[논문]생체조직공학에 바이오시스템공학의 응용 -인공장기용 지지체 제조를 위한 전기방사기술 -

정종훈

doi:10.5307/jbe.2004.29.4.367

문제 정의

3, 4)로 예상된다. 따라서 이에 대해 보다 상세히 기술하고자 한다.
하나이다. 생체조직의 구조와 기능 사이의 상관관계를 이해하고 나아가서는 인공생체조직을 만들어 이식함으로써 우리 인체의 기능을 유지, 향상 또는 복원하는 것을 그 목적으로 한다. 생체조직공학의 이용 분야로서 1) 세포를 이용한 결손조직의 대체, 2) 생체재료를 이용한 재생유도, 3) 조직 또는 장기를 대신하는 인공 모델 시스템, 4) 유전적으로 개량된 세포의 이식 등을 들 수 있다.
여기에서는 생체조직공학의 요소인 생체재료와 생체홉수성 생체재료를 이용한 인공피부 및 인공 고막용 지지체 제조를 위해서 의과대학과 공동연구 중인 전기방사기술과 그 시스템에 대해 소개하고자 한다.
필자가 이를 정의하자면 바이오시스템 공학은 식물자원, 동물자원, 식품 등의 농업생명공학과 의료생명공학을 포함한 생물산업 분야에 필요한 생물, 기계, 전기 및 전자 등의 공학적 기술을 제공하고 다루는 응용공학이라 할 수 있다. 이에 바이오시스템공학을 인공장기와 생체조직을 제조하는 생체조직공학의한 분야에 응용하는 예로서, 인공생체조직용 나노단위 지지체(scaffbld) 제조에 사용하는 전기방사기술과 그 시스템을 소개하고자 한다.

제안 방법

그리고 모든 방사 거리에서 전압이 증가할수록 토출량이 증가함을 볼 수 있었다. 그리고 전기방사에서 용매는 따로 증발시키는 공정 없이 팁과 집속판 사이의 전위차에 의해 형성되는 기류에 의해 증발함으로 방사 거리가 너무 짧을 경우 용매가 미쳐 증발하지 못하기 때문에 섬유간 뭉치(Fig. 5)는 현상이 많이 발생하게 되며, 방사된 섬유의 단면이 원형이기보다는 평평한 형태를 형성함을 관찰하였다. 반대로 방사 거리가 너무 길 경우 용매는 완전히 증발되나 전기적인 힘이 약해져서 방사된 섬유들이 집속판에 집적되지 못하고 비산(whipping)되는 현상을 알 수 있었다.
화학적 특성은 지지체 주원료의 성분 및 분자량에 따라 인장력, 연신율 등이 달라지므로 이들의 특성을 측정한다. 그리고 지지체의 생분해성을 분석하고 고유점도를 측정한다. 고유점도는 Ubbelohde 점도계를 이용하여 n = (t/to - 1) X 100/C, (C: 용액농도(%), to: 클로로포름의 흐름시간, t: 점도계에서의 용액 흐름시간) 구할 수 있다.
수분투과율(water vapor transmission rate, WVTR)은 컵의 시간에 따른 무게 감소율을 지지체의 면적으로 나누어 구하며, 이 수분투과 율로부터 수분 투과도 (water vapor permeability, WVP) 를 구한다. 기계적 특성은 조직분석기(texture analyzer, TA)를 이용해 지지체의 인장강도 연신율, 탄성계수 등을 측정한다. 시편의 길이는 5 cm로 하며, 폭은 2 cm로 하여 5회 이상 반복 측정한다.
표면특성은 주사전자현미경을 이용해 지지체의 표면구조 및 기공의 크기 및 균일도 등을 분석한다. 또한, 지지체의 물 접촉각을 goniometer를 사용해 측정하여 지지체의 물 젖음성을 측정한다. 세포와 생체흡수성 접착제(cement)의 지지체 접착성 분석 및 측정시스템의 개발도 요구된다.
수분투과도는 ASTM E96-90 표준 시험법에 따라 컵(cup) 방법을 이용하여 측정한다. 지지체를 상대습도가 50%로 조절된 35℃의 항온 항습 조에 방치하면서 지지체 층을 통한 컵 내부의 수분이 동에 기인한 컵의 무게 감소율을 측정한다. 수분투과율(water vapor transmission rate, WVTR)은 컵의 시간에 따른 무게 감소율을 지지체의 면적으로 나누어 구하며, 이 수분투과 율로부터 수분 투과도 (water vapor permeability, WVP) 를 구한다.
지지체의 기하학적 특성을 디지털 버니어 캘리퍼스로 측정하고, 지지체의 질량과 부피를 측정하여 밀도를 측정한다. 인조피부 또는 인조고막과 같은 지지체의 다공질체들은 단기공의 크기, 연결성, 기공크기의 분포도, 전체 기공율 등을 측정하며 이들의 측정을 위해 수은침투다공계를 이용한다.
또한 TAM. 직경 1 mm의 플랫플런저를 이용해 천공실험을 실시해 천공 강도를 측정한다. 화학적 특성은 지지체 주원료의 성분 및 분자량에 따라 인장력, 연신율 등이 달라지므로 이들의 특성을 측정한다.
고유점도는 Ubbelohde 점도계를 이용하여 n = (t/to - 1) X 100/C, (C: 용액농도(%), to: 클로로포름의 흐름시간, t: 점도계에서의 용액 흐름시간) 구할 수 있다. 표면특성은 주사전자현미경을 이용해 지지체의 표면구조 및 기공의 크기 및 균일도 등을 분석한다. 또한, 지지체의 물 접촉각을 goniometer를 사용해 측정하여 지지체의 물 젖음성을 측정한다.
직경 1 mm의 플랫플런저를 이용해 천공실험을 실시해 천공 강도를 측정한다. 화학적 특성은 지지체 주원료의 성분 및 분자량에 따라 인장력, 연신율 등이 달라지므로 이들의 특성을 측정한다. 그리고 지지체의 생분해성을 분석하고 고유점도를 측정한다.

이론/모형

인조피부 또는 인조고막과 같은 지지체의 다공질체들은 단기공의 크기, 연결성, 기공크기의 분포도, 전체 기공율 등을 측정하며 이들의 측정을 위해 수은침투다공계를 이용한다. 수분투과도는 ASTM E96-90 표준 시험법에 따라 컵(cup) 방법을 이용하여 측정한다. 지지체를 상대습도가 50%로 조절된 35℃의 항온 항습 조에 방치하면서 지지체 층을 통한 컵 내부의 수분이 동에 기인한 컵의 무게 감소율을 측정한다.

성능/효과

2) 이식용 보 철재; 체내에 이식되어 물리적 지지 기능을 담당하는 보철재로서 인공뼈, 인공유방, 인공혈관, 인공고막 등을 포함한다. 3) 기계적 기능을 위한 이식용 인공장기; 인체내에 삽입되어 기계적 기능을 감당하며 인공심장, 인공심장판막 등을 예로 들 수 있다. 4) 생물학적 기능을 위한 이식용 생체복합 인공장기; 살아있는 세포와 생체적합 재료로 구성될 수 있으며 인공췌장, 인공간 등을 예로 들 수 있다.
또한 방사거리가 5 cm로 고정하고 전압을 11-19 kV로 전기방사에서는 전압이 증가할수록 섬유 간 뭉치는 현상이 발생하는 것을 관찰하였고, 방사 거리가 9 cm에서는 전압이 증가함에 따라 심유직경이 감소함을 관찰하였다. 그리고 모든 방사 거리에서 전압이 증가할수록 토출량이 증가함을 볼 수 있었다. 그리고 전기방사에서 용매는 따로 증발시키는 공정 없이 팁과 집속판 사이의 전위차에 의해 형성되는 기류에 의해 증발함으로 방사 거리가 너무 짧을 경우 용매가 미쳐 증발하지 못하기 때문에 섬유간 뭉치(Fig.
3)의 형성이 방사구에서 3 cm 이상 아래쪽에서 형성되어 콜렉터까지의 분출 거리가 너무 가까우면 이런 현상이 일어나기 때문에 10 cm 이상의 적정한 거리를 유지해야 한다고 했다. 또한 PEI 용액의 전기방사에서는 인가전압이 9 kV 이상의 임 계전압이 작용해야 하며 섬유상을 안정하게 얻으려면 12-15 kV 범위의 전압이 필요한 것으로 판단하였다. 한편 전압이 높을수록 분사각 e가 커져서 섬유가 한 곳에 잘 포집되지 않으므로 부직포상에서의 밀도가 낮아지는 현상을 관찰하였다(Lee et al.
Kim 등(2002)은 Polyacrylonitrile(PAN) 를 이용한 전기방사에서 전압이 증가함에 따라 방사된 부직포 자체의 지름이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 방사거리가 5 cm로 고정하고 전압을 11-19 kV로 전기방사에서는 전압이 증가할수록 섬유 간 뭉치는 현상이 발생하는 것을 관찰하였고, 방사 거리가 9 cm에서는 전압이 증가함에 따라 심유직경이 감소함을 관찰하였다. 그리고 모든 방사 거리에서 전압이 증가할수록 토출량이 증가함을 볼 수 있었다.
이들 물질들은 흡착력과 항균력 등이 있으며, 생체 내에서 거대세포의 라이소자임에 의해 분해되어 당단백질로 저장되거나 탄산가스로서 배출되는 생분해성 특성을 가지고 있다(Robinson D, 1968). 또한, DDS를 적용하여 약물전달 시간을 조절할 수 있다면 약물의 효과를 지속적으로 유지하고 치료기간을 길게 하면서 치료 효과를 높이고 아울러 약물이 한꺼번에 대량으로 방출되는 것을 막아 안정성을 높일 수 있다. 많은 연구에서 나노섬유는 후처리 및 첨가제를 통하여 생분해성 나노 섬유의 분해 속도를 조절하고 약물전달 시간을 제어할 수 있다고 보고되었다.
특히 매우 작은 양의 고분자 용액으로도 방사가 가능하며, 방사공정의 어려움으로 방사가 불가능했던 소재도 방사할 수 있다. 셋째, 방사된 섬유는 기존 섬유에 비하여 직경이 작아서 부피 대비 표면적 비가 극히 높으며, 제조된 부직포는 공극률이 매우 높고, 호흡성, 방풍성을 지니게 된다. 또한 복합성분의 nanofiber yam 제조가 가능하므로 기존 초극세사가 갖는 한계 물성 극복 등 신 기능성 제품의 창출이 기대된다.

후속연구

또한 복합성분의 nanofiber yam 제조가 가능하므로 기존 초극세사가 갖는 한계 물성 극복 등 신 기능성 제품의 창출이 기대된다. 그러나 공정 특성상 단위 시간당 토출량이 매우 극미량 이어서 생산성이 매우 낮고, 토출되는 나노섬유가 노즐(tip)에 부착하여 발생하는 오염으로 인한 빈번한 wiping 및 가끔씩 나타나는 액적(droplet) 때문에 앞으로의 상업화를 위해서는 이에 대한 개선이 필요하다.
셋째, 방사된 섬유는 기존 섬유에 비하여 직경이 작아서 부피 대비 표면적 비가 극히 높으며, 제조된 부직포는 공극률이 매우 높고, 호흡성, 방풍성을 지니게 된다. 또한 복합성분의 nanofiber yam 제조가 가능하므로 기존 초극세사가 갖는 한계 물성 극복 등 신 기능성 제품의 창출이 기대된다. 그러나 공정 특성상 단위 시간당 토출량이 매우 극미량 이어서 생산성이 매우 낮고, 토출되는 나노섬유가 노즐(tip)에 부착하여 발생하는 오염으로 인한 빈번한 wiping 및 가끔씩 나타나는 액적(droplet) 때문에 앞으로의 상업화를 위해서는 이에 대한 개선이 필요하다.
이를 위해서는 지금부터 생명공학에 관련된 바이오 시스템공학 분야의 교과목을 우선적으로 개발해야 할 것이며, 식품생명공학 뿐만 아니라 의료생명공학 분야도 적극적으로 유대 관계를 맺어 학제 간 공동연구를 수행해야 한다. 마지막으로 여기서 소개된 전기방사기술이 균일한 직경의 나노단위 생체흡수성 생체조직용지 지체를 제조하는 데에 도움이 되기를 바란다.
바이오시스템공학 분야에서도 농업 생명공학 분야에서 전통적으로 다루었던 식량자원의 농업 생산성 증대와 생력화 기술, 농산물 및 식품 비파괴 안정성 평가기술 개발뿐만 아니라, 의료생명공학에서 필요로 하는 생체의료용 바이오센서, (줄기)세포 및 인공장기 3 차원 배양시스템, 생명복제 관련 장치 및 시스템, 세라믹 소재를 이용한 인공뼈 및 의료기기 제조, RP 기술을 이용한 3차원 인공장기 설계 및 제조, 생체의료용 계측 및 모니터링에 관련한 장치 및 시스템 등의 개발에 역점을 두어 그 연구 분야를 확대해야 한다. 이를 위해서는 지금부터 생명공학에 관련된 바이오 시스템공학 분야의 교과목을 우선적으로 개발해야 할 것이며, 식품생명공학 뿐만 아니라 의료생명공학 분야도 적극적으로 유대 관계를 맺어 학제 간 공동연구를 수행해야 한다.
생체조직공학의 기본 요소로서 세포, 생체재료, 생체 내 환경, 생체시스템의 4가지를 들 수 있는데, 바이오 시스템공학 측면에서는 생물자원을 이용한 생체재료의 응용, 생체재료 제조시스템, 생체재료의 공학적 특성 분석, 조직세포 배양시스템, 인공장기(organ) 배양시스템, 생체센서, Rapid Prototying(RP)을 이용한 3차원 생체모형 및 인공장기 제작, 인공장기의 역학적 분석과 설계 및 성장예측을 위한 모델링 및 시뮬레이션, 생체 영상처리시스템 등의 생체시스템 분야에 기여할 수 있으리라 생각된다. 특히, 생체재료는 세포가 붙어서 충분히 3차원적 구조를 가진 조직을 형성할 수 있도록 틀의 역할을 하여야 하는데 이를 지지체 또는 담체(scaffbld)라 한다.
이를 위해서는 지금부터 생명공학에 관련된 바이오 시스템공학 분야의 교과목을 우선적으로 개발해야 할 것이며, 식품생명공학 뿐만 아니라 의료생명공학 분야도 적극적으로 유대 관계를 맺어 학제 간 공동연구를 수행해야 한다. 마지막으로 여기서 소개된 전기방사기술이 균일한 직경의 나노단위 생체흡수성 생체조직용지 지체를 제조하는 데에 도움이 되기를 바란다.
이에 전기방사로 균일하고 일정한 형태를 유지하며 높은 강도의 생분해성 지지체를 대량 생산할 수 있는 시스템의 개발이 필요하다. 또한 최근에 농산물 및 식품의 안정성 평가가 중요하듯이 지지체의 안전성 평가와 내독성 및 mycoplasma 시험을 통해 지지체의 안전성을 검증할 수 있는 바이오센서와 바이오 시스템의 개발이 절실히 요구된다.

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