• 한국기계가공학회지
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• 제17권1호
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• pp.108-115
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• 2018

In bone tissue engineering, polycaprolactone (PCL) is one of the most widely used biomaterials to manufacture scaffolds as a synthetic polymer with biodegradability and biocompatibility. The polymer deposition system (PDS) with four axis heads, which can dispense bio-polymers, has been used in scaffold fabrication for tissue engineering applications. A dual-head deposition technology of PDS is an effective technique to fabricate 3D scaffolds. The electrospinning technology has been widely used to fabricate porous and highly interconnected polymer fibers. Thus, PDS can fabricate nanofiber-combined hybrid scaffolds using fused deposition modeling (FDM) and electrospinning methods. This study aims to fabricate nanofiber-combined scaffolds with uniform nanofibers using PDS. The PCL nanofibers were fabricated and evaluated according to the fabrication process parameters. PCL nanofibers were successfully fabricated when the applied voltage, tip-to-collector distance, flow rate, and solution concentration were 5 kV, 1 cm, 0.1 ml/h, and 8 wt%, respectively. The cell proliferation was evaluated according to the electrospinning time. Scanning electron microscopy was used to acquire images of the cross-sectioned hybrid scaffolds. The cell proliferation test of the PCL and nanofiber-combined hybrid scaffolds was performed using a CCK-8 assay according to the electrospinning time. The result of in-vitro cell proliferation using osteosarcoma MG-63 cells shows that the hybrid scaffold has good potential for bone regeneration.

• 대한기계학회논문집A
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• 제38권4호
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• pp.371-377
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• 2014

조직 공학에 있어 인공지지체는 손상된 조직 및 기관의 기능을 재생하기 위한 거푸집으로 제공되며 3 차원 구조물이다. 인공지지체의 재료 중에서 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL)과 삼인산칼슘(${\beta}$-tricalcium phosphate, ${\beta}$-TCP)은 생분해성과 생체적합성을 가지고 있다. 본 연구에서는 다축 인공지지체 제작 시스템을 이용하여 3 차원 PCL, blended PCL(60 wt %)/${\beta}$-TCP(40 wt %), 그리고 ${\beta}$-TCP 인공지지체를 제작하였다. 제작된 인공지지체는 주사전자현미경 분석을 통해 $600{\pm}20{\mu}m$의 공극 크기로 잘 제작되었다. 기계적 특성 평가를 통해 3 차원 PCL, blended PCL(60 wt %)/${\beta}$-TCP(40 wt %), 그리고 ${\beta}$-TCP 인공지지체의 효과는 분석되었다. 게다가 Saos-2 세포를 이용한 in vitro 연구를 수행하여 세포 증착 및 증식과 같은 세포 거동에 의한 3 차원 인공지지체의 효과를 확인하였다. 요컨대 3D blended PCL(60 wt %)/${\beta}$-TCP(40 wt %) 인공지지체가 압축 강도와 생체적합성 그리고 골전도성에 있어서 인체의 해면골에 더욱 적합하였다. 따라서 3D 인공지지체의 제작에 있어 PCL과 ${\beta}$-TCP를 혼합하는 것은 효과적인 골 재생을 위해 촉망되는 전략이 될 것이다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2010년도 춘계학술발표대회
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• pp.43.1-43.1
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• 2010

조직공학의 중요한 요소로 작용하는 scaffold는 여러 가지 필수적인 조건들을 만족시켜야 한다. 대표적인 특징들로는 (1)생분해성 및 비독성, (2)넓은 표면적을 갖는 상호 연결된 내부 다공성 구조, (3)구조적 안정성, (4)세포부착 기질의 제공, (5)낮은 면역 반응성, (6)혈전 형성 억제, (7)친수성, (8)생체 기능성 등을 들 수 있다. 이러한 scaffold가 갖추어야 할 특성 중에서 세포 부착 기질 제공을 위하여 scaffold에 표면 개질을 통한 기능기를 도입하였다. 본 연구에서는 BCP scaffold의 구조적 안정성 부여를 위하여 PCL(polycaprolactone)을 infiltration 하였다. PCL은 소수성의 특징을 갖고 있어 세포와 상호작용 할 수 있는 생물학적 반응기가 없기 때문에 세포와의 친화성이 떨어진다. 세포의 친화성을 높여주기 위해 실리콘의 전구체인 TEOS(tetraethly orthosilicate)를 코팅하고, 그 위에 카복실기(carboxylic acid group)를 도입하였다. 또한 세포의 고정화를 높여주기 위해 fibronectin을 코팅하여 BCP/PCL scaffold의 세포 친화성을 높여주었다. 이와 같이 제조된 고기능성 BCP/PCL scaffold의 내부 구조와 특성을 Micro-CT로 확인하였고, 또한 실리콘 코팅 여부를 확인하기 위하여 SEM-EDS를 통해 관찰하였으며, FT-IR 관찰을 통해 카복실기 도입 여부를 확인 하였다. 또한 생체적합성 평가를 위해 MTT assay, 조골세포의 부착에 미치는 영향을 관찰하기 위해 SEM, 조골세포의 유전자 발현에 미치는 영향을 관찰하기 위해 RT-PCR을 통해 확인 하였다.

• 대한기계학회논문집A
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• 제41권7호
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• pp.645-653
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• 2017

골 조직 공학에서 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL)은 생분해성 및 생체적합성의 합성고분자로서 인공지지체의 제작에 널리 이용되고 있는 생체재료 중 하나이다. 인공지지체의 제작에서 지지대폭은 생체 내/외 실험에서 공극 크기뿐만 아니라 공극률에도 영향을 미치기 때문에 지지대 폭을 일정하게 유지하는 것이 조직 재생에 중요하게 고려되는 부분이다. 본 연구에서는 온도, 공압, 이송 속도, 그리고 노즐 팁 높이를 이용하여 체계적이고 효율적인 인공지지체 제조 공정이 될 수 있도록 실험 계획법을 통해 최적 공정 조건을 탐색하였다. $150{\mu}m$ 지지대 폭을 가지는 PCL 인공지지체를 제작하는 것이 목표였으며, 한 가지의 공극 패턴이 아니라 다양한 공극 패턴에 따른 PCL 인공지지체를 제작하는 연구를 수행함으로써 모든 실험 그룹에서 지지대 폭이 일정함을 증명하였다.

• 한국기계가공학회지
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• 제15권5호
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• pp.86-92
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• 2016

In this study, we used a polymer deposition system, based on fused deposition modeling, to fabricate the 3D scaffold and then fabricated micro-pores on a 3D scaffold using a salt leaching method. Materials included polycaprolactone (PCL) and sodium chloride (NaCl). The 3D porous scaffolds were fabricated according to blending ratio such as PCL (70 wt%)/NaCl (30 wt%) and PCL (50 wt%)/NaCl (50 wt%). The 3D porous scaffolds were observed by scanning electron microscopy. The results showed that 3D porous scaffolds had a deposition width of $500{\mu}m$, contained a pore size of $500{\mu}m$ and below $100{\mu}m$. To evaluate the 3D porous scaffolds for bone tissue engineering, we carried out the cell proliferation experiment using a CCK-8 and a mechanical strength test using a universal testing machine. In summary, the 3D porous scaffold was found to be suitable for cancellous bone of human in accordance with the result of in-vitro cell proliferation and mechanical strength. Thus, a 3D porous scaffold could be a promising approach for effective bone regeneration.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권2호
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• pp.58-65
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• 2016

본 연구는 조직공학용 지지체로 사용될 막을 개발하기 위한 초도 연구 수행으로, 염화나트륨(NaCl)을 기공형성체로 혼합한 폴리카프로락톤(PCL)용액을 유리 캐스팅판에 분주한 후 필름 어플리케이터를 이용하여 다공성 PCL필름을 성형하였다. 성형된 필름은 건조 후 증류수에 침지시켜 NaCl을 추출하여 최종 멤브레인형 다공성 지지체를 제조하였다. 3차원 다공망을 형성시키기 위하여 NaCl을 기공형성체로 이용하였으며 $4^{\circ}C$, 실온, $40^{\circ}C$의 세 가지 건조조건에 따른 다공망의 형성과 형태를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰 하였으며 기초적인 안전성 확보를 위한 세포독성평가를 시행하였다. 세 가지의 건조조건별 결과에서는 실온 건조조건에서 거대기공과 미세기공이 혼재된 3차원 다공망이 우수하게 형성된 것이 관찰되었으며 세포독성 시험결과 ISO10993-5 규격의 세포독성 판단기준에 따라 grade 2(mildly cytotoxic)로 나타난바 생체용으로 적합하다고 볼 수 있다. 본 연구를 통하여 멤브레인형 다공성 지지체 제조에 건조조건이 3차원 다공망의 형성 및 거대기공과 미세기공이 함께 형성되는 것에도 영향을 미치는 것으로 나타났으며 이 결과는 다공성 멤브레인 지지체의 분해성 조절 및 약물 담지 효과를 개선하기 위한 연구에서 다공도의 조절에 대한 기초적인 공정이 될 수 있다.

• 한국재료학회지
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• 제20권7호
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• pp.392-400
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• 2010

The electrospinning process was established as a promising method to fabricate nano and micro-textured scaffolds for tissue engineering applications. A BCP-loaded PCL micro-textured scaffold thus can be a viable option. The biocompatibility as well as the mechanical properties of such scaffold materials should be optimized for this purpose. In this study, a composite scaffold of poly ($\varepsilon$-caprolactone) (PCL)-biphase calcium phosphate (BCP) was successfully fabricated by electrospinning. EDS and XRD data show successful loading of BCP nano particles in the PCL fibers. Morphological characterization of fibers shows that with a higher loaded BCP content the fiber surface was rougher and the diameter was approximately 1 to 7 ${\mu}m$. Tensile modulus and ultimate tensile stress reached their highest values in the PCL- 10 wt% BCP composite. When content of nano ceramic particles was low, they were dispersed in the fibers as reinforcements for the polymer matrix. However, at a high content of ceramic particles, the particles tend to agglomerate and lead to decreasing tensile modulus and ultimate stress of the PCL-BCP composite mats. Therefore, the use of nano BCP content for distribution in fiber polymer using BCP for reinforcement is limited. Tensile strain decreased with increasing content of BCP loading. From in vitro study using MG-63 osteoblast cells and L-929 fibroblast like cells, it was confirmed that electrospun PCL-BCP composite mats were biocompatible and that spreading behavior was good. As BCP content increased, the area of cell spreading on the surface of the mats also increased. Cells showed the best adherence on the surface of composite mats at 50 wt% BCP for both L-929 fibroblast-like cells and MG-63 osteoblast cell. PCL- BCP composites are a promising material for application in bone scaffolds.

• Archives of Plastic Surgery
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• 제47권4호
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• pp.310-316
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• 2020

Background To produce patient-specific nasal implants, it is necessary to harvest and grow autologous cartilage. It is crucial to the proliferation and growth of these cells for scaffolds similar to the extracellular matrix to be prepared. The pore size of the scaffold is critical to cell growth and interaction. Thus, the goal of this study was to determine the optimal pore size for the growth of chondrocytes and fibroblasts. Methods Porous disc-shaped scaffolds with 100-, 200-, 300-, and 400-㎛ pores were produced using polycaprolactone (PCL). Chondrocytes and fibroblasts were cultured after seeding the scaffolds with these cells, and morphologic evaluation was performed on days 2, 14, 28, and 56 after cell seeding. On each of those days, the number of viable cells was evaluated quantitatively using an MTT assay. Results The number of cells had moderately increased by day 28. This increase was noteworthy for the 300- and 400-㎛ pore sizes for fibroblasts; otherwise, no remarkable difference was observed at any size except the 100-㎛ pore size for chondrocytes. By day 56, the number of cells was observed to increase with pore size, and the number of chondrocytes had markedly increased at the 400-㎛ pore size. The findings of the morphologic evaluation were consistent with those of the quantitative evaluation. Conclusions Experiments using disc-type PCL scaffolds showed (via both morphologic and quantitative analysis) that chondrocytes and fibroblasts proliferated most extensively at the 400-㎛ pore size in 56 days of culture.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제20권8호
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• pp.618-626
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• 2019

줄기세포를 기반으로 한 세포치료제는 생체 이식시 생착률이 낮아서 치료효과를 기대하기 어렵다. 이를 극복하기 위하여 줄기세포를 탑재할 수 있는 다양한 세포담체들이 개발되어 활용되고 있다. 이렇게 개발된 세포담체를 3-dimentional (3D) 프린팅하여 스캐폴드를 만들 경우, 환자의 손상부위 맞춤형 이식재를 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 줄기세포를 탑재하여 손상부위를 기계적으로 보완하는 동시에 세포치료제로서의 효과도 얻을 수 있다. Polycaprolactone (PCL)은 저렴할 뿐 아니라 현재 가장 널리 쓰이고 있는 3D 프린팅 소재이기 때문에, PCL을 프린팅하여 세포담체로 활용할 경우 빠르고 경제적인 기술발전을 도모할 수 있다. 하지만 PCL 소재는 세포담체로서의 성능이 우수하지 못하여, 극히 일부의 세포만이 PCL 표면에서 생존한다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위해서 PCL 소재에 세포의 탑재능력을 극대화되는 조건을 찾고자 하였다. PCL의 표면에 플라즈마를 처리하는 조건, PCL 표면을 콜라겐 코팅처리, PCL의 3D 프린팅 형상, 세포배양방법 변경 등 다양한 조건을 바탕으로 하여 PCL 소재에 인간 중간엽줄기세포의 세포탑재능력을 확인하였다. 세포탑재능력을 향상시킨다고 알려진 콜라겐 코팅과 플라즈마 처리를 적용하여, 플라즈마 처리 후 3% 콜라겐 코팅을 하였을 때 세포탑재능력이 가장 우수함을 확인하였고, 세포탑재능력에 영향을 줄 수 있는 세포배양방법과 스캐폴드의 구조변화를 적용하여, spheroid 세포배양시 기존의 단일세포배양법보다 탑재능력이 우수함을 확인하였으며, 스캐폴드의 구조는 세포탑재능력에 영향을 주지 못함을 확인하였다. 이를 바탕으로 PCL 소재를 세포 담체로 활용한 다양한 연구를 시도하고자 한다.

• 대한의용생체공학회:의공학회지
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• 제36권6호
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• pp.271-275
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• 2015

The aim of this study was to develop a multi-nozzle based bioprinting system for fabrication of three-dimensional (3D) biological structure. In this study, a thermoplastic biomaterial that has relatively high mechanical stability, polycaprolactone (PCL) was used to make the 3D structure. A multi-nozzle bioprinting system was designed to dispense thermoplastic biomaterial and hydrogel simultaneously. The system that consists of 3-axes of x-y-z motion control stage and a compartment for injection syringe control mounted on the stage has been developed. Also, it has 1-axis actuator for position change of nozzle. The controllability of the printed line width with PCL was tested as a representative performance index.