이 연구는 내고정 또는 외부 고정 없이 하중 지지 조건에서 뼈 대체 재료의 기계적 및 골형성적 성능을 평가하기 위해 쥐 대퇴골 반분절 결손 모델을 구축하였습니다.
방법 논문
이 연구는 내고정 또는 외부 고정 없이 하중 지지 조건에서 뼈 대체 재료의 기계적 및 골형성적 성능을 평가하기 위해 쥐 대퇴골 반분절 결손 모델을 구축하였습니다.
골 대체 재료의 정확한 전임상 평가는 조직 재생을 지원할 뿐만 아니라 생리학적 하중 부하 지탱 조건의 기계적 도전을 반영하는 모델을 요구합니다. 그러나 대부분의 기존 동물 골 결함 모델은 이 점에서 부족합니다. 예를 들어, 칼바리 결함 모델은 널리 사용되지만 하중을 지지하지 않는 영역에서 생성됩니다. 마찬가지로, 장골의 드릴 홀 또는 부분 결함은 주로 국소적 치유에 집중하며, 기계적 지지를 평가할 만큼 충분한 하중 전달이 부족합니다. 이 연구는 고정장치 없이 하중을 지탱하는 환경에서 뼈 대체 재료의 기계적 및 생물학적 성능을 평가하기 위해 쥐 대퇴골에서 표준화된 반분절 골꼰부결 부위 모델을 확립하였습니다. 고속 핸드피스와 특수 원통형 치과용 버를 사용하여, 대퇴골 외측 중간통에 길이 4mm, 반반원통형 결손이 만들어졌습니다. 두 가지 대표적인 재료인 젤라틴 메타크릴로일(GelMA) 하이드로겔과 3D 프린팅 다메틸 메타크릴레이트(3DP-PMMA)가 주입되어 모델의 기계적 특성 구분 능력을 검증했습니다. 이식 4주 후 수행된 방사선, 조직학, 면역형광 분석 결과, 기계적 지지 부족으로 인해 GelMA 이식이 섬유 조직 우세와 제한된 뼈 통합 부합을 초래함이 발견되었습니다. 반면, 3DP-PMMA는 새로운 뼈 형성, 골막 연속성, 압전형 기계감응 이온 채널 구성 요소 1-발현(Piezo1+)과 렙틴 수용체 발현(LepR+) 세포의 모집을 촉진했습니다. 이 모델은 생체재료의 하중 지지 능력, 골유도성, 골통합 잠재력을 평가할 수 있는 실용적이고 재현 가능한 플랫폼을 제공합니다. 이는 장골 재건이나 골절 수리와 같은 정형외과 응용을 위한 후보 재료를 선별하는 데 유용한 도구가 될 수 있습니다.
생리학적 조건에서 뼈는 신체의 구조적 완전성과 기계적 기능을 유지하는 데 중심적인 역할을 합니다. 체중을 지탱하고, 움직임을 가능하게 하며, 내부 장기를 보호합니다. 특히 하중을 지탱하는 부위에서 외상, 종양 절제, 감염으로 인해 뼈가 손상되면 기계적 연속성이 끊깁니다. 이러한 장애는 종종 뼈 변형, 이동성 저하, 사지 불안정, 만성 통증, 심한 골절과 출혈로 인한 생명을 위협하는 문제까지 초래합니다 1,2. 현재는 뼈 이식과 생체재료 같은 뼈 대체 요법이 심각하게 손상된 뼈 조직을 대체하거나 대규모 골 결손을 복원하는 데 임상적으로 적용되고 있습니다. 마찬가지로, 이식된 뼈 대체물의 기계적 성능 저하로 인해 임플란트 실패가 발생하여 결손 부위의 비유합 또는 심지어 치명적인 골절로 이어질 수 있습니다 3,4. 구조와 기능을 모두 회복하기 위해 뼈 대체 재료는 뼈 재생을 촉진할 뿐만 아니라 생리적 하중을 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 가져야 합니다.
임상 번역 전에 중요한 단계는 생체 내에서 이식된 생체재료가 하중을 지탱하는 골 부위의 구조적 지지에 필요한 기계적 요구를 충족할 수 있는지에 대한 현실적인 평가입니다. 많은 생체재료가 시험관 내외 또는 소형 비하중을 지탱하는 모델에서 가능성을 보였지만, 임상 실무로의 전환은 생체 내 기계적 상태를 시뮬레이션하는 신뢰할 만한 전임상 모델의 부재로 인해 종종 방해받고 있습니다. 현재 골 결손 연구에 사용되는 동물 모델로는 하악 결손6, 수추 결손7, 장골의 드릴 홀 결손8, 발치 후 소켓9 등이 있습니다. 이 모델들은 주로 재료의 골형성 능력을 평가하며, 조직학적 또는 방사선 재생 종점에 중점을 둡니다10,11. 그러나 이러한 부위들이 하중을 지탱하지 않거나 기계적으로 보호되어 있기 때문에, 장골에서 겪는 동적 응력 조건을 재현하지 못한다. 압축 또는 인장 강도 분석과 같은 시험관 내 기계적 특성을 시험하더라도, 이는 생체 내 환경에 내재된 동적 부하와 숙주 조직 상호작용을 재현하지 못합니다13.
전임상 연구의 주요 공백은 하중을 지탱하는 조건에서 뼈 대체물의 생체 내 기계적 평가를 가능하게 하는 표준화되고 재현 가능한 동물 모델의 부재입니다. 이를 해결하기 위해 본 연구는 쥐에서 반분절 관절단 결손 모델을 확립하였습니다. 이 모델은 하중 지지 영역에 안정적이고 재현 가능한 결함 부위를 제공하여 생리학적 하중 하에서 골 대체 재료의 기계적 지지 능력을 직접 평가할 수 있게 하고, 동시에 골 생성 결과도 평가할 수 있게 합니다. 더불어, 이 모델은 특정 동물에 따라 결함 크기와 위치를 조정하여 다양한 동물 종에 적용할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 인간 뼈의 복잡한 생체역학적 환경을 완전히 재현하지는 못하며, 비하중을 지탱하는 결손, 두개골 치유, 또는 매우 큰 구조적 임플란트에만 초점을 맞춘 연구라면 대체 모델이 더 적합할 수 있습니다.
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본 연구에서 시행된 모든 동물 시술은 쓰촨대학교 화서광학 우수과학대학 윤리위원회(WCHSIRB-AT-2025-342)의 승인을 받았습니다. 수컷 스프래그-도울리 쥐(각각 180g)는 상업적 공급처에서 얻어 이식된 재료에 따라 무작위로 두 그룹(n=6마리)에 배정했습니다. 시약과 사용된 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.
1. 수술 전 준비
2. 수술 절차
3. 수술 후 관리
4. 샘플 채취 및 데이터 수집
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본 연구에서는 대퇴골 중간 간간에 길이 4mm, 반반경 1.5mm의 결손을 평평한 원통형 특정 치아 다이아몬드 버와 함께 드릴링하여 반분절 분절 관절 결손 모델을 확립하였다(그림 2A). 재료의 기계적 및 생물학적 성능을 테스트하는 모델을 입증하기 위해, 결함을 GelMA 하이드로겔 또는 3DP-PMMA로 이식한 두 개의 비교군을 설정했습니다(그림 3, 그림 4, 그림 5). GelMA 하이드로겔은 기계적 강도가 낮고 골형성 용량이 최적이 아닌 것이 특징인 반면, 3DP-PMMA는 신뢰할 수 있는 하중 지지 능력과 효과적인 응력 전달 특성을 가진 것으로 추정됩니다15,16
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골유도성, 골통합, 생체적합성 등 널리 강조되는 특성 외에도, 뼈 대체물의 기계적 반응성과 하중 지지 능력도 특히 체중 부하 부위 뼈의 결함 수리에 매우 중요합니다22. 기존의 기계적 성능 평가는 일반적으로 범용 시험기, 압축 시험, 인장 강도 분석과 같은 시험관 내 방법에 의존합니다 23,24,25. 이러한 접근법들은 유익하지만, 생리학적 조건에서 이식 물질과 숙주 조직 간의 복잡한 기계적 상호작용을 포착하지 못합니다26. 이 간극을 메우기 위해, 하중 지지 환경 내 기계적 자극을 모방하는 생체 내 모델이 뼈 대체물의 진정한 구조적 성능을 평가...
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모든 원본 데이터와 이미지가 이 논문에 포함되어 있습니다. 저자들은 이해 상충이 없음을 선언합니다.
이 연구는 쓰촨성 자연과학재단(2025ZNSFSC0754)의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 2% 요오도포르 용액 | 청두 진산 화학 시약 유한회사. | 전혀 없습니다 | |
| 3D 프린팅 다메틸 메타크릴레이트 (3DP-PMMA) | 쓰촨대학교 고분자과학공학대학에서 친절히 제공하셨습니다. | 전혀 없습니다 | |
| 4% 파라포름알데히드 | 바이오샤프 | BL539A | |
| 75% 에탄올 | 청두 진산 화학 시약 유한회사. | 전혀 없습니다 | |
| 솜뭉치 | 하이시 하이누오 그룹 주식회사 및 nbsp; Ltd. | 전혀 없습니다 | |
| 면 막대기 | 라콩 의료기기 주식회사 | 전혀 없습니다 | |
| DAPI 염색 솔루션 | Beyotime | Cat#C1005 | |
| 일회용 멸균 메스 | 항저우 화웨이 의료용품 유한회사. | 20100227 | |
| 젤라틴 메타크릴로일(GelMA) 하이드로겔 | 쓰촨대학교 고분자과학공학대학에서 친절히 제공하셨습니다. | 전혀 없습니다 | |
| 젤마 20% | 셀링크 | IKG125000005 | |
| 염소 항쥐 IgG H& L (알렉사 플루어&레귤; 594) | 앱캠 | AB150116 | |
| 염소 항토끼 IgG H& L (알렉사 플루오 & 레귤러; 488) | 앱캠 | AB150077 | |
| 헤마톡실린 및 에오신 스테인 키트 | 바이오샤프 | C1005 | |
| 고속 핸드피스 | 포산 SCS 의료기기 주식회사 | 9018499000 | |
| 관개 바늘 | 쓰촨 신세기 의료용 고분제품 주식회사 | 전혀 없습니다 | |
| 마손 s 트리크롬 스테인 키트 | 솔라비오 | G1340 | |
| 의료용 부직조 | 허난 야두 산업 유한회사, 유한회사; | 전혀 없습니다 | |
| 의료용 부직조 | 허난 야두 산업 유한회사, 유한회사; | 전혀 없습니다 | |
| 마이크로 컴퓨터 단층촬영(및 마이크로; CT) | 스캔코 메디컬 AG | μ CT 45 | |
| 단면 이미지 미믹스 20.0 (재슬라이스 기능) | 마실라이즈 | 전혀 없습니다 | |
| 바늘 홀더 | 청두 시펑 유한회사. | 전혀 없습니다 | |
| Ob-R/렙틴 수용체 항체 (B-3) | 산타크루즈 | SC-8391 | |
| 올림푸스 리서치 등급 전체 슬라이드 스캐닝 시스템 VS200 | 청두 지식기술유한회사 | VS200 | |
| 골막 엘리베이터 | 청두 시펑 유한회사. | 전혀 없습니다 | |
| PIEZO1 항체 | 노부스 | NBP1-78446 | |
| 식염수 용액 | 쓰촨 커룬 제약유한회사. | 전혀 없습니다 | |
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| 직선 가위 | 청두 시펑 유한회사. | 전혀 없습니다 | |
| 외과 운동 | 마라톤 | N3-140232 | |
| 외과적 봉합 (4-0 단섬유) | 항저우 화웨이 의료용품 유한회사. | 전혀 없습니다 | |
| 버니어 캘리퍼 | 델리 | DL91150 |
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