KR102083788B1

KR102083788B1 - 인공 혈관 제조용 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 인공 혈관의 제조 방법

Info

Publication number: KR102083788B1
Application number: KR1020180105337A
Authority: KR
Inventors: 안근선; 김민경; 민경현; 강동구
Original assignee: 주식회사 티앤알바이오팹
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-03

Abstract

본 발명은, 열가소성 고분자를 포함하는 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체를 제작하여 수직으로 고정한 후, 지지체의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출함으로써 프린팅 후에도 구조와 형태를 일정하게 유지 가능하고, 다층 구조의 중공 형태를 갖는 인공 혈관을 제조할 수 있는 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 인공 혈관의 제조 방법에 관한 것으로, 제1 헤드를 통해 고분자가 외주면에 토출됨으로써 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체를 형성하는, 회전 가능한 지지체 제작 유닛; 고분자를 상기 지지체 제작 유닛으로 토출하여, 3차원 다공성 구조의 속이 빈 원주형 지지체(hollow cylindrical support)를 형성하는 제1 헤드; 제1 헤드를 통해 제작된 원주형 지지체를 수직으로 거치하는 지지대; 및 지지대에 수직으로 거치되어 고정된 원주형 지지체의 내부로, 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 제2 헤드;를 포함한다.

Description

인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 인공 혈관의 제조 방법{3D printing system for artificial blood vessel manufacturing and method of manufacturing artificial blood vessel using same}

본 발명은, 열가소성 고분자를 포함하는 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체를 제작하여 수직으로 고정한 후, 지지체의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출함으로써 프린팅 후에도 구조와 형태를 일정하게 유지 가능하고, 다층 구조의 중공 형태를 갖는 인공 혈관을 제조할 수 있는 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 인공 혈관의 제조 방법에 관한 것이다.

심장, 심장판막, 혈관 등과 같은 순환기 계통에서 발생하는 질병인 심혈관 질환은 전 세계적으로 성인의 사망원인 중에서 1위를 기록하고 있는데 이중 동맥경화, 협심증, 심근경색, 뇌졸중 등이 속하는 혈관과 관련된 질병이 가장 많은 부분을 차지하고 있다.

이에 따라, 환자의 생명이나 삶의 질의 향상을 위해 동종혈관이나 인조혈관 등의 자가 혈관을 대체할 수 있는 장치가 요구되고 있으며, 특히 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 인조혈관을 제조하는 장치를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

공개특허공보 10-2018-0042220호는 연속적으로 바이오 프린트된 다층 조직 구조물을 제시하고 있는데, 침착시 포유동물 세포의 섬유의 구조적 통합성 및 형태 충실도를 유지할 수 있는 고화된 생체적합성 매트릭스 내에 바이오프린터로부터 분배된 포유동물 세포의 오버래핑(overlapping) 섬유를 포함하고, 상기 고화된 생체적합성 매트릭스는 방사상 횡단면에서 균질하며, 상기 섬유는 합성 생체 조직 구조물의 적어도 2개의 층을 통해 연속적으로 바이오프린트(bioprint)되는 것이 기재되어 있다.

그러나 앞서 언급된 기존의 조직 구조물의 경우, 지지하는 구조체가 없어 평판에 바이오 프린트 될 때에 그 단면이 원형이 되지 않고 형상이 변형되는 문제점을 갖고 있다.

공개특허 제2018-0042220호

본 발명은, 열가소성 고분자를 포함하는 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체를 제작하여 수직으로 고정한 후, 지지체의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출함으로써 프린팅 후에도 구조와 형태를 일정하게 유지 가능하고, 다층 구조의 중공 형태를 갖는 인공 혈관을 제조할 수 있는 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 인공 혈관의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 제1 헤드(200)를 통해 고분자가 외주면에 토출됨으로써 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체(10)를 형성하는, 회전 가능한 지지체 제작 유닛(100); 고분자를 상기 지지체 제작 유닛(100)으로 토출하여 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체(hollow cylindrical support)(10)를 형성하는 제1 헤드(200); 제1 헤드(200)를 통해 제작된 원주형 지지체(10)를 수직으로 거치하는 지지대(300); 및 상기 지지대(300)에 수직으로 거치되어 고정된 원주형 지지체(10)의 내부로, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 제2 헤드(400);를 포함한다.

상기 제1 헤드(200)는, 고분자를 토출하기 위해 상승 또는 하강하는 제1 공압 실린더(210), 상기 제1 공압 실린더(210)의 하강에 의해 고분자를 토출하는 제1 토출 유닛(220) 및 토출되는 고분자의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛(230)을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 헤드(400)는, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하기 위해 상승 또는 하강하는 제2 공압 실린더(410), 상기 제2 공압 실린더(410)의 하강에 의해 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 제2 토출 유닛(420) 및 토출되는 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 온도를 조절하는 온도 조절 유닛(430)을 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 지지체 제작 유닛(100)은, 고분자가 토출될 때 회전될 수 있는 회전축(110), 회전축(110)의 일측에 연결되어, 회전축(110)을 회전시키는 모터(120) 및 회전축(110)의 타측에 연결되어, 회전축(110)을 지지하는 베어링(130)을 포함하는 것이 바람직하다.

일 예로, 상기 제2 헤드(400)는, 수직 방향으로 이동하면서, 지지대(300)에 수직으로 고정된 원통형 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출할 수 있다.

다른 예로, 상기 지지대(300)는, 고정된 제2 헤드(400)가 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 동안 수직 방향으로 이동될 수 있다.

한편, 상기 고분자는 열가소성 고분자인 것이 바람직하며, 상기 열가소성 고분자는 락티드(lactide), 카프로락톤(caprolactone), 글리코라이드(glycolide), 디옥사논(dioxanone), 프로필렌(Propylene), 에틸렌(Ethylene), 염화비닐(vinylchloride), 부타디엔(butadiene), 메틸메타아크릴레이트(methly methacrylate), 아크릴산, 2-히드록시에틸메타크릴에이트(2-hydroxyethlymethacrylate), 카보네이트(carbonate) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephalate)로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.

또한, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은, 겔화 고분자, 세포, 성장인자 및 세포외 기질로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면과 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면이 동일한 패턴을 갖는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 실시형태는, 인공 혈관의 제조 방법에 관한 것으로, 제1 헤드를 통해 지지체 제작 유닛의 외주면으로 고분자가 토출되어, 3차원 다공성 구조의 속이 빈 원주형 지지체(hollow cylindrical support)를 형성하는 단계; 형성된 원주형 지지체를 수직으로 고정하는 고정 단계; 및 제2 헤드를 수직으로 이동시키면서 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 상기 지지체의 내부로 토출시키는 단계;를 포함한다.

상기 지지체를 형성하는 단계는, 제1 헤드를 지지체 제작 유닛의 상부로 이동시키는 단계, 지지체 제작 유닛의 상부에 제1 헤드가 위치된 후, 지지체 제작 유닛을 회전시키는 단계; 및 제1 헤드를 지지체 제작 유닛의 길이 방향으로 이동시키면서, 고분자를 회전하는 지지체 제작 유닛의 외주면으로 토출시키는 토출 단계를 포함할 수 있고, 이때 상기 회전하는 단계와 토출 단계는, 동시에 수행되거나, 또는 순차적으로 진행되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 인공 혈관의 제조 방법은, 상기 토출 단계 이후에, 지지체 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 일부를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은, 열가소성 고분자를 포함하는 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체를 제작하여 수직으로 고정한 후, 지지체의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출함으로써 다층 구조의 중공 형태를 갖는 인공 혈관을 제조할 수 있고, 프린팅 후에도 인공 혈관의 구조와 형태를 일정하게 유지 가능한 효과를 갖는다.

뿐만 아니라, 열가소성 고분자를 포함하는 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체를 포함함에 따라 일정 수준 이상의 탄성을 가지며, 쉽게 파손되지 않고, 수술과 같은 임상 적용시에도 지지체의 다공성 구조에 의해 생체 조직에 실로 고정될 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지지체 제작 유닛의 확대도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제1 헤드 및 제2 헤드의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지대의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지지대의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템을 도시한 정면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템을 도시한 정면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 공간으로 구획된 제2 헤드에 충진된 하이드로겔을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 5개의 공간으로 구획된 제2 헤드에 충진된 하이드로겔을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중공부와 구획부재를 구비한 제2 헤드를 개략적으로 도시한 결합도 및 분해도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 헤드에 사용되는 구획부재를 나타내는 확대도이다.
도 14는 본 발명에 따른 인공 혈관의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 15는 본 발명에 따른 3차원 다공성 구조의 속이 빈 원주형 지지체를 형성하는 단계를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명에 따른 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 지지체의 내부로 토출시키는 단계를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명에 따른 지지체 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 일부를 제거하는 단계를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 18는 본 발명에 따른 인공 혈관을 도시한 사시도이다.
도 19는 본 발명에 따른 인공 혈관을 임상 적용하는 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 20은 실시예 1에 따라 4개 구획으로 구분된 제2 헤드를 이용하여 RGB 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다.
도 21은 실시예 2에 따라 4개 구획으로 구분된 제2 헤드를 이용하여 RGB 하이드로겔이 노즐의 크기의 변화에 따른 프린팅 결과물을 보여주는 공초점 현미경 관찰 결과를 나타낸다.
도 22 및 도 23는 실시예 3에 따라 다양한 모양의 구획부재를 구비한 제2 헤드를 이용하여 RGB 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다.
도 24는 실시예 4에 따라 잉크 충진물과 잉크 인쇄물을 제조하는 과정을 보여주는 제2 헤드의 사진이다.
도 25는 실시예 4에 따라 얻어진 잉크 충진물과 나선 형상의 잉크 인쇄물이 주입된 제2 헤드로부터 얻어지는 토출물을 이용하여 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 인쇄한 결과를 보여주는 공초점 현미경 사진이다.
도 26은 실시예 5에 따른 제2 헤드의 노즐의 크기의 변화에 따른 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔 프린팅 결과를 보여주는 공초점 현미경 사진이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명의 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템, 및 이를 이용한 인공 혈관의 제조 방법에 관하여 보다 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템을 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템(1)은, 제1 헤드(200)를 통해 고분자가 외주면에 토출됨으로써 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체(10)를 형성하는, 회전 가능한 지지체 제작 유닛(100); 고분자를 상기 지지체 제작 유닛(100)으로 토출하여 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체(hollow cylindrical support)(10)를 형성하는 제1 헤드(200); 제1 헤드(200)를 통해 제작된 원주형 지지체(10)를 수직으로 거치하는 지지대(300); 및 상기 지지대(300)에 수직으로 거치되어 고정된 원주형 지지체(10)의 내부로, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 제2 헤드(400); 제1 헤드(200) 및 제2 헤드(400)를 동시에 또는 각각 개별적으로 수평 및 수직 방향으로 이동시키는 헤드 이동 유닛(510, 520, 530); 및 헤드 이동 유닛(500)의 이동을 가이드하는 X축 스테이지(610), Y축 스테이지(620) 및 Z축 스테이지(630);를 포함한다.

지지체 제작 유닛(100)은 회전 가능하며, 제1 헤드(200)를 통해 고분자가 외주면에 토출될 때 회전함으로써 지지체(10)가 3차원 다공성 구조의 속이 비어 있는 원주형으로 형성되도록 한다. 여기서 외주면의 지름은 인체 혈관의 지름과 동일하거나 유사하도록 제작되는 것이 바람직하다.

제1 헤드(200)는 지지체 제작 유닛(100)의 외주면에 고분자를 토출하여 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체(10)(도 2 참조)를 형성한다.

상기 제1 헤드(200)는 헤드 이동 유닛(520)에 의해 Y축 스테이지(620)를 따라 이동되어 지지체 제작 유닛(100)의 상부에 위치된다. 이후, X축 스테이지(610)를 따라 이동하면서 지지체 제작 유닛(100)의 외주면에 고분자를 토출하게 되는데, 고분자의 토출 과정 중에서 지지체 제작 유닛(100)이 동시에 회전하는 것이 바람직하다. 즉, 고분자의 토출과 지지체 제작 유닛(100)의 회전이 동시에 진행됨으로써 지지체(10)가 3차원 다공성 구조의 속이 비어 있는 원주형으로 형성될 수 있다.

또한, 제1 헤드(200)는 공압에 의해 고분자를 토출할 수 있으며, 고분자의 농도 또는 제1 헤드(200)의 노즐의 크기에 따라 공압이 적절히 제어됨으로써, 토출되는 고분자의 토출량 또는 토출 속도를 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 고분자는 열가소성 고분자인 것이 바람직하며, 생체 내 또는 생체 외에서 무해하고, 생체 내 환경에 쉽게 적응하여 거부 반응이 발생되지 않는 생분해성 고분자인 것이 더욱 바람직하다.

상기 열가소성 고분자는 특별히 이에 제한되지 않으나, 예를 들어, 락티드(lactide), 카프로락톤(caprolactone), 글리코라이드(glycolide), 디옥사논(dioxanone), 프로필렌(Propylene), 에틸렌(Ethylene), 염화비닐(vinylchloride), 부타디엔(butadiene), 메틸메타아크릴레이트(methly methacrylate), 아크릴산, 2-히드록시에틸메타크릴에이트(2-hydroxyethlymethacrylate), 카보네이트(carbonate) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephalate)로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 열가소성 고분자를 포함하는 지지체(10)는, 프린팅 후에도 구조와 형태를 일정하게 유지 가능하고 일정 수준 이상의 탄성을 가지며, 쉽게 파손되지 않는다. 또한, 3차원 다공성 구조에 의해 수술과 같은 임상 적용시에도 생체 조직에 실로 고정될 수 있다.

지지대(300)는, 제1 헤드(200)에 의해 지지체 제작 유닛(100)에서 형성된 지지체(10)를 수직으로 고정하여, 제2 헤드(400)가 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출할 수 있도록 한다.

지지대(300)는 지지체(10)가 수직으로 고정되는 동안 적절한 온도를 유지하도록 내부에 온도 조절 시스템을 포함하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 펠티어 소자 등을 사용하여 온도를 조절할 수 있다. 이때 상기 온도 조절 시스템은 자동 교정기에 의해 일정 간격마다 온도를 확인한 후, 알맞은 온도로 보정될 수 있다.

제2 헤드(400)는 수직 방향으로 이동되면서 지지대(300)에 고정된 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하며, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 지지체(10)의 내부로 적층됨으로써 인공 혈관(20)(도 14 참조)이 제조되게 된다.

일 예로, 제2 헤드(400)는 헤드 이동 유닛(520)에 의해 Y축 스테이지(620)를 따라 이동되어, 지지대(300)에 수직으로 거치되어 고정된 지지체(10)의 상부에 위치된다. 이후, Z축 스테이지(630)를 따라 상승하면서 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하게 되며, 이로 인해 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면과 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면은 동일한 패턴을 갖게 된다. 다만, 지지체(10)의 직경에 따라 단면의 크기는 달라질 수 있다.

상기 '동일'의 의미는 100% 동일한 것뿐만 아니라, 실질적으로 동일한 기능을 수행할 수 있는 정도로 동일한 것 까지도 포함하는 의미로 정의된다. 즉, '단면이 동일한 패턴을 갖는다'는 것은, 단면의 크기만 달라질 뿐 원래의 단면의 형태는 그대로 유지하는 것을 의미한다.

또한, 제2 헤드(400)는 공압에 의해 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출할 수 있고, 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 농도 또는 제2 헤드(400)의 노즐의 크기에 따라 공압이 적절히 제어됨으로써, 토출되는 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 토출량 또는 토출 속도를 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이란, 둘 이상의 상이한 잉크가 혼합되지 않고 다구획을 형성하는 하이드로겔을 의미한다. 상기 상이한 잉크라 함은 구성성분, 구성성분의 함량 및 물성으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상이 상이한 것을 말한다. 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔에 관한 구체적인 내용은 후술하기로 한다.

헤드 이동 유닛(510, 520, 530)은 X축 스테이지(610), Y축 스테이지(620) 또는 Z축 스테이지(630)를 따라 이동하여 제1 헤드(200) 및 제2 헤드(400)를 동시에 수평 및 수직 방향으로 이동시키며, X축 스테이지(610), Y축 스테이지(620) 및 Z축 스테이지(630)는 헤드 이동 유닛(510, 520, 530)의 이동을 가이드 해준다.

구체적으로, 헤드 이동 유닛(530)에 제1 헤드(200) 및 제2 헤드(400)가 형성되는 것이 바람직하며, 이로 인해 제2 헤드(400)에서 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 토출되면서, 동시에 Z축 스테이지(630)를 따라 수직 방향으로 이동 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 지지체 제작 유닛(100)의 확대도로, 지지체 제작 유닛(100)은 회전축(110), 모터(120) 및 베어링(130)을 포함한다.

회전축(110)은 제1 헤드(100)로부터 열가소성 고분자가 토출될 때 회전함으로써, 지지체(10)가 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형으로 형성되도록 할 수 있으며, 여기서 회전축(110)의 직경은 인체 혈관의 직경과 동일하거나 유사하도록 제작되는 것이 바람직하다.

모터(120)는 회전축(110)의 일측에 연결되고, 외부의 동력을 인가받아 회전축(110)을 회전시키는 역할을 수행하며, 베어링(130)은 회전축(120)의 타측에 연결되어, 회전하는 회전축(120)을 지지해준다.

상세하게는, 회전축(110)은 모터(120) 및 베어링(130)으로부터 분리될 수 있고, 이에 따라 제1 헤드에서 토출되어 회전축(110)의 외주면에 형성된 열가소성 고분자 재질의 3차원 다공성 구조를 갖는 속이 빈 원주형 지지체(10)를 회전축(110)으로부터 분리 가능하다.

도 3은 본 발명에 따른 제1 헤드 및 제2 헤드의 확대도이다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 헤드(200)는, 제1 공압 실린더(210), 제1 토출 유닛(220) 및 온도 제어 유닛(230)을 포함한다.

제1 공압 실린더(210)는 외부로부터 전달되는 공압에 의해 상승 또는 하강함으로써 열가소성 고분자가 제1 토출 유닛(220)을 통해 토출되게 한다. 즉, 열가소성 고분자의 농도 또는 제1 토출 유닛(220)의 노즐의 크기에 따라 적절히 제어된 공압에 의해 하강하면서 열가소성 고분자에 압력을 가하게 되며, 열가소성 고분자가 제1 토출 유닛(220)을 통해 지지체 제작 유닛(100)의 외주면으로 토출되게 된다.

제1 공압 실린더(210)는 열가소성 고분자의 농도 또는 제1 토출 유닛(220)의 노즐의 크기에 따라 공압을 적절히 제어하여 토출되는 열가소성 고분자의 토출량 또는 토출 속도를 조절하는 것이 바람직하다.

제1 토출 유닛(220)은 제1 공압 실린더(210)의 하강에 의해 가압되어, 열가소성 고분자를 지지체 제작 유닛(100)의 외주면으로 토출한다. 이때 제1 토출 유닛(220)은 X축 스테이지(610)를 따라 이동하면서 회전하는 지지체 제작 유닛(100)의 외주면에 열가소성 고분자를 토출하여, 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체(10)를 제작할 수 있다.

온도 제어 유닛(230)은 열가소성 고분자가 적절한 점도를 갖도록 온도를 제어하는 역할을 하며, 사용되는 열가소성 고분자에 따라 적절한 온도로 제어하는 것이 바람직하다.

한편, 제2 헤드(400)는 제2 공압 실린더(410), 제2 토출 유닛(420) 및 온도 조절 유닛(430)을 포함한다.

제2 공압 실린더(410)는 외부로부터 전달되는 공압에 의해 상승 또는 하강함으로써 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 제2 토출 유닛(420)을 통해 토출되게 한다. 즉, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 농도 또는 제2 토출 유닛(420)의 노즐의 크기에 따라 적절히 제어된 공압에 의해 하강하면서 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔에 압력을 가하게 되며, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 제2 토출 유닛(420)을 통해 지지체의 내부로 토출되게 된다.

제2 공압 실린더(410)는 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 농도 또는 제2 토출 유닛(420)의 노즐의 크기에 따라 공압을 적절히 제어하여 토출되는 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 토출량 또는 토출 속도를 조절하는 것이 바람직하다.

제2 토출 유닛(420)은 제2 공압 실린더(410)의 하강에 의해 가압되어, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 지지체의 내부로 토출한다.

이때 제2 토출 유닛(420)은 Z축 스테이지(630)를 따라 상승하면서 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출할 수 있다. 또한, 지지체(10)가 수직으로 고정된 지지대(300)가 이동하면서 지지체(10)가 이동될 때, 제2 토출 유닛(420)을 통해 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 것도 가능하다(도 6 참조).

이로 인해 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면과 제2 공압 실린더(410)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면은 동일한 패턴을 갖게 된다.

온도 조절 유닛(430)은 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 3차원 가공을 위한 물리적 성질과 생물학적 성질을 갖도록 온도를 조절하는 역할을 하며, 사용되는 하이드로겔에 따라 적절하게 온도를 조절하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지대의 확대도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지지대의 확대도이다.

먼저 도 4를 참조하면, 지지대(300)는 지지체(10)를 수직으로 고정하는 고정 유닛(310)을 포함하며, 고정 유닛(310)은 볼트(311) 및 탄성 튜브(312)를 포함한다.

볼트(311)는 나사부(311-a)의 외주면에 탄성 튜브(312)가 밀착되며, 하부에 위치한 너트(도시되지 않음)와 체결될 때 탄성 튜브(312)를 가압하여 탄성 튜브(312)를 팽창시킨다. 팽창된 탄성 튜브(312)는 지지체(10)의 내주면에 밀착됨으로써 지지체(10)를 수직으로 고정할 수 있다.

구체적으로, 지지체(10)는 내부 공간에 볼트(311) 및 탄성 튜브(312)가 포함되도록 수직으로 위치된다. 이후, 볼트(311)를 너트와 체결함으로써 탄성 튜브(312)가 가압되어 팽창하게 되고, 이에 따라 지지체(10)의 내주면에 탄성 튜브(312)가 밀착 지지되어 지지체(10)가 수직으로 고정될 수 있다. 이때 볼트(311)의 직경은 지지체(10)의 직경보다 작게 형성되는 것이 바람직하며, 팽창된 탄성 튜브(312)의 외경은 지지체(10)의 내경과 동일하거나 비슷한 크기로 형성되는 것이 바람직하다.

탄성 튜브(312)는 볼트(311)(즉, 나사부(311-a))의 외주면에 밀착되며, 볼트(311)가 하부에 위치한 너트와 체결될 때 가압됨에 따라 반경 방향으로 팽창되어 지지체(10)의 내주면에 밀착된다.

상기 탄성 튜브(312)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니나, 볼트(311)에 의해 가압될 때, 형상이 변화될 수 있도록 탄성력을 갖는 재질인 것이 바람직하며, 예를 들어, 실리콘 고무, 알지네이트, 젤라틴 등을 사용할 수 있다.

즉, 탄성력을 갖는 탄성 튜브(312)가 지지체(10)의 내주면에 부드럽게 밀착됨으로써 지지체(10)가 수직으로 단단히 고정되는 동시에, 지지체(10)의 형상이 외부의 압력에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 다른 예로, 도 5에 도시된 바와 같이 지지대(300)는 지지체(10)를 수직으로 고정하는 조리개(320)를 포함할 수 있으며, 지지체(10)를 조리개(320)의 내부에 형성된 홀(321)에 수직으로 위치시킨 후, 조리개(320)가 지지체(10)의 외주면에 밀착되도록 조절됨으로써 지지체(10)를 수직으로 고정할 수 있다.

이때 조리개(320)의 밀착에 의해 지지체(10)의 하단이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 조리개(320)와 밀착되는 지지체(10)의 하단은 희생층으로 형성되는 것도 가능하다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템을 도시한 정면도이다.

도 6을 참조하면, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템(2)은, 지지체 제작 유닛(100), 제1 헤드(200), 지지대(300), 승강 수단(330), 제2 헤드(400), 헤드 이동 유닛(510, 520, 530), X축 스테이지(610), Y축 스테이지(620) 및 Z축 스테이지(630)를 포함한다. 여기서 앞선 실시예와 동일한 부분은 설명을 생략하고, 다른 부분만 설명하도록 한다.

지지대(300)는 제1 헤드(200)와 지지체 제작 유닛(100)에서 형성된 지지체(10)를 수직으로 고정하며, 제2 헤드(300)가 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 동안 수직 방향으로 이동되어 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 지지체(10)의 내부로 적층되도록 한다.

구체적으로, 지지대(300)는 하부에 지지대(300)를 상승 또는 하강시키는 승강 수단(330)(예를 들어, 공압 실린더, 유압 실린더, 스크류 등)을 구비할 수 있으며, 제2 헤드(400)가 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 동안 승강 수단(330)에 의해 상승 혹은 하강과 같은 이동과정과 함께 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 지지체(10)의 내부로 적층된다. 이때 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면과 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면은 동일한 패턴을 갖게 된다.

제2 헤드(400)는 수직 방향으로 이동되는 지지대(300)에 고정된 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하며, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 지지체(10)의 내부로 적층됨으로써 인공 혈관(20)(도 18에 도시됨)이 제조되게 된다.

구체적으로, 제2 헤드(400)는 헤드 이동 유닛(520)에 의해 Y축 스테이지(620)를 따라 이동되어 지지체(10)의 상부에 위치된다. 이후, 수직 방향으로 하강하는 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하게 되며, 이로 인해 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면과 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면은 동일한 패턴을 갖게 된다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템을 도시한 정면도이다.

도 7을 참조하면, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템(3)은, 지지체 제작 유닛(100), 제1 헤드(200), 지지대(300), 제2 헤드(400), 헤드 이동 유닛(510, 540, 550), X축 스테이지(610), Y축 스테이지(620) 및 Z축 스테이지(640)를 포함한다. 여기서 앞선 예와 동일한 부분은 설명을 생략하고, 다른 부분만 설명하도록 한다.

헤드 이동 유닛(510, 540, 550)은 X축 스테이지(610), Y축 스테이지(620) 또는 Z축 스테이지(640)를 따라 이동하여 제1 헤드(200) 및 제2 헤드(400)를 개별적으로 수평 및 수직 방향으로 이동시키며, X축 스테이지(610), Y축 스테이지(620) 및 Z축 스테이지(640)는 헤드 이동 유닛(510, 540, 550)의 이동을 가이드 해준다.

구체적으로, 헤드 이동 유닛(550)에 제2 헤드(400)가 형성되는 것이 바람직하며, 이로 인해 제2 헤드(400)가 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하면서 Z축 스테이지(640)를 따라 수직 방향으로 이동 가능하다.

한편, 도 8 내지 도 12에는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 도식적으로 나타나 있다.

먼저, 도 8 내지 도 11을 참조하면, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은 둘 이상의 구획된 공간을 포함하는 제2 헤드(400)의 각 구획된 공간에 상이한 잉크를 충진시켜 형성될 수 있다.

구체적으로, 제2 헤드(400)의 내부는 각각의 잉크를 수용하는 복수 개의 공간이 구획되는데, 이때 제2 헤드(400)는 특정 개수의 공간이 형성되도록 일체로 제작할 수도 있고, 또는 제2 헤드(400)로부터 탈착 가능한 구획부재(440)에 의해서 복수 개의 공간으로 서로 구획할 수도 있다.

제2 헤드(400)로부터 탈착 가능한 구획부재(440)를 이용하는 경우, 단일의 제2 헤드(400)에서 구획부재(440)만 바꿈으로써 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 여러 종류의 패턴으로 인쇄할 수 있으며, 각 잉크의 면적 비율에 따라서 구획부재(440)가 구획하는 공간의 크기를 조절할 수 있다.

제2 헤드(400)에서 탈착 가능한 형태로 제거 가능한 구획부재(440)를 이용하는 실시예의 경우에는, 도 8 및 도 9와 같은 예에서는 구획부재(440)를 제2 헤드(400)에 끼우면 되고, 도 10 및 도 11과 같은 예에서는 구획부재(440)를 중공부(450)와 장착하여 함께 제2 헤드(400)에 끼우면 된다.

이때 구획부재(440)는 사출, 압출, 또는 삼차원 프린팅 방법 등 다양한 방법으로 제조될 수 있으나, 바람직하게는 삼차원 프린팅 방법으로 제조될 수 있고, 구획부재(440)의 크기는 제2 헤드(400) 내부에 들어갈 수 있도록 하되, 원통형, 사각형, 삼각뿔 등 어느 크기 및 형상도 가능하다. 즉, 구획부재(440)의 단면 패턴은 다양한 모양으로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 제조하고자 하는 인공 혈관의 단면적과 동일한 패턴을 가질 수 있다.

구획부재(440)의 다양한 단면 모양의 예는 도 13에 나타냈으며, 인공 혈관과 유사한 모양, 다수의 동심원을 포함하는 모양 등을 포함할 수 있다.

또한, 구획부재의 재질은 ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PCL(polycaprolactone), ASA(Acrylonitrile-Stryrene-Acrylate), SAN(Stryrene-Acrylonitrile copolymer), PS(Polystyrene), PPSF/PPSU(Polyphenylsulfone), Polyetherimide, PLA(Polylactic acid), PDL(Poly-d-lysine) 등의 FDM 프린팅이 가능한 열가소성 수지와 광경합성 수지, 기계 가공이 가능한 비철/비철합금 재료 등 고체 재료가 적합하다.

또 다른 실시 예로, 도 12를 참조하면, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은 제2 헤드(400)에 적어도 1종의 잉크를 삼차원 인쇄법으로 인쇄한 잉크 인쇄물로 제공하고, 적어도 1종의 잉크를 삼차원 인쇄법 이외의 방법으로 잉크 충진물로 추가로 제공하여 형성될 수 있다. 여기서, 삼차원 인쇄법으로 인쇄한 잉크 인쇄물은 그 자체로도 2차원 또는 3차원 패턴을 갖는 것일 수 있다.

또한 잉크 충진물은 삼차원 인쇄법으로 제2 헤드(400)에 제공되는 잉크 인쇄물과는 달리, 삼차원 인쇄법이 아닌 충진 방법에 의해 제공되는 잉크 충진물을 의미하며, 삼차원 인쇄법 이외의 방법에 의한 충진 방법의 예로는, 튜브나 주사기 등을 이용하여 충진하는 방법이 있으며 특별히 한정되지 아니한다.

한편, 제2 헤드(400)에 제공되는 잉크 충진물과 잉크 인쇄물의 잉크 점도 차이는, 25℃ 온도에서 측정한 점도 차이가 5,000cp 이하, 예를 들면 0 내지 5,000cp, 1,000 cp 이하, 500 cp 이하, 200cp 이하, 150cp 이하, 100cp 이하, 또는 50cp 이하일 수 있다.

잉크의 점도 차이가 매우 크면 서로 다른 물질의 분자력에 의해 잉크 인쇄물의 형상이 변형될 수 있으며, 토출하여 삼차원 인쇄를 하고자 하는 경우 동일 압력을 잉크 또는 제2 헤드(400)에 가할 경우 점도 차이로 인해 제2 헤드(400)에 수용된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 패턴이 무너질 수 있다. 따라서, 서로 상이한 2종 이상의 잉크를 사용하는 경우 점도의 차이가 작을수록 바람직하다.

그리고 상기 잉크 충진물과 잉크 인쇄물의 탄성 값의 차이는, 10,000 Pa 이하, 예를 들면 0 내지 10,000 Pa 일 수 있으며, 상기 잉크 충진물과 잉크 인쇄물은, 점성과 탄성이 전단속도에 따라 변화되는 추이가 비슷하고 점성 값과 탄성 값이 비슷한 것이 바람직하다.

또한, 서로 상이한 잉크에 사용되는 겔화 고분자가 상이한 경우, 예를 들면 겔화 고분자가 콜라겐, 젤라틴과 같이 온도 민감성이 있고 다른 하나가 알지네이트, 피브린 겔처럼 온도민감성이 없다면, 제2 헤드(400) 내부의 온도를 조절할 필요가 있으며, 제2 헤드(400)의 온도를 4℃ ~ 37℃ 온도 범위에서 적절히 조절하는 것이 바람직하다.

도 8 내지 도 12에 도시된 실시 예에서, 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 하부로 쏟아지지 않도록, 제2 헤드(400)에 미리 지지물질로서 하이드로겔을 0.1 mL ~ 2 mL 정도 소량 넣어둔 후에 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 제2 헤드(400)에 넣는 것이 바람직하며, 그 후에 제2 헤드(400)의 내부로 하이드로겔을 다시 충진하여 안정적인 프린팅을 유도할 수 있다.

또한, 상기 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은 제2 공압 실린더(410)(도 3에 도시됨)를 통해 가압되고, 제2 토출 유닛(420)을 통해 지지체(10)의 내부로 토출되며, 이때 제2 공압 실린더(410)는 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면이 동일한 형태를 유지하면서 크기만 축소되어 노즐을 통과하도록 제어되는 것이 바람직하다.

상세하게는, 각 구획된 공간에 수용된 잉크에 동일 조건의 압력을 가하기 위하여, 하나의 제2 공압 실린더(410)를 사용하여 압력을 수행하거나, 둘 이상의 제2 공압 실린더(420)를 사용하여 동일 압력으로 가압하여 수행할 수 있다.

이후, 제2 공압 실린더(410)의 가압에 의해 각각 상이한 잉크가 단일 통로를 구비한 노즐을 통해 지지체(10)의 내부로 토출되며, 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면과 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면은 동일한 패턴을 갖게 된다.

여기서 제2 공압 실린더(410)의 가압력이 너무 강할 경우, 노즐에 걸리는 부하가 커져서 손상이 발생하거나 또는 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 부드럽게 쓰레드(thread) 형태로 배출되지 못하고 덩어리를 지어 불균형한 형상으로 배출될 위험성이 있으며, 가압력이 너무 약할 경우, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 점성에 의한 저항 때문에 노즐로부터 원활한 배출이 이루어지지 못할 수 있다.

또한, 제2 토출 유닛(420)의 노즐은 단일 통로를 구비하여, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 다중 채널 제어가 아닌 단일 채널 제어 방식으로 토출할 수 있는데, 상기 노즐의 직경이 너무 작을 경우, 배출 압력이 커져서 압력이 강할 때의 위험성들이 동일하게 발생할 수 있으며, 직경이 너무 클 경우 인공 혈관 제조시 3차원 형상의 정밀도가 떨어지게 될 수 있다.

따라서, 0.1 ~ 500kPa 범위 내의 압력을 가하여, 0.1 ~ 1 mm 범위 내의 배출구 직경을 가지는 노즐로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 것이 바람직하며, 제2 헤드(400)가 1 ~ 700mm/min 범위 내의 속도로 이동하면서 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 인쇄하는 것이 바람직하다.

상술한 압력 범위 및 직경 범위 내에서, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 배출이 적절히 원활하고 용이하게 이루어질 수 있음과 동시에 제조되는 인공 혈관 형상의 정밀도를 적절히 원하는 수준으로 달성할 수 있다.

종래 기술과 같이 하나씩의 재료를 분사하여 바이오 프린팅을 하는 경우에는 제2 토출 유닛(420)의 노즐 내경 크기 감소에 제한이 있기 때문에 재료의 부피 감소에 한계가 있었으나, 본 발명에 따르면, 다중 잉크의 개수에 비례하여 토출되는 잉크의 부피를 감소시킬 수 있기 때문에 종래 기술에 비해 정밀한 분사가 가능해진다.

또한, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 제2 토출 유닛(420)의 노즐을 통과할 때에 각각의 잉크와 제2 토출 유닛(420) 통로의 안쪽면과의 사이에 접촉하는 면적이 감소하므로, 발생하는 전단응력이 단일 재료를 토출할 때보다 저감된다. 따라서 세포 활성 측면에서 종래 기술에 비해 유리한 효과가 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 복잡한 단면 구조를 가지는 인공 혈관을 높은 정밀도와 해상도로 인쇄하여 제조할 수 있고, 다양한 단면 패턴을 갖는 인공 혈관을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 원하는 형상을 이질적으로 프린팅하는 동시에 세포의 전단응력도 크게 줄여줌으로써 세포 생존율이 높아진다.

또한, 본 발명의 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 사용하는 경우, 다중 재료가 이질적으로 함유된 다중 헤드를 사용하는 종래 기술에 비해, 하나의 헤드(즉, 제2 헤드(400))를 사용하여 둘 이상의 상이한 잉크를 함께 토출하여 인쇄할 수 있으므로, 단일 헤드를 사용할 수 있어 프린팅 공정 시간이 감소하고, 3D 프린팅 시스템이 단순해지는 장점이 있다.

한편, 도 12에 도시된 바와 같이 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면과 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면은 동일한 패턴을 가지고, 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면 패턴의 비율은 단면의 면적비율, 직경비율 등으로 다양한 방법으로 표시될 수 있다.

구체적으로, 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면 패턴과 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면 패턴의 비율이, 예를 들면 단면 패턴의 직경이 100 : 99 내지 100 : 0.1, 또는 100 : 50 내지 100 : 1, 100 : 18 내지 100 : 1 비율로 축소될 수 있다.

그러나, 상기 축소비율은, 제2 헤드(400)의 단면 직경, 제2 토출 유닛(420)의 단편 직경, 또는 노즐의 직경 등에 직접적으로 영향을 받으며, 지지체(10)의 단면 패턴 크기에 맞추어 적절히 조절하여 다양하게 설계할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면 비율은 특정 형상의 전체 직경으로부터 98.7% 까지 소형화 가능하다. 예를 들면, 축소비율은 하기 수학식 1을 따라 계산할 수 있다.

[수학식 1]

축소비율 = 100 - (제2 헤드 단면 직경/인쇄물 단면 직경) X 100(%)

한편, 제2 헤드(400)에 제공되는 잉크는 인공 혈관을 제조할 수 있는 바이오 잉크인 것이 바람직하다. 본 명세서에서 '바이오 잉크'는 살아있는 세포 혹은 바이오 분자를 포함하며, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 기술에 응용하여 인공 혈관을 제작할 수 있는 소재를 통칭하는 용어이다. 본 발명의 바이오 잉크는 복수의 세포를 포함하는 액체, 반고체, 또는 고체 조성물을 포함한다.

또한, 바이오 잉크는 3차원 가공을 위한 물리적 성질과 세포가 목적된 기능을 수행하게 하기 위한 생물학적 환경을 제공하여 주어야 한다. 프린팅 공정이 길어질 때에는 제2 헤드(400) 내에서 세포의 생존에 필요한 영양분과 산소의 공급이 적절히 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 프린팅 과정에서 발생하는 물리적 스트레스로부터 세포를 보호할 수 있어야 한다. 그 외에도 바이오 잉크는 3차원 패터닝의 반복성, 생산성, 노즐의 막힘이 없어야 하는 등 프린팅 공정상에서 필요로 하는 물리적 성질을 가져야 한다.

따라서, 바이오 잉크는 하이드로겔인 것이 바람직하며, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은 겔화 고분자, 세포, 성장인자 및 세포외 기질로 이루어지는 군 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 예를 들면, 원하는 세포를 혼합한 하이드로 겔, 특정 성장인자(growth factor)가 함유된 하이드로겔, 세포와 성장인자가 함유된 하이드로겔, 사이토카인(cytokine)이 함유된 하이드로겔 또는 이들의 조합을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 하이드로겔은 폴리에틸렌글라이콜, 콜라겐, 마트리겔, 알지네이트, 젤라틴, 아가로스, 피브리노겐 및 탈세포화된 조직유래 세포 잉크 혹은 이들을 혼합한 것이 바람직하며, 상기 세포는 인공 혈관이 이식 또는 삽입될 환자로부터 유래된 혈관 내피세포, 혈관 평활근 세포 또는 섬유 세포를 사용하거나 또는, 환자로부터 유래된 줄기세포를 이용하여 분화시킨 혈관 내피세포, 혈관 평활근 세포 및 섬유 세포로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.

또한, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은 저점도일수록 빠르게 확산 되므로 물(1 cp)보다 진한 점도로서 25℃ 온도에서 측정한 점도가 2 cp 내지 1,000,000 cp, 예를 들면 2 cp 내지 10,000 cp, 또는 5 cp 내지 1,000,000 cp의 점성을 가지는 겔 상의 물질 정도가 적합하다. 그리고 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은 토출에 적절한 점도를 제공하고자, 다양한 점도 증진제를 사용할 수도 있다.

상기 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은 생체적합성, 프린팅 적합성, 기하학적 정밀성, 정밀도와 같은 물리적 및 생물학적 측면에서 우수한 장점이 있다.

한편, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 치밀화는 적당한 밀도로 세포를 성장시키는 것으로부터 유도되며, 이를 위해 조직유래 성분이 추가로 포함될 수 있다.

조직유래 성분은 혈관, 연골, 신장, 심장, 간, 근육 등과 같은 동물의 특정조직이 탈세포화 되고 세포외기질을 주성분으로 하는 물질의 겔(gel)화 된 것을 의미하며, 이는 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 조직특이성을 강화하기 위하여 포함될 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은 세포 배양 배지를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 세포 배양 배지는 목적하는 세포에 적합한 임의의 배지를 포함하는 개념이다.

겔화 고분자 용액은 다양한 종류를 사용할 수 있는데, 이러한 고분자 용액이 가져야 할 조건은 다음과 같다. 먼저, 3차원 인쇄가 잘 이루어질 수 있도록 하기 위해서 적당한 점성을 가져 노즐로의 분출이 용이해야 하며, 배출된 후 빠르게 경화됨으로써 만들어지는 대상의 형태가 뭉그러지는 등의 문제가 발생되지 않아야 한다. 또한, 근본적으로 제조 목적상, 인체 내 조직과 유사한 세포 배양 환경을 조성할 수 있어야 한다.

상기 겔화 고분자의 예는 푸코이단, 콜라겐, 알지네이트, 키토산, 히알루론산, 실크, 폴리이미드(polyimides), 폴리아믹스 산(polyamix acid), 폴리카프로락톤(polycarprolactone), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 나일론(nylon), 폴리아라미드(polyaramid), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리벤질글루타메이트(poly-benzyl-glutamate), 폴리페닐렌테레프탈아마이드(polyphenyleneterephthalamide), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리스티렌(polystyrene), 셀룰로오스(cellulose), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리락산(polylactic acid; PLA), 폴리글리콜산(polyglycolic acid; PGA), 폴리락산과 폴리글리콜산의 공중합체(PLGA), 폴리 {폴리(에틸렌옥사이드)테레프탈레이트-co-부틸렌테레프탈레이트 }(PEOT/PBT), 폴리포스포에스터(polyphosphoester; PPE), 폴리포스파젠(PPA), 폴리안하이드라이드(Polyanhydride; PA), 폴리오르쏘에스터 {poly(ortho ester;POE}, 폴리(프로필렌푸마레이트)-디아크릴레이트{poly(propylene fumarate)-diacrylate; PPF-DA} 및 폴리에틸렌글라이콜디아크릴레이트 {poly(ethylene glycol) diacrylate; PEG-DA }로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상 또는 상기 재료들의 조합일 수 있다. 하지만, 본 실시예로 재료가 제한 되는 것은 아니다.

또한, 상기 겔화 고분자는 천연 고분자를 화학적 변형한 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면 gelatin과 methacrylate (MA)를 화학적을 결합하고 photoinitiator를 결합한 GelMA, Alginate/Gelatin, Alginate의 binding site를 추가하기 위해 pentapeptide sequencing Tyr-Ile-Gly-Ser-Arg (YIGSR)과 EDC/NHS를 결합한 alginate 등을 포함할 수 있다.

특히, 상기 폴리에틸렌글라이콜, 알지네이트, 콜라겐 및 젤라틴을 비롯한 하이드로겔은 수분 함량이 높고, 생체 적합성이 뛰어나고 기계적 특성을 조절할 수 있고 생분해성이 우수하여 세포가 포매된 담체의 제조에 널리 이용되어 왔다. 이러한 이유 때문에, 하이드로겔은 세포가 탑재된 구조의 제조에 매우 적합하며, 다양한 타입의 조직재생 골격을 얻기 위해 직접 프린트할 수 있다.

상기 젤라틴은 온도-민감성 특성을 나타내기 때문에 상기 세포 운반 물질로서 특히 적합하다. 즉, 젤라틴은 37℃에서 액상화되며 상온 이하에서 고체화되는 특성을 지니고 있다.

상기 겔화 고분자는 물리적 처리 또는 화학적 처리를 이용하여 가교 결합을 형성할 수 있으며, 상기 화학적 처리에는 가교 용액을 사용할 수 있으며, 선택된 겔화 고분자에 따라 적절히 가교 용액을 선택하여 사용할 수 있다.

예를 들면, 상기 가교 용액은 석고; 또는 히드록시아파타이트, 탄산 아파타이트, 불화 아파타이트, 염화 아파타이트, α-TCP, β-TCP, 메타인산칼슘, 인산4칼슘, 인산수소칼슘, 인산2수소칼슘, 피로인산칼슘, 탄산칼슘, 황산칼슘, EDC {1-ethyl-(3-3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride} 또는 이들의 염으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물의 용액일 수 있다.

상기 겔화 고분자 용액을 포함하는 잉크는, 통상 액상 형태의 콜라겐 용액에서의 콜라겐 농도 비율이 0.1 내지 30 중량% 범위 내로 형성되는 것이 바람직하다.

하이드로겔의 제조방법은 통상의 삼차원 인쇄용으로 잉크를 제조할 때 사용하는 제조방법을 적용하여 수행할 수 있으나 특별히 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은, 앞서 언급한 바와 같이 세포를 포함할 수 있으며, 상기 세포는 인공 혈관이 이식 또는 삽입될 환자로부터 유래된 혈관 내피세포, 혈관 평활근 세포 또는 섬유 세포를 사용하거나 또는, 환자로부터 유래된 줄기세포를 이용하여 분화시킨 혈관 내피세포, 혈관 평활근 세포 및 섬유 세포로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔에서 사용되는 세포 유형은 당업계에 공지된 임의의 방식으로 배양될 수 있다. 세포 및 조직 배양 방법은 당업계에 공지되어 있다.

세포는 또한 원하는 세포주를 따라 세포의 분화를 유도하는 세포 분화 물질과 배양될 수도 있다. 예를 들면, 줄기세포는 분화 배지와 접촉하여 인큐베이션 됨으로써 일정 범위의 세포 유형을 생성한다.

상기 줄기 세포는 비제한적 예로서 골원성(osteogenic) 분화 배지, 연골원성(chondrogenic) 분화 배지, 지방생성(adipogenic) 분화 배지, 신경 분화 배지, 심근세포 분화 배지 및 혈관 세포 분화 배지를 포함하는 분화 배지와 접촉하여 인큐베이션 될 수 있다.

추가적으로, 세포는 성장인자, 사이토카인 등과 배양될 수 있다. 성장인자는 세포에 의해 생성되고 그 자체 및/또는 여러 가지의 다른 인접한 또는 동떨어진 세포에게 영향을 줄 수 있는, 사이토카인을 포함하는 단백질, 폴리펩티드, 또는 폴리펩티드 복합체를 지칭한다. 통상, 성장인자는 발생적으로 또는 다수의 생화학적인 또는 환경적인 자극에 반응하여 특정 유형의 세포의 성장 및/또는 분화에 영향을 미친다. 전부는 아니지만 일부의 성장인자는 호르몬이다.

예시적 성장인자는 인슐린, 인슐린 유사 성장인자(IGF), 신경 성장인자(NGF), 혈관 내피 성장인자(VEGF), 케라티노사이트 성장인자(KGF), 기본 FGF(bFGF)를 포함하는 섬유아세포 성장인자(FGF), PDGFAA및 PDGF-AB를 포함하는 혈소판 유래 성장인자(PDGF), BMP-2 및 BMP-7등을 포함하는 뼈형성단백질(BMP), 간세포 성장인자(HGF), 형질전환 성장인자 알파(TGF-α), TGFβ-1 및 TGFβ-3을 포함하는 형질전환 성장인자 베타(TGF-β), 표피 성장인자(EGF), 과립구-대식세포 콜로니-자극인자 (GM-CSF), 과립구 콜로니-자극인자(G-CSF),인터류킨-6(IL-6), IL-8 등이 있다.

인공 혈관을 제조하기 위해 사용되는 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔에 포함되는 세포의 개수는 세포의 종류, 바이오 잉크 조성물에 포함된 세포 영양성분의 함량 등에 따라 조절될 수 있다.

또한, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔 조성물에 포함되는 세포의 종류는 상기 방법에 따라 제조하고자 하는 혈관의 종류에 따라 다양하게 변경 가능하다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자라면, 삼차원 바이오 프린팅으로 통해 제조하고자 하는 혈관의 종류에 따라 적절한 세포를 선택하여 이에 적용할 수 있을 것이다.

또한, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 지지체의 내부로 토출되어 적층된 이후에는, 이를 가열하거나, 자외선에 노출시키거나 또는 가교 결합용액을 첨가함으로써 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 가교결합을 촉진할 수 있다. 이러한 가교결합은 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔이 보다 단단한 구조물로 완성될 수 있도록 해주며, 상기 가교결합을 촉진하기 위해서 광학 개시제(photoinitiator)를 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 형태는, 인공 혈관의 제조 방법에 관한 것으로서(도 14 참조), 고분자가 제1 헤드를 통해 지지체 제작 유닛의 외주면으로 토출되어, 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체를 형성하는 단계(S100); 형성된 지지체를 수직으로 고정하는 고정 단계(S200); 제2 헤드를 수직으로 이동시키면서 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 지지체의 내부로 토출시키는 단계(S300); 및 지지체 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 일부를 제거하는 단계(S400);를 포함한다. 본 발명에 따른 인공 혈관의 제조 방법에 따라 다층 구조의 중공 형태를 갖는 인공 혈관을 제조할 수 있다.

도 15에 도시된 바와 같이, 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체를 형성하는 단계(S100)는, 고분자가 제1 헤드(200)를 통해 지지체 제작 유닛(100)의 외주면으로 토출되며(도 15의 (a) 참조), 이로 인해 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체(10)(도 15의 (b) 참조)가 형성되게 된다.

상세하게는, 상기 단계(S100)는 먼저 제1 헤드를 지지체 제작 유닛의 상부로 이동시키는 단계(S110)가 진행된다. 이때 제1 헤드(200)는 헤드 이동 유닛(520)(도 1에 도시됨)에 의해 Y축 스테이지(620)(도 1에 도시됨)를 따라 이동됨으로써 지지체 제작 유닛(100)의 상부에 위치되게 된다.

다음으로, 지지체 제작 유닛이 회전하는 단계(S120)가 진행된다.

상기 회전하는 단계(S120) 후에, 제1 헤드를 지지체 제작 유닛의 길이 방향으로 이동시키면서 고분자를 지지체 제작 유닛의 외주면으로 토출시키는 토출 단계(S130)가 진행된다.

상기 회전하는 단계(S120) 및 토출 단계(S130)는, 동시 또는 순차적으로 진행되는 것이 바람직하며, 제1 헤드(200)가 X축 스테이지(610)(도 1에 도시됨)를 따라 이동되면서 지지체 제작 유닛(100)의 외주면에 고분자를 토출할 때 지지체 제작 유닛(100)이 회전함으로써 지지체가 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형으로 형성될 수 있다.

이후 앞선 단계를 통해 형성된 지지체를 수직으로 고정하는 단계(S200)가 진행되며, 바람직하게는 지지체(10)는 지지대(300)(도 1에 도시됨)에 수직으로 고정될 수 있다.

다음으로, 제2 헤드를 수직으로 이동시키면서 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 지지체의 내부로 토출시키는 단계(S300)가 진행된다.

도 16를 참조하면, 상기 단계(S300)는 먼저 제2 헤드(400)를 지지체(10)의 상부로 이동시킨 후 진행된다. 즉, 제2 헤드(400)는 헤드 이동 유닛(520)에 의해 Y축 스테이지(620)(도 1에 도시됨)를 따라 이동하여 지지체(10)의 상부에 위치될 수 있다.

이후 제2 헤드(400)는 수직으로 상승하면서 지지체(10)의 내부로 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하게 되며, 이에 따라 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면과 제2 헤드(400)에 충진된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면은 동일한 패턴을 갖게 된다.

마지막으로, 도 17에 도시된 바와 같이 지지체 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 일부를 제거하는 단계(S400)가 진행된다. 여기서, 지지체(10)의 내부로 토출된 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은 1종 이상의 물질을 포함하며, 다층 구조로 형성되어 있기 때문에 각 층을 형성하는 물질의 겔화 조건을 달리 하여 중심 부위에 해당하는 일부분을 제거하는 것이 바람직하다.

일 예로, 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면을 기준으로 외부에는 3w/v %의 sodium algiante가 형성되고, 내부에는 온도 민감성 하이드로겔인 3 %의 젤라틴으로 형성된 인공 혈관을 200 M의 칼슘클로라이드에 가교 결합시킨 뒤, 37℃의 액체에 넣어두면(도 17의 (a) 참조), 겔화된 알지네이트는 그대로 형상을 유지하지만 젤라틴은 녹아내려 중공 형태의 인공 혈관(20)이 형성되게 된다.(도 17의 (b) 참조)

도 18 내지 도 19를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 인공 혈관(20)은, 다층 구조의 중공 형태로 제조되며, 프린팅 후에도 인공 혈관(20)의 구조와 형태를 일정하게 유지 가능하다.

뿐만 아니라, 열가소성 고분자를 포함하는 3차원 다공성 구조의 속이 비어 있는 지지체를 포함함에 따라 일정 수준 이상의 탄성을 가지며, 쉽게 파손되지 않고, 수술과 같은 임상 적용시에도 지지체의 다공성 구조에 의해 생체 조직에 실로 고정될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예를 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.

[실시예 1] 4개 구획으로 구분된 하이드로겔 인쇄

4개 구획으로 구분된 제2 헤드를 이용하여 삼차원 프린팅을 수행하고자, 4구획 구획부재를 삼차원 인쇄방법으로 폴리락산(polyactic acid;PLA)을 재질로 하여 제조하였다.

4구획 구획부재를 구비한 제2 헤드에 각각 Green, Blue, Red 형광 파티클이 함유된 3 w/v % sodium alginate를 넣고 다른 한곳에는 형광파티클이 함유되지 않은 3 w/v % sodium alginate를 넣은 뒤 이를 공초점 현미경으로 형광 관찰한 결과, 형광 파티클이 함유된 각각 구획에서 RGB 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 확인하였다.

도 20은 실시예 1에 따라 4개 구획으로 구분된 제2 헤드를 이용하여 RGB 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다. 즉, 토출된 결과물을 공초점 현미경으로 형광 관찰하면 도 20의 왼쪽 도면과 같으며, 토출된 결과물의 cross-sectional view는 오른쪽 도면과 같다(스케일바는 모두 100 um). 도 20의 오른쪽 단면도에서 단편 패턴의 중심을 지나는 직경으로 단면을 분석한 결과로서, 그래프의 형광 세기 값의 plot을 나타낸다. 본 발명의 따른 4개의 구획에서 높은 해상도로 구분되어 잉크가 인쇄됨을 나타낸다.

[실시예 2] 다양한 크기의 노즐을 이용한 4개 구획으로 나누어진 하이드로겔 인쇄

실시예 1과 동일한 제2 헤드를 사용한 삼차원 프린팅 장치를 사용하되 노즐의 크기를 18, 20, 22, 25 및 27 Gauge로 RGB 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 확인하였다. 도 21은 실시예 2에 따라 4개 구획으로 구분된 제2 헤드를 이용하여 RGB 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다. 단면도(Cross-sectional View)에 도시된 바와 같이, 제2 헤드의 단면 형상과 같은 형상으로 소형화가 가능하였다.

본 발명의 실시 예에 따르면 비율은 특정 형상 (실시 예:Lobule)의 전체 직경 (15 mm)으로 부터 98.7% (200μm)까지 소형화 가능하였다. 상기 수학식에 따라 계산하였다.

[수학식 1]

축소비율=100- (제2 헤드 직경/인쇄된 직경)X100(%)

구분	제2 헤드	노즐
Inner diameter	15mm	0.83mm	0.62mm	0.41mm	0.25mm	0.2mm
Printing diameter	15mm	1mm	0.725mm	0.55mm	0.375mm	0.2mm
축소(%)	-	93.4	95.2	96.4	97.5	98.7
축소율	-	100:15	100:11	100:3.7	100:2.5	100:1.3

[실시예 3] 다양한 형상의 적어도 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔 인쇄

다양한 형상의 구획부를 구비한 제2 헤드를 이용하여 삼차원 프린팅을 수행하고자, 다양한 모양의 구획부재를 삼차원 인쇄방법으로 폴리락산(polyactic acid;PLA)을 재질로 하여 제조하였다.

구획부재를 구비한 제2 헤드에 각각 Green, Blue, Red 형광 파티클이 함유된 3 w/v % sodium alginate를 넣은 결과 각각 구획에서 RGB 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 확인하였다.

도 22 및 도 23는 실시예 3에 따라 다양한 모양의 구획부재를 구비한 제2 헤드를 이용하여 RGB 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다.

상기 실험결과에 따르면, 제2 헤드가 4개 구획 뿐만 아니라, 여러 가지 형태의 조직도 모사할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 23은 도 22의 다양한 모양의 토출물로부터 형광 세기를 그래프로 나타낸 것으로, 왼쪽 그래프는 도 22의 노란 점선으로부터 1차원 점선에 대한 2차원 형광 세기 그래프를 나타내며 오른쪽 그래프는 도 22의 흰색 네모박스로부터 표면에 대한 3차원 형광 세기 그래프를 나타낸다.

도 23에 대해서 위로부터 1번 그래프는 도 22의 첫번째 구획 부재를 이용한 삼차원 프린팅 결과의 2차원 빛의 세기 분석으로서, 도 22의 노란색 점선으로부터 1차원 점선에 대한 2차원 형광 RGB 빛의 세기를 나타내며, 2번 그래프는 도 22의 두 번째 구획 부재를 이용한 삼차원 프린팅 결과의 3차원 빛의 세기 분석으로서, 도 22의 흰색 박스로부터 2차원 표면에 대한 3차원 형광 RGB 빛의 세기를 나타낸다.

[실시예 4] 잉크 인쇄물과 잉크 충진물을 포함하는 제2 헤드

삼차원 프린팅 장치의 제2 헤드에 3 w/v % Sodium alginate 재질의 충진용 제1 하이드로겔을 주입하였다. 상기 제1 하이드로겔이 주입된 제2 헤드에, 긴 길이의 노즐을 구비한 삼차원 프린팅 장치를 이용하여, Green 형광 파티클이 함유된 3 w/v % sodium alginate를 제2 하이드로젤로서 삼차원 프린팅 방법으로 주입하였다.

상기 제2 헤드에 충진용 제1 하이드로겔과 삼차원 인쇄된 제2 하이드로겔을 압력을 가하여 제2 토출 유닛을 통해 얻어지는 토출물을 이용하여 삼차원 프린팅 방법으로 인쇄하였으며, 노즐 크기(nozzle I.D)가 1.0 mm을 사용하여 3개 줄로 인쇄하였다. 노즐 크기(nozzle I.D)가 1 mm인 노즐을 사용한 경우 인쇄된 단면의 길이가 30 마이크로미터이고, 노즐 크기(nozzle I.D)가 2 mm인 노즐을 사용할 경우 인쇄된 단면의 길이가 70 마이크로미터이었다.

상기 인쇄물을 공초점 현미경으로 형광 관찰한 결과 녹색 형광 파티클이 함유된 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 확인하였다. 도 24는 실시예 4에 따라 제2 토출 유닛을 이용하여 지지용 제1 하이드로겔과 삼차원 프린팅 방법으로 내부에 형성된 특정 형상을 갖는 제2 하이드로겔이 형성되는 사진을 나타낸다. 도 25는 실시예 4에 따라 얻어진 제1 하이드로겔 및 제2 하이드로젤이 충진된 제2 헤드를 압력조건하에 토출하여 삼차원 인쇄방법으로 제조된 인쇄물의 공초점 현미경 관찰한 결과를 나타낸다. 즉, 토출된 결과물을 공초점 현미경으로 형광 관찰하면 도 25의 도면과 같다. 본 발명의 따른 방법으로 높은 해상도로 구분되어 잉크가 인쇄됨을 나타낸다.

[실시예 5] 다양한 크기의 노즐을 이용한 두개의 구획으로 나누어진 하이드로겔 인쇄

실시예 4와 동일한 제2 헤드를 사용한 삼차원 프린팅 장치를 사용하되 노즐의 크기를 18, 20, 22, 25 및 27 Gauge로 하이드로겔이 프린팅되는 것을 공초점 현미경으로 확인하였다. 구체적으로 18, 20, 22, 25 및 27 Gauge의 각 노즐 내경은 0.82mm, 0.63mm, 0.41mm, 0.28mm, 및 0.1mm이었다.

도 26은 실시예 5에 따라 제2 토출 유닛을 이용하여 제1하이드로겔 충진물과 제2 하이드로겔 인쇄물이 노즐의 크기의 변화에 따른 프린팅 결과물을 보여주는 공초점 현미경 관찰 결과를 나타낸다. 단면도(Crosssectional View)에 도시된 바와 같이, 제2 토출 유닛의 단면 형상과 같은 형상으로 소형화가 가능하였다. 본 발명의 실시 예에 따르면 비율은 특정 형상 (실시예:Lobule)의 전체 직경 (15 mm)으로 부터 98.7% (200㎛)까지 소형화 가능하였다.

상기 수학식에 따라 계산하였다.

[수학식 1]

잉크 인쇄물의 축소비율=(A-B)/A X100(%)

상기 수학식 1에서, A는 삼차원 인쇄법으로 제2 헤드에 제공된 1차 잉크 인쇄물의 단면 직경, B는 인쇄 잉크의 2차 인쇄물의 단면 직경이고, 상기 A 및 B는 동일 길이 단위임.

제2 헤드 단면 직경(mm)	9.3mm	9.3mm	9.3mm	9.3mm	9.3mm
A(mm)	1.38mm	1.38mm	1.38mm	1.38mm	1.38mm
노즐직경(㎛)	820㎛	630㎛	410㎛	280㎛	100㎛
B(mm)	190㎛	160㎛	90㎛	70㎛	30㎛
축소비율(%)	86.2	88.4	93.5	94.9	97.8
크기감소(=B/Ax100)(%)13.8	13.8	11.6	6.5	5.1	2.2

[실시예 6] 내강(lumen) 구조를 갖는 인공 혈관의 제작

실시예 4와 동일한 제2 헤드에 3 w/v % sodium alginate를 주입하고, 긴 노즐을 이용하여 온도 민감성 하이드로겔인 3% 젤라틴을 기주입된 알지네이트 내부에 프린팅 방법을 이용하여 주입하였다. 준비된 복합 하이드로겔을 200 Mm의 칼슘클로라이드에 프린팅하면 알지네이트만 겔화가 유도되고 젤라틴은 겔화되지 않은 채 존재하게 된다. 이 프린팅 구조체를 37 ℃의 액체에 넣어두면, 겔화된 알지네이트는 그대로 형상을 유지하지만 젤라틴은 녹아내려 내강 구조를 형성하였다.

[실시예 7] 세포를 포함하며 다중 내강 구조를 갖는 혈관 제작

실시예 6과 동일한 방법으로, 제2 헤드에 3 w/v % sodium alginate를 주입하고, 긴 길이의 노즐을 구비한 삼차원 프린팅 장치를 이용하여, 평활근 세포가 1x 10⁷ Cells/mL 이상의 농도로 함유된 3% 알지네이트를 상기 충진된 3% 알지네이트 안에 주입하고, 혈관내피세포 1x 10⁷ Cells/mL 이상의 농도로 내재된 3% 젤라틴을 평활근세포가 내재된 알지네이트에 주입하는 연속적인 방법을 통하여, 혈관 구조를 모사하였다.

특히, 혈관의 대동맥이나 대정맥은 4중 원통 구조로 겹겹히 쌓여 있는데, 이 방법을 통하여 손쉽게 4중 구조의 혈관을 프린팅 할 수 있을 뿐만 아니라, 크기 조절 또한 가능하다. 뿐만 아니라 세정맥의 2중 구조나 미세혈관의 1중 구조도 마찬가지로 모사할 수 있다.

이상 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며 전술한 실시예 및/또는 도면에 제한되는 의도는 아니다.

1, 2, 3 : 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템
10 : 지지체 20 : 인공 혈관
100: 지지체 제작 유닛 110 : 회전축
120 : 모터 130 : 베어링
200 : 제1 헤드 210 : 제1 공압 실린더
220 : 제1 토출 유닛 230 : 온도 제어 유닛
300 : 지지대 310 : 고정 유닛
311 : 볼트 312 : 탄성 튜브
320 : 조리개 321: 홀
330 : 승강 수단 400 : 제2 헤드
410 : 제2 공압 실린더 420 : 제2 토출 유닛
430 : 온도 조절 유닛 440 : 구획부재
450 : 중공부
510, 520, 530, 540, 550 : 헤드 이동 유닛
610 : X축 스테이지 620 : Y축 스테이지
630, 640 : Z축 스테이지

Claims

제1 헤드를 통해 고분자가 외주면에 토출됨으로써 3차원 다공성 구조의 속이 비어있는 원주형 지지체를 형성하는, 회전 가능한 지지체 제작 유닛;
고분자를 상기 지지체 제작 유닛으로 토출하여, 3차원 다공성 구조의 속이 빈 원주형 지지체(hollow cylindrical support)를 형성하는 제1 헤드;
제1 헤드를 통해 제작된 원주형 지지체를 수직으로 거치하는 지지대; 및
지지대에 수직으로 거치되어 고정된 원주형 지지체의 내부로, 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 제2 헤드;를 포함하고,
상기 제2 헤드가 수직 방향으로 이동하면서, 지지대에 수직으로 고정된 원통형 지지체의 내부로 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하거나,
상기 지지대는, 제2 헤드가 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 동안 수직 방향으로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 헤드는,
고분자를 토출하기 위해 상승 또는 하강하는 제1 공압 실린더;
상기 제1 공압 실린더의 하강에 의해 고분자를 토출하는 제1 토출 유닛; 및
토출되는 고분자의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛;을 포함하는, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 헤드는,
적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하기 위해 상승 또는 하강하는 제2 공압 실린더;
상기 제2 공압 실린더의 하강에 의해 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 제2 토출 유닛; 및
토출되는 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 온도를 조절하는 온도 조절 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템.
제1항에 있어서, 상기 지지체 제작 유닛은,
고분자가 토출될 때 회전될 수 있는 회전축;
회전축의 일측에 연결되어, 회전축을 회전시키는 모터; 및
회전축의 타측에 연결되어, 회전축을 지지하는 베어링;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 지지대는, 고정된 제2 헤드가 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 동안 수직 방향으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 열가소성 고분자인 것을 특징으로 하는, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템.
제7항에 있어서,
상기 열가소성 고분자는, 락티드(lactide), 카프로락톤(caprolactone), 글리코라이드(glycolide), 디옥사논(dioxanone), 프로필렌(Propylene), 에틸렌(Ethylene), 염화비닐(vinylchloride), 부타디엔(butadiene), 메틸메타아크릴레이트(methly methacrylate), 아크릴산, 2-히드록시에틸메타크릴에이트(2-hydroxyethlymethacrylate), 카보네이트(carbonate) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephalate)로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔은, 겔화 고분자, 세포, 성장인자 및 세포외 기질로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
제2 헤드에 충진된 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면과 지지체의 내부로 토출된 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 단면이 동일한 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는, 인공 혈관 제조용 3D 프린팅 시스템.
제1 헤드를 통해 지지체 제작 유닛의 외주면으로 고분자가 토출되어, 3차원 다공성 구조의 속이 빈 원주형 지지체(hollow cylindrical support)를 형성하는 단계;
형성된 원주형 지지체를 수직으로 고정하는 고정 단계; 및
제2 헤드를 수직으로 이동시키면서 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 상기 지지체의 내부로 토출시키는 단계;를 포함하고,
상기 제2 헤드가 수직 방향으로 이동하면서, 지지대에 수직으로 고정된 원통형 지지체의 내부로 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하거나,
상기 지지대는, 제2 헤드가 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔을 토출하는 동안 수직 방향으로 이동할 수 있는, 인공 혈관의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 지지체를 형성하는 단계는,
제1 헤드를 지지체 제작 유닛의 상부로 이동시키는 단계;
지지체 제작 유닛의 상부에 제1 헤드가 위치된 후, 지지체 제작 유닛을 회전시키는 단계; 및
제1 헤드를 지지체 제작 유닛의 길이 방향으로 이동시키면서, 고분자를 회전하는 지지체 제작 유닛의 외주면으로 토출시키는 토출 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인공 혈관의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 회전시키는 단계와 토출 단계는, 동시에 수행되거나, 순차적으로 진행되는 것을 특징으로 하는, 인공 혈관의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 토출 단계 이후에, 지지체 내부로 토출된 적어도 두 개의 구획으로 나누어진 하이드로겔의 일부를 제거하는 단계;를 더 포함하는 인공 혈관의 제조 방법.