In recent years, several studies have attempted to produce scaffolds with various structural properties using micro-fabrication techniques based on Rapid Prototyping (RP) methods. The first step in this research is the fabrication of bio-applicable three-dimensional (3D) structures to tissue engineering scaffolds. The developed process, namely direct polymer melt deposition (DPMD) process, employs a micropositioning system equipped with a pressure-activated micro syringe and heating module for extruding and depositing the polymer melts. Through this process, highly-controllable regular 3D structures can be successfully manufactured. Under various process conditions including temperature, pneumatic pressure and moving velocity of a nozzle, the controllability of the developed 3D structures was verified. The resultant scaffold can satisfy the requirements of structural properties such as macroscopic external shapes, internal architectures, porosity and pore size. For the practical and bio-functional applications to tissue engineering, surface modification with bioactive agents was performed so that the limited properties for cell adhesion due to smooth surface and hydrophobicity of the developed scaffold can be overcome.
On the other hand, some researchers have recognized the importance of nano-structured architecture in view of biological applications; thus, they have aimed to produce functionalized scaffolds that can mimic the nanofibrous structure of the natural extracellular matrix (ECM) and tried to fabricate various nano- and micro- scaled structures to enhance cell activation. Meanwhile, the current interest in the electrospinning methods has been concentrated on other forms of nanofibers, especially uniaxially oriented arrays of nanofibers, in order to expand their tissue engineering applications. For the fabrication of nanostructured scaffolds, the general electrospinning method and the proposed fiber alignment technique are employed. Especially, as the inclined gap method and the repetitive transfer of nanofibers are introduced, the uniaxially aligned fiber array can be quantitatively controlled with its density. As well as the controllability, the proposed alignment technique provides favourable properties such as enhanced orientation and regular distribution.
For a synergistic advantage from the both techniques, a nano- and micro- hybrid process incorporating DPMD and electrospinning process was developed. It can be successfully applied to produce highly functionalized three-dimensional scaffolds with an open porous network, a controllable shape, and a controllable nanofiber architecture. The main advantage of this hybrid scaffold over the other scaffolds is its three-dimensional characteristics simulated as a 3D fibrous extracellular environment. These technical results were achieved by alternative layer-by-layer deposition of random or aligned nanofibers and microfibers using electrospinning and DPMD process. Specifically, the RP method was used in conjunction with the functional and controllable electrospinning process in an effort to realize a 3D fashioned ECM-like structure. To verify the validity of the developed scaffolds from the viewpoint of tissue engineering application, various types of cell lines were seeded and cultured within these scaffolds. Cell viability, morphology, and differentiation in the scaffolds were determined as a function of time. The results imply that the proposed hybrid scaffold provides more preferable 3D biomimetic structure and many potential applications for the regeneration of various tissues.
조직공학용 지지체 (Tissue engineering scaffold)는 그 표면 또는 내부에 세포가 파종되어 일정 시간 후 복합화된 상태에서 생체에 손상된 조직이나 장기에 적용하고 이를 복원, 재생, 또는 대체하기 위한 수단으로서 사용되는 구조물을 지칭한다. 조직공학용 지지체는 기본적으로 다공성 구조물로 구성되어 있고 각각의 공극이 서로 연결됨에 따라 영양분의 공급, 세포 사이에서의 대사물질 및 산소, 체액 등의 전달, 혈관신생 등이 원활히 이루워져야 한다. 또한 구성 고분자 재료의 생분해성으로 인하여 세포와 복합체를 이루어 체내에 이식된 후에 세포의 증식과 함께 분해되어 없어지게 된다. 최근 이러한 생분해성 고분자 지지체를 제작하는 방법으로 형상제어의 수단을 동반하여 CAD/CAM 기반의 쾌속조형 (Rapid Prototyping) 기술이 적용되고 있다.
본 연구에서는 압축공기의 적용을 통해 생체 고분자를 직접 용융 분사하여 3차원 구조물을 제작하는 쾌속조형 기반의 3차원 조형 공정을 개발하였다. 본 공정을 통하여 제작된 3차원 지지체는 기능성 생체 활성물질의 표면 개질을 통하여 기능성 향상을 확인하였고, 적층시 공극사이에 앞서 개발된 구형 세포 집합체를 적용함으로써 조직재생의 응용을 시도하였다. 또한 본 공정에서의 재료를 용융 고분자가 아닌 휘발성 용매에 녹인 고분자 용액으로 대체함으로써 얇은 막형태의 구조를 제작하였다. 이는 하이드로젤 개질을 통하여 수술후 유착방지막의 활용을 검증 하였다.
또한 개발된 공정이 적층 방식인 점을 활용하여 적층면 사이에 전기방사 나노섬유를 형성함으로써 3차원 조직공학용 지지체로서의 기능성을 극대화하였다. 일반적으로 쾌속조형을 통한 다공성 지지체가 갖는 매끄러운 표면과 세포 크기에 비해 상대적으로 큰 스케일의 한계점을 이러한 나노섬유 적용을 통해 보완하였다. 다른 측면으로 나노/마이크로 토포그래피에 의해 그 기능성이 여러 방면으로 검증된 나노섬유를 3차원 구조화하였다는 점에서 중요한 의미를 갖는다.
3차원 구조에 내재하는 전기방사 나노섬유 메쉬의 경우 기본적인 형태로서 랜덤하게 쌓이는 구조를 쾌속조형 공정과 교대로 적층하여 구성해볼 수 있으며 이를 연골세포 배양을 통하여 기능성을 검증하였다. 한편 체내의 조직 중에는 골격근, 인대, 건과 같이 조직내 세포의 형태가 일정한 방향으로 배향되어 있는 조직들이 있다. 이러한 조직에 적용되기 위한 지지체 역시 세포의 가이드 역할이 될 수 있도록 형태가 일정한 방향으로 배향되어 있는 것이 바람직하다.
본 연구에서는 넓은 면적에 활용 될 수 있는 전사 가능한 전기방사 나노섬유 배향 방법을 개발하여 적용하였다. 개발된 방법을 통한 나노섬유 매트의 경우 나노섬유의 양, 즉 밀도가 정량적으로 제어 가능하며 다른 구조 표면에 적용할 수 있는 장점이 있다. 정량적으로 밀도를 다르게 구성하여 섬유아세포의 배향효과를 통해 개발된 정렬방법의 이점을 검증하였다. 이를 앞서 설명된 바와 같이 마이크로 구조와 교대적층을 통해 3차원 구조화 하여 간엽줄기세포 배양을 통해 응용성을 검토하였다. 한편 마이크로 구조를 나노섬유의 틀로서 형성하여 패키지화 함으로써 세포와 나노섬유 혼합 구조를 구현하였다. 개별화 되어있는 나노섬유 지지체에 근아세포를 파종하고 이를 일정시간 배양 후 콜라겐 젤 및 고분자 용액으로 적층함으로써 효율적인 조직 재생방법을 제안하였다.
