KR20180062132A - Composition for three-dimensional ceramic scaffold having dual-pore - Google Patents
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Abstract
본 발명은, i) 33.7 내지 43.7 중량%의 생체 세라믹 입자; ii) 31.2 내지 41.2 중량%의 액상 분산제; iii) 2.3 내지 7.3 중량%의 점성제; iv) 9.5 내지 19.5 중량%의 응집제; 및 v) 0 초과 11중량% 미만의 알긴산 나트륨을 포함하는 3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물은, 인공 지지체의 표면에 미세 공극을 다량 형성시킬 수 있는 알긴산 나트륨과 인체의 뼈를 구성하는 주요 무기질과 동일하거나 유사한 구조를 가지는 생체 세라믹 입자를 포함하며, 상기 조성물로 슬러리를 제조하고, 제조한 슬러리를 고분자 몰드에 공급한 후, 열처리 및 소성하는 간단한 공정으로, 세포의 부착, 증식 및 분화를 촉진하기 위해 적합한 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체를 제조할 수 있다.The present invention relates to a bioceramics composition comprising i) 33.7 to 43.7% by weight of bio-ceramic particles; ii) 31.2 to 41.2% by weight of a liquid dispersant; iii) 2.3 to 7.3% by weight of a viscous agent; iv) 9.5 to 19.5% by weight of flocculant; And v) less than 11% by weight of sodium alginate.
The composition for a three-dimensional ceramic artificial support having a double void according to the present invention comprises sodium alginate capable of forming a large amount of microvoids on the surface of a scaffold and bioceramics having the same or similar structure as the main inorganic constituent of the bones of the human body The present invention can provide a suitable environment for promoting adhesion, proliferation and differentiation of cells by preparing a slurry with the above-mentioned composition, feeding the prepared slurry to the polymer mold, and then performing heat treatment and firing In addition, it is possible to produce a three-dimensional ceramic scaffold with double voids having excellent mechanical properties.
Description
본 발명은 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체를 제조할 수 있는 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a composition capable of producing a three-dimensional ceramic scaffold with double voids.
골 조직 공학(bone tissue engineering) 분야에서 생체 의학자들은 유실된 골 조직(bone tissue)을 복원하기 위해 결함(defect)이 있는 부분에 삽입하여 사용할 수 있는 3차원의 인공 지지체(bio-scaffold)를 개발하고 있다. 상기 인공 지지체는 생체 골격 및 조직을 복원하는데 필요한 세포의 부착, 증식 그리고 분화를 위해 생체내에서 적합한 환경을 제공는 지지체의 역할을 할 수 있다. In the field of bone tissue engineering, biomedical scientists have developed a three-dimensional bio-scaffold that can be inserted into defects to restore lost bone tissue. . The scaffold may serve as a support for providing a suitable environment in vivo for adhesion, proliferation, and differentiation of cells necessary for reconstitution of a living body skeleton and a tissue.
현재 널리 알려진 인공 지지체 제조용 재료는 크게 고분자, 금속, 세라믹 그리고 복합재료로 구분된다. 이 중에서, 세라믹 재료는 골대체재 또는 골 시멘트 등과 같이 인체의 뼈와 가장 연관성이 깊다. Currently known materials for the production of scaffolds are broadly classified into polymers, metals, ceramics and composites. Among them, the ceramic material is most related to the bones of the human body, such as a goal frame or bone cement.
특히, 상기 세라믹 재료 중에서도 산화물 계열에 속하는 이상 인산칼슘(biphasic calcium phosphate, BCP)은 베타 삼인산칼슘(β-tricalcium phosphate, TCP)과 수산화인회석(hydroxyapatite, HA)이 합성된 바이오 세라믹스로서, BCP는 β-TCP의 빠른 생분해성 특성과 HA의 낮은 용해도를 동시에 포함하는 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 뼈와 치아 무기질의 구성 성분과 화학적으로 가장 유사한 특성을 가지고 있어 골 조직 재생에 적합한 재료로 널리 이용되고 있으나, 상기 BCP는 기계적 강도 및 저항성이 낮은 단점이 있다.Particularly, among the ceramic materials, biphasic calcium phosphate (BCP) belonging to the oxide series is a bioceramics synthesized with beta-tricalcium phosphate (TCP) and hydroxyapatite (HA) -TCP, and low solubility of HA, as well as being most chemically similar to the constituents of bone and tooth minerals, it is widely used as a material suitable for bone tissue regeneration , The BCP has a disadvantage of low mechanical strength and low resistance.
상기 단점을 보완할 수 있도록, 최근에는 BCP에 실리카 등을 혼합하여 인공 지지체 제조를 위한 소재로 사용하고 있으며, 상기 실리카는 세라믹의 강도(strength) 및 인성(toughness)을 높이고, 골세포(osteoblast)의 부착과 증식을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 생체 적합성과 골유도성(osteoconductivity)이 높은 생체 활성을 나타내어 골 조직 재생에 많이 이용되고 있다.Recently, BCP has been mixed with silica or the like to be used as a material for preparing a scaffold. The silica has been widely used as a raw material for improving the strength and toughness of ceramics, Can be improved not only in adhesion and proliferation but also in biocompatibility and osteoconductivity. Thus, it is widely used for bone tissue regeneration.
종래에는 3D 프린팅 방식과 몰드 방식을 접목하여 인공 지지체를 제작하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 광조형 기술을 이용하거나, 압출 적층 조형 기술을 이용하여 3차원 인공 지지체를 제조하는 방법에 관한 기술 내용이 개시된 바 있다.Conventionally, studies for manufacturing a scaffold by combining a 3D printing method and a mold method have been progressing actively, and a technical description about a method for manufacturing a three-dimensional scaffold using extrusion lamination molding technology or a stereolithography technique Lt; / RTI >
하지만, 상기와 같은 방법으로 인공 지지체를 제조하기 위해서 사용되는 합성 고분자는 실제 골 조직의 성분과 상이하고, 세포 부착, 증식 및 분화가 쉽게 유도되지 못해, 생체내에 직접적으로 도입하기 힘든 문제가 있어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.However, since the synthetic polymer used for producing the scaffold is different from that of the actual bone tissue, the cell adhesion, proliferation and differentiation are not easily induced, and it is difficult to introduce the synthetic polymer directly into the living body. There is a need for research on how to supplement this.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 실제 골 조직과 동일하거나 매우 유사한 생체 세라믹 입자와, 인공 지지체의 표면에 미세 공극을 다량 형성시킬 수 있는 알긴산 나트륨을 포함하여, 세포의 부착, 증식 및 분화를 촉진하기 위해 적합한 환경을 제공할 수 있고, 기계적 물성이 우수한 인공 지지체를 형성시킬 수 있는 3차원 세라믹 인공지지체용 조성물에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a biocompatible porous ceramic material which comprises bioceramic ceramic particles substantially identical or very similar to actual bone tissue and sodium alginate capable of forming a large amount of microvoids The present invention is directed to a composition for a three-dimensional ceramic artificial support capable of providing a suitable environment for promoting adhesion, proliferation and differentiation of cells, and capable of forming a scaffold having excellent mechanical properties.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, i) 33.7 내지 43.7 중량%의 생체 세라믹 입자; ii) 31.2 내지 41.2 중량%의 액상 분산제; iii) 2.3 내지 7.3 중량%의 점성제; iv) 9.5 내지 19.5 중량%의 응집제; 및 v) 0 초과 11중량% 미만의 알긴산 나트륨을 포함하는 3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물을 제공한다.In order to accomplish the above-mentioned technical object, the present invention provides a bioceramics composition comprising i) 33.7 to 43.7% by weight of bio-ceramic particles; ii) 31.2 to 41.2% by weight of a liquid dispersant; iii) 2.3 to 7.3% by weight of a viscous agent; iv) 9.5 to 19.5% by weight of flocculant; And v) less than 11% by weight of sodium alginate.
또한, 상기 생체 세라믹 입자는 인산칼슘계 세라믹, 하이드록시아파타이트 및 이상 인산칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기 세라믹 재료와, 실리카, 지르코니아, 과산화아연 및 과산화마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 충진제를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the bioceramics particle may be at least one organic ceramic material selected from the group consisting of calcium phosphate ceramics, hydroxyapatite, and anhydrous calcium phosphate, and one or more kinds selected from the group consisting of silica, zirconia, zinc peroxide and magnesium peroxide Or more of the filler.
또한, 상기 액상 분산제는, 암모늄 폴리메타크릴레이트(ammonium polymethacrylate), 에탄올(ethanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide) 및 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The liquid dispersant may be selected from the group consisting of ammonium polymethacrylate, ethanol, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide, and tetrahydrofuran And at least one of them.
또한, 상기 점성제는, 하이드록시메틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 메틸셀룰로오즈, 하이드록시에틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 카르복시메틸셀룰로오즈, 비결정질 셀룰로오즈, 젤라틴, 카제인, 덱스트란, 아라비아검, 트래거캔스 고무, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴록사머 및 유드라짓으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The viscous agent may be at least one selected from the group consisting of hydroxymethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, methylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, amorphous cellulose, gelatin, casein, dextran, And at least one selected from the group consisting of gum arabic gum, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, poloxamer and eudragit.
또한, 상기 응집제는, 폴리에틸렌 이민(polyethylenimine), 키토산 및 키토산 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.The coagulant may be at least one selected from the group consisting of polyethylenimine, chitosan and chitosan derivatives.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 조성물을 이용하여 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체를 제조하는 방법에 있어서, (a) 생체 세라믹 입자, 액상 분산제, 점성제, 응집제 및 알긴산 나트륨을 포함하는 조성물로 슬러리를 제조하는 단계; (b) 상기 슬러리를 3차원 구조의 고분자 몰드에 공급하여 몰드-슬러리 구조물을 제조하는 단계; (c) 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리하여 슬러리 구조물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 슬러리 구조물을 소결하는 단계;를 포함하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a three-dimensional ceramic scaffold with dual voids using the composition described above, comprising the steps of: (a) preparing a composition comprising bioceramic ceramic particles, a liquid dispersant, a viscous agent, a coagulant and sodium alginate Preparing a slurry; (b) supplying the slurry to a polymer mold having a three-dimensional structure to produce a mold-slurry structure; (c) heat treating the mold-slurry structure to produce a slurry structure; And (d) sintering the slurry structure. The present invention also provides a method of manufacturing a two-pore porous three-dimensional ceramic scaffold.
또한, 상기 고분자 몰드는, 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 생체 적합성 고분자를 적층하여 형성시킨 것을 특징으로 한다.The polymer mold is characterized by being formed by laminating biocompatible polymers by a fused deposition modeling (FDM) method.
본 발명에 따른 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물은, 인공 지지체의 표면에 미세 공극을 다량 형성시킬 수 있는 알긴산 나트륨과 인체의 뼈를 구성하는 주요 무기질과 동일하거나 유사한 구조를 가지는 생체 세라믹 입자를 포함하며, 상기 조성물로 슬러리를 제조하고, 제조한 슬러리를 고분자 몰드에 공급한 후, 열처리 및 소성하는 간단한 공정으로, 세포의 부착, 증식 및 분화를 촉진하기 위해 적합한 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체를 제조할 수 있다.The composition for a three-dimensional ceramic artificial support having a double void according to the present invention comprises sodium alginate capable of forming a large amount of microvoids on the surface of a scaffold and bioceramics having the same or similar structure as the main inorganic constituent of the bones of the human body The present invention can provide a suitable environment for promoting adhesion, proliferation and differentiation of cells by preparing a slurry with the above-mentioned composition, feeding the prepared slurry to the polymer mold, and then performing heat treatment and firing In addition, it is possible to produce a three-dimensional ceramic scaffold with double voids having excellent mechanical properties.
도 1은 실시예의 인공 지지체를 제조하는 방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 실시예에 따른 방법으로 제조한 몰드를 촬영한 SEM 이미지이다.
도 3은 실시예에 따른 방법으로 제조하여 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체를 촬영한 SEM 이미지이다.
도 4는 (a) 비교예 1, (b) 실시예, (c) 비교예 2 및 (d) 비교예 3의 인공 지지체의 표면을 확대촬영한 SEM 이미지이다.
도 5는 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 인공 지지체의 (a) 응력-변형률 곡선, (b) 압축 강도 및 (c) 압축 탄성계수를 분석한 결과이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a process drawing showing a method for producing a scaffold of the embodiment. Fig.
2 is a SEM image of a mold manufactured by the method according to the embodiment.
3 is an SEM image of a three-dimensional ceramic scaffold prepared by the method according to the embodiment and having double voids.
4 is an SEM image of a magnified photograph of the surface of the scaffold of (a) Comparative Example 1, (b) Example, (c) Comparative Example 2 and (d)
FIG. 5 shows the results of analysis of the stress-strain curves (a), (b), and (c) compressive elastic modulus of the scaffold of Examples and Comparative Examples 1 to 3.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은, i) 33.7 내지 43.7 중량%의 생체 세라믹 입자; ii) 31.2 내지 41.2 중량%의 액상 분산제; iii) 2.3 내지 7.3 중량%의 점성제; iv) 9.5 내지 19.5 중량%의 응집제; 및 v) 0 초과 11중량% 미만의 알긴산 나트륨을 포함하는 3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물을 제공한다.The present invention relates to a bioceramics composition comprising i) 33.7 to 43.7% by weight of bio-ceramic particles; ii) 31.2 to 41.2% by weight of a liquid dispersant; iii) 2.3 to 7.3% by weight of a viscous agent; iv) 9.5 to 19.5% by weight of flocculant; And v) less than 11% by weight of sodium alginate.
상기 조성물은 생체 친화성을 가져 생체 내 도입되어도, 안정한 생체 적합성 소재를 포함하는 것이 바람직하다.The composition preferably has biocompatibility and is introduced in vivo, and preferably contains a stable biocompatible material.
생체 세라믹 입자는 제조되는 인공 지지체의 기계적 강도를 부여하는 역할을 하고, 인체의 뼈를 구성하는 주요 무기질과 동일하거나 유사한 구조를 가지는 소재를 사용할 수 있다. The bioceramics particles serve to impart the mechanical strength of the scaffold to be produced, and materials having the same or similar structure as the main inorganic material constituting the bones of the human body can be used.
상기와 같은 생체 세라믹 입자는 인산칼슘계 세라믹, 하이드록시아파타이트, 이상 인산칼슘 또는 이들의 혼합물을 포함하는 유기 세라믹 재료와, 실리카, 지르코니아, 과산화아연, 과산화마그네슘 또는 이들의 혼합물을 포함하여, 생체 친화성이 우수할 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 인공 지지체를 형성할 수 있다.The bioceramics particles may include an organic ceramic material including calcium phosphate ceramics, hydroxyapatite, anhydrous calcium phosphate, or a mixture thereof, and an organic ceramic material including silica, zirconia, zinc peroxide, magnesium peroxide, It is possible to form a scaffold having excellent chemical and mechanical properties.
바람직하게는, 상기 조성물은 이상 인산칼슘 및 실리카를 포함하는 생체 세라믹 입자를 포함할 수 있으며, 상기 생체 세라믹 입자는 평균 입경이 50 내지 200 nm 크기의 미립자를 사용하여, 치밀한 구조를 갖는 인공 지지체를 형성시킬 수 있다.Preferably, the composition may comprise bioceramics particles comprising anhydrous calcium phosphate and silica, and the bioceramics particles may be prepared by using fine particles having an average particle size of 50 to 200 nm, .
상기 조성물에 포함되는 액상 분산제는 생체 세라믹 입자를 균일하게 분산시키고 안정화시키는 역할을 하며, 암모늄 폴리메타크릴레이트(ammonium polymethacrylate), 에탄올(ethanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 생체 적합성이 우수한 암모늄 폴리메타크릴레이트를 사용할 수 있다. The liquid dispersant contained in the composition plays a role of uniformly dispersing and stabilizing the bio-ceramic particles, and can be prepared by dispersing and stabilizing the bio-ceramic particles in a solvent such as ammonium polymethacrylate, ethanol, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide dimethylacetamide, tetrahydrofuran, and the like, but the present invention is not limited thereto. Preferably, ammonium polymethacrylate having excellent biocompatibility can be used.
상기 조성물에 포함되는 점성제는 생체 세라믹 입자들 간의 점착성 및 점도를 증가시키는 역할을 하며, 하이드록시 메틸셀룰로오즈, 젤라틴, 카제인, 덱스트란, 아라비아검, 트래거캔스 고무, 폴리에틸렌글리콜, 카르복시메틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필셀룰로오즈, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 메틸셀룰로오즈, 하이드록시에틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 비결정질 셀룰로오즈, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴록사머, 유드라짓 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다. 바람직하게는, 상기 점성제로 생체 적합성이 우수한 하이드록시 메틸셀룰로오즈(hydroxyprophyl methylcellulose)를 사용할 수 있고, 액상, 분말 등의 형태에 제한받지 않는다.The viscous agent contained in the composition serves to increase the tackiness and viscosity between the bioceramics particles and may be selected from the group consisting of hydroxymethylcellulose, gelatin, casein, dextran, gum arabic, tragacanth gum, polyethylene glycol, carboxymethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, amorphous cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, poloxamer, eudragit, or a mixture thereof may be used as a representative example of the hydrophilic polymer such as hydroxypropylmethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, methylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, For example. Preferably, hydroxypropyl methylcellulose having excellent biocompatibility with the viscous agent can be used, and is not limited to the form of liquid, powder or the like.
상기 조성물에 포함되는 응집제는 생체 세라믹 입자를 응집시키는 역할을 하며, 폴리에틸렌 이민(polyethylenimine), 키토산, 키토산 유도체 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다. 바람직하게는, 상기 응집제로 폴리에틸렌 이민을 사용할 수 있으며, 액상, 분말 등의 형태에 제한받지 않는다.The coagulant contained in the composition serves to coagulate the bio-ceramic particles, and examples thereof include polyethylenimine, chitosan, chitosan derivatives, or a mixture thereof. Preferably, polyethyleneimine may be used as the coagulant, and is not limited to the form of liquid or powder.
상기 조성물에 포함되는 알긴산 나트륨(sodium alginate)은 점착성 및 점도를 부여하여 제조되는 인공 지지체에 기계적 강도를 증가시키는 증점안정제로서의 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라, 소결에 의해 인공 지지체에 이중 공극을 형성시키는 역할을 한다. 상기 알긴산 나트륨은 액상, 분말 등의 형태에 제한받지 않는다.The sodium alginate contained in the composition can serve as a thickening stabilizer for increasing the mechanical strength of a scaffold prepared by imparting tackiness and viscosity, and can also serve as a thickening stabilizer for forming a double void in the scaffold by sintering It plays a role. The sodium alginate is not limited to the form of a liquid phase, powder or the like.
한편, 상기 조성물은 생체 세라믹 입자, 분산제, 점성제, 응집제 및 공극형성제를 다양한 혼합비율로 혼합하여 물성을 조절할 수 있다. 특히, 조성물에 알긴산 나트륨를 첨가함으로써 인공 지지체의 기계적 강도가 향상될 뿐만 아니라, 인공 지지체에 이중 공극을 형성시킬 수 있다.On the other hand, the composition can control physical properties by mixing the bio-ceramic particles, the dispersant, the viscous agent, the coagulant and the void-forming agent at various mixing ratios. In particular, the addition of sodium alginate to the composition not only improves the mechanical strength of the scaffold, but also allows the formation of double voids in the scaffold.
이를 위해, 상기 조성물은 33.7 내지 43.7 중량%의 생체 세라믹 입자, 31.2 내지 41.2 중량%의 분산제, 2.3 내지 7.3 중량%의 점성제, 9.5 내지 19.5 중량%의 응집제 및 0 초과 11 중량% 이하의 알긴산 나트륨을 포함하며, 이와 같은 조성물을 이용해 형성시킨 인공 지지체는 기계적 강도 및 압축 탄성계수 등의 특성이 우수하여 생체 내에 안정적으로 도입하여 사용할 수 있다.To this end, the composition comprises 33.7 to 43.7% by weight of bioceramics particles, 31.2 to 41.2% by weight of a dispersant, 2.3 to 7.3% by weight of a viscous agent, 9.5 to 19.5% by weight of a flocculating agent and 0 to 11% by weight of sodium alginate The scaffold formed by using such a composition has excellent properties such as mechanical strength and compressive elastic modulus and can be stably introduced into a living body and used.
상기 조성물에 생체 세라믹 입자가 33.7 중량% 미만으로 포함될 경우, 인공 지지체의 강도가 약해 조직 재생 기간 동안 형태를 유지하기 힘든 문제가 있고, 43.7 중량%를 초과하도록 포함할 경우 균일한 분산이 어려워 기계적 강도가 오히려 감소하는 문제가 있다. When the composition contains less than 33.7% by weight of bioceramics, the strength of the scaffold is weak and it is difficult to maintain its shape during the regeneration period of the tissue. When the composition contains more than 43.7% by weight, Is reduced.
상기 조성물에 분산제가 31.2 중량% 미만으로 포함될 경우, 생체 세라믹 입자의 안정화 및 균일한 분산이 어렵고, 41.2 중량%를 초과하도록 포함할 경우 인공 지지체의 기계적 강도가 떨어지는 문제가 있다. When the composition contains less than 31.2% by weight of the dispersing agent, it is difficult to stabilize and uniformly disperse the bioceramics particles. If the composition contains more than 41.2% by weight of the dispersion, the mechanical strength of the scaffold becomes poor.
상기 조성물에 점성제가 2.3 중량% 미만으로 포함될 경우 점성 유지가 어려운 문제가 있고, 7.3 중량%를 초과하도록 포함될 경우, 생체 세라믹 입자가 응집되어 균일한 분산이 어렵다. When the composition contains less than 2.3% by weight of the viscous agent, it is difficult to maintain the viscosity. When the composition contains more than 7.3% by weight of the viscous agent, the bioceramics particles aggregate and are difficult to uniformly disperse.
상기 조성물에 응집제가 9.5 중량% 미만으로 포함될 경우, 조성물의 응집력이 떨어져 인공지지체의 기계적 강도가 저하되는 문제가 있고, 19.5 중량%를 초과하도록 포함될 경우 강하게 응집되어 균일한 분산이 어렵다.When the amount of the coagulant is less than 9.5 wt%, the cohesive force of the composition deteriorates, and the mechanical strength of the scaffold is deteriorated. When the coagulant is contained in an amount exceeding 19.5 wt%, the coagulant is hardly coagulated and uniformly dispersed.
상기 조성물에 알긴산 나트륨이 포함되지 않을 경우, 인공 지지체에 이중 공극이 다량 형성되지 않는 문제가 있고, 11 중량%를 초과하도록 포함될 경우, 인공 지지체의 기계적 강도가 떨어지는 문제가 있으며, 상기 알긴산 나트륨은 바람직하게는 10 중량%로 포함하여 우수한 기계적 물성을 달성할 수 있다.When sodium alginate is not contained in the composition, there is a problem that a large amount of double voids are not formed in the scaffold. When the composition contains more than 11% by weight of the scaffold, the mechanical strength of the scaffold is lowered. By weight and 10% by weight, so that excellent mechanical properties can be achieved.
상기한 바와 같은 조성물은 실제 골 조직과 동일하거나 매우 유사한 생체 세라믹 입자와, 인공 지지체의 표면에 미세 공극을 다량 형성시킬 수 있는 알긴산 나트륨을 포함하여, 세포의 부착, 증식 및 분화를 촉진하기 위해 적합한 환경을 제공할 수 있고, 기계적 물성이 우수한 인공 지지체를 형성시킬 수 있다.The composition as described above contains bioceramic ceramic particles which are the same as or very similar to the actual bone tissue and sodium alginate capable of forming a large amount of microvoids on the surface of the scaffold, and are suitable for promoting cell adhesion, proliferation and differentiation Environment can be provided, and a scaffold having excellent mechanical properties can be formed.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 조성물을 이용하여 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체를 제조하는 방법에 있어서, (a) 생체 세라믹 입자, 액상 분산제, 점성제, 응집제 및 알긴산 나트륨을 포함하는 슬러리를 제조하는 단계; (b) 상기 슬러리를 3차원 구조의 고분자 몰드에 공급하여 몰드-슬러리 구조물을 제조하는 단계; (c) 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리하여 슬러리 구조물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 슬러리 구조물을 소결하는 단계;를 포함하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a three-dimensional ceramic scaffold with dual voids using the above-described composition, comprising the steps of: (a) preparing a slurry comprising bioceramic ceramic particles, a liquid dispersant, a viscous agent, a coagulant and sodium alginate Producing; (b) supplying the slurry to a polymer mold having a three-dimensional structure to produce a mold-slurry structure; (c) heat treating the mold-slurry structure to produce a slurry structure; And (d) sintering the slurry structure. The present invention also provides a method of manufacturing a two-pore porous three-dimensional ceramic scaffold.
상기 단계 (a)는 생체 세라믹 입자, 액상 분산제, 점성제, 응집제 및 알긴산 나트륨을 포함하는 슬러리를 제조하는 단계이다.The step (a) is a step of preparing a slurry containing bioceramics particles, a liquid dispersant, a viscous agent, a flocculant, and sodium alginate.
상기 조성물은 33.7 내지 43.7 중량%의 생체 세라믹 입자, 31.2 내지 41.2 중량%의 분산제, 2.3 내지 7.3 중량%의 점성제, 9.5 내지 19.5 중량%의 응집제 및 0 초과 11 중량% 이하의 알긴산 나트륨을 포함하여, 후술할 단계에서 형성되는 인공 지지체의 기계적 강도 및 압축 탄성계수 등의 특성이 우수하여 생체 내에 안정적으로 도입하여 사용할 수 있다.Said composition comprising 33.7 to 43.7% by weight of bioceramics particles, 31.2 to 41.2% by weight of a dispersant, 2.3 to 7.3% by weight of a viscous agent, 9.5 to 19.5% by weight of flocculating agent and 0 to 11% by weight of sodium alginate , The mechanical strength and the compressive elastic modulus of the scaffold formed in the step to be described later are excellent and can be stably introduced into the living body and used.
또한, 상기 슬러리는 상기 조성물을 50 내지 70 ℃의 온도에서 20 내지 40분 동안 가열하는 열처리 과정을 통해 제조할 수 있으며, 이에 의해, 슬러리에 포함된 가스 성분을 제거하고, 응집력을 높여 기계적 강도를 향상시키며, 생체 세라믹 입자가 균질하게 혼합되어 균일한 밀도를 갖는 인공 지지체를 형성시킬 수 있게 된다.Also, the slurry can be prepared through a heat treatment process in which the composition is heated at a temperature of 50 to 70 ° C for 20 to 40 minutes, thereby removing gas components contained in the slurry, increasing the cohesive force, And the bioceramics particles are homogeneously mixed to form a scaffold having a uniform density.
또한, 본 단계에서 제조한 슬러리는 고분자 몰드에 공급하여 성형하고, 고분자 몰드를 제거하여 인공 지지체를 형성시키기 위해 사용할 수 있기 때문에, 생체 세라믹 입자, 분산제, 점성제, 응집제 및 공극형성제를 다양한 혼합비율로 혼합하여 물성을 조절할 수 있다. 특히, 조성물은 공극형성제를 포함함으로써 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 이중 공극이 형성된 인공 지지체를 형성시킬 수 있다.In addition, since the slurry prepared in this step can be supplied to the polymer mold to be molded and removed to remove the polymer mold to form a scaffold, it is possible to mix the bioceramics particles, dispersant, viscous agent, flocculant, The mixing ratio can be adjusted to control the physical properties. Particularly, the composition includes not only a mechanical strength but also a pore-forming formed scaffold.
상기 단계 (b)는 상기 슬러리를 3차원 구조의 고분자 몰드에 공급하여 몰드-슬러리 구조물을 제조하는 단계로서, 고분자 몰드에 슬러리를 충진하여 몰드에 의해 특정 형상으로 슬러리를 성형할 수 있어 후술할 슬러리 구조물을 형성시킬 수 있게 된다.The step (b) is a step of supplying the slurry to a polymer mold having a three-dimensional structure to prepare a mold-slurry structure. The slurry may be filled in the polymer mold to mold the slurry into a specific shape by a mold. So that the structure can be formed.
상기 고분자 몰드는 열처리 또는 소성에 의해 제거되며, 미량이 인공 지지체에 잔존하여도 생체내 도입된 후 혈액응고나 염증반응을 유발하지 않고, 원하는 시간 안에 생체 내에서 완전히 분해되어 사라질 수 있는 생체 적합성 고분자 소재로 이루어진 것이라면 제한받지 않고 사용할 수 있다.The polymer mold is removed by heat treatment or calcination, and a biocompatible polymer capable of being completely decomposed in vivo in a desired time without inducing blood coagulation or inflammatory reaction after being introduced into the living body even if a trace amount remains in the scaffold. Anything made of materials can be used without restriction.
상기 생체 적합성 고분자는 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리락트산[poly(lactic acid), PLA], 폴리글리콜산[poly(glycolic acid), PGA], 폴리락트산-글리콜산[poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA], 폴리우레탄(polyurethane, PU) 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있으며, 바람직하게는, 생체 적합성 고분자로 폴리카프로락톤(PCL)으로 이루어진 고분자 몰드를 사용할 수 있다.The biocompatible polymer may be selected from the group consisting of polycaprolactone (PCL), poly (lactic acid), PLA, polyglycolic acid, PGA, poly (lactic-co) polyglycolic acid (PLGA), polyurethane (PU), or a mixture thereof. A polymer mold made of polycaprolactone (PCL) may be used as the biocompatible polymer.
특히, 상기 고분자 몰드는, 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 생체 적합성 고분자를 적층하여 형성시킨 정밀한 형상의 고분자 몰드를 사용할 수 있다.In particular, the polymer mold may be a polymer mold of precise shape formed by laminating a biocompatible polymer by a fused deposition modeling (FDM) method.
상기 열 용해 적층 방법(fused deposition modeling, FDM)은 쾌속 조형 기술로써 수십 마이크로의 정밀도로 제어가 가능하여 생체내 도입을 위한 적합한 크기 및 형태로 정밀한 몰드를 제조할 수 있다. The above-described fused deposition modeling (FDM) is a rapid prototyping technique and can be controlled with a precision of several tens of microns, so that a precise mold can be manufactured in a suitable size and shape for in vivo introduction.
상기 열 용해 적층 방법을 이용한 3차원 프린팅은, 생체 적합성 고분자 포함 혼합물을 3D 프린팅 장치에 공급하고, 상기 혼합물을 디스펜서에서 가열하여 용융시킨 후, 공기압을 이용해 노즐(nozzle)로 용융된 혼합물을 배출하여 노즐의 3차원 움직임에 의하여 섬유(strand) 형태로 혼합물을 분사하면, 분사한 섬유가 서로 얽혀지고, 3차원으로 플로팅되어 메쉬 구조의 고분자 몰드를 형성할 수 있게 된다. 이때, 상기 노즐은 100 내지 500 ㎛ 크기의 직경을 갖는 것을 사용할 수 있으며, 메쉬 구조를 이루는 사각형 격자에서 섬유의 간격을 50 내지 500 ㎛의 길이로 섬유를 분사하고, 메쉬 구조를 3차원 플로팅시켜 제조한 고분자 몰드를 사용하는 것이 바람직하다.In the three-dimensional printing using the thermal dissolution laminating method, a biocompatible polymer-containing mixture is supplied to a 3D printing apparatus, the mixture is heated and melted in a dispenser, and the melted mixture is discharged through a nozzle using air pressure When the mixture is injected in the form of a strand by the three-dimensional movement of the nozzle, the injected fibers are entangled with each other and floated in three dimensions to form the polymer mold of the mesh structure. At this time, the nozzle having a diameter of 100 to 500 탆 may be used. The fibers may be sprayed with a length of 50 to 500 탆 in a square grid having a mesh structure, It is preferable to use a polymer mold.
상기 단계 (c)는, 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리하여 슬러리 구조물을 제조하는 단계로서, 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리함으로써, 고분자 몰드를 제거하고, 슬러리 구조물을 형성시킬 수 있다.The step (c) may include a step of heat-treating the mold-slurry structure to produce a slurry structure. The mold-slurry structure may be heat-treated to remove the polymer mold and form a slurry structure.
이를 위해, 본 단계는 90 내지 110 ℃의 온도로 1 내지 3시간 동안 열처리하여 몰드-슬러리 구조물에서 고분자 몰드를 제거하여 생체 세라믹 입자를 포함하는 슬러리 구조물을 형성시킬 수 있다.For this purpose, this step may be performed by heat treatment at a temperature of 90 to 110 ° C. for 1 to 3 hours to remove the polymer mold from the mold-slurry structure to form a slurry structure including the bioceramics particles.
상기 단계 (d)는, 상기 슬러리 구조물을 소결하는 단계로서, 슬러리 구조물을 소결함으로써, 슬러리 구조물에 포함된 생체 세라믹 입자의 결합 밀도를 향상시켜 인공 지지체를 형성시킬 수 있고, 이때, 슬러리 구조물에 포함된 알긴산 나트륨으로 인해 인공 지지체에 표면에는 마이크로 또는 나노미터 크기의 미세 공극이 다량 형성되게 된다. The step (d) is a step of sintering the slurry structure, wherein the slurry structure is sintered to improve the binding density of the bio-ceramic particles contained in the slurry structure to form a scaffold, Sodium alginate causes a large amount of micro- or nanometer-sized microvoids on the surface of the scaffold.
따라서, 본 단계를 통해 제조된 인공 지지체는 고분자 몰드에 의해 성형되어 인공 지지체 자체가 형성하는 공극과 알긴산 나트륨을 포함하는 슬러리 구조물을 소결함에 따라 인공 지지체의 표면에 형성되는 미세 공극을 포함하는 이중 구조의 인공 지지체를 형성시킬 수 있게 된다.Therefore, the scaffold prepared through this step is formed by a polymer mold, and a double structure including micropores formed on the surface of the scaffold is formed by sintering the slurry structure containing the pore formed by the scaffold itself and the sodium alginate It is possible to form the artificial scaffold.
본 단계에서는 1,000 내지 1,400 ℃의 온도로 1 내지 3시간 동안 소결하여 인공 지지체를 제조할 수 있으며, 소결온도가 1,000 ℃ 미만이면 수축률이 낮고, 생체세라믹 입자의 결합 밀도 및 기계적 강도가 떨어지게 되고, 소결온도가 1,400 ℃를 초과하는 경우에는 생체 세라믹 입자의 상 및 결정 구조가 변화되기 때문에 최적의 3차원 인공 지지체를 얻기 어려운 문제가 있다. In this step, a scaffold can be manufactured by sintering at a temperature of 1,000 to 1,400 ° C for 1 to 3 hours. If the sintering temperature is less than 1,000 ° C, the shrinkage rate is low, the binding density and mechanical strength of the bioceramics particles are lowered, When the temperature exceeds 1,400 DEG C, there is a problem that it is difficult to obtain an optimal three-dimensional scaffold because the phase and crystal structure of the bioceramics particles are changed.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물은, 인공 지지체의 표면에 미세 공극을 다량 형성시킬 수 있는 알긴산 나트륨과 인체의 뼈를 구성하는 주요 무기질과 동일하거나 유사한 구조를 가지는 생체 세라믹 입자를 포함하며, 상기 조성물로 슬러리를 제조하고, 제조한 슬러리를 고분자 몰드에 공급한 후, 열처리 및 소성하는 간단한 공정으로, 세포의 부착, 증식 및 분화를 촉진하기 위해 적합한 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체를 제조할 수 있다.As described above, the composition for a three-dimensional ceramic artificial support having double voids according to the present invention comprises sodium alginate capable of forming a large amount of microvoids on the surface of a scaffold and the same or similar structure as main inorganic elements constituting the bones of the human body And the slurry is supplied to the polymer mold, and then the slurry is supplied to the polymer mold, followed by heat treatment and firing. In order to promote adhesion, proliferation and differentiation of the cells, It is possible to produce a three-dimensional ceramic scaffold having double voids with excellent mechanical properties.
나아가, 본 발명에서는 상기 조성물로 제조하여 이중 공극 구조가 형성된 인공 지지체를 제공한다.Further, the present invention provides a scaffold having the double void structure formed of the above composition.
상기 인공 지지체는 인체의 뼈를 구성하는 주요 무기질과 동일하거나 유사한 구조를 가지는 생체 세라믹 입자를 포함하여 생체 친화적일 뿐만 아니라, 기계적 강도가 우수하고, 세포의 부착, 증식 그리고 분화를 위해 적합한 환경을 제공할 수 있도록 이중 공극이 형성되어 생체 도입을 위한 용도로 활용이 가능하다.The scaffold includes bioceramic particles having the same or similar structure as the main inorganic material constituting the bones of the human body, so that it is not only biocompatible, but also has excellent mechanical strength and provides a suitable environment for cell attachment, proliferation and differentiation A double void is formed so that it can be utilized as a biomedical application.
특히, 상기 인공 지지체는 BMP 단백질 또는 NELL 단백질 등과 같이 골형성을 촉진하는 단백질 등으로 표면을 코팅하면 인공 지지체에 형성된 이중 공극에 단백질이 효과적으로 고정화될 수 있어, 생체 도입시 우수한 골형성 효과를 달성할 수 있다.Particularly, when the surface of the scaffold is coated with a protein promoting bone formation such as BMP protein or NELL protein, the protein can be effectively immobilized on the double cavity formed in the scaffold, thereby achieving an excellent bone formation effect .
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.The embodiments presented are only a concrete example of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.
<실시예> <Examples>
도 1에 나타낸 바와 같은 순서로 조성물을 이용해 인공 지지체를 제조하였다.A scaffold was prepared using the composition in the order shown in Fig.
(1) 슬러리 제조(1) Production of slurry
이상 인산칼슘 및 실리카를 1:10의 중량비로 포함하는 생체 세라믹 미립자, 0.75 mL의 폴리메타크릴레이트(Davan®C, R.T. Vanderbilt, USA), 0.1 g의 하이드록시메틸셀룰로오즈(Sigm-Aldrich, USA), 0.3 mL의 폴리에틸렌 이민(Sigm-Aldrich, USA) 및 10 중량%의 알긴산 나트륨(sodium alginate) 분말을 첨가하고, 약수저(spatula)로 균일하게 혼합하여 조성물을 제조하였다. 제조한 조성물을 50 ℃ 오븐(oven, OF-12, JEIO TECH, Korea)에서 10분 동안 열처리하여 혼합물에 포함된 가스를 제거하고 응집력을 증가시켜 슬러리를 제조하였다. 제조한 슬러리를 한번 더 골고루 섞어 동일한 조건으로 오븐에서 열처리하여 응집력을 더욱 높여주고, 인공지지체 제조용 슬러리를 제조하였다. (Davan® C, RT Vanderbilt, USA), 0.1 g of hydroxymethylcellulose (Sigm-Aldrich, USA), 0.75 mL of polymethacrylate (RT Vanderbilt, USA) , 0.3 mL of polyethyleneimine (Sigm-Aldrich, USA) and 10 wt% sodium alginate powder were added and uniformly mixed with a spatula to prepare a composition. The prepared composition was heat-treated for 10 minutes in an oven (oven, OF-12, JEIO TECH, Korea) to remove the gas contained in the mixture and increase the cohesive force to prepare a slurry. The prepared slurry was evenly mixed and heat-treated in an oven under the same conditions to further increase the cohesion, and a slurry for the preparation of a scaffold was prepared.
(2) PCL 몰드 제조 (2) Production of PCL mold
3차원 프린팅 방법을 이용하여 3차원 구조를 갖는 폴리카프로락톤 몰드(PCL mold)를 제조하였다.Polycaprolactone molds (PCL molds) with a three - dimensional structure were prepared using a three - dimensional printing method.
먼저, 폴리머 적층을 위한 작업 평판 위에 양면 테이프를 부착하고, 양면 테이프의 상면에 폴리머를 적층하여 PCL 몰드를 제조하였다. 이때, 세라믹 슬러리를 충전시 몰드에서 세라믹 슬러리가 새어나가지 않도록, 1층은 빈 공간 없이 0.75 mm의 간격으로 폴리머를 적층하였고, 2층 부터는 내부를 1.5 mm의 간격으로 적층하였으며, 외부 벽면은 완전히 막히게 적층하여 PCL 몰드를 제조하였다. 이를 위해, 10 cc 스틸 시린지 및 500 ㎛ 정밀 노즐에 PCL 폴리머 입자를 충진하고, 히터를 이용해 100 ℃로 가열하고, 평균 650 kPa의 공압을 사용하여 200 mm/분의 이송속도 및 500 ㎛ 선폭으로 분사하였으며, 이를 통해, 공극 크기가 1 mm이고, 8.2 × 8.2 × 3.5 mm의 크기를 갖는 PCL 몰드를 제작하였다. First, a double-faced tape was attached to a working flat plate for polymer lamination, and a polymer was laminated on the upper surface of the double-faced tape to prepare a PCL mold. In order to prevent the ceramic slurry from leaking out of the mold when the ceramic slurry was filled, the polymer layer was laminated at intervals of 0.75 mm in the first layer and at intervals of 1.5 mm from the second layer, and the outer wall was completely clogged And laminated to prepare a PCL mold. For this, a 10 cc steel syringe and a 500 탆 precision nozzle were filled with PCL polymer particles, heated to 100 캜 using a heater, injected at a feed rate of 200 mm / min and a 500 탆 line width using an air pressure of 650 kPa on average Through this, a PCL mold having a pore size of 1 mm and a size of 8.2 × 8.2 × 3.5 mm was produced.
(3) 몰드-슬러리 구조물의 제조(3) Preparation of mold-slurry structure
인공지지체 제조용 슬러리 및 PCL 몰드를 1:1 중량비로 하고, 상기 인공지지체 제조용 슬러리를 PCL 몰드에 빽빽하게 채워넣은 후, 1일 동안 자연 건조하여 몰드 및 슬러리를 포함하는 몰드-슬러리 구조물을 제조하였다. The slurry for the preparation of the scaffold and the PCL mold were mixed at a weight ratio of 1: 1, the slurry for preparing the scaffold was densely packed in the PCL mold, and dried naturally for one day to prepare a mold-slurry structure including the mold and the slurry.
PCL 몰드를 제거하기 위해서, 몰드-슬러리 구조물을 100 ℃의 오븐에서 2시간 동안 열처리하여, 바닥면과 외부 벽면에 있던 PCL 몰드를 제거하고, 3차원 형상의 더욱 단단한 슬러리 구조물(mold-slurry structure)을 형성시켰다.In order to remove the PCL mold, the mold-slurry structure was heat-treated in an oven at 100 ° C for 2 hours to remove the PCL molds on the bottom and outer wall surfaces and to form a three-dimensional, more rigid mold- .
(4) 3차원 세라믹 인공지지체의 제조(4) Production of three-dimensional ceramic scaffold
상기 슬러리 구조물은 2시간 동안 자연 건조시킨 다음 소결로(Electric furnace, MF-12H, JEIO TECH, Korea)에서 1100 ℃의 온도로 2시간 동안 소결하여 3차원 세라믹 인공지지체를 제조하였다.The slurry structure was naturally dried for 2 hours and then sintered in an electric furnace (MF-12H, JEIO TECH, Korea) at a temperature of 1100 ° C for 2 hours to prepare a three-dimensional ceramic scaffold.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
알긴산 나트륨을 첨가하지 않는 조성물로 슬러리를 제조하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 몰드-슬러리 구조물을 제조하고, 이를 이용해 인공 지지체를 제조하였다.A mold-slurry structure was prepared in the same manner as in Example except that a slurry was prepared from a composition not containing sodium alginate, and a scaffold was prepared using the mold-slurry structure.
<비교예 2>≪ Comparative Example 2 &
20 중량%의 알긴산 나트륨(sodium alginate) 분말을 포함하는 조성물로 슬러리를 제조하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 몰드-슬러리 구조물을 제조하고, 이를 이용해 인공 지지체를 제조하였다.A slurry composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that a slurry was prepared from a composition containing 20% by weight of sodium alginate powder, and a scaffold was prepared using the same.
<비교예 3>≪ Comparative Example 3 &
30 중량%의 알긴산 나트륨(sodium alginate) 분말을 포함하는 조성물로 슬러리를 제조하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 몰드-슬러리 구조물을 제조하고, 이를 이용해 인공 지지체를 제조하였다.A slurry composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that a slurry was prepared from a composition containing 30% by weight of sodium alginate powder, and a scaffold was prepared using the same.
<실험예 1> 몰드, 구조물 및 인공 지지체의 형태적 특성 분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 Analysis of morphological characteristics of molds, structures and scaffolds
(1) PCL 몰드(1) PCL mold
제조한 PCL 몰드의 형태를 확인하기 위해서, 주사 전자현미경(SEM)을 이용하여 PCL 몰드를 촬영하였으며, 그 결과를 도 32에 나타내었다. In order to confirm the shape of the produced PCL mold, a PCL mold was photographed using a scanning electron microscope (SEM), and the result is shown in FIG.
도 2(a)에 나타난 바와 같이, 제조한 PCL 몰드는 3차원 입체형상을 갖는다는 사실을 확인할 수 있었고, 도 2(b)에 나타난 바와 같이, PCL 몰드는 격자 패턴으로 제작된 선과 공극을 갖는 형태인 것을 확인할 수 있었다. As shown in Fig. 2 (a), it can be confirmed that the produced PCL mold has a three-dimensional solid shape, and as shown in Fig. 2 (b), the PCL mold has a line- .
(2) 몰드-슬러리 구조물(2) Mold-slurry structures
제조한 몰드-슬러리 구조물의 형태를 확인한 결과, 몰드-슬러리 구조물은 5.7 × 5.7 × 3.0 mm의 크기, 1 mm의 선 폭, 500 ㎛의 공극 크기를 갖는다는 사실을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the mold-slurry structure had a size of 5.7 × 5.7 × 3.0 mm, a line width of 1 mm, and a pore size of 500 μm.
(3) 인공 지지체(3)
제조한 3차원 세라믹 인공지지체의 형태학적 특성을 분석하기 위해서, 주사 전자현미경을 이용하여 실시예에 따른 방법으로 제조한 3차원 세라믹 인공지지체를 촬영하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to analyze the morphological characteristics of the manufactured three-dimensional ceramic scaffold, a three-dimensional ceramic scaffold prepared by the method according to the embodiment using a scanning electron microscope was photographed. The results are shown in FIG.
도 3에 나타난 바와 같이, 제조한 인공 지지체는 3차원 형상을 가지고, 이중 공극이 형성되어 있음을 확인할 수 있었으며, 매우 거친 표면 특성을 나타내어 인공 지지체가 세포의 부착, 증식 및 분화에 매우 유리할 것으로 판단되었다.As shown in FIG. 3, it was confirmed that the manufactured scaffold had a three-dimensional shape, and that double voids were formed. The scaffold showed very rough surface characteristics, and it was considered that the scaffold would be very advantageous for adhesion, proliferation and differentiation of cells .
또한, 제조한 인공 지지체는 평균 5.8 × 5.8 × 2.8 mm의 크기, 1400 ㎛의 선 폭, 그리고 360 ㎛의 공극 크기를 갖는다는 사실을 확인할 수 있었으며, 소결에 의해 수축현상이 발생되어 몰드-슬러리 구조물에 비해 크기가 감소하였다는 사실을 확인할 수 있었다.It was also confirmed that the prepared scaffolds had an average size of 5.8 × 5.8 × 2.8 mm, a line width of 1400 μm, and a pore size of 360 μm. When the sintering caused shrinkage, the mold- And the size was decreased compared to that of.
(4) 인공 지지체의 겉보기 밀도 및 공극률 계산(4) Calculation of apparent density and porosity of scaffold
알긴산 나트륨에 의해 형성된 인공 지지체의 표면에 형성된 공극특성을 분석하기 위해서, 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 인공 지지체의 겉보기 밀도을 계산하였으며, 하기 수학식 1을 이용하여 겉보기 밀도(apparent density, g/cm3)를 산출하였으며, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다. 또한, 질량을 측정하기 위해서 정밀 저울(Pioneer PAG214, Ohaus Corp., USA)을 사용하였다(단, 상기 수학식 1에서 Sm은 질량이고, Sv는 부피를 나타냄).In order to analyze the pore characteristics formed on the surface of the scaffold formed by sodium alginate, the apparent density of the scaffold according to Examples and Comparative Examples 1 to 3 was calculated and the apparent density g / cm < 3 >). The results are shown in Table 1 below. In addition, a precise balance (Pioneer PAG214, Ohaus Corp., USA) was used to measure the mass (where S m is the mass and S v is the volume).
[수학식 1][Equation 1]
또한, 알긴산 나트륨에 의해 형성된 인공 지지체의 표면에 형성된 공극 특성을 분석하기 위해서, 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 인공 지지체의 공극률을 계산하였으며, 하기 수학식 2를 이용하여 공극률을 산출하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다(단, 하기 수학식 2에서 V는 인공 지지체의 전체 부피, M은 질량, ρ는 밀도를 나타냄).In order to analyze the pore characteristics formed on the surface of the scaffold formed by sodium alginate, the porosity of the scaffold according to Examples and Comparative Examples 1 to 3 was calculated, and the porosity was calculated using the following formula (2) The results are shown in Table 1 below (where V is the total volume of the scaffold, M is the mass, and p is the density).
[수학식 2]&Quot; (2) "
표 1에 나타낸 바와 같이, 알긴산 나트륨의 첨가량이 인공 지지체의 형태에 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있었다. 알긴산 나트륨이 첨가되지 않은 비교예 1의 경우, 수축이 9.31%나 진행되었으나, 알긴산 나트륨의 첨가량이 증가할수록 생체 세라믹 미립자들 간의 결합력이 약해져 수축이 잘 이루어지지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, it was confirmed that the addition amount of sodium alginate affects the morphology of the scaffold. In Comparative Example 1 in which sodium alginate was not added, shrinkage progressed by 9.31%. However, as the addition amount of sodium alginate increased, the binding force between the bioceramic microparticles became weaker and the shrinkage was not good.
또한, 제조한 인공 지지체에 형성된 공극률을 측정한 결과, 알긴산 나트륨의 혼합량(0 중량%, 10 중량%, 20 중량%, 30 중량%)이 증가함에 따라, 인공 지지체의 공극률 또한 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다(도 4 참조).As a result of measuring the porosity of the prepared scaffold, it was confirmed that porosity of the scaffold increased as the amount of sodium alginate (0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, and 30 wt%) was increased (See FIG. 4).
<실험예 3> 인공 지지체의 기계적 특성 평가≪ Experimental Example 3 > Evaluation of mechanical properties of a scaffold
제조한 인공 지지체의 기계적 특성을 평가하기 위해서, 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 방법으로 제조한 인공 지지체의 압축 강도 및 압축 탄성계수를 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 인공 지지체의 압축 강도는 1 mm/분의 이송 속도에서 압축 시험기(JSV-H1000, Japan)를 이용해 측정하였으며, 압축 시험동안 하중-변위 선도는 컴퓨터로 모니터링 하였다. 인공 지지체의 탄성계수(E)는 압축 시험 선도로부터 산출하였으며, 4개의 동일한 인공 지지체 시료를 이용하여 평균값을 산출하였다.In order to evaluate the mechanical properties of the manufactured scaffold, the compressive strength and compressive elastic modulus of the scaffold prepared by the method according to Examples and Comparative Examples 1 to 3 were measured, and the results are shown in Fig. The compressive strength of the scaffold was measured using a compression tester (JSV-H1000, Japan) at a feed rate of 1 mm / min and the load-displacement curve during the compression test was monitored by computer. The elastic modulus (E) of the scaffold was calculated from the compression test diagram and the mean value was calculated using four identical scaffolds.
도 5은 실시예 및 비교예 1 내지 3에 따른 인공 지지체의 (a) 응력-변형률 곡선, (b) 압축 강도 및 (c) 압축 탄성계수를 분석한 결과이다.5 shows the results of analysis of the stress-strain curves (a), (b) compressive strength and (c) compressive elastic modulus of the scaffolds according to Examples and Comparative Examples 1 to 3.
도 5에 나타난 바와 같이, 실시예에 따른 방법으로 제조한 인공 지지체는 수축률이 가장 좋은 것으로 확인되었고, 압축 강도 및 탄성계수는 수축률과 연관성이 있는 것으로 판단되었다. 알긴산 나트륨은 슬러리를 제조한 후 소결될 때까지 입자가 잘 유지되었던 것으로 판단되나, 포함함량이 증가하면 팽윤하는 특성으로 인해 소결동안 부풀어오르는 현상을 나타내는 것으로 확인되었다. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the shrinkage percentage of the scaffold prepared by the method according to the embodiment was the best, and the compressive strength and the elastic modulus were related to the shrinkage ratio. Sodium alginate was determined to have retained the particles well until the sintering was completed after the slurry was prepared, but it was confirmed that the alginate swells during the sintering due to the swelling property when the content is increased.
알긴산 나트륨을 첨가하지 않은 비교예 1에 비해 실시예에 따른 인공 지지체의 기계적 특성이 향상되는 것으로 볼 때, 알긴산 나트륨이 슬러리의 점착성 및 점도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 세라믹 인공 지지체의 결합력 또한 증가시키는 역할을 하고, 이중 공극 또한 다량 형성시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.As compared with Comparative Example 1 in which sodium alginate was not added, the mechanical properties of the scaffold according to the Examples were improved. Sodium alginate not only increased the stickiness and viscosity of the slurry but also increased the binding force of the ceramic scaffold And it can be confirmed that a large amount of double pores can be formed.
상기한 바와 같은 결과를 통해, 본 발명에 따른 조성물은 이중 공극이 형성되고, 기계적 특성 및 형태적 특성이 우수한 인공 지지체를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었고, 통상의 인공 지지체가 지녀야할 압축강도의 범위(1 내지 10 MPa)와 비교할 때, 본 발명에 따른 조성물로 제조한 인공 지지체는 압축강도가 8.90 ± 0.58로 확인되어 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 거친 표면 특성을 나타내고, 미세 공극이 다량 형성된 이중 공극 구조가 형성되어 세포의 부착, 증식 및 분화에 매우 유리한 환경을 제공할 수 있을 것으로 판단되었다.As a result, it was confirmed that the composition according to the present invention can form a double pore, and can produce a scaffold having excellent mechanical properties and morphological characteristics. It is also confirmed that the conventional scaffold has a compressive strength Compared with the range (1 to 10 MPa), the scaffold prepared from the composition according to the present invention had a compressive strength of 8.90 ± 0.58, showing not only excellent mechanical properties but also rough surface characteristics, and a large amount of micropores It was considered that the double pore structure could provide a favorable environment for cell adhesion, proliferation and differentiation.
Claims (7)
상기 생체 세라믹 입자는 인산칼슘계 세라믹, 하이드록시아파타이트 및 이상 인산칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기 세라믹 재료와, 실리카, 지르코니아, 과산화아연 및 과산화마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 충진제를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the bioceramics particles comprise at least one organic ceramic material selected from the group consisting of calcium phosphate ceramics, hydroxyapatite and anhydrous calcium phosphate and at least one filler selected from the group consisting of silica, zirconia, zinc peroxide and magnesium peroxide The composition for a three-dimensional ceramic artificial support according to claim 1,
상기 액상 분산제는, 암모늄 폴리메타크릴레이트(ammonium polymethacrylate), 에탄올(ethanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide) 및 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물.The method according to claim 1,
The liquid dispersant may be at least one selected from the group consisting of ammonium polymethacrylate, ethanol, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide, and tetrahydrofuran By weight based on the total weight of the composition.
상기 점성제는, 하이드록시메틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 메틸셀룰로오즈, 하이드록시에틸셀룰로오즈, 하이드록시프로필메틸셀룰로오즈, 카르복시메틸셀룰로오즈, 비결정질 셀룰로오즈, 젤라틴, 카제인, 덱스트란, 아라비아검, 트래거캔스 고무, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴록사머 및 유드라짓으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물.The method according to claim 1,
The viscosifying agent may be at least one selected from the group consisting of hydroxymethyl cellulose, hydroxypropylmethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropylmethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, amorphous cellulose, gelatin, casein, dextran, Wherein the composition comprises at least one selected from the group consisting of rubber, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, poloxamer, and eudragit.
상기 응집제는, 폴리에틸렌 이민(polyethylenimine), 키토산 및 키토산 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는3차원 세라믹 인공 지지체용 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the coagulant comprises at least one member selected from the group consisting of polyethylenimine, chitosan and chitosan derivatives.
(a) 생체 세라믹 입자, 액상 분산제, 점성제, 응집제 및 알긴산 나트륨을 포함하는 조성물로 슬러리를 제조하는 단계;
(b) 상기 슬러리를 3차원 구조의 고분자 몰드에 공급하여 몰드-슬러리 구조물을 제조하는 단계;
(c) 상기 몰드-슬러리 구조물을 열처리하여 슬러리 구조물을 제조하는 단계; 및
(d) 상기 슬러리 구조물을 소결하는 단계;를 포함하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법.A method for producing a scaffold using the composition according to any one of claims 1 to 5,
(a) preparing a slurry with a composition comprising bioceramic ceramic particles, a liquid dispersant, a viscous agent, a flocculant, and sodium alginate;
(b) supplying the slurry to a polymer mold having a three-dimensional structure to produce a mold-slurry structure;
(c) heat treating the mold-slurry structure to produce a slurry structure; And
(d) sintering the slurry structure. < RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 고분자 몰드는, 열 용해 적층(fused deposition modeling, FDM) 방법으로 생체 적합성 고분자를 적층하여 형성시킨 것을 특징으로 하는 이중 공극이 형성된 3차원 세라믹 인공 지지체의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the polymer mold is formed by laminating a biocompatible polymer by a fused deposition modeling (FDM) method.
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