Thermo-responsive hydrogels consisted of methylcellulose (MC) and xanthan gum (XT) could be used as an injectable reparing material to regenerate bone defect. In this study, the hydrogel containing xenogenic bone graft materials (BGM) was investigated for enhancement of bone defect regeneration in vivo. MC-XT aqueous solution containing BGM exhibited sol-to-gel transition at physiological temperature. In a cranial defect animal model studies, the hydrogel containing BGM improved the bone regeneration significantly in comparision with the untreated group and the hydrogel only group. As shown in the result of micro-CT and immunohistochemical staining, newly formed bone tissues were clearly observed at 4 weeks post-treatment in the hydrogel containing BGM group. The results indicate that the thermoresponsive MC-XT hydrogel containing BGM was an useful injectable material for bone defect regeneration in vivo.

골 재생을 유도하기 위해 주사가 가능한 메틸셀룰로스(methylcellulose, MC)와 잔탄검(xanthan gum, XT)으로 구성된 온도감응형 하이드로젤을 제조하였다. 본 연구에서는 생체 내에서 골 결손 재생을 향상시키기 위해 골 이식재(BGM)가 포함된 하이드로젤을 연구하였다. BGM이 함유된 MC-XT 수용액은 생리학적 온도에서 졸-젤 전이를 보였다. 두개골 결손 동물 모델 연구에서, BGM을 함유한 하이드로젤은 무처치 그룹 및 하이드로젤만 처리한 그룹과 비교하였을 때 뼈 재생을 상당히 개선시켰다. Micro-CT 및 조직학적 결과에서 볼 수 있듯이, BGM을 포함한 하이드로젤에서는 치료 4주 후에 새로 형성된 골조직이 분명하게 관찰되었다. 결론적으로 BGM을 함유한 온도감응형 MC-XT 하이드로젤은 생체 내에 골 결손 재생을 위한 유용한 주사 물질임을 확인하였다.

Keywords: xenogenic bone graft material, methylcellulose, thermo-responsive, sol-gel, bone regeneration

골이식은 각종 골재건술(reconstructive orthopedic surgery) 및 치과용 임플란트 시술에 매우 다양한 분야에서 광범위하게 이용범위가 늘어가고 있는 추세이다. 가장 이상적인 골이 식재로 자가골은 채취 시 부가적인 수술이 필요하며, 채취 부위의 통증, 골 채취량의 제한 등의 문제점을 가지고 있어 자가골을 대체할 수 있는 동종골, 이종골 및 합성골 이식재에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.¹ 이종골은 소나 돼지 등의 다른 종의 동물에서 골을 채취한 후 동결건조, 탈회 동결건조, 그리고 방사선 조사 및 열 멸균 등을 거쳐 골전도 능력을 기대하는 골 이식재(BGM, xenogenic bone graft materials)이다. 이러한 골 이색재를 손쉽게 사용하기 위해 지지체, 스캐폴더, 하이드로젤에 적용시켜 활용되고 있다. 그러나 사용 부위에 따라 물성과 형태 조절이 자유롭지 않은 한계점을 가지고 있다. 최근, 졸(sol)-젤(gel) 전이 거동을 보이는 온도감응형 창상피복재가 제품화되고 있다. 제네웰의 Guardix-SG와 CG-Bio의 Mediclore 제품으로 poloxamer에 알지네이트를 첨가시킨 것과 poloxamer에 젤라틴과 키토산을 첨가시킨 졸의 형태로 유착방지제에 활용되고 있다. 온도 감응형 소재는 스마트한 생체재료로 다양한 응용분야에서 활용할 수 있다. 유동성 액체인 졸 상태에서 체내로 주입하면 고형 젤을 형성하는 온도감응성 젤은 복잡하고 불규칙적 형태의 3차원적 공간에 기능적이고 심미적인 조직재생을 위해 주입형 적용이 가능하다.² 졸-젤 전이가 일어나는 고분자로 poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) 기반 공중합체와 poly(ethylene glycol)(PEG) 기반 블록공중합체로 나눌 수 있다.^3,4 하지만, 우수한 온도감응성 및 광범위한 응용성에도 불구하고 비분해성과 세포 독성이라는 본질적인 문제로 인해 생체재료로 활용에 제한이 있다. 천연고분자인 알지네이트, 셀롤로오스, 히알루론산, 덱스트란 등은 생체 적합성과 생분해성이 뛰어나지만 온도 감응성의 고분자로 전환하기 위해 dihydrazide, carbohydrazide, butanediol digly-cidylether 등의 다양한 가교결합제를 사용하고 있다.^5.6
그러나 methylcellulose(MC)의 경우 염의 농도, 분자량 그리고 고분자의 농도에 따라 수초 내에 상전이가 되는 졸-젤고분자로 사용이 가능하다.⁷ 의약품에 다양하게 활용되고 있는 MC는 약물의 담지체 및 스캐폴더 등 생체 내 활용가능한 소재로 쓰이고 있다. 특히, 섬유아세포에 부착 및 증식성, 세포적합성이 높은 소재이며 골 형성 세포 MC-3T3에 처리했을 때 골 형성에 도움을 주는 연구결과가 있다.^8,9
Xanthan gum(XG)은 cellulose와 같이 박테리아 발효에 의해 생산되는 생체적합성과 생분해성이 가능한 음이온 다당으로 낮은 온도에서는 규칙적이고 단단한 이중나선 스트랜스 구조와 고온에서는 무질서하고 유연한 코일 구조의 두가지의 다른 형태 성질을 가진다. MC와 XT의 혼합은 전단감소 및 낮은 점도의 특성을 보완해주어 주사가 가능한 하이드로젤이 형성되어 의료용 소재로 많은 연구가 되어 있다. 이러한 특성을 적용하여 BGM을 적용시킨 주사가 가능한 하이드로젤을 개발하고자 한다. 이전 연구에서 MC조성 온도감응성 유착방지제를 개발했었으며 독성이 없고 한 달 이상 유착방지막의 역할을 하는 것을 관찰하였다.¹⁰ 본 연구에서는 골 재건 및 재생을 유도할 때 사용되는 BGM을 온도감응의 성질을 가진 MC/XT 조성에 첨가시켜 BGM이 함유된 수용액(졸)을 제조 후, 골 손상 부위에 처리하여 골 재생률을 확인하고 골재생 의료 소재로 활용가능성을 평가하고자 한다.