KR102181642B1 - 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료 및 이를 이용한 생체 구조체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료 및 이를 이용한 생체 구조체의 제조방법에 관한 것이다:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서, a는 1 내지 10의 정수이고, n은 10 내지 100의 정수이다.

Description

지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료 및 이를 이용한 생체 구조체의 제조방법{BIOMATERIAL FOR BIOPRINTING COMPRISING ALIPHATIC POLYCARBONATE AND MANUFACTURING METHOD OF BIOSTRUCTURE USING THE SAME}

본 발명은 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 3D 프린팅용 생체 재료 및 이를 이용한 생체 구조체의 제조방법에 관한 것이다.

고령화 사회가 도래함에 따라, 장기 수급 불균형의 문제는 사회 문제로까지 대두되고 있다. 해를 거듭할수록 장기 이식 대기자수는 증가하는 추세를 보이고 있으며, 반면 장기 기증자의 수는 답보 상태에 있다. 이러한 문제의 근본 해결책으로서 조직 및 장기의 재생을 가능케 하는 조직공학이 각광을 받고 있다.

조직공학을 이루는 주요 3 요소(세포, 생체 구조체 및 생체 활성분자) 중 생체 지지체는 구성 재료 선택과 구조 제어 기술이 매우 중요하다. 즉, 생체 구조체는 자가복구기능을 통해 손실한 조직을 재생시키기 위하여 조직과 조직을 이어주는 다리와 같은 역할을 하며, 이를 위하여 조직재생이 원활히 이루어지도록 세포친화성이 뛰어나야 한다. 또한, 세포가 3 차원적으로 잘 자라며 영양분 및 배설물 등의 교환이 잘 이루어질 수 있도록 일정한 크기영역에서 3차원적으로 잘 연결되어 있는 기공 구조를 가지고, 조직의 재생속도에 맞추어 분해되어 없어지는 생분해성과 재생되는 동안 형태를 유지시켜줄 기계적 강도를 가져야 하며, 생체안전성이 뛰어나야 한다. 특히, 뼈와 치아와 같은 경조직 재생에 있어서는 재생부위에 따른 기계적 물성 확보가 중요하다.

종래의 생체 구조체 제조법으로는 염 추출법, 입자추출, 가스 발포법 및 전기방사법 등이 있으며, 이의 방법은 생체 구조체 제조에 있어서 다공도 및 생체 구조체의 형태를 제어하기 어려운 문제점이 존재한다. 따라서, 조직/장기를 환자 맞춤형으로 3D 프린팅하는 개념인 바이오 프린팅 기술이 많은 사람의 관심을 끌고 있는 분야이다. 그러나, 앞선 생체 구조체의 조건인 물리적 안정성, 생리활성 인자 조절, 생분해성 및 생체적합성을 특징으로 하는 바이오 프린팅용 생채 재료의 부족으로 바이오 프린팅 응용에 한계가 있다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료 등을 제공하고자 한다:

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, a는 1 내지 10의 정수이고, n은 10 내지 500의 정수이다.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료를 제공한다:

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, a는 1 내지 10의 정수이고, n은 10 내지 500의 정수이다.

상기 지방족 폴리카보네이트는 디메틸카보네이트 및 탄소수 1~10개의 직쇄 알킬디올 간의 반응을 통해 제조될 수 있다.

상기 생체 재료는 펠렛 형태 또는 필라멘트 형태일 수 있다.

상기 필라멘트 형태의 생체 재료는 상기 펠렛 형태의 생체 재료를 160℃ 내지 185℃의 온도 조건에서 압출 및 방사시킴으로써 제조될 수 있다.

본 발명의 일 구현예로, 하기 화학식 1로 표시되는 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료를 바이오 프린터의 챔버에 투입한 후, 성형하는 단계를 포함하는 생체 구조체의 제조방법을 제공한다:

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, a는 1 내지 10의 정수이고, n은 10 내지 500의 정수이다.

상기 바이오 프린터가 공압식 3D 바이오 프린터인 경우, 상기 성형은 160℃ 내지 180℃의 온도 조건 및 200 kPa 내지 400 kPa의 압력 조건에서 수행될 수 있다.

상기 바이오 프린터가 FDM 방식 3D 바이오 프린터인 경우, 상기 성형은 180℃ 내지 200℃의 온도 조건에서 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 방법에 따라 제조된 생체 구조체를 제공한다.

상기 생체 구조체는 세포 부착을 위한 다공성 구조이고, 상기 다공성 구조는 50 ㎛ 내지 100 ㎛의 기공을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료는 우수한 물성(열안정성 및 기계적 강도)과 뛰어난 생분해성을 가지는바, 이를 바이오 프린터에 적용하여 생체 구조체를 용이하게 제조할 수 있다. 상기 제조된 생체 구조체는 세포 독성 없이 세포 부착능이 우수하며, 생분해성이 뛰어난 이점을 가진다.

또한, 상기 생체 재료를 바이오 프린터에 적용하는 경우, 온도 또는 압력 조건을 최적화함으로써, 인쇄 적성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료를 이용한 생체 구조체의 제조 방법을 보여주는 모식도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 펠렛 형태의 생체 재료의 열안정성 평가 결과를 보여주는 그래프 및 사진이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 펠렛 형태의 생체 재료를 압출 및 방사시킴으로써 필라멘트 형태의 생체 재료를 제조하는 과정을 보여주는 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 펠렛 형태의 생체 재료를 공압식 3D 바이오 프린터에 적용함으로써, 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드를 제조하는 과정을 보여주는 사진이다.
도 5(a) 내지 (c)는 실시예 1에서 제조된 펠렛 형태의 생체 재료를 FDM 방식 3D 바이오 프린터에 적용함으로써, 다양한 형태의 생체 구조체를 제조하는 과정을 보여주는 사진이다.
도 6은 실시예 2에서 제조된 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드의 세포 독성 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예 2에서 제조된 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드의 세포 부착능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 실시예 2에서 제조된 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드의 생분해성 평가 결과를 보여주는 그래프이다.

본 발명자들은 지방족 폴리카보네이트를 대상으로 한 연구를 지속하던 중, 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 생체 재료를 바이오 프린터에 적용함으로써, 생체 구조체를 용이하게 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

바이오 프린팅용 생체 재료

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료를 제공한다:

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, a는 1 내지 10의 정수이고, n은 10 내지 500의 정수이다.

상기 지방족 폴리카보네이트는, 종래 바이오 프린팅용 생체 재료로 주로 사용되는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PLA(PolyLactic Acid) 등에 비해, 우수한 물성(열안정성 및 기계적 강도)과 뛰어난 생분해성을 동시에 가지는 것을 특징으로 하는바, 바이오 프린팅 생체 재료로서 바람직하다. 특히, 상기 지방족 폴리카보네이트의 열안정성을 GPC를 통해 평가한 결과, 200℃ 이내의 온도에서 열안정성을 유지하는 것으로 확인된다.

구체적으로, 상기 지방족 폴리카보네이트는 폴리부틸렌 카보네이트일 수 있다. 특히, 상기 지방족 폴리카보네이트가 폴리부틸렌 카보네이트인 경우, 이를 제조하기 위한 단량체인 1,4-부탄디올의 수급이 용이할 뿐만 아니라, Tm이 약 60℃로서 상온 보다 크게 높다는 이점을 가진다.

상기 지방족 폴리카보네이트의 중량평균분자량(Mw)은 1,000 내지 300,000인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 지방족 폴리카보네이트의 중량평균분자량(Mw)이 1,000 미만인 경우에는, 물성, 특히, 기계적 강도가 저하되는 문제점이 있고, 지방족 폴리카보네이트의 중량평균분자량(Mw)이 300,000를 초과하는 경우에는, 제조가 용이하지 않은 문제점이 있다.

상기 지방족 폴리카보네이트는 디메틸카보네이트 및 탄소수 1~10개의 직쇄 알킬디올 간의 반응을 통해 제조될 수 있다. 이때, 촉매로서, NaOH 또는 NaOCH₃을 사용할 수 있고, 100℃ 내지 200℃ 에서 3 시간 내지 10 시간 동안 반응을 통해 제조될 수 있다. 이때, 상기 반응은 상압 조건 하에 100℃ 내지 150℃ 에서 30 분 내지 2 시간 동안 1차적으로 수행된 다음, 다단 감압 조건 하에 160℃ 내지 200℃에서 3 시간 내지 8 시간 동안 2차적으로 수행될 수 있다.

상기 생체 재료는 펠렛 형태 또는 필라멘트 형태일 수 있다.

본 명세서 내 “펠렛 형태(pellet form)”라 함은 일정 크기의 입상물 형태를 의미하는 것으로, 평균 입자 크기가 0.1 mm 내지 10 mm일 수 있다. 또한, 본 명세서 내 “필라멘트 형태(filament form)”라 함은 실처럼 가는 섬유 형태를 의미하는 것으로, 평균 직경이 0.1 mm 내지 10 mm일 수 있다.

상기 필라멘트 형태의 생체 재료는 상기 펠렛 형태의 생체 재료를 압출 및 방사시킴으로써 제조될 수 있는데, 상기 펠렛 형태의 생체 재료를 160℃ 내지 185℃의 온도 조건의 온도 조건에서 압출 및 방사시킴으로써 제조되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 필라멘트 형태의 생체 재료를 제조하기 위한 온도 조건을 상기 범위와 같이 유지함으로써, 필라멘트의 두께가 균일하게 출력되는 이점을 가진다.

상기 생체 재료가 펠렛 형태인 경우에는 공압식 3D 바이오 프린터에 적용되는 것이 바람직하고, 상기 생체 재료가 필라멘트 형태인 경우에는 FDN 방식 3D 바이오 프린터에 적용되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

생체 구조체의 제조방법

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료를 바이오 프린터의 챔버에 투입한 후, 성형하는 단계를 포함하는 생체 구조체의 제조방법을 제공한다:

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, a는 1 내지 10의 정수이고, n은 10 내지 500의 정수이다.

상기 지방족 폴리카보네이트의 구체적인 내용에 대해서는 전술한 바와 같으므로, 중복 설명을 생략하기로 한다.

상기 바이오 프린터는 생체 재료로부터 생체 구조체를 제조하기 위한 것으로, 구체적으로, 상기 바이오 프린터는 컴퓨터의 3D 설계 도면을 전송받아 생체 재료로부터 3D 생체 구조체를 성형하기 위한 3D 바이오 프린터일 수 있다. 이러한 3D 바이오 프린터는 성형 방식에 따라 분류될 수 있다.

일 예로, 상기 바이오 프린터는 압축 공기에 의한 압력을 이용하는 공압식 3D 바이오 프린터일 수 있다. 상기 바이오 프린터가 공압식 3D 바이오 프린터인 경우, 펠렛 형태 또는 필라멘트 형태의 생체 재료를 용융시킨 후 생체 구조체로 성형할 수 있는데, 상기 성형은 온도 및 압력을 동시에 가하여 수행되기 때문에, 다른 성형 방식에 비해 비교적 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 상기 바이오 프린터가 공압식 3D 바이오 프린터인 경우, 상기 성형은 160℃ 내지 180℃의 온도 조건 및 200 kPa 내지 400 kPa의 압력 조건에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 성형을 위한 온도가 너무 낮은 경우에는 원료의 용융이 이루어지지 아니하여 출력이 이루어지지 않는 문제점이 있고, 성형을 위한 온도가 너무 높은 경우에는 원료의 열안정성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 성형을 위한 압력이 너무 낮은 경우에는 출력이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있고, 성형을 위한 압력이 너무 높은 경우에는 너무 강한 압력으로 인하여 정상적인 모양으로 출력이 이루어지지 않는 문제점이 있다.

이때, 출력 속도는 10 mm/sec 내지 50 mm/sec를 유지하고, 노즐 직경은 0.1 mm 내지 1.0 mm를 유지함으로써, 인쇄 적성을 더욱 향상시킬 수 있다.

다른 예로, 상기 바이오 프린터는 필라멘트 형태의 생체 재료를 용융시킨 후, 이를 노즐을 통해 분사시킨 다음, 이를 층층이 쌓아 생체 구조체로 성형하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식 3D 바이오 프린터일 수 있다. 상기 바이오 프린터가 FDM 방식 3D 바이오 프린터인 경우, 상기 성형은 180℃ 내지 200℃의 온도 조건에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 성형을 위한 온도가 너무 낮은 경우에는 원료의 용융이 이루어지지 아니하여 출력이 이루어지지 않는 문제점이 있고, 성형을 위한 온도가 너무 높은 경우에는 원료의 열안정성이 저하되어 정상적인 모양으로 출력이 이루어지지 않는 문제점이 있다.

이때, 출력 속도는 30 mm/sec 내지 80 mm/sec를 유지하고, 노즐 직경은 0.1 mm 내지 1.0 mm를 유지함으로써, 인쇄 적성을 더욱 향상시킬 수 있다.

생체 구조체

본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 생체 구조체를 제공한다.

상기 생체 구조체는 생체에 적용가능한 구조체를 의미하는 것으로, 상기 생체 구조체는 세포 독성 없이 세포 부착능이 우수하며, 생분해성이 뛰어난 이점을 가진다. 구체적으로, 상기 생체 구조체는 바이오 인공 지지체인, 스캐폴드일 수 있다.

구체적으로, 상기 생체 구조체는 세포 부착을 위한 다공성 구조일 수 있는데, 이때, 상기 다공성 구조는 50 ㎛ 내지 100 ㎛의 기공을 가지는 것일 수 있다. 상기 생체 구조체의 다공성 구조는 50 ㎛ 내지 100 ㎛의 기공을 가짐으로써, 세포 독성 없이 우수한 세포 부착능을 가질 수 있다. 이때, 상기 생체 구조체의 다공성 구조가 상기 기공의 범위를 벗어나는 경우에는, 세포 증식 및 세포 부착이 느려지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 지방족 폴리카보네이트를 포함하는 바이오 프린팅용 생체 재료는 우수한 물성(열안정성 및 기계적 강도)과 뛰어난 생분해성을 가지는바, 이를 바이오 프린터에 적용하여 생체 구조체를 용이하게 제조할 수 있다. 상기 제조된 생체 구조체는 세포 독성 없이 세포 부착능이 우수하며, 생분해성이 뛰어난 이점을 가진다.

또한, 상기 생체 재료를 바이오 프린터에 적용하는 경우, 온도 또는 압력 조건을 최적화함으로써, 인쇄 적성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1: 바이오 프린팅용 생체 재료의 제조

종래 문헌(Macromolecules, 2013, 46, 3301)에 보고된 방법에 따라 폴리부틸렌 카보네이트(n= 150)를 포함하는 펠렛 형태의 바이오 프린팅용 생체 재료를 제조하였다.

구체적으로, 촉매로서, NaOH 하에, 디메틸카보네이트 및 1,4-부탄디올을 120℃에서 1시간 동안 반응시킴으로써, 내부의 휘발물질을 제거하였다. 이후, 압력을 570 mmHg로 낮추고 190℃에서 30분 동안 반응을 진행한 후 생성된 휘발물질을 드라이 아이스/아세톤을 이용하여 응축시켰다. 압력을 380 mmHg로 낮추고, 190℃에서 2시간 동안 반응을 진행한 다음, 압력을 190 mmHg로 낮추고, 190℃에서 1시간 동안 반응을 진행하였다. 그 다음, 압력을 0.3 mmHg로 낮추고, 190℃에서 2시간 동안 반응을 진행함으로써, 폴리부틸렌 카보네이트(n= 150)를 포함하는 펠렛 형태의 바이오 프린팅용 생체 재료를 제조하였다.

이때, 제조된 펠렛 형태의 생체 재료의 열안정성을 평가하기 위해서, 이를 1g씩 가열 챔버에 투입하여 온도별로 6시간 후 GPC 및 이미지를 통해, 열안정성 평가 결과를 확인하였고, 이를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 제조된 펠렛 형태의 생체 재료는 200℃까지 열안정성을 유지하는 것으로 확인되나, 200℃를 초과하는 온도에서는 열안정성을 유지하지 못하고 갈변하는 것으로 확인된다.

제조된 펠렛 형태의 생체 재료 10g을 필라멘트 제조기에 투입한 후, 165℃의 온도 조건에서 약 30분 동안 유지한 다음, 압출 및 방사를 통해 직경 1.75 mm, 길이 60 cm의 필라멘트 형태의 생체 재료를 제조하였고, 그 제조 과정은 도 3에 나타내었다.

실시예 2: 펠렛 형태의 생체 재료를 공압식 바이오 프린터에 적용

실시예 1에서 제조된 펠렛 형태의 생체 재료를 공압식 3D 바이오 프린터에 적용하는 경우, 온도 및 압력 조건에 따른 인쇄 적성을 평가하였고, 그 결과는 하기 표 1 및 표 2에 각각 나타내었다.

펠렛 형태의 생체 재료
온도 (℃)	<160	160	180	200	>200
인쇄 적성	X	◎	◎	△	△
출력물 이미지	출력 되지 않음

표 1에 나타낸 바와 같이, 공압식 3D 바이오 프린터가 160 ~ 180℃의 온도 조건을 유지하는 경우, 출력물의 이미지가 우수하여 인쇄 적성이 매우 양호한 것으로 확인되나, 공압식 3D 바이오 프린터의 온도 조건이 160℃ 미만인 경우, 원료의 용융이 이루어지지 아니하여 출력되지 않는 것으로 확인된다. 또한, 공압식 3D 바이오 프린터의 온도 조건이 200℃ 이상인 경우, 원료가 갈변하면서 흐르는 형태로 출력되어 형태가 유지되지 못하는 것으로 확인된다.

펠렛 형태의 생체 재료
압력 (kPa)	<100	100	200	300	400	500	>500
인쇄 적성	X	X	◎	◎	◎	△	△

표 2에 나타낸 바와 같이, 공압식 3D 바이오 프린터가 200 ~ 400 kPa의 압력 조건을 유지하는 경우, 인쇄 적성이 매우 양호한 것으로 확인되나, 공압식 3D 바이오 프린터의 압력 조건이 100 kPa 이하인 경우, 압력이 너무 약하여 출력되지 않는 것으로 확인된다. 또한, 공압식 3D 바이오 프린터의 압력 조건이 500 kPa 이상인 경우, 압력이 너무 강하여 출력물이 정상적인 모양으로 출력되지 않는 것으로 확인된다.

즉, 실시예 1에서 제조된 펠렛 형태의 생체 재료를 공압식 3D 바이오 프린터에 적용하는 경우, 160 ~ 180℃의 온도 조건 및 200 ~ 400 kPa의 압력 조건에서 인쇄 적성이 매우 우수한 것으로 볼 수 있다.

이를 토대로, 실시예 1에서 제조된 펠렛 형태의 생체 재료를 공압식 3D 바이오 프린터의 챔버에 투입한 후, 출력 도면을 NC code로 변환한 다음, 챔버의 온도 조건을 160 ~ 180℃로, 압력 조건을 200 ~ 400 kPa로 설정하고, 출력 속도 20 mm/sec 및 노즐 직경 0.4 mm로 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드(가로 X 세로 = 1 X 1 cm)를 제조하였고, 그 제조 과정은 도 4에 나타내었다.

실시예 3: 필라멘트 형태의 생체 재료를 바이오 프린터에 적용

실시예 1에서 제조된 필라멘트 형태의 생체 재료를 FDM 방식 3D 바이오 프린터에 적용하는 경우, 온도 조건에 따른 인쇄 적성을 평가하였고, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.

	필라멘트 형태의 생체 재료
온도 (℃)	<140	140	160	180	200	>200
인쇄 적성	X	△	△	◎	◎	○
출력물 이미지	출력 되지 않음

표 3에 나타낸 바와 같이, FDM 방식 3D 바이오 프린터가 180 ~ 200℃의 온도 조건을 유지하는 경우, 출력물의 이미지가 우수하여 인쇄 적성이 매우 양호한 것으로 확인되나, FDM 방식 3D 바이오 프린터의 온도 조건이 140℃ 이하인 경우, 원료의 용융이 이루어지지 아니하여 출력되지 않는 것으로 확인되고, FDM 방식 3D 바이오 프린터의 온도 조건이 140 ~ 160 ℃인 경우, 원료의 완전한 용융이 이루어지지 아니하여 출력 두께가 일정하지 않은 것으로 확인된다. 또한, FDM 방식 3D 바이오 프린터의 온도 조건이 200℃ 를 초과하는 경우, 기존 설정한 출력 두께 보다 얇게 출력되는 것으로 확인된다.

즉, 실시예 1에서 제조된 필라멘트 형태의 생체 재료를 FDM 방식 3D 바이오 프린터에 적용하는 경우, 180 ~ 200℃의 온도 조건에서 인쇄 적성이 매우 우수한 것으로 볼 수 있다.

이를 토대로, 실시예 1에서 제조된 필라멘트 형태의 생체 재료를 FDM 방식 3D 바이오 프린터의 챔버에 투입한 후, 챔버의 온도 조건을 180 ~ 200℃로 로 설정하고, 출력 속도 40 mm/sec 및 노즐 직경 0.4 mm로 다양한 형태의 생체 구조체를 제조하였고, 그 제조 과정은 도 5(a) 내지 (c)에 나타내었다.

실험예 1: 생체 이식용 스캐폴드의 세포 독성 평가

실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드를 rBMSC 세포(1 X 10⁴cell)와 혼합하여 24 웰-플레이트에 첨가하여 습한 5% CO₂배양기에서 37℃ 온도 조건으로 1, 4, 7일 동안 배양하였다. 대조군으로 동일한 수의 rBMSC 세포만이 함유된 24 웰-플레이트의 웰에 배양하였다. 세포 독성은 WST-1 키트를 사용하여 측정하였다. WST-1 시약 100μL을 rBMSC가 들어있는 well에 넣고, 24 웰-플레이트를 37℃에서 4시간 동안 배양하였다. 그 후 각 웰에서 100 μL씩 분취하여 96 웰-플레이트로 옮긴 다음, 마이크로플레이트 판독기를 이용하여 450 nm에서 용액의 흡광도를 측정하였고, 그 결과는 도 6에 나타내었다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드는 기공의 크기가 50 ~ 100 ㎛의 범위인 경우, 세포가 잘 자라는 것으로 확인되나, 기공의 크기가 150 ㎛ 이상의 범위인 경우, 세포 증식이 느려지는 것으로 확인된다. 즉, 세포 독성 평가 결과, 실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드의 최적 기공의 크기는 50 ~ 100 ㎛인 것으로 확인된다.

실험예 2: 생체 이식용 스캐폴드의 세포 부착능 평가

실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드를 rBMSC 세포(1 X 10⁴cell)와 혼합하여 24 웰-플레이트에 첨가하여 습한 5% CO₂배양기에서 37℃ 온도 조건으로 1, 4, 7일 동안 배양하였다. 대조군으로 동일한 수의 rBMSC 세포만이 함유된 24 웰-플레이트의 웰에 배양하였다. rBMSC 세포가 함유된 생체 이식용 스캐폴드를 2.5 %의 글루타르 알데하이드를 통해 24시간 동안 고정하고, 에탄올 탈수 과정을 진행하였다. 고정된 생체 이식용 스캐폴드를 plasma-sputtering apparatus를 이용하여 금으로 표면을 코팅하였고, 주사 전자현미경을 이용하여 측정하였고, 그 결과는 도 7에 나타내었다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드는 기공의 크기가 50 ~ 100 ㎛의 범위인 경우, 세포 부착이 잘 이루어지는 것으로 확인되나, 기공의 크기가 150 ㎛ 이상의 범위인 경우, 세포 부착이 느려지는 것으로 확인된다. 즉, 세포 부착능 평가 결과, 실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드의 최적 기공의 크기는 50 ~ 100 ㎛인 것으로 확인된다.

실험예 3: 동물 실험을 통한 생체 이식용 스캐폴드의 생분해성 평가

건강한 백서 수컷 8주령을 3일간 실험실에 적응시킨 후, 실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드를 삽입하기 위한 수술을 진행하였다: 구체적으로, 적응시킨 백서를 마취시켜 등의 털을 깎고 포비돈을 이용하여 소독 후 등의 2~3 cm 정도 피하를 절제한 다음, 절제한 피하에 실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드를 삽입시켰다. 수술을 마친 백서는 물과 먹이를 충분히 주고 16주 동안 살펴본 이후 희생시켜, 등에 새로운 절개선을 가하여 이식한 실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드를 꺼내어, 이의 생분해 정도를 GPC를 통해 확인하였고, 그 결과는 도 8에 나타내었다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에서 제조한 다공성 구조의 생체 이식용 스캐폴드는 백서 내에서 면역반응을 일으키지 않고 생분해된 것으로 확인된다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

1. 평균 입자 크기가 0.1 mm 내지 10 mm인 펠렛 형태의 바이오 프린팅용 생체 재료로서, 하기 화학식 1로 표시되는 지방족 폴리카보네이트를 공압식 3D 바이오 프린터의 챔버에 투입한 후, 160℃ 내지 180℃의 온도 조건 및 200 kPa 내지 400 kPa의 압력 조건에서 성형하는 단계를 포함하는 생체 구조체의 제조방법으로서,
   상기 성형시, 출력 속도는 10 mm/sec 내지 50 mm/sec를 유지하고, 노즐 직경은 0.1 mm 내지 1.0 mm를 유지하며,
   상기 생체 구조체는 세포를 부착하기 위한 다공성 구조를 가지고, 상기 다공성 구조는 50 ㎛ 내지 100 ㎛인 기공을 가지는 것을 특징으로 하는, 생체 구조체의 제조방법:
   [화학식 1]
   

   

   
   상기 화학식 1에서, a는 1 내지 10의 정수이고, n은 10 내지 500의 정수이다.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 지방족 폴리카보네이트는 디메틸카보네이트 및 탄소수 1~10개의 직쇄 알킬디올 간의 반응을 통해 제조된 것인, 생체 구조체의 제조방법.
   
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