전기방사 키토산-폴리에틸렌 옥사이드/피브리노겐 스캐폴드: 지속적 PDGF 전달 및 향상된 상처 치유

초록

상처 치유는 성장 인자, 세포 이동, 세포외 기질 리모델링에 의해 조절되는 다면적 과정입니다. 생체활성 드레싱이 발전했음에도 전달 과제로 인해 임상에 도달한 것은 소수에 불과합니다. 우리는 이중 스피너렛 전기방사 플랫폼으로 키토산(CS), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 피브리노겐(Fb)으로 구성된 나노섬유 스캐폴드를 제작했습니다. 결과 CS-PEO/Fb 복합체는 나노미터 규모 섬유, 균일한 고분자 분포, 우수한 기계적 무결성을 보였습니다. 혈소판 유래 성장 인자(PDGF)를 생체 활성 손실 없이 도입했으며, 방출 연구는 첫 1시간 내 21.6% 방출 후 48시간 동안 지속적 방출되는 이상적 프로파일을 보였습니다. 체외 섬유아세포 이동 분석에서 스캐폴드에서 방출된 PDGF가 단일 50 ng mL⁻¹ 투여와 동등한 효능을 보였고, Fb 단독도 이동을 완만히 촉진했습니다. 복합체의 수증기 투과율(≈807 g m⁻² day⁻¹)과 인장 강도(≈0.3 MPa)는 임상 상처 드레싱 기준에 부합합니다. 종합적으로 CS-PEO/Fb 전기방사 스캐폴드는 지속적 성장 인자 전달과 가속화된 상처 치유를 위한 견고한 생체활성 플랫폼임을 입증합니다.

배경

상처 치료의 발전에도 불구하고 생체활성 드레싱의 임상 전환은 여전히 제한적입니다. 상처 치유 캐스케이드는 사이토카인, 면역 세포, 기질 단백질의 조화로운 상호작용에 의존합니다. 성장 인자는 강력하나 빠른 청소와 짧은 반감기로 반복 투여가 필요해 환자 부담이 큽니다. 지속적 국소 전달이 가능한 드레싱은 결과와 수용성을 크게 개선할 것입니다.

PDGF는 호중구, 단구, 섬유아세포를 동원하고 기질 침착과 흉터 형성을 조절하는 핵심 주화성 인자입니다. FDA 승인 Regranex® 겔(2.2 µg cm⁻²)은 당뇨병성 궤양에서 치유를 ~30% 가속화하지만 매일 도포가 불편합니다. 따라서 지속 방출 시스템이 바람직합니다.

전기방사는 고유 세포외 기질을 모방하는 나노섬유 매트를 생산하는 다재다능한 경로입니다. 콜라겐, 엘라스틴, 피브리노겐 같은 천연 고분자는 고유 생체활성과 성장 인자 친화성을 가집니다. 그러나 피브리노겐만으로는 장기 드레싱에 필요한 기계적 강도가 부족합니다. 키토산은 탈아세틸화 키틴 유도체로 항균 활성을 가지며 PEO와 혼합 시 전기방사가 가능합니다. CS의 양이온성은 음전하 Fb와의 혼합을 복잡하게 만들지만, 이중 노즐 전기방사기가 정전기적 비호환성을 극복해 균일한 복합체 형성을 가능케 합니다.

실험 방법

재료

모든 시약(아세트산, CS, PEO, Fb, HFIP, BSA, DMSO)과 세포주(인간 진피 섬유아세포 PCS-201-012)는 Sigma-Aldrich 또는 ATCC에서 구매해 수령 그대로 사용했습니다. 재조합 인간 PDGF-BB는 PeproTech에서 구입했습니다.

스캐폴드 제작

CS-PEO 용액(5.5 wt%, CS:PEO = 2:1)을 1% 아세트산에 0.5% BSA, 10% DMSO와 함께 제조했습니다. Fb를 1:9(v/v) HFIP/10× EMEM 혼합액에 110 mg mL⁻¹로 용해했습니다. 방사 직전 PDGF를 첨가했습니다. 이중 스피너렛 전기방사(NE-1000 주입 펌프, 18게이지 니들)로 CS-PEO 0.7 mL h⁻¹, Fb 1.0 mL h⁻¹ 유량, 전압 28 kV와 22 kV, 회전 만드렐 25 RPM, 거리 22 cm(CS-PEO)와 12.5 cm(Fb)로 설정했습니다. 35-45% RH에서 3시간 방사했습니다.

형태학

FESEM 이미징(Zeiss Sigma VP-40)으로 금 코팅 시료의 섬유 직경 측정(ImageJ, n=100/스캐폴드). CS-PEO/Fb 섬유 평균 202 ± 113 nm로 CS-PEO(270 ± 68 nm)와 Fb(351 ± 102 nm) 단독보다 가늘었습니다.

표면 화학

ToF-SIMS(Bi₃²⁺, 30 kV)로 50 × 50 µm 래스터에서 특성 이온(CNO⁻, CN⁻, C₂H₅O⁺) 매핑해 CS-PEO와 Fb의 균일 분포 확인.

물 접촉각

ASTM D7334-08에 따라 2 µL 증류수로 측정. CS-PEO/Fb는 61.4 ± 7.6°의 친수성 각도로 CS-PEO(44.2 ± 5.1°)와 Fb(115.7 ± 16.2°) 중간에 위치.

기계적 테스트

단축 인장 시험(Instron E3000, 1 mm min⁻¹)을 40 × 25 mm 스트립(두께 94 ± 7 µm)으로 수행. CS-PEO/Fb는 0.31 ± 0.02 MPa 피크 응력으로 Fb 단독(0.12 ± 0.01 MPa)보다 우수.

수증기 투과율

ASTM E96에 따라 실리카겔 건조제로 측정; CS-PEO/Fb 806.5 ± 56.1 g m⁻² day⁻¹로 임상적 바람직 범위(≈2,000 g m⁻² day⁻¹) 내.

세포독성

간접 WST-1 분석(ISO 10993-5) 120시간에서 48시간까지 유의한 증식 억제 없음, 72시간에서 완만한 감소 나타남(CS 아세틸화도 영향 가능).

세포 부착

Live/Dead와 팔로이딘-DAPI 염색으로 스캐폴드 표면의 섬유아세포 형태와 부착 관찰; 피브로넥틴 코팅 대조군과 비교 가능.

분해

FBM(37°C, 5% CO₂)에서 배양 시 초기 1시간 버스트 후 선형 질량 손실, ≥48시간 무결성 유지.

PDGF 방출

ELISA로 누적 방출 정량: 2, 4, 8 µg mL⁻¹ 로딩에서 각각 1.8 ± 0.7, 4.4 ± 1.8, 11.4 ± 4.8 ng mg⁻¹. 첫 1시간 내 21.6% 방출되는 이상적 패턴.

섬유아세포 이동

ORIS™ 이동 분석에서 PDGF 로딩 스캐폴드 용출액이 단일 50 ng mL⁻¹ PDGF 투여와 동등한 이동 유도, 48시간까지 지속 효과. Fb 단독도 완만히 촉진.

결과 및 고찰

이중 스피너렛 전기방사는 정전기적 비호환성을 극복하고 CS-PEO와 Fb를 균질한 나노섬유 매트릭스로 성공적으로 결합했습니다. 복합체에서 섬유 직경 감소는 제트 반발력 증가로 증착 시간 연장과 벤딩 불안정 유도에 기인합니다.

ToF-SIMS 매핑으로 균일한 표면 조성 확인, 물 접촉각으로 세균 부착을 억제하면서 단백질 흡착을 지원하는 친수성 표면 확인. 기계적 테스트에서 CS-PEO 통합이 Fb의 고유 약점을 보완해 상처 드레싱에 적합한 인장 강도 회복.

WVTR 측정으로 CS-PEO/Fb가 촉촉한 상처 환경의 치료 창 내에 위치, 삼출물 관리와 산소 투과성 균형. 세포독성 분석에서 잔류 HFIP나 고 DA CS 농도 영향 최소화; 스캐폴드 생물학적 안전성 프로필은 임상 전환에 수용 가능.

PDGF 방출 프로파일은 바람직한 이상적 패턴: 초기 버스트로 ~21% 투여 후 생물학적으로 관련 있는 농도를 48시간 동안 유지하는 제어된 선형 방출. 이 지속 전달은 Regranex®가 요구하는 매일 드레싱 교체 불필요하게 해 환자 순응도 개선 가능.

기능 분석에서 방출된 PDGF가 주화성 활성 유지, 단일 고용량 처리에 상응하는 섬유아세포 이동 달성. Fb의 고유 주화성 특성의 부가 효과로 세포 모집 추가 향상, 시너지 메커니즘 시사.

결론

전기방사 CS-PEO/Fb 나노섬유 스캐폴드는 키토산의 항균성과 기계적 이점, 피브리노겐의 생체활성을 결합하면서 지속적 기능적 PDGF 전달을 가능케 합니다. 나노스케일 구조, 적절한 WVTR, 기계적 견고성으로 차세대 상처 드레싱 유망 후보로, 반복적 성장 인자 도포 불편 없이 섬유아세포 모집과 치유 가속화 가능.