Dual Growth Factor Loaded Fibrous Scaffolds for Enhancement of Osteoblast Proliferation and Differentiation

Abstract

전기방사(electrospray)방법을 이용해 마이크로 섬유 내부와 외부에 성장인자를 봉입시켜서 세포의 성장주기에 맞춘 약물 방출양상을 유도한 섬유형 지지체를 제조하였다. 성장인자를 조직에 주입하기 위한 기존의 방법들은 반복적이며 침습적이었던 것에 반해 본 실험에서는 초기 한번의 삽입을 통해 2주간의 서방출을 유도했으며, 조직 손상 부위을 지지할 수 있는 강도 또한 가진 구조물을 제작하였다. 적절한 연성을 위해서 poly(L-lactic acid) (PLLA)와 Poly(ε-caprolactone) (PCL)을 혼합하여 마이크로 섬유를 제작했으며, 수용성 키토산과 Poly(lactide-co-glycolide) (PLGA)를 성장인자와 함께 전기방사하여 마이크로 섬유 내부와 외부에 인슐린유사성장인자(IGF-I)와 혈소판유래성장인자(PDGF-BB)를 봉입하였다. 혈소판유래 성장인자는 골세포의 증식에, 인슐린유사 성장인자는 골세포의 분화에 크게 영향을 준다는 사실뿐만 아니라, 두 성장인자를 함께 사용했을 시, 세포의 증식에 상당한 상승효과를 보인다는 것 역시 잘 보고되어 있다. 따라서 혈소판유래 성장인자는 세포의 증식이 진행되는 초반 5일간, 인슐린유사 성장인자는 분화가 활발히 진행되는 2주간 지속되도록 설계되었다. 함유된 성장인자의 용출실험, 골세포의 증식, 분화능을 확인하기 위한 실험이 진행되었으며, 이를 통해 제조된 지지체가 세포의 성장뿐만 아니라 분화속도 역시 크게 증가하였음을 확인할 수 있었다. 따라서 이중 성장인자를 함유한 섬유형 지지체는 비 침습적인 방법으로 원하는 기간 동안 성장인자를 안정되게 공급할 수 있을 뿐만 아니라 세포가 자라기 적절한 형태와 강도를 가져 생체조직이 삼차원적으로 재생될 수 있는 구조를 제공하며, 또한 전기분사방법을 이용한 코팅방법이 성장인자를 함유시키기에 매우 간편하고 효과적인 방법임을 확인할 수 있었다.;To achieve high efficacy in bone tissue regeneration, dual growth factor loaded fibrous scaffolds were developed. The thrust of this study was to fabricate a scaffold to deliver bioactive compounds simultaneously in a controlled and independent manner as a non-invasive means and to obtain a synergic effect on two kinds of growth factors, platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB) and insulin-like growth factor-1 (IGF-I). Chitosan iodate and IGF-I solution were vertically electrosprayed to PLLA and PCL blended solution. The PLLA/PCL blended microfibers containing chitosan iodate nanoparticles were constructed by wet-spinning methods. The fibrous PLLA/PCL matrix was coated with PLGA nanoparticles incorpotaing PDGF-BB by using electrospraying technique. The Morphology of the fibrous matrix was observed by scanning electron microscopy (SEM) and the in vitro release test of the fibrous matrix was performed. MC3T3-E1 osteoblast-like cells were seeded on the matrix and subjected to examine proliferation of osteoblast for 1, 4, 7 days and differentiation of those for 7, 14, 21 days. The scaffold containing growth factors showed the independent release patterns of two growth factors. The release of PDGF-BB was kept till 5 days, while that of IGF-I was still on-going after 14 days. The addition of PDGF-BB and IGF-I resulted in dramatic enhancement of osteoblast proliferation as compared to scaffold containing each PDGF-BB and IGF, and no growth factor. The alkaline phosphatase (ALP) activity - a parameter for early osteoblastic differentiation - was also increased with addition of two kinds of growth factors. These results demonstrated that these systems for delivering growth factors as an independent manner were most likely attributable to deliver bioactive compounds bioactive compounds to defective tissue stably and stimulate the regeneration properties of defect tissues.