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      삼차원적 나노섬유 전기방사법 개발과 최적화 및 제자리 치환법을 통한 촉매제 활용전략 : 조직공학용 삼차원 나노합성섬유의 개발

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      국문 초록 (Abstract)

      나노 기술의 발전은 다양한 종류의 실용적인 생체재료를 제작 및 사용할 수 있는 토대를 만들었다. 나아가 생체재료 및 인체에 대한 이해가 깊어짐에 따라 기존에 간과된 물성들이 새롭게 주목을 끌고 있다. 최근에는 나노지형, 나노복합물질, 물질의 강성 등 재료들의 나노 레벨에서의 다양한 특성들이 인접한 세포의 운명을 결정한다는 사실이 여러 차례 보고되었다. 조직 공학은 조직 재생을 촉진하기 위해 생체 모방 및 세포 친화적 인 환경을 조성하는 것을 목표로 한다. 이런 면에서 내재적으로 세포 외 기질 (ECM)의 자연 구조를 지닌 나노섬유(electrospun nanofibers)는 조직 공학 분야에서 다양한 방식으로 이용되고 있다. 이러한 목적을 위해 전기방사 나노섬유의 형태학 및 물리 화학적 특성을 개선시키기위한 지속적인 노력이 있어왔다. 특히 삼차원적 나노 섬유는 실제 생체 조직에 가깝게 세포의 구면체를 만들 수 있는 기초기술이다. 아직까지 그 메커니즘이 완전히 설명되지는 않았지만, 락트산 (유산)의 전기방사용 용액의 단순한 첨가가 기존 방사 중합체들을 3D 섬유로 제작하는데 도움을 준다. 이러한 락트산은 산도 및 잠재적인 독성으로 인해 3D 섬유 제조 공정에서 삼차원 구조
      제작의 촉매제 역할로 사용된 후에 구조체에서 완벽하게 제거한다. 하지만 이러한 락트산은 높은 산도에도 역사적으로 다양한 분야에서 사용되어 왔으며, 인체 전반에서 끊임없이 생산되고 소모되는 대사성산물이다. 특히 중추 및 말초신경계 전반에서 에너지원으로 사용될 뿐만 아니라, 배아 발달 과정 및 신경 신호의 전달에 관여한다고 밝혀졌다. 따라서 락트산은 조직 공학적으로 단순한 3D 형성 촉매제를 넘어 지지체의 기능화의 재료로 사용될 수 있다. 이 연구에서는 락트산을 이용한 삼차원적 나노 섬유 생산과 조직 지지체 제작을 위한 전략을 선행했다. 이 연구의 주요 초점은 3D 생체 활성 발판의 제작 및 3D 형성 메커니즘을 밝히는 것이다. 전기 방사 섬유 예측 시스템을 개발하기 위해 먼저 점도 및 용매 증발 속도를 동시에 모니터링할 수 있는 매우 정밀한 QCN-D 장치가 사용되었다. QCN-D 결과와 섬유의 품질 사이의 비교 연구를 통해 전기 방사 이전에 섬유의 질을 예측 평가하는 가능성을 확인했다. 이후 락트산을 통한 삼차원적 입체성 구조의 전기방사 섬유 제작은 폴리카프로락톤 (PCL), 폴리L- 락트산 (PLLA) 및 셀룰로스 아세테이트 (CA) 등의 다양한 중합체를 통해 연구되었다. 이후 락트산은 수산화칼슘 (Ca(OH)2)과 반응시켜 섬유상에 칼슘 락테이트 (CaL) 분자를 제자리 생산하는데 이용되었다. 또한 Ca(OH)2의 염기가 동시에 CA 성분을 셀룰로오스로 동시에 치환하는 것을 확인하였습니다. 결론적으로, 본 연구는 새로운 방식의 간단한 조직 인공 지지체 제조 기술을 최적화하였고, 개발된 지지체용 섬유는 하이드로겔 및 나노 입자와 같은 다양한 기술과 손쉽게 결합시켜 새로운 지지체 개발에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
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      나노 기술의 발전은 다양한 종류의 실용적인 생체재료를 제작 및 사용할 수 있는 토대를 만들었다. 나아가 생체재료 및 인체에 대한 이해가 깊어짐에 따라 기존에 간과된 물성들이 새롭게 ...

      나노 기술의 발전은 다양한 종류의 실용적인 생체재료를 제작 및 사용할 수 있는 토대를 만들었다. 나아가 생체재료 및 인체에 대한 이해가 깊어짐에 따라 기존에 간과된 물성들이 새롭게 주목을 끌고 있다. 최근에는 나노지형, 나노복합물질, 물질의 강성 등 재료들의 나노 레벨에서의 다양한 특성들이 인접한 세포의 운명을 결정한다는 사실이 여러 차례 보고되었다. 조직 공학은 조직 재생을 촉진하기 위해 생체 모방 및 세포 친화적 인 환경을 조성하는 것을 목표로 한다. 이런 면에서 내재적으로 세포 외 기질 (ECM)의 자연 구조를 지닌 나노섬유(electrospun nanofibers)는 조직 공학 분야에서 다양한 방식으로 이용되고 있다. 이러한 목적을 위해 전기방사 나노섬유의 형태학 및 물리 화학적 특성을 개선시키기위한 지속적인 노력이 있어왔다. 특히 삼차원적 나노 섬유는 실제 생체 조직에 가깝게 세포의 구면체를 만들 수 있는 기초기술이다. 아직까지 그 메커니즘이 완전히 설명되지는 않았지만, 락트산 (유산)의 전기방사용 용액의 단순한 첨가가 기존 방사 중합체들을 3D 섬유로 제작하는데 도움을 준다. 이러한 락트산은 산도 및 잠재적인 독성으로 인해 3D 섬유 제조 공정에서 삼차원 구조
      제작의 촉매제 역할로 사용된 후에 구조체에서 완벽하게 제거한다. 하지만 이러한 락트산은 높은 산도에도 역사적으로 다양한 분야에서 사용되어 왔으며, 인체 전반에서 끊임없이 생산되고 소모되는 대사성산물이다. 특히 중추 및 말초신경계 전반에서 에너지원으로 사용될 뿐만 아니라, 배아 발달 과정 및 신경 신호의 전달에 관여한다고 밝혀졌다. 따라서 락트산은 조직 공학적으로 단순한 3D 형성 촉매제를 넘어 지지체의 기능화의 재료로 사용될 수 있다. 이 연구에서는 락트산을 이용한 삼차원적 나노 섬유 생산과 조직 지지체 제작을 위한 전략을 선행했다. 이 연구의 주요 초점은 3D 생체 활성 발판의 제작 및 3D 형성 메커니즘을 밝히는 것이다. 전기 방사 섬유 예측 시스템을 개발하기 위해 먼저 점도 및 용매 증발 속도를 동시에 모니터링할 수 있는 매우 정밀한 QCN-D 장치가 사용되었다. QCN-D 결과와 섬유의 품질 사이의 비교 연구를 통해 전기 방사 이전에 섬유의 질을 예측 평가하는 가능성을 확인했다. 이후 락트산을 통한 삼차원적 입체성 구조의 전기방사 섬유 제작은 폴리카프로락톤 (PCL), 폴리L- 락트산 (PLLA) 및 셀룰로스 아세테이트 (CA) 등의 다양한 중합체를 통해 연구되었다. 이후 락트산은 수산화칼슘 (Ca(OH)2)과 반응시켜 섬유상에 칼슘 락테이트 (CaL) 분자를 제자리 생산하는데 이용되었다. 또한 Ca(OH)2의 염기가 동시에 CA 성분을 셀룰로오스로 동시에 치환하는 것을 확인하였습니다. 결론적으로, 본 연구는 새로운 방식의 간단한 조직 인공 지지체 제조 기술을 최적화하였고, 개발된 지지체용 섬유는 하이드로겔 및 나노 입자와 같은 다양한 기술과 손쉽게 결합시켜 새로운 지지체 개발에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

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      다국어 초록 (Multilingual Abstract)

      Nanotechnology has enabled scientists to tailor the materials to provide the biomaterials on demand. As the understanding of biomaterials being deepened, various overlooked features has drawn significant attention. Recently, it has been featured that the properties of biomaterials at the nanoscale including nanotopography, presence of disparate nanomaterials, and the level of stiffness can signal the fate of adjacent cells. The tissue engineering aims to create the biomimetic and cell-friendly environment to promote tissue regeneration. In this regard, electrospun nanofibers naturally mimicking the intrinsic architecture of the extracellular matrix (ECM) has drawn burgeoning interests in the field of tissue engineering. There have been ongoing efforts to improve the morphologic and physicochemical properties of electrospun nanofibers. In particular, the three-dimensionality of nanofibers demonstrated to possibly generate cell spheroid rather closer to the physiologic tissue. Although the mechanism behind the 3D formation has not been explained, lactic acid (LA) has eased the production of 3D fiber as simply blended to the precursor solution.In the 3D fiber production process, after the physically catalytic role ended, the metabolic acid is oftentimes thoroughly removed because of the potential toxicity. Despite the acidity, LA with a historical reputation is constantly produced throughout the human systems, then utilized. Especially, there has been reliable evidence that the nervous system including both central and peripheral make use of the lactic acid from the embryonic development and operate the transmittance of signals. Therefore, LA can play the roles beyond the catalytic agent for 3D formation in tissue engineering. Herein, the research preceded the 3D formation of nanofiber production and further improvement for tissue scaffolding applications. The main focus of the research is to reveal the mechanism behinds the 3D formation and development of 3D bioactive scaffolds. For developing the electrospinning predicting system, the highly precise QCN-D device has been employed by benefiting the simultaneous
      monitoring for the viscosity and the solvent evaporation rate. The possibility of pre-assessment of the quality of the electrospun fibers has been displayed by a comparative study between the QCN-D result and the quality of the fibers. The induction of self-assembled 3D dimensionality in the electrospun fiber has been investigated with different polymers polycaprolactone (PCL), poly L-lactic acid(PLLA), and cellulose acetate(CA). The LA on the fibers was further exploited to produce calcium lactate (CaL) molecule by reacting with calcium hydroxide (Ca(OH)2) on 3D fibrous structures. Also, the Ca(OH)2 concurrently was able to convert CA components in the fibers into cellulose. In conclusion, the versatile facile tissue scaffold producing technique has been optimized and is expected to be synergistically combined with various techniques such as hydrogel, and nanoparticle for the treatment and diagnosis.
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      Nanotechnology has enabled scientists to tailor the materials to provide the biomaterials on demand. As the understanding of biomaterials being deepened, various overlooked features has drawn significant attention. Recently, it has been featured that ...

      Nanotechnology has enabled scientists to tailor the materials to provide the biomaterials on demand. As the understanding of biomaterials being deepened, various overlooked features has drawn significant attention. Recently, it has been featured that the properties of biomaterials at the nanoscale including nanotopography, presence of disparate nanomaterials, and the level of stiffness can signal the fate of adjacent cells. The tissue engineering aims to create the biomimetic and cell-friendly environment to promote tissue regeneration. In this regard, electrospun nanofibers naturally mimicking the intrinsic architecture of the extracellular matrix (ECM) has drawn burgeoning interests in the field of tissue engineering. There have been ongoing efforts to improve the morphologic and physicochemical properties of electrospun nanofibers. In particular, the three-dimensionality of nanofibers demonstrated to possibly generate cell spheroid rather closer to the physiologic tissue. Although the mechanism behind the 3D formation has not been explained, lactic acid (LA) has eased the production of 3D fiber as simply blended to the precursor solution.In the 3D fiber production process, after the physically catalytic role ended, the metabolic acid is oftentimes thoroughly removed because of the potential toxicity. Despite the acidity, LA with a historical reputation is constantly produced throughout the human systems, then utilized. Especially, there has been reliable evidence that the nervous system including both central and peripheral make use of the lactic acid from the embryonic development and operate the transmittance of signals. Therefore, LA can play the roles beyond the catalytic agent for 3D formation in tissue engineering. Herein, the research preceded the 3D formation of nanofiber production and further improvement for tissue scaffolding applications. The main focus of the research is to reveal the mechanism behinds the 3D formation and development of 3D bioactive scaffolds. For developing the electrospinning predicting system, the highly precise QCN-D device has been employed by benefiting the simultaneous
      monitoring for the viscosity and the solvent evaporation rate. The possibility of pre-assessment of the quality of the electrospun fibers has been displayed by a comparative study between the QCN-D result and the quality of the fibers. The induction of self-assembled 3D dimensionality in the electrospun fiber has been investigated with different polymers polycaprolactone (PCL), poly L-lactic acid(PLLA), and cellulose acetate(CA). The LA on the fibers was further exploited to produce calcium lactate (CaL) molecule by reacting with calcium hydroxide (Ca(OH)2) on 3D fibrous structures. Also, the Ca(OH)2 concurrently was able to convert CA components in the fibers into cellulose. In conclusion, the versatile facile tissue scaffold producing technique has been optimized and is expected to be synergistically combined with various techniques such as hydrogel, and nanoparticle for the treatment and diagnosis.

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      목차 (Table of Contents)

      • Chapter 1. Introduction 1
      • 1.1. Background . 1
      • 1.2. Thesis overview 4
      • 1.3. Tissue engineering. 7
      • 1.3.1. Concept of tissue engineering . 7
      • Chapter 1. Introduction 1
      • 1.1. Background . 1
      • 1.2. Thesis overview 4
      • 1.3. Tissue engineering. 7
      • 1.3.1. Concept of tissue engineering . 7
      • 1.3.2. The Reparatory tissue regeneration in the human 11
      • 1.3.3. Cell biology in the reparative tissue regeneration . 16
      • 1.4. Biomaterials 21
      • 1.4.1. Electrospun fibrous tissue scaffolds 25
      • 1.4.2. Electrospinning process and parameters . 26
      • 1.4.3. Characteristics of polymer nanofibers . 29
      • 1.5. Advanced electrospinning for tissue scaffolds 34
      • 1.5.1. Synthetic/Natural hybrid polymers in electrospun nanofiber 35
      • 1.5.2. Post-electrospinning process (PEP) 38
      • 1.5.3. Additive manufacturing process (AM) in electrospinning 41
      • 1.5.4. Incorporation with bioactive nanoparticles . 42
      • 1.6. 3D fabrication of electrospun nanofibers 49
      • 1.7. Lactic acid use in 3D fibrous nanofibers . 51
      • Chapter 2. QCN-D based Analytic model for Predicting the Quality of
      • Resulting Electrospun Nanofiber: Effect of Real-time Transient Rheological Properties of Precursor Solution on Electrospinning . 56
      • 2.1. Introduction . 56
      • 2.2. Experimental Section 59
      • 2.2.1. Preparation and Rheological Measurement of Precursor Polymer Solution 59
      • 2.2.2. Quartz Crystal Nanobalance Dissipation system . 61
      • 2.2.3. Working principle of the QCN-D 61
      • 2.2.4. Electrospinning process 64
      • 2.2.5. Morphological and mechanical characterization . 65
      • 2.3. Result and discussion 66
      • 2.3.1. Fiber diameter distribution 66
      • 2.3.2. Mechanical properties of fibrous mats 67
      • 2.3.3. Evaporation time and viscosity of precursor solution . 70
      • 2.3.4. Relationship between viscosity, evaporation rate, and the properties of the resulting electrospun nanofibers . 74
      • 2.4. Conclusion 76
      • Chapter 3. in-situ synthesis of calcium lactate out of catalytic lactic acid waste into in three-dimensional electrospun synthetic polymer scaffold . 77
      • 3.1. Introduction . 77
      • 3.2. Experimental section . 82
      • 3.2.1. Materials & solution preparation . 82
      • 3.2.2. Electrospinning & post-electrospinning Process (PEP) 84
      • 3.2.3. Characterization of scaffold 85
      • 3.2.4. Biomimetic mineralization 86
      • 3.2.5. In vitro biocompatibility test . 87
      • 3.3. Result & discussion . 91
      • 3.3.1. Fabrication and physicochemical characterization of the fibrous mesh 91
      • 3.3.2. Possible mechanism of the formation of cotton candy-like fibrous mesh 94
      • 3.3.3. In situ regeneration of calcium lactate 99
      • 3.3.4. In vitro biomimetic mineralization 103
      • 3.3.5. Cell proliferation and infiltration 107
      • 3.4. Conclusion 108
      • Chapter 4. Concurrent in-situ regeneration strategy for fabrication of threedimensional
      • highly porous CE/CaL scaffold for bone tissue application . 110
      • 4.1. Introduction 110
      • 4.2. Experimental sections 116
      • 4.2.1. Materials 116
      • 4.2.2. Fabrication of three-dimensional CA/LA structure 116
      • 4.2.3. Post-electrospinning process and calcium lactate formation 117
      • 4.2.4. Characterization of electrospun nanofibers 118
      • 4.2.5. In-vitro biomimetic mineralization assessment 118
      • 4.2.6. In-vitro cell culture exeriment . 120
      • 4.3. Result and Discussion . 121
      • 4.3.1. Fabrication of 3D CA nanofibers 121
      • 4.3.2. Simultaneous regeneration of cellulose and calcium lactate . 128
      • 4.4. Conclusion 132
      • Chapter 5. simultaneous in-situ regeneration strategy for fabrication of threedimensional
      • highly porous natural/synthetic composite electrospun nanofiber 134
      • 5.1. Introduction . 134
      • 5.2. Experimental sections . 138
      • 5.2.1. Materials . 138
      • 5.2.2. Fabrication of three-dimensional PCL/CA/LA structure. 141
      • 5.2.3. Simultaneous in-situ Regeneration of Calcium Lactate and Cellulose 142
      • 5.2.4. Characterization of 3D PCL/CE/CaL electrospun nanofibers . 142
      • 5.3. Result and discussion 145
      • 5.3.1. Physicochemical characterization . 145
      • 5.3.2. Chemical composition of PCL/CA/LA . 148
      • 5.3.3. Thermal properties of PCL/CE/CaL mat . 150
      • 5.3.4. Wettability and mechanical properties of PCL/CE/CaL 154
      • 5.3.5. Morphological properties of PCL/CE/CaL . 156
      • 5.4. Conclusion 158
      • Chapter 6. Summary and Future perspective . 159
      • References 161
      • 국문초록 191
      • Acknowledgment . 193
      • Material Specifications . 196
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