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European Chapter Meeting of the Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society 2016 학술발표 : 의료용섬유개발연구동향 학술발표개요 2015년도광역경제권거점기관사업첨단메디컬신소재 ( 섬유 ) 개발사업의 Medical Te xtile 용도전개기반기술개발 & 대장수술후 leakage 방지및항문대체용인공장관, 장루의개발 과관련한국제학술발표는수행과제성과국제학술발표와더불어의류용섬유개발관련연구동향및기술동향등에중점을두고있었다. 1. 주요내용 기간 : 2016년 6월 28일 ~ 7월 1일 (4일간) 장소 : 스웨덴, 웁살라 (Uppsala Concert and Congress Hall) 학회규모 : 총 900편이상의 abstract에서 Invited speaker 200편, 구두발표 250편, 포스터발표 480편선정 첨석국가 : 스웨덴, 독일, 영국, 스페인, 캐나다등 40개국이상에서 2,000여명이상참가 학회주요주제 Organ specific tissue engineering and regenerative medicine Biologics, drugs, growth factors and gene therapy Advances in cell- and stem-cell based therapies Scaffolds, Matrices and Biomaterials Immunology and immuno-engineering Bioreactors and mechanotransduction Commercialisation, translation and industry Regulatory, health economics and ethics Clinical trials, Drug screening models - 1 -

Computations Modeling, Systems Biology, and Multi-parametric Analysis Imaging and Assessment 3D Bioprinting and biofabrication 2. 학술발표내용 현재진행하고있는광역경제권거점기관사업첨단메디컬신소재 ( 섬유 ) 개발사업과관련하여 2건의연구내용을발표함 발표내용 2건의간략요약 발표1 제목 : Development and evaluation of polypropylene nonwoven filters for blood filtration - 2 -

발표내용 - 현재혈액정화용또는혈액투석필터는대부분중공사필터를사용하고있음. 일부백혈구제거필터로서부직포류의필터들이사용되고있지만전량국외제품을사용하고있음. - 이러한고부가가치의혈액정화용필터를국산화하기위해멜트블로운기반혈액정화용부직포를개발하고, 부직포제조과정에서의공정변수를제어하여혈액정화용 1차필터로서의그가능성을평가하고자함. - 먼저부직포기질로사용된고분자는생체용으로사용되고있는폴리프로필렌 (PP) 고분자를사용하였고, 멜트블로운설비를통해부직포로제조하였음. 제조된부직포는여러겹을열압착공정으로열융착하여필터여재로제조하였음. - PP 부직포를여러겹으로열압착할경우두께에따라평균기공크기가감소하였고, 세포독성, 감작성, 유전독성, 이식반응등생체안전성평가를통해그생물학적특성을분석하였음. - 그리고부직포의기공분포를조밀하게하기위해 PP 마이크로입자를제조하여스프레이법으로부직포에적용하여열압착할경우평균기공크기및기공분포가현저하게감소하는경향을나타내었음. - 상기와같이평균기공크기가제어된 PP 필터의백혈구제거성능을평가한결과우수한백혈구제거효율을갖는필터여재의제조가가능함을확인함. 발표2 제목 : Physical changes during in vitro degradation of biodegradable PGLA woven band for application fecal diverting device 발표내용 - 본발표관련한기술은대장을절제한후봉합할때가장심각하고빈번하게발생하는 leakage를예방하기위한기술이며, 이를통해궁극적으로는대장의이물질로인한패혈증을예방할수있는최신기술이라고할수있음. - 대장수술후 leakage 예방을위한장관관리기의고정에사용되는생분해성고분자밴드의직조기술을개발함으로써대장암환자의수술후삶의질을향상시킬수있는의료기기를개발하고자하는것임. - 본발표연구내용은생분해성생체적합고분자인 PGLA를이용하여메쉬밴드제직시 in vitro 환경에서의생분해정도를평가하기위한내용임. - Phosphate-buffered saline(pbs) 에시료를침지하여 37±0.5 온도조건에서 shaking하면서 8주간의생분해정도를인장강도와무게감소율측정을통해분석하였음. - 1주와 2주경과후시료의인장강도는초기인장강도대비 99.5% 이상으로인장강도와무게감소의저하가크지않았음. - 3 -

학술발표 포스터 - 3주 경과 후 시료의 인장강도는 초기 인장강도 대비 61% 수준이었으며, 이 때의 무게 감소는 0.3%였음. 4주 경과시에는 인장강도가 27.5% 유지 수준으 로 감소하였으며, 무게 감소는 4.6%에 달했음. 5주차 이후에는 인장강도가 10% 이하 수준으로 저하되면서 무게 감소는 9% 이상 증가하는 것으로 나타 났음. - 결과적으로 in vitro 환경에서 시료의 인장강도 반감기는 3~4주 사이인 것으 로 평가되었으며, 초기 인장강도의 20% 이상을 유지하는 기간은 4주차까지로 나타났음. 이를 통해 실제 수술시 인체 삽입된 메쉬 밴드의 분해기간과 정도 를 예상해 볼 수 있음. - 4 -

3. 의료용섬유개발관련연구동향 골격근조직을재생하기위하여마이크로미터폴리카프로락톤 (PCL) 섬유와 PCL 나노섬유가계층적으로복합된지지체의개발에대한연구 - 먼저 PCL 마이크로섬유로구성된지지체를 100 에서용융하여 3D 프린터시스템으로블록형태의 PCL 마이크로섬유로제조하고, 동시에알지네이트나노섬유를 PCL 마이크로섬유방향랜덤또는같은방향으로정렬하여제조함. - 그리고바이오잉크에근아세포를혼합하여제조된나노 / 마이크로섬유지지체에분산시킴. - 연구결과, 순수한 PCL 마이크로섬유로구성된지지체에서근아세포는둥근형태를나타내었고, PC L 나노섬유가랜덤하게분포된지지체에서는근아세포가별모양을나타내었음. - 그리고 PCL 나노섬유가 PCL 마이크로섬유방향으로정렬된지지체에서는근아세포가나노섬유방향으로정렬되면서신장되는형태를나타내었음. - 결과적으로나노 / 마이크로섬유가계층적으로정렬된지지체는근아세포를근육형성에유리한세포형태로유도할수있는구조임을확인함. 인체힘줄을회복또는재생하기위한생체물리 화학적및생물학적안전성을갖는나노-텍스쳐콜라겐섬유를제조하는연구 - 콜라겐기반지지체는제조된디바이스의생체물리적, 생체화학적, 생물학적특성을제어하기위해다양한가교방법이연구되고있음. - 그러나종래의가교제는세포독성, 이물반응에대한명확한해결방안을제시하지못하고있음. - 이를해결하기위해세포친화성이우수한 4-star poly(ethylene glycol) ether tetr asuccinimidyl glutarate (PEG) 를이용하여콜라겐섬유를제조하는것임. - 먼저콜라겐을수중압출방법으로제조하고가교제로서 PEG의함량을변화시켜콜라겐섬유를제조하였음. 그리고가교되지않은콜라겐및종래의가교제인gl - 5 -

utaraldehyde (GTA) 로제조된콜라겐섬유를 Control로서제조하였음. - 제조된콜라겐섬유는섬유축길이방향으로평행하게틈을갖는표면형태를나타내었고, 이러한나노-텍스쳐표면은세포를일축방향으로신장및성장하는특성을보임. - 그리고종래의가교제인 GTA와유사한기계적특성을나타내었고세포독성등의세포친화성에여향이없었고, 힘줄세포의표현형 (phenotype) 을유지함으로써힘줄재생에사용될수있는잠재성이있음을확인함. 인체뼈조직을재생하기위한것으로골수줄기세포의퍼짐 (spreding) 및증식 (proliferation) 에효과적인 RGD 단백질이결합된정열 ( 배열 ) 된 PLGA 나노섬유의제조에관한연구 - 뼈조직은무기질화정렬된콜라겐섬유로구성되어있음. 그러므로정열된나노섬유는뼈조직공학용지지체로활용할수있는높은잠재성을가지고있음. 그리고 RGD 단백질은세포점착및퍼짐에효과적인 binding sequence임. - 먼저 GRGDC 단백질을합성하고, 다양한농도로 PLGA에결합 (conjugat e) 시켰음. 그리고전기방사를이용하여층층이교차하도록배열하여 PL GA-RGD 나노섬유를제조하였음. - 1% RGD 농도를사용하였을때나노섬유에가장높은결합농도를나타내었고, 골주줄기세포의증식이가장높게나타내었음. 그리고세포의퍼짐및증식또한 1% RGD 농도를사용하였을때 control 및 0.5% 대비가장우수하게나타남을확인하였음. - 그리고세포의퍼짐방향은나노섬유가배열된방향과유사한방향으로퍼지는특성을보였음. - 6 -

- 결론적으로세포의퍼짐은물리적으로정렬된나노섬유보다는 RGD 단백질농 도더큰영향이있음을확인하였음. 상처또는궤양치료에효과적인약물전달용신규생분해성재료인실리카나노섬유개발에대한연구 - 전기방사나노섬유는높은표면적및기공도, 작은기공, 화학적및기계적특성이우수하여약물전달용및조직재생용의료재료로서사용되어왔음. - 그러나사용되는생체고분자에의존한생분해도, 기능가공, 물및단백질흡착과소독이용이하지못한단점등이있음. - 이의단점이개선된조직재생및약물전단용생분해성실리카를변형된 sol -gel 방법제조하고전기방사를이용하여나노섬유로제조하였음. - 실리카나노섬유는유사체액 (SBF, PBS 등 ) 에서높은생분해성을보였고, 생분해후에도그형태가유지됨을확인하였음. - 체외 (in vitro) 및체내 (in vivo) 평가를통해세포독성, 자극반응등이없고감작성이없음을관찰하였음. 그리고항균제의빠른방출로다양한박테리아에대한항균효과를나타내었음 - 결론적으로실리카나노섬유는생분해성및생체적합성재료로서오염된상처및궤양치료의약물전달용매트릭스로사용잠재성이우수함을확인함. 조직공학에활용될수있는표면개질된소수성히알루로난섬유지지체의개발에관한연구 - 히알루론산 (Hyaluronic acid, HA) 는생분해성및생체적합성으로빠른상처치유및세포의증식과분화를위한보조재료로서다양한형태로이용되어있음. - 먼저 HA 마이크로섬유는 palmitoyl-hyaluronic acid (250 kda) 를이용하여습식방사로제조하였음. 그리고 HA 3 모노필라멘트를직경 1 cm로니트형섬유 stripe 을제조한다음 fibronectin (FNC), fibrinogen (FNG), laminin (LAM), collagne (C OL), methacrylated gelatine (MGEL) 로표면처리하여동결건조하였음. - 7 -

- 다양한생체분자를이용한 HA 섬유의코팅및동결건조는세포의점착을증가시켰음. COL 처리는 COL과섬유의낮은상호반응으로성공적인처리가이루어지지않았음. - 결론적으로, 생체적합성, 생분해성, 안정성, 유연성, 인장강도, 세포독성이없는 HA 섬유는조직재생을위한세포지지체로서의료분야에적용될수있음을확인하였음. 상처치유용유칼립투스오일 (Eucalyptus oil) 이함유된폴리우레탄매트개발에관한연구 - 유칼립투스오일 (Eu) 은호주의천연식물자원으로서항염증특성을갖는다고보고되고있음. 따라서항균및항염증성폴리우레탄을매트를 Eu 농도별로제조하여세포실험을통해상처치유특성을평가하였음. - 폴리우레탄을 DMF:THF 혼합용매에녹이고 Eu를폴리우레탄용액에 drop하여교반한다음유리접시에부어서다양한 Eu 농도를갖는폴리우레탄 /Eu(Eu/PU) 매트를제조하였음. - Eu 농도를 3, 5, 10 wt.% 함유한 Eu/PU 매트에서토끼섬유아세포의증식이순수한 PU 대비높이나타났으며, 배양 5일에서 3 wt.% 로함유된매트에서가장높은세포증식을확인하였음. - Eu 농도를 3 wt.% 로함유한 Eu/PU 매트의경우배양 3일에서세포외기질 (E CM) 이매트전체를덮었으며, 배양 5 일에서다른시료대비 longer connect ive fibrous band들이관찰되었음. - 따라서 3 wt.% 농도의 Eu를함유한 Eu/PU 매트가형태학적, 구조적, 생물학적특성이우수하여창상피복재및피부재생에사용될수있음을확인함. - 8 -

다양한병인에의해유럽에서만연간 22만명이상을사망에이르게하는간장애를극복하기위한인공간개발에관한연구 - 유일하게입증된치료방법은간이식이라고할수있으나기증자의수가제한적이어서대체요법에대한연구가매우중요함. 인공간 (bioartificial liver) 장비는일시적으로간장애환자에게대안으로제시되나알부민분비혹은약물대사등지속적인간세포기능의활성화가필수적임. - 간세포구상체를 polyehtersulphone(pe S) 로제조된중공사막 (hollow-fiber me mbrane에접종하여수주간공초점레이저현미경 (CLSM) 과주사전자현미경 (SEM) 으로관찰하였음. - 인공간장비개발의일환으로서중공사막 bioreactor는간세포구상체융합과간미세조직의형성을통해간세포의기능을장기간유지하게하는것으로나타났음. 생체모방복합섬유지지체를이용한대동맥용조직공학섬유기반심장판막 (heart valve) 의개발에관한연구 - 조직공학은판막재치환수술없이도심장판막을생성할수있는가능성을가지고있음. 하지만 조직공학심장판막 (TEHVs) 의물리적특성은여전히체순환에서의착상을향상시킬필요가있음. - 본연구를통해이방성의첨판 (leaflet) 을가지는 TEHVs이개발되었으며, 섬유복합지지체의영률을대동맥첨판과비교하였음. 결과적으로대동맥에착상하기위한 TEHVs를제직하기위 - 9 -

한생체모방섬유강화소재의잠재력을보여주었음. 인공힘줄개발을위한하이드로겔이용섬유플랫폼에관한연구 - 힘줄의과다사용혹은외상에의한힘줄의손상은상당한통증과장애를가져올수있음. 힘줄의수술적치료는물리적특성과기능적인면에서좋지않은결과를초래하기때문에조직공학적인연구가필수적임. - 섬유플랫폼은생체모방적인재생을가능하게하므로본연구의목적은힘줄을모방할수있는물리적특성과형태를갖는브레이드구조로구성되어물리적으로탄탄한코어-시스섬유구조의세포하이브리드하이드로겔강화섬유를개발하는데있음. - 물리적강화하이드로겔섬유는메타크릴로일젤라틴 (GelMA) 과알지네이트의세포-하이드로겔혼합물로코팅하여제조할수있음. 복합섬유 (CFs) 는알지네이트의이온가교와 GelMA의광가교에의해얻어짐. - 제조된브레이딩 CFs는원래의힘줄조직과같이동작할수있도록물리적특성을조절함. 각막기질재생을위한투명실크피브로인나노섬유지지체에관한연구 - 누에나방에서생산된실크피브로인은비세포독성과강력한물리적특성으로생체적합성을갖는생체재료로서인정받고있음. 또한뛰어난가공성은필름, 스폰지, 하이드로겔또는나노섬유등다양한형태로의생체재료로서의실크피브로인의사용을가능케함. - 이러한장점을이유로본연구에서는각막기질재생을위한발판으로 - 10 -

서실크피브로인나노섬유를활용하기위해노력하고있음. - 실험을통해 80~200mM 농도의염화칼슘용액처리는나노섬유실크피브로인 의광투과율을현저히향상시키는것을알수있었음. PCL로코팅한 3D 알지네이트지지체의저온제조방법에관한것으로물리적특성을향상시키기위한목적을가지고있는연구 - 최근알지네이트섬유는높은친수성과생체적합성때문에다양한조직공학에널리사용하고있음. 하지만천연고분자는조직공학에있어매우중요한물리적성능이낮다는한계를가지고있음. - 본연구에서는강도를높이기위해높은물리적특성을갖는합성고분자를천연고분자위에적용하였음. 또한, 극저온직접-플로팅시스템을통해알지네이트지지체를제조하였으며, 지지체의생체적합성과기공률을유지하기위해 PCL(p oly caprolactone) 로코팅하였음. - 새로이제조된지지체는단단하거나유연한조직재생에사용될수있으며높은기공률과향상된물리적특성을가짐. 나노섬유기반의미소관 (microtubular) 지지체상간엽줄기세포의골형성분화에관한연구 - 골격의외상이나감염후전이성종양절제술, 골손실, 골절치료및선천성안면두개골기형등골이식에대한임상요구는다양함. - 골결손을재건하는데있어가장큰과제중하나는미세구조에서의세포-매트릭스간상호작용에의한골전구세포분화뿐아니라높은기계적강도를제공할수있는생체모방설계기술의부재임. - 11 -

- 서로다른내경으로제조된모세관 (0.35 및 0.8mm) 및미소관번들의 3 차원구조 는간엽줄기세포의세포분화를향상시키는것으로나타났으며, 잠재적으로다 양한골조직재생분야에서유망한지지체가될수있음. 말초신경의재생을위해마이크로광조형법과전기방사를이용한도관의제조에관한연구 - 말초신경의손상은열상과같은다양한외상혹은 ( 세번째 ) 어금니제거, 치과임플란트와같은의원성질환에의해발생할수있음. 한편, 말초신경손상은봉합 ( 비교적작은부상 ), 자가이식과신경안내도관 (NGCs, nerve guidance condu its) 을통해치료될수있으나현재 NG Cs는간단한설계와제한적인성공으로최대약 25mm의작은신경간극에만유용함. - 본연구에서는마이크로광조형법 (μct) 과전기방사를결합함으로써보다큰신경간극에적용가능한향상된말초신경재생을가능하게하는개선된신경안내도관을제조하였음. - 마이크로광조형법을통해고품질의 PCL 튜브를제조하였으며, 전기방사를통해높은배향의 1-10μm범위의섬유를제조하였음. 섬유는 PCL 튜브에삽입되었으며, 우수한섬유배향과충전밀도를보여주었음. - RN22 세포는튜브를따라침투하여 PC L 섬유를따라정렬되었음. 결론 의료용섬유개발관련연구동향을요약해보면, 이번학회에서의료용섬유관련연구는전기방사를이용한천연및합성고분자를이용한나노섬유의제조및무기물또는기능성향상을위한약물함유하이브리드나노섬유가주로발표되었고, 상처치유, 각막, 피부, 뼈재생등다양한분야에응용되고있었다. 특히, 천연고분자로서실크피브로인을이용한나노섬유지지체의개발이유럽에서많은연구들이이루어지고있었으며, 생체고분자로서 PCL, PLGA, PLA 등을이용한 3D 프린터용바이오잉크개발및다양한전기방사기술들을이용한이들의복합적배열다중층의나노섬유개발이활발히연구되고있었고또한이식형생 - 12 -

체재료에항균, 항염증기능의약물을적용한기능성섬유지지체의개발이다수보고되었으며, 지방또는골수줄기세포의분화를유도할수있는성장인자를탑재하여이들의방출제어를유도함으로써보다효과적으로조직을재생하고자하는연구들이진행되고있었다. 그러나부직포를이용한혈액필터또는의료용필터개발및생분해성모노필라멘트를이용한이식형섬유지지체의개발에관한연구는보고되지않았으며, 따라서다양한의료분야 ( 혈액필터, IV필터, 산소공급용필터등 ) 에사용될수있는비분해성섬유부직포및인공장관, 장루등으로사용될수있는생체고분자필라멘트로구성된직물개발에대한연구를지속적으로수행한다면보다차별화된연구소재개발이가능할것으로판단된다. 또한부직포기반혈액필터및생분해성직물개발이국외에서미진한만큼현재진행하고있는이번메디컬섬유개발사업을성공적으로수행한다면보다우수한연구결과및선진기술확보가용이할것으로판단된다 - 13 -