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KR102794934B1 - Antioxidant gelatin hydrogel containing nanoceria for bone regeneration - Google Patents

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KR102794934B1
KR102794934B1 KR1020220031012A KR20220031012A KR102794934B1 KR 102794934 B1 KR102794934 B1 KR 102794934B1 KR 1020220031012 A KR1020220031012 A KR 1020220031012A KR 20220031012 A KR20220031012 A KR 20220031012A KR 102794934 B1 KR102794934 B1 KR 102794934B1
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gelma
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bone
gelatin
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이정환
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구리안 아말조지
박정휘
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단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
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Abstract

본 발명은 골 재생을 위한 나노세리아 함유 항산화 젤라틴 하이드로겔에 관한 것이며, 상기 나노세리아 함유 젤라틴 하이드로겔 스캐폴드는 뼈 생체 활성, 향상된 기계적 특성 및 우수한 ROS 소거 특성을 지닌 골 재생에 유리하며, 우수한 생체 적합성을 지니고 있어 뼈 치료를 위한 나노 플랫폼으로서 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to an antioxidant gelatin hydrogel containing nanoceria for bone regeneration. The nanoceria-containing gelatin hydrogel scaffold is advantageous for bone regeneration with bone bioactivity, improved mechanical properties and excellent ROS scavenging properties, and has excellent biocompatibility, so that it can be usefully used as a nanoplatform for bone treatment.

Description

골 재생을 위한 나노세리아 함유 항산화 젤라틴 하이드로겔{Antioxidant gelatin hydrogel containing nanoceria for bone regeneration}{Antioxidant gelatin hydrogel containing nanoceria for bone regeneration}

본 발명은 골 재생을 위한 나노세리아 함유 항산화 젤라틴 하이드로겔에 관한 것이다.The present invention relates to an antioxidant gelatin hydrogel containing nanoceria for bone regeneration.

골 조직 복구는 일반적으로 제한되며, 대부분 완전한 재생 잠재력을 달성하기 위해 외부 영향을 필요로한다. 활성산소종(ROS)은 뼈의 결함에 축적될 가능성이 있어 세포 활동을 위협하고, 신생골 형성을 방해한다. 이러한 문제를 다루기 위한 효과적인 접근법은 골유도 및 항산화 특성을 가진 다양한 스캐폴드 플랫폼을 구축하는 것이다. 여기서, ROS 소거 특성을 가진 나노공학 생체 고분자 매트릭스의 중요성이 증가하고 있다. 나노스케일 매트릭스는 접착, 증식 및 이동과 같은 세포 행동에 극단적인 영향을 미친다. 나노-매트릭스 방식 중에서 나노스케일 스캐폴드는 고유한 미세 환경인 ECM(세포 외 기질)과 형태학적 유사하기 때문에 중요한 역할을 한다. 이러한 기질에 대한 항산화 나노물질의 표면 개질 또는 장식은 세포의 운명을 결정하는 계면 특성을 조정하는 매우 유망한 도구로 알려져 있다. Bone tissue repair is generally limited and mostly requires external influences to achieve its full regenerative potential. Reactive oxygen species (ROS) have the potential to accumulate in bone defects, threatening cellular activity and hindering new bone formation. An effective approach to address this issue is to construct various scaffold platforms with osteoinductive and antioxidant properties. Here, nanoengineered biopolymer matrices with ROS scavenging properties are gaining importance. Nanoscale matrices have a dramatic effect on cell behaviors such as adhesion, proliferation, and migration. Among the nano-matrix approaches, nanoscale scaffolds play an important role because of their morphological similarity to the unique microenvironment, the extracellular matrix (ECM). Surface modification or decoration of these matrices with antioxidant nanomaterials is known to be a very promising tool to modulate the interfacial properties that determine cell fate.

나노-위상학적 특징을 제공하는 것은 또한 세포에서 세포로, 세포에서 기질로의 통신을 촉진하여 빠른 조직 재생을 촉구한다. 이러한 생체-나노매트릭스가 이식 가능한 형태로 사용될 때 더 적용 가능하다. 표면 또는 표면 아래에서 발생하는 생물학적 상호작용은 치유에 관련된 세포의 다양한 반응을 제어하고, 재생 과정에서 전반적인 운명을 결정한다. 나노소재(nanomaterial) 레이어링이 적용된 생체소재(biomaterial)가 다수 제안되었지만, 대부분은 적절한 기계적 특성, 분해 거동 및 세포 지지 특성이 부족하다. 또한, 매트릭스에 마이크로/나노 위상을 동시에 전달하려면, 일반적으로 3D 바이오프린팅 전기스핀이나 스테레오 리소그래피와 같은 고급 기술이 필요하다. 이러한 기술을 통해 원하는 위상학적 특징을 제공하지만, 필요한 정교한 처리 단계는 재료를 설계하는데 있어 실질적인 어려움이 있다. 따라서, 균일한 마이크로/나노 위상 표면의 설계 및 개발은 여전히 어려운 과제로 남아있다.Providing nano-topological features also promotes cell-to-cell and cell-to-matrix communication, thereby facilitating rapid tissue regeneration. These bio-nanomatrices are more applicable when used in an implantable form. Biological interactions occurring on the surface or subsurface control various cellular responses involved in healing and determine their overall fate during the regeneration process. Although many biomaterials with nanomaterial layering have been proposed, most of them lack adequate mechanical properties, degradation behavior, and cell-supporting properties. In addition, advanced techniques such as 3D bioprinting electrospinning or stereolithography are generally required to simultaneously deliver micro/nanotopologies to the matrix. Although these techniques provide the desired topological features, the sophisticated processing steps required pose practical challenges in designing the materials. Therefore, the design and development of uniform micro/nanotopological surfaces remains a challenging task.

이러한 증가하는 우려속에 제안된 간단한 현장 방법을 기반으로 나노 스케일 소재로 생체고분자 스캐폴드를 조정하도록 하였다. 상기 방법은 스캐폴드에 나노/마이크로위상을 유도하는 정교한 기술을 필요로 하지 않는다. 나노세리아로 장식된 GelMA 스캐폴드(Ce@GelMA)는 이중 마이크로/나노-위상학적 특징을 제공하여 매트릭스 표면을 장식한 나노 스케일 nCe 클러스터가 있는 마이크로스케일 다공성 매트릭스를 제공한다. Amid these growing concerns, a simple in situ method is proposed to tailor biopolymer scaffolds with nanoscale materials. The method does not require sophisticated techniques to induce nano/microtopology on the scaffolds. Nanoceria-decorated GelMA scaffolds (Ce@GelMA) provide dual micro/nano-topological features, resulting in a microscale porous matrix with nanoscale nCe clusters decorating the matrix surface.

nCe는 독특한 물리화학적 및 생물학적 특성을 가진 잘 알려진 산화환원 나노물질이다. 산화 상태(Ce4+/Ce3+) 사이를 전환하는 nCe의 능력은 많은 생물학적 항산화제와 유사한 다중효소 모방 활성을 촉진한다. nCe가 나타내는 우수한 ROS 소거 특성은 산화 스트레스 관련 질병 치료, 항염증 치료, 조직 공학, 암 치료, 약물 전달, 바이오 센싱 등과 같은 다양한 재생 목적에 응용되고 있다. nCe-통합 생체 소재가 조직 재생에 사용될 때에도 유사한 효능이 관찰되었다.nCe is a well-known redox nanomaterial with unique physicochemical and biological properties. The ability of nCe to switch between oxidation states (Ce 4+ /Ce 3+ ) promotes multienzyme-mimetic activities similar to many biological antioxidants. The excellent ROS-scavenging properties exhibited by nCe have been applied in various regenerative purposes such as treatment of oxidative stress-related diseases, anti-inflammatory therapy, tissue engineering, cancer therapy, drug delivery, and biosensing. Similar efficacy has been observed when nCe-incorporated biomaterials are used for tissue regeneration.

이러한 배경 하에, 본 발명자들은 세포 배양 플랫폼에서 고급 바이오-잉크 제형에 이르기까지 다양한 응용 분야를 위한 다목적 생체 소재로 간주되는 잘 알려진 생체 고분자 GelMA를 사용하였다. 젤라틴의 유도체이기 때문에, GelMA는 항원성과 생분해성이 낮다. 이러한 매트릭스는 세포 성장을 위한 이상적인 플랫폼으로 만드는 Arg-Gly-Asp (RGD)와 같은 거대한 세포 지지 부분을 가지고 있다. GelMA는 화학적으로 가교되므로, 생리적 조건에서도 안정성을 유지하며, 가교 조건을 조작하여 특성을 쉽게 조정할 수 있다. 형태와 다공성 미세 구조를 제어하는 이러한 조정 가능성은 다른 생체 고분자 기질에 비해 GelMA가 본 발명에 보다 적합하도록 하였다.Against this backdrop, the present inventors employed the well-known biopolymer GelMA, which is considered a versatile biomaterial for various applications ranging from cell culture platforms to advanced bio-ink formulations. As a derivative of gelatin, GelMA has low antigenicity and biodegradability. This matrix has large cell-supporting moieties such as Arg-Gly-Asp (RGD), which makes it an ideal platform for cell growth. Since GelMA is chemically cross-linked, it remains stable under physiological conditions, and its properties can be easily tuned by manipulating the cross-linking conditions. This tunability to control the morphology and porous microstructure makes GelMA more suitable for the present invention than other biopolymer substrates.

nCe를 GelMA에 직접 통합한 후 달성된 기계적 특성으로 인한 단단한 경조직 복구는 본 발명이 최초이다. 이러한 Ce@GelMA는 마이크로스케일의 GelMA에서 nCe의 단단한 생체 계면으로 시너지 효과를 낼 수 있다. 본 발명은 (i) 마이크로/나노 위상학적 단서를 통해 제공되는 세포 지지성, (ii) 균일한 nCe 레이어링으로 인한 ROS 반응성에 특징이 있다. 즉, GelMA 매트릭스에 적층된 nCe로 만들어진 분해성 생체 계면의 설계와 골 재생을 유도하는 시험관 내 광물화 및 ROS 반응성을 지원하는 스캐폴드의 수용력을 보여준다.The achievement of robust hard tissue repair due to mechanical properties achieved after direct integration of nCe into GelMA is the first in this invention. Such Ce@GelMA can synergize with the rigid biointerface of nCe in microscale GelMA. The present invention is characterized by (i) cell support provided by micro/nano topological cues, and (ii) ROS reactivity due to uniform nCe layering. That is, we demonstrate the design of a degradable biointerface made of nCe laminated onto a GelMA matrix and the capacity of the scaffold to support in vitro mineralization and ROS reactivity to induce bone regeneration.

본 발명의 목적은 나노세리아(nCe)를 포함하는 젤라틴 하이드로겔로 이루어진 골 재생용 스캐폴드를 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a bone regeneration scaffold made of a gelatin hydrogel containing nanoceria (nCe).

본 발명의 다른 목적은 하기 단계를 포함하는 나노세리아(nCe)를 포함하는 젤라틴 하이드로겔로 이루어진 골 재생용 스캐폴드의 제조방법을 제공하는 것이다: (a) 젤라틴에 무수 메타크릴을 첨가하여 GelMA(메타크릴산 젤라틴)를 제조하는 단계; (b) 상기 GelMA를 가교하여 GelMA 하이드로겔을 제조하는 단계; (c) 상기 GelMA 하이드로겔을 세륨 이온을 함유하는 용액에 침지시키는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계의 결과물을 동결 건조시켜 Ce@GelMA 스캐폴드를 제조하는 단계.Another object of the present invention is to provide a method for producing a bone regeneration scaffold made of a gelatin hydrogel including nanoceria (nCe), the method comprising the following steps: (a) adding anhydrous methacrylate to gelatin to produce GelMA (gelatin methacrylate); (b) crosslinking the GelMA to produce a GelMA hydrogel; (c) immersing the GelMA hydrogel in a solution containing cerium ions; and (d) freeze-drying the resultant of step (c) to produce a Ce@GelMA scaffold.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. The advantages and features of the present invention, and the methods for achieving them, will become clear with reference to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and the present embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete and to fully inform a person skilled in the art of the scope of the present invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.The terminology used herein is for the purpose of describing embodiments only and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. The terms "comprises" and/or "comprising" as used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other components in addition to the mentioned components. Like reference numerals refer to like components throughout the specification, and "and/or" includes each and every combination of one or more of the mentioned components. Although "first", "second", etc. are used to describe various components, it is to be understood that these components are not limited by these terms. These terms are merely used to distinguish one component from another. Therefore, it should be understood that a first component mentioned below may also be a second component within the technical spirit of the present invention.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with the meaning commonly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries shall not be ideally or excessively interpreted unless explicitly specifically defined.

본 발명은 나노세리아(nCe)를 포함하는 젤라틴 하이드로겔로 이루어진 골 재생용 스캐폴드를 제공한다.The present invention provides a bone regeneration scaffold made of a gelatin hydrogel containing nanoceria (nCe).

본 발명의 나노세리아 화합물(이하, “나노세리아” 또는 “nCe”라고 함)은 세륨(Ce) 산화물인 세리아의 나노사이즈 화합물로, 세리아(CeO2) 나노입자는 가역적으로 산소와 결합하고, CeO2 나노입자 표면에서 Ce3+ 및 Ce4+ 간의 산화 상태의 변화에 의해 자유라디칼 제거 활성을 갖는다.The nanoceria compound of the present invention (hereinafter referred to as “nanoceria” or “nCe”) is a nano-sized compound of ceria, which is a cerium (Ce) oxide. Ceria (CeO 2 ) nanoparticles reversibly bind to oxygen and have free radical scavenging activity due to a change in the oxidation state between Ce 3+ and Ce 4+ on the surface of the CeO 2 nanoparticles.

본 발명의 젤라틴은 동물의 뼈나 연골 등 결합조직에 포함되는 주요 단백질 성분인 콜라겐의 부분적 가수분해에 의해 얻어지는 단백질로, 생체 적합성이 높고 무독성의 생분해성 특징을 가지고 있어 생체 적합성 고분자로 이용된다. 상기 젤라틴은 낮은 온도와 농도에서도 점성을 가지며, 용액 상태로 냉각되면 선명하고 탄성력이 있는 열가역적 겔을 형성하지만 수용액 상에서 쉽게 녹아버리기 때문에, 하이드로겔의 안정성 및 물성을 향상시키기 위해 종래에는 주로 화학적 가교제를 함께 사용해왔다. 본 발명에서 젤라틴은 순수한 젤라틴 외에도 젤라틴 유도체를 포함할 수 있으며, 포유류, 어류 등 다양한 동물 유래의 것일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 젤라틴은 메타크릴산 젤라틴일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The gelatin of the present invention is a protein obtained by partial hydrolysis of collagen, which is a major protein component contained in connective tissues such as animal bones and cartilage, and has high biocompatibility, non-toxic biodegradability, and is used as a biocompatible polymer. The gelatin has viscosity even at low temperatures and concentrations, and when cooled to a solution state, forms a clear and elastic thermoreversible gel, but easily dissolves in an aqueous solution, and therefore, in order to improve the stability and physical properties of the hydrogel, a chemical cross-linking agent has been mainly used together in the past. In the present invention, the gelatin may include a gelatin derivative in addition to pure gelatin, and may be derived from various animals such as mammals and fish, and is not particularly limited. The gelatin of the present invention may be methacrylic acid gelatin, but is not limited thereto.

본 발명의 하이드로겔은 화학적 결합이나 정전기적 인력에 의해 상호작용하는 분자들이 친수성 가교결합된 중합체(polymer)를 형성하고, 건조중량의 수백배에 해당하는 수분을 흡수하는 물질이다. 이와 같은 하이드로겔은 우수한 생체 적합성 및 친수성 특성을 나타내기 ‹š문에 제약, 조직재생공학, 의료기기 및 의학 분야에서 다양한 응용이 가능하다.The hydrogel of the present invention is a material in which molecules interacting by chemical bonds or electrostatic attraction form a hydrophilic cross-linked polymer and absorb water corresponding to hundreds of times its dry weight. Such a hydrogel exhibits excellent biocompatibility and hydrophilic properties, and thus can be applied in various fields such as pharmaceuticals, tissue regeneration engineering, medical devices, and medicine.

상기 하이드로겔은 손상된 인체 조직의 치유를 목적으로 하는 조직공학 기질의 제조에 유용한 후보물질로 알려져 있다. 하이드로겔에 의해 형성되는 3차원 구조는 스캐폴드(scaffold)라고도 불리우며, 이와 같은 스캐폴드를 다양한 조직공학 재료로 사용하고 있다. 상기 조직공학(Tissue engineering) 기술은 환자의 조직으로부터 분리된 세포 또는 인공 배양된 세포를 지지체에 배양하여 다시 생체 내부로 이식하거나 외부에 적용하는 것을 의미한다.The above hydrogel is known as a useful candidate material for manufacturing a tissue engineering substrate for the purpose of healing damaged human tissue. The three-dimensional structure formed by the hydrogel is also called a scaffold, and such a scaffold is used as a variety of tissue engineering materials. The above tissue engineering technology means culturing cells isolated from a patient's tissue or artificially cultured cells on a support and then transplanting them back into the body or applying them externally.

본 발명의 하이드로겔은 바이오 잉크(bioinks)일 수 있다. 상기 바이오 잉크는 3D 프린팅 또는 바이오 프린팅에 사용되는 하이드로겔 또는 하이드로겔과 세포의 혼합물을 포함하는 의미이다. 상기 바이오 잉크 조성물은 3D 프린팅 또는 바이오 프린팅을 위한 것일 수 있다.The hydrogel of the present invention may be a bioink. The bioink is meant to include a hydrogel or a mixture of hydrogel and cells used in 3D printing or bioprinting. The bioink composition may be for 3D printing or bioprinting.

본 발명의 골 재생은 골 형성, 골 분화 또는 골 증식을 의미한다. 상기 골 재생은 바람직하게는, 골 결손 또는 골절 부위의 충진 또는 수복일 수 있다. 상기 골 결손 또는 골절은 사고, 발치, 치과 교정, 골다공증, 골 용해, 골연화증, 골 성장 장애, 골 형성 부전, 골 종양, 유전적 골 성장의 결함에 의한 골 결손 또는 골절을 포함한다.Bone regeneration of the present invention means bone formation, bone differentiation or bone proliferation. The bone regeneration may preferably be filling or repair of a bone defect or fracture site. The bone defect or fracture includes a bone defect or fracture caused by an accident, tooth extraction, orthodontic treatment, osteoporosis, osteolysis, osteomalacia, bone growth disorder, osteogenesis imperfecta, bone tumor or genetic bone growth defect.

본 발명의 나노세리아(nCe)를 포함하는 젤라틴 하이드로겔로 이루어진 스캐폴드는 골 재생 효과가 우수하므로, 골 결손 또는 골절의 치료에 유용하게 사용될 수 있다.A scaffold made of a gelatin hydrogel including nanoceria (nCe) of the present invention has an excellent bone regeneration effect, and thus can be usefully used in the treatment of bone defects or fractures.

본 발명의 스캐폴드는 40 내지 60 kPA 압축 계수를 가질 수 있으며, 바람직하게는 45 내지 55 kPA 압축 계수를 가질 수 있다. 상기 스캐폴드는 30 내지 50 ˚의 물 접촉각을 가질 수 있으며, 바람직하게는 35 내지 45 ˚의 물 접촉각을 가질 수 있다. 본 발명의 스캐폴드는 압축 계수 및 친수성이 개선되어 골 재생에 적합한 기질을 제공하며, 다양한 생체 분자와 빠른 생물학적 반응을 위한 인터페이스를 제공한다.The scaffold of the present invention can have a compressive modulus of 40 to 60 kPA, preferably a compressive modulus of 45 to 55 kPA. The scaffold can have a water contact angle of 30 to 50˚, preferably a water contact angle of 35 to 45˚. The scaffold of the present invention provides a substrate suitable for bone regeneration due to improved compressive modulus and hydrophilicity, and provides an interface for rapid biological reactions with various biomolecules.

본 발명의 스캐폴드의 팽창 비율은 DW, PBS 및 성장 배지에서 각각 13 내지 16%, 5 내지 7% 및 2 내지 5%일 수 있다. 상기 팽창 비율(팽윤율)이 높을수록 기공 사이의 약물 담지 수준이 높아질 수 있으며, 체내 이식 시 혈액이 기공 사이로 흡수되며, 기공 사이로 신생 조질 생성 인자, 성장 인자를 주입시킬 수 있다. 그러나, 팽창 비율이 지나치게 높으면, 주변 조직에 압력을 가할 수 있다. 본 발명의 스캐폴드는 상기와 같은 범위에서 적절한 팽창 비율을 가진다.The swelling ratio of the scaffold of the present invention can be 13 to 16%, 5 to 7% and 2 to 5% in DW, PBS and growth medium, respectively. The higher the swelling ratio (swelling ratio), the higher the drug loading level between the pores can be, and when transplanted into the body, blood can be absorbed between the pores, and new growth factors and growth factors can be injected between the pores. However, if the swelling ratio is too high, pressure can be applied to the surrounding tissue. The scaffold of the present invention has an appropriate swelling ratio within the above range.

본 발명의 스캐폴드는 마이크로 크기의 젤라틴 하이드로겔의 다공성 및 나노크기의 나노세리아로 이루어진 이중 도메인 구조를 가진다. 또한 상기 스캐폴드는 우수한 항산화 활성을 가진다.The scaffold of the present invention has a dual domain structure composed of micro-sized porous gelatin hydrogel and nano-sized nanoceria. In addition, the scaffold has excellent antioxidant activity.

또한, 본 발명은 상기 나노세리아(nCe)를 포함하는 젤라틴 하이드로겔로 이루어진 골 재생용 스캐폴드의 제조방법을 제공한다In addition, the present invention provides a method for manufacturing a bone regeneration scaffold made of a gelatin hydrogel containing the nanoceria (nCe).

본 발명의 골 재생용 스캐폴드의 제조방법은 하기 단계를 포함한다: (a) 젤라틴에 무수 메타크릴을 첨가하여 GelMA(메타크릴산 젤라틴)를 제조하는 단계; (b) 상기 GelMA를 가교하여 GelMA 하이드로겔을 제조하는 단계; (c) 상기 GelMA 하이드로겔을 세륨 이온을 함유하는 용액에 침지시키는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계의 결과물을 동결 건조시켜 Ce@GelMA 스캐폴드를 제조하는 단계.The method for manufacturing a scaffold for bone regeneration of the present invention comprises the following steps: (a) adding anhydrous methacrylate to gelatin to manufacture GelMA (gelatin methacrylate); (b) crosslinking the GelMA to manufacture a GelMA hydrogel; (c) immersing the GelMA hydrogel in a solution containing cerium ions; and (d) freeze-drying the resultant of step (c) to manufacture a Ce@GelMA scaffold.

본 발명의 가교는 자외선을 이용한 광-가교일 수 있으며, 상기 자외선은 300 내지 400 nm의 파장 영역일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The crosslinking of the present invention may be photocrosslinking using ultraviolet rays, and the ultraviolet rays may have a wavelength range of 300 to 400 nm, but is not limited thereto.

상기 (a)단계는 상기 제조된 GelMA를 광개시제와 혼합하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 광개시제는 2-하이드록시-1-[4-(2-하이드록시에톡시)-페닐]-2-메틸-1-프로판온(2-hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)-phenyl]-2-methyl-1-propanone)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The step (a) above may additionally include a step of mixing the manufactured GelMA with a photoinitiator. The photoinitiator may be, but is not limited to, 2-hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)-phenyl]-2-methyl-1-propanone.

상기 동결 건조는 -60 내지 -90℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 -70 내지 -80℃에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The above freeze-drying can be performed at -60 to -90°C, preferably at -70 to -80°C, but is not limited thereto.

본 발명은 골 재생을 위한 나노세리아 함유 항산화 젤라틴 하이드로겔을 제공하며, 상기 나노세리아 함유 젤라틴 하이드로겔 스캐폴드는 뼈 생체 활성, 향상된 기계적 특성 및 우수한 ROS 소거 특성을 지닌 골 재생에 유리하며, 우수한 생체 적합성을 지니고 있어 뼈 치료를 위한 나노 플랫폼으로서 유용하게 사용될 수 있다.The present invention provides a nanoceria-containing antioxidant gelatin hydrogel for bone regeneration, wherein the nanoceria-containing gelatin hydrogel scaffold is advantageous for bone regeneration with bone bioactivity, improved mechanical properties and excellent ROS scavenging properties, and has excellent biocompatibility, so that it can be usefully used as a nanoplatform for bone treatment.

도 1a는 GelMA 스캐폴드의 표면 조정을 보여주는 개략도이고, 도 1b는 스캐폴드의 표면 형태를 보여주는 SEM 이미지이고, 도 1c는 주요 특성 피크를 나타내는 GelMA 및 Ce@GelMA의 SEM 부착 EDS 신호를 나타내는 도이다.
도 2a는 스캐폴드의 특징적인 3D 및 2D AFM 이미지를 나타내는 도이고, 도 2b는 XPS를 사용하여 분석한 특징적인 피크를 보여주는 하이브리드 스캐폴드의 표면 화학을 나타내는 도이다.
도 3a는 습윤 조건에서 UTM을 사용하여 수득한 응력 완화 곡선을 나타내는 도이고, 도 3b는 샘플(GelMA 및 Ce@GelMA)에 대해 계산된 압축 계수를 나타내내 도이고, 도 3c는 하이드로겔 스캐폴드를 사용하여 측정한 물 접촉각을 나타낸 도이다.
도 4a는 스캐폴드에서 구형 아파타이트 입자의 형성을 보여주는 SEM 이미지를 나타낸 도이고, 도 4b는 골 형태와 유사한 평면 (211), (112) 및 (300)에 해당하는 특징적인 회절 피크를 나타내는 스캐폴드의 XRD 분석을 나타내는 도이고, 도 4c는 SBF 광물화 후 스캐폴드의 FT-IR 스펙트럼을 나타내는 도이다.
도 5a는 비-ROS 유사 용액(H2O) 및 ROS 유사 용액(H2O2)에서 처리된 GelMA 및 Ce@GelMA 스캐폴드 이미지를 나타내는 도이고, 도 5b는 TMB 분석에 의해 확인된 하이브리드 스캐폴드의 산화효소 유사 활성을 나타내는 도이다.
도 6a는 CCK-8 분석을 사용하여 측정한 세포 증식 속도를 나타내는 도이고, 도 6b는 f-액틴의 경우 팔로이딘(녹색)으로 염색되고, 핵의 경우 DAPI(파란색)로 염색된 스캐폴드에 시드(seed)된 rMSC의 형광 이미지를 나타낸 도이다.
Figure 1a is a schematic diagram showing the surface modification of GelMA scaffolds, Figure 1b is a SEM image showing the surface morphology of the scaffolds, and Figure 1c is a diagram showing the SEM attached EDS signals of GelMA and Ce@GelMA showing the main characteristic peaks.
Figure 2a is a diagram showing characteristic 3D and 2D AFM images of the scaffold, and Figure 2b is a diagram showing the surface chemistry of the hybrid scaffold showing characteristic peaks analyzed using XPS.
Figure 3a shows the stress relaxation curves obtained using UTM under wet conditions, Figure 3b shows the calculated compressive moduli for the samples (GelMA and Ce@GelMA), and Figure 3c shows the water contact angles measured using the hydrogel scaffolds.
Figure 4a is a SEM image showing the formation of spherical apatite particles in the scaffold, Figure 4b is an XRD analysis of the scaffold showing characteristic diffraction peaks corresponding to planes (211), (112) and (300) similar to the bone morphology, and Figure 4c is an FT-IR spectrum of the scaffold after SBF mineralization.
Figure 5a shows images of GelMA and Ce@GelMA scaffolds treated in a non-ROS-like solution (H 2 O) and a ROS-like solution (H 2 O 2 ), and Figure 5b shows the oxidase-like activity of the hybrid scaffolds confirmed by TMB analysis.
Figure 6a is a diagram showing the cell proliferation rate measured using the CCK-8 assay, and Figure 6b is a diagram showing a fluorescent image of rMSCs seeded on the scaffold stained with phalloidin (green) for f-actin and DAPI (blue) for nuclei.

이하, 본 발명의 내용을 하기의 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예 및 실험예에만 한정되는 것은 아니고, 이와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.Hereinafter, the contents of the present invention will be described in more detail through the following examples and experimental examples. However, the scope of the rights of the present invention is not limited to the following examples and experimental examples, but includes modifications of technical ideas equivalent thereto.

실시예 1. GelMA의 합성Example 1. Synthesis of GelMA

젤라틴(gelatin) (소 피부 타입 B, Sigma)을 탈이온수(DW)에 최종 농도 10% (w/v)로 담그었다. 부드럽게 저으면서 용액에 완전히 용해되고 용액이 투명해질 때까지 용액을 50℃로 유지하였다. 그런 다음, 용해된 젤라틴 1g 당 0.60 ml의 메타크릴산 무수물(methacrylic anhydride (94%, Sigma))을 점진적으로 첨가하고, 1시간 동안 격렬하게 교반하였다. 상기 용액은 3분 동안 3500 rpm의 속도로 원심분리하여 미반응 화학물질을 제거하고, 12-14 kDa의 투석막(Cellusep, 재생 셀룰로오스 관막 (regenerated cellulose tubular membrane) (T4) MFPI)을 사용하여 DW에 투석하였다. Gelatin (bovine skin type B, Sigma) was dissolved in deionized water (DW) to a final concentration of 10% (w/v). The solution was maintained at 50°C with gentle stirring until it was completely dissolved and the solution became clear. Then, 0.60 ml of methacrylic anhydride (94%, Sigma) per 1 g of dissolved gelatin was gradually added and the solution was stirred vigorously for 1 h. The solution was centrifuged at 3500 rpm for 3 min to remove unreacted chemicals and dialyzed against DW using a 12-14 kDa dialysis membrane (Cellusep, regenerated cellulose tubular membrane (T4) MFPI).

투석 후, 1M 중탄산나트륨 용액(≥99.7%, Sigma)을 사용하여 pH를 ~7.4로 유지한 다음, 액체 질소에서 급속 동결하였고, 냉동 건조기(cryo-desiccator) (ilshin Lab Co. Ltd, Korea)를 사용하여 10일 동안 동결건조시켰다. 동결건조된 GelMA 폴리머는 향후 사용을 위해 -20℃에서 보관하였다.After dialysis, the pH was maintained at ~7.4 using 1 M sodium bicarbonate solution (≥99.7%, Sigma), then rapidly frozen in liquid nitrogen and lyophilized for 10 days using a cryo-desiccator (ilshin Lab Co. Ltd, Korea). The lyophilized GelMA polymer was stored at -20°C for future use.

실시예 2. nCe 장식 GelMA 스캐폴드의 제조Example 2. Fabrication of nCe-decorated GelMA scaffolds

스캐폴드의 제조를 위해, 처음에 GelMA 하이드로겔은 간단한 광가교 방법으로 형성하였다. 구체적으로, 10% GelMA (w/v)는 DW에 완전히 용해시키고, 광개시제(Irgacure-2959, 98% Sigma)로서 2-하이드록시-1-[4-(2-하이드록시에톡시)-페닐]-2-메틸-1-프로판온(2-hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)-phenyl]-2-methyl-1-propanone)을 첨가하였고, 이는 짧은 초음파 처리에 의해 고온의 DW에 용해하였다. 그런 다음, 1.5 ml의 사전-폴리머 용액을 맞춤형 직사각형 모양의 테플론 몰드로 옮겼다.For the fabrication of scaffolds, GelMA hydrogel was initially formed by a simple photocrosslinking method. Specifically, 10% GelMA (w/v) was completely dissolved in DW, and 2-hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)-phenyl]-2-methyl-1-propanone (Irgacure-2959, 98% Sigma) as a photoinitiator was added, which was dissolved in hot DW by brief sonication. Then, 1.5 mL of pre-polymer solution was transferred into a customized rectangular-shaped Teflon mold.

365nm 파장 Omnicure S2000 스폿 UV 램프(Lumen Dynamics, Ontario, Canada)를 사용하여 10cm 조사거리에서 UV를 제공하였다. 생성된 하이드로겔은 DW에서 반복적으로 세척하여 미반응 광개시제를 제거하였다. 스캐폴드에 대한 nCe 장식을 위해, 0.1M 세륨(III) 질산염 6 수화물 (cerium (III) nitrate hexahydrate [Ce(NO3)3.6H20, Sigma])을 포함하는 용액을 교반하여 DW에서 준비하였다.UV was supplied at a 10 cm irradiation distance using a 365 nm wavelength Omnicure S2000 spot UV lamp (Lumen Dynamics, Ontario, Canada). The produced hydrogels were washed repeatedly in DW to remove unreacted photoinitiator. For nCe decoration on the scaffolds, a solution containing 0.1 M cerium (III) nitrate hexahydrate (Ce(NO 3 ) 3 .6H 2 0, Sigma]) was prepared in DW by stirring.

균일한 크기의 하이드로겔 디스크를 펀칭하여 세륨 이온 함유 용액에 담그고 약 20분 동안 진탕기(shaker)에서 유지하였다. 그런 다음, 수산화암모늄 용액 (NH4OH; 28.0-30.0% NH3 기준, Sigma)을 보충하여 알칼리성 pH(~8.0)에서 반응을 유지하였다. 이후, 하이드로겔 디스크를 세륨 용액에 담그고, 2시간 동안 반응을 지속하였다. 하이드로겔 디스크를 반응 혼합물에서 꺼내어 DW로 반복적으로 세척하고, 1시간 동안 보관하여 원하지 않는 화학 잔류을 완전히 제거하였다. 생성된 세리아 장식 하이드로겔 디스크를 -80℃에서 동결하고, 동결건조하여 Ce@GelMA 스캐폴드를 수득하였다.Hydrogel discs of uniform size were punched out, immersed in the cerium ion-containing solution and maintained in a shaker for about 20 min. Then, ammonium hydroxide solution (NH 4 OH; 28.0-30.0% NH 3 standard, Sigma) was supplemented to maintain the reaction at an alkaline pH (~8.0). Afterwards, the hydrogel discs were immersed in the cerium solution and the reaction was continued for 2 h. The hydrogel discs were taken out from the reaction mixture, washed repeatedly with DW, and stored for 1 h to completely remove unwanted chemical residues. The resulting ceria-decorated hydrogel discs were frozen at -80 °C and lyophilized to obtain Ce@GelMA scaffolds.

실시예 3. GelMA 및 Ce@GelMA 스캐폴드의 특성화Example 3. Characterization of GelMA and Ce@GelMA Scaffolds

동결건조된 스캐폴드의 구조, 다공성 형태 및 원소 조성은 15kV에서 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, Zeiss 300 Gemini, Germany)과 에너지 분산 분광기(EDS; UltraDry, Thermo Fisher, USA)를 사용하여 조사하였다. nCe 장식 후 스캐폴드 표면의 표면 위상 및 평균 거칠기는 원자력 현미경(AFM; Shimadzu SPM-9700, Japan)을 사용하여 평가하였다. GelMA 및 Ce@GelMA에 대해 관찰된 평균 거칠기는 각각 분석된 샘플의 균일한 영역에 대한 것이다. AFM을 사용하여 2D 및 3D 표면 위상 및 거칠기 이미지도 수득하였다.The structure, porous morphology, and elemental composition of the freeze-dried scaffolds were investigated using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Zeiss 300 Gemini, Germany) and energy dispersive spectroscopy (EDS; UltraDry, Thermo Fisher, USA) at 15 kV. The surface topology and average roughness of the scaffold surfaces after nCe decoration were evaluated using atomic force microscopy (AFM; Shimadzu SPM-9700, Japan). The average roughness observed for GelMA and Ce@GelMA is for a homogeneous area of the analyzed samples, respectively. 2D and 3D surface topology and roughness images were also obtained using AFM.

GelMA 스캐폴드 상 nCe의 존재 및 상대적인 원소 피크는 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy (XPS; MultiLab ESCA2000, Thermo VG Scientific, UK))을 사용하여 분석하였다. 분석은 2.9 × 10-9 mTorr의 진공 기본 압력에서 단색 Al Kα 공급원을 사용하여 분말 모드에서 수행하였다. 스캐폴드의 소수성 또는 친수성 거동은 벤치탑 피닉스 접촉각 측정 시스템(benchtop phoenix contact angle measurement system (SEO-PHX300, South Korea))을 사용한 접촉각 분석을 통해 측정하였다. 기계와 연결된 주사기 1ml에 로딩된 DW 한 방울을 사용하여 스캐폴드의 물 접촉각을 분석하고, 샘플 표면에 기계적으로 분사하고 표면 소프트웨어(surfaceware software)를 사용하여 물방울의 이미지를 측정하였다.The presence and relative elemental peaks of nCe on GelMA scaffolds were analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS; MultiLab ESCA2000, Thermo VG Scientific, UK). The analysis was performed in powder mode using a monochromatic Al Kα source at a vacuum base pressure of 2.9 × 10 -9 mTorr. The hydrophobic or hydrophilic behavior of the scaffolds was measured by contact angle analysis using a benchtop phoenix contact angle measurement system (SEO-PHX300, South Korea). The water contact angle of the scaffolds was analyzed using a single drop of DW loaded into a 1 mL syringe connected to the machine, mechanically sprayed onto the sample surface, and the image of the water droplet was captured using surfaceware software.

하이드로겔 스캐폴드의 기계적 특성은 습윤 상태에서 평가하였다. 처음에, 하이드로겔 스캐폴드는 습윤을 위해 PBS에 담그고, 단일 컬럼 시험 시스템 만능 시험기(single column testing system universal testing machine (UTM; Instron 3344, USA))를 사용하여 치수 7.0 mm x 2.0 mm의 스캐폴드 압축계수를 측정하였다. 10N의 정적 로드셀을 사용하였다. 압축 하중은 0.1 mm/min의 변형속도로 각 습식 스캐폴드 샘플에 적용하였다. 해당 응력은 시간의 함수로 기록되었고, 압축 계수는 Instron Blue Hill 소프트웨어를 사용하여 평가하였다. 각 샘플에 대해 5번의 반복 실험을 수행하였다.The mechanical properties of the hydrogel scaffolds were evaluated in a wet state. Initially, the hydrogel scaffolds were immersed in PBS for wetting, and the compressive modulus of the scaffolds with the dimensions of 7.0 mm × 2.0 mm was measured using a single column testing system universal testing machine (UTM; Instron 3344, USA). A 10 N static load cell was used. The compressive load was applied to each wet scaffold sample at a strain rate of 0.1 mm/min. The corresponding stress was recorded as a function of time, and the compressive modulus was evaluated using Instron Blue Hill software. Five replicate experiments were performed for each sample.

GelMA 및 Ce@GelMA의 수분 흡수 거동을 평가하기 위해 디스크 모양의 스캐폴드(10 mm x 3 mm)를 제작하였고, 1ml의 다른 용매; DW, PBS(1X), 및 alpha-MEM 성장 배지(growth media) ((HyClone, Logan, UT, USA)에 즉시 담근 후 24시간 동안 37℃ 인큐베이터 안에 보관하였다. 하이드로겔 디스크를 KimWipe로 부드럽게 닦아 잔류 용매를 제거한 후, 중량 값을 측정하였다. 부풀은 스캐폴드를 동결시킨 다음 동결건조하였다. 각 스캐폴드마다 일치하는 샘플 5개를 선정하였으며, 팽창 비율(팽창율)은 다음과 같다.To evaluate the water absorption behavior of GelMA and Ce@GelMA, disc-shaped scaffolds (10 mm × 3 mm) were fabricated and immediately immersed in 1 ml of different solvents; DW, PBS (1X), and alpha-MEM growth media ((HyClone, Logan, UT, USA)) and stored in an incubator at 37°C for 24 h. The hydrogel discs were gently wiped with a KimWipe to remove residual solvent, and the weight value was measured. The swollen scaffolds were frozen and then lyophilized. Five matching samples were selected for each scaffold, and the swelling ratios (swelling ratios) are as follows.

팽창율(%) = [스캐폴드의 습윤중량-스캐폴드의 건조중량]/[스캐폴드의 건조중량] x 100Swelling ratio (%) = [wet weight of scaffold - dry weight of scaffold] / [dry weight of scaffold] x 100

실시예 4. 스캐폴드의 산화효소 유사 활성Example 4. Oxidase-like activity of scaffolds

과산화효소 유사 촉매 활성 스캐폴드는 3,3' 5,5' 테트라메틸벤지딘 (3,3' 5,5' Tetramethylbenzidine (TMB, Sigma))과 과산화수소 (Hydrogen Peroxide (H2O2; 30 wt% in H2O) 사이의 산화환원 화학 반응을 사용하여 분석하였다. 광범위한 파장 스캔에서 UV-vis 분광기(Cary Varian UV)를 사용하여 반응을 관찰하였다. TMB 용액은 1mM H2O2를 포함하는 아세테이트 완충 용액(pH = 4.1)으로 제조하였다. 하이드로겔 스캐폴드(5 mm)를 실온에서 30분 동안 TMB 용액에 담그었다. 이후, 혼합물의 특징적인 흡광도 피크는 652nm의 파장에서 기록되었다.The peroxidase-like catalytically active scaffolds were characterized using a redox chemical reaction between 3,3'5,5' Tetramethylbenzidine (TMB, Sigma) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ; 30 wt% in H 2 O). The reaction was monitored using UV-vis spectroscopy (Cary Varian UV) over a wide wavelength scan. The TMB solution was prepared in acetate buffer solution (pH = 4.1) containing 1 mM H 2 O 2 . The hydrogel scaffolds (5 mm) were immersed in the TMB solution for 30 min at room temperature. The characteristic absorbance peak of the mixture was then recorded at a wavelength of 652 nm.

실시예 5. SBF를 이용한 하이드로겔 스캐폴드의 시험관 내 생체광물화Example 5. In vitro biomineralization of hydrogel scaffolds using SBF

하이드로겔 스캐폴드의 시험관 내 아파타이트 형성 능력은 37℃의 시뮬레이션 체액(SBF)에서 테스트하였다. 모든 화학 물질은 Sigma Aldrich에서 수득하였고, 추가 정제없이 사용하였다. 시험관 내 광물화를 위해, 하이드로겔 디스크를 37℃에서 3일 동안 SBF에 담그었다.The in vitro apatite-forming ability of the hydrogel scaffolds was tested in simulated body fluid (SBF) at 37°C. All chemicals were obtained from Sigma Aldrich and used without further purification. For in vitro mineralization, the hydrogel discs were immersed in SBF at 37°C for 3 days.

스캐폴드의 아파타이트 형성은 SEM(JEOL JSM 6510, Japan)을 이용하여 분석하였고, 상 및 화학 결합 구조는 각각 X선 회절계(X-ray diffractometer (XRD; Bruker D2 phaser))와 푸리에 변환 적외선 분광기(Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR; Varian 640-IR spectrometer, Australia))로 분석하였다.The apatite formation of the scaffold was analyzed using SEM (JEOL JSM 6510, Japan), and the phase and chemical bonding structures were analyzed using an X-ray diffractometer (XRD; Bruker D2 phaser) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR; Varian 640-IR spectrometer, Australia), respectively.

실시예 6. Ce@GelMA 스캐폴드의 생체 적합성Example 6. Biocompatibility of Ce@GelMA scaffolds

5-6 계대에서 유지된 쥐 골수 중간엽 줄기세포(rMSC)를 하기 실험에서 사용하였다. 모든 조립식 하이드로겔 스캐폴드는 UV에 의해 12시간 동안 멸균하고, 48개의 웰 플레이트(well plate)에 맞추었다. 그런 다음, 스캐폴드의 평형 팽창을 위해 PBS를 첨가하였다. PBS를 제거한 후, 1% 페니실린/스트렙토마이신 (penicillin/streptomycin)이 보충된 alpha-MEM 배지(media) (HyClone, Logan, UT, USA)를 사용하여 스캐폴드를 배양하였고, 10% 태아 소 혈청(fetal bovine serum) 및 rMSC를 8000 세포/웰(cells/well)의 밀도로 접종하였다. 배양 3일 후, 세포 증식은 세포 계수 키트-8(cell counting kit-8 (CCK-8, Dojindo Molecular Technologies, Inc.))을 사용하여 분석하였다.Rat bone marrow mesenchymal stem cells (rMSCs) maintained at passages 5-6 were used in the following experiments. All assembled hydrogel scaffolds were sterilized by UV for 12 h and placed in a 48-well plate. Then, phosphate-buffered saline (PBS) was added for equilibrium swelling of the scaffolds. After removing PBS, the scaffolds were cultured using alpha-MEM media (HyClone, Logan, UT, USA) supplemented with 1% penicillin/streptomycin, 10% fetal bovine serum, and rMSCs were seeded at a density of 8000 cells/well. After 3 days of culture, cell proliferation was analyzed using a cell counting kit-8 (CCK-8, Dojindo Molecular Technologies, Inc.)).

CCK : alpha MEM 배지의 1:9 혼합물의 200 μl 분취량을 각 웰에 첨가하였고, 마이크로플레이트 판독기(microplate reader (Molecular Devices, USA))를 사용하여 450nm에서 세포생존율을 측정하였다. 실험은 3개의 반복 샘플에 대해 반복하였다. 그런 다음, 세포 형태는 팔로이딘(phalloidin)과 DAPI를 사용하여 염색된 액틴과 핵을 사용하여 조사하였다. 세포는 4% 파라포름알데히드(paraformaldehyde)로 5분간 고정하였고, 0.1% 트리톤-X-100 (Triton X-100) 계면활성제 및 1% 소 혈청 알부민(bovine serum albumin)을 차단 용액으로 사용하였다. 각 단계 후에는 잔류물 제거를 위해 PBS로 세척하였다.CCK: 200 μl aliquots of a 1:9 mixture of alpha MEM medium were added to each well, and cell viability was measured at 450 nm using a microplate reader (Molecular Devices, USA). The experiment was repeated for three replicate samples. Cell morphology was then examined using actin and nuclei stained with phalloidin and DAPI, respectively. Cells were fixed with 4% paraformaldehyde for 5 min, and 0.1% Triton X-100 surfactant and 1% bovine serum albumin were used as blocking solution. After each step, they were washed with PBS to remove residues.

이후, 샘플을 PBS에 희석한 알렉사 플루오 546-접합 팔로이딘(Alexa Fluor 546-conjugated phalloidin (Invitrogen))으로 30분 동안 배양하여 액틴을 염색한 후, 핵은 4,6-디아미디노-2-페닐인돌(4,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI))로 염색하였고, 광학현미경(light microscope (IX71, Olympus, Japan))을 사용하여 형광 이미지를 수득하였다. Afterwards, the samples were incubated with Alexa Fluor 546-conjugated phalloidin (Invitrogen) diluted in phosphate-buffered saline (PBS) for 30 min to stain actin, and nuclei were stained with 4,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI), and fluorescence images were obtained using a light microscope (IX71, Olympus, Japan).

실험예 1. 하이브리드 스캐폴드의 형태 및 물리화학적 분석Experimental Example 1. Morphology and Physicochemical Analysis of Hybrid Scaffolds

동결건조된 GelMA 스캐폴드의 형태 분석은 다공성 표면 구조를 나타냈다. Ce@GelMA 스캐폴드는 인-시추 핵형성(in-situ nucleation) 및 GelMA 스캐폴드 위에 nCe 층의 증착으로 제작하였다. 하이브리드 스캐폴드에 침착된 산화세륨(cerium oxide)의 양은 세륨 공급원의 몰 농도에 따라 달라진다. nCe 증착 후 GelMA 스캐폴드는 FE-SEM을 통해 관찰하였다(도 1b). 스캐폴드의 표면 SEM 이미지는 nCe 층의 균일한 분포를 명확하게 보여준다. nCe는 GelMA의 미세 기공에 부착된 클러스터 형태로 나타났다.Morphological analysis of the freeze-dried GelMA scaffolds revealed a porous surface structure. Ce@GelMA scaffolds were fabricated by in-situ nucleation and deposition of nCe layers on the GelMA scaffolds. The amount of cerium oxide deposited on the hybrid scaffolds varied depending on the molar concentration of the cerium source. After nCe deposition, the GelMA scaffolds were observed by FE-SEM (Fig. 1b). The surface SEM image of the scaffolds clearly showed the uniform distribution of the nCe layer. nCe appeared in the form of clusters attached to the micropores of GelMA.

nCe-층으로 된 GelMA 스캐폴드의 화학적 조성은 FE-SEM에 부착된 EDS를 사용하여 평가하였다. GelMA 스캐폴드에서는 탄소(35.05%)와 산소(37.54%)의 강한 피크만 관찰된 반면에(도 1c), Ce@GelMA 스캐폴드에서는 세륨(34.73%)과 산소(32.99%)의 강한 피크가 관찰되는데, 이는 GelMA 표면에 nCe의 존재를 확인하며, 그 강도는 순수 nCe 상임을 나타낸다.The chemical composition of the GelMA scaffolds with nCe layers was evaluated using EDS attached to FE-SEM. In the GelMA scaffold, only strong peaks of carbon (35.05%) and oxygen (37.54%) were observed (Fig. 1c), whereas in the Ce@GelMA scaffold, strong peaks of cerium (34.73%) and oxygen (32.99%) were observed, confirming the presence of nCe on the GelMA surface, and its intensity indicates that it is a pure nCe phase.

그런 다음, 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy (AFM))을 이용하여, 2D 및 3D 이미지와 nCe 장식 후 표면 거칠기를 제공하였다. GelMA 및 Ce@GelMA에 대해 관찰된 평균 거칠기는 분석된 샘플의 균일한 영역에 대해 각각 87.52 nm 및 135.09 nm이다(도 2a). 결과는 nCe 장식 후 GelMA의 표면 거칠기가 증가하였음을 나타낸다. 샘플의 3D 이미지는 또한 Ce@GelMA 스캐폴드의 실제 구조를 보여주었다. GelMA 표면은 표면에 입자 응집 없이 거의 매끄러웠으며, Ce@GelMA는 나노 위상으로 클러스터된 nCe 층을 보여주었다.Then, atomic force microscopy (AFM) was used to provide 2D and 3D images and surface roughness after nCe decoration. The average roughness observed for GelMA and Ce@GelMA is 87.52 nm and 135.09 nm, respectively, for a uniform area of the analyzed samples (Figure 2a). The results indicate that the surface roughness of GelMA increased after nCe decoration. The 3D images of the samples also showed the actual structure of the Ce@GelMA scaffolds. The GelMA surface was almost smooth without particle agglomeration on the surface, while Ce@GelMA showed nCe layers clustered in nanophase.

다음으로, 전범위 XPS 분석(full-range XPS analysis)을 통해 GelMA 및 Ce@GelMA 스캐폴드에서 Ce, C 및 O 피크의 결합 에너지 곡선을 분석하였다(도 2b). GelMA에서 C 및 O 원소가 검출되었지만, Ce@GelMA 스캐폴드에서만 특징적인 Ce 피크가 관찰되었다. 고해상도 전파 XPS 스캔(high-resolution full-wave XPS)은 GelMA와 비교하여 Ce@GelMA에서 Ce3d 산화 상태의 존재를 보여준다. XPS에서 수득한 특성 원소 피크(C1s, N1s, O1s, Ce3d)도 표시된다.Next, the binding energy curves of Ce, C, and O peaks in GelMA and Ce@GelMA scaffolds were analyzed by full-range XPS analysis (Fig. 2b). While C and O elements were detected in GelMA, a characteristic Ce peak was observed only in Ce@GelMA scaffold. High-resolution full-wave XPS scan shows the presence of Ce3d oxidation state in Ce@GelMA compared to GelMA. The characteristic element peaks (C1s, N1s, O1s, Ce3d) obtained from XPS are also indicated.

생체 소재를 임상에 적용하기 위해서는 만족스러운 기계적 성질이 요구된다. 줄기 세포의 운명은 매트릭스의 강성에 의존하기 때문에, 하이브리드 스캐폴드의 기계적 특성은 고려해야할 중요한 요소이다. 뼈 세포는 연질 매트릭스에 비해 성장 및 증식을 위해 단단한 매트릭스를 선호한다. 따라서, 본 발명자들은 단축 압축 테스트(uniaxial compressive tests)를 사용하여 하이브리드 스캐폴드의 기계적 특성을 평가하였다.For clinical application of biomaterials, satisfactory mechanical properties are required. Since the fate of stem cells depends on the stiffness of the matrix, the mechanical properties of hybrid scaffolds are an important factor to consider. Bone cells prefer a rigid matrix for growth and proliferation compared to a soft matrix. Therefore, the inventors evaluated the mechanical properties of hybrid scaffolds using uniaxial compressive tests.

모든 스캐폴드 샘플은 사용 전에 PBS에 적셨다. Ce@GelMA 스캐폴드는 GelMA(33.08 kPa)와 비교하여 증가된 압축 계수(51.85 kPa)를 보여준다. GelMA 표면의 nCe 증착은 기계적 테스트에서 명백하게 지지체의 응력 이완 및 압축 계수를 개선하는데 도움이 되었다(도 3a 및 도 3b). 따라서, nCe 장식은 rMSC가 골 형성하도록 단단한 기질 유사 조건을 제공할 것이다.All scaffold samples were soaked in PBS before use. Ce@GelMA scaffolds show an increased compressive modulus (51.85 kPa) compared with GelMA (33.08 kPa). The deposition of nCe on the GelMA surface obviously helped to improve the stress relaxation and compressive modulus of the scaffolds in the mechanical tests (Figure 3a and Figure 3b). Therefore, nCe decoration would provide a rigid matrix-like condition for rMSCs to form bone.

다음으로, 물 접촉각을 이용하여 스캐폴드의 상대적인 친수성을 분석하였다. 접촉각으로 분석한 스캐폴드 표면의 물방울 변형은 GelMA (56.230)에 비해 Ce@GelMA (40.510)에 대해 약간 더 낮은 접촉각을 보여준다(도 3c). 이는 nCe 장식 후 GelMA 지지체의 향상된 친수성을 나타낸다. nCe 장식은 또한 스캐폴드의 친수성을 개선하여 다양한 생체 분자의 빠른 생물학적 반응과 흡수를 위한 인터페이스를 제공한다.Next, the relative hydrophilicity of the scaffolds was analyzed using the water contact angle. The water droplet deformation on the scaffold surface analyzed by the contact angle shows a slightly lower contact angle for Ce@GelMA (40.51 0 ) than that for GelMA (56.23 0 ) (Figure 3c). This indicates the enhanced hydrophilicity of the GelMA scaffold after nCe decoration. The nCe decoration also improves the hydrophilicity of the scaffold, providing an interface for rapid biological responses and absorption of various biomolecules.

팽창 비율을 분석하여 스캐폴드의 수분 흡수능력을 조사하였다. 하이드로겔 스캐폴드의 물 이동과 관련된 분석은 임상 적용을 위해 이러한 생체 소재의 효과적인 적용을 향상시킨다. 생체 폴리머의 팽창 비율은 가교 정도 및 용매의 종류에 따라 달라진다. 특히 세포가 기질에 압축되어 있을 때, 스캐폴드를 통한 영양소 수송 및 가스 교환에 영향을 미치고, 이에 따라 세포의 증식 및 분화에 영향을 준다.The water absorption capacity of the scaffolds was investigated by analyzing the swelling ratio. The analysis of the water transport of hydrogel scaffolds improves the effective application of these biomaterials for clinical applications. The swelling ratio of biopolymers varies depending on the degree of crosslinking and the type of solvent. In particular, when cells are compressed into the substrate, it affects the nutrient transport and gas exchange through the scaffold, and thus the proliferation and differentiation of cells.

본 발명자들은 3가지 유형의 용액 (DW, PBS 및 성장배지(Growth medium))를 사용하여 수분 흡수 경향을 분석하였다. DW, PBS 및 성장배지에서 GelMA의 팽창 비율은 각각 18.15%, 8.02% 및 6.02%인 반면에, Ce@GelMA의 경우 14.01%, 6.02%, 3.01%인 것으로 나타났다. nCe를 이용한 표면 장식 후 스캐폴드의 질량 팽창 비율은 기계적 특성의 향상과 표면의 거칠기 증가로 인해 감소하는 것으로 나타났다. 두 스캐폴드 모두 DW에서 최대 팽창을 보였고, 성장 배지에서 가장 적게 팽창하였다. 결과는 Ce@GelMA에 비해 GelMA의 팽창 비율이 더 높은 것으로 나타났다.We analyzed the water absorption tendency using three types of solutions (DW, PBS, and growth medium). The swelling ratios of GelMA in DW, PBS, and growth medium were 18.15%, 8.02%, and 6.02%, respectively, whereas those of Ce@GelMA were 14.01%, 6.02%, and 3.01%, respectively. The mass swelling ratio of the scaffolds after surface decoration with nCe was found to decrease due to the improvement of mechanical properties and increased surface roughness. Both scaffolds showed the maximum swelling in DW and the least swelling in growth medium. The results showed that the swelling ratio of GelMA was higher than that of Ce@GelMA.

실험예 2. 하이드로겔 스캐폴드에 대한 시험관 내 생체광물화Experimental Example 2. In vitro biomineralization of hydrogel scaffolds

골 재생을 위한 이상적인 기질은 뼈 ECM과 유사하여야 재생 가능성을 완전히 달성할 수 있다. 뼈 ECM은 주로 고도로 정렬된 콜라겐 원섬유와 하이드록시아파타이트 광물로 구성된다. 대부분의 골 재생 전략은 이러한 구성을 모방한 소재 개발에 중점을 두고 있다. 나노 생체 매트릭스가 초기 뼈 형성에 영행을 미치는 광물화를 지원한다. 따라서, 본 발명자들은 SBF에서 스캐폴드의 무세포성 뼈 유사 아파타이트 형성능을 평가하였다.The ideal substrate for bone regeneration should be similar to the bone ECM to fully achieve regenerative potential. The bone ECM is mainly composed of highly aligned collagen fibrils and hydroxyapatite minerals. Most bone regeneration strategies focus on developing materials that mimic this composition. Nano-bio-matrix supports mineralization that contributes to early bone formation. Therefore, we evaluated the acellular bone-like apatite formation ability of the scaffold in SBF.

nCe로 장식된 표면은 SBF 침지에서 짧은 시간 내 하이드록시아파타이트 광물 결정을 형성함으로써 놀라운 뼈 생체활성을 나타냄을 관찰하였다. SEM 이미지는 스캐폴드 표면에 침전된 아파타이트의 구형 응집체를 보여준다(도 4a). GelMA에 비해 Ce@GelMA의 광물화 비율이 더 높은 것은 인산 이온(PO4 3-)의 연속적인 축적을 촉진하여 인산칼슘(CaP) 결정을 생성하는 스캐폴드 표면에 도입된 nCe 클러스터의 존재로 인한 것이다.The nCe-decorated surface was observed to exhibit remarkable bone bioactivity by forming hydroxyapatite mineral crystals within a short time upon SBF immersion. The SEM image shows spherical aggregates of apatite deposited on the scaffold surface (Fig. 4a ). The higher mineralization ratio of Ce@GelMA compared to GelMA is attributed to the presence of nCe clusters introduced on the scaffold surface, which promote the sequential accumulation of phosphate ions ( PO43- ) to generate calcium phosphate (CaP) crystals.

삽입된 이미지는 스캐폴드 표면에 강하게 부착된 구형 아파타이트 입자를 보여준다. 이러한 향상된 거칠기와 나노 위상의 표면적은 하이브리드 스캐폴드의 생물학적 활성을 향상시켰다. 장식이 되지 않은 GelMA 스캐폴드에서도 아파타이트 결절이 약간 침전되었다. 이는 GelMA 기질에 광물화를 지원하는 카르복실(COO-)기가 존재하기 때문이다. 나중에 스캐폴드에 침전된 광물의 결정성은 XRD를 사용하여 평가하였다(도 4b). (211), (112) 및 (300)에 해당하는 특징적인 피크는 하이드록시아파타이트(HA) 결정상을 나타낸다. GelMA 내에서 광물화된 인산칼슘(CaP) 결정은 (002) 피크와 함께 날카로운 굴곡 모양의 회절을 나타낸다.The inset image shows the spherical apatite particles strongly attached to the scaffold surface. This enhanced roughness and surface area of the nanophase enhanced the biological activity of the hybrid scaffolds. Even in the undecorated GelMA scaffolds, a few apatite nodules were precipitated. This is due to the presence of carboxyl (COO - ) groups in the GelMA matrix that support mineralization. The crystallinity of the minerals precipitated in the scaffolds was later evaluated using XRD ( Figure 4b ). The characteristic peaks corresponding to (211), (112), and (300) represent the hydroxyapatite (HA) crystal phase. The calcium phosphate (CaP) crystals mineralized within GelMA exhibit sharp-wave-shaped diffraction patterns with a (002) peak.

이는 GelMA 골격이 표면에서 평행한 아파타이트 결정 형성을 지시하는 유기에서 무기 광물화된 상전이를 나타내며, 이는 시스템을 생체모방적으로 만든다. 수득한 모든 회절 데이터는 국제 회절 데이터 센터(International Centre for Diffraction Data (ICDD))의 표준 데이터베이스 분말 회절 파일(standard database powder diffraction file (PDF#54-0022))과 비교하였다. 광물화 후 FT-IR 스펙트럼 분석은 CaP 결정 격자와 관련된 특징적인 피크를 나타낸다.This indicates an organic-to-inorganic mineralization phase transition where the GelMA framework directs the formation of parallel apatite crystals on the surface, making the system biomimetic. All obtained diffraction data were compared with the standard database powder diffraction file (PDF#54-0022) of the International Centre for Diffraction Data (ICDD). FT-IR spectral analysis after mineralization shows characteristic peaks associated with the CaP crystal lattice.

1250 cm-1 및 1560 cm-1에서 관찰된 GelMA의 특징적인 아미드 피크 외에 575 cm-1 및 1020 cm-1에서 인산기(PO4)와 관련된 화학 밴드가 나타났고, 추가의 탄산염(CO3) 피크가 880 cm-1에서 관찰되었다(도 4c). 이러한 특징적인 피크는 자연적인 뼈 구성과 유사한 스캐폴드 표면에 형성된 탄산 하이드록시아파타이트의 존재를 나타낸다. 따라서, Ce@GelMA의 향상된 광물화 능력은 nCe 층이 하이드록시아파타이트 결정에 대한 핵 생성 부위로 작용하여 골 조직 치료에 대한 유망한 매트릭스를 만드는 능력에 기인한다.In addition to the characteristic amide peaks of GelMA observed at 1250 cm -1 and 1560 cm -1 , chemical bands related to phosphate (PO 4 ) groups were observed at 575 cm -1 and 1020 cm -1 , and an additional carbonate (CO 3 ) peak was observed at 880 cm -1 (Fig. 4c). These characteristic peaks indicate the presence of carbonated hydroxyapatite formed on the scaffold surface, which is similar to the natural bone composition. Therefore, the enhanced mineralization ability of Ce@GelMA is attributed to the ability of the nCe layer to act as nucleation sites for hydroxyapatite crystals, creating a promising matrix for bone tissue repair.

실험예 3. 스캐폴드의 ROS 소거 특성Experimental Example 3. ROS scavenging properties of the scaffold

산화제와 항산화제 사이의 절대적인 균형은 모든 생체 시스템에 필수적이다. 산화 스트레스는 조직 재생을 방해하는 주요 원인 중 하나로 확인된다. 활성산소(ROS)와 같은 산화제의 존재는 세포 고분자의 손상을 유발하고, 세포 사멸(cell apoptosis)을 초래할 수 있다. 외상을 입거나 손상된 뼈 조직도 뼈 재형성에 부정적인 역할을 한다.An absolute balance between oxidants and antioxidants is essential for all biological systems. Oxidative stress has been identified as one of the major causes of tissue regeneration. The presence of oxidants such as reactive oxygen species (ROS) can cause damage to cellular macromolecules and lead to cell apoptosis. Traumatized or damaged bone tissue also plays a negative role in bone remodeling.

골 형성을 지원하는 생체 흡수성 골 매트릭스가 많이 있음에도 불구하고, 골 재생 과정이 느리고 대부분의 경우 항산화 활성이 부족하여 완전한 회복이 이루어지지 않는다. ROS 소거 특성을 가진 생체 매트릭스를 설계하는 것은 이러한 문제를 해결하는 것으로 고려된다. nCe는 유해한 ROS를 제거하고, 조직의 자연 재생 능력을 보존할 수 있는 잠재력이 있다. nCe의 특성은 시험관 내 및 생체 내에서 염증 조절, 사이토카인 수준 감소, 세포 기능 지원에 활용되고 있다.Despite the availability of bioresorbable bone matrices that support bone formation, bone regeneration is slow and in most cases, complete recovery is not achieved due to lack of antioxidant activity. Designing biomatrices with ROS scavenging properties is considered to solve these problems. nCe has the potential to scavenge harmful ROS and preserve the natural regenerative capacity of tissues. The properties of nCe have been utilized to modulate inflammation, reduce cytokine levels, and support cell function in vitro and in vivo.

생체 소재, 특히 nCe를 포함하는 폴리머 기질도 유사한 생체활성을 가질 것이다. nCe의 라디칼 소거 특성 외에도, 매트릭스에 있는 nCe의 존재는 나노패턴과 같은 구조를 형성하고, 기계적 및 표면적 특성을 유지하여 세포 성장과 증식을 더욱 촉진한다. 따라서, 본 발명자들은 스캐폴드의 라디칼 소거 효율을 확인하였다.Biomaterials, especially polymeric matrices containing nCe, will also have similar bioactivity. In addition to the radical scavenging properties of nCe, the presence of nCe in the matrix forms a nanopattern-like structure and maintains mechanical and surface properties, which further promotes cell growth and proliferation. Therefore, the inventors confirmed the radical scavenging efficiency of the scaffold.

초기에 스캐폴드를 ROS 조건 및 비-ROS 조건으로 처리하여 간단한 테스트를 수행하였다. DW는 비-ROS 조건을 모방하는데 사용하였고, H2O2는 ROS 조건에 사용되었다. DW에서 스캐폴드를 인큐베이션하면, 12시간 동안 보관해도 특성 변화가 없다. 그러나, H2O2에서 배양하였을 ‹š, Ce@GelMA 스캐폴드는 nCe와 H2O2 사이의 반응으로 인해 빠르게(60초 미만) 색상이 흰색에서 황갈색으로 변하였다(도 5a). 동시에, GelMA 스캐폴드는 특징적인 변화를 보이지 않았다. 또한, TMB를 이용한 항산화 분석을 통해 스캐폴드의 ROS 소거 특성을 확인하였다. TMB 산화는 산화효소(oxidase) 유사 효소 모방 특성의 지표로 간주된다.Initially, simple tests were performed by treating the scaffolds under ROS and non-ROS conditions. DW was used to mimic non-ROS conditions, and H 2 O 2 was used for ROS conditions. When the scaffolds were incubated in DW, no change in properties was observed even after 12 h of storage. However, when incubated in H 2 O 2 ‹š, the Ce@GelMA scaffolds rapidly (less than 60 s) changed in color from white to tan due to the reaction between nCe and H 2 O 2 (Figure 5a). At the same time, the GelMA scaffolds did not show any characteristic changes. In addition, the ROS scaffolds were investigated by antioxidant assay using TMB. TMB oxidation is considered to be an indicator of oxidase-like enzyme-mimicking properties.

인큐베이션 후, 과산화물의 존재 하에 Ce@GelMA와 TMB의 촉매 산화는 특징적인 청색으로 관찰된 652nm에서 강한 흡수 피크의 출현으로부터 확인되었다(도 5b). 이러한 색 변화는 TMB의 산화로 인한 것으로, H2O2와 과산화효소(Peroxidase)-유사 물질이 있을 때에만 관찰된다. GelMA 스캐폴드는 TMB 발색원에 반응하지 않으므로, 652nm에서 특징적인 피크는 관찰되지 않았다. 결과는 Ce@GelMA가 GelMA에서 관찰되지 않은 ROS 소거제로 작용할 수 있음을 나타낸다(도 6b). 모든 것을 고려할 때, Ce@GelMA 스캐폴드는 해로운 ROS를 신속하게 포획하고 조직 재생을 촉진하기 위해 빠르게 반응하는 생체 나노 매트릭스로 작용할 수 있다.After incubation, the catalytic oxidation of Ce@GelMA and TMB in the presence of peroxide was confirmed by the appearance of a strong absorption peak at 652 nm, which was observed as a characteristic blue color (Fig. 5b). This color change is due to the oxidation of TMB, which is observed only in the presence of H2O2 and peroxidase-like substances. Since GelMA scaffolds do not react with TMB chromogen, the characteristic peak at 652 nm was not observed. The results indicate that Ce@GelMA can act as a ROS scavenger, which was not observed in GelMA (Fig. 6b). All considered, Ce@GelMA scaffolds can act as a fast-acting bionanomatrice to rapidly capture harmful ROS and promote tissue regeneration.

실험예 4. 세포 독성 및 증식Experimental Example 4. Cytotoxicity and Proliferation

고급 골조직 치료제는 생체 나노 매트릭스를 개발하기 위해 고려한 합성 전략과 계면 특성을 조정함으로써 세포 반응에 대한 분석이 요구된다. 줄기세포의 운명을 평가하는데 나노위상의 역할이 중요하다. 나노위상은 세포 부착 및 증식에 영향을 준다. 따라서, 초기에 하이드로겔 스캐폴드에 시드(seed)된 rMSC의 증식 속도는 최대 3일까지 배양하였을 때 CCK-8 분석을 통해 정량화하였다.Advanced bone tissue therapeutics require analysis of cellular responses by adjusting the synthetic strategy and interfacial properties considered for developing biogenic nano-matrices. The role of nanotopography is important in assessing the fate of stem cells. Nanotopography affects cell adhesion and proliferation. Therefore, the proliferation rate of rMSCs initially seeded on hydrogel scaffolds was quantified using CCK-8 assay when cultured for up to 3 days.

배양 3일 후, GelMA와 비교하여 Ce@GelMA에서 세포 수의 유의한 증가가 관찰되었다(도 6a). 두 스캐폴드에서 성장하는 세포의 존재는 또한 우수한 생체 적합성을 확인시켜주었다. nCe는 세포 생존, 이동, 증식 및 분화를 개선한다. 또한 nCe는 ECM의 산소 농도를 변화시키거나 산화 쇼크를 감소시켜 세포 생존 및 증식을 지원한다. nCe가 나타내는 확장된 촉매 활성은 자동 재생 능력 때문이다.After 3 days of culture, a significant increase in cell number was observed in Ce@GelMA compared to GelMA (Fig. 6a). The presence of cells growing on both scaffolds also confirmed their excellent biocompatibility. nCe improves cell survival, migration, proliferation, and differentiation. nCe also supports cell survival and proliferation by changing the oxygen concentration of ECM or reducing oxidative shock. The extended catalytic activity exhibited by nCe is due to its auto-regeneration ability.

Ce@GelMA에 더 많은 수의 세포가 존재하는 것은 rMSC 성장과 증식을 자극하는 더 높은 Ce4+ 표면 전하의 존재로 인한 것이다. 스캐폴드에서 배양된 rMSC의 형광 이미지는 세포 골격과 핵을 각각 보기 위해 팔로이딘(phalloidin) 및 DAPI로 염색한 후 조사하였다. 대표적인 이미지는 또한 GelMA에 비해 Ce@GelMA에서 더 높은 세포 증식을 보여준다(도 6b).The presence of higher number of cells on Ce@GelMA is due to the presence of higher Ce 4+ surface charge, which stimulates rMSC growth and proliferation. Fluorescent images of rMSCs cultured on the scaffolds were examined after staining with phalloidin and DAPI to view the cytoskeleton and nucleus, respectively. Representative images also show higher cell proliferation on Ce@GelMA compared to GelMA (Fig. 6b).

GelMA와 비교하여, 하이브리드 Ce@GelMA 매트릭스는 세포 활동에 대한 이중 도메인, 마이크로스케일 범위의 GelMA의 다공성 구조 및 나노스케일 범위의 균일한 nCe 층이 있다. 마이크로스케일 영역은 가스 및 영양소 교환에 관여하는 세포를 위한 ECM과 같은 환경을 제공한다. 나노스케일 영역은 산화적 스트레스 하에서 세포 부착과 증식 및 반응에 영향을 미친다. 이러한 Ce@GelMA는 골 재생 스캐폴드로 효과적으로 사용할 수 있다.Compared with GelMA, the hybrid Ce@GelMA matrix has dual domains for cell activities, the porous structure of GelMA in the microscale range and the uniform nCe layer in the nanoscale range. The microscale region provides an ECM-like environment for cells involved in gas and nutrient exchange. The nanoscale region affects cell adhesion, proliferation and response under oxidative stress. Such Ce@GelMA can be effectively used as a bone regeneration scaffold.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. Above, while the embodiments of the present invention have been described with reference to the attached drawings, it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

Claims (13)

나노세리아(nCe)가 증착된 젤라틴 하이드로겔로 이루어진 골 재생용 스캐폴드로서, 상기 스캐폴드의 팽창 비율은 DW에서 13 내지 16%, PBS에서 5 내지 7%, 성장 배지에서 2 내지 5%인 것을 특징으로 하는, 골 재생용 스캐폴드.
A bone regeneration scaffold comprising a gelatin hydrogel on which nanoceria (nCe) is deposited, wherein the scaffold has an expansion ratio of 13 to 16% in DW, 5 to 7% in PBS, and 2 to 5% in a growth medium.
제1항에 있어서,
상기 젤라틴은 메타크릴산 젤라틴인 것을 특징으로 하는 골 재생용 스캐폴드.
In the first paragraph,
A bone regeneration scaffold, characterized in that the above gelatin is methacrylic acid gelatin.
제1항에 있어서,
상기 스캐폴드는 40 내지 60 kPA의 압축계수를 갖는 것을 특징으로 하는, 골 재생용 스캐폴드.
In the first paragraph,
A scaffold for bone regeneration, characterized in that the scaffold has a compressive modulus of 40 to 60 kPA.
제1항에 있어서,
상기 스캐폴드는 30 내지 50 ˚의 물 접촉각을 갖는 것을 특징으로 하는, 골 재생용 스캐폴드.
In the first paragraph,
A scaffold for bone regeneration, characterized in that the scaffold has a water contact angle of 30 to 50 degrees.
제1항에 있어서,
상기 스캐폴드는 생체모방용액 (simulation body fluid, SBF) 내에서 아파타이트(apatite) 결정을 형성하는 것을 특징으로 하는, 골 재생용 스캐폴드.
In the first paragraph,
A scaffold for bone regeneration, characterized in that the scaffold forms apatite crystals in a simulation body fluid (SBF).
제1항에 있어서,
상기 스캐폴드는 마이크로 크기의 젤라틴 하이드로겔의 다공성 및 나노 크기의 나노세리아로 이루어진 이중 도메인 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 골 재생용 스캐폴드.
In the first paragraph,
A scaffold for bone regeneration, characterized in that the scaffold has a dual domain structure composed of micro-sized porous gelatin hydrogel and nano-sized nanoceria.
제1항에 있어서,
상기 골 재생은 골 결손 또는 골절 부위의 충진 또는 수복을 위한 것을 특징으로 하는 골 재생용 스캐폴드.
In the first paragraph,
A bone regeneration scaffold characterized in that the above bone regeneration is for filling or repairing a bone defect or fracture site.
제1항에 있어서,
상기 스캐폴드는 항산화 활성을 가지는 것을 특징으로 하는 골 재생용 스캐폴드.
In the first paragraph,
A bone regeneration scaffold characterized in that the scaffold has antioxidant activity.
(a) 젤라틴에 무수 메타크릴을 첨가하여 GelMA(메타크릴산 젤라틴)를 제조하는 단계;
(b) 상기 GelMA를 가교하여 GelMA 하이드로겔을 제조하는 단계;
(c) 상기 GelMA 하이드로겔을 세륨 이온을 함유하는 용액에 침지시키는 단계; 및
(d) 상기 (c)단계의 결과물을 동결 건조시켜 Ce@GelMA 스캐폴드를 제조하는 단계를 포함하는, 나노세리아(nCe)가 증착된 젤라틴 하이드로겔로 이루어진, 제1항의 골 재생용 스캐폴드의 제조 방법.
(a) a step of manufacturing GelMA (methacrylic acid gelatin) by adding anhydrous methacrylate to gelatin;
(b) a step of cross-linking the GelMA to produce a GelMA hydrogel;
(c) a step of immersing the GelMA hydrogel in a solution containing cerium ions; and
(d) a method for producing a bone regeneration scaffold of claim 1, comprising a gelatin hydrogel on which nanoceria (nCe) is deposited, comprising a step of freeze-drying the resultant of step (c) to produce a Ce@GelMA scaffold.
제9항에 있어서,
상기 가교는 300 내지 400 nm 파장 영역의 자외선을 이용한 광-가교인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
In Article 9,
A manufacturing method, characterized in that the above cross-linking is photo-cross-linking using ultraviolet rays in the wavelength range of 300 to 400 nm.
제9항에 있어서,
상기 (a) 단계는 상기 제조된 GelMA를 광개시제와 혼합하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
In Article 9,
A manufacturing method, characterized in that the step (a) further comprises a step of mixing the manufactured GelMA with a photoinitiator.
제11항에 있어서,
상기 광개시제는 2-하이드록시-1-[4-(2-하이드록시에톡시)-페닐]-2-메틸-1-프로판온(2-hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)-phenyl]-2-methyl-1-propanone)인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
In Article 11,
A manufacturing method, characterized in that the photoinitiator is 2-hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)-phenyl]-2-methyl-1-propanone.
제9항에 있어서,
상기 동결 건조는 -60 내지 -90℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
In Article 9,
A manufacturing method, characterized in that the above freeze-drying is performed at -60 to -90°C.
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