광중합 히알루론산/실크 피브로인 이중 가교 하이드로젤의 특성

Abstract

본 연구에서는 히알루론산(hyaluronic acid, HA)의 물성을 개량하기 위해 HA에 실크 피브로인(silk fibroin, SF)을 복합화하여 복합 하이드로젤을 제조하고 SF의 함량에 따른 물리적 생물학적 특성의 변화를 확인하였다. 또한 SF에 물리적 가교를 형성하여 이중 가교 하이드로젤을 제조하여 단일 가교 하이드로젤과의 물성 차이를 비교하였다. 먼저 광중합 복합 하이드로젤의 제조를 위해 메타크릴레이트(methacrylate, MA)기가 고정화된 HA 유도체(HAMA)와 SF 유도체(SFMA)를 합성하였다. 분석 결과 각각 3.23 mmol/g과 0.26 mmol/g의 MA가 HA와 SF에 각각 고정화된 것을 확인하였다. 약 4-500 Pa의 전단저장탄성률(shear strorage modulus, G')을 갖는 0.6 wt%의 HAMA 용액과 10 wt%의 SFMA 용액을 1 mM의 광개시제와 함께 다양한 부피 비로 혼합하고 자외선을 조사하여 광중합 복합 하이드로젤을 제조하였다. 제조된 하이드로젤을 2시간 동안 에탄올에 침지하여 이중 가교 하이드로젤도 제조하였다. 에탄올 처리에 의한 SF의 물리적 가교는 랜덤 코일(random coil) 및 알파-나선(α-helix) 구조에서 베타-시트(β-sheet) 구조로의 SF 이차 구조 전이에 기인한 것이었다. 에탄올 처리 전, SFMA 함량 증가에 의해 젤화점(gel point)이 느리게 나타났고 팽윤도는 감소하였으나 G'의 변화는 크게 나타나지 않았다. HAMA 하이드로젤은 SFMA와의 복합화 이전 요변성을 나타내지 않았고, 세포 부착도 잘 일어나지 않았으나 HAMA/SFMA 복합 하이드로젤은 요변성 및 향상된 세포 증식 및 신생 조직 형성 능력을 보여주었다. 한편 에탄올 처리를 실시하자 SFMA 함량 증가에 따른 팽윤도의 감소 폭이 증가하였고 G'은 에탄올 처리 전과 달리 크게 증가하였다. 뿐만 아니라 에탄올 처리에 의해 안정적인 요변성을 나타내면서도 분해 속도가 느려져 구조적으로도 안정적인 하이드로젤을 제조할 수 있었다. 이러한 변화들은 추가적으로 형성된 SF의 물리적 가교로 인한 가교 밀도의 증가에 기인한 것으로 이로 인해 세포 부착 능력 역시 향상됨을 확인할 수 있었다. 마지막으로 동물 실험을 통해 과도한 염증 반응을 동반하지 않고 세포 이동 및 부착 능력이 향상된 HAMA/SFMA 하이브리드 하이드로젤의 모습을 관찰하였다. 이와 같은 결과를 통해 HAMA/SFMA 복합 하이드로젤이 조직공학용 주사용 하이드로젤로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

In this study, photo-crosslinked hyaluronic acid(HA)/silk fibroin(SF) hydrogels were fabricated to improve the physical and biological properties of HA hydrogel. In addition, physical crosslinking of SF was formed by ethanol treatment to prepare dual crosslinked hydrogel. We investigated the effect of SF contents and the ethanol treatment on various properties of HAMA/SFMA hybrid hydrogels. Firstly, hyaluronic acid methacrylate(HAMA) and silk fibroin methacrylate(SFMA) were synthesized for photopolymerization. 0.6 wt% HAMA prepolymer solution and 10 wt% SFMA prepolymer solution were mixed with a photoinitiator(LAP) at various volume ratios, followed by UV irradiation. The prepared hydrogels were immersed in ethanol for 2 hours to form the second network. FTIR analysis indicated the ethanol treatment induced SF secondary structure transition from random coil and alpha-helix structure to beta-sheet structure. Before the ethanol treatment, the gel point was delayed by increasing SFMA content and the swelling ratio(Q) was decreased, but the change of G' was not significant. HAMA hydrogel did not show thixotropy prior to the hybridization with SFMA and cell attachment did not occur well, but HAMA / SFMA complex hydrogel showed thixotropy and improved cell attachment and new tissue formation ability. On the other hand, after the ethanol treatment, Q decreased with increasing SFMA content and G' was significantly increased compared with before ethanol treatment. Besides, more stable thixotropic property and slow degradation rate were observed. These changes were attributed to an increase in crosslinking density due to the additionally formed physical crosslinking of SF, which confirmed that the cell adhesion ability was also improved. Finally, we observed enhanced cell migration and adhesion ability of HAMA/SFMA hybrid hydrogels without accompanying excessive inflammation reaction through animal experiments. These results suggest that the availability of HAMA / SFMA hybrid hydrogel as an attractive hydrogel for tissue engineering.