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문제 정의
- 발포하여 발포된 나노섬유를 제작하였다. 발포제 첨가에 따른 지 지체의 구조적 안전성과 기계적 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 지지체의 구조로써 중요한 요인인 다공구조는 나노섬유와 발포된 나노섬유를 제조하여 각각의 다공 크기와 다공도를 관칠하였다.
- 일반적으로 세포의 부착과 증식은 지지체의 화학적, 물리적, 생물학적 표면 특성에 의해서 좌우된다고 할 수 있다. 본 연구에서는 기존의 나노섬유가 가지고 있는 높은 세포부착과 증식에 화학발포 제를 통한 다양한 크기의 기공성과 더 높은 기공률을 줌으로써 나노섬유 지지체의 표면 특성을 다양화하는데 그 연구의 목적을 두었다. 이러한 특성들은 각각의 세포의 특성에 따라서 달라질 수 있지만 본 연구에서 사용한 human dermal fibroblast는 더 높은 기공크기와 기공률에 영향을 받는 것으로 사료된다.
- 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 좀 더 빠른 조건에서 PCL 나노섬유가 분해될 때 발포된 다공도가 어떤 영향을 미칠지에 대한 예상을 하고자 UV분해 시험을 시도하였다. 일반적으로 지지체의 적당한 분해거동은 조직 세포가 흡착하여 성장 및 분화하여 조직으로서의 기능을 발휘할 수 있도록 도움을 주기 때문에 지지체의 분해 거동은 중요시되고 있다.
제안 방법
- , Japan)를 80/20의 무게비로 혼합한 용매에 녹여 제작되었다. PCL 용액농도에 대한 발포영향을 알아보기 위하여 8, 13, 20 wt% 용액을 제조하였다. 제조된 지지체는 잔류용매의 제거를 위해 24시간 동안 상온에서 건조하였다.
- 아보기 위해 자외선 (UV) 에 의한 분해실험을 실시하였다. 또한 발포된 PCL 나노 섬유의 다공성 구조를 통한 세포의 증식정도를 순수 나노섬유 매트와 발포된지 지체를 비교하였다
- 증식된 세포는 트립신으로 회수하여 시편 당 2X104 cells의 농도로 나노섬유에 접종하였다 배양 3일 후에 SEM을 통하여 세포의 부착 형태를 관찰하였다. 또한 발포된 PCL 나노섬유의 다공성 구조를 통한 세포의 증식정도를 순수 나노섬유 매트와 발포된 매트와 비교하였다.
- 5 wt%, 발포온도 100 ℃ 및 발포시간 2- 3초에서 적당한 다공크기와 균일성 및 다공의 연결성을 갖는 나노섬유 매트를 제조할 수 있었으며, 발포제의 함량이 증가할수록 다공크기와 다공도는 증가함을 알 수 있었다 발포제가 1 wt% 이상 투입될 때 전기방사 안정성에 문제가 발생함을 알 수 있었다. 또한, 발포제를 첨가하여 얻어진 지지체에 human dermal fibroblast 세포를 배양하였고 발포하지 않은 나노섬유 매트의 세포배양과 비교한 결과 발포 공정을 거친 나노섬유 매트에서 보다 많은 세포 부착 및 성장이 이루어졌다.
- Figure 5는 발포제 유무에 따른 나노섬유 형태를 나타낸 것이다. 발포제가 없는 것과 발포제가 1 wt% 첨가된 나노섬유 웹을 100 ℃, 5초 내로 발포하여 나노섬유의 구조 및 형태를 비교하였다.
- 결과적으로 나노섬유에 적절한 다공크기와 다공도를 얻기 위해서는 용액의 농도를 조절하여야 하고 용액의 농도가 증가할수록 발포 나노섬유 지지체의 형태를 얻기 어렵다는 결론을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 PCL 용액이 8 wt%를 최적의 농도 조건으로 결정하였다.
- 본 연구에서는 poly (acaprolactcme) 과 발포제 (chemical blowing agent) 혼합용액을 전기방사법을 이용하여 나노섬유 지지체를 제작하고, 발포하여 발포된 나노섬유를 제작하였다. 발포제 첨가에 따른 지 지체의 구조적 안전성과 기계적 특성에 미치는 영향을 살펴보았다.
- 본 연구에서는 보조전극을 이용한 전기방사법과 화학발포제를 첨가하여 PCL 나노섬유 매트를 제조하였으며, 제조된 나노섬유 매트를 적당한 발포온도 및 시간에서 발포하여 기존 나노섬유 매트보다 우수한 기공구조를 갖은 나노섬유 매트를 제조하였다. PCL용액의 농도가 8 wt%, 발포제의 함량 0.
- 나노섬유 지지체는 자체 제작된 전기빙. 사 시스템을 이용하여 나노섬유만 있는 지지체와 발포제를 포함한 지지체를 제작하였다. 전기방사 시스템은 20게이지 주사바늘과 주사기로 구성된 분사구(nozzle)와 집속부(target), 그리고 분사구와 집속부 사이에 고전압을 부과하기 위한 고전압 발생기로 구성되어 있으며 주변의 기류의 영향을 배제하고 적절한 온도 유지를 위해 아크릴 챔버 내에서 실험을 실시하였다(Figure 2).
- 제작된 나노섬유 매트가 발포제에 의해서 변화되는 분해거동을 일.아보기 위해 자외선 (UV) 에 의한 분해실험을 실시하였다. 또한 발포된 PCL 나노 섬유의 다공성 구조를 통한 세포의 증식정도를 순수 나노섬유 매트와 발포된지 지체를 비교하였다
- 전기 방사법에 의해 제조된 나노섬유와 발포제 첨가에 따른 다공성 나노섬유의 구조를 광학현미경 (Olympus, BX FM-32) 과 주사전자 현미경 (FEI사, FE-SEM, Sirion)을 사용하여 이들의 구조를 관찰하였다. 얻어진 이미지 사진으로부터 다 공 크기 및 다공정도를 계산하였다. 발포제 첨가 유무와 발포 전, 후의 구조적 변화에 따른 나노섬유 지지체의 분해정도를 측정하기 위해 UV 장치 (주eUV테크, JHCI541BX 사용하였다.
- 온도 및 시긴에 따른 빌포조건을 확인하기 위해 열중량 분석 측정기 (TA Instructment, TGA Q500) 를 이용하여 상온-150 ℃에서 승온 발포 시험을 수행하여 각 온도에서 발포제의 발포 정도를 무게의 감소로 확인하였다. Figire 1에 결과를 나타내었다.
- 이것은 노즐로부터 생성되는 전기장이 주위환경, 공기흐름, 인근의 전하를 띤 나노섬유 등에 의해서 전기장이 안정화되지 못하고 이들의 영향을 받기 때문이다. 이를 보완하여 일정한 방향으로 안정적인 용액방사를 하기 위해 (3 에서와 같이 노즐 주위를 감싸는 형상의 보조 전극을 장착하였다. (a) 의 사진과 비교해 볼 때 안정적인 분사 경향을 보임을 확인할 수 있었으며, 노즐 끝에 맺힌 Taylor cone의 크기와 타겟과의 방사 방향 일정하게 유지되었다.
- 다공의 형태 및 구조 분석. 전기 방사법에 의해 제조된 나노섬유와 발포제 첨가에 따른 다공성 나노섬유의 구조를 광학현미경 (Olympus, BX FM-32) 과 주사전자 현미경 (FEI사, FE-SEM, Sirion)을 사용하여 이들의 구조를 관찰하였다. 얻어진 이미지 사진으로부터 다 공 크기 및 다공정도를 계산하였다.
- 사 시스템을 이용하여 나노섬유만 있는 지지체와 발포제를 포함한 지지체를 제작하였다. 전기방사 시스템은 20게이지 주사바늘과 주사기로 구성된 분사구(nozzle)와 집속부(target), 그리고 분사구와 집속부 사이에 고전압을 부과하기 위한 고전압 발생기로 구성되어 있으며 주변의 기류의 영향을 배제하고 적절한 온도 유지를 위해 아크릴 챔버 내에서 실험을 실시하였다(Figure 2).
- 나노섬유 시편은 세포 부착을 높이기 위해, 3일 동안 배지 에 담가두었다. 증식된 세포는 트립신으로 회수하여 시편 당 2X104 cells의 농도로 나노섬유에 접종하였다 배양 3일 후에 SEM을 통하여 세포의 부착 형태를 관찰하였다. 또한 발포된 PCL 나노섬유의 다공성 구조를 통한 세포의 증식정도를 순수 나노섬유 매트와 발포된 매트와 비교하였다.
- 발포제 첨가에 따른 지 지체의 구조적 안전성과 기계적 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 지지체의 구조로써 중요한 요인인 다공구조는 나노섬유와 발포된 나노섬유를 제조하여 각각의 다공 크기와 다공도를 관칠하였다. 전기방사 시 용액의 농도는 나노섬유의 직경에 영향을 미치는 중요한 요소로서 농도가 높을수록 굵은 직경의 섬유가 생성되는 것으로 보고되고 있다.
대상 데이터
- 또한 방사공정의 초기 방사노즐에서의 안정성을 얻기 위하여 실린더 형태의 보조전극을 사용하였다. Figure 3(a)은 일반적인 전기방사 공정의 분사구이며, 노즐 끝부분에서 용액의 방사방향이 불안정하였다.
- 용매는 DMF(A〃V- dimethylformamide) 와 MC (methylene chloride) 를 사용하였다. 발포제 (chemical blowing agent) 는 (주)금양에서 구입하였다. 일반적으로 화학발포제는 고분자에 혼합하여 열분해에 의해 가스를 발생 시켜 스폰지제품을 제조히기 위해 첨가되는 첨가제로서, 크게 유기 화학 발포제와 무기 화학 발포제로 구분되며 본 연구에서 사용된 발포제는 5 gm 이하 크기를 갖는 azodicarbonamide(cellcom-AC series, Kum Yang, Korea) 를 사용하였다.
- 얻어진 이미지 사진으로부터 다 공 크기 및 다공정도를 계산하였다. 발포제 첨가 유무와 발포 전, 후의 구조적 변화에 따른 나노섬유 지지체의 분해정도를 측정하기 위해 UV 장치 (주eUV테크, JHCI541BX 사용하였다.
- 재료 및 시료제조. 본 연구에 사용한 시료는 PCL(poly-4- caprolactone, M ca. 80000 g - moP1, M.P. = 60 ℃)로 미국 Aldlich Chemical사의 제품이 사용되었다. 용매는 DMF(A〃V- dimethylformamide) 와 MC (methylene chloride) 를 사용하였다.
- = 60 ℃)로 미국 Aldlich Chemical사의 제품이 사용되었다. 용매는 DMF(A〃V- dimethylformamide) 와 MC (methylene chloride) 를 사용하였다. 발포제 (chemical blowing agent) 는 (주)금양에서 구입하였다.
- 분사구는 실린지 펌프로 정량 분사하였다. 전기방사를 위한 고분자 용액은 PCL를 MC(Junsei Chemical Co., Japan) 와 DMF(Junsei Chemical Co., Japan)를 80/20의 무게비로 혼합한 용매에 녹여 제작되었다. PCL 용액농도에 대한 발포영향을 알아보기 위하여 8, 13, 20 wt% 용액을 제조하였다.
성능/효과
- 매트로서 나노섬유만으로 구성된 Figure 5 (a) 의 매트-보다 나노섬유 간에 발포된 기공이 생성되었고 기공의 크기 또한 기존의 매트보다 커져 조직공학용 다공성 지지체로서 적용이 더 원활해 보임을 알 수 있다. 그러나 전체적으로 고른 분포의 기공이 형성되지 않음을 볼 수 있다.
- 이를 보완하여 일정한 방향으로 안정적인 용액방사를 하기 위해 (3 에서와 같이 노즐 주위를 감싸는 형상의 보조 전극을 장착하였다. (a) 의 사진과 비교해 볼 때 안정적인 분사 경향을 보임을 확인할 수 있었으며, 노즐 끝에 맺힌 Taylor cone의 크기와 타겟과의 방사 방향 일정하게 유지되었다.
- 방출된 용액은 공기 중을 비행하는 동안 용매는 휘발되고 수십~수백 nm의 직경을 가지는 섬유가 3차원 네트워크 구조로 적층되어 매트 형태의 나노섬유 그물구조를 형성하게 된다.7 이러한 방법으로 만들어진 매트는 부피 대비 표면적의 비가 높으며 공극률이 매우 높아 뛰어난 호흡성을 지니고 있으며 복합성분의 고분자를 이용할 수 있어 기존의 고분자가 갖는 물성 한계를 극복한 나노섬유의 제작이 가능한 장점이 있다. 그리고 간단한 장비로 비교적 쉽게 나노 크기의 섬유를 제작할 수 있으며 소량의 재료만 가지고도 방사가 가능하다.
- 기공구조를 갖은 나노섬유 매트를 제조하였다. PCL용액의 농도가 8 wt%, 발포제의 함량 0.5 wt%, 발포온도 100 ℃ 및 발포시간 2- 3초에서 적당한 다공크기와 균일성 및 다공의 연결성을 갖는 나노섬유 매트를 제조할 수 있었으며, 발포제의 함량이 증가할수록 다공크기와 다공도는 증가함을 알 수 있었다 발포제가 1 wt% 이상 투입될 때 전기방사 안정성에 문제가 발생함을 알 수 있었다. 또한, 발포제를 첨가하여 얻어진 지지체에 human dermal fibroblast 세포를 배양하였고 발포하지 않은 나노섬유 매트의 세포배양과 비교한 결과 발포 공정을 거친 나노섬유 매트에서 보다 많은 세포 부착 및 성장이 이루어졌다.
- PCL용액의 농도가 높을수록 섬유 내에 발포제가 포함되어 발포되므로 섬유간 기공의 형태는 존재하지 않고 존재하는 섬유 자체도 상호간 연결성이 미약한 상태이다. 결과적으로 나노섬유에 적절한 다공크기와 다공도를 얻기 위해서는 용액의 농도를 조절하여야 하고 용액의 농도가 증가할수록 발포 나노섬유 지지체의 형태를 얻기 어렵다는 결론을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 PCL 용액이 8 wt%를 최적의 농도 조건으로 결정하였다.
- 그리고 pore 주위에서는 세포가 잘 퍼진 형태는 아니지만 pore 사이가 연결되도록 뻗어있었다. 그리고 발포하지 않은 군보다 발포한 군에서 더 많은 세포들이 부착되어 있음이 관찰되었는데 발포한 나노섬유가 발포하지 않은 나노섬유에 비해 세포의 부착에 더 효과적임을 확인하였다. 이러한 결과는 F.
- Figure 10은 발포제 함량에 따른 다공성 지지체의 동적 특성을 나타내었다. 동일 조건에서 발포제의 함량이 증가함에 따라 동적 탄성률이 감소함을 알 수 있었다. 이러한 현상은 고분자 지지체의 기계적 물성이 다공의 크기와 다공도 그리고 이들의 연결성에 의해 영향을 받기 때문으로 예상되어진다.
- 본 연구에서는 PCL 용액의 농도에 따른 점도변화를 측정하였다 전단 변형률 속도가 lOOCL/s)인 경우 PCL 용액농도 8, 13, 20 wt%의 전단점도(cP) 는 각각 175, 489, 1203의 값을 나타내며 농도증가에 따라 점도가 증가함을 보여주었다.
후속연구
- UV에 의해 생기는 분해거동은 정확한 분해 메커니즘에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 사료되지만, 본 연구에서 얻어진 결과는 발포된 나노섬유가 더 빠른 분해거동을 촉진하는 것으로 측정되었다. UV에 의한 분해거동에 대한 연구는 향후 연구 주제로 더 연구되어야 할 부분이다.
- Figure9(a)의 발포제가 포함된 PCL scaffold는 비표면적과 생체 내로의 이식 이후에 혈관의 형성 및 영양분, 성장인자 호르몬 등의 물질 전달을 가능하게 하는 기공이 형성된 다공성 지지체의 형태로 자외선에 의한 분해반응 후 공극들 사이의 높은 상호 연결성을 가지는 구조로 변화한 반면, 발포제가 없는 나노섬유는 자외선 노출 전후의 변화가 거의 없었다. UV에 의해 생기는 분해거동은 정확한 분해 메커니즘에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 사료되지만, 본 연구에서 얻어진 결과는 발포된 나노섬유가 더 빠른 분해거동을 촉진하는 것으로 측정되었다. UV에 의한 분해거동에 대한 연구는 향후 연구 주제로 더 연구되어야 할 부분이다.
- 이러한 특성들은 각각의 세포의 특성에 따라서 달라질 수 있지만 본 연구에서 사용한 human dermal fibroblast는 더 높은 기공크기와 기공률에 영향을 받는 것으로 사료된다. 향후 좀 더 다양한 세포에 대한 세포부착과 증식에 대한 연구를 진행할 예정이다.
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