요약
상처 치유 기간이 절반으로 감소한다면 얼마나 좋을까요? 새롭게 개발된 주입형 하이드로젤은 아연이온을 서방형으로 방출하여 조직 재생과 상처 치유를 효과적으로 촉진합니다. 복잡한 제조 과정이나 추가적인 가교제가 필요 없이, 간단한 주입만으로 체내에서 하이드로젤이 형성되어 최소 침습적인 치료가 가능합니다. 기존의 아연이온 방출 재료들은 생산이 복잡하고 장기간 효과적인 치료가 어려웠습니다. 그러나 이 하이드로젤은 제조 과정이 간단하고, 아연이온을 장기간 공급하여 세포 성장과 혈관 형성을 도와 상처 치유를 가속화합니다. 복잡한 절차 없이 상처 부위에 주사하면 하이드로젤이 형성되어 치료가 이루어집니다. 또한 생체 적합성이 우수해 부작용 걱정도 덜 수 있습니다.
기본 정보
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특허명: 과산화아연을 이용한 젤라틴 기반 아연이온 방출형 in situ 가교 하이드로젤의 제조방법 및 이의 생의학적 용도
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발명자: 박경민 교수
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출원번호: 10-2021-0137708
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등록번호: 10-2727149
상세 정보
배경 기술
배경 설명
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하이드로젤은 높은 수분 함유량과 생체 적합성으로 인해 조직 공학과 재생 의학 분야에서 중요하게 사용됨. 생체 조직과 유사한 구조를 가져 세포 성장과 조직 재생을 돕는 역할을 함
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특히 in situ 가교형 하이드로젤은 상처 부위에 최소 침습적으로 주입 가능하며, 세포, 성장인자, 약물 등을 쉽게 담지할 수 있어 환자의 편의를 높임
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하이드로젤은 천연 및 합성 고분자를 이용해 다양한 화학적·물리적 가교를 통해 제조 가능하며, 물리·화학·생물학적 특성 조절이 용이하여 생의학적 응용 범위가 넓음
아연이온의 중요성
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아연이온(Zn2+)은 체내 필수 영양소로 면역 기능 조절과 상처 치유에 핵심적인 역할을 수행함. 세포 증식을 촉진하고 염증 인자 발현을 감소시켜 상처 재생을 가속화함
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아연이온은 신혈관 형성과 모낭 재생을 도와 조직 재생 과정에서 중요한 역할을 함. 아연이온의 결핍 시 상처 치유가 지연될 수 있음
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최근 연구에서는 아연이온을 방출하는 다양한 재료 개발이 활발하며, 이러한 재료는 생체재료 분야에서 재생 의학 적용에 큰 잠재력을 가짐
기존 기술의 문제점
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현재의 아연이온 방출 재료들은 제작 과정이 복잡하고, 가교결합을 위해 추가적인 물질 도입이 필요함. 이러한 복잡성은 생산 비용 증가와 적용의 어려움을 초래함
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알긴산과 염화아연의 이온 가교결합이나 아연이온과 티올기 고분자의 금속 이온 배위 결합을 이용한 하이드로젤은 장기간 지속적인 아연이온 방출이 어려움
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산화아연 나노파티클이나 아연 기반 금속유기틀을 담지한 하이드로젤도 제시되고 있으나, 아연이온의 서방형 방출에 한계가 있어 장기간 효과적인 치료가 어려움
기술의 필요성
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추가 물질 없이 가교결합과 아연이온 방출이 가능한 새로운 형태의 하이드로젤 개발이 필요함. 이를 통해 제작 과정을 단순화하고 생산 비용을 절감할 수 있음
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과산화아연을 이용한 하이드로젤은 분해 과정에서 발생한 과산화수소로 이황화결합을 형성하여 in situ 가교를 이루며, 동시에 아연이온을 서방형으로 방출함
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새로운 하이드로젤은 물리·화학·생물학적 특성 조절이 용이하고, 장기간 아연이온 공급을 통해 상처 치유와 조직 재생을 효과적으로 촉진할 수 있음
구현 방법
기술의 원리
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티올기가 도입된 젤라틴과 과산화아연을 혼합하면 하이드로젤이 형성됨. 이는 과산화아연의 분해로 생성된 과산화수소가 티올기 사이의 이황화결합을 유도하여 고분자 사슬을 가교시키기 때문임.
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과산화아연은 분해되면서 아연이온을 서서히 방출함. 아연이온은 세포 성장과 조직 재생을 돕는 생물학적 효과를 가짐.
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하이드로젤은 체내에서 주입 후 바로 형성되어 원하는 부위에 적용이 가능함. 이로써 최소 침습적으로 치료를 진행할 수 있음.
구체적인 구현 방법
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젤라틴과 Traut's reagent를 반응시켜 티올화 젤라틴을 합성함. 이 과정에서 젤라틴의 주사슬에 티올기가 도입됨.
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합성된 티올화 젤라틴을 물에 녹이고 과산화아연과 혼합함. 이때 과산화아연의 농도를 조절하여 하이드로젤의 특성을 조절할 수 있음.
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혼합된 용액은 주사기 등을 통해 원하는 부위에 주입함. 체내에서 과산화아연의 분해로 하이드로젤이 형성되어 조직 재생에 활용됨.
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필요에 따라 과산화수소를 추가로 첨가하여 하이드로젤의 형성 시간과 기계적 강도를 조절할 수 있음.
기술의 장점
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본 발명의 하이드로젤은 제조 과정이 간단하며, 구성 성분의 농도 조절을 통해 물리적 특성을 쉽게 조절할 수 있음.
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주입형으로 최소 침습적 치료가 가능하며, 체내에서 원하는 부위에 직접 적용할 수 있음.
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아연이온의 서방형 방출로 세포 성장과 조직 재생을 촉진하여 상처 치유에 효과적임.
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기존의 하이드로젤과 달리 추가적인 가교제나 복잡한 제조 과정이 필요 없으며, 생체 적합성이 우수함.
실험 및 결과
실험의 목적
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과산화아연과 티올화 젤라틴을 사용하여 in situ 가교 하이드로젤을 제작하고자 함. 이를 통해 추가적인 물질 도입 없이 가교결합과 아연 이온 방출이 동시에 가능한 하이드로젤을 개발하는 것을 목표로 함.
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아연 이온의 서방형 방출을 통해 세포 증식, 신혈관 형성 및 조직 재생을 촉진하는 하이드로젤의 생물학적 효과를 평가하고자 함.
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하이드로젤의 물리적 특성, 생분해성, 세포 적합성 및 조직 재생 능력을 종합적으로 분석하여 재생 의학 분야에서의 응용 가능성을 확인하고자 함.
실험 방법 및 과정
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젤라틴과 Traut's reagent를 반응시켜 주사슬에 티올기를 도입한 티올화 젤라틴을 합성함. 합성된 고분자는 투석과 동결건조를 통해 정제하고, Ellman's assay로 티올 함유량을 확인함.
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티올화 젤라틴을 DPBS에 녹인 후, 과산화아연과 혼합하여 하이드로젤을 형성함. 과산화아연의 분해로 발생한 과산화수소가 티올기 간의 이황화결합을 유도하여 가교망을 생성함.
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바이알 틸팅 방법을 통해 과산화아연 농도와 과산화수소 도입 유무에 따른 하이드로젤의 상전이 시간을 측정함. 레오미터를 사용하여 기계적 강도를 평가함.
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콜라게네이즈를 이용하여 하이드로젤의 생분해성을 평가함. 또한 아연 이온의 방출 거동을 분석하여 서방형 방출 특성을 확인함.
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세포 생존율을 확인하기 위해 용출물 실험과 3차원 세포 배양 실험을 진행함. 생체 내 실험을 통해 조직 적합성과 상처 치유 효과를 평가함.
실험 결과
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과산화아연 농도가 증가하고 과산화수소를 도입할수록 하이드로젤의 상전이 시간이 단축되고 기계적 강도가 증가함을 확인함. 이는 이황화결합 형성이 촉진되었기 때문임.
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아연 이온은 하이드로젤로부터 장기간(14일 이상) 서방형으로 방출되었으며, 과산화아연 농도가 높을수록 방출량과 지속 시간이 증가함을 발견함.
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세포 실험 결과, 하이드로젤은 90% 이상의 세포 생존율을 보여 우수한 세포 적합성을 나타냄. 또한 생체 내 실험에서 염증 반응이나 조직 손상이 관찰되지 않아 조직 적합성이 확인됨.
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상처 치유 시험에서 아연 이온 방출 하이드로젤을 처리한 경우 상처 크기가 빠르게 감소하고, 세포 증식과 혈관 형성이 증가함을 관찰함. 모낭 재생과 콜라겐 합성이 촉진되어 우수한 조직 재생 효과를 확인함.
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효소 처리 실험에서 아연 이온이 콜라게네이즈의 작용을 억제하여 하이드로젤의 생분해속도가 감소함을 보여줌. 이를 통해 하이드로젤의 분해 속도를 제어할 수 있음을 확인함.
활용 방안 및 기대효과
활용 방안
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티올화 젤라틴과 과산화아연을 이용한 in situ 가교형 하이드로젤은 조직 재생 의료 기기에 직접 적용 가능함. 주사형으로 상처 부위에 최소 침습적으로 투여하여 상처 치유를 촉진하는 제품 개발이 가능함
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아연이온의 서방형 방출 특성을 활용하여 만성 상처 치료용 드레싱 소재로 활용 가능함. 당뇨병성 족부궤양 등의 난치성 상처 치료에 효과적인 솔루션으로 응용될 수 있음
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생체 적합성이 우수한 하이드로젤로서 조직 공학 분야에서 세포 담체 또는 조직 지지체로 활용할 수 있음. 세포 치료제 개발이나 인공 장기 구축 등에 응용되어 재생 의학 발전에 기여할 수 있음
기대효과
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기존 아연이온 방출 재료의 한계를 극복하여 장기간 지속적인 아연이온 공급이 가능해짐. 이를 통해 상처 치유 기간을 단축하고 치료 효율을 향상시켜 의료 비용 절감이 기대됨
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주입형 하이드로젤의 간편한 적용으로 환자의 편의성이 증대되고, 최소 침습적 시술로 인한 부작용 감소가 가능함. 이는 환자 만족도 향상과 의료 서비스의 질적 개선으로 이어질 것임
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생체 적합성과 물리·화학적 특성의 조절 용이성으로 다양한 의료 분야에 응용되어 시장 확대가 예상됨. 의료용 생체재료 시장에서의 경쟁력을 확보하여 산업 발전에 기여할 수 있음
시장 동향
글로벌 생체재료 시장 동향
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2023년 글로벌 생체재료 시장 규모는 176.73억 달러로 평가됨. 2024년부터 2031년까지 연평균 성장률 13.98%로 성장할 것으로 예측됨. 이는 의료 분야에서의 생체재료 수요 증가에 기인함.[웹 출처]
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미래에는 정부의 정책 지원과 기술 발전이 생체재료 시장의 성장을 가속화할 것임. 특히 의료 기기, 이식물 및 재생 의학에 사용되는 고급 생체재료에 대한 수요가 증가할 것으로 전망됨.[웹 출처]
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