두개안면 부위의 뼈 재생을 위한 폴리에테르에테르케톤을 함유한 새로운 주사형 하이드로겔

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 864(2023) 이 기사 인용

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폴리에테르에테르케톤(PEEK)은 티타늄 임플란트의 대체재로 도입된 유기재료입니다. 주사형 하이드로겔은 불규칙한 모양과 윤곽을 지닌 결손부를 보수적으로 메워주는 구강 내 뼈 재생을 위한 가장 유망한 접근법이다. 현재 연구에서는 PEEK를 함유한 주사 가능한 알데히드-셀룰로오스 나노결정질/실크 피브로인(ADCNCs/SF) 하이드로겔을 합성하고, 이들의 뼈 재생 능력을 평가했습니다. 하이드로겔 구조를 통해 구조, 분자간 상호작용, 성분간 반응을 평가하였다. 제작된 스캐폴드의 세포적합성은 인간 치수 줄기 세포(hDPSC)에서 평가되었습니다. 또한, hDPSC에 대한 ADCNC/SF/PEEK 하이드로겔의 골유도 능력은 실시간 PCR, 웨스턴 블롯, 알리자린 레드 염색 및 ALP 활성을 사용하여 평가되었습니다. 쥐의 두개골에 있는 임계 크기 결함의 뼈 형성을 조직학적 및 방사선학적으로 평가했습니다. 결과는 하이드로겔의 성공적인 제조와 hDPSC에 대한 골형성 유도 능력을 확인했습니다. 또한, 생체 내 단계에서는 ADCNCs/SF/PEEK 그룹에서 골 형성이 유의하게 더 높았습니다. 따라서 PEEK가 탑재된 하이드로겔에 대한 반응으로 강화된 뼈 재생은 치과 임플란트 주변의 두개안면 영역에서 뼈 손실을 재생할 수 있는 가능성을 제시했습니다.

지난 수십 년 동안 뼈 조직 공학은 두개안면 부위의 뼈 결함을 재건하기 위한 유망한 대안을 제공했습니다. 이 부위의 뼈 결함은 선천적 기형, 감염, 외상, 종양 절제 및 치아 추출을 통한 후속 뼈 흡수로 인해 발생합니다4,5. 이러한 결함은 환자의 삶의 질에 큰 영향을 미치며 악안면 기능과 심미성을 회복하기 위해 치료해야 합니다6,7.

동적 뼈 구조는 임계 크기보다 작은 결함을 재구성하는 데 있어 놀라운 재생 능력을 나타냅니다. 심각한 크기 결함은 자가 치유 능력이 없으며 추가적인 재구성 개입이 필요합니다8. 자가/동종이형 뼈 이식 및 금속 보철물과 같은 이러한 종류의 뼈 결함을 치료하기 위한 기존 접근법은 기증 부위의 이환율 및 부족, 흡수 가능성, 불규칙한 결함을 채우기 위한 복잡한 제조 및 성형으로 인해 제한됩니다9,10. 이러한 한계로 인해 생분해성 및 생체 적합성 3D 고분자 하이드로겔을 이용한 뼈 조직 공학 접근법은 줄기 세포 증식 및 분화를 개선하여 치료 프로토콜의 효율성을 높이는 잠재적인 후보로 간주될 수 있습니다. 하이드로겔의 천연 뼈 세포외 기질(ECM)과 유사한 특성과 골형성 인자 전달은 하이드로겔을 뼈 재생에 적합하게 만드는 주요 특징입니다. 고려해야 할 또 다른 필수 특성은 이러한 하이드로겔의 주입성이며, 이는 조립식 하이드로겔에 비해 광범위한 이점을 제공합니다. 이러한 주사용 하이드로겔은 적절한 폴리머 및 물질로 제작될 때 줄기 세포의 침투, 부착, 증식 및 분화에 대한 탁월한 지원을 보여줍니다. 더욱이, 취급 용이성, 최소 침습적 투여 및 불규칙한 모양의 뼈 결함 충족은 환자의 편의성 외에도 임상 적용 시 이러한 주사용 하이드로겔의 장점입니다14,15,16,17,18.

손상되고 손실된 뼈 조직을 재건하기 위해 다양한 생체 재료가 적용되었습니다. 폴리에테르에테르케톤(PEEK)은 반결정 구조를 가진 유망한 유기 및 합성 폴리머입니다. 이는 티타늄(Ti)22,23,24과 같은 금속 재료에 비해 높은 생체 수용성, 방사선 투과성 및 자연 뼈와 유사한 탄력성으로 인해 더욱 대중화되었습니다. 또한, 보고서에 따르면 티타늄 임플란트와 그 합금은 두개안면 부위의 뼈 결함을 재건하는 동안 금속 이온 방출, 골용해, 알레르기 유발성 및 금속 부식을 보여주었습니다25,26. 40년 이상 다양한 기질과 재료에 PEEK를 적용해 온 결과, 생체 재료 적용에 있어 PEEK의 뛰어난 역량이 입증되었습니다. 고성능 폴리머인 PEEK는 우수한 내화학성, 340°C의 높은 용융 온도, 우수한 방사선 및 살균 저항성, 3.7~4.0GPa의 높은 탄성 계수, 103MPa의 높은 인장 강도를 특징으로 합니다. 보철재료 중 PEEK는 열안정성이 좋고, 자연골과 기계적 성질이 유사해 부품으로 널리 사용되고 있다. 이러한 특성은 PEEK 기반 복합재가 뼈 재생을 촉진하고 인접한 뼈 흡수를 지연시키는 데 도움이 됩니다28. 뼈가 점차적으로 융합되는 동안 단단한 상태를 유지하도록 설계된 케이지, 막대 및 나사를 포함하여 다양한 척추 임플란트가 PEEK로 만들어졌습니다29,30,31,32. 두개안면 영역에서 좋은 소재로 변하는 PEEK의 가장 주목할만한 특징에는 우수한 기계적 특성, 자연 방사선 투과성 및 열 변형 감소19,33가 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다. 또한 골용해 감소, 골 형성 증가 및 PEEK 임플란트 주변의 초기 무기질화 지원에 관한 몇 가지 증거가 있습니다19. 그러나 일부 연구에 따르면 이 기질은 Ti만큼 생리활성이 없는 것으로 나타났습니다. 따라서 그들은 PEEK를 다른 재료와 통합할 것을 제안했습니다.