KR102133820B1 - A Method for Enhancing Osteogenesis of Human Mesenchymal Stem Cells using Single-Walled Carbon Nanotubes and a use for Tissue Engineering Applications - Google Patents

A Method for Enhancing Osteogenesis of Human Mesenchymal Stem Cells using Single-Walled Carbon Nanotubes and a use for Tissue Engineering Applications Download PDF

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KR102133820B1 KR1020190002937A KR20190002937A KR102133820B1 KR 102133820 B1 KR102133820 B1 KR 102133820B1 KR 1020190002937 A KR1020190002937 A KR 1020190002937A KR 20190002937 A KR20190002937 A KR 20190002937A KR 102133820 B1 KR102133820 B1 KR 102133820B1
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Abstract

The present invention relates to: a method for increasing cell proliferation and induction of osteogenic differentiation in stem cells by treating single-walled carbon nanotubes in vitro on the stem cells; a composition thereof; and a filament having increased tensile strength, wherein a manufacturing method of the filament comprises a step of adding single-walled carbon nanotube powders to polylactic acid (PLA) pellets at a weight ratio of 10 to 20 (w/w), followed by melting. The filament of the present invention has exhibited suitable structural, mechanical properties and biocompatibility for tissue engineering applications.

Description

단일벽 탄소나노튜브를 이용한 중간엽 줄기세포의 골분화 향상 방법 및 그 조직공학적 응용{A Method for Enhancing Osteogenesis of Human Mesenchymal Stem Cells using Single-Walled Carbon Nanotubes and a use for Tissue Engineering Applications} A method for Enhancing Osteogenesis of Human Mesenchymal Stem Cells using Single-Walled Carbon Nanotubes and a use for Tissue Engineering Applications}

본 발명은 단일벽 탄소나노튜브를 이용한 중간엽 줄기세포의 골분화 향상 방법 및 그 조직공학적 응용에 관한 것이다.The present invention relates to a method for improving bone differentiation of mesenchymal stem cells using single-walled carbon nanotubes and histological applications.

조직공학 응용분야에서 다공성 인공 지지체는 장기 이식의 현재 접근법을 대체하고 보완하기 위해 뼈 조직 세포를 지원하는 데 사용된다. 성공적인 조직 공학 응용의 초석은 세포와 지지체의 두 가지 필수 요소에 달려 있다. 3 차원 (3D) 지지체의 적절한 설계는 프로세스 변수 및 생물학적 요구 사항 (다공성, 생분해 성, 표면 특성 및 생체 적합성 포함)의 기계적 제어를 통해 생체 재료 및 제조 프로토콜을 결정한다. 인간중간엽줄기세포 (hMSCs)는 뼈 세포, 연골 세포, 지방 세포 및 근육 세포로 분화하는 능력 때문에 조직 공학에서 많은 주목을 받고 있다. In tissue engineering applications, porous artificial scaffolds are used to support bone tissue cells to replace and complement the current approach of organ transplantation. The cornerstone of a successful tissue engineering application depends on two essential elements: the cell and the support. Proper design of three-dimensional (3D) supports determines biomaterials and manufacturing protocols through mechanical control of process parameters and biological requirements (including porosity, biodegradability, surface properties, and biocompatibility). Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have received much attention in tissue engineering because of their ability to differentiate into bone cells, chondrocytes, adipocytes and muscle cells.

또한 탄소나노튜브 (CNTs)는 높은 표면적, 우수한 전기 촉매 활성 및 생체 적합성과 같은 독특하고 우수한 특성을 갖고 있어 뼈 형성의 잠재적 응용으로 제안되어왔다. 따라서 조직 공학 응용을 위해 CNTs와 hMSC 사이의 상호 작용 메커니즘을 연구하는 것이 중요하다. 그럼에도 CNTs의 나노 입자에 대한 줄기 세포의 연구가 많이 보고되어 있지 않다. Carbon nanotubes (CNTs) also have unique and excellent properties such as high surface area, good electrocatalytic activity and biocompatibility, and have been proposed as potential applications for bone formation. Therefore, it is important to study the mechanism of interaction between CNTs and hMSCs for tissue engineering applications. Nevertheless, many studies of stem cells on nanoparticles of CNTs have not been reported.

[선행 특허 문헌][Previous patent document]

대한민국특허공개번호 10-2013-0084553Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0084553

본 발명은 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 줄기세포 증식 및 분화용 조성물을 제공하는 것이다.The present invention was devised by the above needs, and an object of the present invention is to provide a composition for stem cell proliferation and differentiation.

본 발명의 다른 목적은 줄기세포 증식 및 분화용 복합체를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a complex for stem cell proliferation and differentiation.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 단일벽 탄소나노튜브를 줄기세포에 인비트로에서 처리하여 상기 줄기세포에서 세포 증식을 증가시키는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of increasing cell proliferation in the stem cells by treating the single-walled carbon nanotubes with stem cells in vitro.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단일벽 탄소나노튜브는 평균 길이 및 직경이 각각 179

Figure 112019002938152-pat00001
3.4 nm 및 24
Figure 112019002938152-pat00002
2.7 nm인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the single-walled carbon nanotubes have an average length and diameter of 179, respectively.
Figure 112019002938152-pat00001
3.4 nm and 24
Figure 112019002938152-pat00002
It is preferably 2.7 nm, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 처리된 단일벽 탄소나노튜브의 농도 5 내지 20 ㎍/㎖이고 처리 시간은 72시간인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In another embodiment of the present invention, the concentration of the treated single-walled carbon nanotubes is 5 to 20 μg/ml and the treatment time is preferably 72 hours, but is not limited thereto.

또 본 발명은 단일벽 탄소나노튜브를 중간엽 줄기세포에 인비트로에서 처리하여 상기 중간엽 줄기세포에서 골형성 분화를 유도시키는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for inducing osteogenic differentiation in the mesenchymal stem cells by treating the single-walled carbon nanotubes in the mesenchymal stem cells in vitro.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 처리된 단일벽 탄소나노튜브의 농도 7.5 내지 10 ㎍/㎖이고 처리 시간은 7일 내지 14일인 것이 바람직하고, 처리 시간은 14일인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the concentration of the treated single-walled carbon nanotubes is 7.5 to 10 µg/ml and the treatment time is preferably 7 days to 14 days, and the treatment time is more preferably 14 days, but is not limited thereto. No.

또 본 발명은 단일벽 탄소나노튜브를 유효성분으로 포함하는 줄기세포 증식용 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a composition for proliferating stem cells comprising single-walled carbon nanotubes as an active ingredient.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단일벽 탄소나노튜브의 농도는 5 내지 20 ㎍/㎖인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the concentration of the single-walled carbon nanotubes is preferably 5 to 20 μg/ml, but is not limited thereto.

또 본 발명은 단일벽 탄소나노튜브를 유효성분으로 포함하는 중간엽 줄기세포의 골분화 유도용 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a composition for inducing bone differentiation of mesenchymal stem cells comprising a single-walled carbon nanotube as an active ingredient.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단일벽 탄소나노튜브의 농도는 7.5 내지 10 ㎍/㎖인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the concentration of the single-walled carbon nanotubes is more preferably 7.5 to 10 μg/ml, but is not limited thereto.

또한 본 발명은 폴리젖산(PLA) 펠렛에 단일벽 탄소나노튜브 분말을 10 내지 20 중량비(w/w)로 첨가한 후 녹여서 필라멘트를 제조하는 단계를 포함하는 인장강도가 증가된 필라멘트 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a filament having increased tensile strength, comprising adding a single-wall carbon nanotube powder to a polylactic acid (PLA) pellet at a weight ratio of 10 to 20 (w/w) and then melting it to prepare a filament. do.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단일벽 탄소나노튜브는 평균 길이 및 직경이 각각 179

Figure 112019002938152-pat00003
3.4 nm 및 24
Figure 112019002938152-pat00004
2.7 nm인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the single-walled carbon nanotubes have an average length and diameter of 179, respectively.
Figure 112019002938152-pat00003
3.4 nm and 24
Figure 112019002938152-pat00004
It is preferably 2.7 nm, but is not limited thereto.

또한 본 발명은 폴리젖산(PLA) 펠렛에 단일벽 탄소나노튜브 분말을 20 중량비(w/w)로 첨가한 후 녹여서 제조된 폴리젖산(PLA)과 단일벽 탄소나노튜브의 복합체 필라멘트를 제공한다. In addition, the present invention provides a composite filament of polylactic acid (PLA) and a single-walled carbon nanotube prepared by adding and dissolving a single-wall carbon nanotube powder in a weight ratio (w/w) of 20% in a polylactic acid (PLA) pellet.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 단일벽 탄소나노튜브는 평균 길이 및 직경이 각각 179

Figure 112019002938152-pat00005
3.4 nm 및 24
Figure 112019002938152-pat00006
2.7 nm인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the single-walled carbon nanotubes have an average length and diameter of 179, respectively.
Figure 112019002938152-pat00005
3.4 nm and 24
Figure 112019002938152-pat00006
It is preferably 2.7 nm, but is not limited thereto.

이하 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.

본 발명에서는 첫째, 나노 크기 입자의 SWCNT를 제작하고 hMSC의 증식 및 골 형성 분화 촉진을 위한 특성을 조사하였다. CNTs는 세포 독성에 관여하지 않았으며, 오히려 hMSC의 증식과 골 형성 분화를 촉진한다는 것을 증명했다. 또한, 우리는 CNTs에 의해 자극된 줄기 세포의 세포 성장 호르몬을 평가함으로써 조직공학용 뼈에 대한 잠재적 적용 (뼈 형성 및 혈관 신생)을 평가했다. In the present invention, first, SWCNTs of nano-sized particles were fabricated, and properties for promoting proliferation and bone formation differentiation of hMSCs were investigated. CNTs were not involved in cytotoxicity, but rather proved to promote the proliferation of hMSCs and differentiation of bone formation. In addition, we assessed its potential application to bone for tissue engineering (bone formation and angiogenesis) by evaluating the cell growth hormone of stem cells stimulated by CNTs.

둘째, CNTs와 Poly (lactic acid) 으로 구성된 새로운 생체 적합성 필라멘트를 개발하였다. 본 발명에서 개발된 탄소 기반 PLA 필라멘트는 구조적 성질, 기계적 성질 및 hMSCs에 대한 생체 적합성을 비롯한 다양한 특성을 보였다. 특히, SWCNTs-20%/PLA로 구성된 필라멘트는 조직공학 응용을 위한 적절한 구조적, 기계적 성질 및 생체 적합성을 보였다. Second, a new biocompatible filament composed of CNTs and Poly (lactic acid) was developed. The carbon-based PLA filament developed in the present invention showed various properties including structural properties, mechanical properties, and biocompatibility for hMSCs. In particular, the filament composed of SWCNTs-20%/PLA showed suitable structural, mechanical properties and biocompatibility for tissue engineering applications.

생체 재료에서 뼈 적용을 위한 조직 공학을 향상시키기 위해서는 생체 활성 요구 사항과 기계적 행동 간의 균형을 맞추기 위한 새로운 고안이 필요하다. To improve tissue engineering for bone applications in biomaterials, new designs are needed to balance bioactivity requirements with mechanical behavior.

본 발명에서 SWCNT는 조직 공학 응용 분야에서 줄기 세포 및 조직 공학 뼈 구조물을 성장시키는 능력으로 제조되고 평가되었다. In the present invention, SWCNTs have been prepared and evaluated for their ability to grow stem cells and tissue engineered bone structures in tissue engineering applications.

SWCNT는 hMSC의 시험 관내 배양물에서 골 형성에 대한 효과를 측정하기 위해 평가되었다. 본 발명은 조직 공학에 대한 시장 수요를 충족시키기 위해 탄소 기반 PLA 필라멘트를 평가하였다.SWCNT was evaluated to measure the effect of hMSCs on bone formation in in vitro cultures. The present invention evaluated carbon-based PLA filaments to meet market demand for tissue engineering.

본 발명에 따르면 하기와 같은 결과를 얻었다:According to the invention, the following results were obtained:

(1) 본 발명에서는 나노 크기의 SWCNT를 제작하였다. SWCNT의 미세 구조는 TEM 영상으로 관찰되었고 라만 분광법은 SWCNT의 화학 구조를 관찰하는데 사용되었다. 상세하게는 평균 길이 179 ± 3.4 nm, 직경 24 ± 2.7 nm의 SWCNT를 얻었다. 또한, TEM 이미지는 SWCNT가 응집없이 비교적 잘 분산되었음을 보여 주었다. 라만 분광기에 의한 SWCNT의 스펙트럼은 1343.3 cm-1 (D 밴드) 및 1591.1 cm-1 (G 밴드)의 밴드의 발생을 보였다.(1) In the present invention, nano-sized SWCNTs were produced. The microstructure of SWCNT was observed by TEM image and Raman spectroscopy was used to observe the chemical structure of SWCNT. Specifically, SWCNTs having an average length of 179±3.4 nm and a diameter of 24±2.7 nm were obtained. In addition, TEM images showed that SWCNTs were relatively well dispersed without aggregation. The spectrum of SWCNTs by Raman spectroscopy showed the generation of bands of 1343.3 cm-1 (D band) and 1591.1 cm-1 (G band).

(2) 본 발명은 hMSC의 체외 성장 및 분화에 대한 SWCNT의 영향을 조사했다.(2) The present invention investigated the effect of SWCNT on in vitro growth and differentiation of hMSCs.

본 발명자들은 골 형성의 지표로서 세포의 생존력과 증식, 미네랄화 결절 형성 및 실시간 PCR을 수행하였다. The present inventors performed cell viability and proliferation, mineralized nodule formation, and real-time PCR as an indicator of bone formation.

본 발명의 결과는 SWCNT가 뼈 형성 활성화에 중요한 자극임을 나타낸다. hMSC를 다양한 농도의 SWCNT (5, 7.5, 10, 15 및 20 ㎍ / ml)를 함유하는 배지에서 배양하였다. 그 결과, SWCNT는 hMSC에 세포 독성을 나타내지 않았고, 세포 성장은 대조군보다 SWCNT를 처리했을 때 유의하게 높았다 (* p <0.05).The results of the present invention indicate that SWCNT is an important stimulus for bone formation activation. hMSCs were cultured in media containing various concentrations of SWCNTs (5, 7.5, 10, 15 and 20 μg/ml). As a result, SWCNT did not show cytotoxicity to hMSC, and cell growth was significantly higher when treated with SWCNT than the control group (* p <0.05).

가장 높은 투여량 (20 μg/ mL)에서도 SWCNT는 세포 생존력을 증가시켰다 SWCNT는 대조군에 비해 72 시간에 걸쳐 11 % 이상 증가하였다. Even at the highest dose (20 μg/mL) SWCNT increased cell viability SWCNT increased over 11% over 72 hours compared to control.

또한 적절한 농도 (7.5 및 10 μg / ml)의 SWCNT는 alizarin red-S 염색에서 대조군에 비해 유의하게 증가했다.In addition, SWCNTs at appropriate concentrations (7.5 and 10 μg/ml) were significantly increased compared to controls in alizarin red-S staining.

이러한 결과로부터 SWCNT의 적절한 농도가 세포의 분화 및 성숙에 영향을 미치는지 확인하였으며, 실시간 PCR 분석은 세포 분화가 가장 큰 SWCNT 10 μg / ml의 농도로 진행되었다. From these results, it was confirmed whether an appropriate concentration of SWCNTs influenced cell differentiation and maturation, and real-time PCR analysis proceeded to a concentration of 10 μg/ml of SWCNTs with the largest cell differentiation.

실시간 PCR 결과는 2주에서 ALP, BSP, OPN, OCN, COL1 및 RUNX2의 발현 수준이 SWCNT 10 ㎍ / ml에서 대조군에 비해 유의하게 높다는 것을 확인하였다. 유전자 발현의 분석에 따르면, SWCNT의 존재 하에서 배양된 hMSCs는 모든 골아 세포 특이 적 유전자를 상당히 상향 조절하였다. 본 발명의 결과는 SWCNT가 잠재적인 생체 재료의 특성을 나타냄을 나타낸다.Real-time PCR results confirmed that the expression levels of ALP, BSP, OPN, OCN, COL1 and RUNX2 were significantly higher in SWCNT 10 μg/ml than in the control group at 2 weeks. According to the analysis of gene expression, hMSCs cultured in the presence of SWCNT significantly upregulated all osteoblast specific genes. The results of the present invention indicate that SWCNTs exhibit potential biomaterial properties.

(3) 또한 본 발명의 목적은 인공 장기 적용을 가능하게 하는 조직 공학 분야의 탄소 기반 PLA 필라멘트를 개발하는 것이었다. 따라서 본 발명자들은 줄기 세포 및 3D 조직 재생을 위한 탄소 기반 PLA 필라멘트를 개발하고 평가했다. (3) It was also an object of the present invention to develop a carbon-based PLA filament in the field of tissue engineering that enables artificial organ application. Therefore, the present inventors developed and evaluated carbon-based PLA filaments for stem cell and 3D tissue regeneration.

본 발명의 결과는 탄소 기반 PLA 필라멘트의 평균 직경이 다음과 같이 나타났다. PLA : 1.68 ± 0.2 mm; SWCNT-10 % / PLA : 1.65 ± 0.1 mm; SWCNT-20 % / PLA : 1.67 ± 0.2 mm; SWCNT-40 % / PLA : 1.68 ± 0.2 mm. 탄소 기재 필라멘트의 표면은 비교적 매끄럽고 균일한 직경을 가졌다.The results of the present invention showed the average diameter of the carbon-based PLA filament as follows. PLA: 1.68 ± 0.2 mm; SWCNT-10% / PLA: 1.65 ± 0.1 mm; SWCNT-20% / PLA: 1.67 ± 0.2 mm; SWCNT-40% / PLA: 1.68 ± 0.2 mm. The surface of the carbon-based filament had a relatively smooth and uniform diameter.

(4) 본 발명에서는 탄소 기반 PLA 필라멘트의 기계적 물성을 응력 - 변형률 선도를 통해 조사하였다. 변형률이 약 14 % 일 때 PLA 필라멘트의 항복점이 발생하고 그 후에 하중은 더 이상 증가하지 않았다. (4) In the present invention, the mechanical properties of carbon-based PLA filaments were investigated through stress-strain diagrams. When the strain rate is about 14%, the yield point of the PLA filament occurs, after which the load no longer increases.

또한 스트레인이 각각 20 % 및 11 % 일 때 SWCNT-10 % / PLA 필라멘트 및 SWCNT-20 % / PLA 필라멘트의 항복점이 발생했다. SWCNT-40 % / PLA 필라멘트의 경우 변형률은 약 10 %였다. 이러한 결과는 SWCNT-20 % / PLA 필라멘트와 SWCNT-40 % / PLA 필라멘트가 기존의 PLA 필라멘트보다 높은 탄성을 가짐을 보여준다In addition, yield points of SWCNT-10%/PLA filament and SWCNT-20%/PLA filament occurred when the strains were 20% and 11%, respectively. In the case of SWCNT-40% / PLA filament, the strain was about 10%. These results show that SWCNT-20% / PLA filament and SWCNT-40% / PLA filament have higher elasticity than conventional PLA filament.

PLA 필라멘트의 인장 강도는 8 ± 0.94 MPa이고, SWCNT-10 % / PLA, SWCNT-20 % / PLA 및 SWCNT-40 % / PLA 필라멘트는 각각 10 ± 0.84, 11 ± 1.4 및 8 ± 1.4 MPa이고, (도 12 (B)). 그 결과, SWCNT-20 % / PLA 필라멘트는 PLA보다 1.4 배 높은 인장 강도를 보였다 (* p <0.05). 그러나, 복합 필라멘트의 인장 강도는 첨가 된 SWCNT의 비율에 비례하지 않았다. The tensile strength of PLA filament is 8±0.94 MPa, SWCNT-10%/PLA, SWCNT-20%/PLA and SWCNT-40%/PLA filaments are 10±0.84, 11±1.4 and 8±1.4 MPa respectively, ( Figure 12 (B)). As a result, SWCNT-20% / PLA filament showed 1.4 times higher tensile strength than PLA (*p <0.05). However, the tensile strength of the composite filament was not proportional to the proportion of SWCNT added.

(5) 본 발명에서는 hMSC의 세포 생존 능력에 대한 탄소 기반 PLA 필라멘트의 생물학적 반응도 조사했다. 대조군에서 추출한 PLA 필라멘트와 탄소 기반 PLA 필라멘트는 유의한 차이가 없었다 (p> 0.05). 이러한 결과에 따르면 탄소 기반 PLA 필라멘트는 우수한 생체 적합성을 갖는 생체 적합 물질이며 잠재적인 응용 분야의 조직 공학 분야에서 유망한 응용 재료가 될 수 있다.(5) In the present invention, the biological response of the carbon-based PLA filament to the cell viability of hMSC was also investigated. There was no significant difference between the PLA filament extracted from the control group and the carbon-based PLA filament (p>0.05). According to these results, carbon-based PLA filament is a biocompatible material having excellent biocompatibility and may be a promising application material in the field of tissue engineering in potential applications.

(6) 본 발명에서는 FDM 기술을 사용하여 새로운 3D 발판을 개발했다. (6) In the present invention, a new 3D scaffold was developed using FDM technology.

본 발명자들은 infill pattern과 scaffolds의 infill density와 같은 두 가지 제어 변수를 수정했다. 그러나 이러한 매개 변수에 따라 인공 지지대의 특성과 인장 강도 간의 상관 관계를 이해하려면 추가 연구가 필요하다. 현재 매개 변수에 의해 생성된 scafflod의 기계적 동작 평가에 대한 연구는 충분하지 않다. The present inventors modified two control parameters, such as infill pattern and scaffolds infill density. However, further studies are needed to understand the correlation between the properties of the artificial supports and the tensile strength based on these parameters. There are currently not enough studies to evaluate the mechanical behavior of scafflods generated by parameters.

그러나, 이러한 제조 기술로 제조된 스캐폴드는 조직을 재건하고 회복할 수있는 잠재력이 무한하다. 이러한 매개 변수를 제어하면 환자 맞춤형 보강 요소가 있는 스캐폴드의 잠재력을 제공할 뿐만 아니라 다양한 조직의 요구를 충족시키는 기능을 제공한다.However, scaffolds made with these manufacturing techniques have unlimited potential to rebuild and recover tissue. Controlling these parameters not only provides the potential for scaffolds with patient-specific reinforcement elements, but also the ability to meet the needs of different organizations.

도 1은 SWCNT로부터 물질 제조. (A)산에 의한 SWCNT의 초음파 처리, (B)여과에 의한 산의 제거, (C)14,000 rpm에서 15 분 동안 원심 분리하여 SWCNT를 얻었다.
도 2는 본 발명에서 사용된 실험 프로토콜의 개략도.
도 3은 압출 공정의 개략도(A), 미니 압출기의 형상 (B); 미니 압출기 모션 컨트롤러 : 스위치, 메뉴, 속도 (C); 권취 장치 (D); 제조된 PLA 필라멘트 (E).
도 4는 FDM 3D 프린팅의 작동 원리,
도 5는 3D 인쇄 시편에 대한 다양한 충전 밀도 및 패턴 특성.
도 6은 hMSCs의 FACS 분석.
도 7은 본 발명의 SWCNTs (A)와 전통적인 SWCNTs (B)의 제타 전위 값.
도 8은 SWCNTs (A)와 기존 SWCNTs (B)의 TEM 이미지.
도 9는 SWCNT의 라만 분광법.
도 10은 48 시간 SWCNT에 노출된 hMSCs의 세포 생존력 (WST-1)의 막대 그래프. 결과는 3 회의 실험의 평균 ± SD이다 (* p <0.05).
도 11은 Alizarin Red S.에 의해 염색된 미네랄 화 결절 형성. 세포를 7 일 (A) 및 14 일 (B) 동안 SWCNT로 처리.
도 12는 유도된 조건 하에서 골 형성 분화 특이 유전자의 발현에 대한 PCR 분석 (A) 7 일 및 (B) 14 일. 결과는 3 회의 실험의 SD를 의미한다 (* p <0.05).
도 13의 사진은 CNT 블렌드의 압출 된 필라멘트를 보여준다. (A) PLA; (B) SWCNTS-10 % / PLA; (C) SWCNTS-20 % / PLA; (D) SWCNTS-40 % / PLA.
도 14는 FE-SEM을 이용한 탄소 기반 필라멘트의 표면의 형상. (A) PLA; (B) SWCNTs-10 % / PLA; (C) SWCNTs-20 % / PLA; 및 (D) SWCNTs-40 % / PLA.
도 15는 탄소 기반 필라멘트의 기계적 성질. (A) 순수 PLA 필라멘트와 탄소 기반 PLA 필라멘트의 응력 - 변형률 선도. (B) 탄소 기반 PLA 필라멘트의 인장 강도. PLA는 SWCNTs-10 % / PLA와 SWCNTs-20 % / PLA (* p <0.05)와 유의한 차이가 있었다.
도 16은 SWCNT의 함량에 따른 필라멘트의 세포 독성 시험 결과 (p> 0.05).
도 17은 밀도 및 infill 패턴, (A) 30 % 삼각형, (B) 50 % 삼각형, (C) 30 % 사면체 (D) 50 % 사면체, (E) 30 % 지그재그, (F) 50 % 지그재그.
1 shows material preparation from SWCNT. (A) Ultrasonic treatment of SWCNTs with acid, (B) removal of acids by filtration, and (C) SWCNTs were obtained by centrifugation at 14,000 rpm for 15 minutes.
2 is a schematic diagram of an experimental protocol used in the present invention.
Figure 3 is a schematic (A) of the extrusion process, the shape of the mini extruder (B); Mini extruder motion controller: switch, menu, speed (C); Winding device (D); Prepared PLA filament (E).
4 is a working principle of FDM 3D printing,
5 shows various packing densities and pattern properties for 3D printed specimens.
Figure 6 FACS analysis of hMSCs.
Figure 7 shows the zeta potential values of SWCNTs (A) and traditional SWCNTs (B) of the present invention.
8 is a TEM image of SWCNTs (A) and conventional SWCNTs (B).
9 is Raman spectroscopy of SWCNT.
10 is a bar graph of cell viability (WST-1) of hMSCs exposed to SWCNT for 48 hours. Results are mean±SD of 3 experiments (*p<0.05).
11 shows the formation of mineralized nodules stained by Alizarin Red S. Cells were treated with SWCNTs for 7 days (A) and 14 days (B).
12 is a PCR analysis of the expression of bone-specific differentiation specific genes under induced conditions (A) 7 days and (B) 14 days. Results indicate SD of 3 experiments (* p <0.05).
The photo in Figure 13 shows the extruded filaments of the CNT blend. (A) PLA; (B) SWCNTS-10% / PLA; (C) SWCNTS-20% / PLA; (D) SWCNTS-40% / PLA.
Figure 14 is the shape of the surface of the carbon-based filament using FE-SEM. (A) PLA; (B) SWCNTs-10%/PLA; (C) SWCNTs-20%/PLA; And (D) SWCNTs-40%/PLA.
15 is a mechanical property of the carbon-based filament. (A) Stress-strain diagram for pure PLA filament and carbon-based PLA filament. (B) Tensile strength of carbon based PLA filament. PLA was significantly different from SWCNTs-10% / PLA and SWCNTs-20% / PLA (* p <0.05).
16 is a cytotoxicity test result of the filament according to the content of SWCNT (p> 0.05).
Figure 17 shows density and infill patterns, (A) 30% triangle, (B) 50% triangle, (C) 30% tetrahedron (D) 50% tetrahedron, (E) 30% zig zag, (F) 50% zig zag.

이하 비한정적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 의도로 기재한 것으로서 본 발명의 범위는 하기 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되지 아니한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through non-limiting examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not to be construed as being limited by the following examples.

실시예Example 1: One: CNTs의CNTs 제조 Produce

SWCNTs은 Applied carbon nano (ACN, Republic of Korea)로부터 구입하였다. 구입한 SWCNTs를 acid refluxing으로 정제하였다. 요약하면, 1 g의 SWCNTs 분말을 sulfuric acid 및 nitric acid (각각 3: 1)의 혼합액으로 처리한 후, 그 정제된 SWCNTs를 초음파처리(VCX-130, Sonics, USA)하였다. 30분의 종료 후, 6 ml의 diH2O를 그 현탁액에 첨가하고 천천히 교반하였다. 그 희석된 현탁액을 여과를 통하여 잔류하는 산을 제거하고 건조된 SWCNTs를 14,000 rpm에서 10 분간 원심분리하여 얻었다(도 5). 그 CNTs를 잘 분산하였다. SWCNTs were purchased from Applied carbon nano (ACN, Republic of Korea). Purified SWCNTs were purified by acid refluxing. In summary, 1 g of SWCNTs powder was treated with a mixture of sulfuric acid and nitric acid (3:1 each), and then the purified SWCNTs were sonicated (VCX-130, Sonics, USA). After 30 minutes, 6 ml of diH2O was added to the suspension and stirred slowly. The diluted suspension was obtained by removing the residual acid through filtration and centrifuging the dried SWCNTs at 14,000 rpm for 10 minutes (FIG. 5). The CNTs were well dispersed.

실시예Example 2:CNTs의2:CNTs 특성화 Specialization

상기 CNTs의 미세구조 및 입자 크기분석을 전계방사형 투과전자현미경(FE-TEM, JEM-2100F, JEOL, Tokyo, Japan)을 사용하여 수행하였다. 평균 및 표준편차를 각 값에 대해서 보고하였다. Raman 분광법을 Horiba Jobin-Yvon LabRAM ARAMIS Raman 공초점 현미경 (Aramis CRM, Horiba Jobin Yvon, Edison, NJ)을 사용하여 532 nm에서 수행하였다. Raman 분석의 결과들을 "D (disorder)" 라인 및 "G (graphite)" 라인으로 분석하였다.The microstructure and particle size analysis of the CNTs were performed using an electroscopy-type transmission electron microscope (FE-TEM, JEM-2100F, JEOL, Tokyo, Japan). The mean and standard deviation were reported for each value. Raman spectroscopy was performed at 532 nm using Horiba Jobin-Yvon LabRAM ARAMIS Raman confocal microscope (Aramis CRM, Horiba Jobin Yvon, Edison, NJ). The results of the Raman analysis were analyzed with "D (disorder)" line and "G (graphite)" line.

실시예Example 3: 세포 배양 3: cell culture

hMSCs를 서울대학교 치과대학 치학연구소로부터 얻었다. 세포를 10% 우태아 혈청(FBS; Welgene. Inc.), 및 10 mM ascorbic acid (L-ascorbic acid; Sigma-Aldrich, USA)을 포함한 dulbecco modified eagle medium (DMEM; Welgene. Inc.)에서 37°C, 5% CO2 (Steri-Cycle 370 Incubator; Thermo Fisher Scientific) 조건에서 배양하였다. 그 배지를 2일마다 교체하였다. hMSCs를 24 시간 동안 배양하여 부착을 하고 떼어낸 후 계수하고, 세포들이 컨프루언트하기 전에 1 mL의 trypsin-ethy-lenediaminetetraacetic acid (EDTA) 용액으로 계대하였다. 세포들을 3에서 6계대 사이에서 일반적으로 사용하였다. hMSCs were obtained from the Dental Research Institute of Dentistry, Seoul National University. Cells were 37° in dulbecco modified eagle medium (DMEM; Welgene. Inc.) containing 10% fetal calf serum (FBS; Welgene. Inc.), and 10 mM ascorbic acid (L-ascorbic acid; Sigma-Aldrich, USA). C, 5% CO2 (Steri-Cycle 370 Incubator; Thermo Fisher Scientific) culture. The medium was changed every 2 days. hMSCs were incubated for 24 hours to attach, detach, count, and were passaged with 1 mL of trypsin-ethy-lenediaminetetraacetic acid (EDTA) solution before the cells were confluent. Cells were commonly used between 3 and 6 passages.

인간 조직 프로세싱에 대한 모든 프로토콜은 서울대 생명윤리심의위원회에 의한 승인된 실험프로토콜에서 인간 조직과 기관에 대한 법적인 가이드라인을 따랐다(IRB No. CRI05008).All protocols for human tissue processing followed legal guidelines for human tissues and organs in an experimental protocol approved by the Seoul National University Bioethics Review Committee (IRB No. CRI05008).

실시예Example 4: FACS4: FACS 분석 analysis

세포 표면 마커들의 발현을 FACS(fluorescence-activated cell sorting) 분석으로 동정하였다. 요약하면, hMSCs를 1.0 Х 106 cells / mL의 3계대에서 단일세포 현탁액으로 준비하였다. trypsin-EDTA로 모은 후, 원심분리를 1200 rpm에서 5분간 수행하였다. 세포들을 1% BSA (ICN Biomedicals)에서 10 μg/mL 의 하기 항체들로 재현탁하였다: CD13, CD90, CD146, 및 CD34 (BD bioscience, USA). 샘플들을 유세포분석법(FACSCalibur, Becton Dickinson, California, USA)을 사용하여 분석하였다.The expression of cell surface markers was identified by FACS (fluorescence-activated cell sorting) analysis. In summary, hMSCs were prepared as a single cell suspension at passage 3 of 1.0 Х 10 6 cells/mL. After collecting with trypsin-EDTA, centrifugation was performed at 1200 rpm for 5 minutes. Cells were resuspended with 10 μg/mL of the following antibodies in 1% BSA (ICN Biomedicals): CD13, CD90, CD146, and CD34 (BD bioscience, USA). Samples were analyzed using flow cytometry (FACSCalibur, Becton Dickinson, California, USA).

실시예Example 5: 세포 5: cells 생존률Survival rate 및 증식 분석 And proliferation analysis

여러 농도의 SWCNTs(5

Figure 112019002938152-pat00007
/ml, 7.5
Figure 112019002938152-pat00008
/ml, 10
Figure 112019002938152-pat00009
/ml, 15
Figure 112019002938152-pat00010
/ml 및 20
Figure 112019002938152-pat00011
/ml)를 24-웰 플레이트 내로 첨가하였다. SWCNTs 처리없는 hMSCs를 대조군으로 사용하였다. 세포 생존률을 WST-1 분석(EZCytox Cell Viability Assay Kit®; Daeillab Service Co., Ltd.)으로 측정하였다. WST-1 분석은 formazan을 측정하는 비색분석법이다. formazan 염료의 양은 생존 세포의 수와 직접 비례한다. 생성된 formazan 염료를 분광계(INFINITE M NANO, TECAN, Schweiz)로 450 nm에서 흡광도를 측정하여 정량화하였다. 각 값들에 대한 평균 및 표준편차를 리포트하였다.Different concentrations of SWCNTs (5
Figure 112019002938152-pat00007
/ml, 7.5
Figure 112019002938152-pat00008
/ml, 10
Figure 112019002938152-pat00009
/ml, 15
Figure 112019002938152-pat00010
/ml and 20
Figure 112019002938152-pat00011
/ml) into a 24-well plate. HMSCs without SWCNTs treatment were used as controls. The WST-1 cell viability analysis was measured as (EZCytox Cell Viability Assay Kit ® Daeillab Service Co., Ltd.). WST-1 analysis is a colorimetric method that measures formazan. The amount of formazan dye is directly proportional to the number of viable cells. The resulting formazan dye was quantified by measuring absorbance at 450 nm with a spectrometer (INFINITE M NANO, TECAN, Schweiz). The mean and standard deviation for each value were reported.

실시예Example 6: Mineralized 염색 테스트 6: Mineralized dyeing test

hMSCs (4

Figure 112019002938152-pat00012
106 cells/웰)를 24-웰 조직 배양 플레이트에 시딩하고 골형성 배지에서 CNTs 첨가 및 미첨가로 7일 및 14일간 배양하였다(도 2). hMSCs (4
Figure 112019002938152-pat00012
10 6 cells/well) was seeded in a 24-well tissue culture plate and cultured for 7 days and 14 days with and without addition of CNTs in the bone-forming medium (FIG. 2 ).

mineralized 결절의 존재를 alizarin red-S로 염색하여 결정하였다. 요약하면, 세포를 4% formalin으로 15분간 고정화하고 diH2O로 세포를 세척한 후, 40mM alizarin red-S (pH 4.2)로 30분간 염색하였다. 그 세포들을 diH2O로 5회 세척한 후 건조하고 광학 현미경을 사용하여 미네럴화 이미지를 캡쳐하였다. 세포의 분화된 이미지들을 얻은 후, 샘플 내의 alizarin red-S를 562 nm에서 흡광도를 10% cetylpyridinium chloride (Amresco, Solon, Ohio, USA) 및 10 nM sodium phosphate (Duksan Co., Republic of Korea)으로 결합된 용액으로 탈색하여 측정하여 정량화하였다. 각 값들에 대한 평균 및 표준편차를 리포트하였다.The presence of mineralized nodules was determined by staining with alizarin red-S. In summary, cells were immobilized with 4% formalin for 15 minutes, washed with diH 2 O, and then stained with 40 mM alizarin red-S (pH 4.2) for 30 minutes. The cells were washed 5 times with diH 2 O, then dried and captured with a microscopic image using an optical microscope. After obtaining differentiated images of cells, the absorbance of alizarin red-S in the sample was combined with 10% cetylpyridinium chloride (Amresco, Solon, Ohio, USA) and 10 nM sodium phosphate (Duksan Co., Republic of Korea) at 562 nm. It was quantified by measuring by decolorizing with the solution. The mean and standard deviation for each value were reported.

실시예Example 7: Real7: Real -time -time PCRPCR

실시간 중합효소 연쇄반응(RT-PCR)을 여러 골형성인자(osteogenic factors)들의 발현을 측정하는데 사용하였다. CNTs 배양에서 7일 및 14일 후, 전체 RNA를 TRIzol 시약(Invitrogen)으로 분리하였다. 그 다음, cDNA를 first-strand cDNA 합성 키트(Invitrogen)를 사용하여 제조업자의 지시에 따라 합성하였다. 인간 프라이머 정보를 표 1에 리스트하였다. 그 산물들을 1% agarose gel 전기영동(Bio-Rad, USA)으로 분리하여 자외선 유도된 형광으로 보았다. 각 값들에 대한 평균 및 표준편차를 리포트하였다. Real-time polymerase chain reaction (RT-PCR) was used to measure the expression of several osteogenic factors. After 7 and 14 days in CNTs culture, total RNA was isolated with TRIzol reagent (Invitrogen). The cDNA was then synthesized using the first-strand cDNA synthesis kit (Invitrogen) according to the manufacturer's instructions. Human primer information is listed in Table 1. The products were separated by 1% agarose gel electrophoresis (Bio-Rad, USA) and viewed with UV-induced fluorescence. The mean and standard deviation for each value were reported.

Full nameFull name Sequence (5'-3')Sequence (5'-3') Accession No.Accession No. PCR cyclesPCR cycles Product size (bp)Product size (bp) Human Alkaline phosphatase (ALP)Human Alkaline phosphatase (ALP) F: ggacatgcagtacgagctgaF: ggacatgcagtacgagctga BC090861BC090861 2626 357357 R: gcagtgaagggcttcttgtcR: gcagtgaagggcttcttgtc Human Integrin-binding sialoprotein (BSP)Human Integrin-binding sialoprotein (BSP) NM_004967NM_004967 2929 248248 F: caacagcacagaggcagaaaF: caacagcacagaggcagaaa R: cgtactccccctcgtattcaR: cgtactccccctcgtattca Human Osteopontin (OPN)Human Osteopontin (OPN) J04765J04765 2929 279279 F: cccacagacccttccaagtaF: cccacagacccttccaagta R: acactatcacctcggccatcR: acactatcacctcggccatc Human Osteocalcin (OCN)Human Osteocalcin (OCN) X53698X53698 2929 175175 F: gtgcagagtccagcaaaggtF: gtgcagagtccagcaaaggt R: tcagccaactcgtcacagtcR: tcagccaactcgtcacagtc Human Collagen type I (COL1)Human Collagen type I (COL1) XM_012651XM_012651 2323 300300 F: ctgaccttcctgcgcctgatgtccF: ctgaccttcctgcgcctgatgtcc R: gtctggggcaccaacgtccaagggR: gtctggggcaccaacgtccaaggg Human RUNX2 (RUNX2)Human RUNX2 (RUNX2) NM_001015051NM_001015051 3030 432432 F: cgcattcctcatcccagtatF: cgcattcctcatcccagtat R: gactggcggggtgtaagtaaR: gactggcggggtgtaagtaa

표1은 RT-PCR에 대한 인간 프라이머 서열Table 1 shows the human primer sequence for RT-PCR

실시예Example 8: 필라멘트 제작 8: Filament production

PLA의 펠렛(3D Factory, Ulsan, Repubile of Korea)을 본 발명에서 사용하였다. 먼저, PLA 펠렛을 200°C에서 핫플레이트(Daihan Scientific Co. Ltd., MSH-30D Wise Stir)를 사용하여 녹였다. 녹인 후, SWCNTs (5, 10, 또는 20 g)를 상온에서 24시간 동안 혼합하고 정치하였다. 그 합성된 샘플을 extruder (Philibot, Leejo, Changwon, Korea)를 통하여 다이 출구 직경 1.75 mm로 12 rpm 및 200°C에서 압출성형하였다. 압출기의 제원은 표 2와 같다. 그 압출물을 냉각 순환 시스템에서 퀸치하였다. puller 속도는 2 mm/s에 세팅하였다. PLA를 대조군으로 사용하였다(도 3). PLA pellets (3D Factory, Ulsan, Repubile of Korea) were used in the present invention. First, PLA pellets were melted at 200°C using a hot plate (Daihan Scientific Co. Ltd., MSH-30D Wise Stir). After melting, SWCNTs (5, 10, or 20 g) were mixed at room temperature for 24 hours and allowed to stand. The synthesized sample was extruded through an extruder (Philibot, Leejo, Changwon, Korea) at a die exit diameter of 1.75 mm at 12 rpm and 200°C. Table 2 shows the specifications of the extruder. The extrudate was quenched in a cooling circulation system. The puller speed was set at 2 mm/s. PLA was used as a control (FIG. 3).

OSOS Temperature & DC controllerTemperature & DC controller TemperatureTemperature 23 ~ 230°C23 ~ 230°C SpeedSpeed 0 ~ 24 RPM0 ~ 24 RPM Ext RatExt Rat 2 cm / 1 s2 cm / 1 s INPINP 1.65 ~ 3.0 mm1.65 ~ 3.0 mm NozzleNozzle 1.75 mm1.75 mm PowerPower 220 V, 200 W220 V, 200 W HopperHopper 400 G400 G DimensionDimension 19 cm (H)

Figure 112019002938152-pat00013
27 cm (W)
Figure 112019002938152-pat00014
44 cm (L)19 cm (H)
Figure 112019002938152-pat00013
27 cm (W)
Figure 112019002938152-pat00014
44 cm (L)

표 2는 정확한 압출성형 과정에 사용된 압출기 제원Table 2 shows the specifications of the extruder used in the precise extrusion process.

실시예Example 9: 카본 베이스 복합체의 특성 9: Characteristics of carbon base composite

이 카본-베이스 PLA 필라멘트의 미세구조 및 입장 크기를 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM, S-4300, HITACHI, Tokyo, Japan)을 사용하여 수행하였다. The microstructure and entry size of this carbon-based PLA filament were performed using an electrospinning scanning electron microscope (FE-SEM, S-4300, HITACHI, Tokyo, Japan).

모든 샘플들을 0-30 mA에서 ion sputter coater (E-1010, HITACHI, Tokyo, Japan)를 사용하여 240s 동안 플라티넘으로 코팅하였다. 카본 베이스 PLA 필라멘트의 두께를 FE-SEM으로 측정하고, 각 값들에 대한 평균 및 표준편차를 리포트하였다.All samples were coated with platinum for 240 s using an ion sputter coater (E-1010, HITACHI, Tokyo, Japan) at 0-30 mA. The thickness of the carbon-based PLA filament was measured by FE-SEM, and the average and standard deviation for each value were reported.

실시예Example 10: 카본 베이스 복합체의 기계적 실험 10: Mechanical experiment of carbon-based composite

스트레스 스트레인 분석 및 압축 강도를 카본 베이스 복합체 필라멘트 및 통상의 필라멘트의 기계적 특성을 분석하여 수행하였다. 인장 및 압축 테스트는 MCT-1150 (A&D, Tokyo, Japan)를 사용하여 수행하였고, MSAT-Lite 프로그램을 사용하여 분석하였다. 본 발명자들은 breakpoint 디스플레이스먼트를 500 N의 로드 셀을 사용하여 기록하였다. 100 mm/min의 크로스-헤드 속도를 인장 강도 테스트를 위해 사용하였다. 이들 테스트를 5회 반복하였다. 각 값들에 대한 평균 및 표준편차를 리포트하였다. Stress strain analysis and compressive strength were performed by analyzing the mechanical properties of the carbon-based composite filaments and conventional filaments. Tensile and compression tests were performed using MCT-1150 (A&D, Tokyo, Japan) and analyzed using the MSAT-Lite program. The inventors recorded breakpoint displacement using a 500 N load cell. A cross-head speed of 100 mm/min was used for tensile strength testing. These tests were repeated 5 times. The mean and standard deviation for each value were reported.

실시예Example 11: 세포독성 평가 11: Cytotoxicity evaluation

필라멘트의 세포독성을 WST-1 분석(EZCytox Cell Viability Assay Kit®; Daeillab Service Co., Ltd.)으로 측정하였다. 1 cm2 필라멘트를 몸체에 삽입하였을 때, 필라멘트로부터 추출된 독성의 양을 100%로 가정하였다. PLA, 10%, 20%, 및 40% 카본-ㅂ베베이스된 PLA 필라멘트를 10 ml 세포 배양 배지/그램에 첨가하고, 5% CO2 배양으로부터 37°C에서 24시간 동안 용출하였다. 생성된 formazan 염료를 분광계(INFINITE M NANO, TECAN, Schweiz)로 450 nm에서 흡광도를 측정하여 정량화하였다. 각 값들에 대한 평균 및 표준편차를 리포트하였다.The cytotoxicity of the filament was measured by WST-1 analysis (EZCytox Cell Viability Assay Kit ® ; Daeillab Service Co., Ltd.). When 1 cm 2 filament was inserted into the body, the amount of toxicity extracted from the filament was assumed to be 100%. PLA, 10%, 20%, and 40% carbon-based base PLA filaments were added to 10 ml cell culture medium/gram and eluted at 37°C for 24 hours from 5% CO2 culture. The resulting formazan dye was quantified by measuring absorbance at 450 nm with a spectrometer (INFINITE M NANO, TECAN, Schweiz). The mean and standard deviation for each value were reported.

실시예Example 12: 12: 스캐폴드Scaffold 제작 making

스캐폴드를 카본 베이스된 PLA 필라멘트로 FDM 3D 프린터(K300, K.Clone, Daejeon, Republic of Korea)를 사용하여 제작하였다 (도 4). The scaffold was made of carbon-based PLA filament using a FDM 3D printer (K300, K.Clone, Daejeon, Republic of Korea) (FIG. 4).

14 (폭) Х 2 mm (높이)의 실린더를 Cura 소프트웨어에서 직접적으로 만들었다. 헤드 스피드, 층 두께, 및 모든 층들의 밀도를 Cura software로 프로그래밍하고 gcode file 포맷에 저장하였다. Cylinders of 14 (width) Х 2 mm (height) were made directly in the Cura software. Head speed, layer thickness, and density of all layers were programmed with Cura software and stored in a gcode file format.

본 발명에서, 스캐폴드의 infill 밀도 및 패턴을 변형하였다. infill 밀도에 대해서, 두 레벨을 평가하였다: 30% 및 50%. In the present invention, the infill density and pattern of the scaffold were modified. For infill density, two levels were evaluated: 30% and 50%.

그리고 infill 패턴에 대해서, 세 레벨을 평가하였다: 삼각형, 사면체, 및 지그재그(도 10). And for the infill pattern, three levels were evaluated: triangle, tetrahedron, and zigzag (Figure 10).

스캐폴드의 소프트웨어에 대한 디폴트 세팅은 하기와 같다: 노즐 온도: 200°C; 빌드 플레이트 온도: 60°C; 층 높이: 0.1mm; 해상력: 표준; 압출기의 속도 압출성형동안 60 mm/s 및 트레블링 동안 120 mm/s.The default settings for the scaffold's software are: Nozzle temperature: 200°C; Build plate temperature: 60°C; Layer height: 0.1mm; Resolution: Standard; Speed of the extruder 60 mm/s during extrusion and 120 mm/s during travel.

상기 모든 통계 분석은 Windows v8.2 용 SAS(SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 사용하여 수행하였다. 독립적인 샘플 간의 평균의 차이는 t-test를 사용하여 테스트하였다. 데이터는 평균 ± 표준 편차로 나타내었다. 통계적 유의성을 p < 0.05에서 간주하였다.All the above statistical analysis was performed using SAS (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) for Windows v8.2. Differences in means between independent samples were tested using t-test. Data are expressed as mean±standard deviation. Statistical significance was considered at p <0.05.

상기 실시예의 결과는 하기에서 상술한다.The results of the above examples are detailed below.

hMSCs의hMSCs 특성 characteristic

본 발명의 hMSCs의 세포 표면 항원 프로파일을 유 세포분석법으로 확인하였다. 그 결과들은 hMSCs­ 연관 항원 CD13, CD90, 및 CD146은 높게 발현되었지만, 세포 표면 항원CD34의 발현은 거의 없었다고 나타내었다(도 6). The cell surface antigen profile of hMSCs of the present invention was confirmed by flow cytometry. The results indicated that the hMSCs­ related antigens CD13, CD90, and CD146 were highly expressed, but there was little expression of the cell surface antigen CD34 (FIG. 6 ).

SWCNTs의SWCNTs 특성 characteristic

도 8은 SWCNTs의 TEM 이미지를 나타낸다. SWCNTs의 제타-포텐셜은 SWCNTs 표면상의 기능화를 반영한 그들의 각 표면 전하에 해당된다(도 7). 결론적으로, 평균 길이 및 직경이 각각 179

Figure 112019002938152-pat00015
3.4 nm 및 24
Figure 112019002938152-pat00016
2.7 nm인 SWCNTs을 얻었다(도 8(A)). 통상적인 SWCNTs의 TEM 이미지와 비교하여(도 8(B)), 본 발명에서 제조된 SWCNTs가 엉김없이 비교적 잘 분산되었다는 것을 확인하였다 .8 shows a TEM image of SWCNTs. The zeta-potential of SWCNTs corresponds to their respective surface charges reflecting functionalization on the surface of SWCNTs (FIG. 7 ). In conclusion, the average length and diameter of each 179
Figure 112019002938152-pat00015
3.4 nm and 24
Figure 112019002938152-pat00016
SWCNTs of 2.7 nm were obtained (Fig. 8(A)). Compared to the TEM image of conventional SWCNTs (FIG. 8(B)), it was confirmed that SWCNTs prepared in the present invention were relatively well dispersed without entanglement.

본 발명자들은 SWCNTs의 화학적 및 구조적 분석을 Raman 분광법으로 나타내었다. We present chemical and structural analysis of SWCNTs by Raman spectroscopy.

일반적으로 그래파이트 결정으로 흑연화된 탄소나노튜브는 1580 cm-1 근처에서 피크를 나타내고, 이것을 그래파이트 모드 G-밴드라 한다. In general, carbon nanotubes graphitized with graphite crystals show a peak around 1580 cm -1 , and this is called a graphite mode G-band.

1330 cm-1 근처의 피크를 흑연의 구조적 문제 또는 CNTs 이외의 다른 탄소 불순물과 관련이 있어 D-밴드라 한다. SWCNTs의 스펙트럼은 하기의 밴드들을 보여주었다: 1343.3 cm-1 (D band), 및 1591.1 cm-1 (G band).The peak near 1330 cm -1 is called the D-band because it is related to the structural problems of graphite or other carbon impurities other than CNTs. The spectrum of SWCNTs showed the following bands: 1343.3 cm -1 (D band), and 1591.1 cm -1 (G band).

세포 독성 실험Cytotoxicity experiment

본 발명자들은 SWCNTs로 2일 및 3일 배양된 hMSCs에 대한 세포독성 테스트를 조사하였고, 하기의 결과들을 대조군의 것과 나타내었다. The present inventors investigated the cytotoxicity test for hMSCs cultured on SWCNTs for 2 and 3 days, and the following results were shown as those of the control group.

실험 물질의 특성 결과는 생물학적 효과에 대한 나노입자의 특성을 이해하는 기초를 제공하고 추가 연구의 기초를 제공한다. The results of the properties of the experimental material provide the basis for understanding the properties of the nanoparticles for biological effects and provide the basis for further research.

SWCNTs의 세포독성에 대한 관심이 여전하기 때문에, 본 발명은 SWCNTs 농도의 hMSCs 생존률에 대한 효과를 평가하였다.Since interest in cytotoxicity of SWCNTs remains, the present invention evaluated the effect of SWCNTs concentration on the survival rate of hMSCs.

hMSCs의 흡광도로 세포 대사 생존률을 WST-1을 사용하여 측정하였다(도 10). SWCNTs를 여러 농도(5, 7.5, 10, 15, 및 20

Figure 112019002938152-pat00017
/ml)에서 제조하고 48 및 72 시간 동안 처리하였다. Cell metabolic viability was measured by absorbance of hMSCs using WST-1 (FIG. 10 ). SWCNTs at different concentrations (5, 7.5, 10, 15, and 20)
Figure 112019002938152-pat00017
/ml) and treated for 48 and 72 hours.

그 결과 SWCNTs는 hMSCs에 세포 독성을 나타내지 않았으며 세포 성장은 SWCNT를 처리하였을 때 대조군보다 유의하게 높게 나타냈다 (* p <0.05). 심지어 가장 높은 용량 (20 ㎍ / ㎖) 일지라도, SWCNT는 대조군에 비해 72 시간에 걸쳐 11 %의 세포 생존력을 증가시켰다. SWCNT는 어떠한 농도에서도 세포 독성을 유발하지 않았으며, 이러한 결과는 나노 입자가 생체 내에서 광범위하게 적용될 수 있음을 나타낸다.As a result, SWCNTs did not show cytotoxicity to hMSCs, and cell growth was significantly higher than that of the control group when treated with SWCNTs (* p <0.05). Even at the highest dose (20 μg/mL), SWCNT increased 11% cell viability over 72 hours compared to control. SWCNT did not induce cytotoxicity at any concentration, and these results indicate that the nanoparticles can be widely applied in vivo.

칼슘 축적 염색Calcium accumulation dye

골아 세포 분화의 결과에 기초하여 골 형성 단백질의 발현 양상을 추론할 수 있다. 도 11은 대조군 (도 11 (a), (a ')) 또는 5 ㎍ / ml (도 11 (b (b')), 7.5 ㎍ / ml (도 11 (c),(c')), 10 ㎍ / ml (도 11 (d) (d')),15 ㎍ / ml (도 11 (e), (e')) 및 20 ㎍ / ml (도 11의 (f), (f'))농도의 SWCNT로 7일 및 14일 동안 처리한 알리자린 레드 -S 염색법에 기초한 광물화 결절 형성과 관련한 이미지들을 나타낸다.Based on the results of osteoblast differentiation, it is possible to deduce the expression pattern of bone-forming proteins. Figure 11 is a control group (Figure 11 (a), (a')) or 5 μg / ml (Figure 11 (b (b')), 7.5 μg / ml (Figure 11 (c), (c')), 10 Concentrations of μg/ml (Figure 11(d) (d')), 15 μg/ml (Figure 11(e), (e')) and 20 μg/ml (Figure 11(f), (f')) Images related to the formation of mineralized nodules based on alizarin red-S staining method treated with SWCNT for 7 and 14 days are shown.

7.5 및 10 ㎍ / ㎖에서 CNT 처리에 대한 염색 강도는 대조군에 비해 더 강하게 나타났다. 이러한 결과는 SWCNT의 적절한 농도가 세포 분화 및 성숙에 영향을 줄 수 있음을 보여준다. 따라서, 본 발명자들은 본 발명에서 가장 높은 광물화 결절 형성을 보인 SWCNT 10 / ml를 최적 농도로 설정했다.The staining intensity for CNT treatment at 7.5 and 10 μg/ml was stronger than the control group. These results show that an appropriate concentration of SWCNT can affect cell differentiation and maturation. Therefore, the present inventors set the SWCNT 10/ml which showed the highest mineralization nodule formation in the present invention to the optimal concentration.

Real-time Real-time PCRPCR

도 12는 실시간 PCR을 통해 7 일 및 14 일 동안 측정한 ALP, BSP, OPN, OCN, COL1 및 RUNX2와 같은 골 형성 분화의 특정 마커들을 나타낸다. 분화 배지를 첨가한 후 7 일과 14 일에 세포 배양액에서 RNA를 추출하였고, 분화 배지에서 가장 높은 mineralization을 보인 SWCNT 10 ㎍ / ㎖를 첨가하였다 (* p <0.05).FIG. 12 shows specific markers of bone formation differentiation such as ALP, BSP, OPN, OCN, COL1 and RUNX2 measured for 7 and 14 days through real-time PCR. RNA was extracted from the cell culture on 7 and 14 days after the addition of the differentiation medium, and 10 μg/ml of SWCNT, which showed the highest mineralization in the differentiation medium, was added (* p <0.05).

ALP는 SWCNT 군에서 고도로 발현되었는데 그것은 대조군의 발현과 명백하게 구별되었다. ALP는 preosteoblast와 osteoblast를 형성하기 위해 분화를 진행하는 세포의 표지자이며, 뼈의 광물 생산을 위한 중요한 유전자로 간주된다. ALP was highly expressed in the SWCNT group, which was clearly distinguished from that of the control group. ALP is a marker of cells that undergo differentiation to form preosteoblasts and osteoblasts, and is considered an important gene for bone mineral production.

골 기질 단백질인 BSP, OPN 및 COL1도 SWCNT가 첨가된 세포에서 대조군보다 높았다. OCN은 골 형성 분화에 가장 중요한 유전자로, 광화 작용을 하는 동안 최대 발현량을 나타내며 mineralized bone에 축적되는데, SWCNT 그룹에서도 더 높았다. The bone matrix proteins BSP, OPN and COL1 were also higher in the SWCNT-added cells than in the control group. OCN is the most important gene for differentiation of bone formation and shows the maximum expression during mineralization and accumulates in mineralized bone, higher in the SWCNT group.

Runx2는 초기 전사 인자이며 Runx2가 없으면 골아 세포 분화가 관찰되지 않는다는 사실이 입증되었는데, Runx2도 SWCNT 치료군에서 유의하게 증가했다. 유전자 발현의 분석에 따르면, SWCNT의 존재 하에서 배양된 hMSCs는 모든 골아 세포 특이적 유전자를 상당히 상향 조절하였다.Runx2 is an early transcription factor, and it has been demonstrated that osteoblast differentiation is not observed without Runx2. Runx2 also increased significantly in the SWCNT treatment group. According to analysis of gene expression, hMSCs cultured in the presence of SWCNT significantly upregulated all osteoblast specific genes.

탄소-carbon- 기반된Based 필라멘트의 특성 Filament properties

필라멘트 제조에서, 추출(extraction) 속도, 투입량 및 온도와 같은 매개 변수를 적절하게 제어하는 것이 중요하다. In filament manufacturing, it is important to properly control parameters such as extraction speed, dosage and temperature.

이 매개 변수는 필라멘트의 직경과 표면에 직접적인 영향을 주며, 불규칙한 표면은 오염되기 쉽고 감염에 매우 취약하다. 따라서, 연속적이고 균일한 직경을 갖는 필라멘트를 추출하는 것이 중요하다. 일반적으로 1.75 mm 필라멘트는 오차율 0.15 mm 이내의 품질로 관리되어야 한다. 본 발명에서는 탄소 기반의 PLA 필라멘트를 FDM 시스템의 구동 휠에 맞게 일정한 직경으로 만들었으며 (도 13), 압출 사양을 도 13의 하단 표에 나타내었다.This parameter directly affects the diameter and surface of the filament, and irregular surfaces are prone to contamination and very susceptible to infection. Therefore, it is important to extract filaments having a continuous and uniform diameter. In general, 1.75 mm filament should be managed with quality within 0.15 mm error rate. In the present invention, the carbon-based PLA filament was made into a constant diameter to fit the drive wheel of the FDM system (FIG. 13), and the extrusion specifications are shown in the lower table of FIG.

탄소 기반 PLA 필라멘트의 대표적인 FE-SEM 이미지는 그림 14에 나타내었다. SWCNT는 PLA와 잘 섞여 있으며 평균 직경은 다음과 같다. PLA : 1.68 ± 0.2 mm; SWCNT-10 % / PLA : 1.65 ± 0.1 mm; SWCNT-20 % / PLA : 1.67 ± 0.2 mm; SWCNT-40 % / PLA : 1.68 ± 0.2 mm. 탄소 기반 필라멘트의 표면은 비교적 매끄럽고 균일 한 직경을 가졌다.Representative FE-SEM images of carbon-based PLA filaments are shown in Figure 14. SWCNT is well mixed with PLA and the average diameter is as follows. PLA: 1.68 ± 0.2 mm; SWCNT-10% / PLA: 1.65 ± 0.1 mm; SWCNT-20% / PLA: 1.67 ± 0.2 mm; SWCNT-40% / PLA: 1.68 ± 0.2 mm. The surface of the carbon-based filament had a relatively smooth and uniform diameter.

탄소 기반 필라멘트의 기계적 테스트Mechanical testing of carbon based filaments

생체 모방을 달성하기 위해, 필라멘트는 가공이 용이해야 하고, 기계적 강도가 높으며, 분해 속도가 조절 가능해야 한다. 이러한 복잡한 필라멘트를 만들기 위해 최근 천연 및 합성 중합체를 사용하는 하이브리드 시스템이 사용되었다. In order to achieve biomimetics, the filament must be easy to process, have high mechanical strength, and the rate of decomposition must be adjustable. Hybrid systems using natural and synthetic polymers have recently been used to make such complex filaments.

다양한 재질과 조합이 스캐 폴드 인쇄에 직접적인 영향을 미친다는 것을 명심해야 한다.It should be borne in mind that various materials and combinations have a direct effect on scaffold printing.

본 발명에서 관찰된 응력 - 변형 거동은 유연성으로 인해 스캐폴드에 대한 더 맞춤형 정보를 제공한다.The stress-strain behavior observed in the present invention provides more tailored information about the scaffold due to its flexibility.

탄소 기반 필라멘트의 응력 - 변형률 곡선과 인장 강도는 도 15 (A)와도 15 (B)에 각각 나타내었다. 응력 - 변형률 다이어그램은 서로 다른 재료와 물체의 기계적 특성을 비교하는 중요한 정보를 보여준다. 변형률이 약 14 % 일 때 PLA 필라멘트의 항복점(yield point)이 발생하고 그 후에 하중은 더 이상 증가하지 않는다. The stress-strain curve and tensile strength of the carbon-based filaments are shown in FIGS. 15(A) and 15(B), respectively. The stress-strain diagram shows important information comparing the mechanical properties of different materials and objects. When the strain rate is about 14%, the yield point of the PLA filament occurs, after which the load no longer increases.

스트레인이 각각 20 % 및 11 % 일 때 SWCNT-10 % / PLA 필라멘트 및 SWCNT-20 % / PLA 필라멘트의 항복점이 발생했다. SWCNT-40 % / PLA 필라멘트의 경우 변형률은 약 10 %였다. Yields of SWCNT-10%/PLA filament and SWCNT-20%/PLA filament occurred when the strains were 20% and 11%, respectively. In the case of SWCNT-40% / PLA filament, the strain was about 10%.

이러한 결과는 SWCNT-20 % / PLA 필라멘트와 SWCNT-40 % / PLA 필라멘트가 기존의 PLA 필라멘트보다 높은 탄성을 가짐을 보여준다. These results show that SWCNT-20% / PLA filament and SWCNT-40% / PLA filament have higher elasticity than conventional PLA filament.

PLA 필라멘트의 인장 강도는 8 ± 0.94 MPa이고, SWCNT-10 % / PLA, SWCNT-20 % / PLA 및 SWCNT-40 % / PLA 필라멘트는 각각 10 ± 0.84, 11 ± 1.4 및 8 ± 1.4 MPa이며, (도 15 (B)). SWCNT-20 % / PLA 필라멘트의 인장 강도는 기존의 PLA보다 약 1.4 배 높았다 (* p <0.05).The tensile strength of PLA filament is 8±0.94 MPa, SWCNT-10%/PLA, SWCNT-20%/PLA and SWCNT-40%/PLA filaments are 10±0.84, 11±1.4 and 8±1.4 MPa, respectively, ( Figure 15 (B)). The tensile strength of SWCNT-20%/PLA filament was about 1.4 times higher than that of conventional PLA (*p <0.05).

복합 필라멘트의 인장 강도는 첨가된 SWCNT의 비율에 비례하지 않았다. 이 차이는 탄소 나노 튜브가 고분자 매트릭스에 완전히 분산되어 있지 않기 때문에 부하 전달 효능이 감소했기 때문인 것으로 보인다.The tensile strength of the composite filament was not proportional to the proportion of SWCNT added. This difference seems to be due to the reduced load transfer efficiency because the carbon nanotubes are not completely dispersed in the polymer matrix.

이것은 고분자 매트릭스에 존재하는 CNT의 양이 임계 수준 이상으로 증가함에 따라 CNT가 응집되어 유효 응력 전달을 감소시키는 것으로 보인다. This appears to cause the CNTs to aggregate and reduce effective stress transfer as the amount of CNTs present in the polymer matrix increases above a critical level.

따라서, 본 발명에서 스캐폴드는 SWCNT-40 % / PLA 필라멘트를 제외하고 3 개의 실험 그룹에서 제조되었다.Thus, the scaffolds in the present invention were prepared in three experimental groups except SWCNT-40%/PLA filaments.

탄소 기반 필라멘트의 세포독성 평가Cytotoxicity assessment of carbon-based filaments

탄소 기반 필라멘트에 대한 WST-1 분석 결과는 도 16에 나타내었다. The results of WST-1 analysis for carbon-based filaments are shown in FIG. 16.

대조군 및 탄소 기반 PLA 필라멘트로부터 추출된 PLA 필라멘트는 서로 유의한 차이가 없었다 (p> 0.05). 이러한 결과는 탄소 기반의 PLA 필라멘트는 세포 독성이 없음을 보여 주었다. There was no significant difference between the PLA filaments extracted from the control and carbon-based PLA filaments (p>0.05). These results showed that the carbon-based PLA filament was not cytotoxic.

무독성, 생체 적합성 및 생분해성은 스캐폴드 재료의 중요한 특성이며 원하는 조직만 남겨 두고 분해되어야만 한다. Non-toxicity, biocompatibility and biodegradability are important properties of the scaffold material and must be degraded leaving only the desired tissue.

또한 최소한의 염증 반응을 유도하고 세포 부착, 증식 및 분화를 촉진시키는 기질로 작용할 수 있다면 유익할 것이다. 이 탄소 기반 PLA 복합 재료의 생분해 및 생체 적합성은 본 발명에서 측정되지 않았다. 그러나 인간 간엽 줄기 세포 (hMSCs)를 이용한 이전의 연구들은 이러한 필라멘트가 독성이나 염증을 일으키지 않으며 세포 활동을 현저하게 증가시킨다는 것을 보여 주었다.It would also be beneficial if it could act as a substrate that induces minimal inflammatory responses and promotes cell adhesion, proliferation and differentiation. The biodegradation and biocompatibility of this carbon based PLA composite material was not measured in the present invention. However, previous studies with human mesenchymal stem cells (hMSCs) have shown that these filaments do not cause toxicity or inflammation and significantly increase cell activity.

FDM 기술을 사용한 FDM technology 스캐폴드의Scaffolding 제작 making

입자 크기, 층 두께, 분포 및 방향과 같은 3D 인쇄 요소의 경우 고려해야 한다. 이러한 인자들은 세포 부착, 증식 및 분화에 직접 영향을 미치는 미세 다공성에 영향을 미친다. 3D printing factors such as particle size, layer thickness, distribution and orientation should be considered. These factors influence microporosity, which directly affects cell adhesion, proliferation and differentiation.

본 발명에서 본 발명자들은 infill pattern과 scaffold의 밀도와 같은 두 가지 제어 변수를 수정했다. 스캐폴드에 대해 2 가지 등급이 평가되었다 : 30 %와 50 %. 소프트웨어 기능에는 9 가지 유형의 패턴이 있지만 일반적으로 사용되는 세 개의 삼각형, 사면체 및 지그재그만 선택되었다. In the present invention, the present inventors modified two control parameters such as infill pattern and scaffold density. Two grades were evaluated for the scaffold: 30% and 50%. There are nine types of patterns in the software function, but only three commonly used triangles, tetrahedra and zigzag were selected.

도 17은 스캐폴드의 상이한 패턴 및 밀도를 나타내었다 : (A) 30 % 삼각형; (B) 50 % 삼각형; (C) 30 % 사면체; (D) 50 % 사면체; (E) 30 % 지그재그; (F) 지그재그 50 %. Figure 17 shows different patterns and densities of the scaffold: (A) 30% triangle; (B) 50% triangle; (C) 30% tetrahedron; (D) 50% tetrahedron; (E) 30% zigzag; (F) Zigzag 50%.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 폴리젖산(PLA) 펠렛을 녹인 후에 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하여 합성된 샘플을 압출기에 넣어 압출성형하여 필라멘트를 제조하는 방법에 있어서, 폴리젖산(PLA) 펠렛 대비 단일벽 탄소나노튜브 분말을 10 중량비(w/w) 로 첨가하여 상기 제조된 필라멘트에서 인장강도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 필라멘트 제조 방법. In a method of manufacturing a filament by extruding a sample synthesized by dissolving a polylactic acid (PLA) pellet and mixing a single-walled carbon nanotube powder into an extruder to produce a filament, a single-walled carbon nanotube powder compared to a polylactic acid (PLA) pellet is used. Filament manufacturing method characterized in that to increase the tensile strength in the prepared filament by adding in a weight ratio (w / w). 폴리젖산(PLA) 펠렛을 녹인 후에 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하여 합성된 샘플을 압출기에 넣어 압출성형하여 필라멘트를 제조하는 방법에 있어서, 폴리젖산(PLA) 펠렛 대비 단일벽 탄소나노튜브 분말을 20 중량비(w/w) 로 첨가하여 상기 제조된 필라멘트에서 인장강도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 필라멘트 제조 방법.
In a method of manufacturing a filament by extruding a sample synthesized by dissolving a polylactic acid (PLA) pellet and mixing a single-walled carbon nanotube powder into an extruder to produce a filament, a single-walled carbon nanotube powder compared to a polylactic acid (PLA) pellet is used. Filament production method characterized in that to increase the tensile strength in the prepared filament by adding in a weight ratio (w / w).
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