세포성장인자 전달과 조직재생 기능을 가진 나노섬유 지지체의 개발

Abstract

국문요지

세포성장인자 전달과 조직재생 기능을 가진 나노섬유 지지체의 개발

조직공학은 기능과 형상이 상실된 인체 내 조직과 장기를 세포를 이용하여 재생하는 기술을 포괄하는 학문이며 이 중 많은 연구가 세포로부터 원하는 조직으로 배양이 가능한 세포지지체를 개발하는 것에 집중이 되고 있다. 이러한 세포지지체는 생체 내에서 물리적으로는 세포를 지탱해주며 생화화적으로는 다양한 생체분자 (세포성장인자)를 저장 및 공급하여 세포의 흡착, 증식, 분화 등을 조절하는 세포외기질을 모방하여 제작이 되어야 할 것이다. 따라서 본 연구에서는 전기방사법을 사용하여 세포외기질의 물리적 기능인 지지체 역할과 세포성장인자를 저장 및 방출하는 전달체 기능을 가진 기능성 세포지지체를 세 차례의 연구로 나누어 개발하였다. 첫 번째로 전기방사법을 통해 폴리카프로락톤과 젤라틴의 혼합하여 나노섬유 세포지지체를 제작하여 젤라틴의 함량에 따라 물리적 특성의 변화를 관찰하였으며, 배양된 근육아세포의 증식과 분화 정도를 제어할 수 있었다. 두 번째로는 표면처리 기술을 통해 나노섬유 세포지지체 표면에 헤파린과 세포성장인자를 고정 및 방출시킬 수 있는 전달체를 개발하여, 헤파린의 고정량에 따른 세포성장인자의 고정량 및 방출거동을 분석하였다. 또한 방출된 세포성장인자가 활성을 유지하며 세포의 증식과 동물 조직 내에서 혈관형성을 효과적으로 유도하는 것을 관찰하였다. 마지막으로 나노섬유 세포지지체 표면에 고정된 세포성장인자의 고정량을 최적화하기 위해 전기방사용액을 조절하여 다양한 두께의 나노섬유 세포지지체 표면에 고정된 세포성장인자의 양을 측정하였으며, 방출된 세포성장인자가 다양한 세포의 증식을 효과적으로 유도하는 것을 관찰하였다. 따라서, 본 필자가 개발한 기능성 나노섬유 세포지지체에 다양한 세포와 세포성장인자가 도입된다면 기능과 형상이 상실된 인체 내 조직과 장기를 효과적으로 재생이 가능할 것으로 예상된다.; Abstract

Development of composite nanofibrous matrices for growth factor delivery and tissue regeneration

Matrices for tissue engineering should mimic in part the structure and biological function of the extracellular matrix (ECM) and thereby providing temporary mechanical support for cell adhesion, delivering inductive molecules or cells to repair sites, and supplying physiological cues to control the structure and function of newly formed tissue. Many techniques have been developed to fabricate three-dimensional porous matrices to fulfill these roles, such as particle leaching, phase separation and self-assembly. However, none of these processes adequately reconstitute the structure and function of the natural ECM. Electrospinning is a simple process for the production of fibrous matrices which can easily imitate three dimensional nano-scaled structures. In addition, versatility in the choice of materials is beneficial to regulate cellular activities. For the last few years, a broad range of applications have been reported including novel substrates for cell cultures and therapeutic factors delivery vehicles, such as drug, DNA, and growth factor for tissue regeneration. I have been interested in developing functional fibrous matrices as a substrate for cell culture and a depot for growth factors. As one of these work, we developed poly(caprolactone) (PCL)-gelatin fibrous matrices crosslinked with genipin. I could modulate the morphological and physical properties PCL-gelatin of the fibrous matrices by contents of gelatin, which appeared to control proliferation and differentiation of myoblasts. And then I immobilized basic fibroblast growth factors (bFGF) using heparin by exploiting their high affinity to heparin for the prevention of initial bust release and degradation of growth factors. The immobilized bFGF on the fibrous matrices slowly released during 1 months and released bFGF maintained its biological activity. The released bFGF induced the enhanced the in vitro proliferation of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and human mesenchymal stem cells (hMSCs), and an in vivo angiogenesis of animal model. Finally, I fabricated nanofibrous matrices using blends of PCL-gelatin with various spinning volumes to control the amount of immobilized heparin, which was ultimately intended to optimize the immobilization of bFGF. The amount of conjugated heparin and bFGF could be modulated by the fibrous matrices of various volumes and we also observed that the release of bFGF was retarded for 2 months. Collectively, our multi-functional fibrous matrices may be effective approaches to develop to enhance proliferation and differentiation of specific cell types and to provide appropriate soluble signals in a controlled manner for tissue engineering applications.