그래핀을 함유하는 폴리카프로락톤 지지체의 형태학적 구조, 성질 및 세포적합성에 영향을 미치는 그래핀 함량 효과

Abstract

본 논문에서는 전기방사를 이용하여 그래핀 나노입자를 함유하는 폴리카프로락톤 (Polycaprolactone, PCL) 섬유지지체를 제조하였으며 생체재료로서의 응용 가능성을 평가하였다. 1,2-dichloroethane (1,2- DCE) 용매를 사용하여 16% (w/v) PCL과 0.1∼5.0% (w/v) 그래핀을 혼합한 방사용액으로부터 다음 2차원 매트 형태의 지지체를 제조 하였다. 그래핀 함유량에 따른 PCL 섬유의 형태학적 구조를 전자현미경 (SEM, TEM)을 이용하여 관찰하였고 X-선 분석 및 열중량분석을 통하여 PCL 섬유지지체 내부에 함침된 그래핀의 양을 간접적으로 확인하였다. 만능인장시험기 (UTM)을 이용하여 역학적 성질을 측정한 결과 그래핀 함유량이 1.0% (w/v) 이내에서는 PCL 섬유지지체의 인장강도는 1∼3배, 신도는 1∼1.5배, 그리고 초기탄성률은 1.2∼2.2배의 증가하는 경향을 나타냈으나 그래핀 함유량이 높은 PCL 복합 지지체에서는 오히려 역학적 성질이 저하되는 것으로 나타났다. 또한, 그래핀을 함유하는 PCL 복합섬유지지체의 생물학적 평가를 실시한 결과 RAW264.7 세포를 이용해 그래핀이 지지체의 독성에 영향을 미치지 않음을 확인하였고 MC3T3-E1 세포의 증식능과 골 재생으로의 분화능이 그래핀을 함유한 지지체에서 증진되는 결과를 나타냈다. 우수한 결과를 나타낸다는 것을 확인하고 세포 형태 관찰에서도 정상적인 세포 형태를 유지하며 증식이 잘 이루어지는 것으로 미루어 그래핀이 함유된 PCL 섬유지지체는 골 재생용 생체재료로서의 응용가능성이 높을 것으로 기대된다.

In this study, Poly(ε-caprolactone) (PCL) scaffolds containing graphene nanopowder were prepared by electrospinning method for examining its possible application in biomedical fields. Mixture of 16% (w/v) PCL and 0.1∼5.0% (w/v) well-dispersed graphene was dissolved in 1,2-dichloroethane co-solvent and its dope solution was used for fabricating a mat type of electrospun PCL/graphene scaffold. As a result of examining the morphological structure of PCL/graphene scaffold, FE-SEM images confirmed that graphene was well deposited inside the PCL fiber (fiber size was measured in the range of 1500∼2000 nm). Indirect evidence of graphene inclusion in the hybrid scaffold was confirmed by X-ray diffraction analysis and thermal gravimetric analysis quantitatively. As a result of tensile test, the PCL/graphene hybrid scaffold had an excellent tensile strength (1∼3 times higher), breaking strain (1∼1.5 times higher) and youngs modulus (1.2∼2.2 times higher) compared to PCL scaffold when graphene was contained within 1.0% (w/v) in the hybrid scaffold. Cytotoxicity, cell proliferation and differentiation of the scaffold were also performed by MTT assay using RAW264.7 and MC3T3-E1 cell. It showed that graphene- containing PCL scaffold has no cytotoxicity and even much better cell adhesion, proliferation, and differentiation ability. Therefore, it is concluded that the electrospun PCL/graphene hybrid scaffold can be potentially used in biomedical applications for bone tissue engineering, due to excellent mechanical properties as well as high cytocompatibility.