초록 ▼

1. 연구개발 목표 및 내용
1) 최종목표 및 내용
※ 4D 마이크로캐리어의 Gravitaxis를 이용한 부착성 줄기세포의 활성유지 대량배양 기술 개발
◎ 최종 목표
기존 3차원 대량배양 기술에서 나타나는 세포증식상태 모니터링의 어려움과 Shear stress로 인한 세포 활성 저하의 문제를 해결하기 위하여, 본 연구과제에서는
1. Gravitaxis 특성이 구현되어 세포 증식 상태에 따라 분포 변화가 유도되는 4D 마이크로캐리어의 세포 타입 맞춤형 프로토타입(2종)을 개발하고
2. Gravitax

1. 연구개발 목표 및 내용
1) 최종목표 및 내용
※ 4D 마이크로캐리어의 Gravitaxis를 이용한 부착성 줄기세포의 활성유지 대량배양 기술 개발
◎ 최종 목표
기존 3차원 대량배양 기술에서 나타나는 세포증식상태 모니터링의 어려움과 Shear stress로 인한 세포 활성 저하의 문제를 해결하기 위하여, 본 연구과제에서는
1. Gravitaxis 특성이 구현되어 세포 증식 상태에 따라 분포 변화가 유도되는 4D 마이크로캐리어의 세포 타입 맞춤형 프로토타입(2종)을 개발하고
2. Gravitaxis 정밀성이 향상 설계된 4D 마이크로캐리어를 활용하여 세포증식상태 모니터링의 정확도를 확인하기 위하여 4D 마이크로캐리어 맞춤형 모니터링 바이오리액터의 프로토타입(2종)을 개발한다.
3. 제작된 4D 마이크로캐리어와 이에 대한 맞춤형 바이오리액터를 기반으로 세포 증식상태의 관찰배양 정밀도를 확보하여 세포성장 데이터 수집 자동화 기반기술을 수립한다.
4. 이를 통해, 4D 관찰배양 플랫폼 기반 세포체료제 대량생산 공정 적용기술을 개발하고자 한다.

◎ 전체 내용
- Gravitaxis 특성이 구현된 4D 마이크로캐리어의 개발을 위해 세포의 증식으로 나타나는 총체적 변화를 정밀계산하여 세포의 증식 상태에 따라 총체적 비중이 민감하게 변화하는 마이크로캐리어의 규격을 확립한다.
- 바이오리액터 내 배양과정에서 세포에 가해지는 Shear stress를 경감하기 위하여 마이크로입자의 3차원적 정밀구조 형성기술을 적용하고, 세포 타입 별 증식 특성에 맞추어 민감도를 구현하기 위해 세포 타입에 맞추어 적정 Surface/volume ratio를 나타내는 마이크로캐리어의 3차원적 형태를 설계 및 제작한다.
- 세포의 증식상태를 관찰배양하기 위하여 4D 마이크로캐리어의 분포 변화를 민감하게 모니터링할 수 있는 바이오리액터를 제작하고 Gravitaxis 특성 구현에 따른 활성유지 배양을 위해 배양환경 제어 (배지 주입, 교반 및 마이크로캐리어 수집) 자동화 기술을 적용한다.
- 4D 관찰배양 플랫폼에서 관찰배양을 통해 세포성장 관련 데이터를 수집하고 증식 중인 세포의 특성을 분석할 수 있는 수학적 모델을 수립한다.
4D 관찰배양 플랫폼을 기반으로 모니터링한 세포의 확장배양 효율과 세포활성측면의 품질을 다양한 마커 발현을 통해 검사한다.
기존 2D 공정으로 개발된 세포치료제의 생산공정을 본 과제에서 확립된 4D 관찰배양 플랫폼을 기반으로 확립 후 세포치료제 특성에 대한 동등성 평가를 수행하여 세포치료제 대량생산 공정 확립 가능성을 검증한다.

※ (연구개발과제1) 세포 맞춤형 프로그래머블 마이크로캐리어 공정 개발
◎ 최종 목표
○ Anti-shear stress 4D 마이크로캐리어 제작 정밀 공정 개발 및 세포 맞춤형 프로토콜 개발

- CFD 분석을 통한 3D printing 기술을 활용한 Shear stress 경감 4D 마이크로캐리어 제작 공정 개발
- 세포타입 맞춤형 규격 확립 4D 마이크로캐리어 제작 및 제작 프로토콜 개발
- 4D 마이크로캐리어의 대량생산공정 확장 기술 개발 및 품질평가

○ Gravitaxis 방식 세포 밀집도 모니터링 가능 소형 바이오 리액터 개발
- 수직 비중 분포의 정밀분석을 위해 높은 종횡비를 갖는 랩스케일의 소형 바이오리엑터 설계
- Gravitaxis 방식 모니터링 바이오 리액터 동작 검증 및 모니터링

◎ 전체 내용
□ Anti-shear 4D 마이크로캐리어 제작 공정 개발
○ 대량배양시 비중에 따른 수직 분포 조절 가능한 표면적 대 부피비(S/V) 균일성 위한 정밀 공정 개발
○ 전단응력(Shear stress) 경감을 위한 3D 토포그래픽 구조의 마이크로 캐리어 제작
○ 마이크로캐리어 표면, 세포 균일 증식을 위한 표면 개질 공정 개발
○ 4D 마이크로캐리어 대량 생산 공정 노광영역의 확대와 연속공정 프로토콜 개발

□ 세포 종류 맞춤 마이크로캐리어 제작 공정 개발
○ Epithelial cell (keratinocyte), Mesenchymal/stromal cell 맞춤용 마이크로캐리어 제작 세포의 부착형태에 따른 세포 밀집도 조절 및 모니터링을 위한 세포 맞춤형 마이크로캐리어 제작
○ NSCs 는 마이크로캐리어의 최적 표면경도 배양 조건 확립 마이크로캐리어 제작 광경화에 따른 표면의 물리적 성질 변경과 물리적 성질에 민감한 세포를 위한 마이크로캐리어 제작

□ Gravitaxis 방식 세포밀집도 모니터링 바이오 리액터 설계 및 시작품 제작
○ 세포 증식중인 마이크로캐리어 비중차이로 바이오리엑터의 수직 분포 차이에 의한 세포 밀집도 모니터링용 리엑터 설계 및 제작
- 비중에 따른 마이크로 캐리어의 수직 비중 분포 분석
- 비중 낮은 마이크로캐리어의 부유 상태 유지를 위한 최적 저속 rpm 데이터 확보
- 3D printing을 이용한 랩스케일 바이오리엑터 시작품 제작 및 동작 검증 및 모니터링

※ (연구개발과제2) 4D 마이크로캐리어 기반 직관적 세포 증식배양 모니터링 및 효율 평가
◎ 최종 목표
○ 4D 마이크로캐리어의 Gravitaxis 정밀성 구현을 위한 최적 기능성 규격 설계
- 배양과정에서 축적된 세포 타입 특이적 증식 특성 데이터의 프로파일링
- 세포 타입 특이적 Gravitaxis 정밀도 구현을 위한 시뮬레이션 기반 마이크로캐리어 설계 및 규격 확립

○ 4D 마이크로캐리어 기반 세포 활성유지 배양 효능 검증
- 세포 증식 및 기능성 관련 마커 발현 확인을 통한 활성유지 배양 효능 평가
- 4D 마이크로캐리어 기반 확장배양 효율평가
- 기존 기술 대비 세포치료제 효능 동등성 평가

○ 4D 마이크로캐리어의 Gravitaxis 정밀도 기반 관찰배양 성능 검증
- 세포 타입별 4D 마이크로캐리어의 모니터링 정밀도 평가
- 4D 배양기반 세포성장 역학적 변화 추적 성능 평가

◎ 전체 내용
□ 4D 마이크로캐리어 기능 정밀성 구현 기술 개발
○ 4D 마이크로캐리어의 Gravitaxis 정밀성 구현
- Gravitaxis 기능 정밀성 구현을 위한 CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation 기반 마이크로캐리어의 규격 설계
○ 4D 마이크로캐리어의 세포타입 맞춤형 규격 확립
- 소재, 크기, 형태, 경도 및 S/V ratio 제어를 통한 cell type 특이적 기능성 마이크로캐리어 규격 확립
· 4D 마이크로캐리어의 표면 shear stress 영향 분석 기반 프로토타입 규격 범위 도출

□ 4D 마이크로캐리어의 세포친화적 배양환경(신중성/분별성) 비교평가
○ 4D 마이크로캐리어 기반 세포 활성유지 배양 효과 확인
- 소규모 배양을 통한 4D 마이크로캐리어의 실험적 기능성 검증
- 증식, Mechanotransduction, 세포 활성 마커 발현에 대한 On-bead cell activity 평가
· 배양 환경의 역학적 요인에 대한 4D 마이크로캐리어의 세포 특성유지 배양 비교 평가
· 4D 마이크로캐리어의 규격 특성에 따른 부유상태 유지 특성 분석
· 최적 세포특성을 나타내는 규격 특성 확인 및 최적 RPM 확립
- 4D 마이크로캐리어 기반 확장배양 효율 평가
· 표면개질에 따른 세포 부착율 평가
· 3차원 세포 확장배양에 최적화된 4D 마이크로캐리어의 크기 및 표면 규격 확립
○ 배양상태 모니터링 정밀도 평가
- Pilot 실험을 통한 1차 프로토타입 기반 배양상태 모니터링 정밀도 평가
- 세포타입 별 마이크로캐리어의 거동에 따른 증식 상태 모니터링 정밀도 검증
- 4D 마이크로캐리어의 세포맞춤형 프로토타입 확립 (2종 이상)

□ 4D 세포배양 성능평가 및 세포치료제 생산공정 개발
○ 4D 마이크로캐리어 기반 관찰배양 성능 평가
- 세포 타입 맞춤형 4D 마이크로캐리어의 Gravitaxis 정밀도 검증
- 4D 마이크로캐리어 거동 변화분석을 통한 증식배양율 예측 정밀도 평가
- Gravitaxis 프로파일 분석을 통한 세포성장의 역학적 변화 추적 기술 개발
○ 후보 세포치료제 생산을 위한 대량배양 공정 개발
- 3차원 확장배양을 통해 형성된 세포치료제의 특성분석

3) 연구개발 성과 및 기대효과
※ 4D 마이크로캐리어의 Gravitaxis를 이용한 부착성 줄기세포의 활성유지 대량배양 기술 개발
◎ 연구개발성과 활용계획 및 기대효과
□ 연구개발 기대성과
- 공통기반기술 1: 세포 타입 특이적 4D 마이크로캐리어 프로토타입 2종
- 공통기반기술 2: Gravitaxis 기반 모니터링 바이오리액터 프로토타입 2종
- 공정개발: 4D 마이크로캐리어 기반 세포치료제 생산 공정 개발
- 학술 발표: SCI급 논문 8편(과제기간 내 6편, 종료 후 2편), 국제 학술대회 발표 및 기술성과 홍보
- 특허: 국내출원 3건, 국제출원 3건, 국내 등록 2건
기술이전: 국내 기술이전 1건

□ 연구 결과물의 산업화 방안
○ 범용적 활용
본 연구과제에서 제안하는 대량배양기술은 줄기세포를 포함하는 모든 부착성 세포의 대량 배양에 적용 가능하며 첨단 재생의학 기술제품 및 체세포치료제 생산에 모두 적용될 수 있는 기반기술임
본 과제수행을 통해 세포치료제 생산공정 적용 가능성을 확인하고 그 결과를 학술회의와 관련 분야 컨퍼런스를 통해 공유함으로써 적극적으로 홍보할 계획이며, 세포치료제 기업 뿐만 아니라 4D 마이크로캐리어 사용에 관심있는 줄기세포 연구자에게 샘플을 배포하여 범용적으로 활용함으로써 판로 확보 가능성을 타진하고, 이는 향후 기술이전 가능성을 높이는 데에 긍정적으로 작용할 것으로 생각됨

○ 기술이전
4D 마이크로캐리어 기반 세포 증식배양 공정 및 동등성 평가 결과를 토대로 상품화를 추진하여 국내 또는 국외 기술이전을 추진할 계획이며, 국제 기술이전을 통한 글로벌 제품화 추진을 모색하고자 함

○ 기술적 측면
정밀성과 재현성을 확보한 직관적 모니터링이 가능한 능동형 4D 마이크로캐리어 기반 대량배양 기술을 통해 세계 최고 수준의 안정적이고 신뢰성 있는 신개념 부착성 줄기세포의 확장 배양기술을 확립함

○ 경제적 산업적 측면
새로운 패러다임의 대량배양기술을 통해 줄기세포 치료제와 조직공학제제 생산의 저비용, 고효율 생산 기술을 실용화함으로써 줄기세포치료제 및 조직공학제제 생산의 국제적 연구개발 경쟁력 확보와 수익 창출을 제고하고 줄기세포치료제의 재현성과 신뢰성 확보를 토대로한 관련 의료산업의 발전을 도모함

○ 사회적 측면
저비용, 고효율 재생의료의 임상적용을 통한 고령화 사회의 근로생산성 향상 및 사회적 의료비용 절감, 환자의 삶의 질 향상을 제고 하며 연구과제 수행을 통해 첨단재생의학 제품 연구개발, 제조, 품질관리·보증 및 임상시험 관련된 전문인력을 양성하고 산업 인력으로 활용하여 고용 창출 효과를 기대함

※ (연구개발과제1) 세포 맞춤형 프로그래머블 마이크로캐리어 공정 개발
◎ 연구개발성과 활용계획 및 기대효과
□ 연구개발 기대성과
- 공통기반기술 1: 세포 타입 특이적 4D 마이크로캐리어 프로토타입 2종
- 공통기반기술 2: Gravitaxis 기반 모니터링 바이오리액터 프로토타입 2종
- 공정개발: 4D 마이크로캐리어 제작 기술 및 대량 생산 확장 공정 개발
- 프로토타입 설계/제작: Gravitaxis 가능 랩스케일 소형 바이오리액터 제작

□ 연구 결과물의 산업화 방안
○ 범용적 활용
본 연구과제에서 제안하는 대량배양기술을 위한 4D 마이크로캐리어 생산 기술과 Gravitaxis 바이오리엑터 기술은 첨단 재생의학 기술제품 및 체세포치료제 생산에 모두 적용될 수 있는 기반기술이며, 연구 규모가 실험실에서 산업체에 이르기까지 사용이 되며, 단계별 사용규모를 확장이 가능. 본 과제에서는 대량배양기술을 위한 신소재/부품 생산기술을 기반으로 대량 배양 기술을 개발. 위탁으로 참여하고 있는 ㈜ 바이오솔루션과 치료제 생산 공정에 적용 예정.

○ 기술이전
4D 마이크로캐리어 기반 세포 증식배양 공정 및 동등성 평가 결과를 토대로 상품화를 추진하여 국내 또는 국외 기술이전을 추진할 계획이며, 국제 기술이전을 통한 글로벌 제품화 추진을 모색하고자 함

○ 기술적 측면
- 2D 세포배양과 3D 세포배양을 넘어선 차세대 세포배양 기술 선점 및 기술 선도
- 반도체/정밀가공 기술을 바이오기술에 접목한 융합적인 기술 시도와 이를 활용한 신개념 대량배양기술 개발

○ 경제적 산업적 측면
- 새로운 패러다임의 능동형 4D 마이크로캐리어를 활용하여, 대량배양기술로 줄기세포 치료제와 조직공학제제 생산의 고효율, 저비용 구현
- 줄기세포치료제 및 조직공학제제 생산의 국제적 연구, 개발 경쟁력 확보와 수익 창출
- 줄기세포치료제 제조의 원천적 생산 기술의 소재/부품 확보와 이를 소재 활용 산업의 동반 성장
- 줄기세포용 마이크로 캐리어 제품의 국내 기술 확보로 미래핵심 소재/부품 국산화

○ 사회적 측면
- 줄기세포치료제 보급화로 인해 국민의 건강생활의 질적 향상 효과
- 신첨단 바이오기술 산업발전으로 인한 제조업 관련 창업 증대 및 이로 인한 고용 창출 효과
- 저비용, 고효율 재생의료의 임상적용을 통해 고령화 사회의 근로 생산성 제고
- 첨단재생의학 제품 연구개발, 제조, 품질관리·보증 및 임상시험 관련된 전문인력을 양성하고 산업 인력으로 활용하여 고용 창출 효과 기대

※ (연구개발과제2) 4D 마이크로캐리어 기반 직관적 세포 증식배양 모니터링 및 효율 평가
◎ 연구개발성과 활용계획 및 기대효과
□ 연구 결과물의 산업화 방안

○ 범용적 활용
- 본 연구과제에서 제안하는 대량배양기술은 줄기세포를 포함하는 모든 부착성세포의 대량 배양에 적용 가능하며 첨단 재생의학 기술제품 및 체세포치료제 생산에 모두 적용될 수 있는 기반기술임
- 본 과제의 개발대상인 Gravitaxis를 이용한 4D 마이크로캐리어 기반 부착성세포 증식배양 기술은 줄기세포치료제 및 체세포치료제 대량생산 공정에서 제조단가를 절감하고 제조관리의 효율성을 높일 수 있음
- 본 과제수행을 통해 세포치료제 생산공정 적용 가능성을 확인하고 그 결과를 학술회의와 관련 분야 컨퍼런스를 통해 공유함으로써 적극적으로 홍보할 계획임
- 세포치료제 기업 뿐만 아니라 4D 마이크로캐리어 사용에 관심있는 줄기세포 연구자에게 샘플을 배포하여 범용적으로 활용함으로써 판로 확보 가능성을 타진하고, 이는 향후 기술이전 가능성을 높이는 데에 긍정적으로 작용할 것으로 생각됨

○ 기술이전
- 4D 마이크로캐리어 기반 세포 증식배양 공정 및 동등성 평가 결과를 토대로 상품화를 추진하여 국내 또는 국외 기술이전을 추진할 계획임
- 배양관련 소모품을 제작하는 국내 기업을 대상으로 기술 소개 미팅을 추진하여 기술이전 가능성을 타진하고자 함

○ 글로벌 제품화
- 본 과제의 연구개발을 통하여 상용화된 마이크로캐리어 대비 대량 활성유지배양 효율을 확보함으로써 기존제품 대비 우수성을 입증하여 과제종료 후 국제 기술이전을 통한 글로벌 제품화를 추진하고자 함

○ 기술적 측면
- 줄기세포 확장배양의 모니터링과 재현성 확보
- 국내 재생의학 연구, 개발에 필요한 세계 최고 수준의 신개념 대량배양기술 개발

○ 경제적 산업적 측면
- 능동형 4D 마이크로캐리어를 기반으로 하는 새로운 패러다임의 대량배양기술로 줄기세포 치료제와 조직공학제제 생산의 고효율, 저비용 구현
- 줄기세포치료제 및 조직공학제제 생산의 국제적 연구, 개발 경쟁력 확보와 수익 창출
- 줄기세포치료제 재현성과 신뢰성 확보를 토대로 한 관련 의료산업의 발전

○ 사회적 측면
- 저비용, 고효율 재생의료의 임상적용을 통한 삶의 질 제고
- 저비용, 고효율 재생의료의 임상적용을 통한 사회적 의료비용 절감
- 저비용, 고효율 재생의료의 임상적용을 통해 고령화 사회의 근로 생산성 제고
- 첨단재생의학 제품 연구개발, 제조, 품질관리·보증 및 임상시험 관련된 전문인력을 양성하고 산업 인력으로 활용하여 고용 창출 효과 기대

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 3
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 13
• 2.1 연구개발의 목표 및 내용 ... 13
• 2.2 연차별 연구내용 ... 15
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 18
• 1) 연구수행 결과 ... 18
• 2) 목표 달성 수준 ... 81
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 82
• 4.1. CFD simulation 기반 Shear stress hot spot 확인: 시뮬레이션이 아닌 실험으로 진행 ... 82
• 4.2. 4D 마이크로캐리어의 제원(specification) 변경을 통한 Gravitaxis 유도에 적합한 마이크로캐리어의 형태 및 규격 확립 ... 83
• 4.3. 마이크로캐리어의 형태/규격 변화에 따른 수정된 배양공정 수립 ... 85
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 86
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 91
• 가. 연구 결과물의 산업화 방안 ... 91
• 나. 기대효과 ... 91
• 다. 사업화 계획 ... 92
• 끝페이지 ... 95