Enhanced Osteogenic Differentiation of Periodontal Ligament Stem Cell using Graphene Oxide Coated Poly(ε-caprolactone) Scaffold

Abstract

Periodontal disease occurs through bacterial infection in the oral cavity, which can cause alveolar bone loss. Several efforts have been made to reconstruct alveolar bone, such as grafting bone substitutes and 3D printed scaffolds. Poly(ε-caprolactone) (PCL) is biocompatible and biodegradable, thus demonstrating its potential as a biomaterial substitute; however, it is difficult for cells to adhere to PCL because of its strong hydrophobicity. Therefore, its use as a biomaterial has limitations. In this study, we used graphene oxide (GO) as a coating material to promote the osteogenic differentiation ability of a PCL scaffold. First, a 3D printed PCL scaffold was fabricated, and the oxygen plasma treatment and coating conditions were established according to the concentration of GO. The physical and chemical properties of the prepared scaffolds were evaluated through water contact angle analysis, Raman spectroscopy, and image analysis. In addition, the adhesion and proliferation of periodontal ligament stem cells (PDLSCs) on the GO scaffold were assessed via the WST-1 assay, and the osteogenic differentiation ability was evaluated through Alizarin Red S staining. The results confirmed that cell proliferation and osteogenic differentiation of the PDLSCs were enhanced in the scaffold coated with oxygen plasma and GO. In conclusion, the plasma-treated GO coating method that we developed can be used to promote cell proliferation and osteogenic differentiation of the scaffold

치주 질환은 구강 내 세균 감염을 통해 발생하며, 그 증상이 심해질 경우 치조골 손실을 유발할 수 있다. 이를 해결하기위해 골대체제 이식, 3D 프린팅을 이용한 지지체 등 치조골을 재건하기위한 여러 방법들이 연구되고 있다. Poly(ε-caprolactone)(PCL)은 생체 적합성을 충족하면서도 생분해성을 지니고 있어 생체 재료 대체물질로서 높은 가능성을 보여주고 있다. 이러한 특징으로 인해 PCL은 3D 프린팅에 널리 사용되는 소재이다. 하지만 PCL의 강한 소수성으로 인해 표면 세포 부착이 어렵기 때문에 생체 물질로 사용하는 데 그 한계점이 존재한다. 이 연구에서 우리는 PCL 지지체의 골 형성 분화 능력을 촉진하기 위해 그래핀 옥사이드(GO)를 코팅 재료로 사용하였다. 먼저 3D 프린팅 된 PCL 지지체 제작하고, GO의 농도에 따라 산소 플라즈마 처리 및 코팅 조건을 설정하였으며, 준비된 지지체의 물리적, 화학적 특성을 water contact angle 분석법과 라만 분광법을 사용하여 평가하였다. 또한 GO 지지체에 대한 치주 인대 줄기 세포 (PDLSCs)의 부착 및 증식은 WST-1 분석을 통해 평가되었으며, 골 형성 분화 능력은 Alizarin Red S Staining을 통해 평가하였다. 그 결과, O2 Plasma와 GO로 코팅 된 지지체에서 PDLSC의 세포 증식 및 골 형성 분화가 촉진되었음을 확인하였다. 결론적으로, 우리가 개발한 O2 Plasma 처리된 GO 코팅 기법은 지지체에 세포 증식 및 골 형성 분화를 촉진하는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다.