조직공학용 생체재료③, 조직공학용 지지체

(1) 치과 조직공학용 생체재료③

 

③ 세라믹 재료

세라믹은 고온으로 열처리하여 만든 비금속의 무기질 고체재료이다. 뼈나 치아에 존재하는 무기질과 같은 조성을 만들 수 있어 구조적인 안정성을 보이며 생체적합성이 매우 우수하다. 특히 생체활성(bioactive)의 특성이 높은 생체활성유리(bioglass), 및 유리-세라믹은 골세포와의 높은 세포적합성(cytocompatibility) 및 뼈조직과 밀접하게 결합하는 특성이 있어서 골재생 소재로 사용되고 있다. 

 

④ 고분자-세라믹 복합재료

고분자-세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적, 기계적 및 생물학적 특성을 높일 수 있는 생체활성 세라믹과 생분해성 고분자 각각의 장점을 가질 수 있다. 생체활성 세라믹은 일반적으로 탄성계수가 매우 높고 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며 충격에도 쉽게 부러지지 않는 고분자 재료와의 융합을 통해 골과 유사한 탄성계수를 지니게 할 수 있다. 고분자 지지체에 나노 크기의 수산화인회석이 균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를 보인다는 연구결과가 보고되었다. 그 외에 수산화인회석 나노입자를 고분자 표면에 도입하는 기술, 인살칼숨에 PLA, PGA, PLGA와 같은 생분해성 고분자를 첨가하는 기술, 그리고 삼산화인회석에 하이드록시프리필셀룰로오스(hydroxypropylcellulose, HPC) 수용액을 피복하여 다공체가 갖는 취약점을 개선하려는 시도등 다양한 연구가 진행되고 있다. 각각의 재료는 고유한 물성이 다르기 때문에, 적용하고자 하는 조직에 따라 특성에 맞는 재료를 사용하여 지지체를 개발하는 것이 필요하다.

 

(2) 조직공학용 지지체

조직공학에서 특정 조직이나 장기에 따라 요구되는 지지체의 특성의 차이는 있지만, 이상적인 조직공학용 지지체는 적절한 분해속도를 가진 생체적합성 생분해성 소재로서 1 영양소와 폐기물의 이송 및 세포와 세포외기질의 증식과 생성을 위한 서로 연결된 적절한 크기의 다공성 구조를 가지고 2 조직이 재생되는 동안 안정적으로 지지할 수 있는 구조의 기계적 안정성을 가지며 3 세포와 잘 상호 반응할 수 있는 표면의 물리/화학적 특성이 요구된다.

 

① 전통적인 지지체 제조 방법

균일한 분포의 연결된 기공을 가진 다공성 구조를 가지는 것으로, 간재생에는 20 ㎛, 피부재생에는 20-150 ㎛, 뼈 재생에는 200-400 ㎛의 기공 크기가 적합한 것으로 보고되고 있다. 3차원 다공성 구조체를 제작하는 전통적인 기술은 용매 캐스팅/입자 침출, 열 유도 상분리, 가스발포, 유화 동결건조, 용융 몰딩이 있으며, 제조방법마다 여러 가지 장단점을 가지고 있다.

 

② 진보적인 지지체 제조 방법

진보적인 기술로는 전기방사, 주입가능(injectable)한 하이드로젤과 3D 프린팅 기술 등이 주목받고 있다. 전기방사를 사용하면 세포외기질 나노구조와 유사한 탄성이 있는 망상 구조를 만들 수 있고, 또한 바이오 활성 물질과 함께 방사할 수도 있어 간엽성 줄기세포(mesenchymalstem cell, MSC)와 같은 세포를 지지하기 위한 인공 세포 외기질 형태의 지지체 제작에 유용하다.

하이드로겔은 다량의 물을 흡수할 수 있는 가교된 친수성 고분자로 연-조직과 구조적으로 매우 흡사하며 특히 수술이 필요 없이 세포와 같이 주사가능한 소재로써의 장점으로 최근 가장 많이 연구되고 있다. 하이드로겔 소재로는 알지네이트, 교원질, 젤라틴, 피브린, 키토산, 히알루론산과 같은 천연고분자가 주로 사용되고 있다. 가교제 없이 이온결합 혹은 수소결합에 의해 형성되는 알지네이트, 키토산, 히알루론산 겔은 무해하고, 주입도 가능하기 때문에 조직공학용 세포 캡슐화제로도 널리 검토되고 있으며, 외상 치유용 지지체에도 활용되고 있다. 합성 고분자 겔로는 poly (ethylene glycol) (PEG) 계인 Pluronic이 있지만, 생분해성이 없어 이를 해소하기 위해 효소분해성이 있는 펩타이드와 블록공중합 하거나 PLGA-b-PEG-b-PLGA나 PEG-b-PLLA-b-PEG와 같이 생분해성 고분자와의 블록공중합물을 만들기도 한다.

3D 프린팅에 사용할 수 있는 대부분의 분해성 고분자와 세라믹, 그리고 고분자/세라믹 복합재료인 PLGA/tricalcium phosphate (TCP), PCL/hydroxyapatite (HAp), 등 다양하며, 최근에는 바이오잉크(고분자 하이드로젤)와 세포를 이용한 프린팅도 시도되고 있다. 그 외에도 지지체를 사용하지 않는 cell sheet 기술과 세포를 3차원 세포집합체로 형성시켜 조직재생에 활용하는 오가노이드(organoid) 기술 등이 임상적용을 위해 연구개발되고 있다. 

 

③ 지지체의 표면처리 

지지체 기질은 특정부위에 많은 양의 세포를 효율적으로 전달하는 데 사용될 수 있으므로 지지체는 세포의 부착, 증식, 분화 및 이동을 위한 적절한 기질을 제공해야만 한다. 혈액 내의 부유형 세포(적혈구와 백혈구)들을 제외하고 대부분의 조직세포들은 접착의존성을 가진다. 우수한 지지체는 세포가 지지체의 표면에 순조롭게 잘 접착, 증식하는 재료이며 이를 위해서는 세포와 재료표면과의 상호작용의 제어가 필요하다. 세포배양을 통해 기관이나 조직을 생체 이외에서 재구축하고자 하는 경우, 세포-재료 간의 상호작용은 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 하나는 이온결합, 소수성 상호작용, 수소결합 등의 물리화학적인 비특이적 상호작용이며, 또 다른 하나는 접착, 증식, 활성화, 기능 개질, 융합 등의 생리 특이적 상호작용이다. 이 세포-재료 간의 상호작용을 제어함으로써 세포적합성을 향상하는 노력이 많이 수행되어 왔다. 즉, 세포적합성은 재료 표면의 성질에 크게 좌우되는데, 젖음성(친수성/소수성), 표면화학, 표면전하, 표면거칠기 등이 영향을 미친다.