KR100932960B1 - 3차원 조직 재생물 제조 시스템 - Google Patents

3차원 조직 재생물 제조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 3차원 조직 재생물 제조 시스템에 관한 것으로, 이를 위해 인체의 뼈를 촬영하는 3차원 영상촬영기;와, 3차원 영상파일을 기초로 디지털 좌표데이터로 변환시키는 3차원 좌표 변환기;와, 3차원 좌표데이터를 수신받아 3차원 조직 재생물를 생성하는 3차원 조직 재생기; 및 상기 좌표변환기와 3차원 조직 재생기에 연결되어 좌표변환기의 3차원 좌표데이터를 수신받아 3차원 조직 재생기에 송신시켜 상기 3차원 조직 재생기를 제어하는 제어 컴퓨터;를 포함하여 이루어지되, 상기 3차원 조직 재생기는 X,Y,Z축으로 개별 이송되어 세포배양지지체를 생성하는 제 1주축과, 세포 배양 지지체의 사이에 나노섬유를 방사하는 제 2주축으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
플로터, 세포 배양 지지체, 전기 방사, 나노 섬유

Description

3차원 조직 재생물 제조 시스템{A SYSTEM FOR MANUFACTURING REGENERATION OF A THREE DIMENSIONAL TISSUE}
본 발명은 환자의 뼈를 촬영하고, 이를 데이터화하여 신속하게 환자의 뼈를 대체할 수 있는 3차원 조직 재생물을 제작할 수 있는 3차원 조직 재생물 제조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인체의 뼈와 같은 3차원 조직 재생물을 신속하게 제조할 수 있도록 세포배양지지체와, 상기 세포배양지지체의 사이에 집적되는 나노섬유를 단일의 기기를 이용하여 신속하게 구현할 수 있는 구조의 3차원 조직 재생물 제조 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 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 조형하고 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.
또한 종래의 3차원 조직 재생물을 모델링하기 위한 장치는 세포배양지지체만을 형성할 수 있기 때문에, 나노 섬유도 함께 집적할 수 있는 시스템이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 시스템에 있어서, 인체의 뼈를 촬영하는 3차원 영상촬영기;와, 3차원 영상파일을 기초로 디지털 좌표데이터로 변환시키는 3차원 좌표 변환기;와, 3차원 좌표데이터를 수신받아 3차원 조직 재생 물를 생성하는 3차원 조직 재생기; 및상기 좌표변환기와 3차원 조직 재생기에 연결되어 좌표변환기의 3차원 좌표데이터를 수신받아 3차원 조직 재생기에 송신시켜 상기 3차원 조직 재생기를 제어하는 제어 컴퓨터;를 포함하여 이루어지되, 상기 3차원 조직 재생기는 X,Y,Z축으로 개별 이송되어 세포배양지지체를 생성하는 제 1주축과, 세포 배양 지지체의 사이에 나노섬유를 방사하는 제 2주축으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 조직 재생물 제조 시스템를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 3차원 조직 재생물 제조 시스템에 따르면, 환자의 3차원 영상 뼈 사진을 통해 신속하게 이를 데이터화하여 신속하게 환자의 뼈를 대체할 수 있는 3차원 조직 재생물을 제작할 수 있는 특징이 있다.
그리고, 세포배양지지체와, 상기 세포배양지지체의 사이에 집적되는 나노섬유를 단일의 기기를 이용하여 신속하게 구현할 수 있어 제작 시간을 단축할 뿐만 아니라 나노급의 세포 배양 지지체를 형성하여 세포 증식 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 제어컴퓨터를 통해 선택적으로 다양한 패턴의 세포배양지지체를 구현할 수 있어 맞춤형 세포배양지지체를 신속하게 제작할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 3차원 조직 재생물 제조 시스템에 관하여 첨부되 어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 조직 재생물 제조 시스템의 개념도이고, 도 7은 세포배양지지체의 다른 패턴을 도시한 사진이다.
먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 환자의 뼈를 촬영하고, 이를 데이터화하여 신속하게 환자의 뼈를 대체할 수 있는 3차원 조직 재생물을 제작할 수 있는 3차원 조직 재생물 제조 시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 크게 3부분으로 구성되는데, 이는 3차원 영상촬영기(20)와, 3차원 좌표변환기(30)와, 3차원 조직 재생기(10)와, 제어컴퓨터(40)로 구성된다.
여기서 3차원 영상촬영기(20)는 인체의 뼈를 3차원으로 촬영하여 3차원 영상을 획득하는 기능을 한다.
그리고 상기 3차원 좌표변환기(30)는 획득된 영상을 기초로 3차원 형상을 모델링하여 입체 거리를 디지털 좌표데이터로 수치화하여 변환시키는 기능을 한다.
상기 3차원 조직 재생기(10)는 3차원 좌표변환기(30)의 좌표데이터를 수신받아 3차원 조식재생물을 생성하는 기능을 한다.
그리고 상기 제어컴퓨터(40)는 상기 3차원 좌표변환기(30)와 3차원 조직 재생기(10)에 연결되어 좌표변환기(30)의 디지털 좌표데이터를 수신받아 3차원 조직 재생기(10)로 송신시켜 상기 3차원 조직 재생기(10)를 제어하는 기능을 한다.
이러한 구조는 3차원 영상촬영기(20)-->3차원 좌표변환기(30)-->제어컴퓨터(40)-->3차원 조직 재생기(10)가 순차적으로 연결되어 있어 순차적으로 데이터를 주고 받을 수 있게 구성된다.
다른 실시예로, 3차원 영상촬영기(20)와, 3차원 좌표변환기(30)와, 3차원 조직 재생기(10)가 모두 상기 제어컴퓨터(40)에 전기적으로 연결되어 상기 제어컴퓨터(40)로 각 부를 제어할 수 있게 구성할 수 있다.
이러한 구조는 3차원 영상촬영기(20)의 3차원 영상을 제어컴퓨터(40)로 송신하고, 상기 제어컴퓨터(40)는 3차원 영상을 수신받아, 다시 좌표변환기(30)로 송신시켜 좌표변환기(30)에서 변환된 좌표데이터를 다시 수신받고, 상기 좌표데이터를 제어컴퓨터(40)에 있는 구동프로그램에 입력시켜 3차원 조직 재생기(10)를 제어할 수 있게 구성할 수 있다.
결국, 제어컴퓨터(40)의 구동프로그램을 통해 도 7의 사진과 같이, 선택적으로 다양한 패턴의 세포배양지지체를 구현할 수 있어 맞춤형 세포배양지지체를 신속하게 제작할 수 있는 구조이다.
이하에서는 3차원 조직 재생기에 관하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 조직 재생기의 구성도이며, 도 3은 도 2의 측면도이다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 3차원 조직 재생기(10)는 제어컴퓨터(40)의 제어에 따라 인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 생성하는 기능을 한다.
이를 위해 상기 3차원 조직 재생기(10)는 X,Y,Z축으로 개별 이송되어 세포배 양지지체를 생성하는 제 1주축(15)과, 세포배양지지체의 사이에 나노섬유를 방사하는 제 2주축(16)으로 구성된다.
이러한 3차원 조직 재생기(10)는 크게 6개 부분으로 구성되는데, 이는 베이스프레임(11)과, 수집테이블(17)과, X축 가이드레일(12)과, Y축 가이드레일(13)과, 브라켓(14)과, 제 1주축(15) 및 제 2주축(16)으로 구성된다.
여기서 상기 베이스프레임(11)은 지면을 지지하고 있으며, 중앙부위에는 수집테이블(17)이 형성되어 있는 구조이다.
여기서 상기 수집테이블(17)은 표면에 세포배양지지체가 구축되는 부위로 저면에는 펠티어소자(171)가 장착되어 있어 표면에 형성되는 세포배양지지체 및 상기 세포배양지지체의 사이에 집적되는 나노섬유의 굳는 속도를 조절할 수 있도록 구성된다.
여기서 상기 펠티어소자(171)는 P형 반도체와, N형 반도체가 혼재된 펠티어소자을 장착시켜 냉각면과 발열면이 바뀌게 하여 세포배양지지체 및 상기 세포배양지지체의 사이에 집적되는 나노섬유의 굳는 속도를 더욱 더 빠르게 조절할 수 있게 구성할 수 있다.
상기의 펠티어소자(171)는 전압이 흐르는 방향에 따라 펠티어소자의 전자 및 정공의 흐름도 바뀌게 되어 결과적으로 열을 방출하고 흡수하는 냉각면과 가열면을 선택적으로 조절할 수 있다.
아울러 펠티어소자 이외에, 일반적인 히터를 대체하여 사용할 수 있다.
한편 상기 수집테이블(17)은 상기 베이스프레임(11)에 형성된 보조가이드레 일(111)에 이송가능하게 결합되어 있어 제 1주축(15) 및 제 2주축(16)의 최단거리를 설정하여 보다 신속하게 3차원 조직 재생물을 생성할 수 있는 구조를 마련한다.
아울러 X축 가이드레일(12)은 상기 베이스프레임(11)의 상부에 양측에 고정되어 제 1주축(15) 및 제 2주축(16)이 X축으로 이동될 수 있는 구조를 마련한다.
그리고 상기 Y축 가이드레일(13)은 상기 각 X축 가이드레일(12)의 상부에 Y축 방향으로 2개가 배치되어 제 1주축(15) 및 제 2주축(16)이 Y축으로 이동될 수 있는 구조를 마련한다.
그리고 상기 각 브라켓(14)은 각 Y축 가이드레일(13)의 상부에 직립되게 설치되어 Y축 방향으로 각각 이송되되, 상호 마주보는 면으로는 Z축 가이드레일(141)이 형성되는 구조이다.
이 때 상기 제 1주축(15) 및 제 2주축(16)은 상기 각 브라켓(14)에 형성된 Z축 가이드레일(141)에 각각 결합되어 Z축으로 이송될 수 있는 구조를 마련한다.
한편 상기 제 1주축(15)에는 수집테이블(17)의 상부로 3차원 형상의 기초 뼈대인 세포배양지지체를 형성하는 플로터(151)가 장착되어 구성된다.
상기 플로터(151)는 생체중합체(폴리머) 용액이 저장된 용액저장탱크(151b)와, 플로터노즐(151a)로 구성되어 세포배양지지체를 송출할 수 있도록 구성된다.
그리고, 상기 제 2주축(16)에는 수집테이블(17)의 상부로 상기 플로터(151)가 형성한 3차원 형상의 세포배양지지체 사이 및 그 표면에 섬유사 형태의 나노섬유를 방사하는 전기방사기(161)가 장착되어 구성된다.
여기서 상기 전기방사기(161)는 생체중합체 용액이 저장된 용액저장탱크(161b)와, 상기 용액저장탱크(161b)로부터 공급되는 용액을 분사시키기 위한 전기방사노즐(161a)과, 상기 전기방사노즐(161a)과 수집테이블(17)에 전압을 걸어 전기방사노즐에서 방사되는 용액이 전기 방사에 의해 나노섬유 형태로 미세하게 방사되도록 상기 전기방사노즐과 수집테이블(17)에 접속되는 전압발생기(161c)를 포함하여 구성된다.
상기에서 상기 전압발생기의 전원이 3차원 조직 재생기(10)로 통하지 않도록 절연을 위해 상기 각 브라켓(14)은 비철금속 또는 플라스틱계열로 구성할 수 있다.
또한 플로터(151) 및 전기방사기(161)의 용액저장탱크(151b,161b)에는 생체중합체가 굳지 않도록 히터를 내/외장하여 구성할 수 있음은 물론이다.
이하에서는 3차원 조직 재생기의 작동 및 3차원 조직 재생물의 제조에 대해간단히 설명하기로 한다.
도 4는 도 2의 작동도이고, 도 5a, 도 5b는 수집테이블의 상부에 구축된 세포배양지지체의 사진이고, 도 6은 도 5a 및 도 5b에서 세포배양지지체의 사이에 집적된 나노섬유 도시한 사진이다.
먼저 플로터(151)가 장착된 제 1주축(15)은 X,Y으로 이동되어 수집테이블(17)의 상단에 위치한다.
이 후 제 1주축(15)은 플로터노즐(151a)이 수집테이블(17)의 상부 표면으로 근접되게 Z축으로 하강한다.
그 후 용액저장탱크(151b)의 내부에 압력을 걸어 플로터노즐(151a)로부터 폴리머 용액이 송출되게 한다.
여기서 폴리머 용액이 송출되는 동시에 상기 제 1주축(15)은 X,Y,Z축으로 움직이면서 도 5a 및 도 5b와 같이, 세포배양지지체가 형성되도록 선형의 폴리머 용액을 쌓아 올려 뼈대를 구축한다.
이 후 제 1주축(15)은 제 2주축(16)의 가동에 간섭받지 않도록 제자리로 복귀되고, 제 2주축(16)이 X,Y,Z축으로 이동되어 세포배양지지체에 근접되도록 한다.
그리고 제 2주축(16)에 결합된 전기방사기(161)를 통해 상기 플로터(151)가 형성한 3차원 형상의 세포배양지지체 사이 및 그 표면에 도 6과 같이, 섬유사 형태의 나노섬유를 방사한다.
그리고 상기의 과정을 반복하여 인체의 뼈 형상을 대체할 수 있는 3차원 조직 재생물을 구축한다.
마지막으로 구축된 3차원 조직 재생물에 인체에서 추출된 세포를 이식하여 3차원 조직 재생물에 배양하여 완성한다.
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.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 조직 재생물 제조 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 3차원 조직 재생기의 구성도,
도 3은 도 2의 측면도,
도 4는 도 2의 작동도,
도 5a, 도 5b는 수집테이블의 상부에 구축된 세포배양지지체의 사진
도 6은 도 5a 및 도 5b에서 세포배양지지체의 사이에 집적된 나노섬유 도시한 사진
도 7은 세포배양지지체의 다른 패턴을 도시한 사진
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 3차원 조직 재생기
11: 베이스프레임 111: 보조가이드레일
12: X축 가이드레일
13: Y축 가이드레일 14: 브라켓
141: Z축 가이드레일
15: 제 1주축 151: 플로터
151a: 플로터노즐 151b: 용액저장탱크
16: 제 2주축 161: 전기방사기
161a: 전기방사기노즐 161b: 용액저장탱크
161c: 전압발생기
17: 수집테이블 171: 펠티어소자
20: 3차원 영상촬영기 30: 좌표변환기
40: 제어컴퓨터

Claims (8)

  1. 인체에 삽입되어 조직 재생에 이용되는 3차원 조직 재생물을 제조하는 시스템에 있어서,
    인체의 뼈를 촬영하는 3차원 영상촬영기(20) ; 촬영된 3차원 영상파일을 기초로 디지털 좌표데이터로 변환시키는 3차원 좌표변환기(30) ; 3차원 좌표데이터를 수신받아 3차원 조직 재생물를 생성하는 3차원 조직 재생기; 및 상기 좌표변환기(30)와 3차원 조직 재생기(10)에 연결되어 좌표변환기(30)의 3차원 좌표데이터를 수신받아 3차원 조직 재생기(10)에 송신시켜 상기 3차원 조직 재생기(10)를 제어하는 제어컴퓨터(40);를 포함하여 이루어지되,
    상기 3차원 조직 재생기(10)는 X,Y,Z축으로 개별 이송되어 세포배양지지체를 구축하는 제 1주축(15)과, 세포배양지지체의 사이에 나노섬유를 방사하는 제 2주축(16)으로 구성되고,
    상기 3차원 조직 재생기(10)는, 지면에 지지 되는 베이스프레임(11)과, 상기 베이스프레임(11)에 설치되어 표면에 세포배양지지체가 구축되는 수집테이블(17)와, 상기 베이스프레임(11)의 상부에 고정되는 2개의 X축 가이드레일(12)과, 상기 각 X축 가이드레일(12)에 상부에 배치되어 X축 방향으로 이송되는 2개의 Y축 가이드레일(13)과, 상기 각 Y축 가이드레일(13)의 상부에 직립되게 설치되어 Y축 방향으로 각각 이송되되, 상호 마주보는 면으로는 Z축 가이드레일(141)이 형성되는 브라켓(14)과, 상기 각 브라켓(14)에 형성된 Z축 가이드레일(141)에 결합되어 Z축으로 이송되는 제 1주축(15) 및 제 2주축(16)으로 구성되며,
    상기 수집테이블(17)의 저면에는 펠티어소자(171)가 장착되어 있어 표면에 구축되어 증착되는 세포배양지지체 및 상기 세포배양지지체의 사이에 집적되는 나노섬유의 굳는 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 조직 재생물 제조 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1주축(15)에는 수집테이블(17)의 상부로 3차원 형상의 기초 뼈대인 세포배양지지체를 형성하는 플로터(151)가 장착되는 것을 특징으로 하는 3차원 조직 재생물 제조 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2주축(16)에는 수집테이블(17)의 상부로 상기 플로터(151)가 형성한 3차원 형상의 세포배양지지체 사이 및 그 표면에 섬유사 형태의 나노섬유를 방사하는 전기방사기(161)가 장착되는 것을 특징으로 하는 3차원 조직 재생물 제조 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전기방사기(161)는;
    생체중합체 용액이 저장된 용액저장탱크(161b)와,
    상기 용액저장탱크(161b)로부터 공급되는 용액을 분사시키기 위한 전기방사노즐(161a)과,
    상기 전기방사노즐(161a)과 수집테이블(17)에 전압을 걸어 전기방사노즐(161a)에서 방사되는 용액이 전기 방사에 의해 나노섬유 형태로 미세하게 방사되도록 상기 전기방사노즐(161a)과 수집테이블(17)에 접속되는 전압발생기(161c)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3차원 조직 재생물 제조 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 플로터(151)는;
    생체중합체 용액이 저장된 용액저장탱크(151b)와,
    플로터노즐(151a)로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 조직 재생물 제조 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수집테이블(17)은 상기 베이스프레임(11)에 형성된 보조가이드레일(111)에 이송가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 3차원 조직 재생물 제조 시스템.
  8. 삭제
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