골수줄기세포의 연골분화를 위한 젤란검/풀루란 이중 네트워크 하이드로겔에 관한 연구

박아인 전북대학교 일반대학원 2020 국내석사

이번 연구의 목표는 골수유래 줄기세포의 골 분화 및 연골 형성 가능성이 있는 풀루란과 젤란검을 블랜딩하여 이중 네트워크 하이드로겔을 형성함으로써 젤란검 하이드로겔의 특성과 생물학적 환경을 향상시키는 것이다. 하이드로겔은 연골과 유사한 환경을 제공하고 생체 적합성과 적절한 분해 속도로 조직 공학에 사용되는 다량의 물을 가지고 있다. 줄기 세포를 분화하기 위해서는 강성, 응력 완화 시간 및 미세 환경과 같은 매트릭스의 특성을 조정해야 한다. 이중 네트워크 하이드로겔은 세포 생물학적 거동의 차이를 제공하며 성분의 장점을 결합한 상호 침투 네트워크를 가지고 있다. 이 연구에서, 젤란검 및 풀루란의 이중 네트워크 하이드로겔을 골수 유래 줄기세포의 연골 분화를 일으키기 위해 풀루란의 점성 기질을 조절하며 제조하였다. 젤란검 / 풀루란 하이드로겔의 특성은 팽창비, 중량 손실, 졸 분율, 압축 모듈러스 및 겔화 온도를 조사하여 조사 하였다. 하이드로겔에 캡슐화 된 골수 유래 줄기세포의 세포 생존성, 증식성 및 독성을 평가 하였다. 연골 표현형 및 연골 분화는 세포 형태, 글리코사미노글리칸 함량 및 연골-특이 적 유전자 발현에 의해 확인되었다. 전체 결과는 젤란검 / 풀루란 하이드로겔이 골수 유래 줄기세포의 연골 분화를 형성 할 수 있고 조직 공학 목적으로 적용될 수 있음을 입증하였다. Hydrogels are applied in cartilage tissue engineering as they contain a large amount of water and similar environment of a native cartilage tissue. In order to differentiate stem cells, it is necessary to adjust the characteristics of the matrix such as stiffness, stress-relaxing time and microenvironment. Double network (DN) hydrogels provide differences in cellular biological behavior and have interpenetrating networks that combine the advantages of the components. In this study, by varying the viscous substrate of pullulan (PL), the DN hydrogels of gellan gum (GG) and PL were prepared to determine the chondrogenesis of BMSC. The characteristics of GG/PL hydrogel were investigated by examining the swelling ratio, weight loss, sol fraction, compressive modulus, and gelation temperature. The viability, proliferation, and toxicity of BMSCs encapsulated in hydrogels were evaluated. Cartilage phenotype and cartilage differentiation were confirmed by morphology, GAG content, and cartilage-specific gene expression. Overall results demonstrate that GG/PL hydrogels can efficiently induce differentiation of BMSCs towards chondrocytes and can be applied for cartilage tissue engineering purposes.

Subcutaneously injectable hyaluronic acid hydrogel for sustained drug release : Effect of hyaluronidase inhibitors and microprecipitated bulk powder

김민환 서울대학교 대학원 2021 국내박사

하이드로겔은 화학적, 생물학적 물질들을 전달하기 위한 수단으로 많은 관심을 받고 있다. 다양한 폴리머 중, 히알루론산이 다양한 특징을 가지고 있어 하이드로겔을 만드는데 쓰이고 있다. 히알루론산의 다양한 특징 중, 물을 흡수하는 능력 등과 같은 친수성 특징으로 인해 3D구조의 하이드로겔을 만들 수 있다. 하지만, 히알루론산 단독으로 하이드로겔을 구성할 경우 초반에 약물 방출이 많이 되거나 물리적 강도 등의 한계점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해서, 여러 전략들이 사용되어 왔다. Chapter Ⅰ에서는 HA기반의 하이드로겔의 한계점들을 극복하기 위한 방안이 설명되어 있다. 약물침전방식, 나노파티클 봉입 방식, 가교결합 방식 등이 한계점을 극복하는 대표적인 방식이다. 히알루론산 기반의 하이드로겔은 다양한 투여 루트로 사용되고 있는데, 이러한 활용 예시도 같이 정리 되어있다. Chapter Ⅱ에서는, 히알루론산분해효소 억제제가 봉입 되어있는 히알루론산 기반의 하이드로겔에 대한 연구결과를 정리하였다. 이 실험에서는 1,4-butanediol diglycidyl ether (BDDE)를 이용하여 가교결합을 진행하였다. BDDE는 다른 가교결합제에 비해 독성이 낮다고 알려져 있지만, BDDE 역시 부작용이 있기 때문에 가능한 적게 사용하고자 하였다. BDDE 양을 줄이면서도 체 내에서 하이드로겔이 오랫동안 유지할 수 있는 방안으로 히알루론산 분해효소 억제제를 봉입하고자 하였다. 히알루론산의 구성이나 만드는 방법에 대한 최적화 과정은 약물 봉입 양과 하이드로겔의 팽창 비율에 근거하여 진행하였다. 이번 실험에서 주 약물로 설정된 Quetiapine(QTP)과 히알루론산 분해효소 억제제로 사용된 Quercetin(QCT)는 침전 방식을 이용하여 하이드로겔 안에 봉입하고자 하였다. 침전방식을 이용하여 하이드로겔 안에 봉입할 경우, 초반의 약물 방출을 저해하여 서방형 제제로 이용할 수 있기 때문이다. QCT(히알루론산 분해효소 억제제)를 봉입한 결과, in-vitro와 in-vivo상에서 하이드로겔 분해가 덜 일어나는 것을 확인하였다. 또한 피하주사 단회투여를 한 후, 혈액이화학적 검사나 H&E 염색등을 통해 각 장기에 이상반응이 생기지 않았음을 확인하였다. Rat을 이용한 약동학적 실험에서는, QCT가 함유된 하이드로겔이 QCT가 함유되 있지 않은 하이드로겔에 비해 Cmax 는 감소한 반면 반감기(t½)와 약물의 평균 체류시간 (MRT)는 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 결과들을 통해, 히알루론산 분해효소를 봉입한 BDDE-가교결합-하이드로겔이 서방형 제제로써 가능하다고 보여진다. 이러한 서방출의 하이드로겔 제형은 다양한 biomedical 분야에서 적용할 수 있을 것으로 기대된다. Diverse hydrogel formulations were studied for topical and subcutaneous drug delivery. Among various biopolymers used for hydrogel formulations, hyaluronic acid (HA) has been widely applied due to its non-toxicity, excellent biocompatibility and rheological properties. However, HA-based hydrogel drug delivery systems have several challenges, including burst drug release and lack of mechanical property. Thus, diverse strategies have been investigated to control the drug release profile from HA-based hydrogel. Chapter Ⅰ provides a review of recent strategies of modulating the physical properties of HA-based hydrogel for controlling the drug release profiles from the formulations. Also, their diverse applications in subcutaneous, topical and intravenous administration as well as tissue engineering are discussed. Chapter Ⅱ investigated hyaluronidase (HAase) inhibitor-incorporated HA hydrogel cross-linked with 1,4-butanediol diglycidyl ether (BDDE). To reduce the toxicity risk incurred by BDDE and the biodegradation rate of HA hydrogel in subcutaneous tissue, HAase inhibitor was applied. The formulation composition of hydrogel and its preparation method were optimized to have a high swelling ratio and drug content. Quercetin (QCT) and quetiapine (QTP), as an HAase inhibitor and model drug, respectively, were incorporated into the cross-linked hydrogel using the antisolvent precipitation method for extending their release after subcutaneous injection. The cross-linked HA (cHA)-based hydrogels displayed appropriate viscoelasticity and injectability for subcutaneous injection. The incorporation of QCT (as an HAase inhibitor) in the cHA hydrogel formulation resulted in slower in-vitro and in-vivo degradation profiles compared to the hydrogel without QCT. Single dosing of optimized hydrogel injected via a subcutaneous route in rats induces no discernible toxicities in the blood chemistry and histological staining studies. In the pharmacokinetic study of rats following subcutaneous injection, the cHA hydrogel with QCT exhibited a lower maximum QTP concentration (Cmax) and longer half-life (t½) and mean residence time (MRT) values compared to the hydrogel without QCT. All of these results support the designed HAase inhibitor-incorporated cHA hydrogel being a biocompatible subcutaneous injection formulation for sustained drug delivery. HA-based hydrogel formulations are promising platforms for controlled drug delivery. Sustained drug release profiles with reduced initial burst release can be applied in various biomedical areas.

망막색소상피 세포 재생을 위한 젤란검/폴리바이닐알코올 점탄성 하이드로겔에 관한 연구

최승호 전북대학교 일반대학원 2023 국내석사

In this study, we propose a gellan gum (GG)/polyvinyl alcohol (PVA) viscoelastic hydrogel for retinal pigment epithelium (RPE) cell delivery and regeneration. The GG/PVA viscoelastic hydrogel was prepared by divalent cation Ca2+ ion bonding using calcium chloride (CaCl2) as an ionic crosslinking agent. The prepared viscoelastic hydrogels were classified into three types according to the difference in molecular weight and we were evaluated through characterization and in vitro studies to compare whether they were suitable for retinal tissue engineering. The prepared GG/PVA viscoelastic hydrogels were classified into GG/PVA 31, GG/PVA 85, and GG/PVA 146. Stress relaxation characteristics of GG/PVA viscoelastic hydrogels according to the difference in PVA molecular weight. In addition, ARPE-19 accordingly Proliferation, spread, and growth of cells were confirmed. First, the prepared GG/PVA viscoelastic hydrogel was confirmed by FT-IR analysis to confirm the chemical properties of the structural change of the molecule. Physical and mechanical properties suitable for cells were confirmed by evaluating sol fraction, mass swelling ratio, weight loss, and mechanical properties. The pore size and porous structure of the GG/PVA viscoelastic hydrogel were observed with a scanning electron microscope (SEM). Viability and cytotoxicity of ARPE-19 cells in GG/PVA viscoelastic hydrogel were confirmed by MTT assay and live & dead staining. In addition, proliferation and differentiation of ARPE-19 cells in the hydrogel were confirmed through dsDNA quantitative analysis. As a result of the experiment, as the molecular weight of PVA decreased, it showed a low compressive modulus close to the retinal modulus, high swelling property, and the fastest stress relaxation. In addition, it was observed that ARPE-19 cells encapsulated in GG/PVA 31 rapidly proliferated and spread. Through these results, the GG/PVA 31 viscoelastic hydrogel was confirmed to be applicable as a cell carrier for RPE cell delivery and regeneration. 본 연구에서는 망막색소상피 (retinal pigment epithelium, RPE) 세포 전달 및 재생을 위한 젤란검 (gellan gum, GG)/폴리바이닐알코올 (polyvinyl alcohol, PVA) 점탄성 하이드로겔을 제안한다. GG/PVA 점탄성 하이드로겔은 이온가교제인 염화칼슘 (CaCl2)을 이용하여 2가 양이온 Ca2+이온결합으로 제조하였다. 제조된 점탄성 하이드로겔은 분자량의 차이에 따라 세가지로 구분되었으며 망막 조직공학에 적합한지 비교하기 위해 특성 평가와 생체적합성 시험을 평가하였다. 제조된 GG/PVA 점탄성 하이드로겔은 GG/PVA 31, GG/PVA 85, GG/PVA 146으로 구분되었다.중점적으로 PVA 분자량 차이에 따른 GG/PVA 점탄성 하이드로겔의 응력완화 특성과 이에 따른 ARPE-19 세포의 증식, 확산 및 성장을 확인하였다. 먼저 제조된 GG/PVA 점탄성 하이드로겔은 FT-IR 분석을 통해 화학적 특성을 확인하여 분자의 구조적 변화를 확인하였다. 졸 분율, 질량 팽윤비, 분해도, 기계적 특성을 평가하여 세포에 적합한 물리적 및 기계적 특성을 확인하였다. GG/PVA 점탄성 하이드로겔의 기공 크기와 다공성 구조는 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰하였다. GG/PVA 점탄성 하이드로겔에서 ARPE-19 세포의 생존력 및 세포 독성은 MTT assay와 live & dead 염색으로 확인하였다. 또한 하이드로겔에서 ARPE-19 세포의 증식 및 분화는 dsDNA 정량 분석을 통해 확인하였다. 실험 결과, PVA의 분자량이 감소할수록 망막의 모듈러스에 가까운 낮은 압축 모듈러스와 높은 팽윤성 그리고 가장 빠른 응력완화를 보였다. 또한, GG/PVA 31에 캡슐화된 ARPE-19 세포가 빠르게 증식하고 확산하는 것을 관찰하였다. 이러한 특성을 통해 GG/PVA 31 점탄성 하이드로겔은 RPE 세포 전달 및 재생을 위한 세포 담체로써의 응용 가능성을 확인하였다.

하이드로겔과 미세유체채널을 이용한 주입시간 조절형 일회용 약물 주입 소자

장웅기 강원대학교 대학원 2012 국내석사

본 연구에서는 PDMS의 탄성 복원력과 하이드로겔의 팽창력을 이용하여 장시간 작은 양의 약물을 주입 할 수 있는 소자를 제안하였다. 탄성복원력을 이용한 소자는 주입압력원인 탄성 블리스터 엑추에이터 부분, 유체저항 제어부분, 약물 주입구와 배출구로 구성되어 있다. 다음으로 하이드로겔 팽창력을 이용한 미세유체주입 소자는 압력주입원인 하이드로겔이 위치한 챔버 부분, 하이드로겔 팽창 시간 지연 부분, 약물 저장소로 구성되어 있다. 두 가지 소자의 작동원리와 실험 결과를 간단히 제시하면 다음과 같다. 탄성 복원력을 이용한 양물 주입 소자는 얇은 탄성 박막의 복원력을 주입 압력원으로 사용 하였으며, 약물의 주입양은 유체저항 채널부분의 공압 인가에 따른 미세유체채널의 개폐율에 의하여 조절하였다. 블리스터에 채워지는 약물의 양은 제어부의 개폐률을 0 ~ 14.3%까지 조절하여 약 2㎕/sec에서 0.7㎕/sec까지 제어가레이저 변위 센서를 통해 블리스터의 중앙 높이가 1mm가 되는 지점을 정확히 제어함으로써 15㎕의 양물의 양을 제어하였다. 블리스터의 높이가 1mm일 때하였다. 하이드로겔의 팽창력을 이용한 약물 주입 소자는 의 탄성 박막의 복원력은 15kPa의 힘을 가졌다. 주입되는 약물의 양은 유체저항 가능주입 압력원으로 하이드로겔의 팽창력을 사용하였으며, 약물의 주입 시간은 하이드로겔에 물을 공급하는 시간을 조절하여 팽창하는 시간을 조절하였다. 하이드로겔은 분말 형태로 되어 있어 다루기가 어려우므로 PDMS와 혼합하여 하이드로겔 디스크 형태로 만들어 사용하였다. 그리고 하이드로겔로 물을 공급하는 미세유체에 유동저항을 생성하는 스톱 밸브를 설계하여 물 공급을 지연하였으며, 이 스톱 밸브는 각 한 개의 형상마다 약 60초의 시간 지연을 보였다. 하이드로겔은 초기 부피의 약 45배의 팽창을 보였고, 소자의 챔버에 위치하여 얇은 박막을 밀어 올릴 때는 약 1~2kPa의 힘으로 밀어 올렸으며, 밀어 올린 높이는 약 0.25mm로 약물 저장소의 높이 0.1mm보다 높이 팽창하여 약물을 밀어 낼 수 있었다. 하이드로겔의 팽창력을 이용한 약물 주입은 단속적으로(연속적인것의 반대말) 약물을 공급 하였으며, 공급된 약물의 양은 약 2.1㎕였다. 본 연구에서는 탄성 박막 복원력과 유체저항 제어부에 의한 미세유체채널의 개폐율에 따라 약물의 주입 양을 조절할 수 있다는 것을 입증하였고, 하이드로겔의 팽창력에 의해 단속적인 약물의 공급이 가능함을 입증하였다. In this paper, suggested the devices which can inject a small amount of drug for a long time by using elastic restoring force of PDMS and expansive force of Hydrogel. The device using elastic restoring force is composed of elastic blister actuator as injection pressure factor, the fluid resistance control part, drug inlet and outlet. Next Microfluidic injection device using expansive force of Hydrogel is composed of Hydrogel located in chamber portion as injection pressure factor, the delay part of Hydrogel swelling time, drug stores. If experimental results and operation principle on two devices presents simply, are as follows. Drug injection device using restoring force was utilized as injection pressure factor, injection quantity controlled by open-shut rate of Microfluidic channels based on pneumatic pressure authorization. The amount of drug filled in the blister controlled the amount of drug in 15㎕ by controlling exactly at the point which central height of the blister is 1mm. Elastic restoring force of thin film has the power of 15kPa when height of the blister is 1mm. Injection quantity controlled open-shut rate of fluid resistance controls till 0~14.3% and can control to 0.7㎕/sec from about 2㎕/sec. Drug injection device using expansive force of Hydrogel utilized expansive from Hydrogel as injection pressure factor, drug injection time controlled time to supply water in Hydrogel and controlled expansive time. Hydrogel can be handled difficultly due to the powder form so it was mixed with PDMS and made in the disks form of Hydrogel and used. And I designed a stop valve to generate flow resistance in Microfluidic which supplies Hydrogel with water and delay water supply, this stop valve showed a delay about 60 seconds each one form. Hydrogel showed 45times expansion of the initial volume, was located in the chamber of the device and it pushed approximately the power of 1~2kPa when it boosted thin film, pushed height is about 0.25mm so it expanded higher than the height of drug stores by 0.1mm and could push drug. Injection drugs using the expansive force of Hydrogel supplied drugs and the amount of drug delivered was about 2.1㎕. This study has demonstrated that it controls the amount of drug infection according to open-shut rate of Microfluidic channels by elastic restoring force of thin film and fluid resistance controls, can supply intermittent drug by the expansive force of Hydrogel.

극저온 동결을 이용한 폴리비닐알콜 하이드로겔의 제조 및 특성에 관한 연구

임천수 한남대학교 일반대학원 2009 국내석사

하이드로겔이란 충분한 양의 물에서 녹거나 해리되지 않고 3차원적인 형태를 유지할 수 있는 친수성 고분자 중합체를 말한다. 이러한 하이드로 겔은 인체의 천연조직인 세포외기질 (extra cellular matrix)과 매우 유사한 구조를 가지고 있으며, 우수한 생체적합성과 점탄성의 성질을 가지며,산소나 영양분이 투과가 뛰어나다는 장점으로 생체의료 혹은 제약 분야에 널리 응용되어 지고 있다. 현재 하이드로겔을 제조할 수 있는 많은 고분자들 중에서 비독성, 우수한 생체적합성, 친수성, 높은 함수율, 비발암성,우수한 기계적 물성, 쉬운 가공성등의 특성을 가지고 있으며, 인공연골,성형보형물, 요실금치료, 콘텍트렌즈, 상처드레싱, 약물전달매체 등과 같이다양한 분야에 응용되어지고 있는 폴리비닐알콜 하이드로겔에 대한 관심이 아주 뜨거운 상황이다. 폴리비닐알콜은 화학적 또는 물리적인 가교에 의하여 하이드로겔을 제조할 수 있다. 먼저 화학적인 가교에 의한 하이드로겔은 독성 유기용매의 사용으로 제조한 하이드로겔에 독성 유기용매가 잔존할수 있다는 문제점과 기계적 물성이 비교적 떨어진다는 문제점을 가지고 있다. 그리하여 많은 연구자들이 독성 유기용매를 사용하지 않고 우수한 기계적 물성을 갖는 하이드로겔을 제조할 수 있는 물리적 가교방법에 많은 관심을 갖게 되었다. 물리적인 가교방법은 독성 유기용매의 사용 없이 우수한 물성을 갖는 하이드로겔을 제조 할 수는 있지만 제조 과정이 복잡하여 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있다. 위와 같은 문제점들로 인하여 우수한 특성을 가지고 있음에도 불구하고 의학적 응용에 있어 많은 제약이 따르는 것이 현실이다. 따라서 본 연구에서는 PVA 하이드로겔을 제조하는데 있어 어떠한 독성 유기용매도 사용하지 않고 우수한 기계적 물성을 갖는 PVA 하이드로겔을 짧은 시간에 제조 하고자 하였다. PVA 하이드로겔을 제조하는데 있어 PVA 수용액의 용해도를 떨어뜨려 물과 PVA간의 미세 상분리를 형성시키고자 단분자량의 PEG를 첨가하였고, 물과 PVA간의 미세 상분리를 가속화 시키기 위하여 -196℃의 온도에서 1분간 동결 시키고 상온에서 해동 과정을 거친 후 첨가한 PEG를 세척과정을 통해 제거하여 PVA 하이드로겔을 제조하였다. PVA 수용액에 PEG를 첨가하여 극저온 동결 과정을 통해 제조한 PVA 하이드로겔의 물성이 기존의 물리적 가교에 의한 방법인 동결-해동 과정을 3회 진행하여 제조한 하이드로겔에 비하여 물성이 아주 우수한 것을 확인 하였다. 물성 강화의 원인은 PVA 수용액에단분자량의 PEG를 첨가함으로써 물에 대한 PVA의 용해도를 감소시켜PVA와 물/PEG간의 미세 상분리가 일어나고 물과 PEG를 포함하는 도메인 즉, pore가 생성되며, 용해도가 감소한 PVA 사슬은 분자내 또는 분자간 수소결합(intra or inter molecular hydrogen bond)이 형성되어 PVA rich region을 형성하고 이 영역에서 결정화가 생성 되거나 가점과 같은 역할을 하여 PVA 하이드로겔의 기계적 물성을 향상 시킨다. 또한 동결 용매로 사용한 액체질소가 갖는 극저온 (-196℃)의 온도가 PVA/PEG혼합용액의 용매로 사용한 물을 순간적으로 동결시켜 급격한 부피 팽창이 일어나게 함으로써 PVA 사슬의 공간이 상대적으로 축소되어 PVA richregion을 많은 범위에서 형성 시켜줌으로써 상승 효과를 가져다 주웠다고 생각한다. 위의 결과는 일반적인 동결-해동 과정을 통하여 제조한 PVA하이드로겔에 비하여 물성이 향상 되었으며, 물성증가의 원인으로 결정화도의 증가와 하이드로겔 내부 미세구조를 이루는 inter-domain distance가 점차 짧아지기 때문이라는 것을 확인 하였다. 또한 위의 연구 결과를 통해 PVA/PEG 혼합용액을 액체질소에 분사하여 어떠한 유기용매도 사용하지 않으며 기계적 물성이 뛰어난 PVA 하이드로겔 구형입자를 아주 손쉽게 제조할 수 있는 획기적인 방법을 제시할 수 있었다. 제조한 구형입자는 팽윤된 상태에서 50~500m의 다양한 크기의 구형입자를 제조할 수 있었다. 또한 제조한 PVA 하이드로겔 구형입자를 조직공학적 응용성을 타진하기 위해 진행한 동물 실험을 통해 하이드로겔 구형입자가 주사주입한 위치에 이동 없이 잘 위치하며 12주까지 부피를 잘 유지하는 것을 확인 하였으며, 하이드로겔 구형입자 사이로 조직이 잘 침투하는 것을 확인하였다. 이를 통해, 주사주입이 가능한 PVA하이드로겔 구형입자가 주사주입형 충진제로서 훌륭한 후보 재료가 될 수 있다고 판단되어지며, 주사주입형 충진제의 치료효과를 타진하기 위하여 동물 실험을 진행 중이다.

망막색소상피 조직재생을 위한 젤란검/히알루론산 주입형 하이드로겔에 관한 연구

윤진아 전북대학교 일반대학원 2021 국내석사

이번 연구의 목표는 생체적합성이고 망막조직공학에 적합한 히알루론산 (HA)과 젤란검 (GG)을 혼합하여 건강한 망막색소상피 (RPE) 세포를 전달하는 하이드로겔을 설계했다. GG와 HA 하이드로겔 (GG/HA 하이드로겔)의 혼합물은 각 물질의 단점을 보완하고 세포 외 기질 (ECM)을 모방하여 매트릭스의 생물학적 환경을 개선하기 위해 다양한 조성 (GG:HA=10:0 (GG10); GG:HA=9:1 (GG9/HA1); GG:HA=8:2 (GG8/HA2))으로 개발되었다. GG와 HA의 상호작용은 질량 팽윤, 졸 분율, 질량 손실과 같은 물리화학적 특성으로 관찰되었다. 제조된 재료의 기계적 및 주입성은 점도 평가, 사출력 평가 및 응력 완화 연구를 통해 연구되었다. 하이드로겔의 개선된 미세 환경과 세포와 매트릭스 및 세포와의 상호작용은 live/dead 염색, dsDNA 함량, 형태학적 연구, 조직학적 분석 및 유전자 발현 연구를 통해 확인되었다. GG와 HA 복합체는 더 낮은 가교 밀도 및 기계적 특성을 나타냈다. 그럼에도 불구하고 HA의 존재는 이완시간을 감소시켰고, 특히 GG9/HA1은 세포 증식 및 성장에 긍정적인 영향을 주는 가장 빠른 응력 완화 특성을 나타냈다. 특히, RPE 특이적인 단백질과 유전자 발현은 GG9/HA1에서 가장 높은 수준을 나타냈다. 이러한 결과는 GG/HA 하이드로겔이 노화관련 황반변성 (AMD)을 포함한 망막 질환 치료를 위한 치료 도구로서 유망한 재료임을 입증했다. In this study, hyaluronic acid (HA) and gellan gum (GG), which are both biocompatible and suitable for retinal tissue engineering, were blended to design a hydrogel to deliver healthy retinal pigment epithelium (RPE) cells. Composite of GG and HA hydrogels (GG/HA hydrogel) was developed in different composition (GG:HA=10:0 (GG10); GG:HA=9:1 (GG9/HA1); GG:HA=8:2 (GG8/HA2)) to improve the biological environment in the matrix by supplementing the shortcomings of each material and mimicking the extracellular matrix (ECM). The interaction between GG and HA was observed by physicochemical properties such as swelling ratio, sol fraction ratio, and weight loss ratio. The mechanical and injection properties of the manufactured materials were studied through viscosity evaluation, injection force test, and stress relaxation studies. The improved microenvironment of the hydrogels and the interaction between cells, matrix and cells were confirmed through live/dead staining, dsDNA content, morphological studies, histological analysis, and gene expression study. The mixture GG and HA exhibited lower crosslinking density and mechanical properties. Nevertheless, the existence of HA decreased the relaxation time and especially GG9/HA1 exhibited the fastest stress relaxation property which provides a positive impact on cell proliferation and growth. In particular, RPE-specific protein and gene expression expressed the highest level in GG9/HA1. These results show that GG/HA hydrogel is a promising material as a therapeutic tool for the treatment of retinal disease including age-related macular degeneration (AMD).

다양한 첨가제가 도입된 Ionic/Nonionic PHEMA 하이드로겔 제조 및 물성연구

장지혜 전남대학교 2017 국내석사

In this study, the equilibrium water content (EWC), surface wettability and mechanical properties of ionic and nonionic poly(2-hydroxyethylmethacrylate) (PHEMA) hydrogels were investigated. Ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) was used as a crosslinker and azobis isobutyronitrile (AIBN) was used as an initiator for the preparation of the hydrogels. The HEMA was copolymerized with the ionic monomer, [2-(methacryloyloxy) ethyl] trimethylammonium chloride (METAC), to prepare the p(HEMA-co-METAC) hydrogels with ionic groups. Several dyes such as 4-fluoroaniline (4FA), 4-iodoaniline (4IA), Reactive Black 5 (RB), Remazol Brilliant Blue R (RBB), Quinoline Yellow (QY), Indigo Carmine (IC) and Fast Green FCF (FG) were explored to investgate the ionic properties of the hydrogels; they were introduced in to the gels in the range of 0.02~0.1 wt%. In particular, the reaction characteristics between ionic groups and additives and the desorption behavior of additives were studied. The EWC decreased as the EGDMA content increased, which is attributed that the hydrogels becomes hydrophobic with increased crosslink density. Meanwhile, the EWC increased with increased METAC content due to the increased of free volume arising from electrostatic repulsion between METAC ionic groups. Thus, p(HEMA-co-METAC) hydrogels exhibited a higher EWC compared to PHEMA hydrogels. The EWC of ionic hydrogels (i.e., p(HEMA-co-METAC)) appeared at a percentage of 41~42 wt% which is a range similar to that of 1.0 wt% METAC hydrogels while the value of non-ionic hydrogels (i.e., PHEMA) was around 37~39 wt% which is similar to that of EGDMA 1.0 wt% hydrogels. No discernable change was observed in the contact angle of water on the hydrogels as the content of crosslinker, i.e., EGDMA, increased. On the other hand, the contact angle increased from 62° to 75° with increased content of ionic comonomer, METAC, indicating decreased surface wettability of the hydrogels. It is believed that the surface wettability as reduced owing to the hydrophobic character of methyl substituents of METAC blocks. Interestingly, the addition of small amount of dyes into the hydrogels led to a dramatic decrease in surface wettability, but no changes in the surface wettability were observed with increased additives contents. The tensile modulus of the hydrogels was improved as EGDMA content increased while it decreased with increased METAC contents due to an increase in EWC. The tensile modulus of pure PHEMA hydrogels appeared lower than that of a hydrogel containing 1.0 wt% EGDMA when the additives were introduced into the PHEMA hydrogels. In order to investigate the degree of discoloration of the additives, the color difference value (ΔE) were measured. No discoloration was observed from the ionic hydrogels containing the respective additives, whereas all the additives were significantly desorbed from the nonionic hydrogels, when the hydrogels were swollen in distilled water for 24 hours. The discoloration of the additives added into the nonionic hydrogels was further interrogated by monitoring the intensity variation of characteristic additives absorption peaks. The nonionic hydrogels not containing METAC additives exhibited increased discoloration in the following order: 4IA < 4FA < RBB < FG < RB < QY < IC. 본 연구에서는 이온성/비이온성 poly(2-hydroxyethyl methacrylate)(PHEMA) 하이드로겔을 제조한 후 함수율, 표면 친수성, 기계적 물성 등에 미치는 영향을 조사하였다. 하이드로겔 제조시 가교제로는 ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA), 개시제로는 azobis isobutyronitrile (AIBN)를 사용하였으며, 이온기 도입을 위해 [2-(methacryloyloxy)ethyl] trimethylammonium chloride (METAC)를 comonomer로 사용하여 공중합체p(HEMA-co-METAC)를 합성하였다. 또한 여러 종류의 첨가제로 4-fluoroaniline, 4-iodoaniline, Reactive Black 5, Remazol Brilliant Blue R, Quinoline Yellow, Indigo Carmine, Fast Green FCF 7가지를 사용하였고 첨가제의 함량비(0.02~0.1wt%)를 달리하여 도입한 후, 이온성에 따른 물성을 비교 분석하였다. 특히 METAC 도입에 의한 이온기와 첨가제와의 반응 특성, 첨가제의 탈색거동에 미치는 영향을 연구하였다. 함수율의 경우 EGDMA 함량이 증가함에 따라 함수율은 감소하였으며 가교 밀도가 증가할수록 하이드로겔의 소수성기가 증가하기 때문이라고 생각되었다. 또한 METAC의 함량이 증가함에 따라 함수율은 증가하였고 EGDMA1.0wt% 하이드로겔보다 7.5% 더 높게 측정되었다. 이는 METAC의 하전기간의 반발로 인하여 free volume이 증가하였기 때문이라고 생각된다. 첨가제가 도입된 하이드로겔의 경우, METAC를 도입하지 않은 모든 비이온성 하이드로겔의 함수율은 37~39% 정도로 EGDMA1.0wt% 하이드로겔과 비슷하였고 METAC가 도입된 이온성 하이드로겔의 함수율은 41~42%로 METAC1.0wt%와 비슷하였다. Contact angle의 경우 EGDMA 함량이 증가함에 따라 53°로 거의 일정하고 이온성 하이드로겔은 METAC의 함량이 증가함에 따라 62°~75°로 증가하여 표면 친수성이 감소한 것을 알 수 있었다. 또한 EGDMA 1.0wt% 하이드로겔보다 30% 더 높게 측정되었다. 이는 METAC 표면에 있는 메틸 그룹의 영향 때문에 표면 습윤성이 감소하였을 것으로 생각된다. 첨가제가 도입된 하이드로겔의 경우 이온성/비이온성 PHEMA 하이드로겔 모두 첨가제의 함량 변화는 표면습윤특성에 거의 영향을 미치지 않았으며, 첨가제가 도입됨에 따라 contact angle이 크게 측정되어 표면 습윤성이 감소함을 알 수 있었다. Tensile modulus의 경우 EGDMA 함량이 증가함에 따라 증가하였고 가교제를 1.0wt%로 고정하여 제조한 이온성 하이드로겔은 METAC의 함량이 증가함에 따라 감소하였다. METAC가 도입된 이온성 하이드로겔의 기계적 물성이 감소하는 이유는 METAC에 이온기가 있기 때문에 함수율이 높아져서 기계적 물성은 감소하는 것을 알 수 있었다. 첨가제가 도입된 PHEMA 하이드로겔은 첨가제가 도입됨으로써 EGDMA 1.0wt% 하이드로겔에 비해 tensile modulus가 감소함을 알 수 있었다. 첨가제의 탈색 정도를 알아보기 위한 색차(△E)의 경우 증류수에서 24시간 swelling을 시켰을 때 비이온성 하이드로겔은 모든 첨가제가 탈색되어 △E값이 크게 감소하였다. 반면에 첨가제가 도입된 모든 이온성 하이드로겔은 탈색이 일어나지 않아 △E값의 변화가 없었다. 첨가제의 종류에 따른 흡광도의 경우 METAC가 도입되지 않은 비이온성 하이드로겔의 첨가제 흡수 피크를 비교한 결과 4IA, 4FA, RBB, FG, RB, QY, IC 순으로 탈색 정도가 증가하였고 METAC가 도입된 이온성 하이드로겔은 모든 첨가제에서 흡수 피크가 나타나지 않음으로써 탈색 현상이 일어나지 않음을 알 수 있었다.

상처치유를 위한 폴리데옥시리보뉴클레오티드를 함유한 메타크릴레이트 카르복시메틸키토산 하이드로겔 개발

편윤창 전북대학교 일반대학원 2023 국내석사

피부는 적절히 치료하지 않으면 미생물 감염으로 인한 합병증으로 발전 할 수 있다. 하이드로겔은 삼출물을 흡수하기 때문에 상처치유에 효과적인 치료법이다. 본 실험에서 카르복시메틸키토산(CMCS)을 하이드로겔로 만들었으며 메타크릴 무수물과 리보플라빈을 사용하여 광가교를 진행하여 물성을 증진하였다. 하이드로겔에 폴리데옥시리보뉴클레오티드(PDRN) 혼합하여 상처 치유를 높일 수 있을 것으로 기대하였다. 본 연구의 목적은 CMCS의 물성을 개선하고, PDRN을 하이드로겔에 혼합하여 3시간인 반감기를 늘려 상처 치유를 증진하는 것이다. 먼저, 메타크릴레이티드 카르복시메틸키토산(CMCS-MA) 하이드로겔을 제조하기 위해 광가교 조건을 선정하였고, FT-IR을 통해 PDRN과 CMCS-MA 사이의 화학적 상호작용을 확인하였다. 다음으로 PDRN이 하이드로겔의 물성에 미치는 영향과 방출 거동을 확인하였다. 그 결과, CMCS-MA 하이드로겔의 물성을 증가시켰으며 PDRN의 함유가 물성에 영향을 주지 않는다는 것을 확인하였다. 방출 거동 시험에서 PDRN이 지속적으로 방출되는 것을 확인하였다. 동물시험에서 PDRN이 함유된 하이드로겔의 상처 재생률이 가장 높았다. 이러한 결과는 PDRN이 상처 부위에 지속적으로 방출될 수 있으며, 상처 치유를 더욱 증진시킨다는 것을 의미한다. 본 연구를 통해 CMCS-MA가 상처 치유에 응용하기 적합하고, PDRN의 방출을 조절할 수 있는 소재임을 검증하였다. 또한 PDRN/CMCS-MA와 DuodermⓇ 의 창상 재생 효과를 비교함으로서 생체적합성 상처 치유 하이드로겔의 개발 가능성을 확인하였다. Skin should be treated properly because it can develop into complications caused by microbial infection. Hydrogel is an effective treatment for wound healing because it absorbs exudate.In this experiment, carboxymethyl chitosan (CMCS) was made into hydrogel, and photocrosslinking was carried out using methacrylic anhydride and riboflavin to enhance the physical properties. Polydeoxyribonucleotide (PDRN) was mixed with hydrogel to enhance wound healing. It was expected that wound healing could be improved by mixing PDRN with hydrogel. The purpose of this study is to improve the physical properties of CMCS, to use a mix of PDRN and hydrogel to promote wound healing, and to increase the half-life of PDRN by 3 hours. First, photocrosslinking conditions were selected to make CMCS-MA hydrogels, and chemical interactions between PDRN and CMCS-MA were confirmed through FT-IR. Next, the effect of PDRN on the physical properties of the hydrogel and the release behavior were confirmed. As a result, it was confirmed that the physical properties of the CMCS-MA hydrogel were increased, and PDRN did not affect this. The release behavior test confirmed that PDRN was released continuously. In animal testing, the wound regeneration rate of hydrogel containing PDRN was the highest. These results mean that PDRN can be released continuously to the wound area and further promotes wound healing. Through this study, it was verified that CMCS-MA is suitable for application to wound healing and can control the release of PDRN. In addition, by comparing the wound healing effects of PDRN/CMCS-MA and DuodermⓇ, the possibility of developing a biocompatible wound healing hydrogel was confirmed.

얇은 오일 층을 가진 하이드로겔 마이크로 캡슐 개발 및 다양한 자극을 통한 스마트 방출 제어 기술

정혜선 대구한의대학교 대학원 2023 국내석사

본 연구에서는 다양한 자극을 통해 유발된 광범위한 친수성 물질의 스마트한 방출을 달성하기 위해 중간에 얇은 오일층이 있는 하이드로겔 마이크로캡슐을 제시합니다. 미세유체기술은 광중합을 통해 하이드로겔 쉘로 변형되는 하이드로겔 프리폴리머 상에서 가장 안쪽의 수성 상을 분리하는 얇은 오일 층으로 삼중 에멀젼 액적(W/O/W/O)을 생성하는 데 사용됩니다. 하이드로겔 마이크로캡슐 내의 중간 오일 층은 효과적인 확산 장벽으로 작용하여 오일 층을 불안정화시키기 위해 자극이 적용될 때까지 다공성 하이드로겔 쉘 내에 다양한 작은 화물을 캡슐화할 수 있습니다. 우리는 화학적 용해, 기계적 응력 및 삼투압을 포함한 다양한 자극을 활용하여 캡슐화된 화물을 주문형으로 방출할 수 있음을 보여줍니다. 또한, 삼투압 및 하이드로겔 쉘 두께는 다중 화물 캡슐화된 하이드로겔 마이크로캡슐의 방출 거동 뿐만 아니라 방출 개시 시간을 제어하기 위해 독립적으로 조정할 수 있습니다. 방출 패턴은 동시적이거나 선택적일 수 있습니다. We present a hydrogel microcapsule with an intermediate thin oil layer to achieve smart release of a broad range of cargoes triggered via diverse stimuli. A microfluidic technique is used to produce triple emulsion droplets(W/O/W/O) with a thin oil layer that separates the innermost aqueous phase from the hydrogel prepolymer phase, which transforms into a hydrogel shell via photopolymerization. The intermediate oil layer within the hydrogel microcapsule acts as an effective diffusion barrier, allowing encapsulation of various small cargoes within a porous hydrogel shell until a stimulus is applied to destabilize the oil layer. We demonstrate that diverse stimuli including chemical dissolution, mechanical stress, and osmotic pressure can be utilized to release the encapsulated cargo on-demand. In addition, osmotic pressure and the hydrogel shell thickness can be independently tuned to control the onset time of release as well as the release behavior of multi-cargo encapsulated hydrogel microcapsule. The release can be either simultaneous or selective

방사선 조사에 의한 생체기능성 하이드로겔의 제조 및 특성

박종석 전북대학교 일반대학원 2014 국내박사

하이드로겔은 우수한 생체 친화성과 다양한 요구물성을 충족시킬 수 있어 여러 분야의 생체재료로 활용되고 있다. 하이드로겔 제조 공정에는 화학적인 가교방법과 방사선 조사에 의한 가교법이 있는 데,방사선을 이용한 하이드로겔 제조법은 감마선 또는 전자선을 유해한 화학 가교제나 개시제의 사용 없이 가교와 동시에 멸균처리 가 가능하여 공정이 간단하고,의료용 소재 적용에 적합한 방법이 다. 본 논문에서는 이러한 방사선 기술을 이용한 기능성 하이드로겔 의 제조 및 생체재료로 활용하기 위한 물리적,화학적,생물학적 특성에 관하여 서술하였다. 본 논문은 크게 4part로 구성되어 있다. 1 part에서는 방사선을 이용한 zincchloride함유 poly(acrylic acid)(PAA)하이드로겔의 제조 및 겔화율,pH에 따른 팽윤특성, S. aureus 및 E. coli에 대한 항균 특성에 관하여 서술하였다.PAA 하이드로겔의 겔화율은 75kGy조사량까지 방사선 조사량에 따라 증가하는 경향을 나타냈으나,zincchloride함량에 따라서는 감소 하는 경향을 나타냈다.또한,항균성 측정 결과 S. aureus 및 E. coli 에 대한 우수한 항균성을 나타냈다. 2 part에서는 점막 부착형 약물 전달체에 관하여 서술하였다. 아크릴 계열 하이드로겔은 우수한 생체접착 특성을 가지고 있어 점 막 부착형 약물전달체로 활용되고 있어,본 논문에서는 방사선 가 교기술을 이용한 점막 부착성 PAA 하이드로겔에 대하여 서술하였 다.PAA를 물에 용해 후,75kGy까지 전자선을 조사하여 하이드 로겔을 제조한 후, 겔화율, 팽윤도, 점막접착력을 측정하였다. Triamcinolone acetonide (TAA)를 약물로 사용하였으며,0.1% TAA 용액에 하이드로겔을 담지 후 25℃에서 건조하였다.UV를 이용하 여 238nm에서 시간대별로 약물방출 특성을 측정하였다.방사선을 이용하여 제조한 PAA 하이드로겔은 우수한 점막접착력 약물방출 결과를 나타냈다. 3 part에서는 생체재료로 활용하기 위해서 poly(vinylalcohol) (PVA)하이드로겔의 열적/기계적 특성을 향상시키는 연구를 수행 하였다. 본 논문에서는 방사선을 이용하여 제조한 poly(vinyl alcohol)(PVA)/poly(ethyleneglycol)(PEG)하이드로겔을 120℃에 서 열처리 후,PEG 첨가 및 열처리에 따른 하이드로겔의 겔화율, 팽윤도,겔강도를 측정하였다.또한, TGA 및 DSC 분석을 실시하 여 열적 특성을 분석하였다.겔화율은 열처리 시간이 증가함에 따 라서 증가하였으나,PEG 함량에 따라서는 감소하는 경향을 나타냈 다. 팽윤도는 PEG 함량에 따라서 증가하였으며,열처리 시간이 증가함에 따라서 감소하는 경향을 나타냈다.추가적으로,PVA 하이드겔은 열처리 및 PEG 첨가에 따라서 우수한 기계적/열적 특성을 나타냈다. 4 part에서는 방사선 기술을 이용한 은 나노입자 함유 carboxymethylcellulose(CMC)하이드로겔의 제조 및 특성에 관하 여 서술하였다. 제조한 CMC 하이드로겔을 0.01M 질산은 수용액 에 1시간동안 담지 후,감마선을 조사하여 은 나노입자가 함유된 CMC 하이드로겔을 제조하였다.UV 흡광도,FE-SEM,XPS분석결 과 방사선 조사량이 증가할수록 CMC 하이드겔 내부에 생성된 은 나노입자의 양이 증가하였고, S. aureus 및 E. coli 에 대한 우수한 항균성을 나타냈다. Hydrogels have shown great versatility and excellent performance when used in biomaterials due to their biocompatibility, flexible synthetic methods, range of constituents, and desirable characteristics. Hydrogels can be prepared through various methods including chemical and radiation induced crosslinking. The radiation technique has several advantages, such as its simple process control, the potential ability to join hydrogel formation and sterilization into one technological step, and no requirement for initiators or, a crosslinker. In this study, biofunctional hydrogels were prepared using radiation. This research involved the synthesis and subsequent physical, chemical and biological characterization of irradiated hydrogels for biomedical applications. This dissertation consists of four parts. Part I describes the construction of zinc chloride containing poly(acrylic acid) (PAA) hydrogels with antibacterial activity using gamma-ray irradiation. This hydrogel has been characterized based on its gel content and pH-sensitive (pH 4 or 7) swelling ratio. In addition, its antibacterial activity was investigated and confirmed against both Gram-positive Staphylococcus aureus (S. aureus) and Gram-negative Escherichia coli (E. coli) strains. The gel content of the PAA-zinc chloride hydrogels increased when increasing the absorbed radiation dose up to 75 kGy. However, the gel content decreased when the concentration of zinc chloride increased. The zinc chloride/PAA hydrogels inhibit and kill Gram-positive S. aureus bacteria and Gram-negative E. coli bacteria. Part II describes a bioadhesive drug delivery system designed to adhere to the wet surface of a mucosa; membrane. Acrylic-based hydrogels have been used extensively in mucoadhesive systems due to their flexibility and excellent bioadhesion. In this section, PAA was selected to prepare a bioadhesive hydrogel, which was designed to adhere to mucosal surfaces, using a radiation process. The PAA was dissolved in water, and the solution was irradiated using an electron beam at up to 75 kGy, generating the hydrogels. The physical properties of this materials, including the gel percent, swelling percentage, and adhesive strength to mucosal surfaces, were investigated. Triamcinolone acetonide (TAA) was used as a model drug. The dried PAA film was dipped into a 0.1w% TAA solution in ethanol and dried at 25 ℃. The TAA release was determined at different time intervals, and UV spectroscopy was used to determine the amount of TAA released at 238 nm. PAA based drug carriers were successfully prepared for use in a bioadhesive drug delivery system. In Part III, the thermal-mechanical properties of the PVA based hydrogels are improved for biomaterial applications. In this section, crosslinked hydrogels based on PVA and poly(ethylene glycol) (PEG) were prepared by gamma-ray irradiation and then annealed at 120 °C. The properties of the hydrogel, such as its gel fraction, swelling behavior, and gel strength as function of PEG content and annealing time, were investigated. Additionally, the thermal behaviors were examined using thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC). The gel fraction decreases when increasing the PEG content and decreasing the annealing time. The degree of swelling decreased when increasing the PEG content and decreasing the annealing time. Additionally, the thermal and mechanical properties improved when increasing the PEG concentration and annealing time. The research purpose of Part IV is to form silver nanoparticles (Ag NPs) in the natural carboxymethyl cellulose (CMC) hydrogels through using gamma irradiation. The CMC hydrogels absorbed and were swollen in silver nitrate aqueous solution (0.01 M) through dipping for 1 hour; afterward, the gels were irradiated using various doses of gamma-rays to form silver nanoparticles (Ag NPs). A UV-Vis analysis indicated that the concentration of Ag NPs was increased when increasing the absorbed dose from 1 to 5 kGy during the in situ reduction. The FE-SEM and XPS measurements provided further evidence for the successful formation of Ag NPs. These Ag NPs containing CMC hydrogels have been investigated for growth inhibition against S. aureus and E. coli strains in liquid and on solid growth media. These tests indicated that the Ag NPs containing hydrogels have antibacterial activity.