KR20130140987A - 고분자 섬유의 전기 방사 혼합물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연 폴리머와 합성 폴리머의 혼합물을 전기 방사하여 만들어 진 scaffold에 관한 것으로, 기존 수용성 배지에서 폴리머 scaffold의 문제점을 보완하고자 한다.

Description

고분자 섬유의 전기 방사 혼합물 {electrospun blends of polymer fibers}

본 발명은 손상된 조직의 회복 및 교체를 위한 기능적 3차원 조직을 구성하는 것에 대한 공학 기술과 관련된다.

손상된 기존 조직의 회복 및 교체를 위해 세포와 scaffolds를 이용한 기능성 3차원 조직 구조물 공학은 조직공학의 궁극적 목표중 하나이다.

최근 실용 가능한 scaffold들은 다음의 문제점을 포함한다:

(a) scaffold에 교차결합을 필요로 한다.

(b) 다양한 응용에 적합한 기계적 강도를 나타내지 않는다.

(c) 세포 성장이 제한된다.

따라서, 개선된 기계적 강도와 세포의 성장 능력이 증명된 scaffold를 제공하기 위한 기술이 필요하다.

본 발명에서 비 직조 섬유소 scaffold는 유사 엘라스틴 펩타이드(ELP)와 poly(MPC-co-n-butyl methacrylate)(PMB), 합성 생 분해 폴리머; poly(lactide-co-glycolic acid)(PLG)의 제 3차 혼합물로 전기 방사 되었다.

이 전기 방사 과정은 시스템 구성의 간단 화와 나노 단위 특징의 발현 때문에 조직공학을 위한 scaffold의 제작에 매력적이다. 게다가, 이 전기 방사 과정은 천연 폴리머와 합성 폴리머 모두로부터 섬유 scaffold를 만들어 낼 수 있다. 이것은 전기 방사 과정을 사용하여 제작된 scaffold의 한계점이 높은 섬유 밀집도를 갖는다는 것인데 이것은 전기 방사된 매트들에서 종종 세포의 성장을 위한 허용치 보다 너무 높은 섬유 밀집도가 나타난다는 것이다. 그래서 섬유 밀집도를 낮춘 매트를 만들기 위해 주어진 용매에 용해도 차이를 보이는 비 단일 종 섬유소를 포함하는 scaffold를 합성하여 해결이 가능하다. 섬유성 단백질 scaffold의 주요 결점은 섬유소의 빠른 가수분해를 방지하기 위해 교차결합이 필요하다는 것이다. 합성 scaffold의 제작에 따르면

전기방사는 조직 공학에서 천연 폴리머, 합성 폴리머, 단백질로부터 생체 모방 scaffold 가공에 효과적인 접근 방식을 제공한다. 본 발명에서 전기 방사된 섬유소 합성 PEP scaffold 는 합성 생분해 폴리머; poly(lactide-co-glycolic acid)(PLGA), 유사 엘라스틴 펩타이드(ELP), poly(2-methacryloyloxyehyl phosphorylcholine (MPC)-co-n-butyl metharylate (BMA))(PMB)로 구성된다. 이 scaffold의 장점은 우수한 3차원 세포배양 성분과 함께 혼합물을 형성하는 것이 각 요소의 협력작용에 이롭게 작용한다는 것이다. 이것은 PEP 매트릭스에서 rBMSC의 배양, 이동 그리고 확산을 나타내는 조직학적 분석에 의해 입증되었고, 체외에서 4주 동안 세포의 밀집도가 극히 높아진 결과를 얻었다. 이 scaffold는 밀집된 세포 배양을 지지하기 위한 능력 때문에 조직공학 시스템에서 넓은 응용가능성을 가졌고, 극히 높은 세포 개체 수를 생성할 수 있는 능력을 가졌다.

본 발명은 섬유소와 합성 폴리머의 혼합물로부터 전기 방사 된 나노 섬유 생 적합성 바이오 매트릭스를 제공하여, 이 매트릭스는 조직 공학 scaffold로 사용되고 손상되거나 기능을 상실한 조직의 교체 및 회복을 위해 체내에 삽입된다. 이 특수 혼합물은 세포의 침투와 확산을 가능하게 하는 기계적, 물리적 성질을 갖는 scaffold에서 고유 배합을 제공한다. 그리고 섬유-겔 구조에 탄성을 가지며, scaffold를 통과하여 세포의 이동이 가능한 섬유 매트릭스를 생성한다. 본 발명의 초기에는 교차결합 없이 콜라겐 같은 천연 단백질과 PLGA의 동시 회전 (서로 다른 주사기 속에 다른물질)을 시켰다. 그 후 scaffold를 수용성 배지에 놓았을 때, 교차 결합이 없던 단백질 섬유들이 녹아 내렸고, 다공성 PLGA 섬유 그물을 형성했다. 이런 접근은 흥미로웠지만, 일단 이것이 더 많은 다공성의 scaffold를 제작할 수 있는지 여부를 알기 위해 다양한 물질들을 같은 용액에 용해시켰다. 그리고 다공성 scaffold를 제작할 수 있는 가능성을 조사하기 위해, 유사 엘라스틴 펩타이드(ELP)와 poly(MPC-co-butyl methacrylate)(PMB), 합성 생분해 폴리머; poly(lactide-co-glycolic acid)(PLGA) 제 3차 혼합물의 혼합 방적 (같은 용매에 모든 재료)을 진행했다. 그 결과 비 교차 결합 요소가 완벽히 용해한 것 대신에 수용성 배지에서 고체 섬유-겔 매트가 생성되었다. PEP 매트는 scaffold에서 여전히 고체 섬유 성분으로 존재하는 것이 확실했지만, 수용성 배지에서 눈에 띄게 부풀어난 겔 형태를 나타내었다.

본 발명의 비한정적 예로 poly(lactide-co-glycolic acid)(PLGA), poly(L-lactic acid)(PLLA), poly(L-lactide-co-ε-caprolactone)(PLCL) 중에서 선택된 하나의 합성 생분해 폴리머와 유사 엘라스틴 펩타이드(ELP)와 poly(MPC-co-butyl methacrylate)(PMB)를 사용하여 기술 되었다. SEM (scanning eletron microscopy)를 이용해 측정 한 평균 섬유소의 직경은 약 410~995 nm 정도로 증가 되었고, 이 예시에서 PEP scaffold의 3차원 세포 배양 특성을 연구하기 위해 rBMSC가 사용되었다. 수용성 배양 배지에서 초기에 PEP scaffold 각각의 섬유소가 부풀어 오르는 특성은 일관되게 관측되었다. 그러나 rBMSC가 심어진 PEP scaffold 는 본래 크기의 50% 이하로 수축해 있었다. Time course 조직학 분석은 4주 이상 시험관 내 환경에서 PEP scaffo닝 안에 rBMSC를 획일적으로 심는 것과 섬유소로 된 구조물 내에 세포가 완벽히 침투되는 것을 증명했다.

따라서, 본 발명은 poly(lactide-co-glycolic acid)(PLGA), 유사 엘라스틴 펩타이드(ELP)와 poly(MPC-co-butyl methacrylate)(PMB)의 전기적 처리를 거친 섬유소를 포함한다. 이런 점에서 최소 하나의 유사 엘라스틴 펩타이드를 포함한다.

특정 실시 예에서, 상기 전기적 처리를 거친 혼합물은 전기 방사 혼합물이다. 본 발명의 또 다른 목적은 섬유소로 만들어진 scaffold를 제공하는 것이다. 특정 실시 예에서, scaffold는 세포를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다. 특정 실시 예에서, scaffold는 약물을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 다른 목적은 섬유소를 만드는 방법을 제공하는 것이다. 본 방법은 poly(lactide-co-glycolic acid)(PLGA), 유사 엘라스틴 펩타이드(ELP)와 poly(MPC-co-butyl methacrylate)(PMB)의 혼합물을 제공하는 것을 포함하고, 이런 점에서 최소 하나의 유사 엘라스틴 펩타이드를 포함하고 섬유소를 형성하기 위한 전기적 처리를 거친 혼합물을 포함한다. 특정 실시 예에서 전기적 처리는 전기 방사로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 scaffold의 사용법을 제공하는 것이고, 본 방법에서 세포와 scaffold를 접촉시키는 것을 포함한다.

특정 실시 예에서, 섬유소는 약물을 포함한다.

특정 실시 예에서, poly(MPC-co-butyl methacrylate)(PMB)는 섬유소에서 제외된다.

세포 외의 매트릭스 단백질들은 조직의 scaffold 제작을 위해 그들에게 유리한 선택을 함으로써, 세포의 중요한 미세환경을 조절한다. 이런 외부 단백질에서 단독으로 제작된 scaffold는 기능성과 탄력성의 척도를 제공한다. 전기 방사 과정을 이용한 PMB와 ELP의 구조물은 수용성 배지에서 섬유소의 hydrogel transition 과 최종 용해를 막기 위해 화학적 교차결합을 필요로 한다. 이 섬유소는 세포의 침투에 단단하게 잘 견딘다. 그리고 아미노산 잔여물의 교차결합 때문에 약간의 생 활성도를 잃는다.

본 발명에서 전기 방사는 전기적 처리 과정이 우선시 된다. 상기 전기적 처리란 넓은 의미로 재료의 전기방사, 전기분사, 전기연무, 그리고 전기 스피터링의 모든 방법을 포함하는 것으로 정의한다. 그것은 상기 방법들의 두가지 또는 그 이상의 조합들과 전기 계를 통과하여 소재가 흘러내리거나, 분사, 증착, 또는 드리핑 되는 것 또한 포함한다. 전기적 처리된 물질은 하나 이상의 대전된 기질 방향에 전기 기초를 둔 저장소 또는 기초 타겟을 향해 대전된 저장소로부터 전기적 처리가 될 수 있다. 전기 방사 과정은 간편하고 합성 및 천연 폴리머에서 마이크로, 나노 스케일의 특징을 가졌기 때문에 조직공학의 응용을 위해 scaffold 를 제작하는 매력적인 과정이다. 지금까지 polyamide, polylactide, 셀룰로오스 유도체, 수용성 폴리머 (예를 들면 polyethyleneoxide), 폴리머 혼합물 또는 나노 입자나 기능적 미세 분자를 포함하는 폴리머를 포함하여 넓은 범위의 폴리머가 전기 방사 처리되어 왔다. 더 최근에 전기방사과정은 천연 폴리머와 합성 폴리머로부터 조직공학을 위한 섬유질 scaffold를 생산하기 위해 이용되고 있다. 전기 방사 섬유질 scaffold는 많은 합성 생분해 폴리머들로 제작되었다. 합성 생분해 폴리머의 종류로는 poly(ε-caprolactone)(PCL), poly(lactic acid)(PLA), poly(glycolic acid) (PGA), poly(lactide-co-glycolide)(PLGA) 등이 있다. 전기 방사 scaffold는 뼈조직 공학과 심장 이식에 사용하기 위해 제안되고 있다. 유사하게는 혈관 대체 공학을 위해 나노 섬유 scaffold에서 poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) [P(LLA-CL)] 이 전기 방사 되고 있다.

임의의 어떤 용매라도 실린지의 구멍이나 끝, Ehsms 전기적 처리된 물질로부터 어느 곳이라도 재료나 물질의 이송이 가능하다면 사용될 수 있다. 그 용매는 재료나 물질을 전기적 처리를 위해 녹이거나 서스펜딩 하기 위해 사용된다. 재료 또는 물질을 녹이거나 서스펜딩 하기에 유용한 용매들은 그 재료와 물질에 달려있다. 전기 방사 기술은 더 특별한 용매 조건이 요구된다. 예를 들어 poly(MPC-co-butyl methacrylate)를 구성하는 MPC를 포함하는 폴리머의 경우 그것을 녹이는 용매로 물을, 분석에 사용하는 용매로 2,2,2-trifluoroethanol, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol(HFIP)을 사용한다. 섬유소 단량체는 요소, 모노클로로아세틱 산, 증류수, HFIP 또는 그들의 혼합용 혼합 용매로부터 전착 되거나 전기방사된다. 엘라스틴 유사 펩타이드는 증류수, HFIP 또는 그 혼합 용매 (이소 프로판올 과 증류수)에서 전착된다. 단일 재료로 제작된 전기방사 scaffold의 한가지 단점은 전기방사 매트에 섬유 밀도가 세포의 내적 성장이 이루어 지기엔 너무 높은 섬유 밀도와 fishnet 효과의 결과이다. 섬유 단백질 scaffold의 주요 결점은 상하기 쉬운 섬유소의 빠른 가수분해를 방지하기 위해 교차결합이 필요하다는 것이다. 가능한 해결책은 여러 다른 종류와 수용성 배지에서 섬유소-하이드로겔 조합을 생성하는 서로 다른 겔-솔리드 형태의 트랜지션을 나타내는 합성된 독창적 소재의 섬유소로 이루어진 합성 scaffold를 사용하는 것이다. 여기서, 고체 상태의 합성 폴리머 재료는 교차결합 되지 않은 단백질의 하이드로 겔 요소들이 세포의 부착 및 성장 촉진제로서 작용하는 동안 섬유질의 중추로서 기능을 할 수 있다. 본 발명에서 PLGA, PMB, 그리고 엘라스틴 유사 펩타이드는 동일한 HFIP 용매와 3차 섬유질 매트 내에서 이 혼합의 electrospun에 용해된다. 수용성 배지에 노출에 합성 PEP scaffold는 화학적 교차결합을 위할 필요 없이 적정한 기계적 강도를 갖는 안정한 섬유소가 가득한 하이드로겔이 되었다. 게다가, 개별 요소로 구성한 섬유소 scaffold와 비교하였을 때, PEP scaffolds는 개선된 3D 조직 유사 조립체를 지지 능력을 나타냈다. 따라서, 이 새로운 합성 scaffold는 공학 디자인 이론을 위한 개념의 증명을 제공하여, 몇몇 개별 요소의 장점을 나타냈다.

본 발명에서 합성된 폴리머들은 생분해성과 비 생분해성 폴리머를 포함하고 있다

Claims (6)

1. poly(MPC-co-butyl methacrylate)(PMB), 유사 엘라스틴 펩타이드 (ELP)와 poly(lactide-co-glycolic acid)(PLGA)가 electrospun 된 혼합물을 포함하는 섬유소.
2. 제 1항의 섬유소로 만들어진 scaffold.
3. 제 2항의 scaffold에 있어서, 세포를 추가로 포함한다.
4. 제 2항의 scaffold에 있어서, 약물을 추가로 포함한다.
5. 제 1항의 섬유소에 있어서, 약물을 추가로 포함한다.
6. 제 1항의 섬유소을 만드는 방법에 있어서, 다음 단계들을 포함하는 방법:
   (a) 유사 엘라스틴 펩타이드(ELP)와 poly(MPC-co-butyl methacrylate) (PMB), poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) 폴리머의 혼합물을 제공한다.
   (b) 섬유소 형성을 위한 혼합물을 electrospun 하는 것.