Sub-micro fibrous poly(L-lacticacid) scaffold via electrospinning for tissue regeneration

Abstract

Electrospinning is a practical technique for preparing versatile textures with providing convenient and efficient manufacturing process. In this study, we fabricated sub-micro fibrous 3-D scaffold of PLLA via electrospinning under optimal conditions, and it was morphologically similar to ECM protein fiber network. The critical factors of preparing sub-micro fibrous 3-D scaffold were to use low boiling point solvents and to optimize the concentration of polymer solution for electrospinning. Thus, in this experiment, we used methylene chloride and acetone mixture with the volume ratio of 9:1 as a solvent system and optimized concentration of polymer solution as 8w/v%. The average diameter of the generated fibers was about 7㎛, and no fusion was observed between fibers. Moreover, it could be seen that pore sizes were broadly distributed in the range from several microns to 400 ㎛. The proper mechanical strength, and desirable pore sizes, and the enhanced surface roughness of electrospun sub-micron fibers were demonstrated to greatly promote MC3T3-E1 cells adhesion and support proliferation and differentiation. However, it was shown that the proliferation of MC3T3-E1 cells on sub-micro fibrous scaffold was slightly low compared with that of micro fibrous scaffold. On contrary, the differentiation rate was shown that it was higher for the sub-micro fibrous scaffold than that of scaffold consisted of micro fibers. As evidenced by experimental results, we fabricated a superior 3-D scaffold via electrospinning, and this electrospun 3-D scaffold with sub-micron fibers will play a significant role in tissue engineering.;전기방사를 이용하여 P(L-lactic acid) (PLLA) 서브 마이크로 섬유로 이루어진 삼차원 지지체를 제조하였다. 기존의 전기방사를 이용한 조직공학용 지지체로써는 2차원 구조를 갖는 차폐막이 주로 연구되어져 왔다. 하지만 본 실험에서는 전기방사 방법으로 조직의 3차원적 재생을 위한 섬유형 삼차원 지지체를 제조하였다. 이를 제조하기 위한 핵심 요소은 방사 시 고분자 용액이 컬렉터 상에 점적되기 전에 용매 전부가 휘발되는 것이며, 이를 위해서는 용매의 끓는점이 낮아야 하고, 적절한 용액의 점도가 확보되어야 한다. 따라서 본 실험에서는 낮은 비점을 가지는 디클로르메탄과 아세톤의 혼합용매 시스템을 사용하였고, 고분자 용액의 농도를 조절하여 조건을 최적화 시켰다. 수은 공극 측정계로 공극 크기 측정결과 직경 1-400㎛내의 범위 내에서 다양하게 분포되어 있음을 알 수 있었고, 특히 100-400㎛의 범위 내에서 많이 분포되어 있음을 확인하였다. 이는 조직재생을 위한 가장 바람직한 공극 크기임이 기존의 연구를 통해 알려져 왔다. 또한 기계적 강도 실험을 통하여 생체 내 분해과정이나 생체 내.외 세포 실험시 일정한 형태를 유지할 수 있는 강도를 가짐을 알 수 있었다. 전기 방사를 이용하여 제조된 서브마이크로 섬유형 지지체는 공극률이 높아 세포 부착능이 우수하고 조직이 삼차원적으로 재생함을 시차 주사 현미경을 통해 관찰하였으며 바람직한 공극의 크기와 일정 강도를 가짐으로써 세포 증식이 활발함을 알 수 있었다. 하지만 무엇보다 세포의 분화속도가 크게 증가하였음을 확인하였다. 따라서 서브마이크로 섬유형 지지체는 나노섬유와 마이크로 섬유 사이의 크기를 갖고 있어, 일정 형태와 강도를 가져 생체조직이 삼차원적으로 재생되도록 함과 동시에 공극률을 향상시켜 세포와 관계되는 표면적을 크게하여 세포가 잘 부착 및 증식되는 구조를 제공하며, 또한, 전기방사장치를 이용하여 제조함으로써 생체 모방형 구조를 재료의 손실없이 효율적이며, 기술적인 측면에서도 간단한 방법으로 손상된 조직 재생을 유도할 수 있는 특징이 있음을 알 수 있었다.