Development of Three-Dimensionally Printed Polyurethane Patch Type Prostheses to Repair Partial Tracheal Defects

Abstract

배경 및 목적 본 연구의 목적은 기관 부분 결손이 발생 시 복잡한 준비과정 없이 이용가능 하여 즉시 재건에 적합한 기성품 형태의 스캐폴드를 개발하는 것이다. 기존에 개발되어 있는 스캐폴드 중 생체조직을 이용한 스캐폴드는 좋은 결과를 보였으나 준비과정에 많은 시간과 비용이 소모되며 보관이 어려워 즉시재건에 적합하지 않은 한계점이 있었다. 또한 폴리우레탄을 이용한 인공 스캐폴드는 생체적합성이 있으나 구조적인 한계로 주변 조직과의 결합력이 떨어지며 역학적 성질이 기관의 형태를 유지하기에 적합하지 않은 문제점이 있었다. 3차원 인쇄 (3-dimensional printing, 이하 3DP) 기법은 computer-aided design (CAD) 프로그램을 이용하여 미세구조를 재현하는데 뛰어난 방법으로 각광받고 있으며, 기존에 개발되었던 이식물들의 한계점을 보완할 수 있을 것으로 생각된다. 본 연구에서는 3DP를 이용하여 기관과 유사한 생체역학적 미세구조를 가진 패치형태의 이식물을 개발하고 그 적용가능성을 확인하고자 하였다. 방법 CAD 프로그램으로 200 µm 두께의 수평방향 섬유와 수직방향 섬유를이용하여 200 × 200 µm2 크기의 미세공을 가진 격자구조의 스캐폴드를 디자인하고 3차원 bioprinter를 이용하여 폴리우레탄을 소재로 인쇄하였다. 토끼 32마리의 기관 전방에 1.0 × 0.7 cm2의 결손을 만든 후 스캐폴드를 이식하였다. 술 후 4주, 8주, 12주, 16주에 기관지 내시경, 조직검사, 물성검사, 섬모움직임검사를 시행하였다. 결과 2 × 2 cm2 크기의 1.8 mm 두께를 가진 스캐폴드를 제작하는데 총 6시간 40분이 소요되었다. 주사전자현미경을 이용하여 200 µm의 폴리우레탄의 수직방향섬유와 수평방향섬유가 200 × 200 µm2 크기의 미세공을 가진 격자모양구조를 형성하는 것이 관찰되었다. 스캐폴드는 평균 700% 이상 신장되었을 때 끊어졌고 최대장력은 평균 3.14MPa이었다. 본 연구의 주요 결과들은 다음과 같다. 첫째, 기관지경 검사결과 4주 후부터 스캐폴드 내면의 상피화가 관찰되었다. 16주까지 관찰한 결과, 1개체에서만 술 후 1달 뒤부터 경도의 좁아짐이 관찰되었으며 기관상피세포 재생도 1개체를 제외한 모든 개체에서 관찰되었다. 둘째, 조직검사 결과상 이식 4주 후에는 상피세포에서 섬모가 관찰되지 않았으나 이식 8주 후 검사에서는 중층섬모상피세포가 스캐폴드 내면에서 보였다. 셋째, 위상차현미경을 이용한 관찰에서도 섬모의 움직임이 술 후 8주 이후부터 확인되었다. 섬유조직과 혈관이 스캐폴드 내부의 미세공으로 자라 들어온 소견이 조직검사에서 관찰되었다. 넷째, 이식된 기관을 이용한 인장강도검사에서는 술 후 4주, 8주, 12주, 16주 조직에서 각각 0.54 MPa, 0.65 MPa, 0.72 MPa, 0.70 MPa의 최대 신장강도를 보였으며 이는 정상기관의 최대신장강도(1.31 MPa) 보다는 낮은 수치였다. 결론 본 연구에서 3DP 기법을 이용하여 개발한 제작된 폴리우레탄 패치는 생체역학적 특성이 우수하였고 향후 기관의 부분 결손 시 즉시 재건에 사용될 수 있을 것으로 생각된다.;Background and objectives The management of small partial tracheal defects is controversial. Many prostheses have been developed to repair partial tracheal defects. Ready-made and acellular patch type prostheses are more easily used in clinically. However, these prostheses require proper micro-architecture to biologically combine with surrounding normal tissue. Polyurethane (PU) has demonstrated outstanding biocompatibility as a scaffold material in previous studies. Three-dimensional printing (3DP) is superior to conventional fabrication methods for designing and producing the micro-architecture of scaffolds. The aim of this study was to develop PU tracheal patch type prostheses to repair partial tracheal defects using 3DP and to evaluate its feasibility. Methods The 2 × 2 cm2 sized PU scaffolds with 0.18 cm thickness were printed by 3DP using computer aided design (CAD) program. These scaffolds had a lattice structure that was manufactured by printing 200 µm thick PU vertically and horizontally. Scanning electron microscopy (SEM) and a mechanical property test were performed. The fabricated scaffolds were transplanted on 1.0 × 0.7 cm2 sized anterior tracheal defects of 32 New Zealand rabbits. Bronchoscopic examination, histological examination, a mechanical property test and ciliary beating observations were performed 4, 8, 12, and 16 weeks after the operation. Results SEM revealed that the scaffolds had a lattice shape microstructure with 200 × 200 µm2 sized pores. Scaffold thickness was 0.18 cm. The tensile strength of the scaffolds was 3.19 MPa and tensile strain was 703%. One animal had a mild stenosis on bronchoscopic examination 1 week after transplantation. Re-epithelization was observed at 4 weeks after transplantation, except in one animal. A small amount of granulation tissue was observed in four animals 4 weeks after the transplantation. The histological examination revealed in in-growth of fibrous tissue and vessels into the scaffolds 4 weeks after transplantation, and ciliated respiratory epithelium was observed 8 weeks after transplantation on the histological examination. Ciliary beating was detected in 8-week specimen. The tensile strength of the scaffold-transplanted trachea were 0.54, 0.65, 0.72, and 0.70 MPa at breaking strain of 92, 73.5, 45, and 60% in the 4, 8, 12, and 16 week groups. Conclusion A three-dimensionally printed PU patch type prostheses can be used as ready-made patch graft for repairing partial tracheal defects.