KR102091840B1 - 3차원 하이드로젤 적층 구조물, 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
복수의 격자형 구조물을 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물, 및 이의 제조방법이 제시된다.
Description
본 발명은 3차원 하이드로젤 적층 구조물, 및 이의 제조방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 기계적 특성이 향상된 3차원 하이드로젤 적층 구조물, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
3D 프린팅 기술은 3차원 스캔이나 3차원 모델링을 통하여 획득된 디지털 데이터를 데이터를 적층가공 방식으로 제작하는 가공기술이며, 1980년 대에 광조형 기반의 스테레오리소그래피(stereolithography, SLA), 열용착 기반의 용융융착 모델링(fused deposition modeling, FDM)이 고안되었다. 이후 현재까지 많은 파생기술이 개발되어 시작품 제작 수준에서의 활용뿐만 아니라 각종 산업현장에서 기능성 부품으로 직접 활용되고 있다. 특히 생체-의공학 분야에 있어 2000년을 전후로 하여 FDM 기술에 열가소성 생체적합 고분자를 적용하여 조직공학용 인공지지체를 직접 제작함에 따라 3D 프린팅의 바이오 조형기술 활용이 시작되었다. 최근 이러한 3D 프린팅 기술의 활용이 조직공학용 지지체 이외에도 맞춤형 의족, 치과 보철, 인공혈관, 바이오칩 제작에 확대되고 있다.
3D 프린팅 제작 방식은 크게 두 가지의 장점을 들 수 있다. 먼저 CT/MRI와 같은 의료영상 기반의 이미지를 기반으로 인체 조직 목표형상에 맞는 외형 구조제작 대응이 가능하다. 이를 통해 3D 프린팅 제조방식의 근본적인 특징인 디지털 CAD 데이터 기반 맞춤형 제작 장점을 활용할 수 있다. 또한 기본적으로 단위형상을 적층하여 제작하는 방식이므로 다공성 구조의 내부형상 및 내부 공극까지도 제어가 가능하여 공극 간의 완전한 상호연결성을 확보할 수 있다. 이를 통하여 지지체에 파종된 세포가 내부로 증식 및 성장할 수 있으며, 외부 배양액으로부터의 영양분 및 산소의 공급, 세포가 방출하는 각종 부산물의 배출 등이 원활히 이루어질 수 있다.
3D 프린팅 방식의 3차원 지지체는 최근 들어 생체기능성, 생분해성, 기계적 성질 등을 향상시키기 위하여 재료의 개질화 및 복합화에 관한 연구가 많이 시도되고 있다. 이는 주로 3D 프린팅 제작 후에 표면개질을 하거나 3D 프린팅 전에 기능성 물질을 혼합하여 3D 프린팅을 하는 방식 등으로 응용되었다.
열가소성 고분자 및 광경화성 고분자의 경우 대부분 1~10 GPa의 기계적 물성을 지니며 이는 인대나 건, 뼈와 같은 조직의 물성에 해당한다. 골격계를 제외한 대부분의 장기 및 조직은 1kPa~100MPa의 연한 특성을 갖는다. 따라서 경질 고분자 지지체를 연조직에 그대로 적용하였을 경우 환부 접촉부위에 물리적인 염증을 일으킬 수 있다.
이러한 이유로 인해 최근 하이드로젤에 대한 조직공학 응용연구가 활발히 이루어지고 있다. 하이드로젤은 일반 경질 플라스틱과는 달리 구성 고분자 사슬의 단위체간의 결합력이 느슨하여 유동적이고 물을 흡수한 형태로 3차원 구조를 형성하여 내재된 세포가 본래의 기능을 할 수 있는 이상적인 환경을 제공한다. 반면 이러한 유동적 특성은 3차원 프린팅 구현을 어렵게 하는 요인이 될 수 있다.
또한, 기존의 하이드로젤 기반의 3D 프린트 적층 구조물의 경우, 노즐 분사 후 액상 퍼짐으로 인하여 정교한 프린팅 및 높이 방향 적층이 어려우며, 프린팅 이후 가교단계에서 과도한 수축이 일어나 형상유지가 어렵고, 하이드로젤 프린팅 만으로 제작된 구조물의 경우, 프린팅 층간 결합력이 충분치 않고, 전체 구조물의 물성이 취약한 문제가 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 단순한 하이드로젤 구조물에 비하여 기계적 특성이 향상되고, 정교하며, 기능성이 가미되어 있는 3차원 하이드로젤 적층 구조물, 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,
복수의 격자형 구조물을 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물로서,
상기 격자형 구조물이,
제1 하이드로젤층; 상기 제1 하이드로젤층의 상측에 위치한 제2 하이드로젤층; 및 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층 사이에 삽입된 섬유상 지지체를 구비하고,
상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 상기 복수의 격자형 구조물이 서로 적층되어 있는, 3차원 하이드로젤 적층 구조물이 제공된다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층이 각각 독립적으로, 복수의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 단일의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 사각판 형태, 삼각판 형태, 원형판 형태, 또는 이들 중 2 이상의 혼합 형태를 포함할 수 있다.
상기 적층된 격자형 구조물 사이에 섬유상 지지체를 더 포함할 수 있다.
상기 격자형 구조물이,
복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제1 하이드로젤층; 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제2 하이드로젤층; 및 상기 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조의 적어도 일부면이 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않도록 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층 사이에 삽입된 섬유상 지지체를 구비하고,
상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 상기 복수의 격자형 구조물이 서로 적층될 수 있다.
상기 섬유상 지지체가 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조의 상측에 위치하여, 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조 전부가 상기 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않을 수 있다.
상기 섬유상 지지체가 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조의 상측 및 하측에 교차로 위치하여, 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조가 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 교호하여 맞닿아 있을 수 있다.
상기 섬유상 지지체가 부직포, 직물, 편물, 섬유 매트릭스 또는 이들 중 2 이상의 복합체일 수 있다.
상기 섬유상 지지체가 셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락트산(PLA), 폴리글리콜산(PGA), 폴리[(락틱-co-(글리콜산)) (PLGA), 폴리[(3-하이드록시부티레이트)-co-(3-하이드록시발러레이트) (PHBV), 폴리다이옥산온 (PDO), 폴리[(L-락타이드)-co-(카프로락톤)], 폴리(에스테르우레탄) (PEUU), 폴리[(L-락타이드)-co-(D-락타이드)], 폴리[에틸렌-co-(비닐 알코올)] (PVOH), 폴리[에틸렌-co-(비닐 아세테이트)], 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리스티렌(PS), 폴리아크릴로니트릴 (PAN), 폴리아닐린(PANI), 폴리비닐카바졸, 폴리에틸렌, 폴리에스테르(폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나트탈레이트, 등), 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리(에테르우레탄)우레아(Poly(etherurethane)urea), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아미드(polyamide), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 히알루론산(hyaluronic acid), 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층이 각각 독립적으로 알지네이트(alginate), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 히알루론산(hyaluronic acid), 알긴산(alginic acid), 펙틴(pectin), 카라기난(carrageenan), 황산 콘드로이틴(chondroitin sulfate), 피브린(fibrin), 피브리노겐(fibrinogen), 덱스트란(dextran), 카르복실화 키틴(carboxylated chitin), 아가로스(agarose), 풀루란(fluran), 아가(agar), 키토산(chitosan), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물의 가교 결과물을 포함할 수 있다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층이 각각 독립적으로 세포, 조직, 단백질, 지질, 탄수화물, 핵산, 세포활성 성장인자, 및 이들 중 2 이상의 하이브리드 분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 생체물질을 더 포함할 수 있다.
상기 섬유상 지지체가 10 nm 내지 10 ㎛의 직경을 갖는 섬유를 포함할 수 있다.
상기 섬유상 지지체가 100 nm 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 섬유상 지지체가 가스 플라즈마, 코로나 방전, 또는 이온빔 조사로부터 선택된 친수성 처리가 될 수 있다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 100 ㎛ 내지 1 mm의 직경을 갖고, 100 ㎛ 내지 1 mm의 간격을 두고 배열될 수 있다.
상기 격자형 구조물이 1 내지 1,000 개 적층되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
복수의 격자형 구조물을 적층하는 단계를 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법으로서,
상기 격자형 구조물이,
제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하는 단계;
상기 3D 프린팅된 결과물에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계; 및
상기 섬유상 지지체 상에 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 형성되는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법이 제공된다.
상기 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 결과물 및 상기 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 결과물이 각각 독립적으로 3D 프린팅과 동시에 가교되거나, 상기 섬유상 지지체에 피복된 가교제에 의해 가교되거나, 또는 3D 프린팅을 한 후에 가교되어, 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 결과물 및 상기 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 결과물이 각각 독립적으로 3D 프린팅과 동시에 가교되거나, 상기 섬유상 지지체에 피복된 가교제에 의해 가교되거나, 또는 3D 프린팅을 한 후에 가교되어, 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층이 각각 독립적으로, 복수의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 단일의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 사각판 형태, 삼각판 형태, 원형판 형태, 또는 이들 중 2 이상의 혼합 형태를 포함할 수 있다.
상기 섬유상 지지체를 배치시키는 단계가, 상기 3D 프린팅된 결과물의 상측에 직접 섬유 재료를 전기방사하여 섬유상 지지체를 형성하는 단계를 포함하거나, 또는 미리 제조된 섬유상 지지체를 상기 3D 프린팅된 결과물의 상측에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 격자형 구조물이,
제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;
상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계; 및
상기 섬유상 지지체 상에 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조를 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 섬유상 지지체를 배치시키는 단계가,
상기 섬유상 지지체를 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측에 위치하여, 상기 복수의 기둥모양 구조 전부가 이후 상기 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 형성되는 복수의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않게 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 격자형 구조물이,
제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;
상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측 및 이웃한 기둥모양 구조 사이에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계;
상기 이웃한 기둥모양 구조 사이에 배치된 상기 섬유상 지지체 상에만 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계; 및
제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조를 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 섬유상 지지체를 배치시키는 단계가,
상기 섬유상 지지체를 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측에 위치하여, 상기 복수의 기둥모양 구조 전부가 이후 상기 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 형성되는 복수의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않게 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 격자형 구조물이,
제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;
상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측 및 이웃한 기둥모양 구조 사이에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계;
상기 이웃한 기둥모양 구조 사이에 배치된 상기 섬유상 지지체 상에만 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계; 및
제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조를 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 복수의 격자형 구조물을 적층하는 단계가 상기 적층되는 격자형 구조물 사이에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 단순한 하이드로젤 구조물에 비하여 하이드로젤 적층 구조물 사이에 섬유상 지지체가 존재함으로써, 전체적인 하이드로젤 구조물의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. 또한, 3D 프린팅된 하이드로젤층이 상기 섬유상 지지체 표면에 의해 퍼짐이 완화됨에 따라 수평방향의 프린팅 정교화 효과가 있으며, 수직방향의 적층높이 보존의 효과가 있다. 프린팅 이후 가교 단계에서 섬유상 지지체가 하이드로젤을 기계적으로 결합하여 수축을 완화하는 효과가 있어 형상의 뒤틀림을 최소화할 수 있다. 이를 통해 3차원 하이드로젤 적층 구조물 내에 안정적인 채널 확보가 가능하며, 채널을 통해 하이드로젤 적층 구조물 제조시 하이드로젤 내 세포로 산소, 영양분 등의 물질 공급 및 분비물 배출을 원할히 할 수 있다.
또한, 섬유상 지지체 상에 약물을 담지 또는 코팅함으로써, 하이드로젤 내부로 약물을 서서히 확산시켜 제어된 약물전달을 가능하게 하고, 섬유상 지지체에 하이드로젤 가교 물질을 담지함으로써, 추후 가교 단계를 생략할 수 있으며, 3차원 하이드로젤 적층 구조물에 전체적으로 균일한 가교가 일어날 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조 공정을 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조 공정을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조 공정을 도시한 개략도이다.
도 10은 종래 기술에 따른 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 (실시예 1)에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 단면 사진이다.
도 12는 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 단면 사진이다.
도 13a는 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의가교 전 사진이다.
도 13b는 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의가교 후 사진이다.
도 14는 비교예 1에 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 가교 전 및 후의 폭 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15a는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의가교 전 사진이다.
도 15b는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의가교 후 사진이다.
도 16은 실시예 1에 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 가교 전 및 후의 폭 변화를 나타낸 그래프이다.
도 17은 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging)을 나타낸 모식도이다.
도 18은 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging)을 나타낸 사진이다.
도 19는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging)이 방지된 것을 모식도이다.
도 20a 및 도 20b는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging)이 방지된 것을 나타낸 사진이다.
도 21은 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 압축 변형에 대한 저항성을 평가하는 방법에 대한 모식도이다.
도 22는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 압축 변형에 대한 저항성을 평가 장치에 대한 사진이다.
도 23은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 압축 변형에 대한 저항성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조 공정을 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조 공정을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조 공정을 도시한 개략도이다.
도 10은 종래 기술에 따른 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 (실시예 1)에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 단면 사진이다.
도 12는 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 단면 사진이다.
도 13a는 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의가교 전 사진이다.
도 13b는 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의가교 후 사진이다.
도 14는 비교예 1에 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 가교 전 및 후의 폭 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15a는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의가교 전 사진이다.
도 15b는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의가교 후 사진이다.
도 16은 실시예 1에 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 가교 전 및 후의 폭 변화를 나타낸 그래프이다.
도 17은 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging)을 나타낸 모식도이다.
도 18은 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging)을 나타낸 사진이다.
도 19는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging)이 방지된 것을 모식도이다.
도 20a 및 도 20b는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging)이 방지된 것을 나타낸 사진이다.
도 21은 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 압축 변형에 대한 저항성을 평가하는 방법에 대한 모식도이다.
도 22는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 압축 변형에 대한 저항성을 평가 장치에 대한 사진이다.
도 23은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 압축 변형에 대한 저항성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물은, 상기 격자형 구조물이, 제1 하이드로젤층; 상기 제1 하이드로젤층의 상측에 위치한 제2 하이드로젤층; 및 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층 사이에 삽입된 섬유상 지지체를 구비하고, 상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 상기 복수의 격자형 구조물이 서로 적층되어 있다.
기존의 하이드로젤 프린팅 만으로 제작된 구조물의 경우, 프린팅 노즐 분사 후 하이드로젤의 액상 퍼짐으로 인하여 높이 방향으로의 적층이 어렵고, 프린팅 이후 하이드로젤층의 가교단계에서 과도한 수축이 일어나는 등 형상유지 특성이 저하되며, 프린팅 층간 결합력이 충분치 않고, 전체 구조물의 물성이 취약한 문제가 있었다.
본 발명의 복수의 격자형 구조물을 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서는 상기 격자형 구조물 마다 제1 하이드로젤층과 제2 하이드로젤층 사이에 섬유상 지지체가 삽입되어 있다.
상기 섬유상 지지체는 길고 가늘며 굽힘 저항이 작아서 연하게 굽힐 수 있는 일군의 선상 물질인 섬유로 이루어진 구조체를 의미하고, 부직포, 직물, 편물, 섬유 매트릭스 또는 이들 중 2 이상의 복합체일 수 있다. 특히 이때 부직포라 함은, 섬유 또는 사를 직포 공정을 거치지 않고, 평행 또는 부정방향(不定方向)으로 배열하여, 섬유간의 기계적인 얽힘, 또는 수지 접착제의 첨가, 열융착, 또는 화학적 복합체의 형성을 통하여 결합되어 얻어지는 섬유 구조체의 일종을 의미한다. 또한, 섬유 매트릭스는 전기, 건습식, 용융 방사 등 다양한 방사 방법에 따라 제조되는 섬유의 집합 구조체를 의미한다.
그 결과, 상기 섬유상 지지체는 매우 넓은 표면적을 가지고 있어, 섬유상 지지체를 계면으로 하여 서로 맞닿아 있는 제1 하이드로젤층과 제2 하이드로젤층 사이의 층간 결합력을 증가시킬 수 있고, 또한, 격자형 구조물의 보강재 역할을 하여 전체적인 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 섬유상 지지체는 이를 구성하는 섬유상이 섬유상 지지체의 표면 상에 미세하게 돌출될 수 있으며, 이러한 섬유상의 미세 돌출부가 퍼짐 완화 특성(wettability in Cassie state)을 가짐으로써, 하이드로젤층의 형성시에 복수의 기둥모양 구조의 하이드로젤이 정교한 선폭을 갖도록 할 수 있고, 퍼짐 완화에 의해 적층 높이가 잘 보존될 수 있음에 따라, 단일 격자형 구조물 내의 제1 하이드로젤층과 제2 하이드로젤층의 적층, 또는 복수의 격자형 구조물의 적층에서도 수직벽 형성을 통한 안정적이고 균일한 채널을 확보할 수 있게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적층된 격자형 구조물 사이에 섬유상 지지체를 더 포함할 수 있다, 이때 상기 섬유상 지지체는 격자형 구조물 간에 삽입되어, 복수의 격자형 구조물의 결합력을 증가시키고, 상기 격자형 구조물이 수직 방향으로 안정적으로 적층되도록 할 수 있다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층은 격자형 구조물을 형성하여 적층할 수 있다면 다양한 형태로 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층은 각각 독립적으로, 복수의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 단일의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 사각판 형태, 삼각판 형태, 원형판 형태, 또는 이들 중 2 이상의 혼합 형태를 포함할 수 있다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층은 각각 독립적으로, 복수의 기둥모양 구조가 배열된 형태인 경우에,
상기 격자형 구조물은, 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제1 하이드로젤층; 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제2 하이드로젤층; 및 상기 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조의 적어도 일부면이 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않도록 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층 사이에 삽입된 섬유상 지지체를 구비하고, 상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 상기 복수의 격자형 구조물이 서로 적층되어 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 섬유상 지지체는 상기 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조의 적어도 일부면이 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않도록 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층 사이에 삽입된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유상 지지체는 제1 하이드로젤 층의 복수의 기둥모양 구조가 과 제2 하이드로젤 층의 기둥모양 구조와 접촉(맞닿는) 형태에 따라서, 다양한 방식으로 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유상 지지체는 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조의 상측에 위치하여, 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조 전부가 상기 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않을 수 있다. 이러한 예는 도 1에 도시되어 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 기둥모양 구조가 서로 밀착하여 배치될 수도 있고, 서로 중첩되어(하나의 기둥이 다른 1 이상의 기둥 상에 걸쳐서 위치하는 무질서하게) 배열될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물 (100)은 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제1 하이드로젤층(10), 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제2 하이드로젤층(30), 및 상기 제1 하이드로젤 층(10)과 제2 하이드로젤 층(30) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(20)을 구비하는 격자형 구조물과, 제1 하이드로젤층(50), 제2 하이드로젤 층(70), 상기 제1 하이드로젤 층(50)과 제2 하이드로젤 층(70) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(60)을 구비하는 또 다른 격자형 구조물이 상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 적층되어 있다. 이때, 상기 섬유상 지지체(20, 60)가 상기 제1 하이드로젤층(10, 50)의 복수의 기둥모양 구조 전부가 상기 제2 하이드로젤층(30, 70)의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않게 배치되어 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유상 지지체는 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조의 상측 및 하측에 교차로 위치하여, 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조가 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 교호하여 맞닿아 있을 수 있다. 이러한 예는 도 2에 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물 (100a)은 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제1 하이드로젤층(10a), 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제2 하이드로젤층(30a), 및 상기 제1 하이드로젤 층(10a)과 제2 하이드로젤 층(30) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(20a)을 구비하는 격자형 구조물과, 제1 하이드로젤층(40a), 제2 하이드로젤 층(60a), 상기 제1 하이드로젤 층(40a)과 제2 하이드로젤 층(60a) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(50a)을 구비하는 또 다른 격자형 구조물이 상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 적층되어 있다. 이때 상기 섬유상 지지체(20a, 50a)는 상기 제1 하이드로젤층(10a, 40a)의 복수의 기둥모양 구조에서 일 기둥모양 구조의 상측과 이와 이웃하는 기둥모양 구조의 하측에 교차로 위치하여, 상기 제1 하이드로젤층(10a, 40a)의 복수의 기둥모양 구조가 제2 하이드로젤층(30a, 60a)의 기둥모양 구조와 교호하여 맞닿아 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서는, 상기 섬유상 지지체는 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조에서 2개 이상의 기둥모양 구조의 상측과 이와 이웃하는 기둥모양 구조의 하측에 교차로 위치하거나, 또는 일 기둥모양 구조의 상측과 이와 이웃하는 2개 이상의 기둥모양 구조의 하측에 교차로 위치하거나, 또는 2개 이상의 기둥모양 구조의 상측과 이와 이웃하는 2개 이상의 기둥모양 구조의 하측에 교차로 위치할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층은, 복수의 기둥모양 구조가 배열된 형태 외에, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 단일의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 사각판 형태, 원형판 형태, 단일의 기둥모양 구조가 나선형으로 배열된 형태일 수 있고, 그 외 삼각판 등의 다양한 다각형판 등을 포함하여 3D 프린팅으로 구현할 수 있는 형래라면 모두 적용가능하다. 이때, 사각판 등의 다각형판, 원형판 등과 같이 판형일 경우에는 판형의 윤곽(contour)에 해당하는 가장자리를 먼저 형성하고, 그 내부를 채워가는 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어 판형의 하이드로젤층을 제조하는 경우에는, 3D 프린팅으로 판형의 가장자리를 인쇄하고, 그 내부 부분에 수회 반복하여 프리팅함으로써 최종적으로 다양한 형태의 판형을 갖는 하이드로젤층을 제조할 수 있게 된다.
구체적으로, 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층 단일의 기둥모양 구조가 지그재그 형태로 이어지면서 배열될 수 있다 (도 3 참조). 이때 지그재그 형태는 반드시 직선 형태일 필요 없고, 그 배열이 곡선일 수도 있고, 지그재그의 굴곡 형태가 직각 형태일 수도 있고, 직각보다 작은 각도의 형태일 수도 있다. 또한, 상기 지즈재그 형태는 서로 간격을 두고 배열될 수도 있고, 간격 없이 밀착한 상태로 배열될 수도 있으며, 서로 중첩되면서 무질서하게 배열될 수도 있다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물 (200)은 단일의 기둥모양 구조가 지그재그 형태(굴곡부분이 직각형태) 배열된 제1 하이드로젤층(210), 상기 제1 하이드로젤층과 동일 또는 상이하게 단일의 기둥모양 구조가 지그재그 형태로 배열된 제2 하이드로젤층(230), 및 상기 제1 하이드로젤 층(210)과 제2 하이드로젤 층(230) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(220)을 구비하는 격자형 구조물과, 제1 하이드로젤층(250), 제2 하이드로젤 층(270), 상기 제1 하이드로젤 층(250)과 제2 하이드로젤 층(270) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(260)을 구비하는 또 다른 격자형 구조물이 상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 적층되어 있다. 복수의 격자형 구조물 사이에는 추가의 섬유상 지지체(240)가 삽입되어 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물 (300)은 사각판 형태인 제1 하이드로젤층(310) 및 제2 하이드로젤층(330), 및 상기 제1 하이드로젤 층(310)과 제2 하이드로젤 층(330) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(320)을 구비하는 격자형 구조물과, 제1 하이드로젤층(350), 제2 하이드로젤 층(370), 상기 제1 하이드로젤 층(350)과 제2 하이드로젤 층(370) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(360)을 구비하는 또 다른 격자형 구조물이 상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 적층되어 있다. 복수의 격자형 구조물 사이에는 추가의 섬유상 지지체(340)가 삽입되어 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물 (400)은 원형판 형태인 제1 하이드로젤층(410) 및 제2 하이드로젤층(430), 및 상기 제1 하이드로젤 층(410)과 제2 하이드로젤 층(430) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(420)을 구비하는 격자형 구조물과, 제1 하이드로젤층(450), 제2 하이드로젤 층(470), 상기 제1 하이드로젤 층(450)과 제2 하이드로젤 층(470) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(460)을 구비하는 또 다른 격자형 구조물이 상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 적층되어 있다. 복수의 격자형 구조물 사이에는 추가의 섬유상 지지체(440)가 삽입되어 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물 (500)은 단일의 기둥 모양 구조가 나선형태로 배열된 제1 하이드로젤층(510) 및 제2 하이드로젤층(530), 및 상기 제1 하이드로젤 층(410)과 제2 하이드로젤 층(430) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(520)을 구비하는 격자형 구조물과, 제1 하이드로젤층(550), 제2 하이드로젤 층(570), 상기 제1 하이드로젤 층(550)과 제2 하이드로젤 층(570) 사이에 삽입된 섬유상 지지체(560)을 구비하는 또 다른 격자형 구조물이 상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 적층되어 있다. 복수의 격자형 구조물 사이에는 추가의 섬유상 지지체(540)가 삽입되어 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 하이드로젤 층과 제2 하이드로젤 층이 복수의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 단일의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 사각판 형태, 원형판 형태, 단일의 기둥모양 구조가 나선형으로 배열된 형태 등이 적용될 때, 이때, 상기 제1 하이드로젤 층과 제2 하이드로젤 층이 완전히 동일한 형태일 수도 있고, 비록 동일한 단일의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 사각판 형태 등이 선택되는 경우에도 그 형태가 완전히 일치되지 않게 일부 변형이 가능하다. 또한, 제1 하이드로젤 층 및 제2 하이드로젤 층이 서로 그 형태가 하나는 단일의 기둥모양 구조가 배열된 형태이고, 다른 하나는 사각판 형태와 같이 완전히 상이한 형태가 적용될 수도 있다.
상기 섬유상 지지체는 이에 제한되는 것은 아니나, 셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락트산(PLA), 폴리글리콜산(PGA), 폴리[(락틱-co-(글리콜산)) (PLGA), 폴리[(3-하이드록시부티레이트)-co-(3-하이드록시발러레이트) (PHBV), 폴리다이옥산온 (PDO), 폴리[(L-락타이드)-co-(카프로락톤)], 폴리(에스테르우레탄) (PEUU), 폴리[(L-락타이드)-co-(D-락타이드)], 폴리[에틸렌-co-(비닐 알코올)] (PVOH), 폴리[에틸렌-co-(비닐 아세테이트)], 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리스티렌(PS), 폴리아크릴로니트릴 (PAN), 폴리아닐린(PANI), 폴리비닐카바졸, 폴리에틸렌, 폴리에스테르(폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나트탈레이트, 등), 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리(에테르우레탄)우레아(Poly(etherurethane)urea), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아미드(polyamide), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 히알루론산(hyaluronic acid), 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층은 하이드로젤의 가교 결과물을 포함할 수 있다. 상기 하이드로젤은 생체물질에 대해 생체적합한 친수성 고분자이면 제한 없이 적용 가능하다. 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층의 상기 하이드로젤, 즉 제1 하이드로젤 및 제2 하이드로젤은 각각 독립적으로 알지네이트(alginate), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 히알루론산(hyaluronic acid), 알긴산(alginic acid), 펙틴(pectin), 카라기난(carrageenan), 황산 콘드로이틴(chondroitin sulfate), 피브린(fibrin), 피브리노겐(fibrinogen), 덱스트란(dextran), 카르복실화 키틴(carboxylated chitin), 아가로스(agarose), 풀루란(fluran), 아가(agar), 키토산(chitosan), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층은 각각 독립적으로 1종 이상의 생체물질을 더 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, '생체물질'이란 분석대상물질을 선택적으로 인식하여 생물학적 상호작용 및 인식반응을 일으켜 신호를 발생시키는 역할을 하는 생물유래성 물질을 의미한다. 상기 생체물질로는 이에 제한되는 것은 아니나, 세포, 조직, 단백질, 지질, 탄수화물, 핵산 및 세포활성 성장인자, 및 이들 중 2 이상의 하이브리드 분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 섬유상 지지체는 10 nm 내지 10 ㎛, 상세하게는 20 nm 내지 5 ㎛, 더 상세하게는 30 nm 내지 1 ㎛의 직경을 갖는 섬유를 포함할 수 있다. 상기 섬유상 지지체를 구성하는 섬유가 이러한 범위의 직경을 갖는 경우, 섬유상 지지체 상에 하이드로젤이 프린팅 될 때 미세한 표면 구조로 인하여 퍼짐특성을 완화할 수 있고, 이를 통해 하이드로젤 프린팅의 높이방향/수평방향 해상도를 높일 수 있다.
상기 섬유상 지지체는 100 nm 내지 100 ㎛, 상세하게는 200 nm 내지 75 ㎛, 더 상세하게는 300 nm 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 섬유상 지지체가 이러한 범위의 두께를 갖는 경우, 상기 섬유 상지지체의 상측과 하측에 연결되는 하이드로젤 층의 기계적 적층강도를 확보할 수 있고, 전체적으로 하이드로젤-섬유상 지지체 복합구조물의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유상 지지체는 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조의 상측에 직접 섬유 재료를 방사(예를 들어, 전기 방사 등)하여 형성될 수도 있고, 또는 미리 제조된 섬유상 지지체를 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조의 상측에 배치될 수 있다. 또한, 상기 섬유상 지지체가 이웃하여 수직 방향으로 적층되는 격자형 구조물 사이에 삽입되는 경우에는, 상기 섬유상 지지체는 동일하게 격자형 구조물의 상측에 직접 섬유 재료를 방사(예를 들어, 전기 방사 등)하여 형성될 수도 있고, 또는 미리 제조된 섬유상 지지체를 상기 격자형 구조물의 상측에 배치될 수 있다.
상기 섬유상 지지체는 선택적으로 가스 플라즈마, 코로나 방전, 또는 이온빔 조사로부터 선택된 친수성 처리가 될 수 있다. 이때, 가스 플라즈마는 질소, 수소, 산소, 아르곤, 암모니아 등의 플라즈마를 포함할 수 있다. 이와 같이 친수성 처리가 된 섬유상 지지체는 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층의 적층 계면 간의 결합력과, 이웃하여 적층되는 격자형 구조물 간의 계면 간의 결합력을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 섬유상 시트에는 추가적으로 기능성 물질을 코팅 또는 담지함으로써 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조 공정을 간단하게 하거나, 3차원 하이드로젤 적층 구조물에 추가 기능성을 부가할 수 있다.
본 발명의 일 실시에에 따르면, 상기 섬유상 시트에, 가교제, 예를 들어 하이드로젤을 가교할 수 있는 액상 또는 고상 물질이 담지될 수 있게 함으로써, 후술하는 바와 같이 하이드로젤 프린팅 즉시 가교가 일어날 수 있도록 할 수 있다. 하이드로젤이 알지네이트인 경우에 가교제는 CaCl2일 수 있고, 또는 하이드로젤이 피브린(fibrin)인 경우에, 가교제는 트롬빈(thrombin)일 수 있다.
또한, 상기 섬유상 시트에는 세포활성 물질 또는 약물 등을 코팅 또는 담지함으로써 하이드로젤 프린팅 이후 최종적으로 3차원 하이드로젤 적층 구조물 을 얻은 이후에, 전체 구조물로 상기 세포활성 물질 또는 약물 등이 서서히 방출되도록 할 수 있다.
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조는 100 ㎛ 내지 1 mm, 상세하게는 120 ㎛ 내지 0.8 mm, 더 상세하게는 150 ㎛ 내지 0.6 mm의 직경을 가질 수 있고, 또한 100 ㎛ 내지 1 mm, 상세하게는 120 ㎛ 내지 0.8 mm, 더 상세하게는 150 ㎛ 내지 0.6 mm의 간격을 두고 배열될 수 있다. 상기 기둥모양 구조가 이러한 범위의 직경 및 배열 간격을 만족하는 경우, 이후 세포 배양 단계에서 배양액이 하이드로젤 구조물 내에 잘 채워질 수 있게 되어 배양액 내의 영양분 공급, 항생제 투여 등이 효과적으로 일어날 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서, 상기 격자형 구조물은 1 내지 1,000 개, 상세하게는 5 내지 500 개, 더 상세하게는 10 내지 100 개 적층되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 격자형 구조물을 적층하는 단계를 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법으로서, 상기 격자형 구조물이, 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계; 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계; 및 상기 섬유상 지지체 상에 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조를 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 형성되는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법이 제공된다.
상기 제1 하이드로젤 전구체액 및 제2 하이드로젤 전구체액은 각각 제1 하이드로젤 및 제2 하이드로젤을 포함하는 용액으로서, 복수의 기둥모양 구조로 3D 프린팅 되어 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층을 형성하게 된다.
이때, 제1 하이드로젤 및 제2 하이드로젤은 각각 독립적으로 알지네이트(alginate), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 히알루론산(hyaluronic acid), 알긴산(alginic acid), 펙틴(pectin), 카라기난(carrageenan), 황산 콘드로이틴(chondroitin sulfate), 피브리노겐(fibrinogen), 덱스트란(dextran), 카르복실화 키틴(carboxylated chitin), 아가로스(agarose), 풀루란(fluran), 아가(agar), 키토산(chitosan), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 복수의 기둥모양 구조 및 상기 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 복수의 기둥모양 구조는, 각각 독립적으로 3D 프린팅과 동시에 가교되거나, 상기 섬유상 지지체에 피복된 가교제에 의해 가교되거나, 또는 3D 프린팅을 한 후에 가교되어, 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 하이드로젤 전구체액 및 제2 하이드로젤 전구체액이 3D 프린팅과 동시에 가교되는 경우에는 상기 제1 및 제2 하이드로젤 건구체액에 하이드로젤 외에 추가로 가교제가 포함될 수 있다.
이러한 가교제로는 석고; 또는 수산 아파타이트, 탄산 아파타이트, 불소 아파타이트, 염소 아파타이트, α-TCP, β-TCP, 메타인산칼슘, 인산4칼슘, 인산수소칼슘, 인산2수소칼슘, 피로인산칼슘, 탄산칼슘, 황산칼슘, EDC{1-ethyl-(3-3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride}, 또는 이들의 염으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계에서, 상기 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅은 기판 상에 할 수 있고, 상기 기판으로는 예를 들면 PDMS(폴리디메틸실록산) 기판, 전기방사 나노섬유가 덮여있는 PDMS 기판, 또는 슬라이드 글래스 기판 등이 사용될 수 있다. 이때, 전기방사 나노섬유가 덮여있는 PDMS 기판에서 나노섬유로는 상기 섬유상 지지체에 사용되는 섬유라면 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 제1 하이드로젤 전구체액의 3D 프린팅을 상기 기판 상에 하는 경우에는 제1 층, 즉 최하단 기저층의 고정력을 확보하여 전체적인 프린팅 적층을 안정적으로 수행할 수 있다.
상기 섬유상 지지체를 배치시키는 단계는, 섬유상 지지체를 제조하는 방식이나, 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조에 섬유상 지지체가 위치하는 방식에 따라서 다양하게 실시될 수 있다.
먼저 섬유상 지지체를 제조하는 방식의 측면에서, 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측에 직접 섬유 재료를 전기방사하여 섬유상 지지체를 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 또는 미리 제조된 섬유상 지지체를 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 3차원 하이드로젤 적층 구조물(700, 800)을 제조함에 있어서, 하이드로젤 전구체(120)가 주입된 3D 프린터 토출부(110)를 이용하여 섬유상 지지체(740, 840) 상에 하이드로겔 전구체액을 3D 프린팅하여 제1 또는 제2 하이드로젤층((730, 830)을 형성하는 공정을 도시하고 있다. 이때, 상기 도 7의 경우에는 단일의 기둥모양 구조가 배열된 형태이고, 도 8의 경우에는 복수의 기둥모양 구조가 배열된 형태를 도시하고 있다. 또한, 전술한 바와 같이 상기 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 결과물 및 상기 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 결과물은 각각 독립적으로 3D 프린팅과 동시에 가교되거나, 상기 섬유상 지지체에 피복된 가교제에 의해 가교되거나, 또는 3D 프린팅을 한 후에 가교되어, 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층으로 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법을 도시하고 있다. 구체적으로 도 9를 참조하면, 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조(1230, 1330)의 상측에 전기방사 장치(1210)을 이용하여 직접 섬유 재료를 전기방사하여 전기상사된 섬유(1220)가 하이드로젤층의 기둥모양 구조 상에 배치시킴으로써 섬유상 지지체(1240, 1340)를 형성하는 단계와, 이어서 상기 섬유상 지지체 상에 하이드로젤 전구체(1320)를 3D 프린터(1310)을 이용하여 복수의 기둥모양 구조를 형성시키는 단계가 서로 반복하면서 3차원 하이드로젤 적층 구조물을 제조할 수 있다. 적층 구조물의 적층 개수에 따라서 이러한 공정의 반복 횟수를 조절할 수 있다.
이때, 직접 섬유 재료를 전기방사하여 섬유상 지지체를 형성하는 경우에는 필요에 따라 각 적층공정에 단계에 전기방사 섬유의 직경, 섬유상 지지체의 두께를 제어하여 적층할 수 있는 점에서 유리하고, 미리 제조된 섬유상 지지체를 적용하는 경우에는 섬유상 지지체 표면에 전술한 바와 같이 기능성 물질을 사전 코팅 처리 또는 담지 처리를 할 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
또한, 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조에 섬유상 지지체가 위치하는 방식의 측면에서, 상기 섬유상 지지체가 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측을 전부 피복할 수 있도록 배치할 수 있고, 또는 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 일부만을 피복할 수 있도록 배치할 수 있다.
전자의 경우에, 상기 섬유상 지지체를 배치시키는 단계는, 상기 섬유상 지지체를 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측에 위치하여, 상기 복수의 기둥모양 구조 전부가 이후 상기 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 형성되는 복수의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않게 하는 단계를 포함할 수 있다.
후자의 경우에, 상기 격자형 구조물이, 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계; 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측 및 이웃한 기둥모양 구조 사이에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계; 상기 이웃한 기둥모양 구조 사이에 배치된 상기 섬유상 지지체 상에만 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계; 및 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조를 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다. 이때, 상기 이웃한 기둥모양 구조의 사이에 배치된 상기 섬유상 지지체 상에만 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하는 경우 1개의 기둥모양 구조를 프린팅할 수도 있고, 2개 이상의 기둥모양 구조를 프린팅할 수도 있다. 상기 섬유상 지지체 상에만 프린팅되는 기둥모양 구조의 개수를 조절함에 따라, 전술한 바와 같이, 상기 섬유상 지지체는 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조에서 2개 이상의 기둥모양 구조의 상측과 이와 이웃하는 기둥모양 구조의 하측에 교차로 위치하거나, 또는 일 기둥모양 구조의 상측과 이와 이웃하는 2개 이상의 기둥모양 구조의 하측에 교차로 위치하거나, 또는 2개 이상의 기둥모양 구조의 상측과 이와 이웃하는 2개 이상의 기둥모양 구조의 하측에 교차로 위치할 수 있게 된다.
상기 복수의 격자형 구조물을 적층하는 단계는 상기 적층되는 격자형 구조물 사이에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 적층되는 격자형 구조물 사이에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계도, 제1 하이드로젤 전구체 및 제2 하이드로젤 전구체의 기둥모양 구조 상에 섬유상 지지체를 적용하는 경우와 동일하게, 섬유상 지지체를 제조하는 방식이나, 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조에 섬유상 지지체가 위치하는 방식에 따라서 다양하게 실시될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1
알지네이트 0.5g, 배지(RPMI) 8.2ml, 및 CaCl2 1% 수용액 1.5 ml를 코니컬튜브에 넣고, 약 30 분간 약수저를 이용하여 혼합하여 하이드로젤 전구체액을 준비하였다.
이후 상기 하이드로젤 전구체액을 전구체액 공급 속도(Feed rate) 20 ml/h, 노즐 이송속도(Velocity) 6 mm/s로 기둥모양 구조로 프린팅하고, 5%의 CaCl2 수용액을 프린팅된 결과물의 상측 내지는 구조 측면 외곽 둘레에 뿌려주어서 가교된 제1 하이드로젤층을 형성하였다.
이어서, 상기 제1 하이드로젤층의 상측에 공급 속도(Feed rate) 1 ml/h, 전압 11 kV로 니들 팁(Needle tip)과 기판의 거리 15 cm 로 약 2 분 동안 폴리카프로락톤(Sigma Aldrich, MW 80,000) 용액을 전기방사하였다. 폴리카프로락톤 용액은 메틸렌클로라이드(Methylene chloride)와 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide)를 7:3 비율로 혼합된 용매에 14 %(w/v)의 농도로 용해하여 제조하였다.
알지네이트(제1 하이드로젤층) 프린팅과 폴리카프로락톤 전기방사에 사용된 니들 직경(Neddle diameter)는 각각 0.5 mm로 고정하였고, 10 ml 실린지를 이용하였다. 이때, 제1 하이드로젤 전구체액의 프린팅은 전기방사 나노섬유가 덮여있는 PDMS 기판상에 진행하였다. 이때, 나노섬유는 아래 섬유상 지지체에 사용되는 섬유와 동일하게 폴리카프로락탐 섬유가 사용되었다.
이어서, 상기 제1 하이드로젤 전구채엑을 프린팅한 것과 동일한 조성 및 프린팅 조건으로 제2 하이드로젤 전구체액을 준비하고, 이를 상기 전기 방사되어 얻어진 폴리카프로락탐 섬유 지지체 상에 3D 프린팅하여 제2 하이드로젤층을 형성하여 격자형 구조물을 제조하였다. 이때, 상기 섬유상 지지체 상에 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조를 간격을 두고 배열되도록 하였다.
이후 상기 격자형 구조물 상에 상기와 동일한 조성과 방사 조건으로 폴리카프로락탐 섬유 지지체를 형성하고, 상기 섬유 지지체 상측에 재차 앞선 방식과 동일한 조건으로 격자형 구조물을 제조하였다, 이를 3회 더 반복한 결과, 5개의 격자형 구조물이 적층되고, 이들 격자형 구조물 사이에 1개씩 총 4개의 섬유상 지지체가 삽입된 3차원 하이드로젤 적층 구조물을 얻었다.
이때, 섬유 지지체를 구성하는 섬유의 평균 직경은 약 500 nm이었고, 섬유 지지체의 두께는 약 5 ㎛이었으며, 제1 하이드로젤층과 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조의 직경 및 배열 간격은 각각 약 1 mm 및 2 mm이었고, 제1 하이드로젤층과 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조의 개수는 10개 이었다.
비교예 1
실시예 1에서 섬유 지지체를 제1 하이드로젤층과 제2 하이드로젤층 사이에, 그리고, 서로 적층되는 격자형 구조물 사이 모두에 삽입되도록 형성하는 단계가 생략되고, 제1 하이드로젤층과 제2 하이드로젤층이 직접 맞닿고, 서로 적층되는 격자형 구조물이 직접 맞닿도록 제조된 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 3차원 하이드로젤 적층 구조물을 얻었다.
도 10은 비교예 1에서 얻어진 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 개략도이다. 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물(1400)은 제1 하이드로젤층(1410, 1430)이 제2 하이드로젤층(1420, 1440)과 직접 맞닿아 형성되어 있다.
실험예 1: 측면 관찰
실시예 1 및 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물측면 방향에서 관찰을 하였고, 그 결과는 도 11 및 도 12에 각각 나타내었다. 도 11에 따른 실시예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물은 제1 하이드로젤층과 제2 하이드로젤층 사이에 섬유상 지지체(원형과 유사한 형태로 표시됨)가 존재함으로 적층 구조물이 안정적으로 형상이 유지됨을 알 수 있다.
반면에 도 12를 참조하면, 섬유상 지지체가 존재하지 않는 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물은 상층의 제2 하이드로젤층이 하층의 제1 하이드로젤층으로 주저 앉아 형상이 일그러진 것을 확인할 수 있다.
실험예 2: 하이드로젤 전구체액의 가교시 수축 현상 평가
실시예 1 및 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물을 제조하는 공정에서, 총 20mm X 20mm 면적에 해당하는 알지네이트를 정사각형 형상으로 프린팅하고 CaCl2 수용액을 적용하여 가교한 방식으로 하이드로젤 전구체액의 가교시 수축 현상을 평가하였다. 프린팅 조건과 CaCl2 수용액 적용 조건은 실시예 1과 동일하다.
도 13a, 13b, 및 14를 참조하면, 비교예 1의 경우, 가교 전 대비 가교 후에 정사각형 폭이 평균 21% 수축되었다. 도 15a, 15b, 및 16을 참조하면, 실시예 1의 경우, 가교 전 대비 가교 후에 정사각형 폭이 평균 8.7% 수축되었다. 이때, 수축율은 (가교 후 정사각형 폭 길이) / (가교 전 정사각형 폭 길이) 로 정의된 식으로 계산될 수 있다.
실시예 1이 비교예 1과 비교하여 수축율이 감소되는 것은, 실시예 1의 경우에 프린팅 이후 가교 단계에서 섬유상 지지체가 하이드로젤을 기계적으로 결합하여 수축을 완화하는 효과가 있어 형상의 뒤틀림을 최소화할 수 있다는 것을 알 수 있다.
실험예 3: 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging) 평가
실시예 1 및 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물에서 처짐 현상(sagging)을 평가하였다. 실시예 1 및 비교예 1에 따른 하이드로젤층을 3층 형성하여 섬유상 지지체 유무에 따라 3번째 최상부 층 (도 17 및 19의 530에 해당)의 처짐 형태를 프린팅 직후에 바로 측면에서 관찰하였다. 이 때 프린팅 결과물에 특별한 외력을 가하지 않고 각 층 구조물의 자중에 의한 처짐만을 관찰하였다.
도 17에 따르면, 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물은 기판 (1510)상에 형성된 하이드로젤 층(1520, 1530) 사이에 섬유 지지체가 삽입되어 있지 않으므로, 수직 방향으로의 적층 높이를 보존하는 효과가 발휘되지 않으므로, 처짐 현상(sagging)을 나타나게 되고, 그 결과, 하이드로젤 층(1520, 1530) 사이에 형성된 기공이 무너지는 것을 알 수 있다. 이는 도 18의 비교예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 단면 사진을 통하여 확인할 수 있다.
반면에, 도 19를 참조하면, 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물은 기판(1510)상에 형성된 하이드로젤 층(1520, 1530) 사이에 섬유 지지체(1540)가 삽입되어 있어, 처짐 현상이 방치되고, 하이드로젤 층(1520, 1530) 사이에 형성된 기공이 유지될 수 있다. 이러한 기공들은 서로 이어져서 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 채널로 기능을 하게 되며, 하이드로젤 내의 세포에 산소, 영양분 공급이 원활하고, 또한 성장되는 세포로부터 나오는 분비물을 용이하게 배출하게 할 수 있다. 이러한 기공 유지 및 채녈 확보의 특징은 도 20a 및 20b의 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 단면 사진을 통하여 확인할 수 있다.
실험예 4: 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 기계적 물성 평가
실시예 1 및 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 기계적 물성을 평가하였다.
평가 조건은 다음과 같다.
- 평가 장치: 마이크로재료시험기 (E3000LT, Instron)
- 로드 셀(Load cell) : 100N
- 압축 속도 : 1 mm/min
도 21은 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 압축 변형에 대한 저항성을 평가하는 방법에 대한 모식도이다. 수직 적층방향과 일치하는 방향으로 압축응력(1640)을 가하고 각 요소 하이드로젤층 (1630)과 각 요소 섬유상 지지체 층 간의 결합에 의해 전체적 적층구조물이 압축응력을 견딜 수 있는 하중을 관찰하였다. 이때, 상기 3차원 하이드로젤 적층 구조물은 전기방사 나노섬유(폴리카프로락탐 섬유)(1620)가 덮여있는 PDMS 기판(1610) 상에 형성되었다.
도 22는 실시예 1에 따른 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 압축 변형에 대한 저항성을 평가 장치에 대한 사진이다.
도 23을 참조하면, 비교예 1의 3차원 하이드로젤 적층 구조물은 약 55 내지 65% 압축 시 구조물이 터지며 복원력이 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
이로부터 섬유상 지지체가 삽입되어 있는 실시예 1의 경우에 압축을 가할 경우 섬유상 지지체에 의해 기계적 저항성이 높아지므로 3차원 하이드로젤 적층 구조물 모듈러스 및 강도(Strength)가 증가하는 것을 알 수 있다.
Claims (23)
- 복수의 격자형 구조물을 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물로서,
상기 격자형 구조물이,
복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제1 하이드로젤층; 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열된 제2 하이드로젤층; 및 상기 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조의 적어도 일부면이 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않도록 상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층 사이에 삽입된 섬유상 지지체를 구비하고,
상기 제1 하이드로젤층, 섬유상 지지체, 및 제2 하이드로젤층이 적층된 방향으로 상기 복수의 격자형 구조물이 서로 적층되어 있는, 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 적층된 격자형 구조물 사이에 섬유상 지지체를 더 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 섬유상 지지체가 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조의 상측에 위치하여, 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조 전부가 상기 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 섬유상 지지체가 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조의 상측 및 하측에 교차로 위치하여, 상기 제1 하이드로젤층의 복수의 기둥모양 구조가 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조와 교호하여 맞닿아 있는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 섬유상 지지체가 부직포, 직물, 편물, 섬유 매트릭스 또는 이들 중 2 이상의 복합체인 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 섬유상 지지체가 셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락트산(PLA), 폴리글리콜산(PGA), 폴리[(락틱-co-(글리콜산)) (PLGA), 폴리[(3-하이드록시부티레이트)-co-(3-하이드록시발러레이트) (PHBV), 폴리다이옥산온 (PDO), 폴리[(L-락타이드)-co-(카프로락톤)], 폴리(에스테르우레탄) (PEUU), 폴리[(L-락타이드)-co-(D-락타이드)], 폴리[에틸렌-co-(비닐 알코올)] (PVOH), 폴리[에틸렌-co-(비닐 아세테이트)], 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 폴리아크릴산(PAA), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리스티렌(PS), 폴리아크릴로니트릴 (PAN), 폴리아닐린(PANI), 폴리비닐카바졸, 폴리에틸렌, 폴리에스테르(폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나트탈레이트, 등), 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리(에테르우레탄)우레아(Poly(etherurethane)urea), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아미드(polyamide), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 히알루론산(hyaluronic acid), 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층이 각각 독립적으로 제1 하이드로젤 및 제2 하이드로젤은 각각 독립적으로 알지네이트(alginate), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 히알루론산(hyaluronic acid), 알긴산(alginic acid), 펙틴(pectin), 카라기난(carrageenan), 황산 콘드로이틴(chondroitin sulfate), 피브린(fibrin), 피브리노겐(fibrinogen), 덱스트란(dextran), 카르복실화 키틴(carboxylated chitin), 아가로스(agarose), 풀루란(fluran), 아가(agar), 키토산(chitosan), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate), 또는 이들 중 2 이상의 혼합물의 가교 결과물을 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제9항에 있어서,
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층이 각각 독립적으로 세포, 조직, 단백질, 지질, 탄수화물, 핵산, 세포활성 성장인자 및 이들 중 2 이상의 하이브리드 분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 생체물질을 더 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 섬유상 지지체가 10 nm 내지 10 ㎛의 직경을 갖는 섬유를 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 섬유상 지지체가 100 nm 내지 100 ㎛의 두께를 갖는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 섬유상 지지체가 가스 플라즈마, 코로나 방전, 또는 이온빔 조사로부터 선택된 친수성 처리가 된 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 100 ㎛ 내지 1 mm의 직경을 갖고, 100 ㎛ 내지 1 mm의 간격을 두고 배열되는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 격자형 구조물이 1 내지 1,000 개 적층되어 있는 3차원 하이드로젤 적층 구조물. - 복수의 격자형 구조물을 적층하는 단계를 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법으로서,
상기 격자형 구조물이,
제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 제1 하이드로젤층을 형성하는 단계;
상기 3D 프린팅된 결과물에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계; 및
상기 섬유상 지지체 상에 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 제2 하이드로젤층을 형성하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 형성되는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 결과물 및 상기 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 얻어진 결과물이 각각 독립적으로 3D 프린팅과 동시에 가교되거나, 상기 섬유상 지지체에 피복된 가교제에 의해 가교되거나, 또는 3D 프린팅을 한 후에 가교되어, 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층으로 형성되는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 제1 하이드로젤층 및 제2 하이드로젤층이 각각 독립적으로, 복수의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 단일의 기둥모양 구조가 배열된 형태, 사각판 형태, 삼각판 형태, 원형판 형태, 또는 이들 중 2 이상의 혼합 형태를 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 섬유상 지지체를 배치시키는 단계가,
상기 3D 프린팅된 결과물의 상측에 직접 섬유 재료를 전기방사하여 섬유상 지지체를 형성하는 단계를 포함하거나, 또는 미리 제조된 섬유상 지지체를 상기 3D 프린팅된 결과물의 상측에 배치하는 단계를 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 격자형 구조물이,
제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;
상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계; 및
상기 섬유상 지지체 상에 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조를 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 형성되는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 섬유상 지지체를 배치시키는 단계가,
상기 섬유상 지지체를 상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측에 위치하여, 상기 복수의 기둥모양 구조 전부가 이후 상기 제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 형성되는 복수의 기둥모양 구조와 직접 맞닿지 않게 하는 단계를 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 격자형 구조물이,
제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;
상기 3D 프린팅된 복수의 기둥모양 구조의 상측 및 이웃한 기둥모양 구조 사이에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계;
상기 이웃한 기둥모양 구조 사이에 배치된 상기 섬유상 지지체 상에만 제1 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 복수의 기둥모양 구조가 간격을 두고 배열되도록 하는 단계; 및
제2 하이드로젤 전구체액을 3D 프린팅하여 상기 제1 하이드로젤층의 기둥모양 구조가 연장되는 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수의 기둥모양 구조를 간격을 두고 배열되도록 하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 형성되는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 복수의 격자형 구조물을 적층하는 단계가 상기 적층되는 격자형 구조물 사이에 섬유상 지지체를 배치시키는 단계를 더 포함하는 3차원 하이드로젤 적층 구조물의 제조방법.
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