전기방사를 이용한 골 전도성 및 생분해성 부직포 제조

Abstract

칼슘실리케이트, 생분해성 고분자, 및 칼슘실리케이트/생분해성 고분자 복합형 부직포를 각각 전기방사법으로 제조 후 이들 표면에 저 결정성 탄산 아파타이트를 형성시키는 방법에 대해 연구했다. 칼슘실리케이트가 포함된 부직포는 칼슘이온의 용출에 의해 의사체액 내의 아파타이트에 대한 이온화도적을 증가시키는 방법으로 저 결정성 탄산 아파타이트의 형성을 유도했고 순순한 생분해성 고분자 부직포는 칼슘이 함유된 PVA 전달체 시스템을 이용해 의사체액 내에서 저 결정성 탄산 아파타이트가 형성되도록 설계했다. 골 전도성 칼슘실리케이트 부직포 제조를 위해 칼슘염의 농도가 서로 다른 칼슘실리케이트 졸을 전기 방사해 부직포를 제조한 후 300℃에서 열처리 했다. 그 결과, 의사체액 내에서의 저 결정성 탄산 아파타이트의 형성능이 증가했고 조골세포의 증식과 분화는 느리게 일어나는 경향을 보였다. 한편, 토끼의 두개골 원형 결손부에 칼슘실리케이트 부직포를 매식한 결과 순수한 실리케이트 부직포에 비해 우수한 신생골의 형성을 보였다. 칼슘실리케이트/폴리카프로락톤 복합형 부직포의 제조 및 골 전도성 평가를 위해 산 촉매 내에서 TEOS의 수화 및 축합 반응으로 제조된 칼슘실리케이트 졸과 HFIP에 용해된 폴리카프로락톤 용액을 각각 서로 다른 노즐을 사용해 동시에 전기 방사했다. 대조군으로 칼슘실리케이트와 폴리카프로락톤 부직포도 각각 전기방사로 제조했다. 생체활성 평가를 위해 의사체액에 부직포를 담지한 결과, 칼슘실리케이트와 폴리카프로락톤/칼슘실리케이트 복합형 부직포의 표면에는 저 결정성 탄산 아파타이트가 생성되었으나 순수한 폴리카프로락톤 부직포 표면에는 저 결정성 탄산 아파타이트가 생성되지 않았다. 한편, 폴리카프로락톤/칼슘실리케이트 복합형 부직포의 기계적 물성은 칼슘실리케이트와 폴리카프로락톤의중간적 파단특성을 보였다. 토끼의 두개골 원형 결손부에서 골 전도도 평가를 수행한 결과, 의사체액 내에서 저 결정성 탄산 아파타이트 형성능을 보였던 칼슘실리케이트 및 칼슘실리케이트./폴리카프로락톤 복합형 부직포의 경우 우수한 골 전도성을 보인 반면 폴리카프로락톤 부직포의 경우는 염증반응만이 관찰됐다. 칼슘실리케이트/생분해성 고분자 복합형 부직포에서 고분자의 분해속도가 저 결정성 탄산 아파타이트의 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해 칼슘실리케이트와 분해속도가 서로 다른 두 가지 PLGA를 사용해 칼슘실리케이트/PLGA 복합형 부직포를 제조했다. 분해속도가 서로 다른 두 개의 PLGA를 각각 HFIP에 용해시킨 후 칼슘실리케이트 졸과 함께 서로 다른 노즐을 사용해 동시에 전기 방사했다. 대조군으로는 칼슘실리케이트와 복합형 부직포 제조 시 사용한 두 개의 PLGA 부직포를 각각 전기 방사해 제조했다. 분해속도가 느린 PLGA를 포함하는 칼슘실리케이트/PLGA7525 복합형 부직포는 의사체액 내에서 저 결정성 탄산 아파타이트 형성을 보였으나 분해속도가 빠른 PLGA를 포함하는 칼슘실리케이트/PLGA5050 복합형 부직포는 저 결정성 탄산 아파타이트 형성을 보이지 않았다. 또한 PLGA5050으로 제조된 모든 부직포는 의사체액 내에서 PLGA 섬유의 팽윤 현상이 관찰됐다. 이는 생체물성 시험 후 잔류 의사체액 중 원소농도를 평가해 아파타이트에 대한 이온화도적 계산 결과, 생분해 속도가 빠른 경우 산성을 띄는 분해산물이 이온화도적을 낮춰 저 결정성 탄산 아파타이트의 생성을 방해했기 때문으로 평가됐다. 생체활성이 없는 순수한 고분자 부직포에 저 결정성 탄산 아파타이트 형성능을 부여하기 위해 칼슘염이 포한된 PVA 전달체 시스템을 설계했다. 전기방사를 이용, PLGA 부직포를 제조 후 4M 농도의 염화칼슘이 함유된 PVA 용액을 PLGA 부직포 표면에 코팅하여 실험군을 제작했고, PVA 없이 4M 농도의 염화칼슘 용액을 직접 PLGA 부직포 표면에 도포한 것과 순수한 PLGA 부직포를 각각 대조군으로 제작했다. 각 시료의 저 결정성 탄산 아파타이트 생성능을 확인하기 위해 세 가지 부직포를 의사체액에 시간별로 침전했다. 그 결과, PVA 전달체 시스템을 이용한 부직포에서 의사체액 침전 3시간 후부터 저 결정성 탄산 아파타이트가 형성됐고 7일후에는 PLGA섬유 전체에 균일하게 저 결정성 탄산 아파타이트가 형성됨이 관찰됐다. 한편, 칼슘용액만 도포한 PLGA 부직포에서는 불균일하게 저 결정성 탄산 아파타이트가 생성되었고 순수한 PLGA 부직포에서는 아파타이트가 형성되지 않았다. 따라서 PVA-칼슘염 전달체 시스템을 사용했을 경우 단순히 칼슘염만을 도포했을 경우에 비해 효과적으로 저 결정성 탄산 아파타이트를 고분자 부직포의 표면에 도포할 수 있는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과와 같이 본 연구에서는 생체활성 칼슘실리케이트와 PVA-칼슘염 전달체 시스템을 이용하여 전기방사법으로 제조된 칼슘실리케이트, 칼슘실리케이트/생분해성 고분자, 순수한 고분자 부직포 표면에 저 결정성 탄산 아파타이트 형성을 성공적으로 구현 할 수 있었다. 이러한 저 결정성 탄산 아파타이트 생성능을 매개로한 우수한 골 전도성과 부직포로부터 기인한 생체 모방형 구조를 이용하여 골 유도막 및 골 이식재로 응용 가능할 것으로 기대된다.