Preparation and Characterization of Porous Poly (Vinyl Alcohol) (PVA) Hydrogel filled with Multifunctional Extracellular Components for Cartilage Regeneration

Abstract

관절 연골은 혈관이 존재하지 않는 결합조직으로 매우 제한적인 자가 재생능력을 가지고 있다. 그러나, 연골의 손상은 연골이 신체의 하중을 버티는 능력과 관절 움직임의 윤활 작용을 감소시키는 기능 장애를 유발시키는 가장 큰 원인 중 하나로 알려져 있다. 폴리비닐알코올 (PVA) 하이드로겔은 비분해성과 생체적합성을 가진 FDA 승인 합성 생체재료로 알려져 있다. 본 연구에서는 다공성 PVA 스펀지에 생리활성 물질을 채운 하이드로겔을 제작하여 연골 재생에 활용하고자 하였다. 광중합성 황산 콘트로이틴 (Chondroitin Sulfate, CS)과 하이알루론산 (Hyaluronic Acid, HA)을 토끼 연골세포와 혼합하여 다공성 PVA 스펀지에 주사함으로써 하이드로겔을 제작하였다. 연구는 CS가 첨가된 PVA 하이드로겔에서 세포외기질의 합성과 연골 관련 유전자 발현이 증가 됨을 확인할 수 있었다. 또한, HA가 첨가된 PVA 하이드로겔에서는 연골의 윤활 작용에 관여하는 단백질의 유전자 발현이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과들을 토대로, 본 연구는 PVA와 생리활성 물질의 융합을 이용한 견고한 하이드로겔이 더 나아가 기능적인 연골 조직공학에 이용될 수 있음을 입증 할 수 있었다.

Articular cartilage has a very limited self-repair ability due to its avascular structure. Cartilage defect causes several dysfunctions as decreased load resistance and lubrication during joint motions. Poly (vinyl alcohol) (PVA) hydrogel has been proposed as a non-degradable and biocompatible FDA-approved synthetic biomaterial. In this study, we fabricated PVA sponge filled with bioactive components and applied them for cartilage repair application. Photopolymerizing chondroitin sulfates (CS) or hyaluronic acid (HA) were injected into macroporous PVA sponge with chondrocytes to fill the pores. Our study showed that CS enhanced the extracellular matrix accumulation and chondrocyte-related gene expressions. Moreover, HA increased the expression of genes involved in the lubrication process of articular cartilage. Overall this study demonstrates durable PVA hydrogel incorporated with bioactive components can be further utilized for functional cartilage tissue engineering.