소재로 제조된 다공성 지지체의 기계적 물성 향상을 위해서 사용되는 가교제는 세포독성으로 인해 지지체의 생체적합성을 저하시킨다. 본 연구에서 키토산, 알지네이트 및 젤라틴으로 제조된 다공성 지지체는 가교제를 사용하지 않고 열처리에 의해 가교시키고, 가교된 다공성 지지체의 물성을 조사하였다. FT-IR분광분석을 통해 열처리된 다공성 지지체의 가교는 고분자 쇄간의 아미드 또는 에스테르 결합에 의해 형성되었음을 확인하였다. 열처리 다공성 지지체는 100~200m크기의 연결된 공극 구조를 형성하였고, 가교제 처리 다공성 지지체에 비해 수분 흡수력은 2배 이상 향상되었다. 열처리 다공성 지지체의 인장강도는 가교하지 않은 다공성 지지체에 비해 130% 이상 향상되었고, 최대 신장률은 가교처리 다공성 지지체보다 11.3% 향상되었다. 따라서 열처리로 물성을 증가시킨 천연고분자 소재의 다공성 지지체는 생체적합성이 우수한 조직공학용 지지체로서 유용하다.
소재로 제조된 다공성 지지체의 기계적 물성 향상을 위해서 사용되는 가교제는 세포독성으로 인해 지지체의 생체적합성을 저하시킨다. 본 연구에서 키토산, 알지네이트 및 젤라틴으로 제조된 다공성 지지체는 가교제를 사용하지 않고 열처리에 의해 가교시키고, 가교된 다공성 지지체의 물성을 조사하였다. FT-IR분광분석을 통해 열처리된 다공성 지지체의 가교는 고분자 쇄간의 아미드 또는 에스테르 결합에 의해 형성되었음을 확인하였다. 열처리 다공성 지지체는 100~200m크기의 연결된 공극 구조를 형성하였고, 가교제 처리 다공성 지지체에 비해 수분 흡수력은 2배 이상 향상되었다. 열처리 다공성 지지체의 인장강도는 가교하지 않은 다공성 지지체에 비해 130% 이상 향상되었고, 최대 신장률은 가교처리 다공성 지지체보다 11.3% 향상되었다. 따라서 열처리로 물성을 증가시킨 천연고분자 소재의 다공성 지지체는 생체적합성이 우수한 조직공학용 지지체로서 유용하다.
agents used for enhancing mechanical properties of porous natural scaffolds, reduces biocompatability of the scaffolds, due to their inherent cytotoxicity. In this study, scaffolds which was composed of chitosan, alginate and gelatin were cross-linked by using heat treatment instead of cross-linking...
agents used for enhancing mechanical properties of porous natural scaffolds, reduces biocompatability of the scaffolds, due to their inherent cytotoxicity. In this study, scaffolds which was composed of chitosan, alginate and gelatin were cross-linked by using heat treatment instead of cross-linking agent and mechanical properties of the cross-linked scaffold were investigated. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis confirmed that cross-linking of heat-treated scaffold was formed via amide or ester linkage between the polymer chains. The heat-treated scaffold had interconnected pores with mean diameter of 100~200 m and showed more than two fold increase of water uptake in comparison with chemically cross-linked scaffold. Tensile strength of the heat-treated scaffold increased up to 130% compared to non cross-linked scaffold and average maximum elongation was 11.3%. The porous cross-linked scaffold with the improved mechanical property may be suitable as a biocompatable scaffold for tissue engineering.
agents used for enhancing mechanical properties of porous natural scaffolds, reduces biocompatability of the scaffolds, due to their inherent cytotoxicity. In this study, scaffolds which was composed of chitosan, alginate and gelatin were cross-linked by using heat treatment instead of cross-linking agent and mechanical properties of the cross-linked scaffold were investigated. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis confirmed that cross-linking of heat-treated scaffold was formed via amide or ester linkage between the polymer chains. The heat-treated scaffold had interconnected pores with mean diameter of 100~200 m and showed more than two fold increase of water uptake in comparison with chemically cross-linked scaffold. Tensile strength of the heat-treated scaffold increased up to 130% compared to non cross-linked scaffold and average maximum elongation was 11.3%. The porous cross-linked scaffold with the improved mechanical property may be suitable as a biocompatable scaffold for tissue engineering.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
제안 방법
기기. 고분자 수용액의 혼합을 위하여 고속교반기(Ultra-turrax T25, IKA Lab., Germany)를 사용하였고, 다공성 지지체의 건조를 위하여 동결건조기(FD5505S,
Ilsin Lab, Korea)를 사용하였다. 인산염 완충 용액에서 다공성 지지체의 용해도를 측정하기 위하여 진동배양기(Companion Lab, SI-600, Korea)를 사용하였다.
다공성 지지체의 기계적 강도를 조사하기 위하여 인장강도와 신장률을 측정하였다. 다공성 지지체를 3cmx1cm의 크기로 절단한 시편의 두께를 측정한 후 두께와 폭을 곱하여 단면적을 계산하였다. 시편의 양끝을 고정하고 인장기를 사용하여 0.
다공성 지지체의 기계적 강도를 조사하기 위하여 인장강도와 신장률을 측정하였다. 다공성 지지체를 3cmx1cm의 크기로 절단한 시편의 두께를 측정한 후 두께와 폭을 곱하여 단면적을 계산하였다.
인산염 완충 용액에서 다공성 지지체의 용해도를 측정하기 위하여 진동배양기(Companion Lab, SI-600, Korea)를 사용하였다. 다공성 지지체의 두께는 Dial indicator (547-520, IDS TYPE)를 사용하여 측정하였고, 지지체의 다공 구조는 주사전자현미경 (Model S-2250N, Hitachi Co., Japan)을 사용하여 관찰하였다. 다공성 지지체의 화학구조는 Fourier transform infrared spectrophotometry
다공성 지지체의 미세구조는 다공성 지지체의 표면 또는 절단한 단면을 백금코팅하여 주사전자현미경으로 관찰하였다. 한편, 대조군, 열처리 그리고 가교처리 다공성 지지체의 고분자 사슬간의 결합형성 여부를 관찰하기 위하여 제조한 시료를 FT-IR을 이용하여 분광분석하였다.
다공성 지지체의 수분에 대한 안정성은 2 cmx2 cm의 크기로 절단한 대조군, 열처리 그리고 가교처리한 다공성 지지체를 인산염 완충 용액 (pH 7.4, 80 ml)에 침지하여 37℃의 조건에서 200 rpm으로 회전하는 진동 배양기에서 3시간동안 숙성시킨 후 지지체의 형태를 관찰하여 평가하였다.
다공성 지지체의 수분에 대한 안정성을 조사하기 위하여 각각의 다공성 지지체를 37℃에서 인산염 완충용액에 침지하여 3시간 교반한 후의 형태를 관찰하였고 그 결과를 Fig. 5에 나타내였다. 대조군 다공성 지지체는 인산염 완충용액 내에서 용해되어 형태를 관찰할 수 없었다.
, Japan)을 사용하여 관찰하였다. 다공성 지지체의 화학구조는 Fourier transform infrared spectrophotometry
(FT-IR, FT 165, Bio-Rad, USA)를 사용하여 관찰하였고 인장강도와 최대 신장률은 인장기(Instron 4482, Instron Co., MA, USA)를 사용하여 측정하였다.
열처리 다공성 지지체의 고분자 사슬간의 가교결합 형성을 FT-IR 분석을 통해 확인하였고, 처리조건에 따른 표면과 내부의 다공구조를 전자주사현미 경을 사용하여 관찰하였다. 또한 다공체의 수분흡수도, 인장강도 및 신장률을 측정하여 물리적 및 기계적 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 지지체내에 잔존하는 초산을 열처리로 완전히 제거하였고 고분자 사슬 간에 열을 이용한 부분적인 아미드 결합 또는 에스테르 결합을 형성하였다. 열처리 다공성 지지체는 수분에 의한 급격한 분해를 막을 수 있었고, 수분홉수도는 가교처리 다공성 지지체에 비하여 2배 이상 증가 하였다.
본 연구에서는 키토산과 알지네이트 및 젤라틴을 열처리하여 아마이드 결합 또는 에스테르 결합이 형성된 다공성 지지체를 제조하였다. 열처리 다공성 지지체의 고분자 사슬간의 가교결합 형성을 FT-IR 분석을 통해 확인하였고, 처리조건에 따른 표면과 내부의 다공구조를 전자주사현미 경을 사용하여 관찰하였다.
시험군인 열처리 다공성 지지체는 대조군 다공성 지지체를 제조하는 방법과 동일하게 제조한 후 진공 80℃의 조건에서 12시간동안 건조하여 제조하였다.
본 연구에서는 키토산과 알지네이트 및 젤라틴을 열처리하여 아마이드 결합 또는 에스테르 결합이 형성된 다공성 지지체를 제조하였다. 열처리 다공성 지지체의 고분자 사슬간의 가교결합 형성을 FT-IR 분석을 통해 확인하였고, 처리조건에 따른 표면과 내부의 다공구조를 전자주사현미 경을 사용하여 관찰하였다. 또한 다공체의 수분흡수도, 인장강도 및 신장률을 측정하여 물리적 및 기계적 특성을 평가하였다.
Ilsin Lab, Korea)를 사용하였다. 인산염 완충 용액에서 다공성 지지체의 용해도를 측정하기 위하여 진동배양기(Companion Lab, SI-600, Korea)를 사용하였다. 다공성 지지체의 두께는 Dial indicator (547-520, IDS TYPE)를 사용하여 측정하였고, 지지체의 다공 구조는 주사전자현미경 (Model S-2250N, Hitachi Co.
키토산, 알지네이트 및 젤라틴으로 구성된 대조군 다공성 지지체를 제조하기 위하여 2% (w/v) 키토산 수용액, 2% (w/v) 알지네이트 수용액, 그리고 2% (w/v) 젤라틴 수용액을 각각 제조하였다. 이때 키토산은 3% (v/v) 아세트산 수용액에 용해하였다.
2는 대조군, 열처리 및 가교처리 다공성 지지체를 FT-IR 분광분석 한 결과를 나타낸 것 이다. 키토산, 알지네이트 및 젤라틴의 3성분으로 제조된 다공성 지지체의 스펙트럼에서 1654 cm-1의 아미드 I피크, 1549 cm-1의 아미드 II, 1406 cm-1의 카르복실기의 신축진동 피크, 1100 cm-1의 에스터 결합 피크 그리고 1075 cm-1에서 케톤의 신축진동 피크를 확인하였다. 열처리 다공성 지지체의 스펙트럼을 대조군 다공성 지지체의 스펙트럼과 비교하였을 때 새롭게 생성되거나 사라진 피크는 발견되지 않았다.
다공성 지지체의 미세구조는 다공성 지지체의 표면 또는 절단한 단면을 백금코팅하여 주사전자현미경으로 관찰하였다. 한편, 대조군, 열처리 그리고 가교처리 다공성 지지체의 고분자 사슬간의 결합형성 여부를 관찰하기 위하여 제조한 시료를 FT-IR을 이용하여 분광분석하였다.
대상 데이터
(Mo, USA), 그리고 Yakuri Pure Chem. Co. (Kyoto, Japan)에서 구입하여 사용하였고 본 실험에서 사용한 천연고분자의 화학구조를 Fig. 1에 나타내었다. 가교제로 사용된 EDC는 Sigma-Aldrich Co.
1에 나타내었다. 가교제로 사용된 EDC는 Sigma-Aldrich Co. (MO, USA)
에서 구입하여 사용하였다. 그 밖에 실험에 사용한 시약 및 용매는 일급 또는 특급시약을 그대로 사용하였다.
11 그러므로 다공성지지체 내부로 세포와 영양분의 이동이 원활하게 해주기 위해서는 다공성 지지체 표면에 많은 기공을 형성시켜야 한다. 본 연구에서 제조된 다공성 지지체는 동결과정에서 표면에 막을 형성한다. 따라서 대조군 지지체의 기공은 표면에 형성된 막에 동결건조 과정에서 승화된 물이 외부로 방출되기 위하여 형성된 통로이다.
가교된 다공성 지지체는 아세트산, EDC 및 에탄올을 제거하기위하여 증류수 300 ml로 상온에서 20분 동안 세척하였으며 이 과정을 3회 반복하였다. 수세한 다공성 지지체는 -20 °C로 냉동시킨 후 3일간 동결 건조하여 가교처리 다공성 지지체로 제조하였다.
이론/모형
가교제인 EDC를 사용하여 가교처리한 다공성 지지체는 다공성 지지체를 제조하는 일반적인 방법13에 따라 제조하였다. 90% (v/v) 에탄올에 0.
성능/효과
다공성 지지체의 수분홉수력은 체내에 이식된 다공성 지지체가 혈액 속에 포함된 세포를 수용할 수 있는 능력을 결정하는 중요한 요소이다. Fig. 6에 본 연구에서 제조된 다공성 지지체의 수분흡수도를 나타내었으며 가교처리와 열처리 다공성 지지체의 수분흡수도는 각각 60.13과 110.78로써 열처리 다공성 지지체가 가교처리 다공성 지지체에 비하여 약 2배의 수분흡수력을 나타내었다. 한편, 대조군 다공성 지지체는 인산염 완충 용액에 용해되어 수분흡수력의 측정 이 불가능하였다(Fig.
인장강도는 시편의 단위면적 당 가해지는 인장응력으로써 같은 면적에서의 인장응력을 나타낸다. 가교처리 다공성 지지체는 대조군 다공성 지지체에 비하여 인장강도가 4.7 KPa 증가하여 가장 높은 인장강도를 갖고 있었다. 이것은 가교결합에 의해 천연고분자 사슬간의 결합력이 증가하였기 때문이다.
가교처리 다공성 지지체에서 에스테르 결합과 케톤기에 의한 피크가 증가하고 카르복실기에 의한 피크의 크기가 감소하는 것은 알지네이트 또는 젤라틴의 카르복실기와 키토산 또는 젤라틴의 아민기 사이에 EDC를 이용한 반응에 의해 아미드 결합이 생성되었기 때문인 것으로 생각된다. 결과적으로 가교처리 다공성 지지체의 분자구조는 가교제의 화학결합에 의하여 변화되었으나, 열처리 다공성 지지체는 열에 의한 부분적인 아미드 결합 또는 에스테르 결합으로 고분자 사슬간의 가교결합이 형성된 것으로 판단된다.
따라서 가교처리 다공성 지지체는 너무 높은 가교밀도로 깨어짐 현상이 나타나 최대 신장률이 감소한 것으로 사료된다. 결과적으로 열처리 다공성 지지체는 가교처리 지지체에 비해 인장강도가 약하지만 신장률을 향상시킬 수 있어 체내의 체액이나 인산염 완충 용액에서 팽윤 현상으로 인한 지지체의 파손을 억제할 수 있을 것으로 사료된다.
열처리 다공성 지지체의 스펙트럼을 대조군 다공성 지지체의 스펙트럼과 비교하였을 때 새롭게 생성되거나 사라진 피크는 발견되지 않았다. 다만 열처리 다공성 지지체는 아미드 I에 의한 피크가 증가하여 열처리에 의하여 아미드 결합이 증가되었음을 확인하였다. 한편, 가교처리 다공성 지지체는 아미드 I.
4는 대조군, 열처리 및 가교처리 다공성 지지체의 단면 구조를 주사전자 현미경으로 관찰한 사진이다. 대조군, 가교처리 및 열처리 다공성 지지체의 단면공극의 크기는 각각 150, 200 그리고 200μm의 연속적인 열린 구조의 형태를 이루고 있는 것을 확인하였다. 특히 가교처리와 열처리한 다공성 지지체의 공극 모양은 대조군 다공성 지지체의 공극에 비하여 구형에 가까운 형태임을 확인하였다.
열처리 다공성 지지체는 수분에 의한 급격한 분해를 막을 수 있었고, 수분홉수도는 가교처리 다공성 지지체에 비하여 2배 이상 증가 하였다. 또한 열처리 다공성 지지체의 공극의 크기는 세포가 조직을 형성하기위한 영양분의 원활한 이동이 적당한 100〜200 μm인 연속적인 열린 구조를 나타내는 것을 확인하고 신장률과 인장응력을 증가시켜 체내에서 다공성 지지체의 파손을 최소화할 수 있었다. 따라서 열처리로 물성을 증가시킨 다공성 지지체는 기존의 화학적인 가교제를 사용한 지지체보다 생체적합성이 우수하고, 가교제의 사용 없이 물성을 증가시킬 수 있어 새로운 조직공학용 지지체로서 활용이 기대되어 진다.
본 연구에서는 지지체내에 잔존하는 초산을 열처리로 완전히 제거하였고 고분자 사슬 간에 열을 이용한 부분적인 아미드 결합 또는 에스테르 결합을 형성하였다. 열처리 다공성 지지체는 수분에 의한 급격한 분해를 막을 수 있었고, 수분홉수도는 가교처리 다공성 지지체에 비하여 2배 이상 증가 하였다. 또한 열처리 다공성 지지체의 공극의 크기는 세포가 조직을 형성하기위한 영양분의 원활한 이동이 적당한 100〜200 μm인 연속적인 열린 구조를 나타내는 것을 확인하고 신장률과 인장응력을 증가시켜 체내에서 다공성 지지체의 파손을 최소화할 수 있었다.
77% 이었다. 열처리 다공성 지지체의 최대 신장률은 대조군 다공성 지지체에 비하여 3%이상 증가하였으나 가교처리 다공성 지지체는 최대 신장률이 3.5%감소하였다. 열처리 다공성 지지체는 사슬간의 물리적 얽힘 (entanglement)으로 결합된 대조군에 비하여 부분적인 아미드 결합 또는 에스테르 결합으로 가교밀도가 증가되었기 때문에 신장률이 증가된 것으로 생각된다.
대조군, 가교처리 및 열처리 다공성 지지체의 단면공극의 크기는 각각 150, 200 그리고 200μm의 연속적인 열린 구조의 형태를 이루고 있는 것을 확인하였다. 특히 가교처리와 열처리한 다공성 지지체의 공극 모양은 대조군 다공성 지지체의 공극에 비하여 구형에 가까운 형태임을 확인하였다. 한편, Doillon 등은 다공성 지지체의 기공이 연속적으로 형성된 열린 구조일 때 섬유아세포가 빠르게 이동하여 조직재생을 촉진한다고 보고하였다.
반면, 열처리와 가교처리 다공성 지지체는 아미드 결합 또는 에스테르 결합에 의해 연결된 공극구조를 가짐으로써 강도가 증가하여 공극의 외벽이 무너지지 않고 수축현상이 발생하지 않아 공극의 구조를 유지할 수 있는 것으로 생각된다. 특히, 열처리 다공성 지지체는 가교제를 사용하지 않고 부분적인 아미드 결합 또는 에스테르 결합이 형성되어 수분으로 인한 공극의 수축현상을 일으키지 않으면서 형태를 유지할 수 있어 세포와 영양분의 공급이 원활한 열린 구조를 유지하는 것을 관찰하였다
다만 열처리 다공성 지지체는 아미드 I에 의한 피크가 증가하여 열처리에 의하여 아미드 결합이 증가되었음을 확인하였다. 한편, 가교처리 다공성 지지체는 아미드 I. 에스테르 결합, 그리고 케톤기에 의한 피크의 크기가 증가하고 카르복실기에 의한 피크가 감소한 것을 확인하였다. 가교처리 다공성 지지체에서 에스테르 결합과 케톤기에 의한 피크가 증가하고 카르복실기에 의한 피크의 크기가 감소하는 것은 알지네이트 또는 젤라틴의 카르복실기와 키토산 또는 젤라틴의 아민기 사이에 EDC를 이용한 반응에 의해 아미드 결합이 생성되었기 때문인 것으로 생각된다.
이것은 가교결합에 의해 천연고분자 사슬간의 결합력이 증가하였기 때문이다. 한편, 열처리 다공성 지지체는 가교처리 다공성 지지체에 비하여 인장강도가 낮았으나 열처리만으로 다공성 지지체의 결합력을 2.6 KPa 이상 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
후속연구
또한 열처리 다공성 지지체의 공극의 크기는 세포가 조직을 형성하기위한 영양분의 원활한 이동이 적당한 100〜200 μm인 연속적인 열린 구조를 나타내는 것을 확인하고 신장률과 인장응력을 증가시켜 체내에서 다공성 지지체의 파손을 최소화할 수 있었다. 따라서 열처리로 물성을 증가시킨 다공성 지지체는 기존의 화학적인 가교제를 사용한 지지체보다 생체적합성이 우수하고, 가교제의 사용 없이 물성을 증가시킬 수 있어 새로운 조직공학용 지지체로서 활용이 기대되어 진다.
참고문헌 (17)
Lee, S. B.; Joen, H. W.; Lee, Y. W.; Lee, Y. M.; Song, K. W.; Park, M. H. Y.; Nam, S.; Ah/n, H. C. Biomaterials 2003, 24, 2503
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.