압출 적층 조형법과 입자 추출법을 결합한 이중 공극 BCP/Silica 인공지지체의 제작 Fabrication of BCP/Silica Scaffolds with Dual-Pore by Combining Fused Deposition Modeling and the Particle Leaching Method원문보기
조직 공학에서는 전통적인 인공지지체 제작 방식인 가스 발포, 염 침출, 스폰지 복제 그리고 동결주조 법 등이 이용되고 있다. 하지만 다양한 공극 형태 및 크기를 가지고 있어서 세포 상호 작용 효과 및 충분한 기계적 특성에 한계가 있다. 그러나 열 용해 적층 법은 조직공학에서 폴리머 재료를 이용하여 다양한 3차원 인공지지체를 제작할 수 있는 가장 적절한 기술이다. 따라서 본 연구에서는 PCL몰드를 제작하고 실리카와 알긴산 나트륨 염을 포함하는 세라믹 슬러리를 제조하여 몰드에 주입시켰으며, 1일 동안 자연 건조를 시켰다. 제작된 3차원 슬러리 몰드는 PCL 몰드의 제거 및 슬러리를 경화시키기 위해 $100^{\circ}C$의 오븐에서 2시간 열처리 되었고, 열처리 후에 $1100^{\circ}C$에서 소결되었다. 제작된 인공지지체는 주사전자현미경을 통해 관찰되었고, 압축 시험을 통해 알긴산 나트륨 염의 혼합량에 따른 인공지지체의 기계적 특성은 평가되었다.
조직 공학에서는 전통적인 인공지지체 제작 방식인 가스 발포, 염 침출, 스폰지 복제 그리고 동결주조 법 등이 이용되고 있다. 하지만 다양한 공극 형태 및 크기를 가지고 있어서 세포 상호 작용 효과 및 충분한 기계적 특성에 한계가 있다. 그러나 열 용해 적층 법은 조직공학에서 폴리머 재료를 이용하여 다양한 3차원 인공지지체를 제작할 수 있는 가장 적절한 기술이다. 따라서 본 연구에서는 PCL 몰드를 제작하고 실리카와 알긴산 나트륨 염을 포함하는 세라믹 슬러리를 제조하여 몰드에 주입시켰으며, 1일 동안 자연 건조를 시켰다. 제작된 3차원 슬러리 몰드는 PCL 몰드의 제거 및 슬러리를 경화시키기 위해 $100^{\circ}C$의 오븐에서 2시간 열처리 되었고, 열처리 후에 $1100^{\circ}C$에서 소결되었다. 제작된 인공지지체는 주사전자현미경을 통해 관찰되었고, 압축 시험을 통해 알긴산 나트륨 염의 혼합량에 따른 인공지지체의 기계적 특성은 평가되었다.
In recent years, traditional scaffold fabrication techniques such as gas foaming, salt leaching, sponge replica, and freeze casting in tissue engineering have significantly limited sufficient mechanical property and cell interaction effect due to only random pores. Fused deposition modeling is the m...
In recent years, traditional scaffold fabrication techniques such as gas foaming, salt leaching, sponge replica, and freeze casting in tissue engineering have significantly limited sufficient mechanical property and cell interaction effect due to only random pores. Fused deposition modeling is the most apposite technology for fabricating the 3D scaffolds using the polymeric materials in tissue engineering application. In this study, 3D slurry mould was fabricated with a blended biphasic calcium phosphate (BCP)/Silica/Alginic acid sodium salt slurry in PCL mould and heated for two hours at $100^{\circ}C$ to harden the blended slurry. 3D dual-pore BCP/Silica scaffold, composed of macro pores interconnected with micro pores, was successfully fabricated by sintering at furnace of $1100^{\circ}C$. Surface morphology and 3D shape of dual-pore BCP/Silica scaffold from scanning electron microscopy were observed. Also, the mechanical properties of 3D BCP/Silica scaffold, according to blending ratio of alginic acid sodium salt, were evaluated through compression test.
In recent years, traditional scaffold fabrication techniques such as gas foaming, salt leaching, sponge replica, and freeze casting in tissue engineering have significantly limited sufficient mechanical property and cell interaction effect due to only random pores. Fused deposition modeling is the most apposite technology for fabricating the 3D scaffolds using the polymeric materials in tissue engineering application. In this study, 3D slurry mould was fabricated with a blended biphasic calcium phosphate (BCP)/Silica/Alginic acid sodium salt slurry in PCL mould and heated for two hours at $100^{\circ}C$ to harden the blended slurry. 3D dual-pore BCP/Silica scaffold, composed of macro pores interconnected with micro pores, was successfully fabricated by sintering at furnace of $1100^{\circ}C$. Surface morphology and 3D shape of dual-pore BCP/Silica scaffold from scanning electron microscopy were observed. Also, the mechanical properties of 3D BCP/Silica scaffold, according to blending ratio of alginic acid sodium salt, were evaluated through compression test.
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문제 정의
(1) 그래서 이러한 인공지지체를 제작하기 위해 다양한 재료 및 제작 기술을 바탕으로 장점을 부각시킬 수 있는 방안을 모색하고 해결해 나가려고 한다.
BCP/Silica 인공지지체의 기계적 특성을 알아보기 위해 압축 시험을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 새로운 방식으로 압출 적층 조형법과 입자 추출법을 결합하여 이중 공극 BCP/Silica 인공지지체를 제작하는데 성공하였다. 압출적층 조형법을 이용하여 PCL 몰드를 제작하였고, 혼합 슬러리를 제조하여 PCL 몰드에 넣은 후 혼합 슬러리는 경화시키고, PCL 몰드는 제거하는 공정을 수행하였다.
따라서, 본 연구에서는 새로운 제작법인 압출적층 조형(Fused deposition modeling, FDM) 방식의 폴리머 적층 시스템을 이용하여 생분해성 및 생체 적합성의 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL) 몰드를 제작하였다. 추가적으로 BCP/Silica 세라믹 슬러리 속에 알긴산 나트륨 염(Alginic acid sodium salt, Sigma-Aldrich, USA)을 혼합하여 인공지지체 표면에 이중 공극을 만드는 연구를 수행하였다. 오븐에서 열치러 및 소결을 통해 제작된 BCP/Silica 인공지지체는 주사전자현미경을 통해 관찰되었고, 압축 시험기에 의해 기계적 특성을 평가하였다.
제안 방법
(6) Sabree 등은 광조형(stereolithography) 기술을 이용하여 몰드(Mould)를 제작하였고, 70% SiO2-30% CaO2 구성의 Phosphate-free bioactive glass 세라믹 입자와 멸균수 그리고 Dolapix CE64를 이용하여 겔을 제조하였다. 800˚C와 1200˚C에서 각각 소결 후 세라믹 인공지지체를 제작하였고 기계적 특성에 대해 평가하는 연구를 수행하였다.(7) Mohanty 외 연구자들은 압출 적층 조형 방식의 3D 프린터를 이용하여 PVA와 salt-filled PVA 몰드를 제작하였고, polydimethylsiloxane을 멸균수에 담궈 PVA를 제거함으로써 인공지지체를 제작하고 평가하였다.
BCP/Silica 인공지지체의 공극률을 계산하기 위해 우선적으로 겉보기 밀도를 계산하였다. 질량을 측정하기 위해 정밀 저울(DAIHAN, Korea)이 사용되었고, 식 (1)은 겉보기 밀도의 계산식이다.
BCP/Silica 인공지지체의 공극률은 식 (2)에 의해 결정되었다. BCP/Silica 인공지지체의 전체 크기를 측정하기 위해 디지털 버니어 캘리퍼스를 이용하였다. 그리고 나서 공극률은 식 (2)를 이용하여 인공지지체의 전체 부피(V)와 질량(M) 그리고 식 (1)을 통해 얻어진 밀도(ρ)를 통해 계산되었다.
압출적층 조형법을 이용하여 PCL 몰드를 제작하였고, 혼합 슬러리를 제조하여 PCL 몰드에 넣은 후 혼합 슬러리는 경화시키고, PCL 몰드는 제거하는 공정을 수행하였다. 그리고 최종적으로 1100˚C에서 소결하여 BCP/Silica 인공지지체를 제작하였다. 제작된 인공지지체는 이중 공극 기법을 이용하여 공극률을 증가시켰다.
1은 PCL 몰드 및 슬러리 구조물 그리고 인공지지체에 대한 개념에 대해 보여주고 있다. 디자인된 3D 모델의 이송 경로를 폴리머 적층 시스템의 구동 방식에 맞게 CAD 소프트웨어를 이용하여 G-코드 데이터로 작성하여 사용하였다.
따라서, 본 연구에서는 새로운 제작법인 압출적층 조형(Fused deposition modeling, FDM) 방식의 폴리머 적층 시스템을 이용하여 생분해성 및 생체 적합성의 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL) 몰드를 제작하였다. 추가적으로 BCP/Silica 세라믹 슬러리 속에 알긴산 나트륨 염(Alginic acid sodium salt, Sigma-Aldrich, USA)을 혼합하여 인공지지체 표면에 이중 공극을 만드는 연구를 수행하였다.
인공지지체의 탄성계수(E)는 압축 시험 선도로부터 계산되었다. 시험에 대한 평균 값을 구하기 위해 인공지지체의 샘플 개수를 4개씩 동일한 방법으로 수행하였다.
이와 같은 특징은 알긴산 나트륨 염이 혼합물에 많아짐으로 인해 세라믹 입자들 간에 결합이 약해지면서 수축이 잘 이루어지지 않은 것으로 판단되었다. 알긴산 나트륨 염의 혼합량에 따라 인공지지체의 소결 후 공극률은 어떻게 변화되었는지 평가하였다. Table 2는 실험 군마다 제작된 인공지지체의 선 폭, 공극 크기, 수축률 그리고 공극률에 대해 보여주고 있다.
본 연구에서는 새로운 방식으로 압출 적층 조형법과 입자 추출법을 결합하여 이중 공극 BCP/Silica 인공지지체를 제작하는데 성공하였다. 압출적층 조형법을 이용하여 PCL 몰드를 제작하였고, 혼합 슬러리를 제조하여 PCL 몰드에 넣은 후 혼합 슬러리는 경화시키고, PCL 몰드는 제거하는 공정을 수행하였다. 그리고 최종적으로 1100˚C에서 소결하여 BCP/Silica 인공지지체를 제작하였다.
혼합물을 골고루 스파튤라(Spatula)로 골고루 혼합한 다음 50˚C 오븐(Oven, OF-12, JEIO TECH, Korea)에서 10분 동안 열처리 시켰다. 오븐에서 열처리를 수행함으로써 혼합물에 포함된 가스를 제거하고 재료들간의 응집력을 높이기 위한 공정으로 수행되었다. 그 후 한 번 더 혼합물을 골고루 섞어주고 동일한 조건으로 오븐에서 열처리시켜 슬러리를 완성시켰다.
추가적으로 BCP/Silica 세라믹 슬러리 속에 알긴산 나트륨 염(Alginic acid sodium salt, Sigma-Aldrich, USA)을 혼합하여 인공지지체 표면에 이중 공극을 만드는 연구를 수행하였다. 오븐에서 열치러 및 소결을 통해 제작된 BCP/Silica 인공지지체는 주사전자현미경을 통해 관찰되었고, 압축 시험기에 의해 기계적 특성을 평가하였다.
그리고 최종적으로 1100˚C에서 소결하여 BCP/Silica 인공지지체를 제작하였다. 제작된 인공지지체는 이중 공극 기법을 이용하여 공극률을 증가시켰다. 이때 BCP/Silica 인공지지체들 중에서도 알긴산 나트륨 염을 10wt%만 혼합하여 소결 시킨 인공지지체가 다른 인공지지체들보다 압축 강도와 압축 탄성계수가 높게 나타났다.
3 ml의 폴리에틸렌 이민(Polyethylenimine, Sigma-Aldrich, USA)가 이용되었다. 혼합물을 골고루 스파튤라(Spatula)로 골고루 혼합한 다음 50˚C 오븐(Oven, OF-12, JEIO TECH, Korea)에서 10분 동안 열처리 시켰다. 오븐에서 열처리를 수행함으로써 혼합물에 포함된 가스를 제거하고 재료들간의 응집력을 높이기 위한 공정으로 수행되었다.
대상 데이터
그리고 선 폭은 500 µm이고, 공극 크기는 1 mm로 제작되었다.
슬러리를 제조하기 위해 0.8g의 BCP와 0.08g의 Silica가 준비되었다. 알긴산 나트륨 염은 이중 공극을 형성하기 위한 재료로서 세라믹 혼합 비율에 따라 0, 10, 20 그리고 30wt%로 준비되었다.
08g의 Silica가 준비되었다. 알긴산 나트륨 염은 이중 공극을 형성하기 위한 재료로서 세라믹 혼합 비율에 따라 0, 10, 20 그리고 30wt%로 준비되었다. 그 밖에 혼합 재료로는 세라믹 분말을 분산시켜 안정화시키는 분산제(Dispersing agent)로서 0.
이론/모형
3차원 인공지지체의 구조적인 특성과 표면을 관찰하기 위해 주사전자현미경이 사용되었다. SEM 사진을 관찰하기 전에 건조된 인공지지체는 Au 코팅되었고 20 kV의 가속 전압에서 측정되었다.
BCP/Silica 인공지지체의 공극률을 계산하기 위해 우선적으로 겉보기 밀도를 계산하였다. 질량을 측정하기 위해 정밀 저울(DAIHAN, Korea)이 사용되었고, 식 (1)은 겉보기 밀도의 계산식이다. 겉보기 밀도는 인공지지체의 질량(Sm)과 부피(Sv)의 관계에 의해 결정되었다.
성능/효과
알긴산 나트륨 염이 없을 때 보다 10wt% 있을 때 좋은 기계적 특성을 보인 것은 그 재료의 용도에 있어서 증점안정제(Thickening agent)로 점착성과 점도를 필요로 하는 식품에 첨가하는 것으로 식품에 안정성을 주기 위한 것으로 이용되고 있기 때문이다. 그래서 10wt%의 알긴산 나트륨 염은 세라믹 인공지지체의 결합력을 증가시켜주는 역할을 하는 특성을 나타내었으며 동시에 기계적 특성까지 향상시켜주는 역할을 한 것으로 사료되었다.(13)
이때 BCP/Silica 인공지지체들 중에서도 알긴산 나트륨 염을 10wt%만 혼합하여 소결 시킨 인공지지체가 다른 인공지지체들보다 압축 강도와 압축 탄성계수가 높게 나타났다. 그래서 알긴산 나트륨 염을 슬러리에 혼합시켜 이중공극을 만드는 것은 공극률을 높일 뿐만 아니라 기계적 특성을 향상시키는 장점을 가졌다고 판단되었다. 앞으로 계속해서 골 조직 재생에 더욱 효과적인 인공지지체가 될 수 있도록 in-vitro 실험을 수행해나갈 것이고 더욱 최적화된 모델을 개발해 나갈 것이다.
알긴산 나트륨 염의 성질이 알코올(Alcohol)이나 클로로폼(Chloroform)과 같은 유기용매에도 녹지 않고 팽윤하기 때문에 슬러리를 만들고 소결될 때까지 입자가 잘 유지 되었던 것으로 보였다. 그러나 양이 많아지면 팽윤하는 특성으로 인해 소결 동안 부푸는 현상을 파악할 수 있었다.
6(c)는 압축 탄성계수를 보여주고 있다. 알긴산 나트륨 염의 혼합량에 따라 수축률은 10wt%의 알긴산 나트륨 염을 포함한 인공지지체에서 수축률이 가장 좋았다. 즉, 압축 강도 및 탄성계수는 수축률과 연관성이 있는 것으로 평가되었다.
제작된 인공지지체는 소결 공정에 의해 형상이 줄어들거나 커지는 특성이 있었다. 알긴산 나트륨 염이 들어있지 않았을 때는 매우 작은 수축률을 가졌지만, 알긴산 나트륨 염이 10wt%가 혼합된 실험 군에서는 수축률이 9.31%만큼 줄어든 것을 알 수 있었다. 그러나 알긴산 나트륨 염이 20, 30wt%가 되면서 형상이 커졌다.
일반적으로 인공지지체의 특성 중 공극률이 높아지면 압축 강도도 낮아지는 것이 특징(12)인데 본 연구에서는 10wt%의 알긴산 나트륨 염이 다른 BCP, Silica, Darvan®C, HPMC, PEI와의 결합력이 뛰어난 조건임을 알 수 있었다.
알긴산 나트륨 염의 혼합량에 따라 수축률은 10wt%의 알긴산 나트륨 염을 포함한 인공지지체에서 수축률이 가장 좋았다. 즉, 압축 강도 및 탄성계수는 수축률과 연관성이 있는 것으로 평가되었다. 일반적으로 인공지지체의 특성 중 공극률이 높아지면 압축 강도도 낮아지는 것이 특징(12)인데 본 연구에서는 10wt%의 알긴산 나트륨 염이 다른 BCP, Silica, Darvan®C, HPMC, PEI와의 결합력이 뛰어난 조건임을 알 수 있었다.
통상적으로 1~10 MPa이라고 하며,(7,14) 본 연구에서 제작된 인공지지체는 압축 강도가 알긴산 나트륨염의 혼합 비율에 따라 8.03 ± 1.33, 8.90 ± 0.58, 2.75 ± 0.18, 2.79 ± 0.19 MPa로 각각 평가되었기에 해면골의 압축 강도에 비해 약하지 않다고 볼 수 있었다.
후속연구
19 MPa로 각각 평가되었기에 해면골의 압축 강도에 비해 약하지 않다고 볼 수 있었다. 그러나 압축 강도를 더 높이는 연구를 수행해야 될 것으로 판단되었다. 생체 내에 인공지지체가 들어가 있게 되면 BCP는 생분해성 특성으로 인해 칼슘과 인의 분해가 일어나고 그로 인해 인공지지체의 무게가 감소한다.
그래서 알긴산 나트륨 염을 슬러리에 혼합시켜 이중공극을 만드는 것은 공극률을 높일 뿐만 아니라 기계적 특성을 향상시키는 장점을 가졌다고 판단되었다. 앞으로 계속해서 골 조직 재생에 더욱 효과적인 인공지지체가 될 수 있도록 in-vitro 실험을 수행해나갈 것이고 더욱 최적화된 모델을 개발해 나갈 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인공지지체란 무엇인가
골 조직 공학(Bone tissue engineering)에서 인공지지체(Scaffold)는 세포의 부착(Attachment), 증식(Proliferation) 및 분화(Differentiation)를 위해 적합한 환경을 제공하고 소실된 생체 골격 및 조직을 복원하는데 필요한 지지체로 일종의 거푸집이라고 할 수 있다.(1) 그래서 이러한 인공지지체를 제작하기 위해 다양한 재료 및 제작 기술을 바탕으로 장점을 부각시킬 수 있는 방안을 모색하고 해결해 나가려고 한다.
세라믹 재료에서 이상인산칼슘의 특징은 무엇인가
세라믹 재료에서 화학적으로 산화물 계에 속하는 이상인산칼슘(Biphasic calcium phosphate, BCP)은 베타 삼인산칼슘(β-tricalcium phosphate, TCP)과 수산화인회석(Hydroxyapatite, HA)이 합성된 바이오세라믹스다. BCP는 β-TCP의 빠른 생분해성 특성과 HA의 용해도가 낮은 특성을 포함하고 있어 각각의 재료에 대한 단점을 보완함으로써 골 조직 재생에 적합한 재료로 이용이 되고 있다.(2,3) 또한 뼈와 치아 무기질의 구성 성분과 화학적으로 가장 유사한 특성을 가지고 있어 골 조직 공학을 위한 인공지지체로서 널리 사용되고 있다. 그러나 BCP만으로는 기계적 강도와 저항성이 낮아서 많은 연구자들이 추가적인 세라믹을 혼합하여 사용하고 있는 추세이다.
현재 널리 알려진 생체 재료를 구분하시오
현재 널리 알려진 생체 재료는 크게 고분자, 금속, 세라믹 그리고 복합재료로 구분된다. 이 중에서 세라믹 재료는 골대체재와 골 시멘트 등과 같이 인체의 뼈와 가장 연관성이 깊다.
참고문헌 (14)
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Mohanty, S., Sanger, K., Heiskanen, A., Trifol, J., Szabo, P., Dufva, M., Emneus, J. and Wolff, A., 2016, "Fabrication of Scalable Tissue Engineering Scaffolds with Dual-pore Microarchitecture by Combining 3D Printing and Particle Leaching," Materials Science and Engineering C, Vol. 61, pp. 180-189.
Du, D., Asaoka, T., Shinohara, M., Kageyama, T., Ushida, T., and Furukawa, K. S., 2015, "Microstereolithography-Based Fabrication of Anatomically Shaped Beta-Tricalcium Phosphate Scaffolds for Bone Tissue Engineering," BioMed Research International, 859456(9pps).
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.
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