연구자들은 압전 프레임워크와 천연 광물의 성장 촉진 특성을 결합한 독립형 생체 모방 비계를 만들어 생쥐의 손상된 두개골을 성공적으로 재생했습니다. 이 새로운 유형의 "뼈 붕대"는 뼈 재생 및 재생 의학 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.
압전 재료는 기계적 응력이 가해질 때 전하를 생성합니다. 뼈는 압전재료이다. 뼈에는 전기적 미세 환경이 있기 때문에 전기 신호는 뼈 복구 과정에서 중요한 역할을 하며 뼈 재생을 효과적으로 촉진할 수 있습니다. 그러나 뼈 재생은 기계적, 전기적, 생물학적 구성 요소에 의존하는 복잡한 과정입니다.
성장 인자 방출 이식편이나 지지체와 같은 현재의 뼈 재생 전략은 기증 부위 합병증, 제한된 가용성 및 높은 비용과 같은 한계를 가지고 있습니다. 이제 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 뼈에서 자연적으로 발견되는 미네랄과 압전성을 결합한 획기적인 뼈 재생 방법을 개발했다.
HAp(하이드록시아파타이트)는 뼈와 치아에서 발견되는 미네랄로 뼈 구조 강도와 재생에 중요한 역할을 합니다. 치아 법랑질을 재광화하고 치아를 강화하기 위해 종종 치약에 첨가됩니다. 연구에 따르면 HAp는 골형성(뼈 형성)을 촉진하고 새로운 뼈 성장을 위한 발판을 제공할 수 있는 것으로 나타났습니다. 또한 압전 특성과 거친 표면을 갖고 있어 뼈 성장 지지체 제작에 이상적인 소재입니다.
따라서 연구진은 HAp를 고분자 필름의 압전 골격인 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(P(VDF-TrFE))에 통합한 자립형 생체 모방 지지체를 제작했습니다. 이 독립적인 스텐트는 압력이 가해지면 전기 신호를 생성하므로 이 접근 방식은 금속 보철물의 코팅으로 제한되었던 HAp와 P(VDF-TrFE)를 결합한 이전 연구와 다릅니다. 연구진의 새로운 접근 방식은 표면 결합 응용을 뛰어넘는 뼈 재생을 위한 다용도 플랫폼을 제공한다고 그들은 말합니다.
HAp가 있는 스캐폴드와 없는 스캐폴드의 시험관 내 비교에서는 HAp 스캐폴드의 세포 부착 속도가 10%~15% 더 높은 것으로 나타났습니다. 세포 배양 5일 후, HAp 지지체의 세포 증식률은 20~30% 증가했고, 골형성 수준은 약 30~40% 증가했습니다. 연구 결과에 따르면 HAp는 지지체의 압전 특성을 최대화하고 조직 재생에 필요한 기본적인 물리적 구조와 중요한 신호를 제공하는 모든 조직의 비세포 구성 요소인 인간 세포외 기질과 유사한 환경을 생성합니다.
그런 다음 연구자들은 HAp/P(VDF-TrFE) 비계를 쥐에게 테스트하여 동물의 두개골(아래쪽 다리 뼈) 결함 위에 배치했습니다. 스텐트는 변형 없이 6주 동안 지속되었습니다. 모든 쥐는 살아 남았습니다. 감염이나 염증 반응을 포함한 부작용은 관찰되지 않았습니다. 이식 후 2, 4, 6주 후에 HAp 지지체를 장착한 마우스의 뼈 재생 능력은 뼈 형성이 없는 대조군에 비해 크게 향상되었습니다.
논문 교신저자인 홍승범 교수는 “'뼈붕대'처럼 뼈 재생을 가속화할 수 있는 HAp 기반 압전복합재료를 개발했다”며 “이번 연구는 생체재료 설계의 새로운 방향을 제시했을 뿐만 아니라, 압전성과 표면 특성이 뼈 재생에 미치는 영향을 규명하는데 큰 의의가 있다”고 말했다.
이번 연구는 ACS Applied Materials and Interfaces 저널에 게재되었습니다.