KR102721585B1 - Method for Manufacturing collagen based shape memorable hydrogel and uses thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 형상복원능을 갖는 하이드로겔의 제조방법 및 이의 용도 등에 관한 것이다. 본 발명의F-gel제조 방법에 의한 하이드로겔은 높은 세포활성도, 형상 고정능, 및 형상복원능을 가진다. 또한, Cryo-gel 제조 방법과 F-gel 제조 방법을 융합한 제조 방법에 의한 본 발명의 생체복합체는 Cryo-gel 보다 뛰어난 세포활성도 및 형상 고정능을 갖고, F-gel 보다 뛰어난 형상복원속도를 가지며, 높은 형상복원능을 가지는 것을 확인하였다. 또한, F-gel과 생체복합체 제조 방법을 활용하여 고분자, 세라믹, 금속성 물질이 포함된 하이드로겔을 제작할 경우에도 모두 형상기억 특성을 유지하고 있고, 하이드로겔이 어떠한 제작 공정(3D 프린팅)을 거치더라도 동일한 후처리 과정을 거치면 모든 구조체에서 우수한 형상복원능을 가지는 것을 실험적으로 확인하였다. 따라서, 형상복원능을 가진 3차원 구조체의 제작이 가능하고, 변형된 구조체를 인체나 다른 수중 공간에 쉽게 주입할 수 있는 비침습적 활용이 가능할 것으로 기대된다.The present invention relates to a method for producing a hydrogel having shape restoring ability, and uses thereof. The hydrogel produced by the F-gel production method of the present invention has high cell activity, shape fixing ability, and shape restoring ability. In addition, it was confirmed that the biocomposite of the present invention produced by a production method that combines the cryo-gel production method and the F-gel production method has cell activity and shape fixing ability superior to the cryo-gel, has a shape restoration speed superior to the F-gel, and has high shape restoring ability. In addition, it was experimentally confirmed that when a hydrogel containing a polymer, ceramic, or metallic material is produced by utilizing the F-gel and the biocomposite production method, all of them maintain shape memory characteristics, and that all structures have excellent shape restoring ability when the hydrogel undergoes the same post-processing process regardless of the production process (3D printing). Therefore, it is expected that the production of a three-dimensional structure having shape restoring ability is possible, and that non-invasive use is possible in which the deformed structure can be easily injected into the human body or other underwater spaces.
Description
본 발명은 형상복원능을 갖는 콜라겐 기반 하이드로겔의 제조방법 및 이의 용도 등에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a collagen-based hydrogel having shape restoring ability, its use, etc.
하이드로겔은 많은 양의 물을 담고 있는 가교된 3D 고분자 네트워크이다. 이는 세포 배양과 물질의 효율적인 수송을 용이하게 하는 투과성을 지원할 수 있는 능력으로 인해 조직 공학, 바이오센서 또는 생물 작용기, 약물 전달, 유기체 제조 및 생물 물리학 분석을 포함한 다양한 용도에 사용될 수 있다. 최근 연구는 골적합을 유도하는 자가 맞춤 스캐폴드, 조직 재생을 위한 최소 침습 수술 등 정밀 의학에 하이드로겔의 적용을 확대하기 위해 생체 활성도가 높은 형태 기억 하이드로겔(SMH; shape memorable hydrogel)에 초점을 맞추고 있다.Hydrogels are cross-linked 3D polymer networks that contain large amounts of water. They can be used in a variety of applications, including tissue engineering, biosensors or biofunctionalizers, drug delivery, fabrication of organisms, and biophysical analysis, due to their ability to support cell culture and permeability, which facilitates efficient transport of materials. Recent research has focused on shape-memory hydrogels (SMH) with high bioactivity to expand the applications of hydrogels in precision medicine, such as self-tailored scaffolds that induce osteointegration, and minimally invasive surgery for tissue regeneration.
생물 의학 분야에서 사용하기 위해, 생물 활성 하이드로겔은 일반적으로 적절한 물리적 특성; 세포 부착과 증식을 유도하기 위한 세포 친화적인 모티프를 제공하는 뛰어난 생물 활성; 및 통제 가능한 생분해성을 필요로 한다. 따라서 콜라겐, 젤라틴, 엘라스틴, 탈세포화된 세포외기질(dECM)과 같은 포유류에서 추출된 천연 생체고분자는 폴리 에틸렌 글리콜, 플루론 F-127과 같은 합성 하이드로겔보다 더 유망하다.For biomedical applications, bioactive hydrogels generally require suitable physical properties; excellent bioactivity to provide cytophilic motifs to induce cell adhesion and proliferation; and controllable biodegradability. Therefore, natural biopolymers derived from mammals, such as collagen, gelatin, elastin, and decellularized extracellular matrix (dECM), are more promising than synthetic hydrogels, such as polyethylene glycol and Pluronic F-127.
단백질 기반의 하이드로겔 중 콜라겐은 피부, 힘줄, 뼈, 각막, 그리고 심장과 같은 기관과 조직에 가장 풍부한 구조 단백질이다. 콜라겐 단량체는 오른손 방향 삼중 나선(길이 300nm, 지름 1.5nm)이며, 각 사슬은 특징적인 반복 시퀀스(Gly-X-Y)를 가지고, X와 Y는 각각 프롤린(Pro)과 하이드록시프롤린(Hyp)이 주를 이룬다. 또한 콜라겐 단량체는 생리적 환경에서 '콜라겐 섬유형성'이라고 불리는 독특한 자기 조립 특성을 가지고 있다. 생체 내에서 콜라겐은 섬유아세포에서 합성되어 분비될 수 있고, 단량체는 콜라겐 조직을 형성하는 콜라겐 섬유나 섬유조직으로 조립될 수 있다. 콜라겐 섬유형성은 pH, 온도 및 이온 강도를 조절하여 체외에서 복제할 수 있으며, 이를 통해 콜라겐 겔을 생성할 수 있다. 콜라겐 겔은 세포 매개 콜라겐 섬유 리모델링, 유기체 제작 및 조직 공학 스캐폴드에 사용되어 세포 외 기질의 섬유 미세 환경을 모델링할 수 있다.Among protein-based hydrogels, collagen is the most abundant structural protein in organs and tissues such as skin, tendons, bones, cornea, and heart. Collagen monomers are right-handed triple helices (300 nm in length and 1.5 nm in diameter), and each chain has a characteristic repeating sequence (Gly-X-Y), where X and Y are mainly composed of proline (Pro) and hydroxyproline (Hyp), respectively. In addition, collagen monomers have a unique self-assembly property called 'collagen fibrillation' in physiological environments. In vivo, collagen can be synthesized and secreted by fibroblasts, and monomers can be assembled into collagen fibers or fibrillar tissues that form collagen tissue. Collagen fibrillation can be replicated in vitro by controlling pH, temperature, and ionic strength, thereby generating collagen gels. Collagen gels can be used for cell-mediated collagen fiber remodeling, organogenesis, and tissue engineering scaffolds to model the fibrous microenvironment of the extracellular matrix.
거대/미세 다공성 콜라겐 기반의 크라이오겔은 최근 얼음 결정의 형성에 의해 발생하는 용매(물)와 용질(폴리머, 크로스링커)의 상분리를 사용하여 제조한다. 이는 형상 기억 특성을 보였을 뿐만 아니라, 주입식 스캐폴드, 연골 재생, 산소 운반체, 세포 이식, 약물 전달, 그리고 심지어 면역 요법을 포함한 다양한 응용 분야에 광범위하게 사용될 수 있다.Macro/microporous collagen-based cryogels have been recently fabricated using phase separation of solvent (water) and solute (polymer, crosslinker) caused by the formation of ice crystals. Not only have they shown shape memory properties, they can be widely used in various applications including injectable scaffolds, cartilage regeneration, oxygen carriers, cell transplantation, drug delivery, and even immunotherapy.
콜라겐을 주 소재로 하여 형상복원능을 가지는 다양한 형상의 하이드로겔 제조 방법의 연구가 미비한 상태인 바, 본 발명자들은 형상복원능을 갖는 콜라겐 기반 하이드로겔 제조 방법을 연구하여 본 발명을 완성하였다.As research on a method for manufacturing hydrogels of various shapes with shape-restoring ability using collagen as a main material is insufficient, the inventors of the present invention studied a method for manufacturing collagen-based hydrogels with shape-restoring ability and completed the present invention.
본 발명자들은 본 발명의 F-gel 제조 방법에 의한 하이드로겔이 높은 세포활성도, 형상 고정능, 형상복원능을 가지며, Cryo-gel 제조 방법과 F-gel 제조 방법의 융합에 의해 제조된 생체복합체는 Cryo-gel 보다 뛰어난 세포활성도, 형상 고정능을 갖고, F-gel 보다 뛰어난 형상복원속도를 가지며, 높은 형상복원능을 가지는 것을 확인하였다. 또한, F-gel과 생체복합체 제조 방법을 활용하여 고분자, 세라믹, 금속성 물질이 포함된 하이드로겔을 제작할 경우에도 모두 형상기억 특성을 유지하고 있고, 하이드로겔이 어떠한 제작 공정(3D 프린팅)을 거치더라도 동일한 후처리 과정을 거치면 모든 구조체에서 우수한 형상복원능을 가지는 것을 실험적으로 확인하여, 본 발명을 완성하였다.The present inventors confirmed that the hydrogel by the F-gel manufacturing method of the present invention has high cell activity, shape fixation ability, and shape restoring ability, and that a biocomposite manufactured by the fusion of the cryo-gel manufacturing method and the F-gel manufacturing method has cell activity and shape fixation ability superior to that of the cryo-gel, shape restoration speed superior to that of the F-gel, and high shape restoring ability. In addition, when a hydrogel containing a polymer, ceramic, and metallic material is manufactured using the F-gel and the biocomposite manufacturing method, it is experimentally confirmed that all of the shape memory characteristics are maintained, and that regardless of the manufacturing process (3D printing) of the hydrogel, if it undergoes the same post-processing process, it has excellent shape restoring ability in all structures, thereby completing the present invention.
이에 본 발명의 목적은 (a) 콜라겐을 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;Accordingly, the purpose of the present invention is to provide a method for preparing a starting material comprising collagen, comprising: (a) preparing a starting material comprising collagen;
(b) 상기 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(b) a step of adding PBS to the starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(c) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 가교결합시키는 단계를 포함하는, 형상기억 하이드로겔 제조방법을 제공하는 것이다.(c) It provides a method for producing a shape memory hydrogel, including a step of crosslinking the fiberized starting material using a crosslinking solution.
본 발명의 다른 목적은 (a) 콜라겐을 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;Another object of the present invention is to provide a method for producing a composition comprising: (a) preparing a starting material comprising collagen;
(b) 상기 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(b) a step of adding PBS to the starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(c) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 가교결합시키는 단계를 포함하는, 방법으로 제조된 형상기억 하이드로겔로서,(c) a shape memory hydrogel manufactured by a method including a step of crosslinking the fiberized starting material using a crosslinking solution,
상기 하이드로겔은 하기의 특징 중 어느 하나 이상을 만족하는 것을 특징으로 하는, 형상기억 하이드로겔을 제공하는 것이다:The above hydrogel provides a shape memory hydrogel characterized by satisfying at least one of the following characteristics:
(i) 세포 부착 및 증식 효과를 증가시킴; 및(i) increasing cell adhesion and proliferation effects; and
(ii) 형상 고정 능력의 증가.(ii) Increase in shape fixation ability.
본 발명의 또 다른 목적은 (a) 콜라겐, 및 광경화성 고분자를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;Another object of the present invention is to provide a method for producing a method comprising: (a) preparing a starting material comprising collagen and a photocurable polymer;
(b) 상기 출발물질을 동결시키는 단계;(b) a step of freezing the starting material;
(c) 상기 동결된 출발물질을 광경화시켜 1차 가교결합시키는 단계;(c) a step of photo-curing the frozen starting material to perform primary cross-linking;
(d) 상기 1차 가교결합된 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(d) a step of adding PBS to the first cross-linked starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(e) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 2차 가교결합시키는 단계를 포함하는, 형상기억 하이드로겔 제조방법을 제공하는 것이다.(e) It provides a method for producing a shape memory hydrogel, including a step of secondarily cross-linking the fiberized starting material using a cross-linking solution.
또한, 본 발명은 (a) 콜라겐, 및 광경화성 고분자를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of (a) preparing a starting material comprising collagen and a photocurable polymer;
(b) 상기 출발물질을 동결시키는 단계;(b) a step of freezing the starting material;
(c) 상기 동결된 출발물질을 광경화시켜 1차 가교결합시키는 단계;(c) a step of photo-curing the frozen starting material to perform primary cross-linking;
(d) 상기 1차 가교결합된 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(d) a step of adding PBS to the first cross-linked starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(e) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 2차 가교결합시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조된, 형상기억 하이드로겔을 제공하는 것이다.(e) It provides a shape memory hydrogel manufactured by a method including a step of secondarily cross-linking the fiberized starting material using a cross-linking solution.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 콜라겐을 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;In order to achieve the above-described purpose of the present invention, the present invention comprises the steps of: (a) preparing a starting material including collagen;
(b) 상기 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(b) a step of adding PBS to the starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(c) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 가교결합시키는 단계를 포함하는, 형상기억 하이드로겔 제조방법을 제공한다.(c) Provided is a method for producing a shape memory hydrogel, including a step of cross-linking the fiberized starting material using a cross-linking solution.
또한, 본 발명은 (a) 콜라겐을 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of (a) preparing a starting material including collagen;
(b) 상기 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(b) a step of adding PBS to the starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(c) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 가교결합시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조된 형상기억 하이드로겔로서,(c) a shape memory hydrogel manufactured by a method including a step of crosslinking the fiberized starting material using a crosslinking solution,
상기 하이드로겔은 하기의 특징 중 어느 하나 이상을 만족하는 것을 특징으로 하는, 형상기억 하이드로겔을 제공한다:The above hydrogel provides a shape memory hydrogel characterized by satisfying at least one of the following characteristics:
(i) 세포 부착 및 증식 효과를 증가시킴; 및(i) increasing cell adhesion and proliferation effects; and
(ii) 형상 고정 능력의 증가.(ii) Increase in shape fixation ability.
또한, 본 발명은 (a) 콜라겐, 및 광경화성 고분자를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of (a) preparing a starting material comprising collagen and a photocurable polymer;
(b) 상기 출발물질을 동결시키는 단계;(b) a step of freezing the starting material;
(c) 상기 동결된 출발물질을 광경화시켜 1차 가교결합시키는 단계;(c) a step of photo-curing the frozen starting material to perform primary cross-linking;
(d) 상기 1차 가교결합된 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(d) a step of adding PBS to the first cross-linked starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(e) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 2차 가교결합시키는 단계를 포함하는, 형상기억 하이드로겔 제조방법을 제공한다.(e) Provided is a method for producing a shape memory hydrogel, including a step of secondarily cross-linking the fiberized starting material using a cross-linking solution.
또한, 본 발명은 (a) 콜라겐, 및 광경화성 고분자를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of (a) preparing a starting material comprising collagen and a photocurable polymer;
(b) 상기 출발물질을 동결시키는 단계;(b) a step of freezing the starting material;
(c) 상기 동결된 출발물질을 광경화시켜 1차 가교결합시키는 단계;(c) a step of photo-curing the frozen starting material to perform primary cross-linking;
(d) 상기 1차 가교결합된 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(d) a step of adding PBS to the first cross-linked starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(e) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 2차 가교결합시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조된, 형상기억 하이드로겔을 제공한다.(e) A shape memory hydrogel is provided, manufactured by a method including a step of secondarily cross-linking the fiberized starting material using a cross-linking solution.
본 발명의 일 구현예로 상기 출발물질은 고분자 물질, 세라믹 물질, 및 금속성 물질로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the starting material may be characterized by further including, but not limited to, one or more selected from the group consisting of polymeric materials, ceramic materials, and metallic materials.
본 발명의 다른 구현예로 상기 가교용액은 EDC/NHS[(N-ethyl-N'-(3-(dimethylamino)propyl) carbodiimide/N-hydroxysuccinimide)], 글루타르알데하이드(glutaraldehyde), 탄닌산(tannic acid), 게니핀(genipin), 폼알데하이드(formaldehyde), 및 LOX(lysyl oxidase)로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In another embodiment of the present invention, the cross-linking solution may be characterized by including at least one selected from the group consisting of EDC/NHS [(N-ethyl-N'-(3-(dimethylamino)propyl) carbodiimide/N-hydroxysuccinimide)], glutaraldehyde, tannic acid, genipin, formaldehyde, and LOX (lysyl oxidase), but is not limited thereto.
본 발명의 또 다른 구현예로 상기 하이드로겔은 탈린(TLN; talin), 팍실린(PXN; paxillin), 빈쿨린(VCL; vinculin), 국소 부착 키나제(FAK; focal adhesion kinase), 및 RhoA 키나제로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 유전자의 발현을 증가시키는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 유전자는 이를 포함하는 세포를 배양할 경우 배양된 세포에서 세포-기질 간 부착 관련 단백질을 발현하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In another embodiment of the present invention, the hydrogel may be characterized by increasing the expression of one or more genes selected from the group consisting of talin (TLN), paxillin (PXN), vinculin (VCL), focal adhesion kinase (FAK), and RhoA kinase, but is not limited thereto. The gene may be characterized by expressing a cell-substrate adhesion-related protein in cultured cells when cells containing the gene are cultured, but is not limited thereto.
본 발명의 또 다른 구현예로 상기 광경화성 고분자는 메타크릴레이트 콜라겐인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In another embodiment of the present invention, the photocurable polymer may be characterized as being methacrylate collagen, but is not limited thereto.
본 발명의 또 다른 구현예로 상기 출발물질은 콜라겐 및 광경화성 고분자가 0.1 : 3.9 내지 2 : 2의 질량비(w/w %)로 포함되는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In another embodiment of the present invention, the starting material may be characterized in that it contains collagen and a photocurable polymer in a mass ratio (w/w %) of 0.1:3.9 to 2:2, but is not limited thereto.
본 발명의 또 다른 구현예로 상기 단계 (a)의 출발물질은 고분자 물질, 세라믹 물질, 및 금속성 물질로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In another embodiment of the present invention, the starting material of step (a) may be characterized by further including, but not limited to, one or more selected from the group consisting of polymeric materials, ceramic materials, and metallic materials.
본 발명의 또 다른 구현예로 상기 하이드로겔은 하기 특징 중 어느 하나 이상을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다: (i) 세포 부착 및 증식 효과를 증가시킴; 및 (ii) 형상복원속도의 증가.In another embodiment of the present invention, the hydrogel may be characterized by satisfying one or more of the following characteristics, but is not limited thereto: (i) increasing cell adhesion and proliferation effect; and (ii) increasing shape restoration speed.
본 발명의 또 다른 구현예로 상기 하이드로겔은 상기 단계 (a) 및 (b) 사이에 3D 프린팅하는 단계를 더 포함하는 제조방법으로 제조된 형상기억 하이드로겔 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In another embodiment of the present invention, the hydrogel may be a shape memory hydrogel manufactured by a manufacturing method further including a 3D printing step between steps (a) and (b), but is not limited thereto.
본 발명의 F-gel 제조 방법에 의한 하이드로겔은 높은 세포활성도, 형상 고정능, 및 형상복원능을 가진다. 또한, Cryo-gel 제조 방법과 F-gel 제조 방법을 융합한 제조 방법에 의한 본 발명의 생체복합체는 Cryo-gel 보다 뛰어난 세포활성도, 형상 고정능을 갖고, F-gel 보다 뛰어난 형상복원속도를 가지며, 높은 형상복원능을 가지는 것을 확인하였다. 또한, F-gel과 생체복합체 제조 방법을 활용하여 고분자, 세라믹, 금속성 물질이 포함된 하이드로겔을 제작할 경우에도 모두 형상기억 특성을 유지하고 있고, 하이드로겔이 어떠한 제작 공정(3D 프린팅)을 거치더라도 동일한 후처리 과정을 거치면 모든 구조체에서 우수한 형상복원능을 가지는 것을 실험적으로 확인하였다. 따라서, 형상복원능을 가진 3차원 구조체의 제작이 가능하고, 변형된 구조체를 인체나 다른 수중 공간에 쉽게 주입할 수 있는 비침습적 활용이 가능할 것으로 기대된다.The hydrogel prepared by the F-gel manufacturing method of the present invention has high cell activity, shape fixation ability, and shape restoring ability. In addition, it was confirmed that the biocomposite prepared by the manufacturing method that combines the cryo-gel manufacturing method and the F-gel manufacturing method has better cell activity and shape fixation ability than the cryo-gel, better shape restoration speed than the F-gel, and high shape restoring ability. In addition, it was experimentally confirmed that when hydrogels containing polymers, ceramics, and metallic materials were manufactured using the F-gel and the biocomposite manufacturing method, all of them maintained shape memory characteristics, and that all structures had excellent shape restoring ability when the hydrogel underwent the same post-processing process regardless of the manufacturing process (3D printing). Therefore, it is expected that the manufacturing of a three-dimensional structure with shape restoring ability is possible, and that the deformed structure can be easily injected into the human body or other underwater spaces for non-invasive use.
도 1은 콜라겐 기반 소재를 활용한 형상복원 하이드로겔 제작 방식으로, 구체적으로, 저온공정을 사용한 Cryo-gel, 콜라겐의 섬유화 특성을 활용한 F-gel, 두 가지 공정을 융합하여 제작된 Composite gel(C2CM2 및 C1CM3) 제작 방식을 나타낸 것이다. 또한, 상기 세 가지 하이드로겔의 형상 복원 테스트 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 제작된 네 가지 하이드로겔(Cryo-gel; F-gel; 소재 비율에 따른 Composite gel(C2CM2 및 C1CM3))에 따른 형상복원 특성 평가 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로, (A) 80%의 변형을 가한 뒤 구조 형상 및 수분 재공급을 통한 형상 복원된 구조의 이미지; (B) 변형 후 구조체 내부에서 빠져나간 수분의 비율 및 (C) 변형된 구조 비율; (D) 형상 복원 후 구조체 내부로 다시 흡수된 수분의 비율; 및 (E) 형상복원 비율; (F) 형상 복원에 소요되는 시간; (G) 20, 40, 60, 80%의 압축-복원 test에 따른 응력-변형률 곡선; (H) 80%의 변형률을 가하고 10회 반복하였을 때의 응력-변형률 곡선을 나타낸 것이다.
도 3은 (A) 인체 지방유래 줄기세포(human adipose derived stem cells; hASCs)를 사용하여 평가한 세포증식 데이터; (B) 면역형광염색을 활용한 세포 골격 단백질(F-actin)의 이미지; (C) F-액틴 영역; (D) F-액틴의 종횡비; (E) 세포 표면 부착 단백질 관련 유전자(paxillin, talin, vinculin)의 상대적 발현 정도; (F) 세포복원능, 세포증식 및 부착능에 따른 구조체의 특성 평가 데이터를 나타낸 것이다.
도 4는 고분자 소재(heparin; HEP), 세라믹 소재(hydroxyapatite; HA), 또는 금속성 소재(산화철; Fe2O3)가 포함된 F-gel 기반 복합 구조체를 제작한 후, (A) F-gel 기반 복합 구조체의 형상 복원 테스트 이미지; (B) 형상 복원에 소요되는 시간 데이터; (C) 5회 반복 압축 테스트를 진행하였을 때 복원률을 나타낸 것이다.
도 5는 F-gel 제작 기술과 3D 프린팅 기술을 활용한 구조체 제작한 후, 3D 프린팅 된 F-gel 구조체의 (A) 광학이미지 및 (B) SEM 이미지; (C) 3D 프린팅된 F-gel 구조체를 변형하여 주사기에 넣고, 이를 다시 방출하였을 때 형상 복원되는 이미지; (D) 3D 프린팅 된 F-gel 구조체의 형상 변형 및 복원 이미지; (E) 3D 프린팅 기술을 통해 세라믹 물질(hydroxyapatite, HA)와 고분자 물질(heparin, Hep)이 포함된 F-gel 제작한 후, 이의 광학이미지, SEM 이미지, 및 형상 변형 및 복구 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 고분자 소재(heparin; Hep) 및 세라믹(hydroxyapatite; HA)이 함유된 생체 복합체의 특성을 나타낸 것으로, 구체적으로, (A) 알키안-블루-염색 된 생체 복합체-Hep 하이드로겔의 광학이미지와 SEM 이미지; (B) 알리자린-레드-S-염색 된 생체 복합체-HA 하이드로겔의 광학이미지와 SEM 이미지; (C) 두 구조체의 형상복원능을 나타낸 것이다.
도 7은 생체 복합체 제작 기술과 3D 프린팅 기술을 활용한 구조체 제작하고 난 후, (A) 3D 프린팅 된 생체 복합체 구조체의 광학이미지 및 SEM 이미지; (B) 3D 프린팅된 생체 복합체 구조체의 형상 변형 및 복원 이미지; (C) 3D 프린팅된 구조체를 변형하여 주사기에 넣고, 이를 다시 방출하였을 때 형상 복원되는 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 Cryo-gel 제작 기술과 3D 프린팅 기술을 활용하여 구조체를 제작하고, 상기 구조체의 변형 및 형상 복원데이터를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a method for manufacturing shape-restoring hydrogels using collagen-based materials, specifically, a Cryo-gel using a low-temperature process, an F-gel utilizing the fibrosis properties of collagen, and a Composite gel (C2CM2 and C1CM3) manufactured by combining two processes. In addition, shape-restoration test images of the three hydrogels are shown.
Figure 2 shows the results of evaluating the shape recovery characteristics according to the four manufactured hydrogels (Cryo-gel; F-gel; Composite gel (C2CM2 and C1CM3) according to the material ratio). Specifically, (A) the image of the shape-recovered structure through the structural shape and moisture resupply after applying 80% strain; (B) the ratio of moisture escaping from the structure after deformation and (C) the ratio of the deformed structure; (D) the ratio of moisture reabsorbed into the structure after shape recovery; and (E) the shape recovery ratio; (F) the time required for shape recovery; (G) the stress-strain curve according to the compression-recovery test of 20, 40, 60, and 80%; and (H) the stress-strain curve when 80% strain is applied and repeated 10 times.
Figure 3 shows (A) cell proliferation data evaluated using human adipose derived stem cells (hASCs); (B) image of cytoskeletal protein (F-actin) using immunofluorescence staining; (C) F-actin area; (D) aspect ratio of F-actin; (E) relative expression levels of cell surface adhesion protein-related genes (paxillin, talin, vinculin); and (F) data for evaluating the characteristics of the construct according to cell restitution ability, cell proliferation, and adhesion ability.
Figure 4 shows (A) a shape recovery test image of an F-gel-based composite structure containing a polymer material (heparin; HEP), a ceramic material (hydroxyapatite; HA), or a metallic material (iron oxide; Fe 2 O 3 ); (B) time data required for shape recovery; and (C) the recovery rate when a compression test was repeated five times.
Figure 5 shows (A) an optical image and (B) an SEM image of a 3D printed F-gel structure after the structure was fabricated using the F-gel fabrication technology and 3D printing technology; (C) an image of the shape restoration when the 3D printed F-gel structure was deformed, put into a syringe, and then released again; (D) an image of the shape deformation and restoration of the 3D printed F-gel structure; and (E) an optical image, SEM image, and shape deformation and restoration images of an F-gel containing a ceramic material (hydroxyapatite, HA) and a polymer material (heparin, Hep) fabricated using the 3D printing technology.
Figure 6 shows the characteristics of a biocomposite containing a polymer material (heparin; Hep) and a ceramic (hydroxyapatite; HA), specifically, (A) an optical image and SEM image of an alcyane-blue-dyed biocomposite-Hep hydrogel; (B) an optical image and SEM image of an alizarin-red-S-dyed biocomposite-HA hydrogel; and (C) shape restoring properties of the two structures.
Figure 7 shows (A) an optical image and an SEM image of a 3D printed biocomposite structure after fabrication of a structure using a biocomposite fabrication technology and a 3D printing technology; (B) an image of shape deformation and restoration of a 3D printed biocomposite structure; and (C) an image of shape restoration when a 3D printed structure is deformed, put into a syringe, and then released again.
Figure 8 shows a structure produced using cryo-gel production technology and 3D printing technology, and the deformation and shape restoration data of the structure.
본 발명자들은 F-gel제조 방법에 의한 하이드로겔이 높은 세포활성도, 형상 고정능, 형상복원능을 가지며, Cryo-gel 제조 방법과 F-gel 제조 방법의 융합에 의해 제조된 생체복합체는 Cryo-gel 보다 뛰어난 세포활성도, 형상고정능을 갖고, F-gel 보다 뛰어난 형상복원속도를 가지며, 높은 형상복원능을 가지는 것을 확인하였다. 또한, F-gel과 생체복합체 제조 방법을 활용하여 고분자, 세라믹, 금속성 물질이 포함된 하이드로겔을 제작할 경우에도 모두 형상기억 특성을 유지하고 있고, 하이드로겔은 어떠한 제작 공정(3D 프린팅)을 거치더라도 동일한 후처리 과정을 거치면 모든 구조체에서 우수한 형상복원능을 가지는 것을 실험적으로 확인하여, 본 발명을 완성하였다.The present inventors confirmed that the hydrogel manufactured by the F-gel manufacturing method has high cell activity, shape fixation ability, and shape restoring ability, and that the biocomposite manufactured by the fusion of the cryo-gel manufacturing method and the F-gel manufacturing method has cell activity and shape fixation ability superior to the cryo-gel, shape restoration speed superior to the F-gel, and high shape restoring ability. In addition, when manufacturing hydrogels containing polymers, ceramics, and metallic materials using the F-gel and the biocomposite manufacturing method, they all maintain shape memory characteristics, and the hydrogel has excellent shape restoring ability in all structures when going through the same post-processing process regardless of the manufacturing process (3D printing), thereby completing the present invention.
본 발명에서, F-gel은 형상 복원 능력이 우수하고, 수화 의존적 형상 복원을 하며, 효율적인 세포 부착 및 증식을 하는 것을 확인하였다.In the present invention, it was confirmed that F-gel has excellent shape restoration ability, performs hydration-dependent shape restoration, and exhibits efficient cell attachment and proliferation.
본 발명의 다른 실시예에서는 생체복합체(C2CM2 및 C1CM3)가 F-gel 보다 형상복원속도가 빠르고, F-gel 만큼의 효율적인 세포 부착 및 증식 능력을 가지는 것을 확인하였다(실시예 1 참조).In another embodiment of the present invention, it was confirmed that the biocomposite (C2CM2 and C1CM3) had a faster shape recovery speed than F-gel and had cell attachment and proliferation capabilities as efficient as F-gel (see Example 1).
본 발명의 또 다른 실시예에서는 고분자 소재, 세라믹 소재, 또는 금속성 물질을 포함시켜 제작한 F-gel 및 생체복합체(C2CM2 및 C1CM3)는 상기 물질이 포함되지 않은 F-gel, 및 생체복합체와 유사한 형상 복원 특성이 확인되었을 뿐만 아니라, 3D 프린팅된 F-gel 및 생체복합체의 형상 복원 능력이 우수함을 확인하였다(실시예 2 및 3 참조).In another embodiment of the present invention, it was confirmed that F-gel and biocomposite (C2CM2 and C1CM3) manufactured by including polymeric materials, ceramic materials, or metallic materials not only had shape restoration characteristics similar to those of F-gel and biocomposite not including the above materials, but also had excellent shape restoration capabilities of 3D printed F-gel and biocomposite (see Examples 2 and 3).
이하 본 발명을 상세히 설명한다.The present invention is described in detail below.
본 발명은 (a) 콜라겐을 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;The present invention comprises the steps of: (a) preparing a starting material comprising collagen;
(b) 상기 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(b) a step of adding PBS to the starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(c) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 가교결합시키는 단계를 포함하는, 형상기억 하이드로겔 제조방법을 제공한다.(c) Provided is a method for producing a shape memory hydrogel, including a step of cross-linking the fiberized starting material using a cross-linking solution.
본 발명에 있어서, “형상기억 하이드로겔(shape memorable hydrogel)”은 초기의 형상을 기억하여 유체의 유입에 의해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아오는 하이드로겔을 의미한다. 상기 자극은 수분일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, “shape memorable hydrogel” means a hydrogel that remembers its initial shape and returns to its original shape from a deformed shape due to the inflow of fluid. The stimulus may be moisture, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 출발물질은 고분자 물질, 세라믹 물질, 및 금속성 물질로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 고분자 물질은 콜라겐과 화학적 또는 물리적으로 결합할 수 있는 고분자일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 헤파린(Heparin, 6-[6-[6-[5-acetamido-4,6-dihydroxy-2-(sulfooxymethyl)oxan-3-yl]oxy-2-carboxy-4-hydroxy-5-sulfooxyoxan-3-yl]oxy-2-(hydroxymethyl)-5-(sulfoamino)-4-sulfooxyoxan-3-yl]oxy-3,4-dihydroxy-5-sulfooxyoxane-2-carboxylic acid)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 세라믹 물질은 콜라겐 용액과 혼합되어 활용될 수 있는 무기물 소재일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 수산화인회석(hydroxyapatite, pentacalcium, hydroxide, triphosphate)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 금속성 물질은 콜라겐 용액과 혼합되어 활용될 수 있는 금속성 소재일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 산화철(Fe2O3)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the starting material may further include at least one selected from the group consisting of a polymer material, a ceramic material, and a metallic material, but is not limited thereto. The polymer material may be a polymer that can chemically or physically bind to collagen, and in one embodiment of the present invention, may be heparin (6-[6-[6-[5-acetamido-4,6-dihydroxy-2-(sulfooxymethyl)oxan-3-yl]oxy-2-carboxy-4-hydroxy-5-sulfooxyoxan-3-yl]oxy-2-(hydroxymethyl)-5-(sulfoamino)-4-sulfooxyoxan-3-yl]oxy-3,4-dihydroxy-5-sulfooxyoxane-2-carboxylic acid), but is not limited thereto. In addition, the ceramic material may be an inorganic material that can be mixed and utilized with a collagen solution, and in one embodiment of the present invention may be hydroxyapatite (pentacalcium, hydroxide, triphosphate), but is not limited thereto. In addition, the metallic material may be a metallic material that can be mixed and utilized with a collagen solution, and in one embodiment of the present invention may be iron oxide (Fe 2 O 3 ), but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 가교용액은 EDC/NHS[(N-ethyl-N'-(3-(dimethylamino)propyl) carbodiimide/N-hydroxysuccinimide)], 글루타르알데하이드(glutaraldehyde), 탄닌산(tannic acid), 게니핀(genipin), 폼알데하이드(formaldehyde), 및 LOX(lysyl oxidase)로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the cross-linking solution may be at least one selected from the group consisting of EDC/NHS [(N-ethyl-N'-(3-(dimethylamino)propyl) carbodiimide/N-hydroxysuccinimide)], glutaraldehyde, tannic acid, genipin, formaldehyde, and LOX (lysyl oxidase), but is not limited thereto.
본 발명은 (a) 콜라겐을 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;The present invention comprises the steps of: (a) preparing a starting material comprising collagen;
(b) 상기 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(b) a step of adding PBS to the starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(c) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 가교결합시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조된 형상기억 하이드로겔로서,(c) a shape memory hydrogel manufactured by a method including a step of crosslinking the fiberized starting material using a crosslinking solution,
상기 하이드로겔은 하기의 특징 중 어느 하나 이상을 만족하는 것을 특징으로 하는, 형상기억 하이드로겔을 제공한다:The above hydrogel provides a shape memory hydrogel characterized by satisfying at least one of the following characteristics:
(i) 세포 부착 및 증식 효과를 증가시킴; 및(i) increasing cell adhesion and proliferation effects; and
(ii) 형상 고정 능력의 증가.(ii) Increase in shape fixation ability.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 콜라겐을 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;In the present invention, the step of (a) preparing a starting material including collagen;
(b) 상기 출발물질에 PBS를 첨가하여 섬유화시키는 단계; 및(b) a step of adding PBS to the starting material to cause fiberization; and
(c) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 가교결합시키는 단계를 포함하는, 방법으로 제조된 형상기억 하이드로겔을 F-gel이라고 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.(c) A shape memory hydrogel manufactured by a method including a step of crosslinking the fiberized starting material using a crosslinking solution may be referred to as an F-gel, but is not limited thereto.
또한, 본 발명에 있어서, 영하 10도 이하 온도에서 냉각시키고, 가교결합 용액을 통해 가교시키는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조된 하이드로겔을 Cryo-gel이라고 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, in the present invention, a hydrogel manufactured by a manufacturing method including a step of cooling at a temperature of minus 10 degrees Celsius or lower and crosslinking using a crosslinking solution may be referred to as a cryogel, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 하이드로겔은 탈린(TLN; talin), 팍실린(PXN; paxillin), 빈쿨린(VCL; vinculin), 국소 부착 키나제(FAK; focal adhesion kinase), 및 RhoA 키나제로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 유전자의 발현이 증가할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the hydrogel may increase the expression of one or more genes selected from the group consisting of talin (TLN), paxillin (PXN), vinculin (VCL), focal adhesion kinase (FAK), and RhoA kinase, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 하이드로겔은 수분에 의해 복구되는 형상복원능을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 하이드로겔은 세포활성도 및 형상 고정능(fixity ratio)이 증가할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 형상 고정능은 변형된 형상을 유지할 수 있는 능력이다.In the present invention, the hydrogel may have a shape restoring ability that is restored by moisture, but is not limited thereto. In addition, the hydrogel may have increased cell activity and shape fixity ratio, but is not limited thereto. The shape fixity ratio is the ability to maintain a deformed shape.
본 발명은 (a) 콜라겐, 및 광경화성 고분자를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;The present invention comprises the steps of: (a) preparing a starting material comprising collagen and a photocurable polymer;
(b) 상기 출발물질을 동결시키는 단계;(b) a step of freezing the starting material;
(c) 상기 동결된 출발물질을 광경화시켜 1차 가교결합시키는 단계;(c) a step of photo-curing the frozen starting material to perform primary cross-linking;
(d) 상기 1차 가교결합된 출발물질에 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(d) adding to the first cross-linked starting material and causing fiberization in an environment of 30 to 40°C; and
(e) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 2차 가교결합시키는 단계를 포함하는, 형상기억 하이드로겔 제조방법을 제공한다.(e) Provided is a method for producing a shape memory hydrogel, including a step of secondarily cross-linking the fiberized starting material using a cross-linking solution.
본 발명에 있어서, 상기 광경화성 고분자는 메타크릴레이트 콜라겐(methacrylate collagen), 메타크릴레이트 젤라틴(methacrylate gelatin), 또는 메타크릴레이트 알지네이트(methacrylate alginate)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the photocurable polymer may be, but is not limited to, methacrylate collagen, methacrylate gelatin, or methacrylate alginate.
본 발명에 있어서, 상기 출발물질은 콜라겐 및 광경화성 고분자가 0.1 : 3.9 내지 2 : 2, 0.2 : 3.8 내지 2 : 2, 0.3 : 3.7 내지 2 : 2, 0.4 : 3.6 내지 2 : 2, 0.5 : 3.5 내지 2 : 2, 0.6 : 3.4 내지 2 : 2, 0.7 : 3.3 내지 2 : 2, 0.8 : 3.2 내지 2 : 2, 0.9 : 3.1 내지 2 : 2, 1 : 3 내지 2 : 2, 또는 1.5 : 2.5 내지 2 : 2의 질량비(w/w %)로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the starting material may contain collagen and a photocurable polymer in a mass ratio (w/w %) of 0.1:3.9 to 2:2, 0.2:3.8 to 2:2, 0.3:3.7 to 2:2, 0.4:3.6 to 2:2, 0.5:3.5 to 2:2, 0.6:3.4 to 2:2, 0.7:3.3 to 2:2, 0.8:3.2 to 2:2, 0.9:3.1 to 2:2, 1:3 to 2:2, or 1.5:2.5 to 2:2, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 광경화성 고분자는 파장 200 내지 400nm, 250 내지 400nm, 300 내지 400nm, 310 내지 400nm, 320 내지 400nm, 330 내지 400nm, 340 내지 400nm, 또는 350 내지 400nm의 광에 의해 광경화가 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the photocurable polymer can be photocured by light having a wavelength of 200 to 400 nm, 250 to 400 nm, 300 to 400 nm, 310 to 400 nm, 320 to 400 nm, 330 to 400 nm, 340 to 400 nm, or 350 to 400 nm, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 단계 (b)의 동결은 영하의 온도로 수행될 수 있으며, -50 내지 0℃, -40 내지 0℃, -30 내지 0℃, -50 내지 -5℃, -40 내지 -5℃, -30 내지 -5℃, -50 내지 -10℃, -40 내지 -10℃, 또는 -30 내지 -10℃의 온도로 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 단계 (b)에서 수분이 모두 얼음결정이 될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In the present invention, the freezing of step (b) can be performed at a temperature below zero, such as -50 to 0°C, -40 to 0°C, -30 to 0°C, -50 to -5°C, -40 to -5°C, -30 to -5°C, -50 to -10°C, -40 to -10°C, or -30 to -10°C, but is not limited thereto. In step (b), all of the moisture can become ice crystals, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 단계 (e)의 2차 가교는 25 내지 40℃, 또는 30 내지 40℃의 온도로 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 단계 (a)의 출발물질은 고분자 물질, 세라믹 물질, 및 금속성 물질로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 가교용액은EDC/NHS[(N-ethyl-N'-(3-(dimethylamino)propyl) carbodiimide/N-hydroxysuccinimide)], 글루타르알데하이드(glutaraldehyde), 탄닌산(tannic acid), 게니핀(genipin), 폼알데하이드(formaldehyde), 및 LOX(lysyl oxidase)로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the secondary crosslinking of step (e) may be performed at a temperature of 25 to 40°C, or 30 to 40°C, but is not limited thereto. In addition, the starting material of step (a) may further include at least one selected from the group consisting of a polymer material, a ceramic material, and a metallic material, but is not limited thereto. In addition, the crosslinking solution may include at least one selected from the group consisting of EDC/NHS [(N-ethyl-N'-(3-(dimethylamino)propyl) carbodiimide/N-hydroxysuccinimide)], glutaraldehyde, tannic acid, genipin, formaldehyde, and LOX (lysyl oxidase), but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 제조방법을 사용한 구조체는 형상복원능을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, a structure using the above manufacturing method may have shape restoring ability, but is not limited thereto.
또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 방법으로 제조된, 형상기억 하이드로겔을 제공한다:In addition, the present invention provides a shape memory hydrogel manufactured by a method comprising the following steps:
(a) 콜라겐, 및 광경화성 고분자를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;(a) a step of preparing a starting material comprising collagen and a photocurable polymer;
(b) 상기 출발물질을 동결시키는 단계;(b) a step of freezing the starting material;
(c) 상기 동결된 출발물질을 광경화시켜 1차 가교결합시키는 단계;(c) a step of photo-curing the frozen starting material to perform primary cross-linking;
(d) 상기 1차 가교결합된 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및(d) a step of adding PBS to the first cross-linked starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(e) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 2차 가교결합시키는 단계.(e) A step of secondarily cross-linking the above-mentioned fiberized starting material using a cross-linking solution.
본 발명에 있어서, 상기 제조방법에 의해 제조된 하이드로겔을 C1CM3 또는 C2CM2와 같이 콜라겐과 광경화성 고분자의 질량비를 이용하여 칭할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the hydrogel manufactured by the above manufacturing method can be referred to as C1CM3 or C2CM2 using the mass ratio of collagen and photocurable polymer, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 하이드로겔은 (1) 형상 복원 비율(Rr), (2) 형상 고정 비율(Rf), (3) 형상 복구 시간, (4) 세포 증식, 및 (5) 세포 부착의 5가지 매개변수를 이용한 오각형 다이어그램에서 50 내지 100%, 50 내지 80%, 또는 50 내지 70%의 영역을 차지할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In the present invention, the hydrogel may occupy an area of 50 to 100%, 50 to 80%, or 50 to 70% in a pentagonal diagram using five parameters of (1) shape recovery ratio (R r ), (2) shape fixation ratio (R f ), (3) shape recovery time, (4) cell proliferation, and (5) cell adhesion, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 하이드로겔은 하기 특징 중 어느 하나 이상을 만족할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다: (i) 세포 부착 및 증식 효과를 증가시킴; 및 (ii) 형상복원속도의 증가. 또한, 상기 하이드로겔은 탈린(TLN; talin), 팍실린(PXN; paxillin), 및 빈쿨린(VCL; vinculin)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 유전자의 발현이 증가할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 하이드로겔은 수분에 의해 복구되는 형상복원능을 가질 수 있다. 또한, 상기 하이드로겔은 세포활성능, 또는 형상 고정능이 증가 할 수 있으며, F-gel에 비하여 형상복원속도가 증가 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the hydrogel may satisfy at least one of the following characteristics, but is not limited thereto: (i) increasing cell adhesion and proliferation effects; and (ii) increasing shape restoration speed. In addition, the hydrogel may increase the expression of one or more genes selected from the group consisting of talin (TLN; talin), paxillin (PXN; paxillin), and vinculin (VCL; vinculin), but is not limited thereto. The hydrogel may have shape restoration ability that is restored by moisture. In addition, the hydrogel may have increased cell activity ability or shape fixation ability, and may have an increased shape restoration speed compared to F-gel, but is not limited thereto.
또한, 본 발명은 상기 단계 (a) 및 (b) 사이 다음으로, 3D 프린팅하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, the present invention may further include a step of 3D printing between steps (a) and (b), but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 3D 프린팅하는 단계는 상기 출발 물질을 프린팅 용액 배럴에 주입하고 프린트하는 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 프린팅 단계의 온도는 0℃ 이하, -50 내지 -10℃, -40 내지 -15℃, -35 내지 -25℃, 또는 -20℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 배럴의 온도는 0 내지 10℃, 1 내지 8℃, 2 내지 6℃, 또는 4℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the 3D printing step may include, but is not limited to, a step of injecting the starting material into a printing solution barrel and printing. The temperature of the printing step may be, but is not limited to, 0°C or less, -50 to -10°C, -40 to -15°C, -35 to -25°C, or -20°C. In addition, the temperature of the barrel may be, but is not limited to, 0 to 10°C, 1 to 8°C, 2 to 6°C, or 4°C.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to help understand the present invention. However, the following examples are provided only to help understand the present invention more easily, and the content of the present invention is not limited by the following examples.
[실험방법][Experimental method]
1. 콜라겐 용액 준비 및 분석1. Preparation and analysis of collagen solution
돼지 피부 유래 제1형 콜라겐(MS바이오, 대한민국)을 사용하였다. 콜라겐 용액(4 wt%, 8 wt%)은 0.1 M 아세트산(pH 4.0)에 콜라겐 분말을 용해하여 제조하였고, 4 wt% 중화 콜라겐 용액(pH 7.8)은 8 wt% 콜라겐 용액을 0.25 M NaHCO3과 1:1 비율로 혼합하여 제조하였다.Type 1 collagen derived from porcine skin (MS Bio, Korea) was used. Collagen solutions (4 wt%, 8 wt%) were prepared by dissolving collagen powder in 0.1 M acetic acid (pH 4.0), and a 4 wt% neutralized collagen solution (pH 7.8) was prepared by mixing an 8 wt% collagen solution with 0.25 M NaHCO 3 in a 1:1 ratio.
산성 및 중화 콜라겐(4 wt%)의 유동학적 특성[저장 계수(G')과 손실 계수(G'')]은 회전 콘 및 플레이트 레오미터(rheometer)로 측정하였다(Bohlin Gemini HR Nano, Malvern Instruments, U.K.; 직경 40 mm; 원뿔각도 4°; gap 150 μm). 또한, 온도 스위프(2℃/min에서 약 5~55℃)는 1% 변형률로 1Hz 주파수에서 수행하였다.The rheological properties [storage modulus (G') and loss modulus (G'')] of acidic and neutralized collagen (4 wt%) were measured by a rotating cone and plate rheometer (Bohlin Gemini HR Nano, Malvern Instruments, U.K.; diameter 40 mm; cone angle 4°; gap 150 μm). Additionally, temperature sweeps (approximately 5 to 55 °C at 2 °C/min) were performed at a frequency of 1 Hz with a strain of 1%.
Circular dichroism spectroscopy(J-815, JASCO, Japan)를 이용하여 콜라겐 알파나선 구조를 분석하였다. 또한, 산성 콜라겐(pH 4.0)과 중화 콜라겐(pH 7.8)을 최종 농도 0.3mg/mL로 제조하였다. 350 μL 샘플을 쿼츠 큐벳(1 mm 경로 길이; 110-QS, Hellma, USA)에 적재하고 원자외선 스펙트럼(파장 범위: ~200-260 nm)을 측정하였다. 모든 타원율 측정값은 버퍼 스펙트럼에 의해 수정되었고, 평균 몰 잔류 타원율(MRE; mean molar residue ellipticity)을 얻기 위해 정규화하였다.Circular dichroism spectroscopy (J-815, JASCO, Japan) was used to analyze the collagen α-helical structure. In addition, acidic collagen (pH 4.0) and neutralized collagen (pH 7.8) were prepared at a final concentration of 0.3 mg/mL. 350 μL sample was loaded into a quartz cuvette (1 mm path length; 110-QS, Hellma, USA), and the far-UV spectrum (wavelength range: ~200–260 nm) was measured. All ellipticity measurements were corrected by buffer spectra and normalized to obtain the mean molar residue ellipticity (MRE).
2. 콜라겐 기반 하이드로겔 준비 및 특성화2. Preparation and characterization of collagen-based hydrogels
하이드로겔 제조에는 3D 프린팅된 원통형 몰드(재질: ABS, 직경: 5mm, 높이: 2.5mm)를 사용하였다. 산성 콜라겐(4 wt%, pH 4.0)과 중화 콜라겐(4 wt%, pH 7.8)을 몰드에 넣은 후, 200 mM EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride)/50 mM NHS(N-hydroxy-succinimide)와 가교시켜 각각 C-gel과 uF-gel을 얻었다. Cryo-gel 준비를 위해, 산성 콜라겐을 -20℃에서 동결하였다. 그런 다음, 냉동된 콜라겐을 -20℃로 75 % EtOH에서 용해된 200 mM EDC/50 mM NHS에 24시간 동안 담가 가교 시켰다. 그 후, 얼음 결정을 녹이기 위해, 가교된 겔을 냉장고(4℃)에 넣었다. 섬유화된 F-gel을 얻기 위해, 중화된 콜라겐을 몰드에 붓고, PBS(phosphate-buffered saline)에 담궈 24시간 동안 37℃에서 배양하였다. EDC/NHS 가교는 37℃에서 4시간 동안 수행하였다(75% EtOH에서 용해된 100mM EDC/25mM NHS). 모든 하이드로겔은 삼중 증류수(3DW; triple-distilled water)로 세척되었다. 샘플의 표면 및 내부 구조는 주사전자현미경(SNE-3000M, SEC Inc., South Korea)을 이용하여 분석하였다.A 3D-printed cylindrical mold (material: ABS, diameter: 5 mm, height: 2.5 mm) was used for the fabrication of hydrogels. Acidic collagen (4 wt%, pH 4.0) and neutralized collagen (4 wt%, pH 7.8) were placed into the molds and cross-linked with 200 mM EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride)/50 mM NHS (N-hydroxy-succinimide) to obtain C-gel and uF-gel, respectively. For cryo-gel preparation, acidic collagen was frozen at -20 °C. Then, the frozen collagen was cross-linked by immersing it in 200 mM EDC/50 mM NHS dissolved in 75% EtOH at -20 °C for 24 h. After that, the cross-linked gel was placed in a refrigerator (4 °C) to melt ice crystals. To obtain fibrous F-gels, neutralized collagen was poured into a mold, immersed in phosphate-buffered saline (PBS), and incubated at 37°C for 24 h. EDC/NHS cross-linking was performed at 37°C for 4 h (100 mM EDC/25 mM NHS dissolved in 75% EtOH). All hydrogels were washed with triple-distilled water (3DW). The surface and internal structures of the samples were analyzed using a scanning electron microscope (SNE-3000M, SEC Inc., South Korea).
하이드로겔에서 유리 아민 잔기의 정량화는 2,2-dihydroxy-1,3-indanedione(닌하이드린 어세이)을 사용하여 가교의 정도(n = 6)를 분석하였다. 간단히 말해서, 0.16 w/v% tin II chloride 의 시트르산 200 mM을 3DW로 조제하고, 10 M NaOH를 첨가하여 용액의 pH를 5.0으로 조정하였다. 또한, 닌하이드린 분말은 2-에톡시에탄올(4 w/v%)에 용해하였다. 이 두 용액을 1:1로 혼합하여 반응 용액을 만들었다. 블랭크(w/o collagen), 3mg의 콜라겐 스폰지, 및 4가지 유형의 동결 하이드로겔(C-gel, Cryo-gel, uF-gel. 및 F-gel) 각각 3mg을 1.5 mL 미세관에 넣어 반응용액 1 mL를 가하였다. 샘플을 100℃의 가열 챔버에 15분 동안 가열하였다. 반응이 끝난 후, 시료를 4℃에서 5분간 냉각시키고 마이크로튜브마다 50%(v/v) 2-프로판올 250 μL를 첨가하였다. 각 샘플의 200μL를 9-웰 플레이트에 넣고, 광학 밀도(OD)를 570nm에서 마이크로플레이트 판독기(EL800, BioTek, United States)로 측정하였다. 가교 정도(%)는 하기 식 1로 계산하였다.Quantification of free amine residues in hydrogels was performed using 2,2-dihydroxy-1,3-indanedione (ninhydrin assay) to analyze the degree of cross-linking (n = 6). Briefly, 200 mM citric acid with 0.16 w/v% tin II chloride was prepared in 3DW, and the pH of the solution was adjusted to 5.0 by adding 10 M NaOH. In addition, ninhydrin powder was dissolved in 2-ethoxyethanol (4 w/v%). These two solutions were mixed 1:1 to prepare the reaction solution. Blank (w/o collagen), 3 mg of collagen sponge, and 3 mg each of four types of frozen hydrogels (C-gel, Cryo-gel, uF-gel, and F-gel) were added to 1.5 mL microtubes, and 1 mL of the reaction solution was added. The samples were heated in a heating chamber at 100 °C for 15 min. After the reaction, the samples were cooled at 4°C for 5 minutes, and 250 μL of 50% (v/v) 2-propanol was added to each microtube. 200 μL of each sample was placed in a 9-well plate, and the optical density (OD) was measured at 570 nm using a microplate reader (EL800, BioTek, United States). The degree of crosslinking (%) was calculated using the following Equation 1.
[식 1][Formula 1]
가교 정도(%) = [1 - (ODsample - ODblank)/(ODcollagen sponge - ODblank)] × 100Degree of crosslinking (%) = [1 - (OD sample - OD blank )/(OD collagen sponge - OD blank )] × 100
제작된 하이드로겔(n = 5)의 공극률(%)은 하기 식 2로 계산하였다. Wsample은 동결시료의 중량, ρcollagen은 밀도, Vsample 은 구조물의 부피이다.The porosity (%) of the fabricated hydrogel (n = 5) was calculated using the following equation 2. W sample is the weight of the frozen sample, ρ collagen is the density, and V sample is the volume of the structure.
[식 2][Formula 2]
공극률(%) = [1 - (Wsample/ρcollagen) / Vsample] × 100Porosity (%) = [1 - (W sample /ρ collagen ) / V sample ] × 100
하이드로겔(n = 5)의 누수(water leakage)를 평가하기 위해 universal testing machine(Top-tech; Chemilab, South Korea)을 사용하여 하이드로겔에 6 mm/min의 속도로 다양한 압축 변형률(ε= 20, 40, 60, 80%)을 적용하였다. 각 변형률마다 하이드로겔에서 짜낸 물은 티슈로 제거하였다. 누수율(%)은 하기 식 3으로 계산하였다. Whydrogel, initial 및 Whydrogel, ε는 배출된 물을 제거하기 전과 제거한 후의 하이드로겔의 무게를 각각 나타낸다.To evaluate the water leakage of hydrogels (n = 5), various compressive strains (ε = 20, 40, 60, and 80%) were applied to the hydrogels at a rate of 6 mm/min using a universal testing machine (Top-tech; Chemilab, South Korea). At each strain, the water squeezed out of the hydrogel was removed with a tissue. The leakage rate (%) was calculated by Equation 3 below. W hydrogel, initial and W hydrogel, ε represent the weights of the hydrogel before and after removing the discharged water, respectively.
[식 3][Formula 3]
누수율(%) = [(Whydrogel, initial - Whydrogel, ε) / Whydrogel, initial] × 100Leakage rate (%) = [(W hydrogel, initial - W hydrogel, ε ) / W hydrogel, initial ] × 100
공극률 측정기(porosimeter, Autopore V 9620; Micromeritics Inc., United States)를 사용하여 하이드로겔의 공극 크기 분포를 분석하였다. 정규화된 공극 부피 밀도는 공극 직경 및 누적 부피 데이터를 사용하여 식 4로 계산하였다.The pore size distribution of the hydrogels was analyzed using a porosimeter (Autopore V 9620; Micromeritics Inc., United States). The normalized pore volume density was calculated using the pore diameter and cumulative volume data using Equation 4.
ΔVi, Δri 및 Vmax는 각각 증가된 공극 부피, 공극 반경 간격 및 최대 누적 공극 부피를 나타낸다.ΔV i , Δr i and V max represent the increased pore volume, pore radius spacing and maximum accumulated pore volume, respectively.
[식 4][Formula 4]
공극 부피 밀도 = ΔVi / (Δri × Vmax)Pore volume density = ΔV i / (Δr i × V max )
수분 흡수를 측정하기 위해, 직육면체(폭: 5mm, 깊이: 1mm, 높이: 6mm) Cryo-gel 및 F-gel을 위에서 설명한 프로토콜에 따라 몰드에서 준비하였다. 샘플을 클립으로 고정하고, 하단 표면(1 mm)을 로다민 염료 용액(Sigma-Aldrich)에 담갔다. 각 시점에서 광학 이미지를 촬영하고, FiJi 소프트웨어(National Institutes of Health(NIH), USA)를 사용하여 흡수 거리를 측정하였다. To measure water absorption, cuboid (width: 5 mm, depth: 1 mm, height: 6 mm) Cryo-gel and F-gel were prepared in a mold according to the protocol described above. The samples were fixed with clips, and the lower surface (1 mm) was immersed in a rhodamine dye solution (Sigma-Aldrich). Optical images were taken at each time point, and the absorption distance was measured using FiJi software (National Institutes of Health (NIH), USA).
형상 고정 비율(Rf, Shape fixity ratio) 및 형상 복구 비율(Rr, shape-recovery ratio)은 하기 식 5 및 6으로 계산하였다. εD 및 εR은 각각 변형 후 변형률[(hi - hD)/hi] 및 재수화 후 변형률[(hi - hR)/hi]을 나타내고, εm은 변형률이다.Shape fixity ratio (R f ) and shape recovery ratio (R r ) were calculated using Equations 5 and 6 below. ε D and ε R represent the strain after deformation [(h i - h D )/h i ] and the strain after rehydration [(h i - h R )/h i ], respectively, and ε m is the strain.
[식 5][Formula 5]
Rf = εD/εm R f = ε D /ε m
[식 6][Formula 6]
Rr = (εm - εR)/εm R r = (ε m - ε R )/ε m
3. 하이드로겔의 역학적 특성3. Mechanical properties of hydrogels
원통형 하이드로겔(직경: 5mm, 높이: 2.5mm, n = 4)은 universal testing machine(UTM; Top-tech)을 사용하여 6mm/min의 속도로 압축 테스트를 하였다. 압축 계수는 응력-변형률 곡선(stress-strain curve)의 선형 영역에서 계산하였다. 주기적 압축 테스트는 일정한 속도(6 mm/min)로 UTM을 사용하여 수행되었고, 이러한 압축 해제 테스트 중 높이 복원은 비디오 녹화에서 측정하였고, FiJi 소프트웨어(NIH, USA)로 분석하였다.Cylindrical hydrogels (diameter: 5 mm, height: 2.5 mm, n = 4) were subjected to compression tests at a rate of 6 mm/min using a universal testing machine (UTM; Top-tech). The compressive modulus was calculated from the linear region of the stress-strain curve. Cyclic compression tests were performed using the UTM at a constant rate (6 mm/min), and the height recovery during these decompression tests was measured from video recordings and analyzed with FiJi software (NIH, USA).
4. 콜라겐의 메타크릴화4. Methacrylation of collagen
콜라겐의 메타크릴화를 수행하여 광가교성 콜라겐(photo-crosslinkable collagen)을 얻었다. 간단히 말해서, 3.75 mg/mL의 콜라겐 용액을 교반된 0.5 M 아세트산을 사용하여 제조하였다. 콜라겐이 완전히 용해된 후, 4℃에서 10 M NaOH를 방울별로 추가하여 용액의 pH를 8.0로 조정하였다. 메타크릴산 무수물(MAA; Methacrylic anhydrides, Sigma-Aldrich)을 콜라겐 용액(콜라겐 용액 1mL당 MAA 7.5μL)에 3일 동안 첨가하여 콜라겐 메타크릴레이트(Col-ma, 메타크릴레이트 콜라겐)를 얻었다. 반응 후, Col-ma를 아세톤으로 침전시키고 70% 에탄올로 5회 세척하였다. 세척된 Col-ma는 투석 튜브(dialysis tubing, 3.5 kDa, Spectrum Chemical Mfg. Corp., United States)를 사용하여 3DW에서 7일 동안 투석되었다. 그 후, 동결(FD8505, IlshinBioBase, South Korea)하여 사용 전까지 4℃에서 보관하였다. Col-ma의 메타크릴화율은 64.8 ± 0.8%였으며, 위에서 설명한 프로토콜에 따라 닌히드린 분석으로 측정하였다.Photo-crosslinkable collagen was obtained by methacrylation of collagen. Briefly, a collagen solution of 3.75 mg/mL was prepared using stirred 0.5 M acetic acid. After the collagen was completely dissolved, the pH of the solution was adjusted to 8.0 by adding 10 M NaOH dropwise at 4 °C. Collagen methacrylate (Col-ma, methacrylated collagen) was obtained by adding methacrylic anhydrides (MAA; Sigma-Aldrich) to the collagen solution (7.5 μL of MAA per mL of collagen solution) for 3 days. After the reaction, Col-ma was precipitated with acetone and washed five times with 70% ethanol. The washed Col-ma was dialyzed against 3DW using dialysis tubing (3.5 kDa, Spectrum Chemical Mfg. Corp., United States) for 7 days. Afterwards, it was frozen (FD8505, IlshinBioBase, South Korea) and stored at 4℃ until use. The methacrylation rate of Col-ma was 64.8 ± 0.8%, which was measured by ninhydrin assay according to the protocol described above.
5. Col-ma/collagen 복합 하이드로겔 제조5. Manufacturing of Col-ma/collagen composite hydrogel
콜라겐 및 Col-ma 용액은 0.1 M 아세트산(pH 4.0, 8 wt%)으로 제조하였다. 각 용액은 0.25 M NaHCO3와 1:1 혼합하여 중화하였으며, 최종 농도는 4 wt% (pH 7.8)이었다. 광개시제[lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP; Sigma-Aldrich)]를 중화된 Col-ma 용액에 용해시켰다(Col-ma 용액 1mL당 LAP 3mg). Col-ma와 콜라겐(Col) 용액을 다양한 비율로 혼합하여 Col/Col-ma 복합 용액을 제조하였다.Collagen and Col-ma solutions were prepared with 0.1 M acetic acid (pH 4.0, 8 wt%). Each solution was neutralized by mixing 1:1 with 0.25 M NaHCO 3 , and the final concentration was 4 wt% (pH 7.8). The photoinitiator [lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP; Sigma-Aldrich)] was dissolved in the neutralized Col-ma solution (3 mg of LAP per mL of Col-ma solution). Col-ma and collagen (Col) solutions were mixed at various ratios to prepare Col/Col-ma complex solutions.
Col/Col-ma 복합 하이드로겔의 제조를 위해, 전구체 용액을 원통형 몰드(직경: 5mm, 높이: 2.5mm)에 넣었다. 그 후, -20℃에서 4시간 동안 동결하였고, -20℃에서 UV 가교(365 nm, 120초 동안 200 mW/cm2)를 수행하였다. 그 후, 하이드로겔을 PBS에 담근 후, 37℃에서 24시간 동안 배양하였다. 배양 후 PBS를 제거하고, 2차 가교를 위해 75% EtOH에서 용해된 100 mM EDC/25 mM NHS를 첨가하였다(37℃, 4시간). 모든 제작된 하이드로겔은 삼중 증류수(3DW)로 세척되었고, 표면 형태, 기계적 특성, 형상 복원 특성은 위에서 설명한 프로토콜에 따라 분석하였다.For the fabrication of Col/Col-ma composite hydrogels, the precursor solution was placed into a cylindrical mold (diameter: 5 mm, height: 2.5 mm). Then, it was frozen at -20 °C for 4 h, and UV crosslinking (365 nm, 200 mW/cm 2 for 120 s) was performed at -20 °C. After that, the hydrogel was immersed in PBS and incubated at 37 °C for 24 h. After incubation, the PBS was removed, and 100 mM EDC/25 mM NHS dissolved in 75% EtOH was added for secondary crosslinking (37 °C, 4 h). All the fabricated hydrogels were washed with triple-distilled water (3DW), and the surface morphology, mechanical properties, and shape recovery properties were analyzed according to the protocol described above.
6. In vitro 테스트6. In vitro testing
인간 지방 유래 줄기세포(hASC, PT-5006, Lonza, Basel, Switzerland)는 10% FBS(fetal bovine serum, Biowest, France)와 1% 페니실린/스트렙토마이신(PS, Thermific Fisher)으로 보충된 DMEM 저포도당(HyClone; 미국)에서 5% CO2, 37℃의 조건으로 배양하였다. 세포를 다양한 하이드로겔(1.0 × 103 cells/scaffolds)에 접종하고 배지를 2일마다 교체하였다.Human adipose-derived stem cells (hASC, PT-5006, Lonza, Basel, Switzerland) were cultured in DMEM low glucose (HyClone; USA) supplemented with 10% FBS (fetal bovine serum, Biowest, France) and 1% penicillin/streptomycin (PS, Thermific Fisher) at 37° C and 5% CO2. Cells were seeded on various hydrogels (1.0 × 103 cells/scaffolds), and the medium was changed every 2 days.
세포 증식(n = 5)은 제조업체의 프로토콜에 따라 CCK-8 분석(Dojindo, 일본)을 사용하여 분석하였다. 간단히 말해서, CCK-8 assay 용액과 세포 배양액을 1:9의 비율로 혼합하고, 세포 배양 시점마다 200 μL의 용액을 각 샘플에 주입하였다. 37℃에서 2시간 동안 배양한 후, 96-웰 플레이트에 반응물을 피펫팅하여 450nm에서 마이크로 플레이트 리더(EL800)로 흡광도를 측정하였다.Cell proliferation (n = 5) was analyzed using the CCK-8 assay (Dojindo, Japan) according to the manufacturer's protocol. Briefly, the CCK-8 assay solution and cell culture medium were mixed at a ratio of 1:9, and 200 μL of the solution was injected into each sample at each cell culture time point. After incubation for 2 h at 37°C, the reaction mixture was pipetted into a 96-well plate, and the absorbance was measured at 450 nm using a microplate reader (EL800).
하이드로겔에서 배양된 hASC의 형태를 시각화하기 위해, 세포를 3.7% 포름알데히드(Sigma-Aldrich)로 고정하였다. 비특이적 항체 결합의 투과 및 차단을 위해, 하이드로겔을 2% BSA(bovine serum albumin, Sigma-Aldrich)을 함유하는 0.1% Triton X-100(Sigma-Aldrich)으로 2시간 동안 처리하였다. 그런 다음, 샘플을 항-빈쿨린(vinculin) 1차 항체(5 μg/ml, Abcam, 미국)와 함께 4℃에서 밤새 배양하였다. 검체를 PBS로 2회 헹군 후, diamidino-2-phenylinodole(DAPI, PBS에서 1:100 희석, Invitrogen, USA), Alexa Fluor 594 phalloidin(PBS에서 1:100 희석, Invitrogen), 및 Alexa Fluor 488-접합 2차 항체(PBS에서 1:50, Invitrogen)를 사용하여 1시간 동안 세포 핵, F-액틴 및 빈쿨린을 각각 시각화하였다. 염색된 세포는 공초점 현미경(LSM700, Carl Zeiss, Germany)으로 관찰하였다. 또한 FiJi 소프트웨어를 사용하여 세포의 F-액틴 영역과 종횡비를 측정하였다.To visualize the morphology of hASC cultured in hydrogels, cells were fixed with 3.7% formaldehyde (Sigma-Aldrich). To permeabilize and block nonspecific antibody binding, hydrogels were treated with 0.1% Triton X-100 (Sigma-Aldrich) containing 2% bovine serum albumin (BSA, Sigma-Aldrich) for 2 h. Then, the samples were incubated overnight at 4°C with anti-vinculin primary antibody (5 μg/ml, Abcam, USA). After rinsing the samples twice with PBS, diamidino-2-phenylinodole (DAPI, 1:100 diluted in PBS, Invitrogen, USA), Alexa Fluor 594 phalloidin (1:100 diluted in PBS, Invitrogen), and Alexa Fluor 488-conjugated secondary antibodies (1:50 in PBS, Invitrogen) were used to visualize cell nuclei, F-actin, and vinculin, respectively, for 1 h. The stained cells were observed using a confocal microscope (LSM700, Carl Zeiss, Germany). In addition, the F-actin area and aspect ratio of the cells were measured using FiJi software.
실시간 역전사 중합효소 연쇄반응(실시간 RT-PCR)을 수행하여 탈린(TLN; talin), 팍실린(PXN; paxillin), 빈쿨린(VCL; vinculin), 국소접착 키네이스(FAK; focal adhesion kinase), RhoA(ras homolog family member A)의 상대적인 유전자 발현 수준을 측정하였다. 배양된 hASC의 총 RNA는 TRI 시약(Sigma-Aldrich) 처리로 추출하였고, 분리된 RNA의 농도는 분광광도계(FLX800T; Biotek, USA)를 이용하여 측정하였다. 제조사의 프로토콜에 따라 ReverTra Ace qPCR RT Master Mix(Toyobo Co., Ltd., Japan)를 사용하여 cDNA(Complementary DNA)를 합성하였다. 정량적 RT-PCR을 수행하기 위해, StepOnePlus Real-Time PCR System(Applied Biosystems, USA)과 Thunderbird® SYBR® qPCR Mix(Toyobo, Japan)를 사용하였고, 유전자 발현 수준은 하우스키핑 유전자(베타-액틴(ACTB))의 발현 수준에 의해 정규화되었다. 유전자 특이적 프라이머 서열은 하기 표 1에 나타내었다.Real-time reverse transcription polymerase chain reaction (real-time RT-PCR) was performed to measure the relative gene expression levels of talin (TLN), paxillin (PXN), vinculin (VCL), focal adhesion kinase (FAK), and RhoA (ras homolog family member A). Total RNA from cultured hASCs was extracted by treatment with TRI reagent (Sigma-Aldrich), and the concentration of the isolated RNA was measured using a spectrophotometer (FLX800T; Biotek, USA). cDNA (complementary DNA) was synthesized using ReverTra Ace qPCR RT Master Mix (Toyobo Co., Ltd., Japan) according to the manufacturer's protocol. To perform quantitative RT-PCR, StepOnePlus Real-Time PCR System (Applied Biosystems, USA) and Thunderbird ® SYBR ® qPCR Mix (Toyobo, Japan) were used, and gene expression levels were normalized to the expression level of the housekeeping gene (beta-actin (ACTB)). Gene-specific primer sequences are shown in Table 1 below.
7. 고분자, 세라믹, 또는 금속성 물질을 함유하는 복합 하이드로겔 제조7. Manufacturing of composite hydrogels containing polymer, ceramic, or metallic materials
광개시제(LAP)를 포함하는 Col 2%/Col-ma 2% 용액을 C2CM2-Hep 및 C2CM2-HA 복합 하이드로겔 제조에 사용하였다. C2CM2-Hep 하이드로겔 제조를 위해, 0.04mg의 헤파린을 1mL의 용액과 혼합하였다. 또한, C2CM2-HA 하이드로겔 제조를 위해, 0.08g의 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite)를 1mL의 용액과 혼합하였다. 용액을 원통형 몰드에 넣고 -20℃에서 4시간 동안 동결시킨 후, -20℃에서 UV 가교(365nm, 120초 동안 200mW/cm2)를 수행하였다. 하이드로겔을 PBS에 담근 후, 37℃에서 24시간 동안 배양하였다. 그 후, PBS를 제거하고 75% EtOH에서 용해된 100mM EDC/25mM NHS를 추가 가교를 위해 첨가하였다(37℃, 4시간). 제작된 하이드로겔은 모두 3DW로 세척되었으며, 표면 형태 및 형상 복원 특성은 위에서 설명한 프로토콜에 따라 분석하였다.A Col 2%/Col-ma 2% solution containing a photoinitiator (LAP) was used to prepare C2CM2-Hep and C2CM2-HA composite hydrogels. For the preparation of C2CM2-Hep hydrogel, 0.04 mg of heparin was mixed with 1 mL of solution. In addition, for the preparation of C2CM2-HA hydrogel, 0.08 g of hydroxyapatite was mixed with 1 mL of solution. The solution was placed into a cylindrical mold and frozen at -20 °C for 4 h, followed by UV crosslinking (365 nm, 200 mW/cm 2 for 120 s) at -20 °C. The hydrogels were immersed in PBS and then incubated at 37 °C for 24 h. Afterwards, PBS was removed, and 100 mM EDC/25 mM NHS dissolved in 75% EtOH was added for further cross-linking (37 °C, 4 h). All fabricated hydrogels were washed with 3DW, and the surface morphology and shape recovery characteristics were analyzed according to the protocol described above.
8. 3D 프린팅을 이용한 형상 복원 하이드로겔 제작8. Fabrication of shape-restoring hydrogels using 3D printing
온도 제어 시스템과 결합된 디스펜싱 시스템(AD-3000C; Ugin-tech, 한국)이 장착된 3축 프린팅 시스템(three-axis printing system, DTR3-2210 T-SG; DASA Robot, 한국)을 사용하였다. 3D 프린트된 C2CM2 스캐폴드(C2CM2print) 제작을 위해, Col 2 wt%/Col-ma 2 wt%(pH 7.8, 3 mg/mL LAP와 혼합)를 프린팅 용액 배럴에 주입하였다. 프린팅 단계 온도는 -20℃, 배럴 온도는 4℃로 설정하였다. 메쉬 구조는 고정된 프린팅 매개변수(노즐 직경: 250μm, 공압: 100kPa, 인쇄 속도: 10mm/s)로 프린트되었다. 프린트된 C2CM2 구조는 -20℃에서 UV 조사(120초 동안 200mW/cm2)로 가교되었고, PBS에 담근 후 37℃에서 24시간 동안 배양되었다. 그 후, 구조는 37℃에서 75 % EtOH에서 용해된 100 mM EDC/25 mM NHS로 4시간 동안 가교되었으며, 모든 검체는 3DW로 세척하였다.A three-axis printing system (DTR3-2210 T-SG; DASA Robot, Korea) equipped with a dispensing system (AD-3000C; Ugin-tech, Korea) coupled with a temperature control system was used. For the fabrication of 3D printed C2CM2 scaffolds (C2CM2 print ), Col 2 wt%/Col-ma 2 wt% (pH 7.8, mixed with 3 mg/mL LAP) was injected into the printing solution barrel. The printing stage temperature was set at -20 °C, and the barrel temperature was 4 °C. The mesh structures were printed under fixed printing parameters (nozzle diameter: 250 μm, air pressure: 100 kPa, printing speed: 10 mm/s). The printed C2CM2 structures were cross-linked by UV irradiation (200 mW/cm 2 for 120 s) at -20 °C, immersed in PBS, and incubated at 37 °C for 24 h. Afterwards, the structures were cross-linked with 100 mM EDC/25 mM NHS dissolved in 75% EtOH at 37 °C for 4 h, and all samples were washed with 3DW.
F-gel 제작을 위하여, 중화된 Col 4wt% 용액을 배럴에 주입한 뒤, 디스펜서와 3D 프린터를 활용하여 3 차원 구조체를 제작하였다. 배럴의 온도는 5 내지 10℃로 세팅하였으며, 프린팅 스테이지의 온도는 30 내지 40℃의 범위로 진행하였다. 프린팅 이후 구조체는 EDC/NHS를 통해 가교되었으며, 구조체는 3DW로 세척하였다. To fabricate F-gel, a neutralized Col 4 wt% solution was injected into the barrel, and a three-dimensional structure was fabricated using a dispenser and a 3D printer. The temperature of the barrel was set to 5 to 10°C, and the temperature of the printing stage was in the range of 30 to 40°C. After printing, the structure was cross-linked with EDC/NHS, and the structure was washed with 3DW.
Cryo-gel 제작을 위하여 산에 용해된 4 wt%의 콜라겐 혹은 4 wt%의 광경화성 콜라겐(Col-ma) 용액을 배럴에 주입하고, 디스펜서와 3D 프린터를 통해 3차원 구조체를 제작하였다. 제작된 구조체는 -80℃ 환경에서 EDC/NHS 용액에서 가교를 진행하거나, Col-ma 구조체의 경우 UV를 조사하여 광경화를 진행시켰다. To produce a cryo-gel, a 4 wt% collagen or 4 wt% photocurable collagen (Col-ma) solution dissolved in acid was injected into the barrel, and a three-dimensional structure was produced using a dispenser and a 3D printer. The produced structure was cross-linked in an EDC/NHS solution at -80°C, or, in the case of the Col-ma structure, photocured by irradiating it with UV.
9. 통계 분석9. Statistical Analysis
데이터는 평균±표준편차로 표현하였으며, 통계분석은 SPSS 소프트웨어(SPSS, Inc., USA)를 이용하여 수행하였다. 두 그룹 간의 비교를 위해 t-test가 사용되었다. 세 개 이상의 그룹을 비교하기 위해, 단일 인자 분산 분석(ANOVA)과 Tukey의 HSD post-hoc test가 사용되었고, p < 0.05는 통계적으로 유의한 것으로 간주되었다.Data were expressed as mean ± standard deviation, and statistical analysis was performed using SPSS software (SPSS, Inc., USA). The t-test was used to compare two groups. For comparison of three or more groups, a single-factor analysis of variance (ANOVA) and Tukey's HSD post-hoc test were used, and p < 0.05 was considered statistically significant.
[실시예][Example]
실시예 1. Cryo-gel의 형상 복원 특성과 F-gel의 세포 활성 특성을 갖는 생체복합체Example 1. Biocomposite with shape restoration properties of cryo-gel and cell activity properties of F-gel
Cryo-gelcol-ma, F-gel, 및 생체복합체(C1CM3 및 C2CM2)의 변형 및 재수화로 인한 기하학적 변화를 확인하였다. 그 결과는 도 2의 (A) 내지 (E)에 나타내었다.Geometrical changes due to deformation and rehydration of cryo-gel col-ma , F-gel, and biocomposites (C1CM3 and C2CM2) were investigated. The results are shown in Fig. 2 (A) to (E).
도 2의 (A) 내지 (C)에 나타난 바와 같이, 압축 후 C2CM2 및 F-gel의 수분 함량은 Cryo-gelcol-ma 및 C1CM3보다 약간 낮았다(Cryo-gelcol-ma = 77.7 ± 2.4%; C1CM3 = 78.4 ± 2.6%; C2CM2 = 75.1 ± 4.4%, F-gel = 72.4 ± 2.0%). 그러나 Col 중량 비율이 증가함에 따라 형상 고정 비율이 증가하였다(Rf, Cryo-gel col-ma = 3.9 ± 3.4%; Rf, C1CM3 = 38.5 ± 9.7%; Rf, C2CM2 = 68.8 ± 7.7%, 및 Rf, F-gel = 94.8 ± 5.1%). 또한, 재수화 후 모든 하이드로겔은 비슷한 수준으로 수분을 흡수하여 형상을 복원하였다(Rr, Cryo-gelcol-ma = 98.6 ± 6.6%, Rr, C1CM3 = 97.4 ± 5.7%, Rr, C2CM2 = 99.2 ± 4.0%, Rr, F-gel = 99.6 ± 1.5%). As shown in Fig. 2(A) to (C), the moisture contents of C2CM2 and F-gel after compression were slightly lower than those of Cryo-gel col-ma and C1CM3 (Cryo-gel col-ma = 77.7 ± 2.4%; C1CM3 = 78.4 ± 2.6%; C2CM2 = 75.1 ± 4.4%, F-gel = 72.4 ± 2.0%). However, the shape fixation ratio increased as the Col weight ratio increased (R f, Cryo-gel col-ma = 3.9 ± 3.4%; R f, C1CM3 = 38.5 ± 9.7%; R f, C2CM2 = 68.8 ± 7.7%, and R f, F-gel = 94.8 ± 5.1%). Additionally, after rehydration, all hydrogels absorbed water to similar levels and restored their shapes (R r, Cryo-gelcol-ma = 98.6 ± 6.6%, R r, C1CM3 = 97.4 ± 5.7%, R r, C2CM2 = 99.2 ± 4.0%, R r, F-gel = 99.6 ± 1.5%).
본 발명자들은 F-gel이 Cryo-gel보다 복원 속도가 느리다는 것을 확인하였다. 이에 생체복합체의 복원 속도를 분석하였다. 그 결과는 도 2의 (F)에 나타내었다.The inventors of the present invention confirmed that F-gel has a slower recovery speed than Cryo-gel. Accordingly, the recovery speed of the biocomposite was analyzed. The results are shown in Fig. 2 (F).
도 2의 (F)에 나타난 바와 같이, 생체복합체(C2CM2 및 C1CM3)는 F-gel보다 훨씬 빠르게 형상이 복원되고, Cryo-gel(또는 Cryo-gelcol-ma)만큼 빠르게 형상이 복원되었다. 이는 도 2의 (H)에 나타난 바와 같이, 생체복합체의 Col-ma 영역에서 상대적으로 더 큰 공극을 통한 효율적인 수분 흡수의 결과이다.As shown in (F) of Fig. 2, the biocomposites (C2CM2 and C1CM3) recovered their shape much faster than F-gel, and as fast as Cryo-gel (or Cryo-gel col-ma ). This is a result of efficient water absorption through the relatively larger pores in the Col-ma region of the biocomposites, as shown in (H) of Fig. 2.
또한, 생체복합체(C1CM3 및 C2CM2), Cryo-gelcol-ma, 및 F-gel의 형상 복구 특성은 다양한 압축 변형률(ε = 20, 40, 60, 80%)과 압축-복귀 주기 수(1, 5, 10)에 대해 평가되었다. 그 결과는 도 2의 (G) 및 (H)에 나타내었다.Additionally, the shape recovery properties of biocomposites (C1CM3 and C2CM2), cryo-gel col-ma , and F-gel were evaluated for various compressive strains (ε = 20, 40, 60, and 80%) and numbers of compression-recovery cycles (1, 5, and 10). The results are shown in Fig. 2 (G) and (H).
도 2의 (G) 및 (H)에 나타난 바와 같이, 다양한 주기적 압축조건이 적용됐지만 생체복합체는 이력현상 없이 형상 복원이 우수하였다. 따라서, 연골이나 근육, 뼈에 변형력이 가해지는 주사식 스캐폴드나 조직공학 생체반응기에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.As shown in (G) and (H) of Fig. 2, the biocomposite showed excellent shape recovery without hysteresis even when various cyclic compression conditions were applied. Therefore, it can be usefully used in injectable scaffolds or tissue engineering bioreactors that apply deformation forces to cartilage, muscle, or bone.
Cryo-gelcol-ma, F-gel, 및 두 가지 생체복합체에서 배양된 hASC의 세포 증식은 CCK-8 분석을 사용하여 확인하였다. 그 결과는 도 3의 (A)에 나타내었다.Cell proliferation of hASCs cultured on cryo-gel col-ma , F-gel, and two biocomposites was determined using a CCK-8 assay. The results are shown in Fig. 3 (A).
도 3의 (A)에 나타난 바와 같이, F-gel과 C2CM2 복합체에서 7일째 생존한 세포의 수는 Cryo-gelcol-ma 및 C1CM3보다 훨씬 많았다. 이는 F-gel과 C2CM2가 ECM과 더 유사한 나노섬유 구조의 미세환경을 제공한 것을 의미한다. As shown in Fig. 3(A), the number of cells surviving on day 7 in the F-gel and C2CM2 composites was much higher than that in the Cryo-gel col-ma and C1CM3. This suggests that F-gel and C2CM2 provided a microenvironment with a nanofiber structure more similar to the ECM.
또한, 각 하이드로겔에서 1일 동안 배양된 세포의 DAPI/팔로이딘 이미지, 및 F-액틴 영역, 종횡비를 도 3의 (B) 내지 (D)에 나타내었다.Additionally, DAPI/phalloidin images, and F-actin area and aspect ratio of cells cultured in each hydrogel for 1 day are shown in Figures 3 (B) to (D).
도 3의 (B) 내지 (D)에 나타난 바와 같이, C2CM2 생체복합체에서 배양된 세포 형태는 F-gel에서 배양된 세포 형태와 훨씬 유사하였다.As shown in Figures 3 (B) to (D), the morphology of cells cultured in the C2CM2 biocomposite was much more similar to that of cells cultured in the F-gel.
또한, RT-PCR을 사용하여 세포 배양 7일 후 국소 부착 유전자인 탈린(TLN), 팍실린(PXN), 빈쿨린(VCL)의 발현을 측정하였다. 이때, Cryo-gelcol-ma으로 정규화하였으며, 그 결과는 도 3의 (E)에 나타내었다.In addition, the expression of local adhesion genes, talin (TLN), paxillin (PXN), and vinculin (VCL), was measured after 7 days of cell culture using RT-PCR. At this time, normalization was performed using Cryo-gel col-ma , and the results are shown in Fig. 3 (E).
도 3의 (E)에 나타난 바와 같이, F-gel에서 배양된 세포의 유전자 발현량이 가장 높았고, C2CM2 생체복합체에서 배양된 세포의 경우 Cryo-gelcol-ma 및 C1CM3에서 배양된 세포보다 유전자 발현량이 훨씬 높았다.As shown in Fig. 3 (E), the gene expression level of cells cultured on F-gel was the highest, and the gene expression level of cells cultured on C2CM2 biocomposite was much higher than that of cells cultured on Cryo-gel col-ma and C1CM3.
요약하면, 생체복합체의 형상 복원 특성과 세포활성을 비교하기 위해, (1) 형상 복원 비율(Rr), (2) 형상 고정 비율(Rf), (3) 형상 복구 시간, (4) 세포 증식, 및 (5) 세포 부착의 5가지 매개 변수를 사용하였다. 형상 복원 시간은 최소값으로 정규화되었고, 다른 매개변수는 각 최대값으로 정규화되었다. 그 결과는 도 3의 (F)에 나타내었다.In summary, to compare the shape restoration properties and cellular activity of biocomposites, five parameters were used: (1) shape restoration ratio (R r ), (2) shape fixation ratio (R f ), (3) shape recovery time, (4) cell proliferation, and (5) cell adhesion. The shape restoration time was normalized to the minimum value, and the other parameters were normalized to their respective maximum values. The results are shown in Fig. 3 (F).
도 3의 (F)에 나타난 바와 같이, C2CM2 생체복합체가 오각형 다이어그램의 가장 큰 영역을 차지하였다(Cryo-gelcol-ma = 21.7%, C1CM3 = 42.4%, C2CM2 = 68.8%, F-gel = 61.8%). 이는 C2CM2가 F-gel보다 더 나은 형상 복원 특성을 갖고, Cryo-gel 및 C1CM3보다 더 큰 세포활성을 지원한다는 것을 의미한다.As shown in Fig. 3(F), the C2CM2 biocomposite occupied the largest area of the pentagonal diagram (Cryo-gel col-ma = 21.7%, C1CM3 = 42.4%, C2CM2 = 68.8%, F-gel = 61.8%). This means that C2CM2 has better shape recovery properties than F-gel and supports greater cell activity than Cryo-gel and C1CM3.
따라서, 본 발명은 빠른 형상복원속도를 가지는 Cryo-gel과 높은 세포활성도를 가지는 F-gel의 장점을 병합하였다. 영하의 온도에서 동결된 후에, 추가적으로 가교를 진행하는 것은 실험적으로 큰 어려움이 있다. 그러나, 본 발명은 동결 후에 추가로 가교를 진행하여 형상복원속도가 빠르고, 세포활성도가 높은 하이드로겔 제조방법을 제안하였는바, 현저히 우수한 발명이다. Therefore, the present invention combines the advantages of Cryo-gel with a fast shape recovery rate and F-gel with high cell activity. After freezing at sub-zero temperatures, it is experimentally very difficult to additionally perform cross-linking. However, the present invention proposes a method for manufacturing a hydrogel with a fast shape recovery rate and high cell activity by additionally performing cross-linking after freezing, which is a significantly excellent invention.
실시예 2. F-gel 기반 복합 구조체의 응용Example 2. Application of F-gel-based composite structures
다양한 조직 공학 적용을 위한 F-gel 생체복합체의 활용을 위해, 헤파린, 하이드록시아파타이트(HA; hydroxyapatite), Fe2O3를 생체복합체의 첨가제로 사용하였다. 헤파린은 세포 외 기질에서 널리 분포하며, 정전기 상호작용을 통해 음전하의 방출을 지연시킬 수 있기 때문에 성장 인자의 지속적인 방출에 널리 사용되어 왔다. 또한, HA는 뼈의 주성분 중 하나로, 골조직 재생에서 골유착 및 골전도에 널리 사용된다. 산화철(Fe2O3)은 금속성 소재의 하나로 사용되었다.To utilize the F-gel biocomposite for various tissue engineering applications, heparin, hydroxyapatite (HA), and Fe 2 O 3 were used as additives in the biocomposite. Heparin is widely distributed in the extracellular matrix and has been widely used for the sustained release of growth factors because it can delay the release of negative charges through electrostatic interactions. In addition, HA is one of the main components of bone and is widely used for osteointegration and osteoconduction in bone tissue regeneration. Iron oxide (Fe 2 O 3 ) was used as one of the metallic materials.
따라서 (1) 헤파린 결합 F-gel 생체복합체(F-GEL-HEP, 1 μg heparin/ Col 1 mg), (2) HA 결합 F-gel 생체복합체(F-GEL-HA, HA 2mg/Col 1 mg), (3) 산화철 결합 F-gel 생체복합체(F-GEL-Fe2O3, Fe2O3 0.1 mg/Col 1 mg)의 세 가지 다른 유형을 제조하였다. 그 후, 형상 복원 특성 분석을 하였다. 그 결과는 도 4의 (A) 내지 (C)에 나타내었다.Therefore, three different types of F-gel biocomposites were prepared: (1) heparin-conjugated F-gel biocomposites (F-GEL-HEP, 1 μg heparin/Col 1 mg), (2) HA-conjugated F-gel biocomposites (F-GEL-HA, HA 2 mg/Col 1 mg), and (3) iron oxide-conjugated F-gel biocomposites (F-GEL-Fe 2 O 3, Fe 2 O 3 0.1 mg/Col 1 mg). Then, shape recovery characteristics were analyzed. The results are shown in Fig. 4 (A) to (C).
도 4의 (A) 내지 (C)에 나타난 바와 같이, 500g 추를 활용하여 압착 및 변형을 진행하였으며, 압축이 제거된 후 초기 형상으로 복귀되는 것을 확인할 수 있었다. As shown in (A) to (C) of Figure 4, compression and deformation were performed using a 500 g weight, and it was confirmed that the initial shape was restored after the compression was removed.
F-gel 제작 기술을 활용하여 3차원 다공성 구조를 제작하기 위해, 3D 프린팅을 통해 printed F-gel(PF-gel) scaffold를 제작하였다. 중화된 콜라겐을 활용하여 16×16×2mm3 구조를 제작하였으며(도 5의 (A)) 제작된 구조체의 SEM 분석 결과 표면이 섬유 구조로 이루어진 것을 확인할 수 있었다(도 5의 (B)). 이를 주입 가능한 구조체로 활용할 수 있는지 확인하기 위하여 노즐을 통해 주입 테스트를 진행하였으며, 변형된 구조체가 수분 주입 시 초기 디자인으로 다시 복구되는 것을 확인할 수 있었다(도 5의 (C)). 또한, 변형 회복능을 다시 확인하기 위하여 500g 추를 활용하여 압착 및 변형을 진행하였으며, 다시 수분에 주입한 결과 초기 형상으로 복귀되는 것 역시 확인할 수 있었다(도 5의 (D)).To fabricate a three-dimensional porous structure using the F-gel fabrication technology, a printed F-gel (PF-gel) scaffold was fabricated through 3D printing. A 16 × 16 × 2 mm 3 structure was fabricated using neutralized collagen (Fig. 5 (A)), and the SEM analysis result of the fabricated structure confirmed that the surface was composed of a fibrous structure (Fig. 5 (B)). In order to confirm whether this could be used as an injectable structure, an injection test was conducted through a nozzle, and it was confirmed that the deformed structure was restored to the initial design when water was injected (Fig. 5 (C)). In addition, in order to confirm the deformation recovery ability again, a 500 g weight was used to perform compression and deformation, and it was confirmed that the initial shape was restored when water was injected again (Fig. 5 (D)).
또한, (1) 헤파린 결합 F-gel 생체복합체(PF-GEL-HEP, 1 μg heparin/ Col 1 mg) 및 (2) HA 결합 F-gel 생체복합체(PF-GEL-HA, HA 2mg/Col 1 mg)의 두 가지 다른 유형을 제조하였다. 그 후, 염색, SEM 이미지, 및 형상 복원 특성 분석을 하였다. 그 결과는 도 5의 (E)에 나타내었다.In addition, two different types of (1) heparin-conjugated F-gel biocomposites (PF-GEL-HEP, 1 μg heparin/Col 1 mg) and (2) HA-conjugated F-gel biocomposites (PF-GEL-HA, HA 2 mg/Col 1 mg) were prepared. Then, staining, SEM images, and shape recovery property analyses were performed. The results are shown in Fig. 5 (E).
도 5의 (E)에 나타난 바와 같이, 알키안-블루-염색 PF-GEL-HEP 및 알리자린-레드-S-염색 PF-GEL-HA는 생체복합체 전체에 헤파린과 HA가 잘 분포되어 있음을 보여주었다. 또한, SEM 이미지는 C2CM2 복합체의 전형적인 공극 구조를 나타내었다. 또한, PF-GEL 복합체와 유사한 형상 복원 특성이 두 생체복합체(PF-GEL-HEP, PF-GEL-HA) 모두에서 관찰되었다.As shown in Fig. 5(E), the alkane-blue-stained PF-GEL-HEP and the alizarin-red-S-stained PF-GEL-HA showed that heparin and HA were well distributed throughout the biocomposites. In addition, the SEM images showed the typical pore structure of the C2CM2 complex. In addition, shape recovery characteristics similar to those of the PF-GEL complex were observed in both biocomposites (PF-GEL-HEP, PF-GEL-HA).
실시예 3. C2CM2 생체복합체의 응용Example 3. Application of C2CM2 biocomposite
다양한 조직 공학 적용을 위한 C2CM2 생체복합체의 활용을 위해, 헤파린과 하이드록시아파타이트(HA; hydroxyapatite)를 생체복합체의 분산제로 사용하였다. 헤파린은 세포 외 기질에서 널리 분포하며, 정전기 상호작용을 통해 음전하의 방출을 지연시킬 수 있기 때문에 성장 인자의 지속적인 방출에 널리 사용되어 왔다. 또한, HA는 뼈의 주성분 중 하나로, 골조직 재생에서 골유착 및 골전도에 널리 사용된다. To utilize the C2CM2 biocomposite for various tissue engineering applications, heparin and hydroxyapatite (HA) were used as dispersing agents in the biocomposite. Heparin is widely distributed in the extracellular matrix and has been widely used for the sustained release of growth factors because it can delay the release of negative charges through electrostatic interactions. In addition, HA is one of the main components of bone and is widely used for osteointegration and osteoconduction in bone tissue regeneration.
따라서 (1) 헤파린 결합 C2CM2 생체복합체(C2CM2-Hep, 1 μg heparin/ Col 0.5mg 및 Col-ma 0.5mg) 및 (2) HA 결합 C2CM2 생체복합체(C2C2-HA, HA 2mg/Col 0.5mg 및 Col-ma 0.5mg)의 두 가지 다른 유형을 제조하였다. 그 후, 염색, SEM 이미지, 및 형상 복원 특성 분석을 하였다. 그 결과는 도 6의 (A) 내지 (C)에 나타내었다.Therefore, two different types of (1) heparin-conjugated C2CM2 biocomposites (C2CM2-Hep, 1 μg heparin/Col 0.5 mg and Col-ma 0.5 mg) and (2) HA-conjugated C2CM2 biocomposites (C2C2-HA, HA 2 mg/Col 0.5 mg and Col-ma 0.5 mg) were prepared. Then, staining, SEM images, and shape recovery property analyses were performed. The results are shown in Fig. 6 (A) to (C).
도 6의 (A) 및 (B)에 나타난 바와 같이, 알키안-블루-염색 C2CM2-Hep 및 알리자린-레드-S-염색 C2CM2-HA는 생체복합체 전체에 헤파린과 HA가 잘 분포되어 있음을 보여주었다. 또한, SEM 이미지는 C2CM2 복합체의 전형적인 공극 구조를 나타내었다. 또한, 도 6의 (C)에 나타난 바와 같이, C2CM2 복합체와 유사한 형상 복원 특성이 두 생체복합체(C2CM2-Hep, C2CM2-HA) 모두에서 관찰되었다.As shown in (A) and (B) of Fig. 6, Alcian-blue-stained C2CM2-Hep and alizarin-red-S-stained C2CM2-HA showed that heparin and HA were well distributed throughout the biocomposites. In addition, SEM images showed the typical pore structure of the C2CM2 complex. In addition, as shown in (C) of Fig. 6, shape recovery characteristics similar to those of the C2CM2 complex were observed in both biocomposites (C2CM2-Hep, C2CM2-HA).
3D 프링팅은 C2CM2 생체복합체의 또 다른 중요한 응용 분야이다. 저온 프린팅 단계(-20℃)와 가교/콜라겐-섬유화 프로세스(UV 가교, 섬유 발생, 및 EDC/NHS 가교)의 3D 프린팅 시스템을 사용하여, 메쉬 구조(C2CM2print)를 제작하고 프린트하였다. 이 메쉬 구조의 형상 복원 특성 등은 도 7의 (A) 내지 (C)에 나타내었다.3D printing is another important application of C2CM2 biocomposites. Using a 3D printing system with a low-temperature printing step (-20°C) and cross-linking/collagen-fibrillation processes (UV cross-linking, fiber generation, and EDC/NHS cross-linking), a mesh structure (C2CM2 print ) was fabricated and printed. The shape recovery characteristics of the mesh structure are shown in Fig. 7 (A) to (C).
도 7의 (A)에 나타난 바와 같이, 광학 이미지에 표시된 C2CM2 프린트 메쉬워크(12×12×2mm3)와 SEM 이미지를 나타내었다.As shown in Fig. 7 (A), the C2CM2 print meshwork (12 × 12 × 2 mm 3 ) displayed in the optical image and the SEM image are shown.
또한, C2CM2print의 형상 변형과 복원을 보여주는 광학이미지를 도 7b에 나타내었다.Additionally, an optical image showing the shape deformation and restoration of the C2CM2 print is shown in Fig. 7b.
도 7의 (B)에 나타난 바와 같이, C2CM2print가 탈수에 의해 균열 없이 변형되었고, 물을 다시 흡수한 후 잘 복원되었음을 나타낸다.As shown in Fig. 7(B), the C2CM2 print was deformed without cracks by dehydration and was well restored after reabsorbing water.
또한, C2CM2print를 주사용 스캐폴드로 실현 가능성을 확인하기 위해, 인쇄된 직육면체 메쉬 스캐폴드(10×10×1 mm3)를 변형하여 얇은 원통형 구조를 제작하였고, 이를 14 G 노즐(내경: 1.54 mm)에 넣었다. 그 후 형상 복원 실험을 진행하였다. 그 결과는 도 7의 (C)에 나타내었다.In addition, to verify the feasibility of C2CM2 print as an injection scaffold, a printed rectangular mesh scaffold (10 × 10 × 1 mm 3 ) was deformed to produce a thin cylindrical structure, which was then placed into a 14 G nozzle (inner diameter: 1.54 mm). A shape restoration experiment was then performed. The results are shown in Fig. 7 (C).
도 7의 (C)에 나타난 바와 같이, 물이 채워진 주사기를 사용하여 노즐에서 스캐폴드를 배출하였고, 인쇄된 생체복합체는 즉시 원래 모양을 복원하였다. 이 결과는 인쇄된 C2CM2 구조가 주사 가능한 스캐폴드로 사용될 수 있음을 의미한다.As shown in Fig. 7(C), the scaffold was discharged from the nozzle using a water-filled syringe, and the printed biocomposite immediately restored its original shape. This result implies that the printed C2CM2 structure can be used as an injectable scaffold.
실시예 4. Cryo-gel의 응용Example 4. Application of Cryo-gel
다양한 조직 공학 적용을 위한 Cryo-gel의 활용을 위해, 3D 프린팅 시스템을 사용하여, 메쉬 구조(Pcryo-gel)를 제작하고 프린트하였다. 이 메쉬 구조의 형상 복원의 광학 이미지를 도 8에 나타내었다.To utilize cryo-gel for various tissue engineering applications, a mesh structure (Pcryo-gel) was fabricated and printed using a 3D printing system. An optical image of the shape restoration of this mesh structure is shown in Fig. 8.
도 8에 나타난 바와 같이, Pcryo-gel 가 탈수에 의해 균열 없이 변형되었고, 물을 다시 흡수한 후 잘 복원되었음을 나타낸다.As shown in Fig. 8, Pcryo-gel was deformed without cracks by dehydration and was well restored after reabsorbing water.
종합하면, 본 발명의 F-gel 제조 방법에 의한 하이드로겔은 높은 세포활성도, 형상 고정능, 및 형상복원능을 가질 뿐만 아니라, Cryo-gel 제조 방법과 F-gel 제조 방법을 융합한 제조 방법에 의한 본 발명의 생체복합체는 Cryo-gel 보다 뛰어난 세포활성도 및 형상 고정능을 갖고, F-gel 보다 뛰어난 형상복원속도를 가지며, 높은 형상복원능을 가진다. 도 1에 나타난 바와 같이, 콜라겐의 섬유화 특성을 활용한 F-gel; 및 Cryo-gel 과 F-gel 이 융합된 제조 방법에 의해 제조된 생체복합체는 90%의 압축 변형을 가한 뒤에도 초기의 형상으로 복원되는 바, 본 발명은 형상복원능이 현저히 뛰어난 것이다.In summary, the hydrogel produced by the F-gel production method of the present invention not only has high cell activity, shape fixation ability, and shape restoring ability, but also the biocomposite produced by the production method that fuses the cryo-gel production method and the F-gel production method of the present invention has cell activity and shape fixation ability superior to those of the cryo-gel, a shape restoration speed superior to that of the F-gel, and high shape restoring ability. As shown in Fig. 1, the F-gel utilizing the fibrosis properties of collagen; and the biocomposite produced by the production method that fuses the cryo-gel and the F-gel are restored to their initial shape even after 90% compressive strain, indicating that the present invention has remarkably excellent shape restoring ability.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가지는 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential characteristics of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
<110> Research and Business Foundation SUNGKYUNKWAN UNIVERSITY <120> Method for Manufacturing collagen based shape memorable hydrogel and uses thereof <130> MP21-252 <160> 12 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human ACTB_F <400> 1 ctcgcctttg ccgatcc 17 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human ACTB_R <400> 2 tctccatgtc gtcccagttc 20 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human TLN_F <400> 3 gccatcaaga aaaagctggt 20 <210> 4 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human TLN_R <400> 4 ctgcagcgat ggtctgtg 18 <210> 5 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human PXN_F <400> 5 tcgctgtcgg atttcaagat 20 <210> 6 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human PXN_R <400> 6 atgaaccctc cctcgtcct 19 <210> 7 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human VCL_F <400> 7 cgattacgaa cctgagctgc 20 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human VCL_R <400> 8 tggtagcttc ccgatgcaag 20 <210> 9 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human FAK_F <400> 9 gctcccttgc atcttccagt 20 <210> 10 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human FAK_R <400> 10 attgcagccc ttgtccgtta 20 <210> 11 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human RhoA_F <400> 11 gtccacggtc tggtcttcag 20 <210> 12 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human RhoA_R <400> 12 cagccattgc tcaggcaac 19 <110> Research and Business Foundation SUNGKYUNKWAN UNIVERSITY <120> Method for Manufacturing collagen based shape memorable hydrogel and uses its <130> MP21-252 <160> 12 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human ACTB_F <400> 1 ctcgcctttg ccgatcc 17 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human ACTB_R <400> 2 tctccatgtc gtcccagttc 20 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human TLN_F <400> 3 gccatcaaga aaaagctggt 20 <210> 4 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human TLN_R <400> 4 ctgcagcgat ggtctgtg 18 <210> 5 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human PXN_F <400> 5 tcgctgtcgg atttcaagat 20 <210> 6 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human PXN_R <400> 6 atgaaccctc cctcgtcct 19 <210> 7 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human VCL_F <400> 7 cgattacgaa cctgagctgc 20 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human VCL_R <400> 8 tggtagcttc ccgatgcaag 20 <210> 9 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human FAK_F <400> 9 gctcccttgc atcttccagt 20 <210> 10 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human FAK_R <400> 10 attgcagccc ttgtccgtta 20 <210> 11 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human RhoA_F <400> 11 gtccacggtc tggtcttcag 20 <210> 12 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human RhoA_R <400> 12 cagccattgc tcaggcaac 19
Claims (14)
(b) 상기 출발물질을 동결시키는 단계;
(c) 상기 동결된 출발물질을 광경화시켜 1차 가교결합시키는 단계;
(d) 상기 1차 가교결합된 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및
(e) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 2차 가교결합시키는 단계를 포함하고,
상기 출발물질은 콜라겐 및 광경화성 고분자가 1 : 3 내지 2 : 2의 질량비(w/w %)로 포함되는, 형상기억 하이드로겔 제조방법.
(a) a step of preparing a starting material comprising collagen and a photocurable polymer;
(b) a step of freezing the starting material;
(c) a step of photo-curing the frozen starting material to perform primary cross-linking;
(d) a step of adding PBS to the first cross-linked starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(e) a step of secondarily cross-linking the fiberized starting material using a cross-linking solution;
A method for producing a shape memory hydrogel, wherein the above starting materials include collagen and a photocurable polymer in a mass ratio (w/w %) of 1:3 to 2:2.
상기 광경화성 고분자는 메타크릴레이트 콜라겐인 것을 특징으로 하는, 형상기억 하이드로겔 제조방법.
In Article 6,
A method for manufacturing a shape memory hydrogel, characterized in that the photocurable polymer is methacrylate collagen.
상기 단계 (a)의 출발물질은 고분자 물질, 세라믹 물질, 및 금속성 물질로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 형상기억 하이드로겔 제조방법.
In Article 6,
A method for producing a shape memory hydrogel, characterized in that the starting material of the above step (a) further includes at least one selected from the group consisting of a polymer material, a ceramic material, and a metallic material.
상기 가교용액은 EDC/NHS[(N-ethyl-N'-(3-(dimethylamino)propyl) carbodiimide/N-hydroxysuccinimide)], 글루타르알데하이드(glutaraldehyde), 탄닌산(tannic acid), 게니핀(genipin), 폼알데하이드(formaldehyde), 및 LOX(lysyl oxidase)로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 형상기억 하이드로겔 제조방법.
In Article 6,
A method for producing a shape memory hydrogel, characterized in that the cross-linking solution comprises at least one selected from the group consisting of EDC/NHS [(N-ethyl-N'-(3-(dimethylamino)propyl) carbodiimide/N-hydroxysuccinimide)], glutaraldehyde, tannic acid, genipin, formaldehyde, and LOX (lysyl oxidase).
(b) 상기 출발물질을 동결시키는 단계;
(c) 상기 동결된 출발물질을 광경화시켜 1차 가교결합시키는 단계;
(d) 상기 1차 가교결합된 출발물질에 PBS를 첨가하고 30 내지 40℃ 환경에서 섬유화시키는 단계; 및
(e) 상기 섬유화된 출발물질을 가교용액을 이용해서 2차 가교결합시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조되고,
상기 출발물질은 콜라겐 및 광경화성 고분자가 1 : 3 내지 2 : 2의 질량비(w/w %)로 포함되는, 형상기억 하이드로겔.
(a) a step of preparing a starting material comprising collagen and a photocurable polymer;
(b) a step of freezing the starting material;
(c) a step of photo-curing the frozen starting material to perform primary cross-linking;
(d) a step of adding PBS to the first cross-linked starting material and fiberizing it in an environment of 30 to 40°C; and
(e) is manufactured by a method including a step of secondarily cross-linking the fiberized starting material using a cross-linking solution,
The above starting material is a shape memory hydrogel containing collagen and a photocurable polymer in a mass ratio (w/w %) of 1:3 to 2:2.
상기 하이드로겔은 탈린(TLN; talin), 팍실린(PXN; paxillin), 및 빈쿨린(VCL; vinculin)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 유전자의 발현을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 형상기억 하이드로겔.
In Article 11,
A shape memory hydrogel characterized in that the hydrogel increases the expression of one or more genes selected from the group consisting of talin (TLN; talin), paxillin (PXN; paxillin), and vinculin (VCL; vinculin).
상기 단계 (a) 및 (b) 사이에 3D 프린팅하는 단계를 더 포함하는 제조방법으로 제조된, 형상기억 하이드로겔.In Article 11,
A shape memory hydrogel manufactured by a manufacturing method further comprising a 3D printing step between steps (a) and (b).
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