KR101472045B1 - Core-shell fibrous cell carrier and composition for regeneration of osseous tissue or cartilage tissue comprising the same - Google Patents

Core-shell fibrous cell carrier and composition for regeneration of osseous tissue or cartilage tissue comprising the same Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a core-shell fibrous cell carrier which includes: a core having a cell and collagen; and a shell including alginate. The present invention provides a method for producing the core-shell fibrous cell carrier and a composition including the core-shell fibrous cell carrier for regenerating bones or cartilage, wherein the method comprises a step of injecting a core material including a cell and collagen through an internal needle and a shell material including alginate through an external needle at a particular speed in a water tank including calcium chloride, where the internal needle and the external needle share the center and have different diameters. In the core-shell fibrous cell carrier, in which a core and a shell are clearly separated, of the present invention, the alginate content of the shell is optimized, so that oxygen and nutrition can be actively supplied to the cell disposed in the core and the cell can form a network in a boundary part with the shell, wherein oxygen and nutrition are actively supplied in the boundary part. The cell carrier can be easily molded into hydrogel form to be directly filled and transplanted even in a portion with tissue damage having a small or complicated shape.

Description

코어-쉘 섬유상 세포전달체 및 이를 포함하는 골조직 또는 연골조직 재생용 조성물{Core-shell fibrous cell carrier and composition for regeneration of osseous tissue or cartilage tissue comprising the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a core-shell fibrous cell carrier and a composition for regenerating bone tissue or cartilage tissue comprising the core-shell fibrous cell carrier.

본 발명은 세포 및 콜라겐을 포함하는 코어; 및 알지네이트를 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 섬유상 세포전달체, 중심을 공유하는 서로 다른 직경의 바늘을 통해 내부 바늘로부터는 세포와 콜라겐을 포함하는 코어물질을, 외부 바늘로부터는 알지네이트를 포함하는 쉘물질을 가교제를 포함하는 수조에 일정한 속도로 주입하는 단계를 포함하는, 상기 코어-쉘 섬유상 세포전달체의 제조방법 및 상기 코어-쉘 섬유상 세포전달체를 포함하는 골 또는 연골 재생용 조성물을 제공하는 것이다.
The present invention relates to a core comprising cells and collagen; A core-shell fibrous cell carrier comprising a shell comprising alginate and an alginate, a core material comprising cells and collagen from an inner needle through needles of different diameters sharing a center, A method for producing the core-shell fibrous cell carrier, and a method for regenerating bone or cartilage comprising the core-shell fibrous cell carrier, which comprises injecting a substance into a water tank containing a crosslinking agent at a constant rate.

골조직은 척추손상, 골절, 감염, 종양 등 여러 질환에 의해 손상을 입을 수 있다. 단순 골절 등의 경우에는 자연치료가 가능하나, 자연치료 한계를 넘어서는 골손실을 입을 경우 이를 치료 및/또는 재생시키기 위한 치료제가 필요하다. 아울러 치주질환이나 외상으로 인하여 발치를 하는 경우 치조골의 흡수가 일어나게 되어 보철치료와 임플란트 치료에 문제를 야기하게 된다. 특히 성공적인 임플란트를 위해서는 일정한 길이와 직경의 매식체가 식립되어야 하는데 치조골이 부족한 경우에는 임플란트 식립이 제한될 수 있다. 이와 같은 부위에는 치조골의 높이와 폭을 증가시키기 위한 골이식술이 필요하며, 이를 위해 여러 재생적 치료법이 발달되었다. 이와 같은 골결손에 가장 널리 사용되는 것은 골이식이며 골 재생을 위한 이식재료로는 자가골, 동종골, 이종골 또는 합성골이 사용되고 있다. 자가골은 직접 골형성을 할 수 있는 골세포를 포함하고 있으며 거부반응이 없는 최고의 골이식재로 높은 성공률을 보장하지만, 골채취를 위한 채취부위에 대한 추가적인 수술이 필요하고 이에 따른 수술 후 불편감이 수반되며 채취량이 한정적이어서 필요한 만큼 채취하는 것이 용이하지 못하다. 따라서, 임상에 있어서, 자가골을 대체하기 위한 골이식재의 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 동종골은 자가골 이식과 비교하여 다량의 골채취가 가능하고 한번의 수술로 이식가능한 장점이 있고 골 형성가능성이 높은 것으로 보고되어 있어 자가골의 대체재로 널리 사용되고 있다. 그러나, 조작이 쉽지 않고 일관된 골재생 결과를 보여주지 못하고 골재생에 있어서 실패를 초래하거나, 면역거부반응 등의 부작용이 발생할 수 있으며, 질환보유자로부터 채취한 골을 사용한 경우 감염으로 인한 질병전파의 가능성이 있어 논란이 되고 있다. 이종골은 인간 이외의 동물로부터 채취한 골조직을 처리하여 이식재로 사용하는 것으로 우골이 널리 사용되고 있다. 이종골이 지니고 있는 항원성과 감염 가능성을 제거하기 위한 탈단백과정을 거치며, 이러한 탈단백과정을 거친 우골은 치과영역의 골이식술에 널리 사용되고 있다. 이 외에 합성골로 사용할 수 있는 다양한 합성재료들이 개발되고 있다. 합성골로 사용되기 위해서는 독성이 없고 생체 적합성을 가지며 다공성 이어서 재생되는 골세포의 침투가 가능하고 안정적으로 부착되어 증식할 수 있어야 하며 시간에 따라 체내에서 분해될 수 있는 재료여야 한다.Bone tissue can be damaged by various diseases such as spinal injuries, fractures, infections, and tumors. In the case of simple fracture, natural treatment is possible, but a therapeutic agent for treating and / or regenerating bone loss in excess of the natural treatment limit is needed. In addition, when extracted due to periodontal disease or trauma, alveolar bone is absorbed, which causes problems in prosthetic treatment and implant treatment. In particular, for successful implants, the implant of a certain length and diameter should be placed. However, if the alveolar bone is insufficient, implant placement may be limited. In these areas, bone grafting is required to increase the height and width of the alveolar bone, and several regenerative treatments have been developed for this purpose. The most widely used bone defects are bone grafts, and autogenous bone, allogeneic bone, heterogeneous bone, or synthetic bone is used as a graft material for bone regeneration. Although autogenous bone contains bone cells capable of direct bone formation and is the best bone graft material with no rejection, it can guarantee a high success rate, but it requires additional operation on the harvesting site for bone harvesting, It is not easy to collect as much as necessary because the amount is limited. Therefore, in clinical practice, there is an increasing demand for the development of bone graft substitutes for replacing autogenous bone. Allografts are available as a substitute for autogenous bone because they can be harvested in large quantities compared to autogenous bone grafts, have the advantage of being transplanted with one operation, and have a high possibility of osteogenesis. However, it is not easy to manipulate, does not show consistent bone regeneration results, may cause failure in bone regeneration, side effects such as immune rejection may occur, and bone fragments obtained from disease holders may cause disease transmission This is controversial. Bone marrow is widely used to treat bone tissue from non-human animals and to use it as a graft material. The deproteinization process is used to remove the antigen and the possibility of infection of the heterogeneous bone, and the bones that have undergone this deproteinizing process are widely used for the bone grafting in the dental field. In addition, various synthetic materials that can be used as synthetic cores have been developed. To be used as a synthetic bone, it has no toxicity, is biocompatible, is porous, is able to penetrate regenerated bone cells, stably attaches and proliferates, and can be decomposed in the body over time.

연골조직은 혈관, 신경, 림프관이 없기 때문에 손상을 받은 후 세포를 보충할 수 있는 길이 매우 제한적이다. 연골 결손부위로 공급될 수 있는 세포에는 인근 연골로부터 이동(migration)하는 연골세포, 골수와 활막 및 지방조직에 존재하는 줄기세포 등이 있다. 이중 주위 연골로부터 이동한 연골세포는 이동 속도와 거리가 매우 제한적이기 때문에 연골재생에 충분하지 않다. 한편, 골수의 줄기세포는 전층연골결손의 경우 연골의 재생에 참여할 수 있는 반면에, 부분층 결손인 경우에는 연골의 재생에 관여하기 어렵다. 한편, 활막과 지방조직에 있는 줄기세포의 존재가 보고되고 있으나, 아직 이들이 연골의 자발적 재생에 참여하는지에 대해서는 충분한 근거가 제시되지 않고 있다. 이러한 특징 때문에 물리적 손상을 받은 연골은 다시 정상적인 기능과 구조를 가진 연골조직으로 재생되는데 있어 많은 한계점을 지니고 있다.Since cartilage tissue is free of blood vessels, nerves, and lymphatic vessels, the length of time to supplement the cells after injury is very limited. Cells that can be supplied as cartilage defect include cartilage cells migrating from nearby cartilage, stem cells present in bone marrow and synovial membrane and adipose tissue. Chondrocytes migrated from the periplasmic cartilage are not sufficient for cartilage regeneration because the rate and distance of movement are very limited. On the other hand, bone marrow stem cells can participate in cartilage regeneration in the case of whole cartilage defects, but not in regeneration of cartilage in the case of partial layer defects. On the other hand, the existence of stem cells in synovial membrane and adipose tissue has been reported, but sufficient evidence has not been given as to whether they participate in spontaneous regeneration of cartilage. Because of this feature, cartilage damaged by physical damage has many limitations in regenerating cartilage tissue with normal function and structure.

또한 일단 손상된 연골의 경계부위는 기계적 압력에 취약하여 쉽게 부서지고 마모되어 결손부위는 더 커지게 된다. 아울러 연골의 부스러기(debris)는 염증을 일으키는 원인을 제공함으로써 더욱 연골을 손상시키고, 그 결과 골관절염이 빠르게 진행될 수 있다. 따라서, 손상된 연골을 조기에 재생시켜주는 것이 매우 중요한데, 현재 연골 결손의 재생을 위한 방법이 다양하게 제시되고 있으나, 아직 정상적 초자 연골(hyaline cartilage)의 재생에는 미치지 못하고 있다.In addition, once the damaged cartilage boundary is vulnerable to mechanical pressure, it is easily broken and worn, resulting in a larger defect. In addition, debris of the cartilage can cause cartilage damage by providing a cause of inflammation, and as a result, osteoarthritis may progress rapidly. Therefore, it is very important to regenerate damaged cartilage prematurely. Currently, there are various methods for regeneration of cartilage defect, but it has not yet reached the regeneration of normal hyaline cartilage.

1994년 M. Brittberg에 의해 자가 연골세포 이식술이 소개된 이래, 세포를 이용한 연골의 재생치료법이 급속히 발전하고 있다. 세포이식에 의한 연골의 재생치료 방법은 결손된 부위에 세포를 공급하거나 인공적으로 배양된 관절연골을 이식하는 방법 등이 있다.Since the introduction of autologous chondrocyte transplantation by M. Brittberg in 1994, the use of cell-based cartilage regeneration has been rapidly evolving. Methods for regenerating cartilage by cell transplantation include supplying cells to a defective site or implanting artificially cultured articular cartilage.

한편 줄기세포의 분리 및 배양기술이 발달함에 따라, 상기 손상된 골조직 및 연골조직의 재생을 위하여 세포치료제로서 다양한 조직으로 분화할 수 있는 줄기세포를 환부에 이식하는 방법이 사용되기도 한다. 이때, 효율적으로 손상부위에 세포를 전달하고 원하는 조직으로 빠르게 분화시켜 재생을 촉진할 수 있는 세포전달체가 요구되는 실정이다.
Meanwhile, as the technology for separating and culturing stem cells has developed, a method of transplanting stem cells capable of differentiating into various tissues into the affected part has been used as a cell therapy agent for regenerating the damaged bone tissue and cartilage tissue. At this time, there is a need for a cell delivery system capable of efficiently transferring cells to a damaged site and rapidly differentiating the cells into a desired tissue to promote regeneration.

이에 본 발명자들은 생체적합성 물질인 콜라겐과 알지네이트를 각각 포함하는 코어-쉘 구조의 콜라겐 코어부분에 줄기세포를 봉입시켜 섬유상으로 성형하면 산소 및 영양분 공급이 원활하여 줄기세포의 생존 및 분화에 유리한 미세환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 성형이 용이하여 복잡한 손상부위에도 맞추어 주입할 수 있으므로 효과적으로 세포를 전달하여 조직의 재생을 촉진할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have found that when embryonic stem cells are encapsulated in a core-shell structure containing collagen and alginate, which are biocompatible materials, respectively, and formed into a fibrous form, microorganisms, which are favorable for the survival and differentiation of stem cells, And it is easy to mold and can be injected according to a complicated damage site. Thus, it is confirmed that the cell can be effectively transferred to promote regeneration of tissue, and the present invention has been completed.

본 발명의 하나의 목적은 세포 및 콜라겐을 포함하는 코어; 및 알지네이트를 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 섬유상 세포전달체를 제공하는 것이다.One object of the present invention is a core comprising a cell and a collagen; And a shell comprising an alginate.

본 발명의 다른 목적은 중심을 공유하는 서로 다른 직경의 바늘을 통해 내부 바늘로부터는 세포와 콜라겐을 포함하는 코어물질을, 외부 바늘로부터는 알지네이트를 포함하는 쉘물질을 가교제를 포함하는 수조에 일정한 속도로 주입하는 단계를 포함하는, 상기코어-쉘 섬유상 세포전달체의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a core material containing cells and collagen from inner needles through needles of different diameters sharing a center and a shell material containing alginate from outer needles into a water tank containing a cross- Into a core-shell fibrous cell carrier.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 코어-쉘 섬유상 세포전달체를 포함하는 골조직 또는 연골조직 재생용 조성물을 제공하는 것이다.
It is still another object of the present invention to provide a composition for regenerating bone tissue or cartilage tissue comprising the core-shell fibrous cell carrier.

상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 세포 및 콜라겐을 포함하는 코어; 및 알지네이트를 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 섬유상 세포전달체를 제공한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cell, comprising: a core comprising a cell and a collagen; And a shell comprising an alginate.

기존의 세포전달체는 세포를 내부에 봉입시킨 하이드로겔 또는 고체 구의 형태로 제조하여 액체에 부유시킨 형태로 투여하였다. 따라서 이의 바람직한 투여형태는 주사제였다. 그러나, 이는 환부에 직접 주사하여도 액체 중에 부유된 상태이므로 원하는 위치에 생착시키기 어려운 단점이 있었다. 이에 용액 중에 부유하지 않으면서, 기존의 미세구(microsphere) 형태에 비하여 기계적 강도가 향상되어 형태 유지가 용이하면서도, 골 조직 손상부위에 맞추어 적용시킬 수 있는 세포전달체를 제공하고자, 본 발명에서는 콜라겐 및 세포를 포함하는 코어; 및 알지네이트를 포함하는 쉘을 포함하는 섬유상 형태의 세포전달체를 개발하였다.Conventional cell carriers were prepared in the form of a hydrogel or solid sphere in which cells were enclosed and suspended in a liquid. The preferred dosage form thereof was therefore an injection. However, this is disadvantageous in that it is difficult to engage in a desired position because it is suspended in the liquid even if it is directly injected into the affected part. In order to provide a cell carrier that can be applied to the damaged tissue of the bony tissue while easily retaining its shape by improving its mechanical strength as compared with the conventional microsphere form without floating in a solution, A core comprising a cell; And a shell comprising alginate.

본 발명에서 용어, "세포전달체(cell carrier)"는 치료제로서의 세포를 환부에 전달하기 위한 시스템으로 전달하고자 하는 세포를 봉입시킨 고체 또는 반고체의 미세구조물을 의미한다. 상기 미세구조물은 일정량의 세포를 포함할 수 있도록 수십 내지 수백 마이크로미터 수준의 규모로 제조되나, 그 형태는 제한되지 않는다. 상기 고체 또는 반고체는 세포를 지지하기 위하여 도입된 부가물로 세포에 독성이 없는 재질을 선택하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 세포전달체는 콜라겐 코어에 세포를 포함하도록 제조하되 상기 세포가 외부와 직접 접촉하지 않도록 알지네이트를 포함하는 쉘을 외부에 추가로 포함하도록 제조한, 코어-쉘 구조의 세포전달체이다.The term "cell carrier" in the present invention means a solid or semi-solid microstructure in which cells to be delivered are enclosed by a system for delivering cells as therapeutic agents to the affected part. The microstructure may be fabricated on a scale of several tens to several hundred micrometers so as to contain a certain amount of cells, but the shape is not limited. Preferably, the solid or semi-solid is an adduct that is introduced to support the cells, and a material that is not toxic to the cells is selected. The cell carrier according to the present invention is a core-shell structure cell carrier prepared so as to contain cells in a collagen core and further comprising a shell containing alginate so that the cell does not come into direct contact with the outside.

상기 콜라겐은 전술한 바와 같이 세포를 지지하기 위해 도입된 부가물로서 겔형태의 반고체이며, 세포 독성을 나타내지 않고 체내에서 서서히 분해되는 생분해성 물질이다.The collagen is a gel-like semi-solid as an adduct introduced to support cells as described above, and is a biodegradable substance that does not show cytotoxicity and is slowly degraded in the body.

본 발명의 세포전달체에 봉입되는 세포는 배양 환경에 따라 다양한 조직세포로 분화가능한 미분화 줄기세포이거나, 골세포, 연골세포 등의 조직세포일 수 있다. 이때, 상기 골세포 및 연골세포 등은 성체로부터 직접 채취한 것이거나, 줄기세포를 체외에서 분화시킨 세포일 수 있다. 또는, 미분화 줄기세포를 봉입시켜 세포전달체를 제조한 후 체내에 투여하기 전에 분화배지에서 분화시켜 사용할 수도 있다.The cells to be encapsulated in the cell carrier of the present invention may be undifferentiated stem cells capable of differentiating into various tissue cells depending on the culture environment, or tissue cells such as bone cells and cartilage cells. At this time, the bone cells and cartilage cells may be collected directly from the adult, or the stem cells may be differentiated from the cells. Alternatively, the undifferentiated stem cells may be encapsulated to prepare a cell transporter, and the cells may be used for differentiation in a differentiation medium before administration into the body.

본 발명에 따른 세포전달체의 코어는 100 μm 내지 1500 μm의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 세포전달체의 코어물질에 혼합하여 봉입된 세포는 산소 및 영양분을 제공받기에 용이한 쉘과의 경계면에 위치하여 서로서로 네트워크를 형성한다. 따라서, 이를 고려할 때, 코어가 상기 범위보다 작게 형성되는 경우, 세포들이 배열할 수 있는 충분한 코어-쉘 경계면적을 제공할 수 없어 다중층으로 배열될 수 있으며, 이 경우 코어의 내부에 배향된 세포는 충분한 산소 및 영양분을 공급받지 못하여 정상적인 생장이 어려워질 수 있다. 또는 분화조건에서는 분화를 위한 한편 코어가 상기 범위보다 크게 형성되는 경우 세포 수에 비해 표면적이 과다하여 세포밀도가 낮아 정상적인 세포 네트워크 형성이 어렵거나 형성되는 조직의 밀도가 너무 낮아질 수 있다.Preferably, the core of the cell carrier according to the present invention has a diameter of 100 [mu] m to 1500 [mu] m. Cells mixed with the core material of the cell carrier of the present invention are located at the interface with the shell which is easy to receive oxygen and nutrients and form a network with each other. Therefore, considering that, when the core is formed to be smaller than the above range, it can not be provided with a sufficient core-shell boundary area that the cells can arrange and can be arranged in multiple layers. In this case, May not be fed with sufficient oxygen and nutrients, which may make normal growth difficult. If the core is formed larger than the above range, the surface area is excessively larger than the number of cells, and the cell density is low, so that normal cell network formation may be difficult or the density of the formed tissue may be too low.

본 발명에 따른 세포전달체의 쉘은 100 μm 내지 250 μm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 쉘이 상기 범위보다 얇게 형성되는 경우, 기계적 강도가 낮고 빠르게 분해될 수 있다. 한편, 상기 범위보다 두껍게 형성되는 경우에는 코어부분에 위치한 세포로의 영양분의 확산 및 산소전달이 저해되어 정상적인 세포생장을 저해할 수 있다.The shell of the cell carrier according to the present invention preferably has a thickness of 100 [mu] m to 250 [mu] m. When the shell is formed to be thinner than the above range, the mechanical strength is low and can be quickly disintegrated. On the other hand, when it is formed to be thicker than the above range, diffusion of nutrients to the cells located in the core region and oxygen transmission are inhibited, and normal cell growth can be inhibited.

본 발명에 따른 세포전달체의 코어는 코어 총 중량에 대해여 콜라겐을 0.5 내지 5% 포함하는 것이 특징이다. 콜라겐 함량이 0.5% 미만인 경우, 기계적 강도가 너무 낮아 물성이 약해질 수 있다. 한편, 콜라겐 함량이 5%를 초과하는 경우, 세포의 성장과 이동에 제약을 줄 수 있다.The core of the cell carrier according to the present invention is characterized by containing 0.5-5% of collagen in relation to the total weight of the core. If the collagen content is less than 0.5%, the mechanical strength may be too low and the physical properties may be weakened. On the other hand, when the collagen content exceeds 5%, the growth and migration of cells may be restricted.

본 발명에 따른 세포전달체의 쉘은 쉘 총 중량에 대해여 알지네이트를 2 내지 5 중량% 포함하는 것이 특징이다. 쉘부분의 알지네이트 함량이 2% 미만인 경우 내구성이 낮아 분해속도가 빠르고 기계적 성질이 악화된다. 반면, 5%를 초화하는 함량으로 알지네이트를 포함하는 경우에는 두껍고 조밀한 쉘층을 형성하여 코어부분에 봉입된 세포의 생존 및 증식을 위한 산소 및 영양분 등의 침투를 저해할 수 있다.
The shell of the cell carrier according to the present invention is characterized in that it contains 2 to 5% by weight of fibrin alginate based on the total weight of the shell. When the alginate content of the shell portion is less than 2%, the durability is low and the decomposition rate is high and the mechanical properties are deteriorated. On the other hand, when alginate is contained in an amount of 5% by weight, a thick and dense shell layer may be formed to inhibit penetration of oxygen and nutrients for survival and proliferation of the cells encapsulated in the core portion.

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 중심을 공유하는 서로 다른 직경의 바늘을 통해 내부 바늘로부터는 세포와 콜라겐을 포함하는 코어물질을, 외부 바늘로부터는 알지네이트를 포함하는 쉘물질을 가교제를 포함하는 수조에 일정한 속도로 주입하는 단계를 포함하는, 상기 코어-쉘 섬유상 세포전달체의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a core material comprising cells and collagen from an inner needle through needles having different diameters with a center and a shell material comprising alginate from an outer needle, At a constant rate into the core-shell fibroblast cell line.

상기 코어-쉘 섬유상 세포전달체, 코어, 쉘 및 세포에 대해서는 상기에서 설명한 바와 같다.The core-shell fibrous cell carriers, cores, shells and cells are as described above.

본 발명에 따른 세포전달체는 콜라겐과 세포를 포함하는 코어부분과 알지네이트를 포함하는 쉘의 명확히 구분된 영역으로 구성되는 것이 특징이다. 이와 같은 구조적 특징을 갖는 세포전달체를 제조하기 위하여 특별히 고안된 중심을 공유하는 서로 다른 직경의 바늘을 통해 내부 바늘로부터는 코어물질을 외부 바늘로부터는 쉘물질을 방출하도록 하되 이를 가교제 용액을 포함하는 수조에 직접 잠기도록 하여 쉘의 알지네이트가 상기 가교제 용액과 접촉하면서 알지네이트의 낮은 원자가의 이온이 보다 높은 원자가의 이온과 교환하여 교차결합함으로써 쉘 외부에 경화된 네트워크를 성장시킨다. 상기 알지네이트 외부의 빠른 교차결합에 의한 경화는 세포가 로딩된 콜라겐 코어를 물리적 완전성(physical integrity)의 손실 없이 유지할 수 있다. The cell carrier according to the present invention is characterized in that it is constituted of clearly separated regions of the core portion containing collagen and cells and the shell containing alginate. In order to manufacture a cell carrier having such a structural characteristic, a shell material is discharged from the outer needle through the inner needle through the needles having different diameters, So that the alginate of the shell is in contact with the crosslinking agent solution, and the low valence ions of the alginate exchange with the ions of the higher valence to cross-bind, thereby growing a cured network outside the shell. Curing by fast cross-linking outside of the alginate can keep the cell-loaded collagen core free of loss of physical integrity.

본 발명에 따른 세포전달체 제조방법에서 코어 및 쉘물질의 주입 속도는 20 내지 80 ml/h인 것이 특징이다. 주입 속도가 20 ml/h 미만인 경우, 느린 속도로 인한 공정의 지연으로 제자리(in situ) 섬유상 세포전달체 제조과정 동안 세포사멸의 위험성이 증가할 수 있다. 한편, 주입 속도가 80 ml/h를 초과하는 경우, 부적절하게 두꺼운 쉘 형성을 유도하여 세포 생존에 요구되는 산소 및 영양분의 전달을 저해할 수 있다.In the method of manufacturing a cell carrier according to the present invention, the injection rate of the core and the shell material is 20 to 80 ml / h. If the infusion rate is less than 20 ml / h, the delay in the process due to the slow rate may increase the risk of cell death during in situ fibrous cell carcinogenesis. On the other hand, if the infusion rate exceeds 80 ml / h, it may induce inadequately thick shell formation and inhibit delivery of oxygen and nutrients required for cell survival.

바람직하게, 상기 가교제는 이에 제한되지 않으나, 염화칼슘일 수 있다. 예컨대, 염화칼슘 용액과 접촉할 때 알지네이트의 1가의 나트륨 이온은 2가의 칼슘 이온으로 교환되어 교차결합을 형성함으로써 표면을 경화할 수 있다. 이때, 상기 염화칼슘은 5 mM 내지 50 mM의 농도로 사용할 수 있다. 상기 염과칼슘의 농도가 50 mM을 초과하는 경우 알지네이트의 과도한 교차결합을 유발하여 고도로 경화된 전달체로 제조되어 내포된 세포의 활성에 악영향을 줄 수 있으며, 5 mM 미만인 경우 교차결합이 부족하여 형태를 유지하기 어렵다.
Preferably, the crosslinking agent is not limited thereto, but may be calcium chloride. For example, when in contact with a calcium chloride solution, the monovalent sodium ion of the alginate can be exchanged with a divalent calcium ion to form a cross-link to cure the surface. The calcium chloride may be used at a concentration of 5 mM to 50 mM. When the concentration of the salt and calcium exceeds 50 mM, excess cross-linkage of alginate is induced to produce a highly cured carrier, which may adversely affect the activity of the encapsulated cells. When the concentration is less than 5 mM, It is difficult to maintain.

또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 코어-쉘 섬유상 세포전달체를 포함하는 골조직 또는 연골조직 재생용 조성물을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a composition for regenerating bone tissue or cartilage tissue comprising the core-shell fibrous cell carrier.

또한, 본 발명은 상기 코어-쉘 섬유상 세포전달체를 포함하는 골 또는 연골 재생용 조성물을 이식하는 단계를 포함하는 골조직 또는 연골조직을 재생시키는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for regenerating bone tissue or cartilage tissue comprising implanting bone or cartilage regeneration composition comprising the core-shell fibrous cell carrier.

본 발명의 용어 "골조직(osseous tissue)"은 뼈를 형성하는 조직을 일컫는 용어이다. 뼈는 표면이 치밀골질로 이루어지며, 중심부나 장골의 양 끝은 그물눈 같이 연합된 해면골질로 되어 있다. 대부분의 뼈는 처음에 결합조직 중의 연골로서 발생하여 나중에 골조직으로 바뀌는데 일부는 결합조직 중에서 직접 생성된다. 말단에는 이웃 뼈와 접하는 부분에 관절면이 있고, 그 표면은 초자연골인 관절연골로 덮여있다. 해면질 가운데의 해면소주는 일정한 배열로 되어 있는 것이 특징이다. 골세포는 골층판 사이에 배열되어 있으며, 불규칙한 별모양으로 가는 원형질 돌기로 인접한 다른 골세포와 연결되어 있다. 뼈의 표면에는 질긴 결합조직성 골막이 있으며, 신경과 혈관이 분포되어 뼈의 보호와 영양을 맡고 있다. 골막이 결손되면 뼈의 생존, 신생, 재생 등의 곤란해진다. 골질의 성분은 수분 20%, 세포를 포함한 유기질 35%, 무기질 45%인데, 뼈가 일정한 탄력성을 유지하는 것은 유기질이 있기 때문이다. 연령이 증가함에 따라 무기질(주로 인산칼슘)이 증가하여 뼈의 경도도 증가한다. The term "osseous tissue" of the present invention is a term referring to a tissue that forms a bone. The bone is made up of fine-grained bone, and both ends of the central or iliac bone are associated with a spongy bone like a net. Most of the bones first develop as cartilage in the connective tissue and later turn into bone tissue, some of which are produced directly in the connective tissue. At the distal end, there is a joint surface in contact with the neighboring bone, and its surface is covered with articular cartilage, which is a supernatural bone. The sponge in the middle of the spongy is characterized by a constant arrangement. The osteocytes are arranged between the stratum corneum and are connected to other adjacent osteoclasts by protruding protrusions with irregular star shape. There is a rigid connective tissue periosteum on the surface of the bones, and nerve and blood vessels are distributed to protect and nourish the bones. If the periosteum is deficient, it becomes difficult to survive, start, regenerate, and the like of the bone. Bone content is 20% moisture, 35% organic and 35% inorganic, because the bone has a constant elasticity of organic matter. As age increases, minerals (mainly calcium phosphate) increase and bone hardness increases.

본 발명의 용어 "연골조직(cartilage tissue)"은 인간 및 동물의 체내 여러 부분에서 발견되는 유연한 결합조직으로, 뼈, 흉곽, 귀, 코, 기관지 및 추간판 사이의 접합부를 포함한다. 뼈와 달리 딱딱하고 경직되지 않으나, 근육보다는 뻣뻣하고 덜 유연하다. 연골은 콜라겐 섬유(collagen fiber), 단백당(proteoglycan)이 풍부한 기반물질(ground substance) 및 탄력소 섬유(elastin fiber)로 구성된 다량의 세포외기질(extracellular matrix)을 생산하는 연골모세포(chondroblast)라 불리는 특화된 세포로 구성된다. 연골은 상기 세 가지 주요 요소들의 상대적인 함유량에 따라 탄성연골(elastic cartilage), 유리연골(hyaline cartilage) 및 섬유연골(fibrocartilage)의 세 가지 타입으로 분류된다. 기질 내에 포획된 연골모세포를 연골세포(chondrocyte)라 하며, 이는 소강이라 불리는 공간에 위치한다. 하나의 공간은 8개의 연골세포까지 수용할 수 있다. 연골은 다른 결합조직과는 달리 혈관을 포함하지 않으며, 연골세포는 관절연골의 압박 또는 탄성연골의 굽힘에 의해 생성되는 펌핑작용에 의한 확산에 의해 제공된다. 따라서, 다른 결합조직에 비해 연골은 성장 및 회복이 매우 느리다.The term "cartilage tissue" of the present invention is a flexible connective tissue found in various parts of the human and animal body, including joints between bones, ribs, ears, nose, bronchi and intervertebral discs. Unlike bones, they are not rigid and rigid, but are stiffer and less flexible than muscles. Cartilage is a chondroblast that produces a large amount of extracellular matrix composed of collagen fibers, a ground substance rich in proteoglycan, and elastin fibers. Called discrete cells. The cartilage is divided into three types according to the relative content of the three main components: elastic cartilage, hyaline cartilage, and fibrocartilage. Chondroblasts trapped in the matrix are called chondrocytes, and they are located in a space called bovine. One space can accommodate up to 8 cartilage cells. Unlike other connective tissues, cartilage does not contain blood vessels, and cartilage cells are provided by diffusion by pumping action, which is produced by compression of articular cartilage or bending of elastic cartilage. Therefore, cartilage growth and recovery are very slow compared to other connective tissues.

본 발명의 용어 "재생"은 일반적으로 생물체에는 몸의 일부 또는 그 기능을 상실하였을 때, 그 부분의 조직이나 기관을 다시 만들어 원래 상태로 복구시키거나 그 기능을 회복하려는 작용을 일컫는다. 이러한 재생능력은 체계가 간단하고 계통적으로 진화의 정도가 낮은 것일수록 강하다.The term "regeneration" of the present invention generally refers to an action in which, when an organism loses a part of its body or its function, the tissue or organ of the part is regenerated and restored or restored to its original state. This regeneration ability is stronger as the system is simple and systematic and the degree of evolution is low.

바람직하게 상기 세포전달체는 미분화 줄기세포를 포함하거나, 골 또는 연골세포를 포함하는 것이 특징이다. 본 발명에 따른 세포전달체는 명확히 구분된, 콜라겐 및 세포를 포함하는 코어부분과 알지네이트를 포함하는 쉘부분을 포함한다. 상기 알지네이트 쉘은 기공을 포함하여 코어에 존재하는 생존에 필요한 산소 및 영양분을 공급할 수 있으며, 분화에 필요한 신호전달물질, 성장인자 및/또는 사이토카인 등을 전달하여 분화를 유도할 수 있다. 이러한 구조적 특징에 의해 코어부분의 세포는 산소 및 영양분 등의 공급이 원활한 알지네이트와의 경계부분으로 이동하여 섬유상 구조의 축을 따라 네트워크를 형성한다.Preferably, the cell transporter comprises undifferentiated stem cells, or comprises bone or cartilage cells. The cell carrier according to the present invention comprises a core portion comprising collagen and cells, and a shell portion comprising alginate, which are clearly distinct. The alginate shell may contain pores to supply oxygen and nutrients necessary for survival present in the core, and may induce differentiation by transferring signal transduction materials, growth factors, and / or cytokines necessary for differentiation. Due to these structural features, the cells of the core part move to the boundary part between the alginate and the supply of oxygen and nutrients, forming a network along the axis of the fibrous structure.

상기 세포전달체에 봉입되는 골 또는 연골세포는 전술한 세포전달체의 제조방법에 따라 골 또는 연골세포를 이용하여 제조하거나, 미분화 줄기세포를 이용하여 제조한 세포전달체를 골 또는 연골 분화배지에서 2 내지 15일 동안 분화시켜 제조하는 것이 특징이다. 상기 골 또는 연골세포는 체세포 예컨대 자가 골세포 또는 연골세포이거나, 줄기세포를 분화시켜 수득한 것일 수 있다. 상기 미분화 줄기세포는 성체줄기세포, 배아줄기세포, 유도만능줄기세포 등일 수 있으나, 다양한 조직세포로 분화가능한 세포이면 유래 또는 획득하는 방법과 무관하게 제한없이 사용될 수 있다.The bone or cartilage cells encapsulated in the cell transporter may be prepared using bone or cartilage cells according to the cell transduction method described above, or a cell transporter prepared using undifferentiated stem cells in a bone or cartilage differentiation medium at 2 to 15 Lt; / RTI > for one day. The bone or cartilage cells may be somatic cells such as autologous bone cells or cartilage cells, or obtained by differentiation of stem cells. The undifferentiated stem cell may be an adult stem cell, an embryonic stem cell, an induced pluripotent stem cell, or the like, but it can be used without limitation regardless of the method of derivation or acquisition if it is a cell differentiable into various tissue cells.

상기 골 분화배지로는 통상의 세포배양 배지에 아스코르브산, β-글리세로포스페이트 및 덱사메타손을 첨가하여 사용하는 것이 바람직하며, 연골 분화배지로는 통상의 세포배양 배지에 TGF-β를 첨가하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 세포배양 배지는 당 분야에서 사용되는 배지를 모두 포함하며, 배지 및 배양조건은 세포의 종류에 따라 선택할 수 있다. 배양에 사용되는 배지는 바람직하게 세포 배양 최소 배지(cell culture minimum medium; CCMM)로, 일반적으로 탄소원, 질소원 및 미량원소 성분을 포함한다. 이러한 세포 배양 최소 배지의 비제한적인 예는 DMEM(Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM(Minimal essential Medium), BME(Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F-12, αMEM(α Minimal essential Medium), GMEM(Glasgows Minimal essential Medium) 및 IMDM(Iscove's Modified Dulbecco's Medium)등이 있다. 또한, 상기 배지는 페니실린(penicillin), 스트렙토마이신(streptomycin) 또는 겐타마이신(gentamicin) 등의 항생제 또는 소태아혈청(fetal bovine serum; FBS), 인간혈청알부민(human serum albumin) 등의 혈청첨가물을 추가로 포함할 수 있다.As the bone differentiation medium, it is preferable to add ascorbic acid,? -Glycerophosphate and dexamethasone to a conventional cell culture medium, and as a cartilage differentiation medium, TGF-beta is added to a normal cell culture medium . The cell culture medium includes all of the media used in the art, and the medium and culture conditions can be selected depending on the type of the cells. The medium used for the culture is preferably a cell culture minimum medium (CCMM), generally comprising a carbon source, a nitrogen source and a trace element component. Non-limiting examples of such cell culture medium include DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), MEM (Minimal Essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI1640, F-10, F- , Glasgows Minimal Essential Medium (GMEM), and Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMDM). In addition, the medium may be supplemented with antibiotics such as penicillin, streptomycin or gentamicin, or serum additives such as fetal bovine serum (FBS) and human serum albumin As shown in FIG.

본 발명에 따른 골조직 또는 연골조직 재생용 조성물은 약학적으로 허용가능한 담체를 추가로 포함할 수 있다. 상기 "약학적으로 허용가능한"이란 상기 조성물에 노출되는 세포나 인간에게 독성이 없는 것을 말한다. 상기 담체는 완충제, 보존제, 무통화제, 가용화제, 등장제, 안정화제, 기제, 부형제, 윤활제, 보존제 등 당업계에 공지된 것이라면 제한없이 사용할 수 있다. 본 발명의 재생용 조성물은 질병부위로 이동을 유도할 수 있다면 어떠한 경로를 통해서든지 투여 가능하다. 바람직하게는 조직 손상부위에 알맞은 형태로 성형하여 직접 이식할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 조성물은 하이드로겔의 일종으로 성형이 용이하므로 이러한 투여형태에 적합하다. 예컨대, 조직 손상 형태에 알맞은 형태로 성형되어 이식될 수 있어 효과적으로 조직재생을 촉진할 수 있다. 또한 변질방지를 위한 안정화제로 아스코르빈산, 아황산수소나트륨, BHA, 토코페롤, EDTA 등과, 유화제, pH 조절을 위한 완충제, 질산페닐수은, 치메로살, 염화벤잘코늄, 페놀, 크레솔, 벤질알콜 등의 미생물 발육을 저지하기 위한 보존제 등의 담체를 추가적으로 포함할 수 있다.The composition for regenerating bone tissue or cartilage tissue according to the present invention may further comprise a pharmaceutically acceptable carrier. The term " pharmaceutically acceptable "as used herein refers to a substance which is not toxic to cells or humans exposed to the composition. The carrier can be used without limitation as long as it is known in the art such as a buffer, a preservative, an anhydrous agent, a solubilizer, an isotonic agent, a stabilizer, a base, an excipient, a lubricant and a preservative. The regenerating composition of the present invention can be administered through any route as long as it can induce migration to a disease site. Preferably, it is molded into a shape suitable for a tissue damage site and directly implanted, but is not limited thereto. The composition of the present invention is suitable for such a dosage form since it is a kind of hydrogel and easy to be molded. For example, it can be molded and implanted in a form suitable for the type of tissue damage, thereby effectively promoting tissue regeneration. In addition, as a stabilizer for preventing deterioration, microorganisms such as ascorbic acid, sodium hydrogen sulfite, BHA, tocopherol, EDTA and the like, emulsifiers, buffering agents for controlling pH, mercury nitrate, thimerosal, benzalkonium chloride, phenol, And a carrier such as a preservative for inhibiting growth.

상기 "이식(transplantation)"은 일반적으로 공여자의 세포, 조직 또는 장기 등을 수혜자의 손상 조직 또는 장기에 옮기는 과정을 의미한다. 공여자 형태에 따라 자기 세포나 조직을 다른 곳에 이식하는 자가이식(autograft), 수혜자와 동일한 종인 공여자로부터의 세포, 조직, 장기 등을 이식하는(예컨대 인간에서 인간으로) 동종이식(allograft), 다른 종으로부터의 장기 등을 이식하는(예컨대 동물의 장기를 인간에게) 이종이식(xenograft)로 분류될 수 있다. 이식의 대상은 보다 넓게는 공여자의 세포, 조직 또는 장기 뿐 아니라 수혜자의 손상된 조직의 재생을 도울 수 있는 물질이면 제한없이 포함한다. 이식은 당업계에 공지된 방법으로 수행될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 제한되지 않는다. 일반적으로 세포를 이식하는 경우 고형 지지체인 스캐폴드에 로딩시켜 이식하거나 주사를 이용하여 이식할 수 있다. 그러나, 본 발명의 조성물은 반고체인 하이드로겔의 형태로서 별도의 지지체를 필요로 하지 않으면서도 성형이 용이하여 작거나 복잡한 형태의 손상 조직에도 맞추어 이식할 수 있다. 한편 세포 자체로 또는 비드형태에 봉입시켜 주사제 형태로 제제화하는 경우 주사액에 희석되고 부유되므로 원하는 위치에 정착되도록 하기 어려운 점이 있으나, 본 발명의 조성물의 경우 연속적인 반고체의 하이드로겔 섬유상으로 제조되므로 희석할 필요 없이 원하는 부위에 이식할 수 있어 도입된 세포의 빠른 생착을 도모할 수 있다. 한편 본 발명에 따른 조성물의 코어 및 쉘의 성분인 콜라겐과 알지네이트는 모두 생체적합성 물질이며 생분해성을 갖는 물질이므로 체내에 이식되어도 부작용이나 독성을 나타내지 않으며, 시간이 흐름에 따라 자연적으로 분해되면서 도입된 세포가 생착할 수 있게 돕는다.
The term "transplantation" generally refers to the process of transferring the donor's cells, tissues or organs to the recipient's damaged tissue or organ. Depending on the donor type, autografts transplanting their own cells or tissues elsewhere may be transplanted with allografts (eg, from human to human), cells, tissues, organs from the same donor as the recipient Organs (e.g., animal organs to humans) that are transplanted with xenografts. The subject of transplantation includes, without limitation, any cell, tissue or organ of the donor, as well as any material that can aid the regeneration of the injured tissue of the recipient. The transplantation can be performed by a method known in the art, and is not limited to the embodiment of the present invention. Generally, when a cell is transplanted, it can be implanted in a solid support, such as a scaffold, and implanted using an injection. However, the composition of the present invention is easy to mold without requiring a separate support as a form of a semi-solid hydrogel, and can be transplanted to a damaged tissue having a small or complex shape. On the other hand, when the preparation is injected into the cell itself or in the form of beads, it is diluted and floated in the injection solution and thus it is difficult to fix it at a desired position. However, since the composition of the present invention is made into a continuous semi-solid hydrogel fiber, It can be transplanted to a desired site without need, so that the introduced cells can be rapidly transplanted. Meanwhile, collagen and alginate, which are components of the core and the shell of the composition according to the present invention, are both biocompatible and biodegradable, so that they do not exhibit side effects or toxicity even when transplanted into the body, Helps the cells to engage.

본 발명의 코어와 쉘이 명확히 구분된 코어-쉘 섬유상 세포전달체는 쉘의 알지네이트 함량을 최적화하여 코어에 위치한 세포에 산소 및 영양분을 원활히 공급할 수 있고, 이때 세포는 산소와 영양분의 공급이 원활한 쉘과의 경계부분에서 네트워크를 형성할 수 있다. 상기 세포전달체는 하이드로겔 형태로 성형이 용이하여 작거나 복잡한 형태의 조직 손상부분에도 직접 채워넣어 이식할 수 있다.
The core-shell fibrous cell carrier, in which the core and shell of the present invention are clearly distinguished, can optimize the alginate content of the shell to smoothly supply oxygen and nutrients to the cells located in the core, It is possible to form a network at the boundary portion of the interface. The cell transporter is easy to be formed into a hydrogel form, and can be directly implanted in a small or complex tissue damage area.

도 1은 줄기세포가 포획된 콜라겐 코어 및 알지네이트 쉘 하이드로겔 운반체를 제조하기 위한 (a) 기기장치, (b) 제조과정 및 (c) 제조된 코어-쉘 섬유상 하이드로겔 운반체를 나타낸 개략도이다. MSC-콜라겐 (2) 및 알지네이트 (3) 용액 각각을 주입기로부터 일정한 속도로 주입하되 본 발명을 위해 고안된 코어-쉘 바늘(4, 5)를 사용하여 저농도(50 mM)의 염화칼슘 용액을 포함하는 수조 (6)에 직접 디포짓하여 칼슘 이온과 나트륨-알지네이트의 교차결합을 통해 알지네이트가 경화되도록 하였다. 콜라겐 내부 코어에 로딩된 MSC는 경화된 알지네이트 내에 포획되었다. 직접 디포짓된 세포 구조물(direct-deposited cell-construction)을 37℃에서 인큐베이션하여 콜라겐이 겔화되도록 하였다. 이후 골조직 공학을 위한 세포 배양을 위해 추가적으로 인큐베이션하였다. (b)는 연속적인 섬유상 구조를 보존하면서 디포짓된 코어-쉘 하이드로겔 운반체를 나타낸 도이다. (c)는 문자 'DKU'의 형태로 제조한 코어-쉘 섬유상 하이드로겔 운반체이다. 도 1c에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 코어-쉘 섬유상 하이드로겔 운반체는 조직-결손 형태에 적합하게 어떠한 원하는 형태로도 쉽게 성형될 수 있다.
도 2는 코어 및 쉘 두께에 대한 알지네이트 농도(a 내지 e) 및 주입 속도(f 내지 j)의 영향을 나타낸 도이다. (a) 및 (b)는 각각 알지네이트 농도 변화에 대해 측정된 쉘과 코어의 두께를 나타낸 도이다. (c 내지 e)에는 각기 다른 알지네이트 농도(c; 2%, d; 3% 및 e; 5%)로 사용하여 제조한 코어-쉘 섬유상 형태를 나타낸 광항적 이미지이다. (f) 및 (g)는 각각 주입 속도 변화에 대해 측정된 쉘과 코어의 두께를 나타낸 도이다. (h 내지 j)에는 각기 다른 주입 속도(h; 20 ml/h, i; 50 ml/h 및 j; 80 ml/h)로 사용하여 제조한 코어-쉘 섬유상 형태를 나타낸 광항적 이미지이다. 스케일 바=250 μm.
도 3은 다양한 알지네이트 농도(2%, 3% 및 5%)로 제조한 코어-쉘 구조 섬유상 하이드로겔 세포전달체의 기계적 특성을 나타낸 도이다. 변화하는 주파수(0.1 Hz로부터 10 Hz까지)에서 동적 기계적 분석에 의해 (a) 저장 탄성률 및 (b) 손실 탄성률을 기록하였다. 저장 탄성률은 알지네이트 농도가 증가함에 따라 눈에 띠게 증가한 반면, 손실 탄성률에서는 큰 변화는 관찰되지 않았다.
도 4는 21일까지 코어-쉘 하이드로겔 운반체 내에서 배양시간에 따른 (a) MSC의 증식, (b) 세포생존율 및 (c) 코어 두께 변화를 나타낸 도이다. 결과를 양성 대조군으로 사용한, 순수 콜라겐 하이드로겔 내에서 배양된 MSC에 대해 측정한 값과 서로 비교하였다. 7일째에 유사한 값을 나타내었던 세포 증식은 14일 및 21일로 배양 기간이 길어짐에 따라 차이가 나기 시작하였다(코어-쉘<콜라겐, *p<0.05, 통계적으로 상이함). (b)는 트리판 블루 스크리닝과 혈구계 계수에 의한 상기 두 개 군에 대해 정량된 live/dead cell 비를 나타낸 것으로 두 경우 모두 유사한 수준을 나타내었다(모든 시점에서 약 70%의 생존율). (c)는 21일까지 측정된 콜라겐 코어 수축을 나타낸 것으로 코어 크기는 약 1050 μm(초기)로부터 7일에 900 μm, 14일에 500 μm 및 21일에 350 μm로 눈에 띄게 감소하였다.
도 5는 각기 다른 배양 시기에서 (a, c, e 및 g) MSC를 포획한 코어-쉘 하이드로겔 전달체 및 (b, d, f 및 h) MSC를 포함하는 콜라겐 겔의 광학적 현미경 이미지를 나타낸 도이다. 분주 시 초기 둥근 형태를 갖는 MSC(a 및 b)는 7일에 방추형으로 변형되고(spindle shaped; c 및 d) 이후 14일에 고도로 신장되었다(highly elongated; e 및 f). 21일에는 세포가 널리 증식되어 거의 컨플루언스에 도달하였다(g 및 h). 코어-쉘 운반체에서 콜라겐 코어 부분은 배양 시간이 증가함에 따라 상당히 수축되었다. 스케일 바=350 μm.
도 6은 일정 기간 배양(7일; a 및 b, 14일; c 및 d, 및 21일; e 및 f) 후 코어-쉘 섬유상 운반체 내의 세포골격 과정 및 신장 형태를 나타낸 공초점 레이저 주사 현미경 이미지를 나타낸 도이다. 세포 핵은 파란 색(DAPI)으로, 세포골격은 빨간 색(Alexa Fluor Phalloidin 548)으로 염색하였다. 스케일 바=850 μm(a, c 및 e) 및 350 μm(b, d 및 f).
도 7은 코어-쉘 섬유상 하이드로겔 운반체 내에서 14일 및 21일에 걸쳐 배양한 MSC의 골형성 분화를 나타낸 도이다. (a) BSP, (b) OPN 및 (c) OCN 유전자의 mRNA 발현 수준을 정량적으로 확인하였다. *는 유의적인 차이를 나타낸다(p<0.05, by ANOVA).
도 8은 MSC를 포획시킨 코어-쉘 하이드로겔 운반체의 생체 내 골형성능을 나타낸 도이다. 상기 사용한 실험군은 운반체 단독('w/o cell'), 미분화 MSC를 포함하는 운반체('non-osteogenic') 및 골형성 배지에서 7일간 분화시킨 MSC를 포함하는 운반체('osteogenic')을 포함한다. 이식 6주 후 ?CT에 의해 골재생을 분석하였다; (a)는 5 mm-직경의 결손 부분 주위에서 신생 골형성(오렌지색)을 나타내는 ?CT 구조적 이미지이다. (b) 내지 (d)는 각각 신생 골부피의 백분율, 골 표면적 및 골 표면밀도를 나타낸 정량분석 결과이다. 유의한 차이가 관찰되었다(*p<0.05, by ANOVA).
도 9는 이식 6주 후 헤마톡실린 및 에오신(H&E) 및 마송삼색(Masson's trichrome) 염색 후 이식된 시료의 조직학적 이미지를 나타낸 도이다; (a) 운반체 단독, (b) 미분화 MSC를 포함하는 운반체 및 (c) 분화된 MSC를 포함하는 운반체. (d)는 (c)에서 새롭게 형성된 뼈를 확대한 이미지이다. 화살표: 결손 가장자리, NB: 신생 골, HB: 호스트 골. 스케일 바= 1 mm(a 내지 c) 및 200 μm(d).
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a device for manufacturing a collagen core and an alginate shell hydrogel carrier in which stem cells are captured and a device, a process for producing the same, and (c) a core-shell fibrous hydrogel carrier. Each of the MSC-collagen (2) and alginate (3) solutions was injected at a constant rate from the syringe using a core-shell needle (4, 5) designed for the present invention. (6) to allow the alginate to cure through cross-linking of calcium ions and sodium-alginate. The MSCs loaded into the collagen internal core were captured in the cured alginate. Direct-deposited cell-construction was incubated at 37 [deg.] C to allow the collagen to gel. Followed by incubation for cell culture for bone engineering. (b) shows a depot core-shell hydrogel carrier while preserving a continuous fibrous structure. (c) is a core-shell fibrous hydrogel carrier prepared in the form of the letter 'DKU'. As shown in Fig. 1C, the core-shell fibrous hydrogel carrier according to the present invention can be easily molded into any desired form suitable for the tissue-defect form.
Figure 2 shows the effect of alginate concentrations (a to e) and injection rates (f to j) on core and shell thickness. (a) and (b) show the thicknesses of shell and core measured for alginate concentration changes, respectively. shell fibrous morphology produced using different alginate concentrations (c; 2%, d; 3% and e; 5% (f) and (g) are graphs showing the thicknesses of the shell and the core measured for injection rate changes, respectively. shell fibrous morphology produced with different injection rates (h: 20 ml / h, i: 50 ml / h and j: 80 ml / h) Scale bar = 250 μm.
Figure 3 shows the mechanical properties of a core-shell structured fibrous hydrogel cell carrier made with various alginate concentrations (2%, 3% and 5%). (A) storage elastic modulus and (b) loss modulus were recorded by dynamic mechanical analysis at varying frequencies (from 0.1 Hz to 10 Hz). The storage modulus increased visibly with increasing alginate concentration, but no significant change in loss modulus was observed.
FIG. 4 is a graph showing (a) MSC proliferation, (b) cell viability and (c) core thickness change with time in the core-shell hydrogel carrier until day 21. The results were compared to those measured for MSCs cultured in pure collagen hydrogel, used as a positive control. Cell proliferation, which showed similar values on day 7, began to differ as the incubation period increased (14 days and 21 days) (core-shell <collagen, * p <0.05, statistically different). (b) showed a live / dead cell ratio determined for both of the above two groups by triplet blue screening and hematocyte counts, both of which were similar (approximately 70% survival at all time points). (c) shows the collagen core shrinkage measured by day 21. The core size was significantly reduced from about 1050 μm (initial) to 900 μm at 7 days, 500 μm at 14 days, and 350 μm at 21 days.
Figure 5 is an optical microscope image of a collagen gel comprising core-shell hydrogel carriers and (b, d, f and h) MSCs capturing MSCs at different incubation times (a, c, e and g) to be. The MSCs (a and b) with the initial round shape at the time of dispensing were highly elongated (e and f) after 14 days of spindle shaping (c and d) and 7 days. On day 21, cells proliferated to near confluence (g and h). In the core-shell carrier, the collagen core portion contracted considerably with increasing incubation time. Scale bar = 350 μm.
Figure 6 shows a confocal laser scanning microscope image showing the cytoskeletal process and kidney morphology in the core-shell fibrous carrier after a fixed period of incubation (7 days; a and b, 14 days; c and d, and 21 days; e and f) Fig. The cell nucleus was stained with blue color (DAPI) and the cytoskeleton was stained with red color (Alexa Fluor Phalloidin 548). Scale bars = 850 μm (a, c and e) and 350 μm (b, d and f).
Figure 7 shows osteogenic differentiation of MSCs cultured over 14 and 21 days in a core-shell fibrous hydrogel carrier. (a) BSP, (b) OPN and (c) OCN gene were quantitatively confirmed. * Indicates a significant difference (p <0.05, by ANOVA).
8 is a graph showing the in vivo bone performance of a core-shell hydrogel carrier capturing MSCs. The experimental group used includes a carrier ('w / o cell'), a non-osteogenic carrier containing undifferentiated MSCs, and a carrier ('osteogenic') containing MSCs differentiated for 7 days in osteogenic medium . After 6 weeks of transplantation, bone regeneration was analyzed by CT; (a) is a? CT structural image showing new bone formation (orange) around a 5 mm-diameter defect. (b) to (d) are quantitative analysis results showing the percentage of new bone volume, bone surface area and bone surface density, respectively. Significant differences were observed (* p <0.05, by ANOVA).
Figure 9 shows a histological image of a sample after 6 weeks of transplantation after hematoxylin and eosin (H &amp; E) and Masson's trichrome staining; A carrier comprising (a) a carrier, (b) a carrier comprising undifferentiated MSC, and (c) a differentiated MSC. (d) is an enlarged image of the newly formed bone in (c). Arrow: Defected edge, NB: New bone, HB: Host bone. Scale bars = 1 mm (a to c) and 200 μm (d).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시에에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

하기 실시예에서 달리 특정되지 않은 한 실험은 3회 수행하였다. 데이터는 평균(mean)±단일 표준편차(one standard deviation)로 표현하였다. 피셔 사후검정(Fisher post-hoc test)으로 변이의 일방분석(one way analysis of variance; ANOVA)에 의해 통계적 분석을 수행하였으며, p<0.05을 유의수준(significant level)으로 판단하였다.
Unless otherwise specified in the following examples, the experiment was carried out three times. Data were expressed as mean ± one standard deviation. Statistical analysis was performed by one way analysis of variance (ANOVA) with Fisher post-hoc test, and p <0.05 was judged as significant level.

실시예Example 1: 코어-쉘  1: core-shell 섬유상Fibrous 세포전달체의 제조 및 특성분석 Preparation and Characterization of Cell Carrier

(1) 코어-쉘 (1) Core-Shell 섬유상Fibrous 세포전달체의 제조 Preparation of cell carriers

본 발명에서는 이중 동심 노즐(dual concentric nozzle; 내부 23G 및 외부 17G)을 특별히 고안하여 콜라겐-알지네이트의 코어-쉘 구조의 섬유상 네트워크의 제조에 사용하였다. 여기서, 사용된 알긴산나트륨(sodium alginate; A2158, Sigma-Aldrich)은 1.67의 M/G 비율과 약 50 kDa의 분자량을 가졌다. 상기 이중 동심 노즐에, 2 중량% 내지 5 중량%의 비율로 알긴산나트륨 용액을 외부 실린지에 주입하는 한편 콜라겐 용액을 내부 실린지에 로딩하였으며, 이의 개략도를 도 1에 나타내었다.In the present invention, a dual concentric nozzle (inner 23G and outer 17G) was specifically designed and used in the fabrication of a fibrous network of core-shell structure of collagen-alginate. Here, sodium alginate (A2158, Sigma-Aldrich) used had an M / G ratio of 1.67 and a molecular weight of about 50 kDa. A sodium alginate solution was injected into the double concentric nozzle at a ratio of 2 wt% to 5 wt% to the outer syringe while the collagen solution was loaded to the inner syringe, and a schematic view thereof is shown in Fig.

구체적으로 100 μl 10× DMEM(Dulbecco’s modified eagle medium)을 포함하는 1 ml 콜라겐을 적당량의 1 N NaOH와 혼합하여 콜라겐(랫트 꼬리 제1형 콜라겐; First Link(UK); 2.05 mg/ml) 용액을 제조하여, 이어지는 겔화와 로딩된 세포에 비독성 환경을 제공하기 위하여 용액 조건을 조절하여 중성 pH를 제공하도록 하였다. 각각의 실린지를 미세관을 통해 주입펌프(injection pump; KD Scientific)에 부착하였으며, 주입 속도는 20 내지 80 ml/h 사이에서 변화시켰다. 코어-쉘 구조의 콜라겐-알지네이트 섬유를 동심 노즐을 통해 50 mM 염화칼슘(CaCl2)을 포함하는 수조에 5분간 주입하였다. 전체 주입과정은 멸균조건 하에서 수행하였다. 주입 후, 외부 알지네이트는 칼슘 이온과 접촉하여 섬유상 세포 캐리어의 안정성을 유지하도록 교차결합하고 겔화하였다.Specifically, a 1 ml collagen containing 100 μl of 10 × DMEM (Dulbecco's modified eagle medium) was mixed with an appropriate amount of 1 N NaOH to prepare a solution of collagen (rat tail type 1 collagen: First Link (UK) 2.05 mg / ml) The solution conditions were adjusted to provide a neutral pH to provide a non-toxic environment for subsequent gelation and loaded cells. Each syringe was attached to an injection pump (KD Scientific) through a microtubule and the injection rate was varied between 20 and 80 ml / h. The core-shell structure collagen-alginate fibers were injected through a concentric nozzle into a water bath containing 50 mM calcium chloride (CaCl 2 ) for 5 minutes. The entire injection procedure was carried out under sterile conditions. After injection, the outer alginate was cross-linked and gelled to contact the calcium ions to maintain the stability of the fibrous cell carrier.

도 1a에 도시한 장치를 이용하여, 코어-쉘 구조 하이드로겔 세포 캐리어를 제조하고, 동심 노즐을 통한 코어-쉘 섬유상 주입 및 섬유상 스캐폴드의 수집을 광학적으로 가시화하여, 도 1b에 나타내었다. 알지네이트가 콜라겐-MSC를 내부에 포함하는 코어-쉘 구조를 보존하는 연속적인 섬유를 성공적으로 제조하였다. 또한, 본 발명의 섬유상 하이드로겔은 어떠한 형태로도 용이하게 성형될 수 있다; 예컨대, 조립식 주형(Prefabricated mold)을 이용하여 문자 'DKU'를 형성하였으며(도 1c), 이는 코어-쉘 섬유상 장치가 조직-결손 3D 형태(geometry)로 조절 가능하도록 할 수 있음을 나타낸다.
Using the apparatus shown in FIG. 1A, a core-shell structured hydrogel cell carrier is prepared and optically visualized by core-shell fibrous injection through a concentric nozzle and collection of fibrous scaffolds, as shown in FIG. Successive fabrication of continuous fibers preserving the core-shell structure in which the alginate contained collagen-MSC was successfully prepared. In addition, the fibrous hydrogel of the present invention can be easily molded into any form; For example, the letter 'DKU' is formed using a prefabricated mold (FIG. 1c), indicating that the core-shell fibrous device can be made adjustable in tissue-defect 3D geometry.

(2) 제조한 코어-쉘 (2) The prepared core-shell 섬유상Fibrous 세포전달체의 특성분석 Characterization of Cell Carrier

(2)-1 저장탄성률 및 손실탄성률의 분석(2) -1 Analysis of storage elastic modulus and loss elastic modulus

상기 (1) 단계에서 제조한 코어-쉘 섬유상 구조의 세포전달체의 침착 후, 광학현미경으로 측정한, 10개의 임의로 선택한 이미지로부터 코어 및 쉘의 두께를 측정하였다. 주입속도(20, 50 및 80 ml/h) 또는 알지네이트 농도(2%, 3% 및 5%)를 조절하여 준비한 섬유상 하이드로겔 시료를 측정에 사용하였다. Dynamic Mechanical Analysis(DMA; MetraVib, DMA25N)로 병렬 접시 배열(parallel plate configuration)을 이용하여 섬유상 하이드로겔의 기계적 특성을 측정하였다. 이를 위하여 침착된 섬유를 원통형 테플론 주형(cycylinderic Teflon mould; 12 mm 직경×6 mm 높이)에 일정한 부피(constant volume; 0.5 ml 섬유 제형)로 적층하였다. 37℃에서 0.1 내지 10 Hz 범위의 주파수 및 점탄성(viscoelasticity) 선형영역 내의 5% 변형률(strain amplitude)로 역학적 주파수 ?음(dynamic frequency sweep)을 이용하여 기계적 테스트를 수행하였다. 이때, 자동-압축(auto-compression) 및 자동-변형 수정(auto-strain adjustment)을 적용하였다. 힘을 0.001로부터 0.2 N으로 증가시켰고 변형을 허용하는 최대값을 10%로 설정하였다. 시료의 저장탄성률(storage modulus; E') 및 손실탄성률(loss modulus; E'')을 측정하였다. 위상각 차이(Phase angle delta; tan delta)는 E''/E'으로 계산하였다(n=3).After the deposition of the core-shell fibrous cell carrier prepared in the above step (1), the thicknesses of the core and the shell were measured from ten arbitrarily selected images measured by an optical microscope. Fibrous hydrogel samples prepared by adjusting the injection rates (20, 50 and 80 ml / h) or alginate concentrations (2%, 3% and 5%) were used for the measurements. The mechanical properties of the fibrous hydrogel were measured using a parallel plate configuration with Dynamic Mechanical Analysis (DMA; MetraVib, DMA25N). For this purpose, the deposited fibers were laminated in a constant volume (0.5 ml fiber formulation) to a cylindrical teflon mold (12 mm diameter x 6 mm height). Mechanical tests were performed at 37 ° C using a dynamic frequency sweep at a frequency ranging from 0.1 to 10 Hz and a 5% strain amplitude in a viscoelasticity linear region. At this time, auto-compression and auto-strain adjustment were applied. The force was increased from 0.001 to 0.2 N and the maximum value allowing deformation was set at 10%. The storage modulus (E ') and the loss modulus (E' ') of the sample were measured. The phase angle delta (tan delta) was calculated as E '' / E '(n = 3).

코어 및 쉘 부분의 두께를 조절하는 것은 영양분/산소 투과성 및 포획된 세포의 생존에 현저한 영향을 미칠 수 있으며, 이는 알지네이트의 농도 및 주입속도를 변화시킴으로써 달성할 수 있었다. 도 2에 쉘 및 코어 두께값에 대한 상기 변수들의 영향을 나타내었다. 쉘의 두께는 알지네이트 농도가 증가함에 따라 증가하였다(2% 알지네이트에 대해 200 μm로부터 5% 알지네이트에 대해 450 μm로; 도 2a). 코어 두께는 가장 높은 알지네이트 농도에서 감소하였다(도 2b). 또한 코어-쉘 형태(morphology)는 알지네이트 농도에 대한 코어 및 쉘 두께 변화를 잘 반영하였다(도 2c 내지 e). 주입 속도의 영향 또한 명확하였다. 쉘 두께는 주입 속도가 증가함에 따라 증가(20 ml/h에 대해 100 μm로부터 80 ml/h에 대해 400 μm; 도 2f)하는 반면 코어 두께는 변하지 않았다(도 2g). 광학적 이미지 또한 주입 속도 변화에 따른 코어-쉘 두께 변화를 나타내었다.Adjusting the thickness of the core and shell portions may have a significant effect on nutrient / oxygen permeability and survival of the captured cells, which could be achieved by varying the concentration of alginate and the rate of infusion. Figure 2 shows the effect of these variables on the shell and core thickness values. The thickness of the shell increased with increasing alginate concentration (from 200 [mu] m for 2% alginate to 450 [mu] m for 5% alginate; The core thickness decreased at the highest alginate concentration (Figure 2b). Core-shell morphology also reflected core and shell thickness changes to alginate concentration (Figures 2c-e). The effect of the injection rate was also clear. Shell thickness did not change (Fig. 2g), while shell thickness increased (from 100 [mu] m to 80 ml / h to 400 [mu] m; Optical images also showed core-shell thickness variations with varying injection rates.

동적 기계적 분석(dynamic mechanical analysis)을 통해 코어-쉘 하이드로겔 세포전달체의 기계적 성질을 측정하였다. 알제네이트 농도를 변화시키면서 제조한 시료를 비교하였다. 다른 주파수에서 기록한 저장 탄성률(storage modulus; E') 및 손실 탄성률(loss modulus; E'') 값을 도 3에 나타내었다. 알지네이트 농도가 증가함에 따라 저장 탄성률이 증가(2% 알지네이트에 대해 30 kPa로부터 5% 알지네이트에 대해 50 kPa; 도 3a)하였고 이는 알지네이트 농도를 증가시킴으로써 소성변형(plastic deformation)에 대한 저항성(ability to withstand)을 향상시킬 수 있음을 나타낸다. 손실 탄성률은 각기 다른 알지네이트 농도에서 매우 유사한 값을 나타내었으며(도 3b), 이는 스캐폴드의 점성 거동(viscous behavior)이 알지네이트 농도에 의해 영향받지 않았음을 나타낸다.The mechanical properties of the core-shell hydrogel cell vehicle were determined by dynamic mechanical analysis. Samples prepared by varying the alginate concentration were compared. The storage modulus (E ') and the loss modulus (E' ') values recorded at different frequencies are shown in FIG. As the alginate concentration increased, the storage modulus increased from 30 kPa for 2% alginate to 50 kPa for 5% alginate (Fig. 3a), which increased resistance to plastic deformation by increasing the alginate concentration ). &Lt; / RTI &gt; The loss modulus showed very similar values at different alginate concentrations (Fig. 3b), indicating that the viscous behavior of the scaffold was not affected by the alginate concentration.

즉, 저장 탄성률은 주파수 변수에 대한 의존성을 나타내지 않은 반면, 손실 탄성률은 주파수가 증가함에 따라 거의 선행적인 증가를 나타내었다. 또한 기록된 저장 탄성률 값은, 모든 경우에서 손실 탄성률 보다 더 높았다.
That is, the storage modulus did not show a dependence on the frequency parameter, while the loss modulus showed almost a predominant increase with increasing frequency. The recorded storage modulus values were also higher than the loss modulus in all cases.

(2)-2 질량측정(2) -2 mass measurement

섬유상 하이드로겔 세포 캐리어의 물흡수능(water-uptake capacity)을 확인하였다. 각 시료를 증류수에 1시간 동안 담근 후, 시료를 취하여 증류수로 포화시킨 여과지에 점적하고, 질량(Wim)을 기록하였다. 시료를 세척 및 동결건조한 후, 건조질량(Wdry)을 기록하였다. 물흡수능은 (Wim-Wdry)/Wdry로 결정하여 백분율로 표현하였다(n=3). 각각의 시료를 인산완충염용액(PBS)에 담그어 시료(0.3 ml 부피의 섬유 제형)의 분해를 시험하였다. 21일까지 다양한 시간 동안 담근 후 시료를 수득하여 세척하고 건조시켜 분해실험 후 질량(Wdeg)을 기록하였다. 분해율은 (Wdry-Wdeg)/Wdry 백분율로 계산하였다.The water-uptake capacity of the fibrous hydrogel cell carrier was determined. After each sample was immersed in distilled water for 1 hour, the sample was taken out, dropped on a filter paper saturated with distilled water, and the mass (W im ) was recorded. After washing and freeze drying the samples, the dry mass (W dry ) was recorded. The water absorption capacity was expressed as a percentage (n = 3), determined by (W im -W dry ) / W dry . Each sample was immersed in phosphate buffered saline (PBS) to test the degradation of the sample (0.3 ml volume of fiber formulation). After dipping for various times up to 21 days, samples were obtained, washed and dried to record the mass (W deg ) after the decomposition experiments. The decomposition rate was calculated as (W dry- W deg ) / W dry percentage.

코어-쉘 하이드로겔 세포전달체의 분해를 PBS에서 21일에 걸쳐 측정하였다. 3% 알지네이트를 사용하여 제조한 세포전달체를 대표적인 실험군으로 사용하여 질량 손실을 측정하였다. 이는 3일째에 약 4%, 7일째에 약 22% 및 14일째에 약 43%를 나타내었다. 또한 세포전달체는 98%까지 물을 흡수하는 결과를 나타내었다. 상기 물 흡수율은 하이드로겔 및 동결건조 시료 간의 질량 차이로부터 측정하였으며, 상기의 결과는 전형적인 하이드로겔의 특성을 나타내었다.
The degradation of the core-shell hydrogel cell vehicle was measured in PBS over 21 days. Mass loss was measured using a cell carrier prepared using 3% alginate as a representative experimental group. Which was about 4% at 3 days, about 22% at 7 days and about 43% at 14 days. The cell carrier also showed uptake of up to 98% water. The water uptake was measured from the difference in mass between the hydrogel and the lyophilized sample, and the results showed typical hydrogel properties.

실시예Example 2: 코어-쉘  2: core-shell 섬유상Fibrous 세포전달체 내에 세포의 봉입 및  The inclusion of cells in the cell carrier and 봉입된Enclosed 세포의 생존율 및  Cell viability and 증식율Growth rate

(1) 세포 배양(1) Cell culture

단국대학교 동물실험윤리위원회에 의해 승인된 지침에 따라 랫트 골수로부터 유래된 중간엽 줄기세포를 성체 랫트(180 내지 200 g)의 대퇴 및 경골로부터 수득하였다. 수득한 시료를 원심분리하여 상등액을 수거하여 정상 배양 배지(10% FBS(fetal bovine serum), 100 U/ml 페니실린 및 100 mg/ml 스트렙토마이신을 포함하는 α-MEM(α-최소 필수 배지; α-minimal essential medium))의 배양 플라스크에 분산시켜 37℃의 5% 이산화탄소를 포함하는 습식 배양기에서 배양하였다. 1일간 배양한 다음, 배지를 교환하고 세포가 80% 이상 컨플루언시에 달할 때까지 배양하였다. 그 다음, 트립신으로 세포를 계대배양(subculture)하고 정상 배양 조건에 유지하였다. 2 내지 3 계대(passage)의 세포를 추가적인 실험에 사용하였다.
Mesenchymal stem cells derived from rat bone marrow were obtained from the femur and tibia of adult rats (180 to 200 g) according to the guidelines approved by the Dankook University Animal Experimental Ethics Committee. The obtained samples were centrifuged, and the supernatant was collected and cultured in a normal culture medium (? -MEM (? -Min essential medium;?) Containing 10% FBS (fetal bovine serum), 100 U / ml penicillin and 100 mg / ml streptomycin -minimal essential medium) and incubated in a humidified incubator containing 5% carbon dioxide at 37 ° C. After one day of culture, the medium was changed and the cells were cultured until confluence reached 80%. Cells were then subcultured with trypsin and maintained at normal culture conditions. Cells from 2 to 3 passages were used for further experiments.

(2) 코어-쉘 (2) Core-shell 섬유상Fibrous 세포전달체 내에 세포의 봉입 Encapsulation of cells in the cell carrier

세포를 봉입하기 위하여 알긴산나트륨 분말을 에틸렌옥사이드로 멸균하고 멸균조건 하에 보관하였다. 분말을 증류수와 혼합하여 3% 알긴산나트륨 용액을 제조하였다. 콜라겐 용액은 멸균조건에 두고 수득한 대로(as-received) 사용하였다. 콜라겐 하이드로겔에 MSC를 포함시키기 위하여 공지된 방법에 따라 콜라겐 하이드로겔을 제조하였다. 콜라겐 용액의 색 변화(노란색에서 오렌지-핑크색으로 변화)를 관찰하여 pH가 중성값에 도달한 후 1×105 세포를 봉입하였다. 세포를 로딩한 콜라겐 용액을 내부 실린지에 넣고 알지네이트 용액을 외부 실린지에 두었으며 전술한 방법에 따라 멸균 조건에서 섬유상 구조화를 수행하였다. 코어-쉘 섬유 구조물에 존재하는 콜라겐의 양을 모든 케이스에 대해 0.3 ml로 유지하였다(n=3). 결과로서 세포를 봉입한 섬유상 하이드로겔(세포-콜라겐을 코어에, 알지네이트를 쉘에 포함)을 수득하였다. 5분간 스캐폴드를 구성한 후, 세포가 봉입된 하이드로겔을 배양배지로 3회 세척하여 과량의 염화칼슘을 제거하고 10% FBS 및 1% 페니실린/스트렙토마이신을 포함하는 α-MEM에서, 21일까지 37℃의 5% 이산화탄소를 포함하는 습식 배양기에 배양하였다. 양성대조군으로서, 1×105 MSC를 포함하는 0.3 ml 콜라겐 하이드로겔을 코어-쉘 섬유상 구조물 없이 배양 웰에 넣었다.
Sodium alginate powder was sterilized with ethylene oxide to contain the cells and stored under sterile conditions. The powder was mixed with distilled water to prepare a 3% sodium alginate solution. The collagen solution was used as-received under sterile conditions. A collagen hydrogel was prepared according to a known method to incorporate MSC into collagen hydrogel. The color change (change from yellow to orange-pink) of the collagen solution was observed, and 1 × 10 5 cells were sealed after the pH reached a neutral value. The cell-loaded collagen solution was placed in an inner syringe, and the alginate solution was placed in an outer syringe, and the fibrous structure was performed under sterilization conditions according to the above-described method. The amount of collagen present in the core-shell fibrous structure was maintained at 0.3 ml for all cases (n = 3). As a result, a fibrous hydrogel (cell-collagen in the core and alginate in the shell) with the cells encapsulated was obtained. After forming the scaffold for 5 minutes, the cell-enclosed hydrogel was washed three times with the culture medium to remove excess calcium chloride, and cultured in? -EM containing 10% FBS and 1% penicillin / streptomycin for 37 days RTI ID = 0.0 &gt; 5 C &lt; / RTI &gt; carbon dioxide. As a positive control, 0.3 ml collagen hydrogel containing 1 x 10 &lt; 5 &gt; MSC was placed in the culture well without the core-shell fibrous structure.

(3) 코어-쉘 (3) Core-shell 섬유상Fibrous 세포전달체 내에  Within the cell carrier 봉입된Enclosed 세포의 생존율 측정 Cell viability measurement

코어-쉘 섬유상 세포 캐리어 또는 양성 대조군으로서 사용된 콜라겐 겔 내의 생존세포의 수를 측정하였다. 각 배양 시기에 세포를 포함하는 하이드로겔 시료를 PBS로 2회 세척하고 1% 콜라게나제로 5분간 37℃에서 용해시켰다. 부유액을 원심분리하여 상등액을 제거하고 살아있는 세포 수를 혈구계를 이용하여 트리판 블루 스크리닝으로 정량하였다. 이중가닥 DNA 검출 키트(Quanti-iT Picogreen, Invitrogen)을 이용하여 세포 증식 가능성(cell proliferative potential)을 측정하였다. 이를 위하여 세포를 포함하는 하이드로겔을 세척하고 1% 콜라게나제로 용해시켰다. 세포 펠렛을 회수한 후 시료를 -20℃에 보관하였다. 혼합물을 2회 반복 사이클로 동결-융해(freeze-thawed)하였다. 420 nm 여기 및 530 nm 방출 파장에서 형광세기를 측정하여 제조업자의 설명서에 따라 세포를 정량하였다. 제조업자의 지시에 따라 표준곡선을 획득하고 형광세기를 DNA 함량으로 변환하는데 사용하였다.
The number of viable cells in the core-shell fibrous cell carrier or collagen gel used as a positive control was determined. At each culture period, the hydrogel samples containing cells were washed twice with PBS and lysed with 1% collagenase for 5 minutes at 37 ° C. The supernatant was removed by centrifugation of the supernatant and the viable cell count was quantitated by trypan blue screening using a hemocytometer. Cell proliferative potential was measured using a double-stranded DNA detection kit (Quanti-iT Picogreen, Invitrogen). For this purpose, hydrogels containing cells were washed and lysed with 1% collagenase. The cell pellet was recovered and the sample was stored at -20 &lt; 0 &gt; C. The mixture was freeze-thawed in two repeated cycles. The fluorescence intensity was measured at 420 nm excitation and 530 nm emission wavelength and the cells were quantified according to the manufacturer's instructions. A standard curve was obtained according to the manufacturer's instructions and used to convert the fluorescence intensity to DNA content.

상기 과정을 통하여, 코어-쉘 하이드로겔 운반체에 포획된 MSC의 증식능 및 생존능을 조사한 결과를 도 4에 나타내었다. 이때, 결과를 세포 성장 및 증식에 효과적인 3D 기질인 콜라겐 하이드로겔 기질 내에 배양한 MSC와 비교하였고, 상기 콜라겐 하이드로겔 기질을 양성 대조군으로 사용하였다.FIG. 4 shows the results of investigating the proliferation and viability of MSCs captured in the core-shell hydrogel carrier through the above process. At this time, the results were compared with MSCs cultured in a collagen hydrogel substrate which is a 3D substrate effective for cell growth and proliferation, and the collagen hydrogel substrate was used as a positive control.

그 결과 DNA 분석결과는, MSC가 21일에 걸쳐 계속적으로 증가하면서 2개 군 모두에서 활발하게 증식함을 나타내었다(도 4a). 그러나, 세포 증식 수준은 7일 동안 상기 2개 군에서 견줄만 하였으나, 14일 및 21일 후에는 코어-쉘 구조에서 보다 콜라겐에서의 증식이 현저히 더 높은 결과를 보였다.As a result, the DNA analysis results showed that MSC proliferated actively in both groups with continuous increase over 21 days (Fig. 4A). However, cell proliferation levels were comparable to those of the two groups for 7 days, but after 14 and 21 days, proliferation in collagen was significantly higher than in the core-shell structure.

또한, Live/dead cell assay는 콜라겐 및 코어-쉘 군에서 모두 전체 배양 기간에서 약 70% 정도의 세포 생존율로 견줄만한 수준임을 나타내었다(도 4b).In addition, the live / dead cell assay showed that the collagen and core-shell groups were comparable to the cell survival rate of about 70% in the entire culture period (FIG. 4B).

21일에 걸쳐 MSC가 생존하고 증식하는 콜라겐 코어의 수축을 확인하고, 그 결과를 도 4에 나타낸 바와 같이, 코어 직경은 초기 1050 μm로부터 7일째에는 900 μm로, 14일째에는 500 μm로, 21일째에는 350 μm로 현저하게 감소한 결과를 보였다.
As shown in Fig. 4, the core diameter was changed from the initial 1050 占 퐉 to 900 占 퐉 on the 7th day and 500 占 퐉 on the 14th day, to 21 占 퐉 Day, the result was remarkably reduced to 350 μm.

실시예Example 3: 코어-쉘  3: core-shell 섬유상Fibrous 세포전달체 내에서 배양된 세포의 형태분석 Analysis of the morphology of cultured cells in a cell carrier

배양하는 동안 올림푸스 BX-50 현미경을 사용하여 광학현미경 하에서 모니터하였다. 각 배양 시기(7, 14 및 21일)에 각 시료 상에서 성장한 세포를 4% 파라포름알데하이드로 고정하고 0.1% 트리톤 X-100으로 처리하였다. PBS로 세척한 후, PBS에 희석한 알렉사 플루오르 546-결합 팔로이딘(Invitrogen A22283)를 각 시료에 첨가하여 F-액틴을 염색하였다. 4',6-디아미디노-2-페닐인돌(4',6-diamidino-2-phenylindole; DAPI, Invitrogen)를 포함하는 ProLong Gold antifade 시약을 사용하여 세포를 염색하여 핵 내의 DNA에 결합함으로써 청색형광을 형성하였고, Zeiss LSM 510 현미경을 이용하여 공초점 레이저 주사 현미경(confocal laser scanning microscopy; CLSM)로 이미지를 획득하였고, 그 결과를 도 5 및 6에 나타내었다.
During the incubation, they were monitored under an optical microscope using an Olympus BX-50 microscope. Cells grown on each sample at each culture day (days 7, 14, and 21) were fixed with 4% paraformaldehyde and treated with 0.1% Triton X-100. After washing with PBS, alexafluoro-546-linked paloidine (Invitrogen A22283) diluted in PBS was added to each sample to stain F-Actin. Cells were stained with ProLong Gold antifade reagent containing 4 ', 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI, Invitrogen) and bound to DNA in the nucleus, Fluorescence was formed and images were obtained with a confocal laser scanning microscope (CLSM) using a Zeiss LSM 510 microscope and the results are shown in FIGS. 5 and 6. FIG.

도 5는 코어-쉘 섬유상 하이드로겔 운반체 내에 포획되어 21일까지 배양하면서 얻은 MSC의 대표적인 광학 현미경 이미지이다. 대조군으로는 콜라겐 내에 포획된 세포를 사용하였다. MSC는 포획 직후 초기에는 둥근 형태를 나타내었고(도 5a) 배양 7일 후에는 얼마간의 세포골격 확대(extension)가 관찰되었다(도 5c). 콜라겐 겔 대조군에서도 유사하게 관찰되었다(도 5b 및 5d). 코어-쉘 운반체 내의 세포는 14일째에 고도로 길쭉해졌다(도 5e). 흥미롭게도 세포는 섬유축(fiber axis)을 따라 방향성 있는 신장(directional elongation)을 나타내었다. 콜라겐 내의 세포 또한 고도로 길쭉해졌으나 임의의 방향으로 신장되었다(도 5f). 21일에 코어-쉘 운반체 내의 세포는 콜라겐 코어 내에서 거의 컨플루언스에 이르렀으며(도 5g), 유사한 거동이 콜라겐 겔에서도 관찰되었다(도 5f). 코어-쉘 시스템에서 콜라겐 코어부분은 장시간의 배양 동안 상당히 축소되는 것으로 나타났다.FIG. 5 is a representative optical microscope image of MSC obtained while being captured in a core-shell fibrous hydrogel carrier and cultured for up to 21 days. As a control group, cells captured in collagen were used. MSCs were rounded at the beginning immediately after capture (Fig. 5A) and some cytoskeletal extension was observed after 7 days of culture (Fig. 5C). Collagen gels were similarly observed in the control (Figs. 5B and 5D). Cells in the core-shell carrier were highly elongated at day 14 (Figure 5e). Interestingly, the cells exhibited directional elongation along the fiber axis. The cells in the collagen were also highly elongated but elongated in any direction (Fig. 5f). At day 21, cells in the core-shell carrier reached nearly confluence in the collagen core (Fig. 5G), and similar behavior was also observed in the collagen gel (Fig. 5F). In the core-shell system, the collagen core fraction was found to be significantly reduced during prolonged incubation.

도 6에 나타난 바와 같이, 세포를 면역염색한 후 공초점 현미경으로 관찰하여 세포의 세포골격 과정 및 신장 형태를 확인하였다. 7일째에 제한된 세포골격 확대를 포함하는 MSC(도 6a 및 6b)는 현저한 신장을 나타내었으며, 14일째에 세포를 따르는 고도로 네트워크화된 구조를 형성하였다(도 6c 및 6d). 세포 네트워크는 코어부분의 외부 표면에서 즉, 코어/쉘 경계에 가깝게, 주로 형성되었다. 표면 부분에서 세포 컨플루언스가 달성되었을 때, 세포는 콜라겐 코어 부분의 안쪽 부분으로 성장하고 증식하며 21일에 세포는 콜라겐 코어를 통해 섬유축을 따라 고도로 배향된 보다 밀집된 네트워크를 형성하였다(도 6e 및 6f).
As shown in Fig. 6, the cells were immunostained and observed with a confocal microscope to confirm the cytoskeletal process and kidney morphology of the cells. MSCs with limited cytoskeletal expansion on days 7 (Figs. 6A and 6B) showed significant elongation and formed a highly networked structure along the cells at day 14 (Figs. 6C and 6D). The cell network was mainly formed on the outer surface of the core portion, i.e., close to the core / shell boundary. When cell confluence was achieved at the surface area, the cells grew and proliferated to the inner portion of the collagen core portion and at 21 days the cells formed a more dense network oriented highly along the fiber axis through the collagen core (Figs. 6E and 6E) 6f).

실시예Example 4: 코어-쉘  4: core-shell 섬유상Fibrous 세포전달체 내에서 배양된 세포의 분화 Differentiation of cultured cells in a cell carrier

하이드로겔 세포 캐리어 내에 봉입된 MSC는 50 μg/ml 아스코르브산, 10 mM β-글리세로포스페이트 및 10 nM 덱사메타손을 포함하는 골형성 배지에서 골형성 분화를 유도하였다. 오스테오칼신(OCN), 골 시알로프로테인(BSP) 및 오스테오폰틴(OPN)을 포함하는 골형성과 관련된 유전자 발현을 정량 PCR(qPCR)에 기초하여 확인하였다.MSCs encapsulated in hydrogel cell carriers induced osteogenic differentiation in osteogenic medium containing 50 [mu] g / ml ascorbic acid, 10 mM [beta] -glycerophosphate and 10 nM dexamethasone. Gene expression associated with osteogenesis, including osteocalcin (OCN), bone allosteric protein (BSP) and osteopontin (OPN), was confirmed based on quantitative PCR (qPCR).

구체적으로, 14 및 21일 간 배양 후, 세포가 봉입된 스캐폴드를 세척하고 콜라게나제로 용해시켰다. 세포 펠렛을 회수하여 사용전까지 -80℃에서 동결시켰다. 제조업자의 지시에 따라 RNeasy 키트(Qiagen)를 이용하여 분화된 세포로부터 총 RNA를 추출하였다. RNA 시료의 농도는 Nanodrop 2000 분광광도계(Thermo Scientific)을 사용하여 정량하였다. 임의의 6합체와 RNA를 결합시킨 후 70℃에서 5분간 변성시켜 RNA 시료를 cDNA로 전사하였다. 완전한 cDNA 합성을 위하여 변성 후 시료를 RT 프리믹스와 혼합하였다. 이후 RT-PCR 프리믹스(Bioneer)를 사용하여 94℃에서 5분간 처리하고, 94℃에서 1분간 변성, 57℃에서 1분간 어닐링 및 72℃에서 1분간 신장을 35 사이클 수행하여 cDNA를 증폭시켰다. 증폭에 사용한 프라이머는 OCN: AGGACCCTCTCTCTGCTCAC (정방향; 서열번호 1), AACGGTGGTGCCATAGATGC (역방향; 서열번호 2); BSP: CTGCTTTAATCTTGCTCTG (정방향; 서열번호 3), CCATCTCCATTTTCTTCC (역방향; 서열번호 4); OPN: TCCAGCTGACTTGACTCATGG (정방향; 서열번호 5), CCGATGAATCTGATGAGTCCTT (역방향; 서열번호 6); 및 글리세르알데하이드-3-포스페이트 디하이드로게나제(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase; GAPDH): CCATGTTTGTGATGGGTGTG (정방향; 서열번호 7), GGATGCAGGGATGATGTTCT (역방향; 서열번호 8)이며 결과는 GAPDH에 대해 표준화하였다.
Specifically, after 14 and 21 days of incubation, the cell-enclosed scaffolds were washed and lysed with collagenase. Cell pellets were harvested and frozen at-80 C until use. Total RNA was extracted from the differentiated cells using the RNeasy kit (Qiagen) according to the manufacturer's instructions. The concentration of RNA samples was quantified using a Nanodrop 2000 spectrophotometer (Thermo Scientific). RNA was ligated with any 6-mer and then denatured at 70 ° C for 5 minutes to transfer RNA samples to cDNA. For complete cDNA synthesis, the denatured samples were mixed with the RT pre-mix. Then, the cDNA was amplified by RT-PCR pre-mix (Bioneer) at 94 ° C for 5 minutes, followed by denaturation at 94 ° C for 1 minute, annealing at 57 ° C for 1 minute and extension at 72 ° C for 1 minute. The primers used for amplification were OCN: AGGACCCTCTCTCTGCTCAC (forward; SEQ ID NO: 1), AACGGTGGTGCCATAGATGC (reverse; SEQ ID NO: 2); BSP: CTGCTTTAATCTTGCTCTG (forward; SEQ ID NO: 3), CCATCTCCATTTTCTTCC (reverse; SEQ ID NO: 4); OPN: TCCAGCTGACTTGACTCATGG (forward, SEQ ID NO: 5), CCGATGAATCTGATGAGTCCTT (reverse; SEQ ID NO: 6); (GAPDH): CCATGTTTGTGATGGGTGTG (forward, SEQ ID NO: 7), GGATGCAGGGATGATGTTCT (reverse direction; SEQ ID NO: 8), and the results were normalized to GAPDH.

코어-쉘 섬유상 운반체에서 배양한 MSC의 골형성 분화를 BSP, OPN 및 OCN을 포함하는 뼈와 관련된 유전자 발현의 측면에서 확인하였다. 도 7에 정량적 PCR 분석(quantitative PCR analysis)에 의한 이들 유전자의 mRNA 발현수준을 나타내었다(발현수준은 14일에 콜라겐 겔에 대해 표준화하여 나타내었다). 그 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 14일간 배양 후, 모든 유전자는 콜라겐 겔에서 보다 코어-쉘 운반체에서 현저하게 더 높은 수준으로 발현되었다. 배수 증가는 BSP, OPN 및 OCN에 대해 각각 1.6, 3.0 및 5.5였다. 그러나, 21일에는 차이가 감소하였다.
The osteogenic differentiation of MSCs cultured in the core-shell fibrous carrier was confirmed in terms of bone-related gene expression including BSP, OPN and OCN. Figure 7 shows mRNA expression levels of these genes by quantitative PCR analysis. (Expression levels were normalized to collagen gel on day 14). As a result, as shown in Fig. 7, after 14 days of culture, all the genes were expressed at a significantly higher level in the core-shell carrier than in the collagen gel. The drainage increases were 1.6, 3.0 and 5.5 for BSP, OPN and OCN, respectively. However, the difference decreased on the 21st.

실시예Example 5: 코어-쉘  5: core-shell 섬유상Fibrous 세포전달체의 생체 내 전달 및 분화 In vivo delivery and differentiation of cell carriers

랫트 두개관 결손 모델을 이용하여 하이드로겔 세포 캐리어에 의해 전달되는 MSC의 조직적합성 및 골형성능을 확인하였다. 하우징, 관리 및 실험 프로토콜은 단국대학교 동물실험윤리위원회에 의해 승인되었다. 9마리의 11주령, 350 내지 400 g의 건강한 수컷 Sprague-Dawley 랫트를 사용하였다. 수술을 위해 80 mg/kg의 Zoletil과 10 mg/kg의 xylazine을 우측 사두근(quadriceps muscle)에 근육내 주사하여 마취하였다. 모든 기구는 사용 전 멸균하였고 동물에 대한 모든 수술과정은 무균기법(sterile technique)을 사용하여 일반적인 마취하에 수행하였다. Bard-Parker 스캘펄(scalpel)을 구비한 10번 칼(#10 blade)을 이용하여 피부를 통한 중간선절개(midline incision) 및 골막(periosteum) 절제(excision) 후 두개골(cranial bone)을 노출시켰다. 원형천공기(trephine burr)를 이용하여 각각의 두정골(parietal bone)의 중앙부에 5 mm 직경의 최대 두께 원통형 결손을 형성하였다. 각 동물에 두 개 결손을 형성하고 결손을 3개 군으로 임의 추출하였다. 결손을 0.1 ml 테스트 시료로 채웠다. 그룹 1은 세포캐리어만으로 구성하였다. 그룹 2는 미분화된 MSC를 봉입한 세포 캐리어를 포함한다. 그룹 3은 분화된 MSC를 봉입한 세포 캐리어를 포함한다(n=4). 그룹 3에 대해, 하이드로겔 구조물 내의 MSC는 1주일간 골형성 배지에 배양하였다. 이식 후 피하조직 부위(subcutaneous area)를 4-0 흡수봉합사 물질(absorbable suture material)로 봉합하고 피부를 이어서 4-0 비흡수성 단섬유 봉합사 물질로 봉합하였다. 수술 후, 랫트를 20 내지 24℃ 및 30 내지 70% 상대습도 조건의 케이지에 개별적으로 수용하였고 표준 펠렛 사료와 물을 원하는 대로(ad libitum) 공급하면서 교차 12시간 명/암 순환을 유지하였다. 1주일 간 육안으로 관찰하여 감염, 염증 및 역효과의 징후를 모니터하였다.
The histocompatibility and bone morphology of MSCs delivered by hydrogel cell carriers were determined using two open - loop defect models in rats. The housing, management and experimental protocols were approved by the Dankook University Animal Experimental Ethics Committee. Nine 9-week-old, 350-400 g healthy male Sprague-Dawley rats were used. Zoletil 80 mg / kg and xylazine 10 mg / kg were anesthetized by intramuscular injection into the right quadriceps muscle for surgery. All instruments were sterilized before use and all surgical procedures for animals were performed under general anesthesia using the sterile technique. A # 10 blade with a Bard-Parker scalpel was used to expose the cranial bone after midline incision and periosteum excision through the skin . A maximum thickness cylindrical defect of 5 mm diameter was formed at the center of each parietal bone using a trephine burr. Two defects were formed in each animal and defects were randomly extracted into three groups. The defects were filled with 0.1 ml test sample. Group 1 consisted of cell carriers alone. Group 2 contains cell carriers that encapsulate undifferentiated MSCs. Group 3 contains a cell carrier that encapsulates the differentiated MSCs (n = 4). For group 3, MSCs in hydrogel structures were cultured in osteogenic medium for one week. After transplantation, the subcutaneous area was sutured with a 4-0 absorbable suture material, and the skin was then closed with a 4-0 non-absorbable short-fiber suture material. After surgery, the rats were individually housed in cages at 20-24 ° C and 30-70% relative humidity conditions and maintained a crossed 12-hour name / cancer cycle while feeding standard pelleted feed and water ad libitum. Observations were made with the naked eye for one week to monitor signs of infection, inflammation and adverse effects.

수술 6주 후에, 시료 및 주변 조직을 회수하기 위하여 동물을 치사시켰다. 안락사(euthanasia)하여 각 동물로부터 검체를 회수하고 10% 중성 완충 포르말린(neutral buffered formalin) 용액으로 최소 24 내지 48시간 동안 고정하였다. 고해상도 마이크로-컴퓨터단층촬영술(high resolution micro-computed tomography; μCT) 시스템(Skyscan 1072; Skyscan, Belgium)을 이용하여 시료를 이미징하여 조직 회복 및 골재생을 확인하였다. 회수한 시료를 스캔하고 NRecon CT Reconstruction software를 이용하여 미가공 이미지(raw image)로부터 일련의 관상으로 배향된 단층영상(serial coronally oriented tomogram)을 재구성하였다. 결손자리 내의 모든 신규한 뼈를 모두 아우르도록 원통형 관심영역(cylindrical region of interest; ROI)을 각 결손의 중심에 정확히 중첩되도록 위치시켰다. 관상으로 배향된 μCT 이미지를 축 방향(axial orientation)으로 재구성(reformat)하였다. CTAn(Skyscan)과 3D 이미지를 사용하여 ROI에 중첩시킨 재구성된 이미지를 형성하였다. 총 골함량(total bone content)(섬유주 및 피질 뼈(trabecular and cortical bone)를 포함하는)에 대해 역치를 설정(assigning threshold)하여 각 ROI 내에 새롭게 형성된 뼈의 총 부피를 측정하였다. 각 군에 대해 4개 시료를 측정하여 뼈의 총 부피(mm3)를 보고하였다.After 6 weeks of operation, animals were sacrificed to recover samples and surrounding tissues. Specimens were recovered from each animal by euthanasia and fixed with 10% neutral buffered formalin solution for a minimum of 24 to 48 hours. Samples were imaged using a high resolution micro-computed tomography (μCT) system (Skyscan 1072; Skyscan, Belgium) to confirm tissue recovery and bone regeneration. The recovered samples were scanned and a serial coronally oriented tomogram was reconstructed from a raw image using a NRecon CT reconstruction software. The cylindrical region of interest (ROI) was positioned precisely at the center of each defect to cover all new bone in the defect. The tubularly oriented &lt; RTI ID = 0.0 &gt; μCT &lt; / RTI &gt; image was reformatted in an axial orientation. CTAn (Skyscan) and 3D images were used to form a reconstructed image superimposed on the ROI. The total volume of newly formed bones in each ROI was determined by assigning thresholds for total bone content (including trabecular and cortical bone). The total volume of bone (mm 3 ) was reported by measuring 4 samples for each group.

μCT 스캐닝 후, RapidCal™ 용액으로 검체를 탈석회화하고 증가하는 단계별로 증가하는 에탄올 농도(70 내지 100%)의 일련의 용액에서 탈수시킨 후, 다듬어(trimmed) 파라핀에 포매시켰다. 두개골에 수직으로 약 5 μm 두께의 조직 절편을 준비하고 생체적합성 및 골형성을 확인하기 위한 병리조직학적 시험(histopathological examination)을 위해 절편을 헤마톡실린-에오신(hematoxylin-eosin; HE) 및 마송삼색(Masson’s trichrome; MT)로 염색하였다. Meta-Morph를 이용하여 광학현미경 디지털 이미지를 획득하고 전산화된 이미지 분석 시스템(computerized image analysis system; Molecular Devices)으로 분석하였다.
After scanning the μCT, the specimens were decalcified with RapidCal ™ solution and dehydrated in a series of increasingly increasing concentrations of ethanol (70-100%) and embedded in trimmed paraffin. A histological section of about 5 μm thickness perpendicular to the skull was prepared and the sections were treated with hematoxylin-eosin (HE) and magenta tricolor (Masson &apos; s trichrome (MT)). Optical microscope digital images were acquired using Meta-Morph and analyzed with computerized image analysis system (Molecular Devices).

코어-쉘 하이드로겔 운반체에 포획된 MSC의 조직 적합성 및 골형성능을 랫트 구개관 모델을 이용하여 추가적으로 확인하였다. 코어-쉘 운반체 단독, MSC가 포획된 운반체 및 7일간 골형성 분화 후 MSC를 포획시킨 운반체의 3가지 다른 군으로 실험하였다.The histocompatibility and bone morphology of the MSCs captured in the core-shell hydrogel carrier was further confirmed using a rat globular model. Three different groups were tested: core-shell carrier alone, MSC-captured carrier, and MSC-captured carrier for 7 days after osteogenic differentiation.

그 결과 6주 간의 실험 기간을 통해 동물들은 조직거부반응(adverse tissue reaction)과 재료 독성(material toxicity) 없이 우수한 치유 반응을 나타내었으며, 또한 회수한 조직에서는 내부 염증의 어떠한 가시적인 징후도 나타나지 않았다. 도 8에 나타난 바와 같이, 골재생을 μCT로 확인하였다. μCT-구성 이미지(μCT-constructed image)는 3개 군에 대해 결손 부위 내에 신생 골형성(오렌지색)을 나타내었다(도 8a). 결손 가장자리로부터의 골재생이 다른 수준으로 관찰되었다. μCT 이미지에 기초하여 골부피 백분율(percent bone volume), 골 표면적(bone surface area) 및 골 표면밀도(bone surface density)를 정량하였다. 골부피 백분율은 운반체를 단독으로 처리한 실험군에서 약 13%로 나타난 반면, MSC가 포획된 운반체에 대해서는 각각 25% 그리고 분화된 MSC가 포획된 운반체에 대해서는 45%까지 골부피가 증가되었다(도 8b). 골 표면적 및 골 표면밀도 또한 MSC를 포함하는 운반체의 골형성 분화에 대한 효율성을 나타내었다(도 8c 및 8d).As a result, animals showed excellent healing responses without adverse tissue reaction and material toxicity during 6 weeks of experiment and no visible signs of internal inflammation were found in recovered tissues. As shown in Fig. 8, bone regeneration was confirmed by μCT. The μCT-constructed image showed new bone formation (orange) in the defect site for the three groups (FIG. 8A). Bone regeneration from the marginal margin was observed at different levels. Percent bone volume, bone surface area, and bone surface density were quantified based on the μCT image. The percentage of bone volume was increased by about 13% in the vehicle treated group alone, while the bone volume was increased by 25% for the MSC-trapped vehicle and 45% for the MSC-captured vehicle (Fig. 8B ). Bone surface area and bone surface density also showed efficacy for osteogenic differentiation of the carrier containing MSC (Figures 8c and 8d).

신생 골형성 및 결손 봉합(defect closure)을 H&E 및 MT 염색 후 조직학적 관점에서 재확인하고 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 3개 군 모두 염증성 세포의 눈에 띠는 증상 없이 우수한 생체적합성을 나타내었다. H&E 염색은 결손 부위에서 안으로 성장하는(in-growth) 세포 및/또는 조직을 나타내었다. MT 염색은 결손 부위 내에 새롭게 형성된 뼈를 보다 명확히 나타내었다. 운반체를 단독으로 처리한 실험군은 가장자리에서 제한된 양의 신생 골형성을 포함하는 결손 내에 형성된 느슨한 결합조직이 관찰되었다(도 9a). 반대로, 미분화된 MSC를 운반체 내에 포획시킨 경우 신생 골형성(NB로 표시) 수준은 결손의 중심에서 관찰되었다(도 9b). 분화된 MSC를 포함하는 운반체를 사용한 실험군에서는 결손의 중심 부분에서 현저한 수준의 새롭게 형성된 뼈가 관찰되었다(도 9c). (c)에서 새롭게 형성된 뼈의 보다 높은 배율에서 신생 뼈가 조밀한 구조로 성숙되고 많은 조골세포로 배열되었음을 증명하였다(도 9d).
New bone formation and defect closure were reaffirmed from histological point of view after H & E and MT staining and the results are shown in FIG. As shown in Fig. 9, all three groups showed excellent biocompatibility without noticeable symptoms of inflammatory cells. H & E staining showed cells and / or tissues growing in-growth at the defect site. MT staining clearly showed newly formed bones in the defect area. In the experimental group treated with the carrier alone, loose connective tissue formed in the defect including a limited amount of new bone formation at the edge was observed (Fig. 9A). Conversely, when undifferentiated MSCs were trapped in the vehicle, new bone formation (labeled NB) levels were observed at the center of the defect (Fig. 9b). A significant level of newly formed bone was observed in the central portion of the defect in the experimental group using the carrier containing differentiated MSCs (Fig. 9c). (c) demonstrate that at a higher magnification of the newly formed bone, the new bone has matured into a dense structure and arranged into many osteoblasts (Fig. 9d).

<110> Industry-Academic Cooperation Foundation, Dankook University <120> Core-shell fibrous cell carrier and composition for regeneration of bone or cartilage comprising the same <130> PA130406/KR <160> 8 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> OCN forward primer <400> 1 aggaccctct ctctgctcac 20 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> OCN reverse primer <400> 2 aacggtggtg ccatagatgc 20 <210> 3 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> BSP forward primer <400> 3 ctgctttaat cttgctctg 19 <210> 4 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> BSP reverse primer <400> 4 ccatctccat tttcttcc 18 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> OPN forward primer <400> 5 tccagctgac ttgactcatg g 21 <210> 6 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> OPN reverse primer <400> 6 ccgatgaatc tgatgagtcc tt 22 <210> 7 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GAPDH forward primer <400> 7 ccatgtttgt gatgggtgtg 20 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GAPDH reverse primer <400> 8 ggatgcaggg atgatgttct 20 <110> Industry-Academic Cooperation Foundation, Dankook University <120> Core-shell fibrous cell carrier and composition for regeneration          of bone or cartilage comprising the same <130> PA130406 / KR <160> 8 <170> Kopatentin 2.0 <210> 1 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> OCN forward primer <400> 1 aggaccctct ctctgctcac 20 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> OCN reverse primer <400> 2 aacggtggtg ccatagatgc 20 <210> 3 <211> 19 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> BSP forward primer <400> 3 ctgctttaat cttgctctg 19 <210> 4 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> BSP reverse primer <400> 4 ccatctccat tttcttcc 18 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> OPN forward primer <400> 5 tccagctgac ttgactcatg g 21 <210> 6 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> OPN reverse primer <400> 6 ccgatgaatc tgatgagtcc tt 22 <210> 7 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GAPDH forward primer <400> 7 ccatgtttgt gatgggtgtg 20 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GAPDH reverse primer <400> 8 ggatgcaggg atgatgttct 20

Claims (12)

세포 및 콜라겐을 포함하는 코어; 및
알지네이트를 포함하는 쉘
을 포함하는 코어-쉘 섬유상 세포전달체.
A core comprising cells and collagen; And
Shell containing alginate
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; fibroblast &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 코어는 100 μm 내지 1500 μm의 직경을 갖는 것인 세포전달체.
The method according to claim 1,
Wherein the core has a diameter of 100 [mu] m to 1500 [mu] m.
제1항에 있어서,
상기 쉘은 100 μm 내지 250 μm의 두께를 갖는 것인 세포전달체.
The method according to claim 1,
Wherein the shell has a thickness between 100 [mu] m and 250 [mu] m.
제1항에 있어서,
상기 코어는 코어 총 중량에 대해여 콜라겐을 0.5 내지 5 중량% 포함하는 것이 특징인 세포전달체.
The method according to claim 1,
Wherein the core comprises from 0.5 to 5% by weight of collagen in relation to the total weight of the core.
제1항에 있어서,
상기 쉘은 쉘 총 중량에 대해여 알지네이트를 2 내지 5 중량% 포함하는 것이 특징인 세포전달체.
The method according to claim 1,
Wherein the shell comprises 2 to 5% by weight of fused alginate relative to the total weight of the shell.
중심을 공유하는 서로 다른 직경의 바늘을 통해 내부 바늘로부터는 세포와 콜라겐을 포함하는 코어물질을, 외부 바늘로부터는 알지네이트를 포함하는 쉘물질을 가교제를 포함하는 수조에 일정한 속도로 주입하는 단계를 포함하는, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 코어-쉘 섬유상 세포전달체의 제조방법.
A step of injecting a core material containing cells and collagen from inner needles through needles of different diameters sharing a center and a shell material containing alginate from outer needles at a constant rate into a bath containing a crosslinking agent The method of producing a core-shell fibrous cell carrier according to any one of claims 1 to 5,
제6항에 있어서,
상기 속도는 20 내지 80 ml/h인 것이 특징인 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the rate is 20 to 80 ml / h.
제6항에 있어서,
상기 가교제는 염화칼슘인 것인 제조방법.
The method according to claim 6,
The cross- Calcium chloride.
제8항에 있어서,
상기 염화칼슘은 5 mM 내지 50 mM의 농도인 것인 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the calcium chloride is at a concentration of 5 mM to 50 mM.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 코어-쉘 섬유상 세포전달체를 포함하는 골조직 또는 연골조직 재생용 조성물.
A composition for regenerating bone tissue or cartilage tissue comprising the core-shell fibrous cell carrier according to any one of claims 1 to 5.
제10항에 있어서,
상기 세포전달체는 미분화 줄기세포를 포함하거나, 골 또는 연골세포를 포함하는 것이 특징인 조성물.
11. The method of claim 10,
Wherein the cell transducer comprises undifferentiated stem cells or comprises bone or cartilage cells.
제11항에 있어서,
상기 골 또는 연골세포를 포함하는 세포전달체는 골 또는 연골세포를 이용하여 제조하거나, 미분화 줄기세포를 이용하여 제조한 세포전달체를 골 또는 연골 분화배지에서 2 내지 15일 동안 분화시켜 제조하는 것이 특징인 조성물.

12. The method of claim 11,
The cell carrier comprising the bone or chondrocyte is produced by using bone or chondrocyte cells, or the cell carrier prepared by using undifferentiated stem cells is produced in bone or cartilage differentiation medium for 2 to 15 days. Composition.

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