KR20240009147A - 3d 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머재료 - Google Patents

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Abstract

3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료가 제공된다.
본 발명의 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료는, 중량%로, 디메틸 술폰(Dimethyl sulfone: DMSO2):3~50%, 그리고 잔여 열가소성 고분자 수지를 포함한다.

Description

3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머재료{3D bio-printing polymers for bio- implant}
본 발명은 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열가소성 PCL 고분자 수지에 디메틸 술폰(DMSO2)을 적정량 혼합한 생체이식용 폴리머 재료를 제공함으로써 생분해능 및 세포재생능이 우수할 뿐만 아니라 친수성으로 세포친화성 등인 우수한 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료에 관한 것이다.
Bone tissue engineering(골 조직 공학)에서 스캐폴드는 손상 조직이 복원될 동안 세포 친화력을 가지고, 기존의 골조직을 대신하여 지지 역할을 수행하고, 조직이 복원된 이후에는 제거/소멸되어야 한다.
이러한 골 재생 부위는 환자에 따라서 적정 시간의 분해시간이 설계되어야 하며, 분해시간이 너무 짧으면 조직이 완벽하게 형성되지 못하게 되고, 반대로 골조직이 형성되면 분해되어 없어져야 하는데 젊은 사람에게는 너무 오래 남아 있어 문제가 발생하기도 하다.
이러한 스캐폴드 재료로서 종래에는 고분자 수지, 세라믹, 금속 등이 이용되었으며, 특히, 고분자 수지의 경우 저가이며 물성 조절이 용이한 특성을 가지고 있어 널리 이용되고 있다.
그러나 이러한 고분자 수지의 대표적 소재로 PCL이라는 열가소성 수지가 사용되고 있는데, 이 또한 고분자인 관계로 안정성이 뛰어나 분해 조절이 용이하지 않다는 단점이 있었다.
따라서 생분해능 및 세포재생능이 우수할 뿐만 아니라 친수성으로 세포친화성인 우수한 스캐폴드 재료에 대한 개발요구가 지속되어 오고 있는 실정이다.
공개특허 제2019-0018131호
본 발명은 열가소성 PCL 고분자 수지에 디메틸 술폰(DMSO2)을 적정량 혼합함으로써 생분해능 및 세포재생능이 우수할 뿐만 아니라 친수성으로 세포친화성 등인 우수한 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료를 제공함을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 과제는 상술한 사항에 한정되지 아니한다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기술되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
따라서 본 발명의 일측면은,
3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머재료에 있어서,
중량%로, 디메틸 술폰(Dimethyl sulfone: DMSO2):3~50%, 그리고 잔여 열가소성 고분자 수지를 포함하는 생체이식용 폴리머 재료에 관한 것이다.
상기 열가소성 수지는 폴리카프로락톤(PCL:Polycaprolactone), PLA(Poly Lactic acid), PGA(Polyglycolic acid), PLGA(Poly Lactic -co-glyclic acid), PGA-PCL copolymer 및 PLA-PCL copolymer 중 하나일 수가 있다.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 열가소성 PCL 고분자 수지에 디메틸 술폰(DMSO2)을 적정량 혼합한 생체이식용 폴리머 재료를 제공함으로써 생분해능 및 세포재생능이 우수할 뿐만 아니라 친수성으로 세포친화성 등인 우수한 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료를 효과적으로 제공할 수 있다.
도 1은 열가소성 PCL 수지에 디메틸 술폰(DMSO2)을 혼합하여 3D 프린팅으로 제조된 스캐폴드를 PBS용액을 이용하여 디메틸 술폰 혼합에 따른 분해능 증가 정도를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
스캐폴드 제조는 세포 부착, 증식 및 뼈와 같은 인체 지지를 위한 뼈 조직 공학에 있어 중요한 기술로서, 생체재료는 생체 적합성, 생분해성, 적절한 기계적 물성, 인쇄성 등을 갖추어야 한다.
PCL(PCL:Polycaprolactone), PLA(Poly Lactic acid), PGA(Polyglycolic acid) 또는 PLGA(Poly Lactic -co-glyclic acid)과 같은 열가소성 고분자 수지는 이미 FDA의 생체 적합 물질로 승인을 받았지만, 소수성으로 인해 분해 시간이 매우 길고 세포 유인력이 낮다는 특징이 있다. 또한 상기 열가소성 고분자 수지들은 상대적으로 점도가 높기 때문에 10~20%의 인쇄된 기공 크기 오차를 나타낸다.
따라서 본 발명의 발명자들은 상기 열가소성 고분자 수지들이 갖는 한계를 극복하기 위하여, 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과, 상기 고분자 수지에 디메틸 술폰(DMSO2)을 적정량 혼합하면 생분해능 및 세포재생능이 우수할 뿐만 아니라 친수성으로 세포친화성 등인 우수한 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료를 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.
이러한 본 발명의 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료는, 중량%로, 디메틸 술폰(Dimethyl sulfone: DMSO2):3~50%, 그리고 잔여 열가소성 고분자 수지를 포함하여 조성된다.
이하, 본 발명의 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료의 성분 및 그 성분 함량 제한 사유 등을 설명하다.
본 발명의 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료는 열가소성 고분자 수자에 디메틸 술폰(Dimethyl sulfone: DMSO2)을 혼합하여 조성됨을 특징으로 한다.
메틸설포닐메탄(MSM)으로 알려진 상기 디메틸설폰(DMSO2)은 자연적으로 발생하는 유기황 화합물로서, 지구의 황 순환을 통해 합성될 수 있지만, 모화합물인 디메틸 설폭사이드(DMSO)를 과산화수소(H2O2)로 산화시켜 제조하고 결정화 또는 증류에 의해 정제할 수도 있다. 이러한 방식으로 제조된 DMSO2는 자연적으로 생산된 DMSO2와 구조적 또는 안전성에 뚜렷한 차이가 없으나, 다른 많은 생체외 연구에서는 DMSO2가 항염증, 항산화, 면역 체계 및 황 공여자에 영향을 줄 수 있다고 밝혀지고 있다.
DMSO2는 매우 안정적이고 위험하지 않은 물질로 잘 알려져 있으며 고유한 특성을 사용하여 세포 및 조직 수준 모두에서 생물학적 기능을 변경할 수 있다. 또한 DMSO2는 다른 치료제의 운반체 또는 공동 운반체로 작용하여 그 적용을 더욱 확장할 수 있으며, 생체외 연구에 따르면 DMSO2는 연골을 보호할 수 있음이 확인되어 오고 있다.
따라서 DMSO2는 점도가 낮아 인쇄 정확도를 증가시키고, PCL와 같은 열가소성 고분자 수지 보다 높은 표면 장력을 가지므로 습윤성을 향상시킬 수 있으며 그 결과 세포 유인력을 증가시킬 수 있는 특징이 있다.
상술한 바와 같이, DMSO2 (Dimethyl sulfon)은 신체 재생효과를 가진 compound로 이를 PCL과 혼합하여 아래와 같은 장점을 가진 스캐폴드를 제작할 수 있다.
(1)PCL-DMSO2는 일종의 Particle reinforced thermoplastic으로 기존 소재에 비해 Young's modulus를 증대할 수 있다.
(2) PCL에 비해 DMSO2의 Viscosity가 낮아서 3D 프린팅 시 유리하다.
(3) DMSO2의 높은 표면 장력으로 세포 친화성 우수하다(친수성 확보).
(4) DMSO2 첨가량에 따라 분해 시간 조절이 가능하다.
(5) DMSO2가 가진 신체 재생효과에 따라 세포 재생에 유리하다.
구체적으로, 본 발명의 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료는, 중량%로, 열가소성 고분자 수지: 50~97%, 디메틸 술폰(Dimethyl sulfone: DMSO2):3~50%를 포함하여 조성된다.
먼저, 본 발명의 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료는, 중량%로 디메틸 술폰(Dimethyl sulfone: DMSO2)을 3~50%를 포함한다. 본 발명에서 DMSO2는 최소 3% 이상 첨가될 것이 요구되며, 만일 그 첨가량이 3% 미만이면 열가소성 고분자 수지 matrix의 생분해능에 실질적인 영향을 주지 못할 수 있다. 반면에 DMSO2 첨가량이 50%를 초과하면 DMSO2가 취성이 커서 형상이 잘 깨어지는 문제가 발생하여 bio scaffold로의 사용이 어려울 수 있다.
바람직하게는, 상기 디메틸 술폰(DMSO2)을 10~40% 범위로 포함하는 것이며, 보다 바람직하게는, 20-30% 범위로 포함하는 것이다.
그리고 본 발명의 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료는, 잔여 성분으로 matrix로서 열가소성 고분자 수지를 포함한다. 본 발명에서는 생체이식용 물성제어 바이오 프린팅 복합 폴리머 재료용 matrix 재료로서, 저가이며 안정성이 우수할 뿐만아니라 물성조절이 용이한 열가소성 고분자 재료인 폴리카프로락톤(PCL:Polycaprolactone), PLA(Poly Lactic acid), PGA(Polyglycolic acid), PLGA(Poly Lactic -co-glyclic acid), PGA-PCL copolymer 및 PLA-PCL copolymer 중 하나를 이용할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 열가소성 고분자 수지로서 폴리카프로락톤(PCL:Polycaprolactone)을 이용하는 것이다.
한편 상술한 바와 같이, 본 발명에서 세포재생능, 생분해능, 3D 프린터 성능 ED 특성 향상을 위해 DMSO2를 다량 첨가하는 경우, 영 계수(Young's modulus)와 같은 기계적 물성은 증가하지만(강성 증가), 인장강도는 떨어져 인성이 저하된다. 즉, matrix 폴리머와 DMSO2 사이에 미스매치가 발생하여 균열이 발생할 수 있다.
따라서 영 계수와 인장강도를 동시에 개선하기 위하여(강성과 인장강도 동시 확보), matrix 폴리머에 DMSO2를 혼합함으로써 세포재생능, 생분해능, 3D 프린팅 성능 등을 제고할 수 있다.
그리고 본 발명의 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머 재료는, 추가적으로 바이더를 미량 첨가할 수도 있으며, 바람직하게는 A-174와 같은 bio compatible 바인더를 이용할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
하기 표 1과 같은 특성을 갖는 PCL과 DMSO2를 마련하였다.
재료 분자량 밀도(kg/m3) 표면장력(mN/m) 점도
PCL 50,000 1145 40 3,784 Pa.s at 120℃
DMSO2 94.13 1170 60.15 1.14 Pa.s at 125℃
그리고 상기 DMSO2는 PCL과 함께 복합재 소스로 사용하여, 마이크로 압출 3D 프린터를 사용하여 스캐폴드 구조를 제조하였다. 구체적으로, 상기 2 재료를 전기 밀링 머신을 사용하여 DMSO2 함량을 10, 20 및 30중량(wt%)로 혼합하였으며, 2 물질을 혼합하기 전에 하루 동안 45℃ 진공 조건에서 건조시켰다. 이후, DMSO2 함량이 증가함에 따라 스캐폴드 구조를 낮은 압력에서 인쇄할 수 있었으며 기공 크기 오차는 72.7 um에서 21.3 um으로 감소하였다.
상기와 같이 제작된 DMSO2 함량을 달리하는 스캐폴드 구조물을 PBS(phosphate buffered saline) 용액을 이용한 분해 시험을 실시하였으며, 그 실험결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타난 바와 같이, 분해율은 처음 3주 동안의 DMSO2 함량에 따라 최소 16.5배에서 최대 63배까지 증가하였다. 3주 후에도 분해율이 감소했음에도 불구하고 PCL-DMSO2 복합재료는 여전히 PCL보다 빠른 분해율을 보임을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 3D 바이오 프린팅 생체이식용 폴리머재료에 있어서,
    중량%로, 디메틸 술폰(Dimethyl sulfone: DMSO2):3~50%, 그리고 잔여 열가소성 고분자 수지를 포함하는 생체이식용 폴리머 재료.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리카프로락톤(PCL:Polycaprolactone), PLA(Poly Lactic acid), PGA(Polyglycolic acid), PLGA(Poly Lactic -co-glyclic acid), PGA-PCL copolymer 및 PLA-PCL copolymer 중 하나인, 생체이식용 폴리머 재료.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리카프로락톤(PCL:Polycaprolactone)인, 생체이식용 폴리머 재료.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 디메틸 술폰을 10~40% 범위로 포함하는 생체이식용 폴리머 재료.
  5. 제 1항에 있어서, 바인더를 추가로 포함하는 생체이식용 폴리머 재료.
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