KR20000003811A

KR20000003811A - 생물 모사 물질

Info

Publication number: KR20000003811A
Application number: KR1019980025102A
Authority: KR
Inventors: 이 인그버 도날드
Original assignee: 몰큘라 지오데식스
Priority date: 1998-06-03
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 2000-01-25
Also published as: CN1241671A; EP0963834A1; JP2000005225A; CA2239443A1

Abstract

본 고안은 생물 모사물질에 관한 것으로, 미리 결정된 배열로 완전하게 연결되면서, 다면체의 적어도 한 부분을 형성하는 완전하게 연결된 이롱게이티드 멤버들의 복수로 이루어진 각 모듈, 상기 멤버들의 적어도 한 부분이 지오데식(geodesic) 또는 텐스그리티(tensegrity) 엘리먼트들을 형성하도록 배열된 멤버들로 이루어져, 세포 생화학의 새로운 특성들 뿐아니라 생물학적으로 세포와 조직의 규칙을 살아있는 조직들이나 세포들과 유사한 기계적, 구조적, 화학 공정적 능력을 가진 인공적 합성물질의 디자인과 제조에 응용함으로서, 새로운 역학적이고 생물활성의 특성을 갖는 방어 물체 또는 직물 그리고, 여과, 독소의 제거와 생물의학적 응용물들을 위한 물질울 제조할 수 있게 되는 것이다.

Description

생물 모사 물질(Biomimetic Materials)

본 발명은 지오데식(Geodesic) 특성을 가지고 있으며 텐스그리티(tensegrity)의 사용을 통하여 안정화될 수 있는 3 차원의 구조들에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 마이크로 또는 매크로 스케일의 단일 구조물로 만들어질 수 있는 3차원의 생물모사 스카폴드 물질들에 관한 것이다.

독소의 제거, 여과, 촉매, 직물 섬유, 공간을 채우는 것, 공간을 덮는 것과 생물의학적 응용물들을 위한 스카폴드(scaffolds)로서, 향상된 기계적 강도과 유연성과 노출된 표면을 나타내는 새로운 가벼운 다공성의 물질들을 발전시킬 필요가 있었다.

궁국적으로 상기한 물질은 살아있는 세포들과 조직들의 기계적 반응성과 생물공정적 능력을 모사하는 생물모사 물질(biomimetic materials)이다.

살아있는 세포들이나 조직들은 그들 내부적 필라멘트성 지지 네트워크(내부적으로 연결된 핵 매트릭스(nuclear matrix), 싸이토스케레탈(cytoskeletal) 그리고 외세포 매트릭스 스카폴드들(extracellular matrix scaffolds))를 기계적으로 안정화 시키고 조직화하기 위해 텐스그리티 구조를 사용하는데, 이러함으로서 3차원의 구조를 지니게 되는 것이다 (J. Cell Sci. 104:613, 1993 를 참조).

텐스그리티의 개념은 지오데식 돔(dome)과 같은 지오데식한 구조들의 형성에서 잘알려져 있다.

예를 들어, 미국특허 Nos. 3,063,521, 3,354,591과 4,901,483에서와 같이, 텐스그리티 구조형성은 대부분의 구조형성물질들이 매우 효과적으로 이용되어지고 때때로 압축(compression)의 상태에 있어서 보다 인장(tension) 의 상태에 있을 때 더 강한 힘을 견딜 수 있다는 사실에 기초를 두고 있다.

텐스그리티 구조에 있어서, 매우 높은 인장 대 압축 엘리먼트의 비가 있는 데, 이러한 높은 비를 갖는 구조들의 인장 멤버들은 닫혀진 다면체를 규정하는 정점들 사이의 가장 짧은 거리를 선으로 만드는 지오데식 엘리먼트(geodesic elements)이다.

또한, 텐스그리티 구조들을 세우고 디자인하는 수학적 모델링 규칙은 잘 이해되어 질 수 있는 데, 예를 들어, 간단한 텐스그리티 모듈들에 있는 각각의 구조적 요소들의 위치 선정을 규정하는 기본적인 수학적 원리가 기술되어 있는 Kenner 의 Geodesic Math(1980) 를 보라. 이러한 모델들은 빌딩들이나 장난감들과 같은 큰-스케일의 물체들에 사용이 적당한 매크로구조에 사용되어져 왔다.

미국 특허 번호 3,695,617를 보게 되면, 이러한 매크로구조는 바람직한 3차원적 배열로 각각의 엘리먼트들을 합함으로서 준비되어져 왔으며 그래서, 축소에 적합하지 않았다.

따라서, 살아있는 세포들과 조직들의 기계적 반응성과 생물공정적 능력을 보이는 물질들을 만드는 필요성이 요구되었다.

본 발명은 살아있는 세포들과 조직들에 있어서의 미세구조와 매크로구조적인 행동사이의 관계의 이해속에서 만들어진 새로운 발전에 기반을 두고 있는 것으로, 새로운 역학적이고 생물활성의 특성을 갖는 물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 방어 물체 또는 직물로서 그리고, 여과, 독소의 제거와 생물의학적 응용물들을 위한 물질울 제공하는 것이다.

도 1은 텐스그리티(tensegrity)를 통하여 스스로 안정화되기 위하여 재배열할 수 있는 비압축성 이롱게이티드 멤버들(elongated members)을 포함하는 큐브옥타헤드론(cuboctahedron) 모듈을 도시한 것이다.

도 2a는 막대와 줄로 이루어진 계층적인, 핵을 지닌 텐스그리티 "쎌"(cell) 모델을 도시하고 있고,

도 2b는 살아있는 세포가 접착성 기질에 부착될 때 일어나는 세포와 핵의 조화된 분포를 도시한 것이다.

도 3a는 기계적인 강성(응력과 변형량의 비(ratio of stress to strain))과 살아있는 세포들에 가하여진 응력 간의 그래프를 도시한 것이다.

도 3b는 기계적인 강성(응력과 변형량의 비(ratio of stress to strain))와 텐스그리티 모델에 가하여진 응력 간의 그래프를 도시한 것이다.

도 4는 비 압축성 이롱게이티드 멤버들과 사면체 모듈을 사용하는 본 발명의 완전한 지오데식(geodesic) 스카폴드(scafold) 물질을 도시한 것이다.

도 5a는 배치된 하이드로젤 아일랜드(hydrogel islands) 팽창 전에, 팽창성 폴리머를 가진 큐브옥타헤드론으로 구성된 유연한 지오데식 스카폴드 물질로 개방 통로를 유지하는 동안에 응축과 경화되어 지는 스카폴드 물질을 도시한 것이다.

도 5b는 배치된 하이드로젤 아일랜드 팽창 후에, 팽창성 폴리머를 가진 큐브옥타헤드론으로 구성된 유연한 지오데식 스카폴드 물질로 개방 통로를 유지하는 동안에 응축과 경화되어 지는 스카폴드 물질을 도시한 것이다.

도 6은 어떤 통로가 부족한 직선의, 딱딱한, 닫혀진 8면체의 텐스그리티 배열을 형성하기 위하여, 큰 공유 중앙 통로을 포함하는 직선의, 유연한 큐브옥타헤드론의 배열로 부터 재배열 할 수 있는, 단일 테두리에 따라 연결되어진 세개의 큐브옥타헤드론 모듈들로 이루어진 완전히 연결된 스카폴드 안에서의 역동적인 기하학적 전환들의 연속들을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션이다.

도 7은 비틀린 기하학 구조를 보여 주는 비직선의, 딱딱한, 닫혀진 8 면체 텐스그리티 구조를 형성하기 위하여 직선의, 유연한 큐브옥타헤드론의 배열로 부터 재배열 할 수 있는, 도 6에서 보여지는 것과는 다른 단일 테두리에 따라 연결되어진 세개의 큐브옥타헤드론 모듈들 안에서의 역동적인 기하학적 전환들의 연속들을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션이다.

도 8은 도 6에서 보여지는 것과는 다른 비직선의, 딱딱한, 닫혀진 8면체의 텐스그리티 배열을 형성하기 위하여, 직선의, 유연한 큐브옥타헤드론의 배열로 부터 재배열 할 수 있는, 공통의 삼각형의 면를 따라 연결된 세개의 큐브옥타헤드론 모듈안에서의 역동적인 기하학적 전환들의 연속들을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션이다.

도 9a는 하이드로젤로 코팅된 스카폴드 물질을 도시한 것이다.

도 9b는 부가적인 독소제거제를 가지고 있는 스카폴드 물질을 도시한 것이다.

도 10은 강성이 있지만 유연성이 있는 긴 섬유들을 모듈라 네트워크(modular network)에 첨가한 결과 뒤틀림에 강한 저항을 나타내고, 응력을 받을 때 개방 유지되고 경직되는 것을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션이다.

도 11은 구형의 모듈안으로 배열된 모든 신장성 멤버들로 이루어진 지오데식 물질을 도시한 것이다.

도 12는 각각의 모듈들이 조화된 형태로 행동하는 것이 요구되어지지 않는 것을 보여주는 수축과 재배열 단계에서의 2개의 큐브옥타헤드론을 도시한 것이다.

도 13a와 도 13b는 두개의 연결된 큐브옥타헤드라의 변형의 컴퓨터 모델을 도시한 것이고, 이에 상응하여 도 13c와 도 13d는 CAD/CAM 방법들에 의하여 만들어진 두개의 연결된 큐브옥타헤드라의 변형의 컴퓨터 모델을 도시한 것이다.

도면에 관하여는 이미 언급이 되어 있으며, 이하 본 발명을 상기한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서 상기한 도면들은 단지 이 발명을 기술하는 것을 목적으로 하며, 어떠하든 간에 이 발명을 제한하는 것은 아니다.

본 발명은 지오데식(geodesic) 특성을 가지고 있고, 텐스그리티(tensegrity) 의 사용을 통하여 안정화될 수 있고, 마이크로 또는 매크로 스케일의 단일 구조물로 만들어질 수 있는 3차원의 생물모사 스카폴드 물질들에 관한 것이다.

본 발명은 세포 생화학의 새로운 특성들뿐만이 아니라 생물학적으로 세포와 조직의 전체 조직의 규칙을 살아있는 조직들이나 세포들과 유사한 기계적, 구조적 그리고 화학 공정적 능력을 가진 인공적 합성물질의 디자인과 제조에 응용하는 것이다.

본 발명의 한 측면에 있어서, 스카폴드 물질들은 완전하게 연결된 모듈들의 미리 결정된 배열을 갖으며, 이러한 각 모듈은 적어도 다면체의 한 부분을 이루는 완전하게 연결된 이롱게이티드 멤버들로 구성되어 있고, 그러한 멤버의 적어도 한부분를 이루도록 배열된 멤버들는 지오데식 또는 텐스그리티 엘리먼트들을 이룬다.

먼저 본 발명에 사용되는 용어를 정의하면 다음과 같다.

여기서 사용되는 "스카폴드(scaffold)"라는 용어는 신장된 반복 구조를 갖는 물질을 의미하는 것으로, 이러한 물질은 프레임워크(framework) 또는 골격을 형성하는 데, 이러한 것들 위로 또는 안으로 부가적인 구성물질들이 이 물질에 부가적인 특성들을 주기 위하여 도입될 수가 있다.

여기서 사용되는 "모듈(module)"이라는 용어는 다면체의 적어도 한부분의 테두리들을 선으로 만들어 완전하게 연결된 구조적 멤버들의 복수를 의미한다.

여기서 사용되는 "완전하게 연결된" 이라는 용어는 단일한 일정 구조체를 형성하기 위한 복수의 엘리먼트들로 구성되는 단일 구성물 또는 구조물을 의미한다.

그 구조은 별개의 연결체 또는 부가적인 결합 또는 접착물질을 포함하지 않는다.

여기서 사용되는 "지오데식 엘리먼트(geodesic element)" 라는 용어는 기하학적 엘리먼트을 의미하는 것으로 이것은 솔리드(solid)의 표면위에 두 점을 연결하는 가장가까운 거리를 규정한다.

예를 들어, 다면체의 표면의 2개의 정점 사이의 가장짧은 거리를 살펴보면, 선, 구에 있어서 가장 짧은 거리(그래서, 지오데식 엘리먼트)는 대원(great circle)의 경로, 그리고, 실린더의 표면에 지오데식 엘리먼트는 나선이다. 삼각형은 지오데식이다. 왜냐하면, 그것은 다면체 표면에 있는 3 개의 정점들 사이에 가장짧은 가장 경제적인 경로이기 때문이다.

여기서 사용되는 "텐스그리티 엘리먼트(tensegrity element)" 라는 용어는 연속적인 인장과 비연속적인 압축의 전환을 통하여 자가적으로 안정된 내부적으로 연결된 구조적 멤버들의 배열을 의미한다.

텐스그리티 엘리먼트들은 지역적으로 인장 또는 압축을 선택적으로 저항하는 멤버들로 이루지거나, 또는 그들의 위치나 힘의 전달 경로에 따라 인장이거나 압축에 저항하는 모든 비압축성 멤버들로 이루어 질 수 있다.

모든 비압축성 스트러트(strut)로 이루어진 삼각형은 자가적으로 안정화되는 텐스그리티 구조의 후자의 형태의 예이다.

여기서 사용되는 "신장성 엘리먼트(extensible element)" 라는 용어는, 그 엘리먼트의 하나 또는 양끝에 인장력을 가하였을 때, 주어진 움직임 안에서 그 멤버의 길이의 연장이나 증가가 가능한 엘리먼트를 의미하는 것이다.

여기서 사용되는"비압축성 엘리먼트(non-compressible element)" 라는 용어는, 그 엘리먼트의 하나 또는 양끝에 압축력을 가하였을 때, 그 길이쪽으로 짧아질수 없는 엘리먼트을 의미하는 것이다.

그러나, 비압축성 멤버(non-compressible member)는, 길이의 짧아짐없이, 압축 상태에서 비틀려지거나 휘어질 수 있다.

비압축성 멤버는 그것의 양끝에 외부 인장력이 가하여졌을 때 길이에 있어서 연장될 수도 없을 수도 있다. 그러한 신장성, 비압축성 멤버는 압축을 견딜 수 있으나, 인장은 그러하지 못하다.

본 발명은 세포 생화학의 새로운 특성들뿐만이 아니라 생물학적으로 세포와 조직의 규칙을 살아있는 조직들이나 세포들과 유사한 기계적, 구조적 그리고 화학 공정적 능력을 가진 인공적 합성물질의 디자인과 제조에 응용하는 것이다.

대분분의 인간이 만든 구조물의 안정성은 중력의 당김에 의한 압축력이 지속적으로 모든 중요한 지지 엘리먼트들에 전달되어져야만 하는데, 그 간단한 예로는 돌로된 아치를 들수 있다.

대조적으로, 텐스그리티의 구조적 안정성은 구조적 멤버들이 지오데식하게 배열되었을 때 이루어지고, 그리하여 분리된 스트러트의 일부분이 압축을 지탱하고, 그 대신 인장이 연속적이다.

공학적인 용어로, 그것은 빌딩 시스템(building system)을 기술하는데, 이것은 인장하에서 주위의 구조적 엘리먼트들을 위치시키거나 또는 안쪽으로 향하는 주위의 수축성 또는 움추려 들 수 있는 인장 네트워크에 저항하는 분리된 압축의 도입에 의하여 스스로 안정화되는데, 이러한 것은 전체적인 구조에 초기응력(prestress)를 주게 된다.

그래서, 가장 간단한 텐스그리티 유니트는 단일의 비압축성 선형 스트러트에 대항하여 인장 스트링(string)을 잡아당기는 것으로, 그 예는 활과 활의 줄을 들 수 있다. 그 초기응력은 힘을 가하기 전에 그 시스템안에서 평등화되어지는 내부적 인장일 수 있다.

텐스그리티 모듈들은 텐스그리티와 지오데식 배열을 통하여 스스로 안정화되는 다면체 모듈들을 만들기 위한 유사한 조립 규칙을 사용하여 함께 구조를 이룰 수 있다.

유사한 조립 규칙들을 이용하여 여러 개의 개개적인 지오데식 모듈들을 내부적으로 연결하는 것에 의하여, 고차의 계층적 구조들이 조합될 수 있다.

모든 텐스그리티 구조들에 있어서, 국부적으로 가해진 응력은 인장력의 넓은 범위의 전이를 초래한다.

모든 구조적 멤버들이, 지오데식 돔 또는 옥테트 트러스(octet truss)에서와 같이, 비압축성이고 지오데식하게 배열되어 있을 때, 전체구조는 기계적으로 안정하고 기계적으로 힘을 지탱하는 능력이 증가되는 것을 나타낸다.

구조적 멤버들이 신장될 때, 전체 구조는 전체적인 형태를 유지하는 동안에 팽창될 것(예를 들어, 모든 레벨의 팽창에서 구를 유지하는 것)이고, 가해진 응력에 대하여 지오데식하게 배열할 것이다.

이러한 구조는 팽창하는 응력이 방출되거나 수축이 되도록 되고, 그것의 모든 신장성 멤버들이 비압축성, 압축성에 저항하는 배열에 도달하였을 때를 제외하고는, 자기 스스로 안정화되지 않는다.

그러한 구조의 예는 도 11에서 보여지는 데, 여기서 스카폴드 물질은 지오데식하게 완전히 연결된 신장성 모듈의 복수로 구성되어 있다.

그 구조는 상호 멤버 관계의 패턴을 일정하게 유지하는 동안에 외부 응력이 가하여 졌을 때, 신장의 정도 그리고, 크기를 변화시킬 것이다.

도 11에서 보여지는 것과 같은 멀티플 돔(multiple dome) 모듈들은, 예를 들어 유사한 구조의 멤버들의 삼각형들과 같이, 지오데식 엘리먼트의 평면 배열에 의하여 완전히 연결될 수 있다.

모든 구조 멤버들들이 비압축성이고 단지 그 멤버들의 일부분이 지오데식하게 배열되어 있을 때, 안정한 지오데식 삼각형으로 된 엘리먼트들은 팔면체 또는 사면체와 같은 완전한 지오데식한 다면체 모듈을 형성하기 위하여 모든 멤버들이 다시 형성될 때까지 각 정점에서의 근접한 지오데식 엘리먼트들의 멤버들 사이의 각을 변화시킴으로서 가하여진 응력에 대하여 운동역학적으로 재배열될 수 있다.

그리하여, 전체 구조는 다시 기계적으로 안정화되고, 고도의 기계적 강도를 보여 준다.

도 1은 3 차원의 큐브옥타헤드론 모듈에서 가능한 역동적인 구조적 변환을 보여 준다.

이 큐브옥타헤드론 모듈은 열려진 각 스퀘어(square) 주위에 4 개의 삼각형을 가지고 있다.

유연한 다면체 네트워크와 딱딱한 팔면체와 사면체 형체들 사이의 변환은 안쪽으로 잡아당기는 것, 꼬는 것으로 부터 생긴다.

이 모델은 세포의 단계에서의 살아 있는 세포들의 액틴 스켈레톤(actin skeleton)에 그리고 조직 단계에서의 페포안에서 관찰될 수 있다.

이에 관해서는 D. Ingber J.Cell Sci. 104:613(1993) 를 보라.

단지 인장 멤버들이 연장, 신장 가능할 때 또는 모든 멤버들이 비신장성일 때, 그러나 압축 스트러트가 비압축성 또는 휘고 구부러졌을 때, 국부적으로 가하여진 응력은 전체적인 구조의 재배열을 초래하고, 가하여진 응력 수준이 증가됨에 따라, 전체 구조의 기계적 응력은 비례적이거나 직선적으로 증가한다. (Wang et al., 1993 Science; Stamenovic et al., 1996 J. Theor. Biol; Fuller synergetics).

또한, 가하여진 응력에 대한 강성에 있어서의 직선적 증가는 살아있는 세포들이나 조직들의 기본적인 특성이다.

여기서 밝혀진 새로운 물질은, 생물학적 엘리먼트의 미세구조를 지배하는 구조학적 원리가 살아있는 세포들이나 조직들에 대해서 중요한 역할을 한다는 발견에 기초를 두고 있다.

본 발명은 이러한 구조학적 원리들을, 살아 있는 조직의 기계적, 구조적 그리고 화학적 특성들을 모사하는 인공 합성 물질의 제조에 응용하는 것이다.

살아있는 세포들은, 그들의 싸이토스켈레톤(cytoskeleton)을 형성하기 위하여 그리고, 형태에 변형에 대항하여 자기 스스로를 안정화시키기 위하여 텐스그리티 건축학적 구조를 사용하는 것으로 알려졌다.(J.Cell Sci. supra, 그리고, J. Theor. Bio. 181:125 (1996), 이것은 전적으로 참조로 쓰인다)

이런 빌딩 시스템의 형태는 분리된 압축 엘리먼트(예를 들어, 분자 스트러트, 국부적인 팽창 압력)를 도입함으로서 스스로 안정화 되는데, 이러한 압축 엘리먼트는 인장하에 주위의 네트워크를 위치시키고, 그래서 전체 구조에 초기응력을 줄수 있다.

이러한 구조는 외부의 응력이 국부적으로 가하여졌을 때(도 2a와 도 2b), 전체적인 구조적 재배열들과 기하학적 변환을 야기한다.

유연한 조인트들을 가지고 있는 텐스그리티 네트워크들은 또한, 각각의 지지 스트러트들이 비유연적 일 때(도 1) , 광범위한 기하학적 변환을 할 수 있다.

이러한 텐스그리티 구조물의 가장 친근한 예로는 버크민스터 퓰러(Buckminster Fuller)의 지오데식 돔들과 인간의 골 근육 프레임워크(framework)이다.

사실상, 모든 지오데식한 구조물들(예, 돔들(domes), 옥테트 트러스들(octet trusses), 등)의 증가된 힘을 지탱하는 능력은 텐스그리티에 기반을 둔 응력 전환 메카니즘과 자가-안정화 때문이다.

텐스그리티 구조의 또 다른 특성은 가하여진 응력의 수준이 증가함에 따라 직접 비례적으로 그들의 기계적 강도가 증가 한다는 것이다(도 3a).

이것은 인간의 피부를 포함하는 살아있는 세포들과 조직들의 기본적인 특성이고, 그들의 특징적인 인장 강도와 기계적 유연성에 기인한다.

세포적 구조들의 다른 특징에서, 세포의 비용해성 싸이토스켈레톤(cytoskeleton)위에 고정되었을 때, 세포대사의 많은것이 고체 상태에서 기능을 한다.

그래서, 싸이토스켈레톤 구조에 기계적으로 유도된 변화들과 메카닉스는 싸이토스켈레톤과 연관되어 있는 생화학적 과정의 분자들의 행동에 영향을 끼칠 것이다.

싸이토스켈레톤 필라멘트들과 효소들을 포함하는 생활성의 분자들과 같은 생물학적으로 활성한 종들이 힘을 지탱하는 곳에, 싸이토스켈레톤 구조(그래서, 이러한 모듈들의 뒤틀림)의 단순한 변화는 화학적 능력과 그 시스템의 열역학적 상태에 변화를 초래할 수 있다.(이에 관하여는 D. Ingber, "Tensegrity : The Archtectural Basis of Cellular Mechanotransduction," Annue. Rev. Physiol 59:575-599 (1997)를 보라.)

본 발명에 의하면, 스카폴드 생물 모사 물질은 완전하게 연결된 모듈들의 미리 결정된 배열을 이룬다.

각 모듈은 적어도 다면체의 한 부분을 이루는 완전하게 연결된 이롱게이티드 멤버들(Elongated members)의 복수로 구성되어 있다.

이롱게이티드 멤버들은, 멤버들의 적어도 한 부분이 지오데식 또는 텐스그리티 멤버들을 이루도록 하는 방법으로 배열된다.

스카폴드 물질이 지오데식 그리고/또는 텐스그리티 엘리먼트들을 포함하기 때문에, 그 물질은 우세한 기계적 강도와 반응성을 보이게 된다.

전형적인 스카폴드 물질은 도 4에서 보여지는데, 여기서 옥테트 트러스는 개방형 구조를 가지고 있는 비압축성 이롱게이티드 엘리먼트들를 갖고 있으며, 연속적인 지오데식 기하학 구조를 보여 준다.

그 모듈들은 어떻게든 지오데식하게 선으로 형성된 다면체구조 또는 부분이다.

그 모듈은 사면체, 또는, 20 면체(20면의 다면체) 또는 8 면체(8 면의 다면체)와 같은 좀 더 복잡한 전-삼각형(omni-triangulated) 시스템과 같은, 완전한 지오데식한 다면체일 수 있다.

양자택일적으로 말한다면, 그 모듈은 사각형, 오각형, 육각형 또는 팔각형의 면들과 같은 비-삼각형의 엘리먼트들을 또한 포함할 수 있다.

다른 택일적 경우에는, 그 모듈은 좀 더 복잡한 다면체 일수 있는데 이것은 좀 더 간단한 지오데식 엘리먼트로 좀 더 분해 될 수 있다.

예를 들면, 그 모듈은 반구(half-dome) 을 이룰 수 있는데, 그 자체가 사면체의 지오데식한 부-모듈들(sub-modules)로 구성될 수 있다.

어떤 경우에는, 그 멤버들은 다른 형태의 다각형의 면들 또는 단지 지오데식한 선들을 이루는 멤버들의 일부분을 가진 다면체 모듈을 형성할 수 있다.

그 모듈을 구성하는 이롱게이티드 멤버들은 단일 모듈의 일체 구성 멤버들이다. 즉, 그들은 분리된 엘리먼트들로 연결되어있지 않지만, 단일 체로 형성된다.

어떤 운동학적 성질이 요구되거나 간극에서 유연성이 요구되는 곳과 같은 경우에는, 간극들 또는 정점들에 또는 근처에 다른 단면적을 갖는 엘리먼트들이 요구된다.

그래서, 어떤 경우에 있어서는, 그 모듈들은 중심에서 "좀 더 두껍고" 그리고, 정점들에서 " 좀 더 얇은" 한 이롱게이티드 엘리먼트들로 이루어져 있다.

양자택일적으로, 스카폴드 물질의 물질 특성은 정점들 지역들에 증가된 콤플라이언스(compliance)를 주기 위하여 변화될 수 있는데, 예를 들면, 폴리머 물질의 가교 결합 밀도(cross-linking density)를 바꿈으로 해서이다.

이롱게이티드 엘리먼트는 비압축성일 수 있다. 양자택일적으로, 그 이롱게이티드 엘리먼트는 신장성 엘리먼트 일 수 있는데, 즉, 인장 응력(tensile stress)을 가하였을 때 연장되거나 길이가 증가될 수 있다는 것이다.

물질들의 한계 때문에, 그러한, 신장 특성들은 단지 한정된 지역의 운동에서 나타날 것이다. 신장성의 이롱게이티드 엘리먼트는 어느 점까지 압축되어, 길이에 있어서 수축될 것으로 기대되는데, 이 점에서 그것은 비압축성이 될 것이다.

신장성 멤버들은 직선(신축) 배열 또는, 만곡, 나선, 스프링 형태, 톱니 형태, 크레뉼레이트 형태(crenulate,가장자리가 갈라진) 또는 얽혀진 배열을 포함하며 이것에만 한정되지는 않는다.

본 발명의 스카폴드 물질은 모두 비압축성 엘리멘트들, 모두 신장성 엘리먼트들 또는 이 두가지의 조합으로 이루어 질 수 있다.

각 모듈은 스카폴드 모듈을 형성하기 위하여 근접하는 모듈들에 완전하게 연결 되어 있다.

스카폴드는 프레임워크 또는 내부 골격을 형성할 수 있는데, 그 위나 또는 그 안으로 부가적인 물질이 도입될 수 있다.

이롱게이티드 멤버들, 모듈들 그리고, 그 스카폴드 물질, 자체는 요구되는 응용에 따라 어느 적당한 물질들로 준비될 수 있다.

예를 들면, 스카폴드는 , 단지 예로서 보여주는 것으로, 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 에폭사이드(epoxides), 폴리에스터(polyesters), 폴리우레탄(polyurethanes), 폴리(메타크릴레이트)(poly(methacrylate)), 폴리이미드(polyimides) 그리고 폴리실록산(polysiloxanes)와 같은 비-침식성의 폴리머(polymer)들로 부터 준비되어질 수 있다.

구조적 멤버들이 신장하는 곳과 같은 유연성이 요구되어 지는 곳에는, 이롱게이티드 멤버들이 엘라스토머(elastomer)을 이용하여 준비될 수가 있다.

이롱게이티드 엘리먼트들의 물질 선택은 부분적으로 다음부터 설명되어 지는, 제조 방법에 의한 것과 의도된 응용에 의하여 부분적으로 이용될 수 있다.

이롱게이티드 멤버들은 결과적인 스카폴드 물질의 의도된 응용에 의하여 만들어진 크기를 갖는다. 그러나, 그 멤버들은 길이에 있어서, 전형적으로 약 1 x 10^-9m 에서 약 1 x 10^-1m,이고, 더 전형적으로는 길이가 약 1x10^-6m에서 약 1 x 10^-2m 이다.

이롱게이티드 멤버들은 길이에 있어서 일정하거나 또는 변할 수 있는데, 특별히 그 구조에 국부적인 유연성을 주고자 하고자 하는 곳에서이다.

전형적으로 이롱게이티드 엘리먼트들의 단면 직경은 약 1 - 1000㎛의 범위를 갖는다.

많은 경우에 있어서, 스카폴드 물질은, 텐스그리티 구조의 자가-안정화를 촉진하기 위하여, 바람직하게 초기응력을 갖는다. 초기응력은 여러가지 방법으로 스카폴드 물질로 도입되어질 수 있다.

단지 예로서만 말한다면, 스카폴드 물질은 적어도 하나의 비압축성 멤버의 도입에 의하여, 그리고, 그 비압축성 멤버들 주위 물질의 다른 멤버들을 수축함으로서, 초기응력을 줄 수 있다.

초기응력은 또한 스카폴드 물질내에 포함된 비압축성 멤버들의 팽창 또는 신장에 의하여 도입될 수 있다.

택일적으로, 초기응력은 폴리머와 같은 2 차 물질을 그 물질의 스카폴드 내부 공간으로 넣음으로서 만들 수 있다.

바람직한 경우로서, 2차 물질은 팽창할 수 있고 그 팽창이 그 스카폴드 물질에 응력을 줄 수 있는 폴리머이다.

도 5는 폴리머, 바람직하게는 팽창 가능한 하이드로폴리머(hydropolymer)의 간극 공간안으로의 위치선정을 보여주는데, 이렇게 하여 어떤 응용에 효과적일 수 있는 개방통로 구조를 유지하는 동안 스카폴드 물질에 초기응력을 가하기 위한 것이다.

그래서, 스카폴드 물질은 신장된 치수 위로 완전히 연결될 수 있는 지오데식 엘리먼트의 적어도 한 부분을 포함하는 개방 네트워크 인데, 이리하여, 바라는대로 얇은 종와 같은 형태 또는 다른 형태를 만들 수 있다.

스카폴드 물질의 실재모양과 모듈의 기하학과 치수의 선택은 요구된 응용의 요망을 충족시키기 위하여 선택될 수 있다.

본 발명의 한 예로서, 스카폴드 물질은 여과을 위하여 사용될 수가 있다.

도 4에서 보여지는 리지드 옥테트 트러스(rigid octet truss)는 스카폴드 물질의 한 예로서, 이러한 것은 공기 마스크, 정수 시스템, 여과, 탄화수소의 제거를 위한 촉매 변환기 그리고 다른 독소제거 네트위크와 같은 고도의 흐름성을 갖도록 하는 응용에 적합하다.

개방 네트워크(Open networks)는 매개체로서 미립자들과 화학물질을 제거하기 위하여 선택된 물질을 도입할 수 있다.

전형적인 도입물질들은 하이드로젤(hydrogel), 차콜 미립자(charcol particles), 리포좀들(liposomes), 지방 물질(lipid foam), 독소제거효소(detoxyfying enzymes) 또는 촉매들, 친화결합 리간드(affinity binding ligand), 항체 그리고, 광섬유와 같은 것을 포함하는데, 꼭 이것에만 한정되지는 않는다.

만약, 솔리드 층(solid layer)으로 응용된다면, 발명에서 사용을 위하여 숙고되는 생물활성의 하이드로젤은 심하게 공기, 습기와 열의 통로를 제한할 것이다.

그래서, 고도의 인장 강도를 줄 뿐만이 아니라 공기 교환을 위한 열려진 통로를 유지하는 하이드로젤들을 위한 무게가 가벼운 지지 스카폴드을 구축 하는 것이 필요할 것이다.

발명의 다른 예로서, 스카폴드물질은 셸 인베스트먼트 캐스팅(shell investment casting)을 위한 패턴안으로 도입 될 수 있다.

이 예에서, 패턴은 구축되는데, 이것은 얇은 솔리드 외부 표면과 외부 표면을 지지하는 내부 스카폴드 구조를 갖는다. 외부표면은 스카폴드를 형성하기 위하여 사용되는 같은 프로세스를 이용하여 형성될 수 있거나 또는, 스카폴드 생성 후에 부가되어 질수 있는데, 예로, 형태가 있는 스카폴드 주위에 유연한 물질로 감싸는 것이다.

스카폴드의 텐스그리티에 기반을 둔 구조는 그 패턴이 효율적으로 되어 충분히, 최소의 패턴 물질로 캐스팅 과정(casting process)을 견딜 수 있고, 그것은 다공성도를 적정화한다. 일단 형성되면, 그 패턴의 표면은 셸 코팅(shell coating)을 형성하기 위한, 경화될 수 있는 물질로 코팅된다.

한 예로, 경화가능한 물질은, 쎄라믹 몰드(ceramic mold)를 형성하기 위하여 경화되는 쎄라믹 슬러리(ceramic slurry)가 될 수 있다.

그리고, 그 스카폴드 물질은 플래시 화이어링(flash firing)과 같은 방법으로 제거될 수가 있고, 그래서, 원래의 패턴 형태의 캐스팅 금속(casting metal) 또는 폴리머 부분에 적당한 셸(shell) 을 남긴다.

부차적인 캐스팅을 위한 패턴으로부터 셸 몰드(shell mold)를 형성하는 기술들은 선행 기술에서 잘 알려져 있으며, 그리고 "Investment Casting,"Encyc. Of Mat. Sci. & Eng. 3:2398-2402(1986) 과 Stereolithography and other RP&M Technilogies, Society of Manufacturing Engineers 183-185(1996) 에 기술되어 있다.

여기에 기술되어 있는 스카폴드 물질의 타입을 인베스트먼트 캐스팅 패턴(investment casting pattern) 으로 도입 하는 것의 잇점은 셸 몰드(shell mold)를 지지하기 위하여 필요한 물질의 양이 기존의 패턴에 비하여 줄어들 수 있다는 것으로, 화이어링(firing)에 있어서 생성되어지는 재의 양을 줄일 수 있다는 것이다.

더우기, 이러한 스카폴드들은 다공성의 플라스틱 패턴보다 좀 더 효과적으로 수축하고, 그래서 쎄라믹 몰드들(ceramic molds)의 확장으로 인한 쪼개짐을 최소화할 수 있다.

이와 관계된 예로서, 유사한 패턴이 소결을 위한 몰드를 만들기 위하여 사용될 수가 있다. 이 예에서, 이 패턴은 전 예와 같이 그 패턴 주위에 경화가능한 물질을 형성함으로서 셸을 만들기 위하여 사용될 수 있다.

일단 그 패턴이 위에 언급된바와 같이 제거되어지면, 그 셸은 가루로 채워질 수 있고, 기존의 알려진 기술에 따라, 솔리드 물질을 생산하기 위하여 가루를 소결하기 위하여, 고온그리고/또는 고압에서 실행될 수 있다.

그 셸은 소결후에 제거될 수 있고 최종 물질의 부분을 형성할 수 있다. 소결에 대한 기본적인 원리 기술은 "Sintering of Ceramics," Encyc. of Mat. Sci. & Eng. 6:4455-4456 (1986)과 "Physical Fundamentals of Consolidation," Metals Handbook, 9th ed., 7:308-321.에서 발견될 수 있다.

발명의 다른 예에 있어서, 스카폴드 물질은 직물처럼 긴 길이를 가진 것으로 준비될 수 있다.

도 6 - 도 8에서 보여지는 것처럼, 한 테두리 또는 면을 따라 완전하게 연결된 큐브옥타헤드론 모듈을 도입 하는 스카폴드 물질은 총탄을 방어하는 조끼 또는 심판이 입는 조끼와 같은 강력한 물질을 제공할 수 있다.

도 6에서 기술한 예처럼, 큐브옥타헤드론 모듈의 배열은 팔면체 모듈의 배열로 재배열 할 수 있다.

다른 예로서, 도 6과는 다르게, 단일 테두리에 따라 완전하게 연결된 큐브옥타헤드론을 도입하는 스카폴드 물질은 비틀려져 기하학적으로 재배열할 수 있고 그리고, 특별히 만곡 또는 각을 이룬 표면(도 7) 주위에 이방성있게 꽉 채워질 필요가 있는 직물들에 잘 맞는다.

모든 3개 물질들(three materials)은 그들의 열려진 배열에서 고도의 유연성과 다공성을 유지하지만, 반면에 고도의 경직성 강도를 갖고, 꽉 채워지게 되었을 때 흐름성에 제한을 보여준다.

그래서, 고압에서의 자동적으로 닫혀지고 열리는 여과 시스템의 구축에 유용하다.

다른 예에서, 이 직물은 생물학적 또는 화학적 독소에 대항하는 방어용을 위한 전쟁용 옷로서 사용하는데 적용될 수 있다.

기존의 옷은 공기중의 화학 독소들을 흡수하기 위하여 활성화된 차콜 미립자 또는 다른 방법의 사용에 의존하였다. 그것들은 생물학적 독소들이나 또는 병원체들에 대항하는 방어하는 능력이 적거나 없었다.

고농도의 생물학적 공격을 방어하는데 효과적이기 위하여, 본 발명의 스카폴드 물질은 고도의 다공성과 비틀림성을 보여주며 이것은 병원체와 공기가 통할 수 있도록 하지만, 반면에 물리학적으로 병원체의 침투를 막는다.

생물학적으로 위험한 물질을 효과적으로 제거하기 위하여, 그 직물은 바람직하게 고도의 표면적 대 부피의 비를 가져야 하는데, 분자 리간드들과 효소들을 가지고 있어 고도의 효율을 가지고 독소들과 병원체들을 결합, 격리, 그리고, 파괴하여야 한다.

결합 반응과 효소의 활성도를 좋게하기 위하여, 그 물질은 바람직하게 굉장히 많은 양의 수분을 함유할 수 있어야 하며, 적어도 부분적으로 하이드로젤로서 구성되어야 한다.

액면(Water phase)은 또한, 공기중의 수분 방울들 안에서, 생물학적 그리고 화학적 물질들의 제거를 향상시킬 수 있는데, 이것은 공기가 격자의 윗 표면적 부분을 통하여 지나갈 때, 병원체을 쉽게 잡을 수 있도록 효율성을 증가시키기 때문이다.

본 발명의 한 예에서, 스카폴드 물질은 바람직하게는 하이드로젤로 코팅되거나 넣어지면 된다.

적당한 하이드로젤들은 폴리(2-하이드로에칠 메타크릴레이트-코-메칠-메타크릴레이트(2-hydroyethyl methacrylate?co-methyl methacrylate), 메타크릴 산(methacryl acid (MAA))의 코폴리머(copolymer), 아크릴 산(acrylic acid (AA)), 그리고/또는 글리시딜 메타크릴레이트(glycidyl methacrylate (GMA)), 포화가 안된 직선의 폴리에스터, 그리고, 폴리(에칠렌 글라이콜)(ethylene glycol) 이 있으며, 이것에만 한정되지는 않는다.

폴리(2-하이드로에칠메타크릴레이트-코-메칠-메타크릴레이트)(2-hydroxyethyl methacrylate-co-methyl methacrylate)의 준비에 있어서, 모노머들(monomers)인 2-하이드록시 에칠메타크릴레이트 (2-hydroxy ethyl methacrylate (HEMA))와 메칠 메타크릴레이트(methyl methacrylate (MMA))는 용액 상태이며 가교결합 물질인 에칠렌글라이콜 디메타클리레이트(ethyleneglycol dimethacrylate, EGDMA)와 중합화를 하기위한 시작 물질(initiator)과 혼합될 수 있고, 그래서 하이드로젤을 형성한다.

비록 메칠 메타크릴레이트(methyl methacrylate)가 소수성과 하이드로젤에 기계적 강성을 주긴 하지만, 2-하이드록시 메타클리레이트(2-hydroxyethyl methacrylate)의 상대적인 양은 소수성과 또한 유연성을 준다.

HEMA/MMA 코폴리머(copolymer) 비와 EDGMA 가교결합 비의 공학적 방법은 재단된 펌셀렉티브(permselective)하고 기계적 특성을 갖는 하이드로젤을 합성할 수 있다.

인장 강도와 그 물질의 모듈리(moduli)는 축/토션시험시스템(axial/torsional test system)에 의하여 결정될 수가 있다.

물과 결합할 수 있는 능력은 역학적 그리고 평형 팽창 연구들에 의하여 결정될 수가 있다.

건조한 종류의 표본물질의 다공성도와 구멍의 크기는 수은 침투 다공성 측정기에 의하여 측정될 수 있다.

젖은 종류의 표본물질의 다공성도와 구멍의 크기는 인바이론먼탈 스캐닝 전자 현미경(environmental scanning electron microscopy)을 사용하여 형태학적으로 예상될 수 있다.

도 9a는 하이드로젤로 코팅된 스카폴드 물질을 기술하는 것이다.

효소(예, 독소를 파괴하는 단백 효소; 젤에서 자유기(free radicals)들을 생성하는 효소)를 도입함으로서 생물학적 공격에 대항한 부가적인 방어적 활성도를 제공하는 것이 가능하여야 한다.

게다가, 유기 인산 신경 가스들과 같은 화학 독소들과 결합하고, 불활성화시키고 그리고/또는 파괴하는 효소들(예, 아세틸콜린에스터레이스(acetylcholinesterase), 유기 인산 안하이드레이스 (organophosphorous acid anhydrolase), 포스포트리에스터레이스(phosphotriesterase)가 젤에 도입되어 이러한 화학전 물질들에 대항하는 부가적인 방어를 제공할 수 있다.

오직 예로서, 아세틸콜린에스터레이스(acetylcholinesterase) 효소는 카보닐-디미다졸(carbonyl-diimidazol)과 기존의 생화학적 기술에 의하여 시험관에서 분석된 고정화 효소의 활성화를 이용하여 하이드로젤에 접합될 수 있다.

단백질 결합의 효율은 방사선 동위원소 식별법(radiolabelling) 또는 표면분석(엑스레이 광전자 스펙트로스코피(X-ray photoelectron spectroscopy))로 평가될 수가 있다.

생물학적 독소들 (예, 리신 독소(ricin toxin), 보튤리튬 독소(botulinum toxic), 비브리오 콜레라 뉴라미니데이스(vibrio cholerae neuraminidase))와 병원성 생물체들 (예, 박테리아, 바이러스,프로토조아)는 살아 있는 세포에 부착되어 세포 표면에 있는 단순당 (예, 갈락토오스), 복합 다당들 (예, 헤파린 썰페이트(heparin sulfate))과 세포막 인지질 (예, 포스파티딜-이노시톨(phosphatidyl-inositol))을 포함하는, 특정 리간드에 결합하여 몸안으로 들어갈 수가 있다.

고도의 친화력을 가지고 특정한 생물학적 공격물질(예, 리신 독소)에 붙는 단일 항체를 생성할 수가 있다. 이러한, 병원성 생물체들과 독소들은, 이러한 특이한 리간드들과 스카폴드 물질에 넣어져 있는 하이드로젤의 뼈대에 결합 시킴으로서, 부착되고, 격리될 수 있다.

폴리하이드로젤(Poly(HEMA) hydrogel)을 다공성의 스카폴드로 코팅하는 기술이 개발되어 왔는데, 이것은 스테레오리소그래프(stereolithography)을 이용하여 만들어진 지오데식 스카폴드 카세트(geodesic scaffold cassettes)들을 포함한다.

이 과정은 HEMA/알코올 용액을 이용한 초기 전-코팅 과정, HEMA와 산화-환원 시작 시스템을 이용한 0.7M NaCl에서의 가교 결합 물질 EGDMA과의 중합으로 이루어져 있다.

단일한 하이드로젤 코팅은 이 방법을 사용하여 얻어질 수 있다. 하이드로젤 코팅의 두께는 모노머(monomer)와 시작 물질의 농도 그리고, 코팅 시간에 의하여 조절된다.

본 발명의 스카폴드 물질은 잘 알려진 폴리머 합성과 미세구조 제조기술을 이용하여 준비되어 질 수 있는데, 이러한 것에는 스테레오리소그래프, 3-차원 마이크로프린팅, 마이크로스케일 패턴닝(microscale patterning)과 마이크로몰딩(micromolding)기술들을 포함하는데 이것에만 국한되지 않는다.

이러한, 제조기술들은 텐스그리티을 기반으로하는 세포와 싸이토스케레탈 메카닉스(cytoskeletal mechanics)을 위한 수학적 모델의 사용으로 촉진시킬 수 있다.

이러한 수학적 원리는 "A Microstructural Approach to Cytoskeletal Mechanics based on " J. Theor. Bio. 181:125(1996)에서 기술되어 있다.

텐스그리티구조의 기계적 안정성을 결정하는 두 가지의 파라미터들은 초기응력과 구조이다. 초기응력은 그 구조에 있어서의 초기의 응력을 결정하고 외부의 힘이 가하여 졌을 때, 즉시 반응할 수 있도록 한다.

구조는 다른 구조형성 엘리먼트들의 수를 기술하고 어떻게 그들이 공간에서 힘을 분배하는냐 하는 것을 기술하는 것이다. 이러한 기하학적 특성은 어떻게 다른 구조적 엘리먼트들이 재배열하여서 응력에 대하여 전체 구조가 경화 하는 것인가를 결정한다.

이 수학적 처리는 ,크기에 관계없이, 직선적인 경화 행동을 보이는 어떤 자연적인 시스템의 기계적 성질을 분석하기 위한 새로운 정량적인 방법을 제공한다.

그러나, 텐스그리티 구조는 복잡하고 ,단지, 공식들이나 분석 방법들이, 어떻게 이러한 구조적 네트워크들이 외부 힘에 반응하는 지에 관한 전체적인 그림을 주지는 못한다.

이런 이유 때문에, 발명의 스카폴드 물질을 디자인하는 것을 돕기 위하여, 컴퓨터 모델링과 애니메이션 기술이 3차원(3D) 텐스그리티 격자안의 역학적 기하학적변환을 시뮬레이션하거나 관찰할 수 있게 한다.

예를 들어, 도 6 - 도 8에서 보여지는 컴퓨터로 발생시킨 타임 시퀀스(time sequence)는 진행하는 기하학적 변환을(각각, 왼쪽과 오른쪽열은 같은 구조의 위에서 본 것과 옆에서 본 모습이다)을 갖는 큰 중앙 통로를 포함하는 고도의 유연하고 다공성의 격자를 보여준다.

주의할 것은 헐거운, 개방성 격자들은 점진적으로 자기쪽으로 접혀지게되고 그들의 중앙 통로들을 막아, 기계적으로 경화 되는데 (안정한 팔각형과 사면체 형태들로 재구성), 구조적 결합의 부서짐은 없다.

같은 기하학적 특성을 가지고 만들어진 인공 폴리머 격자는 구조적 견고성의 손실없이 네트워크 메카닉스, 구성과 다공성도를 변화시키는 비슷한 능력을 제공한다.

더욱이, 이러한 유연한 네트워크의 기계적 강도는 크고, 유연한 스트러트(예, 긴 탄소 섬유)를 도 10에서 보여지는 것과 같이 프레임워크안으로 도입함으로서 증가될 수 있다.

유사한 접근이 생물모사 직물의 다른 지역들에서 이방성의 행동을 만들기 위하여 사용될 수가 있다(예, 니 조인트 위(over knee joint)).

최근 몇 년간, 제조자는 워크스테이션과 CAM/CAD 소프트웨어를 위하여 블루프린트(blueprints)와 드로잉 보드(drawing board)를 멀리하였었다.

상업적인 소프트웨어를 사용하여, 엔지니어는 CAD 드로잉을 상호반응적인, 고도의 해상력을 가진 3D 모델로 변환할 수가 있다.

그들은 손으로 잡아보지 않고서도, 부분을 회전시킬수도 있고, 형태, 기능등을 체크할 수도 있다. 연결된 CAD/CAM 을 사용하여 직접적으로, 그들은 디자인을 제품으로 전환시킬 수 있다.

동시에 우주 산업과 자동차 산업들을 위하여 제조된 물질들, 특히, 구성 부분 물질들, 을 가지고 하는 작업은 이러한 물질들의 미세구조(예, 섬유들의 치수과 방향성)가 대개 그들의 기계적 성질을 결정한다는 것이 알려졌다.

이러한 물질들에 있어서, 미세구조의 대부분의 특성은 디자인/제조 공정의 통제을 넘는다. 이러한 작은 크기의 구조적 특징들은 주입 또는 압축 몰딩과 같은 일반적인 공정을 이용하여, 최종 형태로 형성되는 물질과 같은 가공물로 필수적으로 창조된다.

CAD 기술과 CAM 소프트웨어의 조합은 바람직한 것으로 특징지어지는 결정된 지오데식하고 텐스그리티에 기반을 둔 미세구조를 가진 스카폴드 물질들의 제조를 가능하게 한다. 특별히, CAD의 능력은 스테레오리소그래프의 기반을 두고 CAM 기술과 결합될 수 있다.

스테레오리소그래프에 있어서, 용액 폴리머 수지는 CAD 를 이용하여 정확하게 요구되는 3D 미세구조특성을 가진 폴리머 물질을 구축하기 위하여 컴퓨터의 통제하에 레이저 빔에 의하여 선택적으로, 중합되어 솔리드화 된다.

구축 공정은, 3D 물질이 완성될 때까지, 어느 하나가 다른 것 위에 중합되는 연속적인 얇은 단면 층(형태학적 섹션과 유사한)의 제조를 포함한다.

이러한 접근을 사용하여, 3D 다공성 폴리머 네트워크들은 CAD 을 사용하여 만들어질 수 있는 어떤 미세구조를 가지고 제조될 수 있다.

비록 에폭시에 기반을 둔 수지들이 이러한 기술에서 일반적으로 쓰이고 있지만, 이론상, 자외선에 민감한 시작 물질을 사용하여 중합될 수 있는 어떤 화학물질들도 사용될 수가 있다.

매우 근접하게 채워진 팔면체와 사면체로 이루어진 옥테트 트러스 배열은 에폭시와 아크릴레이트 레진(accrylate resin) 양쪽을 사용하여 스테레오리소그래프를 이용하여 생산되어 왔다.

이런 CAD 능력은 전에 생가되지 못하였던 능력을 지닌 물질들의 디자인과 제조를 가능하게 하였다.

예를 들자면, 병원체을 중화시키는 기계적으로 강하고 가벼운 폴리머 스킨(polymer skins)들을 이끌어낸 것과 같은 방법이 생명체에서 병원체를 잡아서 중화시키기 위하여 혈관안으로 주입될 수 있는 생물모사 에리쓰로싸이트(erythrocytes, 생물침식성 나노스폰지(bioerodible nanosponges)) 또는 조직 공학을 위한 생물 침식성 폴리머 스카폴드들을 개발하는데 적용될 수가 있다.

이러한 응용을 위하여 가능한 물질들은 폴리글리콜릭 산(polyglycolic acid), 폴리락틱 산(polyulactic acid), 폴리이마이드(polyimide), 폴리아마이드(polyamide), 폴리에스터(polyester), 단백질(protein), 탄수화물(carbohydrate), 핵산(nucleic acid)과 지질(lipid)과 같은 물질들이 있는데, 이것에만 한정되지는 않는다.

다른 잘 알려진 미세구조 기술들은 스카폴드 물질의 준비에 이용될 수 있다.

단지 예로서만, 스테레오리소그래프 기술, 3 차원 마이크로프린팅(three dimensional microprinting), 3 차원의 레이저에 기반을 둔 드릴링 또는 에칭(etching) 기술, 마이크로몰딩(micromolding), 그리고, 자가-조합 방법들이 본 발명의 준비을 위하여 사용될 수 있다.

미세구조제조(microfabrication)에 관한 정보를 좀 더 얻기위하여서는, Science and Technology of Microfabrication R.E. Howard, E.L. Hu, S. Namba, S. Pang (Eds.) Material Research Society Symposia Vol. 76 (1987) 를 보면 될 것이다.

보호용 공기 마스크 여과 장치을 위하여 사용될 수 있는 전형적인 스카폴드물질은 다음의 예에서 기술되는 바와 같이 준비되어지고 있다. CAD 응용은 3 차원 네트워크를 디자인하기 위하여 사용되어졌다.

ProEngineer(Parametric Technology Corporation) 그리고, Ideas (Structural Dynamics Research Corporation)을 포함하는 몇 몇 개의 상업적으로 가능한 프로그램이 네트워크를 디자인하는데 적당한 것으로 알려져 있다.

도 4에서 보여지는 바와 같이, 네트워크는 약 800㎛의 멤버 길이와 약 150㎛의 막을 가로지르는 단면의 직경을 가진 옥테트 트러스(octet truss) 로 구성되어 있다.

모든 스트러트들은 근접한 멤버들에 대하여 60도의 각도로 방향이 잡혀져 있는데, 팔면체의 인터모듈 공간을 가진 밀접히 채워진 사면체 모듈들의 연속적인 배열의 형성을 또는 "옥테트 트러스(octet truss)" 로 알려진 것을 만든다.

스카폴드 물질은 에폭시 또는 아크릴레이트(acrylate) 수지들을 이용하고, 3D 시스템 SLA-250 스테레오리소그래프 기계들(3D Systems, Valencia, CA)를 조합한 CAM을 이용하여 제조된다.

TEM 00 레이저를 포함하기 위하여 개조된 이 기구는, 단면적이 약 70㎛²의 가장 미세한 선 특성들(이롱게이티드 멤버들)을 가진 단일성 에폭시 또는 아크릴레이트 수지로 구성된 폴리머의 23" 큐브 까지 생산할 수 있다.

일단 형성되어지면, 스카폴드는 HEMA 와 EDGMA 를 포함하는 용액성 하이드로젤수지에 담겨지고, 그런다음 대분분의 자유로운 수지를 제거하기 위하여 공기로 정화한다.

스카폴드 물질의 표면에 붙어 있는 잔여의 수지는, 도 9a에서 보여지는 바와 같이 하이드로젤 코팅을 형성하기 위하여 산화-환원 시작 시스템을 사용하여, 0.7M NaCl 에서 중합이 되었다.

이 하이드로젤은 차례로 생물활성의 분자들과 화학적으로 결합될 수 있는데, 이러한 생물활성의 분자들에는 리신 독소들를 제거하기 위한 갈락토오스-다이머(galactose-dimers)을 갖는 탄수화물, 다른 종류의 병원성 생물체들에 대항하는 항체, 그리고, 아세틸콜린에스터레이스(acetylcholinesterase)와 같은 신경 가스들을 불활성화시키는 효소들이 있다.

이 스카폴드 공간은 공기중의 화학 독소들을 제거하기 위하여 차콜 미세분자들(도 9b) 뿐만이 아니라, 지질 친화성 물질들과 생물체들을 제거하기 위한 리포좀 또는 지질 형태들을 넣을 수 있다.

큐브옥타헤드론들의 전형적인 유연한 배열은 Dupont SOMOS 2100 폴리머를 사용하여 생산되고 있다.

도 13c와 도 13d에서 보여지는 바와 같이 프로토타입(prototype)은 2개의 연결된 큐브옥타헤드론으로 이루어져 있지만, 큰 배열은 같은 기술로 만들어 질 수 있다.

위에 기술한 옥테트 트러스 제조에 사용되는 같은 CAD/CAM 시스템을 이용하여 유연한 배열이 만들어 진다. 구축된 프로토타입은 완전히 확장된 배열에서 33mm 의 높이를 가지고 있고, 도 13d 에서 보여지는 바와 같이 수축된 배열에서는 17mm 의 높이를 가지고 있다.

프로토타입은 큐브옥타헤드론이 팔면체로 붕괴되었을 때 비교적 쉽게 변형되며, 그래서, 심하게 경화된다. 이런 행동은 이러한 배열의 컴퓨터 모델들에 일치한다.

도 13a와 도 13b는 확장과 수축된 배열에서의 프로토타입의 컴퓨터 모델을 보여 준다. 이러한 프로토타입의 원리를 이용하여 만들어진 큰 배열은 열린 배치에서 고도의 유연성과 다공성을 유지하지만, 반면에 촘촘하게 되었을 때 고도의 경직과, 강도와 흐름성에 저항을 보여 주는데, 이러한 것은 고압으로 자동적으로 막히고 열리고 하는 여과시스템의 구축을 위하여 효과적이다.

CAD/CAM 을 이용하여 만들어질 수 있는 다른 예의 스카폴드 물질은 큐브옥타헤드론 스카폴드인데, 여기서 정점들은 그 물질에서 많은 유연성을 주기 위하여 좁혀져 있다.

예로서, 각 멤버는 길이에서 약 1mm 이고, 그 중심에서 단면적의 직경은 약 275㎛이고 각 정점에서 직경은 약 250㎛이다.

그러한 스카폴드는 위에서 기술한 유연한 프로토타입과 매우 비슷하게 행동하는데, 하지만 흐름성은 심지어 촘촘한 배치에서도 가능한데, 그것은 2 차원의 삼각형 엘리먼트들이 삼각형의 테두리들을 따라 1 차원 스트러트에 의하여 대체되기 때문이다.

이 발명의 다른 예들은 여기에 밝혀진 발명의 명세와 실례를 고려함으로서 나올수 있는 다른 예들로서 여기에 나타나는 기술임이 확실하다. 여기에 나타난 명세나 예는 단지 예로서만 고려되고, 본 발명의 진정한 범위와 정신을 한정시키는 것은 아니다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 세포 생화학의 새로운 특성들 뿐아니라 생물학적으로 세포와 조직의 규칙을 살아있는 조직들이나 세포들과 유사한 기계적, 구조적, 화학 공정적 능력을 가진 인공적 합성물질의 디자인과 제조에 응용함으로서, 새로운 역학적이고 생물활성의 특성을 갖는 방어 물체 또는 직물 그리고, 여과, 독소의 제거와 생물의학적 응용물들을 위한 물질울 제조할 수 있게 되는 것이다.

Claims

미리 결정된 배열로 완전하게 연결되면서, 다면체의 적어도 한 부분을 형성하는 완전하게 연결된 이롱게이티드 멤버들의 복수로 이루어진 각 모듈, 상기 멤버들의 적어도 한 부분이 지오데식 또는 텐스그리티 엘리먼트들을 형성하도록 배열되는 멤버들로 이루어진 스카폴드 물질.
제 1 항에 있어서, 상기 모듈이 충분히 지오데식 또는 텐스그리티 구조를 이루도록 재배열을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1 항에 있어서, 상기 모든 모듈들내의 모든 멤버들이 지오데식 또는 텐스그리티 엘리먼트들을 이루는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1 항에 있어서, 상기 이롱게이티드 멤버들이 실질적으로 비압축성인 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1 항에 있어서, 상기 멤버들의 첫 번째 부분이 실질적으로 비압축성이고 상기 멤버들의 두번째 부분이 신장가능한 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 모듈들이 비-지오데식 4 면의 다각형 엘리먼트들로 정해져 있는 멤버들의 일부분으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 다면체 모듈이 공통 정점들에서 완전하게 연결된 8개의 삼각형의 엘리멘트들로 이루어진 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
미리 결정된 배열로 완전하게 연결되면서, 다면체의 적어도 한 부분을 형성하는 완전하게 연결된, 이롱게이티드, 신장성 멤버들의 복수로 이루어진 모듈, 상기 모든 멤버들의 적어도 한 부분이 지오데식 엘리먼트를 이루도록 배열되는 멤버들로 이루어진 스카폴드 물질.
제 8 항에 있어서, 상기 신장성 멤버들이 직선의 엘리먼트 또는, 곡선, 헬리칼, 스프링 형태, 톱니 모양, 크레뉼레이트 형태 그리고 얽혀진 엘리멘트로 구성된 그룹으로부터 선택되어진는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈이 구, 구의 한 부분, 20면체, 팔면체, 12면체, 사면체 그리고 이러한 지오데식 다면체의 원뿔 또는 방사선 모양으로 된 세트로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배열이 하나 또는 이상의 공통 정점들, 테두리들, 면들 또는 교점들을 나눔으로서 완전하게 연결된 상기 모듈들의 복수로 이루러진 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤버들이 약 1 x 10^-9에서 약 1 x 10^-1m의 범위에서의 이롱게이티드 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 지오데식 또는 텐스그리티 엘리먼트들의 배열이 약 1 x 10^-9에서 약 1 x 10^-1m의 범위에서 내부 멤버 통로들을 갖는 구조로 되는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 한 모듈이 초기응력을 받는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 14 항에 있어서, 상기 초기응력이 적어도 한 모듈안에 위치되어진 폴리머에 의하여 주어지는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 15 항에 있어서, 상기 폴리머가 수용액 매체와 접촉되도록 위치되었을 때 팽창할 수 있는 하이드로젤인 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 16 항에 있어서, 상기 하이드로젤 폴리머가 폴리(2-하이드록시에칠 메타클리레이트-코-메칠 메타클리레이트), 비포화 직선의 폴리에스터들과 폴리(에칠렌 글라이콜), 메타크릴릭 산의 코-폴리머들, 아크릴릭 산, 그리고/또는 글라이싸이달 메타크릴레이트(glycidal mehacrylate)로 구성된 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 이롱게이티드 멤버들의 적어도 한 부분에 코팅된 하이드로젤 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 18 항에 있어서, 상기 하이드로젤 폴리머가 폴리(2-하이드록시에칠 메타크릴레이트-코-메칠 메타클릴레이트), 비포화 직선 폴리에스터들과 폴리(에칠렌 글라이콜), 메타클릴릭 산의 코폴리머들, 아크릴릭 산, 그리고/또는 글라이싸이달 메타클릴레이트로 구성된 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 18 항에 있어서, 상기 폴리머가 생물학적 또는 화학적으로 활성 분자들을 가지고 파생된 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 15 항에 있어서, 상기 폴리머가 열에 노출, pH의 변화, 전기 전하의 변화 또는 다른 환경 조건에 대하여 팽창할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 14 항에 있어서, 상기 초기응력이 적어도 하나의 비압축성 멤버의 도입에 의해 부과되는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 22 항에 있어서, 상기 초기응력이 적어도 하나의 상기 비압축성 멤버 주위의 스카폴드의 수축에 의하여 부과된 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 22 항에 있어서, 상기 초기응력이 스카폴드 물질과 접촉하여 적어도 하나의 비압축성 멤버의 팽창에 의해 부과된 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈의 상기 멤버들이 적어도 하나의 멤버들간의 공간에 있고 그리고 그 적어도 하나의 멤버들간의 공간이 솔리드(solid) 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 25 항에 있어서, 상기 솔리드 물질이 엘라스토머인 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 26 항에 있어서, 상기 엘라스토머는 비포화 직선 폴리에스터와 폴리(에칠렌 글라이콜), 폴리우레탄, 그리고 폴리디메칠실록산으로 이루어진 그룹으로 부터 선택되어 진 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조 멤버들이 비-침식성 폴리머들로 이루어 진 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 28 항에 있어서, 상기 폴리머가 폴리아크릴레이트, 폴리에폭사이드들, 폴리에스터들, 폴리우레탄들, 폴리(메타크릴레이트 산), 폴리(아크릴릭 산), 폴리이마이드들 그리고 폴리실록산들로 이루어진 그룹으로부터 선택된되어 진 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조 멤버들이 침식성 폴리머들로 이루어 진 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 30 항에 있어서, 구조 멤버들이 폴리글라콜릭 산, 폴리락틱 산, 폴리이마이드, 폴리아마이드, 폴리에스터, 단백질, 탄수화물, 핵산과 지질로 이루어진 그룹으로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질이 CAM 기술을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 32 항에 있어서, 상기 물질이 스테레오리소그래프, 마이크로모델링, 3 차원 마이크로프린팅, 3 차원 레이저에 기반을 둔 드릴링 또는 에칭 그리고 자가-조합 기술의 적어도 하나를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈들의 한 부분이 생물학적 또는 화학적으로 활성한 분자를 가지고 파생되는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질의 표면이 폴리머로 코팅된 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 35 항에 있어서, 상기 코팅 폴리머는 생물학적 또는 화학적으로 활성한 프로세싱 분자들을 가지고 파생된 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 1,2,3항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 스카폴드가 제조된 물품을 위하여 그 패턴의 내부 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 37 항에 있어서, 상기 패턴이 인베스트먼트 캐스팅을 위한 패턴인 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제 37 항에 있어서, 상기 제조 물품이 소결에 의하여 형성되어지는 것을 특징으로 하는 스카폴드 물질.
제조되는 물품의 형태를 형성하는 솔리드 외부 표면들과;

미리 결정된 배열로 완전하게 연결되면서, 다면체의 적어도 한 부분을 형성하는 완전하게 연결된 이롱게이티드 멤버들의 복수로 이루어진 각 모듈, 상기 멤버들의 적어도 한 부분이 지오데식 또는 텐스그리티 엘리먼트들을 형성하도록 배열되는 멤버들로 이루어진 내부 스카폴드 물질로;

구성되는 제조 물품을 위한 패턴.
제 40 항에 있어서, 상기 물품이 인베스트먼트 캐스팅으로 제조되어 지는 것을 특징으로 하는 제조 물품을 위한 패턴.
제 40 항에 있어서, 상기 물품이 소결로 제조되어 지는 것을 특징으로 하는 제조 물품을 위한 패턴.
(1) 솔리드 외부 표면들과, 미리 결정된 배열로 완전하게 연결되면서, 다면체의 적어도 한 부분을 형성하는 완전하게 연결된 이롱게이티드 멤버들의 복수로 이루어진 각 모듈, 상기 멤버들의 적어도 한 부분이 지오데식 또는 텐스그리티 엘리먼트들을 형성하도록 배열되는 멤버들로 이루어진 내부 스카폴드 물질로 이루어지는 제조 물품 형태의 패턴을 제공하는 단계와,

(2) 경화 가능한 물질로 패턴을 코팅하는 단계,

(3) 경화가능한 물질을 딱딱한 셸 몰드로 전환하는 단계,

(4) 딱딱한 셸 몰드를 깨지않고 그 셸로부터 패턴을 제거하는 단계로 이루어진 제조용 몰드 제조방법
제 43 항에 있어서, 상기 몰드가 주조용으로 사용될 수 있도록 금속이거나, 세라믹, 유리 또는 폴리머 물질인 것을 특징으로 하는 제조용 몰드 제조방법.
(1) 솔리드 외부 표면들과, 미리 결정된 배열로 완전하게 연결되면서, 다면체의 적어도 한 부분을 형성하는 완전하게 연결된 이롱게이티드 멤버들의 복수로 이루어진 각 모듈, 상기 멤버들의 적어도 한 부분이 지오데식 또는 텐스그리티 엘리먼트들을 형성하도록 배열되는 멤버들로 이루어진 내부 스카폴드 물질로 이루어지는 주조에 의해 형성되는 물품 형태의 패턴을 제공하는 단계와,

(2) 경화 가능한 물질로 패턴을 코팅하는 단계,

(3) 경화가능한 물질을 딱딱한 셸로 전환하는 단계,

(4) 상기 셸을 깨지않고 그 셸로부터 패턴을 제거하는 단계,

(5) 실질적으로 솔리드로 전환되는 용액으로 그 셸을 채움으로서 물품을 주조하는 단계로 이루어진 인베스트먼트 캐스팅 방법.