만성 골수염 관리를 위한 진단과 치료를 통합한 지능형 구조 컬러 하이드로겔 패치

요약

본 연구는 만성 골수염(COM)의 진단 및 치료를 위한 스마트 구조용 컬러 하이드로겔 패치(CPG)를 제시합니다. 이 패치는 온도 반응성 GelMA 하이드로겔, pH에 민감한 CSMA-PBA 스캐폴드 및 살리실산을 통합하여 약물 방출 제어, 감염 모니터링 및 조직 재생 촉진을 제공합니다.

초록

만성 골수염(COM)은 약물 내성 및 부작용과 같은 문제로 인해 기존 항생제로 치료하기 어려운 지속적인 뼈 감염입니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 COM의 진단과 치료 모두를 위한 새로운 스마트 구조용 컬러 하이드로겔 패치(CPG)를 개발했습니다. 이 패치는 페닐보론산(CSMA-PBA)으로 변형된 메틸아크릴화 키토산을 스캐폴드로, 온도 반응성 GelMA 하이드로겔을 필러로, 살리실산(SA)을 약물 전달로 결합합니다. 특성화는 우수한 기계적 성질과 접착력을 보여주었습니다. 약물 방출 실험을 통해 CPG가 pH 변화에 효과적으로 반응하여 약물 방출을 제어할 수 있음을 확인했습니다. CPG는 또한 감염 부위의 pH 및 온도 변화를 감지하여 수술 후 회복을 돕는 진단 도구 역할을 합니다. 항균 시험은 박테리아 성장에 대한 상당한 억제를 보여주었고, 시험관 내 실험에서는 염증 표지자를 감소시키면서 혈관 내피 성장 인자 발현을 촉진하는 CPG의 능력이 입증되었습니다. 이 연구는 항균, 항염증 및 혈관 촉진 효과를 포함하여 하이드로겔 패치의 다기능 기능을 강조하여 만성 골수염에 대한 유망한 치료 옵션으로 자리매김하고 있습니다.

서론

만성 골수염은 까다롭고 장기간의 치료 과정, 높은 치료 실패 위험 및 재발로 인해 환자의 주요 관심사가 되었습니다¹. 골수염에 대한 현재 치료 전략에는 괴사 조직의 외과적 괴사조직 제거와 비경구 항생제가 포함됩니다. 그러나 작용 부위에서 치료 수준을 제공하기 위해 고용량의 항생제가 필요한 것은 질병 치료에 여전히 효과가 없습니다. 또한, 고용량 항생제의 사용은 신독성, 이독성, 항생제 내성, 위장관 부작용 등의 부작용과 관련이 있습니다. 항생제의 국소 약물 전달은 이러한 단점을 극복하기 위한 보다 적절한 전략일 수 있습니다. 국소 항생제 전달은 최소한의 부작용으로 뼈 감염을 치료할 수 있지만 성공적인 치료를 위해서는 뼈 재생을 유도하는 것이 중요합니다². 따라서 항생제와 골성장인자의 동시 투여는 유망한 치료 전략으로 보인다. 지난 수십 년 동안 비생분해성 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)는 골수염에서 국소 항생제 요법의 주류였습니다. 그러나 국소 항생제 전달 시스템으로 PMMA를 사용하는 것은 비드 제거를 위한 2차 수술의 필요성, 표면 집락화를 선호하는 박테리아 생물막 형성, 항생제 내성을 유발하는 치료 이하 수준의 장기 항생제 방출, 잔류 단량체의 전신 독성 및 뼈 유도 특성 부족과 같은 한계에 직면해 있습니다³. 따라서 생체 적합성 폴리머를 사용하는 생분해성 국소 전달 시스템의 개발은 이러한 단점을 극복할 수 있습니다. 문헌에 따르면 반코마이신의 국소 전달을 위해 실크 스캐폴드에 통합된 실크 피브로인 나노입자(SFNP)가 중증 골수염을 치료하는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 나노복합 재료에 뼈 유도성 생리 활성 분자가 없기 때문에 준비된 구조물이 뼈 재생을 크게 유도하지 못했습니다. 따라서 만성 골수염 치료에 적합한 나노복합 스캐폴드 재료의 설계는 우려되는 어려운 문제였습니다. 천연 고분자 기반 하이드로겔은 세포외 기질(ECM)과의 구조적 유사성과 약물 방출을 제어하는 능력으로 인해 널리 주목을 받았습니다⁴.

하이드로겔의 두드러진 특징 중 하나는 온도 및 pH와 같은 다양한 요인에 대한 반응성입니다. 만성 감염은 미생물 부담, 재생-분해 균형의 조절 장애, 분해 대사 반응 강화로 인해 pH를 증가시킬 수 있습니다. 또한, 괴사 조직 및 고름과 같은 괴사조직 제거된 물질의 외과적 절제는 pH가 더 높은 값으로의 전환을 가속화할 수 있습니다⁵. 따라서 만성 감염 pH를 감지할 수 있는 pH에 민감한 하이드로겔의 사용은 만성 골수염의 예후에 매우 중요합니다.

본 연구에서는 도 1과 같이 만성 골수염 치료에 필요한 특징을 갖춘 지능형 구조 컬러 하이드로겔 패치를 이용한 통합 진단 및 치료 접근법을 제안한다. 초분자 고분자 네트워크의 조립에서 파생된 초분자 하이드로겔은 천연 세포외 기질(ECM)과 유사한 매력적인 물질입니다. 적절한 기계적 강도, 자가 치유, 항균 및 항염증 특성을 포함한 우수한 특성으로 인해 초분자 하이드로겔은 생물 의학 분야에서 많은 응용 분야를 발견했습니다⁶. 이에 대해, 구조색은 빛과 고유의 주기적 나노구조가 독특한 상호 작용에 의해 생성되는 색상의 일종으로, 광학 디스플레이, 위조 방지 라벨, 웨어러블 전자 기기 등의 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 특히, 구조용 색상 재료가 반응성 고분자로 구성될 때 이러한 고분자의 팽창 또는 수축을 통해 다양한 자극에 의해 색상을 조정할 수 있어 이러한 재료가 센서로서의 잠재력을 시사합니다. 따라서 초분자 하이드로겔을 구조적 색상과 결합하면 만성 골수염 치료를 위한 새로운 하이드로겔 패치를 구성하기 위한 독특한 전략을 제공할 것으로 예상할 수 있습니다 ^7,8,9.

여기서, 우리는 항단백질 결석 스캐폴드로 페닐보론산(CSMA-PBA)과 혼합 변형 메틸아크릴화 키토산, 필러로서 온도 반응성 GelMA 하이드로겔, 살리실산(SA)¹⁰. 네트워크 내 수소 결합 및 비공유 결합 상호 작용의 가역성으로 인해 생성된 하이드로겔 패치는 우수한 기계적 특성을 나타냈을 뿐만 아니라 자가 치유 능력도 가지고 있었습니다. 또한, CSMA의 존재로 인해 이 하이드로겔 패치는 강력한 항균 생체 활성도 나타났습니다. 또한 GelMA 폴리머의 열 반응성을 활용하여 하이드로겔 패치는 상대적으로 더 높은 온도의 염증 부위에 배치될 때 활성 물질을 방출할 수 있습니다. 동시에, CSMA-PBA에 붕소산염 에스테르 결합이 존재하기 때문에 하이드로겔은 환경 pH¹¹의 변화에 반응했습니다. 이러한 장점을 바탕으로 제안된 구조적 색상 초분자 하이드로겔 패치가 염증 인자의 발현, 항균 활성 및 혈관신생 촉진을 하향 조절하여 만성 골수염을 치료할 수 있음을 입증했습니다. 특히, 항단백질 결석 스캐폴드의 독특한 광학적 특성의 이점을 활용하여 하이드로겔 패치는 온도 자극에 반응하여 색상 변화 능력을 나타낼 수 있어 만성 골수염을 모니터링 및 관리하고 임상 치료를 안내하는 데 상당한 잠재력을 보여줍니다.

프로토콜

모든 절차는 의료 윤리 위원회의 승인을 받았으며 실험 동물의 관리 및 사용에 대한 지침(NIH 간행물 번호 80-23, 1978년 개정)에 따라 수행되었습니다. 수컷 Sprague-Dawley 쥐(8주령)를 실험에 사용했습니다.

실리카 콜로이드 결정 주형(SCC)의 제조
SCC는 앞서 설명한 바와 같이 제조되었다 12,13,14. 세척 및 플라즈마 처리된 유리 슬라이드를 탈이온수에 분산된 단분산 실리카 나노입자(직경 12nm)의 5% 용액에 담갔습니다. 실리카 나노입자의 균일한 분산을 보장하기 위해 용액을 실온(25°C)에서 1시간 동안 지속적으로 교반했습니다. 슬라이드를 용액에서 제거하고 실온에서 1시간 동안 자연 건조시켰습니다. 건조 공정은 유리 슬라이드 표면에 나노입자가 적절하게 부착되도록 하는 데 매우 중요했습니다. 공기 건조 후, 슬라이드를 60°C의 통풍이 잘되는 오븐에 2일 동안 넣어 남아 있는 용매를 증발시키고 콜로이드 결정의 형성을 촉진했습니다. 이 증발 동안 슬라이드는 질서 정연한 콜로이드 결정 배열의 형성을 촉진하기 위해 45° 각도로 배치되었습니다. 정렬된 콜로이드 결정 배열은 자체 조립을 특징으로 하며 입자 간 간격에 따라 다른 구조 색상을 나타냈습니다. 그런 다음 이러한 어레이를 후속 하이드로겔 패치 제조를 위한 템플릿으로 사용했습니다.

통합 진단 및 치료 지능형 구조 컬러 하이드로겔 패치(CPG) 준비
항단백질 결석 스캐폴드는 실리카 콜로이드 결정 주형(SCC)의 공극에서 복제되었습니다. 세척된 유리 슬라이드를 먼저 탈이온수에 담근 단분산 실리카 나노입자(직경 12nm)의 5% 용액에 담그고, 용액을 실온(25°C)에서 1시간 동안 교반하여 표면 전체에 나노입자가 균일하게 분산되도록 했습니다. 교반 과정은 응집체 형성을 방지하고 나노입자의 균일한 분포를 보장하는 데 매우 중요했습니다. 담근 후, 슬라이드를 실온(RT)에서 1시간 동안 공기 건조시킨 후 용매의 증발을 촉진하고 실리카 나노입자가 잘 정돈된 콜로이드 결정 배열로 자기 조립되는 것을 촉진하기 위해 60°C에서 2일 동안 오븐에서 건조시켰습니다. 증발하는 동안 슬라이드는 나노입자의 정렬을 용이하게 하기 위해 45° 각도로 배치되어 입자 간 거리가 제어된 주기적 배열의 형성을 촉진했습니다. 이 질서 배열은 콜로이드 결정의 특징인 구조적 색상을 나타내며 후속 하이드로겔 구조의 주형 역할을 했습니다.

준비된 SCC를 인산염 완충 식염수(PBS)에 용해된 10% w/v 농도의 GelMA로 구성된 CPG 프리겔 용액에 담갔습니다. 샘플을 실온(RT)에서 5분 동안 방치하여 실리카 나노입자 사이의 공극에 GelMA가 완전히 침투하여 템플릿 구조 내에서 균일한 분포를 보장했습니다. 이 단계는 하이드로겔 매트릭스가 주형에 고르게 통합되고 최종 하이드로겔 구조가 SCC의 질서정연한 나노입자 배열을 복제하도록 하는 데 중요했습니다. 담근 후, 프리겔 용액을 UV 광선(365nm)에서 3mW/^cm2 의 강도로 5분 동안 중합시켰다. 이러한 UV 노출은 GelMA의 가교를 시작하여 하이드로겔 매트릭스를 응고시켰습니다. 과도한 겔화 또는 주형 구조의 손실로 이어질 수 있는 하이드로겔을 과도하게 노출시키지 않고 충분한 가교를 달성하기 위해 노출 시간과 강도를 신중하게 최적화했습니다.

CPG의 특성화
하이드로겔의 단면 형태는 샘플(1mm x 1mm)을 금¹⁵로 코팅한 후 5kV 가속 전압의 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 관찰되었습니다. 이를 통해 나노다공성 구조를 시각화하고 하이드로겔 네트워크의 균일성을 확인할 수 있었습니다. 팽윤 거동은 10mg 하이드로겔 샘플을 10mL의 PBS에 서로 다른 시간 간격(0, 30, 60, 120 및 180분)으로 담그어 평가했습니다. 팽윤율은 시간 경과에 따른 하이드로겔 부피의 증가를 측정하여 계산되었으며, 이는 다양한 조건에서 물을 흡수하는 하이드로겔의 능력에 대한 통찰력을 제공했습니다. 유변학적 분석은 1% 변형률의 레오미터를 사용하여 1 rad/s에서 100 rad/s 범위의 각도 주파수를 적용하여 저장 계수(G')와 손실 계수(G'')를 측정했습니다. 이 단계는 응력 하에서의 점탄성 거동을 포함하여 하이드로겔의 기계적 특성을 이해하는 데 필수적이었습니다. 전단 접착 특성은 ASTM F2255-05(2015)에 따라 만능 인장 시험기(Instron)를 사용하여 10mm/min의 속도와 0.01N의 예압으로 평가하여 하이드로겔이 생물학적 조직에 부착하는 능력을 평가했습니다. 하이드로겔을 5mL의 PBS(pH 7.4)에 담근 후 λ = 280nm에서 흡광도를 모니터링하여 UV 분광 광도계를 사용하여 약물 방출을 평가했습니다. CPG 하이드로겔의 제어 방출 능력을 확인하기 위해 살리실산 농도의 표준 곡선을 사용하여 방출을 정량화했습니다. 마지막으로, 하이드로겔을 pH 반응성을 평가하기 위해 pH 4.5 및 7.2의 완충 용액에 30분 동안 담가두었고, 다양한 pH 조건에서 부피와 모양의 변화를 관찰했습니다¹⁶.

CPG 패치의 온도 및 pH 반응성
CPG 패치(직경 약 2mm)를 pH 7.2의 5mL 완충 용액에 넣고 생리학적 조건을 모방하기 위해 30분 동안 온도 조절 수조를 사용하여 37°C에서 유지했습니다. 반사율 스펙트럼은 400nm에서 800nm 범위의 파장에서 UV-Vis 분광 광도계를 사용하여 측정되었습니다. 초기 측정 후, 패치를 다른 pH 값(예: pH 4.5, 7.2 및 9.0)의 완충 용액으로 옮기고 37°C에서 30분 동안 유지했습니다. 색상 변화를 포함한 미세 환경에 대한 반응을 육안으로 관찰하고 반사율 스펙트럼을 다시 기록하여 색상 이동을 분석했습니다. 이러한 온도와 pH 반응성은 하이드로겔이 상처 환경의 변화에 어떻게 반응하는지에 대한 귀중한 정보를 제공합니다.

체외 항균 시험
항균 테스트는 표준 절차를 사용하여 수행되었습니다. 황색포도상구 균(S. aureus, ATCC 25923) 및 대장균(E. coli, ATCC 53868) 균주를 사용하여 CPG 패치의 항균 활성을 평가했습니다. 이러한 표준 참조 균주는 ATCC(American Type Culture Collection)에서 구입했으며 항균 테스트 절차를 검증하기 위한 품질 관리(QC) 균주로 사용되었습니다. 항균제 감수성 시험은 CLSI M100 가이드라인에 따라 국물 미세희석법을 사용하여 수행되었습니다. 박테리아 현탁액은 항균 테스트를 위한 표준 배지인 Mueller-Hinton 국물에서 준비되었습니다. 탁도는 약 1.5 × 10⁸ CFU/mL에 해당하는 0.5 McFarland 표준으로 조정되었습니다. 그런 다음 현탁액에 탈이온수 또는 pH 6.0 2-(N-모르폴리노)에탄술폰산(MES) 완충액(10mM)으로 준비된 CPG 패치(직경 2mm)를 접종했습니다. 패치는 배양 1mL당 패치 1개의 비율로 박테리아 현탁액에 첨가되었습니다. 현탁액을 37°C에서 24시간 동안 배양했습니다. 배양 후, 배양액의 연속 희석액을 영양 한천에 도금하여 박테리아 성장을 평가하고, 37°C에서 24시간 배양한 후 콜로니 형성 단위(CFU)를 계산했습니다. 이 절차는 항균 효능의 정량적 측정을 제공했습니다.

생체 적합성 평가
실험은 앞서 설명한 대로 수행되었습니다. CPG 패치는 PBS(pH 7.4)에서 4시간 동안 투석한 후 10분 동안 에탄올 멸균(70%), 30분 동안 UV 소독(365nm)하여 모든 생물학적 오염 물질이 제거되었는지 확인했습니다. L929 세포(ATCC CCL-1)를 세포 생존력을 유지하기 위해 5% CO² 와 함께 37°C에서 10% 태아 소 혈청(FBS) 및 1% 페니실린-스트렙토마이신이 보충된 DMEM 배지에서 배양되었습니다. 세포를 24웰 플레이트에 2 × 10⁵ cells/mL로 CPG 패치(직경 2mm)를 유무에 관계없이 3중으로 파종했습니다. 세포는 빈 대조군, CPG 그룹 및 CPG(MES) 그룹의 세 가지 실험 그룹으로 나뉘었습니다. 24시간 후, 세포 대사 활성을 평가하기 위해 널리 받아들여지는 방법인 MTT 분석을 사용하여 세포 생존력을 평가했습니다. MTT 분석을 위해 20μL의 MTT(5mg/mL)를 각 웰에 첨가한 후 37°C에서 4시간 동안 배양했습니다. 배양 후 배지를 제거하고 150μL의 DMSO를 첨가하여 살아있는 세포에 의해 형성된 포르마잔 결정을 용해시켰습니다. 흡광도는 생존 세포의 수를 정량화하기 위해 마이크로플레이트 리더를 사용하여 570nm에서 측정되었습니다. 이 접근법은 하이드로겔 패치의 세포독성 및 생체 적합성에 대한 신뢰할 수 있는 평가를 보장했습니다.

항염증 활성
CPG의 항산화 활성은 ROS 분석 키트를 사용하여 평가되었습니다. L929 세포(ATCC CCL-1)를 10% 소 태아 혈청(FBS)이 보충된 DMEM 배지에서 배양하고 세포 부착 및 초기 증식을 허용하기 위해 5% CO₂ 와 함께 37°C에서 24시간 동안 배양했습니다. 산화 스트레스를 유도하기 위해 세포를 3μg/mL 과산화수소(H2O2)로 12시간 동안 처리했습니다. 산화 스트레스 유도 후, 하이드로겔 추출물(1mg의 CPG 하이드로겔을 1mL의 DMEM 배지에 용해시켜 제조됨)을 세포에 첨가하였다. CPG 하이드로겔의 잠재적인 항산화 효과를 허용하기 위해 세포를 추가로 12시간 동안 배양했습니다. 그 후, 세포를 10 μM DCFH-DA 용액(DMEM 배지에서 희석)으로 염색하고 37°C에서 20분 동안 배양했습니다. DCFH-DA는 세포 내 활성 산소종(ROS)을 검출하는 데 사용되는 형광 프로브입니다. 염색 후 세포를 PBS로 세척하고, 여기 파장 485nm, 방출 파장 530nm의 형광 현미경을 이용하여 형광 이미지를 촬영하였다. 녹색 형광의 강도는 하이드로겔의 항산화 활성과 반비례하여 세포의 산화 스트레스를 완화하는 하이드로겔의 능력을 시각적으로 평가할 수 있습니다.

쥐 골수염 동물 모델
만성 골수염 모델이 확립되었습니다: 수컷 Sprague-Dawley 쥐(8주령)는 수술 중에 움직이지 않고 통증이 없도록 이소플루란(산소 중 2-3%)을 사용하여 마취되었습니다. 왼쪽 대퇴골의 측면에 2cm의 절개를 하고 멸균 27-G 바늘을 사용하여 1 10⁷ CFU의 S. aureus 를 대퇴골의 섬유주 부위에 직접 주입했습니다. 골수염의 주요 부위인 골수 공간에 감염을 유도하기 위해 대퇴골의 골수강에 주사를 시행하였다. 박테리아는 골수 내에 적절한 침착을 보장하기 위해 천천히 전달되었습니다. 10일 후, 쥐를 CO₂ 흡입을 사용하여 안락사시키고 감염된 대퇴골을 조심스럽게 해부했습니다. 과립 조직을 감염 부위에서 절제하고 즉시 4% 파라포름알데히드에 24시간 동안 담가 조직 무결성을 보존했습니다. 고정 후, 뼈의 크기에 따라 48-72시간 동안 석회질 제거제(예: EDTA)를 사용하여 뼈 조직을 탈회하여 조직학적 및 면역조직화학적 분석을 위한 적절한 절편을 허용했습니다. 그런 다음 탈회된 뼈 샘플을 조직학적 검사, 면역조직화학(IHC) 및 면역형광 염색을 위해 처리했습니다. 정량적 실시간 PCR(qPCR) 분석을 위해 육아 조직을 -80°C에서 보관하여 후속 RNA 추출을 통해 염증, 뼈 재생 및 면역 반응과 관련된 유전자 발현 프로필을 분석할 수 있었습니다

생체 내 골수염 치료 평가
과립 조직을 파라핀에 매립하고 마이크로톰을 사용하여 5μm에서 절편했습니다. 콜라겐 침착 및 조직 리모델링을 평가하기 위해 절편을 Masson의 삼색 염색(헤마톡실린으로 15분, 아닐린 블루로 1시간)으로 염색했습니다. 헤마톡실린 및 에오신(HE) 염색(헤마톡실린 5분, 에오신 2분)을 사용하여 일반적인 조직 형태 및 염증을 관찰했습니다. 항-CD31(1:100) 및 항-EGF(1:200)를 사용한 면역조직화학(IHC)을 37°C에서 1시간 동안 수행한 후 사용된 1차 항체에 따라 항-마우스 IgG 또는 항-토끼 IgG(1:200 희석)를 사용하여 실온(RT)에서 30분 동안 2차 항체 배양하여 혈관신생 및 성장 인자 발현을 평가했습니다. 항-VEGF(1:100) 및 항-bFGF(1:200)로 37°C에서 1시간 동안 면역형광 염색을 수행한 후 RT에서 30분 동안 2차 항체 배양을 수행하였다. 형광현미경을 이용하여 CD31, EGF, VEGF 및 bFGF 발현에 대한 절편을 관찰하였다. 정량적 실시간 PCR(qPCR) 분석을 위해 PrimeScript RT 시약 키트를 사용하여 RNAiso Plus로 RNA 추출 및 cDNA 합성 후 전염증성 사이토카인(TNF-α, IL-1β 및 IL-6)의 mRNA 발현을 분석했습니다. 분자 수준에서 염증 반응을 정량적으로 평가하기 위해 SYBR Green PCR Master Mix를 사용하여 PCR을 수행했습니다.

품질 관리 조치
실험 결과의 신뢰성과 재현성을 보장하기 위해 모든 절차는 표준화된 프로토콜에 따라 수행되었습니다. 각 실험에는 블랭크 대조군( S. aureus 에 감염되었지만 치료를 받지 않은 쥐), 대조군(세균 감염 없이 치료를 받지 않고 수술을 받은 쥐), 비교 치료군(항생제 또는 실험 약물과 같은 골수염에 대한 다양한 치료를 받는 쥐)과 같은 적절한 대조군이 포함되었습니다. 모든 분석은 일관성을 보장하고 실험 편향을 줄이기 위해 세 번으로 수행되었습니다. 각 그룹에는 통계적 유의성을 보장하기 위해 6마리의 쥐가 포함되었습니다. UV-Vis 분광 광도계, 레오미터 및 인장 시험기를 포함한 기기는 제조업체의 사양에 따라 사용하기 전에 정기적으로 교정되었습니다. 박테리아 및 세포 배양은 생물 안전 캐비닛에서 통제된 환경 조건에서 준비되었으며, 재현성을 보장하기 위해 일관된 프로토콜을 사용하여 염색 절차를 따랐습니다. 데이터 수집은 샘플 간 변동성을 최소화하고 정확한 측정을 보장하기 위해 통합 현미경 설정으로 수행되었습니다.

통계 분석
통계 분석은 GraphPad Prism(버전 8.0)을 사용하여 수행되었습니다. 데이터는 평균 ± 표준 편차(SD)로 표시됩니다. 여러 그룹 간의 비교를 위해 일원 분산 분석(ANOVA)에 이어 Tukey의 사후 테스트를 사용하여 기계적 특성, 열반응 거동, 항균 활성 및 세포 생존력의 차이를 평가했습니다. 스튜던트 t-검정은 서로 다른 pH 값이나 온도 변화에서 CPG 패치의 반사 피크를 비교하는 경우와 같이 두 그룹만 비교할 때 쌍별 비교에 사용되었습니다. p < 0.05는 모든 분석에서 통계적으로 유의한 것으로 간주되었습니다. 모든 실험은 결과의 일관성과 재현성을 보장하기 위해 세 번으로 수행되었습니다.

결과

CPG 패치의 제작 및 특성화(그림 1)
일반적인 실험에서 단분산 실리카 나노입자는 용매 증발을 통해 자체 조립되어 촘촘하게 채워진 어레이를 형성하여 구조용 컬러 코팅(SCC)^17,18,19을 생성했으며, 이는 이후 그림 1과 같이 다기능 구조용 컬러 하이드로겔 패치를 만드는 데 사용되었습니다. 이 공정에는 모세관 작용을 통해 SCC의 나노 규모 간격에 프리겔 용액을 침투시키는 과정이 포함되었습니다. 그런 다음 UV 중합을 사용하여 SCC와 하이드로겔의 하이브리드 필름을 형성했습니다. SCC가 에칭되면 주기적인 다공성 구조를 갖는 역항단백질 결석 스캐폴드가 얻어졌습니다. 마지막으로, 열반응성 GelMA 하이드로겔을 항단백질 결석 스캐폴드의 나노 스케일 틈에 채운 후 경화시켜 독립적인 CPG 패치를 만들었습니다.

하이드로겔의 강력한 가교 네트워크는 CPG 패치에 우수한 기계적 특성을 부여했습니다. 패치는 손상 없이 늘어나는 것을 견딜 수 있을 만큼 충분히 단단하며 원래 길이의 최대 2.5배까지 늘어날 수 있는 것으로 관찰되었습니다. 중요한 것은 CPG 패치가 생생한 구조 색상을 나타내고 스트레칭 중에 동적 색상 변화를 겪었다는 것인데, 이는 패치 내에서 고차 나노 구조의 주기적인 배열로 인해 발생하는 독특한 특징입니다. 이러한 나노 구조는 PBG 내 특정 파장의 빛이 투과되지 않고 선택적으로 반사되는 광자 밴드 갭(PBG)을 생성하여 CPG 패치에 특징적인 구조적 색상과 반사 피크를 부여합니다.

CPG 패치의 피크 반사 위치는 방정식²⁰으로 추정할 수 있습니다.

λ = 평균 1.633dn

여기서 d는 회절면 사이의 거리이고 n_평균 은 재료의 평균 굴절률이며, 이는 GelMA 하이드로겔 및 패치에 사용된 기타 재료를 포함한 구성 요소의 굴절률 평균으로 계산됩니다. 이 방정식은 패치가 늘어나고 d가 감소함에 따라 반사 파장이 감소하여 패치의 구조적 색상에 청색 변화가 발생한다는 것을 시사합니다. 패치의 인장 강도도 테스트한 결과, GelMA 하이드로겔이 항단백질 결석 스캐폴드의 나노 스케일 틈에 채워져 패치의 변형 용량이 감소하는 것으로 나타났습니다. 연신 시 CPG 패치의 변형은 변형률 감지를 위한 매우 민감한 수단을 제공하므로 기계적 모니터링이 필요한 응용 분야에 적합합니다.

CPG 패치의 열반응성 및 pH 민감성 거동(그림 2)
CPG 패치는 GelMA 하이드로겔로 인해 놀라운 열반응성 특성을 나타냈습니다. 환경 온도를 37°C로 높이면 하이드로겔이 수축하여 물 분자와 적재된 화물을 방출했습니다. 이러한 수축으로 인해 CPG 패치 내의 나노 기공 크기가 감소하여 PBG가 변경되고 결과적으로 반사 스펙트럼이 이동했습니다. 그림 2 는 이러한 동작을 보여 주며, 온도와 pH의 변화에 따라 패치의 구조적 색상이 어떻게 변하는지 보여줍니다.

이러한 관찰을 확인하기 위해 CPG 패치를 37°C 및 pH 7.2의 시뮬레이션된 만성 감염 상처 환경에 배치했습니다. 용액의 pH가 증가함에 따라 CPG 패치의 반사 피크에서 청색 이동이 관찰되어 나노 기공의 크기가 감소했음을 나타냅니다. 반대로, pH가 감소하면 패치는 나노기공의 확장에 해당하는 적색 편이를 나타냈습니다. 이러한 pH에 민감한 거동은 산성 조건에서 CSMA-PBA에서 붕산염 에스테르 결합의 가수분해에 기인하며, 이로 인해 결합이 끊어지고 구조 색상의 적색 이동이 발생했습니다. 그러나 pH가 알칼리성일 때는 유의미한 색상 변화가 관찰되지 않아 염기성 조건에서 패치의 안정성을 나타냅니다. 이러한 결과는 CPG 패치를 사용하여 효과적인 상처 관리에 중요한 상처 환경의 온도와 pH 변화를 모두 모니터링할 수 있음을 시사합니다.

CPG 패치의 항균 활성(그림 3)
CPG 패치의 항균 특성은 S. aureus 및 E. coli와 공동 배양하여 평가되었습니다. 그림 3A,B는 CPG 패치가 박테리아 성장을 크게 감소시켜 효과적인 항균 특성을 입증했음을 보여줍니다. 이러한 항균 효능은 패치의 양전하를 띤 CMCSMA 표면과 음전하를 띤 박테리아 세포벽 사이의 정전기 상호 작용에 기인합니다²¹. 이러한 상호 작용은 박테리아 막 구조를 파괴하여 박테리아 사멸로 이어졌습니다. CMCSMA의 양이온기는 박테리아 막의 음이온 성분에 결합하여 막 탈분극 및 투과성 증가를 유도할 수 있습니다²². 또한, CMCSMA는 상대적으로 작은 분자 크기와 유연한 고분자 사슬로 인해 지질 이중층에 보다 효과적으로 침투하여 세포내 물질의 누출을 유발하고 대사 활동을 방해할 수 있습니다. CMCSMA 분자의 작은 크기는 박테리아 세포막으로의 침투를 더욱 촉진하여 필수 생체 분자와 상호 작용하여 박테리아 대사 및 효소 시스템을 방해했습니다²³. 또한, S. aureus의 강력한 생물막 형성 능력을 고려할 때, CMCSMA와 같은 키토산 기반 물질이 세포외 고분자 물질(EPS) 매트릭스를 관통하고 그 무결성을 방해함으로써 박테리아 생물막을 파괴하는 것으로 보고되었다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이를 통해 항균제는 일반적으로 기존의 항생제에 내성이 있는 생물막 내에 내장된 박테리아에 접근하여 죽일 수 있습니다^24,25. 그림 3A에서 볼 수 있듯이 박테리아 콜로니의 시각적 비교는 CPG 패치로 치료한 후 상당한 감소를 명확하게 보여주며, 효과적인 살균 활성과 감염되기 쉬운 상처 환경에서 사용할 수 있는 유망한 잠재력을 강조합니다.

CPG 패치의 생물학적 기능(그림 4)
CPG 패치는 항균 특성 외에도 상당한 생물학적 기능을 보여주었습니다. 그림 4C,D는 CPG 그룹에서 감소된 녹색 형광 신호로 표시된 바와 같이 패치가 세포 내에서 활성 산소종(ROS)을 효과적으로 제거했음을 보여줍니다. 과도한 ROS 생성은 조직 재생을 손상시킬 수 있으므로 ROS 소거는 상처 치유에 필수적입니다. CPG 패치와 공동 배양된 인간 제대 정맥 내피 세포(HUVEC)의 생존력은 그림 4A와 같이 생존율 염색을 사용하여 평가되었습니다. 결과는 대부분의 세포가 살아 있고 죽은 세포의 소량만 있는 것으로 나타났으며, 이는 CPG 패치가 세포 생존력을 촉진하고 세포 증식을 지원한다는 것을 시사합니다.

그림 4B 는 CPG 패치가 세포 증식을 유의하게 촉진한다는 것을 입증한 MTT 분석의 결과를 보여줍니다. 또한, 그림 4F,G는 CPG 패치가 내피 세포 증식 및 새로운 혈관 형성에 중요한 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 및 염기성 섬유아세포 성장 인자(bFGF)의 발현을 촉진하여 혈관신생을 강화한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 결과는 감염을 예방할 뿐만 아니라 조직 재생을 강화하고 상처 치유를 가속화할 수 있는 CPG 패치의 잠재력을 강조합니다.

CPG 패치의 생체 내 평가(그림 5)
만성 골수염 모델을 사용하여 수행된 생체 내 실험에서는 CPG 패치가 감염과 염증을 크게 감소시키는 것으로 나타났습니다. 도 5A는 조직학적 분석(H&E 염색)을 보여주며, 대조군은 특징적인 염증, 뼈 파괴, 괴사 조직 및 방어 세포의 높은 침윤을 나타낸 반면, 치료군은 감염, 염증 및 방어 세포의 침윤이 유의하게 감소한 것으로 나타났습니다. CPG군에서는 조골세포의 이동 증가, 조골세포의 뼈 세포로의 변형, 혈관 형성, 새로운 뼈 형성 및 감염 감소가 관찰되어 조직 재생 촉진에 있어 CPG 패치의 효과가 더욱 확인되었습니다.

또한 그림 5B 는 혈관신생 염색을 보여주며, CPG 패치가 조직 복구에 중요한 새로운 혈관의 형성을 촉진했음을 확인합니다. 이러한 발견은 CPG 패치가 감염을 제어하고 조직 재생을 촉진하는 데 이중 역할을 하여 만성 상처 치유 및 뼈 재생 응용 분야에 매우 적합하다는 것을 시사합니다.

그림 1: 구조용 컬러 하이드로겔 패치(CPG)의 준비 및 특성화. (A): CSMA와 PBA 사이의 반응; (B): 늘릴 때 색상 변화를 보여주는 CPG 사진; (C): CPG의 SEM 특성화; (D): CPG의 팽창 거동; (E): CPG의 열화 프로파일; (F): CPG의 약물 방출 동역학. 스케일 바: 100nm. 오차 막대는 표준 편차(SD)를 나타냅니다. 실험군에는 6마리의 쥐를 사용하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: CPG 패치의 지능형 감지. (A): 환경 온도 및 pH의 변화에 따른 CPG 패치의 구조적 색상 변화; (B): 다양한 온도에서 CPG 패치의 스펙트럼 분석; (C): 다양한 pH 수준에서 CPG 패치의 스펙트럼 분석. 스케일 바: 1mm. 데이터는 Tukey의 사후 테스트와 함께 일원 분산 분석을 사용하여 분석된 평균 ± SD를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: CPG 패치의 항균 활성. (A): S. aureus 및 E . coli 와 CPG 패치의 공동 배양의 대표 이미지; (B): 광학 밀도(OD) 값 분석. 스케일 바: 5mm. 오차 막대는 SD를 나타냅니다. 통계적 유의성은 Tukey의 사후 테스트를 사용한 일원 분산 분석에 의해 결정되었습니다. 그룹당 6개의 반복실험이 사용되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: CPG 패치의 생물학적 기능 평가. (A): 48시간 동안 CPG 패치와 공동 배양된 HUVEC 세포의 생존율 염색, 살아있는 세포(녹색) 및 죽은 세포(빨간색)를 나타냄; (B): MTT 분석으로 측정한 세포 증식; (C): CPG 패치의 ROS 염색; (D): VEGF 그룹의 DPPH 소거율; (E): 염증 인자의 q-PCR 분석; (F): CPG 패치에 의한 혈관신생 촉진; (G): VEGF 및 bFGF 발현의 웨스턴 블롯 결과; (H): VEGF 및 bFGF의 그레이스케일 값에 대한 통계 분석. 스케일 바: 100μm. 오차 막대는 SD를 나타냅니다. 데이터는 Tukey의 사후 테스트와 함께 일원 분산 분석을 사용하여 분석되었습니다. 각 그룹에 6마리의 쥐를 사용했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: CPG 패치의 생체 내 실험. (A): HE 염색; (B): 혈관신생 염색. 스케일 바: 100μm. 데이터는 Tukey의 사후 테스트와 함께 일원 분산 분석으로 분석된 평균 ± SD를 나타냅니다. 각 그룹에는 6마리의 동물이 포함되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

이 연구의 결과는 특히 구조적 색상 변화, 온도 민감도, pH 반응성 및 항균 특성 측면에서 CPG 하이드로겔 패치의 다기능성을 보여줍니다. 이러한 하이드로겔 패치는 기계적 변형이 발생할 때 눈에 띄는 구조적 색상 변화를 겪을 수 있어 변형률을 모니터링하기 위한 매우 민감한 메커니즘을 제공합니다. 이 기능은 이러한 색상 변화가 변형률 또는 압력의 지표로 사용되는 센서 응용 분야용 재료의 구조적 색상을 탐구한 이전 연구와 일치합니다^26,27. 우리의 연구는 상처 치유를 실시간으로 평가하는 데 필수적인 상처 스트레스를 모니터링하는 비침습적 수단으로 이러한 색상 변화를 활용하여 이러한 결과를 확장합니다. 이러한 기계적 변형을 모니터링하는 능력은 임상의에게 중요한 정보를 제공하여 잠재적으로 봉합사 열개와 같은 합병증의 초기 징후를 식별하는 데 도움이 되어 보다 표적화되고 시기적절한 개입을 지원합니다. 중요한 것은 광학 판독이 추가 전원이나 이미징 장치 없이 직접적이고 직관적인 감지 메커니즘을 제공하여 현장 진료 또는 재택 수술 후 치료에 이상적인 분산형 모니터링 솔루션을 제공한다는 것입니다.

CPG 하이드로겔 패치의 열반응성 및 pH 민감성 거동은 임상 사용 가능성을 향상시킵니다. 상처가 치유됨에 따라 온도와 pH의 변동이 일반적이며, 특히 감염이나 염증이 있는 경우 더욱 그렇습니다²⁸. 상처 부위의 온도 상승과 pH 값 변화는 이러한 상태와 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다. 본 연구에서 CPG 패치는 이러한 변화에 민감성을 나타내어 국소 상처 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있었습니다. 이 기능은 치료 전략을 최적화하기 위해 감염이나 염증의 조기 발견이 필수적인 임상 환경에서 특히 가치가 있습니다. 온도 및 pH 변화를 모니터링하는 것은 상처 상태의 초기 비침습적 바이오마커 역할을 하기 때문에 상처 관리에서 특히 중요합니다²⁹. 온도 상승은 임상 증상이 나타나기 전에 감염 시작을 나타낼 수 있는 반면, 알칼리성 pH로의 변화는 종종 만성, 미생물 집락화 및 치유 장애를 나타냅니다. 대조적으로, 산성 환경은 급성 상처 및 더 나은 치유 가능성과 관련이 있습니다²⁴. 따라서 온도 및 pH 반응성 요소를 상처 드레싱에 통합하면 시기적절한 개입과 치유 진행 상황에 대한 지속적인 평가가 가능해 상처 악화 또는 전신 감염으로의 진행을 예방할 수 있습니다. 이러한 변화에 동적으로 적응하는 하이드로겔의 능력은 임상의가 상처 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있는 새로운 도구를 제공하여 치유 과정을 추적하는 데 더 큰 정확성을 제공합니다. 더욱이, 이러한 동적 반응성은 치료 방출에 대한 시공간 제어를 가능하게 하여 약물 전달이 현대 스마트 생체 재료의 핵심 목표인 병리학적 단서와 동기화되도록 보장합니다.

또한, CPG 하이드로겔 패치의 항균 특성은 상처 부위의 박테리아 부하를 줄이는 데 중요합니다. 하이드로겔의 구조에 통합된 키토산은 음전하를 띤 박테리아 세포벽과의 정전기 상호 작용을 촉진하는 양이온성 특성으로 인해 항균 특성으로 오랫동안 인식되어 왔습니다²⁹. 그러나 키토산 기반 재료의 항균 메커니즘은 단순한 전하 인력에 국한되지 않습니다. 키토산은 박테리아 막과 접촉하면 막 투과성을 증가시켜 칼륨 이온, 단백질 및 핵산과 같은 세포 내 내용물이 누출될 수 있습니다. 또한 키토산은 2가 금속 이온(예: Ca²⁺ 및 Mg²⁺)을 킬레이트화하여 효소 활동과 대사 기능을 방해할 수 있습니다. 저분자량 키토산은 또한 박테리아 세포벽을 관통하여 DNA에 결합하여 mRNA 전사 및 단백질 합성을 억제할 수 있습니다. 이러한 다면적인 메커니즘은 광범위하게 문서화되었습니다. 하이드로겔 스캐폴드의 다공성 구조는 표면적과 박테리아 접촉을 향상시켜 이러한 효과를 더욱 증폭시켜 시너지 효과를 발휘합니다. 이 특성은 생물막 형성이 치유 과정을 복잡하게 만드는 골수염과 같은 만성 감염의 치료와 특히 관련이 있습니다^25,30. 이 연구의 결과는 CPG 하이드로겔 패치가 박테리아 성장을 억제하고 상처 부위의 박테리아 부하를 줄이며 잠재적으로 조직 재생에 보다 유리한 환경을 조성하는 데 효과적임을 보여줍니다. 하이드로겔의 다른 특성과 결합된 이러한 항균 활성은 패치를 종종 박테리아 오염과 치유 지연으로 인해 어려움을 겪는 만성 상처 관리를 위한 유망한 후보로 자리매김합니다. 또한, 하이드로겔은 국소 박테리아 집락화를 억제함으로써 감염된 만성 상처에서 종종 지속되는 전염증성 사이토카인의 상향 조절을 간접적으로 방지하여 재생 촉진 미세 환경을 촉진합니다.

ROS는 일반적으로 산화 스트레스 및 조직 손상과 관련이 있지만 ROS의 제어된 생성이 박테리아 박멸에 중요한 역할을 한다는 것은 널리 알려져 있습니다. 수산기 라디칼 및 슈퍼옥사이드 음이온과 같은 ROS는 박테리아 단백질, 지질 및 DNA를 산화시켜 궁극적으로 막 파열 및 세포 사멸을 유발할 수 있습니다. 따라서 중간 수준의 ROS의 존재는 선천적 항균 방어 메커니즘의 중요한 구성 요소 역할을 합니다. 박테리아 집락화와 생물막 형성이 지속되는 만성 골수염의 맥락에서 병원균을 제거하는 것은 의미 있는 조직 재생을 위한 전제 조건입니다. CPG 하이드로겔은 CMCSMA 매개 막 파괴 및 생물막 침투를 통해 효과적인 항균 활성을 유지하면서 과도한 ROS를 억제함으로써 균형 잡힌 접근 방식을 제공합니다. 이 이중 기능은 지속적인 박테리아 존재로 인해 염증이 연장되지 않도록 보장하여 면역 활성화에서 재생 미세 환경으로의 전환을 가능하게 합니다. 따라서 이 시스템은 ROS를 무분별하게 제거하는 대신 산화 미세 환경을 조절하여 박테리아 제거와 조직 치유를 모두 지원합니다.

항균 활성 외에도 CPG 하이드로겔 패치는 조직 복구 및 재생에 중요한 생물학적 기능을 나타냈습니다³¹. 시험관 내 분석은 하이드로겔이 혈관신생뿐만 아니라 세포 생존력과 증식을 지원한다는 것을 입증했습니다. 이러한 결과는 상처 치유에서 혈관신생의 중요성을 강조한 이전 연구와 일치합니다³². 혈관신생은 상처 조직에 적절한 산소와 영양분 공급을 제공하여 조직 재생을 촉진하는 데 중요합니다. 또한, 하이드로겔의 혈관신생 촉진 효과는 만성 상처 치료에 특히 중요한데, 이러한 상처는 종종 치유 과정을 방해하는 혈관 형성 불량으로 고통받기 때문입니다^33,34. CPG 하이드로겔은 혈관 형성을 촉진함으로써 조직 재생에 기여할 뿐만 아니라 새로 형성된 조직의 장기적인 생존에 더욱 도움이 되는 환경을 조성합니다. 또한, 조골세포 이동 및 분화를 촉진하는 하이드로겔의 능력은 뼈 치유의 맥락에서, 특히 만성 뼈 감염 또는 뼈 결손이 있는 환자의 경우 상당한 가치를 더합니다³⁵. 골형성의 강화는 치유가 종종 손상되는 골수염 및 관련 뼈 상태의 결과를 개선할 수 있는 유망한 방법입니다. 국소적인 감염 제어와 통합된 이러한 골유도 기능은 근골격계 조직 공학의 핵심 과제인 단일 플랫폼에서 항균 방어와 조직 재생을 모두 촉진하는 수축 솔루션의 필요성을 해결합니다.

생체 내 결과는 CPG 하이드로겔 패치의 치료 잠재력을 더욱 확증하여 조직 복구를 지원하고 감염을 줄이며 골형성을 촉진하는 능력을 보여줍니다. 만성 상처 모델에서 이러한 하이드로겔은 상처 봉합과 조직 재생을 효과적으로 촉진했습니다. 뼈 재생 모델에서 CPG 하이드로겔은 조골세포 이동 및 분화를 촉진하여 뼈 치유를 향상시켰습니다. 이러한 결과는 하이드로겔 기반 상처 치유 및 뼈 재생 전략을 탐구한 다른 연구의 결과와 일치합니다³⁶. 감염 해결, 혈관신생 촉진, 골형성 지원을 동시에 수행하는 CPG 하이드로겔 패치의 능력은 포괄적인 상처 치료를 위한 강력한 플랫폼을 제공하여 임상 사용을 위한 유망한 후보입니다.

이러한 유망한 결과에도 불구하고 현재 연구에는 몇 가지 한계가 있습니다. 첫째, 시험관 내 및 생체 내 모델이 긍정적인 결과를 보였지만 전임상 연구는 주로 쥐 모델에서 수행되었습니다. 쥐는 상처 치유 연구에 널리 사용되지만 인간 상처 치유의 복잡성을 완전히 재현하지 못할 수 있습니다. 따라서 실제 임상 환경에서 이러한 하이드로겔 패치의 안전성과 효능을 확인하려면 인간 임상 시험뿐만 아니라 대규모 동물 모델에서의 추가 검증이 필요합니다. 둘째, CPG 하이드로겔은 단기적으로 우수한 기계적 특성과 생물학적 기능을 나타냈지만 생체 내 장기적인 안정성과 분해 거동은 불분명합니다. 하이드로겔은 시간이 지남에 따라 분해될 수 있으며, 분해 생성물은 치유 과정에 영향을 미치거나 부작용을 유발할 수도 있습니다. 향후 연구에서는 이러한 하이드로겔의 분해 속도를 최적화하여 유해한 부산물을 방출하지 않고 제어된 방식으로 분해되도록 하는 데 중점을 두어야 합니다. 또한, 하이드로겔 내에 통합된 생리활성제의 방출 조절은 특히 만성 상처 치료의 경우 시간이 지나도 지속적인 치료 효과를 보장하기 위해 더욱 개선되어야 합니다.

이 연구는 하이드로겔 기반 초분자 스캐폴드에 초점을 맞추고 있지만, 동일한 치료 가설을 다루기 위한 대체 접근 방식에는 전기화학적 바이오센서, 미세유체 상처 온 칩 시스템 및 환경 감지를 위한 전자 부품을 통합한 스마트 붕대가 포함됩니다. 그러나 종종 전원과 복잡한 인터페이스가 필요한 기술과 달리 여기에서 개발된 하이드로겔 패치는 외부 계측 없이 시각적으로 해석할 수 있는 독립형 플랫폼을 제공하므로 리소스가 제한된 환경에 특히 매력적입니다.

이 작업의 중요성은 번역 가능성에 있습니다. 골수염 외에도 CPG 플랫폼은 당뇨병성 족부 궤양, 수술 부위 감염, 종양 절제 후 모니터링과 같은 다른 염증 관련 상태에 맞게 맞춤화할 수 있습니다. 진단 및 치료 기능을 단일 하이드로겔 매트릭스에 통합하면 차세대 스마트 상처 드레싱 개발을 위한 독특한 기회를 얻을 수 있습니다. 또한 광자 결정 기반 구조 색상 시스템은 맞춤형 의학에 적용할 수 있는 실시간 비색 바이오센싱의 기회를 제공합니다. 또한, CPG 설계의 모듈성을 통해 줄기 세포, 엑소좀 또는 유전자 전달 벡터와의 향후 통합에 적응하여 정밀 재생 의학의 현재 궤적에 맞춰 재생 기능을 더욱 확장할 수 있습니다.

앞으로 향후 연구는 몇 가지 핵심 영역에 초점을 맞춰야 합니다. 첫째, CPG 하이드로겔 패치의 구성과 구조를 최적화하는 것은 장기적인 안정성과 성능을 향상시키는 데 중요합니다. 가교 밀도를 수정하고 성장 인자 또는 사이토카인과 같은 다른 생리 활성제를 통합하면 특정 임상 응용 분야에 대한 하이드로겔의 치료 잠재력을 향상시킬 수 있습니다. 둘째, 이러한 하이드로겔의 적용 범위를 만성 상처를 넘어 신경이나 연골 복구와 같은 다른 유형의 조직 재생으로 확장하면 그 다양성을 더욱 입증할 수 있습니다. CPG 하이드로겔의 임상적 적용 가능성을 확대하려면 당뇨병성 궤양이나 욕창과 같은 특정 상처 유형에 맞게 조정될 수 있는 방법에 대한 연구가 필요합니다. 셋째, 줄기세포치료나 유전자치료와 같은 첨단 치료법을 하이드로겔 패치와 통합하면 재생 특성이 향상되어 보다 포괄적이고 효과적인 치료가 가능해질 수 있습니다. 마지막으로, CPG 플랫폼의 안전성, 제조 가능성, 사용자 규정 준수 및 규제 준비 상태를 평가하여 최종 임상 번역을 지원하기 위해 대규모 다기관 임상 시험 및 실제 적용 연구가 필요합니다.

결론적으로, CPG 하이드로겔 패치는 고급 상처 치료 및 조직 재생을 위한 유망한 플랫폼을 나타냅니다. 상처 스트레스를 모니터링하고, 온도 및 pH 변화에 반응하고, 항균 특성을 나타내고, 조직 재생을 촉진하는 능력은 만성 상처 치료에 대한 다각적인 접근 방식을 제공합니다. 전임상 연구 결과는 고무적이지만, 임상 환경에서 이러한 하이드로겔 패치의 잠재력을 완전히 실현하려면 추가 최적화와 임상 검증이 필요합니다. 향후 연구 방향에는 재료 구성의 개선, 광범위한 적용, 고급 치료 전략과의 통합, 인간에 대한 효능과 안전성을 확립하기 위한 임상 시험이 포함되어야 합니다.

본 실험에서는 메틸 CSMA-PBA를 역오팔 스캐폴드로, 온도 반응성 GelMA 하이드로겔을 필러로 조합하여 SA를 탑재하여 CPG 통합 진단 및 치료 스마트 구조 컬러 하이드로겔 패치를 만들었습니다. 실험 결과는 이 하이드로겔 패치가 우수한 기계적 특성과 접착력을 나타내는 것을 보여줍니다. 박테리아 성장을 억제하고, 혈관 내피 성장 인자의 발현을 크게 상향 조절하며, 염증 인자의 수준을 하향 조절하여 COM 치료에 대한 중요한 임상 전망을 제공할 수 있습니다. 또한, 중요한 것은 감염 부위의 온도와 pH 변화를 감지하는 CPG의 능력을 기반으로 만성 골수염의 수술 후 회복에 모니터링 역할을 한다는 것입니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
아크릴아미드(AM, 99%)	시그마-알드리치	A8887	하이드로겔 중합용 단량체
아크릴로일 클로라이드(AC, 99%)	TCI 화학	A0376	화학 변형 반응에 사용
알칼리성 알루미나(200-300 메쉬)	알라딘	A112336	메틸 메타크릴레이트 정제에 사용
항-bFGF 항체	산타크루즈	SC-9084 시리즈	성장 인자 검출을 위한 면역형광 염색
항-CD31 항체	아브캠	AB28364	혈관 마커 검출을 위한 면역조직화학
항-EGF 항체	시그마-알드리치	E9644	면역조직화학 염색
항-VEGF 항체	산타크루즈	SC-7269	혈관신생을 위한 면역형광염색
비스-아크릴아미드(BIS, 97%)	시그마-알드리치	M7279	하이드로겔 네트워크의 가교제
세포 계수 키트-8 (CCK-8)	도진도	CK04	세포 생존력 평가
키토산, 메틸아크릴화(CSMA-PBA)	시그마-알드리치	C3641	하이드로겔 패치의 스캐폴드 형성
DCFH-DA 프로브	비요타임	S0033	활성 산소종(ROS) 검출
디메틸 설폭사이드(DMSO)	중국 국립 제약 그룹 공사	DMSO-AR	하이드로겔 제형용 용매
대장균(E. coli)	ATCC	-	항균 테스트에 사용
형광 현미경	올림푸스	BX53	면역형광 및 세포 이미징
젤라틴 메타크릴레이트(GelMA)	시그마-알드리치	지1894	온도 반응성 하이드로겔 성분
염산(HCl)	충칭 톈윈	HCl-AR	합성 시 pH 조정
과산화수소(H2O2)	시그마-알드리치	H1009	세포의 산화 스트레스 유도
불산(HF, 4%)	시노팜	H814912	실리카 콜로이드 결정 에칭
Instron 만능 인장 시험기	인스트론	3345	기계적 및 접착 강도 테스트
L929 세포	ATCC	CCL-1	세포독성 및 생체적합성 분석에 사용
라이카 마이크로톰	라이카	2235 링깃	조직의 파라핀 절편에 사용
수컷 Sprague-Dawley 쥐(8주)	레이건 생명공학	-	생체 내 만성 골수염 모델
마슨' s 트리크롬 스테인 키트	솔라바이오	지1340	섬유증에 대한 조직학적 염색
메틸 메타크릴레이트(MMA, 99%)	시그마-알드리치	M27805	비계 형성을 위한 모노머
MTT 분석 키트	비요타임	M5655	세포 증식 및 세포독성 평가
파라포름알데히드(4%)	서비스바이오	지1101	조직 고정
파라핀	시그마-알드리치	P1003	조직학을 위한 포매 배지
PBS 버퍼	깁코	10010023	세포 및 하이드로겔 처리에 사용
페닐알라닌 (99%)	시그마-알드리치	P5482	화학적 변형에 사용
페닐보론산(PBA)	TCI 화학	P0157	하이드로겔의 pH에 민감한 성분
과황산칼륨(KPS)	베이징 바오링웨이	KPS-AR	중합의 라디칼 개시제
PrimeScript RT 시약 키트	타카라	RR047A	cDNA 합성에 사용
활성 산소종(ROS) 분석 키트	키젠 바이오텍	KGAF019	항산화 활성 평가
실시간 PCR 시스템	어플라이드 바이오시스템	스텝원플러스	유전자 발현 정량화
RNAiso 플러스	타카라	9108	RNA 추출 시약
레오미터(HR-1)	TA 인스트루먼트	HR-1	하이드로겔의 유변학적 특성 분석
살리실산(SA)	시그마-알드리치	S3254	하이드로겔의 약물 분자
주사 전자 현미경(SEM)	젤	JSM-7500F	하이드로겔 구조의 형태학적 분석
실리카 나노입자(12nm)	시그마-알드리치	637246	실리카 콜로이드 결정 주형의 형성
수산화나트륨(NaOH)	중국 국립 제약 그룹 공사	나오아르	pH 조정
황색포도상구균(S. aureus)	ATCC	-	항균 테스트에 사용
SYBR 그린 PCR 마스터 믹스	어플라이드 바이오시스템	4367659	qPCR 검출 시약
UV 광원(365 nm, 3 mW/cm²)	히어로랩	UVT-28	UV 중합에 사용
UV 분광 광도계	시마즈	자외선 2600	약물 방출 측정