조직공학은 기능을 상실한 인체를 대체하거나 복원하기 위해 인공대체품을 개발하기 위한 중요한 학문이다. 특히, 세포가 자랄 수 있는 지지체 역할을 하는 스캐폴드는 조직공학 연구를 위한 중요한 부분을 차지하고 있다. 그래서, 3차원 조직공학용 스캐폴드 개발을 위한 다양한 제조 방법을 소개하고자 하였다. 스캐폴드의 일반적인 제조방법으로는 염침출법 (solvent-casting particulate-leaching), 염 발포법 (gas foaming/salt leaching), fiber meshes/fiber bonding 법, 상분리법 (phase separation), melt moulding 법, 동결 건조법 (freeze drying)이 있으며, 넓은 표면적을 가진 스캐폴드 개발방법으로 전기방사법이 알려져 있다. 또한, 최근에는 스캐폴드 내부의 균일한 세포의 침투를 유도하기 위해 적당한 공극크기를 조절하고 우수한 공극률을 가진 스캐폴드를 개발하고자 stereolithography (SLA), selective laser sintering (SLS), fused deposition modeling (FDM), 및 3D printing (3DP) 와 같은 다양한 solid freeform fabrication (SFF) 기술이 개발되어지고 있다.
조직공학은 기능을 상실한 인체를 대체하거나 복원하기 위해 인공대체품을 개발하기 위한 중요한 학문이다. 특히, 세포가 자랄 수 있는 지지체 역할을 하는 스캐폴드는 조직공학 연구를 위한 중요한 부분을 차지하고 있다. 그래서, 3차원 조직공학용 스캐폴드 개발을 위한 다양한 제조 방법을 소개하고자 하였다. 스캐폴드의 일반적인 제조방법으로는 염침출법 (solvent-casting particulate-leaching), 염 발포법 (gas foaming/salt leaching), fiber meshes/fiber bonding 법, 상분리법 (phase separation), melt moulding 법, 동결 건조법 (freeze drying)이 있으며, 넓은 표면적을 가진 스캐폴드 개발방법으로 전기방사법이 알려져 있다. 또한, 최근에는 스캐폴드 내부의 균일한 세포의 침투를 유도하기 위해 적당한 공극크기를 조절하고 우수한 공극률을 가진 스캐폴드를 개발하고자 stereolithography (SLA), selective laser sintering (SLS), fused deposition modeling (FDM), 및 3D printing (3DP) 와 같은 다양한 solid freeform fabrication (SFF) 기술이 개발되어지고 있다.
Tissue engineering is a research field for artificial substitutes to improve or replace biological functions. Scaffolds play a important role in tissue engineering. Scaffold porosity and pore size provide adequate space, nutrient transportation and cell penetration throughout the scaffold structure....
Tissue engineering is a research field for artificial substitutes to improve or replace biological functions. Scaffolds play a important role in tissue engineering. Scaffold porosity and pore size provide adequate space, nutrient transportation and cell penetration throughout the scaffold structure. Scaffold structure is directly related to fabrication methods. This review will introduce the current technique of 3D scaffold fabrication for tissue engineering. The conventional technique for scaffold fabrication includes salt leaching, gas foaming, fiber bonding, phase seperation, melt moulding, and freeze drying. These conventional scaffold fabrication has the limitations of cell penetration and interconnectivity. In this paper, we will present the solid freeform fabrication (SFF) such as stereolithography (SLA), selective laser sintering (SLS), and fused deposition modeling (FDM), and 3D printing (3DP).
Tissue engineering is a research field for artificial substitutes to improve or replace biological functions. Scaffolds play a important role in tissue engineering. Scaffold porosity and pore size provide adequate space, nutrient transportation and cell penetration throughout the scaffold structure. Scaffold structure is directly related to fabrication methods. This review will introduce the current technique of 3D scaffold fabrication for tissue engineering. The conventional technique for scaffold fabrication includes salt leaching, gas foaming, fiber bonding, phase seperation, melt moulding, and freeze drying. These conventional scaffold fabrication has the limitations of cell penetration and interconnectivity. In this paper, we will present the solid freeform fabrication (SFF) such as stereolithography (SLA), selective laser sintering (SLS), and fused deposition modeling (FDM), and 3D printing (3DP).
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제안 방법
의 Wei Sun 연구팀은 스캐폴드 및 조직공학 분야에서 기계공학 기반으로 가장 활발하게 연구하고 있는 팀 중 하나로서, 관련 세부 기술로는 스캐폴드 제작용 장비기술, 스캐폴드 패턴 설계기술, 스캐폴드 모델링 기술 등이 있다. Extruder를 이용한 스캐폴드 제작을 위해 Fused Deposition Modeling (FDM) 방식과 유사한 Mini Extruder Deposition(MED) 방식을 자체 개발하였다. 스캐폴드 제작 공정은 CAD 모델을 STL 파일로 변하고, 시스템 초기화 및 공정변수를 설정하여, 온도 및 스테이지 제어를 통해 스캐폴드를 제작하게 된다.
Wei Sun 연구팀의 또 다른 스캐폴드 제작 시스템으로 PCL 재료를 용융시켜서 토출하는 PED와는 달리 바이오폴리머 용액과 세포를 동시에 프린팅할 수 있는 시스템을 개발하였다. 일반적인 SFF 공정은 솔벤트, 고압, 고온, 후처리 공정 등을 사용함으로 생체 물질에 손상을 줄 수 있으나, 개발되어진 공정은 생체 적합성이 좋고, 실온에서 이루어지며, 저압을 사용함으로 세포의 손상을 최소화할 수 있다.
Melt moulding 법은 PLGA 파우더와 젤라틴 입자를 테플론 몰드에 넣어 열을 가한 후, 젤라틴은 녹여내는 방법이다. 동결 건조법은 유기용매에 녹인 고분자를 동결 건조에 의해 얼음 결정을 녹여내어 스캐폴드를 제조하였다.
일반적인 SFF 공정은 솔벤트, 고압, 고온, 후처리 공정 등을 사용함으로 생체 물질에 손상을 줄 수 있으나, 개발되어진 공정은 생체 적합성이 좋고, 실온에서 이루어지며, 저압을 사용함으로 세포의 손상을 최소화할 수 있다. 생체재료 공급 시스템은 점성이 다른 하이드로겔을 프린팅할 수 있도록 다른 종류와 크기로 된 다중분사 노즐로 구성하였다. 생체재료를 이용한 스캐폴드를 제작하기 위해, CaCl2 용액이 한 레이어 두께만큼 담긴 통에 알긴산(Alginate) 하이드로겔을 프린팅하여 3차원 형상을 만들어냈다.
생체재료 공급 시스템은 점성이 다른 하이드로겔을 프린팅할 수 있도록 다른 종류와 크기로 된 다중분사 노즐로 구성하였다. 생체재료를 이용한 스캐폴드를 제작하기 위해, CaCl2 용액이 한 레이어 두께만큼 담긴 통에 알긴산(Alginate) 하이드로겔을 프린팅하여 3차원 형상을 만들어냈다.
이러한 내부연결구조성이 뛰어난 플로팅된 스캐플드를 이용하여 세포 부착력을 높이기 위해 전기방사법을 이용하여, 플로팅 기법과 전기방사법의 융합공정을 개발하여 초기 세포부착력을 향상시켰다 (Figure 6).
성능/효과
바이오플로팅 시스템에 의해 제작되어진 스캐폴드와 일반적인 스캐폴드 제작방법인 염침출법으로 제작되어진 스캐폴드를 이용하여 세포 배양 실험을 비교한 결과, 플로팅된 스캐폴드가 염침출법 스캐폴드에 비해 스트랜드 간격 사이로 세포가 고루 부착되어 있는 양상을 나타냈다. 또한, 스캐폴드 내부를 관찰한 결과, 플로팅된 스캐폴드의 스트랜드 가닥 사이로 세포의 부착이 관찰되었으나, 염침출법 스캐폴드에는 세포의 침투가 약해 부착정도가 거의 나타나지 않았다. 플로팅된 스캐폴드는 내부연결구조가 우수하여 세포의 침투를 유도하였고, 영양분이나 배지의 공급도 원활하게 제공하였을 것이다(Figure 5).
바이오플로팅 시스템에 의해 제작되어진 스캐폴드와 일반적인 스캐폴드 제작방법인 염침출법으로 제작되어진 스캐폴드를 이용하여 세포 배양 실험을 비교한 결과, 플로팅된 스캐폴드가 염침출법 스캐폴드에 비해 스트랜드 간격 사이로 세포가 고루 부착되어 있는 양상을 나타냈다. 또한, 스캐폴드 내부를 관찰한 결과, 플로팅된 스캐폴드의 스트랜드 가닥 사이로 세포의 부착이 관찰되었으나, 염침출법 스캐폴드에는 세포의 침투가 약해 부착정도가 거의 나타나지 않았다.
후속연구
현재, 일반적인 스캐폴드 제작방법을 이용하여 만들어진 지지체는 다양한 인체 부위의 기계적 구조적 성질을 고려하여 연구되어 지고 있다. SFF기술의 경우, 과거 공업적 활용에 많이 쓰였지만, 스캐폴드 개발과 같이 의학분야, 생명분야에 이용됨으로써 다학제간 연구를 기대할 수 있으며, 고가의 임플란트나 스캐폴드를 대체할 수 있을 것이다.
향후, 세포플로팅 장비를 개발하여 세포와 생체재료를 동시에 제작함으로써 인공장기 개발에 도움을 줄 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
조직공학이란 어떠한 학문인가?
조직공학은 다양한 분야의 생명과학과 공학 기술을 융합하여 생체대용품을 만들어 이식함으로써 사고나 질병에 의해 결손된 우리 몸을 대체 또는 복원하는 것을 목적으로 하고 있는 학문이다. 조직공학에서 중요한 하나의 요소가 인공장기를 구성하고 있는 생체재료로서, 생체적합성이 우수하여야 하며, 독성이 없어야 한다.
스캐폴드는 어떤 역할을 하는가?
조직공학은 기능을 상실한 인체를 대체하거나 복원하기 위해 인공대체품을 개발하기 위한 중요한 학문이다. 특히, 세포가 자랄 수 있는 지지체 역할을 하는 스캐폴드는 조직공학 연구를 위한 중요한 부분을 차지하고 있다. 그래서, 3차원 조직공학용 스캐폴드 개발을 위한 다양한 제조 방법을 소개하고자 하였다.
염침출법의 단점은 무엇인가?
1 대표적인 염침출법은 다공성 스캐폴드를 제조하기 위한 가장 잘 알려져 있는 방법으로서, 혼합하는 염결정 형태에 따라 공극의 형태가 결정되어진다. 그러나, 지지체 내부의 상호연결성이 약하기 때문에 세포의 침투와 배양을 방해할 수 있으며, 두꺼운 지지체의 경우, 염결정의 잔류 문제가 야기되어지고 있다. 염 발포법은 염 침출법과 비슷하나, 유기용매가 완전히 제거되지 않은 겔 상의 생분해성 고분자와 염결정을 이용하여 원하는 형태를 제조할 수 있다.
참고문헌 (6)
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W. E. Teo and S. Ramakrishna, 'A review on electrospinning design and nanofibre assemblies', Nanotechnology, 17, R89 (2006)
S. A. Park, K. E. Park, H. Yoon, J. G. Son, T. J. Min, and G. H. Kim, 'Apparatus for preparing electrospun nanofibers: designing an electrospinning process for nanofiber fabrication', Polym. Inter., 56, 1361 (2007)
N.E. Fedorovich, J. Dewijn, A.J. Verbout, J. Alblas, and W. J. A. Dhert, 'Three-Dimensional Fiber Deposition of Cell-Laden, Viable, Patterned Constructs for Bone Tissue Printing', Tissue Eng., 14, 127 (2008)
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