WO2024063351A1 - 멤브레인이 열접합된 구조체 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

멤브레인이 열접합된 구조체 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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WO2024063351A1
WO2024063351A1 PCT/KR2023/012435 KR2023012435W WO2024063351A1 WO 2024063351 A1 WO2024063351 A1 WO 2024063351A1 KR 2023012435 W KR2023012435 W KR 2023012435W WO 2024063351 A1 WO2024063351 A1 WO 2024063351A1
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WO
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membrane
bonded
damaged
bonding
heat
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PCT/KR2023/012435
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English (en)
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김동성
윤재승
최정원
박태은
류준열
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포항공과대학교 산학협력단
울산과학기술원
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Publication date
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    • 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
    • C12M33/00—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus
    • C12M33/14—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus with filters, sieves or membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
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    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/12—Apparatus for enzymology or microbiology with sterilisation, filtration or dialysis means
    • 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
    • C12M1/26—Inoculator or sampler
    • 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
    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/02—Membranes; Filters

Definitions

  • the present invention relates to a structure in which a membrane is thermally bonded and a method for manufacturing the same. More specifically, by thermally bonding the porous nanomembrane to the conjugate to improve the bonding strength between the membrane and the conjugate, other obstacles that may arise during analysis of experiments and research (e.g., bond separation) are prevented in advance. Alternatively, it relates to a structure with a heat-bonded membrane that prevents receptors (e.g., cultured cells) accommodated in the conjugate from leaking out of the conjugate during experiments and research, and a method of manufacturing the same.
  • receptors e.g., cultured cells
  • a porous nanomembrane is a membrane formed by intertwining multiple polymer fibers, and is a membrane tens to hundreds of nanometers thick with numerous penetration pores that selectively allow specific substances to pass through.
  • Porous nanomembranes are characterized by being inexpensive, simple to process, transparent, and easy to absorb/desorb, allowing them to be used both inside and outside the body.
  • Porous nanomembranes are mainly used in cell culture or cell research and analysis.
  • the porous nanomembrane serves as a cell culture surface in cell culture or as a cell membrane in cell research and analysis.
  • the porous nanomembrane In order for this porous nanomembrane to fully perform its role, the porous nanomembrane must be attached or bonded to a container containing cells.
  • Conventional nanomembrane bonding technology only involves applying adhesive to the cell container or using adhesive tape (double-sided tape). ), causing many problems in cell culture and cell research.
  • the method of applying adhesive may have a negative effect on the experimental environment, such as the inherent substances of the adhesive slowing down cell culture, and the method of applying adhesive tape may be easily peeled off over time, or even if attached, there may be gaps in the adhesive surface. Many problems occurred, such as cells leaking out.
  • the present invention was developed with an eye on this problem, and not only can solve the technical problems discussed above, but also provide additional technical elements that cannot be easily devised by those skilled in the art. It has been done.
  • the purpose of the present invention is to provide a structure that can further improve the bonding strength between the membrane and the bonded body compared to the conventional adhesive application method or adhesive tape attachment method, and to ensure that the bonding surface remains strong even after bonding, and a method of manufacturing the same. Do it as
  • the present invention applies heat to the bonding surface in order to thermally bond the membrane to the bonded body, by applying a specific temperature at which heat is not conducted to the non-bonded side of the membrane during bonding with the membrane and no thermal deformation occurs, Provides a structure in which the optimal membrane is thermally bonded.
  • the present invention proposes a structure in which a membrane is thermally bonded to solve the above problems.
  • the structure includes a membrane made of nanofiber material; and a bonded body that is a bonding object of the membrane, wherein the membrane is formed by contacting a joint of the bonded body to which heat of a specific temperature is applied, and is thermally deformed by contact and bonded to the bonded body.
  • it may include a surface other than the bonding surface, a transparent surface having a porous structure.
  • the specific temperature may be within the range of [melting point (Tm)] to [melting point (Tm) +10°C] of the membrane.
  • the bonding surface is a surface in which the nanofiber structure is deformed and the permeability function is reduced compared to before deformation, and the passage of microcells or fluids may be significantly restricted.
  • the structure in which the membrane is thermally bonded, the structure may be characterized by having a value of the undamaged transmission surface compared to the damaged transmission surface at different ratios depending on the approaching speed of the membrane and the joint.
  • a method of manufacturing a structure in which a membrane is thermally bonded includes the steps of applying heat at a specific temperature to the joint of the bonded body; And a step of thermally bonding the joint of the bonded body and the membrane by approaching them, wherein the membrane after the thermal bonding step includes a bonding surface and a permeable surface, and the bonding surface is heated at a specific temperature. It is formed by contacting the joint of the assembly to which heat is applied, and is a surface that is thermally transformed by contact and joined to the assembly, and the transparent surface is a surface other than the joint surface, and has a porous structure. can do.
  • the bonding force between the membrane and the bonded body is improved, and the bonding surface is maintained firmly even after bonding. Furthermore, damage to the membrane is minimized, and the structure with the membrane bonded is strengthened. This has the effect of allowing the structure to play its role in cell culture or cell research.
  • 1 is a diagram showing a membrane bonded to various conjugates.
  • Figure 2 is a diagram showing an example of use of a cell culture vessel that is a membrane and a conjugate.
  • Figure 3 shows the process of thermally bonding the membrane to the bonded body.
  • Figure 4(a) is a diagram showing the nanofiber structure of the bonding surface, transmission surface, and interface between the bonding surface and the transmission surface of the membrane
  • Figure 4(b) shows the optimal heat bonding required for thermal bonding depending on the thickness of the nanofiber. This is a graph experimentally confirming the change in heating temperature
  • Figure 4(c) is a diagram showing the formation of an undamaged surface, a damaged surface, and a bonded surface.
  • Figure 5 is a diagram comparing the conventional membrane-attached body attachment method and the membrane-joined body thermal bonding method according to the present invention through drawings or captured images.
  • Figure 6 is a diagram showing [Experimental Example 1] of the present invention.
  • Figure 7 is a diagram showing [Experimental Example 2] of the present invention.
  • Figure 8 is a diagram showing [Experimental Example 3] of the present invention.
  • Figure 9 is a diagram specifically showing a method of manufacturing a thermally bonded membrane structure according to the present invention.
  • Figure 10 is a diagram showing how a user forms a bonding surface and a transmission surface of a desired shape.
  • Figure 11 shows a structure with a heat-bonded membrane impregnated with a hydrogel composition.
  • FIG 12 shows a blood brain barrier (BBB) model using Brain Microvascular Endothelial Cells (BMECs) derived from induced pluripotent stem cells (iPSC).
  • BBB blood brain barrier
  • BMECs Brain Microvascular Endothelial Cells
  • iPSC induced pluripotent stem cells
  • Figure 13 shows an apparatus for mass production of structures according to another embodiment of the present invention.
  • first and second are used to distinguish one component from another component, and the scope of rights should not be limited by these terms.
  • a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.
  • the present invention relates to a structure in which a nanomembrane is thermally bonded and a method for manufacturing the same.
  • the present invention relates to a structure in which a nanomembrane is thermally bonded and a method for manufacturing the same.
  • a porous nanomembrane refers to a membrane formed by entangling multiple polymer fibers, and refers to a membrane with a thickness of tens of nm to tens of um having a plurality of penetration pores that selectively transmit specific substances.
  • FIG. 1 is a diagram showing the membrane 10 bonded to various bonded bodies 20.
  • the membrane 10 may be bonded to a cell culture vessel 20a or a microfluidic chip 20b, which is the conjugate 20.
  • the conjugate 20 will be mainly described based on the cell culture vessel 20a among the various conjugates 20, but the conjugate 20 is not limited thereto and is used in cell culture, cell research, and
  • the membrane 10 is a structure with a surface that can be bonded, it can be included within the scope of the bonded body 20.
  • any type of structure can be included as a type of conjugate 20 as long as the membrane 10 includes a bondable surface.
  • Thermoplastics can be used as the material for the joined body 20, and preferably, plastic polymers used in injection production such as polystyrene (PS), polymethylmethacrylate (PMMA), and CoC (Cyclic olefin copolymer) can be used. You can.
  • PS polystyrene
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • CoC Cyclic olefin copolymer
  • Figure 2 shows an example of use of a cell culture vessel that is a membrane and conjugate.
  • Figure 2 is a diagram to aid understanding of how the structure of the membrane and conjugate to be discussed in this detailed description can be utilized.
  • a membrane 100 is attached and bonded to one side of the cell culture container 200, and the cell culture container 200 to which the membrane 100 is bonded is inserted into the opening 310 of the plate 300. You can.
  • the permeable pores of the membrane allow oxygen and nutrients contained in the fluid to be more smoothly supplied to the cells in the cell culture vessel, thereby further improving cell proliferation and differentiation. It can be induced to promote it. Additionally, the membrane at this time can also serve as a cell culture surface on which cells are cultured.
  • the membrane since the membrane is made of a plurality of polymer nanofibers, it can have a structure similar to the basement membrane in vivo, and thus can be used to create an environment similar to the blood flow environment in vivo.
  • the structure formed by the membrane and the conjugate can be used to create a variety of environments in cell culture and analysis, and the purpose of the present invention is to make it possible to easily create such a highly useful structure without defects.
  • Figure 3 shows the step of thermally bonding the membrane 10 to the bonded body 20.
  • Step (A) in FIG. 3 is a step of partially applying heat to the joint portion 21 of the joined body 20 in order to thermally bond the membrane 10 to the joined body 20.
  • the joint portion 21 refers to the part of the structure of the bonded body 20 that directly touches the membrane 10.
  • the spout of the cylindrical bonded body 20 corresponds to the bonded portion 21.
  • the joined body 20 may be basically made of a heat-resistant material. In some cases, even if the entire structure of the joined body 20 is not heat-resistant, at least the joint portion 21 may be made of a heat-resistant material. Additionally, the joint 21 may have a shape closed by a closed curve when viewed from a plan view. As a result, the joint surface 11, which is formed by heat bonding to the membrane 10, must have a closed shape for the phenomenon of fluid penetration to be meaningful, so it is desirable that the joint portion 21 has a closed shape in some way.
  • the bonding surface 11 of the membrane 10 refers to the surface in contact with the bonding portion 21 of the bonded body 20, and the bonding surface 11 and the transmission surface 12, that is, the membrane 10, are connected to each other.
  • a boundary may exist between the transparent surfaces 12 that play a role in transmitting fluid.
  • the bonding surface 11 has the characteristic that the passage of cells or fluid is significantly restricted after thermal bonding, and is a concept that includes an area or surface where there is no space between the nanofiber structures and the bonded body by crushing them. It can be understood as Significantly restricted passage of cells (microcells) or fluid means that passage of cells or fluid at the bonding surface 11 is limited to less than 5% compared to the permeable surface 12.
  • the most desirable state is the bonding surface 11 in which cells or fluid cannot pass through, that is, 0%.
  • the bonding itself will not occur and the bonding surface 11 will not be created, and the temperature of the joint 21 will be lower than the melting point of the membrane. It will be understood that the bonding surface 11 will be created only when bonded to the membrane in a higher heated state.
  • the structure is formed by thermally bonding the membrane 10 to the bonded body 20, that is, the bonding surface 11 of the membrane 10 is thermally bonded to the bonding portion 21 of the bonded body 20.
  • the structure is referred to as 'structure (1) in which the membrane (10) is thermally bonded'.
  • step (B) after step (A) of FIG. 3 the membrane 10 is bonded by approaching and contacting the joint portion 21 of the heat-applied body 20. .
  • This step is performed by allowing the joint portion 21 of the bonded body 20 to approach the membrane 10 while the membrane 10 is fixed so that it cannot move, or by fixing the bonded body 20 so that it cannot move. It can be implemented by bringing the membrane 10 closer to the joint 21 or by allowing the membrane 10 and the joint 21 to approach each other.
  • the membrane 10 may be approached and joined to the joint 21 while maintaining a flat state, but is not necessarily limited thereto.
  • the membrane 10 can be approached and joined to the joint 21 while maintaining a curved surface having a predetermined curvature value rather than being flat.
  • the predetermined curvature value may be determined according to the intention of the person designing the structure. For example, (i) when it is desired to implement a nanomembrane filter in a sagging state, thereby cultivating cells within the curved surface, a relatively large curvature is required.
  • the value can be determined, or (ii) a relatively small curvature when it is desired to prevent the durability of the transmission surface 12 from being reduced due to slight shrinkage of the fiber structure when the fiber structure is hardened by contact and bonding with the joint 21. You can set the value. In other words, even if shrinkage of the fiber structure occurs due to bonding, the membrane 10 with a pre-curvature value was used in anticipation of this, and as a result, a flat transparent surface 12 will be obtained after bonding.
  • the above embodiments (i) and (ii) refer to additional embodiments, and the bonding process according to the present invention is basically premised on an embodiment in which a flat membrane without curvature is bonded to the bonded body. Let us remind us once again that this is the case.
  • step (B) a process of controlling the approach speed between the membrane 10 and the joint 21 may also be performed. Bonding is achieved by a change in the fiber structure from the point where the joint 21 and the membrane 10 come into contact, or in some cases, before the contact occurs. At this time, the membrane 10 and the joint 21 approach. By adjusting the speed from 0.1mm/s to 100mm/s, it is possible to manufacture the structure desired by the designer. The magnitude of this joining speed may vary depending on the area of the joining part 21, the thickness of the membrane 10, or the physical properties of the joining part 21.
  • the area of the transmission surface 12 can be realized by controlling the approach speed.
  • the transparent surface 12 can be divided into an undamaged surface 12a and a damaged surface 12b, where the undamaged surface 12a refers to the transparent surface 12.
  • the damaged surface 12b and the previously described joint surface 11 refer to different surfaces, and the joint surface 11 is a surface that is assumed to be in contact with the joint 21. Let me remind you once again.
  • the transmission surface 12 can be divided into an undamaged surface 12a and a damaged surface 12b
  • the area of the surface capable of penetration (transmission surface) on the transmission surface 12 can be adjusted according to the approaching speed. You can. For example, when it is desired to minimize the damaged surface 12b of the transparent surface 12, the access speed of at least one of the membrane 10 and the joint 21 is relatively small, that is, the access time is increased to achieve bonding. can do. At this time, the temperature of the joint 21 may be relatively lower compared to the case where the damaged surface 12b is widened, which will be described later.
  • the approaching speed is increased so that the heated joint 21 contacts the surface of the membrane 10 at a high temperature as much as possible to prevent damage.
  • the surface area can be made larger.
  • the temperature of the joint 21 may be relatively higher than in the previous case because sufficient jointing must be achieved within a short period of time.
  • step (C) after step (B) of FIG. 3, the nanofiber structure of the bonding surface 11 in contact with the bonding portion 21 is thermally deformed and hardened to form a gap between the bonding portion 21 and the bonding surface 11.
  • step (C) of FIG. 3 the joint portion 21 and the joint surface 11 are not shown separately, which means that the joint portion 21 and the joint surface 11 are completely joined and cannot be distinguished from each other. This is to emphasize that structural modification has occurred, especially the structural modification of the nanofibers that make up the membrane.
  • Figure 4(a) is a diagram showing the nanofiber structure of the bonding surface 11, the transmission surface 12, or the interface 13 between the bonding surface 11 and the transmission surface 12 of the membrane 10. .
  • FIG. 4(a) shows the nanofiber structure with the membrane 10 fixed for bonding, or the transparent surface 12 after bonding but without deformation of the fiber structure.
  • the transmission surface 12 is formed in a structure in which a plurality of polymer fibers are entangled with each other, forming a plurality of penetration holes that selectively transmit specific substances. . Since the transmission surface 12 with these characteristics is a surface practically used in experiments, it will generally have a relatively large area ratio compared to the bonding surface 11.
  • the diameter of the nanofiber may be on the order of tens of nanometers to several micrometers, the number of micropores per unit volume may vary depending on the thickness, and the thickness of the membrane 10 made of such nanofibers is several hundred nanometers. It may be on the order of meters to tens of micrometers.
  • the diameter of the nanofiber may preferably range from several tens of nm to 2000 nm, and the thickness of the nanofiber material may preferably be 3 um or more.
  • the optimal heating temperature of the bonded material for bonding may increase.
  • the optimal heating temperature is the thickness of the nanofiber (Thickness of system). It can be seen that as the nanofiber membrane increases, it tends to increase further.
  • the boundary surface 13 is a surface that separates the boundary between the transmission surface 12 and the bonding surface 11.
  • the boundary surface 13 is a fluid (or fine fluid) transmitted by the transmission surface 12. It can also play a role in preventing substances) from leaking or running off.
  • the nanofiber structure of the interface 13 is partially crushed due to thermal deformation, but the remaining part is transparent, so not only does it play the role of a barricade described above, but it also partially connects the transparent surface 12 and the bonding surface 11. can perform its role.
  • the nanofiber structure of the bonded surface 11 is crushed and hardened again by thermal deformation, resulting in permeability. It is transformed into a state without pores, and the bonding surface 11 of this modified structure prevents cells or fluid contained in the bonded body 20 from leaking to the outside of the boundary surface 13.
  • the bonding surface 11 may consist only of areas where no clearly distinguishable nanofiber structure exists when compared to the transparent surface 12, or even if it exists, it is 200% larger than the diameter of the nanofibers on the transparent surface. It can be characterized by the presence of nanofibers.
  • the interface 13 between the transparent surface 12 and the bonding surface 11 may show characteristics in the process of changing the diameter of the nanofiber by more than 200%. .
  • the role of preventing mobile bodies such as cells accommodated in the conjugate 20 from escaping outside the boundary 13 has an important influence on measuring the results of cell culture and cell research/analysis.
  • the main purpose of cell culture is to proliferate cells, but if cells escape from the conjugate 20, not only will this purpose not be achieved properly, but it will also cause problems of obtaining poor experimental results.
  • the conventional technology for bonding the membrane 10 to the bonded object 20 utilized a method of applying an adhesive liquid to the bonded object 20 or attaching (taping) an adhesive, and this technology (20) did not solve the problem of cell detachment. Accordingly, to emphasize once again, the present invention seeks to solve the above problem by thermally bonding the membrane 10 and the bonded body 20.
  • Figure 4(c) shows a plane of the bonded membrane 10, in which the bonding surface 11, the transmission surface 12, and their interface surfaces 13 are shown, and further the transmission surface ( It can be seen that in 12), the undamaged surface 12a and the damaged surface 12b are shown again.
  • the transmission surface 12 does not necessarily include the damaged surface 12b, and depending on the bonding method, it may be composed of only the undamaged surface 12a without damaging the membrane.
  • the undamaged surface 12a and the damaged surface 12b can be defined based on the following criteria.
  • the damaged surface 12b may be defined as a surface with a light transmittance of 70% or more, and the non-damaged surface 12a may be defined as the remaining area.
  • the damaged surface 12b can be defined as an area where the light transmittance is 90% or more, and the non-damaged surface 12a can be defined as other areas. In this way, the damaged surface 12b can be divided and defined based on an area having a relatively higher transmittance compared to the non-damaged surface 12a and a point where the transmittance critically varies.
  • the undamaged surface 12a and the damaged surface 12b of the membrane may be distinguished by roughness.
  • the layered structure of nanofiber strands disappears and the surface becomes smooth.
  • the ridges (nanofiber structure) visible when the nanofibers are crushed.
  • the area where the difference in thickness between the highest point of the nanofiber structure) and the trough (the lowest point of the nanofiber structure) is several tens of nm or less can be defined as the damaged surface 12b.
  • the non-damaged surface 12a may be defined as an area other than the damaged surface 12b.
  • the nanofiber strands will be maintained without changing their state, and at this time, the thickness difference between the crest and valley of the nanofiber as seen from the side cross section may be hundreds of nm to several um.
  • the undamaged side 12a and the damaged side 12b of the membrane may be defined based on the ratio of nanofiber diameters.
  • the damaged surface (12b) can be defined as an area that has increased by more than tens to hundreds of% compared to the diameter of a normal nanofiber
  • the undamaged surface (12a) can be defined as an area that is not the damaged surface (12b).
  • the normal diameter range of nanofibers may mean the range within which the nanofiber diameters observed within any given membrane can be included.
  • the undamaged surface 12a may be defined as a surface where nanofibers having a diameter of several tens of nanometers to several micrometers are observed, and the damaged surface 12b may be defined as the remaining area.
  • the damaged surface 12b may be defined as an area where the thickness of the membrane is reduced by more than 30% compared to the non-damaged surface 12a.
  • the planar structure is as shown in FIG. 4(c).
  • the damaged surface 12b is It will be defined to mean less than 1% of the total transmission surface 12.
  • Figure 5 is a diagram comparing the conventional method of adhering the membrane 10 to the bonded body 20 and the thermal bonding method of the membrane 10 to the bonded body 20 according to the present invention through drawings or captured images.
  • Figures 5(A) and 5(B) show cell leakage when tested using a conventional adhesive tape (Figure 5(A)) and cell leakage when the thermal bonding method according to the present invention is used. This is to compare the appearance ((B) in Figure 5).
  • Figures 5(C) and 5(D) show cell outflow in the conventional adhesive tape method (Figure 5(C)) and cell outflow in the thermal bonding method according to the present invention ( Figure 5a).
  • (D)) is an illustrative drawing.
  • cells in the conventional taping method remain in the gap between the adhesive surface 11a even if the adherend 20 and the membrane 10 are attached through adhesive tape. It could be a leak.
  • the cells in the thermal bonding method according to the present invention do not leak out due to bonding to the bonded body 20 by thermal deformation of the nanofibers of the membrane 10, By allowing movement only within the transmission surface 12, high-quality experimental data and excellent cell culture effects can be achieved.
  • the nanofiber structure of the membrane 10 which is thermally modified by thermal bonding, can prevent cell escape and is an important factor in obtaining good results in cell culture and cell research/analysis.
  • the joint 21 in order to form the nanofiber structure of the membrane 10, the joint 21 must be heated to a 'specific temperature'. To define the range of this specific temperature, it is [melting point of the membrane] to [melting point of the membrane. + 10°C] can be defined as a specific range of preferred temperatures.
  • the melting point of the nanofiber material must be lower than the melting point or glass transition temperature of the bonded material, considering that the glass transition temperature of polystyrene is about 100 degrees Celsius and that of PMMA is about 116 degrees Celsius. In this case, it is desirable to use nanofiber materials with a melting point of 120 degrees or less.
  • the 'range of specific temperature' may be 62°C to 68°C, and if any one value is set as a specific temperature, it is preferably 65°C. It can be.
  • the temperature of the joint 21 at the moment the membrane contacts it is an important factor in determining the state of the joint surface, and this temperature is [melting point of the membrane] ⁇ [melting point of the membrane + 10°C. ] (For convenience, this temperature range is referred to as the contact temperature range), as described above, that the bonding surface, transmission surface, and interface desired by the user (experimenter) can be formed.
  • the joint 21 may be heated to a temperature higher than the contact temperature range (for convenience, this is referred to as a preset temperature) before contacting the membrane, which lasts until the joint 21 contacts the membrane. This takes into account the situation in which the joint 21 is naturally cooled during the time taken.
  • the preset temperature may be determined by considering the time or cooling rate from when the junction 21 is heated until it contacts the membrane, and may preferably be 20°C higher than the contact temperature range.
  • Figure 6 is a diagram showing [Experimental Example 1] of the present invention.
  • Figure 6 (A) is a graph showing how the temperature of the bonding surface 11 and the transmission surface 12 of the membrane 10 changes depending on the temperature applied to the bonding portion 21 of the bonded body 20,
  • T m-PCL hereinafter referred to as melting point
  • 60°C which is the temperature at which the nanofiber structure is transformed
  • [Experimental Example 1] of the present invention we intend to analyze data using this melting point and derive the temperature at which this melting point forms the optimal nanofiber structure of the membrane 10 in thermal bonding.
  • the reason why the temperatures of the bonding surface 11 and the transparent surface 12 are different while thermal bonding is in progress is that the bonding surface 11 is in direct contact with the bonding portion 21 of the heat-heated member 20. Therefore, while it has a relatively high temperature compared to the transparent surface 12, the transparent surface 12 is adjacent to the joint 21, but is not in direct contact with it, and therefore has a relatively low temperature compared to the joint surface 11. Understand that you have shame.
  • the temperature (T ps ) applied to the joined body 20, more precisely the joined portion 21, is 55°C, 60°C, 65°C, 70°C, 75°C
  • the joint surface When monitoring the temperatures of 11) and the transmission surface 12, it was found that when heated to 55°C and 60°C, the temperatures of both the joint surface 11 and the transmission surface 12 did not reach T m-PCL. . On the contrary, when heated to 70°C and 75°C, the temperatures of both the bonding surface 11 and the transmission surface 12 exceeded T m-PCL , indicating that significant deformation occurred in the nanofiber structure.
  • Figure 6 (B) shows a photograph actually taken of the nanofiber structure of the joint surface 11 and the transmission surface 12 according to the heating temperature.
  • the nanofiber structure of the bonding surface 11 is deformed by heat and has a bonding force with the bonded body 20, and the penetration at this time It was found that the nanofiber structure of cotton 12 was not thermally deformed, showing the optimal fiber structure for thermal bonding.
  • the nanofiber structure of the bonded surface 11 is not only deformed by heat, but also the transparent surface adjacent to the bonded surface 12 ( It was found that a part of 12) may also be thermally deformed and the transmission function of the transmission surface 12 may be partially lost.
  • the 'specific temperature' that forms the nanofiber structure of the membrane 10 in thermal bonding is 65 °C, and when thermal bonding is performed within 75 °C, normal thermal bonding occurs. It was confirmed that the structure (1) was obtained as a result, and through this, it was confirmed that the temperature required for thermal bonding was within the range of the melting point of the membrane (10) or 10°C greater than the melting point of the membrane (10). .
  • Figure 7 is a diagram showing [Experimental Example 2] of the present invention.
  • Example 2 of the present invention is a diagram showing the heat conduction phenomenon through color during the thermal bonding process between the membrane 10 and the bonded body 20.
  • FIG. 7 (A) to (C) show the relationship between the membrane 10 and the bonded material 20 when the ‘temperature (T ps ) applied to the bonded material 20’ is 55°C, 65°C, and 75°C, respectively. This shows the phenomenon of heat conduction.
  • Figure 7 (A) shows a case where the 'temperature (T ps ) applied to the joined body 20' is 55°C, and in this case, the joined surface 11 is still at a temperature corresponding to the melting point range. Since it did not reach (60°C: yellow), it can be inferred that thermal deformation was not properly achieved.
  • Figure 7 (B) shows a case where the 'temperature (T ps ) applied to the joined body 20' is 65°C.
  • the joined surface 11 reaches the melting point range and undergoes thermal deformation. It can be seen that at the same time, a bonding phenomenon can occur between the membrane 10 and the conjugate 20. Meanwhile, it can be seen that the temperature conducted to the transparent surface 12 by the heated heat is within the range below the melting point (yellow), so the transparent surface 12 will not undergo thermal deformation.
  • Figure 7 (C) shows a case where the 'temperature (T ps ) applied to the bonded body 20' is 75°C.
  • the bonded surface 11 reaches a range exceeding the melting point and undergoes thermal deformation. This will be achieved, and it can be seen that the temperature above the melting point will be conducted to the adjacent transparent surface 12 due to the heat conduction phenomenon, causing thermal deformation.
  • Figure 8 is a diagram showing [Experimental Example 3] of the present invention.
  • Example 3 of the present invention is an experiment that once again supports that the 'specific temperature' of 65°C, that is, the same temperature as the melting point of the membrane, is the optimal temperature. 55°C, 65°C, and 75°C at the joint 21. The actual product when the membrane 10 is actually heat bonded after being heated to a temperature of °C is compared, and the range in which the transparent surface 12 is not damaged when heated to the temperature listed above is graphed.
  • Figure 8 (A) shows a case where heat of 55°C is applied to the joint portion 21 of the bonded body 20 during thermal bonding, and the structure at this time has a relatively bright color on the bonded surface 11.
  • the characteristic shown was that the fiber structure was not easily deformed.
  • Figure 8 (B) shows a case where heat of 65°C is applied to the joint portion 21 of the bonded body 20 during thermal bonding.
  • the structure at this time is the bonding surface.
  • (11) showed a relatively dark color compared to (A), that is, there was a deformation of the fiber structure.
  • the boundary between the bonding surface 11 and the transmission surface 12 was revealed quite clearly, and in particular, the transmission surface 12 area appeared to maintain a bright color because the fiber structure was not deformed.
  • Figure 8 (C) shows a case where heat of 75°C is applied to the joint portion 21 of the bonded body 20 during thermal bonding, and a portion of the transparent surface 12 to be placed on the existing bonded body 20 is shown. Heat above the melting point was conducted and thermal deformation was confirmed. In other words, it can be seen that the area that can be used as the transmission surface 12, that is, the ‘proportion of the undamaged transmission surface (Y-axis in (D) of FIG. 8)’ has decreased.
  • Figure 8 (D) is a graph showing the ‘proportion of undamaged transmission surface (ratio of normal transmission surface 12)’ of the transmission surface 12 according to the applied temperature.
  • Figure 9 is a diagram showing a method of manufacturing the structure (1) thermally bonded to the membrane (10) of the present invention.
  • the method of manufacturing the structure 1 according to the present invention may first include a step (S101) of applying heat at a specific temperature to the joint portion 21 of the bonded body 20.
  • the joint portion 21 of the bonded body 20 refers to a surface that corresponds to and is joined to the bonding surface 11 of the membrane 10 when the membrane 10 is bonded to the bonded body 20.
  • the specific temperature referred to here is when the bonding surface 11 reaches the melting point, which is the temperature at which the membrane 10 begins to undergo thermal deformation, and the melting point occurs on the transparent surface 12 adjacent to the bonding surface 11 during the thermal bonding process. It refers to the temperature below which heat can be conducted.
  • step S101 a step (S102) of bonding both components may be included by allowing the joined portion 21 of the heated member 20 to approach the membrane 10. At this time, joining efficiency can be improved by applying a predetermined pressure (pressing pressure) in the direction being joined.
  • a predetermined pressure pressing pressure
  • step S102 a step of allowing the bonded state to rest for a predetermined period of time may be added to provide time for the bonded surface 11 to undergo thermal deformation and harden again.
  • Figure 10 is a diagram showing how a user forms a bonding surface 11 and a transparent surface 12 of a desired shape.
  • the user can form the bonding surface 11 and the transmission surface 12 of the desired shape, and after heat bonding, the transmission surface 12 of a specific shape (triangle, square, or star shape) or In order to form the joint surface 11, the user forms the desired shape on one surface of the heating element 30 (e.g., a sculpture), and applies heat to one surface of the heating element 30 containing the formed shape.
  • the heating element 30 e.g., a sculpture
  • the structure (1) produced through the process described above is subsequently brought into contact with a hydrogel or solution, thereby further proceeding with the step of allowing the nanofibers constituting the structure (1) to be coated with the hydrogel or solution.
  • the transparent surface 12 of the structure 1 can be made to function similar to the characteristics of the extracellular matrix in the actual body.
  • the nanofibers can be combined with the hydrogel by impregnating the structure (1) into the hydrogel.
  • the structure (1) is impregnated into the hydrogel. Let's continue the explanation. Porous membranes made of general plastic materials have a limitation that their form and physical properties are very different from those of the extracellular matrix, so they largely lack similarity in form or function to cells in the body during cell culture.
  • the extracellular matrix and its Hydrogels with more similar shapes and properties can be used.
  • a hydrogel structure On a structure that has gone through the hydrogel impregnation stage (hereinafter abbreviated as a hydrogel structure), cells grow with a physical/chemical structure more similar to that of the body and feel stimulation, and as a result, the above hydrogel structure is more similar to the body. It can be a means by which the form and function of cells can be expressed.
  • FIG 11 shows the structure (1) to which the membrane is thermally bonded is impregnated with the hydrogel composition (50).
  • the transmission surface of the structure (1) with the hydrogel composition (50) placed thereon. (12) can be sufficiently immersed in the hydrogel composition (50) to impregnate the membrane area of the permeable surface (12).
  • the transmission surface 12 may have a mechanical strength of several tens of KPa to several GPa depending on the characteristics of the nanofiber structure. Thanks to these characteristics, a hydrogel with weak mechanical strength is impregnated into the nanofiber, resulting in a hydrogel.
  • the culture environment can have excellent mechanical strength.
  • nanofibers mentioned in this detailed description include silk fibroin, collagen, gelatin, cellulose, alginate, polycaprolactone, polyurethane, and polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the hydrogel includes one or more thin film components selected from the group consisting of collagen, gelatin, agarose, extracellular matrix (ECM)-derived materials, Matrigel, and Geltrex. It can be done, preferably collagen.
  • ECM extracellular matrix
  • the hydrogel composition may include 1 to 20% by weight of the thin film component; And it may contain 80 to 99% by weight of PBS or cell culture medium. More preferably, it may contain 3 to 30% by weight of the thin film component and 70 to 97% by weight of PBS or cell culture medium.
  • water, PBS, cell culture medium, or acid/base solution may be further included.
  • the additional ingredients may be included so that the pH of the hydrogel composition is 5 to 9, and when collagen is included in the hydrogel thin film, it can have a three-dimensional structure when the pH is at the level of 7, forming three-dimensional cells. It is possible to provide a hydrogel thin film with a structure suitable for culture.
  • the hydrogel structure according to the present invention may have a three-dimensional structure by impregnating the transparent surface 12 inside the hydrogel. Therefore, cells can be cultured in the three-dimensional structure of the permeable surface, and as described above, the hydrogel structure has superior transparency compared to conventional cell culture membranes, making it easier to observe cells during cell culture.
  • cells that can be cultured in the hydrogel structure according to the present invention may be fibroblasts, vascular endothelial cells, smooth muscle cells, nerve cells, cartilage cells, bone cells, skin cells, Schwann cells, or stem cells, but are not limited thereto. no.
  • drying time may be 10 minutes or more, for example, 30 minutes or more and 6 hours or less at 20 to 50°C. If the time is less than 30 minutes, the hydrogel is not sufficiently dried, which may cause a problem in which the membrane shape of the permeable surface 12 is not formed.
  • the drying may be performed, for example, by natural drying, oven drying, hot air drying, etc., but is not limited thereto. Preferably this is carried out by natural drying.
  • the properties of the nanofibers constituting the structure such as hydrophilicity/hydrophobicity, cell detachment, or biomaterial binding force, etc.
  • a reforming step aimed at changing may be further performed.
  • the hydrogel structure according to the present invention it is possible to create a cerebrovascular cell barrier model with a form and function similar to that of cerebrovascular tissue in the body.
  • the hydrogel structure can create an environment similar to the cell production environment in the actual human body, and this can also be applied to the culture of cerebrovascular cells. That is, the hydrogel structure according to the present invention can provide rigidity and ease of observation suitable for culturing cerebrovascular cells, and the organelle structure, arrangement, and shape of cerebrovascular cells cultured on the hydrogel structure are similar to those of cerebrovascular cells in the body. It becomes possible to construct an in vitro blood-brain cell barrier model that is induced similarly to cells and contains physiologically similar levels of barrier function and metabolic capacity.
  • FIG 12 shows a Blood Brain Barrier (BBB) model using Brain Microvascular Endothelial Cells (BMECs) derived from induced pluripotent stem cells (iPSC).
  • BMECs Brain Microvascular Endothelial Cells
  • iPSC induced pluripotent stem cells
  • Figure 13 shows a structure mass production apparatus 1000 according to another embodiment of the present invention.
  • the structure 1 mentioned in the preceding detailed description can be mass-produced using the device as shown in the drawing, and the structure mass production device 1000 essentially includes a structure array 1100 and a membrane array 1300. can do.
  • the structure array 1100 may be comprised of a plurality of structures 1 on the first panel 1101, and the joints of each structure 1 are separately provided in the structure mass production apparatus 1000. It can be heated by a heating means (not shown).
  • the membrane array 1300 consists of a plurality of membrane regions 1301 formed on the second panel 1301, and each membrane region 1301 can be formed to match the size of the structure 1.
  • the second panel 1301 may be a thick case in which a plurality of holes are formed, and one intact nanofiber surface is embedded in the second panel 1301 to form the plurality of holes. It may be configured so that a portion of the nanofiber surface is exposed by a hole.
  • the second panel 1301 may be a thin hexahedron and may be constructed by uniformly forming a plurality of nanofiber surfaces on one side.
  • the membrane array 1300 can be configured in various ways.
  • the structure mass production apparatus 1000 heats the plurality of structures 1 on the structure array 1100 and then immediately brings each structure 1 close to the membrane regions 1301 on the membrane array 1300. By performing thermal bonding, mass production of the structure (1) is possible.
  • the drawing shows a device in which the membrane array 1300 is disposed on the bottom and the structure array 1100 is designed to descend from the top; however, if the heated joint of the structure 1 is designed to approach the membrane regions, the device There is no limit to the structure of .
  • Examples of the structure (1) in which the above membrane (10) is thermally bonded, a method of manufacturing the same, a hydrogel structure in which this structure is impregnated into a hydrogel, and a method of forming a blood-brain barrier model using the same are provided. I looked.
  • interface 200 cell culture vessel

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Abstract

본 발명은 멤브레인이 열접합된 구조체 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 다공성 나노 멤브레인을 피접합체에 열접합시켜, 멤브레인-피접합체 간의 접합력을 향상시킴으로써, 실험 및 연구를 분석하는 것에 있어 발생할 수 있는 다른 장애 상황(예: 접합이 분리됨)을 사전에 방지하거나, 피접합체 내에 수용된 수용체(예: 배양 세포)들이 실험 및 연구 과정에서 피접합체 외부로 리크(leak)되지 않도록 하는 멤브레인이 열접합된 구조체 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

멤브레인이 열접합된 구조체 및 이를 제조하는 방법
본 발명은 멤브레인이 열접합된 구조체 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 다공성 나노 멤브레인을 피접합체에 열접합시켜, 멤브레인-피접합체 간의 접합력을 향상시킴으로써, 실험 및 연구를 분석하는 것에 있어 발생할 수 있는 다른 장애 상황(예: 접합이 분리됨)을 사전에 방지하거나, 피접합체 내에 수용된 수용체(예: 배양 세포)들이 실험 및 연구 과정에서 피접합체 외부로 리크(leak)되지 않도록 하는 멤브레인이 열접합된 구조체 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
다공성 나노 멤브레인은 복수의 고분자 섬유가 서로 얽혀져서 형성된 막으로, 특정물질을 선택적으로 투과시키는 수많은 투과공을 가진 수십에서 수백 나노미터 두께의 막이다.
다공성 나노 멤브레인은 저렴하면서도 공정이 간단하고, 투명하면서도 흡/탈착이 쉬워 체내 외 모두 활용할 수 있는 것이 특징이다. 또한, 용매의 종류와 농도 조절을 통해 투과공의 크기와 멤브레인의 두께를 자유자재로 조절할 수 있어 응용가치가 더욱 높은 것으로 알려져 있다.
다공성 나노 멤브레인은 세포 배양이나, 세포 연구 및 분석에 주로 이용되는데, 이때의 다공성 나노멤브레인은 세포 배양에 있어서의 세포 배양면 혹은 세포 연구 및 분석에서 있어서의 세포막 역할을 수행한다.
이러한 다공성 나노 멤브레인이 제 역할을 온전히 수행하기 위해서는, 다공성 나노 멤브레인이 세포가 포함된 용기에 부착되거나 접합되어 있어야 하는데, 종래의 나노 멤브레인 접합 기술은 단지 세포 용기에 접착제를 도포하거나 접착테이프(양면테이프)를 붙이는 방법에 그치고 있어 세포 배양과 세포 연구에 있어서 많은 문제점들을 야기하고 있다. 예를 들면, 접착제를 도포하는 방법은 점착제 고유의 물질이 세포 배양을 더디게 하는 등 실험 환경에 악영향을 미칠 수 있으며, 접착테이프를 붙이는 방법은 시간이 지나 쉽게 떼어지거나 붙어있다 하더라도 접착면에 빈틈이 생겨 세포가 새어나오게 되는 등 많은 문제점들이 발생하였다.
본 발명은 이와 같은 문제점에 착안하여 도출된 것으로, 이상에서 살핀 기술적 문제점을 해소시킬 수 있음은 물론, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 고안할 수 없는 추가적인 기술요소들을 제공하기 위해 발명되었다.
본 발명은 종래의 접착제 도포 방법 또는 접착테이프 부착 방법에 비하여 멤브레인-피접합체 간의 접합력이 더 향상될 수 있고, 접합된 이후에도 접합면이 견고하게 유지되도록 하는 구조체 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 멤브레인을 피접합체에 열접합하기 위하여 접합면에 열을 가할 때, 멤브레인과의 접합 시 멤브레인의 비접합면에는 열이 전도되지 않아 열 변형되지 않는 특정 온도를 가하여, 열접합에 있어서의 최적의 멤브레인이 열접합된 구조체를 제공한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 멤브레인이 열접합된 구조체를 제안하며, 이 때 상기 구조체는, 나노 섬유 소재의 멤브레인; 및 상기 멤브레인의 접합 대상체인 피접합체;를 포함하고, 상기 멤브레인은, 특정 온도의 열이 가해진 상기 피집합체의 접합부에 접촉됨으로써 형성되는 것으로서, 접촉에 의해 열 변형되어 상기 피접합체와 접합되는 접합면; 및 상기 접합면 이외의 면으로서, 다공성 구조를 가지는 투과면;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 멤브레인이 열접합된 구조체에 있어서 상기 특정 온도는, 상기 멤브레인의 [녹는점(Tm)] ~ [녹는점(Tm) +10 ℃] 범위 내에 포함될 수 있다.
또한, 상기 멤브레인이 열접합된 구조체에 있어서 상기 접합면은, 나노 섬유 구조가 변형되어 투과성 기능이 변형 전 대비 저하된 면으로서, 미세 세포 또는 유체의 통과가 현저하게 제한되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 멤브레인이 열접합된 구조체에 있어서 상기 구조체는, 상기 멤브레인 및 상기 접합부의 접근 속력에 따라 상이한 비율의 훼손 투과면 대비 비훼손 투과면 값을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 멤브레인이 열접합된 구조체를 제조하는 방법은, 피접합체의 접합부에 특정 온도의 열을 가하는 단계; 및 상기 피접합체의 접합부, 및 멤브레인을 접근시켜 열접합시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하되, 상기 열접합시키는 단계 이후의 상기 멤브레인은 접합면 및 투과면을 포함하고, 상기 접합면은 특정 온도의 열이 가해진 상기 피집합체의 접합부에 접촉됨으로써 형성되는 것으로서, 접촉에 의해 열 변형되어 상기 피접합체와 접합되는 면이고, 상기 투과면은 상기 접합면 이외의 면으로서, 다공성 구조를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 멤브레인-피접합체 간의 접합력이 향상되고, 접합된 이후에도 접합면이 견고하게 유지되도록 하는 효과가 있으며, 나아가 멤브레인의 훼손을 최소화하고, 멤브레인이 접합된 상태의 구조체를 견고히 함으로써 해당 구조체가 세포 배양 또는 세포 연구 과정에서 제 역할을 할 수 있게 하는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 멤브레인이 다양한 피접합체에 접합된 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 멤브레인과 피접합체인 세포 배양 용기의 활용 예를 도시한 도면이다.
도 3은 멤브레인이 피접합체에 열접합되는 과정을 도시한 것이다.
도 4(a)는 멤브레인의 접합면, 투과면, 및 접합면과 투과면 사이의 경계면 각각의 나노 섬유 구조를 나타낸 도면이며, 도 4(b)는 나노 섬유의 두께에 따라 열접합에 필요한 최적 가열 온도가 달라지는 양상을 실험적으로 확인한 그래프이고, 도 4(c)는 비훼손면, 훼손면, 및 접합면의 형성 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 멤브레인-피접합체 부착 방법과 본 발명에 따른 멤브레인-피접합체 열접합 방법을 그림 또는 촬영된 이미지를 통하여 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 [실험 예1]을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 [실험 예2]를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 [실험 예3]을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 멤브레인 열접합된 구조체를 제조하는 방법을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 사용자가 임의로 원하는 형상의 접합면과 투과면을 형성시키는 모습을 나타낸 도면이다.
도 11은 멤브레인이 열접합된 구조체가 하이드로겔 조성물에 함침된 모습을 도시한 것이다.
도 12는 유도만능 줄기세포(induced Pluripotent Stem cell; iPSC)로부터 유래된 뇌혈관 세포(Brain Microvascular Endothelial Cells; BMECs)를 활용한 뇌혈관 장벽 (Blood Brain Barier; BBB) 모델을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구조체 대량 생산 장치를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다 (Comprises)" 및/또는 "포함하는 (Comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명은 나노 멤브레인이 열접합된 구조체 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 다공성 나노 멤브레인(10)을 피접합체(20)에 열접합시켜, 멤브레인(10)-피접합체(20) 간의 접합력(또는 부착력)을 극대화시킴으로써 기존 접착제 또는 접착테이프를 사용하던 방식에서 드러났던 여러 문제점들(예: 접합 분리, 리크 등)을 해소시키고자 한 것이다.
다공성 나노 멤브레인이란, 앞서 배경에서도 잠시 언급하였듯 복수의 고분자 섬유가 서로 얽혀져서 형성된 막을 이르며, 특정 물질을 선택적으로 투과시키는 복수의 투과공을 가지는 수십 nm ~ 수십 um 두께의 막을 의미한다.
도 1은 이러한 멤브레인(10)이 다양한 피접합체(20)에 접합된 모습을 나타낸 도면이다. 도 1을 참고하면, 멤브레인(10)은 피접합체(20)인 세포 배양 용기(20a), 또는 미세유체 칩(20b) 등에 접합될 수 있다.
본 상세한 설명에서의 피접합체(20)는 다양한 피접합체(20) 중 특히 세포 배양 용기(20a)를 기준으로 주로 설명될 것이나, 피접합체(20)는 이에 한정되지 않으며, 세포 배양, 세포 연구 및 분석에 있어서 멤브레인(10)이 접합될 수 있는 면을 가진 구조체라면 피접합체(20)의 범위 내에 포함될 수 있다. 또는, 더 나아가 굳이 세포 배양, 연구, 분석과 관련된 것이 아니라 하더라도 멤브레인(10)이 접합 가능한 면을 포함하고 있다면 어떤 종류의 구조체라도 피접합체(20)의 한 종류로 포함될 수 있다. 피접합체(20)의 소재로는 열가소성 플라스틱(Thermoplastic)이 활용될 수 있으며, 바람직하게는 Polystyrene(PS), Polymethylmethacrylate(PMMA), CoC(Cyclic olefin copolymer) 등 사출 생산에 활용되는 플라스틱 고분자가 활용될 수 있다.
도 2는 멤브레인과 피접합체인 세포 배양 용기의 활용 예를 도시한 것이다. 도 2는 본 상세한 설명에서 논하게 될 멤브레인 및 피접합체의 구조체가 어떻게 활용될 수 있는지에 대한 이해를 돕기 위한 도면이다.
도 2를 참고하면, 세포 배양 용기(200) 일면에는 멤브레인(100)이 부착 및 접합되고, 멤브레인(100)이 접합된 세포 배양 용기(200)는 플레이트(300)의 개구부(310)에 삽입될 수 있다.
이와 같이, 멤브레인이 세포 배양 용기에 접합되었을 경우, 멤브레인의 투과공들은 세포 배양 용기 내의 세포 측에 유체에 포함된 산소 및 영양소를 더 원활하게 공급할 수 있도록 해주며, 이에 따라 세포 증식 및 분화가 더 촉진될 수 있도록 유도할 수 있다. 또한, 이 때의 멤브레인은 세포가 배양되는 세포 배양면 역할도 수행할 수 있다.
또한, 멤브레인은 복수 개의 고분자 나노 섬유로 이루어짐에 따라, 생체 내 기저막과 유사한 구조를 가질 수 있으며, 이에 따라 생체 내 혈액 유동 환경과 유사한 환경을 구현하는 데에 활용될 수도 있다.
이렇듯 멤브레인과 피접합체가 이루는 구조체는 세포 배양 및 분석에 있어서 다양한 환경을 구현해 내는 데에 활용될 수 있는데, 본 발명은 이렇게 활용도가 높은 구조체를 결함 없이, 쉽게 만들어 낼 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
도 3은 멤브레인(10)을 피접합체(20)에 열접합하는 단계를 도시한 것이다.
도3의 (A) 단계는, 멤브레인(10)을 피접합체(20)에 열접합 시키기 위하여 피접합체(20)의 접합부(21)에 부분적으로 열을 가하는 단계이다. 여기서, 접합부(21)란 피접합체(20)의 구조 중 직접적으로 멤브레인(10)에 닿게 되는 부분을 일컫는 것으로, 도 3에서는 원통형상 피접합체(20)의 주둥이 부분이 접합부(21)에 해당할 수 있다. 상기 피접합체(20)는 기본적으로 내열성이 있는 재질로 구성된 것일 수 있으며, 경우에 따라 피접합체(20)의 전체 구조가 내열성이 아니라 하더라도 적어도 접합부(21)는 내열성의 재질로 구성된 것일 수 있다. 또한, 상기 접합부(21)는 평면상에서 볼 때 폐곡선에 의해 닫힌 형상을 가질 수 있다. 결과적으로 멤브레인(10)과 열접합되어 형성되는 접합면(11)이 닫힌 형상을 가져야 유체의 투과 현상이 의미가 있을 것이므로, 접합부(21)는 어떤 방식으로든 닫힌 형상이어야 함이 바람직하다.
한편, 멤브레인(10)의 접합면(11)은 상기 피접합체(20)의 접합부(21)와 맞닿는 면을 의미하며, 위 접합면(11)과 투과면(12), 즉 멤브레인(10)의 면 중에서 유체 투과 역할을 하는 투과면(12) 사이에는 경계가 존재할 수 있다. 또한 참고로, 접합면(11)은 열접합 이후 세포 또는 유체의 통과가 현저하게 제한되는 특징을 가지며, 나노 섬유 구조가 뭉개져 피접합체와 결합됨으로써 사이 공간이 존재하지 않는 영역 또는 면을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 세포(미세세포) 또는 유체의 통과가 현저하게 제한된다는 것의 의미는, 투과면(12)과 비교할 때 접합면(11)에서의 세포 또는 유체 통과가 5% 미만으로 제한되는 것을 의미한다. 다만, 세포 또는 유체 통과가 불가능한 상태, 즉 0%인 접합면(11)이 가장 바람직한 상태의 것이라 할 수 있다. 한편, 피접합체(20)의 접합부(21) 온도가 멤브레인의 녹는점보다 낮을 경우에는 접합 자체가 이루어지지 않으므로 접합면(11)이 생성되지 않을 것이며, 접합부(21)의 온도가 멤브레인의 녹는점보다 높게 가열된 상태에서 멤브레인과 접합이 된 상태에서만 접합면(11)이 생성될 것임을 이해하기로 한다.
참고로 본 상세한 설명에서는 멤브레인(10)이 피접합체(20)와 열접합되어 형성된 구조, 다시 말해, 멤브레인(10)의 접합면(11)이 피접합체(20)의 접합부(21)과 열접합된 구조를 ‘멤브레인(10)이 열접합된 구조체(1)’라고 지칭하여 표현하도록 한다.
다시 도 3에 대한 설명을 이어 나가면, 도 3의 (A) 단계 이후 (B) 단계에서는 열이 가해진 피접합체(20)의 접합부(21)에 멤브레인(10)을 접근 및 접촉시켜 접합시키는 단계이다. 본 단계는 멤브레인(10)이 이동하지 못하도록 고정시킨 상태에서 피접합체(20)의 접합부(21)가 멤브레인(10) 쪽으로 접근하게 하는 방식, 또는 피접합체(20)가 이동하지 못하도록 고정시킨 상태에서 멤브레인(10)을 접합부(21) 쪽으로 접근시키는 방식, 또는 멤브레인(10)과 접합부(21)가 상호 접근하도록 하는 방식 등으로 구현될 수 있다.
한편, (B) 단계에서 멤브레인(10)은 평평한 상태를 유지한 채 접합부(21)와 접근 및 접합될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 상기 멤브레인(10)은 평평한 상태가 아니라 소정의 곡률값을 가지는 곡면을 유지한 상태에서 상기 접합부(21)에 접근 및 접합될 수 있다. 소정의 곡률값은 구조체를 설계하는 자의 의사에 따라 결정될 수 있으며, 예를 들어 (i) 처진 상태의 나노 멤브레인 필터를 구현하고자 하는 경우, 그럼으로써 곡면 내에 세포를 배양시키고자 하는 경우 상대적으로 큰 곡률값을 정할 수 있거나, 또는 (ii) 접합부(21)와의 접촉 및 접합에 의해 섬유 구조가 경화될 때 섬유 구조의 미세한 수축에 의해 투과면(12) 내구성이 떨어지는 것을 예방하고자 하는 경우 상대적으로 작은 곡률값을 정할 수 있다. 즉, 접합에 의해 섬유 구조의 수축현상이 발생하더라도 이를 예상하여 미리 곡률값을 가진 상태의 멤브레인(10)을 사용하였으므로 접합 후에는 결과적으로 평면의 투과면(12)을 얻게 될 것이다.
참고로 위 (i), (ii)의 실시예들은 추가적인 실시예를 언급한 것으로, 본 발명에 따른 접합 과정은 기본적으로는 곡률이 없는 평면의 멤브레인이 피접합체와 접합되는 실시예를 전제로 하는 것임을 다시 한번 상기하기로 한다.
다른 한편, (B) 단계에서는 멤브레인(10)과 접합부(21) 사이의 접근 속력을 제어하는 과정도 실행될 수 있다. 접합은 접합부(21)와 멤브레인(10)이 접촉하는 시점, 경우에 따라서는 접촉이 일어나기 이전 시점부터 섬유 구조의 변화가 일어나면서 이루어지는데, 이 때 멤브레인(10) 및 접합부(21)가 접근하는 속력을 0.1mm/s 부터 100mm/s에 이르기까지 조절이 가능하게 함으로써 설계자가 원하는 구조체 제조가 가능하게 할 수 있다. 이러한 접합 속력의 크기는 접합부(21)의 면적, 멤브레인(10)의 두께, 또는 접합부(21)의 물성 등에 따라 달라질 수 있다.
경우에 따라서는 투과면(12)에서의 투과면 조절이 필요할 때에도 접근 속력을 제어하여 설계자(실험자)의 요구에 따른 투과면(12) 면적을 구현해 낼 수 있다. 도 4(c)에 대한 설명에서 더 자세히 설명하겠지만, 투과면(12)은 다시 비훼손면(12a)과 훼손면(12b)으로 나뉠 수 있는데, 비훼손면(12a)이란 투과면(12) 내 영역 중 열에 의한 훼손이 없는 영역을 의미하며, 훼손면(12b)이란 반대로 열에 의한 훼손이 있는 영역을 의미한다. 이 때, 훼손면(12b)과 앞서 설명한 접합면(11)은 서로 다른 면을 가리키는 점에 유의하기로 하며, 접합면(11)은 접합부(21)에 접촉되어 있는 것을 전제로 하는 면임을 다시 한번 상기하기로 한다. 한편, 이렇게 투과면(12)을 비훼손면(12a)과 훼손면(12b)으로 구분 지을 수 있을 때, 투과면(12) 상에서 투과가 가능한 면(투과면)의 면적을 접근 속력에 따라 조절할 수 있다. 가령 투과면(12)의 훼손면(12b)을 최소화하고자 하는 경우, 멤브레인(10)과 접합부(21) 중 적어도 하나의 접근 속력을 상대적으로 작게 함으로써, 다시 말해 접근 시간을 늘림으로써 접합이 이루어지게 할 수 있다. 이 때, 접합부(21)의 온도는 후술하게 될 훼손면(12b)을 넓히는 경우에 비해 상대적으로 더 낮을 수 있다. 다른 한편, 투과면(12)의 훼손면(12b)을 더 넓히고자 하는 경우, 접근 속력을 높게 함으로써 가능한 한 가열된 상태의 접합부(21)가 멤브레인(10) 면과 고온 상태에서 접촉하게 하여 훼손면의 면적이 더 넓게 형성되도록 할 수 있다. 이 때, 접합부(21)의 온도는, 단 시간 내에 충분한 접합이 이루어져야 하므로, 앞선 사례에 비해 상대적으로 더 높을 수 있다.
한편, 마지막으로 도 3의 (B) 단계 이후 (C) 단계는, 접합부(21)에 접한 접합면(11)의 나노 섬유 구조가 열 변형 및 경화되어 접합부(21)-접합면(11) 간의 접합이 형성되는 단계이다. 도 3의 (C) 단계 도면에는 접합부(21)와 접합면(11)을 따로 구분하여 도시하지 않았는데, 이는 접합부(21)와 접합면(11)이 완전히 접합되어 서로를 구별할 수 없는 상태까지 구조 변형이 이루어졌음을, 특히 멤브레인을 구성하는 나노 섬유의 구조 변형이 이루어졌음을 강조하기 위한 것이다.
도 4(a)는 멤브레인(10)의 접합면(11), 투과면(12), 또는 접합면(11)과 투과면(12) 사이의 경계면(13) 각각의 나노 섬유 구조를 나타낸 도면이다.
도 4(a)의 (A)는 멤브레인(10)이 접합을 위해 고정된 상태의 나노 섬유 구조, 또는 접합이 이루어진 이후이나 섬유 구조의 변형이 없는 상태의 투과면(12) 모습을 나타낸 것이다. 도 4(a)의 (A)를 참고하면, 투과면(12)은 복수의 고분자 섬유가 서로 얽힌 구조로 형성되어 있어, 특정물질을 선택적으로 투과시키는 복수의 투과공이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 이러한 특징을 가진 투과면(12)은 실험에 실질적으로 활용되는 면이기에, 일반적으로는 접합면(11)에 비하여 상대적으로 넓은 면적 비중을 가지게 될 것이다. 이 때 나노 섬유의 직경은 수십 나노미터 내지 수 마이크로미터 수준일 수 있으며, 미세구멍의 단위부피당 개수는 두께에 따라 달라질 수 있고, 이와 같은 나노 섬유들로 제작된 멤브레인(10)의 두께는 수백 나노미터 내지 수십 마이크로미터 수준일 수 있다. 참고로, 나노 섬유의 직경은 바람직하게는 수십 nm 내지 2000 nm 의 범위 내에 속할 수 있으며, 나노 섬유 소재의 두께는 바람직하게는 3 um 이상일 수 있다. 다른 한편, 나노 섬유의 두께에 따라 접합을 위한 피접합체 최적 가열 온도가 높아질 수 있는데, 예를 들어 도 4(c)를 참고할 때 최적 가열 온도(Optimal temperature of system)는 나노 섬유의 두께(Thickness of nanofiber membrane)가 증가할수록 더 높아지는 경향성을 보임을 알 수 있다.
한편, 도 4(a)의 (B)를 참고하면, 멤브레인(10)과 피접합체(20)의 열접합 이후에는 투과면(12)과 접합면(11) 사이에 경계면(13)이 형성될 수 있음을 확인할 수 있다. 여기서 경계면(13)은 용어 그대로 투과면(12)과 접합면(11) 사이의 경계를 구분하는 면으로서, 경우에 따라 상기 경계면(13)은 투과면(12)에 의하여 투과되는 유체(또는 미세물질)들이 유출, 유수되지 않도록 막는 역할을 할 수도 있다.
참고로, 경계면(13)의 나노 섬유 구조는, 열 변형에 의하여 일부 뭉개져 있지만, 나머지 일부는 투과성을 지니고 있어 상술한 바리게이트 역할을 수행할 뿐만 아니라 부분적으로 투과면(12)과 접합면(11) 역할을 수행할 수 있다.
도4(a)의 (C)를 참고하면, 멤브레인(10)과 피접합체(20)의 열접합 이후, 접합면(11)의 나노 섬유 구조는 열 변형에 의하여 뭉개지고 다시 굳어져 결과적으로 투과공이 없는 상태로 변형되며, 이렇게 변형된 구조의 접합면(11)은 피접합체(20) 내에 수용된 세포, 또는 유체 등이 경계면(13) 바깥 범위로 누출되지 못하도록 한다. 접합면(11)은, 투과면(12)과 비교하였을때 확연히 구분되는 나노 섬유 구조가 존재하지 않는 영역으로만 이루어질 수 있으며, 또는 설사 존재한다 하더라도 투과면의 나노섬유의 직경보다 200% 이상 크기의 나노 섬유가 존재하는 특징을 보일 수 있다. 또한, 위와 같은 접합면(11)의 특징에 따를 때, 투과면(12)과 접합면(11)의 경계면(13)은 나노 섬유의 직경이 200%이상으로 변하는 과정에서의 특징을 보일 수 있다.
이렇게, 피접합체(20) 내에 수용된 세포와 같은 이동체들이 경계면(13) 바깥 범위로 벗어나지 못하도록 하는 역할은, 세포 배양 및 세포 연구/분석의 결과물 측정에 중요한 영향력을 행사한다. 구체적으로, 세포 배양의 목적은 세포를 증식시키는 것을 주된 목적으로 하는데, 만일 피접합체(20) 내에 세포가 이탈한다면 이 목적을 제대로 이루지 못할 뿐만 아니라 좋지 않은 실험 결과를 얻는 문제점을 발생시킨다. 하지만, 멤브레인(10)을 피접합체(20)에 접합하는 종래의 기술은, 부착액을 피접합체(20)에 도포하거나, 부착물을 부착(테이핑)하는 방법을 활용하였고, 이러한 기술로는 피접합체(20)로부터 세포가 이탈하는 문제를 해결하지는 못하였다. 이에 따라, 다시 한번 강조하지만, 본 발명은 멤브레인(10)-피접합체(20)간의 열접합함으로써, 상기 문제점을 해결하고자 하였다.
도 4(c)는 접합된 멤브레인(10)의 평면을 도시한 것으로, 이 평면에는 접합면(11), 투과면(12), 및 이들의 경계면(13)이 도시되어 있고, 나아가 투과면(12) 내에는 다시 비훼손면(12a) 및 훼손면(12b)이 도시되어 있음을 확인할 수 있다. 투과면(12)은 반드시 훼손면(12b)을 포함하여야만 하는 것은 아니며, 접합 방식에 따라 멤브레인의 훼손 없이 비훼손면(12a)만으로 이루어질 수도 있다.
참고로, 비훼손면(12a)과 훼손면(12b)은 다음과 같은 기준으로 정의될 수 있다.
예를 들어, 훼손면(12b)은 빛의 투과율이 70% 이상인 면으로 정의될 수 있으며, 비훼손면(12a)은 나머지 영역으로 정의될 수 있다. 훼손면(12b)의 경우 빛 또는 유체의 투과율이 높아지고 미세구멍의 크기가 증가하는 특징을 보이며, 나노섬유 멤브레인의 강성이 증가하여 세포배양에 악영향을 끼칠 수 있다. 이와 달리, 훼손면(12b)은 빛의 투과율이 90% 이상인 영역으로도 정의될 수 있으며, 비훼손면(12a)은 그 외의 영역으로 정의될 수 있다. 이처럼 훼손면(12b)은 상대적으로 비훼손면(12a) 대비 더 높은 투과율을 가지는 영역, 투과율이 임계적으로 달라지는 지점을 기준으로 나뉘어 정의될 수 있다.
또 다른 예로, 멤브레인의 비훼손면(12a)과 훼손면(12b)은 거칠기로 구분될 수도 있다. 일반적으로 나노섬유가 훼손된 영역에서는 나노섬유 가닥이 층층이 적층된 구조가 사라지고 표면이 매끄러워지는 특징을 보이는데, 이러한 특징을 고려할 때, 측단면에서 관찰 시 나노섬유가 뭉개진 상태에서 보이는 마루(나노섬유 구조의 가장 높은 점)와 골(나노섬유 구조의 가장 낮은 점) 간의 두께 차이가 수십 nm 이하인 영역을 훼손면(12b)으로 정의할 수 있다. 또한, 비훼손면(12a)은 훼손면(12b)이 아닌 영역으로 정의될 수 있을 것이다. 참고로, 비훼손면(12a)의 경우 나노섬유 가닥들이 상태변화 없이 유지가 될 것이며, 이 때 측단면에서 바라본 나노섬유의 마루와 골 간 두께차이는 수백 nm 내지 수 um일 수 있다.
또 다른 예로, 멤브레인의 비훼손면(12a)과 훼손면(12b)은 나노섬유 직경의 비율을 기준으로 정의될 수도 있다. 구체적으로, 훼손면(12b)은 정상적인 나노섬유의 직경과 비교할 때, 수십% 내지 수백% 이상 증가한 영역으로 정의될 수 있으며, 비훼손면(12a)은 훼손면(12b)이 아닌 영역으로 정의될 수 있다. 참고로, 나노섬유의 정상적인 직경 범위란, 주어진 임의의 멤브레인 내에서 관찰되는 나노섬유 직경들이 포함될 수 있는 범위를 의미할 수 있다.
또 다른 예로, 비훼손면(12a)은 수십 나노미터 내지 수 마이크로미터의 직경을 가지는 나노섬유가 관찰되는 면으로 정의될 수 있으며, 훼손면(12b)은 나머지 영역으로 정의될 수 있다.
또 다른 예로, 훼손면(12b)은 비훼손면(12a) 대비 멤브레인의 두께가 30% 이상 감소한 영역으로 정의될 수도 있다.
이처럼 접합 후의 멤브레인(10)을 보았을 때, 평면 구조는 도 4(c)와 같으며, 일반적으로 멤브레인(10)과 피접합체(20) 간 올바른 접합이 이루어졌다고 보는 경우는 훼손면(12b)이 전체 투과면(12)의 1% 이하인 경우를 의미하는 것으로 정의하기로 한다.
도 5는 종래의 멤브레인(10)-피접합체(20) 접착 방법과 본 발명에 따른 멤브레인(10)-피접합체(20)의 열접합 방법을 그림 또는 촬영된 이미지를 통하여 비교한 도면이다.
도 5의 (A)와 도 5의 (B)는, 종래의 접착테이프를 이용하여 실험했을 때 세포 누출 모습(도5의 (A))과 본 발명에 따른 열접합 방법을 사용하였을 때 세포 누출 모습(도5의 (B))을 비교하기 위한 것이다.
도 5의 (A)와 도 5의 (B)를 비교하면, 종래의 접착테이프 방법에서의 세포들은 일부가 경계면을 침범하여 누출된 것을 알 수 있으며, 본 발명에 따른 열접합 방법에서의 세포들은 경계면(13) 내의 투과면(12) 안쪽으로만 존재하고 있음을 알 수 있다, 참고로, 종래의 접착테이프 방법에서 경계면을 침범하여 이탈된 세포들은 영양분 또는 산소 등을 제대로 공급받을 수 없어 해당 세포에 대해서는 원하는 실험 데이터를 얻을 수 없고, 전반적인 세포 배양도 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
도 5의 (C)와 도 5의 (D)는, 종래의 접착테이프 방법에서의 세포 유출 모습(도5의 (C))과 본 발명에 따른 열접합 방법에서의 세포 유출 모습(도5a의 (D))을 그림을 통하여 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5의 (C)에 도시된 바와 같이, 종래의 테이핑 방법에서의 세포들은 피접합체(20)와 멤브레인(10)이 접착테이프(Tape)를 통하여 붙어있다 하더라도 접착면(11a) 사이의 빈틈으로 유출이 될 수 있다.
반면, 도 5의 (D)를 참고하면, 본 발명에 따른 열접합 방법에서의 세포들은 멤브레인(10)의 나노 섬유의 열 변형에 의한 피접합체(20)와의 접합에 의하여 세포 유출이 되지 않고, 투과면(12) 내에서만 이동할 수 있도록 하여 양질의 실험데이터와 우수한 세포 배양 효과를 꾀할 수 있다.
이렇듯, 열접합에 의하여 열 변형된 멤브레인(10)의 나노 섬유 구조는 세포 이탈을 막아줄 수 있으며, 나아가 세포 배양 및 세포 연구/분석에 좋은 결과물을 얻기 위한 중요한 요인이 된다는 알 수 있다.
한편, 이러한 멤브레인(10)의 나노 섬유 구조를 형성시키려면, 접합부(21)가‘특정 온도’로 가열되어야 하는데, 이 특정 온도의 범위를 정의하자면 [멤브레인의 녹는점] ~ [멤브레인의 녹는점 + 10℃]가 바람직한 특정 온도의 범위로 정의될 수 있다. 나노 섬유 소재의 녹는점은 피접합체의 녹는점이나 유리전이온도(glass transition temperature)보다 낮아야 하는데, polystyrene의 유리전이온도는 약 섭씨 100도씨, PMMA의 유리전이온도는 섭씨 116도씨 정도임을 고려할 때, 120도 이하의 녹는점을 갖는 나노 섬유 소재를 활용하는 것이 바람직하다.
일 예로 PCL(polycaprolactone)로 된 나노 섬유 멤브레인(10)을 열접합 시키는 경우 ‘특정 온도의 범위’는62℃ 내지 68℃일 수 있으며, 어느 하나의 값을 특정 온도로 정한다면 바람직하게는 65 ℃일 수 있다.
위 온도가 열접합에 있어서의 최적의 멤브레인(10) 나노 섬유 구조를 형성할 수 있다는 근거는 도 6 내지 도 8의 [실험 예1], [실험 예 2] 및 [실험 예3]를 통하여 알아보고자 한다.
참고로, 접합부(21)가 멤브레인이 접촉하는 순간의 접합부(21)온도가 접합면의 상태를 결정하는 중요한 요소가 되며, 이 온도가 [멤브레인의 녹는점] ~ [멤브레인의 녹는점 + 10℃](편의상 이 온도범위를 접촉온도범위라 한다)일 때에 사용자(실험자)가 원하는 접합면, 투과면, 경계면이 형성될 수 있음을 전술하였다. 다만 이 때, 상기 접합부(21)는, 멤브레인과 접촉하기 이전에 상기 접촉온도범위보다 더 높은 온도(편의상 이를 프리셋 온도라 한다)로 가열될 수 있으며, 이는 접합부(21)가 멤브레인과 접촉되기까지 걸리는 시간동안 접합부(21)가 자연냉각되는 상황을 고려한 것이다. 상기 프리셋 온도는 접합부(21)가 가열된 시점부터 멤브레인에 접촉할 때까지의 시간 또는 냉각속도를 고려하여 결정될 수 있으며, 바람직하게는 상기 접촉온도범위 보다 20℃ 높은 값일 수 있다.
도 6은 본 발명의 [실험 예1]을 나타낸 도면이다.
[실험 예1]
도 6의 (A)는, 피접합체(20)의 접합부(21)에 가해지는 온도에 따라 멤브레인(10)의 접합면(11)과 투과면(12)의 온도가 어떻게 변하는지를 나타낸 그래프이며, 이 그래프에는 나노 섬유 구조가 변형되는 온도인 Tm-PCL(이하, 녹는점이라고 지칭함)’ 60℃가 기준 선으로서 표시되어 있다. 본 발명의 [실험 예1]에서는 이 녹는점을 활용하여 데이터를 분석하고자 하며, 이 녹는 점으로 하여금 열접합에 있어서 최적의 멤브레인(10)의 나노 섬유 구조를 형성시키는 온도를 도출하고자 한다.
참고로, 열접합이 진행되는 중에 접합면(11)과 투과면(12)의 온도가 다른 이유는, 접합면(11)은 열로 인해 달궈진 피접합체(20)의 접합부(21)과 직접적으로 접하기에 투과면(12)에 비하여 상대적으로 높은 온도를 갖게 되는 반면, 투과면(12)은 접합부(21)와 인접하되 직접적으로 접하는 면이 아니므로 접합면(11)에 비하여 상대적으로 온도가 낮은 수치를 갖게 됨을 이해한다.
도 6(A)를 참고할 때, 피접합체(20), 더 정확하게는 접합부(21)에 가해지는 온도(Tps)가 55℃, 60℃, 65℃, 70℃, 75℃ 일 때 접합면(11)과 투과면(12)의 온도를 모니터링해 보면, 55℃, 60℃로 가열했을 때에는 접합면(11)과 투과면(12)의 온도가 모두 Tm-PCL에 미치지 못하는 것을 알 수 있었다. 반대로, 70℃, 75℃로 가열했을 때에는 접합면(11)과 투과면(12)의 온도가 모두 Tm-PCL을 초과하여 나노 섬유 구조에 상당한 변형이 일어났음을 알 수 있었다. 한편, 접합부(21)를 65℃로 가열하였을 때는 접합면(11)의 온도는 Tm-PCL을 초과하는 반면, 투과면(12)의 온도는 Tm-PCL을 넘지 않아 가장 이상적인 상태로 나노 섬유 구조가 유지될 수 있음을 알 수 있었다.
한편, 도 6의 (B)는 가열되는 온도에 의한 접합면(11)과 투과면(12)의 나노 섬유 구조를 실제로 촬영한 사진을 나타낸 것이다.
도 6의 (B)를 참고하면, ‘피접합체(20)에 가해지는 온도(Tps)’가 55℃인 경우, 접합면(11)이 제대로 녹지 않아 나노 섬유 구조가 일부만 변형되고, 이 온도에서는 멤브레인(10)과 피접합체(20) 간의 열접합이 제대로 이루지지 않으며, 일부 접합된다 할지라도 멤브레인(10)과 피접합체(20)의 접합력이 약하여 쉽게 분리되고 세포 유출의 문제점이 발생할 수 있음을 알 수 있었다.
‘피접합체(20)에 가해지는 온도(Tps)’가 65℃인 경우, 접합면(11)의 나노 섬유 구조는 열에 의하여 변형되어 피접합체(20)와의 접합력을 가지게 되고, 이 때의 투과면(12)의 나노 섬유 구조는 열 변형되지 않아 열접합에 있어서의 최적의 섬유 구조를 보임을 알 수 있었다.
한편, ‘피접합체(20)에 가해지는 온도(Tps)’가 75℃인 경우, 접합면(11)의 나노 섬유 구조는 열에 의하여 변형되는 것은 물론, 접합면(12)에 인접한 투과면(12)의 일부도 열 변형되어 투과면(12)의 투과 기능이 일부 상실될 수 있음을 알 수 있었다. 이상 [실험 예1]을 통하여, 열접합에 있어서의 멤브레인(10)의 나노 섬유 구조를 형성시키는 ‘특정 온도’가 65 ℃인 것을 알 수 있었으며, 75℃ 내에서 열접합 되었을 때 정상적인 열접합된 구조체(1)가 결과물로 얻어짐을 알 수 있었는바, 이를 통해 열접합 시 필요한 온도는 멤브레인(10)의 녹는점 내지 멤브레인(10)의 녹는점보다 10℃ 더 큰 값의 범위 내의 것임을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 [실험 예2]을 나타낸 도면이다.
[실험 예 2]
본 발명의 [실험 예2]는, 멤브레인(10)과 피접합체(20)의 열접합 과정에서의 열 전도 현상을 색상을 통하여 나타낸 도면이다.
도 7의 (A) 내지 (C)는 각각 ‘피접합체(20)에 가해지는 온도(Tps)’가 55℃, 65℃ 및 75℃일 때의 멤브레인(10)과 피접합체(20) 간의 열 전도 현상을 나타낸 것이다. 또한, 도 7의 (A) 내지 (C)는 도시된 도면에는 해당 위치의 온도를 색상을 통하여 나타내며, 해당 색상의 온도는 우측에 표시되어 있다(예: 진한 빨강= 80 ℃, 진한 파랑= 24℃)
먼저, 도 7의 (A)는 ‘피접합체(20)에 가해지는 온도(Tps)’가 55℃인 경우를 나타낸 것이며, 이 경우, 접합면(11)은 아직 녹는점 범위에 해당하는 온도(60℃: 노란색)에 도달하지 않아 열 변형이 제대로 이루지지 않았을 것임을 유추할 수 있다.
도 7의 (B)는 ‘피접합체(20)에 가해지는 온도(Tps)’가 65℃인 경우를 나타낸 것이다, 이 경우, 접합면(11)은 녹는점 범위에 도달하여 열 변형이 이루어짐과 동시에 멤브레인(10)과 피접합체(20) 간의 결합현상을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다. 한편, 가열된 열에 의해 투과면(12)에 전도되는 온도는 녹는점(노란색)이하 범위에 속해있어 투과면(12)은 열 변형이 이루어지지 않을 것임을 알 수 있다.
도 7의 (C)는 ‘피접합체(20)에 가해지는 온도(Tps)’가 75℃인 경우를 나타낸 것이며, 이 경우, 접합면(11)은 녹는점이 초과되는 범위에 도달하여 열 변형이 이루어질 것이고, 열 전도 현상에 의하여 인접한 투과면(12)에도 녹는점 이상의 온도가 전도되어 열 변형이 일어났을 것임을 알 수 있다.
이상 [실험 예2]을 통하여, 본 발명의 ‘특정 온도’인 65℃에서는 접합면(10)에서만 열 변형이 이루어지고, 열 전도 현상도 녹는점(60℃: 노란색)이하의 온도가 전도되어 투과면(12)은 열 변형되지 않는 최적의 멤브레인(10)의 나노 섬유 구조를 형성시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
도 8은 본 발명의 [실험 예3]을 나타낸 도면이다.
[실험 예 3]
본 발명의 [실험 예3]은, ‘특정 온도’인 65℃, 즉 멤브레인의 녹는점과 같은 온도가 최적의 온도임을 다시 한번 뒷받침하는 실험으로, 접합부(21)에 55℃, 65℃ 및 75℃의 온도를 가열한 이후에 실제로 멤브레인(10)을 열접합 시켰을 때의 실물을 비교하고, 이를 통하여 상기 나열된 온도를 가열하였을 때에 투과면(12)이 손상되지 않는 범위를 그래프로 나타낸 것이다.
먼저, 도 8의 (A)는 열접합할 때에 피접합체(20)의 접합부(21)에 55℃의 열을 가한 경우를 나타낸 것이며, 이 때의 구조체는 접합면(11) 상대적으로 밝은 색깔을 보이고 있는 특징, 다시 말해 섬유 구조의 변형이 잘 일어나지 않은 모습을 보였다.
도 8의 (B)는 열접합할 때에 피접합체(20)의 접합부(21)에 65℃의 열을 가한 경우를 나타낸 것이며, 도 8의 (B)를 참고하면, 이 때의 구조체는 접합면(11)이 (A)와 비교하여서는 상대적으로 어두운 색깔로 변해 있음을, 다시 말해 섬유 구조의 변형이 있는 모습을 보였다. 또한, 접합면(11)과 투과면(12) 간의 경계가 상당히 뚜렷하게 드러났으며, 특히 투과면(12) 영역은 섬유 구조의 변형이 일어나지 않아 밝은 색깔을 유지하고 있는 모습을 보였다.
도 8의 (C)는 열접합할 때에 피접합체(20)의 접합부(21)에 75℃의 열을 가한 경우를 나타낸 것이며, 기존 피접합체(20)에 배치되어야 할 투과면(12) 일부에 녹는점 이상의 열이 전도되어 열 변형된 모습을 확인할 수 있었다. 즉, 투과면(12)으로 활용될 수 있는 영역 즉, ‘손상되지 않은 투과면의 비율(도 8의 (D)의 Y축)’이 줄어든 모습을 확인할 수 있다.
한편, 도 8의 (D)는 가해진 온도에 따라 투과면(12)의‘손상되지 않는 투과면의 비율(정상인 투과면(12)의 비율)’을 나타낸 그래프이다.
도 8의 (D)를 참고하면, 65℃를 초과한 온도가 가해지면 투과면(12)에 녹는점 이상의 열이 전도되어 점차 열 변형에 의하여 손상되지 않는 면이 감소하고 ‘손상되지 않은 투과면의 비율’은 감소하는 모습을 보였으며, 증가되는 온도에 따라 손상되지 않은 면이 점차 감소되고, 85℃에서는 손상되지 않은 투과면이 10%대까지 떨어짐을 확인할 수 있었다.
이상 [실험 예3]을 통해서 [실험 예2]의 실험 결과를 다시 한번 뒷받침할 수 있었으며, 열접합에 있어서 멤브레인의 녹는점보다 더 높은 열이 접합부에 가해졌을 때 투과면(12)에도 열이 전달되어 투과면(12) 중 손상되지 않은 면, 다시 말해 비훼손면(12a)의 비율이 점차 줄어드는 사실을 확인할 수 있었다.
도9는 본 발명의 멤브레인(10) 열접합된 구조체(1)를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 구조체(1)를 제조하는 방법은 먼저, 피접합체(20)의 접합부(21)에 특정 온도의 열을 가하는 단계(S101)를 포함할 수 있다. 여기서, 피접합체(20)의 접합부(21)는 멤브레인(10)이 피접합체(20)와 접합되었을 때 멤브레인(10)의 접합면(11)과 대응되어 접합되는 면을 말한다. 또한, 여기서 말하는 특정 온도는 접합면(11)이 멤브레인(10)이 열 변형되기 시작하는 온도인 녹는점에 도달하면서, 열접합 과정에서 접합면(11)과 인접한 투과면(12)에 상기 녹는점 이하의 열이 전도되도록 하는 온도를 말한다.
S101 단계 이후에는, 가열된 피접합체(20)의 접합부(21)가 멤브레인(10)에 접근되도록 함으로써 양 구성을 접합시키는 단계(S102)가 포함될 수 있다. 이 때, 접합되고 있는 방향에 소정의 압력(누름 압력)을 가하여 접합 효율을 향상시킬 수 있다.
도 9에는 도시되어 있지는 않지만, S102 단계 이후, 접합면(11)이 열 변형되고 다시 굳어지는 시간을 마련하기 위하여 접합된 상태를 소정의 시간 동안 휴지(休止)시키는 단계가 추가될 수 있다.
도 10은 사용자가 임의로 원하는 형상의 접합면(11) 및 투과면(12)을 형성시키는 모습을 나타낸 도면이다.
사용자는 자신이 임의로 원하는 형상의 접합면(11) 및 투과면(12)을 형성시킬 수 있는데, 열접합된 이후에 특정 형상(세모, 네모, 또는 별 등의 형상)의 투과면(12) 또는 접합면(11)을 형성시키기 위하여, 사용자는 가열체(30)의 일면에 사용자가 원하는 형상을 형성시키고(예: 조각), 형성된 형상이 포함된 가열체(30) 일면에 열을 가한 이후에 멤브레인(10) 면을 도장 찍듯이 찍어내어 원하는 형상의 투과면(12) 또는 접합면(11)을 얻을 수 있다.
한편, 앞서 설명한 과정을 거쳐 생성된 구조체(1)는 후속적으로 하이드로겔 또는 용액에 접촉시킴으로써 상기 구조체(1)를 구성하는 나노 섬유가 하이드로겔 또는 용액에 의해 코팅이 되도록 하는 단계를 더 진행시킴으로써 구조체(1)의 투과면(12)으로 하여금 실제 몸 속의 세포외기질 특성과 유사한 기능을 하게 할 수 있다. 바람직하게는 구조체(1)를 하이드로겔에 함침시킴으로써 나노 섬유가 하이드로겔과 결합하게 할 수 있으며, 본 상세한 설명에서는 발명의 이해를 돕기 위해 구조체(1)를 하이드로겔에 함침시킨 실시예를 기준으로 설명을 이어가기로 한다. 일반적인 플라스틱 소재의 다공성 멤브레인은 세포외기질과는 그 형태와 물성이 매우 상이하여 세포 배양 시 체내 세포와의 형태나 기능 면에서 유사성이 크게 결여된다는 한계점이 있는데, 이를 극복하기 위해 세포외기질과 그 형태와 물성이 보다 유사한 하이드로겔이 활용될 수 있다. 하이드로겔에 함침되는 단계까지 거친 구조체(이하 하이드로겔 구조체라고 약칭하기로 함) 상에서는 세포가 체내와 더 유사한 물리/화학적 구조와 자극을 느끼며 생장하게 되고, 결과적으로 위 하이드로겔 구조체는 체내와 보다 유사한 세포의 형태와 기능이 발현될 수 있게 하는 수단이 될 수 있다.
도 11은 멤브레인이 열접합된 구조체(1)가 하이드로겔 조성물(50)에 함침되는 모습을 도시한 것으로, 도면에서도 볼 수 있듯 하이드로겔 조성물(50)이 놓인 상태에서 구조체(1)의 투과면(12)이 상기 하이드로겔 조성물(50)에 충분히 잠기도록 함으로써 투과면(12)의 멤브레인 영역을 함침시킬 수 있다. 이 때, 상기 투과면(12)은 나노 섬유 구조의 특성에 따라 수십KPa에서 수GPa의 기계적 강도를 가질 수 있는데, 이러한 특성 덕에 기계적 강도가 약한 하이드로겔이 나노 섬유에 함침됨으로써 결과적으로 하이드로겔 배양 환경이 우수한 기계적 강도를 가질 수 있게 된다.
한편, 본 상세한 설명에서 언급되는 나노 섬유는 실크 피브로인(silk fibroin), 콜라겐, 젤라틴, 셀룰로오스, 알지네이트, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리우레탄 (polyurethane), 폴리비닐리덴 플로라이드 (Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리스티렌 (polystyrene), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Polyethyleneterephtalate, PET), 폴리테트라플루오로에틸렌 (Polyetetrafluoroethylene, PTFE), 폴리락틱산 (Polylactic acid), 폴리비닐알코올 (PLA Polyvinil alcohol, PVA), 폴리메타아크릴레이트 (Polymethacrylate, PMMA), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene oxide, PEO), 나일론(nylon-4,6), 폴리글리콜라이드(Polyglycolic acid, PGA), 및 폴리락틱-코-글리콜라이드(Poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 고분자 나노 섬유를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 실크 피브로인, 콜라겐, 젤라틴과 같은 생체 유래 물질로부터 선택되는 적어도 하나의 고분자 나노 섬유를 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 실크피브로인의 고분자 나노섬유일 수 있다. 실크피브로인을 사용할 경우, 하이드로젤과의 결합력이 강하다는 이점이 있을 수 있다.
한편, 상기 하이드로겔은 콜라겐(collagen), 젤라틴(gelatin), 아가로스(agarose), 세포외기질(extracellular matrix, ECM) 유래 물질, 매트리젤 및 젤트렉스로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 박막 성분을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 콜라겐일 수 있다. 세포외기질 구성성분 중 많은 부분을 차지하는 콜라겐을 포함하는 하이드로겔 상에서 세포를 배양할 경우, 세포들의 생존률 및 기질 부착력, 기능성 등이 향상되는 이점이 있다. 예를 들어 하이드로겔 조성물은 상기 박막 성분 1 내지 20 중량%; 및 PBS 혹은 세포 배양 배지를 80 내지 99 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 박막 성분을 3 내지 30 중량%, PBS 혹은 세포 배양 배지를 70 내지 97 중량을 포함하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 박막 성분 외에 물, PBS, 세포배양 배지, 또는 산/염기 용액을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 하이드로겔 조성물의 pH가 5 내지 9가 되도록 상기 추가 성분을 포함할 수 있으며, 하이드로겔 박막에 콜라겐이 포함될 경우, 상기 pH가 7 수준일 때 3차원 구조를 가질 수가 있어, 3차원 세포 배양에 적합한 구조의 하이드로겔 박막을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하이드로겔 구조체는 하이드로겔 내부에 투과면(12)이 함침되어 3차원의 구조를 가질 수 있다. 따라서, 세포를 상기 투과면의 3차원 구조에서 배양할 수 있으며, 앞서 서술한 바와 같이 하이드로겔 구조체는 종래의 세포 배양용 멤브레인에 비해 우수한 투명도를 가지기 때문에 세포 배양 시 세포의 관찰이 더욱 용이해진다.
또한 본 발명에 따른 하이드로겔 구조체에서 배양할 수 있는 세포는 섬유아세포, 혈관내피세포, 평활근세포, 신경세포, 연골 세포, 뼈세포, 피부세포, 슈반세포 또는 줄기세포 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 구조체(1)를 하이드로겔 조성물에 담궈 투과면(12)을 함침시킨 이후에는 건조단계가 추가적으로 더해질 수 있다. 건조 시간은 20 내지 50℃에서 10분 이상, 예를 들어 30분 이상 6 시간 이하일 수 있다. 30분 미만인 경우에는 하이드로겔이 충분히 건조되지 않아, 투과면(12)의 멤브레인 형태가 형성되지 않는 문제가 생길 수 있다. 다만, 건조 시간은 이에 제한되는 것은 아니며, 건조 방식에 따라 건조 시간이 조절될 수 있다. 상기 건조는 예를 들어 자연 건조, 오븐 건조, 열풍 건조 등에 수행될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 자연 건조에 의해 수행된다.
다른 한편, 상기 구조체(1)를 하이드로겔 또는 용액에 접촉시킴으로써 코팅하기 이전 단계에서는, 상기 구조체를 구성하는 나노 섬유의 성질, 예를 들어 친수성/소수성, 세포 탈부착성, 또는 생체물질 결합력 등의 성질을 변화시키기 위한 목적의 개질 단계가 더 수행될 수 있다.
다른 한편, 본 발명에 따른 하이드로겔 구조체를 이용하여서는 체내 뇌혈관 조직과 유사한 형태 및 기능을 갖는 뇌혈관 세포 장벽 모델을 생성할 수 있다. 앞서에서도 잠깐 언급하였지만 하이드로겔 구조체는 실제 인체 내 세포 생성 환경과 유사한 환경을 구현해 낼 수 있는데, 이는 뇌혈관 세포의 배양에 있어서도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 하이드로겔 구조체는 뇌혈관 세포를 배양하기에 적합한 강성 및 관찰 용이성을 제공할 수 있고, 하이드로겔 구조체 상에서 배양된 뇌혈관 세포의 소기관 구조, 배열, 형태 등이 체내의 뇌혈관 세포와 유사하게 유도되고, 생리적으로 유사한 수준의 장벽 기능 및 대사 능력을 함유한 체외 뇌혈관 세포 장벽 모델의 구축이 가능하게 된다. 이로 인해, 뇌 질환 약물 평가 및 뇌 생리 연구와 같은 체외 뇌혈관 모델이 사용되는 분야에 있어서, 실제 체내 뇌혈관에서의 약물의 흡수 및 대사 현상 등과 유사한 현상을 체외에서 모사, 관찰, 및 분석할 수 있는 효과가 있다.
도 12는 유도만능 줄기세포(induced Pluripotent Stem cell; iPSC)로부터 유래된 뇌혈관 세포(Brain Microvascular Endothelial Cells; BMECs)를 활용한 뇌혈관 장벽 (Blood Brain Barrier; BBB) 모델을 도시한 것이다. 도면을 참고할 때, 하이드로겔 구조체가 상부에, 그리고 배양 플레이트가 하부에 존재하여 전체 배양계가 구성될 수 있으며, 이 때 유도만능줄기세포 (iPS)에서 분화된 뇌혈관세포를 상부에 결합된 하이드로겔 구조체의 투과면(12) 상에 배양하고, Astrocyte /Pericyte를 하부 배양 플레이트에 배양하여 인체 내 뇌혈관 구조를 모사한 뇌혈관 장벽 모델을 형성시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구조체 대량 생산 장치(1000)를 도시한 것이다. 앞선 상세한 설명에서 언급된 구조체(1)는 도면에서와 같은 장치를 이용하여 대량으로 생산될 수 있는데, 구조체 대량 생산 장치(1000)는 필수적으로 구조체 어레이(1100), 및 멤브레인 어레이(1300)를 포함할 수 있다.
구조체 어레이(1100)는 제1 패널(1101) 상에 복수 개의 구조체(1)들이 구비되어 있는 구성일 수 있으며, 상기 구조체(1) 각각의 접합부는 구조체 대량 생산 장치(1000)에 별도 구비되어 있는 가열수단(미도시)에 의해 가열될 수 있다.
멤브레인 어레이(1300)는 제2 패널(1301) 상에 복수 개의 멤브레인 영역(1301)들이 형성되어 있는 구성으로, 각각의 멤브레인 영역(1301)은 상기 구조체(1)의 크기에 맞추어 형성될 수 있다. 멤브레인 어레이(1300)는 복수 개의 멤브레인 영역(1301)들이 형성될 수만 있다면 그 제조방식 또는 세부 구조에는 제한이 없다 할 것이다. 일 예로, 상기 제2 패널(1301)은 복수 개의 홀(hole)들이 형성되어 있는 두께감 있는 케이스일 수 있으며, 상기 제2 패널(1301) 내에는 하나의 온전한 나노 섬유면이 내재되어 상기 복수 개의 홀(hole)에 의해 나노 섬유면 일부가 노출될 수 있도록 구성된 것일 수 있다. 다른 예로, 상기 제2 패널(1301)은 얇은 두께를 가지는 육면체이고 한쪽 면 위로 복수 개의 나노 섬유면들을 균일하게 형성시킴으로써 구성된 것일 수도 있다. 이 밖에도 다양한 방식으로 멤브레인 어레이(1300) 구성이 가능함을 이해한다.
상기 구조체 대량 생산 장치(1000)는 구조체 어레이(1100) 상의 복수 개의 구조체(1)들에 가열을 한 후 곧바로 멤브레인 어레이(1300) 상의 멤브레인 영역(1301)들과 상기 각 구조체(1)들을 접근시켜 열접합이 이루어지게 함으로써 대량으로 구조체(1) 생산이 가능하게 한다. 도면에서는 멤브레인 어레이(1300)가 바닥면에 배치되어 있고 구조체 어레이(1100)가 위쪽으로부터 하강하도록 설계된 장치를 도시하고 있으나, 구조체(1)의 가열된 접합부가 멤브레인 영역들을 향해 접근하도록 설계되어 있다면 장치의 구조에는 제한이 없다 할 것이다.
이상 멤브레인(10)이 열접합된 구조체(1) 및 이를 제조하는 방법, 그리고 이러한 구조체를 하이드로겔에 함침시킨 하이드로겔 구조체, 및 이를 이용하여 뇌혈관 장벽 모델을 형성하는 방법에 대한 실시 예를 모두 살펴보았다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 구별되어 이해되어서는 안 될 것이다.
1: 구조체 20b: 미세유체 칩
10: 멤브레인 21: 접합부
11: 접합면 30: 가열체
12: 투과면 100: 멤브레인
13: 경계면 200: 세포 배양 용기
20: 피접합체 300: 플레이트
20a: 세포 배양 용기 310: 개구부

Claims (13)

  1. 멤브레인이 열접합된 구조체에 있어서,
    나노 섬유 소재의 멤브레인; 및
    상기 멤브레인의 접합 대상체인 피접합체;
    를 포함하고,
    상기 멤브레인은,
    특정 온도의 열이 가해진 상기 피집합체의 접합부에 접촉됨으로써 형성되는 것으로서, 접촉에 의해 열 변형되어 상기 피접합체와 접합되는 접합면; 및
    상기 접합면 이외의 면으로서, 다공성 구조를 가지는 투과면;
    을 포함하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 특정 온도는,
    상기 멤브레인의 녹는점(Tm) ~ 녹는점(Tm) +10 ℃ 범위 내에 포함되는 것을 특징으로 하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접합면은,
    나노 섬유 구조가 변형되어 투과성 기능이 변형 전 대비 저하된 면으로서, 미세 세포 또는 유체의 통과가 현저하게 제한되는 것을 특징으로 하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 투과면은,
    열에 의해 훼손된 훼손면; 및
    열에 의한 훼손이 없는 비훼손면;
    을 포함하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 훼손면은 상기 비훼손면 대비 더 높은 빛 투과율을 가지는 영역인 것을 특징으로 하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 훼손면 및 비훼손면은 거칠기를 기준으로 구분되되,
    상기 훼손면은, 상기 멤브레인에 대한 측단면 관찰 시 나노섬유 구조에 의해 형성되는 마루와 골 간의 두께 차이가 수십 nm 이하인 영역이고,
    상기 비훼손면은, 상기 투과면 중 상기 훼손면이 아닌 나머지 영역인 것을 특징으로 하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 훼손면 및 비훼손면은 상기 나노 섬유의 직경 비율을 기준으로 구분되되,
    상기 훼손면은, 열이 가해지지 않은 상태의 상기 멤브레인 내에서 관찰되는 임의의 나노 섬유 직경과 대비하여 기 설정된 값 이상으로 증가된 값의 직경이 관찰되는 영역으로 정의되고,
    상기 비훼손면은, 상기 투과면 중 상기 훼손면이 아닌 나머지 영역인 것을 특징으로 하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 훼손면은 상기 비훼손면 대비 상기 멤브레인의 두께가 기 설정값 이상 감소한 영역인 것을 특징으로 하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체.
  9. 멤브레인이 열접합된 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 피접합체의 접합부에 특정 온도의 열을 가하는 단계; 및
    (b) 상기 피접합체의 접합부, 및 멤브레인을 접근시켜 열접합시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하되,
    상기 열접합시키는 단계 이후의 상기 멤브레인은 접합면 및 투과면을 포함하고,
    상기 접합면은 특정 온도의 열이 가해진 상기 피집합체의 접합부에 접촉됨으로써 형성되는 것으로서, 접촉에 의해 열 변형되어 상기 피접합체와 접합되는 면이고,
    상기 투과면은 상기 접합면 이외의 면으로서, 다공성 구조를 가지는 것을 특징으로 하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체를 제조하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 투과면은 열에 의해 훼손된 훼손면, 및 열에 의한 훼손이 없는 비훼손면을 포함하되, 상기 훼손면 및 비훼손면은 상기 (b) 단계에서 상기 접합부 및 멤브레인을 접근시키는 속력에 따라 상이한 비율의 훼손면 대비 비훼손면 값을 가지는 것을 특징으로 하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체를 제조하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 (a)단계는, 상기 멤브레인의 녹는점(Tm) ~ 녹는점(Tm) +10 ℃ 범위 내에 포함되는 접촉온도범위보다 더 높은 값을 가지는 프리셋 온도로 열을 가하는 것을 특징으로 하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체를 제조하는 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 (b)단계 이후,
    상기 멤브레인이 열접합된 구조체를 하이드로겔 또는 용액에 접촉시킴으로써 상기 구조체를 구성하는 나노 섬유를 코팅시키는 단계;
    를 더 포함하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체를 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 나노 섬유를 코팅시키는 단계 이전,
    상기 구조체를 구성하는 나노 섬유의 표면성질을 개질시키는 단계;
    를 더 포함하는,
    멤브레인이 열접합된 구조체를 제조하는 방법.
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