연골재생을 위한 생체적합 자가치유 하이드로젤 사용 3차원 바이오프린팅

Abstract

조직 및 장기의 재생이나 교체를 위한 3차원 프린팅에 있어서 생체재료 기반의 바이오 잉크를 개발하는 것은 매우 중요하다. 하지만 3차원 프린팅의 기법의 급속한 발달에 비해 실용적으로 사용되는, 프린팅이 가능한 생체재료의 수는 아직 많이 제한되어있다. 이러한 생체재료 기반의 바이오잉크를 개발할 때 바이오잉크의 유동 물성과 이 재료로 제작된 구조체의 기계적 물성이 이를 실용적으로 활용하는데 있어서 주요한 요인이 될 수 있다. 이 논문에서는 히알루론산 기반의 자가치유 하이드로젤을 추가적인 화학가교제 사용없이 천연물에서 유래한 다당류만을 사용하여 제조하였다. 제작된 자가치유 하이드로젤은 산화 히알루론산 용액과 아디프산이 첨가된 글리콜 키토산 용액의 단순한 혼합만으로 제조가 가능하였다. 산화 히알루론산의 알데히드 그룹과 글리콜 키토산의 아민 그룹이 결합된 imine 결합과, 아디프산과 산화 히알루론산의 알데히드 그룹 사이의 acylhydrazone 결합이 경쟁적으로 일어나며, 이를 통해 하이드로젤의 자가치유가 일어난 것으로 생각되었다. 사용된 고분자들의 농도와 분자량의 변화를 통해서 자가치유 하이드로젤의 유동 물성과 기계적인 물성을 조절 할 수 있었다. 또한, 제작된 하이드로젤의 물리화학적인 성질, 생체적합성, 그리고 3차원 프린팅에의 응용이 in vitro 실험을 통해 확인이 되었고, 3차원 프린팅과 프린팅 된 구조체의 기계적 물성이 ATDC5 세포 연골분화에 끼치는 영향을 연구하였다. 이와 같은 자가치유 하이드로젤은 다양한 조직공학적 응용, 특히 연골재생용 바이오잉크의 제작에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.; The development of biomaterial-based bioink is critical in 3-D printing for replacement and/or regeneration of tissues and organs. However, the number of 3-D printable biomaterials in practical uses is still limited despite of the rapid development of 3-D printing techniques. Controlling the flow properties of bioink and the mechanical properties of printed objects could be a key factor to the design of biomaterial-based bioink for practical applications. In this thesis, hyaluronate-based self-healing hydrogels were prepared for 3-D printing. Self-healing hydrogels were prepared by simply mixing solutions of oxidized hyaluronate (OHA) and glycol chitosan (GC) in the presence of adipic acid dihydrazide (ADH). The competitive formation of imine bonds between aldehyde groups of OHA and amino groups of GC (Schiff base) and acylhydrazone bonds between aldehyde groups of OHA and hydrazide groups of ADH enabled self-healing behavior of OHA/GC/ADH hydrogels after the gel breaking. Changes in the concentrations and molecular weights of polymers were critical to control the flow properties and mechanical properties of self-healing hydrogels, which showed great potential as bioink for tissue regeneration. Various characteristics of OHA/GC/ADH hydrogels including physicochemical properties, biocompatibility, and 3-D-printability were investigated in vitro. In addition, the potential use of this self-healing hydrogel for cartilage regeneration was investigated.