KR20190000594A - 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

Abstract

3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법과 제조 장치를 제공한다. 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 장치는, 세포가 들어 있는 배지를 담는 챔버와, 배지에 적어도 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 적어도 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으키는 적어도 두 개의 구동원과, 챔버의 상측에 위치하며 스캐폴드 물질을 수용하고 실린지 펌프로부터 토출 압력을 공급받는 실린지와, 실린지에 전기적으로 연결된 고전압 전원과, 배지를 접지시키기 위한 접지 전극을 포함한다.

Description

3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법 및 제조 장치 {FABRICATION METHOD AND DEVICE FOR THREE-DIMENSIONAL ELECTROSPUN SCAFFOLD}

본 발명은 3차원 전기방사 스캐폴드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세포의 고른 분포와 내부 침투가 향상된 3차원 전기방사 스캐폴드의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.

전기방사는 전기장을 이용하여 마이크로미터 또는 나노미터 스케일의 섬유를 제작하는 간단하고 널리 사용되는 방법이다. 특히 전기방사로 얻은 미세 섬유는 세포외기질과 유사한 크기와 분포를 가지기 때문에 조직 공학에서 조직을 구축하고 세포 성장을 도우며 세포의 기능을 제어하는 인공 지지대인 스캐폴드로 사용될 수 있다.

대부분의 미세 섬유 스캐폴드는 섬유를 적층시켜 3차원 구조를 형성하므로 제조에 많은 시간이 소요되며, 기공 크기가 제한적이다. 스캐폴드의 기공 구조는 세포의 접종과 부착 및 배양에 큰 영향을 미치므로 이러한 문제를 극복하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

본 출원의 발명자는 이전 연구(하기 선행기술문헌의 비특허문헌)에서 세포가 담긴 배지를 편심 회전시키고, 전기장을 가하여 스캐폴드를 제조하는 방법을 제시하였다. 이 방법에 따르면, 제작과 세포 배양까지 걸리는 절차를 단축할 수 있고, 추가 공정이 필요 없어 스캐폴드의 오염을 줄일 수 있다.

Heo et al., "Enhanced cellular distribution and infiltration in a wet electrospun three-dimensional fibrous scaffold using eccentric rotation-based hydrodynamic conditions", Sensors and Actuators B: Chemical Volume 226, April 2016, Pages 357-363 본 출원의 발명자는 이전 연구의 후속으로서 원하는 의도에 맞는 다양한 특성의 스캐폴드를 용이하게 제작할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 인체의 장기를 대체할 수 있는 스캐폴드는 사용처마다 특성이 모두 상이하며, 지속적인 성능 향상이 요구되고 있다.

본 발명은 요구 특성에 맞는 다양한 기계적 물성, 다공성, 생분해성, 및 세포친화적인 표면 특성 등을 가지는 발전된 스캐폴드를 제작할 수 있는 3차원 전기방사 스캐폴드의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법은 준비 단계와 유동 발생 단계 및 전기방사 단계를 포함한다. 준비 단계는 세포가 들어 있는 배지를 챔버에 담고, 스캐폴드 물질이 저장된 실린지를 배지의 상부에 배치하는 것으로 이루어진다. 유동 발생 단계는 배지에 적어도 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 구동원이 상이한 적어도 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으키는 것으로 이루어진다. 전기방사 단계는 배지와 실린지 사이에 전압 차를 발생시키고, 실린지 펌프를 가동하여 실린지로부터 복합 유동이 일어나는 배지의 표면을 향해 스캐폴드 물질을 섬유 형태로 방사하는 것으로 이루어진다. 전기방사 단계에서, 스캐폴드 물질이 3차원으로 얽히면서 섬유 구조물을 형성하고, 섬유 구조물 내부에 세포들이 침투하여 스캐폴드가 형성된다.

준비 단계에서 챔버에 와류 발생기와 초음파 장치가 설치될 수 있다. 유동 발생 단계에서 배지에 와류 발생기에 의한 유동이 일어남과 동시에 초음파가 인가될 수 있다. 배지에 인가되는 초음파는 1MHz 내지 3MHz의 주파수와, 0.1W/㎠ 내지 2.0W/㎠의 강도를 가지는 치료용 초음파일 수 있다.

다른 한편으로, 준비 단계에서 챔버에 와류 발생기와 기포 발생기가 설치될 수 있다. 유동 발생 단계에서 배지에 와류 발생기에 의한 유동과 기포 확산에 의한 유동이 동시에 일어날 수 있으며, 배지의 산소 포화도가 상승할 수 있다.

다른 한편으로, 준비 단계에서 챔버에 와류 발생기와 자석 회전장치가 설치될 수 있다. 자석 회전장치는 배지에 담긴 막대 자석과, 챔버의 외측에 위치하는 자기장 인가부를 포함할 수 있다. 유동 발생 단계에서 배지에 와류 발생기에 의한 유동과 막대 자석의 회전에 의한 소용돌이 유동이 동시에 일어날 수 있다.

전기방사 단계 이후, 배지를 다른 종류의 세포가 들어 있는 다른 종류의 배지로 교체하고, 유동 발생 단계와 전기방사 단계가 반복될 수 있다. 두 번째의 전기방사 단계에서 섬유 구조물은 제1 세포들이 위치하는 중심부와, 제2 세포들이 위치하는 외곽부로 구분될 수 있다.

준비 단계에서 배지에 성장 도움 알갱이들이 추가될 수 있다.

준비 단계에서 실린지는 서로 다른 스캐폴드 물질이 수용된 복수의 실린지로 구성될 수 있다. 전기방사 단계에서 복수의 실린지는 고전압을 동시에 인가받을 수 있고, 실린지 펌프로부터 동시에 토출 압력을 제공받아 배지를 향해 스캐폴드 물질을 동시에 방사할 수 있으며, 두 종류 이상의 스캐폴드 물질이 얽히면서 섬유 구조물을 형성할 수 있다.

다른 한편으로, 전기방사 단계에서 복수의 실린지는 고전압을 순차적으로 인가받음과 동시에 실린지 펌프로부터 순차적으로 토출 압력을 제공받아 배지를 향해 스캐폴드 물질을 순차적으로 방사할 수 있으며, 두 종류 이상의 스캐폴드 물질이 각자의 층을 이루면서 섬유 구조물을 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 장치는, 세포가 들어 있는 배지를 담는 챔버와, 배지에 적어도 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 적어도 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으키는 적어도 두 개의 구동원과, 챔버의 상측에 위치하며 스캐폴드 물질을 수용하고 실린지 펌프로부터 토출 압력을 공급받는 실린지와, 실린지에 전기적으로 연결된 고전압 전원과, 배지를 접지시키기 위한 접지 전극을 포함한다. 적어도 두 개의 구동원은 와류 발생기를 포함하고, 초음파 장치와 기포 발생기 및 자석 회전장치 중 하나 이상을 더 포함한다.

초음파 장치는 초음파 구동부와, 초음파 구동부와 연결되며 배지와 접촉하는 초음파 변환기를 포함할 수 있고, 배지에 1MHz 내지 3MHz의 주파수 및 0.1W/㎠ 내지 2.0W/㎠의 강도를 가지는 치료용 초음파를 인가할 수 있다.

자석 회전장치는 배지에 담긴 막대 자석과, 챔버의 외측에 위치하는 자기장 인가부를 포함할 수 있으며, 막대 자석을 회전시켜 배지에 소용돌이 유동을 일으킬 수 있다.

실린지는 서로 다른 스캐폴드 물질이 수용된 복수의 실린지로 구성될 수 있다. 복수의 실린지는 배지를 향해 스캐폴드 물질을 동시에 방사하거나 소정의 시간 차를 두고 스캐폴드 물질을 순차적으로 방사할 수 있다.

실시예들에 따르면, 스캐폴드 내부까지 세포가 고르게 침투할 수 있고, 전체 스캐폴드에 고른 세포 분포가 가능하여 스캐폴드의 기능성을 극대화할 수 있다. 또한, 스캐폴드 제작과 세포 파종(seeding)이 별개로 진행되는 기존 방법 대비 스캐폴드 제작과 세포 파종을 동시에 진행할 수 있어 제조를 단순화하며, 대량 생산에 용이하다.

도 1과 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스캐폴드 제조 장치의 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시한 스캐폴드 제조 장치 중 와류 발생기에 포함된 회전축의 이동 경로를 나타낸 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시한 스캐폴드 제조 장치 중 실린지의 전압 인가 전과 후의 상태를 나타낸 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시한 스캐폴드 제조 장치를 이용한 제1 실시예의 스캐폴드 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캐폴드 제조 장치의 구성도이다.
도 7은 도 6의 부분 확대도이다.
도 8은 산소 포화도를 올리지 않은 비교예의 경우와, 산소 포화도를 올린 제2 실시예의 경우, 세포의 증식을 비교한 구성도이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐폴드 제조 장치의 구성도이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 12는 제5 실시예의 방법으로 제조된 스캐폴드의 개략적인 구성도이다.
도 13은 본 발명의 제6 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 14와 도 15는 본 발명의 제7 실시예에 따른 스캐폴드 제조 장치의 구성도이다.
도 16a 내지 도 16d는 제7 실시예의 스캐폴드 제조 장치를 이용한 제8 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법을 나타낸 구성도이다.
도 17은 제8 실시예의 방법으로 제조된 스캐폴드를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1과 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 전기방사 스캐폴드 제작을 위한 장치(이하, '스캐폴드 제조 장치'라 한다)의 구성도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 스캐폴드 제조 장치(100)는 세포(11)가 들어 있는 배지(12)를 수용하는 챔버(10)와, 챔버(10)에 설치된 와류 발생기(20) 및 초음파 장치(30)와, 챔버(10)의 상부에 설치된 실린지(40)와, 배지(12)와 실린지(40)에 전기방사에 필요한 전압 차를 발생시키기 위한 고전압 전원(51) 및 접지 전극(52)을 포함한다.

배지(12)는 세포 배양액으로서 스캐폴드에 침투시키고자 하는 세포(11)가 선택되어 배지(12)에 투입된다. 배지(12)에서 소의 태아혈청(Fetal bovine serum)의 경우, 세포(11)의 배양 중에만 추가되고, 스캐폴드 제작 시에는 유동으로 인한 거품 발생을 피하기 위해 추가되지 않을 수 있다.와류 발생기(20)는 챔버(10)의 하측에 결합된 회전축(21)과, 회전축(21)을 구동하는 구동부(22)를 포함할 수 있다. 회전축(21)이 구동부(22)의 작동에 의해 회전하면 회전축(21)에 결합된 챔버(10)가 같이 회전하면서 챔버(10)에 수용된 배지(12)에 유동이 일어난다. 이때 와류 발생기(20)의 회전축(21)은 소정의 경로를 그리며 이동할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시한 스캐폴드 제조 장치 중 와류 발생기에 포함된 회전축의 이동 경로를 나타낸 구성도이다. 도 3을 참고하면, 와류 발생기의 회전축은 회전과 동시에 소정의 원형 경로를 그리며 이동할 수 있다. 이 경우 와류 발생기는 챔버에 강한 편심 회전을 유발하여 배지에 불균일한 유동을 발생시킨다.

다시 도 1과 도 2를 참고하면, 불균일한 유동이 일어나는 배지(12)의 표면에서 세포(11)와 많은 물방울들의 산란이 발생한다. 배지(12)의 불균일한 유동은 후술하는 섬유 방사 과정에서 3차원으로 복잡하게 얽힌 섬유 구조물(13)의 형성을 촉진시키며, 세포(11)와 섬유 구조물(13) 사이의 복잡한 혼합을 유발한다.

초음파 장치(30)는 와류 발생기(20)와 더불어 배지(12)에 유동을 일으키는 추가의 유동원으로 기능한다. 즉 와류 발생기(20)와 초음파 장치(30)는 챔버(10)에 담긴 배지(12)에 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 구동원이 상이한 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으킨다.

초음파 장치(30)는 초음파 구동부(31)와, 초음파 구동부(31)와 연결되며 배지(12)와 접촉하는 초음파 변환기(32)를 포함할 수 있다. 초음파 변환기(32)는 와류 발생기(20)에 의해 불균일한 유동이 일어나는 배지(12)에 초음파를 인가한다.

초음파는 인간의 청각 범위를 벗어난 주파수를 가진 에너지 형태로서 배지(12)에 포함된 세포(11)에 기계적 에너지를 전달한다. 초음파는 주파수와 강도에 따라 진단용, 세척용, 치료용으로 구분될 수 있다. 이 중 치료용 초음파는 대략 1 내지 3MHz의 주파수와 0.1 내지 2.0W/㎠의 강도를 가지며, 열적 및 비열적(non-thermal) 기전에 의해 세포와 조직에 물리적 효과가 일어나도록 한다.

초음파 장치(30)는 치료용 초음파에 해당하는 대략 1 내지 3MHz의 주파수와 0.1 내지 2.0W/㎠의 강도의 초음파를 배지(12)에 전달할 수 있다. 이 경우 초음파 장치(30)는 배지(12)에 초음파에 의한 유동을 일으키는 것과 동시에 배지(12)에 포함된 세포(11)에 물리적 효과를 유발할 수 있다.

특히 저강도의 초음파 에너지 영역과 특수 파장의 전자장은 세포의 성장을 촉진시키는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 물리적인 자극에 민감한 골 형성 세포는 낮은 전류 및 저강도 초음파 에너지 영역과 특수 파장의 전자장에서 골 형성이 촉진될 수 있다.

실린지(40)는 내부에 스캐폴드 물질(고분자 용액)을 수용하며, 스캐폴드 물질에 압력을 가하여 스캐폴드 물질을 밀어내기 위한 실린지 펌프(41)와 연결된다. 고전압 전원(51)은 실린지(40)에 수 kV의 전압을 인가하고, 접지 전극(52)은 챔버(10)의 바닥판 위에 배치되어 배지(12)에 잠길 수 있다. 고전압 전원(51)과 접지 전극(52)에 의해 배지(12)와 실린지(40)에 전기방사에 필요한 전압 차가 발생한다.

도 4는 실린지의 전압 인가 전과 후의 상태를 나타낸 구성도이다. 도 4를 참고하면, 고분자 용액을 실린지(40)의 팁으로 토출시키면 표면 장력에 의해 고분자 용액이 팁의 하단에 둥근 형태로 맺힌다. 이때 실린지(40)에 고전압을 인가하면 고분자 용액 내에 고도의 양전하가 쌓이기 시작한다.

양전하가 한계치 이상으로 쌓이면 고분자 용액 내 전하끼리의 반발력이 서서히 증가하고, 증가된 반발력이 표면 장력을 초과할 때 실린지(40)의 팁으로부터 고분자 용액이 대략적인 테일러 콘(Taylor cone)의 형태를 띠며 방사된다.

다시 도 2를 참고하면, 방사된 고분자 용액은 용매가 마르면서 섬유의 형태를 띠며, 방사된 섬유는 불균일한 유동이 일어나고 있는 배지(12)의 표면에 떨어져 세포(11)와 혼합된다.

실린지(40)에서 방사된 섬유는 배지(12)의 불균일한 복합 유동에 의해 3차원으로 복잡하게 얽힌 섬유 구조물(13)이 되며, 또한 섬유 구조물(13)이 만들어지는 과정에서 섬유 구조물(13) 내부에 배지(12)의 세포(11)가 균일하게 침투한다.

만일 유동이 없거나 한 종류의 단순한 구동원에 의해 유동이 발생하고 있는 배지에 스캐폴드 물질을 방사하는 경우를 가정하면, 방사된 스캐폴드 물질이 섬유 구조물을 구성할 때 내부에 공극이 고르게 생성되지 않을 수 있다. 이 경우 배지의 세포가 섬유 구조물 내부로 고르게 침투할 수 없으며, 스캐폴드 전체에 세포가 고르게 분포하지 않게 되어 스캐폴드로의 기능성이 저하된다.

그러나 제1 실시예에서는 배지(12)에 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 구동원이 상이한 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으킨다. 그 결과, 방사된 스캐폴드 물질이 배지(12)에 떨어지면, 복합 유동에 의해 스캐폴드 물질이 3차원으로 복잡하게 얽인 섬유 구조물(13)을 구성하면서 그 내부에 공극이 균일하게 형성되고, 이러한 공극에 배지(12)의 세포(11)가 고르게 분포할 수 있다.

즉 배지(12)에 떨어진 스캐폴드 물질은 복합 유동에 의해 3차원으로 복잡하게 얽이면서 실질적으로 균일한 공극을 가지며 부피가 성장하고, 섬유 구조물(13)의 부피가 성장하는 과정에서 배지(12)의 복합 유동에 의해 섬유 구조물(13)의 공극에 세포(11)가 고르게 침투할 수 있다.

도 5는 도 1에 도시한 스캐폴드 제조 장치를 이용한 제1 실시예의 스캐폴드 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

도 5를 참고하면, 제1 단계(S10)는 세포가 들어 있는 배지를 챔버에 담고, 스캐폴드 물질이 저장된 실린지를 챔버의 상부에 배치하는 준비 단계이다. 제2 단계(S20)는 챔버에 담긴 배지에 적어도 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 구동원이 상이한 적어도 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으키는 유동 발생 단계이다.

제3 단계(S30)는 배지와 실린지 사이에 전기방사를 위한 전압 차를 발생시키고, 실린지 펌프를 가동하여 실린지로부터 복합 유동이 일어나는 배지의 표면을 향해 스캐폴드 물질을 섬유 형태로 방사하는 전기방사 단계이다.

제2 단계(S20)에서, 두 종류의 물리적인 힘은 와류 발생기와 초음파 장치에 의한 두 가지 기계적인 힘의 조합으로 이루어질 수 있다. 제3 단계(S30)에서, 섬유 형태로 방사된 스캐폴드 물질은 배지의 불균일한 복합 유동에 의해 3차원으로 복잡하게 얽힌 섬유 구조물을 형성하면서 섬유 구조물 내부에 세포들이 균일하게 침투하여 3차원 전기방사 스캐폴드를 구성한다.

제1 실시예의 스캐폴드 제조 방법은 스캐폴드 내부까지 세포가 고르게 침투할 수 있고, 전체 스캐폴드에 고른 세포 분포가 가능하여 스캐폴드의 기능성을 극대화할 수 있으며, 다양한 분야에 적용 가능하다. 또한, 스캐폴드 제작과 세포 파종(seeding)이 별개로 진행되는 기존 방법 대비 스캐폴드 제작과 세포 파종을 동시에 진행할 수 있어 제조를 단순화하며, 대량 생산에 용이하다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캐폴드 제조 장치의 구성도이고, 도 7은 도 6의 부분 확대도이다.

도 6과 도 7을 참고하면, 제2 실시예의 스캐폴드 제조 장치(200)는 제1 실시예의 초음파 장치(30)를 기포 발생기(60)로 대체한 구성으로 이루어진다. 기포 발생기(60)는 공기 펌프(61)와, 공기 펌프(61)와 연결되며 배지(12)와 접촉하는 기포 주입 노즐(62)을 포함할 수 있다. 기포 주입 노즐(62)은 공기 펌프(61)로부터 제공받은 소정 압력의 공기를 배지(12) 내부를 향해 기포 형태로 방출한다.

배지(12)로 방출된 다량의 기포(14)는 와류 발생기(20)에 의한 유동과 더불어 배지(12)에 또 다른 종류의 유동을 일으킨다. 즉 배지(12)에는 와류 발생기(20)에 의한 불균일한 유동에 더하여 기포(14) 확산에 의한 내부 유동이 일어나며, 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동이 발생한다.

제2 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법은 도 5에 도시한 제1 실시예의 방법과 유사하며, 다만 제2 단계(S20)에서 두 종류의 물리적인 힘이 와류 발생기(20)와 기포 발생기(60)에 의한 두 가지 기계적인 힘의 조합인 것에서 차이가 있다.

기포 주입 노즐(62)로부터 방출된 다량의 기포(14)는 와류 발생기(20)에 의한 유동과 더불어 배지(12)에 떨어진 스캐폴드 물질이 3차원으로 뭉치는 것을 더욱 빠르게 돕는다. 또한, 다량의 기포(14)는 섬유 구조물(13) 사이에 끼어들어 공간을 형성하며, 섬유 구조물(13) 내부에 배지(12)와 세포들(11)이 더 많이 들어갈 수 있는 추가적인 공간을 제공한다.

제2 실시예의 방법으로 제작된 스캐폴드에는 전기방사에 의해 생성된 공극과, 와류 발생기(20)에 의한 배지(12)의 불균일한 유동에 의해 생성된 공극과, 다량의 기포(14) 확산으로 인한 유동에 의해 생성된 공극이 혼재한다.

예를 들어, 제2 실시예의 방법으로 제작된 스캐폴드에는 수 내지 수백 마이크로미터(㎛) 사이즈의 다양한 공극이 혼재되어 위치한다. 스캐폴드 내부에 형성된 다양한 사이즈의 공극은 스캐폴드 안에서 세포의 이동과 부착을 용이하게 하며, 세포의 성장을 돕는다.

더욱이 배지(12)에 주입된 공기로 인해 배지(12)의 산소 포화도가 상승한다. 배지(12)의 산소 포화도 상승은 세포(11)의 증식을 돕고, 세포(11)의 생존율(viability)을 높인다.

도 8은 산소 포화도를 올리지 않은 비교예의 경우와, 산소 포화도를 올린 제2 실시예의 경우, 세포의 증식을 비교한 구성도이다. 도 8을 참고하면, 배지의 산소 포화도를 올린 제2 실시예의 경우가 그렇지 않은 비교예의 경우보다 세포 증식에 효과적이다.

도 9와 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐폴드 제조 장치의 구성도이다.

도 9와 도 10을 참고하면, 제3 실시예의 스캐폴드 제조 장치(300)는 제1 실시예의 초음파 장치(30)를 자석 회전장치(70)로 대체한 구성으로 이루어진다. 자석 회전장치(70)는 배지에 잠긴 막대 자석(71)과, 챔버(10) 외측에 위치하는 자기장 인가부(72)를 포함할 수 있다. 자기장 인가부(72)는 와류 발생기(20)의 구동부(22)에 내장될 수 있다.

막대 자석(71)은 소독 후 챔버(10)에 투입되어 배지(12)에 잠길 수 있으며, 자기장 인가부(72)에 의해 배지(12) 내부에서 회전하면서 배지(12)에 소용돌이를 일으킨다. 막대 자석(71)의 회전은 와류 발생기(20)에 의한 유동과 더불어 배지(12)에 또 다른 종류의 유동을 일으킨다.

즉 배지(12)에는 와류 발생기(20)에 의한 불균일한 유동과 더불어 막대 자석(71)의 회전에 의한 소용돌이 유동이 동시에 일어나며, 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동이 발생한다.

제3 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법은 도 5에 도시한 제1 실시예의 방법과 유사하며, 다만 제2 단계(S20)에서 두 종류의 물리적인 힘이 와류 발생기(20)와 자석 회전장치(70)에 의한 두 가지 기계적인 힘의 조합인 것에서 차이가 있다.

막대 자석(71)의 회전에 의한 배지(12)의 소용돌이 유동은 와류 발생기(20)에 의한 유동과 더불어 배지(12)에 떨어진 스캐폴드 물질이 3차원으로 뭉치는 것을 빠르게 도우며, 섬유 구조물(13) 내부에 공극이 고르게 생성되도록 하여 세포(11)의 내부 침투를 향상시킨다.

제4 실시예의 스캐폴드 제조 장치(도시하지 않음)는 와류 발생기(20)와 더불어 전술한 초음파 장치(30)와 기포 발생기(60) 및 자석 회전장치(70) 중 두 개 이상을 포함할 수 있다. 제4 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법에서는 배지(12)에 최대 네 종류의 물리적인 힘을 동시에 가하여 구동원이 상이한 최대 네 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 발생시킬 수 있다.

도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법을 설명하기 위한 구성도이고, 도 12는 제5 실시예의 방법으로 제조된 스캐폴드의 개략적인 구성도이다.

도 11과 도 12를 참고하면, 제5 실시예의 스캐폴드 제조 방법은 챔버(10)에 담긴 배지(12a)를 다른 종류의 배지(12b)로 바꾸어 전기방사를 한번 더 수행하는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예의 방법 중 어느 한 방법과 동일한 과정으로 이루어진다. 도 11에서는 챔버(10)에 와류 발생기(20)와 초음파 장치(30)가 설치된 제1 실시예를 기본 구성으로 도시하였다.

제1 세포(11a)가 들어 있는 제1 배지(12a)를 챔버(10)에 담고, 제1 배지(12a)에 적어도 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 구동원이 상이한 적어도 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으킨다. 그리고 제1 배지(12a)와 실린지(40) 사이에 전압 차를 발생시키고, 실린지 펌프(41)를 작동하여 제1 배지(12a)를 향해 스캐폴드 물질을 방사한다.

그러면 제1 배지(12a) 내부에서 3차원으로 복잡하게 얽힌 섬유 구조물(13)과, 섬유 구조물(13) 내부에 침투한 제1 세포들(11a)로 이루어진 제1 스캐폴드가 제작된다.

이어서 챔버(10)로부터 제1 배지(12a)를 제거하고, 제2 세포(11b)가 들어 있는 제2 배지(12b)를 챔버(10)에 담는다. 그리고 제2 배지(12b)에 적어도 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 구동원이 상이한 적어도 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으킨다. 그리고 제2 배지(12b)와 실린지(40) 사이에 전압 차를 발생시키고, 실린지 펌프(41)를 작동하여 제2 배지(12b)를 향해 스캐폴드 물질을 방사한다.

그러면 제1 스캐폴드의 바깥으로 섬유들이 복잡하게 얽히면서 섬유 구조물(13)을 형성하며, 섬유 구조물(13) 내부로 제2 세포들(11b)이 침투하여 제2 스캐폴드를 구성한다. 전술한 방법으로 완성된 스캐폴드는 제1 세포들(11a)이 위치하는 중심부(제1 스캐폴드 부분)와, 제2 세포들(11b)이 위치하는 외곽부(제2 스캐폴드 부분)로 구분될 수 있다.

생체 조직은 다양한 세포들로 구성되어 있다. 제5 실시예의 방법을 이용하면 하나의 스캐폴드에 다양한 종류의 세포들을 침투시킬 수 있고, 원하는 위치에 원하는 종류의 세포들을 위치시킬 수 있으므로, 생체 적합성이 우수한 스캐폴드를 제조할 수 있다.

도 13은 본 발명의 제6 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법을 설명하기 위한 구성도이다.

도 13을 참고하면, 제6 실시예의 스캐폴드 제조 방법은 배지(12)에 성장 도움 알갱이들(15)이 추가되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제5 실시예의 방법 중 어느 한 방법과 동일한 과정으로 이루어진다. 도 13에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였다.

성장 도움 알갱이들(15)은 언 상태로 배지(12)에 추가될 수 있으며, 배지(12)의 불균일한 복합 유동에 의해 움직이면서 3차원의 섬유 구조물(13)이 보다 빨리 생성되도록 돕는다. 성장 도움 알갱이들(15)은 예를 들어 상피 세포 성장 인자(Epidermal Growth Factor, EGF)로 구성될 수 있으며, 이 경우 성장 도움 알갱이들(15)이 녹으면서 세포(11)의 성장을 촉진시킬 수 있다.

도 14와 도 15는 본 발명의 제7 실시예에 따른 스캐폴드 제조 장치의 구성도이다.

도 14와 도 15를 참고하면, 제7 실시예의 스캐폴드 제조 장치(700)는 서로 다른 스캐폴드 물질(고분자 용액)이 수용된 복수의 실린지(40)를 포함하는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예의 장치 중 어느 하나와 동일한 구성으로 이루어진다. 도 14와 도 15에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였다.

복수의 실린지(40)는 실린지 펌프(41)와 연결되고, 고전압 전원(51)과 전기적으로 연결된다. 도 14와 도 15에서는 네 종류의 실린지(40)를 도시하였으나, 실린지(40)의 개수는 도시한 예시로 한정되지 않는다.

제7 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법에서는 배지(12)와 복수의 실린지(40) 사이에 전압 차를 발생시키고, 실린지 펌프(41)를 작동하여 배지(12)를 향해 복수의 스캐폴드 물질을 동시에 방사한다. 그러면 두 가지 이상의 스캐폴드 물질이 3차원으로 복잡하게 얽히면서 섬유 구조물(13)을 형성하고, 섬유 구조물(13) 내부에 세포들(11)이 침투하여 스캐폴드를 구성한다.

제7 실시예의 방법으로 제조된 스캐폴드의 섬유 구조물(13)은 다양한 고분자 성분을 포함할 수 있으며, 재료 각각의 장단점을 보완하여 우수한 특성을 구현할 수 있다.

도 16a 내지 도 16d는 제7 실시예의 스캐폴드 제조 장치를 이용한 제8 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법을 나타낸 구성도이다.

도 16a 내지 도 16d를 참고하면, 제8 실시예에 따른 스캐폴드 제조 방법에서는 배지(12)를 향해 복수의 스캐폴드 물질을 순차적으로 방사한다. 복수의 실린지(40)는 제1 실린지(401), 제2 실린지(402), 제3 실린지(403), 및 제4 실린지(404)를 포함할 수 있다.

고전압 전원(51)은 소정의 시간 차를 두고 제1 실린지(401), 제2 실린지(402), 제3 실린지(403), 및 제4 실린지(404)의 순서로 고전압을 인가할 수 있다. 그리고 실린지 펌프(41)는 고전압 전원(51)과 동기되어 소정의 시간 차를 두고 제1 실린지(401), 제2 실린지(402), 제3 실린지(403), 및 제4 실린지(404)의 순서로 토출 압력을 제공할 수 있다.

그러면 네 개의 고분자 물질이 순차적으로 얽히면서 네 개의 층으로 이루어진 섬유 구조물(13)을 형성하고, 섬유 구조물 내부에 세포들이 침투하여 스캐폴드를 구성한다.

도 17은 제8 실시예의 방법으로 제조된 스캐폴드를 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 17을 참고하면, 제8 실시예의 방법으로 제조된 스캐폴드는 실린지의 개수와 동일한 적층 수를 가지는 다층 구조로 이루어진다.

구체적으로, 스캐폴드는 중심에 위치하는 제1층(13a)과, 제1층(13a)을 둘러싸는 제2층(13b)과, 제2층(13b)을 둘러싸는 제3층(13c)과, 제3층(13c)을 둘러싸는 제4층(13d)을 포함할 수 있다. 제1층(13a), 제2층(13b), 제3층(13c), 및 제4층(13d) 각각은 제1 실린지(401), 제2 실린지(402), 제3 실린지(403), 및 제4 실린지(404) 각각에서 방사된 고분자 물질로 이루어진다.

제1층 내지 제4층(13a, 13b, 13c, 13d)은 분해능(degradation)이 서로 다른 고분자 물질로 이루어질 수 있으며, 내부에서 분해능 차이를 가지는 다층 스캐폴드를 제조할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100, 200, 300, 700: 스캐폴드 제조 장치
10: 챔버 11: 세포
12: 배지 13: 섬유 구조물
20: 와류 발생기 30: 초음파 장치
40: 실린지 41: 실린지 펌프
51: 고전압 전원 52: 접지 전극
60: 기포 발생기 70: 자석 회전장치

Claims (14)

1. 세포가 들어 있는 배지를 챔버에 담고, 스캐폴드 물질이 저장된 실린지를 배지의 상부에 배치하는 준비 단계;
   상기 배지에 적어도 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 구동원이 상이한 적어도 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으키는 유동 발생 단계; 및
   상기 배지와 상기 실린지 사이에 전압 차를 발생시키고, 실린지 펌프를 가동하여 상기 실린지로부터 복합 유동이 일어나는 상기 배지의 표면을 향해 스캐폴드 물질을 섬유 형태로 방사하는 전기방사 단계
   를 포함하며,
   상기 전기방사 단계에서, 상기 스캐폴드 물질이 3차원으로 얽히면서 섬유 구조물을 형성하고, 상기 섬유 구조물 내부에 상기 세포들이 침투하여 스캐폴드가 형성되는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 준비 단계에서, 상기 챔버에 와류 발생기와 초음파 장치가 설치되고,
   상기 유동 발생 단계에서, 상기 배지에 상기 와류 발생기에 의한 유동이 일어남과 동시에 초음파가 인가되는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 배지에 인가되는 초음파는 1MHz 내지 3MHz의 주파수와, 0.1W/㎠ 내지 2.0W/㎠의 강도를 가지는 치료용 초음파인 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 준비 단계에서, 상기 챔버에 와류 발생기와 기포 발생기가 설치되고,
   상기 유동 발생 단계에서, 상기 배지에 상기 와류 발생기에 의한 유동과 기포 확산에 의한 유동이 동시에 일어나며, 상기 배지의 산소 포화도가 상승하는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 준비 단계에서, 상기 챔버에 와류 발생기와 자석 회전장치가 설치되고,
   상기 자석 회전장치는 상기 배지에 담긴 막대 자석과, 상기 챔버의 외측에 위치하는 자기장 인가부를 포함하며,
   상기 유동 발생 단계에서, 상기 배지에 상기 와류 발생기에 의한 유동과 상기 막대 자석의 회전에 의한 소용돌이 유동이 동시에 일어나는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기방사 단계 이후, 상기 배지를 다른 종류의 세포가 들어 있는 다른 종류의 배지로 교체하고, 상기 유동 발생 단계와 상기 전기방사 단계를 반복하며,
   두 번째의 상기 전기방사 단계에서, 상기 섬유 구조물은 제1 세포들이 위치하는 중심부와, 제2 세포들이 위치하는 외곽부로 구분되는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 준비 단계에서, 상기 배지에 성장 도움 알갱이들이 추가되는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 준비 단계에서, 상기 실린지는 서로 다른 스캐폴드 물질이 수용된 복수의 실린지로 구성되는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 전기방사 단계에서, 상기 복수의 실린지는 고전압을 동시에 인가받고, 상기 실린지 펌프로부터 동시에 토출 압력을 제공받아 상기 배지를 향해 스캐폴드 물질을 동시에 방사하며, 두 종류 이상의 스캐폴드 물질이 얽히면서 상기 섬유 구조물을 형성하는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 전기방사 단계에서, 상기 복수의 실린지는 고전압을 순차적으로 인가받음과 동시에 상기 실린지 펌프로부터 순차적으로 토출 압력을 제공받아 상기 배지를 향해 스캐폴드 물질을 순차적으로 방사하며, 두 종류 이상의 스캐폴드 물질이 각자의 층을 이루면서 상기 섬유 구조물을 형성하는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 방법.
11. 세포가 들어 있는 배지를 담는 챔버;
    상기 배지에 적어도 두 종류의 물리적인 힘을 가하여 적어도 두 종류의 유동이 혼합된 불균일한 복합 유동을 일으키는 적어도 두 개의 구동원;
    상기 챔버의 상측에 위치하며, 스캐폴드 물질을 수용하고, 실린지 펌프로부터 토출 압력을 공급받는 실린지;
    상기 실린지에 전기적으로 연결된 고전압 전원; 및
    상기 배지를 접지시키기 위한 접지 전극을 포함하며,
    상기 적어도 두 개의 구동원은 와류 발생기를 포함하고, 초음파 장치와 기포 발생기 및 자석 회전장치 중 하나 이상을 더 포함하는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 초음파 장치는 초음파 구동부와, 상기 초음파 구동부와 연결되며 상기 배지와 접촉하는 초음파 변환기를 포함하고, 상기 배지에 1MHz 내지 3MHz의 주파수 및 0.1W/㎠ 내지 2.0W/㎠의 강도를 가지는 치료용 초음파를 인가하는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 장치.
13. 제11항에 있어서,
    상기 자석 회전장치는 상기 배지에 담긴 막대 자석과, 상기 챔버의 외측에 위치하는 자기장 인가부를 포함하며, 상기 막대 자석을 회전시켜 상기 배지에 소용돌이 유동을 일으키는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 장치.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린지는 서로 다른 스캐폴드 물질이 수용된 복수의 실린지로 구성되고,
    상기 복수의 실린지는 상기 배지를 향해 스캐폴드 물질을 동시에 방사하거나 소정의 시간 차를 두고 스캐폴드 물질을 순차적으로 방사하는 3차원 전기방사 스캐폴드 제조 장치.

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