KR20200066017A - 3차원 섬유형 스캐폴드 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

복수의 생체적합성 고분자 섬유를 포함하는 섬유 다공 구조체를 구비하고, 상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착되어 있으며, 상기 섬유 다공 구조체가 섬유 혼합 용액의 동결건조로부터 유래되어, 상기 동결건조용 몰드의 형상에 따라서 원하는 형상을 구현할 수 있는, 3차원 섬유형 스캐폴드, 및 이의 제조방법이 제시된다.

Description

3차원 섬유형 스캐폴드 및 이의 제조방법{3-Dimensional fibrous scaffold, and method for preparing the same}

본 발명은 3차원 섬유형 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 원하는 형태로 성형이 가능하여 비정형화된 조직재생에 적합한 3차원 섬유형 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

질병이나 상해로 인하여 손상된 인체의 조직을 대체하거나 재건 또는 복원하기 위한 수많은 외과수술이 매일 세계적으로 시행되고 있다. 조직의 손상을 대체하는 목적으로 환자의 다른 부위의 조직을 이용하거나 다른 사람의 신체의 조직을 이식한다. 이러한 치료로 생명을 연장할 수 있으나 조직을 이식할 경우 고통이 수반될 수 있고, 많은 경비를 요할 뿐 아니라 감염 위험성이 있으며, 이식 장기의 확보에도 어려움이 있다. 더구나 환자의 면역체계에 의한 거부반응이 있을 수 있다.

재생의학과 거의 동의어로 사용되는 조직공학 분야에서는 환자의 몸에서 생물학적으로 획득한 세포나 조직을 지지체(scaffold)에 배양하여 손상된 부위에 적용함으로써 조직의 기능을 향상시키거나 유지하여 조직이 재생되도록 하는 것을 목표로 하고 있다. 조직공학이란 정상적이거나 병리현상을 보이는 포유류 조직의 구조와 기능 간의 관계를 이해하고 이를 바탕으로 조직기능의 회복과 향상을 위한 생물학적 대체물을 개발하기 위한 공학과 생명과학의 원리와 방법을 활용하는 것이라고 정의될 수 있다.

조직공학은 조직이나 기관의 재생을 위해 다공성의 3차원적 스캐폴드를 사용하는데 스캐폴드는 조직형성에 지지체로 사용된다. 이러한 스캐폴드는 세포나 성장인자를 포함하거나 바이오 반응기의 형태로 물리적인 자극에 대응하는 기능을 가지거나 세포에 가해지는 다양한 형태의 기계적, 화학적 자극에 응답성을 가지고 있어야 한다.

한편, 기존 조직재생용 스캐폴드는 세포지지는 용이하나 원하는 모양이나 형태로 성형을 하거나, 조직에 적합한 물성을 갖게 하기 어려워 실제 조직에 적용하는데 한계가 있었다. 즉, 기존의 조직재생용 스캐폴드는 조직배양, 복잡한 형상 구현, 세포 성장 및 배양액의 이동을 용이하게 하기 위한 기공간의 연결성, 조직 배양에 적합한 물성 등을 모두 만족시키기에는 어려움이 있어 실제 조직에 적용하는데 한계가 있었다.

또한, 전기 방사법, 건식 부직포 제조법, 습식 부직포 제조법 등을 이용한 통상의 부직포형태의 스캐폴드는 복잡한 형상 구현에 제약이 있었다. 벌키 필라멘트, 니트, 직물 등과 같은 섬유 또는 섬유 구조체 역시 다공성, 복잡 형상 구현 등에 제한이 있었다. 수용성 고분자를 이용해 동결건조하여 제조한 다공성 스펀지 형상의 스캐폴드는 오픈 셀(open cell)간의 연결이 떨어져 세포 배양이 제한적이었다. 그 외, 열가공을 이용해 부직포를 성형하는 방법의 경우 몰드에 섬유를 일정하게 충진하는 것이 어렵고, 복잡한 형상을 구현하는데 한계가 있으며, 위치별로 기공도나 밀도가 일정하지 않은 문제가 있었다.

따라서, 정형화되지 않은 조직 재생을 목적으로 하는 복잡한 형상을 구현할 수 있는 조직공학용 3차원 스캐폴드에 대한 요구가 여전히 있는 실정이다.

본 발명이 해결하려는 과제는 원하는 형태로 자유롭게 성형할 수 있어 비정형화된 조직재생에 적용이 가능한 3차원 섬유형 스캐폴드를 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

복수의 생체적합성 고분자 섬유를 포함하는 섬유 다공 구조체를 구비하고,

상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유의 적어도 일부가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착되어 있으며,

상기 섬유 다공 구조체가 섬유 혼합 용액의 동결건조로부터 유래되어, 상기 동결건조용 몰드의 형상에 따라서 원하는 형상을 구현할 수 있는, 3차원 섬유형 스캐폴드가 제공된다.

상기 생체적합성 고분자 섬유가 폴리락트산 섬유, 폴리글리콜산 섬유, 폴리카프로락톤 섬유, 폴리락트산-글리콜산 공중합체 섬유, 폴리락트산-카프로락톤 공중합체 섬유, 폴리글리콜산-카프로락톤 공중합체 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리올레핀 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 폴리에스테르 섬유, 또는 이들의 2 이상의 혼합 섬유를 포함할 수 있다.

상기 생체적합성 고분자 섬유가 서로 융점이 상이한 2 이상의 섬유를 포함할 수 있다.

상기 생체적합성 고분자 섬유의 적어도 일부가 40 내지 300℃의 융점을 가질 수 있다.

상기 섬유 구조체가 상기 생체적합성 고분자 섬유의 표면 및 상기 섬유들 사이에 부착되어 있는 수용성 고분자를 더 포함할 수 있다.

상기 수용성 고분자가 알지네이트, 카르복시메틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 메틸셀룰로오스, 키토산 유도체, 히알루론산, 구아검, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.

상기 수용성 고분자의 함량이 상기 3차원 섬유형 스캐폴드 전체 중량 대비 0.5 내지 50 중량%일 수 있다.

상기 형상이 정형, 비정형, 또는 정형과 비정형의 복합 형태일 수 있다.

상기 섬유 구조체의 적어도 일면 상에 위치하는 추가 섬유 구조체를 더 포함할 수 있다.

상기 추가 섬유 구조체가 직물, 편물, 부직포, 방적사, 섬유 다발 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면,

수용성 고분자 수용액을 준비하는 단계;

상기 수용성 고분자 수용액에 복수의 생체적합성 고분자 섬유를 분산하여 섬유 혼합 용액을 준비하는 단계;

상기 섬유 혼합 용액을 원하는 형상의 동결건조용 몰드에 부은 후 동결건조하는 단계; 및

상기 동결건조된 결과물을 열처리하여 상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유 적어도 일부가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착시키는 단계;를 포함하고,

상기 동결건조용 몰드의 형상에 따라서 원하는 형상을 구현할 수 있는, 3차원 섬유형 스캐폴드의 제조방법이 제공된다.

상기 3차원 섬유형 스캐폴드에서 상기 수용성 고분자를 물에 용해시키는 방법으로 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 동결건조용 몰드에 미리 추가 섬유 구조체를 배치시키고, 상기 추가 섬유 구조체 상에 상기 섬유 혼합 용액을 붓는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 추가 섬유 구조체가 직물, 편물, 부직포, 방적사, 섬유 다발 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

상기 3차원 섬유형 스캐폴드를 감마선 조사하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 섬유형 스캐폴드는, 생체적합성 섬유와 증점 기능을 갖는 수용성 고분자로 이루어진 섬유형 스캐폴드로서, 생체적합성 섬유와 수용성 고분자를 포함하는 섬유 혼합 용액을 동결건조하는 방식으로 제조되므로, 상기 동결건조용 몰드의 형상에 따라서 원하는 형상을 구현할 수 있고, 시트상이나 직육면체와 같은 정형화된 구조뿐만 아니라 특히 종래의 방식으로는 제조할 수 없는 원형, 요철, 굴곡진 형태 등과 같은 복잡 형상의 스캐폴드도 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 섬유형 스캐폴드는 세포 부착 및 성장에 효과적이며, 원하는 형태로 자유롭게 성형할 수 있어 비정형화된 조직(Organ) 형상으로도 세포 배양이 가능하다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 섬유형 스캐폴드의 광학 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 섬유형 스캐폴드의 광학 사진이다.
도 3은 실시예 1에서 제조한 스캐폴드를 이용해 세포 배양을 한 결과 배양 시간에 따른 성장된 세포의 개수를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에서 제조한 스캐폴드의 SEM 사진이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 생체적합성 고분자 섬유를 포함하는 섬유 다공 구조체를 구비하고, 상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유의 적어도 일부가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착되어 있으며, 상기 섬유 다공 구조체가 섬유 혼합 용액의 동결건조로부터 유래되어, 상기 동결건조용 몰드의 형상에 따라서 원하는 형상을 구현할 수 있는, 3차원 섬유형 스캐폴드가 제공된다.

상기 생체적합성 고분자 섬유라 함은 생체조직에 악영향을 끼치지 않고 원하는 기능을 발휘할 수 있는 생체 친화력을 가지는 천연고분자 또는 합성 고분자로부터 유래된 섬유를 말한다. 이러한 생체적합성 섬유는 사람의 외부 피부에 적용되는 수술용 봉합사, 지혈제, 창상피복재외에, 신체 내부의 유착방지재 비강 충진재, 천공 충진재로 사용되는 경우에도, 생체조직에 악영향을 미치지 않고 생체 친화력이 있다.

이러한 생체적합성 고분자 섬유로는 생분해성 섬유, 비생분해성 섬유, 또는 이들의 혼합 섬유가 모두 적용될 수 있다.

상기 생분해성 섬유라 함은, 수분이나 체내 분해 효소에 의해 분해될 수 있는 고분자로 제조된 섬유를 말하고, 생분해 속도라 함은 이러한 섬유가 시간 경과에 따라 분해되는 빠르기 정도를 의미한다. 다양한 생분해성 고분자 소재로 제조된 섬유를 적용할 수 있고, 그 비제한적인 예로서, 폴리락트산 섬유, 폴리글리콜산 섬유, 폴리카프로락톤 섬유, 폴리락트산-글리콜산 공중합체 섬유, 폴리락트산-카프로락톤 공중합체 섬유, 폴리글리콜산-카프로락톤 공중합체 섬유, 또는 이들의 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.

상기 비생분해성 섬유는 생체적합성은 있으되 생분해성이 아닌 다양한 합성 섬유 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 소재로 제조된 섬유가 적용될 수 있고, 그 비제한적인 예로서, 폴리비닐알코올, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 또는 이들의 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 비생분해성 제2 섬유로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리사이클로헥산디메탄올 테레프탈레이트(PCT) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)으로 이루어진 군에서 선택되는 폴리에스테르계 고분자; 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 4 및 나일론 4,6에서 선택되는 폴리아미드계 고분자; 또는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌에서 선택되는 폴리올레핀계 고분자, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 2 이상의 혼합물에는 폴리에스테르계 고분자 중 2개 이상을 선택할 수도 있고, 폴리에스테르계 고분자 중 1 이상과, 폴리올레핀계 고분자 중 1상을 각각 선택한 혼합물일 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 생체적합성 고분자 섬유로는 체내에서 분해 흡수되는 소재(bioresorbable materials)가 더 사용될 수 있으며, 이러한 체내 분해성 고분자 섬유를 포함하는 3차원 섬유형 스캐폴드는, 세포를 배양한 후 세포가 배양된 스캐폴드를 그대로 체내 이식하여 사용할 경우 소기의 목적을 달성한 후 체내에서 분해 흡수되는 이점이 있다.

상기 섬유 다공 구조체는 복수의 생체적합성 고분자 섬유를 포함하고 있으며, 상기 생체적합성 고분자 섬유가 일정한 규칙 없이 랜덤하게 배치되고, 소정의 높이를 가지는 구조물이다. 이때, 상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유는 서로 걸쳐지며 접촉할 수 있고, 서로 이웃하는 섬유들이 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 전부 또는 적어도 일부가 열융착될 수 있고, 이렇게 열융착된 지점이 섬유들을 서로 연결 및 고정시켜 섬유 다공 구조체가 스캐폴드로서 적용될 수 있는 소정의 기계적 물성을 부여할 수 있게 된다.

상기 생체적합성 고분자 섬유의 전부 또는 적어도 일부는 소정 융점을 가지고, 상기 융점 부근에서 섬유 다공성 구조체를 열처리한 결과, 섬유들이 용융된 후 냉각처리하여 고화될 때, 서로 이웃하는 섬유들이 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착되는 것이다.

상기 섬유 다공 구조체는 후술하는 제조 방법에서 설명된 바와 같이, 상기 수용성 고분자 수용액에 복수의 생체적합성 고분자 섬유를 분산하여 얻은 섬유 혼합 용액을 동결건조하여 얻게 되는 바, 상기 동결건조시 사용되는 몰드의 형상에 따라서 원하는 다양한 형태로 성형이 가능하다. 그 결과, 시트상이나 직육면체와 같은 정형화된 구조뿐만 아니라 특히 종래의 방식으로는 제조할 수 없는 원형, 요철, 굴곡진 형태 등과 같은 복잡 형상의 스캐폴드도 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 섬유형 스캐폴드는 비정형화된 조직(Organ) 형상으로도 세포 배양이 가능하다.

또한, 상기 생체적합성 고분자 섬유는 서로 융점이 동일한 섬유일 수도 있고, 융점이 상이한 2 이상의 섬유를 포함할 수도 있다. 상기 생체적합성 고분자 섬유가 서로 상이한 융점을 갖는 경우에, 상기 생체적합성 고분자 섬유의 적어도 일부는 40 내지 300℃, 또는 50 내지 200℃의 융점을 가질 수 있다. 상기 융점이 이러한 범위를 만족하는 경우에, 열처리하는 과정에서 증점 효과를 갖는 수용성 고분자의 열분해가 일어나는 문제를 방지할 수 있고, 보관 안정성이 개선될 수 있다. 즉, 융점이 너무 높으면 융착시키기 위한 열처리 온도가 높아지고, 이에 따라 증점 효과를 갖는 수용성 고분자의 열분해가 증가할 수 있으며, 너무 낮을 경우 멸균이나 유통과정에서 낮은 열을 받을 경우에도 형태 변형 등이 올 수 있으나, 상기 융점이 전술한 범위를 만족함으로써, 이러한 문제를 방지할 수 있다.

상기 생체적합성 고분자 섬유는 서로 상이한 융점을 가지는 저융점 섬유와 고융점 섬유를 포함하고, 열처리 온도 조건을 저융점 섬유의 융점 부근에서 열처리하는 경우, 저융점 섬유만이 용융된 후 다시 고화되고, 고융점 섬유는 융융되지 않게 되어, 저융점 섬유만이 열융착을 위한 기재로서 사용될 수 있다.

상기 생체적합성 고분자 섬유의 평균 직경은 0.1 내지 30㎛, 또는 1 내지 25㎛, 또는 4 내지 20㎛일 수 있다. 상기 평균 직경이 이러한 범위를 만족하는 경우 혼합 용액 제조시 분산성을 확보하고 스캐폴드의 물리적 강도 및 유연성 등을 두루 구비할 수 있다.

상기 생체적합성 고분자 섬유의 평균 길이는 0.1 내지 15mm, 또는 1 내지 10mm, 또는 2 내지 6mm일 수 있다. 상기 평균 길이가 이러한 범위를 만족하는 경우 섬유간 결합력이 떨어지는 것을 방지할 수 있으며, 혼합 용액 제조시 분산성을 확보할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 구조체는 상기 생체적합성 고분자 섬유의 표면 및 상기 섬유들 사이에 부착되어 있는 수용성 고분자를 더 포함할 수 있다. 상기 섬유 구조체는 수용성 고분자 수용액에 복수의 생체적합성 고분자 섬유를 분산하여 얻은 섬유 혼합 용액의 동결건조 및 열처리를 거쳐 얻어진 결과물에서, 상기 생체적합성 고분자 섬유를 포함하고, 랜덤하게 분산시키고 있는 매질 역할을 하는 수용성 고분자를 제거하는지 여부에 따라서, 2가지 형태를 가질 수 있다. 수용성 고분자를 제거하는 경우에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 구조체는 복수의 생체적합성 고분자 섬유만으로 구성되되, 상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착되어 있는 형태일 수 있다. 이와 달리, 수용성 고분자를 제거하지 않는 경우에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 구조체는 복수의 생체적합성 고분자 섬유, 및 상기 생체적합성 고분자 섬유의 표면 및 상기 섬유들 사이에 부착되어 있는 수용성 고분자를 포함하되, 상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착되어 있는 형태일 수 있다.

상기 수용성 고분자는 증점 효과를 가지는 수용성 고분자라면 제한 없이 적용할 있으며, 비제한적인 예로서, 알지네이트, 카르복시메틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 메틸셀룰로오스, 키토산 유도체, 히알루론산, 구아검, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.

상기 수용성 고분자의 ?량은 상기 3차원 섬유형 스캐폴드 전체 중량 대비 0.5 내지 50 중량%, 또는 5 내지 25 중량%, 또는 10 내지 20 중량%일 수 있다. 상기 수용성 고분자의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우에는, '수용성 고분자 함량이 너무 많아서 스캐폴드 내 셀(기공, cell, pore)이 인접한 기공과 연결되지 않는 클로즈드 셀(closed cell)이 되는 문제'가 해소되어 오픈 셀(open cell) 형상을 얻기가 용이하고, 스캐폴드의 습윤 강도(wet strength)가 우수하며, 동결건조용 혼합액 제조시 섬유의 분산성이 저하되지 않아, 균일한 구조를 얻을 수 있는 유리한 효과가 있다.

상기 3차원 섬유형 스캐폴드가 구현할 수 있는 형상은 시트상이나 직육면체와 같은 정형; 원형, 요철, 굴곡진 형태, 반월상 연골이나 인체 조직 등과 같은 비정형; 또는 상기 정형과 비정형의 복합 형태;일 수 있다.

상기 섬유 구조체의 적어도 일면 상에 위치하는 추가 섬유 구조체를 더 포함할 수 있다. 상기 추가 섬유 구조체가 직물, 편물, 부직포, 방적사, 섬유 다발(tow) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른, 3차원 섬유형 스캐폴드의 제조방법은,

수용성 고분자 수용액을 준비하는 단계;

상기 수용성 고분자 수용액에 복수의 생체적합성 고분자 섬유를 분산하여 섬유 혼합 용액을 준비하는 단계;

상기 섬유 혼합 용액을 원하는 형상의 동결건조용 몰드에 부은 후 동결건조하는 단계; 및

상기 동결건조된 결과물을 열처리하여 상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유의 적어도 일부가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착시키는 단계;를 포함하고, 상기 동결건조용 몰드의 형상에 따라서 원하는 형상을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 추가적으로 수용성 고분자를 제거하는 단계를 더 거칠 수 있다.

각 단계별로 이하 설명하겠다. 이때, 수용성 고분자와 생체적합성 고분자 섬유에 대한 설명은 전술한 바와 같다.

먼저, 상기 수용성 고분자 수용액은 상기 수용성 고분자를 물(예를 들어, 증류수 등)에 용해하는 방식으로 준비될 수 있다. 상기 수용성 고분자 수용액에서 수용성 고분자의 농도는 0.05 내지 15 w/v%, 또는 0.05 내지 10 w/v%, 또는 0.1 내지 2.0 w/v%일 수 있다.

다음으로, 상기 준비된 수용성 고분자 수용액에 복수의 생체적합성 고분자 섬유를 분산하여 섬유 혼합 용액을 준비한다.

상기 생체적합성 고분자 섬유의 함량은 수용성 고분자 100 중량부 기준으로 100 내지 10,000 중량부, 또는 200 내지 2,000 중량부, 또는 300 내지 500 중량부 일 수 있다. 상기 생체적합성 고분자 섬유의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 혼합 용액 제조시 분산성을 확보하고 스캐폴드의 물리적 강도 및 유연성 등을 두루 구비할 수 있다.

상기 섬유 혼합 용액을 원하는 형상의 동결건조용 몰드에 부은 후 동결건조한다. 상기 동결 단계는 0℃ 이하, 또는 -40 내지 0℃, 또는 -40 내지 -10℃의 온도에서 실시될 수 있다. 이때, 상기 동결건조용 몰드의 형상에 따라서 원하는 형상을 구현할 수 있고, 시트상이나 직육면체와 같은 정형화된 구조뿐만 아니라 특히 종래의 방식으로는 제조할 수 없는 원형, 요철, 굴곡진 형태 등과 같은 복잡 형상의 스캐폴드도 얻을 수 있다.

상기 동결건조된 결과물을 열처리하여 상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유의 적어도 일부가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착시킨다. 이때, 열처리 온도는 열융착되는 생체적합성 고분자 섬유의 융점에 따라서 적절하게 조절될 수 있다. 예를 들어, 생체적합성 고분자 섬유의 융점내지 융점보다 20℃ 높은 온도 범위가 선택될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 동결건조 후 열처리하는 단계에서 필요에 따라 최종적으로 얻고자 하는 스캐폴드 형상에 맞게 변형을 주어 추가적으로 형상을 미세 변형할 수 있다. 예를 들어, 열처리할 때 제조하고자 하는 조직의 형상에 더 부합하게 미세 조정된 몰드(틀)에 넣고 열처리하면 열처리하는 틀 형상에 맞게 미세 조정된 형태를 만들 수 있다. 동결건조할 때 사용하는 몰드는 수용액을 사용하므로 상대적으로 몰드의 형상에 제한을 받을 수 있어서 유사한 형상을 만들고 재가공하는 방식을 사용할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 동결건조된 결과물을 열처리하는 단계 이후에, 선택적으로 상기 수용성 고분자를 물에 용해시키는 방법으로 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 동결건조용 몰드에 미리 추가 섬유 구조체를 배치시키고, 상기 추가 섬유 구조체 상에 상기 섬유 혼합 용액을 붓는 단계를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 동결건조시 동결건조용 몰드의 적어도 일면에 니트나 직물을 덧댐으로써 복잡 형상을 가지면서 부직포와 다른 섬유 구조체가 결합된 형태의 스캐폴드를 제조할 수 있다.

상기 추가 섬유 구조체가 직물, 편물, 부직포, 방적사, 섬유 다발 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 3차원 섬유형 스캐폴드를 제조한 후에 추가적으로 감마선 조사를 더 실시할 수 있다. 이러한 감마선 조사 단계는 3차원 섬유형 스캐폴드를 구성하는 생체적합성 고분자 섬유로 사용된 생분해성 섬유의 생분해 정도를 더 개선시킬 수 있다.

나아가, 이러한 감마선 조사 단계는 생장되는 세포에 직접 적용되는 3차원 섬유형 스캐폴드를 열이나 화학 약품을 사용하지 않으면서도 살균하는 효과를 가질 수 있으며, 감마선 조사에 의해 고분자의 분자량 감소가 일어나 생분해 속도를 높일 수도 있다. 상기 감마선 조사는 예를 들어, 10 내지 100 kGy, 상세하게는 5 내지 50 kGy의 조사량으로 실시될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

실시예 1

증점 효과를 가지는 수용성 고분자로 알지네이트를 증류수에 녹여 0.2 w/v%의 알지네이트 수용액 1,000mL를 제조하였다. 제조한 알지네이트 수용액에 섬유 길이가 5mm이고, 섬도가 2 데니어(denier)이고, 융점이 210℃인 폴리글리콜산-락트산 공중합체(poly glycolic acid-co-lactic acid, PGLA910, 글리콜산과 락트산의 중량비 90:10) 단섬유 및 섬유 길이가 5mm이고, 섬도가 6 데니어이고, 융점이 160℃인 폴리락트산(PLA) 단섬유를 각각 5 g 혼합하여 분산시켜 섬유 혼합 용액을 제조하였다.

제조한 섬유 혼합 용액을 원하는 형상의 동결건조용 몰드에 부은 후 동결건조기를 이용하여 통상의 동결 조건인 -20℃에서 동결시킨 후, 40℃까지 서서히 승온하면서 진공 건조하여 폴리글리콜산-락트산 공중합체 섬유, 폴리락트산 섬유, 및 상기 폴리글리콜산-락트산 공중합체 섬유와 폴리락트산 섬유를 연결 및 고정시키는 알지네이트를 포함하는 섬유 다공 구조체를 제조하였다.

제조한 섬유 다공 구조체를 컨벡션 오븐에 넣어 160℃ 30분간 열처리하여, 상기 폴리글리콜산-락트산 공중합체 섬유 및 폴리락트산 섬유를 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착시켜서, 3차원 섬유형 스캐폴드를 제조하였다. 제조된 3차원 섬유형 스캐폴드는 도 1에 나타내었다.

실시예 2

증점 효과를 가지는 수용성 고분자로 소디움 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 증류수에 녹여 0.2 w/v%의 소디움 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 수용액 1,000mL를 제조하였다. 제조한 소디움 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 수용액에 섬유 길이가 5mm이고, 섬도가 2 데니어이고, 융점이 210℃인 폴리글리콜산-락트산 공중합체(Poly glycolic acid-co-lactic acid, PGLA910, 글리콜산과 락트산의 중량비 90:10) 단섬유 및 섬유 길이가 5mm이고, 섬도가 6 데니어이고, 융점이 130℃인 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트 (LM-PET) 단섬유를 각각 5 g 혼합하여 분산시켜 섬유 혼합 용액을 제조하였다.

제조한 섬유 혼합 용액을 원하는 형상의 동결건조용 몰드에 부은 후 동결건조기를 이용하여 통상의 동결 조건인 -20℃에서 동결시킨 후, 40℃까지 서서히 승온하면서 진공 건조하여 폴리글리콜산-락트산 공중합체 섬유, 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트 (LM-PET) 단섬유, 및 상기 폴리글리콜산-락트산 공중합체 섬유와 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트 (LM-PET) 단섬유를 연결 및 고정시키는 소디움 카르복시메틸 셀룰로오스를 포함하는 섬유 다공 구조체를 제조하였다.

제조한 섬유 다공 구조체를 컨벡션 오븐에 넣어 140℃ 10분간 열처리하여, 상기 폴리글리콜산-락트산 공중합체 섬유 및 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트 (LM-PET) 단섬유를 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착시켜서, 3차원 섬유형 스캐폴드를 제조하였다. 제조된 3차원 섬유형 스캐폴드는 도 2에 나타내었다.

실험예 1: 세포 성장 분석

세포로 마우스(mouse) 섬유아세포인 NIH 3T3 (mouse embryonic fibroblast cell line)를 준비하고, 가습된 인큐베이터(humidified incubator)에서 배양액 [Dulbecco's Modified Eagle Medium, 4500mg/L glucose, 4.0mM L-glutamine with sodium Pyruvate (DMEM, HyClone), 10% Newborn Calf Serum heat inactivated (BCS, Gibco), 1% penicillin-Streptomycin(Gibco)]으로 배양하였다.

샘플은 1 cm × 1 cm × 1 cm 로 커팅 한 후 48 웰 플레이트(well plate)에 각각 넣고, 1X10⁴ 개의 세포가 스캐폴드 위와 내부에 골고루 부착될 수 있도록 시딩하였다.

세포 시딩 후 24시간 경과되면, 샘플을 모두 24 well plate로 옮기고, 세포 시딩 후 2, 4, 10일이 되었을 때, MTS([3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-5-(3- carboxymethoxyphenyl)-2-(4-sulfophenyl)-2H-tetrazolium, inner salt; MTS] assay를 통해 성장한 세포 수를 정량하였고, 배양 시간에 따른 성장된 세포의 개수를 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, 실시예 1에서 제조한 스캐폴드를 이용해 세포 배양을 한 결과 세포가 잘 배양됨을 확인할 수 있었다.

실험예 2: 표면 관찰

실시예 1에서 제조한 스캐폴드의 표면을 관찰한 SEM (주사 전자 현미경)사진을 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 상기 생체적합성 고분자 섬유의 표면 및 상기 섬유들 사이에 수용성 고분자가 부착되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Claims (15)

1. 복수의 생체적합성 고분자 섬유를 포함하는 섬유 다공 구조체를 구비하고,
   상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유의 적어도 일부가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착되어 있으며,
   상기 섬유 다공 구조체가 섬유 혼합 용액의 동결건조로부터 유래되어, 상기 동결건조용 몰드의 형상에 따라서 원하는 형상을 구현할 수 있는, 3차원 섬유형 스캐폴드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 생체적합성 고분자 섬유가 폴리락트산 섬유, 폴리글리콜산 섬유, 폴리카프로락톤 섬유, 폴리락트산-글리콜산 공중합체 섬유, 폴리락트산-카프로락톤 공중합체 섬유, 폴리글리콜산-카프로락톤 공중합체 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리올레핀 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 폴리에스테르 섬유, 또는 이들의 2 이상의 혼합 섬유를 포함하는 3차원 섬유형 스캐폴드.
3. 제1항에 있어서,
   상기 생체적합성 고분자 섬유가 서로 융점이 상이한 2 이상의 섬유를 포함하는 3차원 섬유형 스캐폴드.
4. 제1항에 있어서,
   상기 생체적합성 고분자 섬유의 적어도 일부가 40 내지 300℃의 융점을 갖는 3차원 섬유형 스캐폴드.
5. 제1항에 있어서,
   상기 섬유 구조체가 상기 생체적합성 고분자 섬유의 표면 및 상기 섬유들 사이에 부착되어 있는 수용성 고분자를 더 포함하는 3차원 섬유형 스캐폴드.
6. 제5항에 있어서,
   상기 수용성 고분자가 알지네이트, 카르복시메틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 메틸셀룰로오스, 키토산 유도체, 히알루론산, 구아검, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하는 3차원 섬유형 스캐폴드.
7. 제5항에 있어서,
   상기 수용성 고분자의 함량이 상기 3차원 섬유형 스캐폴드 전체 중량 대비 0.5 내지 50 중량%인 3차원 섬유형 스캐폴드.
8. 제1항에 있어서,
   상기 형상이 정형, 비정형, 또는 정형과 비정형의 복합 형태인 3차원 섬유형 스캐폴드.
9. 제1항에 있어서,
   상기 섬유 구조체의 적어도 일면 상에 위치하는 추가 섬유 구조체를 더 포함하는 3차원 섬유형 스캐폴드.
10. 제9항에 있어서,
    상기 추가 섬유 구조체가 직물, 편물, 부직포, 방적사, 섬유 다발 또는 이들의 혼합물인 3차원 섬유형 스캐폴드.
11. 수용성 고분자 수용액을 준비하는 단계;
    상기 수용성 고분자 수용액에 복수의 생체적합성 고분자 섬유를 분산하여 섬유 혼합 용액을 준비하는 단계;
    상기 섬유 혼합 용액을 원하는 형상의 동결건조용 몰드에 부은 후 동결건조하는 단계; 및
    상기 동결건조된 결과물을 열처리하여 상기 복수의 생체적합성 고분자 섬유 적어도 일부가 서로 걸쳐지며 접촉하는 위치에서 열융착시키는 단계;를 포함하고,
    상기 동결건조용 몰드의 형상에 따라서 원하는 형상을 구현할 수 있는, 3차원 섬유형 스캐폴드의 제조방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 3차원 섬유형 스캐폴드에서 상기 수용성 고분자를 물에 용해시키는 방법으로 제거하는 단계를 더 포함하는 3차원 섬유형 스캐폴드의 제조방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 동결건조용 몰드에 미리 추가 섬유 구조체를 배치시키고, 상기 추가 섬유 구조체 상에 상기 섬유 혼합 용액을 붓는 단계를 더 포함하는 3차원 섬유형 스캐폴드의 제조방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 추가 섬유 구조체가 직물, 편물, 부직포, 방적사, 섬유 다발 또는 이들의 혼합물인 3차원 섬유형 스캐폴드의 제조방법.
15. 제11항에 있어서,
    상기 3차원 섬유형 스캐폴드를 감마선 조사하는 단계를 더 포함하는 3차원 섬유형 스캐폴드의 제조방법.
    

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