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약물 및 생물학적 고분자-천연 공중합체 기반 연부조직 적용을 위한 생체재료 연구
술타나타마나 Soonchunhyang University Graduate School 2019 국내박사
오늘날의 생물 과학은 손상된 장기 또는 조직을 치료, 대체하기 위한 조직 공학 측면에서의 공학기술로써 널리 연구되고 있다. 성공적인 조직 재생 공학적 접근을 위해 3D 고분자 매트릭스(스캐폴드), 세포 그리고 신호 분자(약물 또는 성장 인자) 이 세 가지를 제시할 수 있다. 기본적으로 스캐폴드는 3D 구조로 이루어져 있으며, 형태학적으로나 화학적으로나 우리 신체의 세포 외 기질(ECM)과 유사하며 본래의 조직 재생 속도와 유사한 분해 속도를 부여한다. 또한, 신호 분자 및 세포와의 상호 작용을 통한 특정 조직의 재생을 허용할 수 있는 중요한 요소이기도 하다. 단일 중합체 유래 인공 지지체는 바람직한 재생 효율성을 제공하지는 못하지만, 2개 이상의 중합체를 조합함으로써 재생 능력을 충족시킬 수 있다. 지난 10년 이래로, 경 조직 및 연 조직에 조직 공학적 적용을 위해 전기 방사(electrospinning), 상 분리(phase-separation), 동결 건조 및 자기 조립, 3차원 생체 모방 지지체(하이드로젤, 멤브레인, 스펀지, 마이크로 스피어 등) 제조에 다양한 제조 방법이 사용되어 왔다. 물리적, 화학적 가교 결합으로 제조된 하이드로젤은 체내 적용시 복합 조직 표면의 기하학적 형상을 따르는 것은 물론 침습성이기 때문에 조직 재생에 매우 효과적이다. 복막 수술 후 조직 유착은 삶의 질에 중대한 영향을 미치는 것은 물론 의료비 지출과 연관된 중요한 문제이다. 그로 인해 복강 내 유착이 자주 발생하는 수술의 완화가 불가피한 실정이다. 본 연구에서는 TEMPO 산화 셀룰로오스 나노 파이버(TOCN), 메틸 셀룰로오스(MC), 카르복시 메틸 셀룰로오스(CMC), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 히알루론산(HA), 마이토마이신 C(Mitomycin C)를 사용하여 수술 후 유착 방지에 적용할 수 있는 세 가지 유형의 온도 감응성 주입형 하이드로젤을 개발하였다. Rat 맹장 벽 마모 모델을 이용하여 수술 후 복막 유착을 방지 하는 능력을 측정하였으며, 제작된 모든 유착 방지 하이드로젤은 저온인 4°C에서는 솔루션 형태로, 체내 온도와 같은 37°C에서는 젤 형태로 변형되는 특성을 가진다. 첫 번째 연구는 TOCN, MC, CMC 및 PEG로 구성된 효과적인 주입형 유착 방지제를 제안했다. TOCN을 함유한 새로운 하이드로젤(TOCN 0.2)은 in-vitro 연구에서 세포 독성을 나타내지 않았으며, 빠른 젤화 시간을 갖는 특성을 보였다. 또한 Rat에 피하 주사 했을 때 고체 형태의 젤로 전환되었으며, Rat 맹장 벽 마모 모델을 이용한 in-vivo 실험에서 우수한 항-유착 특성을 나타냈다. 두 번째 연구는 짧고 빠른 주입을 통해 고 분자량의 HA와 MC, TOCN 및 PEG 폴리머를 통합하여 주입 가능한 항-유착 하이드로젤의 개발 및 특성 평가한 연구이다. 하이드로젤 준비 시간이 짧으며 화학적 변형이 필요 없었고, TOCN은 하이드로젤의 기계적 안정성을 보장하였으며, MC의 첨가로 열 감응 현상을 확인했다. HA의 함량이 높을수록 하이드로젤 분해 속도가 빨라졌다. HA 0.25 하이드로젤은 주변 온도에서 더 빠른 주입(40 ± 2초)이 가능하며, 온도에 따른 솔루션-젤 (4℃-37℃) 변형이 가능 하다. Rat 맹장 벽 마모 모델을 이용하여 PEG와 결합된 0.25 % HA의 하이드로젤에서 완전한 de-Novo 유착 방지 효능을 확인하였으며, 이는 14일 후에 치유되었다. 세 번째 연구에서 Mitomycin C가 EDC/NHS 가교 결합에 의해 TOCN과 결합되었으며, 이어서 MC와 결합함으로써 항-유착 용도로의 온도 감응형 하이드로젤을 개발했다. 개발된 MTmc 2.5 하이드로젤은 세포 적합성, 기계적 안정성, 최적 분해, 주입형태의 사용성, 수술 부위로부터의 누출 방지 및 가장 중요한 성공적인 유착 방지 효율의 측면에서 우수한 결과를 보였으며 이는 최첨단 기술의 진보라 할 수 있다. 따라서, 이러한 생체 적합성 및 온도 감응형 하이드로젤은 빠른 조직 치유를 위해 추가 조작없이 복강경으로 사용될 수 있음을 시사한다. 혈관 조직 공학에 사용되는 차별화된 방법 중 하나인 전기 방사는 높은 인장 강도의 나노/마이크로 섬유, 경량이지만 내구성 있는 재료를 개발하는데 광범위하게 사용된다. 또한, 전기방사로 제조된 스캐폴드는 세포 침투에 적합한 환경을 가지고, ECM과 가장 밀접한 네트워크를 제공한다. 네 번째 연구의 목적은 폴리 카프로 락톤-폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 및 폴리 카프로 락톤-키토산을 포함하는 두 개의 뚜렷이 다른 매트의 효율을 결정하는 것이다. 2중막 구성으로 폴리 카프로 락톤-폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르는 내피 특이적 유전자 발현으로 내층으로 사용하기 위한 가능성을 보여주었으며, 폴리 카프로 락톤-키토산은 외부 층으로 유도함으로써 인장 강도, 작은 직경의 혈관의 특성을 손상시키지 않았다. 다섯 번째 연구로 PCL-mPEG 및 PCL-키토산 전기 방사 멤브레인으로부터 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 및 혈소판 유도 성장 인자(PDGF)의 방출 효율을 평가했다. 성장 인자인 키토산 생체 모세포 분자는 아미노 분해 기반 표면 개질 기술에 의해 PCL 상에 고정화되었다. 또한 mPEG와 성장 인자는 PCL과 직접 혼합되었다. 신생 혈관 형성에 결정적인 제어된 PDGF 방출 패턴은 PCL-키토산-PDGF로부터 발견되었다. 또한, PCL-mPEG-VEGF는 작은 혈전 생성 성 및 내피 마커 발현 특성을 나타냈다. SMCs 마커 발현의 증가는 PCL-키토산-PDGF 멤브레인에 의해 유의하게 발견되었다. 따라서, PCL-mPEG-VEGF 및 PCL-키토산-PDGF는 튜브형 하이브리드 조직 공학 혈관의 내부 및 외부 층으로서 재료로 잠재성을 가지고 있다고 결론 지을 수 있다. 여섯 번째 연구는 상처 치유 응용을 위한 동결 건조 스폰지 스캐폴드의 제조 및 정립에 기본을 두었다. 스펀지는 EDC/NHS에 의한 TOCN-키토산의 가교 결합에 이어, 로손(lawone)의 첨가에 의해 제조되었다. TOCN-키토산-로손 복합 지지체는 우수한 세포 적합성, 분해성, 항균성, 지혈 및 상처 치유 특성을 보였다
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