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Biomaterials Research (2008) 12(4) : 154-160 154 Biomaterials Research C The Korean Society for Biomaterials Poly(aspartic acid) 이용한 조직공학용 지지체의 제조 특성(1) Preparation and Evaluation of Poly(aspartic acid) Scaffolds for Tissue Engineering Application (1) 배홍기 1,·김지흥 2 ·안정호 1 ·정동준 1,3 * Hong Ki Bae 1,† , JiHeung Kim 2 , Jeong Ho An 1 , and Dong June Chung 1,3* 성균관대학교 공과대학 고분자시스템공학과, 성균관대학교 공과대학 화학공학과 서울대학교 치과대학 지능형 생체계면공학 연구센터 Department of Polymer Science and Engineering, SungKyunKwan University, Suwon 440-746, Korea Department of Chemical Engineering, SungKyunKwan University, Suwon 440-746, Korea Intellectiral Biointerface Engineering Center, Seoul National University, Seoul 110-749, Korea (Received November 1, 2008/Accepted November 12, 2008) One of the most important properties of synthetic materials for biomedical applications is that the materials should have biostability, biocompatibility and biodegradability. Polypeptides which are made of amino acids is useful to bio- medical application because they are main structural materials of biosystem. Poly(aspartic acid) (PAsp) is synthesized by polymerization of the corresponding N-carboxyamino acid anhydride (NCA) in solution in the presence of suitable catalysts. However, the NCA method has processing problems in synthesis and cost disadvantage comparing to other methods. Recently, a simple polycondensation method of L-aspartic acid in the presence of acid catalyst was devel- oped and we can get the high molecular weight of PAsp by this method. In this study, PAsp hydrogels have been pre- pared by the cross-linking reaction of PAsp produced by thermal polycondensation reactions with an acid catalyst. The molecular weight of synthesized PAsp was about 50,000 (M whereas DP = 500). And the PAsp hydrogels were formed above 10 mol% of cross-linker(ethylene diamine) concentration. The water absorption capacity of the PAsp hydrogel in deionized water was measured and the maximum capacity was 1,400%. We found that the synthesized PAsp hydrogels obtained the interconnected porous structure (pore size was about 100~200 μm) by scanning electron microscopy observation. The cytotoxicity test was carried out on the PAsp hydrogel using the fibroblast cells. After four days incubation, the fibroblast cells adhered and spread well on the PAsp hydrogel. Futhermore, the fibroblast cells proliferated well on the PAsp hydrogel compared with the control cells on the cell culture plate. These results strongly indicated that the PAsp hydrogels can be used as the scaffold for tissue engineering applications. Key words: Poly(aspartic acid), Scaffolds, Porous hydrogel, Biodegradability, Cell toxicity oly(ethylene glycol), poly(acrylic acid), 그리고 poly (acrylamide) 등의 수용성 고분자는 의료, 화장품 등의 양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 이들 고분자들은 비생분해성인데다 사용 후에 회수가 매우 곤란하기 때문에 경오염이 우려되고 있다. 따라서 생분해성의 수용성 고분자의 개발에 대한 필요성이 제기되고 있으며, 이에 대한 연구가 발히 진행되고 있다. 1-3) 이러한 생분해성의 수용성 고분자로서 기대되고 있는 것이 아미노산을 중합하여 만드는 poly(amino acid), 폴리펩타이드이다. 폴리펩타이드는 의료, 화장품, 수제, 분산제, 금속 흡착제 등으로 응용되어 현재 다양한 분야 널리 이용되고 있다. 4,5) 또한 측쇄에 carboxyl group 이나 amino group 갖는 폴리펩타이드, 예를 들면 poly(glutamic acid), poly(aspartic acid) 혹은 poly(lysin) 등은 측쇄의 관능 기를 이용한 다양한 개질이 가능하여 응용 분야는 더욱 다고 있다. 한편, 단백질은 생체를 구성하는 성분 중의 하나로서 아미노 산으로 구성되어 있으며 자가조직이므로 우수한 생체적합성을 나타낸다. 따라서 단백질 구성성분인 아미노산을 인위적으로 합하여 얻어지는 고분자, 폴리펩타이드 역시 생체적합성이 우수하며, 효소에 의해 분해되므로 뛰어난 생분해성의 수용성 고분자 재료로서도 이용 가능하다. 이러한 폴리펩타이드의 성은 생체재료로서의 조건을 만족하여, 이를 이용한 세포의 체화, 약물담체 재료, 조직공학 등에서 생체재료로서의 응용에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 6,7) 특히 인공기질과 세포 이식을 통해 3 차원적으로 조직을 재생하는 조직공학에서 다공 Present Address; Research Institute, Hoimyung Co. Ltd., 745-1, Baeksuk- dong, Chonan 330-220, Korea * 책임연락저자: [email protected] P

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Biomaterials Research (2008) 12(4) : 154-160

154

Biomaterials

Research

C The Korean Society for Biomaterials

Poly(aspartic acid)를 이용한 조직공학용 지지체의 제조 및 특성(1)Preparation and Evaluation of Poly(aspartic acid) Scaffolds for TissueEngineering Application (1)

배홍기1,†·김지흥

2·안정호

1·정동준

1,3*

Hong Ki Bae1,†, JiHeung Kim2, Jeong Ho An1, and Dong June Chung1,3*

1성균관대학교 공과대학 고분자시스템공학과, 2

성균관대학교 공과대학 화학공학과3서울대학교 치과대학 지능형 생체계면공학 연구센터1Department of Polymer Science and Engineering, SungKyunKwan University, Suwon 440-746, Korea2Department of Chemical Engineering, SungKyunKwan University, Suwon 440-746, Korea3Intellectiral Biointerface Engineering Center, Seoul National University, Seoul 110-749, Korea(Received November 1, 2008/Accepted November 12, 2008)

One of the most important properties of synthetic materials for biomedical applications is that the materials shouldhave biostability, biocompatibility and biodegradability. Polypeptides which are made of amino acids is useful to bio-medical application because they are main structural materials of biosystem. Poly(aspartic acid) (PAsp) is synthesizedby polymerization of the corresponding N-carboxyamino acid anhydride (NCA) in solution in the presence of suitablecatalysts. However, the NCA method has processing problems in synthesis and cost disadvantage comparing to othermethods. Recently, a simple polycondensation method of L-aspartic acid in the presence of acid catalyst was devel-oped and we can get the high molecular weight of PAsp by this method. In this study, PAsp hydrogels have been pre-pared by the cross-linking reaction of PAsp produced by thermal polycondensation reactions with an acid catalyst. Themolecular weight of synthesized PAsp was about 50,000 (Mw, whereas DP = 500). And the PAsp hydrogels wereformed above 10 mol% of cross-linker(ethylene diamine) concentration. The water absorption capacity of the PAsphydrogel in deionized water was measured and the maximum capacity was 1,400%. We found that the synthesizedPAsp hydrogels obtained the interconnected porous structure (pore size was about 100~200 µm) by scanning electronmicroscopy observation. The cytotoxicity test was carried out on the PAsp hydrogel using the fibroblast cells. After fourdays incubation, the fibroblast cells adhered and spread well on the PAsp hydrogel. Futhermore, the fibroblast cellsproliferated well on the PAsp hydrogel compared with the control cells on the cell culture plate. These results stronglyindicated that the PAsp hydrogels can be used as the scaffold for tissue engineering applications.

Key words: Poly(aspartic acid), Scaffolds, Porous hydrogel, Biodegradability, Cell toxicity

서 론

oly(ethylene glycol), poly(acrylic acid), 그리고 poly

(acrylamide) 등의 수용성 고분자는 의료, 화장품 등의 다

양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 이들 고분자들은

비생분해성인데다 사용 후에 회수가 매우 곤란하기 때문에 환

경오염이 우려되고 있다. 따라서 생분해성의 수용성 고분자의

개발에 대한 필요성이 제기되고 있으며, 이에 대한 연구가 활

발히 진행되고 있다.1-3) 이러한 생분해성의 수용성 고분자로서

기대되고 있는 것이 아미노산을 중합하여 만드는 poly(amino

acid), 즉 폴리펩타이드이다. 폴리펩타이드는 의료, 화장품, 흡

수제, 분산제, 금속 흡착제 등으로 응용되어 현재 다양한 분야

에 널리 이용되고 있다.4,5) 또한 측쇄에 carboxyl group이나

amino group을 갖는 폴리펩타이드, 예를 들면 poly(glutamic

acid), poly(aspartic acid) 혹은 poly(lysin) 등은 측쇄의 관능

기를 이용한 다양한 개질이 가능하여 그 응용 분야는 더욱 넓

다고 할 수 있다.

한편, 단백질은 생체를 구성하는 성분 중의 하나로서 아미노

산으로 구성되어 있으며 자가조직이므로 우수한 생체적합성을

나타낸다. 따라서 단백질 구성성분인 아미노산을 인위적으로 중

합하여 얻어지는 고분자, 즉 폴리펩타이드 역시 생체적합성이

우수하며, 효소에 의해 분해되므로 뛰어난 생분해성의 수용성

고분자 재료로서도 이용 가능하다. 이러한 폴리펩타이드의 특

성은 생체재료로서의 조건을 만족하여, 이를 이용한 세포의 담

체화, 약물담체 재료, 조직공학 등에서 생체재료로서의 응용에

대한 연구가 다양하게 진행되고 있다.6,7) 특히 인공기질과 세포

이식을 통해 3차원적으로 조직을 재생하는 조직공학에서 다공

†Present Address; Research Institute, Hoimyung Co. Ltd., 745-1, Baeksuk-dong, Chonan 330-220, Korea

*책임연락저자: [email protected]

P

Poly(aspartic acid)를 이용한 조직공학용 지지체의 제조 및 특성(1) 155

Vol. 12, No. 4

성 지지체로 매우 유용하게 이용될 것으로 기대된다. 현재 조

직공학용 다공성 지지체로 널리 이용되고 있는 생분해성의

PLGA [poly(lactide-co-glycolide)]는 분해속도를 임의로 조절할

수 있고 물성도 우수하여 조직공학에서 다양하게 응용되고 있

으나 PLGA는 체내에서의 분해산물인 젖산은 산성환경을 조성

하여 일시적으로 조직재생에 유해하게 작용할 수 있다. 또한

PLGA는 관능기의 도입이 용이하지 않아 응용적인 측면에서 제

약이 있다. 따라서 생체적합성과 세포 친화성이 우수하고 개질

이 용이한 폴리펩타이드는 조직공학용 지지체로서 응용이 기대

된다.

그러나 기존의 폴리펩타이드의 합성법은 미생물을 이용한다

던지, NCA (N-carboxyanhydride)를 이용한 중합법8) 등으로

합성이 까다로우며 대량생산도 곤란하였다. 또한 합성 후에도

분리 및 정제가 복잡하여 조직공학용 지지체를 포함한 생체재

료로의 응용에 불리한 점이 있었다. 그러나 최근에 촉매를 이

용한 벌크중합 또는 용매중합법이 개발되어 보다 용이하게 폴

리펩타이드를 이용할 수 있는 길이 열렸다. 일반적으로 PAsp

의 합성에는 크게 단량체만을 이용하는 열중합법, 단량체와 촉

매를 이용하는 bulk 중합법, 그리고 단량체, 촉매, 용매를 함께

사용하는 용액중합법 등 세 가지의 방법에 의해 합성할 수 있

다.6,9,11,13) 정제과정이나 생성물의 순도를 감안하면 촉매나 용

매를 사용하지 않는 열중합이 적합한 것으로 판단되어지나, 생

성된 PAsp의 중합도를 높이기 위해서는 촉매를 사용하는 벌크

또는 용액중합이 효과적이다. 한편 Tomida 등의 연구 결과에

의하면, 다양한 중합용매를 검토한 결과 mesitylene/sulfolane의

공용매를 사용한 중합에서 고분자량의 PAsp가 얻어진다고 보

고하고 있다.12) Nakato 등은 산촉매의 존재 하에서 L-aspartic

acid를 중축합(polycondensation)하는 방법으로 고분자량의

poly(succinimide)를 합성하였고, 이를 다시 가수분해하여

poly(aspartic acid)를 합성하는데 성공하였다.6,11)

본 연구에서는 아미노산의 일종인 측쇄에 carboxyl group을

갖는 아스파라긴산(aspartic acid)을 mesitylene과 sulfolane

을 공용매로 하고 산촉매를 이용하여 중축합함으로서 고분자

량의 폴리펩타이드 중합체인 poly(aspartic acid)를 합성하였

고, 이를 이용한 조직공학용 다공성 지지체의 제조에 대해 검

토하였다.

재료 및 방법

재료

본 연구에서 사용한 L-aspartic acid, o-phosphoric acid,

mesitylene, sulfolane, ethylene diamine, sodium hydroxide,

hydrochloric acid는 Sigma-Aldrich Chemical Co.(Milwaukee,

USA)의 제품을 구입하여 정제없이 사용하였다. NMR 측정에

는 용매로서 분광학 분석용 D2O(Sigma-Aldrich Chemical

Co.)를 사용하였다. 또한 methanol, ethanol 등의 유기용매

는 특급시약을 사용하였고, 분자량측정에는 초순수를 이용하

였으며, 그 밖의 반응용매로는 2차 증류수를 사용하였다.

Poly(aspartic acid) (PAsp)의 합성

PAsp의 합성은 Figure 1에 나타낸 것과 같이 두 단계 반응

에 의해 합성하였다. 첫 번째 단계에서는 산촉매를 이용하여

L-aspartic acid를 중축합하여 poly(succinimide) (PSI)를 합성하

였다. 그리고 두 번째 단계에서는 합성된 PSI를 염기 가수분해

하여 PAsp를 합성하였다. 합성방법을 이하에 설명하였다.

Poly(succimide)(PSI)의 합성

L-aspatic acid(20 g, 0.15 mol)를 mesitylene(50 g)과

sulfolane (20 g)에 녹여 dean stark trap이 장착된 3구 플라

스크에 넣은 후, 질소 분위기 하에서 sulfolane에 녹인 o-

phophoric acid(0.735 g, 0.0075 mol)를 첨가하였다. 용액을

강하게 교반하면서 5시간 동안 환류시키며 반응하였다. 용매를

제거한 후, 침전물을 메탄올과 증류수를 이용하여 수차례 세척

하여 용액을 중성이 되도록 하였다. 다시 메탄올로 2회 세척

한 후, 80oC 진공오븐에서 하룻밤 동안 건조하여 옅은 갈색

고체 PSI를 얻었다(Yield: 18.94 g, 94%).

가수분해에 의한 PAsp의 합성

NaOH 수용액(0.144 mol) 100 mL가 들어있는 플라스크를

ice-bath에 담근 상태에서 동일 당량비의 PSI(14 g, 0.144

mol)를 첨가하였다. 그리고 실온에서 3시간동안 교반하면서 반

응시켰다. pH meter로 용액의 pH를 측정하면서 35% HCl

수용액을 첨가하여 용액을 중화시킨 후, 메탄올에 침전시켰다.

생성된 침전물을 메탄올을 이용하여 2회 세척하고, 다시 증류

수에 녹여 메탄올에 2회 재침전하여 백색의 침전물을 얻었다.

생성물은 50oC 진공오븐에서 하룻밤 동안 건조시켰다.

PAsp hydrogel의 제조

PAsp hydrogel의 제조는 PSI에 가교제로서 ethylene

diamine(EA)을 이용하여 hydrogel의 형성을 유도하였다. PSI를

N,N-dimethylormamide(DMF)에 100 mg/mL의 농도로 용해하

여 반응용기에 넣은 후, PSI의 단위 unit에 대해 EA를 5:1,

10:1, 20:1, 50:1 그리고 100:1(mole ratio)로 첨가한 후 반

응액이 잘 혼합되도록 교반하면서, 실온에서 24시간 반응시켜

PSI gel을 제조하였다. 그 후 생성된 PSI gel을 NaOH 수용

Figure 1. Synthetic scheme for synthesis and polymerization of L-aspartic acid.

156 배홍기·김지흥·안정호·정동준

Biomaterials Research 2008

액(pH 10)에 침적하여 1일간 가수분해하여 PAsp hydrogel을

제조하였다. 제조된 PAsp hydrogel은 용매를 바꿔가며 열흘간

침적하여 미가교 상태인 PAsp를 제거하였다. PSI의 가수분해는

제조된 PAsp hydrogel과 PSI 및 순수한 PAsp의 FT-IR 스펙트

럼을 비교하여 확인하였다.

함수율 측정

제조된 PAsp hydrogel을 동결건조하여 건조한 후, 건조된

PAsp를 증류수(500 mL)에 일정 시간 담근 후 꺼내어, 건조

시의 중량과 물흡수 후의 중량을 측정하여 함수율을 측정하

였다.

함수율은 다음의 식에 의해 계산하였다.

세포독성 실험

PAsp의 세포에 대한 독성을 측정하기 위하여 PAsp

hydrogel 상에서 세포배양을 실시하였다. 세포배양 실험에는 섬

유아세포(flbroblast L-929)를 사용하였으며, 정상상태의 세포를

얻기 위해 동결되어 있던 섬유아세포를 해동한 후, 2주일간 계

대배양한 후 실험에 이용하였다. 필름형태로 제조된 팽윤상태

의 PAsp hydrogel의 양면을 각각 1시간씩 자외선을 조사하여

멸균하고, PBS(phosphate buffer saline) 용액으로 수차례 세

척한 후, Dulbecco's Modified Eagle's Mediem(DMEM) 배

지에서 다시 1시간 팽윤시켰다. 이렇게 얻어진 hydrogel을

cell culture dish에 고정시켰다. 10%의 FBS(fetal bovine

serum)을 포함하는 DMEM 배양액을 dish에 넣은 후, 세포농

도를 1×105 cells/mL로 조절한 세포용액을 dish 내에 넣은

후, 37oC의 5.0% CO2 배양기 내에서 4일간 배양하였다. 세

포배양 후 일반 배양한 세포와 PAsp hydrogel 상에 배양한

세포의 증식 상태 및 세포의 형태를 광학현미경을 통해 비교

관찰하였다.

기기분석

합성된 고분자는 적외선 분광분석기(FT-IR, Model-GL 5020,

Mattson instrument Inc. USA) 및 1H-NMR 및 13C-NMR

(FT-NMR 11.75T, Oxford superconducting magnet 500

MHz, Oxford Instrument, UK)을 이용하여 분석하였다. 분자

량 측정은 HPLC(Dynamax SD-200, RAININ, USA) 장치에

GPC 칼럼을(Ultrahydrogel 250 and Ultrahydrogel 2000,

Waters, USA) 연결하여 측정하였으며, 검출은 RI(refractive

index) detector(Dynamax RI-1, RAININ, USA)를 사용하였고,

다양한 분자량의 poly(ethylene oxide)를 표준물질로 사용하여

시료의 상대적인 분자량을 구하였다.

결과 및 고찰

PAsp의 합성

산촉매 존재 하에서 중축합에 의해 합성된 PSI를 수산화나트

륨에 의해 가수분해함으로서 백색 분말 형태의 PAsp를 합성할

수 있었다. 합성된 백색 분말의 고분자를 1H-NMR과 13C-

NMR을 이용하여 분석한 결과를 Figure 2와 3에 나타내었다.

Figure 2의 1H-NMR 스펙트럼에서 알 수 있듯이, 주쇄의 -CH-

group에 기인하는 proton과 측쇄의 -CH2- group에 기인하는

proton의 면적비가 잘 일치하며, -CH- proton에서는 α-form

과 β-form의 비가 1:3으로 나타났다. 또한 그림 3의 13C-

NMR 스펙트럼에서 나타난 바와 같이, 각각의 탄소원자에 유

래하는 피크가 관찰되었다. 따라서 얻어진 고분자는 PSI가 가

수분해되어 PAsp가 합성되었음을 확인할 수 있었다.

합성된 PAsp의 분자량을 poly(ethylene oxide)를 표준물질로

하여 GPC를 이용하여 측정한 결과, 합성된 PAsp의 평균분자

Water Absorption Capacity (%)WeightWet WeightDry–

WeightDry

-----------------------------------------------------------=

Figure 2. 1H-NMR spectrum of poly(aspartic acid).

Poly(aspartic acid)를 이용한 조직공학용 지지체의 제조 및 특성(1) 157

Vol. 12, No. 4

량(Mw)은 약 50,000(DP = about 500) 정도이었으며, 중합분

산도는 1.7이었다. 고유점도의 측정 결과로부터 PAsp는 분자량

에 비해 훨씬 큰 분자량의 용액 점도거동을 나타내었다. 이것

은 PAsp가 측쇄에 카르복실기를 갖는 polyion으로서, 이 카르

복실기가 물에 용해되면서 극성을 나타내어 측쇄 간의 반발이

발생한 결과, 고분자사슬은 extend되면서 hydrostatic volume

이 증가되어 점도가 현저하게 증가하는 것으로 사료된다. 아울

러 합성된 PAsp을 다양한 극성용매에 대한 용해도 실험을 한

결과, 물을 제외한 어떠한 유기용매에도 용해되지 않았다.

PAsp hydrogel

PAsp를 조직공학용 지지체(scafflod)로 응용하기 위해

hydrogel의 제조에 대해 검토하였다. Hydrogel을 제조하기 위

해서는 분자사슬간에 분자간 결합을 형성하여야 한다. 분자간

결합은 다양한 방법에 의해 유도될 수 있으며, 중합단계에서

결합을 생성시키는 방법, 중합 후에 가교제에 의한 화학적 결

합방법 그리고 감마선이나 자외선 등을 이용한 가교법이 있다.

PAsp의 hydrogel을 제조하는 방법으로는 감마선을 이용하는 방

법12)도 있으나, 본 실험에서는 가교제를 이용한 화학반응에 의

한 젤화를 시도하였다.

Hydrogel의 제조에는 가교제로서 두 개의 일차 아민기를 가

지는 ethylene diamine (EA)을 이용하여 hydrogel 형성을 유

도하였다. Succinimide기는 아민기와 용이하게 반응하여 아미

드 결합을 형성하므로, 첨가한 EA의 일차 아민기는 PSI의

succinimide를 개환하며 아미드 결합을 형성함으로써 고분자사

슬 간의 공유결합을 유도하여 가교상의 hydrogel을 형성한다.

PAsp hydrogel의 제조방법을 Figure 4에 나타내었다. 한편

대부분의 succinimide기는 미반응 상태로 존재하며, 연이은

NaOH 수용액에 의한 succinimide기의 개환반응이 일어나

최종적으로 가수분해 된 형태의 PAsp hydrogel을 형성하게

된다.

PAsp hydrogel의 제조에 있어서는, 첨가되는 EA의 mole

ratio가 PSI에 대해 5:1과 10:1의 경우에서는 hydrogel을 형성

하였지만, 20:1의 경우에는 점도는 상당히 높아졌지만

hydrogel을 형성하지는 못하였고, 50:1과 100:1에서는 약간의

점도변화만 일어났다.

Figure 5에는 제조된 PSI와 PAsp hydrogel(mole ratio =

10:1)의 사진을 나타내었다. PSI의 경우, 물에 대해 친화성은

있으나 불용성이었으며, 불투명하고 탄성이 있는 gel이 얻어졌

다. 그러나 PSI gel을 가수분해하여 얻은 PAsp hydrogel은

PSI gel에 비해 투명하였으나, 약한 힘에도 형태가 쉽게 파손

되는 매우 낮은 기계적 강도를 나타내었다.

한편, 제조된 PAsp hydrogel이 scaffold로서 응용 가능한지

여부를 알아보기 위해, PAsp hydrogel을 동결건조한 후 그 단

면을 SEM으로 관찰함으로써 구조적 특성에 대해 고찰하였다.

Figure 6에 나타낸 것과 같이, 동결건조에 의해 형성된

hydrogel의 내부에는 100-200 µm 정도의 크기를 갖는 연속

적인 pore가 존재하고 있는 것으로 나타났다. 세포의 크기(수

십 µm)를 고려할 때, 이 정도의 pore size는 hydrogel 내에

세포를 파종한 상태에서 세포가 배양될 수 있는 적합한 공간

을 제공할 것으로 기대된다. 또한 사용하고 있는 PAsp는 아미

노산을 원료로 하는 polypeptide로서 세포에 대한 생체적합성

또한 높을 것으로 사료되어, 조직공학용 scaffold로 응용 가능

할 것으로 기대된다.

그러나 일반적으로 scaffold의 wall thickness가 scaffold의

기계적 강도와 상관관계를 갖는 점을 고려할 때, 제조된 PAsp

scaffold의 경우, 얇은 wall thickness를 형성하고 있어 낮은

기계적 강도를 나타낼 것으로 예상되며, 실제로 매우 약한 힘

에도 hydrogel의 형태가 와해되는 결과를 나타내었다. 따라서

제조된 PAsp hydrogel을 스캐폴드로 이용하기 위해서는 기계

적 강도를 높일 필요가 있다.

제조된 PAsp hydrogel의 함수율을 측정한 결과를 Figure 7

Figure 3. 13C-NMR spectrum of poly(aspartic acid).

158 배홍기·김지흥·안정호·정동준

Biomaterials Research 2008

에 나타내었다. 건조된 상태의 PAsp hydrogel은 약 20분만에

최대의 함수율에 도달하였으며, 최대함수율은 약 1,400 %에

달했다. PAsp는 수용성 폴리펩티드로서 물에 대한 친화성이 매

우 높다. PAsp의 가교에 의해 제조된 PAsp hydrogel은 PAsp

분자사슬이 3차원적인 분자간 결합을 한 그물구조를 가지므로

물에 침적하였을 때 용해되지 않고 팽윤하는 hydrogel의 특징

을 나타내었다.

세포독성 실험

Figure 8에 세포를 배양한 결과를 나타내었다. (a) 사진은 일

반 cell culture plate 상에서 세포를 배양한 결과이며, (b) 사

진은 PAsp hydrogel 상에서 배양한 결과를 나타내고 있다. 접

촉성장형 세포인 섬유아세포는 일반적으로 세포배양 시에 먼저

재료 표면에 접착하여 방추형의 형태를 취하면서 증식하는 특

징을 갖는다. 사진 (a)와 (b) 모두에서 세포가 방추형의 형태를

가지며 잘 접착되어 증식하고 있는 것을 확인할 수 있다. 특

히, (b)의 사진에서 굵은 점선으로 표시된 영역이 PAsp

hydrogel이 고정된 영역을 나타내고 있는데, PAsp hydrogel의

위에서도 세포가 잘 접착하여 충분한 수만큼 증식되고 있는

Figure 5. Photographs of (left) the poly(succinimide) hydrogel (10:1),and (right) poly(aspartic aicd) hydrogel (5:1).

Figure 6. SEM photographs of prepared gels from poly(succinimide)(left) and poly(aspartic acid) (right).

Figure 4. Synthetic scheme of poly(aspartic acid) hydrogel.

Poly(aspartic acid)를 이용한 조직공학용 지지체의 제조 및 특성(1) 159

Vol. 12, No. 4

것을 확인할 수 있었다. 또한 세포의 morphology도 방추형의

세포형태를 관찰되어 일반 배양한 세포의 형태와 크게 다르지

않음을 확인할 수 있었다.

조직공학에서 사용되는 인공기질, 즉 지지체는 세포에 대한

독성이 없고 세포접착성이 우수하여 세포의 증식이 원활히 이

루어져야 하며, 또한 조직재생과 더불어 생분해되어 체내로 흡

수되는 특성을 가져야만 한다. 따라서 본 연구에서 제조된

PAsp hydrogel은 세포에 대해 우수한 친화력을 가지며 세포증

식이 원활히 이루어질 수 있는 3차원의 다공성 지지체로서 응

용 가능함을 확인하였다.

아울러 합성한 PAsp hydrogeld scaffold를 이용한 연골세포

의 재생에 관한 실험은 현재 진행 중에 있다.

결 론

폴리펩타이드인 poly(aspartic acid)의 제조 및 이를 이용한

조직공학용 다공성 지지체의 제조 및 특성에 대한 연구 결과

다음과 같은 결과를 얻었다.

1. L-aspartic acid의 산촉매 존재 하에서의 중축합에 의해

분자량이 50,000 정도이며, 중합분산도가 1.7인 수용성 폴리

펩티드인 PAsp를 합성하였다.

2. 합성된 PSI를 가교제인 ethylene diamine을 이용하여 젤

화함으로써, PSI gel이 형성되었으며, 이를 염기로 가수분해함

으로써 PAsp hydrogel을 제조할 수 있었다.

3. 제조된 PAsp hydrogel은 약 1,400% 정도의 함수율을

나타내었으며, 동결건조 후, hydrogel의 내부는 약 100-200

µm 정도 크기의 연속적인 pore가 분포하고 있음을 알 수 있

었다.

4. PAsp hydrogel 상에서의 섬유아세포의 배양실험을 통해

섬유아세포의 증식율이 일반 배양기판 상에서 배양한 결과와

크게 다르지 않았으며, 세포의 morphology에도 차이가 없는

것으로 나타나, PAsp hydrogel이 세포에 대해 독성을 나타내

지 않고 있음을 확인하였다.

감사의 글

본 연구는 한국과학재단의 ERC사업인 지능형 생체계면공학

연구센터(IBEC, 서울대학교 치과대학)의 연구비 지원에 의해 수

행되었습니다.

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Figure 7. Water absorption capacity of poly(aspartic aicd) hydrogel(10:1).

Figure 8 Micrographs of cell culture on cell culture plate (a) and onpoly(aspartic acid) hydrogel (b).

160 배홍기·김지흥·안정호·정동준

Biomaterials Research 2008

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