KR101387161B1

KR101387161B1 - 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드

Info

Publication number: KR101387161B1
Application number: KR1020120100667A
Authority: KR
Inventors: 김무종; 이준희; 박수아
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-04-29
Also published as: KR20140033996A

Abstract

본 발명은 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 기본적으로 SFF법의 원리에 의해 스캐폴드가 만들어지도록 함으로써 원하는 3차원 형상을 자유로이 만들 수 있으면서도, 여기에 염발포법 또는 염침출법의 원리가 결합됨으로써 스캐폴드를 이루는 스트랜드(strand) 자체에도 기공이 형성되도록 하여 공극률을 더욱 높여 조직세포의 유착률을 더욱 향상시킬 수 있는, 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드를 제공함에 있다.

Description

복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드 {Making method for complex-pore scaffold and the scaffold}

본 발명은 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드에 관한 것이다.

생체조직공학(tissue engineering)이란 생명과학, 의학, 공학의 기본 개념과 기술을 바탕으로 하여 생체조직의 대용품을 만들어 생체에 이식함으로써 생체 기능의 유지, 향상, 복원을 가능하게 하고자 하는 기술을 통틀어 일컫는 것이다. 1980년대 처음으로 인공피부가 제작되면서 새로운 학문 분야로 인정받기 시작하여 현재까지 다양하고 활발한 연구가 이루어져 오고 있다. 매우 복잡한 조직인 장기의 경우에는 아직까지는 연구 단계에서 크게 벗어나지 못했으나, 상대적으로 단순한 조직인 피부나 뼈 등의 경우에는 널리 사용되는 단계까지 발전되어 있다.

생체조직공학의 실제 구현은, 환자의 몸에서 필요한 조직을 채취하고 그 조직편으로부터 세포를 분리한 다음 분리된 세포를 배양을 통하여 필요한 양만큼 증식시키고 다공성을 가지는 생분해성 고분자 지지체에 심어 일정기간 체외 배양함으로써 형성되는 스캐폴드(scaffold, '세포 배양 지지체'라고도 함)를 다시 인체 내에 이식하는 방식으로 이루어진다. 이식 후 세포들은 대부분의 조직이나 장기의 경우 신생 혈관이 형성될 때까지는 체액의 확산에 의해 산소와 영양분을 공급받다가 인체 내의 혈관이 들어와 혈액의 공급이 이루어지면 세포들이 증식 분화하여 새로운 조직 및 장기를 형성하고 생분해성 고분자 지지체는 그동안 분해되어 사라지게 된다.

인체 조직의 재생을 위해 사용되는 지지체의 재료의 주된 요건은 다음과 같다. 먼저 가장 기본적으로는 조직세포가 그 위에 잘 유착되어야 하며, 또한 조직세포가 재료 표면에 유착하여 3차원적 구조를 가진 조직을 형성할 수 있도록 기질 또는 지지체의 역할을 충분히 할 수 있는 기계적 강도를 가져야 한다. 또한 이식된 세포와 숙주 세포 사이에 위치하는 중간 장벽으로서의 역할도 해야 하는데 이를 위해서는 이식 후 혈액응고나 염증반응이 일어나지 않는 무독성의 생체적합성이 있어야 한다. 또한 이식된 세포가 새로운 체내 조직으로서 기능과 역할을 하게 되면 원하는 시간 안에 생체 내에서 완전히 분해되어 사라질 수 있는 생분해성을 지녀야 한다.

상술한 바와 같은 여러 조건을 만족시킬 수 있도록 하기 위한 스캐폴드 제작 기술과 관련된 연구가 다양하게 꾸준히 이루어져 왔다.

3차원 스캐폴드를 제작하기 위한 기술로서 일반적으로 알려진 기술은 염침출법(solvent-casting particulate leaching), 염발포법(gas foaming), 섬유 메쉬/섬유 접착법(fiber meshes/fiber bonding), 상분리법 (phase separation), 용융 몰딩법(melt moulding), 동결 건조법(freeze drying) 등이 있다. 염침출법에 의해 만들어진 스캐폴드는 혼합하는 염결정의 크기에 따라 공극의 크기와 공극률을 조절할 수 있으나, 형상을 만들기 위한 방법으로 재료를 어떤 형상의 틀에 넣고 경화시키는 방법을 사용하기 때문에 만들 수 있는 3차원 형상이 제한적이며, 또한 스캐폴드 표면이 거친 형상을 가지게 되고, 또한 내부 염결정 침출의 잔류로 인해 세포의 부착과 침투가 영향을 받을 수 있다는 문제점이 있다. 염침출법을 이용하여 스캐폴드를 제작하는 기술에 관하여, 한국특허공개 제2012-0045480호 "염침출법을 이용한 세포구조체의 제조 방법" (2012.05.09), 한국특허공개 제2001-0046941호 "생체조직공학용 다공성 생분해성 고분자 지지체의 제조 방법" (2001.06.15) 등에 구체적으로 잘 설명되어 있다. 염발포법은 염침출법과 마찬가지로 염결정의 크기에 따라 공극의 크기와 공극률을 조절할 수 있으며 상호연결성이 우수한 편으로 가장 일반적으로 사용되어지는 방법이나, 염침출법과 유사하게 만들 수 있는 3차원 형상이 제한적이라는 문제는 여전히 남아 있다. 상분리법은 생분해성 고분자를 유기용매에 용해하여 나프탈렌과 같은 승화에 따른 상분리에 의하여 다공성 스캐폴드를 제조하는 방법으로, 승화성 물질의 승화를 조절함으로써 공극의 크기를 조절할 수 있기는 하지만, 일반적으로 필요한 정도보다 작은 크기의 공극이 형성되어 세포 배양에는 어려움이 있다. 섬유 메쉬/섬유 접착법은 무작위적으로 풀어진 봉합사의 가닥들을 열처리하여 삼차원적 형태를 구성한 것으로 매우 높은 공극률과 공극의 크기 및 공극 사이의 상호연결성을 갖추고 있으나, 기계적 강도가 약하다.

위에 설명한 방법들은, 만들 수 있는 3차원 형상이 제한적이라서 원하는 대로의 3차원 형상을 만들 수 없다는 단점을 모두 내포하고 있다. 이러한 문제를 극복하여 임의형상 제작기술(SFF, Solid Freeform Fabrication)이 도입되고 있다. 임의형상 제작기술(SFF, Solid Freeform Fabrication)은, 귓바퀴 형태 등과 같이 상당히 복잡한 형상도 아주 잘 구현할 수 있을 만큼 원하는 3차원 형상을 자유로이 만들 수 있는 장점이 있으며, 뿐만 아니라 스캐폴드의 공극 크기(Pore size), 공극률(Porosity), 공극간 상호연결성(Interconnectivity)을 높여 세포가 보다 쉽게 스캐폴드 내부로 침투 가능하며, 영양분 순환이나 산소의 공급을 높일 수 있도록 할 수 있다는 장점 또한 있다. 대표적인 예로는 SLA(Stereo Lithography Apparatus), SLS(Selective Laser Sintering), FDM(Fused Deposition Modeling), 3차원 프린팅(3D printing), 3차원 플로팅(3D Plotting) 등이 있다.

SLA(Stereo Lithography Apparatus)는 액상의 광경화성 재료 표면에 레이저(UV)를 선택적으로 주사하여 주사된 부분만 경화시키는 방법으로, 한층의 단면 형상이 제작되면 제작된 스캐폴드 용기의 받침대를 한층 두께만큼 내리고 다시 레이저를 주사하여 한 층씩 스캐폴드가 제작되도록 하는 기술이다. SLS(Selective Laser Sintering)는 분말 형태의 고분자 재료 표면에 레이저를 선택적으로 주사해서 주사된 부분의 고분자 분말의 온도가 유리전이온도(Tg) 이상으로 올라가서 소결(Sintering)되면서 한 층씩 스캐폴드가 제작되도록 하는 기술이다. SLS에서, 한 층이 제작되면 롤러를 이용하여 제작된 스캐폴드 위에 다시 고분자 분말을 도포하고 레이저로 주사하는 방법을 반복하면서 스캐폴드를 제작하게 된다. FDM(Fused Deposition Modelling)은 필라멘트선 형태의 열가소성 고분자 물질을 노즐 안에서 가열하여 노즐을 통해 분사시켜 굳힌 후, 한 층이 굳어지면 그 위로 노즐을 이동시킨 후 같은 공정을 통해 다음 층을 생성하는 원리를 이용 하여 스캐폴드를 제작하는 기술이다. 3차원 프린팅(3D printing)은 잉크젯 프린팅 기법을 이용하는 기술로 얇은 고분자 분말을 롤러를 이용하여 균일하게 펼친 후 잉크젯 프린터 헤드를 이동시키면서 결합제(Binder)를 뿌려 고분자 분말 입자를 결합시켜 한 층을 제작하고, 한 층이 제작되면 그 위에 얇은 고분자 분말층을 다시 쌓고 결합제를 뿌려주는 과정을 반복하여 3차원 형상의 스캐폴드를 제작하는 기술이다. 3차원 플로팅(3D Plotting)은 생체조직에 적합한 고분자를 용융시켜 공압으로 노즐을 통해 밀어내면서 3차원 형상의 스캐폴드를 제작하는 기술로, 노즐이 장착된 실린더 헤드가 XYZ 방향으로 자유롭게 이동이 가능하도록 형성되고, 용융된 고분자는 노즐을 통과하여 바닥 또는 스캐폴드 표면에 닿게 되는 순간 경화되게 하여, 자유로이 3차원 형상을 제작할 수 있다. 3차원 플로팅을 이용하면 용액 내부에 성형할 수도 있고 공기 중에 성형도 가능한 등 여러 장점이 있다. 본 출원인에 의해 출원된 한국특허공개 제2010-0072326호 "세포 배양 지지체 제조 방법" (2012.02.06)에는 이러한 3차원 플로팅 기법을 기반으로 한 3차원 스캐폴드 제작 기술에 대해 잘 설명되어 있다.

그런데, 이러한 SFF법을 이용하여 만들어지는 스캐폴드의 경우에도, 공극의 크기나 공극률이 원하는 만큼 충분히 높지 않아서 조직세포의 유착률을 좀더 높여야 할 필요성이 요구되고 있어, 좀더 개선이 필요하다는 점이 지적되고 있다.

1. 한국특허공개 제2012-0045480호 "염침출법을 이용한 세포구조체의 제조 방법" (2012.05.09) 2. 한국특허공개 제2001-0046941호 "생체조직공학용 다공성 생분해성 고분자 지지체의 제조 방법" (2001.06.15) 3. 한국특허공개 제2010-0072326호 "세포 배양 지지체 제조 방법" (2012.02.06)

1. 김완두, 박수아, 이준희, "맞춤형 스캐폴드 제작을 위한 3차원 바이오조형기술", 바이오융합기술 2011년 21호, 2011

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기본적으로 SFF법의 원리에 의해 스캐폴드가 만들어지도록 함으로써 원하는 3차원 형상을 자유로이 만들 수 있으면서도, 여기에 염발포법 또는 염침출법의 원리가 결합됨으로써 스캐폴드를 이루는 스트랜드(strand) 자체에도 기공이 형성되도록 하여 공극률을 더욱 높여 조직세포의 유착률을 더욱 향상시킬 수 있는, 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법은, 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더를 혼합하는 혼합물 제조 단계; 상기 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염의 혼합물을 3차원 플로터(3D plotter)에 수용시켜, 상기 3차원 플로터에 의하여 상기 혼합물이 노즐을 통해 미세 섬유(strand) 형태로 분사되고, 분사된 상기 미세 섬유가 3차원 플로팅되어 미세 메쉬(mesh) 구조로 된 스캐폴드를 제작하는 스캐폴드 제작 단계; 상기 스캐폴드를 용매에 담가 상기 기공 생성용 염을 제거하되, 상기 기공 생성용 염은 상기 용매와 반응하여 기체화되는 성질을 가지는 것으로서 상기 기공 생성용 염이 기체화되면서 상기 스캐폴드를 구성하는 미세 섬유 상에 기공이 형성되는 스캐폴드 복합 기공 제작 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 생분해성 고분자 재료는 PLA(poly(lactic acid)), PGA(poly(glycolic acid)), PCL(polycaprolactone), PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), PU(polyurethane) 중 선택되는 적어도 어느 하나인 합성 고분자 재료이거나, 또는 콜라겐(collagen), 알부민(albumin), 아미노산(poly(amino acid))을 포함하는 단백질 및 단백질을 기초로 하는 고분자, 셀룰로오스(cellulose), 아가로스(agarose), 알지네이트(alginate), 헤파린(heparin), 히아루론산(hyaluronic acid), 키토산(chitosan) 중 선택되는 적어도 어느 하나인 천연 고분자 재료인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 생분해성 고분자 재료는 파우더 직경이 10 내지 250㎛ 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 생분해성 고분자 재료는 프리징 밀(freezing mill)을 사용하여 갈아서 파우더 상태로 만드는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 기공 생성용 염은 NH₄HCO₃인 것이 바람직하다. 또한 이 때, 상기 용매는 물인 것이 바람직하다.

또한, 상기 기공 생성용 염은 파우더 직경이 10 내지 250㎛ 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 기공 생성용 염은 볼 밀(ball mill)을 사용하여 갈아서 파우더 상태로 만드는 것을 특징으로 한다. 또한 이 때, 상기 볼 밀은 적어도 2종의 직경을 갖는 볼을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 혼합액 제조 단계는 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더의 중량비가 1:3 내지 1:5 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합물 제조 단계는 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더를 혼합하여 제1소정 시간 동안 교반하는 단계; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제1소정 시간은 1 내지 8시간 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스캐폴드 제작 단계는 상기 혼합물이 상기 노즐에 수용되는 단계; 상기 혼합물이 가열에 의하여 용융되는 단계; 상기 혼합물이 가압에 의하여 상기 노즐로 배출되는 단계; 상기 노즐의 3차원 움직임에 의하여 상기 노즐을 통해 미세 섬유(strand) 형태로 배출된 상기 혼합물이 미세 메쉬(mesh) 구조를 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 스캐폴드 제작 단계는 가열 온도가 60 내지 65℃ 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다. 또한 이 때, 상기 스캐폴드 제작 단계는 가압 압력이 300 내지 1,000kPa 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 노즐은 배출구의 직경이 50 내지 500㎛ 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스캐폴드 제조 방법은 상기 기공 생성용 염 파우더의 직경 및 상기 노즐의 직경의 비가 0.04 내지 0.5 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스캐폴드 복합 기공 제작 단계는 기본 형상 제작이 완료된 스캐폴드를 용매에 제2소정 시간 동안 담그는 담금 단계; 상기 스캐폴드가 담겨진 용매에 제3소정 시간 동안 초음파 진동을 가하는 진동 단계; 상기 스캐폴드를 용매에서 건져내어 제4소정 시간 동안 건조시키는 건조 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제2, 제3, 제4소정 시간은 12 내지 36시간 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 담금 단계는 상기 용매의 온도가 36 내지 60℃ 범위 내의 값을 가지도록 유지되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 건조 단계는 건조 온도가 36 내지 60℃ 범위 내의 값을 가지도록 유지되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 복합 기공을 가지는 스캐폴드는, 3차원 플로터(3D plotter)에 의하여 제조됨으로써 미세 섬유가 얽혀진 미세 메쉬 구조를 형성하되, 상기 미세 섬유에 기공이 형성된 형태로 이루어져 상기 미세 메쉬 자체의 기공 및 상기 미세 섬유에 형성된 기공으로 이루어지는 복합 기공을 가지는 것을 특징으로 한다. 이 때 상기 스캐폴드는, 미세 섬유 상에 형성된 기공의 직경 및 미세 섬유의 직경의 비가 0.01 내지 0.5 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 의한 복합 기공을 가지는 스캐폴드는, 상술한 바와 같은 방법 중 어느 하나에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 기본적으로 SFF법의 원리에 의해 스캐폴드가 만들어지도록 함으로써 원하는 3차원 형상을 자유로이 만들 수 있으면서도, 여기에 염발포법 또는 염침출법의 원리가 결합됨으로써 스캐폴드를 이루는 스트랜드(strand) 자체에도 기공이 형성되도록 하여 공극률을 더욱 높여 조직세포의 유착률을 더욱 향상시킬 수 있는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, SFF법으로 3차원 스캐폴드를 만들게 되면 미세 섬유(스트랜드)가 얽혀진 형태, 즉 미세 메쉬 구조를 형성함으로써 공극이 형성되는데, 본 발명에 의하면 이와 더불어 스트랜드 자체에도 공극이 형성됨으로써 종래의 SFF법에 의해 만들어진 스캐폴드에 비하여 훨씬 공극률을 높일 수 있으므로, 세포 유착률이 비약적으로 향상되는 것이다.

본 발명은 또한, 별도의 특수한 장비를 굳이 필요로 하는 것이 아니고 재료를 개선하고 일부의 공정을 추가하기만 하면 되기 때문에, 기존에 사용되는 SFF법에 사용되는 장비를 그대로 사용할 수 있으며, 따라서 본 발명의 제조 방법을 도입하기 위한 설비 투자비 상승분이 거의 발생하지 않아, 경제적인 효과 또한 크다.

도 1은 본 발명의 스캐폴드 제조 방법의 한 실시예의 개념도.
도 2는 본 발명의 스캐폴드 제조 방법의 한 실시예의 흐름도.
도 3은 본 발명의 스캐폴드 제조 방법에 의하여 제조된 스캐폴드.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

앞서 설명한 바와 같이, 종래의 스캐폴드 제작 기술 중 염침출법 등의 고전적인 기술의 경우 성형틀에 넣고 경화시켜 만들기 때문에 만들 수 있는 3차원 형상에 한계가 있었고, 3차원 임의형상 제작기술의 경우 자유로이 원하는 형상을 만들 수 있는 반면 세포 유착률을 높이기 위해 공극률을 좀더 높일 필요성이 있었다.

본 발명에서는 바로 이러한 점을 개선하기 위해, 3차원 임의형상 제작기술(SFF)을 이용하여 기본 형상을 만들되, 임의형상 제작에 사용되는 재료 자체에 기공 생성용 염을 미리 혼합하여 두었다가, 기본 형상 제작 완료 후 염을 제거해 냄으로써 3차원 임의형상 제작기술로 만들어진 스캐폴드에 (염발포법 또는 염침출법 원리에 의한) 부가적인 기공이 더 형성되도록 하였다. 이와 같이 함으로써, 스캐폴드의 기본적인 형상 자체는 3차원 임의형상 제작기술에 의해 만들어지는 원하는 대로 자유로이 만들 수 있게 됨은 물론이고, 스캐폴드를 이루는 스트랜드(strand) 자체에도 염 제거에 의해 기공이 형성됨으로써, 종래의 단순 SFF법에 의해 만들어진 스캐폴드에 비해 공극률을 훨씬 높일 수 있고, 물론 이에 따라 세포 유착률도 훨씬 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 스캐폴드 제조 방법의 한 실시예의 개념도이며, 도 2는 본 발명의 스캐폴드 제조 방법의 한 실시예의 흐름도이다. 도 1, 2는 본 발명의 스캐폴드 제조 방법의 한 실시예를 나타내는 것으로서, 도 1, 2에 기재된 물질들이나 단계들은 하나의 예시일 뿐으로 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아님을 미리 밝혀 둔다. 이러한 점을 전제하고, 도 1, 2를 통해 이러한 본 발명의 복합 기공을 가지는 스캐폴드의 제작 방법을 이하에서 상세히 설명한다.

먼저, 도 1(A) 또는 도 2의 S1에 나타난 바와 같이, 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더를 혼합하여 혼합물을 제조한다. 이 때 상기 기공 생성용 염 파우더는 (차후 설명될) 용매와 반응하는 성질을 가진다. 보다 상세히는, 상기 기공 생성용 염은 상기 용매와 반응하여 기체화되는 성질을 가진다(이 조건에 대해서는 최후의 복합 기공 제작 단계에서 보다 상세히 설명한다). 이와 같은 [기공 생성용 염 / 용매]로서 사용될 수 있는 물질은, [NH₄HCO₃ / 물] 등이 될 수 있다. 도 1의 실시예에서는 상기 기공 생성용 염이 NH₄HCO₃인 것으로, 상기 용매는 물인 것으로 나타나 있으나, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

이 때, 상기 생분해성 고분자 재료는 합성 고분자 재료 또는 천연 고분자 재료를 사용할 수 있는데, 합성 고분자 재료로는 PLA(poly(lactic acid)), PGA(poly(glycolic acid)), PCL(polycaprolactone), PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), PU(polyurethane) 등이 있고, 천연 고분자 재료로는 콜라겐(collagen), 알부민(albumin), 아미노산(poly(amino acid))을 포함하는 단백질 및 단백질을 기초로 하는 고분자, 셀룰로오스(cellulose), 아가로스(agarose), 알지네이트(alginate), 헤파린(heparin), 히아루론산(hyaluronic acid), 키토산(chitosan) 등이 있다. 도 1의 실시예에서는 상기 생분해성 고분자 재료가 PCL인 것으로 나타나 있으나, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 생분해성 고분자 재료는 파우더 직경이 10 내지 250㎛ 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 생분해성 고분자 재료는 프리징 밀(freezing mill)을 사용하여 갈아서 파우더 상태로 형성시킬 수 있다. 일반적으로 물질을 갈아서 파우더 형태로 만드는 데에는 볼 밀(ball mill)이 널리 사용되나, 상기 생분해성 고분자 재료의 경우 이러한 볼 밀 등과 같은 일반적인 장치로는 파우더 형태로 갈리지 않는다. 프리징 밀은 액체질소를 이용하여 물질을 -200℃ 정도의 환경에 두고 타격을 줌으로써 파우더 형태로 만드는 장치로서, 일반적인 밀 장치로 갈리지 않는 상기 생분해성 고분자 재료라 하여도 이러한 프리징 밀을 이용하면 용이하게 파우더 형태로 만들 수 있다. 이러한 프리징 밀은 파우더 형태의 물질을 다루는 분야에서 널리 알려져 사용되고 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

또한 상기 기공 생성용 염은, 파우더 직경이 10 내지 250㎛ 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더의 중량비가 1:3 내지 1:5 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 이후 보다 상세히 설명하겠지만 간략히 설명하자면, 상기 기공 생성용 염은 3차원 임의형상으로 만들어진 스캐폴드를 이루는 스트랜드(strand) 상에 기공을 더 만들기 위한 것이다. 이 때 스트랜드의 직경보다 기공 생성용 염 파우더의 직경이 커지면 기공 생성 후 스트랜드가 부서져 버리게 될 수 있으므로, 차후 만들어질 스트랜드의 직경에 비해 기공 생성용 염 파우더의 직경이 충분히 작아야 한다. 또한 기공 생성용 염 파우더의 비율이 너무 많아지면 역시 기공 생성 후 스트랜드가 충분한 강도를 유지하지 못하게 될 수 있으므로, 중량비는 위와 같은 범위의 값으로 형성되도록 하는 것이 바람직한 것이다.

상기 기공 생성용 염을 상술한 바와 같은 원하는 직경의 파우더로 만들기 위해서, 다음과 같이 할 수 있다. 일반적으로 파우더를 만들기 위해 사용되는 장치 중 하나인 볼 밀(ball mill)을 사용하여 상기 기공 생성용 염을 갈아 주되, 이 때 상기 볼 밀에 사용되는 볼의 직경은 적어도 2종 이상으로 이루어지도록 한다. 본 출원인은 상기 기공 생성용 염의 파우더 제작 과정에서, 한 가지 직경의 볼만 사용하여 갈아줄 경우 원하는 정도로 잘 갈리지 않는 반면, 적어도 3종 이상의 서로 다른 직경의 볼을 사용할 때 원하는 직경의 파우더를 얻을 수 있었던 것을 실험적으로 확인하였다. 상기 기공 생성용 염 파우더의 직경이 10 내지 250㎛가 되게 하기 위해서, 볼 밀에 사용되는 볼의 직경은 실제로는 예를 들어 3종의 서로 다른 직경의 볼들로서 각각의 볼 직경이 5, 10, 20mm가 되도록 할 수 있다. 이러한 볼 밀은 파우더 형태의 물질을 다루는 분야에서 널리 알려져 사용되고 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

더불어, 상기 생분해성 고분자 재료 및 상기 기공 생성용 염을 파우더 형태로 만든 후, 파우더 직경별로 분리되도록 체 장비를 이용하여 5 내지 10분 가량 골라 주는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 체 장비는 파우더 형태의 물질을 다루는 분야에서 널리 알려져 사용되고 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

더불어 이 때, 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더가 균일하게 잘 혼합되도록 하기 위해, 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더를 혼합하여 제1소정 시간 동안 교반하는 단계(도 2의 S1)를 수행하여 주면 더욱 좋다. 여기에서의 상기 제1소정 시간은 물론 상기 생분해성 고분자 재료, 상기 기공 생성용 염 파우더가 무엇이냐에 따라 달라질 수 있겠으나, 대략 1 내지 8시간 범위 내의 값을 가지도록 하면 적절할 것이다.

다음으로, 도 1(B) 또는 도 2의 S2에 나타난 바와 같이, 상기 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염의 혼합물을 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치에 수용시켜, 상기 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치에 의하여 3차원 임의형상 스캐폴드의 기본 형상을 제작한다.

여기에서, 상기 3차원 임의형상 스캐폴드 제작 장치는 3차원 플로터(3D plotter)로서, 상기 혼합물이 노즐을 통해 미세 섬유(strand) 형태로 분사되고, 분사된 상기 미세 섬유가 3차원 플로팅되어 미세 메쉬(mesh) 구조로 된 3차원 임의형상이 형성되도록 이루어지는 것이 바람직하다. 앞서 설명한 바와 같이 3차원 임의형상 제작기술(SFF)에는 다양한 종류가 있는데, 본 발명에서는 미세 섬유가 얽혀져 미세 메쉬 구조를 형성하도록 이루어지는 형태의 스캐폴드가 제조되는 기술을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 물론 본 발명에 사용될 수 있는 장치가 3차원 플로터로 한정되는 것은 아니며 미세 섬유를 얽어서 3차원 임의형상을 만드는 기술에는 모두 적용 가능한 바, 예를 들어 3차원 플로터 외에도 앞서 설명한 여러 SFF 기술들 중 FDM 등에도 적용 가능하다.

상기 3차원 임의형상 스캐폴드 제작 장치가 3차원 플로터라 할 때 상기 스캐폴드 제작 단계는, 도 1(B) 또는 도 2의 S21~S24에 나타난 바와 같이, 상기 혼합물이 상기 노즐에 수용되는 단계(도 2의 S21); 상기 혼합물이 가열에 의하여 용융되는 단계(도 2의 S22); 상기 혼합물이 가압에 의하여 상기 노즐로 배출되는 단계(도 2의 S23); 상기 노즐의 3차원 움직임에 의하여 상기 노즐을 통해 미세 섬유(strand) 형태로 배출된 상기 혼합물이 미세 메쉬(mesh) 구조를 형성하는 단계(도 2의 S24); 를 포함하여 이루어지도록 할 수 있다.

이 때, 상기 노즐은 배출구의 직경이 50 내지 500㎛ 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 앞서 혼합액 제조 단계의 설명에서 언급했듯이, 상기 노즐로 배출되어 만들어지는 미세 섬유의 직경은 기공 생성용 염 파우더의 직경보다 충분히 커야 한다. 앞서 기공 생성용 염 파우더의 직경이 10 내지 250㎛ 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 바람직하다고 하였는데, 이를 고려하여 상기 노즐은 충분히 굵은 미세 섬유를 만들어낼 수 있도록, 그 직경이 위와 같은 범위 내의 값으로 형성되게 하는 것이다. 보다 일반화하자면, 상기 기공 생성용 염 파우더의 직경 및 상기 노즐의 직경의 비가 0.04 내지 0.5 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 가장 바람직하다.

부가적으로, 상기 단계들 중 가열 온도 및 가압 압력에 대해 설명하자면 다음과 같다. 가열 온도는 물론 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염의 녹는점에 따라 달라지겠으며, 가압 온도는 물론 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염의 용융액의 점성에 따라 달라질 것이다. 여기에서 일반적으로 3차원 플로터에 의한 스캐폴드 제조에 사용되는 물질들의 물성을 고려하고, 특히 도 1의 실시예에서와 같이 [생분해성 고분자 재료 / 기공 생성용 염]이 각각 [PCL / NH₄HCO₃]인 경우로 생각하면, 가열 온도가 60 내지 65℃ 범위 내의 값을 가지도록 하고, 가압 압력이 300 내지 1,000kPa 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 도 1(C) 또는 도 2의 S3에 나타난 바와 같이, 기본 형상 제작이 완료된 스캐폴드를 용매에 담가 염을 제거함으로써, 스캐폴드에 복합 기공이 형성되게 된다.

앞서 상기 기공 생성용 염 파우더는 용매와 반응하는 성질을 가지되, 보다 상세히는, 상기 기공 생성용 염은 상기 용매와 반응하여 기체화되는 성질을 가진다고 설명하였다. 상기 기공 생성용 염이 상기 용매와 반응하여 기체화되지 않고, 예를 들어 이온화되어 녹아나온다면, 스캐폴드를 형성하는 스트랜드의 밀도가 낮아질 뿐 유의미한 크기의 기공이 형성되지 않는다. 구체적인 예를 들자면 다음과 같다. 종래에 염침출법을 이용한 스캐폴드 제작 방식에서 많이 사용되는 NaCl을 본 발명의 스캐폴드 제작에 적용하고자 할 경우, 다음과 같은 문제점 때문에 제작이 어렵다. 먼저 NaCl의 함량을 높이면 고분자 함량이 상대적으로 낮아지는데, 이 경우 SFF 법으로 스캐폴드의 기본 형상을 제작하는 과정에서 노즐이 막혀 원활한 제작이 이루어지지 못한다. 반대로 NaCl의 함량을 낮추면 고분자 함량이 높아지는데, 이 경우 NaCl의 침출(leaching)이 제대로 이루어지지 않아(즉 스캐폴드 내부의 NaCl이 나오지 못함) 기공이 만들어지지 않는다. 본 발명에서는, 종래에 염침출법에 널리 사용되는 물질(상술한 바와 같은 NaCl 등)을 사용하는 대신, 상기 기공 생성용 염이 상기 용매와 반응하여 기체화되는 성질을 가지도록 하여, 바로 이 단계에서 염이 용매와 반응하여 기체화되어 나옴으로써 미세 섬유 상에 기공을 형성할 수 있도록 하는 것을 큰 특징으로 한다.

앞서 스캐폴드 제작 단계에서 미세 섬유를 얽히게 하여 미세 메쉬 구조를 형성하면, 메쉬 자체에 형성되는 구멍들이 바로 기본 기공이 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 종래의 SFF법으로 만들어지는 스캐폴드의 경우 이러한 기본 기공만으로는 원하는 만큼 세포 유착이 충분히 이루어질 만큼의 공극률이 나오지 않는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에서는, 상술한 바와 같이 미세 메쉬 자체가 형성하는 기본 기공 뿐만 아니라, (미세 메쉬를 구성하는) 미세 섬유 자체에 (염 제거에 의하여 형성되는) 복합 기공이 더 형성됨으로써, 종래보다 공극률을 높이고 나아가 궁극적으로는 세포 유착률을 크게 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

상기 생분해성 고분자 재료, 상기 기공 생성용 염, 상기 용매가 무엇이냐에 따라 물론 이 복합 기공 제작 단계의 세부 단계는 다양하게 달라질 수 있겠으나, 한 실시예로서 상기 스캐폴드 복합 기공 제작 단계는, 도 1(C) 또는 도 2의 S31~33에 나타난 바와 같이, 기본 형상 제작이 완료된 스캐폴드를 용매에 제2소정 시간 동안 담그는 담금 단계(도 2의 S31); 상기 스캐폴드가 담겨진 용매에 제3소정 시간 동안 초음파 진동을 가하는 진동 단계(도 2의 S32); 상기 스캐폴드를 용매에서 건져내어 제4소정 시간 동안 건조시키는 건조 단계(도 2의 S33); 를 포함하여 이루어질 수 있다.

여기에서 중요한 것은 초음파 진동을 가하는 단계이다. 상술한 바와 같이 상기 기공 생성용 염은 상기 용매와 반응하여 기체화되면 기포 형태로 미세 섬유에 붙어있게 되는데, 기포가 충분히 커지면 부력에 의하여 미세 섬유로부터 떨어져 나오겠지만 그렇지 않은 경우 미세 섬유에 그대로 붙어 있음으로써 염-용매 간 반응을 나쁘게 하는 원인이 될 수 있다. 그러나 여기에 초음파 진동 즉 물리적인 외부 움직임을 가해 줌으로써, 단지 부력에 의해서만이 아니라 진동에 의해서 기포가 쉽게 미세 섬유로부터 떨어져 나오게 되어, 염-용매 간 반응이 보다 원활하게 일어날 수 있게 되며, 반응률 및 반응 속도가 훨씬 개선된다.

여기에서, 역시 상기 생분해성 고분자 재료, 상기 기공 생성용 염, 상기 용매가 무엇이냐에 따라 달라지겠으나, 상기 제2, 제3, 제4소정 시간은 12 내지 36시간 범위 내의 값을 가지도록 하면 적절할 것이다. 또한, 기공 생성 시의 반응을 보다 활성화해주기 위해, 상기 담금 단계에서 상기 용매의 온도가 36 내지 60℃ 범위 내의 값을 가지도록 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 스캐폴드가 열변형되거나 하는 손상이 발생하지 않으면서도 건조가 활발히 잘 이루어질 수 있도록 하기 위해, 상기 건조 단계에서 건조 온도가 36 내지 60℃ 범위 내의 값을 가지도록 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 한 예로 상기 건조 단계에서는 진공 오븐에서 상술한 바와 같은 온도 범위(36 내지 60℃)로 제5소정 시간(예를 들어 12 내지 36시간) 동안 진공 건조를 시킬 수 있는데, 이와 같이 진공 오븐에서 진공 건조를 시켜 줌으로써 보다 원활하고 신속한 건조가 이루어지도록 할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 복합 기공을 가지는 스캐폴드는, 3차원 임의형상 제조장치에 의하여 제조됨으로써 미세 섬유가 얽혀진 미세 메쉬 구조를 형성하되(앞서 설명한 바와 같이 미세 메쉬 자체로 형성되는 기공이 기본 기공이 된다), 상기 미세 섬유에 기공(염 제거에 의해 형성되는 복합 기공이다)이 형성된 형태로 이루어져, 종합하자면 상기 미세 메쉬 자체의 기공 및 상기 미세 섬유에 형성된 기공으로 이루어지는 복합 기공을 가지는 것을 특징으로 한다.

앞서 제조 방법의 설명 시, 기공 생성용 염 파우더의 직경 및 미세 섬유의 직경(즉 노즐의 직경)의 비가 0.04 내지 0.5 범위 내의 값을 가진다고 설명하였다. 그런데 실제로 혼합 과정, (가열 및 가압 후) 미세 섬유 배출 과정 등에서 기공 생성용 염 파우더가 더 부스러지기도 하는 등 당연히 그 직경에 변화가 생기며, 기공 생성 시 원래의 파우더 직경과 정확히 동일한 크기의 기공이 생기는 것이 아니라 실제로 더 작은 크기의 기공이 생기게 된다. 따라서 실제로 최종적으로 형성되는 미세 섬유 상에 형성된 기공의 직경 및 미세 섬유의 직경의 비는 반드시 기공 생성용 염 파우더의 직경과 미세 섬유의 직경의 비와 같아지지는 않는다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 복합 기공을 가지는 스캐폴드는, 미세 섬유 상에 형성된 기공의 직경 및 미세 섬유의 직경의 비가 0.01 내지 0.5 범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 스캐폴드 제조 방법에 의하여 제조된 스캐폴드의 예시를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 미세 섬유들이 얽혀져 미세 메쉬 구조를 형성하고 있으며, 미세 메쉬 구조 자체에 의하여 기본 기공이 형성되어 있으며, 또한 미세 섬유 자체에 복합 기공이 형성되어 있음이 잘 나타나 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

S1~S3: (본 발명의) 스캐폴드 제조 방법의 각 단계
S21~S33: (본 발명의) 스캐폴드 제조 방법의 각 세부 단계

Claims

생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더를 혼합하는 혼합물 제조 단계;
상기 생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염의 혼합물을 3차원 플로터(3D plotter)에 수용시켜, 상기 3차원 플로터에 의하여 상기 혼합물이 노즐을 통해 미세 섬유(strand) 형태로 분사되고, 분사된 상기 미세 섬유가 3차원 플로팅되어 미세 메쉬(mesh) 구조로 된 스캐폴드를 제작하는 스캐폴드 제작 단계;
상기 스캐폴드를 용매에 담가 상기 기공 생성용 염을 제거하되, 상기 기공 생성용 염은 상기 용매와 반응하여 기체화되는 성질을 가지는 것으로서 상기 기공 생성용 염이 기체화되면서 상기 스캐폴드를 구성하는 미세 섬유 상에 기공이 형성되는 스캐폴드 복합 기공 제작 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 생분해성 고분자 재료는
PLA(poly(lactic acid)), PGA(poly(glycolic acid)), PCL(polycaprolactone), PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)), PU(polyurethane) 중 선택되는 적어도 어느 하나인 합성 고분자 재료이거나, 또는
콜라겐(collagen), 알부민(albumin), 아미노산(poly(amino acid))을 포함하는 단백질 및 단백질을 기초로 하는 고분자, 셀룰로오스(cellulose), 아가로스(agarose), 알지네이트(alginate), 헤파린(heparin), 히아루론산(hyaluronic acid), 키토산(chitosan) 중 선택되는 적어도 어느 하나인 천연 고분자 재료인 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 생분해성 고분자 재료는
파우더 직경이 10 내지 250㎛ 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 생분해성 고분자 재료는
프리징 밀(freezing mill)을 사용하여 갈아서 파우더 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 기공 생성용 염은
상기 용매와 반응하여 기체화되는 성질을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 기공 생성용 염은
NH₄HCO₃인 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 용매는
물인 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 기공 생성용 염은
파우더 직경이 10 내지 250㎛ 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 기공 생성용 염은
볼 밀(ball mill)을 사용하여 갈아서 파우더 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 10항에 있어서, 상기 볼 밀은
적어도 2종의 직경을 갖는 볼을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 혼합물 제조 단계는
생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더의 중량비가 1:3 내지 1:5 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 혼합물 제조 단계는
생분해성 고분자 재료 및 기공 생성용 염 파우더를 혼합하여 제1소정 시간 동안 교반하는 단계;
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 13항에 있어서, 상기 제1소정 시간은
1 내지 8시간 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 스캐폴드 제작 단계는
상기 혼합물이 상기 노즐에 수용되는 단계;
상기 혼합물이 가열에 의하여 용융되는 단계;
상기 혼합물이 가압에 의하여 상기 노즐로 배출되는 단계;
상기 노즐의 3차원 움직임에 의하여 상기 노즐을 통해 미세 섬유(strand) 형태로 배출된 상기 혼합물이 미세 메쉬(mesh) 구조를 형성하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 15항에 있어서, 상기 스캐폴드 제작 단계는
가열 온도가 60 내지 65℃ 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 15항에 있어서, 상기 스캐폴드 제작 단계는
가압 압력이 300 내지 1,000kPa 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 노즐은
배출구의 직경이 50 내지 500㎛ 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 스캐폴드 제조 방법은
상기 기공 생성용 염 파우더의 직경 및 상기 노즐의 직경의 비가 0.04 내지 0.5 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 스캐폴드 복합 기공 제작 단계는
기본 형상 제작이 완료된 스캐폴드를 용매에 제2소정 시간 동안 담그는 담금 단계;
상기 스캐폴드가 담겨진 용매에 제3소정 시간 동안 초음파 진동을 가하는 진동 단계;
상기 스캐폴드를 용매에서 건져내어 제4소정 시간 동안 건조시키는 건조 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 20항에 있어서, 상기 제2, 제3, 제4소정 시간은
12 내지 36시간 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 20항에 있어서, 상기 담금 단계는
상기 용매의 온도가 36 내지 60℃ 범위 내의 값을 가지도록 유지되는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 20항에 있어서, 상기 건조 단계는
건조 온도가 36 내지 60℃ 범위 내의 값을 가지도록 유지되는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법.
제 1, 3 내지 5, 7 내지 23 항 중 선택되는 어느 한 항에 의한 복합 기공을 가지는 스캐폴드 제조 방법에 의하여 만들어지는 스캐폴드로서,
3차원 플로터(3D plotter)에 의하여 제조됨으로써 미세 섬유가 얽혀진 미세 메쉬 구조를 형성하되, 상기 미세 섬유에 기공이 형성된 형태로 이루어져 상기 미세 메쉬 자체의 기공 및 상기 미세 섬유에 형성된 기공으로 이루어지는 복합 기공을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드.
제 24항에 있어서, 상기 스캐폴드는
미세 섬유 상에 형성된 기공의 직경 및 미세 섬유의 직경의 비가 0.01 내지 0.5 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드.
제 1, 3 내지 5, 7 내지 23 항 중 선택되는 어느 한 항에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 기공을 가지는 스캐폴드.