In tissue engineering, scaffolds play an important role in the growth of cells to 3-D organs or tissues. For the success of tissue engineering, they should be mimicked to meet the requirements of natural extracellular matrix (ECM) in the body, such as mechanical properties, adhesiveness, porosity, biodegradability, and growth factor release, etc. Contrary to other materials, polymeric materials are adequate to engineer scaffolds for tissue engineering because controlling the structure and the ratio of components and designing various shapes and size are possible. In this review, the importance, major characteristics, processes, and recent examples of polymeric scaffolds for tissue engineering applications are discussed.
Two-dimensional (2D) cell culture and in vivo cancer model systems have been used to understand cancer biology and develop drug delivery systems for cancer therapy. Although cell culture and in vivo model studies have provided critical contribution about disease mechanism, these models present important problems. 2D tissue culture models lack of three dimensional (3D) structure, while animal models are expensive, time consuming, and inadequate to reflect human tumor biology. Up to the present, scaffolds and 3D matrices have been used for many different clinical applications in regenerative medicine such as heart valves, corneal implants and artificial cartilage. While tissue engineering has focused on clinical applications in regenerative medicine, scaffolds can be used in in vitro tumor models to better understand tumor relapse and metastasis. Because 3D in vitro models can partially mimic the tumor microenvironment as follows. This review focuses on different scaffold production techniques and polymer types for tumor model applications in cancer tissue engineering and reports recent studies about in vitro 3D polymeric tumor models including breast, ewing sarcoma, pancreas, oral, prostate and brain cancers.
생체 면역조직에서는 면역세포의 성장, 분화에 있어서 매우 중요한 역할을 수행하는 면역조직 기질세포가 존재하며, 이들은 서로 연결된 3차원적인 그물구조를 형성하면서 그 사이의 공간에 위치한 면역세포와의 상호작용을 통해 다양한 면역반응을 수행한다. 따라서 생체환경을 모사한 면역세포의 배양이 이루어지기 위해서는 면역세포들이 상호작용할 수 있는 3차원적 면역조직 기질세포 뼈대의 구축이 매우 중요한 의의를 지닌다. 특히 면역반응에서 핵심적인 기능을 수행하는 T세포의 생존, 성장 및 분화에 있어서 필수적인 역할을 하는 흉선상피세포에 대한 3차원적 배양은 T세포의 연구에 필수적으로 요구되지만, 아직 이에 관한 연구가 거의 이루어지지 않은 실정이다. 본 연구에서 흉선상피세포는 폴리도파민으로 코팅된 PCL 및 PCL/PLGA 지지체에서 비코팅군에 비해 부착 및 성장이 촉진되었다. 또한 폴리도파민으로 코팅된 지지체에서 흉선상피세포를 배양하였을 때 2차원 배양군에 비해 흉선세포형성촉진인자의 유전자 발현이 더 증가하였다. 따라서 본 연구는 면역조직 기질세포의 3차원 배양 기술의 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
A series of biodegradable polymeric scaffolds was prepared by using a combination of natural (collagen) and synthetic (poly(caprolactone)) (PCL) polymers in various compositions. These scaffolds were soft, spongy, porous and transparent in nature and were characterized by thermogravimetric analysis (TGA) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. The entrapment efficiency and drug release activity of the scaffolds were analyzed using penicillin and tetracycline as antimicrobial drugs. The drug release activity of the scaffolds with various combinations of collagen and PCL were studied by measuring the optical density in a spectrophotometer at the following time intervals: 1,4, 24, 48 and 60 h. These scaffolds showed better and continuous drug release for up to 60 h. Even after such a long duration, a portion of the drug remained entrapped in the scaffolds, indicating that they can be utilized for wound healing applications.
대한약학회 2003년도 Proceedings of the Convention of the Pharmaceutical Society of Korea Vol.2-2
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pp.237.3-238
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2003
Tissue engineering may be adequately defined as the science of persuading the body to regenerate or repair tissue that fail to regenerate or heal spontaneously. In the various techniques of cartilage tissue engineering, the use of 3-dimensional polymeric scaffolds implanted at a tissue defect site is usually involved. These scaffolds provided a framework for cells to attach, proliferate, and form extracellular matrix(ECM). The scaffolds may also serve as carriers for cells and/or growth factors. In the ideal case, scaffold absorb at a predefined rate so that the 3-dimensional space occupied by the initial scaffold is replaced by regenerated host tissue. (omitted)
Tissue engineering and regenerative medicine strategies could offer new hope for patients with serious tissue injuries or end-stage organ failure. Scientists are now applying the principles of cell transplantation, material science, and engineering to create biological substitutes that can restore and maintain normal function in diseased or injured tissues/organs. Specifically, creation of engineered tissue construct requires a polymeric biomaterial scaffold that serves as a cell carrier, which would provide structural support until native tissue forms in vivo. Even though the requirements for scaffolds may be different depending on the target applications, a general function of scaffolds that need to be fulfilled is biodegradability, biological and mechanical properties, and temporal structural integrity. The scaffold's internal architecture should also enhance the permeability of nutrients and neovascularization. In addition, the stem cell field is advancing, and new discoveries in tissue engineering and regenerative medicine will lead to new therapeutic strategies. Although use of stem cells is still in the research phase, some therapies arising from tissue engineering endeavors that make use of autologous adult cells have already entered the clinic. This review discusses these tissue engineering and regenerative medicine strategies for various tissues and organs.
The development of nanotechnology has penetrated the fields of biology and medicine, resulting in remarkable applications for tissue regeneration. In order to apply this technology to tissue engineering, we have developed nano-scaled 3D scaffolds consisting of growth factor-loaded heparin/poly(l-lysine) nanoparticles (NPs) attached to the surface of polymeric micro spheres via polyionic complex methods. Growth factor-loaded NPs were simply produced as polyelectrolyte complexes with diameters of 100-200 nm. They were then coated onto positively charged poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) pretreated with polyethyleneimine to enable cell adhesion, proliferation, and stimulation of neurite outgrowth. Propidium iodide staining and $\beta$-tubulin analysis revealed that neuronal PC12 cells proliferated extensively, expressed significant amounts of b-tubulin, and showed well-structured neurite outgrowth on polymeric microspheres by stimulation with growth factors. These results suggest that cellular adhesion and biological functionality on prepared PLGA microspheres enabled terminal differentiation of neuronal cells.
한국고분자학회 2006년도 IUPAC International Symposium on Advanced Polymers for Emerging Technologies
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pp.268-268
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2006
Due to their multipotency, stem cells can differentiate into a variety of specialized cell types, such as chondrocytes, osteoblasts, myoblasts, and nerve cells. As an alternative to mature tissue cells, stem cells are of importance in tissue engineering and regenerative medicine. Since interactions between scaffold and cells play an important role in the tissue development in vitro, synthetic oligopeptides have been immobilized onto polymeric scaffolds to improve specific cell attachment and even to stimulate cell differentiation. In this study, chondrogenic differentiation of stem cells was evaluated using surface-modified PLLA scaffolds, i.e., either hydrophilic acrylic acid (AA)-grafted PLLA or RGD-immobilized one. Porous PLLA scaffolds were prepared using a gas foaming method, followed by plasma treatment and subsequent grafting of AA to introduce a hydrophilicity (PLLA-PAA). This was further processed to fix RGD peptide to make an RGD-immobilized scaffold (PLLA-PAA-RGD). Stem cells were seeded at $1{\times}10^{6}$ cells per scaffold and the cell-PLLA constructs were cultured for up to 4 weeks in the chondrogenic medium. Using these surface-modified scaffolds, adhesion, proliferation, and chondrogenic differentiation of stem cells were evaluated. The surface of PLLA scaffolds turned hydrophilic (water contact angle, 45 degrees) with both plasma treatment and AA grafting. The hydrophilicity of RGD-immobilized surface was not significantly altered. Cell proliferation rate on the either PLLA-PAA or PLLA-PAA-RGD surface was obviously improved, especially with the RGD-immobilized one as compared to the control PLLA one. Chondrogenic differentiation was clearly identified with Safranin O staining of GAG in the AA- or RGD-grafted PLLA substrates. This study demonstrated that modified polymer surfaces may provide better environment for chondrogenesis of stem cells.
본 연구에서는 고분자 지지체를 만든 후 약물을 흡수시켜 방출 특성을 검토하는 기존의 방법에서 나타나는 초기 과다 방출이라는 단점을 보완하고 장기간에 걸친 약물방출이 가능한 고분자 지지체를 구축하기 위해 광반응 관능기를 갖는 히아루론산과 sodium alginate 유도체로 세포의 성장을 촉진하는 약물을 함입한 미립자를 만들고 이를 성형가공한 고분자 지지체를 제작하여 약물 방출 특성을 검토하였다. 이러한 방법으로 만들어진 지지체는 초기 방출이 억제되고 오랜 기간 동안 지속적으로 약물을 서서히 방출하였으며, 뿐만 아니라 천연고분자가 갖는 생체내 분해 특성으로 인하여 일정한 기간 동안 형태를 유지하며 지지체로 기능을 한 이후 분해되어 재생된 조직이 손상조직과 대체 가능하므로, 세포의 성장과 분화를 유도하는 손상조직 대체용 고분자 지지체 본연의 목적을 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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