KR102033331B1 - Cell-instructed delivery system using tuning the toughness of an alginate microgel - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알지네이트 마이크로젤의 기계적 물성 제어를 통한 세포주도형 전달 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 알지네이트 분자에 메타크릴레이트를 도입하고 순수 알지네이트 분자와 혼합하여 칼슘 이온으로 가교된 마이크로젤, 및 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트를 첨가하여 이온 가교와 함께 화학적 가교가 추가된 마이크로젤은 메타크릴레이트의 접목도 및 화학적 가교의 조절을 통해 다양한 강도와 인성을 갖는 마이크로젤을 제조할 수 있다. 이온 가교로 제조되며, 213 J/m2의 인성(WT)과 7.5 kPa의 압축 강도(E)를 갖는 마이크로젤 시스템에서 신경세포가 증식 및 분화 후 젤을 깨고(hatching) 방출되는 것을 확인함으로써, 본 발명의 세포주도형 전달 시스템은 세포견인력에 따라 젤의 기계적 물성을 체계적으로 조절하며 세포의 분화 정도에 따른 방출 제어가 가능한 바, 세포 치료제의 효과적인 전달 연구뿐만 아니라 세포 및 조직 재생 연구에 다양하게 활용될 수 있다.The present invention relates to a cell-driven delivery system through the control of the mechanical properties of the alginate microgel, according to the present invention, a microgel cross-linked with calcium ions by introducing methacrylate to the alginate molecule and mixed with the pure alginate molecule, and polyethylene The addition of glycol diacrylate and the addition of chemical crosslinking together with the ionic crosslinking can produce microgels having various strengths and toughness through grafting of methacrylate and control of chemical crosslinking. Prepared by ion crosslinking, the microgel system has a toughness (W T ) of 213 J / m 2 and a compressive strength (E) of 7.5 kPa to ensure that the neurons break up and release the gel after proliferation and differentiation. In addition, the cell-driven delivery system of the present invention systematically regulates the mechanical properties of the gel according to the cell towing and can control the release according to the degree of differentiation of the gel. Can be utilized.

Description

알지네이트 마이크로젤의 기계적 물성 제어를 통한 세포주도형 전달 시스템{Cell-instructed delivery system using tuning the toughness of an alginate microgel}Cell-instructed delivery system using tuning the toughness of an alginate microgel}

본 발명은 알지네이트 마이크로젤의 기계적 물성 제어를 통한 세포주도형 전달 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cell-driven delivery system through the control of mechanical properties of alginate microgels.

세포를 이용한 질환 정복은 생명과학계의 중요한 과제로 심혈관계, 신경계, 혈액을 비롯한 대부분의 의학분야에서 주목을 받고 있다. 특히, 치료가 불가능하다고 간주된 퇴행성 질환에도 줄기세포를 통한 치료요법을 적용함으로써 많은 긍정적인 결과를 도출하고 있다. 이러한 결과로부터, 세포 이용은 약물 및 수술 위주의 임상 치료에 획기적인 변화를 가져올 수 있는 첨단 의료기술로 평가되고 있다.Conquering diseases using cells is an important task in the life sciences, and has attracted attention in most medical fields, including the cardiovascular system, nervous system, and blood. In particular, the application of stem cell therapy to degenerative diseases considered incurable has led to many positive results. From these results, cell utilization is being evaluated as a state-of-the-art medical technology that can bring about dramatic changes in drug and surgical-oriented clinical treatment.

그러나, 세포만을 단일적으로 사용하여 시행되는 시술법은 임상적 결과에 의해 다양한 문제점들이 지적되어 왔는데, 가장 크게 대두된 문제점으로는 목표성과 효율성에 관한 것이다. 상세하게는 종래의 주입하는 형태의 치료제의 경우, 목표로 하고자 하는 부위에 정확히 전달이 안 될 수도 있다는 문제점과 함께 주입된 세포들이 흩어질 우려가 있어 자리 잡고 분화하기까지 어려움이 있다는 연구결과가 보고된 바 있다. 따라서, 세포 전달의 효율성 문제를 해결하기 위한 연구로서, 치료하고자 하는 부위에 안정한 형태로 정확히 전달할 수 있는 방법에 대한 연구가 각계 연구분야 협력을 통해 진행되고 있다. However, the procedure that is performed by using only a single cell has been pointed out various problems by clinical results, the biggest problem is the target and efficiency. In detail, in the case of a conventional injectable therapeutic agent, there is a possibility that the injected cells may be scattered with the problem that it may not be correctly delivered to the target site, and there is a report that it is difficult to settle and differentiate. There is a bar. Therefore, as a study for solving the problem of efficiency of cell delivery, researches on how to accurately deliver in a stable form to the site to be treated is progressing through cooperation in various fields of research.

즉, 세포 치료제(cell therapeutics)는 면역세포, 줄기세포 등의 살아있는 자가(autologous), 동종(allogenic), 혹은 이종(xenogenic)의 세포를 질병의 치료, 진단 및 예방의 목적으로 사용하는 것으로, 세포 치료제의 효과를 극대화하기 위해, 세포를 안전하게 인체 내 목적 부위로 전달 및 이식하는 세포 전달 시스템 연구가 새롭게 부각되고 있다. 일반적으로 세포 전달 시스템은 세포 친화적 구조를 갖는 세포 외 기질(extracellular matrix; ECM) 유래 생체물질을 사용하여 세포를 부착 또는 내부에 봉입하여 세포를 외부자극으로부터 보호하고 증식(proliferation) 및 분화(differentiation)시켜 인체 내로 전달하게 된다. 이를 위해, 면역세포, 줄기세포, 신경성장세포 및 망막세포 등 다양한 세포에 적합한 맞춤형 세포 전달체 연구가 진행되고 있다. 최근에는 다공성 자성 하이드로젤에 세포를 부착하여 외부 자기장에 의해 세포 전달을 제어한 연구가 보고된 바 있다. 이와 같이, 세포는 일반 약물(drug)과는 달리, 성장, 증식 및 분화를 하기 때문에 전달체로부터 인체 내 목적 부위로 최적의 때에 방출되도록 제어하는 기술이 요구된다.In other words, cell therapeutics include the use of autologous, allogenic, or xenogenic cells, such as immune cells and stem cells, for the purpose of treating, diagnosing, and preventing disease. In order to maximize the effectiveness of therapeutic agents, research on cell delivery systems that deliver and transplant cells safely to target sites in the human body is emerging. In general, cell delivery systems use cell-derived extracellular matrix (ECM) -derived biomaterials to attach or encapsulate cells to protect them from external stimuli, proliferation and differentiation. It is delivered to the human body. To this end, research on customized cell carriers suitable for various cells such as immune cells, stem cells, nerve growth cells and retinal cells is underway. Recently, research has been reported to control cell delivery by an external magnetic field by attaching cells to a porous magnetic hydrogel. As such, unlike general drugs, cells grow, proliferate, and differentiate, and thus, a technique for controlling the cells to be released at an optimal time from the carrier to a target site in the human body is required.

대한민국 등록특허 제10-1239782호 (2013.02.27 등록)Republic of Korea Patent No. 10-1239782 (Registered Feb. 27, 2013)

본 발명의 목적은 알지네이트 마이크로젤의 기계적 물성 제어를 통한 세포주도형 전달 시스템을 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is to provide a cell-driven delivery system through the control of mechanical properties of alginate microgels.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알지네이트 및 메타크릴 알지네이트 혼합물을 제조하는 제 1단계; 상기 혼합물을 염화칼슘 용액에 점적하여 이온 가교 반응을 통한 마이크로젤 용액을 제조하는 제 2단계; 및 상기 마이크로젤 용액을 신경세포와 반응시켜 마이크로젤 내부에 신경세포를 봉입하는 제 3단계;를 포함하는 신경세포 전달용 마이크로젤의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a first step of preparing an alginate and methacryl alginate mixture; Dropping the mixture into a calcium chloride solution to prepare a microgel solution through an ion crosslinking reaction; And a third step of enclosing the nerve cells in the microgel by reacting the microgel solution with the nerve cells.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 신경세포 전달용 마이크로젤을 제공한다.The present invention also provides a microgel for neuron delivery prepared by the above method.

본 발명에 따르면, 알지네이트 분자에 메타크릴레이트를 도입하고 순수 알지네이트 분자와 혼합하여 칼슘 이온으로 가교된 마이크로젤, 및 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트를 첨가하여 이온 가교와 함께 화학적 가교가 추가된 마이크로젤은 메타크릴레이트의 접목도 및 화학적 가교의 조절을 통해 다양한 강도와 인성을 갖는 마이크로젤을 제조할 수 있다. 이온 가교로 제조되며, 213 J/m2의 인성(WT)과 7.5 kPa의 압축 강도(E)를 갖는 마이크로젤 시스템에서 신경세포가 증식 및 분화 후 젤을 깨고(hatching) 방출되는 것을 확인함으로써, 본 발명의 세포주도형 전달 시스템은 세포견인력에 따라 젤의 기계적 물성을 체계적으로 조절하며 세포의 분화 정도에 따른 방출 제어가 가능한 바, 세포 치료제의 효과적인 전달 연구뿐만 아니라 세포 및 조직 재생 연구에 다양하게 활용될 수 있다.According to the present invention, a microgel cross-linked with calcium ions by introducing methacrylate into an alginate molecule and mixed with a pure alginate molecule, and a microgel added with crosslinking chemicals by adding polyethylene glycol diacrylate to Microgels with varying strength and toughness can be prepared by controlling the degree of grafting and chemical crosslinking of acrylates. Prepared by ion crosslinking, the microgel system has a toughness (W T ) of 213 J / m 2 and a compressive strength (E) of 7.5 kPa to ensure that the neurons break up and release the gel after proliferation and differentiation. In addition, the cell-driven delivery system of the present invention systematically regulates the mechanical properties of the gel according to the cell towing and can control the release according to the degree of differentiation of the gel. Can be utilized.

도 1은 알지네이트 마이크로젤의 인력 조절을 통한 세포주도형 전달 시스템을 도시하여 나타낸 것이다.
도 2는 (a) 알지네이트의 카복실레이트 그룹과 2-아미노에틸 메타크릴레이트의 일차 아민 그룹 사이의 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide, EDC) 화학을 통한 메타크릴 알지네이트의 합성 과정, (b) 알지네이트 및 (c) 메타크릴 알지네이트(Methacrylic Alginate, MA)-5의 1H NMR (D2O) 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 (a) 만능재료시험기(universal testing machine, UTM)를 이용하여 알지네이트 마이크로젤에 가한 힘과 변형된 변위 곡선 및 (b) 압축강도 (E)를 확인한 것이다.
도 4는 (a) 알지네이트 마이크로젤에 가한 힘과 변위 곡선을 응력-변형률 전환 곡선으로 나타낸 것이며, (b) 응력-변형률 곡선의 아래의 면적을 파절 (WT) 값으로 나타낸 것이다.
도 5는 (a) MA-G(메타크릴 알지네이트 및 알지네이트를 혼합하여 제조된 마이크로젤)에 봉입된 PC12 세포의 현미경 이미지, (b) 동결 건조된 MA-G의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지, (c) MA-G에서 성장 및 증식된 PC12 세포의 형광 현미경 이미지 및 (d) X-MA-G(PEGDA와 광개시제를 첨가하여 MA-G 제조 후, UV로 가교한 마이크로젤)에 봉입된 세포의 현미경 이미지 및 MTT 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 (a) 14일째에 파단된 MA-G에서 PC12 세포의 현미경 이미지, (b) 파단 된 MA-G의 FE-SEM 이미지, (c) MA-G에서 PC12 세포의 형광 현미경 이미지, (d) 뉴런 성장 인자(Nerve Growth Factor-β, NGF) 처리 후 세포의 상 변화 이미지 및 (e) 세포에서 신경 돌기의 길이로 확인된 신경 돌기 성장을 나타낸 것이다.
Figure 1 shows a cell-driven delivery system through the attraction of the alginate microgels.
Figure 2 shows (a) 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (1-ethyl-3- (3) between the carboxylate group of alginate and the primary amine group of 2-aminoethyl methacrylate. -dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) chemistry through the synthesis of methacryl alginate, (b) alginate and (c) 1 H NMR (D 2 O) spectra of methacryl alginate (MA) -5.
Figure 3 (a) using a universal testing machine (universal testing machine, UTM) to confirm the force and strain displacement applied to the alginate microgel and (b) compressive strength (E).
Figure 4 shows (a) the force and displacement curves applied to the alginate microgels as stress-strain conversion curves, and (b) the area under the stress-strain curves as fracture (W T ) values.
5 is a microscopic image of PC12 cells encapsulated in (a) a microgel prepared by mixing methacryl alginate and alginate, (b) a field emission scanning electron microscope (FE) of lyophilized MA-G. -SEM image, (c) fluorescence microscopy image of PC12 cells grown and proliferated in MA-G and (d) X-MA-G (microgel cross-linked with UV after preparation of MA-G by addition of PEGG and photoinitiator) ) Shows microscopic images and MTT images of cells encapsulated.
6 shows (a) microscopic images of PC12 cells in MA-G broken at day 14, (b) FE-SEM images of broken MA-G, (c) fluorescence microscopy images of PC12 cells in MA-G, ( d) Phase change image of cells after neuronal growth factor (Nerve Growth Factor-β, NGF) treatment and (e) neurite growth identified by the length of neurites in the cells.

본 발명의 발명자들은 세포 전달체의 기계적 물성을 조절하여 세포의 분화 정도에 따라 방출 제어가 가능한 세포주도형 전달 시스템을 설계하였다. 메타크릴레이트의 접목도 및 화학적 가교 정도를 조절하여 다양한 강도와 인성을 갖는 알지네이트 마이크로젤을 제조하였으며, 알지네이트 마이크로젤과 비교하여 비슷한 수준의 강도를 갖지만 인성이 다른 젤 시스템과 강도는 높지만 인성은 낮은 젤 시스템을 제조하여 신경성장세포 전달체로 적용하였다. 213 J/m2의 WT와 7.5 kPa의 E를 갖는 마이크로젤 시스템에서 신경세포로 분화가 진행된 세포가 젤을 깨고 방출되는 것을 확인함으로써, 본 발명의 세포주도형 전달 시스템이 세포 치료제로 활용이 가능함을 확인하며 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention designed a cell-driven delivery system capable of controlling the release according to the degree of differentiation of cells by controlling the mechanical properties of the cell delivery system. Alginate microgels with varying strengths and toughnesses were prepared by controlling the degree of methacrylate grafting and chemical crosslinking, and compared with alginate microgels, the alginate microgels had a similar level of strength but had higher toughness and lower toughness than other toughness gel systems. Gel system was prepared and applied as a neuronal growth carrier. In a microgel system having a W T of 213 J / m 2 and an E of 7.5 kPa, the cell-derived delivery system of the present invention can be used as a cell therapeutic agent by confirming that the cells that have differentiated into neurons are released from the gel. Confirming the present invention was completed.

본 발명은 알지네이트 및 메타크릴 알지네이트 혼합물을 제조하는 제 1단계; 상기 혼합물을 염화칼슘 용액에 점적하여 이온 가교 반응을 통한 마이크로젤 용액을 제조하는 제 2단계; 및 상기 마이크로젤 용액을 신경세포와 반응시켜 마이크로젤 내부에 신경세포를 봉입하는 제 3단계;를 포함하는 신경세포 전달용 마이크로젤의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises a first step of preparing an alginate and methacryl alginate mixture; Dropping the mixture into a calcium chloride solution to prepare a microgel solution through an ion crosslinking reaction; And a third step of enclosing the nerve cells in the microgel by reacting the microgel solution with the nerve cells.

상기 제 1단계의 메타크릴 알지네이트의 제조방법은, i) 알지네이트를 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산에 용해하여 용해물을 제조하는 단계; ii) 상기 용해물에 1-하이드록시벤조트리아졸, 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드 및 2-아미노에틸 메타크릴레이트를 첨가하고 교반하여 반응물을 제조하는 단계; 및 iii) 상기 반응물을 증류수로 투석하고 동결 건조하여 메타크릴 알지네이트를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.The method for preparing methacryl alginate of the first step comprises the steps of: i) dissolving alginate in 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid to prepare a melt; ii) adding and stirring 1-hydroxybenzotriazole, 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide and 2-aminoethyl methacrylate to the lysate to prepare a reaction; And iii) dialysis of the reactant with distilled water and freeze-drying to prepare methacryl alginate.

상기 제 1단계의 메타크릴 알지네이트는 알지네이트 분자에 도입된 메타크릴레이트 분자의 접목도가 3 내지 7 mol%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 메타크릴레이트 분자의 접목도가 상기 범위를 벗어날 경우, 마이크로젤의 기계적 물성이 세포를 봉입하는데 바람직하지 않을 수 있다. The methacryl alginate of the first step may be, but is not limited to, the grafting degree of the methacrylate molecules introduced into the alginate molecule may be 3 to 7 mol%. If the grafting degree of the methacrylate molecule is out of the above range, the mechanical properties of the microgel may be undesirable to encapsulate the cells.

상기 제 1단계의 혼합물은 알지네이트 및 메타크릴 알지네이트가 1:1 내지 2:1의 중량비로 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.The mixture of the first step specifies that alginate and methacryl alginate may be included in a weight ratio of 1: 1 to 2: 1, but is not limited thereto.

상기 제 3단계의 신경세포는 마이크로젤 용액 1 mL 당 1×104 내지 1×106의 세포 농도로 반응시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.The neuron of the third step may be reacted at a cell concentration of 1 × 10 4 to 1 × 10 6 per mL of the microgel solution, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 신경세포 전달용 마이크로젤을 제공한다. The present invention also provides a microgel for neuron delivery prepared by the above method.

상기 마이크로젤은 150 내지 250 J/m2의 인성(work to fracture; WT)을 가지고, 6.5 내지 8.5 kPa의 압축 강도(elastic modulus; E)를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 마이크로젤이 상기 범위의 인성 및 압축 강도를 가질 경우, 젤의 구조적 안정성이 유지되어 마이크로젤 내부에 봉입된 신경세포의 성장 및 증식이 안정적으로 진행될 수 있고, 이후 일정 수준의 세포 분화가 진행되면 세포견인력이 증가하여 신경세포는 마이크로젤을 깨고 목적 부위로 방출될 수 있다.The microgels have a work to fracture (W T ) of 150 to 250 J / m 2 , and may have an elastic modulus (E) of 6.5 to 8.5 kPa, but are not limited thereto. . When the microgel has the toughness and compressive strength of the above range, the structural stability of the gel is maintained to allow the growth and proliferation of neurons encapsulated inside the microgel to proceed stably. Increasing traction forces nerve cells to break up the microgel and be released to the target site.

상기 마이크로젤의 평균 입경은 100 내지 5000 μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.The average particle diameter of the microgel may be 100 to 5000 μm, but is not limited thereto.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention. .

실시예EXAMPLE 1: 메타크릴 알지네이트(Methacrylic Alginate, MA)의 합성 1: Synthesis of Methacrylic Alginate (MA)

알지네이트(alginate, Sigma)를 pH 6.4인 0.1 M 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid, MES, Sigma) 완충용액에 1.0%(w/v)으로 첨가하고 교반하면서 30~40℃에서 충분히 용해하였다. 완전 용해되면 상온, 질소 대기 하에서 1-하이드록시벤조트리아졸(1-hydroxybenzotriazole, HOBt, Sigma), 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide, EDC, Sigma), 2-아미노에틸 메타크릴레이트(2-aminoethyl methacrylate, AEMA, Sigma)를 천천히 첨가하고 18시간 동안 교반하면서 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 반응용액을 증류수로 3일간 투석(dialysis)해 준 후 동결건조하여 메타크릴레이트가 접목된 알지네이트 분자(Methacrylic Alginate, MA)를 얻었다. Alginate (Sigma) was added to 1.0% (w / v) in 0.1 M 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES, Sigma) buffer at pH 6.4. It melt | dissolved fully at 30-40 degreeC, adding and stirring. When completely dissolved, 1-hydroxybenzotriazole (HOBt, Sigma), 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (1-ethyl-3- (3) -dimethylaminopropyl) carbodiimide, EDC, Sigma) and 2-aminoethyl methacrylate (2-aminoethyl methacrylate, AEMA, Sigma) were added slowly and reacted with stirring for 18 hours. After the reaction, the reaction solution was dialyzed with distilled water for 3 days and then lyophilized to obtain methacrylate-grafted alginate molecules (Methacrylic Alginate, MA).

합성한 MA는 D2O에 녹여 400 MHz에서 1H NMR(Avance II, Bruker Biospin)로 구조를 분석하였다. MA의 접목도(degree of substitution, DS)는 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH, Sigma)으로 적정(titration)하여 반응하지 않은 COOH 관능기(free carboxylate groups)를 측정하여 계산하였다.Synthesized MA was dissolved in D 2 O and analyzed by 1 H NMR (Avance II, Bruker Biospin) at 400 MHz. The degree of substitution (DS) of MA was calculated by measuring free carboxylate groups that were not reacted by titration with sodium hydroxide (NaOH, Sigma).

실시예 2: 알지네이트 마이크로젤 제조Example 2: Alginate Microgel Preparation

순수 알지네이트 분자 단독 또는 MA와 혼합하여 수용액상에서 1.5%(w/v)로 젤 용액(pre-polymer solution)을 제조하였다. 젤 용액을 0.5 M 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2, 삼전화학) 용액에 주사기(26 gauge needle)를 사용하여 작은 물방울(droplets)로 떨어뜨려 알지네이트 마이크로젤을 제조하였다. A pre-polymer solution was prepared at 1.5% (w / v) in aqueous solution by mixing pure alginate molecules alone or with MA. Alginate microgels were prepared by dropping the gel solution into 0.5 M calcium chloride (calcium chloride, CaCl 2 , trielectrochemical) solution using a 26 gauge needle into droplets.

마이크로젤 내부에 화학적 가교를 통한 IPN을 도입하기 위해, 2%(w/v) 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트(poly(ethylene glycol)diacrylate, PEGDA) (Mn: 575 g/mol, Sigma)와 광개시제인 Irgacure 2959(Sigma) 0.1%(w/v)를 첨가하여 동일한 방법으로 마이크로젤을 제조한 후, 10분간 UV(365 nm) 조사하였다.In order to introduce IPN through chemical crosslinking inside the microgel, 2% (w / v) polyethylene glycol diacrylate (PEDA) (M n : 575 g / mol, Sigma) and a photoinitiator Irgacure 2959 (Sigma) 0.1% (w / v) was added to prepare a microgel in the same manner, and then irradiated with UV (365 nm) for 10 minutes.

실시예 3: 알지네이트 마이크로젤의 구조 및 특성 분석Example 3: Structure and Characterization of Alginate Microgels

알지네이트 마이크로젤의 기계적 물성은 만능재료시험기(universal testing machine, UTM, DrTech) 장치를 이용하여 수행하였다. 만능재료시험기의 설정 값은 시험 속도 0.5 mm/min, 하중 범위는 1.0 kgf로 동일하게 적용하였다. 압축 강도(Young’s elastic modulus, E)는 구형의 탄성체에 해당하는 하기 계산식 1(Hertz contact theory 식)을 사용하여 측정하였다.Mechanical properties of alginate microgels were performed using a universal testing machine (UTM, DrTech). The set value of the universal testing machine was applied equally to the test speed of 0.5 mm / min and the load range of 1.0 kg f . Compressive strength (Young's elastic modulus, E) was measured using the following formula 1 (Hertz contact theory) corresponding to the spherical elastic body.

[계산식 1][Calculation 1]

Figure 112018028777396-pat00001
Figure 112018028777396-pat00001

상기 F는 알지네이트 마이크로젤에 높이 별로 가해지는 힘(force), R은 알지네이트 마이크로젤의 반지름(radius), h는 이동변위, 그리고 ν는 마이크로젤의 포아송 비(Poisson’s ratio)를 나타내며 rubbery theory에 입각하여 0.5로 가정하였다. F is the force applied to the alginate microgel by height, R is the radius of the alginate microgel, h is the displacement, and ν is the Poisson's ratio of the microgel, and is based on rubbery theory. Is assumed to be 0.5.

알지네이트 마이크로젤의 인성은 마이크로젤이 파단(fracture)될 때까지 단축방향으로 압축하여 측정하였다. 가해준 힘(F)과 변위(displacement, ΔD) 곡선은 ‘pseudo’ 응력(stress, σ)과 변형률(strain, ε) 곡선(계산식 2, 3)으로 전환하여 사용하였다. 이는 마이크로젤에 큰 변형(high strain)이 주어지면 원기둥(cylinder) 형태로 간주할 수 있다는 가정에 기인한다.The toughness of the alginate microgels was measured by compressing in a uniaxial direction until the microgels fractured. The applied force (F) and displacement (ΔD) curves were converted into ‘pseudo’ stress (σ) and strain (ε) curves (Equations 2 and 3). This is due to the assumption that given a high strain on the microgel, it can be regarded as a cylinder form.

[계산식 2][Calculation 2]

Figure 112018028777396-pat00002
Figure 112018028777396-pat00002

[계산식 3][Calculation 3]

Figure 112018028777396-pat00003
Figure 112018028777396-pat00003

상기 A0는 압축을 가하기 전 마이크로젤의 중심 단면적 값(area)이며, D0는 압축 전 마이크로젤의 직경(diameter)이다. 마이크로젤이 파단될 때까지(ΔDT, ultimate displacement)의 응력과 변형률 곡선의 면적으로부터 WT(work to fracture, J/m2) 값을 계산하여 인성을 측정하였다. A 0 is the central cross-sectional area (area) of the microgel before compression, and D 0 is the diameter of the microgel before compression. Toughness was measured by calculating the W T (work to fracture, J / m 2 ) value from the stress and the area of the strain curve until the microgel fractured (ΔD T , ultimate displacement).

마이크로젤의 내부구조(microstructure)는 주사 현미경(FEscanning electron microscope, JEOL-7001F)을 이용하여 관찰하였다.The microstructure of the microgel was observed using a scanning microscope (FEscanning electron microscope, JEOL-7001F).

실시예 4: 신경세포 봉입 및 세포분화 관찰Example 4 Observation of Neuronal Cell Inclusion and Cell Differentiation

신경세포주(PC12, ATCC)는 75 cm2 flask에서 Roswell Park Memorial Institute medium(RPMI-1640, Biowest)에 10% horse serum(HS, Biowest), 5% fetal bovine serum(FBS, Biowest), 1% penicillin-streptomycin(P/S, Biowest)을 첨가한 배양액을 사용하여 37℃, 5% CO2 환경에서 배양하였다. Nerve cell lines (PC12, ATCC) were treated with 10% horse serum (HS, Biowest), 5% fetal bovine serum (FBS, Biowest), 1% penicillin in a Roswell Park Memorial Institute medium (RPMI-1640, Biowest) in a 75 cm 2 flask. -Streptomycin (P / S, Biowest) was added to the culture medium at 37 ℃, 5% CO 2 environment using.

배양한 신경성장세포를 1.0 mL 알지네이트 젤 용액(pre-gel solution)에 2×105 세포 농도로 각각의 알지네이트 마이크로젤에 봉입하였다. 이때, 전처리된 콜라겐(collagen, 6.0 mg/mL, Advanced Bio-Matrix) 용액 0.3 mL를 젤 용액에 추가하여 봉입된 세포의 성장 환경을 제공하였다. 세포를 봉입한 마이크로젤은 인산완충식염수(phosphate buffered saline, PBS, Biowest)로 2번 세척하고 배양액에서 성장 및 증식시켰다. Cultured nerve growth cells were encapsulated in each alginate microgel at a concentration of 2 × 10 5 cells in 1.0 mL alginate gel solution. At this time, 0.3 mL of pre-treated collagen (collagen, 6.0 mg / mL, Advanced Bio-Matrix) solution was added to the gel solution to provide a growth environment for the enclosed cells. Microgels encapsulated with cells were washed twice with phosphate buffered saline (PBS, Biowest), grown and grown in culture.

배양 5일 후, 배양액에 1.0 μM의 덱사메타손(Dexamethasone, BioReagent)과 50 ng/mL의 뉴런 성장 인자(Nerve Growth Factor-β, NGF, Sigma)를 첨가하여 신경세포로의 분화를 촉진시켰다. 이때, NGF는 0.1% bovine serum albumin(BSA, Sigma)이 포함된 PBS에 녹여 사용하였다. 배양액은 2일 주기로 교체했으며, 광학현미경(optical microscopy, Nikon Eclipse TS100)으로 세포들의 증식과 신경돌기(neurite) 성장을 관찰했다. After 5 days of culture, 1.0 μM of dexamethasone (Dexamethasone, BioReagent) and 50 ng / mL of neuronal growth factor (Nerve Growth Factor-β, NGF, Sigma) were added to promote differentiation into neurons. At this time, NGF was dissolved in PBS containing 0.1% bovine serum albumin (BSA, Sigma). The culture was replaced every two days, and the growth and neurite growth of the cells were observed by optical microscopy (Nikon Eclipse TS100).

세포를 봉입하고 14일간 배양한 마이크로젤을 PBS로 두 번 세척해 주고 상온에서 10분간 4%(v/v) 포름알데하이드 용액으로 고정(fixation) 하였다. 0.2%(v/v) Triton-X 100(Sigma) 용액을 처리하여 세포 투과성을 높여주었다. 마이크로젤의 세포는 1%(w/v) BSA 용액으로 30분간 처리하여 억제(blocking)시켜주고 PBS로 다시 세척해 주었다. 이후, FITC가 태그된 phalloidin(Sigma), DAPI(4,6-diamidino-2-phenylindole, Sigma)를 12시간 동안 처리하여 염색하였다. 염색한 세포는 형광현미경(fluorescent microscope, Nikon Eclipse Ti)을 사용하여 관찰하였고 이미지는 ImageJ로 분석하였다.The cells were encapsulated and the microgels cultured for 14 days were washed twice with PBS and fixed with 4% (v / v) formaldehyde solution at room temperature for 10 minutes. Treatment with 0.2% (v / v) Triton-X 100 (Sigma) solution increased cell permeability. Cells of the microgels were blocked with 1% (w / v) BSA solution for 30 minutes and blocked and washed again with PBS. Thereafter, FITC tagged phalloidin (Sigma) and DAPI (4,6-diamidino-2-phenylindole, Sigma) were treated for 12 hours and stained. Stained cells were observed using a fluorescent microscope (Nikon Eclipse Ti) and images were analyzed by ImageJ.

실시예 5: 중간엽 줄기세포 봉입 및 세포분화 관찰Example 5: Mesenchymal Stem Cell Inclusion and Cell Differentiation

중간엽 줄기세포(D1, MSC, ATCC)는 75 cm2 flask에서 Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium(DMEM, ATCC)에 10% HS, 5% FBS, 1% P/S를 첨가한 배양액을 사용하여 37℃, 5% CO2 환경에서 배양하였다. Mesenchymal stem cells (D1, MSC, ATCC) were cultured in a 75 cm 2 flask at 37 ° C using Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM, ATCC) added with 10% HS, 5% FBS, 1% P / S. Incubated in a 5% CO 2 environment.

배양한 중간엽 줄기세포를 1.0 mL 알지네이트젤 용액에 2×105 세포 농도로 각각의 알지네이트 마이크로젤에 봉입하여, 상기 실시예 4의 신경세포와 동일한 실험을 수행하였다. 중간엽 줄기세포가 젤 내부에 봉입되어 성장하다가 분화(연골, 지방 및 골세포)에 따라 젤을 깨고 방출될 수 있는지 여부를 확인하였다. Cultured mesenchymal stem cells were encapsulated in each alginate microgel at a concentration of 2 × 10 5 cells in 1.0 mL alginate gel solution, and the same experiment as that of the neuron of Example 4 was performed. The mesenchymal stem cells were encapsulated inside the gel and grown, and then the gels were broken and released according to differentiation (cartilage, fat and bone cells).

실험예 1: 메타크릴 알지네이트(Methacrylic Alginate, MA) 합성Experimental Example 1 Synthesis of Methacrylic Alginate (MA)

본 발명에서는 세포 전달체의 기계적 물성을 조절하여, 세포의 분화 정도에 따라 방출 제어가 가능한 세포주도형(cell-instructed) 전달 시스템을 설계하였다(도 1). Ca2+ 이온으로 가교된 알지네이트 마이크로젤(microgel, alginate-calcium chelate complex)을 사용하여 세포를 내부에 봉입하고 증식과 분화가 가능하도록 제조하였다. 고분자 또는 섬유 보강제 첨가, 고분자 필름으로 젤 외부 코팅, Zn2+, Sr2+, Ba2+ 등 중이온 가교제 사용 및 젤 내부 IPN(interpenetrating network) 형성 등의 다양한 방법으로 알지네이트 마이크로젤의 물성을 제어하는 연구가 진행되었다.In the present invention, by controlling the mechanical properties of the cell transporter, a cell-instructed delivery system designed to control the release according to the degree of differentiation of the cell (Fig. 1). Alginate microgels (microgel, alginate-calcium chelate complex) cross-linked with Ca 2+ ions were used to encapsulate the cells and to allow proliferation and differentiation. The physical properties of alginate microgels can be controlled by various methods such as addition of polymer or fiber reinforcement, external coating of gel with polymer film, use of heavy ion crosslinking agents such as Zn 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , and formation of IPN (interpenetrating network) inside gel The study was conducted.

메타크릴 알지네이트(MA)는 순수 알지네이트 분자에 AEMA를 도입하여 성공적으로 합성하였다(도 2(a)). 도 2(b) 및 2(c)의 1H NMR 분석결과에서 보는 것과 같이, acrylates가 알지네이트 backbone에 성공적으로 접목되었음을 확인할 수 있다. 알지네이트 분자의 반복 단위가 나타내는 특성 피크(A:-CH-)와 AEMA의 특성 피크(E: -CH2-) 분석 값을 사용하면 접목도를 구할 수 있다. 접목도(degree of substitution, DS)는 알지네이트의 반복 단위 분자 100개 당 acrylate 분자로 치환된 분자수로 정의한다. 하기 계산식 4에서 n은 acrylate 분자로 치환된 단위 분자수, m은 치환되지 않은 단위 분자수를 의미한다.Methacrylic alginate (MA) was successfully synthesized by introducing AEMA into pure alginate molecules (FIG. 2 (a)). As shown in the 1 H NMR analysis results of FIGS. 2 (b) and 2 (c), it can be confirmed that acrylates have been successfully incorporated into the alginate backbone. The degree of graft can be determined by using the characteristic peak (A: -CH-) represented by the repeating unit of the alginate molecule and the characteristic peak (E: -CH 2- ) analysis value of AEMA. The degree of substitution (DS) is defined as the number of molecules substituted with acrylate molecules per 100 repeating unit molecules of alginate. In Formula 4, n means the number of unit molecules substituted with acrylate molecules, m means the number of unit molecules not substituted.

[계산식 4][Calculation 4]

Figure 112018028777396-pat00004
Figure 112018028777396-pat00004

본 발명에서는 acrylates의 접목도가 각각 5 mol%, 30 mol%를 갖도록 두 종류의 MA-5, MA-30를 합성하였다. 합성한 MA를 NaOH로 적정하고 반응하지 않은 COOH 개수를 측정하여 알지네이트에 도입된 acrylates의 접목도가 각각 4.5 mol%(MA-5), 32.0 mol%(MA-30)임을 확인하였다.In the present invention, two kinds of MA-5 and MA-30 were synthesized such that the grafting degree of acrylates was 5 mol% and 30 mol%, respectively. The synthesized MA was titrated with NaOH and the number of unreacted COOH was measured to confirm that the grafting degree of the acrylates introduced into the alginate was 4.5 mol% (MA-5) and 32.0 mol% (MA-30), respectively.

실험예 2: 알지네이트 마이크로젤 제조 및 물성 분석Experimental Example 2: Preparation of alginate microgels and physical property analysis

알지네이트 마이크로젤은 순수 알지네이트 분자 단독 또는 MA와 혼합하여 droplet 형태로 젤 용액을 CaCl2 용액에 떨어뜨려 제조하였다. Alginate microgels were prepared by dropping a gel solution into CaCl 2 solution in droplet form by mixing pure alginate molecules alone or with MA.

하기 표 1과 같이, 알지네이트 분자 단독으로 만든 마이크로젤은 alginate-G, MA와 혼합하여 만든 마이크로젤은 MA-G로 각각 명명하였다. 나아가, 광개시제와 PEGDA를 첨가하여 MA-G를 제조한 후, 추가적으로 젤 내부를 UV로 가교한 마이크로젤은 X-MA-G(cross-linked MAG)로 명명하였다. As shown in Table 1, the microgels made of alginate molecules alone were named alginate-G and the microgels made of MA, respectively. Furthermore, after preparing MA-G by adding photoinitiator and PEGDA, the microgel cross-linked with UV inside the gel was named X-MA-G (cross-linked MAG).

이때, MA분자는 acrylates 접목도가 5 mol%인 MA-5와 30 mol%인 MA-30을 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 MA-5로 한정하여 마이크로젤(MA-G, X-MA-G)을 제조하였다. MA-30으로 MA-G를 제조한 경우, 마이크로젤의 기계적 물성이 세포를 봉입하는데 충분하지 않은 결과를 보였다. 이는 acrylates로 치환된 MA의 단위 분자수가 증가하여 이온 가교 결합할 수 있는 free COOH 개수가 감소하기 때문이다. 하지만, X-MA-G를 제조할 때에는 acrylates 수가 많은 MA-30 분자를 사용하면 UV 가교로 인한 젤의 기계적 물성을 증가시킬 수 있다.In this case, the MA molecule may use MA-5 having a acrylates grafting degree of 5 mol and MA-30 having a 30 mol%, but in the present invention, the microgel is limited to MA-5 (MA-G, X-MA-G). ) Was prepared. When MA-G was prepared with MA-30, the mechanical properties of the microgel showed insufficient results for encapsulating the cells. This is because the number of free COOH that can be ion-crosslinked decreases by increasing the number of unit molecules of MA substituted with acrylates. However, in the preparation of X-MA-G, the use of MA-30 molecules with a large number of acrylates can increase the mechanical properties of the gel due to UV crosslinking.

SampleSample DiameterDiameter
(mm)(mm)
ModulusModulus
(kPa)(kPa)
UltimateUltimate
strength (kPa)strength (kPa)
UltimateUltimate
strain (%)strain (%)
Work to fracture (J/mWork to fracture (J / m 22 ))
Alginate-GAlginate-G 3.0±0.33.0 ± 0.3 7.7±0.47.7 ± 0.4 490.1±34.9490.1 ± 34.9 94.1±2.294.1 ± 2.2 491.5±6.4491.5 ± 6.4 MA-GMA-G 3.0±0.13.0 ± 0.1 7.5±1.17.5 ± 1.1 242.5±9.7242.5 ± 9.7 87.1±3.187.1 ± 3.1 213.3±15.7213.3 ± 15.7 X-MA-GX-MA-G 2.7±0.22.7 ± 0.2 10.9±2.510.9 ± 2.5 186.1±51.9186.1 ± 51.9 78.8±2.378.8 ± 2.3 159.5±68.5159.5 ± 68.5

상기와 같이 제조된 alginate-G, MA-G는 크기가 평균적으로 3.0 mm 정도로 큰 차이를 보이지 않았지만 X-MA-G는 크기가 2.7 mm 정도로 약간 감소하였다(표 1). 이는 X-MA-G의 내부가 UV 가교에 의해 MA와 PEGDA 사이에 IPN이 형성되었기 때문이다. Alginate-G and MA-G prepared as described above did not show a significant difference in size on the average of 3.0 mm, but X-MA-G decreased slightly in size of 2.7 mm (Table 1). This is because the inside of X-MA-G formed IPN between MA and PEGDA by UV crosslinking.

도 3(a)는 UTM으로 구형의 마이크로젤에 가한 힘(force)과 변형된 변위(displacement)를 나타낸 결과이다. 이를 토대로 계산식 1(Hertz contact theory 식)에 의해, 각 마이크로젤의 압축강도(E)를 계산하였다. Figure 3 (a) is a result showing the force and strain (displacement) applied to the spherical microgel with UTM. Based on this, the compressive strength (E) of each microgel was calculated by Formula 1 (Hertz contact theory).

도 3(b)의 압축강도 결과를 보면, MA-G의 E 값은 7.5±1.1 kPa로 7.7±0.4 kPa 결과를 보인 alginate-G와 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있었다. 이는 acrylates 접목도가 5 mol%인 MA-5를 사용하여 MA-5와 알지네이트를 동량으로 혼합하여 제조한 경우, 이온 가교 가능한 free COOH 개수가 alginate-G와 비교하여 97.5%로 큰 차이를 보이지 않기 때문이다. 하지만, X-MA-G의 경우 E 값이 10.9±2.5 kPa로 상당히 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 젤 내부가 Ca2+로 인한 물리적 가교뿐 아니라 MA와 PEGDA로 인한 화학적 가교가 일어났기 때문이다. 본 발명에서는 접목도가 5 mol%인 MA-5와 2%(w/v) 양의 PEGDA를 사용하였는데, MA의 접목도와 PEGDA의 양을 조절하면 다양한 E 값을 갖는 마이크로젤을 제조할 수 있다.3 (b) shows that the E-value of MA-G is 7.5 ± 1.1 kPa, which is not significantly different from alginate-G showing 7.7 ± 0.4 kPa. When the MA-5 and alginate were mixed in the same amount using MA-5 having 5 mol% acrylates, the number of ion-crosslinkable free COOH was 97.5% compared to alginate-G. Because. However, in the case of X-MA-G, it can be seen that the E value is significantly increased to 10.9 ± 2.5 kPa, because not only physical crosslinking due to Ca 2+ but also chemical crosslinking due to MA and PEGDA occurred inside the gel. In the present invention, 5 mol% of MA-5 and 2% (w / v) of PEGDA were used. By controlling the grafting of MA and the amount of PEGDA, microgels having various E values could be prepared. .

도 4(a)는 마이크로젤에 가해 준 힘과 변위 곡선을 ‘pseudo’ 응력(σ)과 변형률(ε)로 전환한 곡선이다. 구형의 마이크로젤에 상당한 변형이 주어지면 도 4(a-1)과 같이 원기둥 형태로 간주할 수 있기 때문에, 계산식(2, 3)을 사용하여 전환하였다. 마이크로젤이 파단될 때의 응력과 변형률을 각각 ultimate strength, ultimate strain으로 명명하여 표 1에 나타내었다. 또한, 마이크로젤이 파단될 때까지의 응력과 변형률 곡선의 면적으로부터 WT(work to fracture, J/m2) 값을 계산하여 젤의 인성을 측정하였다. 4 (a) is a curve obtained by converting the force and displacement curves applied to the microgel into 'pseudo' stress (σ) and strain (ε). Given a significant deformation to the spherical microgel can be regarded as a cylindrical shape as shown in Fig. 4 (a-1), it was converted using the formula (2, 3). The stress and strain at break of the microgel are named as ultimate strength and ultimate strain, respectively. In addition, the toughness of the gel was measured by calculating the W T (work to fracture, J / m 2 ) value from the stress and area of the strain curve until the microgel was broken.

도 4(b) 결과를 보면, X-MA-G의 WT 값(159.5±68.5 J/m2)이 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 젤 내부에 IPN으로 가교되어 압축강도(E)는 증가하지만, 화학적 가교가 증가함에 따라 상대적으로 plastic zone이 줄어들어 WT 값은 낮아진 것으로 해석될 수 있다. 일반적으로 Maxwell model에 따르면, 이온 가교로 형성된 젤은 스프링-댐퍼(spring-damper) 거동을 보이지만, 공유결합 가교로 형성된 젤은 단순 스프링(elastic spring) 거동을 보이게 된다. 때문에 alginate-G의 경우, 변형(deformation)에 따른 decross-linking과 re-cross-linking 과정을 거치며 에너지 분산(energy dissipation)이 용이하여 상대적으로 높은 인성을 갖게 된다. 그러므로 X-MA-G는 alginate-G와 비교해 볼 때, 압축강도는 높고 인성은 낮은 젤이라 할 수 있다. 또한, 흥미롭게도, MA-G의 WT 값(213.3±15.7 J/m2)이 alginate-G의 WT 값(491.5±6.4 J/m2)보다 현저하게 감소한 것을 확인할 수 있었다. MA-5를 사용해서 MA-G를 만들었기 때문에 alginate-G의 E 값과 큰 차이를 보이지 않았던 것과 비교해 볼 때(도 4(b)), WT 값은 alginate-G의 약 43% 정도로 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이는 비슷한 수준의 강도를 유지하면서도 인성을 낮춘 마이크로젤의 제조가 가능함을 의미한다. 이는 MA 분자 중, acrylates로 치환된 2.5%의 분자 단위가 defects로 작용하기 때문이다. 즉, alginate-G와 비교하여 볼 때, 변형이 MA-G에 작용하면 de-cross-linking 과정을 거치다 defects 부분을 만나면 변형을 가속화시키기 때문으로 해석될 수 있다.4 (b), it can be seen that the W T value (159.5 ± 68.5 J / m 2 ) of X-MA-G is the lowest. The compressive strength (E) is increased by crosslinking with IPN inside the gel, but as the chemical crosslinking increases, the plastic zone is relatively reduced, which can be interpreted as a lower W T value. In general, according to the Maxwell model, gels formed by ion crosslinking exhibit spring-damper behavior, while gels formed by covalent crosslinking exhibit simple spring behavior. Therefore, alginate-G has relatively high toughness due to easy energy dissipation through decross-linking and re-cross-linking process due to deformation. Therefore, X-MA-G is a gel with high compressive strength and low toughness compared to alginate-G. Further, interestingly, it was confirmed that significantly decreased than the value W T of MA-G (213.3 ± 15.7 J / m 2) W T value of the alginate-G (491.5 ± 6.4 J / m 2). Compared to the E-value of alginate-G which did not show a significant difference from the E-value of alginate-G because it was made using MA-5 (Fig. 4 (b)), the W T value was about 43% of alginate-G. It was confirmed that the decrease. This means that it is possible to manufacture microgels with low toughness while maintaining similar strengths. This is because 2.5% of the molecular units substituted with acrylates act as defects. In other words, compared to alginate-G, it can be interpreted as the deformation acts on MA-G, which undergoes de-cross-linking and accelerates deformation when it encounters defects.

결론적으로 본 발명에서는 세포 주도형 전달 시스템에 적용하기 위하여, alginate-G, MA-G 및 X-MA-G를 제조하여, (1) 비슷한 수준의 강도를 갖지만 인성이 다른 젤 시스템과 (2) 강도는 높지만 인성은 낮은 젤 시스템의 모델로 각각 사용하였다.In conclusion, in the present invention, alginate-G, MA-G, and X-MA-G were prepared for application in cell-driven delivery systems, and (1) gel systems having similar strength but different toughness and (2) strength. Was used as a model for the gel system with high but low toughness.

실험예 3: 세포주도형 전달 시스템 제조Experimental Example 3: Preparation of Cell Driven Delivery System

신경세포를 1.0 mL 알지네이트젤 용액에 2×105 농도로 각각의 알지네이트 마이크로젤에 봉입하였다. 신경성장세포가 젤 내부에 봉입되어 성장하다가 일정 수준 이상의 분화가 진행되면 젤을 깨고 방출될 수 있는 세포주도형 전달 시스템으로 설계하고자 하였다. Neurons were enclosed in each alginate microgel at a concentration of 2 × 10 5 in 1.0 mL alginate gel solution. The neural growth cells were encapsulated inside the gel and then grown to design a cell-driven delivery system that could break and release the gel when a certain level of differentiation progressed.

약 7.7 kPa의 E와 491.5 J/m2의 WT을 갖는 alginate-G의 경우, 세포가 젤 내부에서 증식 및 분화 과정을 거치는 약 2주 동안 젤의 구조적 안정성이 유지되어 세포가 젤 밖으로 방출되지는 못하였다. 이는 alginate-G가 세포견인력에 비해 충분한 인성을 갖기 때문이다. 또한, 낮은 159.5 J/m2의 WT 값을 갖지만 상대적으로 증가된 E(10.9 kPa)를 갖는 X-MA-G의 경우도 세포의 성장 및 증식 자체가 저하되기 때문에 내부에 봉입된 세포가 젤을 깨고 방출될 수 없었다(도 5(d)). Alginate-G with E of about 7.7 kPa and W T of 491.5 J / m 2 maintains the structural stability of the gel for about two weeks as the cells undergo proliferation and differentiation within the gel, preventing cells from being released out of the gel. Could not. This is because alginate-G has sufficient toughness compared to cell towing. In addition, X-MA-G, which has a low W T value of 159.5 J / m 2 but has a relatively increased E (10.9 kPa), also degrades the growth and proliferation of the cells itself, so that the encapsulated cells are gelled. It could not be broken and released (Fig. 5 (d)).

반면에, alginate-G와 비슷한 수준의 강도를 갖지만 WT 값을 43%로 낮춘 젤 시스템인 MA-G의 경우, 젤 내부에서 세포의 성장과 증식이 안정적으로 진행되었고(도 6(a)), 이후 일정 수준의 세포 분화가 진행되었을 때, 마이크로젤이 깨져 세포가 방출되는 것을 확인할 수 있었다. On the other hand, in the case of MA-G, a gel system having a strength similar to that of alginate-G but lowering the W T value to 43%, cell growth and proliferation within the gel proceeded stably (Fig. 6 (a)). Then, when a certain level of cell differentiation progressed, it was confirmed that the microgels were broken and the cells were released.

먼저, 도 5(a)와 같이 MA-G 젤 한 개 당 약 2×103개의 신경성장세포를 봉입하여 37℃, 5% CO2 환경에서 배양했다. 도 5(b)의 SEM 이미지에서 보는 것과 같이, 젤 내부가 3차원 네트워크 형태로 기공(pore)이 잘 발달되어 있기 때문에, 세포의 증식이 활발히 진행될 수 있었다. 신경성장세포는 도 5(c)의 염색 이미지에서 보는 것과 같이, 안정적으로 성장 및 증식하여 약 100 μm의 세포 클러스터(cluster)를 형성하였다. 배양 5일차가 되면, 배양액에 덱사메타손과 NGF를 첨가하여 신경세포로의 분화를 촉진시켜 주었다. 그 결과, 세포의 분화가 진행되면서 세포견인력이 증가하여 젤이 깨지기 시작하는 것을 확인할 수 있었다(도 6(a)). 깨진 젤을 SEM 이미지로 확인하면 젤 내부로부터 파단이 진행된 것을 관찰할 수 있다(도 6(b)). 이는 도 6(c)에서 보는 것과 같이, 세포 클러스터로부터 신경돌기(neurite)가 성장하여 세포견인력이 증가하였기 때문이다(도 6(e)). 반면, 세포가 봉입되지 않은 젤은 배양액에서 구조적 안정성이 유지되었다. 즉, 세포의 증식 및 분화를 통한 총 세포견인력(total traction force)이 MA-G의 WT 값보다 클 때, 젤의 hatching이 진행된다고 해석할 수 있다. 이렇게 분화된 신경세포의 전달은 목적부위에서 근육세포와 접목하여 신경근 접합(neuromuscular junction, NMJ) 연구에 활용될 수 있다.First, as shown in FIG. 5 (a), about 2 × 10 3 neuronal growth cells were packed per MA-G gel and cultured in 37 ° C. and 5% CO 2 . As shown in the SEM image of Figure 5 (b), since the pores (pore) well developed in the form of a three-dimensional network inside the gel, the proliferation of the cells could be actively progressed. Nerve growth cells were stably grown and proliferated to form a cell cluster of about 100 μm, as shown in the staining image of FIG. 5 (c). At 5 days of culture, dexamethasone and NGF were added to the culture to promote differentiation into neurons. As a result, as cell differentiation progressed, it was confirmed that the cell towing increased and the gel began to break (FIG. 6 (a)). When the broken gel is confirmed by the SEM image, it can be observed that the fracture progressed from the inside of the gel (FIG. 6 (b)). This is because, as shown in FIG. 6 (c), neurites grew from the cell clusters and the cell towing force was increased (FIG. 6 (e)). On the other hand, gels without cells were retained structural stability in the culture. That is, when the total traction force through the proliferation and differentiation of cells is greater than the W T value of MA-G, it can be interpreted that the hatching of the gel proceeds. The transfer of differentiated neurons can be utilized for neuromuscular junction (NMJ) research by grafting muscle cells at the target site.

반면, 신경세포가 아닌 중간엽 줄기세포가 봉입된 alginate-G와 MA-G의 경우, 분화에 도달하기 전에 이미 젤이 파단되는 결과가 관찰되었다. 이는 중간엽 줄기세포에서 성장(grwoth and spreading)으로 인한 세포견인력이 신경세포의 세포견인력보다 월등히 크기 때문이다. 때문에 MA-G는 신경세포의 분화 정도에 따른 맞춤형 세포 전달체로 사용 가능하나, 중간엽 줄기세포는 Alginate-G 및 MA-G 보다 더 강한 인성(toughness)을 갖는 젤 시스템이 필요함을 알 수 있다.On the other hand, in the case of alginate-G and MA-G encapsulated with mesenchymal stem cells rather than neurons, the gel was broken before reaching differentiation. This is because cell towing due to growth and spreading in mesenchymal stem cells is much larger than that of neurons. Therefore, MA-G can be used as a customized cell carrier according to the degree of differentiation of neurons, but it can be seen that mesenchymal stem cells require a gel system having stronger toughness than Alginate-G and MA-G.

따라서 본 발명의 세포주도형 전달 시스템은 향후 줄기세포, 면역세포 등과 같은 다양한 세포에 적용하여, 방출세포 상태에 따른 세포견인력과 젤의 기계적 물성을 측정 및 제어함으로써 효과적인 세포 전달 시스템으로 활용될 수 있다. 또한, 젤을 깨고 방출된 세포의 거동 및 목적부위로 이동 등에 대한 연구를 진행하여 통합적 세포 전달체로 개발할 수 있다.Therefore, the cell-driven delivery system of the present invention can be applied to various cells such as stem cells, immune cells, and can be utilized as an effective cell delivery system by measuring and controlling the cell towing and the mechanical properties of the gel according to the released cell state. In addition, it can be developed as an integrated cell transporter by breaking the gel and conducting research on the behavior and movement of the released cells to the target site.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail certain parts of the present invention, it is apparent to those skilled in the art that these specific descriptions are merely preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereto. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. The scope of the present invention is represented by the following claims, and it should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the present invention.

Claims (9)

알지네이트 및 메타크릴 알지네이트 혼합물을 제조하는 제 1단계;
상기 혼합물을 염화칼슘 용액에 점적하여 이온 가교 반응을 통한 마이크로젤 용액을 제조하는 제 2단계; 및
상기 마이크로젤 용액을 신경세포와 반응시켜 마이크로젤 내부에 신경세포를 봉입하는 제 3단계;
를 포함하고, 상기 메타크릴 알지네이트는 알지네이트 분자에 도입된 메타크릴레이트 분자의 접목도가 3 내지 7 mol%이며, 상기 마이크로젤 내부에 봉입된 신경세포가 증식 및 분화하여 젤을 깨고 목적 부위로 방출되는 것을 특징으로 하는 신경세포 전달용 마이크로젤의 제조방법.
A first step of preparing an alginate and methacryl alginate mixture;
Dropping the mixture into a calcium chloride solution to prepare a microgel solution through an ion crosslinking reaction; And
A third step of enclosing the neurons inside the microgel by reacting the microgel solution with the neurons;
Wherein, the methacryl alginate has a grafting degree of 3 to 7 mol% of the methacrylate molecule introduced into the alginate molecule, and neurons encapsulated inside the microgel proliferate and differentiate to break the gel and release to the target site. Method for producing a microgel for neuronal cell delivery, characterized in that.
제 1항에 있어서, 상기 제 1단계의 메타크릴 알지네이트의 제조방법은,
i) 알지네이트를 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산에 용해하여 용해물을 제조하는 단계;
ii) 상기 용해물에 1-하이드록시벤조트리아졸, 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드 및 2-아미노에틸 메타크릴레이트를 첨가하고 교반하여 반응물을 제조하는 단계; 및
iii) 상기 반응물을 증류수로 투석하고 동결건조하여 메타크릴 알지네이트를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경세포 전달용 마이크로젤의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the first step of preparing methacryl alginate is
i) dissolving alginate in 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid to prepare a lysate;
ii) adding and stirring 1-hydroxybenzotriazole, 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide and 2-aminoethyl methacrylate to the lysate to prepare a reaction; And
iii) dialysis of the reactant with distilled water and lyophilization to prepare methacryl alginate.
삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 제 1단계의 혼합물은 알지네이트 및 메타크릴 알지네이트가 1:1 내지 2:1의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 신경세포 전달용 마이크로젤의 제조방법. The method of claim 1, wherein the mixture of the first step comprises alginate and methacryl alginate in a weight ratio of 1: 1 to 2: 1. 제 1항에 있어서, 상기 제 3단계의 신경세포는 마이크로젤 용액 1 mL 당 1×104 내지 1×106의 세포 농도로 반응시키는 것을 특징으로 하는 신경세포 전달용 마이크로젤의 제조방법.The method of claim 1, wherein the neurons of the third step are reacted at a cell concentration of 1 × 10 4 to 1 × 10 6 per 1 mL of the microgel solution. 제 1항, 제 2항, 제 4항 및 제 5항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 신경세포 전달용 마이크로젤.A microgel for neuronal cell delivery prepared by the method of any one of claims 1, 2, 4 and 5. 제 6항에 있어서, 상기 마이크로젤은 150 내지 250 J/m2의 인성(work to fracture; WT)을 가지고, 6.5 내지 8.5 kPa의 압축 강도(elastic modulus; E)를 가지는 것을 특징으로 하는 신경세포 전달용 마이크로젤.The nerve according to claim 6, wherein the microgel has a work to fracture (W T ) of 150 to 250 J / m 2 and an elastic modulus (E) of 6.5 to 8.5 kPa. Microgels for Cell Delivery. 제 6항에 있어서, 상기 마이크로젤의 평균 입경은 100 내지 5000 μm인 것을 특징으로 하는 신경세포 전달용 마이크로젤.The method of claim 6, wherein the average particle diameter of the microgel is a microgel for neuronal cell delivery, characterized in that 100 to 5000 μm. 삭제delete
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