Polymer/Silica Composites with Enhanced Mechanical Properties and Rapid Endothelialization for Vascular Tissue Engineering

Abstract

Biodegradable vascular implants have significant potential to minimize the risks of thrombus formation and arterial restenosis induced from the permanent remaining ones, as resorbed by the surrounding host tissues after a tissue regeneration process. Among various biodegradable materials, polymeric implants have been considered as promising candidates, thanks to their flexibility and availability for easy manufacturing. They, however, exhibit relatively low biocompatibility due to their innate hydrophobicity and hypersensitivity as well as a lack of physical functions such as mechanical strength or corrosion resistance to be utilized in clinical usage. To overcome these limitations, new composites by introducing bioactive ceramic materials have been studied in terms of material and design, where polymer and ceramic are mutually complementary. Silica, a bioactive ceramic material, hydrolyzed into silicic acid promoting vascular healing and angiogenesis, and also synthesized into diverse morphology by controlling the concentration of silica precursor, reaction time, or ambient pH condition. In this study, we suggested a polymer/silica composite electrospun membrane and coating for artificial vascular graft and magnesium (Mg) vascular stent, respectively, with enhanced biological and physical functions that each application requires. In the first study, a poly-ε-caprolactone (PCL) bilayer vascular graft was fabricated via electrospinning method, composed of an outer layer of randomly-distributed PCL/silica xerogel fibrous membrane and an inner layer of longitudinally-aligned PCL/collagen fibrous membrane. The multilayered structure was to mimic natural human blood vessels so as to withstand dynamic hydraulic stresses and perform great hemocompatibility. In particular, small-diameter vascular grafts (<6 mm) require a suitable mechanical strength, suturability, and anti-thrombogenicity for long-term patency. Here, we synthesized silica xerogel under acid-catalyzed conditions to form nano-skeleton structures through PCL nanofibers of the outer layer, eliciting superior mechanical strength as well as cell-friendly environment. The highly-aligned structure and materials of the thin inner layer were both favorable for the adhesion, elongation, and migration of endothelial cells, which can lead to rapid re-endothelialization on luminal surfaces of a vascular graft. This electrospun PCL bilayer graft was expected to decrease the possibility of luminal thrombosis and intimal hyperplasia, the main causes for failure in blood vessel transplantation surgery with its rapid endothelial cell coverage and sufficient strength. In the second study, we incorporated the surface-modified silica nanoparticles (mSiNP) into poly (L-lactic acid) (PLLA) coating for biodegradable Mg stents. Although Mg-based stents possess adequate mechanical properties, non-immunogenicity, and non-toxicity, they degrade explosively under physiological conditions, resulting in clinical stent failure. Polymeric anti-corrosion coating has been adopted on the Mg stents owing to its flexibility to endure considerable deformation during stent expansion, however, conventional PLLA coatings display insufficient corrosion resistance and biocompatibility. For the bifunctional PLLA/mSiNP nanocomposite coatings, the silica nanoparticles were synthesized under base-catalyzed conditions, followed by functionalized with hexadecyltrimethoxysilane (HDTMS), since strong repulsion forces between hydrophobic PLLA and hydrophilic bare silica nanoparticles can cause poor dispersion of the nanofillers. The mSiNPs in the PLLA matrix not only disturbed the penetration of corrosive medium as a physical barrier, but released silicon ions stimulating endothelial cells as a bioactive material. The nanocomposite coating containing 10 wt% and 20 wt% of the mSiNP delayed the corrosion of the Mg substrate by half and exhibited favorable endothelial cell responses, including initial cell surface coverage, migration, and proliferation rate, compared to the pure PLLA coating. In conclusion, silica, an inorganic bioactive material, was tailored into a proper morphology by the sol-gel method to form polymer/silica composite so as to accelerate angiogenesis and improve mechanical properties for vascular tissue engineering. The incorporated silica was significantly assured that the dissolved form of silica stimulates both fibroblast and endothelial cells, which, in turn, induced outstanding biological functions. In terms of mechanical properties, the network structure of silica xerogel in the PCL/silica electrospun nanofibrous membrane improved the mechanical strength, and the alkyl-terminated surface of silica nanoparticles in the PLLA/silica nanocomposite coating effectively retarded the degradation rate of the Mg substrate.

심혈관계 질환 발병률과 사망률이 증가함에 따라 생분해성 혈관 임플란트의 수요가 점진적으로 늘어나고 있다. 생분해성 재료는 이식 부위의 조직이 수복됨과 동시에 서서히 분해된다. 이는 기존의 혈관 임플란트가 체내에 영구적으로 잔존함으로 인해 빈번하게 발생하는 혈전 형성이나 혈관 재협착 등의 부작용을 줄여줄 수 있다. 일반적으로 고분자 재료는 유연하고 가공이 용이하여 혈관 임플란트 재료로서 각광받고 있지만, 생체 적합성 (biocompatibility)과 물리적 기능성이 부족하여 임상 사용에 제한이 있다. 이를 향상하고자 생체 활성 세라믹 재료와 복합체(composite)로 제작하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이때 복합체의 재료 및 구조에 변화를 주어 고분자와 세라믹이 서로 상호보완 가능토록 하였다. 대표적인 생체 활성 세라믹 재료인 실리카는 체내에서 가수분해되어 조직의 재생과 혈관 재형성(angiogenesis)을 촉진할 수 있을 뿐 아니라, 합성 시 실리카 전구체의 농도, 반응 시간, 혹은 pH 조건 등을 조절하면 다양한 형상으로 제작할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 고분자/실리카 복합체가 혈관 임플란트의 적용 부위에 따라 달리 요구되는 물리적 기능성을 갖도록 구성하여 제작하였다. 첫 번째 연구에서는 전기방사법을 이용하여 이중층 구조의 나노 섬유 멤브레인 인공 혈관을 제작하였다. 의료용 고분자 소재인 폴리카프로락톤(PCL)을 주재료로 하였으며, 외벽은 임의배열된 PCL/실리카제로젤 복합체로, 내벽은 일축배열된 PCL/콜라겐 복합체로 구성하여, 기존 단일 고분자가 지니는 한계점을 극복하였다. 내경이 6 mm 이하인 소구경 인공 혈관의 경우, 실제 혈관과 유사한 인장 강도, 봉합 견고성과 항혈전성(anti-thrombogenecity)을 가져야 장기간 개통성(patency)을 유지할 수 있다. 본 연구에선 실제 사람 혈관의 구조와 기능을 모사하여, 혈류에 따른 동적 유압 응력을 견딤과 동시에, 높은 혈액 적합성(hemocompatibility)을 지니도록 하였다. 먼저 외벽 제작 시, 산 촉매 하에서 실리카 전구체를 반응시켜, 나노골격구조의 실리카제로젤이 PCL 섬유 전반에 걸쳐 존재하도록 하였고, 이는 주변 조직 세포와 친화적이면서도 높은 기계적 강도를 지녔다. 또한 외벽의 안쪽에 얇은 PCL/콜라겐 복합체 섬유를 혈류와 평행한 방향으로 배열시켜, 혈관내피세포(endothelial cell)가 부착, 이동, 증식하기 용이하도록 하였고, 이는 곧 빠른 혈관내피화(rapid endothelialization)를 의미한다. 따라서 본 연구에서 고안한 전기방사 PCL 기반의 이중층 인공 혈관은 빠른 혈관내피세포 커버리지(coverage)와 충분한 기계적 물성을 지녀 혈관 이식 수술 시 발생 가능한 혈전증(luminal thrombosis) 및 내막 과증식(intimal hyperplasia)을 최소화할 것으로 예상된다. 두 번째 연구에서는 생분해성 마그네슘 스텐트의 부식 저항성과 생체 활성을 증진시키기 위하여 기존의 폴리락틱애시드(PLLA) 코팅층에 표면 처리한 실리카 나노 입자를 균일하게 혼재 시켰다. 마그네슘 스텐트는 좁아진 혈관 내벽을 지지하기에 충분한 강도를 지녔을 뿐 아니라, 면역 반응 및 독성이 없는 재료이지만, 생리학적 환경에서 높은 반응성으로 인하여 사용에 제약이 있다. 마그네슘 스텐트 코팅층 재료로는, 팽창-수축 과정에서도 안정적인, 유연한 고분자 소재가 주로 사용되지만, 단일 고분자 코팅층으로선 부식을 막기에 충분하지 못하고 생체 적합성도 낮다는 한계가 있다. 따라서 본 연구에선 염기 촉매 하에서 실리카 전구체를 가수분해 하여 실리카 나노 입자를 성장시키고, 이를 연속적으로 헥사데실트리메톡시실래인(hexadecyltrimethoxysilane)과 반응시켜 나노 입자 표면에 긴 알킬기(-(CH2)15CH3)가 노출되도록 표면 개질 하였다. 이를 통해 상대적 소수성 고분자인 PLLA 모재 내에서 나노 입자가 뭉침 없이 균일하게 분산되도록 하였으며, 나노 입자의 소수성 표면은 복합체 코팅층의 부식 저항성 역시 향상시켰다. 즉, 실리카 나노 입자는 물 분자가 침투하여 마그네슘 기판을 부식시키는 과정을 물리적으로 방해할 뿐 아니라, 체내에서 실리콘 이온을 방출하여 혈관내피세포를 자극하는 생체 활성 물질로도 작용한다. 특히 10 wt%와 20 wt%의 실리카 나노 입자를 함유하는 복합체 코팅층은 기존의 단일 고분자 코팅층 대비, 마그네슘의 부식 속도를 반 이상 감소시키고, 혈관내피세포와의 친화성이 매우 우수하였다. 상기 연구 결과들을 종합해 보았을 때, 생체 활성 세라믹 재료인 실리카는 솔젤법을 통해 다양한 구조의 고분자/실리카 복합체를 형성할 수 있으며, 이를 혈관 임플란트에 적용하면 안정적으로 혈관 재형성을 촉진할 수 있음을 입증하였다. 생분해성 고분자/실리카 복합체는 체내에서 분해되면서 섬유아세포와 혈관내피세포를 자극하여, 우수한 생체 기능성을 나타낸다. 또한 나노골격구조의 실리카제로젤은 고분자의 기계적 강도를 증진시키고, 소수성으로 개질 된 실리카 나노 입자는 고분자 코팅층의 부식 저항성을 증진시켰으며, 이는 복합체의 물리적 기능성을 의미한다. 즉, 본 연구에서 소개한 고분자/실리카 복합체는 높은 생체 적합성과 함께, 다양한 혈관 임플란트에서 요구되는 물리적 기능성 역시 지닐 수 있음을 확인하였다.