Injectable bone substitute composed of biodegradable polymer/hydroxyapatite composite microspheres containing antibiotics

Abstract

[한글]이제까지 주입형 골대체재에 항생제와 같은 약물을 무기 입자의 기공에 넣어 흡수 및 방출을 조절하고자 하는 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 이보다는 생분해성 고분자에 약물을 함유시켜 방출 속도를 제어하는 것이 효과적일 것으로 기대된다. 본 연구에서는 생분해성 고분자와 수산화아파타이트 (HA)로 구성된 복합 마이크로 입자를 제조한 후 methylcellulose (MC) 수용액에 도입하여, 복합 마이크로 입자의 주입성과 약물 방출 거동을 평가하였다. 또한 입자 제조 시 poly(DL-lactide-co-glycolide) (PLGA)의 농도를 변화시켜 항생제를 함유한 다양한 크기의 PLGA/HA 마이크로 입자를 제조한 후, 주입성 및 in vitro에서 시간에 따른 약물 방출 농도를 측정하여 마이크로 입자의 입도와 약물 방출 거동에 관한 상관 관계를 규명함으로써 생분해성 고분자/HA 복합 마이크로 입자와 MC 수용액 시스템의 서방성 주입형 골 대체재로의 가능성을 타진하였다.골조직 재생재료로 뼈를 구성하는 성분과 가장 유사한 조성을 가지고 있고, 생체적합성, 생체활성 및 골과 직접적인 결합 등 우수한 성질을 가진 HA 나노 입자를 침전법을 이용하여 제조하였다.약물방출 조절을 위해 PLGA/HA/tetracycline (TC)으로 구성된 복합 마이크로 입자를 유화 용매 증발법으로 제조하였으며, 입자 크기를 조절하기 위해 유화과정에서 PLGA 농도를 2.5~20%로 변화시켰다. 모든 입자에서 HA와 TC의 함량은 각각 PLGA의 질량의 10%로 고정하였다. 온도가역적인 2% MC 수용액에 NaCl을 2~6%로 첨가한 후, 점도계를 이용하여 점도를 측정함으로써 겔화 온도가 체온(37 ℃)에 맞는 조건을 확립하였다. 주입성은 PLGA/HA/TC 마이크로 입자를 제조한 후 입자/MC (w/v) 비율을 40/60~60/40로 변화시키면서 주입거리에 따른 하중을 만능시험기로 측정하였다. 항생제 방출 거동은 입자의 크기를 4개의 군으로 하여 37 ℃에서 60 rpm으로 교반하면서, 시간에 따라 방출된 TC의 양을 자외-가시광선 분광광도계를 이용하여 정량 분석하였다.침전법으로 제조한 HA는 TEM과 XRD를 이용하여 100 nm의 침상 구조를 갖는 HA임을 확인하였다. 마이크로 입자는 PLGA의 농도에 따라 입자 크기가 직선적으로 증가하여 (17.8±4.5)~(185.4±29.5) µm의 크기를 나타내었다. 약물의 함유효율도 입자 크기가 증가함에 따라 증가하여 0.8~70.3%의 범위를 나타내었다. 2% MC 수용액에 NaCl을 5%이상 첨가하면 겔화 온도가 체온인 37 ℃ 이하로 감소함을 알 수 있었다. 주입성 평가는 입자크기가 약 50 µm인 시편에서 입자/MC(w/v) 함량이 40:60일 때 주입거리 끝까지 5 N 이하의 균일한 하중으로 주입이 용이함을 나타내었고, 입자의 함량이 증가할수록 하중이 증가함을 알 수 있었다. 약물 방출은 입자크기가 17.8~96.3 µm 인 시편에서 모두 1일 후에 거의 100% 가까운 약물이 급격하게 방출되는 양상을 나타내었으나, 입자크기가 185.4 µm인 시편에서는 약물이 2주 후에 80% 정도의 약물이 방출되어 2주 후까지도 서서히 약물이 방출되는 서방형임을 확인할 수 있었다. 이는 입자의 크기에 따른 확산 속도의 차이에서 기인하는 것으로 생각되며, 입자의 크기가 작아지면 확산 경로가 짧아지고, 약물의 농도차가 커지면서 방출 속도가 빨라지게 된다. 입자크기가 17.8~96.3 µm인 시편의 경우, 1일 동안의 방출 경향 또한 입자의 크기가 작을수록 약물 방출속도가 증가하였다.유화 용매 증발법을 이용하여 PLGA/HA/TC 복합 마이크로 입자를 제조할 수 있었고, 2% MC 수용액에 혼합하여 주입 가능성을 확인하였다. 또한 입자의 크기를 조절함으로써 약물의 방출 속도를 제어할 수 있었으며, 특히 입자의 크기가 (185.4 ± 29.5) µm인 시편의 경우 70% 이상의 약물 함유효율과 2주 이상의 약물서방성을 보여줌으로써 서방형 골대체재로의 가능성을 보여주었다.

[영문]Many studies to control the absorption and release of drugs such as antibiotics and growth factors into and from the pores of inorganic microspheres have been conducted. The aim of this study was to confirm the possibility of methylcellulose aqueous solution containing poly(DL-lactide-co-glycolide)(PLGA)/hydroxyapatite (HA) composite microspheres and antibiotics, as a sustained drug release-bone substitute by estimating thermogelation temperature of methylcellulose aqueous solution by controlling salt added, injectability and drug-release behavior of the injecting system by controlling size and content of the microspheres.HA nanoparticles which is a well-known key bioceramic material frequently used as a drug carrier, ocular implant, bone substitute for filling bone defects, scaffold matrix for tissue engineering and as a coating agent on biomedical implants due to its chemical and biological similarity with natural bone mineral were synthesized by coprecipitation method. PLGA/HA composite microspheres containing tetracycline (TC) were prepared by emulsion-solvent evaporation method. In this process, 2.5, 5, 10, and 20 % PLGA concentration in dichloromethane (DCM) were used in order to compare the effects of different PLGA concentration on size of the microspheres. By estimating thermogelation temperature of methylcellulose aqueous solution by controlling salt added, injectability and drug-release behavior of the injecting system by controlling size and content of the microspheres, we optimized the injectable bone substitute composed of methylcellulose (MC) aqueous solution and PLGA/HA composite microspheres containg TC. We prepared PLGA/HA microspheres containing TC.The PLGA/HA microspheres showed high drug loading efficiency of up to 70.3%. We could control the drug release behavior from the microspheres by controlling the size of microspheres from 17.8 ± 4.5 to 185.4 ± 29.5 µm. Especially, P20 with a particle diameter of 185.4 ± 29.5 µm showed high drug contents of over 70% and sustained drug release over 2 weeks without initial burst, a major problem of drug delivery systems.