KR20160041166A - Injectable Hydrogels Derived from Phosphorylated Calcium Alginate Complexes - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a porous injectable hydrogel including a phosphorylated calcium alginate complex, and to a hydrogel manufactured by the manufacturing method. The injectable hydrogel derived from a phosphorylated calcium alginate complex is manufactured by the manufacturing method of the present invention. The injectable hydrogel is physically stable; provides a microenvironment advantageous to cell growth; and provides excellent effects to cytotoxicity and cell transmission. Therefore, the hydrogel of the present invention can be used in soft bone and soft tissue engineering by providing a microenvironment beneficial to 3D capsulation of cells.

Description

인산화된 칼슘 알기네이트 복합체로부터 유래된 주사가능한 하이드로겔{Injectable Hydrogels Derived from Phosphorylated Calcium Alginate Complexes}[0002] Injectable Hydrogels Derived from Phosphorylated Calcium Alginate Complexes from Phosphorylated Calcium Alginate Complexes [

본 발명은 인산화된 칼슘 알기네이트(CaPAlg)를 포함하는 다공성의 주사가능한 하이드로겔의 제조방법 및 그 제조방법에 의하여 제조된 하이드로겔에 관한 것이다.
The present invention relates to a process for preparing a porous injectable hydrogel comprising phosphorylated calcium alginate (CaPAlg) and a hydrogel prepared by the process.

1960년대 O.Wichterle et al.(Nature, 1960)등에 의해 폴리-2-하이드록시에틸메타아크릴레이트(PHEMA)로 이루어진 하이드로겔이 개발된 이후로 하이드로겔이 가지는 친수성과 생체적합성으로 인하여 생체재료분야에서의 응용에 대한 관심이 꾸준히 증가되어 왔다. Since the hydrogel of poly-2-hydroxyethyl methacrylate (PHEMA) has been developed by O. Wichterle et al. (Nature, 1960) in the 1960s, the hydrophilic and biocompatibility of the hydrogel The interest in the application has been steadily increasing.

이러한 하이드로겔은 초기에는 고흡수성을 기반으로 하는 위생용품에 주로 이용되었으나, 현재에는 다양한 부가적인 기능성의 도입에 의해 약물전달시스템, 색전술, 조직공학용 지지체, 케미컬밸브, 단백질의 분리, 농축 및 안정화, 면역어세이, 생물반응기, 센서, 크로마토그래피 및 화장품 충진제 등 의약학적 응용에서 산업적 응용에 이르기까지 매우 광범위한 분야에서 유용하게 이용되고 있다.These hydrogels were initially used mainly in hygienic products based on high absorptivity, but nowadays, by introducing various additional functionalities, it is possible to improve the separation, concentration and stabilization of drug delivery system, embolization, support for tissue engineering, Immunoassays, bioreactors, sensors, chromatographic and cosmetic fillers, and the like, from pharmaceutical applications to industrial applications.

1980년경 칼슘알기네이트 하이드로겔이 개발된 이후 천연 또는 합성고분자를 이용한 다양한 생체재료용 하이드로겔이 개발되었으며, 특히, 생분해성을 가진 주사가능한 하이드로겔은 생물학적으로 활성 분자의 캡슐화가 가능하고, 이들의 우수한 성형성(formability)으로 인하여 고통스러운 수술없이 인체에 투여되는 것이 가능한 독특한 특성 때문에, 바이오활성 제제의 방출을 조절하기 위한 약물 전달 시스템 및 조직 공학을 위한 일시적인 세포외 기질로서 활발하게 연구되고 있다. Since the development of calcium alginate hydrogels around 1980, hydrogels for various biomaterials using natural or synthetic polymers have been developed. In particular, biodegradable injectable hydrogels are capable of biologically encapsulating active molecules, Due to its unique properties, which can be administered to the human body without painful surgery due to its excellent formability, it has been actively studied as a transdermal extracellular matrix for drug delivery systems and tissue engineering to regulate the release of bioactive agents.

한편, 알기네이트는 Ca2 +, Mg2 +, Ba2 +와 같은 2가 양이온과 킬레이팅하여 하이드로겔을 형성하는 것으로 알려져있다(Seliktar, D. et al., Science., 2012). 상기 하이드로겔은 CaCl2 및 CaSO4와 같은 칼슘 염을 사용한 전형적인 외부적 세팅 기술(external setting technique)에 의하여 제조되며, 두 개의 마주보는 GG 블록(egg-box model)의 산소원자가 양이온과 결합함으로써 체인간 크로스-링킹을 형성한다. 이러한 알기네이트 하이드로겔은 생체적합성 및 낮은 독성 때문에 바이오메디컬 응용분야에서 중요성을 가진다.On the other hand, the alginate is Ca 2 +, Mg 2 +, Ba 2 + 2, such as are known to form a hydrogel by rating keel with a cation (Seliktar, D. et al., Science., 2012). The hydrogel is prepared by a typical external setting technique using calcium salts such as CaCl 2 and CaSO 4, and the oxygen atoms of the two opposing GG blocks (egg-box model) Thereby forming human cross-linking. Such alginate hydrogels are of importance in biomedical applications due to their biocompatibility and low toxicity.

특히, 바이오물질로서 알기네이트 하이드로겔은 화학적 변형을 통하여 내재적 특성을 강화시킬 수 있고, 새로운 특성을 도입할 수 있다. 그 예로, Grøndahl et al.(Biomacromolecules , 2011)은 하이드록시아파타이트(hydroxyl apatite)의 결정핵생성(nucleation) 및 성장을 유도하는 능력을 측정하는 유레아/포스페이트 방법을 사용하여 인산화된 알기네이트 유도체(PAlg)를 제조하였다. In particular, the alginate hydrogel as a biomaterial can strengthen its intrinsic properties through chemical modification and introduce new properties. For example, Grøndahl et al. ( Biomacromolecules , 2011) reported that phosphorylated alginate derivatives (PAlg) using the urea / phosphate method, which measures the nucleation and growth induction of hydroxyl apatite, ).

그러나 일반적으로 사용되는 외부적으로 Ca2 +을 첨가되는 것에 의한 방법으로는 인산화된 알기네이트를 이용하여 하이드로겔을 형성하기가 어렵다. 이는 인산화된 알기네이트의 분자량 감소 및 인산화에 의한 입체적 변화(conformational change) 때문이라고 생각된다. However, it is difficult to form a hydrogel by using phosphorylated alginate as a method by adding Ca 2 + externally, which is generally used. This is thought to be due to molecular weight reduction of the phosphorylated alginate and conformational change due to phosphorylation.

이에 본 발명자들은 인산화된 알기네이트를 이용하여 하이드로겔을 제조하기 위하여 예의 연구,노력한 결과, 새로운 알기네이트 유도체로서 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체(CaPAlg)를 알기네이트 소듐 염과 혼합하면 자기-겔화(self-gelation)없이 하이드로겔을 간편하게 형성할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Therefore, the inventors of the present invention have made intensive studies and efforts to produce a hydrogel using phosphorylated alginate. As a result, when a phosphorylated alginate calcium complex (CaPAlg) as a new alginate derivative is mixed with an alginate sodium salt, self- -gelation), and thus the present invention has been completed.

본 발명의 하나의 목적은 인산화된 알기네이트를 포함하는 수용액에 칼슘이온(Ca2 +)을 첨가하여 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체(CaPAlg) 수용액을 제조하는 제1단계; 및 상기 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체 수용액 및 소듐 알기네이트 수용액을 혼합하여 하이드로겔을 형성하는 제2단계를 포함하며, 상기 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체(CaPAlg)는 인산화된 알기네이트와 칼슘이온이 결합하여 수용액에 분산된 것인, 주사가능한 하이드로겔의 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for preparing a phosphorylated alginate calcium complex (CaPAlg) aqueous solution by adding calcium ion (Ca 2 + ) to an aqueous solution containing phosphorylated alginate; And a second step of mixing the phosphorylated alginate calcium complex aqueous solution and sodium alginate aqueous solution to form a hydrogel, wherein the phosphorylated alginate calcium complex (CaPAlg) binds phosphorylated alginate with calcium ions Wherein the hydrogel is dispersed in an aqueous solution.

본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 의하여 제조된 주사가능한 하이드로겔을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an injectable hydrogel prepared by the above-mentioned production method.

본 발명의 또 다른 목적은 칼슘이온(Ca2+)으로 가교결합된 인산화된 알기네이트(CaPAlg)를 포함하는 다공성의 주사가능한 하이드로겔을 제공하는 것이다.Yet another object of the present invention is to provide a porous, injectable hydrogel comprising phosphorylated alginate (CaPAlg) crosslinked with calcium ions (Ca < 2 + >).

상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 인산화된 알기네이트를 포함하는 수용액에 칼슘이온(Ca2+)을 첨가하여 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체(CaPAlg) 수용액을 제조하는 제1단계; 및 상기 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체 수용액 및 소듐 알기네이트 수용액을 혼합하여 하이드로겔을 형성하는 제2단계를 포함하며, 상기 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체(CaPAlg)는 인산화된 알기네이트와 칼슘이온이 결합하여 수용액에 분산된 것인, 주사가능한 하이드로겔의 제조방법을 제공한다.
According to one aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a phosphorylated alginate calcium complex (CaPAlg) aqueous solution by adding calcium ions (Ca 2+ ) to an aqueous solution containing phosphorylated alginate; And a second step of mixing the phosphorylated alginate calcium complex aqueous solution and sodium alginate aqueous solution to form a hydrogel, wherein the phosphorylated alginate calcium complex (CaPAlg) binds phosphorylated alginate with calcium ions Wherein the hydrogel is dispersed in an aqueous solution.

이하 본 발명의 주사가능한 하이드로겔을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the injectable hydrogel of the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 인산화된 알기네이트를 포함하는 하이드로겔을 제조함에 있어서, 일반적으로 사용되는, 칼슘이온을 알기네이트 용액내에 분산시켜 하이드로겔을 형성하는 경우(이러한 방법을 이하 '외부적 세팅 기법(external setting technique)'이라 한다), 칼슘이온(Ca2+)이 포스페이트에 대하여 강한 친화력을 보이고, 다른 인산화된 알긴네이트 분자(PAlg)와는 가교결합하지 않기 때문에, 인산화된 알기네이트를 포함하는 하이드로겔을 형성하기 어려운 점을 발견하였다. 따라서, 본 발명은 가교제로서 칼슘이온을 먼저 인산화된 알기네이트와 결합시킨 후, 보다 쉽게 이온화될 수 있는 알기네이트와 혼합할 경우(이러한 방법을 이하 '내부적 확산 기법(internal diffusion technique)'이라 한다) 보다 손쉽게 인산화된 알기네이트를 포함하는 하이드로겔을 형성할 수 있는 것에 그 기술적 특징이 있다.
The inventors of the present invention have found that when preparing a hydrogel containing phosphorylated alginate, a commonly used method of dispersing calcium ions in an alginate solution to form a hydrogel (this method is referred to as an "external setting" technique), calcium ions (Ca 2+ ) show a strong affinity for phosphate and do not cross-link with other phosphorylated alginate molecules (PAlg), forming a hydrogel containing phosphorylated alginate It was found that it was difficult to do so. Therefore, the present invention relates to a method for preparing a calcium ion complex by combining a calcium ion as a crosslinking agent with a phosphorylated alginate first and then mixing it with an easily ionizable alginate (this method will hereinafter be referred to as an 'internal diffusion technique'), It is a technical feature that a hydrogel containing a phosphorylated alginate can be formed more easily.

본 발명의 "알기네이트"는 알긴산 염으로서, 알긴산은 자연산 다당류로 미역, 다시마와 같은 갈조류의 중요 구성성분이다. 알긴산은 생체적합성이 뛰어나고 독성이 낮으며 가격이 비교적 저렴한 장점이 있다. 또한, 알긴산 수용액은 2가 양이온(예: Ca2 +)과 결합하여 하이드로겔을 비교적 쉽게 생성한다. 알긴산의 구성요소인 D-만누론산과 L-글루론산의 함량은 갈조류의 종류에 따라 다르고 알긴산의 물성에 큰 영향을 미친다. 특히 알긴산의 분자구조는 D-만누론산과 L-글루론산이 블록공중합체 형태를 이루고 있고, L-글루론산 블록이 2가 양이온과 결합하여 하이드로젤을 형성하기 때문에 L-글루론산 블록의 길이가 알긴산 하이드로젤의 물리적인 성질을 결정하는 중요한 요소이다. 현재 사용되는 알긴산의 일반적인 분자량은 30,000∼400,000이고,Mark-Houwink 관계식([η]=KMv a )의 상수값 K와 a는 각각 2×10-3과 0.97이다(0.1 M NaCl 용액, 25 ℃).
"Alginate" of the present invention is alginate, and alginic acid is a natural polysaccharide and is an important constituent of brown algae such as seaweed and kelp. Alginic acid has excellent biocompatibility, low toxicity and relatively low price. In addition, the alginate solution is a divalent cation: is relatively easy to produce a hydrogel in combination with (such as Ca + 2). The contents of D-mannuronic acid and L-glutaric acid, which are constituents of alginic acid, differ depending on the kind of brown algae and have a great influence on the physical properties of alginic acid. Particularly, the molecular structure of alginic acid is a block copolymer of D-mannuronic acid and L-glutaric acid, and since the L-glucuronic acid block forms a hydrogel by binding with the divalent cation, the length of the L- It is an important factor in determining the physical properties of alginic acid hydrogels. The general molecular weights of alginic acid currently used are 30,000-400,000 and the constant values K and a of the Mark-Houwink relation ([]] = KM v a are 2 × 10 -3 and 0.97, respectively (0.1 M NaCl solution, 25 ° C. ).

본 발명에 따른 인산화된 칼슘 알기네이트를 포함하는 하이드로겔의 제조방법에서 제1단계는 인산화된 알기네이트(PAlg)를 수용액에 용해한 후 칼슘이온(Ca2+)을 첨가하여 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체(CaPAlg) 수용액을 제조하는 단계이다(도 1). In the first step of the method for producing a hydrogel containing phosphorylated calcium alginate according to the present invention, phosphorylated alginate (PAlg) is dissolved in an aqueous solution, calcium ion (Ca 2+ ) is added to the phosphorylated alginate calcium complex (CaPAlg) aqueous solution (Fig. 1).

여기서, 상기 PAlg를 제조하는 방법은 당업계에서 알기네이트를 인산화하기 위하여 사용하는 방법이라면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 일예로, 1가 이온과 염형태를 이루고 있는 알기네이트를 인산염과 혼합하여 제조할 수 있다. 이는 알기네이트 전구체가 수용성이어야 하나, 2가 이온들의 경우, 알기네이트와 반응시 겔을 형성하여 비수용성이 되기 때문에, 상기 1가 이온과 염형태를 이루고 있는 알기네이트를 사용한다. 상기 1가 이온으로는 H+, Li+, Na+, K+, NH4 + 등이 가능하나 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에서는, 소듐 알기네이트를 H3PO4/P2O5/Et3PO4/1-hexanol 기법을 사용하여 인산화된 알기네이트(PAlg)를 제조하는 것으로, 상세하게는 소듐 알기네이트를 인산(H3PO4)용액에 분산시키고, 오산화인(P2O5) 및 트라이에틸포스페이트(Et3PO4)가 포함되어 있는 헥산올 용액을 첨가한 후, 상기 반응 혼합물에 과량의 메탄올을 첨가하여 제조하였다.Herein, the method for producing PAlg may be used without limitation as long as it is used in the art to phosphorylate alginate. For example, alginate having a salt form with a monovalent ion can be prepared by mixing with a phosphate. This is because the alginate precursor should be water-soluble, but in the case of divalent ions, alginate which forms a salt with the monovalent ions is used because it forms a gel when reacted with alginate and becomes insoluble. The monovalent ions include, but are not limited to, H + , Li + , Na + , K + , and NH 4 + . In one embodiment of the present invention, sodium alginate is produced by preparing phosphorylated alginate (PAlg) using the H 3 PO 4 / P 2 O 5 / Et 3 PO 4 /1-hexanol technique, The alginate was dispersed in a phosphoric acid (H 3 PO 4 ) solution, and a hexanol solution containing phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ) and triethyl phosphate (Et 3 PO 4 ) was added, Of methanol.

상기 CaPAlg 복합체는 인산화된 알기네이트와 칼슘이온이 결합한 것이며, 이는 인산화된 알기네이트 분자와 칼슘이온의 양성자 교환에 의하여 제조할 수 있다.The CaPAlg complex is a combination of phosphorylated alginate and calcium ions, which can be prepared by proton exchange of phosphorylated alginate molecules with calcium ions.

상세하게는 상기 PAlg를 증류수에 용해시키고, 이에 Ca(OAc)2 수용액을 첨가하여 제조할 수 있다. 이는 pH 8이하일 수 있다.
Specifically, the PAlg may be dissolved in distilled water and Ca (OAc) 2 aqueous solution may be added thereto. It may be below pH 8.

또한, 상기 제1단계는 상기 CaPAlg 복합체 수용액을 투석하여 무기염을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. The first step may further include a step of dialyzing the CaPAlg complex aqueous solution to remove inorganic salts.

상기 투석 및 동결건조 후에 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체는 흰색 분말로 얻어진다.
After the dialysis and lyophilization, the phosphorylated alginate calcium complex is obtained as a white powder.

본 발명의 제2단계는 상기 CaPAlg 복합체 수용액 및 PAlg 수용액을 혼합하여 하이드로겔을 형성하는 단계이다. 일예로 1 내지 10중량%의 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체 수용액 및 상기 소듐 알기네이트 수용액을 혼합할 수 있으며, 다른 일예로는 1 내지 3중량%일 수 있다.
The second step of the present invention is a step of mixing a CaPAlg composite aqueous solution and a PAlg aqueous solution to form a hydrogel. For example, 1 to 10% by weight of phosphorylated alginate calcium complex aqueous solution and the sodium alginate aqueous solution may be mixed, and in another example, 1 to 3% by weight.

또한, 상기 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체 수용액 및 소듐 알기네이트 수용액은 1:0.1 내지 1:10의 부피비로 혼합할 수 있으며, 일 예로 1:0.25 내지 1:4의 부피비로 혼합할 수 있다. 또 다른 일 예로는 1:0.67 내지 1:1.5의 부피비로 혼합할 수 있다.The phosphorylated alginate calcium complex aqueous solution and the sodium alginate aqueous solution may be mixed at a volume ratio of 1: 0.1 to 1:10, for example, in a volume ratio of 1: 0.25 to 1: 4. In another example, they may be mixed in a volume ratio of 1: 0.67 to 1: 1.5.

상기 부피비로 혼합된 CaPAlg40~60은 주사가능한 최적의 겔화시간(약2~10분) 및 300~400㎛ 크기의 기공구조를 가져 세포성장에 유리한 마이크로 환경을 제공할 수 있으며(실험예 4, 도 7 및 도 8), 진동수에 따른 모듈러스 변화의 변화가 적어 더 안정한 하이드로겔을 제공할 수 있고(실험예 3, 도 8(f)), 생체적합성과 관련하여, 단기간의 세포 배양에 있어서, 세포독성 및 세포 전달에 있어서 우수한 효과를 제공할 수 있다(실험예 5).CaPAlg 40 to 60 mixed at the above volume ratio can provide a micro environment favorable for cell growth because of having an optimal gelation time (about 2 to 10 minutes) and a pore structure having a size of 300 to 400 탆 which can be injected (Experimental Example 4, 7 and FIG. 8), it is possible to provide a more stable hydrogel with less change in modulus change depending on the number of vibrations (Experimental Example 3, FIG. 8 (f)) and, in relation to biocompatibility, Toxicity and cell transfer (Experimental Example 5).

알기네이트를 포함하는 하이드로겔에 있어서, P가 포함되면(인산화된 알기네이트), 강화된 분해에 대한 저항성이 나타난다. 그러나, 종래의 칼슘이온을 외부에서 첨가하여 하이드로겔을 제조하는 외부적 세팅 기법으로는 인산화된 알기네이트를 포함하는 하이드로겔을 제조할 수 없었다. 이에 본 발명자들은 미리 제조한 CaPAlg 복합체를 이용함으로써(내부적 확산 기법) 인산화된 알기네이트를 포함하는 하이드로겔을 간편하게 제조할 수 있음을 확인하였다(실험예4 및 도 8)
In hydrogels containing alginate, when P is involved (phosphorylated alginate), resistance to enhanced degradation appears. However, hydrogel containing phosphorylated alginate could not be prepared by an external setting technique for preparing a hydrogel by adding calcium ion from the outside. Thus, the present inventors confirmed that a hydrogel containing phosphorylated alginate can be easily prepared by using a CaPAlg complex (internal diffusion technique) prepared in advance (Experimental Example 4 and FIG. 8)

다른 양태로서, 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 주사가능한 하이드로겔을 제공한다.In another aspect, the present invention provides an injectable hydrogel prepared by the above method.

상기 제조방법으로 제조된 하이드로겔은 CaPAlg 복합체 수용액 및 PAlg 수용액의 비율에 따라 겔화시간이 상이하며, CaPAlg40~60의 경우에, 약 2 ~ 10분의 겔화시간을 나타내어 주사방법으로 투여가 가능함을 확인하였다(실험예 4 및 도 8)The hydrogel prepared by the above method shows a gelation time depending on the ratio of the CaPAlg complex aqueous solution and the PAlg aqueous solution and shows a gelation time of about 2 to 10 minutes in the case of CaPAlg 40 to 60, (Experimental Example 4 and Fig. 8)

또한, 다공성의 몰폴로지를 가짐을 확인하여 약물 전달 시스템 및 조직 공학을 위한 일시적인 세포외 기질로서 사용될 수 있음을 확인하였다(실험예 2 및 도6).
In addition, it has been confirmed that it has a porous morphology and can be used as a transient extracellular matrix for drug delivery systems and tissue engineering (Experimental Example 2 and Fig. 6).

또 다른 양태로서, 본 발명은 인산화된 알기네이트(CaPAlg)를 포함하는 칼슘이온(Ca2 +)으로 가교결합된 다공성의 주사가능한 하이드로겔을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a porous, injectable hydrogel crosslinked with calcium ions (Ca < 2 + & gt ; ) comprising phosphorylated alginate (CaPAlg).

본 발명에서 CaPAlg 복합체는 Ca2 + 및 PO4 -이온을 가지고 있는 폴리사카라이드 체인을 제공한다. 전형적인 외부적 세팅 기법(external setting technique)과 달리, 본 발명의 내부적 세팅 기법(internal diffusion technique)은 변형된 분자에 전반적으로 칼슘 이온 농도를 균일하게 증가시키기 위하여 칼슘이온(Ca2 +)을 알기네이트 분자내로 효율적으로 공급함을 ICP-OES 분석을 통하여 증가된 DS값으로 확인할 수 있었다(실험예 1-(3)). In the present invention, the CaPAlg complex provides a polysaccharide chain having Ca 2 + and PO 4 - ions. Unlike a typical external setting technique, the internal diffusion technique of the present invention uses calcium ions (Ca < 2 + & gt ; ) to increase the calcium ion concentration uniformly on the modified molecules, And it was confirmed by the ICP-OES analysis that the DS value was efficiently supplied into the molecule (Experimental Example 1- (3)).

본 발명의 주사가능한 하이드로겔은 소듐 알기네이트 및 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체의 비율의 조절에 의하여 최적의 겔화 시간 및 기계적 강도를 가진 하이드로겔을 제조하는 것이 가능함을 확인할 수 있었다(실험예3 및 도 8(f)).
It was confirmed that the injectable hydrogel of the present invention can produce a hydrogel having an optimal gelation time and mechanical strength by controlling the ratio of sodium alginate and phosphorylated alginate calcium complexes 8 (f)).

본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 인산화된 칼슘 알기네이트 복합체로부터 유래된 주사가능한 하이드로겔은 주사로 피하에 주입가능한 최적의 겔화시간(약2~10분) 및 300~400㎛ 크기의 기공구조를 가져 세포성장에 유리한 마이크로 환경을 제공할 수 있으며, 진동수에 따른 모듈러스 변화의 변화가 적어 더 안정하고, 생체적합성과 관련하여, 단기간의 세포 배양에 있어서, 세포독성 및 세포 전달에 있어서 우수한 효과를 제공할 수 있다.The injectable hydrogel derived from the phosphorylated calcium alginate complex produced by the preparation method of the present invention has an optimum gelation time (about 2 to 10 minutes) capable of being injected subcutaneously by injection and a pore structure of 300 to 400 mu m in size Can provide a micro environment favorable for cell growth, has less change in modulus change according to the frequency, is more stable, and has excellent effects on cytotoxicity and cell transfer in short-term cell culture with respect to biocompatibility can do.

또한, 본 발명의 주사가능한 하이드로겔의 제조방법은 온화한 반응조건에서 인산화된 알기네이트를 제조할 수 있으며, 최소의 Ca(OAc)2를 사용하는 것이 가능하고, 외부적으로 칼슘이온을 첨가하는 방법에 의하여 제조할 수 없었던 인산화된 알기네이트 하이드로겔을 내부적 세팅 기법(internal diffusion technique)에 의하여, NaAlg 및 CaPAlg를 혼합함으로써 균일한 이온농도를 가진 하이드로겔을 간단하게 제조할 수 있다.In addition, the method of preparing an injectable hydrogel of the present invention can produce phosphorylated alginate under mild reaction conditions, and it is possible to use a minimal amount of Ca (OAc) 2 and a method of externally adding calcium ions It is possible to simply manufacture a hydrogel having a uniform ion concentration by mixing the NaAlg and CaPAlg by the internal diffusion technique of the phosphorylated alginate hydrogel which could not be produced by the method of the present invention.

따라서, 본 발명의 하이드로겔은 세포의 3D 캡슐화에 대하여 유리한 마이크로 환경을 제공할 수 있어, 연골 및 소프트 조직 공학에 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, the hydrogel of the present invention can provide a favorable micro environment for 3D encapsulation of cells, and thus can be usefully used for cartilage and soft tissue engineering.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체(CaPAlg)를 제조하는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 소듐 알기네이트(NaAlg), 인산화된 알기네이트(PAlg) 및 인산화된 칼슘 알기네이트 복합체(CaPAlg)의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 소듐 알기네이트(NaAlg), 인산화된 알기네이트(PAlg) 및 인산화된 칼슘 알기네이트 복합체(CaPAlg)의 서모그램을 나타낸 것이다.
도 4은 NaAlg, PAlg 및 CaPAlg의 1H-NMR (D2O) 스펙트럼을 나타낸 것이다. 여기서, G 및 M 유닛 각각에 대하여 Gn 및 Mn은 C-n(n=1~5)에서의 양성자를 나타낸다.
도 5는 PAlg 폴리머의 31P-NMR 스펙트럼에서의 특징적인 피크를 나타낸 것이다.
도 6는 CaPAlg(A:적색) 및 NaAlg(B:청색)을 사용한 주사가능한 하이드로겔의 제조 및 형성에 대한 도시를 나타낸 것이다. (삽입된 사진은 전구체 용액의 액체 형태 및 A+B 혼합용액의 주사가능한 특성을 나타낸다.)
도 7은 CaPAlg 하이드로겔의 SEM이미지(a~d) 및 DMA 그래프(e)를 나타낸다: (a) CaPAlg20, (b) CaPAlg40, (c) CaPAlg60 및 (d) CaPAlg80을 나타낸 것이다.
도 8의 a)~d)는 CaPAlg 및 NaAlg 용액의 서로 다른 부피 비율로부터 제조된 하이드로겔을 나타낸 것이고, e)는 외부적 세팅 기법에 의해 제조된 하이드로겔을 나타낸 것이다: 동결전조 전(A), 후(B)의 형상 및 겔화시간(C)을 나타낸다. f)는 NaAlg 및 CaPAlg의 서로다른 조성비를 가지는 CaPAlg의 DMA를 나타낸 것이다.
도 9은 a) 4시간, b) 1일 및 c) 3일의 배양기간 동안, 하이드로겔 CaPAlg50 내에 캡슐화된 세포의 형광이미지를 나타낸다. 녹색 점은 생존한 세포를 나타낸 것이다.
도 10는 NaAlg 하이드로겔 및 CaPAlg50 하이드로겔의 0 ~ 1일 동안의 초기 세포의 생존 능력을 나타낸 것이다.
FIG. 1 shows a process for preparing a phosphorylated alginate calcium complex (CaPAlg) according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows FT-IR spectra of sodium alginate (NaAlg), phosphorylated alginate (PAlg) and phosphorylated calcium alginate complex (CaPAlg).
Figure 3 shows a thermogram of sodium alginate (NaAlg), phosphorylated alginate (PAlg) and phosphorylated calcium alginate complex (CaPAlg).
Figure 4 shows 1 H-NMR (D 2 O) spectra of NaAlg, PAlg and CaPAlg. Here, for each of the G and M units, G n and M n represent protons at C n (n = 1 to 5).
Figure 5 shows the characteristic peaks in the 31 P-NMR spectrum of the PAlg polymer.
6 shows an illustration of the preparation and formation of injectable hydrogels using CaPAlg (A: red) and NaAlg (B: blue). (The inset shows the liquid form of the precursor solution and the injectable nature of the A + B mixed solution.)
7 shows SEM images (a to d) and DMA graph (e) of CaPAlg hydrogel: (a) CaPAlg20, (b) CaPAlg40, (c) CaPAlg60 and (d) CaPAlg80.
Figures 8 a) to d) show hydrogels prepared from different volume ratios of CaPAlg and NaAlg solutions, and e) hydrogels prepared by an external setting technique: (B), and the gelation time (C). f) shows the DMA of CaPAlg having different composition ratios of NaAlg and CaPAlg.
Figure 9 shows fluorescence images of cells encapsulated in hydrogel CaPAlg50 during a) four hours, b) one day and c) three days of culture. The green dot represents the surviving cell.
Figure 10 shows the viability of early cells for 0-1 days of NaAlg hydrogel and CaPAlg50 hydrogel.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the constitution and effects of the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

<재료의 준비><Preparation of materials>

본 발명의 소듐 알기네이트(NaAlg; Mw 1.2 ~ 1.9 ×105, M/G 비: 1.56), 트라이에틸포스페이트(triethylphosphate), 포스포러스 펜톡사이드( phosphorous pentoxide) 및 1-헥산올(1-hexanol)은 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich, USA)로부터 구입하였으며, 인산(phosphoric acid)는 J.T.Baker(USA)로부터 구입하였다. 구입한 모든 화학물질은 추가의 정제없이 사용하였다.
See sodium carbonate of the invention (NaAlg; M w 1.2 ~ 1.9 × 10 5, M / G ratio: 1.56), triethyl phosphate (triethylphosphate), phosphorus pentoxide (phosphorous pentoxide), and 1-hexanol (1-hexanol ) Was purchased from Sigma-Aldrich (USA) and phosphoric acid was purchased from JT Baker (USA). All purchased chemicals were used without further purification.

제조예Manufacturing example 1: 인산화된  1: phosphorylated 알기네이트(PAlg)의Alginate (PAlg) 제조 Produce

NaAlg를 Amaral et al.(J. Biomater. Sci. Polymer Ed. 2005)에서 개시된 키토산의 인산화 과정에 따라 인산화하였다. 구체적으로, 소듐 알기네이트 파우더 1g을 37℃의 H3PO4 (43 mL)에 분산시키고, 여기에 별도로 제조된 오산화인(P2O5, 28 g) 및 트라이에틸포스페이트(Et3PO4, 38 mL)를 포함하는 헥산올(40mL) 용액을 서서히 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 37℃에서 2일 동안 교반한 후, 과량의 메탄올(200ml)에 쏟아부어 흰색 침전을 얻었다. 상기 침전을 PTFE 필터(0.5 μm 의 기공크기, 47 mm 의 직경)를 사용하여 여과하고, 메탄올(50 mL)로 3회 세척하고 진공상태, 상온에서 하루동안 건조시켜 700mg의 옅은 노랑색의 인산화된 알기네이트(PAlg) 파우더를 72%의 수득률로 얻었다.
NaAlg was phosphorylated by the phosphorylation process of chitosan disclosed by Amaral et al., (J. Biomater. Sci., Polymer Ed., 2005). Specifically, 1 g of sodium alginate powder was dispersed in H 3 PO 4 (43 mL) at 37 ° C., phosphorus pentoxide (P 2 O 5 , 28 g) and triethyl phosphate (Et 3 PO 4 , 38 mL) was added slowly. The reaction mixture was stirred at 37 ° C for 2 days, and then poured into an excess amount of methanol (200 ml) to obtain a white precipitate. The precipitate was filtered using a PTFE filter (0.5 μm pore size, 47 mm diameter), washed three times with methanol (50 mL), and dried in vacuum at room temperature for one day to yield 700 mg pale yellow phosphorylated inform Nat (PAlg) powder was obtained with a yield of 72%.

제조예Manufacturing example 2: 인산화된  2: phosphorylated 알기네이트Alginate 칼슘 복합체( Calcium complex CaPAlgCaPAlg )의 제조)

상기 제조예1에서 얻은 PAlg 파우더 100mg를 증류수 100ml에 용해시키고, 1.0N의 Ca(OAc)2 수용액을 서서히 첨가하여 pH를 8이하로 조절하였다. 이에 의하여 인산화된 알기네이트의 양성자와 칼슘이온(Ca2+)의 양성자 교환에 의하여 인산화된 알기네이트에 칼슘이온이 결합된 CaPAlg 복합체를 제조하였다(도 1). 이후, 상기 용액을 투석막(dialysis tubing membrane, (pore: 12,000 Da))을 사용하여 2일 동안 투석하여 상기 용액 내의 모든 무기염을 제거하였다. 물은 매 6시간마다 교환하였으며, 투석 및 동결건조 후에 87%의 수득률로, CaPAlg 흰색 파우더 97mg을 얻었다.
100 mg of the PAlg powder obtained in Preparation Example 1 was dissolved in 100 ml of distilled water, and 1.0 N Ca (OAc) 2 aqueous solution was gradually added thereto to adjust the pH to 8 or less. Thus, a CaPAlg complex in which calcium ions are bonded to phosphorylated alginate by proton exchange of proton of phosphorylated alginate and proton exchange of calcium ion (Ca 2+ ) was prepared (FIG. 1). Then, the solution was dialyzed for 2 days using a dialysis tubing membrane (pore: 12,000 Da) to remove all inorganic salts in the solution. Water was changed every 6 hours and 97 mg of CaPAlg white powder was obtained with a yield of 87% after dialysis and lyophilization.

실시예Example 1: 인산화된  1: phosphorylated 알기네이트Alginate 칼슘 복합체( Calcium complex CaPAlgCaPAlg )로부터 )from 하이드로겔의Hydrogel 제조 Produce

2wt%의 NaAlg 수용액(용액A) 및 상기 제조예 2에서 제조된 CaPAlg 복합체가 2wt% 포함된 수용액(용액B)를 별도로 제조하였다. 용액A 및 용액B를 하기 표 1에 나타난 각각의 비율로 혼합하고 짧은 볼텍싱(voltexing)을 하여 CaPAlg20, CaPAlg40, CaPAlg60 및 CaPAlg80을 제조하였다. An aqueous solution of 2 wt% NaAlg solution (solution A) and an aqueous solution containing 2 wt% of the CaPAlg composite prepared in Preparation Example 2 (solution B) were separately prepared. Solution A and Solution B were mixed in the proportions shown in Table 1 below and subjected to short vortexing to produce CaPAlg20, CaPAlg40, CaPAlg60 and CaPAlg80.

 Entry NoEntry No 용액 A (mL)Solution A (mL) 용액 B (mL)Solution B (mL) Hydrogel
Code-Name
Hydrogel
Code-Name
1One 0.20.2 0.80.8 CaPAlg20CaPAlg20 22 0.40.4 0.60.6 CaPAlg40CaPAlg40 33 0.60.6 0.40.4 CaPAlg60CaPAlg60 44 0.80.8 0.20.2 CaPAlg80CaPAlg80

각각의 혼합물이 하이드로겔을 형성할 때까지 PDMS몰드(SYLGARD®)에 고정시켰다(도 6).
Each mixture was fixed in a PDMS mold (SYLGARD ® ) until a hydrogel was formed (FIG. 6).

실험예Experimental Example 1 : 제조된  1: manufactured 알기네이트Alginate 유도체의 특성 조사 Investigation of the properties of derivatives

NaAlg, PAlg 및 CaPAlg의 각각의 특성의 차이점을 확인하기 위하여, 하기와 같이 FT-IR 분석, TGA 분석, ICP-OES 분석 및 NMR 분석을 수행하였다.
FT-IR analysis, TGA analysis, ICP-OES analysis and NMR analysis were carried out in order to confirm the differences in the respective characteristics of NaAlg, PAlg and CaPAlg.

(1) (One) FTFT -- IRIR 분석 analysis

FT-IR 분석은 Perkin-Elmer Spectrum BXII FT-IR spectrometer로 수행하였으며, IR 스펙트럼은 4000 내지 500cm-1 사이에서 4 cm-1의 분해능으로 16스캔을 가지고 기록하였다. FT-IR analysis was performed in Perkin-Elmer Spectrum BXII FT-IR spectrometer, IR spectra were recorded with 16 scans with a resolution of 4 cm -1 between 4000 to 500cm -1.

FT-IR 분석 결과, 도 2에 도시된 것과 같이 변형되지 않은 NaAlg와 변형된 알기네이트 샘플(PAlg 및 CaPAlg)의 FT-IR 스펙트럼을 나타내었다. 먼저, NaAlg의 IR 스펙트럼은 1614 및 1416 cm-1 (카복실레이트의 C=O 스트레칭 모드(비대칭 및 대칭)) 및 1300~1090 cm-1( C-O(H)) 및 C-O-C (고리) 진동모드)에서 특징적인 밴드를 나타내었다. As a result of the FT-IR analysis, FT-IR spectra of unmodified NaAlg and modified alginate samples (PAlg and CaPAlg) were shown, as shown in FIG. First, the IR spectrum of NaAlg was measured at 1614 and 1416 cm -1 (C = O stretching mode (asymmetric and symmetrical) of the carboxylate and 1300-1090 cm -1 (CO (H)) and COC Characteristic bands.

한편, NaAlg에서 인산화되어 구조가 변형된 PAlg의 경우, IR 스펙트럼에서 1740, 1630, 1244, 1084, 948 및 928 cm-1에서 몇몇의 새로운 피크가 관찰되었다. 이로써 1740 및 1630 cm-1 피크는 카복시산의 C=O 스트레칭 모드에 상응하므로, 소듐 알기네이트의 카복실레이트 이온이 대부분 산-형태로 전환되었음을 확인하였다. On the other hand, in the case of PAlg modified by NaAlg phosphorylation, several new peaks were observed at 1740, 1630, 1244, 1084, 948 and 928 cm -1 in the IR spectrum. This confirmed that the 1740 and 1630 cm -1 peaks correspond to the C = O stretching mode of the carboxylic acid, so that the carboxylate ions of the sodium alginate were mostly converted to the acid-form.

또한, P=O 비대칭적 스트레칭, P-O-C (지방족) 및 두 개의 P-O(H) 진동모드와 같은 포스페이트 그룹으로부터의 다른 피크들도 분명하게 관찰되었으므로, 고리상에 포스페이트가 존재함을 확인할 수 있다.In addition, other peaks from phosphate groups such as P = O asymmetric stretching, P-O-C (aliphatic) and two P-O (H) vibration modes were clearly observed, confirming the presence of phosphate on the ring.

소듐 알기네이트와 달리, 인산화 후 알기네이트에서 1300cm- 1피크가 소멸하였다. 이는 인산화가 알기네이트 고리의 하이드록실 그룹에서 일어난다는 사실을 나타낸다. Unlike sodium alginate, 1,300 cm - 1 peak disappeared in alginate after phosphorylation. This indicates that phosphorylation occurs in the hydroxyl group of the alginate ring.

CaPAlg 복합체의 FT-IR 스펙트럼은 도 2에 나타난 바와 같이 NaAlg와 유사하나, PAlg와는 다소 차이가 나타났다. 1244 ~ 928 cm-1에서의 인(P)과 관련된 작용기(P=O, P-O-C, 및 P-O(H))의 특징적인 피크가 NaAlg와 비교하여 중요한 변화가 없다는 것은 알기네이트 고리에서 포스페이트가 온전하게 유지된다는 것을 나타낸다. 특히, PAlg의 1740 및 1630 cm- 1피크로부터 이동된 C=O와 관련된 1608 및 1422 cm-1에서의 넓은 피크는 모든 카복시산이 CaPAlg 복합체를 형성하는 카복실레이트 음이온으로 전환되었다는 것을 나타낸다.The FT-IR spectrum of the CaPAlg complex was similar to NaAlg as shown in FIG. 2, but slightly different from that of PAlg. The fact that the characteristic peaks of the functional groups (P = O, POC, and PO (H)) associated with phosphorus (P) at 1244 to 928 cm -1 are not significantly changed compared to NaAlg indicates that the phosphate is intact in the alginate ring Lt; / RTI &gt; In particular, broad peaks at 1608 and 1422 cm -1 associated with C = O shifted from the 1740 and 1630 cm & lt ; -1 &gt; peaks of PAlg indicate that all the carboxylic acids were converted to carboxylate anions forming CaPAlg complexes.

따라서, 제조예 2에 따라 CaPAlg 복합체가 PAlg와 Ca(OAc)2의 양이온 교환 반응에 의하여 제조됨을 확인하였다.
Therefore, it was confirmed that CaPAlg complex was produced by cation exchange reaction between PAlg and Ca (OAc) 2 according to Production Example 2.

(2) (2) 열중량Thermal weight 분석( analysis( ThermogravimetricThermogravimetric analysis분석 , , TGATGA ))

열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA)는 SCINCO TGA N-1500 (샘플중량 5 ± 0.1 mg, 승온속도 10 oC/min, 최초 온도 상온)을 사용하여 수행하였다.
Thermogravimetric analysis (TGA) was performed using SCINCO TGA N-1500 (sample weight 5 ± 0.1 mg, temperature ramp rate 10 o C / min, initial temperature room temperature).

TGA분석 결과인 열적 분해 패턴(thermal decomposition patterns)을 도 3에 나타내었다. 대조군으로서 사용된 NaAlg 샘플은 물의 증발 이후에 두 단계의 열적 분해를 보여준다. 탄화수소 분획의 열분해의 첫번째 단계는 200℃에서 일어났다. 약간 감소된 잔존 탄수화물이 250-500℃의 범위에서 열분해된 후, 열분해의 두번째 단계는 소듐 옥사이드의 잔존 중량의 약 20.7%를 유지한 채로 ~600℃에서 일어났다. The thermal decomposition patterns resulting from the TGA analysis are shown in Fig. The NaAlg sample used as a control shows two stages of thermal degradation after water evaporation. The first step of pyrolysis of the hydrocarbon fraction occurred at 200 ° C. After the slightly reduced residual carbohydrate was pyrolyzed in the range of 250-500 ° C, the second stage of pyrolysis occurred at ~ 600 ° C, maintaining about 20.7% of the residual weight of sodium oxide.

반면에 PAlg의 경우, 복잡한 단계의 열분해가 관찰되었다. 탄화수소 분획의 열분해의 첫번째 단계는 분명하게 200℃에서 일어난다. 그러나, 다음 단계는 추가적인 탄수화물의 열분해, 포스페이트 그룹의 포스포러스 펜톡사이드로의 탈수 및 포스포러스 펜톡사이드의 증발로 인하여 300-600℃ 및 >600℃의 범위에서 일어난다. 그 결과 잔존하는 다형성의 폴리포스페이트의 오직 0.5wt%만이 유리질 또는 무정형의 형태로서 존재한다.On the other hand, in the case of PAlg, a complex phase of pyrolysis was observed. The first step of pyrolysis of the hydrocarbon fraction obviously takes place at 200 ° C. However, the next step takes place in the range of 300-600 ° C and> 600 ° C due to pyrolysis of additional carbohydrates, dehydration of the phosphate group to phosphorus pentoxide, and evaporation of phosphorus pentoxide. As a result, only 0.5 wt% of the remaining polymorphic polyphosphate is present in vitreous or amorphous form.

PAlg의 경우와 유사하게, CaPAlg의 서모그램에서도 여러단계의 열분해가 관찰된다. 물의 증발 이후에, 탄화수소 분획의 열분해의 첫번째 단계는 200-300℃, 포스페이트 그룹이 포스포러스 펜톡사이드로의 탈수를 포함하는 추가적인 탄수화물 열분해에 대한 두번째 단계는 300-600℃에서 분명하게 관찰된다. 800℃ 이상의 고온 범위에서 추가적인 중량 손실은 아마도 고온에서 형성되는 Ca(OH)2 및 CaP 화합물의 계속적인 탈수의 진행이 원인일 것으로 생각된다. (예를 들면: Ca(OH)2 → CaO; Ca(H2PO4)2 → CaHPO4 → Ca2(PO4)2).
Similar to the case of PAlg, several steps of pyrolysis are also observed in the thermogram of CaPAlg. After evaporation of the water, the first stage of pyrolysis of the hydrocarbon fraction is clearly observed at 300 - 600 ° C, the second stage for additional carbohydrate pyrolysis involving dehydration of the phosphate group to phosphorus pentoxide, at 200-300 ° C. Additional weight loss at higher temperatures above 800 ° C may be due to continued dehydration of Ca (OH) 2 and CaP compounds formed at high temperatures. (For example: Ca (OH) 2 → CaO ; Ca (H 2 PO 4) 2 → CaHPO 4 → Ca 2 (PO 4) 2).

(3) (3) ICPICP -- OESOES 분석 analysis

ICP-OES 분석은 PAlg 및 CaPAlg 샘플의 DS값을 결정하기 위하여 사용되었다. 샘플들을 질산을 사용하여 침지(digest)시켰으며, Perkin Elmer Optima 5300dV spectrometer을 사용하여 1.5 mL/min의 포워드 레이트(forward rate)로 24℃의 온도 및 29±1%의 상대습도에서 분석하였다. 이 때, Burgener PEEK Mira Mist nebulizer가 사용되었으며, 상기 기기는 PAlg 샘플에 대하여는 213.62nm에서, CaPAlg 샘플에 대하여는 317.93nm에서 3개의 5초의 적분값의 평균을 구하는 것으로 수행되었다. 상기 모든 샘플을 3회씩 측정하였다.
ICP-OES analysis was used to determine the DS values of PAlg and CaPAlg samples. Samples were digested with nitric acid and analyzed using a Perkin Elmer Optima 5300dV spectrometer at a forward rate of 1.5 mL / min at a temperature of 24 ° C and a relative humidity of 29 ± 1%. At this time, a Burgener PEEK Mira Mist nebulizer was used and the instrument was performed by averaging three 5 second integration values at 213.62 nm for the PAlg sample and 317.93 nm for the CaPAlg sample. All the samples were measured three times.

이와 같이, PAlg 내의 P, 및 CaPAlg 내의 Ca의 함량은 ICP-OES를 이용한 원소 분석에 의하여 측정되었다. 모든 분석은 양 샘플(각각 100mg)에 대하여 3회씩 실시되었다. 고리형 단당류 유닛 1몰당 포함되어 있는 포스포러스 및 칼슘의 함량(ppm 및 mol%)은 표 2에 정리하였다. Thus, the content of Ca in P and CaPAlg in PAlg was measured by elemental analysis using ICP-OES. All analyzes were performed three times for both samples (100 mg each). The contents (ppm and mol%) of the phosphorus and calcium contained in 1 mole of the cyclic monosaccharide unit are summarized in Table 2.

SampleSample P P Ca Ca x104 (mg/kg)x 10 4 (mg / kg) DS (mol%)DS (mol%) x104 (mg/kg)x 10 4 (mg / kg) DS (mol%)DS (mol%) PAlgPAlg 1.5 ±0.11.5 ± 0.1 12.512.5 -- -- CaPAlgCaPAlg 0.31±0.020.31 + 0.02 7.87.8 7.8±0.17.8 ± 0.1 112.5112.5

평균적으로, PAlg 샘플은 고리형 단당류 유닛(CMU) 10몰 당 P원소 1.25몰을 포함하고 있고, CaPAlg 샘플은 고리형 단당류 유닛 1몰당 Ca 원소 1.13몰을 초과하여 포함하고 있다. 결과적으로 각각은 12.5 및 112.5mol%의 DS값을 나타낸다. 상기 DS값은 알기네이트 서브유닛당 도입된 포스페이트 그룹 또는 칼슘이온의 농도로서, CaPAlg 복합체가 높은 농도의 칼슘이온을 가짐을 알 수 있다. 상기 CaPAlg 복합체에 대한 Ca 이온의 DS값(112.5mol%)은 PAlg에 대한 P 원소의 DS값(12.5mol%)보다 훨씬 더 높게 나타났다. 이론적으로, PAlg 분자내의 카복시산 및 인산과 같은 작용기는 Ca(OAc)2의 존재하에 인산화된 알긴산 칼슘 복합체를 형성하기 위하여 양이온 교환하는 것이 가능하므로, 본 실험예에서는 CaPAlg 복합체 분자에 대한 Ca 이온의 DS 값은 분자내의 모든 카복시산 작용기 그룹에서 양성자가 칼슘이온으로 교환되었다는 전제하에 계산하였다. 따라서, 얻어진 높은 DS값은 모든 두 개의 고리형 단당류 유닛이 카복실레이트 작용기 사이트에서 칼슘이온을 가진다는 것을 나타내며, 약 12개의 고리형 단당류 유닛은 포스페이트 그룹 사이트에서 칼슘 이온을 가진다는 것을 나타낸다. 결과적으로, 이러한 결과는 모든 카복실레이트 및 포스페이트 작용기는 2가 양이온과 임의의 뚜렷한 겔화작용(gelation)없이 강한 이온결합을 형성하고, 각각의 칼슘이온이 폴리머 분자의 표면에서 고르게 분산되어 있다는 것을 나타낸다. 이러한 화학적 특징은 CaPAlg 복합체가 잠재적으로 주사가능한 하이드로겔의 제조에 적합하다는 것을 보여준다.
On average, the PAlg sample contains 1.25 moles of P element per 10 moles of cyclic monosaccharide unit (CMU) and the CaPAlg sample contains more than 1.13 moles of Ca element per mole of cyclic monosaccharide unit. As a result, each shows a DS value of 12.5 and 112.5 mol%. The DS value is the concentration of phosphate group or calcium ion introduced per alginate subunit, indicating that the CaPAlg complex has a high concentration of calcium ions. The DS value (112.5 mol%) of the Ca ion to the CaPAlg complex was much higher than the DS value (12.5 mol%) of the P element to the PAlg. In theory, functional groups such as carboxylic acid and phosphoric acid in the PAlg molecule can be cation exchanged to form a phosphorylated calcium alginate complex in the presence of Ca (OAc) 2 , The DS values were calculated assuming that all protons in the carboxylic acid functional group in the molecule were exchanged for calcium ions. Thus, the high DS values obtained indicate that all two cyclic monosaccharide units have calcium ions at the carboxylate functional sites and about 12 cyclic monosaccharide units have calcium ions at the phosphate group sites. As a result, this result shows that all the carboxylate and phosphate functionalities form strong ionic bonds with no distinct gelation with the divalent cations, and that each calcium ion is evenly distributed on the surface of the polymer molecule. These chemical features show that the CaPAlg complex is suitable for the preparation of potentially injectable hydrogels.

(4) (4) NMRNMR 분석 analysis

NMR 분석은 Bruker Ultrashield 500 PLUS NMR spectrometer 에서 1H 및 31P의 핵에 대하여 실시하였다.
NMR analysis was performed on 1 H and 31 P nuclei on a Bruker Ultrashield 500 PLUS NMR spectrometer.

1H-NMR 분석은 인산화 및 Ca2 +와 양이온 교환이 가능한 사이트를 확인하기 위하여 PAlg 및 CaPAlg 모두에 대하여 실시하였다. 변형되지 않은 알기네이트 및 인산화된 알기네이트에 대한 1H-NMR 스펙트럼의 분석은 종래문헌에 잘 기재되어 있으며(Coleman, R., et al., Biomacromolecules 2011), 변형되지 않은 소듐 알기네이트 및 본 발명에서 제조된 포스페이트-변형된 알긴산의 메이저 피크는 도 4에 나타난 바와 같이 상기 문헌 값에 기초하여 정하였다. 전체적인 스펙트럼은 인산화 및 양성자화에 있어서 상당히 증가된 복잡성을 가지고 다운필드로 이동된다는 것을 잘 보여준다. Grøndahl et al.는 M잔기의 인산화는 주로 C-3 적도면상 하이드록실 그룹에서 일어나고, 또한 G 잔기에서도 인산화는 일어나나, 인산화의 사이트를 결정하는 것은 어렵다고 보고하고 있다. 그러나 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 제조된 PAlg에 대하여 M 및 G 유닛 모두의 C-2, -3 및 -5에서 C-H 양성자는 NaAlg의 M 및 G 유닛 모두의 C-2, -3 및 -5에서 C-H 양성자과 비교하여 강하게 다운필드로 이동되었다. 반면에 C-1, -4 의 C-H 양성자는 약하게 이동되었다. 이러한 결과는 하이드록실 그룹의 인산화 및 C-5에서 모든 카복실레이트 그룹의 양성자 첨가에 의하여 C-2, -3 및 -5에서 많은 전기적 변화가 나타났다는 것을 보여준다. 1 H-NMR analysis was carried out on all PAlg and CaPAlg to determine the phosphorylation and Ca 2 + and cationic exchange capable sites. Analysis of the 1 H-NMR spectrum for unmodified alginate and phosphorylated alginate is well described in the prior art (Coleman, R., et al., Biomacromolecules 2011), unmodified sodium alginate and the invention The major peaks of the phosphate-modified alginic acid prepared in Example 1 were determined based on the document values as shown in Fig. The overall spectra show that the phosphorylation and protonation are carried out with a considerably increased complexity downfield. Grøndahl et al. Reported that the phosphorylation of the M-residue occurs mainly in the C-3 equatorial hydroxyl group and also phosphorylation occurs at the G-residue, but it is difficult to determine the site of phosphorylation. However, as shown in FIG. 4, the CH protons at C-2, -3 and -5 of both M and G units for the PAlg prepared above are C-2, -3 and - 5 was strongly shifted to the down field compared to CH proton. On the other hand, the CH protons of C-1 and -4 migrated weakly. These results show that the phosphorylation of the hydroxyl group and the protonation of all the carboxylate groups at C-5 resulted in a lot of electrical changes at C-2, -3 and -5.

따라서, H3PO4/P2O5/Et3PO4 방법은 다른 어떤 방법보다 비교적 높은 정도의 인산화의 증가를 가질 것으로 합리적으로 기대할 수 있다. Thus, the H 3 PO 4 / P 2 O 5 / Et 3 PO 4 method can reasonably be expected to have a relatively high degree of phosphorylation increase than any other method.

1H NMR 스펙트럼에서 나타난 중요한 변화는 상대적으로 높은 PAlg의 DS 값(평균 12.5 mol%)을 나타내는 ICP-OES의 결과와 일치하였다. 또한, 도 5에서 보여진 바와 같이, 피로인산염(pyrophosphate)으로 알려진 -0.01ppm에서의 강한 시그널 및 -10.83ppm에서의 낮은 세기의 시그널의 테스트된 PAlg의 31P-NMR 스펙트럼은 Grøndahl의 결과와 일치하였다. 이외의 다른 시그널을 관찰되지 않았다.
A significant change in the 1 H NMR spectrum was consistent with the result of ICP-OES showing a relatively high DS value of PAlg (mean 12.5 mol%). In addition, as shown in Figure 5, the 31 P-NMR spectrum of the tested PAlg of the strong signal at -0.01 ppm and the low intensity signal at -10.83 ppm, also known as pyrophosphate, coincided with the Grøndahl result . No other signals were observed.

결과적으로, 칼슘이온과 PAlg의 양이온 교환 후에 얻어진 CaPAlg의 1H NMR 스펙트럼은 인산화에 의하여 야기된 PAlg에서 나타난 스펙트럼의 높은 복잡성이 유지되었다. 반면에, 전체적인 스펙트럼은 칼슘염의 형성 때문에 NaAlg의 경우와 유사한 업필드로 다시 이동되었다. NaAlg 의 스펙트럼과 비교할 때, CaPAlg의 M 및 G 유닛 모두의 C-2 및 C-3와 관련된 양성자는 인산화 때문에 여전히 약하게 다운필드로 이동되었다(도 4). 반면에 C-1, C-4 및 C-5는 NaAlg의 화학적 이동 값으로 거의 되돌아왔다. 또한, 양성자 피크의 일반적인 스플릿팅 패턴은 NaAlg의 패턴과 유사하였으나, 파인(fine) 패턴은 여전히 포스페이트 그룹의 존재 때문에 NaAlg의 패턴보다 더 복잡하게 나타났다(컬러 원 표시에서 피크 비교). 2가 양이온을 통하여 탈양성화된 포스페이트 및 카복실레이트 그룹 사이의 네트워크된 분자 내부 및 분자간 복합체는 아마도 양성자 피크의 스플릿팅 패턴에 영향을 미칠 것으로 생각된다. As a result, the 1 H NMR spectrum of CaPAlg obtained after cation exchange of calcium ions and PAlg retained the high complexity of the spectrum seen in PAlg caused by phosphorylation. On the other hand, the overall spectrum was shifted back to the up field similar to that of NaAlg due to the formation of calcium salts. When compared to the spectrum of NaAlg, the protons associated with C-2 and C-3 of both the M and G units of CaPAlg were still weakly transferred to the downfield due to phosphorylation (FIG. 4). On the other hand, C-1, C-4 and C-5 almost returned to the chemical shift of NaAlg. In addition, the general splitting pattern of proton peaks was similar to the pattern of NaAlg, but the fine pattern was still more complex than the pattern of NaAlg due to the presence of phosphate groups (peak comparison in color circle display). It is believed that the networked intermolecular and intermolecular complexes between the phosphate and carboxylate groups that are depenetrated through divalent cations will likely affect the splitting pattern of the proton peaks.

결과적으로 C-2 및 C-3에서 하이드록실 그룹의 인산화 및 C-2, C-3 및 C-5에서 인산칼슘염(phosphoric acid calcium salt) 및 카복실산 칼슘 염(carboxylic acid calcium salt)과 같은 칼슘염의 형성은 G 및 M 유닛 모두에 대하여 C-2 및 C-3에서 양성장의 다운필드 이동 및 더 복잡한 양성자 피크의 스플릿팅을 야기시킨다.
As a result, the phosphorylation of the hydroxyl group at C-2 and C-3 and the phosphorylation of calcium such as phosphoric acid calcium salt and carboxylic acid calcium salt at C-2, C-3 and C- The formation of the salt causes a downfield shift of the positive field at C-2 and C-3 for both the G and M units and splitting of more complex proton peaks.

실험예Experimental Example 2 :  2 : CaPAlgCaPAlg  And NaAlgNaAlg 의 비율에 따른 According to the ratio of 하이드로겔의Hydrogel 기공 구조 분석 Pore structure analysis

CaPAlg 하이드로겔의 미소공 구조를 분석하기 위하여 감압 동결건조된 하이드로겔 샘플(Hitachi S-4300)에서 20kV의 전압으로 전자 주사 현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 측정하였다. SEM 분석은 각각 2회씩 측정하였다.
The microporous structure of the CaPAlg hydrogel was analyzed using a scanning electron microscope (SEM) at a voltage of 20 kV in a reduced-pressure freeze-dried hydrogel sample (Hitachi S-4300). SEM analysis was performed twice each.

알기네이트 하이드로겔의 미소공 구조는 도 7에 나타난 바와 같이 칼슘이온에 의해 가교결합된 매우 상호연결된 기공을 나타내었다. 20 내지 80 v/v%로 증가된 CaPAlg의 양에 따라, 하이드로겔은 ⅰ)기공 크기의 감소, ⅱ)기공 형태의 규칙성 감소 및 ⅲ)기공 벽의 경도증가를 포함하는 몇몇의 중요한 특징적 경향을 보여준다. 사실, CaPAlg20은 NaAlg 및 CaCl2 에 의하여 형성된 기공구조와 유사한 그들의 크기 및 소프트한 특성(길이에서 평균 기공 크기 ~800㎛) 때문에 매우 접히고, 압착된 기공의 구조를 나타낸다. 다른 하이드로겔은 그들의 작은 크기(지름이 320-400㎛ 범위의 평균 기공 크기) 때문에 덜 압착된 기공 구조를 보여준다. 기공 벽의 증가된 경도는 하이드로겔 내의 CaPAlg의 증가된 함량의 결과일 것으로 생각된다. 증가하는 CaPAlg 농도에 대하여 기공의 형태의 증가된 불규칙성은 아마도 순수한 알기네이트 분자과의 네트워크 과정에 있어서 폴리머릭 카운더 음이온(polymeric counter anion, P-변형된 알기네이트)의 불규칙한 참여 때문일 것이다. SEM 분석 결과, 특히 하이드로겔 CaPAlg40~60이 최적의 겔화시간(약2-10분) 및 300-400㎛의 지름의 기공 구조를 가지므로, 조직공학 분야에 있어서 세포 성장을 위하여 유리한 마이크로환경을 제공할 수 있다.
The microporous structure of the alginate hydrogel exhibited highly interconnected pores crosslinked by calcium ions as shown in Fig. Depending on the amount of CaPAlg increased to 20 to 80 v / v%, the hydrogel has several important characteristic trends including i) reduction in pore size, ii) decrease in regularity of pore shape, and iii) increase in hardness of pore walls Lt; / RTI &gt; In fact, CaPAlg20 is NaAlg and CaCl 2 Similar to the pore structure formed by Due to their size and soft properties (average pore size in length ~ 800 μm) they exhibit very folded and compressed pore structure. Other hydrogels show less compacted pore structure due to their small size (average pore size in the range of 320-400 μm in diameter). The increased hardness of the pore wall is believed to be the result of an increased content of CaPAlg in the hydrogel. The increased irregularity of the pore morphology for increasing CaPAlg concentration may be due to the irregular participation of the polymeric counteranion (P-modified alginate) in the network process with the pure alginate molecule. As a result of the SEM analysis, in particular, the hydrogel CaPAlg 40-60 has a pore structure with an optimum gelation time (about 2-10 minutes) and a diameter of 300-400 μm, thereby providing a favorable micro environment for cell growth in the field of tissue engineering can do.

실험예Experimental Example 3 : 동적 기계 분석( 3: Dynamic Mechanical Analysis DynamicDynamic mechanicalmechanical analysis분석 , , DMADMA ))

NaAlg 및 CaPAlg의 서로다른 구성비율을 가지는 하이드로겔의 점탄성의 거동을 연구하기 위하여 동적기계분석을 실시하였으며, 이러한 동적기계분석(DMA)은 인장압축 모드에서 작동하시키고 컴프레션 로드-플래이트 배열(compression rod-plate configuration)을 사용하여 동적 기계분석기(DMA 25N, 01dB-Metravib, France)에서 수행하였다. 상온에서 10분동안 0.5 내지 10Hz의 범위에서 샘플의 증가하는 진동수의 동적 압축 스트레스 사이클을 측정하였다. 3개의 복제 샘플은 각각의 조건에 대하여 저장 모듈러스(E') 및 손실 모듈러스(E")의 평균값을 얻기 위하여 측정하였다.
Dynamic mechanical analysis was performed to investigate the viscoelastic behavior of hydrogels with different composition ratios of NaAlg and CaPAlg, and this dynamic mechanical analysis (DMA) was performed in the tensile compression mode and the compression rod- -plate configuration) was performed on a dynamic mechanical analyzer (DMA 25N, 01dB-Metravib, France). The dynamic compression stress cycle of the increasing frequency of the sample was measured in the range of 0.5 to 10 Hz for 10 minutes at room temperature. Three replicate samples were measured to obtain an average value of storage modulus (E ') and loss modulus (E ") for each condition.

그 결과, CaPAlg20의 모듈러스는 진동수(frequency)가 증가한 만큼 상당히 증가하였다(도 8(f)). CaPAlg40 및 CaPAlg60에 대하여 모듈러스 변화는 더 안정한 하이드로겔을 제공하기 위한 가교결합에 상당하게 공헌하는 CaPAlg의 더 높은 함량을 나타내는 넓은 범위의 진동수에 걸쳐서 최소가 되었다. 도 8(a)-(e)에 나타난 결과와 함께 고려할 때, 하이드로겔 형성에 대하여 NaAlg 및 CaPAlg의 최적의 함량은 CaPAlg 60% 임을 알 수 있었다.
As a result, the modulus of CaPAlg20 significantly increased as the frequency increased (Fig. 8 (f)). The modulus change for CaPAlg40 and CaPAlg60 was minimal over a broad range of frequencies representing a higher content of CaPAlg which significantly contributes to crosslinking to provide a more stable hydrogel. 8 (a) - (e), the optimum content of NaAlg and CaPAlg for hydrogel formation was found to be CaPAlg 60%.

실험예Experimental Example 4 :  4 : 겔화시간Gel time 측정 Measure

실시예 1에 따라 제조된 하이드로겔에 대한 겔화 시간의 측정은 잘 알려진 바이알 인벌젼 테스트(vial inversion test)(또는 흐름 시험(the flow test)) 을 사용하였다. 겔화 시간은 용액 A 및 용액 B의 혼합물이 바이알을 거꾸로 세운 경우 더 이상 흐르지 않는 지점에 의하여 결정된다. 3개의 복제 샘플에 대하여 상온에서 측정하고 그 평균값을 얻었다.
The gelation time for the hydrogel prepared according to Example 1 was measured using a well-known vial vial inversion test (or the flow test). The gelling time is determined by the point where the mixture of solution A and solution B no longer flows when the vial is inverted. Three replicate samples were measured at room temperature and their average values were obtained.

각각의 샘플에 대한 겔화 시간 및 동결 건조 전후의 몰폴로지적 형태은 도 8에 나타내었다. CaPAlg20 및 CaPAlg80는 Ca이온의 부족 및 두 개의 마주보고 있는 GG 블록(egg-box model)의 결합을 위하여 요구되는 G 블록을 포함하고 있는 정상적인 알기네이트 뼈대의 부족 때문에 상대적으로 더 긴 겔화 시간을 나타낸다(각각 >40분 및 >30분, 도 8(a) 및 (d)). CaPAlg40 및 CaPAlg60의 하이드로겔은 2-10분에서 겔화되고 PDMS 몰드에 잘 고정되는 최적의 결과를 얻었다(도 8(b) 및 (c)). 최적의 겔화 시간은 양 구성요소(용액 A 및 용액 B)의 농도를 잘 조절함으로써 얻을 수 있다. CaPAlg50 하이드로겔 (2 wt% CaPAlg 용액 1 mL + 2 wt% NaAlg 용액 1 mL)의 제조에 있어서, 내부적으로 공급되는 Ca이온의 양은 38.44mg의 알기네이트 구성성분 내에 약 1.56mg(0.04mmol)이라고 생각된다. 이와 같은 CaPAlg50 하이드로겔이 포함하고 있는 NaAlg (38.44 mg/1.5 mL) 및 CaCl2 (0.04 mmol/0.5 mL 또는 4.44 mg/0.5 mL) 같은 몰의 양을 사용하여 겔화 가능성을 측정하기 위하여, 외부적 첨가에 의한 겔화(종래의 방법)를 시도하였으나, 겔화를 전혀 관찰할 수 없었다(도 8(e)). 칼슘이온의 외부적 공급에 의한 최적의 하이드로겔 형성을 얻기 위하여, 적어도 17.32mg(CaPAlg의 경우보다 약 4배 더 많은 양인 0.156 mmol)의 CaCl2이 필요한 것으로 생각된다. 그러나, 이 경우에는 겔화시간이 지나치게 짧기 때문에 주사기를 통하여 피부 하에 주입하는 것은 부적절하다. CaPAlg40~60로부터 얻은 피하에 주사가능한 최소한의 Ca이온의 양 및 최적의 겔화시간에 의한 효율적인 겔화와 향상된 결과는 (i) Ca이온 공급의 서로 다른 루트(내부적 대 외부적), (ⅱ) 변형된 알기네이트 분자에서 Ca이온에 균일한 분산능력, (ⅲ) CaPAlg의 카복실레이트 (및/또는 포스페이트) 작용기로부터 NaAlg 분자의 카복실레이트 작용기로 Ca이온 이동의 서로 다른 메커니즘 및 (ⅳ)정상적인 알기네이트 분자와 네트워킹에 있어서 포스페이트 및 카복실레이트를 가지는 CaPAlg 의 폴리머릭 카운터 이온(polymeric counter ion)의 직접적인 참여에 의해 야기될 수 있었다. The gel time for each sample and the molopoly morphology before and after lyophilization are shown in FIG. CaPAlg20 and CaPAlg80 exhibit a relatively longer gel time due to the lack of a normal alginate skeleton containing the G block required for the lack of Ca ions and the coupling of two opposing GG blocks (egg-box model) Respectively> 40 minutes and> 30 minutes, FIGS. 8 (a) and 8 (d)). The hydrogels of CaPAlg40 and CaPAlg60 gelled in 2-10 minutes and obtained optimal results (Fig. 8 (b) and (c)) well fixed to the PDMS mold. The optimum gelling time can be obtained by well controlling the concentrations of both components (Solution A and Solution B). In the preparation of CaPAlg50 hydrogel (1 mL of 2 wt% CaPAlg solution + 1 mL of 2 wt% NaAlg solution), the amount of Ca ions supplied internally was assumed to be about 1.56 mg (0.04 mmol) in 38.44 mg of alginate component do. To measure the gelation potential using such molar amounts as NaAlg (38.44 mg / 1.5 mL) and CaCl 2 (0.04 mmol / 0.5 mL or 4.44 mg / 0.5 mL) contained in the CaPAlg50 hydrogel, (Conventional method) was attempted, but no gelation was observed at all (Fig. 8 (e)). It is believed that at least 17.32 mg (0.156 mmol, CaCl 2, about 4 times more than in the case of CaPAlg) is needed to obtain optimal hydrogel formation by external supply of calcium ions. However, in this case, it is inappropriate to inject under the skin through the syringe because the gelation time is too short. The amount of subcutaneously injectable Ca ions from CaPAlg 40-60 and the optimal gelation time and the improved gelation results and improved results are due to (i) different routes of Ca ion supply (internal versus external), (ii) (Iii) the different mechanisms of Ca ion transfer from the carboxylate (and / or phosphate) functional groups of CaPAlg to the carboxylate functional groups of the NaAlg molecule, and (iv) the function of the normal alginate molecules Could be caused by the direct participation of the polymeric counter ion of CaPAlg with phosphate and carboxylate in networking.

또한, 주사가능한 알기네이트-기반 하이드로겔을 생산하기 위한 CaPAlg를 사용함으로써 제조된 하이드로겔의 부피에 상당한 변화없이 손쉬운 겔화를 보여주었다. 이것은 캡슐화된 세포가 하이드로겔의 겔화작용 동안에 부피 변화를 유도할 수 있는 물리적 응력(stress)로부터 자유로울 수 있기 때문에 세포 캡슐화에 대하여 중요한 특징일 수 있다.
In addition, the use of CaPAlg to produce an injectable alginate-based hydrogel showed easy gelation without significant change in the volume of the hydrogel prepared. This may be an important feature for cell encapsulation because the encapsulated cells may be free from the physical stresses that can lead to volume changes during the gelling action of the hydrogel.

실험예Experimental Example 5 : 생체 외 세포-캡슐화된  5: In vitro cell-encapsulated 하이드로겔의Hydrogel 세포테스트 Cell test

세포 캡슐화 물질로서의 용도를 위한 주사가능한 CaPAlg 하이드로겔의 적용 가능성을 평가하기 위하여 하이드로겔에 의해 캡슐화된 MC3T3의 생존능력을 형광 현미경(fluorescence microscope) 및 MTS분석을 통하여 LIVE/DEAD® Viability/Cytotoxicity Kit (Invitrogen, Carlsbad, CA)을 이용하여 측정하였다. 1×106의 세포밀도에서 서브-배양된 MC3T3은 1ml의 하이드로겔로 캡슐화하고, 7일동안 배양하였다. 모든 과정은 라미네이트된 층상 흐름 후드(laminated lamellar flow hood)에서 수행하였다.To assess the applicability of injectable CaPAlg hydrogels for use as cell encapsulating materials, the viability of MC3T3 encapsulated by hydrogel was measured by fluorescence microscopy and MTS analysis using the LIVE / DEAD Viability / Cytotoxicity Kit ( Invitrogen, Carlsbad, Calif.). MC3T3 subcultured at a cell density of 1 x 10 &lt; 6 &gt; was encapsulated in 1 ml of hydrogel and incubated for 7 days. All procedures were carried out in a laminated lamellar flow hood.

배지는 배양하는 동안 매 2일마다 완전히 새로 교체하였다. 미리 정해지 배양 시간 후에, 세포 캡슐화된 하이드로겔은 새로운 플레이트에 옮기고, PBS 용액으로 3회 세척하였다. 세포착색 후 세포의 생존능력(viability) 및 몰폴로지를 측정하였다. 하이드로겔의 캡슐화 효율을 분석하기 위하여, 캡슐화 후 세포 생존능력을 Live/Dead staining에 기초한 직접적인 세포-카운팅에 의하여 측정하였다. 배양하는 동안에 세포의 대사활동은 MTS 분석 키트를 사용하여 측정하였다. 배양 후, 하이드로겔은 24-웰 플레이트에 위치시키고, MTS 용액을 각각의 하이드로겔에 첨가하였다. 37℃ 에서 4시간의 인큐베이션 후, 비색적 측정은 490nm에서 광학적 밀도 리딩(reading)을 가지고 마이크로 리더(micro reader)에서 수행하였다. 모든 세포 배양 실험은 3회 실시하였으며, 통계적 분석을 수행하는데 있어서 p<0.0006의 유의 수준에서 one-way ANOVA를 사용하여 비교하였다.
The medium was completely replaced every 2 days during the incubation. After the pre-defined incubation time, the cell-encapsulated hydrogel was transferred to a new plate and washed three times with PBS solution. Viability and morphology of the cells after cell staining were measured. To analyze the encapsulation efficiency of the hydrogel, cell viability after encapsulation was measured by direct cell-counting based on Live / Dead staining. During the incubation, the metabolic activity of the cells was measured using an MTS assay kit. After incubation, the hydrogel was placed in a 24-well plate and the MTS solution was added to each hydrogel. After incubation for 4 hours at 37 [deg.] C, colorimetric measurements were performed in a micro reader with optical density reading at 490nm. All cell culture experiments were performed in triplicate and were compared using one-way ANOVA at a significance level of p <0.0006 in performing statistical analysis.

CaPAlg40~60의 중간 조성물을 가지는, 주사가능한 하이드로겔 CaPAlg50의 생체적합성은 세포 몰폴로지, 생존능력 모니터링 및 하이드로겔 내에 캡슐화된 세포의 대사 활성을 통하여 평가하였다. 이를 위하여, 50 mM CaCl2 용액을 사용하여 제조된 NaAlg 하이드로겔의 생체적합성이 대조군으로서 비교되었다. 도 9는 3일의 배양기간동안 하이드로겔 내의 캡슐화된 세포의 형광이미지를 보여준다. 녹색 점은 생존한 세포를 나타낸다. 형광이미지를 통하여 본 발명자들은 하이드로겔 내에서의 세포 분산, 세포 몰폴로지 및 생존능력을 확인하였다. 도 10은 도 9 a)의 0 ~ 1일 동안의 초기 세포의 생존 능력을 정량화하여 나타낸 것이다. 도 9 a) 및 도 10에 나타난 바와 같이, 캡슐화(0일) 4시간 후에, 균일한 분산을 가지는 둥근 모양의 세포는 모든 하이드로겔 내에서 관찰되었고, 대조군(NaAlg)에 비하여 CaPAlg50 하이드로겔의 세포 생존 능력은 큰 차이가 없었다(도 9).
Biocompatibility of injectable hydrogel CaPAlg50, with an intermediate composition of CaPAlg 40-60, was assessed through cell morphology, viability monitoring and metabolic activity of the cells encapsulated in the hydrogel. For this, 50 mM CaCl 2 The biocompatibility of the NaAlg hydrogels prepared using the solutions was compared as a control. Figure 9 shows fluorescence images of the encapsulated cells in the hydrogel during a 3 day incubation period. Green dots indicate surviving cells. Through fluorescence images, the present inventors confirmed the cell dispersion, cell morphology and viability in the hydrogel. Figure 10 quantifies the viability of early cells for 0-1 days in Figure 9a). As shown in FIG. 9 a) and FIG. 10, after 4 hours of encapsulation (day 0), round shaped cells with uniform dispersion were observed in all hydrogels and the cells of CaPAlg 50 hydrogel compared to the control (NaAlg) There was no significant difference in viability (Fig. 9).

Claims (8)

인산화된 알기네이트를 포함하는 수용액에 칼슘이온(Ca2+)을 첨가하여 인산화된 알기네이트 칼슘(CaPAlg) 복합체 수용액을 제조하는 제1단계; 및
상기 인산화된 알기네이트 칼슘(CaPAlg) 복합체 수용액 및 소듐 알기네이트(NaAlg) 수용액을 혼합하여 하이드로겔을 형성하는 제2단계를 포함하며, 상기 인산화된 알기네이트 칼슘(CaPAlg) 복합체는 인산화된 알기네이트(PAlg)와 칼슘이온이 결합한 것인, 주사가능한 하이드로겔의 제조방법.
A first step of preparing a phosphorylated alginate calcium (CaPAlg) complex aqueous solution by adding calcium ions (Ca 2+ ) to an aqueous solution containing phosphorylated alginate; And
And a second step of mixing the phosphorylated alginate calcium (CaPAlg) complex aqueous solution and sodium alginate (NaAlg) aqueous solution to form a hydrogel, wherein the phosphorylated alginate calcium (CaPAlg) complex is phosphorylated alginate PAlg) and calcium ions are combined with each other.
제1항에 있어서,
상기 제1단계의 인산화된 알기네이트는 소듐 알기네이트를 인산염을 포함하는 용액과 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 주사가능한 하이드로겔의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the phosphorylated alginate of the first step is prepared by mixing sodium alginate with a solution containing phosphate.
제1항에 있어서,
상기 인산화된 알긴산 칼슘 복합체 수용액의 pH가 7 내지 8인 것을 특징으로 하는 주사가능한 하이드로겔의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the phosphorylated calcium alginate complex aqueous solution has a pH of 7 to 8.
제1항에 있어서,
상기 제1단계는 투석하여, 인산화된 알기네이트 칼슘 복합체(CaPAlg) 수용액으로부터 무기염을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사가능한 하이드로겔의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein said first step further comprises the step of dialysis to remove inorganic salts from an aqueous solution of phosphorylated alginate calcium complex (CaPAlg).
제1항에 있어서,
상기 제2단계는 1~3 중량%의 인산화된 알긴네이트 칼슘 복합체 수용액 및 1~3중량%의 소듐 알기네이트 수용액을 혼합하는 것을 특징으로 하는 주사가능한 하이드로겔의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second step comprises mixing 1 to 3 weight% phosphorylated alginate calcium complex aqueous solution and 1 to 3 weight% sodium alginate aqueous solution.
제1항에 있어서,
상기 제3단계는 인산화된 알긴산 칼슘 복합체 수용액 및 소듐 알지네이트 수용액을 1:0.67 내지 1:1.5의 부피비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 주사가능한 하이드로겔의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the third step comprises mixing the phosphorylated calcium alginate complex aqueous solution and the sodium alginate aqueous solution at a volume ratio of 1: 0.67 to 1: 1.5.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 주사가능한 하이드로겔.
An injectable hydrogel prepared by the method of any one of claims 1 to 6.
인산화된 알기네이트(CaPAlg)를 포함하며, 칼슘이온(Ca2+)으로 가교결합된 다공성의 주사가능한 하이드로겔.
A porous, injectable hydrogel comprising phosphorylated alginate (CaPAlg) and crosslinked with calcium ions (Ca &lt; 2 + &gt;).
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