KR20230085102A - 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법 - Google Patents

혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230085102A
KR20230085102A KR1020220168371A KR20220168371A KR20230085102A KR 20230085102 A KR20230085102 A KR 20230085102A KR 1020220168371 A KR1020220168371 A KR 1020220168371A KR 20220168371 A KR20220168371 A KR 20220168371A KR 20230085102 A KR20230085102 A KR 20230085102A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
screw
hydrogel
bioink
barrel
pen
Prior art date
Application number
KR1020220168371A
Other languages
English (en)
Inventor
노인섭
바타차리야 아미타바
Original Assignee
주식회사 매트릭셀바이오
서울과학기술대학교 산학협력단
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 매트릭셀바이오, 서울과학기술대학교 산학협력단 filed Critical 주식회사 매트릭셀바이오
Priority to PCT/KR2022/019702 priority Critical patent/WO2023106789A1/ko
Publication of KR20230085102A publication Critical patent/KR20230085102A/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
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • 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
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/285—Feeding the extrusion material to the extruder
    • 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
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/30—Extrusion nozzles or dies
    • 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
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/395—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders
    • B29C48/40—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders using two or more parallel screws or at least two parallel non-intermeshing screws, e.g. twin screw extruders
    • 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
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/68—Barrels or cylinders
    • 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
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/68—Barrels or cylinders
    • B29C48/682—Barrels or cylinders for twin screws
    • 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
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • 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
    • 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
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • 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
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • 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
    • 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
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • 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
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers

Landscapes

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

Abstract

본원에는 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체 및 이를 이용한 바이오잉크 또는 하이드로젤 프린팅 방법이 개시된다. 상기 펜 타입 구조체는 제1 스크루를 하우징하는 원통형의 제1 배럴; 상기 제1 스크루보다 길이가 길고 제1 스크루와 병렬 구조를 갖는 제2 스크루를 하우징하는 원통형의 제2 배럴; 상기 제1 스크루의 기어 및 제2 스크루의 기어와 연결되어 제1 스크루 및 제2 스크루를 구동시키는 컨트롤러; 상기 제1 배럴에 형성되고 제1 배럴 내부로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2 이상의 공급부; 및 상기 컨트롤러의 반대편 쪽에 제2 배럴의 말단부로부터 연장 형성되고 바이오잉크 또는 하이드로젤을 토출하는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부를 포함한다.

Description

혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법{Bio-pen structure for improving mixing homogeneity and bio-printing method using the same}
본원에는 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체 및 이를 이용한 바이오잉크 또는 하이드로젤의 혼합방법과 프린팅 방법이 개시된다.
바이오잉크 프린팅은 압출식, 액적 (bio-ink) 유형 및 레이저 보조 프린팅 (Stereolithography Apparatus, SLA)과 같은 기술에 적용하여 조직공학 조직재생에 적용되는데, 가장 널리 사용되는 방식은 압출 방식의 3D 바이오 프린팅 기술이다. 세포가 함유된 3D 바이오프린팅과 조직공학재생의학의 경우, 세포와 같은 단일 구성요소의 프린팅 한계를 극복하기 위해 세포, 나노입자, 성장인자 등과 같은 다중 구성요소를 포함하는 하이드로젤(세포가 혼합되지 않는 경우는 하이드로젤, 세포가 포함된 경우에는 바이오잉크)이 사용된다. 젤, 생체 분자, 생체활성 마이크로/나노 입자를 포함한 여러 구성성분들을 하이드로젤 (세포를 포함시키는 경우는 바이오잉크) 내부에 균일하게 분포시키기 위해 종래의 기술은 다양한 구성성분들을 각각 비이커, 튜브 등에 주입하고, 교반기 (stirrer), 피펫팅 (pipetting), 스패튤라 (spatular), 원심분리, (2개의 병렬 혹은 독립된 2개 배럴에 각각의 용액을 넣어서 주사하는 과정에서 혼합시키는 등) 주사기 등과 같은 기계적, 수동 방식을 이용하여 혼합하는 등의 여러 단계의 제조공정이 필요하다. 이러한 여러 제조 단계의 절차를 통한 세포 혼합 과정에서, 고 전단 (high shear)의 혼합공정에서는 살아 있는 세포를 3D 바이오 프린팅 공정 전에 하이드로젤에 혼합시켜서 바이오잉크를 제조한다. 이러한 공정을 거쳐 제조된 바이오잉크는 3D 바이오 프린터의 압출기 헤드에 로딩(loading) 되고, 압출시켜 복잡한 인체의 조직 및 기관의 모방 구조체 (조직재생 구조체)를 제조하고, 상기 조직공학 구조체를 in vitro 세포배양을 진행하여 조직을 재생하거나(in vitro 조직 재생), in vitro 재생조직을 연골, 피부, 골, 신경, 척추 등과 같은 인체의 결손조직에 이식하여 조직의 재생을 유도하거나(in vivo 조직재생), 직접 주사하여 손상조직을 치료하거나 조직재생을 유도하게 되는 것이다(세포치료제). 이때 세포를 포함시키지 않고, 성장인자, 유전자, 펩타이드, 약물, 입자 등의 무생물만을 하이드로젤에 포함시켜 생체활성물질 전달체로 사용하여 치과의 골충진제 혹은 결손조직 재생유도에 활용(유전자치료제, 세포치료제 등) 하기도 한다.
그러나 현재 사용되고 있는 바이오잉크 프린팅 기술과 생체활성물질이 포함된 하이드로젤 제조기술은 수동으로 구성성분들의 혼합을 유도하고, 균일하게 세포와 성장인자 등이 균질하게 분산되지 않은 바이오잉크를 압출기 헤드에 수동으로 로딩하여 사용하거나, 세포와 하이드로젤을 분리된 2개의 주사기 배럴에 각각 넣은 다음에 압출에 의해 세포와 하이드로젤을 혼합하기 때문에, 바이오잉크 내부에서 세포들이 균일하게 분산되지 않은 문제점과 생체활성물질이 하이드로젤의 내부에서 잘 분산되지 않는 문제점이 있다. 이러한 바이오프린팅 결과는 최종적으로 재생하려는 조직의 물성을 조절하지 못하는 문제점 (예, 구조체 내에서 세포들이 불균일하게 분산됨으로 인하여 조직재생이 불균일하게 되는 문제)을 유발하는 문제점이 있다. 게다가 공기압 또는 피스톤식 압출 시스템에서 고점도 젤의 압출이 어렵고, 고점도의 바이오잉크 내에 로딩된 세포들은 압출과정에서 손상을 입을 뿐만 아니라, 세포와 생체활성인자 (성장인자, 나노입자 등)를 조직공학 구조물 (scaffold) 내부에 균일하게 분포시키지 못하는 문제점으로 인해 생분해성 조직공학 구조물에 의한 조직재생이 불균일하게 유도되는 문제점 (예, 세포 및 성장인자들이 불균일하게 분산됨으로 인하여 조직재생이 불균일하게 되는 문제)을 야기한다.
또한 세포/줄기세포를 하이드로젤에 포함시켜 주사형으로 질환조직을 치료하는 세포치료제의 경우에서는 세포들이 손상조직에 균질하게 전달되지 않음으로써 조직치료가 효율적으로 진행되지 못한다.
또한 유전자와 약물을 하이드로젤에 포함시켜 주사형으로 질환조직을 치료하는 약물전달체 혹은 유전자치료제의 경우에서는 약물과 유전자들이 손상조직에 균질하게 전달되지 않음으로써 조직치료가 효율적으로 진행되지 못한다.
또한, 골충진제와 같이 무생물만의 생체활성물질을 사용하는 경우에도, 약물, 성장인자 (BMP2, FGF, VEGF 등), 나노입자 등과 같은 생체활성물질 입자들이 하이드로젤에 균일하게 혼합되지 않게 되는 문제점이 있다. 이로 인하여 생체활성물질 전달체가 이식된 이후에 환자의 결손조직 내에서 생체활성물질이 균질하게 분포되지 못하여 세포들의 불균일한 부착과 함께 골 조직재생이 다르게 진행되고, 결국 균질의 결손조직 재생, 질환조직 치료 라는 원래의 목적을 달성하지 못하게 된다.
또한, 조직재건 수술의 경우 의료 종사자는 세포가 함유된 하이드로젤 또는 바이오잉크를 세포치료제로 적용하는 용도로 사용한다. 이러한 세포치료제는 준비과정과 준비과정에서 복잡한 단계의 기술이 요구될 뿐만 아니라, 환자마다 적용해야 하는 손상부위, 손상정도, 환자마다 필요한 세포치료제/잉크 용량, 세포치료제/잉크 농도, 세포치료제/잉크 형상 등이 서로 다르게 적용된다. 따라서, 준비과정에서 동일한 공정을 사용하는 종래 기술의 방법으로는 세포, 생체활성물질의 균일한 혼합을 달성하기가 어렵다. 또한, 현장에서 외과의사가 하이드로젤에 약물이나 생체활성인자를 필요에 따라 직접 추가해서 적용해야 하는 경우가 많은 상황을 고려할 때, 외과의사가 현장에서 혼합 시 세포, 생체활성물질의 균일한 혼합이 용이하지 않다. 이미 제조된 세포치료제를 공급받아 사용하는 경우에도, 준비해 놓은 세포치료제를 저장 혹은 동결해 놓은 동안에 세포와 성장인자 등이 침전되어 사용하고자 할 시점에는 균일한 혼합이 되지 않는 문제와 함께 동결했던 경우에는 해동과정의 필요성 등이 존재하므로, 원래 목적인 균질의 조직재생 및 세포치료 효과를 유도하지 못하는 결과로 귀착될 수 있고, 현장에서 바로 생체재료와 하이드로젤을 혼합하여 사용할 필요성이 있다.
또한, 이러한 바이오잉크 내부의 세포, 생체활성물질들의 불균일 문제는 대학과 연구소의 연구 현장에서도 유사하게 발생한다. 세포나 생체활성물질이 포함된 생체활성물질 전달체, 바이오잉크 실험에서 균일한 분산에 의한 실험결과를 도출하는데 문제점이 있다. 연구자의 숙련도에 따라 서로 다른 혼합물을 제조하게 되고, 혼합공정이 수동적으로 처리하게 됨으로써 바이오잉크 혼합성분들이 안정적이지 못한 (다시 말해, 표준화가 되지 않는) 단점이 있다.
나아가, 대부분의 줄기세포는 버퍼용액, 생체적합성의 고분자용액 혹은 하이드로젤에 주입되어 사용되며 세포의 높은 생존율과 활성도를 보장하기 위해 고밀도/고가의 줄기세포를 사용하고 있어 비용이 많이 소요된다. 더욱이 재건 면적이 넓은 피부조직 재생수술과 같은 경우에는, 종래기술에 의한 바이오잉크 프린팅 시 프린팅 선폭이 넓지 않은 문제점이 해결되지 못하고 있다. 넓은 면적으로 프린팅하는 과정에서 세포의 균일한 분포가 중요하며, 특히 층과 층 사이 (수평방향 및 수직방향의 연결)의 세포 균일성과 함께, 프린팅 잉크들의 프린팅 라인과 라인의 연속적인 연결을 보장하는 것이 매우 중요하다.
종래 광범위한 바이오잉크의 종류와 환자의 특성에 맞는 3D 바이오 프린팅 조직공학 구조물 (지지체, scaffold)를 제조하기 위해서, 여러 단계의 준비과정뿐만 아니라 압출 헤드의 단점을 해결하기 위해 다양한 종류의 바이오잉크, 잉크 혼합기기, 세포치료제 전달체의 혼합 시스템 및 3D 바이오 프린팅 압출 헤드가 제안되었다.
바이오 프린팅 압출 헤드 개발의 일환으로 한국등록특허 제10-2286073호는 동일한 길이로 구성된 2개의 병렬 스크루 압출기를 포함하는 이중 스크루 압출 혼합 시스템을 개시한다. 그러나 상기 발명은 병렬형 스크루 압출기 기술로 바이오잉크를 균일하게 혼합할 수는 있었으나, 컨트롤러가 바이오잉크를 압출기에 반자동으로 연속적 로딩하는데 제한이 있었고, 같은 길이의 2개의 병렬형 스크루를 이용하여 정해진 용량의 잉크로 바이오 프린팅하기 때문에 연속적이면서 일정한 선폭으로 바이오잉크를 프린팅하는 것이 어려웠다. 또한, 압출기 디자인의 구조적 한계로 인하여 고 정밀도로 프린팅하고자 하는 경우 어려움이 있었고, 피부, 필름, 창상피복제와 같은 넓은 면적을 균질하게 프린팅하기가 어려웠다. 또한, 고분자를 용액으로 혼합시키면서 젤로 전환시킬 수 있는 기능이 없었으며, 성형된 하이드로젤을 나노입자 젤로 전환시킬 수 없었고, 약물의 봉입이 효율적이지 않은 문제점이 있었다. 더욱이, 종래의 바이오프린터에 장착된 압출기는 독립적으로 사용할 수 없기 때문에 바이오프린터에 장착해서 사용해야 하는 문제점이 있었고, 환자의 조직 (예, 피부, 연골 등)에 직접 프린팅하지 못하는 문제점과 함께, 제조하는 조직공학 지지체 규격은 3D 프린터의 프린팅 범위에 국한되는 문제점이 있었다.
KR 10-2286073 B1
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자, 서로 다른 길이의 스크루로 구성되고, 일부 부분은 병렬형 2개의 스크루로 구성되며, 컨트롤러를 연결하여 바이오잉크 또는 하이드로젤을 압출기에서 혼합하고 프린팅 속도를 조절할 수 있도록 하였다. 서로 다른 길이로 구성된 2개의 스크루에 의해 구동되는 압출기로 디자인하고, 서로 다른 주입구를 통해 주입된 젤과 세포의 혼합이 병렬형 스크루의 혼합 단계에서 말단 단계인 나중 단계 (그러나, 병렬형 스크루의 혼합이 끝나기 전 단계)에서 이루어지도록 하고, 컨트롤러로 프린팅 속도와 작동시간을 조절할 수 있도록 하였다. 또한, 컨트롤러를 이용하여 스크루의 회전 속도를 조절하고, 컨트롤러와 가까운 거리에서부터 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부로 갈수록 스크루를 짧은 피치 (나노입자와 젤의 혼합력이 가장 우수한 영역이면서 세포손상확률이 가장 높은), 중간 피치 및 긴 피치 (젤과 나노입자의 혼합력은 낮으나, 세포손상확률이 가장 낮은 영역) 영역으로 구성된 가변 피치를 갖도록 하고, 짧은 피치 구간에서는 세포를 공급하지 않은 상태에서 젤과 나노입자의 혼합 성능을 극대화시키고, 세포 손상이 가장 작은 영역, 즉 긴 피치 구간에서 세포를 주입함으로써 세포의 전단력 및 세포 손상을 최소화하였다. 또한, 프린팅 특성을 극대화하기 위해서, 토출되는 부분에는 긴 스크루만으로 구성된 영역을 디자인함으로써, 혼합된 바이오잉크 또는 하이드로젤의 전달 기능, 프린팅 기능을 더욱 정밀하게 하고, 넓은 면적으로 프린팅할 수 있도록 브러시 또는 롤러 형태의 압출 헤드를 장착할 수 있도록 디자인하였다.
2개의 스크루에 의한 혼합 및 이동이 중간에 하나의 스크루에 의한 혼합 및 이동으로 변경 (즉, 2개의 스크루 작동이 중간에 하나의 스크루 작동으로 병합)되도록 함으로써, 나중 단계에서 주입된 세포의 손상이 최소로 되도록 함과 동시에 하나의 스크루 (즉, 길이가 더 긴 스크루)에 의해 바이오잉크 또는 하이드로젤을 출력시켜 보다 균일하고 정밀하게 제어되고 바이오잉크 또는 하이드로젤이 균일하게 혼합되도록 하였다. 마이크로/나노 물질 및 기타 구성요소를 포함하는 바이오잉크 또는 하이드로젤의 균일한 혼합을 보장하기 위해 3D 바이오 프린팅 및 혼합을 동시에 수행하는 (멸균된 바이오잉크 혼합물이 포함된 주사기를 구비하여 공정 중에 교체가 가능하도록 함으로써 연속적으로 프린팅할 수 있도록 하는) 반자동 트윈 스크루 압출기 (TSE) 헤드를 설계하였다.
본 발명에 따른 부분적으로 맞물리는 이축 압출 기반 펜 타입 구조체 (이하, 바이오펜이라고도 지칭함)는 하향식 접근법으로 역회전 (역피치)을 이용하여 세포 손상이 최소로 되도록 하고, 바이오잉크 구성성분 (세포, 나노입자, 성장인자 등의 혼합물)의 손상을 최소화하도록 짧은 스크루의 끝 부분과 배럴 사이의 거리를 조절하고, 약물을 젤에 직접 로딩하여 젤에 약물을 캡슐화시키고 나노입자의 젤을 제조할 수 있도록 하였다. 또한, 내용물이 토출되는 말단부에서 스크루가 1개로 단순화되게 함으로써 구동 모터의 부하를 줄이고, 토출부의 노즐 직경이 점진적으로 작아지도록 하여 프린팅 정밀도를 높이고, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 프린팅할 수 있는 바이오펜을 프린터로부터 탈착하여 사용할 수 있게 함으로써 이동이 가능하고 손으로 직접 프린팅할 수 있게 하였다.
또한, 프린팅하는 공정 중에 고분자용액을 하이드로젤로 전환시키고, 프린팅을 적층하여 구조체를 제조할 수 있도록 하였다. 광개시제가 포함된 고분자용액을 화학적으로 가교결합시켜 젤로 전환시킬 수 있도록 하기 위해서, 광개시제의 활성을 유도할 수 있는 UV LED 제공부를 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부에 인접하여 배럴 상에 설치하였다. 배럴상부와 배럴하부로 연결되는 전기선을 설치할 수 있는 통로와 구성품을 배럴 상에 설치될 수 있도록 UV LED 설치부를 디자인하였으며, UV 광을 온/오프 (on/off)할 수 있는 장치를 배럴 상부의 컨트롤러에 구성하였다.
또한, 프린팅하는 공정 중에 광개시제를 사용하지 않는 자가결합 하이드로젤 제조(예, 피브린젤, Diel-Alders 반응, 싸이올-엔 (thiol-ene)반응, 마이클첨가반응 등)가 가능하도록 하였다. 즉 2 종류의 고분자 프리커서(precursor) 용액을 상부의 주입구에 동시에 넣고 혼합하여 젤을 유도하거나, 상부와 하부의 주입구에 각각 주입하여 균일하게 혼합하여 균질의 고분자 네트워크가 형성되는 하이드로젤의 합성이 가능하도록 하였다 (예, 피브린 젤).
나아가, 배럴의 상부에 스크루의 회전 속도, 구동시간을 조절할 수 있는 구동부, 즉 컨트롤러를 제공하고 배럴의 상부에 젤을 주입할 수 있는 입구와 배럴의 하부에 세포를 주입하는 입구를 제공함으로써, 3D 프린터에서 탈착된 바이오펜은 손으로 직접 프린팅하는 바이오 프린팅 시스템으로 독립적인 기기로 사용 가능하다. 상기 구동부는 회전속도와 구동시간을 조절할 있도록 함과 동시에, 이들의 회전속도와 구동시간을 시각적으로 확인할 수 있는 디스플레이를 장착하였다. 구동장치로 배터리를 장착시켜 바이오펜이 독립적으로 구동될 수 있도록 하였으며, 장시간 안정적으로 사용할 수 있도록 바이오펜을 전기 어뎁터와 컴퓨터에 연결할 수 있도록 디자인함으로써 안정적으로 바이오펜을 구동할 수 있도록 하였다. 또한, 손으로 프린팅/직접쓰기 (hand-writing)를 할 수 있는 이동형 바이오펜은 대면적의 표면에 자유롭게 프린팅할 수 있고, 손으로 자유롭게 프린팅할 수 있기 때문에 손상된 피부와 같은 대면적 표면에 바이오잉크 또는 하이드로젤을 도포할 수 있는 장점이 있다. 이를 위해서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출 부분에 압출 헤드로 롤러 혹은 브러시를 제공하여 수평으로 프린팅 혹은 수직으로 적층 형태로 프린팅하여 도포할 수 있고, 프린팅 라인 사이에 유발되는 불균일성을 최소화 하였다.
한편으로는, 이동 가능한 바이오펜을 이용하여 연골, 건 (tendon), 골, 혈관, 안과, 피부 등의 손상조직에 세포/줄기세포가 포함된 바이오잉크를 직접 혹은 간접적 (예, 바이오펜으로 바이오잉크를 균일 혼합한 다음에, 균일 혼합된 바이오잉크를 주사기에 옮겨서 사용)으로 주사할 수 있으므로 세포치료제 구성성분의 혼합 및 세포치료제 전달체로 적용할 수 있는 기능을 제공하게 된다. 또한, 세포가 포함되지 않은 다양한 생체활성물질 (약물, 나노입자, 성장인자, 세라믹입자, 골이식재 등)의 균일 혼합물을 전달할 수 있는 기능을 제공함으로써 결손부위의 조직재생을 촉진하거나 손상부위를 치료하는 기능을 제공한다.
본 발명에 따른 바이오펜의 다른 용도로는, 상부의 주입구에 미리 성형된 하이드로젤을 제공하고, 하부의 주입구에는 다양한 분자량의 약물이나 생체활성물질을 제공하여, 하이드로젤에 매우 짧은 시간에 효율적으로 저분자량의 약물 (예, 올리고펩타이드 등), 고분자량의 생체활성물질 (예, 후코이단, 히알론산, 알부민, 단백질약물 등)을 젤 내부에 균질하게 물리적으로 로딩하는 기기로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오펜은 와이파이, 블루투스, 컴퓨터에 연결하여 원격조절하는 것이 가능하고, 실험실의 클린벤치에 고정하여 안정적으로 사용이 가능하고, 전기 콘센트에 어뎁터를 바이오펜에 연결하여 전기공급을 안정적으로 제공하는 것이 가능하다.
일 측면에서, 본 발명은 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 또는 하이드로젤 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 펜 타입 프린팅 시스템을 이용하여 조직공학 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 펜 타입 프린팅 시스템을 이용하여 조직공학 구조물을 제조할 수 있는 바이오잉크 또는 하이드로젤 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 측면에서, 본 발명은 제1 스크루를 하우징하는 원통형의 제1 배럴; 상기 제1 스크루보다 길이가 길고 제1 스크루와 병렬 구조를 갖는 제2 스크루를 하우징하며, 상기 제1 배럴보다 길이가 긴 원통형의 제2 배럴; 상기 제1 스크루의 기어 및 제2 스크루의 기어와 인접하여 연결되어 제1 스크루 및 제2 스크루를 구동시키는 컨트롤러; 상기 제1 배럴에 형성되고 제1 배럴 내부로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2 이상의 공급부; 및 상기 컨트롤러의 반대편 쪽에 제2 배럴의 말단부로부터 연장 형성되고 바이오잉크 또는 하이드로젤을 토출하는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부를 포함하고, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루가 공간적으로 분리되지 않도록 상기 제1 배럴과 제2 배럴은 서로 연통하여 연장 형성되고, 상기 제1 스크루는 3구간의 가변 피치를 갖고 상기 제2 스크루는 4구간의 가변 피치를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 토출되는 바이오잉크 또는 하이드로젤에 UV 광을 조사할 수 있도록, 상기 제1 배럴 및/또는 제2 배럴의 하부 말단에 UV 조사 부재를 구비하도록 디자인하고, UV 조사 부재와 배럴 상부의 컨트롤러를 연결시키는 통로 (즉, 광조사 젤 제조용 전기선 관)를 디자인할 수 있다 (도 3 참조). 이는 프린팅하는 공정 중에 공급부를 통하여 제공되는 광개시제가 포함된 고분자용액을 UV로 조사하여 하이드로젤로 가교결합시키면서 젤을 적층하여 프린팅할 수 있는 효과를 제공한다. 이에 따라, 상기 펜 타입 구조체는 3D 바이오프린팅 구조체를 제조할 수 있는 기기로 사용될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 (짧은 스크루)는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 a 구간 (도입 구간), b 구간 (높은 젤 혼합구간), c 구간 (세포 혼합구간)을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 b < a
Figure pat00001
c 이고, 상기 제2 스크루 (긴 스크루)는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 d 구간 (도입구간), e 구간 (높은 젤 혼합구간), f 구간 (세포 혼합구간), g 구간 (프린팅 잉크의 전달구간)을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 e < d
Figure pat00002
f이며, g 구간의 피치 크기는 하기 i) 및 ii) 조건을 만족하는 것일 수 있다.
i) g < f
ii) e
Figure pat00003
g 또는 e > g.
상기 제1 스크루의 a, b, c 구간과 제2 스크루의 d, e, f 구간은 동일한 피치 구조와 길이를 갖고, 단지 위상에서 차이를 갖는 것을 특징으로 한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 d 구간과 g 구간의 피치 크기는 g < d인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 피치의 위상차가 45° 내지 135°인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사산과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사산과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사골과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사골과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 축 중심과 제2 스크루의 축 중심 사이의 거리는 제1 스크루 또는 제2 스크루의 축 직경보다 길게 형성된 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 배럴의 하단부는 제1 스크루의 축과 수직 방향으로 내벽을 갖고, 상기 내벽과 제1 스크루의 말단 지점은 0.005 mm 내지 1 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제2 스크루는 제2 배럴의 하단부와 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부가 접하는 지점까지 형성된 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 공급부 사이의 간격은 제2 배럴 길이의 1/3에 해당하는 길이를 초과하지 않는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 롤러, 브러시 또는 니들(needle)로부터 선택되는 압출 헤드를 탈부착 가능한 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 나노입자 젤을 제조하기 위해 토출부의 출구를 막는 용도로서 캡을 탈부착하는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 프린팅 시스템에 장착되어 작동 가능한 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 배럴 및/또는 제2 배럴은 토출되는 바이오잉크 또는 하이드로젤에 UV를 조사하는 UV 조사 부재를 구비한 것일 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 이용하여 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법을 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 방법은 성형된 하이드로젤로부터 나노젤을 제조하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에서, 본 발명은 바이오잉크 또는 하이드로젤을 균질하게 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공하는 효과가 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 하이드로젤 프리커서를 주입하여, 균질하게 혼합하고 젤을 형성시켜 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공하는 효과가 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 또는 하이드로젤 프린팅 방법을 제공하는 효과가 있다.
본 발명은 나노입자 및/또는 살아 있는 세포 등이 균일하게 분산된 바이오잉크의 압출, 종래의 공기압 또는 피스톤식 압출 시스템으로는 압출할 수 없는 다양한 점도의 젤을 정밀하고 포지티브하게 제어하여 압출, 정밀한 제어로 바이오잉크 또는 하이드로젤을 균일하고 미세하게 증착 (적층), 지속적이고 규칙적으로 젤 및/또는 바이오잉크의 제공이 가능한 효과를 갖는다.
본 발명은 이미 성형된 하이드로젤 (예, Gelatin methacrylate 젤, poly(ethylene oxide) 젤, 히알론산 젤, 콤부차 젤 및 다성분 고분자 젤 등) 내부에 약물, 리포좀, 엑소좀 및 생체활성물질들 (나노입자, 단백질, 핵산 등)을 회전 전단 메커니즘에 의해 물리적으로 로딩함으로써 하이드로젤 약물전달체를 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은 이미 성형된 하이드로젤을 나노 및/또는 마이크로 젤 입자의 크기로 제조하고, 세포치료제, 약물전달체로 적용하는 효과를 가진다.
본 발명은 바이오펜에 장착된 광 조사 시스템을 이용하여 광개시제가 혼합된 고분자 용액을 프린팅 (또는 주사)하면서 광 가교결합을 유도하여 in situ 3D 프린팅 조직공학 구조물을 제조하는 효과를 가진다.
본 발명은 고정형 및/또는 이동형 바이오펜을 이용하여 기존의 프린터에 장착하여 사용하거나 손으로 자유롭게 프린팅하여 바이오잉크, 하이드로젤, 생분해성 고분자 등으로부터 조직공학 구조물을 제조하여 제공하는 효과가 있다.
본 발명은 조직공학 구조물을 이용하여 조직을 재생하였을 때, 균질의 약물, 생체활성물질 및 성장인자 등의 균질 혼합에 의해 최종적으로 재생되는 조직의 균질성과 기계적/생물학적 물성들을 제공하는 효과가 있다.
본 발명은 롤러 혹은 브러시를 사용하여 보다 넓은 면적을 횡적 혹은 적층하여 프린팅할 수 있으며, 이는 넓은 면적과 다층으로 구성된 피부, 복잡한 형상의 연골, 뇌 등의 조직재생 구조물, 창상피복제 및 필름 등을 제조하는데 있어서 효과적으로 균질의 바이오잉크 또는 하이드로젤의 프린팅 구조물을 제조하는 효과가 있다.
연골, 뇌와 같은 복잡한 구조와 층의 높이 따라 형상이 서로 다른 구조를 가진 결손부위 (조직, 장기)는 기존의 3D 바이오프린팅으로 구조물을 제조하기 어려웠으나, 본 발명의 이동형 바이오펜은 사용자가 자유롭게 이동형 바이오펜을 이용하여 바이오잉크를 프린팅하여 상기 문제점을 해결할 수 있는 파급효과가 있다.
또한, 본 발명은 다양한 바이오 관련 용액을 혼합하여 3D 바이오 프린팅 압출기, 이동형의 프린팅 바이오펜, 세포치료제 전달체, 세포가 있거나 없는 생체활성물질 전달체로 사용될 수 있고, 골, 연골, 척추, 신경, 피부, 혈관 등을 포함하는 근골격계, 치과, 안과, 순환기, 뇌 등의 다양한 조직재생이나 질환 치료에 적용될 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 각 부품을 나타낸 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 조립 및 사용하는 일련의 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 개략도를 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체 (왼쪽) 및 이를 프린팅 시스템에 장착한 모습 (오른쪽)을 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체에서 배럴을 장착하지 않은 모습을 나타낸 것이다.
도 6은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 사시도를 나타낸 것이다.
도 7은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면도를 나타낸 것이다.
도 8은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면의 설계도를 나타낸 것이다. 상기 구조체는 바이오잉크또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2개의 공급부가 배럴의 길이 방향으로 동일한 선상에 위치한다.
도 9는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면의 설계도를 나타낸 것이다. 상기 구조체는 바이오잉크 재료를 공급하는 2개의 공급부가 배럴의 길이 방향으로 동일한 선상에 위치한다.
도 10은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 제1 스크루의 설계도를 나타낸 것이다.
도 11은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 제2 스크루의 설계도를 나타낸 것이다.
도 12는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면의 설계도를 나타낸 것이다. 상기 구조체는 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2개의 공급부가 배럴의 길이 방향으로 다른 선상에 위치한다.
도 13은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면의 설계도를 나타낸 것이다. 상기 구조체는 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2개의 공급부가 배럴의 길이 방향으로 다른 선상에 위치한다.
도 14는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면도를 나타낸 것이다.
도 15는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 제1 배럴 하단부의 내벽과 제1 스크루의 말단 지점 사이의 간격을 보여주는 확대도를 나타낸 것이다.
도 16은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 구동 플로우를 나타낸 것이다.
도 17은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 컨트롤러를 나타낸 것이다.
도 18은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 혼합 후 세포 배양 결과를 나타낸 것이다.
도 19는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 프린팅 결과를 나타낸 것이다.
도 20은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 나노-마이크로 젤 입자 제조 과정의 모식도를 나타낸 것이다.
도 21은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 후코이단의 봉입 결과를 나타낸 것이다.
도 22는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 하이드로젤의 마이크로-나노 입자로의 전환 결과를 나타낸 것이다.
도 23은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 다양한 프린팅 결과를 나타낸 것이다.
도 24는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 조직재생 결과를 나타낸 것이다.
도 25는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 다양한 실시 양태를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 3D 바이오 프린팅, 세포치료제 전달체, 생체활성물질 전달체, 조직공학재생의학, 의료기기 등의 분야에서 사용 가능한 펜 타입 구조체, 즉 바이오펜에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 바이오잉크 구성성분 또는 하이드로젤을 균질하게 혼합하고, 세포 손상을 최소화하면서 압출이 가능하도록 설계된 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체에 관한 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 각 부품을 나타낸 것이다.
일 측면에서, 본 발명은 제1 스크루를 하우징하는 원통형의 제1 배럴; 상기 제1 스크루보다 길이가 길고 제1 스크루와 병렬 구조를 갖는 제2 스크루를 하우징하며, 상기 제1 배럴보다 길이가 긴 원통형의 제2 배럴; 상기 제1 스크루의 기어 및 제2 스크루의 기어와 인접하여 연결되어 제1 스크루 및 제2 스크루를 구동시키는 컨트롤러; 상기 제1 배럴에 형성되고 제1 배럴 내부로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2 이상의 공급부; 및 상기 컨트롤러의 반대편 쪽에 제2 배럴의 말단부로부터 연장 형성되고 바이오잉크 또는 하이드로젤을 토출하는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부를 포함하고, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루가 공간적으로 분리되지 않도록 상기 제1 배럴과 제2 배럴은 서로 연통하여 연장 형성되고, 상기 제1 스크루는 3구간의 가변 피치를 갖고 상기 제2 스크루는 4구간의 가변 피치를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공한다.
상기 펜 타입 구조체는 생체활성물질, 나노입자와 같은 무생물 물질과 살아 있는 세포를 포함한 바이오잉크 또는 하이드로젤의 균일한 혼합 및 압출이 가능하다. 다른 측면에서, 상기 펜 타입 구조체는 세포가 제외된 생체활성물질, 성장인자, 유전자, 약물, 나노입자와 같은 무생물 물질의 균일한 혼합 및 압출이 가능하다.
도 2는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 조립 및 3D 프린터로의 장착을 보여주는 일련의 과정을 나타낸 것이다.
상기 펜 타입 구조체는 제1 스크루보다 길이가 긴 제2 스크루가 모터 샤프트에 부착되고, 상기 제2 스크루보다 길이가 짧은 제1 스크루가 90° 위상차에 배치되고, 각 스크루를 하우징하며 일체형 배럴이 고정되고, 압출 헤드로서 프린팅용 니들 (스크루 또는 푸쉬 형태)이 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부에 부착되고, 캡으로 공급부를 닫는 단계를 포함하여 조립될 수 있다.
상기 펜 타입 구조체는 손으로 직접 프린팅하거나, 거치대 또는 3D 프린터에 장착하여 사용할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료에 광 가교 (photo crosslinking) 및/또는 광 조사 (light irradiation)을 제공하기 위해 상기 제1 배럴 및/또는 제2 배럴에 하나 이상의 자외선 또는 레이저 광원을 부착할 수 있고, 상기 광원은 컨트롤러의 전원 공급부로부터 전원을 공급받을 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 광 가교결합을 위한 UV-LED 조사장치가 보강된 펜 타입 구조체, 즉 바이오펜의 배럴 모습을 보여준다. 상기 배럴에는 광조사가 된 젤을 제조하기 위한 용도의 관 (즉, 배럴상부와 배럴하부로 연결되는 전기선을 설치할 수 있는 통로와 구성품을 배럴 상에 설치될 수 있도록 하는 UV LED 설치부) 및 LED 조사 부재 (즉, 광개시제의 활성을 유도할 수 있는 UV LED 제공부)가 추가되었다. 이러한 광조사 장치가 부착된 바이오펜은 추가적인 UV 장치의 도움 없이도 바이오잉크 또는 하이드로젤의 가교결합을 용이하게 진행할 수 있는 기능을 제공한다.
본 발명에 따른 펜 타입 구조체는 길이가 상이한 이중 스크루 압출 혼합 시스템을 이용하여 살아 있는 세포, 젤, 나노 또는 마이크로 입자, 생체활성분자, 고분자, 가교결합제 및 이들의 혼합물을 포함하는 다성분 물질을 연속 또는 반연속적으로 배치 혼합 및/또는 3D 프린팅할 수 있다. 또한, 처음 로딩된 바이오잉크를 모두 사용했을 경우, 공급부에 새로운 바이오잉크 주사기로 대체하여 연속적으로 프린팅이 가능하다.
본 발명에 따른 펜 타입 구조체를 구성하는 제1 및 제2 스크루 등의 부품 재질은 금속 재질, 비금속 재질 및 플라스틱 재질 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있으며, 비독성의 생체적합성 FDA 승인 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, FDA에 의해 승인된 의료용 강철, 플라스틱 및 고분자들이 사용될 수 있다. 또한, 이중 스크루 압출 혼합 시스템에 사용되는 부품들은 사용 전에 멸균해서 사용할 수 있다.
상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 각각 제1 배럴 및 제2 배럴 내부에 배치되어 공급부를 통해 공급되는 재료를 혼합해 준다. 상기 제1 배럴 및 제2 배럴은 일체형으로 연결된 것일 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 제1 및 제2 스크루에 구비되는 기어, 벨트 또는 스크루 각각의 모터와 연결될 수 있고, 상기 제1 및 제2 스크루를 동일 방향으로 회전시키거나, 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 기어, 벨트 또는 스크루 각각의 모터의 속도는 0 내지 200 rpm 또는 10 내지 200 rpm으로 조절될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 및 제2 스크루의 속도는 기어, 벨트를 통해 또는 모터의 샤프트로부터 직접 달성될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 기어, 벨트 또는 스크루 각각의 모터는 상기 컨트롤러의 전원 공급 장치를 통해 구동될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전원 공급 장치는 전원 어댑터, 직접 AC 공급 또는 컴퓨터의 USB 포트를 포함하는 DC 전원 공급 장치일 수 있다. 전원 어댑터, 직접 AC 입력 또는 컴퓨터의 USB 포트를 포함하는 DC 전원 공급 장치를 통해 제공되는 마이크로컨트롤러 (프로그래밍 가능한 또는 프로그래밍이 불가능한)를 통해서 상기 제1 및 제2 스크루에 부착된 모터를 구동시킬 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 재료는 살아 있는 세포, 줄기세포, 젤, 나노 또는 마이크로 입자 (예, 골 이식재, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 등), 생체활성분자 (예, 골 성장인자, 연골성장인자, 혈관성장인자 등), 고분자, 가교결합제 및 이들의 혼합물을 포함하는 생체 또는 비생체 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 축 직경이 0.4 mm 내지 10 mm 또는 2 mm 내지 6 mm이고, 외경이 0.5 mm 내지 20 mm 또는 6 mm 내지 12 mm인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 축 직경과 축 길이는 1 : 4 내지 40 또는 1 : 6 내지 10인 것일 수 있다. 상기 축 길이는 스크루의 기어를 포함하지 않은 길이를 의미한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제2 스크루의 축 직경과 축 길이는 1 : 4 내지 40 또는 1 : 8 내지 12인 것일 수 있다. 상기 축 길이는 스크루의 기어를 포함하지 않은 길이를 의미한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루는 토출부 방향의 말단부 단면 형상이 사각형인 반면, 상기 제2 스크루는 토출부 방향의 말단부 단면 형상이 원뿔형인 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 스크루의 말단부는 중심 축의 직경이 점진적으로 작아지는 형상을 갖는 것일 수 있다,
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 리드각이 0.1° 내지 60°인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 내용물을 앞으로 밀어낼 수 있도록 경사진 (0.1° - 60°) 구조를 갖는 스크루 플랜지 (Screw flange) 형상을 갖는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 피치가 2 mm 내지 50 mm인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 피치의 위상차가 45° 내지 135°인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 a 구간, b 구간, c 구간을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 b < a
Figure pat00004
c이고, 상기 제2 스크루는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 d 구간, e 구간, f 구간, g 구간을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 e < d
Figure pat00005
f이며, g 구간의 피치 크기는 하기 i) 및 ii) 조건을 만족하는 것일 수 있다. 이에 따라, 주입된 세포들의 손상을 최소화할 수 있다.
i) g < f
ii) e
Figure pat00006
g 또는 e > g.
상기 제1 스크루의 가변 피치는 스크루 기어에서부터 이송이 용이한 초기 피치 영역 (a), 높은 전단 속도에서 보다 우수하게 혼합할 수 있는 작은 피치 영역 (b), 낮은 전단 혼합을 위한 큰 피치 영역 (c)을 순차적으로 가지고, 요구 조건에 따라 각 영역의 길이는 변화될 수 있다. 상기 낮은 전단 혼합을 위한 큰 피치 영역에 세포 공급을 위한 공급부가 형성될 수 있다. 즉, 저 (low) 전단 공정이 필요한 재료는 구간 c에 있는 배럴을 통해서 제공되는 것이 바람직하다.
상기 제2 스크루의 가변 피치는 스크루 기어에서부터 이송이 용이한 초기 피치 영역 (d), 높은 전단 속도에서 보다 우수하게 혼합할 수 있는 작은 피치 영역 (e), 낮은 전단 혼합을 위한 큰 피치 영역 (f), 균일한 압출과 전달을 위해 단일 스크루 배열에 있는 작은 피치 영역 (g)을 순차적으로 가지고, 요구 조건에 따라 각 영역의 길이는 변화될 수 있다.
상기 제1 스크루는 가변 피치를 갖지만 나사산의 높이는 동일하다. 상기 제2 스크루도 마찬가지로 가변 피치를 가지나 이는 동일하다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사산과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm 또는 0.05 mm 내지 0.30 mm 또는 0.10 mm 내지 0.20 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사산과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm 또는 0.05 mm 내지 0.30 mm 또는 0.10 mm 내지 0.20 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다 (도 14 참조).
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사산과 제2 스크루의 나사산은 서로 맞물리는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사골과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm 또는 1 mm 내지 5 mm 또는 2 mm 내지 4 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사골과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm 또는 1 mm 내지 5 mm 또는 2 mm 내지 4 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다 (도 14 참조).
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 축 중심과 제2 스크루의 축 중심 사이의 거리는 제1 스크루 또는 제2 스크루의 축 직경보다 길게 형성된 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 축 중심과 제2 스크루의 축 중심 사이의 거리는 0.5 mm 내지 20 mm 또는 0.5 mm 내지 12 mm 또는 1 mm 내지 10 mm 또는 3 mm 내지 8 mm 또는 0.6 mm 내지 2.5 mm인 것 일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 요구되는 젤 압출 압력을 유지하고 세포 등의 크기를 고려하여 피치 크기를 결정하기 위해 백플러시 (backflush)가 필요할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 배럴의 전달면에 적어도 하나 이상의 메시 타입의 브레이커 플레이트가 부착되어 재료의 균일한 전달을 제공할 수 있다.
본원에서 제1 배럴 또는 제2 배럴의 상단부는 컨트롤러 방향, 제1 배럴 또는 제2 배럴의 하단부는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향을 의미한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 배럴의 하단부는 제1 스크루의 축과 수직 방향으로 내벽을 갖고, 상기 내벽과 제1 스크루의 말단 지점, 즉 말단면은 0.005 mm 내지 1 mm 또는 0.05 mm 내지 1 mm 또는 0.1 mm 내지 0.5 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다 (도 14 및 15 참조).
예시적인 일 구현예에서, 상기 제2 스크루는 제2 배럴의 하단부와 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부가 접하는 지점까지 도달되도록 형성된 것일 수 있다. 상기 펜 타입 구조체는 종래의 공기압 또는 피스톤식 압출 시스템으로는 압출할 수 없는 고점도 젤을 정밀하고 포지티브하게 제어하여 압출할 수 있는 효과가 있다. 또한, 정밀한 제어로 바이오잉크 또는 하이드로젤의 균일하고 미세한 증착이 가능하고, 지속적이고 규칙적인 젤 및/또는 바이오잉크의 제공이 가능하다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 공급부는 제1 배럴에 대해 10° 내지 90°의 공급 각도로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 것일 수 있다. 이때, 상기 공급부는 제1 스크루의 피치가 작은 영역과 제1 스크루의 피치가 큰 영역에 각각 형성된 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 공급부는 주사기 (스크루 형태 혹은 스크루가 없는 형태)에 연결된 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 2 이상의 공급부 중에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부에 가까운 공급부를 통해 세포를 주입하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 복수의 공급구 중에서 컨트롤러에 가까운 초기 영역은 하이드로젤 및 기타 첨가제 혼합을 위한 입구인 반면, 고 (high) 전단 영역 이후의 저 전단 영역의 후반부 입구는 세포 주입에 사용된다. 이러한 세포 주입구는 고 전단 압력과 작은 피치에 민감한 유전자, 단백질 등의 생체활성작용에 민감한 물질들의 주입에 사용되어 그 손상을 억제할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 주입된 세포들의 손상을 최소화하기 위해 역피치 (역회전)를 이용할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 공급부 사이의 간격은 제2 배럴 길이의 1/3에 해당하는 길이를 초과하지 않는 것일 수 있다.
상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 스크루 또는 푸시 형태 (screw or push type)의 바늘, 롤러 또는 브러시와 연결되도록 디자인될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 대면적의 3D 프린팅 또는 바이오 프린팅을 위하여, 5 mm 내지 50 mm의 길이 그리고 2 mm 내지 20 mm 직경을 갖는 롤러 형태의 압출 헤드 또는 5 mm 내지 50 mm의 길이 그리고 2 mm 내지 20 mm 넓이의 구멍을 갖는 스크린 형태의 압출 헤드가 상기 토출부와 연결될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 금속 재질, 비금속 재질 및 플라스틱 재질 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부의 토출량은 0.1 내지 300 mL인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 온도를 조절하는 온도 컨트롤러가 구비되고, 상기 온도 컨트롤러는 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부의 온도를 -50 ℃ 내지 300 ℃로 조절할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 롤러, 브러시 또는 니들 (needle)로부터 선택되는 압출 헤드를 탈부착 가능한 것일 수 있다. 이에 따라, 기존의 제한된 면적에만 프린팅할 수 있는 3D 프린팅 시스템을 대면적의 프린팅이 가능하도록 하는 효과가 있다.
예시적인 일 구현예에서, 바이오잉크, 세포, 생체활성입자, 또는 이들의 혼합물을 상기 펜 타입 구조체로 혼합한 다음, 혼합 용액을 주사기 또는 바이오 프린팅 주사기에 옮겨서 사용할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부에 3D 프린팅 용도에 사용되는 주사바늘이 연결될 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 프린팅 시스템에 장착되어 작동 가능한 것일 수 있다. 피스톤 또는 공기압 구동 압출 헤드를 펜 타입 구조체에 부착하기 위하여 3D 바이오 프린터에 부착된 표준 고정 헤드를 사용하여 3D 바이오 프린터에 펜 타입 구조체를 고정할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 프린팅 시스템에서 탈착하여 독립적으로 작동 가능한 이동성을 가질 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 펜 타입 구조체는 기존의 3D 바이오 프린팅 시스템과는 달리, 세포 손상을 최소화하고, 압출 출력을 보다 균일하고 정밀하게 제어 가능하며, 바이오잉크가 균일하게 혼합되도록 하고, 압출기 말단에서 스크루가 1개로 단순화되어 구동 모터의 부하를 줄이고, 토출부의 노즐 직경을 조절하여 정밀도를 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 이용하여 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 본 발명은 살아 있는 세포, 젤, 나노/마이크로 입자, 생체활성물질, 고분자, 가교결합제 혹은 이들의 혼합물을 포함하는 다성분의 재료를 자동, 반자동 또는 배치 혼합한 이후에 수동 혹은 자동으로 근골격계, 치과, 안과, 순환기 등의 분야에서 다양한 조직재생을 위하여 생물체 혹은 무생물체의 부드럽고 평편하거나, 울퉁불퉁하고, 높이에 따른 넓이가 다른 구조 등 비규칙적인 부분에 적용하는 방법, 공정을 제공한다.
일 실시예에서, 본 발명은 표적 부위에 봉입된 생체활성물질 또는 약물을 서방성 전달할 수 있는 고분자 또는 젤 매트릭스에 생체활성물질 또는 약물을 봉입하기 위하여, 고분자, 젤, 나노/마이크로 입자, 약물, 생체활성물질 혹은 이들의 혼합물을 포함하는 다성분의 재료를 자동, 반자동 또는 배치 혼합하는 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 본 발명은 생체활성물질 또는 약물이 봉입 또는 봉입되지 않은 고분자 나노 또는 마이크로 입자를 제조하기 위하여, 고분자, 젤, 나노/마이크로 입자, 약물, 생체활성물질 혹은 이들의 혼합물을 포함하는 다성분의 재료를 자동, 반자동 또는 배치 혼합하는 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법은 스크루, 배럴 및 기타 구성요소를 고온-고압 멸균, 에탄올 및/또는 자외선으로 살균하는 단계; 상기 스크루, 배럴 및 기타 구성요소를 조립한 후 고분자 용액, 젤, 약물, 나노입자 등을 상단 공급부에 주입하는 단계; 주입되는 동안 스크루가 낮은 rpm으로 회전하는 단계; 주입 후 공급부를 닫는 단계; 세포를 하단 공급부를 사용하여 주입하는 단계; 압출을 시작하기 전에 상단 공급부 및 하단 공급부를 모두 닫는 단계; 스크루 rpm과 압출 시간을 원하는 수준으로 설정하여 바이오잉크 또는 하이드로젤이 압출되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상단 공급부 및 하단 공급부를 모두 닫은 다음 필요한 경우 UV 광조사하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤이 압출되도록 하는 단계는 롤러, 브러시 등을 연결하여 대면적 프린팅 또는 적층하여 프린팅하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 바이오잉크, 세포 또는 생체활성입자 등을 혼합한 후 이를 주사기 또는 바이오 프린팅 노즐 등에 옮겨서 사용하는 방법을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 펜 타입 구조체를 이용하여 형성된 젤 (prefabricated gel), 예를 들어, 저분자량 (LMW, 3-10 kDa) 및 고분자량 (HMW, 150-200 kD) 모델 약물로서 후코이단 (fucoidan)과 같은 약물, 관절 내 주사제 (예, 코르티코스테로이드, 히알론산 등), 골관절염 치료제, 척추질환 치료제, 혈관 질환치료제, 조직재생 촉진제 (예, Bone morphogenic proteins), 저분자 약물, 올리고펩타이드, 단백질, 핵산, 바이오신약, 바이오시밀러 약물, 성장인자 등이 로딩될 수 있다. 상기 펜 타입 구조체가 작동하여 가변피치를 이용한 젤 네트워크의 확장과 회복을 통해 상기 약물이 목적지에 도달하기 전까지 파괴되지 않도록 하면서 형성된 젤에 약물을 봉입시켜 (encapsulated) 약물이 봉입된 하이드로젤을 제조할 수 있다.
또 다른 예로서, 펜 타입 구조체의 토출부를 막은 다음에, 펜 타입 구조체의 작동을 수회 반복하여 약물이 봉입된 젤 네트워크를 절단함으로써 젤을 소형화하여 나노입자 (NPs) 젤을 제조할 수 있다. 이때 사용된 제 2 스크루의 4개의 가변 피치는 나노입자 젤을 제조하는데 있어서 보다 더 효율적이다. 즉, 높은 스크루 rpm, 증가된 체류 시간 및 가변 피치 영역 수의 증가로 인하여 보다 더 성공적으로 나노입자를 형성할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 펜 타입 구조체는 높은 비율의 약물 봉입률을 제공한다. 예를 들어, 테트라사이클린, 코르티코 스테로이드 (트리암시놀론 등)과 같은 저분자량의 약물 이외에도 단백질, 후코이단, 히알론산, 핵산과 같은 고분자량의 약물을 가교결합된 하이드로젤 내부로 로딩하는데 있어서, 약물의 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 봉입 효율성을 높이고, 바이오잉크 또는 하이드로젤 구성요소를 균일하게 혼합하고, 서방성 방출을 하여 젤 및/또는 나노입자 젤을 통한 약물 전달에 적용될 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 재료의 혼합 직후 및 3일 동안 in vitro 세포 배양 후의 바이오잉크를 형광현미경으로 관찰한 결과이다. 대조군 (스패튤라를 이용하여 세포와 젤을 혼합한 바이오잉크) 및 실험군 (본 발명의 펜 타입 구조체를 이용하여 15 rpm으로 세포와 젤을 혼합한 바이오잉크)을 비교한 것으로, 실험군에서 세포의 균일한 분산을 확인할 수 있었다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 펜 타입 구조체는 나노입자 예를 들어, 살아 있는 세포를 포함하는 바이오잉크 성분의 혼합 및 후속 압출을 위해 다양한 농도의 나노클레이 입자(예, 카올린, 바이오글라스, 삼인산칼슘 등)를 첨가할 수 있다. 이러한 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 또는 하이드로젤의 서로 다른 성분의 전단 혼합은 나노클레이 입자와 살아 있는 세포의 균질한 분포와 압출에 효과적이다. 그 결과 순환 (cylcic) 압축 하중 능력이 약 4배 이상 증가하고, 3일 만에 세포 증식 능력이 거의 4배 향상되었다.
도 19는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 혼합 (A)과 피펫을 이용한 혼합 (B) 후에 알지네이트-키토산-카올린 복합젤을 롤러로 직접 프린팅한 결과물에 대한 전자현미경 관찰 결과와 EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 관찰 결과물을 비교한 것이다. (A)는 알지네이트-키토산-4% 카올린 나노클레이 하이드로젤을 펜 타입 구조체로 혼합한 후 프린팅한 것으로 카올린의 균일한 분산을 보여주며, (B)는 알지네이트-키토산-4% 카올린 나노클레이 하이드로젤을 피펫으로 혼합한 후 프린팅한 것으로 카올린의 균일하지 않은 분포와 응집 현상을 보여준다. 펜 타입 구조체를 이용한 혼합 결과에서 보다 균일하고 작은 기공의 생성을 확인하였다.
도 20은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 고분자량의 모델 약물 후코이단의 하이드로젤 내부로의 로딩 메커니즘과 마이크로 또는 나노 젤 입자의 제조방법을 보여주는 모식도이다. 좌측 모식도는 2개의 스크루가 고 전단 혼합 (high shear mixing)을 유도하고 후코이단을 젤 구조 내부로 밀어 넣는 (loading) 것을 보여주며, 우측 모식도는 후코이단이 봉입된 젤 나노입자를 생성하기 위한 재순환을 보여준다.
도 21은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 모델 약물 후코이단 (저분자량, 고분자량)의 스크루 회전 속도에 따른 하이드로젤 내부로의 로딩 효율 (a), 로딩된 후코이단의 방출 거동 (b), 하이드로젤 구성성분 (히아루론산-하이드록시에틸아크릴레이트-폴리에틸렌글라이콜 다이아크릴레이트, 후코이단)에 대한 FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 결과 (c, d)를 나타낸 것이다. 특정 rpm (예, 높은 rpm 보다는 20 rpm에서 보다 더 효율적)에서 약물의 봉입이 효율적인 것을 관찰할 수 있어서 약물봉입 효율을 조절할 수 있음을 보여주었다.
도 21(a)는 rpm을 10-50으로 했을 때, 제조된 하이드로젤 내부에 후코이단 로딩 효율이 89-97% 이고, 저분자량 후코이단이 고분자량 후코이단보다 효율성이 높다는 것을 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실험은 세포손상 보다는 생체활성물질 (약물, 후코이단)의 나노입자화와 약물함유효율로 실험이 진행되었다. 또한, 실험에서는 하이드로젤의 나노입자화를 유도할 때, 토출부를 막고 반복적으로 스크루를 작동하였는데 (backflush), 이러한 백플러시 (backflush)에 의해 젤들이 다시 올라가고 내려오면서 입자화를 유도하면서 그 크기가 약 20 나노미터 범위로 제조되는 것을 확인하였다. 백플러시의 경우, 본 발명의 펜 타입 구조체를 이용한 세포와 후코이단 로딩과 3D 바이오프린팅에서 세포와 약물 봉입 효능에서 좋은 결과를 보여주고 있고, 토출구를 막은 상태에서 하이드로젤이나 바이오잉크 프린팅에서 백플러시를 하게 되면 성형된 젤을 나노젤로 제조할 수 있는 유용한 기술임을 보여주고 있다. 그러나, 약물 및/또는 세포 로딩을 하면서 연속적인 프린팅을 하고자 하는 정상적인 경우 (세포 및/또는 생체활성물질이 포함되는 바이오잉크 혹은 젤 내부로의 약물 봉입과 프린팅을 연속적으로 진행하고자 하는 경우)에는, 토출구를 막은 상태에서 세포와 젤 네트워크 손상을 방지하기 위해서 백플러시 기능을 사용하지 않도록 해야한다. 즉, 세포가 포함된 젤 (바이오잉크)이 프린팅되도록 스크루가 지속적으로 작동하여야 한다. 본 발명의 스크루는 트윈 스크루의 복합 형태이고, 제2 스크루를 4 전단 영역 (shear zone)으로 구성하여 백플러시 효율이 3 전단 영역보다 더 효율적일 수 있다. 4개 전단 영역 시스템에서는 3번의 백플러시가 발생하면서 나노입자를 제조하는 효과가 있다.
도 22는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 반복적으로 회전시켜 가교결합된 하이드로젤을 마이크로 및/또는 나노 입자로 전환시킨 전자현미경 사진 (a, a1, b, b1, c, c1), 입자 분포 (a2, b2, c2), 파우터 형태의 건조 모습 (d) 및 젤 내부에 로딩된 저분자량과 고분자량 후코이단 방출 거동 (e, f)을 보여준다.
도 23은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 다양한 프린팅 모습 (a-c)과 교차 지점에서의 젤 프린팅 모습 (d-f)과 전자현미경 사진 (g-l) 및 EDS 맵핑 (mapping) 모습을 보여준다.
도 24는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용하여 골-연골 복합조직 결손모델 (a-d)에 세포가 포함된 젤을 3-5층으로 적층하여 프린팅한 이후에 관찰된 재생조직 층의 세포생존성 및 조직재생 모습 (e1-i1)을 보여준다.
도 25는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 사용 예시로서. (A) 골-연골 복합조직 결손모델의 복잡한 형상 내부에 직접 프린팅, (B) 3D 프린터에 장착하여 금속 바늘을 이용한 프린팅, (C) 플라스틱 바늘을 이용한 선 프린팅 및 (D) 롤러를 이용한 대면적 적층 프린팅하는 공정을 보여준다.
이상, 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시 태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 제1 스크루를 하우징하는 원통형의 제1 배럴;
    상기 제1 스크루보다 길이가 길고 제1 스크루와 병렬 구조를 갖는 제2 스크루를 하우징하며, 상기 제1 배럴보다 길이가 긴 원통형의 제2 배럴;
    상기 제1 스크루의 기어 및 제2 스크루의 기어와 인접하여 연결되어 제1 스크루 및 제2 스크루를 구동시키는 컨트롤러;
    상기 제1 배럴에 형성되고 제1 배럴 내부로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2 이상의 공급부; 및
    상기 컨트롤러의 반대편 쪽에 제2 배럴의 말단부로부터 연장 형성되고 바이오잉크를 또는 하이드로젤을 토출하는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부를 포함하고,
    상기 제1 스크루 및 제2 스크루가 공간적으로 분리되지 않도록 상기 제1 배럴과 제2 배럴은 서로 연통하여 연장 형성되고,
    상기 제1 스크루는 3구간의 가변 피치를 갖고 상기 제2 스크루는 4구간의 가변 피치를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 스크루는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 a 구간, b 구간 및 c 구간을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 b < a
    Figure pat00007
    c이고,
    상기 제2 스크루는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 d 구간, e 구간, f 구간 및 g 구간을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 e < d
    Figure pat00008
    f이며, g 구간의 피치 크기는 하기 i) 및 ii) 조건을 만족하는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체:
    i) g < f
    ii) e
    Figure pat00009
    g 또는 e > g.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 피치의 위상차가 45° 내지 135°인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 스크루의 나사산과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사산과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm의 거리를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 스크루의 나사골과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사골과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm의 거리를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 스크루의 축 중심과 제2 스크루의 축 중심 사이의 거리는 제1 스크루 또는 제2 스크루의 축 직경보다 길게 형성된 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 배럴의 하단부는 제1 스크루의 축과 수직 방향으로 내벽을 갖고, 상기 내벽과 제1 스크루의 말단 지점은 0.005 mm 내지 1 mm의 거리를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 스크루는 제2 배럴의 하단부와 바이오잉크 토출부가 접하는 지점까지 형성된 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 공급부 사이의 간격은 제2 배럴 길이의 1/3에 해당하는 길이를 초과하지 않는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 바이오잉크 토출부는 롤러, 브러시, 또는 니들 (needle)로부터 선택되는 압출 헤드를 탈부착 가능한 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 배럴 및/또는 제2 배럴은 토출되는 바이오잉크 또는 하이드로젤에 광이 조사될 수 있도록 하나 이상의 자외선 또는 레이저 광원을 구비한 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 펜 타입 구조체는 프린팅 시스템에 장착되어 작동 가능한 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 이용하여 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 방법은 성형된 하이드로젤로부터 나노젤을 제조하는 단계를 포함하는, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법.
KR1020220168371A 2021-12-06 2022-12-06 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법 KR20230085102A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2022/019702 WO2023106789A1 (ko) 2021-12-06 2022-12-06 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20210172761 2021-12-06
KR1020210172761 2021-12-06
KR1020220102240 2022-08-16
KR20220102240 2022-08-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230085102A true KR20230085102A (ko) 2023-06-13

Family

ID=86762889

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220168371A KR20230085102A (ko) 2021-12-06 2022-12-06 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4446093A1 (ko)
KR (1) KR20230085102A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240024763A (ko) 2022-08-16 2024-02-26 주식회사 매트릭셀바이오 3d 바이오프린팅 시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102286073B1 (ko) 2020-04-21 2021-08-06 서울과학기술대학교 산학협력단 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102286073B1 (ko) 2020-04-21 2021-08-06 서울과학기술대학교 산학협력단 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240024763A (ko) 2022-08-16 2024-02-26 주식회사 매트릭셀바이오 3d 바이오프린팅 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
EP4446093A1 (en) 2024-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vanaei et al. An overview on materials and techniques in 3D bioprinting toward biomedical application
Bedir et al. 3D bioprinting applications in neural tissue engineering for spinal cord injury repair
Bhattacharyya et al. Bioink homogeneity control during 3D bioprinting of multicomponent micro/nanocomposite hydrogel for even tissue regeneration using novel twin screw extrusion system
US10828399B2 (en) Three dimensional printing of supramolecular (hydro)gels
Backes et al. Polycaprolactone usage in additive manufacturing strategies for tissue engineering applications: A review
CN107007881B (zh) 可用于药物加载和释放的可注射型自愈合凝胶及其制备方法和应用
US10150884B2 (en) Composition, methods and devices useful for manufacturing of implantable articles
US20070254035A1 (en) Preparing Active Polymer Extrudates
KR102286073B1 (ko) 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법
KR20230085102A (ko) 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법
CN1450953A (zh) 制造三维物体的设备和方法
Shende et al. 3D printed bioconstructs: regenerative modulation for genetic expression
JP2019514755A (ja) 三次元プリンティング用インクを供給する方法およびこれを用いた三次元印刷方法
JP2020515537A (ja) ３ｄプリントおよび薬剤送達
US20190389124A1 (en) Systems and methods for improved dispensing, layering, and deposition of cross-linkable hydrogels
KR102083788B1 (ko) 인공 혈관 제조용 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 인공 혈관의 제조 방법
EP4034632A1 (en) Methods and systems for cell culture
Randhawa et al. Manufacturing 3D Biomimetic Tissue: A Strategy Involving the Integration of Electrospun Nanofibers with a 3D‐Printed Framework for Enhanced Tissue Regeneration
KR20240024730A (ko) 바이오잉크 또는 하이드로젤 입자 크기 조절이 가능한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법
WO2023106789A1 (ko) 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법
Veiga et al. Tackling current production of HAp and HAp-driven biomaterials
Chircov et al. Three-dimensional bioprinting in drug delivery
Zhang et al. Current progress in bioprinting
WO2012171983A2 (en) Method for the production of a polymerized product
Wang et al. 3D printing and bioprinting strategies applied toward orthopedics

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination