Synthesis and Characterization of Organic-Inorganic Hybrid Scaffolds Based on Biomineralization Technology

Abstract

자연골 형성 기전과 유사한 방법인 바이오미네랄리제이션 (Biomineralization)을 이용해 새로운 개념의 경조직 재생용 유무기 하이브리드 스캐폴드를 제작하였다. 첫 단계로 바이오미네랄리제이션에 의해 무기 아파타이트 결정핵 형성 및 성장을 유도하는 음이온성 phosphonic acid 기능기가 도입된 PEG 계 삼차원 하이드로젤을 합성하였다. 유무기 하이브리드 스캐폴드는 urea 가 존재하는 hydroxyapatite 의 산성(pH 2.5) 수용액에서 하이드로젤을 팽윤시킨 후 상온에서 90℃까지 승온시키는 과정에서 하이드로젤 표면 및 내부에서 아파타이트 결정이 침적되는 바이오미네랄리제이션 과정을 통해 제조되었다. 본 연구에서는 자연골 형성시 아파타이트 형성을 유도하는 유기질 기능이 모사된 하이드로젤 스캐폴드를 음이온성 아파타이트 nucleator 를 도입함으로써 제조하였다. 바이오미네랄리제이션 기법을 통해 자연골의 생성원리를 모사하여 유무기 하이브리드 인공골을 제조할 수 있었다.; A novel route to organic-inorganic composites was described based on the biomineralization of poly ethylene glycol (PEG)-based hydrogels. The 3-dimensional hydrogels were synthesized by radical cross-linking polymerization of poly ethylene glycol fumarate (PEGF) in the presence of ethylene glycol methacrylate phosphate (EGMP) as an apatite-nuclating monomer, acrylamide (AAm) as a composition-modulating comonomer, and potassium persulfate (PPS) as a radical initiator. The urea-mediated solution precipitation technique has been employed for biomineralization of hydrogels. The apatite grown on the surface and interior of the hydrogel was similar to the composition and crystalline structure of the biological apatites. Powder X-ray diffraction (XRD) analysis showed that the calcium phosphate crystalline platelets on hydrogels are preferentially aligned along the crystallographic C-axis direction. Inductively-coupled plasma mass spectroscopic (ICP-MS) analysis showed that the Ca/P molar ratio of apatites grown on the hydrogel template was 1.60, which is identical to that of natural bones. In vitro cell experiments showed that the cell adhesion/proliferation on the mineralized hydrogel was more pronounced than on the pure polymer hydrogel.