[논문]기능성 생체 재료의 제작 및 응용 - 조직공학에서의 임의형상제작 기술의 적용

이승재; 조동우

기능성 생체 재료의 제작 및 응용 - 조직공학에서의 임의형상제작 기술의 적용
Solid Freeform Fabrication Technique in Tissue Engineering 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.23 no.12 = no.189, 2006년, pp.7 - 15

이승재 (포항공과대학교 대학원 기계공학과) , 조동우 (포항공과대학교 기계공학과)

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문제 정의

디자인된 모델의 탄성 계수를 계산하기 위하여, 본 연구에서는 탄성 이론을 바탕으로 한 FEM (ANSYS 10.0)이 이용되었디..
따라서, 이러한 한계를 극복하며 FEM 시뮬레이션의 장점을 활용하기 위한 RVE (representative volume element) 이론이 소개되고 있다” 이러한 RVE 이론은 마이크로 스케일에서의 세부 구조에 대한 디지털 이미지를 이용한 RVE 기반의 균질화 작업을 통한 생체 조직의 시뮬레이션에도 이용되고 있다" 그러나, 이러한 다양한 적용에도 불구하고 3차원 인공지지체 디자인의 정밀한 해석에 중점을 둔 연구는 아직 미비한 실정이다. 따라서, 본 연구의 목적은 FEM 시뮬레이션을 활용하여, 가공 전에 인공지지체의 기계적 특성에 대한 정밀한 분석을 가능하게 하기 위한 RVE 모델의 향상에 있다.
본 논문에서는 조직공학에서의 3차원 인공지지체를 제조하기 위한 임의형상제작 기술 (SFF: Solid Freeform Fabrication)에 대하여 기술하고자 하며, 이에 대한 본 연구팀의 다양한 연구내용에 대하여 소개하고자 한다.
갖춘 3차원 환경이 매우 중요하다. 이를 위해 인공지지체의 구조적 형태에 따라 세포의 생착 특성을 확인하고자 하였다. Type A 의 인공지지체 (SL518O, TMC/TMP)는 x 방향으로 일정간격의 선들을 성형하고 다음 층에서는 90° 회전한 y 방향으로 선들을 성형하여 적증한 구조이다(Fig.

제안 방법

예를 들어, 뼈의 재생을 위한 최적의 공극 크기는 약 100-350 ㎛로 알려져 있다.” 이를 고려하여, 본 연구에서는 세포의 생착, 노폐물 및 영양분 교환을 위하여 공극의 상호연결성을 지닌 4X4X4 mm 크기에 균일한 공극을 지니고 있는 3차원 인공지지체를 고려하였다. Fig.
100℃ 에서 1 시간 동안 건조시 ^는 후처리 공정 을 통하여 인공지지체의 강도를 증가시켜준다. 그 후에 수축률, 흡수도, 공극률, 그리고 기계적 물성치를 측정한다. 이러한 다공성의 인공지지체는 0.
이후, 광경화 반응을 일으키기 위하여 수지에 광개시제 (DMPA)를 혼합하였다. 마이크로 광 조형 장치를 이용하여 3차원 인공지지체를 설계하고 제작하였다 (Fig. 11).
본 연구에서는 Gerhart 및 그의 연구진에 의해 연구된 방법인 응축 반응을 통하여 PPF 를 합성하였다. 합성된 PPF 의 점성은 매우 높기 때문에 마이크로 광 조형 기술을 이용하여 삼차원 구조물을 제작하기 어려운 단점이 있다.
.세포를 지지체에 식종 후 1 주일과 4주일 뒤에 세포의 생장을 관찰하였다.
우선, STL 정보파일로 변환된 형상 정보를 바탕으로 마이크로 광 조형 기술을 이용하여 인공지지체 주형을 성형하였다. 그리고, 하이드록시 아파타이트 나노 분말을 인공지지체 주형에 주입하고 소결 (1, 100。。, 2h) 과정을 통해 주형을 제거하면 최종적으로 하이드록시아파타이트 인공지지체를 얻을 수 있다.
따라서, DEF(diethyl fumarate, 디에틸 퓨머레이트)를 첨가하여 수지의 점성을 낮춤으로 이 문제를 해결하였다. 이후, 광경화 반응을 일으키기 위하여 수지에 광개시제 (DMPA)를 혼합하였다. 마이크로 광 조형 장치를 이용하여 3차원 인공지지체를 설계하고 제작하였다 (Fig.
13은 하이드록시아파타이트 나노 분말 인공지지체의 제조공정을 나타낸다. 인공지지체의 제조공정을 간단히 하기 위해, 규칙적인 공극의 크기와 선폭을 갖는 격자구조의 형상으로 설계하였다. 하이드록시 아파타이트 인공지 지체의 실제 크기는 약 4.

대상 데이터

광원으로는 파장。)이 351.Inm (single line)이고 가우스 반경(R, Gaussian half width)이 0.85mm 인 CW Ar+ 레 이 저 (Spectra- Physics BeamLok 2065-4S)가 이용되었다. 레이저에서 나온 UV 는 mirror 와 beam splitter 등으로 구성된 일련의 광학계와 초점렌즈를 통하여 광 경화 성수 지위로 주사된다.
RVE 모델 구축 과정어】서, Unigraphic 소프트웨어를 이용하여 모두 24개의 RVE 모델과 4개의 인공지지체 모델이 만들어졌다. 다양한 수의 단위 RVE 모델을 가진 모델들이 본 연구를 위하여 고려되었다. 각각의 RVE 모델은 Table 2 에서 보는 바와 같이 x-y-z 방향에서의 단위 모델 숫자에 의하여 구분 되었다.
본 실험에서 사용된 세포는 연골세포 (chondrocytes)로서, 먼저 인공지지체를 70%의 에탄올로 세척한 후, 에탄올과 UV 광원으로 멸균한 후세포 배양을 실시하였다..
Z-corp. 사의 3DP 장비 (Z402) 를 사용하여 전분성분의 고분자 재료, 덱스트란 (dextran) 그리고 젤라틴(gelatin)의 혼합물로 원통형의 인공지지체가 제조되었다. 유기용매를 사용하지 않는 대신에 접착제(binder)로써 푸른 염색약이 혼합된 증류수를 사용한다.
2mm, 내부 공극의 크기는 350 “m이고 선폭은 250 ㎛이다. 소결로 (furnace)는고분자로 된 주형을 제거하고 순수한 하이드록시 아파타이트 인공지지체를 얻기 위하여 사용하였다. 소결 후 얻어진 하이드록시아파타이트 인공지지체의 최종형상은 Fig.
가열된 노즐을 통화하는 동안 재료는 용융되며, 이때 노즐의 단면 형상대로 이동하면서 용융재료를 붙이는 방식으로 입체 형상을 제작하는 공정이다. 이러한 공정을 사용하여 생분해성 재료인 PHL (poly(6-hexanolactone[poly (e-carprolactone)]) filaments 로 인공지지체가 제조되었다. 채널 크기는 160-700 ㎛, compression stiffness 는 4 ~ 77 MPa 로측정되었다.
인공지지체의 재료로는 500nm 입자 크기의 하이드록시 아파타이트(hydroxyapatite)', 나노 분말을 이용하였다.
. 주어진 구조물에 대하여, 상용화된 수지 인 SL5180 (Huntsman International, Salt Lake City, UT)의 물성이 시뮬레이션 과정에서 이용되었다. 그리고 나서, 적절한 조각화 작업을 통하여 필요로 하는 계산 node 를 만들어냈다.
인공지지체의 제조공정을 간단히 하기 위해, 규칙적인 공극의 크기와 선폭을 갖는 격자구조의 형상으로 설계하였다. 하이드록시 아파타이트 인공지 지체의 실제 크기는 약 4.2x4.2mm, 내부 공극의 크기는 350 “m이고 선폭은 250 ㎛이다. 소결로 (furnace)는고분자로 된 주형을 제거하고 순수한 하이드록시 아파타이트 인공지지체를 얻기 위하여 사용하였다.

이론/모형

인공지지체는 CAD 소프트웨어를 사용하여 설계된다. 그리고 슬라이싱 알고리즘을 사용하여 단면 형상을 얻어낸다. 100℃ 에서 1 시간 동안 건조시 ^는 후처리 공정 을 통하여 인공지지체의 강도를 증가시켜준다.

성능/효과

따라서 배양 결과에서도 인공지지체 내부보다 인공지지체 표면에 연골세포가 생착되어 자란 것을 볼 수 있다. 하지만 (b)의 경우처럼 격자구조의 패턴들이 서로 엇갈리게 배열된 구조에서는 연골세포 들이 공극 안에 잘 머물러 있게 되어 (a) 경우보다 세포의 생착이 잘 이루어져서 자라는 것을 확인할 수 있었다. 결국, 3차원 구조라도 공극의 배열 또는 공극의 연결성 같은 구조적 형태가 달라지게되면 세포의 부착 및 배양에 여러가지 영향을 주는 것을 확인하였다”
하지만 (b)의 경우처럼 격자구조의 패턴들이 서로 엇갈리게 배열된 구조에서는 연골세포 들이 공극 안에 잘 머물러 있게 되어 (a) 경우보다 세포의 생착이 잘 이루어져서 자라는 것을 확인할 수 있었다. 결국, 3차원 구조라도 공극의 배열 또는 공극의 연결성 같은 구조적 형태가 달라지게되면 세포의 부착 및 배양에 여러가지 영향을 주는 것을 확인하였다”
각각의 단면 층들은 사각형, 벌집 형태의 패턴으로 제조할수도 있다. 또한, 섬유아세포 (fibroblast)를 식종하여 성공적으로 성장, 분화시켰고 최종적으로 4 주 후에는 인공지지체의 내부 공극이 세포로 채워지는 것을 확인하였다. 조골세포의 경우에도 비슷한 패턴이 나타남을 확인하였다.
12의 사진에서 보듯이, 세포가 지지체에 잘 부착되어 자라고 있음을 확인하였다. 하지만, 4 주 후의 결과를 보면, 세포의 생장이 처음 1 주일에 비하여 상대적으로 크게 증가하지는 않았지만 지지체 내부로 세포가 자란 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과들은 제작된 인공지지체로 세포배양이 가능함을 보여주는 것이다.

참고문헌 (19)

Shalak, R. and Fox, CF., 'Tissue engineering,' New York, pp.26-29, 1988
Langer, R. and Vacanti, JP., 'Tissue engineering,' Science, Vol. 260, pp.920-926, 1993

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Patrick, CW., Mikos, AG and Mclntrie, LV., 'Frontiers in tissue engineering,' Oxford, pp.3-11, 1998
Wei, S., Yongnian, Y., Feng, L. and Myron, S., 'Biomanufacturing: A US-China national science foundation-sponsored workshop,' Tissue Engineering, Vol. 12, No.5, pp.1169-1181, 2006

상세보기
Hutmacher, DW., 'Scaffold design and fabrication technologies for engineering tissue-state of art and future perspectives,' J Biomat Sci-Polym Ed, Vol. 12, No.1, pp.107-104, 2001

상세보기
Pham, DT. And Dimov, SS., 'Rapid Manufacturing: the Technologies and Applications of Rapid Prototyping and Rapid Tooling,' London, pp.19-42, 2000
Lam, CXF., Mo, XM., Teoh, SH. and Hutmacher, DW., 'Scaffold development using 3D printing with a starch-based polymer,' Mater. Sci. Eng. C, Vol. 20, pp.49-56, 2002

상세보기
Zein, I., Hutmacher, DW., Tan, KC. and Teoh, SH., 'Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications,' Biomaterials, Vol. 23, pp.1169-1185, 2002

상세보기
Hutmacher, D. W., Schantz, T., Zein, I., Ng, K. W., Teoh, S. H. and Tan, K. C., 'Mechanical properties and cell cultural response of polycaprolactone scaffolds designed and fabricated via fused deposition modeling,' J. of Biomed, Mater. Res., Vol. 55, pp.203-216, 2001

상세보기
Woodfield, T.B.F., Maida, J. J., Wijn, de Peters, E, Riesle, J. and Blitterswijk, C.A. van, 'Design of porous scaffolds for cartilage tissue engineering using a three-dimensional fiber-deposition technique,' Biomaterials, Vol. 25, pp.4149-4161, 2004

상세보기
Maida, J., Woodfield, T.B.F., Vloodt, E, Wilsond, C., Martensc, D.E., Tramperc, J., Blitterswijk, C.A. and Rieslea, J., 'The effect of PEGT/PBT scaffold architecture on the composition of tissue engineered cartilage,' Biomaterials, Vol. 26, pp.63-72, 2005

상세보기
Lee, I.H. and Cho, D.-W., 'An Investigation on Photo-polymer Solidification Considering Laser Irradiation Energy in Micro-sterelithography,' Microsystem Technologies, Vol. 10, No.8-9, pp.592-598, 2004

상세보기
Hollister, SJ. and Kikuchi, N., 'Homogenization theory and digital imaging: A basis for studying the mechanics and design principles of bone tissue,' Biotechnology and Bioengineering, Vol. 43, pp.586-596, 2005

상세보기
Fang, Z. and Wei, S., 'Computer-aided characterization for effective mechanical properties of porous tissue scaffold,' Computer-aided design, Vol. 37, pp.65-72, 2005

상세보기
Lee, SJ., Kim, B., Lee, JS., Kim, SW., Kim, MS., Kim, JS., Lim, G. and Cho, DW., 'Three-dimensional Microfabrication System for Scaffold in Tissue Engineering,' Key Engineering Materials, Vols. 326-328, pp.723-726, 2006

상세보기
Domb, AJ., Kost, J. and Wiseman, DM., 'Handbook of Biodegradable Polymers,' Harwood Academic Publishers, 1997
Fisher, JP., Dean, D. and Mikos, AG., 'Photocrosslink-ing characteristics and mechanical properties of diethyl fumarate/poly(propylene fumarate) biomaterials,' Biomaterials, Vol. 23, pp.4333-4343,2002

상세보기
Cooke, MN., Fisher, JP., Dean, D., Rimanc, C. and Mikos, AG., 'Use of stereo lithography to Manufacture Critical-Sized 3D Biodegradable Scaffolds for Bone Ingrowth,' J Biomed Mater Res Part B, Vol. 68, pp.65-69,2003

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Chu, TMG., Hallogan, JW., Hollister, SJ. and Feinberg, SE., 'Hydroxyapatite implants with designed internal architecture,' J Mater Science: Materials in Medicine, Vol. 12, pp.471-478, 2001

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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