Collagen blended chitosan fiber based membranes for enhanced bone augmentation

Abstract

The requirements for an ideal barrier membrane include biocompatibility, cell occlusivity, space-making effect, and clinical manageability. So, I developed the collagen blended chitosan fiber based membrane with improved biocompatibility and enough mechanical strength to avoid membrane collapse during bone healing. It has trilamellar structure constituted by two collagen blended chitosan fibrous meshes and PLLA membrane. The PLLA membrane has high mechanical strength enough to be implanted in bone defect sites and maintains its strength throughout the degradation process until new bone is formed. But the PLLA polymer have several disadvantages, I added collagen blended chitosan meshes to improve biocompatibility. The collagen blended chitosan fiber based membranes were prepared by casting PLLA-methylene chloride-ethyl acetate solution between two collagen blended chitosan fibrous meshes. The morphological characteristic, mechanical property and water affinity of the membranes were evaluated. In addition, the osteoblast attachment test, proliferation test, alkaline phosphatase (ALP) specific activity and guided bone regeneration potential were investigated. The surface of the collagen blended chitosan fiber based membrane had slightly rough characteristics. The diameter of the collagen blended chitosan fiber is 30-50 ㎛ and pore size of the PLLA membrane between the two collagen blended chitosan fibrous meshes was 1-10 ㎛. This pore size is proper to prevent connective tissue (～30 ㎛) ingrowth. The dry collagen blended chitosan fiber based membrane was slightly stiffer than that of the Resolute??LT and much stronger than that of the CollaTape??. And The collagen mixed with chitosan improved water affinity. Much amount of osteoblasts attached on the collagen blended chitosan fiber based devices and good cell attachment morphology were obtained. In 7 days of culture, cells are maintained their differentiated function, which was identified by alkaline phosphatase activity assay. The collagen blended chitosan fiber based membranes demonstrated high biocompatibility and bone regeneration in animal models. Therefore, I assumed that the collagen blended chitosan fiber based membranes may be effective for physical barrier membrane to prevent connective tissue ingrowth and GBR membrane to augment bone regeneration. ;효과적인 골조직 재생용 차폐막은 조직 친화적이어야 하며, 치주 결체조직과 상피세포가 골결손 부위로 침입하는 것을 방지하고 치조골과 치주 인대에서 유래한 세포로부터 조직 및 골재생을 유도할 수 있을 정도로 강한 강도를 가지고 있어야한다. 이에 부합하기 위해 개발된 콜라겐 함유 키토산-폴리락트산 차폐막은 폴리락트산층의 양쪽면을 콜라겐 함유 키토산 섬유층이 덮고 있는 삼중층의 형태를 가지는 차폐막이다. 폴리락트산 층은 물리적 강도가 강하고 새로운 뼈나 조직이 형성될 때까지 그 강도가 유지되지만, 산분해 산물의 생성되고 표면이 소수성이라 세포가 균일하게 부착되기 어려운 점 등의 몇가지 단점을 가지고 있다. 따라서, 여기에 콜라겐을 함유한 키토산 섬유층을 결합시켜 폴리락트산의 단점을 보완하고, 조직친화성을 증대시킨 차폐막을 개발하였다. SEM을 이용하여 차폐막의 표면 구조 및 단면을 관찰하였고 물리적 강도와 친수성 정도, 골아 세포 부착 및 증식 정도, 골결손시 뼈의 재생 정도를 조사하였다. 개발된 차폐막의 양쪽 섬유층을 구성하고 있는 섬유는 지름 30-50㎛이며, 폴리락트산층은 1-10㎛ 정도의 다공 구조여서 치주 결체조직 및 상피세포(~30㎛)가 골결손 부위로 침입하는 것을 막을 수 있다. 강도 시험 결과, 건조 상태의 콜라겐 함유 키토산-폴리락트산 차폐막은 Resolute??LT보다는 약간 강한 강도였으며, CollaTape?瀛릿募? 현저히 강한 강도를 가지고 있었다. 수분 친화성 시험 결과 콜라겐을 함유한 키토산으로 만든 차폐막이 키토산 차폐막보다 더 친수성이었으며, 이는 키토산에 함유된 콜라겐 때문일 것으로 생각된다, 세포 부착력 실험 및 세포 배양 실험과 실험 동물의 골결손 시험 결과, 개발된 차폐막 처치군에서 골결손 재생 정도와 골아 세포 부착성 및 조직 친화성이 향상되었다.. 이러한 실험 결과를 종합해 볼 때, 좀 더 자세한 연구가 진행된다면 콜라겐 함유 키토산-폴리락트산 차폐막은 효과적인 조직공학용 재료 및 골재생용 차폐막이 될 수 있을 것으로 생각된다.