3D를 이용한 쥐 두개골 결손의 가속화된 재구성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12145(2023) 이 기사 인용

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두개골 결함의 자가 치유 및 자가 뼈 이식은 어려울 수 있습니다. 따라서 신속하고 효과적인 수리를 위한 지지체 제작은 유망한 연구 분야입니다. 이 논문은 두개골 결손 부위에 새로 형성된 뼈에서 3차원(3D) 인쇄된 폴리카프로락톤(PCL) 지지체와 수산화인회석(HA) 및 바이오글래스(BG) 바이오세라믹 지지체로 PCL 변형된 지지체의 능력에 대한 비교 연구를 제공했습니다. 연구된 3D 프린팅 PCL 지지체는 융합 증착 층별 모델링을 통해 제작되었습니다. 지지체 표면의 세포 부착을 평가한 후 쥐 두개골 결함 모델에 이식했습니다. 쥐를 PCL, PCL/HA, PCL/BG, PCL/HA/BG 등의 지지체 이식을 받은 4개 그룹과 비체외이식 대조군으로 나누었다. 미세 컴퓨터 단층 촬영 스캔, 조직학 및 면역 조직 화학 분석을 사용하여 두개골 뼈 재생에 대한 3D 프린팅 지지체의 능력을 조사했습니다. 마지막으로, 여러 뼈 관련 유전자의 발현 수준과 골 형성 경로에서 양성 조절 인자인 miR-20a 및 miR-17-5p와 음성 조절 인자인 miR-125a의 발현도 조사되었습니다. 이 비교 연구의 결과는 HA 및 BG 바이오세라믹을 포함하는 PCL 스캐폴드가 두개골 결함 치료 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있음을 보여주었습니다.

가장 일반적인 유형의 부상은 노화, 대사 장애, 사고 또는 외상으로 인해 발생할 수 있는 골절입니다1. 뼈는 작은 부상에도 스스로 재생하고 복구할 수 있는 능력을 가지고 있습니다2,3. 그러나 큰 뼈 골절에는 이식이 필요하며 이는 상당한 임상적 어려움을 초래합니다4. 영향을 받은 부위에 매트릭스 이식을 통한 뼈 재생은 대안적인 접근법입니다5. 골절, 골다공증 및 뼈 이상 치료에 적합한 또 다른 방법은 공학 재료, 생물 의학 기술 및 재생 가능한 줄기 세포를 결합한 뼈 조직 공학입니다6. 공학적 지지체는 대량 수송에 큰 영향을 미치고 세포 증식, 접착 및 성장을 지원합니다7. 제어된 생분해성, 적합한 기계적 강도 및 원하는 기공 크기와 세포 성장을 위한 다공성을 갖춘 상호 연결된 기공 구조는 이상적인 지지체의 특징입니다8,9. 적절한 뼈 지지체는 자연 뼈의 다공성 구조를 모방하기 위해 약 65%의 다공성과 약 200-800μm의 기공 크기를 갖는 상호 연결된 다공성 시스템을 가져야 합니다10. 비계의 기능성을 높이기 위한 공법 개발에 큰 관심이 모아지고 있다. 3차원(3D) 프린팅 기술은 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어를 활용하여 복잡한 3D 구조를 구축하는 생체 의학 조직 재생 공학 분야에서 널리 사용되었습니다. 의료 기술의 발전으로 외과의사는 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캐너로 환자의 두개골 결함을 스캔하고 생체 재료를 사용하여 디지털 데이터를 기반으로 3D 비계 모델을 준비하여 두개골 기형을 재구성할 수 있게 되었습니다14,15,16,17,18 . 3D 프린팅 기술 중 가장 일반적이고 비용 효율적인 기술 중 하나는 융합 증착 모델링(FDM) 기술로, 온도 제어 노즐에서 생체 재료를 층별로 주입하여 지지체를 제작하는 데 사용할 수 있습니다. 생체재료의 예로는 식품의약국(FDA)의 승인을 받은 생체적합성 고분자인 폴리-ε-카프로락톤(PCL)이 있습니다. 그러나 PCL은 표면 소수성으로 인해 세포 부착 및 증식에 적합하지 않습니다. 따라서 이 폴리머의 사용은 조직 공학 지지체의 구성에 제한될 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 골광상과 유사한 HA(수산화인회석), BG(생리활성 유리)와 같은 생체활성 세라믹을 사용하여 PCL 지지체의 세포 부착을 개선합니다. 생체 활성 세라믹 지지체는 HA와 유사한 뼈 층을 형성하여 뼈 조직과 강한 화학적 결합을 일으킬 수 있습니다. 따라서 생체 활성 세라믹은 뼈와의 결합 가능성이 높고 새로운 뼈 형성에 대한 자극 효과로 인해 뼈 조직 공학에서 가장 널리 사용되는 재료입니다. HA(Ca5(PO4)3(OH))는 뼈의 천연 미네랄 성분으로 우수한 생체활성, 생체적합성, 생체전도성, 무독성, 비염증 특성을 나타냅니다. 매우 단단하지만 깨지기 쉽고 체내 분해 속도가 매우 느리기 때문에 천연 또는 합성 고분자와 함께 지지체를 만드는 데 사용됩니다22. HA는 뼈 형성 단백질(BMP)과 같은 성장 인자를 자극하기 때문에 뼈 형성에 유익합니다. BG는 시험관 내 및 생체 내에서 우수한 생체적합성을 갖는 가장 유망한 바이오세라믹 중 하나이며, 생물학적 유체에 배치된 후 BG는 생물학적 조직에 결합하고 뼈 형성을 개선하는 생체 활성 HA 층을 생성합니다. BG의 단점은 강도가 낮고 부서지기 쉽다는 것입니다. miRNA(miRNA)는 3' 비번역 영역(UTR)을 표적으로 하여 전사 후 조절자 역할을 하는 약 21~23개 뉴클레오티드 길이의 내인성, 진화적으로 보존된 단일 가닥 RNA 클래스입니다. 광범위한 생물학적 프로세스를 조정하기 위한 표적 mRNA. 최근 몇 년 동안 miRNA와 뼈 형성 사이의 관계가 많은 주목을 받았습니다. 연구에 따르면 miRNA는 조골세포 분화 및 뼈 발달에 조절 효과가 있는 것으로 나타났습니다26.