KR102211550B1 - 다공성 고분자 보강대를 가진 나노섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 나노섬유 층; 및 상기 나노섬유 층 상 또는 내에 배치되어 상기 나노섬유층과 접합된 다공성 보강 패턴; 다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양용 나노섬유 매트에 관한 것이다.

Description

다공성 고분자 보강대를 가진 나노섬유{Nanofiber culture mats with framework of polymer foam}
본 발명은 세포배양에 활용되는 보강대를 가진 나노섬유 매트에 관한 것이다.
세포 배양과 관련한 웰플레이트와 패트리디쉬(이하, ‘세포배양용 디쉬’로 통칭) 등이 생물학 및 생화학적 연구, 약물의 개발 및 테스트 등 다양한 분야에서 보편적으로 사용되고 있다. 이러한 세포배양용 디쉬는 접시 및 판(petri dish, well plate) 형태를 가지며, 일반적으로 평판 형태를 가지며, 여기에 세포의 부착이 적합하도록 표면처리를 한 수준에 있다.
최근, 전기방사된 나노섬유에 대한 많은 관심이 일고 있으며, 이중 세포의 배양과 관련한 측면에서 높은 관심의 대상이 되고 있다. 이는 전기방사된 나노섬유가 인체 내부의 세포외기질(ECM, extracellular matrix)의 섬유질 구조와 비슷하며, 그 크기도 다른 재료에 비해 높은 유사성을 가지기 때문이다. 이로 인해 세포의 배양에 있어서 보다 효과적인 세포 배양품질을 얻을 수 있으며, 추가적으로 나노섬유에 약물을 포함시켜 이들이 점진적으로 방출되어 세포에 영향을 미치도록 함으로써 세포의 배양을 특정 방향으로 유도하거나 배양효율을 높이는 등 다양한 효과를 추가적으로 얻을 수 있다.
최근 나노섬유를 기반으로 하는 세포배양 매트가 다양한 실험에서 활용되고 있으며, 그 한 예로는 보편적으로 활용할 목적으로 웰플레이트나 디쉬에 넣어 사용할 수 있는 매트를 상품화하여 판매 중에 있다. 또한 일반적으로 나노섬유는 실험실 수준에서 개별적으로 전기방사를 통해 얻고 세포배양하는 수준에 있다. 이러한 매트의 활용에 있어서는 많은 개선점이 요구되고 있다.
기존 등록특허(등록번호: 1014867340000)의 나노섬유 인서트(보강대를 가진 나노섬유 매트)는 기존의 세포배양용 나노섬유 매트가 가진 한계를 극복하기 위해 보강대를 설치한 구조이다. 이러한 제품은 기존의 나노섬유가 가지는 많은 단점을 극복할 수 있는 기회를 제공할 수 있으나, 그 활용에서 일부 개선이 요구되는 점을 가지고 있다.
종래의 나노섬유 인서트는 세포를 인서트의 나노섬유 상에 파종(세포 서스팬션을 나노섬유 위에 도포 또는 부어주어 세포가 나노섬유에 부착되도록 함) 후 또는 전에 세포배양배지(cell culture medium)가 담긴 세포배양용 용기에 담겨지게 되고, 이때 나노섬유 인서트(일반적인 생체적합성 고분자의 밀도: 약 1.03 수준)는 배지와 유사한 밀도로 인해 배지내에 존재할 수 있으나 시간이 지남에 따라 수면, 수면아래 임의 위치 등에 임의로 존재할 수 있으나, 밀도 문제 및 시험 작업 등등의 문제로 항상 수면에 존재함이 어려운 문제점을 새롭게 인식하였다.
또한, 최근 화장품과 관련한 동물실험이 전세계적으로 금지되고 있으며, 각종 동물실험에 대한 윤리적 문제 등의 대두로 실험에 따라 여러가지 동물실험 대체기술이 개발되고 있으며, 체외배양(in-vitro test 또는 ex-vivo test)을 이용한 접근이 적절한 것으로 평가되고 있다. 다양한 세포 및 조직의 배양에 있어서 공기 및 액체와 동시에 접촉하는 조직(예, 피부, 점막, 각막 등등)에 대해서는 세포배양과정 중 공기 부양(air-lift) 단계를 통해 세포배양 시편의 한 면 공기와 접하고 한 면은 배양배지와 접하도록 하는 과정이 필수적일 것인데, 이를 위해서는 배양시편을 걸쳐두거나 띄우는 장치가 부가적으로 필요하지만 현재의 실험환경에서는 많은 어려움이 있다.
본 발명은 기존 나노섬유 인서트가 가지는 다음의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 나노섬유 인서트가 별다른 장치 없이 수면 상에 존재할 수 있도록 하여 섬유의 아랫면이 배양배지와 맞닿고, 윗면이 공기중에 노출될 수 있도록 구성할 수 있는 새로운 나노섬유매트를 제공함을 목적으로 한다.
일 측면으로서, 본 발명은 나노섬유 층; 및 상기 나노섬유 층 상 또는 내에 배치되어 상기 나노섬유층과 접합된 다공성 보강 패턴; 다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양용 나노섬유 매트를 제공한다.
상기 다공성 보강 패턴은 다공성 고분자로 이뤄짐을 특징으로 한다.
상기 다공성 고분자의 공극은 닫힌 셀 구조임을 특징으로 한다.
상기 다공성 보강 패턴은 세포배양액의 밀도보다 낮아 상기 나노섬유 매트를 상기 세포배양액 표면으로 부유시킴을 특징으로 한다.
상기 세포 배양용 나노섬유 매트는 외부로 노출된 생체 조직 세포의 배양용을 특징으로 한다. 상기 생체 조직 세포는 피부, 점막 또는 각막 세포임을 특징으로 한다.
상기 나노섬유 층과 상기 다공성 보강 패턴은, 상기 나노섬유 층의 적어도 일부가 상기 보강 패턴과 함께 용융 고화된 형태, 용해 고화된 형태 및 상기 보강 패턴의 일부가 상기 나노섬유 층으로 침투하여 고화된 형태 중 적어도 어느 하나의 형태로 서로 결합됨을 특징으로 한다.
상기 보강 패턴은 정사각 격자형, 원형 격자형, 마름모 격자형, 직사각 격자형, 지그재그형, 직선형 및 곡선형 중 선택된 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 나노섬유 층은 나노섬유들이 랜덤하게 배열된 구조, 일 방향으로 정렬된 구조 또는 서로 교차하는 2 방향으로 교차로 정렬된 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
다른 측면으로서, 나노섬유층 상에, 다공성 고분자를 프린팅하여 상기 나노섬유층과 접합된 다공성 고분자 보강 패턴을 형성하는 단계를 포함하는, 다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양용 나노섬유 매트의 제조 방법을 제공한다.
상기 다공성 고분자의 프린팅은, 발포성 고분자 재료들을 프린팅 노즐을 통해 토출시켜 프린트 함을 포함하고, 상기 발포성 고분자 재료들은 상기 프린팅 공정 중 또는 프린팅 공정 후 발포되어 다공성 고분자를 형성함을 특징으로 한다.
상기 발포성 고분자 재료들은 발포제를 포함함을 특징으로 한다.
상기 발포성 고분자 재료들은 폴리올 및 폴리이소시아네이트를 포함함을 특징으로 한다.
상기 프린팅 공정 중, 상기 나노섬유층이 놓인 바닥면에 열을 가하여, 상기 발포성 고분자 재료들이 프린팅 직후 발포가 유도됨을 포함하는,
본 발명을 통해 제작되는 세포배양용 나노섬유 매트는 나노섬유와 이를 지지하는 보강대(framework)로 구성되며, 나노섬유를 지지하는 고분자 보강대가 다공성을 가져 저밀도가 되도록 하여, 세포배양배지에서의 다중 세포의 배양(특히 공기에 노출되는 조직/기관)시 공기부양(air-lift)이 가능하도록 한다.
본 발명의 나노섬유매트는 세포배양액 내에서, 인체 내부의 세포외기질 구조와 유사한 형상 특성을 가지기 때문에 세포배양 시 3차원 배양효과를 부여할 수 있으며, 특히 공기부양을 통해 한쪽은 공기와 접하고 한쪽은 액체와 접한 인체 조직(예, 피부, 점막, 각막 등등)의 모사가 가능하며, 이를 이용한 각종 시험 및 실험에 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 매트를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 본 발명의 다공성 고분자 보장 패턴이 세포배양액 층에 부유되는 모습을 설명한다.
도 3은 본 발명의 다공성 고분자 보강 패턴을 형성하는 방법을 도면과 순서도로 예시적으로 설명한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유 매트를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 나노섬유 매트(100)는 나노섬유 층(110), 보강 패턴(120) 및 고정 패턴(130)을 포함한다. 일 실시예에서, 본 발명에 따른 나노섬유매트(100)는 생체 내 조직의 환경과 유사한 생체적합성을 갖는 세포배양용 나노섬유매트일 수 있다.
나노섬유 층(110)은 나노섬유로 형성되어, 다공성을 가진다. 나노섬유 층(110)은 체내 조직 중 세포외기질의 섬유질과 구조가 유사하기 때문에 세포배양에 유용한 3차원 배양효과를 부여할 수 있다.
나노섬유 층(110)의 두께는 수십 나노미터(nm) 내지 수백 마이크로미터(㎛)일 수 있다. 나노섬유 층(110)의 두께가 수십 nm에서 10 ㎛ 미만인 경우, 나노섬유 층(110)의 얇은 두께로 인해 현미경으로 나노섬유에서 배양되고 있는 세포를 용이하게 관찰이 가능한 장점이 있다. 또한, 나노섬유 층(110)의 두께가 10 ㎛ 내지 수백 ㎛인 경우, 세포에게 보다 두꺼운 3차원 환경을 제공할 수 있는 장점이 있다. 나노섬유 매트(100)의 두께는 나노섬유 층(110)의 제조 공정 중에서 전기방사 혹은 용융 블로우 시간을 조절함으로써 극복할 수 있다. 또한, 나노섬유 층(110)을 구성하는 상기 나노섬유의 직경은 수십 nm 내지 수십 ㎛일 수 있다. 특별히 제한되지 않으나, 상기 직경은 100 nm 내지 1 ㎛인 것이 바람직하다.
나노섬유 층(110)은 배양 용기 내부에 배치되도록 나노섬유 층(110)이 삽입되는 배양 용기의 내부 단면적 보다 작은 단면적을 갖고, 이에 의해 나노섬유 층(110)과 배양 용기 사이에는 간극이 존재할 수 있다. 일례로, 나노섬유 매트(100)가 원(통)형의 배양 용기에 배치되는 경우, 나노섬유 층(110)은 원형일 수 있고, 나노섬유 층(110)의 직경은 원형 배양 용기의 내경 보다 10 ㎛ 내지 500 ㎛, 보다 바람직하게는 30 ㎛ 내지 200 ㎛ 작을 수 있다. 상기에서는 배양 용기가 원(통)형인 경우를 예시적으로 들어 설명하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 나노섬유 매트(100)가 배치되는 배양 용기는 목적에 따라 다양한 형상일 수 있다. 이때, 본 발명의 나노섬유 층(110)은 나노섬유 매트(100) 배치 시 간극이 존재하도록 배치되는 배양 용기의 단면적 보다 작은 단면적을 갖는 다양한 형상일 수 있다.
나노섬유 층(110)은 나노섬유가 불규칙하게 배열된 부직포형 섬유매트이거나, 나노섬유가 일 방향으로 정렬된 방향성 섬유매트일 수 있다. 또한, 나노섬유 층(110)은 서로 교차하는 2개의 방향으로만 정렬된 나노섬유를 포함하는 직물형 섬유매트일 수 있다. 이와 달리, 나노섬유 층(110)은 상기 부직포형, 상기 방향성 또는 상기 직물형 섬유매트들 중 2 이상을 선택하여 적층한 구조를 가질 수 있고, 이때, 2 이상의 섬유매트들은 서로 다른 화합물로 형성될 수 있다.
상기 나노섬유는 고분자로 형성된다. 이때, 나노섬유 층(110)의 나노섬유를 형성하는 고분자는 열가소성을 가질 수 있다.
일례로, 상기 나노섬유는 비흡수성 합성 고분자로 형성될 수 있다. 상기 비흡수성 합성 고분자의 예로서는, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 코폴리머(acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, ABS), 나이론(nylon), 폴리아크릴산(poly acrylic acid, PA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아미드(polyamind), 폴리(벤즈이미다졸)(poly(benzimidazol), PBI), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리(에틸렌옥사이드)(poly(ethylene oxide)), 폴리(에틸렌테레프탈레이트)(poly(ehtyleneterephthalate), PET), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌)트리블록 코폴리머(poly(styrene-butadiene-styrene) triblock copolymer), 폴리술폰(polysulfone), 폴리(트리에틸렌테레프탈레이트)(poly(triethyleneterephthalate)), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리우레탄 우레아(poly(urethane urea)), 폴리(비닐알코올)(poly(vinyl alcohol)), 폴리(비닐 카바졸)(poly(vinyl carbazol)), 폴리(비닐클로라이드)(poly(vinyl chloride)), 폴리(비닐 피롤리돈)(poly(vinyl pyrrolidone)), 폴리(비니리덴 플로라이드)(poly(vinylidene fluoride), PVDF), 폴리(비니리덴 플로라이드-코-헥사플루오르프로필렌)(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), P(VDF-HFP)), 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 등의 합성 고분자로 형성될 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2 이상이 조합되어 이용될 수 있다.
다른 예로서, 상기 나노섬유는 생분해성 고분자로 형성될 수 있다. 상기 생분해성 고분자의 예로서는, 폴리락트산(polylatic acide, PLA), DegraPol (상품명, abmedica, 이탈리아), 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL), 폴리디옥사논(Polydioxanone, PDO), 폴리글루탐산 (Poly(glutaci acid), PGA), 폴리(락타이드-코-글리콜라이드)(poly(lactide-co-glycolide), PLGA), 폴리(라타이드-코-ε-카프로락톤)(Poly(L-lactide-co-ε-caprolactone)), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리글리콜라이드(polyglycolic acid, PGA) 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2 이상이 조합되어 이용될 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 나노섬유는 천연 고분자로 형성될 수 있다. 상기 천연 고분자의 예로서는, Bombyx mori silk fibroin, Casein, Cellulose acetate, Chitosan, Collagen, Fibrinogen, Gelatin, Wheat gluten 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2 이상이 조합되어 이용될 수 있다.
이와 달리, 상기 나노섬유를 제조하기 위한 고분자는 용매에 의해 적어도 일부가 용해될 수 있다. 용매의 범위를 제한하지 않으며, 해당 고분자를 용해시킬 수 있는 용매이면 만족한다. 예로서, 상기 나노섬유를 제조하기 위한 고분자는 클로로포름, 디클로로메탄, 1,2-디클로로에탄, 1,1,2-트리클로로에탄, 물, n-헥산, n-헵탄, 아세톤, 메틸알코올, 포름산, 1,1,1,3,3,3-헥사플로로-2-프로패놀(HFIP), 에탄올, 디메틸포름아미드, 디메틸아세타미드, 트리플루오로아세트산, t-아세트산 부틸, 클로로벤젠, 에틸 아세테이트, 메틸에틸캐톤, 테트라하이드로퓨란 등이 있으며, 이 용매들에 의해 적어도 일부가 용해되는 고분자일 수 있다.
나노섬유 층(110)은 생체 반응성 성분을 더 포함할 수 있다. 나노섬유 층(110)에 포함되는 생체 반응성 성분은 다양한 성장 유도제, 생활성인자 등을 포함할 수 있고, 이들은 각각 단독으로 또는 2 이상이 조합되어 포함될 수 있다. 또는, 나노섬유 층(110)은 자성재료를 포함하여 세포배양을 촉진할 수 있으며, 자성재료를 포함하는 경우, 자성재료에 추가적으로 자기력을 가질 수 있는 금속 입자나 탄소입자를 포함할 수 있다. 탄소입자는 그래핀이나 탄소나노튜브 등을 포함할 수 있다.
나노섬유 층(110)이 생체 반응성 성분을 더 포함하는 경우에는, 나노섬유의 방사를 위해 제작된 용액에 미리 방출하고자 하거나 세포에 영향을 미칠 수 있는 약품 및 재료를 혼합할 수 있으며, 제조 후 나노섬유의 내부에 비교적 균일하게 혼합한 물질이 분포되도록 제조할 수 있다. 경우에 따라서는 동축이중노즐을 이용하여 내부 또는 표면에 그 약품 및 재료가 존재하는 코어/쉘 구조의 나노섬유를 제조할 수 있다.
다공성 보강 패턴(120)은 예컨대 우레탄 폼과 같은 다공성 고분자일 수 있다. 다공성 고분자 내의 공극이 차지하는 부피는 수%에서 수십% 등 다양하며, 이 부피만큼 밀도가 작아지도록 할 수 있다. 특히, 도 1에서와 같이 공극은 내부에 갖힐수도 있으며(closed cells), 공극끼리 연결되어 있고 외부와도 연결될 수도 있도 있다(open cells). 바람직하게는 본 발명은 닫힌 셀 공극 구조가 더욱 바람직하다.
도 2에서 참조되는 바와 같이, 본 발명의 다공성 고분자 보장 패턴은 다공성에 기초하여 밀도가 작아지게 되고, 본 발명의 나노 매트가 잠길 세포 배양액의 밀도보다 작도록 밀도가 작아, 상기 나노매트를 세포배양액 층으로 부유되도록 할 수 있어, 상기 나노 섬유층의 한 면은 공기에 노출되고 다른 면은 세포 배양액에 노출되는 세포 배양 환경을 조성할 수 있다.
본 발명의 다공성 보강 패턴은 나노섬유층(110)을 부분적으로 노출시키고, 나노섬유 층(110)과 접합된다. 보강 패턴(120)은 나노섬유층(110) 상에 형성되되, 나노섬유 층(110)의 차폐 기능을 저하시키지 않도록 나노섬유 층(110)을 부분적으로 노출시킨다. 여기서 "접합"은 별도의 접착 부재 없이 서로 다른 2개의 구성 요소가 물리적/기계적으로 결합하고 있는 상태로 정의한다.
다공성 보강 패턴(120)은 정사각 격자형, 원형 격자형, 마름모 격자형, 직사각 격자형 등의 격자 구조를 포함하여 지그재그형, 직선형 및 곡선형 중 선택된 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 다양한 선 패턴의 조합을 통해 다양한 형상을 가질 수 있다. 격자는 대칭성의 규칙에 따라 반복적으로 배열된 구조로, 보강 패턴(120)이 격자형인 경우 본 발명의 보강 패턴(120)은 격자 구조를 이루는 선들이 형성하는 격벽으로만 이루어질 수 있다. 즉, 보강 패턴(120)이 격자형인 경우, 보강 패턴(120)은 격자 구조의 외곽을 둘러싸는 별도의 프레임을 갖지 않을 수 있다. 이와 달리, 보강 패턴(120)은 격자 구조를 둘러싸는 프레임을 가질 수도 있다.
다공성 보강 패턴(120)을 구성하는 패턴 선의 두께는 수십 마이크로미터(㎛)에서 수 밀리미터(mm)일 수 있고, 보강 패턴(120)을 구성하는 선 패턴의 폭은 수에서 수백 마이크로미터(㎛)일 수 있다.
다공성 보강 패턴(120)이 나노섬유 층(110)에 접합됨으로써 이들 계면에는 접합부(MP)가 형성되고 접합부(MP)에 의해서 보강 패턴(120)과 나노섬유 층(110)의 결합력이 향상될 수 있다.
일례로, 나노섬유 층(110)과 보강 패턴(120)의 계면에서, 보강 패턴(120)은, 나노섬유 층(110)의 나노섬유의 일부와 함께 용융 고화되어 나노섬유 층(110)과 결합될 수 있다. 이때, 용융 고화된 부분이 접합부(MP)가 될 수 있다. 보강 패턴(120)을 형성하는 단계에서, 보강 패턴(120)을 형성하는 재료가 용융(melting)된 용융액 이 나노섬유 층(110)에 제공되면 나노섬유 층(110)이 국부적으로 녹아 보강 패턴(120)을 형성하는 재료와 함께 용융 또는 부분 용융된 후 고화됨에 따라, 접합부(MP)가 형성되고 접합부(MP)에 의해 나노섬유 층(110)과 보강 패턴(120)의 결합력이 강해진다. 상기 용융액은, 보강 패턴(120)을 형성하는 재료가 전부 용융된 상태 또는 반용융된 상태를 모두 포함한다.
이와 달리, 보강 패턴(120)을 형성하는 재료의 용융액이 나노섬유 층(110)에 제공되면 보강 패턴(120)은 나노섬유층(110)으로 부분적으로 침투하여 고화됨으로써 나노섬유층(110)과 결합될 수 있다. 또는, 보강 패턴(120)을 형성하는 용액이 나노섬유 층(110)에 제공되면 보강 패턴(120)을 구성하는 고분자는 나노섬유층(110)으로 침투하여 고화됨으로써 나노섬유 층(110)과 결합될 수 있다. 이때, 접합부(MP)에서는 보강 패턴(120)이 나노섬유 층(110)의 나노섬유들을 둘러싸고 있는 형태, 즉 보강 패턴(120)이 나노섬유 층(110)의 기공들을 부분적으로 메우고 있는 형태가 되므로, 접합부(MP)에 의해 나노섬유 층(110)과 보강 패턴(120)의 결합력이 강해질 수 있다.
이와 달리, 보강 패턴(120)은 나노섬유 층(110)을 구성하는 나노섬유들의 일부를 용해(dissolving)시킨 후 함께 고화됨으로써 나노섬유 층(110)과 결합될 수 있다. 이때, 접합부(MP)에서는 보강 패턴(120)과 나노섬유층(110)이 엉킨 상태로 결합되므로, 접합부(MP)에 의해 나노섬유층(110)과 보강 패턴(120)의 결합력이 강해질 수 있다.
보강 패턴(120)을 형성하는 재료는, 고분자 수지일 수 있다. 이때, 상기 고분자 수지는 합성 고분자, 생분해성 고분자 또는 천연 고분자일 수 있다. 이때, 합성 고분자, 생분해성 고분자 또는 천연 고분자는 상기에서 설명한 나노섬유층(110)의 나노섬유를 형성하는 재료로 형성될 수 있다. 일례로, 상기 보강 패턴(120)을 형성하는 고분자 수지의 예로서는, ABS, PLA, PDO, PCL, PLGA, PGA, 폴리우레탄, PS, PE, 나일론, 실크, 콜라겐, 젤라틴, 아가로스, PDMS 등을 들 수 있다.
한편, 보강 패턴(120)을 형성하는 고분자 수지는 용매와 함께 용액 상태로 보강 패턴(120)의 제조에 이용되는데, 나노섬유층(110)의 나노섬유가 불용성이거나 용해도가 낮은 용매를 이용할 수 있다. 보강 패턴(120)을 형성하는 용액을 구성하는 용매가 나노섬유층(110)의 나노섬유를 녹이지 않거나 일부만 녹이는 용매일 수 있다. 보강 패턴(120)을 형성하는 용액을 구성하는 용매는 보강 패턴(120)을 위해 선택된 재료인 고분자 수지와 함께 용액을 이루되, 나노섬유 층(110)의 나노섬유는 영향이 없도록 나노섬유층(110)의 나노섬유가 불용성이거나 낮은 용해도를 갖는 용매를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 보강 패턴(120)을 형성하는 용액을 구성하는 용매는 보강 패턴(120)을 구성하는 재료를 액상으로 만들되, 나노섬유층(110)의 나노섬유는 녹지 않는 것으로 선택하는 것이 바람직하다. 보강 패턴(120)을 형성하는 용액을 구성하는 용매의 예로서는, 물, 클로로포름, 디클로로메탄, 1,2-디클로로에탄, 1,1,2-트리클로로에탄, 물, n-헥산, n-헵탄, 아세톤, 메틸알코올, 포름산, 1,1,1,3,3,3-헥사플로로-2-프로패놀(HFIP), 에탄올, 디메틸포름아미드, 디메틸 아세타미드, 트리플루오로아세트산, t-아세트산 부틸, 클로로벤젠, 에틸 아세테이트, 메틸에틸캐톤, 테트라하이드로퓨란 등을 들 수 있다. 다만, 나노섬유의 고분자 재질에는 반응성이 적은 용매를 선택하는 것이 요구된다.
보강 패턴(120)을 형성하는 고분자는 나노섬유층(110)을 형성하는 재료와 실질적으로 동일한 것으로 형성될 수 있다. 보강 패턴(120)과 나노섬유층(110)을 형성하는 재료가 동일한 경우, 보강 패턴(120)과 나노섬유층(110)이 용융 고화되어 물리적으로 견고하게 접합(결합)될 수 있다. 이와 달리, 보강 패턴(120)과 나노섬유 층(110)은 서로 다른 종류의 고분자로 형성될 수 있다.
한편, 보강 패턴(120)은 생체 반응성 성분을 더 포함할 수 있다. 이때, 생체 반응성 성분은 상기에서 설명한 생체 반응성 성분과 동일한 성분일 수 있다. 보강 패턴(120) 및 나노섬유 층(110)이 모두 생체 반응성 성분을 포함하는 경우, 각각에 포함되는 생체 반응성 성분은 동일하거나 동일하지 않을 수 있다.
접합부(MP)는 나노섬유 층(110)의 표면과, 상기 표면과 마주하는 배면 사이의 적어도 일부, 즉 부분적으로 또는 전체적으로 보강 패턴(120)이 형성된 영역의 나노섬유 층(110)의 표면과 배면 사이를 채우도록 형성될 수 있다.
접합부(MP)가 깊게 형성되는 경우, 보강 패턴(120)이 형성된 영역의 나노섬유층(110)의 표면과 배면 사이를 전체적으로 채울 수도 있다. 이에 의해, 보강 패턴(120)에 의해서 다수의 영역들로 구획되는 나노섬유매트(100)의 각 영역에 서로 다른 종류의 세포가 제공되어 세포 배양을 하는 경우, 배양되는 세포가 다른 영역으로 이동하는 것을 차단할 수 있다. 다시 말하면, 나노섬유층(110)에서 보강 패턴(120)이 형성된 표면인 나노섬유층(110)의 제1 면에서 외부를 향해 보강 패턴(120)은 돌출될 뿐만 아니라, 상기 제1 면의 반대면인 제2 면 사이를 채우도록 형성될 수 있는데, 이러한 구조에 의해서, 물질, 예를 들어, 배양되는 세포가 다른 영역으로 이동하는 것을 차단할 수 있다. 이와 같이, 나노섬유매트(100)는 생체내 조직의 환경과 매우 유사하면서도 외형의 변화를 최소화시키며 배양되는 세포의 이동을 제한 할 수 있어 각기 다른 세포가 구획별로 배양시킬 수 있는 나노섬유매트로서 적합하다. 특히, 나노섬유층(110)을 구성하는 나노섬유의 배열을 다양하게 조절할 수 있으나 일 방향으로 정렬된 나노섬유층(110)을 이용함으로써 세포배양용 나노섬유매트로 이용하는 경우, 세포의 일방향 성장 및 이동을 관찰하기 용이하다.
또한, 접합부(MP)는 얕게 형성될 수 있다. 접합부(MP)의 나노섬유층(110)의 표면을 기준으로 한 깊이가 얕은 상태에서, 보강 패턴(120)에 의해서 다수의 영역들로 구획되는 나노섬유매트(100)의 각 영역에 서로 다른 종류의 세포가 제공되어 세포 배양을 하는 경우, 배양되는 세포가 보강 패턴 아래쪽의 나노섬유 층을 통해 이동하는 것이 가능하다. 이에 따라, 다양한 세포로 구성된 환경에서 세포의 거동 관찰 및 다중세포로 구성되는 조직의 배양이 가능하게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 접합부(MP)에 의해, 피펫(pipette)을 이용하여 구획별로 다양한 세포 현탁액(cell suspension)을 분사해줄 경우 복잡한 형상을 가진 세포배양이 이뤄질 수 있다.
하기에서는, 본 발명의 나노섬유 매트의 제조 방법을 도 1 내지 3을 계속하여 설명하기로 한다.
본 발명의 나노섬유 매트의 제조 방법은, 먼저, 나노섬유 층(110)을 준비하는 단계를 포함한다.
나노섬유 층(110)은 일반적인 평판 집적판을 이용한 전기방사의 경우 임의배열(랜덤)의 나노섬유 제작이 가능하며, 드럼 집적판(콜렉터)을 이용한 전기 방사법으로 일 방향으로 정렬된 방향성 섬유매트로 제조될 수 있으며, 금속판 상에 나노섬유를 직접 주사 전기 방사법(direct-write electro spinning, DWES) 등으로 방사하여 특정 패턴을 가지거나 균일하거나 특정하게 조절된 두께와 밀도분포를 가지는 나노섬유 층을 제작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다공성 고분자 보강 패턴을 형성하는 방법을 도면과 순서도로 예시적으로 설명한다.
다공성 고분자 보강 패턴은 프린팅 공정을 이용한다. 프린팅 중 또는 후에 고분자의 공극이 형성되도록 한다.
일 예로서, 발포성 고분자 재료들을 미리 섞어서 프린팅 헤드/노즐을 통해 프린팅한다. 다공성 고분자 전구체는 혼합되어 발포 반응이 일어나며 공극을 형성한다. 이러한 발포 반응을 더욱 잘 일으키도록 프린팅 중 또는 프린팅 후 열을 가할 수 있다.
다른 예로서, 발포성 고분자 재료들을 각각 헤드/노즐로 주입하여 프린팅 헤드/노즐 또는 배럴에 넣고 특정 위치에서 혼합을 시키고 이를 노즐을 통해 프린팅 시켜 발포 반응이 일어나서 공극을 형성한다. 마찬가지로, 이러한 발포 반응을 더욱 잘 일으키도록 프린팅 중 또는 프린팅 후 열을 가할 수 있다.
상기 발포성 고분자 재료의 발포는 화학적 발포반응 또는 물리적 발포반응일 수 있다. 바람직하게는 상기 발포성 고분자 재료는 화학적 반응을 위해 화학발포제(CBA, chemical blowing agent)를 포함하거나, 물리적 발포를 위해 물리적 발포제를(PBA, physical blowing agent)를 포함할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 세포가 배양되는 나노섬유 층; 및
    상기 나노섬유 층을 일부 노출시키도록 상기 나노섬유 층 상 또는 내에 배치되어 상기 나노섬유층과 접합된, 다공성 고분자 보강 패턴;을 포함하고,
    상기 다공성 고분자의 공극은 닫힌 셀 구조를 가지며,
    상기 다공성 보강 패턴은 세포배양액의 밀도보다 낮아 상기 나노섬유 매트를 상기 세포배양액 표면으로 부유시킴을 특징으로 하고,
    상기 나노섬유 층과 상기 다공성 보강 패턴은, 상기 나노섬유 층의 적어도 일부가 상기 보강 패턴과 함께 용융 고화된 형태, 용해 고화된 형태 및 상기 보강 패턴의 일부가 상기 나노섬유 층으로 침투하여 고화된 형태 중 적어도 어느 하나의 형태로 서로 결합됨을 특징으로 하는,
    다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양액 표면에 부유되는 세포 배양용 나노섬유 매트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세포 배양용 나노섬유 매트는 외부로 노출된 생체 조직 세포의 배양용을 특징으로 하는,
    다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양액 표면에 부유되는 세포 배양용 나노섬유 매트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 생체 조직 세포는 피부, 점막 또는 각막 세포임을 특징으로 하는,
    다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양액 표면에 부유되는 세포 배양용 나노섬유 매트.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보강 패턴은 정사각 격자형, 원형 격자형, 마름모 격자형, 직사각 격자형, 지그재그형, 직선형 및 곡선형 중 선택된 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는,
    다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양액 표면에 부유되는 세포 배양용 나노섬유 매트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유 층은 나노섬유들이 랜덤하게 배열된 구조, 일 방향으로 정렬된 구조 또는 서로 교차하는 2 방향으로 교차로 정렬된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는,
    다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양액 표면에 부유되는 세포 배양용 나노섬유 매트.
  10. 나노섬유층 상에, 발포성 고분자 재료로서 폴리올 및 폴리이소시아네이트를 프린팅 노즐을 통해 토출시켜 프린트하여 상기 나노섬유층과 접합된 다공성 고분자 보강 패턴을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 발포성 고분자 재료들은 상기 프린팅 중 또는 프린팅 후 발포되어 다공성 고분자를 형성함을 특징으로 하고,
    상기 다공성 보강 패턴은 세포배양액의 밀도보다 낮아 상기 나노섬유 매트를 상기 세포배양액 표면으로 부유시킴을 특징으로 하는,
    다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양액 표면에 부유되는 세포 배양용 나노섬유 매트의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 발포성 고분자 재료들은 발포제를 포함함을 특징으로 하는,
    다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양용 나노섬유 매트의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 프린팅 공정 중, 상기 나노섬유층이 놓인 바닥면에 열을 가하여, 상기 발포성 고분자 재료들이 프린팅 직후 발포가 유도됨을 포함하는,
    다공성 고분자 보강 패턴을 가진 세포 배양용 나노섬유 매트의 제조 방법.
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