[논문 리뷰] Fabrication and properties of L-arginine-doped PCL electrospun composite scaffolds

Semen Goreninskii, Evgeny Bolbasov외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 09.

Electrospun Nanofibers in Biomedical Applications참고 문헌 14인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 헥사플루오로-2-프로판올을 공통 용매로 사용하여 L-아르기닌 도핑된 폴리(ε-카프로락톤) (PCL) 전기장섬을 개발하였으며, L-아르기닌 농도를 증가시켜(0.5–1 wt.%), 섬유의 강도와 영률을 향상시키고, 유착성 및 생존율이 향상됨을 입증하였다. 섬유의 다공도와 수분 접촉 역학은 일정하게 유지되었으며, 생물학적 성능이 최적화된 농도는 0.5–1% L-아르기닌이었다.

ABSTRACT

The article describes fabrication and properties of composite fibrous scaffolds obtained by electrospinning of the solution of poly({\epsilon}-caprolactone) and arginine in common solvent. The influence of arginine content on structure, mechanical, surface and biological properties of the scaffolds was investigated. It was found that with an increase of arginine concentration diameter of the scaffold fibers was reduced, which was accompanied by an increase of scaffold strength and Young modulus. It was demonstrated that porosity and water contact angle of the scaffold are independent from arginine content. The best cell adhesion and viability was shown on scaffolds with arginine concentration from 0.5 to 1 % wt.

연구 동기 및 목표

• 심장혈관 조직공학을 위한 생분해성 L-아르기닌 도핑 PCL 복합재 섬유 기반 기초를 개발하기 위해.
• PCL와 L-아르기닌의 불화용매 문제를 해결하기 위해 헥사플루오로-2-프로판올을 공통 용매로 사용함으로써.
• 전기장섬 PCL 섬유의 구조적, 기계적, 표면적 및 생물학적 성질에 미치는 L-아르기닌 농도의 영향을 조사하기 위해.
• 섬유 기반의 기계적 안정성을 해치지 않으면서 세포의 유착성과 생존율을 향상시키는 최적의 L-아르기닌 농도를 규명하기 위해.
• 지속적인 질소산화물 방출 잠재력을 지닌 기능화된 생체활성 PCL 기반 섬유 기반 기초의 확장 가능한 제조 방법을 수립하기 위해.

제안 방법

• NANON-01 시스템을 사용하여 20 kV 전압, 2 mL/h 주입 속도, 150 mm 노즐-수집기 거리 조건에서 전기장섬 PCL/L-아르기닌 복합재 섬유 기반 기초를 제조하였다.
• PCL (Mw = 80 kDa)와 L-아르기닌 (≥99%)을 모두 용해하기 위해 헥사플루오로-2-프로판올을 공통 용매로 사용하였으며, 농도는 0, 0.1, 0.5, 1, 3, 7 wt.%로 설정하였다.
• 섬유의 형태 및 직경 분포는 스캐닝 전자현미경(SEM) 및 ImageJ 소프트웨어를 통해 분석하였다.
• 표면 습윤성은 액적 침강법을 이용한 수분 접촉 각도 측정(이지드롭, 크루스)을 통해 평가하였다.
• 표면에 L-아르기닌 존재 여부는 에탄올에 1% 니트린 용액을 사용하여 확인하였으며, 열적 거동은 DSC(20–120 °C)를 통해 분석하였다.
• 기계적 성질(영률, 인장강도, 연신율)은 10 mm/min 변형률 속도에서 일축 인장 시험(인스트론 3369)을 통해 측정하였다.
• 다공도는 액체 침투법을 사용하여 측정하였으며, 결정도는 공식 Xc = (∆Hm / ∆Hm⁰) × 100%를 이용하여 계산하였으며, 100% 결정성 PCL의 ∆Hm⁰는 135.5 J/g로 설정하였다.
• 생물학적 평가에는 MMSC의 세포 유착 및 생존율 검사가 포함되었으며, 통계 분석은 비모수적 크루스칼-워리스 및 맨-위트니 U 검정을 사용하였으며, 유의수준은 p < 0.05로 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PCL 전기장섬 용액에 L-아르기닌의 농도를 증가시킬 경우 섬유 직경과 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 L-아르기닌 도핑이 PCL 기반 기초의 기계적 성질(영률, 인장강도, 연신율)에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 L-아르기닌 농도가 기반 기초의 다공도 및 표면 습윤성(수분 접촉 각도)에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 PCL 기반 기초에서 유착성과 생존율을 최대화하는 최적의 L-아르기닌 농도는 무엇인가?
• RQ5 L-아르기닌 도핑이 복합 기반 기초의 열적 거동 및 결정도에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• L-아르기닌 농도를 0%에서 7% wt.로 증가시킴에 따라 평균 섬유 직경이 감소하였으며, 섬유 직경 분포는 双모달에서 단모달로 변화하였다.
• L-아르기닌 도핑에 따라 기반 기초의 영률이 유의미하게 증가하였으며, 7% 아르기닌에서 34 ± 3 MPa로 도달하였으며, 순수 PCL(18 ± 3 MPa) 대비 83% 증가하였다.
• 최대 인장강도(14 ± 1 MPa)는 1% L-아르기닌에서 관찰되었고, 연신율은 7%에서 가장 높았으며(176 ± 23%), 고도의 도핑 수준에서 연성 향상이 확인되었다.
• 모든 L-아르기닌 농도에서 다공도 및 수분 접촉 각도는 거의 변화하지 않았으며, 표면 에너지나 기반 기초의 구조적 변화가 없음을 시사하였다.
• 0.5% L-아르기닌에서 가장 많은 수의 유착된 유착성 줄기세포(107 ± 32 cells/mm²)와 향상된 생존율(71.6 ± 2.3%)이 관찰되었으며, 순수 PCL(52 ± 16 cells/mm²)에 비해 유착성이 유의미하게 향상되었다.
• 7% L-아르기닌에서 생존율은 50.0 ± 7.7%로 감소하였고, 세포자멸사율도 증가(27.6 ± 4.5%)하여 높은 농도에서 세포독성 현상이 관찰되어, 0.5–1% 범위가 최적의 범위임을 확인하였다.