[논문]내피세포가 배양된 나노셀룰로오스 하이드로겔의 비선형 유변물성 분석

송예은; 김민균; 이희경; 이두진

doi:10.7234/composres.2022.35.3.153

내피세포가 배양된 나노셀룰로오스 하이드로겔의 비선형 유변물성 분석
Nonlinear Rheological Properties of Endothelial Cell Laden-cellulose Nanofibrils Hydrogels 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.3, 2022년, pp.153 - 160

송예은 (Department of Polymer Science and Engineering, Chonnam National University) , 김민균 (Department of Rural and Biosystems Engineering, College of Agriculture and Life Sciences, Chonnam National University) , 이희경 (Department of Rural and Biosystems Engineering, College of Agriculture and Life Sciences, Chonnam National University) , 이두진 (Department of Polymer Science and Engineering, Chonnam National University)

초록
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목재 섬유 기반의 셀룰로오스 나노피브릴(cellulose nanofibrils, CNF)은 생체적합특성이 우수하여 조직 공학용 스캐폴드, 약물 운반체, 상처 치유용 겔 등의 생체 의료 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 셀룰로오스 나노피브릴은 상대적으로 약한 기계적 강도를 나타내기 때문에 높은 기계적 특성을 요구하는 응용 분야에 사용되기 어렵다는 한계를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 셀룰로오스 나노피브릴의 기계적 강도를 향상시키기 위해 TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-oxyl) 산화 처리된 셀룰로오스 나노피브릴에 금속 양이온을 도입하여 금속-카르복실레이트 배위 결합을 가지는 하이드로겔을 제조하였다. 또한, 큰 진폭 진동 전단(large amplitude oscillatory shear) 측정과 Live/Dead 세포 시험을 통해 하이드로겔의 비선형 점탄성 거동과 세포 생존 능력을 분석하였다. 특히, 첨가된 금속염의 종류에 따라 세포의 증식 및 생존 능력이 변화하였고, 이는 하이드로겔들의 유변 물성 특성에도 영향을 미쳤다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cellulose nanofibrils (CNF) based on wood pulp fibers are gained much attention as part of biocompatible hydrogels for biomedical applications such as tissue engineering scaffolds, biomedicine, and drug carrier. However, CNF hydrogels have relatively poor mechanical properties, impeding their applications requiring high mechanical integrity. In this work, we prepare 2,2,6,6-tetramethylipiperidin-oxyl (TEMPO) oxidated cellulose nanofibrils hydrogels mediated with metal cations, which form the metal-carboxylate coordination bonds for enhanced mechanical strength and toughness. We conduct the large amplitude oscillatory shear (LAOS) test and Live/dead cell assay for obtaining nonlinear viscoelastic parameters and cell viability, respectively. In particular, the cell proliferation and viability change depending on the type of metal salt, which also affected the rheological properties of the hydrogels.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. (a-d) Manufacturing process of cellulose nanofibrils, (e) visual appearance of M-TCNFs, and (f) FT-IR results of TCNF and M-TCNF hydrogels
그림 Fig. 2. Strain amplitude sweep test of TCNF and M-TCNF (A) before and (B) after cell proliferation (7 days): (i) neat TCNF, (ii) trivalent M-TCNF hydrogels, and (iii) divalent M-TCNF hydrogels
그림 Fig. 3. Variation of the relative intensity of the third harmonic (I_3/1) as a function of strain amplitudes for TCNF and M-TCNF hydrogels (a) before cell and (b) after cell proliferation
그림 Fig. 4. Stiffening ratio S, and thickening ratio T as a function of strain amplitude for (a) TCNF, and M-TCNF with different metal salt cations of (b) Fe³⁺, (c) Al³⁺, (d) Cu²⁺, (e) Ca²⁺, and (f) Zn²⁺ before cell proliferation
표 Table 1. Elastic and viscous nonlinearity, and network structure parameters (S and T) in response to imposed LAOS deformation
그림 Fig. 5. Stiffening ratio S, and thickening ratio T as a function of strain amplitude for (a) TCNF, and M-TCNF with different metal salt cations of (b) Fe³⁺, (c) Al³⁺, (d) Cu²⁺, (e) Ca²⁺, and (f) Zn²⁺ after cell proliferation
그림 Fig. 6. (a-d) Live and dead assay images of HUVEC cells cultured on TCNF, Fe-TCNF, Cu-TCNF, and Ca-TCNF hydrogels after 1 day and 3 7 days cell culturing. (e-g) Cell viability of TCNF and M-TCNF with different metal cations

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 내피세포를 배양하여 세포가 배양된 셀룰로오스 하이드로겔에서의 점탄성 변화를 관찰하였다. 금속 양이온을 가지는 셀룰로오스 나노피브릴이 생체적합성 특성을 유지하는지 확인하고자 TEMPO-CNF와 금속 배위 결합을 가진 M-TCNF 하이드로겔들에 세포 배양 후 형광 염색을 하여 세포의 사멸 및 생육을 판단하고자 하였다.

제안 방법

기계적 물성 및 유변학적 거동이 다른 하이드로겔들 위에 배양한 HUVEC 세포의 활성도를 Live/Dead 측정을 통해 분석하였다(Fig. 6).
본 연구에서는 셀룰로오스 나노피브릴의 기계적 물성인 강성과 인성을 향상시키기 위해 TEMPO-CNF와 금속염(metal salt)을 사용하여 금속-카르복실레이트 배위 결합을 형성하였다. 다양한 금속염을 사용하여 금속염의 양이온 가수(valency number)에 따른 에너지 소산 및 구조적 거동 변화를 유변 물성 측정을 통해 확인하였다. 또한, 내피세포를 배양하여 세포가 배양된 셀룰로오스 하이드로겔에서의 점탄성 변화를 관찰하였다.
유변물성 측정은 25 mm의 평판 플레이트(parallel plate)를 사용하였다. 다양한 유변물성 측정 방법 중 큰 진폭 진동 전단(large amplitude oscillatory shear, LAOS) 실험을 진행하였으며, LAOS 측정 시 각주파수(angular frequency)는 1 rad/s로 고정하여 변형율(strain)을 0.1-400%까지 증가시키면서 측정하였다. 모든 측정은 온도 제어 챔버(temperature-controlled chamber)를 이용하여 25℃로 유지하였고, 측정 중 TCNF와 M-TCNF 하이드로겔들의 수분 증발을 방지하기 위해 미네랄 오일로 외부 공기와 접촉을 차단하였다.
다양한 금속염을 사용하여 금속염의 양이온 가수(valency number)에 따른 에너지 소산 및 구조적 거동 변화를 유변 물성 측정을 통해 확인하였다. 또한, 내피세포를 배양하여 세포가 배양된 셀룰로오스 하이드로겔에서의 점탄성 변화를 관찰하였다. 금속 양이온을 가지는 셀룰로오스 나노피브릴이 생체적합성 특성을 유지하는지 확인하고자 TEMPO-CNF와 금속 배위 결합을 가진 M-TCNF 하이드로겔들에 세포 배양 후 형광 염색을 하여 세포의 사멸 및 생육을 판단하고자 하였다.
본 연구에서는 셀룰로오스 나노피브릴의 기계적 물성인 강성과 인성을 향상시키기 위해 TEMPO-CNF와 금속염(metal salt)을 사용하여 금속-카르복실레이트 배위 결합을 형성하였다. 다양한 금속염을 사용하여 금속염의 양이온 가수(valency number)에 따른 에너지 소산 및 구조적 거동 변화를 유변 물성 측정을 통해 확인하였다.

대상 데이터

순수한 TCNF와 금속-카르복실레이트 배위 결합된 하이드로겔(M-TNCF)들의 기계적 물성 및 변형 거동을 분석하기 위해 레오미터(rheometer) (MCR-302, Anton Paar, Austria)를 이용하여 유변학적 거동을 평가하였다. 유변물성 측정은 25 mm의 평판 플레이트(parallel plate)를 사용하였다. 다양한 유변물성 측정 방법 중 큰 진폭 진동 전단(large amplitude oscillatory shear, LAOS) 실험을 진행하였으며, LAOS 측정 시 각주파수(angular frequency)는 1 rad/s로 고정하여 변형율(strain)을 0.

이론/모형

순수한 TCNF와 금속-카르복실레이트 배위 결합된 하이드로겔(M-TNCF)들의 기계적 물성 및 변형 거동을 분석하기 위해 레오미터(rheometer) (MCR-302, Anton Paar, Austria)를 이용하여 유변학적 거동을 평가하였다. 유변물성 측정은 25 mm의 평판 플레이트(parallel plate)를 사용하였다.

성능/효과

많은 연구에서 알려진 바와 같이 순수한 TCNF의 경우 세포 증식 및 세포 생존 능력이 뛰어났다. M-TCNF 하이드로겔들의 경우 약간의 감소가 있지만 7일 후 Cu-TCNF에서의 생존 능력을 제외하고 모든 M-TCNF들 에서도 TCNF에 버금가는 세포 생존 능력을 나타냈다. 결과적으로 TCNF에 금속 양이온이 첨가되어도 독성을 나타내지 않기 때문에 세포를 배양할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
M-TCNF 하이드로겔들의 경우 약간의 감소가 있지만 7일 후 Cu-TCNF에서의 생존 능력을 제외하고 모든 M-TCNF들 에서도 TCNF에 버금가는 세포 생존 능력을 나타냈다. 결과적으로 TCNF에 금속 양이온이 첨가되어도 독성을 나타내지 않기 때문에 세포를 배양할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 세포의 생존 능력으로 인하여 세포가 배양된 하이드로겔의 경우 점탄성 특성이 달라짐을 확인할 수 있었으며, 이를 토대로 세포가 배양된 하이드로겔의 점탄성 특성이 기존의 하이드로겔과 상이하게 달라짐을 알 수 있었다.
이는 세포 배양 전 하이드로겔들이 더 복잡한 네트워크(network)를 가지고 있는 것을 의미하고, 금속염의 종류에 따라 금속-카르복실레이트 배위 결합이 구조적 무너짐 거동에 미치는 영향이 다르다는 것을 의미한다. 또한, 순수한 하이드로겔들의 경우 TCNF의 점성 거동이 우세하기 때문에 변형율이 증가할수록 전단 농화(shear thickening) 거동에서 전단 담화(shear thinning) 거동으로 변화하지만, 세포가 배양된 하이드로겔드르이 경우 세포의 탄성 특성이 더 우세하게 발현되어 T가 0보다 큰 전단 농화 거동만 나타내는 것을 확인할 수 있다.
결과적으로 TCNF에 금속 양이온이 첨가되어도 독성을 나타내지 않기 때문에 세포를 배양할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 세포의 생존 능력으로 인하여 세포가 배양된 하이드로겔의 경우 점탄성 특성이 달라짐을 확인할 수 있었으며, 이를 토대로 세포가 배양된 하이드로겔의 점탄성 특성이 기존의 하이드로겔과 상이하게 달라짐을 알 수 있었다.

참고문헌 (16)

Rashad, A., Mustafa, K., Heggset, E.B., and Syverud, K., "Cytocompatibility of Wood-Derived Cellulose Nanofibril Hydrogels with Different Surface Chemistry," Biomacromolecules, Vol. 18, No. 4, 2017, pp. 1238-1248.

상세보기
Xing, L., Hu, C., Zhang, W., Guan, L., and Gu, J., "Biodegradable Cellulose I (II) Nanofibrils/poly(vinyl alcohol) Composite Films with High Mechanical Properties, Improved Thermal Stability and Excellent Transparency," International Journal of Biological Macromolecules, Vol. 164, 2020, pp. 1766-1775.

상세보기
Yang, J., Xu, F., and Han, C.R., "Metal Ion Mediated Cellulose Nanofibrils Transient Network in Covalently Cross-linked Hydrogels: Mechanistic Insight into Morphology and Dynamics," Biomacromolecules, Vol. 18, No. 3, 2017, pp. 1019-1028.

상세보기
Dong, H., Snyder, J.F., Williams, K.S., and Andzelm, J.W., "Cation-induced Hydrogels of Cellulose Nanofibrils with Tunable Moduli," Biomacromolecules, Vol. 14, No. 9, 2013, pp. 3338-3345.

상세보기
Sim, K., Youn, H.J., and Jo, Y., "Surface Modification of Cellulose Nanofibrils by Carboxymethylation and TEMPO-mediated Oxidation," Palpu Chongi Gisul/Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry, Vol. 47, No. 2, 2015, pp. 42-52.
Rosendahl, J., Svanstrom, A., Berglin, M., Petronis, S., Bogestal, Y., Stenlund, P., Standoft, S., Stahlberg, A., Landberg, G., Chinga-Carrasco, G., and Hakansson, J., "3D Printed Nanocellulose Scaffolds as a Cancer Cell Culture Model System," Bioengineering, Vol. 8, No. 7, 2021, pp. 1-14.
Zhao, X., "Multi-scale Multi-mechanism Design of Tough Hydrogels: Building Dissipation into Stretchy Networks," Soft Matter, Vol. 10, No. 5, 2014, pp. 672-687.

상세보기
Ju, Y., Ha, J., Song, Y., and Lee, D., "Revealing the Enhanced Structural Recovery and Gelation Mechanisms of Cation-induced Cellulose Nanofibrils Composite Hydrogels," Carbohydrate Polymers, Vol. 272, 2021, p. 118515.

상세보기
Hyun, K., "Analysis and Application of Nonlinear Rheological Properties by Large Amplitude Oscillatory Shear (LAOS) Test," Polymer Science and Technology, Vol. 24, No. 2, 2013, pp. 183-190.
Moud, A.A., Kamkar, M., Sanati-Nezhad, A., Hejazi, S.H., and Sundararaj, U., "Viscoelastic Properties of Poly (vinyl alcohol) Hydrogels with Cellulose Nanocrystals Fabricated Through Sodium Chloride Addition: Rheological Evidence of Double Network Formation," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 609, 2021, p. 125577.

상세보기
McKee, J.R., Hietala, S., Seitsonen, J., Laine, J., Kontturi, E., and Ikkala, O., "Thermoresponsive Nanocellulose Hydrogels with Tunable Mechanical Properties," ACS Macro Letters, Vol. 3, No. 3, 2014, pp. 266-270.

상세보기
Hyun, K., Wilhelm, M., Klein, C.O., Cho, K.S., Nam, J.G., Ahn, K.H., Lee, S.J., Ewoldt, R.H., and McKinley, G.H., "A Review of Nonlinear Oscillatory Shear Tests: Analysis and Application of Large Amplitude Oscillatory Shear (LAOS)," Progress in Polymer Science, Vol. 36, No. 12, 2011, pp. 1697-1753.

상세보기
Yang, J., and Xu, F., "Synergistic Reinforcing Mechanisms in Cellulose Nanofibrils Composite Hydrogels: Interfacial Dynamics, Energy Dissipation, and Damage Resistance," Biomacromolecules, Vol. 18, No. 8, 2017, pp. 2623-2632.

상세보기
Niu, J., Wang, J., Dai, X., Shao, Z., and Huang, X., "Dual Physically Crosslinked Healable Polyacrylamide/cellulose Nanofibers Nanocomposite Hydrogels with Excellent Mechanical Properties," Carbohydrate Polymers, Vol. 193, 2018, pp. 73-81.

상세보기
Geng, C., Zhao, Z., Xue, Z., Xu, P., and Xia, Y., "Preparation of Ion-exchanged TEMPO-oxidized Celluloses as Flame Retardant Products," Molecules, Vol. 24, No. 10, 2019, pp. 1-10.
Zhu, C., Soldatov, A., and Mathew, A.P., "Advanced Microscopy and Spectroscopy Reveal the Adsorption and Clustering of Cu(II) onto TEMPO-oxidized Cellulose Nanofibers," Nanoscale, Vol. 9, No. 22, 2017, pp. 7419-7428.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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