Article
  • Fabrication of Composite Microfibers Using Polylactic Acid/Calcium Phosphate Sol for Bone Tissue Regeneration

  • Jung-Hee Lee, Yoon Soo Han*, Kyung Hye Jung*, and Young-Jin Kim†

  • Department of Biomedical Engineering, Daegu Catholic University, Gyeongsan 38430, Korea
    *Department of Advanced Materials and Chemical Engineering, Daegu Catholic University, Gyeongsan 38430, Korea

  • 폴리락틱산/칼슘포스페이트 졸을 이용한 골조직 재생용 복합 마이크로섬유의 제조

  • 이정희 · 한윤수* · 정경혜* · 김영진†

  • 대구가톨릭대학교 의공학과, *대구가톨릭대학교 신소재화학공학과

Abstract

The scaffolds for bone tissue regeneration are designed to function as an artificial extracellular matrix (ECM) to temporarily support cell attachment and guide three-dimensional tissue formation. In this study, composite microfiber scaffolds were prepared by electrospinning from polylactic acid (PLA)-calcium phosphate (CaP) sol blend solutions with various concentrations of CaP sol. The resulting composite microfibers exhibited three-dimensionally interconnected microporous structures, which mimicked the natural bone ECM. Although the average diameter of fibers was slightly decreased by the addition of CaP sol, the contact angles were markedly reduced from 107o to 70o. The results of cell viability tests demonstrated that PLCP15 containing 15 wt% of CaP promoted more rapid MC3T3-E1 proliferation compared with other composite microfibers. Moreover, PLCP15 effectively upregulated osteoblastic differentiation.


골조직 재생용 지지체는 세포의 부착과 3차원적인 조직재생을 유도하기 위해서 인공적인 세포외기질(extracellular matrix, ECM)로서 기능을 하도록 만들어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 폴리락틱산(polylactic acid, PLA)과 칼슘포스페이트(calcium phosphate, CaP) 졸을 이용하여 전기방사법과 열처리 방법으로 복합 마이크로섬유 지지체를 제조하였다. 제조된 복합 마이크로섬유는 3차원 네트워크 구조의 상호연결된 기공구조를 가지고 있었으며, 자연 상태 골조직의 ECM과 유사한 구조를 가지고 있었다. 복합 마이크로섬유에 도입된 CaP의 양이 많아질수록 섬유의 직경은 약간 줄어들었지만 물접촉각은 많이 낮아지는 것이 확인되었다. 복합 마이크로섬유의 조골세포 성장 및 분화에 미치는 영향을 조사한 결과 CaP의 도입량이 가장 많은 PLCP15에서 조골세포의 성장이 가장 촉진되었고, 또한 분화능도 가장 향상되었다는 것을 확인하였다.


Keywords: polylactic acid, calcium phosphate sol, composite microfiber, electrospinning, bone regeneration

서 론

뼈는 인체를 지탱하며 동작을 수행하는 기계적 기능 이외에도 체내의 칼슘 이온 농도를 조절하는 칼슘의 저장고 역할을 한다. 각종 질병, 사고, 노화 및 다른 생리적인 이유로 골결손부가 생기면 이들 골조직의 재생 및 기능 회복을 위해서 생분해성 지지체가 사용되어진다.1,2 골세포 및 골조직의 성장은 지지체의 특성에 많은 영향을 받으므로, 이들 지지체는 세포 부착과 3차원적인 조직 형성 유도에 도움을 줄 수 있는 세포외기질(extracellular matrix, ECM)과 유사한 기능을 하도록 설계되어져야 한다.3 따라서 이상적인 지지체는 자연 상태 골조직의 ECM과 구조 및 화학적으로 유사한 특성을 보여야 하고, 생체적합성과 골전도성을 가져야 하며, 특히 골조직의 재건 과정 동안에 천천히 흡수되도록 만들어지는 것이 중요하다.4
골조직 재생을 위한 지지체로 이용되는 다양한 생체재료 중에서 칼슘포스페이트(CaP)를 기반으로 하는 생체재료는 뛰어난 생체적합성과 생체활성(골전도성 및 골유도성)으로 인해서 많은 관심을 받고 있다.5 특히 CaP 및 이들의 복합재료는 골조직을 구성하고 있는 무기물과 화학 성분 및 특성이 유사하고, 살아있는 조직과의 화학적 결합도 가능하므로 다양한 의료 분야에서 사용되고 있으며, 특히 정형외과 및 치과 분야에서는 뼈의 대체물로서 주로 이용되고 있다.2 그러나 CaP 단독으로 만들어진 생체재료는 생의학적인 지지체로 사용하기에는 기계적 강도가 매우 낮고 쉽게 부서지는 문제점이 있다.
최근 CaP의 문제점을 보완하여 기계적 특성을 개선시킬 뿐만 아니라 골세포의 성장 및 분화를 촉진시키기 위해서 생분해성 고분자와 CaP를 이용한 복합 나노/마이크로섬유 지지체의 연구가 많이 시도되고 있다.2,4 이들 복합 나노/마이크로 섬유 지지체는 고분자와 무기물 입자를 블렌딩하는 방법, 유사생체용액(simulated body fluid, SBF)으로 코팅하는 방법 및 Ca-P 전구체 용액에 교차로 침적하는 방법 등으로 간단히 제조될 수 있다.6-8 이들 연구에 의하면 고분자 나노/마이크로섬유 표면에 도입된 많은 양의 무기물 성분이 세포의 부착과 성장을 촉진하였고, 특히 낮은 결정성을 가진 CaP가 높은 결정성을 가진 CaP에 비해서 더 뛰어난 세포 부착력을 보이는 것으로 확인되었다. 그러나 이들 복합 나노/마이크로섬유 지지체에 CaP 성분이 표면에만 한정적으로 도입되어 CaP 성분이 빠른 속도로 녹아나가거나, 고분자 용액에서의 CaP 입자의 분산성 저하로 인해 복합 나노/마이크로섬유의 표면에 고르게 도입되지 못하는 문제점이 있다. 따라서 장기적인 응용을 위해서는 CaP 성분이 표면뿐만 아니라 내부까지 고르게 분포되어 있는 복합 나노/마이크로섬유의 개발이 필요하다.
골조직의 빠른 재생을 위해서는 기계적인 지지체 역할과 세포의 성장 및 분화를 조절하여 최적의 미세환경을 제공할 수 있는 3차원 네트워크 구조의 조직공학용 지지체의 개발이 요구되어 지고 있다. 이를 위해서 다양한 고분자 소재와 무기물 소재가 사용되고 있으며 생체적합성이 우수한 대표적인 생분해성 고분자로는 폴리락틱산(polylactic acid, PLA), 폴리글리콜릭산(polyglycolic acid, PGA), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL) 등이 있다. 그러나 이들 고분자로 제조되어진 지지체의 경우 세포친화성이 부족하고 표면의 소수성으로 인해서 초기의 세포 부착 및 성장률이 낮다는 단점이 있다.9 따라서 본 연구에서는 고분자 나노/마이크로섬유의 골전도성과 골유도성을 개선하기 위해서 생분해성 고분자인 PLA와 CaP 졸(sol)을 이용하여 전기방사법과 열처리 방법으로 복합 마이크로섬유 지지체를 제조하였다. 제조된 복합 마이크로섬유는 표면뿐만 아니라 섬유의 내부에도 많은 양의 CaP가 도입되었기 때문에, CaP 졸의 사용량에 따른 복합 마이크로섬유의 표면형태 및 특성 변화에 대해서 조사하였다. 또한 도입된 CaP의 양이 세포 성장에 미치는 영향을 평가하였다.

References
  • 1. Amrita, A. Arora, P. Sharma, and D. S. Katti, Carbohydr. Polym., 123, 180 (2015).
  •  
  • 2. H. Zhang, Q. W. Fu, T. W. Sun, F. Chen, C. Qi, J. Wu, Z. Y. Cai, Q. R. Qian, and Y. J. Zhu, Colloid Surf. B: Biointerfaces, 136, 27 (2015).
  •  
  • 3. X. Liu, L. A. Smith, J. Hu, and P. X. Ma, Biomaterials, 30, 2252 (2009).
  •  
  • 4. B. M. Whited, J. R. Whitney, M. C. Hofmann, Y. Xu, and M. N. Rylander, Biomaterials, 32, 2294 (2011).
  •  
  • 5. M. G. Raucci, V. Guarino, and L. Ambrosio, Comp. Sci. Tech., 70, 1861 (2010).
  •  
  • 6. M. P. Prabhakaran, J. Venugopal, and S. Ramakrishna, Acta Biomater., 5, 2884 (2009).
  •  
  • 7. A. Mata, Y. Geng, K. J. Henrikson, C. Aparicio, S. R. Stock, R. L. Satcher, and S. I. Stupp, Biomaterials, 31, 6004 (2010).
  •  
  • 8. C. Dhand, S. T. Ong, N. Dwivedi, S. M. Diaz, J. R. Venugopal, B. Navaneethan, M. H. U. T. Fazil, S. Liu, V. Seitz, E. Wintermantel, R. W. Beuerman, S. Ramakrishna, N. K. Verma, and R. Lakshminarayanan, Biomaterials, 104, 323 (2016).
  •  
  • 9. D. E. Seo, S. I. Jeong, J. S. Park, H. J. Gwon, S. J. An, B. H. Lee, D. S. Im, H. Shin, and Y. M. Lim, Polym. Korea, 41, 143 (2017).
  •  
  • 10. T. Kokubo, Biomaterials, 12, 155 (1999).
  •  
  • 11. A. R. Unnithan, N. A. M. Barakat, P. B. T. Pichiah, G. Gnanasekaran, R. Nirmala, Y. S. Cha, C. H. Jung, M. El-Newehy, and H. Y. Kim, Carbohydr. Polym., 90, 1786 (2012).
  •  
  • 12. Z. Ma, F. Chen, Y. J. Zhu, T. Cui, and X. Y. Liu, J. Colloid Interf. Sci., 359, 371 (2011).
  •  
  • 13. F. Ye, H. Guo, H. Zhang, and X. He, Acta Biomater., 6, 2212 (2010).
  •  
  • 14. J. H. Wei, M. Yoshinari, S. Takemoto, M. Hattori, E. Kawada, B. L. Liu, and Y. Oda, J. Biomed. Mater. Res. Part B: Appl. Biomater., 81B, 66 (2007).
  •  
  • 15. F. Y. Yang, S. K. Both, X. Yang, X. F. Walboomers, and J. A. Jansen, Acta Biomater., 5, 3295 (2009).
  •  
  • 16. K. Fujimura, M. Okada, S. Takeda, and N. Matsumoto, Mater. Sci. Eng. C, 35, 259 (2014).
  •  
  • Polymer(Korea) 폴리머
  • Frequency : Bimonthly(odd)
    ISSN 0379-153X(Print)
    ISSN 2234-8077(Online)
    Abbr. Polym. Korea
  • 2022 Impact Factor : 0.4
  • Indexed in SCIE

This Article

  • 2018; 42(1): 99-105

    Published online Jan 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.1.99
  • Received on Jul 25, 2017
  • Revised on Aug 25, 2017
  • Accepted on Aug 28, 2017

Correspondence to

  • Young-Jin Kim

  • Department of Biomedical Engineering, Daegu Catholic University, Gyeongsan 38430, Korea

  • E-mail: yjkim@cu.ac.kr