KR101840562B1

KR101840562B1 - 수직 진동이 가능한 세포 프린팅용 토출 장치

Info

Publication number: KR101840562B1
Application number: KR1020160129825A
Authority: KR
Inventors: 김근형; 구영원
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-05-04

Abstract

본 발명은 3차원 프린팅용 토출 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상기 3차원 프린팅용 토출 장치에 포함된 진동부를 통해서 세포 프린팅 공정을 진행할 때, 제조용액의 점도가 일시적으로 감소한다는 것을 확인하였다. 이를 통해 상기 제조용액의 유동성을 증가시킴으로써, 분사부에서 발생하는 벽전단응력이 감소하는 것을 확인하였다.
이에, 높은 점도의 제조용액을 사용하여 형상 가공성과 기계적 강도가 유지되면서, 동시에 세포 생존율이 종래에 비해 유의적으로 증가된 세포 구조체의 제작이 가능하다.

Description

수직 진동이 가능한 세포 프린팅용 토출 장치{Dispenser capable of vertically vibration for cell printing}

본 발명은 3차원 프린팅용 토출 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상기 3차원 프린팅용 토출 장치에 포함된 진동부를 통해서 벽전단응력을 감소시킴으로써, 상기 3차원 프린팅용 토출 장치로부터 제조되는 세포 구조체의 세포 생존율을 향상시킬 수 있는 3차원 프린팅용 토출 장치 및 이를 이용한 세포 구조체 제조 방법에 관한 것이다.

생체조직공학은 공학과 생명과학이 융합된 학문으로써, 뼈, 연골, 장기 등 생체 기관을 보완 또는 대체하는 부품을 제작하고 이식하여 인체의 항상성을 유지 또는 복원하는 것을 주요 목적으로 하며, 각 생체 기관에 해당하는 조직을 만들어 낼 수 있는 세포, 생체 기관의 형상을 구성하고 세포를 지지하는 지지체, 세포 성장에 필요한 성장 인자가 필수적이다.

특히, 인공 지지체는 몇 가지 중요한 특징을 나타내어야 하며 이 필수적 특징들은 다음과 같다. 지지체를 제작하는 고분자는 생체 적합성 및 생분해성의 특성을 나타내어야 하며, 지지체는 세포가 부착하여 잘 자랄 수 있도록 충분한 기공을 가져야 하며, 적절한 거칠기와 표면적을 갖는 표면 구조로 이루어져야 한다. 또한, 지지체는 충분한 기계적 강도를 유지함으로써 이식 후 그 형상이 변형되지 않아야 한다

최근, 세포를 원하는 위치에 보유할 수 있고 세포를 균일하게 분포시킬 수 있으며, 성장인자를 효과적으로 운반할 수 있다는 점으로 인해 세포 프린팅 기술 (cell printing techniques)이 다양한 조직 재생 분야에 널리 응용되고 있다.

종래의 3차원 세포 프린팅은 크게 3가지 inkjet, microextrusion, laser-assisted 프리팅 공법으로 나뉜다. 각각 장단점을 가지고 있으나, 특히 microextrusion 공법은 3차원의 세포 포함 구조체를 높은 세포 함량을 유지하면서 쉽게 제작할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 높은 점도의 바이오 잉크를 사용하여 형상 가공성과 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.

하지만, 높은 점도의 바이오 잉크의 사용으로 인해서 노즐 안에서 발생하는 극심한 벽전단응력으로 인한 낮은 세포 생존율의 세포 구조체가 제작된다는 문제점이 발생하였다.

따라서, 높은 점도의 바이오 잉크를 사용을 통한 형상 가공성과 기계적 강도를 유지하면서 세포 생존율을 높일 수 있는 세포 구조체 제조 방법이 주요한 과제의 대상이 되고 있고, 이에 대한 연구가 이루어지고 있으나(한국등록특허 10-1541249), 아직은 미비한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명자들은 세포 프린팅 공정 중에 압전 변환기를 이용하여 진동을 가했을 때, 바이오 잉크의 점도를 일시적으로 감소시켜 벽전단응력이 줄어드는 원리를 이용하여, 제작되는 세포 구조체의 세포 생존율의 향상 효과를 확인하였고, 이에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다.

이에, 본 발명의 목적은

3차원 프린팅용 토출 장치에 있어서,

세포 및 천연 고분자가 혼합된 제조용액이 담지되는 공간을 제공하는 용액저장부(100);

상기 용액저장부(100) 상부에 배치되어 진동을 발생하는 진동부(200); 및

상기 용액저장부(100)로부터 공급되는 용액을 플레이트상에 방사하는 분사부(300)를 포함하는, 3차원 프린팅용 토출 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은

하기의 단계를 포함하는 상기 3차원 프린팅용 토출 장치를 이용한 세포 구조체 제조방법:

(a) 세포 및 천연 고분자를 혼합하여 제조용액을 제조하여 용액저장부(100)에 적재시키는 단계;

(b) 진동부(200)로부터 진폭 10 내지 45 ㎛ 및 주파수 0 내지 500 Hz의 조건으로 상기 용액저장부(100)에 진동을 형성하여 분사부(300)에 벽전단응력을 감소시키는 단계; 및

(c) 상기 제조용액을 플레이트상에 분사하여 세포 구조체를 제조하는 단계를 제공하는 것이다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

3차원 프린팅용 토출 장치에 있어서,

상기 용액저장부(100)로부터 공급되는 용액을 플레이트상에 방사하는 분사부(300)를 포함하는, 3차원 프린팅용 토출 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 제조용액은, 천연 고분자 4 내지 6 중량%를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 천연 고분자는, 알지네이트일 수 있다.

바람직하게는, 상기 진동부(200)는, 분사부(300)로 수직진동 운동을 전달할 수 있다.

바람직하게는, 상기 진동부(200)는, 압전변환기 (Piezoelectric transducer, PZT)일 수 있다.

바람직하게는, 상기 진동부(200)는,

진폭 10 내지 45 ㎛ 및 주파수 0 내지 500 Hz를 형성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 3차원 프린팅용 토출 장치로부터 제조된 세포 구조체의 세포 생존율은 80% 이상일 수 있다.

바람직하게는, 상기 3차원 프린팅용 토출 장치는, 상기 분사부(300)에서 발생하는 벽전단응력을 감소시킬 수 있다.

본 발명은

(c) 상기 제조용액을 플레이트상에 분사하여 세포 구조체를 제조하는 단계를 제공한다.

본 발명에 따르면, 높은 점도의 알지네이트로 이루어진 바이오 잉크를 사용한 세포 프린팅 공정을 진행할 때, 종래에는 상기와 같은 높은 점도로 인해서, 노즐의 벽전단응력의 발생으로 낮은 세포 생존율을 문제점이 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 압전 변환기를 이용하여 진동을 발생시킬 때, 바이오 잉크의 점도가 일시적으로 감소되어 벽전단응력을 낮출 수 있음을 확인하였다.

이에, 높은 점도의 바이오 잉크를 통해 형상 가공성과 기계적 강도가 유지되면서, 동시에 세포 생존율이 종래에 비해 유의적으로 증가된 세포 구조체의 제작이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅용 토출 장치(10)의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅용 토출 장치(10)에서 진동부(200)에 따른 알지네이트 점도의 변화를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅용 토출 장치(10)로 제작된 세포 구조체의 세포 생존율을 확인한 결과를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결' 되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결' 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결' 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함' 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅용 토출 장치(10)의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅용 토출 장치(10)는 용액저장부(100), 진동부(200) 및 분사부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅용 토출 장치(10)는, 진동을 형성시키는 진동부(200)을 통해서, 분사부(300)에 발생하는 벽전단응력을 감소시킬 수 있다. 이와 같은 구성을 채택함으로써, 높은 점도의 바이오잉크 선택으로 인한 세포 프린팅 공정시 세포 손상을 감소시킬 수 있는바, 세포 생존율이 높으면서, 형상 가공성 및 기계적 강도가 우수한 세포 구조체의 제작이 가능할 수 있을 것으로 기대된다.

이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅용 토출 장치(10)를 구성하는 각각의 구성요소에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

용액저장부(100)는, 세포 프린팅 공정에서 세포 구조체를 제작하기 위한 제조용액이 담지되는 공간을 제공하는 구성으로서, 이 때, 상기 제조용액은 생체 적합 천연 고분자 및 세포가 혼합될 수 있으며, 상기 생체 적합 천연 고분자는 바람직하게는 알지네이트를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 종래의 세포프린팅에 있어서, 세포 생존율을 높이기 위해서 낮은 점도의 제조용액을 사용해 왔다. 하지만, 상기 낮은 점도의 제조용액을 이용한 세포 구조체는 세포 생존율을 높일 수는 있으나, 구조체가 갖는 기계적 강도 및 형상 가공성이 떨어지는 문제가 발생하였다. 이에, 본 발명의 일실시예 따른 3차원 프린팅용 토출 장치(10)는 제작되는 세포 구조체의 강도를 높이기 위해서, 제조용액은 천연 고분자 4 내지 6 중량%를 포함하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5 중량%를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 제한없이 세포 구조체의 강도를 높일 수 있는 범위의 농도라면 이에 상관없이 사용가능하다.

상기와 같은 높은 점도를 제조용액으로 사용하여 세포 프린팅 공정을 진행할 경우 제조되는 세포 구조체의 강도 및 형상 가공성을 높일 수는 있으나, 점도 때문에 발생하는 후술할 분사부(300)의 극심한 벽전단응력으로 인해 세포 생존율이 떨어지는 문제가 발생하게 되었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일실시예에서는 진폭 및 주파수를 발생시키는 진동부(200)를 상기 용액저장부(100)에 배치하여, 점도로 인한 분사부(300)에서 발생하는 벽전단응력의 감소를 시킴으로써 세포 생존율이 향상하는 효과를 확인하였다.

보다 구체적으로, 진동부(200)는, 후술할 분사부(300)에 전달할 진폭 및 주파수의 수직진동을 발생시키기 위한 구성으로서, 상기 진동부(200)에서 발생되는 수직진동 운동을 분사부(300) 까지 전달하는 것이 바람직하며, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 용액저장부(100) 상부에 배치될 수도 있으나, 수직진동 운동의 전달이 가능하다면, 제한없이 장치 어느 곳이라도 배치될 수 있다. 이 때, 상기 진동부(200)는 수직진동 운동을 발생시키는 진동부재를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 진동부재로는 진동모터, 실린더, 압전 변환기 (PZT) 등을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 압전 변환기 (PZT)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 전술한 벽전단응력을 감소시켜 세포 생존율을 높이기 위한 바람직한 진동 조건은 진폭 10 내지 45 ㎛ 및 주파수 0 내지 500 Hz이며, 보다 바람직하게는 진폭 20 내지 30㎛ 및 주파수 100 내지 300 Hz 일 수 있으며, 가장 바람직하게는 진폭 27㎛ 및 주파수 200 Hz일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

분사부(300)는, 상기 용액저장부(100)로부터 공급되는 제조용액을 플레이트상에 방사하는 통로를 제공하는 구성으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 용액저장부(100) 하부에 연결될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅용 토출 장치(10)을 사용하기 위해서는 먼저 생체 적합 천연 고분자, 예컨대 알지네이트와 세포를 혼합하여 제조용액을 제조하여 용액저장부(100)에 적재시킨다. 이 때, 제조하고자 하는 세포 구조체의 형상 가공성과 기계적 강도를 높이기 위해서, 높은 점도로 이루어진 제조용액을 사용하는 것이 바람직하다. 이 후, 상기 용액저장부(100) 상부에 배치되어 있는 진동부(200)를 함수발생기를 이용하여 적정 진폭 및 주파수의 진동 조건으로 진동을 형성시킨다. 이로 인해 형성된 진동에 의해서 제조용액의 높은 점도를 일시적으로 감소시키고, 이를 통해 상기 제조용액의 유동성을 증가시킴으로써, 분사부(300)의 벽전단응력을 감소시킬 수 있으며, 이로 인해, 세포 프린팅 공정을 진행한 결과, 80% 이상의 세포 생존율을 갖는 세포 구조체를 형성할 수 있었다.

본 발명의 일실시예에서는, 세포 생존율을 높이기 위해서, 압전 변환기를 이용한 세포 구조체를 제조하고 (실시예 1 참조), 압전 변환기를 통해서, 바이오 잉크의 점도 변화를 확인하였으며 (실시예 2 참조), 또한, 압전 변환기 적용을 통해서, 제조된 세포 구조체의 세포 생존율을 확인하였다 (실시예 3 참조).

또한, 본 발명의 다른 양태로서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 상기 3차원 프린팅용 토출 장치(10)를 이용한 세포 구조체 제조방법을 제공한다:

(c) 상기 제조용액을 스테이 상에 분사하여 세포 구조체를 제조하는 단계.

단계 (a)에서는, 세포 구조체를 제작하기 위한 제조용액을 제조하기 위해서, 세포 및 천연 고분자를 혼합하여 용액저장부(100)에 적재 시킨다. 이 때, 바람직한 천연 고분자는 알지네이트일 수 있으며, 상기 제조용액에 4 내지 6 중량%의 비율로 포함시키는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

단계 (b)에서는, 상기 (a)단계에서 형성된 제조용액의 높은 점도로 인한 분사부(300)에 발생하는 벽전단응력을 감소시키기 위해서 진동을 형성시킨다. 이 때, 바람직한 진동 조건은 진폭 10 내지 45 ㎛ 및 주파수 0 내지 500 Hz이며, 보다 바람직하게는 진폭 27 ㎛ 및 주파수 200 Hz일 수 있다.

단계 (c)에서는, 상기 (b)단계를 통해 감소된 벽전단응력에서 상기 제조용액을 플레이트상에 분사시킨다. 이를 통해 형상 가공성 및 기계적 강도가 높은 세포 구조체를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1. 세포를 함유한 세포 구조체 제조

1-1. 세포함유 바이오 잉크 준비

본 발명에 따른 세포 구조체를 제조하기 위해서, 3D 프린트에 사용되는 바이오 잉크를 종래에 알려진 기술에 따라 제조하였다. 보다 구체적으로, G-함량이 높은 비의약품 등급의 LF10/60 알지네이트 (FMC BioPolymer, Dramman, Norway)를 3차 증류수와 혼합하여 1, 3, 5, 및 7 중량% 알지네이트 용액을 제조하였다. 세포를 상기 알지네이트 용액에 로딩하면서, 동시에 바이오 잉크의 인쇄적성을 높이기 위해서, 가교제인 0.5 중량% CaCl₂ (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA)와 혼합하여 바이오잉크를 제작하였다 (알지네이트 용액 : CaCl₂= 7:3).

보다 구체적으로, 세포는 3방향 스톱 콕 (Three-way stopcock tool)을 이용하여 3 × 10⁶ ㎖^- ¹ 의 밀도로 알지네이트 용액과 혼합하였다. 세포-알지네이트 혼합물은 주사기 용기에 담았다. 프린팅 공정이 끝난 후, 세포 혼합된 알지네이트 지지체를 완벽하게 교차연결하기 위해서, 2 중량% CaCl2 용액 (in MEM; Life Science, St. Petersbur, FL, USA) 2차 가교 공정을 수행하였다.

1-2. 유동학 분석

준비된 바이오잉크는 복소 점도 (complex viscosity)를 평가하기 위해 사용되었다. 보다 구체적으로, 유변 물성 시험은 콘 및 플레이트 지오메트리 (40 ㎜, 4° 및 150 ㎛)를 갖춘 로테이셔널 레오미터 (Bohlin Gemini HR Nano, Malvern Instruments, Surrey, UK)을 이용하여 수행하였으며, 5% 변형 진폭에서 0.1 내지 100 Hz 범위의 진동수를 갖는 동적 주파수 스윕 (dynamic frequency sweep)을 수행하였다. 또한, 다양한 변형에 대한 점도를 확인하기 위해서, strain sweep 시험은 100Hz 주파수에서 진행하였다.

1-3. 압전변환기 (PZT)가 장착된 프린팅을 이용한 세포 구조체 제작

상기 실시예 1-1로부터 제작된 바이오잉크를 압전변환기 (PZT)(P-842, Physik Instrumente (PI) Korea, Seoul, South Korea)가 장착된 컴퓨터로 제어되는 3축 프린팅 시스템 (DTR2-2201T, Dongbu Robot, Bucheon, South Korea)을 통해 세포 구조체를 제조하였다. 상기 압전변환기가 장착된 3축 프린팅 시스템은 도 1의 (a)에 나타내었다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예의 따른 세포 구조체의 세포 생존율을 향상시키기 위해 상기 압전변환기 (PZT)는 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 두가지 파트로 구성되며, 보다 구체적으로 메인 바디 및 진동 파트로 구성된다. 상기 바디 파트는 3D 프린터에 부착되고, 진동 파트는 프린팅 배럴 (printing barrel)에 부착되어, 이를 통해서 micro-scale의 진동이 PZT로부터 프린트 노즐로 전달되게 하였다. 이후, 진폭 및 진동수를 함수발생기 (Rigol Technology, Beaverton, OR, USA)를 이용하여 하기 표 1에 나타낸 조건하에서 진동을 발생시켰다.

PZT (Amplitude)	Frequency (Hz)
13.5 ㎛	-	-	100	200	400
27 ㎛	-	50	100	200	-
40.5 ㎛	25	50	100	-	-

상기와 같은 조건의 진동을 적용시킨 후, 상기 세포 구조체을 제조하기 위해서, 분배 부재 및 분사 부재 (Tess-7400; Paju, South Korea)를 통해 1.5 ± 0.1㎖/min의 속도로 고정하여 2 중량% CaCl₂ 용액을 분사하는 에어로졸 공정을 진행하였으며, 프린팅 공정 조건은 노즐 (내경 150 ㎛, NanoNC, Seoul, South Korea), 노즐의 분출압력 350kPa 노즐 이동속도 10 ㎜/s로 고정하여 진행하였다. 프린팅 공정이 끝난 후 2차 가교 공정은 2 중량% CaCl₂ 용액에서 3분간 담가 세포 구조체를 제작하였다.

1-4. 통계 분석

모든 데이터는 평균 ± SD로 표시하였고, 통계 분석은 SPSS 소프트웨어 (Ver. 20.0, SPSS, Inc., Chicago, IL, USA) 및 단일 요인 편차 분석으로 이루어졌으며, 유의성 수준은 p 〈 0.05로 하였다.

실시예 2. 압전 변환기 (PZT)에 따른 바이오 잉크 점도 변화 확인

본 발명의 일실시예에 따른 세포 구조체는 압전 변환기를 통해서 바이오 잉크의 점도를 일시적으로 감소시켜 세포 공정에서 발생하는 벽전단응력을 줄여 세포 생존율을 높였는바, 이를 구체적으로 확인하기 위해서 압전 변환기에 따른 바이오 잉크 점도 변화를 확인하였다.

그 결과, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 주파수가 증가함에 따라서, 알지네이트 용액 (1, 3, 5 및 7 중량%)의 점도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 또한, 도 2의 (b)의 도시된 바와 같이, 일정 주파수에서 알지네이트 농도가 증가함에 따라 점도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 세포 프린팅 공정 중, 일정한 압력 (350 kPa) 하에서 알지네이트 농도의 변화에 따른 세포 생존율의 변화를 확인하였으며, 그 결과, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 알지네이트 농도가 증가함에 따라 노즐에서 발생하는 벽전단응력으로 인해서 세포 생존율이 감소하는 것을 확인하였다. 보다 구체적으로, 알지네이트 3 중량% 이하에서는 세포 생존율이 대략 80% 이상인 반면에, 5 중량% 에서는 세포 생존율이 유의하게 낮게 나타나는 것을 확인하였다 (약 50%).

상기의 결과를 바탕으로 세포 생존율은 압전변환기 (PZT)를 통해 상승할 것으로 기대한바, 높은 기계적 강도를 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 세포 구조체를 제작하기 위해서, 알지네이트의 농도는 5 중량%로 선정하였다.

더욱이, 상기 선정된 5 중량% 알지네이트 및 일정한 압력 (350 kPa) 하에서 체적 유량율을 확인하였으며, 그 결과, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 주파수가 증가함에 따라 체적 유량율이 증가하였으며, 특히, 진폭이 커질수록 체적 유량율이 더욱 빠르게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 변환율에 따른 알지네이트 점도 변화를 확인하였으며, 그 결과 도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 변형율이 증가할수록 점도는 감소하는 것을 확인하였으며, 상기의 결과를 통해서 측정된 알지네이트 점도 및 체적 유량율을 통해서 벽 전단 응력을 하기 수학식 1로 계산할 수 있다.

[수학식 1]

그 결과, 도 2의 (f)에 도시된 바와 같이, 주파수 및 진폭이 증가함에 따라서, 벽 전단 응력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 3. 압전 변환기 (PZT)에 따른 세포 구조체의 세포 생존율 확인

압전 변환기 (PZT)의 각기 다른 조건하에서 제작된 세포 구조체의 세포 생존율을 확인하기 위해서, 세포 구조체를 0.15 × 10^-3M 칼세인 (calcein) AM 및 2 × 10^-3M 에티듐 호모다이머-1 (ethidium homodimer-1)에 45분 동안 노출시켜 염색을 실시하였다. 이 후, 염색된 구조체를 형광 현미경 (TE2000-S; Nikon, Tokyo, Japan) 및 SPOT RT 디지털 카메라 (SPOT Imaging Solutions, Sterling Heights, MI)으로 확인하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 이 때, 녹색 및 적색은 각각 생존 세포 및 사멸 세포를 나타낸다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래의 세포 프린팅으로 제작된 세포 구조체의 비하여 본 발명의 일실시예에 따른 세포 구조체의 세포가 진폭 및 진동수가 증가함에 따라서 세포들이 높은 생존율을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

추가적으로, 상기 결과를 기초로 Image-J 프로그램 (NIH, Bethesda, MD, USA)으로 영상을 캡쳐하고, 녹색 및 적색 스팟을 계수하여 세포 생존율을 결정하였다.

그 결과, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 초기 세포 생존율은 종래의 세포 프린팅으로 제작된 세포 구조체는 높은 점성의 바이오 잉크 (5 중량% 알지네이트)로 인한 벽전단응력으로 세포 생존률은 51.7 ± 7% (n=12)을 나타내었다. 반면에, 주파수 및 진폭을 조절할 경우 세포 생존률이 유의하게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 압전기 진동의 진폭과 주파수가 향상됨에 따라 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 점도가 감소하여 세포 생존률이 더욱 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

도 3의 (d)는 압전기 진동의 최적 조건 (진폭 27 ㎛ 및 주파수 200 Hz)하에 완성된 세포 구조체의 광학 및 형광 사진으로 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 높은 점성의 알지네이트 및 PZT의 지주 376.2 ± 15.1 ㎛ 및 공극 411.4 ± 14.5 ㎛를 갖는 세포 구조체의 제조할 수 있으며, 상기 세포 구조체는 세포 생존율이 82.0 ± 5.3%가지 개선됨을 확인할 수 있었다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10 : 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅용 토출 장치
100 : 용액저장부 200 : 진동부
300 : 분사부

Claims

3차원 프린팅용 토출 장치에 있어서,
세포 및 천연 고분자가 혼합된 제조용액이 담지되는 공간을 제공하는 용액저장부(100);
상기 용액저장부(100) 상부에 배치되어 진동을 발생하는 진동부(200); 및
상기 용액저장부(100)로부터 공급되는 용액을 플레이트상에 방사하는 분사부(300)를 포함하고,
상기 진동부(200)는 압전변환기(Piezoelectric transducer, PZT)이며, 진폭 20 내지 30㎛ 및 주파수 100 내지 300 Hz를 형성하고, 분사부(300)로 수직진동 운동을 전달하며, 상기 3차원 프린팅용 토출 장치로부터 제조된 세포 구조체의 세포 생존율은 80% 이상이고, 상기 세포 생존율은 상기 세포 구조체의 전체 세포수(생존 세포수 및 사멸 세포수)에서 생존 세포수의 비율을 의미하는 것이고,
상기 천연 고분자는 알지네이트 이며, 상기 제조용액은 알지네이트 4 내지 6중량%를 포함하고,
상기 3차원 프린팅용 토출 장치는, 상기 분사부(300)에서 발생하는 벽전단응력을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린팅용 토출 장치.
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하기의 단계를 포함하는 제1항의 3차원 프린팅용 토출 장치를 이용한 세포 구조체 제조방법:
(a) 세포 및 천연 고분자를 혼합하여 제조용액을 제조하여 용액저장부(100)에 적재시키는 단계;
(b) 진동부(200)로부터 진폭 20 내지 30㎛ 및 주파수 100 내지 300 Hz의 조건으로 상기 용액저장부(100)에 진동을 형성하여 분사부(300)에 벽전단응력을 감소시키는 단계; 및
(c) 상기 제조용액을 플레이트상에 분사하여 세포 구조체를 제조하는 단계.