KR102015983B1 - 전극을 이용한 콜라겐 섬유가 정렬된 콜라겐 필름을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

전극을 이용한 콜라겐 필름을 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 이에 따르면, 콜라겐 섬유가 정렬된 콜라겐 필름을 제공할 수 있으며, 아울러 상기 콜라겐 필름을 이용하여 다채널 콜라겐 튜브를 제조할 수 있다. 제조된 다채널 콜라겐 튜브는 예를 들면 신경 손상의 재생을 위한 인공 조직 스캐폴드로서 유용하게 이용될 수 있다.

Description

전극을 이용한 콜라겐 섬유가 정렬된 콜라겐 필름을 제조하는 방법{A method for manufacturing collagen tube with aligned collagen fiber}
전극을 이용하여 콜라겐 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다.
콜라겐은 섬유아세포(fibroblast)에 의해 만들어지며, 체내에서 가장 흔하게 발견되는 결합 조직(connective tissue)의 주성분으로, 뼈, 피부, 관절, 각종 장기의 막, 모발 등 우리 몸 전체에 분포하고 있는 섬유상 단백질이다. 아울러, 중추 및 말초신경의 액손 주위에도 많은 콜라겐이 존재한다.
체내에 존재하는 콜라겐 하이드로겔은 조직 부위에 따라 그 기능과 역할이 조금씩 다르므로, 부위별 콜라겐 하이드로겔의 콜라겐 농도와 배향 정도는 차이가 있다. 예를 들면, 뼈는 배향된 콜라겐 섬유 사이에 마이크로/나노결정의 미네랄이 자리하는 구조를 가지고 있는 것이 특징이다.
한편, 신경이 분절손상된 경우 이를 수복하기 위해 본인 신경의 자가이식(autograft), 타인의 신경조직을 이식하는 동종이식(allograft), 합성재료를 이용하는 방법 등이 사용되고 있다. 자가이식은 신경을 적출하는 타 부위의 손상을, 동종이식은 면역거부반응에 따른 면역저감제를 사용하는 문제가 있고 이를 피하기 위해 탈세포화(decellularization)하여 신경 도관의 세포외기질 구조만 이용하는 방법, 다채널 구조를 모방한 인공 소재 스캐폴드를 이용하는 방법 등이 사용된다.
인공 소재 스캐폴드를 이용하는 경우, 신경 분절손상의 성공적인 수복을 위해 세포외 기질(Extracellular Matrix)의 다채널 구조를 모방한 스캐폴드를 손상 부위에 제공하게 되며, 특히 콜라겐으로 제조한 다채널 콜라겐 튜브가 많이 이용되고 있다.
다채널 콜라겐 튜브를 제조하는 방법으로는, 콜라겐에 마이크로 니들을 찔러 넣는 방법(Chrobak et al., Microvasc. Res. 71, 185 (2006)), 또는 실리콘 스탬프를 이용하여 콜라겐 젤 안에 미세튜브 네트워크를 형성하는 방법(Zheng et al., Proc. Natl, Acad, Sci, U.S.A 109, 9342 (2012)) 등이 개시되어 있다.
그러나, 기존의 다채널 구조의 콜라겐 튜브를 제조하는 방법에 따르면, 콜라겐 섬유가 정렬된 튜브를 제조하기 어렵고, 신경 손상을 수복하기 위한 콜라겐 튜브로서는 다소 적합하지 않다는 단점이 있었다.
콜라겐 필름을 제조하는 방법을 제공한다.
일 양상은 콜라겐 섬유를 정렬시키고, 주기적 밀도 편차 및 표면의 고저차가 있는 콜라겐 필름을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 2 이상의 막대형 전극을 콜라겐 용액 중에 나열하여 준비하는 단계; 상기 2 이상의 막대형 전극에 양극 및 음극이 교차하여 나열되도록 전위차를 발생시키는 단계; 및 콜라겐 섬유가 정렬되고 주기적 밀도 편차 및 표면에 고저차가 있는 콜라겐 필름을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 2 이상의 막대형 전극; 및 상기 2 이상의 막대형 전극에 양극 및 음극이 교차하여 나열되도록 전위차를 발생시키는 전원을 포함하는 콜라겐 필름을 제조하기 위한 장치를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 2 이상의 막대형 전극은 콜라겐 필름의 길이, 또는 용도 등에 따라 당해 분야의 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들면 10 이하, 50 이하, 100 이하, 500 이하, 또는 1000 이하일 수 있다.
상기 막대형 전극의 두께(또는 굵기)는 콜라겐 용액의 깊이 및 콜라겐 필름의 용도에 따라 당해 분야의 통상의 기술자가 적절히 조절할 수 있으며, 예를 들면 1 nm 내지 1000 μm 일 수 있다.
상기 막대형 전극 사이의 간격은 콜라겐 용액의 깊이 및 콜라겐 필름의 용도에 따라 당해 분야의 통상의 기술자가 적절히 조절할 수 있으며, 예를 들면 0.1 μm 내지 10 mm 일 수 있다.
상기 콜라겐 용액의 깊이 또한, 콜라겐 용액의 농도, 콜라겐 필름의 용도 또는 막대형 전극의 형상, 크기, 또는 간격에 따라 당해 분야의 통상의 기술자가 적절히 조절할 수 있으며, 예를 들면 0.1 μm 내지 10 mm 일 수 있다.
상기 막대형 전극 중 동일한 극성을 띠는 전극들은 개별적으로 또는 하나의 전원에 동시에 연결된 것일 수 있다. 경우에 따라 모든 전극이 하나의 전원에 동시에 연결된 것일 수 있다.
상기 막대형 전극은 구분된 것 또는 전기적으로 연결된 것일 수 있다. 상기 "전기적으로 연결"된 것은 각 전극 사이에 전자가 이동할 수 있도록 연결된 것을 의미하여, 직접적인 전극 간의 접촉 및 전도체 등을 통한 간접적인 연결을 모두 포함한다.
상기 양극 및 음극 사이의 전위차는 물의 전기분해를 유도할 수 있는 정도로서, 예를 들면, 100 mV 내지 100 V일 수 있으며, 제조하고자 하는 콜라겐 튜브의 정렬도 및 밀도에 따라 당해 분야의 통상의 기술자가 적절히 조정할 수 있다.
필요에 따라, 상기 방법은 상기 얻은 콜라겐 필름을 롤링하여 다채널 콜라겐 튜브를 얻는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 피브린 글루(fibrin glue) 등의 천연 세포외 기질(ECM) 성분, 인공 소재, 또는 기타 재료를 바인더로 이용하여 롤링을 고정시킬 수 있다.
아울러, 상기 콜라겐 필름의 고저차를 안정적으로 유지하기 위한 물질을 더 첨가할 수 있으며, 예를 들면 엘라스틴 등의 구조 단백질 등이 있다.
일 양상에 따른 콜라겐 필름을 제조하는 방법에 따르면, 콜라겐 섬유가 정렬된 콜라겐 필름을 제공할 수 있으며, 아울러 상기 콜라겐 필름을 이용하여 다채널 콜라겐 튜브를 제조할 수 있다.
도 1은 전압 인가에 따라 물 분해 및 콜라겐 섬유의 정렬이 일어나는 현상을 나타내는 모식도이다.
도 2는 전극을 이용하여 표면에 고저차가 있는 콜라겐 필름을 만드는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 3은 교차 배열된 전극 주위에 콜라겐 섬유가 배열되는 양상을 나타내는 모식도이다.
도 4는 주기적 밀도 편차 및 표면에 고저차가 있는 콜라겐 필름을 이용하여 다채널 콜라겐 튜브를 만드는 양상을 나타내는 모식도이다.
도 5는 콜라겐 필름을 피브린 글루를 이용하여 롤링 상태를 유지한 사진을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "포함"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 조합이 존재하는 것을 의미할뿐, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것을 의미하지 않는다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되는 것이 아니다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위한 것으로 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1a는 전압인가에 따라 물분해 및 콜라겐 섬유의 정렬이 일어나는 현상을 나타내는 모식도이다. 콜라겐에 전기장을 인가하면 양극과 음극에서 각각 물의 분해가 일어나고, 동시에 콜라겐 섬유 표면에 전하가 형성되어 전기적 중립지역에 콜라겐 섬유가 정렬 및 배열된다 (Biofabrication 7 (2015) 035001; Annals of Biomed. Eng., 40 (2012) pp.1641-1653; Biomaterials 29 (2008) pp.3278-3288).
도 1b는 pH에 따른 물의 전기분해 반응의 전압의 역치(threshold)를 나타내는 그래프이다. 이때 양극과 음극에 가해지는 전압은 물의 전기분해반응이 일어날 수 있는 정도이며, 양극 반응 기준으로 약 1.23V 이상이다 (pH 1 기준). 당해 분야의 통상의 기술자는 전극의 극성, 콜라겐 용액의 pH, 전기전도도, 전류량에 따라 전기 분해 반응이 일어나는 전압이 변할 수 있음을 이해할 수 있다.
도 2는 전극을 이용하여 주기적 밀도 편차 및 표면에 고저차가 있는 콜라겐 필름을 만드는 방법을 나타내는 모식도이다. 도 2를 참조하면, 콜라겐(또는 혼합물) 용액 상에 양극을 띠는 2 이상의 막대형 전극과 음극을 띠는 2 이상의 막대형 전극을 상호 교차하여 배치한다. 이후 각각의 전극에 전위차를 걸면, 양극 및 음극 전극 사이에 전기적 중립 지역이 형성되고, 그 부위에 콜라겐 섬유가 정렬되어 모이게 된다. 따라서, 콜라겐 섬유가 정렬된 상태에서, 전극과 전극 사이의 영역은 콜라겐 섬유의 밀도가 높아지고, 전극에 가까운 부분은 콜라겐 섬유의 밀도가 낮아지면서, 주기적인 밀도의 변화 및 표면의 고저차를 생성하게 된다. 이후 적절한 시간에 프로세스를 중단함으로써, 원하는 콜라겐 섬유 밀집도, 및 콜라겐 표면의 고저차를 갖는 빗살모양의 콜라겐 필름을 얻을 수 있다.
상기 전극은 전도성 재료로 제조된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 전도성 재료는 PA, PPy, PT, PPP, PEDOT, PPS, PPV, PANI 등의 전도성 고분자를 포함하며, 금속일 경우에는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Fe, Si, Ti, V, Sn, Zn, Li, Sr, Ba, Nb, Ta, W, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Bi, Se, Ge, Ga, B, Be, As, Zr, Cr 또는 이들의 합금, 또는 이들에 준하는 금속을 포함할 수 있다. 상기 전극의 형상은 원통형, 각기둥형, 원뿔형, 또는 각뿔형 등의 와이어나 모재에 형성된 박막 패턴 등 당해 분야의 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있다.
도 3은 교차 배열된 전극 주위에 콜라겐 섬유가 배열되는 양상을 나타내는 모식도이다. 도 3과 같이, 교차 배열된 전극에 전위차를 걸어주면, 전극 주변에는 콜라겐 섬유의 밀도가 낮음과 동시에 표면의 높이가 낮게 콜라겐 섬유가 배열되며, 전극과 전극 사이에는 콜라겐 섬유가 일정 방향으로 정렬됨과 동시에 밀도가 높고, 표면의 높이 또한 높게 배열된다.
콜라겐 필름의 밀도는 프로세스의 목적대로 위치에 따라 주기적으로 변하며 초기 콜라겐 용액의 농도 및 프로세스의 지속 정도와 배열 형성 정도에 따라 차이가 나지만 10 mg/ml 내지 50 mg/ml 내외일 수 있다.
콜라겐 섬유의 배열 및 주기적 밀도변화, 표면 편차 등은 초기 콜라겐 용액 농도, pH 및 전류 조건 등에 따라 변할 수 있으며, 예를 들어 0.05mA/cm2 에서 약 1시간 가량 경과하면 관찰할 수 있는 고밀도 콜라겐의 띠 형성이 1 mA/cm2의 전류밀도에서는 수 분내에 형성될 수 있다.
상기 방법으로 제조되는 콜라겐 필름의 두께는 콜라겐 용액의 농도(10mg/ml 내지 15mg/ml), 최초 콜라겐 용액의 깊이(1mm 내지 10 mm), 프로세스의 지속 시간 등에 따라 다를 수 있으며 예를 들면 1mm 내지 10 mm 일 수 있다.
도 4는 표면에 고저차가 있는 콜라겐 필름을 이용하여 다채널 콜라겐 튜브를 만드는 양상을 나타내는 모식도이다. 도 4를 참조하면, 표면의 고저차가 있는 빗살모양의 콜라겐 섬유를 롤링하여, 다채널을 갖는 콜라겐 튜브를 제조하는 양상을 알 수 있다. 롤링된 콜라겐 필름은 예를 들면 피브린 글루(fibrin glue) 등의 천연 세포외 기질(ECM) 성분, 인공 소재, 또는 기타 재료를 바인더로 이용하여 고정시킬 수 있다.
도 5는 콜라겐 필름을 피브린 글루를 이용하여 롤링 상태를 유지한 사진을 나타낸다. 최소 14일 이상 콜라겐 필름의 롤링 상태가 유지되는 것으로 나타났다.
이상에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 개시된 특징들은 단독으로, 대체하여 또는 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 이상 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 또한, 상기 설명에서 이미 언급된 용어 또는 요소에 대해서는 따로 언급하는 것이 없는 한 이미 상술한 바와 같다.

Claims (9)

  1. 2 이상의 막대형 전극을 콜라겐 용액 중에 나열하여 준비하는 단계;
    상기 2 이상의 막대형 전극에 양극 및 음극이 교차하여 빗살모양으로 나열되도록 전위차를 발생시키는 단계; 및
    전극에 가까운 부분에는 콜라겐 섬유의 밀도가 낮게, 전극과 전극 사이에는 콜라겐 섬유의 밀도가 높게 정렬되어 표면에 고저차가 있는 콜라겐 필름을 얻는 단계를 포함하는 콜라겐 필름을 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 막대형 전극의 두께는 1 nm 내지 1000 μm인 콜라겐 필름을 제조하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 막대형 전극 사이의 간격은 0.1 μm 내지 10 mm인 콜라겐 필름을 제조하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 막대형 전극 중 동일한 극성을 띠는 전극들은 하나의 전원에 동시에 연결된 것인 콜라겐 필름을 제조하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 양극 및 음극 사이의 전위차는 100 mV 내지 100 V 인 콜라겐 필름을 제조하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 얻은 콜라겐 필름을 표면에 고저차가 있는 쪽을 안쪽으로 하여 롤링하는 단계; 및 롤링된 콜라겐 필름을 바인더로 고정하여 다채널 콜라겐 튜브를 얻는 단계를 더 포함하는 콜라겐 필름을 제조하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 롤링된 콜라겐 필름은 피브린 글루로 고정하는 것인 콜라겐 필름을 제조하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 콜라겐 용액은 0.1 μm 내지 10 mm깊이인 콜라겐 필름을 제조하는 방법.
  9. 2 이상의 막대형 전극; 및
    상기 2 이상의 막대형 전극에 양극 및 음극이 교차하여 빗살모양으로 나열되도록 전위차를 발생시키는 전원을 포함하는 콜라겐 필름을 제조하기 위한 장치.
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