| 초록 |
핵심기술 ○ CaP 및 PLLA 등 고분자 재료의 복합화 및 3D plotting 기술 ○ 체외에서 체내에서 받는 다양한 물리적 자극을 바이오리액터를 통해 인가하여 조직재생을 위한 스캐폴드의 성능을 이식전 평가하기 위함에 그 목적이 있음 최종목표 본 과제는 3D 플로팅 기술을 활용한 골질환 치유용 본칩형 골이식재 제품의 개발과 물리적 생체모사기능 부여가 가능한 다양한 형태의 바이오리액터를 개발하여 생체조직용 스캐폴드의 평가를 통한 표준형 스캐폴드의 산업화 최종목표를 두고 있음. 개발내용 및 결과 ○ 기존의 동종골 본칩과 유사한 표준형 스캐폴드 개발 - 4~10mm 본칩과 평균 입경이 유사한 다양한 표준형 스캐폴드 사이즈 설정 - 골이식재의 다양한 크기 및 배합 결정 - 본칩형 본칩형 골이식재의 최적 조건의 다공성 구조 확립. ○ 동물유효성 테스트 및 공인시험기관의 비임상시험 완료. - 다양한 골결손 동물을 이용한 동물 유효성 테스트 및 물리화학적 특성시험 완료. - 공인시험기관을 통한 생물학적 안전성 테스트 완료. ○ 식약처 품목허가 신청 - 품목허가 신청을 위한 적응증 및 적응례 문헌조사 - 식품의약품 안전처에 품목허가 신청. ○ 골이식용 스캐폴드 바이오플로팅 시스템 성능 개선 및 실용화 모델 구축 - 바이오플로팅 시스템 실용화 모델 구축 - 성형정보 생성 S/W 안정화 : 멀티 헤드 성형정보 생성 S/W 개선 - 바이오플로팅 시스템 성능 개선 : H/W 성능 개선 ○ 골이식용 스캐폴드 제작 공정 안정화 및 특성 평가 - SFF 적용 가능한 골 스캐폴드 제작용 생체소재 20그램 단위 제조 - 골이식용 스캐폴드 제작 공정 안정화 : 제작 공정 프로토콜 개발 - 골이식용 스캐폴드 특성 평가를 위한 스캐폴드 시료 제작 : 공인시험기관 시험 의뢰용 ○ 총 8종의 바이오리액터의 개발 ① 골 재생을 위한 perfusion형 바이오리액터 ② 골 재생을 위한 정수압용 바이오리액터 (1종) - 최대 4기압 인가 가능, 주기 조절 가능 ③ 골 재생을 위한 정수압용 바이오리액터 (2종) - multi-chamber system으로, 3종 이상 크기 및 주기로 개별적 조절 가능하도록 제작함. ④ 도관형 스캐폴드 성능평가를 위한 관류형 바이오리액터 ⑤ 근, 인대 조직 재생용 direct 인장형 바이오리액터 ⑥ 근, 인대 조직 재생용 indirect 인장형 바이오리액터 ⑦ 복합 조직 재생용 바이오리액터 - direct 인장 및 정수압의 동시 혹은 개별 인가 가능 ⑧ 혈류 및 전단력 인가를 위한 stirring 바이오리액터 ○ 6종의 기술 문서 제작 완료 ○ 개발된 바이오리액터의 안정성 입증을 위한 endotoxin test 및 성능도 평가 완료 ○ 타 세부과제에서 제공되는 각종 스캐폴드를 이용하여 in-vitro 실험 및 스캐폴드 평가 완료 ○ 골 및 도관 조직 맞춤형 스캐폴드 제조를 위한 생체소재 및 생체 조직화 데이터베이스 확립 ○ 약물 함유 스캐폴드 제조 및 바이오리액터를 이용한 약물 전달 시스템과 스캐폴드의 시너지 효과 입증 ○ 공배양 시스템 개발 기술개발 배경 ○ 생체조직공학용 3차원 골 재생용 스캐폴드로 적절한 강도와 생분해성 및 무독성 등을 갖는 지지체 제작 방식은 여러 가지가 있으나 아직 정형화, 표준화된 방식의 인체 골에 적합한 스캐폴드 제작은 이제 태동기적 단계임. ○ 또한 기존의 3차원 골 재생용 스캐폴드는 생체 내 분해 정도가 매우 낮거나 빨라 신생골로 효과적으로 대치되지 못하고 계속 잔존하거나 너무나 빨리 흡수, 소멸되어 버리는 점은 임상에서 사용하기에 큰 제한 사항임. ○ 골 질환들의 현재 치료법은 자가골 이식 및 동종골 이식재들을 사용한 수술방법이 있지만 정형화된 인체 골격 맞춤형태의 스캐폴드 제작이 없기 때문에 임상적으로 광범위한 적용 및 제품화하기에는 여러 가지 한계를 가짐. ○ 생체조직공학에 응용되는 스캐폴드의 생산 및 이를 이용한 다양한 응용 기술은 향후 실용화될 경우 의학 분야에서 큰 수요가 예상됨. ○ 인공뼈용 스캐폴드 제조 장비 및 공정 기술에 핵심기술력의 판도가 향후 5-10년 사이 세계 시장의 경쟁력을 좌우하게 될 것으로 예측됨. 이 시점에서 국제적 경쟁력을 확보해야만 향후 선진국과의 기술격차가 좁혀지고 세계시장의 교두보를 확보하게 될 것으로 기대됨. ○ 특히 3차원 입체구조를 가지는 스캐폴드는 형상구현과 동시에 다공성 등의 성질을 갖고 있어야 하며, 이같은 조건을 만족시키는 제작방법 확립 및 관련 원천기술 확보가 중요한 시점임. ○ 사고나 질병에 의해 인체의 장기나 조직이 손상되면 결손된 부위에 생체조직의 대용품을 만들어 이식함으로써 손상된 조직의 개선 및 회복이 필요함. ○ 인체의 장기 또는 조직의 구조 및 기능을 대신할 수 있는 생체재료로서 3차원 스캐폴드의 개발이 시도되고 있음. ○ 따라서 생체적합하고 생체기능성을 갖는 생분해성이며 정형화, 표준화된 방식의 3차원의 스캐폴드 형태 제작이 가능한 이상적 제품의 개발이 필요함. 인체 조직의 재생을 위한 조직공학의 성공적 결과를 위해서는 세포, 지지체, 그리고 신호 전달물질과 같은 요소의 조화가 필요한 것으로 알려져 있으나, 지난 수년간 삽입될 인체내 물리적 환경의 체외구현 (생체모사)에 대한 중요성이 부각됨. ○ 이때 물리적 환경의 구성요소인 역학적 환경은 인체의 일상생활을 통해 대부분의 조직이 기계적 자극을 받고 있다는 점에 착안한 것이며, 이와 같이 물리적 환경 체외 구현을 위한 장치를 통칭해 바이오리액터라 함. ○ 이상과 같이 본 과제에서 재생하고자 하는 주요 조직 (골/연골, 도관, 근 관련 조직)은 특히 기계적 자극에 노출되어 있으며, 따라서 생체 이식을 위한 스캐폴드는 이식전 사전 모의 환경을 통해 검증하여야 함. ○ 기존의 스캐폴드 검증은 체내환경을 고려하지 않고, 세포를 이용해 단순히 스캐폴드의 세포 독성 및 증식 등을 확인하는데 그친 것에 반해 바이오리액터를 통해 체내 환경에서의 스캐폴드의 적용가능성 및 효용성을 판단 가능할 것으로 사료됨. 핵심개발 기술의 의의 ○ 생체조직공학용 3차원 스캐폴드를 제작함에 있어 적절한 강도와 생분해성 및 무독성 등을 갖는 지지체 제작 방식은 여러 가지가 있으나 아직 정형화, 표준화된 방식이 없음. ○ 손상된 뼈를 대체하기 위한 스캐폴드 제작 기술은 인공뼈를 제작하기 위한 기초 기술이며 다양한 재료 및 제작 공정이 필요함. 특히 다양한 고분자, 세라믹 재료 등을 이용하여 실제 사람의 뼈와 유사한 적절한 강도와 생분해성, 무독성 등을 갖는 스캐폴드를 제작 할 수 있는 장비 및 공정 기술 및 스캐폴드 제작을 위한 핵심 기술임. 본 연구에서 수행하고자 하는 자유형상 제작 기술을 이용하면 해면골(Trabecular Bone)과 치밀골(Cortical Bone) 구조를 갖춘 생체 적합성의 구조로 제작할 수 있으며, 칩 형태의 스캐폴드 개발도 가능함. ○ 손상된 뼈를 대체하기 위한 스캐폴드 제작 기술은 현재 조직 공학의 선진국인 미국과도 큰 격차를 보이고 있지 않기 때문에 집중적인 투자를 통한 기술 선점이 가능함. ○ 기술우위의 맞춤형 스캐폴드를 개발함으로서 원천특허를 활용하여 막대한 기술료 수입을 창출할 수 있음.· 현재 단순배양용 바이오리액터를 제외한 기계적 자극용 바이오리액터는 주로 대학에서 연구용으로 제작되어 세포, 조직 배양 시 기계적 자극의 종류, 세기 등에 따른 영향을 관찰하는 수준임. ○ 조직 혹은 세포에 기계적 자극을 인가하기 위한 바이오리액터가 상품화 된 경우는 극히 드물며, 이러한 기계적 자극에 대한 영향에 대한 견해 및 기전도 확립된 바가 없어, 발표된 논문마다 다른 결과를 제시하고 있으며, 현재는 기본적인 성능이 검증된 단계라 할 수 있음. ○ 본 연구팀은 이러한 기존 모델의 문제점 극복 및 다양한 자극 유형의 복합 인가를 위하여 5종 이상의 바이오리액터를 개발하고, 이를 기반으로 하여 수차례의 반복 실험을 통해 기계적 자극의 영향에 대한 재현성 있는 결과와 기전을 확인함. ○ 또한 바이오리액터의 제작에 있어 국산화를 통해 수입제품에 의존해오던 바이오리액터 관련 연구의 비용을 절반이상 줄일 수 있게 되었으며, 추후 기술 수출의 가능성 또한 무궁무진함. 적용 분야 ○ 손상된 뼈를 대체하기 위한 스캐폴드 제작 기술은 나노/바이오/기계/전자/전산재료/화학/의료 기술 등 다양한 기술이 복합되어 있는 융합 기술로 다른 조직공학 기술에 큰 영향을 미칠 것으로 판단됨. ○ |
