KR20150121570A - 조직 재생용 3차원 구조체의 제조 방법, 제조 장치 및 이에 따른 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콜라겐과 같은 수용성 재료를 비롯한 다양한 재료를 이용하여 조직 재생용 3차원 구조체를 제조하는 방법, 제조 장치 및 이에 따른 구조체에 대한 것으로, 더욱 구체적으로는 조직 재생을 위한 세포배양 구조체를 제조함에 있어서 3차원 형상의 조직 재생용 구조체를 상온 또는 실온에서 효과적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

조직 재생용 3차원 구조체의 제조 방법, 제조 장치 및 이에 따른 구조체{Preparing method of scaffold for tissue engineering, Preparing apparatus therefor, and scaffold uisng the same}

본 발명은 콜라겐 등의 수용성 재료를 비롯한 다양한 재료를 이용하여 조직 재생용 3차원 구조체를 제조하는 방법, 제조 장치 및 이에 따른 구조체에 대한 것으로, 더욱 구체적으로는 조직 재생을 위한 세포배양 구조체를 제조함에 있어서 3차원 형상의 조직 재생용 구조체를 영상의 온도(상온 또는 실온)에서 효과적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

인체 내 기관이나 조직이 손상될 경우에 세포, 약물 지지체 등을 제공하여 효과적으로 조직을 재생하고 있는데, 조직 재생용 구조체는 첫째, 임플란트 부위에서 물리적으로 안정해야 하고, 둘째, 재생 효능을 조절할 수 있는 생리 활성을 나타내어야 하며, 셋째, 새로운 조직을 형성한 후에는 생체 내에서 분해되어야 하고 넷째, 분해산물이 독성을 갖지 않아야 한다.

이와 같은 조직 재생용 구조체는 종래 일정한 강도와 형태를 갖는 고분자를 이용한 스폰지 타입, 매트릭스 형태의 나노 섬유 또는 젤 타입의 세포 배양 지지체로 제조되며, 이러한 조직 재생용 구조체(scaffold)는 특정 깊이 또는 높이를 갖는 3차원 형상의 조직을 만들기 위해 중요한 역할을 한다.

이러한 조직 재생의 뼈대로서 기능하는 구조체(scaffold)를 이식하고 자기치유능력(self-healing power)을 이용하여 생체 내에서 조직을 재생하는 기술은 재생의료 또는 조직 공학이라고 불린다.

조직 공학의 일례로 관절 연골을 재생하는 방법을 들 수 있으며, 상기 관절 연골 재생 방법은 연골 세포를 구조체로 하는 인공 보철물을 형성한 후 이 인공 보철물을 손상 부위에 이식함으로써, 손상 관절 부위에서 연골 세포가 재생되도록 하는 것이다. 상기 인공 보철물은 연골 세포 등을 시드(Seed)로 이용하여 3차원 형상으로 형성한 지지체로 이루어진다.

조직공학의 목표는 세포생물학과 재료공학기술을 조합하여 손상 조직을 치료하고 재생하는 것이다. 조직공학의 당면 문제중 하나는 세포 이동과 침윤을 지지할 수 있는 재생 가능한 3차원 구조체를 개발하는 것이다.

조직 공학에서 사용되는 조직 재생용 구조체는 고분자를 주성분으로 하며 체내 조직 중 세포외 기질(extracellular matrix)의 많은 역할을 모방한다. 즉 고분자 구조체는 부착, 증식, 분화 등과 같은 세포의 기능, 재생될 생체 조직의 구조 및 수용성 인자와 영양분 그리고 대사산물들의 확산 조절 등을 가능하게 한다. 수용성 콜라겐이나 알지네이트와 같은 천연 생체재료들은 이러한 목적에 이상적인 것으로 생각되나, 친수성으로 인하여 디자인된 3차원 구조체(scaffold) 제작이 매우 어려웠다. 콜라겐은 생체 친화성 및 조직 적합성이 우수하고, 항원성이 낮고 숙주 세포의 분화·증식을 촉진시키는 작용을 가지며, 지혈 작용을 가지며, 생체 내에서 완전히 분해 흡수되므로 의료용 재료의 소재로서 특히 우수한 특성을 가지고 있다. 그러나, 콜라겐으로 제조한 재생공학용 구조체 등은 상온에서 원하는 형태를 유지하기가 쉽지 않아서, 3차원 구조체를 제조하는데 많은 어려움이 있었다.

조직공학의 주요 목적은 조직과 기관을 재생하는 것이다. 이 목표는 그 위에 세포가 부착하고 증식할 수 있는 다공성 폴리머 또는 구조체를 제공함으로써 달성된다. 구조체 디자인은 조직 공학에서 중요한 과정이고, 다양한 기계적 기술들이 생체의학적 구조체를 제조하기 위하여 이용되고 있다. 구조체 상에 새로운 조직을 형성하는 것은 구조체의 다공성, 크기 및 3차원적 다공간 연결구조에 따라 크게 영향을 받기 때문에 이들은 매우 중요한 요소이다. 적절한 다공 구조는 충분한 수의 세포를 운반하기 위해서 필요하며, 상호 연결된 다공 구조는 영양성분 확산을 위해서 필요하다.

3차원 구조체를 형성하는데 사용되는 재료들로는 천연 폴리머, 합성 폴리머 또는 세라믹, 그리고 생분해성 폴리머 등이 있다. 보통 천연 재료들은 생체가 인식할 수 있는 고분자와 매우 유사하고 생체 내에서 대사가 가능하다. 반면 합성 폴리머는 독성을 띠기도 하고 세포에 의해 인식되지 못하는 경우도 있다. 천연 재료인 콜라겐은 조직재생 구조체 재료로서 이상적인 것으로 알려져 왔다. 그 이유는 일단 콜라겐이 풍부하고 흔하며, 생체적합성이 있기 때문이다.

일반적으로 좋은 구조체 재료는 다음의 특징을 나타내어 원하는 생물학적 반응을 일으킨다: (1) 높은 다공간 상호연결성을 갖는 다공성 구조로서 영양분과 대사 폐기물의 원활한 흐름을 가능하게 할 것; (2) 생분해성을 나타내되 분해 속도는 조절 가능할 것; (3) 세포 접착에 적합한 표면 화학 특성과 세포 성장에 충분한 표면적을 가질 것; (4) 기계적으로 우수한 특성을 가질 것; 그리고 (5) 다양한 형태와 크기로 조작이 용이할 것. 그러나 동결건조 또는 임계점 건조를 이용하는 일반적인 3차원 콜라겐 구조체 제작 방법은 정확히 조절된 3차원 다공 구조를 제공하지 못하며, 3차원 구조의 재생 가능성은 매우 낮다. 종래 방법으로 제조된 콜라겐 구조체는 구조체 깊숙한 곳까지 한정된 산소 및 영양만을 공급할 수 있고, 결과적으로 500㎛ 이상 두께의 조직 성장을 지원할 수 없다. 이와 같은 문제는 골수 기질간 세포의 스폰지상 콜라겐 구조체로의 이동을 단면 분석한 것을 보면 분명해진다.

이러한 제조 문제를 극복하기 위하여 미리 디자인된 형틀과 저온 배출이 조합된 간접 프린팅과 같은 시도들이 있어왔다. 그러나, 미리 디자인된 형틀은 고가이고, 제조된 콜라겐 채널은 다공간 상호연결 정도가 낮았다. 더구나 저온 직접 프린팅 방법에 의한 다공성으로 디자인된 3차원 콜라겐 구조체의 제조에 있어서 정확한 다공 크기 및 연결을 조절하기는 용이하지 않다.

콜라겐 구조체 제조에서 가장 큰 장애는 콜라겐 자체의 극친수성 성질로 인한 것이다. 디자인된 콜라겐 3차원 구조체를 정확히 제조하려면 직접 플로팅/프린팅 방법이 필요하지만, 수용성 콜라겐의 친수성과 낮은 점도로 인하여 상온에서 원하는 구조의 콜라겐 가닥을 압출하는 것은 불가능하다. 나아가, 콜라겐 가닥의 구조를 조절할 수 있다고 하더라도 여러 개의 콜라겐 가닥으로 형성된 정확한 3차원 구조는 상온에서 존재할 수 없다. 왜냐하면 압출된 가닥들은 높은 친수성으로 인하여 서로 접촉하면 쉽게 액화되어 버리기 때문이다.

이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제2001-52714호는 a. 추출 콜라겐의 염산 용액을 원하는 두께로 캐스팅하여 콜라겐 용액층을 형성시키는 단계; b. 상기 콜라겐 용액층을 일단 동결하고 원하는 시간 동안 그 상태를 유지시키고 계속해서 동결 건조하는 단계; c. 상기 동결 건조된 것에 소정 시간 동안 열탈수 가교를 실시하는 단계; d. 상기 열탈수 가교가 실시된 매트릭스 중에 상기 추출 콜라겐의 염산 용액을 도입하는 단계; e. 상기 추출 콜라겐의 용액이 도입된 것을 일단 동결하고 원하는 시간 동안 그 상태를 유지시키고 계속해서 동결 건조하는 단계; g. 상기 동결 건조된 것을 압축하는 단계; 및 i. 상기 압축된 것에 소정의 시간 동안 열탈수 가교를 실시하는 단계로 구성되는 콜라겐재 및 그 제조방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법은 원하는 3차원 구조의 지지체를 형성하는 것이 아니라, 콜라겐 염산용액을 단지 동결건조시켜 제조하므로 생성물의 구조가 일정하지 않으며, 동결건조, 열탈수 가교, 압축 등 복잡한 과정을 통해 제조되기 때문에 제조시간과 비용이 많이 소요된다. 뿐만 아니라, 상기 방법에 의하면 스폰지 형상의 콜라겐이 형성되는데, 이 구조에는 공극은 형성되지만 공극끼리의 연결성이 부족하고 공극의 크기를 조절하기가 거의 불가능하다.

그리고, 대한민국 등록특허 제676285호는 콜라겐 용액에 공기를 주입시켜 일정한 공극을 형성하게 한 후 동결건조시켜 제조한 콜라겐 매트릭스에 관하여 개시하고 있다. 그러나, 상기 구조는 서로 다른 고분자 재료를 혼합하여 구조체를 형성하기에는 적합하지 않다. 또한, 구조체 내에 콜라겐 섬유가 들어 있지 않으므로 용도 등에 따라 공극 구조를 달리 조절하기가 용이하지 않으며, 콜라겐 섬유로 이루어진 구조체에 비하여 세포가 잘 달라붙지 않는다.

또한, 본 발명자는 대한민국 등록특허 제1101956호(발명의 명칭 : 조직 재생용 구조체 및 그 제조방법)를 통하여, 구조체를 형성하는 재료가 올려지는 스테이지의 표면 온도를 -50~0℃로 유지하고 그 위에 상기 재료를 노즐로 분출하여 3차원 구조체를 제조하는 공정; 및 상기 제조된 3차원 구조체를 동결건조하는 공정;을 포함하는 조직 재생용 3차원 구조체의 제조방법을 출원한 바 있다(도 1 참조). 그러나, 이러한 방법은 기본적으로 영하의 극저온 상태를 만들어야 하기 때문에, 처리 조건과 제조 장치가 복잡하다는 문제점이 있다. 또한, 극저온 상태에서 3차원 구조체를 제조한 후에는 친수성 재료가 용해되는 것을 방지하기 위하여 필수적으로 -76℃에서 동결건조 과정을 3일 이상 거쳐야 하고, 이어서 EDC(1-Ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimide Hydrochloride) 95% 에탄올 용액에 24시간 침지시켜서 재료간의 교차 결합 구조를 형성시켜야 하기 때문에, 3차원 구조체를 제조한 이후에도 실제로는 그로부터 4일 이후에나 사용해야 하는 단점이 있다. 또한, 상기한 방법에 의해 제조된 조직 재생용 구조체는 기본적으로 딱딱한 필름 형태로 이루어져 있어서, 사용자의 목적하는 피부 부위에 원하는 형태로 삽입할 수가 없다. 또한, 상기한 방법에 의해 제조된 조직 재생용 구조체에 세포를 부착시켜서 피부에 삽입하려고 하는 경우에도, 완전히 제조가 끝난 필름 형태의 구조체에 세포를 올려 놓은 후, 상기 세포가 구조체 내부로 완전히 침투되도록 수~수십 시간 동안 기다린 다음, 사용자에게 삽입해야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 조직 재생을 위한 구조체를 제조함에 있어서, 3차원 형상의 조직 재생용 구조체를 영상의 온도(상온 또는 실온)에서 효과적으로 제조하는 것이 목적이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 조직 재생용 3차원 구조체의 제조 방법은, pH 6~8 범위 내의 구조체 형성 재료를 준비하는 단계; 및 상기 준비한 재료를 36~45℃ 범위 내의 스테이지 위에 노즐로 분출하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;를 포함한다.

여기서, 상기 재료는 pH 6.5~7.5 범위 내의 수소이온지수를 갖는 것이 가능하다.

그리고, 상기 스테이지의 표면 온도를 37~41℃로 유지하는 것이 바람직하고, 그 중에서도 상기 스테이지의 표면 온도를 38~40℃로 유지하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 구조체 형성 재료를 준비하는 단계는, 상기 구조체 형성 재료에 세포를 혼합시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법은, 상기 제조한 3차원 구조체에 피브린을 코팅시키는 단계;를 더 포함하는 것이 가능하다.

한편, 본 발명의 다른 실시형태는 상기한 방법으로 제조되어, 젤 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 조직 재생용 3차원 구조체일 수 있다.

여기서, 상기 구조체를 형성하는 재료의 가닥은 300~400㎛ 범위 내의 직경을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시형태는 내부에 조직 재생용 구조체 재료를 내장하는 카트리지와, 상기 카트리지를 상하 및 좌우 방향으로 이송시키는 이송로봇과, 상기 카트리지에 내장된 구조체 재료가 노즐을 통해 배출되도록 카트리지 내부를 가압하는 압축부재와, 상기 구조체 재료를 배출시키는 노즐 및 노즐을 통해 배출되는 상기 구조체 재료가 그 위에 놓여 구조체를 형성하는 스테이지를 포함하는 조직 재생용 구조체 제조장치에 있어서, 상기 재료는 pH 6~8 범위 내의 수소이온지수를 가지고, 상기 스테이지의 표면 온도는 36~45℃로 조절 가능한 것을 특징으로 하는 조직 재생용 3차원 구조체 제조장치인 것이 가능하다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

이러한 본 발명은 조직 재생을 위한 구조체를 제조함에 있어서, 3차원 형상의 조직 재생용 구조체를 영상의 온도(상온 또는 실온)에서 효과적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 종래와 같은 동결건조 과정과 화학물질에 의한 가교 침지 과정을 거칠 필요가 없어서, 구조체 제조 후 바로 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 영상의 온도에서 제조하기 때문에, 부드러운 젤 형태의 구조체를 제조할 수 있고, 이에 따라 사용자의 목적하는 피부 부위에 원하는 형태로 삽입할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 영상의 온도에서 제조하기 때문에, 구조체 재료 안에 미리 세포를 혼합시킨 후 구조체를 제조할 수 있고, 이에 따라 구조체 내부로의 세포 침투율을 높일 수 있으며, 제조 후 바로 사용할 수도 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따라 극저온에서 3차원 콜라겐 구조체를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상의 서로 다른 온도에서 제조된 평면형 구조체를 나타내는 사진이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 영상의 서로 다른 온도에서 제조된 3차원 구조체를 나타내는 사진이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상의 서로 다른 온도에서 제조된 구조체의 일 가닥 평균 직경을 나타내는 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상의 서로 다른 온도에서 제조된 구조체의 일 가닥 직경 분포를 나타내는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 다른 pH를 가진 재료를 이용하여 제조된 평면형 구조체를 나타내는 사진이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 다른 pH를 가진 재료를 이용하여 제조된 3차원 구조체를 나타내는 사진이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명은 콜라겐 등의 수용성 재료를 비롯한 다양한 재료를 이용하여 조직 재생용 3차원 구조체를 제조하는 방법, 제조 장치 및 이에 따른 구조체에 대한 것이다.

본 발명자들은 상기한 바와 같이, 대한민국 등록특허 제1101956호(발명의 명칭 : 조직 재생용 구조체 및 그 제조방법)를 통하여, 극저온에서 3차원 구조체를 제조하는데 성공하였는데, 이렇게 극저온에서 제조된 3차원 구조체를 실제로 사용자의 피부에 적용함에 있어서는, 상기한 바와 같은 많은 단점이 있음을 알게 되었다.

그래서, 본 발명자들은 영하의 극저온이 아닌 영상의 온도에서 3차원 구조체를 만들고자 수년간의 연구와 노력을 계속해 왔다. 본 발명자들은 다양한 제조 프로세스와 조건 등을 수없이 변형하여 실험한 결과, 영상에서 구조체를 제조하기 위해서는 구조체 재료의 pH가 가장 중요하다는 것을 알게되었고, 여기에 더하여 제조 온도가 상기 pH와 매칭되어 적합할 때만 비로소 온전히 3차원 구조체를 제조할 수 있게 됨을 확인한 후에, 본 발명을 완성하였다.

이에 따라, 본 명세서에서는 구조체 재료의 pH 및 제조 온도를 특징적으로 상세하게 설명하고, 그에 따른 본 발명의 특징적인 프로세스 및 조건 등에 대해서도 함께 설명하며, 이외에 본 명세서에 기재되어 있지 않은 내용은 대한민국 등록특허 제1101956호에 기재된 내용을 포함하거나 그에 따라 이해될 수 있을 것이다.

구체적으로, 본 발명에 따른 조직 재생용 3차원 구조체의 제조 방법은, pH 6~8 범위 내의 구조체 형성 재료를 준비하는 단계(S100); 및 상기 준비한 재료를 36~45℃ 범위 내의 스테이지 위에 노즐로 분출하여 3차원 구조체를 제조하는 단계(S200);를 포함하여 이루어진다.

먼저, 상기 구조체 형성 재료를 준비하는 단계(S100)는 pH 6~8 범위 내의 구조체 형성 재료를 준비하는 것이다.

상기 구조체 형성 재료는 본 발명에 따른 조직 재생용 3차원 구조체의 원료가 되는 것으로, 특별히 제한되지 않고 이 기술분야에서 보통의 지식을 가진자(이하, '당업자'라고 함)에게 알려지 모든 것을 포함할 수 있다. 즉, 상기 재료는 수용성 재료 및/또는 유기용매 용해성 재료 등 다양한 재료일 수 있고, 일례로서 상기 수용성 재료는 콜라겐, 알지네이트, 키토산, 히알루론산 및 실크로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상인 것이 가능하다. 또한, 상기 재료는 폴리락산(polylactic acid; PLA), 폴리글리콜산(polyglycolic acid; PGA), 폴리락산과 폴리글리콜산의 공중합체(PLGA), 폴리카프로락톤(polycaprolactone; PCL), 폴리{폴리(에틸렌옥사이드)테레프탈레이트-co-부틸렌테레프탈레이트}(PEOT/PBT), 폴리포스포에스터(polyphosphoester; PPE), 폴리포스파젠(PPA), 폴리안하이드라이드(Polyanhydride; PA), 폴리오르쏘에스터{poly(ortho ester; POE}, 폴리(프로필렌푸마레이트)-디아크릴레이트{poly(propylene fumarate)-diacrylate; PPF-DA} 및 폴리에틸렌글라이콜디아크릴레이트{poly(ethylene glycol) diacrylate; PEG-DA}를 비롯한 조직공학에 사용되는 유기용매 용해성 재료 중 1종 이상일 수 있다. 상기 유기용매 용해성 재료들은 콜라겐 등 수용성 재료와 같이 구조체 제조 중 가닥이 서로 닿을 때 용해되어 구조가 뭉개지는 현상은 없으나 본 발명에 따른 방법을 이용하면 디자인된 3차원 구조체 제조가 용이하고 다공성이나 공극간 상호연결 정도 등을 조절하기가 용이해진다. 아래에서는, 콜라겐을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 여기에 제한되지 않는다.

특별히, 본 발명에서 상기 구조체 형성 재료는 pH 6~8 범위 내의 수소이온화지수를 갖는 것이 특징이다. 종래의 일반적인 구조체 형성 재료들은 대부분 pH 3 내외의 강산성을 가지고 있다. 일례로서, 수용성 재료인 콜라겐은 pH 3 정도에서 잘 녹기 때문에 시중에서 판매되는 콜라겐 용액은 모두 강산성을 띠고 있고, 일반적인 콜라겐 분말 역시 콜라겐 용액을 분말화한 것일 뿐이다. 이러한 상황에서, 본 발명자들은 콜라겐의 pH를 다양하게 조절하여 실험한 결과 pH 6~8 범위 내의 콜라겐을 이용할 때만 3차원 조직 구조체를 온전히 제조할 수 있음을 확인하였다(도 6 내지 도 7 참조). 그 중에서도 재료의 pH 가 대략 7이거나 7 내외 또는 pH 6.5~7.5 범위일때 가장 효과적임을 확인하였다.

상기 구조체 형성 재료의 pH를 조절하는 것은 특별히 제한되지 않고, 이 기술분야의 당업자에게 알려진 모든 방법을 이용할 수 있다. 일례로, 5x DMEM(Dulbeco"s Modified Eagle"s Medium) 배지를 이용하여 콜라겐의 산성도를 pH 3 내지 pH 7 등으로 다양하게 조절하여 중성 콜라겐으로 준비할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 배지를 이용하여 구조체 형성 재료의 pH를 6~8 범위 내로 조절하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 또한, DMEM 배지로서 5x, 10x, 20x 등을 이용하여, 콜라겐의 농도를 조절하는 것도 가능하다.

다음으로, 본 발명에 따른 제조방법은, 상기 준비한 재료를 36~45℃ 범위 내의 스테이지 위에 노즐로 분출하여 3차원 구조체를 제조하는 단계(S200);를 거친다.

상기 준비한 재료를 스테이지 위에 노즐로 분출하여 3차원 구조체를 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 이 기술분야의 당업자에게 알려진 모든 방법을 포함하며, 일례로 대한민국 등록특허 제1101956호에 기재된 방법 및/또는 장치를 이용할 수 있다. 즉, 내부에 구조체 재료를 내장하는 카트리지와, 카트리지를 상하 및 좌우 방향으로 이송시키는 이송로봇과, 카트리지에 내장된 구조체 재료가 노즐을 통해 배출되도록 카트리지 내부를 가압하는 압축부재와, 노즐을 포함하는 바이오플로터를 이용할 수 있다. 상기 이송로봇에 의해 상하 및 좌우 방향으로 노즐이 이동하면서 구조체 재료를 스테이지 상에 배출하면, 스테이지 상에 패브릭 구조의 다공성 형상으로 구조체를 형성할 수 있다.

특별히, 본 발명에서는 상기 스테이지의 표면 온도가 36~45℃ 범위 내인 것을 특징으로 한다. 종래에는 상기 스테이지의 표면 온도를 -50~0℃의 극저온으로 해야만 구조체를 형성할 수 있었으며, 그보다 높은 온도에서는 3차원 입체 구조가 잘 형성되지 않고 뭉개지는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명자들은 수년간의 연구와 노력 끝에 pH 6~8 범위 내의 재료를 이용하는 경우에는 영상의 온도에서도 온전한 3차원 입체 구조체를 효과적으로 제조할 수 있음을 알게되었다(도 2 내지 도 3 참조). 이에 따라, 본 발명에서 상기 스테이지의 표면 온도는 36~45℃ 범위 내인 것이 가능하고, 그 중에서도 37~41℃ 범위 내인 것이 더욱 바람직하며, 38~40℃ 범위 내인 것이 가장 바람직하다.

이러한 본 발명은 조직 재생을 위한 구조체를 제조함에 있어서, 3차원 형상의 조직 재생용 구조체를 영상의 온도(상온 또는 실온)에서 효과적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

이와 함께, 본 발명에 따른 제조 방법은, 상기 제조한 3차원 구조체에 피브린을 코팅시키는 단계(S300);를 더 포함하는 것이 가능하다.

상기한 바와 같은 본 발명은 영상의 온도에서 3차원 구조체를 제조하는 것을 특징으로 하는바, 종래와 같은 동결건조 과정과 화학물질에 의한 가교 침지 과정을 거칠 필요가 없고, 구조체 제조 후 바로 사용할 수 있는 것이다.

다만, 상기 제조한 3차원 구조체에 피브린을 코팅시키면, 젤 형태의 구조체 형상을 더욱 안정성 있게 고정시킬 수 있어서 더욱 효과적이다. 상기 피브린은 스프레이 등에 의한 분사 방법으로 코팅 가능하다.

상기 피브린 이외에 3차원 구조체를 코팅하거나 고정화할 수 있는 다른 재료를 사용하는 것 역시, 본 발명의 범주에 포함된다는 것은 이 기술분야의 당업자에게 명백하다.

또한, 본 발명에 따른 제조 방법에서, 상기 구조체 형성 재료를 준비하는 단계(S100)는, 상기 구조체 형성 재료에 세포를 혼합시키는 단계(S110)를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명은 영상의 온도에서 3차원 구조체를 제조하는 것을 특징으로 하는바, 종래와 같이 동결건조 과정에 의해 세포가 사멸되지 않도록 할 수 있다. 그래서, 구조체 재료 안에 미리 세포를 혼합시킨 후 구조체를 제조할 수 있고, 이에 따라 구조체 내부로의 세포 침투율을 높일 수 있으며, 제조 후 바로 사용할 수도 있는 효과가 있다. 상기 구조체 형성 재료에 세포를 혼합시키는 방법은 특별히 제한되지 않고, 이 기술분야의 당업자에게 알려진 모든 방법을 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시형태는 상기한 방법으로 제조되어, 젤 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 조직 재생용 3차원 구조체일 수 있다.

즉, 본 발명은 영상의 온도에서 구조체를 제조하기 때문에, 이렇게 제조된 구조체는 부드러운 젤 형태를 가질 수 있고, 이에 따라 사용자의 목적하는 피부 부위에 원하는 형태로 삽입하는 것이 가능하다.

여기서, 상기 구조체를 형성하는 재료의 가닥은 300~400㎛ 범위 내의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 이는 상기 재료를 분출시키는 노즐의 직경과 유사한 것이 특징이고, 재료가 노즐에서 분출된 이후에 퍼지거나 뭉개지지 않는 효과를 가진다. 상기 노즐의 직경을 다르게 하는 경우에는, 본 발명에 따른 구조체 재료의 가닥 굵기를 다양하게 변경할 수도 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시형태는 내부에 조직 재생용 구조체 재료를 내장하는 카트리지와, 상기 카트리지를 상하 및 좌우 방향으로 이송시키는 이송로봇과, 상기 카트리지에 내장된 구조체 재료가 노즐을 통해 배출되도록 카트리지 내부를 가압하는 압축부재와, 상기 구조체 재료를 배출시키는 노즐 및 노즐을 통해 배출되는 상기 구조체 재료가 그 위에 놓여 구조체를 형성하는 스테이지를 포함하는 조직 재생용 구조체 제조장치에 있어서, 상기 재료는 pH 6~8 범위 내의 수소이온지수를 가지고, 상기 스테이지의 표면 온도는 36~45℃로 조절 가능한 것을 특징으로 하는 조직 재생용 3차원 구조체 제조 장치이다.

이러한 장치는 pH 6~8 범위 내의 조직 재생용 구조체 재료를 이용하여, 36~45℃의 온도에서 젤 형태의 온전한 3차원 구조체를 제조할 수 있는 효과가 있다.

상기 스테이지는 플로터의 일 구성요소가 되도록 구성할 수 있으나, 스테이지를 제외한 구성요소들을 플로터(구조체 제조장치)로 형성하고, 스테이지는 별도로 분리하여 제조 및 사용하는 것도 가능하다.

상기 스테이지에는 온도 감지센서 및 온도 조절부재가 부착되어 있어서 원하는 온도로 고정시키거나, 또는 온도 범위를 정할 수 있고, 정해진 온도 또는 온도 범위를 벗어나는 경우에는 피드백 작용으로 온도를 적정하게 낮추거나 높일 수 있다. 온도 조절에 관한 상세한 사항은 기계 제어 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 극히 용이하게 실시하거나 재현할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1: 온도별 구조체 제조

구조체 형성 재료로서 콜라겐은 bioland 에서 4% collagen을 구입하였다. 그런 다음, 5x DMEM (Dulbeco"s Modified Eagle"s Medium) 배지를 이용하여 콜라겐의 산성도를 pH 3 에서 pH 7까지 올려서 중성 콜라겐을 준비하였다.

이후, 바이오플로터의 스테이지 표면 온도를 각각 다르게 변경하면서, 상기 준비한 중성 콜라겐을 300㎛ 직경의 플로팅 팁을 이용하여 조절된 공기압(151±5kPa) 하에 초당 7mm로 움직이면서 한층 한층 구조체를 형성하였다.

각 층의 형성은 약 3분 이상 반응시켜서 충분히 겔화가 이루어지도록 하였다.

그 결과는 도 2 내지 도 5에 나타난 바와 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상의 서로 다른 온도에서 제조된 평면형 구조체를 나타내는 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 영상의 서로 다른 온도에서 제조된 3차원 구조체를 나타내는 사진이다. 여기에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 구조체는 겔화가 되어서 도토리 묵과 같은 젤리 형태를 유지하였다. 그 중에서도, 평면형 구조체와 3차원 구조체는 36~45℃ 범위에서 온전하게 형성되었고, 37~41℃ 범위에서 더욱 안정적으로 형성되었으며, 약 39℃에서 가장 우수한 형태를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상의 서로 다른 온도에서 제조된 구조체의 일 가닥 평균 직경을 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상의 서로 다른 온도에서 제조된 구조체의 일 가닥 직경 분포를 나타내는 그래프이다. 여기에 나타난 바와 같이, 온도 조건에 따라서 구조체 가닥의 평균 크기가 서로 다름을 알 수 있고, 37~41℃ 범위에서 노즐의 크기와 유사하게 가장 작게 최적화된 크기로 제조되었음을 확인할 수 있었다(도 4 참조). 또한, 제조 온도별로 구조체 가닥의 분포 역시 서로 다름을 알 수 있고, 대체로 온도가 낮은 경우 가닥 크기 분포가 널게 퍼져 있었으며, 37~41℃ 범위에서 가닥의 크기 분포가 좁게 밀집되는 것을 확인할 수 있었다(도 5 참조).

실시예 2: pH별 구조체 제조

상기 실시예 1에서 스테이지 표면 온도는 39℃로 고정하고, 콜라겐의 pH는 3, 5, 6, 7로 서로 다르게 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 구조체를 제조하였다.

그 결과는 도 6 및 도 7에 나타난 바와 같다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 다른 pH를 가진 재료를 이용하여 제조된 평면형 구조체를 나타내는 사진이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 다른 pH를 가진 재료를 이용하여 제조된 3차원 구조체를 나타내는 사진이다. 즉, 콜라겐의 pH를 조절하고 동일한 도 온도에서 제작한 결과, 상기 콜라겐의 pH가 중성에 가까워 질수록 더욱 안정적인 형태를 가진 구조체를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

Claims (4)

1. pH 6~8 범위 내의 구조체 형성 재료를 준비하는 단계; 및
   상기 준비한 재료를 36~45℃ 범위 내의 스테이지 위에 노즐로 분출하여 3차원 구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 조직 재생용 3차원 구조체의 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 재료는 pH 6.5~7.5 범위 내의 수소이온지수를 갖고,
   상기 스테이지의 표면 온도를 38~40℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 조직 재생용 3차원 구조체의 제조 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 구조체 형성 재료를 준비하는 단계는,
   상기 구조체 형성 재료에 세포를 혼합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 재생용 3차원 구조체의 제조 방법.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되어, 젤 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 조직 재생용 3차원 구조체.
   

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