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성과명4D 프린팅으로 근육재생 및 척추유합 세포담체 개발

Self-aligned myofibers in 3D bioprinted extracellular matrix -based construct accelerate skeletal muscle function restoration(Applied Physics Reviews (IF: 19.162, 2020년 기준))

바이오인에서 원문보기 URL 공유하기
지원사업
중견연구지원사업
지원 기관
과학기술정보통신부
연구 기관
연세대학교, 뉴캐슬대학교
연구자
이형진, 김원진, 김근형, 이상진
발표일
2021-05-12
조회수
99

4D 프린팅으로 근육재생 및 척추유합 세포담체 개발


근세포가 길이방향으로 배열해 자랄 수 있도록 유도


골세포 주변의 혈관생성 유도해 골재생 촉진



개요

김근형 교수(성균관대학교), 이상진 교수(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine) 연구팀이 4D 프린팅 기술로 세포배열을 조절할 수 있는 바이오잉크 기반 세포담체를 개발하고, 근육 손실 동물모델에서의 효과를 확인했다고 밝혔다. 과학기술정보통신부‧한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 응용 물리학 분야 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews)에 5월 4일(뼈조직 재생) 및 5월 12일(근육 재생)에 게재(featured article)되었다.


연구 내용

연구팀은 부피가 큰 근육 손실 부위의 재생을 위해 광경화 (photo-crosslinkable)가 가능한 탈세포화 기반 바이오잉크를 합성 고분자인 Poly(vinyl alcohol)(PVA)를 첨가하여 사용해 이식용 3D 인공근육을 제작하고자 했다. 세포 배열을 유도하기 위해 프린팅 노즐 내의 바이오잉크 흐름에 의한 전단 응력(shear stress)을 활용하였다. 이 때, 바이오잉크의 체적유량과 프린팅 속도 등의 조절을 통해 바이오잉크의 내부의 섬유화된 PVA 분자를 프린팅 방향으로 성공적으로 정렬시킬 수 있었다. 이를 통해 제작된 구조체에 포함된 인간근육전구세포는 90%가 넘는 높은 초기 세포생존율을 보였다. 제작된 3D 인공근육은 기존의 구조체(배열되지 않은 구조)와 세포 성장 및 성숙을 비교하였다. 배양 7일차 이후부터 배열이 유도된 구조체는 비교군에 비해 1.7배 이상 배열된 세포골격을 보였으며 마이오신 중쇄 (MHC) 염색했을 때 배양 21일차에 1.8배 이상의 높은 분화도를 확인할 수 있었다. 미세채널 내부에까지 세포가 부착 및 유입되어 성장하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 21일의 배양 기간을 통해 기존 구조체에 비해 약 1.4배 이상의 높은 골분화 관련 유전자(osteopontin, osteocalcin 등) 발현을 확인할 수 있었고 혈관 형성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 콜라겐/HA 구조체에 포함된 미세채널이 세포의 활성과 이식 환경에서 주변 골 조직, 혈관의 유도를 촉진시켜 골 재생에 있어서 효과적으로 작용하였다.


기대 효과

본 연구에서 제안된 4D-프린팅 공정 및 이를 이용하여 제작된 세포 담체는 향후, 근육 조직 및 뼈 조직 뿐 아니라 다양한 인체 조직들 예를 들어 신경조직, 심장근육, 및 인대 등에 효과적인 조직공학용 세포담체로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.


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