[국내논문]3 차원 Blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 인공지지체의 제작 및 특성 평가 Fabrication and Characteristic Evaluation of Three-Dimensional Blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) Scaffold원문보기
조직 공학에 있어 인공지지체는 손상된 조직 및 기관의 기능을 재생하기 위한 거푸집으로 제공되며 3 차원 구조물이다. 인공지지체의 재료 중에서 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL)과 삼인산칼슘(${\beta}$-tricalcium phosphate, ${\beta}$-TCP)은 생분해성과 생체적합성을 가지고 있다. 본 연구에서는 다축 인공지지체 제작 시스템을 이용하여 3 차원 PCL, blended PCL(60 wt %)/${\beta}$-TCP(40 wt %), 그리고 ${\beta}$-TCP 인공지지체를 제작하였다. 제작된 인공지지체는 주사전자현미경 분석을 통해 $600{\pm}20{\mu}m$의 공극 크기로 잘 제작되었다. 기계적 특성 평가를 통해 3 차원 PCL, blended PCL(60 wt %)/${\beta}$-TCP(40 wt %), 그리고 ${\beta}$-TCP 인공지지체의 효과는 분석되었다. 게다가 Saos-2 세포를 이용한 in vitro 연구를 수행하여 세포 증착 및 증식과 같은 세포 거동에 의한 3 차원 인공지지체의 효과를 확인하였다. 요컨대 3D blended PCL(60 wt %)/${\beta}$-TCP(40 wt %) 인공지지체가 압축 강도와 생체적합성 그리고 골전도성에 있어서 인체의 해면골에 더욱 적합하였다. 따라서 3D 인공지지체의 제작에 있어 PCL과 ${\beta}$-TCP를 혼합하는 것은 효과적인 골 재생을 위해 촉망되는 전략이 될 것이다.
조직 공학에 있어 인공지지체는 손상된 조직 및 기관의 기능을 재생하기 위한 거푸집으로 제공되며 3 차원 구조물이다. 인공지지체의 재료 중에서 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL)과 삼인산칼슘(${\beta}$-tricalcium phosphate, ${\beta}$-TCP)은 생분해성과 생체적합성을 가지고 있다. 본 연구에서는 다축 인공지지체 제작 시스템을 이용하여 3 차원 PCL, blended PCL(60 wt %)/${\beta}$-TCP(40 wt %), 그리고 ${\beta}$-TCP 인공지지체를 제작하였다. 제작된 인공지지체는 주사전자현미경 분석을 통해 $600{\pm}20{\mu}m$의 공극 크기로 잘 제작되었다. 기계적 특성 평가를 통해 3 차원 PCL, blended PCL(60 wt %)/${\beta}$-TCP(40 wt %), 그리고 ${\beta}$-TCP 인공지지체의 효과는 분석되었다. 게다가 Saos-2 세포를 이용한 in vitro 연구를 수행하여 세포 증착 및 증식과 같은 세포 거동에 의한 3 차원 인공지지체의 효과를 확인하였다. 요컨대 3D blended PCL(60 wt %)/${\beta}$-TCP(40 wt %) 인공지지체가 압축 강도와 생체적합성 그리고 골전도성에 있어서 인체의 해면골에 더욱 적합하였다. 따라서 3D 인공지지체의 제작에 있어 PCL과 ${\beta}$-TCP를 혼합하는 것은 효과적인 골 재생을 위해 촉망되는 전략이 될 것이다.
In tissue engineering, a scaffold is a three-dimensional(3D) structure that serves as a template for regeneration the functions of damaged tissues or organs. Among materials for scaffolds, polycaprolactone(PCL) and ${\beta}$-tricalcium phosphate(${\beta}$-TCP) are biodegradable...
In tissue engineering, a scaffold is a three-dimensional(3D) structure that serves as a template for regeneration the functions of damaged tissues or organs. Among materials for scaffolds, polycaprolactone(PCL) and ${\beta}$-tricalcium phosphate(${\beta}$-TCP) are biodegradable and biocompatible. In this study, we fabricated 3D PCL, blended PCL (60 wt %)/${\beta}$-TCP (40 wt %), and pure ${\beta}$-TCP scaffolds by a multi-head scaffold fabrication system. Scaffolds with a pore size of $600{\pm}20{\mu}m$ was observed by scanning electron microscopy. The effects of 3D PCL, blended PCL (60 wt %)/${\beta}$-TCP (40 wt %) and pure ${\beta}$-TCP scaffolds were analyzed by evaluating their mechanical characteristics. In addition, in an in-vitro study using osteoblast-like saos-2 cells, we confirmed the effects of 3D scaffolds on cellular behaviors such as cell adhesion and proliferation. In summary, the 3D blended PCL (60 wt %)/${\beta}$-TCP (40 wt %) scaffold was found to be suitable for human cancellous bone in terms of its the compressive strength, biocompatibility, and osteoconductivity. Thus, blending PCL and ${\beta}$-TCP could be a promising approach for fabricating 3D scaffolds for effective bone regeneration.
In tissue engineering, a scaffold is a three-dimensional(3D) structure that serves as a template for regeneration the functions of damaged tissues or organs. Among materials for scaffolds, polycaprolactone(PCL) and ${\beta}$-tricalcium phosphate(${\beta}$-TCP) are biodegradable and biocompatible. In this study, we fabricated 3D PCL, blended PCL (60 wt %)/${\beta}$-TCP (40 wt %), and pure ${\beta}$-TCP scaffolds by a multi-head scaffold fabrication system. Scaffolds with a pore size of $600{\pm}20{\mu}m$ was observed by scanning electron microscopy. The effects of 3D PCL, blended PCL (60 wt %)/${\beta}$-TCP (40 wt %) and pure ${\beta}$-TCP scaffolds were analyzed by evaluating their mechanical characteristics. In addition, in an in-vitro study using osteoblast-like saos-2 cells, we confirmed the effects of 3D scaffolds on cellular behaviors such as cell adhesion and proliferation. In summary, the 3D blended PCL (60 wt %)/${\beta}$-TCP (40 wt %) scaffold was found to be suitable for human cancellous bone in terms of its the compressive strength, biocompatibility, and osteoconductivity. Thus, blending PCL and ${\beta}$-TCP could be a promising approach for fabricating 3D scaffolds for effective bone regeneration.
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문제 정의
본 연구에서는 다축 인공지지체 제작 시스템을 이용하여 다양한 3 차원 인공지지체를 제작하였다. PCL 인공지지체는 열에 의해 빠르게 용융되는 재료이며 다축 인공지지체 제작 시스템을 통해 쉽게 제작되었다.
인공지지체의 기계적 특성과 세포 증착 및 증식 특성을 평가해 보았다. 기계적 측면에서는 PCL 인공지지체가 blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %)와 β-TCP 인공지지체보다 뛰어난 압축 강도를 나타내었다.
제안 방법
본 연구에서는 다축 인공지지체 제작 시스템을 이용하여 3 차원 PCL, blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 그리고 β-TCP 인공지지체를 제작하였다.
제작된 3 차원 인공지지체의 형상 및 공극을 확인하기 위해 주사전자현미경이 사용되었다. 그리고 3 차원 인공지지체의 기계적 특성 평가와 in-vitro 세포 증착 및 증식 평가를 수행함으로써 골 조직 재생으로의 적용 가능성을 평가하였다.
PCL, blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 그리고 β-TCP 인공지지체의 크기는 5.4 × 5.4 × 3.0 mm3로 하였다.
제작된 β-TCP 인공지지체는 1,150℃에서 3 시간의 소결 처리를 통해 PCL 인공지지체 그리고 blended PCL(60 wt %)/β-TCP(40 wt %) 인공지지체와 동일한 형상 및 공극 크기로 제작되었다.
인공지지체에 세포를 파종하기 위해 100 ø 의 배양 접시에서 4 일 동안 충분히 배양되어 있는 세포를 0.25% Trypsin-EDTA solution(Gibco, Rockville, MD, USA)을 사용하여 떼어냈다.
인공지지체의 제작과정 동안 적층 폭을 측정하기 위해 올림푸스 현미경(Olympus CX31, Korea)을 이용하였다. 제작된 인공지지체의 형상 및 구조를 관찰하기 위해 스퍼터링(Sputtering) 장치를 사용하여 골드 코팅을 수행하였고, 20 kV의 가속 전압으로 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, Tescan VEGA II LMU, Czech)을 이용하였다.
인공지지체의 기계적 강도를 평가하기 위해 압축 시험기(JSV H1000, JISC, Japan)를 이용하였다. 하중 속도는 1 mm/min 으로 적용되었다.
평균 값을 구하기 위해 인공지지체를 각각 3 개씩 준비하였다. 압축 강도와 압축 탄성계수는 인공지지체의 압축 실험을 수행한 후에 얻어낸 응력-변형률 곡선을 이용하여 계산하였다.
세포 특성 평가를 위해 조골세포와 유사한 Saos-2 세포를 이용하였다. 배지는 DMEM(Dminimum essential medium/high glucose, Hyclone, Logan, UT, USA)에 10% 우태혈청(Fetal bovin serum, Gibco, Rockville, MD, USA)과 1% 항생제(Penicillin streptomycin, Sigma, St. Louis, USA)를 첨가하여 사용하였다. 세포 증식 평가를 위해 Cell Counting Kit-8(CCK-8, Dojindo Molecular technologies, Japan) 용액을 사용하였다.
세포를 파종하기 이전에 제작된 인공지지체는 70% 에탄올에 넣은 후 자외선에서 살균되었다. 또한 PBS 에서 3 회 씻어 주었고, 배지에서 2 시간 pre-wetting 시켜 세포가 인공지지체 표면에 잘 증착할 수 있도록 하였다. 세포를 파종한 후 7 일 동안 인큐베이터에서 배양을 시켰고 배지는 2 일마다 1 회 교체해 주었다.
세포를 파종한 후 7 일 동안 인큐베이터에서 배양을 시켰고 배지는 2 일마다 1 회 교체해 주었다. 1, 4, 7 일에 CCK-8 용액을 배지와 1:10 으로 혼합하여 넣고 4 시간 후 450 nm 에서 Microreader(UVM340, Elisa, USA)를 이용하여 흡광도를 측정하였고 세포의 증착 및 증식을 확인하였다.
인공지지체의 압축 강도 및 압축 탄성률의 관계를 알아보기 위해 응력-변형률 곡선을 이용하였다. Fig.
결국 250 μm 의 정밀노즐과 쉽고 빠른 재료의 혼합 방법을 통해 성공적으로 blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 인공지지체를 제작하였다.
본 연구에서는 다축 인공지지체 제작 시스템을 이용한 3 차원 PCL, blended PCL (60 wt %)/β-TCP(40 wt %)와 β-TCP 인공지지체를 제작하였다.
대상 데이터
PCL 은 Sigma-Aldrich(St. Louis, USA)에서 구매하였고, β-TCP 는 Berkeley advanced biomaterials(Berkeley, USA)에서 구매하였다.
생체 세라믹 미립자를 분산시키고 안정화시키는 분산제로는 폴리메타크릴레이트 (Darvan® C, R. T. Vanderbilt, USA), 생체 세라믹 미립자들 간의 점착성과 점도를 증가시키는 점성제로는 하이드록시프로필 메틸셀룰로스(H7509-100G, Sigma-Aldrich, USA), 그리고 생체 세라믹 미립자들을 응집시키는 응집제로는 폴리에틸렌 이민(408727-100ML, Sigma-Aldrich, USA)이 사용되었다.
Blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 인공지지체는 130℃의 용융 온도를 이용하였고, 50 mm/s 의 이송속도로 제작되었다.
인공지지체의 제작과정 동안 적층 폭을 측정하기 위해 올림푸스 현미경(Olympus CX31, Korea)을 이용하였다. 제작된 인공지지체의 형상 및 구조를 관찰하기 위해 스퍼터링(Sputtering) 장치를 사용하여 골드 코팅을 수행하였고, 20 kV의 가속 전압으로 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, Tescan VEGA II LMU, Czech)을 이용하였다.
0 mm3로 하였다. 평균 값을 구하기 위해 인공지지체를 각각 3 개씩 준비하였다. 압축 강도와 압축 탄성계수는 인공지지체의 압축 실험을 수행한 후에 얻어낸 응력-변형률 곡선을 이용하여 계산하였다.
세포 특성 평가를 위해 조골세포와 유사한 Saos-2 세포를 이용하였다. 배지는 DMEM(Dminimum essential medium/high glucose, Hyclone, Logan, UT, USA)에 10% 우태혈청(Fetal bovin serum, Gibco, Rockville, MD, USA)과 1% 항생제(Penicillin streptomycin, Sigma, St.
Louis, USA)를 첨가하여 사용하였다. 세포 증식 평가를 위해 Cell Counting Kit-8(CCK-8, Dojindo Molecular technologies, Japan) 용액을 사용하였다. 세포는 37℃, 5% CO2 인큐베이터에서 배양되었다.
이론/모형
본 연구에서는 다축 인공지지체 제작 시스템을 이용하여 3 차원 PCL, blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 그리고 β-TCP 인공지지체를 제작하였다. 제작된 3 차원 인공지지체의 형상 및 공극을 확인하기 위해 주사전자현미경이 사용되었다. 그리고 3 차원 인공지지체의 기계적 특성 평가와 in-vitro 세포 증착 및 증식 평가를 수행함으로써 골 조직 재생으로의 적용 가능성을 평가하였다.
인공지지체의 세포 증착 및 증식 평가를 위해 CCK-8 Kit 를 이용하였다. Fig.
성능/효과
인공지지체의 기계적 특성에 대한 결과로서, PCL 인공지지체의 압축 강도는 18.4±1.2 MPa 이고 탄성계수는 41.8 ± 1.7 MPa, blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 인공지지체의 압축 강도는 12.8 ± 1.3 MPa 이고 탄성계수는 40.9 ± 3.2 MPa, 그리고 β-TCP 인공지지체의 압축 강도는 3.2 ± 0.6 MPa 이고 탄성계수는 15.6 ± 4.7 MPa 로 측정되었다.
즉, β-TCP 의 양이 증가함으로써 기계적인 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다.
PCL 인공지지체는 blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 인공지지체와 β-TCP 인공지지체보다 기계적인 측면에서 우수한 것으로 평가되었다.
즉, β-TCP 의 양이 증가함으로써 기계적인 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 본 기계적 강도 평가에서는 PCL 인공지지체가 가장 우수한 결과를 나타내었다.
(a)는 실험 1 일차 결과로서, PCL 인공지지체와 blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 인공지지체의 흡광도(Optical density, OD) 값이 서로 비슷한 것으로 확인되었다.
세포 증식 측면에서는 β-TCP 인공지지체가 세포 증식 능력이 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
Blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 인공지지체는 40 wt %의 β-TCP 를 포함하고 있어 압축 강도가 PCL 인공지지체보다는 조금 낮은 결과를 보였다.
기계적 측면에서는 PCL 인공지지체가 blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %)와 β-TCP 인공지지체보다 뛰어난 압축 강도를 나타내었다.
즉, 골 조직 재생 능력에 있어 골전도성이 뛰어난 β-TCP 를 포함하는 인공지지체가 세포 증식에 중요한 영향을 끼치는 것으로 판단된다.
압축강도의 평가 결과, PCL (80 wt %)/β-TCP (20 wt %) 인공지지체의 압축 강도가 26 MPa 로 가장 높게 평가되었다.
Blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 인공지지체와 비교해 보면 10 MPa 이상 높게 평가되었지만 해면 골에는 모두 적합한 것으로 판단된다.
그리고 세포 증식 평가에서 PCL (80 wt %)/β-TCP (20 wt %) 인공지지체가 세포 증식 결과가 가장 좋은 것으로 평가되었다.
기존 연구의 결과와 비교해 볼 때 β-TCP 의 양이 증가됨에 따라 세포의 증식이 향상되는 것을 알 수 있었다.
즉, blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40 wt %) 인공지지체가 PCL (80 wt %)/β-TCP (20 wt %) 인공지지체보다 높은 세포 증식을 가지며 또한 골전도성이 우수하다고 판단된다.
기계적 특성 평가를 통해 β-TCP 인공지지체는 압축 강도가 골 조직 재생에는 부족한 것으로 나타났다.
그러나 세포 증착 및 증식 평가에서는 PCL 인공지지체가 소수성 표면 특성으로 인해 생체적합성이 낮게 나타났다. 따라서 압축 강도, 생체적합성 및 골전도성의 특성을 고려할 때 blended PCL (60 wt %)/β-TCP (40wt %) 인공지지체가 골 조직 재생에 더 유리하다고 사료된다.(24~26)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3 차원 인공지지체는 어떠한 재료를 필요로 하는가
최근 조직공학(Tissue engineering)에서는 제어 가능한 공극(Pore) 및 내부 연결성(Inter-connectivity)이 우수한 3 차원 인공지지체(Three-dimensional scaffold) 제작을 위하여, CAD/CAM(Computer-aided design/ computeraided manufacturing) 및 자유 형상 제작(Solid free-form fabrication) 기술을 이용하고 있다.(1,2) 3 차원 인공지지체는 실제 골과 유사한 다공질 체를 가지며 세포의 증착(Adhesion), 증식(Proliferation), 그리고 골 형성 (Bone formation)을 위한 적합한 생체 재료를 필요로 한다.(3,4) 특히 골 조직 재생을 위한 인공지지체의 재료로서 합성 고분자(Synthetic polymers) 및 천연 고분자(Natural polymers), 그리고 생체 세라믹(Bioceramics) 등이 많이 사용되고 있다.
조직공학에서 제어가능한 공극 및 내부 연결성이 우수한 3 차원 인공지지체 제작을 위해 어떠한 기술을 이용하는가
최근 조직공학(Tissue engineering)에서는 제어 가능한 공극(Pore) 및 내부 연결성(Inter-connectivity)이 우수한 3 차원 인공지지체(Three-dimensional scaffold) 제작을 위하여, CAD/CAM(Computer-aided design/ computeraided manufacturing) 및 자유 형상 제작(Solid free-form fabrication) 기술을 이용하고 있다.(1,2) 3 차원 인공지지체는 실제 골과 유사한 다공질 체를 가지며 세포의 증착(Adhesion), 증식(Proliferation), 그리고 골 형성 (Bone formation)을 위한 적합한 생체 재료를 필요로 한다.
골 조직 재생을 위한 인공지지체의 재료로 많이 사용되는 합성 고분자의 장점은 무엇인가
(3,4) 특히 골 조직 재생을 위한 인공지지체의 재료로서 합성 고분자(Synthetic polymers) 및 천연 고분자(Natural polymers), 그리고 생체 세라믹(Bioceramics) 등이 많이 사용되고 있다.(5) 그 중에서도 합성 고분자 재료는 열에 의해 쉽게 용융되며 분사 노즐을 통해 마이크로 단위의 구조물로 제작되기 쉬운 장점을 가지고 있다.(6~10) 게다가 기계적 강도가 천연 고분자에 비해 뛰어난 것으로 알려져 왔다. 그 중에서도 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL)이 실제 골과 기계적 특성이 유사한 것으로 보고되었다.
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