KR20180062657A - Cellulosenanofiber carrier using bioprinting technology and method for specific drug release using the same - Google Patents

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노상철
황동수
정성준
윤세정
유진욱
이주호
배준환
김지현
홍유리
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Abstract

The present invention relates to a method for immobilizing target materials, preferably probiotics, proteins, and drugs, in a nanocellulose carrier by using bioprinting technology, and to a method for selectively releasing a target material in vivo using the carrier manufactured by the method. According to the present invention, a nanocellulose as a carrier can be used for food by having excellent biocompatibility as an organic synthetic fiber, and can be easily transferred by having excellent acid resistance, bile resistance, and mechanical properties. As a strategy for making a three-dimensional structure elaborately, it is easy to control sustained-release release because the target material (for example, probiotics, proteins, drugs, and the like) is immobilized (supported or encapsulated, bonded, and the like) to the nanocellulose carrier by using the 3D bioprinting technique. Thus, it is possible to easily control sustained release. In addition, it is possible to protect a target material from gastric acid and bile acid according to the selection of a cross-linked material. Also, it is possible to rapidly and selectively release a target material by an enzyme in the intestinal organs (the small intestine or the large intestine). A delivery system may be usefully applied to transfer health functional food firstly, and proteins, drugs, microorganisms, and the like secondly.

Description

바이오프린팅 기술을 이용한 셀룰로오스 나노섬유 전달체 및 이를 이용한 선택적 방출 방법 {Cellulosenanofiber carrier using bioprinting technology and method for specific drug release using the same}[0001] The present invention relates to a cellulosic nano fiber delivery system using bioprinting technology and a selective release method using the same.

본 발명은 바이오프린팅 기술을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유 전달체에 목적 물질, 바람직하게는 프로바이오틱스, 단백질, 약물 등을 고정화하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 전달체를 이용한 생체 내 목적 물질의 선택적인 방출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for immobilizing a target substance, preferably a probiotic, a protein, a drug, etc., on a cellulose nano fiber transporter using a bioprinting technique and a method for selectively releasing a target substance in vivo using a carrier prepared by the method .

프로바이오틱스는 적당량 섭취 시에 건강에 도움을 주는 미생물로, 잘 알려진 Lactobacillus나 Bifidobacterium과 같은 유산균을 포함하는 유용 미생물을 통칭한다. 프로바이오틱스는 건강한 개인에게 유익한 효과를 주는 것 외에도 유당불내증, 과민성 대장 증후군, 항생제로 인한 설사, 비만, 당뇨 등의 다양한 증상 및 질환에도 효과를 보인다. 프로바이오틱스의 알려진 메커니즘으로는 1) 유해균에 대해 영양분과 Binding site를 경쟁적으로 작용하여 유해균의 증식 억제, 2) 뮤신 분비 및 Epitherial cell 증식을 촉진하여 장내 Barrier의 강화, 3) 체내 면역체계를 안정화 등이 있다.Probiotics are health-promoting microorganisms at the proper dose, collectively referred to as useful microorganisms, including lactobacilli, such as the well-known Lactobacillus or Bifidobacterium. In addition to beneficial effects for healthy individuals, probiotics are also effective for a variety of symptoms and diseases such as lactose intolerance, irritable bowel syndrome, diarrhea caused by antibiotics, obesity, and diabetes. Known mechanisms of probiotics include 1) inhibiting the growth of harmful bacteria by acting nutrients and binding sites competitively against harmful bacteria, 2) strengthening the intestinal barrier by promoting mucin secretion and epitherial cell proliferation, and 3) stabilizing the immune system in the body have.

프로바이오틱스에 의한 유익한 효과는, 생균이 장(소장 또는 대장)까지 도달해야 유발되는 것으로 받아들여지고 있다. 그러나 위산 및 담즙산에 의해 실제 장에 도달하는 생균수는 백만 분의 일 이하로 알려져 있다. 이를 해결하기 위해 10배 이상 과량으로 프로바이오틱스를 섭취하는 방법이 사용되지만, 고가의 프로바이오틱스 원료를 사용할 뿐 아니라 근본적인 해결책이 되지 못한다는 점에서 한계가 있었다. 때문에 내산성을 강화하는 봉입기술이 고려되지만, 이는 프로바이오틱스가 체외로 배출되어 실제 장에서 retention되는 생균수는 적다. 그렇기 때문에, 이상적인 프로바이오틱스 전달체는 생균을 보호하기 위한 내산성, 내담즙성 뿐 아니라, 선택적으로 방출(release)할 수 있는 특성이 있어야한다. 프로바이오틱스는 pH, 온도, 효소, 삼투압, 산소노출, 용매 등에 의해 비활성화 될 수 있기 때문에 전통적인 제조과정으로 위의 특성을 포함하는 전달체를 제작하기에는 어려움이 있다. 또한 사용되는 재료가 생체적합(biocompatible) 할 뿐 아니라, 프로바이오틱스에 부정적인 영향을 주지 않아야하기 때문에 재료 선택의 한계가 있다. 이에 알지네이트, 카라기난, 아가, 잔단과 같은 천연유래의 다당류(natural polysaccharide) 또는 젤라틴이나 유청분말이 연구되었으나, 요구되는 특성을 충족시키지 못하였다. 특히 체외배출되지 않고 장내에서 프로바이오틱스가 retention되는 특성은 내산성 및 내담즙성을 위한 고정화 기술과 배치되는 면이 있기 때문에 개발에 어려움이 있다. The beneficial effect of probiotics is assumed to be caused by live bacteria reaching the intestine (small intestine or colon). However, the number of live bacteria reaching the actual intestine by gastric acid and bile acid is less than one millionth. To overcome this problem, a method of consuming probiotics in excess of 10 times was used, but there was a limitation in that it was not a fundamental solution as well as using expensive probiotic raw materials. Therefore, an encapsulation technique that enhances acid resistance is considered, but the number of viable bacteria that retention of the probiotics in the actual field is small. Therefore, the ideal probiotic delivery vehicle must have the properties of acid-fast, bile-resistant, and selectively releasable to protect the live bacteria. Because probiotics can be inactivated by pH, temperature, enzymes, osmotic pressure, exposure to oxygen, solvents, etc., it is difficult to produce transporters containing these properties in the traditional manufacturing process. There is also a limit to material selection because the material used must be biocompatible and should not adversely affect the probiotics. Natural polysaccharides such as alginate, carrageenan, agar, and ganoderma, or gelatin or whey powder have been studied but failed to meet the required properties. Especially, the characteristic of retention of probiotics in the intestine without being discharged from the body is difficult to develop due to the arrangement of immobilization technology for acid resistance and bile resistance.

이에 본 발명자들은 새로운 전달체를 개발하고자 노력한 결과, 바이오프린팅 기술을 이용하여 프로바이오틱스 뿐만 아니라 목적 물질을 고정화 한 셀룰로오스 나노섬유 전달체를 제조하였다. 본 발명에 따른 셀룰로오스 나노섬유 전달체는 자연계에 가장 많이 존재하며 생체적합성, 특히 식용으로도 문제가 없는 유기화합물 섬유소를 기반으로 하여 제조된 소재로써, 목적 물질, 특히 프로바이오틱스의 활성에 영향을 미치지 않아 제조과정에서의 소실이 없으며, 기개발된 수백 마이크로~밀리미터 사이즈의 프로바이오틱스 봉입기술에 비해 표면적이 매우 넓어 대량의 프로바이오틱스의 고정화가 가능하며, 또한 장내 조건에서 효소 등에 의한 반응성을 향상시켜 장관에서 전달체가 머무르기(retention) 용이할 것으로 기대된다. 또한, 목적 물질, 특히, 프로바이오틱스의 고정화를 위해 도입된 잉크젯 바이오 3D 프린팅 기술은 잉크를 수-수십 피코리터의 매우 작은 액적으로 토출 할 수 있는 기술로써, 토출 속도가 수-수백 kH 정도로 매우 빨라 대량생산에도 용이하며, 원하는 위치에 원하는 양만큼만 인쇄가 가능한 Drop-On-Demand (DOD) 방식을 사용하기 때문에 물질의 소모가 덜하다. 또한 매우 작은 액적을 토출하기 때문에 높은 해상도를 가진다. 본 발명자들은 매우 작은 액적을 균일하게 토출할 수 있다는 장점을 이용하여 약물, 단백질, 박테리아, 세포 등의 다양한 목적 물질의 고정화에 사용할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다. As a result, the present inventors have made efforts to develop a novel carrier, and as a result, a cellulose nanofiber carrier having immobilized a target substance as well as probiotics was prepared using a bioprinting technique. The cellulose nano fiber transporter according to the present invention is a material produced based on organic compound fiber which is most abundant in nature and has no biocompatibility, especially for edible use. It does not affect the activity of a target substance, especially probiotics, It is possible to immobilize a large amount of probiotics as compared to the previously developed probiotics encapsulation technique of a size of several hundreds of millimeters to a millimeter size and to enable the immobilization of a large amount of probiotics. (retention) is expected to be easy. In addition, the inkjet bio-3D printing technology, which is introduced for immobilizing a target substance, in particular, probiotics, is a technique capable of ejecting an ink in a very small droplet of several to several tens of picoliters. The ejection speed is as high as several to several hundred kH, It is easy to produce and uses less Drop-On-Demand (DOD) method which can print only the desired amount in desired position. It also has a high resolution because it ejects very small droplets. The present inventors have completed the present invention by confirming that they can be used for immobilizing various target substances such as drugs, proteins, bacteria, cells and the like by utilizing the advantage of uniformly discharging very small droplets.

Lee B K, Yun Y H, Choi J S, Choi Y C, Kim J D and Cho Y W 2012 Fabrication of drug-loaded polymer microparticles with arbitrary geometries using a piezoelectric inkjet printing system Int. J. Pharm. 427 305-10Lee, BK, Yun YH, Choi JS, Choi YC, Kim JH and Kim YH. J. Pharm. 427 305-10 Katstra W E, Palazzolo R D, Rowe C W, Giritlioglu B, Teung P and Cima M J 2000 Oral dosage forms fabricated by Three Dimensional PrintingTM J. Control. Release 66 1-9Katra W E, Palazzolo R D, Rowe C W, Giritlioglu B, Teung P and Cima M J 2000 Oral dosage forms fabricated by J. Dimensional Printing J. Control. Release 66 1-9 Iwanaga S, Saito N, Sanae H and Nakamura M 2013 Facile fabrication of uniform size-controlled microparticles and potentiality for tandem drug delivery system of micro/nanoparticles Colloids Surfaces B Biointerfaces 109 301-6Iwanaga S, Saito N, Sanae H and Nakamura M 2013 Facile fabrication of uniform size-controlled microparticles and potentiality for tandem drug delivery system of micro / nanoparticles Colloids Surfaces B Biointerfaces 109 301-6

본 발명의 목적은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체에 목적 물질을 고정화하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for immobilizing a target substance on a cellulosenanofiber (CNF) carrier using 3D bio-printing technology.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 셀룰로오스 나노섬유 전달체 및 이를 이용한 생체 내 목적 물질의 선택적인 방출 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a cellulosic nanofiber carrier prepared by the above method and a selective release method of a target substance in vivo using the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체에 목적 물질을 고정화하는 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for immobilizing a target substance on a cellulosenanofiber (CNF) carrier using 3D bio-printing technology.

또한 본 발명은 상기 상기 방법에 의해 제조된 셀룰로오스 나노섬유 전달체를 제공한다. The present invention also provides a cellulose nanofiber carrier prepared by the above method.

또한 본 발명은 상기 전달체를 이용한 생체 내 목적 물질의 선택적인 방출 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for selectively releasing a target substance in vivo using the carrier.

본 발명에 따르면, 전달체로써의 셀룰로오스 나노섬유는 유기합성 섬유소로써 생체적합성이 매우 우수하여 식용으로 사용할 수 있으며, 내산성 및 내담즙성, 그리고 기계적 물성이 우수하여 장내 전달이 용이하다. 3차원 구조를 정교하게 만들기 위한 전략으로써 3D 바이오프린팅 기술을 이용하여 목적 물질(예를 들어, 프로바이오틱스, 단백질, 약물 등)을 셀룰로오스 나노섬유 전달체에 고정화(담지 또는 캡슐화, 결합 등)하는 것은 크기가 균일한 마이크로 입자를 생산하기 때문에 서방형 방출의 제어가 용이하다. 또한 가교물질의 선택에 따라 위산과 담즙산으로부터 목적 물질을 보호하는 특성을 가질 뿐 아니라 장관 (소장 또는 대장) 내 효소에 의해 빠르고 선택적으로 목적 물질의 방출이 이루어지도록 하기 때문에 상기 전달 시스템은 1차적으로는 건강기능식품, 2차적으로는 각종 단백질, 약물, 미생물 등의 전달에 유용하게 응용될 수 있다.According to the present invention, the cellulose nanofiber as a carrier is an organic synthetic fiber, which has excellent biocompatibility and can be used for edible use. The cellulose nanofiber is excellent in acid resistance, bile resistance and mechanical properties, thus facilitating intestinal transmission. As a strategy for elaborating a three-dimensional structure, immobilization (carrying, encapsulating, bonding, etc.) of a target substance (for example, probiotics, proteins, drugs, etc.) to a cellulose nano fiber transporter using 3D bio- Since it produces uniform microparticles, it is easy to control the sustained release. In addition to having the property of protecting the target substance from stomach acid and bile acid according to the selection of the cross-linking substance, the delivery system can rapidly and selectively release the target substance by the enzyme in the intestine (small intestine or large intestine) Can be usefully applied to health functional foods, and secondarily to various proteins, drugs and microorganisms.

도 1은 잉크젯 바이오 3D 프린터를 이용하여 프로바이오틱스가 고정화(담지 또는 캡슐화, 결합 등)된 셀룰로오스 나노섬유 마이크로입자를 제작하는 방식을 나타낸 개략도이며,
도 2는 TEMPO-mediated oxidation단계를 거친 oxidized cellulose를 나타낸 모식도이고,
도 3은 24시간 동안 배양 후 회수한 균체와 동결건조한 균체를 대조군으로 두고 프로타민, PLL, CaCl2 를 사용하여 형성된 CNF gel 내에 봉입된 프로바이오틱스의 생존을 MRS 한천 평판배지에 도말하여 37도에서 48시간 배양하여 형성된 프로바이오틱스의 콜로니를 확인한 것이고,
도 4는 CaCl2를 crosslinking agent로 사용한 셀룰로오스 나노섬유 겔에 캡슐화된 프로바이오틱스의 membrane integrity를 나타낸 것이고,
도 5는 위(stomach) 환경에 상응하는 조건에서 프로바이오틱스의 cell viability를 나타낸 것이고,
도 6은 장(intestine) pH에 상응하는 pH 7.4 조건에서 알지네이트, CNF, CNF-PL, CNF-CH beads의 bead stability를 나타낸 것이고,
도 7은 cofactor가 없는 조건에서 phosphate buffer에 있는 CNF particles의 trypsin digestion에 의한 변화를 나타낸 것이고,
도 8은 cofactor로 CaCl2가 있는 조건에서 phosphate buffer에 있는 CNF particles의 trypsin digestion에 의한 변화를 나타낸 것이고,
도 9는 cofactor로 CaCl2가 있는 조건에서 artificial intestinal fluid에 있는 CNF particles의 trypsin digestion에 의한 변화를 나타낸 것이고,
도 10은 trypsin activity에 의한 CNF/Polylysine beads의 disintegration을 나타낸 것이고,
도 11은 CaCl2, 프로타민, PLL의 농도에 따른 CNF particle의 모양을 나타낸 것이고,
도 12는 CNF와 substrate(CaCl2, PLL, 프로타민)의 농도에 따른 CNF particle의 모양을 나타낸 것이고,
도 13은 3D printing pattern에 따른 CNF particle의 모양을 나타낸 것이고,
도 14는 droplets velocity에 따른 CNF particle의 모양을 나타낸 것이고,
도 15는 circular jetting에서 CaCl2, PLL, 프로타민의 농도에 따른 CNF particle의 모양을 나타낸 것이고,
도 16은 3D 프린팅 셀룰로오스 나노섬유 마이크로 입자에 고정화된 프로바이오틱스를 나타낸 사진이다.
1 is a schematic view showing a method of fabricating cellulose nanofiber microparticles in which probiotics are immobilized (supported, encapsulated, bonded, etc.) using an inkjet bio-3D printer,
FIG. 2 is a schematic view showing an oxidized cellulose subjected to a TEMPO-mediated oxidation step,
FIG. 3 shows the survival of the probiotics encapsulated in CNF gel formed by using protamine, PLL, and CaCl2 as a control group after culturing for 24 hours, and lyophilized cells were plated on MRS agar plate medium and cultured for 48 hours at 37 ° C. The colonies of probiotics formed by the above-
Figure 4 shows the membrane integrity of the probiotics encapsulated in a cellulose nanofiber gel using CaCl2 as a crosslinking agent,
Figure 5 shows cell viability of probiotics in conditions corresponding to the stomach environment,
Figure 6 shows the bead stability of alginate, CNF, CNF-PL and CNF-CH beads at pH 7.4 corresponding to the intestine pH,
FIG. 7 shows changes in tryptic digestion of CNF particles in phosphate buffer under the absence of a cofactor,
FIG. 8 shows changes in tryptic digestion of CNF particles in phosphate buffer under the condition of CaCl 2 as a cofactor,
Figure 9 shows changes in tryptic digestion of CNF particles in the artificial intestinal fluid with CaCl2 as a cofactor,
Figure 10 shows the disintegration of CNF / polylysine beads by trypsin activity,
11 shows the shape of CNF particles according to the concentrations of CaCl2, protamine and PLL,
Figure 12 shows the shape of CNF particles according to the concentration of CNF and substrate (CaCl2, PLL, protamine)
13 shows the shape of a CNF particle according to a 3D printing pattern,
14 shows the shape of CNF particles according to the droplets velocity,
15 shows the shape of CNF particles according to the concentration of CaCl2, PLL, and protamine in circular jetting,
16 is a photograph showing a probiotic immobilized on 3D printing cellulose nano fiber microparticles.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체에 목적 물질을 고정화하는 방법을 제공한다. The present invention provides a method for immobilizing a target substance on a cellulose nano fiber (CNF) carrier using a 3D bio-printing technique.

상기 고정화란 셀룰로오스 나노섬유 내에 목적 물질을 담지하는 것, 캡슐화 하는것 또는 결합하는 것을 모두 포함하는 개념으로, 이에 제한되지 않는다. The immobilization is not limited to the concept including both carrying, encapsulating, or bonding a target substance in the cellulose nanofibers.

3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체에 목적 물질을 고정화하기 위한 시스템을 도 1에 나타내었다. A system for immobilizing a target substance on a cellulosenanofiber (CNF) carrier using 3D bio-printing technology is shown in FIG.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 목적 물질 담지 셀룰로오스 나노섬유 전달체 제작 시스템에 포함되는 잉크젯 프린터 헤드 모듈은 잉크를 저장하기 위한 카트리지; 목적 물질 담지 셀룰로오스 나노섬유 잉크를 토출하기 위한 마이크로 사이즈 직경을 가지는 노즐 패키지; 토출된 잉크를 마이크로 입자로 겔화(gelation)시키는 가교물질 수용액 수조를 포함한다.As shown in FIG. 1, an inkjet printer head module included in a target substance-bearing cellulosic nanofiber carrier production system according to the present invention comprises: a cartridge for storing ink; A nozzle package having a micro-sized diameter for discharging the target material-bearing cellulose nano-fiber ink; And a cross-linking agent aqueous solution tank for gelating the discharged ink into microparticles.

상기 잉크는 목적 물질을 보호하기 위한 셀룰로오스 유래 하이드로겔 전구체일 수 있다.The ink may be a cellulose-derived hydrogel precursor for protecting a target material.

상기 목적 물질은 전달체 내에 포함될 수 있는 물질을 총칭하는 것으로, 프로바이오틱스를 포함하는 미생물, 단백질, 저분자 또는 고분자 약물, 세포, 유/무기물질 등을 제한없이 포함한다. The target substance collectively refers to a substance that can be contained in a carrier, and includes, without limitation, microorganisms, proteins, low-molecular or high-molecular drugs, cells, oil / inorganic substances and the like including probiotics.

상기 프로바이오틱스는 락토바실러스(Lactobacillus) 속 균주 또는 비피도박테리움(Bifidobacterium)속 균주를 포함하며, 이에 제한되지 않는다. The probiotics include, but are not limited to, strains belonging to the genus Lactobacillus or strains belonging to the genus Bifidobacterium.

상기 가교물질 수용액은 음극성의 셀룰로오스 유래 하이드로겔 전구체를 겔화 시키는 양전하 물질을 의미하며, 이온성 수용액, 단백질 수용액, 탄수화물 수용액일 수 있고, 이에 제한되지 않는다.The crosslinked material aqueous solution means a positively charged substance that gels the negative electrode cellulose-derived hydrogel precursor, and may be an ionic aqueous solution, an aqueous protein solution, or an aqueous carbohydrate solution, but is not limited thereto.

상기 이온성 수용액은 칼슘 이온 함유 수용액, 스트론튬 이온 수용액 등을 포함하며, 이에 제한되지 않는다.The ionic aqueous solution includes a calcium ion-containing aqueous solution, a strontium ion aqueous solution, and the like, but is not limited thereto.

상기 단백질 수용액은 프로타민, 폴리-L-라이신 등 아스파라긴, 글루타민, 라이신, 아르기닌 및 히스티딘 등의 아미노산 물질이 포함되어 양전하를 띄게 만드는 단백질 수용액을 포함하며, 이에 제한되지 않는다.The protein aqueous solution includes, but is not limited to, an aqueous protein solution that contains positively charged amino acid substances such as asparagine, glutamine, lysine, arginine, and histidine such as protamine and poly-L-lysine.

상기 고분자 수용액은 키토산 수용액을 포함하며, 이에 제한되지 않는다.The aqueous polymer solution includes, but is not limited to, aqueous chitosan solution.

상기 노즐패키지는 상기 카트리지에 탈착 가능한 분리형이거나, 또는 일체형 일 수 있다. 상기 노즐 패키지는 노즐이 단수 또는 복수일 수 있으며, 노즐의 직경은 20um에서 120um 사이의 크기를 가질 수 있고, 이에 제한되지 않는다. The nozzle package may be detachable, detachable, or integral with the cartridge. The nozzle package may have one or more nozzles, and the diameter of the nozzles may have a size between 20 um and 120 um, but is not limited thereto.

상기 가교물질 수용액 수조는 액체를 담을 수 있는 페트리 디쉬, 샬레, 비이커, 바이알 등을 포함하며, 이에 제한되지 않는다.The brine aqueous solution water tank includes, but is not limited to, a petri dish, a chalet, a beaker, a vial, and the like, which can contain a liquid.

상기 가교물질 수용액 수조에는 형성된 미세 입자의 응집 및 결합을 막기 위해 마그네틱 교반기, 교반기 바, 초음파, 기계적 교반기 등을 통한 교반 기능을 포함하는 것이 바람직하다. The crosslinked material aqueous solution tank preferably includes a stirring function through a magnetic stirrer, a stirrer bar, an ultrasonic wave or a mechanical stirrer to prevent aggregation and binding of the fine particles formed.

또한 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 셀룰로오스 나노섬유 전달체를 제공한다.The present invention also provides a cellulose nanofiber carrier prepared by the above method.

상기 전달체는 나노겔 또는 나노미립구의 형태일 수 있으며, 평균 입자 크기는 수 나노에서 수십 마이크로 일 수 있고, 이에 제한되지 않는다. The delivery may be in the form of nanogels or nanoparticles, and the average particle size may be from a few nanometers to a few tens of microsamples, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 목적 물질이 고정화된 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체를 포함하는, 목적 물질의 장 내 전달용 조성물을 제공한다. The present invention also provides a composition for intracorporeal delivery of a target substance, which comprises a Cellulosenanofiber (CNF) carrier having a target substance immobilized using a 3D bio-printing technique.

상기 목적 물질은 전달체 내에 포함될 수 있는 물질을 총칭하는 것으로, 프로바이오틱스를 포함하는 미생물, 단백질, 저분자 또는 고분자 약물, 세포, 유/무기물질 등을 제한없이 포함한다. The target substance collectively refers to a substance that can be contained in a carrier, and includes, without limitation, microorganisms, proteins, low-molecular or high-molecular drugs, cells, oil / inorganic substances and the like including probiotics.

상기 조성물은 목적 물질, 바람직하게는 프로바이오틱스의 장내 전달에 이용될 수 있다. The composition may be used for the intestinal delivery of a target substance, preferably a probiotic.

또한, 본 발명은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 목적 물질이 고정화된 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체를 포함하는, 목적 물질의 기관 선택적 전달용 조성물을 제공한다. The present invention also provides a composition for organoselective delivery of a target substance, which comprises a Cellulosenanofiber (CNF) carrier having a target substance immobilized using 3D bio-printing technology.

상기 조성물은 목적 물질의 기관 선택적 전달에 이용될 수 있으며, 예를 들어, 위, 소장, 대장 또는 질환 조직(예를 들어, 암 세포 등) 등 목적 물질에 따라 적합한 타겟 기관으로 선택적인 전달을 수행하기 위해 이용될 수 있다. The composition may be used for organoselective delivery of a target substance and may be selectively delivered to a target organ suitable for the target substance such as, for example, stomach, small intestine, large intestine or diseased tissue (e.g. cancer cells) . ≪ / RTI >

또한, 본 발명은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 목적 물질이 고정화된 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체를 포함하는, 목적 물질의 방출 제어용 조성물을 제공한다. The present invention also provides a composition for controlling emission of a target substance, which comprises a Cellulosenanofiber (CNF) carrier in which a target substance is immobilized using a 3D bio-printing technique.

일 양태로서 상기 조성물은 서방성 제제로 제조되어 목적 물질의 지연 방출(전달)에 이용될 수 있다. 다른 양태로서 상기 조성물은 온도, pH, 전기장, 자기장, 및 신체 대사물 등 외부 자극에 따라 방출 여부가 결정되는 목적 물질의 자극민감성 방출(전달)에 이용될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. In one embodiment, the composition may be made into a sustained-release preparation and used for delayed release (delivery) of the target material. In another aspect, the composition may be used for stimulation-sensitive release (delivery) of a target substance to be released according to external stimuli such as temperature, pH, electric field, magnetic field, and metabolism, but is not limited thereto.

또한 본 발명은 상기 전달체를 이용한 생체 내 목적 물질의 선택적인 방출 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for selectively releasing a target substance in vivo using the carrier.

이하, 하기 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.

실시예Example 1.  One. 프로바이오틱스의Probiotic 조제 pharmacy

락토바실러스 람노서스 GG (Lactobacillus rhamnosus GG), 락토바실러스 플랜타룸(Lactobacillus plantarum), 락토바실러스 아시도필러스(Lactobacillus acidophilus) 균주를 MRS 액체배지에 접종하고 37도에서 24시간동안 배양하였다. 상기의 배양액을 4800 rcf에서 10분 간 원심분리를 행하고, 상층액을 제거하여 균체를 회수하였고, 0.85% NaCl로 2회 세척하였다. 그 후, 0.85% NaCl을 적당량 첨가하여 30배 농축된 프로바이오틱스 균액을 얻었다. 프로바이오틱스 균액에 물, Trehalose 10%를 포함하는 용액을 등량 가하여 15배로 농축된 프로바이오틱스 균액을 얻었다. 상기의 균액을 24시간동안 동결건조 처리를 행하여(아일라 동결건조 장치 FD-1000, 온도: -40도 이하, 진공도: 10Pa 이하), 동결건조 프로바이오틱스 균체를 득하였다. Lactobacillus rhamnosus GG, Lactobacillus plantarum, and Lactobacillus acidophilus were inoculated into the MRS liquid medium and cultured at 37 ° C for 24 hours. The culture was centrifuged at 4800 rcf for 10 minutes, the supernatant was removed, and the cells were recovered and washed twice with 0.85% NaCl. Thereafter, an appropriate amount of 0.85% NaCl was added to obtain a 30-fold concentrated probiotic broth. To the probiotic broth, a solution containing 10% of water and Trehalose was added in an equal amount to obtain a concentrated broth of probiotics 15 times. The above-mentioned bacterial solution was subjected to freeze-drying treatment (freeze drying apparatus FD-1000, temperature: -40 degrees or less, degree of vacuum: 10 Pa or less) for 24 hours to obtain lyophilized probiotic bacteria.

실시예Example 2.  2. 잉크젯Inkjet 3D 프린팅을 이용한  Using 3D printing 프로바이오틱스Probiotics 담지Bearing

본 실시예에서는 목적 물질로서 프로바이오틱스를 포함하는 셀룰로오스 나노섬유 전달체를 제조하였다. 보다 구체적으로, 직경이 35mm인 폴리스티렌 페트리 접시에 2% (w/v) 염화칼슘 수용액; 2% (w/v) 폴리-L-라이신 수용액 또는 2% (w/v) 프로타민 가교물질 수용액을 담았다. 0.45 um의 실린지 필터로 필터링 된 0.5% (w/v) 나노셀룰로오스 수용액을 락토바실러스 람노서스 GG (Lactobacillus rhamnosus GG) 또는 락토바실러스 플랜타룸(Lactobacillus plantarum) 또는 락토바실러스 아시도필러스(Lactobacillus acidophilus) 균주와 혼합하여 4mg/ml로 제조하였다. 제작된 잉크를 바이오 잉크젯 3D 프린팅 시스템의 카트리지에 장착한 후, 80V의 입력 전압 및 100Hz의 속도로 상기 잉크를 토출하였다. 상기 토출된 잉크는 상기 가교물질 수용액에 받아지고 겔화된다. 형성된 미세 입자의 응집 및 결합을 방지하고, 균일성을 확보하기 위하여 상기 가교물질 수용액 수조에는 마그네틱 교반기를 넣은 후, 200 rpm으로 교반하였다. 이상의 실험 과정을 도 1에 개략도로 나타내었다. In this Example, a cellulose nanofiber carrier containing probiotics as a target substance was prepared. More specifically, a polystyrene petri dish having a diameter of 35 mm was coated with a 2% (w / v) aqueous solution of calcium chloride; 2% (w / v) poly-L-lysine aqueous solution or 2% (w / v) protamine crosslinking agent solution. Lactobacillus rhamnosus GG or Lactobacillus plantarum or Lactobacillus acidophilus was added to 0.5% (w / v) nano-cellulose aqueous solution filtered with a 0.45 um syringe filter. And mixed with the strain to prepare 4 mg / ml. The prepared ink was mounted on a cartridge of a bio-inkjet 3D printing system, and then the ink was ejected at an input voltage of 80 V and a speed of 100 Hz. The discharged ink is received in the aqueous crosslinking solution and gelated. To prevent aggregation and binding of the formed fine particles and ensure uniformity, a magnetic stirrer was placed in the aqueous solution of the crosslinked material aqueous solution, followed by stirring at 200 rpm. The above experimental procedure is shown schematically in FIG.

실시예Example 3. 세포 생존 분석 3. Cell survival analysis

24시간 동안 배양 후 회수한 균체와 동결건조한 균체를 대조군으로 두고, 상기 실시예 2에서 제조한 프로타민, PLL, CaCl2 를 사용하여 형성된 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 겔 내에 봉입된 프로바이오틱스의 생존을 확인하였다. 이를 위해, 각 물질을 포함하는 0.85% NaCl 100uL를 MRS 한천 평판배지에 도말한 후, 37도에서 48시간 배양하여 형성된 프로바이오틱스의 콜로니를 확인하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. Survival of the probiotics encapsulated in the cellulose nanofiber (CNF) gel formed using the protamine, PLL and CaCl2 prepared in Example 2 was confirmed by using the cells recovered after culturing for 24 hours and the cells lyophilized as a control group. For this purpose, 100 uL of 0.85% NaCl containing each substance was plated on MRS agar plate culture medium and cultured at 37 ° C for 48 hours to confirm colonies of probiotic bacteria formed. The results are shown in Fig.

다음으로, 상기 실시예 2에서 제조한 CaCl2를 crosslinking agent로 사용한 셀룰로오스 나노섬유 겔에 캡슐화된 프로바이오틱스를 형광염색다이(Live/Dead Bacterial Viability Kit, Molecular Probes)를 사용하여 확인하였다. 먼저, 3uL의 SYTO 9 (3.34 mM), Propidium iodide (20 mM)를 0.5mL의 증류수에 섞어 2X 용액을 제조하였다. 100 uL의 0.85% NaCl 내에 포함된 상기 실시예 2에서 제조한 셀룰로오스 나노섬유 겔을 상기의 2X 용액에 등량으로 첨가하였다. 그 후에, 어두운 곳에서 15분 동안 방치하고, Confocal microscopy(FV10i, Olympus)로 사진을 얻었다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 제조된 3D-printed CNF particle 내에 프로바이오틱스가 봉입된 것을 확인할 수 있다. Next, the probiotics encapsulated in the cellulose nanofiber gel using the CaCl 2 prepared in Example 2 as a crosslinking agent were confirmed using a Live / Dead Bacterial Viability Kit (Molecular Probes). First, 3 uL of SYTO 9 (3.34 mM) and Propidium iodide (20 mM) were mixed in 0.5 mL of distilled water to prepare a 2X solution. The cellulosic nanofiber gel prepared in Example 2 contained in 100 uL of 0.85% NaCl was added to the 2X solution in an equal amount. After that, it was left in a dark place for 15 minutes and photographed with Confocal microscopy (FV10i, Olympus). The results are shown in Fig. It can be confirmed that the probiotics are enclosed in the 3D-printed CNF particles.

다음으로, 프로바이오틱스가 장관에서 효능을 발휘하기 위해서는 섭취 후, 가해지는 위산을 견뎌야 하기 때문에, 위(stomach) 환경에 상응하는 조건에서 셀룰로오스 나노섬유 전달체에 봉입된, 프로바이오틱스의 생존률을 확인하였다. 이를 위해, pH 2.3, 0.2% NaCl을 1.5 시간동안 가하여 상기 실시예 2에서 제조한 셀룰로오스 나노섬유 겔의 프로바이오틱스에 대한 보호효과를 평가하였다. 봉입되지 않은 프로바이오틱스에 pH2.3의 0.2% NaCl을 가한 것을 부적대조군, pH 7.4의 0.68% KH2PO4를 가한 것을 정적대조군으로 두고, 상기 실시예 2에서 제조한 셀룰로오스 나노섬유 겔의 낮은 pH에 대한 프로바이오틱스 보호효과를 평가하였다. 생존률을 측정하기 위해, serial dilution한 샘플 100uL를 MRS 한천평판배지에 도말하여 콜로니 수를 확인하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. Next, the survival rate of the probiotics encapsulated in the cellulose nanofiber transporter under the conditions corresponding to the stomach environment was confirmed because the probiotics had to endure the gastric acid to be administered after ingestion in order to be effective in the intestinal tract. To this end, the protective effect of the cellulose nanofiber gel prepared in Example 2 on the probiotics was evaluated by adding pH 2.3, 0.2% NaCl for 1.5 hours. The addition of 0.2% NaCl at pH 2.3 to the unencapsulated probiotics was followed by the addition of 0.68% KH2PO4 in the negative control, pH 7.4 as the stationary control. Probiotic protection against the low pH of the cellulose nanofibrous gel prepared in Example 2 The effects were evaluated. To determine the survival rate, 100uL of serial dilution samples were plated on MRS agar plate medium to confirm the number of colonies. The results are shown in Fig.

실시예Example 4.  4. 나노셀룰로오스Nano-cellulose 비드(bead)의Bead 특성 분석 Character analysis

바이오 3D 프린팅을 이용하여 제조된 프로바이오틱스가 고정화된 나노셀룰로오스 비드(bead)의 특성을 여러가지 방법으로 측정하였으며, 장내에서의 방출 여부를 실험적으로 확인하였다. The characteristics of nanocellulose beads immobilized on probiotics prepared by bio - 3D printing were measured by various methods and experimentally confirmed the release of nanocellulose beads in the intestines.

도 6은 장(intestine) 내 pH에 상응하는 pH 7.4 조건에서 알지네이트, CNF, CNF-PL, CNF-CH 비드의 비드 안정성(stability)를 평가한 결과이다. 알지네이트 비드의 경우, 물과 pH 7.4 조건에서 deformation이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, CHF 등의 경우 물과 pH 7.4에서도 안정적인 형태를 유지하였다. Figure 6 shows the results of evaluating the bead stability of alginate, CNF, CNF-PL and CNF-CH beads at pH 7.4 corresponding to intestine pH. In the case of alginate beads, deformation occurred under water and pH 7.4 conditions. In the case of CHF and the like, it remained stable in water and pH 7.4.

도 7은 cofactor가 없는 조건에서 phosphate buffer에 있는 CNF 비드의 trypsin digestion에 의한 변화를 나타낸 것이며, 도 8은 cofactor로 CaCl2가 있는 조건에서 phosphate buffer에 있는 CNF 비드의 trypsin digestion에 의한 변화는 나타낸 것이다. 도 9는 cofactor로 CaCl2가 있는 조건에서 artificial intestinal fluid에 있는 CNF 비드의 trypsin digestion에 의한 변화를 나타낸 것으로 trypsin digestion 이후 나노셀룰로오스 비드의 deformation을 확인할 수 있다. 도 10은 Trypsin activity에 의한 CNF/polylysine 비드의 disintegration을 나타낸 것으로 trypsin 처리 이후 비드의 deformation을 확인할 수 있다. FIG. 7 shows changes in tryptic digestion of CNF beads in phosphate buffer under the absence of a cofactor. FIG. 8 shows changes in tryptic digestion of CNF beads in phosphate buffer under the condition of CaCl 2 as a cofactor. FIG. 9 shows changes in tryptic digestion of CNF beads in an artificial intestinal fluid with CaCl 2 as a cofactor. As a result, the deformation of nanocellulose beads can be confirmed after trypsin digestion. Figure 10 shows the disintegration of CNF / polylysine beads by trypsin activity, which confirms the deformation of beads after trypsin treatment.

도 11은 CaCl2, 프로타민, PLL의 농도에 따라 바이오 3D 프린팅에 의해 토출 시 형성되는 CNF의 비드 모양을 나타낸 것으로 농도에 따라 상이한 크기와 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다. 도 12는 다른 농도의 CNF와 substrate(CaCl2, 프로티만, PLL)의 농도에 따른 CNF 비드의 모양을 나타낸 것이며, 3D 프린팅의 다양한 조건에 따른 CNF 비드의 모양을 나타낸 것이다. 프린팅 패턴에 따라 다른 형태의 CNF 비드가 형성되는 것은 도 13, 도 14, 도 15에 나타내었다. 3D printing pattern, droplets velocity 및 circular jetting에서 CaCl1, 프로타민, Pll 농도에 따라 다양한 형태의 CNF 비드가 제조되었으며, 각각의 용도에 따른 사이즈 및 형태 제어가 가능하다. 도 16은 3D printed microparticles에 고정화된 프로바이오틱스를 나타낸 사진이다.11 shows the bead shape of CNF formed by bio-3D printing according to the concentration of CaCl2, protamine and PLL, and it can be confirmed that they have different sizes and shapes according to their concentrations. FIG. 12 shows CNF beads according to concentrations of CNFs and substrates (CaCl 2, Protein, and PLL) at different concentrations, and shows the shape of CNF beads according to various conditions of 3D printing. The formation of CNF beads of different shapes according to the printing pattern is shown in Figs. 13, 14, and 15. Fig. 3D printing patterns, droplets velocity, and circular jetting, CNF beads were prepared according to the concentration of CaCl1, protamine, and Pll, and the size and shape of each CNF bead can be controlled. 16 is a photograph showing a probiotic immobilized on 3D printed microparticles.

Claims (8)

3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체에 목적 물질을 고정화하는 방법.
A method of immobilizing a target substance on a cellulosenanofiber (CNF) carrier using 3D bio-printing technology.
제1항에 있어서, 상기 목적 물질은 미생물, 단백질, 약물, 세포, 유기물질 및 무기 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는, 방법.
The method of claim 1, wherein the target material is selected from the group consisting of microorganisms, proteins, drugs, cells, organic materials, and inorganic materials.
제2항에 있어서, 상기 미생물은 프로바이오틱스인 것을 특징으로 하는, 방법.
3. The method of claim 2, wherein the microorganism is a probiotic.
제3항에 있어서, 상기 프로바이오틱스는 락토바실러스(Lactobacillus) 속 균주 또는 비피도박테리움(Bifidobacterium)속 균주를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
4. The method of claim 3, wherein the probiotics comprise a strain of the genus Lactobacillus or a strain of the genus Bifidobacterium.
제 1항에 있어서, 상기 고정화는 담지, 캡슐화 또는 결합인 것을 특징으로 하는, 방법.
The method of claim 1, wherein the immobilization is carried, encapsulated, or bonded.
3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 목적 물질이 고정화된 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체를 포함하는, 목적 물질의 장 내 전달용 조성물.
(Cellulosenanofiber; CNF) carrier in which a target substance is immobilized using 3D bio-printing technology.
3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 목적 물질이 고정화된 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체를 포함하는, 목적 물질의 기관 선택적 전달용 조성물.
A composition for organoselective delivery of a target substance, comprising a Cellulosenanofiber (CNF) carrier in which a target substance is immobilized using 3D bio-printing technology.
3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 목적 물질이 고정화된 셀룰로오스 나노섬유(Cellulosenanofiber; CNF) 전달체를 포함하는, 목적 물질의 방출 제어용 조성물. A cellulosenanofiber (CNF) carrier comprising a target substance immobilized using 3D bio-printing technology.
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