KR101751986B1 - 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 및 그 제작 방법 - Google Patents

인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 및 그 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체적합 물질인 키토산과 폴리카프로락톤 혼합물의 전기방사 나노섬유로 제작된 생체관에 폴리카프로락톤 스트랜드로 적층하여 스캐폴드 층을 형성하는 것에 의해 표면 형태적 특성 및 기계적 특성을 개선시킨 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 및 그 제작 방법에 관한 것으로,
상술한 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드는, 키토산을 포함하는 생체적합성 물질의 전기 방사에 의해 제작되는 나노섬유관; 및 상기 나노섬유관의 외측면에 3D 프린팅에 의해 폴리카프로락톤 스트랜드 적층으로 형성되는 스캐폴드층;을 포함하여 구성되어,
높은 친수성 및 기계적 강도를 가지는 스캐폴드를 제작할 수 있도록 하고, 이에 의해 높은 혈압을 견디며, 면역 반응을 나타내지 않으며, 살아 있는 전체 혈관 세포들이 모두 복원될 때까지 형태를 유지할 수 있도록 하는 것에 의해 고품질의 인공 혈관을 제작할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

Description

인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 및 그 제작 방법{BIO TUBULAR SCAFFOLD FOR FABRICATING ARTIFICIAL VASCULAR AND THE FABRICATING METHOD THEREOF}
본 발명은 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 생체적합 물질인 키토산과 폴리카프로락톤 혼합물의 전기방사 나노섬유로 제작된 생체관을 폴리카프로락톤 스트랜드로 적층하는 것에 의해 표면 형태적 특성 및 기계적 특성을 개선시킨 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
외과적인 혈관 재건 수술은 외상 또는 혈관질병 등에 의해 손상되거나 소실된 혈관의 교체를 위해 비교적 일반적으로 행해진다. 관상 동맥의 치료 또는 혈관 질병에 의한 손상을 회복하기 위해 사용되는 치료들을 포함하는 인공혈관우회수술의 수는 매해 40만 건에 달한다. 많은 생체공학적 연구자들은 현재 살아있는 혈관의 재생을 위한 생체기능물질을 결합시키는 대안전략을 개발하고 있다.
일예로, 대한민국 공개특허공보 제2013-37324호(22013.04.16. 공개)는 코팅된 골분말을 유효성분으로 포함하는 골 재생용 스캐폴드의 3차원 프린팅 적층용 조성물, 상기 골 재생용 스캐폴드의 제조 방법 및 스캐폴드를 개시한다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1506704호(2015.03.27. 공고)는 고밀도폴리에틸렌과 생체활성물질을 혼합한 복합소재를 3D 프린팅에 의해 다공 구조로 형성한 다공성 지지체와, 플라즈마에 의해 표면 처리되어 다공성 지지체의 일면에 형성된 표면 처리층을 구비하여, 3차원 형상으로 성형함으로써 의도한 스캐폴드의 형상을 정확하게 구현할 수 있으며, 기공의 크기와 형태까지 자유롭게 조절할 수 있는 안면 이식용 다공성 스캐폴드와 이의 제조방법을 개시한다.
또한, 서브매크로 스케일에서 나노미터 스케일까지의 크기 범위이며 전기방사(ELSP: electrospinning) 방법에 의해 제작되는 전기방사 나노섬유(ENs)는 거대 표면적과 세포외 기질의 모방 능력에 의해 생체물질 스캐폴드(scaffold)로서 일반적으로 사용된다. 전기방사 방법은 섬유 두께를 용이하게 제어할 수 있고, 전기방사에 의해 제작된 전기방사 나노섬유(ENs: Electrospun nanofibers)는 높은 공극률을 가진다. 이러한 특징들은 세포의 접착과 스캐폴드 안에서의 세포의 급속한 확산을 위해 매우 중요한 매개 변수들이다.
이와 같은 노력에 의해 개발된 폴리머 나노섬유들 중 키토산 전기방사 나노섬유들이 천연 아미노산 다당류인 키토산(CTS: chitosan)의 내재적인 생체친화성으로 인해 다양한 조직의 재생을 위해 특히 적합하다. 일반적으로, 키토산 전기방사 나노섬유는 피부, 뼈, 연골 또는 인공 혈관의 응용 등의 조직 재생을 위한 생체의학용 스캐폴드로 사용될 수 있다. 이러한 키토산 전기방사 나노섬유는 수성 환경에서 팽윤되는 생체물질의 하나이다. 그러므로 이러한 스캐폴드를 오랜 시간 사용하는 과정에서 원래의 섬유 구조를 유지하는 것은 매우 중요하다. 이러한 이유로, 중화 키토산 전기방사 나노섬유들이 섬유구조의 유지를 위해 사용되어 왔으며, 조직 공학 생체 스캐폴드 분야에서 유용하게 적용되었고, 체내 또는 체외 연구를 통해 평가되었다.
최근에 Du와 Zhou 등이 체내 또는 체외 연구에서 합성 나노 폴리카프로락톤(PCL: polycaprolactone)과 키토산 혼합물의 전기방사 나노섬유로 구성된 인공 혈관 시스템의 장점을 보여 주었다. 이 두 개의 물질은 모두 미국 FDA에 의해 승인 되었다. 이와 같이 폴리카프로락톤(PCL)의 도입은 인공 혈관의 물리적 강도를 향상시켰다.
그러나 키토산(CTS)과 생체적합물질로서의 폴리카프로락톤 혼합물의 전기 방사 나노섬유는 낮은 기계적 특성을 가지는 문제가 있었다. 즉, 충분한 강도의 스캐폴드를 얻기 위해서는 키토산의 양이 건강한 혈관의 복구를 위해 적당하지 않을 정도로 감소되어야 했다. 또한, 인공 생체 친화적 혈관은 높은 혈압을 견뎌야하고, 면역 반응을 나타내지 말아야 하며, 살아 있는 전체 혈관 세포들이 모두 복원될 때까지 형태를 유지해야 하는 조건들을 만족시켜야 하는 문제점을 가진다.
대한민국 공개특허공보 제2013-37324호(22013.04.16. 공개) 대한민국 등록특허 제10-1506704호(2015.03.27. 공고)
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 생체적합 물질인 키토산과 폴리카프로락톤 혼합물의 전기방사 나노섬유로 제작된 생체관에 폴리카프로락톤 스트랜드로 적층하는 것에 의해 표면 형태적 특성 및 기계적 특성을 개선시킨 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 및 그 제작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드는, 키토산을 포함하는 생체적합성 물질의 전기 방사에 의해 제작되는 나노섬유관; 및 상기 나노섬유관의 외측면에 3D 프린팅에 의해 폴리카프로락톤 스트랜드 적층으로 형성되는 스캐폴드층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 생체적합성 물질은, 조성비 7:3 ~ 9.5:0.5의 범위를 가지는 키토산/폴리카프로락톤 혼합물로 구성될 수 있다.
상기 나노섬유관은 아미드 결합(amid bond: N-H)에 대응하는 파수(wavenumber) 1659cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유관일 수 있다.
상기 나노섬유관은, C-H 결합에 대응하는 파수 2938cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산 나노섬유관 또는 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유관일 수 있다.
상기 나노섬유관은, 에스테르 카르보닐기 그룹에 대응하는 파수 1725cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유관일 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 제작 방법은, 키토산을 포함하는 생체적합성 물질의 전기 방사에 의해 나노섬유관을 제작하는 전기방사 나노섬유관 제작과정; 및 상기 전기방사 나노섬유관에 폴리카프로락톤 스트랜드를 3D 프린팅하여 폴리카프로락톤 스트랜드 적층으로 되는 스캐폴드층을 형성하는 스캐폴드층 형성과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 생체적합성 물질은, 조성비가 7:3 ~ 9.5:0.5의 범위를 가지는 키토산/폴리카프로락톤의 혼합물일 수 있다.
상기 나노섬유관은 아미드 결합(amid bond: N-H)에 대응하는 파수 1659cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산 나노섬유관일 수 있다.
상기 나노섬유관은 아미드 결합(amid bond: N-H)에 대응하는 파수 1659cm-1의 피크 흡수스펙트럼과, C-H 결합에 대응하는 파수 2938cm-1의 피크 흡수스펙트럼 및 에스테르 카르보닐기 그룹에 대응하는 파수 1725cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유관일 수 있다.
상술한 구성의 본 발명은 높은 친수성 및 기계적 강도를 가지는 인공혈관의 제작을 위한 조직배양지지체로서의 스캐폴드를 제작할 수 있도록 하고, 이에 의해 높은 혈압을 견디며, 면역 반응을 나타내지 않고, 살아 있는 전체 혈관 세포들이 모두 복원될 때까지 형태를 유지할 수 있도록 하는 것에 의해 고품질의 인공 혈관을 제작할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한 본 발명은 전기방사 나노섬유관을 생체적합성 키토산을 이용하여 제작하는 것에 의해 공극으로의 세포유입을 차단함으로써, 세포의 증착 배양 시 세포들이 스캐폴드 관 내로 확산되는 것을 방지하는 것에 의해, 인공 혈관의 막힘 현상을 방지하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 급속조형기술(rapid prototyping, 3D 프린팅)을 이용한 자유형상제작기술(fabrication of solid free form)이 적용되는 것에 의해 인체에 독성을 가지는 솔벤트 등을 사용함이 없이 생체 친화적 스캐폴드를 제작할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 생체관 스캐폴드(1)의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라는 조직배양지지체로서의 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 제작 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 3은 전기방사 방법에 의해 나노섬유관(10)을 생성하고, 생성된 나노섬유관(10)의 외주면에 3D 프린팅(급속 조형 기술: rapid prototyping)을 적용하여 폴리카프로락톤 스트랜드 적층을 수행하는 것에 의해 스캐폴드층(20)을 형성하는 과정을 도식적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실험을 위해 전기방사에 의한 키토산(CTS), 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 및 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs)으로 되는 나노섬유관(10) 제작 조건을 나타내는 표.
도 5는 도 4의 조건에 의해 제작된 나노섬유관(10)들의 퓨리에 변환 적외선 스트로스코프(FT-IR)에 의한 분광분석 결과를 나타내는 그래프.
도 6은 (a) 키토산(CTS) 전기방사 나노섬유관, (b) 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 전기방사 나노섬유관, (c) 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs), (d) 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 키토산(CTS) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, (e) 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, (f) 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs) 스캐폴드의 주사전자현미경 사진.
도 7은 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 키토산(CTS) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs) 스캐폴드 각각의 0 초에서의 물방울 접촉각(a ~c)과 30초에서의 물방울 접촉각(d ~ f)의 변화를 나타내는 도면.
도 8 및 도 9는 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 관형 혈관 스캐폴드인 (a)키토산(CTS) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, (b) 키토산/폴리카프로락톤 (CTS/PCL) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, (c) 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs) 스캐폴드 각각의 물흡수율을 나타내는 표.
도 10 및 도 11은 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 관형 혈관 스캐폴드의 응력변형률 곡선과 최대인장강도를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 스캐폴드(1)의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 인공 혈관 제작을 위한 조직배양지지체로서의 생체관 스캐폴드(1)는 키토산을 포함하는 생체적합성 물질의 전기 방사에 의해 제작되는 나노섬유관(10) 및 나노섬유관(10)의 외측면에 3D 프린팅에 의해 폴리카프로락톤 스트랜드 적층으로 형성되는 스캐폴드층(20)을 포함하여 구성된다.
상기 생체적합성 물질은, 키토산(CTS), 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 혼합물, 폴리카프로락톤(PCL)일 수 있다. 이중, 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 혼합물은 조성비 7:3 ~ 9.5:0.5의 범위를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라는 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 제작 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이고, 도 3은 전기방사 방법에 의해 나노섬유관(10)을 생성하고, 생성된 나노섬유관(10)의 외주면에 3D 프린팅(급속 조형 기술: rapid prototyping)을 적용하여 폴리카프로락톤 스트랜드 적층을 수행하는 것에 의해 스캐폴드층(20)을 형성하는 과정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2와 같이, 상기 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 제작방법은, 키토산을 포함하는 생체적합성 물질의 전기 방사에 의해 나노섬유관(10)을 제작하는 전기방사 나노섬유관 제작과정(S10) 및 전기방사 나노섬유관에 폴리카프로락톤 스트랜드를 3D 프린팅하여 폴리카프로락톤 스트랜드 적층으로 되는 스캐폴드층(20)을 형성하는 스캐폴드층 형성과정(S20)을 포함하여 이루어진다.
상술한 전기방사 나노섬유관 제작과정(S10)에서 전기방사장치(30)의 전기방사기(31)와 회전봉(33)에 고전압을 인가한 상태에서, 전기방사기(310)에 키토산(CTS), 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 혼합물 또는 폴리카프로락톤(PCL)을 주입하여 분사하면서 회전봉(33)을 회전시킴과 동시에 좌우로 이동시키는 것에 의해 나노섬유관(10)을 제작한다.
이 후, 3D프린터(40)에 폴리카프로락톤(PCL)을 주입한 후 용융시키면서 가압하는 것에 의해 분사노즐(41)을 통해 폴리카프로락톤 스트랜드(PCL strand)를 나노섬유관(10)의 외측면에 분사하여 적층시킴으로써 스캐폴드층(20)을 형성한다. 상기 스캐폴드층(20)은 폴리카프로락톤 스트랜드(PCL strand)를 나노섬유관(10)의 외측면에 분사하여 적층하거나 3D프린터로 분사하여 프린팅하는 것에 의해 형성될 수도 있다.
즉, 상술한 바와 같이 제작된 본 발명의 생체관 스캐폴드(1)는 도 3과 같이, 관형 전기방사 나노섬유관들이 관형폴리카프로락톤으로 덮여진다. 즉, 본 발명은 폴리카프로락톤(PCL) 스트랜드로 덮여진 키토산 전기방사 나노섬유(CTS ENs), 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL ENs) 또는 플로카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL ENs)로 구성된 3차원 인공혈관을 설계하고 프린트할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 실험을 위해 전기방사에 의한 키토산(CTS), 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 및 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs)으로 되는 나노섬유관(10) 제작 조건을 나타내는 표이다.
도 4와 같이, 본 발명의 실험을 위해 키토산 전기방사 나노섬유관((a) CTS EN)은 5 중량%, 20kv, 15cm의 거리, 22 니들게이지의 전기방사 방법을 적용하여 제작하였다. 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유관((b) CTS/PCL EN)은 5 중량%, 20kv, 15cm의 거리, 22 니들게이지의 전기방사 방법을 적용하여 제작하였다. 다음으로 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유관((c) PCL EN)은 20 중량%, 18kv, 15cm의 거리, 22 니들게이지의 전기방사 방법을 적용하여 제작하였다.
부연 설명하면, 폴리카프로락톤과 혼합된 키토산은 전기방사법과 급속조형기술의 결합으로 제작되었다. 이렇게 제작된 산출물은 퓨리에 변환 적외선스펙트로스코프(FT-IR)와 주사전자현미경(SEM)에 의해 특성이 분석되었다. 표면 접촉각, 수분 흡수 그리고 인공 혈관의 기계적 특성 또한 평가되었다.
도 5는 도 4의 조건에 의해 제작된 나노섬유관(10)들의 퓨리에 변환 적외선 스트로스코프(FT-IR)에 의한 분광분석 결과를 나타내는 그래프이다.
제조된 키토산과 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유의 계면 화학 특성이 FT-IR 흡수에 의해 분석되었다. 도 5의 키토산 나노섬유 필름의 스펙트럼은 1659 cm-1에서 아미드 결합(N-H)에 대응하는 특징적인 피크치를 포함하였다. 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL EN)의 스펙트럼은 2938 cm-1과 1725 cm-1에서 각각 C-H 결합에 대응하는 피크치와 에스테르 카르보닐기 그룹(ester carbonyl group)에 대응하는 피크치를 포함하였다. 아미드 결합 피크와 에스테르 카르보닐기 피크를 포함하는 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL)(9:1) 전기방사 나노섬유의 스펙트럼은 키토산과 폴리카프로락톤이 잘 혼합된 것을 나타낸다.
도 6은 (a) 키토산(CTS) 전기방사 나노섬유관, (b) 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 전기방사 나노섬유관, (c) 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs), (d) 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 키토산(CTS) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, (e) 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, (f) 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs) 스캐폴드의 주사전자현미경 사진이다.
도 6의 (a) ~ (c)의 주사 전자 현미경 그래프는 키토산 전기방사 나노 섬유(CTS EN), 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL EN) 및 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL EN) 각각의 형태학상 특성을 보여준다.
키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN)들은 직경이 작고 잘 정렬된 토폴로지(topology)를 형성하지 않았다. 반대로, 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL EN)의 현미경 사진은 직선과 큰 섬유 직경을 가지는 잘 정렬된 토폴로지를 보여준다. 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL EN)는 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN) 하나일 때보다 더욱 잘 정렬된 형태학적인 특징을 보여준다. 합성 고분자를 천연고분자에 혼합한 경우도 전기방사 증착에 적합한 물질의 형태학적 특성을 가졌다. FT-IR과 SEM 분석 결과의 결합은 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN)와 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL EN) 튜브들이 전기방사 방법을 사용하여 성공적으로 제작되었음을 보여 주었다.
이런 처리과정에 의해 제작된 최종 제품의 표면 형태는 SEM에 의해 특성화되었다. 도 6의 d-f까지의 현미경 사진은 각각 키토산(CTS)의 폴리카프로락톤(PCL) 스트랜드 최상층 필름, 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL) 및 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL EN)의 3차원 적층구조를 나타낸다. 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL EN)의 직경과 스트랜드 사이의 간격은 각각 300㎛ 및 1200㎛ 였다. 도 6의 d-f에서 더 작은 현미경 사진은 전기방사 나노섬유 필름과 덮인 스트랜드 사이의 경계를 보여준다. 도 6의 d의 현미경사진은 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN)와 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL EN) 물질이 그들의 상대적인 친수성의 차이에 기인하여 전체적으로 호환되지 않은 것을 보여준다. 그러나 도 6의 e는 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노 섬유(CTS/PCL EN) 경계의 갭이 없이 균일하게 폴리카프로락톤 스트랜드에 부착된 것을 보여준다. 게다가, 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL EN) 필름과 덮여진 폴리카프로락톤 스트랜드들은 또한 완전하게 접촉된 것을 보여준다(도 6f). 폴리카프로락톤과 키토산은 친수성에 큰 차이가 있어 섞이지 않았으나, 혼합 필름은 두 개의 물질이 친밀하게 접촉하도록 하는 매개층(interface layer)으로 기능하였다. 이러한 접촉의 유형은 강한 혈관 스캐폴드(scaffolds)를 형성하는데 매우 중요하다.
도 7은 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 키토산(CTS) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, 키토산/폴리카프로락톤(CTS/PCL) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs) 스캐폴드 각각의 0 초에서의 물방울 접촉각(a ~c)과 30초에서의 물방울 접촉각(d ~ f)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7에서, 상부 3개의 사진은 성막 직후의 물방울의 접촉각을 나타낸다. 아래의 3 개의 사진은 30초 후에 찍은 사진을 나타낸다. 도 7의 a와 d는 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN) 물질이 44도의 초기 접촉각을 가지는 것을 보여주며, 30초 후에는 0도로 감소하였다. 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL EN) 물질은 초기 접촉각이 79도이고 30초 후 48도로 감소하였다.
두 경우에서, 접촉각의 감소는 물의 흡수도를 나타낸다. 반대로, 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL EN) 물질은 113도의 초기 접촉각을 가졌으며, 시간의 경과에서 접촉각이 변하지 않았다. 이러한 결과들은 폴리카프로락톤의 상대적으로 높은 친수성을 나타낸다. 따라서 폴리카프로락톤(PCL)의 기능에 따른 이러한 물질들의 물 흡수 특성에서의 차이가 기대될 수 있다.
도 8 및 도 9는 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 관형 혈관 스캐폴드인 (a)키토산(CTS) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, (b) 키토산/폴리카프로락톤 (CTS/PCL) 전기방사 나노섬유관 스캐폴드, (c) 폴리카프로락톤(PCL) 전기방사 나노섬유관(ENs) 스캐폴드 각각의 물흡수율을 나타내는 표이다.
도 8 및 도 9와 같이, 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN) 물질은 10초에서 30초 사이의 노출에서 대략 13% 더 많은 물을 흡수하였다. 유사하게, 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL EN) 물질은 10초에서 30초 사이의 노출에서 28%의 물 흡수율 증가를 보여주었다. 반대로 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(PCL EN) 물질의 안정적인 접촉각은 물질의 친수성 특성에 기인하는 바와 같이, 물이 흡수되지 않는 것을 나타낸다. 게다가, 30초 후, 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN) 스캐폴드는 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL EN) 물질의 물 흡수량의 18% 이상의 물을 더 흡수하였다. 추가적으로, 폴리카프로락톤(PCL)이 코팅된 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN) 물질과 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL EN) 물질 모두에서, 30초 후에는 흡수율의 증가가 두드러지게 나타나지 않았다. 이러한 결과는 물질들의 최대 물 흡수율의 증가가 30초 내에 종료되는 것을 의미한다. 이것은 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN) 안의 키토산이 높게 함유된 것에 기인한다. 일반적으로 폴리머 표면의 젖음성(wettability)과 상대적인 친수성은 세포 부착 및 이동도(degree of cell adhesion and migration)에 의해 결정된다. 그러므로 관 내에 키토산이 많이 함유될수록, 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN) 스캐폴드는 좋은 셀 부착 및 증식 특성을 가질 수 있도록 한다.
도 10 및 도 11은 폴리카프로락톤 스트랜드 적층인 스캐폴드층을 가지는 관형 생체관 스캐폴드의 응력변형률 곡선과 최대인장강도를 나타내는 그래프.
도 10 및 도 11의 각 물질에 대한 응력변형률 곡선과 최대인장강도 실험의 결과에서 보여지는 바와 같이, 제조된 전기방사 나노섬유 위의 폴리카프로락톤(PCL)의 입자 또는 폴리카프로락톤(PCL) 적층의 증가에 기인하는 중요한 차이가 존재한다. 추가적으로, 순수 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN)의 최대인장강도는 폴리카프로락톤(PCL)이 적층된 키토산 전기방사 나노섬유(CTS EN) 및 키토산/폴리카프로락톤 전기방사 나노섬유(CTS/PCL EN)에 비해 매우 낮았다. 이러한 결과는 스캐폴드의 강도가 폴리카프로락톤 스트랜드 적층의 존재 시 현저히 증가하는 것을 나타낸다. 종래기술에 따르면, 손상되지 않은 경동맥(intact carotid arteries)에 대한 인간의 좌측 내흉 동맥(human left internal mammary arteries)에 대한 인장강도가 각각 2.95±0.31 MPa 및 4.3±1.8 MPa로 보고되었다.
관상동맥의 최대 인장강도는 1.40 MPa에서 11.14 MPa의 범위를 가질 수 있다. 혈관 재생이 필요할 때, 고유의 혈관의 다양한 강도의 필요로 인해 전기방사 나노 섬유로만 제조된 것의 사용은 어려워진다. 따라서 전기방사 나노 섬유의 외부에 폴리카프로락톤 스트랜드 적층으로 형성되는 스캐폴드층을 형성하는 본 발명은 강한 인공 혈관을 제작하는 수단으로 유용하게 적용될 수 있다.
신규하고 강한 인공 혈관은 전기방사법과 3차원 바이오프린팅 시스템을 사용하여 제작되었다. 키토산(CTS), 폴리카프로락톤(PCL) 그리고 키토산/폴리카프로락톤 혼합 전기방사 나노섬유 스캐폴드들이 제작된 후 FT-IR과 SEM에 의해 평가되었다. 물의 흡수성과 친수성은 키토산의 비율의 증가에 따라 증가되었다. 제작된 관형 스캐폴드는 표면 형태적 특성과 기계적 특성 모두에서 적합하게 나타났고, 전기방사 나노섬유(EN) 기판 위에 폴리카프로락톤 스트랜드(PCL strand)를 프린팅하는 것에 의해 양자 모두 현저히 증가되었다. 즉, 본 발명은 3차원 프린팅된 폴리카프로락톤에 의해 강화된 전기나노 방사섬유로 구성되는 인공혈관의 합성을 보여준다.
1: 생체관 스캐폴드 10: 나노섬유관
20: 스캐폴드층 30: 전기방사장치
31: 전기방사기 33: 회전봉
40: 3D 프린터 41: 분사노즐

Claims (10)

  1. 키토산을 포함하는 생체적합성 물질의 전기 방사에 의해 제작되는 나노섬유관; 및
    상기 나노섬유관의 외측면에 3D 프린팅에 의해 폴리카프로락톤 스트랜드 적층으로 형성되는 스캐폴드층;을 포함하여 구성되고,
    상기 생체적합성 물질은,
    조성비 7:3 ~ 9.5:0.5의 범위를 가지는 키토산/폴리카프로락톤 혼합물로 구성되는 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유관은,
    아미드 결합(amid bond: N-H)에 대응하는 파수 1659cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유관인 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유관은,
    C-H 결합에 대응하는 파수 2938cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산 나노섬유관 또는 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유관인 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유관은,
    에스테르 카르보닐기 그룹에 대응하는 파수 1725cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유관인 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드.
  6. 키토산을 포함하는 생체적합성 물질의 전기 방사에 의해 나노섬유관을 제작하는 전기방사 나노섬유관 제작과정; 및
    상기 전기방사 나노섬유관에 폴리카프로락톤 스트랜드를 3D 프린팅하여 폴리카프로락톤 스트랜드 적층으로 되는 스캐폴드층을 형성하는 스캐폴드층 형성과정;을 포함하여 이루어지며,
    상기 생체적합성 물질은,
    조성비가 7:3 ~ 9.5:0.5의 범위를 가지는 키토산/폴리카프로락톤의 혼합물인 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 제작 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 나노섬유관은,
    아미드 결합(amid bond: N-H)에 대응하는 파수 1659cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산 나노섬유관인 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 제작 방법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 나노섬유관은,
    C-H 결합에 대응하는 파수 2938cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산 나노섬유관 또는 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유관인 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 제작 방법
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 나노섬유관은,
    에스테르 카르보닐기 그룹에 대응하는 파수 1725cm-1의 피크 흡수스펙트럼을 가지는 키토산/폴리카프로락톤 나노섬유관인 인공 혈관 제작용 생체관 스캐폴드 제작 방법.
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