In recent decades, there have been rapidly increasing efforts to transform tissue culture from two di-mensional plates to three dimensional (3D) culture systems that better mimic a cell’s in situ environment in tissues. Many techniques have been suggested to represent some aspects of the natural context of cells, em-phasizing extracellular matrix interactions, mass transfer, mechanical properties, cell-to-cell communications, etc. From a materials science perspective, hybrid-type biomaterials are very attractive for fulfilling the multi-ple, complex requirement for in vitro 3D tissue culture. Here we introduce a facile method to fabricate a cell-loaded hydrogel network cross-linked via catechol-ferric ion complexation within mechanically stable, open porous polylactide (PLA) scaffolds for 3D tissue culture. PLA scaffolds with an interconnected 3D structure were fabricated by a fused-deposition-modeling 3D printing technique. Hyaluronic acid (HA) was chemically grafted with catechol groups, which was injected into PLA scaffolds that were pre-treated with ferric chloride to generate a cross-linking network of HA within the macroporous PLA scaffolds. In situ loading of HeLa cancer cells into the hybrid scaffold was successful with a loading efficiency of 89.2 % with no significant cytotoxicity. A 3D-printed culture chamber was fabricated to continuously feed fresh medium to the loaded cells and maintain appropriate humidity, contributing to high cell viability during incubation for 10 days. The prepared hybrid structure serves as an excellent scaffold for prolonged 3D culture of cancer cells, enabling the evaluation of the delivery efficiency and therapeutic efficacy of anti-cancer therapeutics. We expect that our approach to generate a 3D hybridzed structure of a biocompatible hydrogel matrix within mechanically ro-bust, porous solid materials will provide a promising materials platform for prolonged 3D culture of various tissues.
본 연구는 3D 프린터로 지지체를 형성하고 세포 (HeLa cell)와 히알루론산, 배양액을 섞은 하이드로젤을 주입한 삼차원 복합 세포 배양 구조체 제조방법에 관한 것이다. 3D 프린트된 지지체는 생분해성 고분자인 polylactide로 이루어져있으며 3Ds max 프로그램을 사용하여 지지체의 크기와 디자인, 다공성 등을 조절하기 용이하며 기계적 강도가 뛰어나다. 히알루론산은 피부에 존재하는 생체 합성 천연 고분자이며 물 등 수용액과 결합해 세포 활성을 유지해 주는 특성을 지니고 있다. 두 구성 요소의 장점을 융합하여 하이드로젤의 낮은 기계적 강도와 지지체 방식의 세포배양법 의 낮은 세포 부착 및 활성을 보완한 삼차원 복합 세포 배양 구조체를 형성하였다. 또한 지지체 내부 하이드로젤의 점도와 세포 함유량을 증대 시키기 위하여 홍합 접착 원리인 금속이온-카테콜기 공유결합을 활용하였다. 히알루론산 하이드로젤에 카테콜기를 합성한 후 세포활성에 영향을 미치지 않는 낮은 농도의 $FeCl_3$ 용액을 도포한 지지체에 HeLa cell 과 섞어 주입하였다. 이는 하이드로젤의 점도를 향상 시켰으며 그와 동시에 지지체 내부에서 하이드로젤의 분해를 방지하며 보다 많은 수의 세포를 함유할 수 있었다. 하지만 삼차원 복합 세포 배양 구조체를 장기간 배양 시 구조체 내부로 영양분 및 가스 공급이 충분히 일어나지 않는 문제점이 있다. 본 연구에서는 3D 세포 배양 구조체에 하이드로젤 형태로 영양분을 공급하고, 가스 교환을 지속시킬 수 있는 배양기를 설계하여 문제를 해결하고자 하였다. 위 시스템을 통하여 10일 간 장기간 배양에 성공하였다.
더 나아가 위 시스템을 통하여 배양된 $ct-HA/PLA-Fe^{3+}$ HeLa 세포 복합체와 기존의 in vitro 2D 모델과의 약물 독성 평가를 비교하였다. 낮은 용해도가 단점인 항암제 paclitaxel 는 $ct-HA/PLA-Fe^{3+}$ HeLa 세포 복합체의 공간적 장애물로 인하여 약물 효과가 저해된 반면 용해 안전성을 높인 the paclitaxel-loaded mPEG-b-PCL nanoemulsions 를 처리한 경우 약물 효과가 향상되어n vitro 2D 모델에서 관측되지 않았던 공간적 장애물과 용해능력에 따른 약물전달능의 차이를 발견하였다.
본 연구에서 제시하고 있는 삼차원 복합 세포 배양 구조체는 앞으로 임상과 유사한 독성 평가 모델, 개인 맞춤형 디자인이 가능한 이식용 조직 공학 등 바이오-의학 분야에 널리 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
