Physicochemical properties and biocompatibility of polypyrrole-coated polycaprolactone nanofibers for guided tissue regeneration

Taekhyun Kwon; Hyungjoon Shim; Min-Ho Hong

doi:10.14815/kjdm.2024.51.1.29

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저자정보: Taekhyun Kwon (Gangneung-Wonju National University) Hyungjoon Shim (Gangneung-Wonju National University) Min-Ho Hong (Gangneung-Wonju National University)

저널정보: 대한치과재료학회 대한치과재료학회지 대한치과재료학회지 제51권 제1호(통권 제141호)

발행연도: 2024.3

수록면: 29 - 42 (14page)

DOI: 10.14815/kjdm.2024.51.1.29

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폴리카프로락톤(polycaprolactone) 나노 섬유는 생분해성 재료로 조직 재생 분야에 널리 사용되고 있다. 하지만 낮은 친수성과 조직을 직접 재생시키지 못하는 한계가 있다. 최근 연구에 따르면 폴리피롤(polypyrrole)은 전기 전도성과 생체 적합성으로 조직 공학 분야에 잠재력이 있는 것으로 나타났다. 한편 전기방사 방법은 대부분의 고분자를 이용할 수 있고, 조직 재생에 적합한 다공성 구조를 용이하게 제조할 수 있는 장점이 있어 전기방사를 통해 나노 섬유체를 제작하였다. 본 연구의 목적은 조직유도재생술을 위한 폴리피롤이 코팅된 폴리카프로락톤 나노 섬유의 물리화학적 성질과 생체적합성을 평가하는 것이다. 이를 위해 네 가지 종류 농도군의 폴리피롤이 코팅된 폴리카프로락톤 나노 섬유체를 준비하였다. 농도군은 폴리피롤의 질량비에 따라 명명되었으며, 폴리피롤이 함유되지 않은 대조군인 Pure PCL과 각각 20 wt%, 30 wt%, 40 wt%의 폴리피롤이 함유된 20PPy, 30PPy, 40PPy를 실험군으로 구성하였다. 폴리카프로락톤과 피롤 단량체 혼합 용액을 전기방사하고, 이후 피롤 단량체가 포함된 산화제로서의 염화철(III) (FeCl3) 용액에 침전하여 중합하였다. 기계적 특성을 확인하기 위하여 인장시험을 진행하였고, 접촉각 측정을 통해 표면 친수성을 확인하였다. 저항값 측정을 통하여 전기 전도성도 확인하였으며, 생체적합성을 확인하기 위해 섬유아 세포(L929)와 전조골 세포(MC3T3-E1)를 이용하여 세포독성평가를 진행하였다. 결과값은 one-way ANOVA (p -value = 0.05 기준)로 평가하였고, 사후 분석은 Tukey’s post-hoc 시험법을 이용하였다. 폴리피롤이 코팅된 폴리카프로락톤 나노 섬유체는 코팅되지 않은 폴리카프로락톤 나노 섬유체에 대비하여 기계적 강도의 통계적으로 유의미한 감소는 없었던 반면 모든 농도에서 전기 전도성이 유의미하게 증가했다. 30 wt% 이상의 폴리피롤이 코팅되었을 때, 코팅되지 않은 폴리카프로락톤 나노 섬유체 대비 친수성이 유의미하게 증가했으며, 폴리피롤의 농도와 관계없이 모든 군에서 세포독성을 보이지 않았다. 이에 폴리피롤이 코팅된 폴리카프로락톤 나노 섬유체는 물성 및 세포독성의 감소 없이 향상된 친수성과 전기 전도성을 통해, 조직유도 재생술을 위한 재료로 적용할 수 있을 것으로 기대한다.

Polycaprolactone (PCL) nanofibers are widely used in the field of tissue regeneration as a biodegradable material. However, there is a limitation in that low hydrophilicity and tissue cannot be directly regenerated. Recent studies have shown that polypyrrole (PPy) has potential in the field of tissue engineering due to its electrical conductivity and biocompatibility. Meanwhile, the electrospinning has the advantage of using most polymers and of facilitating a porous structure suitable for tissue regeneration, so the nanofibers were fabricated through electrospinning. The purpose of this study is to evaluate the physicochemical properties and biocompatibility of PCL nanofibers coated with PPy for guided tissue regeneration. To this end, PCL nanofibers coated with four types of concentration groups were prepared. The group was named according to the concentration ratio of PPy, and the control pure PCL containing no PPy and 20PPy, 30PPy, and 40PPy containing 20 wt%, 30 wt%, and 40 wt%, respectively, consisted of the experimental group. The mixed solution of PCL and pyrrole monomer was electrospun. Then precipitate in an iron (III) chloride (FeCl3) solution as an oxidizing agent which contains pyrrole monomer and polymerized. A tensile test was performed to confirm mechanical properties, and surface hydrophilicity was confirmed through measurement of contact angle. Electrical conductivity was also confirmed through measurement of resistance values. Lastly, cytotoxicity evaluation was performed using fibroblast (L929) and preosteoblast (MC3T3-E1) cell lines to confirm biocompatibility. The results were evaluated as one-way ANOVA (p -value = 0.05), and post-analysis was performed using Tukey’s post-hoc test. PPycoated PCL nanofibers showed no statistically significant decrease in mechanical strength compared to PPy-uncoated PCL nanofibers, while electrical conductivity increased significantly at all concentrations. When 30wt% or more of PPy was coated, hydrophilicity was significantly increased compared to the PPy-uncoated PCL nanofibers. Regardless of the concentration of PPy, cytotoxicity was not shown in all groups. Accordingly, it is expected that the PPy-coated PCL fibers may be applied as a material for guided tissue regeneration. This is because of improved hydrophilicity and electrical conductivity without deteriorated physical properties and cytotoxicity.

#치과재료 #조직유도재생술 #전기방사 #폴리피롤 #전도성 지지체 #Dental materials #Guided tissue regeneration #Electrospinning #Polypyrrole #Conductive scaffold

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