Poly(α-hydroxy esters)-coated porous collagen conduit for nerve regeneration

Abstract

[한글]

최근 관을 이용하여 손상된 신경의 양끝을 연결함으로써 신경이 관속으로 잘 자라도록 유도하는 신경도관이 자가이식이나 동종이식을 효과적으로 대체하기 위하여 소개되고 있다. 신경도관으로 성공하기 위하여 필수적인 요소로는 다음과 같다. 신경도관 내로 영양분의 공급이 원활히 이루어져야 하고 자라나는 신경에 손상이 가지 않을 정도의 적당한 내경을 가져야 하며 신경이 자라는 동안 형태를 유지하기 위한 적당한 강도와 나아가 적절히 생분해되어 이차수술이 필요하지 않아야 하고 자라나는 신경을 압박하지 않는 생분해성을 가져야 한다. 또한, 신경도관은 생체적합성을 가져야 하고 신경세포와 친밀성이 뛰어나야 한다. 따라서 본 연구에서는 Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) 또는 Poly(DL-lactic acid) (PLLA)로 코팅된 콜라젠 도관을 제조하여 신경재생을 위한 특성을 현재 콜라젠 도관으로 많이 사용되고 있는 Grutaradehyde(GA)로 가교된 콜라젠 도관과 비교 분석하였다. 코팅은 회전하고 있는 콜라젠 도관의 외부만을 PLGA 또는 PLLA 용액으로 스프레이함으로써 행하여 졌다. 도관 내부는 신경재생에 효과적인 가교되지 않은 콜라젠으로 구성되고 외부는 폴리머로 코팅하여 기계적성질과 생분해성을 조절함으로써 신경도관은 다른 기능을 하는 두가지 층을 가질 것으로 기대된다. 먼저, PLGA와 PLLA를 스프레이코팅한 콜라젠 신경도관은 스프레이 용액의 농도를 변화시켜서 다공 크기와 기계적 성질을 조절할 수 있었다. 코팅된 콜라젠 신경도관은 신경재생이 완성되는 동안 그 형태를 유지하면서 적절히 생분해될 수 있는 가능성을 확인하였고 연결되는 신경조직과 유사한 기계적 성질을 나타내었다. 또한, 코팅된 콜라젠 신경도관은 물기가 흡수되었을 때 내부 공간을 일정하게 유지하면서 약간의 부풀림을 보여주었다. 신경재생을 위한 생물학적 성질로는, 코팅된 콜라젠 신경도관은 처리를 하지 않은 콜라젠 신경도관과 유사하게 세포독성이 나타났지 않았고 신경돌기를 유도하며 신경세포와 높은 친밀성을 보여주었다. 마지막으로, 토끼에 코팅된 신경도관을 매식하여 12주 후에 확인한 결과에서는 신경도관이 완전히 분해되면서 새로운 신경이 재생되었다. 그러나 GA로 가교된 신경도관은 신경조직과 기계적 성질의 불일치, 세포독성, 가교 후 콜라젠 표면의 친수성 감소로 인한 신경세포와의 낮은 친밀성 등을 보여주었다. 따라서 본 연구에서는 PLGA 또는 PLLA가 코팅된 콜라젠 신경도관이 신경재생을 위해서 기존의 가교된 콜라젠 신경도관의 단점을 보완하는 더욱 효과적인 재료로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다. 나아가 생체재료 분야에서 스프레이코팅법이 망사형태 폴리머 스캐폴드의 다공성과 강도를 조절하고 제한된 부분을 강화시키는데 응용될 수 있을 것으로 사료된다.

[영문]Recently, a nerve conduit, which regenerates a missing nerve tissue by bridging the two nerve stumps by the tube, has been introduced as a promising alternative to autografts and allografts. Among a series of parameters that control the quality of the conduit, attention has been paid to permeability, tube dimension, mechanical property, and biodegradation rate, as well as to biocompatibility and neuron cell affinity. The objective of this study is to evaluate properties of poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA)- or poly(DL-lactic acid) (PLLA)-coated collagen conduits for nerve regeneration compared to those of grutaraldehyde(GA)-crosslinked collagen conduits, which has been widely used as collagen-based conduits. The coating was performed by spraying PLGA or PLLA solution over the only outer phase of the collagen conduit. The coated collagen conduit is expected to have bilayers that the outside of the coated collagen conduit improves physical and chemical properties due to coating of PLGA or PLLA and the inside of the coated collagen conduit has appropriate environment for nerve regeneration due to untreated collagen. First, spray-coating with PLGA or PLLA could control pore size and mechanical properties of porous collagen film with varying the concentration of polymer solution. In addition, the PLGA- or PLLA-coated collagen films degraded slowly enough to maintain a stable support structure for the entire regeneration process and showed mechanical property similar to nerve tissues. Moreover, the PLGA- or PLLA-coated collagen conduits showed proper swelling degree which could maintain the lumen space of the conduit constant. In the evaluation of biological properties for nerve regeneration, the PLGA- or PLLA-coated collagen conduits showed non-cytotoxicity similar to the untreated collagen film, and had high affinity and seeding ability to PC12 cells inducing proliferation and neurite outgrowth of the cells. Finally, the PLGA-coated collagen conduit resulted in excellent nerve regeneration 12 weeks after implantation in the rabbit, showing complete degradation of the conduit. However, the GA-crosslinked collagen conduit showed unmatched mechanical properties with nerve tissues, the decrease of hydrophilicity, moderate cytotoxicity, and low PC12 cell affinity. Therefore, the PLGA- or PLLA-coated collagen conduits consist of more effective materials for nerve regeneration, which improve adverse effects of the GA-crosslinked collagen conduits. Furthermore, spray-coating method will be able to be used in order to control pore size and mechanical properties of a fiber-shaped scaffold and strengthen limited region of the scaffold.