KR20100083332A

KR20100083332A - 세포배양지지체 제조장치 및 제조방법

Info

Publication number: KR20100083332A
Application number: KR1020090002668A
Authority: KR
Inventors: 박수아; 이준희; 김완두
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2010-07-22
Also published as: KR101153728B1

Abstract

본 발명은 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체를 동시에 형성하여 공정 시간을 단축하고 활용성을 높일 수 있는 세포배양지지체 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 세포배양지지체 제조장치는 서로 다른 특성을 갖는 생분해성 물질이 각각 용해된 적어도 둘 이상의 용액저장조와 각 용액저장조로부터의 용액을 공급받아 외부로 각각 분사하는 다수의 분사관과 분사관의 단부에 구비된 노즐을 포함하는 분사수단과, 상기 각 용액저장조의 용액을 가압하는 가압수단과, 상기 분사관을 통한 용액 분사를 제어하는 유량제어밸브와, 상기 분사수단에 의해 분사되는 용액이 수집되도록 상기 분사수단의 하부에 구비되는 수집판과, 상기 분사수단 또는 상기 수집판을 X-Y-Z방향으로 이동시키는 이송장치 상기 용액저장조의 온도를 제어하기 위한 자동온도조절장치와, 상기 가압수단과 상기 유량 제어밸브와 상기 이송장치 및 상기 자동온도조절장치를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

세포배양지지체, 특성, 동시, 다층

Description

세포배양지지체 제조장치 및 제조방법{MANUFACTURING APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD FOR CELL CULTURE SCAFFOLD}

본 발명은 세포배양지지체를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체를 동시에 형성하여 공정 시간을 단축하고 활용성을 높일 수 있는 세포배양지지체 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

생체 조직공학(Tissue Engineering)이란 환자의 몸에서 필요한 조직을 채취하고 그 조직편으로부터 세포를 분리한 다음 분리된 세포를 배양을 통하여 필요한 양만큼 증식시키고 다공성을 가지는 생분해성 고분자 지지체에 심어 일정기간 체외 배양한 뒤 하이브리드형 세포/고분자 구조물을 다시 인체 내에 이식하는 것이다.

이식 후 세포들은 대부분의 조직이나 장기의 경우 신생 혈관이 형성될 때까지는 체액의 확산에 의해 산소와 영양분을 공급받다가 인체 내의 혈관이 들어와 혈액의 공급이 이루어지면 세포들이 증식 분화하여 새로운 조직 및 장기를 형성하고 고분자 지지체는 그동안 분해되어 사라지는 기법을 응용하는 것이다.

따라서 이러한 조직공학 연구를 위해서는 우선 생체 조직과 유사한 생분해성 고분자 세포배양지지체를 제조하는 일이 중요하다.

인체 조직의 재생을 위해 사용되는 지지체의 재료의 주된 요건은 조직세포가 재료 표면에 유착하여 3차원적 구조를 가진 조직을 형성할 수 있도록 기질 또는 지지체의 역할을 충분히 할 수 있는 기계적 강도를 가져야 하고, 이식된 세포와 숙주 세포 사이에 위치하는 중간 장벽으로서의 역할도 해야 하는데 이를 위해서는 이식 후 혈액응고나 염증반응이 일어나지 않는 무독성의 생체적합성이 있어야 한다.

또한 이식된 세포가 새로운 체내 조직으로서 기능과 역할을 하게 되면 원하는 시간 안에 생체 내에서 완전히 분해되어 사라질 수 있는 생분해성을 지녀야 한다.

현재 널리 사용되고 있는 생분해성 고분자는 PGA, PLA 및 PLGA 등으로서 인체에 사용 가능한 생분해성 고분자가 인체 조직의 체내 재생을 위한 다공성 고분자 세포배양지지체 재료로서 사용되고 있다.

생체 조직공학용 고분자 세포배양지지체의 구조는 높은 밀도의 세포점착을 가능하게 하는 큰 표면적을 위하여 높은 다공도를 필요로 하며, 생체내로의 이식 이후에 혈관의 형성 및 영양분 성장인자, 호르몬 등의 물질전달을 가능하게 하는 큰 기공과 기공간 상호 연결되어 있는 연속 구조(Open cell structure)를 갖는 것을 필요로 하고, 배양되는 조직의 특성에 따라 다공도 및 기공의 형상은 조절이 요구된다.

조건에 부합하는 지지체 구조의 제작을 위하여 최근 여러 연구자들에 의해 고분자를 다공성 구조로 만들기 위한 여러 방법들이 시도되고 있는데, 대표적으로 예를 들면 단결정 소금을 혼합하여 건조한 후 소금을 물에 용해시켜 내는 염 침출법 (Solvent-casting and particulate-leaching technique: A. G. Mikos 등, Polymer, 35, 1068, 1994), CO2가스를 이용하여 고분자를 팽창시키는 가스 발포법 (Gas forming technique: L. D. Harris 등, Journal of Biomedical Materials Research, 42, 396, 1998), 고분자 섬유를 부직포로 만들어 고분자 체(Mesh)로 제조하는 방법 (Fiber extrusion and fabric forming process: K. T. Paige 등, Tissue Engineering, 1, 97, 1995), 고분자 용액에 함유되어 있는 용매를 비용매속에 담가 다공성을 만드는 상분리법 (Thermally induced phase separation technique: C. Schugens 등, Journal of Biomedical Materials Research, 30, 449, 1996), 고분자 용액과 물을 혼합하여 유화 용액으로 제조한 후 액체 질소로 냉동시키고 동결 건조하는 유화 동결 건조법 (Emulsion freeze-drying method: K. Whang 등, Polymer, 36, 837, 1995) 등이 있다.

그러나 종래의 제조방법들은 전반적으로 기공의 크기의 조절이 쉽지 않고 다공도가 비교적 낮으며 기공간 open 구조가 잘 형성되지 않는 경우가 있다.

또한 지지체 표면의 다공성 막힘 현상이 야기되고 비교적 복잡한 제조과정과 제조시 발생할 수 있는 가스 등의 유해 물질의 분비 및 지지체내의 염의 잔존 등 많은 문제점들을 가지고 있다.

그리고, 종래의 세포배양지지체 제조방법에 따르면 기계적인 물성이나 분해 속도 등 특성이 서로 다른 재료를 가지는 세포배양지지체를 한 번에 형성하기 어려운 단점이 있다.

예를 들어 인체의 추간판은 가장자리는 단단한 섬유륜과 중심부는 부드러운 수핵으로 이루어져 있는데, 섬유륜은 하드(hard)한 기계적 물성을 가지고 수핵은 소프트(soft)한 기계적 물성을 가지므로 서로 다른 기계적 물성을 가지므로, 즉 섬유륜과 수핵은 탄성계수가 서로 달라 탄성계수가 서로 다른 세포배양지지체를 동시에 형성해야 조직 재생 효율이 높아지는데, 종래의 방법으로는 이 조건을 만족할 수 없는 단점이 있다.

상기 배경기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 분해 기간이나 물리적/기계적 특성이 서로 다른 세포배양지지체를 단일층에 교호로 형성하거나 다층구조를 형성하되 각층별로 서로 서로 다른 특성을 갖도록 할 수 있는 세포배양지지체 제조장치 및 제조방법을 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 세포배양지지체 제조장치는 서로 다른 특성을 갖는 생분해성 물질이 각각 용해된 적어도 둘 이상의 용액저장조와 각 용액저장조로부터의 용액을 공급받아 외부로 각각 분사하는 다수의 분사관과 분사관의 단부에 구비된 노즐을 포함하는 분사수단과, 상기 각 용액저장조의 용액을 가압하는 가압수단과, 상기 분사관을 통한 용액 분사를 제어하는 유량제어밸브와, 상기 분사수단에 의해 분사되는 용액이 수집되도록 상기 분사수단의 하부에 구비되는 수집판과, 상기 분사수단 또는 상기 수집판을 X-Y-Z방향으로 이동시키는 이송장치 상기 용액저장조의 온도를 제어하기 위한 자동온도조절장치와, 상기 가압수단과 상기 유량 제어밸브와 상기 이송장치 및 상기 자동온도조절장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 세포배양지지체 제조방법은, 서로 다른 특성을 갖는 생분해성 물질이 각각 용해된 적어도 둘 이상의 용액저장조와 각 용액저장조로부터의 용액을 공급받아 외부로 각각 분사하는 다수의 분사관과 분사 관의 단부에 구비된 노즐을 포함하는 분사수단를 포함하는 세포배양지지체 제조장치를 이용하여 세포배양지지체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 이송장치를 이용하여 분사수단 또는 수집판을 X-Y-Z 방향으로 이송하면서 상기 용액저장조에 소정의 압력을 가하고 각 분사관에 구비된 유량제어밸브를 각각 제어하여 분사관을 통해 용액을 분사하는 단계와, 상기 분사수단 이송과 용액 분사를 반복하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 분해기간이나 물리적/기계적 성질이 서로 다른 물질이 용해된 용액을 동시에 분사하여 다양한 특성을 가지는 세포배양지지체를 한 번에 형성함으로써 제조 공정을 단축하여 생산성을 높일 뿐만 아니라 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체를 단일층 또는 다층에 형성함으로써, 인체의 추간판과 같이 서로 다른 특성을 가지는 부위에 하나의 세포배양지지체를 적용할 수 있어 실용성을 높일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 세포배양지지체 제조장치 장치 구성도이고, 도 2는 도 1의 분사수단 확대 사시도로서, 본 발명은 분사수단(1)과, 가압수단(2)과, 유압제어밸브(3)와, 수집판(4)과 이송장치(5)와, 자동온도조절장치(6)와, 컨트롤러(7)를 포함하여 구성된다.

분사수단(1)은 용액저장조(11)와, 분사관(12)과 노즐(13)을 포함한다.

용액저장조(11)는 서로 다른 특성을 갖는 생분해성 물질이 각각 용해된 적어 도 둘 이상으로 구성된다.

이때, 서로 다른 특성을 갖는 생분해성 물질은 분해 기간이 서로 다르거나, 탄성계수와 물리적/기계적 특성이 서로 다른 물질일 수 있으며, 각각 파우더 타입으로 제조된 것을 이용함이 바람직하다.

즉, 파우더 타입으로 제조된 생분해성 물질은 용액 내에서 고르게 용해될 수 있고, 둘 이상의 재료를 혼합하여 용액에 용해시킬 경우에도 고르게 용해되므로, 용액으로 분사 후 세포배양지지체 내의 생분해성 물질이 고른 분포가 이루어져 특성이 좋은 세포배양지지체를 만들 수 있다.

예를 들어, 각 고분자별 분해 기간의 차이는 아래의 표 1과 같고, 물리적/기계적 특성의 차이는 아래의 표 2와 같다.

[표 1]

고분자	약어	분해시간(개월)
poly(lactic acid)	PLGA	18-24
poly(D, L-lactic acid)	PDLA	12-16
poly(glycolic acid)	PGA	2-4
poly(D,L-lactic-co-glycolic acid, 50:50)	PLGA	2
poly(D,L-lactic-co-glycolic acid, 70:30)	PLGA	6
poly(D,L-lactic-co-glycolic acid, 85:15)	PLGA	10

[표 2]

생분해성 고분자	분자량 (Mw)	Tg	Tm	인장강도 (MPa)	탄성율 (MPa)	굴곡율 (MPa)	변형율
생분해성 고분자	분자량 (Mw)	Tg	Tm	인장강도 (MPa)	탄성율 (MPa)	굴곡율 (MPa)	항복(%)	파단(%)
Poly(glycolic acid)	50,000	35	210	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a
Poly(lactic acid)
L-PLA	50,000	54	170	28	1200	1400	3.7	6.0
L-PLA	100,000	58	159	50	2700	3000	2.6	3.3
L-PLA	300,000	59	178	48	3000	3250	1.8	2.2
D,L-PLA	20,000	50	-	n/a	n/a	n/a	n/a	n/a
D,L-PLA	107,000	51	-	29	1900	1950	4.0	6.0
D,L-PLA	550,000	53	-	35	2400	2350	3.5	5.0
PLGA 85:15		50~55	-	-	-	-	-	-
PLGA 75:25		50~55	-	-	-	-	-	-
PLGA 65:35		45~50	-	-	-	-	-	-
PLGA 50:50		45~50	-	-	-	-	-	-
Poly (β-hydroxybutyrae)	422,000	1	171	36	2500	2850	2.2	2.5
Poly (ε-caprolactone)	44,000	~62	57	16	400	500	7.0	80
Polyanhydrides^a
Poly (SA-HDA anhytride)	142,000	n/a	49	4	45	n/a	14	85
Poly(ortho esters)^b
DETOSU:t-CDM:1,6-HD	99,700	55	-	20	820	950	4.1	220
Polyiminocarbonate^c
Poly(BPA iminocarbonate)	105,000	69	-	50	2150	2400	3.5	4.0
Poly(DTH iminocarbonate)	103,000	55	-	40	1630	n/a	3.5	7.0

한편, 분사관(12)은 각 용액저장조(11)로부터의 용액을 공급받아 외부로 각각 분사하도록 용액저장조(11)에 연결된다.

노즐(13)은 각 분사관의 단부에 구비되어 실질적으로 용액을 외부로 분사한다.

가압수단(2)은 각 용액저장조의 용액을 가압하기 위한 것으로서 공압장치가 이용될 수 있다.

유량제어밸브(3)는 각 분사관(12)을 통한 용액 분사를 제어하는 것으로서, 각 분사관(12)의 일측에 연결되어 분사관(12) 내부의 용액 흐름을 단속하는 개폐밸 브가 이용될 수 있다.

그리고, 분사수단(1)의 하부에는 분사수단(1)의 노즐(13)을 통해 분사되는 용액이 수집되도록 수집판(4)이 구비된다.

이송장치(5)는 분사수단(1)은 또는 수집판(4)을 X-Y-Z방향으로 이동시켜 수집판(4) 상에 용액이 수집될 수 있도록 하는 것으로서, 도면에는 분사수단(1)을 X-Y-Z방향으로 이송시키는 이송스테이지로 도시하였으나, 다른 변형된 실시예를 통해 수집판(4)을 X-Y-Z방향으로 이송시키는 이송스테이지가 이용될 수 있다.

또한, 본 발명은 용액저장조의 온도를 일정하게 제어하기 위한 자동온도조절장치(6)를 구비할 수 있다.

그리고, 컨트롤러(7)는 가압수단(2)과 유량제어밸브(3)와 이송장치(5) 및 자동온도조절장치(6)와 같은 각 구성요소들을 전반적으로 제어한다.

이때, 컨트롤러(7)는 각각의 분사관을 통한 용액 분사가 동시에 이루어지도록 제어할 수 있다.

즉, 소정거리 이격된 각 분사관을 통해 용액을 동시에 분사함으로써 단일층 내에 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체를 동시에 형성할 수 있다.

또는, 컨트롤러(7)는 서로 소정 거리 이격된 각 분사관을 통한 용액 분사가 동시에 이루어지도록 하되, 이격거리만큼 분사관을 이동시킴으로써 단일층에 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 경계부에서 접하게 형성할 수 있다.

즉, 서로 접하는 부분을 경계로 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 동시에 형성되도록 할 수 있다.

또는, 컨트롤러(7)는 각각의 분사관(12)을 통한 용액 분사가 각층별 교호로 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 제 1 특성을 가지는 물질이 용해된 용액이 공급되는 분사관만 개방하여 제 1 용액을 분사하여 제 1 특성을 가지는 제 1 층을 형성하고, 제 1 층 상에 제 2 특성을 가지는 물질이 용해된 용액이 공급되는 분사관만을 개방하여 제 2 용액을 분사함으로써 제 2 층을 형성한다.

이러한 과정을 반복하면서 서로 다른 특성을 가진 세포배양지지체가 서로 다른층에 각각 적층 형성되도록 할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 세포배양지지체 제조장치를 이용한 세포배양지지체 제조방법을 설명하도록 한다.

우선, 이송장치(5)를 이용하여 분사수단(1) 또는 수집판(4)을 X-Y-Z 방향에 대하여 소정 거리 이송시키면서 용액을 분사한다.

여기서, 용액 분사를 위해 가압수단(2)을 이용하여 용액저장조(11)에 소정의 압력을 가하고 각 분사관(12)에 구비된 유량제어밸브(3)를 각각 제어하여 분사관(12)을 통해 용액이 분사되도록 한다.

그리고, 분사수단 이송과 용액 분사를 반복하여 세포배양지지체를 형성한다.

이러한 용액 분사 방법의 실시예들을 설명하면 다음과 같다.

우선, 제 1 실시예로는 이송장치(5)를 이용하여 분사수단(1) 또는 수집판(4)을 이송시키면서 단일층에 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 교호로 형성되도록 할 수 있다.

즉, 적어도 둘이상의 분사관(12)을 통해 동시에 용액분사를 하면 서로 다른 특성의 물질이 용해된 각각의 용액이 동시에 분사되므로, 도 3에 도시된 바와 같이 한층 내에 서로 다른 특성의 고분자가 교호로 반복하여 세포배양지지체로 형성된다.

또한, 제 2 실시예로는 각각의 분사관이 소정 거리 이격되어 있기 때문에 이격 거리만큼 어느 한쪽으로 분사수단(1) 또는 수집판(4)을 이송시키면서 용액 분사가 동시에 이루어지도록 하다.

이에 따라, 이격거리만큼 단일층에 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 형성되는데, 이때 각 특성을 가지는 세포배양지지체는 도 4에 도시된 바와 같이 경계부에서 접하게 형성된다.

또한, 제 3 실시예로는 다수의 분사관을 선택적으로 순차로 오픈하여 각각의 분사관을 통한 용액 분사가 각층별 교호로 이루어지도록 한다.

이러한 과정을 반복하면 도 5에 도시된 바와 같이 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 다층으로 형성된다.

도 1은 본 발명의 세포배양지지체 제조장치 장치 구성도.

도 2은 도 1의 분사수단 확대 사시도.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 세포배양지지체 제조방법에 의해 제조된 세포배양지지지체의 실시예도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1: 분사수단

11 : 용액저장조

12 : 분사관

13 : 노즐

2 : 가압수단

3 : 유량제어밸브

4 : 수집판

5 : 이송장치

6 : 자동온도조절장치

7 : 컨트롤러

Claims

서로 다른 특성을 갖는 생분해성 물질이 각각 용해된 적어도 둘 이상의 용액저장조와 각 용액저장조로부터의 용액을 공급받아 외부로 각각 분사하는 다수의 분사관과 분사관의 단부에 구비된 노즐을 포함하는 분사수단;

상기 각 용액저장조의 용액을 가압하는 가압수단;

상기 분사관을 통한 용액 분사를 제어하는 유량제어밸브;

상기 분사수단에 의해 분사되는 용액이 수집되도록 상기 분사수단의 하부에 구비치되는 수집판;

상기 분사수단 또는 상기 수집판을 X-Y-Z방향으로 이동시키는 이송장치;

상기 용액저장조의 온도를 제어하기 위한 자동온도조절장치;

상기 가압수단과 상기 유량 제어밸브와 상기 이송장치 및 상기 자동온도조절장치를 제어하는 컨트롤러;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조장치.
제 1항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 각각의 분사관을 통한 용액 분사가 동시에 이루어지도록 하여 단일층에 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 교호로 형성되도록 함을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조장치.
제 1항에 있어서,

상기 각각의 분사관은 서로 소정 거리 이격되고,

상기 컨트롤러는 상기 각각의 분사관을 통한 용액 분사가 동시에 이루어지도록 하여 단일층에 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 경계부에서 접하게 형성되도록 함을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조장치.
제 1항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 각각의 분사관을 통한 용액 분사가 각층별 교호로 이루어지도록 함으로써 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 서로 다른층에 각각 형성되도록 함을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조장치.
제 1항에 있어서,

상기 특성이 다른 생분해성 물질은 각각 파우더 타입으로 제조된 것을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조장치.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 특성이 다른 생분해성 물질은 분해 기간이 서로 다른 물질인 것을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조장치.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 특성이 다른 생분해성 물질은 물리적/기계적 특성이 서로 다른 물질인 것을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조장치.
서로 다른 특성을 갖는 생분해성 물질이 각각 용해된 적어도 둘 이상의 용액저장조와 각 용액저장조로부터의 용액을 공급받아 외부로 각각 분사하는 다수의 분사관과 분사관의 단부에 구비된 노즐을 포함하는 분사수단를 포함하는 세포배양지지체 제조장치를 이용하여 세포배양지지체를 제조하는 방법에 있어서,

상기 이송장치를 이용하여 분사수단 또는 수집판을 X-Y-Z 방향으로 이송하면서 상기 용액저장조에 소정의 압력을 가하고 각 분사관에 구비된 유량제어밸브를 각각 제어하여 분사관을 통해 용액을 분사하는 단계와,

상기 분사수단 이송과 용액 분사를 반복하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조방법.
제 8항에 있어서,

상기 용액 분사는 각각의 분사관을 통한 용액 분사가 동시에 이루어지도록 하여 단일층에 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 교호로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조방법.
제 8항에 있어서,

상기 용액 분사는 소정 거리 이격된 각각의 분사관을 통한 용액 분사가 동시 에 이루어지도록 하여 단일층에 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 경계부에서 접하게 형성되도록 함을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조방법.
제 8항에 있어서,

상기 용액 분사는 상기 다수의 분사관을 선택적으로 순차로 오픈하여 각각의 분사관을 통한 용액 분사가 각층별 교호로 이루어지도록 함으로써 서로 다른 특성을 가지는 세포배양지지체가 서로 다른 층에 각각 형성되도록 함을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조방법.
제 8항에 있어서,

상기 특성이 다른 생분해성 물질은 각각 파우더 타입으로 제조된 것을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조방법.
제 8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 특성이 다른 생분해성 물질은 분해 기간이 서로 다른 물질인 것을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조방법.
제 8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 특성이 다른 생분해성 물질은 물리적/기계적 특성이 서로 다른 물질인 것을 특징으로 하는 세포배양지지체 제조방법.