user: 조직공학의 스캐폴드에 대해 설명해 줘.

gpt: 혈액 세포와는 달리, 인간 조직 대부분의 정상 세포들은 세포외 기질라 불리는 고체형 매트릭스와 상호작용하며 살아간다. 조직 공학 분야는 조직과 기관의 재생을 위한 적절한 환경을 제공하기 위해 다공성 3D 스캐폴드의 사용에 의존한다. 이 스캐폴드는 조직 형성을 위한 주형으로 작용하고, 세포 및 성장 인자들이 '심어져 있거나', 생물반응기 형태의 생체 물리적 자극을 받는다.

## 재료
스캐폴드를 구성하는 많은 물질들이 연구되었다.

새로운 생체 물질은 이상적인 특성과 주입 가능성, 합성 제조, 생체 적합성, 면역 적합성, 투명성, 나노 크기의 섬유, 저농도, 재흡수율 등 기능적으로 맞춤화되도록 설계되었다. Zhang, Rich, Grodzinsky, Langer의 MIT 연구실에서 만들어진 PuraMatrix는 현재 상용화되어 임상 조직 공학에 영향을 미치는 새로운 생체 모방 스캐폴드 제품군 중 하나이다.

일반적으로 사용되는 합성 물질은 폴리락트산이다. PLA는 인체 내에서 분해되어 몸에서 쉽게 제거할 수 있는 젖산를 형성하는 폴리 에스테르이다.

스캐폴드는 천연재료로도 구성될 수 있다. 천연 재료로는 콜라겐, 피브린, 젤라틴같은 단백질, 히알루로난, 아가로스, 알지네이트, 키토산 같은 다당류 등이 있다. 천연 재료로 만들어진 스캐폴드는 일반적으로 우수한 생물학적 호환성을 갖지만, 기계적 안정성이 결여되며, 천연 재료의 공급, 가공, 질병 전파가능성에 대한 문제가 있다.

## 합성
조직공학 스캐폴드로 사용될 다공성 구조를 만들기 위한 다양한 방법들이 있다. Principles of Tissue Engineering, 3rd를 참고해서 작성함.

### 섬유 결합법
polymer fiber는 세포 부착을 위해 훌륭한 표면적 대 부피 비율을 보이므로 좋은 스캐폴드 재료이다. 가장 초기의 조직 공학 스캐폴드는 기계적 안정성이 결여된 섬유 메쉬, 비결합 PGA 테슬 또는 펠트였다. 이 문제를 극복하기 위해 섬유 결합 기술은 섬유를 교차점에서 서로 결합시키는 방식으로 발전했다. 섬유 스캐폴드의 일반적인 예는 PGA와 PLLA를 사용한다. PGA 섬유들은 짜여진 메쉬로 배열된다. 중합체의 녹는점 이상의 온도에서 섬유들은 섬유들끼리의 접촉점에서 결합할 것이다. 융용 중합체의 구조적 붕괴를 방지하기 위해, PGA 섬유는 열처리 전에 캡슐화 과정을 거친다. 염화 메틸렌에 용해된 PLLA로 메쉬 섬유를 감싸고 건조시켜 PGA-PLLA 복합 매트릭스를 만든다. 열처리 및 섬유 결합 후, PLLA를 염화메틸렌으로 녹인 후, 진공 건조에 의해 용매를 스캐폴드로부터 제거한다. 섬유 결합법으로 생성한 스캐폴드는 단순성, PGA 섬유의 특성 유지, 생체 적합성 재료만 사용, 테슬 또는 펠트 배열에 대한 구조적 이점을 가진다는 점에서 좋은 방법이다. 그러나 기공률 및 기공 크기에 대한 제어, 적합한 용매의 이용가능성, 용해 상태의 두가지 중합체의 무해성, 중합체에 필요한 상대적인 융해 온도 등이 단점으로 나타난다.

### 전기방사법
PGA, PLGA, PCl을 포함한 많은 생체적합성 중합체는 다공성이 90% 이상인 나노섬유의 구조물에 전기적 결합을 할 수 있다. 선택한 폴리머를 적절한 용매에 녹여 준비한다. 폴리머 용액은 주사기에 적재된 후 주사기 펌프를 통해 일정한 비율로 금속 모세관을 통해 배출된다. 고전압을 모세관에 가하여 폴리머를 접해있는 표면을 향해 배출한다. 얇은 섬유들이 plate에 조립되면서 용매는 증발하고 짜여진 다공성 비계만 남는다. 섬유 두께, 스캐폴드 직경 및 평균 기공 직경은 중합체 농도, 용매의 선택, 방출 속도, 인가 전압, 모세관 직경, 모세관과 표면 사이의 거리를 포함하는 인자에 의해 조정된다. 이러한 이유로, 전기방사법은 많은 실험실에서 스캐폴드 제조의 일반적인 방법이 되었다.

### 염침출법
염침출법은 규칙적인 다공성을 가진 구조물을 만들 수 있지만, 이 구조물의 두께는 제한되어 있다. 중합체를 적합한 유기용매에 녹이고에 용해시킬수 있음) 녹인 중합체를 적합한 기공유도물질 주위에 캐스팅한다. 그리고 중합체를 건조하고 굳힌 후, 기공유도물질을 침출시켜 상호연결된 다공성 네트워크를 가진 중합체 스캐폴드를 만들 수 있다. 이러한 기공유도물질로 염화나트륨같은 무기 염, 사카로스 결정, 젤라틴 구체, 파라핀 구체가 사용된다. 다공성 스캐폴드는 기공유도물질의 제작 매개변수 및 유형, 양, 크기를 조정함으로써 맞춤 제작이 가능하다. 기공유도물질의 크기는 스캐폴드 기공의 크기에 영향을 미치는 반면, 중합체 대 기공유도물질 비율은 최종 구조의 다공성의 양과 직접적으로 관련된다. SCPL의 단점으로는 스캐폴드에 심어진 세포의 손상을 피하기 위해 사용되는 유기 용매를 완전히 제거해야 한다.

### 용융 성형법
입체 스캐폴드의 제조를 위한 다른 방법은 융용 성형법이다. 이 기술은 중합체와 기공유도물질 입자가 몰드에서 결합되어 중합체의 유리 전이 온도 또는 융용 온도 이상으로 가열되도록 요구한다. 중합체의 재구성 후, 복합 재료를 몰드로부터 꺼내어 냉각시키고, 적절한 액체에 침지시켜 유도물질입자를 침출시킨다. 생성된 다공성 스캐폴드는 틀과 동일한 외부 형상을 갖는다.

### 막 라미네이션
조직 공학은 종종 뼈와 연골과 같은 모양 의존적 기능을 가진 단단한 조직을 위해 정확한 3차원 해부 구조를 필요로 한다. melt molding으로 제조된 다공성 중합체의 얇은 층은 막 라미네이션에 의해 절단, 적층, 및 결합될 수 있다. 층들은 화학적으로 결합되지만, 2개의 인접한 막의 경계면에는 뚜렷한 경계가 없다. 이 방법의 핵심은 원하는 스캐폴드 모양의 3차원 등고선도를 만드는 것이다. 스캐폴드의 각 층은 다공성 막에서 해당 레벨에 맞는 모양으로 절단된다. 클로로포름과 같은 소량의 용매가 계면 표면에 코딩되어 있고, 막 사이에 결합이 형성되어 있다. 이 과정은 최종 3차원 구조가 완성될 때까지 모든 후속 층에 대해 반복된다. 막 라미네이션에 사용되는 다공성 중합체는 SCPL에 의해 형성된 PLA 및 PLGA 막이 포함된다. 앞서 언급된 바와 같이 완성된 스캐폴드의 층들 사이에는 검출가능한 경계가 없다. 막 라미네이션은 개별적인 막과 동일한 벌크 특성을 갖는 3차원 해부학적 형태를 제조하는 방법을 제공한다.

### 압출법
조직공학을 위한 중합체의 첫번째 압출법은 PLGA 및 PLLA를 이용하여 말초신경 재생을 위한 관형 스캐폴드를 형성한 것이다. 기공유도물질로 염화나트륨을 사용하여 solvent casting을 사용하여 중합체를 막으로 제조하였다. 제조된 막을 적절한 크기로 절단하고 맞춤형 압출 도구에 넣는다. 압출기는 복합 재료에 열과 압력을 가하고 노즐을 통해 원통형 도관을 형성하도록 압력을 가한다. 도관을 식힌 후, 물에 담가 염화나트륨을 침출하고 진공 건조시킨다. 온도가 높을수록 압력이 낮아지고 온도가 낮을수록 압력이 높아진다. 고압에는 강력한 유압 프레스가 필요할 수 있지만, 고온은 스캐폴드의 결정도 및 다공성, 혼입된 생체 분자의 활성에 악영향을 줄 수 있다. 압출법 또한, 다른 방법과 마찬가지로 기공유도물질 함량 및 크기는 다공성 및 평균 기공 직경의 가장 중요한 매개 변수이다. 압출된 중합체 스캐폴드는 세포의 이동 또는 조직 공학을 위한 성장인자를 지원하기 위해 제작할 수 있다.

### 동결 건조법
제어 가능한 다공성 및 평균 기공 직경을 가지는 스캐폴드의 신속한 제조를 위한 방법 중 하나이다. 중합체를 적절한 용매에 용해시킬수 있음)에 용해시킨 다음 물을 중합체 용액에 첨가하고 두 액체를 혼합하여 에멀젼을 얻는다. 생성된 에멀젼을 몰드에 붓고 액체 질소로 동결시킨다. 동결 건조는 물과 용매를 제거하여 고도로 상호 연결된 기공, 최대 90%의 기공률 및 15~35um의 평균 기공 직경의 스캐폴드를 생성한다. 이 기술은 PGA, PLLA, PLGA 및 PPF를 포함한 많은 생체 적합성 중합체와 함께 사용되었다. 에멀젼과 동결 건조를 사용하는 방법은 SCPL처럼 고체 기공유도물질을 사용할 필요가 없다. 또한 SCPL처럼 시간이 많이 걸리는 침출 단계가 필요하지 않기 때문에 빠르게 준비되지만 여전히 용매를 사용해야 한다. 또한 만들어진 기공 크기가 작고 기공률이 종종 불규칙하다.

### 상 분리법
분해 가능한 조직 공학 스캐폴드로부터 약물과 다른 생체 활성 분자를 전달할 수 있는 가능성은 세포 분화를 조절하고 조직 재생을 유도하는데 유리하다. 이러한 스캐폴드는 생체 활성 분자를 유기 화학 물질이나 극한 온도에 노출시키지 않는 상 분리 기술에 의해 생성될 수 있다. 중합체 및 용매는 액체 질소로 급냉함으로써 2상 고체를 얻을 수 있다. 용매는 승화에 의해 제거하여, 중합체 내에 생체 활성 분자가 있는 다공성 스캐폴드를 생성한다. 다공성 및 구조는 중합체에 대한 용매의 냉각 속도 및 융용 온도에 의해 영향을 받는다. 특정 약물 방출 속도를 조정하고 큰 단백질을 포함시키는 것은 상 분리 방법에 있어 주요 장애물이다.

### 가스 포밍법
SCPL에 대한 가장 큰 문제점은 유기 용매의 사용이다. 유기 용매의 잔류물은 주입 후 염증반응을 일으킬 수 있다. 이를 피하기 위해 가스 포밍법을 사용한다. 압축된 중합체 디스크는 고압 CO2로 처리된다. 압력은 점차 대기 수준으로 회복된다. 압력이 감소함에 따라, 압력의 양과 감소 속도에 따라 중합체 매트릭스에서 핵 형성 및 기공이 형성된다. 평균 긱홍 크기는 100um~500um의 범위이다. 기공은 중합체를 떠나는 CO2분자에 의해 형성되어 스펀지형 구조를 생성한다. 이 기술의 주요 문제점은 압축 성형동안 사용된 과도한 열과 공극이 상호연결된 구조를 형성하지 않는다는 것이다.

### 펩타이드 자가 조립법
1990년대 중반 이후, 조직 공학 스캐폴드에서는 합성 ECM에서의 펩타이드 나노 섬유 사용을 연구한다. 콜라겐, 젤라틴 및 피브린과 같은 다른 생물학적 유래 물질은 합성 중합체와 비교하여 세포와 우호적으로 상호작용할 수 있지만, 펩타이드 섬유는 자가 조립되어 나노 규모에서 안정적이고, 고도로 정렬된 스캐폴드를 형성할 수 있다. 자가 조립 펩타이드 구조는 나노 규모에서 형성되며, 부착된 세포가 본래의 3차원 형태를 유지하게끔 하며, 일부 마이크로스케일 표면에 부착된 세포처럼 평평해지지 않을 수 있다. 아미노산 서열에서 하전된 소수성 잔기의 간격을 조절함으로써, 형성된 스캐폴드의 기하학적 구조가 조작될 수 있다. 펩타이드 분자 내부와 그 사이의 비공유 결합 및 이온 상호작용은 합성 생물학적 시스템에서 기능적 및 동적 구조를 생성한다. 인접한 섬유는 시스테인 잔기의 배치에 의해 이환화 결합으로 영구적으로 교차연결될 수 있다. 자가 조립 펩타이드는 물 또는 생리학적 용액에서 일반적으로 안정한 β-sheet를 형성한다. 양극성 펩타이드는 시트, 막대, 구, 디스크와 같이 더 복잡한 구조를 형성하는 것으로 나타났다. 스캐폴드 조립 및 크기는 pH, 펩타이드 농도, 2가 이온 유도에 의해 제어될 수 있다.