KR20120032816A

KR20120032816A - 관절 연골 재생용 지지 구조

Info

Publication number: KR20120032816A
Application number: KR1020100094351A
Authority: KR
Inventors: 유웅열; 안현철
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-04-06
Also published as: KR101225093B1

Abstract

본 발명은 관절 연골 재생용 지지 구조에 관한 것으로서, 미리 결정된 브레이딩 각도로 다수의 방향으로 서로 꼬여져서 다층 구조를 형성할 수 있는 다수의 편조사들(braiding yarns); 및 편조사들이 꼬여지는 방향에 직교하는 평면 상의 편조사들 사이에 개재된 적어도 하나 또는 그 이상의 제1 배향사들(axial yarns)을 구비한다.

Description

관절 연골 재생용 지지 구조{Supporting structure for regenerating articular cartilage}

본 발명은 관절 연골 재생용 지지 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 천연 연골의 역학적 물성에 가장 가깝게 모사하기 위해 브레이딩 방식에 의해 편조된 관절 연골 재생용 지지 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 척추 동물의 관절을 이루는 연골 조직은 한번 손상되면 정상적으로 생체 내에서 재생이 되지 않는다. 관절염은 가장 대표적인 퇴행성 질환으로서, 고령화 사회에서 발생 빈도가 가장 높다. 한국 의학계의 최근 보고에 따르면, 방사선 소견상 55세 이상에서는 80%, 70세 이상에서는 거의 전 인구가 퇴행성 관절염을 증세를 보이며, 이중 약 1/4 정도가 임상 증세를 나타낸다고 한다.

손상된 관절 연골의 치료 방법들 중 현재까지 알려진 것들은 연골성형술 (chondroplasty), 골연골이식술(osteochondraltransplantation), 자기유래연골세포 이식술(autolaugous chondrocyte transplantation) 등이 있다.

연골성형술은 가장 일반적으로 사용되는 방법이며, 그 대표적 방법인 관절경적 시술은 소형 카메라가 장착된 관절경(arthroscopy)을 1㎝ 미만의 작은 구멍을 통해 관절강 내에 삽입하여, TV 모니터를 통해 관절 속을 확대 관찰하면서 진단 및 수술을 동시에 수행하는 방법이다. 그러나, 연골성형술은 실제의 관절에 필요한 초자 연골(hyaline cartilage)이 아니라 섬유-연골(fibro-cartilage)이 주로 생성되기 때문에, 기능적인 측면에서 만족스러운 효과를 거두지 못하고 있다.

골연골이식술은 환자의 정상 부위에서 이미 생성되어 있는 연골과 연골 하골 부분을 함께 채취하여, 손상된 연골 부위에 천공된 적당한 구멍을 통해 이식하여 초자 연골을 생성하는 방법으로, 일부 환자에게서 성공을 거두었다. 그러나, 골연골이식술은 이식된 부위와 원래 조직 사이에 틈이 남는 문제 등이 있어 완전한 치료 방법이라 하기 어려우며, 그나마 자가이식(autolaugous transplantation)이 가능한 환자만을 대상으로 시행할 수 있어 보편적인 방법이 될 수 없다.

자기유래 연골세포 이식술은 손상된 관절 연골의 치료를 위해 조직 공학에 기초를 둔 새로운 치료법으로서 최근 각광받고 있다. 이 기술은 뉴욕 주재 Hospital for Joint Disease에서 처음 연구되었고, 스웨덴(Sweden) 소재 University of Gothenburg와 Sahlgrenska University Hospital에서 발전 되었다.

자기유래 연골세포 이식술은, 무릎 관절 연골이 손상된 환자의 연골 부위 중 사용이 많지 않은 연골을 채취하여 연골 세포를 분리, 배양하여 연골 결손 부위를 치료할 만큼의 연골 세포수를 획득하며, 배양된 연골세포를 환자의 연골 결손 부위에 이식하여 환자의 관절 연골을 복원시키는 방법이다. 이러한 방법은 골연골이식술에 비해, 이식된 연골 세포가 손상된 부위 내에서 직접 증식하면서 손상 부위를 채우게 되므로, 이식된 부위와 정상 부위가 비교적 잘 융합되며, 초자 연골을 재생할 가능성 또한 많다. 그러나, 연골 세포를 채취할 때, 그리고 체외에서 배양된 연골세포를 다시 관절 연골 손상 부위에 이식할 때 각각 수술이 필요하므로, 결국 2차례에 걸친 수술에 의해 환자의 고통, 후유증 및 경제적 부담이 크며, 시술 과정 또한 복잡하고 까다롭다.

전술한 상기 수술적 치료들과 더불어 지난 수십 년간 손상된 연골의 정상 연골로의 재생을 위한 연구가 활발히 진행되었다. 이러한 연구의 성과로 현재 관절 연골의 결손부위 치유를 위해 다발성 천공술, 미세 골절술, 연마술, 골막 또는 연골막 이식술 등의 방법들이 시도되고는 있으나, 이들 대부분이 섬유성 연골로의 수복만이 달성되는 등 그 치유 효과가 매우 제한적인 수준이었다. 자가 또는 동종간 연골 이식술도 시행되고 있으나, 공여부 또는 공여자의 제한으로 시행에 어려움이 많은 실정이다. 따라서, 손상된 연골을 원래의 연골과 조직학적, 생체역학적으로 유사한 조직으로 재생시키는 것은 연골 손상 또는 결손을 예방하고 치료한다는 관점에서 매우 중요하다.

한편, 연골 세포나 중간엽 줄기 세포(mesenchymal stem cell, MSC)에 대한 연구의 발전과 함께 여러 가지 다양한 지지체를 이용한 세포이식 및 체외에서(in vitro) 조직공학적 연골을 제조하는 진보된 방법들이 발전되고 있다(Lee, C.R., et al., Tissue Eng., 6:555, 2000, Li, W.J., et al., Biomaterials, 26:599, 2005).

3 차원 배양 환경을 제공하는 지지체는 접종 세포의 증식과 분화뿐만 아니라 조직공학적으로 제조된 연골 조직의 궁극적인 품질에 영향을 준다. 현재는 합성이나 천연 재료로부터 유래한 다양한 물질들이 적절한 지지체로써 사용되고 있다. 이러한 지지체들은 스폰지, 겔, 섬유 및 미세구슬(microbead) 등의 여러 가지 형태로 사용되고 있는데(Honda, M.J., et al., J. Oral Maxillofac Surg., 62:1510, 2004, Griogolo, B., et al., Biomaterials, 22:2417, 2001, Chen, G., et al., J. Biomed. Mater. Res. A, 67:1170, 2003, Kang, S.W., et al., Tissue Eng., 11:438, 2005), 그중 가장 흔히 사용되는 것은 세포 부착률을 향상시킬 수 있고, 부피에 대한 고율의 표면 장력을 유지할 수 있는 다공성 구조이다. 하지만, 이러한 구조 역시 생체 내(in vivo) 및 체외(in vitro)에서 몇몇 응용성이 성공적으로 보고되었음에도 불구하고, 고품질의 조직공학적 연골을 제조할 수 없어 임상적으로 응용할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 이러한 지지체들은 천연 연골의 역학적 물성을 완벽하게 모사할 수 없으므로 한계가 있었다.

본 발명은 상술한 문제점들을 극복하기 위해 창안된 것으로서, 연골생성 세포가 배양된 후 일정 시점까지는 인공 연골과 동일한 기능을 하면서 지속적으로 연골을 재생할 수 있으며, 3차원 편조 기술에 의해 자연 연골의 물성과 구조를 거의 그대로 모사할 수 있도록 구조가 개선된 관절 연골 재생용 지지 구조를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조는, 미리 결정된 브레이딩 각도로 다수의 방향으로 서로 꼬여져서 다층 구조를 형성할 수 있는 다수의 편조사들(braiding yarns); 및 상기 편조사들이 꼬여지는 방향에 직교하는 평면 상의 상기 편조사들 사이에 개재된 적어도 하나 또는 그 이상의 제1 배향사들(axial yarns)을 구비한다. 여기서, 제1 배향사들은 편조사들의 편조 방향과 동일한 방향으로 배치되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 본 발명에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조는, 상기 제1 배향사들과 실질적으로 직교되도록 상기 편조사들 사이에 개재된 적어도 하나 또는 그 이상의 제2 배향사들을 더 구비한다. 여기서, 상기 제2 배향사들은 제1 배향사들과 직교되는 평면에 배치되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 다층 구조의 각각의 층에 배치된 상기 제1 배향사들 및/또는 상기 제2 배향사들의 부피는 상기 각각의 층마다 다르다.

바람직하게, 상기 제1 배향사들 및/또는 상기 제2 배향사들의 부피는 상기 배향사들의 수 또는 단면적에 의해 결정된다.

바람직하게, 상기 제1 배향사들 및/또는 상기 제2 배향사들의 부피는 상기 다층 구조의 어느 하나의 층에서 다른 층으로 갈수록 점차적으로 증대된다.

바람직하게, 상기 제1 배향사들 및 상기 제2 배향사들은 상기 다층 구조의 어느 하나의 최외곽 층에 배치되지 않는다.

바람직하게, 상기 편조사, 상기 제1 배향사들 및 상기 제2 배향사들은 다수의 가는 섬유들의 가닥으로 형성된다.

바람직하게, 각각의 상기 섬유는 생체적합성 및 생분해성 PGA(Poly Glycolic Acid) 또는 PLGA(Poly Lactic-co-Glycolic Acid)에 의해 제조된다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 지지 구조는, 실제 연골과 유사한 4개의 층들 즉, 근위단으로부터 원위단까지 순차적으로 배치된 제1 층 내지 제4 층으로 구성된다. 이러한 4개의 층들은 모두 편조사들에 의해 형성되며, 제1 층은 실제 연골의 종판(end plate)을, 제2 층은 실제 연골의 요골층(radial zone)을, 제3 층은 실제 연골의 전이층(transitional zone)을, 제4 층은 실제 연골의 접선층(tangential zone)을 각각 형성한다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 지지 구조에 있어서, 편조사와 배향사는 서로 다른 방식으로 직조된다. 즉, 편조사들은 편조 방법에 따라 각각의 층에 전체적으로 동일한 부피로 배치되는 반면, 배향사의 경우, 실제 관절과 실질적으로 거의 동일하게 모사하기 위해, 연골 지지 구조의 각 층들 사이사이에 삽입된다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 지지 구조에 있어서, 편조사들은 예를 들어, 4×4 매트릭스 형태로 서로 꼬여지는 구조를 가진다. 또한, 전술한 바와 같이, 각각의 편조사는 상대적으로 더 가는 실(Tow)의 다발로 구성되고, 지지 구조의 제작 과정(편조)에서 힘을 받아 단면이 타원형으로 구성된다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 지지 구조에 있어서, 하나의 편조사의 타원형 단면의 사이즈는 장축 방향 직경이 대략 0.3087mm이고 그 단축 방향 직경은 대략 0.1143mm이다. 따라서, 편조사의 단면적은 대략 0.11085mm²이며, 지지 구조의 전체 부피 대비 대략 30% 부피를 가진다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 지지 구조에 있어서, 전술한 바와 같이, 배향사들은 편조사들 사이에 삽입되어 X방향 및/또는 Y방향의 물성을 보강하기 위한 것으로서, 실제 자연 연골의 물성을 모사하기 위해 각각의 층마다 배치되는 배향사들의 크기나 개수는 다르다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 지지 구조에 있어서, 전술한 바와 같이, 제1 층에는 제1 배향사 및 제2 배향사가 존재하지 않는다. 또한, 제2 층에는 단위 구조당 1%의 제1 배향사 1개 및 1%의 제2 배향사 1개가 배치되고, 제3 층에는 단위 구조당 1%의 제1 배향사 2개 및 2%의 제2 배향사 1개가 배치되며, 제4 층에는 단위 구조당 1.5%의 제1 배향사 2개 및 3%의 제2 배향사 1개가 배치된다. 한편, 제1 배향사 및 제2 배향사 사이의 위와 같은 백분율 및 그 개수는 서로 반대일 수도 있음은 물론, 적절하게 변형될 수 있음을 당업자에게 명백하다.

이와 같이, 각 방향의 제1 배향사 및 제2 배향사를 추가하게 되면, 각각의 층의 전체 부피에 대해 섬유(편조사 및 배향사)가 차지하는 부피의 비는 각각 제1 층의 경우는 30%, 제2 층은 32%, 제3 층은 34%, 제4 층은 36%가 된다.

본 발명에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 편조사들을 서로 꼬이져 편조하는 과정에서 각각의 축방향(2축 방향으로) 실제 연골의 구조에 대응되도록 모사하기 위해 필요한 부피의 배향사들이 직조된 구조이기 때문에 실제 연골의 물성을 거의 그대로 모사할 수 있다.

둘째, 배향사들의 단면 굵기 또는 개수를 조절함으로써 보다 더 유연한 연골 재생용 지지 구조를 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 이어지는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 더 잘 이해시키는 예시적 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조를 개략적으로 도시한 실물 사진이다.
도 2는 도 1에 따른 지지 구조의 구성을 확대 도시한 개략적 사시도로서, X-Z 평면에서 바라본 도면이다.
도 3은 도 1에 따른 지지 구조의 구성을 확대 도시한 개략적 사시도로서, Y-Z 평면에서 바라본 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연골 재생용 지지 구조의 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 X-방향 인장 결과를 도시한 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연골 재생용 지지 구조의 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 Y-방향 인장 결과를 도시한 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조를 브레이딩 하기 위한 브레이딩 머신을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조의 편조 방법을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조의 편조 방법을 개략적으로 도시한 개념도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조를 개략적으로 도시한 실물 사진이고, 도 2 및 도 3은 도 1에 따른 지지 구조의 구성을 확대 도시한 개략적 사시도로서, 도 2는 X-Z 평면에서 바라본 도면이고, 도 3은 Y-Z 평면에서 바라본 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조(100)는 손상된 관절 연골의 조직의 물성을 모사할 수 있는 일종의 골격(scaffold) 또는 프리폼(preform)으로서, 미리 결정된 브레이딩 각도(α)로 다수의 방향으로 교호적으로 서로 꼬여져서 4층 구조를 형성할 수 있는 16개의 편조사들(10), 편조사들(10)이 꼬여지는 방향(Y-방향)과 동일한 방향으로 편조사들(10) 사이에 실질적으로 직선으로 개재된 다수의 제1 배향사들(20), 및 제1 배향사들(20)과 실질적으로 직교되는 X-방향으로 편조사들(10) 사이에 실질적으로 직선으로 개재된 다수의 제2 배향사들(30)을 구비한다. 여기서, 다수의 편조사들(10)은 서로 이웃하여 꼬이는 구조이지만, 제1 배향사들(20) 및 제2 배향사들(30) 각각은 인접하는 편조사들(10)에 의해 눌려질 수는 있지만 다른 편조사들(10)과 꼬여지는 관계는 아니므로 직선 형태로 볼 수 있다. 또한, 각각의 편조사들(10)과 제1 및 제2 배향사들(20)(30)은 더 가는 실(Tow)의 다발로 구성되고, 지지 구조(100)의 편조 공정에서 힘을 받아 각각의 단면이 타원형으로 변형된다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조(100)는 4개의 층들로 구성됨으로써 실제 연골과 유사한 구조를 가진다. 즉, 지지 구조(100)는 근위단으로부터 원위단까지 순차적으로 배치된 제1 층 내지 제4 층(12)(14)(16)(18)으로 구성된다. 이러한 4개의 층들(12)(14)(16)(18)은 모두 편조사들(10)에 의해 형성되며, 제1 층(12)은 실제 연골의 종판(end plate)을, 제2 층(14)은 실제 연골의 요골층(radial zone)을, 제3 층(16)은 실제 연골의 전이층(transitional zone)을, 제4 층(18)은 실제 연골의 접선층(tangential zone)을 각각 형성한다.

편조사들(10)은 편조 방법에 따라 각각의 층에 전체적으로 동일한 부피로 배치되는 반면, 제1 배향사(20) 및 제2 배향사(30)의 경우, 실제 관절의 물성을 실질적으로 거의 동일하게 모사하기 위해, 연골 지지 구조(100)의 각 층들(12)(14)(16)(18) 사이에 삽입된다. 따라서, 다층 구조의 각각의 층에 배치된 제1 배향사들(20) 및/또는 제2 배향사들(30)의 부피는 각각의 층마다 다르다. 그러한 부피의 차이는 배향사들(20)(30)의 수 또는 단면적에 의해 결정된다.

본 실시예에 있어서, 제1 배향사들(20) 및/또는 제2 배향사들(30)의 부피는 다층 구조의 어느 하나의 층에서 다른 층으로 갈수록 점차적으로 증대된다. 제1 배향사들(20) 및 제2 배향사들(30)은 다층 구조의 어느 하나의 최외곽 층 즉, 제1 층(12)에는 배치되지 않는다. 왜냐하면, 실제 연골의 구조에서 종판 부분이 구조가 가장 약하기 때문이다.

편조사(10), 제1 배향사들(20) 및 제2 배향사들(30)은 다수의 가는 섬유들의 가닥으로 형성되고, 각각의 섬유는 생체적합성 및 생분해성 PGA(Poly Glycolic Acid) 또는 PLGA(Poly Lactic-co-Glycolic Acid)에 의해 제조된다. PGA는 단일 성분으로 구성되고, PLGA는 PGA와 PLA의 공중합체로 구성된다. 이와 같은 PGA 및 PLGA는 모두 미국 FDA 승인을 받은 재료이며, PLGA를 활용하면 분해 시간 및 물성의 조절이 용이하다.

단일 성분의 PGA는 물성은 좋으나 분해 속도가 빠르고 그에 따른 글리콜릭산에 따른 pH 변화로 인해 수술사 등의 사용에는 좋으나 내부 기관용으로는 사용상의 문제가 있을 수 있다. 그에 비해, PLA는 물성은 조금 떨어지지만 분해 속도가 PGA 보다 느리며 그 부산물인 락틱산이 인체에 미치는 영향이 적다.

본 실시예에 따른 지지 구조(100)에 사용된 섬유들은 PGA, PGA:PLA=90:10인 PLGA이다. 이러한 재료들을 활용한 이유는 현재 상용화 되어 있는 수술사가 이와 같은 조성을 가지고 있기 때문이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연골 재생용 지지 구조에 사용되는 기질은, 아가로스(Agarose), 피브린, 콜라겟 등의 젤 물질이 사용될 수 있다. 아가로스는 생체 적합성이 뛰어나 DNA 전기영동 등에 활용하는 물질이며 물에 녹여 젤 상태로 만들어서 활용한다. 아가로스는 고온에서는 액체 상태를 띄고 있으며, 상온에서는 젤과 같은 형태이다. 아가로스는 실험하기 간편하다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 지지 구조(100)에 있어서, 하나의 편조사(10)의 타원형 단면의 사이즈는 장축 방향 직경이 대략 0.3087mm이고 그 단축 방향 직경은 대략 0.1143mm이다. 따라서, 편조사(10)의 단면적은 대략 0.11085mm²이며, 지지 구조(100)의 전체 부피 대비 대략 30% 부피를 가진다. 또한, 배향사들(20)(30)은 편조사들(10) 사이에 삽입되어 X-방향 및/또는 Y-방향의 물성을 보강하기 위한 것으로서, 실제 자연 연골의 물성을 모사하기 위해 각각의 층마다 배치되는 배향사들(20)(30)의 크기나 개수가 다르다는 사실은 전술한 바와 같다.

보다 구체적으로, 본 실시예에 있어서, 제1 층(12)에는 제1 배향사(20) 및 제2 배향사(30)가 전혀 존재하지 않는다. 또한, 제2 층(14)에는 단위 구조당 1%의 제1 배향사(20) 1개 및 1%의 제2 배향사(30) 1개가 배치되고, 제3 층(16)에는 단위 구조당 1%의 제1 배향사(20) 2개 및 2%의 제2 배향사(30) 1개가 배치되며, 제4 층(18)에는 단위 구조당 1.5%의 제1 배향사(20) 2개 및 3%의 제2 배향사(30) 1개가 배치된다. 이와 같이, Y 및 Y 방향의 제1 배향사(20) 및 제2 배향사(30)를 추가하게 되면, 각각의 층의 전체 부피에 대해 섬유(편조사 및 배향사)가 차지하는 부피의 비는 각각 제1 층(12)의 경우는 30%, 제2 층(14)은 32%, 제3 층(16)은 34%, 제4 층(18)은 36%가 된다. 여기서, 1% 배향사의 단면은 0.20×0.027mm², 1.5% 배향사의 단면은 0.27×0.0030mm², 2% 배향사의 단면은 0.30×0.036mm², 및 3% 배향사의 단면은 0.40×0.040mm²이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조와 실제 관절 연골의 X,Y 방향에 따른 물성값을 비교해 보면 아래 표 1과 같다. 여기서, %단위는 각각의 배향사(20)(30) 섬유의 부피비(근사값)이고, 해당 수치들은 영율(Young's Modulus)로서 그 단위는 MPa이다.

	압축강도 (Z-방향)	인장 강도
		제1층(종판) 0%		제2층(요골층) (~1%)	제3층(전이층) (~2%)	제4층(접선층) (~3%)
실시예	0.4383	X	0.9719	13.1188	25.3916	39.0105
		Y	0.8092	11.3747	22.0589	33.8414
비교예 (실제 연골)	0.4-0.8	1-35(Knee)

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연골 재생용 지지 구조의 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 X-방향 인장 결과를 도시한 다이어그램이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연골 재생용 지지 구조(100)는 파랑-녹색-노랑-빨강 순으로 힘이 많이 분포되는 것을 알 수 있고, 도 4의 다이어그램에서 측면에 붉게 되어 있는 두 부분은 배향사들(20)(30)이 존재하기 때문에 그러한 배향사들(20)(30)이 더 많은 힘을 지탱하여 전체적인 물성을 향상시키는 것을 알 수 있다. 실제 물성값은 이와 같은 분포로 나타나는 힘들을 모아서 그 구조가 전체적으로 얼마나 많은 힘을 지탱할 수 있는지를 분석하여 값을 구하게 된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연골 재생용 지지 구조의 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 Y-방향 인장 결과를 도시한 다이어그램이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연골 재생용 지지 구조(100)는 도 4와 유사하게 지지 구조(100)의 상면 부분이 붉게 표시되는 배향사(20)(30) 영역이 존재한다.

도 4 및 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이, 기본 구조의 미세한 변화에 따라 해당하는 값들이 변화되었으며, 기본적인 물성의 경향성은 실제 연골과 유사하다. 편조사들(10)이 구성하는 지지 구조의 기본적인 구조 외에 각각 제1 배향사(20) 및 제2 배향사(30)가 기본적인 구조에 추가됨으로써, 실제 연골의 물성을 완벽하게 모사할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조를 브레이딩 하기 위한 브레이딩 머신을 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조의 편조 방법을 각각 개략적으로 도시한 개념도들이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 브레이딩 머신(200)은 일반적으로 알려진 브레이더(braider)의 구성요소들과 브레이더에 부가적으로 설치된 배향사 공급부재(250)를 구비한다.

일반적인 브레이더는 다수의 롤러들(212)이 설치된 프레임(210)과, 각각의 편조사(10)를 인출시킬 있는 캐리어들(220)이 배치된 브레이딩 베드(230)와, 브레이딩 되는 편조물(100)을 와이어(214)에 의해 소정 속도로 당길 수 있는 구동원(240)을 구비한다.

프레임(210)은 브레이딩 베드(230)가 설치되는 베이스(211), 베이스(211)로부터 소정 간격 돌출 설치되는 수직 플레이트(213), 및 수직 플레이트(213)로부터 연장되어 베이스(211)와 소정 간격 이격되게 배치된 수평 플레이트(215)를 구비한다.

상기 브레이딩 베드(230)는 캐리어들(220)을 교회되게 선회시키는 과정에서 편조사들(10)이 서로 꼬여져서 편조물(100)을 형성시키기 위한 것으로서, 각각의 캐리어들(220)이 평면 상에서 방사상 및 반원형으로 이동되는 구조를 가진 반원반 구조 또는 각각의 캐리어들(220)이 평면 상에서 직교 방향으로 이동될 수 있는 매트릭스 구조일 수 있다. 브레이딩 베드(230) 상에 위치되는 캐리어들(220)의 구동은 다수의 기어들(미도시)을 이용하거나 유압 또는 공압 실린더를 포함하는 액츄에이터(미도시)를 이용할 수 있다. 각각의 캐리어(220)는 미도시된 보빈에 감겨진 풀려지는 편조사들(10)이 감겨져 있다.

상기 구동원(240)은 브레이딩되는 편조물(100)을 전진시키기 위한 것으로서, 소정 속도(브레이딩 속도)로 불연속적(선택적)으로 회전할 수 있는 테이크-업 모터의 기능을 한다. 구동원(240)은 와이어(214)의 끝단이 고정된 테이크-업 롤러(216)를 회전시킴으로써 편조물(100)을 전진시킬 수 있다.

한편, 브레이딩 작업을 위한 브레이딩 베드(230)에서의 캐리어들(220)의 구동 방식, 구동원(240)의 구동 속도, 브레이딩 각도 등은 편조물(100)의 종류에 따라 적절하게 선택될 수 있음을 당업자는 이해할 수 있을 것이므로 그 상세한 설명은 생략한다.

상기 배향사 공급부재(250)는 편조물(100)의 브레이딩 과정에서, 필요에 따라 편조물(100) 속으로 배향사(전술한 실시예의 제2 배향사(30))를 개재시키기 위한 것으로서, 편조물(100)의 진행 방향에 수직되는 방향으로 배향사(30)를 공급할 수 있는 구조이다.

배향사 공급부재(250)는 프레임(210)에 왕복 이동 가능하도록 설치되고, 일단에 배향사(30)를 이동시키면서 편조물(100) 속으로 공급할 수 있는 배향사 공급부(252), 및 배향사 공급부(252)에 의해 공급되는 배향사(30)가 걸릴 수 있도록 배향사 공급부(252)에 대향되도록 프레임(210)에 설치된 후크 부재(254)를 구비한다. 배향사 공급부(252)는 수직 플레이트(213)에 설치된 가이드 블록(256), 가이드 블록(256)에 의해 가이드되어 왕복 이동하면서 편조물(100)을 뚫고 전진할 수 있고 배향사(30)가 걸려질 수 있도록 선단에 관통공(258a)이 형성된 니들(258), 및 가이드 블록(256)에 대해 니들(258)을 왕복 이동시키기 위한 모터 등을 포함하는 니들 이동 장치(미도시)를 구비한다. 후크 부재(254)는 수직 플레이트(213)에 대향되도록 수평 플레이트(215)로부터 연장되도록 설치된 백 플레이트(217), 배향사(30)가 걸릴 수 있도록 미리 결정된 간격으로 배치된 다수의 후크들(251)이 마련되고 백 플레이트(217)에 대해 소정 간격 이동 가능한 후크 플레이트(253), 후크 플레이트(253)를 필요에 따라 이동시키기 위한 후크 구동 장치(미도시)를 구비한다. 여기서, 백 플레이트(217)에 대한 후크 플레이트(253)의 이동 속도 및/또는 간격은 편조물(100)의 이동 속도 즉, 구동원(240)의 회전 속도에 연동되는 것이 바람직하고, 필요에 따라서는 후크 플레이트(253)의 이동 속도를 조절할 수 있음은 당업자가 충분히 이해할 것이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 배향사 공급부(252)의 니들(258)이 가이드 블록(256)에 의해 가이드되면서 한 줄의 배향사(30)를 편조물(100)을 통과한 후 후크 플레이트(253)의 대응되는 후크(251)에 배향사(30)를 걸은 후 니들(258)을 원위치로 복귀시키게 되면 두 줄의 배향사들(30)이 편조물(100) 내부에 위치하게 된다.

바람직한 대안적 실시예에 있어서, 브레이딩 머신(200)에 의해 제조되는 편조물(100)이 다층 구조인 경우에는 배향사 공급부재(250)는 그러한 다층 구조의 편조물에 대응하기 위해 편조물(100)의 각각의 층에 대응되는 다수의 니들들(258)을 구비하고, 후크 플레이트(253)에 마련되는 후크들(251) 역시 각각의 니들(258)에 대응되는 다수의 후크 칼럴(미도시)을 가진다.

한편, 브레이딩 베드(230)에 설치된 캐리어들(220)은 제1 캐리어들(222)과 제2 캐리어들(224)로 구분될 수 있다. 여기서, 제1 캐리어들(222)은 예를 들어, 우나선 또는 좌나선 형태로 서로 교호적으로 꼬여질 수 있는 편조사들(10)의 꼬임을 위해 소정 패턴으로 브레이딩 베드(230) 위에서 이동할 수 있다. 또한, 제2 캐리어들(224)은 전술한 실시예의 제1 배향사(20)의 기능을 하기 위한 것으로서, 다른 편조사들(10)과 서로 꼬이지 않고 단순히 편조물(100)을 뚫고 전진하는 것으로서, 제1 캐리어(222)의 사이클링 패턴과 다른 패턴으로 브레이딩 베드(230) 위에서 이동되게 구성된다. 즉, 제1 캐리어들(222)은 편조사들(10)이 서로 꼬여질 수 있도록 브레이딩 베드(230) 위에서 소정 주기로 이동되지만, 제2 캐리어들(224)은 제1 캐리어들(222)과 간섭되지 않도록 구동되어 인접하는 편조사(10)와 꼬이지 않고 브레이딩 방향으로 단순 전진하게 된다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 관절 연골 재생용 지지 구조를 위한 브레이딩 방법은, 전술한 브레이딩 머신 또는 현재까지 알려져 있거나 앞으로 알려지게 될 다른 종류의 브레이딩 머신을 이용하여 다수의 편조사들(10)을 서로 교회되게 브레이딩하는 단계, 및 편조사들(10)의 브레이딩 방향에 직교되는 평면상에 배향사(30)를 삽입하는 단계를 포함한다.

여기서, 브레이딩 단계는 다수의 편사들 중 적어도 어느 하나를 다른 편조사들(10)과 서로 꼬이지 않게 브레이딩 방향으로 단순히 전진시키는 단계를 포함한다.

또한, 브레이딩 단계는 브레이딩되는 편조물(100)이 복수의 층들을 형성할 수 있도록 다수의 편조사들(10)을 적절하게 배치하는 단계를 포함한다.

배향사 삽입 단계는 편조물(10)의 복수의 층들(12)(14)(16)(18) 사이에 삽입되는 각각의 배향사(30)의 수를 다르게 구성할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10...편조사 12...제1 층
14...제2 층 16...제3 층
18...제4 층 20...제1 배향사
30...제2 배향사 100...관절 연골 재생용 지지 구조
200...브레이딩 머신 210...프레임
211...베이스(211) 213...수직 플레이트
214...와이어 215...수평 플레이트
217...백 플레이트 220...캐리어
222...제1 캐리어 224...제2 캐리어
230...브레이딩 베드 240...구동원
250...배향사 공급부재 251...후크
252...배향사 공급부 253...후크 플레이트
254...후크 부재 256...가이드 블록
258...니들(needle)

Claims

미리 결정된 브레이딩 각도로 다수의 방향으로 서로 꼬여져서 다층 구조를 형성할 수 있는 다수의 편조사들(braiding yarns); 및
상기 편조사들이 꼬여지는 방향에 직교하는 평면 상의 상기 편조사들 사이에 개재된 적어도 하나 또는 그 이상의 제1 배향사들(axial yarns)을 구비하는 것을 특징으로 하는 관절 연골 재생용 지지 구조.
제1항에 있어서,
상기 제1 배향사들과 실질적으로 직교되도록 상기 편조사들 사이에 개재된 적어도 하나 또는 그 이상의 제2 배향사들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 관절 연골 재생용 지지 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다층 구조의 각각의 층에 배치된 상기 제1 배향사들 및/또는 상기 제2 배향사들의 부피는 상기 각각의 층마다 다른 것을 특징으로 하는 관절 연골 재생용 지지 구조.
제3항에 있어서,
상기 제1 배향사들 및/또는 상기 제2 배향사들의 부피는 상기 배향사들의 수 또는 단면적에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 관절 연골 재생용 지지 구조.
제3항에 있어서,
상기 제1 배향사들 및/또는 상기 제2 배향사들의 부피는 상기 다층 구조의 어느 하나의 층에서 다른 층으로 갈수록 점차적으로 증대되는 것을 특징으로 하는 관절 연골 재생용 지지 구조.
제3항에 있어서,
상기 제1 배향사들 및 상기 제2 배향사들은 상기 다층 구조의 어느 하나의 최외곽 층에 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 관절 연골 재생용 지지 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 편조사, 상기 제1 배향사들 및 상기 제2 배향사들은 다수의 가는 섬유들의 가닥으로 형성되는 것을 특징으로 하는 관절 연골 재생용 지지 구조.
제7항에 있어서,
각각의 상기 섬유는 PGA(Poly Glycolic Acid) 또는 PLGA(Poly Lactic-co-Glycolic Acid)에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 관절 연골 재생용 지지 구조.