KR102422432B1 - silicate-shell hydrogel fiber scaffold and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알지네이트 하이드로겔 코어 및 실리케이트 쉘을 포함하는 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 알지네이트 수용액을 칼슘 수용액에 주입하여 겔화된 알지네이트 하이드로겔을 제조하여 염산이 첨가된 실리카 수용액에 상기 알지네이트 하이드로겔을 담근 후 세척하여 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold comprising an alginate hydrogel core and a silicate shell, and more particularly, to a gelled alginate hydrogel by injecting an aqueous alginate solution into an aqueous calcium solution, It relates to a method for preparing a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold by immersing the alginate hydrogel in the added silica aqueous solution and then washing.

Description

실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스케폴드 및 이의 제조 방법{silicate-shell hydrogel fiber scaffold and preparation method thereof}Silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold and preparation method thereof

본 발명은 알지네이트 하이드로겔 코어 및 실리케이트 쉘을 포함하는 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 알지네이트 수용액을 칼슘 이온 수용액에 주입하여 겔화된 알지네이트 하이드로겔을 제조하여, 염산이 첨가된 실리카 수용액에 상기 알지네이트 하이드로겔을 담근 후 세척하여 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold comprising an alginate hydrogel core and a silicate shell, and more particularly, by injecting an alginate aqueous solution into an aqueous calcium ion aqueous solution to prepare a gelled alginate hydrogel, It relates to a method for preparing a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold by immersing the alginate hydrogel in an aqueous silica solution to which hydrochloric acid is added and then washing.

혈관 신생은 기존 혈관으로부터 새로운 혈관이 발생하는 주요 세포 형태 유전학적 과정으로, 3D 세포 외 매트릭스(ECM)를 관통하고 국소 대사 수요를 충족시키기 위해 새로운 혈관 성장을 생성시킨다(P. Carmeliet, Nature, 2005, 438)(M. Potente et al., Cell, 2011, 146). 혈관 신생 촉진은 충분한 영양분과 산소를 공급함으로써 뼈, 연골, 근육, 신경 등과 같은 손상된 조직의 수리를 자극하는 재생 의학의 핵심 전략으로 강조되어 왔다(H. S. Kim et al., Adv. Drug Deliv. Rev., 2018; A. Torres et al., Biomaterials, 2018, 154; C. E. Nelson et al., Adv. Mater., 2014, 26; R. Jin et al., Chen, J. Tissue Eng., 2018; J. B. Norelli et al., J. Tissue Eng., 2018, 9) 생리학적으로, 혈관신생은 ECM 및 혈관신생(성장) 인자를 포함하는 생화학적 및 생물물리학적 단서의 복잡한 상호작용에 의해 조절된다(M. M. Martino et al., Adv. Drug Deliv. Rev., 2015, 94; P. Carmeliet, Nat. Med., 2003, 9). 따라서, 생체 재료는 결과적으로 재생 잠재력을 증가시키는 혈관 성장 촉진 및 혈관 신생 인자를 분비하도록 발전되어 왔다(N. Mitrousis et al., Nat. Rev. Mater., 2018, 3; P. S. Briquez et al., Nat. Rev. Mater., 2016, 1; A. Thakur et al., J. Tissue Eng., 2018, 9).Angiogenesis is a major cytomorphogenetic process by which new blood vessels arise from existing blood vessels, which penetrate the 3D extracellular matrix (ECM) and generate new blood vessel growths to meet local metabolic demands (P. Carmeliet, Nature, 2005). , 438) (M. Potente et al., Cell, 2011, 146). Stimulation of angiogenesis has been emphasized as a key strategy in regenerative medicine to stimulate repair of damaged tissues such as bone, cartilage, muscle, and nerve by supplying sufficient nutrients and oxygen (H. S. Kim et al., Adv. Drug Deliv. Rev. , 2018; A. Torres et al., Biomaterials, 2018, 154; C. E. Nelson et al., Adv. Mater., 2014, 26; R. Jin et al., Chen, J. Tissue Eng., 2018; J. B. Norelli et al., J. Tissue Eng., 2018, 9) Physiologically, angiogenesis is regulated by a complex interaction of biochemical and biophysical cues including the ECM and angiogenesis (growth) factors (M. M. Martino). et al., Adv. Drug Deliv. Rev., 2015, 94; P. Carmeliet, Nat. Med., 2003, 9). Thus, biomaterials have been developed to secrete vascular growth-promoting and angiogenic factors that in turn increase their regenerative potential (N. Mitrousis et al., Nat. Rev. Mater., 2018, 3; P. S. Briquez et al., Nat. Rev. Mater., 2016, 1; A. Thakur et al., J. Tissue Eng., 2018, 9).

혈관 신생 인자 중, 이온은 생체 재료에 통합된 후 치료적 용량을 분비하는 강력한 요소로 여겨졌다. 특히 실리케이트 이온은 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 신호를 통해 혈관신생 유전자/단백질 발현, 이동(migration), 호밍(homing), 관(tubular) 형성과 같은 내피세포의 생물학적 기능을 향상시켰다. 또한, 실리케이트 이온은 하이드록시아파타이트 형성 생활성을 통해 줄기 세포의 골 형성 분화를 향상시키는 잠재력을 갖는다(J.-H. Lee et al., Biomaterials, 2017, 142; J.-H. Lee et al., Acta Biomater., 2017, 60; P. Han et al., Biomater. Sci., 2013, 1; A. El-Fiqi et al., J. Mater. Chem. B Mater. Biol. Med., 2015, 3; J.-J. Kim et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9).Among the angiogenic factors, ions were considered to be powerful factors that secrete therapeutic doses after being incorporated into biomaterials. In particular, silicate ions improved the biological functions of endothelial cells such as angiogenesis gene/protein expression, migration, homing, and tubular formation through vascular endothelial growth factor (VEGF) signal. In addition, silicate ions have the potential to enhance osteogenic differentiation of stem cells through hydroxyapatite-forming bioactivity (J.-H. Lee et al., Biomaterials, 2017, 142; J.-H. Lee et al. ., Acta Biomater., 2017, 60; P. Han et al., Biomater. Sci., 2013, 1; A. El-Fiqi et al., J. Mater. Chem. B Mater. Biol. Med., 2015 , 3;J.-J. Kim et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9).

한편, 알지네이트는 낮은 독성 및 생분해성을 포함하는 특성을 갖는 천연 유래 다당류이다. 다당류 사슬은 이온 결합 또는 수소 결합을 통해 분자적 자가-조립에 의해 가교되어 다량의 물을 담을 수 있는 3D 망상 구조를 갖는 하이드로겔을 형성할 수 있다. 따라서, 알지네이트 하이드로겔은 세포 배양 및 약물 전달을 포함하는 다양한 생체의료용 목적으로 널리 사용되어 왔다. On the other hand, alginate is a naturally-derived polysaccharide having properties including low toxicity and biodegradability. Polysaccharide chains can be crosslinked by molecular self-assembly through ionic or hydrogen bonding to form a hydrogel with a 3D network that can contain a large amount of water. Therefore, alginate hydrogels have been widely used for various biomedical purposes, including cell culture and drug delivery.

그러나, 경질 조직 재생을 위한 알지네이트-실리카 복합체에서 방출된 이온(칼슘 및 실리케이트)의 생물학적 효과에 대한 조사, 특히 분비 이온(칼슘 및 실리케이트) 및 이들의 치료적 효과에 대해는 아직 수행된 바 없으며, 이는 생체 의학 분야에서 광범위하게 적용하는 데 필수적이다(H. Lee et al., J. Mater. Chem. B Mater. Biol. Med., 2014, 2; K. Jahan et al., Biomater. Sci., 2016, 4).However, investigations into the biological effects of ions (calcium and silicate) released from alginate-silica complexes for hard tissue regeneration, in particular, secreted ions (calcium and silicate) and their therapeutic effects, have not yet been conducted. It is essential for broad application in biomedical fields (H. Lee et al., J. Mater. Chem. B Mater. Biol. Med., 2014, 2; K. Jahan et al., Biomater. Sci., 2016, 4).

이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 뼈 수선 과정을 자극하기 위해 실리케이트 이온에 의한 혈관 신생 기능을 향상시킬 수 있는 스캐폴드를 설계했다. 스캐폴드는 알지네이트 하이드로겔의 형상-형성성 및 실리케이트의 혈관 신생 및 뼈-생활성 능력 양자의 장점을 갖는 코어-쉘 구조로 설계되었다. 실리케이트 이온을 생체재료에 도입하기 위한 실리케이트 코팅을 모델 생체재료로서 알지네이트 하이드로겔에 적용하였다. Against this background, the present inventors designed a scaffold capable of enhancing the angiogenic function by silicate ions to stimulate the bone repair process. The scaffold was designed as a core-shell structure with the advantages of both the shape-forming properties of alginate hydrogels and the angiogenic and bone-bioactive abilities of silicates. A silicate coating to introduce silicate ions into the biomaterial was applied to the alginate hydrogel as a model biomaterial.

특허문헌: 국내 등록특허 제10-1850206호Patent Literature: Domestic Registered Patent No. 10-1850206

본 발명자들은 실리케이트 쉘과 알지네이트 하이드로겔 코어 양자의 장점, 즉, 혈관 신생을 촉진하여 뼈 복구 과정을 자극하는 실리케이트 이온의 지속 가능한 분비와 표면의 뼈 생활성(광물화) 기능, 가공성 및 형상 형성의 장점을 얻을 수 있는 실리케이트-쉘화된 알지네이트 하이드로겔 섬유상 스캐폴드를 제조하여, 혈관 신생 촉진, 골 형성, 경조직 형성 효과를 확인하여, 본 발명을 완성하게 되었다. The present inventors have found that the advantages of both the silicate shell and the alginate hydrogel core, namely, the sustainable secretion of silicate ions that stimulate angiogenesis to stimulate the bone repair process, and the bone bioactivity (mineralization) function, processability and shape formation of the surface By preparing a silicate-shelled alginate hydrogel fibrous scaffold that can obtain advantages, the effects of promoting angiogenesis, bone formation, and hard tissue formation were confirmed, and the present invention was completed.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 (a) 알지네이트 수용액을 칼슘 수용액에 주입하여 겔화된 알지네이트 하이드로겔을 제조하는 단계;(b) pH 0.5~2의 강산이 첨가된 실리카 수용액에 상기 (a)의 결과물을 담근 후 세척하는 단계를 포함하는 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드의 제조방법을 제공하는 것이다. Therefore, the problem to be solved by the present invention is (a) preparing a gelled alginate hydrogel by injecting an aqueous alginate solution into an aqueous calcium solution; (b) the above (a) It is to provide a method for producing a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold comprising the step of washing after immersing the result of the.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 방법으로 제조된 알지네이트 하이드로겔 코어 및 실리케이트 쉘을 포함하는 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드를 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold comprising an alginate hydrogel core and a silicate shell prepared by the above method.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 방법으로 제조된 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드를 유효성분으로 포함하는 경조직 재생용 조성물을 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a composition for hard tissue regeneration comprising the silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold prepared by the above method as an active ingredient.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 방법으로 제조된 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드을 손상 경조직에 처리하는 단계를 포함하는 조직 재생 방법을 제공하는 것이다. Another object to be solved by the present invention is to provide a method for tissue regeneration comprising the step of treating a damaged hard tissue with a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold prepared by the above method.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 (a) 알지네이트 수용액을 칼슘 수용액에 주입하여 겔화된 알지네이트 하이드로겔을 제조하는 단계;(b) pH 0.5~2의 강산이 첨가된 실리카 수용액에 상기 (a)의 결과물을 담근 후 세척하는 단계를 포함하는 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, in the present invention, (a) preparing a gelled alginate hydrogel by injecting an aqueous alginate solution into an aqueous calcium solution; (b) the above (a) It provides a method for producing a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold comprising the step of washing after immersing the result of the.

본 발명의 스캐폴드는 구조 내외에 파종된 세포의 부착, 분화 및 조직 주변으로부터 이동되는 세포의 증식과 분화에 적합한 환경을 제공하는 역할을 하는 구조물을 의미하는 것으로, 조직 재생 공학 분야에서 중요한 기본 요소 중의 하나이다.The scaffold of the present invention refers to a structure that serves to provide an environment suitable for the adhesion and differentiation of seeded cells inside and outside the structure, and the proliferation and differentiation of cells moving from the periphery of the tissue, and is an important basic element in the field of tissue regeneration engineering. one of them

본 발명의 알지네이트 수용액은 알지네이트를 수 중에 용해시켜 얻은 용액을 의미하며, 알지네이트는 알긴산의 금속염을 의미한다. 알지네이트는 낮은 독성 및 생분해성을 포함하는 특성을 갖는 천연 유래 다당류이다. 다당류 사슬은 이온 결합 또는 수소 결합을 통해 분자적 자가-조립에 의해 가교되어 다량의 물을 담을 수 있는 3D 망상 구조를 갖는 하이드로겔을 형성할 수 있다. 따라서, 알지네이트 하이드로겔은 세포 배양 및 약물 전달을 포함하는 다양한 생체의료용 목적으로 널리 사용되어 왔다. The alginate aqueous solution of the present invention means a solution obtained by dissolving alginate in water, and alginate means a metal salt of alginic acid. Alginate is a naturally occurring polysaccharide with properties including low toxicity and biodegradability. Polysaccharide chains can be crosslinked by molecular self-assembly through ionic or hydrogen bonding to form a hydrogel with a 3D network that can contain a large amount of water. Therefore, alginate hydrogels have been widely used for various biomedical purposes, including cell culture and drug delivery.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 단계 (a)의 알지네이트 수용액을 30~90ml/h의 비율로 칼슘 수용액에 주입하는 것을 특징으로 한다. 30ml/h 비율 미만 또는 90ml/h 비율을 초과하여 알지네이트 수용액이 주입되는 경우 시간당 투여되는 알지네이트 용량이 적거나 많아 형태 형성이 어렵거나, 지나치게 경화된다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 알지네이트 수용액을 60ml/h의 비율로 칼슘 수용액에 주입한다. According to one embodiment of the present invention, the aqueous solution of alginate of step (a) is characterized in that it is injected into the aqueous solution of calcium at a rate of 30 ~ 90ml / h. When the alginate aqueous solution is injected at a rate of less than 30 ml/h or exceeding a rate of 90 ml/h, the amount of alginate administered per hour is small or large, making it difficult to form or excessively hardening. According to another embodiment of the present invention, the aqueous alginate solution is injected into the aqueous calcium solution at a rate of 60ml/h.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 단계 (a)의 칼슘 수용액은 200~400mM CaCl2 수용액인 것을 특징으로 한다. 알지네이트의 1가의 나트륨 이온은 2가의 칼슘 이온으로 교환되어 알지네이트와 칼슘 이온의 물리적인 교차결합을 형성함으로써 경화할 수 있다. 상기 염화칼슘의 농도가 400mM을 초과하는 경우 알지네이트의 과도한 교차결합을 유발하여 고도로 경화된 전달체로 제조될 수 있으며, 200mM 미만인 경우 교차결합이 부족하여 형태를 유지하기 어렵다. According to one embodiment of the present invention, the calcium aqueous solution of step (a) is 200 ~ 400mM CaCl 2 It is characterized in that the aqueous solution. Monovalent sodium ions of alginate can be cured by exchanging with divalent calcium ions to form a physical cross-link between alginate and calcium ions. When the concentration of calcium chloride exceeds 400mM, it can cause excessive cross-linking of alginate and can be prepared as a highly cured carrier, and when it is less than 200mM, it is difficult to maintain the shape due to insufficient cross-linking.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 단계(a)는 알지네이트 수용액을 칼슘 수용액에 주입하여 1분~15분 동안 유지시켜 알지네이트 하이드로겔을 제조하는 것이다. 상기 유지 시간이 1분 미만인 경우 교차결합이 충분하지 않아 형태 유지가 어려우며, 15분 초과인 경우 알지네이트의 과도한 교차결합으로 고도로 경화된다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 알지네이트 수용액을 칼슘 수용액에 주입하여 5 분 동안 유지시켜 알지네이트 하이드로겔을 제조한다. According to one embodiment of the present invention, the step (a) is to prepare an alginate hydrogel by injecting an aqueous alginate solution into an aqueous calcium solution and maintaining it for 1 to 15 minutes. If the holding time is less than 1 minute, crosslinking is not sufficient, making it difficult to maintain the shape, and if it is more than 15 minutes, it is highly cured due to excessive crosslinking of alginate. According to another embodiment of the present invention, an alginate hydrogel is prepared by injecting an aqueous alginate solution into an aqueous calcium solution and maintaining it for 5 minutes.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 실리카 수용액의 농도는 45~85% (w/v)이다. 본 발명의 실시예에서 상기 실리카 수용액의 농도가 80% (w/v)인 경우 제조된 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드는 혈관신생 형성뿐만 아니라 높은 골생성 효과를 확인할 수 있었다. 상기 농도가 45% (w/v) 미만인 경우 혈관 신생 효과가 미미하며, 상기 농도가 85% (w/v) 초과인 경우 코어의 하이드로겔로부터 Ca 이온이 충분히 분비되기 어려워 골형성 효과가 낮을 수 있다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 실리카 수용액의 농도는 50~80% (w/v)이다According to an embodiment of the present invention, the concentration of the aqueous silica solution is 45 to 85% (w/v). In the example of the present invention, when the concentration of the aqueous silica solution was 80% (w/v), the prepared silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold was able to confirm not only angiogenesis but also a high osteogenic effect. When the concentration is less than 45% (w/v), the angiogenic effect is insignificant, and when the concentration is more than 85% (w/v), it is difficult to sufficiently secrete Ca ions from the hydrogel of the core, so the osteogenic effect may be low. have. According to another embodiment of the present invention, the concentration of the aqueous silica solution is 50 to 80% (w / v)

본 발명의 다른 양태로서, 상기 방법으로 제조된 알지네이트 하이드로겔 코어 및 실리케이트 쉘을 포함하는 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드를 제공한다.As another aspect of the present invention, there is provided a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold comprising an alginate hydrogel core and a silicate shell prepared by the above method.

본 발명의 알지네이트 하이드로겔을 코어로 포함하는 경우, 알지네이트 하이드로겔이 쉘화된 경우에 비해 친수성 약물, 단백질, 성장인자 등의 로딩 및 운반이 용이하였다. When the alginate hydrogel of the present invention was included as a core, the loading and transport of hydrophilic drugs, proteins, growth factors, etc. were easier compared to the case in which the alginate hydrogel was shelled.

본 발명의 다른 양태로서, 제조된 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드를 유효성분으로 포함하는 경조직 재생용 조성물을 제공한다. As another aspect of the present invention, there is provided a composition for hard tissue regeneration comprising the prepared silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold as an active ingredient.

본 발명의 경조직 재생용 조성물은 반고체인 하이드로겔의 형태로서 별도의 지지체를 필요로 하지 않으면서도 성형이 용이하여 작거나 복잡한 형태의 손상 조직에도 맞추어 이식할 수 있다. 본 발명의 조성물의 경우 연속적인 반고체의 하이드로겔 섬유상으로 제조되므로 희석할 필요 없이 원하는 부위에 이식할 수 있어 도입된 조직에 빠른 생착을 도모할 수 있다. 한편 본 발명에 따른 조성물의 코어 및 쉘의 성분인 알지네이트와 실리케이트는 세포독성을 나타내지 않는 생체적합성 물질이며, 생분해성을 갖는 물질이므로 체내에 이식되어도 부작용이나 독성을 나타내지 않으며, 시간이 흐름에 따라 자연적으로 분해된다. The composition for hard tissue regeneration of the present invention is in the form of a semi-solid hydrogel, which does not require a separate support and is easily molded, so that it can be transplanted to fit small or complex damaged tissues. In the case of the composition of the present invention, since it is prepared in the form of continuous semi-solid hydrogel fibers, it can be transplanted to a desired site without dilution, thereby promoting rapid engraftment into the introduced tissue. On the other hand, alginate and silicate, which are components of the core and shell of the composition according to the present invention, are biocompatible materials that do not show cytotoxicity, and are biodegradable materials, so they do not show side effects or toxicity even when transplanted into the body. is decomposed into

본 발명의 실시예에서 스캐폴드의 혈관 신생 촉진 거동은 혈관신생 마커의 발현 및 in vitro 관 형성 및 in vivo 혈관 성장을 포함하는 내피세포 기능의 상향 조절 측면에서 실험하고, 스캐폴드는 혈관 신생 마커의 발현(~20배) 및 시험관 내 관형 형성(~50% 이상) 및 생체 내 혈관 성장(~10배)을 포함하는 내피세포 기능의 상향 조절을 확인하였다. 또한, 스캐폴드의 뼈 생활성을 무 세포 광물(하이드록시아파타이트) 형성 및 세포 골 형성 시험을 통해 확인하였으며, 실리케이트/알지네이트 스캐폴드는 결함이 있는 뼈 모델에 이식되어 신생 혈관의 촉진과 동시에 가속화된 경조직 형성(~3배)을 확인하여, 실리케이트-쉘화된 스캐폴드의 표면 기능이 표면에서 뼈 생활성 및 이온-유도된 혈관 신생 활성을 촉진시키는데 매우 효과적이며, 따라서 궁극적으로 경조직의 수선 및 재생에 유용함을 확인할 수 있었다.In the embodiment of the present invention, the angiogenesis-promoting behavior of the scaffold was tested in terms of upregulation of endothelial cell function, including expression of angiogenesis markers and in vitro tube formation and in vivo blood vessel growth, and scaffolds were tested for angiogenesis markers. Upregulation of endothelial function including expression (~20 fold) and tubular formation in vitro (~50% or more) and vascular growth in vivo (~10 fold) was confirmed. In addition, the bone bioactivity of the scaffold was confirmed through cell-free mineral (hydroxyapatite) formation and cellular bone formation tests, and the silicate/alginate scaffold was implanted in a defective bone model to promote angiogenesis and accelerated angiogenesis. Confirming hard tissue formation (~3 fold), the surface function of silicate-shelled scaffolds is highly effective in promoting bone bioactivity and ion-induced angiogenic activity at the surface, thus ultimately contributing to the repair and regeneration of hard tissue. was found to be useful.

본 발명의 다른 양태로서, 상기 방법으로 제조된 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드를 손상 경조직에 처리하는 단계를 포함하는 조직 재생 방법을 제공한다. As another aspect of the present invention, there is provided a tissue regeneration method comprising the step of treating the silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold prepared by the above method to damaged hard tissue.

본 발명은 혈관 신생 촉진, 골 형성 및 경조직 형성 효과가 있는 실리케이트 쉘 및 알지네이트 하이드로겔 코어를 포함하는 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드 및 이의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold comprising a silicate shell and an alginate hydrogel core having effects of promoting angiogenesis, bone formation and hard tissue formation, and a method for preparing the same.

도 1은 실리카 코팅된 알지네이트 하이드로겔 섬유의 생산과정 및 광학이미지를 나타낸다. (a)는 알지네이트 하이드로겔 섬유 스캐폴드를 제조방법을 나타내는 모식도이다. (b)는 알지네이트 하이드로겔 섬유의 실리카 층 코팅 및 Si4+ 및 Ca2+ 이온의 스캐폴드로부터 분비를 나타낸다. (c)는 하이드로겔 캐리어의 실리케이트 코팅 전후의 광학이미지를 나타낸다.
도 2는 실리카 코팅된 알지네이트 하이드로겔 섬유의 물리-화학적 특성을 나타낸다. (a)는 실리케이트가 없는(Si0%) 및 실리케이트-쉘(Si80%) 알지네이트 섬유의 SEM 및 EDX 결과를 나타내며, 흰색 화살표는 얇은 실리케이트 층을 나타낸다. (b)는 알지네이트(Si0%) 및 실리카-쉘 알지네이트 스캐폴드(Si50%, Si80%)의 FTIR 스펙트럼을 나타낸다. 실리케이트 코팅군(Si50% 및 Si80%)에서 Si-O 결합을 나타낸다. (c)는 1주 동안 다른 시점에서 Tris-HCl 버퍼에서 스캐폴드의 Si4+ 및 Ca2+ 이온 분비가 분석되었다. Ca2+는 알지네이트 하이드로겔 섬유의 분해 결과로서 모든 스캐폴드로부터 치료학적 관련 수준에서 1주일 이상 분비된 반면, Si4+는 외부 실리카 코팅 층의 실리카 그룹에서 분비되었다.
도 3은 내피세포와 함께 간접적으로 배양된 실리카 코팅된 알지네이트 하이드로겔 섬유의 세포독성 및 혈관신생 유전자 발현을 나타낸다. (a)는 스캐폴드가 내피세포의 증식에 미치는 간접적인 효과를 트랜스웰 멤브레인 및 HUVECs과 함께 3일 동안 연구한 결과이다. (b-f)는 VEGF, KDR, eNOS, bFGF 및 HIF-1α를 포함하는 혈관신생 관련 유전자의 발현을 정량적 qPCR에 의해 분석한 결과이다.
도 4는 실리카 코팅된 알지네이트 하이드로겔 섬유에서 내피세포(HUVECs)의 신생 관 형성을 나타낸다. (a)는 0, 7 또는 12시간에 마트리겔 상에 관 형성 및 Si0%, 50% 및 80%의 각 그룹으로부터 수득된 살아있는 세포를 나타내는 칼세인 양성 녹색 형광 이미지를 나타낸다. (b)는 원의 수, 마디 수 및 총 관 길이를 정량화하였다).
도 5는 랫트 피하 조직에 섬유 스캐폴드 이식 후 신 혈관 형성(in vivo)을 나타낸다. (a)는 2 및 4주에 헤마톡실린 및 에오신 염색에 의해 조직학적 절편이 분석되었다. 적색 화살표는 각 그룹에서 신 형성 혈관을 나타낸다. (b)는 이식 4주 후 그룹 간의 비교를 정량화 하였다. 실리케이트 없는 스캐폴드와 비교하여 실리케이트-쉘 스캐폴드 주위에 현저한 혈관 형성을 나타낸다(특히, Si80%)(스케일 바=200μm).
도 6은 무세포 하이드록시아파타이트(HA) 형성 및 세포 골형성 유전자 발현으로부터 골 생성 능력을 나타낸다. 무세포 HA 형성은 섬유가 SBF에 침지된 후 14일에 관찰되었다. (a)는 SEM을 통해 Si80% 스캐폴드의 표면에서 전형적인 하이드록시아파타이트(HA)-유사 결정 형태를 확인하였다. (b)는 XRD 스펙트럼을 통해 증착된 HA 결정을 확인하였다. (c)는 실리케이트/알지네이트 스캐폴드의 세포 골형성 잠재력을 rMSCs와 함께 골형성 유전자(Col1a1, ALP 및 OCN)의 향상된 발현에 의해 확인하였다.
도 7은 랫트 두개관 결함 모델을 이용한 생체내 골형성 능력을 나타낸다. (a)는 이식 6주 후, 빨간색-갈색으로 강조된 새로운 뼈를 나타내는 이미지이다. (b)는 낮은 배율과 높은 배율에서 H&E(헤마톡실린 및 에오신) 및 MT (Masson's trichrome) 염색을 나타낸다. 새로운 뼈(NB), 오래된 뼈(OB), OB 및 NB의 경계(녹색 점선), 물질(M), 혈관(*)을 나타낸다. (c)는 골 부피(BV), 표면(BS), 표면 밀도(BSD) 및 조직 부피(TV)의 μ-CT 정량 분석을 나타낸다.
1 shows the production process and optical image of silica-coated alginate hydrogel fibers. (a) is a schematic diagram showing a method for manufacturing an alginate hydrogel fiber scaffold. (b) shows the silica layer coating of alginate hydrogel fibers and secretion of Si 4+ and Ca 2+ ions from the scaffold. (c) shows the optical images before and after silicate coating of the hydrogel carrier.
2 shows the physico-chemical properties of silica-coated alginate hydrogel fibers. (a) shows the SEM and EDX results of silicate-free (Si0%) and silicate-shell (Si80%) alginate fibers, the white arrows indicate the thin silicate layer. (b) shows FTIR spectra of alginate (Si0%) and silica-shell alginate scaffolds (Si50%, Si80%). Si-O bonding is shown in the silicate coating group (Si50% and Si80%). (c) Si 4+ and Ca 2+ ion secretion of the scaffolds in Tris-HCl buffer at different time points during 1 week was analyzed. Ca 2+ was secreted at therapeutically relevant levels from all scaffolds over 1 week as a result of degradation of alginate hydrogel fibers, whereas Si 4+ was secreted from the silica group of the outer silica coating layer.
Figure 3 shows cytotoxicity and angiogenesis gene expression of silica-coated alginate hydrogel fibers indirectly cultured with endothelial cells. (a) is the result of studying the indirect effect of the scaffold on the proliferation of endothelial cells together with the transwell membrane and HUVECs for 3 days. (bf) is a result of quantitative qPCR analysis of the expression of angiogenesis-related genes including VEGF, KDR, eNOS, bFGF and HIF-1α.
Figure 4 shows the neovascularization of endothelial cells (HUVECs) in silica-coated alginate hydrogel fibers. (a) shows calcein positive green fluorescence images showing tube formation on Matrigel at 0, 7 or 12 h and live cells obtained from each group at SiO%, 50% and 80%. (b) quantified the number of circles, the number of nodes, and the total tube length).
5 shows renal angiogenesis (in vivo) after implantation of a fibrous scaffold into a rat subcutaneous tissue. (a) Histological sections were analyzed by hematoxylin and eosin staining at 2 and 4 weeks. Red arrows indicate neoplastic vessels in each group. (b) quantified comparisons between groups 4 weeks after transplantation. It shows significant vascularization around the silicate-shell scaffold (in particular, Si80%) compared to the silicate-free scaffold (scale bar=200 μm).
6 shows the ability to generate bone from acellular hydroxyapatite (HA) formation and cellular osteogenic gene expression. Cell-free HA formation was observed 14 days after the fibers were immersed in SBF. (a) confirmed the typical hydroxyapatite (HA)-like crystal morphology on the surface of the Si80% scaffold through SEM. (b) confirms the deposited HA crystals through the XRD spectrum. (c) The cellular osteogenic potential of silicate/alginate scaffolds was confirmed by enhanced expression of osteogenic genes (Col1a1, ALP and OCN) together with rMSCs.
Figure 7 shows the in vivo osteogenesis ability using the rat calvarial defect model. (a) is an image showing the new bone highlighted in red-brown color 6 weeks after transplantation. (b) shows H&E (hematoxylin and eosin) and MT (Masson's trichrome) staining at low and high magnifications. New bone (NB), old bone (OB), OB and boundary of NB (green dotted line), substance (M), blood vessel (*) are shown. (c) shows μ-CT quantitative analysis of bone volume (BV), surface (BS), surface density (BSD) and tissue volume (TV).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다, Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and in accordance with the gist of the present invention, the scope of the present invention is not limited by these examples. It is obvious to those of ordinary skill in the art,

실시예 1. 실리케이트-쉘화된 하이드로겔의 제조 및 특성Example 1. Preparation and characterization of silicate-shelled hydrogels

1-1. 실리케이트-쉘화된 하이드로겔의 제조 1-1. Preparation of silicate-shelled hydrogels

실리케이트-쉘화된 하이드로겔을 제조하기 위하여, 실리케이트 용액 시약으로 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS, Sigma-Aldrich) 및 1N 염산 표준 용액(Daejung, South Korea, 37314)을 사용하였으며, 알지네이트 하이드로겔을 제조하기 위하여 염화칼슘(CaCl2)(Sigma-Aldrich) 및 소듐 알지네이트(Duksan, South Korea, d918)를 사용하였다.In order to prepare the silicate-shelled hydrogel, tetraethyl orthosilicate (TEOS, Sigma-Aldrich) and 1N hydrochloric acid standard solution (Daejung, South Korea, 37314) were used as silicate solution reagents, and to prepare an alginate hydrogel Calcium chloride (CaCl 2 ) (Sigma-Aldrich) and sodium alginate (Duksan, South Korea, d918) were used.

TEOS를 탈이온수(DW)와 50% 및 80% w/v의 농도로 혼합하여 2가지 상이한 농도의 실리카 용액을 제조하였다. 이어서, 2.4 ml의 0.1M HCl을 촉매로서 혼합물에 첨가하고 400rpm에서 2-3시간 동안 격렬하게 교반하였다. 소듐 알지네이트3% (w/v)을 증류수에서 제조하고 균질하게 용해될 때까지 37℃의 수조에 넣었다. 먼저, 섬유 형태를 유지하기 위한 안정성으로 인해 3% (w/v) 알지네이트 용액 농도가 선택되었다. 반면, 1% (w/v) 알지네이트 섬유는 취성이 높고(brittle) 5% (w/v) 알지네이트 섬유는 높은 점도로 인해 비드를 형성하였다. 소듐 알지네이트 수용액을 로딩한 5ml 시린지를 주사 펌프를 통해 17G 사구 바늘(spinneret needle)을 통해 300mM CaCl2 용액에 60ml/h의 비율로 주입하고, 생성된 섬유를 용액에 5분 동안 유지시켜 칼슘 이온의 존재하에 알지네이트 중합체가 가교되도록 하였다. 알지네이트의 빠른 가교 결합은 칼슘 이온의 존재 하에서 발생하였고 이전에 보고된 바와 같이 섬유 구조가 유지될 수 있게 하였다. DW에서 2 분 동안 세척한 후, 생성된 섬유를 즉시 다른 TEOS 용액(50% 및 80%)에 5분 동안 담근 후 DW에 4번 담가서 다른 실험 절차 전에 과량의 용액을 제거하였다.Two different concentrations of silica solutions were prepared by mixing TEOS with deionized water (DW) at concentrations of 50% and 80% w/v. Then, 2.4 ml of 0.1M HCl were added to the mixture as catalyst and stirred vigorously at 400 rpm for 2-3 hours. Sodium alginate 3% (w/v) was prepared in distilled water and placed in a water bath at 37° C. until homogeneously dissolved. First, a 3% (w/v) alginate solution concentration was chosen because of its stability to maintain the fiber morphology. On the other hand, 1% (w/v) alginate fibers were brittle and 5% (w/v) alginate fibers formed beads due to their high viscosity. A 5ml syringe loaded with sodium alginate aqueous solution is injected at a rate of 60ml/h into a 300mM CaCl 2 solution through a 17G spinneret needle through an injection pump at a rate of 60ml/h, and the resulting fiber is maintained in the solution for 5 minutes to release calcium ions. The presence allowed the alginate polymer to crosslink. The rapid crosslinking of alginate occurred in the presence of calcium ions and allowed the fiber structure to be maintained as previously reported. After washing in DW for 2 min, the resulting fibers were immediately immersed in different TEOS solutions (50% and 80%) for 5 min and then immersed in DW 4 times to remove excess solution before other experimental procedures.

1-2. 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유 스캐폴드의 특성 1-2. Properties of silicate-shelled hydrogel fiber scaffolds

가교된 섬유 스캐폴드는 DW에서 세척하여 과량의 칼슘 이온 및/또는 실리카를 제거하고 액체 질소에 5분 동안 침지시키기 전에 초-흡수지(ultra-absorbent paper)로 조심스럽게 닦아내었다. 초고속 냉동 공정 후, 스캐폴드는 블레이드로 횡단면을 자르고 동결 건조시켰다. 이어서, 섬유 스캐폴드를 백금으로 스퍼터링하고, 미세 구조의 일반적인 형태를 에너지-분산 X-선 분광계가 장착된 주사 전자 현미경(SEM, JEOL-SEM 3000, Hitachi, Japan)에 의해 관찰하여 요소 조성(EDS, Oxford Instruments, UK)을 분석하였다. 동결 건조된 하이드로겔의 화학적 결합 구조는 푸리에 변환 적외선 분광법(Varian 640-IR, Australia)에 의해 확인하였다. 상이한 섬유 제조 조건에서 수용액에서의 하이드로겔 직경은 변성 소프트웨어가 장착된 현미경(IX71; Olympus, Japan)에 의해 광학적으로 측정되었다.The crosslinked fibrous scaffolds were washed in DW to remove excess calcium ions and/or silica and carefully wiped with ultra-absorbent paper before immersion in liquid nitrogen for 5 minutes. After the ultrafast freezing process, the scaffolds were cross-sectioned with a blade and freeze-dried. Then, the fiber scaffold was sputtered with platinum, and the general morphology of the microstructure was observed by a scanning electron microscope (SEM, JEOL-SEM 3000, Hitachi, Japan) equipped with an energy-dispersive X-ray spectrometer to determine the urea composition (EDS). , Oxford Instruments, UK) were analyzed. The chemical bonding structure of the freeze-dried hydrogel was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (Varian 640-IR, Australia). Hydrogel diameters in aqueous solution at different fiber preparation conditions were measured optically by a microscope equipped with denaturation software (IX71; Olympus, Japan).

그 결과, 섬유 스캐폴드와 함께, 다양한 실리케이트 농도에서 졸-겔 실리케이트가 코팅되었다(도 1b). 실리케이트 쉘이 알지네이트 섬유 스캐폴드에 약간의 강성을 부여하더라도, 쉘이 있는(Si80%) 및 쉘이 없는(Si0%) 섬유 스캐폴드는 쉽게 성형되고 임의의 특정 형상으로 이식될 수 있었다. SEM에 의해 관찰된 바와 같이, 실리케이트 쉘을 갖거나 갖지 않는 알지네이트 섬유의 형태는 상이한 표면 질감을 나타냈다. Si80%에서는 건조 용암-유사 형태, Si0%에서 물결형태 표면을 나타냈다(도 2a). 맵핑을 갖는 EDS는 Si80%의 얇은 외부 층이 Si-풍부한 것으로 확인하였다. FT-IR 스펙트럼은 실리케이트-쉘 스캐폴드에서 전형적인 실리케이트 관련 밴드(413cm-1 및 418cm-1에서 Si-O-Si, 556cm-1에서 Si-O 피크, 943 및 927cm-1에서 Si-H stretching 및 2891 및 2874 cm-1에서 CH stretching)를 나타낸 반면 모든 그룹에서 알지네이트 관련 피크(1403cm-1에서 C-O-H stretching, 1585 및 1619cm-1에서 C-O stretching, 1010cm-1 및 3000~3500cm-1 에서 O-H stretching)가 관찰되었다(도 2b).As a result, along with the fibrous scaffolds, sol-gel silicates were coated at various silicate concentrations (Fig. 1b). Although the silicate shell imparts some stiffness to the alginate fiber scaffolds, the shelled (Si80%) and shellless (Si0%) fiber scaffolds could be easily molded and implanted into any specific shape. As observed by SEM, the morphology of alginate fibers with and without silicate shells showed different surface textures. A dry lava-like morphology was exhibited at Si80%, and a wavy surface at Si0% (Fig. 2a). EDS with mapping confirmed that the thin outer layer of Si80% was Si-rich. FT-IR spectra are typical of silicate-related bands in silicate-shell scaffolds (Si-O-Si at 413 cm -1 and 418 cm -1 , Si-O peaks at 556 cm -1 , Si - H stretching and CH stretching at 2891 and 2874 cm -1 ), whereas alginate-related peaks (COH stretching at 1403 cm -1 , CO stretching at 1585 and 1619 cm -1 , OH stretching at 1010 cm -1 and 3000-3500 cm -1 ) in all groups. observed (Fig. 2b).

실시예 2. 스캐폴드의 이온 분비 및 혈관 신생 형성(in vitro)Example 2. Ion secretion and angiogenesis of scaffolds (in vitro)

2-1. 스캐폴드의 칼슘 및 실리케이트 이온 분비 분석 2-1. Calcium and Silicate Ion Secretion Analysis of Scaffolds

섬유 스캐폴드로부터 실리콘 및 칼슘 이온의 분비는 ICP-AES(PerkinElmer, OPTIMA 4300DV)을 사용하여 검출되었다. 요약하면, 각 스캐폴드 그룹(0.3ml)은 37℃, pH7 (Sigma-Aldrich, USA, 252859)에서 0.1M Tris 완충액에 담그고 보관되었다. 상청액을 특정 기간(12시간, 1, 3 및 7일) 동안 수집한 후, 후속 특성화를 위해 멸균 시린지 필터를 통해 여과하였다.The secretion of silicon and calcium ions from the fibrous scaffold was detected using ICP-AES (PerkinElmer, OPTIMA 4300DV). Briefly, each scaffold group (0.3 ml) was immersed in 0.1 M Tris buffer and stored at 37° C., pH 7 (Sigma-Aldrich, USA, 252859). Supernatants were collected for a specified period of time (12 hours, 1, 3 and 7 days) and then filtered through a sterile syringe filter for subsequent characterization.

그 결과, 침지의 처음 12시간 동안, Si80%로부터 방출된 실리케이트 이온의 양은 ~85ppm이고, 24시간에 ~160ppm으로 두배가 되었다. 더 지속된 분비는 더 긴 배양 시간에서 관찰되었고, 7 일에 실험이 종료시에 326ppm에 도달했다. Si0% 그룹은 실리케이트 이온의 분비를 나타내지 않은 반면, 칼슘 이온은 Si80% 그룹보다 Si0% 그룹에서 더 높게 분비되었다. 칼슘 이온의 분비는 칼슘과 알지네이트 단량체 사이의 약한 상호작용의 가수분해에 기인하며, 실리케이트 쉘은 내부 알지네이트 하이드로겔로부터의 칼슘 분비를 감소시킬 수 있다. 실리케이트/알지네이트 스캐폴드의 이온 분비에 대한 결과는 평균적으로 ~47ppm/일의 실리케이트 이온 및 11~23ppm/일의 칼슘 이온이 분비되었으며, 이는 혈관 신생 및 골 형성과 같은 세포 반응에 영향을 미치는 실리케이트/알지네이트 스캐폴드로부터 이온의 가능한 역할을 제안한다. 상기 실리케이트 코팅은 코어 생체 분자/이온의 최소 이동과 함께 추가적인 치료적 이온(실리케이트)을 유도할 수 있고, 결과적으로 생물학적 효능을 가속화시키는 것으로 추정되었다. 특히, 뼈 재생을 위해, 외부 표면으로부터 초기에 방출된 다량의 실리케이트 이온은 조기 혈관 형성 유도 과정에 유리하고, 내부 부분으로부터 더 느리게 방출된 칼슘 이온은 또한 추가의 골 형성 과정을 지지할 수 있다.As a result, during the first 12 hours of immersion, the amount of silicate ions released from Si80% was -85 ppm, doubling to -160 ppm at 24 hours. A more sustained secretion was observed at longer incubation times and reached 326 ppm at the end of the experiment on day 7. The Si0% group showed no secretion of silicate ions, whereas calcium ions were secreted higher in the Si0% group than in the Si80% group. The secretion of calcium ions is due to hydrolysis of the weak interaction between calcium and alginate monomers, and the silicate shell can reduce calcium secretion from the inner alginate hydrogel. The results for ion secretion of silicate/alginate scaffolds showed that, on average, ~47 ppm/day of silicate ions and 11-23 ppm/day of calcium ions were secreted, which in turn affects cellular responses such as angiogenesis and bone formation. suggest a possible role of ions from the alginate scaffold. It was hypothesized that the silicate coating could induce additional therapeutic ions (silicate) with minimal migration of core biomolecules/ions, and consequently accelerate biological efficacy. In particular, for bone regeneration, a large amount of silicate ions initially released from the outer surface favors the process of inducing early angiogenesis, and calcium ions released more slowly from the inner part can also support further bone formation processes.

2-2. 스캐폴드의 혈관 신생 형성 능력 분석2-2. Analysis of the angiogenic capacity of scaffolds

스캐폴드의 HUVECs에 대한 혈관 신생효과는 생체 재료에서 분비된 이온으로부터의 관 형성 및 혈관신생 유전자를 조사하는 간접 방법에 의해 평가되었다. HUVEC(ATCC, US, PCS-100-010)을 본 연구에서 혈관 신생을 분석하기 위해 사용하였다. HUVEC를 내피세포 성장 키트-VEGF(ATCC, US, PCS-100-041)가 보충된 혈관 세포 기초 배지(ATCC, US, PCS-100-030)에서 배양하였다. HUVEC 세포는 합류될 때까지 37℃에서 공기 중 5% CO2와 함께 습한 분위기에서 배양되었다. 스캐폴드로부터 방출된 실리콘 및 칼슘 이온의 효과를 분석하기 위해 간접 배양 방법에 의해 세포 거동이 결정되었다. 먼저, 3×104 HUVEC를 24-웰 플레이트의 각 웰로 옮기고 밤새 배양하였다. 이어서, 0.3ml 스캐폴드(스캐폴드가 없는 배양 플레이트가 대조군으로 사용됨)를 0.5mL의 배지가 있는 분주된 HUVEC 세포 위의 트랜스 웰 투과성 삽입물(transwell permeable inserts) (Corning; US 353097)에 두었다. 1, 3 및 7일 동안 세포 증식을 측정하기 위해 세포 계수 키트-8(Dojindo Molecular Technologies, Japan, CCK-8)을 사용하였다. 요약하면, 각 웰에 대해, 성장 배지가 20μL의 CCK-8 용액(10:1)을 함유하는 200μL의 배지로 교체되고, 2 시간 동안 배양하였다. 배양 후, 100μL의 용액을 96-웰 플레이트의 각 웰로 옮기고, 450nm에서 마이크로 플레이트 흡광도 리더(iMark; BIO-RAD, US)에 의해 광학 밀도를 검출하였다. 그 결과, 세포 생존 가능성이 섬유 그룹에서 최대 3일까지 유사하게 증가됨을 입증하여, 스캐폴드에 독성이 없었음을 시사했다(도 3a).The angiogenic effect of scaffolds on HUVECs was evaluated by an indirect method of examining tube formation and angiogenesis genes from ions secreted from biomaterials. HUVECs (ATCC, US, PCS-100-010) were used to analyze angiogenesis in this study. HUVECs were cultured in vascular cell basal medium (ATCC, US, PCS-100-030) supplemented with Endothelial Cell Growth Kit-VEGF (ATCC, US, PCS-100-041). HUVEC cells were incubated in a humid atmosphere with 5% CO 2 in air at 37° C. until confluent. Cell behavior was determined by an indirect culture method to analyze the effect of silicon and calcium ions released from the scaffolds. First, 3×10 4 HUVECs were transferred to each well of a 24-well plate and incubated overnight. Then, 0.3 ml scaffolds (culture plates without scaffolds used as controls) were placed in transwell permeable inserts (Corning; US 353097) over aliquoted HUVEC cells with 0.5 ml of medium. Cell counting kit-8 (Dojindo Molecular Technologies, Japan, CCK-8) was used to measure cell proliferation for 1, 3 and 7 days. Briefly, for each well, the growth medium was replaced with 200 μL of medium containing 20 μL of CCK-8 solution (10:1) and incubated for 2 hours. After incubation, 100 μL of the solution was transferred to each well of a 96-well plate, and the optical density was detected by a microplate absorbance reader (iMark; BIO-RAD, US) at 450 nm. The results demonstrated that cell viability was similarly increased in the fiber group up to 3 days, suggesting that the scaffold was not toxic (Fig. 3a).

혈관 신생과 관련된 유전자 발현의 정량 분석은 정량적 실시간 PCR(qPCR)에 의해 확인하였다. 각각의 24 웰 플레이트에서 총 1x105 HUVEC를 배양하였다. 0.3ml 스캐폴드를 함유하는 트랜스 웰 인서트를 내피 성장 배지를 갖는 플레이트의 각 웰에 적용하였다. 24시간 노출 후, 제조사의 지시에 따라 수확된 세포로부터 총 RNA를 분리하였다(GeneAll, South Korea, 304-150). 2μg mRNA의 역전사를 임의의 6 량체 및 RNAse free water 혼합물에서 AccuPower RT-PCR 프리믹스(Bioneer, South Korea, 15030111C)와 함께 열 사이클러(thermal cycler)(HID Veriti® 96-well Thermal Cycler, Applied Biosystems, US, 4479071)에서 수행하였다. 유전자 발현은 RealAmp ™ SYBR qPCR Master mix (GeneAll Biotechnology, South Korea, 801-051)와 함께 열 사이클러(StepOne ™ Plus, Applied Biosystems, US)에서 수행된 실시간 PCR에 의해 결정되었다. 상대적인 유전자 발현 수준을은 비교 Ct 방법(2-ΔΔCt)을 사용하여 계산하고 내인성 인간 GAPDH 유전자 발현에 대해 정규화하였다. 혈관 신생 유전자 증폭에 사용된 프라이머는 표 1에 나타냈다.Quantitative analysis of angiogenesis-related gene expression was confirmed by quantitative real-time PCR (qPCR). A total of 1× 10 5 HUVECs were cultured in each 24-well plate. Trans well inserts containing 0.3 ml scaffold were applied to each well of the plate with endothelial growth medium. After 24 h exposure, total RNA was isolated from harvested cells according to the manufacturer's instructions (GeneAll, South Korea, 304-150). Reverse transcription of 2 μg mRNA was performed in a thermal cycler (HID Veriti® 96-well Thermal Cycler, Applied Biosystems, US, 4479071). Gene expression was determined by real-time PCR performed in a thermal cycler (StepOne™ Plus, Applied Biosystems, US) with RealAmp™ SYBR qPCR Master mix (GeneAll Biotechnology, South Korea, 801-051). Relative gene expression levels were calculated using the comparative Ct method (2-ΔΔCt) and normalized to endogenous human GAPDH gene expression. The primers used for angiogenesis gene amplification are shown in Table 1.

GeneGene Forward (5'-3')Forward (5'-3') Reverse (5'-3')Reverse (5'-3') Housekeeping
gene
housekeeping
gene
Rat GAPDHRat GAPDH CAAGGATACTGAGAGCAAGAGCAAGGATACTGAGAGCAAGAG ATGGAATTGTGAGGGAGATGATGGAATTGTGAGGGAGATG
Human GAPDHHuman GAPDH GATTTGGTCGTATTGGGCGGATTTGGTCGTATTGGGCG CTGGAAGATGGTGATGGCTGGAAGATGGTGATGG Angiogenic
markers
Angiogenic
markers
VEGFVEGF TGCGGATCAAAC CTCACCATGCGGATCAAAC CTCACCA CAGGGATTTTT CTTGTCTTGCCAGGGATTTTT CTTGTCTTGC
KDRKDR GTGATCGGAA ATGACACTGGAGGTGATCGGAA ATGACACTGGAG CATGTTGTTCAC TAACAGAAGCACATGTTGTTCAC TAACAGAAGCA HIF1αHIF1α CCATGTGACCA TGAGGAAATCCATGTGACCA TGAGGAAAT CGGCTAGTTAGGG TACACTTCGGCTAGTTAGGG TACACTT eNOSeNOS TGTCCAACATGC TGCTGGAAATTGTGTCCAACATGC TGCTGGAAATTG AGGAGGTCTTCTTCCTGGTGATGCCAGGAGGTCTTCTTCCTGGTGATGCC bFGFbFGF CAATTCCCATGTGCTGTGACCAATTCCCATGTGCTGTGAC ACCTTGACCTCTCAGCCTCAACCTGACCTCTCAGCCTCA Osteogenic
markers
Osteogenic
markers
ALPALP CTCTGCCGTTGTTTCTCTATCTCTGCCGTTGTTTCTCTAT AGGTGCTTTGGGAATCTGAGGTGCTTTGGGAATCTG
COL1A1COL1A1 CTGGTACATCAGCCCAAACCTGGTACATCAGCCCAAAC GAACCTTCGCTTCCATACTCGAACCTTCGCTTCCATACTC BSPBSP GTACATCTGAACGGCTAAGGGTACATCTGAACGGCTAAGG GTTTGGTAAATCTGGCAACTCGTTTGGTAAAATCTGGCAACTC OCNOCN GCTTCAGCTTTGGCTACTGCTTCAGCTTTGGCTACT CGTTCCTCATCTGGACTTTATCGTTCCTCATCTGGACTTTAT

VEGF, HIF-1α, KDR, bFGF 및 eNOS와 같은 신생 혈관-관련 유전자의 발현은 24시간에 분석한 결과, VEGF 및 이의 수용체 KDR의 유전자 발현 수준은 대조군 세포 그룹과 비교하여 실리카-쉘 그룹(Si50% 또는 Si80%)에서 2~2.5배까지 현저하게 상승 조절되었다. 특히, eNOS, bFGF 및 HIF1-α와 같은 다른 혈관신생 유전자의 발현은 실리카-쉘 섬유(Si50% 또는 Si80%)에서 초기의(pristine) 섬유(Si0%, P<0.05 or P<0.001)에 비해 최대 4 내지 20배 유의하게 높았다(도 3b-f). 이 결과는 섬유 스캐폴드, 특히 Si80%에서 방출된 실리케이트 이온이 혈관 신생 유전자 발현을 자극하는 데 유의한 효과를 나타냄을 입증한다. 즉, 스캐폴드로부터의 이온의 분비는 세포 증식에 부정적인 영향을 주지 않고, 내피세포(HUVECs)에서 혈관 신생 마커(VEGF, KDR, eNOS, bFGF 및 HIF1-α)의 mRNA 발현을 자극하는 데 매우 효과적이었다The expression of angiogenesis-related genes such as VEGF, HIF-1α, KDR, bFGF and eNOS was analyzed at 24 hours. As a result, the gene expression levels of VEGF and its receptor KDR were found in the silica-shell group (Si50) compared to the control cell group. % or Si80%) was significantly up-regulated from 2 to 2.5 times. In particular, the expression of other angiogenic genes such as eNOS, bFGF, and HIF1-α was higher in silica-shell fibers (Si50% or Si80%) compared to pristine fibers (Si0%, P<0.05 or P<0.001). up to 4-20 fold significantly higher (Fig. 3b-f). These results demonstrate that the silicate ions released from the fibrous scaffold, especially Si80%, have a significant effect on stimulating angiogenic gene expression. That is, the secretion of ions from the scaffold is highly effective in stimulating mRNA expression of angiogenesis markers (VEGF, KDR, eNOS, bFGF and HIF1-α) in endothelial cells (HUVECs) without negatively affecting cell proliferation. was

관 네트워크 형성은 Matrigel™ 매트릭스(BD Biosciences, US, 356234)상에서 HUVEC를 배양함으로써 조사되었다. 스캐폴드를 포함하는 인서트는 Matrigel의 상부에 배치되었고, 따라서 세포의 이온 상호작용을 허용하였다. 제조사의 지침에 따라 24-웰 플레이트 표면을 37℃에서 15분 동안 Matrigel™으로 덮었다. 겔화 후, 1×103 HUVEC 세포를 균질하게 Matrigel 상에 분주한 다음, 0.3ml 스캐폴드를 트랜스 웰 인서트에 로딩하고 각각의 웰에 두었다. 상이한 시점(n = 5, 0, 7, 12시간)에서 역광 현미경(IX71; Olympus, Japan)을 사용하여 관 형태를 관찰하였다. 각 그룹에 대해, 3회 샘플을 수행하고, 임의의 필드를 촬영하여 혈관 신생을 하였다. ImageJ 소프트웨어를 사용하여 총 세관 길이, 마디(node) 수(분기점) 및 원(메쉬형 원)을 분석했다.Tube network formation was investigated by culturing HUVECs on Matrigel™ matrix (BD Biosciences, US, 356234). The insert containing the scaffold was placed on top of the Matrigel, thus allowing ionic interactions of the cells. The 24-well plate surface was covered with Matrigel™ for 15 min at 37°C according to the manufacturer's instructions. After gelation, 1×10 3 HUVEC cells were homogeneously aliquoted on Matrigel, and then 0.3ml scaffolds were loaded into transwell inserts and placed in each well. Tube morphology was observed at different time points (n = 5, 0, 7, 12 h) using a back-light microscope (IX71; Olympus, Japan). For each group, three samples were taken, and random fields were photographed for angiogenesis. ImageJ software was used to analyze total tubule length, number of nodes (branch points) and circles (mesh circles).

그 결과, 광학 형태(0, 7, 12시간) 및 살아있는 칼세인 염색 세포(12시간)는 세포의 관 형성 능력 및 살아있는 상태를 조사하기 위해 시각화되었다(도 4a). 총 관 길이, 마디 수, 관 원의 수와 같은 관형 네트워킹을 정량화하였다(도 4b). 7 시간에, Si80%는 세포 단독 대조군 또는 Si0%와 비교하여 관 원 및 마디 수에서 ~50%의 유의한 증가를 입증했다. 7시간에 비해 12시간에서 원과 마디의 감소 수는 관 형성 및 이에 따르는 관 길이의 증가에 의한 것이다. As a result, optical morphology (0, 7, 12 h) and live calcein-stained cells (12 h) were visualized to investigate the tube-forming ability and live state of the cells (Fig. 4a). Tubular networking such as total tube length, number of nodes, and number of tube circles was quantified (Fig. 4b). At 7 h, Si80% demonstrated a significant increase of -50% in the number of tube circles and nodes compared to the cells alone control or SiO%. The decrease in the number of circles and nodes at 12 hours compared to 7 hours is due to tube formation and subsequent increase in tube length.

실시예 3. 스캐폴드 피하 이식 랫트의 혈관 형성(in vivo)Example 3. Angiogenesis of Scaffold Subcutaneous Implantation Rats (in vivo)

6 주령 Sprague-Dawley 수컷 랫트의 피하 조직 아래에 섬유 스캐폴드를 이식하고 상이한 시점(2 및 4주)에 분석함으로써 생체 적합성 및 신 혈관 형성 능력을 평가하였다(in vivo). 각 실험 그룹(Si0%, Si50% 및 Si80%)에 대해 4개의 반복 실험이 연구에 사용되었다. 동물들은 임의로 제공되는 식량과 물이 있는 통제된 환경하에서 개별 케이지에서 보호되었다. 케타민/자일라진의 근육 내 주사에 의해 마취 조건 하에서 동물 수술을 수행하였다. 피부의 등 부위를 면도하고 70% 에탄올 및 포비돈(povidone) 용액으로 멸균하였다. 상이한 실험 그룹으로부터의 섬유 스캐폴드 0.5mL를 척추의 양쪽 측면의 피부 아래에 만들어진 별도의 포켓에 이식하였다. 또한, 비 흡수성 봉합사 재료(4-0 Prolene, Ethicon, Germany)로 절개를 막고 각 시점에서 조직학적 분석 전에 동물을 희생시켰다. 이식된 스캐폴드 영역을 추출하고 실온에서 24시간 동안 10% 중성 완충 포르말린으로 고정시켰다. 시편을 순차적 구배 에탄올(ordered gradient of ethanol)로 탈수시키고, 이등분하여 파라핀에 포매시켰다. 5μm의 조직 부분을 마이크로톰 (Leica RM2245, Leica ™, Biosystems, Germany)으로 절단하였다. 마지막으로, 헤마톡실린 및 에오신(H&E)으로 샘플을 염색하고 광학 현미경(IX71, Olympus, Japan)으로 분석하였다.Biocompatibility and neovascularization capacity were evaluated (in vivo) by implanting fibrous scaffolds under the subcutaneous tissue of 6-week-old Sprague-Dawley male rats and analyzing them at different time points (2 and 4 weeks). Four replicates were used in the study for each experimental group (Si0%, Si50% and Si80%). Animals were housed in individual cages under controlled conditions with ad libitum food and water provided. Animal surgery was performed under anesthetic conditions by intramuscular injection of ketamine/xylazine. The back of the skin was shaved and sterilized with 70% ethanol and povidone solution. 0.5 mL of fibrous scaffolds from different experimental groups were implanted in separate pockets made under the skin on both sides of the spine. In addition, the incision was closed with non-absorbable suture material (4-0 Prolene, Ethicon, Germany) and the animals were sacrificed prior to histological analysis at each time point. The grafted scaffold regions were extracted and fixed with 10% neutral buffered formalin for 24 h at room temperature. Specimens were dehydrated with an ordered gradient of ethanol, halved and embedded in paraffin. Tissue sections of 5 μm were cut with a microtome (Leica RM2245, Leica™, Biosystems, Germany). Finally, samples were stained with hematoxylin and eosin (H&E) and analyzed by light microscopy (IX71, Olympus, Japan).

그 결과, H&E 염색 이미지는 이식된 물질 주위의 심각한 조직 독성 및 염증이 없음을 제시한다. 적혈구를 가진 신생-혈관은 진한 빨강으로 염색되었고(붉은 화살표), Si80%에서 형성된 혈관이 Si0%보다 더 많이 나타났다(도 5). 혈관의 총 수와 면적 및 직경 분포를 수량적으로 측정하였고, 그 결과 실리카-쉘 그룹(Si50% 또는 Si80%)에서 혈관의 총 수와 면적이 Si0% 그룹에 비해 3~10배 현저한 증가를 나타났다. 혈관의 직경의 분포는 Si0%와 Si50%에 비해 Si80%에서 큰 직경혈관의 분획을 밝혀, 다른 실험군에 비해 Si80%에 상당한 차이가 있었다. 종합적으로, 실리카-쉘 섬유 하이드로겔에서 분비된 실리케이트 이온(특히 Si80%)은 심각한 염증 없이 뛰어난 생체 적합성을 유지하는 반면, 생체 내에서 신 혈관 형성을 자극하는 데 크게 관여하는 것으로 여겨진다. As a result, H&E staining images suggest no severe tissue toxicity and inflammation around the implanted material. New-vessels with erythrocytes were stained dark red (red arrow), and more vessels formed in Si80% than in Si0% (Fig. 5). The total number, area, and diameter distribution of blood vessels were quantitatively measured. As a result, the total number and area of blood vessels in the silica-shell group (Si50% or Si80%) significantly increased 3 to 10 times compared to the Si0% group. . The distribution of blood vessel diameter revealed a large-diameter blood vessel fraction in Si80% compared to Si0% and Si50%, and there was a significant difference in Si80% compared to other experimental groups. Collectively, the silicate ions (especially Si80%) secreted from silica-shell fiber hydrogels are believed to be highly involved in stimulating neovascularization in vivo, while maintaining excellent biocompatibility without severe inflammation.

실시예 4. 스캐폴드 골형성 분석 Example 4. Scaffold Osteogenesis Assay

4-1. 아파타이트 형성 능력 및 골형성 능력 분석(in vitro)4-1. Analysis of apatite forming ability and osteogenic capacity (in vitro)

혈관 신생 능력과 함께, 골 형성 특성은 뼈 재생 물질로 사용하기 위한 중요 요소이다. 우선, SBF에서 스캐폴드의 아파타이트 형성 능력에 의해 비세포성 골 생활성을 관찰하였다. 다음으로, 혈관 신생 분석에 기초하여 Si80% 스캐폴드 대 Si0%의 세포 골형성 자극을 시험하여 골형성 촉진에 대한 잠재력을 밝혔다Along with angiogenic capacity, osteogenic properties are important factors for use as bone regeneration materials. First, acellular bone bioactivity was observed by the apatite-forming ability of the scaffolds in SBF. Next, based on angiogenesis assays, we tested cellular osteogenic stimulation of Si80% scaffolds vs. Si0% to reveal their potential to promote osteogenicity.

섬유 스캐폴드의 아파타이트-형성 능력은 14일 동안 37℃에서 10ml의 모의 체액(2xSBF)이 있는 15ml 튜브에 배치된 각 실험군으로부터 0.5ml의 샘플을 배양함으로써 추정되었다. 하이드록시아파타이트 형성을 확인하기 위해, 하이드로겔을 증류수로 조심스럽게 세척하고, 밤새 동결 건조시키고, SEM 및 X-선 회절(Rigaku, Ultima IV, Japan)에 의해 검사하였다.The apatite-forming ability of the fibrous scaffolds was estimated by incubating 0.5 ml of samples from each experimental group placed in 15 ml tubes with 10 ml of simulated body fluid (2xSBF) at 37° C. for 14 days. To confirm hydroxyapatite formation, the hydrogel was carefully washed with distilled water, lyophilized overnight, and examined by SEM and X-ray diffraction (Rigaku, Ultima IV, Japan).

스캐폴드의 골형성 능력을 측정하기 위해 랫트 중간엽 세포를 분리하고, 세포를 6250cell/㎠의 비율로 TCP 기질상에서 배양하고, 임의의 실험 전에 24 시간 동안 배양하였다. 동시에, 알지네이트 및 실리케이트-알지네이트 섬유를 α-modified MEM(Welgene, South Korea, LM 008-53)에 침지시키고 37 ℃에서 24 시간 동안 배양하였다. 다음날, 조절된 배지 둘 다를 수집하고, 여과하고 10% 우태아혈청(FBS)(Corning, USA, 35-015-CV), 1% 페니실린-스트렙토 마이신(Gibco, USA, 15140-122) 및 골 형성 인자(10mM β-글리세롤 포스페이트, 10nM 덱사메타손 및 50 μg/mL 아스코르브산)로 보충하였다. 세포를 상이한 골 형성 배지에 노출시키고 여러 시점(7-28일)에서 추가 특성화를 위해 대조군과 비교하였다. 배지는 격일로 바꿔주었다. 랫트 MSC의 골 형성 분화는 상기 언급된 프로토콜에 따라 qPCR에 의해 분석되었고, 사용된 프라이머는 상기 표 1에 열거되어있다.To measure the osteogenic capacity of the scaffolds, rat mesenchymal cells were isolated, and the cells were cultured on TCP substrate at a rate of 6250 cells/cm 2 , and cultured for 24 hours before any experiments. Simultaneously, alginate and silicate-alginate fibers were immersed in α-modified MEM (Welgene, South Korea, LM 008-53) and incubated at 37° C. for 24 hours. The next day, both conditioned media were collected, filtered and mixed with 10% fetal bovine serum (FBS) (Corning, USA, 35-015-CV), 1% penicillin-streptomycin (Gibco, USA, 15140-122) and bone formation. supplemented with factors (10 mM β-glycerol phosphate, 10 nM dexamethasone and 50 μg/mL ascorbic acid). Cells were exposed to different osteogenic media and compared to controls for further characterization at different time points (days 7-28). The badge was changed every other day. Osteogenic differentiation of rat MSCs was analyzed by qPCR according to the aforementioned protocol, and the primers used are listed in Table 1 above.

그 결과, SBF에서 스캐폴드의 아파타이트 형성 능력에 의해 비세포성 골 생활성을 확인하였다. SBF에 침지한 후 Si80% 섬유 스캐폴드의 SEM 이미지는 표면에서 전형적인 아파타이트 결정 성장을 나타낸 반면 이러한 광물화 과정은 Si0%에서 동일한 조건하에서 진행되지 않았다(도 6a 및 b). 이러한 현상은 생활성 실리케이트-기반 물질에 의해 설명될 수 있다. 즉, 칼슘 이온 분비의 일련의 과정에서, 실라놀 기가 있는 수화된 실리케이트 상에 침전된 칼슘 및 포스페이트 이온이 침전되고, 시간에 따라 결과적으로 칼슘 포스페이트 결정이 형성되는 것으로 설명될 수 있다. Si80%에 나타난 높은 아파타이트 피크 강도와 함께, XRD 스펙트럼은 SBF에 침지 한 후 2θ~27°, ~32° 및 ~46°에서 아파타이트 관련 회절 피크를 나타내 실리카-쉘화된 스캐폴드는 뼈와 같은 미네랄 형성 능력을 향상시켰다As a result, acellular bone bioactivity was confirmed by the apatite-forming ability of the scaffold in SBF. SEM images of Si80% fiber scaffolds after immersion in SBF showed typical apatite crystal growth on the surface, whereas this mineralization process did not proceed under the same conditions in Si0% (Figs. 6a and b). This phenomenon can be explained by bioactive silicate-based materials. That is, it can be explained that in a series of processes of calcium ion secretion, calcium and phosphate ions precipitated on the hydrated silicate having a silanol group are precipitated, and calcium phosphate crystals are formed as a result with time. With the high apatite peak intensities shown in Si80%, the XRD spectra show apatite-related diffraction peaks at 2θ~27°, ~32° and ~46° after immersion in SBF, indicating that the silica-shelled scaffolds form bone-like minerals. improved ability

다음으로, 혈관 신생 분석에 기초하여 Si80% 스캐폴드 대 Si0%의 세포 골형성 자극을 시험 결과, 그룹 중 Si80%에서 가장 두드러진 혈관 신생 잠재력, 결과적으로 골형성 촉진에 대한 잠재력을 확인하였다. 24시간 동안 Si0% 및 Si80% 스캐폴드를 침지한 후 수집된 조절된 배지는 rMSC에 처리하였다. 2주 동안 배양한 후, 골형성 유전자 발현을 qPCR으로 대조군(OM)과 비교하여 분석하였다(도 6c). Si0%는 골형성 유전자 발현 증가에 아무런 영향을 미치지 않았으며, Si80%는 콜라겐 타입 I 및 알칼리 포스파타아제(alkaline phosphatase)와 같은 초기 마커 및 오스테오칼신과 같은 후기 마커를 포함하는 골생성 유전자 발현을 최대 1.5~4배 현저히 증가시킬 수 있었다. 특히, Si80%는 Si0에 비해 최대 1.8~4배까지 모든 골형성 유전자의 발현이 현저한 증가를 나타냈으며, 줄기세포의 골형성을 자극하는 데 분비되는 이온의 중요한 역할을 입증했다. 칼슘 이온이 칼슘 신호 활성화를 통한 골 형성 분화에 관여하는 것으로 알려져 있지만, 이 연구에서 칼슘 이온의 영향은 Si0% 추출물에 의해 유의한 증가가 없었기 때문에 잘 드러나지 않았다. 오히려, Si80%를 통한 칼슘 이온과 실리케이트 이온의 결합된 역할은 rMSC의 골 형성 자극에서 보다 명백한 것으로 나타났다. Next, based on the angiogenesis analysis, Si80% scaffold vs. Si0% cellular osteogenesis stimulation was tested. Among the groups, Si80% had the most prominent angiogenic potential and, consequently, the potential for osteogenesis promotion. After soaking the scaffolds in Si0% and Si80% for 24 h, the collected conditioned medium was treated with rMSCs. After culturing for 2 weeks, osteogenic gene expression was analyzed by qPCR compared to the control (OM) (Fig. 6c). Si0% had no effect on increased osteogenic gene expression, and Si80% maximally increased osteogenic gene expression, including early markers such as collagen type I and alkaline phosphatase, and late markers such as osteocalcin. It was possible to significantly increase 1.5 to 4 times. In particular, Si80% showed a significant increase in the expression of all osteogenic genes up to 1.8 to 4 times compared to Si0, proving the important role of secreted ions in stimulating the osteogenicity of stem cells. Although calcium ions are known to be involved in osteogenic differentiation through calcium signaling activation, the effect of calcium ions in this study was not well revealed because there was no significant increase by SiO% extract. Rather, the combined role of calcium ions and silicate ions through Si80% appeared to be more apparent in the stimulation of osteogenic formation of rMSCs.

4-2. 뼈 형성 분석(in vivo)4-2. Bone formation assay (in vivo)

스캐폴드의 초기 뼈 형성 가능성은 6주 동안 랫트 두개관 원형 결함 모델에서 조사되었다. 이 동물 연구를 위해, 건강한 수컷 SD 랫트(9-10 주령)를 사용하였다. 동물을 습도 조절 환경에서 일정한 온도하에 우리 안에 보관하고 12 시간 명암주기에 노출시켰으며 물과 음식에 자유롭게 접근할 수 있었다. 생체 내 연구를 위해 2개의 연구 그룹(Si0% 및 Si80%)이 선택되었다. 혼합물(케타민 80mg/kg 및 자일라진 10mg/kg)의 근육 내 주사에 의한 전신마취하에, 각각의 두개관(calvaria) 결함이 있는 랫트가 1.5mL 섬유 스캐폴드의 이식을 위해 무작위로 선택되었다.The initial bone formation potential of the scaffolds was investigated in a rat calvarial circular defect model for 6 weeks. For this animal study, healthy male SD rats (9-10 weeks old) were used. Animals were housed in cages under constant temperature in a humidified environment, exposed to a 12-hour light-dark cycle, and had free access to water and food. Two study groups (Si0% and Si80%) were selected for in vivo studies. Under general anesthesia by intramuscular injection of the mixture (ketamine 80 mg/kg and xylazine 10 mg/kg), each calvaria defective rat was randomly selected for implantation of a 1.5 mL fibrous scaffold.

두개골 병변을 면도한 후, 수술 부위를 요오드 및 70% 에탄올로 닦아내고, 수술 블레이드에 의해 선형 피부 절개를 수행하였다. 전체-두께 플랩(full-thickness flap)을 벗겨 내고, 두개관 뼈를 노출시켰다. 각각의 랫트에서, 치과 용 핸드 피스 및 5 mm 직경의 트레핀 드릴(trephine drill)(GHI, 파키스탄)을 사용하여 멸균 식염수로 냉각 조건 하에서 정수리 뼈의 오른쪽 및 왼쪽에 5mm 직경의 두개관 골 결함을 발생시켰다. 피하 조직 및 골막은 흡수성 봉합사(4-0 Vicryl®, Ethicon, Germany)로 봉합하였고, 피부는 비 흡수성 봉합사 재료(4-0 Prolene, Ethicon, Germany)로 접었다.After shaving the cranial lesion, the surgical site was wiped with iodine and 70% ethanol, and a linear skin incision was performed with a surgical blade. The full-thickness flap was peeled off, exposing the cranial bones. In each rat, using a dental handpiece and a 5 mm diameter trephine drill (GHI, Pakistan), 5 mm diameter cranial bone defects on the right and left sides of the parietal bone under cooling conditions with sterile saline were removed. caused The subcutaneous tissue and periosteum were sutured with absorbable sutures (4-0 Vicryl®, Ethicon, Germany), and the skin was folded with a non-absorbable suture material (4-0 Prolene, Ethicon, Germany).

샘플의 이식 후, 감염, 염증 및 임의의 유해한 반응의 가능한 임상 징후에 대해 동물을 규칙적으로 감독하였다. 수술 후 6주에, 동물을 CO2 흡입에 의해 안락사시키고, 이식이 된 두개관 결함 부위를 둘러싼 조직을 수확하고 실온에서 24시간 동안 10% 중성 완충 포르말린에 고정시켰다. Following implantation of samples, animals were regularly supervised for possible clinical signs of infection, inflammation and any adverse reactions. At 6 weeks post-surgery, animals were euthanized by CO 2 inhalation, tissue surrounding the grafted cranial duct defect site was harvested and fixed in 10% neutral buffered formalin for 24 h at room temperature.

수확된 샘플은 고정 후, 섹션(μm) 당 279ms의 노출 시간으로 65kV 및 385μA에서 X-선으로 마이크로-컴퓨터 단층 촬영(μ-CT) 영상화(Skyscan 1176, Skyscan, Aartselaar, Belgium)를 수행하였다. 스캔 이미지로부터 재구성된 이미지는 CTAn Skyscan 소프트웨어를 사용하여 관심 영역에 걸쳐 경질 조직 형성을 분석하는데 사용되었다; 결함 영역에서의 새로운 경조직 부피(mm3), 새로운 뼈 부피(mm3) 및 뼈 표면 밀도(BS/BV)(1/mm). 3D 이미지는 CTvol Skyscan 소프트웨어(ver. 2.3.2.0)로 시각화되었다.After fixation, the harvested samples were subjected to micro-computed tomography (μ-CT) imaging (Skyscan 1176, Skyscan, Aartselaar, Belgium) with X-rays at 65 kV and 385 μA with an exposure time of 279 ms per section (μm). Images reconstructed from scan images were used to analyze hard tissue formation over the region of interest using CTAn Skyscan software; New hard tissue volume (mm 3 ), new bone volume (mm 3 ) and bone surface density (BS/BV) (1/mm) in the defect area. 3D images were visualized with CTvol Skyscan software (ver. 2.3.2.0).

조직학적 분석을 위해, 고정된 조직을 RapidCal™ 용액(BBC Chemical Co., USA)에서 5 일 동안 탈석회화 하였다. 석회 제거 후, 샘플을 농도가 증가하는 일련의 에탄올 용액에서 탈수시킨 후 파라핀에 포매시켰다. 반자동 회전 마이크로톰 (Leica RM2245, Leica Biosystems, Germany)을 사용하여, 샘플 중앙 영역의 5-마이크로미터 코로날 섹션(five-micrometer coronal sections)을 제조한 후 코팅된 유리 슬라이드로 옮겼다. 조직 섹션을 갖는 슬라이드를 탈 파라핀화하고 일련의 자일렌 및 등급 에탄올 용액을 통해 수화시켜 최종적으로 새로운 뼈 면적을 측정하기 위해 H&E로 염색하였다. 조직학적 섹션은 광학 현미경(IX71, Olympus, Japan)으로 시각화하였다.For histological analysis, fixed tissues were demineralized in RapidCal™ solution (BBC Chemical Co., USA) for 5 days. After descaling, the samples were dehydrated in a series of increasing concentrations of ethanol solutions and then embedded in paraffin. Using a semi-automatic rotating microtome (Leica RM2245, Leica Biosystems, Germany), five-micrometer coronal sections of the central region of the sample were prepared and then transferred to coated glass slides. Slides with tissue sections were deparaffinized and hydrated through a series of xylene and grade ethanol solutions and finally stained with H&E to measure new bone area. Histological sections were visualized under a light microscope (IX71, Olympus, Japan).

그 결과, 하이드로겔-기반 스캐폴드는 생성된 뼈 결함을 쉽게 취급하고 성형할 수 있게 해주었다. 수확된 조직에서, 희생 시점에 이식 영역 근처에서 심한 염증이 관찰되지 않았다. μ-CT 3D이미지는 적갈색 영역(새로운 뼈)으로 표시된 바와 같이 결함 영역 내에서 Si0%보다 Si80%에서 더 많은 새로운 뼈 형성을 나타냈다(도 7a). 골량 및 품질(도 7c, 골부피(BV), 표면적(BS), 조직부피(TV) 및 골 표면 밀도(BSD))에 관한 정량적 데이터에 따르면, Si80% 그룹은 Si0% 그룹보다 3 배 더 많은 골 형성을 나타냈다.As a result, hydrogel-based scaffolds made it possible to easily handle and mold the resulting bone defects. In the harvested tissue, no severe inflammation was observed near the graft area at the time of sacrifice. The μ-CT 3D image showed more new bone formation in Si80% than Si0% within the defective area, as indicated by the red-brown area (new bone) (Fig. 7a). According to quantitative data regarding bone mass and quality (Fig. 7c, bone volume (BV), surface area (BS), tissue volume (TV) and bone surface density (BSD)), the Si80% group had 3 times more than the Si0% group. showed bone formation.

H&E 및 Masson의 트리크롬(MT) 염색 후 샘플은 추가로 조직학적으로 분석하였다. H&E 및 MT 염색 이미지는 Si80%에서 치유 영역 내에 더 많은 새로운 뼈 매트릭스가 형성되었음을 나타냈다(도 7b). Si80%는 Si0%보다 더 많은 혈관('*')을 나타냈으며, 실리케이트-쉘 스캐폴드에서 촉진된 혈관신생을 강조했다. 또한, 콜라겐 함량은 Si0%보다 Si80%에서 높아, 콜라겐 침착이 높을수록 뼈 치유 및 성숙 과정을 개선시키는 데 도움이 될 수 있음을 나타냈다. In vivo 결과는 실리케이트-쉘 스캐폴드가 혈관 신생의 동시 자극과 함께 초기 뼈 형성을 유의하게 향상시켰음을 입증하였다.After H&E and Masson's trichrome (MT) staining, the samples were further histologically analyzed. H&E and MT staining images showed that more new bone matrix was formed within the healing area at Si80% (Fig. 7b). Si80% showed more blood vessels ('*') than Si0%, highlighting facilitated angiogenesis in silicate-shell scaffolds. In addition, the collagen content was higher in Si80% than in Si0%, indicating that higher collagen deposition may help improve the bone healing and maturation process. The in vivo results demonstrated that silicate-shell scaffolds significantly enhanced early bone formation with simultaneous stimulation of angiogenesis.

Claims (8)

실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드의 제조방법에 있어서,
(a) 알지네이트 수용액을 칼슘 수용액에 주입하여 겔화된 알지네이트 하이드로겔을 제조하는 단계; 및
(b) pH0.5~2의 강산이 첨가된 실리카 수용액에 상기 (a)의 결과물을 담근 후 세척하는 단계;를 포함하며,
상기 스캐폴드는 경조직 재생용인 것을 특징으로 하는 제조방법.
In the method for preparing a silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold,
(a) preparing an alginate hydrogel by injecting an aqueous solution of alginate into an aqueous solution of calcium; and
(b) immersing the resultant of (a) in an aqueous silica solution having a strong acid of pH 0.5 to 2 added thereto, followed by washing;
The scaffold is a manufacturing method, characterized in that for hard tissue regeneration.
제1항에 있어서, 상기 단계 (a)의 알지네이트 수용액을 30~90ml/h의 비율로 칼슘 수용액에 주입하는 것인 스캐폴드의 제조방법. The method of claim 1, wherein the alginate aqueous solution of step (a) is injected into the calcium aqueous solution at a rate of 30 to 90 ml/h. 제1항에 있어서, 상기 단계 (a)의 칼슘 수용액은 200~400mM CaCl2 수용액인 것인 스캐폴드의 제조방법.The method of claim 1, wherein the calcium aqueous solution of step (a) is 200-400mM CaCl 2 aqueous solution. 제1항에 있어서, 상기 단계(a)는 알지네이트 수용액을 칼슘 수용액에 주입하여 1분~15분 동안 유지시켜 알지네이트 하이드로겔을 제조하는 것인 스캐폴드의 제조방법.The method of claim 1, wherein in step (a), an alginate aqueous solution is injected into an aqueous calcium solution and maintained for 1 to 15 minutes to prepare an alginate hydrogel. 제1항에 있어서, 상기 실리카 수용액의 농도는 45~85% (w/v)인 것인 스캐폴드의 제조방법.The method of claim 1, wherein the concentration of the aqueous silica solution is 45 to 85% (w/v). 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 알지네이트 하이드로겔 코어 및 실리케이트 쉘을 포함하는 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드.A silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold comprising an alginate hydrogel core and a silicate shell prepared by the method of any one of claims 1 to 5. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 실리케이트-쉘화된 하이드로겔 섬유상 스캐폴드를 인간을 제외한 동물의 손상 경조직에 처리하는 단계를 포함하는 조직 재생 방법.


[Claim 6] A method for tissue regeneration comprising the step of treating damaged hard tissues of animals other than humans with the silicate-shelled hydrogel fibrous scaffold prepared by the method of any one of claims 1 to 5.


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