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치과대학 MRC사업단 참여교수인 이정환, 김해원 교수(재생치의학 및 치과생체재료학 교실) 연구팀 뼈재생에 활용될 수 있는 형상기억고분자 원천소재 개발로 상위 5% 저널 Bioengineering & translational medicine(IF=10.711) 에 논문 개제 (고탄성의 뼈 재생 생체고분자 개발)


 단국대학교 치과대학 (학장 이해형)의 이정환 및 김해원 교수(재생치의학 및 치과생체재료학 교실) 연구팀이 뼈재생에 활용될 수 있는 형상기억고분자 원천소재 개발로 상위 5% 저널 Bioengineering & translational medicine (IF=10.711) 에 논문을 개제하였다. 제목은 Hyperelastic, shape-memorable, and ultra-cell-adhesive degradable polycaprolactone-polyurethane copolymer for tissue regeneration이다.  본교 대학원 나노바이오의과학과 및 화학과 출신인 홍석민, 윤지영, 차재령 박사가 함께 주저자로 참여한 융복합 프로젝트이다.

 

  • 연구배경 치의학, 생체의공학이나 의료기기에서 생체적합성 합성고분자의 사용은 많은 수요가 있어왔으며, 그 중 탄성이 좋은 폴리우레탄을 기반으로 하는 폴리머는 생체내에서 분해되는 정도, 탄성 그리고 굴곡 피로저항 (진동과 계속되는 응력에 의해 발생하는 재료의 경화, 균열, 변형에 견딜 수 있는 성질) 같은 속성의 조절이 용이하기 때문에 다양한 조직의 재생을 위한 재료로서 각광받고 있었다. 하지만 세포의 증식이나, 이동, 분화 등에 가장 필수적인 첫번째 과정인 세포 부착능이 낮아 이를 개선하기 위한 노력들이 이어오고 있었다. 그럼에도 대부분 세포 부착이 증가된 경우, 재료의 부산물로 인해 종양이 생성되거나 기계적 특성이 낮아지는 단점이 있었다. 이에 본 연구팀은 탄성이 좋은 폴리우레탄에 천연물질 유래물질이면서 기존 물질에서 반응성을 높인 새로운 아이소소바이드(isosorbide) 유도체 (피로폭실레이트나 에톡실레이트 아이소소바이드)를 첨가한 PCL-PU copolymer(공중합체)를 개발(명명: ISB-P)하였다. 또한 이번에 개발한 원천소재는 형상기억능을 가지게 디자인되어 다양한 임상분야에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

     

  • 연구목적 새로 개발된 생체적합 고분자인 PCL-PU(ISB-P)의 기계, 화학, 생물학적 특성에 대해 면밀하게 분석하고, 본 재료가 조직의 재생(특히 뼈 재생)을 위한 생체재료로서 유망하다는 것을 확인하고자 하였다.

     

  • 연구방법 및 연구결과

    개발한 PCL-PU(ISB-P) (그림 1A)의 특성은 폴리머 중 FDA의 승인을 받아 임상에서 가장 널리 사용되고 있는 폴리카프로락톤(PCL)과 비교하였으며, 그림 1B와 같이 본래 길이의 200%까지 늘렸다가 가해진 힘을 제거했을 때 이전 상태로 전혀 돌아가지 못하는 PCL에 비해 ISB-P는 초기값으로(105%, ~95% 회복) 즉시 돌아가는 초탄성을 가지고 있음을 확인하였다. 또한 37.5± 0.5°C에서 기억된 모양이 실온에서 24시간동안 두었을 때 형태를 잃었다가 다시 37.5± 0.5°C에서 본래의 기억된 형태로 돌아가는 형상기억을 특성을 가지고 있다는 것 또한 확인할 수 있었다. 더불어 세포 부착에 중요한 요소 중 하나인 친수성(물과의 친화성)PCL에 비해 굉장히 뛰어나는 것 또한 확인하였다.

    [그림 1] A) ISB-P의 화학식 구조 B) 탄성 회복: 합성된 ISB-P를 이용하여 제작한 2차원 필름을 원래 길이보다
    2배 늘린 후 가해진 힘을 제거했을 때 회복되는 정도를 PCL 필름과 비교 C) 형상 기억: 37도에서 기억된 형상이
    실온에서 변형되었다가 37도에서 기억된 형상으로 복구되는 현상 D) ISB-PPCL 필름의 친수성 비교

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    이렇게 분석된 ISB-P에서 세포를 배양했을 때 다양한 세포에서 PCL에 비해 현저히 높은 세포 부착력을 확인할 수 있었으며(그림 2A), 초기 세포수를 맞추기 위해 PCL에 플라즈마 처리 후 골분화를 진행했을 때 골분화 관련 유전자들의 높은 발현과, 미네랄화가 현저히 높은 결과를 보여 뼈 재생에 유망한 물질임을 예상할 수 있다.

    [그림 2] (A) PCL-PU (ISB-P) PCL 필름에서 여러가지 세포의 부착 비교 (녹색: 세포의 F-actin)
    (B) ISB-P
    PCL 필름에서 골분화를 유도한 세포의 골분화 관련 유전자와 골생성능을 나타내는
    미네랄화 비교
    (적색: ARS 염색)

     

  • 임상적 의미

    개발된 생체친화적 원천소재인 PCL-PU(ISB-P)의 고탄성/고강도의 물리적 성질, 신체온도인 37도에서의 형상회복능을 가지면서, 세포 부착도 매우 뛰어나, 다양한 조직(, 근육 등)의 재생을 위한 기질로 다양한 형태의 재료로 제작 가능할 것이다. 특히 형상기억능은 수술 시 최소의 침습을 통해 재료를 삽입 후 전체 결함을 채우는 데 사용될 수 있다는 큰 장점이 있어 해부학적 접근성의 한계를 극복할 수 있을 것으로 생각된다. 치의학 임상적으로, 상악동 골이식재 및 입구가 좁고 재생할 부위가 넓은 악안면 뼈 재생등의 치의학 임상분야에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

 


본 연구를 주도한 단국대학교 치과대학 MRC사업단 연구팀 단체 사진

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