바이오물질을 이식함으로써 조직의 재생을 유도하고 조절하는 것은 재생의학(Regenerative Medicine)의 가장 큰 목표이다. 상당한 크기의 골 결손은 임상적으로 종종 직면하게 되는 문제점 중의 하나이다. 독일 바이오물질과학 연구소(German Institute of Biomaterial Science)의 과학자들은 베를린(Berlin) 및 로스토크(Rostock) 과학자들과 함께, 쥐를 대상으로 한 생채 내(in vivo) 실험에서 골 재생을 성공적으로 유도한 순수한 고분자로 구성된 3D 하이드로겔(3D-architectured hydrogel; ArcGel)의 개발을 보고하였다.
이 생물학적인 효과는 순전히 물질에 의해 유도되는 것으로, 세포나 생활성 요소들의 첨가를 필요로 하지 않는다.
ArcGels의 설계 원리는 단순한 다기능성(multifunctionality)을 능가한 것이다. 기능을 위한 복잡한 요구조건들은 하이드로겔(hydrogel)의 계측적인 구성에 의해 실현되며, 각기 다른 기능은 다른 수준으로 나타난다. 다기능성 재료는 오직 아미노산(amino acid)으로만 구성되며, 통합된 단일 단계 공정을 통해 합성되고 제조되도록 하였다.
분자적 수준에서는 세포 부착(cell adhesion)과 가수분해성(hydrolytic degradability)과 연관되어 있고, 세공벽(pore wall)의 정도는 고분자 체인의 국지적인 역학 및 장력(tension)과 관련있다. 반면, 다공성 구조는 세포의 침투, 안정성의 형성 및 형태 회복을 가능하게 해 준다. 거시적인 관점에서 보면 규정된 압축 모듈(compression module)에서의 탄성 회복력(elastic recoverability)과 관계있다. 서로 다른 수준의 기능을 구현하는 것은 거시적 및 기계적인 성질과 독립적으로 국소적인 탄성의 변화에 의해 가능해진다.
게다가 ArcGels는 물에 의해 형상 기억 효과를 보여준다. ArcGels는 가수분해의 과정 동안 비누 방울의 합쳐지는 것과 유사한 세공 크기의 성장과 함께 독특한 분해 특성을 보여주면서도 물질 자체는 온전하게 유지된다. 쥐 모델에서 심각한 골 결손부에 이 물질을 삽입하면, 임상적인 기준인 해면골 이식(cancellous bone graft)의 경우와 비교해 볼 때 ArcGel은 상당한 치유를 유도하는 능력을 보여주었다. 빠르게 분해되는 물질이 이런 정도의 골유도 효과(osteoinductive effect)를 나타낸다는 것은 매우 놀라운 일이다.
그림 1> (a) 젤라틴 기반의 3D 하이드로겔(ArcGels)에 의해 유도된 골 재생 전략. 세포를 포함하지 않는 이 물질이 삽입되면 세포가 ArcGel로 침투하여 골이 재생된다. (b) 세포가 정착하는 동안 세포를 부착 지점의 접촉을 통해 매트릭스의 탄성을 감지한다. (c) 분해 과정 동안, 부착 지점과의 접촉과 세공의 성장은 세포에 기계적인 자극을 유발한다. (d) 젤라틴 및 PEG-PPG-PEG 삼중 공중합체(triblock copolymer) 및 계면활성제로 이루어진 섭씨 45도의 수용성 용액으로부터 폼(foam)이 형성된다. AreGels의 안정성은 LDI(L-lysine diisocyanate ethyl ester)를 통해 달성한다. (e) 최종 ArcGels은 개방된 다공성 구조를 형성한다. 폼의 벽면(녹색)이 시간이 지남에 따라 가수분해 되면서, 벽면의 장력이 감소하여(화살표) 세공(녹색)의 성장을 유도한다. 분자 수준에서 보면(아래 그림), 물질은 대략 젤라틴 체인(적색)으로 구성되어 있으며 lysines(흑색)과 가교결합되어 있다. 젤라틴 특성에 의한 부착 펩타이드(황색)는 ArcGels의 벽면에 부분적으로 존재하며, 세포와 단백질이 접근 가능한 구역이다. 분해는 젤라틴 체인의 움직임을 증가시킴으로써 콜라겐과 유사한 삼중나선 구조를 부분적으로 형성할 수 있도록 해 준다. 스케일 바의 크기는 200 μm이다.
그림 2> 압축 및 습기 여부에 따른 형태변화를 보여주는 그림이다. 건조된 ArcGel (a)에 압력을 가할 때(b) 모양를 유지하며(가소성 변형=plastic deformation), 압력을 제거하면(c) 원래의 형태로 복귀한다. 물을 첨가하면 원래의 형태로 회복한다(d, 물에 의한 형상기억 효과). AreGel이 압축되면(e) 압력이 제거된 후에(f) 완전히 탄성적으로 회복된다. AreGel의 외부 크기는 물의 첨가에 변화하지 않기 때문에 거시적으로 안정적이다(a-f). 이런 사이클은 수 회 반복될 수 있다. 탄성 회복은 그림 1(a)의 경우와 관계가 된다. 스케일 바의 크기는 1mm이다.
그림 3> ArcGel의 다공성. (a) 건조된 ArcGel G13_LNCO8의 주사전자현미경 사진. 스케일 바의 크기는 200 μm이다. (b) 젖은 상태에서의 동일한 ArcGel의 광학현미경 사진으로 거시적인 폼의 안정성을 보여준다. 스케일 바의 크기는 200 μm이다. (c) 광학 현미경을 이용한 AFM 팁을 위치시켜 ArcGel의 압인실험을 수행하였다. 격자는 압인된 영역을 나타낸다. 확대영상은 국지적인 탄성모듈(Young’s moduli E)을 나타낸다. 스케일 바의 크기는 30 μm이다.
원문정보: "One Step Creation of Multifunctional 3D Architectured Hydrogels Inducing Bone Regeneration"
