치근을 인공적으로 교체하기 위해 일반적으로 티타늄으로 제조된 나사를 하악골 또는 상악골에 사용한다. 정형외과에서, 골절 고정, 척주 운동성의 감소, 척주 수술에 사용하기 위한 몇몇 장치들은 일반적으로 골 조직에 이식된다.

이러한 사용에 있어서, 이식된 장치는 새로이 형성된 골 조직의 성장에 기인하여 상기 이식된 장치와 직접적으로 접촉되도록 임플란트 부위에 견고하게 고정되어 있다. 골-융합(osteo-integration : 이식된 임 플란트 장치가 주변의 인체의 골 자체와 같이 인식되는 현상)으로 공지된 이러한 현상은 특히, 티타늄 장치를 통해 골 임플란트 수술과 관련된 기술적-과학 문헌의 분야에서 널리 연구되고 있고 기술되어 있다. 조직에 외부 물질을 이식하는 다른 과정에 반하여, 섬유성 물질로의 캡슐화, 즉 섬유 융합(fiber integration) 을 수반하여, 장치와 직접적으로 접촉한 골 조직의 성장으로 인해 상기 장치가 견고하게 고정되며, 이로 인해 장치가 부하하중을 견디기에 적합하게 되어 구조적 과업을 수행하게 된다.

골-융합을 기저로 한 분야가 최근에 커다란 성공을 이루고 점차적으로 사용이 증가하고 있지만, 해결해야 하는 여러가지 문제점들이 여전히 남아있다. 특히, 가능한 한 골-융합 과정을 가속화시키는 것이 중요하며, 이로 인해 임플란트의 삽입과 상기 임플란트 위에 실제적인 부하하중 간의 시간이 감소된다. 예를 들어, 치의학에서, 임플란트는 일반적으로 "부하하중(loaded)"되지 않으며, 이로 인해 골 조직 치료를 가능케 하고 골-융합을 유도하기 위해, 중재(intervention) 후에 1 개월 내지 4 개월의 시간 동안 환자는 임플란트를 통하여 저작기능을 수행할 수 없다. 더욱이, 건강하고 젊은 사람들은 일반적으로 뼈가 쉽게 치료되는 반면에, 늙고 골다공증에 걸린 사람들은 일반적으로 서서히 치료되며, 다시 말해, 이러한 사람들은 이러한 중재를 좀더 필요로 하며 이들 중 현저한 수의 환자들에게 외상 또는 척추 운동성의 고정을 위한 임플란트 수술이 필요하다.

임플란트 장치의 표면 특성이 임플란트에 반응하는 조직에 기본 역할을 한다는 것이 일반적으로 공지되어 있기 때문에, 이식가능한 장치의 표면을 변형시킴으로써 골-융합 과정을 향상시키기 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다. 이러한 연구들의 상세한 사진은 Puleo 및 Nancy 의 문헌 Biomaterials 1999 ; 20:2311-2321 의 "The bone-biomaterial interface", 또는 EM SQUARED, Toronto 2000 에 의해 발간된 Davies 의 the textbook Bone Engineering 에 나타나 있다. 이러한 서적을 연구하고 시판 중인 장치를 평가하는 것에 의해, 상기 표면 특성은 표면 거칠어짐 {surface roughening, 예를 들어, 샌드블라스트(sandblasting), 플라즈마-스프레이 침착(plasma-spray deposition) 또는 산 처리} 을 통해 종종 향상되는 것으로 이해된다. 수산화인회석 또는 소위 생체유리와 같은 높은 골 친화도를 갖는 세라믹 물질로 이루어진 층 침착이 또한 연구 및 사용되고 있다.

이러한 방법에 더하여, 임플란트 장치의 표면 상에 골 성장을 촉진시킬 수 있는 생물학적 분자를 도입하는 것에 관심이 집중되어 있다. 연구된 대부분의 분자 중에서, 임플란트 티타늄 나사의 표면에 고정되는 경우에 있어서 콜라겐은 골-융합 속도를 증가시킬 수 있다는 것이 보고되었다. 특정한 펩티드, 즉, 특히 골 세포와 상호작용할 수 있는 단백질성 분자를 구성하는 소형 분자 단편을 생체내에서 시험하는 경우 효과적임이 또한 입증되었다. Puleo 및 Nancy 의 상기문헌에서는 임플란트 표면을 생물학적 변형시키는데 사용되는 여러 분자가 연구되었다.

임플란트 표면을 생물학적으로 변형시키는 것이 과학적이고 이론적으로 관심이 집중되는 분야임에도 불구하고, 임플란트 표면을 생물학적으로 변형시키는 것을 실질적으로 적용시키는 것은 여전히 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 출처가 분명하지 않은 동물에서 유래되거나(특히, 소 콜라겐) 또는 서로 상이한 종 간의 가능한 부적합성 반응에 의한 거부반응이 유발되기 때문에 콜라겐은 오염 문제점을 가지고 있다. 상기한 펩티드는 화학적인 관점에서 비용이 많이 들고 안정성이 떨어지므로, 임플란트 표면을 처리하는데 있어서 예를 들어, 멸균과 같은, 분야의 일반적인 방법에 의지하는 것은 매우 어렵다.

히알루론산은 생명체의 모든 조직 내에 확산되어 있는 글리코사미노글리칸이며, 종마다 다르지 않다. 상기 히알루론산은 매우 흥미로운 생물학적 및 수화 특성을 가지고 있으며, 이러한 이유로 생물의학적 분야에서 광범위하게 연구되었으며 다양한 특제품에 사용된다. 후자 의 경우는 예를 들어, 히알루론산에 관한 주요 의회의 회보를 포함하는 몇몇 문헌에 개략적으로 기재되어 있다 : "The Biology of Hyaluronan", D. Evered and J. Whelan, Eds. Wiley, Chichester, 1989, "The Chemistry, Biology and Medical Applications of Hyaluronan and its Derivatives", T. C Laurent, Ed., Portland Press Ltd, London, 1998, "Redefining Hyaluronan", G. Abatangelo and P. H. Weigel, (Eds.), Elsevier, Amsterdam, 2000, "Hyaluronan", J. F. Kennedy, G. O. Phillips, P. A. Williams, V. Hascall, Eds., Woddhead Publishing Limited, 2002.

예를 들어, Bernard 등의 상기문헌 "Redefining Hyaluronan", G. Abatangelo and P. H. Weigel,(Eds.), Elsevier, Amsterdam, 2000, p.215 에 기재되어 있는 바와 같이, 균질상 내의 분자로서 히알루론산은 골 형성 과정에 중요한 역할을 수행한다.

이러한 이유로, 골 형성 단백질 또는 성장 인자의 흡수된 히알루론산-기저 겔은 골 자극 시험에 성공적으로 사용되어 왔다. 더욱이, 골형성 특성을 가지고 있는 덱사메타손 약물과 선택적으로 결합되는 히알루론산 용액은 Zou 등의 Biomaterials, 2004 ; 5375-5385, 25 에 기재되어 있는 바와 같이 간질세포의 골세포에서의 분화에 긍정적인 효과를 미친다는 것이 입증되었다.

그러나, 겔 형태이거나 또는 용액 형태의 히알루론산, 또는 조직 내에 존재하는 히알루론산의 흥미로운 골형성 가능성은 상기한 바와 같은 골 조직 이식 장치에 바로 사용할 수 없다. 사실상, 히알루론산은 수용액에 잘 용해되며, 윈위치 영속시간이 매우 짧다. 교차-결합, 화학적 변형 또는 표면 고정화와 같은, 이식 부위에서의 히알루론산의 영속성을 지속시키는 화학적 기술은 히알루론산의 구조 및 분자 입체구조를 변형시킬 수 있고, 수용체-리간드 특이 상호작용에 부정적인 영향을 끼칠 수 있으며, 이로 인해 분자의 생물활성 작용이 감소하게 된다. 사실상, 히알루론산의 생물활성 특성은 CD44 또는 RHAMM 과 같은 세포 벽에 위치한 특정 수용체와의 상호작용의 능력에 기인한 것이다. J. Lesley 등의 J Biol Chem. 2000, Sep 1 ; 275(35) : 26967-75 에 기재되어 있는 바와 같이, 이러한 유형의 상호작용은 매우 협동적이며, 효과를 나타내기 위해서는 히알루론산과 단일 수용체의 매우 반복적인 동시 상호작용이 요구된다. 상호작용의 협동 성질은 용액 내 분자의 전형적인 운동성을 부여하며, 이로 인해 충분히 강한 특이적인 상호작용이 확립될 수 없어서 어떠한 세포 부착도 일어나지 않는 표면에서도 물질 표면 상 히알루론산의 고정화가 이루어졌으며, 이러한 내용은 Morra and Cassinelli, Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 1999 ; 10(10) : 1107-24 에 기재되어 있다. 히알루론산이 고정된 표면에서 세포 또는 생물분자의 부착이 감소된다는 것은 다양한 과학 문헌에 기재되어 있 으며, Witt 등의 "Hyaluronan", J. F. Kennedy, G. O. Phillips, P. A. Williams, V. Hascall, Eds,. Woddhead Publishing Limited, 2002, volume 2, p. 27 에 기재되어 있는 바와 같이 이러한 특성은 외과 수술로 인한 유착 현상을 감소시키기 위해 사용된다. 금속 기질 및 장치 상의 히알루론산의 고정화는 Journal of Biomedical Materials Research, vol. 68, p. 95, 2004 에서 발행된 Pitt 등의 문헌 "Attachement of hyaluronan to metallic surfaces" 에 기재되어 있다. 상기와 같은 인용문헌에 기재되어 있는 바와 같은 일반적인 지식에 따르면, 히알루론산이 고정된 표면은 "생체 수동성(biopassive)"을 나타내거나 또는 불충분한 세포 부착을 갖는다. 상기문헌의 저자는 고정된 히알루론산 층에 의해 부여된 불충분한 생물학적 부착을 비-특이적 부착을 예방하는데 사용할 수 있는 방법 ; 특이적인 생체-부착 효과를 수득하기 위해 이러한 비-부착 매트릭스와 부착 펩티드의 결합의 필요성에 중점을 두었다.

본질적으로, 고체 표면 상에 고정된 히알루론산 층이 생물학적 부착에 대한 저항 특성을 갖는다는 것은 일반적으로 공지되어 있지만, 이와는 대조적으로, 생물학적 부착은 이식 장치 상에 고정된 히알루론산의 생물활성 작용에 의해 수득되는 것이 바람직하며, 이러한 경우에 골 조직에 대한 임플란트의 특이적인 세포 부착은 골-융합에 매우 중요하다.

골 신생 과정이 표면에 결합하는 칼슘 이온에 의해 촉진되는 무기질침착(mineralization) 단계를 필요로 한다는 것 또한 공지되어 있다. Bernard 등의 상기문헌에 기재되어 있는 바와 같이, 사실상 히알루론산은 이러한 단계에서 활성적인 효과를 나타내며, 이로 인해 석회화 과정에 현저하게 기여하게 된다. 사실상, 히알루론산 카르복실레이트기는 무기질침착 과정에 긍정적인 효과를 미침으로써 칼슘 이온을 킬레이트화하거나 또는 복합시킬 수 있다. 그러나, 임플란트 장치의 표면 상에 히알루론산이 고정된다는 것은 일반적으로 칼슘 이온과 킬레이트화시킬 수 있는, 결합된 히알루론산의 카르복시기가 결론적으로 제거되면서 기질 상에 존재하는 아민(amminic) 또는 히드록시 작용기와 히알루론산 카르복시기가 결합된다는 것을 의미한다. 따라서, 공지된 방법으로 이러한 장치의 표면 상에 히알루론산을 고정시키는 것은 골-융합 과정을 개선시키지 못한다.

대조적으로, 본 출원은 첨부된 청구범위에 기재되어 있는 바와 같이, 임플란트 나사에 고정된 히알루론산은, 요구되는 어떠한 추가적인 펩티드 고정 없이도 생체내 골-융합 과정에 활성적인 효과를 나타낼 수 있으며, 본 발명의 고정된 히알루론산 층을 갖는 골 조직과의 접촉에 의해 이식가능한 장치의 이러한 특성이 통상적인 장치가 나타내는 특성에 비해 현저하게 향상되었음을 밝혀냈다.

본 발명의 광범위한 실시형태에서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 제 1 항에 청구하고 있는 바와 같은, 임플란트 장치의 표면 상에 화학적으로 결합된 히알루론산의 금속 또는 중합체 성질을 갖는 층으로 이루어진 골 조직 임플란트 장치(이하 "임플란트 장치" 라 함)에 관한 것이다. 상기 장치에 접촉된 골 조직의 성장 또는 일반적인 골 조직 성장 자극을 제공하는데 사용하도록 설계된 경우에, 상기 장치의 형태 또는 성질을 설계하는데 있어서는 한계가 없다.

본 발명의 특히 이로운 실시형태에서, 상기 장치는 척수 또는 골격을 고정시키기 위한 바람직하게 티타늄 또는 이의 합금으로 제조된 치과용 임플란트 나사, 또는 바람직하게 티타늄 또는 이의 합금으로 제조된 나사로 이루어져 있거나 또는 바람직하게 일반적으로 사용되는 티타늄, 이의 합금 또는 코발트-크로뮴 합금 또는 금속 합금으로 제조된 추간원판(intervertebral disc) 또는 바람직하게 티타늄 또는 이의 합금으로 제조된 케이지(cage)로 이루어져 있다.

바람직하게 0.5 nm 내지 10000 nm, 더 바람직하게 1 nm 내지 1000 nm, 좀 더 바람직하게 1.5 nm 내지 100 nm 의 두께를 갖는 히알루론산의 얇은 층은 이러한 합금으로 이루어진 표면 상에 고정된다.

본 발명의 임플란트 장치 상에 히알루론산을 고정시키는 방법은 상기 장치의 표면 상에 아민 작용기를 도입시키고 히알루론산 히드록시기의 기능화에 의한 히알루론산과 상기 아민기를 결론적으로 결합시킨다. 사실상 히알루론산은 50,000 과 8,000,000 사이의 분자량을 가지며 작용가능한 1 차 알콜기를 포함하는 뮤코다당이며, 상기 화합물은 다음의 식이 반복적으로 나타난다 :

따라서, 본 발명은 아민기를 갖는 기질로 코팅되는 임플란트 장치에 관한 것이며, 여기에서 히알루론산은 상기 히알루론산의 히드록시기의 기능화에 의해 상기 기질에 결합된다.

아민기를 포함하는 기질은 본 분야에 널리 공지되어 있는 방법에 따라 임플란트 장치의 표면 상에 코팅될 수 있다. 아민기를 포함하는 분자의 플라즈마 침착으로 임플란트 장치의 표면 상에 아민 작용기를 갖는 기질의 도입을 제공하는 기술이 특히 유용하다. 본 발명의 목적에 사용되는 분자의 일반적인 예로는 알릴아민, 헥실- 또는 헵틸-아민과 같은 알킬아민, 일반적으로 플라즈마 상에서 요구되는 휘발성의 특성을 갖는 아민 작용기를 갖는 유기 분자가 있다. 아민의 플라즈마 침착은 다음의 조건에서 수행한다 : 80 mTorr 과 300 mTorr 사이의 압력, 5 W 와 200 W 사이의 입력 동력(input power), 1 ms 와 300 s 사이의 침착 시간. 플라즈마 침착은 또한 분자 분열(molecular fragmentation)을 최소화하고 아민기의 최대 농도를 유지하기 위해 1 ms 와 100 ms 사이의 활성 및 불활성 플라즈마의 사이클로 펄스 플라즈마(pulsed plasma) 조건 하에서 수행할 수 있다. 아민의 플라즈마 침착 처리는 표면을 세척하고 기질에 부착되는 것을 증가시키기 위해, 예를 들어, 공기 또는 산소 플라즈마와 같은 다른 플라즈마 처리에 의해 진행될 수 있다.

히알루론산은 물을 포함하는 디메틸술폭시드 또는 이의 혼합물, 물을 포함하는 디메틸포름아미드 또는 이의 혼합물, 물을 포함하는 N-메틸 피롤리돈 또는 이의 혼합물과 같은 수용액 또는 적합한 용매 용액(solvent soultiion)에 의해 아민 층에 결합되거나, 또는 히드록시기의 기능화 및 특히 히드록시기를 다음과 같은 아민-유형의 결합으로 치환시키는 것에 대하여 본 분야에 공지되어 있는 방법에 의해 아민 층에 결합될 수 있다 : Ial-OH + Sub-NH2 -> R-NH-R' 이 식에서, Ial 은 히알루론산의 잔기이며 Sub 는 아민 작용기를 갖는 기질의 잔기이다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 방법은 경우에 따라 사용되는 반응 및 적용되는 반응 조건에 따라, 반응적인 히알루론산의 히드록시기의 일부뿐만 아니라 모든 히드록시기의 기능화를 제공한다. 그러나, 히알루론산의 히드록시기의 기능화 반응으로 인해, XPS 또는 ESCA 로 공지되어 있는 X-선 광전자분광법으로 평가한, 히알루론산이 차지한 표면 부분이 0.6 보다 크다는 것을 나타내는 부분 포함범위(fractional coverage)로 결합되는 히알루론산 층이 형성된다는 것은 필수적이다. 시험 방법은 the Surface and Interface Analysis magazine, 26, 742-746(1998)에서 발행한 Marco Morra and Clara Cassinelli 의 문헌 "Simple model for the XPS analysis of polysaccharide-coated surfaces"에 기재되어 있다.

아민 기질과 히알루론산의 히드록시기의 기능화 반응은 본 분야의 숙련자들에게 공지되어 있는, 다음(개략적인 예로 열거되어 있음)과 같은 다양한 방법에 따라 수행할 수 있다 : - 메실레이트, 토실레이트 또는 유사한 유리기의 형성, 예를 들어, 히알루론산과 메실 또는 토실 클로라이드의 반응에 의한 히드록시기의 활성화 후에 발생하는 활성화된 히드록시기와 아민기와의 반응 ; - 예를 들어, 히알루론산, 및 티오닐 클로라이드나 카본 테트라브로마이드 및 트리페닐포스핀과의 반응에 의해 히드록시를 염소, 브롬 또는 요드와 같은 할로로 치환시킨 후에 발생하는 할로겐화 히알루론산 및 아민의 반응 ; - 디에틸아자디카르복실레이트 및 트리페닐포스핀의 존재 하에서의 히알루론산과 아민의 미쯔노브 반응(Mitusunobu reaction) ; - 1 차 히드록시기를 알데히드로 산화시킨 후 발생하는 환원성 아미노화 반응.

상기에 인용된 방법 중에서, 히알루론산 히드록시기를 알데히드로 산화시킨 다음에 형성된 알데히드의 환원성 아미노화 반응을 제공하는 합성 경로가 바람직하다.

1 차 알콜기를 알데히드로 산화시키는 반응은 삼산화크롬, 과요드산 나트륨 또는 과요드산 칼륨과 같은 알콜기의 모든 선택적인 산화제를 사용하여 수행될 수 있다. 과요드산 나트륨은 본 반응에서 바람직한 시약이다.

다음에 나타낸 비-제한적인 예와 같은 적절한 환원제의 존재 하에서 환원성 아미노화 반응에 의해 알킬-아민 또는 아릴-아민의 아민기와 형성된 알데히드기를 반응시켰다 : 레이니 니켈(Raney nickel) 또는 PtO₂ 와 같은 적절한 촉매제의 존재 하에서의 수소 ; 알루미늄, 알루미늄 아말감 또는 Al/HgCl₂ ; 데카보란과 같은 보란 ; 예를 들어 PS-이소시아네이트, PS-벤즈알데히드 또는 MP-TsOH 와 같은 적절한 스캐빈저의 존재 하에서 고체상 합성을 위해 수지에 고정시킨 MP-시아노보로하이드라이드, MP-트리아세톡시보로하이드라이드와 같은 소듐 시아노보로하이드라이드 또는 수소화붕소나트륨.

환원성 아미노화 반응을 위한 바람직한 시약은 소듐 시아노보로하이드라이드이다.

히드록시기를 알데히드로 산화시키는 반응 및 알데히드의 환원성 아미노화 반응에 사용된 반응 조건은 하기의 실시예에서 예시한 바와 같이 이러한 유형의 반응에서 일반적으로 사용되는 조건이다.

카르복시기 대신에 히알루론산 히드록시기의 기능화의 장점은 이러한 방법이 칼슘 이온과의 상호작용을 충분히 가능하게 하는 카르복시기를 이탈하게 하여, 골 무기질침착을 증진시키는 히알루론산의 활성도를 극대화시킬 수 있게 하는 점이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따라, 결합된 히알루론산 층 이외에도 임플란트 장치는 골 조직의 성장을 증진시키는 방출가능한 약물 또는 생물활성제를 포함할 수 있다. 본 실시형태에서, 약물 또는 생물활성 성분을 탐식(englobing)시키거나, 흡수시키거나 또는 흡착시킬 수 있는 중합체 또는 세라믹 층을 장치에 바람직하게 첫 번째로 코팅시킨 다음에 상기에 기재한 기술에 따라 상기의 층 위에 히알루론산을 고정시킬 수 있다.

본 발명에 따라 사용된 약물 또는 생물활성 성분 중에서, 골 성장 자극물질로서의 역할을 수행하는 물질들이 특히 바람직하다. 이들 중에서, 덱사메타손 약물, 덱사메타손-포스페이트 또는 이의 아세테이트 가용성 형태, 이의 다양한 형태의 비타민 D, 성장 인자, 골형성 단백질로서 공지된 단백질 군(family), 에파린(eparine)과 같은 다당류 형태의 분자, 콘드로이틴 술페이트(condroitin sulphate) 및 히알루론산이 특히 바람직하다.

고유한 독성의 부재 이외에도, 약물 또는 생물활성 성분을 탐식한 층의 성질을 화학적으로 제한할 수 없으며, 약물 또는 생물활성 성분의 특성 및 바람직한 동역학적 방출(kinetic release)에 따라 이의 조성을 맞출 수 있다. 개략적인 예는 실리콘, 올레핀 또는 폴리메틸디실록산, 폴리부타디엔, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 불소화 중합체, 폴리에스테르, 폴리-히드록시에틸메타크릴레이트 또는 폴리-히드록시부틸메타크릴레이트와 같은 친수성 아크릴레이트와 같은 아크릴 유형의 중합체이며 ; 임의의 세라믹 층은 알루민 기저 불활성 세라믹, 실리케이트 기저 불활성 세라믹 또는 실리코-알루미네이트 기저 불활성 세라믹, 또는 인산칼슘 또는 수산화인회석과 같은 생물활성 세라믹으로 구성될 수 있다. 이러한 층은 동역학적 방출의 조절의 필요에 따라 컴팩트 형(compact form) 또는 다공성 형 둘 중 하나 일 수 있다.

액침(immersion), 일반적인 스프레이건(spray gun) 및 초음파 스프레이 둘 다에 의한 스프레이(spraying), 기상(vapour-phase)이나 플라즈마 침착에 의한 일반적인 기술에 따라 중합체 또는 세라믹 층을 침착시켰다. 세라믹 층의 경우에서, 졸-겔(sol-gel) 기술도 사용될 수 있다.

일반적인 용액, 현탁액 또는 에멀젼으로부터의 스프레이와 같은 일반적인 기술, 또는 용액, 현탁액 또는 에멀젼에서의 액침의 일반적인 과정에 의해 약물 또는 활성 성분을 지지층(support layer)에 침착시키거나, 탐식시키거나, 흡수시키거나 또는 흡착시킬 수 있다.

본 발명의 본질 내에서, 상기에 기재한 방법에 따라 아민기를 운반하는 기질을 침착시킨 다음에 상기 기질에 히알루론산을 공유 결합시켜 약물 또는 활성 성분이 탐식된 층을 차례로 변형시킬 수 있다. 예를 들어, 약물 또는 활성 성분이 탐식된 층을 적용한 후에, 수용액에서 알릴아민 또는 알킬아민, 및 히알루론산의 플라즈마 침착 과정을 수행하였다. 중합체 또는 세라믹 매트릭스에 초과량의 약물 또는 생물활성 성분을 탐식시킴으로써 이러한 단계에서의 약물의 임의적 방출 및 손실에 대하여 초기에 측정된 과잉 투여량의 균형을 맞출 수 있다. 이러한 과잉 투여량은 일반적으로 30 % 까지, 보다 바람직하게 10 % 까지의 화학양론적 양(stoichiometrical amount)이 될 것이다.

하기의 본원에서 작성된 실험적인 테스트로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 놀랍게도 문헌 데이터에 따라 예상된 바와는 대조적으로 골에 이식된 임플란트 장치에 고정시킨 히알루론산이 현저한 골융합 작용(osteointegrative action)을 수행하는 사실을 발견하였다. 따라서, 골-접촉 임플란트 장치를 제조하는데 있어서, 히알루론산을 상기 임플란트 장치의 표면에 고정시키는데 골-융합 증진제와 같은 히알루론산을 사용하는 것 또한 본 발명의 목적이다.

실시예 1 고정된 히알루론산 층을 갖는 티타늄 샘플 플라즈마 처리를 위해 Gambetti Kenologia 반응기를 사용하여 세 개의 1 cm-측면 정사각형 형태의 99.7 % 의 티타늄 샘플(Sigma-Aldrich 에서 입수)을 가지고 알릴아민의 플라즈마 침착 과정을 수행하였다. 특히, 침착 과정을 100 mTorr 압력에서 10 ms 사이클(cycle)을 사용하여 펄스 플라즈마로 수행하였다. 입력 동력은 50 W 이며, 처리 시간은 30 초이다. 처리가 끝난 시점에, 나사를 0.5 % 농도의 물로 예비-처리한 히알루론산 용액에 두었다. 히알루론산은 미국 미네소타 체스카에 소재하는 Lifecore Biomedical 에서 제조되었으며, 배치 번호 제 B22157 호로 확인되었다. 히알루론산 수용액을 과요드산 나트륨을 갖는 인산염 완충액(16 mg/100 cc)에서 16 시간 동안 예비-처리하고, 1 mg/cc 소듐 시아노보로하이드라이드를 함유하는 동일한 부피의 아세트산 완충액을 반응물에 혼합하였다. 샘플을 밤새 용액에 둔 다음에 물로 세척하고 층류 플럭스 후드(laminar flux hood)에서 건조시켰다.

실시예 2 샘플의 세포 비-부착력의 평가 세 개의 유사한 크기의 히알루론산으로 코팅시키지 않은 티타늄 샘플 및 실시예 1 의 세 개의 샘플을 Brescia Institute of Zooprophylaxis 에서 공급된 골아세포 유형의 세포(MG-63)와 함께 세포 부착 테스트를 하였다. 일반적인 방법에 따라 배양된 세포를 히알루론산으로 코팅시킨 두 개의 샘플 및 코팅시키지 않은 티타늄으로 구성된 두 개의 대조군에 접종하였다. 3 일 배양 후에, 샘플을 인산염 완충액으로 정교하게 세척하고 부착된 세포를 트립신으로 제거하고 혈구계로 계수하였다. 다음의 결과를 수득하였다 :

본 데이터는 상기에 인용된 문헌 데이터에 따라 히알루론산으로 코팅시킨 표면에 존재하는 세포의 수가 상당히 감소되었음을 나타내었다.

실시예 3 고정된 히알루론산 층을 갖는 티타늄 나사 Agliati s.r.l 로부터 제조된 티타늄 임플란트 나사에 실시예 1 의 실험을 반복하였다. 표면층 약 8 nm 의 깊이까지의 물질의 화학적 조성을 제공하는 표면 테스트 기술인 X-선 광전자분광법(XPS)으로 나사를 시험하였다. 다음의 결과를 수득하였다(데이터를 원자 % 로 나타내었음) :

관찰된 화학양론(stoichiometry), 특히 질소, C/O 및 C/N 비율은 문헌 데이터에 따라 결합 반응의 유형학에 의해 예측된 바와 같이 히알루론산의 얇은 표면층의 비율과 일치하였다.

실시예 4 생체 내에서의 증진된 골융합 특성의 확인 본 발명에 따라 수득한 생체 내에서의 이식가능한 티타늄 장치의 특성을 평가하기 위해, 토끼에게 몇몇 테스트를 수행하였다. 특히, 10 마리의 성인 토끼의 대퇴골 골간의 피질성골에 2 mm 의 직경 및 10 mm 의 길이의 총 10 개의 코팅된 나사 및 10 개의 코팅되지 않은 대조군을 이식하였다. 동물을 4 주 후에 희생시키고 대퇴골을 조직학적 검사 및 기계적 테스트를 하였다. 특히, 측정된 파라미터는 다음과 같다 : - 친화력 지수(affinity index), 즉 섬유상 조직의 중재가 없는 경계면의 반대편의 직접적인 골길이에 대해 경계면의 총 길이의 비율에 100 을 곱하여 나타냄. - 골 성장률, 즉 조직학적 검사 부분에서 관찰된 바와 같이 나사 및 나선의 두정(vertexes of a spire) 사이에 둘러싸인 전체 영역에 대한 골로 채워진 영역(bone-filled area)의 비율의 백분율. - 인발력(pull out force), 즉 인발(pull out) 테스트 기계에 의하여, 골로부터의 나사를 뽑아내는데 필요한 측정된 최대 힘.

다음의 결과를 수득하였다 :

고정된 히알루론산에 대한 현재의 지식에 따라 예측된 바와 같이, 히알루론산으로 코팅된 골에 이식한 나사가 생체 수동성 효과 및 항-부착성 효과를 나타내지 않지만, 상기 히알루론산으로 코팅된 나사가 코팅되지 않은 나사와 비교하여 명확하게 증진된 골-융합 특성을 가짐을 조직학적 데이터 및 기계적 테스트 둘 다를 통해 명확하게 알 수 있다.

실시예 5 약물 방출 및 히알루론산을 고정시킨 층을 갖는 티타늄 나사 몇몇 티타늄 나사를 가지고 실시예 1 에 기재된 반응기를 사용하여 프로필렌의 플라즈마 침착 과정을 초기에 수행하였다. 그 다음에, 얇은 중합체 층을 나사에 코팅시키고 하기에 기재한 용액을 넣은 스프레이건(Conrad-Bartoli 로부터 입수)을 사용하여 덱사메타손을 나사에 코팅시켰다 : 아세톤 및 메틸 알콜의 50-50 혼합물에 용해시킨 0.5 % 폴리부틸메타크릴레이트 및 0.1 % 덱사메타손(둘 다 Sigma Aldrich 에서 입수).

수득한 나사를 가지고 실시예 1 및 3 에 기재되어 있는 방법을 수행하여, 골 성장을 증진시키는 약물을 방출하는 특성 및 히알루론산으로 코팅된 생물활성 표면을 갖는 특성을 결합시킨 티타늄 나사를 제조하였다.

실시예 6 고정된 히알루론산 층을 갖는 티타늄 장치로부터의 덱사메타손의 방출 실시예 5 에 기재되어 있는 바와 같이 수득한 나사를 2 cc 의 생리식염수에 담그고 37 ℃ 의 항온기에 두었다. 주어진 시간에서, 용 액을 제거하고 덱사메타손의 최대 흡광도 파장인 242.4 nm 에서 UV-Vis 흡광도 스펙트럼으로 측정하였다. 도 1 에 나타낸 바와 같이 방출 곡선을 시간의 함수로 나타내었다.

수득한 골 조직 임플란트 장치는 상기에 기재된 바와 같이 히알루론산으로 코팅된 표면의 생물활성도와 골형성 과정에 영향을 미치는 약물의 방출을 함께 나타내는 장치이다.

본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 임플란트 장치를 제공할 수 있는 가능한 변형물 중에서, 임플란트 장치는 예를 들어 일반적인 스테인리스 스틸과 같은 티타늄 이외에 이의 합금 또는 코발트-크로뮴의 물질로 제조될 수 있다. 이는 본 발명의 장치로 수득할 수 있는 특정 골융합 효과에 의해 허용된다.

Claims

골 조직의 성장에 관한 활성을 자극하며, 임플란트 장치의 표면 상에 화학적으로 결합된 히알루론산의 금속 또는 중합체 성질을 갖는 층으로 이루어진, 골-접촉(bone-contact) 에 사용하기 위한 임플란트 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 장치는 치과용 임플란트 나사, 척수나 골격 고정 나사, 추간원판(intervertebral disc) 또는 케이지(cage) 임을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 나사 및 케이지는 티타늄 또는 이의 합금으로 제조된 것임을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 추간원판은 티타늄, 이의 합금 또는 코발트-크로뮴 합금으로 제조된 것임을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 아민기를 갖는 기질의 코팅을 포함하며, 여기에서 히알루론산은 상기 히알루론산의 히드록시기의 기능화에 의해 상기 기질에 결합됨을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 5 항에 있어서, 아민기를 갖는 상기 기질은 알릴아민 또는 바람직하게 헥실-아민 또는 헵틸-아민 중에서 선택한 알킬아민 단위를 포함함을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 히알루론산의 층은 0.5 nm 와 10000 nm 사이의 두께를 가짐을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 히알루론산의 층은 1 nm 와 1000 nm 사이의 두께를 가짐을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 히알루론산의 층은 1.5 nm 와 100 nm 사이의 두께를 가짐을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히알루론산의 층은 X-선 광전자분광법 기술에 의해 평가된, 0.6 보다 큰 부분 포함범위 (fractional coverage) 를 가짐을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 골 조직의 성장을 증진시킬 수 있는 방출가능한 약물 또는 생물활성제를 추 가로 포함함을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 약물 또는 생물활성제는 중합체 또는 세라믹 층에 탐식되고(englobed), 흡수되거나 또는 흡착됨을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 12 항에 있어서, 히알루론산이 고정된 상기 기질은 약물 또는 생물활성 성분이 탐식되고, 흡수되거나 또는 흡착된 중합체 또는 세라믹 층에 침착됨을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 약물 또는 생물활성제는 다음 중에서 선택한 것임을 특징으로 하는 임플란트 장치

덱사메타손, 덱사메타손-포스페이트 또는 이의 아세테이트 가용성 형태, 이의 다양한 형태의 비타민 D, 성장 인자, 골형성 단백질로 공지된 단백질 군, 에파린(eparine)과 같은 다당류 형태의 분자, 콘드로이틴 술페이트 및 히알루론산.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 중합체 기질은 실리콘, 올레핀 또는 아크릴 형태의 중합체를 포함하며, 이러한 중합체는 바람직하게 다음 중에서 선택한 것임을 특징으로 하는 임플란트 장치

폴리메틸디실록산, 폴리부타디엔, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타 -크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 불소화 중합체, 폴리에스테르, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트 또는 폴리히드록시부틸 -메타크릴레이트에서 바람직하게 선택한 친수성 폴리아크릴레이트.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 세라믹 층은 알루미나-기저 불활성 세라믹, 실리케이트-기저 불활성 세라믹 또는 실리코-알루미네이트-기저 불활성 세라믹, 또는 인산칼슘이나 수산화인회석과 같은 생물활성 세라믹을 포함함을 특징으로 하는 임플란트 장치.
제 16 항에 있어서, 상기 세라믹 층은 컴팩트(compact) 형 또는 다공성 형임을 특징으로 하는 임플란트 장치.
다음 단계를 포함하는, 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 임플란트 장치를 제조하는 방법

- 금속 또는 중합체 임플란트 장치를 제공하는 단계 ;

- 상기 임플란트 장치의 표면을 아민기를 갖는 기질로 코팅시키는 단계 ;

- 히알루론산의 히드록시기의 기능화(functionalization) 에 의해 상기 기질의 아민기에 상기 히알루론산을 결합시키는 단계.
제 18 항에 있어서, 아민기를 갖는 기질로 상기 임플란트 장치의 표면을 코팅시키는 단계는 다음 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법

- 플라즈마-상에서의 휘발성의 특성을 갖는 아민을 선택하는 단계 ;

- 상기 임플란트 장치의 표면 상에 플라즈마-상의 상기 아민을 침착 시켜 기능화 가능한 아민기를 함유하는 기질층을 형성하는 단계.
제 19 항에 있어서, 아민의 상기 플라즈마 침착은 다음의 조건에서 시행함을 특징으로 하는 방법

80 mTorr 과 300 mTorr 사이의 압력, 5 W 와 200 W 사이의 입력 동력(input power), 1 ms 와 300 s 사이의 침착 시간.
제 20 항에 있어서, 아민의 상기 플라즈마 침착은 1 ms 와 100 ms 사이에 포함된 활성 및 불활성 플라즈마의 사이클로 펄스 플라즈마(pulsed plasma)의 조건에서 시행함을 특징으로 하는 방법.
제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 아민의 플라즈마 침착의 상기 처리는 임플란트 장치의 표면을 세척하고 기질에 부착되는 것을 증가시키기 위해 공기 또는 산소 플라즈마로 처리하여 진행함을 특징으로 하는 방법.
제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아민은 알릴아민, 헥실아민 및 헵틸아민 중에서 선택한 것임을 특징으로 하는 방법.
제 18 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 히알루론산의 히드록시기의 기능화에 의해 기질의 아민기에 상기 히알루론산을 결합시키는 단계는 다음의 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법

- 히알루론산의 알콜기를 알데히드기로 선택적으로 산화시키는 단계 ;

- 환원성 아미노화 반응에 의해 기질의 상기 아민기에 히알루론산의 상기 알데히드기를 결합시키는 단계.
제 24 항에 있어서, 히드록시기를 알데히드기로 선택적으로 산화시키는 단계는 과요드산나트륨 존재하에 시행함을 특징으로 하는 방법.
제 24 항 또는 제 25 항에 있어서, 환원성 아미노화 반응은 소듐 시아노보로하이드라이드 존재하에 시행함을 특징으로 하는 방법.
제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히알루론산은 물을 포함하는 디메틸술폭시드 또는 이의 혼합물, 물을 포함하는 디메틸포름아미드 또는 이의 혼합물, 물을 포함하는 N-메틸 피롤리돈 또는 이의 혼합물과 같은 수용액 또는 적절한 용매 용액(solvent solution) 에 의해 결합됨을 특징으로 하는 방법.
제 18 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 다음 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법

- 금속 또는 중합체 임플란트 장치를 제공하는 단계 ;

- 중합체 또는 세라믹 층으로 상기 임플란트 장치의 표면을

코팅시키는 단계 ;

- 골 조직의 성장을 증진시킬 수 있는 방출가능한 약물 또는

생물활성 성분이 상기 중합체 또는 세라믹 층에 탐식되고,

흡수되고 또는 흡착되는 단계 ;

- 상기 약물 또는 생물활성 화합물이 탐식되고, 흡수되고 또는

흡착된 상기 중합체 또는 세라믹 층 상에 아민기를 갖는

기질을 침착시키는 단계 ;

- 히알루론산의 히드록시기의 기능화에 의해 상기 기질의 아민기에 상기 히알루론산을 결합시키는 단계.
제 28 항에 있어서, 중합체 또는 세라믹 층으로 임플란트 장치의 표면을 코팅시키는 단계는 액침(immersion), 일반적인 스프레이건(spray gun) 과 초음파 스프레이 둘 다에 의한 스프레이(sparying), 기상(vapour-phase) 이나 플라즈마 침착, 또는 세라믹 층의 경우에 졸-겔 기술에 의해 시행됨을 특징으로 하는 방법.
제 28 항 또는 제 29 항에 있어서, 상기 약물 또는 생물활성 성분은 일반적인 용액, 현탁액, 에멀젼으로부터의 스프레이, 또는 일반적인 용액, 현탁액, 에멀젼에서의 액침 과정에 의해 상기 중합체 또는 세라믹 층에 탐식되고, 흡수되고 또는 흡착됨을 특징으로 하는 방법.
제 28 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 또는 세라믹 층에 약물 또는 생물활성 성분이 탐식되고, 흡수되고 또는 흡착되는 단계는 30 ％ 까지의 화학양론적 양(stoichiometrical amount), 바람직하게 10 ％ 까지의 화학양론적 양의 과량의 약물 또는 생물활성 성분 존재하에서 시행됨을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 임플란트 장치는 제 18 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 수득가능함을 특징으로 하는 임플란트 장치.
골 조직과 접촉한 임플란트 장치의 골-융합(osteo-integration)을 증진시키는 임플란트 장치를 제조하기 위한 히알루론산의 용도이되, 상기 히알루론산이 상기 임플란트 장치에 고정됨을 특징으로 하는 히알루론산의 용도.
제 33 항에 있어서, 상기 장치는 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같음을 특징으로 하는 용도.