KR20150081576A - 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체 - Google Patents

나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체

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Abstract

본 발명은 마이크로 미터 단위의 공극을 가지는 지지층들 사이에 나노미터 단위의 공극을 가지는 나노 섬유층을 형성함으로써, 나노 섬유층이 마이크로 미터 단위의 공극 크기를 조밀하기 때문에 세포의 유실을 방지할 수 있어 세포의 증식 및 증착률을 높일 수 있게 하는 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체에 관한 것으로, 마이크로 공극을 형성하며, 층층이 적층되는 다수의 지지층; 및 나노 공극을 형성하며 지지층들 사이에 형성되는 다수의 나노 섬유층;을 포함한다

Description

나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체{NANO-MICRO HYBRID SCAFFOLD}
본 발명은 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세포가 증착, 증식 및 분화하는 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체에 관한 것이다.
조직 공학(Tissue Engineering)은 손상된 인체의 다양한 조직과 기관의 기능을 복원하기 위해 다양한 접근 방식으로 연구를 진행하고 있다.
최근의 조직 공학 분야에서는 새로운 시도로서 세포의 증착, 중식 및 분화를 도울 수 있는 생체 적합성 인공 지지체(10; Scaffold; 도 1 참조) 개발과 관련된 연구가 진행되고 있다.
인공 지지체(10)는 세포의 원활한 증착, 증식 및 분화를 유도할 수 있도록 적절한 세포외기질(ECM; Extra Cellular Matrix) 구조를 가져야하고, 주위의 조직과 유사한 지지대로서 생체 적합성 또는 생체 분해성 재료로 제작되어야 하며, 또한 인공 지지체(10)는 세포의 이동, 신진대사 촉진 및 영양분 공급을 위한 혈관침투를 위해 적절한 크기로 서로 연결된 다공성 구조를 가지면서 조직 재생 기간 동안 그 형태를 유지할 수 있는 일정 이상의 강도가 유지되어야 한다.
전술한 인공 지지체(10)의 재료로는 PLA(Ploy-lactic Acid), 또는 PGA(Poly-glycolic Acid), 또는 PLGA(Poly-lacti-co-glycolic Acid)가 주로 사용되는데, 이러한 재료를 이용한 인공 지지체(10)는 염발포법, 상분리법, 염침출법, 유화 동결 건조법 등의 방법을 이용해 제작된다.
그러나 이러한 방법으로 제작된 인공 지지체(10)들은 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라 다양한 3차원 형태의 정밀한 구조로 제작할 수 없는 문제점이 있었다. 또한 공극의 크기(Pore Size) 및 공극률(Porosity)을 사용자가 원하는 형태로 제어하기 어려운 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 내외부 공극들의 연결성을 높이고, 충분한 강도를 가지는 3차원 인공 지지체(10)를 제작하는 MSTL 기술이 사용되고 있다.
MSTL(Micro-stereolithography) 기술은 쾌속 조형 기술로서 3차원으로 제어된 형상을 수십 마이크로의 정밀도로 3차원 인공 지지체(10)를 제작할 수 있게 하고 있으나, 쾌속 조형 기술로 제작된 인공 지지체(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 라인(line) 형태로 배열되어 구성되며, 2개 층 이상이 적층되어 전체적으로 격자 형태로만 제작되기 때문에 공극의 크기(Pore Size)가 크고, 이로 인해 공극 내 세포가 유실되어 세포의 증식 및 증착률이 낮은 문제점이 있었다.
따라서 쾌속 조형 기술을 이용하고, 우수한 생체적합성, 및 생체친화성을 가지면서 공극의 크기가 조밀한 인공 지지체의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
관련 선행기술로는 한국등록특허 제 1130239 호(등록일자: 2012년 03월 19일, 명칭: 세포배양용 격자형 지지체 및 그 제조방법)가 있다.
본 발명은 마이크로 미터 단위의 공극을 가지는 지지층들 사이에 나노미터 단위의 공극을 가지는 나노 섬유층을 형성함으로써, 나노 섬유층이 마이크로 미터 단위의 공극 크기를 조밀하기 때문에 세포의 유실을 방지할 수 있어 세포의 증식 및 증착률을 높일 수 있게 하는 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체는, 마이크로 공극을 형성하며, 층층이 적층되는 다수의 지지층; 및 나노 공극을 형성하며 지지층들 사이에 형성되는 다수의 나노 섬유층;을 포함할 수 있다.
구체적으로 지지층은, 마이크로 공극이 형성되도록 액상으로 제공되는 생체 적합성 및 생체 분해성 고분자를 마이크로 미터 단위로 이격시키면서 평행한 라인 형태로 토출시켜 형성될 수 있다.
더 구체적으로 어느 하나의 지지층을 형성하는 라인과 상부 또는 하부로 이웃하는 또 다른 지지층을 형성하는 라인은 서로 교차되도록 형성되며, 어느 하나의 지지층의 마이크로 공극과 이웃하는 또 다른 지지층의 마이크로 공극은 서로 연결될 수 있다.
구체적으로 나노 섬유층은, 생체 적합성 고분자 용질이 용매에 용해된 방사용액을 지지층에 전기방사하여 형성될 수 있다.
더 구체적으로 생체 적합성 고분자 용질은 폴리카프로락톤이고, 용매는 클로로포름이며, 방사용액의 전기방사 시 용매인 클로로포름은 대기 중으로 증발되고, 생체 적합성 고분자 용질은 등방성 망목구조를 이루면서 지지층에 고착되어 나노 공극을 형성할 수 있다.
구체적으로 나노 섬유층은 지지층의 외측면 상에 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체는, 마이크로 공극을 가지는 지지층들 사이, 및 지지층들의 외측면 상에 나노 공극을 가지는 나노 섬유층을 형성함으로써, 세포가 고정되는 마이크로 공극의 크기를 조밀하게 할 수 있어 마이크로 공극에 고정된 세포가 유실되는 것을 방지하여 세포의 증식 및 증착률을 높일 수 있게 하는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체는, 쾌속 조형 기술을 이용하여 제작되기 때문에 마이크로 공극들의 연결성을 높일 수 있게 하는 이점이 있다.
게다가, 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체는, 생체 적합성 및 생체 분해성 고분자로 제작되기 때문에 우수한 생체적합성, 및 생체친화성을 가질 수 있다.
도 1은 쾌속 조형 기술로 제작된 종래 인공 지지체를 나타낸 사시도이며,
도 2는 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체를 나타낸 사시도이고,
도 3은 도 2의 선 A-A를 따라 도시된 단면도이며, 그리고
도 4는 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체를 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체를 나타낸 도면으로서, 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체(100)는 층층이 적층되어 제공되는 다수의 지지층(110)과, 지지층(110)들 사이에 제공되는 다수의 나노 섬유층(120)을 포함한다.
다시 말해, 본 발명에 따른 인공 지지체(100)는 하나의 지지층(110)과 하나의 나노 섬유층(120)이 순차적으로 적층되어 형성된다.
먼저, 지지층(110)은 골조직 재생을 위하여 세포가 고정화되는 지지대의 기능을 수행한다.
지지층(110)은 액상으로 제공되는 생체 적합성 및 생체 분해성 고분자를 통상의 쾌속 조형 장치의 시린지(도시되지 않음)에 충진 시킨 후 일정한 간격을 두고 평행한 라인(114; line) 형태로 토출함으로써 형성된다. 이때 어느 하나의 라인(114)과 이웃한 또 다른 라인(114) 사이에는 마이크로 미터(micro meter) 단위의 마이크로 공극(112)이 형성된다. 즉 어느 하나의 라인(114)과 이웃한 또 다른 라인(114)은 대략 100㎛~400㎛의 간격을 두고 이격되게 제공된다. 이렇게 형성되는 마이크로 공극(112)에는 세포가 고정된다.
한편, 어느 하나의 지지층(110)과, 상부 또는 하부로 이웃하게 제공되는 또 다른 지지층(110)은 서로 교차되도록 형성된다. 즉 어느 하나의 지지층(110)을 이루는 라인(114)들이 X축 방향으로 평행하게 연장되었다면, 상부 또는 하부로 이웃한 또 다른 지지층(110)을 이루는 또 다른 라인(114)들은 Y축 방향으로 평행하게 연장된다. 이때 어느 하나의 지지층(110)에 형성된 마이크로 공극(112)은 이웃하는 또 다른 지지층(110)의 또 다른 마이크로 공극(112)과 서로 연결된다.
그리고 도시되지는 않았지만 각각의 지지층(110)을 형성하는 각각의 라인(114; line)들의 가장자리는 이웃하게 형성된 라인(114; line)의 가장자리와 연결되도록 형성되거나, 또는 도시된 바와 같이 서로 단절되게 형성될 수 있다. 여기서 지지층(110)들은 기계적 강도를 유지하기 위해 라인(114; line)의 가장자리를 서로 연결되도록 형성함이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 지지층(110)을 이루는 생체 적합성 및 생체 분해성 고분자로는 폴리카프로락톤(Ploycaprolactone; PCL)이 사용된다.
한편, 나노 섬유층(120)은 지지층(110) 사이에 형성되어 마이크로 공극(112)에 고정된 세포가 유실되는 것을 방지하는 기능을 수행한다.
나노 섬유층(120)은 고상으로 제공되는 생체 적합성 및 생체 분해성 고분자 용질이 액상의 용매에 용해된 방사용액을 통상의 전기방사장치의 시린지에 충진 시킨 후 시린지 노즐에 전압을 인가한 상태 하에서 방사용액을 방사함으로써 형성된다. 이때 지지층(110)으로 방사되어 형성된 나노 섬유층(120)은 도시된 바와 같이 등방성(Isotropic) 망목구조(網目構造)를 가지는데, 나노 섬유층(120)에는 지지층(110)의 마이크로 공극(112)과 연결되는 나노미터(nano meter) 단위의 나노 공극(122)이 형성된다.
나노 섬유층(120)을 형성하는 전술한 방사용액의 생체 적합성 고분자 용질로는 분자량이 70,000~90,000 사이인 폴리카프로락톤(Ploycaprolactone; PCL)이 사용되며, 용매로는 클로로포름(Chloroform)이 사용되며, 용매인 클로로포름에 용질인 폴리카프로락톤을 넣은 후 2~3시간이 지나면 용질인 폴리카프로락톤이 용해되어 방사용액이 제조 되는데, 방사용액의 전기방사 시 용매인 클로로포름(Chloroform)은 대기 중으로 증발되고, 생체 적합성 고분자 용질은 등방성(Isotropic) 망목구조(網目構造)를 이루면서 지지층(110)에 고착되면서 대략 10㎚~1,000㎚의 나노 공극(122)을 형성한다.
여기서 생체 적합성 및 생체 분해성 고분자 용질의 분자량이 70,000 이하이며, 제조되는 방사용액의 점성이 낮아지기 때문에 방사용액의 유량 제어가 어렵게 된다. 그리고 생체 적합성 및 생체 분해성 고분자 용질의 분자량이 90,000을 초과하면, 제조되는 방사용액의 점성이 높아지기 때문에 시린지에서의 배출이 용이하지 않게 된다.
그리고 방사용액을 이루는 용질과 용매는 5~20 : 80~95 비율로 혼합되어 이루어지는데, 이때 용질이 5 미만이고 용매가 80 미만이면, 용액의 점성이 낮아져서 시린지 내에서의 유량제어가 어려워진다. 그리고 용질이 20을 초과하고 용매가 95를 초과하면, 방사용액의 점성이 높아져 시린지의 노즐을 통한 방사용액의 분사가 힘들어진다.
한편 전술한 나노 섬유층(120)은 전술한 바와 같이 지지층(110)들 사이에 형성됨과 아울러 지지층(110)들의 외측면 상에도 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따는 인공 지지체(100)를 5㎜ㅧ 5㎜ㅧ 1.8㎜의 크기로 제작한 사진으로, 도 4의 C는 본 발명에 따는 인공 지지체(100)의 전체적으로 볼 수 있도록 촬영한 사진이고, 도 4의 A는 본 발명에 따는 인공 지지체(100)를 상부에서 촬영한 사진이며, 도 4의 B는 인공 지지체(100)의 일부분을 확대하여 촬영한 사진으로, 서로 연결된 마이크로 공극(112)을 조밀하게 하는 나노 섬유층(120) 및 나노 공극(122)을 확인할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체(100)는 마이크로 공극(112)을 가지는 지지층(110)들 사이, 및 지지층(110)들의 외측면 상에 나노 공극(122)을 가지는 나노 섬유층(120)을 형성함으로써, 세포가 고정되는 마이크로 공극(112)의 크기를 조밀하게 할 수 있어 마이크로 공극(112)에 고정된 세포가 유실되는 것을 방지하여 세포의 증식 및 증착률을 높일 수 있게 한다.
또한 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체(100)는, 쾌속 조형 기술을 이용하여 제작되기 때문에 마이크로 공극(112)들의 연결성을 높일 수 있게 한다.
게다가, 본 발명에 따른 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체(100)는, 생체 적합성 고분자로 제작되기 때문에 우수한 생체적합성, 및 생체친화성을 가진다.
상기와 같은 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
100 : 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체
110 : 지지층 112 : 마이크로 공극
120 : 나노 섬유층 122 : 나노 공극

Claims (6)

  1. 마이크로 공극을 형성하며, 층층이 적층되는 다수의 지지층; 및
    나노 공극을 형성하며 상기 지지층들 사이에 형성되는 다수의 나노 섬유층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지층은,
    상기 마이크로 공극이 형성되도록 액상으로 제공되는 생체 적합성 및 생체 분해성 고분자를 마이크로 미터 단위로 이격시키면서 평행한 라인 형태로 토출시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    어느 하나의 상기 지지층을 형성하는 상기 라인과 상부 또는 하부로 이웃하는 또 다른 상기 지지층을 형성하는 상기 라인은 서로 교차되도록 형성되며,
    어느 하나의 상기 지지층의 마이크로 공극과 이웃하는 또 다른 상기 지지층의 상기 마이크로 공극은 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 섬유층은,
    생체 적합성 고분자 용질이 용매에 용해된 방사용액을 상기 지지층에 전기방사하여 형성되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사용액의 상기 생체 적합성 고분자 용질은 폴리카프로락톤이고, 상기 용매는 클로로포름이며,
    상기 방사용액의 전기방사 시 상기 용매인 클로로포름은 대기 중으로 증발되고, 상기 생체 적합성 고분자 용질은 등방성 망목구조를 이루면서 상기 지지층에 고착되어 상기 나노 공극을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 섬유층은 상기 지지층의 외측면 상에 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 하이브리드 인공 지지체.
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