KR20200036077A - 바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법 - Google Patents

바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20200036077A
KR20200036077A KR1020180111533A KR20180111533A KR20200036077A KR 20200036077 A KR20200036077 A KR 20200036077A KR 1020180111533 A KR1020180111533 A KR 1020180111533A KR 20180111533 A KR20180111533 A KR 20180111533A KR 20200036077 A KR20200036077 A KR 20200036077A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bio
hydrogel
ink
storage unit
syringe
Prior art date
Application number
KR1020180111533A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102160642B1 (ko
Inventor
안근선
민경현
김민경
이인규
Original Assignee
주식회사 티앤알바이오팹
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 티앤알바이오팹 filed Critical 주식회사 티앤알바이오팹
Priority to KR1020180111533A priority Critical patent/KR102160642B1/ko
Publication of KR20200036077A publication Critical patent/KR20200036077A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102160642B1 publication Critical patent/KR102160642B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/321—Feeding
    • B29C64/336—Feeding of two or more materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/91—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis with propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/10—Pre-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/08—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing artificial tissue or for ex-vivo cultivation of tissue
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
    • C12N5/06—Animal cells or tissues; Human cells or tissues
    • C12N5/0697—Artificial constructs associating cells of different lineages, e.g. tissue equivalents

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

본 발명은 바이오 잉크 공급시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이드로겔(hydrogel) 저장부; 세포 저장부; 하이드로겔(hydrogel) 저장부 및 세포 저장부로부터 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액를 공급받는 혼합부; 시린지 내부의 바이오 잉크 수위를 측정하는 센서부; 및 센서부로부터 신호를 받아 시린지 내부의 바이오잉크 수위를 일정하게 유지시키는 제어부;를 포함하고, 상기 혼합부는, 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액를 혼합하여 제조한 바이오 잉크를 시린지로 공급하는 바이오 잉크 공급시스템에 관한 것이다. 본 발명의 바이오 잉크 공급 시스템은 활성이 있는 바이오 잉크를 3D 바이오 프린팅 중에도 연속적으로 바이오 프린터의 시린지로 공급할 수 있어, 대형(large-scale)의 생체 조직이나 다수의 오가노이드(organoid), 장기유사 칩(organ-on-a-chip) 등을 연속적으로 프린팅 할 수 있다.

Description

바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법{Bio ink supply system and three-dimensional bioprinting method using the same}
본 발명은 바이오 잉크 공급 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 삼차원 바이오 프린팅 공정 중에 실시간으로 하이드로겔과 세포를 혼합하여 연속적으로 바이오 잉크를 공급할 수 있는 바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법에 관한 것이다.
[과제고유번호] 20000325
[부처명] 산업통상자원부
[연구관리전문기관] 한국산업기술평가관리원
[연구사업명] 소재부품기술개발사업(소재품이종기술융합형기술개발사업)
[연구과제명] 탈세포화 세포외기질을 이용한 혈관용 바이오잉크 소재 및 인공혈관 프린팅 기술 개발
[주관기관] ㈜티앤알바이오팹
[연구기간] 2018.06.01 ~ 2021.12.31 (43개월)
3D 바이오 프린팅 기술은, 바이오 프린터, 바이오 잉크, 세포, 성장인자 등을 기반으로 사용자가 원하는 형상을 조형 및 적층하여 특정 형상을 제작할 수 있는 기술을 말한다.
이러한 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 오가노이드(organoid), 장기유사 칩(organ-on-a-chip), 동물 실험대체를 위한 조직 및 장기 유사체 등과 같이 질병의 치유에 도움을 줄 수 있는 여러 연구들이 활발히 이루어지고 있다.
3D 바이오 프린팅 소재인 바이오 잉크로는 증식 및 분화가 가능한 살아있는 세포와 인간의 조직처럼 오랜 시간 동안 특정 형상이나 구조가 유지될 수 있는 콜라겐, 젤라틴, 알지네이트 등의 하이드로겔이 혼합된 재료가 활용되기도 한다.
그러나 세포의 생존조건과 바이오 프린팅을 위한 하이드로겔의 보관 조건이 서로 다르기 때문에, 세포와 하이드로겔을 혼합하여 제조한 대용량의 바이오 잉크를 장시간 동안 보관하는 것에는 한계가 있다.
또한, 기존의 바이오 프린터는 시린지에 소량의 바이오 잉크만을 수용할 수 있을 뿐이어서, 대형(large-scale)의 인공장기를 프린팅 하거나 다수의 오가노이드(organoid), 장기유사 칩(organ-on-a-chip) 등을 연속적으로 프린팅 하기 어려운 문제점을 갖고 있다.
등록번호 제10-1799812호(2017.11.15. 등록)
본 발명은 3D 바이오 프린팅 중에도 활성이 있는 바이오 잉크를 바이오 프린터의 시린지에 연속적으로 공급할 수 있는 바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 형태로는, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100); 세포 저장부(200); 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100) 및 세포 저장부(200)로부터 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액를 공급받는 혼합부(300); 시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 측정하는 센서부(500); 및 센서부(500)로부터 신호를 받아 시린지(400) 내부의 바이오잉크 수위를 일정하게 유지시키는 제어부(600);를 포함하고, 상기 혼합부(300)는, 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액를 혼합하여 제조한 바이오 잉크를 시린지(400)로 공급하는, 바이오 잉크 공급시스템을 들 수 있다.
상기 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)는 pH 조절 수단을 포함할 수 있으며, 상기 세포 저장부(200)는 교반 수단을 포함할 수 있다.
또한, 상기 세포 저장부(200)는 5% CO2, 37℃ 및 7 ~ 7.5 pH가 유지되는 것이 바람직하다.
상기 혼합부(300)는, 혼합 수단(310)으로 임펠러(Impeller)를 포함할 수 있으며, 상기 센서부(500)는, 레이저 센서 또는 스트레치 센서(510)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시형태는 삼차원 바이오 프린팅 방법으로, 하이드로겔(hydrogel)을 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)에 보관하는 단계; 살아있는 세포가 포함된 세포 용액을 세포 저장부(200)에 보관하는 단계; 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100) 및 세포 저장부(200)로부터 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 혼합부(300)에 공급하는 단계; 혼합부(300)에서 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 혼합하여 시린지(400)로 공급하는 단계; 및 시린지(400) 내부의 바이오잉크 수위를 일정하게 유지하는 단계;를 포함한다.
상기 하이드로겔(hydrogel)은, 알지네이트, 피브리노겐, 카르복실메틸 셀룰로오스, 헤파란황산, 히알루론산, 콜라겐 또는 덱스트란을 포함할 수 있다.
하이드로겔(hydrogel)을 보관하는 단계는, 10 ~ 15℃ 및 pH 5 ~ 6 조건에서 수행되는 것이 바람직하며, 세포 용액을 보관하는 단계는, 5% CO2, 37℃ 및 pH 7 ~ 7.5 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바이오 잉크 공급 시스템은 활성이 있는 바이오 잉크를 3D 바이오 프린팅 중에도 연속적으로 바이오 프린터의 시린지로 공급할 수 있어, 대형(large-scale)의 생체 조직이나 다수의 오가노이드(organoid), 장기유사 칩(organ-on-a-chip) 등을 연속적으로 프린팅 할 수 있다.
또한, 바이오 프린팅 중에도 시린지 내부의 바이오 잉크 수위를 일정하게 유지시킬 수 있어 정밀한 바이오 프린팅이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 잉크 공급시스템의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 잉크 공급시스템의 센서부를 나타내는 도면이다.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 잉크 공급시스템이 적용된 3D 바이오 프린터의 사시도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 바이오 잉크 공급시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법에 관하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 잉크 공급시스템은, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100); 세포 저장부(200); 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100) 및 세포 저장부(200)로부터 하이드로겔(hydrogel)과 세포를 공급받는 혼합부(300); 시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 측정하는 센서부(500); 및 센서부(500)로부터 신호를 받아 시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 일정하게 유지시키는 제어부(600);를 포함할 수 있다.
하이드로겔(hydrogle) 저장부(100)는, 물성의 변화 없이 하이드로겔(hydrogel)을 보관하기 위한 것으로, 외부와 차단된 구조인 것이 바람직하다. 상기 하이드로겔(hydrogel)은 알지네이트, 피브리노겐, 카르복실메틸 셀룰로오스, 헤파란황산, 히알루론산, 콜라겐, 덱스트란 등과 같은 천연 고분자 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 콜라겐 또는 알지네이트를 비롯한 하이드로겔(hydrogel)은 수분 함량이 높고, 생체 적합성이 뛰어나 바이오 잉크로 사용하기에 적합하다.
물성의 변화 없이 하이드로겔(hydrogel)을 보관하기 위해서, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)는, 온도 조절 수단 및 pH 조절 수단을 포함할 수 있다. 온도 조절 수단은, 복사 가열기, 대류 가열기, 전도성 가열기 등의 가열 부재와 복사 냉각기, 대류 냉각기, 팬 냉각기 등의 냉각 부재로 이루어 질 수 있으며, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)의 내부를 하이드로겔의 겔화(gelation)가 발생하지 않는 온도로 유지시킬 수 있다. 구체적으로 하이드로겔(hydrogel)이 콜라겐인 경우, 온도 조절 수단을 통해, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)의 내부를 15℃ 이하의 온도로 유지시키는 것이 바람직하다.
또한, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)의 pH 조절 수단은, 하이드로겔(hydogel) 저장부(100) 내부에 구비된 pH 변화를 감지하는 pH 센서 및 센서로부터 신호를 받아 염기성 용액을 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100) 내부로 주입하는 자동 주입기로 이루어 질 수 있다. pH 센서는 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)에 보관되어 있는 하이드로겔(hydrogel)의 pH를 측정하고, pH의 변화에 따라 염기성 용액의 주입량을 결정하여 자동 주입기로 신호를 보내 적정량의 염기성 용액을 주입함으로써, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100) 내부의 pH를 하이드로겔(hydrogel)의 겔화(gelation)이 일어나지 않는 pH 범위로 유지시킬 수 있다.
이러한 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)는 혼합부(300)와 관을 통해 연결되어 있으며, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)에 보관된 하이드로겔(hydrogel)은 펌프 등을 통해 혼합부(300)로 공급된다.
세포 저장부(200)는, 살아 있는 세포가 포함된 세포 용액을 보관하기 위한 것으로, 외부와 차단된 구조인 것이 바람직하다. 세포 생존을 위한 조건과 하이드로겔(hydrogel)의 겔화(gelation)가 일어나지 않은 조건이 상이하므로, 살아 있는 세포가 포함된 세포 용액을 장시간 보관하기 위해서는, 세포 용액은 하이드로겔(hydrogel)과 별도로 보관되어야 한다.
살아 있는 세포가 포함된 세포 용액을 보관하기 위해서, 세포 저장부(200)는, 세포 저장부(200) 내부의 온도, pH 및 CO2 농도를 일정하게 유지시켜 주는 조절기 포함할 수 있다. 이러한 조절기는, 일반적으로 사용되는 세포 배양용 인큐베이터의 조절기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
세포 저장부(200)의 내부는, 세포 생존을 위해 온도, pH 및 CO2 농도가 일정 조건이 유지될 수 있으며, 구체적으로 37℃, 7 ~ 7.5 pH 및 5% CO2 조건을 유지되는 것이 바람직하다.
이러한 세포 저장부(200)는 혼합부(300)와 관을 통해 연결되어 있으며, 세포 저장부(200)에 보관된 세포 용액은 펌프 등을 통해 혼합부(300)로 공급된다.
세포 저장부(200) 내에서 세포가 침전되는 현상을 방지하기 위해, 세포 저장부(200)는 교반 수단을 포함할 수 있다. 이러한 교반 수단으로는 자석 교반기(Magnetic Stirrer) 또는 스크류 타입의 임펠러(Impeller)를 사용할 수 있다. 이와 같이 교반 수단을 사용하는 경우에는, 세포가 침전되는 것을 방지하고 세포 용액내의 세포의 농도를 고르게 유지할 수 있어, 일정한 세포 농도를 갖는 세포 용액을 혼합부(300)로 공급할 수 있다.
상기 세포는, 바이오 프린팅 하려는 인공 조직의 종류에 따라 줄기세포, 섬유아세포, 간 세포 등의 다양한 세포일 수 있다.
혼합부(300)는 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100) 및 세포 저장부(200)로부터 각각 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 공급받아 혼합시키기 위한 것으로, 혼합 수단(310)을 포함할 수 있다. 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액이 혼합되어 바이오 잉크가 만들어 지며, 상기 바이오 잉크는 시린지(400)로 공급된다. 혼합수단(310)은 상대적으로 고점도인 하이드로겔(hydrogel)과 저점도인 세포 용액을 균일하게 혼합시킬 수 있는 혼합수단(310)인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혼합수(310)단으로는 별도의 동력에 의해 회전되는 임펠러(Impeller)를 사용할 수 있다. 별도의 동력으로는 모터 등이 사용될 수 있으며, 모터가 혼합부(300) 내부에 구비된 임펠러(Impeller)와 연동되어 모터에 의해 임펠러(Impeller)가 강하게 회전됨으로써, 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 효과적으로 혼합시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼합수단으로는, 자석 교반기(Magnetic Stirrer)를 사용할 수 있다. 혼합부(300) 내부의 교반자를 혼합부 외부에 배치된 자석을 통해 회전시켜, 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 혼합시킨다. 자석 교반기를 이용하는 경우에는, 혼합부(300) 내부의 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 기계적인 접촉 없이 혼합할 수 있어 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액의 변성을 방지할 수 있는 장점이 있다.
이러한 혼합부(300)는 시린지(400)와 관을 통해 연결되어 있으며, 혼합부(300)에서 혼합되어 만들어진 바이오 잉크는 펌프(320) 등을 통해 시린지(400)로 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 잉크 공급시스템은, 시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 측정하는 센서부(500) 및 센서부(500)로부터 신호를 받아 시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 일정하게 유지시키는 제어부(600)를 포함할 수 있다.
센서부(500)는 시린지(400)로 공급된 바이오 잉크의 수위를 측정하여, 측정값을 제어부(500)로 송신한다. 제어부(500)는, 설정된 기준값과 측정값을 대비하여 바이오 잉크를 시린지(400)로 공급하는 펌프(320)를 작동시키거나 정지시켜 시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 일정하게 유지한다. 구체적으로, 제어부(600)는, 측정값이 기준값 이하인 경우에는, 시린지(400)로부터 바이오 잉크가 토출되는 것과 동시에 펌프(320)를 작동 시켜 바이오 잉크를 공급하거나, 시린지(400)로부터 바이오 잉크가 토출되는 것을 정지시키고 펌프(320)를 작동 시켜 바이오 잉크를 공급한다. 또한 제어부(600)는, 측정값이 기준값 이상인 경우 펌프(320)를 정지시켜 바이오 잉크의 공급을 중단함으로써 시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 일정하게 유지시킨다.
시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 일정하게 유지하는 경우, 바이오 프린팅을 하는 과정에서 시린지(400)를 통해 토출되는 바이오 잉크의 양을 일정하게 유지할 수 있어 정밀한 바이오 프린팅을 할 수 있는 장점이 있다.
센서부(500)는 도 1에 도시된 것과 같은 레이저 센서 또는 도 2에 도시된 것과 같은 스트레치 센서(stretch sensor)를 포함할 수 있다.
스트레치 센서(stretch sensor)(510)는 플렉시블(flexible)한 전도성 고무재질로 길이신축에 따라 전기 저항값이 변하는 센서로, 도 2에 도시된 것과 같이, 스트레치 센서(510)의 양끝단은 시린지(400) 내측 상단에 형성된 센서케이블(520)과 연결될 수 있다. 상기 스트레치 센서(510)에는 캡(530)이 연결되어 있어, 시린지(400) 내의 바이오 잉크의 수위에 따라 캡(530)이 상승하거나 하강하게 되면서 스트레치 센서(510)를 신축시켜 변화되는 전기 저항값을 통해 시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 측정할 수 있다.
이와 같이 스트레치 센서(510)를 사용하는 경우에는, 캡(530)을 통해 공압 집중 현상을 방지할 수 있고, 스트레치 센서(510)가 바이오 잉크에 접촉되지 않아 바이오 잉크의 물성이 변하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 잉크 공급시스템은, 도 3과 같이, 시린지(401, 402, 403)를 통해 바이오 잉크를 지지대(710) 위로 토출하는 출력방식의 3D 바이오 프린터(700)에 적용 될 수 있다. 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100), 세포 저장부(200) 및 혼합부(300)가 헤드 이동 유닛(720)에 형성되며, 하나의 혼합부(300)로부터 각각의 시린지(401, 402, 403)에 바이오 잉크가 공급될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 잉크 공급시스템을 적용한 3D 바이오 프린터(701)의 사시도이다. 도 4를 참조하여 설명하면, 시린지(401, 402, 403) 마다 각각의 하이드로겔(hydrogel) 저장부(101, 102, 103), 세포 저장부 (201, 202, 203) 및 혼합부(301, 302, 303)가 헤드 이동 유닛(720)에 형성될 수 있다. 이와 같은 실시예의 경우 각각의 시린지(401, 402, 403) 마다 다른 종류의 바이오 잉크를 공급할 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이오 잉크 공급시스템을 적용한 3D 바이오 프린터의 사시도로서, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(104, 105, 106) 및 세포 저장부(204, 205, 206)가 헤드 이동 유닛(720)과는 별도로 형성될 수 있다. 각각의 혼합부(304, 305, 306)는 별도로 형성된 하이드로겔(hydrogel) 저장부(104, 105, 106) 및 세포 저장부(204, 205, 206)로부터 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 공급받을 수 있다. 이와 같이, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(104, 105, 106) 및 세포 저장부(204, 205, 206)가 헤드 이동 유닛(720)과 별도로 형성된 실시예의 경우, 하이드로겔(hydrogel) 저장부(104, 105, 106) 및 세포 저장부(204, 205, 206)의 용량을 크게 형성할 수 있어, 보다 많은 양의 바이오 잉크를 시린지(401, 402, 403)에 연속적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태로, 앞서 언급한 바이오 잉크 공급 시스템을 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법을 들 수 있는데, 본 발명에 따른 삼차원 바이오 프린팅 방법은 하이드로겔(hydrogel)을 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)에 보관하는 단계; 세포 용액을 세포 저장부(200)에 보관하는 단계; 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100) 및 세포 저장부(200)로부터 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 혼합부(300)에 공급하는 단계; 혼합부(300)에서 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 혼합하여 시린지(400)로 공급하는 단계; 및 시린지(400) 내부의 바이오잉크 수위를 일정하게 유지하는 단계;를 포함한다.
하이드로겔(hydrogel)을 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)에 보관하는 단계의 하이드로겔(hydrogel)은 알지네이트, 피브리노겐, 카르복실메틸 셀룰로오스, 헤파란황산, 히알루론산, 콜라겐, 덱스트란 등과 같은 천연 고분자 물질을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
하이드로겔(hydrogel)이 콜라겐인 경우, 하이드로겔(hydrogel)을 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)에 보관하는 단계는 10 ~ 15℃ 및 pH 5 ~ 6 조건에서 수행되는 것이 바람직히다. 상기 조건을 벗어나게 되는 경우 콜라겐의 겔화(gelation)가 일어나게 되어, 삼차원 바이오 프린팅에 사용할 수 없게 된다.
세포 용액을 세포 저장부(200)에 보관하는 단계는, 세포 용액에 포함된 세포가 생존할 수 있도록 5% CO2, 37℃ 및 pH 7 ~ 7.5 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 세포 용액을 세포 저장부(200)에 보관하는 단계는, 세포가 침전되는 현상을 방지하기 위해, 세포 용액을 교반하는 단계를 포함할 수 있다. 세포 용액을 교반 하기 위한 수단으로는 자석 교반기(Magnetic Stirrer) 또는 스크류 타입의 임펠러(Impeller)가 사용될 수 있다.
혼합부(300)에서 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 혼합하여 시린지(400)로 공급하는 단계에서는 하이드로겔(hyrdogel)과 세포 용액이 혼합되어 바이오 잉크가 만들어지며, 상기 바이오 잉크는 시린지(400)로 공급된다. 혼합수단(310)으로는 앞서 언급한 임펠러(Impeller)나 자석 교반기(Magnetic Stirrer)가 사용될 수 있다.
시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 일정하게 유지하는 단계는 센서부(500)를 통해 바이오 잉크의 수위를 측정하고, 측정값에 따라 혼합부(300)로부터 시린지(400)로 공급되는 바이오 잉크의 양을 조절함으로써 수행될 수 있다. 상기 센서부(500)로는 앞서 언급한 레이저 센서 또는 스트레치 센서(stretch sensor) 등이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
센서부(500)를 통해 측정된 측정값이 기준값 이하인 경우에는, 시린지(400)로부터 바이오 잉크가 토출되는 것과 동시에 바이오 잉크를 공급하거나, 시린지(400)로부터 바이오 잉크가 토출되는 것을 정지시키고 바이오 잉크를 공급하며, 측정값이 기준값 이상인 경우 바이오 잉크의 공급을 중단함으로써 시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 일정하게 유지할 수 있다.
실험예 1: 바이오 잉크 수위에 따른 프린팅 결과물 측정
공압, 시린지의 이동속도 등의 조건을 동일하게 하여 삼차원 바이오 프린팅을 실시하되, 시린지 내의 바이오 잉크의 수위만을 달리하여 시린지로부터 토출된 바이오 잉크의 토출량을 측정하여 그 결과 값을 표 1에 나타내었다.
바이오 잉크의 수위(ml) 토출량(ml)
2.0 0.069 ± 0.004
0.5 0.080 ± 0.001
표 1의 결과를 통해 확인되듯이, 시린지 내의 바이오 잉크의 수위가 0.5ml인 경우, 바이오 잉크의 수위가 2.0ml인 경우에 비해 약 17% 더 많은 양이 토출되는 것을 알 수 있었다. 이는 시린지 내의 바이오 잉크의 수위에 따라 바이오 프린팅 시 시린지를 통해 토출되는 바이오 잉크의 양이 달라지는 것을 의미한다. 이에 따라, 정밀한 바이오 프린팅을 위해서는 시린지 내의 바이오 잉크의 수위가 일정하게 유지되어야 함을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 당연하다 할 것이다.
100, 101, 102, 103, 104, 105, 106: 하이드로겔 저장부
200, 201, 202, 203, 204, 205, 206: 세포 저장부
300, 301, 302, 303, 304, 305, 306: 혼합부
310: 혼합수단 320: 펌프
400, 401, 402, 403: 시린지 500: 센서부
510: 스트레치 센서 520: 센서케이블
530: 캡 600: 제어부
700, 701, 702: 3D 바이오 프린터 710: 지지대
720: 헤드 이동 유닛 730: X축 스테이지

Claims (10)

  1. 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100);
    세포 저장부(200);
    하이드로겔(hydrogel) 저장부(100) 및 세포 저장부(200)로부터 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액를 공급받아 혼합시키는 혼합부(300);
    시린지(400) 내부의 바이오 잉크 수위를 측정하는 센서부(500); 및
    센서부(500)로부터 신호를 받아 시린지(400) 내부의 바이오잉크 수위를 일정하게 유지시키는 제어부(600);를 포함하고,
    상기 혼합부(300)는, 상기 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액를 혼합하여 제조한 바이오 잉크를 시린지(400)로 공급하는, 바이오잉크 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)는 pH 조절 수단을 포함하는, 바이오잉크 공급시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세포 저장부(200)는 교반 수단을 포함하는, 바이오잉크 공급시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세포 저장부(200)는 5% CO2, 37℃ 및 7 ~ 7.5 pH가 유지되는 것을 특징으로 하는, 바이오잉크 공급시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합부(300)는, 혼합 수단(310)으로 임펠러(Impeller)를 포함하는, 바이오잉크 공급시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서부(500)는, 레이저 센서 또는 스트레치 센서(510)를 포함하는, 바이오잉크 공급시스템.
  7. 하이드로겔(hydrogel)을 하이드로겔(hydrogel) 저장부(100)에 보관하는 단계;
    살아있는 세포가 포함된 세포 용액을 세포 저장부(200)에 보관하는 단계;
    하이드로겔(hydrogel) 저장부(100) 및 세포 저장부(200)로부터 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 혼합부(300)에 공급하는 단계;
    혼합부(300)에서 하이드로겔(hydrogel)과 세포 용액을 혼합하여 시린지(400)로 공급하는 단계; 및
    시린지(400) 내부의 바이오잉크 수위를 일정하게 유지하는 단계;를 포함하는 삼차원 바이오 프린팅 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하이드로겔(hydrogel)은, 알지네이트, 피브리노겐, 카르복실메틸 셀룰로오스, 헤파란황산, 히알루론산, 콜라겐 또는 덱스트란을 포함하는, 삼차원 바이오 프린팅 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    하이드로겔(hydrogel)을 보관하는 단계는, 10 ~ 15℃ 및 pH 5 ~ 6 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 삼차원 바이오 프린팅 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    세포 용액을 보관하는 단계는, 5% CO2, 37℃ 및 pH 7 ~ 7.5 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 삼차원 바이오 프린팅 방법.
KR1020180111533A 2018-09-18 2018-09-18 바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법 KR102160642B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180111533A KR102160642B1 (ko) 2018-09-18 2018-09-18 바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180111533A KR102160642B1 (ko) 2018-09-18 2018-09-18 바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200036077A true KR20200036077A (ko) 2020-04-07
KR102160642B1 KR102160642B1 (ko) 2020-09-29

Family

ID=70291331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180111533A KR102160642B1 (ko) 2018-09-18 2018-09-18 바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102160642B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024128661A1 (ko) * 2022-12-16 2024-06-20 포스코홀딩스 주식회사 바이오 잉크 제조 장치

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240107007A (ko) 2022-12-28 2024-07-08 주식회사 알데바 3d 프린팅용 하이드로겔 조성물 및 그로부터 제조된 3d 프린팅 하이드로겔

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004313859A (ja) * 2003-04-14 2004-11-11 Taiyo Techno Kk 流動体の混合塗布装置
WO2010070775A1 (ja) * 2008-12-19 2010-06-24 株式会社ネクスト２１ 超高強度インジェクタブルハイドロゲル及びその製造方法
JP2016531179A (ja) * 2014-02-28 2016-10-06 ▲華▼中科技大学同▲済▼医学院附属▲協▼和医院 セリシンハイドロゲルの調製方法と使用
KR101799812B1 (ko) 2016-05-31 2017-11-22 원광대학교산학협력단 믹서가 결합된 3d 프린터 및 이를 이용하여 제작된 세포지지체
KR101800249B1 (ko) * 2016-12-23 2017-12-20 주식회사 티앤알바이오팹 세포 프린팅 조성물의 혼합 장치
KR101852590B1 (ko) * 2016-11-29 2018-04-26 동서대학교산학협력단 라떼 아트 제조장치

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004313859A (ja) * 2003-04-14 2004-11-11 Taiyo Techno Kk 流動体の混合塗布装置
WO2010070775A1 (ja) * 2008-12-19 2010-06-24 株式会社ネクスト２１ 超高強度インジェクタブルハイドロゲル及びその製造方法
JP2016531179A (ja) * 2014-02-28 2016-10-06 ▲華▼中科技大学同▲済▼医学院附属▲協▼和医院 セリシンハイドロゲルの調製方法と使用
KR101799812B1 (ko) 2016-05-31 2017-11-22 원광대학교산학협력단 믹서가 결합된 3d 프린터 및 이를 이용하여 제작된 세포지지체
KR101852590B1 (ko) * 2016-11-29 2018-04-26 동서대학교산학협력단 라떼 아트 제조장치
KR101800249B1 (ko) * 2016-12-23 2017-12-20 주식회사 티앤알바이오팹 세포 프린팅 조성물의 혼합 장치

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024128661A1 (ko) * 2022-12-16 2024-06-20 포스코홀딩스 주식회사 바이오 잉크 제조 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR102160642B1 (ko) 2020-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107998449A (zh) 一种3d打印高强度生物墨水材料
CN1205613A (zh) 混合基质植入物和外植物
KR102160642B1 (ko) 바이오 잉크 공급 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법
CN106999635A (zh) 软骨修复用移植物支架及其制造方法
KR20200066314A (ko) 콜라겐 비트리겔 및 이의 정제물의 제조 방법, 그리고 해당 방법에 의해 얻어진 콜라겐 비트리겔 및 이의 정제물
Sultan et al. 3D printed porous cellulose nanocomposite hydrogel scaffolds
CN110743041A (zh) 光固化酶交联型生物墨水及其制备方法和3d打印方法
CN111748526B (zh) 一种仿细胞外基质可打印复合生物墨水的制备方法
CN111617319B (zh) 一种复合水凝胶、制备方法及其应用
Shah et al. Extrusion-based 3D bioprinting of alginate-based tissue constructs
US20240108784A1 (en) Hydrogel for cell-laden bioprinting, bioink, and preparation method and application thereof
WO2018053565A1 (en) Apparatus and method for handheld free-form biofabrication
EP3576775A1 (en) Methods and compositions for matrix preparation
Gregory et al. Rheological characterization of cell-laden alginate-gelatin hydrogels for 3D biofabrication
Hao et al. Functionalized gelatin-alginate based bioink with enhanced manufacturability and biomimicry for accelerating wound healing
Camp et al. Non-cytotoxic dityrosine photocrosslinked polymeric materials with targeted elastic moduli
CN101920045B (zh) 一种明胶-壳聚糖-透明质酸-硫酸肝素复合三维支架及其制备方法
Bharadwaj et al. Open source bioprinters: Revolutionizing the accessibility of biofabrication
CN103819694A (zh) 一种具有细胞相容性的丝素蛋白水凝胶及其制备方法
KR102250268B1 (ko) 3d 바이오프린팅을 위한 바이오잉크 및 그의 프린팅가능성 예측 방법
EP4067051A1 (en) Bio-ink supply system and three-dimensional bioprinting method using same
CN114540275B (zh) 一种皮肤生物打印墨水及其制备方法与应用
KR20210075591A (ko) 혼합가스 주입식 세포 배양 장치
CN103589636A (zh) 一种模拟体内房室模型的系统及其模拟方法
KR20210067628A (ko) 콜라겐을 포함하는 3d 프린팅용 바이오잉크의 제조방법 및 그에 따라 제조된 바이오잉크를 이용한 3d 프린팅 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant