KR102302770B1 - 3D printing bio-ink composed of human-derived elements and having tissue-specific cell differentiation effect, and methods of making the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3D(Three dimensional, 3D) 프린팅용 바이오 잉크 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 바이오 잉크 조성물이 함유하는 인체 유래 성분의 조직 특이성에 따라, 특정 조직으로의 세포 분화 상승효과를 갖는 바이오 잉크 조성물 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
The present invention relates to a bio-ink composition for 3D (Three dimensional, 3D) printing and a manufacturing method thereof.
In the present invention, it is possible to provide a bio-ink composition having a synergistic effect on cell differentiation into a specific tissue according to the tissue specificity of a human-derived component contained in the bio-ink composition, and a method for producing the same.

Description

인체 유래 성분을 함유하고 조직 특이적 세포 분화 효과를 갖는 3D 프린팅 바이오 잉크 조성물 및 그 제조방법{3D printing bio-ink composed of human-derived elements and having tissue-specific cell differentiation effect, and methods of making the same}3D printing bio-ink composition containing human-derived components and having a tissue-specific cell differentiation effect, and a method for manufacturing the same }

본 발명은 3D(Three dimensional) 프린팅용 바이오 잉크 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 바이오 잉크 조성물에 함유된 인체 조직 유래 성분의 조직 특이성에 따라, 특정 조직으로의 세포 분화 상승효과를 가지는 바이오 잉크 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bio-ink composition for 3D (Three dimensional) printing and a method for manufacturing the same, and more particularly, has a synergistic effect on cell differentiation into specific tissues according to the tissue specificity of human tissue-derived components contained in the bio-ink composition. It relates to a bio-ink composition and a method for manufacturing the same.

조직 공학은 생물학, 공학, 재료공학을 기반으로 인체 조직 또는 기관을 만들어 손실 또는 손상된 조직을 대체하는 것이다. 산업화, 고령화로 인하여 인체 조직이 손실 또는 손상되는 환자 수가 증가하고 있으며, 이로 인해 손실 또는 손상된 조직을 보충하기 위한 조직공학 분야의 범위가 확대되고 있다. 그 중에서 최근 주목을 받고 있는 분야가 3D 바이오 프린팅이다.Tissue engineering is the replacement of lost or damaged tissues by creating human tissues or organs based on biology, engineering, and materials engineering. Due to industrialization and aging, the number of patients with loss or damage to human tissue is increasing, and as a result, the scope of the tissue engineering field for replenishing the lost or damaged tissue is expanding. Among them, 3D bioprinting is a field that has recently received attention.

3D 바이오 프린팅은 목표 구조물을 삼차원으로 스캐닝하여 이미지를 얻어, 세포와 바이오 잉크를 통해 스캐닝한 이미지를 삼차원 구조 형태로 만드는 것이다. 일반적인 3D 프린팅의 기술로는 압출기반 프로세스, 잉크젯기반 프로세스 및 레이저기반 프로세스가 있는데, 이중에 세포와 함께 삼차원 구조 형태를 만드는 바이오 프린팅으로 주로 압출기반 프로세스가 많이 사용되고 있다. 바이오 프린팅은 살아있는 세포를 포함하는 것이 핵심이므로, 세포와 함께 섞여서 삼차원 구조를 이루는 물질인 바이오 잉크는 3D 바이오 프린팅에서 가장 중요한 부분이다.3D bioprinting is to obtain an image by scanning a target structure in three dimensions, and making the scanned image through cells and bio-ink in the form of a three-dimensional structure. Common 3D printing technologies include an extrusion-based process, an inkjet-based process, and a laser-based process. Among them, the extrusion-based process is mainly used as bioprinting that creates a three-dimensional structure with cells. Since bioprinting is the key to including living cells, bioink, a material that forms a three-dimensional structure by mixing with cells, is the most important part of 3D bioprinting.

바이오 잉크는 미세 3D 구조를 유지할 수 있는 물리화학적 특성과 살아있는 세포와 함께 사용할 수 있는 수준의 생물학적 안전에 관한 특성을 모두 가지고 있어야 한다. 물리화학적 특성으로 바이오 잉크가 3D 프린터에서 압출될 수 있는 인쇄능(printabilitiy), 프린팅 후에도 3D 구조를 유지할 수 있는 유변학적 특성(rheological characteristics)을 가지고 있어야 한다. 생물학적 안전에 관한 특성으로 바이오 잉크가 세포의 생장 및 분화에 대한 지지체(scaffold) 역할을 수행해야 하기 때문에, 기본적으로 세포친화성을 지녀야 한다. 또한, 3D 바이오 프린팅으로 출력된 출력물은 바이오 잉크를 구성하는 물질들을 고스란히 함유하는 동시에 체내에 이식 가능한 성상의 3D 출력물이 되므로, 이러한 출력물이 체내에 이식되기 위해서는 바이오 잉크를 구성하는 물질 요소들 모두가 생체 적합한(biocompatible) 물질이어야 하며, 출력물의 체외 배양 또는 체내 이식 환경에서 세포의 생장과 분화를 조절할 수 있는 특성을 가져야 한다. 아울러, 바이오 잉크를 구성하는 물질 요소들은 체내 이식 후, 신생조직이 출력물을 통해 이식부위에서 재생되는 동안, 신생 조직의 재생 경향과 부합되는 수준으로 출력물의 체내 분해 경향을 보여야 한다. Bio-ink should have both physicochemical properties that can maintain a microscopic 3D structure and a level of biological safety that can be used with living cells. As physicochemical properties, the bio-ink should have printability that can be extruded from a 3D printer, and rheological characteristics that can maintain the 3D structure even after printing. Because bio-ink has to play a role as a scaffold for cell growth and differentiation due to its biological safety characteristics, it must have cell affinity basically. In addition, the output output by 3D bioprinting contains the materials constituting the bio-ink as it is, and at the same time becomes a 3D output that can be implanted in the body. It should be a biocompatible material, and it should have properties that can control the growth and differentiation of cells in the in vitro culture or transplantation environment of the output. In addition, the material elements constituting the bio-ink should show the decomposition tendency of the printed matter in the body at a level consistent with the regeneration tendency of the new tissue, while the new tissue is regenerated at the implantation site through the printout after implantation in the body.

바이오 잉크를 구성할 수 있는 생체적합성 물질로는 아가로즈(argarose), 알긴산(alginate), 키토산(chitosan), 콜라겐(collagen), 무세포화된 세포외기질(decellularized extracellular matrix), 피브린/피브리노겐(fibrin/fibrinogen), 젤라틴(gelatin), 그래핀(graphene), 히알루론산(hyaluronic acid), 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리락트산(polylactic acid, PLA), 폴리(DL-락트-코-글라이콜산(poly-D, L-lactic-co-glycolic acid, PLGA) 및 플루로닉(pluronic F 127) 등이 있다. 이 중, 알긴산(alginate)은 2가 양이온(divalent cation)의 킬레이션(chelation)을 통해 가교되어 젤화하는 특징이 있고, 이 성질이 바이오 잉크의 인쇄능(printability)과 인쇄 후 기계적 물성을 충족시켜준다. 그러나 알긴산 단독으로는 세포친화도가 낮고, 세포가 부착하여 생장하기에 적합한 환경을 제공하지는 못한다.Biocompatible materials that can constitute the bio-ink include agarose, alginate, chitosan, collagen, decellularized extracellular matrix, and fibrin/fibrinogen. /fibrinogen), gelatin, graphene, hyaluronic acid, hydroxyapatite, polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLA), poly (DL) -Lact-co-glycolic acid (poly-D, L-lactic-co-glycolic acid, PLGA) and pluronic (pluronic F 127), etc. Among them, alginic acid (alginate) is a divalent cation (divalent cation), it has the characteristic of gelation by crosslinking, and this property satisfies the printability of bio-ink and mechanical properties after printing.However, alginic acid alone has low cell affinity, It does not provide an environment suitable for cells to attach and grow.

미세입자화된(micronized) 인체 조직은 사망 후 기증되는 피부, 뼈, 인대, 건, 혈관, 연골, 심장판막, 양막, 근막, 신경, 심낭 등의 동종 조직을 탈세포화한 후, 동결건조 및 분쇄과정을 통해 수 십에서 수 백 마이크로미터 크기의 입자 상태로 만들어진다. 미세입자화된 인체 조직은 탈세포 공정만 거친 인체 유래 물질이기 때문에 세포외기질(Extracelluar matrix, ECM)이 주성분이다. 세포외기질 성분은 90% 이상이 구조 단백질인 콜라겐(Collagen)이며, 나머지 10%는 당단백질(Glycoprotein)인 파이브로넥틴(Fibronectin), 라미닌(Laminin), 글리코스아미노글리칸(Glycosaminoglycan, GAG) 등으로 이루어져 있으며, 그 외에 조직 특이적 성장인자 (Growth factor) 및 일부 사이토카인 (Cytokine)들이 존재하여 세포의 성장 및 미분화세포의 조직 특이적 분화를 촉진하는 것으로 알려져 있다. 특히 미세입자화된 인체 조직에 있는 라미닌, 파이브로넥틴, 글리코스아미노글리칸과 같은 성분은 표면부착단백질(Surface binding protein)의 역할을 하여 세포로부터 분비되는 사이토카인 또는 성장인자 등을 세포외기질 구조 내에 부착시켜 세포의 성장과 분화에 도움을 주는 것으로 알려져 있다. 그렇기 때문에 세포외기질을 포함하는 바이오 잉크가 세포와 함께 배양되었을 때, 세포 성장과 분화에 필요한 사이토카인 및 성장인자의 전달이 더 용이하여 구조체가 더욱 조직과 유사한 형태로 변하게 할 수 있는 장점이 있다(비특허문헌 1). 더욱이, 서로 다른 조직에서 추출한 세포외기질은 각 조직의 특성을 갖고 있는 조직 특이성(Tissue specificity)이 있어 그 조직에 적합한 사이토카인 또는 성장인자를 부착시켜 세포가 살아서 각 조직을 구성하기에 알맞는 환경을 조성한다(비특허문헌 2).Micronized human tissue is decellularized and then freeze-dried and crushed allogeneic tissues such as skin, bone, ligament, tendon, blood vessel, cartilage, heart valve, amnion, fascia, nerve, and pericardium, which are donated after death. Through the process, it is made into particles with a size of tens to hundreds of micrometers. Since microparticulated human tissue is a human-derived material that has only undergone a decellularization process, the extracellular matrix (ECM) is the main component. More than 90% of the extracellular matrix component is collagen, a structural protein, and the remaining 10% is glycoprotein, fibronectin, laminin, and glycosaminoglycan (GAG). In addition, it is known that tissue-specific growth factors and some cytokines exist to promote cell growth and tissue-specific differentiation of undifferentiated cells. In particular, components such as laminin, fibronectin, and glycosaminoglycan in microparticulated human tissue act as a surface binding protein and convert cytokines or growth factors secreted from cells into extracellular matrix. It is known to aid in cell growth and differentiation by attaching to the structure. Therefore, when the bio-ink containing the extracellular matrix is cultured with cells, the delivery of cytokines and growth factors necessary for cell growth and differentiation is easier, and the structure can be changed into a more tissue-like form. (Non-Patent Document 1). Moreover, the extracellular matrix extracted from different tissues has tissue specificity that has the characteristics of each tissue, so cytokines or growth factors suitable for the tissue are attached to the environment suitable for cells to survive and form each tissue. to create (Non-Patent Document 2).

또한, 미세입자화된 인체 조직은 마이크로 단위의 입자 형태로서 생체유래 고분자와 하이드로겔 형태로 혼합하여 수화 했을 때, 물리적으로 고르게 혼합되며, 함량에 따라 바이오 잉크의 기계적 강도를 조절할 수 있는 장점이 있다. 기존에 바이오 잉크에 활용했던 세포외기질은 액상의 하이드로겔로 제조하기 위해 펩신과 아세트산이나 염산에 용해시킨 상태로 사용하기 때문에 세포외기질 자체로 기계적 물성을 높이는 것에 한계가 있다. 따라서, 미세입자화된 인체 조직을 포함한 바이오 잉크는 기계적 물성이 세포외기질 용액 바이오 잉크보다 높으며, 미세입자화된 인체 조직 자체가 조직의 형태를 갖추고 있는 구성 요소로서 세포가 살아가기에 더 적합한 환경이 조성될 수 있다.In addition, the fine-grained human tissue is in the form of micro-unit particles, and when it is hydrated by mixing it with a bio-derived polymer in the form of a hydrogel, it is physically uniformly mixed, and the mechanical strength of the bio-ink can be adjusted according to the content. . Since the extracellular matrix used in the existing bio-ink is dissolved in pepsin, acetic acid or hydrochloric acid to produce a liquid hydrogel, there is a limit to improving the mechanical properties of the extracellular matrix itself. Therefore, bio-ink including fine-grained human tissue has higher mechanical properties than extracellular matrix solution bio-ink, and the fine-grained human tissue itself is a component that has the shape of a tissue and is a more suitable environment for cells to live. This can be formulated.

마지막으로, 소, 돼지, 말 등의 이종 조직에서 추출된 세포외기질은 동물 유래 바이러스 및 인수 교차 감염의 우려가 있는 반면에, 인체 유래 세포외기질은 이종 물질들의 체내 안전문제에서 벗어나 있기 때문에, 인체에 적용하기에 가장 적합한 재료로 사용될 수 있다. 따라서, 미세입자화된 인체 조직은 세포친화성이 매우 높으며, 인체 유래의 세포외기질이기 때문에 면역거부반응, 이물반응, 염증반응 등이 거의 없이 체내 이식이 가능하다는 장점을 갖는다.Finally, while the extracellular matrix extracted from xenogeneic tissues such as cattle, pig, and horse has concerns about animal-derived viruses and factor cross-infection, the human-derived extracellular matrix is free from the safety problem of heterogeneous substances in the body. It can be used as the most suitable material for application to the human body. Therefore, the microparticulate human tissue has a very high cell affinity, and since it is an extracellular matrix derived from the human body, it has the advantage that it can be transplanted into the body without almost any immune rejection reaction, foreign body reaction, inflammatory reaction, and the like.

[1] D. Choudhury et al. Trend in Biotechnology. 2018[1] D. Choudhury et al. Trend in Biotechnology. 2018 [2] R. Londono et al. Annals of Biomedical Engineering. 2015.[2] R. Londono et al. Annals of Biomedical Engineering. 2015.

본 발명은 인체 조직 유래의 성분을 함유하는 3D 바이오 프린팅용 바이오 잉크 조성물을 제공을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a bio-ink composition for 3D bioprinting containing a component derived from human tissue.

구체적으로, 본 발명은 다양한 인체 조직 유래 성분을 바이오 잉크 조성물에 적용시켜 3D 프린팅된 구조물 내에서 세포 생장 및 조직 특이적 분화가 가능한 바이오 잉크 조성물 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Specifically, an object of the present invention is to provide a bio-ink composition capable of cell growth and tissue-specific differentiation within a 3D printed structure by applying various components derived from human tissue to the bio-ink composition, and a method for manufacturing the same.

본 발명은 미세입자화된 인체 조직 유래 성분 및 생체적합성 고분자를 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크 조성물을 제공한다. The present invention provides a bio-ink composition for 3D printing comprising a microparticulated human tissue-derived component and a biocompatible polymer.

본 발명은 또한, 미세입자화된 인체 조직 유래 성분 및 생체적합성 고분자를 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크 조성물을 압출하여 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 구조체의 제조 방법을 제공한다. The present invention also provides a method of manufacturing a structure comprising the step of manufacturing a structure by extruding a bio-ink composition for 3D printing comprising a component derived from a microparticulated human tissue and a biocompatible polymer.

본 발명은 미세입자화된 인체 조직을 함유하는 바이오 잉크 조성물을 제공한다. The present invention provides a bio-ink composition containing microparticulated human tissue.

본 발명에 따른 바이오 잉크 조성물은 세포친화성을 가져 세포 생장 및 분화에 있어서 우수한 효과를 나타내며, 바이오 잉크 내 인체 조직의 유래에 따라 조직 특이적 분화를 제공할 수 있다. 또한, 상기 바이오 잉크 조성물은 미세입자화된 인체 유래 조직 성분을 포함하므로 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. The bio-ink composition according to the present invention exhibits excellent effects in cell growth and differentiation due to cell affinity, and can provide tissue-specific differentiation according to the origin of human tissue in the bio-ink. In addition, the bio-ink composition can improve mechanical properties because it contains microparticulated human tissue components.

본 발명에 따른 바이오 잉크 조성물을 3D 바이오 프린팅에 적용하여 출력되는 출력물 내 세포는 바이오 잉크의 인체 조직 기원을 따라 분화할 수 있다. 바이오 잉크 조성물이 살아있는 세포를 포함하는 경우, 3D 바이오 프린팅으로 출력된 출력물은 미세입자화된 인체 조직 성분을 함유하기 때문에 세포친화력이 높고 세포가 장기간 생존할 수 있으며, 또한 인체 조직이 세포 성장인자 및 분화 인자를 함유하고 있어 세포의 기능과 분화를 조절할 수 있다. Cells in the output output by applying the bio-ink composition according to the present invention to 3D bio-printing can be differentiated according to the origin of the human tissue of the bio-ink. When the bio-ink composition contains living cells, the output output by 3D bioprinting contains microparticulate human tissue components, so the cell affinity is high and the cells can survive for a long time. It contains differentiation factors and can regulate cell function and differentiation.

또한, 본 발명의 바이오 잉크 조성물은 바이오 프린팅을 위한 3D 프린터를 통해 압출되는 형태로 프린팅이 가능하고 출력 후 3D 구조를 유지하며 조직 재생을 위한 구조체로 사용될 수 있다.In addition, the bio-ink composition of the present invention can be printed in a form that is extruded through a 3D printer for bio-printing, maintains a 3D structure after printing, and can be used as a structure for tissue regeneration.

또한, 본 발명에서는 다양한 인체 조직 유래 성분이 포함된 바이오 잉크 조성물을 각 조직의 세포와 함께 3D 바이오 프린팅을 통하여 생체용 소재로 적용함으로써 다양한 분야에 적용가능하다.In addition, in the present invention, the bio-ink composition containing various human tissue-derived components can be applied to various fields by applying the bio-ink composition together with the cells of each tissue as a biomaterial through 3D bio-printing.

도 1의 (A)는 무세포 동종 진피 분말(M-ADM)을 생체적합성 고분자와 함께 혼합하여 주사기에 충진한 M-ADM 기반 바이오 잉크(좌)와 3D 프린터를 통해 프린팅하여 가교한 구조체의 모습(우)이다. (B)는 무세포 동종 연골 분말(M-AC)을 생체적합성 고분자와 함께 혼합하여 주사기에 충진한 M-AC 기반 바이오 잉크(좌상)와 압출기반 3D 프린터를 통해 프린팅하여 가교한 구조체의 모습(우상)이다. 프린팅 후 가교된 구조체가 외부 압력에 대해 구조를 유지하는 모습(아래)이다.
도 2의 (A)는 사람진피 섬유아세포가 포함된 M-ADM 기반 바이오 잉크를 배양하여 1, 7, 21, 28일 후의 세포의 생존여부를 100 배율의 형광 현미경으로 확인한 결과이다. 초록색은 살아있는 세포를 나타내고, 빨간색은 죽은 세포를 나타내며, 그래프는 살아있는 세포 수를 배양 시기별로 정량한 결과이다.
도 2의 (B)는 사람 연골 세포가 포함된 M-AC 기반 바이오 잉크를 배양하여 1, 7, 21, 28일 후의 세포의 생존여부를 100 배율의 형광 현미경으로 확인한 결과이다. 그래프는 초록색으로 표현되는 살아있는 세포 수를 배양 시기별로 정량한 결과이다.
도 3의 (A)는 지방유래 줄기세포가 포함된 M-ADM 기반 바이오 잉크를 배양하여 7, 14, 21, 28일 후 세포의 생존여부를 100 배율의 형광 현미경으로 확인한 결과이다. 그래프는 초록색으로 표현되는 살아있는 세포 수를 배양 시기별로 정량한 결과이다.
도 3의 (B)는 지방유래 줄기세포가 포함된 M-AC 기반 바이오 잉크를 배양한 후 세포의 생존여부를 100 배율의 형광 현미경으로 확인한 결과이다. 그래프는 초록색으로 표현되는 살아있는 세포 수를 배양 시기별로 정량한 결과이다.
도 4의 (A)는 지방유래 줄기세포가 포함된 M-ADM 기반 바이오 잉크를 배양하여 21일 후의 조직 절편을 DAPI, Collagen type 1, alpha-SMA 항체로 염색한 사진이다. (B)는 지방유래 줄기세포가 포함된 M-AC 기반 바이오 잉크를 배양하여 3주, 5주 후의 FSP1의 mRNA 발현양을 qRT-PCR 분석으로 정량한 결과이다.
도 4의 (C), (D)는 사람 연골세포와 지방유래 줄기세포를 배양하여 조직 절편을 DAPI, Aggrecan, CD44 항체로 염색한 사진이다. (C)는 사람 연골 세포와 지방유래 줄기세포는 각각의 특정 표지자를 발현하고 (D)에서 M-AC 기반 바이오 잉크에서 4주 동안 배양하여 지방유래 줄기세포의 연골 분화를 확인한 결과이다.
도 4의 (E)는 지방유래 줄기세포가 포함된 M-AC 기반 바이오 잉크를 배양하여 1주, 2주 후의 Collagen type II와 SOX-9의 mNA 발현양을 qRT-PCR 분석으로 정량한 결과이다.
Figure 1 (A) is a cross-linked structure printed by 3D printer with M-ADM-based bio-ink (left) filled in a syringe by mixing acellular allogeneic dermal powder (M-ADM) with a biocompatible polymer It is (right). (B) shows the cross-linked structure by mixing M-AC-based cartilage powder (M-AC) with a biocompatible polymer and filling a syringe with M-AC-based bio-ink (top left) and printing through an extrusion-based 3D printer ( idol). The crosslinked structure after printing maintains the structure against external pressure (below).
Figure 2 (A) is the result of culturing the M-ADM-based bio-ink containing human dermal fibroblasts and confirming the survival of the cells after 1, 7, 21, and 28 days with a fluorescence microscope at 100 magnification. Green indicates live cells, red indicates dead cells, and the graph is the result of quantifying the number of living cells for each culture period.
2B is a result of culturing the M-AC-based bio-ink containing human chondrocytes and confirming the survival of the cells after 1, 7, 21, and 28 days with a fluorescence microscope at 100 magnification. The graph is the result of quantifying the number of living cells expressed in green for each culture period.
Figure 3 (A) is the result of culturing the M-ADM-based bio-ink containing adipose-derived stem cells and confirming the survival of the cells after 7, 14, 21, and 28 days with a fluorescence microscope at 100x magnification. The graph is the result of quantifying the number of living cells expressed in green for each culture period.
Figure 3 (B) is the result of confirming the survival of the cells after culturing the M-AC-based bio-ink containing adipose-derived stem cells with a fluorescence microscope at 100x magnification. The graph is the result of quantifying the number of living cells expressed in green for each culture period.
Figure 4 (A) is a photograph of the tissue section after 21 days of culturing M-ADM-based bio-ink containing adipose-derived stem cells and staining with DAPI, Collagen type 1, and alpha-SMA antibody. (B) is the result of quantifying the mRNA expression level of FSP1 by qRT-PCR analysis after 3 weeks and 5 weeks by culturing M-AC-based bio-ink containing adipose-derived stem cells.
4 (C), (D) are photographs of culturing human chondrocytes and adipose-derived stem cells and staining the tissue sections with DAPI, Aggrecan, and CD44 antibodies. (C) is the result of confirming the chondrogenic differentiation of adipose-derived stem cells by expressing human chondrocytes and adipose-derived stem cells, respectively, and culturing them for 4 weeks in an M-AC-based bio-ink in (D).
4(E) is the result of quantifying the mNA expression levels of Collagen type II and SOX-9 by qRT-PCR analysis after 1 week and 2 weeks after culturing M-AC-based bio-ink containing adipose-derived stem cells. .

본 발명은 미세입자화된 인체 조직 유래 성분 및 생체적합성 고분자를 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크 조성물에 관한 것이다. The present invention relates to a bio-ink composition for 3D printing comprising a microparticulated human tissue-derived component and a biocompatible polymer.

본 발명의 실시예에서는 M-ADM 기반 바이오 잉크 내에서의 섬유아세포 생존능, M-AC 기반 바이오 잉크 내에서의 인간연골세포 생존능, 및 M-ADM 기반 및 M-AC 기반 바이오 잉크 내에서의 지방유래 줄기세포 생존능을 분석하여 본 발명의 바이오 잉크 조성물의 세포친화성을 확인하였다. 또한, M-ADM 기반 바이오 잉크 내에서의 지방유래 줄기세포의 섬유아세포로의 분화 및 M-AC 기반 바이오 잉크 내에서의 지방유래 줄기세포의 연골세포로의 분화를 확인하여 본 발명의 바이오 잉크 조성물의 활성을 확인하였다. 또한, 상기 바이오 잉크 조성물의 3D 바이오 프린팅으로의 적용 가능성을 확인하였다. In an embodiment of the present invention, fibroblast viability in M-ADM-based bio-ink, human chondrocyte viability in M-AC-based bio-ink, and fat-derived in M-ADM-based and M-AC-based bio-ink The cell affinity of the bio-ink composition of the present invention was confirmed by analyzing the stem cell viability. In addition, by confirming the differentiation of adipose-derived stem cells into fibroblasts in the M-ADM-based bio-ink and the differentiation of adipose-derived stem cells into chondrocytes in the M-AC-based bio-ink, the bio-ink composition of the present invention activity was confirmed. In addition, the applicability of the bio-ink composition to 3D bio-printing was confirmed.

이하, 본 발명의 3D 프린팅용 바이오 잉크 조성물을 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the bio-ink composition for 3D printing of the present invention will be described in more detail.

본 발명에 따른 바이오 잉크 조성물(또는 바이오 잉크라 한다.)은 미세입자화된 인체 조직 유래 성분 및 생체적합성 고분자를 포함한다. The bio-ink composition (or referred to as bio-ink) according to the present invention includes a micro-particulated human tissue-derived component and a biocompatible polymer.

본 발명에서 인체 조직 유래 성분은 탈세포화된 조직유래 성분을 의미하는 것으로서, 원래 조직과 유사한 미세환경을 조성할 수 있는 조건을 제공한다. 인위적으로 생성된 물질이 아니라 인체 내에서 세포와의 상호작용을 통해 형성된 구조이기 때문에, 조직 특화된 구성 성분 및 위상을 가지며, 세포의 성장과 분화에 유리한 환경을 제공할 수 있다.In the present invention, human tissue-derived components refer to decellularized tissue-derived components, and provide conditions for creating a microenvironment similar to the original tissue. Since it is not an artificially generated material, but a structure formed through interaction with cells in the human body, it has tissue-specific components and phases, and can provide an environment favorable for cell growth and differentiation.

본 발명에서 미세입자화된 인체 조직 유래 성분은 인체 조직을 탈세포화 단계를 거치고, 10~1000 μm의 크기로 분쇄된 것을 의미한다. 미세입자화된 인체 조직 유래 성분은 생체 적합성, 세포 부착성, 바이오 잉크의 물리적 특성 향상의 목적으로 사용될 수 있다. In the present invention, the microparticulated human tissue-derived component means that the human tissue is decellularized and pulverized to a size of 10 to 1000 μm. The microparticulated human tissue-derived component can be used for the purpose of improving biocompatibility, cell adhesion, and physical properties of the bio-ink.

일 구체예에서, 인체 조직은 사망 후 기증되는 피부, 뼈, 인대, 건, 혈관, 연골, 심장판막, 양막, 근막, 신경, 심낭 등의 동종 조직으로부터 얻을 수 있다. In one embodiment, the human tissue may be obtained from allogeneic tissues such as skin, bone, ligament, tendon, blood vessel, cartilage, heart valve, amniotic membrane, fascia, nerve, and pericardium, which are donated after death.

일 구체예에서, 인체 조직 유래 성분은 탈세포화된 인체 조직으로서, 무세포 동종 진피(Acellular Dermal Matrix, ADM), 무세포 동종 연골(Acellular Cartilage, AC), 무세포 동종 지방(Acellular Adipose, AA), 무세포 동종 뼈(Acellular Bone, AB) 및 무세포 동종 뼈 유래 무기질(Acellular Bone Derived Mineral, ABDM)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 동종 연골은 유리질 연골, 탄성 연골, 섬유질 연골, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 특히, 피부 및 연골 유래의 미세입자화된 인체 조직 유래 성분은 세포외기질이 주성분으로서 바이오 잉크의 조직 특이성을 강화시킬 수 있다. In one embodiment, the component derived from human tissue is a decellularized human tissue, including Acellular Dermal Matrix (ADM), Acellular Cartilage (AC), and Acellular Adipose (AA). , and may include at least one selected from the group consisting of Acellular Bone (AB) and Acellular Bone Derived Mineral (ABDM). In this case, the allogeneic cartilage may be hyaline cartilage, elastic cartilage, fibrous cartilage, or a mixture thereof. In particular, the extracellular matrix is the main component of microparticulated human tissue-derived components derived from skin and cartilage, thereby enhancing the tissue specificity of the bio-ink.

일 구체예에서, 인체 조직 유래 성분은 미세입자화되며, 상기 미세입자화된 인체 조직 유래 성분의 평균 입경은 10 내지 1000 um, 10 내지 700 um 또는 10 내지 500 um일 수 있다. 상기 입경 범위에서 바이오 잉크는 마이크로 단위의 3D 프린팅 노즐을 통과하여 입력된 형태를 구현할 수 있으며, 구조체의 구조를 유지할 수 있는 강도를 부여할 수 있다. 또한, 세포외기질에 효소를 처리하여 하이드로겔 타입으로 제작한 바이오 잉크와 달리 조직의 원래 구조가 보존되어 세포의 성장과 분화에 유리한 환경을 제공할 수 있다.In one embodiment, the human tissue-derived component is microparticulated, and the average particle diameter of the microparticulated human tissue-derived component may be 10 to 1000 um, 10 to 700 um, or 10 to 500 um. In the above particle size range, the bio-ink can implement an input shape through a micro-unit 3D printing nozzle, and can impart strength to maintain the structure of the structure. In addition, unlike the bio-ink produced in a hydrogel type by treating the extracellular matrix with an enzyme, the original structure of the tissue is preserved, thereby providing a favorable environment for cell growth and differentiation.

일 구체예에서, 바이오 잉크 조성물이 미세입자화된 인체 조직 유래 성분으로 무세포 동종 진피(Acellular Dermal Matrix, ADM)를 포함할 경우 M-ADM 기반 바이오 잉크라 표현할 수 있으며, 무세포 동종 연골(Acellular Cartilage, AC)을 포함할 경우 M-AC 기반 바이오 잉크라 표현할 수 있다. In one embodiment, when the bio-ink composition contains acellular dermal matrix (ADM) as a component derived from microparticulate human tissue, it can be expressed as an M-ADM-based bio-ink, and acellular allogeneic cartilage (Acellular). Cartilage, AC) can be expressed as M-AC-based bio-ink.

일 구체예에서, 상기 미세입자화된 인체 조직 유래 성분은 (S1) 인체 조직을 탈세포화 하는 단계; 및 In one embodiment, the microparticulate human tissue-derived component comprises the steps of (S1) decellularizing human tissue; and

(S2) 상기 탈세포화된 인체 조직을 미세입자화하는 단계를 통해 제조할 수 있다. (S2) It can be prepared through the step of microparticles of the decellularized human tissue.

상기 단계 (S1) 및 (S2)의 순서는 제한되지 않으며, (S1) 및 (S2)로 순차적으로 진행하거나, 단계 (S2)를 수항한 후 (S1)을 수행할 수 있다. The order of the steps (S1) and (S2) is not limited, and the steps (S1) and (S2) may be sequentially performed, or (S1) may be performed after receiving the steps (S2).

단계 (S1)은 인제 조직을 탈세포화하는 단계로, 상기 탈세포화는 당업계의 일반적인 방법에 의해 수행할 수 있다. Step (S1) is a step of decellularizing the human tissue, and the decellularization may be performed by a general method in the art.

상기 단계에서는 예를 들어, 탈지방화 공정, 탈세포와 공정 및/또는 털 제거 공정을 수행할 수 있다. 탈지방화 공정은 알코올 및/또는 헥산 등의 극성 용액 및 비극성 용액를 사용하여 수행할 수 있고, 탈세포화 공정은 수산화나트륨(NaOH) 등의 염기성 용액을 사용하여 수행할 수 있다. 또한, 털 제거 공정은 Na2S 등의 알칼리성 용액을 사용하여 수행할 수 있다. 상기 공정은 사용된 인체 조직에 따라 적절히 선택하여 수행할 수 있다. In the above step, for example, a delipidation process, a decellularization process and/or a hair removal process may be performed. The delipidation process may be performed using a polar solution and a non-polar solution such as alcohol and/or hexane, and the decellularization process may be performed using a basic solution such as sodium hydroxide (NaOH). In addition, the hair removal process may be performed using an alkaline solution such as Na 2 S. The process may be appropriately selected and performed according to the human tissue used.

상기 탈세포화를 진행한 후 표백 공정 및/또는 중화 공정을 추가로 수행할 수 있다. After the decellularization, a bleaching process and/or a neutralization process may be additionally performed.

또한, 후술할 미세입자화를 용이하게 수행하기 위해 상기 탈세포화된 인체 조직을 동결건조하여 수분을 제거할 수 있다. In addition, moisture may be removed by freeze-drying the decellularized human tissue in order to easily perform microparticle formation, which will be described later.

단계 (S2)는 탈세포화된 인체 조직을 미세입자화하는 단계이다. Step (S2) is a step of fine-graining the decellularized human tissue.

상기 미세입자화는 인체 조직을 물리적으로 분쇄하거나 또는 화학적으로 입자화하여 수행할 수 있다. The fine particle formation may be performed by physically pulverizing human tissue or chemically particleizing the human tissue.

물리적 공정의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 분쇄기, 특히 마이크로 분쇄기를 이용하여 분말화하거나, 볼을 회전시켜 분쇄하여 분말화하거나, 또는 극저온에서 볼 혹은 막대를 회전시켜 분쇄하여 미세입자화할 수 있다. 또한, 화학적 공정의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 유·무기 용매, 염기성 알카리성 용매 등을 통해 조직으로부터 탈세포화하는 공정을 수행하여 미세입자화할 수 있다. The type of physical process is not particularly limited, and for example, it can be pulverized by using a pulverizer, particularly a micro pulverizer, pulverized by rotating a ball, or pulverized by pulverizing a ball or rod at a cryogenic temperature. can In addition, the type of chemical process is not particularly limited, and for example, a process of decellularization from tissue through an organic/inorganic solvent, a basic alkaline solvent, etc. may be performed to form microparticles.

일 구체예에서, 미세입자화된 인체 조직 유래 성분은 분화인자를 포함할 수 있다. 분화인자는 세포의 성장과 기능을 조절할 수 있는 물질을 의미한다. 상기 분화인자는 성장인자로 작용할 수 있으며, 특히 줄기세포에 적용했을 경우에 다른 세포로의 분화를 유도할 수 있다.In one embodiment, the microparticulated human tissue-derived component may include a differentiation factor. Differentiation factors refer to substances that can regulate the growth and function of cells. The differentiation factor may act as a growth factor, and in particular, when applied to stem cells, may induce differentiation into other cells.

예를 들어, 상기 분화인자는 전환 성장인자(Transforming Growth Factor-beta, TGF-β), 섬유아세포 성장인자(Fibroblast Growth Factor, FGF), 표피 성장인자(Epidermal Growth Factor, EGF), 혈관내피 성장인자(Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF), 인슐린 유사 성장인자(Insulin-like Growth Factor, IGF) 및 골 형태발생 단백질(Bone Morphogenic Protein, BMP)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. For example, the differentiation factor is Transforming Growth Factor-beta (TGF-β), Fibroblast Growth Factor (FGF), Epidermal Growth Factor (EGF), vascular endothelial growth factor It may be at least one selected from the group consisting of (Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF), insulin-like growth factor (IGF), and bone morphogenic protein (BMP).

일 구체예에서, 미세입자화된 인체 조직 유래 성분의 함량은 바이오 잉크 조성물 전체 중량(100 중량부) 대비 2 내지 20 중량부일 수 있다. 또한, 상기 미세입자화된 인체 조직 유래 성분은 바이오 잉크 조성물 내에서 5~10 %(w/v)로 존재할 수 있다. In one embodiment, the content of the microparticulated human tissue-derived component may be 2 to 20 parts by weight based on the total weight (100 parts by weight) of the bio-ink composition. In addition, the microparticulate human tissue-derived component may be present in an amount of 5 to 10% (w/v) in the bio-ink composition.

본 발명에서 생체적합성 고분자는 제조되는 구조체에 생체 적합성을 부여한다. In the present invention, the biocompatible polymer imparts biocompatibility to the fabricated structure.

일 구체예에서, 생체적합성 고분자의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 아가로즈(argarose), 알긴산(alginate), 키토산(chitosan), 콜라겐(collagen), 무세포화된 세포외기질(decellularized extracellular matrix), 피브린/피브리노겐(fibrin/fibrinogen), 젤라틴(gelatin), 그래핀(graphene), 히알루론산(hyaluronic acid), 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리락트산(polylactic acid, PLA), 폴리(DL-락트-코-글라이콜산(poly-D, L-lactic-co-glycolic acid, PLGA) 및 플루로닉(pluronic F 127)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. In one embodiment, the type of biocompatible polymer is not particularly limited, for example, agarose, alginic acid (alginate), chitosan (chitosan), collagen (collagen), decellularized extracellular matrix (decellularized extracellular) matrix), fibrin/fibrinogen, gelatin, graphene, hyaluronic acid, hydroxyapatite, polycaprolactone (PCL), polylactic acid acid, PLA), poly (DL-lactic-co-glycolic acid, poly-D, L-lactic-co-glycolic acid, PLGA) and at least one selected from the group consisting of pluronic F 127 may be used can

일 구체예에서, 상기 생체적합성 고분자로 알긴산을 사용할 수 있다. 상기 알긴산은 칼슘, 소듐, 포타슘, 암모늄, 또는 마그네슘 알긴산을 포함할 수 있다. 상기 알긴산은 생체 분해성이 우수하며, 바이오 잉크의 물리적 특성을 향상시키고, 가교가 용이하다는 특징을 가진다. 구체적으로, 알긴산(alginate)은 2가 양이온(divalent cation)의 킬레이션(chelation)을 통해 가교되어 겔화하므로, 상기 겔화 성질을 통해 바이오 잉크로서의 인쇄능(printability)과 인쇄 후 기계적 물성을 충족시킬 수 있다. In one embodiment, alginic acid may be used as the biocompatible polymer. The alginic acid may include calcium, sodium, potassium, ammonium, or magnesium alginic acid. The alginic acid has excellent biodegradability, improves physical properties of the bio-ink, and is easy to cross-link. Specifically, alginic acid (alginate) is crosslinked through chelation of divalent cations and gels, so it is possible to satisfy printability as a bio-ink and mechanical properties after printing through the gelling property. have.

일 구체예에서, 생체적합성 고분자의 함량은 바이오 잉크 조성물 전체 중량(100 중량부) 대비 0.5 내지 10 중량부일 수 있다. 상기 중량부 범위에서 지지체 제조시 목적하는 물성을 총족시킬 수 있다.In one embodiment, the content of the biocompatible polymer may be 0.5 to 10 parts by weight based on the total weight (100 parts by weight) of the bio-ink composition. In the range of parts by weight, desired physical properties may be satisfied when manufacturing the support.

본 발명에서 바이오 잉크 조성물은 세포 및 분화인자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다. In the present invention, the bio-ink composition may further include one or more selected from the group consisting of cells and differentiation factors.

일 구체예에서, 세포로 조직 재생에 사용하고자 하는 세포를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 줄기세포(Stem cell), 섬유아세포(Fibroblast), 연골세포 (Chondrocyte), 조골세포(Osteoblast), 상피세포(Epithelial cell), 각질세포(Keratinocyte), 내피세포(Endothelial cell) 및 신경세포(Neuron)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. In one embodiment, cells to be used for tissue regeneration may be used as cells, for example, stem cells, fibroblasts, chondrocytes, osteoblasts, epithelial cells. (Epithelial cell), keratinocyte (Keratinocyte), endothelial cell (Endothelial cell), and one or more selected from the group consisting of neurons (Neuron) may be used.

또한, 분화인자는 미세입자화된 인체 조직 유래 성분 자체에 포함될 수 있으나, 추가로 잉크 조성물에 별도로 첨가함으로써, 상기 분화인자의 효과, 즉 세포의 성장과 기능 조절을 극대화할 수 있다.In addition, the differentiation factor may be included in the microparticulate human tissue-derived component itself, but by additionally adding it to the ink composition, the effect of the differentiation factor, ie, cell growth and function control, can be maximized.

예를 들어, 상기 분화인자는 전술한 종류를 사용할 수 있으며, 구체적으로, 전환 성장인자(Transforming Growth Factor-beta, TGF-β), 섬유아세포 성장인자(Fibroblast Growth Factor, FGF), 표피 성장인자(Epidermal Growth Factor, EGF), 혈관내피 성장인자(Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF), 인슐린 유사 성장인자(Insulin-like Growth Factor, IGF) 및 골 형태발생 단백질(Bone Morphogenic Protein, BMP)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. For example, the differentiation factor may be any of the above-described types, specifically, Transforming Growth Factor-beta (TGF-β), Fibroblast Growth Factor (FGF), epidermal growth factor ( Epidermal Growth Factor (EGF), Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF), Insulin-like Growth Factor (IGF) and Bone Morphogenic Protein (BMP) selected from the group consisting of You can use more than one.

일 구체예에서, 세포 및 분화인자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 함량은 잉크 조성물 전체 중량(100 중량부) 대비 0.001 내지 20 중량부 일 수 있다. 상기 세포는 10 내지 20 중량부로 포함될 수 있으며, 분화인자는 0.001 중량부 이상으로 포함될 수 있다. In one embodiment, the content of one or more selected from the group consisting of cells and differentiation factors may be 0.001 to 20 parts by weight based on the total weight (100 parts by weight) of the ink composition. The cells may be included in an amount of 10 to 20 parts by weight, and the differentiation factor may be included in an amount of 0.001 parts by weight or more.

또한, 본 발명의 잉크 조성물을 물을 포함할 수 있다.In addition, the ink composition of the present invention may contain water.

또한, 본 발명은 전술한 바이오 잉크 조성물의 제조 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method for preparing the above-described bio-ink composition.

본 발명에 따른 바이오 잉크 조성물은 전술한 성분들, 즉, 미세입자화된 인체 조직 유래 성분 및 생체적합성 고분자를 혼합하여 제조할 수 있다. 미세입자화된 인체 조직 유래 성분은 마이크로 단위의 입자 형태이므로 생체유래 고분자에 수화 시 별도의 혼합 공정없이도 물리적으로 고르게 혼합될 수 있다. 아울러, 본 발명에서는 미세입자화된 인체 조직 유래 성분의 함량에 따라 바이오 잉크의 기계적 강도를 조절할 수 있다. The bio-ink composition according to the present invention can be prepared by mixing the above-mentioned components, that is, a component derived from microparticulated human tissue and a biocompatible polymer. Since the microparticulate human tissue-derived component is in the form of micro-sized particles, it can be physically mixed evenly without a separate mixing process when hydrated with a bio-derived polymer. In addition, in the present invention, the mechanical strength of the bio-ink can be adjusted according to the content of the microparticulated human tissue-derived component.

또한, 본 발명은 미세입자화된 인체 조직 유래 성분 및 생체적합성 고분자를 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크 조성물을 압출하여 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 구조체의 제조 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method of manufacturing a structure comprising the step of manufacturing a structure by extruding a bio-ink composition for 3D printing comprising a component derived from a microparticulated human tissue and a biocompatible polymer.

일 구체예예서, 본 발명에 따른 바이오 잉크 조성물은 3D 바이오 프린팅에 적용될 수 있다. In one embodiment, the bio-ink composition according to the present invention can be applied to 3D bio-printing.

상기 3D 바이오 프린팅은 목표 구조물을 삼차원으로 스캐닝하여 이미지를 얻고, 바이오 잉크를 통해 스캐닝한 이미지를 삼차원 구조 형태로 만드는 공정을 의미한다. 본 발명에서는 압출기반 프로세스에 적용될 수 있다. The 3D bioprinting refers to a process of three-dimensionally scanning a target structure to obtain an image, and converting the scanned image through bio-ink into a three-dimensional structure. In the present invention, it can be applied to an extrusion-based process.

본 발명에서 3D 프린팅용 바이오 잉크 조성물의 압출물을 구조체, 출력물, 또는 지지체(scaffold)라 표현할 수 있다. 본 발명에 따른 바이오 잉크 조성물은 세포의 생장 및 분화에 대한 지지체 역할을 수행할 수 있고, 생체친화성을 가지며, 생체 적합성을 가진다. 따라서, 체내에 용이하게 이식될 수 있으며, 체외 배양 또는 체내 이식 환경에서 세포의 생장과 분화를 조절할 수 있다.In the present invention, the extrudate of the bio-ink composition for 3D printing may be expressed as a structure, an output, or a scaffold. The bio-ink composition according to the present invention can serve as a support for cell growth and differentiation, and has biocompatibility and biocompatibility. Therefore, it can be easily transplanted into the body, and the growth and differentiation of cells can be controlled in an in vitro culture or in vivo transplantation environment.

본 발명에서 구조체는 3D 프린터를 이용하여 바이오 잉크 조성물을 압출하여 제조할수 있다. 구체적으로, 3D 컴퓨터로 미리 디자인된 프로그램을 따라 3차원 도면 데이터를 프린트하여 구조체를 제조할 수 있다.In the present invention, the structure can be manufactured by extruding the bio-ink composition using a 3D printer. Specifically, it is possible to manufacture a structure by printing 3D drawing data according to a program designed in advance with a 3D computer.

본 발명에서는 제조하고자 하는 목적에 따라, 압출력, 및 압출속도를 적절히 조절하여 구조체를 제조할 수 있다. In the present invention, the structure can be manufactured by appropriately adjusting the extrusion force and the extrusion speed according to the purpose of manufacture.

본 발명에서는 압출된 구조체를 가교하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The present invention may further include a step of crosslinking the extruded structure.

상기 가교는 당업계에서 일반적으로 사용하는 공정을 통해 수행될 수 있다. The crosslinking may be performed through a process generally used in the art.

일 구체예에서, 생체적합성 고분자로 알긴산을 사용할 경우, 상기 알긴산은 2가 양이온(divalent cation)의 킬레이션(chelation)을 통해 가교되어 겔화하므로, 이 특성을 이용하여 가교를 수행할 수 있다. In one embodiment, when alginic acid is used as the biocompatible polymer, the alginic acid is cross-linked through chelation of a divalent cation to gel, so cross-linking can be performed using this property.

본 발명에서는 3D 바이오 프린팅을 위한 바이오 잉크 조성물을 제공함으로써, 바이오 프린팅을 통해 완성된 구조체는 생체조직 재생을 위해 사용할 수 있다. 구체적으로, 바이오 잉크로 만들어진 구조체는 생체 친화성을 갖고, 지지체 내에 세포를 함유 및 표면에 부착하여 조직 재생을 유도할 수 있기에 생체조직 재생, 조직 공학, 재생 의학에 유용하게 사용될 수 있다.In the present invention, by providing a bio-ink composition for 3D bio-printing, the structure completed through bio-printing can be used for regeneration of living tissue. Specifically, a construct made of bio-ink has biocompatibility, and can be usefully used in bio-tissue regeneration, tissue engineering, and regenerative medicine because it can induce tissue regeneration by containing cells in the support and attaching to the surface.

하기 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 범주는 하기 실시예에 한정되는 것이 아니며 첨부된 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 도출되는 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형, 수정 또는 응용이 가능하다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. The present invention will be described in more detail through the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples, and it will be understood by those skilled in the art that various changes, modifications, or applications are possible within the scope without departing from the technical matters derived from the matters described in the appended claims. will be.

실시예Example

실시예 1. 미세입자화된 무세포 동종 진피(Micronized Acellular Dermal Matrix, M-ADM) 조직을 포함하는 바이오 잉크 제조Example 1. Preparation of bio-ink containing micro-particulated acellular dermal matrix (M-ADM) tissue

(1) M-ADM 분말 제조(1) M-ADM powder preparation

피부 조직(조직은행으로부터 비영리 목적의 환자 치료를 위해 기증받은 시신으로부터 채취)을 무세포화하였다. Skin tissue (collected from cadavers donated by a tissue bank for non-profit patient care) was decellularized.

먼저, 피부조직을 알코올(alcohol)과 헥산(Hexane)를 이용하여 탈지방화 과정을 수행하였다. 그 후, 수산화나트륨(NaOH)을 이용하여 표피와 세포를 제거하고, 황화나트륨(Na2S)을 이용하여 조직에 붙어있는 털을 제거하였다. 다음으로, 과산화수소(H2O2)을 거친 후 증류수를 이용하여 중화 및 세척을 진행하였다. 세척된 피부조직은 동결건조를 진행하여 수분을 제거하고, 마이크로 분쇄기를 이용하여 조직을 분쇄하였다. 상기 분쇄 시, 250~500 μm 구경의 체(sieve)를 통과시켜 500 μm 이하의 진피 조직 분말을 제작하였다.First, the skin tissue was subjected to a delipidation process using alcohol and hexane. Thereafter, the epidermis and cells were removed using sodium hydroxide (NaOH), and hair attached to the tissue was removed using sodium sulfide (Na 2 S). Next, after hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), neutralization and washing were performed using distilled water. The washed skin tissue was lyophilized to remove moisture, and the tissue was pulverized using a micro grinder. During the pulverization, a dermal tissue powder of 500 μm or less was prepared by passing it through a sieve having a diameter of 250 μm to 500 μm.

상기 제작된 분말 형태의 조직을 멸균하였다.The prepared powdery tissue was sterilized.

(2) M-ADM 기반 바이오 잉크 제조(2) M-ADM-based bio-ink manufacturing

(1)에서 제작된 M-ADM 분말과 알긴산 수용액을 혼합하여 하이드로젤 형태의 바이오 잉크 조성물을 제조하였다. A bio-ink composition in the form of a hydrogel was prepared by mixing the M-ADM powder prepared in (1) and an aqueous alginic acid solution.

알긴산 1~2% (w/v) 수용액을 준비하였다. 알긴산 수용액은 0.22 μm 시린지 필터로 여과한 후에 사용하였다. Alginic acid 1-2% (w/v) aqueous solution was prepared. Alginic acid aqueous solution was used after filtration with a 0.22 μm syringe filter.

알긴산 수용액에 M-ADM 5~10 %(w/v)을 수화시켰다. 두 개의 주사기를 루어 어댑터에 연결하여 균일하게 수화하여 조성물을 제조하였다. M-ADM 5-10% (w/v) was hydrated in an aqueous alginic acid solution. Two syringes were connected to a Luer adapter to uniformly hydrate to prepare a composition.

도 1의 (A)는 M-ADM 기반 바이오 잉크를 주사기에 충진한 모습이다.Figure 1 (A) is a state in which the M-ADM-based bio-ink is filled in the syringe.

실시예 2. 미세입자화된 무세포 동종 연골(Micronized Acellular Cartilage, M-AC) 조직을 포함하는 바이오 잉크 제조Example 2. Preparation of Bio-Ink Containing Micronized Acellular Cartilage (M-AC) Tissue

(1) M- AC 분말 제조(1) Preparation of M-AC powder

연골 조직(조직은행으로부터 비영리 목적의 환자 치료를 위해 기증받은 시신으로부터 채취)을 마이크로 분쇄기를 이용하여 분쇄하였다. 상기 분쇄는 250~500 um 구경의 체(sieve)를 통과시켜 500um 이하의 연골 조직 분말을 얻었다. Cartilage tissue (collected from a cadaver donated by a tissue bank for patient treatment for non-profit purposes) was pulverized using a micro grinder. The pulverization was passed through a sieve having a caliber of 250 to 500 um to obtain a cartilage tissue powder of 500 μm or less.

그 후, 연골 조직 분말을 을 얻은 후 무세포화하였다.Thereafter, the cartilage tissue powder was obtained and then decellularized.

먼저, 연골 조직을 알코올(alcohol)과 헥산(Hexane)를 이용하여 탈지방화 과정을 수행하였다. 그 후, 수산화나트륨(NaOH)을 이용하여 세포를 제거하고, 알코올(Ethanol)과 증류수를 이용하여 세척하였다. 동결 건조를 진행하여 수분을 제거한 후, 분말 형태의 조직을 전자선으로 멸균하였다. First, the cartilage tissue was subjected to a delipidation process using alcohol and hexane. Then, cells were removed using sodium hydroxide (NaOH), and washed with alcohol (Ethanol) and distilled water. After removing moisture by freeze-drying, the tissue in powder form was sterilized with an electron beam.

(2) M-AC 기반 바이오잉크 제조(2) M-AC-based bio-ink manufacturing

(1)에서 제작된 M-AC 분말과 알긴산 수용액을 혼합하여 하이드로젤 형태의 바이오 잉크 조성물을 제조하였다. A bio-ink composition in the form of a hydrogel was prepared by mixing the M-AC powder prepared in (1) and an aqueous alginic acid solution.

알긴산 1~2% (w/v) 수용액을 준비하였다. 알긴산 수용액은 0.22 μm 시린지 필터로 여과한 후에 사용하였다. Alginic acid 1-2% (w/v) aqueous solution was prepared. Alginic acid aqueous solution was used after filtration with a 0.22 μm syringe filter.

알긴산 수용액에 M-AC 5~10 %(w/v)을 수화시켰다. 두 개의 주사기를 루어 어댑터에 연결하여 균일하게 수화하여 조성물을 제조하였다.M-AC 5-10% (w/v) was hydrated in an aqueous alginic acid solution. Two syringes were connected to a Luer adapter to uniformly hydrate to prepare a composition.

도 1(B)는 M-AC 기반 바이오 잉크를 주사기에 충진한 모습이다.1(B) is a view of filling a syringe with M-AC-based bio-ink.

실험예 1. 바이오 잉크의 세포친화성 분석Experimental Example 1. Cell affinity analysis of bio-ink

(1) 바이오 잉크 내에서의 섬유아세포 또는 인간연골세포 생존능 분석(1) Analysis of viability of fibroblasts or human chondrocytes in bio-ink

① 방법① Method

실시예 1에서 제조된 M-ADM 기반 바이오 잉크의 세포 친화성을 인간진피섬유아세포(Human Dermal Fibroblast)를 사용하여 확인하였다.The cell affinity of the M-ADM-based bio-ink prepared in Example 1 was confirmed using Human Dermal Fibroblasts.

구체적으로, 2×107 cells의 인간진피섬유아세포를 100 μl의 배지에 M-ADM 기반 바이오 잉크 1 ml를 혼합하였다. 혼합은 두개의 주사기를 루어 어댑터에 연결하여 균일하게 수화하였다. 상기 세포와 혼합한 바이오 잉크를 22G 주사 바늘로 압출하여 가로 10 mm, 세로 10 mm, 간격 2.5 mm의 격자무늬 형태의 구조물로 제작하였다. Specifically, 2×10 7 cells of human dermal fibroblasts were mixed with 1 ml of M-ADM-based bio-ink in 100 μl of medium. Mixing was uniformly hydrated by connecting two syringes to a Luer adapter. The bio-ink mixed with the cells was extruded with a 22G injection needle to form a grid pattern structure having a width of 10 mm, a length of 10 mm, and an interval of 2.5 mm.

격자무늬 형태의 구조물이 완성되면 가교를 위해 상기 구조물에 1% 염화칼슘 용액을 5~10분간 처리하였다. 가교된 구조물을 인산완충액(PBS)으로 세척한 뒤, 세포 배양 배지에 침지시키고 세포배양기에서 배양을 진행하였다.When the grid-shaped structure was completed, 1% calcium chloride solution was applied to the structure for 5 to 10 minutes for cross-linking. The cross-linked structure was washed with phosphate buffer (PBS), immersed in a cell culture medium, and cultured in a cell incubator.

세포 친화성 분석은 다음과 같이 진행하였다. Cell affinity analysis was performed as follows.

세포가 살아있는 구조물을 배양 1일, 1주, 2주, 3주, 4주 후에 Live/dead cell viability assay kit(Life Technology, USA)를 사용하여 분석을 진행하였다. 0.5 μl/ml Calcein-AM과 2 ul/ml Ethidium homodimer-1이 용해되어 있는 배지를 구조체에 침지하여 30분간 반응시켰다. 반응 후, 공초점 현미경(LSM 700, Carl Zeiss, Germany)을 통해 확인한다. 구체적으로, 약 200 μm 깊이까지 10 μm 간격으로 초점을 맞추어 구조체 내부의 세포 생존을 확인하였다.After 1 day, 1 week, 2 weeks, 3 weeks, and 4 weeks of culturing the live cell structure, analysis was performed using a Live/dead cell viability assay kit (Life Technology, USA). A medium in which 0.5 μl/ml Calcein-AM and 2 ul/ml Ethidium homodimer-1 were dissolved was immersed in the construct and reacted for 30 minutes. After the reaction, it is confirmed through a confocal microscope (LSM 700, Carl Zeiss, Germany). Specifically, cell survival inside the construct was confirmed by focusing at intervals of 10 μm to a depth of about 200 μm.

한편, 실시예 2에서 제조된 M-AC 기반 바이오 잉크의 세포 친화성을 인간연골세포(Human Chondrocyte)를 사용하여 확인하였다.Meanwhile, the cell affinity of the M-AC-based bio-ink prepared in Example 2 was confirmed using human chondrocytes.

구체적으로, 2×107 cells의 인간 연골세포를 200 μl의 배지에 M-AC 기반 바이오 잉크 1.8 ml를 혼합하였다. 혼합은 두개의 주사기를 루어 어댑터에 연결하여 균일하게 수화하였다. 상기 세포와 혼합한 바이오 잉크를 22G 주사 바늘로 압출하여 가로 10 mm, 세로 10 mm, 간격 2.5 mm의 격자무늬 형태의 구조물로 제작하였다. Specifically, 2×10 7 cells of human chondrocytes were mixed with 1.8 ml of M-AC-based bio-ink in 200 μl of medium. Mixing was uniformly hydrated by connecting two syringes to a Luer adapter. The bio-ink mixed with the cells was extruded with a 22G injection needle to form a grid pattern structure having a width of 10 mm, a length of 10 mm, and an interval of 2.5 mm.

격자무늬 형태의 구조물이 완성되면 가교를 위해 상기 구조물에 1% 염화칼슘 용액을 7~10분간 처리하였다. 가교된 구조물을 인산완충액(PBS)으로 세척한 뒤, 세포 배양 배지에 침지시키고 세포배양기에서 배양을 진행하였다.When the grid pattern structure was completed, 1% calcium chloride solution was applied to the structure for 7 to 10 minutes for cross-linking. The cross-linked structure was washed with phosphate buffer (PBS), immersed in a cell culture medium, and cultured in a cell incubator.

세포 친화성 분석은 상기 M-ADM의 분석 방법과 동일하게 진행하였다Cell affinity analysis was performed in the same manner as the M-ADM analysis method.

② 결과② Results

M-ADM 기반 바이오 잉크의 세포 친화성 분석 결과를 도 2(A)에 나타내었다. The results of cell affinity analysis of the M-ADM-based bio-ink are shown in FIG. 2(A).

도 2(A)의 사진을 통해, 시간이 지날수록 살아있는 세포가 많아지는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 세포가 바이오 잉크 내에 생존할 뿐만 아니라 증식이 가능함을 확인할 수 있다. 2(A), it can be seen that the number of living cells increases as time passes. Through this, it can be confirmed that cells can not only survive in the bio-ink but also proliferate.

또한, 도 (A)의 그래프는 상기 결과를 정량화한 결과이다. 배양 4주 후는 배양 1일 후에 비해 세포수가 4배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다.In addition, the graph of FIG. (A) is the result of quantifying the said result. After 4 weeks of culture, it can be seen that the number of cells increased 4 times or more compared to after 1 day of culture.

한편, M-AC 기반 바이오 잉크의 세포 친화성 분석 결과를 도 2(B)에 나타내었다.Meanwhile, the cell affinity analysis result of the M-AC-based bio-ink is shown in FIG. 2(B).

도 2(B)를 통해, M-ADM 기반 바이오 잉크에서와 마찬가지로, 시간이 지날수록 살아있는 세포가 많아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 세포가 바이오 잉크 내에 생존할 뿐만 아니라 증식되는 모습을 확인할 수 있다.2(B), as in the M-ADM-based bio-ink, it can be confirmed that the number of living cells increases over time. In addition, it can be seen that the cells not only survive in the bio-ink but also proliferate.

(2) 바이오 잉크 내에서의 지방유래 줄기세포 생존능(2) Viability of adipose-derived stem cells in bio-ink

① 방법① Method

실시예 1에서 제조한 M-ADM 기반 바이오 잉크의 세포 친화성을 지방유래 줄기세포(Adipose tissue-derived stem cell)를 사용하여 확인하였다.The cell affinity of the M-ADM-based bio-ink prepared in Example 1 was confirmed using adipose tissue-derived stem cells.

구체적으로, 1×107 cells의 지방유래 줄기세포를 포함한 세포혼탁액 100ul에 M-ADM 기반 바이오 잉크 1 ml를 혼합하였다. 혼합은 두 개의 주사기를 루어 어댑터에 연결하여 균일하게 수화하였다. 세포와 혼합한 바이오 잉크를 22G 주사바늘로 압출하여 가로 10 mm, 세로 10 mm, 간격 2.5 mm의 격자무늬 형태의 구조물로 제작하였다. Specifically, 1 ml of M-ADM-based bio-ink was mixed with 100 μl of a cell suspension containing 1×10 7 cells of adipose-derived stem cells. Mixing was uniformly hydrated by connecting two syringes to a Luer adapter. The bio-ink mixed with the cells was extruded with a 22G needle to form a grid-like structure with a width of 10 mm, a length of 10 mm, and an interval of 2.5 mm.

격자무늬 형태의 구조물이 완성되면 가교를 위해 1% 염화칼슘 용액을 구조물에 5~10분간 처리하였다. 가교된 구조물을 PBS로 세척한 뒤, 세포 배양 배지에 침지시키고, 세포배양기에서 배양을 진행하였다.When the grid-shaped structure was completed, 1% calcium chloride solution was applied to the structure for 5 to 10 minutes for cross-linking. The cross-linked structure was washed with PBS, immersed in a cell culture medium, and cultured in a cell incubator.

세포 친화성 분석은 다음과 같이 진행하였다. Cell affinity analysis was performed as follows.

세포가 살아있는 구조물을 배양 1, 2, 3, 4주 후에 Live/dead cell viability assay kit (Life Technology, USA)로 염색하고 공초점 현미경 (LSM 700, Carl Zeiss, Germany)을 통해 확인하였다. After 1, 2, 3, and 4 weeks of culture, the cells in which the cells were alive were stained with a Live/dead cell viability assay kit (Life Technology, USA) and confirmed through a confocal microscope (LSM 700, Carl Zeiss, Germany).

한편, M-AC 기반 바이오 잉크의 세포 친화성을 지방유래 줄기세포(Adipose tissue-derived stem cell)를 사용하여 확인하였다.Meanwhile, the cell affinity of the M-AC-based bio-ink was confirmed using adipose tissue-derived stem cells.

구체적으로, 2×107 cells의 지방유래 줄기세포를 포함한 세포혼탁액 200ul에 M-AC 기반 바이오 잉크 1.8 ml를 혼합하였다. 혼합은 두 개의 주사기를 루어 어댑터에 연결하여 균일하게 수화하였다. 세포와 혼합한 바이오 잉크를 22G 주사바늘로 압출하여 가로 10 mm, 세로 10 mm, 간격 2.5 mm의 격자무늬 형태의 구조물로 제작하였다.Specifically, 1.8 ml of M-AC-based bio-ink was mixed with 200ul of a cell suspension containing 2×10 7 cells of adipose-derived stem cells. Mixing was uniformly hydrated by connecting two syringes to a Luer adapter. The bio-ink mixed with the cells was extruded with a 22G needle to form a grid-like structure with a width of 10 mm, a length of 10 mm, and an interval of 2.5 mm.

격자무늬 형태의 구조물이 완성되면 가교를 위해 1% 염화칼슘 용액을 구조물에 7~10분간 처리하였다. 가교된 구조물을 PBS로 세척한 뒤, 세포 배양 배지에 침지시키고, 세포배양기에서 배양을 진행하였다.When the grid-shaped structure was completed, 1% calcium chloride solution was applied to the structure for 7 to 10 minutes for cross-linking. The cross-linked structure was washed with PBS, immersed in a cell culture medium, and cultured in a cell incubator.

세포 친화성 분석은 상기 M-ADM과 동일하게 진행하였다.Cell affinity analysis was performed in the same manner as in the M-ADM.

② 결과② Results

M-ADM 기반 바이오 잉크의 세포 친화성 분석 결과를 도 3(A)에 나타내었다. The results of cell affinity analysis of the M-ADM-based bio-ink are shown in FIG. 3(A).

도 3(A)를 통해, 배양 시간이 지남에 따라 세포의 양이 바이오 잉크 구조체 내에서 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 바이오 잉크 조성물 중의 M-ADM과 알긴산의 비율을 적절히 조절함으로써, 지방유래 줄기세포를 생존 및 증식하게 하는 세포적합성 및 세포친화성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3(A) , it can be seen that the amount of cells increases in the bio-ink structure as the culture time elapses. In addition, it can be confirmed that by appropriately adjusting the ratio of M-ADM and alginic acid in the bio-ink composition, cell compatibility and cell affinity for survival and proliferation of adipose-derived stem cells can be improved.

도 3(A)에서 그래프는 사진에서 초록색으로 표현되는 살아있는 세포를 정량한 결과이다. 이를 통해, 시간에 따라 세포 증식이 증가하는 것을 확인할 수 있다.The graph in FIG. 3(A) is the result of quantifying the living cells expressed in green in the photograph. Through this, it can be confirmed that cell proliferation increases with time.

M-AC 기반 바이오 잉크의 세포 친화성 분석 결과를 도 3(B)에 나타내었다. The results of cell affinity analysis of the M-AC-based bio-ink are shown in FIG. 3(B).

도 3(B)를 통해, 배양 시간이 지남에 따라 세포의 양이 바이오 잉크 구조체 내에서 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 바이오 잉크 조성물 중의 M-AC와 알긴산의 비율을 적절히 조절함으로써, 지방유래 줄기세포를 생존 및 증식하게 하는 세포적합성 및 세포친화성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3(B) , it can be seen that the amount of cells increases in the bio-ink structure as the culture time elapses. In addition, it can be confirmed that by appropriately adjusting the ratio of M-AC and alginic acid in the bio-ink composition, cell compatibility and cell affinity for survival and proliferation of adipose-derived stem cells can be improved.

도 3(B)에서 그래프는 사진에서 초록색으로 표현되는 살아있는 세포를 정량한 결과이다. 이를 통해, 시간에 따라 세포 증식이 증가하는 것을 확인할 수 있다.The graph in FIG. 3(B) is the result of quantifying the living cells expressed in green in the photograph. Through this, it can be confirmed that cell proliferation increases with time.

실험예 2. 바이오 잉크의 활성 확인Experimental Example 2. Confirmation of the activity of bio-ink

(1) 바이오 잉크 내에서의 지방유래 줄기세포의 섬유아세포로의 분화 확인(1) Confirmation of differentiation of adipose-derived stem cells into fibroblasts in bio-ink

① 방법① Method

전술한 실험예 1을 통해, 바이오 잉크 조성물의 구조물에서 지방유래 줄기세포가 생존하는 것을 확인하였다. 본 실험예에서는 본 발명에 따른 바이오 잉크 조성물이 생존능력뿐만 아니라 세포의 기능을 조절할 수 있는지를 평가하였다. Through the aforementioned Experimental Example 1, it was confirmed that the adipose-derived stem cells survived in the structure of the bio-ink composition. In this experimental example, it was evaluated whether the bio-ink composition according to the present invention could regulate cell function as well as viability.

상기 평가는 바이오 잉크 조성물 내에서 지방유래 줄기세포의 섬유아세포로의 분화 여부 확인을 통해 진행하였다.The evaluation was conducted by checking whether or not the adipose-derived stem cells were differentiated into fibroblasts in the bio-ink composition.

섬유아세포로의 분화 여부는 섬유아세포의 특정 표지자를 이용한 조직분석을 통해 진행하였다. M-ADM 기반 바이오 잉크와 지방유래 줄기세포를 함께 배양한 구조물을 채취하였다. OCT Compound을 이용하여 동결 표본을 제작하고, 동결 조직 절단기를 통해 4~20 μm의 두께로 절편을 제작하였다. 슬라이드 글라스 위의 조직 절편을 섬유아세포의 특정 표지자인 Collagen type 1과 alpha-SMA의 항체로 염색한 뒤, 형광현미경으로 Collagen type 1과 alpha-SMA의 발현을 확인하였다. Whether to differentiate into fibroblasts was carried out through tissue analysis using specific markers of fibroblasts. Constructs in which M-ADM-based bio-ink and adipose-derived stem cells were co-cultured were collected. Frozen specimens were prepared using OCT Compound, and sections were fabricated with a thickness of 4-20 μm through a frozen tissue cutter. The tissue sections on the slide glass were stained with antibodies of collagen type 1 and alpha-SMA, which are specific markers of fibroblasts, and the expression of collagen type 1 and alpha-SMA was confirmed by fluorescence microscopy.

또한, 지방유래 줄기세포가 섬유아세포로 분화하였는지의 여부를 섬유아세포의 표지자인 FSP-1(Fibroblast specific protein-1)의 mRNA 발현을 qRT-PCR을 통해 정량분석 하였다.In addition, the mRNA expression of FSP-1 (Fibroblast specific protein-1), a marker of fibroblasts, was quantitatively analyzed through qRT-PCR to determine whether adipose-derived stem cells differentiated into fibroblasts.

② 결과② Results

평가 결과를 도 4에 나타내었다. The evaluation results are shown in FIG. 4 .

상기 도 4(A)를 통해 지방유래 줄기세포가 M-ADM 기반 바이오 잉크의 지지체 내에서 섬유아세포의 마커인 collagen type 1과 alpha-SMA를 발현하는 것을 확인할 수 있다.4(A), it can be confirmed that the adipose-derived stem cells express collagen type 1 and alpha-SMA, markers of fibroblasts, in the support of the M-ADM-based bio-ink.

또한, 도 4(B)를 통해, 지방유래 줄기세포가 M-ADM 기반 바이오 잉크와 함께 5주까지 배양되었을 때, FSP-1의 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이 때의 발현양은 섬유아세포가 발현하는 FSP-1의 양과 비슷하거나 우위의 수준임을 확인할 수 있다.In addition, through FIG. 4(B), when the adipose-derived stem cells were cultured with the M-ADM-based bio-ink for up to 5 weeks, it can be confirmed that the expression of FSP-1 is increased. It can be confirmed that the expression level at this time is similar to or superior to the amount of FSP-1 expressed by fibroblasts.

(2) 바이오 잉크 내에서의 지방유래 줄기세포의 연골세포로의 분화 확인(2) Confirmation of differentiation of adipose-derived stem cells into chondrocytes in bio-ink

① 방법① Method

M-AC 기반 바이오 잉크 내에서의 지방유래 줄기세포가 연골세포로의 분화 여부를 확인하였다.It was confirmed whether adipose-derived stem cells in the M-AC-based bio-ink were differentiated into chondrocytes.

구체적으로, 지방유래 줄기세포가 연골세포로 분화하였는지를 연골세포의 특정 표지자를 이용하여 조직분석을 통해 진행하였다. M-AC 기반 바이오 잉크와 지방유래 줄기세포를 함께 배양한 구조물을 채취하였다. OCT Compound을 이용하여 동결 표본을 제작하고 동결 조직 절단기를 통해 4~20 μm의 두께로 절편을 슬라이드 글라스에 제작하였다. 슬라이드 글라스 위의 조직 절편을 연골세포의 특정 표지자인 Aggrecan의 항체와 지방유래 줄기세포의 특정 표지자인 CD44의 항체로 염색한 뒤, 형광현미경으로 Aggrecan과 CD44의 발현을 확인하였다.Specifically, whether the adipose-derived stem cells differentiated into chondrocytes was determined through tissue analysis using specific markers of chondrocytes. Constructs in which M-AC-based bio-ink and adipose-derived stem cells were co-cultured were collected. Frozen specimens were prepared using OCT Compound, and sections with a thickness of 4-20 μm were prepared on a slide glass through a frozen tissue cutter. The tissue sections on the slide glass were stained with Aggrecan antibody, a specific marker for chondrocytes, and CD44, a specific marker for adipose-derived stem cells.

또한, 지방유래 줄기세포가 연골세포로 분화하였는지의 여부를 연골세포 표지자인 Collagen type II와 SOX-9의 mRNA 발현을 qRT-PCR을 통해 정량분석 하였다. In addition, the mRNA expression of collagen type II and SOX-9, which are chondrocyte markers, was quantitatively analyzed through qRT-PCR to determine whether adipose-derived stem cells differentiated into chondrocytes.

② 결과② Results

평가 결과를 도 4에 나타내었다.The evaluation results are shown in FIG. 4 .

도 4(C)는 사람 연골세포와 지방유래 줄기세포를 염색한 것으로 각각의 표지자인 Aggrecan과 CD44의 발현을 나타낸다. 또한, (D)는 M-AC 기반 바이오 잉크 지지체 내에서의 지방유래 줄기세포를 염색하여 각각의 특정 표지자의 발현을 확인하였다. 이를 통해, M-AC 기반 바이오 잉크 지지체 내에서 배양 초기에는 지방유래줄기세포의 표지자인 CD44가 발현되었지만, 배양 후 연골세포의 표지자인 Aggrecan가 발현되는 것을 확인할 수 있다. 4(C) shows the expression of Aggrecan and CD44, which are markers, by staining human chondrocytes and adipose-derived stem cells. In addition, in (D), the expression of each specific marker was confirmed by staining the adipose-derived stem cells in the M-AC-based bio-ink support. Through this, it can be confirmed that CD44, a marker of adipose-derived stem cells, was expressed in the M-AC-based bio-ink support at the beginning of culture, but Aggrecan, a marker of chondrocytes, was expressed after culture.

또한, 도 4(E)를 통해, 지방유래 줄기세포가 M-AC 기반 바이오 잉크와 함께 2주까지 배양되었을 때, Collagen type II와 SOX-9의 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이 때의 발현양은 인간 연골세포가 발현하는 Collagen type II와 SOX-9의 양과 비슷하거나 우위의 수준임을 확인할 수 있다.In addition, through FIG. 4(E), when the adipose-derived stem cells were cultured with the M-AC-based bio-ink for up to 2 weeks, it was confirmed that the expression of collagen type II and SOX-9 increased. It can be confirmed that the expression level at this time is similar to or superior to the amount of collagen type II and SOX-9 expressed by human chondrocytes.

실험예 3. 3D 바이오 프린팅을 위한 바이오 잉크의 활용 여부Experimental Example 3. Whether bio-ink is used for 3D bio-printing

M-ADM 기반 바이오 잉크가 3D 프린터로 출력이 가능한지 확인하기 위해 3D 바이오 프린터를 이용하여 출력을 수행하였다.In order to check whether the M-ADM-based bio-ink can be printed with a 3D printer, printing was performed using a 3D bio-printer.

바이오 잉크를 10 ml 주사기에 넣고, 22G의 주사바늘을 통해 4 mm/s의 압출속도로 프린팅을 수행하였다. 10 mm x 10 mm x 2mm (가로x세로x높이)의 크기로 12%의 공극률(porosity)의 조건으로 구조체를 완성하였다. Bio-ink was placed in a 10 ml syringe, and printing was performed at an extrusion rate of 4 mm/s through a 22G needle. The structure was completed with a size of 10 mm x 10 mm x 2 mm (width x length x height) under the condition of porosity of 12%.

도 1(A)에 M-ADM 기반 바이오 잉크로 프린팅을 수행한 결과물을 나타내었다. 계획했던 모양에 맞게 무너지지 않은 형태로 구조체가 완성되었으며, 프린팅 후에 염화칼슘 용액으로 5~10분간 가교했을 때 모양 유지가 가능함을 확인할 수 있었다. 핀셋으로 구조체를 집어 들어도 형태가 무너지지 않은 강도의 구조체가 확인되었다.1(A) shows the result of printing with M-ADM-based bio-ink. The structure was completed in a form that did not collapse according to the planned shape, and it was confirmed that the shape could be maintained when cross-linked with calcium chloride solution for 5 to 10 minutes after printing. A structure with strength that did not collapse even when the structure was picked up with tweezers was confirmed.

한편, 도 1(B)에 M-AC 기반 바이오 잉크로 프린팅을 수행한 결과물을 나타내었다. M-AC 역시 M-ADM 기반 바이오 잉크와 마찬가지로 계획했던 모양에 벗어나지 않으며 무너지지 않은 형태로 구조체가 완성되었으며, 형태 유지가 가능함을 확인할 수 있었다. 특히, 접는 모양으로 구조체를 구부린 후에도 다시 펴지며 구조를 유지하는 형태임을 확인하였다. 상기의 결과로, 미세입자화된 인체 조직이 포함된 바이오 잉크가 3D 프린터를 통해 다양한 구조와 모양으로 프린팅 될 수 있으며, 바이오 프린팅을 위한 바이오 잉크로서 사용 가능함과 바이오 잉크가 제공하는 환경의 영향으로 줄기세포가 바이오 잉크 내 인체 조직 특이성에 따라 분화되는 것을 검증하였다.Meanwhile, FIG. 1(B) shows the result of printing with M-AC-based bio-ink. Like the M-ADM-based bio-ink, the M-AC structure was completed in a form that did not deviate from the planned shape and did not collapse, and it was confirmed that the shape could be maintained. In particular, it was confirmed that after bending the structure into a folding shape, it is unfolded again and maintains the structure. As a result of the above, bio-ink containing fine-grained human tissue can be printed in various structures and shapes through a 3D printer, and can be used as bio-ink for bio-printing and due to the influence of the environment provided by bio-ink. It was verified that the stem cells were differentiated according to the specificity of the human tissue in the bio-ink.

Claims (15)

미세입자화된 인체 조직 유래 성분 및 생체적합성 고분자를 포함하고,
상기 미세입자화된 인체 조직 유래 성분의 입경은 10 내지 1000 um인 3D 프린팅용 바이오 잉크 조성물.
Contains microparticulate human tissue-derived components and biocompatible polymers,
A bio-ink composition for 3D printing wherein the particle diameter of the micro-particulated human tissue-derived component is 10 to 1000 um.
제 1 항에 있어서,
인체 조직 유래 성분은 무세포 동종 진피(Acellular Dermal Matrix, ADM), 무세포 동종 연골(Acellular Cartilage, AC), 무세포 동종 지방(Acellular Adipose, AA), 무세포 동종 뼈(Acellular Bone, AB) 및 무세포 동종 뼈 유래 무기질(Acellular Bone Derived Mineral, ABDM)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 바이오 잉크 조성물.
The method of claim 1,
Human tissue-derived components include Acellular Dermal Matrix (ADM), Acellular Cartilage (AC), Acellular Adipose (AA), Acellular Bone (AB) and A bio-ink composition comprising at least one selected from the group consisting of acellular allogeneic bone-derived minerals (Acellular Bone Derived Mineral, ABDM).
삭제delete 제 1 항에 있어서,
미세입자화된 인체 조직 유래 성분은
(S1) 인체 조직을 탈세포화 하는 단계; 및
(S2) 상기 탈세포화된 인체 조직을 미세입자화하는 단계를 통해 제조되는 것인 바이오 잉크 조성물.
The method of claim 1,
Ingredients derived from micro-particulated human tissue
(S1) decellularizing the human tissue; and
(S2) The bio-ink composition produced through the step of microparticles of the decellularized human tissue.
제 4 항에 있어서,
미세입자화하는 단계는 인체 조직을 물리적으로 분쇄하거나 또는 화학적으로 입자화하는 것인 바이오 잉크 조성물.
5. The method of claim 4,
The step of microparticulating is a bio-ink composition that physically pulverizes human tissue or chemically particleizes the human tissue.
제 1 항에 있어서,
미세입자화된 인체 조직 유래 성분은 분화인자를 포함하는 것인 바이오 잉크 조성물.
The method of claim 1,
The microparticled human tissue-derived component is a bio-ink composition comprising a differentiation factor.
제 6 항에 있어서,
분화인자는 전환 성장인자(Transforming Growth Factor-beta, TGF-β), 섬유아세포 성장인자(Fibroblast Growth Factor, FGF), 표피 성장인자(Epidermal Growth Factor, EGF), 혈관내피 성장인자(Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF), 인슐린 유사 성장인자(Insulin-like Growth Factor, IGF) 및 골 형태발생 단백질(Bone Morphogenic Protein, BMP)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 바이오 잉크 조성물.
7. The method of claim 6,
Differentiation factors include Transforming Growth Factor-beta (TGF-β), Fibroblast Growth Factor (FGF), Epidermal Growth Factor (EGF), Vascular Endothelial Growth Factor , VEGF), insulin-like growth factor (Insulin-like Growth Factor, IGF), and bone morphogenic protein (Bone Morphogenic Protein, BMP), the bio-ink composition comprising at least one selected from the group consisting of.
제 1 항에 있어서,
미세입자화된 인체 조직 유래 성분은 바이오 잉크 조성물 전체 중량 대비 2 내지 20 중량부로 포함되는 것인 바이오 잉크 조성물.
The method of claim 1,
The bio-ink composition that the micro-particulated human tissue-derived component is included in an amount of 2 to 20 parts by weight based on the total weight of the bio-ink composition.
제 1 항에 있어서,
생체적합성 고분자는 아가로즈(argarose), 알긴산(alginate), 키토산(chitosan), 콜라겐(collagen), 무세포화된 세포외기질(decellularized extracellular matrix), 피브린/피브리노겐(fibrin/fibrinogen), 젤라틴(gelatin), 그래핀(graphene), 히알루론산(hyaluronic acid), 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리락트산(polylactic acid, PLA), 폴리(DL-락트-코-글라이콜산(poly-D, L-lactic-co-glycolic acid, PLGA) 및 플루로닉(pluronic F 127)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 바이오 잉크 조성물.
The method of claim 1,
Biocompatible polymers include agarose, alginate, chitosan, collagen, decellularized extracellular matrix, fibrin/fibrinogen, gelatin. , graphene, hyaluronic acid, hydroxyapatite, polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLA), poly (DL-lactic-co-glycolic acid) (poly-D, L-lactic-co-glycolic acid, PLGA), and pluronic (pluronic F 127), the bio-ink composition comprising at least one selected from the group consisting of.
제 1 항에 있어서,
생체적합성 고분자는 바이오 잉크 조성물 전체 중량 대비 0.5 내지 10 중량부로 포함되는 것인 바이오 잉크 조성물.
The method of claim 1,
The biocompatible polymer is included in an amount of 0.5 to 10 parts by weight based on the total weight of the bio-ink composition.
제 1 항에 있어서,
세포 및 분화인자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 추가로 포함하는 것인 바이오 잉크 조성물.
The method of claim 1,
A bio-ink composition further comprising one or more selected from the group consisting of cells and differentiation factors.
제 11 항에 있어서,
세포는 줄기세포(Stem cell), 섬유아세포 (Fibroblast), 연골세포 (Chondrocyte), 조골세포(Osteoblast), 상피세포(Epithelial cell), 각질세포(Keratinocyte), 내피세포(Endothelial cell) 및 신경세포(Neuron)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하고,
분화인자는 전환 성장인자(Transforming Growth Factor-beta, TGF-β), 섬유아세포 성장인자(Fibroblast Growth Factor, FGF), 표피 성장인자(Epidermal Growth Factor, EGF), 혈관내피 성장인자(Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF), 인슐린 유사 성장인자(Insulin-like Growth Factor, IGF) 및 골 형태발생 단백질(Bone Morphogenic Protein, BMP)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 바이오 잉크 조성물.
12. The method of claim 11,
Cells are stem cells, fibroblasts, chondrocytes, osteoblasts, epithelial cells, keratinocytes, endothelial cells, and nerve cells ( Neuron) comprising at least one selected from the group consisting of,
Differentiation factors include Transforming Growth Factor-beta (TGF-β), Fibroblast Growth Factor (FGF), Epidermal Growth Factor (EGF), Vascular Endothelial Growth Factor , VEGF), insulin-like growth factor (Insulin-like Growth Factor, IGF), and bone morphogenic protein (Bone Morphogenic Protein, BMP), the bio-ink composition comprising at least one selected from the group consisting of.
제 11 항에 있어서,
세포 및 분화인자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 함량은 바이오 잉크 조성물 전체 중량 대비 0.001 내지 20 중량부인 것인 바이오 잉크 조성물.
12. The method of claim 11,
The content of one or more selected from the group consisting of cells and differentiation factors is 0.001 to 20 parts by weight based on the total weight of the bio-ink composition.
미세입자화된 인체 조직 유래 성분 및 생체적합성 고분자를 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크 조성물을 압출하여 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 구조체의 제조 방법.
A method of manufacturing a structure, comprising the step of manufacturing a structure by extruding a bio-ink composition for 3D printing comprising a microparticulated human tissue-derived component and a biocompatible polymer.
제 14 항에 있어서,
압출된 구조체를 가교하는 단계를 추가로 포함하는 구조체의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
A method for producing a structure further comprising the step of crosslinking the extruded structure.
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