KR101938339B1 - A composition for delivering bioactive material comprising Alginate-Microencapsule - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주사가능한 알기네이트 미세캡슐화된 골형성 단백질을 제조하기 위하여, 골형성 단백질을 알기네이트 용액과 혼합하여 바이브레이션 노즐 기술로 마이크로비드를 제조하는 방법 및 그 제조방법에 의하여 제조된 알기네이트 미세캡슐에 관한 것으로, 본 발명의 미세캡슐화는 주사가능하고, 골형성 분화 촉진 능력을 증가시키는 방법으로 사용될 수 있다. The present invention relates to a method for producing micro beads by a vibration nozzle technique by mixing an osteogenic protein with an alginate solution in order to prepare an injectable alginate microencapsulated osteogenic protein and an alginate microcapsule , The microencapsulation of the present invention is injectable and can be used as a method to increase osteogenic differentiation promoting ability.

Description

알기네이트 미세캡슐을 유효성분으로 포함하는 생리 활성물질의 운반용 조성물{A composition for delivering bioactive material comprising Alginate-Microencapsule} TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composition for delivering a physiologically active substance containing an alginate microcapsule as an active ingredient,

본 발명은 알기네이트 미세캡슐을 유효성분으로 포함하는 생리 활성물질의 운반용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for transporting a physiologically active substance containing an alginate microcapsule as an active ingredient and a method for producing the same.

재생 의약 분야에서는 국소 시약(localising agent)을 통한 조직 재생을 촉진시키는 새로운 의학적 방법이 많다. 의학적 방법의 예에는 경색 이후의 심근의 재생, 척추 고정술에서의 골격성장 유도, 당뇨 족 궤양의 치료그리고 뇌졸중으로 인한 손상의 제한 또는 복원이 있다. 성장인자와 같은 국소 제제는 스캐폴드를 사용하여 얻을 수 있다. In the field of regenerative medicine, there are many new medical methods that promote tissue regeneration through localizing agents. Examples of medical methods include regeneration of myocardium after infarction, induction of skeletal growth in spinal fusion, treatment of diabetic foot ulcers, and limitation or restoration of damage due to stroke. Topical agents such as growth factors can be obtained using a scaffold.

스캐폴드는 혈관형성과 조직 형성을 위한 적절한 기계적인 환경, 아키텍쳐(architecture), 그리고 계면 화학(surface chemistry)을 제공한다. 약이나 세포 전달 시스템으로써 스캐폴드의 사용은 매우 큰 장점이 있는 반면 세포나 성장 인자로 작용하는 단백질과 같은 시약의 방출의 적절한 반응속도를 얻는 동시에 조직 종류에 맞는 스캐폴드의 다공성, 강도 및 붕괴(degradation) 반응속도 등을 디자인하는 것은 어려운 일이다.The scaffold provides the appropriate mechanical environment, architecture, and surface chemistry for angiogenesis and tissue formation. The use of a scaffold as a drug or cell delivery system has a great advantage, but it does not provide adequate response rates for the release of reagents such as cells or proteins acting as growth factors, while at the same time reducing the porosity, strength and collapse of scaffolds degradation, and reaction rate.

생채 내에서의 회복 및/또는 재생을 위한 전달 시스템으로서 스캐폴드의 사용에 있어 더 복잡한 문제는 투여 경로이다. 많은 치료 예에서 조직의 회복이 필요한 부위는 접근하기가 힘들거나(예를 들어, 뇌졸중 요법에서의 뇌안이나 경색 후 치료에서의 심근) 크기와 모양을 알 수 없다. 따라서, 최소의 침습적 시술을 통해 투여될 수 있는 개선된 주사 가능한 스캐폴드가 필요하다.A more complex problem in the use of scaffolds as delivery systems for recovery and / or regeneration in living beings is the route of administration. In many treatments, areas where tissue repair is necessary are difficult to access (eg, cerebral palsy in stroke therapy or myocardial infarction in post-infarction treatment). Thus, there is a need for an improved injectable scaffold that can be administered via minimal invasive procedures.

개략적으로, 스캐폴드는 일반적으로 대형의 연결된 세공(pore)을 갖는 미리 형성된 불수용성 기질이거나 하이드로겔이다. 이러한 스캐폴드들은 생체 내 조직 회복 및/또는 재생을 위해 환자들에게 이식된다.In general, the scaffold is a pre-formed water-insoluble substrate or hydrogel with generally large interconnected pores. These scaffolds are implanted in patients for in vivo tissue repair and / or regeneration.

이식하는 경우, 미리 형성된 불수용성 기질은 체내의 공간을 채워넣기 위한 모양으로 만들어져야 하며, 채워질 공간을 알아야 하고 채워질 수 있는 공간의 모양이 제한된다. 추가로, 스캐폴드를 전달하기 위해 침습적 시술이 필요하다. When implanted, the previously formed water-insoluble substrate must be shaped to fill the space in the body, know the space to be filled, and the shape of the space that can be filled is limited. In addition, invasive procedures are needed to deliver the scaffold.

반대로, 여러 하이드로겔 재료는 주사기를 통해 체내로 직접 전달되도록 디자인되었다. 겔은, 예를 들어 온도변화나 자외선 노출과 같은 유발 신호에 따라 체내에서 형성된다. 이러한 시스템들은 공간 차원에 대한 사전 지식 없이도 모든 모양의 공간들을 채울 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이러한 하이드로겔은 상호 연결된 다공성 네트워크(interconnected porous network)들이 부족하여, 적은 확산 특성에 의해 시약의 방출이 제한된다.Conversely, several hydrogel materials were designed to be delivered directly into the body through a syringe. The gel is formed in the body in response to trigger signals, such as temperature changes or ultraviolet light exposure. These systems have the advantage that they can fill any shape space without prior knowledge of the spatial dimension. However, these hydrogels lack interconnected porous networks, limiting the release of reagents due to their low diffusion characteristics.

또, 하이드로겔의 약한 기계적 강도는 사용시에 가해지는 압축력을 견디지 못하는 것을 의미하며, 이는 겔에 있는 시약들이 사실상 하이드로겔로부터 압축되어 나와 바람직하지 않은 전달 특성을 나타낼 수 있다.In addition, the weak mechanical strength of the hydrogel means that it can not withstand the compressive force applied at the time of use, which means that the reagents in the gel are actually compressed from the hydrogel and exhibit undesirable transmission characteristics.

WO2010/100506호에는 주사 가능한, 약물 전달 시스템이 게시되어 있고, 그러한 시스템은 하기의 구성 성분을 포함하는 조성물을 포함한다: (i) 단립자(discrete particle)들을 포함하는 주사 가능한 스캐폴드 재료; 및 (ii) 송달에 필요한 시약을 포함하는 담체. 개별 입자들은 스캐폴드를 형성하는 상호작용이 가능하다.An injectable drug delivery system is disclosed in WO2010 / 100506, and such a system comprises a composition comprising: (i) an injectable scaffold material comprising discrete particles; And (ii) a reagent required for delivery. Individual particles can interact to form a scaffold.

제제 전달을 위한 스캐폴드의 용도는 뼈의 치료, 특히 척추 고정술, 복합 골절 및 치과 뼈의 치료에 있다. 스타틴 약물은 내생 뼈 형태성 단백질-2 (BMP-2; 뼈 전도성 성장 계수) 활성을 간접적으로 증진시키고, 관 내피 성장 계수 생산(VEGF; 발현 조직으로 조골세포 분화 및 혈관 형성 촉진)을 자극하여 뼈의 형성을 촉진하는 것으로 알려져 있다. 스타틴은 고지혈증 치료용 경구 약으로 오랫동안 사용되어 왔다. 생체 내에서의 국소적 전달을 위해 스타틴이 사용된 것은 정형외과 용이다.The use of a scaffold for delivering a formulation is in the treatment of bone, particularly in spinal fusion, in the treatment of multiple fractures and dental bones. The statin drug indirectly enhances endogenous bone morphogenetic protein-2 (BMP-2; bone conduction growth factor) activity and stimulates vascular endothelial growth factor production (VEGF; expression of osteoblast differentiation and angiogenesis promotion) Which is known to promote the formation of < RTI ID = 0.0 > Statins have long been used as oral drugs for the treatment of hyperlipidemia. The use of statins for local delivery in vivo is orthopedic.

알기네이트는 1-4-결합된 β-D-만뉴론산 및 이의 C-5 에피머(epimer) α-L-굴루론산으로 구성된 선형 이원 공중합체의 이종성 기를 포함한다. 알기네이트는 광범위한 생리학적 적용 및 치료적 적용에 있어서 생체물질로서 오랫동안 연구되었다. 생체적합성 이식 물질로서의 이의 잠재력은 혈장 부피를 인공적으로 확장시키는 외과적 역할에서 1964년에 처음으로 조사되었다(문헌(Murphy et al., Surgery. 56: 1099-108, 1964)). 지난 20년에 걸쳐, 질환, 예컨대, 특히 당뇨병의 치료를 위한 알기네이트 세포 미세캡슐화에 있어서 현저한 진보가 있었다.The alginate comprises a heterobifunctional group of linear bifunctional copolymers composed of 1-4-linked beta -D-mannuronic acid and its C-5 epimer alpha-L-glucuronic acid. Alginate has long been studied as a biomaterial in a wide range of physiological and therapeutic applications. Its potential as a biocompatible graft material was first investigated in 1964 in the surgical role of artificially expanding plasma volume (Murphy et al., Surgery. 56: 1099-108, 1964). Over the last two decades, there have been remarkable advances in the alginate cell microencapsulation for the treatment of diseases such as diabetes in particular.

여러 특허들 및 특허출원들이 캡슐화의 재료 및 방법을 완전하게 하고자 시도하였다:Several patents and patent applications attempted to perfect the materials and methods of encapsulation:

국제 특허출원공개 제WO 91/09119호는 생물학적 물질, 보다 구체적으로 췌도세포를 알기네이트 겔을 갖는 비드로 캡슐화한 후, 제2층, 바람직하게는 폴리-L-라이신, 및 알기네이트로 구성된 제3층으로 캡슐화하는 방법을 개시한다.International Patent Application Publication No. WO 91/09119 discloses a method of encapsulating a biological material, more specifically an islet cell with a bead with an alginate gel, followed by a second layer, preferably comprising a poly-L-lysine, and an alginate Lt; RTI ID = 0.0 > 3-layer < / RTI >

미국 특허 제5,084,350호는 생물학적 활성 물질을 큰 매트릭스로 캡슐화한 후, 미세캡슐의 액화를 수행하는 방법을 제공한다.U.S. Patent No. 5,084,350 provides a method of encapsulating a biologically active material into a large matrix, followed by liquefaction of the microcapsules.

미국 특허 제4,663,286호는 미세캡슐의 젤화(jelling) 후 수화를 통해 상기 미세캡슐을 팽창시켜 상기 캡슐의 투과성을 조절함으로써 미세캡슐을 제조하는 방법을 개시한다.U.S. Patent No. 4,663,286 discloses a process for preparing microcapsules by gelation of microcapsules followed by hydration to expand the microcapsules to control the permeability of the microcapsules.

본 발명의 목적은 골형성 단백질-2 (BMP-2)의 신규한 효과적인 전달 시스템을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a novel effective delivery system of bone morphogenetic protein-2 (BMP-2).

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 주사가능한 알기네이트 미세캡슐화된 골형성 단백질을 제조하기 위하여, 골형성 단백질을 알기네이트 용액과 혼합하여 바이브레이션 노즐 기술로 마이크로비드를 제조하는 방법에 있어서, In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for preparing a microbead by mixing an osteogenic protein with an alginate solution to produce an injectable alginate microencapsulated osteogenic protein,

바이브레이션 진동수(Hz)를 300 내지 2500 Hz 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 마이크로비드를 제조하는 방법을 제공한다.And a vibration frequency (Hz) in the range of 300 to 2500 Hz.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 바이브레이션 진동수(Hz)는 1000 Hz에서 수행하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the vibration frequency (Hz) is preferably 1000 Hz, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 용액의 유속은 15 내지 28 mL/분의 범위에서 수행하는 것이 바람직하고, 상기 용액의 유속은 23 mL/분에서 수행하는 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In another embodiment of the present invention, the flow rate of the solution is preferably in the range of 15 to 28 mL / min, and the flow rate of the solution is more preferably performed at 23 mL / min, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법의 전압은 500 내지 1000 V의 범위에서 수행하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In another embodiment of the present invention, the voltage of the method is preferably in the range of 500 to 1000 V, but is not limited thereto.

본 발명의 최적 실시예에 있어서, 상기 바이브레이션 진동수(Hz)는 1000 Hz이고, 용액의 유속은 23 mL/분에서 수행하는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment of the present invention, the vibration frequency (Hz) is 1000 Hz and the flow rate of the solution is preferably 23 mL / min.

본 발명에 있어서, 상기 마이크로비드의 직경은 250에서 300 μm인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In the present invention, the diameter of the microbeads is preferably from 250 to 300 μm, but is not limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 골형성 단백질은 골형성 단백질 2(BMP-2)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the bone-forming protein is preferably bone-forming protein 2 (BMP-2), but is not limited thereto.

또 본 발명은 직경이 250에서 300 μm인 골형성 단백질을 포함하는 주사가능한 알기네이트 미세캡슐을 제공한다.The present invention also provides injectable alginate microcapsules comprising an osteogenic protein having a diameter of from 250 to 300 μm.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 미세캡슐은 골형성 단백질과 알기네이트 용액을 혼합하여 바이브레이션 진동수(Hz) 300 내지 2500 Hz 범위, 용액 유속 15 내지 28 mL/분의 범위에서 바이브레이션 노즐 기술로 제조되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the microcapsules are prepared by mixing a bone-forming protein and an alginate solution and subjecting the solution to a vibration frequency (Hz) in the range of 300 to 2,500 Hz and a solution flow rate of 15 to 28 mL / , But is not limited thereto.

본 발명의 최적 구현예에 있어서, 상기 미세캡슐은 골형성 단백질과 알기네이트 용액을 혼합하여 바이브레이션 진동수(Hz) 1000 Hz, 용액 유속 23 mL/분에서 바이브레이션 노즐 기술로 제조되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다. In a preferred embodiment of the present invention, the microcapsules are prepared by mixing a bone-forming protein with an alginate solution and producing the solution at a vibration frequency (Hz) of 1000 Hz and a solution flow rate of 23 mL / min using a vibration nozzle technique No.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 미세캡슐은 골형성 분화 촉진용인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In another embodiment of the present invention, the microcapsules are preferably for promoting osteogenesis differentiation, but are not limited thereto.

이하, 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.

알기네이트를 이용한 캡슐레이션 방법은 오래전부터 사용되어온 방법이다. 하지만 임상적으로 세포치료에 유용하게 이용하기 위해서는 균일한 비드 모양과 사용 목적에 적합한 크기를 필요로 한다. 관절염 치료 등을 위해 국소 부위에 줄기 세포를 적용할 때 세포의 연장된 생존으로 인한 치료 효과 극대화를 위해서 캡슐레이션이 유용할 수 있다. 하지만 수술적 적용이 아닌 비침습적으로 환자에게 캡슐 줄기세포를 적용하기 위해서는 임상적으로 사용 가능한 주사 바늘의 내부 직경보다 작으며 균일한 사이즈의 마이크로 비드가 필요하다. The encapsulation method using alginate has been used for a long time. However, in order to be clinically useful for cell therapy, a uniform bead shape and a size suitable for the purpose of use are required. When stem cells are applied to localized areas for arthritis treatment, encapsulation may be useful for maximizing therapeutic effect due to prolonged survival of cells. However, in order to apply capsule stem cells to patients non-invasively rather than surgically, a microbead smaller than the inner diameter of a clinically usable needle and of uniform size is required.

일반적으로 사람 및 동물의 임상에서 많이 사용하는 주사 바늘의 내부 직경 사이즈는 23게이지로, 내부 직경의 크기는 337 um이다. 따라서 세포를 충분히 함유하며 주사 바늘을 통해 쉽게 빠져나가기 위해서는 250-300 um 크기의 마이크로 비드가 필요하다. 본 발명에서는 frequency, flow rate, electrode 같은 다양한 파라미터를 이용하여 250-300 um의 크기를 가지며 균일한 형태를 유지하는 마이크로 비드를 만드는 방법을 확립하고, 줄기세포를 캡슐레이션 한 후에도 그 형태 및 크기가 유지되는 것을 확인하였다.In general, the inner diameter size of injection needles used in clinical use in humans and animals is 23 gauge, and the inner diameter is 337 μm. Therefore, it is necessary to use micro beads of 250-300 um in order to easily contain the cells and to easily pass through the needles. In the present invention, a method of making a microbead having a uniform shape with a size of 250-300 μm using various parameters such as frequency, flow rate, and electrode is established, and after the stem cell is encapsulated, its shape and size Respectively.

또한 수술이 아닌 23게이지 주사 바늘을 이용하여 마우스 피하에 마이크로 비드 및 캡슐화된 세포를 이식하여 생체 독성 평가 및 생체 내 생존능을 평가 및 비교 하였다.In addition, microbid and encapsulated cells were implanted subcutaneously in the mouse using a 23 gauge needle rather than an operation to assess and compare bio - toxicity and bioavailability.

알기네이트 미세비드는 바이브레이션 방법으로 만들었고, 주사제용 미세비드의 생산은 표준 방법을 가지고, 여러 파라미터를 사용하여 수행하였다. 미세비드 독성은 동물 모델에서 테스트하였다. 캡슐화된 cASCs를 인 비트로에서 생존률 및 증식에 대해서 평가하였다. 미세캡슐화되거나 되지 않은 세포를 마우스의 피하 조직에 주사하고 이식된 세포의 생존률 및 유지를 확인하기 위하여 인 비보 바이오루미네센트 이미징(bioluminescent imaging)을 사용하여 추적하였다.The alginate micro beads were made by the vibration method, and the production of micro beads for injection was carried out using standard parameters and using various parameters. Micro-bead toxicity was tested in animal models. The encapsulated cASCs were evaluated for viability and proliferation in vitro. Microencapsulated or uninoculated cells were injected into the subcutaneous tissue of the mice and traced using in vivo bioluminescent imaging to confirm survival and maintenance of the transplanted cells.

최적화된 주사용 미세비드는 단일 크기를 가지고, 약 250 um의 직경을 가졌다.그 알기네이트 비드는 인 비보 독성의 유의적인 증거가 없었다. 그 세포는 캡슐화 우 생존을 유지하였고, 미세캡슐 내에서 인 비트로 증식의 증거가 있었으며, 인 비보 바이오루미네센트 이미징은 알기네이트 캡슐화는 이식된 세포들의 유지를 개선한다는 것을 나타내었다. The optimized injected microbead had a single size and a diameter of about 250 um. The alginate bead had no significant evidence of in vivo toxicity. The cells retained encapsulation survival, evidence of in vitro proliferation in microcapsules, and in vivo bioluminescent imaging showed that alginate encapsulation improved retention of transplanted cells.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

마이크로비드의Microbead 차원 및  Dimension and 모양적Shape 특성  characteristic

비드 직경 및 모양에 대한 변경된 진동수(Hz), 유속(mL/min), 및 전압(V)의 효과를 표준화된 과정을 사용하여 평가하였다. 그 과정이 목적은 23-게이지 hypodermic 니들로 주사하기 위한 이상적인 마이크로비드를 제조하기 위한 최적 파라미터를 결정하는 것이었다.The effects of modified frequency (Hz), flow rate (mL / min), and voltage (V) on bead diameter and shape were evaluated using a standardized procedure. The aim of the process was to determine the optimal parameters for producing ideal microbeads for injection into 23-gauge hypodermic needles.

최적 조건, 특히 1000 Hz 주파수, 23 mL/min 유속, 및 1000 V 전압을 사용하여 생성된 미세캡슐은 약 250 um 직경이었다(도 1). 미세캡슐의 직경은 더 높은 진동수, 더 높은 유속 및 더 높은 전압에 따라 감소하는 경향이 있다. 그러나 결과는 2500 Hz의 초과된 진동수는 증가된 직경을 가지는 마이크로비드를 제조하는 것을 시사한다. 또한, 28 mL/min의 초과 유속은 더 작은 직경의 마이크로비드를 생성하였다; 그러나 소디움 알기네이트 용액의 심한 퍼지는 효과가 용액의 심한 손실을 야기한 것.The microcapsules produced using optimum conditions, especially 1000 Hz frequency, 23 mL / min flow rate, and 1000 V voltage were about 250 um diameter (FIG. 1). The diameter of the microcapsules tends to decrease with higher frequencies, higher flow rates and higher voltages. The result, however, suggests that an exceeding frequency of 2500 Hz produces microbeads with increased diameters. Also, an excess flow rate of 28 mL / min produced smaller diameter microbeads; However, the severe purging effect of the sodium alginate solution caused severe loss of solution.

알기네이트마이크로비드의Of alginate microbeads 독성 및 인 비보 생체적합성 Toxicity and in vivo bioavailability

독성 테스트를 인 비보에서 알기네이트마이크로비드의 독성 및 생체적합성을 결정하기 위하여 수행하였다. 독성을 비드들의 피하 주사를 통하여 랫트에서 평가하고 피하 조직의 혈액 테스트 및 조직 평가를 수행하였다.Toxicity tests were performed to determine toxicity and biocompatibility of alginate microbeads in in vivo. Toxicity was assessed in rats by subcutaneous injection of beads and subcutaneous tissue blood and tissue evaluation was performed.

대조군 및 알기네이트 미세캡슐-주사된 군의 혈액 화학 평가에 의하여 현저한 독성이 없다는 것을 나타내었다(도 2).The blood chemistry evaluation of the control and alginate microcapsule-injected groups showed no significant toxicity (Fig. 2).

미세캡슐 주사 부위의 조직학적 평가는 그 비드는 이식 2주 후 검출되고 비드 물질의 분해 및 패고사이토시스는 염증 없이 일어난다는 것을 보여주었다(도 3). Histological evaluation of the microcapsule injection site showed that the beads were detected after 2 weeks of implantation and that the degradation of the bead material and the defective cytosyntis occurred without inflammation (FIG. 3).

본 발명을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 미세캡슐화는 주사가능하고, 골형성 분화 촉진 능력을 증가시키는 방법으로 사용될 수 있다. As can be seen from the present invention, the microencapsulation of the present invention is injectable and can be used in a way that enhances osteogenic differentiation promoting ability.

도 1은 주사용 최적 비드 크기의 표준화. (A) 증가하는 진동수(Hz)의 함수로 마이크로비드 직경(um). (B) 유속(mL/분)의 함수로 마이크로비드 직경(um). (C) 증가하는 전압(V)의 함수로 마이크로비드 직경(um). (D) 마이크로비드의 광원 현미경 이미지; bar = 500 um.
도 2는 알기네이트마이크로비드의 인 비보 독성 평가. PBS 주사 그룹과 알기네이트 microbead 주사 그룹의 체중 및 혈액학적 화학 평가, 주사 후 0일, 1일 및 2주 사이에는 유의적인 차이가 없음. (A) 체중. (B) 백혈구 카운트. (C) 혈액 우레아 질소. (D) Creatinine. (E) Glutamic-pyruvic transaminase. (F) Alanine transaminase.
도 3은 2 주에 알기네이트 미세캡슐로 주사된 피하 조직의 H&E 염색된 절편의 현미경 사진. 비드 물질의 분해 및 패고사이토시스를 나타냄. (A) 이식 2 주 후 알기네이트 미세캡슐이 검출됨; bar = 500 um. (B) 삽도 -박스 부위의 고 확대 이미지; bar = 250 um. (C) 삽도 - 박스 부위의 더 고확대 이미지; bar = 125 um.
도 4는 BMP-2 Release Kinetics을 나타내는 도면.
도 5는 Alkaline Phosphatase(ALP) 어세이 결과를 나타낸 도면.
도 6은 인 비보 실험으로 피하 주사 후 MicroCT 촬영 사진을 나타낸 도면.
도 7은 인 비보 실험으로 피하 주사 후 조직 분석 사진.
도 8은 인 비보 실험으로 Calvarial Defect 모델을 이용한 실험 결과를 나타낸 사진.
Fig. 1 shows the standardization of optimum bead size for injection. (A) Microbead diameter (μm) as a function of increasing frequency (Hz). (B) Microbead diameter (μm) as a function of flow rate (mL / min). (C) microbead diameter (um) as a function of increasing voltage (V). (D) a light source microscope image of a microbead; bar = 500 [mu] m.
Figure 2 is an in vitro non-toxic evaluation of alginate microbeads. There was no significant difference between body weight and hematological evaluation of PBS injection group and alginate microbead injection group, 0 day, 1 day and 2 weeks after injection. (A) Weight. (B) White blood cell count. (C) Blood urea nitrogen. (D) Creatinine. (E) Glutamic-pyruvic transaminase. (F) Transaminase to alanine.
Figure 3 is a micrograph of H & E stained sections of subcutaneous tissue injected with alginate microcapsules at 2 weeks. Decomposition of bead material and defective cytosity. (A) Alginate microcapsules were detected after 2 weeks of transplantation; bar = 500 [mu] m. (B) illustration - high magnification image of the box area; bar = 250 [mu] m. (C) Notation - a larger enlarged image of the box area; bar = 125 [mu] m.
4 shows BMP-2 Release Kinetics.
Figure 5 shows results of an Alkaline Phosphatase (ALP) assay.
FIG. 6 is a photograph of a MicroCT photograph taken after subcutaneous injection in an in-vivo experiment. FIG.
FIG. 7 is a photograph of tissue analysis after subcutaneous injection in an in-vivo experiment.
8 is a photograph showing an experimental result using a Calvarial Defect model in an in-vivo experiment.

이하 비한정적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 의도로 기재한 것으로서 본 발명의 범위는 하기 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되지 아니한다.The present invention will now be described in more detail by way of non-limiting examples. The following examples are intended to illustrate the present invention and the scope of the present invention is not to be construed as being limited by the following examples.

본 발명의 모든 동물 실험은 강원대학교 실험 동물 위원회의 가이드라인을 준수하였다. 실험에 사용된 랫트 및 마우스는 21 °C의 상온, 55% 습도 및 12시간 명암 주기로 물과 사료를 자유식이하면서 유지하였다. 그 동물들을 이산화탄소 질식을 사용하여 안락사시켰다. All animal experiments of the present invention were in accordance with the guidelines of the Experimental Animals Committee of Kangwon National University. The rats and mice used in the experiments were kept free of water and feed at 21 ° C, 55% humidity and 12 h light-dark cycle. The animals were euthanized using carbon dioxide suffocation.

실시예Example 1:미세캡슐화를1: Microencapsulation 위한 표준화 Standardization for

알기네이트마이크로비드를 Buchi Encapsulator B-395 pro.e 를 사용한 바이브레이션 노즐 기술로 생산하였다. 노즐 크기, 바이브레이션 진동수(Hz), 유속(mL/min), 및 정전기적 차지(V)와 같은 여러 파라미터를 셋업하고 23 gauge hypodermic 니들(337 um)의 평균 내측 직경보다 더 작은 직경을 가지는 주사가능한 마이크로비드를 위하여 최적화하였다. 그 비드 모양을 광원 현미경으로 분석하였다. Alginate microbeads were purchased from Buchi Encapsulator B-395 pro. e using a vibrating nozzle technology. Several parameters such as nozzle size, vibrational frequency (Hz), flow rate (mL / min), and electrostatic charge (V) were set up and injected with a diameter smaller than the average medial diameter of the 23 gauge hypodermic needle (337 um) Optimized for microbeads. The bead shape was analyzed by a light source microscope.

폴리머는 1.2% 소디움 알기네이트 용액을 사용하였고, 젤화 용액은 100 mM의 calcium chloride 용액이다. 멸균 여과된 등장 1.8% sodium 알기네이트 용액f 을 식염수로 1.2%로 희석하였다. 젤화 용액은 11 g의 무수 calcium chloride 분말을 1000 mL의 증류수와 혼합하여 제조하였다. 노즐 크기는 표준화 실험용으로 120 um에서 세팅하였다. 다른 안정화 파라미터는 5 mL의 주사기 펌프 크기, 및 80% 교반 속도를 포함한다. The polymer was 1.2% sodium alginate solution and the gelation solution was 100 mM calcium chloride solution. The sterile filtered 1.8% sodium alginate solution f was diluted to 1.2% with saline. The gelation solution was prepared by mixing 11 g of anhydrous calcium chloride powder with 1000 mL of distilled water. The nozzle size was set at 120 μm for the standardization experiment. Other stabilization parameters include a 5 mL syringe pump size, and an 80% agitation rate.

비드 직경에 영향을 미치는 인자로 진동수(Hz)는 0, 40, 300, 1000, 및 2500 Hz에서 테스트하였다. 유속은 15 mL/min에서 세팅하였다. 전압은 이 실험을 위하여 껏다. 비드 생성 후 100마이크로비드를 계수하여 광원 현미경을 통하여 측정하였고 평균 직경을 테스트한 여러 파라미터에 기반하여 결정하였다. The frequency (Hz) was tested at 0, 40, 300, 1000, and 2500 Hz as factors affecting the bead diameter. The flow rate was set at 15 mL / min. The voltage is turned off for this experiment. 100 beads were counted after bead formation and measured through a light source microscope and the average diameter was determined based on various parameters tested.

비드 직경에 영향을 미치는 인자로 유속(mL/min)은 15, 18, 23, 및 28 mL/min의 속도에서 테스트하였고. 진동수는 상기 실험에서 최적화된 것으로 결정된 1000 Hz에서 세팅하였다. 본 실험도 전압은 껐다. 비드 생산 후, 유사한 계수 및 직경 측정 및 평균화를 테스트된 여러 파라미터를 평가하기 위하여 사용하였다. Flow rate (mL / min) as a factor affecting the bead diameter was tested at rates of 15, 18, 23, and 28 mL / min. The frequency was set at 1000 Hz, which was determined to be optimized in this experiment. This experiment also turned off the voltage. After bead production, similar coefficients and diameter measurements and averaging were used to evaluate the various parameters tested.

비드 직경의 함수로 전압(V)은 0, 300, 500, 800, 및 1000 V에서 테스트하였다. 유속과 진동수는 상기 실험에서 최적화된 각각 23 mL/min 및 1000 Hz에서 세팅되었다. 유사한 평가 과정이 테스트된 여러 파라미터를 평가하는데 사용되었다. Voltage (V) was tested at 0, 300, 500, 800, and 1000 V as a function of bead diameter. The flow rate and frequency were set at 23 mL / min and 1000 Hz, respectively, optimized for the above experiments. A similar evaluation procedure was used to evaluate the various parameters tested.

실시예Example 2:알기네이트2: Alginate microbead의microbead 인 비보 독성 테스트 In-vitro test

Sprague Dawleyg 수컷 랫트(7-8 주령, 체중 170-200 g)를 본 실험에 사용하였다.마이크로비드의 독성을 랫트에서 테스트하였다. 대조군(n = 6)는 등 부위에 PBS만을 포함하는 피하 주사를 처리한 반면, 테스트 군(n = 6)은 PBS에 본 발명의 마이크로비드가 현탁된 유사한 주사를 수행하였다. 독성은 각 군에 대한 주사 부위의 조직학적 평가화 혈액학적 파라미터를 측정하여 평가하였다. Sprague Dawley male rats to g (7-8 weeks old, weighing 170-200 g) were used in this experiment. The toxicity was tested in rats of the microbeads. Control group (n = 6) treated subcutaneous injection with PBS only in the dorsal area, whereas test group (n = 6) performed similar injection in which PBS of the present invention was suspended in PBS. Toxicity was assessed by measuring the hematological parameters of the injection site for each group.

표준화된 파라미터들을 비드 제조에 사용하였고 주사 후 즉시, 1 주 후, 및 2 주 후에 혈액 테스트를 수행하였다. 그 랫트를 이산화탄소로 안락사하고 주사였 부위에서 그 조직을 수집하였다. 그 수집된 조직을 1x PBS로 린스하고 24시간 동안 10% formalin 버퍼에서 고정화하였다. 그 조직을 파라핀에서 충진하고 4 um 두께로 절편화하였다. 슬라이드를 H&E 용액으로 염색하고 세포 모양을 평가하였다.Standardized parameters were used for bead manufacture and blood tests were performed immediately, 1 week, and 2 weeks after injection. The rats were euthanized with carbon dioxide and their tissues were collected at injection sites. The collected tissues were rinsed with 1x PBS and fixed in 10% formalin buffer for 24 hours. The tissue was filled in paraffin and sectioned to a thickness of 4 [mu] m. Slides were stained with H & E solution and cell shape was evaluated.

실시예Example 3:BMP3: BMP -- 2 를2 함유하는 Alginate  Containing Alginate MicrobeadsMicrobeads 제작방법 How to make

1.2% Na-Alginate를 만들기 위해 1.8% Na-Alginate와 멸균생리식염수를 혼합한다. 0.25mg의 BMP-2 powder와 1ml의 멸균생리식염수를 혼합하여 1ml의 BMP-2 solution을 만든다. Mix 1.8% Na-Alginate and sterile saline to make 1.2% Na-Alginate. Mix 0.25 mg of BMP-2 powder and 1 ml of sterile physiological saline to make 1 ml of BMP-2 solution.

다음으로 1.2% Na-Alginate와 BMP-2 solution을 3:1의 비율로 혼합한 후 주사기에 담는다. Gelling 용액으로 100mM Calcium Chloride solution을 준비한다. Buchi Encapsulator B-395 pro (Buuchi Labortechinik AG, Dottikon, Switzerland)을 Nozzle 크기 120μm ,주파수 1,000 Hz, 유속 23 mL/min , Stirring speed 8% 및 전압 1,000 V로 설정하고 Na-Alginate와 BMP-2 solution 혼합물이 담긴 주사기를 장착해 분사 위치에 Gelling solution을 위치시킨 후 제작을 시작한다. 만들어진 Alginate microbeads는 Gelling solution에서 20분 이상 두어 견고해지게 한다. Next, 1.2% Na-Alginate and BMP-2 solution are mixed at a ratio of 3: 1 and placed in a syringe. Prepare 100 mM Calcium Chloride solution with gelling solution. A Buchi Encapsulator B-395 pro (Buuchi Labortechinik AG, Dottikon, Switzerland) was set up with a nozzle size of 120 μm, a frequency of 1,000 Hz, a flow rate of 23 mL / min, a rate of 8% And the gelling solution is placed at the injection position, and then the production is started. Alginate microbeads should be placed in the gelling solution for more than 20 minutes.

실시예Example 4:In4: In vitro 실험 vitro experiment

실험에 사용한 세포는 2세 수컷 Beagle의 지방세포에서 채취한 Canine adipose tissue derived mesenchymal stem cell을 이용하였다. 이들 세포의 배양에 사용한 배지는 Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM; Invitrogen, Darmstadt, Germany) supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS; Invitrogen) and 1% antibiotic-antimycotic solution (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, U.S.A.)으로 48시간 간격으로 갈아주었다. 이후 37℃, 5% CO2의 Incubator에서 배양하여 실험에 이용하였다.The cells used in the experiment were canine adipose tissue derived mesenchymal stem cells collected from adipose cells of 2 - year - old male Beagle. The medium used for the culture of these cells was supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS; Invitrogen) and 1% antibiotic-antimycotic solution (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) supplemented with Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM; Invitrogen, Darmstadt, ) At 48-hour intervals. After incubation at 37 ℃ in 5% CO2 incubator,

BMP-2 Release Kinetics 연구 BMP-2 Release Kinetics Study

BMP-2를 함유한 Alginate microbeads군과 BMP-2를 함유한 Collagen Sponge군으로 나누어 진행하였다. 6-well plate를 이용하여 진행하였으며 3개의 well에는 BMP-2를 함유한 Alginate microbeads을 40μm cell strainer에 넣었으며 BMP-2를 함유한 Collagen sponge 조각을 나머지 3개의 well에 각각 2개씩 넣고 각 2ml의 멸균생리식염수를 넣어 37℃의 incubator에서 보관하였다. BMP-2-containing alginate microbeads and BMP-2-containing collagen sponge. 6-well plates were used. Alginate microbeads containing BMP-2 were placed in 40 well cell strainer in 3 wells. Collagen sponge fragments containing BMP-2 were added to each of the remaining 3 wells, Sterile physiological saline was added and stored at 37 ° C in an incubator.

샘플을 채취할 때, 방출된 BMP-2를 함유하는 2ml 멸균생리식염수를 1.5ml eppendorf tube 2개를 이용하여 각각 1ml씩 채취하여 -70℃에서 BMP-2 ELISA를 하기 전까지 보관하였다. 채취한 시간은 plate 완성 후 1,2,4,7,10,14,21일차이며 21일차 채취 후 BMP-2 Immunoassay kit”(R&D Systems Inc. MN,USA)를 주어진 Guideline에 따라 진행하여 방출된 양을 확인하였다.When samples were taken, 1 ml each of 2 ml sterile physiological saline solution containing the released BMP-2 was collected using two 1.5 ml eppendorf tubes and stored at -70 ° C until BMP-2 ELISA. The BMP-2 immunoassay kit (R & D Systems, Inc., MN, USA) was performed according to the guideline given after 1, 2, 4, 7, 10, The amount was confirmed.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 4일 차까지 Alginate microbeads와 Collagen sponge에서 많은 양의 BMP-2가 방출되는 것을 확인하였다. 7일 차까지 양쪽 delivery system에서 유사한 형태로 BMP-2가 배출되었다. 그 이후부터 Alginate microbeads에서는 극소량의 BMP-2를 방출을 유지하였으나 Collagen sponge에서는 지속적으로 Alginate microbeads보다 많은 양의 BMP-2를 방출하였다. As shown in FIG. 4, it was confirmed that large amounts of BMP-2 were released from the alginate microbeads and the collagen sponge until the fourth day. BMP-2 was released in a similar manner in both delivery systems until day 7. Since then, Alginate microbeads retained a very small amount of BMP-2 release, but the Collagen sponge continuously released more BMP-2 than Alginate microbeads.

Alkaline Alkaline PhosphatasePhosphatase (ALP) assay 연구(ALP) assay study

본 실험에 사용된 줄기세포가 Alginate microbeads와 Collagen sponge delivery system하에서 BMP-2에 의해 얼마나 골분화가 되었는지 정량화하여 관찰하기 위해 위 실험을 진행하였다. 위 실험은 12-well plate를 이용하여 진행되었으며 BMP-2가 함유된 Alginate microbeads군(B+), BMP-2가 함유되지 않은 Alginate Microbeads군(B-), BMP-2가 포함된 Collagen Sponge군(C+), BMP-2가 포함되지 않은 Collagen sponge군(C-)으로 제작하여 37℃, 5% CO2의 Incubator에서 배양하였다. Alkaline Phosphatase Assay Kit(abcam)의 Guideline에 따라 진행하였으며 plate를 완성하여 배양 후 1주차 2주차에 실험을 진행하였다. This experiment was conducted to quantify the bone morphogenesis of BMP-2 in alginate microbeads and collagen sponge delivery system. Alginate microbeads (B +) containing BMP-2, Alginate Microbeads (B-) without BMP-2, Collagen Sponge containing BMP-2 C +) and collagen sponge group (C-) without BMP-2, and cultured in an incubator at 37 ° C and 5% CO2. Alkaline Phosphatase Assay Kit (abcam) guideline. After completion of the plate, the experiment was carried out at Week 1 and 2.

도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 7일 차의 ALP activity는 Alginate microbeads with BMP-2와 Alginate microbeads without BMP-2간의 유의미한 차이가 없었다. 그러나, 14일차의 ALP activity는 Alginate microbeads with BMP-2가 Alginate microbeads without BMP-2보다 유의미하게 높은 것을 확인하였다. As can be seen in FIG. 5, ALP activity on day 7 showed no significant difference between Alginate microbeads with BMP-2 and Alginate microbeads without BMP-2. However, ALP activity on day 14 was found to be significantly higher than that of Alginate microbeads with BMP-2.

실시예Example 5:In5: In vivovivo 실험 Experiment

본 실험에서 사용한 동물은 8주령 수컷 ICR Mouse 6마리, 10주령 수컷 Sprague Dawley rats 14마리를 사용하였으며 수령 후 1주일간 적응기간을 두었다. 물과 사료는 임의로 배급하였으며 모든 동물실험은 강원대학교동물실험윤리위원회의 Guideline에 따라 진행하였다. The animals used in this experiment were 6 male ICR mice at 8 weeks and 14 male Sprague Dawley rats at 10 weeks of age. Water and feed were randomly distributed and all animal experiments were conducted according to Guideline of Animal Experiment Ethics Committee of Kangwon National University.

피하 주사Subcutaneous injection

Mouse의 피하에 BMP-2를 함유하는 Alginate microbeads를 주사하였을 때 주사부위에서 골조직의 형성이 잘 되는가, 다른 부작용이 있는가를 확인하기 위하여 실험을 진행하였다. mouse의 몸통 좌측 배쪽 피하에 BMP-2를 함유하는 Alginate microbeads를 피하에 주사하였고 몸통 우측 배쪽 피하에 BMP-2를 함유하지 않는 Alginate microbeads를 좌측과 같은 양으로 피하에 주사한 후 4주간 사육하였다. 4주간 사육 후 Micro-Computed Tomography(MicroCT)검사와 조직학적 검사를 진행하였다.Alginate microbeads containing BMP-2 were injected subcutaneously under the mouse to test whether the bone formation was successful at the injection site and whether there were other side effects. Alginate microbeads containing BMP-2 were subcutaneously injected subcutaneously in the left side of the body of the mouse. Alginate microbeads, which did not contain BMP-2, were injected subcutaneously into the right subcutis of the trunk and then fed for 4 weeks. After 4 weeks of incubation, Micro-Computed Tomography (MicroCT) and histological examination were performed.

도 6과 7에서 알 수 있는 바와 같이, Micro CT 검사 결과, 몸통 좌측 배쪽 피하의 주사부위에 속이 빈 뼈와 비슷한 밀도를 가진 조직이 생성되었으나 몸통 우측 배쪽 피하 주사부위에는 아무 것도 생기지 않았음을 확인하였다. 이 후 조직학적 검사를 진행한 결과, 생성된 조직은 Lamellar Structure를 가진 osteocyte, 골수를 가지는 골조직임을 확인하였다. 생성된 골조직의 안쪽에 Alginate microbeads가 완전히 분해되지 않고 남아있는 모습을 확인했다.As can be seen from FIGS. 6 and 7, the Micro CT test showed that a tissue having a density similar to that of a hollow bone was created at the injection site of the left subcutaneous body of the body, but nothing was formed at the subcutaneous injection site of the right subcutaneous body Respectively. Histological examination revealed that the resulting tissue was osteocyte with lamellar structure and bone marrow with bone marrow. Alginate microbeads were not completely decomposed on the inside of the generated bone tissue.

CalvarialCalvarial Defect 모델을 이용한 실험 Experiment with Defect Model

본 실험은 BMP-2를 함유한 Alginate microbeads가 Bone defect의 Healing에 얼마나 효과적인지를 확인하기 위하여 진행되었다. 11주령 수컷 Sprague Dawley rat를 이용하여 직경 5mm의 Calvarial defect model을 만들고 Defect 부위에 BMP-2를 함유한 Alginate microbeads으로 채운 군, BMP-2를 함유하지 않은 Alginate microbeads으로 채운 군, BMP-2를 함유하는 Collagen sponge로 채운 군, 어떤 처리도 하지 않은 군으로 나누었다. 이후 8주간 사육하고 Micro-Computed Tomography(MicroCT)검사와 조직학적 검사를 진행하였다.This experiment was carried out to determine the effectiveness of alginate microbeads containing BMP-2 for healing of bone defects. A Calvarial defect model with a diameter of 5 mm was prepared using an 11-week-old male Sprague Dawley rats. The defect area was filled with Alginate microbeads containing BMP-2, Alginate microbeads without BMP-2, , And those with no collagen sponge. After 8 weeks, micro-computed tomography (MicroCT) and histological examination were performed.

도 8에서 알 수 있는 바와 같이,Defect의 부위에 Alginate microbeads with BMP-2와 Collagen sponge with BMP-2를 주입한 군은 뼈가 생성되어 Defect 부위가 회복된 것을 확인할 수 있으나 Alginate microbeads without BMP-2을 주입한 군과 어떤 처리도 하지 않은 군에서는 Defect 부위가 회복되지 않은 것을 확인하였다. 회복된 면적을 보면, Defect 부위에 Alginate microbeads with BMP-2와 Collagen sponge with BMP-2를 주입한 군간의 유의미한 차이가 없으나 회복된 부피로 볼 때에는 Defect 부위에 Alginate microbeads with BMP-2를 주입한 군이 Collagen sponge with BMP-2를 주입한 군보다 더 유의미하게 많은 골조직이 생성됨을 확인 할 수 있었다. As can be seen from FIG. 8, it was confirmed that the defects were recovered from the defect site by the injection of Alginate microbeads with BMP-2 and collagen sponge with BMP-2. However, Alginate microbeads without BMP-2 And the untreated group did not recover the defect site. In the recovered area, there was no significant difference between the groups treated with Alginate microbeads with BMP-2 and Collagen sponge with BMP-2 at the defect site. And bone tissues were significantly larger than the group injected with collagen sponge with BMP-2.

Claims (12)

주사가능한 알기네이트 미세캡슐화된 골형성 단백질을 제조하기 위하여, 골형성 단백질을 알기네이트 용액과 혼합하여 바이브레이션 노즐 기술로 마이크로비드를 제조하는 방법에 있어서,
Na-알기네이트와 골형성 단백질 용액을 3:1의 비율로 혼합한 후 주사기에 담고, 젤화(Gelling) 용액으로 염화칼슘 용액을 준비하고, 바이브레이션 노즐 기술 관련하여 바이브레이션 주파수 1,000 Hz, 유속 23 mL/min , 교반 속도(Stirring speed) 8% 및 전압 1,000 V로 설정하고 Na-알기네이트와 골형성 단백질 용액 혼합물이 담긴 주사기를 장착해 분사 위치에 젤화 용액을 위치시킨 후 제작을 하며, 제조된 마이크로비드는 젤화용액에 20분 이상 두어 견고하게 하는 것을 특징으로 하는 마이크로비드를 제조하는 방법.
In order to prepare an injectable alginate microencapsulated osteogenic protein, a method for preparing a microbead by mixing a bone forming protein with an alginate solution and using a vibration nozzle technique,
Na-alginate and osteogenic protein solution were mixed at a ratio of 3: 1, and the mixture was placed in a syringe. A calcium chloride solution was prepared as a gelling solution. A vibration frequency of 1,000 Hz and a flow rate of 23 mL / min , A stirrer speed of 8% and a voltage of 1,000 V, and a syringe containing a mixture of Na-alginate and osteogenic protein solution was placed to position the gelation solution at the injection position. Gelling solution for 20 minutes or more to solidify the microbeads.
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