KR20230106823A - Manufacturing method for bioink composition for 3D bioprinting using chitosan derivatives of high degree of substitution - Google Patents

Manufacturing method for bioink composition for 3D bioprinting using chitosan derivatives of high degree of substitution Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a bioink composition for three-dimensional (3D) bioprinting that can form a stable 3D structure immediately upon extrusion without a chemical additive by introducing a galyl group into chitosan, a natural polymer, to form self-crosslinking through multiple interactions. The method for manufacturing a bioink composition for 3D bioprinting of the present invention comprises the steps of: dissolving chitosan in a solvent, to prepare a chitosan solution; preparing chitosan into which a galloyl group with a degree of substitution of 30 % is introduced; performing dialysis to remove unreacted substances; freeze-drying to obtain chitosan into which a galloyl group is introduced, in powder form; preparing a chitosan solution into which a galloyl group is introduced; and preparing hydrogel.

Description

고치환도 키토산 유도체를 이용한 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물의 제조방법{Manufacturing method for bioink composition for 3D bioprinting using chitosan derivatives of high degree of substitution}Manufacturing method for bioink composition for 3D bioprinting using chitosan derivatives with high degree of substitution {Manufacturing method for bioink composition for 3D bioprinting using chitosan derivatives of high degree of substitution}

본 발명은 화학적 첨가제나 광개시제 없이 3D 바이오프린팅이 가능한 바이오잉크 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a bioink composition capable of 3D bioprinting without chemical additives or photoinitiators.

최근 고령화 사회로 진입하면서 장기이식 수요는 매년 증가하지만 그에 비해 장기기증자는 부족한 실정으로, 이러한 장기이식 부족 문제를 해결하기 위한 대안으로 3차원(3 dimensional, 3D) 프린팅을 활용한 의료·바이오 기술이 주목받고 있다. 3D 바이오프린팅 기술은 3D 프린팅 기술과 생명공학이 융합된 개념으로, 살아 있는 세포를 원하는 형상으로 쌓아 올림으로써 인공적인 조직 및 장기를 제작하는 기술이다. 이는 CT나 MRI 등 의료영상정보를 기반으로 복잡한 생체조직을 재현(reconstruction)하고, CAD 등의 디지털 디자인을 통해 정확한 구조를 만들어낼 수 있어 높은 재현성과 정밀도를 가지며, 반복 제작이 가능하다.Recently, as we enter an aging society, the demand for organ transplantation increases every year, but there is a shortage of organ donors. It is getting attention. 3D bioprinting technology is a concept that combines 3D printing technology and biotechnology, and is a technology that produces artificial tissues and organs by stacking living cells in desired shapes. It can reproduce complex biological tissue based on medical image information such as CT or MRI, and create accurate structures through digital design such as CAD, so it has high reproducibility and precision, and it is possible to repeatedly manufacture.

3D 바이오프린팅의 기본적인 인쇄 방식은 작은 크기의 방울을 분사하여 인쇄하는 잉크젯(inkjet) 방식, 재료를 공압(pneumatic pressure)이나 피스톤(piston)으로 밀어내는 압출(extru-sion) 방식, 빛에 의해 경화되는 감광성 수지에 광원을 조사하는 광 조형 방식이 있다. 3D 바이오프린팅은 이처럼 기존의 3D 프린팅과 인쇄 방식이 비슷하나 살아있는 세포를 인쇄하기 위해 생체적합성을 갖는 고분자 등을 바이오잉크로 사용한다는 점에 차이가 있다.The basic printing methods of 3D bioprinting are the inkjet method, which prints by spraying small-sized droplets, the extrusion method, which pushes materials with pneumatic pressure or a piston, and curing by light. There is a stereolithography method in which a light source is irradiated to a photosensitive resin. 3D bioprinting is similar to conventional 3D printing and printing methods, but the difference is that biocompatible polymers are used as bioinks to print living cells.

바이오잉크는 살아있는 세포 혹은 바이오 분자를 포함하며, 3차원 가공을 위한 물리적 성질과 세포가 목적된 기능을 수행하게 하기 위한 생물학적 환경을 제공해야 한다. 이에 바이오잉크는 우수한 세포 친화성을 가져야하며, 프린팅 과정에서 발생하는 물리적 스트레스로부터 세포를 보호할 수 있어야 하고. 이외에도 3차원 패터닝의 반복성, 생산성, 노즐의 막힘이 없어야 하는 등 프린팅 공정상에서 필요로 하는 물리적 성질이 요구된다. 우수한 바이오프린팅 기술 개발을 위해서는 우수한 바이오잉크 기술의 개발이 필수적이다.Bioink contains living cells or biomolecules, and must provide physical properties for 3D processing and a biological environment for cells to perform their intended functions. Accordingly, the bioink must have excellent cell affinity and be able to protect cells from physical stress generated during the printing process. In addition, physical properties required in the printing process, such as repeatability of 3D patterning, productivity, and nozzle clogging, are required. In order to develop excellent bioprinting technology, it is essential to develop excellent bioink technology.

현재 바이오잉크로서 다양한 고분자 소재가 연구개발되고 있으며, 합성 고분자의 경우 독성을 가지기 때문에 응용이 제한적이어서 생체적합성을 갖는 천연고분자를 이용한 바이오잉크의 개발이 주로 행해지고 있다. 이러한 천연고분자 중에서 키토산은 갑각류로부터 얻어지는 천연 다당류로 우수한 생체적합성, 생분해성 및 항균성의 특성을 보이며, 의약학 분야에서 다양하게 응용되고 있다. 그러나 키토산은 느린 젤화속도와 약한 기계적 물성으로 인해 상업화된 키토산 기반의 바이오잉크는 현존하지 않으며, 이러한 천연고분자의 약한 기계적 물성을 개선하여 구조적 안정성을 향상시키려는 연구가 진행되고 있다. 현재 시판되고 있는 GelMa(gelatin methacryloyl) 및 CollMA(collagen methacryloyl) 바이오잉크는 구조적 안정성을 높이기 위해 광개시제를 사용하여 가교를 도입시키나, 광조사 및 광개시제의 사용은 세포를 손상시킬 수 있는 문제점이 있다. 또한, 알지네이트(alginate) 바이오잉크는 칼슘이온 존재하에서 이온가교를 통해 수화젤을 형성할 수 있지만 낮은 구조적 안정성 때문에 부수적인 2차 가교 공정이 필요하다.Currently, various polymer materials are being researched and developed as bioinks, and since synthetic polymers are toxic, their applications are limited, so bioinks using natural polymers with biocompatibility are mainly developed. Among these natural polymers, chitosan is a natural polysaccharide obtained from crustaceans and exhibits excellent biocompatibility, biodegradability and antibacterial properties, and is widely applied in the field of medicine and pharmacy. However, due to its slow gelation rate and weak mechanical properties, commercial chitosan-based bioinks do not exist, and studies are being conducted to improve structural stability by improving the weak mechanical properties of these natural polymers. Currently commercially available GelMa (gelatin methacryloyl) and CollMA (collagen methacryloyl) bioinks use a photoinitiator to introduce crosslinking to increase structural stability, but the use of photoirradiation and photoinitiator may damage cells. In addition, although alginate bioink can form a hydrogel through ionic crosslinking in the presence of calcium ions, an additional secondary crosslinking process is required due to its low structural stability.

이에 보다 우수한 바이오잉크의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, the development of a better bioink is required.

한국공개특허 제10-2021-0110120호Korean Patent Publication No. 10-2021-0110120 한국등록특허 제10-2145594호Korean Patent Registration No. 10-2145594

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 높은 치환도를 갖는 키토산 폴리페놀 유도체를 제조하여 빠른 젤화 특성을 가지면서 화학적 첨가제 없이도 자가가교가 가능한 키토산 기반 바이오잉크 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a chitosan-based bioink composition capable of self-crosslinking without chemical additives and a method for preparing the same, while having fast gelation characteristics by preparing a chitosan polyphenol derivative having a high substitution degree. to be

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 1) 키토산을 용매에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계; 2) 상기 키토산 용액에 갈산(Gallic acid), 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide; EDC) 및 N-하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS)를 첨가 및 반응시켜 치환도가 30%인 갈롤기가 도입된 키토산을 제조하는 단계; 3) 미반응물을 제거하기 위하여 투석하는 단계; 4) 동결건조하여 분말형태의 갈롤기가 도입된 키토산을 수득하는 단계; 5) 상기 갈롤기가 도입된 키토산을 증류수 또는 pH 4.5인 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산 버퍼(MES buffer)에 첨가하고 교반하여 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 제조하는 단계; 및 6) 상기 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 pH 7.4인 인산염 완충액에 침지 또는 압출하여 수화젤을 제조하는 단계;로 이루어지고, 상기 키토산, 갈산, EDC 및 NHS의 몰비는 1:1:1.1:1.1인 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method comprising: 1) preparing a chitosan solution by dissolving chitosan in a solvent; 2) Gallic acid, 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and N-hydroxy in the chitosan solution preparing chitosan having a gallol group having a degree of substitution of 30% by adding and reacting with succinimide (N-hydroxysuccinimide; NHS); 3) dialysis to remove unreacted substances; 4) Freeze-drying to obtain chitosan having a gallol group introduced therein in powder form; 5) adding the gallol group-introduced chitosan to distilled water or pH 4.5 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid buffer (MES buffer) and stirring to prepare a gallol group-introduced chitosan solution; and 6) preparing a hydrogel by immersing or extruding the chitosan solution into which the gallol group is introduced in a phosphate buffer solution having a pH of 7.4, wherein the molar ratio of the chitosan, gallic acid, EDC, and NHS is 1:1:1.1:1.1 It provides a method for producing a bioink composition for 3D bioprinting, characterized in that.

상기 키토산은 75 내지 85%의 탈아세틸화도를 가지며, 50,000 내지 190,000 Da의 분자량을 갖는 키토산인 것을 특징으로 한다.The chitosan is characterized in that it has a degree of deacetylation of 75 to 85% and a molecular weight of 50,000 to 190,000 Da.

상기 2) 단계에서, 반응은 pH 4.5 내지 6.0, 질소 기체하에 6시간 내지 24시간 동안 교반하는 것을 특징으로 한다.In step 2), the reaction is characterized in that the reaction is stirred for 6 hours to 24 hours under nitrogen gas at pH 4.5 to 6.0.

상기 3) 단계에서, 상기 투석은 6시간 내지 12시간 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.In step 3), the dialysis is performed for 6 to 12 hours.

상기 6) 단계에서, 상기 침지 또는 압출은 1시간 내지 12시간 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.In the step 6), the immersion or extrusion is characterized in that it is performed for 1 hour to 12 hours.

상기 수화젤은 9 wt%의 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 포함하는 것을 특징으로 한다. The hydrogel is characterized in that it contains a chitosan solution into which 9 wt% of a gallol group is introduced.

일 측면에서 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 및 이를 포함하는 조직공학용 지지체를 제공한다.In one aspect, the present invention provides a bioink composition for 3D bioprinting prepared by the above manufacturing method and a support for tissue engineering comprising the same.

상기 3D 바이오프린팅은 25G(0.25 mm)의 니들 직경을 사용하는 것을 특징으로 한다.The 3D bioprinting is characterized by using a needle diameter of 25G (0.25 mm).

다른 측면에서 본 발명은 1) 키토산을 용매에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계; 2) 상기 키토산 용액에 갈산(Gallic acid), 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide; EDC) 및 N-하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS)를 첨가 및 반응시켜 치환도가 30%인 갈롤기가 도입된 키토산을 제조하는 단계; 3) 미반응물을 제거하기 위하여 투석하는 단계; 4) 동결건조하여 분말형태의 갈롤기가 도입된 키토산을 수득하는 단계; 5) 상기 갈롤기가 도입된 키토산을 증류수 또는 pH 4.5인 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산 버퍼(MES buffer)에 첨가하고 교반하여 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 제조하는 단계; 및 6) 상기 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 pH 7.4인 인산염 완충액에 침지 또는 압출하여 수화젤을 제조하는 단계;로 이루어지고, 상기 키토산, 갈산, EDC 및 NHS의 몰비는 1:1:1.1:1.1인 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention comprises the steps of 1) preparing a chitosan solution by dissolving chitosan in a solvent; 2) Gallic acid, 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and N-hydroxy in the chitosan solution preparing chitosan having a gallol group having a degree of substitution of 30% by adding and reacting with succinimide (N-hydroxysuccinimide; NHS); 3) dialysis to remove unreacted substances; 4) Freeze-drying to obtain chitosan having a gallol group introduced therein in powder form; 5) adding the gallol group-introduced chitosan to distilled water or pH 4.5 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid buffer (MES buffer) and stirring to prepare a gallol group-introduced chitosan solution; and 6) preparing a hydrogel by immersing or extruding the chitosan solution into which the gallol group is introduced in a phosphate buffer solution having a pH of 7.4, wherein the molar ratio of the chitosan, gallic acid, EDC, and NHS is 1:1:1.1:1.1 It provides a 3D bioprinting method, characterized in that.

상기 3D 바이오프린팅 조건은 9 wt%의 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 포함하는 수화젤, 3 mm/s의 프린팅 속도 및 0.5%의 압출량인 것을 특징으로 한다.The 3D bioprinting conditions are characterized by a hydrogel containing a chitosan solution into which 9 wt% of gallol groups are introduced, a printing speed of 3 mm/s, and an extrusion amount of 0.5%.

본 발명에 따른 바이오잉크 조성물은 천연고분자인 키토산에 갈롤기를 도입하여 다중 상호작용을 통해 자가가교를 형성함으로써 화학적 첨가제 및 후처리 공정 없이도 압출 즉시 안정한 3차원 구조체를 형성할 수 있어 프린팅 공정이 간단하고, 인쇄성이 우수하다.The bioink composition according to the present invention introduces a gallol group into chitosan, a natural polymer, and forms self-crosslinking through multiple interactions, so that a stable three-dimensional structure can be formed immediately after extrusion without chemical additives and post-processing, and the printing process is simple. , excellent printability.

또한, 합성고분자 대신 천연고분자를 사용하여 생체친화적이며, 목표로 하는 조직에 맞는 세포를 혼합할 수 있어 다양한 기능의 바이오잉크를 제조할 수 있다. In addition, it is biocompatible by using natural polymers instead of synthetic polymers, and it is possible to mix cells suitable for target tissues, so that bioinks with various functions can be manufactured.

또한, 빠른 젤화 특성으로 인해 구조적 안정성 및 기계적 물성이 우수하며, 장기간 우수한 형태안정성을 나타내어 조직재생용 지지체, 맞춤형 지지체(예로, 의족, 의수, 인공 코, 인공 턱뼈 등), 인공조직 및 장기 등 의료산업 전반에 걸쳐 광범위하게 활용 가능한 이점이 있다.In addition, it has excellent structural stability and mechanical properties due to its fast gelation property, and exhibits excellent morphological stability for a long period of time, so it can be used for tissue regeneration scaffolds, customized scaffolds (eg prosthetic limbs, prosthetic arms, artificial noses, artificial jawbones, etc.), artificial tissues and organs, etc. There are benefits that can be widely applied across industries.

도 1은 갈롤기가 도입된 키토산 유도체의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 갈롤기가 도입된 키토산 수화젤의 젤화 메커니즘 및 프린팅 공정을 나타낸 것이다.
도 3은 갈롤기가 도입된 키토산 유도체의 화학적 구조 분석 결과를 나타낸 것이다. (a) 1H-NMR spectra, (b) 갈산의 함량에 따른 치환도, (c) UV-vis spectra, (d) XRD spectra, (e) ATR-IR spectra.
도 4는 갈롤기가 도입된 키토산 유도체 및 수화젤의 화학적 구조 분석 결과를 나타낸 것이다. (a) ATR-IR spectra, (b) UV-vis spectra.
도 5는 갈롤기가 도입된 키토산 수화젤의 유변학적 거동 분석 결과를 나타낸 것이다. (a) shear thinning, (b) thixotropic behavior.
도 6은 농도에 따른 키토산 기반 바이오잉크의 인쇄성 분석 결과를 나타낸 것이다. (a) 3D 구조체 이미지 및 광학이미지, (b) 필라멘트 직경 변화, (c) 기공 직경 변화.
도 7은 니들 직경에 따른 키토산 기반 바이오잉크의 인쇄성 분석 결과를 나타낸 것이다. (a) 3D 구조체의 광학이미지, (b) 필라멘트 직경 변화, (c) 기공 직경 변화.
도 8은 갈롤기가 도입된 키토산 수화젤의 가교시간에 따른 기계적 강도 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 갈롤기가 도입된 키토산 수화젤의 응고욕의 pH에 따른 3D 구조체의 젤화 거동 및 구조적 안정성 분석 결과를 나타낸 것이다.
1 shows a method for preparing a chitosan derivative into which a gallol group is introduced.
Figure 2 shows the gelation mechanism and printing process of the hydrogel of chitosan into which gallol group is introduced.
3 shows the results of chemical structure analysis of chitosan derivatives into which a gallol group is introduced. (a) 1 H-NMR spectra, (b) degree of substitution according to gallic acid content, (c) UV-vis spectra, (d) XRD spectra, (e) ATR-IR spectra.
4 shows the results of chemical structure analysis of chitosan derivatives and hydrogels into which a gallol group is introduced. (a) ATR-IR spectra, (b) UV-vis spectra.
5 shows the rheological behavior analysis results of the hydrogel of chitosan into which the Galol group was introduced. (a) shear thinning, (b) thixotropic behavior.
6 shows the results of analyzing the printability of the chitosan-based bioink according to the concentration. (a) 3D structure image and optical image, (b) change in filament diameter, (c) change in pore diameter.
7 shows the results of analyzing the printability of chitosan-based bioink according to the needle diameter. (a) Optical image of the 3D structure, (b) filament diameter change, (c) pore diameter change.
8 shows the mechanical strength analysis results according to the crosslinking time of the hydrogel of chitosan into which the gallol group was introduced.
9 shows the results of analysis of the gelation behavior and structural stability of the 3D structure according to the pH of the coagulation bath of the hydrogel of chitosan into which a Gallol group was introduced.

이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, it will be described in detail with reference to embodiments of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

종래 천연고분자 기반 바이오잉크는 약한 기계적 물성을 가지는 것뿐만 아니라 광 가교, 이온 가교 또는 효소 가교 등에 의해 가교시킴으로써 독성을 유발할 수 있으며, 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 이에 본 발명은 종래의 천연고분자 기반 바이오잉크의 약한 물성 및 화학적 첨가제 사용으로 인한 문제점을 해결하기 위해 고치환도의 키토산-폴리페놀 유도체를 합성하고, 이를 가교시켜 키토산 수화젤을 형성함으로써 신규한 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물을 제조하였다.Conventional natural polymer-based bioinks not only have weak mechanical properties, but also can cause toxicity by crosslinking by photocrosslinking, ionic crosslinking, or enzymatic crosslinking, and have disadvantages in that the process is complicated and expensive. Accordingly, the present invention synthesizes a chitosan-polyphenol derivative with a high degree of substitution in order to solve the problems caused by the weak physical properties and the use of chemical additives of conventional natural polymer-based bioinks, and forms a chitosan hydrogel by crosslinking them to obtain a new 3D biomaterial. A bioink composition for printing was prepared.

키토산(chitosan)은 갑각류에서 생산되는 키틴을 탈아세틸화하여 얻어지는 천연다당류로서, 생체적합성, 생분해성, 무독성 및 향균성을 갖는다. 그러나 물에 대한 낮은 용해도 및 높은 강성과 취성을 가져 사용에 제한이 있다. 본 발명에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 키토산에 페놀화합물인 갈산(gallic acid)을 도입하여 물리화학적 및 생물학적 특성을 개선하였다. 갈산은 하이드록시기(-OH)가 3개 존재하는 페놀화합물로서, 다양한 결합이 가능하며, 항산화능, 향균성, 세포적합성이 우수하다. 특히, 갈산은 산화될 경우 퀴논(quinone) 구조를 형성하여 키토산과 시프염기(Schiff base) 및 마이클 첨가(Michael addition)와 같은 공유결합을 형성할 수 있으며, 이 외에 수소결합, π-π 상호작용과 같은 비공유결합을 형성할 수 있다. 도 2는 갈롤기가 도입된 키토산 수화젤의 젤화 메커니즘 및 프린팅 공정을 나타낸 것으로, 갈롤기가 다량 존재하기 때문에 PBS 버퍼(buffer) 용액(pH 7.4)에 압출 즉시 젤화를 이뤄 구조적으로 안정한 3D 구조체 제조가 가능하다.Chitosan is a natural polysaccharide obtained by deacetylating chitin produced in crustaceans, and has biocompatibility, biodegradability, non-toxicity and antibacterial properties. However, its use is limited due to its low water solubility and high stiffness and brittleness. In the present invention, in order to overcome these limitations, gallic acid, a phenolic compound, was introduced into chitosan to improve its physicochemical and biological properties. Gallic acid is a phenolic compound with three hydroxyl groups (-OH), which can be combined in various ways, and has excellent antioxidant performance, antibacterial properties, and cell compatibility. In particular, gallic acid can form a quinone structure when oxidized to form covalent bonds with chitosan such as Schiff base and Michael addition, in addition to hydrogen bonds and π-π interactions can form non-covalent bonds. Figure 2 shows the gelation mechanism and printing process of chitosan hydrogel in which gallol groups are introduced. Due to the presence of a large amount of gallol groups, gelation is performed immediately upon extrusion in a PBS buffer solution (pH 7.4), enabling the production of structurally stable 3D structures. do.

상기 키토산-폴리페놀 유도체는 키토산과 갈산의 EDC/NHS 커플링 반응을 통해 키토산에 갈롤기를 도입한 것으로, 본 발명에서는 갈롤기의 치환도가 30% 이상인 높은 치환도의 유도체를 제조하였다.The chitosan-polyphenol derivative is obtained by introducing a gallol group into chitosan through an EDC/NHS coupling reaction between chitosan and gallic acid.

상기 키토산-폴리페놀 유도체는 생체 내 pH 조건인 PBS 용액(pH 7.4) 내에서 갈롤기의 산화에 의한 가교 공유결합을 유도하여 가교제 또는 개시제와 같은 화학적 첨가제 없이 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물을 제조할 수 있다.The chitosan-polyphenol derivative induces cross-linking covalent bonds by oxidation of gallol groups in a PBS solution (pH 7.4), which is a pH condition in vivo, to prepare a bioink composition for 3D bioprinting without chemical additives such as crosslinking agents or initiators. can

또한, 본 발명에 따른 상기 제조된 고치환도의 키토산 유도체 바이오잉크 조성물은 PBS 용액 내로 직접 압출하여 프린팅 즉시 젤화를 유도함으로써 후처리 공정 없이도 구조적으로 안정한 3D 구조체를 제조할 수 있으며, 체내에서 형태를 장기간 유지할 수 있다. 이로써 화학적 첨가제 사용으로 인한 문제점이 해결된 새로운 3D 바이오프린팅 방법을 제공한다.In addition, the prepared chitosan derivative bioink composition having a high degree of substitution according to the present invention is directly extruded into a PBS solution to induce gelation immediately after printing, so that a structurally stable 3D structure can be prepared without a post-treatment process, and the shape can be maintained for a long time in the body. can keep This provides a new 3D bioprinting method that solves the problems caused by the use of chemical additives.

본 발명에 따른 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 제조방법은 1) 키토산을 용매에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계; 2) 상기 키토산 용액에 갈산(Gallic acid), 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide; EDC) 및 N-하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS)를 첨가 및 반응시켜 치환도가 30%인 갈롤기가 도입된 키토산을 제조하는 단계; 3) 미반응물을 제거하기 위하여 투석하는 단계; 4) 동결건조하여 분말형태의 갈롤기가 도입된 키토산을 수득하는 단계; 5) 상기 갈롤기가 도입된 키토산을 증류수 또는 pH 4.5인 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산 버퍼(MES buffer)에 첨가하고 교반하여 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 제조하는 단계; 및 6) 상기 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 pH 7.4인 인산염 완충액에 침지 또는 압출하여 수화젤을 제조하는 단계;로 이루어지고, 상기 키토산, 갈산, EDC 및 NHS의 몰비는 1:1:1.1:1.1인 것을 특징으로 한다.A method for preparing a bioink composition for 3D bioprinting according to the present invention includes the steps of 1) preparing a chitosan solution by dissolving chitosan in a solvent; 2) Gallic acid, 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and N-hydroxy in the chitosan solution preparing chitosan having a gallol group having a degree of substitution of 30% by adding and reacting with succinimide (N-hydroxysuccinimide; NHS); 3) dialysis to remove unreacted substances; 4) Freeze-drying to obtain chitosan having a gallol group introduced therein in powder form; 5) adding the gallol group-introduced chitosan to distilled water or pH 4.5 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid buffer (MES buffer) and stirring to prepare a gallol group-introduced chitosan solution; and 6) preparing a hydrogel by immersing or extruding the chitosan solution into which the gallol group is introduced in a phosphate buffer solution having a pH of 7.4, wherein the molar ratio of the chitosan, gallic acid, EDC, and NHS is 1:1:1.1:1.1 It is characterized by being

일 예로, 상기 1) 단계에서, 키토산 용액을 제조하는 용매는 아세트산 수용액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, in step 1), the solvent for preparing the chitosan solution may be an aqueous acetic acid solution, but is not limited thereto.

상기 2) 단계는 키토산과 갈산의 EDC/NHS 커플링 반응을 통해 키토산에 갈롤기를 도입하는 단계로, 키토산과 갈산의 비율 조절을 통해 키토산 유도체의 치환도를 조절할 수 있다. 상기 키토산과 갈산은 1:0.1 내지 1:2 몰비로 혼합되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1:1 몰비로 혼합되는 것일 수 있다. 또한, 상기 키토산과 EDC 및 NHS는 1:1.1:1.1 몰비로 혼합되는 것이 바람직하며, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로, 치환도가 약 30%인 키토산 유도체의 경우 키토산, 갈산, EDC 및 NHS의 몰비가 1:1:1.1:1.1일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Step 2) is a step of introducing a gallol group into chitosan through an EDC/NHS coupling reaction between chitosan and gallic acid, and the degree of substitution of the chitosan derivative can be controlled by adjusting the ratio between chitosan and gallic acid. The chitosan and gallic acid are preferably mixed in a molar ratio of 1:0.1 to 1:2, more preferably in a molar ratio of 1:1. In addition, it is preferable that the chitosan, EDC, and NHS are mixed in a molar ratio of 1:1.1:1.1, but is not limited thereto. For example, in the case of a chitosan derivative having a degree of substitution of about 30%, the molar ratio of chitosan, gallic acid, EDC, and NHS may be 1:1:1.1:1.1, but is not limited thereto.

또한, 상기 2) 단계에서, 반응 중 키토산 유도체의 산화를 방지하기 위해 반응용액의 pH를 4.5 내지 6.0으로 조절하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 pH 5.0일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때 반응시간은 6시간 내지 24시간인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 8시간 내지 16시간일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, in step 2), the pH of the reaction solution is preferably adjusted to 4.5 to 6.0 to prevent oxidation of the chitosan derivative during the reaction, more preferably pH 5.0, but is not limited thereto. At this time, the reaction time may be preferably 6 hours to 24 hours, more preferably 8 hours to 16 hours, but is not limited thereto.

상기 3) 단계는 반응하지 않은 갈산과 EDC 및 NHS를 제거하는 단계로, 투석과정 중 키토산 유도체의 산화를 방지하기 위해 투석용액의 pH를 4.5 내지 6.0으로 조절하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 pH 5.0으로 조절하는 것이 바람직하다. 상기 투석과정은 6시간 내지 12시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 7시간 내지 10시간 동안 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Step 3) is a step of removing unreacted gallic acid, EDC, and NHS. It is preferable to adjust the pH of the dialysis solution to 4.5 to 6.0 to prevent oxidation of the chitosan derivative during the dialysis process, more preferably the pH. It is desirable to adjust to 5.0. The dialysis process is preferably performed for 6 to 12 hours, more preferably 7 to 10 hours, but is not limited thereto.

상기 5) 단계는 키토산 유도체를 용매에 용해시켜 키토산 유도체 용액을 제조하는 단계로, 증류수 또는 2-[N-모르폴리노]에탄설폰산(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid, MES) 버퍼 용액(pH 4.5)에 용해시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Step 5) is a step of preparing a chitosan derivative solution by dissolving the chitosan derivative in a solvent, distilled water or a 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) buffer solution. (pH 4.5), but is not limited thereto.

상기 6) 단계는 키토산 유도체 용액을 생체 내 pH 조건인 pH 7.4에서 갈롤기의 산화에 의한 가교 공유결합을 유도하여 수화젤을 형성하는 단계로, 이때 화학적 첨가제를 필요로 하지 않고, pH 변화만을 이용하여 갈롤기간의 자가가교를 통해 수화젤을 형성한다. 이때 가교시간은 1시간 내지 24시간인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1시간 내지 20시간, 더욱 더 바람직하게는 1시간 내지 16시간일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Step 6) is a step of forming a hydrogel by inducing a cross-linked covalent bond by oxidation of a gallol group in the chitosan derivative solution at pH 7.4, which is an in vivo pH condition. At this time, no chemical additives are required and only pH change is used. Thus, a hydrogel is formed through self-crosslinking between gallols. In this case, the crosslinking time may be preferably 1 hour to 24 hours, more preferably 1 hour to 20 hours, and still more preferably 1 hour to 16 hours, but is not limited thereto.

다른 측면에서 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 및 이를 포함하는 조직공학용 지지체를 포함한다.In another aspect, the present invention includes a bioink composition for 3D bioprinting prepared by the above manufacturing method and a support for tissue engineering including the same.

상기 3D 바이오프린팅은 25G(0.25 mm)의 니들 직경을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The 3D bioprinting preferably uses a needle diameter of 25 G (0.25 mm), but is not limited thereto.

또 다른 측면에서 본 발명은 1) 키토산을 용매에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계; 2) 상기 키토산 용액에 갈산(Gallic acid), 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide; EDC) 및 N-하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS)를 첨가 및 반응시켜 치환도가 30%인 갈롤기가 도입된 키토산을 제조하는 단계; 3) 미반응물을 제거하기 위하여 투석하는 단계; 4) 동결건조하여 분말형태의 갈롤기가 도입된 키토산을 수득하는 단계; 5) 상기 갈롤기가 도입된 키토산을 증류수 또는 pH 4.5인 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산 버퍼(MES buffer)에 첨가하고 교반하여 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 제조하는 단계; 및 6) 상기 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 pH 7.4인 인산염 완충액에 침지 또는 압출하여 수화젤을 제조하는 단계;로 이루어지고, 상기 키토산, 갈산, EDC 및 NHS의 몰비는 1:1:1.1:1.1인 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method comprising: 1) preparing a chitosan solution by dissolving chitosan in a solvent; 2) Gallic acid, 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and N-hydroxy in the chitosan solution preparing chitosan having a gallol group having a degree of substitution of 30% by adding and reacting with succinimide (N-hydroxysuccinimide; NHS); 3) dialysis to remove unreacted substances; 4) Freeze-drying to obtain chitosan having a gallol group introduced therein in powder form; 5) adding the gallol group-introduced chitosan to distilled water or pH 4.5 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid buffer (MES buffer) and stirring to prepare a gallol group-introduced chitosan solution; and 6) preparing a hydrogel by immersing or extruding the chitosan solution into which the gallol group is introduced in a phosphate buffer solution having a pH of 7.4, wherein the molar ratio of the chitosan, gallic acid, EDC, and NHS is 1:1:1.1:1.1 It provides a 3D bioprinting method, characterized in that.

상기 6) 단계에서, 상기 키토산 유도체 용액을 PBS 버퍼 용액 내로 직접 압출하여 프린팅 즉시 젤화를 유도함으로써 후처리 공정 없이 구조적으로 안정한 3D 구조체를 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 고치환도의 키토산 유도체는 갈롤기의 산화에 의한 다량의 공유결합으로 젤화속도가 빠르며, 젤 강도 또한 향상되었다. 또한, 다양한 공정변수를 통해 인쇄성 및 구조체의 기계적 강도를 조절할 수 있다.In step 6), the chitosan derivative solution is directly extruded into the PBS buffer solution to induce gelation immediately after printing, thereby manufacturing a structurally stable 3D structure without post-processing. The high substitution chitosan derivative according to the present invention has a high gelation rate and improved gel strength due to a large amount of covalent bonds caused by gallol oxidation. In addition, the printability and mechanical strength of the structure can be controlled through various process parameters.

상기 3D 바이오프린팅 조건은 9 wt%의 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 포함하는 수화젤, 3 mm/s의 프린팅 속도 및 0.5%의 압출량인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The 3D bioprinting conditions are preferably, but not limited to, a hydrogel containing a 9 wt% gallol group-introduced chitosan solution, a printing speed of 3 mm/s, and an extrusion amount of 0.5%.

이하에서, 본 발명의 갈롤기가 도입된 키토산 유도체 및 수화젤에 관하여 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples of chitosan derivatives and hydrogels into which a gallol group is introduced according to the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following examples.

<< 실시예Example 1> 1> 갈롤기가Galolgiga 도입된 키토산 유도체 제조 Preparation of introduced chitosan derivatives

도 1을 참조하면, 갈롤기가 도입된 키토산 유도체는 EDC/NHS 반응을 통해 키토산의 아민기(-NH2)와 갈산의 카르복실기(-COOH) 사이에 아마이드 결합이 형성됨으로써 제조된다. 키토산(Chitosan, CS)은 75~85%의 탈아세틸화도를 가지며, 50,000~190,000 Da의 분자량을 갖는 키토산을 사용하였다.Referring to FIG. 1 , a chitosan derivative having a gallol group introduced therein is prepared by forming an amide bond between an amine group (—NH 2 ) of chitosan and a carboxyl group (—COOH) of gallic acid through an EDC/NHS reaction. Chitosan (CS) has a degree of deacetylation of 75 to 85% and has a molecular weight of 50,000 to 190,000 Da.

먼저, 키토산 1 g을 아세트산 수용액(0.5%) 100 mL에 용해시켜 1 wt% 키토산 용액을 제조하였다. 그 다음 상기 키토산 용액에 갈산(Gallic acid, GA)과 EDC (1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide) 및 NHS (N-hydroxysuccinimide)를 1:0.1~2의 몰비로 첨가하였다. 치환도가 약 30%인 키토산 유도체의 경우에는 키토산과 갈산의 몰비가 1:1이며 키토산과 EDC 및 NHS의 몰비가 1:1:1로 첨가된다. 반응 중 산화를 방지하기 위해 반응용액의 pH를 5.0으로 조절하였으며, 반응은 질소 기체하에 상온에서 12시간 동안 교반하였다. 반응하지 않은 갈산과 EDC 및 NHS를 제거하기 위해 pH 5.0인 수용액에서 8시간 동안 투석시켰다. 7일 동안 동결건조하여 분말 형태의 키토산 유도체를 제조하였다.First, 1 g of chitosan was dissolved in 100 mL of an acetic acid aqueous solution (0.5%) to prepare a 1 wt% chitosan solution. Then, gallic acid (GA), EDC (1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide), and NHS (N-hydroxysuccinimide) were added to the chitosan solution in a molar ratio of 1:0.1 to 2. In the case of a chitosan derivative having a degree of substitution of about 30%, the molar ratio of chitosan to gallic acid is 1:1, and the molar ratio of chitosan to EDC and NHS is 1:1:1. The pH of the reaction solution was adjusted to 5.0 to prevent oxidation during the reaction, and the reaction was stirred for 12 hours at room temperature under nitrogen gas. In order to remove unreacted gallic acid, EDC and NHS, it was dialyzed in an aqueous solution of pH 5.0 for 8 hours. Lyophilization was performed for 7 days to prepare a chitosan derivative in powder form.

<< 실시예Example 2> 2> 갈롤기가Galolgiga 도입된 키토산 Introduced Chitosan 수화젤Hydrating gel 제조 manufacturing

갈롤기가 도입된 키토산 유도체를 증류수 또는 MES (2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) 버퍼 용액(pH 4.5)에 첨가하고, 상온에서 2시간 동안 교반한 후 제조된 용액을 PBS buffer 용액(pH 7.4)에 침지 또는 압출하여 수화젤을 제조하였다.A chitosan derivative having a gallol group was added to distilled water or MES (2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) buffer solution (pH 4.5), stirred at room temperature for 2 hours, and then the prepared solution was mixed with PBS buffer solution (pH 7.4). A hydrogel was prepared by immersion or extrusion.

<< 실험예Experimental example 1> 1> 갈롤기가Galolgiga 도입된 키토산 유도체의 화학적 구조 분석 Chemical structure analysis of introduced chitosan derivatives

1H-NMR 분석을 통해 갈롤기가 도입된 키토산 유도체의 화학적 구조 변화 및 치환도를 계산하였다. 키토산 및 키토산-갈산 유도체를 CD3COOD/D2O(1%)에 용해시키고, 1H-NMR 분광기를 이용하여 각 용액의 스펙트럼을 얻었다. 치환도는 키토산 구조에 존재하는 아세틸기의 양성자에 대한 갈산에 존재하는 방향족의 양성자 피크 면적을 통해 계산하였다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 키토산 고분자 사슬에 갈롤기가 도입되어 7 ppm 부근에서 벤젠링에 의한 피크가 나타났으며, 최대 약 30%의 높은 치환도를 나타냈다. 갈롤기가 도입된 키토산 유도체의 경우 UV-vis 분석 결과, 270 nm에서 갈롤기에 의한 피크가 나타났으며(도 3c), XRD 분석 결과, 갈롤기가 도입되어 결정화도가 감소한 것을 확인하였다(도 3d). 도 3e를 참조하면, ATR-IR 분석 결과, 갈롤기가 도입된 키토산 유도체의 경우 3,383 cm-1에서 벤젠링의 하이드록시기(-OH)기에 의한 피크 세기가 증가하였으며, 1,648 cm-1에서 1,635 cm-1로 아마이드 I에 의한 피크가 이동되었고 더욱 강한 피크가 나타났다. 또한, 1,584 cm-1에서 키토산의 아민기에 의해 발현되었던 피크가 키토산 유도체의 경우 갈롤기가 도입됨에 따라 제거되었고, 1,560 cm-1에서 1,531 cm-1로 아마이드 II에 의한 피크가 이동되고 더욱 강한 피크가 나타났다. 상기 결과를 통해 키토산 고분자 사슬에 갈롤기가 성공적으로 도입되었음을 확인하였다.Through 1 H-NMR analysis, changes in the chemical structure and degree of substitution of the chitosan derivative into which the gallol group was introduced were calculated. Chitosan and chitosan-gallic acid derivatives were dissolved in CD 3 COOD/D 2 O (1%), and spectra of each solution were obtained using 1 H-NMR spectroscopy. The degree of substitution was calculated through the peak area of aromatic protons present in gallic acid relative to acetyl group protons present in the chitosan structure. 3a and 3b, a gallol group was introduced into the chitosan polymer chain, and a peak due to benzene ring appeared at around 7 ppm, showing a high degree of substitution of up to about 30%. As a result of UV-vis analysis, a gallol group-induced peak appeared at 270 nm in the chitosan derivative having a gallol group introduced (Fig. 3c), and as a result of XRD analysis, it was confirmed that the crystallinity decreased due to the introduction of a gallol group (Fig. 3d). Referring to FIG. 3e, as a result of ATR-IR analysis, in the case of chitosan derivatives into which a gallol group was introduced, the peak intensity due to the hydroxyl group (-OH) group of the benzene ring increased at 3,383 cm -1 and ranged from 1,648 cm -1 to 1,635 cm The peak due to amide I was shifted to -1 and a more intense peak appeared. In addition, the peak expressed by the amine group of chitosan at 1,584 cm -1 was removed as the gallol group was introduced in the case of chitosan derivatives, and the peak by amide II shifted from 1,560 cm -1 to 1,531 cm -1 and a more intense peak appear. Through the above results, it was confirmed that the gallol group was successfully introduced into the chitosan polymer chain.

<< 실험예Experimental example 2> 2> 갈롤기가Galolgiga 도입된 키토산 유도체 및 introduced chitosan derivatives and 수화젤의of hydrogel 화학적 구조 분석 chemical structure analysis

ATR-IR 및 UV-vis 분석을 통해 갈롤기가 도입된 키토산 유도체 및 수화젤의 화학적 구조 변화를 확인하였다. 도 4a를 참조하면, ATR-IR 분석 결과 갈롤기가 도입된 키토산 수화젤의 경우 갈롤기가 퀴논 구조로 변형되어 3,214 cm-1에서 3,271 cm-1로 하이드록시기(-OH)에 의한 피크가 이동되었다. 또한, 1,694 cm-1에서 C=N 결합에 의한 피크가 나타나고, 1,640 cm-1에서 벤젠링이 변형된 바이페놀에 의한 피크가 나타났다.Through ATR-IR and UV-vis analysis, changes in the chemical structure of the chitosan derivative and the hydrogel in which the gallol group was introduced were confirmed. Referring to FIG. 4a, as a result of ATR-IR analysis, in the case of the chitosan hydrogel into which the gallol group was introduced, the gallol group was transformed into a quinone structure, and the peak due to the hydroxy group (-OH) was shifted from 3,214 cm -1 to 3,271 cm -1 . In addition, a peak at 1,694 cm −1 due to a C=N bond appeared, and a peak at 1,640 cm −1 due to biphenol having a modified benzene ring.

도 4b를 참조하면, UV-vis 분석 결과 수화젤을 형성함에 따라 350~400 nm에서 갈롤기가 산화되어 세미퀴논 중간체 및 라디칼에 의한 피크가 나타났고, 500 nm 부근에서 갈롤기와 키토산의 아민기 사이의 결합에 의한 피크가 나타났다. 이를 통해 Schiff base 및 Michael addition 반응에 의한 공유 결합을 통해 수화젤이 형성됨을 확인하였다.Referring to FIG. 4b, as a result of UV-vis analysis, as a hydrogel was formed, the gallol group was oxidized at 350 to 400 nm, and a peak caused by semiquinone intermediates and radicals appeared, and at around 500 nm, the gap between the gallol group and the amine group of chitosan A peak due to binding appeared. Through this, it was confirmed that a hydrogel was formed through covalent bonding by Schiff base and Michael addition reaction.

<< 실험예Experimental example 3> 3> 갈롤기가Galolgiga 도입된 키토산 Introduced Chitosan 수화젤의of hydrogel 유변학적rheological 거동 분석 behavioral analysis

바이오 잉크를 3D 프린팅에 적용하는데 있어서, 바이오 잉크의 유변학적 거동은 중요한 요소로 작용한다. 갈롤기가 도입된 키토산 수화젤의 유변학적 거동은 플레이트 형상(직경: 20 mm, 갭: 1 mm)을 갖는 레오미터를 이용하여 측정하였다. 이때 변형율(strain)과 주파수(frequency)는 1%와 1 rad/s이다. 도 5a는 전단력이 증가함에 따라 점도가 감소하는 전단 박화 거동을 나타낸다. 이로 인해 수화젤을 압출 시 전단 박화 거동(shear thinning behavior)에 의해 점도가 감소하여 압출을 용이하게 한다. 도 5b는 수화젤의 요변성 거동(thixotropic behavior)을 나타내는 것으로 압출 후에 수화젤이 탄성회복력에 의해 원래의 형태로 회복되어 프린팅 된 3D 구조체의 형태를 안정적으로 유지할 수 있음을 의미한다.In applying bioink to 3D printing, the rheological behavior of bioink acts as an important factor. The rheological behavior of the chitosan hydrogel into which gallol groups were introduced was measured using a rheometer having a plate shape (diameter: 20 mm, gap: 1 mm). At this time, the strain and frequency are 1% and 1 rad/s. Figure 5a shows the shear thinning behavior in which the viscosity decreases with increasing shear force. As a result, when extruding the hydrogel, the viscosity decreases due to shear thinning behavior, thereby facilitating extrusion. 5b shows the thixotropic behavior of the hydrogel, which means that after extrusion, the hydrogel recovers to its original shape by elastic restoring force and can stably maintain the shape of the printed 3D structure.

<< 실험예Experimental example 4> 농도에 따른 키토산 기반 바이오잉크의 인쇄성 분석 4> Analysis of printability of chitosan-based bioink according to concentration

도 6은 상기 실시예에서 제조된 고치환도의 키토산 기반 수화젤을 이용하여 수화젤의 농도에 따른 인쇄성을 평가한 데이터이다. 이때 프린팅 조건은 다양한 변수(농도, 프린팅 속도, 압출량, 니들 직경 등)에 의한 분석을 통해 최적 조건을 수립하였고, 주사기에 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 넣은 다음 PBS 버퍼 용액(pH 7.4)에서 프린팅을 진행하였다. 7 wt%, 9 wt%, 11 wt% 농도의 수화젤을 제조하여 압출하였을 때, PBS 버퍼 용액에서 키토산 고분자 사슬에 도입된 다량의 갈롤기가 산화되어 공유결합을 형성함에 따라 압출 즉시 젤화를 이뤄 3D 구조체가 형성되었다. 제조된 3D 구조체의 직경 및 기공은 광학현미경을 통해 측정하였다.6 is data obtained by evaluating the printability according to the concentration of the hydrogel using the chitosan-based hydrogel having a high degree of substitution prepared in the above example. At this time, the optimal conditions were established through analysis of various variables (concentration, printing speed, extrusion amount, needle diameter, etc.) for printing conditions, and then printing in a PBS buffer solution (pH 7.4) after putting a chitosan solution into which gallol groups were introduced into a syringe. proceeded. When hydrogels with concentrations of 7 wt%, 9 wt%, and 11 wt% were prepared and extruded, a large amount of galol groups introduced into the chitosan polymer chain in the PBS buffer solution were oxidized to form covalent bonds, resulting in 3D gelation immediately after extrusion. structure was formed. The diameter and pores of the prepared 3D structure were measured through an optical microscope.

그 결과, 7 wt% 농도의 수화젤은 낮은 점도로 인해 용액이 퍼져 두꺼운 필라멘트 및 원형의 기공을 형성하였으며, 11 wt% 농도의 수화젤은 높은 점도로 인해 불균일한 필라멘트 및 찌그러진 형태의 기공을 형성하였다. 반면에 9 wt% 농도의 수화젤은 적절한 점도를 지녀 정사각형의 균일한 필라멘트 표면을 가진 기공을 형성하였다. 따라서 9 wt% 농도의 수화젤을 사용할 경우 압출이 용이하면서도 형태안정성이 우수한 3D 구조체 제조가 가능함을 확인하였다.As a result, the hydrogel of 7 wt% concentration spread the solution due to its low viscosity, forming thick filaments and circular pores, and the hydrogel of 11 wt% concentration formed uneven filaments and crushed pores due to its high viscosity. did On the other hand, the hydrogel at the concentration of 9 wt% had an appropriate viscosity and formed pores with a uniform square filament surface. Therefore, it was confirmed that the use of a hydrogel having a concentration of 9 wt% made it possible to manufacture a 3D structure having excellent shape stability and easy extrusion.

<< 실험예Experimental example 5> 5> 니들You guys 직경에in diameter 따른 키토산 기반 바이오잉크의 인쇄성 분석 Analysis of printability of chitosan-based bioink according to

도 7은 상기 실시예에서 제조된 고치환도의 키토산 기반 수화젤을 이용하여 니들 직경에 따른 인쇄성을 평가한 데이터이다. 21G(0.514 mm)와 23G(0.337 mm)의 니들 직경을 사용한 경우에는 두꺼운 필라멘트 및 원형의 기공을 형성하였으며, 28G(0.184 mm)의 니들 직경을 사용한 경우에는 불균일한 필라멘트를 형성하고 필라멘트가 끊어지거나 뭉치는 현상이 발생하였다. 반면에 25G(0.25 mm)의 니들 직경을 사용한 경우에는 균일한 필라멘트를 연속적으로 형성하였다. 따라서, 최종적으로 프린팅 조건은 9 wt% 농도의 수화젤, 3 mm/s의 프린팅 속도, 0.5%의 압출량으로 설정하여 프린팅을 진행하였다.7 is data obtained by evaluating printability according to needle diameter using the chitosan-based hydrogel having a high degree of substitution prepared in the above example. When needle diameters of 21G (0.514 mm) and 23G (0.337 mm) were used, thick filaments and circular pores were formed. When needle diameters of 28G (0.184 mm) were used, non-uniform filaments were formed and Aggregation occurred. On the other hand, when a needle diameter of 25 G (0.25 mm) was used, uniform filaments were continuously formed. Therefore, printing was performed by setting the final printing conditions to 9 wt% hydrogel, 3 mm/s printing speed, and 0.5% extrusion amount.

<< 실험예Experimental example 6> 6> 갈롤기가Galolgiga 도입된 키토산 Introduced Chitosan 수화젤의of hydrogel 가교시간에in bridge time 따른 기계적 강도 및 구조적 안정성 분석 Analysis of mechanical strength and structural stability according to

도 8은 가교시간에 따른 갈롤기가 도입된 키토산 수화젤의 기계적 강도를 측정한 데이터이다. 수화젤은 원통형(직경: 15 mm, 높이: 10 mm)으로 제조하여 PBS 버퍼 용액에서 각 시간에 따라 안정화시킨 후, 만능물성분석기(texture analyzer, TA)를 이용하여 수화젤의 압축강도를 측정하였다. 짧은 가교시간에서도 높은 압축강도를 나타냈으며, 가교시간이 증가함에 따라 압축강도가 증가하고, 최대 약 350 kPa의 우수한 압축강도를 나타냈다.8 is data obtained by measuring the mechanical strength of the hydrogel of chitosan into which gallol groups were introduced according to the crosslinking time. The hydrogel was prepared in a cylindrical shape (diameter: 15 mm, height: 10 mm), stabilized in a PBS buffer solution for each time, and then the compressive strength of the hydrogel was measured using a texture analyzer (TA). . High compressive strength was exhibited even with a short crosslinking time, and as the crosslinking time increased, the compressive strength increased and showed excellent compressive strength of up to about 350 kPa.

도 9는 응고욕의 pH에 따른 수화젤의 구조적 안정성을 평가한 것으로, 약산성(pH 4.5) 또는 중성(pH 6.0) 조건에서는 가교를 형성하지 못하고 용해 또는 분해되어 3D 구조체의 형태를 유지하지 못하였다. 반면에 체내조건과 동일한 약염기성(pH 7.4) 조건에서는 압출 즉시 젤화되어 구조적 안정성을 갖는 3D 구조체를 형성하였다. 이러한 결과를 통해 pH 조건이 젤화 형성에 중요한 영향을 미치며, 고치환도의 키토산 유도체를 제조함으로써 빠른 젤화 형성을 통해 구조적 안정성이 우수한 3D 구조체 제조가 가능함을 알 수 있다. 이렇게 제조된 3D 구조체는 형태안정성 및 생체적합성을 지닐 뿐만 아니라 체내에서도 장기간 유지가 가능하여 조직 및 장기를 대체하여 적용이 가능할 것으로 판단된다.9 is an evaluation of the structural stability of the hydrogel according to the pH of the coagulation bath. In weakly acidic (pH 4.5) or neutral (pH 6.0) conditions, crosslinking was not formed and the shape of the 3D structure was not maintained due to dissolution or decomposition. . On the other hand, under the same weakly basic (pH 7.4) condition as the in vivo condition, it gelled immediately after extrusion to form a 3D structure having structural stability. From these results, it can be seen that the pH condition has an important effect on the formation of gelation, and it is possible to prepare a 3D structure with excellent structural stability through rapid gelation formation by preparing a chitosan derivative with a high degree of substitution. The 3D structure prepared in this way not only has morphological stability and biocompatibility, but also can be maintained for a long time in the body, so it is considered that it can be applied as a substitute for tissues and organs.

상기와 같이, 화학적 구조 분석을 통해 갈롤기가 다량 도입된 키토산 유도체가 성공적으로 제조되었음을 확인하였으며, 유변학적 분석을 통해 3D 바이오프린팅용 바이오잉크로의 적합한 성질을 갖는 것을 확인하였고, 우수한 인쇄성 및 인쇄물의 기계적 강도를 실현하였다.As described above, it was confirmed through chemical structure analysis that the chitosan derivative having a large amount of gallol group introduced therein was successfully prepared, and through rheological analysis, it was confirmed that it had suitable properties as a bioink for 3D bioprinting, and it had excellent printability and printability. of mechanical strength was realized.

이상의 설명은 본 발명의 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내의 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the present invention, and those skilled in the art will be able to make various modifications without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in this specification are intended to explain, not limit, the present invention, and the spirit and scope of the present invention are not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technologies within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (11)

1) 키토산을 용매에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계;
2) 상기 키토산 용액에 갈산(Gallic acid), 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide; EDC) 및 N-하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS)를 첨가 및 반응시켜 치환도가 30%인 갈롤기가 도입된 키토산을 제조하는 단계;
3) 미반응물을 제거하기 위하여 투석하는 단계;
4) 동결건조하여 분말형태의 갈롤기가 도입된 키토산을 수득하는 단계;
5) 상기 갈롤기가 도입된 키토산을 증류수 또는 pH 4.5인 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산 버퍼(MES buffer)에 첨가하고 교반하여 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 제조하는 단계; 및
6) 상기 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 pH 7.4인 인산염 완충액에 침지 또는 압출하여 수화젤을 제조하는 단계;로 이루어지고,
상기 키토산, 갈산, EDC 및 NHS의 몰비는 1:1:1.1:1.1인 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 제조방법
1) preparing a chitosan solution by dissolving chitosan in a solvent;
2) Gallic acid, 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and N-hydroxy in the chitosan solution preparing chitosan having a gallol group having a degree of substitution of 30% by adding and reacting with succinimide (N-hydroxysuccinimide; NHS);
3) dialysis to remove unreacted substances;
4) Freeze-drying to obtain chitosan having a gallol group introduced therein in powder form;
5) adding the gallol group-introduced chitosan to distilled water or pH 4.5 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid buffer (MES buffer) and stirring to prepare a gallol group-introduced chitosan solution; and
6) preparing a hydrogel by immersing or extruding the chitosan solution into which the gallol group is introduced in a phosphate buffer having a pH of 7.4;
Method for producing a bioink composition for 3D bioprinting, characterized in that the molar ratio of chitosan, gallic acid, EDC and NHS is 1: 1: 1.1: 1.1
제1항에 있어서, 상기 키토산은 75 내지 85%의 탈아세틸화도를 가지며, 50,000 내지 190,000 Da의 분자량을 갖는 키토산인 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 제조방법
The method of claim 1, wherein the chitosan has a degree of deacetylation of 75 to 85% and a molecular weight of 50,000 to 190,000 Da.
제1항에 있어서, 상기 2) 단계에서, 반응은 pH 4.5 내지 6.0, 질소 기체하에 6시간 내지 24시간 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 제조방법
The method for preparing a bioink composition for 3D bioprinting according to claim 1, wherein in step 2), the reaction is stirred for 6 hours to 24 hours under nitrogen gas at a pH of 4.5 to 6.0.
제1항에 있어서, 상기 3) 단계에서, 상기 투석은 6시간 내지 12시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 제조방법
The method of claim 1, wherein in step 3), the dialysis is performed for 6 to 12 hours.
제1항에 있어서, 상기 6) 단계에서, 상기 침지 또는 압출은 1시간 내지 12시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 제조방법
The method of claim 1, wherein in step 6), the immersion or extrusion is performed for 1 hour to 12 hours.
제1항에 있어서, 상기 수화젤은 9 wt%의 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물 제조방법
The method of claim 1, wherein the hydrogel comprises a chitosan solution into which 9 wt% of a gallol group is introduced.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물
Bioink composition for 3D bioprinting prepared by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6
제7항에 있어서, 상기 3D 바이오프린팅은 25G(0.25 mm)의 니들 직경을 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅용 바이오잉크 조성물
The bioink composition for 3D bioprinting according to claim 7, wherein the 3D bioprinting uses a needle diameter of 25G (0.25 mm).
제7항에 따른 바이오잉크 조성물을 포함하는 조직공학용 지지체
Support for tissue engineering comprising the bioink composition according to claim 7
1) 키토산을 용매에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계;
2) 상기 키토산 용액에 갈산(Gallic acid), 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide; EDC) 및 N-하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS)를 첨가 및 반응시켜 치환도가 30%인 갈롤기가 도입된 키토산을 제조하는 단계;
3) 미반응물을 제거하기 위하여 투석하는 단계;
4) 동결건조하여 분말형태의 갈롤기가 도입된 키토산을 수득하는 단계;
5) 상기 갈롤기가 도입된 키토산을 증류수 또는 pH 4.5인 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산 버퍼(MES buffer)에 첨가하고 교반하여 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 제조하는 단계; 및
6) 상기 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 pH 7.4인 인산염 완충액에 침지 또는 압출하여 수화젤을 제조하는 단계;로 이루어지고,
상기 키토산, 갈산, EDC 및 NHS의 몰비는 1:1:1.1:1.1인 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅 방법
1) preparing a chitosan solution by dissolving chitosan in a solvent;
2) Gallic acid, 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and N-hydroxy in the chitosan solution preparing chitosan having a gallol group having a degree of substitution of 30% by adding and reacting with succinimide (N-hydroxysuccinimide; NHS);
3) dialysis to remove unreacted substances;
4) Freeze-drying to obtain chitosan having a gallol group introduced therein in powder form;
5) adding the gallol group-introduced chitosan to distilled water or pH 4.5 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid buffer (MES buffer) and stirring to prepare a gallol group-introduced chitosan solution; and
6) preparing a hydrogel by immersing or extruding the chitosan solution into which the gallol group is introduced in a phosphate buffer having a pH of 7.4;
3D bioprinting method, characterized in that the molar ratio of the chitosan, gallic acid, EDC and NHS is 1: 1: 1.1: 1.1
제10항에 있어서, 상기 3D 바이오프린팅 조건은 9 wt%의 갈롤기가 도입된 키토산 용액을 포함하는 수화젤, 3 mm/s의 프린팅 속도 및 0.5%의 압출량인 것을 특징으로 하는 3D 바이오프린팅 방법 11. The 3D bioprinting method according to claim 10, wherein the 3D bioprinting conditions are a hydrogel containing a chitosan solution into which 9 wt% of gallol groups are introduced, a printing speed of 3 mm/s, and an extrusion amount of 0.5%.
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