색전치료를 위한 다기능성 생분해성 기반 약물 GelMA 방출 미세구의 합성 = Synthesis of Multi-functional Biodegradable GelMA-based Drug-Eluting Beads for Embolotherapy

국문 초록 (Abstract)

간세포암 치료를 위한 경동맥 화학색전술（TACE）에 사용되는 기존 비분해성 상용 미세구는 체내 잔류에 따른 담관 합병증 위험, 수동적 혈류 이동에 의한 표적화의 한계, 그리고 방사선 투과성으로 인한 실시간 모니터링의 한계가 존재한다. 특히 시술 시 위치 파악을 위해 혼합하는 외부 액상조영제는 혈류에 의한 급격한 유실 현상으로 인해 장기적인 추적 관찰이 어렵다. 본 연구에서는 이러한 임상적 한계를 극복하고자, 생분해성 고분자인 젤라틴 메타크릴로일（GelMA）을 기반으로 고효율 약물 전달, 능동적 자기장 표적화, 자체 X선 조영 기능을 통합한 다기능성 복합 미세구（Drug-eluting bead, DEB）를 개발하고 그 물리화학적 특성을 평가하였다.
첫째, 색전 소재 본연의 약물 전달능을 극대화하기 위해 GelMA에 친수성 음이온 단량체인 3-Sulfopropyl methacrylate （SPMA）를 공중합하여 하이드로젤 미세구（GSB）를 제조하였다. 구조 내 도입된 풍부한 음전하（-SO3-）는 하이드로젤의 팽윤비를 획기적으로 증가시켰으며, 양이온성 항암제인 독소루비신（DOX）과의 강한 정전기적 인력을 유도하여 90% 이상의 높은 최종 담지 효율을 달성하였다. 체외 약물 방출 평가 결과, 초기 과다 방출 현상없이 10일 이상 안정적으로 약물을 방출하는 지속 방출（Sustained release）거동을 확인하였다.
둘째, 종양 부위로의 능동적 표적 지향성을 부여하기 위해, 초상자성 산화철 나노입자（SPION） 표면에 실리카 쉘을 코팅하고 아민기（-NH2）로 개질한뒤 이를 고분자 매트릭스 내부에 도입하여 복합 미세구（GSB-SN）를 제조하였다. 아민기 표면 개질은 유기-무기 계면 간의 물리화학적 결속력을 크게 강화하여, 시술 시 가해지는 강한 외부 응력 하에서도 나노입자의 유출을 방지하고 구조적 안정성을 확보하는 데 기여하였다. 특히, 아민기로 개질된 GSB-SN은 미개질 입자를 도입한 대조군（GSB-S） 대비 향상된 자성 응답성을 나타내었으며, 고함량（10 wt%） 조건에서도 우수한 탄성 회복력을 유지하며 민감한 자성 응답성을 구현하였다.
셋째, 자체적인 실시간 영상화 기능을 부여하기 위해 수성 및 유기 혼합 용매계（PBS:DMSO）를 적용한 EDC/NHS 커플링 기법으로 요오드계 조영제인 2,3,5-Triiodobenzoic acid （TIBA）를 미세구에 화학적으로 고정하였다（GSIB）.
특히, SPMA 함량을 조절하여 하이드로젤의 물리적 팽윤도와 자유 부피（Free volume）를 제어함으로써 거대 소수성 분자인 조영제의 화학적 결합 효율을 최적화하였다. 그 결과, 최적화된 복합 미세구는 외부 조영제의 도움 없이도 Micro-CT 상에서 우수한 방사선 불투과성（Radiopacity）을 나타냈으며, 입체 장애 없이 30일에 걸쳐 콜라게나아제 효소에 의해 원활하게 생분해됨을 입증하였다.
종합적으로, 본 연구에서 개발된 다기능성 복합 DEB는 기존 상용 색전제의 부작용을 최소화할 수 있는 생체 적합성 및 생분해성을 지님과 동시에,정전기적 인력 기반의 고효율 항암제 방출, 자기장 유도형 정밀 표적화, 자체적인 실시간 영상화 기능을 각각 성공적으로 확보하였다. 본 연구 결과는 향후 간세포암 국소 치료의 정밀성과 안전성을 향상시킬 수 있는 차세대 색전 소재로서의 활용 가능성을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1. 연구목적 및 배경 1
• 가. 화학색전술용 GelMA-SPMA 기반 약물 방출 미세구 1
• 나. 표적 지향성을 부여한 자기장 감응형 DEB 2
• 다. 실시간 모니터링을 위한 X-ray 조영 기능성 DEB 3
• 제 2 장 본 론 5
• 1. 실험 기구 및 시약 5
• 가. GelMA 합성 및 GelMA-SPMA DEB 제조 5
• 1） GelMA 합성 5
• 2） GelMA-SPMA DEB 제조 5
• 나. SPION 합성 및 APTES를 이용한 표면 개질 6
• 다. 조영 기능성 복합 미세구（GSIB） 제조 6
• 라. 약물 담지/방출 및 생분해 거동 평가 7
• 2. 실험 방법 8
• 가. Gelatin methacryloyl （GelMA）의 합성 8
• 나. 기능성 GelMA-SPMA DEB 제조 9
• 1） 고함량 SPMA 기반 DEB 9
• 2） 표적 지향성을 부여한 자기장 감응형 DEB 10
• 가） SPION 합성 및 APTES를 이용한 표면 개질 10
• 나） SPION 도입 DEB 제조 12
• 3） 실시간 모니터링을 위한 X선 조영 기능성 DEB 13
• 가） 조영제（TIBA） 도입을 위한 DEB 제조 13
• 나） TIBA 화학적 결합 및 조건 최적화 14
• （1） CDI/NHS 커플링 반응 14
• （2） EDC/NHS 커플링 반응 및 용매 최적화 15
• 다. DEB의 약물 거동 및 체외 분해 특성 평가 16
• 1） Doxorubicin （DOX） 흡수 및 방출 실험 16
• 2） 체외 분해 거동（In vitro degradation） 평가 17
• 라. 자성 응답 특성 평가 18
• 3. 측정 기기 및 분석 방법 19
• 가. 물리적 특성 및 형태학적 분석 19
• 1） Optical Microscopy 19
• 2） Cs-corrected Transmission Electron Microscope （TEM） 19
• 3） Dynamic Light Scattering （DLS） ＆ Zeta Potential 19
• 나. 화학적 구조 및 광학 분석 20
• 1） 1H-NMR Spectroscopy 20
• 2） X-ray Photoelectron Spectroscopy （XPS） 20
• 3） UV-Vis spectroscopy 20
• 다. 열적 및 기계적 특성 분석 21
• 1） Thermogravimetric Analysis （TGA） 21
• 2） Compressive Strength Measurement 21
• 라. 자기적 특성 및 X-ray 조영성 평가 21
• 1） Gauss meter 21
• 2） Vibrating Sample Magnetometer （VSM） 21
• 3） High-resolution Micro Computed Tomography （Micro-CT） 22
• 제 3 장 결과 및 고찰 23
• 1. 고함량 기반 SPMA DEB 의 특성 평가 23
• 가. GelMA의 합성 및 기능화도 23
• 1） 1H-NMR 23
• 나. GSB의 물리적 및 형태학적 특성 24
• 1） Bead size 24
• 2） Swelling ratio 25
• 다. SPMA 함량에 따른 GSB의 약물 거동 특성 27
• 1） DOX 검량선 27
• 2） DOX 흡수 및 담지 효율 28
• 3） DOX 방출 프로파일 및 누적 방출률 30
• 2. 표적 지향성을 부여한 자기장 감응형 DEB의 특성 평가 33
• 가. SPION 의 표면 개질 및 나노입자 특성 33
• 1） DLS （Zeta potential） 및 제타 전위 33
• 2） VSM 자기적 모멘트 35
• 나. GSB-SN 의 물리화학적 및 형태학적 특성 37
• 1） Optical image 및 Bead size 37
• 2） Swelling ratio 37
• 3） TGA 및 DTG 39
• 다. GSB-SN 의 기계적 안정성 및 자기적 구동 성능 40
• 1） 압축 강도 및 탄성 평가 40
• 2） 자기장 반응 거동 평가 43
• 라. GSB-SN 의 약물 전달 및 생분해 거동 45
• 1） DOX 흡수 및 담지 효율 45
• 2） DOX 방출 프로파일 및 누적 방출률 48
• 3） 효소에 의한 생분해 거동 50
• 3. 실시간 모니터링을 위한 X-ray 조영 기능성 DEB 특성 평가 53
• 가. TIBA 도입을 위한 구조 제어 및 조건 최적화 53
• 1） GelMA 기능화도（DoF） 조절 및 1H-NMR 분석 53
• 2） 커플링 시약 및 용매 조건 최적화 54
• 나. GSB, GSIB의 물리화학적 특성 60
• 1） 표면 원소 분석（XPS） 60
• 2） Iodine 도입 전후 크기 비교 62
• 3） Iodine Swelling ratio 도입 전후 비교 62
• 다. Micro-CT 기반 방사선 조영 성능 65
• 1） SPMA 함량에 따른 가시성 상관관계 65
• 라. 약물 전달 및 생분해 거동 69
• 1） DOX 검량선 69
• 2） DOX 흡수 및 담지 효율 70
• 3） DOX 방출 프로파일 및 누적 방출률 74
• 4） 효소에 의한 생분해 거동 78
• 제 4 장 결 론 81
• 참고문헌 83