Development of thermosensitive acrylamide hydrogel crosslinked by poloxamer 407 for adipose tissue engineering

Abstract

Developing a filler or implants for adipose tissue reconstruction and regeneration is important for patients suffering from soft tissue loss. However, current methods, which are widely used in adipose tissue engineering, present several limitations, such as low biocompatibility, fast degradation rates, and the high cost of the materials used. In this study, a thermohydrogel system was fabricated using poloxamer 407 and acrylamide, conventionally used in soft tissue engineering. Biocompatible hydrogel was synthesized with low concentration of poloxamer 407 by 10 w/v% which make this hydrogel cost effective while increasing the duration time in vivo and the biocompatibility for soft tissue engineering. Using this biocompatible and the tenable thermohydrogel, human- adipose derived stem cells (ADSCs) were loaded and subcutaneously implanted into mouse dorsal skin. Immune response analysis and gene and protein analyses of harvested tissue revealed that the thermohydrogel is an efficient implant for adipose tissue regeneration, mitigating many conventional flaws. This study provides an suitable implant for adipose tissue engineering.

연조직의 한 부분인 피하 지방조직은 지방 대사의 기능, 형태 유지 및 보호의 기능을 하고 있다. 종양으로 인한 절제, 외상 및 노화로 인한 연조직의 손상과 선천적인 기형은 기능적 혹은 미용적으로 환자들에게 불편을 안겨주고 있다. 현재는 자가 지방 이식, 보형물 이식, 필러 등의 방법이 사용되고 있다. 하지만, 염증 반응, 지속성, 경제성 등은 해결해야 할 문제점들로 남아 있다. 본 연구에서는 acrylamide를 poloxamer 407로 가교 시켜 생체 적합하면서도 지속성이 높고 경제적인 물질을 개발하였다. 기존의 polyacrylamide는 가교도에 따라 물성을 조절할 수 있으며 연조직 재생에 많이 사용되던 물질이지만, 2차 amine 구조를 가진 N,N-Methylenebisacrylamide를 사용하여 가교하므로 생체 내에 삽입되었을 때 높은 염증 반응을 보이는 단점이 있다. poloxamer 407은 생체적합성이 높지만 체내에서 쉽게 분해가 되는 단점이 있다. 본 연구에서 개발한 poloxamer-am 물질은 acrylamide와 poloxamer 407의 단점을 최소화하고 장점을 최대화하여 지방조직의 재건과 재생에 유용함을 확인하였다. 세포 독성 실험을 통하여 Poloxamer-Am 10%, 20%, 40% 모두 높은 생체적합성을 가짐을 확인하였으며 모두 생체 온도인 37℃에서 지방조직의 modulus와 비슷한 2~3000Pa을 나타냄을 확인하였다. 또한 본 hydrogel이 다공성 구조를 가짐을 확인한 후, hADSC(human Adipose derived Stem Cell)을 담지 하여 지방조직 재생의 효과를 높여주었다. 본 수화젤의 생체 내에서의 성능을 확인하기 위하여 Balb/C mouse 등의 피하에 삽입한 후 1~4주차에 생검을 통하여 얻은 조직으로 polyacrylamide군 보다 poloxamer-am 군에서 면역 반응이 적고 지방구의 형성이 증가하고 adipogenic factor들의 발현도가 높음을 확인하였다. 또한, Poloxamer 407 only 군은 삽입 후 1주일 내에 분해되어 있었는데, poloxamer-am은 이러한 단점을 해결하여 지방조직 재건 시 생체 내에서 유지 시키는데 유용함을 확인하였다. 본 Poloxamer-am hydrogel은 지방조직 재생 및 재건에 효과적인 이식체로 사용될 것이라 기대된다.