1. 수행배경

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• - 현존하는 두개골 부위의 결손조직 보존을 위해 이용되는 Titanium 계열 금속재료의 경우, 내구성 문제로 인해 10-15년 이후 교체를 위한 외과적 재수술이 필요하며, 표면 부식으로 인한 2차적 조직 결손 및 소실이 빈번히 발생함

   

  - 특히, 최근 이용되는 복합 성장인자 전달법의 경우, (1) 대부분 한 가지 독립 성장인자의 직접적인 환부 주사를 통한 효과 연구에 치우쳐 있으며, (2) 수용액 혹은 분산액 상태의 성장인자를 환부에 직접 주사하는 치료법의 경우, 체내 존재하는 다양한 생리분자들의 영향으로 체내로 투입된 성장인자가 활성도를 쉽게 잃어버려 기대했던 치료효과가 불확실한 단점이 있음

   

  - 또한, 기존의 줄기세포 이식을 통한 조직재생 치료법의 경우, 외부에서 전달된 세포의 생착률이 떨어지고 기존 비결손 조직과의 접착에 한계를 보여 충분한 뼈조직의 재생효과를 기대하기 힘든 단점이 있음.

2. 수행기간

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  구분	주차별 연구내용	1-2	3	4-5	6	7-8	9	10-11	12
  1	Arginine conjugation을 이용한 polycation 합성 및 분석
  2	Coacervation을 통한 전달체 내 성장인자 탑재 및 효율 분석
  3	ELISA를 이용한 in vitro상 성장인자 서방형 방출제어 연구
  4	Thiolated collagen/PEG-DA를 이용한 interpenetrating hydrogel network제작 및 물성분석
  5	성장인자 전달체와 줄기세포가 포함된 Bilayered composite hydrogel 제작 및 성장인자 방출연구/hydrogel 내부 세포 장기적 viability 분석

   

3. 개발작품 설명

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  연구 내용	연구 범위	분석 방법
  Polycation 기반의 생분해성 고분자 전달체 개발	Arginine conjugation을 통한 새로운 생분해성 polycation 합성법 개발 [Polycation:Heparin:성장인자] 사이의 정전기적 인력에 의한 수용액 상에서의 자가조립을 통한 Coacervation droplet 형성 복합 성장인자 탑재 효율분석	Heparin-mediated Coacervation을 통한 수용액 내 자가조립 및 성장인자의 전달체 내 탑재효율 ELISA 분석
  복합 성장인자의 방출 패턴 연구	Polycationic copolymer의 생분해 (degradation) 및 Heparin과의 binding affinity 조절에 의한 성장인자 방출조절 Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2), Platelet derived growth factor (PDGF) 등 복합 성장인자에 대한 방출 속도의 단계적 조절을 통한 독립적인 방출패턴 확보 방출된 성장인자의 장기 활성도 유지 확인	서방형 방출기간 4주 이상 2가지 이상의 복합 성장인자 방출시 독립적 방출패턴 확보 (ELISA) 방출된 성장인자의 cellular activity (WST-1 및 cell specific assay 활용)
  주사가능한 hydrogel 생체고분자 합성	Thiolated collagen 합성법 개발 PEG-DA를 이용한 interpenetrating hydrogel network 개발 및 물성 분석 Crosslinking modulation을 통한 hydrogel 물성 (조직접착성 및 생분해성) 개선	NMR 및 FT-IR을 이용한 합성 분석 4주 생분해 물성 측정 (Swelling ratio 및 Mass loss)
  세포 및 성장인자 복합전달용 composite hydrogel 개발	Giuded bone regeneration 모델에 적용가능한 hydrogel 디자인 지방유래 줄기세포, 뼈세포, 복합성장인자를 포함하는 3D composite hydrogel 개발 및 배양	Hydrogel 내 세포의 3주이상 in vitro viability 확보(Live/Dead staining) RT-PCR 이용한 골조직 분화 marker 유전자 발현

   

4. 활용방안

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• 현재 국내에서 널리 사용되고 있는 두개골 조직재생용 세포 전달 치료재료의 경우, (1) 낮은 세포생장율 및 조직생착율과 (2) 염증성 반응 조절기능의 부재로 인하여, 조직재생의 효과를 기대하기 힘든 실정임
• 본 연구에서 제안하는 뼈조직 치료 및 재생에 효과적인 하이드로젤 디자인은 (1) 천연/합성 고분자를 이용한 주입형 소재, (2) 뼈조직 재생 극대화를 위한 세포/약물 전달 시스템, (3) 하이드로젤의 조직 접착성 3가지가 결합된 구조이며, 수입 제품에서도 아직 구현되지 않은 상태이며, 국내 연구개발의 필요성이 부각되고 있음
• 상기 제시된 연구를 통해 개발될 Polycation 기반의 성장인자 전달체의 경우, 기존의 bolus type 성장인자나 스테로이드 계열 물질을 환부에 직접 주사하는 치료법의 한계인 체내 활성감소 및 이로 인한 불충분한 세포 분화/조직재생 치료효과를 극복할 수 있음.
  또한 최종적으로 개발될 다기능성 하이드로젤 복합체의 경우, 골관절 조직재생용 생체재료가 갖는 낮은 기계적 물성 및 조직접착률을 극복하고, 전달된 줄기세포의 향상된 얇은 판 형태의 실제 두개골 조직구조를 모사하기 위해 다기능성 하이드로젤 복합체를 디자인하여, 3차원 배양을 통해 뼈조직 재생 치료법에 대한 전임상 데이터 확보 가능.