□ 연구목적
말초신경 손상은 일반적인 임상으로 과제로 자리 잡고 있음. 단일채널 신경 도관은 재생된 축삭을 효과적으로 분산시키는데 제한이 있으며, 전도성이 없는 소재는 생체전기 신호를 전달하지 못하는 한계로 인해 긴 간격에 걸친 신경 결함을 치료하기 위한 인공 신경 도관 개발은 여전히 과제로 남아 있음. 따라서, 말초신경의 장거리 신경결손부 재생을 극대화하기 위하여 생분해성 및 전도성 복합채널 신경 도관을 개발하려고 효능 최적화를 목표로 함.
□ 연구내용
신경 재생의 효과를 극대화할 수 있는 소재를 탐색하고 선정하여 신경 도관을 개발하려고 함. 현재 단일구조의 신경 도관이 가지고 있는 한계를 극복할 수 있는 복합채널 구조를 만들기 위한 공정을 개발하여 실제 신경 다발의 구조를 모방하려고 함. 또한, 신경 도관에 전도성을 부여하여 끊어진 신경 부위에서 생체 전기 신호를 전달하고자 하는 목표를 가지고 있음. 이러한 전도성은 현재 신경 재생에 효과가 있다고 밝혀진 전기자극 치료의 효과 또한 높일 것으로 기대됨. 복합채널 신경 도관의 개발 이후에는 소동물 (rat) 단계에서 효능을 확인하고 최적화를 목표로 함.
□ 연구결과
하이드로겔 기반 복합채널 신경 도관의 소재로 생체적합성을 가지며 광경화성 고분자인 Gelatin Methacrylate(GelMA)를 선정하였음. GelMA에 Poly(ethylene glycol) diacrylate(PEGDA)를 첨가하여 기계적 강도를 향상하면서도 세포의 부착성을 가지는 복합 하이드로겔을 개발하여 기존 하이드로겔이 가지는 한계점을 극복함. 신경 도관에 전도성을 부여하기 위해 복합 하이드로겔에 그래핀 옥사이드를 통합하였으며, 임피던스 측정 시스템을 통해 그래핀 옥사이드를 통합한 복합 하이드로겔의 전도성이 향상되었음을 확인하였음. 또한, 그래핀 옥사이드는 고분자 매트릭스와 추가적인 상호작용을 하여 기계적 특성을 더욱 높임. 개발된 전도성 복합 하이드로겔의 기공크기를 Scanning Electron Microscope(SEM)을 통해 확인하였으며, 추가적인 테스트를 통해 투과성을 평가하여 신경 도관으로써의 잠재성을 확인하였음.
상온에서 겔화되는 전도성 복합 하이드로겔을 프린팅할 수 있는 고해상도의 Digital Light Processing (DLP) 3D 프린터를 직접 개발하고 200μm의 복합채널을 가지는 신경 도관을 프린팅하는 공정을 개발하였음. 최종적으로 개발된 복합채널 신경 도관은 쥐의 피하 층에 이식되어 조직 염증 반응을 확인함으로써 생체적합성이 확인되었으며, 동물실험을 통해 신경 재생의 효과를 평가하기 위하여 쥐의 뒷다리 신경에 임플란트 되었음.
□ 연구결과의 활용계획
개발된 전도성 복합채널 신경 도관은 자가 신경 이식이나 단일채널 신경 도관의 한계를 극복하여 말초신경 손상 치료 분야에서 혁신을 가져올 수 있음. 이러한 기술은 효과적인 신경 재생 치료를 제공하여 글로벌 의료 기술 발전에 기여할 것으로 기대됨. 추가적인 연구 지원과 임상 협력을 통해 동물실험과 임상시험을 더 진행한다면, 이 기술은 충분히 임상에 적용될 수 있는 가능성을 가지고 있음. 개발된 전도성 하이드로겔 및 3D 프린팅 기술은 타 연구기관 및 산업체와의 협력을 통해 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 응용 공학, 로봇학, 센서 개발 등 다양한 분야에서 혁신적으로 활용될 것으로 예상됨.
(출처 : 연구결과 요약문 (국문) 3p)
□ Purpose
Peripheral nerve injury(PNI) stands as a common clinical challenge. Single-channel nerve conduits face challenges in effectively dispersing regenerated axons, and the lack of conductivity in materials poses an obstacle to treating long-distance nerve defects by impeding the transmission of bioelectrical signals. As a result, developing artificial nerve conduits to maximize the regeneration of long-distance peripheral nerve injuries remains a challenging task. The objective is to optimize efficacy by fabricating biodegradable and conductive multi-channel nerve conduits
□ Contents
To overcome the current limitations of single-channel nerve conduits by developing a process to fabricate a multi-channel structure, mimicking the actual structure of nerve fascicles. Additionally, there is an objective to impart conductivity to the nerve conduits to transmit bioelectrical signals at disconnected nerve sites. This conductivity is also expected to enhance the effectiveness of electrical stimulation therapy, which has been demonstrated to be beneficial in current nerve regeneration studies. Following the development of the multi-channel nerve conduits, the plan is to validate and optimize their efficacy in rodent (rat) models.
□ Results
Gelatin Methacrylate (GelMA), a biocompatible and photo polymerizable polymer, was chosen as the material for the hydrogel-based multi-channel nerve conduit. By incorporating Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) into GelMA, a composite hydrogel with enhanced mechanical strength and cell attachment properties was developed. Graphene oxide was integrated into the composite hydrogel, and it was confirmed that the conductivity of the composite hydrogel was improved.
A high-resolution Digital Light Processing (DLP) 3D printer capable of printing conductive composite hydrogels was developed, and the nerve conduits with multichannels of 200μm was successfully fabricated. The developed conductive multi-channel nerve conduit was transplanted subcutaneously into a rat to confirm its biocompatibility and implanted into the rat's sciatic nerve for evaluating nerve regeneration effectiveness through animal tests.
□ Expected Contribution
The developed conductive multi-channel nerve conduit has the potential to bring innovation to the field of peripheral nerve injury (PNI) treatment by overcoming the limitations of autologous nerve transplantation and single-channel nerve conduits. With additional research support and clinical collaboration, further animal experiments and clinical trials could enhance the applicability of this technology in a clinical setting. The developed conductive hydrogel and 3D printing technology can find diverse applications through collaboration with other research institutions and industries, and are anticipated to be innovatively utilized in various fields.
(source : SUMMARY 4p)
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관련 정보
과제
말초신경 재생을 위한 전기자극 소자와 결합된 생분해성 신경도관 개발
2020/고려대학교 /45.00 백만원
논문
Effect of Electrical Stimulation on Nerve-Guided Facial Nerve Regeneration
