KR102067676B1 - 전극을 이용한 콜라겐 섬유가 정렬된 콜라겐 튜브를 제조하는 방법 - Google Patents

전극을 이용한 콜라겐 섬유가 정렬된 콜라겐 튜브를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

전극을 이용하여 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 이에 의하면, 콜라겐 섬유가 정렬된 단일 채널 또는 다채널 콜라겐 튜브를 제공할 수 있으며, 예를 들면, 신경 손상의 재생을 위한 인공 조직 스캐폴드로서 유용하게 이용될 수 있다.

Description

전극을 이용한 콜라겐 섬유가 정렬된 콜라겐 튜브를 제조하는 방법{A method for manufacturing collagen tube with aligned collagen fiber using electrodes}
콜라겐 튜브를 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 말초 신경의 축삭(axon) 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 튜브를 제조하는 방법을 제공한다.
일 양상은 콜라겐 섬유를 정렬시키고, 콜라겐 튜브를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 원통형의 외부 전극 및 상기 외부 전극 내에 삽입된 막대형의 코어 전극을 준비하는 단계; 상기 외부 전극 및 코어 전극 사이의 빈 공간에 콜라겐을 주입하는 단계; 상기 외부 전극 및 코어 전극에 전원을 연결하여 전위차를 발생시키는 단계; 및 상기 콜라겐을 정렬시켜 콜라겐 튜브를 형성시키는 단계를 포함한다.
상기 방법은, 원통형의 외부 전극; 상기 외부 전극 내에 삽입될 수 있는 막대형의 코어 전극; 및 상기 외부 전극과 코어 전극에 전압을 인가할 수 있는 전원을 포함하는 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 장치를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 코어 전극은 1개 또는 2개 이상일 수 있으며, 통상의 기술자는 형성하고자 하는 채널의 개수, 코어 전극의 두께, 외부 전극의 지름에 따라 적절히 조정할 수 있다. 예를 들어, 10개 이하, 50개 이하, 80개 이하, 100개 이하, 500개 이하 또는 1000개 이하일 수 있다.
상기 외부 전극의 반지름은 내부에 삽입되는 코어 전극의 두께 및 개수에 따라 당해 분야의 통상의 기술자가 적절히 조정할 수 있으며, 예를 들면 신경 사이즈에 대응하는 1 mm 내지 100 mm 내외, 축삭을 목표로 할 경우 1 μm 내지 10 μm 일 수 있다.
상기 코어 전극의 두께는, 외부 전극의 반지름에 따라 당해 분야의 통상의 기술자가 적절히 조정할 수 있으며, 예를 들면 외부전극의 사이즈에 상응하는 1 mm 내지 100 mm 내외, 또는 1 μm 내지 10 μm에 하나 이상 삽입될 수 있는 두께일 수 있다.
상기 코어 전극 및 외부 전극의 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.
일 양상에 따른 콜라겐 튜브를 제조하는 방법에 따르면, 콜라겐 섬유가 정렬된 콜라겐 튜브를 제공할 수 있다.
도 1은 전압 인가에 따라 물 분해 및 콜라겐 섬유의 정렬이 일어나는 현상을 나타내는 모식도이다.
도 2는 단일 채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 나타내는 모식도이다.
도 3은 단일 채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 이용하여 콜라겐 튜브를 제조하는 것을 나타내는 모식도이다.
도 4는 다채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 나타내는 모식도이다.
도 5는 다채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 이용하여 콜라겐 튜브를 제조하는 것을 나타내는 모식도이다.
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, 전류량에 따라 전기 분해 반응이 일어나는 전압이 변할 수 있음을 이해할 수 있다.
도 2는 단일 채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 나타내는 모식도이다. 도 2의 상단은 단일 채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트의 단면을 나타내고, 도 2의 하단은 단일 채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 일 측면에서 바라본 개요도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 상기 전극 세트는 막대 형태의 코어 전극과 튜브 형태의 외부 전극으로 구분된다. 상기 코어 전극과 외부 전극은 각각 양극 또는 음극으로서 기능하며, 코어 전극이 양극인 경우 외부 전극은 음극으로서 기능할 수 있고, 그 반대 또한 가능하다. 상기 전극 세트의 코어 전극 및 외부 전극 사이의 빈 공간에 콜라겐을 주입하고, 전극에 전위차를 걸어줌으로써, 콜라겐을 정렬시키고, 정렬된 콜라겐으로 형성된 콜라겐 튜브를 제조할 수 있다.
상기 코어 전극 및 외부 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.
도 3은 단일 채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 이용하여 콜라겐 튜브를 제조하는 것을 나타내는 모식도이다. 도 3의 상단은 상기 전극 세트의 코어 전극 및 외부 전극 사이에 콜라겐이 위치하고, 정렬되어 콜라겐 튜브를 형성하는 것을 나타내며, 도 3 하단은 형성된 콜라겐 튜브들을 이용하여 제조한 튜브 다발을 나타낸다. 단일 채널 콜라겐 튜브는, 천연 세포외 기질(ECM), 인공 소재, 또는 당해 분야에서 통상적으로 고분자 물질의 접착에 이용되는 재료를 바인더로서 사용하여 튜브 다발을 만드는데 이용될 수 있으며, 예를 들면 피브린 글루 등이 있다.
상기 전극 세트의 코어 전극 및 외부 전극 사이에는 콜라겐 외에도 콜라겐 튜브의 밀도, 또는 강성 등 물리적 특성을 조절하기 위한 단백질 또는 폴리머들이 더 첨가될 수 있으며, 예를 들면 엘라스틴 등의 구조단백질이 있다. 아울러, 첨가되는 콜라겐은 물 등의 적절한 용매를 이용한 콜라겐 용액 상태일 수 있다. 상기 콜라겐 용액은 상업적으로 판매되는 것일 수 있으며, 약 10 μg/ml 내지 20 mg/ml의 농도일 수 있다.
상기 전극 세트를 이용하여 형성되는 콜라겐 튜브는 이용되는 콜라겐(용액)에 따라 다르나, 10 mg/ml 내지 50 mg/ml의 밀도를 가질 수 있다.
상기 콜라겐 튜브의 형성 시간은 초기 콜라겐 용액의 농도, pH, 및 전류 조건 등에 따라 변할 수 있으며, 예를 들면, 0.05 mA/cm2의 전류밀도에서 약 1시간 정도 소요될 수 있으나, 1 mA/cm2의 전류밀도에서는 수 분내에 콜라겐 튜브가 형성될 수 있다. 당해 분야의 통상의 기술자는 사용되는 콜라겐 용액의 농도, pH, 또는 전류량에 따라 콜라겐 튜브의 형성 시간이 변할 수 있음을 이해할 수 있다.
도 4는 다채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 나타내는 모식도이다. 도 4의 상단은 다채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트의 단면을 나타내고, 도 4의 하단은 다채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 일 측면에서 바라본 개요도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 상기 전극 세트는 2 이상의 코어 전극과 외부 전극으로 구분된다. 상기 코어 전극과 외부 전극은 각각 양극 또는 음극으로서 기능하며, 코어 전극이 양극인 경우 외부 전극은 음극으로서 기능할 수 있고, 그 반대 또한 가능하다. 상기 전극 세트의 코어 전극 및 외부 전극 사이의 빈 공간에 콜라겐을 주입하고, 전극에 전위차를 걸어줌으로써, 콜라겐을 정렬시키고, 정렬된 콜라겐으로 형성된 콜라겐 튜브를 제조할 수 있다.
도 5는 다채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 이용하여 콜라겐 튜브를 제조하는 것을 나타내는 모식도이다. 도 5의 상단은 상기 전극 세트의 2 이상의 코어 전극 및 외부 전극 사이에 콜라겐이 위치하고, 정렬되어 다채널 콜라겐 튜브를 형성하는 것을 나타내며, 도 5 하단은 형성된 다채널 콜라겐 튜브를 나타낸다.
상기 단일 채널, 또는 다채널 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 전극 세트를 이용하면, 콜라겐 섬유를 전기장을 이용하여 한 방향으로 정렬하고 밀도가 제어된 콜라겐 튜브를 제조할 수 있다.
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. 원통형의 외부 전극 및 상기 외부 전극 내에 삽입된 막대형의 코어 전극을 준비하는 단계;
    상기 외부 전극 및 코어 전극 사이의 빈 공간에 콜라겐을 주입하는 단계;
    상기 외부 전극 및 코어 전극에 전원을 연결하여 전위차를 발생시키는 단계; 및
    상기 콜라겐을 정렬시켜 콜라겐 튜브를 형성시키는 단계를 포함하며, 상기 코어 전극은 2 이상인 것인 콜라겐 튜브를 제조하는 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 외부 전극의 반지름은 1 mm 내지 100 mm, 또는 1 μm 내지 10 μm 인 콜라겐 튜브를 제조하는 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 외부 전극 및 코어 전극 사이의 전위차는 100 mV 내지 100 V 인 콜라겐 튜브를 제조하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 콜라겐 튜브를 이용하여 다채널 튜브 다발을 제조하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 원통형의 외부 전극;
    상기 외부 전극 내에 삽입될 수 있는 막대형의 코어 전극; 및
    상기 외부 전극과 코어 전극에 전압을 인가할 수 있는 전원을 포함하며, 상기 코어 전극은 2 이상인 것인 콜라겐 튜브를 제조하기 위한 장치.
  9. 삭제
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