[논문 리뷰] Synthesis, characterization, and biological evaluation of gelatin-based scaffolds

Giuseppe Tronci|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 09.

Electrospun Nanofibers in Biomedical Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 거품 시스템에서 다이이소시아네이트를 이용한 공유결합을 통해 고분자 기반 지질소포를 합성하고 특성화한 것으로, 조절 가능한 다孔도(65–73 vol.%)와 기공 크기(117–166 μm)를 달성하였다. 이 소재들은 형상 복구, 통제된 분해 및 완전한 세포친화성을 보였으며, 기계적 안정성과 낮은 면역원성으로 인해 뼈 재생 응용 분야에서 매우 큰 잠재력을 보였다.

ABSTRACT

This thesis presents the development of entropy-elastic gelatin based networks in the form of films or scaffolds. The materials have good prospects for biomedical applications, especially in the context of bone regeneration. Entropy-elastic gelatin based hydrogel films with varying crosslinking densities were prepared with tailored mechanical properties. Gelatin was covalently crosslinked in water above its sol gel transition, which suppressed the gelatin chain helicity. Amorphous films were prepared with tailorable degrees of swelling and wet state Young's modulus. The knowledge gained with this bulk material was transferred to the integrated process of foaming and crosslinking to obtain porous gelatin-based scaffolds. A gelatin solution was foamed in the presence of saponin and the resulting foam was fixed by chemical crosslinking with a diisocyanate. The scaffolds were analyzed in the dry state by micro computed tomography (μCT, porosity: 65\pm 11-73\pm 14 vol.-%), and scanning electron microscopy (SEM, pore size: 117\pm 28-166 \pm 32 μm). After equilibration with water, the scaffolds were form-stable and displayed shape recovery after removal of mechanical loads. The composition dependent compression moduli (Ec: 10 50 kPa) were comparable to the bulk micromechanical Young's moduli, which were measured by atomic force microscopy (AFM). The hydrolytic degradation profile could be adjusted, and a controlled decrease of mechanical properties was observed. The scaffold cytotoxicity and immunologic responses were analyzed in vitro. Indirect eluate tests were carried out with L929 cells so that fully cytocompatible scaffolds were obtained. Furthermore, the material immune response was investigated in vitro. Minimal material endotoxin contamination was successfully achieved (<0.5 EU/mL) by using low-endotoxin gelatin and performing all synthetic steps in cleanroom.

연구 동기 및 목표

• 생물의학적 응용, 특히 뼈 재생을 위한 엔트로피 탄성 지질소포 기반 수화젤 네트워크를 개발하기 위해.
• 거품화 및 화학적 교차결합을 통해 다공도와 기공 크기를 조절할 수 있는 다공성 소재를 설계하기 위해.
• 저내독소 지질소포와 클린룸 합성을 통해 세포친화성과 최소한의 면역반응을 확보하기 위해.
• 교차결합 밀도를 조절하여 기계적 성질를 맞춤형으로 조절하고, 형상 복구 및 분해 프로파일을 평가하기 위해.
• in vitro 및 in vivo 시험에 적합한 확장 가능한 생체적합성 소재 시스템을 수립하기 위해.

제안 방법

• 지질소포를 수용액에서 용해-점성 전이 온도 이상에서 다이이소시아네이트를 이용해 공유결합하여, 나선구조 억제 및 엔트로피 탄성 네트워크 형성.
• 안정적인 거품 원료를 형성하기 위해 사포닌을 계면활성제로 사용한 거품화 공정을 시행하여 다공성 소재 제조.
• 교차결합을 통해 거품을 화학적으로 고정한 후, 건조 및 다공도 및 형태학적 특성 분석을 위해 마이크로-CT 및 SEM을 이용한 특성화.
• 압축 시험 및 원자력 현미경(AFM)을 이용해 건조 및 습윤 상태에서 기계적 성질을 정량화하여, 엥겔라스 모odulus 및 압축 모odulus 측정.
• L929 섬유아세포를 이용한 간접 염출액 테스트를 통해 세균독성 평가 및 내독소 수준 분 析을 통한 면역원성 평가.
• 수분 조건에서 기계적 성질의 감소를 평가하기 위해 기계적 성질의 감쇠를 모니터링하며 분해 거동 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지질소포를 거품 시스템에서 공유결합함으로써 조직공학에 적합한 조절 가능한 다공도와 기공 크기를 가진 다공성 소재를 제조할 수 있는가?
• RQ2 교차결합 밀도와 기계적 성능(예: 엥겔라스 모odulus 및 압축 모odulus) 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 제조된 소재들이 수화 조건에서 형상 복구 및 형상 안정성을 보이는가?
• RQ4 소재들이 세포 생존율을 얼마나 잘 지원하며, 면역원성 반응은 최소화되는가?
• RQ5 소재의 분해 프로파일을 조직 재생 스케줄에 맞게 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 마이크로-CT 및 SEM으로 확인된 바, 소재의 다공도 범위는 65±11에서 73±14 vol.%이며, 기공 크기는 117±28에서 166±32 μm 사이였다.
• 수화 후, 기계적 하중에 의해 변형된 후 소재들이 완전한 형상 복구를 보이며 안정성을 유지함으로써 강력한 탄성 거동을 나타내었다.
• 압축 모odulus(Ec)는 10에서 50 kPa 사이로 변동하였으며, 원자력 현미경으로 확보한 거시적 미세기계적 측정 결과와 매우 유사하였다.
• 소재들은 통제된 수분 분해를 보이며, 시간이 지남에 따라 기계적 성질이 점진적으로 감소하는 경향을 보였다.
• L929 세포를 이용한 세균독성 테스트를 통해 간접 염출액 분석을 통해 완전한 세포친화성이 확인되었다.
• 내독소 수준은 0.5 EU/mL 이하로 안정적으로 유지되어, 저내독소 지질소포와 클린룸 합성 덕분에 낮은 면역원성 잠재성을 보였다.