KR20200007747A - A chitosan/TEMPO oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone therapy and a method for manufacturing the same - Google Patents

A chitosan/TEMPO oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone therapy and a method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

According to one embodiment of the present invention, a chitosan/tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel containing fk506 for bone treatments comprises fk506, chitosan, gelling agents and tempo oxide cellulose nanofibers. The chitosan/tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel containing fk506 for bone treatments according to the present invention is used to increase a sol/gel transition speed while reducing a decomposition rate of CS/TOCNF hydrogel because of a high content of NaHCO_3. In addition, the present invention induces growth and differentiation of MC3T3-E1, a pre-osteoblastic cell, in vitro at a 5nm, a low concentration of fk506 to introduce into CS/TOCNF hydrogel, and introduces CS/TOCNF hydrogel containing fk506 to a bone loss portion in vivo to induce bone regeneration.

Description

골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔 및 이의 제조방법{A chitosan/TEMPO oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone therapy and a method for manufacturing the same}Chitosan / TEMPO oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone therapy and a method for manufacturing the same}

본 발명은 fk506을 포함하는 골 치료용 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel for bone treatment comprising fk506 and a method for preparing the same.

동적 조직이면서 고도의 혈관 조직인 골은 운동을 돕고 연조직을 보호하는 프레임워크를 제공하고, 칼슘과 인산염 등 광물을 저장하며, 골수를 숨기는(harboring) 것과 같이 인체에서 중요한 역할을 한다. 또한, 다른 조직과 달리 골은 파골 세포에 의한 골 재흡수와 골아 세포에 의한 골 형성간의 자체 균형능으로 인해 자체적으로 재생 및 복구 가능하다. 그러나, 이러한 재구성(remodeling)은 골 결손이 대규모인 경우에 항상 효과적인 것은 아니며, 신생 골을 강화 및 경화하기 위해서 골절 부위에 충분한 혈액과 적절한 칼슘과 인을 공급하는 것이 필요하다. 따라서, 중대한 골 결손에 적합한 임상 치료법을 찾는 것이 매우 절실하다.Bone, a dynamic and highly vascular tissue, plays an important role in the human body, providing a framework to support exercise, protect soft tissues, store minerals such as calcium and phosphate, and harble the bone marrow. In addition, unlike other tissues, bone is capable of regenerating and repairing itself due to its self-balancing ability between bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts. However, such remodeling is not always effective when the bone defect is large, and it is necessary to supply sufficient blood and adequate calcium and phosphorus at the fracture site to strengthen and harden the new bone. Therefore, it is very urgent to find a suitable clinical treatment for severe bone defects.

골 이식은 골 수복(bone repair) 촉진에 일반적으로 사용되는 임상 골 결손 치료 방법 중 하나이다. 골 형성, 골 전도 및 골 유도의 장점에 따라, 자가 이식(골 이식물은 환자로부터 획득), 동종 이식 또는 이종 이식(골 이식물은 공여체 또는 동물로부터 획득)을 포함하는 골 이식물을 신체 부위에 이식하여 결손 부위를 폐쇄하고 치료를 촉진하는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 수술에 골 이식물을 이용하는 것은 완벽한 치료법이라 할 수 없다. 골 이식은 이차 수술 가능성이 높으며, 질병이 전이될 위험이 있고, 외부 물질 반응과 숙주 거부, 이용 가능한 골 공급원을 찾기 어렵고, 결손 공동에 적합한 형태와 깊이로 형성하기 어렵기 때문에 여전히 연구 중에 있다. 따라서, 최근 수십 년간 골 이식을 대체할 수 있는 신규 생체 재료가 개발되어왔다. 이러한 생체 재료는 비독성, 생체적합성, 생분해성, 세포 및 혈관 침투에 충분한 공극성, 강한 기계적 특성, 세포 발달, 골 형성, 골 전도 및 골 유도를 위한 환경을 조성할 수 있는 구조 등의 요소에 의거하여 설계되었다.Bone grafts are one of the clinical bone defect treatment methods commonly used to promote bone repair. Depending on the advantages of bone formation, bone conduction and bone induction, bone grafts, including autologous grafts (bone grafts obtained from patients), allograft or xenograft grafts (bone grafts obtained from donors or animals) may be used in body parts. It is desirable to implant in to close the defect and promote treatment. Nevertheless, the use of bone grafts for surgery is not a complete cure. Bone grafts are still under study because of the high likelihood of secondary surgery, the risk of disease transmission, the difficulty of finding foreign bone reactions, host rejection, available bone sources, and the difficulty of forming shapes and depths suitable for missing cavities. Thus, new biomaterials have been developed that can replace bone grafts in recent decades. Such biomaterials may be used for elements such as nontoxicity, biocompatibility, biodegradability, porosity sufficient for cellular and vascular invasion, strong mechanical properties, structures that can create an environment for cell development, bone formation, bone conduction and bone induction. Designed according to

하이드로겔은 조직 재생 분야에 이상적인 잠재적인 생체 재료이다. 이는 천연 세포외 기질을 모방하고 네트워크 내 세포 또는 성장 인자를 포획하여 외상 위치에서 세포 침투, 성장 및 분화를 촉진할 수 있는 팽창성(swelling) 3차원(3D) 구조 네트워크이다. 하이드로겔 중에서 주입형(injectable, 주사형) 하이드로겔은 용이하게 충진 가능하고, 불규칙한 형태의 결손에 적합하며 비침습적인 방법으로 온화한 조건에서 겔을 그 위치에 형성할 수 있어, 미리 형성된(pre-formed) 하이드로겔 보다 장점이 우수한 스마트 하이드로겔로 알려졌다. 또한, 온도에 특히 민감한 주입용 하이드로겔의 경우 상온 또는 저온에서 자유롭게 주입할 수 있고 유해물이나 상 전이를 보호하는 특정 첨가제(UV, pH 조절제 또는 산화제)를 첨가하지 않고도 체온에서 겔로 변환될 수 있으므로 골 결손 치료 용도에 가장 적합한 물질이다.Hydrogels are potential biomaterials ideal for tissue regeneration applications. It is a swelling three-dimensional (3D) structural network that can mimic natural extracellular matrix and capture cells or growth factors in the network to promote cell infiltration, growth and differentiation at trauma sites. Injectable hydrogels in hydrogels are easy to fill, suitable for irregular shaped defects and can form gels in place under mild conditions in a non-invasive manner, pre-forming (pre- It is known to be a smart hydrogel that has advantages over hydrogels. In addition, infusion hydrogels that are particularly sensitive to temperature can be freely injected at room temperature or at low temperatures and can be converted into gel at body temperature without the addition of specific additives (UV, pH regulators or oxidizers) that protect against pests or phase transitions. It is the most suitable material for the treatment of defects.

그러나, 이전 연구에서 본 발명자에 의해 개발된 CS/TOCNF하이드로겔은 키토산 하이드로겔 시스템과 비교하여 독성이 적고 겔화 특성이 향상된 주입성 열감응성 하이드로겔 시스템으로 설계되었다. 이러한 시스템은 키토산 하이드로겔 보다 MC3T3-E1과 생체 적합성이 뛰어나므로 임상 생의학 분야, 특히 골 치료 분야에 적합했다. 그러나, 기계적 강도는 매우 약했고, 겔화가 느린 단점이 있었다. 또한, 생체에 적합하나, 약물, 성장 인자 또는 새포 치료를 촉진시키는 인자를 보유하지 않았다. 따라서, 이 시스템을 다른 하이드로젤을 포함한 세포, 약물 또는 성장 인자와 비교하면 치료 속도가 느린 단점이 있었다. 또한, 이의 분해 속도는 1개월로 매우 빠르며, 골 복원에 충분한 시간을 제공하지 못했다. 에에, 강도, 빠른 겔화, 빠른 골 형성, 늦은 분해 속도 등 바람직한 특성을 가진 시스템의 개발이 필요하였다.However, the CS / TOCNF hydrogel developed by the inventor in the previous study was designed as an injectable thermosensitive hydrogel system with less toxicity and improved gelling properties compared to the chitosan hydrogel system. These systems are more biocompatible with MC3T3-E1 than chitosan hydrogels, making them suitable for clinical biomedical applications, especially bone therapy. However, the mechanical strength was very weak and had the disadvantage of slow gelation. It is also biocompatible but does not possess drugs, growth factors or factors that promote the treatment of bleb. Thus, the system has the disadvantage of slow treatment compared to other hydrogel-containing cells, drugs or growth factors. In addition, its rate of degradation was very fast at 1 month and did not provide enough time for bone repair. There has been a need for the development of systems with desirable properties such as strength, fast gelling, fast bone formation, and slow rate of degradation.

KR 10-181537 B1 (2018.01.05. 공고)KR 10-181537 B1 (January 5, 2018)

본 발명의 목적은 fk506, 키토산, 겔화제, 및 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유를 포함하는, 골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔을 제공한다.It is an object of the present invention to provide a chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone therapy, comprising fk506, chitosan, a gelling agent, and a tempo oxidized cellulose nanofiber.

본 발명의 다른 목적은 (a) 키토산을 락트산 수용액에 투입하여 키토산 용액을 제조하는 단계, (b) 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(Tempo-oxidized cellulose nanofiber) 용액을 제조하는 단계, (c) 상기 키토산 용액과 상기 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(TOCNF) 용액을 혼합하여 1차 혼합액을 제조하는 단계, (d) fk506 용액을 제조한 후 상기 1차 혼합액에 혼합하여 2차 혼합액을 제조하는 단계, (e) 겔화제를 제조하는 단계, 그리고 (f) 상기 2차 혼합액에 겔화제를 적하하는 단계를 포함하는, 골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔의 제조방법을 제공한다.Another object of the present invention is to prepare a chitosan solution by (a) injecting chitosan into the aqueous lactic acid solution, (b) preparing a tempo-oxidized cellulose nanofiber solution, (c) the chitosan solution Mixing the tempo oxidized cellulose nanofibers (TOCNF) solution with a solution to prepare a first mixture, (d) preparing a fk506 solution and then mixing the first mixture with a second mixture to prepare a second mixture, (e) gel It provides a method for producing a chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for the treatment of bone, comprising the step of preparing a topical agent, and (f) dropping a gelling agent into the secondary mixture.

본 발명의 일 실시예에 따른 골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔은, fk506, 키토산, 겔화제, 및 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유를 포함한다.Chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone therapy according to an embodiment of the present invention includes fk506, chitosan, a gelling agent, and a tempo oxidized cellulose nanofiber.

상기 겔화제는, 0.1~1.0 M 중탄산나트륨(NaHCO3) 및 β-글리세로포스페이트(β-Glycerophosphate)를 포함할 수 있다.The gelling agent may include 0.1-1.0 M sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) and β-glycerophosphate (β-Glycerophosphate).

상기 하이드로겔은, 생체 내에서(In vivo) 겔화된 수 있다.The hydrogel may be gelled in vivo.

상기 하이드로겔은 상기 중탄산나트륨의 함량이 증가하면 졸에서 겔로 변환되는 속도가 증가된다.The hydrogel increases the rate of conversion from sol to gel as the content of sodium bicarbonate increases.

상기 하이드로겔은 상기 중탄산나트륨의 함량과 하이드로겔의 분해 속도가 반비례한다.The hydrogel is inversely proportional to the content of the sodium bicarbonate and the decomposition rate of the hydrogel.

상기 하이드로겔은 2D 배양시 전조골 세포에서 조골세포의 분화를 강화한다.The hydrogel enhances the differentiation of osteoblasts in progenitor bone cells in 2D culture.

상기 겔화제는 0.5 M 농도의 중탄산나트륨을 포함할 수 있다.The gelling agent may comprise sodium bicarbonate at a concentration of 0.5 M.

상기 fk506은 골 생성 분화능을 촉진시키고, 감염을 방지한다.Fk506 promotes osteogenic differentiation and prevents infection.

상기 중탄산나트륨은, 하이드로겔의 분해 시간 및 약물 방출 시간을 지연시킨다.The sodium bicarbonate delays the decomposition time and drug release time of the hydrogel.

본 발명의 다른 실시예에 따른 골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔의 제조방법은 (a) 키토산을 락트산 수용액에 투입하여 키토산 용액을 제조하는 단계, (b) 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(Tempo-oxidized cellulose nanofiber) 용액을 제조하는 단계, (c) 상기 키토산 용액과 상기 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(TOCNF) 용액을 혼합하여 1차 혼합액을 제조하는 단계, (d) fk506 용액을 제조한 후 상기 1차 혼합액에 혼합하여 2차 혼합액을 제조하는 단계, (e) 겔화제를 제조하는 단계, 그리고 (f) 상기 2차 혼합액에 겔화제를 적하하는 단계를 포한다.According to another embodiment of the present invention, a method for preparing chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone treatment may include (a) preparing a chitosan solution by adding chitosan to an aqueous solution of lactic acid, and (b) tempo. Preparing a solution of (Tempo-oxidized cellulose nanofiber), (c) mixing the chitosan solution and the tempo-oxidized cellulose nanofiber (TOCNF) solution to prepare a primary mixed solution, (d) fk506 solution Preparing a secondary mixture by mixing with the primary mixture, (e) preparing a gelling agent, and (f) dropping the gelling agent into the secondary mixture.

상기 (c) 단계는, 상기 TOCNF 용액과 상기 키토산 용액을 1:2~4 부피비(v/v)로 혼합할 수 있다.In the step (c), the TOCNF solution and the chitosan solution may be mixed at a volume ratio of 1: 2 to 4 (v / v).

상기 (e) 단계는, 0.1~1 M 농도의 중탄산나트륨(NaHCO3) 수용액에 60 %(w/v)의 β-글리세로포스페이트(β-Glycerophosphate) 파우더를 용해하여 제조할 수 있다.The step (e) may be prepared by dissolving 60% (w / v) β-glycerophosphate (β-Glycerophosphate) powder in an aqueous solution of sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) at a concentration of 0.1 to 1 M.

상기 fk506 용액은 에탄올에 fk506 분말을 용해할 수 있다.The fk506 solution may dissolve the fk506 powder in ethanol.

상기 (f)단계는, 상기 2차 혼합액에 상기 겔화제를 1~3:1 부피비(v/v)로 적하할 수 있다.In the step (f), the gelling agent may be added dropwise to the secondary mixed solution at a volume ratio of 1 to 3: 1 (v / v).

본 발명에 의한 골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔의 제조방법을 이용하면 NaHCO3의 함량이 높으므로 졸/겔 전이 속도는 상승하고 CS/TOCNF 하이드로겔의 분해 속도를 저하시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, fk506의 낮은 농도인 5 nM에서도 생체 외(2D 배양)에서 전조골 세포인 MC3T3-E1 세포의 성장 및 분화를 유도하는 효과가 있어, CS/TOCNF하이드로겔에 도입할 수 있으며, 생체 내 골 결손 부위에 fk506을 포함하는 CS/TOCNF하이드로겔을 도입하여 골 재생을 유도할 수 있는 장점이 있다.Using the method for producing chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel containing fk506 for bone treatment according to the present invention, since the content of NaHCO 3 is high, the sol / gel transfer rate is increased and the decomposition rate of CS / TOCNF hydrogel is increased. There is an effect that can lower the. In addition, even at a low concentration of fk506 of 5 nM, it is effective to induce the growth and differentiation of MC3T3-E1 cells, which are precursor bone cells in vitro (2D culture), and can be introduced into CS / TOCNF hydrogel. Introducing CS / TOCNF hydrogel comprising fk506 at the defect site has the advantage of inducing bone regeneration.

도 1은 fk506을 포함하는 CS/TOCNF 하이드로겔을 제조과정을 나타낸 것이다.
도 2A 내지 2D는 겔화제에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔의 37 ℃에서의 겔화시간, 점도, 유동 거동을 나타낸 것이다.
도 3은 겔화제에 포함된 중탄산나트륨의 농도에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔의 푸리에 변화 적외선(FT-IR) 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4A 및 4B는 겔화제에 포함된 중탄산나트륨(0M, 0.1M, 0.25M, 0.5M)의 농도에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔을 리소자임 효소(1 mg/㎖)를 함유한 PBS에 침지된 경우에 분석한 프로파일로 잔존량과 광학사진을 나타낸 것이다.
도 5는 배양 1일, 3일, 5일 및 7일 후 전조골세포 MC3T3-E1의 증식에 미치는 fk506(5 nM, 15 nM, 25 nM, 50 nM 및 100 nM)의 효과를 MTT 분석한 것이다.
도 6은 겔화제 중 0.5M 중탄산나트륨을 포함하는 CS/TOCNF 하이드로겔의 fk506의 누적 방출 속도를 UV 분광법으로 나타낸 것이다.
도 7은 임계 크기(Critical- sized)의 쥐 두개골 결손부에 fk506이 포함된 CS/TOCNF 하이드로겔을 이식한 모습을 나타낸 것이다.
도 8은 동물 모델에 fk506이 포함된 CS/TOCNF 하이드로겔 이식 한 후 3주, 6 주 후의 마손 트리크롬 (Masson's Trichrome)으로 염색 결과를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the manufacturing process of the CS / TOCNF hydrogel containing fk506.
2A to 2D show the gelation time, viscosity and flow behavior of CS / TOCNF hydrogel at 37 ° C. according to the gelling agent.
Figure 3 shows the Fourier change infrared (FT-IR) spectrum of the CS / TOCNF hydrogel according to the concentration of sodium bicarbonate contained in the gelling agent.
4A and 4B show CS / TOCNF hydrogels immersed in PBS containing lysozyme enzyme (1 mg / ml) according to the concentration of sodium bicarbonate (0M, 0.1M, 0.25M, 0.5M) included in the gelling agent. The remaining profiles and the optical photographs are shown in the profiles analyzed in.
Figure 5 is an MTT analysis of the effect of fk506 (5 nM, 15 nM, 25 nM, 50 nM and 100 nM) on the proliferation of progenitor bone cells MC3T3-E1 after 1, 3, 5 and 7 days of culture .
Figure 6 shows the cumulative release rate of fk506 of CS / TOCNF hydrogel with 0.5 M sodium bicarbonate in the gelling agent by UV spectroscopy.
Figure 7 shows the implantation of a CS / TOCNF hydrogel containing fk506 in a critical-sized rat skull defect.
Figure 8 shows the staining results with Masson's Trichrome 3, 6 weeks after the transplantation of CS / TOCNF hydrogel containing fk506 in the animal model.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, it should be noted that in the drawings, the same components or parts denote the same reference numerals as much as possible. In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are omitted in order not to obscure the subject matter of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 약, 실질적으로 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.As used herein, the terms "about", "substantially", and the like, are used at, or in close proximity to, numerical values as are indicative of preparation and material tolerances inherent in the meanings mentioned, and are intended to be accurate or to facilitate understanding of the invention. Absolute figures are used to prevent unfair use by unscrupulous intruders.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔은, fk506, 키토산, 겔화제, 및 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유를 포함한다.Chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone therapy according to an embodiment of the present invention includes fk506, chitosan, a gelling agent, and a tempo oxidized cellulose nanofiber.

상기 타크로리무스(Tacrolimus, fk506)은 골 생성 분화능을 촉진시키고, 감염을 방지한다.The tacrolimus (fk506) promotes osteogenic differentiation and prevents infection.

상기 타크로리무스(Tacrolimus, fk506)은 심장이나 심장 이식 후 동종 이식 거부를 방지하고 장기 이식 환자의 생존율을 높일 수 있는 면역증강제이다. 또한, 골 생성 분화능을 갖고 생체 및 생체 외 골 형성을 촉진할 수 있다.The tacrolimus (Tacrolimus, fk506) is an immunopotentiator that can prevent allograft rejection and increase the survival rate of organ transplant patients after heart or heart transplantation. It can also have osteogenic differentiation and promote bone formation in vivo and ex vivo.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유하이드로겔은 골 형성을 촉진하여 골 치료 기간을 단축시킬 뿐만 아니라 체내에서 골 형성시 감염을 방지할 수 있는 효과가 있다.Therefore, chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 according to an embodiment of the present invention promotes bone formation, shortens the bone treatment period, and has an effect of preventing infection during bone formation in the body. have.

나노셀룰로오스는 생체물질 후보이다. 나노셀룰로오스는 조직 강화 반월판(tissue engineered meniscus), 혈관, 인대 및 힘줄 대체물과 같은 스캐폴드 같은 재생 의학과 상처 치유 응용 분야에서 이용될 수 있는데, 이는 나노셀룰로오스의 상당한 물리적 특성과 특수 표면 화학과 생분해성, 생체적합성 그리고 낮은 독성과 같은 우수한 생물학적 특성 때문이다.Nanocellulose is a biomaterial candidate. Nanocellulose can be used in regenerative medicine and wound healing applications such as tissue engineered meniscus, scaffolds such as blood vessels, ligaments and tendon substitutes, which have significant physical properties, special surface chemistry, biodegradability and bioavailability. This is due to good biological properties such as suitability and low toxicity.

셀룰로오스 나노섬유를 만들기 위해서는 목재의 셀룰로오스 섬유를 분리시키는 것이 필요하다. 셀룰로오스 섬유는 섬유와 섬유가 강하게 결합되어 있기 때문에 높은 효율로 분리하는 것이 곤란했으나, 기능성 촉매인 2,2,6,6-테트라메틸-피페리딘-1-옥실(2,2,6,6-tetramethyl-piperidin-1-oxyl, TEMPO)를 이용해 산화시키면 셀룰로오스 섬유가 균일한 셀룰로오스 나노섬유가 될 수 있다. 이러한 TEMPO-산화 셀룰로오스 나노섬유(TEMPO-oxidized cellulose nanofibril, TOCNF)는 목질 바이오매스 유래로 생분해성을 가진다. 또한, 결정성이 높고 내열성이 뛰어나며, 높은 투명성을 가지는 등 다양한 뛰어난 성질을 가지고 있기 때문에, 고분자 복합재료, 의공학 소재 및 멤브레인에 이용이 가능하다. In order to make cellulose nanofibers, it is necessary to separate cellulose fibers of wood. Cellulose fibers were difficult to separate with high efficiency because the fibers and the fibers are strongly bonded, but the functional catalyst 2,2,6,6-tetramethyl-piperidine-1-oxyl (2,2,6,6 When oxidized with -tetramethyl-piperidin-1-oxyl (TEMPO), the cellulose fibers can become uniform cellulose nanofibers. The TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TOMNF) are biodegradable from wood biomass. In addition, since it has various excellent properties such as high crystallinity, excellent heat resistance, and high transparency, it can be used for polymer composite materials, medical engineering materials, and membranes.

나노셀룰로오스의 TEMPO 매개 산화에 의해 얻은 Tempo-산화 셀룰로오스 나노섬유는 새로운 유력한 생체 기반 나노 물질이다. TOCNF는 세포 성장과 분화가 가능한 3D 환경을 형성하기 위해 하이드로겔을 형성할 수 있는 높은 결정성과 수용성을 갖는다. Tempo-oxidized cellulose nanofibers obtained by TEMPO mediated oxidation of nanocellulose are novel potent biobased nanomaterials. TOCNF has a high crystallinity and water solubility to form hydrogels to form a 3D environment capable of cell growth and differentiation.

상기 겔화제는, 0.1~1.0 M 중탄산나트륨(NaHCO3) 및 β-글리세로포스페이트(β-Glycerophosphate)를 포함할 수 있다.The gelling agent may include 0.1-1.0 M sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) and β-glycerophosphate (β-Glycerophosphate).

구체적으로 상기 겔화제는 0.5 M 농도의 중탄산나트륨을 포함할 수 있다.Specifically, the gelling agent may include 0.5 M sodium bicarbonate.

상기 β-글리세로포스페이트는 일반적인 겔화제로 사용될 수 있는 물질이다. 그러나, β-글리세로포스페이트를 단독으로 사용할 경우 겔화가 느린 단점이 있으며, 종래의 β-글리세로포스페이트를 단독으로 사용하는 하이드로겔의 경우 겔화가 느린 단점으로 인하여 결손부위에서 이탈하거나 조기 용해되는 단점이 있다.The β-glycerophosphate is a material that can be used as a general gelling agent. However, when the β-glycerophosphate alone is used, there is a disadvantage in that the gelation is slow, and in the case of the hydrogel using the conventional β-glycerophosphate alone, the gel is slowed, which results in a defect or premature dissolution from the defect. There is this.

상기 중탄산나트륨은 세포 활성에 영향을 주지 않으면서 겔을 강화하고 겔화를 촉진하는 약염기이다.The sodium bicarbonate is a weak base that enhances gels and promotes gelation without affecting cell activity.

또한, 상기 중탄산나트륨을 포함하는 겔화제는 하이드로겔의 분해 시간 및 약물 방출 시간을 지연킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the gelling agent containing sodium bicarbonate has the effect of delaying the decomposition time and drug release time of the hydrogel.

본 발명의 일 실시예에 따른 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔은 상기 겔화제에 포함된 중탄산나트륨의 함량이 증가할수록 졸에서 겔로 변화하는 속도를 증가시키는 것을 확인하였다.The chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 according to an embodiment of the present invention was confirmed to increase the rate of change from sol to gel as the content of sodium bicarbonate contained in the gelling agent increased.

본 발명의 일 실시예에 따른 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔은 30℃~37℃에서는 겔(gel)의 형태를 지닐 수 있으며, 보다 구체적으로 37℃에서 겔의 형태를 지닐 수 있다. 즉, 생체 내에서(In vivo) 겔화될 수 있다.Chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 according to an embodiment of the present invention may have a form of a gel (gel) at 30 ℃ ~ 37 ℃, more specifically have a form of gel at 37 ℃ Can be. That is, it may be gelled in vivo.

본 발명의 일 실시예에 따른 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔은 상기 중탄산나트륨의 함량과 하이드로겔의 분해 속도가 반비례한다.Chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel containing fk506 according to an embodiment of the present invention is inversely proportional to the content of sodium bicarbonate and the rate of hydrogel degradation.

즉, 겔화제가 포함하는 중탄산타트륨의 증가가 증가하면 CS/TOCNF 하이드로겔의 분해 속도의 감소하고 상기 CS/TOCNF 하이드로겔이 골을 치유할 수 있는 시간이 증가한다.That is, an increase in the amount of titanium bicarbonate contained in the gelling agent decreases the rate of degradation of the CS / TOCNF hydrogel and increases the time for the CS / TOCNF hydrogel to heal bone.

본 발명의 일 실시예에서 fk506 또는 fk506을 포함하는 CS/TOCNF하이드로겔은 2D 배양시 시험관에서 전조골 세포에서 조골세포의 분화를 강화하는 것을 확인하였다.In one embodiment of the present invention, it was confirmed that CS / TOCNF hydrogel containing fk506 or fk506 enhances the differentiation of osteoblasts in progenitor bone cells in vitro in 2D culture.

상기 fk506에 대해서는 앞서 설명하였기에 이에 대한 설명은 생략한다.Since fk506 has been described above, a description thereof will be omitted.

본 발명의 다른 실시예에 따른 골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔의 제조방법은 (a) 키토산을 락트산 수용액에 투입하여 키토산 용액을 제조하는 단계, (b) 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(Tempo-oxidized cellulose nanofiber) 용액을 제조하는 단계, (c) 상기 키토산 용액과 상기 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(TOCNF) 용액을 혼합하여 1차 혼합액을 제조하는 단계, (d) fk506 용액을 제조한 후 상기 1차 혼합액에 혼합하여 2차 혼합액을 제조하는 단계, (e) 겔화제를 제조하는 단계, 그리고 (f) 상기 2차 혼합액에 겔화제를 적하(Drop by drop)하는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, a method for preparing chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone treatment may include (a) preparing a chitosan solution by adding chitosan to an aqueous solution of lactic acid, and (b) tempo. Preparing a solution of (Tempo-oxidized cellulose nanofiber), (c) mixing the chitosan solution and the tempo-oxidized cellulose nanofiber (TOCNF) solution to prepare a primary mixed solution, (d) fk506 solution Preparing a secondary mixed solution by mixing with the primary mixed solution, (e) preparing a gelling agent, and (f) dropping a gelling agent into the secondary mixed solution (Drop by drop). Include.

상기 (a) 단계는 키토산을 락트산 수용액에 투입하여 키토산 용액을 제조하는 단계이다.Step (a) is a step of preparing chitosan solution by adding chitosan to the lactic acid aqueous solution.

구체적으로 상기 (a) 단계는 1% (v/v) 락트산 수용액에 키토산을 용해하여 3% (w/v) 키토산 (CS) 용액을 제조할 수 있다.Specifically, step (a) may be prepared by dissolving chitosan in 1% (v / v) lactic acid aqueous solution to prepare a 3% (w / v) chitosan (CS) solution.

상기 (b) 단계는 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(Tempo-oxidized cellulose nanofiber) 용액을 제조하는 단계이다.Step (b) is a step of preparing a tempo-oxidized cellulose nanofiber solution.

구체적으로 상기 (b) 단계는 증류수에 2,2,6,6-테트라메틸-피페리딘-1-옥실(2,2,6,6-tetramethyl-piperidin-1-oxyl, TEMPO)-산화 셀룰로오스 나노섬유(TOCNF)의 균질 현탁액을 희석하고, 염산 수용액을 첨가하여 TEMPO-산화 셀룰로오스 나노섬유 (TOCNF)를 함유하는 0.4 % (v/v) TOCNF 용액을 제조할 수 있다.Specifically step (b) is 2,2,6,6-tetramethyl-piperidine-1-oxyl (2,2,6,6-tetramethyl-piperidin-1-oxyl, TEMPO) -oxidized cellulose in distilled water A homogeneous suspension of nanofibers (TOCNF) can be diluted and an aqueous hydrochloric acid solution can be added to prepare a 0.4% (v / v) TOCNF solution containing TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TOCNF).

상기 "적하"는 액체 등과 같은 것이 방울지게 떨어뜨리리는 것을 의미한다. The term "dropping" means dropping a drop of liquid or the like.

상기 "현탁액"은 액체에 고체 미세입자가 분산한 부유계를 서스펜션 또는 현탁액이라고 부른다. The " suspension " refers to a suspension system in which solid fine particles are dispersed in a liquid, called a suspension or suspension.

상기 "균질"은 어떤 일정 상태에서 하나의 물질 내부에서 어느 부분을 취(取)해도, 다른 부분과 똑같은 물리적, 화학적 성질을 가지고 있는 것을 말하며 균일이라고도 한다. The term "homogeneous" refers to having a physical and chemical property identical to that of other parts, even if any part is taken in one substance in a certain state, and is also called uniformity.

상기 (c) 단계는 상기 키토산 용액과 상기 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(TOCNF) 용액을 혼합하여 1차 혼합액을 제조하는 단계이다.Step (c) is a step of preparing a primary mixed solution by mixing the chitosan solution and the tempo oxidized cellulose nanofibers (TOCNF) solution.

구체적으로 상기 (c) 단계는 상기 TOCNF 용액과 상기 키토산 용액을 1:2~4 부피비(v/v)로 혼합할 수 있으며 바람직하게는 1:3 부피비로 혼합할 수 있다.Specifically, step (c) may mix the TOCNF solution and the chitosan solution in a 1: 2 to 4 volume ratio (v / v), preferably in a 1: 3 volume ratio.

보다 구체적으로, 상기 3 % (v/v) 키토산 (CS) 용액과 상기 TOCNF 용액과 상기 키토산 용액을 1:3 부피비(v:v)로 실온에서 혼합하여 1차 혼합액(CS/TOCNF)을 제조한다.More specifically, the 3% (v / v) chitosan (CS) solution, the TOCNF solution and the chitosan solution were mixed in a 1: 3 volume ratio (v: v) at room temperature to prepare a primary mixed solution (CS / TOCNF). do.

상기 (d) 단계는 fk506 용액을 제조한 후 상기 1차 혼합액에 혼합하여 2차 혼합액을 제조하는 단계이다.Step (d) is a step of preparing a second mixture by preparing a fk506 solution and then mixing the mixture.

상기 fk506 용액은 에탄올에 fk506 분말을 용해하여 제조한다.The fk506 solution is prepared by dissolving fk506 powder in ethanol.

상기 제조된 fk506 용액을 1차 혼합액에 투입하여 2차 혼합액(fk506을 함유하는 CS/TOCNF)을 제조한다. The prepared fk506 solution was added to the primary mixed solution to prepare a secondary mixed solution (CS / TOCNF containing fk506).

상기 fk506의 농도는 2차 혼합액에 대하여 45~55 ㎍/ml농도로 함유된다.The concentration of fk506 is contained at a concentration of 45-55 μg / ml with respect to the secondary mixture.

상기 (e) 단계는 겔화제를 제조하는 단계이다.Step (e) is a step of preparing a gelling agent.

구체적으로, 상기 (e) 겔화제를 제조하는 단계는 0.1~1 M 농도의 중탄산나트륨(NaHCO3) 수용액에 60 %(w/v)의 β-글리세로포스페이트(β-Glycerophosphate) 파우더를 용해하여 제조할 수 있다.Specifically, the step of preparing the gelling agent (e) by dissolving 60% (w / v) β-glycerophosphate (β-Glycerophosphate) powder in an aqueous solution of sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) of 0.1 ~ 1 M concentration It can manufacture.

상기 중탄산나트륨은 물에 용해하여 여과한 후, β-글리세로포스페이트를 다양한 농도의 중탄산나트륨 용액에 용해하여 제조한다.The sodium bicarbonate is prepared by dissolving in water and filtering, and then dissolving β-glycerophosphate in sodium bicarbonate solution of various concentrations.

상기 (f) 단계는 상기 2차 혼합액에 겔화제를 적하하여 fk506을 포함하는 CS/TOCNF하이드로겔을 제조하는 마지막 단계이다.Step (f) is a final step of preparing a CS / TOCNF hydrogel containing fk506 by dropping a gelling agent in the secondary mixture.

구체적으로 상기 2차 혼합액에 상기 겔화제를 1~3:1 부피비(v/v)로 적하하며 빙조(Ice bath)에서 4 ℃로 연속 교반하여 fk506을 포함하는 CS/TOCNF하이드로겔을 제조한다.Specifically, the gelling agent is added dropwise to the secondary mixed solution at a volume ratio of 1 to 3: 1 (v / v), and continuously stirred at 4 ° C. in an ice bath to prepare CS / TOCNF hydrogel including fk506.

전술한 바와 같이, fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔 및 이의 제조방법을 이용하면 NaHCO3의 함량이 높으므로 졸/겔 전이 속도는 상승하고 CS/TOCNF 하이드로겔의 분해 속도를 저하시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, fk506의 낮은 농도인 5 nM에서도 생체 외(2D 배양)에서 전조골 세포인 MC3T3-E1 세포의 성장 및 분화를 유도하는 효과가 있어, CS/TOCNF하이드로겔에 도입할 수 있으며, 생체 내 골 결손 부위에 fk506을 포함하는 CS/TOCNF하이드로겔을 도입하여 골재생용 용도로 사용할 수 있다.As described above, using chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel containing fk506 and a method of preparing the same, the content of NaHCO 3 is high, so the sol / gel transition rate is increased and the degradation rate of CS / TOCNF hydrogel is lowered. There is an effect that can be done. In addition, even at a low concentration of fk506 of 5 nM, it is effective to induce the growth and differentiation of MC3T3-E1 cells, which are precursor bone cells in vitro (2D culture), and can be introduced into CS / TOCNF hydrogel. CS / TOCNF hydrogel containing fk506 may be introduced at the defect site to be used for bone regeneration.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are merely to illustrate the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

실시예: 하이드로겔의 제조Example Preparation of Hydrogels

구체적인 하이드로겔의 제조과정은 도 1과 같다.The manufacturing process of the specific hydrogel is shown in FIG.

3 %(w/v) 키토산(chitosan; CS) 용액과 0.4 %(w/v) 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(Tempo-oxidized cellulose nanofiber; TOCNF) 용액을 3 : 1 부피비(CS : TOCNF, v/v)로 혼합하여 1차 혼합액(CS/TOCNF)을 제조한 후 냉각하였다.A 3: 1 volume ratio (CS: TOCNF, v / v) of 3% (w / v) chitosan (CS) solution and 0.4% (w / v) tempo-oxidized cellulose nanofiber (TOCNF) solution ) To prepare a primary mixed solution (CS / TOCNF) and then cooled.

다음으로, 에탄올에 fk506 분말을 용해하여 fk506 용액을 제조한 후 1차 혼합액에 투입하여 2차 혼합액을 제조하였다. 상기 2차 혼합액에 혼합되는 fk506 용액은 50 ㎍/ml 농도를 사용하였다.Next, fk506 powder was dissolved in ethanol to prepare a fk506 solution, and then added to the first mixed solution to prepare a second mixed solution. The fk506 solution mixed in the secondary mixture was used at a concentration of 50 μg / ml.

마지막으로, 상기 2차 혼합액과 겔화제(β-GP Solution)를 2:1의 비(혼합액:겔화제, v : v)로 적하하여 빙조(ice bath)에서 4 ℃로 연속 교반하면서 하이드로겔을 제조하였다.Finally, the secondary mixed solution and the gelling agent (β-GP Solution) was added dropwise in a ratio of 2: 1 (mixing solution: gelling agent, v: v) and the hydrogel was continuously stirred at 4 ° C. in an ice bath. Prepared.

최종 하이드로겔은 사용 전에 4℃에 정치하였다.The final hydrogel was left at 4 ° C. before use.

여기서, 상기 겔화제(β-GP Solution)는 물에 용해하여 여과한 0.1M ~ 1M 농도의 중탄산나트륨 수용액(NaHCO3 Solution)에 60 %(w/v) β-글리세로포스페이트(β-Glycerophosphate; GP) 파우더를 투입하여 용해하여 제조하였다.Here, the gelling agent (β-GP Solution) is dissolved in water and filtered in 60% (w / v) β-glycerophosphate (β-Glycerophosphate) in 0.1M ~ 1M sodium bicarbonate aqueous solution (NaHCO 3 Solution) concentration; GP) Powder was prepared by dissolving it.

[실험방법]Experimental Method

1. 겔화 시간 측정1. Gelation time measurement

겔화제의 농도에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔의 겔화 시간을 측정하였다.The gelation time of CS / TOCNF hydrogel was measured according to the concentration of the gelling agent.

겔화제의 농도에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔의 겔화 시간의 측정은 바이알 반전 시험법(vial inversion test method, H. Y. Zhou et al., 2008)에 의해 수행되었다. 또한, 졸-겔 전이를 촉진하기 위해 1 ㎖ CS/TOCNF 프리겔(pre-gel) 용액이 담긴 바이알을 37 ℃ 수조에서 배양하였다. 바이알을 뒤집을 때 용액의 유동이 멈출 때까지 겔화제의 농도에 따른 겔화 시간을 기록하였다.Determination of the gelation time of CS / TOCNF hydrogel according to the concentration of the gelling agent was performed by a vial inversion test method (H. Y. Zhou et al., 2008). In addition, vials containing 1 ml CS / TOCNF pre-gel solution were incubated in a 37 ° C. water bath to promote sol-gel transfer. The gel time according to the concentration of the gelling agent was recorded until the flow of solution stopped when the vial was turned upside down.

2. 점도 특성 분석 및 유동 거동 측정2. Viscosity Characterization and Flow Behavior Measurement

브룩필드(Brookfield) 점도계((RVDV, USA)를 이용하여 액체 상태(4℃) 및 겔 상태(37℃)에서 겔화제의 농도에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔의 점도를 측정하였다.Viscosity of CS / TOCNF hydrogel was measured according to the concentration of the gelling agent in the liquid state (4 ° C.) and gel state (37 ° C.) using a Brookfield viscometer ((RVDV, USA).

7.1 ㎖의 하이드로겔을 원통형 용기에 넣고 스핀들 21로 연속 교반하였다. 시료는 37°C의 온도에서 100 RPM으로 4°C에서 150 RPM으로 3분간 측정하였다. 점도는 30 초마다 측정하였다.7.1 ml of hydrogel was placed in a cylindrical vessel and stirred continuously with spindle 21. Samples were measured for 3 minutes at 100 RPM at 4 ° C and 150 RPM at a temperature of 37 ° C. Viscosity was measured every 30 seconds.

3. 푸리에 변환 적외선 분광법 (FT-IR) 분석3. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) Analysis

중탄산나트륨(sodium bicarbonate)의 첨가 전후 CS/TOCNF 하이드로겔의 FT-IR 스펙트럼을 푸리에 변환 적외선 분광기(Fourier Transform Infrared Spectrometer) (Nicolet iS10-Smart iTR, Thermo Fisher Scientific, USA)를 사용하여 4,000 ~ 700 cm-1 주파수 범위에서 측정하였다.FT-IR spectra of CS / TOCNF hydrogels before and after the addition of sodium bicarbonate were measured using a Fourier Transform Infrared Spectrometer (Nicolet iS10-Smart iTR, Thermo Fisher Scientific, USA) It was measured in the -1 frequency range.

4. CS/TOCNF 하이드로겔의 분해4. Degradation of CS / TOCNF Hydrogel

다양한 겔화제를 이용한 CS/TOCNF 하이드로겔의 분해는 PBS/리소자임 용액 (1 mg/㎖)에 37 ℃에 침지한 후 8 주간 연속 진탕하면서 하이드로겔의 형태, 크기 및 중량 변화를 통해 평가하였다.Degradation of CS / TOCNF hydrogels using various gelling agents was evaluated by immersion in PBS / lysozyme solution (1 mg / ml) at 37 ° C., followed by morphology, size, and weight of the hydrogel with continuous shaking for 8 weeks.

일정 시간을 주기로 시료를 PBS/리소자임 용액에서 제거하고 무게를 측정하였다. 효소가 지속적으로 작용하고 시료가 건조되는 것을 방지하기 위해 PBS/리소자임 용액을 48 시간 마다 새 용액으로 교체하였다. 잔존하는 하이드로겔 질량 백분율은 하기 식에 따라 계산하였다.At regular intervals, samples were removed from the PBS / lysozyme solution and weighed. The PBS / lysozyme solution was replaced every 48 hours with fresh solution to keep the enzyme running and the sample dry. The remaining hydrogel mass percentage was calculated according to the following formula.

하이드로겔 잔존 질량 (%) = (Wt/Wi) × 100 (%)Hydrogel Remaining Mass (%) = (Wt / Wi) × 100 (%)

여기서, Wi는 PBS/리소자임 용액에 침지하기 전 각 시료의 초기 중량이고, Wt는 PBS/리소자임 용액에 침지 후 시간(t)에 따른 시료의 중량이다.Here, Wi is the initial weight of each sample before immersing in PBS / lysozyme solution, Wt is the weight of the sample over time (t) after immersion in PBS / lysozyme solution.

5. 시험관 내 세포의 배양5. Culture of In Vitro Cells

마우스 전조골세포인 MC3T3-E1 세포(American Type Culture Collection, Manassas, VA)는 10 % 태아 소혈청(FBS, Mediatech Inc, USA) 및 1 % 페니실린-스트렙토마이신(PS, Welgene, South Korea)을 첨가한 알파 최소 배지 (α-MEM, Welgene, South Korea))에서 배양하였다. MC3T3-E1 세포는 37 ℃에서 5 % 이산화탄소(CO2)의 가습 배양기에 정치하였다. 또한, MC3T3-E1 세포의 골 형성 분화 배지에 10 nM 덱사메사손(Sigma-Aldrich, South Korea), 50 μg/ml 아스코르브산 2-포스페이트 (Sigma-Aldrich, South Korea) 및 10 mM β-글리세롤포스페이트 (Sigma-Aldrich, USA)를 보충하였으며, 배지는 2 일마다 교체하였다.MC3T3-E1 cells (American Type Culture Collection, Manassas, VA), mouse precursor bone cells, were added with 10% fetal bovine serum (FBS, Mediatech Inc, USA) and 1% penicillin-streptomycin (PS, Welgene, South Korea). Culture in one alpha minimal medium (α-MEM, Welgene, South Korea). MC3T3-E1 cells were placed in a humidified incubator of 5% carbon dioxide (CO 2) at 37 ° C. In addition, 10 nM dexamethasone (Sigma-Aldrich, South Korea), 50 μg / ml ascorbic acid 2-phosphate (Sigma-Aldrich, South Korea) and 10 mM β-glycerol phosphate were added to osteogenic differentiation medium of MC3T3-E1 cells. (Sigma-Aldrich, USA) was supplemented and the medium was changed every two days.

6. fk506의 생체적합성 시험6. Biocompatibility Testing of fk506

MC3T3-E1 세포는 70-80 %의 합류도(confluence)에 이를 때까지 48-웰 배양 플레이트에 접종하였다. 그 후, 배지를 제거하고 배지에서 fk506 원액 (stock) (12 mM)을 희석하여 제조한 상이한 농도 (5 nM, 15 nM, 25 nM, 50 nM, 및 100 nM)의 fk506 용액으로 대체하였다. fk506이 없는 배지에 세포가 접종된 웰을 대조군으로 정하였다. 1일, 3일, 5일, 7일 배양 후 MTT 용액(PBS 중 5 ㎎/㎖)을 웰마다 1:10 (v / v)의 비율로 첨가하고 37 ℃에서 다시 배양하였다.MC3T3-E1 cells were seeded in 48-well culture plates until they reached a confluence of 70-80%. The medium was then removed and replaced with fk506 solutions of different concentrations (5 nM, 15 nM, 25 nM, 50 nM, and 100 nM) prepared by diluting the fk506 stock (12 mM) in the medium. Wells inoculated with cells in medium without fk506 were used as controls. After 1, 3, 5 and 7 days of incubation, MTT solution (5 mg / ml in PBS) was added at a ratio of 1:10 (v / v) per well and incubated again at 37 ° C.

배양 4 시간 후 웰 내부의 모든 용액을 제거하고 웰에 DMSO를 첨가하여 포르마잔염을 용해하였다. ELISA 판독기(Infinite F50, Tecan, Austria)를 사용하여 파장 595 nm에서 용액의 광학 밀도를 측정하여 세포 생존력을 측정하였다. 2 일마다 배지는 반으로 감소되었다.After 4 hours of incubation all solutions in the wells were removed and DMSO was added to the wells to dissolve formazan salt. Cell viability was determined by measuring the optical density of the solution at a wavelength of 595 nm using an ELISA reader (Infinite F50, Tecan, Austria). Every two days the medium was reduced by half.

7. 시험관 내 fk506 방출7. Release of in vitro fk506

겔화제 중 0.5 M 중탄산나트륨을 이용한 CS/TOCNF 하이드로겔(선택시료)로부터 fk506의 방출을 확인하였다. 겔 생성 후, fk506을 포함한 겔 1 ㎖를 PBS 1.5 ㎖에 침지하여 일정한 진탕 조건하에 37 ℃에서 배양하였다. 일정 시간 마다 모든 추출 용액을 수집하고, 새로운 PBS로 교체하고, 방출된 fk506 함량을 측정 및 분석하였다. 자외선 흡광도는 220 nm의 파장에서 BioDrop(UK)으로 판독하였다. 추출액에 방출된 fk506의 양은 알려진 fk506 농도의 표준 검량선을 기준으로 결정되었다.Release of fk506 from CS / TOCNF hydrogel (selective sample) using 0.5 M sodium bicarbonate in the gelling agent was confirmed. After gel formation, 1 ml of gel containing fk506 was immersed in 1.5 ml of PBS and incubated at 37 ° C. under constant shaking conditions. Every extraction solution was collected at regular time, replaced with fresh PBS, and the fk506 content released was measured and analyzed. Ultraviolet absorbance was read by BioDrop (UK) at a wavelength of 220 nm. The amount of fk506 released to the extract was determined based on a standard calibration curve of known fk506 concentrations.

8. 생체 내 연구8. In Vivo Research

순천향대학교 동물 윤리위원회의 승인을 받아 Sprague Dawley 수컷 쥐(200-250 g, 9주령) 18 마리를 키워 실험에 사용하였다. 쥐를 디에틸에테르(Daejung, South Korea)로 마취하고 평복(procumbent) 위치로 배치하였다. 쥐 머리의 수술 부위를 면도하고 위생 목적으로 70 % 알코올과 항균 목적으로 포비돈 요오드 용액으로 닦았다. 약 25 mm의 정중선 절개부를 형성하여 두개골을 노출하였다. 그 후, 골막을 뒤집어서 두개골의 정면 중앙에 트레핀 드릴을 통해 원형 전체 두께의 골 결손(직경 8 mm, 깊이 1 mm)을 형성하였다. 드릴링 시간 동안 식염수 공급이 연속적으로 이루어졌다. 결손은 다양한 군의 하이드로겔 (fk506이 포함되거나 포함되지 않음)을 주입하여 채웠으며, 결손 부위는 하이드로겔이 이식되지 않은 경우 대조군으로 간주된다. 그 후, 절개부를 봉합하고 포비돈 요오드로 닦았다. 이식 3 주 및 6 주 후 치유 과정을 관찰하였다.18 Sprague Dawley male rats (200-250 g, 9 weeks old) were raised and used for the experiments with the approval of the Animal Ethics Committee of Soonchunhyang University. Mice were anesthetized with diethyl ether (Daejung, South Korea) and placed in a procumbent position. The surgical site of the rat head was shaved and brushed with povidone-iodine solution for 70% alcohol and antibacterial purposes for hygiene purposes. A midline incision of about 25 mm was made to expose the skull. The periosteum was then inverted, forming a circular full thickness bone defect (diameter 8 mm, depth 1 mm) through a trepin drill in the frontal center of the skull. The saline feed was continuous during the drilling time. Defects were filled by injecting various groups of hydrogels (with or without fk506) and the defect site is considered a control when no hydrogels are implanted. The incision is then closed and wiped with povidone iodine. Healing was observed at 3 and 6 weeks after transplantation.

[실험결과][Experiment result]

실험예 1, NaHCOExperimental Example 1, NaHCO 33 농도에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔의 겔화 정도 및 유동거동 분석 Gelation and Flow Behavior Analysis of CS / TOCNF Hydrogel According to Concentration

도 2A 내지 2D는 겔화제에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔의 37 ℃에서의 겔화시간, 점도, 유동 거동을 나타낸 것이다.2A to 2D show the gelation time, viscosity and flow behavior of CS / TOCNF hydrogel at 37 ° C. according to the gelling agent.

CSF/TOCNF 하이드로겔의 겔화 시간에 중탄산나트륨(NaHCO3) 농도가 미치는 영향을 생리 온도에서 관찰하였다.The effect of sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) concentration on the gelation time of CSF / TOCNF hydrogel was observed at physiological temperature.

도 2A에 도시된 바와 같이, 겔화제의 NaHCO3의 농도가 0 M 내지 1 M 범위로 증가할 때 하이드로겔의 겔화 시간은 130 초에서 25 초로 점차 감소하였다. 이는 겔화제에 포함된 NaHCO3의 농도가 높을수록 겔화가 더 빠르게 진행된다는 것을 의미한다.As shown in FIG. 2A, the gelation time of the hydrogel gradually decreased from 130 seconds to 25 seconds when the concentration of NaHCO 3 of the gelling agent increased from 0 M to 1 M. This means that the higher the concentration of NaHCO 3 contained in the gelling agent, the faster the gelation proceeds.

겔화제에 NaHCO3를 첨가하면 NaHCO3 함량이 증가함에 따라(0 M, 0.1 M, 0.25 M 및 0.5 M), 하이드로겔의 점도는 감소하는 경향을 나타낸다. 도 2B에 도시된 바와 같이 37 ℃에서 하이드로겔의 점도는 0 M NaHCO3의 경우 약 233 Pa.s이고, 0.1M 및 0.5M NaHCO3의 경우 각각 149.6 Pa.s 및 181.9 Pa.s로 감소했다. 그러나, 0.25 M NaHCO3의 경우 전하들간 반발력으로 인해 하이드로겔의 점도가 약 350 Pa.s를 나타낸다.When NaHCO 3 is added to the gelling agent, as the NaHCO 3 content increases (0 M, 0.1 M, 0.25 M and 0.5 M), the viscosity of the hydrogels tends to decrease. As shown in FIG. 2B, the viscosity of the hydrogel at 37 ° C. was about 233 Pa.s for 0 M NaHCO 3 and decreased to 149.6 Pa.s and 181.9 Pa.s for 0.1 M and 0.5M NaHCO 3 , respectively. . However, for 0.25 M NaHCO 3 the viscosity of the hydrogel shows about 350 Pa · s due to the repulsive force between charges.

또한, 37 ℃에서의 CS/TOCNF 하이드로겔의 유동 거동을 도 2C 및 도 2D에 나타내었다. 도 2C 및 도 2D를 참조하면, 모든 CS/TOCNF 하이드로겔의 점도와 전단 응력은 전단 속도의 증가에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. 이는 CS/TOCNF 하이드로겔의 유동 거동은 주임에 의해 골 치료 용도에 적합한 전담 담화(shearthinning) 모델이라 할 수 있다. 대부분 주입가능한 하이드로겔이 점도가 낮아 주입이 용이하며(주사기를 통과하고), 생체 내 결손(Cavity)과 임의 형상의 공동을 채울 수 있는 자유 유동액(Free flowing solution) 전략에 따라 설계되었기 때문이다.In addition, the flow behavior of the CS / TOCNF hydrogel at 37 ° C. is shown in FIGS. 2C and 2D. Referring to Figures 2C and 2D, the viscosity and shear stress of all CS / TOCNF hydrogel showed a tendency to gradually decrease with increasing shear rate. This can be said that the flow behavior of CS / TOCNF hydrogel is a dedicated hearthinning model suitable for bone treatment use by the chief executive. This is because most injectable hydrogels have low viscosity for easy injection (through a syringe) and are designed according to a free flowing solution strategy that can fill cavity and cavity of any shape in vivo. .

실험예 2. CS/TOCNF 하이드로겔의 FT-IR 스펙트럼 분석Experimental Example 2 FT-IR Spectrum Analysis of CS / TOCNF Hydrogel

도 3은 겔화제에 포함된 중탄산나트륨의 농도에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔의 푸리에 변화 적외선(FT-IR) 스펙트럼을 나타낸 것이다.Figure 3 shows the Fourier change infrared (FT-IR) spectrum of the CS / TOCNF hydrogel according to the concentration of sodium bicarbonate contained in the gelling agent.

도 3을 참조하면, NaHCO3가 첨가된 겔화제를 포함하는 하이드로겔의 스펙트럼에서 새로운 피크는 보이지 않았고, NaHCO3 첨가로 인해 하이드로겔의 화학적 구조가 변하지는 않는것이 확인되었다. 또한, 겔화제 내에 NaHCO3 함량이 점차 증가함에 따라 O-H 및 N-H의 흡수 밴드가 저 파수(Wave-number)로 약간 이동하였다. 이는 하이드로겔 결합 형성 및 키토산 양전하(NH3 +)가 중화됨을 의미한다. 이로 인해 키토산 분자간 정전기적 반발력과 입체 변형(strain)이 감소되어 아세틸기의 소수성 상호 작용이 향상되고 겔화가 촉진되는데 이는 NaHCO3 함량이 증가함에 따라 겔화 시간이 단축되는 이유를 설명해준다.Referring to FIG. 3, no new peak was observed in the spectrum of the hydrogel including the NaHCO 3 -added gelling agent, and it was confirmed that the chemical structure of the hydrogel did not change due to the addition of NaHCO 3 . In addition, the absorption bands of OH and NH shifted slightly to wave-number as NaHCO 3 content gradually increased in the gelling agent. This means that the hydrogel-forming combination of chitosan and a positive charge (NH 3 +) is neutralized. This reduces the electrostatic repulsive force and strain between the chitosan molecules, thereby improving hydrophobic interactions of acetyl groups and promoting gelation, which explains why the gelation time is shortened as the NaHCO 3 content increases.

실험예 3. NaHCO3 함량에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔의 분해 프로파일 분석Experimental Example 3 Analysis of Degradation Profile of CS / TOCNF Hydrogel According to NaHCO3 Content

도 4A 및 4B는 겔화제에 포함된 중탄산나트륨(0M, 0.1M, 0.25M, 0.5M)의 농도에 따른 CS/TOCNF 하이드로겔을 리소자임 효소(1 mg/㎖)를 함유한 PBS에 침지된 경우에 분석한 프로파일로 잔존량과 광학사진을 나타낸 것이다.4A and 4B show CS / TOCNF hydrogels immersed in PBS containing lysozyme enzyme (1 mg / ml) according to the concentration of sodium bicarbonate (0M, 0.1M, 0.25M, 0.5M) included in the gelling agent. Remaining amounts and optical photographs are shown with the profile analyzed in.

CS/TOCNF 하이드로겔은 생체에서 분해가능하며 이들의 분해가능성은 겔화제의 NaHCO3 함량의 변화에 따라 달라진다. CS/TOCNF 하이드로겔의 분해 과정은 하이드로겔 질량 손실을 측정하고 하이드로겔 침식을 관찰하여 평가하였다. CS / TOCNF hydrogels are degradable in vivo and their degradability depends on the change in NaHCO 3 content of the gelling agent. The degradation of CS / TOCNF hydrogels was assessed by measuring hydrogel mass loss and observing hydrogel erosion.

도 4A 및 4B를 참조하면, 겔화제가 NaHCO3를 포함하지 않거나 소량(0.1 M 및 0.25 M)을 포함하는 CS/TOCNF 하이드로겔의 질량이 6 주 후에 80 % 이상 크게 감소하는 것을 나타낸다. NaHCO3의 농도를 0.5 M로 높이면, 질량 손실은 감소하고 이의 형태는 거의 분해되고 일부 작은 부분만 남은 CS/TOCNF 하이드로겔과 비교할 때 크게 변하지 않았다. 그 결과로서, 농도 증가에 따른 겔화제에 포함된 NaHCO3는 특히 0.5 M NaHCO3인 CS/TOCNF 하이드로겔의 분해 속도의 감소를 초래하였고, 이러한 하이드로젤은 매우 안정하여 골 치유에 사용하기에 적합한 것이 입증되었다.4A and 4B show that the mass of CS / TOCNF hydrogel with no gelling agent or NaHCO 3 or small amounts (0.1 M and 0.25 M) is significantly reduced by at least 80% after 6 weeks. Increasing the concentration of NaHCO 3 to 0.5 M resulted in a loss of mass and its morphology that did not change significantly compared to the CS / TOCNF hydrogel, which was almost degraded and only a small fraction remained. As a result, NaHCO 3 contained in the gelling agent with increasing concentrations resulted in a decrease in the rate of degradation of CS / TOCNF hydrogels, in particular 0.5 M NaHCO 3 , which is very stable and suitable for use in bone healing. Has been proven.

실험예 4. fk506 농도에 따른 in vitro 생체 적합성 분석Experimental Example 4 in vitro biocompatibility analysis according to fk506 concentration

도 5는 배양 1일, 3일, 5일 및 7일 후 전조골세포 MC3T3-E1의 증식에 미치는 fk506(5 nM, 15 nM, 25 nM, 50 nM 및 100 nM)의 효과를 MTT 분석한 것이다.Figure 5 is an MTT analysis of the effect of fk506 (5 nM, 15 nM, 25 nM, 50 nM and 100 nM) on the proliferation of progenitor bone cells MC3T3-E1 after 1, 3, 5 and 7 days of culture .

세포의 활성에 fk506가 미치는 효과를 평가하기 위하여, 전조골 세포인 MC3T3-E1 세포를 상이한 농도(5 nM, 15 nM, 25 nM, 50 nM 및 100 nM)의 fk506을 함유하는 웰에 접종하고, 1일, 3일, 5일 및 7일간 배양기에서 MTT 분석을 수행하였다. 측정된 광학 밀도를 통해 생존 세포 수를 확인하였다. 도 5A 및 도 5B에 도시된 바와 같이, 모든 fk506 농도에서 3 일, 5 일 및 7 일 배양 후 생존 세포의 수는 증가하였는데, 이는 fk506은 독성이 없고 세포 증식을 방해하지 않는다는 것을 의미한다. 또한, 낮은 fk506 농도(5 nM, 15 nM 및 25 nM)에서의 광학 밀도는 대조군(배지로 처리된 세포)의 광학 밀도 보다 높았는데, 이는 fk506이 낮은 농도에서 세포 성장을 강화하는 것을 의미한다.To assess the effect of fk506 on cell activity, MC3T3-E1 cells, which are precursor bone cells, were seeded in wells containing fk506 at different concentrations (5 nM, 15 nM, 25 nM, 50 nM and 100 nM), MTT assays were performed in incubators for 1, 3, 5 and 7 days. The optical density measured confirmed the viable cell number. As shown in FIGS. 5A and 5B, the number of viable cells increased after 3 days, 5 days and 7 days incubation at all fk506 concentrations, meaning that fk506 was not toxic and did not interfere with cell proliferation. In addition, the optical density at low fk506 concentrations (5 nM, 15 nM and 25 nM) was higher than that of the control (medium treated cells), meaning that fk506 enhanced cell growth at low concentrations.

실험예 5. CS/TOCNF 하이드로겔의 fk506의 약물 방출 분석Experimental Example 5. Drug Release Analysis of fk506 of CS / TOCNF Hydrogel

도 6은 겔화제 중 0.5M 중탄산나트륨을 포함하는 CS/TOCNF 하이드로겔의 fk506의 누적 방출 속도를 UV 분광법으로 나타낸 것이다.Figure 6 shows the cumulative release rate of fk506 of CS / TOCNF hydrogel with 0.5 M sodium bicarbonate in the gelling agent by UV spectroscopy.

50 ㎍/㎖의 fk506가 포함된 CS/TOCNF 하이드로겔로부터의 fk506의 누적 방출 속도를 UV 분광법으로 측정하였다.The cumulative release rate of fk506 from CS / TOCNF hydrogel with 50 μg / ml of fk506 was determined by UV spectroscopy.

상기 fk506은 골생성 분화를 촉진하고 감염을 방지하기 위해 투입된 것이다.The fk506 is introduced to promote osteogenic differentiation and to prevent infection.

도 6을 참조하면, fk506의 초기 방출량은 최초 1시간 후 원래의 양의 66.5%였고 다음 24시간 후에는 89.9%까지 증가하였다. 누적 방출 속도는 최초 몇 시간 초기 방출 후 1일까지 점진적으로 나타났다. 따라서, NaHCO3 첨가에 의해 fk506 방출 속도를 지연시켰다.Referring to FIG. 6, the initial release of fk506 was 66.5% of the original amount after the first hour and increased to 89.9% after the next 24 hours. The cumulative release rate was progressive until 1 day after the initial few hours of initial release. Thus, the addition of NaHCO 3 delayed the fk506 release rate.

실험예 6. 생체 내 골 재생 효과 분석Experimental Example 6. Analysis of bone regeneration effect in vivo

골 재생을 촉진하기 위해 fk506을 포함하는 CS/TOCNF 하이드로겔을 골 결손부에 주입 및 충진하였다. CS / TOCNF hydrogels containing fk506 were injected and filled into bone defects to promote bone regeneration.

도 7은 임계 크기의 쥐 두개골 결손부에 fk506이 포함된 CS/TOCNF 하이드로겔을 이식한 모습을 나타낸 것이다.Figure 7 shows the transplantation of the CS / TOCNF hydrogel containing fk506 in the mouse cranial defect of the critical size.

도 7에 도시된 바와 같이, 하이드로겔은 용액 상태로 주입했고, 체온에 접하면 신속하게 고체로 변형되었다. 하이드로겔의 신속한 겔화로 인해 주입 부위로부터 용액의 확산이 제한되는 효과가 있다.As shown in FIG. 7, the hydrogel was injected in solution and rapidly transformed into a solid upon contact with body temperature. Rapid gelling of the hydrogel has the effect of limiting the diffusion of the solution from the injection site.

도 8은 동물 모델에 fk506이 포함된 CS/TOCNF 하이드로겔을 이식 한 후 3주, 6 주 후의 마손 트리크롬 (Masson's Trichrome)을 이용한 염색 결과를 나타낸 것이다(HB: 숙주 골, 화살표 : 신생골, S: sample).Figure 8 shows the results of staining using Masson's Trichrome 3, 6 weeks after transplantation of CS / TOCNF hydrogel containing fk506 in the animal model (HB: host bone, arrow: new bone, S : sample).

도 8을 참조하면, 저배율에서는 이식부의 관찰이 가능하고, 고배율에서는 결손부의 경계면이 관찰되었으며, 대조군(control) 그리고 CS/TOCNF 하이드로겔과 비교하여 fk506이 포함된 CS/TOCNF 하이드로겔에서는 기질세포형성과 이식재의 주변부에서 신생 골의 형성이(3 주 후) 확인되었으며, 이식 후 6주 후에도 하이드로겔이 남아 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, the transplantation can be observed at low magnification, and the defect interface was observed at high magnification, and stromal cell formation in CS / TOCNF hydrogel containing fk506 compared to the control and CS / TOCNF hydrogels. The formation of new bone at the periphery of the graft was confirmed (after 3 weeks), and the hydrogel remained 6 weeks after the transplant.

이는 본 발명의 일 실시예에 따른 fk506이 포함된 하이드로겔을 결손 부위에 이식하면 상기 fk506이 포함된 하이드로겔의 분해 속도를 저하시시켜 장시간 동안 골 형성을 유도할 수 있는 효과가 있다는 것을 의미한다.This means that implanting a hydrogel containing fk506 according to an embodiment of the present invention to a defect site has an effect of lowering the decomposition rate of the hydrogel containing fk506 and inducing bone formation for a long time. .

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail using the preferable Example, the scope of the present invention is not limited to a specific Example and should be interpreted by attached Claim. In addition, those of ordinary skill in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

도 11

Claims (14)

fk506, 키토산, 겔화제, 및 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유를 포함하는, 골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔.A chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone therapy, comprising fk506, chitosan, a gelling agent, and a tempo oxidized cellulose nanofiber. 제1항에서,
상기 겔화제는,
0.1~1.0 M 중탄산나트륨(NaHCO3) 및 β-글리세로포스페이트(β-Glycerophosphate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔.
In claim 1,
The gelling agent,
A chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising 0.1-1.0 M sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) and β-glycerophosphate.
제1항에서,
상기 하이드로겔은, 생체 내에서(In vivo) 겔화되는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔.
In claim 1,
The hydrogel is chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that the gel in vivo (In vivo).
제2항에서,
상기 하이드로겔은 상기 중탄산나트륨의 함량이 증가하면 졸에서 겔로 변환되는 속도가 증가되는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔.
In claim 2,
The hydrogel is chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that the rate of conversion from sol to gel increases when the content of the sodium bicarbonate increases.
제2항에서,
상기 하이드로겔은 상기 중탄산나트륨의 함량과 하이드로겔의 분해 속도가 반비례하는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔.
In claim 2,
The hydrogel is chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that the content of the sodium bicarbonate is inversely proportional to the decomposition rate of the hydrogel.
제1항에서,
상기 하이드로겔은 2D 배양시 전조골 세포에서 조골세포의 분화를 강화하는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔.
In claim 1,
The hydrogel is chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that to enhance the differentiation of osteoblasts in progenitor bone cells during 2D culture.
제2항에서,
상기 겔화제는 0.5 M 농도의 중탄산나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔.
In claim 2,
The gelling agent is a chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that it comprises sodium bicarbonate at a concentration of 0.5 M.
제1항에서,
상기 fk506은 골 생성 분화능을 촉진시키고, 감염을 방지하는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔.
In claim 1,
The fk506 promotes osteogenic differentiation and prevents infection, characterized in that chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel.
제1항에서,
상기 중탄산나트륨은, 하이드로겔의 분해 시간 및 약물 방출 시간을 지연시키는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔.
In claim 1,
The sodium bicarbonate is a chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that the delay time and the drug release time of the hydrogel.
(a) 키토산을 락트산 수용액에 투입하여 키토산 용액을 제조하는 단계,
(b) 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(Tempo-oxidized cellulose nanofiber) 용액을 제조하는 단계,
(c) 상기 키토산 용액과 상기 템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유(TOCNF) 용액을 혼합하여 1차 혼합액을 제조하는 단계,
(d) fk506 용액을 제조한 후 상기 1차 혼합액에 혼합하여 2차 혼합액을 제조하는 단계,
(e) 겔화제를 제조하는 단계, 그리고
(f) 상기 2차 혼합액에 겔화제를 적하하는 단계를 포함하는, 골치료를 위한 fk506을 포함하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔의 제조방법.
(a) preparing chitosan solution by adding chitosan to an aqueous solution of lactic acid,
(b) preparing a tempo-oxidized cellulose nanofiber solution,
(c) mixing the chitosan solution and the tempo oxidized cellulose nanofiber (TOCNF) solution to prepare a primary mixed solution,
(d) preparing a fk506 solution and then mixing the first mixed solution to prepare a second mixed solution,
(e) preparing a gelling agent, and
(F) a method for producing a chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel comprising fk506 for bone treatment, comprising the step of dropping a gelling agent in the secondary mixture.
제10항에서,
상기 (c) 단계는,
상기 TOCNF 용액과 상기 키토산 용액을 1:2~4 부피비(v/v)로 혼합하는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔의 제조방법.
In claim 10,
In step (c),
Method for producing a chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that the TOCNF solution and the chitosan solution is mixed in a 1: 2 to 4 volume ratio (v / v).
제10항에서,
상기 (e) 단계는,
0.1~1 M 농도의 중탄산나트륨(NaHCO3) 수용액에 60 %(w/v)의 β-글리세로포스페이트(β-Glycerophosphate) 파우더를 용해하여 제조하는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔의 제조방법.
In claim 10,
In step (e),
Chitosan / Tempo oxidized cellulose nanofiber hydros prepared by dissolving 60% (w / v) of β-glycerophosphate powder in an aqueous solution of sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) at a concentration of 0.1 to 1 M. Method for preparing gels.
제10항에서,
상기 fk506 용액은 에탄올에 fk506 분말을 용해한 것임을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔의 제조방법.
In claim 10,
The fk506 solution is a method for producing chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that fk506 powder is dissolved in ethanol.
제10항에서,
상기 (f)단계는,
상기 2차 혼합액에 상기 겔화제를 1~3:1 부피비(v/v)로 적하하는 것을 특징으로 하는 키토산/템포 산화 셀룰로오스 나노 섬유 하이드로겔의 제조방법.
In claim 10,
Step (f),
A method for producing chitosan / tempo oxidized cellulose nanofiber hydrogel, wherein the gelling agent is added dropwise to the secondary mixed solution at a volume ratio of 1 to 3: 1 (v / v).
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220094611A (en) * 2020-12-29 2022-07-06 순천향대학교 산학협력단 TOCNF-equipped alginate/β-tricalcium phosphate injection microsphere bone graft material which can be molded
CN115154409A (en) * 2022-07-04 2022-10-11 杭州师范大学钱江学院 NMN-loaded halloysite/sodium carboxymethylcellulose/curdlan composite hydrogel and application thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006514843A (en) * 2002-09-18 2006-05-18 ジョンソン・アンド・ジョンソン・メディカル・リミテッド Wound dressing composition containing chitosan and oxidized cellulose
US20160361470A1 (en) * 2011-09-19 2016-12-15 Emory University Bone Morphogenetic Protein Pathway Activation, Compositions for Ossification, and Methods Related Thereto
KR101815370B1 (en) 2016-02-25 2018-01-09 중앙대학교 산학협력단 Technology for depositing a multi-layer film on the cell surface

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006514843A (en) * 2002-09-18 2006-05-18 ジョンソン・アンド・ジョンソン・メディカル・リミテッド Wound dressing composition containing chitosan and oxidized cellulose
US20160361470A1 (en) * 2011-09-19 2016-12-15 Emory University Bone Morphogenetic Protein Pathway Activation, Compositions for Ossification, and Methods Related Thereto
KR101815370B1 (en) 2016-02-25 2018-01-09 중앙대학교 산학협력단 Technology for depositing a multi-layer film on the cell surface

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Author links et al., "Enhanced gelation of chitosan/β-sodium glycerophosphate thermosensitive hydrogel with sodium bicarbonate and biocompatibility evaluated", Mater. Sci. Eng. C., Vol. 78, pp. 1147-1154 (2017.09.01.)* *
Huimin Wu et al., "Novel self-assembled tacrolimus nanoparticles cross-linking thermosensitive hydrogels for local rheumatoid arthritis therapy", Colloids Surf B Biointerfaces, Vol. 149, pp. 97-104 (2016.10.06.)* *
Trang Ho Minh Nguyen et al., "In vitro and in vivo acute response towards injectable thermosensitive chitosan/TEMPO-oxidized cellulose nanofiber hydrogel", Carbohydr Polym., Vol. 180, pp. 246-255 (2017.10.07.)* *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220094611A (en) * 2020-12-29 2022-07-06 순천향대학교 산학협력단 TOCNF-equipped alginate/β-tricalcium phosphate injection microsphere bone graft material which can be molded
CN115154409A (en) * 2022-07-04 2022-10-11 杭州师范大学钱江学院 NMN-loaded halloysite/sodium carboxymethylcellulose/curdlan composite hydrogel and application thereof
CN115154409B (en) * 2022-07-04 2024-03-01 杭州师范大学钱江学院 NMN-loaded halloysite/sodium carboxymethylcellulose/curdlan composite hydrogel and application thereof

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