KR20100056718A

KR20100056718A - 형상회복력을 갖는 고탄성 생분해성 고분자 지지체 및 이를이용한 관절 연골 손상의 치료

Info

Publication number: KR20100056718A
Application number: KR1020080115647A
Authority: KR
Inventors: 김수현; 정영미; 김상헌
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2010-05-28
Also published as: US20100124570A1

Abstract

본 발명은 형상회복력, 유연성 및 가수분해능이 우수한 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체 및 이를 이용한 관절 연골 손상의 치료에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 생분해성 및 생체적합성뿐만 아니라 자연 연골과 유사한 기계적 성질을 가져 보다 신속하고 효과적으로 연골 재생을 도모할 수 있으며, 유연성이 뛰어나 휘거나, 접거나, 구부러지는 등의 변형이 용이하고 이러한 변형 후에도 거의 완벽하게 원형으로 복원되는 우수한 형상회복력을 나타낸다. 따라서 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 지지체를 접어 관절경 내에 삽입하는 것이 가능하므로, 관절 연골 손상의 치료를 위한 고분자 지지체로서 관절경 이식술에 적용되어 환자에게 수술과 관련한 부담을 덜 주면서 보다 안전하고 간편하게 시술될 수 있다.

형상회복력, 고탄성, 생분해성 고분자 지지체, 연골 손상 치료제, 관절경 시술

Description

형상회복력을 갖는 고탄성 생분해성 고분자 지지체 및 이를 이용한 관절 연골 손상의 치료{HIGH RESILIENT AND BIODEGRADABLE BLOCK COPOLYMER SCAFFOLD WITH SHAPE RECOVERY EFFECT AND TREATMENT OF ARTICULAR CARTILAGE DAMAGE USING THE SAME}

본 발명은 형상회복력, 유연성 및 가수분해능이 우수한 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체 및 이를 이용한 관절 연골 손상의 치료에 관한 것이다.

현대 산업문명의 발달로 인해 우리나라는 2018년에 노인 인구 비율이 14% 이상인 고령화 사회로 진입하고, 2025년에는 20% 이상인 초고령화 사회로 진입할 것으로 예상된다. 이에 따라 관절질환 환자의 수가 급증하고 있으며, 특히 이 질환은 삶의 질과 밀접한 관련이 있어 해결해야할 가장 중요한 문제 중 하나로 대두되고 있다. 현재 심각한 연골 손상에 있어 거의 유일한 치료 방법으로 연골 치환술이 시행되고 있으나, 동종/이종 장기이식의 경우 장기 제공자(donor)의 심각한 부족으로 치료에 한계를 드러내고 있다. 또한 일반 생체재료만을 이용한 인공 장기이식의 경우에는, 생체조직과 달리 생체재료는 시시각각 변화하는 생체상황에 적절 하게 대응할 수 있도록 정밀하게 제어된 고차기능을 유지할 수 없기 때문에, 생체조직을 효과적으로 대체, 보완할 수 없으며 그 수명이 10~15년으로 영구적이지 못하다는 문제점이 있다. 따라서 손상된 연골을 원래의 연골과 조직학적 및 생체 역학적으로 유사한 조직으로 복원하는 것은 연골 장애를 예방하고 손상을 치료한다는 관점에서 매우 중요하다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 많은 연구 개발이 진행되고 있는데, 고도의 생체기능을 실현하기 위해서 장기나 조직의 실질세포(parenchymal cell)를 이용하여 생체조직과 유사한 구조화 시스템에 의한 인공적인 생체조직의 개발 필요성이 대두되었다.

1987년 미국과학재단(NSF)이 주최하는 의공학 관련 토론회에서 처음으로 “조직공학”이란 용어가 사용되었는데, 이는 의학, 공학 및 생명과학의 다학제간 협동/공동 연구가 필수적인 응용과학기술의 하나이다. 조직공학 기법을 이용하면 장기이식에 부족한 제공자 문제를 해결할 수 있고 면역반응, 감염, 세포괴사, 암 유발의 위험 없이 인체의 거의 모든 조직과 장기(피부, 뼈, 연골, 근육, 각막, 판막, 혈관, 심장, 간, 췌장, 창자, 방광, 요도, 신경계 등)를 재생할 수 있다는 장점이 있다. 현재, 이러한 조직공학 기법을 이용하여 개발된 인공 피부와 인공 연골이 상품화되고 있으며, 이에 대한 수요의 증가에 따라 실로 막대한 시장이 예상된다.

조직공학 기법을 이용한 연골 치료제의 개발에 대해서는 시험관이나 배양기와 같은 인공적인 환경 내에서 3차원 담체 구조체를 이용한 연골 형성(Minas 등, Articular Cartilage Defects 20(6): 525-538, 1997; 국제특허 공개 제94/20151호; 국제특허 공개 제95/33821호), 지지체/세포 혼합물을 이용한 in vivo 에서의 연골 형성(미국특허 제5,041,138호; 국제특허 공개 제90/1203호; 국제특허 공개 제97/30662호) 등이 보고되어 있다. 국내에서는 지지체와 세포 혼합물, 하이드로겔과 세포 혼합물을 이용한 연골 치료용 제제(대한민국 특허 제2007-0113572호, 대한민국 특허 제2003-0015160호, 대한민국 특허 제 2005-0064068호)가 개발된 바 있다.

그러나 세포만 사용하거나 하이드로겔을 사용하는 경우에는 강도가 약하고, 딱딱한 지지체와 세포 혼합물을 사용하는 경우에는 딱딱한 지지체의 사용으로 인해 치료 부위를 절개해야 하는 수술이 요구된다. 따라서 기계적 강도와 유연성이 우수하고 자연 연골과 유사하여 연골조직의 재생을 효과적으로 유도할 수 있으면서도 간편한 방법으로 환자에게 시술될 수 있는 연골 손상의 치료를 위한 지지체의 개발이 여전히 요구되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 기계적 강도와 유연성이 우수하고 자연 연골과 유사하여 연골조직의 재생을 효과적으로 유도할 수 있으면서도 간편한 방법으로 환자에게 시술될 수 있는 연골 손상의 치료를 위한 고분자 지지체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 형상회복력, 유연성 및 가수분해능이 우수한 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체를 접은 상태로 관절경 내에 삽입하여 관절 연골의 손상부위에 이식하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 생체적합성 및 생분해성뿐만 아니라 체내의 기계적 자극을 파종된 세포에 잘 전달할 수 있는 유연성을 가지고 있어 심하게 손상된 연골조직 손상을 수복하는데 매우 효과적이다. 또한 본 발명에 따른 고탄성 공중합체는 유연성이 우수하여 휘거나, 접거나, 구부러지는 등의 변형이 용이하고 이러한 변형 후에도 거의 완벽하게 원형으로 복원되는 우수한 형상회복력을 나타내어 지지체를 접어 관절경 내에 삽입하는 것이 가능하므로, 관절 연골 손상의 치료를 위한 고분자 지지체로서 이식 수술 시 관절경을 이용하여 환자에게 수술과 관련한 부담을 덜 주면서 보다 안전하고 간편하게 시술될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 고탄성 공중합체는 연골조직의 재생에 유리한 물리적 성질을 가지고 있고, 이로 인해 시술의 편의성이 예상되므로 연골 손상의 치료를 위한 조직공학 연구 및 실용화에 널리 사용될 수 있을 것이다.

본 발명은 형상회복력, 유연성 및 가수분해능이 우수한 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체를 제공한다.

연골은 신체의 움직임에 의해 여러 가지 복합적인 힘이 작용하는 부분으로 이러한 기계적 자극이 연골의 재생 및 조직 형성에 매우 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이때 힘을 받은 자연 연골은 자극이 제거되었을 때 완전히 회복되는 고탄성의 성질을 가지고 있다. 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 전술한 자연 연골과 유사한 형상회복력, 유연성과 같은 기계적 특성 및 가수분해능을 갖는 고분자 지지체로서, 세 단량체의 비율을 달리하여 공중합체의 특성을 조절할 수 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 조직 세포의 유착과 증식이 잘 일어나고 분화된 세포의 기능이 잘 보전되며, 체내 이식 후에도 주위 조직과 잘 융화되어 염증반응을 유발하지 않는 생체적합성 고분자 지지체로서, 바람직하게는 일정 기간 후에 체내의 효소 및 수분에 의해 자발적으로 분해되는 고분자 지지체이다.

본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체 의 중량 평균 분자량(M_w)은 10,000 내지 500,000 범위인 것이 바람직하다. 상기 고탄성 공중합체의 중량 평균 분자량이 10,000 미만인 경우에는 이를 고분자 지지체로 사용하기에는 기계적 강도가 낮은 반면, 이의 중량 평균 분자량이 500,00을 초과하는 경우에는 연골 재생에 적합한 고탄성의 물성을 얻을 수 없고 체내에서 생분해되는 시간도 길어지게 된다.

본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체에서 (락타이드/글라이콜라이드)와 ε-카프로락톤의 몰비는 65:35 내지 35:65 범위인 것이 바람직하다. 상기 고탄성 공중합체에서 (락타이드/글라이콜라이드)의 몰비가 65%를 초과하면 공중합체의 모듈러스가 지나치게 높아져 고분자 지지체로 사용하기에 너무 뻣뻣하게 되고, 이의 몰비가 35% 미만이면 너무 부드러워 고분자 지지체의 구조가 붕괴될 수 있다. 또한 형상회복력의 측면에서 ε-카프로락톤의 몰비가 35% 미만이거나 65%를 초과하면 고분자 지지체가 300% 이상 변형되었을 때 70% 미만의 형상회복력을 나타낸다. 따라서 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체가 연골 손상의 치료를 위한 고분자 지지체로 사용되기 위해서는 ε-카프로락톤의 비율을 35% 내지 65%로 유지하여 300% 이상의 변형에 대해 70% 이상의 형상회복력을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 락타이드와 글라이콜라이드의 몰비를 조절함으로써 고탄성의 자연 연골과 유사한 기계적 강도를 유지하면서 분해속도를 조절할 수 있다. 상대적으로 글라이 콜라이드의 몰비가 증가하면 분해속도가 빨라지는 반면, 락타이드의 몰비가 증가하면 분해속도가 느려진다. 락타이드와 글라이콜라이드의 몰비는 0:10 내지 10:0의 범위가 바람직한데, 락타이드가 0%인 경우 공중합체는 글라이콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체가 되며, 글라이콜라이드가 0%인 경우 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체가 된다. 따라서 본 발명에 따른 고분자 지지체는 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체, 글라이콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체 또는 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체 중의 어느 하나로부터 제조될 수 있다. 상기한 모든 조성비에 해당하는 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체로 제조된 본 발명의 고분자 지지체는 3개월 내지 3년의 생분해 기간을 갖는 것이 바람직하다.

일반적으로 조직 재생용 고분자 지지체는 공극 크기가 일정하고 공극간 상호연결성이 높은 형태를 가지며 적정 수준의 기계적 강도를 나타내야 한다. 이에 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 1 내지 800 ㎛ 범위의 공극 크기를 갖는 것이 고분자 지지체로의 역할 수행에 바람직하다. 공극 크기가 1 ㎛ 미만이면 고분자 지지체 내부의 상호연결성이 저하되는 반면, 공극 크기가 800 ㎛를 초과하면 고분자 지지체의 기계적 강도가 매우 약해지는 문제점을 갖는다. 고분자 지지체의 공극 형태와 기계적 강도를 모두 고려할 때, 바람직한 공극 크기는 30 ㎛ 내지 800 ㎛이고, 보다 바람직한 공극 크기는 50 내지 500 ㎛이다.

또한 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중 합체가 고분자 지지체로서의 역할을 수행하기 위해서는 40 내지 97% 범위의 다공도를 갖는 것이 바람직하다. 다공도가 40％ 미만이면 공극의 상호연결성이 크게 저하되는 반면, 97％를 초과하면 기계적 강도가 매우 약해지는 문제점을 갖는다. 고분자 지지체의 공극 형태와 기계적 강도를 모두 고려할 때, 바람직한 다공도는 50 내지 97%이고, 보다 바람직한 다공도는 70 내지 95％이다.

본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체를 이용한 고분자 지지체는 용매캐스팅/입자추출법, 가스발포법, 상분리법, 전기방사법, 젤방사법 등을 포함하는 당해 분야에 공지되어 있는 다양한 방법들을 이용하여 제조될 수 있으며, 이렇게 제조된 고분자 지지체는 모두 사용된 단량체 고유의 특성으로 인해 자연 연골과 유사한 고탄성 기계적 강도를 유지하게 된다. 고탄성에 관한 기계적 강도는 압축이나 인장으로 변위를 주고 5분 후 회복도를 나타내는 회복률(recovery test)로 평가될 수 있는데, 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 70% 이상의 회복률을 보인다. 기계적 강도에 대한 회복률은 전술한 공극 크기와 다공도에 따라 달라지는데, 연골 재생을 위한 이상적인 회복률은 90% 이상이다.

이러한 특성으로 인해 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 휘거나, 접거나, 구부러지는 등의 변형이 용이하고 이러한 변형 후에도 거의 완벽하게 원형으로 복원되는 형상회복력이 뛰어나다. 이처럼 우수한 형상회복력은 본 발명에 따른 고탄성 공중합체로 된 고분자 지지체를 관절경 내부에 접혀진 상태로 넣고 체내에 삽입한 후 환부에서 관절경으로부터 분리시키면 접힌 상태의 고분자 지지체가 본래의 모양으로 회복되면서 간단한 접착제나 핀으로 환부에 고정시키는 시술을 가능케 한다. 따라서 본 발명에 따른 고탄성 공중합체는 생분해성 및 생체적합성이 우수할 뿐만 아니라 자연 연골과 유사한 형상회복력, 유연성과 같은 기계적 특성을 나타내므로 연골 재생을 위한 고분자 지지체로서 관절경을 이용하여 관절 연골의 손상부위에 손쉽게 적용될 수 있다.

본 발명에서는 연골 재생효율을 향상시키기 위하여, 시술 전에 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체로 제조된 고분자 지지체에 연골세포로 분화가능한 세포를 파종하여 고분자 지지체-세포 복합 구조물을 형성할 수 있다. 이때 본 발명에 따른 고분자 지지체에 파종될 수 있는 연골세포로 분화가능한 세포에는 골수, 근육, 지방, 제대혈, 양막, 또는 양수로부터 분리된 중간엽 줄기세포 또는 간질세포, 상기 세포로부터 유래된 연골세포로 분화될 수 있는 전구세포, 상기 세포로부터 분화된 연골세포, 연골조직으로부터 분리된 초대 연골세포 등이 사용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 세포는 단독으로 또는 2종 이상의 혼합물 형태로 사용될 수 있다. 상기 세포의 분리, 증식 및 연골세포로의 분화는 당분야에 공지된 임의의 방법에 따라 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 고분자 지지체-세포 복합 구조물은 상기와 같이 제조된 후 관절경을 이용하여 바로 환부에 이식되거나, 고분자 지지체-세포 복합 구조물을 일정 기간 체외에서 배양한 후 관절경을 이용하여 환부에 이식될 수도 있다. 이때 본 발명에 따른 고분자 지지체에 연골세포로 분화가능한 세포를 파종하기 위한 배지 및 상기 고분자 지지체에 파종된 세포를 고분자 지지체 상에서 배양하기 위한 배지로는 DMEM(Dulbecco's modified Eagle's Medium)을 포함하는 당해 분야에 공지된 임의의 연골세포 분화용 배지를 사용할 수 있다. 연골세포의 우수한 재생효율을 고려할 때 연골세포로 분화가능한 세포는 본 발명에 따른 고분자 지지체에 고분자 지지체 1 ㎣당 1× 10⁵ 내지 1× 10⁸개의 농도로 파종되는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 따른 고분자 지지체에 파종된 세포는 지지체의 고탄성 기계적 물성에 의해 체내의 물리적 자극을 잘 전달받게 되므로 연골세포로의 분화와 유지가 잘 이루어져 연골 재생이 효과적으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤의 공중합체로 된 고분자 지지체는 단독으로 또는 연골세포로 분화가능한 세포가 파종된 상태로 관절경 내에 접혀져 삽입될 수 있고, 이 관절경을 관절 연골 손상부위에 삽입한 후 환부에서 이들을 빼내면 이들은 형상회복력이 우수하여 변형 없이 삽입 전의 형태로 그대로 복원되어 환부에 고정될 수 있다. 이처럼 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 휨, 비틀림, 굽어짐 등의 형태 변형 후 변형을 유도한 힘이 사라지게 되면 본래의 모습으로 완전히 복원되는 형상회복력을 가지고 있어 관절경을 이용한 편리한 시술이 가능하다.

이와 같이 관절경을 이용한 이식술은 환자에게 수술과 관련한 부담을 덜 주면서 보다 안전하고 간편하게 시술할 수 있다. 일반적으로 수술에 의해 관절 연골의 손상을 치료하는 경우에는, 마취 후 환부의 절개를 통해 골막을 제거하여 관절을 드러낸 후 수술을 하게 되므로, 골막 및 조직의 절개에 의해 주변 조직에 상처 가 남게 되고 마취 및 장시간의 수술 시간으로 환자에게 물질적, 육체적, 정신적 부담을 주게 된다.

그러나 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 500%의 변위 후에도 5초 후면 95% 이상의 회복률을 보이는 고분자 지지체이기 때문에, 연골세포로 분화가능한 세포의 파종 후 수술실에서 의사가 직접 관절경 내에 말아 접어 넣은 상태로 환부에 극소의 상처만 내고 관절경을 삽입한 후 환부에서 고분자 지지체-세포 복합 구조물을 꺼내어 환부에 고정시킬 수 있다. 이때 사용되는 관절경은 본 발명에 따른 고탄성 고분자 지지체가 관절경 내부 직경에 딱 맞게 스스로 변위를 조정하여 고정되므로 삽입된 고분자 지지체가 관절경 내부로부터 빠져 나오지 않기 때문에 특수한 장치를 요구하지 않으면서 일반 진단용으로 사용되는 관절경을 사용할 수 있다. 이때 환부에 삽입된 고분자 지지체는 당분야에 이미 공지되어 시판되고 있는 피브린 아교나 흡수성 핀, 앵커, 나사와 같은 수단을 이용하여 고정시킬 수 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 고탄성 공중합체로 된 고분자 지지체가 접혀지거나 휘어져서 관절경 내에 삽입되고 봉을 이용하여 환부에 고정되는 일례를 모식도로 나타낸 것이다. 도 1a는 일반 관절경 내에 본 발명에 따른 고분자 지지체가 접혀져서 삽입된 모식도로, 고분자 지지체가 삽입된 관절경을 환부에 시술하고, 반대편으로 집게 모양의 관절경을 삽입한 후 이를 이용하여 고분자 지지체를 끄집어낸 후 이를 환부에 다시 고정하는 방법으로 사용할 수 있다. 또한 도 1b와 같이 고분자 지지체의 이식을 위한 관절경을 특수 제작하여 사용할 수도 있다. 도 1b는 이렇게 특수 제작된 관절경 내에 고분자 지지체가 삽입되고 고정용 봉을 삽입한 모식도이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 생체적합성 및 생분해성뿐만 아니라 체내의 기계적 자극을 파종된 세포에 잘 전달할 수 있는 유연성을 가지고 있어 심하게 손상된 연골조직 손상을 수복하는데 매우 효과적이다. 또한 본 발명에 따른 고탄성 공중합체는 유연성이 우수하여 휘거나, 접거나, 구부러지는 등의 변형이 용이하고 이러한 변형 후에도 거의 완벽하게 원형으로 복원되는 우수한 형상회복력을 나타내어 지지체를 접어 관절경 내에 삽입하는 것이 가능하므로, 관절 연골 손상의 치료를 위한 고분자 지지체로서 이식 수술 시 관절경을 이용하여 환자에게 수술과 관련한 부담을 덜 주면서 보다 안전하고 간편하게 시술될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 고탄성 공중합체는 연골조직의 재생에 유리한 물리적 성질을 가지고 있고, 이로 인해 시술의 편의성이 예상되므로 연골 손상의 치료를 위한 조직공학 연구 및 실용화에 널리 사용될 수 있을 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

실시예 1

중량 평균 분자량(M_w)이 330,000 이고 몰비가 5:5인 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체를 클로로포름 용액에 4 %(무게/부피비)가 되도록 혼합하고 자석 교반기를 사용하여 균일하게 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다. 상기 제조된 고분자 용액에 입자의 평균 지름(φ)이 300 내지 500 ㎛인 염화나트륨을 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체의 중량을 기준으로 85 중량%가 되도록 첨가하고 후드 안에서 자석 교반기를 사용하여 균일하게 혼합하였다. 제조된 (락타이드/ε-카프로락톤 공중합체)/염화나트륨/클로로포름 혼합용액의 총 중량을 기준으로 클로로포름이 25 중량%가 될 때까지 클로로포름을 증발시켜서 연골 재생층 형성용 혼합물을 준비하였다. 이 혼합물을 10× 10 ㎝의 정사각형 주형에 넣고 유압프레스를 사용하여 40 MPa의 압력으로 3분간 압착하여 시트 모양의 혼합물을 제조하였다. 이 시트 혼합물을 상온의 진공 오븐에 7일간 방치하여 클로로포름을 완전히 제거하였다. 또한, 증류수를 3일간 9회 정도 교환하여 시편 내부에 존재하는 염화나트륨을 완전히 제거한 후 이를 동결 건조하여 연골 재생용 고분자 지지체로서 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체를 제조하였다.

상기의 방법으로 제조된 고분자 지지체를 주사전자현미경으로 관찰하였는데, 도 2a는 고분자 지지체의 표면을 관찰한 것이고 도 2b는 고분자 지지체의 단면을 관찰한 것이다. 도 2a 및 2b로부터 본 발명에 따른 고탄성 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체로 제조된 고분자 지지체가 매우 균일한 공극 형태와 우수한 상호연결 성을 가짐을 알 수 있다.

실시예 1에서 고탄성 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체로 제조된 고분자 지지체는 도 3a에 나타난 바와 같이 지지체의 손상 없이 구부리거나 접는 것이 가능하며, 도 3b에 나타난 바와 같이 일정한 길이만큼 손으로 늘렸다 힘을 제거하면 순간적으로 본래의 모습으로 돌아오는 고탄성을 가짐을 알 수 있다.

본 발명에 따라 고탄성 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체로 제조된 고분자 지지체의 물리적 성질을 보다 정량적으로 분석하기 위하여 하기 실험을 수행하였다. 먼저 제조된 고분자 지지체를 2× 1 ㎝의 시편으로 일정하게 자른 후, 측정 길이가 1 ㎝로 유지되도록 시편을 고정판에 접착시켰다. 고정된 시편에 5 ㎏의 하중 셀을 사용하여 1 ㎝/분의 일정한 속도로 신장시킨 후 10초간 신장된 상태를 유지한 다음, 5분 후에 변형된 길이를 측정하여 변형률을 계산하였다. 이때 변형률은 만능시험기(Instron, Model 5567, MA)를 이용하여 평가하였다. 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 고탄성 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체는 500%의 신장 이후에도 95% 이상의 회복률을 보였다.

실시예 2

중량 평균 분자량(M_w)이 104,000 이고 몰비가 5:5인 글라이콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 클로로포름 용액에 4 %(무게/부피비)가 되도록 혼합하고 자석 교반기를 사용하여 균일하게 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다. 상기 제조된 고 분자 용액에 입자의 평균 지름(φ)이 300 내지 500 ㎛인 염화나트륨을 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체의 중량을 기준으로 85 중량%가 되도록 첨가하고 후드 안에서 자석 교반기를 사용하여 균일하게 혼합하였다. 제조된 (락타이드/ε-카프로락톤 공중합체)/염화나트륨/클로로포름 혼합용액의 총 중량을 기준으로 클로로포름이 25 중량%가 될 때까지 클로로포름을 증발시켜서 연골 재생층 형성용 혼합물을 준비하였다. 이 혼합물을 10× 10 ㎝의 정사각형 주형에 넣고 유압프레스를 사용하여 40 MPa의 압력으로 3분간 압착하여 시트 모양의 혼합물을 제조하였다. 이 시트 혼합물을 상온의 진공 오븐에 7일간 방치하여 클로로포름을 완전히 제거하였다. 또한, 증류수를 3일간 9회 정도 교환하여 시편 내부에 존재하는 염화나트륨을 완전히 제거한 후 이를 동결 건조하여 연골 재생용 고분자 지지체로서 글라이콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 제조하였다.

상기의 방법으로 제조된 고분자 지지체를 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 실시예 1의 고분자 지지체와 마찬가지로 매우 균일한 공극 형태와 높은 상호연결성을 가지며, 고탄성, 형상회복력이 우수함을 확인하였다.

실시예 3

(락타이드/글라이코라이드)/ε-카프로락톤 공중합체의 형상회복력을 평가하기 위해 하기와 같이 고분자 필름을 제조하여 회복력 실험을 수행하였다.

중량 평균 분자량(M_w)이 184,000이고 몰비가 2:3:5인 락타이드/글라이코라이 드/ε-카프로락톤 공중합체를 클로로포름 용액에 10%(무게/부피비)가 되도록 혼합하고 자석 교반기를 사용하여 균일하게 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다. 상기 고분자 용액을 테플론 필름이 코팅된 유리접시에 붓고 수평을 맞추어 고분자 필름을 형성하였다. 제조된 고분자 필름을 2× 0.5 ㎝의 시편으로 일정하게 자른 후, 측정 길이가 1 ㎝로 유지되도록 시편을 고정판에 접착시켰다. 고정된 시편에 5 ㎏의 하중 셀을 사용하여 1 ㎝/분의 일정한 속도로 신장시킨 후 10초간 신장된 상태를 유지한 다음, 5분 후에 변형된 길이를 측정하여 변형률을 계산하였다. 이때 변형률은 만능시험기(Instron, Model 5567, MA)를 이용하여 평가하였다.

도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 고탄성 (락타이드/글라이코라이드)/ε-카프로락톤 공중합체는 400%의 신장 이후에도 80% 이상의 회복률을 보였다.

실시예 4

상기 실시예 1에서 고탄성 락타이드/ε-카프로락톤 공중합체로 제조된 고분자 지지체를 토끼의 무릎 관절의 결손부위에 이식하였다. 구체적으로, 8주령의 뉴질랜드 백서를 마취하고 무릎 연골에 지름 6 ㎜의 결손을 낸 후 본 발명에 따른 고분자 지지체를 이식하였다. 이는 본 발명에 따른 고분자 지지체의 물리적 성질이 체내에서 연골 재생을 효과적으로 유도할 수 있는지를 평가하기 위한 것으로, 도 6a는 고분자 지지체가 이식된 직후의 모습이다. 고분자 지지체가 이식된 결손부위를 봉합하고 4개월 후에 다시 동일 부위를 적출하여 연골 결손부위를 관찰하고 시료를 채취하여 조직학적 분석을 수행하였다. 도 6b는 본 발명에 따른 고분자 지지 체가 이식된 연골 결손부위의 4개월 후의 모습으로, 주변 조직과 손상부위가 매끄럽게 연결되고 연골이 재생된 모습을 확인할 수 있으며, 조직학적 분석에 의해서도 자연 연골과 유사한 조직 구조를 보임을 확인하였다. 도 6c는 이식된 부위를 사프라닌 O(Safranin O)로 염색한 결과로, 본 발명에 따른 고분자 지지체가 이식된 연골 결손부위에 붉게 염색된 부분이 나타나 연골 특이적인 세포외 기질이 형성되었음을 알 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체로 제조된 고분자 지지체를 일반 관절경을 이용하여 시술하는 일례를 나타낸 것이고,

도 1b는 본 발명에 따른 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체로 제조된 고분자 지지체를 특수 제작한 관절경을 이용하여 시술하는 일례를 나타낸 것이고,

도 2a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 폴리락타이드/ε-카프로락톤 고분자 지지체의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고,

도 2b는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 폴리락타이드/ε-카프로락톤 고분자 지지체의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고,

도 3a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 폴리락타이드/ε-카프로락톤 고분자 지지체의 탄성 회복 특성을 실험한 사진이고,

도 3b는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 폴리락타이드/ε-카프로락톤 고분자 지지체의 꼬임과 구부러짐 특성을 실험한 사진이고,

도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 폴리락타이드/ε-카프로락톤 고분자 지지체에 인장력을 작용하기 전과 후의 길이를 측정하여 복원률을 평가한 그래프이고,

도 5는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 (폴리락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 고분자 필름에 인장력을 작용하기 전과 후의 길이를 측정하여 복원률을 평가한 그래프이고,

도 6a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 폴리락타이드/ε-카프로락톤 고분자 지지체를 토끼의 관절 연골 결손부위에 이식한 사진이고,

도 6b는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 폴리락타이드/ε-카프로락톤 고분자 지지체를 토끼의 관절 연골 결손부위에 이식하고 4개월 경과 후에 적출된 연골의 사진이고,

도 6c는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 폴리락타이드/ε-카프로락톤 고분자 지지체를 토끼의 관절 연골 결손부위에 이식하고 4개월 경과 후에 적출된 연골을 사프라닌 O로 염색한 결과이다.

Claims

형상회복력, 유연성 및 가수분해능이 우수한 고탄성 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체로 제조된 관절 연골 손상의 치료를 위한 조직공학용 고분자 지지체.
제1항에 있어서,

상기 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체가 10,000 내지 500,000 범위의 중량 평균 분자량(M_w)을 갖는 것을 특징으로 하는 조직공학용 고분자 지지체.
제1항에 있어서,

상기 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체에서 (락타이드/글라이콜라이드)와 ε-카프로락톤의 몰비가 65:35 내지 35:65 범위인 것을 특징으로 하는 조직공학용 고분자 지지체.
제3항에 있어서,

상기 (락타이드/글라이콜라이드)와 ε-카프로락톤의 몰비 범위 내에서 300% 이상의 변형에 대해 70% 이상의 형상회복력을 갖는 것을 특징으로 하는 조직공학용 고분자 지지체.
제1항에 있어서,

상기 (락타이드/글라이콜라이드)/ε-카프로락톤 공중합체에서 락타이드와 글라이콜라이드의 몰비가 0:10 내지 10:0의 범위인 것을 특징으로 하는 조직공학용 고분자 지지체.
제1항에 있어서,

상기 고분자 지지체가 1 내지 800 ㎛ 범위의 공극 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 조직공학용 고분자 지지체.
제1항에 있어서,

상기 고분자 지지체가 40 내지 97% 범위의 다공도를 갖는 것을 특징으로 하는 조직공학용 고분자 지지체.
제1항에 있어서,

상기 고분자 지지체에 연골세포로 분화가능한 세포가 파종되어 있는 것을 특징으로 하는 조직공학용 고분자 지지체.
제8항에 있어서,

상기 연골세포로 분화가능한 세포가 골수, 근육, 지방, 제대, 양막 및 양수 중의 어느 하나로부터 분리된 간엽줄기세포 또는 간질세포, 상기 세포로부터 유래된 연골세포로 분화될 수 있는 전구세포, 상기 세포로부터 분화된 연골세포, 및 연골조직으로부터 분리된 초대 연골세포로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 세포인 것을 특징으로 하는 조직공학용 고분자 지지체.
제8항에 있어서,

상기 연골세포로 분화가능한 세포가 고분자 지지체 1 ㎣당 1× 10⁵ 내지 1× 10⁸개의 농도로 파종되는 것을 특징으로 하는 조직공학용 고분자 지지체.
제1항에 따른 조직공학용 고분자 지지체를 말아 접은 상태로 관절경 내부에 넣고 이 관절경을 관절 연골 손상부위에 삽입한 후 환부에서 관절경으로부터 고분자 지지체를 분리시켜 접힌 상태의 고분자 지지체가 본래의 모양으로 회복되게 한 후 이를 환부에 고정시키는 것을 포함하는, 제1항에 따른 조직공학용 고분자 지지체를 관절경을 이용하여 체내에 이식하는 방법.