KR20220058475A - 다축 인공 근육 조직, 이를 형성하기 위한 방법 및 구조체 - Google Patents

다축 인공 근육 조직, 이를 형성하기 위한 방법 및 구조체 Download PDF

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Abstract

다축 인공 근육 조직이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 다축 인공 근육 조직은 복수 개의 축을 중심으로 수축 또는 인장 가능한 다축 인공 근육 조직으로서, 근육세포를 포함하는 하이드로젤이 겔화되어 형성되며, 제1 축 방향으로 수축 또는 인장 가능하도록 상기 제1 축 방향으로 연장되어 형성되는 제1 모듈; 및 상기 하이드로젤이 겔화되어 형성되며, 제2 축 방향으로 수축 또는 인장 가능하도록 상기 제2 축 방향으로 연장되어 형성되는 제2 모듈;을 포함하고, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈의 일부가 서로 연결되도록 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 각각을 구성하는 하이드로젤의 일부가 일체화된다.

Description

다축 인공 근육 조직, 이를 형성하기 위한 방법 및 구조체{MULTIAXIAL ARTIFICIAL MUSCLE TISSUE, METHOD AND STRUCTURE FOR FORMING SAME}
본 발명은 다축 인공 근육 조직, 이를 형성하기 위한 방법 및 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 축을 중심으로 수축 또는 인장 가능한 다축 인공 근육 조직, 이를 형성하기 위한 방법 및 구조체에 관한 것이다.
근육 조직은 신경 자극에 반응하여 수축을 하는 조직으로 구조적으로는 가로무늬근과 민무늬근으로 나누어지며 더 세부적으로는 골격근, 심장근육, 평활근 세 가지로 구분된다. 특히 골격근과 심장근육 조직은 긴 원주형의 형태를 이루고 있으며, 세포 길이 방향으로 수축운동을 한다.
이러한 근육 조직은 효율적으로 수축력을 생성하기 위해 일정한 방향성을 갖고 있다. 예를 들어 골격근 조직은 하나의 방향으로 정렬되어 있으며, 뼈에 부착되어 수축 운동을 하며 몸의 움직임을 일으킨다. 그리고, 심장근육 조직은 수축 운동을 통해 혈액을 몸 전체에 순환시키는 역할을 하며, 골격근 조직과는 다르게 도 1에 도시된 바와 같이 선형이 아닌 방(chamber) 형태를 갖고 있다. 효율적으로 수축력을 내기 위해 심근 세포가 하나의 방향으로 정렬되어 조직을 형성하지만, 좌심실의 외심막에서 내심막으로 이르기까지 다른 각도의 방향으로 정렬되어 소용돌이 형태의 구조로 되어 있다. 이를 통해 심방은 충분히 수축될 수 있으며 혈액이 보다 몸 전체로 잘 순환하도록 할 수 있다.
한편, 인공 근육 조직은 손상된 골격근과 심장 근육을 대체하거나, 재생을 돕기 위해 연구되고 있다. 또한 체외에서 체내의 각 근육 조직의 병태생리학(pathophysiology)적 특징을 모사하여 질환에 대한 이해를 돕거나 새로운 치료법을 연구하기 위한 플랫폼으로 사용되고 있다.
앞서 설명한 것처럼 근육은 방향성을 갖는 조직이기 때문에 인공 근육 조직을 제작하는 데 있어서 실제의 근육 조직의 환경을 모사하기 위해 세포의 방향성을 부여하는 것은 조직의 기능을 향상시키기는 데 중요한 역할을 한다.
현재 3차원의 인공 근육 조직의 방향성을 부여하기 위해 가장 널리 사용되는 방식은 몰드에 근육 세포를 포함한 하이드로젤을 넣고 조직을 제작하는 것이다. 몰드에 위치한 하이드로젤은 조직이 형성될수록 수축하는 성질이 있다. 이때 몰드 내부에 기둥(post)이나 탄성이 있는 와이어를 사용하여 수축하는 조직에 반대 방향으로 인장력을 부여하면 조직 내의 세포가 인장력을 따라서 방향성을 갖게 된다.
하지만 기존 방식은 몰드의 크기와 구조가 제한되어 있어 제작 가능한 조직의 크기와 방향성이 제한적이다. 특히 기존 방식에 의할 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 다양한 방향성을 가진 심장 근육을 모사하기에 어려움이 있어 실제 심장근육 조직의 형태를 모사하기에 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 다양한 방향성을 가지는 다축 인공 근육 조직을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 다축 인공 근육 조직을 용이하게 구현할 수 있도륵 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 방법 및 구조체를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 복수 개의 축을 중심으로 수축 또는 인장 가능한 다축 인공 근육 조직으로서, 근육세포를 포함하는 하이드로젤이 겔화되어 형성되며, 제1 축 방향으로 수축 또는 인장 가능하도록 상기 제1 축 방향으로 연장되어 형성되는 제1 모듈; 및 상기 하이드로젤이 겔화되어 형성되며, 제2 축 방향으로 수축 또는 인장 가능하도록 상기 제2 축 방향으로 연장되어 형성되는 제2 모듈;을 포함하고, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈의 일부가 서로 연결되도록 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 각각을 구성하는 하이드로젤의 일부가 일체화되는, 다축 인공 근육 조직이 제공한다.
이때, 상기 근육세포는 심근세포를 포함할 수 있다.
이때, 상기 근육세포는 골격근세포를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 축과 상기 제2 축은 서로 교차하도록 배치될 수 있다.
이때, 상기 제1 축과 상기 제2 축은 서로 평행하도록 배치될 수 있다.
이때, 상기 하이드로젤이 겔화되어 형성되며, 제3 축 방향으로 수축 또는 인장 가능하도록 상기 제3 축 방향으로 연장되어 형성되는 제3 모듈;을 더 포함하고, 상기 제1 모듈 내지 상기 제3 모듈의 일부가 서로 연결되도록 상기 제1 모듈 내지 상기 제3 모듈 각각을 구성하는 하이드로젤의 일부가 결합될 수 있다.
이때, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈은 상기 제1 축과 상기 제2 축을 포함하는 다축 구조의 단일한 프레임을 이용하여 일체로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈은 서로 이격된 위치에서 각각 1차적으로 가교결합(cross-linking)된 후, 상기 제1 모듈이 상기 제2 모듈 측으로 이동되어 서로 연결될 수 있다.
이때, 상기 제1 모듈의 일부는 상기 제2 모듈의 위에 배치될 수 있다.
이때, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈은 동일한 평면 상에서 서로 접하도록 배치될 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 다축 인공 근육 조직을 형성하는 방법으로서, 제1 프레임을 이용하여 상기 제1 모듈을 형성하는 단계; 상기 제1 프레임과 이격되어 위치하는 제2 프레임을 이용하여 상기 제2 모듈을 형성하는 단계; 상기 제1 모듈 및 상기 제2 모듈에 포함된 상기 근육세포가 각각 상기 제1 축 및 상기 제2 축 방향을 따라 정렬되도록 유도하는 단계; 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈이 접하도록 상기 제1 모듈 또는 상기 제2 모듈을 이동시키는 단계; 및 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 각각을 구성하는 하이드로젤의 일부가 일체화되도록 유도하는 단계;를 포함하는, 다축 인공 근육 조직을 형성하는 방법을 제공한다.
이때, 상기 제1 모듈을 상기 제2 모듈과 접하도록 이동시키는 단계는, 상기 제1 프레임을 반전시키는 단계; 및 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈이 접하도록 상기 제1 프레임을 상기 제2 프레임 상에 적층시키는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 모듈을 상기 제2 모듈과 접하도록 이동시키는 단계는, 상기 제1 모듈을 상기 제1 프레임으로부터 분리시킨 후, 제3 프레임에 고정시키는 단계; 및 상기 제2 모듈을 상기 제2 프레임으로부터 분리시킨 후, 상기 제3 프레임에 고정시키는 단계;를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체로서, 소정 양의 상기 하이드로젤이 수용되는 수용공간을 구획하도록 측벽을 구비하는 측벽부; 및 상기 수용공간 내에 이격 배치되어 상기 측벽부에 의해 지지되는 제1 기둥 내지 제4 기둥을 포함하는 기둥부;를 포함하고, 상기 측벽은, 상기 수용공간 측으로 인입되어 형성되는 복수 개의 절곡 부분을 포함하고, 상기 제1 기둥 내지 상기 제4 기둥은, 상기 제1 기둥 및 상기 제2 기둥을 연결한 가상의 제1 선과, 상기 제3 기둥 및 상기 제4 기둥을 연결한 가상의 제2 선이 서로 교차되도록 배치되는, 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체를 제공한다.
이때, 상기 제1 기둥 및 상기 제2 기둥은, 가교결합된 상태의 상기 제1 모듈의 양단부가 끼워진 상태로 고정되기 용이한 간격으로 이격 배치되고, 상기 제3 기둥 및 상기 제4 기둥은, 가교결합된 상태의 상기 제2 모듈의 양단부가 끼워진 상태로 고정되기 용이한 간격으로 이격 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체로서, 외부공간으로부터 수용공간을 구획하도록 측벽을 포함하고, 상기 측벽은, 상기 수용공간 내에 직사각형 형상을 가지는 복수 개의 기본 프레임이 서로 교차된 상태로 적층 배치될 수 있도록 상기 수용공간 측으로 인입되어 형성되는 복수 개의 절곡 부분을 포함하며 상기 복수 개의 기본 프레임의 적층 높이 이상의 두께를 가지는, 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 각각 특정 축에 대하여 방향성을 갖도록 정렬된 기본 모듈의 일부가 일체화되어 서로 연결됨으로써 복수 개의 축으로 중심으로 수축 또는 인장될 수 있는 다축 인공 근육 조직을 효과적으로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 다양한 구조의 기본 모듈을 자유롭게 연결시킴으로써 인공 근육 조직 제작의 자유도를 제고할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하는 방법은 기본 프레임 자체를 이동시키는 방식, 또는 기본 프레임으로부터 모듈을 분리시켜 연결시키는 방식 등 구조 또는 제작 환경 등을 고려하여 다양한 방식으로 다축 인공 근육 조직을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하는 구조체는 다축 인공 근육 조직의 형성 방법에 따라 다양한 기능을 복합적으로 수행할 수 있다.
도 1은 심장 근육의 복잡성을 설명하기 위한 설명도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 도시한 도면,
도 3은 기본 프레임을 이용하여 도 2의 제1 모듈이 실제 형성된 상태를 도시한 도면,
도 4는 도 3의 기본 프레임을 도시한 도면,
도 5는 도 2의 제1 모듈과 제2 모듈이 실제 연결된 상태를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체를 이용하여 제1 모듈 내지 제3 모듈이 연결된 상태를 도시한 도면,
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체의 다양한 예시를 도시한 도면,
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 방법의 각 단계를 도시한 순서도,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체에 기본 프레임을 적층시키는 것을 설명하기 위한 도면,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 구성하는 모듈에 포함된 세포가 정렬되는 과정을 순차적으로 도시한 설명도,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직이 일체화되는 과정을 순차적으로 도시한 설명도,
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직에 포함된 세포의 세포 정렬도를 관찰하기 위하여 형광 염색 후 시간에 따라 다축 인공 근육 조직을 촬영한 이미지이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다. 또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 심장 근육의 복잡성을 설명하기 위한 설명도이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 도시한 도면이며, 도 3은 기본 프레임을 이용하여 도 2의 제1 모듈이 실제 형성된 상태를 도시한 도면이다. 또한, 도 4는 도 3의 기본 프레임을 도시한 도면이며, 도 5는 도 2의 제1 모듈과 제2 모듈이 실제 연결된 상태를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체를 이용하여 제1 모듈 내지 제3 모듈이 연결된 상태를 도시한 도면이다. 다음으로, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체의 다양한 예시를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직(10)은 손상된 생체 근육을 대체하거나, 손상된 근육의 재생을 돕기 위한 것으로, 생체 근육을 모사하여 형성된 인공 근육 조직이다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 어느 일축(단축, uniaxial)을 향하는 제한적인 방향에 대해서만 수축 또는 인장이 가능한 종래 기술과 달리 둘 이상의 복수 개의 축을 중심으로 수축 또는 인장이 가능하다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 예를 들어 도 1의 심장 근육 또는 골격근과 같이 다양한 방향으로의 방향성을 가지는 복잡한 근육 조직의 운동성을 모사할 수 있다. 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직의 주요 구성 및 효과에 대하여 먼저 상세히 설명하고, 이어서 상기 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 방법 및 구조체에 대해서도 설명하기로 한다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직(10)은 서로 연결되는 형태의 제1 모듈(20)과 제2 모듈(30)을 포함할 수 있다.
먼저, 제1 모듈(20)은 다축 인공 근육 조직에 일부를 구성하는 부분으로서, 근육세포를 포함하는 하이드로젤이 겔화되어 형성될 수 있다.
이때, 제1 모듈(20)은 도 2에 도시된 바와 같이 제1 축(A1) 방향으로 수축 또는 인장 가능하도록 제1 축(A1) 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 상세하게, 제1 모듈(20)은 제1 모듈 내에 포함된 근육세포들이 제1 축(A1) 방향을 따라 정렬됨으로써 제1 축 방향으로 방향성을 가질 수 있다. 이를 통해 제1 모듈(20)은 복수의 방향에 대하여 방향성을 가지는 다축(Multiaxial) 인공 근육 조직에 있어서, 제1 축(A1) 방향으로의 수축 또는 인장이 가능하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 모듈(20)은 근육세포를 포함하는 하이드로젤이 겔화(gelation)되어 형성될 수 있다. 달리 말하면, 제1 모듈(20)은 최초 일정한 형상이 없는 유동화 상태의 하이드로젤이 시간의 경과에 따라 가교결합(cross-linking)을 형성하고 조직이 성숙됨에 따라 수축됨으로써 도 3에 도시된 바와 같이 일정한 형상을 가지도록 형성될 수 있다. (도 13 참조)
일례로, 상기 하이드로젤은 돼지의 심장 조직을 탈세포화하여 형성될 수 있으며, 그 농도는 농도는 0.6% (w/v)일 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 일례에 불과하며, 하이드로젤은 다양한 근육세포 및 농도를 기초로 형성될 수도 있다.
한편, 제1 모듈(20)은 도 4에 도시된 직사각형 형상을 가지는 기본 프레임(100)을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 기본 프레임(100)은 도면에 도시된 바와 같이 내부에 하이드로젤이 수용될 수 있는 공간을 구획할 수 있도록 직사각형 구조의 측벽부(110)를 구비하며, 내측에는 서로 대향하는 한 쌍의 기둥(122,124)이 구비될 수 있다. 한편, 기본 프레임은 설계상 요구되는 제1 모듈의 스펙, 예를 들면 연장 길이 등에 따라 규격이 다양하게 변경될 수 있다.
관련하여, 유동화된 상태의 하이드로젤이 상기 기본 프레임(100)에 도포되면, 상기 하이드로젤은 측벽부(110)에 의해 외측 방향으로의 이동이 구속된 상태에서 상술한 가교결합을 형성할 수 있다. 이후 조직이 형성되며 수축될 수 있다. 이때, 제1 축 상에 나란히 배치되는 한 쌍의 기둥(기둥부, 120)은 하이드로젤 내의 근육세포에 대하여 인장력을 부여할 수 있으며, 이에 따라 상기 근육세포가 제1 축(A1)을 따라 정렬됨으로써 제1 모듈(20)은 특정 방향(제1 축 방향)에 대한 방향성(편향성)을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 모듈(20)은 도 13에 도시된 과정에 따라 세포가 일정 방향성을 갖도록 정렬될 수 있다. 즉, 세포를 포함하는 하이드로젤이 기본 프레임 내에 도포된 후, 약 37도에서 조직 배양이 진행될 수 있다. 먼저, 하이드로젤 내부의 세포는 도면에 도시된 바와 같이 인접한 세포와 가교결합(Cross-linking)을 형성하게 된다. 이때 가교결합이 진행되는 시간은 30분 내지 1시간일 수 있다. 그 후, 가교결합된 근육 조직 내부에서 세포가 세포 및 주변 환경(하이드로젤)과 상호작용하며 이동(migration), 증식(proliferation), 연장(elongation)과 같은 행동을 통해 조직이 형성된다. 또한 시간이 경과될수록 세포들은 프레임의 기둥(122,124)에 의한 인장력의 영향을 받아 제1 축(A1) 방향으로 방향성을 갖도록 정렬될 수 있다. 이를 통해 제1 모듈(20)은 특정 방향에 대한 방향성을 가질 수 있으며, 이러한 방향성은 도 15에 도시된 바와 같이 시간이 경과될수록 보다 명확해질 수 있다.
이때, 기본 프레임 내에 도포된 하이드로젤에는 일례로, 총 50 x 10^6 개의 심근세포와 섬유아세포가 혼합된 상태로 포함될 수 있다. 예시적으로, 해당 심근세포는 iPSC (GM25256, Coriell Institute)을 심근으로 분화하여 사용될 수 있으며, 섬유아세포는 Human Cardiac fibroblast(C-12375, Promocell)이 사용될 수 있다. 또한 내피세포가 함께 포함될 수 있으며 내피세포는 Human umbilical vein endothelial cell; HUVEC (C-12200, Promocell)가 사용될 수 있다. 그리고, 심근세포와 섬유아세포의 비율은 예시적으로 9:1일 수 있으며, 내피세포가 포함될 경우 심근세포와 섬유아세포, 내비세포의 비율은 9:1:2일 수 있다. 하이드로젤을 기본 프레임 내에 도포한 후에는 37
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인큐베이터에 40분 이상 배양하여 하이드로젤의 겔화(gelation)가 촉진될 수 있다. 다만, 제1 모듈을 이루는 하이드로젤의 조성 및 제1 모듈의 형성방법이 상술한 예시로 한정되는 것은 아님을 밝혀 둔다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 제1 모듈(20) 외에 다축 인공 근육 조직을 구성하는 다른 부분으로서 제2 모듈(30)을 포함할 수 있다.
이때, 제2 모듈(30)은 제1 모듈과 동일하게 하이드로젤이 겔화되어 형성되되, 제1 모듈(20)과 달리 제2 축(A2) 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 제2 모듈(30)에 포함된 근육세포는, 제1 모듈(20)의 근육세포가 정렬되는 것과 유사하게, 제2 축(A2) 방향을 따라 정렬됨에 따라 제2 모듈(30)은 제2 축(A2) 방향으로 방향성을 가질 수 있다. 즉, 제2 모듈은 제2 축 방향으로 수축 또는 인장이 용이할 수 있다.
이외 제2 모듈(30)은 제2 축(A2) 방향을 따라 연장되는 점에서만 차이가 있을 뿐, 재질, 구조 또는 형성방법 등 대부분이 제1 모듈(20)과 동일할 수 있다. 따라서, 제2 모듈에 대한 추가적인 설명은 제1 모듈에 대한 설명을 통해 대신하기로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직(10)은 제1 모듈(20) 및 제2 모듈(30) 외에도 이들과 연장 방향만을 달리 하는 제3 모듈(40), 제4 모듈, ??, 제N 모듈을 더 포함할 수도 있다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 다양한 축에 대하여 방향성을 가질 수 있는데 이에 대해서는 후술하기로 한다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 상술한 제1 모듈(20) 및 제2 모듈(30)은 일부가 서로 연결될 수 있다. 이때, 제1 모듈과 제2 모듈은 각각을 구성하는 하이드로젤의 일부가 일체화(일체로 결합(assembly))됨으로써 서로 연결될 수 있다. 여기서, 연결된다는 것의 의미는 단일한 인공 근육 조직으로서 유기적으로 기능할 수 있도록 제1 모듈과 제2 모듈의 일부가 세포 결합을 형성하여 일체화(일체로 결합(assembly))된 상태를 의미할 수 있다.
상기 연결과 관련된 구체적인 일례로서, 제1 모듈과 제2 모듈은 각각 상술한 기본 프레임(100', 100")을 통해 각각 독립적으로 제1 축(A1) 및 제2 축(A2)에 대하여 방향성을 갖도록 가교결합된 상태에서, 도 2와 같이 어느 하나가 다른 하나와 접하도록 배치되어 서로 접촉된 일부가 일체화되는 과정을 통해 서로 연결될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 제1 모듈(20)과 제2 모듈(30)은 서로 일체화되기 전에 서로 이격되어 위치되며, 가교결합 이후 조직 배양을 통해 근육 세포의 정렬이 유도될 수 있다. (이는 대략 48시간 이내의 최소 시간을 필요로 함) 이때, 제1 모듈(20)과 제2 모듈(30)은 서로에게 영향을 미치지 않는 상태에서 독립적으로 제1 축 및 제2 축을 향하여 근육세포를 정렬시킬 수 있다. 이후, 세포 정렬이 형성된 이후 제1 모듈과 제2 모듈은 서로 접촉된 상태에서 일체화(일체로 결합(assembly))되는 과정이 진행될 수 있다.
그 결과 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 최초 독립적으로 형성된 제1 모듈과 제2 모듈이 서로 연결되어 단일한 근육 세포 조직으로 기능할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 각각 방향성을 가지는 제1 모듈(20)과 제2 모듈(30)이 연결됨에 따라, 제1 축(A1) 및 제2 축(A2)을 포함하는 복수 개의 축에 대하여 방향성을 가질 수 있으며, 이를 통해 전술한 심장근육 또는 골격근과 같이 복잡한 방향성을 가지는 근육을 효과적으로 모사할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 제1 모듈과 제2 모듈을 서로 독립적으로 형성한 후 연결시키는 방식에 의하여 다축 인공 근육 조직을 형성할 경우, 설계에 따라 다양한 구조의 다축 인공 근육 조직를 제작할 수 있다.
보다 상세하게, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 도 2(a)과 같이 제1 축과 제2 축이 서로 평행하게 연결시키거나, 도 2(b)와 같이 서로 교차되도록 연결시키거나, 또는 도 2(c)와 같이 제3 모듈(40)까지 포함하여 보다 다양한 형태의 다축 인공 근육 조직을 형성하는 등 다양한 구조의 인공 근육을 자유롭게 구현 가능하며, 이를 통해 인공 근육 조직 제작의 자유도를 확보할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 두 모듈이 교차되는 각도를 자유자재로 조절 가능하여, 상기 자유도를 극대화할 수 있다. 이에 대해서는 다축 인공 근육을 형성하기 위한 방법을 설명하는 부분을 통해 보다 상세히 기술하기로 한다.
또한, 제1 모듈(20)과 제2 모듈(30)을 서로 연결하는 방법 역시 다양하게 구현할 수 있다. 일례로, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 모듈(20)의 일부가 제2 모듈(30)의 일부 위에 적층되는 형태로 연결시킬 수도 있으며, 이와는 달리 제1 모듈(20)과 제2 모듈(30) 사이에 단차가 없도록 동일한 평면 상에 서로 인접하게 배치된 상태에서 연결시킬 수도 있다.
그리고, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 제1 모듈(20)과 제2 모듈(30)을 형성하기 위한 기본 프레임의 규격을 각각 달리하여 특정 축을 담당하는 모듈 만을 보다 부각시킬 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 모듈과 제2 모듈은 상술한 바와 같이 기본 구조체를 이용하여 후술될 각각 별도로 형성될 수 있으나, 이와는 달리, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 다축 구조를 가지는, 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체에 하이드로젤을 일거에 도포시킴으로써 제1 모듈(20)과 제2 모듈(30)이 일체로 형성될 수도 있다. 이 경우, 제1 모듈과 제2 모듈을 구성하는 하이드로젤은 동시에 가교결합을 형성하여 수축되되, 제1 축(A1) 및 제2 축(A2)을 중심으로 인장력이 가해질 수 있다. 그 결과 제1 모듈 및 제2 모듈은 일부 중첩되는 영역(도면의 경우 중심부)을 공유하면서 동시에 제1 축 및 제2 축 방향으로 일부 연장되는 구조로 형성될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 방법의 각 단계를 도시한 순서도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체에 기본 프레임을 적층시키는 것을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
앞서 살펴본 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 제1 모듈 및 제2 모듈을 각각 독립적으로 형성한 후 서로 연결시키는 방법(이하, '제1 방법'이라 함) 또는 다축 구조를 가지는 구조체에 하이드로젤을 일거에 도포하여 형성하는 방법(이하 '제2 방법'이라 함)에 의해 형성될 수 있다. 이하의 설명에서는, 제1 방법(S100)을 중심으로 설명하기로 한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위해서는 먼저 제1 프레임(100',기본 프레임과 동일함)에 하이드로젤을 도포하여 제1 모듈(20)을 형성할 수 있다.(S10) 그리고, 제1 프레임과 구분되는 제2 프레임(100", 기본 프레임과 동일함)에 하이드로젤을 도포하여 제2 모듈(30)을 형성할 수 있다.(S20)
그 후, 제1 모듈 및 상기 제2 모듈에 포함된 상기 근육세포가 각각 상기 제1 축 및 상기 제2 축 방향을 따라 정렬되도록 유도할 수 있다.(S30) 즉, 기본 프레임에 도포된 하이드로젤 내의 근육세포들이 성숙할 수 있도록 소정 시간을 대기할 수 있다. 이러한 과정을 통해 하이드로젤 내의 근육세포들은 기둥부에 의해 일축 방향으로 힘이 가해짐으로써 일 방향으로 방향성을 가지도록 정렬될 수 있으며, 동시에 가교결합이 진행될 수 있다. 이와 같은 정렬에 소요되는 시간은 하이드로젤 도포 후 대략 48시간 이내의 최소 시간을 필요로 할 수 있으나, 이는 예시적인 일례일 뿐이며, 하이드로젤의 특성에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
다음으로, 제1 모듈과 제2 모듈이 서로 접하도록 제1 모듈 또는 제2 모듈을 이동시킬 수 있다.(S40) 이러한 이동 과정은 앞서 설명한 바와 같이 제1 모듈이 제2 모듈의 일부 위에 놓이도록(쌓이는 형태) 배치시키거나, 또는 동일한 평면 상에 서로 인접하도록 배치시키는 것을 의미할 수 있다.
한편, 상기 이동 과정은 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
먼저, 도 10을 참조하면, 작업자는 하이드로젤이 어느 정도 수축된 상태의 제1 모듈이 고정된 제1 프레임 전체를 파지한 후, 이를 제2 프레임과 인접하게 이동시킬 수 있다. 작업자는 일례로 제1 프레임의 상하를 반전시킨 후,(S41) 반전된 상태의 제1 프레임을 제2 모듈이 고정된 제2 프레임의 상부에 적층시켜 제1 모듈과 제2 모듈이 서로 접촉되도록 할 수 있다.(S42) 이때, 작업자가 제1 프레임을 반전시키는 것은 제1 모듈과 제2 모듈이 제1 프레임의 측벽부(110)에 의해 서로 이격됨으로써, 상호 간의 연결이 불가하게 되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이처럼 기본 프레임 전체를 이동시켜 제1 모듈과 제2 모듈을 연결시킬 경우, 기본 프레임으로부터 제1 모듈을 분리시키는 공정을 생략할 수 있으며, 이를 통해 공정을 단순화하고 분리 시에 발생될 수 있는 경미한 손상을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
전술한 예시와는 달리, 도 11을 참조하면 상기 이동 과정은, 제1 프레임의 기둥부로부터 제1 모듈을 분리시킨 후에 이를 도 6에 도시된 바와 같이 다축 구조의 제3 프레임(200)의 기둥부(220)에 고정시킬 수도 있다.(S46) 그 후, 제2 프레임의 기둥부로부터 제2 모듈을 분리시킨 후에 상기 제3 프레임(200)의 기둥부에 고정시킬 수 있다. (S47) 이때, 제2 모듈은 도면에 도시된 바와 같이 제1 모듈의 상부에 일부가 적층되는 형태로 배치될 수 있다. 이를 통해, 제1 모듈과 제2 모듈은 제3 프레임(200)의 기둥부에 고정된 상태에서 서로 접촉됨으로써 일체화(일체로 결합)되어 서로 연결될 수 있다. 이처럼 별도의 프레임에 제1 모듈 및 제2 모듈을 이동시킬 경우, 다수 개의 모듈을 보다 효과적으로 연결시킬 수 있다.
상기 이동 과정을 마친 후에, 제1 모듈과 제2 모듈 각각을 구성하는 하이드로젤의 일부가 일체화되도록 유도하는 단계가 수행될 수 있다.(S50) 즉, 제1 모듈과 제2 모듈은 가교결합 이후 세포 정렬을 유도한 이후 서로 접촉시켜 일체화(일체로 결합)되는 과정이 진행될 수 있다. 구체적으로 도 14에 도시된 바와 같이 서로 접촉된 상태의 제1 모듈과 제2 모듈은 접촉 상태를 유지하면서 조직 배양이 진행된다. 그 후 72시간이 지나면 제1 모듈과 제2 모듈은 서로 일체로 결합(assembly)되어 단일한 인공 근육 조직으로서 기능할 수 있다.
이처럼 개별 모듈을 별도로 제작한 후, 이들을 일체화시키는 방법(제1 방법)을 이용하여 다축 인공 근육 조직(10)을 형성할 경우, 제작 측면에서 무한한 확장성을 확보할 수 있다. 마치 개별 단위 부품을 조립하여 특정 형상을 가지는 블록 조립체를 구성하는 완구와 유사하게, 제작자는 상술한 기본 모듈(20,30,40)을 자유롭게 연결시키면서 다양한 형태의 다축 인공 근육 조직(10)을 제작할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직(10)은 실제 근육 조직의 특성을 반영하기 위해 각 모듈이 특정 방향성을 갖는 형태로 정렬되어 있으며, 이를 결합(assembly) 시킴으로써 다양한 방향의 수축 방향 조절이 가능함은 살펴본 바와 같다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체(200)에 대하여 설명하기로 한다. 이때, 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체(200)는 전술한 제3 프레임(200)일 수 있다. 따라서, 이하의 설명에서는 편의상 제3 프레임이라 지칭하여 설명하기로 한다.
구체적으로, 제3 프레임(200)은 소정 양의 하이드로젤이 수용되는 수용공간을 구획하도록 측벽을 구비하는 측벽부(210)를 구비할 수 있다. 이때, 측벽부(210)는 도면에 도시된 바와 같이 수용공간 측으로 인입되어 형성되는 복수 개의 절곡 부분(230)을 포함하여 일체로 형성될 수 있다. 이러한 절곡 부분(230)을 통해 하이드로젤의 형상을 제한함으로써 하이드로젤이 목적하는 축방향을 따라 연장된 형태로 수축되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 측벽부는 3D 프린팅 기술을 이용하여 매우 다양한 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 이를 통해 보다 다양한 다축 구조를 가지는 다축 인공 근육 조직이 형성될 수 있다.
다음으로, 측벽부의 수용공간에는 측벽부에 의해 지지되는 복수 개의 기둥(221 내지 224)이 배치될 수 있다. 일례로 제1 기둥(221) 내지 제4 기둥(224)을 포함할 수 있으며, 이 경우, 제1 기둥(221) 및 제2 기둥(222)을 연결한 가상의 제1 선과, 제3 기둥(223) 및 제4 기둥(224)을 연결한 가상의 제2 선이 서로 교차되도록 배치될 수 있다. 그리고, 전술한 절곡 부분(230)은 상기 복수 개의 기둥을 중심으로 형성될 수 있다. 이를 통해 제3 프레임은 다축(A1,A2,A3) 구조를 형성할 수 있다.
한편, 제3 프레임(200)은 다양한 방식으로 이용될 수 있다.
먼저, 제3 프레임(200)은 전술한 제1 방법(S100)에 의하여 다축 인공 근육 조직을 형성하는 경우, 제1 모듈 내지 제N 모듈이 이동되어 고정되는 고정 부재로서 기능할 수 있다. 이를 위해, 서로 대향하는 제1 기둥(221)과 제2 기둥(222)은, 가교결합 후 방향성을 갖도록 정렬된 상태의 제1 모듈(20)의 양단부가 끼워진 상태로 고정되기 용이한 간격으로 이격 배치될 수 있다. 일례로, 기본 프레임(100)의 기둥부(120) 사이의 간격과 동일하거나 보다 큰 간격으로 이격 배치될 수 있다.
그리고, 상술한 제3 프레임(200)은 제2 방법에 의하여 다축 인공 근육 조직을 형성하는 경우, 하이드로젤이 일거에 도포되는 몰드로서 기능할 수도 있다. 이 경우, 제1 기둥 내지 제N 기둥은 하이드로젤에 복수 개의 축을 중심으로 한 인장력을 가하는 부재로서 기능할 수 있다.
다음으로, 도 12를 참조하면, 제3 프레임(200)은 제1 프레임과 같은 기본 프레임 전체가 고정되는 고정틀로서 기능할 수도 있다. 구체적으로, 제3 프레임(200)은 도면에 도시된 바와 같이 내측에 복수 개의 기본 프레임(100)이 서로 교차된 상태로 적층 배치될 수 있도록 복수 개의 절곡 부분(230)을 포함하는 측벽부(210)을 구비할 수 있다. 그리고 이 경우, 상기 측벽부(210)은 복수 개의 기본 프레임의 적층이 가능하도록 적층된 기본 프레임(100)의 총 두께 이상의 두께를 가질 수 있다. 이를 통해 측벽은 기본 프레임(100)의 삽입 배치시 안정적인 진입을 가이드할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체는 다축 인공 근육 조직의 형성 방법에 따라 다양한 기능을 복합적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직은 복수 개의 축을 기준으로 수축 또는 인장이 가능하도록 형성된 복수 개의 모듈이 각각 방향성을 유지한 상태로 일체화됨으로써, 심근 또는 골격근과 같이 다양한 방향성을 가지는 복잡한 근육 조직을 효과적으로 모사할 수 있다. 특히, 전술한 방법 중 근육 조직의 각 부분을 담당하는 기본 모듈(제1 모듈, 제2 모듈, …, 제N 모듈)을 독립적으로 형성한 후 이들을 일체화시키는 방법(제1 방법)에 의할 경우, 제작의 자유도를 폭 넓게 확보할 수 있어, 심근 또는 골격근 내에서도 각 부분의 개별 특성을 반영한 무한한 형태의 근육 조직을 다양하게 형성할 수 있다.
한편, 전술한 설명에서는 설명의 편의상 다축 인공 근육 조직이 심근 또는 골격근을 모사하는 것을 예시로 하여 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 인공 근육 조직의 적용이 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 인체 내 다양한 근육을 모사하는데 적용될 수 있음을 밝혀 둔다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 다축 인공 근육 조직
20 제1 모듈
30 제2 모듈
40 제3 모듈
100 기본 프레임
110 측벽부
120 기둥부
122, 124 기둥
100' 제1 프레임
100'' 제2 프레임
200 제3 프레임
210 측벽부
230 절곡 부분
221 제1 기둥
222 제2 기둥
223 제3 기둥
224 제4 기둥
220 기둥부
A1 제1 축
A2 제2 축
A3 제3 축

Claims (16)

  1. 복수 개의 축을 중심으로 수축 또는 인장 가능한 다축 인공 근육 조직으로서,
    근육세포를 포함하는 하이드로젤이 겔화되어 형성되며, 제1 축 방향으로 수축 또는 인장 가능하도록 상기 제1 축 방향으로 연장되어 형성되는 제1 모듈; 및
    상기 하이드로젤이 겔화되어 형성되며, 제2 축 방향으로 수축 또는 인장 가능하도록 상기 제2 축 방향으로 연장되어 형성되는 제2 모듈;을 포함하고,
    상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈의 일부가 서로 연결되도록 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 각각을 구성하는 하이드로젤의 일부가 일체화되는, 다축 인공 근육 조직.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 근육세포는 심근세포를 포함하는, 다축 인공 근육 조직.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 근육세포는 골격근세포를 포함하는, 다축 인공 근육 조직.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 축과 상기 제2 축은 서로 교차하도록 배치되는, 다축 인공 근육 조직.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 축과 상기 제2 축은 서로 평행하도록 배치되는, 다축 인공 근육 조직.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 하이드로젤이 겔화되어 형성되며, 제3 축 방향으로 수축 또는 인장 가능하도록 상기 제3 축 방향으로 연장되어 형성되는 제3 모듈;을 더 포함하고,
    상기 제1 모듈 내지 상기 제3 모듈의 일부가 서로 연결되도록 상기 제1 모듈 내지 상기 제3 모듈 각각을 구성하는 하이드로젤의 일부가 일체화되는, 다축 인공 근육 조직.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈은 상기 제1 축과 상기 제2 축을 포함하는 다축 구조의 단일한 프레임을 이용하여 일체로 형성되는, 다축 인공 근육 조직.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈은 서로 이격된 위치에서 각각 1차적으로 가교결합(cross-linking)된 후, 상기 제1 모듈이 상기 제2 모듈 측으로 이동되어 서로 연결되는, 다축 인공 근육 조직.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 모듈의 일부는 상기 제2 모듈의 위에 배치되는, 다축 인공 근육 조직.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈은 동일한 평면 상에서 서로 접하도록 배치되는, 다축 인공 근육 조직.
  11. 제8 항에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하는 방법으로서,
    제1 프레임을 이용하여 상기 제1 모듈을 형성하는 단계;
    상기 제1 프레임과 이격되어 위치하는 제2 프레임을 이용하여 상기 제2 모듈을 형성하는 단계;
    상기 제1 모듈 및 상기 제2 모듈에 포함된 상기 근육세포가 각각 상기 제1 축 및 상기 제2 축 방향을 따라 정렬되도록 유도하는 단계;
    상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈이 접하도록 상기 제1 모듈 또는 상기 제2 모듈을 이동시키는 단계; 및
    상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 각각을 구성하는 하이드로젤의 일부가 일체화되도록 유도하는 단계;를 포함하는, 다축 인공 근육 조직을 형성하는 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 모듈을 상기 제2 모듈과 접하도록 이동시키는 단계는,
    상기 제1 프레임을 반전시키는 단계; 및
    상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈이 접하도록 상기 제1 프레임을 상기 제2 프레임 상에 적층시키는 단계;를 포함하는, 다축 인공 근육 조직을 형성하는 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 모듈을 상기 제2 모듈과 접하도록 이동시키는 단계는,
    상기 제1 모듈을 상기 제1 프레임으로부터 분리시킨 후, 제3 프레임에 고정시키는 단계; 및
    상기 제2 모듈을 상기 제2 프레임으로부터 분리시킨 후, 상기 제3 프레임에 고정시키는 단계;를 포함하는, 다축 인공 근육 조직을 형성하는 방법.
  14. 제1 항에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체로서,
    소정 양의 상기 하이드로젤이 수용되는 수용공간을 구획하도록 측벽을 구비하는 측벽부; 및
    상기 수용공간 내에 이격 배치되어 상기 측벽부에 의해 지지되는 제1 기둥 내지 제4 기둥을 포함하는 기둥부;를 포함하고,
    상기 측벽부는, 상기 수용공간 측으로 인입되어 형성되는 복수 개의 절곡 부분을 포함하고,
    상기 제1 기둥 내지 상기 제4 기둥은, 상기 제1 기둥 및 상기 제2 기둥을 연결한 가상의 제1 선과, 상기 제3 기둥 및 상기 제4 기둥을 연결한 가상의 제2 선이 서로 교차되도록 배치되는, 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 기둥 및 상기 제2 기둥은, 1차적으로 가교결합된 상태의 상기 제1 모듈의 양단부가 끼워진 상태로 고정되기 용이한 간격으로 이격 배치되고,
    상기 제3 기둥 및 상기 제4 기둥은, 1차적으로 가교결합된 상태의 상기 제2 모듈의 양단부가 끼워진 상태로 고정되기 용이한 간격으로 이격 배치되는, 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체.
  16. 제1 항에 따른 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체로서,
    외부공간으로부터 수용공간을 구획하도록 측벽을 포함하고,
    상기 측벽은, 상기 수용공간 내에 직사각형 형상을 가지는 복수 개의 기본 프레임이 서로 교차된 상태로 적층 배치될 수 있도록 상기 수용공간 측으로 인입되어 형성되는 복수 개의 절곡 부분을 포함하며 상기 복수 개의 기본 프레임의 적층 높이 이상의 두께를 가지는, 다축 인공 근육 조직을 형성하기 위한 구조체.
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