Development and Application of Triple-layered Polyurethane Prosthesis with Wrinkles for Repairing Partial Tracheal Defects

Abstract

Background and Objectives: Partial tracheal defects are commonly faced problems. The purpose of this study is to develop an triple-layered artificial polyurethane (PU) scaffold which has wrinkled layer of higher durability for immediate reconstruction of a partial tracheal defect. Materials and Methods: PU dissolved in tetraglycol to 10wt% and added the pluronic 127. Using immersion precipitation method, the 3wt% PU/F127 mixed solution was made into asymmetrically porous PU matrix. Then PU was dissolved in tetrahydrofuran(THF) to 15wt% solution, it was casted to grooved mold and was made into the non-porous wrinkled film. The PU layers were fabricated by inosculating two asymmetrically porous PU/F127 matrix as inner and outer layers and wrinkled PU film as middle layer like sandwich form using THF/ethanol solution. The scaffolds were transplanted into 10 New Zealand rabbits after making tracheal windows (size 1 X 1 cm). Endoscopic exam on 1, 3, 6, 9, 12, 15, 18 weeks and histological examinations on 3, 9, 12 weeks were performed. Mechanical properties of scaffold transplanted area were compared with normal site. Results: The thickness of scaffold was 1.5 mm and the pore size of porous part was smaller then 200um. Maximum flexural stress was excellent compared to the non-wrinkle scaffold (1.03 ± 0.19 vs. 0.56 ± 0.09 MPa). 8/10 rabbits survived to expected periods and 2/10 were died from dyspnea. Endoscopic findings revealed that epithelialization over the scaffold was noted on 3 weeks and it completed on 6 weeks. Circular framework of the tracheal lumen was well maintained in 3/10 rabbit. The 3/10 showed mild stenosis. 1/10 was moderate, 3/10 were estimated to severe stenosis. Histologic findings showed regenerative respiratory mucosal epithelium with cilia and regenerative soft tissue became plentiful as time passed. But the tensile strength of scaffold implanted trachea was lower than normal control. Conclusion: The wrinkle shaped triple layered PU scaffold could be used as a ready-made type prosthesis for reconstruction of a partial tracheal defects.;연구목적: 기관지의 부분 손상 발생 시 복잡한 준비 과정 없이 패치 형태로 적용이 가능하며 정상적인 기관의 기능을 회복할 수 있는 인공 합성 지지체(scaffold)를 개발하고자 하였다. 조직생착력이 높은 폴리우레탄(Polyurethane, PU)을 이용하였고 기존의 연구들보다 높은 강도를 갖도록 주름 구조를 추가한 다층의 형태로 개발하고자 하였다. 연구방법: Polyurethane(PU)을 tetraglycol에 10 wt%로 용해한 후, Pluronic F127 입자를 첨가하여 3 wt% PU/F127 용액을 제조한 후 함침침전법으로 다공성 구조의 매트릭스를 만들었다. PU를 tetrahtdrofuran(THF)에 용해하여 만든 15wt% PU 용액을 주름형 몰드에 넣은 후 solvent casting 방법으로 주름을 가지는 무공성 고분자 필름을 만들었다. 이후 주름층을 중간층으로 하고 양측에 다공성 매트릭스를 샌드위치 형태로 접착하여 3층 구조의 지지체를 제작하였다. 편평형과 주름형 지지체의 3점 굽힘강도를 비교하였다. 이 지지체를 10 마리의 New Zealand rabbit의 기관연골에 1 × 1cm 크기의 결손을 만든 후 이식하였다. 이식 후 1,3,6,9,12,15,18주째 기관지 내시경검사를 통해 지지체 내부의 상피화와 기관 통기도를 관찰하였다. 통기도는 협착이 10% 미만이면 정상, 10-30%면 경도, 30-70%면 중등도, 70% 이상이면 중증으로 평가하였다. 술 후 6주, 9주, 12주 째 실험동물을 희생 시킨 후 H&E 염색을 시행하여 재생된 상피세포의 형태와 염증반응을 관찰하였다. 또한 지지체, 정상 기관 연골, 이식 후 15주 째의 지지체 등, 총 3개의 시료를 대상으로 신장강도 및 3점 굽힘강도를 측정하였다. 결과: 다공층의 구멍 크기는 200µm 이하였다. 편평형과 주름형의 물성 비교 결과 편평형의 지지체는 3점 굽힘강도가 0.56±0.09 MPa, 주름형은 1.03±0.19 MPa 었다. 동물이식 결과를 보면 총 10마리 동물 중 8마리가 기대기간까지 생존하였으며 2마리는 호흡곤란으로 사망하였다. 내시경 검사상 술 후 1주째 지지체 위로 상피화가 부분적으로 진행되었으며 6주째 관찰에서부터 완전히 상피조직으로 덮인 것을 관찰하였다. 총 10마리 중에서 3마리는 협착이 전혀 없었으며 4마리가 경도, 1마리는 중등도 그리고 3마리에서 중증 협착 소견을 보였다. 조직검사상 다공층 내부로 정상 호흡상피와 유사한 위중층 편평상피의 재생이 관찰되었다. 술 후 6주에서 9주, 12주 조직으로 갈수록 염증반증이 줄어들고 상피층 하단부의 섬유조직층은 두꺼워지며 신생혈관이 관찰되었다. 물성 검사결과를 보면, 최대 신장 강도는 지지체: 10.30 MPa, 정상 기관연골: 1.45 MPa, 이식 후 15주 째의 지지체: 0.86 MPa 였다. 최대 3점 굽힘 강도는 지지체: 1.4 MPa, 정상 토끼기관연골: 0.29 MPa, 이식 후 15주째의 지지체: 1.2 MPa 였다. 결론: 동물 실험 결과 다공층에는 정상적인 호흡 상피가 재생되어 생착에 성공하였고 증가된 강도로 기관지 내경이 잘 유지되어 기관지의 부분 결손을 재건하는 재료로 가능성을 보여주었다. 그러나 정상 기관지 연골와 지지체 접합부의 신장 강도가 정상보다 낮으므로 지지체가 탈락을 일으킬 수 있어 이를 개선하기 위한 추가 연구가 필요한 것으로 사료된다.