군용 의료용 압전 하이드로겔 조직 공학 지지체의 면역 조절, 혈관 신생 및 골 형성 기능의 결합

군사 의학 연구 10권, 기사 번호: 35(2023) 이 기사 인용

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풀뿌리 부대의 뼈 관련 부상은 대부분 훈련이나 사고로 인한 부상으로 인해 발생합니다. 모든 종류의 외상을 줄이고 풀뿌리 군대의 전투 효율성을 향상시키기 위한 예방 조치를 수립하려면 뼈 재생을 촉진하기 위한 새로운 전략과 지지대를 개발하는 것이 필수적입니다.

본 연구에서는 폴리도파민(PDA)으로 개질된 세라믹 수산화인회석(PDA-hydroxyapatite, PHA)과 PDA로 개질된 티탄산바륨(PDA-BaTiO3, PBT) 나노입자를 키토산/젤라틴(Cs)에 결합시켜 다공성 압전 하이드로겔 뼈 지지체를 제작했습니다. /Gel) 매트릭스. 0~10wt% PBT를 함유한 Cs/Gel/PHA 지지체의 물리적, 화학적 특성을 분석했습니다. 시험관 내 및 생체 내에서 압전 하이드로겔 지지체의 면역 조절, 혈관 신생 및 골 형성 능력을 특성화하기 위해 세포 및 동물 실험을 수행했습니다.

BaTiO3를 지지체에 첨가하면 기계적 특성이 향상되고 자체 생성 전기가 증가합니다. 내인성 압전 자극 및 생리 활성 성분으로 인해 준비된 Cs/Gel/PHA/PBT 하이드로겔은 면역 조절, 혈관 신생 및 골 형성 기능뿐만 아니라 세포 적합성을 나타냈습니다. 이는 M2 표현형에 대한 대식세포 분극을 효과적으로 유도했을 뿐만 아니라 인간 제대 정맥 내피 세포(HUVEC)의 이동, 관 형성 및 혈관 신생 분화를 촉진하고 MC3T3-의 이동, 골분화 및 세포외 기질(ECM) 광물화를 촉진했습니다. E1 세포. 생체 내 평가에서는 다양한 기능을 갖춘 이러한 압전 하이드로겔이 쥐의 대형 두개골 손상 모델에서 새로운 뼈 형성을 크게 촉진한다는 것을 보여주었습니다. 기본 분자 메커니즘은 부분적으로 전사체 서열 분석을 통해 나타난 바와 같이 Cs/Gel/PHA/PBT 하이드로겔의 면역 조절에 기인할 수 있으며 PI3K/Akt 신호 전달 축은 대식세포 M2 분극을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다.

유리한 면역 조절, 혈관 신생 및 골 형성 기능을 갖춘 압전 Cs/Gel/PHA/PBT 하이드로겔은 골막 손상의 대체물로 사용될 수 있으며, 이를 통해 뼈 조직 공학에 압전 자극을 적용하여 전투 효율성을 향상시키는 새로운 전략을 제공할 수 있습니다. 풀뿌리 군대에서.

질병 외에도 훈련 부상, 우발적 부상은 비전투 상황에서 풀뿌리 부대의 비전투 병력 감소의 중요한 원인입니다. 전체 부상 중 70.3%는 훈련 중 부상이었고, 29.7%는 훈련 중 부상이었습니다. 뼈 관련 부상의 총 66.6%는 이러한 훈련과 우발적 부상으로 인해 발생했습니다[1, 2]. 모든 종류의 외상을 줄이고 풀뿌리 군대의 전투 효율성을 향상시키기 위한 예방 조치를 수립하려면 뼈 부상 복구를 촉진하는 신약 및 지지대 개발이 필수적입니다 [3, 4]. 뼈 손상 치유는 통제되지 않고 지속적인 염증, 골형성/혈관 신생 차단으로 인한 산소 전달 중단, 활성산소종(ROS) 과부하의 위험으로 인해 매우 어렵습니다[5]. 뼈 재생을 위한 미세 환경을 제공할 수 있는 뼈 조직 공학 지지체 재료의 사용은 뼈 재생을 지원하는 효과적인 대체 전략입니다[6]. 현재 많은 뼈 조직 공학 지지체의 효과는 자가 뼈 이식의 효과에 가깝고[7], 전기 자극과 같은 많은 새로운 방법이 난치성 뼈 조직 공학 분야에 도입되었습니다[8]. 그러나 이러한 기술의 결합된 사용을 최적화하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다.

많은 보고서에 따르면 전기적 미세 환경이 뼈 손상 복구에 중요한 역할을 할 수 있는 것으로 나타났습니다[9, 10]. 또한 신체의 전기 신호는 이동, 식세포 활동 및 사이토카인 생산과 같은 대식세포 행동을 조절할 수 있습니다. 자주 사용되는 생체 활성 거대 분자 및 나노 분자의 통합 외에도 급성장하는 연구에서는 역학, 전기 및 자기를 포함한 여러 생리학적 단서가 뼈 관련 세포 행동 및 세포 성숙 사건에 영향을 미쳐 뼈 재생에 대한 새로운 전망을 제시한다는 사실이 밝혀졌습니다[12] . 예를 들어, 뼈 조직 자체는 압전기적이며 신체 기계적 활동에 반응하여 자가 동력을 공급받으며 골세포 대사 및 증식을 조절할 수 있습니다[13]. 폴리-L-락트산, 콜라겐, 실크, 니오브산칼륨-나트륨과 같은 압전 생체재료는 생리학적 전기 미세환경을 출력할 수 있으며 대사 활동을 증가시키는 데 중요한 역할을 합니다[14, 15]. 중요한 것은 70년 전 뼈의 생체 전기 특성이 발견된 이후 임상 전기 자극 요법이 뼈 치유와 척추 융합을 촉진하는 능력을 보여주었다는 것입니다[16]. 최근 in vitro 전기자극은 골 형성 세포(골 중간엽 줄기세포, 골조상세포, 조골세포 및 내피세포)의 증식, 이동 및 분화에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다[17]. 전기자극이 골형성을 촉진하는 가능한 메커니즘에는 조골세포 관련 세포 내 Ca2+ 농도의 상향 조절, 전압 개폐 Ca2+ 채널의 일차 개방, 칼모듈린 신호 전달 경로의 상향 조절을 통한 골형성 가속화가 포함됩니다.