KR20240024730A - Bio-pen structure capable of controlling bio-ink or hydrogel particle size and bio-printing method using the same - Google Patents
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Abstract
본원에는 바이오잉크 또는 하이드로젤 입자 크기 조절이 가능한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법이 개시된다. 상기 펜 타입 구조체는 제1 스크루를 하우징하는 원통형의 제1 배럴; 상기 제1 스크루보다 길이가 길고 제1 스크루와 병렬 구조를 갖는 제2 스크루를 하우징하는 원통형의 제2 배럴; 상기 제1 스크루의 기어 및 제2 스크루의 기어와 연결되어 제1 스크루 및 제2 스크루를 구동시키는 컨트롤러; 상기 제1 배럴에 형성되고 제1 배럴 내부로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2 이상의 공급부; 및 상기 컨트롤러의 반대편 쪽에 제2 배럴의 말단부로부터 연장 형성되고 바이오잉크 또는 하이드로젤을 토출하는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부를 포함한다. 또한, 하우징 내에 배터리 및 배터리 저장 공간을 제거하여 어댑터 연결만으로 작동이 가능하도록 한 일체화된 펜 타입 구조체(미니 바이오펜)를 제공한다.
또한, 하이드로젤과 가교 결합제를 포함하여 나노젤 또는 마이크로젤을 제조하여 프린팅에 최적화된 점도, 경도 및 탄력성 등의 기계적 물성을 갖도록 하고, 펜 타입 구조체의 스크루 회전속도와 구동 시간을 조절하여 상기 나노젤 또는 마이크로젤의 입자 크기를 조절할 수 있도록 하는 효과를 발휘한다.Disclosed herein are a bio-pen structure capable of controlling the size of bio-ink or hydrogel particles and a bio-printing method using the same. The pen-type structure includes a cylindrical first barrel housing a first screw; a cylindrical second barrel housing a second screw that is longer than the first screw and has a parallel structure to the first screw; A controller connected to the gear of the first screw and the gear of the second screw to drive the first screw and the second screw; Two or more supply units formed in the first barrel and supplying bioink or hydrogel material into the first barrel; and a bioink or hydrogel discharge portion extending from the distal end of the second barrel on the opposite side of the controller and discharging bioink or hydrogel. In addition, an integrated pen-type structure (mini bio-pen) is provided that eliminates the battery and battery storage space within the housing and allows operation by simply connecting an adapter.
In addition, nanogels or microgels are manufactured including hydrogels and cross-linkers to have mechanical properties such as viscosity, hardness, and elasticity optimized for printing, and the screw rotation speed and driving time of the pen-type structure are adjusted to produce the nanogels. It has the effect of controlling the particle size of gel or microgel.
Description
본원에는 바이오잉크 또는 하이드로젤 입자 크기 조절이 가능한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법이 개시된다.Disclosed herein are a bio-pen structure capable of controlling the size of bio-ink or hydrogel particles and a bio-printing method using the same.
바이오잉크 프린팅은 압출식, 액적 (bio-ink) 유형 및 레이저 보조 프린팅 (Stereolithography Apparatus, SLA)과 같은 기술에 적용하여 조직공학 조직재생에 적용되는데, 가장 널리 사용되는 방식은 압출 방식의 3D 바이오 프린팅 기술이다. 세포가 함유된 3D 바이오프린팅과 조직공학재생의학의 경우, 세포와 같은 단일 구성요소의 프린팅 한계를 극복하기 위해 세포, 나노입자, 성장인자 등과 같은 다중 구성요소를 포함하는 하이드로젤(세포가 혼합되지 않는 경우는 하이드로젤, 세포가 포함된 경우에는 바이오잉크)이 사용된다. 젤, 생체 분자, 생체활성 마이크로/나노 입자를 포함한 여러 구성성분들을 하이드로젤 (세포를 포함시키는 경우는 바이오잉크) 내부에 균일하게 분포시키기 위해 종래의 기술은 다양한 구성성분들을 각각 비이커, 튜브 등에 주입하고, 교반기 (stirrer), 피펫팅 (pipetting), 스패튤라 (spatular), 원심분리, (2개의 병렬 혹은 독립된 2개 배럴에 각각의 용액을 넣어서 주사하는 과정에서 혼합시키는 등) 주사기 등과 같은 기계적, 수동 방식을 이용하여 혼합하는 등의 여러 단계의 제조공정이 필요하다. 이러한 여러 제조 단계의 절차를 통한 세포 혼합 과정에서, 고 전단 (high shear)의 혼합공정에서는 살아 있는 세포를 3D 바이오 프린팅 공정 전에 하이드로젤에 혼합시켜서 바이오잉크를 제조한다. 이러한 공정을 거쳐 제조된 바이오잉크는 3D 바이오 프린터의 압출기 헤드에 로딩(loading) 되고, 압출시켜 복잡한 인체의 조직 및 기관의 모방 구조체 (조직재생 구조체)를 제조하고, 상기 조직공학 구조체를 in vitro 세포배양을 진행하여 조직을 재생하거나(in vitro 조직 재생), in vitro 재생조직을 연골, 피부, 골, 신경, 척추 등과 같은 인체의 결손조직에 이식하여 조직의 재생을 유도하거나(in vivo 조직재생), 직접 주사하여 손상조직을 치료하거나 조직재생을 유도하게 되는 것이다(세포치료제). 이때 세포를 포함시키지 않고, 성장인자, 유전자, 펩타이드, 약물, 입자 등의 무생물만을 하이드로젤에 포함시켜 생체활성물질 전달체로 사용하여 치과의 골충진제 혹은 결손조직 재생유도에 활용(유전자치료제, 세포치료제 등) 하기도 한다.Bioink printing is applied to tissue engineering and tissue regeneration by applying technologies such as extrusion, droplet (bio-ink) type, and laser-assisted printing (Stereolithography Apparatus, SLA). The most widely used method is extrusion-based 3D bioprinting. It's technology. In the case of cell-containing 3D bioprinting and tissue engineering regenerative medicine, hydrogels containing multiple components such as cells, nanoparticles, growth factors, etc. (cells are not mixed) are used to overcome the printing limitations of single components such as cells. If it does not, hydrogel is used; if it contains cells, bioink) is used. In order to uniformly distribute various components, including gels, biomolecules, and bioactive micro/nanoparticles, within the hydrogel (or bioink if it contains cells), the conventional technique is to inject the various components into beakers, tubes, etc. and mechanical, such as stirrer, pipetting, spatula, centrifugation, syringe, etc. (putting each solution into two parallel or two independent barrels and mixing them during injection, etc.) A multi-step manufacturing process is required, such as mixing using a manual method. In the cell mixing process through these various manufacturing steps, in the high shear mixing process, bioink is produced by mixing living cells into hydrogel before the 3D bioprinting process. The bioink manufactured through this process is loaded into the extruder head of a 3D bio printer and extruded to produce a structure that mimics complex human tissues and organs (tissue regeneration structure), and the tissue engineering structure is used in in vitro cells. Regenerate tissue by culturing ( in vitro tissue regeneration), or transplant in vitro regenerated tissue to defective tissues in the human body such as cartilage, skin, bone, nerves, spine, etc. to induce tissue regeneration ( in vivo tissue regeneration). , It is directly injected to treat damaged tissue or induce tissue regeneration (cell therapy). At this time, cells are not included, but only inanimate substances such as growth factors, genes, peptides, drugs, and particles are included in the hydrogel and used as a bioactive material carrier for use as a bone filler in dentistry or to induce regeneration of defective tissue (gene therapy, cell therapy) etc.).
그러나 현재 사용되고 있는 바이오잉크 프린팅 기술과 생체활성물질이 포함된 하이드로젤 제조기술은 수동으로 구성성분들의 혼합을 유도하고, 균질하게 세포와 성장인자 등이 균질하게 분산되지 않은 바이오잉크를 압출기 헤드에 수동으로 로딩하여 사용하거나, 세포와 하이드로젤을 분리된 2개의 주사기 배럴에 각각 넣은 다음에 압출에 의해 세포와 하이드로젤을 혼합하기 때문에, 바이오잉크 내부에서 세포들이 균질하게 분산되지 않은 문제점과 생체활성물질이 하이드로젤의 내부에서 잘 분산되지 않고, 수동방식의 공정이라는 문제점이 있다. 이러한 바이오프린팅 결과는 최종적으로 재생하려는 조직의 물성을 조절하지 못하는 문제점 (예, 구조체 내에서 세포들이 불균질하게 분산됨으로 인하여 조직재생이 불균질하게 되는 문제)을 유발하는 문제점이 있다. 게다가 공기압 또는 피스톤식 압출 시스템에서 고점도 젤의 압출이 어렵고, 고점도의 바이오잉크 내에 로딩된 세포들은 압출과정에서 손상을 입을 뿐만 아니라, 세포와 생체활성인자 (성장인자, 나노입자 등)를 조직공학 구조물 (scaffold) 내부에 균질하게 분포시키지 못하는 문제점으로 인해 생분해성 조직공학 구조물에 의한 조직재생이 불균질하게 유도되는 문제점 (예, 세포 및 성장인자들이 불균일하게 분산됨으로 인하여 조직재생이 불균질하게 되는 문제)을 야기한다.However, currently used bio-ink printing technology and hydrogel manufacturing technology containing bioactive materials manually induce mixing of components, and manually inject bio-ink in which cells and growth factors are not homogeneously dispersed into the extruder head. Because the cells and hydrogel are loaded into two separate syringe barrels and then mixed by extrusion, the cells are not dispersed homogeneously within the bioink and the bioactive material There is a problem that it is not dispersed well inside the hydrogel and that it is a manual process. These bioprinting results have the problem of not being able to control the physical properties of the tissue to be ultimately regenerated (e.g., tissue regeneration becomes non-homogeneous due to the heterogeneous distribution of cells within the structure). In addition, it is difficult to extrude high-viscosity gels in pneumatic or piston-type extrusion systems, and cells loaded in high-viscosity bioink are not only damaged during the extrusion process, but cells and bioactive factors (growth factors, nanoparticles, etc.) are used in tissue engineering structures. A problem in which tissue regeneration by a biodegradable tissue engineering structure is induced heterogeneously due to the problem of not distributing it uniformly inside the scaffold (e.g., a problem in which tissue regeneration becomes heterogeneous due to the heterogeneous distribution of cells and growth factors) ) causes.
또한 세포/줄기세포를 하이드로젤에 포함시켜 주사형으로 질환조직을 치료하는 세포치료제의 경우에서는 세포들이 손상조직에 균질하게 전달되지 않음으로써 조직치료가 효율적으로 진행되지 못하고, 재생조직의 물성이 조절되지 못한다.In addition, in the case of cell therapy products that treat diseased tissue by injecting cells/stem cells into hydrogel, the cells are not delivered homogeneously to the damaged tissue, so tissue treatment does not proceed efficiently and the physical properties of the regenerated tissue are not regulated. It cannot be done.
또한 유전자와 약물을 하이드로젤에 포함시켜 주사형으로 질환조직을 치료하는 약물전달체 혹은 유전자치료제의 경우에서는 약물과 유전자들이 손상조직에 균질하게 전달되지 않음으로써 조직치료가 효율적으로 진행되지 못한다.In addition, in the case of drug delivery systems or gene therapy drugs that treat diseased tissue by injection by incorporating genes and drugs into hydrogels, the drugs and genes are not delivered homogeneously to damaged tissues, so tissue treatment does not proceed efficiently.
또한, 골충진제와 같이 무생물만의 생체활성물질을 사용하는 경우에도, 약물, 성장인자 (BMP2, FGF, VEGF 등), 나노입자 등과 같은 생체활성물질 입자들이 하이드로젤에 균질하게 혼합되지 않게 되는 문제점이 있다. 이로 인하여 생체활성물질 전달체가 이식된 이후에 환자의 결손조직 내에서 생체활성물질이 균질하게 분포되지 못하여 세포들의 불균질한 부착과 함께 골 조직재생이 다르게 진행되고, 결국 균질의 결손조직 재생, 질환조직 치료 라는 원래의 목적을 달성하지 못하게 된다.In addition, even when using inanimate bioactive materials such as bone fillers, there is a problem in that bioactive material particles such as drugs, growth factors (BMP2, FGF, VEGF, etc.), nanoparticles, etc. are not homogeneously mixed into the hydrogel. There is. As a result, after the bioactive material carrier is implanted, the bioactive material is not distributed homogeneously within the patient's defective tissue, resulting in heterogeneous adhesion of cells and bone tissue regeneration progressing differently, ultimately leading to homogeneous defective tissue regeneration and disease. The original purpose of tissue treatment cannot be achieved.
또한, 조직재건 수술의 경우 의료 종사자는 세포가 함유된 하이드로젤 또는 바이오잉크를 세포치료제로 적용하는 용도로 사용한다. 이러한 세포치료제는 준비과정과 준비과정에서 복잡한 단계의 기술이 요구될 뿐만 아니라, 환자마다 적용해야 하는 손상부위, 손상정도, 환자마다 필요한 세포치료제/잉크 용량, 세포치료제/잉크 농도, 세포치료제/잉크 형상 등이 서로 다르게 적용된다. 따라서, 준비과정에서 수동 공정을 사용하는 종래 기술의 방법으로는 세포, 생체활성물질의 균질한 혼합을 달성하기가 어렵다. 또한, 현장에서 외과의사가 하이드로젤에 약물이나 생체활성인자를 필요에 따라 직접 추가해서 적용해야 하는 경우가 많은 상황을 고려할 때, 외과의사가 현장에서 혼합 시 세포, 생체활성물질의 균질한 혼합이 용이하지 않다. 이미 제조된 세포치료제를 공급받아 사용하는 경우에도, 준비해 놓은 세포치료제를 저장 혹은 동결해 놓은 동안에 세포와 성장인자 등이 침전되어 사용하고자 할 시점에는 균질한 혼합이 되지 않는 문제와 함께 동결했던 경우에는 해동과정의 필요성 등이 존재하므로, 원래 목적인 균질의 조직재생 및 세포치료 효과를 유도하지 못하는 결과로 귀착될 수 있고, 현장에서 바로 생체활성물질, 세포와 하이드로젤을 혼합하여 사용할 필요성이 있다.Additionally, in the case of tissue reconstruction surgery, medical practitioners use cell-containing hydrogels or bioinks as cell therapy agents. These cell therapy products not only require complex stages of technology in the preparation process, but also require application to each patient, including the damaged area, degree of damage, cell therapy/ink dosage required for each patient, cell therapy/ink concentration, and cell therapy/ink. Shapes, etc. are applied differently. Therefore, it is difficult to achieve homogeneous mixing of cells and bioactive materials using conventional methods that use manual processes in the preparation process. In addition, considering the situation in which surgeons often have to directly add and apply drugs or bioactive factors to the hydrogel as needed in the field, it is important to ensure that the surgeon mixes cells and bioactive substances homogeneously in the field. It's not easy. Even in cases where already manufactured cell therapy products are supplied and used, cells and growth factors may precipitate while the prepared cell therapy products are stored or frozen, preventing homogeneous mixing at the time of use. Since there is a need for a thawing process, the original purpose of homogeneous tissue regeneration and cell therapy effects may not be induced, and there is a need to mix bioactive materials, cells, and hydrogels right on site.
또한, 이러한 바이오잉크 내부의 세포, 생체활성물질들의 불균질 문제는 대학과 연구소의 연구 현장에서도 유사하게 발생한다. 세포나 생체활성물질이 포함된 생체활성물질 전달체, 바이오잉크 실험에서 균질한 분산에 의한 실험결과를 도출하는데 문제점이 있다. 연구자의 숙련도에 따라 서로 다른 혼합물을 제조하게 되고, 혼합공정이 수동적으로 처리하게 됨으로써 바이오잉크 혼합성분들이 안정적이지 못한 (다시 말해, 연속공정과 표준화가 되지 않는) 단점이 있다.In addition, the problem of heterogeneity of cells and bioactive materials within bioink similarly occurs at research sites at universities and research institutes. There is a problem in deriving experimental results due to homogeneous dispersion in experiments on bioactive material carriers and bioinks containing cells or bioactive materials. Different mixtures are manufactured depending on the researcher's skill level, and the mixing process is performed manually, which has the disadvantage that the bioink mixed components are not stable (in other words, they are not continuous process and standardization).
나아가, 대부분의 줄기세포는 버퍼용액, 생체적합성의 고분자용액 혹은 하이드로젤에 주입되어 사용되며 세포의 높은 생존율과 활성도를 보장하기 위해 고밀도/고가의 줄기세포를 사용하고 있어 비용이 많이 소요된다. 더욱이 재건 면적이 넓은 피부조직 재생수술과 같은 경우에는, 종래기술에 의한 바이오잉크 프린팅 시 프린팅 선폭이 넓지 않은 문제점이 해결되지 못하고 있다. 넓은 면적으로 프린팅하는 과정에서 세포의 균질한 분포가 중요하며, 특히 층과 층 사이 (수평방향 및 수직방향의 연결)의 세포 분산의 균질성과 함께, 프린팅 잉크들의 프린팅 라인과 라인의 연속적인 연결을 보장하는 것이 매우 중요하다.Furthermore, most stem cells are used by injecting them into buffer solutions, biocompatible polymer solutions, or hydrogels, and high density/expensive stem cells are used to ensure high cell survival and activity, which is expensive. Moreover, in cases such as skin tissue regeneration surgery where the reconstruction area is large, the problem of not having a wide printing line width during bio-ink printing using conventional technology has not been solved. In the process of printing over a large area, homogeneous distribution of cells is important. In particular, homogeneity of cell distribution between layers (connections in horizontal and vertical directions) and continuous connection of printing lines of printing inks are important. It is very important to guarantee.
종래 광범위한 바이오잉크의 종류와 환자의 특성에 맞는 3D 바이오 프린팅 조직공학 구조물 (지지체, scaffold)를 제조하기 위해서, 여러 단계의 준비과정뿐만 아니라 압출 헤드의 단점을 해결하기 위해 다양한 종류의 바이오잉크, 잉크 혼합기기, 세포치료제 전달체의 혼합 시스템 및 3D 바이오 프린팅 압출 헤드가 제안되었다.In order to manufacture 3D bioprinted tissue engineering structures (supports, scaffolds) tailored to a wide range of conventional bioink types and patient characteristics, various types of bioinks and inks are used to solve the shortcomings of the extrusion head as well as the multi-step preparation process. A mixing device, a mixing system for cell therapy delivery vehicles, and a 3D bioprinting extrusion head were proposed.
바이오 프린팅 압출 헤드 개발의 일환으로 한국등록특허 제10-2286073호는 동일한 길이로 구성된 2개의 병렬 스크루 압출기를 포함하는 이중 스크루 압출 혼합 시스템을 개시한다. 그러나 상기 발명은 병렬형 스크루 압출기 기술로 바이오잉크를 균일하게 혼합할 수는 있었으나, 컨트롤러가 바이오잉크를 압출기에 반자동으로 연속적 로딩하는데 제한이 있었고, 같은 길이의 2개의 병렬형 스크루를 이용하여 정해진 용량의 잉크로 바이오 프린팅하기 때문에 연속적이면서 일정한 선폭으로 바이오잉크를 프린팅하는 것이 어려웠다. 또한, 압출기 디자인의 구조적 한계로 인하여 고 정밀도로 프린팅하고자 하는 경우 어려움이 있었고, 피부, 필름, 창상피복제와 같은 넓은 면적을 균질하게 프린팅하기가 어려웠다. 또한, 고분자를 용액으로 혼합시키면서 젤로 전환시킬 수 있는 기능이 없었으며, 성형된 하이드로젤을 나노입자 젤로 전환시킬 수 없었고, 약물의 봉입이 효율적이지 않은 문제점이 있었다. 더욱이, 종래의 바이오프린터에 장착된 압출기는 독립적으로 사용할 수 없기 때문에 바이오프린터에 장착해서 사용해야 하는 문제점이 있었고, 환자의 조직 (예, 피부, 연골 등)에 직접 프린팅하지 못하는 문제점과 함께, 제조하는 조직공학 지지체 규격은 3D 프린터의 프린팅 범위에 국한되는 문제점이 있었다.As part of the development of the bioprinting extrusion head, Korean Patent No. 10-2286073 discloses a double screw extrusion mixing system comprising two parallel screw extruders of equal length. However, although the above invention was able to mix bioink uniformly using parallel screw extruder technology, there were limitations in the controller's ability to semi-automatically and continuously load bioink into the extruder, and it used two parallel screws of the same length to achieve a fixed capacity. Because bio-printing is done with ink, it was difficult to print bio-ink with a continuous and constant line width. In addition, due to the structural limitations of the extruder design, it was difficult to print with high precision, and it was difficult to uniformly print large areas such as skin, film, and wound dressing. In addition, there was no function to convert the polymer into a gel while mixing it in a solution, the molded hydrogel could not be converted into a nanoparticle gel, and there were problems in which drug encapsulation was not efficient. Moreover, since the extruder mounted on the conventional bioprinter cannot be used independently, there was a problem that it had to be used by being mounted on the bioprinter. In addition to the problem of not being able to print directly on the patient's tissue (e.g., skin, cartilage, etc.), the The tissue engineering scaffold specifications had the problem of being limited to the printing range of the 3D printer.
또한 종래의 바이오펜의 경우 주로 프린팅에 목적을 두기 때문에, 고가의 신약 테스트 등과 같이 젤과 신약을 일정 용량으로 적하하여 사용하고, 사용 횟수가 무제한으로 이루어져야 하는 적용예에서는 실험결과의 재현성 및 비용이 많이 소모된다는 문제점이 있었다. 나아가, 현재까지는 바이오펜 혹은 기타 기기를 사용하여 웰 플레이트의 웰에 젤을 일정량씩 적하시킬 수 있는 기술이 전무한 실정이다. Additionally, in the case of conventional biopens, the purpose is mainly for printing, so in applications where gel and new drugs are used dropwise at a certain volume, such as testing expensive new drugs, and the number of uses is unlimited, the reproducibility of the experimental results and the cost are low. There was a problem that it consumed a lot. Furthermore, to date, there is no technology that can drop a certain amount of gel into the wells of a well plate using a biopen or other device.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자, 서로 다른 길이의 스크루로 구성되고, 일부 부분은 병렬형 2개의 스크루로 구성되며, 컨트롤러를 연결하여 바이오잉크 또는 하이드로젤을 압출기에서 혼합하고 프린팅 속도를 조절할 수 있도록 하였다. 서로 다른 길이로 구성된 2개의 스크루에 의해 구동되는 압출기로 디자인하고, 서로 다른 주입구를 통해 주입된 젤과 세포의 혼합이 병렬형 스크루의 혼합 단계에서 말단 단계인 나중 단계 (그러나, 병렬형 스크루의 혼합이 끝나기 전 단계)에서 이루어지도록 하고, 컨트롤러로 프린팅 속도와 작동시간을 조절할 수 있도록 하였다. 또한, 컨트롤러를 이용하여 스크루의 회전 속도를 조절하고, 컨트롤러와 가까운 거리에서부터 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부로 갈수록 스크루를 짧은 피치 (나노입자와 젤의 혼합력이 가장 우수한 영역이면서 세포손상확률이 가장 높은), 중간 피치 및 긴 피치 (젤과 나노입자의 혼합력은 낮으나, 세포손상확률이 가장 낮은 영역) 영역으로 구성된 가변 피치를 갖도록 하고, 짧은 피치 구간에서는 세포를 공급하지 않은 상태에서 젤과 나노입자의 혼합 성능을 극대화시키고, 세포 손상이 가장 작은 영역, 즉 긴 피치 구간에서 세포를 주입함으로써 세포의 전단력 및 세포 손상을 최소화하였다. 또한, 프린팅 특성을 극대화하기 위해서, 토출되는 부분에는 긴 스크루만으로 구성된 영역을 디자인함으로써, 혼합된 바이오잉크 또는 하이드로젤의 전달 기능, 프린팅 기능을 더욱 정밀하게 하고, 넓은 면적으로 프린팅할 수 있도록 브러시 또는 롤러 형태의 압출 헤드를 장착할 수 있도록 디자인하였다.Accordingly, in order to solve the above-described conventional problems, the present inventors made a screw of different lengths, and some parts consisted of two screws in parallel, and connected a controller to mix bioink or hydrogel in an extruder. The printing speed can be adjusted. The extruder is designed to be driven by two screws of different lengths, and the mixing of the gel and cells injected through different injection ports is the final step in the mixing step of the parallel screw (however, the mixing step of the parallel screw This is done at the stage before the process is finished, and the printing speed and operation time can be adjusted with a controller. In addition, the rotation speed of the screw is adjusted using the controller, and the screw is adjusted at a short pitch from a distance close to the controller toward the bioink or hydrogel discharge part (this is the area where the mixing ability of nanoparticles and gel is the best and the probability of cell damage is highest). ), to have a variable pitch consisting of a medium pitch and a long pitch (area where the mixing power of gel and nanoparticles is low, but the probability of cell damage is lowest), and in the short pitch section, the gel and nanoparticles are removed without supplying cells. Mixing performance was maximized, and cell shear force and cell damage were minimized by injecting cells in the area with the least cell damage, that is, the long pitch section. In addition, in order to maximize the printing characteristics, the discharge area is designed to have an area consisting of only long screws, thereby making the delivery and printing functions of the mixed bioink or hydrogel more precise, and using a brush or hydrogel to enable printing over a large area. It was designed to be equipped with a roller-type extrusion head.
2개의 스크루에 의한 혼합 및 이동이 중간에 하나의 스크루에 의한 혼합 및 이동으로 변경 (즉, 2개의 스크루 작동이 중간에 하나의 스크루 작동으로 병합)되도록 함으로써, 나중 단계에서 주입된 세포의 손상이 최소로 되도록 함과 동시에 하나의 스크루 (즉, 길이가 더 긴 스크루)에 의해 바이오잉크 또는 하이드로젤을 출력시켜 보다 균질하고 정밀하게 제어되고 바이오잉크 또는 하이드로젤이 균일하게 혼합되도록 하였다. 마이크로/나노 물질 및 기타 구성요소를 포함하는 바이오잉크 또는 하이드로젤의 균질한 혼합을 보장하기 위해 3D 바이오 프린팅 및 혼합을 동시에 수행하는 (멸균된 바이오잉크 혼합물이 포함된 주사기를 구비하여 공정 중에 교체가 가능하도록 함으로써 연속적으로 프린팅할 수 있도록 하는) 반자동 트윈 스크루 압출기 (TSE) 헤드를 설계하였다.By allowing the mixing and movement by two screws to be changed to mixing and movement by one screw in the middle (i.e., the two screw operations are merged into one screw operation in the middle), damage to the injected cells is avoided in the later steps. At the same time, the bioink or hydrogel was printed by a single screw (i.e., a longer screw) to ensure more homogeneous and precise control and to ensure that the bioink or hydrogel was evenly mixed. Simultaneous 3D bioprinting and mixing to ensure homogeneous mixing of bioink or hydrogel containing micro/nanomaterials and other components (equipped with syringes containing sterilized bioink mixture so they can be replaced during the process) A semi-automatic twin screw extruder (TSE) head was designed to enable continuous printing.
본 발명에 따른 부분적으로 맞물리는 이축 압출 기반 펜 타입 구조체 (이하, 바이오펜이라고도 지칭함)는 하향식 접근법으로 역회전 (역피치)을 이용하여 세포 손상이 최소로 되도록 하고, 바이오잉크 구성성분 (세포, 나노입자, 성장인자 등의 혼합물)의 손상을 최소화하도록 짧은 스크루의 끝 부분과 배럴 사이의 거리를 조절하고, 약물을 젤에 직접 로딩하여 젤에 약물을 캡슐화시키고 나노입자의 젤을 제조할 수 있도록 하였다. 또한, 내용물이 토출되는 말단부에서 스크루가 1개로 단순화되게 함으로써 구동 모터의 부하를 줄이고, 토출부의 노즐 직경이 점진적으로 작아지도록 하여 프린팅 정밀도를 높이고, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 프린팅할 수 있는 바이오펜을 기존 프린터의 노즐을 대체하여 정밀한 구조체 제조를 위한 기기로 사용하거나, 자체 구동과 자유로운 이동이 가능하고 손으로 직접 프린팅할 수 있는 기기로 사용할 수 있도록 하였다. The partially interlocking twin-screw extrusion-based pen-type structure according to the present invention (hereinafter also referred to as BioPen) uses counter-rotation (reverse pitch) in a top-down approach to minimize cell damage and remove bioink components (cells, Adjust the distance between the tip of the short screw and the barrel to minimize damage to the mixture of nanoparticles, growth factors, etc., and load the drug directly into the gel to encapsulate the drug in the gel and manufacture a gel of nanoparticles. did. In addition, the load on the drive motor is reduced by simplifying the screw to one at the end where the contents are discharged, the nozzle diameter of the discharge part is gradually reduced to increase printing precision, and bio-ink or hydrogel can be mixed and printed. The pen can be used as a device for manufacturing precise structures by replacing the nozzle of an existing printer, or as a device that can be self-driving, move freely, and print directly by hand.
또한, 프린팅하는 공정 중에 고분자용액을 하이드로젤로 전환시키고, 프린팅을 적층하여 구조체를 제조할 수 있도록 하였다. 광개시제가 포함된 고분자용액을 화학적으로 가교결합시켜 젤로 전환시킬 수 있도록 하기 위해서, 광개시제의 활성을 유도할 수 있는 UV LED 제공부를 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부에 인접하여 배럴 상에 설치하였다. 배럴상부와 배럴하부로 연결되는 전기선을 설치할 수 있는 통로와 구성품을 배럴 상에 설치될 수 있도록 UV LED 설치부를 디자인하였으며, UV 광을 온/오프 (on/off)할 수 있는 장치를 배럴 상부의 컨트롤러에 구성하였다.In addition, during the printing process, the polymer solution was converted into hydrogel and the structure was manufactured by layering the printing. In order to convert a polymer solution containing a photoinitiator into a gel by chemically crosslinking, a UV LED providing unit capable of inducing the activity of the photoinitiator was installed on the barrel adjacent to the bioink or hydrogel discharge unit. The UV LED installation part was designed so that the passage and components for installing the electric wire connecting the upper and lower barrels can be installed on the barrel, and a device that can turn on/off the UV light is installed at the upper part of the barrel. Configured in the controller.
또한, 프린팅하는 공정 중에 광개시제를 사용하지 않는 자가결합 하이드로젤 제조(예, 피브린젤, Diel-Alders 반응, 싸이올-엔 (thiol-ene)반응, 마이클첨가반응, 고분자 전해질(polyelectrolytes), 수소결합, 이온결합, 소수성결합 등)가 가능하도록 하였다. 즉, 2 종류의 고분자 프리커서(precursor) 용액을 상부의 주입구에 동시에 넣고 혼합하여 젤을 유도하거나, 상부와 하부의 주입구에 각각 주입하여 균일하게 혼합하여 균질의 고분자 네트워크가 형성되는 하이드로젤의 합성이 가능하도록 하였다 (예, 피브린 젤).In addition, self-bonding hydrogel production without using photoinitiators during the printing process (e.g., fibrin gel, Diel-Alders reaction, thiol-ene reaction, Michael addition reaction, polyelectrolytes, hydrogen bonding) , ionic bonding, hydrophobic bonding, etc.) were made possible. That is, the synthesis of a hydrogel in which two types of polymer precursor solutions are simultaneously injected into the upper injection port and mixed to induce a gel, or by injecting them separately into the upper and lower injection ports and mixed uniformly to form a homogeneous polymer network. This was made possible (e.g. fibrin gel).
나아가, 배럴의 상부에 스크루의 회전 속도, 구동시간을 조절할 수 있는 구동부, 즉 컨트롤러를 제공하고 배럴의 상부에 젤을 주입할 수 있는 입구와 배럴의 하부에 세포를 주입하는 입구를 제공함으로써, 3D 프린터에서 탈착되어 자체 구동기능의 바이오펜은 손으로 직접 프린팅하는 바이오 프린팅 시스템으로 독립적인 기기로 사용 가능하다. 상기 구동부는 회전속도와 구동시간을 조절할 있도록 함과 동시에, 이들의 회전속도와 구동시간을 시각적으로 확인할 수 있는 디스플레이를 장착하였다. 구동장치로 배터리를 장착시켜 바이오펜이 독립적으로 구동될 수 있도록 하였으며, 장시간 안정적으로 사용할 수 있도록 바이오펜을 전기 어뎁터와 컴퓨터에 연결할 수 있도록 디자인함으로써 안정적으로 바이오펜을 구동할 수 있도록 하였다. 또한, 손으로 프린팅/직접쓰기 (hand-writing)를 할 수 있는 이동형 바이오펜은 대면적의 표면에 자유롭게 프린팅할 수 있고, 손으로 자유롭게 프린팅할 수 있기 때문에 손상된 피부와 같은 대면적 표면에 바이오잉크 또는 하이드로젤을 직접 도포하거나, 창상피복제와 같이 넓은 면적을 직접 연속공정으로 제조할 수 있는 장점이 있다. 이를 위해서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출 부분에 압출 헤드로 롤러 혹은 브러시를 제공하여 수평으로 프린팅 혹은 수직으로 적층 형태로 프린팅하여 넓은 면적을 도포할 수 있고, 프린팅 라인 사이에 유발되는 불균일성을 최소화하였다. Furthermore, by providing a driving part, that is, a controller, that can control the rotation speed and driving time of the screw at the top of the barrel, and an inlet for injecting gel at the top of the barrel and an inlet for injecting cells at the bottom of the barrel, 3D The BioPen, which is detached from the printer and has a self-driving function, is a bioprinting system that prints directly by hand and can be used as an independent device. The driving unit allows the rotation speed and driving time to be adjusted and is equipped with a display that allows the user to visually check the rotation speed and driving time. A battery was installed as a driving device so that the Bio-Pen could be driven independently, and the Bio-Pen was designed to be connected to an electric adapter and a computer so that it could be used stably for a long time. In addition, the portable bio-pen, which can print/hand-write by hand, can freely print on large-area surfaces, and since it can be printed freely by hand, bio-ink can be applied to large-area surfaces such as damaged skin. Alternatively, there is an advantage that the hydrogel can be directly applied or manufactured directly over a large area, such as a wound dressing, through a continuous process. For this purpose, a roller or brush is provided as an extrusion head to the bioink or hydrogel discharge area, allowing printing horizontally or vertically in a stacked form to apply a large area, and minimizing unevenness caused between printing lines.
한편으로는, 이동 가능한 바이오펜을 이용하여 연골, 건 (tendon), 골, 혈관, 안과, 피부 등의 손상조직에 세포/줄기세포가 포함된 바이오잉크를 직접 혹은 간접적 (예, 바이오펜으로 바이오잉크를 균일 혼합한 다음에, 균일 혼합된 바이오잉크를 주사기에 옮겨서 사용)으로 주사할 수 있으므로 세포치료제 구성성분의 혼합 및 세포치료제 전달체로 적용할 수 있는 기능을 제공하게 된다. 또한, 세포가 포함되지 않은 다양한 생체활성물질 (약물, 나노입자, 성장인자, 세라믹입자, 골이식재 등)의 균질 혼합물을 전달할 수 있는 기능을 제공함으로써 결손부위의 조직재생을 촉진하거나 손상부위를 치료하는 기능을 제공한다. 이러한 기능은 3-way 바이오잉크 혼합 키트(예, The Well Science 사의 VitroINK Mixing Kit)를 손으로 2개의 주사기를 조작하여 세포와 젤을 혼합시키는 기존의 방법과 비교하여 바이오펜에 용액이 포함된 주사기를 교체하면서 반자동화 된 연속공정으로 보다 균질한 세포혼합용액(바이오잉크)을 획득할 수 있는 기술의 진보성을 제공한다.On the one hand, using a movable bio-pen, bio-ink containing cells/stem cells can be applied directly or indirectly to damaged tissues such as cartilage, tendon, bone, blood vessels, ophthalmology, and skin (e.g., bio-ink using a bio-pen). After mixing the ink uniformly, the uniformly mixed bio-ink can be transferred to a syringe and injected, providing the ability to mix cell therapy components and apply it as a cell therapy delivery vehicle. In addition, it provides the ability to deliver a homogeneous mixture of various bioactive substances (drugs, nanoparticles, growth factors, ceramic particles, bone graft materials, etc.) that do not contain cells, thereby promoting tissue regeneration in defect areas or treating damaged areas. Provides the function to These features compare to the traditional method of mixing cells and gel by manipulating two syringes by hand using a 3-way bioink mixing kit (e.g., VitroINK Mixing Kit from The Well Science), which uses a syringe containing a solution in the biopen. It provides technological advancement to obtain a more homogeneous cell mixture solution (bioink) through a semi-automated continuous process while replacing .
본 발명에 따른 바이오펜의 다른 용도로는, 상부의 주입구에 미리 성형된 하이드로젤을 제공하고, 하부의 주입구에는 다양한 분자량의 약물이나 생체활성물질을 제공하여, 하이드로젤에 매우 짧은 시간에 효율적으로 저분자량의 약물 (예, 올리고펩타이드 등), 고분자량의 생체활성물질 (예, 후코이단, 히알론산, 알부민, 단백질약물 등)을 젤 내부에 균질하게 물리적으로 로딩하는 기기로 사용할 수 있다. Another use of the biopen according to the present invention is to provide a pre-molded hydrogel to the upper injection port, and to provide drugs or bioactive substances of various molecular weights to the lower injection port, efficiently injecting the hydrogel in a very short time. It can be used as a device to physically load low molecular weight drugs (e.g., oligopeptides, etc.) and high molecular weight bioactive substances (e.g., fucoidan, hyaluronic acid, albumin, protein drugs, etc.) into the gel uniformly.
본 발명에 따른 바이오펜은 와이파이, 블루투스, 컴퓨터에 연결하여 원격조절하는 것이 가능하고, 실험실의 클린벤치에 고정하여 안정적으로 사용이 가능하고, 전기 콘센트에 어뎁터를 바이오펜에 연결하여 전기공급을 안정적으로 제공하는 것이 가능하다.The bio-pen according to the present invention can be remotely controlled by connecting to Wi-Fi, Bluetooth, or a computer, and can be used stably by fixing it on a clean bench in the laboratory, and can be used stably by connecting an adapter to an electric outlet to the bio-pen. It is possible to provide it.
일 측면에서, 본 발명은 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다. In one aspect, the purpose of the present invention is to provide a pen-type structure for mixing and discharging bioink or hydrogel.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 또는 하이드로젤 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the purpose of the present invention is to provide a bioink or hydrogel printing method using a pen-type structure for mixing and discharging the bioink or hydrogel.
또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 펜 타입 프린팅 시스템을 이용하여 조직공학 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the purpose of the present invention is to provide a tissue engineering structure using the pen type printing system.
또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 펜 타입 프린팅 시스템을 이용하여 조직공학 구조물을 제조할 수 있는 바이오잉크 또는 하이드로젤 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the purpose of the present invention is to provide a bioink or hydrogel printing method for manufacturing tissue engineering structures using the pen-type printing system.
또 다른 측면에서, 본 발명은 하우징 내에 배터리 및 배터리 저장 공간을 제거하여 어댑터 연결만으로 작동이 가능하도록 한 일체화된 펜 타입 구조체(미니 바이오펜)를 제공하는 것을 목적으로 한다. In another aspect, the purpose of the present invention is to provide an integrated pen-type structure (mini bio-pen) that can be operated only by connecting an adapter by eliminating the battery and battery storage space in the housing.
또 다른 측면에서, 본 발명은 하이드로젤과 가교 결합제를 포함하여 나노젤 또는 마이크로젤을 제조하여 프린팅에 최적화된 점도, 경도 및 탄력성 등의 기계적 물성을 갖도록 하는 것을 목적으로 한다. In another aspect, the purpose of the present invention is to manufacture a nanogel or microgel including a hydrogel and a cross-linker to have mechanical properties such as viscosity, hardness, and elasticity optimized for printing.
또 다른 측면에서, 본 발명은 펜 타입 구조체의 스크루 회전속도와 구동 시간을 조절하여 상기 나노젤 또는 마이크로젤의 입자 크기를 조절할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. In another aspect, the purpose of the present invention is to adjust the particle size of the nanogel or microgel by adjusting the screw rotation speed and driving time of the pen-type structure.
일 측면에서, 본 발명은 제1 스크루를 하우징하는 원통형의 제1 배럴; 상기 제1 스크루보다 길이가 길고 제1 스크루와 병렬 구조를 갖는 제2 스크루를 하우징하며, 상기 제1 배럴보다 길이가 긴 원통형의 제2 배럴; 상기 제1 스크루의 기어 및 제2 스크루의 기어와 인접하여 연결되어 제1 스크루 및 제2 스크루를 구동시키는 컨트롤러; 상기 제1 배럴에 형성되고 제1 배럴 내부로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2 이상의 공급부; 및 상기 컨트롤러의 반대편 쪽에 제2 배럴의 말단부로부터 연장 형성되고 바이오잉크 또는 하이드로젤을 토출하는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부를 포함하고, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루가 공간적으로 분리되지 않도록 상기 제1 배럴과 제2 배럴은 서로 연통하여 연장 형성되고, 상기 제1 스크루는 3구간의 가변 피치를 갖고 상기 제2 스크루는 4구간의 가변 피치를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공한다.In one aspect, the present invention provides a first cylindrical barrel housing a first screw; a second barrel housing a second screw that is longer than the first screw and has a parallel structure to the first screw, and has a cylindrical second barrel that is longer than the first barrel; a controller adjacent to and connected to the gear of the first screw and the gear of the second screw to drive the first screw and the second screw; Two or more supply units formed in the first barrel and supplying bioink or hydrogel material into the first barrel; and a bio-ink or hydrogel discharge portion extending from the distal end of the second barrel on the opposite side of the controller and discharging bio-ink or hydrogel, wherein the first screw and the second screw are not spatially separated. The barrel and the second barrel extend in communication with each other, and the first screw has a variable pitch of 3 sections and the second screw has a variable pitch of 4 sections. Mixing and discharging bioink or hydrogel. Provides a pen type structure for
예시적인 일 구현예에서, 상기 토출되는 바이오잉크 또는 하이드로젤에 UV 광을 조사할 수 있도록, 상기 제1 배럴 및/또는 제2 배럴의 하부 말단에 UV 조사 부재를 구비하도록 디자인하고, UV 조사 부재와 배럴 상부의 컨트롤러를 연결시키는 통로 (즉, 광조사 젤 제조용 전기선 관)를 디자인할 수 있다 (도 3 참조). 이는 프린팅하는 공정 중에 공급부를 통하여 제공되는 광개시제가 포함된 고분자용액을 UV로 조사하여 하이드로젤로 가교결합시키면서 젤을 적층하여 프린팅할 수 있는 효과를 제공한다. 이에 따라, 상기 펜 타입 구조체는 3D 바이오프린팅 구조체를 제조할 수 있는 기기로 사용될 수 있다.In an exemplary embodiment, a UV irradiation member is designed to be provided at the lower end of the first barrel and/or the second barrel so as to irradiate UV light to the discharged bioink or hydrogel, and the UV irradiation member is A passage connecting the controller at the top of the barrel (i.e., an electric wire tube for producing light irradiation gel) can be designed (see Figure 3). This provides the effect of printing by layering gels while cross-linking them into hydrogels by irradiating the polymer solution containing the photoinitiator provided through the supply unit during the printing process with UV light. Accordingly, the pen-type structure can be used as a device for manufacturing a 3D bioprinting structure.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 (짧은 스크루)는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 a 구간 (도입 구간), b 구간 (높은 젤 혼합구간), c 구간 (세포 혼합구간)을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 b < a ≤ c 이고, 상기 제2 스크루 (긴 스크루)는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 d 구간 (도입구간), e 구간 (높은 젤 혼합구간), f 구간 (세포 혼합구간), g 구간 (프린팅 잉크의 전달구간)을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 e < d ≤ f이며, g 구간의 피치 크기는 하기 i) 및 ii) 조건을 만족하는 것일 수 있다. In an exemplary embodiment, the first screw (short screw) sequentially moves from the controller to the bioink or hydrogel discharge section in section a (introduction section), section b (high gel mixing section), and section c (cell mixing section). section), the pitch size of each section is b < a ≤ c, and the second screw (long screw) sequentially moves from the controller to the bioink or hydrogel discharge section d section (introduction section) and e section ( It has a high gel mixing section), an f section (cell mixing section), and a g section (delivery section of printing ink), and the pitch size of each section is e < d ≤ f, and the pitch size of the g section is i) and ii below. ) may satisfy the conditions.
i) g < f i) g < f
ii) e ≤ g 또는 e > g.ii) e ≤ g or e > g.
상기 제1 스크루의 a, b, c 구간과 제2 스크루의 d, e, f 구간은 동일한 피치 구조와 길이를 갖고, 단지 위상에서 차이를 갖는 것을 특징으로 한다.Sections a, b, and c of the first screw and sections d, e, and f of the second screw have the same pitch structure and length, but differ only in phase.
예시적인 일 구현예에서, 상기 d 구간과 g 구간의 피치 크기는 g < d인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the pitch size of the d section and the g section may be g < d.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 피치의 위상차가 45° 내지 135°인 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the first screw and the second screw may have a pitch phase difference of 45° to 135°.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사산과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사산과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the distance between the thread of the first screw and the inner wall of the first barrel is 0.005 mm to 0.30 mm, and the distance between the thread of the second screw and the inner wall of the second barrel is 0.005 mm to 0.30 mm. It may have a distance of .
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사골과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사골과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the distance between the thread of the first screw and the inner wall of the first barrel is 0.01 mm to 6 mm, and the distance between the thread of the second screw and the inner wall of the second barrel is 0.01 mm to 6 mm. It may have a distance of .
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 축 중심과 제2 스크루의 축 중심 사이의 거리는 제1 스크루 또는 제2 스크루의 축 직경보다 길게 형성된 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the distance between the axial center of the first screw and the axial center of the second screw may be longer than the axial diameter of the first screw or the second screw.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 배럴의 하단부는 제1 스크루의 축과 수직 방향으로 내벽을 갖고, 상기 내벽과 제1 스크루의 말단 지점은 0.005 mm 내지 1 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the lower end of the first barrel may have an inner wall in a direction perpendicular to the axis of the first screw, and the inner wall and the distal point of the first screw may have a distance of 0.005 mm to 1 mm.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제2 스크루는 제2 배럴의 하단부와 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부가 접하는 지점까지 형성된 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the second screw may be formed to a point where the lower end of the second barrel and the bioink or hydrogel discharge portion contact each other.
예시적인 일 구현예에서, 상기 공급부 사이의 간격은 제2 배럴 길이의 1/3에 해당하는 길이를 초과하지 않는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the gap between the supply units may not exceed a length corresponding to 1/3 of the length of the second barrel.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 롤러, 브러시 또는 니들(needle)로부터 선택되는 압출 헤드를 탈부착 가능한 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the bioink or hydrogel discharge unit may have a detachable extrusion head selected from a roller, brush, or needle.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 나노입자 젤을 제조하기 위해 토출부의 출구를 막는 용도로서 캡을 탈부착하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the bioink or hydrogel discharge unit may have a detachable cap to block the outlet of the bioink or hydrogel discharge unit to manufacture nanoparticle gel.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 프린팅 시스템에 장착되어 작동 가능한 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the pen-type structure may be operable by being mounted on a printing system.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 배럴 및/또는 제2 배럴은 토출되는 바이오잉크 또는 하이드로젤에 UV를 조사하는 UV 조사 부재를 구비한 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the first barrel and/or the second barrel may be provided with a UV irradiation member that irradiates UV to the discharged bioink or hydrogel.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 이용하여 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method of printing bioink or hydrogel using a pen-type structure for mixing and discharging the bioink or hydrogel.
예시적인 일 구현예에서, 상기 방법은 성형된 하이드로젤로부터 나노젤을 제조하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the method may include preparing a nanogel from a molded hydrogel.
예시적인 일 구현예에서, 상기 방법은 성형된 하이드로젤로부터 나노젤 또는 마이크로젤을 제조하는 단계를 포함하는 것일 수 있다. In one exemplary embodiment, the method may include preparing a nanogel or microgel from a molded hydrogel.
예시적인 일 구현예에서, 상기 하이드로젤은 가교 결합제를 포함하여 상기 나노젤 또는 마이크로젤을 제조하되, 상기 펜 타입 구조체의 스크루 회전속도와 구동 시간을 조절하여 상기 나노젤 또는 마이크로젤의 입자 크기를 조절하는 것일 수 있다. In an exemplary embodiment, the hydrogel includes a cross-linking agent to prepare the nanogel or microgel, and the particle size of the nanogel or microgel is adjusted by adjusting the screw rotation speed and driving time of the pen-type structure. It may be something to adjust.
예시적인 일 구현예에서, 상기 가교 결합제는 1,4-부테인다이올 다이글라이시딜 에터(1,4-butandiol diglycidyl ether, BDDE)인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the cross-linking agent may be 1,4-butandiol diglycidyl ether (BDDE).
예시적인 일 구현예에서, 상기 하이드로젤은 상기 가교 결합제의 농도를 조절하여, 형성되는 나노젤 또는 마이크로젤의 점도, 경도 및 탄력성을 포함하는 기계적 물성을 조절하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the hydrogel may adjust the mechanical properties including viscosity, hardness, and elasticity of the formed nanogel or microgel by adjusting the concentration of the crosslinking agent.
일 측면에서, 본 발명은 바이오잉크 또는 하이드로젤을 균질하게 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공하는 효과가 있다.In one aspect, the present invention has the effect of providing a pen-type structure for homogeneously mixing and discharging bioink or hydrogel.
다른 측면에서, 본 발명은 하이드로젤 프리커서를 주입하여, 균질하게 혼합하고 젤을 형성시켜 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the present invention has the effect of providing a pen-type structure for injecting a hydrogel precursor, mixing it homogeneously, forming a gel, and discharging it.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 또는 하이드로젤 프린팅 방법을 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the present invention has the effect of providing a bioink or hydrogel printing method using a pen-type structure for mixing and discharging the bioink or hydrogel.
본 발명은 나노입자 및/또는 살아 있는 세포 등이 균일하게 분산된 바이오잉크의 압출, 종래의 공기압 또는 피스톤식 압출 시스템으로는 압출할 수 없는 다양한 점도의 젤을 정밀하고 포지티브하게 제어하여 압출, 정밀한 제어로 바이오잉크 또는 하이드로젤을 균일하고 미세하게 증착 (적층), 지속적이고 규칙적으로 젤 및/또는 바이오잉크의 제공이 가능한 효과를 갖는다.The present invention extrudes bioink in which nanoparticles and/or living cells are uniformly dispersed, and extrudes gels of various viscosities that cannot be extruded with conventional pneumatic or piston-type extrusion systems by precisely and positively controlling them. It has the effect of enabling controlled uniform and fine deposition (lamination) of bioink or hydrogel and continuous and regular provision of gel and/or bioink.
본 발명은 이미 성형된 하이드로젤 (예, Gelatin methacrylate 젤, poly(ethylene oxide) 젤, 히알론산 젤, 콤부차 젤 및 다성분 고분자 젤 등) 내부에 약물, 리포좀, 엑소좀 및 생체활성물질들 (나노입자, 단백질, 핵산 등)을 회전 전단 메커니즘에 의해 물리적으로 로딩함으로써 하이드로젤 약물전달체를 제공하는 효과를 가진다.The present invention contains drugs, liposomes, exosomes and bioactive substances (e.g., gelatin methacrylate gel, poly(ethylene oxide) gel, hyaluronic acid gel, kombucha gel and multi-component polymer gel, etc.) It has the effect of providing a hydrogel drug delivery system by physically loading nanoparticles, proteins, nucleic acids, etc.) through a rotating shear mechanism.
본 발명은 이미 성형된 하이드로젤을 나노 및/또는 마이크로 젤 입자의 크기로 제조하고, 세포치료제, 약물전달체로 적용하는 효과를 가진다.The present invention has the effect of manufacturing already formed hydrogels in the size of nano and/or micro gel particles and applying them as cell therapy agents and drug delivery vehicles.
본 발명은 바이오펜에 장착된 광 조사 시스템을 이용하여 광개시제가 혼합된 고분자 용액을 프린팅 (또는 주사)하면서 광 가교결합을 유도하여 in situ 3D 프린팅 조직공학 구조물을 제조하는 효과를 가진다. The present invention has the effect of producing an in situ 3D printed tissue engineering structure by inducing photo-crosslinking while printing (or injecting) a polymer solution mixed with a photoinitiator using a light irradiation system mounted on a biopen.
본 발명은 고정형 및/또는 이동형 바이오펜을 이용하여 기존의 프린터에 장착하여 사용하거나 손으로 자유롭게 프린팅하여 바이오잉크, 하이드로젤, 생분해성 고분자 등으로부터 조직공학 구조물을 제조하여 제공하는 효과가 있다.The present invention has the effect of manufacturing and providing tissue engineering structures from bioink, hydrogel, biodegradable polymer, etc. by using a fixed and/or mobile biopen by attaching it to an existing printer or printing it freely by hand.
본 발명은 조직공학 구조물을 이용하여 조직을 재생하였을 때, 균질의 약물, 생체활성물질 및 성장인자 등의 균질 혼합에 의해 최종적으로 재생되는 조직의 균질성과 기계적/생물학적 물성들을 제공하는 효과가 있다.The present invention has the effect of providing the homogeneity and mechanical/biological properties of the ultimately regenerated tissue by homogeneous mixing of drugs, bioactive substances, and growth factors when regenerating tissue using a tissue engineering structure.
본 발명은 롤러 혹은 브러시를 사용하여 보다 넓은 면적을 횡적 혹은 적층하여 프린팅할 수 있으며, 이는 넓은 면적과 다층으로 구성된 피부, 복잡한 형상의 연골, 뇌 등의 조직재생 구조물, 창상피복제 및 필름 등을 제조하는데 있어서 효과적으로 균질의 바이오잉크 또는 하이드로젤의 프린팅 구조물을 제조하는 효과가 있다.The present invention can print a larger area horizontally or in layers using a roller or brush, which can be used to print skin with a large area and multiple layers, cartilage of complex shape, tissue regeneration structures such as the brain, wound dressings, and films. In manufacturing, it is effective in producing a homogeneous bioink or hydrogel printing structure.
연골, 뇌와 같은 복잡한 구조와 층의 높이 따라 형상이 서로 다른 구조를 가진 결손부위 (조직, 장기)는 기존의 3D 바이오프린팅으로 구조물을 제조하기 어려웠으나, 본 발명의 이동형 바이오펜은 사용자가 자유롭게 이동형 바이오펜을 이용하여 바이오잉크를 프린팅하여 상기 문제점을 해결할 수 있는 파급효과가 있다.Complex structures such as cartilage and brain and defect areas (tissues, organs) with different shapes depending on the height of the layer were difficult to manufacture using existing 3D bioprinting, but the mobile bio-pen of the present invention allows users to freely There is a ripple effect of solving the above problems by printing bio-ink using a portable bio-pen.
또한, 본 발명은 다양한 바이오 관련 용액을 혼합하여 3D 바이오 프린팅 압출기, 이동형의 프린팅 바이오펜, 세포치료제 전달체, 세포가 있거나 없는 생체활성물질 전달체로 사용될 수 있고, 골, 연골, 척추, 신경, 피부, 혈관 등을 포함하는 근골격계, 치과, 안과, 순환기, 뇌 등의 다양한 조직재생이나 질환 치료에 적용될 수 있는 효과를 갖는다. In addition, the present invention can be used as a 3D bio-printing extruder, a mobile printing bio-pen, a cell therapy carrier, and a bioactive material carrier with or without cells by mixing various bio-related solutions. It has effects that can be applied to various tissue regeneration or disease treatment in the musculoskeletal system including blood vessels, dentistry, ophthalmology, circulation, and brain.
또한, 본 발명은 하우징 내에 배터리 및 배터리 저장 공간을 제거하여 어댑터 연결만으로 작동이 가능하도록 한 일체화된 펜 타입 구조체(미니 바이오펜)를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide an integrated pen-type structure (mini bio-pen) that can be operated only by connecting an adapter by eliminating the battery and battery storage space in the housing.
또한, 본 발명은 하이드로젤과 가교 결합제를 포함하여 나노젤 또는 마이크로젤을 제조하여 프린팅에 최적화된 점도, 경도 및 탄력성 등의 기계적 물성을 나타낼 수 있도록 한다. In addition, the present invention manufactures a nanogel or microgel including a hydrogel and a cross-linker to exhibit mechanical properties such as viscosity, hardness, and elasticity optimized for printing.
또한, 본 발명은 펜 타입 구조체의 스크루 회전속도와 구동 시간을 조절하여 상기 나노젤 또는 마이크로젤의 입자 크기를 조절할 수 있도록 한다. In addition, the present invention allows the particle size of the nanogel or microgel to be adjusted by adjusting the screw rotation speed and driving time of the pen-type structure.
또한, 본 발명은 나노젤 또는 마이크로젤을 성형 필러(예, 팔자주름, 이마 주름 등)로 사용할 수 있는 기능을 제공할 수 있다.Additionally, the present invention can provide the ability to use nanogel or microgel as a cosmetic filler (e.g., nasolabial folds, forehead wrinkles, etc.).
또한, 본 발명은 펜 타입 구조체의 스크루 구동 시간과 정지시간을 작동 컨트롤러로 조절하여 상기 바이오잉크 및 하이드로젤을 일정한 양으로 분리하여 투하(예, 24 웰 플레이트의 각각의 웰) 시키는 것을 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide a method of separating and dispensing the bioink and hydrogel in constant amounts (e.g., into each well of a 24-well plate) by controlling the screw driving time and stopping time of the pen-type structure with an operation controller. there is.
또한, 본 발명은 소형의 바이오펜과 일정량의 분리기능(aliquot)을 사용하여 신약, 바이오잉크 테스트 기기를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a new drug and bioink test device using a small biopen and a certain amount of separation function (aliquot).
도 1은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 각 부품을 나타낸 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 조립 및 사용하는 일련의 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 개략도를 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체 (왼쪽) 및 이를 프린팅 시스템에 장착한 모습 (오른쪽)을 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체에서 배럴을 장착하지 않은 모습을 나타낸 것이다.
도 6은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 사시도를 나타낸 것이다.
도 7은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면도를 나타낸 것이다.
도 8은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면의 설계도를 나타낸 것이다. 상기 구조체는 바이오잉크또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2개의 공급부가 배럴의 길이 방향으로 동일한 선상에 위치한다.
도 9는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면의 설계도를 나타낸 것이다. 상기 구조체는 바이오잉크 재료를 공급하는 2개의 공급부가 배럴의 길이 방향으로 동일한 선상에 위치한다.
도 10은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 제1 스크루의 설계도를 나타낸 것이다.
도 11은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 제2 스크루의 설계도를 나타낸 것이다.
도 12는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면의 설계도를 나타낸 것이다. 상기 구조체는 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2개의 공급부가 배럴의 길이 방향으로 다른 선상에 위치한다.
도 13은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면의 설계도를 나타낸 것이다. 상기 구조체는 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2개의 공급부가 배럴의 길이 방향으로 다른 선상에 위치한다.
도 14는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 일 단면도를 나타낸 것이다.
도 15는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 제1 배럴 하단부의 내벽과 제1 스크루의 말단 지점 사이의 간격을 보여주는 확대도를 나타낸 것이다.
도 16은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 구동 플로우를 나타낸 것이다.
도 17은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 컨트롤러를 나타낸 것이다.
도 18은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 혼합 후 세포배양 결과를 나타낸 것이다.
도 19는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 프린팅 결과를 나타낸 것이다.
도 20은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 나노-마이크로 젤 입자 제조 과정의 모식도를 나타낸 것이다.
도 21은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 후코이단의 봉입 결과를 나타낸 것이다.
도 22는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 하이드로젤의 마이크로-나노 입자로의 전환 결과를 나타낸 것이다.
도 23은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 다양한 프린팅 결과를 나타낸 것이다.
도 24는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 조직재생 결과를 나타낸 것이다.
도 25는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 다양한 실시 양태를 나타낸 것이다.
도 26은 다른 일 실시예에 따른 일체화된 펜 타입 구조체의 외부 구조를 나타낸 모식도이다.
도 27은 다른 일 실시예에 따른 일체화된 펜 타입 구조체의 외부 구조와 어댑터 연결 방식을 나타낸 모식도이다.
도 28은 다른 일 실시예에 따른 일체화된 펜 타입 구조체의 내부 구조를 나타낸 모식도이다.
도 29는 다른 일 실시예에 따른 일체화된 펜 타입 구조체의 내부 구조의 측면을 나타낸 모식도이다.
도 30은 다른 일 실시예에 따른 일체화된 펜 타입 구조체의 내부 구조를 단면을 나타낸 모식도이다.
도 30은 다른 일 실시예에 따른 일체화된 펜 타입 구조체의 내부 구조를 단면을 나타낸 모식도이다.
도 31 내지 도 33은 다른 일 실시예에 따른 일체화된 펜 타입 구조체의 내부 구조의 배럴과 스크루를 나타낸 모식도이다.
도 34는 제조예 1 내지 제조예 3에 의해 제조된 하이드로젤을 나타낸 사진이다.
도 35는 실험예 1에서 점도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 36은 실험예 1에서, 경도, 접착성 및 탄력성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 37은 본 발명의 실시예 3의 마이크로젤을 나타낸 현미경 사진이다.
도 38은 본 발명의 실시예에서 분자체(molecular sieves)를 사용하여 입자를 분리하는 과정을 나타낸 사진이다.
도 39 및 도 40은 실험예 2에서 마이크로젤의 입자 크기 분석 결과를 나타낸 사진이다.
도 41은 실험예 2에서 마이크로젤의 강도, 경도, 응집력을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 42는 실험예 2에서 마이크로젤의 팽윤성 테스트(1) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 43은 실험예 2에서 마이크로젤의 팽윤성 테스트(2) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 44는, 실험예 3의 프린팅 적합성 평가 결과를 나타낸 사진이다.
도 45는, 실험예 4의 세포 생존성 확인 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 46은, 다른 일 실시예에 따른 컨트롤러를 이용하여 바이오펜의 스크류 회전속도, 작동시간과 정지시간을 조절하여 하이드로젤, 바이오잉크를 일정량으로 12웰 플레이트의 각 웰에 소량씩 분리할 수 있음을 나타내는 사진이다.Figure 1 shows each component of a pen type structure according to an embodiment.
Figure 2 shows a series of processes for assembling and using a pen type structure according to an embodiment.
Figure 3 shows a schematic diagram of a pen type structure according to one embodiment.
Figure 4 shows a pen-type structure (left) and its attachment to a printing system (right) according to an embodiment.
Figure 5 shows a pen-type structure without a barrel installed, according to an embodiment.
Figure 6 shows a perspective view of a pen type structure according to one embodiment.
Figure 7 shows a cross-sectional view of a pen type structure according to an embodiment.
Figure 8 shows a design diagram of a cross section of a pen type structure according to an embodiment. In the structure, two supply parts that supply bio-ink or hydrogel materials are located on the same line in the longitudinal direction of the barrel.
Figure 9 shows a design diagram of a cross section of a pen type structure according to an embodiment. In the structure, two supply parts that supply bio-ink materials are located on the same line in the longitudinal direction of the barrel.
Figure 10 shows a design diagram of a first screw of a pen-type structure according to an embodiment.
Figure 11 shows a design diagram of a second screw of a pen-type structure according to an embodiment.
Figure 12 shows a design diagram of a cross section of a pen type structure according to an embodiment. The structure has two supply units that supply bioink or hydrogel materials located on different lines in the longitudinal direction of the barrel.
Figure 13 shows a design diagram of a cross section of a pen type structure according to an embodiment. The structure has two supply units that supply bioink or hydrogel materials located on different lines in the longitudinal direction of the barrel.
Figure 14 shows a cross-sectional view of a pen type structure according to an embodiment.
Figure 15 is an enlarged view showing the gap between the inner wall of the lower end of the first barrel of the pen type structure according to one embodiment and the distal point of the first screw.
Figure 16 shows the driving flow of a pen type structure according to an embodiment.
Figure 17 shows a controller of a pen type structure according to an embodiment.
Figure 18 shows the results of cell culture after mixing bioink using a pen-type structure according to an example.
Figure 19 shows the results of printing using a pen type structure according to an embodiment.
Figure 20 shows a schematic diagram of the manufacturing process of nano-micro gel particles using a pen type structure according to an embodiment.
Figure 21 shows the results of encapsulation of fucoidan using a pen-type structure according to an embodiment.
Figure 22 shows the results of conversion of hydrogel into micro-nanoparticles using a pen-type structure according to an embodiment.
Figure 23 shows various printing results using a pen type structure according to an embodiment.
Figure 24 shows the results of tissue regeneration using a pen-type structure according to an embodiment.
Figure 25 shows various embodiments using a pen type structure according to an embodiment.
Figure 26 is a schematic diagram showing the external structure of an integrated pen type structure according to another embodiment.
Figure 27 is a schematic diagram showing the external structure and adapter connection method of an integrated pen type structure according to another embodiment.
Figure 28 is a schematic diagram showing the internal structure of an integrated pen type structure according to another embodiment.
Figure 29 is a schematic diagram showing a side of the internal structure of an integrated pen type structure according to another embodiment.
Figure 30 is a schematic diagram showing a cross-section of the internal structure of an integrated pen-type structure according to another embodiment.
Figure 30 is a schematic diagram showing a cross-section of the internal structure of an integrated pen-type structure according to another embodiment.
Figures 31 to 33 are schematic diagrams showing the barrel and screw of the internal structure of an integrated pen-type structure according to another embodiment.
Figure 34 is a photograph showing hydrogels prepared according to Preparation Examples 1 to 3.
Figure 35 is a graph showing the results of measuring viscosity in Experimental Example 1.
Figure 36 is a graph showing the results of measuring hardness, adhesion, and elasticity in Experimental Example 1.
Figure 37 is a micrograph showing the microgel of Example 3 of the present invention.
Figure 38 is a photograph showing the process of separating particles using molecular sieves in an embodiment of the present invention.
Figures 39 and 40 are photographs showing the particle size analysis results of microgels in Experimental Example 2.
Figure 41 is a graph showing the results of measuring the strength, hardness, and cohesion of microgels in Experimental Example 2.
Figure 42 is a graph showing the results of the microgel swelling test (1) in Experimental Example 2.
Figure 43 is a graph showing the results of the microgel swelling test (2) in Experimental Example 2.
Figure 44 is a photograph showing the printing suitability evaluation results of Experimental Example 3.
Figure 45 is a graph showing the results of the cell viability confirmation experiment in Experimental Example 4.
Figure 46 shows that a small amount of hydrogel and bioink can be separated into each well of a 12-well plate by adjusting the screw rotation speed, operation time, and stop time of the biopen using a controller according to another embodiment. This is a photo representing .
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 3D 바이오 프린팅, 세포치료제 전달체, 생체활성물질 전달체, 조직공학재생의학, 의료기기 등의 분야에서 사용 가능한 펜 타입 구조체, 즉 바이오펜에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 바이오잉크 구성성분 또는 하이드로젤에 포함된 성분들을 균질하게 혼합하고, 세포 손상을 최소화하면서 압출이 가능하도록 설계된 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a pen-type structure, that is, a biopen, that can be used in fields such as 3D bioprinting, cell therapy delivery vehicle, bioactive material delivery vehicle, tissue engineering and regenerative medicine, and medical devices. More specifically, the present invention relates to a pen-type structure for mixing and dispensing bioink or hydrogel, which is designed to homogeneously mix the components contained in the bioink or hydrogel and enable extrusion while minimizing cell damage. will be.
도 1은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 각 부품을 나타낸 것이다.Figure 1 shows each component of a pen type structure according to an embodiment.
일 측면에서, 본 발명은 제1 스크루를 하우징하는 원통형의 제1 배럴; 상기 제1 스크루보다 길이가 길고 제1 스크루와 병렬 구조를 갖는 제2 스크루를 하우징하며, 상기 제1 배럴보다 길이가 긴 원통형의 제2 배럴; 상기 제1 스크루의 기어 및 제2 스크루의 기어와 인접하여 연결되어 제1 스크루 및 제2 스크루를 구동시키는 컨트롤러; 상기 제1 배럴에 형성되고 제1 배럴 내부로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2 이상의 공급부; 및 상기 컨트롤러의 반대편 쪽에 제2 배럴의 말단부로부터 연장 형성되고 바이오잉크 또는 하이드로젤을 토출하는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부를 포함하고, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루가 공간적으로 분리되지 않도록 상기 제1 배럴과 제2 배럴은 서로 연통하여 연장 형성되고, 상기 제1 스크루는 3구간의 가변 피치를 갖고 상기 제2 스크루는 4구간의 가변 피치를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 제공한다.In one aspect, the present invention provides a first cylindrical barrel housing a first screw; a second barrel housing a second screw that is longer than the first screw and has a parallel structure to the first screw, and has a cylindrical second barrel that is longer than the first barrel; a controller adjacent to and connected to the gear of the first screw and the gear of the second screw to drive the first screw and the second screw; Two or more supply units formed in the first barrel and supplying bioink or hydrogel material into the first barrel; and a bio-ink or hydrogel discharge portion extending from the distal end of the second barrel on the opposite side of the controller and discharging bio-ink or hydrogel, wherein the first screw and the second screw are not spatially separated. The barrel and the second barrel extend in communication with each other, and the first screw has a variable pitch of 3 sections and the second screw has a variable pitch of 4 sections. Mixing and discharging bioink or hydrogel. Provides a pen type structure for
상기 펜 타입 구조체는 생체활성물질, 나노입자와 같은 무생물 물질과 살아 있는 세포를 포함한 바이오잉크 또는 하이드로젤의 균일한 혼합 및 압출이 가능하다. 다른 측면에서, 상기 펜 타입 구조체는 세포가 제외된 생체활성물질, 성장인자, 유전자, 약물, 나노입자와 같은 무생물 물질의 균일한 혼합 및 압출이 가능하다.The pen-type structure enables uniform mixing and extrusion of bioactive materials, inanimate materials such as nanoparticles, and bioink or hydrogel containing living cells. In another aspect, the pen-type structure is capable of uniformly mixing and extruding inanimate materials such as bioactive substances, growth factors, genes, drugs, and nanoparticles excluding cells.
도 2는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 조립 및 3D 프린터로의 장착을 보여주는 일련의 과정을 나타낸 것이다. Figure 2 shows a series of processes showing assembling and mounting a pen-type structure on a 3D printer according to an embodiment.
상기 펜 타입 구조체는 제1 스크루보다 길이가 긴 제2 스크루가 모터 샤프트에 부착되고, 상기 제2 스크루보다 길이가 짧은 제1 스크루가 90° 위상차에 배치되고, 각 스크루를 하우징하며 일체형 배럴이 고정되고, 압출 헤드로서 프린팅용 니들 (스크루 또는 푸쉬 형태)이 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부에 부착되고, 캡으로 공급부를 닫는 단계를 포함하여 조립될 수 있다.In the pen-type structure, a second screw that is longer than the first screw is attached to the motor shaft, a first screw that is shorter than the second screw is arranged at a 90° phase difference, and an integrated barrel houses each screw and is fixed thereto. It can be assembled by attaching a printing needle (screw or push type) as an extrusion head to the bioink or hydrogel discharge part and closing the supply part with a cap.
상기 펜 타입 구조체는 손으로 직접 프린팅하거나, 거치대 또는 3D 프린터에 장착하여 사용할 수 있다.The pen-type structure can be printed directly by hand or mounted on a stand or 3D printer.
예시적인 일 구현예에서, 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료에 광 가교 (photo crosslinking) 및/또는 광 조사 (light irradiation)을 제공하기 위해 상기 제1 배럴 및/또는 제2 배럴에 하나 이상의 자외선 또는 레이저 광원을 부착할 수 있고, 상기 광원은 컨트롤러의 전원 공급부로부터 전원을 공급받을 수 있다.In an exemplary embodiment, one or more ultraviolet or laser light sources are applied to the first barrel and/or the second barrel to provide photo crosslinking and/or light irradiation to the bioink or hydrogel material. can be attached, and the light source can receive power from the power supply of the controller.
도 3은 일 실시예에 따른 광 가교결합을 위한 UV-LED 조사장치가 보강된 펜 타입 구조체, 즉 바이오펜의 배럴 모습을 보여준다. 상기 배럴에는 광조사가 된 젤을 제조하기 위한 용도의 관 (즉, 배럴상부와 배럴하부로 연결되는 전기선을 설치할 수 있는 통로와 구성품을 배럴 상에 설치될 수 있도록 하는 UV LED 설치부) 및 LED 조사 부재 (즉, 광개시제의 활성을 유도할 수 있는 UV LED 제공부)가 추가되었다. 이러한 광조사 장치가 부착된 바이오펜은 추가적인 UV 장치의 도움 없이도 바이오잉크 또는 하이드로젤의 가교결합을 용이하게 진행할 수 있는 기능을 제공한다.Figure 3 shows the barrel of a pen-type structure, that is, a bio-pen, reinforced with a UV-LED irradiation device for photo-crosslinking according to an embodiment. The barrel is equipped with a pipe for manufacturing light-irradiated gel (i.e., a passage for installing an electric wire connecting the upper and lower barrels and a UV LED installation section for installing components on the barrel) and LED. An irradiation member (i.e. a UV LED provider capable of inducing the activity of the photoinitiator) was added. The biopen equipped with this light irradiation device provides the ability to easily cross-link bioink or hydrogel without the help of an additional UV device.
본 발명에 따른 펜 타입 구조체는 길이가 상이한 이중 스크루 압출 혼합 시스템을 이용하여 살아 있는 세포, 젤, 나노 또는 마이크로 입자, 생체활성분자, 고분자, 가교결합제 및 이들의 혼합물을 포함하는 다성분 물질을 연속 또는 반연속적으로 배치 혼합 및/또는 3D 프린팅할 수 있다. 또한, 처음 로딩된 바이오잉크를 모두 사용했을 경우, 공급부에 새로운 바이오잉크 주사기로 대체하여 연속적으로 프린팅이 가능하다.The pen-type structure according to the present invention uses a double screw extrusion mixing system of different lengths to continuously produce multi-component materials including living cells, gels, nano or micro particles, bioactive molecules, polymers, cross-linking agents, and mixtures thereof. Alternatively, it can be batch mixed and/or 3D printed semi-continuously. Additionally, when all of the initially loaded bio-ink is used up, continuous printing is possible by replacing it with a new bio-ink syringe in the supply section.
본 발명에 따른 펜 타입 구조체를 구성하는 제1 및 제2 스크루 등의 부품 재질은 금속 재질, 비금속 재질 및 플라스틱 재질 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있으며, 비독성의 생체적합성 FDA 승인 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, FDA에 의해 승인된 의료용 강철, 플라스틱 및 고분자들이 사용될 수 있다. 또한, 이중 스크루 압출 혼합 시스템에 사용되는 부품들은 사용 전에 멸균해서 사용할 수 있다.The material of parts such as the first and second screws constituting the pen-type structure according to the present invention may be made of any one of metal, non-metal, and plastic, and non-toxic, biocompatible, FDA-approved materials can be used. You can. For example, medical grade steels, plastics, and polymers approved by the FDA can be used. Additionally, parts used in double screw extrusion mixing systems can be sterilized before use.
상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 각각 제1 배럴 및 제2 배럴 내부에 배치되어 공급부를 통해 공급되는 재료를 혼합해 준다. 상기 제1 배럴 및 제2 배럴은 일체형으로 연결된 것일 수 있다.The first screw and the second screw are disposed inside the first barrel and the second barrel, respectively, and mix the materials supplied through the supply unit. The first barrel and the second barrel may be integrally connected.
상기 컨트롤러는 상기 제1 및 제2 스크루에 구비되는 기어, 벨트 또는 스크루 각각의 모터와 연결될 수 있고, 상기 제1 및 제2 스크루를 동일 방향으로 회전시키거나, 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.The controller may be connected to the motor of each gear, belt, or screw provided on the first and second screws, and may rotate the first and second screws in the same direction or in opposite directions.
예시적인 일 구현예에서, 상기 기어, 벨트 또는 스크루 각각의 모터의 속도는 0 내지 200 rpm 또는 10 내지 200 rpm으로 조절될 수 있다.In an exemplary embodiment, the speed of each motor of the gear, belt, or screw may be adjusted to 0 to 200 rpm or 10 to 200 rpm.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 및 제2 스크루의 속도는 기어, 벨트를 통해 또는 모터의 샤프트로부터 직접 달성될 수 있다.In one exemplary embodiment, the speed of the first and second screws may be achieved via gears, belts, or directly from the shaft of the motor.
예시적인 일 구현예에서, 상기 기어, 벨트 또는 스크루 각각의 모터는 상기 컨트롤러의 전원 공급 장치를 통해 구동될 수 있다.In an exemplary embodiment, each motor of the gear, belt, or screw may be driven through a power supply of the controller.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전원 공급 장치는 전원 어댑터, 직접 AC 공급 또는 컴퓨터의 USB 포트를 포함하는 DC 전원 공급 장치일 수 있다. 전원 어댑터, 직접 AC 입력 또는 컴퓨터의 USB 포트를 포함하는 DC 전원 공급 장치를 통해 제공되는 마이크로컨트롤러 (프로그래밍 가능한 또는 프로그래밍이 불가능한)를 통해서 상기 제1 및 제2 스크루에 부착된 모터를 구동시킬 수 있다.In one exemplary implementation, the power supply may be a power adapter, a direct AC supply, or a DC power supply including a USB port of a computer. The motors attached to the first and second screws can be driven by a microcontroller (programmable or non-programmable) provided through a power adapter, a direct AC input, or a DC power supply including a USB port of a computer. .
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 재료는 살아 있는 세포, 줄기세포, 젤, 나노 또는 마이크로 입자 (예, 골 이식재, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 등), 생체활성분자 (예, 골 성장인자, 연골성장인자, 혈관성장인자 등), 고분자, 가교결합제 및 이들의 혼합물을 포함하는 생체 또는 비생체 물질을 포함할 수 있다. In an exemplary embodiment, the bioink material includes living cells, stem cells, gels, nano or micro particles (e.g., bone graft material, carbon nanotubes, carbon nanofibers, etc.), bioactive molecules (e.g., bone growth factors) , cartilage growth factor, vascular growth factor, etc.), polymers, cross-linking agents, and mixtures thereof.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 축 직경이 0.4 mm 내지 10 mm 또는 2 mm 내지 6 mm이고, 외경이 0.5 mm 내지 20 mm 또는 6 mm 내지 12 mm인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the first screw and the second screw may have an axial diameter of 0.4 mm to 10 mm or 2 mm to 6 mm and an outer diameter of 0.5 mm to 20 mm or 6 mm to 12 mm.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 축 직경과 축 길이는 1 : 4 내지 40 또는 1 : 6 내지 10인 것일 수 있다. 상기 축 길이는 스크루의 기어를 포함하지 않은 길이를 의미한다.In an exemplary embodiment, the axial diameter and axial length of the first screw may be 1:4 to 40 or 1:6 to 10. The shaft length refers to the length not including the screw gear.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제2 스크루의 축 직경과 축 길이는 1 : 4 내지 40 또는 1 : 8 내지 12인 것일 수 있다. 상기 축 길이는 스크루의 기어를 포함하지 않은 길이를 의미한다.In an exemplary embodiment, the axial diameter and axial length of the second screw may be 1:4 to 40 or 1:8 to 12. The shaft length refers to the length not including the screw gear.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루는 토출부 방향의 말단부 단면 형상이 사각형인 반면, 상기 제2 스크루는 토출부 방향의 말단부 단면 형상이 원뿔형인 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 스크루의 말단부는 중심 축의 직경이 점진적으로 작아지는 형상을 갖는 것일 수 있다,In one exemplary embodiment, the first screw may have a rectangular cross-sectional shape of the distal end in the discharge direction, while the second screw may have a conical cross-sectional shape of the distal end in the discharge direction. That is, the distal end of the second screw may have a shape in which the diameter of the central axis gradually decreases.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 리드각이 0.1° 내지 60°인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the first screw and the second screw may have a lead angle of 0.1° to 60°.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 내용물을 앞으로 밀어낼 수 있도록 경사진 (0.1° - 60°) 구조를 갖는 스크루 플랜지 (Screw flange) 형상을 갖는 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the first screw and the second screw may have a screw flange shape having an inclined (0.1° - 60°) structure to push the contents forward.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 피치가 2 mm 내지 50 mm인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the first screw and the second screw may have a pitch of 2 mm to 50 mm.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 피치의 위상차가 45° 내지 135°인 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the first screw and the second screw may have a pitch phase difference of 45° to 135°.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 a 구간, b 구간, c 구간을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 b < a ≤ c이고, 상기 제2 스크루는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 d 구간, e 구간, f 구간, g 구간을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 e < d ≤ f이며, g 구간의 피치 크기는 하기 i) 및 ii) 조건을 만족하는 것일 수 있다. 이에 따라, 주입된 세포들의 손상을 최소화할 수 있다.In an exemplary embodiment, the first screw has a section, a section, and a section c sequentially in the direction from the controller to the bioink or hydrogel discharge unit, and the pitch size of each section is b < a ≤ c, and The second screw has a d section, an e section, an f section, and a g section sequentially in the direction from the controller to the bioink or hydrogel discharge section, and the pitch size of each section is e < d ≤ f, and the pitch size of the g section is It may satisfy the conditions i) and ii) below. Accordingly, damage to the injected cells can be minimized.
i) g < fi) g < f
ii) e ≤ g 또는 e > g.ii) e ≤ g or e > g.
상기 제1 스크루의 가변 피치는 스크루 기어에서부터 이송이 용이한 초기 피치 영역 (a), 높은 전단 속도에서 보다 우수하게 혼합할 수 있는 작은 피치 영역 (b), 낮은 전단 혼합을 위한 큰 피치 영역 (c)을 순차적으로 가지고, 요구 조건에 따라 각 영역의 길이는 변화될 수 있다. 상기 낮은 전단 혼합을 위한 큰 피치 영역에 세포 공급을 위한 공급부가 형성될 수 있다. 즉, 저 (low) 전단 공정이 필요한 재료는 구간 c에 있는 배럴을 통해서 제공되는 것이 바람직하다.The variable pitch of the first screw has an initial pitch region for easy transfer from the screw gear (a), a small pitch region for better mixing at high shear rates (b), and a large pitch region for low shear mixing (c). ) sequentially, and the length of each area can be changed depending on the requirements. A supply portion for supplying cells may be formed in the large pitch area for low shear mixing. That is, it is desirable that materials requiring a low shear process be provided through the barrel in section c.
상기 제2 스크루의 가변 피치는 스크루 기어에서부터 이송이 용이한 초기 피치 영역 (d), 높은 전단 속도에서 보다 우수하게 혼합할 수 있는 작은 피치 영역 (e), 낮은 전단 혼합을 위한 큰 피치 영역 (f), 균일한 압출과 전달을 위해 단일 스크루 배열에 있는 작은 피치 영역 (g)을 순차적으로 가지고, 요구 조건에 따라 각 영역의 길이는 변화될 수 있다. The variable pitch of the second screw includes an initial pitch area (d) for easy transfer from the screw gear, a small pitch area for better mixing at high shear rates (e), and a large pitch area for low shear mixing (f ), has sequentially small pitch regions (g) in a single screw arrangement for uniform extrusion and delivery, and the length of each region can be varied according to requirements.
상기 제1 스크루는 가변 피치를 갖지만 나사산의 높이는 동일하다. 상기 제2 스크루도 마찬가지로 가변 피치를 가지나 이는 동일하다.The first screw has a variable pitch but the thread height is the same. The second screw also has a variable pitch, but it is the same.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사산과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm 또는 0.05 mm 내지 0.30 mm 또는 0.10 mm 내지 0.20 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사산과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm 또는 0.05 mm 내지 0.30 mm 또는 0.10 mm 내지 0.20 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다 (도 14 참조).In an exemplary embodiment, there is a distance between the thread of the first screw and the inner wall of the first barrel of 0.005 mm to 0.30 mm or 0.05 mm to 0.30 mm or 0.10 mm to 0.20 mm, and the thread of the second screw The distance between the inner walls of the second barrel may be 0.005 mm to 0.30 mm, 0.05 mm to 0.30 mm, or 0.10 mm to 0.20 mm (see FIG. 14).
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사산과 제2 스크루의 나사산은 서로 맞물리는 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the threads of the first screw and the threads of the second screw may be engaged with each other.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 나사골과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm 또는 1 mm 내지 5 mm 또는 2 mm 내지 4 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사골과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm 또는 1 mm 내지 5 mm 또는 2 mm 내지 4 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다 (도 14 참조).In an exemplary embodiment, there is a distance between the thread of the first screw and the inner wall of the first barrel of 0.01 mm to 6 mm, or 1 mm to 5 mm, or 2 mm to 4 mm, and the thread of the second screw The distance between the inner walls of the second barrel may be 0.01 mm to 6 mm, 1 mm to 5 mm, or 2 mm to 4 mm (see FIG. 14).
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 축 중심과 제2 스크루의 축 중심 사이의 거리는 제1 스크루 또는 제2 스크루의 축 직경보다 길게 형성된 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the distance between the axial center of the first screw and the axial center of the second screw may be longer than the axial diameter of the first screw or the second screw.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 스크루의 축 중심과 제2 스크루의 축 중심 사이의 거리는 0.5 mm 내지 20 mm 또는 0.5 mm 내지 12 mm 또는 1 mm 내지 10 mm 또는 3 mm 내지 8 mm 또는 0.6 mm 내지 2.5 mm인 것 일 수 있다.In one exemplary embodiment, the distance between the axial center of the first screw and the axial center of the second screw is 0.5 mm to 20 mm or 0.5 mm to 12 mm or 1 mm to 10 mm or 3 mm to 8 mm or 0.6 mm. It may be from 2.5 mm.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 요구되는 젤 압출 압력을 유지하고 세포 등의 크기를 고려하여 피치 크기를 결정하기 위해 백플러시 (backflush)가 필요할 수 있다.In an exemplary embodiment, the pen-type structure may require a backflush to maintain the required gel extrusion pressure and determine the pitch size considering the size of cells, etc.
예시적인 일 구현예에서, 상기 배럴의 전달면에 적어도 하나 이상의 메시 타입의 브레이커 플레이트가 부착되어 재료의 균일한 전달을 제공할 수 있다.In an exemplary embodiment, at least one mesh-type breaker plate may be attached to the delivery surface of the barrel to provide uniform delivery of the material.
본원에서 제1 배럴 또는 제2 배럴의 상단부는 컨트롤러 방향, 제1 배럴 또는 제2 배럴의 하단부는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향을 의미한다.As used herein, the upper end of the first barrel or the second barrel refers to the direction of the controller, and the lower end of the first barrel or the second barrel refers to the direction of the bioink or hydrogel discharge unit.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제1 배럴의 하단부는 제1 스크루의 축과 수직 방향으로 내벽을 갖고, 상기 내벽과 제1 스크루의 말단 지점, 즉 말단면은 0.005 mm 내지 1 mm 또는 0.05 mm 내지 1 mm 또는 0.1 mm 내지 0.5 mm의 거리를 갖는 것일 수 있다 (도 14 및 15 참조).In an exemplary embodiment, the lower end of the first barrel has an inner wall in a direction perpendicular to the axis of the first screw, and the inner wall and the distal point, i.e., the distal surface, of the first screw are 0.005 mm to 1 mm or 0.05 mm to 0.05 mm. It may have a distance of 1 mm or 0.1 mm to 0.5 mm (see FIGS. 14 and 15).
예시적인 일 구현예에서, 상기 제2 스크루는 제2 배럴의 하단부와 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부가 접하는 지점까지 도달되도록 형성된 것일 수 있다. 상기 펜 타입 구조체는 종래의 공기압 또는 피스톤식 압출 시스템으로는 압출할 수 없는 고점도 젤을 정밀하고 포지티브하게 제어하여 압출할 수 있는 효과가 있다. 또한, 정밀한 제어로 바이오잉크 또는 하이드로젤의 균일하고 미세한 증착이 가능하고, 지속적이고 규칙적인 젤 및/또는 바이오잉크의 제공이 가능하다.In an exemplary embodiment, the second screw may be formed to reach a point where the lower end of the second barrel and the bioink or hydrogel discharge part contact. The pen-type structure has the effect of extruding high-viscosity gel, which cannot be extruded using a conventional pneumatic or piston-type extrusion system, with precise and positive control. In addition, precise control enables uniform and fine deposition of bioink or hydrogel, and continuous and regular provision of gel and/or bioink is possible.
예시적인 일 구현예에서, 상기 공급부는 제1 배럴에 대해 10° 내지 90°의 공급 각도로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 것일 수 있다. 이때, 상기 공급부는 제1 스크루의 피치가 작은 영역과 제1 스크루의 피치가 큰 영역에 각각 형성된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the supply unit may supply bioink or hydrogel material at a supply angle of 10° to 90° with respect to the first barrel. At this time, the supply portion may be formed in an area where the pitch of the first screw is small and an area where the pitch of the first screw is large.
예시적인 일 구현예에서, 상기 공급부는 주사기 (스크루 형태 혹은 스크루가 없는 형태)에 연결된 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the supply unit may be connected to a syringe (screw type or screwless type).
예시적인 일 구현예에서, 상기 2 이상의 공급부 중에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부에 가까운 공급부를 통해 세포를 주입하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 복수의 공급구 중에서 컨트롤러에 가까운 초기 영역은 하이드로젤 및 기타 첨가제 혼합을 위한 입구인 반면, 고 (high) 전단 영역 이후의 저 전단 영역의 후반부 입구는 세포 주입에 사용된다. 이러한 세포 주입구는 고 전단 압력과 작은 피치에 민감한 유전자, 단백질 등의 생체활성작용에 민감한 물질들의 주입에 사용되어 그 손상을 억제할 수 있다.In an exemplary embodiment, it may be desirable to inject cells through a supply part close to the bioink or hydrogel discharge part among the two or more supply parts. Among the plurality of supply ports, the initial region close to the controller is an inlet for mixing hydrogel and other additives, while the latter inlet of the low shear region after the high shear region is used for cell injection. This cell injection port can be used to inject substances sensitive to bioactivity, such as genes and proteins that are sensitive to high shear pressure and small pitch, and can suppress damage.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 주입된 세포들의 손상을 최소화하기 위해 역피치 (역회전)를 이용할 수 있다.In one exemplary embodiment, the pen-type structure may utilize reverse pitch (reverse rotation) to minimize damage to the injected cells.
예시적인 일 구현예에서, 상기 공급부 사이의 간격은 제2 배럴 길이의 1/3에 해당하는 길이를 초과하지 않는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the gap between the supply units may not exceed a length corresponding to 1/3 of the length of the second barrel.
상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 스크루 또는 푸시 형태 (screw or push type)의 바늘, 롤러 또는 브러시와 연결되도록 디자인될 수 있다.The bioink or hydrogel discharge unit may be designed to be connected to a screw or push type needle, roller, or brush.
예시적인 일 구현예에서, 대면적의 3D 프린팅 또는 바이오 프린팅을 위하여, 5 mm 내지 50 mm의 길이 그리고 2 mm 내지 20 mm 직경을 갖는 롤러 형태의 압출 헤드 또는 5 mm 내지 50 mm의 길이 그리고 2 mm 내지 20 mm 넓이의 구멍을 갖는 스크린 형태의 압출 헤드가 상기 토출부와 연결될 수 있다.In one exemplary embodiment, for large-area 3D printing or bioprinting, an extrusion head in the form of a roller with a length of 5 mm to 50 mm and a diameter of 2 mm to 20 mm or a length of 5 mm to 50 mm and a diameter of 2 mm A screen-shaped extrusion head with a hole ranging from 20 mm wide may be connected to the discharge unit.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 금속 재질, 비금속 재질 및 플라스틱 재질 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.In an exemplary embodiment, the bioink or hydrogel discharge part may be formed of any one of metal, non-metal, and plastic.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부의 토출량은 0.1 내지 300 mL인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the discharge amount of the bioink or hydrogel discharge portion may be 0.1 to 300 mL.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 온도를 조절하는 온도 컨트롤러가 구비되고, 상기 온도 컨트롤러는 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부의 온도를 -50 ℃ 내지 300 ℃로 조절할 수 있다.In an exemplary embodiment, the bioink or hydrogel discharge unit is provided with a temperature controller that controls the temperature, and the temperature controller can control the temperature of the bioink or hydrogel discharge unit from -50°C to 300°C.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부는 롤러, 브러시 또는 니들 (needle)로부터 선택되는 압출 헤드를 탈부착 가능한 것일 수 있다. 이에 따라, 기존의 제한된 면적에만 프린팅할 수 있는 3D 프린팅 시스템을 대면적의 프린팅이 가능하도록 하는 효과가 있다.In an exemplary embodiment, the bioink or hydrogel discharge unit may have a detachable extrusion head selected from a roller, brush, or needle. Accordingly, it has the effect of enabling large-area printing in a 3D printing system that can only print in a limited area.
예시적인 일 구현예에서, 바이오잉크, 세포, 생체활성입자, 또는 이들의 혼합물을 상기 펜 타입 구조체로 혼합한 다음, 혼합 용액을 주사기 또는 바이오 프린팅 주사기에 옮겨서 사용할 수 있다.In one exemplary embodiment, bioink, cells, bioactive particles, or a mixture thereof can be mixed into the pen-type structure, and then the mixed solution can be transferred to a syringe or bioprinting syringe for use.
예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부에 3D 프린팅 용도에 사용되는 주사바늘이 연결될 수 있다.In one exemplary embodiment, a needle used for 3D printing may be connected to the bioink or hydrogel discharge unit.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 프린팅 시스템에 장착되어 작동 가능한 것일 수 있다. 피스톤 또는 공기압 구동 압출 헤드를 펜 타입 구조체에 부착하기 위하여 3D 바이오 프린터에 부착된 표준 고정 헤드를 사용하여 3D 바이오 프린터에 펜 타입 구조체를 고정할 수 있다.In an exemplary embodiment, the pen-type structure may be operable by being mounted on a printing system. In order to attach a piston or pneumatically driven extrusion head to a pen type structure, a standard fixed head attached to a 3D bio printer can be used to fix the pen type structure to the 3D bio printer.
예시적인 일 구현예에서, 상기 펜 타입 구조체는 프린팅 시스템에서 탈착하여 독립적으로 작동 가능한 이동성을 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the pen-type structure can be detached from the printing system and have the mobility to operate independently.
상기와 같은 본 발명에 따른 펜 타입 구조체는 기존의 3D 바이오 프린팅 시스템과는 달리, 세포 손상을 최소화하고, 압출 출력을 보다 균일하고 정밀하게 제어 가능하며, 바이오잉크가 균일하게 혼합되도록 하고, 압출기 말단에서 스크루가 1개로 단순화되어 구동 모터의 부하를 줄이고, 토출부의 노즐 직경을 조절하여 정밀도를 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.Unlike existing 3D bio-printing systems, the pen-type structure according to the present invention as described above minimizes cell damage, enables more uniform and precise control of the extrusion output, ensures that the bio-ink is evenly mixed, and is used at the end of the extruder. The screw is simplified to one, which reduces the load on the drive motor and improves precision by adjusting the nozzle diameter of the discharge part.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체를 이용하여 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method of printing bioink or hydrogel using a pen-type structure for mixing and discharging the bioink or hydrogel.
일 실시예에서, 본 발명은 살아 있는 세포, 젤, 나노/마이크로 입자, 생체활성물질, 고분자, 가교결합제 혹은 이들의 혼합물을 포함하는 다성분의 재료를 자동, 반자동 또는 배치 혼합한 이후에 수동 혹은 자동으로 근골격계, 치과, 안과, 순환기 등의 분야에서 다양한 조직재생을 위하여 생물체 혹은 무생물체의 부드럽고 평편하거나, 울퉁불퉁하고, 높이에 따른 넓이가 다른 구조 등 비규칙적인 부분에 적용하는 방법, 공정을 제공한다.In one embodiment, the present invention provides automatic, semi-automatic or batch mixing of multi-component materials including living cells, gels, nano/micro particles, bioactive materials, polymers, cross-linkers, or mixtures thereof, followed by manual or batch mixing. Provides methods and processes that can be applied to irregular parts of living or inanimate objects, such as smooth, flat, uneven, or structures with different areas depending on height, for automatic regeneration of various tissues in the fields of musculoskeletal system, dentistry, ophthalmology, circulatory system, etc. do.
일 실시예에서, 본 발명은 표적 부위에 봉입된 생체활성물질 또는 약물을 서방성 전달할 수 있는 고분자 또는 젤 매트릭스에 생체활성물질 또는 약물을 봉입하기 위하여, 고분자, 젤, 나노/마이크로 입자, 약물, 생체활성물질 혹은 이들의 혼합물을 포함하는 다성분의 재료를 자동, 반자동 또는 배치 혼합하는 방법을 제공한다.In one embodiment, the present invention uses polymers, gels, nano/micro particles, drugs, Provides a method for automatic, semi-automatic or batch mixing of multi-component materials containing bioactive substances or mixtures thereof.
일 실시예에서, 본 발명은 생체활성물질 또는 약물이 봉입 또는 봉입되지 않은 고분자 나노 또는 마이크로 입자를 제조하기 위하여, 고분자, 젤, 나노/마이크로 입자, 약물, 생체활성물질 혹은 이들의 혼합물을 포함하는 다성분의 재료를 자동, 반자동 또는 배치 혼합하는 방법을 제공한다.In one embodiment, the present invention includes polymers, gels, nano/micro particles, drugs, bioactive substances, or mixtures thereof to produce polymer nano or micro particles encapsulated or unencapsulated with bioactive substances or drugs. Provides methods for automatic, semi-automatic, or batch mixing of multi-component materials.
일 실시예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법은 스크루, 배럴 및 기타 구성요소를 고온-고압 멸균, 에탄올 및/또는 자외선으로 살균하는 단계; 상기 스크루, 배럴 및 기타 구성요소를 조립한 후 고분자 용액, 젤, 약물, 나노입자 등을 상단 공급부에 주입하는 단계; 주입되는 동안 스크루가 낮은 rpm으로 회전하는 단계; 주입 후 공급부를 닫는 단계; 세포를 하단 공급부를 사용하여 주입하는 단계; 압출을 시작하기 전에 상단 공급부 및 하단 공급부를 모두 닫는 단계; 스크루 rpm과 압출 시간을 원하는 수준으로 설정하여 바이오잉크 또는 하이드로젤이 압출되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the method of printing the bioink or hydrogel includes sterilizing the screw, barrel, and other components with high temperature-high pressure, ethanol, and/or ultraviolet light; After assembling the screw, barrel, and other components, injecting a polymer solution, gel, drug, nanoparticle, etc. into the upper supply portion; rotating the screw at low rpm during injection; Closing the supply unit after injection; Injecting cells using the bottom feeder; Closing both the upper and lower feed sections before starting extrusion; It may include setting the screw rpm and extrusion time to a desired level so that the bioink or hydrogel is extruded.
일 실시예에서, 상단 공급부 및 하단 공급부를 모두 닫은 다음 필요한 경우 UV 광조사하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step may include closing both the upper and lower supply parts and then irradiating UV light if necessary.
일 실시예에서, 상기 바이오잉크 또는 하이드로젤이 압출되도록 하는 단계는 롤러, 브러시 등을 연결하여 대면적 프린팅 또는 적층하여 프린팅하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of extruding the bioink or hydrogel may include connecting rollers, brushes, etc. for large-area printing or laminating printing.
일 실시예에서, 상기 바이오잉크, 세포 또는 생체활성입자 등을 혼합한 후 이를 주사기 또는 바이오 프린팅 노즐 등에 옮겨서 사용하는 방법을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method may further include mixing the bio-ink, cells, or bioactive particles and then transferring them to a syringe or bio-printing nozzle for use.
일 실시예에서, 본 발명의 펜 타입 구조체를 이용하여 형성된 젤 (prefabricated gel), 예를 들어, 저분자량 (LMW, 3-10 kDa) 및 고분자량 (HMW, 150-200 kD) 모델 약물로서 후코이단 (fucoidan)과 같은 약물, 관절 내 주사제 (예, 코르티코스테로이드, 히알론산 등), 골관절염 치료제, 척추질환 치료제, 혈관 질환치료제, 조직재생 촉진제 (예, Bone morphogenic proteins), 저분자 약물, 올리고펩타이드, 단백질, 핵산, 바이오신약, 바이오시밀러 약물, 성장인자 등이 로딩될 수 있다. 상기 펜 타입 구조체가 작동하여 가변피치를 이용한 젤 네트워크의 확장과 회복을 통해 상기 약물이 목적지에 도달하기 전까지 파괴되지 않도록 하면서 형성된 젤에 약물을 봉입시켜 (encapsulated) 약물이 봉입된 하이드로젤을 제조할 수 있다. In one embodiment, prefabricated gels formed using the pen-type construct of the present invention, e.g., low molecular weight (LMW, 3-10 kDa) and high molecular weight (HMW, 150-200 kD), contain fucoidan as a model drug. Drugs such as (fucoidan), intra-articular injections (e.g. corticosteroids, hyaluronic acid, etc.), osteoarthritis treatments, spine disease treatments, vascular disease treatments, tissue regeneration promoters (e.g. bone morphogenic proteins), small molecule drugs, oligopeptides, proteins , nucleic acids, new bio drugs, biosimilar drugs, growth factors, etc. can be loaded. The pen-type structure operates to encapsulate the drug in the formed gel while preventing the drug from being destroyed until it reaches its destination through expansion and recovery of the gel network using variable pitch, thereby producing a drug-encapsulated hydrogel. You can.
또 다른 예로서, 펜 타입 구조체의 토출부를 막은 다음에, 펜 타입 구조체의 작동을 수회 반복하여 약물이 봉입된 젤 네트워크를 절단함으로써 젤을 소형화하여 나노입자 (NPs) 젤을 제조할 수 있다. 이때 사용된 제 2 스크루의 4개의 가변 피치는 나노입자 젤을 제조하는데 있어서 보다 더 효율적이다. 즉, 높은 스크루 rpm, 증가된 체류 시간 및 가변 피치 영역 수의 증가로 인하여 보다 더 성공적으로 나노입자를 형성할 수 있다.As another example, after blocking the discharge part of the pen-type structure, the operation of the pen-type structure is repeated several times to cut the gel network encapsulating the drug, thereby miniaturizing the gel to produce a nanoparticle (NPs) gel. The four variable pitches of the second screw used at this time are more efficient in producing nanoparticle gel. That is, nanoparticles can be formed more successfully due to higher screw rpm, increased residence time, and increased number of variable pitch regions.
상기와 같이, 본 발명에 따른 펜 타입 구조체는 높은 비율의 약물 봉입률을 제공한다. 예를 들어, 테트라사이클린, 코르티코 스테로이드 (트리암시놀론 등)과 같은 저분자량의 약물 이외에도 단백질, 후코이단, 히알론산, 핵산과 같은 고분자량의 약물을 가교결합된 하이드로젤 내부로 로딩하는데 있어서, 약물의 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 봉입 효율성을 높이고, 바이오잉크 또는 하이드로젤 구성요소를 균일하게 혼합하고, 서방성 방출을 하여 젤 및/또는 나노입자 젤을 통한 약물 전달에 적용될 수 있다.As described above, the pen-type structure according to the present invention provides a high rate of drug encapsulation. For example, when loading high molecular weight drugs such as proteins, fucoidan, hyaluronic acid, and nucleic acids into the cross-linked hydrogel, in addition to low molecular weight drugs such as tetracycline and corticosteroids (triamcinolone, etc.), drug loss may occur. It can be minimized. Additionally, it can be applied to drug delivery through gels and/or nanoparticle gels by increasing encapsulation efficiency, uniform mixing of bioink or hydrogel components, and sustained release.
도 18은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 재료의 혼합 직후 및 3일 동안 in vitro 세포 배양 후의 바이오잉크를 형광현미경으로 관찰한 결과이다. 대조군 (스패튤라를 이용하여 세포와 젤을 혼합한 바이오잉크) 및 실험군 (본 발명의 펜 타입 구조체를 이용하여 15 rpm으로 세포와 젤을 혼합한 바이오잉크)을 비교한 것으로, 실험군에서 세포의 균일한 분산을 확인할 수 있었다.Figure 18 shows the results of observing bioink using a fluorescence microscope immediately after mixing bioink materials using a pen-type structure and after culturing in vitro cells for 3 days, according to an embodiment. The control group (bioink mixed with cells and gel using a spatula) and the experimental group (bioink mixed with cells and gel at 15 rpm using the pen-type structure of the present invention) were compared. The uniformity of cells in the experimental group was compared. One variance could be confirmed.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 펜 타입 구조체는 나노입자 예를 들어, 살아 있는 세포를 포함하는 바이오잉크 성분의 혼합 및 후속 압출을 위해 다양한 농도의 나노클레이 입자(예, 카올린, 바이오글라스, 삼인산칼슘 등)를 첨가할 수 있다. 이러한 펜 타입 구조체를 이용한 바이오잉크 또는 하이드로젤의 서로 다른 성분의 전단 혼합은 나노클레이 입자와 살아 있는 세포의 균질한 분포와 압출에 효과적이다. 그 결과 순환 (cylcic) 압축 하중 능력이 약 4배 이상 증가하고, 3일 만에 세포 증식 능력이 거의 4배 향상되었다.In one embodiment, the pen-type structure according to the present invention contains nanoclay particles (e.g., kaolin, bioglass, triphosphate) of various concentrations for mixing and subsequent extrusion of bioink components containing nanoparticles, e.g., living cells. Calcium, etc.) can be added. Shear mixing of different components of bioink or hydrogel using this pen-type structure is effective for homogeneous distribution and extrusion of nanoclay particles and living cells. As a result, the cyclic compressive load capacity increased by more than 4 times, and the cell proliferation ability improved almost 4 times in 3 days.
도 19는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 혼합 (A)과 피펫을 이용한 혼합 (B) 후에 알지네이트-키토산-카올린 복합젤을 롤러로 직접 프린팅한 결과물에 대한 전자현미경 관찰 결과와 EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 관찰 결과물을 비교한 것이다. (A)는 알지네이트-키토산-4% 카올린 나노클레이 하이드로젤을 펜 타입 구조체로 혼합한 후 프린팅한 것으로 카올린의 균일한 분산을 보여주며, (B)는 알지네이트-키토산-4% 카올린 나노클레이 하이드로젤을 피펫으로 혼합한 후 프린팅한 것으로 카올린의 균일하지 않은 분포와 응집 현상을 보여준다. 펜 타입 구조체를 이용한 혼합 결과에서 보다 균일하고 작은 기공의 생성을 확인하였다.Figure 19 shows the electron microscope observation results and EDS (Energy -dispersive X-ray spectroscopy) observation results are compared. (A) is printed after mixing alginate-chitosan-4% kaolin nanoclay hydrogel into a pen-type structure, showing uniform dispersion of kaolin, and (B) is alginate-chitosan-4% kaolin nanoclay hydrogel. This was printed after mixing with a pipette, showing the non-uniform distribution and aggregation of kaolin. The mixing results using the pen-type structure confirmed the creation of more uniform and smaller pores.
도 20은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 고분자량의 모델 약물 후코이단의 하이드로젤 내부로의 로딩 메커니즘과 마이크로 또는 나노 젤 입자의 제조방법을 보여주는 모식도이다. 좌측 모식도는 2개의 스크루가 고 전단 혼합 (high shear mixing)을 유도하고 후코이단을 젤 구조 내부로 밀어 넣는 (loading) 것을 보여주며, 우측 모식도는 후코이단이 봉입된 젤 나노입자를 생성하기 위한 재순환을 보여준다.Figure 20 is a schematic diagram showing the loading mechanism of the high molecular weight model drug fucoidan into the hydrogel and the manufacturing method of micro or nano gel particles using a pen-type structure according to an embodiment. The schematic diagram on the left shows two screws inducing high shear mixing and loading fucoidan into the gel structure, and the schematic diagram on the right shows recycling to produce gel nanoparticles encapsulated with fucoidan. .
도 21은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 모델 약물 후코이단 (저분자량, 고분자량)의 스크루 회전 속도에 따른 하이드로젤 내부로의 로딩 효율 (a), 로딩된 후코이단의 방출 거동 (b), 하이드로젤 구성성분 (히아루론산-하이드록시에틸아크릴레이트-폴리에틸렌글라이콜 다이아크릴레이트, 후코이단)에 대한 FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 결과 (c, d)를 나타낸 것이다. 특정 rpm (예, 높은 rpm 보다는 20 rpm에서 보다 더 효율적)에서 약물의 봉입이 효율적인 것을 관찰할 수 있어서 약물봉입 효율을 조절할 수 있음을 보여주었다.Figure 21 shows the loading efficiency of the model drug fucoidan (low molecular weight, high molecular weight) using a pen-type structure according to an embodiment into the hydrogel according to the screw rotation speed (a), the release behavior of the loaded fucoidan (b), FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) results (c, d) for the hydrogel components (hyaluronic acid-hydroxyethyl acrylate-polyethylene glycol diacrylate, fucoidan) are shown. It was observed that drug encapsulation was efficient at a specific rpm (e.g., more efficient at 20 rpm than at high rpm), showing that drug encapsulation efficiency could be controlled.
도 21(a)는 rpm을 10-50으로 했을 때, 제조된 하이드로젤 내부에 후코이단 로딩 효율이 89-97% 이고, 저분자량 후코이단이 고분자량 후코이단보다 효율성이 높다는 것을 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실험은 세포손상 보다는 생체활성물질 (약물, 후코이단)의 나노입자화와 약물함유효율로 실험이 진행되었다. 또한, 실험에서는 하이드로젤의 나노입자화를 유도할 때, 토출부를 막고 반복적으로 스크루를 작동하였는데 (backflush), 이러한 백플러시 (backflush)에 의해 젤들이 다시 올라가고 내려오면서 입자화를 유도하면서 그 크기가 약 20 나노미터 범위로 제조되는 것을 확인하였다. 백플러시의 경우, 본 발명의 펜 타입 구조체를 이용한 세포와 후코이단 로딩과 3D 바이오프린팅에서 세포와 약물 봉입 효능에서 좋은 결과를 보여주고 있고, 토출구를 막은 상태에서 하이드로젤이나 바이오잉크 프린팅에서 백플러시를 하게 되면 성형된 젤을 나노젤로 제조할 수 있는 유용한 기술임을 보여주고 있다. 그러나, 약물 및/또는 세포 로딩을 하면서 연속적인 프린팅을 하고자 하는 정상적인 경우 (세포 및/또는 생체활성물질이 포함되는 바이오잉크 혹은 젤 내부로의 약물 봉입과 프린팅을 연속적으로 진행하고자 하는 경우)에는, 토출구를 막은 상태에서 세포와 젤 네트워크 손상을 방지하기 위해서 백플러시 기능을 사용하지 않도록 해야한다. 즉, 세포가 포함된 젤 (바이오잉크)이 프린팅되도록 스크루가 지속적으로 작동하여야 한다. 본 발명의 스크루는 트윈 스크루의 복합 형태이고, 제2 스크루를 4 전단 영역 (shear zone)으로 구성하여 백플러시 효율이 3 전단 영역보다 더 효율적일 수 있다. 4개 전단 영역 시스템에서는 3번의 백플러시가 발생하면서 나노입자를 제조하는 효과가 있다.Figure 21(a) shows that when the rpm is set to 10-50, the loading efficiency of fucoidan inside the produced hydrogel is 89-97%, and low molecular weight fucoidan is more efficient than high molecular weight fucoidan. The experiment according to one embodiment of the present invention was conducted with nano-particle formation of bioactive substances (drug, fucoidan) and drug-containing efficiency rather than cell damage. Additionally, in the experiment, when inducing nano-particle formation of hydrogel, the discharge port was blocked and the screw was operated repeatedly (backflush). This backflush caused the gels to rise and fall again, inducing particle formation and increasing their size. It was confirmed that it was manufactured in the range of about 20 nanometers. In the case of backflushing, good results are shown in terms of cell and drug encapsulation efficiency in cell and fucoidan loading and 3D bioprinting using the pen-type structure of the present invention, and backflushing can be performed in hydrogel or bioink printing with the discharge port blocked. This shows that it is a useful technology that can manufacture molded gels into nanogels. However, in normal cases where continuous printing is desired while loading drugs and/or cells (when drug encapsulation and printing are to be carried out continuously inside a bioink or gel containing cells and/or bioactive substances), To prevent damage to the cells and gel network when the outlet is blocked, the backflush function should not be used. In other words, the screw must operate continuously so that the gel (bioink) containing cells is printed. The screw of the present invention is a composite form of a twin screw, and the second screw is configured with 4 shear zones, so backflushing efficiency can be more efficient than with 3 shear zones. The four shear zone system has the effect of producing nanoparticles while backflushing occurs three times.
도 22는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 반복적으로 회전시켜 가교결합된 하이드로젤을 마이크로 및/또는 나노 입자로 전환시킨 전자현미경 사진 (a, a1, b, b1, c, c1), 입자 분포 (a2, b2, c2), 파우터 형태의 건조 모습 (d) 및 젤 내부에 로딩된 저분자량과 고분자량 후코이단 방출 거동 (e, f)을 보여준다.Figure 22 is an electron micrograph (a, a1, b, b1, c, c1), particle distribution, in which the cross-linked hydrogel was converted into micro and/or nanoparticles by repeatedly rotating the pen-type structure according to an embodiment. (a2, b2, c2), the dried appearance of the powder (d), and the release behavior of low-molecular-weight and high-molecular-weight fucoidan loaded inside the gel (e, f).
도 23은 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용한 다양한 프린팅 모습 (a-c)과 교차 지점에서의 젤 프린팅 모습 (d-f)과 전자현미경 사진 (g-l) 및 EDS 맵핑 (mapping) 모습을 보여준다.Figure 23 shows various printing images (a-c) using a pen-type structure according to an embodiment, gel printing images at the intersection (d-f), electron micrographs (g-l), and EDS mapping.
도 24는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체를 이용하여 골-연골 복합조직 결손모델 (a-d)에 세포가 포함된 젤을 3-5층으로 적층하여 프린팅한 이후에 관찰된 재생조직 층의 세포생존성 및 조직재생 모습 (e1-i1)을 보여준다.Figure 24 shows cell survival in the regenerated tissue layer observed after printing 3-5 layers of gel containing cells in a bone-cartilage composite tissue defect model (a-d) using a pen-type structure according to an embodiment. It shows growth and tissue regeneration (e1-i1).
도 25는 일 실시예에 따른 펜 타입 구조체의 사용 예시로서. (A) 골-연골 복합조직 결손모델의 복잡한 형상 내부에 직접 프린팅, (B) 3D 프린터에 장착하여 금속 바늘을 이용한 프린팅, (C) 플라스틱 바늘을 이용한 선 프린팅 및 (D) 롤러를 이용한 대면적 적층 프린팅하는 공정을 보여준다.Figure 25 is an example of the use of a pen type structure according to an embodiment. (A) Direct printing inside the complex shape of a bone-cartilage composite tissue defect model, (B) Printing using a metal needle mounted on a 3D printer, (C) Line printing using a plastic needle, and (D) Large area printing using a roller. Shows the additive printing process.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 펜 타입 구조체는 예를 들어, 디스플레이, 모터, 컨트롤러, 타이머 등의 구성 요소를 구비하는 하우징(케이스)에 장착되어 일체화된 형태로 제공될 수 있다. Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, the pen-type structure may be provided in an integrated form by being mounted on a housing (case) including components such as a display, motor, controller, and timer. .
이때, 상기 하우징의 크기와 상기 펜 타입 구조체의 크기를 줄임으로써, 소량의 프린팅을 안정적으로 수행하는 데 적합하면서도, 제조 단가 및 사용 비용의 절감의 효과를 발휘할 수 있도록 한다. At this time, by reducing the size of the housing and the size of the pen-type structure, it is suitable for stably performing small-quantity printing, while also reducing manufacturing costs and usage costs.
도 26을 참조하면, 일례로, 상기 하우징 내에 배터리 및 배터리 저장 공간을 제거하여 어댑터 연결만으로 작동이 가능하도록 한 일체화된 펜 타입 구조체(미니 바이오펜)를 제작할 수 있다. 상기 일체화된 펜 타입 구조체(미니 바이오펜)는 전술된 펜 타입 구조체에 포함되는, 예를 들어, 제1 스크류, 제2 스크류 등의 구성요소를 포함할 수 있다. Referring to Figure 26, for example, by removing the battery and battery storage space within the housing, an integrated pen-type structure (mini bio-pen) can be manufactured that can be operated only by connecting an adapter. The integrated pen-type structure (mini bio-pen) may include components included in the above-described pen-type structure, such as a first screw and a second screw.
상기 일체화된 펜 타입 구조체는 예컨대, 신약 테스트 등과 같이 1회당 사용량이 많은 경우에 소량의 프린팅이 가능하도록 함으로써, 비용 절감에 대한 현저한 효과를 발휘할 수 있다. The integrated pen-type structure can have a significant effect on cost reduction by enabling small-quantity printing in cases where the amount of usage per time is high, for example, when testing a new drug.
일례로서, 상기 일체화된 펜 타입 구조체는 전체길이가 50 내지 70mm, 일례로, 60mm로 제작될 수 있다. As an example, the integrated pen-type structure may be manufactured to have a total length of 50 to 70 mm, for example, 60 mm.
도 27을 참조하면, 배터리 저장 공간을 제거하여 어댑터 연결로만 작동이 가능하도록 함으로써, 1 대당 제작 원가 절감 효과를 발휘할 수 있다. 기존과 같이 엉성하게 닫히던 미닫이 커버 대신, 위 방향에서 끼웠다가 제거할 수 있는 스위치 일체형 커버로 변경해 더 안정적이면서도 사용이 간편한 하우징 형태가 되도록 할 수 있다. Referring to Figure 27, by removing the battery storage space and allowing operation only by connecting an adapter, the production cost per unit can be reduced. Instead of the sliding cover that closed loosely as before, it can be changed to a switch-integrated cover that can be inserted and removed from the top, creating a housing that is more stable and easier to use.
또한, 배럴-헤드를 외부 볼트 나사산으로 체결되도록 함으로써, 배럴에 돌려 끼우던 기존 헤드의 사용 시 흔들리는 문제를 보완할 수 있다. 기존의 배럴-헤드 연결부에 존재하는 덮개부는 제거하고, 배럴-시린지 주입구는 1개로 축소하여 배럴 디자인 자체를 단순화시킬 수 있다. In addition, by allowing the barrel-head to be fastened with external bolt threads, the problem of shaking when using the existing head that was screwed onto the barrel can be corrected. The barrel design itself can be simplified by removing the cover part of the existing barrel-head connection and reducing the barrel-syringe inlet to one.
도 28 내지 도 30을 참조하면, 하우징 내에서 모터, 컨트롤러, 타이머가 분리되지 않고 저장되도록 케이스를 일체화시킨 구조로 형성될 수 있다. 또한 배터리는 분리시키고, 어댑터 단자에 연결되는 전선을 추가하는 등의 배선을 수정함으로써, 하우징 전체의 크기를 대폭 축소시킬 수 있다. Referring to FIGS. 28 to 30, the case may be formed into an integrated structure so that the motor, controller, and timer are stored within the housing without being separated. Additionally, by removing the battery and modifying the wiring, such as adding wires connected to the adapter terminal, the overall size of the housing can be significantly reduced.
도 31 내지 도 33을 참조하면, 배럴 및 스크루의 길이 또한 25% 이상 축소시킬 수 있다. 예컨대, 제1 스크루의 크기는 55 내지 60mm으로, 일례로, 57.4mm, 제2 스크루의 크기는 67 내지 72mm, 일례로, 69.75mm의 크기로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Referring to Figures 31 to 33, the length of the barrel and screw can also be reduced by more than 25%. For example, the first screw may be manufactured in a size of 55 to 60 mm, for example, 57.4 mm, and the second screw may be manufactured in a size of 67 to 72 mm, for example, 69.75 mm, but are not limited thereto.
본 발명의 펜 타입 구조체에서 상기 젤은 가교 결합제를 포함하여 마이크로 젤을 형성할 수 있다. 상기 마이크로 젤이란, 직경이 수 나노(nm)~수십 마이크로(㎛) 또는 그 이상으로 다양한 크기를 갖는 젤을 의미할 수 있다. 이러한 마이크로 젤은 다양한 크기로 세밀하게 적하되어야 하는 작업, 예컨대, 다양한 부위로의 필러 시술 등과 같은 분야에 적용이 가능할 수 있다. In the pen-type structure of the present invention, the gel can form a microgel by including a cross-linking agent. The microgel may refer to a gel having a variety of sizes ranging from several nanometers (nm) to tens of micrometers (μm) or more in diameter. These microgels can be applied in fields that require detailed droplets in various sizes, such as filler treatments in various areas.
상기 가교 결합제는 일례로, 1,4-부테인다이올 다이글라이시딜 에터(1,4-butandiol diglycidyl ether, BDDE)을 포함할 수 있다. The cross-linking agent may include, for example, 1,4-butandiol diglycidyl ether (BDDE).
상기 가교 결합제는 농도를 조절하여 형성되는 마이크로 젤의 점도(viscosity), 경도(hardness), 접착성(adhesiveness), 탄력성(springiness) 등의 물성을 조절할 수 있다. The cross-linking agent can control physical properties such as viscosity, hardness, adhesiveness, and springiness of the formed microgel by adjusting its concentration.
상기 일체화된 형태의 펜 타입 구조체는, 스크루 회전 속도와 구동 시간, 정지 시간 등의 요소를 컨트롤러로 조절함으로써, 일정량의 젤을 보다 정교하게 세밀하게 적하시킬 수 있도록 한다. The integrated pen-type structure allows a certain amount of gel to be dropped more precisely by controlling factors such as screw rotation speed, drive time, and stop time with a controller.
이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration of the present invention and its effects will be described in more detail through specific examples and comparative examples. However, these examples are for illustrating the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
[제조예 1 : 가교결합제(BDDE)를 포함한 하이드로젤 제조][Preparation Example 1: Preparation of hydrogel containing cross-linking agent (BDDE)]
1%(w/v)의 BDDE 용액 100㎕와 0.25M NaOH 용액(pH 13) 9.8m을 혼합한 혼합물을 준비하였다. 그런 다음, 1g의 히알루론산을 혼합물에 투입하여 40℃에서 2시간 동안 교반하여 하이드로젤을 제조하였다. 제조된 하이드로젤을 상온(18~25℃)에서 냉각시켰다.A mixture of 100 μl of 1% (w/v) BDDE solution and 9.8 m of 0.25 M NaOH solution (pH 13) was prepared. Then, 1 g of hyaluronic acid was added to the mixture and stirred at 40°C for 2 hours to prepare a hydrogel. The prepared hydrogel was cooled to room temperature (18-25°C).
[제조예 2 : 가교결합제(BDDE)를 포함한 하이드로젤 제조][Preparation Example 2: Preparation of hydrogel containing cross-linking agent (BDDE)]
후술되는 내용을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 하이드로젤을 제조하였다. Except for the details described below, the hydrogel was prepared in the same manner as Preparation Example 1.
BDDE 용액의 농도를 2%(w/v)으로 하였다. The concentration of the BDDE solution was set to 2% (w/v).
[제조예 3 : 가교결합제(BDDE)를 포함한 하이드로젤 제조][Preparation Example 3: Preparation of hydrogel containing cross-linking agent (BDDE)]
후술되는 내용을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 하이드로젤을 제조하였다. Except for the details described below, the hydrogel was prepared in the same manner as Preparation Example 1.
BDDE 용액의 농도를 3%(w/v)으로 하였다. The concentration of the BDDE solution was set to 3% (w/v).
도 34을 참조하면, 제조예 1 내지 제조예 3에 의해 제조된 하이드로젤을 나타낸 것을 확인할 수 있다. Referring to Figure 34, it can be seen that the hydrogels prepared according to Preparation Examples 1 to 3 are shown.
<실험예 1 : 하이드로젤의 물성 평가><Experimental Example 1: Evaluation of physical properties of hydrogel>
제조예 1 내지 제조예 3의 각 하이드로젤에 대하여, 점도(viscosity), 경도(hardness), 접착성(adhesiveness), 탄력성(springiness) 및 안정성(stability)을 공지된 기술에 따라 측정하였다. 그 결과를 도 35 및 도 36에 각각 나타내었다. For each hydrogel of Preparation Examples 1 to 3, viscosity, hardness, adhesiveness, springiness and stability were measured according to known techniques. The results are shown in Figures 35 and 36, respectively.
도 35를 참조하면, 제조예 1의 점도가 가장 높게 측정된 것을 알 수 있다. 제조예 2 및 제조예 3와 같이, BDDE 농도가 증가하면 하이드로젤의 점도가 감소한 것을 확인할 수 있었다.Referring to Figure 35, it can be seen that the viscosity of Preparation Example 1 was measured to be the highest. As in Preparation Example 2 and Preparation Example 3, it was confirmed that the viscosity of the hydrogel decreased as the BDDE concentration increased.
도 36을 참조하면, 제조예 3에서 경도와 접착성이 가장 높게 측정된 것으로 보아 BDDE 비율이 증가함에 따라 경도와 접착성은 높아지는 것을 알 수 있었고, 탄력성의 경우 BDDE 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Referring to Figure 36, the hardness and adhesiveness were measured to be the highest in Preparation Example 3, showing that hardness and adhesiveness increased as the BDDE ratio increased, and elasticity tended to decrease as BDDE increased. I was able to confirm.
한편, 제조예 1 내지 제조예 3의 각 하이드로젤을 제조한 직후에는 37℃ 및 PBS pH 7.4에서 안정성을 나타내지 않았으나, 24시간 후에는 가교결합된 안정한 젤이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 제조예 1 내지 제조예 3의 모든 하이드로젤은 14일 동안 까지도 높은 안정성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Meanwhile, immediately after each hydrogel of Preparation Examples 1 to 3 was manufactured, it did not show stability at 37°C and PBS pH 7.4, but after 24 hours, it was confirmed that a cross-linked stable gel was formed. It was confirmed that all hydrogels of Preparation Examples 1 to 3 showed high stability even for 14 days.
[실시예 1 내지 실시예 3: 펜 타입 구조체를 이용한 마이크로젤 형성][Examples 1 to 3: Formation of microgel using pen-type structure]
전술된 제조예 1 내지 제조예 3에 따라 각각 제조된 하이드로젤을 주사기를 사용하여 전술된 설명에 따르는 본 발명의 펜 타입 구조체(이하 바이오펜으로 칭함.)의 내부에 넣은 다음, 각각의 마이크로 젤을 형성하였다. The hydrogels prepared according to the above-described Preparation Examples 1 to 3 were placed into the pen-type structure of the present invention (hereinafter referred to as bio-pen) according to the above-mentioned description using a syringe, and then each microgel was added. was formed.
이때, 제조예 1 및 제조예 2의 하이드로젤을 사용하여 실시예 1 및 실시예 2의 마이크로젤을 제조할 때에는 가교 시간을 48시간으로 하였고, 제조예 3의 하이드로젤을 사용하여 실시예 3의 마이크로젤을 제조할 때에는 가교 시간을 24시간으로 하였다. At this time, when preparing the microgels of Examples 1 and 2 using the hydrogels of Preparation Example 1 and Preparation Example 2, the crosslinking time was set to 48 hours, and the hydrogel of Preparation Example 3 was used to prepare the microgels of Example 3. When preparing microgels, the crosslinking time was set to 24 hours.
도 37을 참조하면, 제조예 3의 하이드로젤을 사용하여 각각의 다른 스크류 회전 속도와 및 수행 시간으로 형성된 실시예 3의 마이크로젤을 나타낸 이미지를 확인할 수 있다.Referring to Figure 37, an image showing the microgel of Example 3 formed using the hydrogel of Preparation Example 3 at different screw rotation speeds and execution times can be seen.
도 38을 참조하면, 마이크로젤 형성 후, 분자체(molecular sieves)를 사용하여 입자를 분리하고 광학현미경을 사용하여 입자를 분석하였다. 이후, 마이크로젤(Microgel) 크기를 계산하기 위해 ImageJ 소프트웨어를 사용하여 현미경 이미지를 추가로 분석하였다. Referring to Figure 38, after microgel formation, particles were separated using molecular sieves and analyzed using an optical microscope. Afterwards, the microscope images were further analyzed using ImageJ software to calculate the microgel size.
분석 결과, 3% BDDE 가교 결합제를 사용한 제조예 3의 하이드로젤은 마이크로젤 형성을 위한 최상의 물성 조건을 갖는 것으로 해석되었다. As a result of the analysis, the hydrogel of Preparation Example 3 using 3% BDDE cross-linker was interpreted to have the best physical properties for microgel formation.
<실험예 2 : 마이크로젤의 물성 평가><Experimental Example 2: Evaluation of physical properties of microgel>
마이크로젤 입자 크기 분석Microgel particle size analysis
전술된 제조예 3에 따른 하이드로젤 3g을 바이오펜으로 처리하여 마이크로젤을 형성한 실시예 3에 대하여, 젤 입자를 체를 사용하여 분리하여 크기당 수율을 계산하였다. 이때, 바이오펜 처리 시에 스크류 회전속도는 각각 80, 90, 100rpm으로 달리하였고, 수행시간은 5분으로 하였다. 또한, 젤 입자는 사프라닌 O(safranin O) 염료로 염색하고 현미경으로 분석하였다. 분석 결과를 도 39, 도 40 및 표 1에 나타내었다. For Example 3, in which 3 g of the hydrogel according to Preparation Example 3 described above was treated with biopen to form a microgel, the gel particles were separated using a sieve and the yield per size was calculated. At this time, during biopen treatment, the screw rotation speed was changed to 80, 90, and 100 rpm, respectively, and the execution time was 5 minutes. Additionally, the gel particles were stained with safranin O dye and analyzed under a microscope. The analysis results are shown in Figures 39, 40, and Table 1.
[표 1][Table 1]
도 39 및 도 40을 함께 참조하면, 바이오펜 처리 시에 스크류 회전속도가 증가할수록 형성되는 마이크로젤의 직경은 감소하는 것을 확인할 수 있었다.Referring to Figures 39 and 40 together, it was confirmed that the diameter of the microgel formed decreased as the screw rotation speed increased during biopen treatment.
마이크로젤 입자 크기에 따른 기계적 특성 측정Measurement of mechanical properties according to microgel particle size
앞서 서술된 바와 같이, 스크류 회전속도는 각각 80, 90, 100rpm 으로 달리하여 제조된 마이크로젤 입자의 기계적 특성인 강도(힘)(force), 경도(hardness), 응집력(cohesion)을 Stable Micro System(TA.XT plus texture analyzer, Surrey, UK)으로 분석하였다. 마이크로젤 입자를 원통형(10mm x 10mm)으로 성형하고 냉장고에 24시간 동안 보관하였다. 반복압축시험은 최대거리 2.5mm(시험속도: 2mm·sec-1)인 거리모드에서 25%를 부여하였다. 그 결과를 도 41에 나타내었다. As described above, the mechanical properties of the microgel particles, such as strength, hardness, and cohesion, were measured at different screw rotation speeds of 80, 90, and 100 rpm, respectively, using the Stable Micro System ( It was analyzed using TA.XT plus texture analyzer, Surrey, UK). The microgel particles were molded into a cylindrical shape (10 mm x 10 mm) and stored in the refrigerator for 24 hours. The repeated compression test was given 25% in distance mode with a maximum distance of 2.5mm (test speed: 2mm·sec-1). The results are shown in Figure 41.
도 41을 참조하면, 바이오펜 스크류 회전속도(rpm)가 증가함에 따라(마이크로젤 입자 크기가 감소함에 따라) 전반적인 기계적 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. Referring to Figure 41, it was confirmed that the overall mechanical properties improved as the biopen screw rotation speed (rpm) increased (as the microgel particle size decreased).
이는, 입자가 클수록 입자끼리의 응집력이 적어 입자끼리 쉽게 분리되므로, 그 결과 원기둥 모양을 만들면서 조밀한 구조를 이루지 못하기 때문이다. 따라서 젤 입자의 크기가 큰 경우 젤의 강도가 낮아지는 특성을 갖는다. This is because the larger the particles, the less cohesive the particles are, so they are easily separated from each other, and as a result, a dense structure with a cylindrical shape cannot be achieved. Therefore, when the size of the gel particles is large, the strength of the gel is lowered.
반면, 더 작은 크기의 입자의 경우 젤 강도가 더 높을 뿐만 아니라 다른 기계적 특성도 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 더 작은 크기의 입자의 경우 응집력이 높아져서 조밀한 원통형 모양을 만들 수 있기 때문에, 높은 기계적 특성을 나타낼 수 있다. On the other hand, it was confirmed that for smaller-sized particles, not only did the gel strength become higher, but other mechanical properties were also improved. Smaller-sized particles can exhibit high mechanical properties because their cohesion increases and a dense cylindrical shape can be created.
팽윤성 테스트(swelling test)(1)Swelling test (1)
전술된 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 마이크로젤에 대하여 팽윤율(swelling percentage)을 측정하였다. 측정 방법은 다음과 같다. The swelling percentage was measured for the microgels prepared according to Examples 1 to 3 described above. The measurement method is as follows.
실시예 1 내지 실시예 3의 마이크로젤(80rpm, 5분 동안 바이오펜 처리) 샘플을 각각 0.31±0.01g 으로 준비한 다음, 37 ℃에서 45ml의 PBS 버퍼((pH 7.4)에 침지하였다. Microgel samples of Examples 1 to 3 (80 rpm, treated with BioPen for 5 minutes) were prepared in an amount of 0.31 ± 0.01 g each, and then immersed in 45 ml of PBS buffer (pH 7.4) at 37°C.
각 샘플을 1시간 간격으로 버퍼로부터 분리하여 평형에 도달할 때까지 무게를 측정하기 전에 티슈로 닦았다. 팽윤율(swelling percentage)은 하기 식 1에 따라 계산하였다. 그 결과를 도 42에 나타내었다. Each sample was removed from the buffer at 1-hour intervals and wiped with a tissue before being weighed until equilibrium was reached. The swelling percentage was calculated according to Equation 1 below. The results are shown in Figure 42.
<식 1><Equation 1>
팽윤율(swelling)(%) = (최종 무게(wt)-초기 무게(wt)) / 초기 무게(wt) × 100Swelling (%) = (final weight (wt) - initial weight (wt)) / initial weight (wt) × 100
도 42를 참조하면, 실시예 1(1% BDDE 가교 젤)은 실시예 2 및 실시예 3(2% 및 3% BDDE 가교 젤)보다 더 높은 팽윤 특성을 보임을 확인할 수 있었다. 즉, 실시예 3(3% BDDE 가교 젤에 의해 형성된 마이크로젤)은 팽윤율이 가장 낮은 것을 확인할 수 있었다. Referring to Figure 42, it was confirmed that Example 1 (1% BDDE cross-linked gel) showed higher swelling characteristics than Examples 2 and 3 (2% and 3% BDDE cross-linked gel). That is, it was confirmed that Example 3 (microgel formed by 3% BDDE cross-linked gel) had the lowest swelling rate.
팽윤성 테스트(swelling test)(2)Swelling test (2)
제조예 3(3% BDDE 가교 젤) 및 실시예 3(제조예 3의 하이드로젤을 사용하여 형성된 마이크로젤)에 대하여 팽윤율(swelling percentage)을 측정하였다. 후술되는 내용을 제외하고는 전술된 팽윤성 테스트(1)의 방법과 동일하게 수행되었다. The swelling percentage was measured for Preparation Example 3 (3% BDDE cross-linked gel) and Example 3 (microgel formed using the hydrogel of Preparation Example 3). Except for the details described later, the method of the swelling test (1) described above was performed in the same manner.
제조예 3의 하이드로젤과 실시예 3의 마이크로젤 샘플을 각각 1.075±0.065g 으로 준비한 다음, 37 ℃에서 100ml의 PBS 버퍼((pH 7.4)와 100ml의 D.W에 각각 침지하였다. 그 결과를 도 43에 나타내었다. The hydrogel of Preparation Example 3 and the microgel sample of Example 3 were prepared in an amount of 1.075 ± 0.065 g, respectively, and then immersed in 100 ml of PBS buffer (pH 7.4) and 100 ml of D.W. at 37 ° C. The results are shown in Figure 43 shown in
도 43을 참조하면, 실시예 3의 팽윤율이 제조예 3 보다 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, PBS 버퍼에 비해 DW에서의 팽윤 비율이 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 실시예 3은 DW로 24시간 후에도 여전히 팽창하는 것을 알 수 있었다. Referring to Figure 43, it was confirmed that the swelling rate of Example 3 was higher than that of Preparation Example 3. Additionally, it was confirmed that the swelling ratio was higher in DW compared to the PBS buffer. Example 3 was found to still swell after 24 hours with DW.
<실험예 3 : 프린팅 적합성 평가><Experimental Example 3: Evaluation of printing suitability>
제조예 1 내지 제조예 3에 따른 각각의 하이드로젤에 대하여, 3D 프린팅을 수행하여 프린팅 적합성을 관찰하여 도 44에 나타내었다. For each hydrogel according to Preparation Examples 1 to 3, 3D printing was performed and printing suitability was observed, as shown in FIG. 44.
도 44를 참조하면, 제조예 2와 제조예 3의 하이드로젤은 프린팅 적합성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 반면, 제조예 1의 하이드로젤은 프린팅이 불가한 것을 확인할 수 있었다. 또한 바이오펜을 프린터에 장착하여 알지네이트 기반의 하이드로젤을 사용하여 귀 구조체(d), 2개의 가지를 가지는 혈관 구조체(e) 및 경사진 튜브 구조체(f)를 정밀하게 적층하여 제조할 수 있음을 확인하였다.Referring to Figure 44, it was confirmed that the hydrogels of Preparation Example 2 and Preparation Example 3 had excellent printing suitability. On the other hand, it was confirmed that the hydrogel of Preparation Example 1 could not be printed. In addition, it was shown that the ear structure (d), the two-branched blood vessel structure (e), and the inclined tube structure (f) could be manufactured by precisely laminating them using alginate-based hydrogel by attaching the BioPen to the printer. Confirmed.
<실험예 4 : 세포 생존성 확인 실험><Experimental Example 4: Cell viability confirmation experiment>
제조예 1 내지 제조예 3의 하이드로젤에 대하여, MTT 분석법을 사용하여 세포 독성을 평가하였다. 구체적인 실험 방법은 다음과 같다.For the hydrogels of Preparation Examples 1 to 3, cytotoxicity was evaluated using the MTT assay. The specific experimental method is as follows.
먼저, 웰당 100개의 MC3T3 세포를 96-웰 플레이트에 시딩(seeding)하고 표준 조건에서 24시간 동안 배양하였다. 다음날, 현재 배지를 제거하고 100㎕의 새로운 배양 배지로 교체한 다음, MTT 분석을 위해 각 웰에 10mg의 각 실험 샘플(제조예 1 내지 제조예 3)을 첨가하였다. 그런 다음 공지된 기술에 따라 MTT 분석을 수행하였다. 광학 밀도(OD) 값은 570 nm의 파장에서 측정되었고, 1일 대조군으로 표준화된 상대 세포 생존율(%)을 함께 나타내었다. 그 결과를 도 45에 나타내었다. First, 100 MC3T3 cells per well were seeded in a 96-well plate and cultured for 24 hours under standard conditions. The next day, the current medium was removed and replaced with 100 μl of new culture medium, and then 10 mg of each experimental sample (Preparation Examples 1 to 3) was added to each well for MTT analysis. MTT analysis was then performed according to known techniques. Optical density (OD) values were measured at a wavelength of 570 nm and expressed together with relative cell viability (%) normalized to the 1-day control. The results are shown in Figure 45.
도 45를 참조하면, 제조예 1 내지 제조예 3 모두, 1 일차에 70% 이상의 생존율을 보였고, 2일차와 3일차에는 생존율이 점차 증가하였다. 70% 이상의 생존율은 무독성인 것으로 여겨진다. 즉, 제조예 1 내지 제조예 3의 젤은 모두 세포에 대해 세포독성이 없는 것으로 해석될 수 있다. Referring to Figure 45, Preparation Examples 1 to 3 all showed a survival rate of more than 70% on day 1, and the survival rate gradually increased on days 2 and 3. A survival rate of over 70% is considered non-toxic. In other words, the gels of Preparation Examples 1 to 3 can all be interpreted as having no cytotoxicity to cells.
도 46을 참조하면, 컨트롤러를 이용하여 바이오펜의 스크류 회전속도, 작동시간과 정지시간을 조절하여 하이드로젤, 바이오잉크를 일정량으로 12웰 플레이트의 각 웰에 소량씩 분리할 수 있음을 확인하였다. 하이드로젤에 약물, 세포 등을 혼합하여 사용하면, 바이오잉크와 약물전달체를 일정량으로 분리하여 웰플레이트 각 웰에 정량 적하하여 사용할 수 있음을 확인하였다.Referring to Figure 46, it was confirmed that a small amount of hydrogel and bioink could be separated into each well of a 12-well plate by adjusting the screw rotation speed, operation time, and stop time of the biopen using a controller. It was confirmed that when drugs, cells, etc. are mixed with hydrogel, the bioink and drug delivery system can be separated into a certain amount and dropped into each well of the well plate.
<실험예 5: 하이드로젤 적하 실험><Experimental Example 5: Hydrogel dropping experiment>
히알론산-하이드로옥시에틸아크릴레이트-폴리에틸렌글라이콜 젤(Hyaluronate-based terpolymeric gel)과, 알지네이트-키토산-카올린 젤(Alginate-Chitosan-Kaolin gel)을 서로 다른 웰 플레이트에 바이오펜을 사용하여 적하하였다. Hyaluronic acid-hydroxyethyl acrylate-polyethylene glycol gel (Hyaluronate-based terpolymeric gel) and alginate-Chitosan-Kaolin gel were added dropwise to different well plates using BioPen. .
이때, 스크류 회전 속도를 각각 20, 30, 40, 60rpm으로 달리하였으며, 적하 후 5초 10초 및 20초의 진행 시간에 따라 각 젤의 용출양을 기록하였다. 스크류 회전 속도와 시간에 따른 젤의 용출양에 대하여는, 하기 표 2 및 표 3에 각각 나타내었다. At this time, the screw rotation speed was changed to 20, 30, 40, and 60 rpm, respectively, and the elution amount of each gel was recorded according to the progress time of 5, 10, and 20 seconds after dropping. The elution amount of gel according to screw rotation speed and time is shown in Tables 2 and 3, respectively.
[표 2][Table 2]
[표 3][Table 3]
표 2 및 표 3을 참조하면, 스크류 회전 속도(screw rpm)가 20 내지 40 rpm에서는, 두 젤의 경우 휴지(정지) 시간이 최대 1분까지 증가했음에도 불구하고 웰 플레이트로 젤이 자동으로 떨어지지 않았으며, 압출된 젤의 양은 매우 적었다.Referring to Tables 2 and 3, when the screw rotation speed (screw rpm) was 20 to 40 rpm, the gel did not automatically fall into the well plate even though the rest time was increased up to 1 minute for both gels. And the amount of extruded gel was very small.
반면, 높은 rpm(60rpm)의 경우 휴지 시간을 10초로 고정하고 각 웰에 자동으로 젤을 떨어뜨릴 수 있었다. On the other hand, in the case of high rpm (60 rpm), the pause time was fixed at 10 seconds and the gel could be automatically dropped into each well.
한편, 젤라틴-알지네이트-탄닌산 젤은 점성이 매우 커서 높은 스크류 rpm에서도 바이오펜을 통해 젤이 압출되지 않았다.On the other hand, the gelatin-alginate-tannic acid gel had a very high viscosity, so the gel was not extruded through the BioPen even at high screw rpm.
이상, 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시 태양일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.As above, specific parts of the present invention have been described in detail, and it is clear to those skilled in the art that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. something to do. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (17)
상기 제1 스크루보다 길이가 길고 제1 스크루와 병렬 구조를 갖는 제2 스크루를 하우징하며, 상기 제1 배럴보다 길이가 긴 원통형의 제2 배럴;
상기 제1 스크루의 기어 및 제2 스크루의 기어와 인접하여 연결되어 제1 스크루 및 제2 스크루를 구동시키는 컨트롤러;
상기 제1 배럴에 형성되고 제1 배럴 내부로 바이오잉크 또는 하이드로젤 재료를 공급하는 2 이상의 공급부; 및
상기 컨트롤러의 반대편 쪽에 제2 배럴의 말단부로부터 연장 형성되고 바이오잉크를 또는 하이드로젤을 토출하는 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부를 포함하고,
상기 제1 스크루 및 제2 스크루가 공간적으로 분리되지 않도록 상기 제1 배럴과 제2 배럴은 서로 연통하여 연장 형성되고,
상기 제1 스크루는 3구간의 가변 피치를 갖고 상기 제2 스크루는 4구간의 가변 피치를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.a cylindrical first barrel housing a first screw;
a second barrel housing a second screw that is longer than the first screw and has a parallel structure to the first screw, and has a cylindrical second barrel that is longer than the first barrel;
a controller adjacent to and connected to the gear of the first screw and the gear of the second screw to drive the first screw and the second screw;
Two or more supply units formed in the first barrel and supplying bioink or hydrogel material into the first barrel; and
A bio-ink or hydrogel discharge portion is formed on the opposite side of the controller and extends from the distal end of the second barrel and discharges bio-ink or hydrogel,
The first barrel and the second barrel are extended and communicate with each other so that the first screw and the second screw are not spatially separated,
A pen-type structure for mixing and discharging bioink or hydrogel, wherein the first screw has a variable pitch of 3 sections and the second screw has a variable pitch of 4 sections.
상기 제1 스크루는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 a 구간, b 구간 및 c 구간을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 b < a ≤ c이고,
상기 제2 스크루는 컨트롤러에서 바이오잉크 또는 하이드로젤 토출부 방향으로 순차적으로 d 구간, e 구간, f 구간 및 g 구간을 갖고, 각 구간의 피치 크기가 e < d ≤ f이며, g 구간의 피치 크기는 하기 i) 및 ii) 조건을 만족하는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체:
i) g < f
ii) e ≤ g 또는 e > g.According to clause 1,
The first screw has sections a, section b, and section c sequentially in the direction from the controller to the bioink or hydrogel discharge unit, and the pitch size of each section is b < a ≤ c,
The second screw has a d section, an e section, an f section, and a g section sequentially in the direction from the controller to the bioink or hydrogel discharge section, and the pitch size of each section is e < d ≤ f, and the pitch size of the g section is a pen-type structure for mixing and discharging bioink or hydrogel, which satisfies the following conditions i) and ii):
i) g < f
ii) e ≤ g or e > g.
상기 제1 스크루 및 제2 스크루는 피치의 위상차가 45° 내지 135°인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
The first screw and the second screw have a pitch phase difference of 45° to 135°, and are a pen-type structure for mixing and discharging bioink or hydrogel.
상기 제1 스크루의 나사산과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사산과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.005 mm 내지 0.30 mm의 거리를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
There is a distance of 0.005 mm to 0.30 mm between the thread of the first screw and the inner wall of the first barrel, and a distance of 0.005 mm to 0.30 mm between the thread of the second screw and the inner wall of the second barrel, Pen-type structure for mixing and dispensing bioink or hydrogel.
상기 제1 스크루의 나사골과 제1 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm의 거리를 갖고, 상기 제2 스크루의 나사골과 제2 배럴의 내벽 사이는 0.01 mm 내지 6 mm의 거리를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
There is a distance of 0.01 mm to 6 mm between the thread of the first screw and the inner wall of the first barrel, and a distance of 0.01 mm to 6 mm between the thread of the second screw and the inner wall of the second barrel, Pen-type structure for mixing and dispensing bioink or hydrogel.
상기 제1 스크루의 축 중심과 제2 스크루의 축 중심 사이의 거리는 제1 스크루 또는 제2 스크루의 축 직경보다 길게 형성된 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
A pen-type structure for mixing and discharging bioink or hydrogel, wherein the distance between the axial center of the first screw and the axial center of the second screw is formed to be longer than the axial diameter of the first screw or the second screw.
상기 제1 배럴의 하단부는 제1 스크루의 축과 수직 방향으로 내벽을 갖고, 상기 내벽과 제1 스크루의 말단 지점은 0.005 mm 내지 1 mm의 거리를 갖는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
The lower end of the first barrel has an inner wall in a direction perpendicular to the axis of the first screw, and the inner wall and the distal point of the first screw have a distance of 0.005 mm to 1 mm. Bioink or hydrogel is mixed and Pen type structure for ejection.
상기 제2 스크루는 제2 배럴의 하단부와 바이오잉크 토출부가 접하는 지점까지 형성된 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
The second screw is a pen-type structure for mixing and discharging bioink or hydrogel, wherein the second screw is formed to the point where the lower end of the second barrel and the bioink discharge portion contact.
상기 공급부 사이의 간격은 제2 배럴 길이의 1/3에 해당하는 길이를 초과하지 않는 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
A pen-type structure for mixing and discharging bioink or hydrogel, wherein the gap between the supply parts does not exceed a length corresponding to 1/3 of the length of the second barrel.
상기 바이오잉크 토출부는 롤러, 브러시, 또는 니들 (needle)로부터 선택되는 압출 헤드를 탈부착 가능한 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
A pen-type structure for mixing and discharging bioink or hydrogel, wherein the bioink discharge unit has a detachable extrusion head selected from a roller, brush, or needle.
상기 제1 배럴 및/또는 제2 배럴은 토출되는 바이오잉크 또는 하이드로젤에 광이 조사될 수 있도록 하나 이상의 자외선 또는 레이저 광원을 구비한 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
The first barrel and/or the second barrel is a pen type for mixing and discharging bioink or hydrogel, and is equipped with one or more ultraviolet rays or laser light sources so that light can be irradiated to the discharged bioink or hydrogel. struct.
상기 펜 타입 구조체는 프린팅 시스템에 장착되어 작동 가능한 것인, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 혼합 및 토출하기 위한 펜 타입 구조체.According to clause 1,
The pen-type structure is a pen-type structure for mixing and discharging bioink or hydrogel, which can be mounted and operated in a printing system.
상기 방법은 성형된 하이드로젤로부터 나노젤 또는 마이크로젤을 제조하는 단계를 포함하는, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법.According to clause 13,
The method includes the step of producing a nanogel or microgel from the molded hydrogel.
상기 하이드로젤은 가교 결합제를 포함하여 상기 나노젤 또는 마이크로젤을 제조하되, 상기 펜 타입 구조체의 스크루 회전속도와 구동 시간을 조절하여 상기 나노젤 또는 마이크로젤의 입자 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법.According to clause 14,
The hydrogel includes a cross-linking agent to manufacture the nanogel or microgel, and the particle size of the nanogel or microgel is controlled by controlling the screw rotation speed and driving time of the pen-type structure, How to print bioink or hydrogel.
상기 가교 결합제는 1,4-부테인다이올 다이글라이시딜 에터(1,4-butandiol diglycidyl ether, BDDE), 다이바이닐 술폰, 타닌산, EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride), 메타아크릴 무수물 인 것을 특징으로 하는, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법.According to clause 15,
The cross-linking agent is 1,4-butandiol diglycidyl ether (BDDE), divinyl sulfone, tannic acid, EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride ), a method of printing bioink or hydrogel, characterized in that it is methacrylic anhydride.
상기 하이드로젤은 상기 가교 결합제의 농도를 조절하여, 형성되는 나노젤 또는 마이크로젤의 점도, 경도 및 탄력성을 포함하는 기계적 물성을 조절하는 것을 특징으로 하는, 바이오잉크 또는 하이드로젤을 프린팅하는 방법.According to clause 15,
The hydrogel is a method of printing bioink or hydrogel, characterized in that mechanical properties including viscosity, hardness, and elasticity of the formed nanogel or microgel are adjusted by controlling the concentration of the crosslinker.
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2023
- 2023-03-31 KR KR1020230043062A patent/KR20240024730A/en unknown
- 2023-09-27 KR KR1020230130984A patent/KR20240024763A/en unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102286073B1 (en) | 2020-04-21 | 2021-08-06 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | Twin screw extrusion integrated system and method for continuous mixing and print |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20240024763A (en) | 2024-02-26 |
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