KR100751504B1 - Nano-macro sized porous biomaterials with 3-d hierarchical pore structure and method for prepararion thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조의 다공성 생체재료 합성 방법 모식도; 1 is a schematic diagram of a method for synthesizing a porous biomaterial of a hierarchical pore structure of nano-macro size according to the present invention;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄 스폰지(좌), 블록공중합체 및 폴리우레탄 스폰지를 이용하여 얻은 다공성 생체재료의 소성 후(우) 광학현미경(optical microscopy) 사진; FIG. 2 is an optical microscopy photograph of a porous biomaterial obtained by using a polyurethane sponge (left), a block copolymer, and a polyurethane sponge according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블록공중합체(F127, P123)에 대한 다공성 생체재료의 소각 X-선 회절(Small-angle X-ray diffraction; XRD) 측정 결과를 나타낸 그래프; 3 is a graph showing small-angle X-ray diffraction (XRD) measurement results of porous biomaterials for block copolymers F127 and P123 according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록공중합체(F127(좌), P123(우))에 대한 다공성 생체재료의 투과전자현미경(transmission electron microscopy; TEM) 사진 및 광학현미경(아래) 사진; 4 is a transmission electron microscopy (TEM) photograph and an optical microscope (bottom) photograph of a porous biomaterial for a block copolymer (F127 (left), P123 (right)) according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성법 및 종래의 합성법을 비교한 예; 및 5 is an example in which a synthesis method according to an embodiment of the present invention and a conventional synthesis method are compared; And
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면활성제 및 폴리우레탄 스폰지를 이용한 다공성 생체재료의 광학현미경(A), 주사전자현미경(scanning electron microscopy; SEM, (B, C)), 및 투과전자현미경(D) 사진. 6 is an optical microscope (A), scanning electron microscopy (SEM, (B, C)), and transmission electron microscope of a porous biomaterial using a surfactant and a polyurethane sponge according to an embodiment of the present invention (D) Photo.
본 발명은 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 생체재료 및 이의 합성 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 나노 및 마크로 기공이 상호 연결된 열린 기공으로 이루어져 있어서 기능적 골 수복재 및 골 지지체 등으로 응용이 다양한 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 생체재료 및 이의 합성 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a biomaterial having a hierarchical pore structure of nano-macro size and a method for synthesizing it. In particular, the present invention relates to a biomaterial having a hierarchical pore structure of various nano-macro sizes as a functional bone restorative material, a bone support, etc., which is composed of open pores interconnected with nano and macro pores, and a method for synthesizing the same.
차세대의 의료기술로 주목받고 있는 재생 의료, 특히 재생을 원하는 조직으로부터 세포를 분리하여 배양하고 이를 적절한 생체재료에 접종하여 증폭 배양함으로써 인공적으로 조직을 형성하는 시술에 많은 관심이 집중되고 있다. 이러한 시술에는 이식 후 결합조직과의 분리를 막기 위하여 적절한 세포 지지체가 필요하며, 조직접합성과 세포접착성이 뛰어난 지지체 개발이 필요하다. A great deal of attention has been focused on regenerative medicine, which is attracting attention as the next generation of medical technologies, in particular, artificially forming tissues by separating and culturing cells from tissues to be regenerated and inoculating them into appropriate biomaterials. Such a procedure requires an appropriate cell support to prevent separation from connective tissue after transplantation, and the development of a support that is excellent in tissue adhesion and cell adhesion.
종래 일반적으로 세포 지지체로서 고분자 지지체가 많이 이용되고 있으나 골 손실에 있어서의 골 재생재료로서는 기계적 강도, 골과의 친화력 등의 이유로 하이드록시아파타이트, 트리칼슘포스페이트 등의 인산칼슘계 세라믹 재료, 고분자-세라믹 복합체, 바이오글래스, 및 칼슘카보네이트 등의 세라믹 재료가 대표적으로 이용되고 있다. 또한, 효율적 골 생성을 위하여 골 지지체는 3차원으로 연결된 열린 기공구조를 가지는 것이 바람직하다. 상기의 세라믹 재료를 3차원 기공을 가지는 지지체로 합성하는 방법에는 세라믹 미세분말을 슬러리화 한 후 폴리우레탄 등의 고분자 지지체에 코팅시킨 후 열처리에 의해서 폴리우레탄을 제거, 다공질화 하는 방법(대한민국 등록특허 제0331990호), 다중 압축공정을 이용한 방법(이병택 외 3, J. Kor . Ceram . Soc, 2004, 41, 2004), 구형의 세라믹 입자를 상호 접촉시켜 제조하는 방법(대한민국 공개특허 특2003-0023568호) 및 폴리비닐부티랄(D.M.Liu, Biomaterials, 1955, 17, 1996) 또는 메틸셀룰로오즈(N.O.Engin 외 1, J. Eur . Ceram . Soc., 2569, 19, 1009) 등의 유기물을 세라믹 미세분말의 슬러리와 혼합하여 제조하는 방법 등이 있다. 하지만 이들 모두 마크로사이즈(수십 내지 수백 마이크로)의 기공이 연속적으로 연결된 지지체이기는 하나 그 기공을 이루고 있는 세라믹 벽(frame)의 구조제어는 실시되지 않아, 단지 생체친화성은 있으나 조직학적인 골 유도성은 적은 것으로 확인되었으며, 시술 후 결합조직의 개재에 의해 빈번히 골 조직과 분리됨이 확인되었다. 또한, 이들 세라믹 벽은 단지 세포의 부착 장소로 이용되는 것 이외 기능성은 가지고 있지 않다. 이에 우수한 생체친화성뿐 아니라, 골 유도성 및 골 부착성이 뛰어나고 이식 시 적절히 흡수되어 재생 골로 치환될 수 있는 기능형 세라믹 이식재가 요구된다. Conventionally, a polymer support is widely used as a cell support, but as bone regeneration material for bone loss, calcium phosphate-based ceramic materials such as hydroxyapatite and tricalcium phosphate, polymer-ceramic due to mechanical strength, affinity with bone, etc. Ceramic materials such as composites, bioglass, and calcium carbonate are typically used. In addition, the bone support preferably has an open pore structure connected in three dimensions for efficient bone formation. In the method of synthesizing the ceramic material into a support having three-dimensional pores, the ceramic fine powder is slurried, coated on a polymer support such as polyurethane, and then the polyurethane is removed and porousized by heat treatment. 0331990), a method using a multiple compression process (Lee Byung-Tak et al. 3, J. Kor . Ceram . Soc , 2004, 41, 2004), a method of manufacturing by contacting spherical ceramic particles with each other (Korea Patent Publication No. 2003-0023568 ) And polyvinyl butyral (DMLiu, Biomaterials , 1955, 17, 1996) or methyl cellulose (NOEngin et al. 1, J. Eur . Ceram . Soc ., 2569, 19, 1009) And a method of producing a mixture thereof. However, all of them are supports that have macrosized pores (tens of hundreds to hundreds of micros) connected in series, but they do not control the structure of the ceramic walls that make up the pores, so that they are only biocompatible but have little histological bone induction. It was confirmed that after the procedure frequently separated from the bone tissue by the interposition of connective tissue. In addition, these ceramic walls have no functionality other than just being used as a cell attachment site. In addition to the excellent biocompatibility, there is a need for a functional ceramic implant that is excellent in bone induction and bone adhesion, and can be properly absorbed and replaced with regenerated bone when transplanted.
만약 마크로사이즈의 기공을 이루고 있는 3차원 지지체의 세라믹 벽이 나노사이즈의 상호 연결된 기공으로 이루어져 있다면 비표면적과 기공률의 증대와 더불어 세포접착력의 향상 및 나노사이즈의 기공에 증식인자 혹은 영양소, 산소, 약물 등을 흡착시킬 경우 세포증식, 분화의 향상과 더불어 3차원 구조체의 문제점인 지지체 내에서의 세포괴사를 줄이는 효과를 기대할 수 있을 것이다. 또한, 항암제나 항염제 등의 약물을 흡착시켜 사용함으로써 골 재생의 역할과 동시에 염증 등의 치유의 역할을 하는 기능성 지지체의 역할이 가능하리라 기대된다. 이러한 나노사이즈의 기공을 합성하는 방법으로는 기공의 사이즈나 구조의 제어가 용이하며 거대 비표면적을 제공하는 고분자 템플레이트법(C.T.Kresge 외 4, Nature, 710, 359, 1992)이 유효하다고 사료되며 고분자 템플레이트 법과 상기에 기술한 3차원 지지체 합성기술을 함께 응용함으로써 나노와 마크로 사이즈의 기공을 가지는 지지체의 합성이 가능하리라 사료된다. If the ceramic walls of the three-dimensional support, which form macroscopic pores, are composed of nano-sized interconnected pores, the specific surface area and porosity will be increased, cell adhesion will be enhanced, and growth factors or nutrients, oxygen, drugs in the nano-sized pores. Adsorption, etc. may be expected to improve cell proliferation, differentiation, and reduce cell necrosis in the scaffold, a problem of three-dimensional structures. In addition, by adsorbing and using drugs such as anticancer drugs and anti-inflammatory drugs, it is expected that a role of a functional supporter that plays a role of bone regeneration and healing of inflammation and the like can be possible. As a method of synthesizing the nano-sized pores, it is considered that the polymer template method (CTKresge et al. 4, Nature , 710, 359, 1992) that provides easy control of pore size and structure and provides a large specific surface area is effective. By applying the method and the above-described three-dimensional support synthesis technique together, it is thought that the support of nano and macro sized pores can be synthesized.
따라서, 본 발명은 생체친화적이고 생분해성을 가지며 높은 세포유도성을 가지는 기능형 지지체를 제공하기 위하여 나노사이즈 및 마크로사이즈 기공이 상호 연결되며 열린 기공을 가지는 3차원의 계층적 기공구조로 형성된 다공성 생체재료를 제공하는 데 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a porous biological body formed of a three-dimensional hierarchical pore structure in which nanosized and macrosized pores are interconnected and have open pores in order to provide a functional support that is biocompatible, biodegradable and has high cell induction. The purpose is to provide the material.
또한, 본 발명은 상호 연결된 열린 기공을 가지는 나노-마크로 사이즈의 계 층적 기공구조의 생체재료의 합성 방법을 제공하는 데 목적이 있다. In addition, an object of the present invention is to provide a method for synthesizing a bio-material of nano-macro size hierarchical pore structure having open pores interconnected.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 1~1000 μm 범위의 마크로 기공 구조를 갖는 폴리우레탄 고분자 스폰지에, 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분산되어 있으며 구조 유도제에 의해 1~100 nm 범위의 나노 기공이 형성되어 있는 생체재료가 코팅 형성되어, 1~1000 μm 범위의 마크로 기공 및 1~100 nm 범위의 나노 기공이 2차원 및 3차원의 계층적 기공구조로 상호 연결되도록 형성된 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 생체재료를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention is a polyurethane polymer sponge having a macro-pore structure in the range of 1 to 1000 μm, calcium and phosphorus are uniformly dispersed in silicon and in the range of 1 to 100 nm by a structure inducing agent A nano-macro size formed by coating a biomaterial having nano pores formed thereon so that macro pores in a range of 1 to 1000 μm and nano pores in a range of 1 to 100 nm are interconnected in a two-dimensional and three-dimensional hierarchical pore structure. It provides a biomaterial having a hierarchical pore structure of.
또한, 본 발명은 (a) 알코올을 포함하는 유기 용매에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드의 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체재료 용액을 합성하는 단계, (c) 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체재료 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계, (d) 상기 전구체 용액에 폴리우레탄 고분자 스폰지를 침적 및 건조시키는 단계 및 (e) 상기 (d)에서 얻어진 건조물을 소성시켜 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제거하는 단계를 포함하는 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 생체재료의 합성 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) dissolving the block copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide in an organic solvent containing alcohol to synthesize a block copolymer template solution, (b) silicon compounds, calcium compounds and phosphorus compounds Synthesizing a biomaterial solution by mixing, (c) adding the biomaterial solution to the block copolymer template solution to obtain a precursor solution, and (d) depositing and drying a polyurethane polymer sponge in the precursor solution. And (e) calcining the dried material obtained in (d) to remove residual organic material and the template, thereby providing a method for synthesizing a biomaterial having a hierarchical pore structure of nano-macro size.
또한, 본 발명은 (a) 암모니아수를 포함하는 유기 용매에 계면활성제를 용해시켜 계면활성제 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 상기 계면활성제 템플레이트 용액에 규소 화합물을 혼합하여 졸상태의 전구체 용액을 얻는 단계, (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 졸용액에 폴리우레탄 고분자 스폰지를 침적 및 건조시키는 단계 및 (d) 상기 단계 (c)에서 얻어진 건조물을 소성시켜 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제거하는 단계를 포함하는 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 생체재료의 합성 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) dissolving a surfactant in an organic solvent containing ammonia water to synthesize a surfactant template solution, (b) mixing a silicon compound in the surfactant template solution to obtain a sol precursor solution (C) dipping and drying the polyurethane polymer sponge in the sol solution obtained in step (b), and (d) firing the dried product obtained in step (c) to remove residual organic materials and the template. Provided is a method for synthesizing a biomaterial having a hierarchical pore structure of nano-macro size.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 1~1000 μm 범위의 마크로 기공 구조를 갖는 폴리우레탄 고분자 스폰지에, 칼슘 및 인이 규소 중에 균일하게 분산되어 있으며 구조 유도제에 의해 1~100 nm 범위의 나노 기공이 형성되어 있는 생체재료가 코팅 형성되어, 1~1000 μm 범위의 마크로 기공 및 1~100 nm 범위의 나노 기공이 2차원 및 3차원의 계층적 기공구조로 상호 연결되도록 형성된 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조의 생체재료를 포함한다.The present invention relates to a polyurethane material sponge having a macropore structure in the range of 1 to 1000 μm, wherein the biomaterial is formed by dispersing calcium and phosphorus in silicon uniformly and forming nano pores in the range of 1 to 100 nm by a structure inducing agent. A coating is formed to form a nano-macro-sized hierarchical pore structure in which macropores in a range of 1 to 1000 μm and nanopores in a range of 1 to 100 nm are interconnected in a two-dimensional and three-dimensional hierarchical pore structure. Include.
구체적으로, 본 발명은 2차원 및 3차원의 계층적 기공구조로 상호 연결된 지지체 형상을 얻기 위하여 구조유도제(structure directing agent)로 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드 블록공중합체 및 폴루우레탄 고분자 스폰지를 사이즈가 다른 이종(異種)의 유기물 템플레이트로 이용하여 1~100 nm 범위의 나노기공 및 1~1000 μm 범위의 마크로기공이 동시에 포함되는 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조의 생체재료를 포함한다.Specifically, the present invention uses a polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide block copolymer and a polyurethane polymer sponge as a structure directing agent in order to obtain a support shape interconnected in a two-dimensional and three-dimensional hierarchical pore structure. Bio-materials having a hierarchical pore structure of nano-macro size, including nanopores in the range of 1 to 100 nm and macropores in the range of 1 to 1000 μm, are used as heterogeneous organic templates of different sizes.
여기서, 상기 기공유도용 템플레이트가 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 블록공중합체에만 한정되지 않음은 물론이며, 여러가 지 다른 구조의 블록공중합체가 그 템플레이트로 이용될 수 있다.Here, the template for the covalent degree of use is not limited to block copolymers of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide, and block copolymers of various structures may be used as the template.
상기 다공성 생체재료의 나노기공 구조는 2차원 및 3차원으로 상호 연결된 열린 기공으로 형성됨이 바람직하다. 2차원 및 3차원의 기공구조란, 블록공중합체 등의 자기조직화구조를 이루는 유기질 템플레이트에 의하여 형성되는 것으로 나노사이즈의 열린 기공이 2차원 혹은 3차원의 육방정, 입방정 등의 규칙구조를 이루며 상호 연결되어 있는 형상을 일컫는다. 상기 다공성 생체재료의 마크로 기공구조 또한 세포의 지지체 등으로 이용하기 위하여 3차원 방향(x, y, z축 방향)으로 기공이 연결된 형상이 필요하다. 계층적 기공구조란 서로 다른 사이즈 영역의 규칙성 기공이 상호 연결되어 이루어지는 기공구조를 일컫으며 이것은 상기 블록공중합체 및 폴리우레탄 스폰지가 소성 혹은 용매추출법에 의하여 분해, 제거됨으로써 각각 나노사이즈와 마크로사이즈의 기공으로 남는 것을 의미한다.Nanoporous structure of the porous biomaterial is preferably formed of open pores interconnected in two and three dimensions. Two-dimensional and three-dimensional pore structures are formed by organic templates that form self-organizing structures such as block copolymers, and nano-size open pores form regular structures such as two-dimensional or three-dimensional hexagonal and cubic crystals. It refers to the connected shape. In order to use the macropore structure of the porous biomaterial as a support of a cell, a shape in which pores are connected in a three-dimensional direction (x, y, z-axis directions) is required. The hierarchical pore structure refers to a pore structure in which regular pores of different size regions are interconnected. The block copolymer and polyurethane sponge are decomposed and removed by firing or solvent extraction, respectively. It means to remain as pore.
상기 계층적 기공구조 중 마크로사이즈 기공을 이루는 프레임(frame)은 나노사이즈의 규칙성을 갖는 기공으로 이루어짐이 바람직하다. 이 경우, 비표면적 및 기공률이 증대된 세라믹 지지체를 얻을 수 있고, 더불어 생체 내 이식 시, 세포접착력이 향상되고, 또한 기공 사이로 체액이 자유로이 이동할 수 있다. The frame constituting the macrosize pores of the hierarchical pore structure is preferably made of pores having the regularity of the nano-size. In this case, a ceramic support having an increased specific surface area and porosity can be obtained, and in addition, the cell adhesion can be improved during implantation in vivo, and body fluid can move freely between the pores.
나노사이즈의 기공에 증식인자 혹은 영양소, 산소, 약물 등을 흡착시켜 사용할 경우, 세포증식, 분화의 향상과 더불어 3차원 구조체의 문제점인 지지체 내에서의 세포괴사를 줄일 수 있고, 항암제나 항염제 등의 약물을 흡착시켜 사용함으로써 골 재생의 역할과 동시에 염증 등의 치유의 역할을 하는 기능성 지지체로 이용될 수 있다.Adsorption of proliferation factors or nutrients, oxygen, drugs, etc. to the pores of the nano-size can improve cell proliferation and differentiation, and reduce cell necrosis in the support, which is a problem of the three-dimensional structure. By adsorbing and using the drug, it can be used as a functional support that plays a role of bone regeneration and healing of inflammation and the like.
상기 다공성 생체재료의 기공 사이즈 및 구조는 템플레이트로 이용된 유기물 각각의 분자량 및 구조에 따라 제어가 용이하다. 상기 언급한 바와 같이, 사이즈가 다른 이종(異種)의 템플레이트를 이용하여 나노사이즈(1~100 nm) 및 마크로사이즈(1~1000 μm)로 동시에 유도될 수 있다.The pore size and structure of the porous biomaterial can be easily controlled according to the molecular weight and structure of each organic material used as a template. As mentioned above, heterogeneous templates of different sizes can be simultaneously used for nanosize (1-100 nm) and macrosize (1-1000 μm).
특히, 상기 나노사이즈 기공을 유도하는 상기 구조 유도제 템플레이트로는 CTAB(cetyltrimethylammonium bromide) 또는 CTAC(cetyltrimethylammonium chloride)에서 선택되는 계면활성제, 또는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 블록공중합체를 사용할 수 있다. 상기 블록공중합체(block copolymer)는 F127((폴리에틸렌옥사이드)100(폴리프로필렌옥사이드)65(폴리에틸렌옥사이드)100, BASF), F108((폴리에틸렌옥사이드)133(폴리프로필렌옥사이드)50(폴리에틸렌옥사이드)133, BASF), F98((폴리에틸렌옥사이드)118(폴리프로필렌옥사이드)44(폴리에틸렌옥사이드)118, BASF), F88((폴리에틸렌옥사이드)104(폴리프로필렌옥사이드)39(폴리에틸렌옥사이드)104, BASF), P123(폴리에틸렌옥사이드)20(폴리프로필렌옥사이드)70(폴리에틸렌옥사이드)20, BASF), P105((폴리에틸렌옥사이드)37(폴리프로필렌옥사이드)56(폴리에틸렌옥사이드)37, BASF), P104((폴리에틸렌옥사이드)27(폴리프로필렌옥사이드)61(폴리에틸렌옥사이드)27, BASF)로 이루어진 군에서 1종 이상이 선택되는 플루로닉계 또는 테트로닉계 블록공중합체인 것 이 바람직하다. 이 중에서, CTAB를 템플레이트로 이용한 경우 2~3 nm의 기공사이즈의 육방정 혹은 입방정의 나노기공을 갖는 다공성 나노분말을 얻을 수 있고, F127을 템플레이트로 이용한 경우는 5~10 nm의 3차원의 입방정(cubic)의 나노기공을, P123을 이용한 경우는 5~10 nm의 2차원의 육방정(hexagonal)의 나노기공을 갖는 다공성 생체재료를 얻을 수 있다. In particular, the structural inducing agent template for inducing the nano-sized pores may be a surfactant selected from CTAB (cetyltrimethylammonium bromide) or CTAC (cetyltrimethylammonium chloride), or a block copolymer of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide. . The block copolymer is F127 ((polyethylene oxide) 100 (polypropylene oxide) 65 (polyethylene oxide) 100, BASF), F108 ((polyethylene oxide) 133 (polypropylene oxide) 50 (polyethylene oxide) 133, BASF), F98 ((polyethylene oxide) 118 (polypropylene oxide) 44 (polyethylene oxide) 118, BASF), F88 ((polyethylene oxide) 104 (polypropylene oxide) 39 (polyethylene oxide) 104, BASF), P123 (polyethylene Oxide) 20 (polypropylene oxide) 70 (polyethylene oxide) 20, BASF), P105 ((polyethylene oxide) 37 (polypropylene oxide) 56 (polyethylene oxide) 37, BASF), P104 ((polyethylene oxide) 27 (polypropylene Oxide) 61 (polyethylene oxide) 27, BASF) is preferably a pluronic or tetronic block copolymer selected from the group consisting of. Among them, when CTAB is used as a template, porous nanopowders having hexagonal or cubic nanopores having a pore size of 2 to 3 nm can be obtained. When F127 is used as a template, three-dimensional cubic crystals of 5 to 10 nm are used. When cubic nanopores are used for P123, a porous biomaterial having two-dimensional hexagonal nanopores of 5-10 nm can be obtained.
또한, 본 발명은 (a) 알코올을 포함하는 유기 용매에 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드의 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체재료 용액을 합성하는 단계, (c) 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체재료 용액을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계, (d) 상기 전구체 용액에 폴리우레탄 고분자 스폰지를 침적 및 건조시키는 단계 및 (e) 상기 (d)에서 얻어진 건조물을 소성시켜 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제거하는 단계를 포함하는 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조의 생체재료 합성방법을 포함한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) dissolving the block copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide in an organic solvent containing alcohol to synthesize a block copolymer template solution, (b) silicon compounds, calcium compounds and phosphorus compounds Synthesizing a biomaterial solution by mixing, (c) adding the biomaterial solution to the block copolymer template solution to obtain a precursor solution, and (d) depositing and drying a polyurethane polymer sponge in the precursor solution. And (e) firing the dried material obtained in (d) to remove residual organic material and the template.
본 발명은 나노사이즈 및 마크로사이즈 기공을 동시에 형성시킴에 있어서, 고분자 템플레이트법 및 졸-겔법을 함께 사용하는 복합 합성기술로 사용됨이 바람직하다. 먼저, 나노사이즈의 기공을 유도하는 고분자 템플레이트 및 무기질 벽을 이룰 실리카를 비롯한 기타 원소들을 졸-겔 반응으로 혼합하여 전구체 용액을 만든다. 다음으로, 상기 용액에 마크로사이즈 기공을 유도하는 또 다른 템플레이트를 침적시킨 후 건조과정을 거쳐 두 종류 혹은 세 종류의 유기물을 소성 혹은 용매추출법으로 동시에 제거해 줌으로써 원하는 기공 사이즈 및 구조를 가지는 3차원 다공성 생체재료를 합성할 수 있다(도 1 참조).In the present invention, when forming nano-sized and macrosized pores simultaneously, it is preferable to use a composite synthesis technique using a polymer template method and a sol-gel method together. First, a precursor solution is prepared by mixing a polymer template that induces nano-sized pores and other elements including silica to form an inorganic wall in a sol-gel reaction. Next, by depositing another template that induces macro-sized pores in the solution, and then drying two or three kinds of organic material at the same time by firing or solvent extraction method through a three-dimensional porous biological body having a desired pore size and structure The materials can be synthesized (see FIG. 1 ).
상기 단계 (a)는 알코올을 포함하는 유기 용매에 블록공중합체를 용해시켜 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성하는 단계로, 상기 블록공중합체 템플레이트로는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 구조를 갖는 폴록사머를 사용할 수 있는데, 이때 사용하는 폴록사머는 친수성기 및 소수성기를 갖는 플루로닉계 또는 테트로닉계 고분자를 일컫는다. 이 중, F127, F108, F98, F88, P123, P105, P104 및 폴리에틸렌/폴리프로필렌의 비율이 0.1~0.8인 플루로닉, 테트로닉, 리버스 플루로닉 또는 리버스 테트로닉 등과 같은 친수성 고분자 블록 및 소수성 고분자 블록으로 이루어지는 블록공중합체를 사용할 수 있다. 이때, 3차원의 입방정 구조를 얻기 위해 F127을, 2차원의 육방정 구조를 얻기 위해 P123을 대표적으로 사용할 수 있다.The step (a) is a step of synthesizing the block copolymer template solution by dissolving the block copolymer in an organic solvent containing alcohol, the block copolymer template has a structure of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide Poloxamer may be used, and the poloxamer used herein refers to a pluronic or tetronic polymer having a hydrophilic group and a hydrophobic group. Among these, hydrophilic polymer blocks such as Pluronic, Tetronic, Reverse Pluronic, or Reverse Tetronic, which have a ratio of F127, F108, F98, F88, P123, P105, P104 and polyethylene / polypropylene of 0.1 to 0.8, and hydrophobic Block copolymers composed of polymer blocks can be used. In this case, F127 may be representatively used to obtain a three-dimensional cubic structure, and P123 may be used to obtain a two-dimensional hexagonal structure.
상기 알코올 용매로는 탄소수 1 내지 25의 알킬 사슬을 갖는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 용매로 사용한 에탄올에 대하여 블록공중합체 템플레이트를 10~80 질량%의 비율로 혼합하여 블록공중합체 템플레이트 용액을 합성할 수 있다. As the alcohol solvent, those having an alkyl chain having 1 to 25 carbon atoms are preferable. However, it is not limited thereto. The block copolymer template solution may be synthesized by mixing the block copolymer template at a ratio of 10 to 80 mass% with respect to ethanol used as the solvent.
상기 단계 (b)는 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 혼합하여 생체재 료 용액을 합성하는 단계로, 일정간격을 두고 각 출발용액을 혼합하는 방법, 또는 산 또는 알칼리 용액을 첨가하는 방법을 이용하여 실리카 안에 칼슘과 인을 균일하게 분산시킬 수 있다. 칼슘이나 인을 실리카에 균일하게 분포시키면 혼합과정에서 발생되는 결정화를 억제할 수 있다. Step (b) is a step of synthesizing the biomaterial solution by mixing the silicon compound, calcium compound and phosphorus compound, using a method of mixing each starting solution at a predetermined interval, or adding an acid or alkaline solution Therefore, calcium and phosphorus may be uniformly dispersed in silica. Even distribution of calcium or phosphorus on the silica can suppress the crystallization generated during the mixing process.
상기 규소 화합물, 칼슘 화합물 및 인 화합물을 Si:Ca:P는 원소비율로 50~80 : 18~45 : 2~10이고, 바람직하게는 75Si:21Ca:4P, 65Si:31Ca:4P, 55Si:41Ca:4P의 원소비율로 혼합하여 생체재료 용액을 합성할 수 있다. 상기한 범위에서, 안정한 입방정의 나노 기공구조의 형성하기 때문이다. 그 중에서도 상기 칼슘 화합물은 상기 규소 화합물, 상기 칼슘 화합물 및 상기 인 화합물 전체량에 대하여 10~40 질량%로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 농도 범위에서는 입방정의 나노 기공구조의 형성이 확인되나, 40 무게% 이상에서는 다공성은 띄나 기공의 규칙구조는 열악해짐을 알 수 있었다.The silicon compound, the calcium compound and the phosphorus compound are Si: Ca: P in an element ratio of 50 to 80:18 to 45: 2 to 10, preferably 75Si: 21Ca: 4P, 65Si: 31Ca: 4P, 55Si: 41Ca A biomaterial solution can be synthesized by mixing at an element ratio of 4 P. It is because it forms stable cubic nanoporous structure in the said range. Especially, it is preferable that the said calcium compound is contained in 10-40 mass% with respect to the said silicon compound, the said calcium compound, and the said phosphorus compound whole quantity. In the concentration range, the formation of the cubic nano-pore structure was confirmed, but the porosity was noticeable at 40% by weight or more, but the pore regular structure was found to be poor.
본 발명에서 상기 규소 화합물은 테트라에틸오르소실리케이트, 3-머캅토프로필트리메톡시실란 및 5,6-에폭시헥실트리에톡시실란 등을 사용할 수 있고, 상기 칼슘 화합물은 칼슘니트레이트 4수화물, 칼슘니트레이트 및 칼슘클로라이드 등을 사용할 수 있으며, 상기 인 화합물은 트리에틸포스페이트, 소듐포스페이트 및 암모니움 포스페이트 다이베이식 등을 사용할 수 있다. In the present invention, the silicon compound may be tetraethylorthosilicate, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 5,6-epoxyhexyltriethoxysilane, etc., and the calcium compound is calcium nitrate tetrahydrate, calcium Nitrate, calcium chloride and the like can be used, and the phosphorus compound may be triethyl phosphate, sodium phosphate and ammonium phosphate dibeix.
상기 단계 (c)는 상기 블록공중합체 템플레이트 용액에 상기 생체재료 용액 을 첨가하여 전구체 용액을 얻는 단계로, 700~1500 분당회전(revolutions per minute; rpm) 및 30~80 ℃에서 2~72시간 동안 상기 혼합 용액을 교반하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. The step (c) is a step of obtaining the precursor solution by adding the biomaterial solution to the block copolymer template solution, 700 ~ 1500 revolutions per minute (rpm) and for 2 to 72 hours at 30 ~ 80 ℃ It is preferable to include the step of stirring the mixed solution.
본 발명에 있어서, 상기 단계 (c) 혼합 과정에서 상기 블록공중합체 템플레이트의 농도는 30~50 질량%인 것이 바람직하고, 블록공중합체 템플레이트인 F127의 농도는 상기 생체재료인 TEOS(Tetraethyl orthosilicate)에 대하여 30 질량% 이상일 때, 표면의 요철이 없어지며 장주기의 규칙구조가 형성된다. In the present invention, the concentration of the block copolymer template in the mixing step (c) is preferably 30 to 50% by mass, and the concentration of the block copolymer template F127 is TEOS (Tetraethyl orthosilicate) as the biomaterial. When it is 30 mass% or more, the surface irregularities are eliminated and a long period regular structure is formed.
상기 단계 (d)는 상기 전구체 용액에 폴리우레탄 고분자 스폰지를 침적 및 건조시키는 단계로, 상기 폴리우레탄 고분자 스폰지는 3차원 망상의 규칙적이고 서로 연결된 기공을 제공한다. 먼저 폴리우레탄 고분자 스폰지는 폴리우레탄 고분자 스폰지를 NaOH 수용액으로 처리하여 폴리우레탄 고분자 스폰지를 친수성으로 표면 개질시키고, 표면 개질된 폴리우레탄 고분자 스폰지를 증류수로 세척하여 사용할 수 있다. 이때, 상기 폴리우레탄 고분자 스폰지는 소정의 기공 크기(30, 45, 60 및 80 ppi)를 제공한다. 또한, 바람직한 폴리우레탄 고분자 스폰지의 기공 크기는 20~60 ppi로, 생체재료의 기공도 및 기공 사이즈는 상기 스폰지 기공크기의 영향을 받는다. Step (d) is a step of depositing and drying a polyurethane polymer sponge in the precursor solution, the polyurethane polymer sponge provides a regular and interconnected pores of the three-dimensional network. First, the polyurethane polymer sponge may be used by treating the polyurethane polymer sponge with NaOH aqueous solution to surface-modify the polyurethane polymer sponge with hydrophilicity and washing the surface-modified polyurethane polymer sponge with distilled water. At this time, the polyurethane polymer sponge provides a predetermined pore size (30, 45, 60 and 80 ppi). In addition, the pore size of the preferred polyurethane polymer sponge is 20 ~ 60 ppi, the porosity and pore size of the biomaterial is affected by the sponge pore size.
상기 단계 (d)에서 건조시 온도 및 습도는 각각 -15~80 ℃, 5~100 RH%인 것이 바람직하다. 상기 온도 및 습도 조건을 만족하는 항온항습기에 24~72시간 동안 두어 용액을 건조시킬 수 있다.The drying temperature and humidity in the step (d) is preferably -15 ~ 80 ℃, 5 ~ 100 RH%, respectively. The solution may be dried by placing in a constant temperature and humidity chamber for 24 to 72 hours that satisfies the temperature and humidity conditions.
상기 단계 (d)의 침적 및 건조 과정은 필요에 따라 무기질 벽의 목표 두께만큼 조절하여 되풀이할 수 있다. 바람직하게는 1~10회 정도 반복 수행할 수 있는데, 침적 및 건조를 거듭하여 마크로기공을 이루는 세라믹 벽의 두께 및 강도를 증대시킬 수 있다. The deposition and drying process of step (d) can be repeated by adjusting the target thickness of the inorganic wall as necessary. Preferably it can be repeated about 1 to 10 times, it is possible to increase the thickness and strength of the ceramic wall forming the macropores by repeated deposition and drying.
상기 단계 (e) 상기 (d)에서 얻어진 건조물을 소성시켜 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제거하는 단계로, 상기 소성은 상기 건조물을 0.2~2 ℃/min의 승온 속도로 600~1000 ℃의 온도 범위에서 2~6시간 동안 유지시켜 골격을 치밀화시키고 서냉하는 단계를 포함하는 것이다. 상기 소성 조건에서 템플레이트로 사용된 F127 또는 P123 및 폴리우레탄 고분자 스폰지를 쉽게 분해·제거할 수 있다.Firing the dried material obtained in step (e) to remove residual organic materials and the template, wherein the firing is performed at 600 to 1000 ° C. at a temperature rising rate of 0.2 to 2 ° C./min. Maintaining for 2 to 6 hours to densify and slow cooling the skeleton. Under the firing conditions, F127 or P123 and the polyurethane polymer sponge used as templates can be easily decomposed and removed.
상기 단계 (e)는 상기 전구체/템플레이트 용액을 건조하는 단계로, 건조온도 및 습도는 각각 -15~80 ℃, 5~100 RH%인 것이 바람직하다. 상기 온도 및 습도 조건을 만족하는 항온항습기에 1~3시간 동안 두며 용액을 건조시킬 수 있다.Step (e) is a step of drying the precursor / template solution, the drying temperature and the humidity is preferably -15 ~ 80 ℃, 5 ~ 100 RH%, respectively. The solution may be dried for 1 to 3 hours in a constant temperature and humidity chamber that satisfies the temperature and humidity conditions.
또한, 본 발명은 (a) 암모니아수를 포함하는 유기 용매에 계면활성제를 용해시켜 계면활성제 템플레이트 용액을 합성하는 단계, (b) 상기 계면활성제 템플레이트 용액에 규소 화합물을 혼합하여 졸상태의 전구체 용액을 얻는 단계, (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 졸용액에 폴리우레탄 고분자 스폰지를 침적 및 건조시키는 단 계 및 (d) 상기 단계 (c)에서 얻어진 건조물을 소성시켜 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제거하는 단계를 포함하는 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 생체재료 합성방법을 포함한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) dissolving a surfactant in an organic solvent containing ammonia water to synthesize a surfactant template solution, (b) mixing a silicon compound in the surfactant template solution to obtain a sol precursor solution (C) depositing and drying the polyurethane polymer sponge in the sol solution obtained in step (b), and (d) firing the dried product obtained in step (c) to remove residual organic material and the template. It includes a method for synthesizing a biomaterial having a hierarchical pore structure of nano-macro size.
상기 단계 (a)는 암모니아수를 포함하는 유기 용매에 계면활성제를 용해시켜 계면활성제 템플레이트 용액을 합성하는 단계로, 상기 계면활성제로는 CTAB 또는 CTAC 등의 양이온성 및 음이온성 계면활성제를 사용할 수 있다. CTAB를 이용하여 합성된 생체재료의 경우는 육방정의 기공구조 및 2~3 nm의 기공사이즈를 가지는 다공성 재료가 합성됨을 확인하였다. The step (a) is a step of synthesizing the surfactant template solution by dissolving the surfactant in an organic solvent containing ammonia water, the surfactant may be a cationic and anionic surfactant such as CTAB or CTAC. In the case of biomaterials synthesized using CTAB, it was confirmed that porous materials having a hexagonal pore structure and a pore size of 2 to 3 nm were synthesized.
상기 단계 (c)는 (b)에서 얻어진 졸용액에 폴리우레탄 고분자 스폰지를 침적 및 건조시키는 단계로, 상기 마크로 사이즈 기공 유도를 위해 상기 템플레이트로는 3차원 망상의 규칙적이고 서로 연결된 기공을 제공해주는 폴리우레탄 스폰지를 이용할 수 있다. 먼저 폴리우레탄 고분자 스폰지는 폴리우레탄 고분자 스폰지를 NaOH 수용액으로 처리하여 폴리우레탄 고분자 스폰지를 친수성으로 표면 개질시키고, 표면 개질된 폴리우레탄 고분자 스폰지를 증류수로 세척하여 사용할 수 있다. 이때, 상기 폴리우레탄 고분자 스폰지는 소정의 기공 크기(30 ppi)를 제공하다. 또한, 바람직한 폴리우레탄 고분자 스폰지의 기공 크기는 20~60 ppi로, 생체재료의 기공도 및 기공 사이즈는 상기 스폰지 기공크기의 영향을 받는다. The step (c) is a step of depositing and drying a polyurethane polymer sponge in the sol solution obtained in (b), the poly to provide a regular and interconnected pores of the three-dimensional network to the template to induce the macro size pores Urethane sponge can be used. First, the polyurethane polymer sponge may be used by treating the polyurethane polymer sponge with NaOH aqueous solution to surface-modify the polyurethane polymer sponge with hydrophilicity and washing the surface-modified polyurethane polymer sponge with distilled water. At this time, the polyurethane polymer sponge provides a predetermined pore size (30 ppi). In addition, the pore size of the preferred polyurethane polymer sponge is 20 ~ 60 ppi, the porosity and pore size of the biomaterial is affected by the sponge pore size.
상기 단계 (d)에서 건조시 온도 및 습도는 각각 -15~80 ℃, 5~100 RH%인 것 이 바람직하다. 상기 온도 및 습도 조건을 만족하는 항온항습기에 24~72시간 동안 두어 용액을 건조시킬 수 있다.The drying temperature and humidity in step (d) is preferably -15 ~ 80 ℃, 5 ~ 100 RH%, respectively. The solution may be dried by placing in a constant temperature and humidity chamber for 24 to 72 hours that satisfies the temperature and humidity conditions.
상기 단계 (d)의 침적 및 건조 과정은 필요에 따라 무기질 벽의 목표 두께만큼 조절하여 되풀이할 수 있다. 바람직하게는 1~10회 정도 반복 수행할 수 있는데, 침적 및 건조를 거듭하여 마크로기공을 이루는 세라믹 벽의 두께 및 강도를 증대시킬 수 있다. The deposition and drying process of step (d) can be repeated by adjusting the target thickness of the inorganic wall as necessary. Preferably it can be repeated about 1 to 10 times, it is possible to increase the thickness and strength of the ceramic wall forming the macropores by repeated deposition and drying.
상기 단계 (e) 상기 (d)에서 얻어진 건조물을 소성시켜 잔여 유기물과 상기 템플레이트를 제거하는 단계로, 상기 소성은 상기 건조물을 0.2~2 ℃/min의 승온 속도로 600~1000 ℃의 온도 범위에서 2~6시간 동안 유지시켜 골격을 치밀화시키고 서냉하는 단계를 포함하는 것이다. 상기 소성 조건에서 템플레이트로 사용된 CTAB 또는 CTAC 및 폴리우레탄 고분자 스폰지를 쉽게 분해·제거할 수 있다.Firing the dried material obtained in step (e) to remove residual organic materials and the template, wherein the firing is performed at 600 to 1000 ° C. at a temperature rising rate of 0.2 to 2 ° C./min. Maintaining for 2 to 6 hours to densify and slow cooling the skeleton. Under the firing conditions, CTAB or CTAC and polyurethane polymer sponges used as templates can be easily decomposed and removed.
이하, 본 발명을 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 딘, 하기 실시예 및 도면들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로 본 발명의 내용이 하기 도면의 일 실시예에 의해 제한되거나 한정되지 않음은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the accompanying drawings. Dean, the following examples and figures are provided to aid the understanding of the present invention, of course, the content of the present invention is not limited or limited by the embodiments of the following drawings.
<실시예 1> F127를 이용한 계층적 다공성 생체재료의 합성Example 1 Synthesis of Hierarchical Porous Biomaterials Using F127
입방정의 3차원 나노기공 구조를 유도하기 위하여, 블록공증합체 플루로닉 F127((폴리에틸렌옥사이드)105(폴리프로필렌옥사이드)65(폴리에틸렌옥사이드)105)를 템플레이트로 이용하였다. In order to induce a cubic three-dimensional nanopore structure, block copolymer Pluronic F127 ((polyethylene oxide) 105 (polypropylene oxide) 65 (polyethylene oxide) 105) was used as a template.
먼저 에탄올(18.1 ml)에 F127(2.88 g) (P123인 경우 2.28g)을 넣고 40 ℃에서 완전히 용해될 때까지 0.5~1시간 동안 교반하였다. 동시에 생체재료의 원료인 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS)(6 ml)와 칼슘니트레이트 4수화물(1.36 g)을 천천히 섞은 후 균일한 용액이 생성되었을 때 트리에틸포스페이트(0.26 ml)를 섞어주었다. 다음 미리 준비해놓은 1 M 염산용액(0.95 ml), 에탄올(7.62 ml) 및 증류수(2.86 ml)의 혼합액을 넣어 40 ℃에서 0.5~1시간 동안 이 무기질 출발원료가 균일하게 용해될 때까지 교반하였다(용액 B). 용액 A에 용액 B를 천천히 섞으면서 40 ℃에서 2~72시간 동안 700~1500 rpm의 강한 속도로 교반하였다. First, F127 (2.88 g) (2.28 g for P123) was added to ethanol (18.1 ml) and stirred for 0.5 to 1 hour until complete dissolution at 40 ° C. At the same time, tetraethylorthosilicate (TEOS) (6 ml) and calcium nitrate tetrahydrate (1.36 g), which are raw materials of biomaterials, were slowly mixed, and triethylphosphate (0.26 ml) was mixed when a uniform solution was produced. Then, a mixture of 1 M hydrochloric acid solution (0.95 ml), ethanol (7.62 ml) and distilled water (2.86 ml) prepared in advance was added and stirred at 40 ° C. for 0.5 to 1 hour until the inorganic starting material was uniformly dissolved ( Solution B). While slowly mixing Solution B with Solution A, the solution was stirred at 40 ° C. for 2 to 72 hours at a strong speed of 700 to 1500 rpm.
얻어진 전구체 용액에 초음파 처리과정을 통해 세척된 소정의 기공크기의 폴리우레탄 스폰지(기공크기: 30ppi, 45ppi, 60ppi, 및 80ppi)를 적신 후 조심히 꺼내어 -15~80 ℃, 5~100 RH%의 항온항습기에서 1시간 동안 건조시켰다. 건조 후 다시 전구체 용액에 재빨리 적신 후 건조하였다. 침적과 건조의 과정을 4 차례 되풀이하였다. 침적과 건조 과정은 필요에 따라 무기질 벽의 목표 두께만큼 조절하여 되풀이할 수 있다. 마지막으로 0.5 ℃/min으로 600~1000 ℃에서 4시간 동안 소성시켜 템플레이트로 사용한 두 가지 고분자 모두를 분해·제거하였다. The obtained precursor solution was moistened with a predetermined pore size polyurethane sponge (pore size: 30 ppi, 45 ppi, 60 ppi, and 80 ppi) washed through an ultrasonic process, and then carefully taken out, and the temperature was -15 to 80 ° C. and 5 to 100 RH%. It was dried for 1 hour in a humidifier. After drying again, the precursor solution was quickly wetted and dried. The process of deposition and drying was repeated four times. The deposition and drying process can be repeated by adjusting the target thickness of the mineral wall as needed. Finally, both polymers used as templates were decomposed and removed by firing at 600-1000 ° C. for 4 hours at 0.5 ° C./min.
<실시예 2> P123을 이용한 계층적 다공성 생체재료의 합성Example 2 Synthesis of Hierarchical Porous Biomaterial Using P123
육방정의 나노기공 구조를 유도하기 위하여, 블록공중합체 플루로닉 P123((폴리에틸렌옥사이드)20(폴리프로필옥사이드)70(폴리에틸렌옥사이드)20)을 템플레이트로 이용하였다. In order to induce hexagonal nanopore structure, block copolymer Pluronic P123 ((polyethylene oxide) 20 (polypropyloxide) 70 (polyethylene oxide) 20) was used as a template.
먼저 에탄올(18.1 ml)에 P123(2.28 g)을 용해시킨 것 외에 다른 조건은 실시예 1과 동일하다.First, except for dissolving P123 (2.28 g) in ethanol (18.1 ml) is the same as in Example 1.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄 스폰지(좌), 블록공중합체 및 폴리우레탄 스폰지를 이용하여 얻은 다공성 생체재료의 소성 후(우) 광학현미경(optical microscopy)사진이다. 본 발명에서는 30ppi, 45ppi, 60ppi, 80ppi(좌- 각각 A, B, C, 및 D)의 기공의 크기가 다른 4 가지 폴리우레탄 스폰지를 사용하여 상기 스폰지를 전구체 용액에 4번 침적·건조한 후 소성시켜 3차원 다공성 생체재료를 얻었다(우- 각각 A, B, C, 및 D). 도 3에서 보는 바와 같이, 전구체 용액은 폴리우레탄 스폰지에 균일하게 누포되며 그 소성체는 폴리우레탄의 기공크기와 구조를 그대로 반영됨을 알 수 있다. FIG. 2 is an optical microscopy photograph of a porous biomaterial obtained by using a polyurethane sponge (left), a block copolymer and a polyurethane sponge according to an embodiment of the present invention. In the present invention, by using four polyurethane sponges having different pore sizes of 30 ppi, 45 ppi, 60 ppi, and 80 ppi ( left - A , B , C , and D , respectively), the sponge is immersed in a precursor solution four times and dried, and then fired. To obtain a three-dimensional porous biomaterial ( right - A , B , C , and D , respectively). As shown in FIG. 3 , the precursor solution is uniformly leaked in the polyurethane sponge, and the fired body reflects the pore size and structure of the polyurethane as it is.
나노사이즈의 기공구조의 형성 여부는 소각 X-선 회절 측정 결과 그래프(도 3) 및 투과전자현미경 사진(도 4)에서 확인할 수 있었다. Formation of the nano-sized pore structure was confirmed in the results of small angle X-ray diffraction measurement graph ( Fig. 3 ) and transmission electron micrograph ( Fig. 4 ).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블록공중합체(F127, P123)에 대한 다공성 생체재료의 소각 X-선 회절(Small-angle X-ray diffraction; XRD) 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 폴리우레탄 벽을 감싸고 있는 생체재료는 전구체 용액 중에 블록공중합체를 포함하고 있으므로 소성과정에서 나노사 이즈의 규칙성 기공구조를 얻게 되며 그 기공구조는 블록공중합체의 구조를 반영하게 된다. 즉 F127를 혼합한 경우 입방정의 기공을 생체재료 벽에 가지게 되며, P123을 혼합한 경우 육방정의 기공을 생체재료의 벽에 가지게 된다. 3 is a graph showing small-angle X-ray diffraction (XRD) measurement results of porous biomaterials for the block copolymers F127 and P123 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3 , since the biomaterial covering the polyurethane wall includes the block copolymer in the precursor solution, the regular pore structure of the nanosized is obtained during the firing process, and the pore structure is the structure of the block copolymer. Will reflect. In other words, if F127 is mixed, the pores of the cubic crystals will have the walls of the biomaterial, and if P123 is mixed, the pores of the hexagonal crystals will have the pores of the biomaterial walls.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록공중합체(F127(좌), P123(우))에 대한 다공성 생체재료의 투과전자현미경(TEM) 사진 및 광학현미경(아래) 사진이다. 4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph and an optical microscope (bottom) photograph of a porous biomaterial for a block copolymer (F127 (left) and P123 (right)) according to an embodiment of the present invention.
본 실험에서는 F127를 혼합하여 폴리우레탄에 누포한 경우(도 4(좌)), P123를 누포한 경우(도 4(우))보다 나노기공의 규칙성이 우수함을 알 수 있었다. In this experiment, it was found that the nanopores had better regularity than when F127 was mixed in the polyurethane ( FIG. 4 (left) ) and when P123 was leaked ( FIG. 4 (right) ).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성법과 종래의 합성법을 비교한 예이다. 도 5에서 보는 바와 같이, 종래의 합성법은 세라믹 분말을 합성·소성하여 분쇄, 채가름 한 후 다시 용매와 혼합하여 슬러리로 만든 후 폴리우레탄에 누포하고 소성하여 폴리우레탄을 제거하며 필요에 의해서 침적과 소성과정을 반복하는 방법으로, 오랜 시간 및 공정과정이 필요했다(대한민국 등록특허 제0331990호). 또한 슬러리를 만드는 과정에 균열방지제, 분산안정화제, 결합제 등의 여러 가지 첨가물이 필요하며 슬러리 상태로는 균일하게 폴리우레탄 내에 담지하기가 어렵고, 막힘을 방지하고 공기를 없애는 등의 여러 가지 기술이 요구되었다. 5 is an example in which a synthesis method according to an embodiment of the present invention is compared with a conventional synthesis method. As shown in FIG. 5 , the conventional synthesis method synthesizes and calcinates ceramic powder, pulverizes, sifts it, mixes it with a solvent, forms a slurry, and then leaks and calcinates the polyurethane to remove the polyurethane, As a method of repeating the firing process, a long time and a process was required (Korean Patent No. 0331990). In addition, various additives such as crack inhibitors, dispersion stabilizers, and binders are required to make the slurry, and it is difficult to uniformly support the polyurethane in the slurry state, and various technologies such as preventing clogging and removing air are required. It became.
하지만 본 합성법은 세라믹을 합성하는 졸 용액을 그대로 폴리우레탄 스폰지에 코팅하여 소성하므로 폴리우레탄 스폰지벽을 따라 균일하게 전구체용액이 코팅되며 한 번의 소성과정만으로 원하는 크기의 3차원 기공구조를 얻을 수 있다.However, in this synthesis method, the sol solution for synthesizing the ceramic is coated on the polyurethane sponge as it is fired, so that the precursor solution is uniformly coated along the polyurethane sponge wall, and a three-dimensional pore structure having a desired size can be obtained by only one firing process.
<실시예 3> 계면활성제를 이용한 계층적 다공성 생체재료의 합성Example 3 Synthesis of Hierarchical Porous Biomaterial Using Surfactant
2~3 nm의 기공사이즈를 얻기 위하여, 계면활성제 특히, CTAB를 대표적인 템플레이트로 이용하였다. In order to obtain a pore size of 2 to 3 nm, a surfactant, in particular CTAB, was used as a representative template.
먼저 증류수(1037 ml) 및 암모니아수(26.6 ml)에 CTAB(0.66 g)를 넣고 50 ℃에서 CTAB가 완전히 용해될 때까지 0.5시간 동안 교반시킨 후, 용액이 실온으로 냉각될 때까지 다시 교반하였다. 이 용액에 테트라에틸오르소실리케이트(3 ml)를 700~1500 rpm의 강한 속도로 교반시키면서 천천히 섞어 전구체용액을 얻었다. 이 전구체용액에 적당한 크기로 잘라 초음파 세척한 폴리우레탄 스폰지(기공크기: 30ppi)를 넣고 실온에서 2시간 동안 교반하였다(필요에 따라 폴리우레탄 스폰지의 표면을 친수성으로 개질할 수 있다). 폴리우레탄 스폰지를 꺼내어 -15~80 ℃, 5~100 RH%의 항온항습기에서 1시간 동안 건조한 후 다시 전구체 용액에 넣고 1시간 동안 천천히 교반하였다. 침적과 건조의 과정을 4 차례 되풀이하였다. 필요에 따라서 침적과 건조의 과정을 수차례 되풀이할 수 있다. 건조과정이 끝나면 0.5 ℃/min으로 600~1000 ℃에서 4시간 동안 소성시켜 템플레이트로 사용한 두 가지 고분자 모두를 분해·제거하였다. First, CTAB (0.66 g) was added to distilled water (1037 ml) and ammonia water (26.6 ml) and stirred at 50 ° C. until the CTAB was completely dissolved, and then stirred again until the solution was cooled to room temperature. Tetraethyl orthosilicate (3 ml) was slowly mixed with this solution while stirring at a strong speed of 700 to 1500 rpm to obtain a precursor solution. Polyurethane sponge (pore size: 30 ppi) was cut into an appropriate size and ultrasonically cleaned in this precursor solution, and stirred at room temperature for 2 hours (the surface of the polyurethane sponge may be hydrophilically modified as necessary). The polyurethane sponge was taken out and dried in a constant temperature and humidity chamber at -15 to 80 ° C and 5 to 100 RH% for 1 hour, and then put back into the precursor solution and stirred slowly for 1 hour. The process of deposition and drying was repeated four times. If necessary, the process of deposition and drying can be repeated several times. After the drying process, both polymers used as templates were decomposed and removed by firing at 600 ° C./min at 600 ° C./1000° C. for 4 hours.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면활성제 및 폴리우레탄 스폰지를 이용한 다공성 생체재료의 광학현미경(A), 주사전자현미경(scanning electron microscopy; SEM - B, C), 및 투과전자현미경(D) 사진이다. 도 6에서 보는 바와 같이, 계면활성제를 이용한 경우, 나노사이즈 및 마크로사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체재료가 합성되었음을 관찰할 수 있다. 도 6A에서 확인되는 바와 같이 실리카 전구체용액은 폴리우레탄 스폰지에 균일하게 도포되었으며 폴리우레탄 스폰지의 기공크기(30ppi)를 반영한 3차원 다공성 생체재료를 얻었다. 도 6의 B, C는 다공성 생체재료가 약 70 nm크기의 유리 나노분말로 구성되어있음을 확인할 수 있다. 또한 이 유리 나노분말은 도 6D의 투과전자현미경 사진으로부터 2차원의 육방정 기공구조를 가지는 다공성 나노분말임을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 합성법으로 나노사이즈(2~3 nm)와 마크로 사이즈(200~500 μm)의 두 가지 기공을 가지는 계층적 다공성 생체재료가 제조됨을 알 수 있다. FIG. 6 is an optical microscope (A), a scanning electron microscope (SEM-B, C), and a transmission electron microscope (D) of a porous biomaterial using a surfactant and a polyurethane sponge according to an embodiment of the present invention. ) Photo. As shown in FIG. 6 , when the surfactant is used, it can be observed that a porous biomaterial having a hierarchical pore structure of nano size and macro size is synthesized. As shown in FIG . 6A , the silica precursor solution was uniformly applied to the polyurethane sponge, and a three-dimensional porous biomaterial reflecting the pore size (30 ppi) of the polyurethane sponge was obtained. B , C of Figure 6 can be seen that the porous biomaterial is composed of glass nanopowder of about 70 nm size. In addition, the glass nanopowder is a porous nanopowder having a two-dimensional hexagonal pore structure from the transmission electron micrograph of FIG. 6D . Therefore, it can be seen that a hierarchical porous biomaterial having two pores of nano size (2 to 3 nm) and macro size (200 to 500 μm) is manufactured by the synthesis method of the present invention.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 있어서, 2번 이상의 소성이 필요한 종래 합성법과 달리, 1번의 소성으로 마크로기공과 함께 연속적으로 연결된 나노사이즈의 기공을 가지는 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조의 생체재료를 합성할 수 있다. 또한, 본 합성법은 간단한 과정을 거치므로 재현성이 뛰어나고 생산성과 경제성이 우수하여 골충진재, 수복재, 지지체 이외에도 예컨대, 치아 임플란트 코팅재료, 항암제, 항염제, 호르몬제, 피임제, 금연제 등의 담체, 상기 열거된 기능들이 복합된 다기능성 재료, 분리막, 이온교환막, 촉매, 필터 등의 여러 가지 분야에서 응용이 가능하리라 기대된다.As described above, in the present invention, unlike the conventional synthesis method requiring two or more firings, the hierarchical pore structure of the nano-macro size having the nanosized pores continuously connected with the macropores in one firing Biomaterials can be synthesized. In addition, since the synthesis method is simple and excellent in reproducibility and productivity and economical efficiency, in addition to bone fillers, restoratives and supports, for example, dental implant coating materials, anticancer agents, anti-inflammatory agents, hormones, contraceptive agents, non-smoking agents, and the like listed above. It is expected that the functions can be applied in various fields such as multifunctional materials, separators, ion exchange membranes, catalysts, filters, etc., in which these functions are combined.
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