KR101840021B1 - Tissue engineering scaffold composed of three-dimensional shell structure and bioreactor provided with the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a scaffold for tissue engineering and a bioreactor using the scaffold. A scaffold according to the present invention is a scaffold for tissue engineering using a three-dimensional thin film structure whose inner side is divided into two inter-tangled sub-spaces by an interface, wherein the interface is made of a porous thin film through which specific substances can be selectively passed, and wherein a first space of the two sub-spaces is provided as a space for culturing cells and a second space is provided as a moving path for metabolite. The scaffold can be accommodated into a housing having an entrance and an exit for metabolite to form a bioreactor.

Description

3차원 박막 구조체로 이루어진 조직공학용 스캐폴드 및 이를 포함한 생체반응기{TISSUE ENGINEERING SCAFFOLD COMPOSED OF THREE-DIMENSIONAL SHELL STRUCTURE AND BIOREACTOR PROVIDED WITH THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a scaffold for tissue engineering comprising a three-dimensional thin film structure, and a bioreactor including the same. [0002]

본 발명은 조직공학용 스캐폴드, 이러한 스캐폴드를 응용한 생체반응기에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 스캐폴드에 이용되는 3차원 박막 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a scaffold for tissue engineering, and a bioreactor using such a scaffold. The present invention also relates to a three-dimensional thin film structure used in the scaffold and a method of manufacturing the same.

일반적으로 조직공학(tissue engineering)이란 생체조직의 성장원리를 이해하고 의료 목적으로 기능적인 대체 조직을 생산하기 위하여 이를 응용하는 기술을 의미한다. 스캐폴드(scaffold)는 생체조직이 3차원으로 형성되도록 지지하는 역할을 하는 인공적인 구조체로서 조직공학의 핵심적인 요소이다. 종래, 하이드로겔(hydrogel), 전기방사 나노섬유(electrospun nanofiver)와 같은 연질조직용 스캐폴드와, 발포(gas-foamed) 또는 염침출(salt-leached) 법으로 제조되어 소폰지와 같은 다공질의 불규칙한 구조를 갖는 연골 또는 뼈 조직용 스캐폴드가 전통적으로 알려져 있다. 또한 체내에 이식할 목적으로 체외에서 조절된 환경하에 생체조직을 배양할 수 있는 생체반응기가 사용되는데, 이러한 생체반응기에서 생체조직을 배양하기 위한 지지체도 스캐폴드에 포함된다.Tissue engineering generally refers to techniques for understanding the growth principles of living tissues and applying them to produce functional alternative tissues for medical purposes. A scaffold is an artificial structure that plays a role in supporting living tissue to be formed in three dimensions. It is a key element of tissue engineering. Conventionally, a scaffold for soft tissues such as a hydrogel and an electrospun nanofiber, and a porous, irregularly shaped porous body such as a sphongalon manufactured by a gas-foamed or salt-leached method A scaffold for cartilage or bone tissue having a structure is traditionally known. In addition, a bioreactor capable of culturing a living tissue under an environment controlled in vitro for the purpose of transplanting into the body is used. A support for culturing the biotissue in such a bioreactor is also included in the scaffold.

이러한 스캐폴드에 대해서는, 첫째로 세포의 성장과 영양분, 산소와 물질대사 폐기물의 유동전달이 가능하도록 서로 연결된 내부공간을 갖는 3차원 다공질 구조를 가질 것, 둘째로 생체적합성(biocompatibility) 및 생체흡수성(bioresolbable)(구체적으로 체외 또는 체내에서 세포 및 조직성장에 맞추어 분해되거나 흡수되는 속도를 조절가능할 수 있는 생체흡수성)을 가질 것, 셋째로 표면이 세포의 부착, 증식, 분화에 적합한 화학적 특성을 가질 것, 넷째로 이식될 부분의 주변조직에 어울리도록 적절한 기계적 강도(strength)와 강성(stiffness)를 가질 것 등의 조건이 요구되며, 특히 상기 두번째에서 네번째의 조건은 연골 또는 뼈 조직용 스캐폴드에 독자적으로 요구되는 것으로 알려져 있다(D.W. Hutmacher. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials Vol. 21, pp.2529-2543, 2000.). For these scaffolds, the first is to have a three-dimensional porous structure with interconnected internal spaces to allow for the growth and nutrients of cells, the flow of oxygen and the metabolic waste, and biocompatibility and bioabsorbability bioresolbable (specifically bioabsorbable) that can regulate the rate at which it is degraded or absorbed in response to cell and tissue growth in vitro or in the body. Third, the surface should have chemical properties suitable for cell attachment, proliferation, and differentiation , And fourthly, it is required to have appropriate mechanical strength and stiffness so as to be suitable for the surrounding tissue of the part to be implanted. Particularly, the second to fourth conditions are independent on the scaffold for cartilage or bone tissue (DW Hutmacher. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials Vol. 21, pp.2529- 2543, 2000).

상기한 종래 전통적인 스캐폴드 중, 예컨대 발포(gas-foamed) 또는 염침출(salt-leached) 법으로 제조되어 스폰지와 같은 다공질의 불규칙한 구조를 갖는 연골 또는 뼈 조질용 스캐폴드의 경우 내부 유동이 제한되고 국부적 결함 때문에 기계적 강도가 낮은 단점이 있다. 2000년대 이르러 규칙적인 형태의 미세 구조(micro-architecture)가 주기적으로 존재하는 다공질 재료(periodic celluar materials)가 무게대비 강도가 높으며 유동 저항이 낮다는 사실이 알려지면서, 최근 CAD 및 3D 프린팅 기술이 발전함에 따라 이러한 규칙적인 형태의 미세 구조를 스캐폴드로 활용하는 다양한 시도가 최근 이루어지고 있다.Among the conventional conventional scaffolds, for example, a cartilage or bone preparation scaffold made of a gas-foamed or salt-leached method and having a porous irregular structure such as a sponge is limited in internal flow There is a disadvantage that the mechanical strength is low due to local defects. In the 2000s, periodical cellar materials with periodic micro-architecture have been known to have high strength and low flow resistance, and CAD and 3D printing technology have been developed recently. Recently, various attempts have been made to utilize such a regular microstructure as a scaffold.

그 일환으로, TPMS(Triply Periodic Minimal Surface: 3-주기적 최소곡면)를 규칙적인 형태의 미세 구조로 하여 스캐폴드로 활용하는 방안이 시도되고 있다. 상기 TPMS는 3차원 공간상에 스스로 교차하지 않고(non-self intersecting) 주기적으로 반복되는 곡면 구조체로서, 특히 영의 평균곡률(zero mean curverture)을 갖는다(Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). 여기서, 상기 평균곡률(mean curverture)이란 3차원 면의 한 점에서 서로 수직한 두방향의 최대곡률과 최소곡률의 평균값을 의미하며, 3차원 면의 굴곡진 정도를 나타낸다. 1960년대 A. Schoen이 이를 정리하고 새로운 몇가지 TPMS를 추가하였다(S. Hyde et al. The Language of Shape. Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5). 이러한 TPMS는 도 1에 나타낸 바와 같이 다양한 형태가 존재하며 이중 P-, D- 및 G-surface 가 화학 및 생물분야에서 가장 대표적으로 인용되고 있다. 자연계에 존재하는 TPMS는 물-유화제 혼합물, 세포박막, 성게 표피판, 실리케이트 meso-phase 등에서 발견되는데, 대부분 두 개의 상 (phase)을 분리하는 계면의 형태로 존재한다. 나아가, 상기한 영의 평균곡률(zero mean curverture)을 갖는 TPMS는 공간을 각기 연속인 2 개의 부공간(subvolume)으로 나누게 되는데 양 부공간의 체적비가 1:1로 동일하다. 체적비가 다른 경우에도 양 부공간을 나누는 평균곡률이 균일(constant)한 최소 표면적(minimal surface)의 곡면을 정의할 수 있는데 이 곡면 또한 TPMS라고 한다(참고문헌: M. Maldovan and E. L. Thomas. Periodic Materials and Interference Lithography. 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2). 만일 TPMS형태로 3차원 박막 구조체를 제조한다면 박막의 곡면에 어디에서나 균일한 평균곡률을 가지고 있어 외부하중이 작용할 때, 응력이 어느 한 부분에 집중 되지 아니 하므로 상기의 극저밀도 재료에서 발생하는 조기 국부좌굴현상이 발생하지 않으며 무게대비 높은 강도를 갖는 것으로 알려져 있고(Min Geun Lee, Jeong Woo Lee, Seung Chul Han, Kiju Kang. Mechanical Analyses of “Shellular”, an Ultralow-density Cellular Metal. Acta Materialia, Vol. 103, pp.595-607, 2016.), TPMS 형태의 박막 구조체를 제조하는 실용적인 공정으로서 광 리소그래피를 기반으로 박막의 다면 구조체를 제조하는 방법을 응용하여 도 1에 도시된 P-surface 와 유사한 형태로 제조하는 방법이 알려져 있다(S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang. A new type of low density material; Shellular. Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.).As a part of it, attempts have been made to utilize TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) as a scaffold with a regular microstructure. The TPMS is a curved surface structure that is periodically repeated without non-self intersecting on a three-dimensional space, and has a zero mean curvature (Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). Here, the mean curvature means an average value of a maximum curvature and a minimum curvature in two directions perpendicular to each other at a point on a three-dimensional surface, and represents the degree of curvature of the three-dimensional surface. In the 1960s, A. Schoen summarized and added several new TPMSs (S. Hyde et al., The Language of Shape, Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5). As shown in FIG. 1, there are various types of TPMS, and P-, D-, and G-surfaces are cited most commonly in the chemical and biological fields. TPMS in nature is found in water-emulsifier mixtures, cell membranes, urchin epidermis, silicate meso-phase, and most of them exist as an interface separating two phases. In addition, the TPMS having a zero mean curvature of the above-mentioned zero-sphere divides the space into two continuous subvolumes, wherein the volume ratio of the two subspaces is equal to 1: 1. It is also possible to define a minimal surface with a constant average curvature that divides both subspaces, even when the volume ratio is different (see also M. Maldovan and EL Thomas Periodic Materials and Interference Lithography. 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2). If a three-dimensional thin film structure is manufactured in the form of a TPMS, the curvature of the thin film has a uniform average curvature anywhere, so that when the external load is applied, the stress is not concentrated in any one part, The mechanical properties of the shell and the ultralow-density cellular material are discussed in detail in the following section of this paper. 103, pp. 595-607, 2016.), a practical process for manufacturing a TPMS-type thin film structure, a method of manufacturing a thin film multi-layer structure based on photolithography is applied to form a P- (SC Han, JW Lee, K. Kang, A new type of low density material, Shellular. Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.).

최근의 TPMS를 규칙적인 형태의 미세 구조로 하여 스캐폴드로 활용하는 방안의 구체적 예가 도 2에 도시되어 있다. 도 2의 (a)는 TPMS의 한쪽 부공간(subvolume)이 고체로 채워진 형태의 스캐폴드로서, 기계적 강도와 강성이 높고 격자형(truss or lattice) 미세 구조를 갖는 것보다 나머지 빈 부공간 내에서 유동이 원활하여 높은 투과성을 나타내는 것으로 제안된 바 있다(S. Rajagopalan, R.A. Robb. Schwarz meets Schwann: design and fabrication of biomorphic and durataxic tissue engineering scaffolds. Med Image Anal., Vol.10, pp.693-712, 2006.). 도 2의 (b)는 TPMS로 분리되는 두 부공간이 비어 있고 그 경계면이 고체(solid)인 형태의 스캐폴드로서, 도 2의 (a) 대비 무게 대비 강도가 우수한 것으로 제안되었다(S.C. Kapfer, S.T. Hyde, K. Mecke, C.H. Arns, G.E. Schroder-Turk. Minimal surface scaffold designs for tissue engineering, Biomaterials. Vol. 32, pp.6875-6882, 2011.). Kapfer 등은 도 2의 (b)를 제안하는 과정에서 도 2의 (a)를 'network solid'라 명명하는 한편 이와 구별하여 도 2의 (b)를 'sheet solid'로 명명하였다.FIG. 2 shows a concrete example of a method of utilizing a recent TPMS as a scaffold with a regular microstructure. FIG. 2 (a) is a scaffold in which one subvolume of the TPMS is filled with a solid, which is higher in mechanical strength and rigidity than the truss or lattice microstructure, (S. Rajagopalan, RA Robb. Schwarz meets Schwann: Design and fabrication of biomorphic and durataxic tissue engineering scaffolds. Med Image Anal., Vol.10, pp.693-712 , 2006.). 2 (b) is a scaffold in which the two sub-spaces separated by the TPMS are empty and the interface thereof is solid, and it has been proposed that the strength relative to the weight of FIG. 2 (a) is excellent (SC Kapfer, ST Hyde, K. Mecke, CH Arns, GE Schroder-Turk. Minimal surface scaffold designs for tissue engineering, Vol. 32, pp. 6875-6882, 2011.). Kapfer et al. Named 'network solid' in FIG. 2 (a) and 'sheet solid' in FIG. 2 (b) while distinguishing them from each other.

그러나 앞서 언급한 전통적인 스캐폴드나 최근의 TPMS를 활용한 스캐폴드 모두 다음과 같은 문제점이 있다. 첫째로, 각 부공간 내에서 세포 활동에 필요한 영양분과 산소, 세포활동의 결과 발생하는 물질대사 폐기물 등을 운반하는 유체 유동이 제한된다. 예를 들면, 불규칙 구조를 갖는 스캐폴드의 경우 체외(in-vitro) 조직성장 깊이가 표면으로부터 대략 500㎛ 이하로 제한되는 한계가 있다(L.E. Freed, G. Vunjak-Novakovic. Culture of organized cell communities. Adv. Drug Deliver Rev., Vol.33, pp.15-30, 1998.). 이는 스캐폴드 내 빈공간에서의 유체투과성이 낮은데 기인하기도 하지만 증식되는 세포에 의해서 유로가 막히는 현상이 발생하기 때문이기도 하다. 이러한 문제는 유체투과성이 우수한 것으로 제안된 TPMS를 활용한 'network solid' 또는 'sheet solid'에서도 시간이 경화함에 따라 동일하게 발생할 수 있다. 둘째로, 연골이나 뼈 조직용 스캐폴드로 활용하는 경우에 있어서는 필요한 강도를 갖기 위해 스캐폴드 내에 고체가 차지하는 부피가 많을 수 밖에 없으며, 따라서 체외 또는 체내에서 세포 및 조직성장에 맞추어 분해되거나 흡수되어야 하는 고체 물질의 양이 많아져서 물질의 선택이 제한되고 인체에 부담이 될 수 있고 또한 그만큼 기공이 차이하는 부피가 낮아 유체투과성이 나빠지기 쉽다.However, both the conventional scaffold mentioned above and the scaffold utilizing the recent TPMS have the following problems. First, fluid flow that carries the nutrients and oxygen required for cell activity within the subspace, and the metabolic waste resulting from cell activity is limited. For example, in a scaffold having an irregular structure, there is a limitation that the in-vitro tissue growth depth is limited to about 500 탆 or less from the surface (LE Freed, G. Vunjak-Novakovic, Culture of organized cell communities. Adv. Drug Deliver Rev., Vol. 33, pp. 15-30, 1998.). This is also due to low fluid permeability in the empty space in the scaffold, but also due to the phenomenon that the flow path is clogged by the proliferating cells. This problem can occur as time hardens in 'network solid' or 'sheet solid' using TPMS which is proposed to have excellent fluid permeability. Secondly, when used as a scaffold for cartilage or bone tissue, the bulk of the solid in the scaffold must be large in order to obtain the required strength, and therefore, it must be decomposed or absorbed in vitro or in vivo in accordance with cell and tissue growth The amount of the solid material is increased, so that the selection of the material is limited and the human body may be burdened. Moreover, the volume of the pores varies so much that the permeability of the fluid tends to deteriorate.

- D.W. Hutmacher. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials Vol. 21, pp.2529-2543, 2000.- D.W. Hutmacher. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials Vol. 21, pp. 2529-2543, 2000. - Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer- Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer - S. Hyde et al. The Language of Shape. Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5- S. Hyde et al. The Language of Shape. Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5 - M. Maldovan and E. L. Thomas. Periodic Materials and Interference Lithography. 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2- M. Maldovan and E. L. Thomas. Periodic Materials and Interference Lithography. 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KG KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2 - Min Geun Lee, Jeong Woo Lee, Seung Chul Han, Kiju Kang. Mechanical Analyses of “Shellular”, an Ultralow-density Cellular Metal. Acta Materialia, Vol. 103, pp.595-607, 2016.- Min Geun Lee, Jeong Woo Lee, Seung Chul Han, Kiju Kang. Mechanical Analyzes of "Shellular", an Ultralow-density Cellular Metal. Acta Materialia, Vol. 103, pp. 595-607, 2016. - S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang. A new type of low density material; Shellular. Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.- S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang. A new type of low density material; Shellular. Advanced Materials, Vol. 27, pp. 5506-5511, 2015. - S. Rajagopalan, R.A. Robb. Schwarz meets Schwann: design and fabrication of biomorphic and durataxic tissue engineering scaffolds. Med Image Anal., Vol.10, pp.693-712, 2006.S. Rajagopalan, R.A. Robb. Schwarz meets Schwann: design and fabrication of biomorphic and durataxic tissue engineering scaffolds. Med Image Anal., Vol. 10, pp. 693-712, 2006. - S.C. Kapfer, S.T. Hyde, K. Mecke, C.H. Arns, G.E. Schroder-Turk. Minimal surface scaffold designs for tissue engineering, Biomaterials. Vol. 32, pp.6875-6882, 2011.- S.C. Kapfer, S.T. Hyde, K. Mecke, C.H. Arns, G.E. Schroder-Turk. Minimal surface scaffold designs for tissue engineering, Biomaterials. Vol. 32, pp. 6875-6882, 2011. - L.E. Freed, G. Vunjak-Novakovic. Culture of organized cell communities. Adv. Drug Deliver Rev., Vol.33, pp.15-30, 1998.- L.E. Freed, G. Vunjak-Novakovic. Culture of organized cell communities. Adv. Drug Deliver Rev., Vol. 33, pp. 15-30, 1998.

본 발명의 목적은, 증식되는 세포에 의해 영양분과 산소를 공급하는 유로의 막힘 현상이 없고, 최소한의 고상 물질로 만들어져 조직 성장에 맞추어 분해되거나 흡수가 용이하면서도 유체투과성 및 외부 하중에 대한 강성이 우수하고, 임의의 3차원 형상으로의 외형 설계가 자유로운 스캐폴드 및 이를 포함하는 생체반응기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 이러한 스캐폴드에 활용될 수 있는 3차원 박막 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a microorganism having excellent flowability and excellent rigidity against external load And to provide a scaffold which can be freely designed in any three-dimensional shape and a bioreactor including the scaffold. It is another object of the present invention to provide a three-dimensional thin film structure that can be utilized in such a scaffold and a method of manufacturing the same.

본 발명자들은, 상기 과제해결을 위해 TPMS와 같이 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간(subvolume)으로 분리구획된 3차원 구조체를 스캐폴드로 활용하는 방안을 집중적으로 연구하는 과정에서, 해당 3차원 구조체의 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간(subvolume)으로 분리 구획될 수 있고 각각의 부공간이 연속된 형태의 기하학적인 구조에 주목하여, 종래와는 달리 2개의 부공간을 구획하는 계면을 다공성 박막으로 구성하는 한편 3차원 구조체의 2개의 부공간을 모두 활용하되 어느 하나의 부공간을 세포가 배양되는 공간으로 다른 하나의 부공간을 세포 배양시 수반되는 영양분, 산소 물 및 대사 폐기물 등의 물질대사물의 이동 통로로 활용하는 방안을 지견하고, 이러한 3차원 구조체가 특히 TPMS 형태로 구현될 경우 우수한 투과성에 수반하여 소망하는 강성도 도모될 수 있음에 착안하고, 이러한 형태의 스캐폴드를 포함한 다종의 생체반응기를 고안함으로써 본 발명에 이르게 되었다. 또한 상기 TPMS 형태의 3차원 구조체에서 2개의 부공간을 구획하는 계면을 다공성 박막으로 구현하는 방법과 관련하여, 희생구조물인 템플릿에 투과성 막막을 형성한 후 해당 템플릿을 제거하는 방식으로 구체화하여 본 발명에 이르게 되었다. 이상의 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 해결수단에 관한 본 발명의 요지는 아래와 같다.In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention intensively studied a method of utilizing a three-dimensional structure separated and divided into two subvolumes in which the interior is twisted by an interface like a TPMS, The three-dimensional structure can be divided into two subvolumes which are twisted with each other by the interface, and attention is paid to the geometrical structure in which each subspace is continuous, The space separating the space is composed of a porous thin film and all the two subspaces of the three-dimensional structure are utilized. One subspaces is a space where the cells are cultured. Another subspaces is formed by the nutrients, oxygen Water, and metabolic wastes. When these three-dimensional structures are implemented in the form of TPMS, The present inventors came to the present invention by devising a variety of bioreactors including scaffolds of this type. Also, with regard to a method of implementing the interface separating two sub-spaces in the TPMS type three-dimensional structure as a porous thin film, a permeable film is formed on a template, which is a sacrificial structure, . The gist of the present invention regarding the recognition of the above-mentioned problems and the solution means based on the above is as follows.

(1) 내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간으로 분리 구획되는 3차원 박막 구조체를 이용한 조직공학용 스캐폴드로서, 특정 물질만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 다공성 박막으로 상기 계면을 구성하고, 상기 2개의 부공간 중 제1 공간은 세포가 배양되는 공간으로 제공되고 제2 공간은 물질대사물의 이동 통로로 제공되는 것을 특징으로 하는 조직공학용 스캐폴드.(1) is a scaffold for tissue engineering using a three-dimensional thin film structure which is divided into two sub-spaces which are internally twisted with each other by an interface, wherein the interface is constituted by a porous thin film capable of selectively passing only a specific substance, Wherein a first one of the two subspaces is provided in a space in which the cells are cultured and a second space is provided in a path of movement of the metabolite.

(2) 상기 다공성 박막은 생체재료, 금속, 폴리머, 세라믹 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 조직공학용 스캐폴드.(2) The scaffold for tissue engineering according to (1), wherein the porous thin film is any one of biomaterial, metal, polymer and ceramic.

(3) 상기 계면은 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 조직공학용 스캐폴드.(3) The scaffold for tissue engineering according to (1), wherein the interface is a triply periodic minimal surface (TPMS).

(4) 상기 제1 공간과 제2 공간이 다공성 박막에 의해 분리된 단위 구조의 크기가 조절됨으로써 계면의 표면적 및 세포가 배양되는 공간이 조절되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 조직공학용 스캐폴드(4) The scaffold for tissue engineering according to (1) above, wherein the surface area of the interface and the space in which the cells are cultured are controlled by controlling the size of the unit structure in which the first space and the second space are separated by the porous thin film

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 따른 스캐폴드; 및 상기 스캐폴드를 그 내부에 수용하고 물질대사물의 입구 및 출구가 구비된 하우징을 포함하여 구성된 생체반응기.(5) A scaffold according to any one of (1) to (4) above. And a housing receiving the scaffold therein and having an inlet and an outlet of a metabolite.

(6) 상기 제1 공간은 및 제2 공간 각각에 독립된 입구 및 출구가 구비된 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 생체반응기.(6) The bioreactor according to (5), wherein the first space and the second space are provided with independent inlets and outlets, respectively.

(7) 상기 제2 공간에만 입구 및 출구가 구비된 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 생체반응기. (7) The bioreactor according to (5), wherein an inlet and an outlet are provided only in the second space.

(8) 상기 제1 공간에는 출구만 구비되고 상기 제2 공간에는 입구만 구비된 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 생체반응기.(8) The bioreactor according to (5), wherein the first space is provided with an outlet only and the second space is provided with only an inlet.

(9) 내부가 다공성 박막에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간으로 분리 구획되는 3차원 박막 구조체를 제조하는 방법으로서, 템플릿을 제조하는 단계; 상기 템플릿의 외부에 다공성 박막을 형성하는 단계; 상기 다공성 박막의 일부를 제거하여 템플릿을 노출시키는 단계; 상기 템플릿을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 박막 구조체 제조방법.(9) A method for manufacturing a three-dimensional thin film structure which is divided into two sub-spaces in which the inside is twisted by a porous thin film, comprising the steps of: preparing a template; Forming a porous thin film outside the template; Exposing a template by removing a portion of the porous thin film; And removing the template. 2. The method of manufacturing a three-dimensional thin film structure according to claim 1,

(10) 상기 다공성 박막의 형성은 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 혼합 코팅층을 형성하는 단계; 폴리락트산(PLA) 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 폴리락트산(PLA) 코팅층을 친수처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 (9)의 3차원 박막 구조체 제조방법.(10) forming the porous thin film comprises: forming a mixed coating layer of chitosan and polyethylene glycol (Chitosan / PEG); Forming a polylactic acid (PLA) coating layer; And a hydrophilic treatment of the polylactic acid (PLA) coating layer on the surface of the three-dimensional thin film structure.

(11) 상기 템플릿을 제거하는 과정에 수반하여 상기 폴리락트산(PLA) 코팅층을 제거하고, 그 이후에 상기 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 혼합 코팅층으로부터 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 제거하는 것을 특징으로 하는, 상기 (10)의 3차원 박막 구조체 제조방법.(11) The polylactic acid (PLA) coating layer is removed along with the removal of the template, and then the polyethylene glycol (PEG) is removed from the chitosan and polyethylene glycol (PEG) mixed coating layer. (10). ≪ / RTI >

본 발명에 따르면, 2개의 부공간을 구획하는 계면을 다공성 박막으로 구성하는 한편 3차원 구조체의 2개의 부공간을 모두 활용하되 어느 하나의 부공간을 세포가 배양되는 공간으로 다른 하나의 부공간을 세포 배양시 수반되는 영양분, 산소 물 및 대사 폐기물 등의 물질대사물의 이동 통로로 활용하는 구조로 스캐폴드를 구성함으로써, 증식되는 세포에 의해 영양분과 산소를 공급하는 유로의 막힘 현상이 없고, 최소한의 고상 물질로 만들어져 조직 성장에 맞추어 분해되거나 흡수가 용이하면서도 유체투과성 및 외부 하중에 대한 강성이 우수하고, 임의의 3차원 형상으로의 외형 설계가 자유로운 스캐폴드 및 이를 포함하는 생체반응기를 제공할 수 있다.According to the present invention, the interface separating the two sub-spaces is constituted by a porous thin film, and the two sub-spaces of the three-dimensional structure are utilized. One sub-space is used as a space where the cells are cultured, By constructing a scaffold with a structure that is used as a pathway for the metabolism of nutrients, oxygenated water, and metabolic waste accompanying cell culture, there is no clogging of the channel for supplying nutrients and oxygen by the cells to be proliferated, It is possible to provide a scaffold and a bioreactor including the scaffold which are made of a solid material and easy to be decomposed or absorbed in accordance with tissue growth, excellent in fluid permeability and rigidity against an external load, .

도 1은 여러가지 형태의 TPMS(Triply Periodic Minimal Surface: 3-주기적 최소곡면)의 구조도.
도 2는 종래 TPMS를 활용한 스캐폴드의 구조도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스캐폴드의 구조도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체반응기의 구조도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 박막을 구비한 3차원 박막 구조체의 제조 공정도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 3차원 박막 구조체의 제품 사진.
1 is a structural view of various types of TPMS (Triply Periodic Minimal Surface).
2 is a structural view of a scaffold utilizing a conventional TPMS.
3 is a structural view of a scaffold according to an embodiment of the present invention;
4 is a structural view of a bioreactor according to an embodiment of the present invention.
5 is a view illustrating a process for manufacturing a three-dimensional thin film structure having a porous thin film according to an embodiment of the present invention.
6 is a photograph of a product of a three-dimensional thin film structure manufactured according to an embodiment of the present invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the configuration of the embodiment described in the present specification is merely the most preferred embodiment of the present invention, and does not represent all the technical ideas of the present invention, so that various equivalents And variations may be made. On the other hand, in the drawings, the same or similar reference numerals are given to the same or equivalent elements in the drawings, and, in the entire specification, when a component is referred to as being "comprising" But may include other components.

스캐폴드Scaffold

먼저 도 3을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스캐폴드의 구조에 대해 설명한다. 도 3의 실시예에 따른 스캐폴드(10)는 2 개의 부공간(110, 120)이 다공성 박막(130)에 의해 분리 구획된 구조이고, 다공성 박막(130)이 2개의 부공간(110, 120) 사이의 계면을 형성한다. 이러한 다공성 박막(130)에는 특정 물질만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 모든 형태의 막을 포함하며, 체내에 직접 사용되는 경우에는 키토산(Chitosan) 등의 생체재료로 구성하는 것이 바람직하나 생체반응기 등의 체외에서 사용되는 경우에는 금속, 세라믹, 폴리머 등의 재질로 구성하는 것도 가능하다. First, the structure of a scaffold according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The scaffold 10 according to the embodiment of FIG. 3 is configured such that the two sub-spaces 110 and 120 are separated by the porous thin film 130 and the porous thin film 130 is divided into two sub-spaces 110 and 120 ). ≪ / RTI > When the porous membrane 130 is used directly in the body, it is preferable that the porous membrane 130 is made of a biomaterial such as chitosan. However, in the case of a bioreactor, When it is used, it may be made of a material such as metal, ceramic, polymer and the like.

이 경우, 상기 다공성 박막(130)의 곡면은 형태는 G-surface를 포함한 다양한 TPMS가 바람직하지만 이에 제한되지는 않으며, 2개의 부공간(110, 120)을 구획할 수 있는 기타의 부드러운 곡면 형태도 포함할 수 있다. In this case, the curved surface of the porous thin film 130 is preferably a variety of TPMS including a G-surface, but not limited thereto, and other smooth curved surface shapes capable of dividing two sub-spaces 110 and 120 .

상기 2개의 부공간 중 제1 공간(110)은 세포가 배양되는 공간으로 제공되고, 다른 제2 공간(120)은 물질대사물의 이동 통로로 제공된다. 이 경우, 물질대사물은 물질대사에 필요한 영양분, 산소, 물과 그 폐기물을 포함한다. A first space 110 of the two sub-spaces is provided to a space where cells are cultured, and another second space 120 is provided as a path of movement of a metabolite. In this case, the metabolites include nutrients, oxygen, water and their wastes needed for metabolism.

이러한 스캐폴드 구조에서는, 영양분, 산소, 물 및 물질대사 폐기물 등의 물질대사물이 이동되는 공간인 제2 공간(120)과 세포가 배양되는 제1 공간(110)이 분리됨으로써 증식된 세포에 의해 유로가 막히는 종래 스캐폴드의 문제점이 해결함과 동시에 균일한 세포배양을 유도할 수 있고 큰 조직을 얻기에 유리하다.In this scaffold structure, the second space 120, in which a metabolite such as nutrients, oxygen, water, and metabolic waste are moved, is separated from the first space 110 in which the cells are cultured, It is possible to induce uniform cell culture and to obtain a large tissue while solving the problem of the conventional scaffold in which the channel is blocked.

또한 상기 2개의 부공간(110, 120)은 서로 꼬인 형태이고 각각은 부드럽게 연속된 공간을 형성하기 때문에, 제2 공간(120)에서의 물질대사물의 이동시 유동 저항이 현저히 감소함으로써 스캐폴드(10) 전체적으로 투과성(permeability)이 크게 향상될 수 있다. 특히, 다공성 박막(130)의 곡면이 TPMS 형태인 경우, 외부 하중시 조기 국부좌굴이 억제되어 무게 대비 높은 가질 수 있어 종래 스캐폴드에서 양립이 어려웠던 투과성 및 강성에 대한 요구 조건을 동시에 충족시킬 수 있다.Also, since the two sub-spaces 110 and 120 are twisted together and each forms a smooth continuous space, the flow resistance during movement of the metabolite in the second space 120 is significantly reduced, The permeability can be greatly improved as a whole. Particularly, when the curved surface of the porous thin film 130 is of the TPMS type, early local buckling can be suppressed at the time of external load, and it can be higher than the weight, so that the requirements for permeability and rigidity, which are difficult to achieve in the conventional scaffold, .

또한 상기 2개의 부공간(110, 120)의 계면이 다공성 박막으로 구성함으로써 넓은 표면적의 다공성 박막(130)이 물질대사물의 이동 효율이 향상될 수 있고, 투과상 박막(130)의 곡면이 TPMS 형태인 경우에는 강도 유지에 필요한 고상 물질의 양을 최소화함으로써 조직성장에 맞추어 분해되거나 체내에 흡수되기에 유리하다.In addition, since the interface between the two sub-spaces 110 and 120 is made of a porous thin film, the porous thin film 130 having a large surface area can improve the transport efficiency of the metabolite, and the curved surface of the transmission thin film 130 can be formed in the form of TPMS , The amount of the solid matter necessary for maintaining the strength is minimized, so that it is advantageously decomposed or absorbed into the body according to the tissue growth.

또한 이러한 스캐폴드(10)는 2개의 부공간(110, 120)이 다공성 박막(130)에 의해 분리된 작은 크기의 단위 구조(unit sturucture)가 3차원 공간상에서 규칙적으로 반복되는 구조이기 때문에, 거시적인 관점에서 스캐폴드를 원하는 형상으로 임의로 자유롭게 설계하는 것이 가능하다. 이 경우, 상기 단위 구조의 크기는 수 내지 수천 마이크로미터로 조절함으로써 다공성 박막(130) 계면의 표면적을 조절하고 조직 배양에 적당한 공간을 제공할 수 있다.Since the scaffold 10 has a structure in which a unit sturucture of small size in which two sub-spaces 110 and 120 are separated by the porous thin film 130 is regularly repeated on the three-dimensional space, It is possible to arbitrarily design the scaffold in a desired shape freely. In this case, by controlling the size of the unit structure to several to several thousand micrometers, the surface area of the interface of the porous thin film 130 can be controlled and a proper space for tissue culture can be provided.

생체반응기Bioreactor

다음으로, 도 3의 스캐폴드(10)를 구성요소로 포함하여 구현될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 생체반응기를 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4에서 스캐폴드(10)는 2개의 부공간(110, 120)이 다공성 박막(130) 계면에 의해 분리 구획된 구조를 2차원적으로 도식화하여 표현하였다. 생체반응기(bioreactor)는 특정 물질이나 세포를 생산하기 위해 또는 특정의 생물학적 반응을 수행하기 위해 생물체를 조절된 환경하에서 배양할 수 있는 기기를 의미하며, 실시예에서는 생체조직을 체외에서 배양하기 위한 용도로 예시하였다.Next, a bioreactor according to an embodiment of the present invention, which can be implemented by including the scaffold 10 of FIG. 3 as a component, will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the scaffold 10 is represented by two-dimensionally representing a structure in which two sub-spaces 110 and 120 are separated by an interface of the porous thin film 130. A bioreactor refers to a device capable of culturing an organism under controlled conditions in order to produce a specific substance or cell or to perform a specific biological reaction. In the embodiment, a bioreactor is used for culturing a living tissue in vitro .

도 4의 (a) 내지 (c)에 따른 생체반응기(1)는 기본적으로 스캐폴드(10)와, 스캐폴드(10)을 내부에 수용하는 하우징(20)으로 구성되며, 하우징(20)에는 영양분, 산소, 물과 그 폐기물 등의 공급 및 배출을 위한 입구 및 출구가 구비된 구조이고, 생체반응기(1)의 용도나 요구조건에 따라 아래 예시된 실시예와 같이 변형 사용될 수 있다.4 (a) to 4 (c) are basically composed of a scaffold 10 and a housing 20 for accommodating the scaffold 10 therein, and the housing 20 And is provided with an inlet and an outlet for supplying and discharging nutrients, oxygen, water and its waste, and can be modified as shown in the embodiments illustrated below according to the use and requirements of the bioreactor 1.

도 4의 (a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 생체반응기(1)의 구성도를 나타낸다. 제1 실시예에서는 스캐폴드(10)에 구비된 제1 공간(110)과 제2 공간(120) 모두 각각에 독립된 입구 및 출구가 구비된 것이 특징이다. 즉 제1 공간(110)에는 입구(110a) 및 출구(110b)가 형성되고, 제2 공간(120)에도 입구(120a) 및 출구(120b)가 형성된다. 이 경우, 제2 공간(120)의 압력을 제1 공간(110) 보다 약간 높게 하여 다공성 박막(130)을 통과하여 물을 매개로 영양분과 산소의 공급을 활발하게 하며, 제1 공간(110)에서 발생하는 물질대사 폐기물은 별도의 출구(110b)로 배출되므로 제2 공간(120)의 오염을 최소화할 수 있는 장점이 있다.4 (a) shows a configuration diagram of the bioreactor 1 according to the first embodiment of the present invention. In the first embodiment, the first space 110 and the second space 120 provided in the scaffold 10 are provided with independent inlets and outlets, respectively. The inlet 110a and the outlet 110b are formed in the first space 110 and the inlet 120a and the outlet 120b are formed in the second space 120 as well. In this case, the pressure of the second space 120 is made slightly higher than that of the first space 110, and the supply of nutrients and oxygen is activated through the porous thin film 130 through the water, Is discharged to the separate outlet (110b), so that contamination of the second space (120) can be minimized.

도 4의 (b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생체반응기(1)의 구성도를 나타낸다. 제2 실시예에서는, 제1 공간(110)에는 별도의 입구 및 출구가 없는 반면 제2 공간(120)에만 별도의 입구(120a) 및 출구(120b)가 구비된 것이 특징이다. 이 경우, 물질대사에 필요한 영양분 및 산소를 포함한 유체는 입구(120a)를 통해 공급되고 물질대사 폐기물을 포함한 유체는 출구(120b)를 통해 배출되며, 제2 공간(120)과 제1 공간(110) 사이의 물질대사물의 이동은 다공성 박막(130)을 통해서만 이루어지기 때문에 특히 제1 공간(110)에서 배양된 세포가 물질대사물의 유동에 의해 소실될 가능성을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 한편, 2개의 부공간(110, 120) 사이의 물질대사물의 이동이 확산 및 삼투현상에 의존하여 다공성 박막(130)을 통해서만 이루어지기 때문에 이동하는 물질의 양이 상대적으로 작을 것으로 예상될 수 있지만, 종래 스캐폴드와는 달리 다공성 박막(130)의 면적 밀도가 크기 때문에, 스캐폴드(10)에서 2개의 부공간(110, 120)이 다공성 박막(130) 계면에 의해 분리 구획된 단위 미세 구조를 수백 마이크로 미터 이하로 작게 하면 물질대사물의 이동 통로로서 다공성 박막(13)에 대한 충분한 면적을 확보할 수 있어 전체적인 물질대사물의 이동량에는 문제되지 않는다. 다만, 제2 실시예의 경우 순환하는 유로가 단일 계통이기 때문에 함께 배출된 물질대사 폐기물을 여과하기 위한 별도의 수단이 필요할 수 있다. 본 실시예에 따른 생체반응기의 경우, 스캐폴드 내에 조직이 어느 정도 수준까지 배양된 후 별도의 조치 없이 스캐폴드만 그대로 체내로 이식할 수 있다.Fig. 4 (b) shows the configuration of the bioreactor 1 according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the first space 110 has no separate inlet and outlet, while the second space 120 has a separate inlet 120a and an outlet 120b. In this case, a fluid containing nutrients and oxygen necessary for metabolism is supplied through the inlet 120a, a fluid including the metabolism waste is discharged through the outlet 120b, and the second space 120 and the first space 110 ) Is carried out only through the porous membrane 130, it is possible to minimize the possibility that the cells cultured in the first space 110 are lost due to the flow of the metabolite. On the other hand, although the amount of the moving substance can be expected to be relatively small since the movement of the metabolite between the two sub-spaces 110 and 120 is made only through the porous thin film 130 depending on the diffusion and osmosis phenomenon, Unlike the conventional scaffold, since the area density of the porous thin film 130 is large, the unit microstructure in which the two sub-spaces 110 and 120 are separated from each other by the interface of the porous thin film 130 in the scaffold 10, Micrometer, it is possible to secure a sufficient area for the porous membrane 13 as a moving path of the metabolite, so that there is no problem in the movement amount of the whole metabolite. However, in the case of the second embodiment, since the circulating flow path is a single system, separate means for filtering the discharged metabolism waste may be required. In the case of the bioreactor according to the present embodiment, after the tissue is cultured up to a certain level in the scaffold, only the scaffold can be implanted into the body without any additional action.

도 4의 (c)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 생체반응기(1)의 구조도를 나타낸다. 제3 실시예에서는, 제1 공간(110)에는 출구(110b)만이 구비되고 제2 공간(120)에는 입구(120a)만이 구비된 것이 특징이다. 이 경우, 제2 공간(120)의 압력을 제1 공간(110)보다 높게 하여 물질대사에 필요한 영양분 및 산소를 포함한 유체가 다공성 박막(130)을 통해 제2 공간(120)으로부터 제1 공간(110)으로 강제 유입되도록 유도하고, 제1 공간(110)에서 생성되는 물질대사 폐기물과 사용되지 않은 영양분 및 산소 등을 포함한 모든 유체가 제1 공간(110)에 구비된 출구(110b)를 통해 배출된다. 이러한 동작 방식에서는, 제2 공간(120)으로부터 제1 공간(110)으로의 물질의 이동을 최대화할 수 있는 장점이 있다. 다만, 상기 도 4의 (b)에 따른 제2 실시예와 마찬가지로 순환하는 유로가 단일 계통이기 때문에 함께 배출된 물질대사 폐기물을 여과하기 위한 별도의 수단이 필요할 수 있다.4 (c) shows the structure of the bioreactor 1 according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the first space 110 is provided with only the outlet 110b and the second space 120 is provided with only the inlet 120a. In this case, the pressure of the second space 120 is made higher than that of the first space 110, and a fluid containing nutrients and oxygen necessary for the metabolism is discharged from the second space 120 through the porous thin film 130 into the first space 110 and all the fluid including the metabolic waste generated in the first space 110 and unused nutrients and oxygen is discharged through the outlet 110b provided in the first space 110, do. In this operating mode, there is an advantage that the movement of the material from the second space 120 to the first space 110 can be maximized. However, as in the case of the second embodiment shown in FIG. 4 (b), since the circulating flow path is a single system, separate means for filtering the discharged metabolism waste may be required.

스캐폴드용For scaffolding 3차원 박막 구조체 제조 Manufacture of 3D thin film structure

다음으로, 도 5를 참조하여 상기 도 3에 따른 스캐폴드에 적용될 수 있는 3차원 박막 구조체의 제조방법에 대해 설명한다. 이 경우, 도 5에서 스캐폴드로 이용되는 3차원 박막 구조체(10)는 2개의 부공간(110, 120)이 다공성 박막(130) 계면에 의해 분리 구획된 구조로 표현하였고, 이에 대응하여 3차원 박막 구조체(10)의 몰드로 기능하는 템플릿(30)도 2차원적으로 도식화하여 표현하였다.Next, a method of manufacturing a three-dimensional thin film structure applicable to the scaffold according to FIG. 3 will be described with reference to FIG. In this case, the three-dimensional thin film structure 10 used as a scaffold in FIG. 5 is represented by a structure in which two sub-spaces 110 and 120 are separated from each other by an interface of the porous thin film 130, The template 30 functioning as a mold of the thin film structural body 10 is expressed in a two-dimensional diagram.

도 5를 참조할 때 상기 제조방법은, 희생구조체인 템플릿(30)을 제조하는 단계(S10); 템플릿(30)의 외부에 다공성 박막(130')을 형성하는 단계(S20); 다공성 박막(130')의 일부를 제거하여 템플릿(30)을 노출시키는 단계(S30); 템플릿(30)을 제거하는 단계(S40)를 포함하여 수행되고, 이에 따라 내부가 다공성 박막(130)에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간(110, 120))으로 분리 구획된 구조를 특징으로 하는 스캐폴드용 3차원 박막 구조체(10)가 얻어진다(S50). 도면에서 식별자 130은 최종 다공성 박막을, 식별자 130'는 최종 다공성 박막 전단계에의 중간 생성물로서 다공성 박막을 나타낸다. Referring to FIG. 5, the manufacturing method includes: (S10) fabricating a template 30 that is a sacrificial structure; Forming a porous thin film 130 'outside the template 30 (S20); Removing a portion of the porous thin film 130 'to expose the template 30 (S30); And removing the template 30 (S40), thereby separating the inner space into two sub-spaces (110, 120) in which the inner portion is twisted together by the porous thin film (130) Dimensional thin film structure 10 for a scaffold is obtained (S50). In the figure, identifier 130 represents the final porous thin film, and identifier 130 'represents the porous thin film as the intermediate product to the final porous thin film pre-stage.

이러한 3차원 박막 구조체의 전체적인 공정은, 예컨대 본 발명자 등이 선행 논물을 통해 개시한 광 리소그래피를 기반으로 한 제조방법을 응용하여 제조될 수 있으며(S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang. A new type of low density material; Shellular. Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.), 해당 논문의 내용은 본 발명의 일부로서 일체로 참조될 수 있다. 본 발명은 상기 선행 논문에서 언급된 박막을 특히 다공성 박막으로 구현하는데 특징이 있으며 이하에서는 이 부분과 관련된 세부 공정에 대해 중심적으로 설명하되, 이러한 다공성 박막을 생체재료인 Chitosan으로 구성하는 것을 예로 하여 설명한다. 다만, 본 발명은 상기 선행 논문에서 언급된 P-surface와 유사한 TPMS 구조체로 제한되지 않으며 앞서 도 1에서 언급한 다양한 형태의 TPMS 구조체를 포함할 수 있고, 또한 다공성 박막의 재질은 실시예로 예시된 키토산(Chitosan) 생체재료 외에 그 용도에 따라 금속, 세라믹, 폴리머 등의 생체재료 외의 재질로 구성하는 것도 가능함은 물론이다. The overall process of such a three-dimensional thin film structure can be manufactured by applying a fabrication method based on photolithography, for example, which the present inventors have disclosed through previous studies (SC Han, K. Kang. A new type of Low Density Material, Shellular. Advanced Materials, Vol. 27, pp. 5506-5511, 2015.), the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety. The present invention is characterized in that the thin film referred to in the above-mentioned prior art is implemented as a porous thin film. In the following, the detailed process related to this part will be mainly described, and the porous thin film will be made of Chitosan do. However, the present invention is not limited to the TPMS structure similar to the P-surface mentioned in the above-mentioned prior art, but may include various types of TPMS structures mentioned in FIG. 1, and the material of the porous thin film may be, It is needless to say that it may be made of a material other than a biomaterial such as metal, ceramics, and polymers, depending on the use thereof, in addition to the biomaterial of chitosan.

먼저, 액상의 티올렌 모노머(Thiolene monomer) 수지에 마스크를 통하여 4방향의 자외선을 조사하여 음각 형태의 고상 폴리모 템플릿(30)를 얻은 다음 섭씨 120의 오븐에서 2차 경화한다(S10). First, the liquid phase thiolene monomer resin is irradiated with ultraviolet rays in four directions through a mask to obtain an intaglio-shaped solid phase polymer template 30, and then secondary cured in an oven at 120 DEG C (S10).

다음으로, 별도로 키토산(Cs; Chitosan, with molecular weight 100,000 Da and degree of deacetylation 83%)과 폴리에틸렌글리콜(PEG; Polyethylene glycol, wiith molecular weight 20000 (PEG20000))를 질량비 1:1로 혼합하여 2% 초산 수용액에 용해하여 4% 농도로 희석한다. 이 용액을 상온에서 5 내지 6 시간동안 천천히 교반하여 투명하게 한다. 템플릿(30)을 상기의 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 용액에 담그고 밀폐된 용기에 넣고 진공을 가하여 템플릿(30) 내부에 빈 공간 없이 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 용액을 채운다. 이것을 건져 내어 수분 동안 원심분리기에서 처리하여 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 용액이 희생구조체 표면에만 코팅된 채 남아 있도록 한다. 이것을 상온 대기 중 한 시간 정도 건조한다. 이상의 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 코팅을 2~3회 반복한다. 이 위에 폴리락트산(PLA; polylatic acid)를 클로로포름(chloroform)에 2% 무게 농도로 용해한 용액을 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 용액 코팅 방법과 같은 공정을 통하여 코팅한 후 건조한다. 원하는 최종 두께의 다공성 박막(130')을 얻기 위하여 이상의 공정을 수차례 반복할 수 있다. 폴리락트산(PLA)층는 혐수성(hydrophobicity)를 가지므로 1% 수산화나트륨 수용액에 30 초 담구어 친수성을 갖도록 한다(S20).Next, separately, chitosan (with a molecular weight of 100,000 Da and degree of deacetylation of 83%) and polyethylene glycol (PEG: polyethylene glycol, wiith molecular weight 20000 (PEG20000)) were mixed at a mass ratio of 1: Dissolve in aqueous solution and dilute to 4% concentration. The solution is slowly stirred at room temperature for 5 to 6 hours to make it transparent. The template 30 is immersed in the above-mentioned chitosan and polyethylene glycol (PEG) solution, placed in a sealed container, and vacuum is applied to fill the template 30 with chitosan and polyethylene glycol (Chitosan / PEG) solution without voids. This is removed and processed in a centrifuge for a few minutes to keep the chitosan and polyethylene glycol (Chitosan / PEG) solution coated on the sacrificial structure surface only. This is dried at room temperature for about one hour. The above chitosan and polyethylene glycol (Chitosan / PEG) coating is repeated 2-3 times. The solution prepared by dissolving polylactic acid (PLA) in chloroform at a concentration of 2% is coated on the substrate by a process such as chitosan and polyethylene glycol (Chitosan / PEG) solution coating method and dried. The above process can be repeated several times to obtain a porous thin film 130 'having a desired final thickness. Since the polylactic acid (PLA) layer has hydrophobicity, it is immersed in a 1% aqueous solution of sodium hydroxide for 30 seconds (S20).

이 경우 상기 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 혼합 코팅층은 최종 Chitosan 다공성 박막(130)의 전구체 층으로 기능하고, 상기 폴리락트산(PLA) 층은 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 혼합 코팅층의 두께 조절용으로 제공된다. 즉, 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 코팅을 2~3회 실시한 이후에는 추가 코팅을 실시하여도 효과적으로 두꺼워지지 않기 때문에 중간에 폴리락트산(PLA) 코팅을 하고 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 코팅을 반복하는 방식으로 다공성 박막(130') 형성 공정을 수행하고, 후속 공정에서 폴리락트산(PLA) 층을 제거하여 최종 제품에서 소망하는 두께의 중첩된 구조를 갖는 Chitosan 박막(130)을 얻게 된다.In this case, the chitosan and polyethylene glycol (Chitosan / PEG) mixed coating layer functions as a precursor layer of the final Chitosan porous thin film 130, and the polylactic acid (PLA) layer is formed of a mixture of chitosan and polyethylene glycol . That is, after 2 to 3 times of coating with chitosan and polyethylene glycol (Chitosan / PEG), it is not effectively thickened even after the additional coating is performed. Therefore, polylactic acid (PLA) The porous thin film 130 'is formed by repeating the coating process, and the polylactic acid (PLA) layer is removed in the subsequent process to obtain the chitosan thin film 130 having the overlapped structure of the desired thickness in the final product .

계속하여, 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 혼합 코팅층과 폴리락트산(PLA)층로 이루어진 다공성 박막(130')의 일부를 폴리싱으로 제거하여 템플릿(130)의 티올렌(Thiolene) 폴리머 재질을 노출시킨 다음(S30), 4% 수산화나트륨 수용액에 2~3 시간 담그어 티올렌(Thiolene) 폴리머를 완전히 식각하여 제거하고 이 과정에서 폴리락트산(PLA) 코팅층은 가수분해된다(S40). Subsequently, a part of the porous thin film 130 'made of chitosan and polyethylene glycol (Chitosan / PEG) mixed coating layer and polylactic acid (PLA) layer is removed by polishing to expose the thiolene polymer material of the template 130 Next, in step S30, the polylactic acid (PLA) coating layer is hydrolyzed in step S40 by completely removing the thiolene polymer by immersing in a 4% sodium hydroxide aqueous solution for 2 to 3 hours.

최종적으로, 얻어진 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 로 구성된 3차원 박막 구조체를 증류수로 완전히 세척하여 중성이 되도록 한 후, 이 박막 구조체를 섭씨 80도의 물에 8시간 동안 담가서 폴리에틸렌글리콜(PEG)이 녹아 나오도록 하면 순수하게 다공성 키토산(Chitosan) 박막(130)으로 구성된 3차원 박막 구조체(10)를 얻을 수 있다(S50). Finally, the resulting thin film structure consisting of chitosan and polyethylene glycol (Chitosan / PEG) was thoroughly washed with distilled water to make it neutral. The thin film structure was immersed in water at 80 ° C for 8 hours to remove polyethylene glycol (PEG) The three-dimensional thin film structure 10 composed of the porous chitosan thin film 130 can be obtained (S50).

도6은 상기의 방법으로 제조된 3 차원 박막 구조체의 제품 사진을 나타낸다. 도 6의 제품은 P-surface 형태를 가지도록 설계되었으며 건조과정에서 수축이 발생하였으나 스캐폴드로서 수용액 속에서 사용될 경우에는 팽창하여 보다 부드러운 곡면을 가진 형태로 변할 수 있다. FIG. 6 shows a product photograph of the three-dimensional thin film structure manufactured by the above method. The product of FIG. 6 was designed to have a P-surface shape and shrinkage occurred in the drying process, but when used in an aqueous solution as a scaffold, the product may expand to have a more smooth curved surface.

이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이나 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.The foregoing is a description of specific embodiments of the present invention. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments or constructions. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention. It should be understood that this is possible. It is therefore to be understood that all such modifications and alterations are intended to fall within the scope of the invention as disclosed in the following claims or their equivalents.

1: 생체반응기
10: 스캐폴드, 3차원 박막 구조체
110: 제1 공간
120: 제2 공간
110a, 120a: 입구
110b, 120b: 출구
130, 130': 다공성 박막
20: 하우징
30: 템플릿
1: bioreactor
10: scaffold, three-dimensional thin film structure
110: First space
120: Second space
110a, 120a: entrance
110b, 120b:
130, 130 ': Porous thin film
20: Housing
30: Template

Claims (11)

내부가 계면에 의해 서로 꼬인 형태의 제1 공간 및 제2 공간으로 이루어진 2개의 부공간으로 분리 구획되는 3차원 박막 구조체를 이용한 조직공학용 스캐폴드로서,
상기 계면은 선택적 투과성을 갖는 다공성 박막으로 구성되고,
상기 2개의 부공간 중 제1 공간은 세포가 배양되는 공간으로 제공되고,
상기 2개의 부공간 중 제2 공간은 상기 세포를 배양하는 데 필요한 물질 및 상기 세포를 배양하는 과정에서 배출되는 물질을 포함하는 물질대사물의 이동 통로로 제공되며,
상기 물질대사물은 상기 다공성 박막을 통해 상기 제1 공간과 상기 제2 공간 사이에서 교환되는 것을 특징으로 하는 조직공학용 스캐폴드.
The present invention relates to a scaffold for tissue engineering using a three-dimensional thin film structure divided into two sub-spaces each consisting of a first space and a second space of which the inside is twisted by an interface,
Wherein the interface is composed of a porous thin film having selective permeability,
The first of the two sub-spaces is provided as a space in which cells are cultured,
Wherein a second space of the two subspaces is provided as a path for movement of a metabolite including a substance necessary for culturing the cell and a substance excreted in the course of culturing the cell,
Wherein the metabolite is exchanged between the first space and the second space through the porous thin film.
제1항에 있어서, 상기 다공성 박막은 생체재료, 금속, 폴리머, 세라믹 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 조직공학용 스캐폴드.The scaffold for tissue engineering according to claim 1, wherein the porous thin film is any one of a biomaterial, metal, polymer, and ceramic. 제1항에 있어서, 상기 계면은 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)인 것을 특징으로 하는 조직공학용 스캐폴드.The scaffold for tissue engineering according to claim 1, wherein the interface is a Triply Periodic Minimal Surface (TPMS). 제1항에 있어서, 상기 제1 공간과 제2 공간이 다공성 박막에 의해 분리된 단위 구조의 크기가 조절됨으로써 계면의 표면적 및 세포가 배양되는 공간이 조절되는 것을 특징으로 하는 조직공학용 스캐폴드.The scaffold for tissue engineering according to claim 1, wherein a size of the unit structure in which the first space and the second space are separated by the porous thin film is controlled so that the surface area of the interface and the space in which the cells are cultured are controlled. 상기 제1항 내지 제4항 중 어느 하나에 따른 스캐폴드; 및 상기 스캐폴드를 그 내부에 수용하고 물질대사물의 입구 및 출구가 구비된 하우징을 포함하여 구성된 생체반응기.A scaffold according to any one of claims 1 to 4; And a housing receiving the scaffold therein and having an inlet and an outlet of a metabolite. 제5항에 있어서, 상기 제1 공간은 및 제2 공간 각각에 독립된 입구 및 출구가 구비된 것을 특징으로 하는 생체반응기.6. The bioreactor according to claim 5, wherein the first space and the second space are provided with independent inlets and outlets, respectively. 제5항에 있어서, 상기 제2 공간에만 입구 및 출구가 구비된 것을 특징으로 하는 생체반응기. The bioreactor according to claim 5, wherein an inlet and an outlet are provided only in the second space. 제5항에 있어서, 상기 제1 공간에는 출구만 구비되고 상기 제2 공간에는 입구만 구비된 것을 특징으로 하는 생체반응기.6. The bioreactor according to claim 5, wherein only the outlet is provided in the first space and only the inlet is provided in the second space. 내부가 다공성 박막에 의해 서로 꼬인 형태의 2개의 부공간으로 분리 구획되는 3차원 박막 구조체를 제조하는 방법으로서, 템플릿을 제조하는 단계; 상기 템플릿의 외부에 다공성 박막을 형성하는 단계; 상기 다공성 박막의 일부를 제거하여 템플릿을 노출시키는 단계; 상기 템플릿을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 박막 구조체 제조방법.A method for fabricating a three-dimensional thin film structure that is divided into two sub-spaces in which the inside is twisted by a porous thin film, comprising: preparing a template; Forming a porous thin film outside the template; Exposing a template by removing a portion of the porous thin film; And removing the template. 2. The method of manufacturing a three-dimensional thin film structure according to claim 1, 제9항에 있어서, 상기 다공성 박막의 형성은 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 혼합 코팅층을 형성하는 단계; 폴리락트산(PLA) 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 폴리락트산(PLA) 코팅층을 친수처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 박막 구조체 제조방법.[10] The method of claim 9, wherein the porous thin film is formed by forming a mixed coating layer of chitosan and polyethylene glycol (PEG). Forming a polylactic acid (PLA) coating layer; And treating the polylactic acid (PLA) coating layer with a hydrophilic treatment. 제10항에 있어서, 상기 템플릿을 제거하는 과정에 수반하여 상기 폴리락트산(PLA) 코팅층을 제거하고, 그 이후에 상기 키토산 및 폴리에틸렌글리콜(Chitosan/PEG) 혼합 코팅층으로부터 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 제거하는 것을 특징으로 하는, 3차원 박막 구조체 제조방법.11. The method of claim 10, wherein the polylactic acid (PLA) coating layer is removed following the removal of the template, and thereafter polyethylene glycol (PEG) is removed from the chitosan and polyethylene glycol (PEG) Wherein the three-dimensional thin film structure is formed on the substrate.
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