• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.38 no.4
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• pp.371-377
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• 2014

In tissue engineering, a scaffold is a three-dimensional(3D) structure that serves as a template for regeneration the functions of damaged tissues or organs. Among materials for scaffolds, polycaprolactone(PCL) and ${\beta}$-tricalcium phosphate(${\beta}$-TCP) are biodegradable and biocompatible. In this study, we fabricated 3D PCL, blended PCL (60 wt %)/${\beta}$-TCP (40 wt %), and pure ${\beta}$-TCP scaffolds by a multi-head scaffold fabrication system. Scaffolds with a pore size of $600{\pm}20{\mu}m$ was observed by scanning electron microscopy. The effects of 3D PCL, blended PCL (60 wt %)/${\beta}$-TCP (40 wt %) and pure ${\beta}$-TCP scaffolds were analyzed by evaluating their mechanical characteristics. In addition, in an in-vitro study using osteoblast-like saos-2 cells, we confirmed the effects of 3D scaffolds on cellular behaviors such as cell adhesion and proliferation. In summary, the 3D blended PCL (60 wt %)/${\beta}$-TCP (40 wt %) scaffold was found to be suitable for human cancellous bone in terms of its the compressive strength, biocompatibility, and osteoconductivity. Thus, blending PCL and ${\beta}$-TCP could be a promising approach for fabricating 3D scaffolds for effective bone regeneration.

• Proceedings of the KSME Conference
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• 2005.11a
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• pp.148.2-148.2
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• 2005

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.39 no.12
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• pp.1229-1235
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• 2015

Scaffold fabrication technology using a 3D printer was developed for damaged bone tissue regeneration. A scaffold for bone tissue regeneration application should be biocompatible, biodegradable, and have an adequate mechanical strength. Moreover, the scaffold should have pores of satisfactory quantity and interconnection. In this study, we used the polymer deposition system (PDS) based on fused deposition modeling (FDM) to fabricate a 3D scaffold. The materials used were polycaprolactone (PCL) and alginic acid sodium salt (sodium alginate, SA). The salt-leaching method was used to fabricate dual pores on the 3D scaffold. The 3D scaffold with dual pores was observed using SEM-EDS (scanning electron microscope-energy dispersive spectroscopy) and evaluated through in-vitro tests using MG63 cells.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2009.05a
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• pp.46.1-46.1
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• 2009

우리 몸의 뼈를 재료적인 측면으로 보면, 주로 나노 크기의 콜라겐과 아파타이트로 이루어 져 있는 복합체이다. 때문에 최근 생체 모사적인 측면에서 나노 크기의 생체 활성 재료를 이용하여 골 재생 촉진이 우수한 지지체를 제작하고자 하는 많은 연구 들이 진행되고 있다. 이러한 나노 크기의 재료는 일반적인 마이크로 크기의 생체 재료에 비해 표면적이 월등히 크기 때문에 생체 활성 (bioactivity)이 우수하다고 알려져 있으며, 이를 골 재생용 지지체의 구성 재료로 사용하였을 경우 기계적 강도 또한 향상 시킬 수 있다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 나노 크기의 HA, CaSiO3 등 다양한 나노 생체 활성 입자들을 침전법 (precipitation method)을 통하여 제조하였으며, 이를 이용하여 골 재생 촉진을 위한 3차원 지지체를 제조 하였다. 또한 기존의 마이크로 크기의 생체 재료로 제작된 지지체와의 생물학적, 기계학적 비교 평가를 통하여 나노크기의 재료의 우수성을 입증하고자 하였다. 결론적으로, 나노 크기의 재료로 제작된 골 재생용 지지체의 경우 기존의 마이크로 크기의 재료로 제작된 지지체보다 골세포의 부착, 증식 및 분화능이 우수하였고, 지지체의 기계적 강도 또한 향상됨을 알 수 있었다. 이를 통하여 나노 크기의 생체 활성재료는 골 재생 촉진을 위한 지지체 제작에 응용 가능성이 높음을 확인 할 수 있었다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.40 no.10
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• pp.865-871
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• 2016

In recent years, traditional scaffold fabrication techniques such as gas foaming, salt leaching, sponge replica, and freeze casting in tissue engineering have significantly limited sufficient mechanical property and cell interaction effect due to only random pores. Fused deposition modeling is the most apposite technology for fabricating the 3D scaffolds using the polymeric materials in tissue engineering application. In this study, 3D slurry mould was fabricated with a blended biphasic calcium phosphate (BCP)/Silica/Alginic acid sodium salt slurry in PCL mould and heated for two hours at $100^{\circ}C$ to harden the blended slurry. 3D dual-pore BCP/Silica scaffold, composed of macro pores interconnected with micro pores, was successfully fabricated by sintering at furnace of $1100^{\circ}C$. Surface morphology and 3D shape of dual-pore BCP/Silica scaffold from scanning electron microscopy were observed. Also, the mechanical properties of 3D BCP/Silica scaffold, according to blending ratio of alginic acid sodium salt, were evaluated through compression test.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.35 no.11
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• pp.1237-1242
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• 2011

Calcium phosphates are very interesting materials for use as scaffolds for bone tissue engineering. These materials include hydroxyapatite (HA) and tricalcium phosphate (TCP), which are inorganic components of human bone tissue and are both biocompatible and osteoconductive. Although these materials have excellent properties for use as bone scaffolds, many researchers have used these materials as additives to synthetic polymer scaffolds for bone tissue regeneration, because they are difficult to manufacture three-dimensional (3D) scaffolds. In this study, we fabricated 3D calcium phosphate scaffolds with the desired inner and outer architectures using solid freeform fabrication technology. To fabricate the scaffold, the sintering behavior was evaluated for various sintering temperatures and slurry concentrations. After the fabrication of the calcium phosphate scaffolds, in-vitro cell proliferation and osteogenic differentiation tests were carried out.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.38 no.10
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• pp.817-829
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• 2014

One of the main issues in tissue engineering has been the development of a three-dimensional (3D) structure, which is a temporary template that provides the structural support and microenvironment necessary for cell growth and differentiation into the target tissue. In tissue engineering, various biomaterials and their processing techniques have been applied for the fabrication of 3D structures. In particular, 3D printing technology enables the fabrication of a complex inner/outer architecture using a computer-aided design and manufacturing (CAD/CAM) system, and it has been widely applied to the fabrication of 3D structures for tissue engineering. Novel cell/organ printing techniques based on 3D printing have also been developed for the fabrication of a biomimetic structure with various cells and biomaterials. This paper presents a comprehensive review of the functional scaffold and cell-printed structures based on 3D printing technology and the application of this technology to various kinds of tissues regeneration.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2009.05a
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• pp.49.1-49.1
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• 2009

최근 손상된 생체조직의 재생 또는 대체를 위하여 다공성의 지지체(scaffold)를 이용하는 연구가 활발히 이루어져 왔다. 지지체 재료는 조직 재생을 목적으로 하는 경우에는 생분해성 고분자, 생흡수성 세라믹스 또는 이들의 복합재료가 사용되고, 조직 대체를 목적으로 하는 경우에는 금속 또는 세라믹스 재료가 단독으로 사용된다. 현재 경조직 대체를 위한 임플란트 재료로 사용되고 있는 금속재료 중 대부분이 타이타늄 또는 타이타늄 합금이다. 타이타늄은 비강도, 내식성이 우수하며, 생체 내 환경에서 부동태피막 재생 속도가 빠르고, 섬유상 결체조직 형성 두께가 얇아 생체의료용 소재로서 각광을 받고 있다. 다공성 타이타늄은 기존 타이타늄 소재의 장점에 다공체의 구조적인 특성을 부가하여 하중을 받는 골 결손부에 사용될 경우 뼈와의 탄성계수 차이에서 기인하는 응력차폐(stress shielding) 효과를 최소화할 수 있고, 다공체 내부로 골조직 성장을 유도할 수 있어 지지체와 골조직이 일체화되는 골융합 효과의 극대화를 기대할 수 있다. 본 연구에서는 기공 구조를 다양하게 제어할 수 있고, 3차원적 연결 기공구조를 만들 수 있는 적층조형(layer manufacturing) 기술을 이용하여 3차원 다공성 타이타늄 지지체를 제조하였으며, 이에 대한 세포독성, 조골세포 증식능 등 in vitro 생체적합성을 평가하고, Rat model 을 이용한 in vivo 생체적합성을 평가하였다. 또한 지지체의 골조직 재생 유도성의 증대를 위한 생체활성처리 영향도 분석 평가하였다.

• Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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• v.17 no.2
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• pp.58-65
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• 2016

This study was a preparatory experiment aimed the development of membrane scaffolds for tissue engineering. A PCL composite solution contained sodium chloride(NaCl). PCL porous membrane scaffolds were formed on a glass casting plate using a film applicator and immersed in distilled water to remove the NaCl reaching after drying. NaCl was used as a pore former for a 3 dimensional pore net-work. The dry condition parameters were $4^{\circ}C$, room temperature (RT) and $40^{\circ}C$ for each different temperatures in the drying experiment. SEM revealed the morphology of the pores in the membrane after drying and evaluated the in vitro cytotoxicity for basic bio-compatibility. The macro and micro pores existed together in the scaffold and showed a 3-dimensional pore net-working morphology at RT. The in vitro cytotoxicity test result was "grade 2" in accordance with the criterion for cytotoxicity by ISO 10993-5. The dry condition affected the formation of a 3 dimensional pore network and micro and macro pores. Therefore, these results are expected provide the basic process for the development of porous membrane scaffolds to control degradation and allow drug delivery.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2009.05a
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• pp.46.2-46.2
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• 2009

In vitro 상에서 골조직을 원활하게 재생하기 위해서는 3차원 지지체를 이용한 세포 배양과 세포 배양 시 세포의 형태와 기능을 유지/향상시키기 위한 인체 내 미세 환경 재현은 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 뼈 성분과 유사한 생체 활성 물질인 hydroxyapatite (HA)와 생분해성 고분자인 poly $\varepsilon$-caprolactone (PCL)를 복합재료로 이용하여 내부 연결성이 우수한 골조직 재생용 3차원 지지체를 제작하였으며, 골 재생 능력 향상을 위하여 인체내 골조직의 기계적 미세 환경을 체외에서 구현한 새로운 형태의 perfusion bioreactor system을 개발/적용하였다. 또한 본 연구에서 개발된 perfusion bioreactor system의 생물학적 평가를 위해 MG63 (osteoblast like cell, 한국 세포주 은행)과 New Zealand White Rabbit에서 분리한 중간엽 줄기세포를 골조직 재생용 3차원 지지체에 파종하였다. 48시간 동안 안정화 후 perfusion bioreactor system을 이용하여 기계적 자극을 파종된 세포에 인가하였으며, 배양 기간 동안 세포의 증식 확인 및 형태학적 관찰을 실시하였다. 본 연구 결과, perfusion bioreactor system을 이용하여 기계적 자극을 인가한 실험군에서 세포의 증식 및 활성도가 대조군에 비해 우수함을 확인 할 수 있었다. 따라서, perfusion bioreactor를 이용한 세포 배양은 세포의 활성 향상 및 골조직 재생에 도움이 될 것으로 사료된다. 차후 perfusion bioreactor를 이용한 다양한 패턴의 자극이 골재생 능력 및 중간엽 줄기세포의 골 분화능에 미치는 영향에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.