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문제 정의
- 향후 3차원 다공성 인공지지체의 제작 공정을 보완하여 더 많은 공극을 갖는 인공지지체를 제작하는 연구를 수행할 계획이다. 기계적 특성은 지금의 강도를 유지하는 선에서 세포 부착율을 높일 수 있는 방안으로 인공지지체를 제작하여 기존의 방법으로 제작된 인공지지체와 비교하는 연구를 수행하고자 한다.
- 본 연구에서 제작된 3차원 다공성 인공지지체가 골과 유사한 강도를 지니는지 확인하기 위해 기계적 강도 평가를 실시하였다.
- 본 연구에서는 골 조직 재생을 위해 다공성 인공지지체를 제작할 수 있는 염 침출법과 그 단점을 보완하여 공극끼리의 상호연결성을 높여 줄 수 있는 3D 프린팅 기술을 접목시켜 3차원 다공성 인공지지체를 제작하고자 한다. FDM 기반의 폴리머 적층 시스템(polymer deposition system, PDS)[20]을 사용하여 규칙적인 공극 패턴을 가지는 3차원 형상을 제작하고, 그 후에 염 침출법으로 다양한 공극 크기를 가질 수 있도록 제작한다.
- 본 연구에서는 손상된 골 조직을 재생하기 위하여 열 용해 적층법 기반의 PDS와 염 침출법을 결합하여 3차원 다공성 인공지지체를 제작하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 2. 골 조직을 대체하기에 적합한지 확인하기 위해 기계적 강도 평가와 세포 증식 평가를 수행하였다. 그 결과 제작된 인공지지체는 인체의 해면골의 강도인 4~12 MPa에 포함되는 강도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 골 조직 재생을 위해 다공성 인공지지체를 제작할 수 있는 염 침출법과 그 단점을 보완하여 공극끼리의 상호연결성을 높여 줄 수 있는 3D 프린팅 기술을 접목시켜 3차원 다공성 인공지지체를 제작하고자 한다. FDM 기반의 폴리머 적층 시스템(polymer deposition system, PDS)[20]을 사용하여 규칙적인 공극 패턴을 가지는 3차원 형상을 제작하고, 그 후에 염 침출법으로 다양한 공극 크기를 가질 수 있도록 제작한다. 이러한 다공성 구조로 인해 주변으로부터 산소와 영양분 전달이 용이해질 것으로 판단된다.
- PDS에 의해 제작된 인공지지체를 45℃의 증류수가 들어있는 초음파 세척기에 3시간 동안 염 침출법 공정을 수행한 후, 24시간 동안 30℃의 오븐(OF-12, JEIO Tech., Korea)에서 건조 시켰다(Table 2). 재료혼합 비율에 있어서 NaCl 의 함유량이 30 wt%보다 적으면 다공성 구조로 제작이 어렵고, 50 wt%보다 많을 경우 재료의 분사가 잘 이루어지지 않아 적층하는데 어려움이 있다.
- 흰색 파우더 형태의 NaCl은 염 침출법을 이용한 인공지지체 제작에 가장 널리 사용되는 재료로써 독성이 없고 세포 증식 실험에 적합하다.[23] 인공지지체를 제작함에 있어 적합한 필요조건을 갖춘 두 재료를 혼합하여 3차원 다공성 인공지지체를 제작하였다.
- [24] 배양된 세포를 세척이 끝난 인공지지체에 1×105 cells씩 골고루 파종한 후 1, 3, 5 그리고 7일 동안 세포 증식을 관찰하였다.
- 각각의 비율로 혼합된 인공지지체를 각각 3개씩 준비하여 압축 시험기(JSV H1000, JISC, Japan)로 하중 속도를 1 mm/min을 주어 실험을 수행하였다. 얻어진 값으로 평균값을 계산하여 응력-변형률 곡선을 그린 후 압축 강도와 압축 탄성계수를 계산하였다(Fig.
- 재료 혼합비율은 PCL(70 wt%)/NaCl (30 wt%)과 PCL(50 wt%)/NaCl(50 wt%)로 설정하여 인공지지체를 제작하였다. 또한 다공성 구조의 효과를 관찰하기 위해 PCL로만 제작된 인공지지체와 비교하였다.
- 또한, 골 조직 재생에 적합한지를 평가하기 위해 기계적 강도 평가와 in-vitro 세포 부착 및 증식 평가를 수행하였다.
- 본 시스템은 X, Y, 그리고 Z축(head axis)에 정밀모션 제어 시스템이 적용되어 있으며, Z축에 디스펜서(Super ΣEX-V7, Musashi, Japan)와 서모 마스터(TCU-02, Musashi, Japan)가 연결되어 있어 압력과 온도의 제어가 가능하다.
- 2에 나타내었다. 우선 pellet 형태의 PCL과 체에 걸러진 NaCl을 100℃의 hot plate위에서 혼합한 후, syringe에 넣어 PDS을 이용하여 3차원 형상의 인공지지체를 제작하였다. 이때 X, Y축의 이송 속도는 평균 200 mm/min, Z축의 재료분사 압력은 평균 500 kPa를 주어 제작하였다.
- 제작된 3차원 다공성 인공지지체의 공극률을 계산하여 비교해보았다.[25] 그 계산식은 Eq.
- 제작된 3차원 다공성 인공지지체의 형상과 공극의 형태를 관찰하기 위해 주사 전자 현미경을 이용하였다. 폴리머 재료인 인공지지체를 50 s동안 Au코팅 후에 20 kV의 가속 전압을 주어 관찰하였다.
- 제작된 3차원 다공성 인공지지체의 형상과 공극의 형태를 관찰하기 위해 주사 전자 현미경을 이용하였다. 폴리머 재료인 인공지지체를 50 s동안 Au코팅 후에 20 kV의 가속 전압을 주어 관찰하였다. Fig.
대상 데이터
- 3차원 다공성 인공지지체를 제작하기 위해 폴리 카프로락톤(polycarprolactone(PCL), Mn 43,000-50,000, polysciences, Inc., UK)과 염화나트륨(sodium chloride (NaCl), Sigma-aldrich Co., USA) 두 가지 재료를 혼합하여 사용하였다. 합성고분자 생채재료인 PCL은 조직 공학 분야에서 가장 널리 사용되는 생체 재료로써 생체 적합성과 생분해성을 띄고 있다.
- 제작된 3차원 다공성 인공지지체는 70 %의 에탄올에 넣어 클린벤치에서 자외선 소독하였고, PBS(phosphate buffered saline, HyClone®, Thermo scientific, USA)를 이용하여 세척하였다. 세포 배양액으로는 450 ml DMEM(D-minimum essential medium/high glucose, HyClone, Logan, UT, USA)에 50 ml FBS(fetal bovine serum, Gibco, Rockville, MD, USA) 그리고 5 ml 페니실린(penicillin streptomycin, Sigma, St. Louis, USA)을 혼합하여 사용하였다.[24] 배양된 세포를 세척이 끝난 인공지지체에 1×105 cells씩 골고루 파종한 후 1, 3, 5 그리고 7일 동안 세포 증식을 관찰하였다.
- 손상된 골 조직에 효과적인지 평가하기 위하여 human osteosarcoma(MG-63) cell을 이용하였다. 제작된 3차원 다공성 인공지지체는 70 %의 에탄올에 넣어 클린벤치에서 자외선 소독하였고, PBS(phosphate buffered saline, HyClone®, Thermo scientific, USA)를 이용하여 세척하였다.
- 재료혼합 비율에 있어서 NaCl 의 함유량이 30 wt%보다 적으면 다공성 구조로 제작이 어렵고, 50 wt%보다 많을 경우 재료의 분사가 잘 이루어지지 않아 적층하는데 어려움이 있다. 재료 혼합비율은 PCL(70 wt%)/NaCl (30 wt%)과 PCL(50 wt%)/NaCl(50 wt%)로 설정하여 인공지지체를 제작하였다. 또한 다공성 구조의 효과를 관찰하기 위해 PCL로만 제작된 인공지지체와 비교하였다.
데이터처리
- 각각의 비율로 혼합된 인공지지체를 각각 3개씩 준비하여 압축 시험기(JSV H1000, JISC, Japan)로 하중 속도를 1 mm/min을 주어 실험을 수행하였다. 얻어진 값으로 평균값을 계산하여 응력-변형률 곡선을 그린 후 압축 강도와 압축 탄성계수를 계산하였다(Fig. 4). PCL 인공지지체의 기계적 강도가 7.
이론/모형
- 이러한 다공성 구조로 인해 주변으로부터 산소와 영양분 전달이 용이해질 것으로 판단된다.[21] 제작된 3차원 다공성 인공지지체의 형상을 관찰하기 위해 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy (SEM), Tescan VEGA II LMU, Czech)이 이용되었다. 또한, 골 조직 재생에 적합한지를 평가하기 위해 기계적 강도 평가와 in-vitro 세포 부착 및 증식 평가를 수행하였다.
- 손상된 골 조직을 대체하기 위한 3차원 다공성 인공지지체 제작을 위해 열 용해 적층법 기반으로 개발된 PDS를 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 1. 제작된 3차원 다공성 인공지지체는 SEM 분석 결과 PDS에 의해 상호연결성이 좋은 공극을 갖는 것을 확인할 수 있었고, 염 침출법에 의해 그 선폭 위에 크고 작은 공극들이 생겨 다공성 구조를 이루는 것을 관찰할 수 있었다.
- 3은 PCL, PCL(70 wt%)/NaCl(30 wt%) 그리고 PCL(50 wt%)/NaCl(50 wt%) 인공지지체의 SEM 사진을 보여 주고 있다. 3차원 형상으로 잘 제작된 것을 확인할 수 있었고, 그 선폭을 확대하여 관찰해보면 염 침출법에 의해 작은 공극들이 생성된 것을 관찰할 수 있었다. 또, 인공지지체의 단면을 잘라 관찰했을 때 공극이 생성된 것을 확인할 수 있었다.
- PCL 인공지지체의 공극률은 약 36.9%, PCL(70 wt%)/NaCl(30 wt%)인공지지체는 약 66.9 %, PCL(50 wt%)/NaCl(50 wt%) 인공지지체는 약 82.9 %의 공극률로 계산을 통해 얻을 수 있었다. 인공지지체 내에 NaCl의 함유량이 많을수록 공극률이 높게 나타났다.
- 4). PCL 인공지지체의 기계적 강도가 7.2 MPa로 우수하게 나타났고, 그 다음으로 PCL(70 wt%)/NaCl(30 wt%)인공지지체가 4.8 MPa, PCL(50 wt%)/NaCl(50 wt%)인공지지체가 4.3 MPa로 나타났다(Table 3). 제작된 인공지지체는 NaCl의 함유량이 많을수록 강도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 골 조직을 대체하기에 적합한지 확인하기 위해 기계적 강도 평가와 세포 증식 평가를 수행하였다. 그 결과 제작된 인공지지체는 인체의 해면골의 강도인 4~12 MPa에 포함되는 강도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또, 세포 증식 평가를 통해 다공성 구조를 갖는 인공지지체가 세포 증식에 더 좋은 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.
- D(optical density) 값은 PCL 인공지지체보다 거의 유사하거나 조금 더 높은 값을 보였다. 기존의 유사한 연구 결과와 같이[21,25] 제작된 인공지지체가 다공성 구조를 형성하면서 세포의 부착율을 크게 증가시킬 것으로 예상했지만, 본 연구에서는 큰 차이를 나타내지는 않았다. 하지만 5일차, 7일차로 진행될수록 3차원 다공성 인공지지체들의 O.
- 그 결과 제작된 인공지지체는 인체의 해면골의 강도인 4~12 MPa에 포함되는 강도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또, 세포 증식 평가를 통해 다공성 구조를 갖는 인공지지체가 세포 증식에 더 좋은 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.
- 3차원 형상으로 잘 제작된 것을 확인할 수 있었고, 그 선폭을 확대하여 관찰해보면 염 침출법에 의해 작은 공극들이 생성된 것을 관찰할 수 있었다. 또, 인공지지체의 단면을 잘라 관찰했을 때 공극이 생성된 것을 확인할 수 있었다.
- 3 MPa로 나타났다(Table 3). 제작된 인공지지체는 NaCl의 함유량이 많을수록 강도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 인공지지체 내에 NaCl이 염 침출법 공정으로 제거되어 다공성 구조로 형성되면서 강도가 약해졌다.
후속연구
- 본 연구에서 사용된 노즐의 내경은 500 μm로서, 평균 500 μm입자크기를 갖는 NaCl의 혼합물을 분사하기에는 어려움이 있었다.
- 향후 3차원 다공성 인공지지체의 제작 공정을 보완하여 더 많은 공극을 갖는 인공지지체를 제작하는 연구를 수행할 계획이다. 기계적 특성은 지금의 강도를 유지하는 선에서 세포 부착율을 높일 수 있는 방안으로 인공지지체를 제작하여 기존의 방법으로 제작된 인공지지체와 비교하는 연구를 수행하고자 한다.
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