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KR101657777B1 - Organic-inorganic hybrid scaffolds comprising magnetic nanoparticles and a preparation method thereof - Google Patents

Organic-inorganic hybrid scaffolds comprising magnetic nanoparticles and a preparation method thereof Download PDF

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KR101657777B1
KR101657777B1 KR1020140144237A KR20140144237A KR101657777B1 KR 101657777 B1 KR101657777 B1 KR 101657777B1 KR 1020140144237 A KR1020140144237 A KR 1020140144237A KR 20140144237 A KR20140144237 A KR 20140144237A KR 101657777 B1 KR101657777 B1 KR 101657777B1
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scaffold
magnetic nanoparticles
magnetic
gelatin
hybrid
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김해원
한드마 다쉬냠
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단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
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Abstract

본 발명은 자성 나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 자성 나노입자를 포함하는 젤라틴/실록산 하이브리드 스캐폴드는 자성 나노입자의 첨가로 인해 수분 흡수량이 뛰어나고, 체내에서 쉽게 분해되지 않으며, 변형에 대한 저항과 같은 기계적 특성을 크게 향상시켰다. 또한, 생체적합성과 함께 세포 증식 및 골형성 분화를 향상시키므로 조직 재생에 유용하게 사용할 수 있다.The present invention relates to an organic-inorganic hybrid scaffold including magnetic nanoparticles and a method for producing the same. The gelatin / siloxane hybrid scaffold containing the magnetic nanoparticles of the present invention has excellent water absorption due to addition of magnetic nanoparticles, is not easily decomposed in the body, and greatly improved mechanical properties such as resistance to deformation. In addition, biocompatibility, as well as cell proliferation and osteogenesis differentiation, can be used for tissue regeneration.

Description

자성 나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드 스캐폴드 및 이의 제조방법{Organic-inorganic hybrid scaffolds comprising magnetic nanoparticles and a preparation method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an organic-inorganic hybrid scaffold including magnetic nanoparticles and a method for manufacturing the hybrid scaffold,

본 발명은 자성 나노입자를 포함하는 유무기 하이브리드 스캐폴드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an organic-inorganic hybrid scaffold including magnetic nanoparticles and a method for producing the same.

스캐폴드는 이들의 조율되는 물리화학적 특성 때문에 관련된 세포 반응 및 조직 반응에 크게 영향을 미치는 조직 공학에서 중요한 역할을 한다. 골 조직 공학을 위해 유무기 생체물질로 만들어진 나노복합체 및 하이브리드 스캐폴드는 골 세포 분화 및 골 형성에 필수적인 기계적, 생물학적 특성을 많이 갖기 때문에 특히 관심을 받고 있다. 골 형성을 위한 적절한 환경의 제공과 함께, 세포 부착이나 성장과 관련된 다른 부가적인 인자 역시 요구된다. 따라서, 높은 생체 적합성 및 생분해성을 가지는 천연고분자, 예를 들어 젤라틴, 콜라겐, 키토산 등이 뼈 조직 재생에 있어서 널리 사용되어 왔다.
Scaffolds play an important role in tissue engineering, which greatly influences the cellular and tissue reactions involved because of their coordinated physicochemical properties. Nanocomposites and hybrid scaffolds made of organic materials for osseous tissue engineering are of particular interest because they have many mechanical and biological properties essential for bone cell differentiation and osteogenesis. In addition to providing an appropriate environment for bone formation, other additional factors associated with cell attachment or growth are also required. Therefore, natural polymers having high biocompatibility and biodegradability such as gelatin, collagen, chitosan, etc. have been widely used for bone tissue regeneration.

그러나, 높은 생분해성은 이식 후 단시간 내 생활성(bioactive) 인자를 빠르게 방출하는 이점이 있지만, 기질 동역학의 급격한 변화로 인해 세포 부착 및 확산이 급격히 감소하므로 새로운 골 형성을 지연시켰다. 또한, 이들의 우수한 생물학적 특성에도 불구하고, 여전히 로드 베어링 부분에 적용 가능한 천연 뼈와 일치하는 특히 기계적 특성의 개선이 필요하였다.
[선행기술문헌정보]
국내등록특허공보 제10-1436740호(2014.9.2.자 공고)
국내등록특허공보 제10-1319220호(2013.11.13.자 공고)
BOCK, N. et al., ACTA BIOMATERIALIA (2010) Vol.6, pp.786-796
However, high biodegradability has the advantage of rapidly releasing bioactivity in a short time after transplantation, but it dramatically reduces cell adhesion and diffusion due to abrupt changes in substrate dynamics, thus delaying new bone formation. In addition, despite their excellent biological properties, there was still a need for improved mechanical properties, particularly in conformity with natural bone applicable to rod bearing parts.
[Prior Art Literature Information]
Korean Registered Patent No. 10-1436740 (Published in September, 2014)
Korean Registered Patent No. 10-1319220 (published on Nov. 13, 2013)
BOCK, N. et al., ACTA BIOMATERIALIA (2010) Vol.6, pp.786-796

본 발명에서는 조직 복구 및 질병 치료에서 잠재적인 유용성을 갖는 스캐폴드의 제조방법에 대하여 연구하던 중, 소량의 자성 나노입자를 유무기 하이브리드의 졸겔 프로세스 동안 첨가하여 다공성 스캐폴드를 제조할 경우 기계적 특성이 크게 향상될 뿐만 아니라, 세포의 증식 및 골 형성 분화 동안 세포의 거동을 자극하여 골-생체활성을 크게 향상시킬 수 있는 자성 스캐폴드를 제조할 수 있을 확인하고 본 발명을 완성하였다.In the present invention, while studying a method of preparing a scaffold having potential utility in tissue repair and disease treatment, when a porous scaffold is prepared by adding a small amount of magnetic nanoparticles during a sol-gel process of an organic hybrid, mechanical properties It is possible to produce a magnetic scaffold which can greatly enhance bone-bioactivity by stimulating cell behavior during cell proliferation and osteogenesis differentiation, and completed the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 기계적 특성 및 골-생체활성이 향상된 자성 유무기 하이브리드 스캐폴드를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a magnetic or non-magnetic hybrid scaffold with improved mechanical properties and bone-bioactivity.

본 발명의 다른 목적은 기계적 특성 및 골-생체활성이 향상된 자성 유무기 하이브리드 스캐폴드의 제조방법을 제공하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide a method for producing a hybrid organic-inorganic hybrid scaffold having improved mechanical properties and bone-bioactivity.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 자성 유무기 하이브리드 스캐폴드를 제조하기 위한 방법으로 1) 자성 나노입자를 용매 중에 분산시키는 단계; 2) 상기 단계 1)의 자성 나노입자 분산액을 젤라틴 용액에 첨가하여 분산시키는 단계; 3) 상기 단계 2)의 분산액에 3-(글리시독시프로필)트리메톡시실란 및 테트라메톡시실란을 첨가하여 졸을 제조하는 단계; 4) 상기 단계 3)의 졸에 산성 용액을 첨가하여 겔화시키는 단계; 및 5) 상기 단계 4)의 겔을 동결건조하여 다공성 스캐폴드를 제조하는 단계를 포함하는 제조방법을 제공한다.
In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing a hybrid organic-inorganic hybrid scaffold comprising: 1) dispersing magnetic nanoparticles in a solvent; 2) adding and dispersing the magnetic nanoparticle dispersion of step 1) in a gelatin solution; 3) adding a 3- (glycidoxypropyl) trimethoxysilane and tetramethoxysilane to the dispersion of step 2) to prepare a sol; 4) adding an acidic solution to the sol of step 3) to gel; And 5) lyophilizing the gel of step 4) to produce a porous scaffold.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은, 자성 나노입자 분산액을 젤라틴 용액에 첨가하여 분산시킨 후 3-(글리시독시프로필)트리메톡시실란과 테트라메톡시실란을 첨가하여 젤라틴과 실록산을 포함하는 졸을 제조한 다음 상기 졸을 겔화시킴으로써 자성 나노입자에 의한 자기적 특성을 나타낼 뿐만 아니라 기계적 강도가 증가하고 골-생체활성이 크게 향상된 다공성 스캐폴드를 제조할 수 있음을 발견한 것에 기초한다.
In the present invention, a magnetic nanoparticle dispersion is added to and dispersed in a gelatin solution, 3- (glycidoxypropyl) trimethoxysilane and tetramethoxysilane are added to prepare a sol containing gelatin and siloxane, The present invention is based on the discovery that porous scaffolds exhibiting magnetic properties by magnetic nanoparticles as well as increased mechanical strength and bone-bioactivity can be produced.

상기 단계 1은, 자성 나노입자를 용매 중에 분산시켜 자성 나노입자 분산액을 얻는 단계이다.
The step 1 is a step of dispersing the magnetic nanoparticles in a solvent to obtain a magnetic nanoparticle dispersion.

본 발명에 따른 유무기 하이브리드 스캐폴드에 첨가되는 자성 나노입자는 철, 스칸듐, 티타늄, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 것일 수 있고, 자성 나노입자의 평균 입경은 1 내지 20 nm일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 철 함유 자성 나노입자를 사용하였다.
The magnetic nanoparticles to be added to the organic / inorganic hybrid scaffold according to the present invention may include one or more metals selected from the group consisting of iron, scandium, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, The average particle diameter of the magnetic nanoparticles may be 1 to 20 nm. In one embodiment of the present invention, iron-containing magnetic nanoparticles were used.

본 발명에서, 상기 단계 1)의 자성 나노입자의 농도는 상기 단계 1)의 전체 분산액의 중량 기준으로 0.01 내지 3 중량%일 수 있다.
In the present invention, the concentration of the magnetic nanoparticles in step 1) may be 0.01 to 3% by weight, based on the weight of the total dispersion of step 1).

본 발명의 단계 1)에서 "용매"는 물, C1 - 4알코올 또는 이의 혼합용매일 수 있다.
In step 1) of the present invention, "solvent" include water, C 1 - may be daily for 4 alcohol or their mixture.

상기 단계 2는, 상기 단계 1)의 자성 나노입자 분산액을 젤라틴 용액에 첨가하여 분산시킴으로써 자성 나노입자가 분산되어 있는 젤라틴 용액을 얻는 단계이다.
The step 2 is a step of adding a magnetic nanoparticle dispersion of step 1) to a gelatin solution and dispersing it to obtain a gelatin solution in which magnetic nanoparticles are dispersed.

본 발명에서는 자성 나노입자를 젤라틴 용액 중에 먼저 분산시킴으로써 이후 졸-겔법에 의해 형성되는 스캐폴드 내에 자성 나노입자가 보다 균일하게 분포하도록 할 수 있으며 이로 인해 기계적 강도 및 골-생체활성을 더욱 향상시킬 수 있다.
In the present invention, by previously dispersing the magnetic nanoparticles in the gelatin solution, the magnetic nanoparticles can be more uniformly distributed in the scaffold formed by the sol-gel method, thereby further improving the mechanical strength and bone-bioactivity have.

본 발명의 단계 2)에서 "젤라틴 용액"은 물에 젤라틴이 1 중량% 내지 10 중량% 용해된 것일 수 있다.
In the step 2) of the present invention, the "gelatin solution" may be one in which 1 to 10% by weight of gelatin is dissolved in water.

상기 단계 3은, 상기 단계 2)의 분산액에 3-(글리시독시프로필)트리메톡시실란 및 테트라메톡시실란을 첨가하여 젤라틴-실록산 졸을 제조하는 단계이다.
Step 3 is a step of preparing a gelatin-siloxane sol by adding 3- (glycidoxypropyl) trimethoxysilane and tetramethoxysilane to the dispersion of step 2).

본 발명의 단계 3)에서 제조된 졸의 Si 함량은 졸 전체 중량을 기준으로 하여 2 내지 10 중량%일 수 있다.
The Si content of the sol prepared in step 3) of the present invention may be from 2 to 10% by weight based on the total weight of the sol.

본 발명에서, 상기 3-(글리시독시프로필)트리메톡시실란 및 테트라메톡시실란의 혼합비율은 중량기준으로 1:0.1 내지 1:10일 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 3-(글리시독시프로필)트리메톡시실란 및 테트라메톡시실란의 혼합비율을 1:1로 하였다.
In the present invention, the mixing ratio of the 3- (glycidoxypropyl) trimethoxysilane and the tetramethoxysilane may be 1: 0.1 to 1:10 by weight. In the examples of the present invention, the mixing ratio of 3- (glycidoxypropyl) trimethoxysilane and tetramethoxysilane was 1: 1.

상기 단계 4는, 산성 용액을 첨가하여 졸-겔 반응을 일으키는 단계이다.
Step 4 is a step of adding an acidic solution to cause a sol-gel reaction.

상기 졸-겔 반응은 3-(글리시독시프로필)트리메톡시실란(GPTMS) 분자에 존재하는 에폭시 고리의 가수분해로부터 시작한다. 가수분해는 탄소에 고도로 친전자성인 작용기를 형성하고, 친전자성 작용기는 젤라틴의 친핵성 작용기(예: 아미노기)와 쉽게 반응한다. 실록산의 겔화(gelation)동안, GPTMS/젤라틴의 폴리축중합 반응이 일어나며, -O-Si-O- 네트워크가 형성되고 젤라틴은 스캐폴드에 공유결합으로 연결된다.
The sol-gel reaction begins with the hydrolysis of the epoxy ring present in the 3- (glycidoxypropyl) trimethoxysilane (GPTMS) molecule. Hydrolysis forms highly electrophilic functional groups on carbon, and electrophilic functional groups readily react with nucleophilic functional groups (such as amino groups) of gelatin. During the gelation of the siloxane, a polycondensation reaction of GPTMS / gelatin takes place, the -O-Si-O-network is formed and the gelatin is covalently linked to the scaffold.

테트라메톡시실란(TMOS)은 Si의 함량을 높이는데 기여할 뿐 아니라, 네트워크의 안정성을 증가시킨다. TMOS의 첨가에 의해 폴리축중합 반응후의 GPTMS/젤라틴 복합체에서 안정한 -Si-O-Si-가 형성되게 된다. TMOS에는 친전자성 탄소가 없기 때문에, 친핵성 젤라틴은 TMOS 분자와 직접 반응하지는 않는다. 대신, GPTMS의 Si-O 기와 결합하게 되고, 그 결과 최종적으로 잘 정렬된 Si-O-Si 네트워크 구조를 이루게 되며, 젤라틴은 구조 사이에 고정(trap)된 형태를 이루게 된다.
Tetramethoxysilane (TMOS) not only contributes to increase the content of Si, but also increases the stability of the network. The addition of TMOS leads to the formation of -Si-O-Si- in the GPTMS / gelatin complex after the polycondensation reaction. Because TMOS has no electrophilic carbon, nucleophilic gelatin does not react directly with TMOS molecules. Instead, it is bound to the Si-O group of GPTMS, resulting in a well-aligned Si-O-Si network structure, and the gelatin is trapped between the structures.

본 발명의 단계 4)에서 상기 산성 용액은 염산, 인산 및 아세트산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
In step 4) of the present invention, the acidic solution may be one or more selected from the group consisting of hydrochloric acid, phosphoric acid, and acetic acid.

상기 단계 5는, 상기 단계 4)의 겔을 동결건조하여 다공성 스캐폴드를 얻는 단계이다. 상기 동결건조의 과정 동안, 겔의 수분이 제거되어 다공성 스캐폴드가 완성된다. 상기 동결건조는 -20℃ 내지 -80℃에서, 1 내지 10시간 동안 이루어질 수 있다.
Step 5 is a step of lyophilizing the gel of step 4) to obtain a porous scaffold. During the lyophilization process, the moisture of the gel is removed to complete the porous scaffold. The lyophilization may be performed at -20 캜 to -80 캜 for 1 to 10 hours.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되어 마이크로 기공이 균일하게 분산되어 형성된 자성 유무기 하이브리드 스캐폴드를 제공할 수 있다.
In addition, the present invention can provide a magnetic organic hybrid scaffold prepared by the above-described method and formed by uniformly dispersing micropores.

본 발명의 스캐폴드는 상호 연결된 마이크로 다공 형태를 보였고, 기공이 균일하게 분산된 형태를 가졌다(도 1a). 또한, 본 발명의 스캐폴드는 1 nm 내지 20 nm 크기의 나노입자들이 응집없이 전체적으로 균일하게 분산되어 있는 형태를 갖는다.
The scaffolds of the present invention exhibited interconnected microporous morphology and had uniformly dispersed pores (Fig. 1A). In addition, the scaffold of the present invention has a form in which nanoparticles of 1 nm to 20 nm in size are uniformly dispersed as a whole without aggregation.

동결 건조된 다공성 스캐폴드는 자성 나노입자의 최대 3% 함량까지 비교적 마이크로 구멍의 균일한 분산을 보였지만, 그 이상에서는 심각하게 방해되었다. 그러므로, 상기 자성 나노입자의 함량은 젤라틴/실록산-자성 나노입자의 나노합성 스캐폴드 생산에 최적 조건인 것을 알 수 있다.
The lyophilized porous scaffold showed a uniform dispersion of relatively micropores up to 3% content of magnetic nanoparticles, but was severely hindered beyond that. Therefore, it can be seen that the content of the magnetic nanoparticles is an optimum condition for the production of nanosynthesis scaffold of gelatin / siloxane-magnetic nanoparticles.

또한, 본 발명의 스캐폴드는 초상자기성 거동을 나타냈다. 또한 스캐폴드의 포화 자화는 자성 나노입자의 함량이 증가할수록 증가하였다(도 2d).
In addition, the scaffold of the present invention exhibited superparamagnetic behavior. In addition, the saturation magnetization of the scaffold increased as the content of magnetic nanoparticles increased (FIG. 2d).

자성 하이브리드 스캐폴드가 조직 복구 목적으로 사용되기 위해서 물의 흡수, 팽윤 및 분해를 포함하는 물과 관련된 특성은 특히 중요하다. 이와 관련하여, 본 발명의 스캐폴드는 자성 나노입자의 함량이 증가함에 따라 팽윤 정도 및 물 흡수율은 증가하나, 스캐폴드의 분해율은 증가시키지 않는 특성을 나타낼 수 있음을 확인하였다(도 3).
In order for the magnetic hybrid scaffold to be used for tissue reconstruction purposes, water-related properties including the absorption, swelling and degradation of water are particularly important. In this connection, it was confirmed that the scaffold of the present invention can exhibit the property that the degree of swelling and water uptake increases with increasing magnetic nanoparticle content, but does not increase the scaffold degradation rate (FIG. 3).

더 나아가, 본 발명의 스캐폴드는 자성 나노입자의 첨가에 의해 기계적 특성이 향상될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 자성 나노입자의 첨가량이 증가할수록 기계적 특성이 향상될 수 있음을 확인하였다(도 4).
Furthermore, the scaffold of the present invention can be improved in mechanical properties by the addition of magnetic nanoparticles. In the embodiment of the present invention, it was confirmed that the mechanical properties can be improved as the addition amount of the magnetic nanoparticles increases (FIG. 4).

또한, 본 발명의 스캐폴드는 자성 나노입자의 첨가로 인하여 우수한 골-생체 활성을 나타낼 수 있다(도 5 내지 도 8).
In addition, the scaffold of the present invention can exhibit excellent bone-bioactivity due to the addition of magnetic nanoparticles (FIGS. 5 to 8).

또한, 본 발명은 상기 자성 유무기 하이브리드 스캐폴드를 포함하는 골 충진 또는 골 대체용 조성물을 제공할 수 있다.
In addition, the present invention can provide a composition for bone replacement or bone substitution comprising the magnetic organic or inorganic hybrid scaffold.

본 발명의 하이브리드 스캐폴드가 자성 나노입자의 첨가로 인하여 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 생체 적합성을 나타내므로 생체 내에 원하는 부위에 안전하고 효과적으로 뼈의 재생속도를 촉진시킬 수 있어 골 충진제 또는 골 대체제로 유용하게 사용될 수 있다.
The hybrid scaffold of the present invention not only exhibits excellent mechanical properties owing to the addition of magnetic nanoparticles but also exhibits excellent biocompatibility so that the regeneration rate of bone can be safely and effectively promoted at a desired site in the living body, It can be useful as a bone substitute.

본 발명의 젤라틴-실록산 스캐폴드는 소량의 자성 나노입자를 포함함으로써 미네랄화를 유도하는 능력과 함께 세포 접착과 성장 및 세포의 골형성 분화에 유리한 골 생체활성이 향상되도록 개질되었다. 또한, 본 발명의 하이브리드 스캐폴드는 소량의 자성 나노입자의 첨가로 인하여 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 생체 적합성을 나타내므로 생체 내에 원하는 부위에 안전하고 효과적으로 뼈의 재생속도를 촉진시킬 수 있어 골 충진제 및 골 대체제로 유용하게 사용될 수 있다.
The gelatin-siloxane scaffolds of the present invention were modified to include a small amount of magnetic nanoparticles to induce mineralization, as well as to improve cell adhesion and growth and osteo-bioactivity favoring osteogenic differentiation of cells. In addition, the hybrid scaffold of the present invention not only exhibits excellent mechanical properties owing to the addition of a small amount of magnetic nanoparticles but also exhibits excellent biocompatibility, so that the regeneration rate of bone can be safely and effectively promoted at a desired site in a living body And can be useful as bone fillers and bone substitutes.

도 1은 (a) 다양한 농도(1, 2 및 3%)의 자성 나노입자가 첨가된 생체활성 젤라틴/실록산 하이브리드 스캐폴드의 SEM 형태, (b) 대표적인 시료로서 도시된 3%-자성 나노입자 스캐폴드의 TEM 이미지, (c) 상기 스캐폴드의 XRD 패턴(별표는 자철석 피크임), (d) 화학적 결합 구조를 보여주는 스캐폴드의 FT-IR 스펙트럼이다. 자성 나노입자의 스펙트럼 또한 비교를 위해 함께 나타내었다.
도 2는 하이브리드 스캐폴드의 자기적 특성을 측정한 결과이다. (a)는 상기 스캐폴드가 정적인 자석에 붙는 최소한의 거리 측정 결과이고, (b,c)는 크고 작은 자기장 범위에서 보여준 SQUID에 의한 자화 거동의 측정 결과이며, (d)는 포화 자화(MS) 측정 결과이다.
도 3은 (a) 하이브리드 스캐폴드의 에탄올 흡수 수준, (b) 시간에 따른 물 흡수 능력, (c) 증류수에 침수시킨 후 4시간째에 하이브리드 스캐폴드의 팽윤 정도, (d) 최대 28일 동안 PBS에서 하이브리드 스캐폴드의 분해 거동을 측정한 결과이다.
도 4는 하이브리드 스캐폴드의 기계적 특성을 측정한 결과이다. (a)는 일정한 정적 압축 부하를 적용한 시간 대비 기록된 스트레인이고, (b)는 300초에서 확인된 스트레인이다. (c 내지 f)는 스캐폴드의 동적인 기계적 분석 결과로서, (c)는 저장 탄성계수 E', (d)는 손실 탄성계수 E'', (e)는 요약된 평균 탄성계수 값, (f)는 탄젠트 델타(δ) 측정 결과이다.
도 5는 다른 기간 동안 1.5x SBF에 침지시킨 하이브리드 스캐폴드의 시험관 내 인회석 형성 능력이다. (a)는 침지하고 7일 후 스캐폴드의 SEM 이미지이고, (b)는 침지 시간 대비 무게 변화 측정 결과이다. (c)는 침지동안 3%-자성 나노입자 스캐폴드의 XRD 측정 결과이고, (d)는 침지 동안 3%-자성 나노입자 스캐폴드의 FT-IR 측정 결과이다.
도 6은 하이브리드 스캐폴드에서 시험관 내 세포 거동 측정 결과이다. (a)는 dsDNA 정량화로 측정된 세포 증식 결과이다. 14일째에 세포 증식은 모든 그룹(*P<0.05)에 대해 7일째보다 상당히 높았다. 유의성 있는 차이는 14일째에 그룹('a,b,c,d' 부호로 표시된; p<0.05) 간에 비교하여 나타냈다. (b)는 7 및 14일째에 세포의 대표적인 SEM 이미지이다.
도 7은 DNA 함량으로 정상화 시킨 후 나타낸 7 및 14일째의 세포의 ALP 활성 측정 결과이다. 유의성 있는 차이는 각 기간에서 그룹(*P<0.05) 사이 및 각 그룹에서 기간(*P<0.05) 사이에 나타났다.
도 8은 ARS 염색으로 확인된 세포의 미네랄화 거동 측정 결과이다. (a)는 ARS 염색된 시료(위) 및 0%-자성 나노입자 및 3%-자성 나노입자 스캐폴드에 대한 다른 배양기간에서 용해시킨 용액(아래)을 보여주는 이미지이다. (b)는 광학적 밀도로 평가된 칼슘 함량 측정 결과이고, (c)는 21일째에 세포 칼슘화의 모습을 보여주는 SEM 세포 이미지(3%-자성 나노입자 스캐폴드)이다. 유의성 있는 차이는 21일째에 그룹(*P<0.05) 사이에 나타났다.
Figure 1 shows (a) the SEM morphology of a bioactive gelatin / siloxane hybrid scaffold with magnetic nanoparticles at various concentrations (1, 2 and 3%), (b) a 3% IR spectrum of the scaffold showing the TEM image of the fold, (c) the XRD pattern of the scaffold (the appended table is the magnetite peak), and (d) the chemical bonding structure. The spectra of magnetic nanoparticles are also shown for comparison.
2 shows the result of measuring the magnetic characteristics of the hybrid scaffold. (b), (c), (d) and (d) show the result of measurement of the magnetization behavior by the SQUID in the range of small and large magnetic fields, ).
(C) the degree of swelling of the hybrid scaffold at 4 hours after immersion in distilled water; (d) a maximum of 28 days of water uptake by the hybrid scaffold; This is the result of measuring the decomposition behavior of the hybrid scaffold in PBS.
4 shows the result of measuring the mechanical properties of the hybrid scaffold. (a) is the recorded strain versus time applying a constant static compressive load, and (b) is the strain identified at 300 seconds. (c) is the dynamic modulus of elasticity of the scaffold, (c) is the storage elastic modulus E ', (d) is the loss modulus E' ) Is the tangent delta (δ) measurement result.
Figure 5 is the in vitro ability of the hybrid scaffold to form in vitro membranes immersed in 1.5x SBF for different periods. (a) is the SEM image of the scaffold after 7 days of immersion, and (b) is the measurement result of the weight change relative to the immersion time. (c) is the XRD measurement result of the 3% -magnetic nanoparticle scaffold during the immersion, and (d) is the FT-IR measurement result of the 3% -magnetic nanoparticle scaffold during the immersion.
FIG. 6 shows the results of measurement of in vitro cell behavior in a hybrid scaffold. (a) is the result of cell proliferation measured by dsDNA quantification. Cell proliferation at 14 days was significantly higher than at 7 days for all groups (* P &lt; 0.05). Significant differences were compared between groups at day 14 (marked with 'a, b, c, d'sign; p <0.05). (b) are representative SEM images of cells on days 7 and 14.
FIG. 7 shows the results of measurement of ALP activity of cells on days 7 and 14 after normalization with DNA content. Significant differences were found between groups (* P <0.05) in each period and between periods (* P <0.05) in each group.
Figure 8 shows the results of measurement of the mineralization behavior of cells identified by ARS staining. (a) is an image showing an ARS stained sample (above) and a solution (below) dissolved in different incubation periods for 0% -magnetic nanoparticles and 3% -magnetic nanoparticle scaffolds. (b) is the result of calcium content measurement at the optical density, and (c) is the SEM cell image (3% - magnetic nanoparticle scaffold) showing the appearance of cell calciumation on the 21st day. Significant differences were noted between groups (* P <0.05) at 21 days.

이하,본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐,실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided to further understand the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

제조예Manufacturing example 1: 자성 나노입자의 제조 1: Preparation of magnetic nanoparticles

자성 나노입자는 이전에 보고된 방법(Singh RK et al., J Biomed Mater Res A., 2012, 100, 1734-1742)에 따라 제조하였다. 간략하게 설명하면, 먼저 1M HCl 중의 염화제1철 사수화물(FeCl2·4H2O)을 상온에서 염화제2철 육수화물(Fe2Cl2·6H2O)과 혼합하였다. 상기 혼합물을 격렬하게 교반하면서 200 mL의 1.5M NaOH 용액 중에 적가하였다. 그 다음, 생성된 침전물을 원심 분리 한 후 용액을 따라 내어 분리하였다. 모든 단계는 산화를 방지하기 위하여 질소 가스 하에서 수행하였다.
Magnetic nanoparticles were prepared according to the previously reported method (Singh RK et al., J Biomed Mater Res A., 2012, 100, 1734-1742). Briefly, first, ferrous chloride heptahydrate (FeCl 2 .4H 2 O) in 1M HCl was mixed with ferric chloride hexahydrate (Fe 2 Cl 2 .6H 2 O) at room temperature. The mixture was added dropwise to 200 mL of 1.5 M NaOH solution with vigorous stirring. Then, the resulting precipitate was centrifuged, and the solution was taken out and separated. All steps were carried out under nitrogen gas to prevent oxidation.

실시예Example 1:  One: 하이브리드hybrid 스캐폴드의Scaffold 제조 Produce

하이브리드 용액의 시약으로, 젤라틴(B 타입, bovine, Sigma), 3-(glycidoxypropyel)trimethoxysilane(GPTMS, 98%, Aldrich) 및 테트라메톡시실란(TMOS, Aldrich)을 사용하였다.Gelatin (B type, bovine, Sigma), 3- (glycidoxypropyl) trimethoxysilane (GPTMS, 98%, Aldrich) and tetramethoxysilane (TMOS, Aldrich) were used as the reagents of the hybrid solution.

젤라틴을 5 wt%의 농도로 물에 용해시켰다. 이와 별도로, 자성 나노입자를 1, 2, 및 3 wt/wt%의 다양한 농도로 증류수 중에 분산시켰다. 그 다음, 상기 자성 나노입자 수분산액을 각각 상기 젤라틴 용액에 첨가하고, 볼텍싱(vortexing) 및 초음파 처리하여 젤라틴 용액 중 자성 나노입자의 균질한 분산액을 얻었다. 이후, 3시간 동안 격렬하게 교반하면서 GPTMS와 TMOS를 젤라틴 대비 10 wt% 비율로 첨가하여 하이브리드 졸을 형성하였다. 20 μL의 1M HCl을 졸-겔 반응의 촉매로 사용하기 위하여 슬러리에 첨가하였다. 상기 혼합물은 겔화가 완전히 진행되도록 밤새 방치하였다.Gelatin was dissolved in water at a concentration of 5 wt%. Separately, magnetic nanoparticles were dispersed in distilled water at various concentrations of 1, 2, and 3 wt / wt%. Then, the magnetic nanoparticle water dispersion was added to the gelatin solution, vortexed and sonicated to obtain a homogeneous dispersion of the magnetic nanoparticles in the gelatin solution. Then, GPTMS and TMOS were added to the gelatin at a ratio of 10 wt% relative to the gelatin, while stirring vigorously for 3 hours to form a hybrid sol. 20 μL of 1M HCl was added to the slurry for use as a catalyst in the sol-gel reaction. The mixture was left overnight to allow the gelation to proceed fully.

상기 시료를 -20℃에서 3시간 동안 냉각하고, 24시간 동안 동결건조하여(Freeze-dryer, Ilshin lab Co., LTD) 슬러리의 물을 완전히 제거하고 다공성 스캐폴드를 완성하였다.
The sample was cooled at -20 占 폚 for 3 hours and lyophilized for 24 hours (Freeze-dryer, Ilshin Lab Co., LTD) to completely remove the water of the slurry to complete the porous scaffold.

실험예Experimental Example 1:  One: 스캐폴드의Scaffold 물리화학적 특성 분석 Physicochemical characterization

스캐폴드는 기공 모폴로지뿐 아니라 표면 모폴로지를 관찰하기 위해 금으로 코팅하여 SEM으로 분석하였다(SEM; JSM6330F, JEOL). 젤라틴 매트릭스 내 나노입자 분산은 투과전자현미경(TEM; JEOL-7100)을 통해 분석하였다. 시료의 다공성은 에탄올을 흡수한 양으로 측정하였다. 화학적 결합 구조는 푸리에 변환 간섭 현미경(FT-IR; Perkin-Elmer)을 이용하여 조사하였다. X-ray 회절은 결정학적인 상은 관찰하기 위해 수행하였다(XRD, Philips MRD CuKα, 40 kV, 20 mA).
The scaffold was coated with gold and analyzed by SEM (SEM; JSM6330F, JEOL) to observe surface morphology as well as pore morphology. The dispersion of nanoparticles in the gelatin matrix was analyzed by transmission electron microscopy (TEM; JEOL-7100). The porosity of the sample was measured by the absorbed amount of ethanol. The chemical bond structure was investigated using Fourier transform interferometry (FT-IR; Perkin-Elmer). X-ray diffraction was performed to observe the crystallographic image (XRD, Philips MRD CuK α , 40 kV, 20 mA).

다양한 자성 나노입자 함량을 포함한 하이브리드 스캐폴드의 전형적인 다공성 형태는 SEM을 통해 관찰하였다(도 1a). 모든 스캐폴드에서 상호 연결된 마이크로 다공 형태는 많이 보였고, 기공의 분산은 균일하였다. 젤라틴/실록산 매트릭스 안에 자성 나노입자의 분산은 TEM을 통해 확인하였다(도 1b). 스캐폴드(3%; 자성 나노입자의 가장 높은 함량)의 TEM 이미지는 매트릭스 안에 약 10 nm 크기의 나노입자 분산을 보여주었고, 분산된 나노입자는 전체적으로 균일하게 관찰되었다. 확대된 이미지는 나노입자(검은 점들)가 응집없이 대부분 분리되어 더 확실하게 보인다. 이는 젤라틴/실록산 용액 안에 자성 나노입자가 잘 분산되었고, 적어도 최대 3% 자성 나노입자의 하이브리드 스캐폴드까지는 자성 나노입자가 균일하게 분산되어 있음을 나타낸다. 사실상, 동결 건조된 다공성 스캐폴드는 자성 나노입자의 최대 3% 함량까지 비교적 마이크로 기공의 균일한 분산을 보였지만, 그 이상에서는 심각하게 방해되었다. 그러므로, 상기 자성 나노입자의 함량은 젤라틴/실록산-자성 나노입자의 나노합성 스캐폴드 생산에 최적 조건인 것으로 확인되었다. 제조된 자성 나노입자는 비교적 약한 표면전하 때문에 약한 정전기적 척력을 가지며, 따라서 표면을 균일한 분산을 위해 고분자 또는 실리카로 코팅해야 하지만, 젤라틴/실록산 하이브리드 용액에서, 코팅되지 않은 자성 나노입자는 안정적인 에멀전 상태로 관찰되었다. 이는 젤라틴 및/또는 실록산의 표면 상호작용 때문으로 보여진다. 바꾸어 말하면, 이러한 매질의 음전하 특성은 자성 나노입자의 전기적 척력을 증가시키는데 사용할 수 있다.
A typical porous form of a hybrid scaffold containing various magnetic nanoparticle contents was observed via SEM (Fig. 1A). In all scaffolds, the interconnected microporous morphologies were visible, and the pore dispersion was uniform. Dispersion of the magnetic nanoparticles in the gelatin / siloxane matrix was confirmed by TEM (FIG. 1B). The TEM image of the scaffold (3%; the highest content of magnetic nanoparticles) showed a dispersion of nanoparticles about 10 nm in size in the matrix, and the dispersed nanoparticles were uniformly observed throughout. The enlarged image shows that the nanoparticles (black dots) are mostly separated and more clearly visible without aggregation. This indicates that the magnetic nanoparticles are well dispersed in the gelatin / siloxane solution and that the magnetic nanoparticles are evenly dispersed to at least the hybrid scaffold of up to 3% of the magnetic nanoparticles. In fact, the lyophilized porous scaffold showed a uniform distribution of relatively micropores up to 3% content of magnetic nanoparticles, but was severely hampered beyond that. Therefore, it was confirmed that the content of the magnetic nanoparticles is an optimum condition for the production of nanosynthesis scaffold of gelatin / siloxane-magnetic nanoparticles. The prepared magnetic nanoparticles have a weak electrostatic repulsion due to their relatively weak surface charge and thus the surface must be coated with polymer or silica for uniform dispersion, but in the gelatin / siloxane hybrid solution, the uncoated magnetic nanoparticles have a stable emulsion Lt; / RTI &gt; This is believed to be due to the surface interaction of gelatin and / or siloxane. In other words, the negative charge characteristic of this medium can be used to increase the electrical repulsion of the magnetic nanoparticles.

XRD를 통해 분석된 바 같이 제조된 하이브리드 스캐폴드의 상은 첨가된 자성 나노입자의 특징적인 피크를 보여주었다(도 1c). FT-IR 스펙트럼은 자성 나노입자가 첨가된 하이브리드에서 젤라틴/실록산 하이브리드 밴드에 따라 자성 나노입자 밴드 (Fe-O at 560 내지 600 cm-1)를 보여주었다. 스캐폴드에서 나노입자의 양이 증가했기 때문에, 상기 피크의 강도 또한 증가하였다. 젤라틴과 연관된 밴드의 3가지 주요 피크는 분명하게 관찰되었다; 상기 주요 피크는 1250 cm-1에서 아미드 III에 대한 C-N 스트레칭 모드, 1690 cm-1에서 아미드 I에 대한 C=O 스트레칭 및 1560 cm-1에서 아미드 II의 N-H 변형. 가수분해 및 중축합 반응 때문에 우선적으로 발생된 실록산과 연관된 밴드는 또한 1093 cm-1에서 Si-O-Si 비대칭 스트레칭 진동, 798 cm-1에서 Si-O-Si 대칭 스트레칭, 962 cm-1에서 Si-OH 스트레칭 및 3400 cm-1에서 OH 스트레칭 진동을 포함한다. 그 결과, 자성 나노입자가 혼입된 젤라틴/실록산 스캐폴드는 실록산이 유도된 유무기 하이브리드의 전형적인 형태로 제조되었음을 알 수 있다.
The image of the hybrid scaffold prepared as analyzed by XRD showed characteristic peaks of the added magnetic nanoparticles (FIG. 1C). The FT-IR spectrum showed a magnetic nanoparticle band (Fe-O at 560 to 600 cm -1 ) in the gelatin / siloxane hybrid band in the hybrid to which the magnetic nanoparticles were added. Since the amount of nanoparticles in the scaffold was increased, the intensity of the peak also increased. The three major peaks of the band associated with gelatin were clearly observed; The main peak is CN stretching mode for amide III at 1250 cm -1 , C═O stretching for amide I at 1690 cm -1 and NH strain for amide II at 1560 cm -1 . The hydrolysis and polycondensation of siloxane and associated band primarily due to the reaction also Si-O-Si Si-O -Si symmetric stretch in the asymmetric stretching vibration, 798 cm -1 at 1093 cm -1, Si at 962 cm -1 -OH stretching and OH stretching vibrations at 3400 cm &lt; -1 &gt;. As a result, it can be seen that the gelatin / siloxane scaffold incorporating the magnetic nanoparticles was prepared in a typical form of a siloxane-induced organic / inorganic hybrid.

실험예Experimental Example 2:  2: 스캐폴드의Scaffold 자기적 특성 분석 Magnetic characterization

하이브리드 스캐폴드의 초기 자기적 반응은 자석을 임의의 거리에 위치 시켰을 때, 스캐폴드가 끌려오는 최소 거리를 측정하여 확인하였다. 스캐폴드의 자기적 특성은 초전도 양자 간섭계(superconducting quantum interference device, SQUID; Quantum Design MPMS-XL7)을 이용하여 실온에서 자기장 하에 연구되었다. 시료의 자기적 특성은 포화 자화 및 이력곡선 영역에 관하여 평가되었다. 각 조건에 대해 3개의 시료를 사용하였다(n=3).
The initial magnetic response of the hybrid scaffold was determined by measuring the minimum distance the scaffold was drawn when the magnet was positioned at a certain distance. The magnetic properties of the scaffold were studied under a magnetic field at room temperature using a superconducting quantum interference device (SQUID; Quantum Design MPMS-XL7). The magnetic properties of the samples were evaluated in terms of saturation magnetization and hysteresis curve regions. Three samples were used for each condition (n = 3).

제조된 하이브리드 스캐폴드의 자기적 특성을 확인한 결과, 스캐폴드는 외부 정적 자기장에 민감해진 것으로 보였다. 이것은 자석이 스캐폴드와 붙을 수 있는 최소한의 거리를 측정함으로 설명되었다(도 2a). 자성 나노입자 함량이 증가함에 따라 선형적으로 증가된 거리는 0.5% 자성 나노입자에 대해 0.2 cm에서 4% 자성 나노입자에 대해 1 cm로 증가하였다. 이는 자기적 특성이 자성 나노입자의 함량에 따라 바뀔 수 있음을 나타낸다. 스캐폴드의 자화는 SQUID 자기측정을 수행하여 더 자세하게 확인하였다. 도 2b 및 2c는 각 큰 범위(-20 kOe 내지 +20 kOe) 및 작은 범위(-100 Oe 내지 +100 kOe)에서 적용된 자기장에 관한 자화를 보여준다. 순수 젤라틴/실록산 스캐폴드가 거의 자화를 보여주지 않은 반면, 젤라틴/실록산-자성 나노입자 스캐폴드는 빠르게 포화된 작은 자기장에 의한 자화에 있어 급격한 증가를 보여주었고, 상기 거동은 거의 에너지 손실 없이 극도로 가역적이었다. 상기 자화 거동은 순수 자성 나노입자에서 일반적으로 일어나는, 즉 초상자기성 거동이였다. 자성 스캐폴드의 포화 자화는 자성 나노입자의 ?t량이 증가될수록 1% 자성 나노입자에 대해 0.24 emu/g에서 3% 자성 나노입자에 대해 0.64 emu/g로 증가하였다(도 2d). 스캐폴드의 포화 자화값은 순수 자성 나노입자의 값에 비해 매우 작았으나(70 emu/g), 이러한 자화 수준은 본 발명의 스캐폴드가 자기력으로 유도된 열을 발생시키고 자기력으로 유도된 골 세포 자극을 통한 골 조직 복구를 자극함으로써 골 암 치료와 같은 치료용 스캐폴드로 사용하는데 효율적일 수 있는 수준이었다.
As a result of checking the magnetic properties of the hybrid scaffolds produced, the scaffolds seemed to be sensitive to external static magnetic fields. This was explained by measuring the minimum distance the magnet can stick to the scaffold (Fig. 2a). As the magnetic nanoparticle content increased, the linearly increased distance increased from 0.2 cm for 0.5% magnetic nanoparticles to 1 cm for 4% magnetic nanoparticles. This indicates that the magnetic properties can be changed depending on the content of the magnetic nanoparticles. The magnetization of the scaffold was confirmed in more detail by performing SQUID magnetometry. Figures 2b and 2c show the magnetization for the applied magnetic field in each large range (-20 kOe to +20 kOe) and in the small range (-100 Oe to +100 kOe). While the pure gelatin / siloxane scaffold showed little magnetization, the gelatin / siloxane-magnetic nanoparticle scaffold showed a sharp increase in magnetization due to the rapidly saturated small magnetic field, and the behavior was extremely low It was reversible. The magnetization behavior is generally a superficial magnetism behavior that occurs in pure magnetic nanoparticles. The saturation magnetization of the magnetic scaffold increased from 0.24 emu / g for 1% magnetic nanoparticles to 0.64 emu / g for 3% magnetic nanoparticles as the amount of magnetic nanoparticles increased (FIG. 2d). The saturation magnetization value of the scaffold was very small (70 emu / g) compared to the value of the pure magnetic nanoparticles, but this magnetization level indicates that the scaffold of the present invention generates magnetically induced heat, To be effective for use as a therapeutic scaffold such as bone cancer treatment.

실험예Experimental Example 3:  3: 스캐폴드의Scaffold 물 흡수 및 분해 분석 Water absorption and decomposition analysis

물 흡수 실험은 스캐폴드를 멸균수에 침수시키고 1, 3, 6, 12 및 24시간 동안 무게 변화를 측정하여 수행하였다. 물 흡수 퍼센트는 하기 식을 사용하여 계산하였다.
Water absorption experiments were performed by submerging the scaffolds in sterile water and measuring weight changes for 1, 3, 6, 12 and 24 hours. The percent water uptake was calculated using the following equation.

ΔWu (%) = ((Ws-Wo)/Wo) x 100,
? W u (%) = ((W s -W o ) / W o ) x 100,

Wini 및 Wupt는 각 물 흡수 실험 전 및 후의 시료 무게이다. 각 조건에서 3개의 시료를 사용하였다(n=3). 스캐폴드의 분해는 37℃에서 인산완충식염수(PBS)에 최대 28일 동안 두어 분석하였다. 각각의 시간 간격에, 시료를 밤새 동결건조 시켜, 무게 변화를 기록하였다. 분해 퍼센트는 하기 식을 사용하여 계산하였다.
W ini and W upt are sample weights before and after each water absorption experiment. Three samples were used under each condition (n = 3). Decomposition of the scaffold was performed in phosphate buffered saline (PBS) at 37 ° C for up to 28 days. At each time interval, the samples were lyophilized overnight and weight changes recorded. Percent decomposition was calculated using the following equation.

ΔWd (%) = ((Wini-Wdeg)/Wini) x 100,
? W d (%) = (W ini - W deg ) / W ini ) x 100,

Wini 및 Wdeg는 각 분해 전 및 후에 기록된 값이다. 각 조건에 대해 3개의 시료를 사용하였다(n=3).
W ini and W deg are the values recorded before and after each decomposition. Three samples were used for each condition (n = 3).

자성 하이브리드 스캐폴드가 조직 복구 목적으로 사용되기 위해서 물의 흡수, 팽윤 및 분해를 포함하는 물과 관련된 특성은 특별히 중요하다. 스캐폴드의 물과 관련된 특성을 평가하기 앞서 우선 에탄올 흡수 방법을 통해 다공성 수준을 평가하였다. 에탄올 흡수(부피%)는 스캐폴드의 다공 정도를 나타낸다. 모든 스캐폴드는 대략 84 내지 85 %의 비슷한 수준을 보였고, 이는 모든 스캐폴드의 다공성 수준이 비슷한 것을 나타낸다(도 3a). 그 다음 스캐폴드의 물 흡수 능력을 관찰하였다(도 3b). 모든 스캐폴드에서 물 흡수는 1시간 내로 빠르게 일어나고 그 이후로는 천천히 증가하였다. 물 흡수율은 자성 나노입자 함량이 증가함에 따라 0% 자성 나노입자에 대해 약 350%에서 3% 자성 나노입자에 대해 약 550%로 증가하였다. 물에서 스캐폴드의 팽윤 정도는 또한 자성 나노입자 함량이 증가함에 따라 0% 자성 나노입자에 대해 약 11%에서 3% 자성 나노입자에 대해 약 17%로 증가하였다. 이는 자성 나노입자가 첨가된 스캐폴드가 물에서 더 큰 부피를 갖는 것을 나타낸다. 그러므로 자성 나노입자가 첨가된 스캐폴드의 높은 물 흡수 능력은 스캐폴드의 다공율이 비슷한 범위에 있지만 스캐폴드의 부피가 증가했기 때문이다. 즉, 젤라틴/실록산 하이브리드에 분산된 자성 나노입자가 매트릭스의 크기 확장에 기여한다는 것을 알 수 있다. 침지된 자성 나노입자는 이들의 높은 친수성 및 음전하 특성 때문에 물 분자를 쉽게 흡수할 수 있고, 자성 나노입자-자성 나노입자 및/또는 자성 나노입자-매트릭스 분자 사이에 정전기적 척력을 증가시키는 결과를 일으킬 수 있다.
In order for the magnetic hybrid scaffold to be used for tissue restoration purposes, water-related properties, including absorption, swelling and degradation of water, are particularly important. Prior to evaluating the water-related properties of the scaffold, the level of porosity was first assessed by the ethanol absorption method. The ethanol uptake (volume%) represents the degree of porosity of the scaffold. All scaffolds showed similar levels of approximately 84-85%, indicating that the level of porosity of all scaffolds is similar (Fig. 3a). The water absorption capacity of the scaffold was then observed (Figure 3b). In all scaffolds, water uptake quickly occurred within one hour and then slowly increased. Water uptake increased from about 350% for 0% magnetic nanoparticles to about 550% for 3% magnetic nanoparticles as the magnetic nanoparticle content increased. The degree of swelling of the scaffold in water also increased from about 11% for 0% magnetic nanoparticles to about 17% for 3% magnetic nanoparticles as the magnetic nanoparticle content increased. This indicates that the scaffold to which the magnetic nanoparticles are added has a larger volume in water. Therefore, the high water absorption capacity of scaffolds with magnetic nanoparticles added is due to the increased scaffold volume, although the porosity of the scaffold is in a similar range. That is, it can be seen that the magnetic nanoparticles dispersed in the gelatin / siloxane hybrid contribute to the expansion of the matrix. The immersed magnetic nanoparticles can easily absorb water molecules due to their high hydrophilicity and negative charge properties and cause the resultant increase in electrostatic repulsion between the magnetic nanoparticles-magnetic nanoparticles and / or magnetic nanoparticle-matrix molecules .

스캐폴드의 분해 거동은 팽윤 및 물 흡수 특성에 따라 확인하였다(도 3c). PBS에서 스캐폴드의 분해는 시간에 따라 증가하였고, 7일에 5 내지 15%에서 28일에 35 내지 55%로 증가하였다. 게다가, 자성 나노입자의 첨가는 분해를 증가시키지 않았으나, 자성 나노입자를 첨가하지 않은 스캐폴드는 가장 높은 분해를 보였다(0%>2% 및 3%>0%). 일반적으로 증가된 팽윤 및 물 ?g수는 분해의 가속을 이끄는 것으로 나타난다. 그러나, 본 발명의 자성 나노입자가 첨가된 스캐폴드는 분해가 감소되는 것으로 나타났다. 따라서, 비록 자성 나노입자가 매우 많은 양의 물 분자를 흡수하는 역할을 하고 크기 변화를 증가시키더라도, 하이브리드 네트워크는 가수 분해에 의한 붕괴 없이 안정하게 유지될 것이다.
The decomposition behavior of the scaffold was confirmed by swelling and water absorption characteristics (FIG. 3C). The degradation of the scaffold in PBS increased with time and increased from 5 to 15% at 7 days to 35 to 55% at 28 days. In addition, addition of magnetic nanoparticles did not increase degradation, but scaffolds without added magnetic nanoparticles showed the highest degradation (0%> 2% and 3%> 0%). In general, increased swelling and water-gauge appear to lead to accelerated decomposition. However, the scaffold to which the magnetic nanoparticles of the present invention are added showed a decrease in decomposition. Thus, even though magnetic nanoparticles serve to absorb very large amounts of water molecules and increase size variation, the hybrid network will remain stable without collapse due to hydrolysis.

실험예Experimental Example 4:  4: 스캐폴드의Scaffold 기계적 특성 분석 Mechanical Characterization

스캐폴드의 기계적 특성은 우선 젖은 상태의 스캐폴드에서 정적 응력(static stress) 측정을 통하여 분석하였다. 압축 부하를 원통형 시료 (12 mm 직경 X 6 mm 두께)에 가하였다. 변형에 저항하는 능력을 시간에 따라 기록하였다. 각 측정은 4개의 시료에서 측정하였고 얻어진 값에서 평균을 구하였다 (n=4).
The mechanical properties of the scaffold were first analyzed by measuring the static stress at the wetted scaffold. The compressive load was applied to a cylindrical sample (12 mm diameter x 6 mm thickness). The ability to resist deformation was recorded over time. Each measurement was taken on four samples and averaged over the obtained values (n = 4).

스캐폴드의 동적 기계적 분석(DMA; MetraVib, DMA25N)은 평행한 플레이트 조건에서 수행하였다. 기계적인 분광분석법은 점탄성의 선형 범위 안에 있는 5%의 스트레인(strain) 진폭으로 37℃에서 0.1 내지 10 Hz의 주파수 범위로 동적 주파수 스윕(sweep)하여 수행하였다. 자동-텐션(auto-tension) 및 자동-스트레인(auto-strain)을 사용하였다. 힘은 0.001 내지 0.2 N 범위로 경사되었고, 최대 허용 스트레인은 10%로 설정하였다. 시료의 저장 탄성계수(E') 및 손실 탄성계수(E'')를 측정하였다. 탄젠트 델타는 E''/E'의 비율로 계산하였다.
Dynamic mechanical analysis of the scaffold (DMA; MetraVib, DMA25N) was performed under parallel plate conditions. Mechanical spectroscopy was performed by dynamic frequency sweeping at a frequency range of 0.1 to 10 Hz at 37 DEG C with a strain amplitude of 5% in a linear range of viscoelasticity. We used auto-tension and auto-strain. The force was inclined in the range of 0.001 to 0.2 N, and the maximum allowable strain was set at 10%. The storage elastic modulus (E ') and the loss elastic modulus (E'') of the sample were measured. The tangent delta was calculated as the ratio of E '' / E '.

정적 압축 실험에서 하이브리드 스캐폴드의 스트레인은 초기에 빠르게 증가하여 거의 안정 상태를 유지하였다. 자성 나노입자 함량의 증가는 스캐폴드의 스트레인을 감소시켰고, 일정하게 적용된 힘 하에 변형에 대한 높은 저항을 나타내었다(도 4a 및 b). 스트레인은 자성 나노입자가 없는 스캐폴드와 비교하여 3%의 자성 나노입자를 첨가한 스캐폴드에서 5배만큼 감소하였다.
In the static compression test, the strain of the hybrid scaffold rapidly increased initially and remained almost stable. The increase in magnetic nanoparticle content reduced the strain of the scaffold and showed a high resistance to deformation under constant applied force (Figures 4a and b). The strain was reduced by 5-fold in the scaffold with 3% magnetic nanoparticles compared to the scaffold without magnetic nanoparticles.

다음, 다양한 주파수로 일정한 스트레인 하에 스캐폴드의 동적 기계적인 거동을 관찰하고 점탄성 특성은 저장 탄성계수 (E') 및 손실 탄성계수 (E'')를 포함하는 탄성계수 값을 이용하여 나타내었다. 그 결과, 스캐폴드의 탄성부분으로 여겨지는 저장 탄성계수는 자성 나노입자 함량이 증가함에 따라 100 kPa (0% 자성 나노입자)에서 450 kPa (3% 자성 나노입자)로 유의성 있게 더 높은 값을 보여주었다(도 4c). 스캐폴드의 점성 부분으로 여겨지는 손실 탄성계수 값은 또한 자성 나노입자 함량이 증가함에 따라 유의성있게 더 커졌다(0% 자성 나노입자에 대해 60 kPa에서 3% 자성 나노입자에 대해 150 kPa)(도 4d). 두 탄성계수의 평균 값은 도 4e에 나타내었다. 모든 조성물에서, E'값은 E''값보다 높게 나왔고, E' 증가는 자성 나노입자 첨가된 스캐폴드에서 더 주목할 만 하였다. E''/E'로부터 결정되고 댐핑(damping) 요소 또는 손실 파라미터로 정의되는 탄젠트 델타(Tan delta)를 도 4f에 나타내었으며, 도 4f를 통해 자성 나노입자 함량이 증가함에 따라 탄젠트 델타 값이 상당히 감소됨을 알 수 있다. 동적 기계적인 분석 결과는 자성 나노입자 첨가가 하이브리드 스캐폴드의 저장 탄성계수를 상당히 향상시키므로 더 탄성을 갖도록 하고 댐핑 또한 줄일 수 있게 함을 나타내었다. 하이브리드 스캐폴드 내 자성 나노입자의 첨가는 정적 및 동적 기계적인 데이터에서 볼 수 있듯이 동적 부하 조건 및 압축 부하에 저항하여 변형에 대한 저항에서 탄성 거동과 같은 기계적 특성을 크게 향상시켰다. 이러한 특성은 자성 하이브리드 스캐폴드의 단단한 조직 복구에 대한 적용에 효율적일 것이다.
Next, the dynamic mechanical behavior of the scaffold was observed under a constant strain at various frequencies, and the viscoelastic properties were expressed using the elastic modulus values including the storage elastic modulus (E ') and the loss elastic modulus (E''). As a result, the storage elastic modulus considered as the elastic part of the scaffold is significantly higher at 100 kPa (0% magnetic nanoparticles) to 450 kPa (3% magnetic nanoparticles) as the magnetic nanoparticle content increases (Fig. 4C). The loss modulus values considered as the viscous portion of the scaffold were also significantly greater with increasing magnetic nanoparticle content (150 kPa for 3% magnetic nanoparticles at 60 kPa for 0% magnetic nanoparticles) (Figure 4d ). The average values of the two elastic moduli are shown in FIG. 4E. In all compositions, the E 'value was higher than the E''value, and the E' increase was more noticeable in the magnetic nanoparticle added scaffolds. The tan delta determined from E '' / E 'and defined by the damping factor or loss parameter is shown in FIG. 4f, and as the magnetic nanoparticle content increases, the tangent delta . The dynamic mechanical analysis results show that the addition of magnetic nanoparticles significantly improves the storage elastic modulus of the hybrid scaffold, making it more elastic and reducing damping. The addition of magnetic nanoparticles in hybrid scaffolds greatly enhanced the mechanical properties such as elastic behavior in resistance to deformation by resisting dynamic loading conditions and compressive loading, as can be seen from static and dynamic mechanical data. This property will be effective for application to hard tissue repair of magnetic hybrid scaffolds.

실험예Experimental Example 5:  5: 스캐폴드의Scaffold 생물학적 특성 분석 Biological characterization

시험관내In vitro 인회석 형성 능력 Ability to form apatite

시험관내 스캐폴드의 인회석 형성 능력은 하이브리드 스캐폴드의 무세포 골-생체활성을 평가하기 위해 분석되었다. 시료는 일반적으로 인회석 형성 반응을 가속화 시키기 위해 사용하는 1.5배의 자극된 체액 (1.5X SBF)에 침지시키고, 37℃에서 최대 14일의 다양한 시간 간격 동안 관찰하였다. 각 시간 간격에서, 시료를 꺼내어, 조심스럽게 멸균수로 여러 번 세척하고, 동결 건조하였다. 침지 동안 스캐폴드의 무게 변화를 기록하고, 인회석 형성은 SEM, XRD 및 FT-IR로 관찰하였다.
The ability of the in vitro scaffold to form apatite was analyzed to assess the acellular bone-bioactivity of the hybrid scaffold. Samples were immersed in 1.5-fold stimulated bodily fluids (1.5X SBF), which is generally used to accelerate the apatite formation reaction, and observed at various time intervals of up to 14 days at 37 ° C. At each time interval, the sample was taken out, carefully washed several times with sterile water, and lyophilized. The change in weight of the scaffold during the immersion was recorded, and apatite formation was observed with SEM, XRD and FT-IR.

자성 하이브리드 스캐폴드의 생체 활성은 우선 SBF에서 인회석 형성 능력 분석을 통해 확인하였다. 이 방법은 골을 위해 개발되는 생체 물질의 무세포 골-생체활성을 평가하는데 널리 사용되어 왔다. 본 발명에서 1.5X SBF는 인회석 형성 반응을 가속화하기 위해 그리고 관찰 기간을 단축시키기 위해 사용되었다. 다양한 조성의 스캐폴드를 SBF에 7일 동안 침지 시킨 후의 SEM 이미지를 대표적인 이미지로 도 5a에 나타내었다. 모든 스캐폴드에서 전체 표면에 상당한 미네랄화가 나타났고 큰 인회석 결정체 층으로 전체를 덮고 있었다. 결정 성장은 자성 나노입자가 없는 스캐폴드 및 3% 자성 나노입자를 첨가한 스캐폴드보다 1% 자성 나노입자를 첨가한 스캐폴드 및 2% 자성 나노입자를 첨가한 스캐폴드에서 더 큰 결정 콜로니(colony)를 보여주는 등, 더 뚜렷하게 나타났다. 이는 1% 및 2% 자성 나노입자보다 더 높은 밀도로 분산된 3% 자성 나노입자가 매트릭스에서 더 많은 핵 생성 구역을 제공하고 더 작은 결정 크기를 갖기 때문에 하이브리드 매트릭스 안에 분산된 자성 나노입자가 인회석의 핵생성에 중요한 역할을 했을 것으로 추론할 수 있다. 스캐폴드의 무게는 결정 형성 때문에 침지시간 대비 증가하였다(도 5b). 무게는 거의 선형적으로 시간에 따라 증가하였고, 초기 1일의 무게 증가는 약 10%에서 14일 후에 약 60%가 되었다. 게다가, 무게 증가 정도는 다른 것들과 비교하였을 때 더 높은 무게를 보인 3% 자성 나노입자가 첨가된 스캐폴드를 제외하고는 모든 스캐폴드가 비슷하였다. 사실상, 젤라틴/실록산 하이브리드 조성물은 우수한 인회석 형성 능력을 보였다. 또한, 자성 나노입자의 첨가가 인회석 형성 거동에 영향을 주는 것으로 나타났다. 최소한의 자성 나노입자 첨가는 인회석 형성 능력을 유지시키고 많은 양(3%)를 첨가하였을 때, 인회석 결정에 대한 새로운 핵 생성 구역을 제공함으로써 그 능력을 증가시키기도 한다. 미네랄화된 시료(대표적인 시료로서 보여준 3% 자성 나노입자)는 추가적으로 XRD를 통해 분석되었고(도 5c), 인회석의 주요 피크를 나타내는 2θ ~ 32°에서 뚜렷한 피크를 보였다. SBF 침지 동안 스캐폴드의 FT-IR 스펙트럼은 인회석과 관련된 화학적 밴드(인산 밴드)의 형성을 보였다. SBF 실험을 기초로, 자성 나노입자가 첨가된 하이브리드 밴드는 훌륭한 인회석 형성 능력을 갖는 것을 증명하였고, 따라서 골 재생 스캐폴드로서 사용하기 위한 효율적인 골 생체활성을 갖는다.
The bioactivity of the magnetic hybrid scaffold was first confirmed by analysis of apatite formation ability in SBF. This method has been widely used to evaluate the acellular bone-bioactivity of biomaterials developed for bone. In the present invention, 1.5X SBF was used to accelerate the apatite formation reaction and shorten the observation period. SEM images after immersing the scaffolds of various compositions in the SBF for 7 days are shown in FIG. 5A as representative images. In all scaffolds, significant mineralization appeared throughout the entire surface and covered the whole with a large apatite crystal layer. Crystal growth was observed in scaffolds with 1% magnetic nanoparticles added and scaffolds with 2% magnetic nanoparticles added to scaffolds without magnetic nanoparticles and scaffolds with 3% magnetic nanoparticles added, ), And so on. This is because the 3% magnetic nanoparticles dispersed at higher densities than the 1% and 2% magnetic nanoparticles provide more nucleation zones in the matrix and have a smaller crystal size, so that the magnetic nanoparticles dispersed in the hybrid matrix are not It can be deduced that it played an important role in nucleation. The weight of the scaffold increased relative to the immersion time due to crystal formation (Fig. 5B). The weight increased almost linearly with time, and the weight gain of the first day was about 60% after 14 days from about 10%. In addition, the weight gain was similar for all scaffolds except for scaffolds with 3% magnetic nanoparticles added at higher weights compared to others. In fact, the gelatin / siloxane hybrid composition showed excellent ability to form apatite. Also, the addition of magnetic nanoparticles affects the behavior of apatite formation. Minimal magnetic nanoparticle additions increase their ability to maintain apatite formation capacity and provide a new nucleation zone for apatite crystals when large amounts (3%) are added. The mineralized sample (3% magnetic nanoparticle as a representative sample) was further analyzed by XRD (Figure 5c) and showed a distinct peak at 2? ~ 32 ° representing the main peak of apatite. The FT-IR spectrum of the scaffold during SBF immersion showed the formation of a chemical band (phosphate band) associated with apatite. Based on the SBF experiments, the hybrid bands with magnetic nanoparticles have proven to have good apatite formation capabilities and thus have efficient bone bioactivity for use as bone regeneration scaffolds.

세포 증식 평가Cell proliferation assessment

렛의 골수에서 유래한 중간엽 줄기세포(rMSC)는 단국 대학교 동물 윤리 위원회에 의해 승인된 가이드라인을 따라 성인 렛(180 내지 200 g)의 대퇴골 및 경골로부터 수집하였다. 수집물은 원심분리 후, 상층액을 모아 10% 소태아혈청(FBS), 100 U/ml 페니실린, 100 mg/ml 스트렙토마이신으로 보충된 α-최소필수배지(α-MEM)의 정상 배양 배지를 포함하는 배양 플라스크 내의 37℃, 5% CO2의 습한 대기 하에 현탁시켰다. 1일 동안 인큐베이션시킨 후, 배지를 새로 바꿔주고 세포가 거의 합류에 이를 때까지 배양했다. 정상 배양 조건에서 계대 및 유지 후에 2-3 계대(passage)의 세포를 이후의 시험에 사용하였다.
Mesenchymal stem cells (rMSCs) derived from Brett's bone marrow were collected from the femur and tibia of Adret (180-200 g) following guidelines approved by the Dankook University Animal Ethics Committee. After centrifugation, the supernatant was collected and cultured on a normal culture medium of α-minimal essential medium (α-MEM) supplemented with 10% fetal calf serum (FBS), 100 U / ml penicillin, 100 mg / ml streptomycin 0.0 &gt; 37 C &lt; / RTI &gt; in a 5% CO 2 humidified atmosphere. After incubation for 1 day, the medium was replaced and cultured until the cells were almost confluent. Cells in 2-3 passages after passage and maintenance in normal culture conditions were used for further testing.

세포 실험을 위해 스캐폴드는 12 mm 직경 X 6 mm 두께의 크기로 준비하였고, 70% 에탄올에 밤새 담금으로써 멸균시켰고, PBS로 3번 세척한 후 시료를 24-웰 플레이트에 넣었다.
For cell experiments, scaffolds were prepared in 12 mm diameter x 6 mm thickness, sterilized overnight in 70% ethanol, washed three times with PBS, and then placed in 24-well plates.

세포 증식은 이중 염색된 DNA 분석 키트로 7 및 14일에서 평가되었다. 이를 위해, 세포가 배양된 시료는 PBS로 2번 세척하였고, 세포의 용해를 위해 얼리고 녹이는 과정을 2번 반복하여 처리하였다. 세포 용해물은 세포 잔해물을 제거하기 위해 10분 동안 1500 rpm에서 원심분리하였다. DNA의 정량은 마이크로플레이트 리더기(Power WaveX, Bio-Tek Instruments, USA; 490 nm)에서 상업적인 dsDNA 키트(Roche, Germany)를 이용하여 분광학적으로 확인하였다. 세포의 수를 나타내기 위해 세포의 감소하는 농도로 표준곡선을 만들었다. 실험은 3번 반복하여 수행하였다.
Cell proliferation was assessed at 7 and 14 days with a double-stained DNA assay kit. For this purpose, the cells were washed twice with PBS, and the cells were frozen and thawed twice for dissolution. Cell lysates were centrifuged at 1500 rpm for 10 min to remove cellular debris. Quantification of DNA was spectroscopically confirmed using a commercial dsDNA kit (Roche, Germany) in a microplate reader (Power WaveX, Bio-Tek Instruments, USA; 490 nm). A standard curve was made at a decreasing concentration of cells to indicate the number of cells. The experiment was repeated three times.

세포 형태는 또한 SEM을 통해 각 배양 기간 (7, 14 및 21일)에서 관찰하였다. SEM을 위해 준비한 시료는 우선 7.4 pH의 0.1M 인산완충식염수로 세척하고, PBS 중 2.5% 글루타르알데히드(glutaraldehyde, Sigma-Aldrich G400-4)로 고정하였다. 그 후, 다시 세척하여, 0.1M 인산완충식염수에 유지시켰다. 다양한 농도의 에탄올 용액 (50, 70, 90, 96 및 100% 에탄올)은 시료를 탈수시키기 위해 사용하였다. 마지막으로, 헥사메틸디실라젠(hexamethyldisilazane, HDMS, Fluka 52620)은 완전한 탈수를 위해 사용하였다. 백금은 전자 관찰을 위해 코팅하는데 사용하였다.
Cell morphology was also observed via SEM at each culture period (7, 14 and 21 days). Samples prepared for SEM were first washed with 0.1 M phosphate buffered saline at pH 7.4 and fixed with 2.5% glutaraldehyde (Sigma-Aldrich G400-4) in PBS. It was then washed again and kept in 0.1 M phosphate buffered saline. Various concentrations of ethanol solutions (50, 70, 90, 96 and 100% ethanol) were used to dehydrate the samples. Finally, hexamethyldisilazane (HDMS, Fluka 52620) was used for complete dehydration. Platinum was used for coating for electron microscopy.

본 발명의 일 실시예에서, 데이터는 평균 ± 표준편차로 나타내었고, 통계학적인 분석은 일원 분산 분석(ANOVA)에 이어 피셔(Fisher) 사후검사를 사용하여 수행하였다. 통계학적인 유의성은 p < 0.05에서 고려되었다.
In one embodiment of the invention, the data are presented as means ± standard deviation, and statistical analysis was performed using one-way analysis (ANOVA) followed by Fisher post-test. Statistical significance was considered at p <0.05.

rMSC는 배양된 후, 스캐폴드의 골 조직 공학에 대한 정보인, 골생성 분화가 증가하도록 줄기세포를 자극시키는 스캐폴드의 성능을 평가하기 위해 사용하였다. 세포 증식은 dsDNA 어세이를 통해 7 및 14일 배양 후 측정하였다(도 6a). 7일째에 스캐폴드에서 세포 증식은 크게 다르지 않았지만, 14일 후에는 상당한 차이가 있었다. 특히, 자성 나노입자가 첨가된 스캐폴드는 자성 나노입자가 없는 스캐폴드보다 높은 세포 증식을 보였다(2% 자성 나노입자 > 3% 자성 나노입자 > 1% 자성 나노입자 > 0% 자성 나노입자). 2% 자성 나노입자 스캐폴드는 0% 자성 나노입자 스캐폴드보다 거의 2배였다. SEM 이미지는 스캐폴드 상에서 직접 자란 세포의 형태를 보여주었다(도 6b). 하이브리드 스캐폴드에서, 세포는 밑에 있는 기질과 친밀히 접촉하여 활성적인 세포구조적 확장을 보였다. 자성 나노입자 스캐폴드 상의 세포는 수 많은 고도로 확장된 필로포디아(filophodia) 프로세스가 확장하면서 더 길어졌다. 이는 특히 14일째에 상당한 세포 증식을 나타낸 2% 자성 나노입자 및 3% 자성 나노입자 스캐폴드에서 더 확연히 나타났다. 따라서 하이브리드 스캐폴드 안에 자성 나노입자의 첨가는 세포 증식 및 세포가 골형성의 다음 과정으로 들어가는 실질적인 현상인 세포구조적 프로세스를 자극하였다. 따라서 자성 나노입자가 첨가된 합성 고분자 스캐폴드는 조골 세포 증식을 증가시켰다.
After the rMSCs were cultured, they were used to evaluate the performance of the scaffold to stimulate stem cells to increase osteogenic differentiation, which is information about bone tissue engineering of the scaffold. Cell proliferation was measured after 7 and 14 days of culture through a dsDNA assay (Fig. 6A). Cell proliferation on the scaffold at day 7 was not significantly different, but there was a significant difference after 14 days. In particular, scaffolds with magnetic nanoparticles showed higher cell proliferation than scaffolds without magnetic nanoparticles (2% magnetic nanoparticles> 3% magnetic nanoparticles> 1% magnetic nanoparticles> 0% magnetic nanoparticles). The 2% magnetic nanoparticle scaffold was almost twice as much as the 0% magnetic nanoparticle scaffold. The SEM image showed the morphology of the cells directly grown on the scaffold (Figure 6b). In the hybrid scaffold, the cells were in intimate contact with the underlying substrate and showed active cellular structural expansion. Cells on magnetic nanoparticle scaffolds became longer as many highly expanded filophodia processes expanded. This was especially evident in the 2% magnetic nanoparticles and the 3% magnetic nanoparticle scaffolds, which showed considerable cell proliferation at day 14. Thus, the addition of magnetic nanoparticles in the hybrid scaffold stimulated cellular structural processes, a substantial phenomenon that cell proliferation and cell entry into the next stage of bone formation. Therefore, synthetic polymer scaffolds containing magnetic nanoparticles increased osteoblast proliferation.

세포의 Cell 골형성Osteogenesis 분화 differentiation

세포의 알카리성 인산가수 분해효소(ALP) 활성은 초기 스테이지에서 골형성 분화의 마커로서 인식되기 때문에 이를 확인하여 세포의 골형성 분화에 대한 자성 나노입자의 첨가의 효과를 평가하였다. 세포 배양은 골형성 배지에서 7 및 14일 동안 유지 후, 시료는 PBS로 2번 세척하여 1 mL의 0.2% Triton® X-100를 처리하였다. 각 시료는 1.5 mL 튜브로 옮겨서 -20℃에서 1시간 동안 얼리고 4℃에서 30분 동안 녹였다. 다음 시료는 4℃에서 20분 동안 15,000 rpm으로 원심분리하였다. 마지막으로 용액은 ALP를 위해 분석하였다. 상층액을 새로운 1.5 mL 튜브에 옮긴 후 1.5 M 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(Sigma A58888), 1 mM MgCl2 및 20 mM p-니트로페닐인산(SigmaP4744)을 1:1:1 비율로 첨가하였다. 37℃에서 3시간 동안 인큐베이션 후, 100 μl의 1N NaOH를 첨가하여 상기 반응을 끝냈다. 광학밀도는 표준물질로서 p-니트로페놀을 사용하여 마이크로플레이트 리더기에서 405 nm로 측정하였다. 실험은 3번 반복하여 수행하였다.
The activity of alkaline phosphatase (ALP) in the cells was recognized as a marker of osteogenic differentiation in the early stage. Therefore, the effect of addition of magnetic nanoparticles to osteogenic differentiation of cells was evaluated. Cell cultures were maintained for 7 and 14 days in osteogenic medium, and the samples were washed twice with PBS and treated with 1 mL of 0.2% Triton® X-100. Each sample was transferred to a 1.5-mL tube, frozen at -20 ° C for 1 hour and dissolved at 4 ° C for 30 minutes. The following samples were centrifuged at 15,000 rpm for 20 minutes at 4 ° C. Finally, the solution was analyzed for ALP. Move the supernatant to a new tube 1.5 mL 1.5 M 2- amino-2-methyl-1-propanol (Sigma A58888), 1 mM MgCl 2 and 20 mM p- nitrophenyl phosphate (SigmaP4744) a 1: 1: 1 ratio Lt; / RTI &gt; After incubation at 37 [deg.] C for 3 hours, 100 [mu] l of 1N NaOH was added to complete the reaction. The optical density was measured at 405 nm in a microplate reader using p-nitrophenol as a standard. The experiment was repeated three times.

3% 자성 나노입자 스캐폴드를 자성 나노입자가 없는 스캐폴드와 비교하는 자성 스캐폴드에 대한 대표적 시료로서 실험한 결과, 7일 내지 14일 배양 동안 두 스캐폴드 모두 ALP 수준이 증가한 것으로 보였다 (도 7). 더 중요하게, 자성 나노입자가 없는 스캐폴드와 비교하여 3% 자성 나노입자 스캐폴드는 7일 및 14일에서 더 높은 ALP 수준을 보였고, 이는 자성 스캐폴드가 MSC의 골형성 분화를 위한 더욱 우수한 기질 조건을 제공함을 나타낸다.
Experiments with a representative sample of a magnetic scaffold comparing a 3% magnetic nanoparticle scaffold to a non-magnetic nanoparticle scaffold showed that both scaffolds had elevated ALP levels during 7 to 14 days of culture ). More importantly, the 3% magnetic nanoparticle scaffold showed higher ALP levels at 7 days and 14 days compared to scaffolds without magnetic nanoparticles, suggesting that magnetic scaffolds are a better substrate for osteogenic differentiation of MSCs Condition.

세포의 Cell 미네랄화Mineralization

하이브리드 스캐폴드에서 세포의 미네랄화는 Alizarin Red S(ARS) 염색(sigma Aldrich)를 사용하여 확인하였다. 세포는 PBS로 세척하였고, 10분 동안 4% 파라포름알데히드(paraformaldehyde, PFA)로 고정시켰다. 세척 후에 시료는 실온에서 멸균수 중 2% w/v ARS 용액(pH 4.1 - 4.3) 중에서 10분 동안 인큐베이션시켰다. 염색 용액을 제거하고, 스캐폴드는 멸균수로 완전히 세척하였다. 염색된 시료는 디지털카메라로 가시화하였다. 미네랄화의 정량을 위해, 시료는 2% w/v ARS 용액(pH 4.1 - 4.3) 중 10% w/v 세틸피리디늄클로라이드(cetylpyridinium chloride, CPC)에 1시간 동안 인큐베이션시켰고, 상기 반응물을 제거하여 마이크로플레이트 리더기에서 595 nm로 흡수파장을 측정하였다. 실험은 3번 반복하여 수행하였다.
Mineralization of cells in the hybrid scaffold was confirmed using Alizarin Red S (ARS) staining (Sigma Aldrich). Cells were washed with PBS and fixed with 4% paraformaldehyde (PFA) for 10 min. After washing, the samples were incubated in a 2% w / v ARS solution (pH 4.1 - 4.3) in sterile water at room temperature for 10 minutes. The staining solution was removed and the scaffold washed thoroughly with sterile water. The dyed samples were visualized with a digital camera. For quantification of mineralization, the samples were incubated in 10% w / v cetylpyridinium chloride (CPC) in 2% w / v ARS solution (pH 4.1 - 4.3) for 1 hour and the reaction was removed The absorption wavelength was measured at 595 nm in a microplate reader. The experiment was repeated three times.

미네랄화 과정은 충분하게 골 매트릭스 단백질이 분비된 후, 골형성의 마지막 과정으로 고려된다. 그렇기 때문에 세포에 의해 축적된 칼슘을 ARS 염색을 사용하여 정량하였다. 시료의 ARS 염색 및 염료를 용해시킨 용액은 자성 나노입자가 없는 스캐폴드보다 3% 자성 나노입자 스캐폴드에서 더 확연한 적색 시그널을 보여주었다(도 8a). 다양한 배양 기간 (7 내지 21 일)에서 측정된 정량화된 칼슘 함량은 두 스캐폴드에서 시간대비 모두 상당히 증가하였고, 모든 기간에서 자성 나노입자가 없는 스캐폴드보다 3% 자성 나노입자 스캐폴드가 더 많은 칼슘 함량을 보여주었다(도 8c). 일부 미네랄화된 덩어리(nodules)의 형성이 관찰되었고, 그 형태는 세포가 충분히 분화되고 석회화 되었을 때 쉽게 알아볼 수 있었다.
The mineralization process is considered to be the last step of bone formation after sufficient bone matrix protein secretion. Therefore, the calcium accumulated by the cells was quantified using ARS staining. The ARS staining of the sample and the solution in which the dye was dissolved showed a more pronounced red signal in the 3% magnetic nanoparticle scaffold than in the scaffold without magnetic nanoparticles (FIG. 8A). The quantified calcium content measured in the various incubation periods (7 to 21 days) was significantly increased over time in both scaffolds, and the 3% magnetic nanoparticle scaffold more calcium than the scaffold without magnetic nanoparticles in all periods (Fig. 8C). The formation of some mineralized nodules was observed, and the morphology was easily recognizable when the cells were fully differentiated and calcified.

Claims (10)

1) 자성 나노입자를 용매 중에 분산시키는 단계;
2) 상기 단계 1)의 자성 나노입자 분산액을 젤라틴 용액에 첨가하여 분산시키는 단계;
3) 상기 단계 2)의 분산액에 3-(글리시독시프로필)트리메톡시실란 및 테트라메톡시실란을 첨가하여 졸을 제조하는 단계;
4) 상기 단계 3)의 졸에 산성 용액을 첨가하여 겔화시키는 단계; 및
5) 상기 단계 4)의 겔을 동결건조하여 다공성 스캐폴드를 제조하는 단계를 포함하는 자성 유무기 하이브리드 스캐폴드의 제조방법으로서,
상기 단계 1) 자성 나노입자의 농도가 상기 단계 1)의 전체 분산액의 중량 기준으로 0.01 내지 3 중량%인 것을 특징으로 하는 제조방법.
1) dispersing the magnetic nanoparticles in a solvent;
2) adding and dispersing the magnetic nanoparticle dispersion of step 1) in a gelatin solution;
3) adding a 3- (glycidoxypropyl) trimethoxysilane and tetramethoxysilane to the dispersion of step 2) to prepare a sol;
4) adding an acidic solution to the sol of step 3) to gel; And
5) lyophilizing the gel of step 4) to prepare a porous scaffold, comprising the steps of:
Wherein the step 1) is carried out at a concentration of 0.01 to 3% by weight, based on the weight of the total dispersion of step 1), of the magnetic nanoparticles.
제1항에 있어서, 상기 자성 나노입자는 철, 스칸듐, 티타늄, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method of claim 1, wherein the magnetic nanoparticles comprise at least one metal selected from the group consisting of iron, scandium, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper and zinc.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 단계 1)의 용매는 물, C1 -4 알코올 또는 이의 혼합용매인 것을 특징으로 하는 제조방법.
The process according to claim 1, wherein the solvent of step 1) is water, C 1 -4 alcohol or a mixed solvent thereof.
제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 젤라틴 용액은 물에 젤라틴이 1 중량% 내지 10 중량% 용해된 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the gelatin solution in step 2) is dissolved in water in an amount of 1 to 10% by weight of gelatin.
제1항에 있어서, 상기 단계 3)에서 제조된 졸의 Si 함량은 졸 전체 중량을 기준으로 하여 2 내지 10 중량% 인 것을 특징으로 하는 제조방법.
The process according to claim 1, wherein the Si content of the sol prepared in step 3) is 2 to 10% by weight based on the total weight of the sol.
제1항에 있어서, 상기 3-(글리시독시프로필)트리메톡시실란 및 테트라메톡시실란의 혼합비율은 중량기준으로 1:0.1 내지 1:10인 것을 특징으로 하는 제조방법.

The process according to claim 1, wherein the mixing ratio of the 3- (glycidoxypropyl) trimethoxysilane and the tetramethoxysilane is 1: 0.1 to 1:10 by weight.

제1항에 있어서, 상기 산성 용액은 염산, 인산 및 아세트산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the acidic solution is at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid, phosphoric acid, and acetic acid.
제1항, 제2항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조되어 마이크로 기공이 균일하게 분산되어 형성된 자성 하이브리드 스캐폴드.
A magnetic hybrid scaffold prepared by the method of any one of claims 1, 2, 4 to 8 and formed by uniformly dispersing micropores.
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