선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본고에서는 메조다공성 소재 합성기술을 이용하여 나노 크기영역에서 기공구조가 제어된 생체세라믹 합성과경조직 재생 소재로서의 응용과 관련된 최근 연구동향을 소개하고자 한다.
제안 방법
- 또한 Vallet-Regí 그룹은 종래 연구와 같이 일반적으로 2차원 hexagonal 구조를 유도하는 P123를 주형으로 이용하나 CaO 함량비를 제어함으로 2차원 hexagonal 구조에서 3차원 cubic 구조로 기공구조 제어가 가능함을 확인하였다.17) 두 그룹 모두 기공구조를 3차원 cubic 구조로 제어함으로 SBF 내 침적 1시간 경과 후에 수산화 아파타이트 나노입자의 형성을 확인하였다. 즉, 메조다공성 생체활성유리는 일반적 생체활성유리에 비해 매우 우수한 생체활성특성을 나타내며, 화학적 조성보다 비표면적, 기공체적, 3차원 기공구조 등 나노영역에서의 기공구조 특성이 생체활성에 더 크게 영향을 미치는 것이 증명되었다.
- 적층 조형법은 컴퓨터로 지지체의 크기 및 형상을 제어할 수 있고 3차원으로 연결된 기공구조의 제조가 가능하여 환자 맞춤형 지지체 제작이 가능하다.29) 본 연구그룹에서는 메조다공성 생체활성유리 합성법과 적층조형법을 함께 활용하여 다공성 세라믹 혹은 세라믹-고분자 복합 지지체 제조를 실시하였다.30-32) 우선 다공성 세라믹 지지체의 경우, 3.
- 6). PU를 삼블럭공중합체를 포함한 전구체 용액에 반복 침적시킨 후 소성을 통하여 두 종류의 주형 모두 제거하여 계층적 기공구조체를 형성하는 이 합성법은 본 연구그룹을 포함하여 몇몇 그룹에서 제안되었다.24-26) 특히 Kastel 그룹에서는 PU에 일반 생체활성유리와 메조다공성 생체활성유리를 각각 코팅한 후 gentamicin의 흡착·방출거동을 조사하였으며 그 결과, 일반 생체활성유리에 비해 메조다공성 생체 활성유리를 코팅한 지지체가 약 2배량의 약물을 흡착한 반면 방출속도는 훨씬 낮은 경향을 확인하여 메조다공성 생체활성유리의 약물방출기능성을 가진 신규 지지체 소재로써의 활용 가능성을 시사하였다.
- Vallet-Regí 그룹은 기공 및 조직구조와 생체활성과의 관계를 조사하기 위하여 각각의 조건이 다른 세가지 메조다공성 실리카 (SBA-15, MCM-48, MCM-41)를 이용해 생체유사체액(SBF) 내에서 생체활성평가를 실시하였다.
- 따라서 메조다공성 생체활성유리를 25µm 이하로 분쇄한 후 생분해성 고분자인 PCL과 혼합하여 복합체 (60wt% 생체활성유리)를 만든 후적층조형하여기계적특성의향상을꾀하였다(Fig. 7).
- 따라서 본 연구그룹에서는 일반적으로 수백 마이크로 크기영역의 기공을 형성하기 위하여 적용되는 염침출법을 응용하여 염의 크기를 수십마이크로 영역으로 분쇄·제어한 후에 상기 복합체와 혼합하여 적층조형 후 염을 제거하였다.
- 즉, 우수한 기공구조 특성이 생체활성을 나타내기 위한 필요충분조건이 될 수 없으며 적당한 조성의 제어가 필요함을 예상할 수 있다. 이를 위하여 Zhao그룹은 일반적 생체활성유리의 합성법에 삼블럭공중합체 (poly(ethylene oxide)m-poly (propylene oxide)n-poly (ethylene oxide)m, EOmPOnEOm) 중 m=20, n=70으로 구성된 Pluronic P123를 주형으로 이용하여 종래의 솔-젤법으로 합성된 생체활성유리와 같은 조성 (SiO2-CaO-P2O5)을 가지면서 우수한 기공특성(비표면적: 351m2/g, 기공체적: 0.5cc/g, 기공크기: 4.6nm)과 2차원 Hexagonal 메조기공구조를 가지는 메조다공성 생체활성유리의 합성에 성공하였다. 11,13,14) 그 결과, SBF 침적 4시간 경과 후에 수산화 아파타이트 나노입자가 관찰되었으며 8시간 경과 후에는 생체골과 유사한 형상과 크기의 수산화 아파타이트결정 생성이 관찰되었다.
- 최근 3차원 지지체 제조법으로 주목 받고 있는 쾌속조형법 (rapid prototyping method) 중 겔상의 물질을 바늘을 통하여 한줄씩 뽑아내어 차례로 쌓아가는 적층조형법을 이용해 마이크로 기공구조 제어를 시도하였다. 적층 조형법은 컴퓨터로 지지체의 크기 및 형상을 제어할 수 있고 3차원으로 연결된 기공구조의 제조가 가능하여 환자 맞춤형 지지체 제작이 가능하다.
대상 데이터
- 2. 나노 가공구조가 제어된 메조다공성 생체활성유리 (왼쪽에서부터 worm-like, 2D hexagonal, 3D cubic, 3D cubic 구조).
성능/효과
- Vallet-Regí 그룹은 기공 및 조직구조와 생체활성과의 관계를 조사하기 위하여 각각의 조건이 다른 세가지 메조다공성 실리카 (SBA-15, MCM-48, MCM-41)를 이용해 생체유사체액(SBF) 내에서 생체활성평가를 실시하였다.12) 그 결과 SBA-15는 SBF침적 30일 경과 후에 수산화 아파타이트 생성이 관찰되었으며, MCM-48는 60일 경과 후에, 그리고 MCM41는 평가기간 중 수산화 아파타이트의 생성이 관찰되지 않았다. 이러한 차이는 기공크기와 실라놀 그룹 농도 차이에 의한 것으로 추정되었다.
- 한편, 삼블럭 공중합체와 같이 친수기와 소수기 체인으로 구성된 거대 고분자인 메틸셀룰로오즈(MC)를 다종 주형으로 이용하는 경우, MC 단독으로 존재하였을 때와는 전혀 다른 형상의 기공을 유도하는 것이 확인되었다.27) 즉, MC 단독으로 무기질원과 반응 후 열처리하여 얻어진 생체활성유리의 경우 매우 불균일한 기공구조를 나타내는 반면에 MC와 P123 혹은 F127과 같은 삼블록공중합체를 혼합하여 반응시킬 경우 수십 마이크로 영역에서 상호 연결된 기공이 비교적 균일하게 분포하며 수나노 크기영역의 기공을 가지는 계층적 다공성 생체활성유리 제조가 가능함이 확인되었다. 이렇게 얻어진 다공체는 MC 단독으로 얻어진 생체활성유리에 비하여 높은 생체활성을 나타냄이 확인되었으며 소성 전 겔 상태에서 여러 가지 형상으로 조형 가능하고 소성 후에도 그 형상을 잘 유지하며 비교적 양호한 기계적 강도 (압축률 22MPa)를 나타내고 있음이 확인되어 조직재생용 소재로써의 활용 가능성이 시사되었다.
- 또한 나노 크기영역에서 기공구조가 제어된 지지체 소재로는 수산화 아파타이트를 대신하여 우수한 생체활성과 생분해성을 가지는 생체활성유리가 주목 받고 있다.4,5) 생체활성유리의 생체활성은 체내 이식 후 재료 내 Ca2+, PO42-, Si4+ 등의 이온이 용출됨과 동시에 재료 표면에 실리카겔 층이 형성되며, 이 불안정한 실리카겔 층에 수산화 아파타이트가 생성됨으로 유도된다고 이해되고 있다.5,6) 이러한 생체활성은 생체활성유리의 조성, 결정성, 입자크기, 다공도 및 비표면적 등 화학적 및 구조적 특성에 영향을 받으며 특히, 솔-젤법으로 제조된 생체활성유리의 경우 다공도 및 비표면적에 크게 영향을 받는다.
- 일정시간 반응 후 열처리를 통하여 고분자가 제거된 생체활성유리 세라믹 볼은 수십 마이크로미터의 넓이와 수백 마이크로미터의 길이를 가진 큰 기공이 볼 외부에서 내부로 연결되어진 다공체이며 이러한 큰 기공을 이루는 세라믹 벽은 다시 수십 나노에서 수 마이크로 크기영역에서 계층적으로 기공구조를 이루며 상호 연결되어있음이 확인되었다. SBF 내에서 생체활성평가를 실시한 결과 24시간 이내에 수산화 아파타이트 나노입자의 형성이 확인되었으며 또한 높은 생분해성도 확인되었다. 나노-마이크로 크기의 기공분포는 클로로포름 내에서의 반응 시간에 따라 제어가 가능하며 기공구조의 제어와 조성의 제어로 생분해성의 제어 또한 가능하였다.
- 2절에서 소개한 MC-삼블럭공중합체를 주형으로 이용하여 반응시킨 소성전의 생체활성유리 겔을 적층조형용 주사기에 넣고 압출하여 원하는 형상과 기공크기로 지지체를제조하고소성을통하여MC와삼블럭공중합체를 제거하였다. 그 결과 삼블럭공중합체의 구조를 반영한 수나노 크기의 기공과 MC가 유도하는 수십 마이크로크기의 기공, 그리고 적층조형법으로 제조된 수백 마이크로크기의 기공이 모두 연결되어 계층적 기공구조를 이루고 있는 생체활성유리 세라믹 지지체 제조에 성공하였다. 하지만 세라믹만으로 이루어진 경우 지지체에 필요한 구조적 특성은 만족시키나 취성 때문에 기계적 강도 조건을 만족시키기 못하였다.
- 7). 그 결과 세라믹 지지체에 비해 기계적 강도특성이 10배 이상 향상 (10MPa)된 지지체 제조가 가능함이 확인되었다. 또한 메조다공성 생체활성유리를 PCL에 혼합함으로써 PCL만으로 적층조형하는 경우에 비해 형상제어 및 유지가 용이하였으며 생체활성 특성 또한 크게 향상됨이 확인되었다.
- 따라서 본 연구그룹에서는 일반적으로 수백 마이크로 크기영역의 기공을 형성하기 위하여 적용되는 염침출법을 응용하여 염의 크기를 수십마이크로 영역으로 분쇄·제어한 후에 상기 복합체와 혼합하여 적층조형 후 염을 제거하였다. 그 결과 수나노-수십 마이크로-수백 마이크로 크기영역에서 계층적 기공구조를 가지는 3차원 지지체 제조가 가능함이 확인되었으며 염의 혼합비에 따라 기계적 특성 제어가 가능하였다. 이상의 결과로 본 연구그룹에서 제안되어진 메조다공성 생체활성유리를 포함하고 적층조형법으로 조형된 3차원 지지체는 서론에서 소개한 지지체에 필요한 여러 가지 조건을 잘 만족시키고 있어 향후 추가적인 생체적합성 평가 등을 통해 새로운 개념의 지지체로써 응용이 기대된다.
- 또한 Vallet-Regí 그룹은 종래 연구와 같이 일반적으로 2차원 hexagonal 구조를 유도하는 P123를 주형으로 이용하나 CaO 함량비를 제어함으로 2차원 hexagonal 구조에서 3차원 cubic 구조로 기공구조 제어가 가능함을 확인하였다.
- 그 결과 세라믹 지지체에 비해 기계적 강도특성이 10배 이상 향상 (10MPa)된 지지체 제조가 가능함이 확인되었다. 또한 메조다공성 생체활성유리를 PCL에 혼합함으로써 PCL만으로 적층조형하는 경우에 비해 형상제어 및 유지가 용이하였으며 생체활성 특성 또한 크게 향상됨이 확인되었다. 또한 세포실험을 통해 메조다공성 생체활성을 포함한 복합지지체의 경우가 PCL 혹은 일반 생체활성유리와 PCL 복합 지지체에 비해 세포증식거동이 우수함이 확인되었다.
- 또한 메조다공성 생체활성유리를 PCL에 혼합함으로써 PCL만으로 적층조형하는 경우에 비해 형상제어 및 유지가 용이하였으며 생체활성 특성 또한 크게 향상됨이 확인되었다. 또한 세포실험을 통해 메조다공성 생체활성을 포함한 복합지지체의 경우가 PCL 혹은 일반 생체활성유리와 PCL 복합 지지체에 비해 세포증식거동이 우수함이 확인되었다. 토끼를 이용한 동물실험을 통해 이식 후 염증반응 등이 관찰되지 않았으며 지지체 내로 조직이 잘 성장하는 것이 확인되어 생체안전성 또한 우수한지지체임이 확인되었다.
- 27) 즉, MC 단독으로 무기질원과 반응 후 열처리하여 얻어진 생체활성유리의 경우 매우 불균일한 기공구조를 나타내는 반면에 MC와 P123 혹은 F127과 같은 삼블록공중합체를 혼합하여 반응시킬 경우 수십 마이크로 영역에서 상호 연결된 기공이 비교적 균일하게 분포하며 수나노 크기영역의 기공을 가지는 계층적 다공성 생체활성유리 제조가 가능함이 확인되었다. 이렇게 얻어진 다공체는 MC 단독으로 얻어진 생체활성유리에 비하여 높은 생체활성을 나타냄이 확인되었으며 소성 전 겔 상태에서 여러 가지 형상으로 조형 가능하고 소성 후에도 그 형상을 잘 유지하며 비교적 양호한 기계적 강도 (압축률 22MPa)를 나타내고 있음이 확인되어 조직재생용 소재로써의 활용 가능성이 시사되었다. 그 외 생분해성 고분자인 폴리카프로락톤 (PCL)과 메조다공성 생체활성유리 복합체를 제조한 후 NaCl과 같은 염을 주형으로 이용한 후 제거하는 염침출법을 통하여 나노 크기기공과 염이 제공하는 마이크로 크기기공을 동시에 가지는 계층적 기공구조 지지체 합성 예도 보고되고 있다.
- 29)의 경우 구형의 유지가 어려우며 분산되어 나노입자의 형태로 전환되었다. 일정시간 반응 후 열처리를 통하여 고분자가 제거된 생체활성유리 세라믹 볼은 수십 마이크로미터의 넓이와 수백 마이크로미터의 길이를 가진 큰 기공이 볼 외부에서 내부로 연결되어진 다공체이며 이러한 큰 기공을 이루는 세라믹 벽은 다시 수십 나노에서 수 마이크로 크기영역에서 계층적으로 기공구조를 이루며 상호 연결되어있음이 확인되었다. SBF 내에서 생체활성평가를 실시한 결과 24시간 이내에 수산화 아파타이트 나노입자의 형성이 확인되었으며 또한 높은 생분해성도 확인되었다.
- 11,13,14) 그 결과, SBF 침적 4시간 경과 후에 수산화 아파타이트 나노입자가 관찰되었으며 8시간 경과 후에는 생체골과 유사한 형상과 크기의 수산화 아파타이트결정 생성이 관찰되었다. 즉, 나노 크기영역에서 생체활성유리의 기공구조를 제어함으로 인하여 매우 우수한 생체활성을 유도할 수 있음을 확인하였다. 한편 일반적인생체활성유리의 생체활성은 CaO 함량이 높을수록 높으나 메조다공성 생체활성유리의 경우 80SiO2-15CaO 5P2O5 > 70SiO2-25CaO-5P2O5 > 60SiO2-35CaO-5P2O5 1')">>100SiO2로 다른 경향을 보였으며 이것은 CaO 함량이 높을수록 메조구조의 붕괴로 인한 기공구조 특성이 나빠지는 것이 원인으로 추정된다.
- 17) 두 그룹 모두 기공구조를 3차원 cubic 구조로 제어함으로 SBF 내 침적 1시간 경과 후에 수산화 아파타이트 나노입자의 형성을 확인하였다. 즉, 메조다공성 생체활성유리는 일반적 생체활성유리에 비해 매우 우수한 생체활성특성을 나타내며, 화학적 조성보다 비표면적, 기공체적, 3차원 기공구조 등 나노영역에서의 기공구조 특성이 생체활성에 더 크게 영향을 미치는 것이 증명되었다. 이러한 메조다공성 생체활성유리를 경조직 재생용 소재로 이용과 더불어 약물전달시스템 소재로써의 유효성을 조사하는 연구들이 진행되고 있으며 gentamicin, L-Tryptopyhan, tetracy cline, ibuprofen 등 항생·항염·진통제 등의 흡착 및 방출거동 조사를 통하여 그 유효성이 확인되고 있다.
- 한편 일반적인생체활성유리의 생체활성은 CaO 함량이 높을수록 높으나 메조다공성 생체활성유리의 경우 80SiO2-15CaO 5P2O5 > 70SiO2-25CaO-5P2O5 > 60SiO2-35CaO-5P2O5 1')">>100SiO2로 다른 경향을 보였으며 이것은 CaO 함량이 높을수록 메조구조의 붕괴로 인한 기공구조 특성이 나빠지는 것이 원인으로 추정된다. 즉, 실리카계 메조다공성 재료가 생체활성을 나타내기 위하여 CaO의 함유가 필요하나, 함유된 CaO의 양보다는 기공구조특성이 생체활성발현에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 한편, 메조 기공구조를 2차원 구조에서 3차원 구조로 제어함으로 효율적 이온확산 경로의 확보를 통한 생체활성 특성의 개선을 기대할 수 있다.
- 또한 세포실험을 통해 메조다공성 생체활성을 포함한 복합지지체의 경우가 PCL 혹은 일반 생체활성유리와 PCL 복합 지지체에 비해 세포증식거동이 우수함이 확인되었다. 토끼를 이용한 동물실험을 통해 이식 후 염증반응 등이 관찰되지 않았으며 지지체 내로 조직이 잘 성장하는 것이 확인되어 생체안전성 또한 우수한지지체임이 확인되었다. 한편 메조다공성 생체활성유리와 PCL 복합체를 적층조형하여 얻어진 지지체는 수나노 크기의 기공과 수백 마이크로 크기의 기공으로 구성되나 원활한 영양분 전달과 노폐물의 배출을 위해서는 수십 마이크로 크기의 기공이 추가적으로 필요하다.
- 25)상술한 PU, PS 등과 블록공중합체를 다종 주형으로 사용하는 경우 블럭공중합체 유·무와 관계없이 PU와 PS의 형상을 그대로 반영한 마이크로 크기의 기공이 형성된다. 한편, 삼블럭 공중합체와 같이 친수기와 소수기 체인으로 구성된 거대 고분자인 메틸셀룰로오즈(MC)를 다종 주형으로 이용하는 경우, MC 단독으로 존재하였을 때와는 전혀 다른 형상의 기공을 유도하는 것이 확인되었다.27) 즉, MC 단독으로 무기질원과 반응 후 열처리하여 얻어진 생체활성유리의 경우 매우 불균일한 기공구조를 나타내는 반면에 MC와 P123 혹은 F127과 같은 삼블록공중합체를 혼합하여 반응시킬 경우 수십 마이크로 영역에서 상호 연결된 기공이 비교적 균일하게 분포하며 수나노 크기영역의 기공을 가지는 계층적 다공성 생체활성유리 제조가 가능함이 확인되었다.
후속연구
- 8과 같이 나노기공구조 자체가 골형성을 유도하는 역할을 하거나, 항생제, 항염제, 골형성 유도물질 등 약물 및 단백질을 담지하여 치료 및 골형성을 돕는 담체 역할을 하는 등,경조직 재생에 있어 단독 혹은 복합적인 기능발현이 기대된다. 또한메조다공성재료를이용한controlled release와 관련된 기존 기술과의 접목으로 주변환경에 따라 약물을 방출하는 자가치유능력을 가진 신개념의 경조직 지지체의 실현도 기대된다. 이를 위하여서는 재료학 전문가만의 노력으로는 성공할 수 없으며 재료공학-화학-생물학-면역학-약학-의공학-의학 등 다분야간의 협동연구가 반드시 필요하다.
- 나노-마이크로 크기의 기공분포는 클로로포름 내에서의 반응 시간에 따라 제어가 가능하며 기공구조의 제어와 조성의 제어로 생분해성의 제어 또한 가능하였다. 얻어진 세라믹 볼은 메조다공성 생체활성유리의 기공구조와는 전혀 다른 기공크기와 기공구조를 나타내었으며 (Fig. 5) 수십 나노미터의 기공에는 성장인자와 같이 비교적 분자크기가 큰 단백질의 흡착 등에 유리하리라 기대된다.
- 이를 위하여서는 재료학 전문가만의 노력으로는 성공할 수 없으며 재료공학-화학-생물학-면역학-약학-의공학-의학 등 다분야간의 협동연구가 반드시 필요하다. 이러한 이분야간의 경계를 낮춘 협동연구로 새로운 개념의 생체재료 개발이 기대되며 이러한 노력으로 현실화된 고령화 사회의 밝은 미래가 약속될 것이다.
- 그 결과 수나노-수십 마이크로-수백 마이크로 크기영역에서 계층적 기공구조를 가지는 3차원 지지체 제조가 가능함이 확인되었으며 염의 혼합비에 따라 기계적 특성 제어가 가능하였다. 이상의 결과로 본 연구그룹에서 제안되어진 메조다공성 생체활성유리를 포함하고 적층조형법으로 조형된 3차원 지지체는 서론에서 소개한 지지체에 필요한 여러 가지 조건을 잘 만족시키고 있어 향후 추가적인 생체적합성 평가 등을 통해 새로운 개념의 지지체로써 응용이 기대된다.
- 즉, 실리카계 메조다공성 재료가 생체활성을 나타내기 위하여 CaO의 함유가 필요하나, 함유된 CaO의 양보다는 기공구조특성이 생체활성발현에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 한편, 메조 기공구조를 2차원 구조에서 3차원 구조로 제어함으로 효율적 이온확산 경로의 확보를 통한 생체활성 특성의 개선을 기대할 수 있다. 이를 위하여 본 연구그룹에서는 여러 가지 삼블럭공중합체를 이용하여 메조다공성 생체활성물질의 구조제어를 시도하였다 (Fig.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.