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KR102234887B1 - Substrate For Cell Culture - Google Patents

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KR102234887B1
KR102234887B1 KR1020130043771A KR20130043771A KR102234887B1 KR 102234887 B1 KR102234887 B1 KR 102234887B1 KR 1020130043771 A KR1020130043771 A KR 1020130043771A KR 20130043771 A KR20130043771 A KR 20130043771A KR 102234887 B1 KR102234887 B1 KR 102234887B1
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Abstract

본 발명의 세포배양 기판은, 3차원적 세포 배양 환경을 효과적으로 제공하기 위해 중요하게 고려되어야 할 몇 가지 관점을 만족시키는 미세구조를 갖는다. 이러한 미세구조는 꽃 유사 형상의 3차원 미소 펠렛 형태로 세포 배양 및 응집이 일어나며, 세포 배양시 탈분화를 억제하고 재분화를 촉진하고, 세포 골격 구조의 발달을 억제하며, 세포의 유동성 및 이동성을 증가시킨다. The cell culture substrate of the present invention has a microstructure that satisfies several aspects that are important to be considered in order to effectively provide a three-dimensional cell culture environment. These microstructures are in the form of flower-like three-dimensional micropellets, where cell culture and aggregation occur, inhibit dedifferentiation and promote re-differentiation during cell culture, inhibit the development of cytoskeletal structures, and increase cell fluidity and mobility. .

Description

세포배양 기판{Substrate For Cell Culture}Cell Culture Substrate {Substrate For Cell Culture}

본 발명은 세포 배양 특성이 우수한 미세구조를 갖는 세포배양 기판에 관한 것이다.
The present invention relates to a cell culture substrate having a microstructure excellent in cell culture characteristics.

의료기술 및 생명공학 기술이 급속히 발전되면서 세포수준에서 생명활동을 관찰하고 특성을 부여하는 기술인 세포공학에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 최근의 세포공학관련 기술은 기초적인 배지조성 조절 및 약물처리를 통한 연구 단계에서 세포가 흡착하고 성장하는 지지체에 특수한 기능을 부여하는 단계로 변화되고 있다. 지지체에 대한 연구 방향은 기존의 세포의 흡착 및 증식을 돕도록 이온성 물질 및 생체 유래 물질을 플라스틱이나 무기물에 코팅하는 방법에서 미세 가공기술을 통해 지지체 표면에 미세구조를 형성시키고 이를 통해 세포의 특성을 조절하는 방법으로 빠르게 발전되고 있다.With the rapid development of medical technology and biotechnology, research on cell engineering, a technology that observes and characterizes life activities at the cellular level, is being actively conducted. In recent years, cell engineering-related technologies are changing from the stage of research through basic medium composition control and drug treatment to the stage of imparting special functions to the support on which cells are adsorbed and grown. The direction of research on the scaffold is from the method of coating ionic and bio-derived materials on plastics or inorganic materials to aid in the adsorption and proliferation of existing cells, to form microstructures on the surface of the scaffold through microprocessing technology, and thereby the characteristics of cells. It is rapidly evolving as a way to regulate it.

세포의 생존을 위해서는 세포막을 통한 물질의 수송 및 세포막에 부유상태로 존재하는 막 단백질을 통한 신호전달이 필요하며, 지지체 표면의 미세구조는 이러한 세포막을 원하는 형태로 변형시켜 세포의 흡착 및 증식, 분화 특성을 조절하는 방법으로 이용이 가능하다. 이미 미세구조에 의해 세포의 흡착 및 증식을 조절하는 연구들이 2000년 중반 이후로 급속히 보고되고 있으며, 이러한 특성 조절이 기존의 약물과 병행하여 적용됨으로써 기존의 세포공학적인 한계점들을 해결할 수 있을 것으로 예견되어진다.For the survival of cells, transport of substances through cell membranes and signal transmission through membrane proteins that are suspended in cell membranes are required, and the microstructure on the surface of the scaffold transforms these cell membranes into a desired shape to allow adsorption, proliferation, and differentiation of cells. It can be used as a way to adjust its properties. Already, studies that control the adsorption and proliferation of cells by microstructures have been reported rapidly since the mid-2000s, and it is predicted that the limitations of existing cell engineering can be solved by applying these characteristics control in parallel with existing drugs. Lose.

세포 배양을 위한 미세구조 지지체의 제조방법은 3가지 방법이 널리 이용되며 다음과 같은 특징을 지닌다.Three methods are widely used for manufacturing a microstructure scaffold for cell culture, and have the following characteristics.

1) Photo-lithography method : 기존 반도체 제조공정을 이용하여 원하는 형태로 최소 10 ~ 100 nm 수준의 선폭을 지니는 기판을 제작한다. 보통 수 μm 면적의 소형기판의 제작만이 가능하며, 높은 제조비용으로 인하여 세포 특성연구 분야에 제한적으로 사용된다. 1) Photo-lithography method: A substrate with a line width of at least 10 ~ 100 nm in a desired shape is manufactured using the existing semiconductor manufacturing process. Usually, it is only possible to manufacture a small substrate with an area of several μm, and it is limitedly used in the field of cell characterization due to its high manufacturing cost.

2) Particle-coating method 2) Particle-coating method

: 수십 ~ 수백 nm의 구형 파티클을 기판위에 코팅하여 파티클에 의한 불규칙적인 구조를 가지는 기판을 제작한다. 스핀코팅 방법 등을 통해 ~ 15 cm 직경의 대형 기판 제작이 가능하고, 제조비용이 저렴하여 가장 상업적인 응용이 가능하다. 하지만 불규칙적인 구조를 지니며, 기판의 균일도 및 재현성이 떨어지는 문제가 있다.
: Fabricate a substrate having an irregular structure by particles by coating spherical particles of tens to hundreds of nm on the substrate. It is possible to manufacture a large substrate with a diameter of ~ 15 cm through spin coating, etc., and the most commercial application is possible because the manufacturing cost is inexpensive. However, it has an irregular structure, and there is a problem in that the uniformity and reproducibility of the substrate are poor.

3) Etching method 3) Etching method

: 금속 표면을 전해질용액 상에서 전기를 흘려주어 산화된 금속 표면에 규칙적인 pore를 형성한다. 전압이나 전해질의 조성을 조절하여 다양한 크기의 pore를 제작할 수 있으나, pore의 직경이 증가할수록 세포가 흡착될 수 있는 면적이 급격히 감소되어 지지체로 사용이 어려워진다. 직경 조절 이외의 원하는 형태로의 구조형성은 불가능 하며, 제조비용은 저렴하다.
: Regular pores are formed on the oxidized metal surface by passing electricity to the metal surface in the electrolyte solution. Various sizes of pores can be manufactured by controlling the voltage or the composition of the electrolyte, but as the diameter of the pore increases, the area in which cells can be adsorbed rapidly decreases, making it difficult to use as a support. It is impossible to form a structure in a desired shape other than adjusting the diameter, and the manufacturing cost is low.

[특허문헌][Patent Literature]

한국특허공개 2011-0094753
Korean Patent Publication 2011-0094753

종래의 단층배양환경의 세포 배양 기판은 세포배양 중 세포가 빠르게 고유 특성을 상실하는 탈분화 현상 및 줄기세포를 원하는 형태로 분화시키기 어렵다는 한계를 가지고 있다. 이는 생체내 환경과 상이한 배양 환경에서 세포를 배양하기 때문에 나타나는 문제점들로 판단되어 진다. 세포 부착면이 매끈한 평면을 가지는 특징으로 인해 수십 nm 수준의 복잡한 구조 및 3차원적 환경을 가지고 있는 생체 내 세포들과 달리 매끈한 평면 기판상에서 세포들의 골격 구조가 발달되고 이로 인해 세포의 유동성 및 이동성 저하를 비롯한 세포간 상호작용이 감소하는 결과가 나타난다. Cell culture substrates in a conventional monolayer culture environment have limitations in that cells rapidly lose their intrinsic characteristics during cell culture and that it is difficult to differentiate stem cells into a desired shape. This is considered to be a problem that appears because cells are cultured in a culture environment different from the in vivo environment. Due to the characteristic that the cell adhesion surface has a smooth plane, the skeletal structure of cells is developed on a smooth flat substrate, unlike cells in vivo that have a complex structure and a three-dimensional environment at the level of tens of nm, thereby reducing the fluidity and mobility of the cells. This results in a decrease in cell-cell interactions including.

본 발명은 상기의 문제점을 개선할 수 있는, 세포 배양시 세포 고유특성을 유지하거나 또는 원하는 방향으로 세포의 분화를 촉진하는 특징을 가지도록 단층배양 환경에서 세포간 상호작용을 강화시키는 미세구조의 세포 배양 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention is a microstructured cell that enhances the interaction between cells in a monolayer culture environment so as to maintain cell-specific characteristics during cell culture or promote cell differentiation in a desired direction, which can improve the above problems. It is an object of the present invention to provide a culture substrate.

세포의 성장 및 분화에 있어서 세포는 수십 nm 이하의 단백질 및 세포막 구조를 통해서 주변 환경을 인식하고 그에 맞추어 자신의 상태를 결정하게 된다. 세포 배양시 탈분화를 억제하고 재분화를 촉진하기 위해서, 세포들이 서로 접촉할 수 있는 3차원적 환경을 제공하는 것이 중요하다.
In cell growth and differentiation, cells recognize their surrounding environment through proteins and cell membrane structures of several tens of nm or less and determine their state accordingly. In order to inhibit dedifferentiation and promote re-differentiation during cell culture, it is important to provide a three-dimensional environment in which cells can contact each other.

3차원적 환경을 제공하기 위한 방법으로서, 기판 표면에 미세입자를 도포함으로써 미세구조를 도입하는 것을 고려하였다. 이에 대해 연구하던 중 몇 가지 인자들이 세포 배양에 있어 중요하게 작용할 수 있음을 발견하였다(본 명세서에서의 "미세"란 용어는 나노 크기부터 마이크로 크기 범위내 인 것을 의미한다).As a method for providing a three-dimensional environment, it was considered to introduce a microstructure by applying microparticles to the surface of the substrate. While studying this, it was discovered that several factors can play an important role in cell culture (the term "fine" in the present specification means that it is in the range of nano-sized to micro-sized).

본 발명에서는 도면 1a와 1b에서 보여주는 육방의 벌집구조로 높낮이 단차를 가지는 구조체가 배열됨에 따라서 나타나는 전방향에 대한 반복적인 높낮이 단차형성과 부드러운 곡면 및 사면구조로 인해 세포막이 구조체 사이로 부착될 수 있는 형태가 바람직하다. 기존의 photo lithography를 이용한 패턴된 식각방법 및 전기산화방식을 통해 제작된 틀을 이용한 방식은 경사도가 큰 사면 및 경계면이 제작되어 세포가 구조체 사이로 부착되기 어려우며, 도 1b의 상단그림과 같이 구조체 상단부에만 부착이 집중되어 선형의 골격구조가 형성되게 된다. 하지만, 구형 입자를 이용하여 제작되는 구조체들은 낮은 경사각의 연속적인 곡면 또는 사면구조를 가지게 되면서 상단부의 면적은 적으면서도, 도 1b의 하단과 같이 단위면적 대비 넓은 면적의 부착이 이루어 지게되어 선형 골격구조(stress fiber)가 발달하지 않게 된다. 이러한 선형 골격 구조의 저해는 부착된 세포가 기판상에서 이동하면서 주변 세포와 뭉쳐지게되는 특성을 가져오게 된다. 개별적인 세포들이 기판 전 면적에서 이러한 이동을 하면서 수많은 작은 면적의 미소 세포 펠렛(pellet)들을 만들게 된다. 이러한 미소 세포 펠렛들은 이웃한 세포들간의 상호작용을 강화 시키면서도, 펠렛 외각에 위치한 세포들을 통해 증식은 지속되는 매우 특수한 특성을 지닌다. 미세구조를 통해 수많은 미세 세포 펠렛을 형성되게 함으로써, 생체내 환경과 유사하게 세포의 상호작용이 강화되어 기존 평탄한 구조의 기판 또는 본 발명에서 제안하는 것과는 다른 구조를 지니는 미세구조의 기판에서는 얻을 수 없었던 연골세포의 재분화 및 줄기세포를 연골세포로 분화 시키는 결과를 얻을 수 있었다.
In the present invention, a structure in which a structure having a height difference is arranged in a hexagonal honeycomb structure shown in Figs. 1a and 1b, and thus a cell membrane can be attached between the structures due to the formation of repetitive height difference in all directions and a smooth curved surface and slope structure. Is preferred. In the patterned etching method using the conventional photolithography and the method using the frame manufactured through the electrooxidation method, slopes and interfaces with high inclination are produced, making it difficult for cells to adhere between the structures, and only at the upper part of the structure as shown in the upper figure of FIG. 1B. The adhesion is concentrated and a linear skeletal structure is formed. However, structures manufactured using spherical particles have a continuous curved or sloped structure with a low inclination angle, and while the area of the upper part is small, as shown in the lower part of Fig. 1b, a large area compared to the unit area is attached, so that the linear skeletal structure (stress fiber) does not develop. Inhibition of such a linear skeletal structure brings about a characteristic that adhered cells move on a substrate and aggregate with surrounding cells. As individual cells perform this movement over the entire area of the substrate, numerous small-area micro-cell pellets are produced. These microcell pellets have a very specific characteristic that while enhancing the interaction between neighboring cells, they continue to proliferate through cells located outside the pellet. By allowing numerous micro-cell pellets to be formed through the microstructure, the interaction of cells is enhanced similar to the in vivo environment, which could not be obtained on a substrate having a conventional flat structure or a substrate having a structure different from that proposed in the present invention. The results of re-differentiating chondrocytes and differentiating stem cells into chondrocytes were obtained.

본 발명에서, 상기 3차원적 미소 펠렛 이란 대체로 수십 ㎛ ~ 수 mm의 크기로 세포들이 3차원적으로 뭉쳐서 배양되는 형태를 의미한다. 이러한 3차원적 미소 펠렛이 자라면서 인접 미소 펠렛과 접하게 되고 함께 응집되는 과정을 거치면서 세포가 배양되게 된다.In the present invention, the three-dimensional micropellet refers to a form in which cells are three-dimensionally aggregated and cultured in a size of several tens of µm to several mm. As these three-dimensional micro-pellets grow, they come into contact with adjacent micro-pellets, and the cells are cultured through the process of aggregation together.

상기 3차원적 미소 펠렛은 초반에 꽃 유사 형상을 나타낼 수 있다. 꽃 유사 형상이란 중앙에 세포들이 응집되어 있는 코어 영역을 주변 세포들이 삐죽한 형태로 둘러싼 형상을 의미한다. 이러한 형태가 나타나는 이유는 본 발명의 미세구조 특성상 내부 골격 구조의 발달이 억제되고, 세포의 유동성이 증가되어 세포가 뭉쳐지는 특성이 나타나기 때문이다.
The three-dimensional micro-pellets may initially exhibit a flower-like shape. The flower-like shape means a shape in which the surrounding cells surround the core area where cells are aggregated in the center. The reason for the appearance of this form is that the development of the internal skeletal structure is suppressed due to the microstructure of the present invention, the fluidity of the cell is increased, and the cell is aggregated.

본 발명의 세포배양기판의 표면 구조에서 연골세포가 배양되는 경우, 세포 배양 속도는 평탄한 기판에 비하여 떨어지는 면이 있다. 이는 연골세포가 안정적인 내부 골격구조를 이루지 못하여, 세포간 응집체가 이루어진 후 증식이 시작되기 때문인 것으로 예상된다. 그러나 탈분화된 연골세포가 평탄한 2차원 배양기판인 TCPS 기판과 달리 연골세포로 재분화되며, 이를 통해 더 많은 차례의 계대배양을 더 진행할 수 있다. 이러한 특징으로 배양시간이나 계대배양 횟수를 늘림으로써 최종적으로 더욱 많은 유효 세포수를 얻을 수 있다.
When chondrocytes are cultured in the surface structure of the cell culture substrate of the present invention, the cell culture rate is lower than that of a flat substrate. This is expected to be due to the fact that the chondrocytes do not form a stable internal skeletal structure, and proliferation begins after the formation of intercellular aggregates. However, unlike the TCPS substrate, which is a flat two-dimensional culture substrate, the dedifferentiated chondrocytes are re-differentiated into chondrocytes, and through this, more passages can be performed. With this characteristic, it is possible to obtain a more effective number of cells finally by increasing the culture time or the number of subcultures.

일례로, 탈분화가 진행중인 연골세포를 배양하는 경우 콜라겐 type 2의 mRNA 발현값(연골세포 마커임)이 TCPS 기판과는 비교할 수 없을 정도로 우수한 것을 확인할 수 있다. 이는 3차원적 구조의 세포 배양시 분화 특성이 우수한 다른 세포의 경우에도 마찬가지로 적용된다. 일례로 중간엽 줄기세포 (mesenchymal stem cell, MSC), 근육 유래 줄기세포 등을 들 수 있다.
For example, when culturing chondrocytes undergoing dedifferentiation, it can be confirmed that the mRNA expression value of collagen type 2 (which is a chondrocyte marker) is superior to that of the TCPS substrate. This also applies to other cells that have excellent differentiation characteristics when culturing cells having a three-dimensional structure. Examples include mesenchymal stem cells (MSC) and muscle-derived stem cells.

본 발명의 세포 배양기판의 미세구조는 연골세포 배양 테스트시 콜라겐 type 2의 mRNA 발현값이 초기 계대 단계 세포 (passage 0 ~1) 대비 30% 이상을 제공할 수 있다. 미세입자의 입경에 따라서는 콜라겐 type 2의 mRNA 발현값이 배양 초기 대비 70% 이상, 많기로는 100% 이상의 제공도 가능하다. The microstructure of the cell culture substrate of the present invention can provide more than 30% of the mRNA expression value of collagen type 2 compared to cells in the early passage stage (passage 0 ~ 1) during a chondrocyte culture test. It is also possible to provide the mRNA expression value of collagen type 2 more than 70% compared to the initial stage of culture, and more than 100%.

본 발명은 세포간 상호작용을 효과적으로 강화시키는 세포 응집을 유도하기에 적합한 미세구조의 세포배양기판의 구조를 제안하는데 목적이 있다. 다양한 제조예 및 실시예를 통해 대면적상 제작된 기판에서 효과적으로 연골세포 및 줄기세포등의 다양한 분화특성 조절을 관찰 하였으며, 그로인해 얻어진 결과가 기존 방법들에 비하여 우수한 결과를 나타냈다. 특히, 모든 결과들이 일반적인 세포배양 환경 (배지, 온도, pH등)에서 이루어졌으며, 약물 및 특별한 장비가 필요하지 않은 일반적 페트리 디쉬를 이용한 단층 배양환경 상에서 적용 가능한 기술이다.
An object of the present invention is to propose a structure of a microstructured cell culture substrate suitable for inducing cell aggregation that effectively enhances cell-cell interactions. Through various preparation examples and examples, it was observed that various differentiation characteristics such as chondrocytes and stem cells were effectively controlled on a large-area-fabricated substrate, and the results obtained therefrom showed superior results compared to conventional methods. In particular, all the results were made in a general cell culture environment (medium, temperature, pH, etc.), and it is a technology applicable in a monolayer culture environment using a general Petri dish that does not require drugs or special equipment.

미세구조 기판은 유리재질인 실리카 성분을 포함하여 폴리스티렌 재질일 수 있으며, 다른 세포상 배양이 가능한 다양한 재료로 제작이 가능하다. 면적이 50 ~ 10,000㎠ 인 대면적일 수 있다. 또한, 필요에 의해서 미세구조가 형성된 세포 배양기판은 별도로 유기 분자, 생체 유래 물질, 또는 폴리머로 표면처리될 수 있다. 이 경우에도 세포의 응집이 유도되는 3차원적 배양이 이루어질 수 있다. 구체적으로, 아민 화합물, 하이드록시 화합물, 카르복실 화합물, 티올 화합물, 콜라겐, 피브로넥틴, 펩타이드, 또는 Poly-L-Lysine 등으로 표면 처리가 가능하다. 또한, 미세 박막상에 세포 배양시 표면 친수성을 증가시키기 위해 UV/Ozone 및 플라즈마를 통한 산화 처리도 가능하며, 추가적으로 생체 고분자 및 전하성 고분자등을 이용한 다양한 표면처리도 가능하다. 다양한 표면 처리는 기판 표면과 세포와의 상호작용에 영향을 주어서 다양한 세포의 성장 및 분화 방향을 제어할 수 있다. 예를 들어, 기판과 강한 결합을 유도하는 물질을 코팅하거나 특정한 분화 유도 물질을 코팅하여 일반적인 평탄한 기판에서는 나타날 수 없는 방향으로 세포의 성장 및 분화를 유도할 수 있을 것으로 기대된다.
The microstructure substrate may be made of polystyrene including a silica component, which is a glass material, and may be made of various materials capable of culturing on other cells. It can be a large area with an area of 50 ~ 10,000 ㎠. In addition, the cell culture substrate having a microstructure formed thereon may be separately surface-treated with an organic molecule, a bio-derived material, or a polymer. Even in this case, a three-dimensional culture in which cell aggregation is induced can be performed. Specifically, surface treatment may be performed with an amine compound, a hydroxy compound, a carboxyl compound, a thiol compound, collagen, fibronectin, a peptide, or Poly-L-Lysine. In addition, oxidation treatment through UV/Ozone and plasma is also possible in order to increase surface hydrophilicity when culturing cells on a fine thin film, and various surface treatments using biopolymers and chargeable polymers are also possible. Various surface treatments can influence the interaction between the substrate surface and the cells, thereby controlling the growth and differentiation directions of various cells. For example, it is expected that by coating a material that induces strong bonding with a substrate or by coating a specific differentiation-inducing material to induce growth and differentiation of cells in a direction that cannot appear in a general flat substrate.

본 발명의 실시예에 따른 세포 배양기판은, 양각의 구조체 중 80% 이상이 규칙적으로 배치되어 존재하는 표면 구조를 갖는 세포 배양기판으로서, 상기 양각의 구조체의 높이를 b라 하고, 구조체의 밑면의 길이를 2a라고 할 때(단, 상기 양각의 구조체가 바닥면에서 멀어질 때 횡단면의 면적이 증가하는 구간이 있는 형상인 경우, 상기 밑면은 횡단면의 면적이 최대인 위치를 의미하고, 상기 높이는 횡단면 면적이 최대인 위치와 구조체 최상부와의 거리를 의미), 0.25a < b < 1.5a를 만족하는 세포 배양기판인 것이 좋다. 양각의 구조체는 규칙적일수록 세포 배양의 균일성, 재현성 등이 우수하여 바람직하다. 실질적으로 양각 구조체 전체가 규칙적으로 배열되는 것이 좋으며, 바람직하기로는 전체 양각 구조체들 중 80% 이상이 규칙적으로 배치되는 것이 좋다.A cell culture substrate according to an embodiment of the present invention is a cell culture substrate having a surface structure in which 80% or more of the embossed structures are regularly arranged, and the height of the embossed structures is b, and When the length is 2a (however, if there is a section in which the area of the cross section increases when the embossed structure is away from the floor surface, the bottom surface means the position where the area of the cross section is the largest, and the height is the cross section. It means the distance between the location where the area is the largest and the top of the structure), and a cell culture substrate that satisfies 0.25a <b <1.5a is preferable. The more regular the embossed structure is, the more excellent the uniformity and reproducibility of cell culture is, and thus it is preferable. It is preferable that substantially all of the relief structures are regularly arranged, and preferably, at least 80% of the entire relief structures are regularly arranged.

b의 값이 상기 범위 미만인 경우에는 미세 나노구조의 효과를 얻기가 어려울 수 있으며, b의 값이 상기 범위를 초과하는 경우 양각 구조체의 경사도가 커서 세포가 구조체 사이로 부착되기 어려우며, 구조체 상단부에만 부착이 집중되어 선형의 골격구조가 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는, 0.5a < b < 1.3a, 특히 0.8a < b < 1.2a를 만족하는 것이 좋다. If the value of b is less than the above range, it may be difficult to obtain the effect of the fine nanostructure.If the value of b exceeds the above range, the inclination of the embossed structure is large, making it difficult for cells to adhere between the structures, and adhesion only to the upper part of the structure. It can be concentrated to form a linear skeletal structure. More preferably, it is good to satisfy 0.5a<b<1.3a, especially 0.8a<b<1.2a.

상기 양각 구조체는 다양한 모양으로 제작될 수 있으며, 측단면의 형상이, 구형, 반구형, 타원형, 반타원형, 사다리꼴, 계단형, 삼각형 중 어느 하나일 수 있다. 상기 규칙적인 양각 구조체는 정렬된 구형입자로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 규칙적인 양각 구조체는 세포 배양기판의 기재와 일체형으로 몰드로 제작될 수 있다.
The embossed structure may be manufactured in various shapes, and the shape of the side cross section may be any one of a spherical shape, a hemispherical shape, an oval shape, a semi-ellipse shape, a trapezoid shape, a step shape, and a triangle shape. The regular relief structure may be made of aligned spherical particles. In addition, the regular relief structure may be made into a mold integrally with the substrate of the cell culture substrate.

세포 배양기판의 표면에서 상기 양각의 구조체가 차지하는 면적이 전체 면적의 40% 이상, 특히 49% 이상을 차지하는 것이 좋다. 그 미만의 경우에는 평면 면적이 증가하여 세포 골격이 발달할 수 있다. 더욱 좋기로는 세포 배양기판의 표면에서 상기 양각의 구조체가 차지하는 면적이 전체 면적의 70% 이상, 특히 80% 이상을 차지하는 것이 좋다.
It is preferable that the area occupied by the embossed structure on the surface of the cell culture substrate occupies 40% or more, particularly 49% or more of the total area. If it is less than that, the planar area increases and the cytoskeleton may develop. More preferably, the area occupied by the embossed structure on the surface of the cell culture substrate is preferably at least 70%, particularly at least 80% of the total area.

한편, 세포 배양기판의 표면 구조는, 200 nm ~ 2 um 이내의 간격으로 170 nm ~ 1 um의 반복적인 높낮이 단차로 인해 선형의 세포골격구조 형성이 억제되도록 하는 것이 좋다. On the other hand, the surface structure of the cell culture substrate is preferably to suppress the formation of a linear cytoskeletal structure due to repetitive height differences of 170 nm to 1 um at intervals within 200 nm to 2 um.

특히, 2 um × 2 um의 단위면적으로 세포 배양기판을 가상으로 영역 분할할 때, 평탄면을 이루는 단위면적이 단위면적 개수 기준으로 10% 미만, 보다 좋기로는 5% 미만, 더욱 좋기로는 존재하지 않는 것이 좋다. 이로부터 세포 골격구조의 형성이 억제될 수 있으며, 탈분화 효과 등 세포 배양 특성이 우수해질 수 있다.In particular, when the cell culture substrate is virtually divided into a unit area of 2 um × 2 um, the unit area forming the flat surface is less than 10%, more preferably less than 5%, more preferably less than 5% based on the number of unit areas. It is better not to exist. From this, the formation of a cytoskeletal structure can be suppressed, and cell culture characteristics such as a dedifferentiation effect can be excellent.

또한, 2 um × 0.1 um의 단위면적으로 세포 배양기판을 분할할 때, 평탄면을 이루는 단위면적이 단위면적 개수 기준으로 20% 미만, 좋기로는 10% 미만, 보다 좋기로는 5% 미만, 더욱 좋기로는 존재하지 않는 것이 좋다. 이로부터 세포 골격구조의 형성이 억제될 수 있으며, 탈분화 효과 등 세포 배양 특성이 우수해질 수 있다.
In addition, when dividing the cell culture substrate into a unit area of 2 um × 0.1 um, the unit area forming the flat surface is less than 20%, preferably less than 10%, more preferably less than 5%, based on the number of unit areas. Even better, it's better not to exist. From this, the formation of a cytoskeletal structure can be suppressed, and cell culture characteristics such as a dedifferentiation effect can be excellent.

한편, 상기 양각 구조체의 존재로 인해 얻어지는 세포 배양기판 표면 특성이 다음을 만족하는 세포 배양기판인 것이 좋다.On the other hand, it is preferable that the surface characteristics of the cell culture substrate obtained due to the presence of the embossed structure satisfy the following.

Rq ≤0.26bRq ≤0.26b

(여기서, Rq는 표면 거칠기(Surface Roughness)이며, b는 높이를 나타낸다.) 상기 양각 구조체의 높이 b는 50nm ~ 10㎛의 범위일 수 있으며, 특히 양각 구조체의 높이 b는 150nm ~ 3㎛의 범위일 수 있다. 표면 거칠기(Surface Roughness)는 제한되지 않으나 25nm ~ 1000nm일 수 있다. 상기의 범위내에서 세포 골격구조의 형성이 억제될 수 있으며, 탈분화 효과 등 세포 배양 특성이 우수해질 수 있다.
(Here, Rq is the surface roughness (Surface Roughness), b represents the height.) The height b of the relief structure may be in the range of 50nm ~ 10㎛, in particular, the height b of the relief structure is in the range of 150nm ~ 3㎛ Can be The surface roughness is not limited, but may be 25nm to 1000nm. Within the above range, the formation of a cytoskeleton structure may be suppressed, and cell culture characteristics such as a dedifferentiation effect may be excellent.

또한, 상기 양각 구조체들은 서로 상하로 중첩되지 않거나 서로 상하로 중첩된 양각 구조체가 2% 미만으로 존재하는 것이 좋다.
In addition, it is preferable that the embossed structures do not overlap each other up and down, or less than 2% of the embossed structures overlap each other up and down.

기존의 TCPS 기판과 대비할 때 본 발명의 실시예에 따른 세포 배양기판은 다음과 같은 차이점을 가질 수 있다. 즉, 다수의 3차원적 미소 펠렛(pellet)이 형성되면서 세포가 배양되는 특성을 가질 수 있다. 상기 3차원적 미소 펠렛은 초기에 꽃 유사 형상을 가지며, 초기 세포 증식 속도는 늦고, 재분화 또는 분화율이 높은 특성의 미세구조를 갖고, 탈분화가 억제되거나 특정 세포로 분화되도록 하는 특성의 미세구조를 갖고, 연골세포를 배양하는 경우, 콜라겐 type 2의 mRNA 발현값이 배양 초기 (passage 0 ~1) 대비 30% 이상, 특히 70% 이상을 나타내는 특성의 미세구조를 갖고, 세포 골격 구조의 형성이 억제되는 미세 구조를 가질 수 있다. 또한, 첨가물 없이도 줄기세포 배양시 분화과정에서 콜라겐 type 2의 발현이 증가되는 미세구조를 가질 수 있다. 또한, 줄기세포의 분화 특성이 향상 또는 조절되는 특성의 미세구조를 가지며, 분화과정의 세포의 분화능을 향상시키는 특성의 미세구조를 가질 수 있다.
When compared to the existing TCPS substrate, the cell culture substrate according to the embodiment of the present invention may have the following differences. That is, as a plurality of three-dimensional micro pellets are formed, cells may be cultured. The three-dimensional micro-pellets initially have a flower-like shape, have a microstructure with a low initial cell proliferation rate, a high re-differentiation or differentiation rate, and a microstructure with characteristics that inhibit dedifferentiation or differentiate into specific cells. In the case of culturing chondrocytes, it has a characteristic microstructure showing that the mRNA expression value of collagen type 2 is 30% or more, especially 70% or more compared to the initial stage of culture (passage 0 ~ 1), and the formation of cytoskeleton structure is suppressed. In addition, even without additives, it may have a microstructure in which the expression of collagen type 2 is increased during the differentiation process during stem cell culture without additives. It has, and may have a microstructure of a characteristic that improves the differentiation ability of cells during the differentiation process.

본 발명의 세포 배양기판의 다양한 일례를 이하에서 구체적으로 설명한다.Various examples of the cell culture substrate of the present invention will be described in detail below.

먼저, 미세입자를 이용한 세포 배양기판을 설명한다.First, a cell culture substrate using fine particles will be described.

3차원적 환경을 제공하기 위한 방법의 하나로서, 기판 표면에 도포된 미세입자의 입경과 표면 거칠기의 상관관계가 중요함을 발견하였다. 미세입자의 입경 대비 표면 거칠기가 특정 범위를 넘어서는 경우에는 미세입자의 불규칙한 배열로 인해 세포들에게 고른 표면환경을 제공하기 어려워 우수한 재현성 확보가 어려운 점 등 세포 배양 특성이 떨어지는 것으로 나타났다. 이에 비해 미세입자의 입경 대비 표면 거칠기가 특정값보다 낮은 경우 재현성 등 세포 배양 특성이 우수한 것으로 나타났다.As one of the methods for providing a three-dimensional environment, it was found that the correlation between the particle diameter of the fine particles applied to the substrate surface and the surface roughness is important. When the surface roughness compared to the particle diameter of the microparticles exceeds a certain range, it is difficult to provide an even surface environment to the cells due to the irregular arrangement of the microparticles, so that it is difficult to secure excellent reproducibility. In contrast, when the surface roughness compared to the particle diameter of the microparticles was lower than a specific value, it was found that the cell culture characteristics such as reproducibility were excellent.

미세입자의 입경과 표면 거칠기의 상관관계는 다음과 같은 것이 좋다. 즉, 기재상에 미세입자가 배열되어 형성된 박막이 구비된 세포 배양기판으로서, 구형의 미세입자 배열에 의해 얻어지는 표면 특성이 다음을 만족하는 세포 배양기판인 것이 좋다.
The correlation between the particle diameter of the fine particles and the surface roughness is good as follows. That is, as a cell culture substrate provided with a thin film formed by arranging microparticles on a substrate, it is preferable that the cell culture substrate satisfies the following surface characteristics obtained by the arrangement of spherical microparticles.

Rq ≤0.13D
Rq ≤0.13D

여기서, Rq는 표면 거칠기(Surface Roughness)이며, D는 미세입자의 평균입경을 나타낸다. 상기 범위를 벗어나는 경우 불규칙한 배열이 늘어나고 배양과정에서 세포 간 노출환경이 변화되어 재현성 있는 결과 도출이 어렵게 된다. 재현성에 문제가 있는 경우에는 상용화에 큰 걸림돌이 될 수 있기 때문에 중요한 요소가 된다.
Here, Rq is the surface roughness, and D is the average particle diameter of the fine particles. If it is out of the above range, the irregular arrangement increases and the exposure environment between cells changes during the culture process, making it difficult to obtain reproducible results. If there is a problem with reproducibility, it becomes an important factor because it can be a big obstacle to commercialization.

보다 바람직하기로는 다음의 식을 만족하는 것이 좋다.
More preferably, it is good to satisfy the following equation.

Rq ≤0.12D
Rq ≤0.12D

특히, 탈분화 억제, 재분화 유도, 및/또는 세포 골격 구조 발달의 억제, 3차원 미소 펠렛 형성 유도 등 세포 배양 특성을 더욱 우수하게 가져가기 위해서는 다음의 조건을 만족하는 것이 좋다. 상기 미세입자의 평균입경은 250nm ~ 10㎛의 범위, 더 좋기로는 300nm ~ 3㎛ 범위인 것이 좋다. 상기 범위 미만에서는 도 12에서와 같이 세포의 골격구조 발달 형성 저해 효과가 줄어들어서 연골세포로 재분화 되는 효과가 감소한다. 상기 범위를 초과하는 경우 산란에 의한 위상차 현미경의 관찰이 어려워져서 배양시 세포상태의 실시간 관찰을 할 수 없다. 또한, 세포의 직경(5 ~ 30 ㎛)과 유사한 수준의 구조 직경으로 인해 구조위에 세포가 자라는 형태가 아닌 세포가 구조 사이에 갇힐 가능성이 높아진다.
In particular, in order to further improve cell culture characteristics such as inhibition of dedifferentiation, induction of re-differentiation, and/or inhibition of development of cytoskeletal structures, and induction of three-dimensional micropellet formation, it is preferable to satisfy the following conditions. The average particle diameter of the fine particles is preferably in the range of 250nm ~ 10㎛, more preferably in the range of 300nm ~ 3㎛. Below the above range, the effect of inhibiting the formation of skeletal structure of cells decreases as shown in FIG. 12, thereby reducing the effect of re-differentiating into chondrocytes. If the above range is exceeded, observation of the phase contrast microscope due to scattering becomes difficult, and thus real-time observation of the cell state during culture cannot be performed. In addition, due to a structure diameter similar to that of a cell (5 ~ 30 µm), the possibility of cells being trapped between structures is increased, not in the form in which cells grow on the structure.

표면 거칠기(Surface Roughness)는 25nm ~ 1000nm범위가 좋으며, 더욱 바람직하기로는 표면 거칠기가 30nm ~ 300nm 범위가 좋다. 상기 범위 미만에서는 전술한 바와 같이, 세포의 골격구조 발달 형성 저해 효과가 줄어들어서 연골세포로 재분화 되는 효과가 감소하며, 상기 범위를 초과하는 경우 배양시 세포상태의 실시간 관찰이 어렵고, 세포가 구조 사이에 갇힐 가능성이 높아진다.
The surface roughness is preferably in the range of 25nm to 1000nm, and more preferably, the surface roughness is in the range of 30nm to 300nm. Below the above range, as described above, the effect of inhibiting the formation of skeletal structure of cells decreases and the effect of re-differentiating into chondrocytes decreases. If it exceeds the above range, it is difficult to observe the cell status in real time during culture, and the cells are You are more likely to get trapped in it.

표면 단차는 170nm ~ 10 ㎛가 좋으며, 특히 200nm ~ 1.5 ㎛ 범위가 좋다. 상기 범위 미만에서는 세포의 골격구조 발달 형성 저해 효과가 줄어들어서 연골세포로 재분화 되는 효과가 감소하며, 상기 범위를 초과하는 경우 배양시 세포상태의 실시간 관찰이 어렵고, 구조위에 세포가 자라는 형태가 아닌 세포가 구조 사이에 갇힐 가능성이 높아진다.
The surface level difference is preferably 170nm ~ 10 ㎛, especially 200nm ~ 1.5 ㎛ range. Below the above range, the effect of inhibiting the development of the skeletal structure of the cell decreases, thereby reducing the effect of re-differentiating into chondrocytes, and if it exceeds the above range, it is difficult to observe the state of the cell in real time during culture, and the cell is not in the form of growing cells on the structure Increases the likelihood of being trapped between structures.

미세입자의 재질은 제한되지 않는다. 무기물, 유기물, 또는 금속이거나 이들의 복합체일 수 있다. 바람직하기로는 실리카 입자가 좋다. 실리카 입자에는 표면 코팅되거나 표면처리되어 개질된 것도 포함된다.
The material of the fine particles is not limited. It may be an inorganic material, an organic material, or a metal, or it may be a complex thereof. Silica particles are preferred. Silica particles include those modified by surface coating or surface treatment.

또 다른 인자로서, 미세입자 1개가 6개의 미세입자로 둘러싸여 있는 형상, 특히 헥사고날 형태로 배열되는 것이 세포 골격 구조의 발달을 저하시킬 수 있는 것을 발견하였다. 헥사고날 형태에서는 세포 골격 구조의 형성을 촉진하는 유효한 면적의 일직선 구조가 발달되어 있지 않기 때문에 세포 배양에 좋은 구조로 확인되었다.
As another factor, it was found that a shape in which one microparticle is surrounded by 6 microparticles, especially arranged in a hexagonal shape, can reduce the development of the cytoskeleton structure. In the hexagonal form, it was confirmed that it is a good structure for cell culture because a linear structure with an effective area that promotes the formation of a cytoskeletal structure is not developed.

또 다른 인자로서, 미세입자의 배열에 있어서, 주로 5~6개의 홀(hole)이 미세입자 주변에 존재하는 구조가 좋을 수 있다. 세포의 포디아(podia)가 상기 홀에 앤코링(anchoring)될 수 있어 세포의 초기 흡착 특성을 우수하게 할 수 있다. 또한, 표면 구조가 더욱 3차원적이므로 세포 골격 구조 형성을 억제시킬 수 있고 3차원 미소 펠렛 형성을 촉진할 수 있다.
As another factor, in the arrangement of the microparticles, a structure in which mainly 5 to 6 holes exist around the microparticles may be good. Podia of cells can be anchored into the hole, so that the initial adsorption properties of the cells can be excellent. In addition, since the surface structure is more three-dimensional, it is possible to suppress the formation of a cytoskeletal structure and promote the formation of three-dimensional micropellets.

또 다른 인자로서, 배열된 미세입자의 전체 개수 대비 50% 이상은 기재와 접촉되어 있는, 더 나아가 미세입자 박막이 실질적으로 단층인 것이 미세입자의 규칙적인 배열 및 재현성을 높이기 위해 유리하다. 또는, 상기 미세입자가 규칙적으로 배열되어 기재와 접촉될 수 있는 이론적인 최대 부착 개수 대비 50% 이상, 특히 80% 이상은 기재와 접촉되어 있는 것이 좋다. 이론적인 최대 부착 개수는 벌집구조의 배열형태에서 나올 수 있다. 이론적인 최대 부착 개수에 근접할수록 미세입자가 결여된 빈공간이 발생하는 것을 줄일 수 있다.
As another factor, 50% or more of the total number of the arranged microparticles is in contact with the substrate, and further, it is advantageous to increase the regular arrangement and reproducibility of the microparticles that the microparticle thin film is substantially a single layer. Alternatively, 50% or more, in particular, 80% or more of the theoretical maximum number of attachments that can be contacted with the substrate by regularly arranging the fine particles is preferably in contact with the substrate. The theoretical maximum number of attachments can be derived from the honeycomb arrangement. The closer to the theoretical maximum number of attachments, the less the occurrence of empty spaces lacking fine particles.

본 발명에서, 상기 3차원적 미소 펠렛(pellet)이란 대체로 수백 ㎛ ~ 수 mm의 크기로 세포들이 3차원적으로 뭉쳐서 배양되는 형태를 의미한다. 이러한 3차원적 미소 펠렛이 자라면서 인접 미소 펠렛과 접하게 되고 함께 응집되어 세포가 배양되게 된다.In the present invention, the three-dimensional micro-pellet refers to a form in which cells are three-dimensionally aggregated and cultured in a size of approximately several hundred μm to several mm. As these three-dimensional micropellets grow, they come into contact with adjacent micropellets and aggregate together to cultivate cells.

상기 3차원적 미소 펠렛은 초반에 꽃 유사 형상을 나타낼 수 있다. 꽃 유사 형상이란 중앙에 세포들이 응집되어 있는 코어 영역을 주변 세포들이 삐죽한 형태로 둘러싼 형상을 의미한다. 이러한 형태가 나타나는 이유는 본 발명의 미세구조 특성상 내부 골격 구조의 발달이 억제되고, 세포의 유동성이 증가되어 세포가 뭉쳐지는 특성이 나타나기 때문이다.
The three-dimensional micro-pellets may initially exhibit a flower-like shape. The flower-like shape means a shape in which the surrounding cells surround the core area where cells are aggregated in the center. The reason for the appearance of this form is that the development of the internal skeletal structure is suppressed due to the microstructure of the present invention, the fluidity of the cell is increased, and the cell is aggregated.

본 발명의 세포배양기판의 표면 구조에서 배양되는 경우, 세포 배양 속도는 평탄한 기판에 비하여 떨어지는 면이 있다. 이는 세포가 안정적인 내부 골격구조를 이루지 못하여, 세포간 응집체가 이루어진 후 증식이 시작되기 때문인 것으로 예상된다. 그러나 탈분화된 세포가 평탄한 2차원 배양기판인 TCPS 기판과 달리 연골세포로 재분화되며, 이를 통해 더 많은 차례의 계대배양을 더 진행할 수 있다. 이러한 특징으로 배양시간이나 계대배양 횟수를 늘림으로써 최종적으로 더욱 많은 유효 세포수를 얻을 수 있다.
When cultured on the surface structure of the cell culture substrate of the present invention, the cell culture rate is lower than that of a flat substrate. This is expected to be due to the fact that the cells do not achieve a stable internal skeletal structure, and proliferation begins after the formation of intercellular aggregates. However, unlike the TCPS substrate, which is a flat two-dimensional culture substrate, the dedifferentiated cells are re-differentiated into chondrocytes, and through this, more passages can be performed. With this characteristic, it is possible to obtain a more effective number of cells finally by increasing the culture time or the number of subcultures.

일례로, 연골세포를 배양하는 경우 콜라겐 type 2의 mRNA 발현값(연골세포 마커임)이 TCPS 기판과는 비교할 수 없을 정도로 우수한 것을 확인할 수 있다. 이는 3차원적 구조의 세포 배양시 분화 특성이 우수한 다른 세포의 경우에도 마찬가지로 적용된다. 일례로 중간엽 줄기세포, 근육 유래 줄기세포 등을 들 수 있다.
For example, in the case of culturing chondrocytes, it can be seen that the mRNA expression value of collagen type 2 (which is a chondrocyte marker) is superior to that of the TCPS substrate. This also applies to other cells that have excellent differentiation characteristics when culturing cells having a three-dimensional structure. Examples include mesenchymal stem cells and muscle-derived stem cells.

본 발명의 세포 배양기판의 미세구조는 연골세포 배양 테스트시 콜라겐 type 2의 mRNA 발현값이 배양 초기 대비 30% 이상을 제공할 수 있다. 미세입자의 입경에 따라서는 콜라겐 type 2의 mRNA 발현값이 배양 초기 대비 70% 이상, 많기로는 100% 이상의 제공도 가능하다.
The microstructure of the cell culture substrate of the present invention may provide a collagen type 2 mRNA expression value of 30% or more compared to the initial stage of culture when a chondrocyte culture test is performed. Depending on the particle size of the microparticles, it is possible to provide the mRNA expression value of collagen type 2 more than 70% compared to the initial stage of culture, and more than 100%.

본 발명의 미세구조의 세포배양기판의 제조방법으로서, 제조 방법이 제한되지 않으나 랭뮤어-블러젯 기법을 통해 제조하는 것이 좋다. 기존의 스핀코터 방식은 상기 미세구조를 제공하기 어렵다. 랭뮤어-블러젯(Langmuir-Blodgett, LB) 기법은 면적이 50 ~ 200㎠ 범위인 대면적의 배양기판을 쉽고 간편하게 제공할 수 있다. 그 이상의 대면적도 가능하리라 예상된다. 본 발명은 일례로서, 구형의 실리카 파티클을 표면개질하여 실리카 파티클 랭뮤어-블러젯 박막을 기판에 제조하는 방법을 제공한다. 실리카 파티클은 Stober 방법에 기반하여 최소 10 nm에서 최대 3 ㎛의 직경을 가지는 구형의 파티클로 합성되며, 제조 조건에 따라서 다양한 직경을 가진 균일한 파티클을 대량으로 만들 수 있다. 제조된 실리카 파티클은 화학적인 표면처리를 통해 표면 극성 조절 및 기능기의 도입이 가능하며, 열처리 및 자외선(UV) 조사, 강한 산화 조건 등을 통해 수차례의 표면 특성을 원상복구 시킬 수 있다. 열적 안정성이 높아 1500 도 이하의 열처리를 통해 제조된 기판의 물리적 안정성을 높일 수 있으며, 내화학성 및 기계적 강도가 높아서 금속제 몰드 제작도 용이하다. 실리카 파티클의 LB막은 수용액상에 잠길 수 있는 (녹지 않는) 모든 재질 및 형태의 기판상에 코팅이 가능하며, 여러 층의 코팅도 가능하다. 실리카 LB 코팅을 하기 전 기판상에 추후 제거가 가능한 패턴을 미리 형성시키거나 코팅후에 패턴된 폴리디메팅실록산 (polydimethylsiloxane, PDMS) 몰드를 통해 영역별 실리카 파티클의 제거도 가능하다.
As a method of manufacturing the microstructured cell culture substrate of the present invention, the manufacturing method is not limited, but it is preferably manufactured through the Langmuir-Blujet technique. It is difficult to provide the microstructure in the conventional spin coater method. The Langmuir-Blodgett (LB) technique can easily and conveniently provide a large-area culture substrate with an area ranging from 50 to 200 cm2. It is expected that a larger area than that is possible. As an example, the present invention provides a method of manufacturing a silica particle Langmuir-Blujet thin film on a substrate by surface modification of spherical silica particles. Silica particles are synthesized into spherical particles having a diameter of at least 10 nm to a maximum of 3 μm based on the Stober method, and uniform particles having various diameters can be produced in large quantities according to manufacturing conditions. The prepared silica particles can control surface polarity and introduce functional groups through chemical surface treatment, and can restore surface properties several times through heat treatment, ultraviolet (UV) irradiation, and strong oxidation conditions. Due to its high thermal stability, it is possible to increase the physical stability of the substrate manufactured through heat treatment of 1500 degrees or less, and it is easy to manufacture a metal mold because of its high chemical resistance and mechanical strength. The LB film of silica particles can be coated on all materials and types of substrates that can be immersed in an aqueous solution (insoluble), and multiple layers of coating are also possible. Prior to the silica LB coating, a pattern that can be removed later may be formed on the substrate in advance, or silica particles for each region may be removed through a patterned polydimethylsiloxane (PDMS) mold after coating.

한편, 상기 미세입자가 배열되어 미세구조가 형성된 세포 배양기판은 유기 분자, 생체 유래 물질, 또는 폴리머로 표면처리할 수 있다. 이 경우에도 3차원적 배양이 이루어질 수 있다. 구체적으로, 아민 화합물, 하이드록시 화합물, 카르복실 화합물, 티올 화합물, 콜라겐, 피브로넥틴, 펩타이드, 또는 Poly-L-Lysine 등으로 표면 처리할 수 있다. 또한, 실리카 미세 박막상에 세포 배양시 표면 친수성을 증가시키기 위해 UV/Ozone 처리를 통한 산화 처리도 가능하며, 추가적으로 실란 (silane)계열의 표면처리도 가능하다. 실란 계열의 표면 처리를 비롯하여 다양한 표면 처리는 기판 표면과 세포와의 상호작용에 영향을 주어서 다양한 세포의 성장 및 분화 방향을 제어할 수 있다. 예를 들어, 기판과 강한 결합을 유도하는 물질을 코팅하거나 특정한 분화 유도 물질을 코팅하여 일반적인 평탄한 기판에서는 나타날 수 없는 방향으로 세포의 성장 및 분화를 유도할 수 있을 것으로 기대된다.Meanwhile, the cell culture substrate in which the microparticles are arranged and the microstructure is formed may be surface-treated with an organic molecule, a bio-derived material, or a polymer. Even in this case, three-dimensional culture can be achieved. Specifically, it may be surface-treated with an amine compound, a hydroxy compound, a carboxyl compound, a thiol compound, collagen, fibronectin, a peptide, or Poly-L-Lysine. In addition, oxidation treatment through UV/Ozone treatment is also possible in order to increase the surface hydrophilicity when culturing cells on a fine silica thin film, and additionally, a silane-based surface treatment is also possible. Various surface treatments, including silane-based surface treatments, affect the interaction between the surface of the substrate and cells, so that the growth and differentiation directions of various cells can be controlled. For example, it is expected that by coating a material that induces strong bonding with a substrate or by coating a specific differentiation-inducing material to induce growth and differentiation of cells in a direction that cannot appear in a general flat substrate.

이하, 또 다른 실시예로서, 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 이용한 세포 배양기판에 대해 상세하게 설명한다. 아래에 설명하는 입자 정렬을 이용한 코팅방법 및 그 기판은 세포 배양기판으로 유용하게 사용될 수 있다.Hereinafter, as another embodiment, a cell culture substrate using a coating method using particle sorting will be described in detail. The coating method using particle alignment and the substrate described below can be usefully used as a cell culture substrate.

도 49a 내지 도 49c는 본 발명의 실시예에 따른 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 설명하는 단면도들이다. 49A to 49C are cross-sectional views illustrating a coating method using particle alignment according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 49a에 도시한 바와 같이, 준비 단계(ST10)에서는 매끈한 면(smooth surface)(10a)을 가지는 밀착성 고분자 기판(10)을 준비한다. 즉, 밀착성 고분자 기판(10)의 표면이 특정한 패턴이나 굴곡이 형성되지 않은 상태를 가질 수 있으며, 이 위에서 코팅막(도 49c의 참조부호 22)을 형성하는 입자(도 49b의 참조부호 20)의 이동을 제한하지 않는 수준의 표면 거칠기 및 구조를 가질 수 있다.First, as shown in FIG. 49A, in the preparation step ST10, an adhesive polymer substrate 10 having a smooth surface 10a is prepared. That is, the surface of the adhesive polymer substrate 10 may have a state in which a specific pattern or curvature is not formed, and the particles (reference numeral 20 in FIG. 49B) forming a coating film (reference numeral 22 in FIG. 49C) thereon may move. It may have a level of surface roughness and structure that does not limit.

본 실시예에서 밀착성 고분자 기판(10)은 밀착성이 존재하는 다양한 밀착성 고분자 물질을 포함한다. 밀착성 고분자는 일반적으로 통용되는 점착성을 갖지 않으므로 점착제와는 구별된다. 적어도 밀착성 고분자는 '스카치® 매직™ 테이프'의 (ASTM D 3330 평가) 점착제가 갖는 점착력 약 0.6 kg/inch 보다 낮은 값의 밀착력을 갖는다. 또한, 밀착성 고분자는 별도의 지지체 없이도 상온에서 고체상태(기판 또는 필름 등)의 형상을 유지할 수 있다. 밀착성 고분자 물질로는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 등의 실리콘 기반 고분자 물질, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC) 등을 포함하는 랩, 밀착 또는 밀봉을 목적으로 하는 고분자 물질을 포함하는 보호 필름 등을 사용할 수 있다. 특히, 밀착성 고분자로는 경도조절이 용이하며 다양한 형태로 제조가 용이한 PDMS를 사용할 수 있다. 상기 고분자 기판(10)은 베이스 기재에 밀착성 고분자를 코팅하여 제조되거나 시트 또는 필름 형태의 밀착성 고분자가 부착되어 제조될 수 있다. In this embodiment, the adhesive polymer substrate 10 includes various adhesive polymer materials having adhesiveness. Adhesive polymers are distinguished from adhesives because they do not have commonly used adhesiveness. At least the adhesive polymer has an adhesive force of about 0.6 kg/inch lower than that of the adhesive of'Scotch® Magic™ Tape' (ASTM D 3330 evaluation). In addition, the adhesive polymer can maintain the shape of a solid state (substrate or film, etc.) at room temperature without a separate support. Adhesive polymer materials include silicone-based polymer materials such as polydimethylsiloxane (PDMS), wraps containing polyethylene (PE), polyvinylchloride (PVC), etc., and polymer materials intended for adhesion or sealing. A protective film including a can be used. In particular, as an adhesive polymer, it is possible to use PDMS, which is easy to control hardness and is easy to manufacture in various forms. The polymer substrate 10 may be manufactured by coating an adhesive polymer on a base substrate, or may be manufactured by attaching an adhesive polymer in the form of a sheet or film.

여기서, 밀착성 고분자 물질이라 함은 일반적으로 고체 상태의 실리콘을 포함하거나, 가소제 첨가 또는 표면 처리를 통해 밀착 특성이 부여된 유기 고분자 물질을 지칭하는 것이다. 이때, 밀착성 고분자 물질은 일반적으로 선형 분자 구조에 의하여 형태의 변형이 용이하며 낮은 표면 장력을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 밀착성 고분자 물질의 우수한 밀착성은 미세 영역에서의 표면 변형이 용이한 부드러운 (유연성) 표면 재질과 낮은 표면 장력 등에 기인한다. 밀착성 폴리머 물질의 낮은 표면 장력은 부착하고자 하는 입자(20)에 넓게 활착하려는 특성을 가져오며 (용액의 젖음 현상과 유사), 유연성을 지닌 표면은 부착하고자 하는 입자(20)와 빈틈 없는 접촉이 이루어지도록 한다. 이를 통해 상보적인 결합력 없이 가역적으로 고체 표면에 탈부착이 용이한 밀착성 폴리머의 특성을 지니게 된다. 대표적인 밀착성 폴리머 물질인 PDMS와 같은 실리콘 기반 고분자 물질의 표면 장력은 20 ~ 23 dynes/cm 정도로, 가장 낮은 표면 장력 물질로 알려진 Teflon (18 dynes/cm)에 근접한다. 그리고 PDMS와 같은 실리콘 기반 고분자 물질의 표면 장력은 대부분의 유기 폴리머(35 ~ 50 dynes/cm), 천연재료인 면 (73 dynes/cm), 금속(일례로, 은(Ag)은 890 dynes/cm, 알루미늄(Al)은 500 dynes/cm), 무기 산화물(일례로, 유리는 1000 dynes/cm, 철 산화물은 1357 dynes/cm)보다 낮은 값을 보인다. 또한 PE, PVC 등을 포함하는 랩과 같은 경우에도 밀착성 향상을 위해 다량의 가소제가 첨가되어 낮은 표면 장력을 지니게 된다.Here, the adhesive polymer material generally refers to an organic polymer material containing solid silicon or to which adhesion properties are imparted through the addition of a plasticizer or surface treatment. At this time, the adhesive polymer material is generally characterized in that it is easy to change its shape by a linear molecular structure and has a low surface tension. The excellent adhesion of the adhesive polymer material is due to a soft (flexible) surface material that is easy to modify the surface in a micro-region and a low surface tension. The low surface tension of the adhesive polymer material has the property of being widely adhered to the particles 20 to be attached (similar to the wetting of the solution), and the flexible surface makes tight contact with the particles 20 to be attached. Let's lose. Through this, it has the characteristics of an adhesive polymer that is reversibly attached to and detached from the solid surface without complementary bonding force. The surface tension of a silicone-based polymer material such as PDMS, a representative adhesive polymer material, is about 20 to 23 dynes/cm, which is close to Teflon (18 dynes/cm), which is known as the lowest surface tension material. And the surface tension of silicon-based polymer materials such as PDMS is most organic polymers (35 to 50 dynes/cm), cotton (73 dynes/cm), which is a natural material, and metal (for example, silver (Ag) is 890 dynes/cm). , Aluminum (Al) shows a value lower than 500 dynes/cm), inorganic oxide (for example, glass is 1000 dynes/cm, iron oxide is 1357 dynes/cm). In addition, even in the case of wraps containing PE, PVC, etc., a large amount of plasticizer is added to improve adhesion, so that it has low surface tension.

이어서, 도 49b 및 도 49c에 도시한 바와 같이, 코팅 단계(ST12)에서는 복수의 입자(20)를 정렬하여 밀착성 고분자 기판(10) 위에 코팅막(22)을 형성한다. 이를 좀더 상세하게 설명한다. Subsequently, as shown in FIGS. 49B and 49C, in the coating step ST12, a plurality of particles 20 are aligned to form a coating layer 22 on the adhesive polymer substrate 10. This will be described in more detail.

도 49b에 도시한 바와 같이, 밀착성 고분자 기판(10) 위에 건조된 복수의 입자(20)를 올린다. 본 실시예와 달리 용액 상에 분산되어 있는 입자는 밀착성 고분자 표면과 직접적인 접촉이 이루어지기 어려워서 코팅이 잘 이루어 지지 않는다. 따라서, 사용하는 입자의 질량보다 적은 미량의 용액이나 휘발성 용매를 이용한 경우에만 코팅 작업 중 입자가 건조되어 코팅 작업이 가능할 수 있다. As shown in FIG. 49B, a plurality of dried particles 20 are placed on the adhesive polymer substrate 10. Unlike the present embodiment, the particles dispersed in the solution are difficult to make direct contact with the adhesive polymer surface, so that the coating is not performed well. Therefore, only when a trace amount of a solution or a volatile solvent less than the mass of the particles to be used is used, the particles are dried during the coating operation, so that the coating operation may be possible.

본 실시예에서 복수의 입자(20)는 코팅막(도 49c의 참조부호 22, 이하 동일)을 형성하기 위한 다양한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 복수의 입자(20)는 고분자, 무기물, 금속, 자성체, 반도체, 생체 물질 등을 포함할 수 있다. 또한, 다른 성질을 갖는 입자들을 혼합하여 코팅막을 형성할 수도 있다. 전술한 미세입자를 사용할 수 있다.In this embodiment, the plurality of particles 20 may include various materials for forming a coating film (reference numeral 22 in FIG. 49C, hereinafter the same). That is, the plurality of particles 20 may include polymers, inorganic materials, metals, magnetic materials, semiconductors, biomaterials, and the like. In addition, particles having different properties may be mixed to form a coating film. The microparticles described above can be used.

고분자로는, 예를 들어, 폴리스티렌 (PS), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리아크릴레이트, 폴리바이닐클로라이드 (PVC), 폴리알파스티렌, 폴리벤질메타크릴레이트, 폴리페닐메타클릴레이트, 폴리다이페닐메타크릴레이트, 폴리사이클로헥실메타클릴레이트, 스틸렌-아크릴로니트릴 공중합체, 스틸렌-메틸메타크릴레이트 공중합체 등을 사용할 수 있다.As a polymer, for example, polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylate, polyvinyl chloride (PVC), polyalphastyrene, polybenzyl methacrylate, polyphenyl methacrylate, Polydiphenyl methacrylate, polycyclohexyl methacrylate, styrene-acrylonitrile copolymer, styrene-methyl methacrylate copolymer, and the like can be used.

무기물로는, 예를 들어, 실리콘 산화물(일례로, SiO2),인산은(일례로, Ag3PO4),티타늄 산화물(일례로, TiO2),철 산화물 (일례로, Fe2O3),아연 산화물, 세륨 산화물, 주석 산화물, 탈륨 산화물, 바륨 산화물, 알루미늄 산화물, 이트륨 산화물, 지르코늄 산화물, 구리산화물, 니켈 산화물 등을 사용할 수 있다. As an inorganic material, for example, silicon oxide (for example, SiO 2 ), silver phosphate (for example, Ag 3 PO 4 ), titanium oxide (for example, TiO 2 ), iron oxide (for example, Fe 2 O 3 ), zinc oxide, cerium oxide, tin oxide, thallium oxide, barium oxide, aluminum oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, copper oxide, nickel oxide, and the like can be used.

금속으로는, 예를 들어, 금, 은, 동, 철, 백금, 알루미늄, 백금, 아연, 세륨, 탈륨, 바륨, 이트륨, 지르코늄, 주석, 티타늄, 또는 이들의 합금 등을 사용할 수 있다.As the metal, for example, gold, silver, copper, iron, platinum, aluminum, platinum, zinc, cerium, thallium, barium, yttrium, zirconium, tin, titanium, or alloys thereof may be used.

반도체로는, 예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 또는 화합물 반도체(일례로, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb 등)을 사용할 수 있다. As the semiconductor, for example, silicon, germanium, or a compound semiconductor (eg, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, etc.) can be used.

생체 물질로는, 예를 들어, 단백질, 펩티드, 리보핵산(RNA), 데옥시리보핵산(DNA), 다당류, 올리고당, 지질, 세포 및 이들의 복합체 물질들의 입자 또는 표면에 코팅된 입자, 내부에 포함한 입자 등을 사용할 수 있다. 일례로, protein A라는 항체 결합 단백질이 코팅된 폴리머 입자를 사용할 수 있다.Biomaterials include, for example, proteins, peptides, ribonucleic acid (RNA), deoxyribonucleic acid (DNA), polysaccharides, oligosaccharides, lipids, particles of cells and complex materials thereof, or particles coated on the surface, inside Included particles, etc. can be used. For example, a polymer particle coated with an antibody-binding protein called protein A may be used.

입자(20)는 대칭 형상, 비대칭 형상, 무정형, 다공성의 형상을 가질 수 있다. 일례로, 입자(20)는 구형, 타원형, 반구형, 큐브형, 사면체, 오면체, 육면체, 팔면체, 기둥형, 뿔형 등을 가질 수 있다. 이때, 입자(20)는 구형 또는 타원형을 가지는 것이 바람직하다.The particles 20 may have a symmetrical shape, an asymmetrical shape, an amorphous shape, and a porous shape. For example, the particle 20 may have a spherical shape, an ellipse shape, a hemispherical shape, a cube shape, a tetrahedron, a pentahedron, a hexahedron, an octahedron, a columnar shape, a cone shape, and the like. At this time, it is preferable that the particles 20 have a spherical shape or an elliptical shape.

이러한 입자(20)는 평균 입경이 10 nm 내지 50 ㎛일 수 있다. 평균 입경이 10 nm 미만일 경우에는 밀착성 고분자 기판(10)에 의하여 전체적으로 감싸지는 형태가 될 수 있어 입자(20)를 단층 수준으로 코팅하는 것이 어려워질 수 있다. 또한, 10nm 미만인 경우에는 건조 상태에서도 입자들이 서로 응집하여 문지르는 힘만으로는 입자가 개별적으로 이동하는 것이 어려울 수 있다. 평균 입경이 50 ㎛을 초과하는 경우에는 입자의 부착이 약하게 나타날 수 있다. 이때, 평균 입경이 50 nm 내지 10 ㎛인 것이 좀더 바람직할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 평균 입경은 입자의 구성 물질, 밀착성 고분자 기판(10)의 물질 등에 의하여 달라질 수 있다. 이때, 입자(20)가 구형일 경우에는 입자(20)의 지름이 입경으로 사용할 수 있다. 입자(20)가 구형이 아닐 경우에는 다양한 계측법이 사용될 수 있는데, 일례로, 장축과 단축의 평균값을 입경으로 사용할 수 있다.These particles 20 may have an average particle diameter of 10 nm to 50 μm. When the average particle diameter is less than 10 nm, it may be in a form entirely enclosed by the adhesive polymer substrate 10, and thus it may be difficult to coat the particles 20 at a level of a single layer. In addition, in the case of less than 10 nm, even in a dry state, it may be difficult for the particles to move individually with only the force of agglomeration and rubbing. When the average particle diameter exceeds 50 μm, adhesion of the particles may be weakened. In this case, it may be more preferable that the average particle diameter is 50 nm to 10 μm. However, the present invention is not limited thereto, and the average particle diameter may vary depending on the material constituting the particles, the material of the adhesive polymer substrate 10, and the like. In this case, when the particles 20 are spherical, the diameter of the particles 20 may be used as the particle diameter. When the particles 20 are not spherical, various measurement methods may be used. For example, the average value of the major axis and the minor axis may be used as the particle diameter.

이어서, 도 49c에 도시한 바와 같이, 복수의 입자(20) 위에서 압력을 가하여 코팅막(22)을 형성한다. 압력을 가하는 방법으로는 라텍스, 스폰지, 손, 고무판, 플라스틱 판, 부드러운 표면을 가지는 재료 등을 이용하여 문지르는(rubbing) 방법을 사용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법에 의하여 입자(20)에 압력을 가할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 49C, a coating film 22 is formed by applying pressure on the plurality of particles 20. As a method of applying pressure, a method of rubbing using latex, sponge, hand, rubber plate, plastic plate, material having a soft surface, etc. may be used. However, the present invention is not limited thereto, and pressure may be applied to the particles 20 by various methods.

본 실시예에서는 밀착성 고분자 기판(10)의 평면(10a) 위에 입자들(20)을 올린 후에 압력을 가하면 압력이 가해진 부분의 입자들(20)이 밀착성 고분자 기판(10)의 변형을 통해 밀착된다. 이에 의하여 해당 부분에 입자들(20)에 각기 대응하는 오목부(12)가 형성된다. 따라서, 오목부(12)가 입자(20)를 감싼 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)에 입자(20)들이 정렬되게 된다. 오목부(12)는 입자와 기판간 상호작용에 의해 형성되는 것으로 가역적이다. 즉 소멸될 수도 있으며, 위치가 이동될 수 있다. 일례로, 문지르는 과정에서 입자가 이동하게 되면 기판의 탄성 복원력에 의해 오목부(12)가 사라지거나 입자의 이동에 따라 오목부(12)도 위치가 변경될 수 있다. 이러한 가역적 작용에 의해 입자가 고르게 정렬될 수 있다(여기서의 "가역적"은 코팅 시 밀착성 고분자 기판 표면의 유연성 및 탄성 복원력에 의해 발생되는 특성이므로, 밀착성 고분자 기판의 복원력이 시간이 지남에 따라 약해지거나 소멸되어 더 이상 가역적이지 않은 경우도 포함되는 넓은 의미이다). 기판과의 결합이 이루어지지 않은 입자들(20)은 문지르는 힘 등에 의하여 입자(20)가 코팅되지 않은 밀착성 고분자 기판(10)의 영역으로 이동하게 되고, 코팅되지 않은 부분에 입자(20)에 의하여 오목부(12)가 형성되고 이 오목부(12)가 입자(20)를 감싼 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)과 입자(20)의 결합이 이루어진다. 이러한 과정을 거쳐 밀착성 고분자 기판(10)에 높은 밀도로 단층 수준의 입자 코팅막(22)이 형성된다. In this embodiment, when pressure is applied after placing the particles 20 on the plane 10a of the adhesive polymer substrate 10, the particles 20 of the pressure-applied portion are in close contact through deformation of the adhesive polymer substrate 10. . Accordingly, concave portions 12 corresponding to the particles 20 are formed in the corresponding portion. Accordingly, the particles 20 are aligned on the adhesive polymer substrate 10 while the concave portion 12 surrounds the particles 20. The concave portion 12 is formed by the interaction between the particles and the substrate and is reversible. That is, it may disappear and the location may be moved. For example, when particles move during the rubbing process, the concave portion 12 may disappear due to the elastic restoring force of the substrate, or the concave portion 12 may also change its position according to the movement of the particles. Particles can be evenly aligned by this reversible action (here "reversible" is a property that is generated by the flexibility and elastic resilience of the surface of the adhesive polymer substrate during coating, so the resilience of the adhesive polymer substrate weakens over time. It is a broad meaning that also includes cases where it has been destroyed and is no longer reversible). The particles 20 that are not bonded to the substrate are moved to the area of the adhesive polymer substrate 10 where the particles 20 are not coated due to a rubbing force, and the particles 20 move to the uncoated area by the particles 20. The concave portion 12 is formed, and the concave portion 12 encloses the particles 20, and the adhesive polymer substrate 10 and the particles 20 are bonded to each other. Through this process, a single-layer-level particle coating layer 22 is formed on the adhesive polymer substrate 10 at a high density.

오목부(12)는 입자(20)의 일부를 감싸도록 입자(20)의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 입자(20)가 구형인 경우에는 오목부(12)도 라운드한 형상을 가져 오목부(12)가 입자(20)의 일부에 밀착될 수 있다. 그리고 오목부(12)의 깊이(L1)는 밀착성 고분자 기판(10)의 경도, 입자(20)의 형태, 경도, 환경 요인(일례로, 온도) 등에 의하여 달라질 수 있다. 즉, 밀착성 고분자 기판(10)의 경도가 커질수록 오목부(12)의 깊이(L1)가 작아지고, 온도가 증가할 수록 오목부(12)의 깊이(L1)가 커질 수 있다.The concave portion 12 may have a shape corresponding to the shape of the particle 20 so as to surround a part of the particle 20. For example, when the particle 20 is spherical, the concave portion 12 also has a rounded shape, so that the concave portion 12 may be in close contact with a part of the particle 20. In addition, the depth L1 of the concave portion 12 may vary depending on the hardness of the adhesive polymer substrate 10, the shape of the particles 20, the hardness, and environmental factors (for example, temperature). That is, as the hardness of the adhesive polymer substrate 10 increases, the depth L1 of the concave portion 12 decreases, and as the temperature increases, the depth L1 of the concave portion 12 may increase.

이때, 입자(20)의 평균 입경(D)에 대한 오목부(12)의 깊이(L1)의 비율(침하율)(L1/D)이 0.02~0.7일 수 있다. 상기 비율(L1/D)이 0.02 미만일 경우에는 입자(20)와 밀착성 고분자 기판(10)과의 결합력이 충분하지 않을 수 있고, 0.7을 초과할 경우에는 입자들(20)이 단층 수준으로 코팅되기 어려울 수 있다. 결합력 및 코팅 특성 등을 좀더 고려하면, 상기 비율(L1/D)은 0.05~0.6, 좀더 상세하게는, 0.08~0.4인 것이 바람직하다. In this case, a ratio (settling rate) (L1/D) of the depth (L1) of the concave portion 12 to the average particle diameter (D) of the particles 20 may be 0.02 to 0.7. When the ratio (L1/D) is less than 0.02, the bonding force between the particles 20 and the adhesive polymer substrate 10 may not be sufficient, and when it exceeds 0.7, the particles 20 are coated at a level of a single layer. It can be difficult. In further consideration of bonding strength and coating properties, the ratio (L1/D) is preferably 0.05 to 0.6, more specifically, 0.08 to 0.4.

본 실시예에서는 탄성 변형에 의하여 생긴 오목부(12)에 의하여 각 입자(20)의 일부를 감싸게 되면, 입자(20)와 밀착성 고분자 기판(10)이 좀더 잘 결합할 수 있도록 한다. 그리고, 밀착성 고분자 기판(10)에 결합된 입자(20)들도 주변의 코팅되지 않은 부분으로 이동이 가능하여 새로운 입자(20)가 밀착성 고분자 기판(10)의 표면의 빈 공간에 부착이 가능하도록 한다. 이러한 재배열 특성에 따라 코팅막(22)이 높은 밀도를 가지도록 단층 수준으로 코팅될 수 있다. 일례로, 입자(20)의 중심들이 육각형의 형상을 이루도록 배치될 수 있다. 한편, 입자(20)가 비구형일 경우(예를 들어, Ag3PO4)에는 다양한 방법에 의하여 단층 수준인지 여부를 판별할 수 있다. 일례로, 입자들(20) 중 상위 10% 입자들(20)(즉, 입경이 10% 이내로 큰 입자들(20))의 평균 입경에 대한 코팅막(22) 두께의 평균값의 비율이 1.9 이하일 경우를 단층 수준으로 코팅된 것을 볼 수 있다.In the present embodiment, when a part of each particle 20 is enclosed by the concave portion 12 generated by elastic deformation, the particle 20 and the adhesive polymer substrate 10 can be better bonded. In addition, the particles 20 bonded to the adhesive polymer substrate 10 can also be moved to the surrounding uncoated portion, so that the new particles 20 can be attached to the empty space on the surface of the adhesive polymer substrate 10. do. According to such rearrangement characteristics, the coating layer 22 may be coated at a single layer level so as to have a high density. For example, the centers of the particles 20 may be arranged to form a hexagonal shape. On the other hand, when the particles 20 are non-spherical (eg, Ag 3 PO 4 ), it can be determined whether or not the level of a single layer is a single layer by various methods. As an example, when the ratio of the average value of the thickness of the coating layer 22 to the average particle diameter of the top 10% particles 20 (that is, particles 20 having a larger particle diameter within 10%) among the particles 20 is 1.9 or less It can be seen that the coating was coated at a single layer level.

본 실시예에서는 용매를 사용하지 않고 건조 상태의 입자들(20)이 밀착성 고분자 기판(10) 위에 직접 접촉하도록 한 상태에서 압력을 가하여 코팅막(22)을 형성한다. 이에 따라 코팅막(22) 형성 시, 용매 내에서의 입자들(20)의 자기 조립이 요구되지 않으므로 온도, 습도 등을 정밀하게 조절하지 않아도 되며 입자들(20)의 표면 특성에 큰 영향을 받지 않는다. 즉, 입자(20)가 전하성 물질인 경우뿐만 아니라, 비전하성(즉, 전하적으로 중성에 가까운) 물질인 경우에도 높은 밀도로 균일하게 코팅이 이루어질 수 있다. 또한, 친수성 입자뿐만 아니라, 소수성 입자도 균일하게 코팅이 가능하다. 이와 같이 본 실시예에 따르면 단순한 방법에 의하여 밀착성 고분자 기판(10) 위에 입자들을 고르게 분포시켜 높은 밀도를 가지는 단층 수준의 코팅막(22)을 형성할 수 있다.In this embodiment, the coating layer 22 is formed by applying pressure while the particles 20 in the dry state are in direct contact with the adhesive polymer substrate 10 without using a solvent. Accordingly, when the coating layer 22 is formed, since self-assembly of the particles 20 in the solvent is not required, temperature, humidity, etc. do not need to be precisely controlled, and the surface properties of the particles 20 are not significantly affected. . That is, in the case where the particles 20 are not only a charged material, but also a non-charged material (ie, close to a charge neutral), the coating may be uniformly formed at a high density. In addition, it is possible to uniformly coat not only hydrophilic particles but also hydrophobic particles. As described above, according to the present embodiment, a single-layer coating layer 22 having a high density can be formed by evenly distributing particles on the adhesive polymer substrate 10 by a simple method.

이러한 코팅막(22)은 밀착성 고분자 기판(10)에 결합한 상태로 사용될 수도 있고, 다른 기판 등에 전사되어 사용될 수도 있다. 이때, 코팅막(22)이 전사되는 다른 기판이 밀착성 고분자 기판(10)보다 높은 밀착성 또는 접착성을 가지면 코팅막(22)이 전체적으로 균일하게 잘 전사될 수 있다.The coating layer 22 may be used in a state bonded to the adhesive polymer substrate 10, or may be transferred to another substrate and used. In this case, if the other substrate to which the coating layer 22 is transferred has higher adhesion or adhesiveness than the adhesive polymer substrate 10, the coating layer 22 may be uniformly and well transferred as a whole.

본 실시예에서 탄성 변형에 의하여 밀착성 고분자 기판(10)에 오목부(12)가 형성되므로 그 이후에 코팅막(22)이 제거되면, 도 50a에 도시한 바와 같이, 밀착성 고분자 기판(10)의 오목부(12)가 없어지고 매끈한면(10a)으로 복귀된다. 그러나 코팅막(22)이 형성된 다음 오랜 시간이 지난 후에 코팅막(22)이 제거된 경우에는, 도 50b에 도시한 바와 같이, 오목부(12)의 형태의 흔적이 밀착성 고분자 기판(10)의 표면에 남아있을 수도 있다.In this embodiment, since the concave portion 12 is formed in the adhesive polymer substrate 10 by elastic deformation, when the coating film 22 is removed thereafter, as shown in FIG. 50A, the concave portion of the adhesive polymer substrate 10 The portion 12 disappears and returns to the smooth surface 10a. However, when the coating film 22 is removed after a long time elapses after the coating film 22 is formed, as shown in FIG. 50B, a trace in the form of the concave portion 12 is formed on the surface of the adhesive polymer substrate 10. It may remain.

이와 같이 얻어진 입자 정렬 기판은 세포 배양기판으로 유용하다.
The particle alignment substrate thus obtained is useful as a cell culture substrate.

이하, 또 다른 실시예로서, 첨부한 도면을 참조하여 입자 부분 노출형 기재의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 입자 부분 노출형 기재를 상세하게 설명한다. 이 입자 부분 노출형 기재는 세포 배양기판으로 유용하게 사용될 수 있다.Hereinafter, as yet another embodiment, a method of manufacturing a partially exposed particle substrate and a partially exposed particle substrate manufactured thereby will be described in detail with reference to the accompanying drawings. This particle partially exposed substrate can be usefully used as a cell culture substrate.

본 발명의 일실시예에 따른 입자 부분 노출형 기재는 밀착성 고분자 기판을 준비하는 준비 단계, 상기 밀착성 고분자 기판 위에 복수의 입자를 코팅하는 코팅 단계, 상기 밀착성 고분자 기판 및 상기 복수의 입자 위에 기재를 형성하는 단계, 및 상기 밀착성 고분자 기판을 제거하여 상기 복수의 입자를 부분적으로 노출하는 노출 단계를 포함하여 이루어진다. 여기서, 밀착성 고분자 기판을 준비하는 준비 단계, 상기 밀착성 고분자 기판 위에 복수의 입자를 코팅하는 코팅 단계는 전술한 입자 정렬을 이용한 코팅방법과 동일하므로 설명을 생략한다. Particle-exposed substrate according to an embodiment of the present invention is a preparation step of preparing an adhesive polymer substrate, a coating step of coating a plurality of particles on the adhesive polymer substrate, forming a substrate on the adhesive polymer substrate and the plurality of particles And an exposure step of partially exposing the plurality of particles by removing the adhesive polymer substrate. Here, the preparation step of preparing the adhesive polymer substrate and the coating step of coating a plurality of particles on the adhesive polymer substrate are the same as the above-described coating method using particle alignment, and thus description thereof will be omitted.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일실시예에 따른 입자 부분 노출형 기재의 제조방법을 설명하는 단면도들이다. 마찬가지로, 도 51a 내지 51c에 대한 설명도 전술한 도 49a 내지 도 49c의 내용을 전용하며 설명을 생략한다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a partially exposed substrate according to an embodiment of the present invention. Similarly, the description of FIGS. 51A to 51C is also dedicated to the contents of FIGS. 49A to 49C, and a description thereof will be omitted.

밀착성 고분자 기판(10) 위에 입자들을 고르게 분포시켜 높은 밀도를 가지는 단층 수준의 코팅막(22)을 형성한 후, 밀착성 고분자 기판 및 복수의 입자로 구성된 코팅막 위에 기재를 형성한다. 기재를 형성하는 단계는 바람직하게는, 상기 밀착성 고분자 기판 및 상기 복수의 입자 위에 기재 조성물을 위치시키는 단계, 및 상기 기재 조성물을 경화시켜 기재를 형성하는 경화 단계를 포함할 수 있다. 일례로, 도 51d 및 도 51e에 도시한 바를 들 수 있다. 기재의 재료는 제한되지 않는다. 폴리머 등의 유기 기재일 수 있으며, 실리케이트 등의 무기 기재일 수 있으며, 실리카 유리일 수 있으며, 기타 복합재료로 된 기재일 수 있다. 또한, 기재가 다층으로 이루어질 수 있다. 일례로, 유기 또는 무기 코팅 재료로 입자 위에 도포 후 강도가 충분한 기판과 밀착시키는 방법을 들 수 있다. After the particles are evenly distributed on the adhesive polymer substrate 10 to form a single-layer coating film 22 having a high density, the substrate is formed on the adhesive polymer substrate and the coating film composed of a plurality of particles. The step of forming a substrate may preferably include positioning a substrate composition on the adhesive polymer substrate and the plurality of particles, and a curing step of curing the substrate composition to form a substrate. As an example, the bar shown in Figs. 51D and 51E can be cited. The material of the substrate is not limited. It may be an organic substrate such as a polymer, an inorganic substrate such as silicate, a silica glass, or a substrate made of other composite materials. In addition, the substrate may be made of multiple layers. For example, an organic or inorganic coating material may be applied on the particles and then in close contact with a substrate having sufficient strength.

밀착성 고분자 기판(10) 및 복수의 입자(20)로 구성된 코팅막(22) 위에 기재(30) 형성을 위한 조성물을 위치시키는 방법으로는 다양한 방법이 사용될 수 있다. 일례로, 기재 조성물을 밀착성 고분자 기판(10) 및 복수의 입자(20) 위에 도포할 수 있다. 또는, 도 51d 및 도 51e에 도시한 바와 같이, 기재 조성물 위에 복수의 입자(20)가 위치하도록 밀착성 고분자 기판(10)을 얹는 방법도 가능하다.Various methods may be used as a method of placing the composition for forming the substrate 30 on the adhesive polymer substrate 10 and the coating film 22 composed of a plurality of particles 20. For example, the base composition may be applied on the adhesive polymer substrate 10 and the plurality of particles 20. Alternatively, as shown in FIGS. 51D and 51E, a method of placing the adhesive polymer substrate 10 on the substrate composition so that a plurality of particles 20 are positioned thereon is also possible.

기재(30)의 두께는 2mm 이상일 수 있다. 두께가 2mm 미만이면 기재(30)가 복수의 입자(20)를 안정적으로 고정하기 어려울 수 있다. The thickness of the substrate 30 may be 2 mm or more. If the thickness is less than 2mm, it may be difficult for the substrate 30 to stably fix the plurality of particles 20.

폴리머 등의 유기 기재는 복수의 입자(20)를 안정적으로 고정 및 지지할 수 있는 다양한 폴리머를 사용할 수 있다. 그리고 폴리머 기재는 경화 수지를 포함하여 특정 조건에서 경화될 수 있다. 일례로, 본 실시예에서는 폴리머 기재가 자외선 경화 수지를 포함하여 자외선(UV) 등에 의하여 경화될 수 있다. 자외선 경화 수지를 이용하면 자외선 등의 광을 조사하는 것에 의하여 쉽게 경화될 수 있다. As the organic substrate such as a polymer, various polymers capable of stably fixing and supporting the plurality of particles 20 may be used. And the polymer substrate may be cured under certain conditions, including a cured resin. For example, in this embodiment, the polymer substrate may be cured by ultraviolet (UV) light, including an ultraviolet curing resin. If an ultraviolet curing resin is used, it can be easily cured by irradiating light such as ultraviolet rays.

자외선 경화 수지는 자외선을 받아 가교, 경화 작용을 일으킬 수 있도록 다양한 물질을 포함할 수 있는데, 일례로, 자외선 경화 수지는 올리고머(베이스 수지), 모노머(반응성 희석제), 광중합 개시제, 각종 첨가제 등을 포함할 수 있다. The UV-curable resin may contain various materials to cause crosslinking and curing effects by receiving UV rays.For example, the UV-curable resin includes oligomers (base resins), monomers (reactive diluents), photopolymerization initiators, and various additives. can do.

올리고머는 수지의 물성을 좌우하는 중요한 성분으로, 중합 반응에 의해 고분자 결합을 형성하여 경화가 이루어지게 한다. 골격 분자의 구조에 따라 폴리에스테르계, 에폭시계, 우레탄계, 폴리에테르계, 폴리아크릴계 등의 아크릴레이트 등으로 이루어질 수 있다. 모노머는 올리고머의 희석제로서의 역할을 할 수 있으며, 반응에 참여할 수 있다. 가교를 위해서 가교제를 더 포함할 수 있다. 광중합 개시제는 자외선을 흡수하여 라디칼 혹은 양이온을 생성시켜 중합을 개시시키는 역할을 하며 단독 혹은 둘 이상의 물질이 포함될 수 있다. 첨가제는 용도에 따라 추가적으로 첨가되는 것으로, 용도에 따라 광증감제, 착색제, 증점제, 중합 금지제 등이 있다. The oligomer is an important component that influences the physical properties of the resin, and it forms a polymer bond through a polymerization reaction to cause curing. Depending on the structure of the skeleton molecule, it may be made of an acrylate such as polyester, epoxy, urethane, polyether, and polyacrylic. The monomer can serve as a diluent for the oligomer and can participate in the reaction. For crosslinking, a crosslinking agent may be further included. The photopolymerization initiator serves to initiate polymerization by absorbing ultraviolet rays to generate radicals or cations, and may contain single or two or more substances. Additives are additionally added depending on the use, and include photosensitizers, colorants, thickeners, polymerization inhibitors, and the like depending on the use.

무기 기재로는 제한되지 않으나 유리막 코팅제 등을 들 수 있으며, 시중에 유통되고 있는 다양한 유리막 코팅제를 이용할 수 있다. 사용되는 입자가 티탄산화물 등 광촉매 입자인 경우에 유기 재료를 기재로 사용하게 되면 광촉매 반응에 의해 유기 재료가 분해될 수 있다. 이로 인해 기재의 내구성에 손상을 입고 입자가 기재로부터 떨어지는 등 수명에 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 입자 부분 노출형 기재를 광촉매 용도로 사용하는 경우에는 기재를 무기 재료로 사용하는 것이 좋다. Although it is not limited to an inorganic substrate, a glass film coating agent may be mentioned, and various glass film coating agents in the market may be used. When the particles used are photocatalytic particles such as titanium oxide, if an organic material is used as a substrate, the organic material may be decomposed by a photocatalytic reaction. Due to this, the durability of the substrate may be damaged, and problems may occur in the lifespan such as particles falling off the substrate. Therefore, when using the particle-exposed substrate for a photocatalytic application, it is preferable to use the substrate as an inorganic material.

이어서, 도 51f에 도시한 바와 같이, 기재 조성물을 경화하고 밀착성 고분자 기판(도 51e의 참조부호 10)을 제거하여 복수의 입자를 부분적으로 노출시켜, 입자 부분 노출형 기재를 제조한다. Subsequently, as shown in FIG. 51F, the substrate composition is cured, and the adhesive polymer substrate (reference numeral 10 in FIG. 51E) is removed to partially expose a plurality of particles to prepare a particle partially exposed substrate.

복수의 입자(20)에서 밀착성 고분자 기판(10)에 감싸졌던 부분이 기재(30) 상에서 노출될 수 있다. 이에 따라 복수의 입자(20)의 평균 입경(D)에 대한 노출된 부분의 높이(L2)의 비율(L2/D)이 0.02~0.50일 수 있다. 상기 비율(L2/D)이 0.02 미만일 경우에는 입자(20)와 밀착성 고분자 기판(10)과의 결합력이 충분하지 않아 밀착성 고분자 기판(10) 상에 복수의 입자(20)에 의한 코팅막(22)이 안정적으로 형성되지 않을 수 있으며, 입자의 노출이 불충분할 수 있다. 상기 비율(L2/D)이 0.50을 초과할 경우에는 입자들(20)이 기재(30)에 의하여 안정적으로 고정되지 않을 수 있다. A portion of the plurality of particles 20 wrapped around the adhesive polymer substrate 10 may be exposed on the substrate 30. Accordingly, a ratio (L2/D) of the height L2 of the exposed portion to the average particle diameter D of the plurality of particles 20 may be 0.02 to 0.50. When the ratio (L2/D) is less than 0.02, the bonding force between the particles 20 and the adhesive polymer substrate 10 is insufficient, so that the coating film 22 by a plurality of particles 20 on the adhesive polymer substrate 10 This may not be formed stably, and the exposure of the particles may be insufficient. When the ratio (L2/D) exceeds 0.50, the particles 20 may not be stably fixed by the substrate 30.

본 실시예에 따른 입자 부분 노출형 기재는 단층 수준으로 배열되고 노출될 수 있다. 전술한 방법에 의해 제조됨으로써 기재로부터 노출되지 않는 입자는 개수 기준으로 전체 입자에서 10% 이하일 수 있다. 특히, 5% 이하일 수 있으며, 거의 존재하지 않을 수도 있다. 또한, 입자가 허용될 수 있는 이론 밀도치에 근접하게 존재하여 노출될 수 있다. 일례로, 입자의 평균입경을 D라 하고, 노출된 입자 사이의 평균간격(입자 중심부 간의 거리)을 P라 할 때, D ≤ P ≤ 1.5D 를 만족하면서 노출될 수 있다. 또한, 입자는 전술한 입자 코팅 방법에 의해 정밀하게 정렬될 수 있으며, 특히 헥사고날 형태로 정렬되어 노출될 수 있다. 상기 기재는 두께 방향을 기준으로, 입자가 위치하는 상부 영역과 위치하지 않는 하부 영역으로 구분될 수 있다. 이 영역은 입자가 단층 수준으로 배열됨에 따라 입자의 존재 유무에 의해 구분되는 것이며, 기재의 종류를 달리하는 것으로 구분되는 것은 아니다. 입자가 위치하지 않는 하부 영역이 입자가 위치하는 상부 영역보다 두꺼울 수 있으며, 바람직하기로는 2~50배 두꺼울 수 있다.Particle-exposed substrate according to the present embodiment may be arranged and exposed in a single layer level. The number of particles that are not exposed from the substrate by being manufactured by the above-described method may be 10% or less of the total particles on a number basis. In particular, it may be 5% or less, and may not be present. In addition, the particles may be present and exposed close to an acceptable theoretical density value. For example, when the average particle diameter of the particles is D and the average interval between the exposed particles (the distance between the centers of the particles) is P, the exposure may be achieved while satisfying D ≤ P ≤ 1.5D. In addition, the particles may be precisely aligned by the above-described particle coating method, and in particular, may be aligned and exposed in a hexagonal shape. The substrate may be divided into an upper region in which the particles are located and a lower region in which the particles are not located, based on the thickness direction. This region is classified by the presence or absence of particles as the particles are arranged in a single layer level, and is not classified by different types of substrates. The lower region where the particles are not located may be thicker than the upper region where the particles are located, and preferably 2 to 50 times thicker.

또한, 상기 복수의 입자가 비구형일 경우에는, 상기 복수의 입자 중 입경이 상위 10% 입자의 평균 입경에 대한 상기 복수의 입자로 이루어진 코팅층 두께의 평균값의 비율이 1.9 이하로 형성되어 부분 노출될 수 있다. In addition, when the plurality of particles are non-spherical, the ratio of the average value of the thickness of the coating layer made of the plurality of particles to the average particle diameter of the particles having the upper 10% of the plurality of particles is 1.9 or less, so that partial exposure may be performed. have.

또한, 기재는 단일 재료로 형성될 수 있으며, 다층으로 이루어질 수도 있다. 다층의 일례로서, 입자와 접하는 코팅층과 코팅층과 접하는 지지 기판을 포함하여 구성될 수 있다. 이 구조는 밀착성 기판 및 복수의 입자로 구성된 코팅막 위에 기재 조성물을 코팅하고 그 위에 지지 기판을 부착한 후 경화시키는 방법으로 얻어질 수 있다. 또 다른 다층의 일례로서, 입자와 접하는 코팅층, 상기 코팅층 상에 도포된 점착층 및 점착층에 부착되고 이형될 수 있는 이형필름을 포함하여 이루어질 수 있다. 기능성 부착 시트의 형태로 제조될 수 있으며 이형필름을 제거하면서 피부착물에 부착할 수 있는 형태로 제조될 수 있다.In addition, the substrate may be formed of a single material or may be formed of multiple layers. As an example of a multilayer, it may be configured to include a coating layer in contact with the particles and a support substrate in contact with the coating layer. This structure can be obtained by coating a base composition on an adhesive substrate and a coating film composed of a plurality of particles, attaching a support substrate thereon, and curing. As another example of the multi-layer, it may include a coating layer in contact with the particles, an adhesive layer applied on the coating layer, and a release film that can be attached to and released from the adhesive layer. It may be manufactured in the form of a functional attachment sheet, and may be manufactured in a form that can be attached to a skin complex while removing the release film.

이와 같이 본 실시예에 따르면 다양한 기능을 위한 입자(20)를 기재(30)로부터 상당히 균일하게 부분 노출할 수 있게 되어 세포 배양 기능을 좀더 효율적으로 구현할 수 있다.
As described above, according to the present embodiment, the particles 20 for various functions can be partially exposed from the substrate 30 fairly uniformly, so that the cell culture function can be more efficiently implemented.

본 발명은 또한, 전술한 세포 배양기판을 이용하여 세포를 배양하는 방법을 포함한다. 세포 배양 방법은 제한되지 않으며 공지의 방법을 이용할 수 있다. 구체적 일례는 실시예에서 후술한다.
The present invention also includes a method of culturing cells using the cell culture substrate described above. The cell culture method is not limited, and a known method may be used. A specific example will be described later in Examples.

상기의 특징을 갖는 본 발명에 따른 세포배양 기판은, 3차원적 세포 배양 환경을 효과적으로 제공하기 위해 중요하게 고려되어야 할 몇 가지 관점을 만족시키는 미세구조를 갖는다. 이러한 미세구조는 다음의 효과를 선택적으로 제공한다. 첫째, 꽃 유사 형상의 3차원 미소 펠렛 형태로 세포 배양 및 응집이 일어난다. 둘째, 세포 배양시 분화된 세포의 경우 탈분화를 억제하고 재분화 및 분화를 촉진하며, 줄기세포의 경우 특정한 형태의 세포로 분화 특성을 유도 및 촉진 시킨다. 셋째, 세포 골격 구조의 발달을 억제한다. 넷째, 세포의 유동성 및 이동성을 증가시킨다.The cell culture substrate according to the present invention having the above characteristics has a microstructure that satisfies several aspects that are important to be considered in order to effectively provide a three-dimensional cell culture environment. This microstructure selectively provides the following effects. First, cell culture and aggregation occur in the form of three-dimensional micropellets having a flower-like shape. Second, in the case of differentiated cells during cell culture, it inhibits dedifferentiation and promotes re-differentiation and differentiation, and in the case of stem cells, it induces and promotes differentiation characteristics into a specific type of cell. Third, it inhibits the development of cytoskeletal structures. Fourth, it increases the fluidity and mobility of cells.

본 발명은 특히 실제 임상치료에서 문제가 되는 연골세포 배양의 탈분화 억제 및 줄기세포의 연골세포로의 분화촉진을 기판의 특수 구조설계를 통하여 극복하고, 세포의 성장 및 분화가 조절 가능함을 보여준 가치 있는 결과를 보여주었다.
The present invention is particularly valuable in showing that the inhibition of dedifferentiation of chondrocyte culture and promotion of differentiation of stem cells into chondrocytes, which is a problem in actual clinical treatment, is overcome through a special structure design of the substrate, and that the growth and differentiation of cells can be controlled. Showed the results.

도 1a는 본 발명에서 설명하는 세포배양용 미세구조 기판의 특징을 보여주는 모식도로 벌집구조로 배치된 구조체가 만드는 전방향에 대한 반복적인 높이 단차를 보여준다. 구조체가 1b와 같이 연속적인 완만한 경사면으로 인해 세포막의 부착은 이루어 지지만 내부 선형의 골격구조를 만들지는 못하게 하여 세포의 골격구조 형성이 억제되고, 이로인해 안정적인 부착상태를 유지하며 세포응집등의 특이적 현상을 만들어 내는 원리를 설명해 주고 있다. 22와 23은 각각 구조체로 인해 형성되는 상층부와 바닥면을 지칭한다.
도 2a는 유리기판과 다양한 직경(60 ~ 700 nm)의 실리카 파티클로 제작된 단층 박막의 atomic force microscpoy (AFM) 이미지(왼쪽)와 기판 별 실리카 파티클 크기에 따른 측정된 표면 거칠기를 정리한 표(오른쪽)이다.
도 2b는 나노구조에 의해서 입자표면을 따라 부착되는 세포막의 부착 단백질 그룹인 focal adhesion이 형성되더라도, 주변 입자에 의한 반복적인 높낮이 단차로 인해 선형의 주요 세포 골격구조 인 stress fiber가 형성되기 어려운 구조적 이유를 설명하기 위한 모식도 이다. a나 b의 위치에 형성된 focal adhesion 단백질들은 세포 골격 구조 형성에 참여가 가능하지만 상당한 면적을 차지하는 c, d의 위치에 부착된 focal adhesion 단백질들은 구조적인 거리로 인해서 세포 골격 구조 형성에 참여가 어려워 진다.
도 3은 제작예 1을 통해 실제 제작되어 실험에 사용된 750 nm 직경의 실리카 파티클이 코팅된 기판 사진이다.
도 4는 각 제작된 기판별로 토끼연골세포를 4시간 동안 배양한 후 측정된 위상차현미경 이미지(왼쪽)와 이미지를 분석한 세포 흡착률을 정리한 표(오른쪽)이다.
도 5는 각 기판별로 토끼연골세포를 1일간 배양 후 측정된 형광염색 현미경 이미지이다. 붉은색은 골격구조(actin), 푸른색은 핵을 나타낸다.
도 6a는 각 기판별로 토끼연골세포를 3일간 배양 후 측정된 형광염색 현미경 이미지이다. 붉은색은 골격구조(actin), 푸른색은 핵을 나타낸다.
도 6b는 TCPS와 본 발명의 세포배양 기판에서 토끼연골세포를 3일간 배양 후 측정된 현미경 이미지이다.
도 7은 각 기판별로 토끼연골세포를 1일간 배양 후 측정된 공초점 레이저 주사 현미경 이미지이다.
도 8은 각 기판별로 토끼연골세포를 1일간 배양 후 측정된 atomic force microscpoy (AFM) 이미지이다.
도 9는 각 기판별로 토끼연골세포를 7일동안 배양 하며 측정된 초기 대비 대사도 평가 그래프이다.
도 10은 각 기판별로 토끼연골세포를 7일동안 배양 하며 측정된 TCPS 기판 대비 대사도 평가 그래프이다.
도 11은 각 기판별로 토끼연골세포를 7일동안 배양후 세포수를 측정한 그래프이다.
도 12는 토끼연골세포의 배양 단계 별 및 passage 3단계에서 각 기판별 세포의 collagen I 과 II의 mRNA 발현양을 정리한 그래프이다.
도 13은 Passage 3 단계에서 토끼연골세포의 배양시 표면의 화학 특성에 대한 영향을 평가하기 위해 glass기판과 700 nm 실리카 기판에 아민기를 코팅한 기판을 추가하여 진행한 collagen I 과 II의 mRNA 발현양을 정리한 그래프이다.
도 14는 Passage 3 단계에서 토끼연골세포의 배양시 미세구조 기판상 표면의 화학 특성에 대한 영향을 평가하기 위해 glass기판과 700 nm 실리카 기판에 아민기를 코팅한 기판을 추가하여 각 기판에서 세포의 분포 형태를 측정한 위상차현미경 이미지이다.
도 15는 Passage 0인 토끼연골세포를 glass기판과 300 nm 실리카 기판상에 1주일마다 1차례 씩 5주간 계대배양하며 collagen II mRNA 발현양의 변화를 측정한 전기영동 이미지이다. 연골세포 마커인 Collagen II 는 위쪽, 보정용 마커인 GAPDH는 아래쪽이다.
도 16은 3차례 TCPS에서 계대배양하여 탈분화된 토끼연골세포를 4번째 계대배양 단계에서 TCPS와 미세구조체 기판에서 배양한 후, 원심분리를 통해 펠렛 (pellet) 형태로 1주일간 배양하여 ECM 형성을 관찰한 이미지이다. ECM은 염색물질인 safranin O를 이용하여 붉게 처리하였다.
도 17은 토끼연골세포의 계대배양 과정 및 배양 기판에 따른 단위 갯수별 세포의 질량 변화를 배양 2일과 7일차에 확인한 결과 그래프이다.
도 18은 TCPS와 표면개질된 유리, 실리카 기판상 토끼연골세포 배양시 1시간동안 흡착되는 세포수를 평가한 그래프이다. 기판 이름에 아민처리기판은 A, 결합유도 펩티드인 RGD는 R로 표기하였다.
도 19는 TCPS와 700 nm, 3,000 nm 직경의 실리카 기판에서 배양 중인 토끼연골세포의 위상차 현미경 이미지 이다.
도 20은 쥐 근육유래 줄기세포를 TCPS기판과 미세구조체 기판에서 14일간 배양 후 측정한 위상차 현미경 이미지이다.
도 21은 PDMS 기판위에 1500 nm 입경의 실리카입자를 단층 코팅한 기판의 AFM 이미지이다. 하단 사진은 150 mm 직경의 페트리뒤쉬에 10% 경화제 비율의 PDMS를 코팅 후, 실리카 750 nm 입경 입자를 단층 코팅 후 촬영한 사진이다.
도 22는 10% 경화제 비율의 PDMS 기판위에 다양한 입경의 실리카 입자를 코팅 후, 측정한 전자현미경 이미지이다.
도 23은 10% 경화제 비율의 PDMS 기판위에 (a) 800 nm, (b) 2010 nm 입경의 폴리스트렌 입자를 코팅 후, 측정한 전자현미경 이미지이다.
도 24는 (a) 10% 경화제 비율의 PDMS 기판, (b) sealing tape, (c) LLDPE 랩, (d) 보호필름, (e) PVC와 같이 밀착성 고분자에 입자가 육방밀집 형태로 단층코팅이 이루어지며, 이러한 점이 (f) 단단한 표면의 PMMA와 (g) 일정한 형태를 가지지 않는 접착성 물질이 코팅된 접착 테이프와 같이 물성이 상이한 필름에서는 이루어지지 않는 독특한 특성이라는 점을 설명하기 위해 각 필름의 전자현미경 이미지와 함께 정리한 사진이다.
도 25는 코팅되는 입자의 재질에 의한 영향을 확인하기 위하여 10% 경화제 비율의 PDMS 기판에 500 및 1000 nm 직경의 구형 폴리스티렌 재질의 입자를 단층코팅하여 세포가 실리카 입자를 이용한것과 유사하게 토끼연골세포가 응집되는 것을 확인한 위상차 현미경 이미지이다.
도 26은 10% 경과제 비율의 PDMS 기판에 다양한 입경의 실리카 입자와 800 nm 입경의 폴리스티렌 입자를 각각 코팅하여 TCPS 및 glass 기판과 함께 passage 3 단계에서 휴먼연골세포를 1주일간 배양하여 얻은 세포들을 TCPS에서 passage 0 ~ 2까지 1주일 씩 배양하여 얻은 세포들과 같이 mRNA 발현양을 real-time PCR로 평가한 그래프이다. 콜라겐 타입 1 및 2의 mRNA 발현양을 passage 3 단계의 TCPS에서의 값을 기준으로 정리하였다.
도 27은 각 기판별로 휴먼연골세포를 3일간 배양 후 측정된 40 x 배율의 형광염색 현미경 이미지이다. 붉은색은 골격구조(actin), 푸른색은 핵을 나타낸다.
도 28은 각 기판별로 휴먼연골세포를 5일간 배양 후 측정된 400 x 배율의 형광염색 현미경 이미지이다. 붉은색은 골격구조(actin)를 나타낸다.
도 29는 10 % 경화제 비율의 PDMS상 1500 nm 입경의 실리카 입자를 코팅한 기판에서 2일간 배양된 휴먼연골세포의 AFM 이미지 및 라인 프로파일이다. 세포의 중심부분이 주변 영역보다 낮게 관찰되었다.
도 30은 세포의 침하현상을 규명하기 위하여 glass 및 LB 방법으로 750 nm 입경 실리카를 코팅한 glass 기판, 경화제 비율이 다른 PDMS 기판에 750 nm 입경의 실리카 입자를 코팅 후, 각 기판에 3일간 휴먼연골세포를 배양하여 측정한 AFM 이미지 및 세포의 중심부 높이를 정리한 그래프이다.
도 31은 휴먼 MSC 세포를 미세구조 기판에 배양시 이루어지는 연골분화 특성을 설명하기 위한 모식도이다. 미세구조로 인해 세포와 기판과의 상호작용이 약화되고, 이웃한 세포와의 상호작용이 강화되는 것을 특징적으로 설명하고 있다.
도 32는 휴먼 MSC 세포를 미세구조 기판에서 7일간 배양시 세포들이 연골세포들과 유사하게 응집되는 현상을 보여주는 100x 배율의 위상차현미경 이미지이다.
도 33은 휴먼 MSC 세포를 미세구조 기판에서 7일간 배양시 연골세포특이 염색물질인 alician blue에 의해 염색되어 푸른색을 나타내는 것을 보여주는 200x 배율의 위상차 현미경 이미지이다.
도 34는 휴먼 MSC 세포의 미세구조 기판 배양에 의한 유전자 발현 상태 변화를 확인하고 분화상태를 검증하기 위해 mRNA 발현량을 평가한 RT-PCR 결과이다.
도 35는 도 34의 RT-PCR 결과를 이미지 작업을 통해 세포간 상호작용 관련 mRNA의 발현양을 수치적으로 정리한 그래프이다.
도 36은 도 33의 RT-PCR 결과를 이미지 작업을 통해 연골 특이 단백질 관련 mRNA의 발현양을 수치적으로 정리한 그래프이다.
도 37은 도 33의 RT-PCR 결과를 이미지 작업을 통해 지방 세포 특이 단백질 관련 mRNA의 발현양을 수치적으로 정리한 그래프이다.
도 38은 휴먼 골아세포를 미세구조 기판에서 7일간 배양시 세포들이 연골세포들과 유사하게 응집되는 현상을 보여주는 200x 배율의 위상차현미경 이미지이다.
도 39는 휴먼 골아세포의 미세구조 기판 배양에 의한 분화상태 변화를 검증하기 위해 골세포 관련 mRNA 발현량을 평가한 RT-PCR 결과 이미지 및 이를 정리한 그래프이다.
도 40은 휴먼 골아세포를 미세구조 기판에서 7일간 배양시 골세포 특이 효소인 Alkaline phosphatase 가 염색물질에 의해 염색되어 푸른색을 나타내는 것을 보여주는 사진 이미지이다.
도 41은 휴먼 골아세포의 미세구조 기판 배양에 의한 부착성 및 세포간 상호작용 정도의 변화를 평가하기 위해 부착단백질 (Integrin) 및 상호작용 단백질 (E-cadherin) 관련 mRNA 발현량을 평가한 RT-PCR 결과 이미지 및 이를 정리한 그래프이다.
도 42는 미세구조 기판을 제조하는 예시로 제작한 실리카 750 nm 입자를 PDMS 필름에 단층 코팅 후, UV 경화 고분자를 통해 고분자 기판에 입자를 단층 전이한 기판의 전자현미경 이미지 이다.
도 43은 미세구조 기판을 제조하는 예시로 제작한 실리카 300 nm 입자를 PDMS 필름에 단층 코팅 후, 유리막 코팅제를 통해 무기재질인 유리 기판으로 입자를 단층 전이한 기판의 전자현미경 이미지 이다.
도 44는 미세구조 기판을 제조하는 예시로 제작한 실리카 300 nm 입자를 PDMS 필름에 단층 코팅 후, 유리막 코팅제를 통해 무기재질인 유리 기판으로 입자를 단층 전이한 기판의 AFM 측정 이미지 및 라인 프로파일이다.
도 45는 미세구조 기판을 제작하기 위한 mold의 예시로 도 44과 같은 양각 형태의 유리 기판을 원형틀로 이용하여 제작한 음각 형태의 UV 경화 고분자 기판의 AFM 측정 이미지 및 라인 프로파일이다.
도 46은 미세구조 기판을 제작하기 위한 mold의 예시로 도 44과 같은 양각 형태의 유리 기판을 원형틀로 이용하여 제작한 음각 형태의 UV 경화 고분자 기판의 전자현미경 이미지이다.
도 47은 미세구조 기판을 제작하기 위한 mold의 예시로 500 nm 입경의 폴리스티렌 입자를 4 % 경화제 비율의 PDMS 기판에 단층 코팅 하여 유리막 코팅제로 유리기판에 전이한 기판을, 유기용제로 폴리스티렌 입자를 제거하여 제작한 깊은 음각형태의 유리기판의 전자현미경 이미지 및 AFM 측정 이미지와 라인 프로파일이다.
도 48은 도 47에서 보여준 mold 유리 기판을 통해 제작한 육방밀집형태로 입자 구조체가 형성된 고분자 기판의 전자현미경 이미지이다.
도 49a 내지 도 49c는 본 발명의 실시예에 따른 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 50a 및 도 50b는 본 발명의 실시예에 따른 입자 정렬을 이용한 코팅 방법에 의하여 형성된 코팅막을 제거한 후의 밀착성 고분자 기판의 다양한 예를 도시한 단면도이다.
도 51a 내지 도 51f는 본 발명의 실시예에 따른 입자 부분 노출형 기재의 제조방법을 설명하는 단면도들이다.
1A is a schematic diagram showing the characteristics of the microstructure substrate for cell culture described in the present invention, and shows a repetitive height step in all directions made by a structure arranged in a honeycomb structure. Cell membranes are adhered to the structure due to the continuous gentle slope as shown in 1b, but it prevents the formation of an internal linear skeletal structure, thereby inhibiting the formation of the skeletal structure of the cell, thereby maintaining a stable adhesion state, and the specificity of cell aggregation. It explains the principle of creating enemy phenomena. 22 and 23 refer to the upper and lower surfaces formed by the structure, respectively.
2A is a table showing an atomic force microscpoy (AFM) image (left) of a single-layer thin film made of a glass substrate and silica particles of various diameters (60 ~ 700 nm) (left) and a table summarizing the measured surface roughness according to the silica particle size for each substrate ( Right).
Figure 2b is a structural reason why it is difficult to form a stress fiber, a major linear cytoskeletal structure, due to repetitive height and height differences caused by surrounding particles, even if focal adhesion, which is an adhesion protein group of cell membranes attached along the particle surface, is formed by nanostructures. It is a schematic diagram for explaining. Focal adhesion proteins formed at positions a and b can participate in the formation of cytoskeletal structures, but focal adhesion proteins attached at positions c and d, which occupy a significant area, are difficult to participate in the formation of cytoskeletal structures due to their structural distance. .
FIG. 3 is a photograph of a substrate coated with silica particles having a diameter of 750 nm that were actually manufactured through Preparation Example 1 and used in the experiment.
FIG. 4 is a table showing a phase contrast microscope image (left) measured after culturing rabbit chondrocytes for each prepared substrate for 4 hours and a cell adsorption rate obtained by analyzing the image (right).
5 is a fluorescence staining microscope image measured after culturing rabbit chondrocytes for each substrate for 1 day. The red color represents the skeletal structure (actin), and the blue color represents the nucleus.
6A is a fluorescence staining microscope image measured after culturing rabbit chondrocytes for each substrate for 3 days. The red color represents the skeletal structure (actin), and the blue color represents the nucleus.
Figure 6b is a microscope image measured after culturing rabbit chondrocytes for 3 days in TCPS and the cell culture substrate of the present invention.
7 is a confocal laser scanning microscope image measured after culturing rabbit chondrocytes for each substrate for 1 day.
8 is an atomic force microscpoy (AFM) image measured after culturing rabbit chondrocytes for each substrate for 1 day.
9 is a graph showing the initial metabolism evaluation graph measured by culturing rabbit chondrocytes for 7 days for each substrate.
FIG. 10 is a graph showing metabolic rate compared to the measured TCPS substrate by culturing rabbit chondrocytes for 7 days for each substrate.
11 is a graph of measuring the number of cells after culturing rabbit chondrocytes for 7 days for each substrate.
12 is a graph showing the amount of mRNA expression of collagen I and II cells for each substrate in each culture step and passage 3 step of rabbit chondrocytes.
13 shows the amount of mRNA expression of collagen I and II performed by adding a substrate coated with an amine group on a glass substrate and a 700 nm silica substrate to evaluate the effect on the chemical properties of the surface during culture of rabbit chondrocytes in Passage 3 step. This is a graph that summarizes.
14 is a distribution of cells in each substrate by adding a substrate coated with an amine group on a glass substrate and a 700 nm silica substrate in order to evaluate the effect on the chemical properties of the surface on the microstructured substrate when culturing rabbit chondrocytes in Passage 3 step. This is a phase contrast microscope image measuring the shape.
FIG. 15 is an electrophoresis image in which rabbit chondrocytes of Passage 0 were subcultured once every week on a glass substrate and a 300 nm silica substrate for 5 weeks, and the change in the expression level of collagen II mRNA was measured. Collagen II, a chondrocyte marker, is at the top, and GAPDH, a marker for correction, is at the bottom.
Figure 16 is a rabbit chondrocytes dedifferentiated by subculture in TCPS three times, cultured on a microstructure substrate with TCPS in the fourth subculture step, and then cultured in a pellet form through centrifugation for 1 week to observe ECM formation. It is an image. ECM was treated in red with safranin O, a staining material.
FIG. 17 is a graph showing the results of confirming the change in mass of cells by the number of units according to the passage of rabbit chondrocytes and the culture substrate on the 2nd and 7th days of culture.
18 is a graph evaluating the number of cells adsorbed for 1 hour during culture of rabbit chondrocytes on TCPS and surface-modified glass and silica substrates. In the name of the substrate, A for the amine-treated substrate and R for the binding-inducing peptide RGD.
19 is a phase contrast microscope image of rabbit chondrocytes cultured on a silica substrate having a diameter of 700 nm and 3,000 nm with TCPS.
20 is a phase contrast microscope image measured after culturing mouse muscle-derived stem cells on a TCPS substrate and a microstructure substrate for 14 days.
21 is an AFM image of a substrate coated with a single layer of silica particles having a particle diameter of 1500 nm on a PDMS substrate. The lower picture is a photograph taken after coating PDMS with a 10% curing agent ratio on a 150 mm diameter Petri Dusch, and then coating a single layer of silica 750 nm particle diameter particles.
22 is an electron microscope image measured after coating silica particles of various particle diameters on a PDMS substrate having a 10% curing agent ratio.
23 is an electron microscope image measured after coating polystyrene particles of (a) 800 nm and (b) 2010 nm particle diameter on a PDMS substrate having a 10% curing agent ratio.
Figure 24 is a single layer coating in the form of hexagonal dense particles on adhesive polymers such as (a) 10% curing agent ratio PDMS substrate, (b) sealing tape, (c) LLDPE wrap, (d) protective film, (e) PVC. This is a unique property that does not occur in films with different physical properties, such as (f) PMMA with a hard surface and (g) an adhesive tape coated with an adhesive material that does not have a certain shape. This is a photo organized with an electron microscope image.
Figure 25 is a rabbit cartilage cell similar to the cell using silica particles by monolayer coating particles of spherical polystyrene material of 500 and 1000 nm diameter on a PDMS substrate with a 10% curing agent ratio in order to check the effect of the material of the coated particles. It is a phase contrast microscope image confirming that is aggregated.
Figure 26 shows the cells obtained by culturing human chondrocytes for 1 week in the passage 3 step with TCPS and glass substrates by coating each of silica particles of various particle diameters and polystyrene particles of 800 nm particle diameter on a PDMS substrate having a ratio of 10% elapsed time. This is a graph evaluating the amount of mRNA expression by real-time PCR like cells obtained by culturing from passage 0 to 2 for 1 week each. The mRNA expression levels of collagen types 1 and 2 were summarized based on the value in TCPS at passage 3 step.
27 is a fluorescence staining microscope image of 40 x magnification measured after culturing human chondrocytes for each substrate for 3 days. The red color represents the skeletal structure (actin), and the blue color represents the nucleus.
28 is a fluorescence staining microscope image of 400 x magnification measured after culturing human chondrocytes for each substrate for 5 days. The red color represents the skeletal structure (actin).
29 is an AFM image and line profile of human chondrocytes cultured for 2 days on a substrate coated with silica particles having a particle diameter of 1500 nm on PDMS with a 10% curing agent ratio. The central part of the cell was observed to be lower than the surrounding area.
30 shows a glass substrate coated with 750 nm particle size silica by a glass and LB method in order to investigate the subsidence of cells, and after coating silica particles of 750 nm particle size on a PDMS substrate with a different curing agent ratio, human cartilage on each substrate for 3 days. This is a graph that summarizes the AFM images measured by culturing cells and the height of the center of the cells.
31 is a schematic diagram for explaining the cartilage differentiation characteristics performed when human MSC cells are cultured on a microstructure substrate. Due to the microstructure, the interaction between the cell and the substrate is weakened, and the interaction with neighboring cells is strengthened.
FIG. 32 is a phase contrast microscope image at 100x magnification showing a phenomenon in which cells are aggregated similarly to chondrocytes when human MSC cells are cultured on a microstructure substrate for 7 days.
FIG. 33 is a phase contrast microscope image at 200x magnification showing that human MSC cells are stained with alician blue, a cartilage cell-specific staining material, when cultured on a microstructure substrate for 7 days.
34 is an RT-PCR result of evaluating the amount of mRNA expression in order to confirm the change in gene expression state by culturing the microstructure substrate of human MSC cells and to verify the differentiation state.
FIG. 35 is a graph that numerically summarizes the expression level of mRNA related to the interaction between cells through an image operation of the RT-PCR result of FIG. 34.
FIG. 36 is a graph numerically summarizing the expression levels of cartilage-specific protein-related mRNA through image processing of the RT-PCR results of FIG. 33.
37 is a graph numerically summarizing the expression levels of adipocyte-specific protein-related mRNA through image processing of the RT-PCR results of FIG. 33.
FIG. 38 is a phase contrast microscope image at 200x magnification showing a phenomenon in which cells are aggregated similarly to chondrocytes when human osteoblasts are cultured on a microstructure substrate for 7 days.
39 is an image of the results of RT-PCR for evaluating the expression level of bone cell-related mRNA in order to verify the change in the differentiation state of human osteoblasts by culturing the microstructure substrate, and a graph showing the results.
FIG. 40 is a photographic image showing that when human osteoblasts are cultured on a microstructure substrate for 7 days, Alkaline phosphatase, a bone cell-specific enzyme, is stained with a staining material to show blue color.
FIG. 41 is an RT- which evaluates the level of mRNA expression related to adhesion protein (Integrin) and interacting protein (E-cadherin) in order to evaluate the change in the degree of adhesion and cell-to-cell interaction due to microstructure substrate culture of human osteoblasts. This is a PCR result image and a graph that summarizes it.
FIG. 42 is an electron microscope image of a substrate in which 750 nm silica particles prepared as an example of manufacturing a microstructured substrate were monolayer coated on a PDMS film, and then the particles were transferred to a polymer substrate through a UV-curing polymer.
FIG. 43 is an electron microscope image of a substrate in which 300 nm silica particles prepared as an example of manufacturing a microstructured substrate were monolayer coated on a PDMS film, and then the particles were transferred to a glass substrate made of an inorganic material through a glass film coating agent.
FIG. 44 is an AFM measurement image and line profile of a substrate in which 300 nm silica particles prepared as an example of manufacturing a microstructured substrate were monolayer coated on a PDMS film, and then the particles were monolayered onto a glass substrate made of an inorganic material through a glass film coating agent.
FIG. 45 is an AFM measurement image and line profile of a UV-cured polymer substrate in an intaglio shape manufactured using an embossed glass substrate as shown in FIG. 44 as a circular frame as an example of a mold for manufacturing a microstructure substrate.
FIG. 46 is an electron microscope image of a UV-curable polymer substrate in an intaglio shape manufactured using a glass substrate in an embossed shape as shown in FIG. 44 as a circular frame as an example of a mold for manufacturing a microstructure substrate.
47 is an example of a mold for manufacturing a microstructured substrate. A single layer coating of polystyrene particles having a particle diameter of 500 nm on a PDMS substrate with a 4% curing agent ratio is applied to the substrate transferred to the glass substrate with a glass film coating agent, and the polystyrene particles are removed with an organic solvent. This is an electron microscope image, AFM measurement image, and line profile of a deep intaglio-shaped glass substrate that was produced by doing this.
FIG. 48 is an electron microscope image of a polymer substrate in which a particle structure is formed in a hexagonal dense form manufactured through the mold glass substrate shown in FIG. 47.
49A to 49C are cross-sectional views illustrating a coating method using particle alignment according to an embodiment of the present invention.
50A and 50B are cross-sectional views illustrating various examples of an adhesive polymer substrate after removing a coating film formed by a coating method using particle alignment according to an embodiment of the present invention.
51A to 51F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a partially exposed substrate according to an embodiment of the present invention.

대면적으로 제작이 가능한 미세구조 기판상에서 연골세포 및 줄기세포 등을 포함한 다양한 세포에서 세포의 배양 및 특성 조절이 가능함을 확인하였다.It was confirmed that it was possible to culture and control the characteristics of cells in various cells including chondrocytes and stem cells on a microstructured substrate that can be manufactured in a large area.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 하나, 하기한 실시예는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것은 아님을 이해하여만 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples, but it will be understood that the following examples are for illustrative purposes only, and do not limit the present invention.

# 제조예1: 실리카 미세 박막을 구비한 세포 배양기판의 제조# Preparation Example 1: Preparation of a cell culture substrate having a fine silica thin film

랭뮤어-블러젯(LB) 방법을 통해 실리카 미세 박막을 제조하였다. A fine silica thin film was prepared through the Langmuir-Blurjet (LB) method.

랭뮤어-블러젯 방법은 수면 상에 외압을 주는 조건에서 수면 상에 존재하는 물질이 균일한 단층이 형성되도록 유도하는 방법으로서, 다음의 랭뮤어-블러젯 방법을 기초로 하여 실리카 입자를 기판위에 고정한다. The Langmuir-Blurjet method is a method of inducing a uniform monolayer of substances present on the water surface to be formed under the condition of applying external pressure on the water surface.Based on the following Langmuir-Blurjet method, silica particles are placed on a substrate. Fix it.

먼저, 실리카 입자를 제조한다. 실리카 입자의 구조를 이루게 되는 단량체인 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate: TEOS)를 활성화하기 위한 촉매인 암모니아수를 에탄올과 물에 희석하고 교반기에 의하여 교반하면서 TEOS 용액을 첨가한다. 2시간 동안 교반을 하면 TEOS의 에톡시기들이 암모니아와 물에 의하여 활성화되면서 자기 조립 반응을 하게 되며, 이로써 실리카 입자가 형성된다. 사용되는 TEOS, 암모니아수등의 상대농도, 비율 및 반응조건을 조절하여 입자의 크기를 조절할 수 있다. 예컨대, 300nm 크기의 실리카 입자를 합성하기 위해서는, 실온에서 에탄올 40㎖에 암모니아수 8.3㎖, 증류수1.7㎖를 섞은 용액을 플라스크 안에서 교반하면서 TEOS 1㎖를 첨가한 후 2시간 동안 반응시켜 제조한다. 이와 유사한 방식으로 700nm 크기의 실리카 입자 및 마이크로 크기의 입자를 제조할 수 있다. 이외에도 공지의 다양한 방법으로 실리카 입자를 제조할 수 있으며 제한되지 않는다.First, silica particles are prepared. Ammonia water, a catalyst for activating tetraethylorthosilicate (TEOS), which is a monomer constituting the structure of silica particles, is diluted with ethanol and water, and a TEOS solution is added while stirring with a stirrer. When stirred for 2 hours, the ethoxy groups of TEOS are activated by ammonia and water to undergo a self-assembly reaction, thereby forming silica particles. The particle size can be controlled by controlling the relative concentration, ratio, and reaction conditions of TEOS and aqueous ammonia used. For example, in order to synthesize silica particles having a size of 300 nm, a solution of 40 ml of ethanol, 8.3 ml of ammonia and 1.7 ml of distilled water at room temperature is stirred in a flask, while 1 ml of TEOS is added and reacted for 2 hours. In a similar manner, 700 nm-sized silica particles and micro-sized particles can be prepared. In addition, silica particles may be prepared by various known methods, and are not limited thereto.

다음으로, 위에서 형성된 실리카 입자를 원심분리기에 의하여 원심분리하여 침지시킨 후, 상층액을 버리고 오븐에서 110℃로 약 12시간 정도 건조한다.Next, the silica particles formed above are centrifuged and immersed by a centrifuge, and the supernatant is discarded and dried in an oven at 110° C. for about 12 hours.

다음으로, 유기용매에서 분산될 수 있도록 실리카 입자들의 표면을 개질하기 위한 단계를 수행한다. 유기용매로는 클로로포름을 사용하는 것이 특히 적합하다.Next, a step for modifying the surface of the silica particles so that they can be dispersed in an organic solvent is performed. It is particularly suitable to use chloroform as the organic solvent.

실리카 입자의 표면 개질로서, 합성된 실리카 입자 용액에 화학적인 촉매 작용을 위하여 주로 사용되는 EDC/NHS 물질을 아미노벤조싸이올(aminobenzothiol: ABT)이라는 아민기와 싸이올 그룹을 가지고 있는 물질과 초음파를 가하면서 반응시킴으로써 실리카 입자 표면에 ABT가 고정화된 실리카 입자가 제조되고 이에 따라 유기용매에 균일하게 분산된 용액, 즉, 싸이올기를 가진 짧은 유기분자로 표면이 개질된 실리콘입자들이 유기용매 상에 고르게 분산된 용액이 준비된다.As the surface modification of silica particles, the EDC/NHS material, which is mainly used for chemical catalysis, is applied to the synthesized silica particle solution by applying ultrasonic waves to a material containing an amine group and thiol group called aminobenzothiol (ABT). While reacting, silica particles with ABT immobilized on the surface of the silica particles are prepared, and accordingly, a solution uniformly dispersed in an organic solvent, that is, silicon particles whose surface has been modified with short organic molecules having thiol groups are evenly dispersed in the organic solvent. Prepared solution is ready.

다음으로, ABT가 고정된 실리카 입자 분산용액을 원심분리 과정에 의하여 에탄올과 클로로포름으로 세척함으로써 랭뮤어-블러젯 공정용으로 사용되는 일정한 크기를 가지는 실리카 미세입자-분산 용액이 제조된다. 이와 같은 프로세스를 사용하는 것은 반응 공정이 비교적 간단할 뿐만 아니라 상기한 바와 같이, TEOS 및 암모니아수의 농도와 반응조건들을 조절함에 의하여 다양한 입자 크기의 실리카를 합성할 수 있어 바람직하다.Next, the silica particle dispersion solution having the ABT fixed thereon is washed with ethanol and chloroform by a centrifugation process, thereby preparing a silica fine particle-dispersion solution having a constant size used for the Langmuir-Blurjet process. Using such a process is preferable because the reaction process is relatively simple, and as described above, silica having various particle sizes can be synthesized by controlling the concentration and reaction conditions of TEOS and aqueous ammonia.

이로써, 상기 실리카 입자 분산용액을 사용하여 랭뮤어-블러젯 방법을 기초로 유기 기능기 표면 개질된 실리카 입자 단일막을 준비할 수 있다. Accordingly, a single layer of silica particles having surface-modified organic functional groups may be prepared based on the Langmuir-Blurjet method using the silica particle dispersion solution.

먼저, 상기 실리카 입자 분산용액을 수면위에 살포한다. 여기서 상기 실리카 입자 분산용액은 싸이올기를 가진 유기분자로 표면이 개질된 실리카 입자들이 클로로포름에 고르게 분산된 상태이다.First, the silica particle dispersion solution is sprayed onto the water surface. Here, the silica particle dispersion solution is a state in which silica particles whose surface has been modified with an organic molecule having a thiol group are evenly dispersed in chloroform.

이때, 상기 수면의 표면에 배리어(barrier)를 두고 상기 배리어를 실리카 입자들이 서로 모여지는 방향으로 움직여 실리카 입자가 떠 있는 면적을 서서히 감소시킴으로 인하여 실리카 입자들이 박막형태로 모여진다. 이 때 실리카 입자들의 배열상태와 막 형성상태를 표면압으로 실리카 막의 구조를 조절한다. 배리어에 가해지는 압력을 전이압력이라 칭하는데, 이 압력을 10 mN/m ~ 60 mN/m 범위로 유지하여 실리카 입자를 균일한 단층으로 형성하여 세포 배양기판을 제조한다.
At this time, a barrier is placed on the surface of the water and the barrier is moved in a direction in which the silica particles are gathered together to gradually decrease the floating area of the silica particles, so that the silica particles are collected in a thin film form. At this time, the structure of the silica film is controlled by the surface pressure of the arrangement state of the silica particles and the film formation state. The pressure applied to the barrier is called the transition pressure, and the pressure is maintained in the range of 10 mN/m to 60 mN/m to form a uniform single layer of silica particles to prepare a cell culture substrate.

제조된 실리카 미세 기판은 원자력 현미경 (atomic force microscopy)를 이용하여 실리카 파티클 직경별로 표면구조를 측정하고 표면 거칠기를 정량적으로 평가하였다(도 2a). 도 2a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 실리카 미세 기판은 표면 거칠기 평가 결과가 Rq ≤0.13D, 특히 Rq ≤0.12D 를 만족하였다.
The prepared fine silica substrate was subjected to atomic force microscopy to measure the surface structure of each silica particle diameter and quantitatively evaluate the surface roughness (FIG. 2A). As shown in FIG. 2A, the silica fine substrate according to the present invention satisfies Rq≦0.13D, particularly Rq≦0.12D, as a result of evaluating the surface roughness.

제조된 실리카 미세 기판은 550도에서 3시간동안 열처리를 하여 기계적 내구성을 향상시켰다. 또한, 표면 친수성 향상을 위하여 UV/Ozone 클리너 상에서 1시간 30분 동안 처리하였다. 제작한 미세구조 기판은 매우 균일한 구조를 지니기 때문에 도 3과 같이 7 x 8 cm 너비의 기판에 균일한 간섭현상으로 인한 간섭색이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
The prepared silica fine substrate was heat-treated at 550 degrees for 3 hours to improve mechanical durability. In addition, in order to improve the surface hydrophilicity, it was treated on a UV/Ozone cleaner for 1 hour and 30 minutes. Since the fabricated microstructured substrate has a very uniform structure, it was confirmed that interference colors appeared due to a uniform interference phenomenon on a 7 x 8 cm wide substrate as shown in FIG. 3.

#실시예1: 실리카 미세 박막상에서의 토끼 연골세포의 배양#Example 1: Culture of rabbit chondrocytes on a fine silica thin film

생후 4주경의 토끼연골에서 분리한 연골세포를 콜라겐 분해효소를 통해 개별화 시킨 후, 일반적인 TCPS (tissue-cultured polystyrene) 기판상에서 2차례에 걸쳐 계대배양 하였다. 모든 세포배양은 10% 소혈청과 1 % 페니실린/스트렙토마이신을 첨가한 high glucose 배지를 넣고 37 ℃ 항온 유지와 5% 이산화탄소가 공급되는 배양기에서 진행하였다.Chondrocytes isolated from rabbit cartilage at about 4 weeks of age were individualized with collagen-degrading enzyme, and then subcultured twice on a normal TCPS (tissue-cultured polystyrene) substrate. All cell cultures were carried out in a high glucose medium supplemented with 10% bovine serum and 1% penicillin/streptomycin, maintained at 37°C, and supplied with 5% carbon dioxide.

그 후 TCPS 기판에서 2번의 계대배양을 진행한 세포를 가지고 3 번째 계대배양하였으며, 대조군인 TCPS(SPL Life science사, 20100 모델(세포배양 표면 처리된 100 mm 직경의 멸균 디쉬임)), 유리(glass)기판과 제조예1로부터 제조된 60, 300, 700 nm 직경의 실리카 파티클 박막이 구비된 세포 배양기판상에 배양하였다.
After that, the cells were subcultured on a TCPS substrate for the third time, and the control was TCPS (SPL Life science, 20100 model (a sterilized dish of 100 mm diameter with cell culture surface treatment)), glass ( glass) substrate and a cell culture substrate equipped with a thin film of silica particles having a diameter of 60, 300, 700 nm prepared from Preparation Example 1.

배양과정에서 초기 흡착정도에서 큰 직경의 실리카 미세 기판이 우수한 세포 흡착능을 보이는 것을 확인하였고(도 4), 실리카 파티클 직경에 따라서 세포 흡착능이 조절됨을 확인 하였다.
In the culturing process, it was confirmed that the silica micro-substrate with a large diameter exhibited excellent cell adsorption ability in the initial degree of adsorption (FIG. 4), and it was confirmed that the cell adsorption ability was controlled according to the silica particle diameter.

세포의 내부 골격 구조상 차이를 관찰하기 위하여 형광염색 현미경을 통해 1일과 3일의 세포를 관찰하였다. 1일에는 실리카 미세 기판에서 세포들의 actin골격이 세포 말단에 뭉치며 선형으로 성장하지 않는 것을 확인하였다(도 5). 또한 3일에는 실리카 미세 기판에서 세포들이 뭉쳐서 자라는, 3차원 미소 펠렛의 존재를 확인하였으며, 그러한 특성이 실리카 파티클의 직경이 커질수록 증가함을 관찰하였다(도 6a). 3차원 미소 펠렛은 TCPS 기판과 대비하여 보면 확연히 꽃 유사 형상을 띈다(도 6b 참고).
In order to observe the difference in the structure of the internal skeletal structure of the cells, the cells on the 1st and 3rd days were observed through a fluorescence staining microscope. On the 1st day, it was confirmed that the actin skeleton of the cells was clustered at the cell end and did not grow linearly on the silica micro-substrate (FIG. 5). In addition, on the 3rd day, it was confirmed the existence of three-dimensional micropellets, in which cells were aggregated and grown on the silica micro-substrate, and it was observed that such properties increase as the diameter of the silica particles increased (FIG. 6A). When compared to the TCPS substrate, the three-dimensional micro-pellets clearly exhibit a flower-like shape (see FIG. 6B).

세포의 미세 구조를 확인하기 위하여 공초점 레이저 주사 현미경을 이용하여 고정된 세포를 관찰하였다. 측정된 이미지를 나타낸 도 7에서 평탄한 유리기판상에서 세포들이 넓게 퍼져 자라며 미세한 포디아(podia)들이 형성된 것을 볼 수 있으나, 실리카 기판에서는 굵고 강하게 당겨지는 느낌의 껌과 같은 형태의 두꺼운 포디아(podia)들만이 형성된 채 세포들이 좁게 퍼져 자라는 것을 관찰 하였다. 도 8의 원자력 현미경 (AFM) 이미지를 관찰하면 실리카 기판상 배양된 연골세포가 매우 얇은 두께(30 ~ 200 nm)로 실리카 구조 표면을 따라서 세포막을 형성하는 것을 관찰하였다. 이러한 세포막의 실리카 구조를 따른 휘어짐은 세포막내의 세포골격구조 형성을 억제하여 세포들의 응집을 돕고 탈분화를 억제하는 효과를 나타낸다.
In order to confirm the microstructure of the cells, the fixed cells were observed using a confocal laser scanning microscope. In FIG. 7 showing the measured image, it can be seen that the cells spread out and grow on a flat glass substrate and fine podia are formed, but on the silica substrate, a thick podia in the shape of a gum-like feeling that is thick and strongly pulled. It was observed that the cells spread and grow narrowly with only the fields formed. When the atomic force microscope (AFM) image of FIG. 8 was observed, it was observed that the chondrocytes cultured on the silica substrate formed a cell membrane along the surface of the silica structure with a very thin thickness (30 ~ 200 nm). The curvature along the silica structure of the cell membrane has the effect of inhibiting the formation of the cytoskeletal structure in the cell membrane, helping the aggregation of cells and inhibiting dedifferentiation.

연골세포의 배양 중 대사도 및 증식 상태를 평가하기 위해 날짜별 MTT 분석을 진행하였으며, 2일 차 대비 TCPS과 다른 기판들이 유사한 양상을 보여주고 있어 정상적인 대사 및 증식이 이루어짐을 확인할 수 있다(도 9). 날짜별 TCPS 대비 대사도 평가 결과에서는 실리카 기판에서 30 ~ 50 % 수준의 대사도 평가가 나타났으며, 이는 상대적인 세포의 증식 속도가 더딘 것이 주요원인으로 해석된다(도 10).In order to evaluate the metabolism and proliferation status of chondrocytes during culture, MTT analysis was performed by day, and TCPS and other substrates showed similar patterns compared to the second day, so that normal metabolism and proliferation can be confirmed (FIG. 9). . In the results of metabolic rate evaluation compared to TCPS by date, a metabolic rate was evaluated at a level of 30 to 50% in the silica substrate, which is interpreted as a major cause due to a relatively slow proliferation rate of cells (FIG. 10).

세포 배양 7일 후의 세포의 단위면적당 수를 평가한 결과, 큰 직경의 실리카 기판에서 TCPS 대비 70 % 수준의 세포수를 나타내었으며, 이는 세포가 뭉쳐자라는 과정에서 일부 영역에 세포가 자라지 않은 부분이 존재하였기 때문이다(도 11).
As a result of evaluating the number of cells per unit area after 7 days of cell culture, the number of cells was 70% higher than that of TCPS on a large-diameter silica substrate. This is because it did (Fig. 11).

연골세포의 분화특성을 나타내는 collagen I 과 II의 mRNA 분석을 각 계대배양 단계별 세포들과 7일동안 TCPS, 유리, 실리카 미세 기판상에서 배양한 세포들에서 진행하였다. 결과를 정리한 도 12에서 계대배양중 감소하는 collagen II가 실리카 미세 기판상에서 배양됨에 따라 다시 회복되는 것을 관찰할 수 있었으며, 탈분화 진행의 마커인 collagen I은 실리카 미세 기판에서 감소하는 것으로 나타났다. 이를 통해 실리카 미세 기판이 탈분화된 연골세포를 재분화가 되도록 유도하는 것을 확인하였으며, 큰 직경의 실리카 기판이 더욱 효과적임을 확인하였다.The mRNA analysis of collagen I and II, which indicates the differentiation characteristics of chondrocytes, was performed on cells in each subculture stage and cells cultured on TCPS, glass, and silica micro-substrates for 7 days. In Fig. 12, which summarizes the results, it was observed that collagen II, which decreases during subculture, recovers again as it is cultured on the silica micro-substrate, and collagen I, a marker of dedifferentiation progress, decreases in the silica micro-substrate. Through this, it was confirmed that the silica micro-substrate induces the dedifferentiated chondrocytes to be re-differentiated, and it was confirmed that the large-diameter silica substrate was more effective.

또한 이러한 재분화 유도 특성이 실리카 표면의 화학적 특성에서 나타나는 것이 아님을 확인하기 위하여 유리 기판과 700 nm 실리카 미세 기판상에 aminopropyltriethoxysilane (APTES)처리를 통해 표면상 아민 작용기를 도입하는 기판에서 연골세포의 재분화 특성을 mRNA 분석을 통해 평가하였다. 결과적으로 도 13에서와 같이 아민기가 도입된 기판에서도 표면처리되지 않은 기판과 같이 collagen II가 증가됨을 확인하였다. 또한 도 14을 통해 아민기가 도입된 미세구조 기판에서도 아민기가 도입되지 않은 미세기판 구조와 유사한 세포 응집이 이루어 지는 것을 관찰 할 수 있었다. 이를 통해 다양한 재질 및 특성의 표면에서도 미세구조에 의해 연골세포의 재분화가 유도될 수 있음을 확인하였다.
In addition, in order to confirm that this re-differentiation-inducing property does not appear in the chemical properties of the silica surface, the re-differentiation properties of chondrocytes are introduced on a glass substrate and a substrate that introduces amine functional groups on the surface through aminopropyltriethoxysilane (APTES) treatment on a 700 nm silica fine substrate Was evaluated through mRNA analysis. As a result, it was confirmed that collagen II was increased even in the substrate into which the amine group was introduced as in FIG. 13 as in the substrate without surface treatment. In addition, through FIG. 14, it could be observed that even in the microstructure substrate to which the amine group was introduced, cell aggregation similar to the microsubstrate structure to which the amine group was not introduced was formed. Through this, it was confirmed that re-differentiation of chondrocytes can be induced by the microstructure even on the surface of various materials and characteristics.

그리고 이러한 재분화 특성이 여러차례의 계대배양에서도 효과가 있는지 확인하기 위하여 5주간의 유리기판과 300 nm 직경의 실리카 미세 기판상에서 연골세포를 지속적으로 계대배양한 결과 도 15과 같이 실리카 미세 기판상에 배양한 연골세포가 collagen II의 발현이 높게 지속됨을 확인 할 수 있었다. 또한, 도 16에서 나타나듯이 원심분리를 통해 pellet을 형성하여 배양할 경우 미세구조체에서 배양을 거친 경우 연골세포의 특성을 결정하는 세포외기질(ECM)의 분비가 활발해짐을 관찰 할 수 있었다. 미세구조 기판상에서 세포 배양시 연골세포를 탈분화시키지 않고 여러 차례 계대배양 할 수 있음을 확인하였다.And, in order to confirm whether this re-differentiation property is effective in several subcultures, chondrocytes were continuously subcultured on a glass substrate and a 300 nm diameter silica microsubstrate for 5 weeks. As a result, as a result of culturing on a silica microsubstrate as shown in FIG. It was confirmed that the chondrocytes maintained high expression of collagen II. In addition, as shown in FIG. 16, when a pellet is formed and cultured through centrifugation, it can be observed that the secretion of extracellular matrix (ECM), which determines the characteristics of chondrocytes, becomes active when cultured in a microstructure. It was confirmed that when culturing cells on a microstructure substrate, it was possible to subculture several times without dedifferentiating chondrocytes.

미세구조를 통한 연골세포의 재분화 특성은 각 조건의 배양 단계에서의 배양 2일차와 7일차의 일정 세포당 (10의 6승)질량을 측정해 보았을 때도 도 17과 같이 미세구조 기판에서 탈분화로 인해 증가되는 세포질량이 감소되는 것을 볼 수 있었다. 연골세포의 탈분화시 세포의 크기가 증가하는 것을로 알려져 있기 때문에 이러한 질량 감소 효과는 재분화 효과의 증거로서 참조가 가능하다.
The re-differentiation characteristics of chondrocytes through the microstructure were also determined by measuring the mass per cell (6th power of 10) on the 2nd and 7th days of culture in the culture stage of each condition, as shown in FIG. 17 due to dedifferentiation in the microstructure substrate. It could be seen that the increased cell mass decreased. Since it is known that the size of the cells increases during the dedifferentiation of chondrocytes, this mass reduction effect can be referred to as evidence of the re-differentiation effect.

그리고 연골세포의 세포흡착능이 아민표면 처리 및 RGD 펩타이드 처리 등을 통해 더욱 개선될 수 있음을 1시간 배양 후 면적당 흡착 세포수를 평가하여 정리한 도 18에서 확인하였으며, 아민 처리된 700 nm 직경의 실리카 미세 기판의 경우 TCPS 기판 대비 4배 이상의 높은 흡착효율을 나타내었다.In addition, it was confirmed in Fig. 18, which evaluated and summarized the number of adsorbed cells per area after 1 hour incubation, that the cell adsorption ability of chondrocytes can be further improved through amine surface treatment and RGD peptide treatment, and amine-treated 700 nm diameter silica In the case of the fine substrate, the adsorption efficiency was more than 4 times higher than that of the TCPS substrate.

세포배양에 있어서 세포의 실시간적인 상태 분석에 있어서 중요한 위상차 현미경을 통한 관찰은 도 19에서와 같이 700 nm 직경 수준에서는 TCPS와 같이 선명한 이미지를 얻을 수 있었다. 하지만 3,000 nm 이상의 직경의 입자를 사용하면 산란 효과 및 큰 높이 단차 등으로 인해 세포의 관찰이 어려워지는 것으로 나타났다.
Observation through a phase contrast microscope, which is important for real-time state analysis of cells in cell culture, was able to obtain a clear image like TCPS at the 700 nm diameter level as shown in FIG. 19. However, it was found that when particles with a diameter of 3,000 nm or more are used, observation of the cells becomes difficult due to the scattering effect and the large height difference.

한편, 미세구조 기판에서 근육유래 줄기세포를 14일 동안 배양시 TCPS 기판과 달리 신경세포와 같은 외형적인 형태로 세포가 변화됨을 도 20을 통해서 확인하였다. 이를 통해 연골세포가 아닌 다른 다양한 세포에 있어서도 미세구조가 세포상태 변화에 영향을 줌을 예상할 수 있었다.
On the other hand, it was confirmed through FIG. 20 that when culturing muscle-derived stem cells on a microstructure substrate for 14 days, the cells change to an external shape such as a nerve cell unlike the TCPS substrate. Through this, it could be expected that the microstructure affects the change of cell state even in various cells other than chondrocytes.

# 제조예2: 밀착성 고분자 상 입자 코팅을 통한 미세구조 기판 제작# Preparation Example 2: Fabrication of a microstructured substrate through particle coating on an adhesive polymer

실가드(Sylgard) 184 (미국, 다우코닝)제품 기준 10 % 중량부의 경화제를 포함하여 형성된 Polydimethylsiloxane (PDMS)로 이루어진 밀착성 고분자 기판을 준비하였다. An adhesive polymer substrate made of polydimethylsiloxane (PDMS) formed with 10% by weight of a curing agent based on Sylgard 184 (Dow Corning, USA) was prepared.

밀착성 고분자 기판 위에 입자를 올려 놓은 후 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 문질러서 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성하면서 실리카 및 폴리스티렌 (PS)입자와 밀착성 고분자 기판을 결합하여 실리카코팅막을 형성하였다. 도 21은 약 1500 nm (1480 nm)의 실리카 입자를 PDMS에 코팅 후 측정한 AFM 이미지 및 라인프로파일 자료와 약 750 nm (740 nm) 실리카 입자를 150 mm의 페트리 디쉬상 전면이 고르게 코팅할 수 있다는 사진을 보여준다. After placing the particles on the adhesive polymer substrate, use a sponge wrapped with a latex film to rub it while applying pressure by hand to form a recess in the surface of the adhesive polymer substrate, and bond the silica and polystyrene (PS) particles to the adhesive polymer substrate to form a silica coating film. Formed. 21 shows that the AFM image and line profile data measured after coating silica particles of about 1500 nm (1480 nm) on PDMS and about 750 nm (740 nm) silica particles can be evenly coated on the entire surface of a 150 mm Petri dish. Show the picture.

이때, 실리카입자의 평균 입경을 160nm, 330nm, 740nm, 1480nm, 3020nm, 5590 nm으로 달리하여 형성된 코팅막의 전자 현미경 사진을 도 22의 (a), (b), (c), (d), (e), (f)에 각기 나타내었다. 폴리스티렌 입자의 경우 800, 2010 nm 입자를 코팅하여 도 23의 (a), (b) 에 나타내었다. 도 22와 23을 참조하면, 실리카입경들이 높은 밀도를 가지도록 중심들이 육각형의 배열을 이루도록 배치된 것을 알 수 있다(육방밀집). 즉, 본 발명에 따르면 입자들이 높은 밀도의 단층으로 고르게 코팅될 수 있음을 알 수 있다.At this time, electron micrographs of the coating film formed by varying the average particle diameter of the silica particles to 160 nm, 330 nm, 740 nm, 1480 nm, 3020 nm, and 5590 nm are shown in FIGS. 22(a), (b), (c), (d), ( It is shown in e) and (f) respectively. In the case of polystyrene particles, 800 and 2010 nm particles were coated and shown in (a) and (b) of FIG. 23. Referring to FIGS. 22 and 23, it can be seen that the centers are arranged to form a hexagonal arrangement so that the silica particle diameters have a high density (hexagonal dense). That is, according to the present invention, it can be seen that the particles can be evenly coated with a single layer of high density.

밀착성 고분자로는 PDMS 이외의 부드러운 표면과 탄성 및 복원력을 가진 입자 직경 수준에서 매끈한 표면구조를 지니는 고분자 물질들이 사용 가능하다는 것을 도 24를 통해 확인할 수 있다. Sealing tape 과 같은 실리콘 기반의 고분자 및 LLDPE, PVC 랩과 같은 가소제가 첨가된 고분자 들이 입자들을 단층수준의 육방밀집형태로 정렬 시킬 수 있음을 볼 수 있다.As the adhesion polymer, it can be seen from FIG. 24 that a soft surface other than PDMS and polymer materials having a smooth surface structure at a particle diameter level having elasticity and resilience can be used. It can be seen that silicone-based polymers such as sealing tape and polymers added with plasticizers such as LLDPE and PVC wrap can align the particles in a hexagonal dense form at the level of a single layer.

이러한 입자가 코팅된 고분자 물질들은 자체적으로 이용되거나 다른 재질을 포함하는 전사 및 사출공정에서 원형틀로서 이용이 가능하다.
The polymer materials coated with these particles can be used by themselves or can be used as a circular frame in transfer and injection processes including other materials.

# 실시예2: PDMS 필름상 입자 코팅을 통해 제작된 폴리스티렌 미세 박막상에서의 토끼 연골세포의 배양
# Example 2: Culture of rabbit chondrocytes on a polystyrene fine thin film prepared through PDMS film-like particle coating

제조예 2를 통해 제작된 500, 1000 nm 입경의 폴리스티렌 입자가 코팅된 PDMS 기판에서 실시예 1의 조건으로 토끼 연골 세포를 배야하여 위상차 현미경을 관찰하였다. 도 25에서 나타나듯이 실리카 재질이 아닌 폴리스티렌 재질의 입자에서도 실시예 1과 유사한 세포응집현상이 관찰되었다. 이를 통해 세포의 응집효과의 주요요소는 표면의 화학적, 기계적 특성이 아닌 구조적 특성임을 확인할 수 있다. 일반적인 세포 배양기판 재질로 사용되는 폴리스티렌 재질에서도 나타나는 이러한 특성은 미세구조 기판용 mold 제작등을 통해 저렴하고 대량생산이 가능한 세포의 분화 상태를 조절하는 미세구조 기판의 제작이 가능함을 알려준다. Rabbit cartilage cells were grown under the conditions of Example 1 on a PDMS substrate coated with polystyrene particles having a particle diameter of 500 and 1000 nm prepared through Preparation Example 2, and a phase contrast microscope was observed. As shown in FIG. 25, a cell agglomeration phenomenon similar to that of Example 1 was observed even in particles made of polystyrene other than silica material. Through this, it can be confirmed that the main factor of the cell's aggregation effect is not the chemical and mechanical properties of the surface, but the structural properties. This characteristic, which also appears in the polystyrene material used as a material for general cell culture substrates, indicates that it is possible to manufacture microstructured substrates that control differentiation of cells that are inexpensive and capable of mass production through the production of molds for microstructured substrates.

# 실시예3: PDMS 필름상 입자 코팅을 통해 제작된 미세 박막상에서의 휴먼 연골세포의 배양# Example 3: Culture of human chondrocytes on a fine thin film prepared through PDMS film-like particle coating

휴먼연골에서 분리한 연골세포를 콜라겐 분해효소를 통해 개별화 시킨 후, 일반적인 TCPS (tissue-cultured polystyrene) 기판상에서 2차례에 걸쳐 계대배양 하였다. 모든 세포배양은 10% 소혈청과 1 % 페니실린/스트렙토마이신을 첨가한 high glucose 배지를 넣고 37 ℃ 항온 유지와 5% 이산화탄소가 공급되는 배양기에서 진행하였다.Chondrocytes isolated from human cartilage were individualized through collagen-degrading enzyme, and then subcultured twice on a general TCPS (tissue-cultured polystyrene) substrate. All cell cultures were carried out in a high glucose medium supplemented with 10% bovine serum and 1% penicillin/streptomycin, maintained at 37°C, and supplied with 5% carbon dioxide.

그 후 TCPS 기판에서 2번의 계대배양을 진행한 세포를 가지고 3 번째 계대배양하였으며, 대조군인 TCPS(SPL Life science사, 20100 모델(세포배양 표면 처리된 100 mm 직경의 멸균 디쉬임)), 유리(glass)기판과 제조예2로부터 제조된 160, 330, 750, 1500, 3010 nm 직경의 실리카 파티클 및 800 nm 직경의 폴리스티렌 파티클 박막이 구비된 세포 배양기판상에 배양하였다. After that, the cells were subcultured on a TCPS substrate for the third time, and the control was TCPS (SPL Life science, 20100 model (a sterilized dish of 100 mm diameter with cell culture surface treatment)), glass ( glass) substrate and a cell culture substrate equipped with a thin film of 160, 330, 750, 1500, 3010 nm diameter silica particles and 800 nm diameter polystyrene particles prepared from Preparation Example 2.

연골세포의 분화특성을 나타내는 collagen I 과 II의 mRNA 분석을 각 계대배양 단계별 세포들과 7일동안 TCPS, 유리, 실리카 및 폴리스티렌 미세 기판상에서 배양한 세포들에서 진행하였다. 결과를 정리한 도 26에서 실시예 1과 유사하게 계대배양중 감소하는 collagen II가 실리카 및 폴리스티렌 미세 기판상에서 배양됨에 따라 다시 회복되는 것을 관찰할 수 있었으며, 탈분화 진행의 마커인 collagen I은 실리카 미세 기판에서 감소하는 것으로 나타났다. 이를 통해 실리카 미세 기판이 탈분화된 연골세포를 재분화가 되도록 유도하는 것을 확인하였으나, 실리카 기준 입자가 1500, 3010 nm 직경일 경우 재분화 효과가 크게 떨어지는 것으로 나타났다. 실리카 750 nm보다 약간 큰 직경을 가지는 폴리스티렌 800 nm 입자를 이용한 경우는 실험과정의 문제로 collagen I은 분석하지 못하였으나, 중요 연골 마커인 collagen II의 바현값이 TCPS 대비 5배 이상의 높은 값을 보여주었다.The mRNA analysis of collagen I and II, indicating the differentiation characteristics of chondrocytes, was performed on cells in each subculture stage and on cells cultured on TCPS, glass, silica, and polystyrene microsubstrates for 7 days. In Fig. 26, which summarizes the results, it was observed that collagen II, which decreases during subculture, was recovered as it was cultivated on silica and polystyrene microsubstrates, similar to Example 1, and collagen I, a marker of dedifferentiation progress, is a silica microsubstrate. Appeared to decrease in. Through this, it was confirmed that the silica micro-substrate induces the dedifferentiated chondrocytes to be re-differentiated, but the re-differentiation effect was found to be significantly inferior when the silica standard particles were 1500 and 3010 nm in diameter. In the case of using polystyrene 800 nm particles with a diameter slightly larger than 750 nm of silica, collagen I could not be analyzed due to a problem in the experimental process, but the expression value of collagen II, an important cartilage marker, was 5 times higher than that of TCPS. .

실리카 입경이 750 nm 까지는 연골 재분화 특성이 증가하다가 이후 감소하는 것을 분석하기 위하여 7일간 배양된 각 기판에서의 세포들을 골격구조 염색(actin)하여 형광현미경을 통해 관찰하였다. 도 27에서는 40 x 배율의 저배율로 세포들이 160 ~ 750 nm 의 미세구조 기판에서는 응집을 보이나, 1500 nm 이상의 입자 기판에서는 glass와 같이 고르게 퍼져있는 형태를 나타내었다. 또한 도 28에서와 같이 400 x 배율의 고배율의 이미지에서는 150 ~ 750 nm 입경의 입자 기판에서는 선형의 골격구조가 잘 발달되지 못하였으나, 1500 및 3000 nm 입경의 입자기판에서는 다시 골격구조가 발달된 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 PDMS상에 1500 nm 이상의 큰 입경의 입자가 코팅된 기판에서는 미세구조에 의한 세포골격 구조 형성 억제 효과가 나타나지 못하며, 세포 분화에 큰 영향을 주는 것으로 판단되는 세포 응집도 이루어지지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.In order to analyze that the cartilage re-differentiation property increased until the silica particle diameter was 750 nm and then decreased, the cells in each substrate cultured for 7 days were stained for skeletal structure and observed through a fluorescence microscope. In FIG. 27, at a low magnification of 40 x magnification, cells were aggregated on a microstructure substrate of 160 to 750 nm, but evenly spread like glass on a particle substrate of 1500 nm or more. In addition, in the image of high magnification of 400 x magnification, as shown in FIG. 28, the linear skeleton structure was not well developed in the particle substrate of 150 ~ 750 nm particle diameter, but the skeleton structure was developed again in the particle substrate of 1500 and 3000 nm particle diameter. I could confirm. Through this, it was confirmed that the substrate coated with particles of a larger particle diameter of 1500 nm or more on the PDMS did not exhibit the effect of inhibiting the formation of the cytoskeleton structure due to the microstructure, and that cell aggregation, which is considered to have a significant effect on cell differentiation, did not occur. .

이러한 큰 입경에서의 세포 골격구조의 재발달의 원인을 파악하기 위하여 도 29와 같이 AFM 이미지를 측정하고 라인프로파일을 통해 분석하였다. 관찰결과 큰 입경의 기판에서 배양된 세포는 중심 부분이 기판쪽으로 침하되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 도 30과 같이 750 nm의 동일한 실리카 입자를 이용하더라도 PDMS의 경화제 비율이 감소함에 따라 PDMS의 경도가 감소하여 세포 중심부가 크게 침하되는 것을 관찰 할 수 있었다. 이는 세포의 장력에 의해 탄성체인 PDMS가 입자를 코팅한 채로 기판 쪽으로 침하되는 현상으로 이로 인해 이웃한 입자들의 상대 높이가 감소하게 되어 골격구조 형성 억제 효과가 감소하게 된 것이다. 단단한 재질의 유리기판에 코팅된 LB 조건의 기판에서는 glass와 유사한 500 nm의 높이가 관찰되었으며, 세포 골격구조도 억제되어 있었다. 이러한 결과를 통해 미세구조의 높이 단차가 세포의 골격구조 형성 억제의 주요 요인이고, 이를 통해 분화상태에 영향을 주는 세포 응집이 이루어지게 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 일정한 경도의 탄성체에 입자를 코팅하여 세포의 장력을 분석하거나 평가하는 용도로 사용이 가능할 것이라는 예상을 하게 되었다. 이는 일반적인 부드러운 탄성체 표면에는 세포 부착이 어렵기 때문에 경질의 입자를 중간 매개체로 이용하는 부분이 특징적이라고 할 수 있다. In order to determine the cause of the re-development of the cytoskeletal structure in such a large particle size, the AFM image was measured as shown in FIG. 29 and analyzed through a line profile. As a result of observation, it was confirmed that the central part of the cells cultured on the substrate having a large particle diameter settled toward the substrate. In addition, even if the same silica particles of 750 nm were used as shown in FIG. 30, it was observed that the hardness of PDMS decreased as the ratio of the curing agent of PDMS decreased, resulting in a large settlement of the cell center. This is a phenomenon in which the PDMS, which is an elastic body, is settled toward the substrate while coating the particles by the tension of the cells. This decreases the relative height of the neighboring particles, thereby reducing the effect of inhibiting the formation of the skeletal structure. In the LB condition substrate coated on a hard glass substrate, a height of 500 nm similar to that of glass was observed, and the cytoskeleton structure was also suppressed. Through these results, it was confirmed that the height difference of the microstructure is a major factor in the inhibition of the formation of the skeletal structure of the cells, and through this, cell aggregation that affects the differentiation state occurs. In addition, it was expected that particles could be coated on an elastic body of a certain hardness to be used for analyzing or evaluating the tension of cells. This can be said to be characteristic of a part that uses hard particles as an intermediate medium because it is difficult to attach cells to the surface of a general soft elastic body.

# 실시예4: PDMS 필름상 입자 코팅을 통해 제작된 미세 박막상에서의 휴먼 mesenchymal stem cell (MSC)의 배양 # Example 4: Culture of human mesenchymal stem cell (MSC) on a fine thin film prepared through particle coating on a PDMS film

휴먼 MSC를 passge 6 단계까지 일반적인 TCPS (tissue-cultured polystyrene) 기판상에서 계대배양 하였다. 모든 세포배양은 10% 소혈청과 1 % 페니실린/스트렙토마이신을 첨가한 low glucose 배지를 넣고 37 ℃ 항온 유지와 5% 이산화탄소가 공급되는 배양기에서 진행하였다.Human MSCs were subcultured on a normal TCPS (tissue-cultured polystyrene) substrate until passge 6 step. All cell cultures were carried out in an incubator supplied with 10% bovine serum and 1% penicillin/streptomycin in a low glucose medium, maintained at 37°C, and supplied with 5% carbon dioxide.

그 후 대조군인 TCPS(SPL Life science사, 20100 모델(세포배양 표면 처리된 100 mm 직경의 멸균 디쉬임)), 유리(glass)기판과 제조예2로부터 제조된 60, 150, 300, 700 nm 직경의 실리카 파티클 박막이 구비된 세포 배양기판상에 배양하였다.Thereafter, the control TCPS (SPL Life science, 20100 model (a sterilized dish of 100 mm diameter with cell culture surface treatment)), a glass substrate and 60, 150, 300, 700 nm diameter prepared from Preparation Example 2 Was cultured on a cell culture substrate equipped with a thin film of silica particles.

이번 실험은 도 31에서와 같이 미세구조에 의해 발생되는 세포와 기판간의 상호작용 약화와 그로인한 세포간 상호작용의 강화 부분을 MSC라는 대표적인 줄기세포를 이용하여 검증하고자 하였다. 발생학 관점에서 연골세포는 일부 세포들의 응집체를 형성하는 과정을 통해 연골로 분화되는 것으로 알려져 있으며, 이러한 관점에서 연골세포로의 분화라는 임상학적으로 효용성이 높은 연골세포를 얻을 수 있으나 기술적으로 어렵다고 알려진 목표가 수행 가능할 것으로 기대하였다. In this experiment, as shown in FIG. 31, the weakening of the interaction between the cells and the substrate caused by the microstructure and the strengthening of the resulting interaction between the cells were verified using a representative stem cell called MSC. From an embryology point of view, chondrocytes are known to differentiate into cartilage through the process of forming aggregates of some cells, and from this point of view, it is possible to obtain chondrocytes with high clinical effectiveness, such as differentiation into chondrocytes. It was expected to be possible.

MSC 의 미세구조 기판에서의 배양 특성을 확인하기 위해 배양 7일차에 위상차 현미경을 통해 관찰하였다. 도 32과 같이 실시예 1과 유사하게 미세구조 기판에서 세포가 응집되어 있는 것을 확인할 수 있었다. MSC 세포의 분화 특성을 평가하기 위하여 연골세포 특이 염색인 alcian-blue 염색을 수행한 결과 도 33와 같이 미세구조 기판에서 높은 파란색의 염색상태를 확인할 수 있었으며, 실시예 1과 같이 큰 입경에서 높은 효과를 보였다. 보다 명확한 MSC의 분화상태 확인을 위하여 mRNA 발현양을 RT-PCR을 통해 분석하였다. 도 34과 같이 8개의 mRNA가 평가되었다. 이를 세포 상호작용 관련 유전자 (도35), 연골 세포 특이 마커 유전자 (도 36), 지방 세포 특이 마커 유전자 (도 37)를 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 미세구조 기판에서 세포간 상호작용은 강화되고 지방세포가 아닌 연골세포로 특이적으로 분화되는 것을 확인할 수 있었다. 이번 실험에서 MSC를 연골세포로 분화시키기 위한 분화 특이 배지인 (Dexamethazone, high glucose DMEM, proline, pyruvate, ascorbate-2-phosphate, glutamax, ITS + premix, TGF-b)의 첨가물등은 일체 이용되지 않았으며, MSC의 일반적인 배양 배지만이 이용되었다. 이는 도 31과 같이 미세구조에 의한 MSC 응집이 분화유도 약물을 이용하지 않고도 선택적으로 연골로 세포 분화를 유도할 정도로 매우 효과적이고 우수한 방법이라는 것을 보여준다.
In order to confirm the culture characteristics of the MSC on the microstructure substrate, observation was made through a phase contrast microscope on the 7th day of culture. As shown in FIG. 32, similar to Example 1, it was confirmed that the cells were aggregated in the microstructure substrate. As a result of performing alcian-blue staining, which is a chondrocyte-specific staining, in order to evaluate the differentiation characteristics of MSC cells, a high blue staining state was confirmed on the microstructure substrate as shown in FIG. Showed. In order to confirm the differentiation status of MSCs more clearly, the amount of mRNA expression was analyzed through RT-PCR. Eight mRNAs were evaluated as shown in FIG. 34. This was quantitatively analyzed for cell interaction-related genes (FIG. 35), chondrocyte-specific marker genes (FIG. 36), and adipocyte-specific marker genes (FIG. 37). Through this, it was confirmed that the interaction between cells in the microstructure substrate was strengthened and specifically differentiated into chondrocytes rather than adipocytes. In this experiment, additives of differentiation specific media (Dexamethazone, high glucose DMEM, proline, pyruvate, ascorbate-2-phosphate, glutamax, ITS + premix, TGF-b) were not used for differentiation of MSC into chondrocytes. And, only the general culture medium of MSC was used. This shows that, as shown in FIG. 31, MSC aggregation by microstructure is a very effective and excellent method so as to selectively induce cell differentiation into cartilage without using a differentiation-inducing drug.

# 실시예5: 실리카 미세 박막상 휴먼 골아 세포의 배양# Example 5: Culture of human osteoblasts in the form of fine silica thin films

휴먼 골아세포 (MG-63, cellline)를 일반적인 TCPS (tissue-cultured polystyrene) 기판상에서 계대배양 하였다. 모든 세포배양은 10% 소혈청과 1 % 페니실린/스트렙토마이신을 첨가한 high glucose 배지를 넣고 37 ℃ 항온 유지와 5% 이산화탄소가 공급되는 배양기에서 진행하였다.Human osteoblasts (MG-63, cellline) were subcultured on a general TCPS (tissue-cultured polystyrene) substrate. All cell cultures were carried out in a high glucose medium supplemented with 10% bovine serum and 1% penicillin/streptomycin, maintained at 37°C, and supplied with 5% carbon dioxide.

그 후 대조군인 TCPS(SPL Life science사, 20100 모델(세포배양 표면 처리된 100 mm 직경의 멸균 디쉬임)), 유리(glass)기판과 제조예1로부터 제조된 60, 120, 300, 700 nm 직경의 실리카 파티클 박막이 구비된 세포 배양기판상에 배양하였다.Thereafter, the control TCPS (SPL Life science, 20100 model (a sterilized dish of 100 mm diameter with cell culture surface treatment)), a glass substrate and 60, 120, 300, 700 nm diameter prepared from Preparation Example 1 Was cultured on a cell culture substrate equipped with a thin film of silica particles.

골아세포의 미세구조 기판에서의 배양 특성을 확인하기 위해 배양 7일차에 위상차 현미경을 통해 관찰하였다. 도 38과 같이 실시예 1과 유사하게 미세구조 기판에서 세포가 응집되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 골아세포의 분화상태 확인을 위하여 mRNA 발현양을 RT-PCR을 통해 분석하였다. 도 39와 같이 4개의 골분화 관련 mRNA가 평가되었다. 골아 세포의 분화 촉진 여부를 이미지 적으로 평가하기 위하여 골세포 분화 관련 효소인 ALP 염색을 수행한 결과 도 40과 같이 미세구조 기판에서 높은 파란색의 염색상태를 확인할 수 있었으며, 실시예 1과 같이 큰 입경에서 높은 효과를 보였다.In order to confirm the culture characteristics of the osteoblasts on the microstructure substrate, they were observed through a phase contrast microscope on the 7th day of culture. As shown in FIG. 38, similar to Example 1, it was confirmed that cells were aggregated in the microstructure substrate. In order to confirm the differentiation status of osteoblasts, the amount of mRNA expression was analyzed through RT-PCR. As shown in FIG. 39, four bone differentiation-related mRNAs were evaluated. As a result of performing ALP staining, an enzyme related to osteoblast differentiation, in order to evaluate whether osteoblast differentiation is promoted in an image, a high blue staining state was confirmed on the microstructure substrate as shown in FIG. 40, and a large particle diameter as in Example 1. Showed high effect.

골아세포의 골분화 특성 향상 원인을 파악하기 위하여 RT-PCR을 이용하여 부착성 단백질인 integrin과 세포 상호작용관련 단백질인 E-Cadherin의 mRNA 발현양을 분석하였다. 도 41과 같이 미세구조의 입경이 증가할 수록 integrin의 값은 감소하였으며, 세포간 상호작용은 강화되는 것으로 나타났다. 다만, 이는 7일동안 배양한 세포를 이용한 분석결과이므로, 큰 입경의 미세구조 기판에서 초기 세포의 흡착이 낮다는 것을 의미하는 것은 아니며, 세포가 배양과정에서 응집됨에 따라서 얻어진 차이를 설명하는 자료로서 의미를 가진다. In order to determine the cause of the improvement of osteoblast differentiation characteristics, the mRNA expression levels of integrin, an adhesive protein and E-Cadherin, a cell interaction-related protein, were analyzed using RT-PCR. As shown in FIG. 41, as the particle size of the microstructure increased, the value of integrin decreased, and the interaction between cells was found to be enhanced. However, since this is the result of analysis using cells cultured for 7 days, it does not mean that the initial adsorption of cells is low on a microstructure substrate with a large particle diameter, and is data explaining the difference obtained as cells aggregate in the culture process. Has meaning.

# 제조예3: 세포배양용 미세구조 기판 제작을 위한 몰드 기판 예시# Preparation Example 3: Example of a mold substrate for manufacturing a microstructure substrate for cell culture

실가드(Sylgard) 184 (미국, 다우코닝)제품 기준 3 ~ 20 % 중량부의 경화제를 포함하여 형성된 Polydimethylsiloxane (PDMS)로 이루어진 밀착성 고분자 기판을 준비하였다. An adhesive polymer substrate made of Polydimethylsiloxane (PDMS) formed including 3 to 20% by weight of a curing agent based on Sylgard 184 (Dow Corning, USA) product was prepared.

밀착성 고분자 기판 위에 입자를 올려 놓은 후 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 문질러서 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성하면서 실리카 및 폴리스티렌 (PS)입자와 밀착성 고분자 기판을 결합하여 실리카코팅막을 형성하였다. After placing the particles on the adhesive polymer substrate, use a sponge wrapped with a latex film to rub it while applying pressure by hand to form a recess in the surface of the adhesive polymer substrate, and bond the silica and polystyrene (PS) particles to the adhesive polymer substrate to form a silica coating film Formed.

도 42은 약 750 nm (740 nm)의 실리카 입자를 5 % 경화제 비율의 PDMS에 코팅 후 UV 경화 고분자를 통해 고분자 기판에 입자를 전사한 샘플의 전자현미경 사진이다. 도 43은 약 300 nm의 실리카 입자를 5 % 경화제 비율의 PDMS에 코팅 후 유리막 코팅제 (실리케이트 용액)를 이용하여 유리 기판에 입자를 전사한 샘플의 전자현미경 사진이다. 도 44는 AFM을 통한 이미지 측정 및 라인 프로파일을 통해 약 70 nm 높이의 구조체가 형성된 것을 확인해 준다. 무기재질로 이루어져서 매우 높은 강도를 보이며, 유기용제 또는 열을 통해 고분자 성형제의 몰드로 쉽게 이용이 가능하다. 도 45, 46은 도 44 에서 이용한 방법으로 제작된 미세구조의 유리 기판을 이용하여 음각형태로 UV 경화 고분자로 2차 몰드를 제작한 샘플의 AFM 이미지 및 라인프로파일 결과와 전자현미경 이미지이다. 매우 일정한 형태로 음각의 몰드가 제작된 것을 볼 수 있으며, 이를 mold로 이용하여 폴리스티렌 및 다른 재료들로 이루어진 성형체를 제작할 수 있다.42 is an electron micrograph of a sample in which silica particles of about 750 nm (740 nm) are coated on PDMS with a 5% curing agent ratio and then transferred to a polymer substrate through a UV curing polymer. FIG. 43 is an electron micrograph of a sample in which silica particles of about 300 nm are coated on PDMS with a 5% curing agent ratio and then transferred to a glass substrate using a glass film coating agent (silicate solution). 44 confirms that a structure having a height of about 70 nm is formed through image measurement and line profile through AFM. It is made of inorganic material and shows very high strength, and it can be easily used as a mold of polymer molding agent through organic solvent or heat. 45 and 46 are AFM images, line profile results, and electron microscopy images of samples in which a secondary mold was made of UV-curable polymer in an intaglio shape using a glass substrate having a microstructure manufactured by the method used in FIG. 44. It can be seen that an intaglio mold was produced in a very uniform shape, and a molded body made of polystyrene and other materials can be produced by using it as a mold.

무기재질의 몰드를 제작하는 방법을 보여주기 위하여 500 nm의 폴리스티렌 입자를 4 % 경화제 비율의 PDMS에 코팅 후 유리막 코팅제를 통해 유리기판에 전이하였다. 폴리스티렌 입자가 전이된 유리기판을 유기용제인 클로로포름에 담가서 폴리스티렌 입자를 용해한 후 전자현미경을 측정하여 도 46과 같은 일정한 깊이의 음각 미세 구조 기판을 제작하였다. 도 46의 AFM 이미지를 확인하면 입자의 입경인 500 nm의 절반이 넘는 270 nm 의 음각구조가 형성된 것을 확인 할 수 있다. 음각 구조 기판에 UV 경화 고분자를 경화시킨 후 분리한 결과 도 47과 같이 고분자로 이루어진 구형입자 정렬 미세구조 기판이 제작됨을 확인하였다. 이러한 방법을 통해 구형입자의 절반이 넘는 깊이를 가지는 몰드도 제작이 가능함을 알 수 있다. 위에서 언급한 방법들을 이용하여 입자가 정렬되어 형성되는 육방밀집 구조의 고분자 기판등을 간단히 제작할 수 있다는 것을 알수 있다. 도 21과 같이 150 mm 이상의 대면적 상에서도 위에 방법들이 쉽게 구현이 가능하며, 최대 수 m 크기로도 제작이 가능하다. 그리고 복잡한 공정없이 몇개의 재료들로 간단히 세포배양용 미세구조 기판을 제작할 수 있다. 이러한 입자 코팅 및 사출형 미세구조 기판은 약물을 이용한 실험방법들의 부작용 우려나 고비용의 부담을 줄여주는 우수한 세포배양 관련 기술로 판단된다. In order to show the method of manufacturing an inorganic mold, 500 nm of polystyrene particles were coated on PDMS with a 4% curing agent ratio, and then transferred to a glass substrate through a glass film coating agent. The glass substrate to which the polystyrene particles were transferred was immersed in chloroform, an organic solvent, to dissolve the polystyrene particles, and then measured with an electron microscope to prepare an intaglio microstructure substrate having a certain depth as shown in FIG. 46. When checking the AFM image of FIG. 46, it can be seen that an intaglio structure of 270 nm, which is more than half of the particle diameter of 500 nm, was formed. As a result of separating the UV-curing polymer after curing the intaglio structure substrate, it was confirmed that a spherical particle-arranged microstructure substrate made of a polymer was produced as shown in FIG. 47. It can be seen that through this method, it is possible to manufacture a mold having a depth of more than half of the spherical particles. It can be seen that using the above-mentioned methods, it is possible to easily manufacture a polymer substrate having a hexagonal dense structure formed by aligning particles. As shown in FIG. 21, the above methods can be easily implemented even on a large area of 150 mm or more, and can be manufactured with a maximum size of several m. And it is possible to manufacture a microstructured substrate for cell culture simply with a few materials without a complicated process. These particle-coated and injection-type microstructured substrates are considered to be excellent cell culture-related technologies that reduce the risk of side effects and expensive burdens of experimental methods using drugs.

Claims (49)

삭제delete 양각의 구조체 중 80% 이상이 규칙적으로 배치되어 존재하는 표면 구조를 갖는 세포 배양기판으로서,
상기 양각의 구조체의 높이를 b라 하고, 구조체의 밑면의 길이를 2a라고 할 때(단, 상기 양각의 구조체가 바닥면에서 멀어질 때 횡단면의 면적이 증가하는 구간이 있는 형상인 경우, 상기 밑면은 횡단면의 면적이 최대인 위치를 의미하고, 상기 높이는 횡단면 면적이 최대인 위치와 구조체 최상부와의 거리를 의미), 0.25a < b < 1.5a를 만족하고,
상기 양각의 구조체의 존재로 인해 얻어지는 세포 배양기판 표면 특성이 다음을 만족하는 세포 배양기판.
Rq ≤0.26b
(여기서, Rq는 표면 거칠기(Surface Roughness)이며, b는 높이를 나타낸다.)
As a cell culture substrate having a surface structure in which 80% or more of the embossed structures are regularly arranged,
When the height of the embossed structure is b and the length of the bottom surface of the structure is 2a (however, if the embossed structure is in a shape with a section in which the area of the cross section increases when it is away from the floor surface, the bottom surface Means the location where the cross-sectional area is the largest, and the height means the distance between the location where the cross-sectional area is the largest and the top of the structure), and satisfies 0.25a <b <1.5a,
A cell culture substrate having a surface characteristic of the cell culture substrate obtained due to the presence of the embossed structure satisfies the following.
Rq ≤0.26b
(Here, Rq is the surface roughness, and b is the height.)
삭제delete 삭제delete 제2항에 있어서,
상기 양각의 구조체는 측단면의 형상이, 구형, 반구형, 타원형, 반타원형, 사다리꼴, 계단형, 삼각형 중 어느 하나인 세포 배양기판.
The method of claim 2,
The embossed structure has a shape of a side cross section, a cell culture substrate of any one of a spherical shape, a hemispherical shape, an oval shape, a semi-elliptic shape, a trapezoid shape, a step shape, and a triangle shape.
제2항에 있어서,
세포 배양기판의 표면에서 상기 양각의 구조체가 차지하는 면적이 전체 면적의 40% 이상을 차지하는 세포 배양기판.
The method of claim 2,
A cell culture substrate in which an area occupied by the embossed structure on the surface of the cell culture substrate occupies more than 40% of the total area.
삭제delete 삭제delete 제2항에 있어서,
상기 양각의 구조체는 정렬된 구형입자로 이루어진 세포 배양기판.
The method of claim 2,
The embossed structure is a cell culture substrate made of aligned spherical particles.
제2항에 있어서,
상기 양각의 구조체는 세포 배양기판의 기재와 일체형으로 몰드로 제작된 세포 배양기판.
The method of claim 2,
The embossed structure is a cell culture substrate made of a mold integrally with the substrate of the cell culture substrate.
제2항에 있어서,
200 nm ~ 2 um 이내의 간격으로 170 nm ~ 1 um의 반복적인 높낮이 단차로 인해 선형의 세포골격구조 형성이 억제되는 것을 특징으로 하는 세포 배양기판.
The method of claim 2,
Cell culture substrate, characterized in that the formation of a linear cytoskeletal structure is suppressed due to repetitive height steps of 170 nm to 1 um at intervals within 200 nm to 2 um.
제2항에 있어서,
2 um × 2 um의 단위면적으로 세포 배양기판을 분할할 때, 평탄면을 이루는 단위면적이 10% 미만인 세포 배양기판.
The method of claim 2,
When the cell culture substrate is divided into a unit area of 2 um × 2 um, a cell culture substrate with a unit area of less than 10% forming a flat surface.
삭제delete 제2항에 있어서,
2 um × 0.1 um의 단위면적으로 세포 배양기판을 분할할 때, 평탄면을 이루는 단위면적이 20% 미만인 세포 배양기판.
The method of claim 2,
When the cell culture substrate is divided into a unit area of 2 um × 0.1 um, a cell culture substrate with a unit area of less than 20% forming a flat surface.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제2항에 있어서,
상기 양각의 구조체의 높이 b는 50nm ~ 10㎛의 범위인 세포 배양기판.
The method of claim 2,
The height b of the embossed structure is in the range of 50nm ~ 10㎛ cell culture substrate.
삭제delete 제2항에 있어서,
표면 거칠기(Surface Roughness)는 25nm ~ 1000nm인 세포 배양기판.
The method of claim 2,
Cell culture substrate with a surface roughness of 25nm to 1000nm.
제2항에 있어서,
면적이 50 ~ 10,000㎠ 인 대면적 세포 배양기판.
The method of claim 2,
A large-area cell culture substrate with an area of 50 ~ 10,000 ㎠.
제2항에 있어서,
서로 상하로 중첩된 양각의 구조체가 2% 미만이거나 존재하지 않는 세포 배양기판.
The method of claim 2,
Cell culture substrates with less than 2% or no embossed structures overlapping each other up and down.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제2항에 있어서,
상기 양각의 구조체는 유기 분자, 금속, 무기물, 생체 유래 물질, 또는 폴리머로 표면처리된 세포 배양기판.
The method of claim 2,
The embossed structure is a cell culture substrate surface-treated with an organic molecule, a metal, an inorganic material, a bio-derived material, or a polymer.
제2항에 있어서,
상기 양각의 구조체는 아민 화합물, 하이드록시 화합물, 카르복실 화합물, 티올 화합물, 콜라겐, 피브로넥틴, 펩타이드, Poly-L-Lysine, 또는 Ti로 표면처리한 세포 배양기판.
The method of claim 2,
The embossed structure is a cell culture substrate surface-treated with an amine compound, a hydroxy compound, a carboxyl compound, a thiol compound, collagen, fibronectin, a peptide, Poly-L-Lysine, or Ti.
제2항에 있어서,
배양 대상 세포는 연골세포, 중간엽 줄기세포, 또는 근육 유래 줄기세포, 골아세포인 세포 배양기판.
The method of claim 2,
Cells to be cultured are chondrocytes, mesenchymal stem cells, or muscle-derived stem cells, or osteoblasts, which are cell culture substrates.
삭제delete 삭제delete
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