실크 피브로인과 폴리카프로락톤으로 구성된 3층구조 혈관형 나노섬유 지지체의 구조 특성, 역학적 성질 및 세포적합성

Abstract

본 연구에서는 순차적 전기방사 방법을 이용하여 내부층, 중간층, 외부층 3개의 적층구조로 이루어진 실크 피브로인(SF)과 폴리카프로락톤(PCL) 3층구조의 복합 나노섬유 지지체를 제조하고 구조 특성, 역학적 성질 및 세포적합성을 평가하여 혈관 조직공학분야로의 응용 가능성을 살펴보았다. 3층구조 지지체의 내부층은 생체적합성이 우수한 SF 나노섬유, 외부층은 역학적 성질이 우수한 PCL 나노섬유로 구성되었다. 내ㆍ외부층의 박리를 최소화하고 형태학적 안정성을 확보하기 위하여 SF와 PCL의 혼합 비율을 달리한 SF/PCL 나노섬유 층을 도입하였고 2차원 매트 형태와 3차원 혈관 형태(내부 직경 1.5mm, 두께 200μm 내외)의 지지체를 제조하였다. 각 층의 형태학적 구조와 층간 혼화성을 전자현미경을 통하여 확인하였으며 중간층이 삽입된 3층구조 복합 나노섬유 지지체의 경우 폭 및 길이 방향의 인장강도와 신도, 터짐 압력 강도, 그리고 봉합 유지 강도가 현저히 뛰어남을 보였다. 세포적합성 시험을 수행한 결과 모든 층에서 세포 독성은 없었고 PCL 나노섬유로 구성된 외부층에서는 섬유아세포, 스피루리나(항응고성 첨가 물질)가 함유된 SF 나노섬유 내부층에서는 혈관내피세포의 증식이 높은 것으로 나타났으며 특히 내부층에서 혈관내피세포의 유전자 발현 인자가 활성을 보이는 것으로 관찰되었다. 따라서 SF/PCL 블렌드 나노섬유 중간층이 도입된 3층구조의 SF, PCL 복합 나노섬유 지지체는 생체 혈관의 역학적 성질과 유사한 특성을 가지고 있으며 우수한 생체적합성을 나타내고 있으므로 혈관 조직공학 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

In this study, tri-layered nanofiber scaffold of silk fibroin(SF) and poly(ε-caprolactone)(PCL), composed of inner, middle, and outer layer, was fabricated using sequential electrospinning method for examining its possible application in vascular tissue engineering. The middle layer of SF/PCL blend nanofiber was introduced to minimize delamination of each layer of the scaffold while the inner layer was composed of SF nanofiber and the outer layer was of PCL nanofiber. The 2-dimensional(2D) mat type as well as 3D tubular type scaffold(1.5mm of inner diameter and 200μm of thickness) was fabricated and structure, mechanical property, and cytocompatibility were evaluated. Morphological structure of each layer and delamination between the layers of the scaffold were examined using FE-SEM. As a result of mechanical test, the tri-layered nanofiber scaffold with middle layer of SF/PCL blend nanofiber showed excellent longitudinal and circumferential tensile strength, burst pressure strength, and suture retention strength, which are comparable to those of human carotid artery and saphenous vein. No cytotoxicity was observed for the scaffolds, and MTT assay showed that a higher cell proliferation of HUVEC cells was observed for the inner layer(SFSP nanofiber), while that of fibroblast cells was for the outer layer(PCL nanofiber) of the scaffold. Especially, gene expression of HUVEC cells on the inner layer was comparable to positive control. Therefore, the tri-layered tubular type SF/PCL nanofiber scaffold, which is composed of SF/PCL blend nanofiber in middle layer, has a high potential for applying to vascular tissue engineering due to its excellent mechanical property and good cytocompatibility in vitro.