KR101344069B1 - A manufacturing method of Novel Fibrous Scaffold Composed of Electrospun Porous Poly(ε-caprolactone) (PCL) Fibers for Bone Tissue Engineering - Google Patents

A manufacturing method of Novel Fibrous Scaffold Composed of Electrospun Porous Poly(ε-caprolactone) (PCL) Fibers for Bone Tissue Engineering Download PDF

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Abstract

뼈 조직 공학 연구를 위해 많은 종류의 골격을 서로 다른 방법을 사용하여 다른 구조를 제작했다. 여기, 새로운 섬유형 골격은 뼈 조직 결함의 재생을 위해 지속적으로 연구되었다. 이 다공성 PCL 섬유기반의 섬유형 골격은 전자방사 과정에서 두가지 용매의 적절한 비욜을 사용하여 만들어진 것이다. 다공성 구조로서 simulated body fluid (SBF)용액에 침수 후의 섬유에 CaP 입자가 쉽게 코팅이 되도록 유도했다. 형태, 구조, CaP 코팅, 그리고 습윤성은 SEM, EDS, X-ray, TEM 기법에 의해 질량 비교, 그리고 접촉각의 분석을 조사했다. 체외에서 세포의 증식과 섬유 골격에서 세포의 상호 작용을 조사했다. 또한, 섬유형 골격의 생체내 뼈 형성능력을 포함하여 비 다공성 PCL 섬유 기반, 다공성 PCL 섬유 기반, 그리고 다공성 PCL 섬유를 기반으로한 CaP 코팅 역시 조사되었다. 체외 결과를 측정함으로써, 우리는 SBF(Ap-dPCL12)에 12시간 침수 시킨 후 다공성 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격이 MG-63 골아세포의 상호작용, 성장과 증식에 우수하다는 것을 확인 했다. 생체내 분석에서 Ap-dPCL12 섬유형 골격이 비 다공성 및 다공성 PCL 섬유기반의 섬유형 골격보다 뼈 형성이 더 빠르게 가속된 것을 보여주었다.For bone tissue engineering studies, many different types of skeletons were fabricated using different methods. Here, new fibrous frameworks have been continuously studied for the regeneration of bone tissue defects. This porous PCL fiber-based fibrous backbone is made using the appropriate solvent of the two solvents in the electrospinning process. As a porous structure, CaP particles were easily coated on fibers after immersion in simulated body fluid (SBF) solution. Morphology, structure, CaP coating, and wettability were investigated by mass spectrometry and contact angle analysis by SEM, EDS, X-ray, and TEM techniques. The proliferation of cells in vitro and the interaction of cells in the fibrous skeleton were investigated. In addition, CaP coatings based on non-porous PCL fiber-based, porous PCL fiber-based, and porous PCL fibers, including the fibrous skeleton's ability to form bones in vivo, were also investigated. By measuring in vitro results, we found that after 12 hours of immersion in SBF (Ap-dPCL12), the fibrous scaffold based on porous PCL fibers was superior to the interaction, growth and proliferation of MG-63 osteoblasts. In vivo analysis showed that the Ap-dPCL12 fibrous framework accelerated bone formation faster than the fibrous framework based on nonporous and porous PCL fibres.

Description

전자방사된 다공성의 Poly(ε-caprolactone)(PCL) 섬유로 조성된 섬유형 골격의 제조방법{A manufacturing method of Novel Fibrous Scaffold Composed of Electrospun Porous Poly(ε-caprolactone) (PCL) Fibers for Bone Tissue Engineering}A manufacturing method of Novel Fibrous Scaffold Composed of Electrospun Porous Poly (ε-caprolactone) (PCL) Fibers for Bone Tissue Engineering }

본 발명은 전자방사 공정을 이용한 다공성의 PCL 섬유를 기반으로 한 섬유형 골격의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a fibrous skeleton based on porous PCL fibers using an electrospinning process.

전계방사로도 알려져 있는 전자방사 기술은 전하차이를 이용하여 제조하는 방법으로 다른 방법으로는 가공할 수 없는 극세 고분자섬유를 제조할 수 있는 기술로 각광을 받고 있으며, 고분자, 세라믹, 복합재료, 금속 등의 용액이.나 용융물을 나노미터에서 서브미크로미터 직경을 가진 섬유를 제조할 수 있는 비교적 간단하고 쉬운 방법이다.
Electrospinning technology, also known as field emission, is a method of manufacturing by using a difference in charge, and is being spotlighted as a technology for producing ultrafine polymer fibers that cannot be processed by other methods. Polymers, ceramics, composite materials, and metals This solution is a relatively simple and easy way to produce fibers with nanomelt to submicron diameters.

전자방사 장치는 수직으로 위치한 모세관 끝, 즉 방적돌기에서 고분자 용액은 중력과 표면장력 사이에 평형을 이루며 반구형 방울을 형성하며 매달려 있게 된다. 이때 전기장을 부여하면 표면장력과 반대되는 힘이 발생하여, 반구형 방울은 원추형 모양으로 늘어나게 되며, 전기장이 어느 세기 이상이 되면 표면장력을 극복하면서 하전된 고분자 용액의 젯이 테일러 콘에서 계속 방출 분사하게 된다. 이 분사물은 반대전극으로 향하는 동안 용매가 증발되고, 높은 속도로 반대 전극으로 향함에 따라 직경이 마이크로미터에서 나노미터에 이르는 고체섬유가 포집된다.
At the end of the capillary, the spinneret, located vertically, the electrospinning device equilibrates between gravity and surface tension and hangs in a hemispherical droplet. Applying an electric field generates a force opposite to the surface tension, and the hemispherical droplets increase in a conical shape, and when the electric field is over a certain intensity, the jet of charged polymer solution continues to eject from the Taylor cone while overcoming the surface tension. do. The spray evaporates the solvent while it is directed to the counter electrode and collects solid fibers ranging in diameter from micrometers to nanometers as they are directed to the counter electrode at high velocity.

전자방사 고분자 섬유의 응용분야 중 빠르게 성장하는 분야의 하나가 재생의료분야이다. 재생의 목표가 되는 조직으로는 연골, 뼈, 피부 조직 등이 있다. 전기방사섬유를 생물학적 응용에 적용할 수 있는 가장 중요한 특징은 ECM(세포외기질, Extra Cellular Matrix)를 모방할 수 있는 능력이며, ECM은 성정 세포를 둘러싸고 융화할 수 있는 마이크로 환경을 포함하고 있다.
One of the fast growing fields of application of the electrospun polymer fiber is the regenerative medicine field. Tissues targeted for regeneration include cartilage, bone, and skin tissue. The most important feature of the application of electrospun fibers in biological applications is the ability to mimic the extracellular matrix (ECM), which includes a microenvironment that can surround and fuse spermatogonia.

이와 같은 전자방사 기술은 섬유형 골격 조직표본을 위해 도입되었다. 전자방사된 섬유의 작은 feature size 때문에, 전자방사공정으로부터 얻어진 섬유형 골격은 일반적으로 높은 다공성, 넓은 표면적을 보여주므로 ECM의 구조를 모방 할 수 있다는 것을 알았다.
Such electrospinning techniques have been introduced for fibrous skeletal tissue specimens. Because of the small feature size of the electrospun fibers, the fibrous frameworks obtained from the electrospinning process generally showed high porosity and a large surface area, thus mimicking the structure of the ECM.

부직포, Poly(lactic acid)(PLA)와 같은 생물 분해성 고분자를 전기방사시킨 섬유형 골격, poly(lactic-co-glycolic acid)(PLGA), poly(lactic-co-glycolic acid) /poly(ε-caprolactone)의 복합재료도 알려져 있고, 이러한, polymer 제품은 생체에 적합한 긍정적인 결과를 보여주었지만, 낮은 뼈 형성 능력은 여전히 주요한 과제이다.
Nonwovens, fibrous skeletons electrospun with biodegradable polymers such as poly (lactic acid) (PLA), poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA), poly (lactic-co-glycolic acid) / poly (ε- Caprolactone composites are also known, and these polymer products have shown positive results in vivo, but low bone formation is still a major challenge.

상기와 같은 단점을 극복하기 위해 최근의 연구들은 뼈와 비슷한 세라믹을 포함시키고 있는 데, 예를 들어, hydroxyapatite, tricalcium phosphate, calcium carbonate를 이용한 섬유형 골격이나 apatite 코팅, 또는 심지어 지정된 의약품, 단백질 그리고 생장인자가 있다.
To overcome these drawbacks, recent studies have included bone-like ceramics, for example fibrous frameworks or apatite coatings using hydroxyapatite, tricalcium phosphate, calcium carbonate, or even designated drugs, proteins and growths. There is an argument.

여러 가지 섬유형 골격을 조사하고 있지만, SBF(Simulated Body Fluid) 용액에 침수 후 섬유 표면에 CaP(Calcium Phosphate) 증착을 가속시키는 것, 다공성 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격을 만들기 위해 사용하는 전자방사기술에 초점을 두고 본 발명의 연구가 진행되었다.
Although various fibrous skeletons are being investigated, the technique is to accelerate the deposition of Calcium Phosphate (CaP) on the fiber surface after immersion in SBF (Simulated Body Fluid) solution, and the electrospinning technique used to make the fibrous skeleton based on porous PCL fibers. Focusing on the research of the present invention proceeded.

고분자와 여러 다공성 섬유는 다른 기공구조를 다양한 방법으로 준비하였다. 그 중에서도 전자방사 된 고분자 용액과, 일반적인 용매는 고 다공성의 섬유를 만드는데 사용되었다. 그것은 고분자 재료의 표면에 존재하는 많은 기공을 만들어 더 많은 세포가 생기거나, 특정 뼈 형성 표현수준의 상승, 그리고 호스트 조직과 더 나은 융합이 될 수 있게 한다. Polymers and various porous fibers prepared different pore structures in various ways. Among them, electrospun polymer solutions and common solvents were used to make highly porous fibers. It creates many pores on the surface of the polymer material, allowing more cells to be produced, increased expression levels of certain bone formation, and better fusion with host tissues.

1. 대한민국 특허출원 제10-2012-0075880호1. Republic of Korea Patent Application No. 10-2012-0075880 2. 대한민국 등록 특허 제10-1244408호2. Korea Patent Registration No. 10-1244408 3. 대한민국 등록 특허 제10-1232386호3. Republic of Korea Patent No. 10-1232386

본 발명은 전자방사된 다공성의 Poly(ε-caprolactone) (PCL) 섬유의 CaP 코팅, 다양한 기공 크기의 분포, 생체적합성 그리고 골전도를 기반으로 한 CaP 처리 및 코팅 공정을 통하여 생체 이식 적합한 섬유형 골격을 제공하고자 하는 것이다. The present invention provides a fibrous framework suitable for biografting through CaP coating, electroporation, and CaP treatment and coating process based on bone conduction of electrospun porous Poly (ε-caprolactone) (PCL) fibers. Is to provide.

본 발명은 섬유형 골격의 양립할 수 있는 생물학적 기능을 만들기 위해, Poly(ε-caprolactone)(PCL)을 용매혼합물로 용해한 후 이를 이용한 전자방사공정에 의하여 다공성 표면의 고분자 섬유형 골격 구조로 조성하였다.
The present invention was prepared by dissolving Poly (ε-caprolactone) (PCL) in a solvent mixture to make a compatible biological function of the fibrous skeleton, and then forming the polymer fibrous skeleton structure of the porous surface by an electron spinning process using the same. .

상기 다공성 구조인 골격은 CaP(Calcium Phosphate) 입자를 침전시키는 특징이 있다.
The porous structure is characterized in that the precipitated CaP (Calcium Phosphate) particles.

여러 가지 섬유형 골격에 대하여 SBF(Simulated Body Fluid) 용액에 침수 후 섬유 표면에 CaP(Calcium Phosphate) 증착을 가속시키는 것, 다공성 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격을 만들기 위해 사용하는 전자방사기술에 초점을 두고 검토되었다.
Accelerate CaP (Calcium Phosphate) deposition on the fiber surface after immersion in SBF (Simulated Body Fluid) solution for various fibrous skeletons, focusing on the electrospinning technology used to make the fibrous skeleton based on porous PCL fibers. And reviewed.

본 발명의 전자방사공정에 있어서, PCL은 DCM(Dichloromethane) 또는 DCM/Ace (Acetone) (10/0, 8/2, 6/4 and 5/5, v/v)용매의 혼합물에 의해 용해된다. 그러면 이것은 0.5mL/h의 질량유량과 syrince (10mL)를 통해 전달된다. 상용적인 전자방사설정은 앞서 설명한 섬유형 골격구성과 같이 사용된다. 균일한 섬유 형성을 위한 PCL 용액의 적당한 농도는 2%(m/v)이다.
In the electrospinning process of the present invention, PCL is dissolved by a mixture of dichloromethane (DCM) or DCM / Ace (Acetone) (10/0, 8/2, 6/4 and 5/5, v / v) solvents. . It is then delivered via a mass flow rate of 0.5 mL / h and syrince (10 mL). Commercial electrospinning setups are used with the fibrous framework described above. A suitable concentration of PCL solution for uniform fiber formation is 2% (m / v).

모든 전자방사공정은 실온에서 실행한다.
All electrospinning processes are performed at room temperature.

상기 전자방사공정으로부터 얻어진 섬유형 골격을 알칼리 용액 중에 처리하기 위하여 1.5M 농도의 NaOH 수용액 10mL에 담근 후, 37℃에서 24시간동안 20RPM의 속도로 흔들어 준다. 이 샘플을 NaOH 용액에서 건져내서 증류수를 이용하여 세정하고, 실온의 공기 중에 몇 시간 동안 건조시킨다.The fibrous skeleton obtained from the electrospinning step was immersed in 10 mL of 1.5 M NaOH aqueous solution for treatment in an alkaline solution, and then shaken at 37 ° C. for 24 hours at 20 RPM. The sample is taken out of NaOH solution, washed with distilled water and dried in air at room temperature for several hours.

본 발명에 따르면 샘플 속 CaP 핵들을 보여주기 위해서 NaOH 처리된 샘플들은 CaP 처리과정을 거쳤다. 첫 번째로, 샘플을 37℃의 CaCl2용액 (200mM)에 10초간 담가두고, 증류수에 1분간 담근 후에 공기 중에 건조시킨다. 두 번째로, 샘플을 37℃의 K2HPO4·3H2O용액(200mM)에 10초간 흠뻑 적시고, 증류수에 다시 몇 분간 담가둔다. 그리고 나서 몇 시간동안 공기 중에 건조시킨다. 위 과정을 한 주기로 한다.
According to the present invention, NaOH treated samples were subjected to CaP treatment to show CaP nuclei in the sample. First, the sample is soaked in CaCl 2 solution (200mM) at 37 ° C. for 10 seconds, soaked in distilled water for 1 minute and then dried in air. Second, the sample is soaked in K 2 HPO 4 .3H 2 O solution (200 mM) at 37 ° C. for 10 seconds and soaked again in distilled water for several minutes. Then dry in air for several hours. Do this step one cycle.

SBF 용액의 준비방법은 Kokubo의 것을 따랐다. pH 값은 준비를 마친 후에 7.4로 조정했다. Apatite 코팅 공정은 15ml 튜브의 10ml SBF 안에 섬유형 골격을 담근다. 세 개의 샘플은 각각의 조건을 가진다. 담근 후에, 골격을 증류수로 서서히 세정하고, 다음 테스트까지 건조 시킨다.
The preparation of the SBF solution was followed by Kokubo's. pH value was adjusted to 7.4 after preparation. The Apatite coating process soaks the fibrous framework in 10 ml SBF in a 15 ml tube. Three samples have respective conditions. After soaking, the skeleton is slowly washed with distilled water and dried until the next test.

습윤성 테스트는 증류수와의 접촉각의 변화에 따라 조사되었다. 20㎕의 증류수 방울이 다른 섬유형 골격의 표면에 작용하였다. 물방울은 바로 사진을 찍었고, 접촉각(θ)은 모델 OCA40 (Data-physics Co. Ltd., Germany)에 기록되었다.
The wettability test was investigated according to the change in contact angle with distilled water. 20 μl of distilled water drops acted on the surface of the other fibrous framework. Water droplets were taken immediately and the contact angle (θ) was recorded on the model OCA40 (Data-physics Co. Ltd., Germany).

이러한 방법으로, 각 골격의 접촉각은 세 번 측정되었다(n = 3).
In this way, the contact angle of each skeleton was measured three times (n = 3).

대부분의 비교는 다음과 같은 계산으로 SBF용액에 담그기 전 후의 샘플의 질량 증가량을 비교하여 수행하였다.
Most comparisons were performed by comparing the mass increase of samples before and after immersion in SBF solution by the following calculation.

질량 증가량 (%) = (Wa―Wb)/Wb×100
Mass increase (%) = (Wa-Wb) / Wb × 100

Wa와 Wb는 각각 SBF용액에 담그기 전 후의 건조된 샘플들이다. 절차는 각 샘플 당 세 번 이루어 졌다. (n=3).
Wa and Wb are dried samples before and after dipping in SBF solution, respectively. The procedure was done three times for each sample. (n = 3).

비다공성 PCL섬유기반, 다공성 PCL섬유기반, 그리고 Ap-dpCL12를 포함한 세 가지 종류의 섬유형 골격은 실린더(직경 5mm x 길이 10mm)로 전달되고, 쉬운 이식을 위해 압력을 주고, 50℃에서 소결하여 소정의 입체 형상 구조인 3D 구조로 만든다.
Three types of fibrous backbone, including non-porous PCL fiber based, porous PCL fiber based, and Ap-dpCL12, are delivered into cylinders (5 mm diameter x 10 mm long), pressurized for easy implantation, and sintered at 50 ° C. It is made of a 3D structure which is a predetermined three-dimensional structure.

간단히 소결 후 지정된 두 종류의 3D 골격은 비다공성 PCL 섬유 기반, 다공성 PCL 섬유 기반, 그리고 Ap-dPCL12 섬유형 골격을 얻었다.
After brief sintering, the two designated 3D skeletons obtained non-porous PCL fiber based, porous PCL fiber based, and Ap-dPCL12 fibrous frameworks.

Implant에 사용되기 전까지 세 가지 종류의 3D 골격 전부 24시간동안 동결 건조시키고, - 20℃에서 보관되었다.
All three types of 3D skeletons were lyophilized for 24 hours and stored at -20 ° C until used for implantation.

또 다른 일반적인 측면에서, 위에서 설명한 방법으로 가공된 Ap-dPCL 섬유형 골격을 제공한다.
In another general aspect, there is provided an Ap-dPCL fibrous framework processed by the method described above.

다른 기능과 측면은 다음과 같은 상세한 설명과 도면, 그리고 청구범위에서 알 수 있다.Other functions and aspects are apparent from the following detailed description and drawings, and from the claims.

본 발명에 따라 제조된 섬유형 골격은 골격이 생체적합성을 갖는 가공을 허용하고, ECM matrix 같은 다양한 기공크기의 분포, 높은 골유도 및 의생명공학, 의학 및 기타 프로그램에서 다양하게 사용될 수 있다.
The fibrous backbone prepared in accordance with the present invention allows processing of the backbone to be biocompatible and can be used in a variety of pore size distributions, such as the ECM matrix, high bone induction and biomedical engineering, medicine and other programs.

위와 다른 연구에서 밝혀진 사실에 대표되는 특징들과 이점들은 첨부된 그림들과 함께 주어진 그 다음의 모범적인 전형의 묘사로 분명히 할 것이다.

도 1. PCL 섬유를 SEM 현미경으로 찍은 것. 저배율(a), 고배율(b), DCM 용매만 사용(c), 처음 용해되는 PCL고분자의 용매로 DCM/Ace를 사용하였다.
도 2. 방사된 비다공성(a), 다공성(b), SBF 용액에 담근 후의 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격(c)와 그에 대응하는 EDS profiles(d)의 각각의 SEM morphology
도 3. 다공성 PCL섬유기반 섬유형 골격을 SBF용액에 넣기 전과(a) 후의(b) XRD 그래프
도 4. Ap-dPCL 섬유형 골격의 투사전자현미경(TEM)(a)와 HRTEM 이미지(b)
도 5. SBF 용액에 담겨진 시간에 따른 PCL 섬유기반과 다공성PCL 섬유기반의 섬유형 골격의 질량변화
도 6. 1, 3, 5일간 배양한 Ap-dPCL2, Ap-dPCL4, Ap-dPCL8, and Ap- dPCL12 섬유형 골격의 다공성 증가비교
도 7. Ap-dPCL12 섬유형 골격에서 MG-63 골아세포를 1, 3, 5일간 배양시켰을때의 공초점 현미경 사진
도 8. 수술 직후 섬유형 골격의 광학사진(a). 이식 1, 3달 후의 비다공성 뼈재생 μCT분석의 3D 복원(b)과, 다공성 PCL섬유 기반(c)과, Ap-dPCL12 섬유형골격(d)
도 9. 비다공성, 다공성 PCL섬유 기반, Ap-dPCL12 섬유형 골격의 μCT 이미지에서 뼈 결함영역의 새로운 뼈 형성을 수치화하여 분석. 뼈의 부피(BV)의 비율은 각 임플란트의 상대적인 전체 부피(TV)의 μCT 분석 (P < 0.05)으로부터 얻은 것이다.
도 10. 비다공성 뼈재생의 H&E 염색 분석(a), 다공성 PCL 섬유기반(b), Ap-dPCL12 섬유형 골격(c), 이식 3달 뒤의 각각의 고배율 이미지(d, e, f)
The features and advantages represented by the facts identified above and in other studies will be clarified by the following exemplary model description given with the accompanying figures.

Figure 1. PCL fibers taken with a SEM microscope. Low magnification (a), high magnification (b), using only DCM solvent (c), DCM / Ace was used as the solvent of the first PCL polymer to be dissolved.
Figure 2. SEM morphology of each of the spun non-porous (a), porous (b), fibrous framework (c) based on PCL fibers after immersion in SBF solution and corresponding EDS profiles (d)
Figure 3. XRD graph before (a) and after (a) the porous PCL fiber-based fibrous framework in SBF solution
4. Projection electron microscopy (TEM) (a) and HRTEM image (b) of Ap-dPCL fibrous framework
Figure 5. Mass change of fibrous framework based on PCL fiber and porous PCL fiber with time in SBF solution
6. Increased porosity of Ap-dPCL2, Ap-dPCL4, Ap-dPCL8, and Ap-dPCL12 fibrous skeletons cultured for 1, 3 and 5 days
Figure 7. Confocal microscopy when MG-63 osteoblasts were cultured for 1, 3, 5 days in Ap-dPCL12 fibrous skeleton
8. Optical photograph (a) of the fibrous skeleton immediately after surgery. 3D reconstruction (b), porous PCL fiber base (c), and Ap-dPCL12 fibrous framework (d) for nonporous bone regeneration μCT analysis 1 and 3 months after transplantation
9. Numerical analysis of new bone formation of bone defect regions in μCT images of nonporous, porous PCL fiber based, Ap-dPCL12 fibrous frameworks. The ratio of bone volume (BV) is obtained from μCT analysis (P <0.05) of the relative total volume (TV) of each implant.
10. H & E staining analysis of nonporous bone regeneration (a), porous PCL fibrous base (b), Ap-dPCL12 fibrous framework (c), high magnification images (d, e, f) 3 months after transplantation

여기 본 명세의 구체적인 것은 그림을 참조로 상세하게 설명한다.The specifics of the present specification will be described in detail with reference to the drawings.

위에서 설명한 대로 PCL 섬유로 구성된 섬유형 골격은 전자방사 공정으로 준비되었다.
As described above, the fibrous framework composed of PCL fibers was prepared by an electrospinning process.

섬유형 골격의 형성 방법은 도 1.(a)와 같이 전자 방사된 둥근 섬유를 무작위로 배치했다.
In the method of forming a fibrous skeleton, randomly arranged electrospun round fibers as shown in FIG.

전자방사 된 섬유의 형태가 전자방사공정의 다양한 매개변수에 의해 영향을 받은 것으로 나타났다.
The shape of the electrospun fibers was influenced by various parameters of the electrospinning process.

그러나, 섬유의 표면 구조에 대한 용매의 효과는 아직 언급되지 않았다.
However, the effect of the solvent on the surface structure of the fibers has not been mentioned yet.

본 발명에서, DCM/Ace 용매의 많은 비율은 PCL 섬유의 표면 구조에 영향을 미칠 수 있는 PCL 고분자를 분해하기 위해 다양해졌다. 따라서 DCM과 Ace의 부피를 제외하고, 고정된 모든 다른 변수들을 처리한 후, 도 1.(b와 c)은 DCM과 Ace의 비가 100/0 과 50/50 (v/v)으로 전자방사된 PCL 섬유들 사이의 표면 형태의 차이를 그렸다.
In the present invention, a large proportion of DCM / Ace solvents has been varied to degrade PCL polymers that may affect the surface structure of PCL fibers. Thus, after processing all other fixed variables, except for the volume of DCM and Ace, Figure 1 (b and c) shows that the ratio of DCM and Ace is electrospun at 100/0 and 50/50 (v / v). The difference in surface morphology between PCL fibers was drawn.

PCL 섬유기반의 섬유형 골격 제작의 다양한 변수처리는 표 1.에서 자세하게 설명하였다. DCM만 사용했을 경우, PCL 섬유의 표면 형태가 도 1.(b)처럼 거칠어진 것을 발견할 수 있었다.
Various variable treatments of PCL fiber-based fibrous frameworks are described in detail in Table 1. When only DCM was used, the surface morphology of the PCL fibers was found to be rough as shown in FIG.

하지만 DCM/Ace (50/50)용매를 사용했을 때, 높은 다공성 구조의 PCL 섬유를 도 1.(c)와 같이 500-1000nm범위의 다양한 크기의 기공과 함께 얻을 수 있었다.
However, when using a DCM / Ace (50/50) solvent, a highly porous PCL fiber was obtained with pores of various sizes in the range of 500-1000nm as shown in Figure 1 (c).

Figure 112012010444134-pat00001
Figure 112012010444134-pat00001

섬유의 표면 형태에 대한 다양한 용매부피 비율의 효과 Effect of various solvent volume ratios on the surface morphology of the fibers

N: 비다공성, R/L: 낮은 거칠기, R/H: 높은 거칠기, P: 다공성
N: non-porous, R / L: low roughness, R / H: high roughness, P: porous

SBF는 생체불활성 재료와, 여러 종류의 고분자의 표면에 특수한 생체모방적인 calcium phosphate (CaP) 코팅에 널리 이용된다. 이 공정은 상당히 느리고, 일반적으로 몇 주 정도 소요된다. 적절한 고분자의 표면은 CaP의 빠른 증착을 결정한다. GE, PLGA 및 PLLA와 같은 생체고분자 재료와 비교해 보았을 때 이것은 비활성 물질이다. 따라서 섬유의 표면에 CaP 증착을 가속시키기 위해서는 PCL 섬유의 표면을 다공성구조로 만들거나 바꿀 필요가 있다.
SBF is widely used for bioinert materials and special biomimetic calcium phosphate (CaP) coatings on the surfaces of various polymers. This process is quite slow and generally takes several weeks. The surface of the suitable polymer determines the rapid deposition of CaP. Compared to biopolymer materials such as GE, PLGA and PLLA, this is an inert material. Therefore, in order to accelerate CaP deposition on the surface of the fiber, it is necessary to make or change the surface of the PCL fiber into a porous structure.

CaP 증착 공정은 PCL 섬유의 표면을 다공성 구조로 만드는 것에 주목하고, 섬유의 표면에 carboxylate 형성을 위한 CaP 처리 공정으로 처리한다.
The CaP deposition process focuses on making the surface of the PCL fiber porous, and is treated with a CaP treatment for carboxylate formation on the surface of the fiber.

CaP 처리와 SBF 용액의 침수 후, 12시간 침수를 했을 때 PCL섬유 표면에 있는 CaP의 특별한 증착을 결과로 볼 수 있다. 표 2에 나타냈듯이 코팅된 층에 EDS(주사전자현미경, Energy Dispersive Spectroscoy)기술을 이용하여 원자의 현 상태를 알아보면, PCL 섬유기반의 섬유형 골격을 SBF에 12시간동안 담근 후 Ca의 atomic(%)는 매우 증가하였고(13.194%), 비다공성 PCL 섬유와 다공성 PCL 섬유의 표면의 CaP의 증착을 비교해 보았을 때, 도 2.(a)에서 같이 작은 CaP 입자들이 흐트러진 것처럼 비다공성 섬유의 표면에 증착된 것을 볼 수 있다. 반대로 도 2(b)는 바깥 표면의 두껍게 덮여진 층으로부터 다공성 PCL 섬유의 표면에 CaP가 다르게 증착이 돼있는 것을 볼 수 있다.
After 12 hours of immersion after CaP treatment and SBF solution, special deposition of CaP on the surface of PCL fiber can be seen. As shown in Table 2, the atomic state of the CaL-based fibrous backbone was immersed in SBF for 12 hours after EDS (Energy Dispersive Spectroscoy) technology was used. (%) Increased significantly (13.194%), and comparing the deposition of CaP on the surface of the non-porous PCL fiber and the porous PCL fiber, the surface of the non-porous fiber as if the small CaP particles were disturbed as shown in FIG. It can be seen deposited on. On the contrary, FIG. 2 (b) shows that CaP is deposited differently on the surface of the porous PCL fiber from the thickly covered layer of the outer surface.

도 2(c와 d)는 각각 비다공성 PCL 섬유 기반과 다공성 PCL 섬유 기반 섬유형골격의 CaP 증착을 EDS 도면으로 나타내고 있다. 이것은 다공성 PCL 섬유기반의 Ca와 P 원자의 피크가 비다공성 PCL 섬유기반의 섬유형 골격 보다 명확하게 높은 것을 알 수 있다.
Figure 2 (c and d) shows the CaP deposition of the non-porous PCL fiber-based and porous PCL fiber-based fibrous framework, respectively, in the EDS diagram. This shows that the peaks of Ca and P atoms based on porous PCL fibers are clearly higher than the fibrous framework based on nonporous PCL fibers.

이 결과에서 PCL 섬유의 다공성 표면이 비다공성인 표면보다 CaP 증착을 가속시킨다는 것을 확인할 수 있다.
From these results, it can be seen that the porous surface of the PCL fibers accelerates the CaP deposition than the nonporous surface.

Figure 112012010444134-pat00002
Figure 112012010444134-pat00002

SBF에서 PCL 섬유기반 섬유형 골격의 배양 시간에 따른 섬유형 골격의 Calcium의 양
Amount of Calcium in Fibrous Skeletons with Incubation Time of PCL Fiber-based Fibrous Skeletons in SBF

도 3은 다공성 PCL 섬유기반의 섬유형 골격을 SBF에 넣기 전(도 3.(a))와, SBF에 넣은 후(도 3.(b))의 XRD 그래프이다. 침수 전에, PCL이 2θ = 21.4°와 23.7°일 때 두 개의 강한 피크를 볼 수 있다.
3 is an XRD graph of a porous PCL fiber-based fibrous skeleton before SBF (FIG. 3 (a)) and after SBF (FIG. 3 (b)). Before immersion, two strong peaks can be seen when PCL is 2θ = 21.4 ° and 23.7 °.

그러나 침수 후에, 두개의 일반적인 PCL 피크와 새로운 형태의 두 피크apatite (AP) [6, 25]와, tricalcium phosphate phase(TCP)에 해당하는 2θ = 31.5°와 42°를 볼 수 있다.
After immersion, however, two normal PCL peaks and two new apatite (AP) [6, 25] and 2θ = 31.5 ° and 42 °, corresponding to the tricalcium phosphate phase (TCP), can be seen.

XRD 데이터에서는 CaP 코팅된 층이 TCP와 apatite성분의 혼합이라고 나타내고 있다. TEM과 HRTEM은 CaP가 증착된 비다공성 PCL섬유기반의 섬유골격의 내부 구조를 보기 위해 사용되었다.
XRD data indicate that the CaP coated layer is a mixture of TCP and apatite. TEM and HRTEM were used to view the internal structure of CaP deposited nonporous PCL fiber based fibrous framework.

도 4(a)와 같이, 다공성 PCL섬유의 표면에 있는 CaP레이어 층에서 찍힌 전자 회절 패턴은, CaP 입자가 거의 불안정한 비결정 상태로 무작위하게 분산된 섬유의 표면에 무작위로 정리된 것임을 확인했다. HRTEM 분석 (도 4.(b))에서, 5~15nm의 직경, 결정질 구조의 나노입자들을 볼 수 있다.
As shown in Figure 4 (a), the electron diffraction pattern taken from the CaP layer layer on the surface of the porous PCL fibers, it was confirmed that the CaP particles are randomly arranged on the surface of the fibers randomly dispersed in an almost unstable amorphous state. In HRTEM analysis (FIG. 4 (b)), nanoparticles of 5-15 nm diameter, crystalline structure can be seen.

PCL 섬유기반의 섬유형 골격의 습윤성테스트 결과는 표 3에 나와 있다. 여기에서 2~12시간 정도까지 SBF 침수 시간을 증가하면 섬유골격의 물 접촉각이 96.5°에서 50.2°까지 감소하는 것을 알 수 있다. 114.2°의 물 접촉각을 볼 때 비다공성 PCL섬유기반의 섬유형 골격은 큰 소수성을 띄는 것을 알 수 있다.
The wettability test results of the PCL fiber-based fibrous skeleton are shown in Table 3. Increasing the SBF submersion time from 2 to 12 hours can be seen that the water contact angle of the fibrous skeleton decreases from 96.5 ° to 50.2 °. The water contact angle of 114.2 ° indicates that the fibrous framework based on the non-porous PCL fibers exhibits a large hydrophobicity.

반면, PCL 섬유의 다공성 구조 때문에 다공성 PCL섬유기반 섬유형 골격은 접촉각이 105.7°이다. 이 결과는 섬유기반의 섬유형 골격이 다공성일 때, 또 SBF용액에 침수시킨 시간을 늘렸을 때 섬유형 골격의 흡수성이 향상된다는 것을 보여준다.
On the other hand, due to the porous structure of the PCL fibers, the porous PCL fiber-based fibrous framework has a contact angle of 105.7 °. The results show that the absorbency of the fibrous skeleton improves when the fibrous skeleton is porous and increases the time of immersion in the SBF solution.

Figure 112012010444134-pat00003
Figure 112012010444134-pat00003

Ap-dPCL2, Ap-dPCL4, Ap-dPCL8, Ap-dPCL12, PCL 섬유기반, 그리고 다공성PCL섬유기반의 섬유형골격 표면에 물방울을 떨어뜨렸을 때의 접촉각.
Contact angle when water droplets are dropped on Ap-dPCL2, Ap-dPCL4, Ap-dPCL8, Ap-dPCL12, PCL fiber based, and porous PCL fiber based fibrous framework surfaces.

도 5는 다른 기간 동안 SBF 용액에 침수시켰을 때 비다공성 PCL 섬유기반과 다공성 PCL섬유기반의 섬유형 골격 두 개의 질량변화를 보여준다. 이것은 SBF 침수시간의 증가는 골격의 질량을 증가시킨다는 것을 나타낸다. 비다공성 PCL섬유기반의 섬유형 골격의 경우, 4시간을 침수시킨 후 골격의 질량은 7.2% 늘어났다. 그것은 CaP의 빠른 석출과 균질핵화를 뜻한다. 동시에 다공성 PCL섬유기반의 섬유형 골격은 질량이 13% 증가 하였다. 그러나 8시간이 지난 후에 (5~12시간) 비다공성 PCL 섬유기반의 섬유형 골격의 질량 증가율이 낮은 반면에, 다공성 PCL 섬유의 섬유형 골격은 질량증가율이 높게 나타났다.
Figure 5 shows the mass changes of two non-porous PCL fiber-based and porous PCL fiber-based fibrous frameworks when immersed in SBF solution for different periods. This indicates that increasing SBF immersion time increases the mass of the skeleton. In the case of non-porous PCL fiber-based fibrous skeleton, the mass of the skeleton increased by 7.2% after 4 hours of immersion. It means rapid precipitation and homogenization of CaP. At the same time, the fibrous framework based on porous PCL fibers had a 13% increase in mass. However, after 8 hours (5-12 hours), the mass growth rate of the non-porous PCL fiber-based fibrous skeleton was low, whereas the fibrous skeleton of the porous PCL fiber was high.

Ap-dPCL2, Ap-dPCL4, Ap-dPCL8 및 Ap-dPCL12 섬유형 골격의 MG-63 골아세포 확산은 복합물 II(succinate-ubiquinone oxidoreductase 복합물)에서 미토콘드리아의 호박산 탈수소 효소에 의해 MTT가 Formazan으로 환원되는데 사용한다고 평가했다. formazan으로의 MTT의 환원 수준은 세포 신진대사의 수준에 반영된다.
MG-63 osteoblast proliferation of Ap-dPCL2, Ap-dPCL4, Ap-dPCL8 and Ap-dPCL12 fibrous frameworks is used to reduce MTT to Formazan by mitochondrial succinate dehydrogenase in complex II (succinate-ubiquinone oxidoreductase complex) I evaluated it. The level of reduction of MTT to formazan is reflected in the level of cellular metabolism.

도 6은 SBF 용액에서의 다른 침지시간에 섬유형 골격을 만들었을 때 Formazan 흡광도의 시간간격을 비교한 것이다. 섬유형 골격의 생체모방조직 형성은 세포의 생존과 확산에 영향을 준다. 네 가지 종류의 섬유형 골격의 세포 부착과 확산은 1일과 5일 사이에 세배의 차이가 났다. 또한, 흡광도 값은 세포증식이 섬유형 골격의 표면에 CaP 코팅이 증가하는 것과 함께 증가했다. 그러나 Ap-dPCL2 와 Ap-dPCL4, 또 Ap-dPCL8 와 Ap-dPCL12 사이에서 약간의 증가가 관찰되었다. 결과에 따르면, 나머지 것들에 비해 Ap-dPCL12 섬유형 골격이 ECM 생산에 가장 큰 영향을 끼친다는 결과를 얻을 수 있다.
Figure 6 compares the time intervals of Formazan absorbance when fibrous skeletons were made at different immersion times in SBF solutions. Biomimetic formation of the fibrous backbone affects cell survival and proliferation. Cell attachment and proliferation of the four types of fibrous frameworks differed threefold between 1 and 5 days. In addition, the absorbance values increased with the increase in CaP coating on the surface of the cell proliferation fibrous framework. However, a slight increase was observed between Ap-dPCL2 and Ap-dPCL4, and between Ap-dPCL8 and Ap-dPCL12. The results show that the Ap-dPCL12 fibrous backbone has the greatest impact on ECM production compared to the others.

도 7의 공 초점 현미경 사진 이미지는 1, 3, 5일 동안 배양한 후의 Ap-dPCL12 섬유형 골격에서 MG-63 골아세포가 생존이 가능하다는 것을 확인했다. 녹색의 밝은 부분은 DAPI(형광염색 시약)로 물든 생존 가능한 MG-63세포를 의미한다. 도 7(a)에서, 1일 배양 후에, 세포는 섬유의 표면에 딱 붙어있다. 삼일 후 세포가 골격의 표면에 성장했고, 표면의 기공 간 간격도 약간 커졌다(도 7(b)). 세포는 지속적으로 성장, 확산하다가, 결국 배양 5일 후 골격의 전체 표면에 성장했다(도 7(c)). 이 공초점 이미지는 MG-63 골아세포가 Ap-dPCL12에서 성공적으로 접착, 확산되어서 매우 잘 구분된다는 것을 보여준다. 이러한 결과를 보면, Ap-dPCL12 섬유형 골격은 뼈 조직공학에 큰 장래성을 가지고 있다.
The confocal micrograph image of FIG. 7 confirmed that MG-63 osteoblasts were viable in Ap-dPCL12 fibrous framework after 1, 3, and 5 days of culture. Green highlights indicate viable MG-63 cells stained with DAPI (fluorescent staining reagent). In Figure 7 (a), after 1 day culture, the cells are stuck to the surface of the fiber. After 3 days, the cells grew on the surface of the skeleton, and the gap between the pores of the surface also slightly increased (Fig. 7 (b)). The cells continued to grow and spread, eventually growing to the entire surface of the skeleton after 5 days of culture (FIG. 7 (c)). This confocal image shows that MG-63 osteoblasts have been successfully adhered and diffused in Ap-dPCL12 and are very well distinguished. These results show that the Ap-dPCL12 fibrous skeleton has great potential for bone tissue engineering.

생체 내 뼈 형성에서 뼈 형성능력 중에서 섬유형 골격 및 CaP 코팅 효과로 구성된 PCL 섬유의 기공 형성을 조사하였다. μCT 분석 결과는 1달 동안 이식했을 때, 이전의 보고서 있던 골전도와 동시에 나타나는 다공성 PCL 섬유의 CaP 코팅 때문에 뼈 조직은 Ap-dPCL12 섬유형 골격 그룹 (도 8.(d))의 전체 구조에서 성장을 시작한 것으로 나타났다.
The pore formation of PCL fibers composed of fibrous skeletal and CaP coating effects was investigated in bone formation capacity in vivo. The μCT assay results in CaP coating of porous PCL fibers, which coincides with bone conduction when transplanted for one month, so bone tissue grows in the entire structure of the Ap-dPCL12 fibrous skeletal group (Figure 8. (d)). Appeared to have started.

반면, 뼈는 (도 8.(b, c))에 나타난 비다공성 PCL 섬유기반 및 다공성 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격의 양쪽에 있는 골격과 원래 뼈 사이의 가장자리에서만 약간 성장했다. PCL 섬유로 구성된 다공성 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격의 다공성 구조 때문에 비 다공성 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격을 비교 시 표면에 뼈 조직의 성장을 이끌어냈다.
In contrast, bones grew slightly only at the edges between the skeleton and the original bone on both the nonporous PCL fibrous and porous PCL fibrous based fibrous backbones shown in (Fig. 8. (b, c)). Due to the porous structure of the porous PCL fiber-based fibrous framework composed of PCL fibers, the growth of bone tissue on the surface was compared when comparing the non-porous PCL fiber-based fibrous framework.

지속적으로, 3달 동안 이식한 후, 도 8과 도 9에서 나온 것과 같이 뼈 형성물의 밀도가 Ap-dPCL12 > 다공성 PCL 섬유기반의 섬유형 골격 > 비다공성 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격의 순서로 다음과 같은 섬유형 골격 기판의 틀에서 형성됐다.
Continuously, after 3 months of implantation, the density of the bone formation as shown in Figs. 8 and 9 was followed by Ap-dPCL12> Fibrous framework based on porous PCL fibers> Fibrous framework based on nonporous PCL fibers. And formed in the framework of fibrous skeletal substrates.

조직학적인 분석에 따라 뼈의 결함위치를 치료하는 과정에서 더 많은 생물학적인 정보를 제공했다. 또한 섬유형 골격의 동시 시각화, 심지어 골격 구조 안에 있는 뼈 조직의 성장을 허용한다. 세 종류의 섬유형 골격에 3개월 동안 이식한 후 H&E Staining 현미경 사진의 뼈 결함위치를 관찰하여 뼈의 형성을 확인할 수 있었다. 도 10 a와 d에서, 비 다공성 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격의 경우에 뼈의 결함은 아주 적은 양의 뼈 조직으로 채워졌다.
Histological analysis provided more biological information in the treatment of bone defect locations. It also allows simultaneous visualization of the fibrous framework, even the growth of bone tissue within the skeletal structure. After implantation for three months into three types of fibrous skeletons, bone formation was confirmed by observing the bone defects on the H & E staining micrograph. In Figures 10a and d, the bone defects were filled with very small amounts of bone tissue in the case of a non-porous PCL fiber based fibrous framework.

그러나 성장한 많은 양의 뼈는 도 10 b와 e처럼 다공성 PCL 섬유 기반의 섬유형 골격의 다공성 구조 판에서 관찰되었다. 그에 비해 도 10 c와 f는 가장 높은 비율의 결함이 생겼는데, Ap-dPCL12 섬유형 골격을 3개월 동안 이식한 후 완벽하게 치료되었다. 뼈 결함을 확대 비교했을 때, 뼈 결함에서 새로운 뼈 형성에 Ap-dPCL12가 큰 영향을 줬다는 사실을 명확히 확인할 수 있다.However, a large amount of grown bone was observed in the porous structural plate of the fibrous framework based on the porous PCL fibers as shown in Figs. 10b and e. In contrast, Figure 10 c and f had the highest percentage of defects, which was completely treated after implantation of the Ap-dPCL12 fibrous framework for 3 months. When we compare the bone defects with enlargement, we can clearly see that Ap-dPCL12 had a significant effect on the formation of new bones in bone defects.

Claims (6)

Poly(ε-caprolactone)(PCL)을 용매혼합물로 용해하여 균질한 PCL 용액으로 한 후 이를 이용한 전자방사공정에 의하여 다공성 섬유로 이루어진 고분자 섬유 골격구성을 형성하는 제1단계;
제1단계에서 형성된 다공성 섬유 골격을 알칼리 용액으로 처리하는 제2단계;
제2단계 이후 CaCl2용액으로 처리하고, K2HPO4·3H2O용액으로 처리하여 다공성 섬유 골격의 표면에 CaP(Calcium Phosphate)를 증착시키는 제3단계;
제3단계 이후 SBF(Simulated Body Fluid)용액에 침수하여 다공성 섬유 골격의 표면에 CaP(Calcium Phosphate) 증착을 가속화 시키는 제4단계;
제4단계로부터 얻어진 섬유형 골격을 50℃에서 가압 소결하여 3D 구조로 형성하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방사된 다공성의 Poly(ε-caprolactone) (PCL) 섬유로 조성된 섬유형 골격의 제조방법.
Dissolving Poly (ε-caprolactone) (PCL) in a solvent mixture to form a homogeneous PCL solution, and then forming a polymeric fiber skeleton composed of porous fibers by an electron spinning process using the same;
A second step of treating the porous fiber skeleton formed in the first step with an alkaline solution;
A third step of depositing CaP (Calcium Phosphate) on the surface of the porous fiber skeleton by treating with a CaCl 2 solution after the second step and treating with a K 2 HPO 4 · 3H 2 O solution;
Immersing in SBF (Simulated Body Fluid) solution after the third step to accelerate CaP (Calcium Phosphate) deposition on the surface of the porous fiber backbone;
Fibrous composition composed of electrospun porous Poly (ε-caprolactone) (PCL) fibers, comprising a fifth step of forming a 3D structure by pressure sintering the fibrous framework obtained from the fourth step at 50 ° C. Method for producing a skeleton.
제1항에 있어서, 용매혼합물이 DCM(Dichloromethane)과 Ace(Acetone)로 이루어진 것으로 그 비율이 1 : 1 (v/v)인 것을 특징으로 하는 전자방사된 다공성의 Poly(ε-caprolactone) (PCL) 섬유로 조성된 섬유형 골격의 제조방법.
The electrospun porous Poly (ε-caprolactone) (PCL) according to claim 1, wherein the solvent mixture is made of DCM (Dichloromethane) and Ace (Acetone), and the ratio is 1: 1 (v / v). ) Method for producing fibrous skeleton composed of fibers.
제1항에 있어서, 균질한 PCL 용액의 농도가 2%(m/v)인 것을 특징으로 하는 전자방사된 다공성의 Poly(ε-caprolactone) (PCL) 섬유로 조성된 섬유형 골격의 제조방법.
The method of producing a fibrous framework composed of electrospun porous Poly (ε-caprolactone) (PCL) fibers, characterized in that the concentration of the homogeneous PCL solution is 2% (m / v).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 제조방법으로부터 제조된 다공성의 Poly(ε-caprolactone) (PCL) 섬유로 조성된 섬유형 골격.
A fibrous skeleton composed of porous Poly (ε-caprolactone) (PCL) fibers prepared from the method of any one of claims 1 to 3.
세포부착에 유용한 제1항의 제조방법으로부터 제조된 다공성의 Poly(ε-caprolactone) (PCL) 섬유로 조성된 섬유형 골격.
A fibrous skeleton composed of porous Poly (ε-caprolactone) (PCL) fibers prepared from the method of claim 1 useful for cell adhesion.
제5항에 있어서, 상기 세포가 뼈 조직 세포인 것을 특징으로 하는 다공성의 Poly(ε-caprolactone) (PCL) 섬유로 조성된 섬유형 골격.6. A fibrous skeleton composed of porous Poly (ε-caprolactone) (PCL) fibers, characterized in that the cells are bone tissue cells.
KR1020120013061A 2012-02-09 2012-02-09 A manufacturing method of Novel Fibrous Scaffold Composed of Electrospun Porous Poly(ε-caprolactone) (PCL) Fibers for Bone Tissue Engineering KR101344069B1 (en)

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