KR20180034745A

KR20180034745A - 중심부과 외부에서 상이한 기공율을 가지며 생체세라믹층과 생분해성 고분자층으로 이중코팅된 마그네슘 기반 기재, 이의 제조방법 및 이의 용도

Info

Publication number: KR20180034745A
Application number: KR1020160123342A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 강민호
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-04-05

Abstract

본 발명은 중심부로부터 차례로 제1기공율을 갖는 마그네슘 함유 기재; 상기 제1기공율과 상이한 제2기공율을 갖는 마그네슘 함유 층; 결정형 생체세라믹층; 및 생분해성 고분자층을 포함하는 마그네슘 기반 기재, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.

Description

중심부과 외부에서 상이한 기공율을 가지며 생체세라믹층과 생분해성 고분자층으로 이중코팅된 마그네슘 기반 기재, 이의 제조방법 및 이의 용도{Magnesium-based substrate having graded porosity at inner and outer parts double-coated with bioceramic and biodegradable polymer}

최근 의학 기술의 발달로 인체 내에서 손상된 부위를 대체 및/또는 수복하기 위해 인공 장기나 이식체 등이 사용되고 있으며, 이를 총칭하여 임플란트라고 한다. 임플란트는 기관/장기에 이식할 수 있는 성형된 부품 예컨대, 막, 고정 박판, 기타 입체적 또는 공간적 부품, 나사, 핀, 리벳, 압정 등과 같이 치료 중의 조직을 지지하거나 부착시키는 용도의 고정 수단, 또는 특정 조직을 이웃한 다른 조직으로부터 분리시키기 위한 용도 등으로 사용될 수 있다. 점차적으로 임플란트의 적용 범위가 넓어지고 있으며, 이에 따라 임플란트 개발을 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 의료적 치료의 목적으로 사용되는 임플란트의 대표적인 재료로는 금속, 세라믹 및 고분자 등이 있다. 그러나 체내에 삽입되는 특성상 임플란트의 재료는 생체적합성(biocompatibility)이 있어야 하고, 혈액과 접촉하는 경우에는 혈액적합성(blood compatibility)이 있어야 하며, 혈액 이외의 생체 조직이나 세포와 접촉하는 경우에는 조직적합성(tissue compatibility)을 가져야 하므로 임플란트에 사용될 수 있는 재료는 매우 제한적이다.

구체적으로 금속성 임플란트는 기계적 성질 및 가공성이 우수하지만 응력차폐현상(stress shielding), 이미지 왜곡(image degradation) 및 임플란트 이동(implant migration) 등이 발생할 수 있고, 세라믹 임플란트는 상대적으로 생체적합성은 우수하나 외부 충격에 의한 파손 가능성이 있고 가공이 어려우며, 고분자 임플란트는 상대적으로 강도가 약한 단점이 있다.

예컨대, 높은 강도를 필요로 하는 임플란트로서 티타늄이나 스테인레스 스틸과 같은 비분해성 금속 소재의 이식체를 사용하기는 하나, 비분해성 금속 소재는 치유 후에도 체내에 영구히 잔류하므로, 체내에서 금속이 부식되거나 노출되는 경우 감염의 위험이 있고, 촉진시 잔류하는 이식체가 만져지거나 육안으로 보아도 돌출되어 보이며, 소아에 적용된 경우 골 조직이 성장함에 따라 삽입된 이식체가 내부로 함입될 위험성도 있다. 또한 대부분 금속 소재는 골 조직에 비해 탄성계수가 너무 높아 응력차폐현상을 일으켜 뼈의 손상을 야기할 수 있어 금속 본플레이트나 스크류 등의 이식체는 골 조직이 완치된 후에는 제거하는 것이 바람직하나, 제거를 위한 2차 수술에 따르는 경제적 심리적 부담으로 이를 기피하는 경향이 있다.

따라서, 이들 금속 소재의 본플레이트를 대신하여 생분해성 고분자 소재의 본플레이트를 사용하기도 한다. 주로 사용되는 것은 폴리락트산, 폴리글리콜산 및 이들의 중합체인 폴리락트산-글리콜산 공중합체 등이나, 이들 고분자는 금속에 비해 강도가 현저히 낮은 단점이 있다. 따라서, 동일한 하중을 견딜 수 있도록 하기 위해서는 보다 큰 크기의 플레이트와 스크류를 사용하게 되므로 이에 따라 시술이 어려워지고 분해속도가 너무 길어질 수 있다. 더구나 생분해성 고분자는 흡수속도의 제어가 어렵고 강도 손실까지의 기간은 짧은 반면 완전히 분해되어 흡수되는 데는 매우 긴 시간이 소요된다는 문제점도 제기되고 있다.

마그네슘은 의료용 생체 재료로써 우수한 특징들을 지닌 소재로서, 생체 내에서 분해되고, 이때 생성되는 분해 물질은 독성이 없으며, 또한 분해 과정에서 생성되는 마그네슘 이온은 뼈의 성장을 촉진한다. 또한 마그네슘은 다른 생분해성 고분자들에 비해 기계적 강도가 우수하며 탄성률이 실제 골 조직과 유사하여 응력 차폐 효과를 억제할 수 있다.

한편, 인체의 골 조직은 인체의 다양한 기관을 지탱하고 보호하며, 혈구세포를 생산하고 무기질을 저장하는 동시에 인체를 지지할 수 있도록 하중을 견뎌야 하므로 우수한 강도를 가져야 하는 조직이다. 따라서, 내부에는 다공성 해면질골(trabecular(or spongy) bone)로 이루어져 공간을 가지므로 혈관이나 골수가 존재하여 물질전달이 가능하고 혈구세포의 생성 또한 가능하며, 외부는 치밀질(compact bone)로 이루어져 높은 하중에도 견딜 수 이는 강도를 제공할 수 있다.

따라서 손상된 골 조직을 재생시키기 위한 이식체로 사용되기 위해서는 다공성 및 생체적합성을 가지며 세포 및/또는 물질의 출입이 가능하고 새롭게 형성된 조직 세포가 생착 가능하여 조직 재생에 유리하여야 하며, 높은 하중을 견디되 응력차폐현상을 나타내지 않도록 적절한 강도를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명자들은 생분해성 금속인 마그네슘을 기반으로 하되 생체 내에서 부식은 감소되고 생체적합성이 향상된 골 조직 재생용 이식체를 제공하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 방전플라즈마 소결법(Spark Plasma Sintering; SPS)과 스페이스 홀더법을 이용하여 중심부와 외부에서 상이한 기공도를 갖는 다공성 마그네슘 기반 기재를 형성한 후 표면에 생체세라믹층과 생분해성 고분자층을 차례로 도입하여 제조된 복합 기재는 다공성 부분의 비율을 조절함으로써 강도를 조절할 수 있으며, 단일 마그네슘 기재에 비해 내부식성과 생체적합성이 현저히 향상되어 골 조직 재생용 이식체에 사용될 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1양태는 중심부로부터 차례로 제1기공율을 갖는 제1 마그네슘 함유 기재; 상기 제1기공율과 상이한 제2기공율을 갖는 제2 마그네슘 함유 층; 결정형 생체세라믹층; 및 생분해성 고분자층을 포함하는 마그네슘 기반 기재를 제공한다.

본 발명의 제2양태는 상기 제1양태의 마그네슘 기반 기재의 제조방법에 있어서, 마그네슘 분말 및 기공 형성 물질을 각각 2:8 내지 5:5의 부피비로 포함하는 마그네슘 함유 제1 혼합 조성물 및 10:0 또는 2:8 내지 5:5의 부피비로 포함하되, 기공 형성 물질의 함량이 상기 제1 혼합 조성물에 비해 적은 것인, 마그네슘 함유 제2 혼합 조성물을 준비하는 제1단계; 마그네슘 함유 제1 혼합 조성물 또는 제2 혼합 조성물 중 어느 하나의 조성물을 금속 몰드에 넣고 5 내지 15 MPa의 압력을 가하여 치밀체를 형성하는 제2단계; 제2단계로부터 수득한 치밀체를 상기 금속 몰드 보다 큰 흑연 몰드에 넣고 흑연몰드와 치밀체 사이의 빈 공간에는 마그네슘 함유 제1 혼합 조성물 또는 제2 혼합 조성물 중 다른 하나의 조성물을 넣고 10 내지 50 MPa의 압력을 가하고 550 내지 650℃까지 승온시켜 마그네슘 함유 복합 소결체를 제조하는 제3단계; 제3단계로부터 수득한 마그네슘 함유 복합 소결체 pH 11 이상의 염기성 수용액에 담그어 기공 형성 물질을 용해시켜 다공성 마그네슘 함유 기재를 형성하는 제4단계; 제4단계로부터 수득한 다공성 마그네슘 함유 기재 상에 생체세라믹층을 도입하는 제5단계; 및 상기 생체세라믹층 상에 생분해성 고분자층을 도입하는 제6단계를 포함하는 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제3양태는 상기 제1양태의 마그네슘 기반 기재를 포함하는 골 조직 재생용 이식체를 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 생분해성 금속인 마그네슘을 기반으로 하는 기재를 제조함에 있어서, 방전플라즈마 소결법 및 스페이스 홀더법을 이용하면, 내부에는 세포나 혈액 등의 물질 출입이 용이하도록 높은 기공율을 갖는 해면질골을 포함하고, 외부는 치밀질로 이루어져 우수한 강도를 갖는 골 조직과 유사한 구조 즉, 중심부와 외부에서 상이한 기공율을 갖되 계면에 균열없이 연속적으로 형성된 기재를 제공할 수 있으며, 이때 다공성 부분의 비율을 조절함으로써 전체 기재의 강도를 조절할 수 있으므로 실제 골 조직과 유사한 강도를 갖도록 조절 가능하므로 응력 차폐 현상이 최소화된 이식체를 제공할 수 있음을 발견한 것에 기초한다. 나아가, 이와 같이 강도를 조절하여 제조된 마그네슘 기반 기재의 표면에 생체세라믹층과 생분해성 고분자층을 차례로 도입하여 향상된 내부식성 및 생체적합성을 갖는 기재를 제공할 수 있음을 발견하였다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1양태는 중심부로부터 차례로 제1기공율을 갖는 마그네슘 함유 기재; 상기 제1기공율과 상이한 제2기공율을 갖는 마그네슘 함유 층; 결정형 생체세라믹층; 및 생분해성 고분자층을 포함하는 마그네슘 기반 기재를 제공한다.

상기 제1기공율 및 제2기공율 중 어느 하나는 50% 내지 80% 범위에서 선택되고, 다른 하나는 0%이거나, 50% 내지 80% 범위에서 선택하되 상기 선택된 기공율보다 낮은 값을 갖는 것인 마그네슘 기반 기재일 수 있다.

상기와 같이 50 내지 80%의 높은 기공율을 갖는 부분과, 0% 또는 50% 내지 80% 범위에서 선택하되 상기 기공율 보다는 낮은 기공율을 갖는 부분을 모두 포함함으로써 기공이 없는 치밀한 부분 또는 낮은 기공율의 상대적으로 치밀한 부분을 통해 강도를 보완하고, 높은 기공율의 부분에는 세포들이 채워지면서 이식체가 주위 조직에 고정되도록 하고 혈액 등의 흐름을 원활히 하여 조직의 재생 및/또는 회복을 촉진할 수 있다. 또한, 이들 기공율 및/또는 각 부분이 차지하는 비율을 조절함으로써 골 조직과 유사한 강도를 갖도록 함으로써 응력 차폐 현상을 차단할 수 있다.

상기 제1 마그네슘 함유 기재 및 제2 마그네슘 함유 층은 순수한 마그네슘으로 형성되거나, 마그네슘을 90% 이상 함유하는 합금일 수 있다. 예컨대, 상기 합금의 경우 마그네슘 이외에 알루미늄, 지르코늄, 아연, 망간, 칼슘, 이트륨, 몰리브데늄, 니오븀, 스트론튬, 규소, 인, 니켈 및 철로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 총 10% 미만의 비율로 더 포함할 수 있다.

상기 생체세라믹층은 1 내지 5 μm 두께로 코팅될 수 있다. 상기 생체세라믹층의 두께가 1 μm 미만인 경우, 원하는 만큼의 내부식성 향상 효과 및/또는 이후 도입되는 고분자층과의 계면접착력 증가 효과를 달성하기 어려울 수 있고, 5 μm 초과인 경우에는 불필요하게 이식체가 비후되며 완전히 분해되어 흡수될 때까지 필요 이상으로 긴 시간을 필요로 할 수 있다.

상기 생분해성 고분자층은 1 내지 500 μm 두께로 코팅될 수 있다. 변형력 등 기재에 외부로부터 자극이 인가되는 경우 생체세라믹이 균열되어 더 이상의 마그네슘의 부식을 방지하지 못하게 되는 것을 보완하기 위하여 보다 유연한 고분자층을 추가로 도입하는 것을 고려할 때, 상기 생분해성 고분자층은 그 내부에 코팅된 결정형의 생체세라믹층을 완전히 커버할 수 있도록 그보다 두껍게 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 상기 생분해성 고분자층이 1 μm 미만의 두께로 형성되는 경우 표면이 불균일하게 니들모양의 결정으로 형성되는 생체적합성 세라믹층을 온전히 커버하지 못하고 노출되는 부분이 남아있어 자극이 가해질 경우 해당부분이 균열되고 그 균열을 통해 내부의 마그네슘 함유 기재가 2차로 노출되어 급격한 부식을 유발할 수 있으며, 500 μm 초과하는 두께로 형성될 경우에는 필요 이상으로 지나치게 두꺼워서 완전히 분해 흡수되기까지 상당한 시간을 필요로 할 수 있다.

본 발명의 생체세라믹층 및 생분해성 고분자층을 모두 포함하는 마그네슘 기반 기재는 이들 코팅층을 포함하지 않는 단일 마그네슘 함유 기재에 비해 내부식성, 생체적합성, 또는 이들 중 둘 이상이 향상된 것일 수 있다. 나아가, 생체세라믹층 또는 생분해성 고분자층 중 어느 하나만을 포함하는 마그네슘 기반 기재와 비해서도 내부식성, 생체적합성, 또는 이들 중 둘 이상이 향상된 것일 수 있다. 생체세라믹 및 생분해성 고분자는 모두 생체적합성을 갖는 소재로 이들 코팅층을 도입함으로서 조직세포의 생착 및/또는 증식을 촉진할 수 있다. 뿐만 아니라 이들 코팅층을 추가로 포함함으로써 내부식성 역시 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 마그네슘 기반 기재는 마그네슘 기재의 표면으로부터 생체세라믹층과 생분해성 고분자층을 차례로 포함하되 생분해성 고분자층을 충분한 두께로 형성하여 생체세라믹층이 완전히 덮히도록 형성할 수 있다. 이에 따라, 표면에 노출된 생체세라믹층의 경우 빈번히 발생할 수 있는 균일로 인해 나타날 수 있는, 오히려 부식이 촉진되거나 하는 등의 바람직하지 않은 효과를 차단할 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 마그네슘 기반 기재는 상기 제1 마그네슘 함유 기재 및 제2 마그네슘 함유 층의 부피 비에 따라 물리적 강도 및 강성을 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 마그네슘 기반 기재는 마그네슘 분말 및 기공 형성 물질을 각각 2:8 내지 5:5의 부피비로 포함하는 마그네슘 함유 제1 혼합 조성물 및 10:0 또는 2:8 내지 5:5의 부피비로 포함하되, 기공 형성 물질의 함량이 상기 제1 혼합 조성물에 비해 적은 것인, 마그네슘 함유 제2 혼합 조성물을 준비하는 제1단계; 마그네슘 함유 제1 혼합 조성물 또는 제2 혼합 조성물 중 어느 하나의 조성물을 금속 몰드에 넣고 5 내지 15 MPa의 압력을 가하여 치밀체를 형성하는 제2단계; 제2단계로부터 수득한 치밀체를 상기 금속 몰드 보다 큰 흑연 몰드에 넣고 흑연몰드와 치밀체 사이의 빈 공간에는 마그네슘 함유 제1 혼합 조성물 또는 제2 혼합 조성물 중 다른 하나의 조성물을 넣고 10 내지 50 MPa의 압력을 가하고 550 내지 650℃까지 승온시켜 마그네슘 함유 복합 소결체를 제조하는 제3단계; 제3단계로부터 수득한 마그네슘 함유 복합 소결체 pH 11 이상의 염기성 수용액에 담그어 기공 형성 물질을 용해시켜 다공성 마그네슘 함유 기재를 형성하는 제4단계; 제4단계로부터 수득한 다공성 마그네슘 함유 기재 상에 생체세라믹층을 도입하는 제5단계; 및 상기 생체세라믹층 상에 생분해성 고분자층을 도입하는 제6단계를 포함하는 제조방법에 의해 제공될 수 있다.

전술한 바와 같이, 마그네슘 함유 제2 혼합 조성물은 기공 형성 물질 없이 마그네슘 분말만을 포함하거나(10:0), 마그네슘 분말과 기공 형성 물질을 2:8 내지 5:5의 부피비로 포함할 수 있다. 상기 제2 혼합 조성물은 최종적으로 제조되는 마그네슘 기반 기재에 있어서 기계적 강도를 부여하기 위한 상대적으로 치밀한 부분을 구성하게 되므로 마그네슘 분말의 비율이 제1 혼합 조성물에 비해 높은 것이 바람직하나, 혼합 조성물 중에서 기공 형성 물질의 비율이 2/10 미만으로 낮아지는 경우 이에 의해 형성되는 공간이 부족하여 물질의 출입이 자유롭지 못하므로 추후 기공 형성 물질을 완벽하게 제거하는 것이 불가능할 수 있다.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 제3단계는 5×10^-1 내지 1×10^-1 Torr의 저진공 상태를 유지하면서 방전 플라즈마 소결법을 이용하여 수행할 수 있다. 또한, 마그네슘 분말의 소결을 용이하게 하기 위해 10 내지 50 MPa의 압력을 유지하면서 방전 플라즈마 소결을 실시할 수 있다. 마그네슘은 반응성이 높아 쉽게 산화되므로 반응물로 사용하는 마그네슘 분말의 표면에 산화층이 형성되기 쉬우며, 상기 산화층의 존재는 소결을 어렵게 하고 소결 도중 탄화나 산화가 일어나도록 할 수 있다. 따라서 마그네슘의 탄화 및/또는 산화를 최소화하면서 소결하기 위해서는 방전 플라즈마 소결법을 사용하는 것이 유리할 수 있다.

예컨대, 상기 마그네슘 분말 및 기공 형성 물질은 각각 독립적으로 평균 직경 10 내지 500 μm 크기의 분말을 사용할 수 있다. 상기 마그네슘 분말 및 기공 형성 물질의 크기는 최종적으로 형성되는 기공의 형태 및/또는 크기에 영향을 줄 수 있다.

이때, 상기 기공 형성 물질은 650℃ 이상의 녹는점을 갖는 수용성 물질일 수 있다. 기공 형성 물질의 녹는 점이 650℃ 미만인 경우 제3단계를 수행하는 동안 용해되어 그 형태를 유지하지 못함으로써 추후 기공이 불균일한 크기 또는 분포로 형성될 수 있다. 한편, 수용성 물질을 기공 형성 물질로 사용함으로써 단순히 수용액 상에 침지시킴으로써 제거할 수 있으므로 기공 형성 물질을 제거하는 제4단계를 용이하게 수행할 수 있다.

상기 기공 형성 물질로는 염화나트륨(NaCl), 탄산칼슘(CaCO₃), 또는 탄산칼륨(K₂CO₃)을 단독으로 또는 혼합물로 사용할 수 있다. 다만, 염소 이온이 존재하는 경우 마그네슘의 부식을 유발할 수 있으므로, 부식을 억제하고 표면에 부동태화 막이 형성될 수 있도록 제4단계는 pH 11의 염기성 용액을 이용하여 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 중심으로부터 차례로 제1기공율을 갖는 마그네슘 함유 기재; 상기 제1기공율과 상이한 제2기공율을 갖는 마그네슘 함유 층; 결정형 생체세라믹층; 및 생분해성 고분자층을 포함하는 마그네슘 기반 기재를 포함하는 골 조직 재생용 이식체를 제공할 수 있다.

이에 따라, 평균 10 내지 200 MPa의 평균 압축 강도(compressive strength) 또는 0.20 내지 10 GPa의 평균 강성(stiffness)을 갖는 이식체를 제공할 수 있다.

본 발명에 따라 골 조직과 유사하게 다공성 구조를 가지면서 중심부와 외부에서 상이한 기공율을 나타내어 적절한 강도를 가지며 외부에는 생체세라믹층과 생분해성 고분자층을 차례로 더 포함하여 마그네슘 기재의 단점인 체내에서 쉽게 부식되는 것을 차단하고 생체적합성은 더욱 향상된 마그네슘 기반 기재는 골 조직 재생을 위한 이식체로 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 마그네슘 기반 기재의 예로서, 내부에 다공성 마그네슘 기재를, 외부에 치밀한 마그네슘 층을 포함하는 마그네슘 기반 기재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 전체가 다공성인 마그네슘 기재, 및 다양한 비율 및 배열을 갖도록 제조된, 중심부와 외부에서 상이한 다공성을 갖는 마그네슘 기반 기재의 형태를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마그네슘 기반 기재의 제조방법에 있어서, 마그네슘 기재 상에 생체세라믹의 일종인 히드록시아파타이트(HA) 및 생분해성 고분자인 폴리락트산(PLA) 코팅층을 차례로 도입하는 과정을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 4는 전체가 다공성인 마그네슘 기재, 및 전체 부피의 70%를 차지하는 다공성 중심부와 외부에 치밀한 마그네슘층을 갖는 기재와 전체 부피의 70%를 차지하는 치밀한 마그네슘 중심부와 외부에 다공성 마그네슘층을 갖는 기재의 표면을 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 관찰한 이미지를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 중심부과 외부에서 상이한 기공율을 가지며 히드록시아파타이트과 폴리락트산으로 이중코팅된 마그네슘 기반 기재의 표면 형태를 코팅하지 않은 다공성 마그네슘 기재, 히드록시아파타이트 또는 폴리락트산만을 코팅한 다공성 마그네슘 기재와 함께 비교하여 나타낸 도이다.
도 6은 전체가 다공성인 마그네슘 기재, 및 전체 부피의 70%를 차지하는 다공성 중심부와 외부에 치밀한 마그네슘층을 갖는 기재와 전체 부피의 70%를 차지하는 치밀한 마그네슘 중심부와 외부에 다공성 마그네슘층을 갖는 기재의 수직 및 수평 단면을 μ-CT로 측정한 결과를 나타낸 도이다.
도 7은 전체가 다공성인 마그네슘 기재, 및 전체 부피의 70%를 차지하는 다공성 중심부와 외부에 치밀한 마그네슘층을 갖는 기재와 전체 부피의 70%를 차지하는 치밀한 마그네슘 중심부와 외부에 다공성 마그네슘층을 갖는 기재의 수직 및 수평 단면을 μ-CT로 측정하여 이미지화한 3D 구조를 나타낸 도이다.
도 8은 전체가 다공성이거나 치밀한 마그네슘 기재, 및 다양한 비율 및 배열을 갖도록 제조된, 중심부와 외부에서 상이한 다공성을 갖는 마그네슘 기반 기재의 기계적 강도를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 중심부과 외부에서 상이한 기공율을 가지며 히드록시아파타이트과 폴리락트산으로 이중코팅된 마그네슘 기반 기재의 부식률(corrosion rate)을 코팅하지 않은 다공성 마그네슘 기재, 히드록시아파타이트 또는 폴리락트산만을 코팅한 다공성 마그네슘 기재와 함께 비교하여 나타낸 도이다. 부식률은 유사생체용액(simulated body fluid; SBF)에 침지 후 시간에 따른 pH 변화로 나타내었다.
도 10은 본 발명에 따른 중심부과 외부에서 상이한 기공율을 가지며 히드록시아파타이트과 폴리락트산으로 이중코팅된 마그네슘 기반 기재의 표면의 생체적합성을 코팅하지 않은 다공성 마그네슘 기재, 히드록시아파타이트 또는 폴리락트산만을 코팅한 다공성 마그네슘 기재와 함께 비교하여 나타낸 도이다. 구체적으로, 상기 기재 상에 전조골세포(pre-osteoblast)인 MC3T3-E1 세포주를 배양하여 부착 및 확산되는 정도를 확인하였다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 마그네슘 기재의 제조

다공성 부분의 위치 및 비율이 상이한 마그네슘 기반 기재를 각각 하기 1.1, 1.2 또는 1.3에 기재된 방법에 따라 제조하였다. 이들 제조방법의 개략적인 예를 도 1에 나타내었으며, 이에 따라 제조된 기재들의 형태를 도 2에 나타내었다.

1.1 기재 전체가 다공성인 마그네슘 기재의 제조

단계 1-1: 마그네슘 분말(Alfa, -100+200 mesh)과 염화나트륨 분말(NaCl, Sigma-Aldrich)을 3:7의 부피비로 고르게 혼합하였다. 상기 혼합한 분말을 지름 12 mm의 흑연 몰드에 넣고 20 MPa의 압력을 가해 성형하였다. 1×10^-1 Torr의 저진공을 잡아준 뒤 펄스 직류 전류를 흘려주어 585℃까지 100℃/min으로 승온한 뒤 1시간 동안 유지하고 냉각시켰다.

단계 1-2: 마그네슘 기재에 기공을 형성하기 위하여, 상기 단계 1-1로부터 수득한 염화나트륨을 포함하는 성형된 마그네슘 기재를 0.1 M 수산화나트륨(NaOH, Sigma-Aldrich) 수용액에 침지시켜 염화나트륨을 용해시켜 기공을 형성하였다. 이때, 저진공을 잡아 용액이 형성된 기공 내로 용이하게 유입되도록 하였다. pH 11 이상의 조건에서 마그네슘 표면에 얇은 막이 형성되어 마그네슘 자체가 부식되는 것을 차단하고 선택적으로 염화나트륨을 용해시킬 수 있도록 수산화나트륨 용액을 사용하였다. 제조된 다공성 마그네슘 기재는 주기적으로 에탄올에 침지시키고 진공을 잡아주어 추가로 생성되는 부산물을 제거하였다.

1.2 내부에 다공성 마그네슘 기재를, 외부에 치밀한 마그네슘 층을 포함하는 마그네슘 기반 기재의 제조

단계 2-1: 마그네슘 분말과 염화나트륨 분말을 3:7의 부피비로 고르게 혼합하였다. 상기 혼합한 분말을 지름 8 mm 또는 10 mm의 금속 몰드에 넣고 10 MPa의 압력을 가하여 치밀체를 제작하였다. 상기 치밀체를 지금 12 mm의 흑연 몰드의 중심에 넣고 치밀체 주위의 빈 공간에 마그네슘 분말을 채운 뒤 20 MPa의 압력을 가하였다. 1×10^-1 Torr의 저진공을 잡아준 뒤 펄스 직류 전류를 흘려주어 585℃까지 100℃/min으로 승온한 뒤 1시간 동안 유지하고 냉각시켰다.

단계 2-2: 상기 실시예 1.1의 단계 1-2와 동일하게 단계 2-1로부터 수득한 염화나트륨을 포함하는 성형된 마그네슘 기재를 수산화나트륨 용액에 침지시켜 염화나트륨을 용해시킴으로써 기공을 형성하도록 하였다.

1.3 내부에 치밀한 마그네슘 기재를, 외부에 다공성 마그네슘 층을 포함하는 마그네슘 기반 기재의 제조

단계 3-1: 마그네슘 분말을 지름 8 mm 또는 10 mm의 금속 몰드에 넣고 10 MPa의 압력을 가하여 치밀체를 제작하였다. 상기 치밀체를 지금 12 mm의 흑연 몰드의 중심에 넣고 치밀체 주위의 빈 공간에 마그네슘 분말과 염화나트륨 분말을 3:7의 부피비로 고르게 혼합한 분말을 채운 뒤 20 MPa의 압력을 가하였다. 1×10^-1 Torr의 저진공을 잡아준 뒤 펄스 직류 전류를 흘려주어 585℃까지 100℃/min으로 승온한 뒤 1시간 동안 유지하고 냉각시켰다.

단계 3-2: 상기 실시예 1.1의 단계 1-2와 동일하게 단계 3-1로부터 수득한 염화나트륨을 포함하는 성형된 마그네슘 기재를 수산화나트륨 용액에 침지시켜 염화나트륨을 용해시킴으로써 기공을 형성하도록 하였다.

실시예 2: 생체세라믹층 코팅

상기 실시예 1에 따라 준비한 마그네슘 함유 기재에 생체세라믹의 일종인 히드록시아파타이트(hydroxyapatite; HA)를 코팅하였다. 구체적인 실험방법은 본 발명자들의 선행논문인 J. Biomed . Mater. Res. Part A, 2014, 102(2): 429-441에 개시된 방법을 이용하였다.

이때, 코팅 용액은 칼슘계 화합물과 인산계 화합물을 혼합하여 준비하고, 상기 혼합 용액의 온도를 90℃로 유지한 후 마그네슘을 침지시켜 코팅층을 형성하였다. 상기 인산계 화합물로는 에틸렌디아민테트라아세트산-칼슘나트륨염(ethylenediaminetetraacetic acid calcium disodium salt hydrate)을 사용하였으며, 수산화나트륨 수용액을 이용하여 혼합 용액의 pH를 8.9가 되도록 조절하였다.

실시예 3: 생분해성 고분자 코팅

상기 실시예 1에 따라 준비한 다양한 비율로 중심부 또는 외부에 다공성 부분을 다른 부분에는 치밀한 부분을 갖는 마그네슘 함유 기재 및 실시예 2를 통해 표면에 계면 접착력이 우수한 생체세라믹 HA를 코팅한 다공성 마그네슘 기반 기재에 추가로 생체흡수성 고분자인 폴리-L-락트산(poly-L-lactic acid; PLA 또는 PLLA)을 코팅하였다. 도 3에는 실시예 2 및 3에 따른 HA 및 PLA 코팅층을 형성하는 공정을 개략적으로 예시하였다. 상기 생분해성 고분자를 코팅하기 위한 공정으로는 일반적인 딥코팅(dip coating process) 방법을 이용할 수 있으나, 니들모양으로 형성된 HA 코팅층 상에 보다 치밀하게 생분해성 고분자 코팅층을 형성하기 위하여 가압-딥코팅 공정을 적용하였다. 구체적으로, PLA를 디클로로메탄(dichloromethane; DCM)에 10% 농도로 용해시킨 후 마그네슘 합금을 담그고 진공펌프를 이용하여 약 0.5 MPa 정도의 진공도를 유지하였다. 이후 500 μm/sec 속도로 시편을 건져내어 상온에서 건조하였다.

실험예 1: 기능성 기공율을 갖는 다공성 마그네슘 기재의 형상 및 표면 분석

상기 실시예 1-1 내지 1-3에 따라 제조한 마그네슘 기반 기재들의 형상 및 표면을 주사전자현미경으로 관찰하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1의 방법에 의해 내부와 외부에서 상이한 기공율을 갖도록 기공의 분포가 조절된 다공성 마그네슘 기반 기재를 제조할 수 있었다. 이때, 기공율이 변화하는 즉, 치밀한 부분과 다공성 부분이 접하는 계면에서 결함이나 크랙은 발견되지 않았다. 이는 치밀한 부분과 다공성 부분 간의 소결이 잘 이루어졌음을 나타내는 것이다.

나아가, 실시예 1에 따라 다양한 기공율의 다공성 마그네슘 기반 기재를 제조한 후, 실시예 2, 실시예 3 또는 이들 모두를 차례로 수행하여 제조한 무처리 다공성 마그네슘 기재, HA 코팅층 또는 PLA 코팅층만을 도입한 다공성 마그네슘 기반 기재 및 HA 코팅층 도입 후 그 위에 PLA 코팅층을 추가로 도입한 다공성 마그네슘 기반 기재의 표면을 전자현미경을 이용하여 고배율로 관찰하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, HA 코팅층만을 도입한 다공성 마그네슘 기반 기재는 HA 층에 균열이 발생한 것으로 나타났으나, 이에 PLA 코팅층을 추가로 도입한 경우 생분해성 고분자인 PLA 코팅층이 HA 코팅층에 발생한 균열을 모두 커버하도록 형성되어 HA 및 PLA로 이중 코팅된 다공성 마그네슘 기반 기재에서는 표면적으로 드러나는 균열은 확인되지 않았다.

실험예 2: 기능성 기공율을 갖는 다공성 마그네슘 기재의 3차원 구조 분석

상기 실시예 1-1 내지 1-3에 따라 제조한 마그네슘 기반 기재들을 μ-CT(Skyscan)로 스캔하여 내부 및 3차원 구조를 분석하고, 그 결과를 도 6 및 7에 나타내었다. 도 6 및 7에 나타난 바와 같이, 기공 내의 염화나트륨은 완전히 제거되었으며, 기공들 간의 연결성도 매우 우수하였다.

실험예 3: 기능성 기공율을 갖는 다공성 마그네슘 기재의 물리적 강도 평가

상기 실시예 1-1 내지 1-3에 따라 제조한 마그네슘 기반 기재들의 물리적 강도 및 강성을 압축 강도 기기(Instron)로 측정하고, 그 결과를 도 8 및 하기 표 1에 나타내었다.

도 8 및 표 1에 나타난 바와 같이, 전체가 다공성인 마그네슘 기재가 평균 3 내지 5 MPa의 강도를 갖는 것에 비해 다공성 마그네슘 기재의 내부 또는 외부에 전체 부피의 약 30 내지 70%에 달하는 비율로 치밀한 마그네슘 부분을 포함하는 경우 강도가 약 200 MPa 이상까지 현저히 증가되었다. 이는 높은 하중을 지탱할 수 있으므로 골 조직 재생용 이식체 등에 적용 가능함을 나타내는 것으로, 기공율, 다공성 부분의 비율 및/또는 위치를 조절함으로써 원하는 강도 및/또는 강성을 갖도록 조절 가능함으로 나타내는 것이다.

다공성 기재의 위치(부피 백분율)	평균 압축 강도 (compressive strength, MPa)	강성 (Stiffness, GPa)
전체(100%)	4	0.13
내부(70%)	15	0.42
내부(45%)	71	0.67
외부(55%)	111	2.09
외부(30%)	170	5.00
부재(0%)	270	13.22

실험예 4: 부식저항성 평가

상기 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 표면에 추가적인 HA 코팅층 및/또는 PLA 코팅층을 불포함 또는 포함하는 다공성 마그네슘 기반 기재의 부식 특성을 확인하기 위하여, 각각의 시편을 유사생체용액(simulated body fluid; SBF)에 담그고 5일 경과시까지 37℃로 유지하면서 매일 용액의 pH를 측정하고 침지 시간에 따른 pH 변화 패턴을 확인하고, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 구체적으로, 마그네슘의 부식에 의해 생성되는 수산화이온과 수소기체 발생에 의해 나타나는 pH 증가를 측정하여 부식 정도를 확인하고자 하였다. 도 9에 나타난 바와 같이, 코팅층을 불포함하는 다공성 마그네슘 기반 기재 및 표면에 HA 코팅층 또는 PLA 코팅층만을 더 포함하는 다공성 마그네슘 기반 기재의 경우, SBF에 침지시킨 직후로부터 pH가 빠르게 증가하여 5일 경과 후에는 모두 9.4 내지 9.7의 높은 pH를 나타내었으나, HA 및 PLA 코팅층을 모두 포함하는 이중코팅된 다공성 마그네슘 기반 기재의 경우 pH 증가율이 현저히 감소하였음은 물론 5일 후에도 8.4 정도로 현저히 낮은 값을 나타내었다. 이는 이들 코팅층을 모두 포함하는 본 발명에 따른 다공성 마그네슘 기반 기재는 체액과의 접촉에 의한 부식이 더디므로 체내에 이식되어도 자연적인 분해 패턴 이외에 외부적인 요소에 의한 영향을 덜 받으므로 형태나 강도를 오랜시간 유지할 수 있어 골 조직을 대신하기 위한 이식체로 사용하기에 적합함을 나타내는 것이다.

실험예 5: 생체적합성 평가

전조골세포(pre-osteoblast)인 MC3T3-E1 세포주를 3×10⁴ 세포/ml 밀도로 준비한 기재의 표면에 분주하고 12시간 동안 배양한 후 기재 표면에 부착된 세포들의 형태를 SEM으로 관찰하고 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10에 나타난 바와 같이, 코팅층을 불포함하는 다공성 마그네슘 기반 기재나 표면에 HA 코팅층만을 더 포함하는 다공성 마그네슘 기반 기재 상에서는 세포들이 제대로 부착되지 못하고 일부 세포들이 둥글게 뭉쳐있는 것이 관찰되었다. 다만, PLA 코팅층만을 더 포함하는 다공성 마그네슘 기반 기재 상에서는 올바른 형태로 세포들이 부착된 것을 확인할 수 있었으나, 그 수는 현저히 적었다. 반면, 본 발명에 따른 HA 및 PLA 코팅층을 모두 포함하는 이중 코팅된 다공성 마그네슘 기반 기재 상에서 배양한 세포의 경우에는 올바르게 부착되었음은 물론 확산에도 유리함을 확인하였다. 이는 본 발명에 따른 기재가 다른 기재들에 비해 보다 우수한 생체적합성을 가짐을 나타내는 것이다.

Claims

중심부로부터 차례로 제1기공율을 갖는 제1 마그네슘 함유 기재; 상기 제1기공율과 상이한 제2기공율을 갖는 제2 마그네슘 함유 층; 결정형 생체세라믹층; 및 생분해성 고분자층을 포함하는 마그네슘 기반 기재.
제1항에 있어서,
상기 제1기공율 및 제2기공율 중 어느 하나는 50% 내지 80% 범위에서 선택되고, 다른 하나는 0%이거나, 50% 내지 80% 범위에서 선택하되 상기 선택된 기공율보다 낮은 것인 마그네슘 기반 기재.
제1항에 있어서,
상기 제1 마그네슘 함유 기재 및 제2 마그네슘 함유 층은 마그네슘을 90% 이상 함유하는 것인 마그네슘 기반 기재.
제1항에 있어서,
상기 생체세라믹층은 1 내지 5 μm 두께로 형성된 것인 마그네슘 기반 기재.
제1항에 있어서,
상기 생분해성 고분자층은 1 내지 500 μm 두께로 형성된 것인 마그네슘 기반 기재.
제1항에 있어서,
단일 마그네슘 함유 기재에 비해 내부식성, 생체적합성, 또는 이들 중 둘 이상이 향상된 것인 마그네슘 기반 기재.
제1항에 있어서,
상기 제1 마그네슘 함유 기재 및 제2 마그네슘 함유 층의 부피 비에 따라 물리적 강도 및 강성이 조절된 것인 마그네슘 기반 기재.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 마그네슘 기반 기재의 제조방법에 있어서,
마그네슘 분말 및 기공 형성 물질을 각각 2:8 내지 5:5의 부피비로 포함하는 마그네슘 함유 제1 혼합 조성물 및 10:0 또는 2:8 내지 5:5의 부피비로 포함하되, 기공 형성 물질의 함량이 상기 제1 혼합 조성물에 비해 적은 것인, 마그네슘 함유 제2 혼합 조성물을 준비하는 제1단계;
마그네슘 함유 제1 혼합 조성물 또는 제2 혼합 조성물 중 어느 하나의 조성물을 금속 몰드에 넣고 5 내지 15 MPa의 압력을 가하여 치밀체를 형성하는 제2단계;
제2단계로부터 수득한 치밀체를 상기 금속 몰드 보다 큰 흑연 몰드에 넣고 흑연몰드와 치밀체 사이의 빈 공간에는 마그네슘 함유 제1 혼합 조성물 또는 제2 혼합 조성물 중 다른 하나의 조성물을 넣고 10 내지 50 MPa의 압력을 가하고 550 내지 650℃까지 승온시켜 마그네슘 함유 복합 소결체를 제조하는 제3단계;
제3단계로부터 수득한 마그네슘 함유 복합 소결체 pH 11 이상의 염기성 수용액에 담그어 기공 형성 물질을 용해시켜 다공성 마그네슘 함유 기재를 형성하는 제4단계;
제4단계로부터 수득한 다공성 마그네슘 함유 기재 상에 생체세라믹층을 도입하는 제5단계; 및
상기 생체세라믹층 상에 생분해성 고분자층을 도입하는 제6단계를 포함하는 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제3단계는 5×10^-1 내지 1×10^-1 Torr의 저진공 상태를 유지하면서 방전 플라즈마 소결법에 의해 수행하는 것인 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 마그네슘 분말은 평균 직경 10 내지 500 μm 크기의 분말을 사용하는 것인 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 기공 형성 물질은 650℃ 이상의 녹는점을 갖는 수용성 물질인 것인 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 기공 형성 물질은 염화나트륨(NaCl), 탄산칼슘(CaCO₃), 탄산칼륨(K₂CO₃) 또는 이들의 혼합물인 것인 제조방법.
중심으로부터 차례로 제1기공율을 갖는 마그네슘 함유 기재; 상기 제1기공율과 상이한 제2기공율을 갖는 마그네슘 함유 층; 결정형 생체세라믹층; 및 생분해성 고분자층을 포함하는 마그네슘 기반 기재를 포함하는 골 조직 재생용 이식체.
제13항에 있어서,
평균 10 내지 200 MPa의 평균 압축 강도(compressive strength) 또는 0.20 내지 10 GPa의 평균 강성(stiffness)을 갖는 것인 이식체.