KR100736840B1

KR100736840B1 - 3차원 조직 재생물 제조 장치 및 그를 이용한 제조 방법

Info

Publication number: KR100736840B1
Application number: KR1020060037521A
Authority: KR
Inventors: 김근형; 김완두
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-07-10
Also published as: US20070254001A1

Abstract

본 발명은 조직 재생을 위한 세포 배양 지지체를 제조함에 있어서 기초 뼈대는 플로터 방식으로 제조 하고, 기초 뼈대 사이 및 그 표면에는 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성하여 제조 시간을 단축시킬 수 있도록 하는 3차원 조직 재생물 제조 장치 및 그를 이용한 제조 방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 본 발명의 3차원 조직 재생물 제조 장치는 인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 장치에 있어서, 3차원 형상의 기초 뼈대를 형성하는 플로터와, 상기 플로터가 형성한 3차원 형상의 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성하도록 상기 플로터와 일체로 구비는 전기 방사 장치 및 상기 플로터와 전기 방사 장치를 제어하기 위한 제어 컴퓨터로 구성된다.

또한, 본 발명의 3차원 조직 재생물 제조 방법은 인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 방법에 있어서, 3차원 형상을 모델링하여 3차원 데이터를 생성한 후 이를 플로터용 데이터로 생성하고 생성된 데이터에 따라 상기 플로터를 X-Y 방향 및 Z 방향으로 이동시키면서 3차원 형상의 기초 뼈대를 다수의 층으로 적층 형성하고, 상기 플로터를 이용하여 형성된 3차원 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 전기 방사 방식을 통해 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성한다.

플로터, 세포 배양 지지체, 전기 방사, 나노 섬유

Description

3차원 조직 재생물 제조 장치 및 그를 이용한 제조 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING REGENERATION OF A THREE DIMENSIONAL TISSUE AND METHOD USING OF THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 3차원 조직 재생물 제조 장치의 구성 블록도.

도 2는 본 발명의 3차원 조직 재생물 제조 장치의 일실시예를 나타낸 분해 사시도.

도 3은 도 2의 플로터의 일실시예를 나타낸 분해 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 플로터

11 : 플로터 노즐

12 : 프레임

13 : 스크류 샤프트

14 : 너트

15 : 블록

16 : 보조 스크류 샤프트

2 : 전기 방사 장치

21 : 용액 저장 탱크

22 : 정량 밸브

23 : 노즐

24 : 전압 발생 장치

25 : 수집기

3 : 제어 컴퓨터

4 : 스테이지

본 발명은 3차원 조직 재생물 제조 장치 및 그를 이용한 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조직 재생을 위한 세포 배양 지지체를 제조함에 있어서 3차원 형상의 기초 뼈대는 플로터 방식으로 제조 하고, 기초 뼈대 사이 및 그 표면에는 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성하여 제조 시간을 단축시킬 수 있도록 하는 3차원 조직 재생물 제조 장치 및 그를 이용한 제조 방법에 관한 것이다.

인체내 기관이나 조직이 손상될 경우에 세포, 약물 지지체 등을 제공하여 효과적으로 조직을 재생하고 있는데, 조직 재생용 지지체는 임플란트 부위에서 물리적으로 안정하고 재생 효능을 조절할 수 있는 생리 활성을 갖아야 하며, 또한 새로운 조직을 형성한 후에는 생체 내에서 분해되어야 하고 이때, 분해산물이 독성을 갖지 않아야 한다.

이러한 조직 재생용 지지체는 종래 일정한 강도와 형태를 갖는 고분자를 이용한 스폰지 타입, 매트릭스 형태의 나노 섬유 또는 젤 타입의 세포 배양 지지체로 제조되며, 이러한 세포 배양 지지체(scaffold)는 특정 깊이 또는 높이를 갖는 3 차원 형상의 조직을 만들기 위해 중요한 역할을 한다.

이러한 조직 재생의 뼈대로서 기능하는 지지체(scaffold)를 이식하고 자기치유능력( self-healing power)을 이용하여 생체 내에서 조직을 재생하는 기술은 재생의료 또는 조직 공학이라고 불린다.

조직 공학의 일례로 관절 연골을 재생하는 방법을 들 수 있으며, 상기 관절 연골 재생 방법은 연골 세포를 지지체로 하는 인공 보철물을 형성한 후 이 인공 보철물을 손상 부위에 이식함으로써, 손상 관절 부위에서 연골 세포가 재생되도록 하는 것이다.

상기 인공 보철은 연골 세포 등을 시드(Seed)로 이용하여 3차원 형상으로 형성한 지지체로 이루어진다.

이러한 3차원 형상의 지지체를 형성하기 위한 방식으로 기존에는 급속 조형(Rapid Prototyping) 방식, 그중 적층형 급속 조형 방식이 이용되고 있다.

상기 적층형 급속 조형 방식은 원하는 형상의 조형물을 얻기 위하여 다수의 층으로 분할 시트를 가공한 후에 이들을 순차로 적층해서 원하는 형상으로 제조하는 것으로, CAD 시스템으로 모델링한 3차원 형상을 일정한 두께를 갖는 다수의 시트로 분할하여 슬라이스 데이터로 변경한 후에 이를 토대로 판형태의 시트를 조형 하고 이를 쌓아서 조형물을 제조하는 방법이다.

이러한, 종래 기술에 의한 3차원 조직 재생물 제조 방법에 의하면, 3차원 형상을 일정하게 모델링하고 이를 일정 두께의 다수의 시트로 분할 제작하고, 분할 제작된 다수의 시트를 순차로 적층하여 형성하기 때문에, 시트 분할 제작 및 적층하는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있었다.

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 바이오 플로터 방식으로 3차원 형상의 기초 뼈대를 형성한 후 이 기초 뼈대에 전기 방사 방식을 이용하여 나노 섬유사 형태로 지지체를 형성함으로써, 3차원 조직 재생물을 단시간에 제작할 수 있으며 세포 증식을 위한 지지체를 미세하게 형성할 수 있도록 하는 3차원 조직 재생물 제조 장치 및 그를 이용한 제조 방법을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3차원 조직 재생물 제조 장치 인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 장치에 있어서, 3차원 형상의 기초 뼈대를 형성하는 플로터와, 상기 플로터가 형성한 3차원 형상의 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성하도록 상기 플로터와 일체로 구비되는 전기 방사 장치 및 상기 플로터와 전기 방사 장치를 제어하기 위한 제어 컴퓨터로 구성된다.

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상기 전기 방사 장치는 생체중합체 용액이 저장된 용액 저장 탱크로부터 공 급되는 용액을 전기 방사에 의해 분사시키기 위한 노즐과, 상기 노즐에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되도록 상기 노즐 하부에 구비되는 수집기와, 상기 노즐과 수집기에 전압을 걸어주기 위해 상기 노즐과 수집기 사이에 접속되는 전압 발생 장치를 포함하여 구성되고, 상기 플로터는 모터 구동을 통해 X방향과 Y방향 및 Z 방향으로 이동 가능하게 구성되며, 생체중합체 용액이 저장된 용액 저장 탱크로부터 공급되는 용액을 배출하는 플로터 노즐을 구비한다.

또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3차원 조직 재생물 제조 방법은 인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 방법에 있어서, 3차원 형상을 모델링하여 3차원 데이터를 생성한 후 이를 플로터용 데이터로 생성하고 생성된 데이터에 따라 상기 플로터를 X-Y 방향 및 Z 방향으로 이동시키면서 3차원 형상의 기초 뼈대를 다수의 층으로 적층 형성하고, 상기 플로터를 이용하여 형성된 3차원 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 전기 방사 방식을 통해 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성한다.

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본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 조직 재생물 제조 장치의 구성 블록도로, 본 발명은 인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 장치에 있어서, 3차원 형상의 기초 뼈대를 형성하는 플로터(1)와, 상기 플로터(1)가 형성한 3차원 형상의 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성하는 전기 방사 장치(2) 및 상기 플로터와 상기 전기 방사 장치(2)의 전반적인 동작을 제어하는 제어용 컴퓨터(3)로 구성된다.

상기 플로터(1)와 전기 방사 장치(2)는 일체로 구비되며 상기 플로터(1)는 X방향과 Y방향 및 Z 방향으로 이동 가능하게 구비된다.

다시 말해, 상기 플로터(1)는 X방향과 Y방향 및 Z 방향에 대한 위치 지정을 통해 3차원 형상의 기초 뼈대 제작을 위해 플로터 주소 지정 기능을 수행하는 컴퓨터 지원을 받는다.

도 2는 본 발명의 3차원 조직 재생물 제조 장치의 일실시예를 나타낸 분해 사시도로, 도면을 참조하면 본 발명의 3차원 조직 재생물 제조 장치는 스테이지(4)와, 상기 스테이지(4)에 설치되는 노즐(23)을 통해 전기 방사에 의해 나노 섬유 형태의 세포 배양 지지체를 분사하는 전기 방사 장치(2)와, 상기 스테이지(4)에 구비되는 플로터 노즐(11)을 통해 용액을 분사하여 3차원 조직 재생물의 뼈대를 형성하는 플로터(1)로 구성된다.

상기 전기 방사 장치(2)는 상기 위한 노즐(23)에 공급되는 생체중합체 용액이 저장된 용액 저장 탱크(21)와, 상기 노즐(23)에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되도록 상기 스테이지(4) 하부에 구비되는 수집기(25)와, 상기 노즐(23)과 수집기(25)에 전압을 걸어주기 위해 상기 노즐(23)과 수집기(25) 사이 에 접속되는 전압 발생 장치(24)를 포함하여 구성된다.

도 3은 도 2의 플로터(1)의 일실시예를 나타낸 분해 사시도로, 상기 플로터(1)는 모터 구동을 통해 X방향과 Y방향 및 Z 방향으로 이동 가능하게 장착되는 것으로, 도면에 도시된 바와 같이 상기 스테이지(4, 도 2참조)의 하부에 구비되는 프레임(12)과, 상기 프레임(12)의 양측 골조 사이에 연결되어 모터 구동을 통해 상기 프레임(12)의 전,후 방향으로 이동하는 스크류 샤프트(13)와, 상기 스크류 샤프트(13)에 장착되어 모터 구동을 통해 상기 스크류 샤프트(13)의 좌,우 방향으로 이동하는 너트(14)와, 상기 너트(14)의 하부에 구비되며 모터 구동을 통해 승강이 이루어지는 플로터 노즐(11) 및 상기 스크류 샤프트(14)를 모터 구동에 의해 상기 프레임(12)의 전,후로 이동시키기 위해 블록(15) 내부에서 상기 스크류 샤프트(13)와 베어링 결합된 보조 스크류 샤프트(16)를 포함하여 구성된다.

상기 제어용 컴퓨터(3)는 3차원 조직 재생물에 대한 데이터를 작성하기 위한 3차원 데이터 작성 수단, 3차원 데이터로부터 플로터용 데이터를 생성하기 위한 플로터 데이터 생성 수단 및 상기 플로터(1) 및 전기 방사 장치(2)의 구동을 제어 신호를 출력하는 수단을 구비함이 바람직하다.

이하, 상기 3차원 조직 재생물 제조 장치를 이용한 3차원 조직 재생물 제조 방법을 도 1 내지 도 3을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

우선, 제어용 컴퓨터(3)에서는 3차원 데이터 작성 수단을 이용하여 인공 보철물에 대한 3차원 형상을 모델링하여 3차원 데이터를 작성한 후 3차원 데이터로부터 플로터용 데이터를 생성한다.

이어서, 상기 제어 컴퓨터(3)가 상기 플로터용 데이터에 따라 상기 플로터(1)에 구동 신호를 출력하여, 상기 플로터(1)가 구동 신호에 따라 X방향과 Y 방향 및 Z 방향으로 이동하면서 플로터 노즐(11)을 통해 용액을 분사하여 기초 뼈대를 형성하도록 한다.

이어서, 기초 뼈대가 완성이 되면 전기 방사 장치(2)를 구동하여 상기 플로터(1)에 의해 제작된 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성한다.

다시 말해, 상기 노즐(23)과 수집기(25) 사이에 고전압을 인가하고 상기 용액 저장 탱크(21)에 저장된 용액을 공급하여, 상기 노즐(23)로부터 방사되는 용액이 상기 플로터(1)에 의해 제작된 기초 뼈대 사이에 나노 섬유사 형태로 직접되도록 한다.

이와 같이 본 발명은, 조직 재생을 위한 3차원 입체 형상을 제조함에 있어서, 3차원 형상의 기초 뼈대는 플로터 노즐을 구비하는 플로터를 이용하여 형성하고, 플로터가 형성한 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 전기 방사 장치를 이용하여 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성하는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 3차원 형상의 조직 재생물을 형성하기 위하여 생체중합체 용액을 배출하도록 플로터 노즐을 구비하며 X방향과 Y 방향 및 Z 방향으로 이동 가능하게 구비되는 플로터를 이용하여 3차원 형상의 기초 뼈대를 형성하고, 이 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 전기 방사 장치를 이용하여 나노 섬유사 형태 의 세포 배양 지지체를 형성함으로써, 제작 시간을 단축할 뿐만 아니라 나노급의 세포 배양 지지체를 형성하여 세포 증식 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims

인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 장치에 있어서,

3차원 형상의 기초 뼈대를 형성하는 플로터(1)와,

상기 플로터(1)가 형성한 3차원 형상의 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성하도록 상기 플로터(1)와 일체로 구비되는 전기 방사 장치(2), 및

상기 플로터(1)와 전기 방사 장치(2)를 제어하기 위한 제어 컴퓨터(3)로 구성되되,

상기 전기 방사 장치(2)는;

생체중합체 용액이 저장된 용액 저장 탱크(21)로부터 공급되는 용액을 전기 방사에 의해 분사시키기 위한 노즐(23)과, 상기 노즐(23)에서 방사되는 용액이 섬유사 형태로 그 표면에 집적되도록 상기 노즐(23) 하부에 구비되는 수집기(25)와, 상기 노즐(23)과 수집기(25)에 전압을 걸어주기 위해 상기 노즐(23)과 수집기(25) 사이에 접속되는 전압 발생 장치(24)를 포함하여 구성되고,

상기 플로터(1)는;

상기 모터 구동을 통해 X방향과 Y방향 및 Z 방향으로 이동 가능하게 구성되며 생체중합체 용액이 저장된 용액 저장 탱크(21)로부터 공급되는 용액을 배출하는 플로터 노즐(11)을 구비함을 특징으로 하는 3차원 조직 재생물 제조 장치.
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인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 방법에 있어서,

3차원 형상을 모델링하여 3차원 데이터를 생성한 후 이를 플로터용 데이터로 생성하고 생성된 데이터에 따라 상기 플로터를 X-Y 방향 및 Z 방향으로 이동시키면서 3차원 형상의 기초 뼈대를 다수의 층으로 적층 형성하고,

상기 플로터를 이용하여 형성된 3차원 기초 뼈대 사이 및 그 표면에 전기 방사 방식을 통해 나노 섬유사 형태의 세포 배양 지지체를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 조직 재생물 제조 방법.
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