Biomaterial for Regenerative Medicine: Supercritical Carbon Dioxide-Decellularized Scaffolds and Polydioxanone Particle-Based Therapeutics for Tissue Reconstruction = 재생의학을 위한 생체재료: 초임계 이산화탄소 탈세포화 지지체와 폴리다이옥사논 입자 기반 치료제를 이용한 조직 재건

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Regenerative medicine is an interdisciplinary field that aims to restore or replace damaged tissues and organs by harnessing the body’s natural healing processes. Central to this approach is the use of biomaterials, both natural and synthetic, that provide structural support, modulate the local microenvironment, and promote functional tissue regeneration. The field is increasingly utilizing such biomaterials to enhance tissue repair, facilitate personalized therapies, and minimize the limitations of traditional treatments.
This dissertation investigates two complementary biomaterial strategies for regenerative medicine: (1) the development of extracellular matrix (ECM)-based scaffolds via supercritical carbon dioxide (Sc-CO₂) decellularization, and (2) the application of polydioxanone (PDO) particle-based injectables as a novel therapeutic approach for joint repair. These strategies are applied to three distinct tissue contexts—peripheral nerve, soft tissue, and cartilage—highlighting tailored biomaterial designs for specific clinical challenges.
The first study introduces Sc-CO₂ decellularization as an advanced technique for generating acellular scaffolds while preserving essential extracellular matrix components. This novel method effectively removes cellular content from porcine nerve tissues while maintaining collagen, elastin, and glycosaminoglycans (GAGs), which are crucial for cell adhesion and tissue integration. Unlike conventional detergent-based decellularization, Sc-CO₂ eliminates cytotoxic residues, enhancing the biocompatibility and bioactivity of the resulting scaffold. In vivo implantation in a rat sciatic nerve injury model demonstrated significant functional nerve regeneration, Schwann cell infiltration, and myelin sheath formation. These findings validate Sc-CO₂-treated nerve grafts as a promising alternative to autologous nerve transplantation, offering a biocompatible and scalable solution for peripheral nerve repair.
The second study expands the application of Sc-CO₂ decellularization to soft tissue reconstruction, introducing SC Fill paste, an injectable ADM engineered for breast reconstruction. This biomaterial undergoes Sc-CO2 decellularization, followed by micronization and mechanical dispersion, transforming the ECM into a microparticulate form. In contrast to conventional sheet-type ADMs, which are less effective in treating complex or irregularly shaped defects due to their shaping limitation, paste-type allows precise defect filling and superior adaptability to irregular soft tissue structures, facilitating a more reproducible restoration of breast contours, particularly in oncoplastic breast-conserving surgery (OBCS). In vitro characterization of SC Fill paste demonstrated low immunogenicity, preserved ECM structure, and the retention of key growth factors, which supported enhanced fibroblast infiltration, neovascularization, and long-term collagen remodeling in an in vivo model. Compared to commercial ADMs, SC Fill paste exhibited superior host tissue incorporation and reduced capsular contracture, offering a minimally invasive and customizable solution for breast reconstruction and soft tissue augmentation.
Beyond Sc-CO₂ decellularization, the third study explores polydioxanone particle-based injectables as a novel therapeutic strategy for osteoarthritis. Using a collagenase-induced OA rabbit model, intra-articular PDO injections were evaluated against standard viscosupplements like hyaluronic acid (HA) and polynucleotides (PN). PDO treatment significantly preserved cartilage integrity, suppressed pro-inflammatory cytokines (IL-1β, TNF-α), and downregulated catabolic enzymes (MMP-3, -9, -13), while promoting the expression of chondroprotective markers such as collagen type II and aggrecan. These findings support PDO particles as dual-function agents that provide both biomechanical support and biological modulation of the joint microenvironment—making them promising therapeutics for long-term OA management and cartilage regeneration.
By integrating Sc-CO₂-based ECM scaffolds, applied in both decellularized nerve grafts for nerve repair and micronized injectable ADM paste for soft tissue reconstruction, polydioxanone particle-based therapeutics for joint repair, this dissertation contributes to the development of next-generation biomaterials with broad clinical applications in reconstructive and regenerative medicine. These advancements establish a strong foundation for the clinical translation of minimally invasive and biocompatible regenerative therapies, paving the way for innovative interventions in nerve regeneration, breast reconstruction, and cartilage repair.
*The study regarding Chapter I was published in ‘Supercritical carbon dioxide decellularization of porcine nerve matrix for regenerative medicine’, Tissue Engineering Part A. 2024
* The manuscript corresponding to Chapter II is currently being submitted for publication.
*The findings described in Chapter III have been published in ‘Evaluating the efficacy of intra-articular polydioxanone (PDO) injections as a novel viscosupplement in osteoarthritis treatment’, Life Science 2025
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Keyword: Supercritical carbon dioxide decellularization, Injectable acellular dermal matrix, Polydioxanone, Peripheral nerve regeneration, Osteoarthritis treatment, Breast reconstruction surgery
Student Number: 2021-35474

국문 초록 (Abstract)

재생의학은 손상된 조직과 장기를 복원하거나 대체하기 위해 신체의 자연 치유 과정을 활용하는 융합 학문 분야이다. 이 접근법의 핵심은 구조적 지지, 국소 미세환경 조절, 기능적 재생을 촉진할 수 있는 천연 또는 합성 생체재료의 활용이다. 최근 재생의학 분야에서는 이러한 생체재료를 활용하여 조직 복구를 향상시키고, 개인 맞춤형 치료를 가능하게 하며, 기존 치료법의 한계를 극복하려는 시도가 증가하고 있다.
본 논문에서는 재생의학을 위한 두 가지 상호보완적인 생체재료 전략을 다룬다: (1) 초임계 이산화탄소(Supercritical CO2, Sc-CO2)를 이용한 세포 제거 기반의 세포외기질(ECM) 스캐폴드 개발, (2) 관절 내 치료를 위한 주사용 합성 물질인 폴리디옥사논(Polydioxanone, PDO)의 활용. 이들 전략은 말초신경, 연조직, 연골이라는 세 가지 조직 환경에 적용되며, 조직 특이적 요구에 맞춘 생체재료 설계의 중요성을 입증한다.
첫 번째 연구는 Sc-CO2 기반 세포 제거 기법을 통해 주요 ECM 성분을 보존하면서 무세포 스캐폴드를 제작하는 고도화된 기술을 소개한다. 이 방법은 돼지 말초신경 조직에서 세포 성분을 효과적으로 제거하면서 콜라겐, 엘라스틴, 글리코사미노글리칸(GAG) 등의 ECM 성분을 유지하였다. 기존 계면활성제 기반 방법과 달리, Sc-CO2 는 세포 독성을 유발하는 잔류물을 남기지 않아 생체적합성과 생물학적 활성이 뛰어난 스캐폴드를 생성한다. 좌골신경 손상 쥐 모델에서의 이식 실험은 기능적 신경 재생, 슈반세포 침윤, 수초 형성을 확인하였으며, 이는 자가신경 이식의 대안으로서 Sc-CO2 처리 스캐폴드의 가능성을 입증하였다.
두 번째 연구에서는 Sc-CO2 기술을 연조직 재건에 확장하여, 유방재건을 위한 주사용 무세포 진피기질(ADM)인 SC Fill paste를 개발하였다. 이 생체재료는 Sc-CO2 기반 세포 제거 후 미세입자화 및 기계적 분산 과정을 거쳐 ECM을 주입 가능한 형태로 전환하였다. 기존 시트형 ADM이 복잡하거나 비대칭적인 해부학적 결손에 적용이 어려운 것과 달리, SC Fill paste는 정밀한 결손 충전 및 우수한 조직 적응성을 제공하며, 특히 종양성형 유방보존술(OBCS)에서 유방 윤곽의 재현성을 높인다. 세포독성 및 면역반응 분석, ECM 구조 및 성장인자 보존 평가를 포함한 in vitro 특성 분석과 in vivo 모델에서의 생체적합성 평가 결과, SC Fill paste는 섬유아세포 침윤, 혈관신생, 장기적인 콜라겐 리모델링을 효과적으로 유도하였다. 또한, 상용 ADM과 비교했을 때 조직 통합력이 뛰어나며 피막 구축이 현저히 감소하였다.
세 번째 연구는 PDO를 골관절염 치료를 위한 새로운 관절 내 점탄 보충제로 평가하였다. 콜라겐분해효소 유도 골관절염 토끼 모델에서의 실험은 PDO가 기존 점탄보충제(히알루론산 HA, 폴리뉴클레오타이드 PN)보다 연골 보존, 염증성 사이토카인(IL-1, TNF-) 억제, 분해효소(MMP-3, MMP-9, MMP-13) 하향 조절, 그리고 연골보호 마커(콜라겐 II형, 아그레칸) 상향 조절 효과가 우수함을 보여주었다. 이는 PDO가 기계적 윤활제와 생물학적 치료제로서 이중 기능을 수행할 수 있음을 시사한다.
본 논문은 Sc-CO2 기반 ECM 스캐폴드를 신경 및 연조직 재건에, PDO 기반 주입형 치료제를 연골재생에 적용함으로써 차세대 생체재료의 임상 적용 가능성을 제시한다. 이러한 연구 결과는 생체적합성과 저침습성을 갖춘 재생의학적 치료법의 임상 적용을 위한 견고한 기반을 마련하였으며, 신경 재생, 유방 재건 및 연골 손상 치료를 위한 혁신적 치료 전략으로의 개발 가능성을 제시한다.
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* 제1장 관련 연구: “Supercritical carbon dioxide decellularization of porcine nerve matrix for regenerative medicine”, Tissue Engineering Part A, 2024 게재
* 제2장 원고: 현재 투고 중
* 제3장 관련 연구: “Evaluating the efficacy of intra-articular polydioxanone (PDO) injections as a novel viscosupplement in osteoarthritis treatment”, Life Science, 2025 게재
주제어: 초임계 이산화탄소 탈세포화, 주입형 무세포 진피기질, 폴리디옥사논, 말초신경 재생, 골관절염 치료, 유방 재건 수술
학번: 2021-35474
 

목차 (Table of Contents)

• TABLE OF CONTENTS
• Abstract i
• Table of Contents v
• LIST OF FIGURES vii
• LIST OF ABBREVIATIONS ix
• GENERAL INTRODUCTION １
• Research Objectives ６
• Chapter I. Development of a Decellularized Porcine Nerve Scaffold Using Supercritical Carbon Dioxide for Peripheral Nerve Regeneration ８
• Introduction ９
• Materials and methods １４
• Results ２２
• Discussion ３３
• Chapter II. Development of an Injectable Acellular Dermal Matrix for Breast Reconstruction Using Supercritical Carbon Dioxide Decellularization ３７
• Introduction ３８
• Materials and methods ４２
• Results ５１
• Discussion ６６
• Chapter III. Evaluation of a Polydioxanone-Based Viscosupplement for Intra-Articular Therapy in Osteoarthritis ７1
• Introduction ７2
• Materials and method ７5
• Results 80
• Discussion ９4
• GENERAL CONCLUSION １０1
• REFRENCE １０4
• 국문 초록 (Abstract in Korea) １３4