Spatially and temporally controlled hydrogels for tissue engineering

연구 배경

기존 하이드로젤은 화학적·물리적으로 정의된 기질을 세포에 제공하지만, 생체 조직이 지닌 불균일성과 시간에 따른 변화는 갖추지 못했습니다. 그간의 생체재료 연구도 주로 새로운 조성과 정적인 거동에 집중했습니다. 종설은 줄기세포 분화와 조직 재생 같은 과정을 이끄는 동적인 세포외기질(ECM)을 재현하려면 신호의 위치와 변화 시점을 함께 제어해야 한다고 봅니다.

종설의 구성

2절은 공간 제어를 다룹니다. 하이드로젤 표면 패터닝과 임플란트 코팅, 미세가공(복제 마이크로몰딩, 2광자 중합을 포함한 광패터닝, 미세유체, 자기조립, 하이드로젤 섬유의 직물 공정), 3D 바이오프린팅(광조형·디지털 마이크로미러 프린팅, 전단 담화·지지조 내 압출, 희생 잉크, 미세유체, 다중 소재 프린팅, 바이오잉크 설계)을 정리합니다. 3절은 시간 제어로서 약물·성장인자의 초기 급방출, 필요 시 방출, 순차·동시 방출, 광개시 첨가 반응, 광절단, 가역적 리간드 교환과, 경화, 분해 제어, 가역적 강성 전환, 하이드로젤 액추에이터에 의한 기계적 변화를 다룹니다. 4절은 다중 크기 소재와 고처리량 선별을 논의합니다.

종설이 다룬 범위

기법마다 작동 원리를 설명하고, 사용한 세포·동물 모델과 보고된 결과를 담은 대표 연구를 정리하며, 해상도와 속도, 소재 선택 같은 장단점을 짚습니다. 그림 19개는 인용 연구의 패널을 재수록한 것이며, 공간 해상도, 사용할 수 있는 소재, 세포 생존율, 설정할 수 있는 강성·분해 범위, 변화를 필요 시 유발하거나 되돌리거나 체내에서 적용할 수 있는지를 기준으로 비교합니다.

종설의 주요 정리 내용

공간 제어에서는 방법별 해상도와 범용성을 비교합니다. 광조형과 디지털 마이크로미러 프린팅은 수십 마이크로미터 해상도에 이르지만 많은 양의 바이오잉크와 광가교성 소재가 필요하고, 압출 방식은 더 다양한 소재를 쓸 수 있는 대신 해상도가 보통 수백 마이크로미터입니다. 국소 냉각한 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)은 7%(w/v) 미만 농도로는 프린팅할 수 없었고, 프린팅한 GelMA 섬유 속 세포는 14일 넘게 생존했습니다. 2광자 중합은 세포를 담은 젤을 높은 해상도로 패터닝하지만 구조 하나에 수 시간에서 수일이 걸릴 수 있습니다. 자기치유·입자형 지지조 속 압출은 무너짐 없는 자유 형상을 만들었고, 아가로스, 4 °C 이하에서 액화하는 Pluronic, 약 30 °C 이상에서 액화하는 젤라틴 같은 희생 잉크는 주조한 하이드로젤 안에 빈 채널을 남겼고, 아가로스로 채널을 만든 구조체의 세포는 비슷한 크기의 채널 없는 GelMA보다 생존율이 높았으며, 복합 편조 섬유는 세포 배열을 유지하면서 기계적 성질을 세 자릿수 범위에서 조절할 수 있었습니다.

표면 수준의 사례로는, ECM 하이드로젤을 코팅한 탈장 수술용 메시가 쥐에서 35일째까지 코팅하지 않은 메시보다 이물 거대세포가 적었고, 알지네이트를 코팅한 뇌 미세전극에서는 두꺼운 코팅이 쥐 이식 4개월 뒤 이물 반응을 낮췄습니다. 정렬된 섬유 지형과 광패터닝한 RGD 펩타이드 신호를 함께 주었을 때 세포는 지형에 더 강하게 반응했습니다.

화학적 성질과 방출의 시간 제어로는, 프로그래밍한 빛 조사로 이부프로펜을 세 차례 전달한 광응답 하이드로젤 바늘, 쥐에서 첫 3일 안에 혈관내피성장인자(VEGF)를, 이어서 골형성단백질(BMP)을 방출한 구조체, 독소루비신과 과립구대식세포 집락자극인자를 함께 전달해 마우스에서 단일 약제보다 종양 성장을 더 억제한 키토산 하이드로젤을 소개합니다. 광절단 보호기를 이용하면 겔화 후에도 RGD와 단백질을 3차원으로 패터닝해 신경세포 성장을 유도할 수 있었고, 보호기로 가린 RGD 펩타이드를 피부를 통한 자외선 조사로 체내에서 활성화한 사례도 있습니다.

기계적 성질의 시간 제어로는, 2주에 걸쳐 1 kPa에서 8 kPa로 단단해진 티올화 히알루론산 젤, 연한 기질에 오래 둔 중간엽줄기세포(MSC)는 지방세포로, 일찍 경화시킨 경우는 골세포로 분화하는 경향을 보인 순차 가교 젤, 약 2 kPa의 연한 젤보다 약 24 kPa의 단단한 젤에서 간성상세포의 알파 평활근 액틴과 제1형 콜라겐 발현이 높았던 사례가 인용됩니다. 가수분해성 분해는 수주에서 수개월로 조절할 수 있으나 필요 시 유발할 수는 없었고, 광분해성 PEG 젤은 필요 시 연화와 2광자 조사로 3차원 채널을 새기는 것을 가능하게 했습니다. pH 응답형 삼중블록 공중합체 젤은 pH 7.0과 8.0 사이에서 강성이 약 1 kPa와 40 kPa 사이로 가역적으로 바뀌었고, 유압식 하이드로젤 액추에이터는 1초 미만의 응답 시간과 1 N 이상의 힘을 냈습니다.

남은 과제

저자들은 2광자 패터닝이 느리고, 직물 공정은 해상도가 낮아 주로 섬유성 조직에 적합하며, DNA 가교 젤의 외인성 DNA가 세포 신호에 영향을 줄 수 있고, 전기자극 조건의 선별은 거의 연구되지 않았다고 지적합니다. 또한 조직 발생·재생의 시간 규모에서 세포 거동을 관찰·분석하는 통합 플랫폼이 아직 없으며, 기존 배양·분석 장비와 호환되는 표준화된 고처리량 플랫폼이 필요하다고 밝힙니다.

다른 연구와의 연결

관련 광분해성 하이드로젤 연구는 이 종설이 정리한 시간 제어 방법 가운데 하나이며, 종설은 빛으로 유발하는 분해를 경화, 가역적 전환, 시간차 방출, 공간 패터닝 방법과 나란히 비교합니다.