KR20230065992A - 특정 혈관 적용에 따른 도관을 갖는 물체를 생성하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도관으로 물체를 생성하는 방법이 개시된다. 재료가 희생 컬렉터에 증착된다. 그런 다음 희생 컬렉터가 제거되어 도관이 있는 물체를 생성한다. 물체와 희생 컬렉터 모두가 원하는 혈관 모양에 가까울 수 있다. 상기 방법은 또한 몰드의 원하는 형태의 3-D 프린팅과 희생 컬렉터로서 갈륨의 활용을 포함할 수 있다. 몰드에 갈륨을 삽입하여 희생물을 만든다. 몰드에서 갈륨을 제거한 후, 섬유를 갈륨에 전기방사한다. 갈륨은 용융을 통해 제거되어 도관이 있는 물체인 스캐폴드를 남긴다. 갈륨 이외에, 수용성 재료의 추가 희생층이 이용될 수 있다.

Description

특정 혈관 적용에 따른 도관을 갖는 물체를 생성하기 위한 시스템 및 방법

본 발명은 3D 구조물의 제조 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시는 특정 혈관에 사용되는 도관을 갖는 물체를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 출원은 (2021년 9월 6일에 출원된) 미국 출원 번호 제17/467,340호 및 (2020년 9월 7일에 출원된) 미국 가출원 번호 제63/075,242호에 대한 우선권을 주장한다. 본 출원은 모든 목적을 위해 본 명세에 참조로 이 가출원을 통합한다.

전 세계적으로 주요 사망 원인으로서, 심혈관 질환은 사회에 큰 영향을 미친다. 이러한 질환에 대한 현재 치료법은 혈관성형술, 스텐트 또는 외과적 우회 이식술과 같은 혈관재생술로 구성된다. 혈관 우회 이식은 허혈성 심장 질환 및 말초 혈관 질환에 대한 혈관 재생의 기초이다. 복재 정맥 및 내부 흉부 동맥과 같은 자가 혈관은 직경이 작은 혈관에 대한 이식편의 최적 표준을 나타내지만 혈관 하나를 얻는 것은 추가적인 위험을 초래한다. 이미 아픈 환자에게 침습적 절차를 수행해야 한다. 이식편은 10-15년마다 교체해야 하며 광범위한 전신 혈관 질환이 있는 환자에서는 쉽게 사용할 수 없다. 미국에서만 매년 140만 건의 동맥 우회술이 시행되지만 약 10만 명의 환자가 적합한 자가 동맥이나 정맥이 없다.

자가 이식편의 침습적이고 비지속성 특성으로 인해 연구원들은 조직 공학 혈관 이식편(TEVG)을 선택하게 되었다. 유망하지만, 이 기술은 아직 잠재력을 충분히 발휘하지 못했다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 단점을 극복한 특정 혈관 적용을 갖는 도관을 갖는 물체를 생성하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도관으로 객체를 생성하는 방법이 개시된다. 재료가 희생 컬렉터에 증착된다. 그런 다음 희생 컬렉터가 제거되어 도관이 있는 물체를 생성한다. 물체와 희생 컬렉터 모두가 원하는 혈관 모양에 가까울 수 있다. 상기 방법은 또한 몰드의 원하는 형태의 3-D 프린팅과 희생 컬렉터로서 갈륨의 활용을 포함할 수 있다. 몰드에 갈륨을 삽입하여 희생물을 만든다. 몰드에서 갈륨을 제거한 후, 섬유를 갈륨에 전기방사한다. 갈륨은 용융을 통해 제거되어 도관이 있는 물체인 스캐폴드를 남긴다. 갈륨 이외에, 수용성 재료의 추가 희생층이 이용될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, "포함하다"와 "구비하다"라는 용어 및 이들의 파생어는 제한 없이 포함을 의미한다; "또는"이라는 용어는 포괄적인 의미이고/이거나; "연관된(associated with)" 및 "그와 연관된(associated therewith)"라는 문구 및 이들의 파생어는 포함하다, 포함되다, 상호연결하다, 함유하다, ~ 내에 함유되다, 연결하다 또는 ~와 연결하다, 결합하다 또는 ~와 결합하다, ~소통가능하다, ~와 협력하다, 끼어들다, 병치하다, 근접하다, ~에 속박되다 또는 ~와 속박되다, 갖다, 소유하다 등을 의미할 수 있다. 상기 항목의 목록과 함께 사용될 때, "적어도 하나"라는 문구는 나열된 항목 중 하나 이상의 다른 조합이 사용될 수 있고 목록에서 하나의 항목만 필요할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나"는 A; B; C; A와 B; A와 C; B와 C; 및 A 및 B 및 C 중 어느 하나를 포함한다. 특정 단어 및 문구에 대한 정의는 본 특허 문서 전반에 걸쳐 제공되며, 당업자는 대부분의 경우는 아니지만 많은 경우에 이러한 정의가 이 같은 정의된 단어와 문구의 이전 및 향후 사용에 적용됨을 이해해야 한다..

본 발명의 내용에 포함됨.

본 개시 및 그 특징의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부 도면과 함께 다음 설명을 참조한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 개시한다.
도 2a 및 2b는 CAD(computer-aided design)의 이미지 및 3-프린팅된 몰드 및 이로부터 얻은 갈륨 조각의 실제 이미지를 도시한다.
도 2c는 밤새 응고되고 몰드로부터 제거된 후의 갈륨의 클로즈업 이미지를 도시한다.
도 2d는 갈륨이 녹은 후 스캐폴드의 이미지를 도시한다;
도 3a, 3b 및 3c는 갈륨 잔류물을 나타낸다.
도 4a는 갈륨의 분지형 구조의 이미지를 나타낸다.
도 4b는 섬유로 덮인 갈륨의 분지된 기하학적 구조의 이미지를 나타낸다.
도 5a, 5b 및 5c는 각각 몰드, 몰드로부터의 갈륨 및 섬유로 덮인 갈륨의 2중 큐레이트 구조를 도시한다.

아래에 설명된 도면 및 본 특허 문서에서 본 발명의 원리를 설명하기 위해 사용된 다양한 실시예는 단지 예시를 위한 것이며 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자는 본 개시 발명의 원리가 적절하게 배열된 임의의 유형의 장치 또는 시스템에서 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 도면이 반드시 축척에 맞게 그려지는 것은 아니다.

특정 실시예의 특정한 장점이 설명될 것이지만, 일부 실시예는 이러한 설명된 장점 중 일부를 갖거나, 전혀 갖지 않거나 또는 전부를 가질 수 있음을 이해해야 한다. 그리고, 일부 실시예는 추가로 기술된 장점을 가질 수 있다.

간략한 개요

전 세계적으로 주요 사망 원인으로서, 심혈관 질환은 사회에 큰 영향을 미친다. 이러한 질환에 대한 현재 치료법은 혈관성형술, 스텐트 또는 외과적 우회 이식술과 같은 혈관재생술로 구성된다. 혈관 우회 이식은 허혈성 심장 질환 및 말초 혈관 질환에 대한 혈관 재생의 기초이다. 복재 정맥 및 내부 흉부 동맥과 같은 자가 혈관은 직경이 작은 혈관에 대한 이식편의 최적 표준을 나타내지만 혈관 하나를 얻는 것은 추가적인 위험을 초래한다. 이미 아픈 환자에게 침습적 절차를 수행해야 한다. 이식편은 10-15년마다 교체해야 하며 광범위한 전신 혈관 질환이 있는 환자에서는 쉽게 사용할 수 없다. 미국에서만 매년 140만 건의 동맥 우회술이 시행되지만 약 10만 명의 환자가 적합한 자가 동맥이나 정맥이 없다.

자가 이식편의 침습적이고 비지속성 특성으로 인해 연구원들은 조직 공학 혈관 이식편(TEVG)을 선택하게 되었다. 유망하지만, 이 기술은 아직 잠재력을 충분히 발휘하지 못했다.

많은 단점 중에서, TEVG는 자연 혈관의 기하학적 복잡성 및 구성을 모방하는 데 어려움을 겪고 있다. 현재, 기술은 평평한 시트 또는 실린더로 제한되며, 이들은 인간 생리의 일부만 유사하다.

이러한 어려움을 감안할 때, 기계적 강도를 갖고 자연 생물학적 조건에 순응하며 다양한 형태로 제조될 수 있는 이상적인 혈관 이식편(및 제조 방법)이 개시된다. 이식편은 인체의 복잡한 기하학모양과 특성을 모방하고 개별 환자에게 맞춤화될 수 있다. 본원에 개시된 이식편을 만드는 이러한 독특하고 다재다능한 방법은 의학 연구원 및 의사에게 유용한 도구이다. 비제한적 예로서, 혈관 모방체는 동물 연구와 관련된 필요성(및 비용)을 제한하면서 심혈관 질환 치료를 목표로 하는 다양한 장치의 사전임상 테스트에 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 조작된 혈관은 환자에게 이식되어 심혈관 질환을 직접 치료할 수 있다.

간략한 개요로서, 본 개시내용의 특정 실시예는 몰드를 3-D 프린팅한 다음 몰드에 갈륨을 주조하는 것을 포함한다. 캐스트 갈륨의 모양은 원하는 혈관 형상의 고체 버전과 유사하다. 캐스트 갈륨은 경화 후 제거되며 섬유의 전기방사 동안 갈륨 표면에 섬유 스캐폴드를 생성하는 컬렉터로 사용된다. 그런 다음 갈륨은 녹아서 속이 빈 섬유질 스캐폴드를 남긴다. 내피, 평활근 및/또는 중간엽 줄기 세포가 섬유 스캐폴드에 부착될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 세포가 증식하고 세포외 기질(ECM)을 생성하여 원하는 모양의 혈관(또는 혈관 모방)을 생성한다.

갈륨은 다양한 원하는 모양으로 주조될 수 있기 때문에 컬렉터 재료로서 특정 실시예에서 선택된다. 갈륨은 PCL의 용융 온도보다 낮은 온도(30°C vs. 60°C)에서 녹을 수 있고 전도성이 있어 전기방사를 위한 컬렉터로서 역할을 할 수 있다. 갈륨의 녹는점이 낮은 것이 중요한데, 이는 PCL 나노섬유가 PCL의 녹는점 근처의 고온에서 변형될 경우 세포 부착에 대한 뛰어난 친화력을 잃기 때문이다. PCL 나노섬유를 포함하지 않고 대신 용융 온도가 더 높은 폴리머를 포함하는 실험의 경우, 갈륨을 더 높은 온도에서 녹여 갈륨 제거 프로세스를 가속화할 수 있다. 갈륨이 본 명세서에 기술된 특정 실시예에 기술되어 있지만, 다른 실시예들은 다른 재료를 사용할 수 있음을 명백히 이해해야 한다. 그 중 일부 실시예는 갈륨과 실질적으로 유사한 재료에서 작동하고 다른 실시예는 갈륨의 특성과 약간 다르다.

포함될 수 있는 다른 실시예의 비제한적 예는 왁스 및 전도성 입자로 도핑된 왁스 뿐만 아니라 얼음, 그래핀 옥사이드 용액, 흑연, (가루가 되거나 부서진) 탄소, 모래/입자/먼지/분말 및 전도성 폴리머 뿐만 아니라 비스무트 또는 인듐 기반 합금을 포함하되 이에 국한되지 않는 갈륨 합금 또는 기타 금속 및 그들의 합금이다.

추가로, 특정 실시예는 이러한 재료를 제거하기 위해 재료를 "용융"하는 것으로 설명하지만, 다른 실시예는 대안적으로 그러한 재료를을 제거하기 위해 상기 재료를 용해할 수 있다.

전술한 것의 비제한적 예로서, 물체(희생물 또는 희생 컬렉터라 할 수 있음)를 제거하는 다른 방법은 용매(예를 들어, 물, PBS, 혈액, 아세톤, HFIP, 에탄올, 산 등)로 용해, (예를 들어, 대기압뿐만 아니라 대기압 미만에서) 용융, 스크래핑, 수축, 증발(예를 들어, 진공 포함), 분해(예를 들어, 효소 분해, 유기체 기반 분해, 세포 기반 분해, 네트워크 절단, 사슬 절단 또는 킬레이션), 구심력, 기계적 분리(서로 연결되고 분리되는 별도로 만들어진 피스) 및 자극 반응 물질(예를 들어, pH , 이온 강도, 전기 유도 열화, 자성, 방사선 기반 열화 및 초음파 열화)를 포함하나 이에 국한되지 않는다. 또한, 상기 중 어느 하나는 또한 세척 단계를 포함할 수 있다.

대기압 미만(또는 진공)과 관련하여, 압력 감소는 용융점 또는 증발점을 줄여, 필요한 상변화를 위한 온도를 낮춘다.

희생물 또는 희생물용 주형을 제조/성형하는 특정 설명을 아래에 제공한다. 특정한 것들을 설명할 것이지만, 3D 프린팅(예를 들어, SLA, FDM, 소결 등), 소프트 리소그래피, 몰딩/주조, 진공 성형, 성장, 유리 취입, 직조, 스컬프팅, 스탬핑, 스핀 코팅, 카빙, CNC, 소결, 동결/동결 건조/급속 동결, 기타 추가 기술, 기타 제거 기술 및 이들의 조합을 포함하나 이에 국한되지는 다른 것들도 사용될 수 있다.

희생 컬렉터용 몰드 자체도 희생적일 수 있다. 컬렉터의 고가의 복잡한 기하학 모양으로, 기존 몰드에서 제거할 수 없는 모양과 형태가 바람직할 수 있다. 그런 다음 컬렉터 재료와 상호 작용하지 않는 프로세스로 화학적으로 제거되는 3D 인쇄된 몰드가 구상되는 한 가지 실시예이다. 희생 컬렉터 재료 및 희생 몰드 재료는 희생 컬렉터의 기하학적 구조 또는 다른 중요한 특성에 상당한 영향을 미치지 않으면서 몰드를 제거할 수 있도록 선택된다.

전술한 것의 비제한적 예로서, 희생 몰드를 제거하는 다른 방법은 용매(예를 들어, 물, PBS, 혈액, 아세톤, HFIP, 에탄올, 산 등)로 용해, (예를 들어, 대기압 뿐만 아니라 대기압 미만에서) 용융, 스크래핑, 수축, 증발(예를 들어, 진공 포함), 분해(예를 들어, 효소 분해, 유기체 기반 분해, 세포 기반 분해, 네트워크 절단, 사슬 절단 또는 킬레이션), 구심력, 기계적 분리(서로 연결되고 분리되는 별도로 만들어진 피스) 및 자극 반응 물질(예를 들어, pH , 이온 강도, 전기 유도 열화, 자성, 방사선 기반 열화 및 초음파 열화)를 포함하나 이에 국한되지 않는다. 또한, 상기 중 어느 하나는 또한 세척 단계를 포함할 수 있다.

특정 세부내용

위에서 언급한 바와 같이, 심혈관 질환은 전 세계적으로 주요 사망 원인이며, 이들의 발병률은 향후 수십 년 동안 증가할 것으로 예상된다. 이러한 질병의 영향은 엄청나며 의료 서비스, 의약품 비용, 사망으로 인한 생산성 손실을 포함하여 미국 의료 시스템에 매년 2,190억 달러의 비용이 발생한다. 심혈관 질환은 종종 혈관의 협착 또는 막힘, 혈류 감소, 영양 공급 제한 및 조직 손상과 관련이 있다. 이들 질환은 관상 동맥 심장 질환, 뇌 혈관 질환, 말초 동맥 질환 및 심부 정맥 혈전증을 포함한 다양한 형태로 나타날 수 있다.

우회 이식술은 심혈관 질환에 대한 일반적인 치료법이다. 대부분은 병에 걸린 혈관을 자가 동맥 또는 더 일반적으로는 복재 정맥 이식편으로 교체하는 것과 관련된다. 어떤 면에서는 효과적이지만, 그러한 자가 대체물은 가용성이 제한적이고, 채취를 위한 침습적 절차가 필요하며, 10년마다 교체해야 한다. 중증 혈관 질환이 있는 환자의 경우, 이러한 자연적인 자가 대체물을 항상 사용할 수 있는 것이 아니다. 소아 환자의 경우, 10년마다 우회 이식술을 받는 것은 평생 위압적인 전망이 것이다. 또한, 분지형 혈관 이식편은 손바닥 동맥활 재건, 선천성 혈관/심장 기형의 재건, 관상동맥 우회로 이식을 포함하여 여러 징후에 필요하다. 사용 가능한 자가 이식편을 사용하여 분지 혈관을 재건하면 수술이 길어지고 수술 후 합병증 위험이 증가할 수 있다.

자가 이식편과 관련된 단점 때문에, 많은 연구원들이 유망한 대안으로 TEVG를 찾고 있다. 이러한 TEVG의 초기 버전은 ePTFE, Dacron® 및 폴리우레탄과 같은 합성 재료를 사용했다. 이 재료는 이식편 디자인에 맞게 조정하는 용이성과 유연성을 제공하며 경동맥 또는 총대퇴 동맥과 같은 대구경 및 중경 동맥의 교체에 효과적인 것으로 입증되었다. 그러나, 이러한 재료는 탄성이 낮고 순응도가 낮으며 합성 표면의 혈전 유발성으로 인해 제한되어 직경이 6mm 미만인 이식편에는 적합하지 않다.

합성 TEVG로 이러한 문제를 해결하기 위해, 많은 연구원들은 현재 생분해성 폴리머를 세포층이 성장하는 스캐폴드로 사용한다. 스캐폴드가 분해되면, 세포에서 분비되는 ECM에 의해 대체되고 리모델링된다. ECM은 혈관 외층의 주요 구성 요소이며 엘라스틴 및 콜라겐 섬유를 포함한다. ECM의 섬유질 구조는 기계적 무결성에 기여할 뿐만 아니라 혈관의 탄력성에도 기여한다. 예를 들어, 확장기 동안 탄성 섬유 동맥 벽의 반동이 혈류의 지속을 촉진한다. 또한, 혈관의 탄력층에 있는 탄력섬유는 평활근 세포의 동심원 배열에 기여한다.

현재, 전기방사가 나노섬유 혈관 스캐폴드를 생성하기 위한 선택 방법이다. 그러나, 전기방사된 나노섬유 스캐폴드의 기하학적 형상은 자연적인 인간 혈관 모양과 닮지 않은 평평한 시트와 실린더로 제한된다. 원하는 스캐폴드에 복잡한 형상이 있는 경우, 연구원과 제조업체는 여전히 기하학적 한계가 있고 형상이 부정확 해지거나 섬유 특성이 부족한 지루한 후처리 방법을 사용해야 한다.

인공 혈관 이식편이 유기 생물학적 형태의 복잡성과 다양성을 모방할 수 없다는 점이 당면한 주요 과제이다. 미국 식품의약국(FDA)은 특히 관상용으로 설계된 스텐트와 같은 의료 기기가 구불구불한 해부학적 구조의 최악 시나리오를 시뮬레이션해야 한다고 권장한다. 이들은 혈관의 구부러짐 또는 분기를 수용할 수 있어야 하며 임상적으로 관찰되는 가장 어려운 해부 구조를 대표하는 모의 혈관에서 테스트해야 한다.

특정 실시예에 따른 혈관 이식편은 마이크로 수준에서 생물학적 기능을 유지 및 촉진하면서 자연 혈관의 유기적 기하학적 모양을 모방하도록 설계된 오래 지속되고 기능적으로 실행 가능한 합성 혈관이다. 특정 구성에서, 이러한 기술은 기계적 강도를 가지며 장기간의 혈류역학적 스트레스를 견딜 수 있다. 무독성, 비면역원성, 생체 적합성, 혈전증에 대한 내성, 및 응급 치료를 위해 크기와 모양이 다양하게 제공될 것이다.

본 개시내용의 실시예는 또한 심혈관 질환의 치료를 위한 인공 혈관 이식편을 개발하기 위한 보다 다양한 방법을 제공한다. 이 고유한 방법은 다양한 자연 혈관 구조의 모양과 복잡성을 복제하는 혈관 및 혈관 모방체를 생성할 수 있는 능력이 있다. 단계 개요의 비제한적 예는 다음과 같다. 이러한 일반적인 수준의 단계가 제공되지만, 추가 또는 더 적은 단계가 제공될 수 있다. 이러한 단계는 일반적으로 이러한 단계에 대응하는 추가 세부 사항과 함께 아래의 도 1을 참조하여 알 수 있다.

단계

1. 맞춤형 몰드의 3D 프린팅

2. 용융된 갈륨을 몰드에 붓고 갈륨으로 구성된 원하는 혈관 모양을 만들고 갈륨을 식혀 응고

3. 몰드에서 응고된 주조 갈륨 제거

4. 주조 갈륨에 나노섬유를 전기방사

5. 갈륨을 녹이고 원하는 모양의 나노섬유 스캐폴드를 남김

6. 세포로 스캐폴드 시딩

7. ECM을 형성하기 위해 세포를 몇 주에 걸쳐 증식시키기

이들 단계 후, 생성된 혈관 모방체는 혈류 분산기, 스텐트 및 동맥류 코일과 같은 장치의 테스트에 적합할 것이다. 그리고, 특정 구성에서, 혈관 또는 스캐폴드가 이식에 적합할 수 있다.

다른 기술은 단순한 형상으로 제한되지만, 본 발명은 본래 혈관의 복잡한 구조를 따르는 혈관을 만들 수 있게 한다. 이는 개시된 디자인이 광범위한 심혈관 응용 분야에 사용될 수 있음을 의미한다. 다중 이식편(예를 들어, 이중, 삼중 및 사중 우회 이식편)이 필요한 경우, 개시된 방법은 수술 시간을 줄이고 절개 지점(이식편이 봉합되는 부위)의 수를 제한하며 신체의 다른 부분에서 하나 이상의 정맥/동맥을 채취할 필요가 없는 단일 분지 이식편을 생성할 수 있다. 이는 여러 가지 가능한 응용 중 하나의 예일 뿐이다. 본 발명이 적용될 수 있는 복합 섬유 스캐폴드를 필요로 하는 추가 적용은 인간 또는 동물 조직 및 장기와 같은 복합 유기 구조의 형성을 포함한다. 본 개시내용을 검토한 후 또 다른 추가 적용도 당업자에게 명백해질 것이다.

세계 조직 공학 및 재생 시장은 34.8%의 CAGR로 2023년까지 1099억 달러에 이를 것으로 예상된다. 비용 효율성으로 인해, 3D 프린팅이 새로운 조직 공학 전략으로 간주되며 시장의 최고 동인 중 하나가 되었다.

글로벌 조직 공학 시장 성장은 조직 공학 기반 요법에 대한 증가된 초점에 의해 더욱 강화될 것으로 예상된다. 나노기술의 적용 및 특히 세포 재생을 돕기 위한 나노섬유의 3D 설계가 조직 공학 제품의 성장을 촉진했다. 이에 따라, 나노섬유 소재 시장은 2018년 36억 달러로 평가됐다.

생체공학 혈관에 대한 필요성과 임상적으로 이용 가능한 선택사항의 제한된 범위 사이에 간극이 있다. 이식이 필요한 매년 약 100,000명의 환자가 적합한 자가 동맥이나 정맥이 없다. 그러나, 죽상동맥경화증과 같은 허혈성 질환의 지속성으로 인해 혈관 조직 복구에 대한 수요는 계속되고 있다. 미국에서만, 매년 140만 명의 환자가 동맥 교체가 필요하며 치료 비용은 총 250억 달러이다.

현재, 기업에서는 충분한 혈관 모방체가 존재하지 않기 때문에 동물에서 값비싼 초기 장치 테스트를 수행해야 한다. 개시된 혈관 모방체는 동물 없이 장치 테스트를 위한 대안적이고 저렴한 옵션을 제공할 것이다. 이는 기업이 복잡한 동물 연구에 시간과 비용을 투입하기 전에 문제를 조기에 발견하고 수천 달러를 절약하는 동시에 동물 복지를 개선할 것이다.

본 개시내용으로부터 이용가능한 또 다른 시장은 말초 동맥 질환 및 관상 동맥 심장 질환과 같은 심혈관 질환의 치료를 위해 환자에게 조작된 혈관을 이식하는 것이다. 이러한 질병을 치료하기 위해, 미국에서는 매년 약 340,000건의 관상동맥우회술(CABG) 시술이 수행된다. CABG는 가장 일반적으로 시행되는 심혈관 수술 중 하나이므로 우리 고유의 기술을 이 시장에 도입할 충분한 여지가 있다. 예상되는 심혈관 재생 시장은 2023년까지 41억 4천만 달러에 이를 것으로 예상된다.

현재, CABG 시술의 최적 표준은 복재 정맥과 같은 자가 혈관을 사용하는 것이다. 그러나, 자가 이식편을 채취하기 위해서는 추가적인 수술이 필요하며, 이는 종종 사용에 적합하지 않은 것으로 판명된다. 본원의 개시내용은 자가 이식편과 관련된 합병증 없이 본래 혈관의 구조적 및 기능적 특성을 갖는 개인화된 이식편 디자인을 갖는다.

개시된 기술은 복잡한 매크로 기하학적 구조를 갖는 나노섬유 스캐폴드를 생성함으로써 본래 혈관의 미세구조에 가깝게 재현하는 것을 목표로 한다. 기존의 대안 옵션은 이러한 복잡한 나노섬유 구조를 달성할 수 없다.

개시된 혁신은 복잡하고, 불규칙하거나 맞춤화된 기하학적 구조를 갖는 나노섬유 혈관 스캐폴드를 제조하기 위한 현재 방법에 대한 간단한 대안이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 개시한다. 두 개의 몰드 피스가 라벨 A를 참조로 도시되어 있다. 특정 구성에서, 몰드 피스는 본 명세서를 검토한 후 당업자에게 명백해질 다양한 기술을 사용하여 3D 프린팅될 수 있다. 비제한적 예로서, 추가 및 제거 기술 모두 희생적으로 사용될 물체의 원하는 형상을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 추가 예제가 아래에 제공된다. 여기에는 두 개의 몰드 피스가 도시되어 있지만, 다른 구성에서는 두 개 이상의 피스를 사용할 수 있다.

라벨 B를 참조하면, 용융 갈륨의 주물이 도시되어 있다. 갈륨이 이러한 특정 구성으로 설명되지만, 아래에 설명된 바와 같이 다양한 다른 재료가 또한 이용될 수 있다.

라벨 C를 참조하면, 갈륨이 응고된 후, 그 모양은 원하는 혈관 구조(이 경우, 복잡한 곡률 및 가변 직경을 갖는 분기된 동맥류)와 유사하다. 특정 구성에서, 갈륨 이외에, 추가 희생층으로서 아래에 설명된 바와 같이 다른 재료가 추가될 수 있다. 예를 들어, 갈륨은 후술하는 섬유가 갈륨에 직접 접촉하고 노출되는 것을 보호하는 역할을 하는 또 다른 희생층으로 코팅될 수 있다. 희생층을 증착하기 위한 비제한적 예시 방법은 전기분무 또는 전기방사, 또는 임의의 다른 분무 방법 또는 침지 코팅을 포함한다. 기타 사항은 본 명세서를 검토한 후 당업자에게 명백해질 것이다. 희생층은 PEG(폴리에틸렌 글리콜), 수용성 왁스 등과 같은 모든 종류의 수용성 재료일 수 있다. 특정 구성에서, 갈륨은 원하는 특정 설계를 위한 구조적 기초를 제공하는 반면 추가 희생층은 갈륨과 섬유 사이의 특정 상호 작용을 막는다. 이러한 방식으로, 서로 다른 재료를 모두 사용할 수 있다. 두 재료 모두 섬유 코팅 후에 희생적으로 제거된다.

라벨 D를 참조하면, 나노섬유가 응고된 갈륨에 전기방사되고 갈륨이 녹아 나온다. 추가층이 사용되는 경우, 이러한 추가층도 제거할 수 있다. 아래에서 참조되는 바와 같이, 전기방사는 특정 구성에서 설명되지만, 다른 구성에서는 섬유를 희생 컬렉터(여기서는 갈륨 및 잠재적으로 다른 층)에 부착하는 다른 기술을 사용할 수 있다.

갈륨(및 사용되는 경우 추가층)을 제거한 후, 남은 것은 라벨 E와 관련하여 나타낸 바와 같이 원하는 형상을 갖는 나노섬유 스캐폴드이다. 전기방사는 나노섬유 증착 후에 제거해야 하는 전도성 컬렉터를 필요로 한다. 이것이 갈륨이 유용한 이유이다: 갈륨은 전도성이 있고(따라서 전기방사 공정에서 우수한 컬렉터 역할을 할 수 있고) 30°C 이상의 온도와 조직 공학(예를 들어, PCL)에 사용되는 일반적인 폴리머의 용융 온도보다 낮은 온도에서 용융하여 전기방사 스캐폴드에서 쉽게 제거할 수 있다.

라벨 F를 참조하면, 나노섬유 스캐폴드는 생물반응기에서 증식하면서 시간이 지남에 따라 ECM을 생성하는 세포로 시딩된다. 몇 주 후, 용기는 연구 및 개발 목적을 위한 사용을 포함하여 사용할 준비가 된다. 기하학적 구조와 호환성에 따라, 스캐폴드 또는 성장한 혈관은 의료 목적(이식)에도 사용할 수 있다.

개시된 기술은 3-D 프린팅 금속, 가공 컬렉터, 성형 알루미늄 호일 또는 가공 몰드를 사용하는 다른 절차의 기하학적 한계를 극복한다. 하나의 기술에서, 작고 압축된 알루미늄 호일 피스가 장착된 접지된 회전 막대가 전기방사 컬렉터로 사용된다. 금속 막대는 혈관을 나타내고 알루미늄 호일은 동맥류 성장을 나타낸다. 나노 섬유는 회전하면서 동시에 막대와 알루미늄 호일에 전기방사된다.

이 방법의 주요 문제는 막대를 제거해야 할 때 발생한다. 알루미늄 호일은 전기방사된 나노 섬유에 의해 제자리에 고정된 동맥류 모양 안에 갇혀 있다. 나노섬유 스캐폴드에 절개를 하고 호일을 제거한다. 절개는 스캐폴드에 원하지 않는 구멍을 남긴다. 막대를 스캐폴드에 다시 삽입하고 전기방사를 다시 시작한다. 이것은 더 많은 나노 섬유로 절개부를 덮지만 절개가 있던 곳에 바람직하지 않은 두께를 남긴다. 이 방법은 또한 스캐폴드 내부의 절개를 매끄럽게 하지 못한다. 이것은 힘든 과정으로 원하지 않는 기하학적 결함을 일으키고 매우 단순한 모양에 국한된다. 해결 방법이 있지만, 형상이 제한되고 힘든 후처리가 필요하다.

맞춤 형상의 TEVG를 만들기 위한 기존의 불충분한 시행은 개시된 기술에 대한 필요성을 입증한다. 특히, 이 기술은 다른 방법으로는 달성할 수 없었던 기하학적 형상을 잠금 해제하고 후처리 단계의 수를 최소화할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

이식된 TEVG의 성공에 중요한 요소는 ECM의 자연적인 미세 환경을 모방하는 능력이다. 전기방사는 가장 유연한 스캐폴드 제조 방법 중 하나로 간주된다. 전기방사는 세포 외 매트릭스의 자연적인 미세 환경을 모방하기 위해 나노 스케일 섬유의 구성 및 관련 기계적 및 생물학적 기능을 설계하는 데 있어 높은 범위의 유연성을 허용한다. 전기방사는 본래 조직에서 발견되는 크기 범위인 50-500nm 범위의 직경을 가진 섬유로 만들어진 3차원 네트워크의 형성을 가능하게 한다. 갈륨을 3D 프린트된 몰드로 주조하는 우리의 사용은 컬렉터 형상이 시트나 실린더보다 더 복잡할 수 있도록 함으로써 이 기술을 더욱 개선한다. 본 발명은 사실상 무제한의 모양으로 나노섬유 스캐폴드를 만드는 능력을 잠금 해제한다.

더 복잡한 구조를 모방하려는 시도가 다양한 성공도로 시도되었다. Tiffany W. Shen 등은 방추형 및 소낭형 동맥류 기하학의 혈관 모방을 위한 스캐폴드를 개발하고 테스트했다. 그들은 세포로 시드되었고 혈류 분산기를 테스트하는 데 사용되었다. 이 방법은 여러 기하학적 구조에서 동맥류 혈관 모방을 성공적으로 생성했지만, CNC 가공 프로세스를 사용해야 하기 때문에 시간이 많이 걸리고 광범위한 기하학 구조에 적용할 수 없었다.

Chavez 등의 연구는 생물 반응기의 ePTFE 스캐폴드에서 세포를 성장시켰다. 스캐폴드는 세포가 일관되게 증착되는 일부 분기 및 곡선 옵션이 있는 복잡한 형상을 가졌다. 성공했지만, 이 방법은 본래 동맥과 유사한 탄성 계수를 보이지 않고 생체 흡수성이 아니며 시간이 지남에 따라 개통성이 낮은 ePTFE를 사용한다는 한계가 있었다.

Fukunishi 등은 원하는 혈관 모양의 스테인리스 스틸을 3D 프린팅한 다음 그 위에 나노섬유를 전기방사했다. 이로 인해 약간 구부러진 단순한 원통형 모양이 만들어졌으며 연구원들은 전기방사 후 3D 프린팅된 스틸을 녹이지 않고 제거해야 하기 때문에 제한된 기하학적 구조를 포함하여 다른 기술과 동일한 제한 사항을 겪었다.

본 개시내용은 갈륨 기반 컬렉터를 사용하는 변형된 전기방사 방법을 제공하고 전통적인 전기방사 방법을 사용하여 만드는 것이 불가능하거나 도전적인 복잡한 기하학적 구조를 갖는 나노섬유 스캐폴드를 생성하는 데 사용될 수 있다. 또한, 개시된 방법은 생체 적합성일 수 있는 다중 생체 재료 및 폴리머로부터 나노섬유 스캐폴드를 설계하는 데 사용될 수 있다.

실험

본 출원인은 갈륨계 콜렉터를 만드는 과정에 대한 예비 데이터를 얻기 위해 실험을 수행했다. 본 출원인은 몰드를 3-D 프린팅한 다음 용융 갈륨을 주조했다(도 2a). 몰드의 공동은 작은 동맥류가 있는 4mm 혈관 모양이었다. 밤새 응고한 후 갈륨을 제거하였다(도 2b).

본 출원인은 콜렉터로서 갈륨을 사용하여 주조 갈륨 상에 전기방사된 폴리카프로락톤(PCL)을 사용하였다. PCL은 14% w/v였고 0.1 mL/min의 유속으로 6인치 거리에서 전기방사되었다. 전압은 12kV에서 시작하여 10분 후에 18kV로 높였다. 갈륨을 0볼트(접지)로 유지하고 천천히 회전시켰다(60 RPM). 바늘은 갈륨 위로 이동하여 갈륨 컬렉터의 길이를 따라 나노 섬유가 고르게 퍼지도록 앞뒤로 병진이동했다. 이 프로세스를 완료하는 데 걸린 총 시간은 20분이었다.

갈륨과 스캐폴드를 38℃의 회전 오븐에 넣었고, 수동 교반으로 30분 후에 많은 양의 갈륨이 녹았다. 모든 갈륨이 녹아 제거될 때까지 이 과정을 두 번 반복하여 나노섬유 혈관 스캐폴드를 남겼다(도 2d). 갈륨계 콜렉터를 생성하기 위한 단계의 대표적인 이미지가 본 발명의 실시예에 따라 도 2a-2d에 도시되어 있다. 동맥류가 있는 원통형 용기를 만들기 위해, 먼저 몰드용 CAD 파일을 설계(도 2a)한 다음 몰드를 3D 프린팅(도 2b)하고 용융 갈륨을 몰드에 주조했다. 기포를 제거하고 갈륨을 응고시키기 위해 몰드를 압축 챔버에 넣었다. 갈륨 용기는 몰드에서 매끄럽게 제거될 수 있다(도 2b 및 2c). 주조 단계 중 일반적인 문제 중 하나는 플래싱(flashing)이다. 주조 핀 또는 버라고도 하는 플래시는 몰드 피스가 접촉하는 주형에 부착된 원치 않는 과도한 재료로 설명될 수 있다. 플래싱을 최소화하기 위해, 몰드 피스는 탄성 밴드가 아닌 볼트와 너트로 함께 고정되었다. 또한, 3D 프린팅된 몰드는 압축력이 몰드 표면 사이의 공간을 완전히 밀봉하고 유연하지 않은 몰드에 비해 응고된 갈륨을 훨씬 쉽게 제거할 수 있도록 유연한 재료를 사용하여 제작되었다. 또한, 갈륨에 갇힌 기포 형성을 방지하기 위해, 몰드에 작은 통기 구멍을 설계하여 갈륨을 주조하는 동안 공기가 빠져나갈 수 있도록 했다. 또한, 몰드와 갈륨을 압축 챔버에 넣으면 남아있는 기포의 크기가 마이크로 크기로 줄어든다. 그런 다음, 갈륨 컬렉터를 EHD 프린팅 머신에 적재하고 60 rpm의 속도로 회전시켰다. PCL(Polycaprolactone)은 컬렉터에서 6인치 거리에서 전기방사되었다. 프린트 헤드는 15kV에 연결되었고 컬렉터는 접지되었다. 바늘은 갈륨 위로 이동하여 갈륨 컬렉터의 길이를 따라 나노 섬유가 고르게 퍼지도록 앞뒤로 병진이동했다.

갈륨 컬렉터 및 스캐폴드를 38℃의 오븐에 1시간 동안 두어 갈륨을 제거하였다. 갈륨 제거 후의 나노섬유 스캐폴드가 도 2d에 도시되어 있다.

갈륨의 잔류 흔적을 최소화하기 위해, 수용성 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 폴리머의 얇은 층(50㎛)을 먼저 갈륨 컬렉터 상에 전기분무한 후 PCL을 전기방사하였다. PEG는 PCL 섬유층이 갈륨에 직접 노출되는 것을 줄이기 위한 보호층 역할을 했으며 갈륨 제거 후 물에 용해되었다. 우리의 결과는 보호용 PEG 층이 사용될 때 나노 섬유층의 표면에 육안으로 감지할 수 있는 갈륨 잔류물이 없음을 보여주었다(도 3b). 도 3a는 갈륨 및 PCL을 나타내는 반면, 도 3c는 스테인레스 스틸, PCL 및 PEG를 나타내지 않는다. 또한, 오븐 내 후처리 단계의 온도와 길이를 각각 40°C와 5시간으로 높여 갈륨 제거 공정을 최적화했다. 동맥류가 있는 간단한 원통형 형상을 만들기 위해 프로세스를 최적화한 후(도 2a-d), 이 방법을 사용하여 더 복잡한 분기형 기하학적 형상을 가진 나노섬유 구조를 만들었다. 분지형 기하학적 형상에 대한 초기 관찰 중 하나는 긴 섬유 길이와 두 개의 갈륨 분기 사이 공간에서 전기장의 방향으로 인한 섬유 웨빙(도 4a)의 가능성이었다. 제재에서 PCL 폴리머의 분자량이 80kDa에서 24kDa로 감소되었을 때, 웨빙이 최소화되었으며 연속 섬유로 갈륨이 균일하게 코팅되었다(도 4b).

도 2a-2d를 참조하여 설명된 상기 언급된 최적화된 방법을 사용하여 동맥류가 있는 분기된 기하학적 구조를 갖는 구조물을 생성하였다(도 5a, 5b 및 5c). 보다 구체적으로, 도 5a는 몰드의 이중 큐레이트된 기하학적 구조를 보여준다. 도 5b는 몰드에서 나온 이중 큐레이트된 갈륨 형상을 보여준다. 도 5c는 섬유로 덮인 갈륨의 이중 큐레이트된 기하학을 보여준다.

본 명세서는 특정 실시예 및 일반적으로 연관된 방법을 설명했지만, 이러한 실시예 및 방법의 변경 및 순열은 당업자에게 명백할 것이다. 하기 청구범위에 의해 정의된 바와 같이, 본 개시의 기술사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 변경, 대체 및 변경도 또한 가능하다.

Claims (16)

1. 도관을 갖는 물체를 생성하는 방법으로서,
   재료를 희생 컬렉터 상에 증착하는 단계; 및
   재료에서 희생 컬렉터를 제거하여 도관이 있는 물체를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   물체 및 희생 컬렉터 둘 다가 원하는 혈관 형상에 가까운 방법.
3. 제1항에 있어서,
   희생 컬렉터가 갈륨인 방법.
4. 제1항에 있어서,
   몰드에 희생 재료를 증착하여 희생 컬렉터를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
5. 제4항에 있어서,
   희생물용 몰드를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
6. 제5항에 있어서,
   몰드가 3-D 프린팅되는 방법
7. 제1항에 있어서,
   재료는 섬유이며,
   증착 공정은 섬유를 희생물에 증착하는 전기방사 공정인 방법.
8. 제1항에 있어서,
   희생 컬렉터가 전기 전도성인 방법.
9. 제1항에 있어서,
   희생 컬렉터는 0 ohms/m 내지 1 Mohm/m의 전기 저항을 갖는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    희생 컬렉터는 0 ohms/m 내지 100 ohm/m의 전기 저항을 갖는 방법.
11. 제1항에 있어서,
    희생 컬렉터는 용융에 의해 재료에서 제거되는 방법.
12. 제12항에 있어서,
    희생 컬렉터의 녹는점을 낮추기 위해 용융이 발생하는 환경을 대기압 이하로 낮추는 단계를 더 포함하는 방법.
13. 제1항에 있어서,
    희생 컬렉터는 희생 재료, 희생 재료의 상부에 있는 희생층을 포함하며, 희생층은 희생 재료와 다른 물질을 갖는 방법.
14. 제13항에 있어서,
    희생 재료가 희생 컬렉터 상에 증착된 희생 재료와 직접 상호작용하는 것을 막기 위해 희생층이 희생 재료의 상부에 증착되는 방법.
15. 제14항에 있어서,
    희생 재료는 갈륨이고,
    희생층은 수용성 물질인 방법.
16. 제13항에 있어서,
    3-D 프린팅된 몰드에 희생 재료를 증착하여 희생 컬렉터를 생성하는 단계;
    몰드로부터 희생 재료를 제거하는 단계; 및
    희생 재료 상에 희생층을 증착시키는 단계를 더 포함하는 방법.
    

Images