KR102005737B1 - Novel Bioink for 3D Bioprinting and Uses Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신규한 3D 바이오 프린팅용 바이오 잉크 및 이의 이용에 관한 것으로, 홍합 접착 단백질 또는 이의 변이체에 천연 고분자를 혼합하여 가교 반응시키는 단계를 포함하는 바이오 잉크 조성물의 제조 방법; 상기 방법에 따라 제조된 바이오 잉크 조성물; 및 상기 바이오 잉크 조성물을 포함하는 조직 공학용 지지체를 제공한다.The present invention relates to a novel bio-ink for 3D bio-printing and its use, and a method for producing a bio-ink composition comprising mixing a natural polymer with a mussel adhesive protein or a variant thereof and performing a cross-linking reaction; A bio ink composition prepared according to the above method; And a tissue engineering support comprising the bio-ink composition.

Description

신규한 3D 바이오 프린팅용 바이오 잉크 및 이의 이용{Novel Bioink for 3D Bioprinting and Uses Thereof} Novel bio-ink for 3D bio-printing and its use [0002]

본 발명은 신규한 3D 바이오 프린팅용 바이오 잉크 및 이의 이용에 관한 것이다.The present invention relates to novel bio-inks for 3D bio-printing and their use.

3D 바이오 프린팅은 살아있는 세포를 바이오 잉크와 함께 프린트하여, 인체에 이식 가능한 3 차원 인공 구조체 또는 지지체를 만드는 기술로써, 상기 바이오 프린팅 기술은 원하는 모양 및 구조를 제작할 수 있다는 장점을 통해 이식용 장기 부족 문제에 대한 효과적인 해결책으로 전망되고 있다. 이러한 바이오 잉크가 실제로 활용되기 위해서 반드시 가져야 하는 특징으로는 구조를 유지하기 위한 충분한 물성을 지녀야 할 뿐만 아니라 살아있는 세포가 죽지 않고 지속적으로 기능할 수 있어야 한다. 즉, 바이오 잉크는 지지체로서 자가복구기능을 통해 손실한 조직을 재생시키기 위하여 조직과 조직을 이어주는 역할을 하며, 이를 위하여 조직재생이 원활히 이루어지도록 세포친화성이 뛰어나야 한다. 또한, 세포가 3 차원 적으로 잘 자라며 영양분 및 배설물 등의 교환이 잘 이루어질 수 있도록 일정한 크기영역에서 3 차원적으로 잘 연결되어 있는 기공구조를 가지고, 조직의 재생속도에 맞추어 분해되어 없어지는 생분해성과 재생되는 동안 형태를 유지시켜줄 기계적 강도를 가져야하며, 생체안전성이 뛰어나야 한다. 특히, 뼈와 치아와 같은 경조직 재생에 있어서는 재생부위에 따른 기계적 물성확보가 중요하다. 3D bioprinting is a technology to produce 3D artificial structures or scaffolds that can be implanted in the human body by printing living cells with bio-inks. The bio-printing technology can produce desired shapes and structures, Is expected to be an effective solution. In order for these bio-inks to be practically used, it is essential that they not only have sufficient physical properties to maintain the structure, but also that living cells can function continuously without dying. In other words, bio-ink acts as a support to connect tissues and tissues in order to regenerate tissues lost through self-repairing function, and cell-affinity should be excellent so that tissue regeneration can be smoothly performed. In addition, the cells have three-dimensionally well-connected pore structures in a uniform size region so that the cells can grow well in three dimensions and exchange nutrients and excrements, and biodegradability It must have mechanical strength to maintain its shape during regeneration, and should be biocompatible. Especially, in the hard tissue regeneration such as bone and teeth, it is important to secure the mechanical properties according to the regeneration site.

구체적으로 조직 재생용 지지체는 첫째, 이식 부위에서 물리적으로 안정해야 하고, 둘째, 재생 효능을 조절할 수 있는 생리 활성을 나타내어야 하며, 셋째, 새로운 조직을 형성한 후에는 생체 내에서 분해되어야 하고 넷째, 분해산물이 독성을 갖지 않아야 한다.Specifically, the support for tissue regeneration must first be physically stable at the site of transplantation, secondly, exhibit a physiological activity that can regulate regeneration efficacy, third, decompose in vivo after forming a new tissue, Decomposition products should not be toxic.

종래의 지지체 제조법인 합성 고분자를 사용한 기술들은 세포-인식(cell-recognition)이 부족할 뿐만 아니라 소수성 표면(Hydrophobic Surface)을 가지고 있어 바이오 잉크로 활용되기에 상당한 어려움이 있다. 또한, 천연 고분자를 사용한 경우에는 너무 낮은 물성을 지녀 3차원 스캐폴드를 제작할 수 없다는 단점에 의해 바이오 잉크 개발이 지연되고 있다.Techniques using a synthetic polymer, which is a conventional method for producing a support, are not only lacking in cell-recognition but also have a hydrophobic surface, which makes it difficult to utilize it as a bio-ink. In addition, when natural polymers are used, development of bio-ink is delayed due to the disadvantage that it is impossible to fabricate a three-dimensional scaffold with too low physical properties.

한편, 코아세르베이트는 음이온성 고분자 전해질과 양이온성 고분자 전해질이 특정 조건에서 혼합되었을 때 형성되는 콜로이드 물질의 일종으로, 코아세르베이트가 형성되었을 때 용액의 흡광도는 증가하게 되고, 용액 상에서 동그란 구 형태로 외부 용액과 분리되어 존재한다. 코아세르베이트 형성 시, 참여 전해질은 용액에서 분리되어 응축되고 여전히 액상을 띠게 되며, 이때 표면장력이 줄어들고 점성이 늘어나는 등, 물성도 변화한다. 코아세르베이트는 단백질과 그 반대 성질을 띠는 고분자 전해질과의 혼합을 통해서도 일어날 수 있다(C.G. deKruif 등, 2004, Current Opinion in Colloid and Interface Science 9, 340-349). 코아세르베이트의 낮은 표면장력에 기인해 약물, 효소, 세포, 식품첨가물 등의 기능성 물질을 미세캡슐 안에 고정화 하는데 쓰이는 기술도 보고되어 있다. (Schmitt C. 등, 1998, Critical Review in Food Science and Nutrition 8, 689-753). On the other hand, the coacervate is a kind of colloidal material formed when the anionic polyelectrolyte and the cationic polyelectrolyte are mixed under specific conditions. When the coacervate is formed, the absorbance of the solution increases, and the external solution It exists separately. During formation of the coacervate, the participating electrolyte separates from the solution and condenses and remains liquid. At this time, the surface tension decreases and the viscosity changes. Coacervate can also occur by mixing a protein with a polymer electrolyte of opposite nature (C.G. deKruif et al., 2004, Current Opinion in Colloid and Interface Science 9, 340-349). Techniques for immobilizing functional materials such as drugs, enzymes, cells, and food additives in microcapsules due to the low surface tension of coacervate have also been reported. (Schmitt C. et al., 1998, Critical Review in Food Science and Nutrition 8, 689-753).

해양 생명체인 홍합(mussel)은 접착 단백질들(adhesive proteins)을 생산, 분비함으로써 홍합 자신을 바다 속의 바위와 같은 젖은 고체표면에 단단히 부착할 수 있어, 파도의 충격이나 바닷물의 부력 효과에 영향을 받지 않는다 (J.H. Waite 등, 1983, Biological Review 58, 209-231; H.J. Cha 등, 2008, Biotechnology Journal 3,631-638). 이러한 홍합 접착 단백질은 현재 알려진 화학 합성 접착제와 비교하였을 때 강력한 자연 접착제로 알려져 있으며, 대부분 에폭시 수지보다 약 두 배 정도의 높은 인장강도를 나타내면서도 휘어질 수 있는 유연성을 가지고 있다. 또한, 홍합 접착 단백질은 플라스틱, 유리, 금속, 테플론 및 생체물질 등의 다양한 표면에 접착할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 젖은 표면에 몇 분 안에 붙을 수 있다. 이러한 특성은 아직까지 화학접착제 분야에서는 미완의 과제로 남아있다. 또한, 접착 단백질은 인간세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않는 것으로 알려져 수술시 생체조직의 접착이나 부러진 치아의 접착 등의 의료분야에 응용 가능성이 크다 (J. Dove 등, 1986, Journal of American Dental Association 112, 879). 특히, 상기 홍합 접착 단백질은 세포의 표면 접착 기술 분야에도 이용될 수 있는데, 세포의 표면 접착 기술은 세포 배양 및 조직 공학 분야에 필요한 매우 중요한 기술 중의 하나로, 즉 세포 및 조직 배양을 위해 세포를 세포배양 표면에 효율적으로 접착시키는 기술이므로 특정 세포의 증식 및 분화를 촉진시키는 데 매우 중요하다 (M. Tirrell 등, 2002, Surf. Sci., 500, 61-83).The mussel, a marine creature, produces and secretes adhesive proteins that can be firmly attached to wet solid surfaces such as rocks in the oceans, and are not affected by wave shocks or seawater buoyancy effects. (JH Waite et al., 1983, Biological Review 58, 209-231; HJ Cha et al., 2008, Biotechnology Journal 3, 631-638). These mussel adhesive proteins are known as strong natural adhesives when compared to the currently known chemical synthetic adhesives, and they are flexible enough to bend while exhibiting high tensile strength of about twice as much as epoxy resin. In addition, mussel adhesive proteins have the ability to adhere to a variety of surfaces such as plastics, glass, metals, teflon and biomaterials, and can be attached to wet surfaces within minutes. These properties have not yet been an issue in the field of chemical adhesives. In addition, it is known that adhesive proteins do not attack human cells or cause immune reactions, and are thus likely to be applied to medical fields such as adhesion of biopsies or adhesion of broken teeth during surgery (J. Dove et al., 1986, Journal of American Dental Association 112, 879). Particularly, the mussel adhesive protein can also be used in the field of surface adhesion of cells. The surface adhesion technique of cells is one of very important technologies required for cell culture and tissue engineering. For example, for cell and tissue culture, (M. Tirrell et al., 2002, Surf. Sci., 500, 61-83), because it is a technique of efficiently sticking to the surface of a cell.

따라서, 양이온성 단백질, 특히, 홍합 접착 단백질 기반의 코아세르베이트를 이용한 바이오 잉크는 지지체의 조건인 물리적 안정성, 생리활성 인자 조절, 생분해성 및 생체적합성을 만족하는 프린팅용 생채재료로서 바이오 프린팅에 응용함으로써 효율적으로 생체 조직을 치유할 수 있는 해결책이 될 수 있을 것이다.Therefore, bio-ink using cationic protein, in particular, coacervate based on mussel adhesive protein, is a biotic material for printing satisfying physical stability, regulation of physiologically active factor, biodegradability and biocompatibility, Which can be a solution to the healing of living tissue.

출원번호 10-2010-0075717Application No. 10-2010-0075717

이에, 본 발명자들은 생체용 소재를 제공하기에 적합한 신규한 3D 바이오 프린팅용 바이오 잉크를 개발하고자 예의노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 양이온성 단백질인 홍합 접착 단백질(MAP)과 천연 고분자에 추가적인 가교 기작을 처리하여 코아세르베이트 기반-바이오 잉크를 제작하였고, 이를 이용한 경우 합성 고분자의 활용 없이 뛰어난 물성을 나타내며 조직 공학적 치유력을 증대시키는 효과를 나타낸다는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have made an effort to develop a new bio-ink for bio-printing suitable for providing a bio-material. As a result, the inventors of the present invention produced a coacervate-based bio-ink by treating the cationic protein mussel adhesive protein (MAP) and the natural polymer with an additional crosslinking mechanism, and when using the same, exhibited excellent physical properties without using a synthetic polymer, The present invention has been completed.

따라서, 본 발명의 일 목적은 홍합 접착 단백질 또는 이의 변이체에 천연 고분자가 혼합되어 형성된 코아세르베이트(coacervate)를 가교화하는 단계를 포함하는 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a bio ink composition for a 3D bio-printer, which comprises cross-linking a coacervate formed by mixing a natural polymer with a mussel adhesive protein or a mutant thereof.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 따라 제조된 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a bio ink composition for a 3D bio-printer produced by the above method.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 3D 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 바이오 프린터용 카트리지를 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide a cartridge for a 3D bio printer including the bio ink composition for the 3D printer.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 3D 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 생체 소재를 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide a 3D biomaterial including the bio ink composition for the 3D printer.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 3D 생체 소재를 포함하는 조직공학적 지지체를 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a tissue engineering support comprising the 3D bio-material.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

이 때, 여기서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.Here, unless otherwise defined in the technical terms and scientific terms used herein, unless otherwise defined, those skilled in the art will understand what is commonly understood by those skilled in the art.

또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.Repeated descriptions of the same technical constitution and operation as those of the conventional art will be omitted.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 홍합 접착 단백질 또는 이의 변이체에 천연 고분자가 혼합되어 형성된 코아세르베이트(coacervate)를 가교화하는 단계를 포함하는 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물의 제조 방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method for producing a bio ink composition for a 3D bio-printer, which comprises cross-linking a coacervate formed by mixing a natural polymer with a mussel adhesive protein or a mutant thereof.

본 발명에서 홍합 접착 단백질은 홍합에서 유래된 접착 단백질로, 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 국제특허공개 제WO2006/107183호 또는 제WO2005/092920호에 기재된 모든 홍합 접착 단백질을 포함한다.In the present invention, the mussel adhesive protein is an adhesive protein derived from mussel, including, but not limited to, all the mussel adhesive proteins described in WO2006 / 107183 or WO2005 / 092920.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 홍합 접착 단백질 또는 이의 변이체는, 서열번호 1, 서열번호 2 및 서열번호 3의 아미노산 서열로 이루어진 군에서 선택된 아미노산 서열로 이루어진 단백질; 또는 상기 군에서 선택된 1 종 이상의 아미노산 서열이 연결된 융합 단백질일 수 있으며, 보다 바람직하게는 서열번호 1, 서열번호 2 및 서열번호 3의 아미노산 서열로 이루어진 군에서 선택된 아미노산 서열로 이루어진 단백질일 수 있고, 가장 바람직하게는 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 단백질이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the mussel adhesive protein or a variant thereof comprises a protein consisting of an amino acid sequence selected from the group consisting of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 3; Or a fusion protein in which at least one amino acid sequence selected from the above group is linked, more preferably a protein consisting of an amino acid sequence selected from the group consisting of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 3, Most preferably a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.

본 발명에서 홍합 접착 단백질의 변이체(mutants)는 바람직하게는 홍합 접착 단백질의 접착력을 유지하는 전제 하에 상기 홍합 접착 단백질의 카르복실말단이나 아미노말단에 추가적인 서열을 포함하거나 일부 아미노산이 다른 아미노산으로 치환된 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 홍합 접착 단백질의 카르복실말단 또는 아미노말단에 RGD를 포함하는 3 내지 25개의 아미노산으로 이루어진 폴리펩타이드가 연결된 것이거나 홍합 접착 단백질을 이루는 타이로신 잔기 총수의 1 내지 100%, 바람직하게는 5 내지 100%가 3,4-디하이드록시페닐-L-알라닌(DOPA)로 치환된 것일 수 있다.In the present invention, the mutants of the mussel adhesive protein preferably include additional sequences at the carboxyl terminal or amino terminal of the mussel adhesive protein under the condition that the adhesive property of the mussel adhesive protein is maintained, or some amino acids are substituted with other amino acids Lt; / RTI > More preferably, a polypeptide consisting of 3 to 25 amino acids including RGD is linked to the carboxyl terminal or amino terminal of the mussel adhesive protein, or a polypeptide comprising 1 to 100% of the total number of tyrosine residues constituting the mussel adhesive protein, And 5 to 100% thereof may be substituted with 3,4-dihydroxyphenyl-L-alanine (DOPA).

상기 RGD를 포함하는 3 내지 25개의 아미노산은 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 RGD(Arg Gly Asp), RGDS(Arg Gly Asp Ser), RGDC(Arg Gly Asp Cys), RGDV(Arg Gly Asp Val), RGDSPASSKP(Arg Gly Asp Ser Pro Ala Ser Ser Lys Pro), GRGDS(Gly Arg Gly Asp Ser), GRGDTP(Gly Arg Gly Asp Thr Pro), GRGDSP(Gly Arg Gly Asp Ser Pro), GRGDSPC(Gly Arg Gly Asp Ser Pro Cys) 및 YRGDS(Tyr Arg Gly Asp Ser)로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상일 수 있다.RGD (Arg Gly Asp Ser), RGDC (Arg Gly Asp Cys), RGDV (Arg Gly Asp Val), RGDSPASSKP (Arg Gly Asp Ser Pro), GRGDS (Gly Arg Gly Asp Ser), GRGDTP (Gly Arg Gly Asp Ser Pro), GRGDSP (Gly Arg Gly Asp Ser Pro), GRGDSPC Cys) and YRGDS (Tyr Arg Gly Asp Ser).

상기 홍합 접착 단백질의 카르복실말단 또는 아미노말단에 RGD를 포함하는 3 내지 25개의 아미노산으로 이루어진 폴리펩타이드가 연결된 홍합 접착 단백질의 변이체는 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 서열번호 2의 아미노산 서열로 이루어진 폴리펩타이드일 수 있다.A mutant of a mussel adhesive protein to which a polypeptide consisting of 3 to 25 amino acids including RGD is linked at the carboxyl terminal or amino terminal of the mussel adhesive protein is not limited thereto but preferably a polypeptide consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: Lt; / RTI >

본 발명에서의 상기 홍합 접착 단백질은 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 외부 유전자를 발현할 수 있는 용도로 제작된 통상의 벡터에 발현 가능하도록 삽입하여, 유전공학적인 방법으로 대량 생산할 수 있다. 상기 벡터는 단백질을 생산하기 위한 숙주세포의 종류 및 특성에 따라 적절히 선택하거나, 신규로 제작할 수 있다. 상기 벡터를 숙주세포에 형질전환하는 방법 및 형질전환체로부터 재조합 단백질을 생산하는 방법은 통상의 방법으로 용이하게 실시할 수 있다. 상기한 벡터의 선택, 제작, 형질전환 및 재조합 단백질의 발현 등의 방법은, 본원발명이 속하는 기술분야의 당업자라면 용이하게 실시할 수 있으며, 통상의 방법에서 일부의 변형도 본원발명에 포함된다.The mussel adhesive protein of the present invention is not limited thereto, but it may be inserted into a conventional vector which is designed for expressing an external gene so that it can be mass-produced by a genetic engineering method. The vector may be suitably selected according to the type and characteristics of the host cell for producing the protein, or may be newly produced. A method of transforming the vector into a host cell and a method of producing a recombinant protein from the transformant can be easily carried out by a conventional method. Methods for selecting, producing, transforming, and expressing recombinant proteins described above can be easily carried out by those skilled in the art, and some modifications of the conventional methods are included in the present invention.

본 발명에서 천연 고분자는 상기 양이온성인 홍합 접착 단백질과 결합하여 코아세르베이트를 형성할 수 있는 천연 고분자 물질이라면 제한없이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 상기 양이온성인 홍합 접착 단백질의 pI(Isoelectric point)보다 낮은 고분자, 더 바람직하게는 pI 수치가 2 내지 6인 고분자, 보다 더 바람직하게는 pI 수치가 2 내지 4인 고분자일 수 있다. 상기 pI 수치를 초과하거나 미만인 경우 코아세르베이트가 형성되기 어려우므로 상기 pI 범위내의 음이온성 고분자를 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the natural polymer may be any natural polymer material capable of forming a coacervate by binding to the cationic mussel adhesive protein. Preferably, the natural polymer is a polymer having a pI (isoelectric point) lower than that of the cationic mussel adhesive protein, More preferably a polymer having a pI value of 2 to 6, and still more preferably a polymer having a pI value of 2 to 4. If the pI value is more than or less than the above-mentioned pI value, it is difficult to form coacervate, so that it is preferable to use an anionic polymer within the pI range.

본 발명에서 바람직하게는 상기 천연 고분자는 히알루론산(hyaluronic acid, HA), 키토산(Chitosan), 알긴산(alginate), 젤라틴(gelatin), 알부민(albumin), 캐러지넌(carrageenan), 헤모글로빈(hemoglobin) 및 헤파린(heparin)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 히알루론산(hyaluronic acid, HA), 키토산(Chitosan) 또는 알긴산(alginate)일 수 있고, 가장 바람직하게는 히알루론산일 수 있다.In the present invention, preferably, the natural polymer is selected from the group consisting of hyaluronic acid (HA), chitosan, alginate, gelatin, albumin, carrageenan, hemoglobin, Heparin, and more preferably hyaluronic acid (HA), chitosan or alginate, and most preferably hyaluronic acid.

상기 음이온성 고분자의 평균 분자량은 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 1kDa 내지 300kDa으로 이루어진 군에서 선택된 분자량을 가질 수 있으며 보다 바람직하게는 10kDa 내지 100kD, 더 바람직하게는 17kDa 내지 59kDa, 가장 바람직하게는 17kDa, 35kDa 또는 59kD의 분자량을 가질 수 있다. 상기 분자량을 초과하거나 미만인 경우 코아세르베이트가 형성되지 않을 수 있기 때문이다.The average molecular weight of the anionic polymer may have a molecular weight selected from the group consisting of, but not limited to, 1 kDa to 300 kDa, more preferably 10 kDa to 100 kD, more preferably 17 kDa to 59 kDa, and most preferably 17 kDa, A molecular weight of 35 kDa or 59 kD. If the molecular weight is more than or less than the molecular weight, coacervate may not be formed.

본 발명의 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물은 목적하는 효과를 달성할 수 있는 한 1 종 이상의 생체 활성물질을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 생체 활성물질은 생체에 투여되거나 피부 표면에 도포할 경우 일정한 약리 활성을 나타내는 물질로, 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 약물, 효소, 세포 및 식품첨가물로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 항암제, 항생제, 항염증제, 호르몬, 호르몬 길항제, 인터루킨, 인터페론, 성장 인자, 종양 괴사 인자, 엔도톡신, 림포톡시, 유로키나제, 스트렙토키나제, 조직 플라스미노겐 활성제, 프로테아제 저해제, 알킬포스포콜린, 방사선 동위원소 표지 물질, 계면활성제, 심혈관계 약물, 위장관계 약물 및 신경계 약물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.The bio-ink composition for 3D bio-printers of the present invention may further include one or more bioactive substances as long as the desired effects can be achieved. The bioactive substance may be one or more selected from the group consisting of drugs, enzymes, cells, and food additives, although it is not limited thereto, and it may be a substance exhibiting a certain pharmacological activity when administered to a living body or applied to the skin surface. Preferably, the anticancer agent is selected from the group consisting of anticancer agents, antibiotics, anti-inflammatory agents, hormones, hormone antagonists, interleukins, interferon, growth factors, tumor necrosis factor, endotoxin, lymphotoxin, urokinase, streptokinase, tissue plasminogen activator, An isotope labeling substance, a surfactant, a cardiovascular drug, a gastrointestinal drug, and a nervous system drug.

또한, 본 발명에서 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 홍합 접착 단백질과 천연 고분자는 1:0.01 내지 100의 중량비로 혼합되어 형성될 수 있으며, 7:3 중량비로 혼합하는 것이 가장 바람직하다.Preferably, the mussel adhesive protein and the natural polymer may be mixed in a weight ratio of 1: 0.01 to 100, most preferably 7: 3.

본 발명의 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물을 제조하기 위한 용매의 종류, 적정 pH, 적정 온도는 코아세르베이트가 효과적으로 형성될 수 있는 공지된 조건과 동일하다.The kind of the solvent, the optimum pH, and the optimum temperature for producing the bio ink composition for the 3D bio-printer of the present invention are the same as known conditions in which the coacervate can be effectively formed.

상기 가교화는 가교제를 첨가하여 상기 천연 고분자에 포함된 타이로신 잔기가 광반응을 통해 광가교결합될 수 있다.In the crosslinking, a tyrosine residue contained in the natural polymer may be photocrosslinked through a photoreaction by adding a crosslinking agent.

즉, 본 발명의 목적은 홍합 접착 단백질과 천연 고분자의 가교젤 제형을 통해 세포를 포집하고, 그 생물학적 활성을 유지시킬 수 있는 바이오 잉크 조성물을 제조하는 것이다.That is, an object of the present invention is to prepare a bio ink composition capable of capturing cells through a cross-linked gel formulation of a mussel adhesive protein and a natural polymer and maintaining its biological activity.

예컨대, 본 방법에 따른 바이오 잉크 조성물은 히알루론산에 티라민이 결합(conjugate)된 히알루론산 하이드로겔 시스템으로 제작하여 추가적인 가교 기작을 통해 물성을 높일 수 있다.For example, the bio-ink composition according to the present invention can be manufactured with a hyaluronic acid hydrogel system in which tyramine is conjugated to hyaluronic acid, thereby enhancing physical properties through an additional crosslinking mechanism.

상기 가교제는 티라민, 하이드록시페닐아세트산, 하이드록시프로피온산, 도파민, 에피네프린 및 하이드록시에틸아닐린로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종을 이용할 수 있으며, 가교제가 광반응을 통해 광가교결합할 수 있도록 타이로신 잔기를 제공할 수 있는 한, 이에 제한되지 않는다.The crosslinking agent may be one selected from the group consisting of tyramine, hydroxyphenylacetic acid, hydroxypropionic acid, dopamine, epinephrine, and hydroxyethylaniline. The crosslinking agent may provide a tyrosine residue so that the crosslinking agent can photo- As long as it is possible.

본 발명에 따른 바이오 잉크는 자외선을 사용하지 않고 추가적 가교 기작을 이용해 통상적인 교차결합을 시키므로 가교 시 발생하는 세포독성 문제를 해결할 수 있으며, 3D 바이오프린팅용 바이오 잉크로서 활용가능한 이식용 3차원 스캐폴드를 제작할 수 있다.The bio-ink according to the present invention can solve the problem of cytotoxicity that occurs during crosslinking because it does not use ultraviolet rays but uses the additional crosslinking mechanism to perform ordinary cross-linking. The bio-ink according to the present invention can be used as a bio-ink for 3D bio- .

본 발명의 방법에 따른 바이오 잉크 조성물은 천연 고분자의 분자량 조절을 통해 가교젤의 물성을 조절할 수 있으며, 이를 통해 목적 장기, 목적 세포에 적합한 환경을 조성할 수 있다.The bio ink composition according to the method of the present invention can regulate the physical properties of the crosslinked gel through controlling the molecular weight of the natural polymer, thereby making it possible to create an environment suitable for the target organ or target cell.

생체 고분자와 화학 작용기는 1: 400 내지 600의 몰 비로 혼합되는 것이 바람직한데, 상기 범위가 1: 400 미만이면 기계적 강도가 낮아지는 문제점을 가지며, 1: 600을 초과하는 경우에는 기계적 강도가 지나치게 높아져 지나친 가교도에 의해 각종 물질의 이동이 제한될 수 있어 바람직하지 않으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 고분자 농도는 1 내지 30wt%인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 높은 점도에 의해 바이오 잉크로서 사용할 수 없는 가능성이 우려되어 바람직하지 않으나 이에 제한되는 것은 아니다.It is preferable that the biopolymer and the chemical functional group are mixed at a molar ratio of 1: 400 to 600. If the ratio is less than 1: 400, the mechanical strength is lowered. If the ratio is more than 1: 600, the mechanical strength is excessively increased The migration of various substances may be restricted by excessive crosslinking, which is not preferable, but is not limited thereto. The concentration of the polymer is preferably 1 to 30 wt%. If the concentration is out of the above range, the possibility of not being used as a bio-ink due to a high viscosity is not preferable, but is not limited thereto.

또한, 본 바이오 잉크 조성물은 아세트산, 증류수, 또는 완충용액의 용매를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 완충용액은 2-(n-morpholino)ethanesulfonic acid, 4-(4,6-Dimethoxy-1,3,5-tiazin-2-yl)-4-methylmorpholinium chloride 및 Phosphate buffer saline 중에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.In addition, the bio-ink composition may further include, but is not limited to, a solvent of acetic acid, distilled water, or a buffer solution. Specifically, the buffer solution is one selected from 2- (n-morpholino) ethanesulfonic acid, 4- (4,6-Dimethoxy-1,3,5-thiazin-2-yl) -4-methylmorpholinium chloride and Phosphate buffer saline Or more.

또한, 본 바이오 잉크 조성물은 세포, 유착 방지용 물질, 염료 및 약물 중에서 선택된 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.In addition, the bio-ink composition may further include at least one selected from the group consisting of a cell, a substance for preventing adhesion, a dye and a drug.

또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 3D 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 바이오 프린터용 카트리지를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a cartridge for a 3D bio-printer including the above-described bio ink composition for a 3D printer.

또한, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 3D 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 생체 소재를 제공한다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a 3D biomaterial including the above-described bio ink composition for a 3D printer.

또한, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 3D 생체 소재를 포함하는 조직공학적 지지체를 제공한다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a tissue engineering support comprising the 3D biomaterial.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 3D 생체 소재를 포함하는 약물 전달체, 또는 유착방지제를 제공할 수 있다. 상기 약물은 일반적으로 사용되는 항생제, 항암제, 소염진통제, 항바이러스제, 항균제, 단백질 및 펩타이드 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, according to the present invention, it is possible to provide a drug delivery system containing the 3D bio-material, or an adhesion inhibitor. The drug may be used in general, but is not limited to, antibiotics, anticancer agents, anti-inflammatory agents, antiviral agents, antibacterial agents, proteins and peptides.

본 발명의 바이오 잉크 조성물은 코아세르베이트와 추가적 가교 기작을 이용하여 장기 이식용 인공장기 제작을 위한 신규한 플랫폼으로써 조직공학적 지지체를 제공하며, 합성고분자 없이 생체고분자만을 활용하여 뛰어난 생체적합성을 지님과 동시에 뛰어난 물성을 보유할 수 있는 바이오 잉크 및 이를 이용한 삼차원 스캐폴드 인공 구조체를 제작하는 데 이용될 수 있다. 따라서, 이를 신체 결손이 있는 생체조직에 적용하여 조직을 재생시킬 수 있는 효과가 있을 것으로 예상된다.The bio-ink composition of the present invention provides a tissue engineering support as a novel platform for the production of artificial organs for organ transplantation using coacervate and an additional cross-linking mechanism, and has excellent biocompatibility using biopolymers without synthetic polymer, A bio-ink capable of retaining physical properties and a three-dimensional scaffold artificial structure using the same. Therefore, it is expected that it will be possible to regenerate the tissue by applying it to a biological tissue having a body defect.

도 1은 다양한 분자량에 따른 히알루론산과 티라민의 결합 확인 수율을 나타낸 것이다. 티라민의 경우 275 nm 에서 가장 큰 흡광도를 가지며, 그 농도와 흡광도는 서로 비례 관계에 있음을 활용하였다. 티라민의 농도에 따른 흡광도 표준 곡선을 작성한 뒤, 희석된 히알루론산의 흡광도를 측정하여 수율을 계산하였다.
도 2는 HA와 MAP의 배합 조건에 따른 coacervate 생성량을 측정하기 위해 혼탁도를 측정한 것이다. 실험은 PBS (phosphate-buffered saline, pH 7.8) 에서 진행하였다. MAP와 HA의 최적 농도 비율은 7:3 (wt:wt)로 확인되었다.
도 3a 내지 도 3c은 Alg-Tyr과 MAP 혼합물(도 3a), Gelatin과 MAP 혼합물(도 3b), HA-Tyr과 MAP(도 3c) 코아세르베이트 시료에 대한 가교 전후 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 광경화 이전의 각진동수(Angular frequency)에 따른 점성을 측정한 것이다.
도 5는 홍합 접착 단백질과 히알루론산과의 코아세르베이트의 추가적 가교 기작을 통해 제작된 하이드로겔의 가교 후의 G' 및 G''을 레오미터를 통해 측정한 저장 탄성률(Storage modulus) 및 손실 탄성률(Loss modulus) 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 당업계에 공지된 GelMA 계열과 본 발명의 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트의 압축 탄성률(Compressive modulus)를 비교한 것이다.
도 7은 본 발명의 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트를 이용하여 제작된 3차원 구조체를 보여준다.
도 8은 본 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트를 이용한 3 차원 구조체의 세포 독성 확인한 결과이다.
Figure 1 shows the yield of binding confirmation of hyaluronic acid and tyramine according to various molecular weights. The highest absorbance at 275 nm for tyramine, and its concentration and absorbance are proportional to each other. The absorbance standard curve according to the concentration of tyramine was prepared, and then the absorbance of the diluted hyaluronic acid was measured and the yield was calculated.
FIG. 2 shows turbidity measured to determine coacervate production according to the mixing conditions of HA and MAP. The experiment was carried out in PBS (phosphate-buffered saline, pH 7.8). The optimal concentration ratio of MAP and HA was 7: 3 (wt: wt).
FIGS. 3A to 3C show the results before and after crosslinking of Alg-Tyr and MAP mixture (FIG. 3A), gelatin and MAP mixture (FIG. 3B), HA-Tyr and MAP (FIG.
Fig. 4 is a graph showing the viscosity measured according to the angular frequency before photocuring.
FIG. 5 is a graph showing changes in storage modulus and loss modulus (measured by a rheometer) of G 'and G''after cross-linking of a hydrogel prepared through an additional crosslinking mechanism of coacervate with mussel adhesive protein and hyaluronic acid ).
Figure 6 compares the compressive modulus of the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate of the present invention with the GelMA series known in the art.
FIG. 7 shows a three-dimensional structure produced using the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate of the present invention.
Fig. 8 shows the cytotoxicity results of the three-dimensional structure using the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate.

이하, 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined by the appended claims. It will be obvious to you.

실시예Example

실시예 1. 타이로신기가 결합(conjugate)된 천연고분자 물질의 제작Example 1. Fabrication of a natural polymer substance with tyrosine group conjugated

본 발명자들은 생체 적합한 3D 바이오 잉크의 물성을 증가시키기 위하여, 고분자 물질에 타이로신기가 결합(conjugate)된 천연고분자 물질을 제작하였다.In order to increase the physical properties of a bioabsorbable 3D bioinf ink, the present inventors have made a natural polymer material conjugated with a tyrosine group in a polymer substance.

먼저, 자연에 존재하는 키토산(Chitosan), 알긴산(Alginate) 및 히알루론산(Hyaluronic Acid)에 청색광을 이용한 광가교성 성질을 부여하기 위해, 이들의 타이로신(tyrosine) 반응기에 티라민(Tyramine) 또는 히드로페닐 아세트산(Hydrophenylacetic acid)을 반응시켜 Chi-Tyr, Alg-Tyr, HA-Tyr를 제작하였다.First, in order to impart photo-crosslinking properties to chitosan, alginate and hyaluronic acid present in nature in the blue light, a tyrosine or tyrosine acetic acid is added to these tyrosine reactors, (Hydrophenylacetic acid) to produce Chi-Tyr, Alg-Tyr and HA-Tyr.

구체적으로, HA-Tyr의 경우, 0.2 wt% 농도로 DW에 HA를 용해시켰다. 이후 49.84 mM의 EDC, NHS를 첨가한 뒤 74.76 mM의 티라민(Tyramine)을 넣어준 후 pH를 5.5로 적정 후 밤새 반응시켰다. Alg-Tyr의 경우, 1.0 wt% 농도로 DW에 Alginate를 용해시켰다. 이후 이 용액에 5 mM의 EDC, NHS 및 티라민을 첨가한 뒤 pH를 5.5로 적정 후 밤새 반응시켰다. Chi-Tyr의 경우 1.0 wt%로 1.0 wt% Acetic acid 용액에 용해시켰다. 이후 5 mM 의 EDC, NHS 및 Hydrophenylacetic acid를 첨가한 뒤 pH를 5.5로 적정 후 밤새 반응시켰다. 이후 상기 3 개의 물질 모두 최소 2일 이상의 투석(Dialysis)을 통해 정제한 뒤, 동결 건조를 거쳐 이하 실시예에 활용하였다.Specifically, in the case of HA-Tyr, HA was dissolved in DW at a concentration of 0.2 wt%. After the addition of 49.84 mM EDC and NHS, 74.76 mM of tyramine was added, and the pH was adjusted to 5.5, followed by overnight reaction. In the case of Alg-Tyr, Alginate was dissolved in DW at a concentration of 1.0 wt%. To this solution, 5 mM EDC, NHS and tyramine were added, and the pH was adjusted to 5.5, followed by overnight reaction. In case of Chi-Tyr, 1.0 wt% was dissolved in 1.0 wt% of Acetic acid solution. After the addition of 5 mM EDC, NHS and Hydrophenylacetic acid, the pH was adjusted to 5.5 and reacted overnight. Then, all of the above three substances were purified through dialysis for at least 2 days and then used in the following examples through lyophilization.

추가적으로 다양한 분자량(111, 500 및 1010 kDa)에 따른 히알루론산과 티라민의 결합 확인 수율을 확인하였다. 275 nm에서 가장 큰 흡광도를 가지는 티라민은, 그 농도와 흡광도가 서로 비례 관계에 있음을 활용하였다.In addition, the binding confirmation yields of hyaluronic acid and tyramine according to various molecular weights (111, 500 and 1010 kDa) were confirmed. Tilamine, which has the highest absorbance at 275 nm, utilizes that its concentration and absorbance are proportional to each other.

그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같이, 티라민의 농도에 따른 흡광도 표준 곡선을 작성한 뒤, 희석된 히알루론산의 흡광도를 측정하여 수율을 계산하였다. As a result, as shown in Fig. 1, an absorbance standard curve corresponding to the concentration of tyramine was prepared, and then the absorbance of the diluted hyaluronic acid was measured to calculate the yield.

실시예 2. 재조합 홍합접착 단백질(MAP)의 제작Example 2. Preparation of Recombinant Mussel Adhesion Protein (MAP)

2-1. 재조합 홍합접착 단백질 fp-151의 제작2-1. Production of Recombinant Mussel Adhesion Protein fp-151

본 발명에서 사용한 홍합 접착 단백질 fp-151(서열번호 1)은 자연에 존재하는 홍합 접착 단백질 fp-1 중에서 80번 정도 반복되는 10개의 아미노산으로 구성된 데카펩타이드(decapeptide)가 대장균에서 발현될 수 있도록 6개의 데카펩타이드로 이루어진 fp-1 변이체를 합성하고 2 개의 fp-1 변이체 사이에 Mgfp-5의 유전자(Genbank No. AAS00463 또는 AY521220)를 넣은 후, 대장균에서 생산한 것이다 (D.S. Hwang et. al., Biomaterials 28, 3560-3568, 2007).The mussel adhesive protein fp-151 (SEQ ID NO: 1) used in the present invention is a mussel adhesive protein fp-1 (SEQ ID NO: 1) which is used in the present invention, so that a decapeptide composed of 10 amino acids repeated 80 times in the natural mussel adhesive protein fp- (Genbank No. AAS00463 or AY521220) was inserted between two fp-1 mutants and then produced in Escherichia coli (DS Hwang et al., &Quot; Biomaterials 28, 3560-3568, 2007).

구체적으로 fp-1 (Genbank No. Q27409 또는 S23760)의 아미노산 서열에서, AKPSYPPTYK로 이루어진 펩타이드가 6회 반복 연결된 fp-1 변이체(이하, 6xAKPSYPPTYK라 함)를 제조하고 Mgfp-5의 N-말단에 상기 6xAKPSYPPTYK을 조합하고 또한 Mgfp-5의 C-말단에 6xAKPSYPPTYK를 조합하여 서열번호 1의 fp-151을 제조하였다. 상기 홍합 접착 단백질의 구체적 제조는 국제특허공개 제WO2006/107183호 또는 제WO2005/092920호에 나타낸 바와 동일하며, 상기 특허 문헌은 전체로서 참고문헌으로 본 발명에 포함된다.Specifically, the fp-1 mutant (hereinafter referred to as 6xAKPSYPPTYK) in which the peptide consisting of AKPSYPPTYK was repeated six times in the amino acid sequence of fp-1 (Genbank No. Q27409 or S23760) 6xAKPSYPPTYK was combined with 6xAKPSYPPTYK at the C-terminus of Mgfp-5 to prepare fp-151 of SEQ ID NO: 1. The specific preparation of the mussel adhesive protein is the same as described in WO2006 / 107183 or WO2005 / 092920, which is incorporated herein by reference in its entirety.

2-2. 재조합 홍합접착 단백질 fp-151-RGD의 제작2-2. Production of Recombinant Mussel Adhesion Protein fp-151-RGD

상기 실시예 1-1의 fp-151의 C-말단에 피브로넥틴(fibronectin) RGD 그룹에서 선택된 GRGDSP 서열을 추가하여 서열번호 2의 fp-151-RGD를 제조하였다.Fg-151-RGD of SEQ ID NO: 2 was prepared by adding the GRGDSP sequence selected from the fibronectin RGD group to the C-terminus of fp-151 of Example 1-1.

2-3. 재조합 홍합 접착 단백질 fp-131의 제작2-3. Production of Recombinant Mussel Adhesion Protein fp-131

홍합 접착 단백질 fp-131은 상기 실시예 1-1의 fp-151과 마찬가지 방식으로 2개의 fp-1 변이체 사이에 자연에 존재하는 홍합 접착 단백질 Mgfp-3A의 유전자(Genbank No. BAB16314 또는 AB049579)를 넣은 후, 대장균에서 생산한 것이다.The mussel adhesive protein fp-131 was obtained by replacing the gene (Genbank No. BAB16314 or AB049579) of the mussel adhesive protein Mgfp-3A naturally present between two fp-1 mutants in the same manner as fp-151 of Example 1-1 And then produced by Escherichia coli.

구체적으로 fp-1 (Genbank No. Q27409 또는 S23760)의 아미노산 서열에서, AKPSYPPTYK로 이루어진 펩타이드가 6회 반복 연결된 fp-1 변이체(이하, 6xAKPSYPPTYK라 함)를 제조하고 Mgfp-3의 N-말단에 상기 6xAKPSYPPTYK을 조합하고 또한 Mgfp-3의 C-말단에 6xAKPSYPPTYK를 조합하여 서열번호 3의 fp-131을 제조하였다.Specifically, an fp-1 mutant (hereinafter referred to as 6xAKPSYPPTYK) in which the peptide consisting of AKPSYPPTYK is repeated six times in the amino acid sequence of fp-1 (Genbank No. Q27409 or S23760) 6xAKPSYPPTYK was combined with 6xAKPSYPPTYK at the C-terminus of Mgfp-3 to prepare fp-131 of SEQ ID NO: 3.

실시예 3. 본 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트(coacervate)의 제조 및 광가교 가능성 확인Example 3. Preparation of coacervate based on hydrogel-mussel adhesive protein and confirmation of the possibility of photocrosslinking

본 발명자들은, 상기 실시예 1에서 제조된 티라민이 결합(conjugate)된 하이드로겔(Chi-Tyr, Alg-Tyr, HA-Tyr)에 재조합 홍합 접착 단백질(MAP) fp-151를 혼합하여 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트(coacervate)를 형성시키고, 이에 광가료처리하여 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트(coacervate)의 고형화 상태를 확인하고자 하였다.The present inventors have found that the recombinant mussel adhesive protein (MAP) fp-151 is mixed with the tyramine conjugated hydrogel (Chi-Tyr, Alg-Tyr, HA-Tyr) prepared in Example 1, The mussel adhesive protein-based coacervate was formed and treated with a light-treating agent to confirm the solidification state of the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate.

코아세르베이트(coacervate)는 특정 pH 조건에서 특정 비율로 음이온성 전해질 고분자와 양이온성 전해질 고분자를 혼합함으로써 생성된 콜로이드의 일종이다. 상기 코아세르베이트가 형성되면 용액의 흡광도가 증가되기 때문에 코아세르베이트의 형성 여부를 확인하기 위해 주로 흡광도를 측정하게 된다(V. Ducel et. al., Colloids and Surfaces a-Physicochemical and Engineering Aspects, 232, 239-247, 2004).Coacervate is a kind of colloid produced by mixing anionic electrolytic polymer and cationic electrolytic polymer at specific ratios at specific pH conditions. Since the absorbance of the solution increases when the coacervate is formed, the absorbance is mainly measured to confirm the formation of the coacervate (V. Ducel et al., Colloids and Surfaces a-Physicochemical and Engineering Aspects, 232, 239-247 , 2004).

먼저, Chi-Tyr, Alg-Tyr, HA-Tyr에 재조합 홍합 접착 단백질 fp-151을 혼합한 혼합 용액을 제조하여 흡광도를 측정하였다.First, a mixed solution of recombinant mussel adhesive protein fp-151 and Chi-Tyr, Alg-Tyr and HA-Tyr was prepared and absorbance was measured.

또한, 대조군으로서 젤라틴(Gelatin)과 재조합 홍합 접착 단백질 fp-151을 혼합한 혼합 용액을 이용하였다.As a control, a mixed solution of gelatin and a recombinant mussel adhesive protein fp-151 was used.

그 결과, HA-Tyr과 MAP의 혼합시 코아세르베이트가 형성됨을 확인하였다.As a result, it was confirmed that coacervate was formed when HA-Tyr and MAP were mixed.

또한, HA와 MAP의 배합 조건에 따른 코아세르베이트 생성량을 측정하기 위해 혼탁도를 측정하였다. 실험은 PBS (phosphate-buffered saline, pH 7.8)에서 진행하였다.Turbidity was also measured to determine the amount of coacervate produced according to the mixing conditions of HA and MAP. The experiment was carried out in PBS (phosphate-buffered saline, pH 7.8).

그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 홍합 접착 단백질과 HA-Tyr의 최적 농도 비율이 7:3 wt%일 때 가장 많은 양의 코아세르베이트가 형성됨을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 2, it was confirmed that the highest amount of coacervate was formed when the optimum concentration ratio of mussel adhesive protein and HA-Tyr was 7: 3 wt%.

이후, 광가교 기능을 추가하기 위해 Sodium persulfate 및 1 mM의 농도가 되도록 Tris(bipyridine) ruthenium(II) chloride를 첨가하였다. 이후 452 nm의 청색광을 조사하여 하이드로겔 형성을 확인하였다. Then, sodium persulfate and Tris (bipyridine) ruthenium (II) chloride were added to give a concentration of 1 mM to add photo-crosslinking function. Thereafter, blue light of 452 nm was irradiated to confirm the hydrogel formation.

도 3a내지 3c에, Alg-Tyr과 MAP 혼합물(3a), Gelatin과 MAP 혼합물(3b), HA-Tyr과 MAP(3c) 코아세르베이트 시료에 대한 가교 실험 확인 결과를 나타내었다. FIGS. 3A to 3C show cross-linking test results for Alg-Tyr and MAP mixture 3a, Gelatin and MAP mixture 3b, HA-Tyr and MAP 3c coacervate samples.

그 결과, 빠른 시간 내에 고형화되어 그 형태가 변화하지 않음을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the shape was not changed and solidified within a short time.

실시예 4. 본 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트 제형의 물리적 성질 확인Example 4. Physical properties of the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate formulation

실시예 1에서 제작되었던 제형들 중 HA-Tyr을 이용하여 광가교 성질이 부여된 코아세르베이트의 물리적 성질들을 확인하였다. Among the formulations prepared in Example 1, HA-Tyr was used to confirm the physical properties of the coacervate imparted with photo-crosslinking properties.

먼저, 광경화 이전의 각진동수(Angular frequency)에 따른 점성을 측정하였다. First, the viscosity according to the angular frequency before the photo-curing was measured.

그 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이, 물질 자체의 초기 점성(viscosity)은 상당히 높지만 전단응력(Shear stress)가 가해질수록 점도가 내려가는 전단 동화(Shear-thinning) 성질을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in FIG. 4, it was confirmed that the initial viscosity of the material itself is considerably high, but the shear-thinning property of decreasing viscosity with shear stress is applied.

또한, 저장 탄성률(Storage modulus) 및 손실 탄성률(Loss modulus)을 측정하였다. 홍합 접착 단백질과 히알루론산과의 코아세르베이트의 추가적 가교 기작을 통해 제작된 하이드로겔의 가교 후의 G' 및 G''을 레오미터를 통해 측정하였다. 상기 가교 반응은 photoredox catalyst인 rubpy (Tris(bipyridine)ruthenium(II) chloride) 조건 하에서 SPS(sodium persulfate)를 이용하여 가교하였다.In addition, storage modulus and loss modulus were measured. G 'and G "after cross-linking of the hydrogel prepared through the additional cross-linking mechanism of the coacervate of mussel adhesive protein and hyaluronic acid were measured via a rheometer. The crosslinking reaction was crosslinked using SPS (sodium persulfate) under a photoredox catalyst, rubpy (Tris (bipyridine) ruthenium (II) chloride).

그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 광가교 이전에는 손실 탄성률이 더 높은 액체 상태로 존재하며, 광가교 이후에는 저장 탄성률이 더 높은 겔(gel) 상태가 되었음을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 5, it was confirmed that the loss elastic modulus before the photo-crosslinking exists in a liquid state higher than that of the photo-crosslinking, and the gel has a higher storage elastic modulus after photo-crosslinking.

또한, 당업계에 공지된 GelMA 계열과 본 발명의 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트의 압축 탄성률(Compressive modulus)를 비교하였다.Compressive modulus of the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate of the present invention and the GelMA series known in the art were also compared.

그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트의 물성이 단순 GelMA 물질들이 가지는 물성(15% GelMA ~ 30kPa) 보다 4배 이상 높을 뿐만 아니라, 특수한 처리를 한 GelMA보다 더 높은 수치를 가지는 것을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 6, the physical properties of the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate according to the present invention are four times higher than those of the simple GelMA materials (15% GelMA to 30 kPa) Which is higher than that of the conventional method.

실시예 5. 본 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트를 이용한 생체재료 잉크(Biomaterial ink) 및 3D 프린터를 통한 3차원 구조체 제작Example 5. Production of a three-dimensional structure by biomaterial ink using a hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate and a 3D printer

본 발명의 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트를 이용한 3차원 구조체 제작 능력을 확인하였다. CELLINK社에서 판매하는 INKREDIBLE+ 기기를 이용하였다. 기기의 Nozzle을 통해 나오는 용액을 청색광을 이용해 가교하였으며, 한 layer가 완전히 쌓이고 나면 동일 형태로 다차례 출력을 반복하여 제작하였다.The capability of constructing a three-dimensional structure using the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate of the present invention was confirmed. I used the INKREDIBLE + device sold by CELLINK. The solution coming out through the nozzle of the device was bridged using blue light. When one layer was completely accumulated, the same output was repeatedly produced.

그 결과, 도 7에 나타난 바와 같이, 일정한 패턴 양식을 반복한 구조체를 제작할 수 있음을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 7, it was confirmed that a structure having a repeated pattern pattern can be fabricated.

실시예 6. 본 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트를 이용한 3 차원 구조체의 세포 독성 확인Example 6. Cytotoxicity of a 3-dimensional structure using the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate

HUVEC 세포에 삼출물을 처리한 뒤 생존율이 48 시간 경과 후에 어떻게 변화하는 지에 대하여 조사하여 상기 실시예 5에서 제작된 구조체의 세포 독성 여부를 실험하였다.To examine how the survival rate of HUVEC cells changed after 48 hours from the treatment of exudates, the cytotoxicity of the constructs prepared in Example 5 was examined.

그 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, 세포의 생존율이 98.9%로 세포 독성이 없음을 알 수 있었다.As a result, as shown in Fig. 8, the survival rate of the cells was 98.9%, indicating no cytotoxicity.

따라서, 본 발명의 하이드로겔-홍합 접착 단백질 기반 코아세르베이트는 안전하고 생체적합한 3 차원 구조체를 제공할 수 있으며, 이는 조직공학용 복합 지지체로서 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, the hydrogel-mussel adhesive protein-based coacervate of the present invention can provide a safe and biocompatible three-dimensional structure, which can be usefully used as a composite scaffold for tissue engineering.

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145 150 155 160 Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys 165 170 175 Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro 180 185 190 Pro Thr Tyr Lys 195 <210> 2 <211> 202 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> FP-151-RGD <400> 2 Met Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr 1 5 10 15 Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala 20 25 30 Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro 35 40 45 Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ser Ser Glu 50 55 60 Glu Tyr Lys Gly Gly Tyr Tyr Pro Gly Asn Thr Tyr His Tyr His Ser 65 70 75 80 Gly Gly Ser Tyr His Gly Ser Gly Tyr His Gly Gly Tyr Lys Gly Lys 85 90 95 Tyr Tyr Gly Lys Ala Lys Lys Tyr Tyr Tyr Lys Tyr Lys Asn Ser Gly 100 105 110 Lys Tyr Lys Tyr Leu Lys Lys Ala Arg Lys Tyr His Arg Lys Gly Tyr 115 120 125 Lys Lys Tyr Tyr Gly Gly Ser Ser Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr 130 135 140 Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys 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Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr 145 150 155 160 Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Leu 165 170 <110> POSTECH ACADEMY-INDUSTRY FOUNDATION <120> Novel Bioink for 3D Bioprinting and Uses Thereof <130> POSTECH1-31p-1 <150> 10-2016-0125014 <151> 2016-09-28 <160> 3 <170> KoPatentin 3.0 <210> 1 <211> 196 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> FP-151 <400> 1 Met Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr   1 5 10 15 Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala              20 25 30 Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro          35 40 45 Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ser Ser Glu      50 55 60 Gly Tyr Lys Gly Gly Tyr Tyr Pro Gly Asn Thr Tyr His Tyr His Ser  65 70 75 80 Gly Gly Ser Tyr His Gly Ser Gly Tyr His Gly Gly Tyr Lys Gly Lys                  85 90 95 Tyr Tyr Gly Lys Ala Lys Lys Tyr Tyr Tyr Lys Tyr Lys Asn Ser Gly             100 105 110 Lys Tyr Lys Tyr Leu Lys Lys Ala Arg Lys Tyr His Arg Lys Gly Tyr         115 120 125 Lys Lys Tyr Tyr Gly Gly Ser Ser Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr     130 135 140 Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser 145 150 155 160 Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys                 165 170 175 Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro             180 185 190 Pro Thr Tyr Lys         195 <210> 2 <211> 202 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> FP-151-RGD <400> 2 Met Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr   1 5 10 15 Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala              20 25 30 Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro          35 40 45 Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ser Ser Glu      50 55 60 Gly Tyr Lys Gly Gly Tyr Tyr Pro Gly Asn Thr Tyr His Tyr His Ser  65 70 75 80 Gly Gly Ser Tyr His Gly Ser Gly Tyr His Gly Gly Tyr Lys Gly Lys                  85 90 95 Tyr Tyr Gly Lys Ala Lys Lys Tyr Tyr Tyr Lys Tyr Lys Asn Ser Gly             100 105 110 Lys Tyr Lys Tyr Leu Lys Lys Ala Arg Lys Tyr His Arg Lys Gly Tyr         115 120 125 Lys Lys Tyr Tyr Gly Gly Ser Ser Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr     130 135 140 Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser 145 150 155 160 Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys                 165 170 175 Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro             180 185 190 Pro Thr Tyr Lys Gly Arg Gly Asp Ser Pro         195 200 <210> 3 <211> 172 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> FP-131 <400> 3 Met Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr   1 5 10 15 Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala              20 25 30 Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro          35 40 45 Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Pro Trp Ala      50 55 60 Asp Tyr Tyr Gly Pro Lys Tyr Gly Pro Pro Arg Arg Tyr Gly Gly Gly  65 70 75 80 Asn Tyr Asn Arg Tyr Gly Arg Arg Tyr Gly Gly Tyr Lys Gly Trp Asn                  85 90 95 Asn Gly Trp Lys Arg Gly Arg Trp Gly Arg Lys Tyr Tyr Gly Ser Ala             100 105 110 Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro         115 120 125 Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro     130 135 140 Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr 145 150 155 160 Lys Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys Leu                 165 170

Claims (10)

다음 단계를 포함하는, 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물의 제조 방법:
(a) 히알루론산(hyaluronic acid, HA)에 티라민이 결합(conjugate)된 히알루론산 하이드로겔을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계의 히알루론산 하이드로겔에 홍합 접착 단백질 또는 이의 변이체를 혼합하여 코아세르베이트(coacervate)를 형성시키는 단계로서,
상기 홍합 접착 단백질 또는 이의 변이체는 서열번호 1, 서열번호 2 및 서열번호 3의 아미노산 서열로 이루어진 군에서 선택된 아미노산 서열로 이루어진 단백질; 또는 상기 군에서 선택된 1 종 이상의 아미노산 서열이 연결된 융합 단백질이고; 및
(c) 상기 (b) 단계의 코아세르베이트(coacervate)를 광반응시켜 광가교 결합시키는 단계.
A method for preparing a bio-ink composition for a 3D bio-printer, comprising the steps of:
(a) preparing a hyaluronic acid hydrogel in which hyaluronic acid (HA) is conjugated with tyramine;
(b) mixing a mussel adhesive protein or a mutant thereof with the hyaluronic acid hydrogel in step (a) to form a coacervate,
Wherein said mussel adhesive protein or its variants comprises a protein consisting of an amino acid sequence selected from the group consisting of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 3; Or a fusion protein in which at least one amino acid sequence selected from the group is linked; And
(c) photo-crosslinking the coacervate of step (b).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 홍합 접착 단백질 또는 이의 변이체와 히알루론산 하이드로겔은 1:0.01 내지 100의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는, 방법.
The method according to claim 1, wherein in step (b), the mussel adhesive protein or a variant thereof and hyaluronic acid hydrogel are mixed at a weight ratio of 1: 0.01 to 100.
제1항 또는 제6항의 방법에 따라 제조된 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물.
6. A bio-ink composition for a 3D bio-printer produced according to the method of claim 1 or 6.
제7항의 3D 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 바이오 프린터용 카트리지.
A cartridge for a 3D bio-printer comprising the bio-ink composition for a 3D printer according to claim 7.
제7항의 3D 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 생체 소재.
A 3D bio-material comprising the bio-ink composition for a 3D printer of claim 7.
제9항의 3D 생체 소재를 포함하는 조직공학적 지지체.A tissue engineering support comprising the 3D biomaterial of claim 9.
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