[논문 리뷰] Fabrication and in vitro characterization of three-dimensional organic/inorganic scaffolds by robocasting

J. Russias, Eduardo Saiz외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 28.

Bone Tissue Engineering Materials참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 폴리락타이드 또는 폴리카프로락톤 매트릭스를 사용하여 하이드로옥시apatite(최대 70 wt%) 또는 생활성 유리가 포함된 3D 하이브리드 유기/무기 골격을 로보캐스팅한 결과를 보여주며, 제어 가능한 기공 크기(200–500 µm)를 달성하였다. 골격은 이방성 기계적 거동을 보이며, 낮은 취성과 함께 높은 스태미너스를 유지하며, 시뮬레이션 체액에서도 구조적 안정성을 유지한다. 생활성 유리가 포함된 골격은 20일 후에apatite 층을 형성한다.

ABSTRACT

A key issue for the fabrication of scaffolds for tissue engineering is the development of processing techniques flexible enough to produce materials with a wide spectrum of solubility (bioresorption rates) and mechanical properties matching those of calcified tissues. These techniques must also have the capability of generating adequate porosity to further serve as a framework for cell penetration, new bone formation, and subsequent remodeling. In this study, we show how hybrid organic/inorganic scaffolds with controlled microstructures can be built using robotic assisted deposition at room temperature. Polylactide or polycaprolactone scaffolds with pore sizes ranging between 200-500 μm and hydroxyapatite contents up to 70 wt % were fabricated. Compressive tests revealed an anisotropic behavior of the scaffolds, strongly dependent on their chemical composition. The inclusion of an inorganic component increased their stiffness but they were not brittle and could be easily machined even for ceramic contents up to 70 wt%. The mechanical properties of hybrid scaffolds did not degrade significantly after 20 days in simulated body fluid. However, the stiffness of pure polylactide scaffolds increased drastically due to polymer densification. Scaffolds containing bioactive glasses were also printed. After 20 days in simulated body fluid they developed an apatite layer on their surface.

연구 동기 및 목표

• 계산 조직에 맞는 기계적 성질과 다양한 생분해 속도를 가진 조직공학 골격을 제작할 수 있는 유연한 제조 기술을 개발하기 위해.
• 세포 침투와 새로운 뼈 형성에 적합한 충분한 기공을 가진 골격을 제작하는 데 도전하기 위해.
• 실온에서 로봇 기반 침착을 사용하여 제어 가능한 미세구조를 가진 하이브리드 골격을 제조하기 위해.
• 시뮬레이션 생리적 조건에서 골격의 기계적 안정성과 생활성도를 평가하기 위해.
• 무기 성분(하이드로옥시apatite, 생활성 유리)이 골격 성능 및 분해 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 실온에서 로봇 침착(로보캐스팅)을 사용하여 기하학적 형태와 기공도를 정밀하게 제어할 수 있는 3차원 골격을 제조하였다.
• 폴리락타이드(PLA) 또는 폴리카프로락톤(PCL)을 유기 매트릭스로 사용하였으며, 하이드로옥시apatite(최대 70 wt%) 또는 생활성 유리를 무기 성분으로 사용하였다.
• 세포 침투와 조직 성장 지원을 위해 기공 크기를 200–500 µm 범위에서 체계적으로 제어하였다.
• 압축 시험을 통해 조성 및 세라믹 함량에 따른 이방성과 기계적 스태미너스를 평가하였다.
• 20일간 시뮬레이션 체액(SBF)에서의 시험을 통해 구조적 안정성, 표면 반응성 및apatite 형성 여부를 평가하였다.
• 표면 분석 기법을 통해 생활성 유리가 포함된 골격에서 SBF 노출 후apatite 층 형성이 확인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로보캐스팅은 실온에서 기공 조절성과 제어 가능한 미세구조를 가진 3차원 하이브리드 골격을 제조할 수 있는가?
• RQ2 하이드로옥시apatite 또는 생활성 유리를 포함시키는 것은 유기/무기 골격의 기계적 성질과 이방성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 장기간 시뮬레이션 체액에 노출된 후 하이브리드 골격의 기계적 안정성은 어떠한가?
• RQ4 생활성 유리의 도입이 SBF에서 골격 표면에apatite 층 형성을 유도하는가?
• RQ5 폴리락타이드 순수 골격은 SBF에 침지된 후 고분자 밀도화로 인해 기계적 거동이 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 로보캐스팅을 통해 기공 크기 200–500 µm, 하이드로옥시apatite 함량 최대 70 wt%를 가진 3차원 골격을 제조할 수 있었다.
• 압축 시험 결과, 이방성 기계적 거동이 나타났으며, 무기 성분 함량 증가에 따라 기계적 스태미너스가 크게 향상되었지만, 취성은 낮고 기계가공이 가능했다.
• 70 wt% 하이드로옥시apatite를 포함한 골격은 시뮬레이션 체액에 20일 노출된 후에도 기계적 구조적 안정성을 유지하였으며, 뚜렷한 분해 현상은 관찰되지 않았다.
• 순수 폴리락타이드 골격은 SBF에 20일 침지된 후 고분자 밀도화로 인해 기계적 스태미너스가 급격히 증가하였다.
• 생활성 유리가 포함된 골격은 SBF 노출 후 20일 만에 표면에apatite 층을 형성하여 강한 생활성을 나타내었다.
• 20일간 SBF에 노출된 후 하이브리드 골격의 기계적 성질은 유의미하게 손상되지 않았으며, 장기적인 조직공학 응용 분야에서의 안정성을 확인하였다.