초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 골 형성인자 BMP-2와 더불어 혈관생성인자 VEGF를 포함하는 다중성장인자 전달시스템을 통해 개별 성장인자가 시간에 따라 각기 다른 농도로 방출되게 조절(temporally controlled release)함으로서 골수(bone marrow) 내 미분화 줄기세포와 분화된 혈관내피세포들을 적절하게 자극할 수 있는 전달체 연구를 수행하였으며, 또한 이러한 전달체와 세포원을 함께 담지할 수 있는 세포외 기질 펩타이드를 활용한 생체모방 삼차원 하이드로겔 개발을 병행하였음. 이를 위해 전기전하방식

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 골 형성인자 BMP-2와 더불어 혈관생성인자 VEGF를 포함하는 다중성장인자 전달시스템을 통해 개별 성장인자가 시간에 따라 각기 다른 농도로 방출되게 조절(temporally controlled release)함으로서 골수(bone marrow) 내 미분화 줄기세포와 분화된 혈관내피세포들을 적절하게 자극할 수 있는 전달체 연구를 수행하였으며, 또한 이러한 전달체와 세포원을 함께 담지할 수 있는 세포외 기질 펩타이드를 활용한 생체모방 삼차원 하이드로겔 개발을 병행하였음. 이를 위해 전기전하방식을 이용한 다중성장인자(BMP-2/VEGF) 전달용 코어-쉘 마이크로캡슐을 제조하여 시간차 방출 프로파일을 검증한 후 in vitro 조건 및 in vivo 골 결손 동물모델에 적용하여, 마이크로캡슐의 성체줄기세포 골 분화유도가 가능하고 또한 실제 골 결손 부위의 재생능이 단일성장인자 그룹에 비해 우수함을 확인함. 그리고 펩타이드 기반 기능성 하이드로젤을 제조하여 성장 인자의 방출패턴을 분석하여 골수줄기세포의 골 분화능 촉진을 평가하였음.

연구결과
1차년도
•전기적하(electro-dropping) 시스템 및 마이크로캡슐 제조를 위한 동축 시스템 구축
•마이크로캡슐 내 복수성장인자 담지 및 방출패턴 평가 : 4주간 시간차를 둔 서방출 패턴 확인
•Layer-by-layer (LBL) 방식을 활용한 방출 조절 : 성장인자 방출 지연 효과
•생분해성 펩타이드 기반 하이드로젤의 제작 및 줄기세포의 골분화 테스트
•PNIPAM based nanogel 제작 및 크기 조절 : 나노젤의 표면개질 및 하이드로겔과의 결합
•천연고분자 기반 나노 섬유 제작 및 크기 조절 : BMP-2가 담지된 콜라젠 나노섬유

2차년도
•코어-쉘 마이크로캡슐내 단백질 분포 이미징 및 AFM을 이용한 형태학적 분석 : (size distribution, zeta potentials, roughness)
•혈관생성인자 담지 마이크로캡슐의 angiogenic activity 평가 : vessel sprouting 정량
•동물모델 피하이식된 복합체로부터 골 미네랄 형성 및 신생혈관 형성 분석
•생분해성 펩타이드 기반 하이드로젤의 제작 및 줄기세포의 골분화 테스트
•PNIPAM 나노젤을 기반으로 하는 나노 입자가 내장된 나노젤 제작.
•다공성 크기 및 가교 정도 조절을 고려한 천연고분자 기반 의료용 나노 섬유 제작

3차년도
•마이크로캡슐 제조를 위한 동축(co-axial needle) 시스템 조건 최적화 :　알지네이트 농도 1wt%, 전기전압 11kV, flow rate 50μL/min
•성장인자 VEGF와 BMP-2 담지 마이크로캡슐의 방출 패턴 평가: (28일 서방출 패턴 최적화)
•최적화된 코어-쉘 마이크캡슐의 in vitro 골 분화 형성 (calcium contents & ALP activity)
•마이크로캡슐 및 하이드로젤의 쥐의 두개골 결손 이식을 통한 골 재생 및 신생혈관형성 검증
•펩타이드 기반 기능성 하이드로겔을 이용한 방출 시스템 최적화 및 골 분화능 평가

연구결과의 활용계획
- 골 형성 및 혈관생성에 필수적인 BMP-2와 VEGF를 동시에 담지한 형태의 전달 시스템은 각각의 성장인자의 방출속도를 시간적으로 조절함으로서 골수줄기세포의 분화 효율을 높일 수 있음
- 성장인자의 방출 타이밍에 따라 골수줄기세포 및 혈관내피세포가 어떤 방식으로 반응하여 특정세포로의 분화 및 신생혈관생성이 진행되는지에 대한 이해가 가능할 것이며 또한 기존 방출시스템과의 차이점에 대한 규명이 가능함
- 다중성장인자와 골수줄기세포 및 혈관내피세포의 공배양 개념을 활용하여 신생 골 조직 내 혈관 생성율을 크게 개선이 가능함

Abstract ▼

Purpose&contents
It is widely believed that temporally and/or spatially controlled release systems of multiple growth factors are definitely required. Therefore, in this study, our goal is to develop a dual growth factor delivery system that could control the release kinetics of BMP-2 (bone forma

Purpose&contents
It is widely believed that temporally and/or spatially controlled release systems of multiple growth factors are definitely required. Therefore, in this study, our goal is to develop a dual growth factor delivery system that could control the release kinetics of BMP-2 (bone formation) and VEGF (angiogenesis) for bone regeneration by using core/shell microcapsules consisting of natural and synthetic materials. Additionally, the core/shell microcapsules will be complexed with biomimetic peptide hydrogels delivering bone marrow mesenchymal stromal cells (BMSCs) and endothelial cells (EC) to maximize efficacy of bone regeneration and angiogenesis from hydrogel composites.

Result
1st year
• Fabrication of microcapsules with a core-shell structure using natural or synthetic polymers for delivery of dual growth factors (BMP-2/VEGF)
• Evaluation of a release profile of the encapsulated growth factor with time
• Control of release kinetics of growth factors from microcapsules: Part I
: Layer-by-layer (LBL) technology/Polymer molecular weight or viscosity control
• Fabrication of hydrogel modified with enzymatic degradable and cell adhesive peptides (Peptide based hydrogels mimicking ECM)
: Evaluation of mechanical properties and degradation time

2nd year
• Control of release kinetics of growth factors from microcapsules: Part I
: Incorporation of heparin into microcapsules
• Evaluation of spatial release patterns of dual growth factors from microcapsules
• Evaluation of peptide based materials encapsulating bone marrow stromal cells (BMSCs): Cell viability, proliferation and osteogenic differentiation
• Complexation of dual growth factor delivery microcapsules with peptide based hydrogels ⇒ Biomimetic functional composites
: Incorporation of microcapsules into hydrogels with various composition
: Release profiles of growth factors from biomimetic functional composites
: In vitro test(cell viability, proliferation, osteogenic differentiation, angiogenesis)

3rd year
• Optimization of biomimetic functional composites
: Variation of growth factor concentration and release kinetics
: Properties and degradation of biomimetic functional composites
• Evaluation of new bone formation and angiogenesis from the composite of biomimetic hydrogel and microcapsule in nude mouse and animal models with bone defects

Expected Contribution
• The dual delivery systems developed for delivery of BMP-2 and VEGF in this study can lead to the improvement of osteogenic differentiation of BMSCs by systematically controlling the release kinetics of two different growth factors
• This study will enable us to understand the mechanism of stem cell differentiation depending on the release profiles of growth factors
• The combination of microcapsule and peptide hydrogel with BMSC and EC can significantly improve the vasculature in the new bone matrix.

목차 Contents

• 핵심연구사업 최종보고서 ... 1
• 목 차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 11
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 15
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 60
• 5. 연구 성과 목표 ... 61
• 6. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 61
• 7. 연구결과의 활용계획 ... 62
• 8. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 63
• 9. 참고문헌 ... 66
• 10. 연구성과 ... 67
• 11. 기타사항 ... 70
• 끝페이지 ... 86