Recently, in tissue engineering gellan gum as a polysaccharide composed of glucose, glutaric acid, and rhamnose is proposed as a substitute for cartilage regeneration applications. Silk fibroin has biocompatibility, biodegradability and excellent mechanical properties. In this work, to confirm the effect of silk fibroin on cartilage regeneration, hydrogel scaffolds were prepared by using 2 wt% silk fibroin (SF)/2 wt% gelln gum (GG) at weight ratio of 100/0, 70/30, and 50/50. The characterizations of scaffolds were implemented by FTIR, compressive strength, porosity, and SEM. Cell proliferation and gene expression were evaluated by MTT, bio-SEM, RT-PCR. As a result, SF50/GG50 scaffold was confirmed as an excellent scaffold for cartilage tissue regeneration.

최근 조직 공학에서 새로운 생체 재료로 관심을 받고 있는 젤란검은 포도당, 글루콘산, 람노스로 구성된 다당류로서 연골 조직 재생의 대체재로 각광받고 있다. 실크 피브로인은 생체적합성과 생분해성이 뛰어나며 우수한 기계적 특성을 갖고 있다. 본 실험은 실크 피브로인이 연골 재생에 미치는 영향을 확인하기 위해 2 wt% 젤란검 수용액에 2 wt% 실크 피브로인 수용액을 100/0, 70/50, 50/50 비율로 첨가하여 하이드로젤 지지체를 제조하였으며, 실크 피브로인 수용액이 다양한 함량으로 제작된 젤란검 하이드로젤 지지체의 물리적 특성을 알아보고자 압축강도, 다공도, FTIR 등을 실시하였고 연골 세포의 증식과 유전자 발현을 평가하기 위해 MTT, bio-SEM, RT-PCR을 실시한 결과 50/50 비율의 젤란검/실크 피브로인(GG/SF) 하이드로젤 지지체에서 높은 세포 증식률과 우수한 연골재생 효과를 확인하였다. 결과적으로 50/50 비율의 젤란검/실크 피브로인 하이드로젤 지지체가 연골 조직 재생에 긍정적으로 작용함을 확인하였다.

Keywords: gellan gum, silk fibroin, cartilage regeneration, hydrogel scaffold

연골은 단백질, 다당류 및 연골 세포로 구성된 조직으로 뼈와 뼈 사이에 완충작용을 하고, 관절에 유연성을 갖게 한다. 이러한 연골의 특징은 연골 세포와 조직적 기능을 활성화시키고, 기계적 하중으로부터 조직의 물리적 변형을 막는다. 연골에는 약 80%의 물과 기질로 구성되며 세포외 기질은 연골세포에 의해 유지된다. 연골 세포는 제 2형 콜라겐과 어그리칸을 생성하고, 관절 연골의 인장 및 압축 저항을 조절한다.¹ 연골은 다른 결합 조직과는 달리 한번 손상되거나 퇴화되면 재생이 어려운 조직이다. 현재 다양한 치료법들이 도입되고 있으나, 대부분 관절경술, 변연절제술, 미세골절술과 같은 기계적 기술을 이용한 방식을 활용하고 있어 조직 자체를 회복시키기 위한 방법이 필요하다.^2-4 이러한 대안으로 연골 조직공학에서 천연 및 합성 생체 재료에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있으며, 대표적인 생체재료로는 히알루론산, 젤라틴, 키토산, 피브린, 콜라겐, 폴리 에틸렌 옥사이드 등이 있다.^5-8
식품 산업 및 약물 전달을 위한 생물 의학 분야에서 광범위하게 사용되고 있는 젤란검(gellan gum, GG)은 포도당, 글루콘산, 람노스의 반복 단위로 구성된 선형 음이온 다당류로서 최근 조직 공학 분야에서 연골 재생을 위한 새로운 천연생체 재료로 관심을 받고 있다.⁹ 젤란검은 내열성, 내산성, 내효소성으로 우수한 특성뿐만 아니라, 리간드(reagent)를 이용하지 않고, 상온에서 젤화(gelation) 시킬 수 있어, 신체에 주입 시 면역 거부반응이 없고, 생분해가 가능하여 생체 조직 공학에서의 활용이 용이하다.¹⁰
젤란검 하이드로젤 지지체에 첨가된 실크 피브로인(silk fibroin, SF)은 누에로부터 얻어지는 천연 단백질로서, 생체적 합성 및 생분해성이 뛰어나고 염증반응이 낮으며 단백질 분해효소인 프로테아제(protease)에 민감하지 않아 기계적 강도를 유지하는 특징을 갖고 있다. 또한 세포 부착 및 성장을 촉진하는 역할을 하며 다양한 아미노산이 결합되어 있어 연골세포 성장에 영향을 준다고 알려져 있다.^11-16 최근 연골 조직공학 분야에서 실크 피브로인을 활용한 연구가 활발히 이루어지고 있으며 실크 피브로인의 낮은 생분해성으로 다른 생체 재료와 혼합하여 적절한 지지체 제조가 가능하다.^17-19
이에 본 연구에서는 젤란검에 함량별 실크 피브로인을 첨가한 젤란검/실크 피브로인(GG/SF) 하이드로젤 지지체를 제작하여 함량 별로 연골 재생 효과를 확인하였다.