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조직공학용 전기방사 나노섬유 지지체 제조방법 원문보기

기계저널 : 大韓機械學會誌, v.55 no.11, 2015년, pp.34 - 39  

박석희 (한국생산기술연구원 마이크로나노공정그룹) ,  고웅현 (한국과학기술원 기계공학과) ,  신현정 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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이 글에서는 나노스케일의 직경을 갖는 섬유를 빠른 생산속도로 제작할 수 있는 전기방사공정(electrospinning process)에 대한 개요와 조직공학용 지지체(tissue engineering scaffold)로의 응용을 위한 제조방법에 대해 소개하고자 한다. 세포의 증식, 분화 등의 생물학적 활동에 기반한 조직공학 및 조직재생 분야에서는 일시적 또는 영구적으로 세포가 부착하여 생장할 수 있는 지지체(scaffold)의 활용이 필수적이다. 세포가 이상적으로 성장할 수 있는 지지체를 제작하기 위해서는 세포의 부착 특성, 화학적/물리적/구조적 성장 환경 등이 고려되어야 한다. 따라서 이상적인 세포 성장 환경을 구현하기 위해 실제 세포 주변의 미세환경(microenvironmenr)조건을 모사하는 연구가 많이 이루어지고 있다. 세포외기질(extracellular matrix)이라고 하는 나노크기의 직경을 갖는 섬유기반의 세포 주변 환경을 모사하는 방법의 하나로 전기방사 공정이 '90년대에 들어 활용되기 시작하였다. 현재까지도 전기방사를 이용하여 제작되는 나노섬유는 공정조건 및 재료를 다양하게 응용하여 조직의 물리 화학적 특성을 잘 반영할 수 있는 장점이 있어 조직공학용 지지체로서 광범위하게 활용되고 있다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 사용하고자 하는 소재를 적절하게 용해할 수 있고 용액의 유전특성을 일정 이상인 전제하에 거의 대부분의 생체적합성 고분자를 활용할 수 있다. 이 글에서는 조직공학에의 직접 응용이 용이한 주로 생체적합성 재료를 활용한 나노섬유 지지체 제작에 초점을 두고자 한다.

가설 설정

  • 가) 복합재질 나노섬유 : 앞서 전기방사 소재는 두 가지 이상의 소재를 하나의 용액으로 혼합하여 활용할 수 있다고 언급하였다. 이러한 방법과는 별도로 방사노즐을 복수로 구성함으로써 결과물 나노섬유를 복합재질로 구현할 수 있다.
  • 나) 정렬구조 나노섬유 : 전기방사 공정은 강한 전기장에서 구동하는 특징에 의해 나노섬유 포집방향이 매우 불규칙하다. 최근 나노섬유의 방향을 제어하는 연구가 다양한 방법으로 진행되어 왔다.
  • 다) 직접쓰기(direct writing) 기반 나노섬유 : 액적의 끝단에서 생성되는 제트는 일정 거리까지는 노즐 방향과 일치하여 안정적으로 진행한다. 액적의 메니스커스를 균일하게 조절하고 수집기 표면을 액적의 위치에 밀착시켜 전압을 가하게 되면, 수직방향으로 안정적인 제트를 분사시킬 수 있다.
  • 라) 3차원 구조 결합 나노섬유 : 전기방사 나노섬유의 경우 섬유자체의 얇은 구조적 특징으로 인하여 일정두께 이상의 3차원 형태의 지지체 제작이 어렵고, 세포 및 영양분이 드나들 수 있는 공간이 매우 협소하게 된다. 이를 해소하기 위하여 3차원 프린트 구조물과 결합되어 활용한 사례들이 보고되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
조직공학용 지지체의 역할은 무엇인가? 이 글에서는 나노스케일의 직경을 갖는 섬유를 빠른 생산속도로 제작할 수 있는 전기방사공정(electrospinning process)에 대한 개요와 조직공학용 지지체(tissue engineering scaffold)로의 응용을 위한 제조방법에 대해 소개하고자 한다. 세포의 증식, 분화 등의 생물학적 활동에 기반한 조직공학 및 조직재생 분야에서는 일시적 또는 영구적으로 세포가 부착하여 생장할 수 있는 지지체(scaffold)의 활용이 필수적이다. 세포가 이상적으로 성장할 수 있는 지지체를 제작하기 위해서는 세포의 부착 특성, 화학적/물리적/구조적 성장 환경 등이 고려되어야 한다.
전기방사 공정은 장점을 활용하여 어떤 분야에 활용되는가? 이후 추가 이론적/실험적 검증이 이루어졌고, 1900년대 초반에 들어 Cooley, Formhals 등은 전기분무(electrospraying), 전기방사(electrospinning) 기술에 대해 각각 특허를 확보하였다. 현재까지 전기방사 공정은 나노스케일의 직경을 갖는 섬유를 다량으로 빠르게 제작할 수 있는 장점을 활용하여 섬유공학 분야 이외에도 필터, 촉매, 복합재료, 센서, 조직공학용 지지체 등의 다양한 분야에 활용되어지고 있다.
유기용매가 필요한 합성 생분해성 고 분 자 사용 시 인체에 좋지않은 영향을 줄 수 있는데, 이를 해결하기위한 방안은 무엇인가? 그러나 대부분의 유기용매가 인체에 좋지 않은 영향을 주므로 공정에 적절한 환기시설을 필요로 하며, 전기방사 결과물에도 잔여 독성물질에 대한 우려가 있을 수 있다. 폴리에틸렌 옥사이드(PEO: Polyethylene oxide), 폴리 비닐알콜 (PVA: polyvinyl alcohol)와 같은 수용성 고분 자를 전기방사로 시도하면서 이러한 유기용매의 사용을 우회하려는 시도도 이루어지고 있다. 생체친화성을 높이기 위한 노력으로서 자연 또는 체내에서 유래된 고분자를 기존의 합성고분자에 일정량 혼합하여 사용하 거나 자연 고분자만으로 나노섬유를 제조하려는 연구도 이루어졌다.
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