다중물성 복합 조직공학제제의 체외배양을 위한 미세훈련 조직배양시스템 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since the birth of tissue engineering, various engineered tissues have been developed. However, only engineered tissue with simple and homogeneous tissue structures commercialized to be used in clinical applications. Since the functional engineered tissue has a complex structure with different properties, it is too hard to develop during in-vitro tissue culture. In order to form the complex structure of tissue during in-vitro culture, it is necessary to apply various stimuli independently.
In this study, we developed a tissue culture system to apply the complex stimulation for inducing various properties of engineered tissue. Multi-axis mechanical training system is capable to apply compression and tension with 10 um resolution independently. The compressive force and tensile force of each tissue sample can be measured during the mechanical stimulation in real-time. Additionally, it can monitor the positions of the compressive head and tensile jig. When we applied the same mechanical stimulation to the samples with only cells and ECM components, and other samples included fabric scaffold, they produced different responses to the applied mechanical stimulation.
Also, we developed a culture vessel capable of applying static tension and electrical stimulation simultaneously. We controlled the injection current using calibration resistors to generate a similar current density for each culture vessel. The current density also could be monitored by software to maintain electrical stimulation.
Using the developed tissue culture system for complex stimulation, we could expect to develop a functional engineered tissue with multiple physical properties.

국문 초록 (Abstract)

조직 공학이 태동한 이래로 다양한 조직공학제제의 개발이 이루어지고 있으나, 실제 임상에 활용되는 조직공학제제는 단순하면서 균질한 조직구조를 가지는 경우로 제한된다. 기능성 조직공학제제의 경우 다중물성을 갖는 복잡한 조직구조를 가지며, 이를 체외배양 중 형성하기 위해서는 다양한 자극을 독립적으로 인가할 수 있는 시스템의 개발이 필요하다.
본 연구에서는 기능성 조직공학제제를 체외에서 배양하기 위해 다중물성을 갖도록 복합적인 다중자극을 인가하는 복합자극 미세훈련 조직배양 시스템을 개발하고자 하였다. 이를 위해 인장력과 압축력의 독립적인 자극 인가와 동시에 조직공학제제가 받는 자극 정보를 실시간으로 측정 및 저장할 수 있는 다축 기계적 미세훈련 장치와 정적 인장 및 전기자극을 생체 재료에 인가할 수 있는 배양용기를 활용한 전기자극 인가 시스템을 개발하였다. 또한 개발된 시스템이 체외배양 실험에 적합한 성능을 도출하였는지에 대한 성능평가를 진행하여 체외배양 실험에 적합한 장비임을 검증하였으며 체외배양 실험에 적합하다고 판단된 다축 기계적 미세훈련장치 및 전기자극 인가 시스템을 이용해 연골조직 체외배양 실험을 진행하였다. 다축 기계적 미세훈련장치를 이용한 체외배양 결과로 압축 하중에 따른 실시간 압축력 변화를 데이터로 획득하였고, 연골조직으로만 구성된 시료와 섬유형 지지체 상에 연골조직이 형성된 시료에서 배양기간 중 다른 물성변화를 보이는 것을 관찰하였다. 개발된 복합자극 미세훈련 조직배양 시스템을 이용하여 다중물성을 갖는 기능성 조직공학제제 개발이 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1.1 기능성 조직공학제제 1
• 1.2 기능성 조직공학제제 체외배양 기술 6
• 1.3 복합 자극 미세훈련 조직배양 시스템 개발의 필요성 9
• II. 복합자극 미세훈련 조직배양 시스템 10
• 2.1 다축 기계적 미세훈련 장치 10
• 2.1.1 다축 기계적 미세훈련 장치 사양 10
• 2.1.2 다축 기계적 미세훈련 장치 구조 16
• 2.2 다축 기계적 미세훈련 장치 모듈 19
• 2.2.1 기계자극장치 19
• 2.2.1.1 인장자극부 21
• 2.2.1.2 압축자극부 25
• 2.2.2 배양용기 27
• 2.2.3 기계자극장치 프레임 및 추가 모듈 32
• 2.2.4 주제어장치 35
• 2.2.5 제어 프로그램 37
• 2.3 전기자극 인가 시스템 44
• 2.3.1 정적 인장 및 전기자극 동시인가 배양용기 56
• III. 성능평가 60
• 3.1 다축 기계적 미세 훈련 장치 60
• 3.2 전기자극 인가 시스템 75
• IV. 미세훈련 조직배양 시스템을 이용한 체외배양 76
• 4.1 다축 기계적 미세훈련 장치를 이용한 기계자극 데이터의 결측치 확인 76
• 4.2 다축 기계적 미세훈련 장치를 이용한 배양 중 측정 결과 분석 78
• 4.3 정적 인장 및 전기자극 인가 시스템을 이용한 배양 결과 83
• V. 토의 및 결론 86
• VI. 참고 문헌 88
• Abstract 92