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KR20180049998A - Method of manufacturing 3D cell spheroids using thermo-responsive hydrogel - Google Patents

Method of manufacturing 3D cell spheroids using thermo-responsive hydrogel Download PDF

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KR20180049998A
KR20180049998A KR1020160146607A KR20160146607A KR20180049998A KR 20180049998 A KR20180049998 A KR 20180049998A KR 1020160146607 A KR1020160146607 A KR 1020160146607A KR 20160146607 A KR20160146607 A KR 20160146607A KR 20180049998 A KR20180049998 A KR 20180049998A
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KR
South Korea
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cell
cells
hydrogel
adsorbing material
thermosensitive hydrogel
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Pending
Application number
KR1020160146607A
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Korean (ko)
Inventor
신흥수
김은미
이유빈
김세정
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 온도감응성 하이드로겔을 이용한 3차원 세포 구상체의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 마이크로 컨팩 프린팅 법을 이용하여 온도 변화에 따라 팽윤과 수축을 가역적으로 나타내는 온도감응성 하이드로겔 상에 소정의 영역을 갖는 세포 흡착 물질 패턴을 형성하여 세포의 흡착을 지역 특이적으로 유도한 후 온도감응성 하이드로겔의 온도의 감소에 따른 부피 팽창에 의해 세포 집합체를 형성 및 탈착시킴으로써 3차원 세포 구상체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 온도감응성 하이드로겔 상에 형성된 세포 흡착 물질 패턴의 크기 조절을 통해 세포 구상체의 크기와 세포의 분포를 용이하게 제어할 수 있는 새로운 3차원 세포 배양 시스템을 제공할 수 있다. 따라서 본 발명은 의료용 세포 집합체 전달 및 치료 시스템, 동물실험과 임상 실험 대체를 위한 삼차원 인공조직 제작, 조직 및 종양의 상호 작용 연구 모델 등으로 폭넓게 응용될 수 있다.
The present invention relates to a method for producing a three-dimensional cell spherical body using a thermosensitive hydrogel, and more particularly, to a method for producing a three-dimensional cell spherical body using a thermosensitive hydrogel, And a cell aggregate is formed and desorbed by volume expansion according to a decrease in the temperature of the thermosensitive hydrogel, thereby preparing a three-dimensional cell spherical body ≪ / RTI >
According to the present invention, it is possible to provide a novel three-dimensional cell culture system capable of easily controlling the size and distribution of cell spheroids by controlling the size of the cell adsorbing material pattern formed on the thermosensitive hydrogel. Therefore, the present invention can be widely applied to a medical cell cluster delivery and treatment system, a three-dimensional artificial tissue preparation for substituting an animal experiment and a clinical experiment, and a study model of tissue and tumor interaction.

Description

온도감응성 하이드로겔을 이용한 3차원 세포 구상체의 제조방법{Method of manufacturing 3D cell spheroids using thermo-responsive hydrogel}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for manufacturing a 3D cell spheroid using a thermosensitive hydrogel,

본 발명은 온도감응성 하이드로겔을 이용한 3차원 세포 구상체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a three-dimensional cell spherical body using a thermosensitive hydrogel.

체내 세포 및 조직은 아주 복잡한 3차원 구조 내에서 상호 작용하면서 성장하고 분화, 발전해 간다. 그러나 대부분의 세포 배양은 2차원으로 된 불침투성의 평평한 평면에서 이루어지고 있다. 따라서, 2차원 세포배양은 우리 체내 세포 환경 조건을 제대로 모사 하지는 못한다는 한계점을 지니고 있다.Body cells and tissues grow, differentiate, and develop while interacting within a very complex three-dimensional structure. However, most cell cultures are made on a two-dimensional impermeable flat plane. Therefore, the two-dimensional cell culture has a limitation that it can not accurately simulate the cell environmental conditions in our body.

이에, 최근에는 생체 내와 동등한 기능을 갖는 3차원 세포 조직인 구상체(spheroid)를 배양하는 방법이 주목을 받고 있다. 3차원 세포 구상체는 암을 모사하기 위한 세포 응집(cell aggregation) 유도, 당뇨 치료를 위한 인슐린의 정상분비를 유도하기 위해서 췌도 세포를 이식함에 있어 응집된 세포를 이식하는 방법 등에 이용되는바 대량 생산이 요구되고 있다. 또한, 줄기세포 연구가 성숙됨에 따라 배아 줄기세포를 3차원 배양하여 각종 분화 기전의 연구에 응용하기 위한 여러 가지 방법이 시도되고 있다.Recently, a method of culturing a spheroid, which is a three-dimensional cell tissue having functions equivalent to those in vivo, has attracted attention. 3-dimensional cell spheres are used for cell aggregation induction to simulate cancer, transplantation of agglutinated cells for transplanting islet cells to induce normal secretion of insulin for diabetes treatment, and so on. Mass production . In addition, as the stem cell research has matured, various methods have been attempted to apply 3-D embryonic stem cells to studies of various differentiation mechanisms.

종래의 3차원 세포 배양 방법으로는 현적 배양법(Hanging-drop method), 바이오 리액터를 이용한 회전식 배양법, 원심분리법, 마이크로 몰딩(Micromolding)법 등이 있으며, 예를 들어, 일본 특허공개 평6-327465호에서는 바닥면이 깔대기 형상인 웰에 복수의 단일세포를 씨딩하고, 바닥면에서 이 단일세포를 응집 및 분열시켜서 스페로이드를 배양하는 방법, 한국등록특허 제10-1341572호에서는 플레이트부: 및 상기 플레이트 부의 일면으로부터 연장되고, 내부에 중공형 관을 포함하는 복수개의 세포 수용부;를 포함하는 3차원 세포 배양 용구를 이용하여 배양하는 방법을 개시하고 있다.Conventional three-dimensional cell culture methods include a hanging-drop method, a rotary culture method using a bioreactor, a centrifugation method, and a micromolding method. For example, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 6-327465 Discloses a method in which a plurality of single cells are seeded in a well having a funnel shape on the bottom surface and the single cells are aggregated and cleaved on the bottom surface to cultivate the spleoid. In Korean Patent No. 10-1341572, And a plurality of cell receiving portions extending from one surface of the substrate and including a hollow tube therein.

이러한 3차원 세포배양 방법은 재생 의료나 하이브리드(hybrid) 인공장기, 생체 유용 물질 생산, 생물 조직이나 기관 장기의 기능의 조사·탐색, 신약의 스크리닝(screening), 내분비 교란 물질 등의 영향을 평가하는 동물실험 대체법, 센서(sensor)기능을 가지는 세포 칩 등의 각 분야의 산업에 이용이 기대된다.These three-dimensional cell culture methods can be used to evaluate the effects of regenerative medicine, hybrid artificial organs, production of bioactive materials, investigation and search of the functions of biological tissues or organs, screening of new drugs, An animal test substitution method, and a cell chip having a sensor function.

그러나 전술한 종래의 3차원 세포배양 방법들은 배양방법이 복잡할 뿐만 아니라, 세포 구상체의 크기 조절 및 세포의 분포 제어가 어렵다는 점, 다량의 세포 구상체 획득에 많은 노동과 시간이 소요된다는 점 등 많은 한계점이 존재한다. However, the above-described conventional three-dimensional cell culture methods are not only complicated in the culture method but also difficult to control the size of the cell spheroid and control the distribution of the cells, and it takes much labor and time to acquire a large amount of cell spheroids There are many limitations.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에서는 온도 변화에 따라 팽윤과 수축을 가역적으로 나타내는 온도감응성 하이드로겔 상에 마이크로 컨택 프린팅 법을 이용하여 소정의 영역을 갖는 세포 흡착 물질 패턴을 형성하여 세포의 흡착을 지역 특이적으로 유도한 후 온도감응성 하이드로겔의 온도의 감소에 따른 부피 팽창에 의해 세포 집합체를 형성 및 탈착시킴으로써 3차원 세포 구상체를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.Disclosure of the Invention The present invention has been conceived in order to solve the above-mentioned problems. In the present invention, by using a microcontact printing method on a thermosensitive hydrogel reversibly exhibiting swelling and contraction according to temperature change, To form a cell aggregate by site-specific induction of cell adsorption, followed by volumetric expansion according to a decrease in the temperature of the thermosensitive hydrogel, thereby forming a three-dimensional cell spheroid.

또한, 본 발명에서는 상기 제조방법에 따라 제조된 3차원 세포 구상체를 제공하고자 한다.In addition, the present invention provides a three-dimensional cell spherical body prepared according to the above-described method.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 (a) 기판 상에 세포 흡착 물질을 패터닝하는 단계; (b) 상기 세포 흡착 물질이 패터닝된 기판을 온도감응성 하이드로겔의 표면과 접촉시켜, 상기 온도감응성 하이드로겔 상에 세포 흡착 물질을 패터닝하는 단계; (c) 상기 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에 세포를 분주 및 배양하는 단계; 및 (d) 상기 온도감응성 하이드로겔의 부피를 팽창시켜 세포 집합체를 형성 및 탈착시키는 단계;를 포함하는 3차원 세포 구상체의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) patterning a cell adsorbing material on a substrate; (b) contacting the substrate on which the cell adsorbing material is patterned with the surface of the thermosensitive hydrogel, and patterning the cell adsorbing material on the thermosensitive hydrogel; (c) dispensing and culturing cells on a thermosensitive hydrogel patterned with the cell adsorbing material; And (d) expanding the volume of the thermosensitive hydrogel to form and desorb the cell aggregate.

상기 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 유리, 금속 및 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The substrate may be selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), glass, metal, and silicon.

상기 (a) 단계에서 상기 세포 흡착 물질은 약염기성 조건에서 수행되는 중합 반응에 의해 기판 상에 패터닝될 수 있다.In the step (a), the cell adsorbing material may be patterned on the substrate by a polymerization reaction performed under weakly basic conditions.

상기 세포 흡착 물질은 폴리카테콜계 고분자일 수 있고, 상기 폴리카테콜계 고분자는 폴리도파민(polydopamine), 폴리에피네프린(polyepinephrine), 폴리노르에피네프린(polynorepinephrine) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The cell adsorbing material may be a polycarate-based polymer, and the polycarate-based polymer may be selected from the group consisting of polydopamine, polyepinephrine, polynorepinephrine, and mixtures thereof.

상기 온도감응성 하이드로겔은 주위 온도가 낮아지면 부피가 팽창되는 것일 수 있다.The thermosensitive hydrogel may be bulky as the ambient temperature is lowered.

상기 온도감응성 하이드로겔은 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 공중합체/티라민 컨쥬게이트 하이드로겔일 수 있다.The thermosensitive hydrogel may be a copolymer of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide / thiamine conjugate hydrogel.

상기 세포 흡착 물질 패턴은 원형 또는 다각형 판 형상으로 형성되고, 상기 원형 패턴의 직경 또는 다각형 패턴의 한 변의 길이는 100 내지 500 ㎛일 수 있다.The cell adsorbing material pattern is formed in a circular or polygonal plate shape, and the diameter of the circular pattern or the length of one side of the polygonal pattern may be 100 to 500 mu m.

상기 세포는 근아세포, 섬유아세포, 혈관내피세포, 연골세포, 간세포, 골아세포, 신장세포, 지방세포, 각막상피세포, 줄기세포, 신경세포, 각질세포, 근육세포, 심장근육세포 및 식도상피세포로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The cells may be selected from the group consisting of muscle cells, fibroblasts, vascular endothelial cells, chondrocytes, hepatocytes, osteoblasts, kidney cells, adipocytes, corneal epithelial cells, stem cells, neurons, keratinocytes, muscle cells, ≪ / RTI >

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 3차원 세포 구상체를 제공한다.In addition, the present invention provides a three-dimensional cell spherical body produced according to the above production method.

본 발명에 따르면 온도감응성 하이드로겔 상에 형성된 세포 흡착 물질 패턴의 크기 조절을 통해 세포 구상체의 크기와 구상체 내에 포함된 세포의 수, 세포의 분포를 용이하게 제어할 수 있는 새로운 3차원 세포 배양 시스템을 제공할 수 있다. 따라서 본 발명은 의료용 세포 집합체 전달 및 치료 시스템, 동물실험과 임상 실험 대체를 위한 삼차원 인공조직 제작, 조직 및 종양의 상호 작용 연구 모델 등으로 폭넓게 응용될 수 있다.According to the present invention, by controlling the size of the cell adsorbing material pattern formed on the thermosensitive hydrogel, a new three-dimensional cell culture which can easily control the size of the cell spheroid, the number of cells contained in the spheroid, System can be provided. Therefore, the present invention can be widely applied to a medical cell cluster delivery and treatment system, a three-dimensional artificial tissue preparation for substituting an animal experiment and a clinical experiment, and a study model of tissue and tumor interaction.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 세포 구상체의 제조 공정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 마이크로 컨택 프린팅 법을 통해 온도감응성 하이드로겔 상에 세포 흡착 물질을 패터닝하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 세포 배양 후 하이드로겔의 부피 팽창에 의해 세포집합체가 형성 및 탈착 되는 원리를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 세포 흡착 물질이 패터닝된 PDMS 기판의 마이크로컨택 프린팅 전과 후 및 마이크로 컨택 프린팅 법을 통해 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔의 표면을 관찰한 위사아 현미경 이미지이다.
도 5는 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔의 온도 변화에 따른 패턴의 크기 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 시간에 따른 성장 과정을 관찰한 위상차 현미경 이미지이다.
도 7은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 24, 72시간 후 형광 염색을 통해 시각화한 이미지 및 패턴 크기에 따른 세포수를 나타낸 그래프이다.
도 8은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 24시간 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 20분, 이를 통해 수득된 세포 집합체, 세포 탈착 후 하이드로겔의 표면에 대한 위상차 현미경 이미지이다.
도 9는 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 72시간 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 20분, 이를 통해 수득된 세포 집합체, 세포 탈착 후 하이드로겔의 표면에 대한 위상차 현미경 이미지이다.
도 10은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 24시간 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 수득한 세포 집합체의 생존률과 크기 분포를 Live/Dead assay와 NIS-element를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 72시간 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 수득한 세포 집합체의 생존률과 크기 분포를 Live/Dead assay와 NIS-element를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유 아세포를 도포한 후 24시간과 72시간 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 수득한 세포 집합체의 수득률을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유 아세포를 도포한 후 24시간과 72시간 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 수득한 세포 집합체의 구조를 F-actin 염색과 H&E 염색을 이용하여 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에 비갑개 줄기세포를 도포한 후 24시간 동안 배양 및 관찰한 위상차 현미경 이미지이다.
도 15는 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 비갑개 줄기세포를 24시간 동안 배양하고, 온도를 4 ℃로 낮춘 후 10분, 이를 통해 수득된세포 집합체, 세포 탈착 후 하이드로겔의 표면에 대한 위상차 현미경 이미지이다.
도 16은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 비갑개 줄기세포를 도포한 후 24시간 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 수득한 세포 집합체의 생존률과 크기 분포를 Live/Dead assay와 NIS-element를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a schematic view showing a process for producing a three-dimensional cell spherical body according to the present invention.
2 is a schematic view illustrating a process of patterning a cell adsorbing material on a thermosensitive hydrogel through a microcontact printing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing the principle of cell aggregation being formed and desorbed by the volume expansion of a hydrogel after cell culture on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an image of a wisdom micrograph of a surface of a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material before and after microcontact printing of a PDMS substrate on which a cell adsorbing material is patterned and a microcontact printing method.
5 is a graph showing a change in size of a pattern according to a temperature change of a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material.
6 is an image of a phase contrast microscope in which fibroblasts are coated on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material, and the growth process is observed over time.
FIG. 7 is a graph showing cell counts according to image and pattern size visualized through fluorescent staining at 24 and 72 hours after the application of fibroblasts on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material.
FIG. 8 is a graph showing the results of cell adhesion, cell desorption, and cell desorption obtained by applying the fibroblasts on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material, culturing the cells for 24 hours, lowering the temperature of the thermosensitive hydrogel to 4 ° C for 20 minutes, Is a phase contrast microscope image of the surface of the post hydrogel.
FIG. 9 is a graph showing the results of cell adhesion, cell desorption, and cell desorption obtained by applying the fibroblasts on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material, culturing the cells for 72 hours, lowering the temperature of the thermosensitive hydrogel to 4 DEG C for 20 minutes, Is a phase contrast microscope image of the surface of the post hydrogel.
FIG. 10 shows the survival rate and size distribution of the cell aggregate obtained after the culture of the fibroblasts on the thermosensitive hydrogel patterned with the cell adsorbing material for 24 hours, lowering the temperature of the thermosensitive hydrogel to 4 ° C, Dead assay and NIS-element.
Figure 11 shows the survival rate and size distribution of the cell aggregate obtained after the culture of the fibroblasts on the thermosensitive hydrogel with the cell adsorbing material patterned for 72 hours and lowering the temperature of the thermosensitive hydrogel to 4 ° C, Dead assay and NIS-element.
FIG. 12 shows the results of culturing the fibroblasts on a thermosensitive hydrogel patterned with the cell adsorbing material for 24 hours and 72 hours, lowering the temperature of the thermosensitive hydrogel to 4 ° C, and then determining the yield of the obtained cell aggregate Fig.
FIG. 13 is a graph showing the structure of the cell aggregate obtained after the culture of fibroblasts on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material for 24 hours and 72 hours, lowering the temperature of the thermosensitive hydrogel to 4 ° C, actin staining and H & E staining.
FIG. 14 is an image of a phase contrast microscope obtained by culturing and observing for 24 hours after the application of the X-ray mesenchymal stem cells on the thermosensitive hydrogel patterned with the cell adsorbing material.
Fig. 15 is a graph showing the relationship between the cell aggregate obtained, the surface of the hydrogel after cell desorption, and the surface area of the cell aggregate obtained after the temperature was lowered to 4 < 0 > C for 10 minutes after culturing the tumoral stem cells on a thermosensitive hydrogel patterned with the cell- It is a phase contrast microscope image.
16 is a graph showing the survival rate and size distribution of the cell aggregate obtained after culturing the mesenchymal stem cells on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material for 24 hours and lowering the temperature of the thermosensitive hydrogel to 4 ° C. / Dead assay and NIS-element, respectively.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 마이크로 컨택 프린팅 법을 이용하여 온도 변화에 따라 팽윤과 수축을 가역적으로 나타내는 온도감응성 하이드로겔 상에 소정의 영역을 갖는 세포 흡착 물질 패턴을 형성하여 세포의 흡착을 지역 특이적으로 유도한 후 온도감응성 하이드로겔의 온도의 감소에 따른 부피 팽창에 의해 세포 집합체를 형성 및 탈착시킴으로써 3차원 세포 구상체를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a cell adsorbing material pattern having a predetermined region on a thermosensitive hydrogel reversibly exhibiting swelling and shrinkage according to a temperature change using a microcontact printing method, Dimensional cell spheres by forming and desorbing a cell aggregate by volume expansion due to a decrease in the temperature of the thermosensitive hydrogel.

본 발명에 따른 3차원 세포 구상체의 제조 방법은 하기의 단계를 포함한다.A method for producing a three-dimensional cell spherical body according to the present invention includes the following steps.

(a) 기판 상에 세포 흡착 물질을 패터닝하는 단계; (b) 상기 세포 흡착 물질이 패터닝된 기판을 온도감응성 하이드로겔의 표면과 접촉시켜, 상기 온도감응성 하이드로겔 상에 세포 흡착 물질을 패터닝하는 단계; (c) 상기 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에 세포를 분주 및 배양하는 단계; 및 (d) 상기 온도감응성 하이드로겔의 부피를 팽창시켜 세포 집합체를 형성 및 탈착시키는 단계;(a) patterning a cell adsorbing material on a substrate; (b) contacting the substrate on which the cell adsorbing material is patterned with the surface of the thermosensitive hydrogel, and patterning the cell adsorbing material on the thermosensitive hydrogel; (c) dispensing and culturing cells on a thermosensitive hydrogel patterned with the cell adsorbing material; And (d) expanding the volume of the thermosensitive hydrogel to form and desorb the cell aggregate;

먼저, 상기 (a) 단계에서는 기판의 일면에 세포 흡착물질을 패터닝한다. 이때, 상기 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 유리, 금속 및 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. First, in step (a), the cell adsorbing material is patterned on one side of the substrate. At this time, the substrate may be selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), glass, metal, and silicon.

또한, 상기 세포 흡착 물질은 폴리카테콜계 고분자인 것이 바람직하다. 이때, 상기 폴리카테콜계 고분자는 홍합의 족사에서 분비되는 접착 단백질에서 반복적으로 발견되는 카테콜기를 모방한 것으로서, 카테콜기가 여러 기질들과 접합성을 가지므로 여러 가지 기판의 표면에 코팅하여 재료에 관계없이 동일한 화학적 특성을 지니도록 표면을 개질할 수 있는 물질로 주목받고 있다. 본 발명에서는 상기 폴리카테콜계 고분자의 접착 능력을 이용하여, 세포들이 폴리카테콜계 고분자 패턴을 따라 흡착되도록 함으로써 세포의 흡착을 지역특이적으로 조절하고자 한다.In addition, the cell adsorbing material is preferably a polycarate-based polymer. The catecholol polymer mimics a catechol group that is repeatedly found in adhesive proteins secreted from the mussel's footpath. Since the catecholate has bonding properties with various substrates, it is coated on the surface of various substrates, And have been attracting attention as materials capable of modifying the surface to have the same chemical properties. In the present invention, the cells are adsorbed along the polymer pattern of the polycarate based on the adhesive ability of the polymer, so that the adsorption of the cells can be region-specifically controlled.

이때, 상기 세포 흡착 물질인 폴리카테콜계 고분자는 약염기성 조건에서 수행되는 자가중합 반응에 의해 기판 상에 패터닝될 수 있다.At this time, the polycationic polymer as the cell adsorbing material may be patterned on the substrate by an autopolymerization reaction performed under weakly basic conditions.

또한, 상기 폴리카테콜계 고분자는 세포의 흡착을 유도할 수 있는 것이라면 이에 제한되는 것은 아니지만 폴리도파민(polydopamine), 폴리에피네프린(polyepinephrine), 폴리노르에피네프린(polynorepinephrine) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다The polycarate polymer may be selected from the group consisting of polydopamine, polyepinephrine, polynorepinephrine, and mixtures thereof, as long as it can induce adsorption of cells. Can

또한, 상기 세포 흡착 물질로 이루어진 패턴은 그 형태에 제한이 있는 것은 아니지만 예를 들어 원형 또는 다각형 판 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 패턴이 원형 패턴인 경우에는 직경, 상기 패턴이 다각형 패턴인 경우에는 한변의 길이가 100 내지 500 ㎛일 수 있다.The shape of the pattern formed by the cell adsorbing material is not limited. For example, the pattern may be formed in the shape of a circular or polygonal plate. If the pattern is a circular pattern, the pattern is a diameter. If the pattern is a polygonal pattern And the length of one side may be 100 to 500 mu m.

다음으로, 상기 (b) 단계에서는 마이크로 컨택 프린팅 법을 이용하여 상기 세포 흡착 물질이 패터닝된 기판을 온도감응성 하이드로겔의 표면과 접촉시켜, 상기 온도감응성 하이드로겔 상에 세포 흡착 물질을 패터닝한다. 이러한 과정을 통해 기판 상에 형성된 세포 흡착 물질로 이루어진 패턴은 상기 온도감응성 하이드로겔 상으로 그대로 전이되어 상기 온도감응성 하이드로겔 상에 동일한 형태의 패턴이 형성되게 된다.Next, in the step (b), the substrate on which the cell adsorbing material is patterned is brought into contact with the surface of the thermosensitive hydrogel using a microcontact printing method, and the cell adsorbing material is patterned on the thermosensitive hydrogel. Through this process, the pattern of the cell adsorbing material formed on the substrate is transferred directly to the thermosensitive hydrogel, and the same pattern is formed on the thermosensitive hydrogel.

다음으로, 상기 (c) 단계에서는 상기 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에 세포를 분주 및 배양한다. 이때, 상기 온도감응성 하이드로겔 상에서 분주 및 배양되는 세포는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 간, 신장, 비장, 뼈, 골수, 흉선, 심장, 근육, 허파, 뇌, 정소, 난소, 소도, 내장, 귀, 피부, 쓸개조직, 전립선, 방광, 배아, 면역계 및 조혈계 등 으로부터 분리되거나 활성화할 수 있는 세포를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 근아세포, 섬유아세포, 혈관내피세포, 연골세포, 간세포, 골아세포, 신장세포, 지방세포, 각막상피세포, 줄기세포, 신경세포, 각질세포, 근육세포, 심장근육세포 및 식도상피세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 세포를 배양할 수 있다.Next, in step (c), the cells are dispensed and cultured on the thermosensitive hydrogel patterned with the cell adsorbing material. The cells to be dispensed and cultured on the thermosensitive hydrogel are not particularly limited, and examples thereof include liver, kidney, spleen, bone, bone marrow, thymus, heart, muscle, lung, brain, testes, ovary, Cells capable of being separated or activated from the ear, skin, gallbladder tissue, prostate, bladder, embryo, immune system and hematopoietic system can be used, and it is preferable to use cells such as myofibroblasts, fibroblasts, vascular endothelial cells, cartilage cells, hepatocytes, Cells selected from the group consisting of cells, kidney cells, adipocytes, corneal epithelial cells, stem cells, nerve cells, keratinocytes, muscle cells, cardiac muscle cells and esophageal epithelial cells can be cultured.

다음으로, 상기 (d) 단계에서는 상기 온도감응성 하이드로겔의 부피를 팽창시킴으로써 상기 (c) 단계를 통해 배양되고 있는 세포들의 집합체를 형성시킴과 동시에 상기 온도감응성 하이드로겔로부터 탈착시키게 된다. 이때, 상기 온도감응성 하이드로겔의 부피 팽창으로 인하여 세포들의 집합체가 형성되며, 또한 온도감응성 하이드로겔이 팽창되었을 때, 세포가 하이드로겔에 부착할 때 가지게 되는 수축력(contractile force) 이상의 힘을 세포가 받게 되는바 상기 온도감응성 하이드로겔로부터 탈착이 일어난다.Next, in step (d), the volume of the thermosensitive hydrogel is expanded to form an aggregate of cells cultured through the step (c), and desorbed from the thermosensitive hydrogel. At this time, an aggregation of cells is formed due to the volume expansion of the thermosensitive hydrogel, and when the thermosensitive hydrogel is inflated, the cells receive a force above a contractile force that the cells have when they adhere to the hydrogel Desorption occurs from the thermosensitive hydrogel.

이때, 상기 온도감응성 하이드로겔은 가교결합을 갖는 고분자로서, 온도변화에 따라 졸-겔 거동이 아닌 수축과 팽윤을 가역적으로 나타내는데, 구체적으로 상기 온도감응성 하이드로겔은 저임계 용액온도(LCST, lower critical solution temperature) 미만에선 함수율이 증가하여 팽윤현상을, 저임계 용액온도 이상에서는 함수율이 감소하여 수축현상을 나타내게 된다. 상기 온도감응성 하이드로젤은 페놀 유사체로 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 공중합체/티라민 컨쥬게이트에 당근 과산화효소와 과산화수소를 첨가하여 컨쥬게이트 사이의 탈수소 결합을 통해 가교결합을 형성하여 제조된 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 공중합체/티라민 컨쥬게이트 하이드로젤일 수 있다. 이때, 상기 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 공중합체로는 Pluronic, Poloxamer, Tetronic의 상품명을 갖는 공중합체가 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 사용된 온도감응성 하이드로젤은 테트로닉-티라민 컨쥬게이트(Tetronictyramine, Tet-TA)는 실온(15 내지 25 ℃)에서 저임계 용액온도를 나타낸다.The thermosensitive hydrogel reversibly exhibits shrinkage and swelling, rather than sol-gel behavior, depending on the temperature. Specifically, the thermosensitive hydrogel has a low critical solution temperature (LCST) Below the solution temperature, the water content increases and the water content decreases below the lower critical solution temperature. The thermosensitive hydrogel was prepared by adding a carnospermine peroxidase and hydrogen peroxide to a copolymer of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide / thiamine conjugate as a phenol analogue to form crosslinks through dehydrogen bonding between the conjugates, Oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide copolymer / thiamine conjugate hydrogel. At this time, as the copolymer of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide, a copolymer having a trade name of Pluronic, Poloxamer, Tetronic may be used. Tetronictyramine (Tet-TA) exhibits a low critical solution temperature at room temperature (15-25 DEG C) in the thermosensitive hydrogel used in the examples of the present invention.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 3차원 세포 구상체를 제공한다.In addition, the present invention provides a three-dimensional cell spherical body produced according to the above production method.

이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments and the like. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided for further illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not limited thereto.

PDMSPDMS 기판 제작 Board Fabrication

먼저, 레이저 빔을 이용하여 실리콘 기판에 깊이 30, 50 ㎛의 사각형 모양의 패턴을 한 변의 길이가 100, 200, 300 ㎛가 되도록 각인하였다. 상기 패턴이 각인된 실리콘 기판 상에 폴리디메틸실록산(PDMS)를 경화(폴리머:경화제 = 9:1, 8:2 95 ℃)하여 사각 패턴이 형성된 PDMS 기판을 제조하였다. 상기 기판은 세포 흡착 물질인 폴리도파민 코팅 전에 70% 에탄올에서 하루 이상 자외선 (UV) 조사를 통해 멸균시킨 후 증류수로 표면을 세척하고 상온에서 건조하였다.First, a rectangular pattern with a depth of 30 μm and 50 μm was imprinted on a silicon substrate using a laser beam so that the lengths of the sides were 100, 200, and 300 μm. A PDMS substrate having a square pattern was prepared by curing polydimethylsiloxane (PDMS) (polymer: curing agent = 9: 1, 8: 2 95 ° C) on the patterned silicon substrate. The substrate was sterilized by ultraviolet (UV) irradiation for more than one day in 70% ethanol before coating with the cell adsorbing material, polydopamine, and then the surface was washed with distilled water and dried at room temperature.

세포흡착 물질(Cell sorbents ( 폴리도파민Polydopamine ) 코팅) coating

먼저, 상기 PDMS 기판을 6well plate 크기 (지름 = 35 mm)로 잘라서 바닥에 준비해두었다. 다음으로, 도파민(dopamine hydrochloride, Sigma-Aldrich 사)을 10 mM 의 트리스 HCl(37 ℃, pH 8.5)에 2 mg/ml 농도로 용해시켰다. 상기 용해된 도파민 용액을 상기 PDMS 위에 10 ml 도포하여 2-4 시간 동안 폴리도파민의 자가 중합 및코팅하였다. 상기 폴리도파민 코팅 후 폴리도파민 용액을 제거하고 하루 동안 자연 건조시킨 후 10 mm의 원형 펀치를 이용하여 PDMS stamp를 잘라 내었다.First, the PDMS substrate was cut into a 6-well plate size (diameter = 35 mm) and prepared on the bottom. Next, dopamine hydrochloride (Sigma-Aldrich) was dissolved at a concentration of 2 mg / ml in 10 mM Tris HCl (37 DEG C, pH 8.5). 10 ml of the dissolved dopamine solution was applied onto the PDMS and self-polymerized and coated with polydodamine for 2-4 hours. After the polydopamine coating, the polydodamine solution was removed and the PDMS stamp was cut out using a circular punch of 10 mm after naturally dried for one day.

온도감응성Temperature Sensitivity 하이드로겔Hydrogel 제작 making

먼저, 공개특허 제2010-0076163호에 개시된 바에 따라 테트로닉 말단의 hydroxy 작용기를 p-니트로페닐 틀로로포메이트(PNC)와 반응시킨 후 티라민과 반응시켜 테트로닉-티라민 컨쥬게이트(Tte-TA)를 제조하였다. 다음으로 Tet-TA를 15% 로 0.1 wt%의 H2O2 용액과 0.0025 mg/ml의 HRP 용액에 각각 녹인 용액을 1:1 비율로 섞은 뒤 주사기를 통해 1 mm의 틈을 가진 유리 판 사이에 주입하여 15분 동안 가교 후 8 mm biopsy punch를 이용하여 하이드로겔을 원형으로 잘라 내었다. 원형의 하이드로겔은 70% 에탄올 용액에서 자외선(UV)을 30분 이상 조사하여 멸균하였으며, 37 ℃ 의 PBS로 5회 이상 세척하였다.First, the hydroxy functional group of the tetronic end is reacted with p-nitrophenyl chloroformate (PNC) and then reacted with tyramine to form a tetronic-tyramine conjugate (Tte-TA) according to the method disclosed in Japanese Patent Application Publication No. 2010-0076163. . Next, a 1: 1 solution of Tet-TA dissolved in 0.1% H 2 O 2 solution and 0.0025 mg / ml HRP solution at 15% was mixed in a ratio of 1: 1, . After crosslinking for 15 minutes, the hydrogel was cut into a circular shape using an 8 mm biopsy punch. The circular hydrogel was sterilized by irradiating ultraviolet rays (UV) in a 70% ethanol solution for 30 minutes or more, and washed with PBS at 37 ° C five times or more.

온도감응성Temperature Sensitivity 하이드로겔Hydrogel 표면상에 마이크로  On the surface, 컨택contact 프린팅을 이용한 마이크로 단위 패턴 형성 Formation of micro-unit patterns using printing

상기 원형 하이드로겔을 24 well tissue culture plate (지름 = 15 mm)의 중앙에 위치시킨 뒤 상기 폴리도파민이 코팅된 PDMS 스탬프를 수직으로 내려 패턴면과 하이드로젤 표면이 맞닿도록 접촉시켰다. 3분 뒤 하이드로겔로부터 PDMS 스탬프를 분리하여 하이드로겔 표면에 폴리도파민 패턴을 형성시켰으며, 이후 37 ℃의 PBS에서 보관하였다. The circular hydrogel was placed in the center of a 24-well tissue culture plate (diameter = 15 mm), and the PDMS stamp coated with the polydodamine was vertically lowered to contact the pattern surface and the surface of the hydrogel. After 3 minutes, the PDMS stamp was separated from the hydrogel to form a polydodamine pattern on the surface of the hydrogel, which was then stored in PBS at 37 ° C.

마이크로 단위의 세포 집합체 배양Micro-scale cell aggregation culture

섬유아세포(human dermal fibroblast)는 10% fetal bovine serum (FBS), 1% 페니실린이 첨가된 High glucose Dulbecco's Modified Eagle's Medium를 배양액으로 하여 세포 배양 접시에서 배양하였다(37 ℃, 5% CO2). 비갑개 줄기세포(human turbinate stem cell)는 10% FBS, 1% 페니실린이 첨가된 Alpha Modified Eagle's Medium를 배양액으로 하여 세포 배양 접시에서 배양하였다(37 ℃, 5% CO2). 섬유아세포는 세포 배양 접시에 부착된 섬유아세포를 trypsin-EDTA(0.05%)과 3분 배양하여 단일 세포로 획득한 후 2 x 104 cells/well의 밀도로 상기 세포 흡착 물질 패턴이 형성된 하이드로겔 상에 도포한 후 각각 24, 72시간 배양하여 하이드로겔 패턴에 특이적으로 부착된 마이크로 세포 집합체를 형성시켰다. 비갑개 줄기세포는 trypsin-EDTA(0.05%)과 3분 배양하여 단일 세포로 획득한 후 5 x 104 cells/well의 밀도로 상기 세포 흡착 물질 패턴이 형성된 하이드로겔 상에 도포한 후 24 시간 배양하여 하이드로겔 패턴에 특이적으로 부착된 마이크로 세포 집합체를 형성시켰다.Human dermal fibroblast was cultured in a cell culture dish (37 ° C, 5% CO 2 ) with 10% fetal bovine serum (FBS) and 1% penicillin added high glucose Dulbecco's Modified Eagle's Medium. Human turbinate stem cells were cultured in a cell culture dish (37 ° C, 5% CO 2 ) using Alpha Modified Eagle's Medium supplemented with 10% FBS and 1% penicillin. The fibroblasts were cultured for 3 minutes with trypsin-EDTA (0.05%) in a cell culture dish to obtain single cells. Then, the fibroblasts were cultured in a hydrogel phase at a density of 2 x 10 4 cells / And cultured for 24 hours and 72 hours, respectively, to form microcell aggregates specifically adhered to the hydrogel pattern. The cells were incubated with trypsin-EDTA (0.05%) for 3 minutes to obtain single cells. The cells were coated on the hydrogel with the cell adsorbing material pattern at a density of 5 × 10 4 cells / well, and cultured for 24 hours Thereby forming a microcell aggregate specifically adhered to the hydrogel pattern.

온도 변화를 통한 세포 집합체 수득Obtain cell aggregate through temperature change

24, 72 시간 동안 각각 배양하여 37 ℃, 5% CO2의 조건에서 형성된 세포 집합체가 형성된 배양액을 파스퇴르 피펫을 이용하여 제거해주고 냉장고에 보관 되어져 있던 4℃ 배양액을 하이드로겔 위에 500 ㎕ 처리하였다. 하이드로겔을 4℃의 냉장고에서 rocker shaker를 이용해 shaking 해주면서 팽창할 수 있도록 20분간 유지시켰다. 섬유아세포는 20분 후에, 비갑개 줄기세포는 10분 후에 피펫을 이용해 하이드로겔에서 탈착된 세포 집합체를 수득하여 3차원 배양이 가능한 세포 배양 접시로 옮겨서 배양을 진행하였다. 24, and 72 hours, respectively. The culture medium in which the cell aggregates formed at 37 ° C and 5% CO 2 were formed was removed using a Pasteur pipette, and the 4 ° C culture solution stored in the refrigerator was treated with 500 μl of the culture solution on the hydrogel. The hydrogel was shaken in a 4 ° C refrigerator using a rocker shaker and kept for 20 minutes so that it could swell. Twenty minutes after the fibroblasts, 10 minutes after the transbronchial stem cells, the cell aggregates desorbed from the hydrogel were obtained using a pipette, and the cells were transferred to a three-dimensional cell culture dish for culturing.

결과 및 고찰Results and Discussion

마이크로 Micro 컨택contact 프린팅을 이용한  Using printing 하이드로겔Hydrogel 표면 패턴화 결과 Result of surface patterning

도 4는 본 발명의 세포 흡착 물질이 패터닝된 PDMS 기판의 마이크로컨택 프린팅 전과 후 및 마이크로컨택 프린팅 법을 통해 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔의 표면을 관찰한 위사아 현미경 이미지이다. 이를 통해 마이크로 컨택 프린팅 전의 PDMS를 관찰해 보았을 때 PDMS 요철 부위에 폴리도파민이 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있었고, 마이크로 컨택 프린팅을 진행하고 난 이후의 PDMS에서는 폴리 도파민이 패턴 부분에서 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 온도감응성 하이드로겔의 경우에도 마이크로 컨택 프린팅을 진행하기 전에는 아무런 패턴이 없이 깨끗한 상태였던 표면이 프린팅 진행 후에는 폴리도파민 패턴이 선명하게 형성된 것을 확인할 수 있었는바, 본 발명에 따르면 온도감응성 하이드로겔 상에 세포 흡착 물질 패턴이 성공적으로 형성됨을 확인하였다.FIG. 4 is an image of a wisdom micrograph of a surface of a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material before and after microcontact printing of a PDMS substrate on which a cell adsorbing material is patterned and a microcontact printing method. As a result, PDMS observed before microcontact printing showed that PDMS was coated with polydodamine, and PDMS after microcontact printing showed that polydopamine was reduced in pattern portion. In the case of the thermosensitive hydrogel, it was also confirmed that the polydopamine pattern was clearly formed on the surface which was clean before the microcontact printing, and that the polydopamine pattern was clearly formed after the printing process. According to the present invention, It was confirmed that the cell adsorbing material pattern was successfully formed.

온도 변화의 따른 Following the temperature change 하이드로겔의Hydrogel 마이크로 패턴의 변화 Change of micro pattern

도 5는 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔의 온도 변화에 따른 패턴의 크기 변화를 나타낸 도면이다. 이를 통해 마이크로 컨택 프린팅을 통해 패턴을 갖게 된 하이드로겔이 온도의 변화에 따라 어떠한 변화를 갖게 되는지를 패턴의 크기(한 변의 길이) 변화로 확인하였다. 구체적으로 37 ℃에서 각각 97.9±5.4, 199.2±3.6, 307.5±4.8 ㎛을 가지던 100, 200, 300 그룹의 하이드로겔을 4℃로 온도 변화를 주었을 때 134.5 ±6.9, 268.1 ±9.0. 446.7 ±4.4 ㎛로 약 1.4배 정도 커진다는 것을 확인하였다. 세 그룹 모두 패턴의 사이즈(한 변의 길이)에 상관없이 유사한 정도로 크기가 증가한 것에 비추어 볼 때, 본 발명에 사용된 마이크로 컨택 프린팅을 이용한 패터닝 방법이 하이드로겔의 온도감으성에 영향을 끼치지 않는다는 것을 확인하였다.5 is a graph showing a change in size of a pattern according to a temperature change of a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material. Through this, we confirmed the change of the pattern of the hydrogel with pattern by microcontact printing according to the change of the temperature by the change of the pattern size (length of one side). Specifically, hydrogels of groups 100, 200 and 300 having 97.9 ± 5.4, 199.2 ± 3.6, and 307.5 ± 4.8 μm at 37 ° C were 134.5 ± 6.9 and 268.1 ± 9.0 when the temperature was changed to 4 ° C. 446.7 ± 4.4 ㎛, which is about 1.4 times larger than that of the others. In view of the similar increase in size regardless of the size of the pattern (length of one side) in all the three groups, it was confirmed that the patterning method using microcontact printing used in the present invention did not affect the temperature reduction property of the hydrogel Respectively.

하이드로겔Hydrogel 상에서의 세포 집합체 형성 ≪ / RTI >

도 6은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 시간에 따른 성장 과정을 관찰한 위상차 현미경 이미지이다.6 is an image of a phase contrast microscope in which fibroblasts are coated on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material, and the growth process is observed over time.

구체적으로, 6시간에서 24시간 까지 모든 크기의 패턴에서 세포가 패턴 내로 들어차 특이적으로 성장하는 모습을 보임을 확인하였으며, 24시간이 지난 후에는 세포가 패턴 내에서 계속해서 성장하면서 패턴의 중심부부터 세포끼리 뭉쳐져 집합체를 형성하는 것처럼 보임을 확인하였다.Specifically, it was confirmed that the cells showed a specific growth pattern in all patterns ranging from 6 hours to 24 hours into the pattern. After 24 hours, the cells continued to grow in the pattern, It was confirmed that the cells appeared to aggregate and form aggregates.

도 7은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 24, 72시간 후 형광 염색을 통해 시각화한 이미지 및 패턴 크기에 따른 세포수를 나타낸 그래프이다. 구체적으로 72 시간까지 성장한 세포 집합체내에 세포 수를 확인하기 위해 세포의 핵을 Hoechst를 이용해 염색하고 NIS-element를 이용한 이미지 분석으로 세포 수를 계수하였다.FIG. 7 is a graph showing cell counts according to image and pattern size visualized through fluorescent staining at 24 and 72 hours after the application of fibroblasts on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material. Cell nuclei were stained with Hoechst and cell number was counted by image analysis using NIS-element to confirm the cell number in the cell aggregate grown up to 72 hours.

그 결과, 100 ㎛ 에서는 24시간 배양 후 패턴 내의 세포의 수가 13.8±5.2 개 존재하였고 72시간이 지난 후 그 수가 29.0±8.0 개로 증가한 것을 확인하였다. 또한, 200 ㎛에서는 24시간에서 35.1±8.0 개였던 세포가 72시간 후 60±7.94 개로 증가하였고, 300 ㎛에서도 24시간에서 66.6±12.4개에서 104.8±13.2개로 증가 한 것을 확인하였다. 이를 통해 세포가 특이적으로 부착이 가능한 환경에서 패턴 내에 세포 부착 가능 부분이 점점 줄어들게 되면 세포가 서로 응집하여 계속 성장한다는 것을 확인하였다.As a result, it was confirmed that there was 13.8 ± 5.2 cells in the pattern after culturing for 24 hours at 100 μm, and the number increased to 29.0 ± 8.0 after 72 hours. Also, at 200 ㎛, the number of cells increased from 35.1 ± 8.0 at 24 hours to 60 ± 7.94 at 72 hours and increased from 66.6 ± 12.4 to 104.8 ± 13.2 at 300 ㎛ at 24 hours. As a result, it was confirmed that when the cell attachable portion in the pattern was gradually reduced in an environment in which cells could specifically adhere, the cells coagulated and continued to grow.

온도 변화를 이용한 세포 집합체 수득Obtain cell aggregate using temperature change

도 8, 도 9는 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 24 시간(도 8). 72 시간(도 9) 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 20분, 이를 통해 수득된 세포 집합체, 세포 탈착 후 하이드로겔의 표면에 대한 위상차 현미경 이미지이다.FIGS. 8 and 9 show the results of 24 hours after the application of the fibroblasts on the thermosensitive hydrogel patterned with the cell adsorbing material (FIG. 8). 72 hours (FIG. 9), lowered the temperature of the thermosensitive hydrogel to 4 占 폚, and left for 20 minutes, thereby obtaining the cell aggregate and the surface of the hydrogel after cell desorption.

먼저, 37 ℃에서 24 시간 배양된 하이드로겔에 4 ℃ 배양액을 처리하고 4 ℃ 냉장고에서 20분간 유지하여 패턴 내에 확장되어져 있던 세포들이 집합체를 형성하도록 하였다. 20분 후 하이드로겔 위에 모든 세포가 집합체를 형성한 것을 확인하였다. 하지만 300 ㎛의 패턴은 다른 패턴에 비해 완전한 세포 집합체를 형성하지 못하고 일부 패턴 위에 아직부착 하거나 한쪽이 부착되어진 상태에서 세포가 말려진 상태를 유지 하고 있는 것을 확인하였다. First, the hydrogel at 37 ° C for 24 hours was treated with the culture at 4 ° C and maintained in a refrigerator at 4 ° C for 20 minutes so that cells expanded in the pattern formed an aggregate. After 20 minutes, it was confirmed that all the cells formed aggregates on the hydrogel. However, the pattern of 300 ㎛ did not form a complete cell aggregate as compared with other patterns, and it was confirmed that the cells were still held in a state in which they were attached to one pattern or one of them was attached.

이런 상태를 유지하고 있는 세포를 피펫을 이용하여 수득하여 다른 세포 배양 접시로 이동시켜 그 형태를 관찰하고 하이드로겔에 세포 집합체가 남아 있는지를 확인하였다. 배양 24시간에서는 패턴의 크기가 작은 100, 200 ㎛에서 세포가 자기들끼리 충분히 뭉쳐져서 세포 집합체를 형성하는 것을 확인한 반면, 크기가 큰 사이즈의 패턴에서는 충분한 뭉쳐지지는 못하였지만 일정한 형태를 가진 세포의 집합체가 존재한다는 것을 확인하였다.Cells maintained in this state were obtained using a pipette and transferred to another cell culture dish to observe its shape and to confirm whether the cell aggregate remained in the hydrogel. At 24 hours of culture, it was confirmed that the cells aggregated at 100 and 200 ㎛, which are small enough in size, to form a cell aggregate. On the other hand, the aggregation of cells having a uniform shape .

배양 72 시간에서도 상기 24시간과 같은 방법으로 세포 집합체의 탈착시켜 수득 하는 과정을 진행하였다. 20 분이 지난 후 마찬가지로 하이드로겔 위에서 세포가 뭉쳐지며 세포 집합체를 형성하는 것을 확인하였다. And the cell aggregate was desorbed by the same method as above for 24 hours even after 72 hours of culturing. After 20 minutes, it was confirmed that the cells aggregated on the hydrogel similarly to form a cell aggregate.

이런 상태를 유지하고 있는 세포를 피펫을 이용하여 수득하여 다른 세포 배양 접시로 이동시켜 그 형태를 관찰하고 하이드로겔에 세포 집합체가 남아 있는지를 확인한 결과, 모든 패턴에서 완전한 형태와 일정한 크기를 가지는 세포 집합체를 수득할 수 있었다. 이는 하이드로겔 상에서 세포 집합체를 형성하기에 충분한 양의 세포가 존재하였기 때문임을 유추할 수 있다.Cells maintained in this state were obtained using a pipette, transferred to another cell culture dish, and their morphology was observed. When the cell aggregate remained in the hydrogel, it was found that the cell aggregate having a complete shape and a uniform size . ≪ / RTI > This can be inferred from the presence of a sufficient amount of cells to form a cell aggregate on the hydrogel.

도 12는 세포 집합체의 수득도를 정량화한 도면이다. 세포 집합체가 수득된 정도를 정량적으로 분석하였을 때 배양 24시간, 72시간 모두에서 90% 이상의 세포 집합체를 수득할 수 있음을 확인할 수 있었다.Fig. 12 is a diagram quantifying the degree of gain of the cell aggregate. Quantitative analysis of the degree of obtaining the cell aggregate revealed that it was possible to obtain cell aggregates of 90% or more in both 24 hours and 72 hours of culture.

수득한 세포 집합체의 특성 평가Characterization of the obtained cell aggregate

도 10, 도 11은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 섬유아세포를 도포한 후 24 시간(도 10), 72 시간(도 11) 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 수득한 세포 집합체의 생존률과 크기 분포를 Live/Dead assay와 NIS-element를 이용하여 세포 집합체의 지름 측정을 통해 확인한 결과를 나타낸 도면이다.FIGS. 10 and 11 show the results obtained when the fibroblasts were coated on the thermosensitive hydrogel patterned with the cell adsorbing material and cultured for 24 hours (FIG. 10) and 72 hours (FIG. 11), and the temperature of the thermosensitive hydrogel The survival rate and the size distribution of the cell aggregate obtained after lowering were confirmed by measuring the cell cluster diameter using the Live / Dead assay and the NIS-element.

관찰 결과, 모든 세포 집합체에서 죽은 세포가 나타내는 붉은색 시그널을 나타내지 않고 대부분 생존하고 있는 것을 확인하였다. 또한, 24시간 동안 하이드로겔 위에서 배양한 세포 집합체는 100 ㎛ 패턴에서 약 40-60 ㎛의 지름을 가졌고 약 80%의 세포들이 같은 크기 범위 내에 존재하고 200 ㎛ 패턴은 60-80 ㎛의 지름을 가진 세포집합체가 거의 100%에 가깝게 존재하는 반면, 300 ㎛에서는 70 ㎛ 부터 120 ㎛ 까지 다양한 지름들이 넓은 범위에서 나타남을 확인하였다. 이러한 결과는 처음 세포를 수득하였을 때와 유사한 결과로 세포가 특이적으로 성장할 때 세포 집합체를 만들기에 충분한 양의 세포가 패턴 위에 존재하지 않아 나타난 결과임을 유추할 수 있다.As a result of observation, it was confirmed that most of the cell aggregates did not show red signal indicated by dead cells in all cell aggregates and survived. In addition, the cell aggregate cultured on the hydrogel for 24 hours had a diameter of about 40-60 mu m in the 100 mu m pattern, about 80% of the cells were in the same size range, and the 200 mu m pattern had a diameter of 60-80 mu m The cell aggregates were found to be close to 100%, while at 300 ㎛, various diameters from 70 ㎛ to 120 ㎛ appeared in a wide range. These results are similar to those obtained when the cells were first obtained, and it can be inferred that when the cells are specifically grown, a sufficient amount of cells are not present on the pattern to make the cell aggregate.

72시간 동안 하이드로겔 위에서 배양한 세포 집합체의 경우에도 24시간을 배양한 세포와 마찬가지로 세포가 대부분 생존하고 있는 것을 확인하였다. 세포 집합체의 크기는 100 ㎛의 패턴에서 수득하였을 때 24시간 배양한 세포보다 대략 10 ㎛ 큰 50-70 ㎛의 크기를 가졌고 약 90% 세포 집합체가 같은 범위 내의 지름을 가지는 것을 확인하였으며, 200 ㎛의 패턴에서는 70-90 ㎛의 세포 집합체가 80% 이상 존재하였고, 또한 300 ㎛의 패턴에서 수득한 세포 집합체는 90-120 ㎛의 지름을 가지는 집합체가 60% 이상 존재하는 것을 확인하였다.In the case of the cell aggregate cultured on the hydrogel for 72 hours, it was confirmed that most of the cells were alive as well as the cells cultured for 24 hours. The size of the cell aggregate was 50-70 ㎛, which was about 10 ㎛ larger than the cells cultured for 24 hours when it was obtained in the pattern of 100 ㎛, and it was confirmed that about 90% cell aggregate had a diameter within the same range. The pattern aggregates of 70-90 μm were present in 80% or more, and the aggregates obtained in the pattern of 300 μm were found to contain 60% or more of aggregates having a diameter of 90-120 μm.

도 13은 세포 집합체의 구조를 대표적인 염색을 통하여 확인한 도면이다. 일반적인 세포 집합체의 크기를 가지는 200 ㎛ 패턴을 이용하여 F-actin 염색과 H&E 염색법을 통하여 집합체의 구조와 집합체 내부의 세포 분포를 확인하였다. 집합체의 구조는 24시간 배양한 세포에서 세포핵이 밖으로 나오는 등의 불안정한 구조를 가졌고 집합체 내의 세포 분포로 확인하였을 때 집합체 내에 세포가 충분한 양이 존재하지 못함을 알 수 있었다. 반면 72시간 배양한 세포에서는 세포 집합체의 구조도 안정적으로 형성된 것을 확인하였고 집합체 내의 세포의 양도 충분한 것을 확인할 수 있었다.13 is a diagram showing the structure of the cell aggregate through typical dyeing. The structure of the aggregate and the cell distribution inside the aggregate were confirmed by F-actin staining and H & E staining using a 200 ㎛ pattern having a general cell cluster size. The structure of the aggregate had an unstable structure, such as a nucleus emerging from the cultured cells for 24 hours, and it was confirmed that there was not enough cells in the aggregate when it was confirmed by the distribution of cells in the aggregate. On the contrary, in the cells cultured for 72 hours, it was confirmed that the cell aggregate was stably formed and the amount of cells in the aggregate was sufficient.

줄기 세포를Stem cells 이용한 세포 집합체 제작 및 특성 평가 Fabrication and characterization of cell aggregates

도 14, 도 15, 도 16은 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에서 비갑개 줄기세포를 도포한 후 24 시간(도 12) 동안 배양하고, 온도감응성 하이드로겔의 온도를 4 ℃로 낮춘 후 수득한 세포 집합체의 생존률(도 13)과 크기 분포(도 14)를 Live/Dead assay와 NIS-element를 이용하여 세포 집합체의 지름 측정을 통해 확인한 결과를 나타낸 도면이다.FIGS. 14, 15, and 16 show the results of culturing osteomaic stem cells on a thermosensitive hydrogel patterned with a cell adsorbing material for 24 hours (FIG. 12), lowering the temperature of the thermosensitive hydrogel to 4 ° C (Fig. 13) and size distribution (Fig. 14) of a cell aggregate were determined by measuring the diameter of the cell cluster using Live / Dead assay and NIS-element.

관찰 결과, 모든 세포 집합체에서 죽은 세포가 나타내는 붉은색 시그널을 나타내지 않고 대부분 생존하고 있는 것을 확인하였다. 또한, 24시간 동안 하이드로겔 위에서 배양한 세포 집합체는 200 ㎛패턴에서 약 70-110 ㎛의 지름을 가졌고 약 80%의 세포들이 같은 크기 범위 내에 존재하였다.As a result of observation, it was confirmed that most of the cell aggregates did not show red signal indicated by dead cells in all cell aggregates and survived. In addition, the cell aggregate cultured on the hydrogel for 24 hours had a diameter of about 70-110 mu m in the 200 mu m pattern and about 80% of the cells were in the same size range.

Claims (10)

(a) 기판 상에 세포 흡착 물질을 패터닝하는 단계;
(b) 상기 세포 흡착 물질이 패터닝된 기판을 온도감응성 하이드로겔의 표면과 접촉시켜, 상기 온도 감응성 하이드로겔 상에 세포 흡착 물질을 패터닝하는 단계;
(c) 상기 세포 흡착 물질이 패터닝된 온도감응성 하이드로겔 상에 세포를 분주 및 배양하는 단계; 및
(d) 상기 온도감응성 하이드로겔의 부피를 팽창시켜 세포 집합체를 형성 및 탈착 시키는 단계;를 포함하는 3차원 세포 구상체의 제조방법.
(a) patterning a cell adsorbing material on a substrate;
(b) contacting the substrate on which the cell adsorbing material is patterned with the surface of the thermosensitive hydrogel, and patterning the cell adsorbing material on the thermosensitive hydrogel;
(c) dispensing and culturing cells on a thermosensitive hydrogel patterned with the cell adsorbing material; And
(d) expanding the volume of the thermosensitive hydrogel to form and desorb the cell aggregate.
제1항에 있어서,
상기 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 유리, 금속 및 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 3차원 세포 구상체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate is selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), glass, metal, and silicon.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 상기 세포 흡착 물질은 약염기성 조건에서 수행되는 중합 반응에 의해 기판 상에 패터닝되는 것을 특징으로 하는 3차원 세포 구상체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cell adsorbing material is patterned on a substrate by a polymerization reaction performed under weakly basic conditions in the step (a).
제1항에 있어서,
상기 세포 흡착 물질은 폴리카테콜계 고분자인 것을 특징으로 하는 3차원 세포 구상체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cell adsorbing material is a polycarate-based polymer.
제4항에 있어서,
상기 폴리카테콜계 고분자는 폴리도파민(polydopamine), 폴리에피네프린(polyepinephrine), 폴리노르에피네프린(polynorepinephrine) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 3차원 세포 구상체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the polycarate-based polymer is selected from the group consisting of polydopamine, polyepinephrine, polynorepinephrine, and mixtures thereof.
제1항에 있어서,
상기 온도감응성 하이드로겔은 주위 온도가 낮아지면 부피가 팽창되는 것을 특징으로 하는 3차원 세포 구상체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermosensitive hydrogel is bulky when the ambient temperature is lowered.
제1항에 있어서,
상기 온도감응성 하이드로겔은 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드의 공중합체/티라민 컨쥬게이트 하이드로젤인 것을 특징으로 하는 3차원 세포 구상체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermosensitive hydrogel is a copolymer of polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide / thiamine conjugate hydrogel.
제1항에 있어서,
상기 세포 흡착 물질 패턴은 원형 또는 다각형 판 형상으로 형성되고,
상기 원형 패턴의 직경 또는 다각형 패턴의 한 변의 길이는 100 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 3차원 세포 구상체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The cell adsorbing material pattern is formed in a circular or polygonal plate shape,
Wherein the diameter of the circular pattern or the length of one side of the polygonal pattern is 100 to 500 mu m.
제1항에 있어서,
상기 세포는 근아세포, 섬유아세포, 혈관내피세포, 연골세포, 간세포, 골아세포, 신장세포, 지방세포, 각막상피세포, 줄기세포, 신경세포, 각질세포, 근육세포, 심장근육세포 및 식도상피세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 3차원 세포 구상체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The cells may be selected from the group consisting of muscle cells, fibroblasts, vascular endothelial cells, chondrocytes, hepatocytes, osteoblasts, kidney cells, adipocytes, corneal epithelial cells, stem cells, neurons, keratinocytes, muscle cells, ≪ RTI ID = 0.0 > 3. ≪ / RTI >
제1항의 제조방법에 따라 제조된 3차원 세포 구상체.A three-dimensional cell spherical body produced according to the manufacturing method of claim 1.
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