골조직공학용 복합 나노섬유 지지체의 개발 및 평가

Abstract

본 연구에서는 손상된 인간의 골조직을 재생하기 위하여 나노구조를 가지는 세포친화적 지지체를 제조하고 그 성능을 평가하였다. 우선 생분해성, 생체적합성을 가지는 합성 고분자, PLA에 탈미네랄골(DBP) 을 혼합한 복합체를 이용하여 전기방사법으로 골조직과 형태학적으로 비슷한 나 노구조를 가지는 지지체를 제조하였으며, 이를 통하여 나노직경을 갖는 균일한 섬유의 형태를 확인하였다. 다음으로 이러한 물리적, 화학적으로 골조직에 근접 한 재료들에 대한 중간엽줄기세포의 분화능을 조사하였다. 21일 동안 세포는 복 합 지지체에서 성장 및 분화가 잘 유지되었으며, osteogenic-specific marker들 의 발현을 측정한 결과, PLA와 PLA/DBP 지지체간에 유사한 발현양을 확인하 였다. 그러나 뼈 재생에 핵심적인 과정인 칼슘의 축적에 대해서는 두 지지체간에 큰 차이를 나타내었으며 PLA/DBP 복합 지지체에서 칼슘의 침전이 더욱 증가되 었음이 나타났다. 이와 같은 결과를 동물 모델을 통해서도 확인하였다. 쥐의 두 개골에 손상을 주고 각각의 지지체를 이식한 후 12주간 뼈의 형성 정도를 평가 하였다. 이식 12주 후 CT결과에서는 PLA/DBP 지지체에서 손상부위의 약 90% 가 새로운 뼈의 형성으로 치유되었음이 나타났다. 이러한 결과들로 종합해보아, PLA/DBP 나노섬유 지지체는 세포의 미네랄형성을 증가시켰으며, 생체에서 뼈 의 치유력을 향상시켰음을 알 수 있었다. 그러므로 이러한 복합 나노섬유 지지체는 골조직공학용으로 사용될 적절한 지지체로서 응용 가능할 것으로 기대된다.; Tissue engineering has become an alternative way to traditional surgical treatments for the repair of bone defects and an appropriate scaffold supporting osteoconductivity is a key element in this approach. In the present study, we developed nanofibrous organic/inorganic composite scaffolds by combination of nano-sized demineralized bone powders (DBP) with biodegradable PLA for engineering bone. The uniform composite nanofibers containing homogeneously dispersed DBP in PLA were prepared by an electrospinning process. In order to assess their osteoconductivity, we first examined in vitro osteogenic differentiation of human mandible-derived mesenchymal stem cells (hMSCs) cultured on the composite nanofiber scaffolds. During 21 days of culture, the osteogenic potentials were maintained on the composite scaffolds. Expression of osteoblast-specific markers such as collagen type 1, alkaline phosphatase, Core binding factor alpha 1, osteocalcin were observed at similar levels for both PLA and PLA/DBP scaffolds at designated time points. However, the PLA/DBP nanofiber scaffolds remarkably enhanced calcium deposition of hMSCs than PLA scaffold. The in vivo osteoconductive effect of PLA/DBP nanofibrous scaffolds was further investigated using rats with critical-sized skull defects. Following 12 weeks of implantation, the greater amount of newly formed bone extended across the defect area in PLA/DBP scaffolds was observed as compared to the non implant and PLA scaffolds, demonstrating almost 90% of reduction in the defect size assayed using micro computerized tomography. Our results indicate that the incorporation of DBP in PLA significantly enhanced in vitro mineralization of hMSCs and improved in vivo bone healing. Therefore, PLA/DBP composite nanofiber scaffolds may serve as a favorable matrix for the regeneration of bone tissue.