[논문]열 용해 적층법과 염 침출법을 이용한 3 차원 이중 공 인공지지체 제작에 관한 연구

심해리; 김종영

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.12.1229

[국내논문] 열 용해 적층법과 염 침출법을 이용한 3 차원 이중 공 인공지지체 제작에 관한 연구
A Study on Fabrication of 3D Dual Pore Scaffold by Fused Deposition Modeling and Salt-Leaching Method 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.12, 2015년, pp.1229 - 1235

초록
AI-Helper

3D 프린터를 이한 인공지지체 제작 기술은 손상된 골 조직 재생을 위해 개발되고 있다. 골 조직 재생에 적하기 위해 인공지지체는 생체적합성, 생분해성 그리고 적절한 기계적 특성을 지녀야 하며, 분한 양의 공극과 내부 연결성을 지닌 구조로 제작되어야 한다. 본 연구에서는 3 차원 이중 공극 인공지지체를 제작하기 위해서 열 해 적층법(fused deposition modeling, FDM) 기반의 폴리머 적층 시스템을 이하였다. 사된 재료는 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL)과 알긴산 나트륨(sodium alginate, SA)이다. 제작된 3 차원 형상의 인공지지체에 이중 공극을 갖기 위해 염 침출법을 이하였다. 완성된 인공지지체는 주사 전자 현미경과 X 선 검출 분광기(scanning electron microscope-energy dispersive spectroscopy, SEM-EDS)를 통해 관찰하였으며, MG-63 세포를 이하여 in-vitro 평가를 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Scaffold fabrication technology using a 3D printer was developed for damaged bone tissue regeneration. A scaffold for bone tissue regeneration application should be biocompatible, biodegradable, and have an adequate mechanical strength. Moreover, the scaffold should have pores of satisfactory quantity and interconnection. In this study, we used the polymer deposition system (PDS) based on fused deposition modeling (FDM) to fabricate a 3D scaffold. The materials used were polycaprolactone (PCL) and alginic acid sodium salt (sodium alginate, SA). The salt-leaching method was used to fabricate dual pores on the 3D scaffold. The 3D scaffold with dual pores was observed using SEM-EDS (scanning electron microscope-energy dispersive spectroscopy) and evaluated through in-vitro tests using MG63 cells.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 이러한 3D 프린터 기술을 이용한 FDM 기반의 폴리머 적층 시스템(polymer deposition system, PDS)과 염 침출법(salt-leaching)을 접목 시켜 3 차원 이중 공극 인공지지체를 제작하고자 한다. 이중 공극을 갖는 인공지지체는 규칙적인 공극패턴으로 우수한 내부연결성과, 크고 작은 공극으로 인해, 인공지지체에 부착된 세포에 산소와 영양분 등의 전달이 원활하게 이루어질 수 있다.

제안 방법

골 조직 재생을 위한 3 차원 이중 공극 인공지지체를 열 용해 적층법 기반의 PDS 와 염 침출법을 활용하여 제작하였다. 본 연구에서 3 차원 이중 공극 인공지지체를 제작하기에 앞서, 적절한 혼합비율을 찾기 위해 PCL 과 SA 를 각 SA( 10 wt%)/PCL(90 wt%), SA(30 wt%)/PCL(70 wt%) 그리고 SA(50 wt%)/PCL(50 wt%)의 비율로 혼합한 후, 덩어리 형태로 제작하여 실험을 수행하였다. 혼합 덩어리는 100˚C 의 Hot plate 위에서 PCL 과 SA 를 혼합하여 실온에서 굳혔다.

대상 데이터

3 차원 이중 공극 인공지지체를 제작하기 위해서 본 연구에서는 polycaprolactone(PCL, Mn 43,000-50,000, polysciences, Inc., UK)와 alginic acid sodium salt(sodium alginate(SA), Sigma-Aldrich Co., USA) 두 가지 재료를 혼합하여 사용하였다. 본 연구에서 사용된 SA 의 입자는 평균 420 µm 크기를 가진다.
, USA) 두 가지 재료를 혼합하여 사용하였다. 본 연구에서 사용된 SA 의 입자는 평균 420 µm 크기를 가진다. 인공지지체 제작을 위해 사용된 노즐의 크기는 500 µm 이다. PCL 과 SA 혼합물을 분사하기에는 SA 의 입자가 커서 분출이 쉽지 않았다.

데이터처리

3 차원 이중 공극 인공지지체를 제작한 후, 인공지지체에 형성된 공극의 형태와 SA 가 잘 제거되었는지 관찰하기 위해 SEM-EDS 를 이용하였다. 분석하기에 앞서, 폴리머 재료인 인공지지체를 50 s 동안 Au 코팅 후 관찰하였다.

이론/모형

골 조직 재생을 위한 인공지지체 제작을 위해, 3D 프린터 기술을 이용한 인공지지체 제작 방법 중 하나인 열 용해 적층법 기반으로 개발된 폴리머 적층 시스템(PDS)을 사용하였다. Fig.

성능/효과

3 차원 이중 공극 인공지지체의 제작공정은 여러 기초 실험을 통해 공정조건을 확립하였으며, SEM-EDS 을 통해 결과를 관찰하였다. PDS 로 제작된 공극 패턴과 염 침출법에 의해 생긴 공극들이 이중 공극 구조를 형성하여 잘 제작된 것을 확인할 수 있었다. 제작된 3 차원 이중 공극 인공지지체의 세포 증식 평가에서는 4 일, 7 일로 진행될수록, 단일 공극 구조인 PCL 인공지지체보다 증식이 더 잘 되는 것을 확인할 수 있었다.
제작된 3 차원 이중 공극 인공지지체의 세포 증식 평가에서는 4 일, 7 일로 진행될수록, 단일 공극 구조인 PCL 인공지지체보다 증식이 더 잘 되는 것을 확인할 수 있었다. 이중 공극 구조가 세포 증식에 좋은 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 향후 3 차원 이중 공극 인공지지체 제작의 공정을 보완하여 세포 부착율을 높이는 추가적인 연구가 필요하겠지만, 이러한 이중 공극 인공지지체를 제작하는 방법이 손상된 골 조직 재생에 더욱 유용한 제조방법으로 적용할 수 있을 것으로 예상된다.
PDS 로 제작된 공극 패턴과 염 침출법에 의해 생긴 공극들이 이중 공극 구조를 형성하여 잘 제작된 것을 확인할 수 있었다. 제작된 3 차원 이중 공극 인공지지체의 세포 증식 평가에서는 4 일, 7 일로 진행될수록, 단일 공극 구조인 PCL 인공지지체보다 증식이 더 잘 되는 것을 확인할 수 있었다. 이중 공극 구조가 세포 증식에 좋은 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이중 공극 구조가 세포 증식에 좋은 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 향후 3 차원 이중 공극 인공지지체 제작의 공정을 보완하여 세포 부착율을 높이는 추가적인 연구가 필요하겠지만, 이러한 이중 공극 인공지지체를 제작하는 방법이 손상된 골 조직 재생에 더욱 유용한 제조방법으로 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조직공학에서 연구되는것은 무엇인가?	조직공학(tissue engineering) 학문에서는 손상된 장기, 피부, 그리고 골의 재생을 위한 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 인공지지체를 이용하여 손상된 골 조직을 재생 하려는 연구가 활발하다.
	조직공학에서 3D 프린터 기술을 이용하는 방법에는 무엇이 있는가?	최근 3D 프린터를 이용한 가공이 많이 활용됨에 따라, 조직공학에서 3D 프린터 기술을 이용하여 인공지지체를 제작하는 기술들이 많이 개발되고 있다. (10) 열 용해 적층법(fused deposition modeling, FDM), 선택적 레이저 소결법(selective laser sintering, SLS), 광 조형 법(stereolithography, SLA)등의 다양한 방법들로 3 차원 형태를 지닌 인공지지체를 제작하고 있다. (11~13)이러한 자유 형상 제작 기반의 기술들은 제작 공간 위에 아래층 단면부터 순차적으로 적층함으로써 3 차원 인공지지체를 보다 쉽게 제작할 수 있다.
	인공지지체는 재료는 어떤 조건을 만족해야 하는가?	그 중에서도 인공지지체를 이용하여 손상된 골 조직을 재생 하려는 연구가 활발하다. (1,2) 골 조직을 대신하는 역할인 인공지지체는 생체적합성(biocompatibility)과 생분해성(biodegradability)의 조건을 만족하는 재료로 제작되어야 한다. 또한 인공지지체 내에 세포가 부착, 증식 그리고 분화가 잘 이루어져야 되고 이를 만족시키기 위해 내부 연결성이 좋은 다공성 구조로 제작되어야 한다.

참고문헌 (20)

Bonassar, L. J. and Vacanti, C. A., 1998, "Tissue Engineering: The First Decade and Beyond," Journal of Cellular Biochemistry, Vol. 72, No. 30-31, pp. 297-303.
Cancedda, R., Dozin, B., Giannoni, P. and Quarto, R., 2003, "Tissue Engineering and Cell Therapy of Cartilage and Bone," Matrix Biology, Vol. 22, No. 1, pp. 81-91.

상세보기
Vats, A., Tolley, N. S., Polak, J. M. and Gough, J. E., 2003, "Scaffolds and Biomaterials for Tissue Engineering: are View of Clinical Applications," Clinical Otolaryngology and Alliend Sciences, Vol. 28, No. 3, pp.165-172.

상세보기
Moutos, F. T., Freed, L. E. and Guilak, F., 2007, "A Biomimetic Three-dimensional Woven Composite Scaffold for Functional Tissue Engineering of Cartilage," Nature Materials, Vol. 6, pp. 162-167.

상세보기
Uchida, T., Ikeda, S., Oura, H., Tada, M., Nakano, T., Fukuda, T., Matsuda, T., Negoro, M. and Arai, F., 2008, "Development of Biodegradable Scaffolds based on Patient-specific Arterial Configuration," Journal of Biotechnology, Vol. 133, No. 2, pp. 213-218.

상세보기
Lee, S. B., Kim, Y. H., Chong, M. S., Hong, S. H. and Lee, Y. M., 2005, "Study of Gelatin-containing Artificial Skin V: Fabrication of Gelatin Scaffolds using a SA-leaching Method," Biomaterials, Vol. 26, No. 14, pp. 1961-1968.

상세보기
Cho, Y. S., Kim, B. S., You, H. K. and Cho, Y. S., 2014, "A Novel Technique for Scaffold Fabrication: SLUP (salt leaching using powder)," Current Applied Physics, Vol. 14, No. 3, pp. 371-377.

상세보기
Kim, H. J., Park, I. K., Kim, J. H., Cho, C. S. and Kim, M. S., 2012, "Gas Foaming Fabrication of Porous Biphasic Calcium Phosphate for Bone Regeneration," Tissue Engineering and Regenerative Medicine, Vol. 9, No. 2, pp. 63-68.

상세보기
Ramay, H. R. and Zhang, M., 2003, "Preparation of Porous Hydroxyapatite Scaffolds by Combination of the Gel-casting and Polymer Sponge Methods," Biomaterials, Vol. 24, No. 19, pp. 3293-3302.

상세보기
Lee, J. W., Kim, J. Y. and Cho, D. W., 2010, "Solid Free-form Fabrication Technology and Its Application to Bone Tissue Engineering," International Journal of Stem Cells, Vol. 3, No. 2, pp. 85-95.

상세보기
Ha, S. W. and Kim, J. Y., 2014, "Fabrication and Evaluation of Hybrid Scaffold by Nano-Micro Precision Deposition System," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 38, No.8, pp. 875-880.

원문보기 상세보기
Ahn, S.H., Koh, Y. H. and Kim, G. H., 2010, "A three-dimensional Hierarchical Collagen Scaffolds Fabricated by a Combined Solid Freeform Fabrication (SFF) and Electrospinning Process to Enhance Mesenchymal Stem Cell (MSC) Proliferation," Journal of Micromechanice Microengineering, Vol. 20, No. 6, pp. 1-7.
Olakanmi, E. O., 2013, "Selective Laser Sintering /Melting (SLS/SLM) of Pure Al, Al-Mg, and Al-Si Powders: Effect of Processing Conditions and Powder Properties," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 213, No. 8, pp. 1387-1405.

상세보기
Sa, M. W. and Kim, J. Y., 2013, "Effect of Various Blending Ratios on the Cell Characteristics of PCL and PLGA Scaffolds Fabricated by Polymer Deposition System," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 14, No. 4, pp. 649-655.

원문보기 상세보기
Cho, Y. S., Hong, M. W., Kim, S. Y., Lee, S. J., Lee, J. H., Kim, Y. Y. and Cho, Y. S., 2014, "Fabrication of Dual-pore Scaffolds using SLUP (Salt leaching using powder) and WNM (wire-network molding) Techniques," Materials Science and Engineering C, Vol. 45, pp. 546-555.

상세보기
Baek, S. K., 2012, "Bone Regeneration with Polycaprolactone Scaffold Synthesized with the Combination of RP Method and Salt leaching," D.D.S., Graduate School of Clinical Dentistry, Korea University.
Martina, M. and Hutmacher, D. W., 2007, "Biodegradable Polymers Applied in Tissue Engineering Research: a Review," Polymer International, Vol. 56, No. 2, pp. 145-157.

상세보기
Wang, L., Shelton, R. M., Cooper, P. R., Lawson, M., Triffitt, J. T. and Barralet, J. E., 2003, "Evaluation of Sodium Alginate for Bone Marrow Cell Tissue Engineering," Biomaterials, Vol. 24, No. 20, pp. 3475-3481.

상세보기
Park, K. E., Park, S. A., Kim, G. H. and Kim, W. D., 2008, "Preparation and Characterization of Sodium Alginate/PEO and Sodium Alginate/PVA Nanofiber," Polymer(Korea), Vol. 32, No. 3, pp. 206-212.
Lee, D.G., Lee, G. H., Jang, K. H., Chae, H. J. and Moon, J. D., 2012, "A Suspicious Case of Chloroform Induced Acute Toxic Hepatitis in Laboratory Worker," Korean Journal of Occupational Environmental Medicine, Vol. 24, No. 3, pp. 304-310.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증