KR20160094803A

KR20160094803A - 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드

Info

Publication number: KR20160094803A
Application number: KR1020150016306A
Authority: KR
Inventors: 이준희; 장소희; 박수아; 김완두
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2016-08-10

Abstract

본 발명은 생체 적합성 고분자 재료와 골 분화 활성 재료를 혼합하여 제조된 스캐폴드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기용매를 사용하지 않고 두 재료를 혼합한 후 3D 플로터(3D Bio-plotter)를 사용하여 자유 형상을 갖는 스캐폴드를 제조하고, 골 분화 활성 물질을 생체적합성 고분자와 혼합함으로써 골 분화를 촉진 시킬 수 있는 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드에 관한 것이다.

Description

뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드{Making Method of Scaffold for Reproducing Bone and The Scaffold}

생체조직공학(tissue engineering)이란 생명과학, 의학, 공학의 기본 개념과 기술을 바탕으로 하여 생체조직의 대용품을 만들어 생체에 이식함으로써 생체 기능의 유지, 향상, 복원을 가능하게 하고자 하는 기술을 통틀어 일컫는 것이다. 1980년대 처음으로 인공피부가 제작되면서 새로운 학문 분야로 인정받기 시작하여 현재까지 다양하고 활발한 연구가 이루어져 오고 있다. 매우 복잡한 조직인 장기의 경우에는 아직까지는 연구 단계에서 크게 벗어나지 못했으나, 상대적으로 단순한 조직인 피부나 뼈 등의 경우에는 널리 사용되는 단계까지 발전되어 있다.

생체조직공학의 실제 구현은, 환자의 몸에서 필요한 조직을 채취하고 그 조직편으로부터 세포를 분리한 다음 분리된 세포 배양을 통하여 필요한 양만큼 증식시키고 다공성을 가지는 생분해성 고분자 지지체에 심어 일정기간 체외 배양함으로써 형성되는 세포 배양 지지체(scaffold, 스캐폴드)를 다시 인체 내에 이식하는 방식으로 이루어진다.

이식 후 세포들은 대부분의 조직이나 장기의 경우 신생 혈관이 형성될 때까지는 체액의 확산에 의해 산소와 영양분을 공급받다가 인체 내의 혈관이 들어와 혈액의 공급이 이루어지면 세포들이 증식 분화하여 새로운 조직 및 장기를 형성하고 생분해성 고분자 지지체는 그동안 분해되어 사라지게 된다.

관련된 기술로, 국내공개특허 제2011-0025327호(공개일 : 2011.03.10, 명칭 : 골세포 및 연골세포 공동 배양용 이중 스캐폴드)가 개시된 바 있다.

특히, 사고나 질병으로 손상된 뼈의 결손 부위를 치료하기 위해 인공 뼈의 수요가 점차 늘고 있는 추세이다. 뼈 이식 시 가장 좋은 방법으로는 자기의 뼈를 이식하는 것이나 뼈의 손상부위가 클 경우 사용하는 데 한계가 있으며, 자기 뼈를 채취하기 위해 추가적인 수술이 필요하다는 단점이 있다. 따라서 이때는 동물이나 동종의 즉, 사망자의 뼈를 사용해야 하지만 인체 내에서 염증반응, 바이러스성 감염 등의 문제가 생길 수 있다. 이러한 단점들을 보완하기 위해 사람 뼈와 무기화학적 성분이 비슷하고 부작용도 거의 없으며, 뼈와의 결합성이 있는 대표적인 생체 재료인 인산칼슘계 세리믹스가 각광받고 있다. 대표적인 인산칼슘계 세라믹스인 수산화아파타이트(Hydroxyapatite, HAp) β-TCP(Tricalcium Phosphate)가 많은 분야에서 뼈 이식제로 사용되고 있다.

이러한 뼈 재생용 스캐폴드는 생분해성 고분자 물질과 골 분화 활성재료를 혼합하여 제조하는 것이 일반적이나, 고분자 물질과 골 분화 활성재료는 잘 섞이지 않기 때문에 혼합이 용이하지 않아 유기용매를 통해 두 재료를 혼합하는 방법이 적용되고 있다.

위와 같이 유기용매를 이용하여 재료를 혼합하여 제작한 스캐폴드의 경우, 세포 독성을 유발하고, 제조 단계에서도 인체에 유해하다는 단점이 있다. 또한, 스캐폴드를 제조하기 전 또는 후에 유기용매를 제거하는 단계에서 소요되는 시간이 길어지는 단점이 있다.

국내공개특허 제2011-0025327호(공개일 : 2011.03.10, 명칭 : 골세포 및 연골세포 공동 배양용 이중 스캐폴드)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 생분해성 고분자 물질을 분쇄하여 파우더 형태로 만들고 골 분화활성 재료를 혼합하도록 하여 유기용매 없이 생분해성 고분자 물질과 골 분화 활성재료의 혼합이 용이하도록 한 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드를 제공함에 있다.

본 발명의 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법은, 생체 적합성 고분자 재료인 제1 시료를 파우더 형태인 제1 파우더로 준비하는 단계; 골 분화 활성재료인 제2 시료를 파우더 형태인 제2 파우더로 준비하는 단계; 상기 제1 파우더 및 제2 파우더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 혼합물을 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치에 수용시켜, 상기 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치에 의하여 3차원 임의형상 스캐폴드를 제조하는 단계; 를 포함한다.

또한, 상기 제1 파우더는, 상기 제1 시료를 분쇄기로 분쇄하여 제조하며, 상기 제2 파우더는, 상기 제2 시료를 채로 필터링하여 제조한다.

또한, 상기 제1 파우더의 입자 직경은, 상기 제2 파우더의 입자 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 파우더의 입자 직경은 100~350마이크로미터 이고, 상기 제2 파우더의 입자 직경은 45~200마이크로미터인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합물의 조성비는, 제 1 시료 30~90중량%와, 제2 시료 10~70중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합물을 제조하는 단계; 는, 상기 제1 파우더와 제2 파우더를 혼합챔버 내부에 수용하는 단계; 상기 혼합챔버 내부의 공기를 제거하여 진공을 형성하는 단계; 및 상기 혼합챔버 내부가 진공을 유지한 상태에서 상기 혼합챔버 내부의 제1 파우더 및 제2 파우더를 혼합하는 단계; 를 포함한다.

또한, 상기 제1 시료는, PLA(poly(lactic acid)), PGA(poly(glycolic acid)), PCL(polycaprolactone) 또는 PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid) 중 선택되는 단수 또는 복수 개 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 시료는, Hydroxyapatite (HA) 또는 β-tricalcium phosphate(β-TCP) 중 선택되는 단수 또는 복수 개 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치는 3차원 플로터(3D plotter)로서, 상기 혼합물이 노즐을 통해 미세 섬유(strand) 형태로 분사되고, 분사된 상기 미세 섬유가 3차원 플로팅되어 미세 메쉬(mesh) 구조로 된 3차원 임의형상이 형성되도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 노즐의 내경은, 0.3~0.5mm 이며, 상기 플로팅 속도는 40~900mm/min 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플로팅 온도는 섭씨 90~ 210도 이며, 플로팅 압력은 300~900kPa 인 것을 특징으로 한다.

뼈 재생용 스캐폴드는, 상술된 뼈 재생용 스캐폴드의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 스캐폴드는, 유기용매 없이 생분해성 고분자 물질과, 골 분화 활성재료를 혼합하여 스캐폴드를 제조하기 때문에 세포독성을 유발 하지 않는 생체적합성이 우수 한 스캐폴드를 제작할 수 있고, 제조시간 역시 단축되어 생산성이 향상되는 효과가 있다.

특히 생분해성 고분자 물질과, 골 분화 활성재료를 파우더 형태로 혼합되기 때문에 디스펜서를 통해 스캐폴드 제조 시 디스펜서의 노즐 막힘을 방지하게 되는 효과가 있다.

아울러 생분해성 고분자 물질과, 골 분화 활성재료의 혼합비 조절이 용이하여 위 스캐폴드를 필요로 하는 환자의 골 특성에 따라 적절한 뼈 재생용 스캐폴드의 제조가 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 스캐폴드 제조 공정 개략도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 스캐폴드 제조 공정 순서도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 스캐폴드 사시도

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 스캐폴드(50) 제조 공정 개략도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 스캐폴드(50) 제조 공정 순서도가 도시되어 있다.

우선 본 발명의 뼈 재생용 스캐폴드(50)를 제조하기 위한 혼합물을 제조하기 위해 생분해성 고분자 재질 제1 시료와, 골 분화 활성재료 제2 시료를 준비한다. 제1 시료로는 생분해성 폴리에스테르계 고분자 물질이 적용될 수 있으며, 일 예로, PLA(poly(lactic acid)), PGA(poly(glycolic acid)), PCL(polycaprolactone) 또는 PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid) 중 어느 하나 일 수 있다. 또한 제2 시료로는 골 분화 활성재료인 Hydroxyapatite (HA) 또는 β-tricalcium phosphate(β-TCP)일 수 있다.

제1 시료와 제2 시료를 준비한 후 도 1a에 도시된 바와 같이 동결분쇄기(M)를 통해 제1 시료를 분쇄하여 도 1b에 도시된 바와 같이 제1 파우더(1)를 제조하는 제1 시료 분쇄 단계(S10)를 수행한다. 위 분쇄 단계(S10)을 거친 후 제1 시료를 100~350마이크로미터 이하의 채를 이용하여 거른다. 이는 분쇄 단계(S10) 만으로 시료의 입자 크기를 100~350마이크로미터 이하까지 분쇄하기가 어렵기 때문이다.

또한 제2 시료를 45~200마이크로미터 이하로 채를 이용하여 걸러 제2 파우더(2)를 제조하는 제2 시료 필터링 단계(S20)를 수행한다. 제2 시료는 미세입자로 구성되기 때문에 분쇄할 필요가 없고, 다만 뭉쳐있는 입자를 서로 떨어뜨려 혼합성을 높이기 위해 채를 사용하여 거르게 된다.

상술한 바와 같이 제1 파우더(1)의 입자크기는 100~350마이크로미터로 이루어질 수 있고, 제2 파우더(2)의 입자크기는 45~200마이크로미터로 이루어질 수 있다. 이때, 제1 파우더(1)의 입자 크기가 제2 파우더(2)의 입자 크기보다 크게 형성될 수 있다.

제2 파우더(2)의 경우 무기계 세라믹 재료로 1300℃이상의 열을 가해주어야 녹게 되는 재료이므로 최대 300℃가열이 가능한 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치(200)에서는 프린팅이 불가능하다. 또한 점성이 없으므로 높은 점성을 갖으며 300℃이하에서 녹는 제1 파우더(1)의 영향을 받아야만 제2 파우더(2)의 프린팅이 가능하다.

이러한 이유로 제1 파우더(1)의 입자 직경이 제2 파우더(2)보다 크게 형성되어야 한다.

다음으로 도 1c에 도시된 바와 같이 제1 파우더(1)와 제2 파우더(2)를 혼합하기 위해 제1 파우더(1)와 제2 파우더(2)를 혼합챔버(100)의 내부에 수용하는 제1 시료 및 제2 시료 혼합 준비 단계(S30)를 수행한다. 제1 시료와 제2 시료의 조성비는, 제 1 시료 30~90중량%와, 제2 시료 10~70중량%로 구성될 수 있다.

이때 제1 파우더(1)와 제2 파우더(2)가 공기 중에 장시간 노출될 경우 제1 파우더(1)와 제2 파우더(2)에 수분이 결합되어 서로 엉길 수 있고, 제1 파우더(1)와 제2 파우더(2)의 혼합을 방해하는 요인으로 작용하기 때문에 본 발명은 다음과 같은 과정을 통해 제1 파우더(1)와 제2 파우더(2)에 수분이 유입되는 것을 방지한다.

다음으로 진공흡착기 등을 이용하여 혼합챔버(100) 내부의 공기를 제거하여 혼합챔버(100)를 진공 상태로 유지하는, 혼합챔버(100) 진공 상태 형성 단계(S40)를 수행한다. 혼합챔버(100) 내부가 진공 상태로 유지됨에 따라 제1 파우더(1)와 제2 파우더(2)에 수분이 유입되는 것을 방지한다.

다음으로 도 1d에 도시된 바와 같이 볼텍스(Voltex) 등을 이용하여 혼합챔버(100) 내부에 수용된 제1 파우더(1)와 제2 파우더(2)를 혼합하여 혼합물(10)을 제조하는 혼합물 제조 단계(S50)를 수행한다.

다음으로 도 1e에 도시된 바와 같이 혼합물(10)을 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치(200)에 수용시켜, 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치(200)에 의하여 3차원 임의형상 스캐폴드의 기본 형상을 제작하는 섬유 프린딩 단계(S60)를 수행한다.

여기에서, 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치(200)는 3차원 플로터(3D plotter)로서, 혼합물(10)이 노즐을 통해 미세 섬유(20, strand) 형태로 분사되고, 분사된 미세 섬유(20)가 3차원 플로팅되어 미세 메쉬(mesh) 구조로 된 3차원 임의형상이 형성되도록 이루어지는 것이 바람직하다. 앞서 설명한 바와 같이 3차원 임의형상 제작기술(SFF)에는 다양한 종류가 있는데, 본 발명에서는 미세 섬유(20)가 얽혀져 미세 메쉬 구조를 형성하도록 이루어지는 형태의 스캐폴드(50)가 제조되는 기술을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 물론 본 발명에 사용될 수 있는 장치가 3차원 플로터로 한정되는 것은 아니며 미세 섬유(20)를 얽어서 3차원 임의형상을 만드는 기술에는 모두 적용 가능한 바, 예를 들어 3차원 플로터 외에도 앞서 설명한 여러 SFF 기술들 중 FDM 등에도 적용 가능하다.

이 때, 상기 노즐은 내경이 0.3~0.5mm 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 앞에서도 언급하였듯이. 제2 파우더(2)는 최대 300℃가열이 가능한 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치(200)에서 녹는 것이 아니라 300℃이하에서 녹는 제 1파우더(1)와 함께 혼합됨으로써, 프린팅이 가능 한 것이다. 이러한 이유로 0.3mm미만의 노즐을 사용할 시 제2 파우더(2)끼리 뭉치게 되면 노즐이 막히게 되고, 프린팅이 불가능하게 된다.

부가적으로, 섬유 프린딩 단계(S60) 수행 시 가열 온도 및 가압 압력에 대해 설명하자면 다음과 같다. 가열 온도는 물론 생분해성 고분자 재료의 녹는점에 따라 달라질 것이다. 여기에서 일반적으로 3D 바이오 플로터에 의한 스캐폴드 제조에 사용되는 물질들의 물성을 고려하면, 섬유 프린팅 단계 시 온도는 섭씨 90~210도를 유지하도록 하고, 가압 압력이 300~900kPa 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 플로팅 속도는 40~900mm/min 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

온도가 섭씨 90도 이하일 경우 제1 파우더가 녹지 않게 되며, 온도를 더 높게 설정하게 되면 재료의 변성이 오게된다. 또한, 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치(200) 사용가능 압력이 10~900kPa 인데, 압력이 너무 약하게 재료의 점성이 크기 때문에 재료가 토출이 되지 않는다.

도 3에는 위와 같은 스캐폴드 제조 방법을 통해 제조된 뼈 재생용 스캐폴드(50)의 사시도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 뼈 재생용 스캐폴드는, 3차원 임의형상 제조장치에 의하여 제조됨으로써 미세 섬유(20)가 얽혀진 미세 메쉬 구조로 형성될 수 있다. 도면상에는 직육면체의 스캐폴드(50)가 도시되어 있으나, 원판형, 타원형, 피라미드 형 등 미세 섬유(20)의 길이를 적절히 조절하여 다양한 형상으로 제조할 수 있음은 자명하다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

M : 동결분쇄기
1 : 제1 파우더 2 : 제2 파우더
10 : 혼합물 20 : 미세 섬유
50 : 스캐폴드
100 : 혼합챔버
200 : 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치
S10~S70 : 스캐폴드 제조 방법의 각 단계

Claims

생체 적합성 고분자 재료인 제1 시료를 파우더 형태인 제1 파우더로 준비하는 단계;
골 분화 활성재료인 제2 시료를 파우더 형태인 제2 파우더로 준비하는 단계;
상기 제1 파우더 및 제2 파우더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 혼합물을 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치에 수용시켜, 상기 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치에 의하여 3차원 임의형상 스캐폴드를 제조하는 단계;
를 포함하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1 파우더는,
상기 제1 시료를 분쇄기로 분쇄하여 제조하며,
상기 제2 파우더는,
상기 제2 시료를 채로 필터링하여 제조하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1 파우더의 입자 직경은, 상기 제2 파우더의 입자 직경보다 큰 것을 특징으로 하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1 파우더의 입자 직경은 100~350마이크로미터 이고, 상기 제2 파우더의 입자 직경은 45~200마이크로미터인 것을 특징으로 하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 혼합물은,
제 1 시료 30~90중량%와, 제2 시료 10~70중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 혼합물을 제조하는 단계; 는,
상기 제1 파우더와 제2 파우더를 혼합챔버 내부에 수용하는 단계;
상기 혼합챔버 내부의 공기를 제거하여 진공을 형성하는 단계; 및
상기 혼합챔버 내부가 진공을 유지한 상태에서 상기 혼합챔버 내부의 제1 파우더 및 제2 파우더를 혼합하는 단계;
를 포함하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1 시료는,
PLA(poly(lactic acid)), PGA(poly(glycolic acid)), PCL(polycaprolactone) 또는 PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid) 중 선택되는 단수 또는 복수 개 인 것을 특징으로 하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 7항에 있어서,
상기 제2 시료는,
Hydroxyapatite (HA) 또는 β-tricalcium phosphate(β-TCP) 중 선택되는 단수 또는 복수 개 인 것을 특징으로 하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 3차원 임의형상 스캐폴드 제작장치는 3차원 플로터(3D plotter)로서, 상기 혼합물이 노즐을 통해 미세 섬유(strand) 형태로 분사되고, 분사된 상기 미세 섬유가 3차원 플로팅되어 미세 메쉬(mesh) 구조로 된 3차원 임의형상이 형성되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 9항에 있어서,
상기 노즐의 내경은, 0.3~0.5mm 이며, 상기 플로팅 속도는 40~900mm/min 인 것을 특징으로 하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 10항에 있어서,
상기 플로팅 온도는 섭씨 90~ 210도 이며, 플로팅 압력은 300~900kPa 인 것을 특징으로 하는, 뼈 재생용 스캐폴드 제조 방법.
제 1항 내지 제 11항 중 선택되는 어느 한 항에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 뼈 재생용 스캐폴드.