KR102090958B1 - Sea Anemone-derived Silk Protein-Based Bioink for 3D Bioprinting and Uses Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 말미잘 유래 실크 단백질 기반의 3D 바이오 프린팅용 바이오 잉크 및 이의 용도에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 말미잘 유래 실크 단백질 또는 이의 변이체; 및 고분자를 혼합하여 가교화하는 단계를 포함하는 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물의 제조 방법; 상기 방법에 따라 제조된 바이오 잉크 조성물; 및 상기 바이오 잉크 조성물을 포함하는 조직 공학용 지지체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 바이오 잉크 조성물은, 전단감소특성을 바탕으로 압출 기반의 프린팅이 가능하며 광경화를 통해 다양한 형태의 3차원 구조체를 용이하게 제작할 수 있다. 본 발명의 3 차원 구조체는 우수한 물성을 바탕으로 형태를 유지할 수 있으며, 다양한 세포에 대하여 생체-유사 환경을 제공하고, 생체 이식시 뛰어난 생체적합성과 생분해성을 제공하므로, 조직공학과 재생의약 분야에서 손상된 조직을 대체하거나 장기 이식용 인공장기 제작을 위한 신규한 플랫폼으로 활용될 수 있다. The present invention relates to an anemone-derived silk protein-based 3D bio printing bio ink and its use, and more specifically, anemone-derived silk protein or a variant thereof; And a method of mixing and crosslinking the polymer to produce a 3D bio printer bio ink composition; A bio ink composition prepared according to the above method; And it provides a support for tissue engineering comprising the bio-ink composition. According to the present invention, the bio-ink composition of the present invention is capable of extrusion-based printing based on shear reduction characteristics, and can easily manufacture various types of three-dimensional structures through photocuring. The three-dimensional structure of the present invention can maintain its shape based on excellent physical properties, provides a bio-like environment for various cells, and provides excellent biocompatibility and biodegradability during biotransplantation, and thus is damaged in the field of tissue engineering and regenerative medicine. It can be used as a new platform for tissue replacement or artificial organ production for organ transplantation.

Description

말미잘 유래 실크 단백질 기반의 3D 바이오 프린팅용 바이오 잉크 및 이의 용도{Sea Anemone-derived Silk Protein-Based Bioink for 3D Bioprinting and Uses Thereof}Sea Anemone-derived Silk Protein-Based Bioink for 3D Bioprinting and Uses Thereof}

본 발명은 말미잘 유래 실크 단백질 기반의 3D 바이오 프린팅용 바이오 잉크 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a bio-ink for 3D bio-printing based on silk proteins derived from sea anemones and uses thereof.

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 bio-printing is a technology that prints living cells together with bio-ink to make a 3D artificial structure or support that can be implanted in the human body. The bio-printing technology has a problem of lack of organs for transplantation through the advantage of being able to produce a desired shape and structure. It is expected to be an effective solution. In order for these bio-inks to be actually utilized, they must have sufficient properties to maintain their structure as well as be able to continuously function without dying. That is, the bio ink serves as a support to connect the tissue and the tissue in order to regenerate the lost tissue through the self-recovery function, and for this purpose, it must have excellent cell affinity for smooth tissue regeneration. In addition, the cells grow well in three dimensions and have a pore structure that is well connected in three dimensions in a certain sized area so that exchange of nutrients and feces can be achieved well. It must have mechanical strength to maintain its shape during regeneration and excellent biosafety. In particular, in regeneration of hard tissues such as bones and teeth, it is important to secure mechanical properties according to regeneration sites.

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 implant site, second, it must exhibit physiological activity capable of regulating regeneration efficacy, and third, after formation of new tissue, it must be degraded in vivo, and fourth, Degradation 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, 합성 폴리머는 충분한 물성을 바탕으로 형태를 유지하기에는 용이하나 생체 이식 후 생체 적합성과 생분해성이 떨어지는 단점을 가진다.Conventional techniques using a synthetic polymer as a support manufacturing method have a considerable difficulty in being utilized as a bio-ink because of not only lacking cell-recognition but also having a hydrophobic surface. In addition, synthetic polymers are easy to maintain morphology on the basis of sufficient physical properties, but have the disadvantage of poor biocompatibility and biodegradability after biotransplantation.

또한, 천연 고분자를 사용한 경우에는 생체적합성과 생분해성이 뛰어나지만 너무 낮은 물성을 지녀 제조 과정에서 합성 폴리머 계열의 지지체를 필요로 하며 완성된 3 차원 구조체를 적용함에 있어 형태를 유지할 수 없다는 단점에 의해 바이오 잉크 개발이 지연되고 있다. In addition, when natural polymers are used, they have excellent biocompatibility and biodegradability, but they have too low physical properties, requiring a synthetic polymer-based support during the manufacturing process, and are unable to maintain their shape when applying the completed 3D structure. Bio ink development is being delayed.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 지지체로서 단백질 기반-지지체를 이용할 수 있다.To overcome this problem, a protein-based support can be used as a support.

3 차원적 공간의 생체조직이 재생되는 동안 단백질 기반-지지체가 형태를 유지하는 데 필요한 기계적 특성은, 단백질의 농도, 가교방법, 가교제의 종류, 가교제의 농도, 후처리 방법 등 다양한 요소 뿐만 아니라 단백질 재료의 선택에 따라 좌우될 수 있다. The mechanical properties required for the protein-based support to maintain morphology during the regeneration of a 3D space biological tissue are not only various factors such as protein concentration, crosslinking method, type of crosslinking agent, concentration of crosslinking agent, post-treatment method, but also protein It may depend on the choice of material.

일례로, 구조단백질인 실크 또는 콜라겐 기반의 하이드로겔의 기계적 물성은 상대적으로 높은 수치이다. 그럼에도 불구하고, 기계적 물성을 증가시키기 위한 겔 소재의 다양한 탐색은 상대적으로 부족하였다.For example, the mechanical properties of the structural protein silk or collagen-based hydrogel are relatively high. Nevertheless, various searches for gel materials to increase mechanical properties were relatively insufficient.

구조 단백질의 대표적인 예인 콜라겐은 우리 몸을 구성하는 결합조직의 주성분으로써 세포외기질의 기본 뼈대이다. 콜라겐은 자연상에서 추출을 통하여 얻을 수 있으나, 타 동물에서 유래한 이종면역의 문제 및 단백질 추출및 분리의 어려움으로 인해 높은 가격을 감수해야 하는 문제가 있다. 대안으로 재조합 콜라겐을 생산하려는 시도가 있었으나, 콜라겐이 가지고 있는 특이한 삼중나선구조와 변형된 하이드록시프롤린(hydroxyproline)을 인위적으로 모사 하기가 쉽지 않다.Collagen, a representative example of structural proteins, is the main component of the connective tissues that make up our body and is the basic skeleton of the extracellular matrix. Collagen can be obtained through extraction in nature, but there is a problem of high immunity from other animals and high price due to difficulty in protein extraction and separation. As an alternative, attempts have been made to produce recombinant collagen, but it is not easy to artificially simulate the unique triple helix structure and modified hydroxyproline of collagen.

또 다른 구조 단백질인 실크 단백질의 경우, 누에에서 대량 얻을 수 있으나, 거미실크에 비해 물성적 강도가 낮다. 거미실크의 경우, 거미의 서로 잡아먹는 본성으로 인해 대량사육이 불가하여 자연적으로 많은 양을 얻는 데에는 한계가 있다. 누에와 거미의 반복서열은 크기가 커서 대장균 시스템 하에서는 재조합단백질로 생산하기에도 쉽지 않다. 따라서 많은 연구들이 물성에 영향을 주는 반복서열의 일부를 발현시키려고 하거나, 이들의 발현 후 가교방법을 통해 물성을 증진시키려는 연구가 있었다.Silk protein, another structural protein, can be obtained in large quantities from silkworms, but has lower physical strength than spider silk. In the case of spider silk, due to the nature of eating spiders, mass breeding is impossible, so there is a limit to obtaining large amounts naturally. The repetitive sequences of silkworms and spiders are large, making it difficult to produce recombinant proteins under the E. coli system. Therefore, many studies have attempted to express a part of a repeat sequence that affects properties, or there have been studies to improve properties through cross-linking methods after their expression.

단백질 기반 소재 연구는 미국, 호주, 일본 등 선진국에서는 이미 많은 연구가 이루어졌다. 개미실크, 레질린과 같은 새로운 단백질의 탐색뿐 아니라 실크-엘라스틴 융합단백질의 생산을 통해 기존의 있었던 단백질 재료의 발전을 도모하고 있다. 새로운 유전서열의 발견과 응용은 기본에 알려지지 않았던 구조적, 기계적, 물리화학적 특성을 기반으로 적용분야를 넓힐 수 있을 뿐 아니라, 원천소재를 확보함으로써 선두그룹으로서의 연구적 우위를 점할 수 있다는 데에 의의가 있다. 무엇보다 해양에 존재하는 생물체에 관한 적은 정보와 응용사례는 해양 유래 생물체에서 유래한 신소재 발굴의 중요성과 높은 잠재성을 알려준다.Protein-based materials research has already been conducted in developed countries such as the United States, Australia, and Japan. In addition to the search for new proteins such as ant silk and resilin, the production of silk-elastin fusion proteins is promoting the development of existing protein materials. The discovery and application of new genetic sequences have significance in that they can not only broaden the field of application based on structural, mechanical, and physicochemical properties unknown to the basics, but also secure a source material to gain a research advantage as a leading group. have. First of all, the little information and application examples of living organisms in the ocean reveal the importance and high potential of discovering new materials derived from marine organisms.

이러한 해양 유래 생물체 중 말미잘(sea anemone)은 자포동물 자포동물문 산호충강에 속하는 해변말미잘목 동물의 총칭이며, 주로 바다에서 생활하며 암초 위에서 부착생활을 하므로, 접착 단백질들(adhesive proteins)을 생산, 분비함으로써 자신을 바다 속의 바위와 같은 젖은 고체표면에 단단히 부착할 수 있다. Among these marine-derived organisms, sea anemone is a generic term for sea anemone, belonging to the coral reef of the arachnid, arachnid, and mainly lives in the sea and lives on the reef, thus producing and secreting adhesive proteins. By doing so, you can firmly attach yourself to a wet solid surface, such as a rock in the sea.

따라서, 말미잘 유래-단백질을 기반으로 한 구조단백질의 이용은 물성에 한계를 보였던 단백질 기반의 지지체 제조에 있어, 보다 향상된 기계적 물성을 이끌어내는 방법이 될 수 있으며, 말미잘-유래 단백질 기반의 소재를 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, the use of an anemone-derived protein-based structural protein can be a method of eliciting more improved mechanical properties in the production of protein-based supports that have limited physical properties, and uses anemone-derived protein-based materials. Bio-ink is a biomaterial for printing that satisfies the physical stability, bioactive factor regulation, biodegradability and biocompatibility, which are conditions of the support, and may be a solution capable of effectively healing biological tissue by applying it to bioprinting.

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KR 10-2015-0042412; 3차원 프린팅용 조성물, 이의 제조방법, 및 이를 사용한 3차원 구조체의 제조방법KR 10-2015-0042412; Composition for 3D printing, method for manufacturing same, and method for manufacturing 3D structure using same

Mechanically Durable and Biologically Favorable Protein Hydrogel Based on Elastic Silklike Protein Derived from Sea Anemone; Biomacromolecules. 2015 Dec 14;16(12):3819-26. doi: 10.1021/acs.biomac.5b01130. Epub 2015 Nov 16.Mechanically Durable and Biologically Favorable Protein Hydrogel Based on Elastic Silklike Protein Derived from Sea Anemone; Biomacromolecules. 2015 Dec 14; 16 (12): 3819-26. doi: 10.1021 / acs.biomac.5b01130. Epub 2015 Nov 16.

본 발명자들은 생체용 소재를 제공하기에 적합한 신규한 3D 바이오 프린팅용 바이오 잉크를 개발하고자 예의노력하였다. 그 결과, 콜라겐 또는 실크와 유사한 서열적, 구조적 특성을 가지는 말미잘 유래의 실크 단백질과 천연 고분자에 추가적인 가교 기작을 처리하여 바이오 잉크를 제작하였다. 본 발명의 바이오 잉크는 실크 피브로인에 비해 우수한 강도와 탄성력을 지닐 뿐만 아니라 수분을 함유할 수 있는 뛰어난 물성을 나타내며, 합성 고분자의 활용없이 원하는 디자인의 모양대로 제작할 수 있으므로, 세포 적합성, 세포 성장 및 분화가 가능하여 조직 공학적 치유력을 증대시키는 효과를 나타낸다는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.The present inventors made great efforts to develop a novel 3D bio printing bio ink suitable for providing a biomaterial. As a result, a bio-ink was produced by processing an additional cross-linking mechanism on silk proteins and natural polymers derived from sea anemones having sequence and structural properties similar to collagen or silk. The bio ink of the present invention not only has superior strength and elasticity as compared to silk fibroin, but also exhibits excellent physical properties that can contain moisture, and can be produced in the shape of a desired design without the use of synthetic polymers, thereby improving cell suitability, cell growth and differentiation. The present invention was completed by confirming that it is possible to exhibit an effect of increasing tissue engineering healing power.

따라서, 본 발명의 일 목적은 말미잘 유래 실크 단백질 또는 이의 변이체; 및 고분자를 혼합하여 가교화하는 단계를 포함하는 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, one object of the present invention is an anemone-derived silk protein or a variant thereof; And it is to provide a method for producing a bio-ink composition for a 3D bio printer comprising the step of crosslinking by mixing the polymer.

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

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

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

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

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.At this time, unless otherwise defined in the technical terms and scientific terms used herein, it has a meaning that is commonly understood by those skilled in the art to which this invention belongs.

또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.In addition, repeated description of the same technical configuration and operation as the prior art will be omitted.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 말미잘 유래 실크 단백질 또는 이의 변이체; 및 고분자를 혼합하여 가교화하는 단계를 포함하는 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물의 제조 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, the present invention is an anemone-derived silk protein or a variant thereof; And it provides a method for producing a bio-ink composition for a 3D bio printer comprising the step of crosslinking by mixing the polymer.

본 발명에서 말미잘 유래 실크 단백질은 말미잘에서 유래된 실크 단백질로, 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 국내 특허 출원번호 제10-2012-0002161호 및 제10-2016-0079563호에 기재된 모든 말미잘 유래 실크 단백질을 포함하며, 상기 특허 문헌은 전체로서 참고문헌으로 본 발명에 포함된다.In the present invention, the anemone-derived silk protein is an anemone-derived silk protein, but is not limited thereto, and preferably all the anemone-derived silk proteins described in Korean Patent Application Nos. 10-2012-0002161 and 10-2016-0079563. Included, the patent document is included in the present invention as a reference as a whole.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 말미잘 유래 실크 단백질은, 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 단백질이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the anemone-derived silk protein is a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.

또한, 상기 말미잘 유래 실크 단백질은 서열번호 1의 아미노산 서열이 1회 이상 연결된 폴리펩티드, 바람직하게는 1 내지 200회 사이에서 연결된 폴리펩티드, 더욱 바람직하게는 1 내지 120회 사이에서 연결된 폴리펩티드일 수 있다. 또한 상기 1 내지 200회 또는 1 내지 120회 사이에 다른 아미노산 서열이 포함되어 연결된 폴리펩티드일 수 있다.In addition, the anemone-derived silk protein may be a polypeptide in which the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 is linked one or more times, preferably a polypeptide linked between 1 and 200 times, more preferably a polypeptide linked between 1 and 120 times. In addition, it may be a polypeptide comprising other amino acid sequences between 1 to 200 times or 1 to 120 times.

본 발명에서 말미잘 유래 실크 단백질의 변이체(mutants)는 바람직하게는 말미잘 유래 실크 단백질의 접착력을 유지하는 전제 하에 상기 말미잘 유래 실크 단백질의 카르복실말단이나 아미노말단에 추가적인 서열을 포함하거나 일부 아미노산이 다른 아미노산으로 치환된 것일 수 있다. 예컨대, 상기 말미잘 유래 실크 단백질의 카르복실말단 또는 아미노말단에 RGD를 포함하는 3 내지 25개의 아미노산으로 이루어진 폴리펩타이드가 연결된 것이거나 말미잘 유래 실크 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, mutants of anemone-derived silk protein preferably contain additional sequences at the carboxyl or amino terminus of the anemone-derived silk protein under the premise of maintaining the adhesion of the anemone-derived silk protein, or some amino acids have different amino acids. It may be substituted with. For example, a polypeptide composed of 3 to 25 amino acids containing RGD is linked to the carboxyl or amino terminal of the anemone-derived silk protein, or 1 to 100% of the total number of tyrosine residues constituting the anemone-derived silk protein, preferably 5 to 100% may be substituted with 3,4-dihydroxyphenyl-L-alanine (DOPA).

본 발명은 이러한 말미잘 유래 단백질의 특징을 바탕으로 3 차원 프린팅을 위하여 개발된 바이오 잉크 및 이의 조직공학적 응용을 개시한다. 본 발명의 3 차원 프린팅을 위한 바이오 잉크는 용이하게 인쇄가 가능하며, 인쇄 및 조직 재생 기간 동안 모양을 유지하기에 충분한 물성과 적절한 속도로 분해된다. 또한, 세포의 성장과 분화를 가능하므로 생체 적합성이 탁월하다. The present invention discloses a bio-ink developed for 3D printing based on the characteristics of the anemone-derived protein and histological application thereof. The bio-ink for three-dimensional printing of the present invention is easily printable, and decomposes at an appropriate speed and sufficient properties to maintain its shape during printing and tissue regeneration. In addition, since it enables cell growth and differentiation, biocompatibility is excellent.

즉, 본 발명의 방법에 따라 제작된 바이오 잉크는 인쇄적성이 우수하여 별도의 합성 폴리머 계열의 지지체 없이 원하는 디자인의 모양대로 제작할 수 있고 세포 적합성, 세포 성장 및 분화가 가능하다는 점에서 우수한 바이오 잉크로 활용할 수 있다.That is, the bio-ink produced according to the method of the present invention is excellent in printability, so it can be produced in the shape of a desired design without a separate synthetic polymer-based support, and is an excellent bio-ink in that it is capable of cell compatibility, cell growth and differentiation. Can be utilized.

본 발명에서 바람직하게는, 상기 고분자는 히알루론산(hyaluronic acid, HA), 키토산(chitosan), 콜라겐(collagen), 알긴산(alginate), 젤라틴(gelatin), 알부민(albumin), 캐러지넌(carrageenan), 마트리겔(matrigel), 헤모글로빈(hemoglobin), 헤파린(heparin), 피브린겔(fibrin-gel) 및 아가로스(agarose)로 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 polymer is hyaluronic acid (hyaluronic acid, HA), chitosan (chitosan), collagen (collagen), alginate (alginate), gelatin, albumin (albumin), carrageenan (carrageenan), It can be selected from the group consisting of matrigel (matrigel), hemoglobin (hemoglobin), heparin (heparin), fibrin-gel (fibrin-gel) and agarose (agarose), more preferably hyaluronic acid (hyaluronic acid (HA)) , Chitosan or alginate, most preferably hyaluronic acid.

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 a 3D bio-printer of the present invention may further include one or more bio-active substances as long as a desired effect can be achieved. The bioactive material is a material that exhibits a certain pharmacological activity when administered to a body or applied to a skin surface, but is not limited thereto, and may be one or more selected from the group consisting of drugs, enzymes, cells, and food additives. Preferably, anti-cancer agents, antibiotics, anti-inflammatory agents, hormones, hormone antagonists, interleukins, interferons, growth factors, tumor necrosis factors, endotoxins, lymphopoxys, eurokinases, streptokinases, tissue plasminogen activators, protease inhibitors, alkylphosphocholines, radiation It may be at least one selected from the group consisting of isotopic labeling agents, surfactants, cardiovascular drugs, gastrointestinal drugs and nervous system drugs.

또한, 본 발명에서 이에 한정되지 않지만 바람직하게는 말미잘 유래 실크 단백질과 고분자는 1:0.01 내지 100의 중량비로 혼합되어 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 1:0.01 내지 10의 중량비로 혼합되어 형성될 수 있고, 보다 더욱 바람직하게는 1:0.01 내지 1의 중량비로 혼합되어 형성될 수 있고, 가장 바람직하게는 1:0.1 중량비로 혼합하는 것이다.In addition, the present invention is not limited to this, but preferably, the anemone-derived silk protein and the polymer may be formed by mixing in a weight ratio of 1: 0.01 to 100, and more preferably formed by mixing in a weight ratio of 1: 0.01 to 10. It may be, and even more preferably 1: 0.01 to 1 may be formed by mixing in a weight ratio, most preferably to be mixed in a 1: 0.1 weight ratio.

본 발명의 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물을 제조하기 위한 용매의 종류, 적정 pH, 적정 온도는 바이오 잉크가 효과적으로 형성될 수 있는 공지된 조건과 동일하다.The type of solvent, a suitable pH, and a suitable temperature for preparing a bio ink composition for a 3D bio printer of the present invention are the same as known conditions under which the bio ink can be effectively formed.

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

즉, 본 발명의 목적은 말미잘 유래 실크 단백질과 고분자의 가교젤 제형을 통해 원하는 형태의 생체-유사 환경을 제공하고, 원하는 목적을 달성할 때까지 그 형태를 유지시킬 수 있는 바이오 잉크 조성물을 제조하는 것이다.That is, the object of the present invention is to provide a bio-like environment in a desired form through a crosslinked gel formulation of an anemone-derived silk protein and a polymer, and to prepare a bio ink composition capable of maintaining the form until a desired purpose is achieved. will be.

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 method may be manufactured with a hyaluronic acid hydrogel system in which tyramine is conjugated to hyaluronic acid to increase 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 use one selected from the group consisting of tyramine, hydroxyphenylacetic acid, hydroxypropionic acid, dopamine, epinephrine, and hydroxyethylaniline, and provides a tyrosine residue so that the crosslinking agent can be photocrosslinked through a photoreaction. As far as possible, it is not limited to this.

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 cytotoxicity problem that occurs during cross-linking by using conventional cross-linking by using an additional cross-linking mechanism without using ultraviolet rays, and a 3D scaffold for implantation that can be used as a bio ink for 3D bio-printing Can be produced.

따라서, 본 발명은 말미잘 유래의 실크 유사 단백질과 히얄루론산과의 혼합한 바이오 잉크를 바탕으로 성공적으로 3차원 구조체를 정밀하게 인쇄할 수 있다.Therefore, the present invention can successfully print a three-dimensional structure successfully based on a bio-ink mixed with an anemone-derived silk-like protein and hyaluronic acid.

또한, 말미잘 유래의 실크 유사 단백질 기반의 바이오 잉크는 전단 감소 특성 (shear thinning properties)을 바탕으로 압출 기반의 인쇄가 가능하며 타이로신 광가교를 통해 빠르게 가교시킴으로써 프린트된 형태를 잘 유지할 수 있다.In addition, the bio-ink based on silk-like protein derived from anemone is capable of extruding-based printing based on shear thinning properties and can maintain the printed form well by rapidly crosslinking through tyrosine photocrosslinking.

또한, 본 플랫폼은 실크 피브로인에 비하여 인장 강도, 탄성력, 압축 강도가 더 우수한 프린팅 구조체를 제작할 수 있고, 인쇄 간격이 400 μm이하의 정밀한 격자는 물론 혈관, 귀, 코 등의 생체 조직을 모방하여 인쇄할 수 있다.In addition, the platform can produce a printing structure that has better tensile strength, elasticity, and compressive strength than silk fibroin, and prints by imitating biological tissues such as blood vessels, ears, and nose, as well as precise grids with a printing interval of 400 μm or less. can do.

또한, 본 플랫폼을 통해 제작된 구조체 위에서 중간엽 줄기세포, 근육세포, 골아 세포, 섬유아세포 등의 다양한 세포가 부착하여 생존할 수 있으며, 골 및 연골 형성 세포로 분화를 유도할 수 있다.In addition, various cells such as mesenchymal stem cells, muscle cells, osteoblasts, and fibroblasts can adhere to and survive on the structure produced through the platform, and can induce differentiation into bone and cartilage forming cells.

또한, 본 플랫폼을 통해 제작된 구조체는 생체적합성에서 실크 피브로인과 유사하며 생분해성은 더 뛰어난 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the structure produced through this platform is similar to silk fibroin in biocompatibility and has better biodegradability.

본 발명의 방법에 따른 바이오 잉크 조성물은 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 control the physical properties of the crosslinked gel by adjusting the molecular weight of the polymer, and through this, it is possible to create an environment suitable for the target organ and target cells.

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 polymer and the chemical functional group are mixed at a molar ratio of 1: 400 to 600, and if the range is less than 1: 400, there is a problem that the mechanical strength is lowered, and when it exceeds 1: 600, the mechanical strength is excessively high and excessive Movement of various materials may be limited by the degree of crosslinking, which is not preferable, but is not limited thereto. In addition, the polymer concentration is preferably 1 to 30 wt%, but if it is outside the above range, it is not preferable, but is not limited to, because of the possibility of being used as a bio ink due to high viscosity.

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 present bio ink composition may further include a solvent of acetic acid, distilled water, or a buffer solution, but is not limited thereto. Specifically, the buffer solution is one selected from 2- (n-morpholino) ethanesulfonic acid, 4- (4,6-Dimethoxy-1,3,5-tiazin-2-yl) -4-methylmorpholinium chloride and Phosphate buffer saline It is preferable that it is above.

또한, 본 바이오 잉크 조성물은 세포, 유착 방지용 물질, 염료 및 약물 중에서 선택된 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.In addition, the present bio ink composition may further include at least one selected from cells, anti-adhesion materials, dyes, and drugs.

또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 바이오 프린터용 카트리지를 제공한다.In addition, according to another aspect of the present invention, the present invention provides a cartridge for a 3D bio printer comprising the bio ink composition for a 3D bio printer described above.

또한, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 생체 소재를 제공한다.In addition, according to another aspect of the present invention, the present invention provides a 3D biomaterial comprising the bioink composition for a 3D bio printer described above.

또한, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 3D 생체 소재를 포함하는 조직공학적 지지체를 제공한다.In addition, according to 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 comprising the 3D biomaterial, or an anti-adhesion agent. The drug may be used generally used antibiotics, anticancer agents, anti-inflammatory drugs, antiviral agents, antibacterial agents, proteins and peptides, but is not limited thereto.

본 발명의 말미잘 유래의 실크 유사 단백질과 히알루론산을 이용하여 제작된 신규한 바이오 잉크 조성물은, 전단감소특성을 바탕으로 압출 기반의 프린팅이 가능하며 광경화를 통해 다양한 형태의 3차원 구조체를 용이하게 제작할 수 있다. 본 발명의 3 차원 구조체는 우수한 물성을 바탕으로 형태를 유지할 수 있으며, 다양한 세포에 대하여 생체-유사 환경을 제공하고, 생체 이식시 뛰어난 생체적합성과 생분해성을 제공하므로, 조직공학과 재생의약 분야에서 손상된 조직을 대체하거나 장기 이식용 인공장기 제작을 위한 신규한 플랫폼으로 활용될 수 있다. The novel bio-ink composition produced using the silk-like protein and hyaluronic acid derived from the sea anemone of the present invention is capable of extrusion-based printing based on shear reduction characteristics, and facilitates various types of 3D structures through photocuring. Can be produced. The three-dimensional structure of the present invention can maintain its shape based on excellent physical properties, provides a bio-like environment for various cells, and provides excellent biocompatibility and biodegradability during biotransplantation, and thus is damaged in the field of tissue engineering and regenerative medicine. It can be used as a new platform for tissue replacement or artificial organ production for organ transplantation.

도 1은 20 wt %의 말미잘 유래 실크 단백질과 2 wt % 히알루론산을 섞어 형성한 바이오잉크의 유동학적 성질을 나타낸 도이다. 고분자의 히알루론산을 섞어 유동학적 성질을 뉴턴형 유체에서 전단 감소 특성을 지니는 유체로 바꾸었다. 또한, 반복되는 전단 변형력을 가하였음에도 초기의 약 85%의 점성을 회복하는 것을 확인할 수 있다.
도 2는 본 플랫폼으로 제작한 3차원 구조체의 물리적 성질을 나타낸 도이다. 대조군인 실크 피브로인에 비해 인장강도는 약 2.5배, 탄성력은 약 4배 더 좋은 것으로 확인할 수 있다.
도 3은 본 플랫폼으로 제작한 3차원 구조체의 압축강도를 나타낸 도이다. 대조군인 실크 피브로인에 비해 압축 강도가 훌륭함을 확인할 수 있다.
도 4는 본 플랫폼을 이용하여 컴퓨터 디자인을 기반으로 하여 귀, 격자, 혈관, 코 등을 인쇄할 수 있다. 주사 전자 현미경을 통해 격자를 확인해본 결과, 다공성을 지니는 3차원 구조체임을 확인할 수 있다.
도 5는 3차원 구조체 위에서 다양한 세포들의 부착 및 시간에 따라 3일동안 살펴본 도이다. Cell Counting Kit-8 용액을 바탕으로 450nm에서의 흡광도를 살펴보았다.
도 6은 다양한 세포들이 3차원 격자 표면 위에 붙어 생존하고 있음을 Live-dead cell assay를 통해 확인한 도이다. 살아있는 세포는 초록색으로 염색되고 죽은 세포는 빨간색으로 염색된다. 또한, 세포와 기질간의 상호작용을 살펴보고자 F-actin을 초록색 형광으로 염색하였다. 그 결과, 모든 세포들은 기질과 상호작용을 잘 하고 있음을 확인할 수 있었다. 핵은 파란색으로 염색되는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 골분화를 2D 평면과 3차원 구조체에서의 비교를 나타낸 도이다. Alizarin Red S staining을 통해 칼슘 침착을 살펴보았다. 오렌지 색 염색이 밀집되어 있는 부분이 칼슘이 침착된 것으로 3차원 격자에서 많이 분포하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 연골분화를 2D 평면과 3차원 구조체에서의 비교를 나타낸 도이다. 연골분화와 관련되어 형성된 aggrecan을 alcian blue staining을 통해 확인할 수 있다. 진한 파란색을 띨수록 aggrecan이 많이 형성된 것이라 할 수 있다. 그리고 연골 분화 관련 인자인 Sex determining region Y-related high-mobility group box 9 (Sox9) 을 형광염색하여 3차원 구조체에서도 연골이 잘 분화된 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 플랫폼을 쥐의 피하에 식립하여 생체적합성, 생분해성, 및 면역반응을 살펴본 도이다. 대조군으로는 실크 피브로인을 사용하였다. 대조군과 비교하였을 때 본 플랫폼은 훨씬 더 빠른 생분해성을 지니며 면역반응 또한 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있고 이를 통해 생체적합성이 뛰어남을 확인할 수 있었다.
1 is a view showing the rheological properties of a bio-ink formed by mixing 20 wt% of anemone-derived silk protein and 2 wt% of hyaluronic acid. The hyaluronic acid of the polymer was mixed to change the rheological properties from Newtonian fluids to fluids with shear reduction properties. In addition, it can be seen that even when repeated shearing force was applied, the initial viscosity was restored to about 85%.
2 is a view showing the physical properties of the three-dimensional structure produced by the present platform. It can be seen that the tensile strength is about 2.5 times better and the elastic force is about 4 times better than the control silk fibroin.
3 is a view showing the compressive strength of the three-dimensional structure produced by the present platform. It can be seen that the compressive strength is superior to that of the control silk fibroin.
4 can print ears, grids, blood vessels, noses, and the like based on a computer design using the platform. As a result of checking the lattice through a scanning electron microscope, it can be confirmed that it is a three-dimensional structure having porosity.
FIG. 5 is a diagram showing the attachment and time of various cells on the 3D structure for 3 days. Based on the Cell Counting Kit-8 solution, the absorbance at 450 nm was examined.
6 is a diagram confirming through a Live-dead cell assay that various cells are alive on the 3D grid surface. Living cells are stained green and dead cells are stained red. In addition, F-actin was stained with green fluorescence to examine the interaction between cells and matrix. As a result, it was confirmed that all cells interact well with the substrate. It can be seen that the nucleus is dyed blue.
7 is a diagram showing the comparison of bone differentiation in a 2D plane and a 3D structure. Calcium deposition was examined by Alizarin Red S staining. It can be seen that the portion where the orange dye was densely deposited is distributed in a three-dimensional grid as calcium is deposited.
8 is a view showing a comparison of cartilage differentiation in a 2D plane and a 3D structure. The aggrecan formed in connection with cartilage differentiation can be confirmed by alcian blue staining. The darker the blue, the more aggrecan is formed. In addition, the cartilage differentiation-related factor, sex determining region Y-related high-mobility group box 9 (Sox9), was fluorescently stained to confirm that cartilage was well differentiated in the 3D structure.
9 is a view showing the biocompatibility, biodegradability, and immune response by placing the platform under the mouse. Silk fibroin was used as a control. Compared to the control group, this platform has a much faster biodegradability, and it can be confirmed that the immune response is hardly shown, and through this, it was confirmed that the biocompatibility is excellent.

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.Hereinafter, the examples are only intended to describe the present invention in more detail, and according to the gist of the present invention, the scope of the present invention is not limited by these examples. Those skilled in the art to which the present invention pertains It will be obvious to you.

실시예 1. 말미잘 유래 실크 단백질 기반-생체재료 잉크(Biomaterial ink) 및 3차원 구조체의 제작Example 1. Fabrication of anemone-derived silk protein-based biomaterial ink and three-dimensional structure

1-1. 말미잘 유래 재조합 실크 단백질의 제작1-1. Preparation of anemone-derived recombinant silk protein

본 발명에서 사용한 말미잘 유래 실크 단백질(서열번호 1)은 대장균을 이용하여 재조합단백질로 발현한다. 발현을 유도하기 위하여, 배양액의 흡광도(OD600)가 600 ㎚에서 0.6 내지 1.0 정도가 되었을 때 유도물질인 IPTG(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside, 1mM)를 첨가하였다. 배양된 세포를 4000 rpm에서 15분간 원심분리를 하여 세포를 회수한 뒤 용해 용액 (lysis buffer, pH 8.0, 50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl)에 부유시킨 다음 초음파 분쇄기(sonicator)또는 고압분질기(homogenizer)를 이용하여 파쇄하였다. 나머지 전세포 파쇄액은 9000 rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 회수하였다. 여기에 다시 약 60℃의 열충격을 가하였다. 이 과정에서 다시 불용성 분액을 취하여 포름산에 녹인 후, 물로 투석하고 동결 건조하여 생산하였다. 산추출로 얻어진 말미잘유래 콜라겐 유사 재조합단백질의 생산량은 리터당 50 mg내외이다.The anemone-derived silk protein (SEQ ID NO: 1) used in the present invention is expressed as a recombinant protein using E. coli. In order to induce expression, IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside, 1 mM), which is an inducer, was added when the absorbance (OD600) of the culture medium was about 0.6 to 1.0 at 600 nm. The cultured cells are centrifuged at 4000 rpm for 15 minutes to recover the cells, and then suspended in lysis solution (lysis buffer, pH 8.0, 50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl), followed by a sonicator or a high-pressure homogenizer. ). The remaining whole cell lysate was centrifuged at 9000 rpm for 10 minutes to recover the supernatant. Here, a thermal shock of about 60 ° C was again applied. In this process, an insoluble fraction was taken again, dissolved in formic acid, dialyzed with water and freeze-dried. The production amount of anemone-derived collagen-like recombinant protein obtained by acid extraction is around 50 mg per liter.

1-2. 말미잘 유래 실크 단백질 기반-생체재료 잉크(Biomaterial ink)의 제작1-2. Fabrication of anemone-derived silk protein-based biomaterial ink

본 발명자들은 상기 실시예 1-1에서 제작된 말미잘 유래 실크 단백질에 고분자 물질인 히알루론산을 혼합하여 생체 적합한 바이오 잉크를 제작하였다.The present inventors prepared a biocompatible bio ink by mixing hyaluronic acid, a polymer material, with the silk protein derived from anemone produced in Example 1-1.

구체적으로, 하기와 같이 바이오 잉크를 제작하였다: 상기 제작된 말미잘 유래의 실크 단백질 20 중량%와 1000 kDa의 히얄루론산 2 중량%를 포름산에 완전히 균일하게 녹인다.Specifically, a bio ink was prepared as follows: 20 wt% of the silk protein derived from the anemone produced above and 2 wt% of hyaluronic acid of 1000 kDa were completely dissolved in formic acid.

또한, 상기 바이오 잉크의 유동학적 성질을 확인하였다.In addition, the rheological properties of the bio-ink were confirmed.

그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같이, 고분자의 히알루론산을 혼합함으로써 유동학적 성질을 뉴턴형 유체에서 전단 감소 특성을 지니는 유체로 변화시켰으며, 반복되는 전단 변형력을 가하였음에도 불구하고 초기의 약 85%의 점성을 회복하는 것을 확인할 수 있다.As a result, as shown in Fig. 1, by mixing the hyaluronic acid of the polymer, the rheological properties were changed from Newtonian fluids to fluids having shear reduction properties, and despite the repeated shear strain, about 85% of the initial It can be seen that the viscosity is restored.

1-3. 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체의 제작1-3. Fabrication of silk protein-based three-dimensional structures derived from sea anemones

본 발명자들은 상기 실시예 1-2에서 제작된 생체 적합한 바이오 잉크를 이용하여 3차원 구조체를 제작하였다.The present inventors produced a three-dimensional structure using the biocompatible bio ink produced in Example 1-2.

구체적으로, 하기와 같이 구조체를 제작하였다: 컴퓨터 이용 설계 (computer-aided design)을 이용하여 인쇄하고자 하는 구조체에 대한 정보를 바탕으로 원하는 구조체를 손쉽게 제작할 수 있다. 상기에서 제작한 바이오 잉크를 인쇄를 위한 다양한 직경의 노즐이 연결된 주사기에 주입할 수 있다. 약 150 kPa의 공압으로 1000 mm/min의 속도로 인쇄하였다. 인쇄함과 동시에 구조체를 고정하기 위해 450 nm 파장대의 파란색 광원을 조사하였다.Specifically, a structure was prepared as follows: A desired structure can be easily produced based on information about a structure to be printed using a computer-aided design. The bio-ink produced above may be injected into a syringe connected with nozzles of various diameters for printing. It was printed at a speed of 1000 mm / min with a pneumatic pressure of about 150 kPa. A blue light source with a wavelength of 450 nm was irradiated to fix the structure at the same time as printing.

실시예 2. 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체의 특성 확인Example 2. Characterization of silk protein-based three-dimensional structure derived from sea anemone

본 발명자들은, 상기 실시예 1에서 제작된 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체의 특성을 확인하고자 하였다.The present inventors tried to confirm the properties of the anemone-derived silk protein-based three-dimensional structure produced in Example 1.

먼저, 본 플랫폼으로 제작된 구조체의 물리적 성질을 측정하였다. First, the physical properties of structures fabricated with this platform were measured.

그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 구조체가 대조군인 실크 피브로인과 히얄루론산을 혼합한 바이오 잉크로 만든 구조체에 비해 인장강도(도 2 왼쪽 패널)는 약 4배, 탄성력(도 2 오른쪽 패널)은 약 6배가 더 탁월한 것을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 2, the structure of the present invention has a tensile strength (left panel in FIG. 2) of about 4 times, and an elastic force (FIG. 2) compared to a structure made of a bio ink in which the structure of the present invention is a control silk fibroin and hyaluronic acid. The right panel) confirmed that about 6 times better.

또한, 본 플랫폼으로 제작한 3차원 구조체의 압축강도를 측정하였다.In addition, the compressive strength of the three-dimensional structure produced by this platform was measured.

그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 구조체의 압축 강도가 대조군인 실크 피브로인에 비해 탁월한 것을 확인하였다.As a result, as shown in Figure 3, it was confirmed that the compressive strength of the structure of the present invention is superior to the control group silk fibroin.

또한, 본 플랫폼을 이용하여 컴퓨터 디자인을 기반으로 하여 귀(도 4a), 격자(도 4b) 및 코(도 4d) 형태를 3D 프린팅하고 주사 전자 현미경을 통해 격자(도 4c)를 관찰한 결과, 다공성을 지니는 3차원 구조체임을 확인하였으며, 이는 본 플랫폼으로 일정한 패턴 양식을 반복한 구조체뿐만 아니라 인체와 유사한 구조의 환경을 제공하는 지지체를 제작할 수 있음을 제시한다.In addition, based on computer design using this platform, the ear (FIG. 4A), lattice (FIG. 4B), and nose (FIG. 4D) 3D printed and observed through a scanning electron microscope grid (FIG. 4C), It has been confirmed that it is a three-dimensional structure having porosity, and this platform suggests that a support body that provides an environment similar to a human body as well as a structure that repeats a certain pattern form can be produced.

실시예 3. 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체의 세포 부착 및 세포생존율 확인Example 3. Confirmation of cell adhesion and cell viability of anemone-derived silk protein-based three-dimensional structure

본 발명자들은 상기 실시예 1에서 제작된 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체의 세포 부착 및 세포생존율 확인하고자 하였다.The present inventors tried to confirm cell adhesion and cell viability of the anemone-derived silk protein-based three-dimensional construct prepared in Example 1 above.

먼저, 3차원 구조체 상에 다양한 세포들(섬유아세포 (ATCC® CRL-1658?), 중간엽 줄기세포 (Sciencell 사를 통해 구입), 근아세포 (AC30005, 한국생명공학연구원 미생물자원센터를 통해 구입), 골아세포 ((ATCC® CRL-2593?))을 부착시키고 시간에 따라 3일 동안 관찰한 후, Cell Counting Kit-8 용액을 이용하여 450nm에서의 흡광도를 측정하였다.First, various cells on a 3D structure (fibroblasts (ATCC® CRL-1658?), Mesenchymal stem cells (purchased through Sciencell), myoblasts (AC30005, purchased through the Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology Microbial Resource Center) , After attaching osteoblasts ((ATCC® CRL-2593?)) And observing for 3 days over time, absorbance at 450 nm was measured using a Cell Counting Kit-8 solution.

그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 3차원 구조에 위에서도 세포는 잘 부착하여 생존하였고, 시간이 지남에 따라 증식하여 세포 활성을 유지하는 것으로 확인되었다.As a result, as shown in FIG. 5, it was confirmed that the cells survived by attaching well to the 3D structure, and proliferated over time to maintain cell activity.

또한, Live-dead cell assay를 통해 3차원 구조체 상에서의 다양한 세포들의 생존율을 측정하였다. 이때, 살아있는 세포는 초록색으로 염색되고 죽은 세포는 빨간색으로 염색되며, 핵은 파란색으로 염색된다. 또한, 세포와 기질간의 상호작용을 살펴보고자 F-액틴(actin)을 초록색 형광으로 염색하였다. In addition, the survival rate of various cells on a 3D structure was measured through a live-dead cell assay. At this time, living cells are dyed green, dead cells are dyed red, and nuclei are dyed blue. In addition, F-actin was stained with green fluorescence to examine the interaction between cells and matrix.

그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 모든 세포주들은 기질인 본 발명의 구조체와 현저하게 상호작용하여 생존하고 있음을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 6, it was confirmed that all cell lines survived by remarkably interacting with the construct of the present invention as a substrate.

반면, 대조군인 실크 피브로인 단백질을 이용한 3차원 구조체는 실크 단백질의 균일하지 못한 분자량과 광가교시 공유결합 형성이 느려서 구조체 유지가 용이하지 않았다. 이로 인해, 실크 피브로인으로 3차원 구조체를 형성한 뒤 해당 실험을 수행할 수 없었다.On the other hand, the 3D structure using the silk fibroin protein as a control group was not easy to maintain the structure due to the uneven molecular weight of the silk protein and the slow formation of covalent bonds during light crosslinking. For this reason, it was not possible to perform the experiment after forming a three-dimensional structure with silk fibroin.

실시예 4. 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체 상에서의 골 분화 확인Example 4. Confirmation of bone differentiation on an anemone-derived silk protein-based three-dimensional structure

본 발명자들은 상기 실시예 1에서 제작된 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체 상에서의 골 분화를 확인하고자 하였다.The present inventors tried to confirm bone differentiation on an anemone-derived silk protein-based three-dimensional structure prepared in Example 1.

먼저, 골분화를 2D 평면과 3차원 구조체에서 비교하였다. 골분화는 골아세포를 이용하여 72 시간 동안 약 90%의 confluency 를 나타낼 때 까지 배양한다. 그리고 최종 농도 50 μg/mL 의 ascorbic acid와 10mM의 monobasic soduium phosphate가 녹여져 있는 배양액을 3일에 한번씩 교체해주면서 3주간 분화를 유도하였다. 골 분화를 판별할 수 있는 Alizarin Red S staining 은 PBS로 washing 하고 4% formalin solution을 이용하여 고정화하였다. 그리고 ammonium hydroxidefh pH 4.2를 맞춘 1%의 alizarin-red S solution을 이용하여 30 분간 상온에서 염색하였다. 그리고 증류수를 이용하여 3회 washing 후 칼슘 침착 정도를 확인하였다. First, bone differentiation was compared in a 2D plane and a 3D structure. Bone differentiation is incubated with osteoblasts until 72% confluency is achieved. In addition, the culture medium in which the final concentration of 50 μg / mL ascorbic acid and 10 mM monobasic soduium phosphate was dissolved was replaced once every 3 days to induce differentiation for 3 weeks. Alizarin Red S staining, which can discriminate bone differentiation, was washed with PBS and immobilized using a 4% formalin solution. And it was dyed at room temperature for 30 minutes using 1% alizarin-red S solution with ammonium hydroxidefh pH 4.2. And after washing three times with distilled water, the degree of calcium deposition was confirmed.

그 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, Alizarin Red S staining을 통해 칼슘 침착을 확인했을 때, 오렌지 색으로 강하게 염색되어 있는 부분은 칼슘이 침착된 것이며, 2D 평면에서보다 본 발명의 3차원 구조체 상의 격자에서 많이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 이는 3차원 구조체 상의 격자를 이용하여 골 분화를 유도하는 경우 실제 3차원 조직을 모사하기 때문에 세포 간의 상호작용을 더 많이 유도할 수 있게 되어 효율적인 뼈 형성을 야기할 수 있다.As a result, as shown in FIG. 7, when calcium deposition was confirmed through Alizarin Red S staining, the portion strongly stained with orange was calcium deposited, and the grid on the three-dimensional structure of the present invention than in the 2D plane You can see that it is distributed a lot in This induces bone differentiation using a lattice on a three-dimensional structure, and thus, because it mimics an actual three-dimensional tissue, it is possible to induce more interactions between cells, resulting in efficient bone formation.

또한, 연골분화를 2D 평면과 3차원 구조체에서 비교하였다. 연골은 중간엽 줄기세포를 사용하였고 연골 분화는 Sciencell 사의 연골 분화용 배지 (Cat. No. 7551)을 이용하였고 분화 유도제인 TGF-Beta3를 최종 농도 10 ng/ml 첨가하여 사용하였다. 우선 중간엽 줄기세포를 106 cells/ml 농도로 harvest 하여 이를 500g에서 5분 동안 원심분리하여 세포 pellet 을 만든다. 세포가 손상되지 않도록 유의하며 연골 분화용 배지를 3일에 한번씩 교체하며, 이를 3주 동안 분화를 유도하였다.In addition, cartilage differentiation was compared in 2D plane and 3D structure. The mesenchymal stem cells were used as the cartilage, and the cartilage differentiation medium (Cat. No. 7551) of Sciencell was used, and the differentiation inducer TGF-Beta3 was added at a final concentration of 10 ng / ml. First, mesenchymal stem cells are harvested at a concentration of 10 6 cells / ml, and centrifuged at 500 g for 5 minutes to make cell pellets. Be careful not to damage the cells and replace the cartilage differentiation medium once every 3 days, which induced differentiation for 3 weeks.

그 결과, 도 8에 나타낸 바와 같이, 연골분화와 관련되어 형성된 aggrecan을 alcian blue staining을 통해 확인했을 때, 진한 파란색을 나타낼수록 aggrecan이 많이 형성된 것이며, 본 발명의 3차원 구조체에서 강하게 염색된 것을 확인하였다. 또한, 연골 분화 관련 인자인 Sox9(Sex determining region Y-related high-mobility group box 9)에 대하여 형광염색을 실시했을 때, 본 발명의 3차원 구조체에서 강하게 염색되었으며, 이는 2D 평면에서보다 본 발명의 3차원 구조체에서 연골이 현저하게 분화된다는 것을 알 수 있다.As a result, as shown in FIG. 8, when aggrecan formed in connection with cartilage differentiation was confirmed through alcian blue staining, the darker the blue, the more aggrecan was formed, and confirmed that the aggrecan was strongly stained in the three-dimensional structure of the present invention. Did. In addition, when fluorescence staining was performed on Sox9 (Sex determining region Y-related high-mobility group box 9), a factor related to cartilage differentiation, it was strongly stained in the 3D structure of the present invention, which was of the present invention than in the 2D plane. It can be seen that cartilage is significantly differentiated in the three-dimensional structure.

반면, 대조군인 실크 피브로인 단백질을 이용한 3차원 구조체는 실크 단백질의 균일하지 못한 분자량과 광가교시 공유결합 형성이 느려서 구조체 유지가 용이하지 않았다. 이로 인해, 실크 피브로인으로 3차원 구조체를 형성한 뒤 해당 실험을 수행할 수 없었다.On the other hand, the 3D structure using the silk fibroin protein as a control group was not easy to maintain the structure due to the uneven molecular weight of the silk protein and the slow formation of covalent bonds during light crosslinking. For this reason, it was not possible to perform the experiment after forming a three-dimensional structure with silk fibroin.

실시예 5. 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체의 생체적합성 확인Example 5. Confirmation of biocompatibility of anemone-derived silk protein-based three-dimensional structure

본 발명자들은 상기 실시예 1에서 제작된 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체 플랫폼을, 쥐의 피하에 식립한 후 생분해성 및 면역반응을 확인하고자 하였다. 동량의 단백질을 바탕으로 제작한 원기둥 모양의 하이드로젤을 쥐의 피하에 식립하고 2주와 4주에 걸쳐 변화를 확인하였다.The present inventors tried to confirm the biodegradability and immune response after placing the anemone-derived silk protein-based three-dimensional structure platform prepared in Example 1 under the skin of mice. Cylindrical hydrogels prepared on the basis of the same amount of protein were placed subcutaneously in rats, and changes were observed over 2 and 4 weeks.

그 결과, 도 9에 나타낸 바와 같이, 대조군인 실크 피브로인과 비교하였을 때 본 플랫폼은 훨씬 더 빠른 생분해성을 지니며 면역반응 또한 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있고 이를 통해 생체적합성이 뛰어남을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 9, when compared with the control group silk fibroin, it was confirmed that the platform has much faster biodegradability and almost no immune response, and thus biocompatibility was excellent.

따라서, 본 발명의 말미잘 유래 실크 단백질 기반-3차원 구조체는 안전하고 생체적합한 3 차원 환경을 제공할 수 있으며, 이는 조직공학용 복합 지지체로서 유용하게 사용될 수 있다.Thus, the anemone-derived silk protein-based three-dimensional structure of the present invention can provide a safe and biocompatible three-dimensional environment, which can be usefully used as a composite support for tissue engineering.

<110> POSTECH ACADEMY-INDUSTRY FOUNDATION <120> Sea Anemone-derived Silk Protein-Based Bioink for 3D Bioprinting and Uses Thereof <130> POSTECH1.56p <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 327 <212> PRT <213> sea anemone <400> 1 Met Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr 1 5 10 15 Gly His Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Asp 20 25 30 Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Asp Pro Gly Asn Thr Gly Tyr 35 40 45 Pro Gly Gln Asp Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Gly 50 55 60 Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly 65 70 75 80 Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr 85 90 95 Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Ser Asn Thr Gly Tyr Pro Trp Gln Gly 100 105 110 Pro Gly Asn Thr Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro 115 120 125 Gly Asn Thr Gly His Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro 130 135 140 Gly Gln Asp Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Asp Pro Gly Asn 145 150 155 160 Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln 165 170 175 Gly Ser Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Ser Gly Asn Thr Gly 180 185 190 Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro 195 200 205 Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly His Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn 210 215 220 Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Asp Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln 225 230 235 240 Asp Pro Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly 245 250 255 Cys Pro Gly Gln Gly Ser Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Ser 260 265 270 Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn 275 280 285 Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Ser Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln 290 295 300 Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Leu 305 310 315 320 Glu His His His His His His 325 <110> POSTECH ACADEMY-INDUSTRY FOUNDATION <120> Sea Anemone-derived Silk Protein-Based Bioink for 3D Bioprinting          and Uses Thereof <130> POSTECH1.56p <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 327 <212> PRT <213> sea anemone <400> 1 Met Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr   1 5 10 15 Gly His Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Asp              20 25 30 Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Asp Pro Gly Asn Thr Gly Tyr          35 40 45 Pro Gly Gln Asp Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Gly      50 55 60 Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly  65 70 75 80 Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr                  85 90 95 Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Ser Asn Thr Gly Tyr Pro Trp Gln Gly             100 105 110 Pro Gly Asn Thr Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro         115 120 125 Gly Asn Thr Gly His Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro     130 135 140 Gly Gln Asp Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Asp Pro Gly Asn 145 150 155 160 Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln                 165 170 175 Gly Ser Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Ser Gly Asn Thr Gly             180 185 190 Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro         195 200 205 Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly His Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn     210 215 220 Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Asp Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln 225 230 235 240 Asp Pro Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Gly                 245 250 255 Cys Pro Gly Gln Gly Ser Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Ser             260 265 270 Gly Asn Thr Gly Cys Pro Gly Gln Gly Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn         275 280 285 Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Ser Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln     290 295 300 Gly Pro Gly Asn Thr Gly Tyr Pro Gly Gln Gly Pro Gly Asn Thr Leu 305 310 315 320 Glu His His His His His His                 325

Claims (10)

서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 말미잘 유래 실크 단백질 또는 이의 변이체; 및 히알루론산(hyaluronic acid, HA)을 혼합하고 광가교화하여 하이드로겔을 형성시키는 단계를 포함하는 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물의 제조 방법.
An anemone-derived silk protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 or a variant thereof; And mixing hyaluronic acid (HA) and photo-crosslinking to form a hydrogel.
제1항에 있어서,
상기 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물은 대상 이식 세포의 부착능, 생존능 및 분화능을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 방법.
According to claim 1,
The 3D bio printer bio ink composition is characterized in that to increase the adhesion, viability and differentiation ability of the target transplanted cells.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 말미잘 유래 실크 단백질 또는 이의 변이체와 히알루론산은 1:0.01 내지 100의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는, 방법.
According to claim 1,
Method, characterized in that the anemone-derived silk protein or a variant thereof and hyaluronic acid are mixed in a weight ratio of 1: 0.01 to 100.
제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물.
A bio ink composition for a 3D bio printer prepared according to the method of claim 1, 2, or 6.
제7항의 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 바이오 프린터용 카트리지.
A cartridge for a 3D bio printer comprising the bio ink composition for a 3D bio printer of claim 7.
제7항의 3D 바이오 프린터용 바이오 잉크 조성물을 포함하는 3D 생체 소재.
A 3D biomaterial comprising the bioink composition for a 3D bioprinter of claim 7.
제9항의 3D 생체 소재를 포함하는 조직공학적 지지체.A histological support comprising the 3D biomaterial of claim 9.
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