[보고서]플라즈마/용융플로팅 시스템과 3D 세포프린팅 시스템이 결합된 공정으로 제작된 약물방출형 계층적구조의 세포담체 제작과 이를 이용한 바이오리액터 개발

박종봉

플라즈마/용융플로팅 시스템과 3D 세포프린팅 시스템이 결합된 공정으로 제작된 약물방출형 계층적구조의 세포담체 제작과 이를 이용한 바이오리액터 개발
Development of a bioreactor using a cell printed drug-releasing scaffold produced via a combined a plasma melt-plotting and a 3D cell printing system 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	다나그린
연구책임자	박종봉
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2021-06
과제시작연도	2021
주관부처	교육부 Ministry of Education
등록번호	TRKO202100011222
과제고유번호	1345335658
사업명	개인기초연구(교육부)(R&D)
DB 구축일자	2022-04-23
키워드	세포프린팅.줄기세포.바이오리액터.약물방출형 세포담체.골재생.Cell printing.stem cell.bioreactor.drug-releasing scaffold.Bone tissue regeneration.

초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
￭ 최종 목표
골 재생을 촉진하는 기능성 바이오리액터 제작
￭ 전체 내용
조골세포 및 줄기세포가 잘 자라는 세포담체를 제작하고, 물성 분석을 통해 골 이식재료로 사용이 가능함을 확인하였으며, 제작한 줄기세포가 골 세포로 분화하는 분자생물학적 기전을 밝힘.근육줄기세포의 증식 및 분화에 최적회된 세포담체를 개발하여 배양육 개발에 활용 할 수 있음. 배양육을 대량생산하기 위한 바이오리액터의 개발 또한 연구함.

□ 연구개발성과
1. 골 재생을 위한 PCL-Silica 세포담체의 제작
- 이 과정에서 4건의 국내특허와 1편의 논문을 발표함.
- 세포담체에서 배양된 줄기세포가 골세포로 분화하는 분자생물학적 메커니즘을 규명함.
- 결과적으로 세포적합성이 뛰어나 소재로 세포담체를 제작하여, 줄기세포가 포함된 천연고분자를 플로팅하는 공정을 사용하지 않고도 줄기세포의 골세포로의 분화유도를 가능하게 함.
2. 주관기관을 옮기는 상황에서 근육분화와 관련된 세포담체를 제작과 맞춤형 바이오리액터의 개발.
- 1건의 국내특허 출원(바이오리액터 관련)
- 소의 근육에서 근육줄기세포를 대량으로 추출하는 방법을 확립함.
- 근육세포의 배양과 분화를 위해 최적화된 세포담체를 개발을 연구.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
1. 인공장기 제작에 필수적이며 조직 및 재생공학의 필수 요소인 기능성 세포담체의 상용화 기반 구축: 현 세포담체 제작기술의 단점(미세한 스트랜드(<50 ㎛), 미세한 기공크기 조절, 다양한 자연 바이오물질을 이용한 세포의 초기 접착력 및 증식력, 다양한 세포가 포함된 세포담체 제작)을 극복한 인공장기 제작의 원천기술 정립.
2. 공학 분야의 기술을 의료산업으로의 접목: 융합기술기반 마련.
3. 산업화로 인한 파급효과: 조직공학 관련 세계 시장 규모는 2020년경에는 1,000억 달러에 육박할 것으로 전망된다. 국내에서의 인공장기 및 세포담체의 기술 개발은 아직 미비한 단계로써, 본 연구를 통한 세포담체 개발 및 기술은 산업적으로도 필수적인 원천기술 확립.
4. 조직공학 응용뿐 아니라 배양육을 개발하는 푸드테크 산업으로 확장을 통해서 산업적 가치를 높이며 활용 범위를 확장시킴.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
요 약 문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
(1) 국내외 연구기관의 연구개발 현황 ... 4
(2) 기존 연구의 문제점 ... 4
(3) 본 연구의 필요성 ... 4
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 6
(1) 정성적 연구개발성과 ... 6
(2) 정량적 연구개발성과 ... 13
(3) 목표 대비 연구성과 달성도(%) ... 15
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 15
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
6. 참고문헌 ... 17
끝페이지 ... 18

표/그림 (14)

표 (a) Reaction mechanism of the silanated silica particles by VTMS silane coupling agent. (b) FT-IR spectra of silica and VTMS-modified silica particles, and composite scaffold with modified silica particles. (c) Schematic of the fabrication process of composite scaffolds using a 3D printing process
$(a) Process graph showing the extrusion conditions of the printing process depending on silica weight fraction and pneumatic pressure. (b) Thermogravimetric analysis (TGA) of pure PCL and composite scaffolds$ 표 (a) Process graph showing the extrusion conditions of the printing process depending on silica weight fraction and pneumatic pressure. (b) Thermogravimetric analysis (TGA) of pure PCL and composite scaffolds
표 (a) Stress–strain curves for the pure PCL and composite scaffolds and (b) Comparison of Young’s moduli and maximum tensile strength results for the scaffolds. (c) Optical images of dynamic water wetting results as increasing time (1s, 10s, 30s, and 180s) for the fabricated scaffolds. (d) Comparison of water uptake ability after soaking in distilled water for 3 h (n = 5)
$(a) After 4 h of cell culture, seeding efficiency for pure PCL, PSv 5, and PSv 20 and (b) cell viability and proliferation of hMSCs seeded on pure PCL and various composite scaffolds using the CellTiter-GloTMassay.(c) Increasing rate (A-E section) in the number of viable cells according to the weight fraction of silica embedded on composite scaffolds (n = 5). (d) Western blots of protein expression levels of key pathway in hMSCs (Integrin b1, p-FAK Tyr 397, p-FAK Tyr 576/577, p-FAK Tyr 925, Total FAK, Rho A, p-ERK, and Total ERK) and relative signal intensity changes for the various composite scaffolds$ 표 (a) After 4 h of cell culture, seeding efficiency for pure PCL, PSv 5, and PSv 20 and (b) cell viability and proliferation of hMSCs seeded on pure PCL and various composite scaffolds using the CellTiter-GloTMassay.(c) Increasing rate (A-E section) in the number of viable cells according to the weight fraction of silica embedded on composite scaffolds (n = 5). (d) Western blots of protein expression levels of key pathway in hMSCs (Integrin b1, p-FAK Tyr 397, p-FAK Tyr 576/577, p-FAK Tyr 925, Total FAK, Rho A, p-ERK, and Total ERK) and relative signal intensity changes for the various composite scaffolds
표 (a) Optical images of Alkaline phosphatase (ALP) staining and ARS staining results of hMSCs for pure PCL, PSv 5, and PSv 20 scaffolds. (b) ALP activities of hMSCs on pure PCL and composite scaffolds from 7 to 21 days. (c)Calciumdepositionresultsonthescaffoldsafter7,14,and21daysofcellculture.(d) Western blot data showing the expression of osteogenesis-related proteins and relative signal intensity changes
표 Immunofluorescence images for DAPI (blue), phalloidin (red), and Integrin b1 (green) of pure PCL and composite scaffolds depending on the culture period (4, 8, and 24 hours)
표 Schematic illustration of signaling pathways involved in effect of silica particles on initial cell attachment and osteogenic differentiation of hMSCs cultured onto PCL/silanated silica composite scaffold
표 Chlorphenesin을 포함한 세포담체의 약물방출성을 확인. PLC의 함량을 숫자로 표시함. 제작된 모든 약물 방출형 지지체의 경우 방출실험 하루 경과후 대부분의 약물이 방출되는 결과를 얻음. 이같은 결과는 세포담체의 소재와 약물이 제대로 섞이지 않아 제작된 담체의 표면에 대부분 약물이 코팅된 형태로 제작되었을 가능성을 시사함. 그나마 PLGA가 50 % 섞인 세포 담체의 경우 보다 천천히 약물을 방출하는 경향을 보임
표 식용동물의 근육조직에서 근육줄기세포를 대량으로 추출할 수 있는 방법을 고안하여 확립함.이 방법을 통해 그림에서 보는것과 같이 돼지와 소에서 근육세포를 추출하여 배양 후 특정 조건에서 근육세포의 분화가 관찰됨
표 식물유래단백질을 이용한 식용가능한 세포담체의 제작. 여러 제작 조건에서 세포담체를 제작하여 최적의 물성 및 생물학적 특성을 지닌 제작 조건을 선별하는 작업을 수행함. l 확립된 방법은 소, 돼지뿐 아니라 가금류의 근육조직에서도 근육줄기세포를 대량으로 추출이 가능한 방법임을 실험을 통해 확인함
표 식물유래단백질을 이용한 식용가능한 세포담체의 물성테스트. 압축강도 및 인장강도를 측정하였으며, 세포담체를 배양육을 배양하기 위한 용도로 사용하기 때문에 TPA 시험법을 통해서 관능 평가의 객관적인 분석을 진행하였다. 결과적으로 씹힘성을 제공할 수 있는 세포담체임을 확인하여, 후에 배양육의 개발에 있어 세포담체 자체가 어느정도의 식감을 구현할 수 있음을 확인함
표 추출한 소의 근육 줄기세포를 분화조건에서 배양하여 근섬유화 유도를 시킴. 세포의 형태 관찰 및 바이오마커 염색을 통해서 근육 줄기세포의 분화를 확인함
표 추출한 소와 닭의 근육 줄기세포를 세포담체에서 3차원 배양하여 분화시킨 모습을 형광염색을 통해 관찰함. 세포를 배양한 후와 전의 세포담체의 형태적 차이도 분명히 나타남
표 여러 가지 방식의 바이오리액팅 방식으로 세포담체를 배양하여 최적의 배양조건을 확립함

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연구책임자(Manager) :	-
과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
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과제수행기간(LeadAgency) :	-
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