Effect of electrospinning PLGA Nanofiber Membranes on Bone Regeneration in Rabbit Calvarial Defects

Abstract

임플란트 시술 시 상실된 치조골 재생을 위하여 흡수성 차폐막을 이용한 골유도재생술 및 조직유도재생술이 사용된다. 흡수성 차폐막의 재료에는 주로 콜라겐 및 합성 고분자가 사용되는데 이 중 poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA)는 미국 FDA의 승인을 받은 공중합체로써 우수한 생분해성 및 생체 적합성을 가지고 있다. 이러한 특징으로 인하여 PLGA는 여러 의료기기 제조분야에 적용되고 있다.

전기방사법을 이용하여 제작된 나노섬유는 높은 산소투과성과 우수한 생체분해성 및 다공성을 가지고 있어 조골세포의 부착과 증식을 증진시킨다는 연구가 보고되었다. 전기방사 나노섬유에 관한 연구는 세포 수준에서 활발히 이루어지고 있으나 치주조직 및 치조골 재생을 위한 차폐막으로써의 연구는 많이 이루어지지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 전기방사를 통해 제조된 소수성 및 친수성 poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) (lactide:glycolide, 85:15) 나노섬유 차폐막의 골재생능을 토끼 두개골 결손부 모델을 이용하여 평가하고자 한다.

PLGA를 혼합용매인 DMF/THF (80/20 col.%)에 18 wt.%가 되도록 용해한 뒤 고전압 발생장치 (AU-100R6, Matsusada Precision, Shiga, Japan)를 이용하여 PLGA 나노섬유를 제조하였다. 또한 친수화 개질 첨가제인 F127 (PluronicⓇ F127, Sigma-Aldrich, Missouri, USA)을 첨가하여 친수성 PLGA 나노섬유를 제조하였다. 제조된 PLGA 나노섬유 및 친수성 PLGA 나노섬유를 3겹으로 열압착 하여 차폐막으로 제작하였다. 총 32마리의 토끼 두개골에 4개의 직경 8 ㎜ 골결손부를 형성하였다. 4개의 골결손부는 음성대조군 (no membrane), 양성대조군 (collagen membrane), 실험군 Ⅰ or Ⅲ (bone graft material with PLGA nanofiber membrane or hydrophilic PLGA nanofiber membrane), 실험군 Ⅱ or Ⅳ (PLGA nanofiber membrane or hydrophilic PLGA nanofiber membrane)으로 그룹을 나눈 뒤 각각의 재료를 적용시켰다. 술 후 2주, 6주 뒤 희생하였으며 골결손 모델의 두개골 조직 시편을 이용하여 미세단층촬영을 통해 방사선학적 평가 및 분석을 시행하였다. 또한 조직학적 평가를 위해 Hematoxylin and Eosin (H&E) 염색법과 Masson’s trichrome (MT) 염색법을 수행하였다.

방사선학적 평가 및 분석 결과 2주, 6주 후 골이식재와 함께 차폐막을 사용한 실험군에서 가장 많은 양의 신생골이 형성됨을 관찰하였다. 특히 친수성 PLGA 나노섬유 차폐막 실험군에서 6주 후 양성대조군인 콜라겐 차폐막과 동일한 수준의 신생골이 형성됨을 확인하였다. 조직학적 평가 결과 PLGA 나노섬유 차폐막 및 친수성 PLGA 나노섬유 차폐막을 사용한 실험군에서 차폐막 하방에 염증반응이 없음을 확인하였다. 또한 신생골의 형성이 골결손부 경계면에 국한되어 있는 음성대조군과 달리 PLGA 나노섬유 차폐막 및 친수성 PLGA 나노섬유 차폐막은 경계면부터 연속된 신생골 형성이 관찰되며 이는 콜라겐 차폐막 실험군과 비슷한 양상을 보였다.

이러한 연구결과를 바탕으로 전기방사법을 이용하여 제작된 PLGA 나노섬유 차폐막 및 친수성 PLGA 나노섬유 차폐막은 현재 시판되어 사용되고 있는 콜라겐 차폐막과 유사한 수준의 신생골 형성능을 가진 것으로 확인되었다. 따라서 PLGA를 이용한 전기방사 나노섬유는 향후 의료용 차폐막으로써 활용 가치가 높을 것으로 사료된다.