[논문]조직공학에 사용되는 세포지지체의 기계적 특성

김민수; 김희경; 지민희; 조영삼

문제 정의

조직공학 분야에서 지금까지 세포지지체(scaffold)와 관련하여 연구되었던 논문들은 세포지지체의 세포배양특성에 중점을 두어 쓰여진 것이 대부분이었다. 이런 이유로, 저자들은 이 글에서 세포지지체의 기계적 특성만을 정리하여 향후, 조직공학을 연구하는 연구자들-특히, 기계공학 전공자들-의 연구 편의를 도모하고자 한다.
Hockin H.K의 논문에서 키토산 분말:용액의 비율이 기계적 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보 았다. ANOVA가 분말:용액 비율과 키토산 첨가의 유무에 대해 각각의 영향을 알아보았고, 기계적 특성 실험 결과는 전반적으로 CPC-키토산으로 만든 세포지지체가 CPC만을 이용하여 만든 것보다 기계적 특성이 더 뛰어남을 알아내었다.
Cedric P. Laurenta의 논문에서 1층, 3층, 5층으로 만든 PLCL 세포지지체의 인장에 대한 반응을 연구하였다. 여러 층으로 이루어져있고, 실과 실 사이의 각도, 다양한 실의 직경으로 세포지지체의 인장에 대한 반응을 계산하였다.
지금까지 세포지지체의 제작에 사용되는 재료별기계적 특성과 제작에 대해 정리하였다. 각각의 재료들은 세포지지체가 사용되는 곳 마다 각기 다른방법으로 제작되고, 필요에 의해 두 가지 이상의 재료들을 혼합하여 요구하는 기계적 특성을 얻을 수 있었다.
그리고, 티타늄 조직에서 기공률이 Young’s modulus에 미치는 영향에 대해 연구하였다.

제안 방법

Duan과 Sheardown의 논문에서 콜라겐 젤 sample의 Young’s modulus, 최대 하중, 최대 하중에서의 파단을 포함하는 기계적 특성을 측정하였다.
17N이었다. 또한, 젤의 기계적 특성에서 콜라겐 농도가 덴드리머 가교 반응에서 주는 영향도 실험하였다. 콜라겐 농도의 증가에 대해 Young’s modulus와 최대 하중이 증가하였다.
이 연구는 이전의 다발형 세포지 지체에 대한 연구에서 200~250μm가 가장 작은 크기의 기공이라는 기록에서 인용하여 200μm에서 430μm의 범위에서 중간 값의 기공 크기를 기공의 크기를 세포지지체에서 중심부터 주변까지 변화하면서 기록해두었다.
Laurenta의 논문에서 1층, 3층, 5층으로 만든 PLCL 세포지지체의 인장에 대한 반응을 연구하였다. 여러 층으로 이루어져있고, 실과 실 사이의 각도, 다양한 실의 직경으로 세포지지체의 인장에 대한 반응을 계산하였다. 이 연구는 이전의 다발형 세포지 지체에 대한 연구에서 200~250μm가 가장 작은 크기의 기공이라는 기록에서 인용하여 200μm에서 430μm의 범위에서 중간 값의 기공 크기를 기공의 크기를 세포지지체에서 중심부터 주변까지 변화하면서 기록해두었다.
ANOVA가 분말:용액 비율과 키토산 첨가의 유무에 대해 각각의 영향을 알아보았고, 기계적 특성 실험 결과는 전반적으로 CPC-키토산으로 만든 세포지지체가 CPC만을 이용하여 만든 것보다 기계적 특성이 더 뛰어남을 알아내었다. 그리고 기공이 많을수록 기계적 강도가 낮아짐 또한 실험을 통해 알아내었다.

대상 데이터

또한, 대조군으로는 Bio-plotter(KIMM, Korea)를 이용하여 제작된 기공률 50%의 세포지지체 들을 사용하였고, 각각 와이어의 직경이 400, 475, 600μm의 크기를 갖는 세포지지체를 제공받아 실험에 사용하였다.

이론/모형

최대 응력(굽힘 강도)에 도달했을 때, 샘플은 2조각으로 파단되었고, 응력이 급격하게 0으로 떨어지게 된다. Sintering 과정을 거친 코팅된 조직의 3점 굽힘 실험의 굽힘 강도에 대한 raw-data들을 Qizhi Z. Chen 등이 저술한 논문에서 정리해 놓았다. 굽힘 강도는 종합적으로 유사한 기공률에서 압축 강도에 비해 더 높았다.

성능/효과

80%의 높은 기공률을 가진 open-cellular 티타늄 폼의 기공 크기 분포는 200~500μm 내에 있었고, 80%의 기공률을 가진 다공성 티타늄 폼의 강도는 대략 40MPa로 생체 내에서 받는 하중에도 충분한 강도(티타늄 폼의 young’s modulus는 2.87GPa이다. )를 가진다고 판단하였다.
Zijian Li 등이 저술한 논문에서는 Mg-xCa합금을 압연 방식과 압출 방식으로 달리 제작하여 기계적 특성을 실험하였다. 이 연구에서는 칼슘 성분이 증가할 때마다 그냥 꺼낸 Mg-xCa합금의 기계적 특성들은 점점 악화되는 반면, sample을 뜨겁게 달구어 미는 압연 방식과 열을 가해 압출하는 방식에서 항복 응력(YS, yield stress), 극한 인장 강도(UTS: Ultimate Tensile Strength), 신장률(elongation)은 크게 증가했다.
제작한 세포지지체들의 압축강도는 평균적으로 AF-MP 세포지지체는 34.4±2.2MPa이고, AF-NMP의 경우 27.4±4.2MPa이었다.
만약에 폼 샘플의 표면이 하중의 압력에 의해 약간 어긋나 있어서, 큰 응력 집중이 전단으로 바꿀 수있는 국부적 버클링(buckling)을 야기시킬 수 있고, 결과적으로 Young’s modulus와 강도를 과소평가했음을 기록했다. 전단된 폼은 순수 압축 sample들보다 더 낮았고, 이 결과는 순수 압축 시험으로 얻어진 강도의 수치가 폼의 압축 강도 대신해 세포지지체 제작에 고려될 수 있다는 것을 증명하였다. 그리고 3점 굽힘력 테스트의 힘-이동량(force-displacement)에 대한 실험 또한 시행하였는데, 이는 압축력 테스트같이 얇은 지주에서 처음으로 응력 집중 부분에서 금이 가고, 들쭉날쭉한 곡선이 나타났다.
Chen 등이 저술한 논문에서 정리해 놓았다. 굽힘 강도는 종합적으로 유사한 기공률에서 압축 강도에 비해 더 높았다. 예를 들면, 기공률이 90% 이하일 때, 가장 높은 압축 강도와 굽힘 강도는 각각 0.
이식한 세포지지체의 처음 변형은 선형적이었다. 그러나 이식한 세포지 지체는 부분 응력이 최대 또는 응력이 감소됨에 따른 파단 응력임을 보여주었고, 안정기과 회복기 또한 보여주었다. 이러한 현상들은 몇몇의 딱딱한 세포와 기둥 뼈에서 압축하중이 작용할 때 생긴다.
콜라겐 농도의 증가에 대해 Young’s modulus와 최대 하중이 증가하였다. 더 높은 농도가 일반적으로 기계적 특성을 향상시키는 반면, sample의 더 높은 점성은 혼합의 어려움과 그에 따라 결과가 더 많이 영향을 받는다는 결과를 가져왔다. 콜라겐과 덴드리머의 질량비(40:1, 20:1, 10:1, 5:1)를 달리하면서 기계적 특성을 실험한 결과, 반응 혼합물에서 덴드리머의 양이 증가하는 것은 젤의 기계적 특성에 별로 영향을 주지 않았다.
더 높은 농도가 일반적으로 기계적 특성을 향상시키는 반면, sample의 더 높은 점성은 혼합의 어려움과 그에 따라 결과가 더 많이 영향을 받는다는 결과를 가져왔다. 콜라겐과 덴드리머의 질량비(40:1, 20:1, 10:1, 5:1)를 달리하면서 기계적 특성을 실험한 결과, 반응 혼합물에서 덴드리머의 양이 증가하는 것은 젤의 기계적 특성에 별로 영향을 주지 않았다.
K의 논문에서 키토산 분말:용액의 비율이 기계적 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보 았다. ANOVA가 분말:용액 비율과 키토산 첨가의 유무에 대해 각각의 영향을 알아보았고, 기계적 특성 실험 결과는 전반적으로 CPC-키토산으로 만든 세포지지체가 CPC만을 이용하여 만든 것보다 기계적 특성이 더 뛰어남을 알아내었다. 그리고 기공이 많을수록 기계적 강도가 낮아짐 또한 실험을 통해 알아내었다.
이 연구에서 제작한 세포지지체 중 300μm×300μm의 strand 단면을 갖는 세포지지체가 가장 기계적 강도가 높은 것을 확인할 수 있었다.
이 연구에서 제작한 세포지지체 중 300μm×300μm의 strand 단면을 갖는 세포지지체가 가장 기계적 강도가 높은 것을 확인할 수 있었다. 그리고 Bio-plotter로 제작된 세포지지체보다 와이어 네트워크 몰딩 기법으로 제작한 세포지지체가 기계적 강도가 높은 것을 확인할 수 있었다.
지금까지 세포지지체의 제작에 사용되는 재료별기계적 특성과 제작에 대해 정리하였다. 각각의 재료들은 세포지지체가 사용되는 곳 마다 각기 다른방법으로 제작되고, 필요에 의해 두 가지 이상의 재료들을 혼합하여 요구하는 기계적 특성을 얻을 수 있었다. 이 논문에 저술된 재료들은 지극히 국한적이지만, 세포지지체에 관한 연구를 하는 연구원들에게 이 논문의 내용이 앞으로 제작하고 연구되는 세포지지체에 작은 도움이 되길바란다.
만약에 폼 샘플의 표면이 하중의 압력에 의해 약간 어긋나 있어서, 큰 응력 집중이 전단으로 바꿀 수있는 국부적 버클링(buckling)을 야기시킬 수 있고, 결과적으로 Young’s modulus와 강도를 과소평가했음을 기록했다.

후속연구

각각의 재료들은 세포지지체가 사용되는 곳 마다 각기 다른방법으로 제작되고, 필요에 의해 두 가지 이상의 재료들을 혼합하여 요구하는 기계적 특성을 얻을 수 있었다. 이 논문에 저술된 재료들은 지극히 국한적이지만, 세포지지체에 관한 연구를 하는 연구원들에게 이 논문의 내용이 앞으로 제작하고 연구되는 세포지지체에 작은 도움이 되길바란다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세포지지체 제작에서 많이 사용되는 금속은?	또한, 동일한 재료를 사용하여 세포지지체를 제작하더라도, 제작하는 방법에 따라 기계적 특성이 달라지기도 한다. 세포지지체 제작에서 많이 사용되는 금속으로는 티타늄(titanium), 마그네슘-칼슘 합금(Mg/Ca alloy) 등이 있으며, 세라믹으로는 하이드록시아파타이트(HA: hydroxyapatite), 트리 칼슘포스페이트(TCP: Tri-Calcium Phosphate), 칼슘 메타포스페이트(CMP: Calcium Metaphosphate) 등이 있다. 금속과 세라믹으로 제작된 세포지지체는 기계적 특성이 좋기 때문에 비교적 강성이 많이 요구되는 골 재생용 세포지지체로 많이 사용된다.
	굽힘강성 테스트의 단계별 실험결과는?	이 과정을 반복하면서 압축- 인장 곡선이 들쭉날쭉한 지그재그 형태로 나타난다. 단계 1에서, 인장-압축 곡선은 최대응력에 도달할 때까지 증가한다. 이 최대응력은 폼의 지주를 부러뜨리고, 결과적으로 응력-변형률 곡선이 단계 2에서 감소하게 된다. 단계 3에서, 부러진 폼은 응력이 증가했을 때, 전형적으로 압축상태에 놓이게 되면서 폼의 밀도가 증가하게 된다. 압축테스트를 수행하는 동안 시편에 end effect에 의해 생기는 전단이 빈번하게 나타난다.
	세포지지체 제작에 사용되는 재료는?	세포지지체의 제작에 사용되는 재료들은 크게 금속 (metal), 세 라 믹(ceramic), 천연고분자(natural polymer), 합성고분자(synthetic polymer)로 분류할 수 있다. 이 재료들은 사용하고자 하는 세포/조직의 특성 또는 기계적/화학적 특성에 따라, 한 가지 또는 그 이상의 재료들을 합성하여 세포지지체를 만드는데 사용되고 있다.

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