KR20170056783A - 항생제 및 성장인자가 탑재된 bcp계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감염으로 인한 골 결함 또는 수술 후 회복기간 동안의 감염으로 인한 골 결손을 위해 디자인 되었다. 다공성 BCP 과립은 BMP-2 성장인자의 전달을 위해 생체고분자로 코팅되며, 그로 인해 지속적인 방출이 가능해진다. 콜라겐, 해파린 그리고 도파민과 같은 3종류의 생체고분자가 BMP-2의 전달을 위해 사용되며, 젤라틴 그리고 히알루론산-젤라틴 미세구형의 과립은 항생체 탑재를 위한 전달물질로서 사용된다. 이러한 성장인자와 항생제의 탑재를 위한 다공성 BCP과립과 젤라틴 및 히알루론산-젤라틴 과립은 히알루론산의 첨가를 통해 주입가능한 케리어로 사용될 것이다.

Description

항생제 및 성장인자가 탑재된 BCP계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재{BONE GRAFT MATERIAL IN WHICH ANTIBIOTICS AND GROWTH FACTOR}

본 발명은 항생제 및 성장인자가 탑재된 BCP계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 세라믹 과립과 고분자 구형과립이 혼합된 복합물을 통해 빠른 골 치료와 항생효과를 유도할 수 있도록 한 항생제 및 성장인자가 탑재된 BCP계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재에 관한 것이다.

골 결함은 일반적으로 외상, 질병, 수술 등의 다양한 상황에서 발생하게되며, 그에 따라서 악성 안면골절, 치주 및 정형외과적 다양한 수술에서의 효과적인 골 결함 치료제가 필요하게 된다.

또한 골수염과 같은 특정 골질환은 감염에 의해서 발생되며, 심각한 문제를 초래한다.

골의 감염경로는 다양한데, 신체의 어느 한 부분에서의 감염이 뼈의 혈액을 통해 전파되거나, 개방성 골절 또는 수술로 인해 개방된 뼈가 감염되기도 한다.

대부분의 경우, 포도상 구균의 한 종류인 황색 포도상 구균이 골수염의 원인이 된다. 당뇨병과 같은 만성적 질환 또한 골수염의 위험을 증가시킬 수 있으며, 둔부나 무릎관절을 교체하기 위한 수술 역시 감염의 위험도를 증가시기게 된다.

본 발명의 목적은 세라믹 과립과 고분자 구형과립이 혼합된 복합물을 통해 빠른 골 치료와 항생효과를 유도할 수 있도록 한 항생제 및 성장인자가 탑재된 BCP계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 가능한 많은 기능을 유기함과 동시에 병원을 파악하여 감염의 진행을 막을 수 있도록 한 항생제 및 성장인자가 탑재된 BCP계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 항생제 및 성장인자가 탑재된 BCP계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재는, 주입형 골 시스템은 감염이나 골 손상 치료를 위한 성장인자와 항생제 전달물질로 구성되었으며, 상기 성장인자를 전달하기 위한 주입형 골 시스템은 BMP-2 BCP 다공성 과립에 고정화하기 위한 케리어로서 콜라겐, 해파린 그리고 도파민이 코팅된 것을 특징으로 한다.

상기 항생제 전달 시스템은 젤라틴 미세구형 과립과 히알루론산-젤라틴 미세구형 과립으로 구성되었으며, 감염을 예방하기 위한 약물로써 젠타마이신이 사용되는 것을 특징으로 한다.

상기 항생제 전달 시스템은 물/기름 유제법에 항생제를 혼합하여 만들어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은 감염으로 인한 골 결함 또는 수술 후 회복기간 동안의 감염으로 인한 골 결손을 위해 디자인 되었다.

본 발명에 따르면, 다공성 BCP 과립은 BMP-2 성장인자의 전달을 위해 생체고분자로 코팅되며, 그로 인해 지속적인 방출이 가능해진다. 콜라겐, 해파린 그리고 도파민과 같은 3종류의 생체고분자가 BMP-2의 전달을 위해 사용되며, 젤라틴 그리고 히알루론산-젤라틴 미세구형의 과립은 항생체 탑재를 위한 전달물질로서 사용된다. 이러한 성장인자와 항생제의 탑재를 위한 다공성 BCP과립과 젤라틴 및 히알루론산-젤라틴 과립은 히알루론산의 첨가를 통해 주입가능한 케리어로 사용될 것이다.

도 1은 BMP-2 탑재를 위한 도파민 코팅의 계략도이다.
도 2는 BMP-2 탑재를 위한 해파린 코팅의 계략도이다.
도 3은 BMP-2 탑재를 위한 콜라겐 코팅의 계략도이다.
도 4는 (a),(b),(c) : 각각 0.3% 농도의 Heparin, Dopamine, Collagen 용액을 이용한 코팅 SEM 이미지,(d),(e),(f) : 각각 0.6% 농도의 Heparin, Dopamine, Collagen 용액을 이용한 코팅의 표면 SEM 이미지이다.
도 5는 Heparin1, Dopamine1, Collagen1은 0.1

g의 BMP-2 탑재, Heparin2, Dopamine2, Collagen2는 0.05

g의 BMP-2 탑재 이후 각각의 방출거동이다.
도 6은 (A)는 MTT를 이용한 세포독성평가, (B)는 F-actin 염색을 통한 세포확산능 평가, (C)는 각각의 고배율 이미지이다.
도 7은 젤라틴 미세구형 입자 제조공정 계략도이다.
도 8은 40% HAp의 농도를 갖는 젤라틴 미세구형 입자의 시간에 따른 분해정도 측정결과이다.
도 9는 SEM통해 관찰된 서로 다른 크기의 직경을 갖는 젤라틴 미세구형 지지체이다.
도 10은 젤라틴 및 HAp 성분분석을 위한 XRD 프로파일이다.
도 11은 젤라틴 및 HAp 성분분석을 위한 FT-IR 프로파일이다.

본 연구의 치료방법은 가능한 많은 기능을 유기함과 동시에 병원을 파악하여 감염의 진행을 막는데 집중되어 있다. 일반적인 골수염 환자들은 항생제, 수술 또는 그 전부를 사용한 치료를 받게 된다. 항생제는 감염을 막는데 도움을 주며, 때로는 수술을 피할 수 있게 도와준다. 골수염 환자들은 보통 몇 주 동안 정맥주사를 통해 항생제를 투여 받으며, 이후 알약으로 전환된다. 이 보다 더 심각한 만성 골수염은 감염된 조직이나 뼈를 제거하는 수술이 요구된다. 이와 같은 절제술은 골수염의 확산 이나 악화를 막는 유일한 방법이다.

골수염의 치료에서 항생제를 국부지역에 전달시키는 방법이 일반적으로 사용되고 있으며, 안정적이며 효과적인 방법으로 입증되었다. 감염의 예방과 치료를 위한 많은 약물전달 프로세스가 개발되고 있다. 비 생분해성 폴리메탈메타그릴레이트(PMMA)는 가장 일반적화된 핵심 기술이다. 이것은 우수한 용리 특성과 구조적 지지체로서의 특징을 갖고 있다. 이러한 이유로 황산화칼슘과 골 이식제와 같은 생분해성 재료가 약물전달를 위한 케리어로서 최근들어 더욱 사용되고 있다. 합성 고분자를 포함한 다른 생분해성 이식제는 아직 사용을 위한 승인은 되지 않았으나, 연구 조사를 통한 충분한 잠재성이 증명된다.

만성 골수염의 병리는 박테리아의 확산으로 시작된다. 이와 같은 박테리아의 확산은 보호막을 형성하여 치료를 더욱 어렵게 만들게 된다. 뼈의 세균성 만성 감염은 대뇌 피질의 혈액공급을 방해하며 치료를 어렵게 하거나 무 혈관의 괴사성 피질골 주모니, 부골편 등을 일으킨다. 이와 같은 골 감염을 막기 위한 국부지역의 항생제 사용은 1970년대 유럽에서 관절 치료술과 함께 일반적인 치료방법으로 자리잡게 되었다. Buchholz 와 Engelbrecht는 보철물을 골에 부착시키기 위한 시멘트에 혼합된 페니실린, 에리스로 마이신, 젠타마이신이 장시간 동안 높은 농도로 항생제 제공이 가능하다는 논문을 발표하였다.

체계적인 치료법과 함께 항생제가 탑재된 비드는 골수염 및 골 결함을 치료하는데 효과적인 수단으로 인식되고 있으며, 국부지역으로의 약물과 항생제 전달은 치료 중에 발생되는 합병증을 예방할 수 있다. 그러나 현재 골수염을 위한 PMMA 요법은 비드를 제거하기 위한 재수술이 필요한 실정이다. 또한 이것은 결손부위 차단에 의한 효과적인 골 재생을 막는다는 문제를 갖고 있다. 이러한 문제들 때문에 항생제를 투여함과 동시에 빠른 골 치유를 위한 성장인자를 탑재한 주입형 시스템이 제안된다. 이렇게 약물과 성장인자가 탑재된 생체세라믹, 생체고분자 과립은 내부로의 골 성장을 촉진 시키며, 생분해가 가능도록 설계되었다.

성장 인자와 항생물질의 운반이 가능한 2가지 기능을 갖고 있게 하기 위해 하위 구조를 구성할 때 주입이 가능한 물질 형태로 이루어지게끔 만들었다. 생체에 적합하고 분해가 되어 없어지는 재료로 히알루론산과 하이드로젤을 사용했으며 이 고분자들을 인체 내로 주입시키기 위한 도구로는 표준적으로 많이 사용 되고 있는 주사기를 이용 했다.

마이크로 채널 기공이 있는 골 이식 제는 그래뉼 타입의 구형과 주사기 모양으로 주입시킬 수 있게 구성이 되어 있는데 이는 성장인자의 운반을 위해 2가지 타입으로 하위 구조를 만들었기 때문이다.

우리가 만든 문서대로 정해 놓은 절차를 따르게 되면 그래뉼 골 이식 제는 섬유단상이란 공정으로 만들어 질 수 있다.

BMP-2는 뼈를 만들기 위한 메커니즘에 도움을 주는 단백질 알려져 있으며 이것은 골 재생을 위한 성장인자의 하나로 사용되곤 한다.

이 성장인자를 코팅함으로써 그래뉼로 된 채널을 만들었는데 이는, 표면에서 흘러가는 입자를 원하는 곳에 둘 수 있게 해 주었다.

콜라겐, 헤파린 그리고 도파민을 코팅 재료로 사용 하였는데 각각의 재료들은 성장인자를 적당한 곳으로 운반시켜 기능을 할 수 있게끔 만들어 주었다.

항체를 운반하는 경우는 성장인자의 운반 때 필요한 재료와 달라야만 했다. 그래서 젤라틴과 젤라틴-히알루론산을 섞은 후 작은 크기의 원을 만들었다.

작은 크기의 원은 기름에 녹는 형태로 만들어 졌는데 이는 고분자 용액에 로딩을 시켰을 때 기름과 용액으로 분리되지 않기 위한 하나의 방편이었다.

재료들을 건조시키고 가수 반응을 시켰다. 이 과정으로 정제된 작은 크기의 원 모양을 만들 수 있었다.

하위 과정들은 주입 된 이후 항원 항체 반응이 일어나야 것이므로 항생물질에 대한 내성이 효과적으로 생길 수 있게 제작하였다.

두 가지 재료를 가지고 만든 시스템은 하위 과정에서의 반응을 위한 것이므로 모든 작용 기전에 히알루론산이 깔려 있도록 했다.

상처가 난 부위에 주입이 가능하다는 것은 고분자들끼리의 뭉침이 있을 뿐만 아니라 입자들은 분리가 되어 있어야 가능한 일이다. 따라서 각각의 작용을 위한 시스템은 물질의 성질을 유지하고 있는 상태에서 이루어져야 한다.

우리는 인체 내에서 내성을 가지게끔 하는 항생물질과 반응을 돕는 성장인자를 원하는 조직에 운반시키기 위하여 주입이 가능하게끔 만들었다.

초기에 개발 되었던 기술들과 다르게 주입 이후에도 생체에 유해하지 않으며 뼈를 재생하기 위한 생리활성 물질들의 이동을 방해하지 않게 하기 위해 우리는 생체 적합한 물질의 하위 2가지 경로를 만들었으며 그것이 인체 내에서 어떻게 감염은 줄어들게 하며 효과를 내는지 알아보았다.

본 발명에 있어서, 주된 특징들은 다음과 같다.

1. 주입형 골 시스템은 감염이나 골 손상 치료를 위한 성장인자와 항생제 전달물질로 구성되었으며, 손상된 골의 빠른 골형성과 감염을 막기 위해 개발되었다.

2. 상기 성장인자를 전달하기 위한 주입형 골 시스템은 BMP-2 BCP 다공성 과립에 고정화하기 위한 케리어로서 콜라겐, 해파린 그리고 도파민이 코팅되었으며, 이렇게 고정된 BMP-2는 골 형성능을 향상시키기 위한 이식부위에서 방출을 목적으로 하였다.

3. BMP-2의 고정화를 위한 3가지 다른 유형의 케리어(콜라겐, 해파린, 도파민)의 방출거동 및 고정화도 등의 비교연구가 실시되었다.

4. 선정된 바인더 재료에 대한 생분해도 측정 및 세포독성평가가 실시되었다.

5. 3가지 다른 케리어로 고정화된BMP-2의 생체적합성은 세포 생존능, 세포 증식능을 통해 평가된다.

6. 상기 항생제 전달 시스템은 젤라틴 미세구형 과립과 히알루론산-젤라틴 미세구형 과립으로 구성되었으며, 감염을 예방하기 위한 약물로써 젠타마이신이 사용된다.

7. 상기 항생제 전달 시스템은 물/기름 유제법에 항생제를 혼합하여 만들어졌다.

8. 하알루론산 용액(이와 유사항특성의 다른용액)을 통해 간단하게 혼합하여 상기 주입형 골 시스템이 완성된다.

9. 상기 케리어는 증류수에 용해됨으로써 준비되며, 상기 주입형 골결손 치료 시스템의 주입을 원활하게 하는 점도를 유지하게 된다.

본 발명에 있어서, 항생제 탑재를 위한 미세구형 서브시스템의 제조공정은 다음과 같다.

(1) 24시간 동안 교반된 0.75wt%의 히알루론산 용액과 15wt%의 젤라틴 용액을 준비한다.

(2) 준비된 히알루론산과 젤라틴 용액을 24시간 교반시킨다.

(3) 0.1wt%의 Gentamicin Sulfate을 참가한 이후에 24시간 동안 다시 교반시킨다.

(4) w/o 유제액 방법을 통해 히알루론산-젤라틴을 미세구형태로 얻어낸다.

(5) 얻어진 미세구형의 히알루론산-젤라틴 과립은 5:2 몰의 비율의 EDC-NHS 용액에 48시간 동안 담가짐으로써 가교 결합된다.

(6) 이렇게 만들어진 과립은 48시간동안 진공오븐에서 진공건조되며, 이후 동결건조기에의해 다시 동결건조된다.

(7) 건조된 HA-GEL(히알루론산-젤라틴) 과립 100mg은 제조공정간 소실된 항생제를 보충하기위해 0.1wt%의 Gentamicin 용액에 24시간 담가진다.

(8) 24시간 동안 담가진 HA-GEL 과립은 상온에서 다시 48시간동안 건조된다.

본 발명에 있어서, 성장인자 탑재를 위한 미세구형 서브시스템의 제조공정은 다음과 같다.

(1) 준비된 Frabone을 0.3, 0.6wt%로 준비된 Dopamine 용액에 버퍼 용액과 함께 상온에 12시간 동안 침지시킨다.

(2) 결합되지 못한 전여 Dopamine을 제거하기 위해 다시 48시간 동안 DIW(Deionized water)로 세척된다.

(3) 세척된 Frabone을 동결시킨 후에 동결건조기를 통해 동결건조시킨다.

본 발명에 있어서, 최종 혼합공정은 다음과 같다.

(1) 히알루론산을 증류수에 용해시켜서 좋은 점도의 하이드로젤을 만든다.

(2) 성장인자 전달을 위한 시스템과 항생제 전달을 위한 시스템을 히알루론산 하이드로젤과 혼합시킨다.

(3) 주입구가 넓은 주사기에 혼합물을 넣고, 외부와의 접촉으로 인한 오염을 방지하기 위해 주사기에 적절한 막을 씌운다.

Claims (6)

1. 주입형 골 시스템은 감염이나 골 손상 치료를 위한 성장인자와 항생제 전달물질로 구성되었으며,
   상기 성장인자를 전달하기 위한 주입형 골 시스템은 BMP-2 BCP 다공성 과립에 고정화하기 위한 케리어로서 콜라겐, 해파린 그리고 도파민이 코팅된 것을 특징으로 하는 항생제 및 성장인자가 탑재된 BCP계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 항생제 전달 시스템은 젤라틴 미세구형 과립과 히알루론산-젤라틴 미세구형 과립으로 구성되었으며, 감염을 예방하기 위한 약물로써 젠타마이신이 사용되는 것을 특징으로 하는 항생제 및 성장인자가 탑재된 BCP계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 항생제 전달 시스템은 물/기름 유제법에 항생제를 혼합하여 만들어진 것을 특징으로 하는 항생제 및 성장인자가 탑재된 BCP계 마이크로채널 주사형 뼈 이식재.
4. 히알루론산을 증류수에 용해시켜서 좋은 점도의 하이드로젤을 만드는 단계;
   성장인자 전달을 위한 시스템과 항생제 전달을 위한 시스템을 히알루론산 하이드로젤과 혼합시키는 단계; 및
   주입구가 넓은 주사기에 혼합물을 넣고, 외부와의 접촉으로 인한 오염을 방지하기 위해 주사기에 적절한 막을 씌우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뼈 이식재 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 항생제의 탑재를 위한 미세구형 서브시스템의 제조공정은,
   (1) 24시간 동안 교반된 0.75wt%의 히알루론산 용액과 15wt%의 젤라틴 용액을 준비하는 단계;
   (2) 준비된 히알루론산과 젤라틴 용액을 24시간 교반시키는 단계;
   (3) 0.1wt%의 Gentamicin Sulfate을 참가한 이후에 24시간 동안 다시 교반시키는 단계;
   (4) w/o 유제액 방법을 통해 히알루론산-젤라틴을 미세구형태로 얻어내는 단계;
   (5) 얻어진 미세구형의 히알루론산-젤라틴 과립은 5:2 몰의 비율의 EDC-NHS 용액에 48시간 동안 담가짐으로써 가교 결합되는 단계
   (6) 이렇게 만들어진 과립은 48시간동안 진공오븐에서 진공건조되며, 이후 동결건조기에의해 다시 동결건조되는 단계;
   (7) 건조된 HA-GEL(히알루론산-젤라틴) 과립 100mg은 제조공정간 소실된 항생제를 보충하기위해 0.1wt%의 Gentamicin 용액에 24시간 담가지는 단계; 및
   (8) 24시간 동안 담가진 HA-GEL 과립은 상온에서 다시 48시간동안 건조되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뼈 이식재 제조방법.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 성장인자의 탑재를 위한 미세구형 서브시스템의 제조공정은,
   (1) 준비된 Frabone을 0.3, 0.6wt%로 준비된 Dopamine 용액에 버퍼 용액과 함께 상온에 12시간 동안 침지시키는 단계;
   (2) 결합되지 못한 전여 Dopamine을 제거하기 위해 다시 48시간 동안 DIW(Deionized water)로 세척되는 단계; 및
   (3) 세척된 Frabone을 동결시킨 후에 동결건조기를 통해 동결건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뼈 이식재 제조방법.
   

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