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보고서 상세정보

Gelatin methacryloyl-공학적으로 개질된 광경화성 젤라틴 유도체

등록일자 2018-01-17
초록 #12월 우수전문가 동향보고서(KOSEN Expert Insight)#

이 자료는 Wenzhou Institute of Biomaterials and Engineering에 계신 이배훈전문가께서 작성해주셨습니다.







1. 개요

Gelatin methacryloyl은 보통 GelMA로 불리며 빛에 의해 경화되는 공학적으로 개질된 젤라틴 유래 단백질 유도체이다. 보통 gelatin methacrylate 또는 gelatin methacrylamide로 명명하기도 한다. GelMA는 약물 전달 시스템과 조직공학에서 폭넓게 사용되고 있다. GelMA는 젤라틴의 모체 단백질인 콜라겐(collagen)이 갖고 있는 세포부착 특성[인테그린(integrin)과 바인딩을 하는 RGD(Arg-Gly-Asp) 리간드) 포함], 생체적합성(biocompatibility), 생분해성[biodegradation, 기질금속단백질가수분해효소(matrix metallo-proteinase(MMP)에 의해 분해되는 펩타이드 포함]이 있다. GelMA는 치환된 methacryloyl(methacrylamide와 methacrylate)로 인해 광경화되는 특성이 있는데 methacryloyl 그룹의 치환도, GelMA 농도, 빛의 세기 등에 의해 GelMA 수화젤의 기계적 물성을 조절할 수 있다. GelMA의 광경화는 빠르게 일어나며 다양한 형태의 스캐폴드를 제조할 수 있어 시간적 공간적 제어 특성이 우수하다. 게다가 GelMA는 제조가 간단하며 다른 단백질들에 비해 가격이 저렴하여 앞으로 생채재료로 폭넓게 활용될 것으로 기대된다[1, 2].



2. 주요 내용

GelMA는 2000년 처음으로 Van Den Bulcke Al에 의해 처음 보고된 이후 GelMA의 합성, 분석, 생체재료로서의 다양한 영역(약물전달시스템, 미세유체공학, 조직공학, 재생의약 등)에서 깊이 있게 연구되고 있다[1~3]. 여기서 GelMA의 최근 진보 사항을 다루고자 한다.



제조 방법: Gelatin을 먼저 PBS(phosphate buffer saline) 또는 CB(carbonate-bicarbonate) buffer에서 50~ 60 온도로 가열하여 10~20% 농도로 녹인다. 녹은 gelatin 용액에 methacrylic anhydride를 서서히 가해주어 1~3시간 반응을 통해 GelMA를 얻는다. Gelatin과 methacrylic anhydride의 반응 몰비와 pH(7~9) 유지를 통해 GelMA의 치환도(degree of substitution)를 조절할 수 있다. 여기서 기억해야 할 점은 methacrylic anhydride은 물에 섞이지 않지만 양쪽성 성질을 갖는 고농도(10% 이상)의 gelatin 용액 속에서는 잘 분산되어 gelatin과 반응을 하게 되는데 동시에 물에 의해 빠르게 가수분해된다. 가수분해 산물인 methacrylic acid는 반응 용액의 pH를 낮추어 gelatin의 lysine 그룹들을 protonation시켜 더 이상 methacrylic anhydride와의 정반응으로 진행되지 않게 함으로 pH를 7 이상으로 유지하는 것이 중요하다. 최근에 개발된 GelMA one-pot 반응은 CB buffer를 사용하여 반응을 최적화하였다[4~5]. 최적화된 one-pot GelMA 합성 조건은 0.25M CB buffer, pH 9, 35~50oC, 1시간의 반응시간이다.



치환도 결정: GelMA는 치환도에 따라 광경화에 따른 GelMA 수화젤의 기계적 물성과 생분해성이 달라지게 때문에 치환도를 정확하게 산출하는 것이 중요하다. GelMA는 보통 gelatin의 lysine과 hydroxylysine의 아민그룹(NH2)이 methacrylic anhydride와 반응하여 얻은 gelatin methacrylamide이 주류를 이루지만 과량의 methacrylic anhydride를 사용할 경우 gelatin의 수산화기(OH)를 갖는 아미노산들(예, hydroxyproline, serine 등)과 반응하여 gelatin methacrylate를 추가적으로 형성한다. Gelatin methacrylamide는 TNBS(2,4,6-trinitrobenzensulphonic acid) 시약을 통해 정확하게 아민그룹이 치환된 정도를 알 수 있다. 한편 gelatin methacrylate의 치환도는 Fe(III)-hydroxamic acid 분석 방법을 통해 정확하게 알 수 있다[6]. 핵자기공명스펙트럼을 통해서도 gelatin methacrylamide와 gelatin methacrylate의 치환도를 산출할 수 있다[7]. Methacrylate의 1H는 특별히 6.1ppm에서 특성 피크를 나타내고 다른 하나의 1H methacrylate와 methacrylamide의 1H은 5.7ppm부근 에서 특성 피크를 동시에 나타내기 때문에 내부표준[예, D2O에 녹인 TMSP(trimethylsilylpropanoic acid)]을 통해 각각의 치환도[gelatin metacrylate과 gelatin methacryloyl (gelatin methacrylate과 gelatin methacrylamide)를 decoupling할 수 있다. 최근 보고에 의하면 5.5ppm에서 보이는 특성 피크들은 다른 하나의 1H methacrylamide와 methacrylate된 hydroxyproline의 ?-C에 위치한 1H로 기인함을 알 수 있어 치환도 계산에서 배제되었다. 보통GelMA 치환도는25~125%로 조절될 수 있다. 치환도에 따라 GelMA의 기계적 강도와 분해 특성은 영향을 받게 된다. GelMA의 치환도가 높을 수록 수화젤의 기계적 강도가 증가하나 분해 속도는 지연된다.



수화젤: GelMA 수화젤은 보통 5~30% 농도에서 개시제의 존재하에 빛의 조사로 만들어진다[2]. 빛의 파장과 세기는 개시제의 종류에 따라 달라질 수 있다. 대표적인 개시제로는 I2959[2-hydroxy-4′-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone]이 있으며 보통 0.1~1% 농도로 준비하여 UV 365nm 파장하에서 1~100 mW/cm2 세기로 1~10분 정도 조사하면 GelMA 수화젤을 얻을 수 있다. 세포를 수화젤에 캡슐화할 경우에는 개시제와 개시제로 인해 생성된 라디칼 그리고 UV 빛이 세포의 생존 능력에 영향을 줄 수 있어 좋은 생체적합성을 위해 시스템별로 광경화 조건들을 최적화해야 한다. 최근 GelMA 수화젤을 UV보다 안전한 가시광선에서 경화되는 시스템으로 제조한 보고들이 있다[8]. 가시광선으로 개시되는 대표적인 개시제는 LAP(lithum acylphosphinate salt)와 Eosin Y 등이 있다.



응용: 초기의 GelMA 응용은 삼차원 세포 캡슐화에 집중되어왔는데 미세제조 기술(microfabrication)의 발달과 함께 미세유체공학(microfluidics), 바이오프린팅(bioprinting) 등 다양한 영역으로 응용이 확대되고 있다[1, 2]. 미세유체공학 기술을 활용하여 세포를 GelMA 수화젤에 정밀하게 캡슐화시킬 수도 있다. 미세콜로이드 템플레이팅 기술을 활용하여 만든 삼차원 GelMA 스캐폴드는 삼차원으로 서로 연결된 균일한 기공을 가지고 있어 유사조직체(tissue analogue/organoid) 배양 재료로서 활용이 기대된다[9]. GelMA를 전기방사하여 만든 미세섬유 스캐폴드는 상처치료에 응용되기도 한다[10]. 그리고 GelMA는 광경화성 특성과 shear thinning 거동 그리고 온도감응 특성으로 인해 바이오잉크(bioink)의 주재료로서 바이오프린팅에 널리 활용되고 있다. 또한 GelMA는 수용액상에서 다양한 물질들[인산칼슘, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀옥사이드(graphene oxide) 등]과 좋은 혼합 특성이 있어 다양한 기능들(뼈전도성, 전기전도성 등)을 추가로 제공해주는 복합체를 형성한다. 예를 들면 뼈의 주성분인 하드록시아파타이트(hydroxyapatite)와 혼합한 GelMA 혼합체는 골 재생 재료로 활용된다. 전도성 카본나노튜브와 그래핀옥사이드를 GelMA와 혼합 시 GelMA 복합체는 전기적 특성이 향상되어 심근 재생 재료로 유용할 수 있다. 현재 GelMA 관련 여러 생체내 실험들이 이루어지고 있어 GelMA는 임상으로 가기 전 단계로 볼 수 있다. GelMA로 만들어진 섬유성 삼차원 스캐폴드는 수분 유지, 강도, 탄성, 분해 특성에서 조절이 가능하며 생체내에서 세포부착, 이주, 그리고 나아가 피부재생에 좋은 효과를 보였다[10]. GelMA로 만들어진 조직 접착제(adhesives)/조직 밀폐제(sealants)는 탁월한 기계적 물성과 접착 성능을 가지고 있어 폐와 같은 장기의 누수 방지에 쓰이며 봉합수술보다 편리하다[11]. GelMA 접착제는 피브린(fibrin)과 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol) 기반 접착재료들과 비교하여 우수한 성능과 상처치료 효과가 있음이 보고되었다. 그리고 GelMA는 methacryloyl tropoelastin과 항균 펩타이드(Tet213)와 함께 하여 스프레이 형태의 접착제로 활용된다. GelMA 기반 스프레이는 가시광선하에서 수화젤을 형성하며 좋은 생체적합성, 탄성, 항균 특성을 보였다[8].





그림 1. Gelatin methacryloyl의 특성, NMR 특성 피크, 그리고 GelMA를 활용한 응용 예(삼차원 inverted colloidal crystal(ICC) 스캐폴드와 세포배양[9], 항균성 GelMA 스프레이의 상처 치료 밀폐제로서의 응용[8], 전기방사된 GelMA 나노섬유의 상처치료 스캐폴드로서의 응용[10])



3. 결론

Gelatin methacryloyl(GelMA)은 단백질 고유의 생체적합성과 광경화에 따른 기계적 물성을 자유롭게 조절이 가능한 이상적인 공학적인 단백질 유도체이다. 이런 GelMA의 생물활성과 조절 가능한 물리적 특성과 더불어 제조가 용이하고 저렴한 제조 단가로 인해 GelMA는 삼차원 스캐폴드, 수술용 접착제 등 다양하게 생체 내외의 응용연구에 사용되고 있다. 현재 GelMA는 시그마알드리치, 알라딘, 그리고 여러 바이오프린팅 회사(BioBots, Cellink 등)에서 판매되고 있다. Gelatin으로 만든 약물 캡슐은 이미 오래전에 FDA에서 승인을 받아 제약분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 재생의약용으로 쓰이는 collagen과 gelatin의 시장규모는 2022년까지 7억 달러를 넘어설 것으로 예상하고 있다[12]. 조만간 GelMA는 FDA의 승인을 받아 재생의약 재료로서 널리 사용될 것을 기대하게 된다.





References

1. Khademhosseini A et al, Synthesis, properties, and biomedical application of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels, Biomaterials, 73 (2015) 254-271.

2. Klotz B.J. et al, Gelatin-Methacryloyl Hydrogels: Towards Biofabrication-Based Tissue Repair, Trends Biotechnol, 34(5) (2016) 394-407.

3. Van Den Bulcke Al et al, Structural and Rheological Properties of Methacrylamide Modified Gelatin Hydrogels, Biomacromolecules, 1 (2000) 31-38.

4. Lee, B.H. et al, Efficient and controllable synthesis of highly substituted gelatin methacrylamide for mechanically stiff hydrogels, RSC Adv. 5(128) (2015) 106094-106097.

5. Shirahama H. et al, Precise Tuning of Facile One-Pot Gelatin Methacryloyl (GelMA) Synthesis, Sci Rep 6 (2016) 31036.

6. Yue K. et al, Structural analysis of photocrosslinkable methacryloyl-modified protein derivatives, Bio-materials, 139 (2017) 163-171.

7. Claaßen, C. et al, Quantification of Substitution of Gelatin Methacryloyl: Best Practice and Current Pitfalls, Biomacromolecules, 19(1) (2018) 42-52.

8. Annabi N. et al, Engineering a sprayable and elastic hydrogel adhesive with antimicrobial properties for wound healing, Biomaterials, 139 (2017) 229-243.

9. Lee, B.H. et al, Colloidal templating of highly ordered gelatin methacryloyl-based hydrogel platforms for three-dimensional tissue analogues, NPG Asia Materials, 9(7) (2017) e412.

10. Zhao, X. et al, Cell infiltrative hydrogel fibrous scaffolds for accelerated wound healing, Biommaterials, 49 (2017) 66-77.

11. Assmann, A. et al, A highly adhesive and naturally derived sealant, Biomaterials, 140 (2017) 115-127.

12. Collagen and Gelatin Market for Regenerative Medicine - Global Opportunity Analysis and Industry Forecast (2017-2022), Research and Markets, (2017) ID:4433448.
출처 KOSEN-코센리포트
URL http://www.kosen21.org/info/kosenReport/reportView.do?articleSeq=REPORT_0000000000822