KR101294963B1

KR101294963B1 - 식물 템플레이트를 이용하여 제조된 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101294963B1
Application number: KR1020120112997A
Authority: KR
Inventors: 이정태; 김재홍; 유현웅
Original assignee: 이정태
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2013-08-09
Anticipated expiration: 2032-10-11

Abstract

본 발명은 관다발 식물 템플레이트를 이용하여 제조된 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것으로서 관다발을 갖는 식물을 템플레이트로 사용함으로써 미세다공성이고, 다양한 직경의 기공 및 미세다공성 터널을 갖는 친환경적이고 인체에 무해한 스캐폴드 제작이 가능하여 인체 이식용 인공 합성뼈 제작뿐만 아니라, 줄기세포 전달용 담체, 나노약물의 약물전달시스템 등으로 활용이 가능하다.

Description

식물 템플레이트를 이용하여 제조된 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법{Porous scaffold prepared by using plant template and manufacturing method thereof}

본 발명은 관다발 식물 템플레이트를 이용하여 제조된 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것으로서 관다발 식물을 템플레이트로 사용함으로써 미세다공성이고, 다양한 직경의 기공 및 마이크로터널을 갖는 스캐폴드 제작이 가능하여 인체 이식용 인공 합성뼈 제작뿐만 아니라, 줄기세포 등 세포치료제 전달용 담체, 나노약물의 약물전달시스템 등으로 활용이 가능하다.

외상, 수술, 염증, 골다공증 또는 치주염 등과 같은 질환으로 인하여 골 손실, 골 성장의 둔화가 올 수 있고 골 성장을 개선하고 골 해부학적 구조를 갖추도록 하는 것은 매우 중요하다. 손실된 골 구조물에 대한 대체물로서, 또는 골 재생과정에 관여하는 약물 또는 세포치료제의 전달을 위한 담체(carrier)로서 스캐폴드가 사용될 수 있다.

인공뼈 및 그 제조방법에 대한 기술이 있다(한국등록특허 10-1031121호). 이 기술은 다수의 구멍을 가진 다공체와 구멍이 없는 치밀체의 복합구조로 하여 형성된, 각 구성의 단점을 보완할 수 있는 인공뼈의 제조 방법에 관한 것으로서, 인산칼슘계 분말을 겔화 물질과 기공형성제를 넣어 슬러리를 제조하는 단계 및 상기 단계에서 제조된 슬러리를 겔화시킨 후 기공형성제의 함량이 다른 슬러리를 제조된 슬러리에 붓고 겔화시켜 건조와 소결하는 단계를 거쳐 인공뼈를 제조하고 있다. 그러나 여기에서는 기공형성제를 사용하여 다공체를 만들고, 기공형성제가 들어가지 않은 부위는 치밀체로 되는 구성이고, 기공형성제로 PMMA, 폴리머 비드, 나프탈렌 등을 사용하기 때문에 친환경적이지 못하고 형성된 기공의 크기가 300~700μm 정도로 비교적 크고 다양하지 못하다.

뼈 상호성장 증진용 보호 피막을 갖는 뼈 보철에 대한 기술이 있다(미국출원 제08/521,111호). 이 기술은 생 뼈(living bone)와 접촉되고 이에 부착되는 경계 표면, 오목부 플로어에 대하여 내부로 연장되는 다수의 얕은 오목부 및 플로어 위에 있고 바스 부조 형태에 의해 차폐된 뼈 성장 증진용 피막을 포함하며, 생 뼈의 일부를 대체하거나 수리하기 위한 생 뼈에 부착되는 본체를 갖는 이식 가능한 뼈 보철에 관한 것으로서, 뼈 성장 증진용 피막으로는 하이드록시아파타이트를 사용하고 있다.

다공성 임플란트의 제조방법에 관한 기술이 있다(한국특허공개 제10-2004-0064794호). 이 기술은 순수한 티타늄(Titanium; Ti) 분말과 수산화 인회석(Hydroxyapatite; HA)분말을 혼합하여 혼합 분말을 조성하는 단계; 상기 혼합 분말에 바인더를 혼합하고 압출기로 압출한 후, 사출하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 사출 성형체에서 바인더를 제거하는 단계; 및 상기 바인더가 제거된 사출 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 임플란트의 제조방법에 대한 것이다.

조직공학용 다공성 뼈-연골 복합 지지체에 관한 기술이 있다(한국특허공개 제10-2006-0054236호). 이 기술은 (i) 생체적합성 고분자와 생리활성형 세라믹을 포함하고 상기 세라믹이 표면에 노출되어 있는 다공성 뼈 재생층, 및 (ii) 생체적합성 탄성 고분자를 포함하는 다공성 연골 재생층을 포함하는, 조직공학용 다공성 뼈-연골 복합 지지체에 관한 것이다.

생체뼈 유도성 인공뼈에 관한 기술이 있다(PCT/JP2004/00042). 이 기술은 티타늄 또는 티타늄 합금의 하나의 덩어리로 이루어지고, 직경 100~3000 μm의 삼차원 망목형상으로 연이어 통한 구멍과, 구멍의 내면에 직경 50 μm이하의 구멍을 갖고, 공극율이 30~80%인 다공질체와, 비정질 산화티탄 상, 비정질 알칼리 티탄산염 상 등으로 이루어지고, 그 다공질체에 있어서의 상기 구멍 및 구멍의 표면의 적어도 일부에 형성된 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 생체뼈 유도성의 인공뼈에 관한 것이다.

수산화인회석(HA) 층을 갖는 ZrO₂ 스캐폴드에 대한 기술도 존재한다. 그러나 상기 스캐폴드의 경우 HA 층이 이식동안 벗겨지거나 마모될 수 있고, ZrO₂와 HA 간의 기계적 성질의 차이로 인해 임플란트의 표면으로부터 금이 가고 찢어지고 느슨해질 수 있다. HA 단편은 작은 바디체들(sequestered bodies)을 형성할 수 있는데 이들은 골유착(osteointegration)을 방해할 수 있다는 문제점이 있다.

그 밖에 공지된 스캐폴드는 분해가능한 재질로 된 것이 있는데, 이는 대상자에 이식 후 분해가 됨을 의미한다. 분해가능하다는 점으로 인한 장점도 있으나, 다른 측면에서 임플란트 자체의 안정화 측면에서는 바람직하지 않기 때문에 단점으로 작용할 수도 있다. 또한, 종래 기술로 알려진 스캐폴드 중에는 염증 반응을 촉발시키거나 감염을 야기하는 것이 있다. 예를 들어 사람 또는 동물 유래 뼈 임플란트 스캐폴드는 또 다른 동물에 이식했을 때 알레르기 반응을 야기할 수도 있다.

한편, 골조직의 재생을 자극하기 위해 임플란트 표면에 세라믹 재료 층을 코팅하기도 하였다. 그러나, 세라믹 코팅은 깨지기 쉽고 임플란트 표면으로부터 벗겨지거나 떨어질 수도 있는데, 이로 인하여 임플란트가 제대로 구조물로 작용하지 못하게 될 우려가 있었다.

본 발명에서는 다양한 크기의 기공을 가지며, 미세다공성 터널(microporous tunnel)을 갖는 스캐폴드를 제공함으로써, 모세혈관의 증식과 골 형성세포의 부착, 분화, 증식에 있어 우수한 지지대 역할을 수행하며, 체내 다양한 체액(fluid)들이 자유롭게 통과 가능하여 세포 대사에 도움이 되고, 나노약물 또는 세포치료제의 전달용 담체로도 사용될 수 있는 스캐폴드 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명에서는, 금속 산화물, 금속 인산염, 금속 황산염 및 금속 수산화염으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 스캐폴드로서, 상기 스캐폴드는 약 10 내지 1,000μm의 기공 크기를 갖는 스캐폴드를 제공함으로써 상기 과제를 해결하고자 한다.

본 발명에서는, (a) 관다발 식물 템플레이트; 및 금속 산화물, 금속 인산염, 금속 황산염 및 금속 수산화염으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 물질 및 알코올을 혼합하여 슬러리를 생성하는 단계; (b) 생성된 슬러리를 회수하는 단계; 및 (c) 슬러리를 건조시키거나, 1,800℃ 이하로 소결하는 단계를 포함하는, 관다발 식물 템플레이트를 이용한 스캐폴드의 제조방법을 제공함으로써 상기 과제를 해결하고자 한다.

본 발명의 다양한 크기의 기공 및 미세다공성 터널을 갖는 세라믹 스캐폴드는 양호한 생체 적합성을 갖는 티타늄 산화물 등으로 만들어지기 때문에 동종골(사람뼈)나 이종골(소뼈, 말뼈 등)에서 발생할 수 있는 면역학적 문제, 교차 감염 또는 알레르기 반응과 같은 부작용을 일으키지 않고 대상자에 이식될 수 있다. 본 발명의 스캐폴드는 또한 그 재질로 인하여 조직의 재생에 유리한 효과를 갖는다. 또한 관다발 식물의 체관부, 물관부, 조직층 사이의 간질을 이루고 있는 섬유질 벽들이 합성된 스캐폴드에서는 미세다공성 터널(microporous tunnel) 역할을 함으로써 모세혈관의 증식과 골 형성세포의 부착, 분화, 증식에 있어 우수한 지지대 역할을 할 수 있다. 또한 체내의 다양한 체액(fluid)들이 자유롭게 통과 가능하기 때문에 세포 대사에 도움이 되고, 미세다공성 터널의 직경이 매우 다양하여 다양한 직경의 모세혈관의 증식이 가능하며, 다양한 사이즈의 나노캡슐이나 마이크로캡슐 등의 약물전달용 담체로 사용이 가능하다. 한편, 식물 및 이의 숯 등을 템플레이트로 사용함으로써 폐처분하여야 하는 농업 폐기물을 활용할 수 있는 장점이 있고, 기존의 인공 템플레이트 또는 동물성 템플레이트와는 달리 소결 후 완전히 제거되며, 설령 미량이 남더라도 인체에 무해하기 때문에 한층 더 안전하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 스캐폴드를 나타내는 사진;
도 2는 식물 템플레이트를 이용하여 제작된 TiO₂ 스캐폴드의 사진;
도 3은 소결된 TiO₂ 스캐폴드의 사진; 및
도 4는 본 발명의 스캐폴드를 제조하는 단계를 도식화한 것이다.

본 발명은 식물 템플레이트를 이용하여 제조된 다공성 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것으로서 식물 관다발을 템플레이트로 사용함으로써 미세다공성이고, 다양한 직경의 기공 및 미세다공성 터널을 갖는 스캐폴드 제작이 가능하여 인체 이식용 인공 합성뼈 제작뿐만 아니라, 줄기세포 등 세포치료제 전달용 담체, 나노약물의 약물전달시스템 등으로 활용이 가능하다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 금속 산화물, 금속 인산염, 금속 황산염 및 금속 수산화염으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 스캐폴드로서, 스캐폴드는 약 10 내지 1,000μm의 기공 크기를 갖는 스캐폴드를 제공한다.

본 발명의 일 실시양태에서, 기공크기는 10 내지 1,000μm, 10 내지 500μm일 수 있다.

다양한 크기의 기공이 존재할 수 있으며, 활엽수와 침엽수 종류에 따라 체관 및 물관의 직경은 다르기 때문에, 사용되는 관다발 식물의 종류를 섞는 비율에 따라 기공의 범위를 조절할 수 있다.

식물 템플레이트로는 관다발을 갖는 식물(vascular plant, tracheophyta)를 사용하며, 대나무숯, 대나무, 참나무, 참나무숯, 자작나무 또는 자작나무숯, 수세미, 옥수수대 등을 사용할 수 있다. 본 명세서 사용하는 용어 관다발 식물은 유관속 식물, 관속 식물을 지칭하는 용어로써, 체내에 관다발을 갖는 식물을 총칭하며, 양치식물, 종자식물(겉씨식물 및 속씨식물)을 모두 포함하는 개념이다.

본 발명의 일 실시양태에서, 스캐폴드의 기공크기는 10 내지 1,000μm의 범위일 수 있고, 기공들의 적어도 일부는 상호 연결되어 있거나, 부분적으로 상호 연결되어 있다. 즉, 기공은 끝이 막히거나 폐쇄된 기공들만으로 이루어진 것이 아니다. 이렇게 상호 연결되어 있는 개방부를 갖는 기공들을 포함함으로써 이러한 미세기공성 터널(microporous tunnel)은 모세혈관의 증식과 골 형성세포의 부착, 분화, 증식에 우수한 지지대 역할을 수행할 수 있고, 체내 다양한 체액(fluid)들이 자유롭게 통과 가능하여 세포대사에 도움이 되며, 다양한 직경의 모세혈관의 증식이 가능하다. 따라서 조직이 괴사하는 것을 막을 수 있다.

본 발명의 일 실시양태에서, 스캐폴드의 압축강도는 적정 범위로 조절할 수 있다. 압축강도가 매우 높지만, 기공률이 매우 낮다면 혈류 공간이 부족하여 신생골 형성이 느릴 수 있고, 나노약물이나 세포를 탑재하기 어렵기 때문에 전달용 담체로 사용될 수 없다. 또한, 일반 다공체의 경우 높은 기공률로 인하여 혈류 공간은 확보되나, 낮은 압축강도로 인하여 스캐폴드가 파괴될 위험성이 존재한다. 그러나, 본 발명에 따른 스캐폴드의 경우 적절한 수준의 압축강도를 가지면서도 다양한 크기의 기공이 적절한 정도로 존재하기 때문에 혈류 공간을 제공하여 신생골 형성에 도움을 줄 수 있다. 한편, 골에 흡수되는 것이 바람직한 인공뼈를 제조하는데 있어서는 압축강도는 보다 낮게 조정하여도 무방하다. 이 기술분야의 당업자라면 사용목적에 따라 적절한 압축강도를 갖는 스캐폴드를 제조할 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시양태에서, 상기 물질은 TiO₂, Ti₃O, Ti₂O, Ti₃O₂, TiO, Ti₂O₃, Ti₃O₅ 및 티타늄 부톡시드로 구성된 그룹으로부터 선택되는 티타늄 산화물; 칼슘 포스페이트; 칼슘 설페이트; 수산화 아파타이트, 실리콘 및 마그네슘이 치환된 수산화 아파타이트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 아파타이트; 지르코늄 디옥시드; 실리콘 디옥시드; 및 이들의 복합물 중 어느 하나일 수 있으며, 보다 구체적으로 TiO₂, 티타늄 부톡시드, 칼슘 포스페이트, 칼슘 설페이트, 하이드록시 아파타이트, ZrO₂, SiO₂ 등일 수 있으나 이로 한정되지 않는다. 상기 물질을 재료로 사용함으로써, 동종골(사람뼈)나 이종골(소뼈, 말뼈 등)에서 발생할 수 있는 면역학적 문제, 교차 감염 또는 알레르기 반응과 같은 부작용을 일으키지 않고 대상자에 이식될 수 있다.

본 발명의 일 실시양태에서, 상기 스캐폴드는 의료용 임플란트, 약물 전달용 담체(drug delivery carrier) 또는 세포 전달용 담체(cell delivery carrier)로 사용될 수 있고, 특히 상기 스캐폴드는 뼈와 같은 조직의 재생, 치유, 대체 및 복구; 또는 세포 또는 약물 전달체용으로 사용될 수 있다.

본 발명은 또한 (a) 관다발 식물 템플레이트; 금속 산화물, 금속 인산염, 금속 황산염 및 금속 수산화염으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 물질; 및 알코올을 혼합하여 슬러리를 생성하는 단계; (b) 생성된 슬러리를 회수하는 단계; 및 (c) 상기 슬러리를 건조시키거나, 1,800℃ 이하에서 소결하는 단계를 포함하는, 스캐폴드의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시양태에서, 상기 관다발 식물 템플레이트로는 관다발을 갖는 식물이 사용될 수 있으며, 구체적으로 대나무, 대나무숯, 참나무, 참나무숯, 자작나무 및 자작나무숯, 수세미, 옥수수대 등이 사용될 수 있으나, 이로 제한되지 않는다. 단면을 관찰하였을 때 관다발, 조직층(속)의 빈공간이 잘 발달된 식물이 템플레이트로 사용될 수 있다. 템플레이트로 사용되기 위한 식물은 건조시킨 후 사용될 수 있다.

상기 스캐폴드 제조시, 상기 물질로는 TiO₂, Ti₃O, Ti₂O, Ti₃O₂, TiO, Ti₂O₃, Ti₃O₅ 및 티타늄 부톡시드로 구성된 그룹으로부터 선택되는 티타늄 산화물; 칼슘 포스페이트; 칼슘 설페이트; 수산화 아파타이트, 실리콘 및 마그네슘이 치환된 수산화 아파타이트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 아파타이트; 지르코늄 디옥시드; 실리콘 디옥시드; 및 이들의 복합물 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로 TiO₂, 티타늄 부톡시드, 칼슘 포스페이트, 칼슘 설페이트, 하이드록시 아파타이트, ZrO₂, SiO₂ 등이 사용될 수 있으며, 보다 더 구체적으로 TiO₂가 사용될 수 있으나 이로 한정되지 않는다.

본 발명의 일 실시양태에서, 각 물질들을 슬러리로 만드는 단계에서 결합제, 분산제 또는 균열방지제 등의 첨가제가 사용될 수 있다.

결합제로는 아크릴아마이드와 같은 아마이드계 모노머, 한천, 젤라틴과 같은 천연 다당류, 메틸 셀룰로오즈(MC), 에폭시계 레진 등을 사용할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.

분산제로는 폴리아크릴산 소디움염(polyacrylic acid sodium salt)을 사용할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.

균열방지제로는 통상 이 기술분야에서 사용되는 균열방지제를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시양태에서, 상기 단계(c)에서 사용목적에 따라 소결시 자연건조시킬 수 있고, 300 내지 1,800℃에서 소결시킬 수 있으며, 1,000 내지 1,500℃에서 소결시킬 수 있다. 본 발명에 따른 일 실시양태에서, 1,000 내지 1,500℃에서 1시간 내지 10시간, 또는 2시간 내지 8시간, 또는 3시간 내지 6시간; 구체적으로 1,000 내지 1,200℃에서 1시간 내지 10시간, 또는 2시간 내지 8시간, 또는 3시간 내지 6시간; 보다 구체적으로 약 1,100℃에서 1시간 내지 10시간, 또는 2시간 내지 8시간, 또는 3시간 내지 6시간; 보다 더 구체적으로 약 1,100℃에서 약 4시간 동안 소결시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에서, 상기 단계(c)에서 만약 자연건조가 아닌 열처리 방법으로 소결시키는 경우, 승온속도는 0.5 내지 3℃/min로 할 수 있고, 구체적으로 1 내지 3℃/min, 보다 구체적으로 약 2℃/min로 할 수 있다. 상기 승온조건에서 가장 바람직한 물성을 갖는 스캐폴드를 얻을 수 있다.

상기 소결과정을 거쳐 제조된 스캐폴드는 상온에서 서서히 식혀 회수할 수 있다. 급속히 냉각시키는 경우 원하는 물성을 갖는 스캐폴드를 얻을 수 없을 가능성이 있고, 깨질 우려가 존재한다.

상기 소결 단계를 거침으로써 식물 템플레이트가 타서 없어져 기공을 형성하게 되며, 스캐폴드만 남게 된다. 이 때 관다발, 조직층(속)의 빈공간이 잘 발달된 식물을 템플레이트로 사용하기 때문에 유기 합성 스폰지와 같은 것에 비하여 친환경적이고, 제거가 용이하며, 보다 다양한 크기의 기공이 형성된 스캐폴드를 얻을 수 있다. 한편, 동물성 스캐폴드를 사용하는 경우 완전히 제거되지 않았을 때 체내에서 면역학적 문제, 교차 감염 또는 알레르기 반응과 같은 부작용을 일으킬 우려가 있는 반면, 본 발명에 따른 관다발 식물 템플레이트의 경우, 이러한 문제를 일으킬 우려가 없다.

본 발명의 일 실시양태에서, 사용되는 식물의 종류에 따라 섬유소 성분을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, 산 또는 구리 암모니아 용액 처리단계를 통해 섬유소 성분을 제거할 수 있다.

상기 제작된 스캐폴드는 정밀 계측과정을 거쳐 사용용도에 맞게 제품화될 수 있다. 금속 산화물 스캐폴드의 크기 및 형태는 목적 용도에 따라 결정된다. 스캐폴드를 제조할 때 사용되는 관다발 식물 템플레이트를 다양하게 함으로써, 제조되는 스캐폴드의 크기 및 형태를 다양하게 할 수도 있다. 그러므로 스캐폴드는 구체적인 대상자를 위한, 구체적인 용도를 위해 쉽게 맞춤제작될 수 있다.

본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 스캐폴드를 제공하며, 스캐폴드는 의료용 임플란트, 약물 전달용 담체 또는 세포 전달용 담체 등으로 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 스캐폴드는 외상, 수술, 종양, 감염, 골다공증 등으로 인한 뼈 결함의 충전에 사용될 수 있고, 세포 성장을 위한 프레임으로 사용될 수도 있으며, 나노 약물 또는 줄기세포 등과 같은 세포치료제의 전달용 담체로 사용될 수 있다.

보다 구체적으로 본 발명에 따른 스캐폴드는 골 충전재료로서, 즉 뼈의 빈 곳을 충전하기 위한 목적으로 사용될 수 있으며, 뼈 공동을 충전하기 위하여 입자크기는 평균직경 0.05 내지 5mm, 구체적으로 0.1 내지 2mm, 보다 구체적으로 0.2 내지 1mm의 범위로 과립화될 수 있다. 이 때 상기 스캐폴드에는 골형성인자가 탑재될 수 있으며, 골형성인자로는 구체적으로 골형성단백질, 예를 들어 재조합골형성단백질(recombinant human bone morphogenetic protein)과 같은 것이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 스캐폴드에 탑재되는 생체분자로는 천연 생체분자, 합성 생체분자, 재조합 생체분자 등을 들 수 있다. 구체적으로 세포부착인자, 효소, 혈중 단백질, 항체, 성장인자, 호르몬, DNA, RNA, RNAi, 약물, 단백질 의약품, 펩타이드, 무기질, 비타민, 골형성인자 등이다. 이들 생체분자는 생체분자를 포함하는 용액에 스캐폴드를 침지시키거나 또는 전기화학적 공정 등에 의해 스캐폴드에 부착될 수 있으며, 기타 이 기술분야에 알려져 있는 방법을 사용할 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만 하기는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이지 본 발명의 권리범위를 이로 한정하는 것을 의미하는 것은 아니다.

실시예 1. 대나무숯을 이용한 스캐폴드의 제조

티타니아 슬러리 합성에는 티타늄 부톡시드(titanium butoxide, TBOT, Aldrich사), 에탄올(Aldrich사) 및 암모니아수를 정제과정 없이 사용하였다. 물로는 역삼투압 방식에 의해 제조된 3차 정제수를 사용하였다. 구체적인 합성과정은 다음과 같다.

0.3g의 대나무숯을 에탄올 20mL와 증류수 0.5 mL의 혼합물이 담긴 비이커에 넣고 초음파로 10분간 충분히 분산시켰다. 이후 하루 정도 충분히 숯을 용액에 적시도록 방치하였다. 글러브박스내에서 1.56g의 티타늄 부톡시드를 에탄올 50mL에 녹여 분액깔대기에 옮겨 담았다. 대나무숯 템플레이트 용액을 막대자석을 사용하여 교반하고, 분액깔대기의 티타늄 부톡시드 용액을 한 방울씩 적하하며 약 30분간 교반하였다. 적하가 완료된 이후 추가로 15분간 교반을 추가하였다. 뿌옇게 생성된 티타니아 입자가 대나무숯에 흡착하여 침착하며 성장하는 것이 관찰되었다. 이들 분산된 입자들을 거름종이를 사용하여 거르고, 흰 슬러리를 회수하였다. 이 때 50mL의 에탄올로 3회 수세하였다. 수득된 흰 슬러리를 건조기에 넣고 40℃에서 건조시켰다. 이 후 건조된 슬러리를 알루미나 사각토갑에 고르게 펴주었다. 흰 슬러리가 함유된 알루미나 사각토갑의 뚜껑을 닫은 후 로(furnace)에 넣고 2℃/분의 속도로 4시간 동안 1,100℃를 유지하였다. 이 때 대나무숯은 전부 연소하여 티타니아 슬러리만 남게 되며, 이후 상온으로 서서히 식혀 회수하였다. 수득된 티타니아 슬러리는 도 1에 도시한 바와 같다.

실시예 2. 대나무를 이용한 스캐폴드의 제조

실시예 1의 대나무숯 대신 0.3g의 대나무를 이용하여, 실시예 1의 과정과 동일한 과정에 따라 티타니아 슬러리를 제조하였다.

실시예 3. 참숯을 이용한 스캐폴드의 제조

실시예 1의 대나무숯 대신 0.3g의 참숯을 이용하여, 실시예 1의 과정과 동일한 과정에 따라 티타니아 슬러리를 제조하였다.

실시예 4. 자작나무숯을 이용한 스캐폴드의 제조

실시예 1의 대나무숯 대신 0.3g의 자작나무숯을 이용하여, 실시예 1의 과정과 동일한 과정에 따라 티타니아 슬러리를 제조하였다.

실시예 5. 수세미를 이용한 스캐폴드의 제조

실시예 1의 대나무숯 대신 0.3g의 수세미를 이용하여, 실시예 1의 과정과 동일한 과정에 따라 티타니아 슬러리를 제조하였다.

실시예 6. 수세미숯을 이용한 스캐폴드의 제조

실시예 1의 대나무숯 대신 0.3g의 수세미숯을 이용하여, 실시예 1의 과정과 동일한 과정에 따라 티타니아 슬러리를 제조하였다.

실시예 7. 옥수수대를 이용한 스캐폴드의 제조

실시예 1의 대나무숯 대신 0.3g의 옥수수대를 이용하여, 실시예 1의 과정과 동일한 과정에 따라 티타니아 슬러리를 제조하였다.

실시예 8. 옥수수대숯을 이용한 스캐폴드의 제조

실시예 1의 대나무숯 대신 0.3g의 옥수수대숯을 이용하여, 실시예 1의 과정과 동일한 과정에 따라 티타니아 슬러리를 제조하였다.

<실험방법>

(1) 시험시편 준비

압축강도 및 기공률 측정을 위한 시험시편을 다음과 같은 과정을 거쳐 제작하였다. 식물 템플레이트를 사용하지 않고 제조한 치밀체 시편(비교예1) 10개와, 본 발명의 실시예 1의 과정에 따라 제조된 시편(실시예1) 10개, 그리고 기공형성제(PMMA, polymethyl methacrylate)를 사용하여 제조한 다공체 시편(비교예2) 10개를 각각 준비하였다. 시편은 가로 X 세로 X 높이 = 5mm X 10mm X 10mm로 하였다.

실험예 1. 압축강도 측정

압축강도는 TIRAtest 2810(TIRA사) UTM 장비를 사용하여 측정하였다. 0.5mm/min head speed로 압축강도를 측정하였다. 5회 반복 측정한 값 중 최대값 및 최소값을 제외한 나머지 값의 평균값을 구하였다. 실험 결과는 다음 표에 나타낸 바와 같다.

압축강도 측정결과

샘플	비교예1	비교예2	실시예1
측정값(평균값, MPa)	240.6	21.2	150.3

실험예 2. 기공률 측정

시험시편의 건조 무게, 현수 무게, 젖은 무게를 각각 측정하여 아르키메데스법을 이용하여 기공률을 5회 반복 측정하였다. 측정값은 최대값과 최소값을 제외한 나머지 값으로 평균을 내어 비교평가하였다. 그 결과는 다음 표에 나타낸 바와 같다.

기공률 측정결과

샘플	비교예1	비교예2	실시예1
측정값(평균값, %)	4.8	65.1	51.2

실험예 3. 비표면적 측정기

비표면적 측정기(BET)는 다공성 덩어리에 존재하는 기공의 크기 및 크기분포 측정이나 시료표면에 흡착된 단분자층을 형성하는데 필요한 양을 측정하여 단위무게 혹은 부피당 표면적을 계산할 수 있다. 밀폐된 용기 내에서 다른 조건의 변화없이 온도의 변화로 인하여 질소가스가 고체 즉 용기의 내부표면 또는 흡착, 탈착이 되는 경우 일정양의 가스 중 일부 분자들이 흡착 또는 탈착된 것이며 압력의 측정으로 이러한 현상을 관찰할 수 있다. 시료를 냉각시킨 후 질소기체와 같은 비활성 기체를 불어넣으면 시료표면에 질소기체를 넣어 샘플파괴를 방지하고, 시료의 기공에 따른 표면적을 계산할 수 있다. 비표면적 측정기를 이용하여 실시예1 및 비교예1, 2의 스캐폴드의 비표면적을 측정한 결과는 다음 표에 나타낸 바와 같다.

비표면적 측정결과

샘플	실시예1	비교예1	비교예1
측정값(평균값, m²/g)	20.33	10.2	10.1

상기 표의 결과로부터 알 수 있듯이, 단일구조의 치밀체의 경우 압축강도가 매우 높지만, 기공률이 매우 낮기 때문에 혈류 공간이 부족하여 신생골 형성이 느릴 수 있고, 나노약물이나 세포를 탑재하기 어렵기 때문에 전달용 담체로 사용될 수 없다. 또한, 다공체의 경우 높은 기공률로 인하여 혈류 공간은 확보되나, 낮은 압축강도로 인하여 스캐폴드가 파괴될 위험성이 존재한다. 그러나, 본 발명에 따른 스캐폴드의 경우 적절한 수준의 압축강도를 가지면서도 다양한 크기의 기공이 적절한 정도로 존재하기 때문에 혈류 공간을 제공하여 신생골 형성에 도움을 줄 수 있다.

Claims

(a) 관다발 식물 템플레이트; 티타늄 산화물; 및 알코올을 혼합하여 슬러리를 생성하는 단계;
(b) 상기 슬러리를 회수하는 단계; 및
(c) 상기 슬러리를 건조시키거나, 300 내지 1,800 ℃에서 소결하는 단계를 포함하고,
상기 단계(c)에서 승온속도는 0.5 내지 3 ℃/min인 것을 특징으로 하는,
관다발 식물 템플레이트를 이용한 스캐폴드의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 관다발 식물 템플레이트가 대나무숯, 대나무, 참나무, 참나무숯, 자작나무, 자작나무숯, 수세미, 수세미숯, 옥수수대 및 옥수수대숯으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 관다발 식물 템플레이트를 이용한 스캐폴드의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 티타늄 산화물은 TiO₂, Ti₃O, Ti₂O, Ti₃O₂, TiO, Ti₂O₃ 및 Ti₃O₅로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 관다발 식물 템플레이트를 이용한 스캐폴드의 제조방법.
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제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 스캐폴드.
제6항의 스캐폴드를 이용하여 제조된 의료용 임플란트.
제6항의 스캐폴드를 이용하여 제조된 약물 전달용 담체(drug delivery carrier).
제6항의 스캐폴드를 이용하여 제조된 세포 전달용 담체(cell delivery carrier).
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