KR102510662B1 - Three-dimensional scaffold with microchannels and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로채널을 갖는 3차원 지지체 및 이의 제조방법에 대한 것으로, 계층적 마이크로 채널 구조를 갖는 조직 재생용 다공성 스캐폴드 및 폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액을 에탄올과 증류수의 혼합 용액 내에 토출하여 성형하는 조직 재생용 다공성 스캐폴드의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 스캐폴드는 생체 내에 이식되었을 때 외인적인 생물 분자나 세포, 약물 등의 도움없이 면역 또는 염증 반응 조절, 혈관 신생 촉진, 줄기 세포 모집의 촉진 등 독특한 생물학적 반응을 유도하여 손상되거나 질환에 영향을 받는 조직을 효과적으로 복구 및 재생시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 제조방법에 따르면 이러한 우수한 효과를 갖는 스캐폴드를 효율적으로 제조할 수 있으며, 특히 3차원 프린팅 기술을 적용할 수 있어 용이한 생산 및 대량 생산을 가능하게 한다.
The present invention relates to a three-dimensional scaffold having microchannels and a method for manufacturing the same, a porous scaffold for tissue regeneration having a hierarchical microchannel structure, and a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent are mixed with ethanol and distilled water. It relates to a method for manufacturing a porous scaffold for tissue regeneration that is ejected and molded into the body.
When implanted in vivo, the scaffold of the present invention induces unique biological responses such as regulating immune or inflammatory responses, promoting angiogenesis, and promoting stem cell recruitment without the help of exogenous biological molecules, cells, or drugs, thereby inducing damage or disease. can effectively repair and regenerate tissues that receive it. In addition, according to the manufacturing method of the present invention, scaffolds having such excellent effects can be efficiently manufactured, and in particular, 3D printing technology can be applied, enabling easy and mass production.

Description

마이크로채널을 갖는 3차원 지지체 및 이의 제조방법{Three-dimensional scaffold with microchannels and manufacturing method thereof}Three-dimensional scaffold with microchannels and manufacturing method thereof

본 발명은 마이크로채널을 갖는 3차원 지지체 및 이의 제조방법에 대한 것으로, 계층적 마이크로 채널 구조를 갖는 조직 재생용 다공성 스캐폴드 및 폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액을 에탄올과 증류수의 혼합 용액 내에 토출하여 성형하는, 조직 재생용 다공성 스캐폴드의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional scaffold having microchannels and a method for manufacturing the same, a porous scaffold for tissue regeneration having a hierarchical microchannel structure, and a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent are mixed with ethanol and distilled water. It relates to a method for manufacturing a porous scaffold for tissue regeneration, which is ejected and molded into the body.

손상된 조직과 질병에 걸린 조직의 생체 내 미세환경은 궁극적으로 복구 및 재생 과정이 가속화되도록 외적인 치료를 통해 조절할 수 있다. 생물활성적 분자 및 세포와 같은 생물학적 성분을 사용하는 것이 재생 기능을 회복하는 것에 대한 커다란 잠재력이 있는 반면, 여전히 극복해야할 많은 장애물이 남아 있다. 예를 들어, 세포를 얻으려면 기증자 조직의 추가적인 외과적 생검 과정과 시험관 내에서 정제된 세포를 늘리는 여러 단계가 필요하다. 임상 시험에서 줄기 세포(예를 들어, 중간엽 줄기 세포(MSC))의 재생 효과가 아직까지 명확하게 제시되지 않았다. 게다가, 성장 인자 및 조작 펩타이드와 같은 생물활성적 신호 분자는 체내 단백질 분해에 취약하기 때문에, 높은 투여량을 필요로 하며 그렇지 않을 경우 생물학적 효능이 저하된다.The in vivo microenvironment of damaged and diseased tissue can ultimately be controlled through extrinsic treatment to accelerate the process of repair and regeneration. While the use of biological components such as bioactive molecules and cells holds great potential for restoring regenerative function, there are still many hurdles to overcome. For example, obtaining cells requires an additional surgical biopsy of donor tissue and multiple steps to expand purified cells in vitro. The regenerative effect of stem cells (eg, mesenchymal stem cells (MSC)) in clinical trials has not yet been clearly demonstrated. Moreover, bioactive signaling molecules, such as growth factors and engineered peptides, are susceptible to proteolysis in the body, requiring high doses otherwise their biological potency is compromised.

반면, 제작된 스캐폴드가 내인성 생물학적 실체(분자 및 세포)와 상호작용하여 생체 내 미세환경의 발달과정을 올바르게 재현할 수 있는 경우, 안전성 및 높은 임상적 유용성을 포함하는 많은 실용적인 장점이 고려된다. 세포가 피드백을 위해 세포 외 매트릭스(ECM)와 생체 내 교통하고 주변의 생리적인 조건을 채택하는 것을 볼 때, 제공된(외인성 ECM으로) 스캐폴드 소재는 미세환경의 발달과정을 재현하고 조직 수선 및 리모델링에 관련된 일련의 생물학적 사건을 조절할 수 있다.On the other hand, if the fabricated scaffold can interact with endogenous biological entities (molecules and cells) to correctly reproduce the developmental process of the in vivo microenvironment, many practical advantages including safety and high clinical utility are considered. Given that cells communicate in vivo with the extracellular matrix (ECM) for feedback and adopt surrounding physiological conditions, the provided (with exogenous ECM) scaffold material reproduces the developmental process of the microenvironment and tissue repair and remodeling. can regulate a series of biological events related to

스캐폴드와 매트릭스가 적절한 물리화학적 특성(예를 들어, 리간드 유형 및 밀도, 나노/마이크로위상, 강도, 및 공극 구조)을 갖도록 만드는 것은 면역-반응, 혈관신생, 세포 호밍(homing), 이식, 및 분화를 포함하는 조직 치유 및 수선에서 몇 가지 중요한 사건에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 예를 들어, 기능기 또는 결합된 리간드에 의해 바뀌는 표면의 화학적 성질은 다양한 세포 유형의 접착 및 성장에 큰 영향을 미쳤다. 나노-/마이크로-패턴화된 표면은 세포의 방향 및 이동을 안내할 수 있고, 겔의 강도(또는 강성률)는 종종 MSC가 골- 또는 지방-생성 계통으로 가는 운명을 지정하기 위해 조율된다. 게다가, 스캐폴드의 공극 구조는 혈관신생 및 조직 침윤에 유의적인 영향을 미칠 수 있는 중요한 3차원적 특징이다.Making scaffolds and matrices with appropriate physiochemical properties (e.g., ligand type and density, nano/microtopology, strength, and pore structure) is important for immune-response, angiogenesis, cell homing, implantation, and It has been shown to influence several important events in tissue healing and repair, including differentiation. For example, surface chemistry altered by functional groups or bound ligands has had a profound effect on the adhesion and growth of various cell types. Nano-/micro-patterned surfaces can guide the orientation and migration of cells, and the strength (or stiffness) of gels is often tuned to direct MSCs to a bone- or adipogenic lineage. Moreover, the pore structure of a scaffold is an important three-dimensional feature that can significantly affect angiogenesis and tissue invasion.

본 발명에서는 이러한 특성 이외에도 흥미롭게도 조직의 치유 및 수선을 돕는 독특한 방식으로 많은 생물학적 사건을 담당하는 스캐폴드 - '마이크로채널' - 의 새로운 특징을 다룬다. 특히 이는 기존의 비-마이크로채널화 스캐폴드에서 관찰되는 현상과는 매우 대조된다. 본 발명의 마이크로채널(수십 마이크로미터)은 개방형-채널의 마이크로채널이고 3차원(3D)-프린팅 스캐폴드의 전체 줄기를 구성하므로, 일반적으로 3D 프린팅 프로그램에 의해 만들어진 대형다공성 3D 기하학구조(수백 마이크로미터)를 제외한 추가적인 3차원으로써 간주될 수 있다. 본 발명자는 몇 시간에서 며칠, 몇 주까지 면역/염증 반응, 혈관신생, 및 줄기 세포 호밍 및 이식의 관점에서 마이크로채널화 스캐폴드('μCh'라 한다)의 생체 내 생물학적(생물분자 및 세포) 반응에 주목하였다. 이러한 일련의 조직 반응은 일반적으로 재료의 생물적합성을 평가하기 위해 사용되며, 이에 따라 조직 치유 및 재생적 재료의 이정표로 간주된다. 특히, 초기 면역 및 염증 세포(예를 들어, 호중구, 단핵구, 대식세포)의 모집과 분비되는 케모카인 및 사이토카인의 유형은 조직 재생에 관련된 후속의 여러 생물학적 단계를 결정하는데 중요한 것으로 밝혀졌다. 게다가, 상주하는 줄기 세포가 손상된 부위로 이동하고 이식되는 것을 촉진하는 것은 크게 손상된 상태를 수선 및 재생 단계로 바꾸기 위한 매력적인 전략이다. 또한, 신-혈관 형성을 촉진할 수 있는 미세환경은 영양 공급 및 세포 생존 및 침윤, 궁극적으로 조직 치유 세포의 기능을 촉진하는 것에 매우 유용하다. 그러므로 이러한 생물학적 사건을 유리하게 조절할 수 있는 3D 스캐폴드를 설계하고 발견하는 것은 세포와 생물학적 분자의 외인적인 도움 없이 소재를 사용한 재생 요법에 중요하다.In addition to these properties, the present invention addresses, interestingly, new features of scaffolds - 'microchannels' - responsible for many biological events in a unique way that aid in tissue healing and repair. In particular, this is in stark contrast to the phenomenon observed in conventional non-microchannelized scaffolds. Since the microchannels (tens of micrometers) of the present invention are open-channel microchannels and constitute the entire stem of a three-dimensional (3D)-printing scaffold, macroporous 3D geometries (hundreds of micrometers) generally made by 3D printing programs meter) can be regarded as an additional third dimension. The present inventors have studied in vivo biological (biomolecules and cells) microchannelized scaffolds (referred to as 'μCh') in terms of immune/inflammatory responses, angiogenesis, and stem cell homing and transplantation from hours to days to weeks. attention was paid to the reaction. This series of tissue reactions is commonly used to evaluate the biocompatibility of a material and is therefore considered a milestone for tissue healing and regenerative materials. In particular, the recruitment of early immune and inflammatory cells (eg, neutrophils, monocytes, macrophages) and the types of chemokines and cytokines secreted have been found to be important in determining several subsequent biological steps involved in tissue regeneration. Moreover, facilitating the migration and transplantation of resident stem cells to damaged sites is an attractive strategy to turn a highly damaged state into a repair and regenerative phase. In addition, a microenvironment capable of promoting neovascularization is very useful for nutrient supply, cell survival and invasion, and ultimately promotion of tissue healing cell function. Therefore, designing and discovering 3D scaffolds that can advantageously modulate these biological events are important for regenerative therapies using materials without extrinsic help from cells and biological molecules.

S. Pacelli, S. Basu, J. Whitlow, A. Chakravarti, F. Acosta, A. Varshney, S. Modaresi, C. Berkland, A. Paul, Strategies to develop endogenous stem cell-recruiting bioactive materials for tissue repair and regeneration, Adv. Drug Deliv. Rev. 120 (2017) 50-70.S. Pacelli, S. Basu, J. Whitlow, A. Chakravarti, F. Acosta, A. Varshney, S. Modaresi, C. Berkland, A. Paul, Strategies to develop endogenous stem cell-recruiting bioactive materials for tissue repair and regeneration, Adv. Drug Deliv. Rev. 120 (2017) 50-70.

따라서 본 발명의 주된 목적은 외인적인 생물 분자나 세포와 같은 생물학적 성분의 도움 없이도 손상되거나 질환에 영향을 받는 조직을 효과적으로 복구 및 재생시킬 수 있는 스캐폴드를 제공하는데 있다.Accordingly, the main object of the present invention is to provide a scaffold capable of effectively repairing and regenerating damaged or disease-affected tissues without the help of exogenous biological molecules or biological components such as cells.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 스캐폴드를 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for efficiently producing the above scaffold.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 계층적 마이크로 채널 구조를 갖는 조직 재생용 다공성 스캐폴드를 제공한다.According to one aspect of the present invention, the present invention provides a porous scaffold for tissue regeneration having a hierarchical microchannel structure.

본 발명의 스캐폴드에 있어서, 상기 스캐폴드는 마이크로 채널의 공극률이 5% 이상인 것이 바람직하다.In the scaffold of the present invention, it is preferable that the porosity of the microchannel of the scaffold is 5% or more.

본 발명의 스캐폴드에 있어서, 상기 스캐폴드는 폴리카프로락톤 재질인 것이 바람직하다.In the scaffold of the present invention, the scaffold is preferably made of polycaprolactone.

본 발명의 스캐폴드에 있어서, 상기 스캐폴드는 폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액을 에탄올과 증류수의 혼합 용액 내에 토출하는 성형방법으로 제조된 것이 바람직하다.In the scaffold of the present invention, the scaffold is preferably manufactured by a molding method in which a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent is discharged into a mixed solution of ethanol and distilled water.

본 발명의 스캐폴드에 있어서, 상기 성형방법은 복수 개의 스트럿이 서로 교차하면서 공극을 형성하도록 하는 성형방법인 것이 바람직하다.In the scaffold of the present invention, the molding method is preferably a molding method in which a plurality of struts cross each other to form air gaps.

본 발명의 스캐폴드에 있어서, 상기 에탄올과 증류수의 혼합 용액의 온도가 30 내지 50℃인 것이 바람직하다.In the scaffold of the present invention, it is preferable that the temperature of the mixed solution of ethanol and distilled water is 30 to 50 ° C.

본 발명의 스캐폴드에 있어서, 상기 폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액은 폴리카프로락톤 및 캄펜이 1 : 2 내지 2 : 1의 중량비로 용해된 용액인 것이 바람직하다.In the scaffold of the present invention, the solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent is preferably a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a weight ratio of 1:2 to 2:1.

본 발명의 스캐폴드에 있어서, 상기 용매는 아세톤인 것이 바람직하다.In the scaffold of the present invention, the solvent is preferably acetone.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액을 에탄올과 증류수의 혼합 용액 내에 토출하여 성형하는 조직 재생용 다공성 스캐폴드 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for manufacturing a porous scaffold for tissue regeneration by discharging a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent into a mixed solution of ethanol and distilled water.

본 발명의 제조방법에 있어서, 복수 개의 스트럿이 서로 교차하면서 공극을 형성하도록 성형하는 것이 바람직하다.In the manufacturing method of the present invention, it is preferable to form a plurality of struts while crossing each other to form air gaps.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 에탄올과 증류수의 혼합 용액의 온도가 30 내지 50℃인 것이 바람직하다.In the production method of the present invention, it is preferable that the temperature of the mixed solution of ethanol and distilled water is 30 to 50 ° C.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액은 폴리카프로락톤 및 캄펜이 1 : 2 내지 2 : 1의 중량비로 용해된 용액인 것이 바람직하다.In the production method of the present invention, the solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent is preferably a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a weight ratio of 1:2 to 2:1.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 용매는 아세톤인 것이 바람직하다.In the production method of the present invention, the solvent is preferably acetone.

본 발명의 스캐폴드는 생체 내에 이식되었을 때 외인적인 생물 분자나 세포, 약물 등의 도움없이 면역 또는 염증 반응 조절, 혈관 신생 촉진, 줄기 세포 모집의 촉진 등 독특한 생물학적 반응을 유도하여 손상되거나 질환에 영향을 받는 조직을 효과적으로 복구 및 재생시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 제조방법에 따르면 이러한 우수한 효과를 갖는 스캐폴드를 효율적으로 제조할 수 있으며, 특히 3차원 프린팅 기술을 적용할 수 있어 용이한 생산 및 대량 생산을 가능하게 한다.When implanted in vivo, the scaffold of the present invention induces unique biological responses such as regulating immune or inflammatory responses, promoting angiogenesis, and promoting stem cell recruitment without the help of exogenous biological molecules, cells, or drugs, thereby inducing damage or disease. can effectively repair and regenerate tissues that receive it. In addition, according to the manufacturing method of the present invention, scaffolds having such excellent effects can be efficiently manufactured, and in particular, 3D printing technology can be applied, enabling easy and mass production.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스캐폴드(μCh)의 제조 과정 및 제조된 스캐폴드의 특성을 나타낸 것이다. (A) 스캐폴드의 제조 과정. (B) 다양한 제조 조건에 따른 스캐폴드의 마이크로 구조의 차이. (C) μCh의 SEM 단면 이미지. (D) μCh의 고도로 개방된 채널화 공극(붉은색) 및 스트럿(초록색)의 디지털 이미지. (E) μCh의 공극 크기 분포. (F) μCh와 Non 스캐폴드(대조군)의 마이크로 채널 형성과 관련된 물리적 특성 비교.
도 2는 스캐폴드의 생체 내 면역/염증 반응을 나타낸 것이다. (A) 이식 후 24시간 째에 회수한 각 스캐폴드(Non 및 μCh) 상에 부착된 세포의 SEM 이미지, 이미지 J를 사용하여 부착된 세포를 노란색으로 나타내었음. (B) SYTOX(초록색)로 염색된 세포외 DNA 및 DAPI(푸른색)로 염색된 핵의 형광 이미지, 24시간 째에 공동-염색, 및 (C) 푸른색/초록색 신호 비율, 데이터 값은 각 군에서 3개 표본의 6개 현미경 지역으로부터 도출한 평균±SD임, 통계적 분석은 양쪽 꼬리 t-검정을 사용하여 수행함(***P < 0.001 vs. Non). (D, E) 7일 째 세포의 면역염색; (D) F4/80(붉은색) 및 CD11b(초록색)로 공동-염색된 대식세포, 및 (E) NOS2(M1 특이 마커, 붉은색) 및 아르기나아제(ARG, M2 특이 마커, 초록색)로 가시화한 특이적인 표현형. (F) 이미지 기반으로 정량화한 NOS, ARG, 또는 NOS/ARG에 대한 대식세포 양성 개체군. 데이터 값은 각 표본 당 3개의 현미경 이미지(x 200)로부터 도출된 것임. S: 스캐폴드 지역.
도 3은 μCh에 의한 줄기 세포 모집을 나타낸 것이다. (A) 내인성 세포 모집을 조사하기 위한 생체 내 실험 계획. (B, C) 14일 째 세포의 면역조직화학염색, 스캐폴드에 침윤된 MSC의 분포를 나타냄. (B) 섬유아세포 마커(붉은색)로 공동-염색된 CD90-양성 MSC(초록색), 저배율, 및 (C) MSC(초록색)의 양성 마커 CD90 및 CD54, 고배율. 흰색 화살표: 내인성 MSC, S: 이식된 스캐폴드. (D) 줄기 세포 이동 및 케모카인 분비 상의 효과를 분석하기 위한 생체 외 실험 계획. (E) 3일 및 7일 동안 이식된 스캐폴드를 24시간 동안 트랜스웰에서 배양한 후, 크리스탈 바이올렛으로 염색한, 이동한 MSC의 광학 이미지. (F) 이동한 MSC의 정량화. (G) 회수한 스캐폴드로부터 방출되는 SDF-1 검출. 데이터 값은 각 표본의 5개의 현미경 지역 및 6개의 시료로부터 도출한 평균±SD임. Tukey's post-hoc 검정을 사용한 일원분산분석을 사용하여 통계 분석을 수행함(***P < 0.001 vs. Non).
도 4는 μCh에 의한 혈관신생 자극을 나타낸 것이다. (A) 14일 동안 이식된 스캐폴드에서 신생-혈관 형성을 조사하기 위한 생체 내 실험 계획. (B) 이식 후 14일 째에 세포를 CD31로 면역조직화학염색한 결과, 신생-혈관 형성을 나타냄. 붉은색 화살표: 새롭게 형성된 혈관, S: 이식된 스캐폴드 지역. (C) 생성된 혈관 수 및 면적의 정량화. 데이터 값은 각 군에서 3개의 표본의 3개의 현미경 지역으로부터 도출한 평균±SD임. 양쪽 꼬리 t-검정을 사용하여 통계 분석을 수행하였음(***P < 0.001 vs. Non). (D) 내피 기능 및 혈관신생 인자 분비 상의 효과를 분석하기 위한 세포 외 실험 계획. (E) 3일 째에 회수한 스캐폴드와 함께 4시간 배양한 HUVEC에 의해 형성된 관의 형광 이미지. 성장 인자를 보충한 대조군 배지를 양성 대조군으로 사용함. (F) 관의 수 및 면적의 정량화. 데이터 값은 각 군에서 5개의 현미경 지역으로부터 도출한 평균±SD임. 일원분산분석을 사용하여 통계 분석을 수행함(*P < 0.05 및 **P < 0.01 vs. Non). (G) 3일 및 7일 째에 회수한 스캐폴드로부터 방출된 VEGF의 정량화. 양쪽 꼬리 t-검정을 사용하여 통계 분석을 수행함(*P < 0.05 및 **P < 0.01 vs. Non).
도 5는 μCh 스캐폴드에 의해 감소한 섬유화를 나타낸 것이다. (A) 7일, 14일 및 21일 째 조직 시료의 MT 염색 결과, 스캐폴드/조직의 접점에서 섬유화(푸르스름한 부분)가 유도되는 것이 나타남. S: 이식된 스캐폴드 지역. (B) 섬유성 조직 두께의 정량화. 데이터 값은 각 표본의 5개의 현미경 지역으로부터 도출한 평균±SD임. Tukey's post-hoc 검정을 사용한 일원분산분석으로 통계 분석을 수행함(***P < 0.001 vs. Non).
도 6은 스캐폴드에 격리된 분자를 나타낸 것이다. (A) 24시간 째에 회수한 스캐폴드로부터의 총 단백질 정량화. 데이터 값은 평균±SD(n=3)임. 양쪽 꼬리 t-검정을 사용하여 통계 분석을 수행함(***P < 0.001 vs. Non). (B) 웨스턴 블롯 및 Ponceau S 염색으로 검출한 잠정 ECM 단백질(피브로넥틴, 비트로넥틴, 및 피브리노겐)의 발현. (C) 흡착된 피브로넥틴 및 비트로넥틴의 면역염색결과. (D) 24시간 째에 회수한 스캐폴드에 흡착된 소분자의 단백질 분석 결과. (E) 스캐폴드 군 사이에서 비교하여 두 배 이상의 차이로 발현된 대표적인 단백질.
도 7은 이식된 μCh 스캐폴드에서 발생하는 일련의 순차적인 사건을 나타낸 것이다. 이 사건들을 실험 결과로부터 추론된 것과 같이, 몇 시간에서 며칠, 몇 주, 몇 달의 시간 프레임에 따라 요약함. 호중구 반응, 대식세포 극성화, MSC 모집 및 혈관신생을 포함하는 이 사건들은 섬유성 캡슐 형성을 감소시켜며, 이는 골 재생과 같은 조직 재생 가속화를 유리하게 할 수 있음. 적시에 수집되거나 침윤된 세포로부터 분비되는 잠정 분자(예를 들어, 접착성 단백질, 케모카인, 및 성장 인자)를 격리하는 μCh 스캐폴드의 능력이 영향을 미칠 수 있다.
도 8은 골 재생 모델에서의 μCh의 능력을 나타낸 것이다. (A) 6주 동안 쥐 두 개관 결손 모델에 이식된 시료의 X-선 이미지. (B) 6주 동안 쥐 두 개관 결손 모델에 이식된 시료의 μCT 이미지. (C) 결손 지역에 새롭게 형성된 골의 부피, 표면 면적 및 표면 밀도를 정량화한 결과. 데이터 값은 평균±SD(n=3)임. 양쪽 꼬리 t-검정을 사용하여 통계 분석을 수행함(*P < 0.05 vs. Non). (D) 시료의 H&E 염색 결과. S: 이식된 스캐폴드 지역, OB: 기존 뼈, NB: 새로운 뼈. (E) 퇴적된 콜라겐 및 비-콜라겐성 단백질을 가시화하기 위해 각각 Sirius red S 및 fast green으로 염색한 결과. S: 이식된 스캐폴드 지역. (F) 단백질의 정량화 결과. 데이터 값은 각 표본의 4개의 슬라이드 구역으로부터 도출한 평균±SD임. 양쪽 꼬리 t-검정을 사용하여 통계 분석을 수행함(**P < 0.01 vs. Non).
1 shows a manufacturing process of a scaffold (μCh) according to an embodiment of the present invention and characteristics of the prepared scaffold. (A) Manufacturing process of the scaffold. (B) Differences in the microstructure of scaffolds under various fabrication conditions. (C) SEM cross-sectional image of μCh. (D) Digital image of highly open channelized pores (red) and struts (green) in μCh. (E) Pore size distribution of μCh. (F) Comparison of physical properties related to microchannel formation of μCh and non-scaffold (control).
2 shows the in vivo immune/inflammatory response of the scaffold. (A) SEM images of cells adhered on each scaffold (Non and µCh) retrieved 24 hours after transplantation, with Image J showing adhered cells in yellow. (B) Fluorescence images of extracellular DNA stained with SYTOX (green) and nuclei stained with DAPI (blue), co-stained at 24 h, and (C) blue/green signal ratio, data values are shown as Mean±SD derived from 6 microscopic regions of 3 samples in group, statistical analysis performed using two-tailed t-test (***P < 0.001 vs. Non). (D, E) Immunostaining of cells at day 7; (D) macrophages co-stained with F4/80 (red) and CD11b (green), and (E) NOS2 (M1-specific marker, red) and arginase (ARG, M2-specific marker, green). Specific phenotypes visualized. (F) Image-based quantification of macrophage positive populations for NOS, ARG, or NOS/ARG. Data values are derived from three microscope images (x 200) for each specimen. S: scaffold area.
Figure 3 shows stem cell recruitment by μCh. (A) Scheme of an in vivo experiment to investigate endogenous cell recruitment. (B, C) Immunohistochemical staining of cells on day 14, showing the distribution of MSCs infiltrating the scaffold. (B) CD90-positive MSCs (green) co-stained with the fibroblast marker (red), low magnification, and (C) positive markers CD90 and CD54, high magnification of MSCs (green). White arrows: endogenous MSCs, S: transplanted scaffolds. (D) Ex vivo experimental design to analyze the effects on stem cell migration and chemokine secretion. (E) Optical images of migrating MSCs stained with crystal violet after transplanted scaffolds for 3 and 7 days were cultured in transwells for 24 h. (F) Quantification of migrated MSCs. (G) Detection of SDF-1 released from the recovered scaffold. Data values are means ± SD from 5 microscopic regions and 6 samples for each specimen. Statistical analysis was performed using one-way ANOVA with Tukey's post-hoc test (***P < 0.001 vs. Non).
Figure 4 shows the stimulation of angiogenesis by μCh. (A) In vivo experimental scheme to investigate neo-angiogenesis in scaffolds implanted for 14 days. (B) Immunohistochemical staining of cells with CD31 on day 14 after transplantation, showing neo-angiogenesis. Red arrows: newly formed blood vessels, S: transplanted scaffold area. (C) Quantification of number and area of blood vessels generated. Data values are mean ± SD derived from three microscopic regions of three specimens in each group. Statistical analysis was performed using a two-tailed t-test (***P < 0.001 vs. Non). (D) Extracellular experimental design to analyze the effect on endothelial function and angiogenic factor secretion. (E) Fluorescence image of tubes formed by HUVECs cultured for 4 hours with scaffolds recovered on day 3. Control medium supplemented with growth factors was used as a positive control. (F) Quantification of tube number and area. Data values are mean ± SD from 5 microscopic regions in each group. Statistical analysis was performed using one-way ANOVA (*P < 0.05 and **P < 0.01 vs. Non). (G) Quantification of VEGF released from scaffolds recovered on days 3 and 7. Statistical analysis was performed using a two-tailed t-test (*P < 0.05 and **P < 0.01 vs. Non).
Figure 5 shows reduced fibrosis by the μCh scaffold. (A) MT staining results of tissue samples on days 7, 14, and 21 show that fibrosis (bluish areas) is induced at the scaffold/tissue interface. S: implanted scaffold area. (B) Quantification of fibrous tissue thickness. Data values are means±SD from 5 microscopic regions of each specimen. Statistical analysis was performed by one-way ANOVA with Tukey's post-hoc test (***P < 0.001 vs. Non).
Figure 6 shows the molecules sequestered on the scaffold. (A) Total protein quantification from scaffolds recovered at 24 hours. Data values are mean±SD (n=3). Statistical analysis was performed using a two-tailed t-test (***P < 0.001 vs. Non). (B) Expression of putative ECM proteins (fibronectin, vitronectin, and fibrinogen) detected by Western blot and Ponceau S staining. (C) Immunostaining results of adsorbed fibronectin and vitronectin. (D) Protein analysis results of small molecules adsorbed to the scaffold recovered at 24 hours. (E) Representative proteins expressed at more than two-fold difference compared between scaffold groups.
Figure 7 shows the sequence of events occurring in the implanted μCh scaffold. Summarize these events over time frames of hours, days, weeks, months, as inferred from experimental results. These events, including neutrophil response, macrophage polarization, MSC recruitment and angiogenesis, reduce fibrotic capsule formation, which can favor accelerated tissue regeneration, such as bone regeneration. The ability of μCh scaffolds to sequester potential molecules (e.g., adhesive proteins, chemokines, and growth factors) that are collected in a timely manner or secreted from infiltrated cells may have an impact.
8 shows the ability of μCh in a bone regeneration model. (A) X-ray images of samples implanted in a rat cranial canal defect model for 6 weeks. (B) μCT images of samples implanted in a rat cranial canal defect model for 6 weeks. (C) Results of quantifying the volume, surface area, and surface density of newly formed bone in the defect area. Data values are mean±SD (n=3). Statistical analysis was performed using a two-tailed t-test (*P < 0.05 vs. Non). (D) H&E staining result of the sample. S: implanted scaffold area, OB: existing bone, NB: new bone. (E) Results of staining with Sirius red S and fast green to visualize deposited collagen and non-collagen proteins, respectively. S: implanted scaffold area. (F) Quantification results of proteins. Data values are means±SD from the four slide regions of each sample. Statistical analysis was performed using a two-tailed t-test (**P < 0.01 vs. Non).

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and includes all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.

본 발명의 스캐폴드는 계층적 마이크로 채널 구조를 갖는 조직 재생용 다공성 스캐폴드로, 본 발명은 이러한 본 발명의 스캐폴드가 조직 재생과 관련된 우수한 효과가 있음을 입증하는 새로운 실험 결과를 통해 안출된 것이다.The scaffold of the present invention is a porous scaffold for tissue regeneration having a hierarchical microchannel structure, and the present invention was devised through new experimental results proving that the scaffold of the present invention has excellent effects related to tissue regeneration. .

실험 결과에 따르면, 본 발명의 스캐폴드는 생체 내에 이식되었을 때 면역 또는 염증 반응 조절, 혈관 신생 촉진, 줄기 세포 모집의 촉진 등 독특한 생물학적 반응을 유도하여 궁극적으로는 조직 재생에 우수한 효과를 나타낼 수 있다. 특히, 이러한 반응이 외래의 케모카인이나 사이토카인, 별도의 약물이나 세포 등의 도움없이 이루어질 수 있다는 점에서 매우 큰 장점이 있다. 이것이 가능한 이유 중, 본 발명의 스캐폴드에 의해 초기 세포 부착 및 염증과 관련된 격리 분자들의 변경된 프로파일이 마이크로환경의 시공간적 조절에서 중요한 역할을 하여, 후속의 유리한 세포 반응을 수반하는 것으로 판단된다. 이러한 세포와 분자의 일련의 상호작용은 결손된 뼈를 포함하는 조직의 수복 및 리모델링을 조율할 수 있다.According to the experimental results, the scaffold of the present invention induces unique biological responses such as regulating immune or inflammatory responses, promoting angiogenesis, and promoting stem cell recruitment when implanted in vivo, ultimately exhibiting excellent effects on tissue regeneration. . In particular, there is a great advantage in that such a reaction can be performed without the help of foreign chemokines or cytokines, separate drugs or cells. Among the possible reasons for this, it is believed that the altered profile of sequestering molecules involved in early cell adhesion and inflammation by the scaffold of the present invention plays an important role in the spatiotemporal regulation of the microenvironment, accompanying the subsequent beneficial cellular response. A series of interactions of these cells and molecules can orchestrate the repair and remodeling of tissues, including missing bone.

본 발명에서 '마이크로 채널'(microchannel) 또는 '마이크로 공극'(micropore)은 직경이 수 내지 수십 ㎛인 채널 또는 공극을 의미하는 것으로, 직경이 수백 ㎛인 것과 구별될 수 있다. 보다 명확히 하자면, 본 발명에서 '마이크로 채널'(microchannel) 또는 '마이크로 공극'(micropore)은 직경이 1㎛를 초과하고 100㎛ 미만인 채널 또는 공극을 지칭한다. 본 발명의 스캐폴드는 이러한 마이크로 채널이 복수로 형성되어 있다.In the present invention, a 'microchannel' or 'micropore' refers to a channel or void having a diameter of several to several tens of μm, and may be distinguished from a channel having a diameter of hundreds of μm. To be more specific, in the present invention, 'microchannel' or 'micropore' refers to a channel or pore with a diameter greater than 1 μm and less than 100 μm. The scaffold of the present invention has a plurality of such microchannels.

바람직하게는 본 발명의 스캐폴드는 마이크로 채널의 평균 직경이 2 내지 90㎛, 보다 바람직하게는 2 내지 70㎛, 보다 바람직하게는 2 내지 60㎛, 보다 바람직하게는 2 내지 50㎛, 보다 바람직하게는 5 내지 40㎛, 보다 바람직하게는 10 내지 30㎛이다.Preferably, the scaffold of the present invention has an average microchannel diameter of 2 to 90 μm, more preferably 2 to 70 μm, more preferably 2 to 60 μm, more preferably 2 to 50 μm, more preferably is 5 to 40 μm, more preferably 10 to 30 μm.

본 발명의 스캐폴드는 바람직하게는 아르키메데스 방법으로 계산되는 공극률을 기준으로 마이크로 채널의 공극률이 5% 이상, 보다 바람직하게는 10% 이상, 보다 바람직하게는 20% 이상이다. 상기 제시된 각 마이크로 채널의 하한에 대하여, 마이크로 채널의 공극률은 90% 이하, 80% 이하, 70% 이하, 60% 이하, 50% 이하, 40% 이하 또는 30% 이하일 수 있다.The scaffold of the present invention preferably has a microchannel porosity of 5% or more, more preferably 10% or more, more preferably 20% or more based on the porosity calculated by the Archimedes method. With respect to the lower limit of each microchannel presented above, the porosity of the microchannel may be 90% or less, 80% or less, 70% or less, 60% or less, 50% or less, 40% or less, or 30% or less.

본 발명에서 채널 또는 공극에 관련한 '계층적'이라는 것은 채널 또는 공극이 직경의 크기에 따라 계층화되어 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 직경이 1 내지 90㎛ 사이인 채널 또는 공극과 직경이 100㎛ 이상인 채널 또는 공극으로 계층화되어 있을 수 있다. 바람직하게는 직경이 1 내지 50㎛ 사이인 채널 또는 공극과 직경이 100 내지 500㎛ 사이인 채널 또는 공극으로 계층화되어 있을 수 있다.In the present invention, 'hierarchical' in relation to channels or pores means that the channels or pores are layered according to the size of their diameter. For example, it may be layered with channels or pores between 1 and 90 μm in diameter and channels or pores with a diameter of 100 μm or more. It may preferably be layered with channels or pores between 1 and 50 μm in diameter and channels or pores between 100 and 500 μm in diameter.

본 발명의 스캐폴드는 바람직하게는 고분자 재질, 보다 바람직하게는 생분해성 고분자 재질, 보다 바람직하게는 폴리카프로락톤 재질이다.The scaffold of the present invention is preferably a polymer material, more preferably a biodegradable polymer material, and more preferably a polycaprolactone material.

또한, 본 발명의 스캐폴드는 바람직하게는 본 발명의 제조방법으로 제조된 것이다.In addition, the scaffold of the present invention is preferably prepared by the manufacturing method of the present invention.

본 발명은 상기와 같은 스캐폴드를 제조할 수 있는 방법으로, 폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액을 에탄올과 증류수의 혼합 용액 내에 토출하여 성형하는 조직 재생용 다공성 스캐폴드 제조방법을 제공한다. 이 방법은 고분자 용액을 퀀칭 미디엄(quenching medium) 내에 토출하여 고분자 성형물을 제조하는 방식으로, 여기서 폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액이 고분자 용액에 해당하며, 에탄올과 증류수의 혼합 용액이 퀀칭 미디엄에 해당한다고 볼 수 있다. 이 제조방법에 따르면, 폴리카프로락톤 재질로 이루어지며 캄펜의 승화로 인해 다수의 마이크로 채널이 형성된 스캐폴드를 제조할 수 있다. 또한, 이 방법은 성형 방법에 따라 다양한 형태의 스캐폴드를 제조할 수 있으며, 3차원 프린팅 기술을 적용할 수 있어 용이한 생산 및 대량 생산을 가능한게 한다는 이점이 있다.The present invention provides a method for manufacturing a porous scaffold for tissue regeneration in which a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent is discharged into a mixed solution of ethanol and distilled water to form a scaffold as described above. . In this method, a polymer molded article is manufactured by discharging a polymer solution into a quenching medium. Here, a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent corresponds to the polymer solution, and a mixed solution of ethanol and distilled water is used for quenching. It can be considered as medium. According to this manufacturing method, it is possible to manufacture a scaffold made of polycaprolactone and having a plurality of microchannels formed by sublimation of camphene. In addition, this method has the advantage that scaffolds of various shapes can be manufactured according to the molding method, and 3D printing technology can be applied, enabling easy production and mass production.

본 발명의 제조방법에서, 스캐폴드의 계층적인 다공성 구조를 위해 바람직하게는 복수 개의 스트럿이 서로 교차하면서 공극을 형성하도록 성형한다. 예를 들어, 도 1A와 같이 복수의 평행한 스트럿으로 이루어지는 복수의 층이 교차적으로 형성되도록 고분자 용액을 퀀칭 미디엄 내에 토출한다. 이에 따르면, 스트럿의 교차로 채널 또는 공극이 형성되도록 할 수 있으며, 스트럿 사이의 간격을 조절하는 것과 같은 방법을 통해 채널 또는 공극의 크기를 조절할 수 있으므로, 캄펜의 승화에 따라 생성되는 마이크로 채널과 계층적으로 구별되는 채널 또는 공극을 용이하게 형성할 수 있다. 이때 스트럿의 교차로 생성되는 채널 또는 공극의 크기가 직경 100 내지 500㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다.In the manufacturing method of the present invention, for the hierarchical porous structure of the scaffold, preferably, a plurality of struts are molded to form air gaps while crossing each other. For example, as shown in FIG. 1A, the polymer solution is discharged into the quenching medium so that a plurality of layers consisting of a plurality of parallel struts are alternately formed. According to this, channels or voids can be formed at the intersection of the struts, and the size of the channels or voids can be adjusted by the same method as adjusting the spacing between the struts, so that microchannels and hierarchical It is possible to easily form channels or voids distinguished by. At this time, it is preferable that the size of the channel or void created by the intersection of the struts has a diameter of 100 to 500 μm.

본 발명의 제조방법에서, 상기 에탄올과 증류수의 혼합 용액의 온도를 30 내지 40℃로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실험결과에 따르면, 이 온도의 차이에 따라 스캐폴드에 형성되는 채널의 구조(특히, 크기)가 달라질 수 있는데, 상기와 같은 온도 조건을 사용하면 우수한 조직 재생 효과를 발휘하기에 적절한 구조의 마이크로 채널을 형성할 수 있다.In the production method of the present invention, it is preferable to set the temperature of the mixed solution of ethanol and distilled water to 30 to 40 °C. According to the experimental results of the present invention, the structure (particularly, the size) of the channel formed on the scaffold may vary depending on the difference in temperature. When the above temperature conditions are used, the structure is suitable for exhibiting excellent tissue regeneration effect. of microchannels can be formed.

본 발명의 제조방법에서, 상기 폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액은 폴리카프로락톤 및 캄펜이 1 : 2 내지 2 : 1의 중량비로 용해된 용액인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 폴리카프로락톤 및 캄펜이 1 : 1.5 내지 1.5 : 1의 중량비, 보다 바람직하게는 1 : 1.3 내지 1.3 : 1의 중량비, 보다 바람직하게는 1 : 1.2 내지 1.2 : 1의 중량비, 보다 바람직하게는 1 : 1.1 내지 1.1 : 1의 중량비로 용해된 용액이다.In the production method of the present invention, the solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent is preferably a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a weight ratio of 1:2 to 2:1. More preferably, the weight ratio of polycaprolactone and camphene is 1: 1.5 to 1.5: 1, more preferably 1: 1.3 to 1.3: 1, more preferably 1: 1.2 to 1.2: 1, more preferably Preferably, it is a solution dissolved in a weight ratio of 1:1.1 to 1.1:1.

본 발명의 제조방법에서, 상기 용매는 아세톤인 것이 바람직하다. 이때 바람직하게는 폴리카프로락톤 및 캄펜을 1 내지 50%(w/w)로 용해시키며, 보다 바람직하게는 10 내지 50%(w/w), 보다 바람직하게는 20 내지 40%(w/w), 보다 바람직하게는 25 내지 35%(w/w)로 용해시킨다.In the production method of the present invention, the solvent is preferably acetone. In this case, polycaprolactone and camphene are preferably dissolved at 1 to 50% (w/w), more preferably at 10 to 50% (w/w), more preferably at 20 to 40% (w/w) , more preferably dissolved at 25 to 35% (w/w).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. Since these examples are intended to illustrate the present invention only, the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

[실시예][Example]

1. 재료 및 방법1. Materials and Methods

1.1. 계층적 마이크로채널을 갖는 스캐폴드의 3D 프린팅 및 특성화1.1. 3D Printing and Characterization of Scaffolds with Hierarchical Microchannels

1.1.1. 원료 용액 및 3D 프린팅1.1.1. Raw material solutions and 3D printing

폴리카프로락톤(Polycaprolactone: PCL)(MW 80000Da, Sigma-Aldrich, 세인트루이스, 미주리주, 미국) 펠릿을 아세톤에 30%(w/w)로 용해시켰다. 스트럿(strut) 내에 마이크로채널 공극을 생성하기 위해, 아세톤(대정, 한국)에 캄펜(camphene)(C10H11, Sigma-Aldrich, 미주리주, 미국)을 PCL과 함께 용해시켰다. 캄펜/PLC의 비율은 1:1중량비로 하였다. 이 복합재료 용액을 50℃에서 고온 볼밀링으로 밤새 균질화하였다.Polycaprolactone (PCL) (MW 80000 Da, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) pellets were dissolved in acetone at 30% (w/w). To create microchannel pores in struts, camphene (C 10 H 11 , Sigma-Aldrich, Missouri, USA) was dissolved together with PCL in acetone (Daejeong, Korea). The ratio of camphene/PLC was 1:1 by weight. This composite solution was homogenized overnight by hot ball milling at 50°C.

스캐폴드는 CAD(computer aided design) 프로그램으로 설계하였고, 상기 용액 토출은 3D 프린팅 시스템(Ez-ROBO3, 이와시타, 일본)을 사용하여 수행하였다. 상기 스캐폴드를 300㎛×300㎛의 정사각형 공극을 갖는 격자 모양(12㎜×12㎜×1㎜의 크기)으로 만들었다. 상기 PCL 및 캄펜-PCL 용액을 연속 공기 압력을 사용하여 노즐을 통해 온도 조절된 에탄올/증류수(1 : 1 부피비)조로 토출시켰다. 생성된 스트럿을 적층하여 3차원 스캐폴드를 만들었다. 상기 수조의 온도는 0 또는 37℃로 유지하였다. 스캐폴드가 고형화된 후, 상온에서 밤새 건조시켰다.The scaffold was designed with a CAD (computer aided design) program, and the solution ejection was performed using a 3D printing system (Ez-ROBO3, Iwashita, Japan). The scaffold was made in a grid shape (size of 12 mm × 12 mm × 1 mm) with square pores of 300 μm × 300 μm. The PCL and camphene-PCL solutions were discharged through a nozzle into a temperature-controlled ethanol/distilled water (1:1 volume ratio) bath using continuous air pressure. The resulting struts were stacked to create a three-dimensional scaffold. The temperature of the water bath was maintained at 0 or 37°C. After the scaffold solidified, it was dried overnight at room temperature.

1.1.2. 3D 스캐폴드의 특성화1.1.2. Characterization of 3D scaffolds

주사전자현미경(SEM; JSM-6510, JEOL, 일본)으로 스캐폴드의 표면형태와 미세구조를 관찰하였다. 미세공극의 크기는 SEM 이미지로부터 측정하였다. 상호연결된 공극 구조를 500nm의 분해능을 갖는 3D X-선 마이크로토모그래피(ZEISS)로 특성화하였고, 비틀림성을 계산하였다(n=40). 스캐폴드에서 캄펜이 완전히 제거되었는지 확인하기 위해, ATR-FT-IR(Varian 640-IR, 호주)을 사용하였다. 공극율은 아르키메데스 방법을 사용하여 측정하였다. 간략하게, 스캐폴드의 무게(Ws), 순수 에탄올의 무게(W1), 스캐폴드+에탄올의 무게(W2), 및 스캐폴드를 제거한 후 에탄올의 무게(W3)를 측정하고, 다음의 공식을 사용하여 공극율을 계산하였다.The surface morphology and microstructure of the scaffold were observed with a scanning electron microscope (SEM; JSM-6510, JEOL, Japan). The size of micropores was measured from SEM images. The interconnected pore structure was characterized by 3D X-ray microtomography (ZEISS) with a resolution of 500 nm, and torsion properties were calculated (n=40). To confirm that camphene was completely removed from the scaffold, ATR-FT-IR (Varian 640-IR, Australia) was used. Porosity was measured using the Archimedes method. Briefly, the weight of the scaffold (Ws), the weight of pure ethanol (W1), the weight of scaffold + ethanol (W2), and the weight of ethanol after removing the scaffold (W3) were measured using the following formula and the porosity was calculated.

공극율(%) =

Figure 112020098193725-pat00001
Porosity (%) =
Figure 112020098193725-pat00001

표면적 및 밀도는 수은 세공계(PM33, Quantachrome, 플로리다주, 미국)를 사용하여 측정하였다. 총 물 흡수는 개시 무게(W0) 및 물 흡수 후 스캐폴드의 무게(W1)를 사용한 다음의 공식을 사용하여 계산하였다.Surface area and density were measured using a mercury porosimetry (PM33, Quantachrome, Florida, USA). Total water uptake was calculated using the following formula using the starting weight (W0) and the weight of the scaffold after water uptake (W1).

총 물 흡수(%) =

Figure 112020098193725-pat00002
Total water absorption (%) =
Figure 112020098193725-pat00002

횡단면 이미지를 위해, 시료를 냉동조직절편기(cryotome)로 자르고 FITC 염료로 염색하였다. 형광 현미경(Life Technology, 뉴욕주, 미국)으로 얻은 이미지를 Image J 소프트웨어로 분석하였다. 스캐폴드의 역학적 거동은 Instron으로 검사하였다. 5㎜×5㎜×5㎜의 크기로 준비된 시료를 1kN 로드셀로 압착하고 응력-변형 곡선을 기록하였다.For cross-sectional images, samples were cut with a cryotome and stained with FITC dye. Images obtained with a fluorescence microscope (Life Technology, New York, USA) were analyzed with Image J software. The mechanical behavior of the scaffold was examined by Instron. A sample prepared in a size of 5 mm × 5 mm × 5 mm was pressed with a 1 kN load cell and a stress-strain curve was recorded.

1.2. 피하 부위 내 스캐폴드의 이식 및 조직 시료 분석1.2. Implantation of scaffolds in the subcutaneous site and analysis of tissue samples

1.2.1. 수술 절차 및 샘플링1.2.1. Surgical procedure and sampling

동물실험은 아주대학교 동물 관리 및 사용 위원회에 의해 승인되었다. 동물의 관리 및 실험 절차는 국립보건원의 지침에 따라 수행하였다. 수술전 3D 프린팅된 스캐폴드를 에틸렌옥사이드 가스로 멸균하였다. C57BL/6 마우스(수컷, 6주령) 및 스프라그-다울리(Sprague-Dawley) 랫트(수컷, 6주령)를 스캐폴드 이식에 사용하였다. 동물을 틸레타민-졸라제팜(tiletamine-zolazepam)(30㎎/㎏) 및 자일라진(xylazine)(10㎎/㎏) 용액으로 마취하였다. 스캐폴드를 이식하기 위해, 상기 랫트 및 마우스의 각 등 측면에 13㎜의 절개부를 만들었다. 각 시료를 피하 주머니 내에 위치시켰다. 봉합 후, 동물들을 분석에 필요한 기간 동안 유지시켰다. 단백질 흡착 및 면역세포 침투 실험을 위해, 스캐폴드를 먼저 스테인리스 스틸 케이지에 삽입하고, 이후 피하 조직 내에 이식하였다.Animal experiments were approved by the Animal Care and Use Committee of Ajou University. Animal care and experimental procedures were performed in accordance with the guidelines of the National Institutes of Health. Before surgery, the 3D printed scaffold was sterilized with ethylene oxide gas. C57BL/6 mice (male, 6 weeks old) and Sprague-Dawley rats (male, 6 weeks old) were used for scaffold implantation. Animals were anesthetized with a solution of tiletamine-zolazepam (30 mg/kg) and xylazine (10 mg/kg). To implant the scaffold, a 13 mm incision was made on each dorsal side of the rat and mouse. Each sample was placed in a subcutaneous pouch. After suturing, animals were maintained for as long as needed for analysis. For protein adsorption and immune cell infiltration experiments, the scaffold was first inserted into a stainless steel cage and then implanted into the subcutaneous tissue.

1.2.2. 호중구 및 세포외 트랩 형성의 관찰1.2.2. Observation of neutrophils and extracellular trap formation

스캐폴드에 점착된 호중구의 형태를 SEM으로 관찰하였다. 이식 24시간 후, 시료를 회수하였다. 시료를 차가운 PBS로 세척하고 2.5% 글루타르알데하이드 - 2% 파라포름알데하이드 용액 내 4℃에서 4시간 동안 고정하였다. 5분 간격으로 시료를 등급화된 일련의 에탄올 용액으로 탈수시켰다. 최종적으로, 시료를 헥사메틸다이실라잔(HMDS, Sigma-Aldrich, 미주리주, 미국)으로 2회 헹구고 퓸 후드에서 건조시켰다. 초기 면역세포에서 세포외 핵산의 검출을 위해 SYTOX green(Thermo Fisher Scientific, 매사추세츠주, 미국) 염료를 사용하였다. 이식 24시간 후, 회수한 시료를 차가운 PBS로 세척하고 4℃에서 4시간 동안 4% 포름알데하이드 용액에서 고정하였다. 이후 시료를 SYTOX green 용액과 함께 15분간 항온처리하였다. 세포 내 핵은 Hoechst 33342 용액으로 염색하였다.The morphology of neutrophils adhering to the scaffold was observed by SEM. Twenty-four hours after implantation, samples were collected. Samples were washed with cold PBS and fixed for 4 hours at 4° C. in a 2.5% glutaraldehyde-2% paraformaldehyde solution. At 5 min intervals, samples were dehydrated with a graded series of ethanol solutions. Finally, the sample was rinsed twice with hexamethyldisilazane (HMDS, Sigma-Aldrich, Mo., USA) and dried in a fume hood. SYTOX green (Thermo Fisher Scientific, Massachusetts, USA) dye was used to detect extracellular nucleic acids in early immune cells. After 24 hours of implantation, the recovered samples were washed with cold PBS and fixed in a 4% formaldehyde solution at 4°C for 4 hours. Samples were then incubated with SYTOX green solution for 15 minutes. Intracellular nuclei were stained with Hoechst 33342 solution.

1.2.3. 대식세포의 침투 및 분화1.2.3. Macrophage invasion and differentiation

이식에서 7일째에 회수한 시료를 차가운 PBS로 세척하고 4℃에서 4시간 동안 1% 포름알데하이드 용액에서 고정하였다. PBS로 3회 세척한 다음, 시료가 4℃에서 바닥에 자리잡을 때까지 20% 수크로오스 용액에 담가 두었다. 냉동절편화를 위해, 시료에 OCT 화합물(Thermo Fisher Scientific, 매사추세츠주, 미국)을 투입하고 -20℃에서 동결하였다. 크라이오스탯을 이용하여 동결된 시료를 4㎛의 두께로 자르고 코팅된 슬라이드로 옮겼다. 슬라이드를 1%(w/v) 소혈청알부민(BSA)으로 30분간 블로킹하고 상온에서 2시간 동안 CD11b, F4/80, NOS2, 및 아르기나아제(arginase: ARG) 1차 항체 용액(PBS에서 1:100 희석, Santa Cruz Biotechnology, 캘리포니아주, 미국)으로 처리하였다. 이후, 슬라이드를 특이적 마커 프로브 용액과 함께 2차 항체와 1시간 동안 항온처리하였다. 세포 핵을 Hoechst 33342 용액으로 3분 동안 염색하고 시료를 마운트하였다.Samples recovered on day 7 from transplantation were washed with cold PBS and fixed in 1% formaldehyde solution for 4 hours at 4°C. After washing three times with PBS, the samples were soaked in a 20% sucrose solution at 4°C until they settled to the bottom. For cryosectioning, OCT compound (Thermo Fisher Scientific, Massachusetts, USA) was added to the sample and frozen at -20°C. Using a cryostat, frozen samples were cut to a thickness of 4 μm and transferred to coated slides. Slides were blocked with 1% (w/v) bovine serum albumin (BSA) for 30 min and incubated in CD11b, F4/80, NOS2, and arginase (ARG) primary antibody solution (1 in PBS) for 2 h at room temperature. :100 dilution, Santa Cruz Biotechnology, CA, USA). The slides were then incubated for 1 hour with the secondary antibody along with the specific marker probe solution. Cell nuclei were stained with Hoechst 33342 solution for 3 minutes and samples were mounted.

1.2.4. 내생적으로 정착한 MSC의 검출1.2.4. Detection of endogenously colonized MSCs

3일째 및 7일째에 회수한 시료를 세척 및 고정하였다. 20% 수크로오스 용액에 담근 후, 세척한 시료에 OCT 화합물을 투입하여 -20℃에서 동결하고, 잘라 슬라이드로 옮겼다. 내생적 MSC를 관찰하기 위해, 슬라이드를 블로킹하고 상온에서 2시간 동안 CD90 및 CD54 항체 용액(PBS에서 1:100 희석, Santa Cruz Biotechnology, 캘리포니아주, 미국)으로 처리하였다. 섬유아세포는 섬유아세포 마커 항체(PBS에서 1:100 희석, Santa Cruz Biotechnology, 캘리포니아주, 미국)로 염색하였다. 3회 세척 후, 슬라이드를 2차 항체와 함께 1시간 동안 항온처리하고 Hoechst 33342 용액으로 대비염색하였다.Samples collected on days 3 and 7 were washed and fixed. After soaking in a 20% sucrose solution, the OCT compound was added to the washed sample, frozen at -20 ° C, cut and transferred to a slide. To observe endogenous MSCs, slides were blocked and treated with CD90 and CD54 antibody solutions (1:100 dilution in PBS, Santa Cruz Biotechnology, CA, USA) for 2 hours at room temperature. Fibroblasts were stained with a fibroblast marker antibody (1:100 dilution in PBS, Santa Cruz Biotechnology, CA, USA). After washing 3 times, slides were incubated with secondary antibody for 1 hour and counterstained with Hoechst 33342 solution.

1.2.5. 혈관신생의 생체 내 관찰1.2.5. In vivo observation of angiogenesis

앞서 언급한 동결 절편 과정에서 얻은 시료 슬라이드를 일련의 에탄올로 탈수화하였다. 항원 회수를 위해 시료를 H2O2 및 펩신으로 전처리하였다. 시료를 블로킹하고 CD31 항체 용액(PBS에서 1:100 희석, Santa Cruz Biotechnology, 캘리포니아주, 미국), 2차 항체 용액, 및 스트렙타비딘-HRP로 연속 처리하였다. DAB 전개 후, 시료를 헤마톡실린으로 대비염색하고, 에탄올 및 자일렌으로 탈수화하고, 마운트하였다.Sample slides obtained from the aforementioned frozen sectioning procedure were dehydrated with serial ethanol. Samples were pretreated with H 2 O 2 and pepsin for antigen retrieval. Samples were blocked and treated sequentially with CD31 antibody solution (1:100 dilution in PBS, Santa Cruz Biotechnology, CA, USA), secondary antibody solution, and streptavidin-HRP. After DAB development, samples were counterstained with hematoxylin, dehydrated with ethanol and xylene, and mounted.

1.2.6. 섬유화 분석1.2.6. fibrosis assay

7, 14, 및 21일 동안 이식한 스캐폴드를 섬유화 분석에 사용하였다. 각 기간에 시료를 회수하고, 슬라이드에 동결 절편화하고, 메이슨 트리크롬(MT) 염색 키트(Polysciences, Inc., 펜실베니아주, 미국)로 염색하였다. 광학 이미지를 기반으로 스캐폴드 주변에 형성된 콜라겐 섬유(파란색)로부터 섬유화 두께를 측정하였다.Scaffolds implanted for 7, 14, and 21 days were used for fibrosis analysis. At each period, samples were collected, frozen sectioned on slides, and stained with Mason's Trichrome (MT) staining kit (Polysciences, Inc., Pa., USA). Fibrosis thickness was measured from the collagen fibers (blue) formed around the scaffold based on the optical images.

1.3. 줄기세포 정착 및 혈관신생의 생체 외 연구1.3. In vitro study of stem cell establishment and angiogenesis

1.3.1. 인간 MSC의 이동(migration) 시험1.3.1. Migration test of human MSCs

이동 연구를 위해, 아주대학교 병원 생명윤리위원회의 승인(AJIRB-BMR-SMP-17-494) 이후 인간 편도-유래 MSC(hMSC)를 사용하였다. 관련 규정에 따라 절차를 수행하였다. 아주대학교 병원(수원, 한국)의 이비인후과에서 인간 편도 조직을 얻었다. 세포 추출을 위해 수술 중에 버려진 조직을 사용하였고, 모든 기증자 또는 부모 또는 법적대리인으로부터 사전동의를 얻었다. 편도 조직을 37℃에서 30분 동안 콜라게나제 용액(0.075%)(Sigma-Aldrich, 세인트루이스, 미주리주, USA)에서 소화시키고, 추출된 세포를 1% 항생제-항진균제(Invitrogen-Gibco, 칼즈배드, 캘리포니아주, 미국) 및 10% PBS가 추가된 αMEM 배지로 재현탁하고 유지시켰다.For migration studies, human tonsillar-derived MSCs (hMSCs) were used after approval by the Bioethics Committee of Ajou University Hospital (AJIRB-BMR-SMP-17-494). The procedure was performed according to the relevant regulations. Human tonsil tissues were obtained from the Department of Otorhinolaryngology, Ajou University Hospital (Suwon, Korea). Tissue discarded during surgery was used for cell extraction, and informed consent was obtained from all donors or parents or legal representatives. Tonsil tissue was digested in collagenase solution (0.075%) (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) for 30 min at 37°C, and the extracted cells were incubated in 1% antibiotic-antimycotic (Invitrogen-Gibco, Carlsbad, CA). California, USA) and αMEM medium supplemented with 10% PBS were resuspended and maintained.

hMSC를 확인하기 위해, 추출된 세포를 FACS(fluorescence-activated cell sorting)를 사용하여 분석하였다. 분석은 패시지(passage) 4의 MSC로 수행하였다. 형광 염료가 결합된 항체(CD90, CD29, CD44, CD45, 및 HLA-DR)를 hMSC 표면 상의 각 특이적 항원에 결합시켰다. 각 유도 배지에서 배양하여 hMSC의 지질생성, 골형성, 및 연골형성을 능력을 확인하였다. 지질생성을 위해, hMSC를 5mM 3-이소부틸-1-메틸잔틴(Sigma-Aldrich), 1mM 덱사메타손(Sigma-Aldrich), 및 10㎎/㎖ 인슐린(Sigma-Aldrich)이 함유된 배지에서 유지시켰다. 14일 후, 배양된 세포를 Oil Red O 염색 용액으로 염색하였다. 골형성 배지에는 10mM β-글리세로포스페이트(Sigma-Aldrich, 세인트루이스, 미주리주, 미국), 50μM L-아스코르브산(Sigma-Aldrich), 및 100nM 덱사메타손을 추가하였다. 분화는 Alizarin Red S(ARS; Sigma-Aldrich) 염색으로 확인하였다. 연골형성은 1x 인슐린-트랜스페린-셀레늄-G, 100nM 덱사메타손, 100㎍/㎖ 피루브산 나트륨, 1.25㎎/㎖ BSA, 50㎍/㎖ 아스코르브산, 40㎍/㎖ L-프롤린, 및 10ng/㎖ TGF-베타가 추가된 저-글루코오스 Dulbecco's Modified Eagle's 배지(DMEM; Gibco)에서 유도하였다. 연골형성 세포는 Safranin O로 염색하였다.To identify hMSCs, the extracted cells were analyzed using FACS (fluorescence-activated cell sorting). Assays were performed with MSCs from passage 4. Fluorescent dye-conjugated antibodies (CD90, CD29, CD44, CD45, and HLA-DR) were bound to each specific antigen on the hMSC surface. Adipogenesis, osteogenesis, and chondrogenesis of hMSC were confirmed by culturing in each induction medium. For lipogenesis, hMSCs were maintained in medium containing 5 mM 3-isobutyl-1-methylxanthine (Sigma-Aldrich), 1 mM dexamethasone (Sigma-Aldrich), and 10 mg/mL insulin (Sigma-Aldrich). After 14 days, the cultured cells were stained with Oil Red O staining solution. To the osteogenic medium, 10 mM β-glycerophosphate (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA), 50 μM L-ascorbic acid (Sigma-Aldrich), and 100 nM dexamethasone were added. Differentiation was confirmed by Alizarin Red S (ARS; Sigma-Aldrich) staining. Chondrogenesis was assessed with 1x insulin-transferrin-selenium-G, 100 nM dexamethasone, 100 μg/ml sodium pyruvate, 1.25 mg/ml BSA, 50 μg/ml ascorbic acid, 40 μg/ml L-proline, and 10 ng/ml TGF-beta. was induced in low-glucose Dulbecco's Modified Eagle's medium (DMEM; Gibco). Chondrogenic cells were stained with Safranin O.

hMSC 이동 분석은 트랜스웰 챔버(8㎛ 공극 크기의 24-웰 방식; Costar, 케임브리지, 매사추세츠주, 미국)를 사용하여 수행하였다. MSC(1×104)를 저-FBS 배지(3% FBS의 α-MEM; Welgene, 대구, 한국)와 함께 인서트의 맨위에 첨가하였다. 24시간 후, 이식 3일째 또는 7일째에 회수한 시료를 웰의 하단부에 위치시켰다. 24시간 동안 hMSC를 공배양하고, 5% 글루타르알데하이드로 고정하고, 1% 크리스탈 바이올렛 용액으로 염색하였다. 광학 및 형광 현미경으로 이미지를 얻었다(EVOS FL Auto, Thermo Fisher Scientific, 매사추세츠주, 미국).The hMSC migration assay was performed using a transwell chamber (24-well format with 8 μm pore size; Costar, Cambridge, MA, USA). MSC (1×10 4 ) was added on top of the insert along with low-FBS medium (α-MEM with 3% FBS; Welgene, Daegu, Korea). After 24 hours, samples harvested on day 3 or day 7 of implantation were placed at the bottom of the well. hMSCs were co-cultured for 24 hours, fixed with 5% glutaraldehyde, and stained with 1% crystal violet solution. Images were obtained with optical and fluorescence microscopy (EVOS FL Auto, Thermo Fisher Scientific, Massachusetts, USA).

1.3.2. HUVEC의 관 형성1.3.2. Tube formation in HUVECs

관 형성 분석을 위해 패시지 4의 HUVEC(PCS-100-010, ATCC)을 사용하였다. HUVEC을 내피 세포 성장 키트-VEGF(Gibco)를 추가한 혈관 세포 기저 배지(Gibco, 칼즈배드, 캘리포니아주, 미국)에서 배양하였다. 세포는 5% CO2 조건으로 37℃에서 배양하였다. 관 형성 분석을 위해, 0.4㎛ 공극 크기를 갖는 트랜스웰 챔버를 사용하였다. 먼저, 웰을 마트리겔로 코팅하고 37℃에서 1시간 동안 항온처리하였다. 마트리겔 상에 1×105의 HUVEC(ATCC, 머내서스, 버지니아주, 미국)을 식종하였다. 같은 시간에, 회수한 시료를 트랜스웰의 상단부에 첨가하였다. 양성대조군으로서, HUVEC을 저-혈청 성장 보충제(Welgene, 대구, 한국)가 포함된 고-글루코오스 DMEM에서 배양하였다. 보충제를 첨가하지 않은 고-글루코오스 DMEM을 시험군에 사용하였다. 4시간 후, 현미경으로 관 형성을 관찰하고 Calcein AM(Thermo Fisher Scientific, 매사추세츠주, 미국)으로 염색하였다.HUVECs from passage 4 (PCS-100-010, ATCC) were used for tube formation assays. HUVECs were cultured in vascular cell basal medium (Gibco, Carlsbad, CA, USA) supplemented with endothelial cell growth kit-VEGF (Gibco). Cells were cultured at 37°C under 5% CO 2 conditions. For the tube formation assay, a transwell chamber with 0.4 μm pore size was used. First, the wells were coated with Matrigel and incubated at 37° C. for 1 hour. 1×10 5 HUVEC (ATCC, Manassas, VA, USA) was seeded on Matrigel. At the same time, the withdrawn sample was added to the top of the transwell. As a positive control, HUVECs were cultured in high-glucose DMEM containing low-serum growth supplement (Welgene, Daegu, Korea). High-glucose DMEM without supplements was used for the test group. After 4 hours, tube formation was observed under a microscope and stained with Calcein AM (Thermo Fisher Scientific, Massachusetts, USA).

1.3.3. ELISA를 사용한 단백질 분석1.3.3. Protein analysis using ELISA

이동 및 관 형성 시험 후, 회수한 시료 스캐폴드 내 VEGF 및 SDF-1의 존재를 각각 VEGF 및 SDF-1 ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay) 키트(R&D system, 미네소타주, 미국)를 사용하여 제조사의 프로토콜에 따라 정량하였다.After migration and tube formation tests, the presence of VEGF and SDF-1 in the recovered sample scaffolds was determined using VEGF and SDF-1 ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) kits (R&D system, Minnesota, USA), respectively. Quantification was performed according to the protocol.

1.4. 격리된 분자의 분석1.4. Analysis of isolated molecules

1.4.1. 총 단백질의 정량1.4.1. Quantification of total protein

총 단백질의 양을 측정하기 위해, 이식 24시간 후에 회수한 시료를 차가운 PBS로 2회 세척하였다. 이후 시료를 얼음 상에서 프로티나아제 및 포스파타아제 저해제가 함유된 용해 완충액에 30분 동안 담가 두었다. 용해물을 13000rpm으로 20분 동안 원심분리하였다. 브래드포드 염료-결합 방법을 기반으로 하는 단백질 분석 키트(DC™, Bio-Rad Laboratories, Inc., 캘리포니아주, 미국)를 사용하여 상등액의 총 단백질의 양을 측정하였다.To measure the amount of total protein, samples collected 24 hours after transplantation were washed twice with cold PBS. Then, the samples were immersed on ice for 30 minutes in a lysis buffer containing proteinase and phosphatase inhibitors. The lysate was centrifuged at 13000 rpm for 20 minutes. The amount of total protein in the supernatant was measured using a protein assay kit (DC™, Bio-Rad Laboratories, Inc., CA, USA) based on the Bradford dye-binding method.

1.4.2. ECM 분자의 검출1.4.2. Detection of ECM molecules

단백질 정량 후, 용해물을 12% SDS/PAGE 겔에 로딩하였다. 전기영동 후, 단백질을 니트로셀룰로오스 멤브레인으로 옮겼다. 단백질 밴드의 위치를 Ponceau S 용액으로 확인하였다. 멤브레인을 5% 스킴 밀크 용액으로 블로킹하고 피브로넥틴, 비트로넥틴, 또는 피브리노겐 항체(1:1000, Santa Cruz Biotechnology, 캘리포니아주, 미국)와 함께 항온처리하였다. 이후 HRP-결합 2차 항체를 1차 항체(1:2000)와 결합시켰다. 밴드는 ECL 시약(Amersham, 피스카타웨이, 뉴저지주, 미국)을 사용하여 가시화하고 LAS-4000(후지, 일본)으로 검출하였다. 면역조직화학을 위해, 회수한 시료를 동결-절편화하고 블로킹하고, 피브로넥틴 또는 비트로넥틴 항체 용액(PBS에서 1:100 희석, Santa Cruz Biotechnology, 캘리포니아주, 미국)과 함께 상온에서 2시간 동안 처리하였다. 이후, 시료를 특이적 마커 프로브와 함께 2차 항체와 1시간 동안 항온처리하였다. 시료를 대비염색하지 않고 마운트한 다음 공초점 레이저 주사 현미경 하에서 가시화하였다.After protein quantification, lysates were loaded on a 12% SDS/PAGE gel. After electrophoresis, proteins were transferred to a nitrocellulose membrane. The position of the protein band was confirmed with Ponceau S solution. Membranes were blocked with 5% skim milk solution and incubated with fibronectin, vitronectin, or fibrinogen antibodies (1:1000, Santa Cruz Biotechnology, CA, USA). The HRP-linked secondary antibody was then combined with the primary antibody (1:2000). Bands were visualized using ECL reagent (Amersham, Piscataway, NJ, USA) and detected with LAS-4000 (Fuji, Japan). For immunohistochemistry, the collected samples were cryo-sectioned, blocked, and treated with fibronectin or vitronectin antibody solution (1:100 dilution in PBS, Santa Cruz Biotechnology, CA, USA) at room temperature for 2 hours. . Samples were then incubated for 1 hour with secondary antibodies along with specific marker probes. Samples were mounted without counterstaining and then visualized under a confocal laser scanning microscope.

1.4.3. 단백체 분석1.4.3. proteomic analysis

이식 24시간 후에 회수한 시료로부터 스캐폴드에 격리된 사이토카인, 케모카인, 및 성장인자를 분석하였다. 시료로부터 얻은 용해물을 단백질 분석 키트를 사용하여 분석하고 동량의 단백질 용해물을 단백체 프로파일러 어레이 키트(R&D system, 미네소타주, 미국)의 멤브레인에 로딩하였다. 실험 절차는 제조사의 설명에 따랐다. 단백질 분석 결과는 LAS 장치를 사용하여 가시화하였고, ImageJ 소프트웨어를 사용한 겔 분석으로 강도를 정량하였다.Cytokines, chemokines, and growth factors sequestered in the scaffold were analyzed from samples collected 24 hours after transplantation. The lysate obtained from the sample was analyzed using a protein assay kit, and an equal amount of the protein lysate was loaded onto the membrane of a proteomic profiler array kit (R&D system, Minnesota, USA). The experimental procedure followed the manufacturer's instructions. The protein analysis results were visualized using a LAS device, and the intensity was quantified by gel analysis using ImageJ software.

1.5. 생체 내 골 결손 실험1.5. Bone defect experiment in vivo

1.5.1. 두개관 결손 모델 및 조작1.5.1. Cranial tube defect model and manipulation

본 동물연구는 아주대학교 동물 관리 및 사용 위원회에 의해 승인되었다. 동물(스프라그-다울리 랫트, 수컷, 10주령)은 30 내지 70%의 습도 및 20 내지 24℃의 온도로 조절된 환경 내에서 유지시켰다. 동물 관리를 위한 프로토콜은 국립보건원의 지침에 따랐다. 마취는 앞서 설명한 방법에 따랐다. 두개골 상에 세로방향의 절개부를 만들고, 트레파인 버를 사용하여 각 랫트에 5㎜ 직경의 2개의 골 결손을 만들었다. 이후 결손부를 5㎜의 직경 x 1㎜의 두께로 준비한 스캐폴드로 채웠다.This animal study was approved by the Animal Care and Use Committee of Ajou University. Animals (Sprague-Dawley rats, males, 10 weeks old) were maintained in a controlled environment with a humidity of 30-70% and a temperature of 20-24°C. Protocols for animal care followed guidelines from the National Institutes of Health. Anesthesia was performed as previously described. A longitudinal incision was made on the skull and two bone defects of 5 mm diameter were made in each rat using a trepine bur. Thereafter, the missing portion was filled with a scaffold prepared with a diameter of 5 mm and a thickness of 1 mm.

1.5.2. 신규 골 형성의 평가1.5.2. Evaluation of new bone formation

두개관 결손 모델의 신규 골 성장을 가시화하기 위해, μCT 스캐너(Skyscan 1176; Skyscan, 아트셀러, 벨기에)를 사용하였다. 이식 6주 후, 시료를 회수하고 4% 포름알데하이드로 고정하였다. 컴퓨터 분석 프로그램 CTAn(Skyscan)을 사용하여 복원된 3D 이미지를 기반으로, 원통형의 관심부위에서 신규 골 성장을 측정하였고, 새롭게 형성된 골 부피 및 표면적을 얻었다.To visualize new bone growth in the calvarial defect model, a μCT scanner (Skyscan 1176; Skyscan, Artcellar, Belgium) was used. Six weeks after implantation, samples were collected and fixed with 4% formaldehyde. Based on the reconstructed 3D images using the computer analysis program CTAn (Skyscan), new bone growth was measured in the cylindrical region of interest, and the newly formed bone volume and surface area were obtained.

조직학적 분석을 위해 rapid Cal 용액(BBC Chemical Co., 스탠우드, 워싱턴주, 미국)으로 시료에서 칼슘을 제거하였다. 에탄올 및 자일렌을 사용하여 시료를 탈수시키고, 파라핀 용액으로 채웠다. 4㎛ 두께의 절편으로 자른 후, 슬라이드를 헤마톡실린 & 에오신(H&E) 및 Sirius Red S/Fast green 키트(Chondrex, Inc., 워싱턴주, 미국)로 염색하였다. 조직학적 이미지를 광학 현미경(EVOS FL Auto, Thermo Fisher Scientific, 매사추세츠주, 미국) 하에서 가시화하였다.For histological analysis, calcium was removed from the samples with rapid Cal solution (BBC Chemical Co., Stanwood, WA, USA). Samples were dehydrated using ethanol and xylene and filled with paraffin solution. After cutting into 4 μm thick sections, slides were stained with Hematoxylin & Eosin (H&E) and Sirius Red S/Fast green kit (Chondrex, Inc., WA, USA). Histological images were visualized under an optical microscope (EVOS FL Auto, Thermo Fisher Scientific, MA, USA).

1.6. 통계적 분석1.6. statistical analysis

모든 통계적 분석은 GraphPad Prism 소프트웨어로 수행하였다. 데이터는 평균±표준편차(SD)로 나타내었다. 비교군 사이의 차이는 양쪽 꼬리 t-검정 또는 Tukey's post-hoc 검정을 사용한 일원분산분석을 사용하여 분석하였다.All statistical analyzes were performed with GraphPad Prism software. Data are presented as mean ± standard deviation (SD). Differences between control groups were analyzed using one-way analysis of variance with two-tailed t-test or Tukey's post-hoc test.

2. 결과2. Results

2.1. 계층적 마이크로채널 구조를 갖는 3D 프린트 스캐폴드2.1. 3D printed scaffold with hierarchical microchannel structure

도 1A와 같이 계층적 마이크로채널 구조를 갖는 3D 프린트 폴리카프로락톤(PCL) 스캐폴드를 준비하였다. 특히, 퀀칭 미디엄에서 3D 프린트하는 동안 마이크로채널이 생성되도록 하기 위해 PCL 용액에 캄펜을 사용하였다. 캄펜의 독특한 특성(예를 들어, PCL 용매와의 혼화성, 높은 휘발성, 및 낮은 승화 온도)은 캄펜-PCL 용액이 하나의 단계에서 다양한 마이크로채널 구조와 함께 3D 프린트가 가능하도록 만든다. 미디엄에서 3D 프린트하는 동안, PCL-캄펜 스트럿이 함께 침전되어 상호연결된 그물망을 형성하고 추가로 캄펜은 승화하여 마이크로채널에서 제거된다. 그동안, 다양한 공정 파라미터(퀀칭 미디엄 유형 및 온도)에 의해 마이크로채널 구조가 결정될 수 있다. 마이크로채널은 오직 에탄올/증류수(DW) 혼합-미디엄에서만 생성되었고, 이 미디엄의 온도가 마이크로채널의 크기를 결정하는데 결정적이었다. 서로 다른 조건에서 3D-프린트된 스캐폴드의 마이크로구조를 도 1B에 나타내었다. 에탄올/DW 혼합-미디엄에서 3D 프린트할 때 고도의 마이크로공극 구조가 스캐폴드에 전체적으로 생성되었다. 참고로, 이 마이크로공극은 낮은 온도에서 프린트될 때 더욱 작아졌다(0℃에서 10㎛ 미만 < 37℃에서 수십 ㎛). 고체화 과정 동안의 핵생성 이론을 기반으로, 더 낮은 미디엄 온도는 고체화 동안의 캄펜 핵생성을 조절하여 궁극적으로 캄펜-승화된 마이크로공극의 크기를 줄인다. 반면, DW-단독 미디엄에서 프린트된 공극 구조는 균일하지 않고, 에탄올-단독 미디엄에서는 공극이 생성되지도 않았다. 스캐폴드 스트럿의 단면적을 가시화한 것(도 1C 및 D)과 같이, 생성된 마이크로공극은 스캐폴드 전반에 걸쳐 고도의 개방형-채널이었다. 스캐폴드(37℃에서 프린트한)의 마이크로공극 크기 분포를 분석하였다(도 1E). 분석에 따르면 벌크의 공극은 대부분이 평균 12.9(±7.69㎛)의 수 내지 수십 마이크로미터인 반면, 표면의 공극은 평균 21.1(±16.6㎛)로 보다 컸다. 게다가, 3D X-선 마이크로토모그래피 분석으로 2.18(±0.75)의 비틀림값(tortuosity value)을 갖는 μCh 스캐폴드의 고도로 상호연결된 공극 구조가 나타났다. 마이크로채널 형성과 관련된 스캐폴드의 다른 물리적 특성 또한 특징지었다(도 1F). 특히, 공극률(스캐폴드 밀도), 표면적 및 물흡수에서 유의적인 차이가 있었다. 마이크로채널이 차지하는 부피는 약 28%(각각 'μCh' 및 'Non'으로 명명한 마이크로채널 스캐폴드와 비-마이크로채널 스캐폴드 사이의 공극률 차이를 기초로 함, 여기서 'μCh'는 37℃, EtOH+DW에서 제조한 것, 'Non'은 캄펜을 사용하지 않고 PCL 만으로 제조한 것이다)로 간주되었다. 마이크로채널은 스캐폴드의 표면적 및 물흡수를 각각 6배 및 3배 이상 증가시켰다. 마이크로채널화 스캐폴드는 1N 수산화나트륨의 처리 이후 친수성이 높아져 물이 빠르게 스며들 수 있게 되는 것으로 나타났다; 이에 따라 실질적으로 변화된(증가된) 표면적 및 공극 공간이 생체 내 조건에서의 단백질 및 세포와 같은 생물학적 개체와의 상호작용에서 중요한 역할을 수행할 것이다. 압축 하중 하에서 두 스캐폴드의 기계적인 습성은 유사한 것으로 나타났다; 초기 탄성 및 붕괴 영역에서 매우 낮은 기울기와 20 내지 30%의 변형에서 치밀화; 계산된 초기 기울기는 'μCh'(0.17kPa) 보다 'Non'(0.36kPa)이 약간 높은 반면 치밀화 영역에서 급경사는 거의 같았다(80 내지 90kPa). 다음 파트에서는, 마이크로채널화 스캐폴드에서 발생되는 생체 내 현상을 기존 스캐폴드와 비교하여 주의 깊게 조사하였다.As shown in Figure 1A, a 3D printed polycaprolactone (PCL) scaffold having a hierarchical microchannel structure was prepared. In particular, camphene was used in the PCL solution to allow microchannels to be created during 3D printing in a quenching medium. The unique properties of camphene (eg, miscibility with PCL solvents, high volatility, and low sublimation temperature) make camphene-PCL solutions capable of 3D printing with various microchannel structures in one step. During 3D printing in the medium, the PCL-camphene struts precipitate together to form an interconnected network and further, the camphene sublimes and is removed from the microchannels. In the meantime, the microchannel structure can be determined by various process parameters (quenching medium type and temperature). The microchannels were created only in an ethanol/distilled water (DW) mixed-medium, and the temperature of this medium was decisive in determining the size of the microchannels. The microstructure of the 3D-printed scaffold under different conditions is shown in Figure 1B. When 3D printed in ethanol/DW mixed-medium, a highly microporous structure was created throughout the scaffold. Of note, these microvoids became smaller when printed at lower temperatures (less than 10 µm at 0 °C < tens of µm at 37 °C). Based on the theory of nucleation during solidification, a lower medium temperature modulates camphene nucleation during solidification, ultimately reducing the size of camphene-sublimated micropores. On the other hand, the pore structure printed in the DW-only medium was not uniform, and no pores were generated in the ethanol-only medium. As shown in the visualization of the cross-sectional area of the scaffold struts (Figure 1C and D), the resulting microvoids were highly open-channel throughout the scaffold. The micropore size distribution of the scaffold (printed at 37°C) was analyzed (Fig. 1E). According to the analysis, most of the pores in the bulk were several to several tens of micrometers with an average of 12.9 (±7.69 μm), while the pores on the surface were larger with an average of 21.1 (±16.6 μm). In addition, 3D X-ray microtomography analysis revealed a highly interconnected pore structure of the μCh scaffold with a tortuosity value of 2.18 (±0.75). Other physical properties of the scaffolds related to microchannel formation were also characterized (Fig. 1F). In particular, there were significant differences in porosity (scaffold density), surface area, and water absorption. The volume occupied by the microchannels is approximately 28% (based on the difference in porosity between microchannel and non-microchannel scaffolds, termed 'μCh' and 'Non', respectively, where 'μCh' is 37 °C, EtOH +DW, 'Non' is made only with PCL without using camphene). The microchannels increased the surface area and water absorption of the scaffold by more than 6 and 3 times, respectively. The microchannelized scaffold was found to be highly hydrophilic after treatment with 1N sodium hydroxide, allowing water to permeate rapidly; Accordingly, the substantially altered (increased) surface area and pore space will play an important role in interactions with biological entities such as proteins and cells in in vivo conditions. The mechanical behavior of the two scaffolds under compressive loading was found to be similar; densification at strains of 20 to 30% with very low slopes in the initial elastic and collapse regions; The calculated initial slope was slightly higher in 'Non' (0.36 kPa) than in 'μCh' (0.17 kPa), while the steepness in the densified region was almost the same (80 to 90 kPa). In the next part, the in vivo phenomena occurring in the microchannelized scaffold were carefully investigated in comparison with conventional scaffolds.

2.2. μCh 스캐폴드에 대한 변화된 초기 면역 및 염증 반응2.2. Altered early immune and inflammatory responses to μCh scaffolds

두 유형의 스캐폴드(μCh 및 Non, 여기서 'μCh'는 37℃, EtOH+DW에서 제조한 것, 'Non'은 캄펜을 사용하지 않고 PCL 만으로 제조한 것이다)를 마우스의 피하 부위에 이식하였다. 먼저, 외래 물질을 인식하고 판단하기 위한 신체의 초기 반응(수시간 내지 며칠)으로써 스캐폴드에 대한 호중구 및 대식세포의 생체 내 반응을 조사하였다. 특히, 호중구는 생물활성 분자의 방출을 통해 다음 대식세포의 모집을 조절할 수 있는 첫 반응자이다. 호중구는 세포외 기질에 붙을 때 디옥시리보핵산(DNA)을 추방하기 위해 활성화되고 NET(neutrophil extracellular trap)를 형성하며, NET의 형성은 추가 면역 및 염증 반응의 촉진에 중요하다. 호중구는 대부분 이식 후 24시간 내에 외래 물체 주변 영역으로 이동하므로, 분석을 위해 이식 후 24시간 내에 시료를 회수하였다.Two types of scaffolds (μCh and Non, where 'μCh' was prepared in EtOH+DW at 37 °C, and 'Non' was prepared only with PCL without using camphene) were implanted subcutaneously in mice. First, the in vivo response of neutrophils and macrophages to the scaffold was investigated as an initial response (several hours to several days) of the body to recognize and judge foreign substances. In particular, neutrophils are first responders that can regulate the recruitment of the following macrophages through the release of bioactive molecules. When neutrophils adhere to the extracellular matrix, they are activated to expel deoxyribonucleic acid (DNA) and form neutrophil extracellular traps (NETs), and the formation of NETs is important for the promotion of further immune and inflammatory responses. Since most neutrophils migrate to the area around the foreign object within 24 hours after transplantation, samples were collected within 24 hours after transplantation for analysis.

24시간 째에 회수한 스캐폴드로부터 세포의 SEM 이미지를 얻었다(도 2A). 'Non' 군에서, 새롭게 접착된 세포의 일부가 고도로 섬유화된 NET 내에서 발견되었다. 'μCh' 군에서는, 세포가 NET로부터 벗어나 표면에 생성된 마이크로공극의 내부에 위치하였다. 외관상으로 이들 군들 사이에서 세포의 형태적인 차이는 없었다. 이후 세포외 DNA 및 세포 핵의 형광 현미경 관찰을 위해 세포를 각각 SYTOX green 및 Hoechst로 공동-염색하였다(도 2B). SYTOX green이 플라스마 멤브레인을 침투하지 못하기 때문에, 초록색 및 파란색으로 염색된 부분은 각각 세포외 DNA 및 살아있는 세포를 나타낸다. 'Non' 군에서 초록색 신호가 강하게 나타나고 전체적으로 나타난 반면, 'μCh' 군에서는 약해졌다. 유의적인 차이를 확인하기 위해 파란색/초록색으로 염색된 부분의 비율을 정량하였다; 'Non' 군의 대부분의 세포는 죽어서 세포외 DNA로 인한 초록색 신호를 나타내는 반면 'μCh' 군의 세포는 대부분 생존하여 핵이 염색되었다(도 2C). NET 형성은 조직 주위의 피해를 최소화하기 위해 박테리아 및 생물물질을 포함하는 외래 물질에 대한 물리적인 올가미로 작용할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러므로, NET 형성의 낮은 정도는 유해 반응자의 감소를 나타내며, 조직 수리의 유리한 진행을 허용한다. Fetz 등은 시험관 내에서 주형 결합 호중구가 주형의 성분 및 직경에 따라 다른 조직 통합 결과를 유도하는 세포외 올가미를 발현하는 것을 증명하였다. 초기 호중구의 작용은 염증, 대식세포 모집 및 분화, 염증 해소, 섬유화, 및 혈관신생과 같은 다양한 생물학적 반응에 영향을 미친다. 그러므로, 마이크로채널화 스캐폴드에서 NET 형성이 감소한 것은 조직 복구 및 재형성과 관련된 후속 생물학적 반응의 변경 가능성에 대한 힌트가 될 수 있다.SEM images of cells were obtained from scaffolds recovered at 24 hours (Fig. 2A). In the 'Non' group, some of the newly adherent cells were found within highly fibrotic NETs. In the 'μCh' group, cells escaped from the NET and were located inside the micropores created on the surface. Apparently, there was no difference in cell morphology between these groups. Cells were then co-stained with SYTOX green and Hoechst for fluorescence microscopic observation of extracellular DNA and cell nuclei (FIG. 2B). Since SYTOX green does not penetrate the plasma membrane, green and blue stained areas represent extracellular DNA and live cells, respectively. In the 'Non' group, the green signal appeared stronger and appeared overall, whereas in the 'μCh' group, it became weaker. The ratio of blue/green stained areas was quantified to identify significant differences; Most of the cells in the 'Non' group died and showed a green signal due to extracellular DNA, whereas most of the cells in the 'μCh' group survived and stained the nuclei (Fig. 2C). It is known that NET formation can act as a physical trap for foreign substances, including bacteria and biomaterials, to minimize damage around the tissue. Therefore, a low degree of NET formation indicates a reduction in adverse responders and allows for favorable progression of tissue repair. Fetz et al demonstrated in vitro that template-bound neutrophils express extracellular snares that induce different tissue integration outcomes depending on the components and diameter of the template. Early neutrophil action affects various biological responses such as inflammation, macrophage recruitment and differentiation, resolution of inflammation, fibrosis, and angiogenesis. Therefore, reduced NET formation in microchannelized scaffolds may hint at possible alterations in subsequent biological responses related to tissue repair and remodeling.

다음으로 스캐폴드에 대한 대식세포의 반응을 조사하였다. 특히, 분극에 따른 대식세포의 군집 및 부분 집단은 조직 재생과 밀접한 관련이 있다. 이식 기간(대부분 2 내지 4일)에 대식세포가 주로 이식된 물질로 이동하는 것이 알려졌기 때문에, 7일 째에 회수한 시료에서 모집된 대식세포와 이들의 분극을 평가하였다. 먼저, 대식세포가 스캐폴드에 접착하는 것을 CD11b 및 F4/80의 공동-염색으로 가시화하였다(도 2D). 모집된 대식세포의 군집은 'Non' 군에 비해 'μCh' 군(표면 및 공극에서 모두)에서 더 큰 것으로 나타났다. 다음으로, 대식세포의 분극을 조사하였다. 사실, 대식세포는 관행적으로는 활성화(M1) 또는 대안적 활성화(M2) 표현형으로 나뉘고, 이러한 대식세포의 분극은 조직 재형성 및 섬유화에 관련된 후속 세포 반응을 결정한다. 대식세포 분극은 물질의 물리-화학적 특성과 밀접하게 연관된다고 보고되었다. 대식세포 표현형을 항-NOS2(M1-양성 마커) 및 항-아르기나제(M2-양성 마커)의 형광 염료로 모니터하고(도 2E), NOS2- 또는/및 아르기나제-양성 세포 분획을 정량하였다(도 2F). NOS2에 대해서만 양성인 세포의 수는 'μCh'(8%)에 비해 'Non' 군(15%)이 거의 두 배 컸다. 한편, 아르기나제에 대해서만 양성인 세포는 'μCh'(44%)에서 유의적으로 증가하였고, 'Non' 군(4%)에서는 단지 소수에 불과했다. 흥미롭게도, NOS2 및 아르기나제 모두에 양성인 세포는 대체로, 특히 'Non' 군('Non'에서 76%, 'μCh' 군에서 48%)에서 높았다. M1 및 M2 마커의 동시 발현이 일부 대식세포가 해소되기 시작한다는 것을 나타내는 반면, 'μCh'에서 M2의 현저한 발현은 세포가 실질적으로 해소 단계로 바뀌는 것을 의미한다.Next, the response of macrophages to the scaffold was investigated. In particular, macrophage populations and subpopulations following polarization are closely related to tissue regeneration. Since it is known that during the implantation period (usually between 2 and 4 days) macrophages migrate mainly into the implanted material, the samples collected on day 7 were evaluated for recruited macrophages and their polarization. First, adhesion of macrophages to the scaffold was visualized by co-staining of CD11b and F4/80 (Fig. 2D). The population of recruited macrophages appeared larger in the 'μCh' group (both on the surface and in the pores) compared to the 'Non' group. Next, polarization of macrophages was investigated. Indeed, macrophages are conventionally divided into activated (M1) or alternatively activated (M2) phenotypes, and the polarization of these macrophages determines subsequent cellular responses related to tissue remodeling and fibrosis. It has been reported that macrophage polarization is closely related to the physico-chemical properties of substances. The macrophage phenotype was monitored with fluorescent dyes of anti-NOS2 (M1-positive marker) and anti-arginase (M2-positive marker) (Fig. 2E), and the fraction of NOS2- or/and arginase-positive cells was quantified. (FIG. 2F). The number of cells positive only for NOS2 was almost twice as large in the 'Non' group (15%) as compared to 'μCh' (8%). On the other hand, the number of cells positive only for arginase increased significantly in 'μCh' (44%), and only a small number in 'Non' group (4%). Interestingly, cells positive for both NOS2 and arginase were generally high, especially in the 'Non' group (76% in 'Non' and 48% in 'μCh' group). While co-expression of the M1 and M2 markers indicates that some macrophages are beginning to resolve, significant expression of M2 in 'μCh' indicates that the cells are substantially shifting to the resolution phase.

이러한 결과를 통해, 마이크로채널화 스캐폴드는 대식세포의 모집과 이들의 후속 M1에서 M2 단계로의 분극을 촉진한다고 추론하였다. 많은 동물 연구에서 대식세포의 소모는 일반적으로 조직 복구의 지연 및 실패를 초래하였던 반면, 내인성 대식세포의 보충은 성공적인 재생을 유도할 수 있었고, 대식세포 군집을 강조하는 것은 재생 과정을 중계하는데 필요한 단계이다. 마이크로채널화 스캐폴드 상의 NET 형성 감소 및 다른 생물활성적 분자의 분비 가능성과 같은 변화된 호중구 반응 또한 대식세포 모집 및 이들의 M2 분극과 연관될 수 있다. 실제로, 호중구가 스캐폴드의 구조 및 조성에 따라 생물활성 분자를 다르게 분비하는 것으로 조사되었다. 기질 및 스캐폴드로부터의 물리적 및 화학적 신호가 대식세포 점착 및 분극과 같은 면역 반응을 조절하여 궁극적으로는 치유 과정을 변화시킬 수 있다는 것을 최근에 증가하는 증거가 뒷받침한다. 흥미롭게도, 다른 물질 파라미터 사이에 20 내지 40㎛ 크기의 공극 구조가 대식세포를 M1에서 M2로 분극화한다는 것이 보고되었다. 또한 공극 구조는 MSC를 포함하는 모집된 숙주 세포의 침투에도 유익하였다. 실제로, 대식세포의 변화된 표현형과 이들이 분비하는 분자들은 손상되거나 질환을 갖는 상태를 복구 단계로 조정하기 위해 MSC를 모집할 수 있다. MSC의 모집과 마찬가지로, 조직 복구 및 재형성과 관련된 다른 숙주 세포들(예를 들어, 내피세포) 또한 초기 면역/염증 과정에 의해 유의적으로 영향을 받을 수 있다; 여기서 스캐폴드의 마이크로채널에 의한 호중구와 대식세포의 반응. 다음에서는, MSC 호밍 및 생체 내 혈관생성을 조사하고, 초기 면역/염증 반응과 상호관련지어 조사하였다.From these results, we inferred that the microchannelized scaffold promotes the recruitment of macrophages and their subsequent M1 to M2 phase polarization. In many animal studies, macrophage depletion generally resulted in delayed and failed tissue repair, whereas replenishment of endogenous macrophages was able to induce successful regeneration, and highlighting macrophage populations is a necessary step in relaying the regeneration process. am. Altered neutrophil responses, such as reduced NET formation on microchannelized scaffolds and secretion potential of other bioactive molecules, may also be associated with macrophage recruitment and their M2 polarization. Indeed, it has been investigated that neutrophils secrete bioactive molecules differently depending on the structure and composition of the scaffold. Recently, increasing evidence supports that physical and chemical cues from matrices and scaffolds can modulate immune responses such as macrophage adhesion and polarization, ultimately altering the healing process. Interestingly, it has been reported that pore structures of 20 to 40 μm in size between different material parameters polarize macrophages from M1 to M2. The pore structure was also beneficial for penetration of recruited host cells, including MSCs. Indeed, the altered phenotype of macrophages and the molecules they secrete can recruit MSCs to mediate a damaged or diseased state into a repair phase. Similar to the recruitment of MSCs, other host cells involved in tissue repair and remodeling (eg, endothelial cells) may also be significantly affected by early immune/inflammatory processes; Here, the response of neutrophils and macrophages by microchannels of the scaffold. In the following, MSC homing and angiogenesis in vivo were investigated and correlated with early immune/inflammatory responses.

2.3. 모집된 줄기 세포 및 μCh 스캐폴드로의 이식2.3. Transplantation into recruited stem cells and μCh scaffolds

이식 14일 후, 내인성 MSC가 스캐폴드로 모집되는지를 조사하였다(도 3A에 실험 설계를 나타내었다). CD90 및 CD54 항체를 MSC-특이적 마커로 사용하였다. 낮은 배율에서, CD90-양성 신호는 'Non'에서 보다 'μCh'에서 더 강하게 나타났고, 이는 더 많은 MSC가 마이크로채널화 스캐폴드에 모집되었다는 것을 나타낸다(도 3B). 또한, 공동 염색된 섬유화 마커(빨간색)의 발현이 'Non' 군에서 광범위하게 나타난 반면 'μCh' 스캐폴드 근처에는 제한적이었다(도 3C). 고 배율에서, 많은 내인성 MSC(화살표)가 'μCh' 스캐폴드의 대형공극('S'로 표시) 안에 및 주위에 위치하는 것으로 나타났는데, 이는 'Non' 스캐폴드에서는 쉽게 발견되지 않았다. 시료를 H&E-염색하였을 때, 스트럿 내 및 상호연결된 마이크로채널에 걸쳐 많은 내인성 세포들이 검출되었다. 흥미롭게도, 본래 'μCh' 스캐폴드의 무게 및 밀도가 'Non'에 비해 낮음에도 불구하고, 회수된 'μCh' 스캐폴드는 수크로오스 용액에서 빠르게 침전하였다. 이는 아마도 세포의 침투로 인해 밀도가 증가함에 따른 것으로 보인다.After 14 days of transplantation, it was investigated whether endogenous MSCs were recruited to the scaffold (experimental design is shown in Figure 3A). CD90 and CD54 antibodies were used as MSC-specific markers. At low magnification, the CD90-positive signal appeared stronger in 'μCh' than in 'Non', indicating that more MSCs were recruited to the microchannelized scaffold (Fig. 3B). In addition, the expression of the co-stained fibrosis marker (red) was widespread in the 'Non' group, whereas it was limited near the 'μCh' scaffold (Fig. 3C). At high magnification, many endogenous MSCs (arrows) appeared to be located in and around the large pores (marked 'S') of the 'μCh' scaffold, which were not readily found in the 'Non' scaffold. When samples were H&E-stained, many endogenous cells were detected within the struts and throughout the interconnected microchannels. Interestingly, despite the lower weight and density of the original 'μCh' scaffold compared to 'Non', the recovered 'μCh' scaffold rapidly precipitated in the sucrose solution. This is probably due to an increase in density due to cell infiltration.

트랜스웰-이동 분석(도 3D에 나타내었음)을 통해 회수한 조직 시료를 사용한 생체 외 모델에서 MSC가 모집되는 현상을 추가로 조사하였다. 이식 후 3일 또는 7일에 회수한 스캐폴드를 세포가 트랜스웰을 가로질러 스캐폴드로 이동할 수 있도록 MSC와 상호작용시키고, 트랜스웰 바닥의 세포를 염색하였다. 이의 결과 회수한 스캐폴드로의 MSC 이동이 'Non'에 비해 'μCh'에서 유의적으로 높게 나타났다(도 3E 및 F). 7일째에 회수한 두 스캐폴드 군 사이의 차이는 2배 만큼 높았다('Non'은 44.6±11.3 cells/㎡, 'μCh'는 91.1±21.9 cells/㎡). 회수한 스캐폴드로의 MSC 호밍이 분명하기 때문에, 우리는 줄기 세포 호밍을 위한 사이토카인이 이 현상에 작용할 수 있다고 추측하였다. 회수한 스캐폴드로부터 기질 세포 유래 인자-1(SDF-1)의 방출을 ELISA로 정량하였다(도 3G). 참고로, 7일째에 회수한 'μCh' 스캐폴드로부터의 SDF-1 방출은 'Non'의 거의 두 배였다. 흥미롭게도, SDF-1 방출은 MSC 모집과 매우 유사한 양상을 나타냈으며, 이는 스캐폴드로의 MSC 호밍에서 SDF-1의 역할이 결정적일 수 있다는 것을 암시한다.The recruitment of MSCs in an ex vivo model using tissue samples recovered through a transwell-migration assay (shown in Figure 3D) was further investigated. Scaffolds recovered on day 3 or 7 post-implantation were allowed to interact with MSCs to allow cells to migrate across the transwell to the scaffold, and the cells at the bottom of the transwell were stained. As a result, MSC migration to the recovered scaffold was significantly higher in 'μCh' than in 'Non' (Fig. 3E and F). The difference between the two scaffold groups recovered on day 7 was twice as high (44.6 ± 11.3 cells/m for 'Non' and 91.1 ± 21.9 cells/m for 'μCh'). Since MSC homing to the recovered scaffold was evident, we speculated that cytokines for stem cell homing might play a role in this phenomenon. The release of stromal cell-derived factor-1 (SDF-1) from the recovered scaffold was quantified by ELISA (Fig. 3G). Of note, the SDF-1 release from 'μCh' scaffolds recovered on day 7 was almost twice that of 'Non'. Interestingly, SDF-1 release showed a very similar pattern to MSC recruitment, suggesting that a role for SDF-1 in MSC homing to the scaffold may be crucial.

MSC가 손상된 미세환경을 재형성하기 위한 조직 복구 세포의 기능을 증가시키는 사이토카인과 성장인자들을 방출하기 때문에, 내인성 MSC의 모집은 복구 과정을 위해 매우 유익하다고 인식되었다. 특히, 모집된 MSC는 면역 반응 조절, 혈관신생을 위한 내피세포(또는 간세포)와의 혼선, 및 필요한 세포 계통으로의 직접적인 분화 능력을 갖는다. 그러므로, 숙주 줄기 세포를 모집하고 본연의 재생 잠재력을 보존하기 위해 스캐폴드를 가공하는 것이 외인성 줄기 세포 이식에 대한 유망한 대안적인 접근방식으로 간주된다. 이러한 이유로, 대부분의 사람들이 케모카인을 줄기 세포 호밍에 알맞게 분비하도록 스캐폴드 내에 케모카인(예를 들어, SDF-1, 기질 P, 등)을 혼합하였다.Recruitment of endogenous MSCs has been recognized as highly beneficial for the repair process, as MSCs release cytokines and growth factors that increase the ability of tissue repair cells to remodel the damaged microenvironment. In particular, the recruited MSCs have the ability to regulate immune responses, crosstalk with endothelial cells (or hepatocytes) for angiogenesis, and directly differentiate into the required cell lineage. Therefore, engineering scaffolds to recruit host stem cells and preserve their native regenerative potential is considered a promising alternative approach to exogenous stem cell transplantation. For this reason, most people have incorporated chemokines (eg, SDF-1, matrix P, etc.) into scaffolds to secrete chemokines appropriate for stem cell homing.

하지만, 여기서 우리는 외래 케모카인을 사용하지 않은 마이크로채널화 스캐폴드를 사용하여 줄기 세포 호밍 현상을 목격하였다. 이것으로 초기 응답된 염증 세포가 이 줄기 세포 호밍 과정을 관리할 수 있는 것으로 생각된다. 줄기 세포 호밍 케모카인(예를 들어, SDF-1)은 조직 복구 및 재형성에 관련된 세포(예를 들어, MSC)의 이동을 개시하기 위해 주로 염증 세포에서 분비된다. 그러므로, μCh 스캐폴드 내 해소 단계(즉, M2 단계로의 세포 분극)로 바뀐 염증 반응은 손상 부위로 MSC를 유도하는 것을 통해 조직 치유를 가속화하는 SDF-1의 분비를 촉진했을 수 있다.However, here we witnessed a stem cell homing phenomenon using a microchannelized scaffold without the use of exogenous chemokines. It is thought that inflammatory cells that respond early to this can manage this stem cell homing process. Stem cell homing chemokines (eg, SDF-1) are secreted primarily by inflammatory cells to initiate migration of cells involved in tissue repair and remodeling (eg, MSCs). Therefore, the inflammatory response shifted to the resolution phase (i.e., cell polarization to the M2 phase) within the μCh scaffold may have promoted the secretion of SDF-1, which accelerates tissue healing through directing MSCs to the site of injury.

2.4. μCh 스캐폴드에서 촉진된 혈관신생2.4. Promoted Angiogenesis in μCh Scaffolds

다음으로, 마이크로채널화 스캐폴드에서 생체 내 혈관신생을 조사하였다(도 4A). 이식 후 14일에 회수하였을 때, 시료를 면역조직화학적으로 분석하였다(도 4B). 스캐폴드 내 CD31-양성 신호를 관 형성으로 정했다. 참고로, 새롭게 형성된 혈관의 수는 'Non' 군에서 보다 'μCh'에서 유의적으로 더 높았다(도 4C). 또한, 'μCh' 내 혈관의 크기가 'Non' 군에 비해 유의적으로 더 컸다. 마이크로채널화 스캐폴드의 생체 내 혈관신생 유발 능력을 확인한 다음 회수한 시료 및 트랜스웰 삽입물을 수반하는 생체 외 조직 배양 모델을 사용하여 혈관신생을 추가로 시험하였다(도 4D). 인간 탯줄 정맥 내피 세포(HUVEC)를 3일 및 7일째에 회수한 조직 시료와 함께 배양하고, 관 망 형성을 분석하였다. 성장 인자가 보충된 혈관-유도 배지를 양성 대조군으로 사용하였다. 3일 째에 회수한 'μCh' 스캐폴드에서 HUVEC은 더 강하고 확장된 관 망을 보였다(도 4E). 'μCh' 군에서 관의 수와 총 관의 면적은 'Non' 군에 비해 유의적으로 더 높았다(도 4F). 하지만 흥미롭게도 7일 째에 회수한 'μCh'와 'Non' 사이에서 관 형성의 유의적인 차이는 없었다. ELISA 정량 방법으로 회수한 조직 시료의 VEGF 방출을 확인한 결과, 'μCh'에서 'Non'에 비해 유의적으로 더 높은 것으로 나타났다(도 4G). 이들 결과를 기초로, 마이크로채널이 초기 기간과 관계하여 3D 스캐폴드의 혈관신생을 유의적으로 촉진한다는 것이 증명되었고 높은 VEGF 방출이 혈관신생 유발에서 일부 결정적인 역할을 하는 것으로 생각된다.Next, we investigated angiogenesis in vivo in microchannelized scaffolds (Fig. 4A). When harvested 14 days after implantation, samples were analyzed immunohistochemically (FIG. 4B). A CD31-positive signal in the scaffold was determined as tube formation. For reference, the number of newly formed blood vessels was significantly higher in 'μCh' than in the 'Non' group (Fig. 4C). Also, the size of blood vessels in the 'μCh' group was significantly larger than that in the 'Non' group. After confirming the ability of the microchannelized scaffold to induce angiogenesis in vivo, angiogenesis was further tested using an ex vivo tissue culture model involving recovered samples and transwell inserts (Fig. 4D). Human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) were cultured with tissue samples harvested on days 3 and 7 and analyzed for tube network formation. Vascular-inducing medium supplemented with growth factors was used as a positive control. On the 'μCh' scaffold harvested on day 3, HUVECs showed stronger and expanded vascular networks (Fig. 4E). The number of tubes and the total tube area in the 'μCh' group were significantly higher than those in the 'Non' group (Fig. 4F). Interestingly, however, there was no significant difference in tube formation between 'μCh' and 'Non' recovered on day 7. As a result of confirming the release of VEGF from tissue samples recovered by ELISA quantitative method, 'μCh' was found to be significantly higher than 'Non' (Fig. 4G). Based on these results, it was demonstrated that microchannels significantly promote angiogenesis of 3D scaffolds with respect to the initial period and high VEGF release is thought to play some crucial role in angiogenesis induction.

혈관신생은 복구 과정에서 세포 생존 및 조직 성장에 필수적이며, 이는 분극화 대식세포와 모집된 MSC로부터 분비된 생물활성 분자에 의해 촉진되는 생물학적 반응을 정밀하게 조직화한다. 여기서 우리는 마이크로채널화 스캐폴드가 혈관신생을 촉진하는 것을 목격하였다. 사실, 혈관신생에서 다공성, 대형-공극 크기 및 상호연결성과 같은 다공성 스캐폴드의 많은 파라미터의 효과가 폭넓게 연구되었다. 예를 들어, 공극 크기와 상호연결성의 증가는 혈관신생을 강화하고 결국 조직 복구를 강화할 수 있었다. 하지만, 대부분의 경우에서 고려된 공극 크기는 적어도 수백 마이크로미터의 범위였고, 수십 마이크로미터 범위의 공극을 고려한 경우는 거의 없다. 혈관신생에서 채널화 스캐폴드의 마이크로공극 크기의 효과를 증명하는 획기적인 연구가 하나 있었다. 이 마이크로공극은 병행 채널화 스캐폴드에 상이한 크기로 생성되었고, 30 내지 40㎛ 마이크로공극을 갖는 스캐폴드가 가장 높은 혈관신생을 보였는데, 이는 흥미롭게도 본 발명 마이크로채널화 스캐폴드에서 발견한 것과 유사하다. 생체 내 혈관신생 결과를 뒷받침하여, VEGF는 이식된 μCh 시료에서 유의적으로 더 높은 수준으로 방출되었는데, 이는 아마도 MSC 모집을 위한 SDF-1의 방출과 같이 조직 복구에 맞는 성장 인자와 사이토카인(여기서는 VEGF)을 분비할 수 있는 초기 모집 세포의 작용에 따른 것으로 보인다. 반면, 호밍된 MSC 또한 혈관신생 인자의 분비가 촉진될 수 있으며, 이는 간엽조직-내피 혼선의 가능성을 시사한다.Angiogenesis is essential for cell survival and tissue growth in the repair process, which precisely orchestrates the biological response promoted by polarized macrophages and bioactive molecules secreted from recruited MSCs. Here we observe that microchannelized scaffolds promote angiogenesis. In fact, the effect of many parameters of porous scaffolds, such as porosity, macro-pore size and interconnectivity, on angiogenesis has been extensively studied. For example, an increase in pore size and interconnectivity could enhance angiogenesis and consequently tissue repair. However, in most cases, the pore size considered was at least in the range of hundreds of micrometers, and in few cases, pores in the range of tens of micrometers were considered. There was one groundbreaking study demonstrating the effect of micropore size in channelized scaffolds on angiogenesis. These micropores were created in different sizes in parallel channeled scaffolds, and scaffolds with 30-40 μm micropores showed the highest angiogenesis, which is interestingly similar to what we found in our microchannelized scaffolds. do. Supporting the in vivo angiogenesis results, VEGF was released at significantly higher levels in the transplanted μCh samples, presumably due to growth factors and cytokines appropriate for tissue repair, such as the release of SDF-1 for MSC recruitment (here VEGF) seems to be due to the action of early recruited cells capable of secreting. On the other hand, homing MSCs can also promote the secretion of angiogenic factors, suggesting the possibility of mesenchymal-endothelial crosstalk.

2.5. μCh 스캐폴드에서 감소된 섬유화2.5. Reduced fibrosis in μCh scaffolds

섬유화는 과도하고 무질서하게 콜라겐의 퇴적이 형성되는 것으로, 이식가능한 재료에서 문제가 되어 왔고 이에 따라 종종 개발된 많은 생물물질의 생물적합성을 평가하는데 있어서 음성적인 신호로 간주된다. 과도하거나 오래 지속되는 염증은 종종 두꺼운 섬유성 캡슐의 형성을 유도하고, 조직의 지연된 후속 치유 및 재형성을 예측할 수 있도록 한다. 실제로, 두꺼운 섬유성 캡슐은 혈관신생 및 숙주 줄기 세포의 침투를 방해할 수 있다. 이에 3주까지의 기간 동안 MT 염색을 통해 스캐폴드 상의 섬유화를 조사하였다(도 5A). 'Non' 스캐폴드 주위에는 두꺼운 섬유성 캡슐이 형성된 반면, 이러한 섬유화가 'μCh' 스캐폴드에서는 유의적으로 감소되었다. 섬유성 캡슐의 두께를 정량한 결과, 'Non'에서 'μCh' 스캐폴드에 대해 거의 두 배였다(도 5B). 섬유아세포가 'Non' 스캐폴드에서 광범위하게 존재하지만 'μCh' 스캐폴드에서는 그렇지 않은, 7일째 섬유아세포/MSC 공동-염색의 결과를 다시 보면(도 3B), 콜라겐성 섬유의 퇴적 및 섬유화 반응에는 'Non' 스캐폴드에 침투된 섬유아세포가 필요하다. 종합하면, 'Non' 스캐폴드에 비교하여 'μCh' 주위에 섬유성 캡슐 형성이 덜한 것은 염증, 혈관신생 및 줄기세포 모집을 포함하는 일련의 숙주 현상의 결과로 생각된다.Fibrosis, the excessive and disordered deposition of collagen, has been a problem in implantable materials and is therefore often considered a negative sign in assessing the biocompatibility of many developed biomaterials. Excessive or long-lasting inflammation often leads to the formation of a thick fibrous capsule, predictably delayed subsequent healing and remodeling of the tissue. Indeed, the thick fibrous capsule can impede angiogenesis and invasion of host stem cells. Thus, fibrosis on the scaffold was investigated through MT staining for up to 3 weeks (FIG. 5A). A thick fibrous capsule was formed around the 'Non' scaffold, whereas this fibrosis was significantly reduced in the 'μCh' scaffold. The thickness of the fibrous capsule was quantified, and it was almost doubled for the 'μCh' scaffold in 'Non' (Fig. 5B). Looking again at the results of fibroblast/MSC co-staining at day 7, where fibroblasts were extensively present on the 'Non' scaffold but not on the 'μCh' scaffold (Fig. 3B), the deposition of collagenous fibers and the fibrotic response Fibroblasts infiltrated on a 'Non' scaffold are required. Taken together, the less fibrotic capsule formation around 'μCh' compared to the 'Non' scaffold is thought to be the result of a series of host events including inflammation, angiogenesis and stem cell recruitment.

2.6. 격리된 분자들의 연속적인 공동 현상 및 가능한 역할2.6. Successive Cavitation of Isolated Molecules and Possible Roles

입증된 바와 같이, 'μCh' 스캐폴드는 변화된 면역/염증 반응을 통해 혈관신생 및 줄기세포 호밍 과정을 유의적으로 촉진하였고, 이는 궁극적으로는 섬유성 캡슐의 형성 감소를 초래한다. 참고로, 조직 시료로부터의 SDF-1 및 VEGF의 방출은 'μCh' 스캐폴드에서 훨씬 높았으며, 이는 혈관신생 및 줄기 세포 자극에서의 이들의 핵심 역할을 뒷받침한다. SDF-1 및 VEGF 신호 분자들은 처음에는 스캐폴드에 침투된 세포로부터 분비되는 것으로 추측되었지만, 이들은 또한 스캐폴드에 격리될 수 있다. 이점에서, 'μCh' 스캐폴드가 분자들을 격리하는 능력을 가질 것이라고 생각하였다. 이러한 가설을 시험하기 위해, 이식 24시간 후에 회수한 스캐폴드 시료로의 단백질 흡수를 분석하였다.As demonstrated, the 'μCh' scaffold significantly promoted the process of angiogenesis and stem cell homing through an altered immune/inflammatory response, ultimately leading to reduced formation of the fibrotic capsule. Of note, the release of SDF-1 and VEGF from tissue samples was much higher in the 'μCh' scaffold, supporting their key role in angiogenesis and stem cell stimulation. Although SDF-1 and VEGF signaling molecules were initially speculated to be secreted from cells infiltrating the scaffold, they can also be sequestered in the scaffold. In this regard, it was envisioned that the 'μCh' scaffold would have the ability to sequester molecules. To test this hypothesis, protein uptake into scaffold samples retrieved 24 hours after implantation was analyzed.

먼저, 'μCh' 스캐폴드에 흡수된 단백질의 총량은 'Non' 스캐폴드(4.85㎎)의 거의 두 배 수준인 9.84㎎으로 정량되었다(도 6A). 추가로 스캐폴드에 점착된 단백질 성분을 확인하였다. 비트로넥틴, 피브로넥틴, 및 피브리노겐을 포함하여 초기 세포 현상에 고용되는 것으로 알려진 ECM 분자들에 집중하였다. 흥미롭게도, 웨스턴블롯 분석(도 6B)에서 이들 ECM 분자들 모두 'Non'에 비해 'μCh'에 유의적으로 더 높은 수준으로 흡수되는 것으로 나타났다. Ponceau S 염색 결과는 두 스캐폴드 군에 대한 같은 양의 단백질이 겔에 로드되었다는 것을 뒷받침한다. 게다가, 시료의 피브로넥틴 및 비트로넥틴에 대한 면역염색 결과, 'Non' 스캐폴드에 비해 'μCh'에서 더 강한 단백질 신호가 나타났다(도 6C). 다음으로 단백질 분석 키트를 사용하여 사이토카인, 케모카인 및 성장 인자를 포함하는 일련의 생물활성 분자의 격리를 분석하였다(도 6D).First, the total amount of protein absorbed by the 'μCh' scaffold was quantified to be 9.84 mg, almost twice the level of the 'Non' scaffold (4.85 mg) (Fig. 6A). In addition, protein components attached to the scaffold were confirmed. We focused on ECM molecules known to be involved in early cellular events, including vitronectin, fibronectin, and fibrinogen. Interestingly, Western blot analysis (Fig. 6B) showed that all of these ECM molecules were absorbed at significantly higher levels by 'μCh' compared to 'Non'. Ponceau S staining results support that equal amounts of protein for both scaffold groups were loaded on the gel. In addition, immunostaining of samples for fibronectin and vitronectin showed stronger protein signals in 'μCh' compared to 'Non' scaffolds (Fig. 6C). Next, the isolation of a series of bioactive molecules including cytokines, chemokines and growth factors was analyzed using a protein assay kit (Fig. 6D).

각 점의 강도를 표 S1 내지 3에 요약하였다. 24시간 내에 스캐폴드에 격리된 분자들 사이에, 일반적으로 전염증 사이토카인 및 케모카인이 높게 나타났다. 흥미롭게도, 염증 신호의 발현은 'Non' 스캐폴드에 비해 'μCh'에서 더 낮았다. 특히, CCL11, CCL12, CCL21, CXCL10, CXCL13, 및 MMP-9의 발현이 스캐폴드 사이에서 두 배 이상으로 차이가 있었다(도 6E 및 F). 반면, IL-1ra, IL-4, IL-10, VEGF, CD105, 및 FGF21을 포함하는 항-염증 반응과 관련된 분자들의 흡수는 큰 차이가 없었다. 그러므로 μCh 스캐폴드는 격리된 잠정적 단백질의 프로파일을 변화시킴이 명백하다. 여기서 확인된 케모카인의 발현 프로파일은 초기 염증 반응이 우세한 분석 시점(24시간)을 반영할 수 있다.The intensity of each point is summarized in Tables S1-3. Among the molecules sequestered on the scaffold within 24 hours, pro-inflammatory cytokines and chemokines were generally elevated. Interestingly, expression of inflammatory signals was lower in 'μCh' compared to 'Non' scaffold. In particular, the expression of CCL11, CCL12, CCL21, CXCL10, CXCL13, and MMP-9 differed more than twofold between the scaffolds (Fig. 6E and F). On the other hand, there was no significant difference in uptake of anti-inflammatory response-related molecules including IL-1ra, IL-4, IL-10, VEGF, CD105, and FGF21. It is therefore evident that the μCh scaffold changes the profile of the putative protein isolated. The expression profile of the chemokines identified here may reflect the time point of analysis (24 h) when an early inflammatory response predominates.

특히 매우 이른 시점에 스캐폴드에 흡수/격리된 단백질의 유형 및 양에 대한 분석을 기반으로, 'μCh' 스캐폴드가 첫째로 줄기 세포 정착과 같은 초기 세포 접착 과정에 핵심적으로 관여하는 일부 ECM 분자들을 끌어들이는 능력, 둘째로 염증을 상향조절하는 분자들을 훨씬 적게 모집하는 능력을 갖는 것으로 생각된다. 가공된 생물재료가 체내 케모카인 농도를 조절하여 만성적 염증과 관련된 반응을 조절하는 것이 가능하다. 최근 연구에서, 가공된 하이드로겔이 초기 단계에 활성화 대식세포로부터 분비되는 분자들을 격리하여 조직 복구를 위한 혈관신생 강화를 유도하는데 매우 효과적인 것으로 나타났으며, 이는 세포 미세환경을 만들기 위해 생물재료가 잠정적 분자들을 격리하는 것의 중요함을 강조한다. 점착성 단백질의 흡수가 증가한 반면 동시에 전염증성 사이토카인의 격리가 감소한 현재의 발견은 만성적 염증을 억제하면서 복구 과정을 추진할 수 있는 μCh 스캐폴드에 의한 세포 미세환경의 재현을 시사한다. 피브로넥틴/비트로넥틴이 풍부한 표면은 세포(예를 들어, MSC)의 초기 점착을 촉진하는 것에 기여하고 잠정적 매트릭스는 숙주 세포 이동 및 침윤을 위한 일시적인 구조물을 제공한다. 게다가, 이들 점착성 분자들은 호중구 및 대식세포가 표면을 인식하고 정착하는 것을 촉진할 수 있다. 또한, 피브린-풍부 섬유성 표면이 대식세포를 자극하여 전- 및 항-염증 반응을 분극화하는 것으로 보고되었다.In particular, based on the analysis of the type and amount of proteins absorbed/sequestered into the scaffold at a very early time point, the 'μCh' scaffold firstly stimulates some ECM molecules that are critically involved in early cell adhesion processes such as stem cell establishment. Second, it is thought to have the ability to recruit much less molecules that upregulate inflammation. It is possible that engineered biomaterials modulate responses associated with chronic inflammation by modulating chemokine concentrations in the body. In a recent study, engineered hydrogels were shown to be very effective in inducing enhanced angiogenesis for tissue repair by sequestering molecules secreted from activated macrophages at an early stage, suggesting that biomaterials are potential candidates for creating a cellular microenvironment. Emphasize the importance of isolating molecules. The present finding that uptake of adherent proteins is increased while sequestration of proinflammatory cytokines is simultaneously decreased suggests recapitulation of the cellular microenvironment by the μCh scaffold, which can drive repair processes while inhibiting chronic inflammation. The fibronectin/vitronectin-rich surface serves to promote initial adhesion of cells (eg MSCs) and the stump matrix provides a temporary structure for host cell migration and invasion. Moreover, these adhesive molecules can promote neutrophils and macrophages to recognize and colonize surfaces. It has also been reported that fibrin-rich fibrous surfaces stimulate macrophages to polarize pro- and anti-inflammatory responses.

종합적으로, 생체 내 'μCh' 스캐폴드에서 발생하는 일련의 순차적인 현상은 도 7과 같이 요약할 수 있다. 따라서 'μCh' 스캐폴드는 조직 복구 과정을 가속화하는 독특한 물리화학적 특성을 갖고 있음이 분명하다. 이를 기초로, 우리는 더 많은 조직-특이적 모델로 'μCh' 스캐폴드의 조직 재생 능력을 시험하기 위한 실험을 추가 설계하였다; 골 재생 또한 이러한 일련의 순차적인 현상을 선호하기 때문에 여기에 골 결손 모델을 도입하였다. 특히, 'μCh' 스캐폴드에 의한 전-혈관신생 및 MSC 모집 상의 생체 내 효과를 마우스와 유사한 쥐에서도 확인하였다.Collectively, a series of sequential events occurring in the 'μCh' scaffold in vivo can be summarized as shown in Fig. 7. Therefore, it is clear that the 'μCh' scaffold possesses unique physicochemical properties that accelerate the tissue repair process. Based on this, we further designed experiments to test the tissue regeneration ability of the 'μCh' scaffold with more tissue-specific models; Since bone regeneration also prefers such a series of sequential events, a bone defect model was introduced here. In particular, the in vivo effects on pro-angiogenesis and MSC recruitment by the 'μCh' scaffold were also confirmed in mouse-like mice.

2.7. 골 결손 모델에 제공된 μCh 스캐폴드의 재생 잠재력2.7. Regenerative potential of μCh scaffolds presented in bone defect models

'μCh' 스캐폴드를 6주 동안 두개관 결손 쥐에 이식하고 일련의 초기 생체 내 현상이 새로운 골 형성 조건에서 효과적일 수 있는 경우 조직 시료를 분석하였다. 시료의 X-선 및 마이크로-CT 이미지에서 'μCh' 스캐폴드에서는 상당한 수준의 결손 부위 내 형성된 단단한 조직이 나타났으나, 'Non' 스캐폴드에서는 매우 제한적이었다(도 8A 및 B). 재구성된 마이크로-CT 이미지를 기초로 정량한 결과, 새로운 골의 부피, 표면적 및 밀도가 'Non' 스캐폴드 보다 'μCh'에서 더 높았다(도 8C). 조직학적(H&E) 염색 결과에서는 'μCh' 스캐폴드의 결손 부위 내에 새로운 뼈가 잘 형성된 것으로 나타났다(도 8D). 면밀히 조사한 결과, 'μCh' 스캐폴드의 마이크로채널 내에 많은 세포가 모였고 침부되었다. 새롭게 형성된 조직의 Sirius Red S/Fast Green 공동-염색 결과, 스캐폴드 내에 콜라겐성(빨간색) 및 비콜라겐성(초록색) 매트릭스가 퇴적된 것으로 나타났다. 매트릭스 분자들이 'Non' 스캐폴드에 비교하여 'μCh' 스캐폴드 내에 더 많이 생산되는 것으로 나타났다(도 8E). 참고로, 비콜라겐성 단백질은 콜라겐 매트릭스의 주변에 주로 퇴적되었고, 콜라겐 퇴적물은 'μCh' 스캐폴드의 마이크로채널 내에서도 발견되었는데, 이는 침부한 세포 또한 콜라겐 분자를 생산했다는 것을 나타낸다. 정량에서, 'μCh' 스캐폴드 내 콜라겐성 및 비콜라겐성 단백질의 양은 'Non' 스캐폴드에 비해 거의 2배에 달하게 유의적으로 더 높았다; 콜라겐성 단백질의 경우 4.83(±0.44) vs. 2.27(±0.14)㎍/section 및 비콜라겐성 단백질의 경우 65.3(±6.05) vs. 36.9(±2.97)㎍/section(도 8F). 콜라겐이 초기 골 매트릭스로 간주되는 반면, 오스티오칼신, 오스티오폰틴, 및 오스티오넥틴을 포함하는 비콜라겐성 단백질은 주로 골 매트릭스 형성의 완성 단계에 관련된다. 특히, 오스티오폰틴의 면역조직화학적 신호는 'Non' 스캐폴드 보다 'μCh' 스캐폴드의 조직 시료에서 더 분명하게 나타났고, 이는 마이크로채널에 의해 골 매트릭스 퇴적이 촉진됨을 나타낸다.'μCh' scaffolds were implanted into calvarial defect mice for 6 weeks and tissue samples were analyzed if a series of initial in vivo events might be effective in new bone formation conditions. X-ray and micro-CT images of the samples showed a significant level of hard tissue formed within the defect area in the 'μCh' scaffold, but very limited in the 'Non' scaffold (Fig. 8A and B). As a result of quantification based on the reconstructed micro-CT images, the volume, surface area and density of new bone were higher in 'μCh' than in 'Non' scaffold (Fig. 8C). Histological (H&E) staining results showed that new bone was well formed within the defect area of the 'μCh' scaffold (Fig. 8D). Upon closer inspection, many cells were aggregated and embedded within the microchannels of the 'μCh' scaffold. Sirius Red S/Fast Green co-staining of the newly formed tissue revealed the deposition of collagenous (red) and non-collagenous (green) matrices within the scaffold. It was found that more matrix molecules were produced within the 'μCh' scaffold compared to the 'Non' scaffold (Fig. 8E). For reference, non-collagenous proteins were mainly deposited on the periphery of the collagen matrix, and collagen deposits were also found within the microchannels of the 'μCh' scaffold, indicating that the infiltrated cells also produced collagen molecules. In quantification, the amount of collagenous and non-collagenous proteins in the 'μCh' scaffold was significantly higher by almost 2-fold compared to the 'Non' scaffold; 4.83 (±0.44) vs. collagenous protein. 2.27 (±0.14) μg/section and 65.3 (±6.05) vs. non-collagenous proteins. 36.9 (±2.97) μg/section (FIG. 8F). While collagen is considered the initial bone matrix, non-collagenous proteins including osteocalcin, osteopontin, and osteonectin are primarily involved in the final stages of bone matrix formation. In particular, the immunohistochemical signal of osteopontin was more evident in tissue samples from the 'μCh' scaffold than from the 'Non' scaffold, indicating that bone matrix deposition was promoted by the microchannels.

따라서 생체 내 결과는 'μCh' 스캐폴드가 골 결손에서 세포의 재생 과정을 강화할 수 있음을 입증했으며, 이는 앞서 논의한 바와 같이 조직 치유에서 일련의 호의적인 현상에 의해 촉진될 수 있다. 또한 시험관 내 실험은 'μCh' 스캐폴드가 MSC를 부착시키고 골형성 계통으로 분화하는 것을 'Non' 스캐폴드 보다 더 잘 촉진할 수 있다는 것을 뒷받침한다. 비록 같은 부위의 재생 과정이 다른 조직의 조직 치유 과정과 정확하게 일치하지는 않지만(도 7과 같이), 염증, 혈관 신생 및 줄기 세포 모집을 포함한 주요 현상은 일반적으로 공통적으로 공유될 수 있으며, 이는 궁극적으로 MSC의 골 발생 및 골 형성에 영향을 미칠 것이다. 그러나 스캐폴드의 마이크로채널은, 다른 현상과 독립적으로, MSC의 골 발생적 분화를 직접적으로 조절하는 것도(예를 들어, 위상적 효과로 인해) 가능하다.Thus, in vivo results demonstrated that the 'μCh' scaffold could enhance the regenerative process of cells in bone defects, which, as discussed earlier, could be promoted by a series of favorable events in tissue healing. In vitro experiments also support that the 'μCh' scaffold is better than the 'Non' scaffold to promote attachment of MSCs and differentiation towards the osteogenic lineage. Although the process of regeneration in the same site does not exactly correspond to the process of tissue healing in other tissues (as shown in Fig. 7), key phenomena including inflammation, angiogenesis and stem cell recruitment can generally be shared in common, which ultimately MSCs will affect osteogenesis and osteogenesis. However, it is also possible that the microchannels of the scaffold, independently of other phenomena, directly modulate the osteogenic differentiation of MSCs (eg, due to topological effects).

상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다. In the above, the present invention has been shown and described in relation to specific preferred embodiments, but the present invention can be variously modified and changed without departing from the technical features or fields of the present invention provided by the claims below. It is clear to those skilled in the art that it can be.

Claims (13)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 계층적 마이크로 채널 구조를 가지는, 조직 재생용 다공성 스캐폴드 제조방법으로서,
폴리카프로락톤 및 캄펜이 용매에 용해된 용액을 에탄올과 증류수의 혼합 용액 내에 토출하여 성형하는 것이며,
상기 에탄올과 증류수의 혼합 용액의 온도가 30 내지 40℃이고,
상기 에탄올과 증류수의 혼합 용액은 에탄올과 증류수가 1:1의 부피비율로 혼합된 용액인,
조직 재생용 다공성 스캐폴드 제조방법.
A method for manufacturing a porous scaffold for tissue regeneration having a hierarchical microchannel structure,
It is molded by discharging a solution in which polycaprolactone and camphene are dissolved in a solvent into a mixed solution of ethanol and distilled water,
The temperature of the mixed solution of ethanol and distilled water is 30 to 40 ° C,
The mixed solution of ethanol and distilled water is a mixed solution of ethanol and distilled water in a volume ratio of 1: 1,
A method for manufacturing a porous scaffold for tissue regeneration.
제7항에 있어서,
상기 에탄올과 증류수의 혼합 용액의 온도가 37℃인, 조직 재생용 다공성 스캐폴드 제조방법.
According to claim 7,
A method for manufacturing a porous scaffold for tissue regeneration, wherein the temperature of the mixed solution of ethanol and distilled water is 37 ° C.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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