뼈 조직 공학을 위한 견고한 생체 모방 지지체 구축을 위한 셀룰로오스 나노결정 기반 복합재의 3D 프린팅

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21244(2022) 이 기사 인용

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셀룰로오스 나노결정(CNC)은 내구성, 생체적합성, 생분해성 및 우수한 기계적 특성으로 인해 생물의학 및 헬스케어 분야에서 주목을 받고 있습니다. 여기에서는 Ficus thonningii에서 추출한 폴리락트산(PLA)과 CNC의 융합 증착 모델링 기술 3D 복합 지지체를 제작했습니다. 주사 전자 현미경 검사법에 따르면 인쇄된 지지체는 대략 400μm의 추정 평균 기공 크기를 갖는 상호 연결된 기공을 나타냅니다. 3%(w/w)의 CNC를 복합재에 통합하면 PLA 기계적 특성(영률 ~ 30% 증가)과 습윤성(물 접촉각 ~ 17% 감소)이 향상되었습니다. 시뮬레이션된 체액을 사용하여 인쇄된 지지체의 광물화 과정이 검증되었으며 수산화인회석의 핵 생성이 확인되었습니다. 또한 세포 적합성 테스트를 통해 PLA 및 CNC 기반 PLA 지지체는 무독성이며 뼈 세포와 호환되는 것으로 나타났습니다. PLA/CNC 복합재의 신속한 3D 프린팅을 기반으로 한 우리의 디자인은 구조를 제어하고 지지체의 향상된 기계적 및 생물학적 특성을 제공하는 능력을 결합하여 뼈 조직 공학 및 재생 의학 분야의 응용 가능성을 열어줍니다.

뼈 공학용 재료 개발은 자연 뼈 구조와 생체 역학적 환경의 복잡성으로 인해 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 손상된 뼈 조직을 복구하기 위해 다양한 뼈에서 자가이식편을 채취하여 손실된 뼈를 대체하는 데 사용합니다. 이용 가능한 동종 이식편이 적고1,2,3 임플란트로 사용되는 인공 접합부는 치유 후 제거해야 하는 경우가 많습니다4. 최근에는 뼈 성장을 촉진하는 데 사용되는 지지체 보조 재생 의학을 포함하여 새로운 뼈 복구 전략이 등장했습니다5.

이상적인 뼈 지지체는 세포 부착과 증식을 위한 뼈의 복잡한 구성과 구조를 모방할 수 있는 3차원 매트릭스여야 합니다6. 따라서, 자생 숙주 조직과 통합되기 위해서는 높은 생체 적합성, 생분해성, 무독성, 우수한 기계적 특성과 다공성 및 기공 크기 측면에서 적절한 구조가 필요합니다7. 따라서 기계적, 생물학적 성능8에 직접적인 영향을 미치는 지지체의 화학적 조성과 물리화학적 특성은 연구해야 할 중요한 매개변수입니다.

합성 생체고분자는 생체 적합성과 지지체의 물리화학적 특성을 제어하는 ​​능력으로 인해 뼈 조직 공학에 널리 사용되어 왔습니다. 이는 폴리글리콜산(PGA), 폴리카프로락톤(PCL) 및 폴리유산(PLA)9과 같은 지방족 폴리에스테르로 구성됩니다. 불행하게도 이들은 부서지기 쉽고 일반적으로 생체 내에서 급속한 분해로 인해 강도를 잃습니다. 더욱이, 그들의 소수성은 뼈 세포의 부착과 증식을 방해합니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 합성 고분자, 즉 PLA 또는 PCL 기반 지지체는 흥미로운 특성으로 알려진 셀룰로오스11,12,13,14,15, 알지네이트16, 젤라틴17, 키토산18,19 또는 케라틴20과 같은 천연 고분자 강화제를 통합하여 개선될 수 있습니다.

용매 주조 및 입자 침출, 유제 동결 건조, 상 분리 또는 전기 방사21,22,23를 포함한 여러 기술이 경조직 공학용 지지체를 개발하는 데 사용됩니다. 그러나 형태와 다공성을 효율적으로 제어할 수는 없습니다.

적층 제조는 생체 모방 뼈 복구 재료를 설계하고 준비하기 위해 선택되는 기술임이 입증되었습니다. 3D 제어 스캐폴드 아키텍처는 기계적 특성뿐만 아니라 뼈 세포 접착 및 증식2,24,25,26,27,28에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 스테레오리토가피(Stereolithogaphy), 3D 플로팅(plotting), 선택적 레이저 소결(selective laser sintering), 바이오프린팅(bioprinting), 융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 등 다양한 기술을 활용한 3D 프린팅 지지체 개발에 다양한 연구가 집중되어 왔다. FDM은 가장 널리 사용되는 적층 제조 기술입니다. 이는 폴리머 처리에 큰 가능성을 제공하는 저렴한 비용의 간단하고 빠른 기술입니다.