Three dimensional nano/micro composite scaffold by mixing electrospinning for bone tissue engineering

Abstract

골재생 효과를 향상시키기 위하여 혼합 전기방사 기법을 이용하여 폴리 락타이드 (PLLA) 를 기본재료로 한 나노/마이크로 복합 섬유로 이루어진 삼차원 지지체를 제조하였다. 기존의 전기방사를 이용한 조직 재생용 지지체의 경우, 주로 단일한 2차원 나노 섬유형 구조를 지니거나 습식 방사로 제작된 마이크로 섬유에 전기방사 방법을 응용하는 기법으로 연구되어 왔다. 하지만 본 연구에서는 이중 전기방사 장치를 동시에 이용하여 회전식 집전 컬렉터에 마이크로/나노의 균일한 혼합 섬유를 제조하였다. 골조직의 효율적 재생을 위하여 세포의 활성 및 재생능에 중요한 3차원적 구조에서 세포외기질 유사의 나노 섬유의 실현과 함께 적합한 공극을 줄 수 있는 마이크로 섬유를 도입하였다. 이러한 목적으로 나노 섬유의 존재 및 밀도에 따른 골아세포를 이용하여 골재생능을 실험실적으로 평가하였다. 제작된 혼합 섬유 지지체는 전계방사 주사전자현미경으로 형태를 관찰하였고, 나노 밀도에 따른 공극률은 수은 공극 측정계로 측정하였다. 또한 MC3T3-El 골아세포를 이용하여 지지체의 골재생능을 평가하였다. 시험관내 실험은 세포의 부착, 증식 및 분화능에 대하여 구성되었다. 실험 결과, 나노 섬유는 평균 310 ± 60 nm, 마이크로 섬유는 6.8 ± 0.7 µm로 나노 섬유의 밀도와 관계없이 두께가 유사하였고, 혼합이 균일하게 이루어 진 것이 관찰되었다. 또한 모든 군에서 88%이상의 공극률을 보였다. 지지체 내 세포 부착과 증식은 14일간 측정되었는데 마이크로 섬유의 상대적 비율이 많을수록 결과가 높음을 알 수 있었다. 하지만 세포의 초기 부착의 경우 그 형태가 달랐는데 나노 섬유의 존재 군의 경우, 마이크로 섬유보다 나노 섬유에 세포 친화성이 크다는 것이 확인되었다. 또한 분화능은 21일간 alkaline phosphatase의 측정을 통하여 분화에 가장 도움이 되는 정도의 적절한 나노 섬유 혼합비를 알 수 있었다. 결론적으로, 이 연구에서는 이중 전기방사를 통하여 폴리 락타이드 나노/마이크로 혼합 지지체를 제작하여 골조직이 삼차원적으로 재생되도록 나노 섬유가 충분한 공극률을 가지게 함과 동시에 세포의 분화능 향상에 도움을 주도록 하였다. 기술적인 측면에서도 한번의 혼합 전기방사 과정으로 여러 가지 효과를 가지는 효율적인 생체 모방형 구조의 제작 방법으로 평가되었다.;Numerous scaffold designs have been attempted to search three-dimensional scaffolds for ultimately superior bone tissue regeneration. A novel poly (L-lactide) (PLLA) structure with a unique architecture produced by mixing electrospinning process developed for additive effect to original scaffold. Using dual electrospinning setup, 200-400 nm and 5-9 µm fibers were simultaneously electrospun. The two objectives of this scaffold were to reproduce extracellular matrix (ECM)-mimic nano matrix in 3D environment and to support the fibrillar structure including adequate porosity. Such a strategy meets the essential design criteria of an ideal scaffold for bone regeneration. The proliferation and differentiation of MC3T3-El osteoblasts were investigated in three-dimensional scaffold. Four different mixing ratio types (by running rates of infusion pumps; 0/90, 20/90, 40/90, 60/90 µl/min) of nano/micro composite scaffolds were evaluated by seeded osteoblasts. Nano fibers numerically played an obstructive role for the cell proliferation, but cell morphologies were totally different between micro and nano-contained groups. Alkaline phosphatase activity was measured to evaluate as a marker of differentiation. Consequently, based on the experimental results, the nano/micro composite scaffolds by mixing electrospinning are considered have a great potential on the three dimensional organization. In addition, the suitable nano/micro composite ratio provides benefits that the osteoblasts develop into the bone tissue.