Granting anisotropy in cell organization has been considered significant these days as it is necessary in reproducing native tissues in our body, leading to the development of tissue engineering, regenerative therapy, and cell biology. For some tissues, the orientation of composing cells imposes a high impact on their biological function. The cellular arrangement influences the contraction/relaxation of muscle tissue, the pulsatile flow of vascular tissue, axonal regrowth of neural tissue, and the wound healing of connective tissue. Therefore, people have devoted themselves to developing a platform that can mimic or regenerate cellular orientation as in native tissues. In this thesis, we demonstrate two facile approaches to fabricate the scaffold that can harvest cells and guide their orientation simultaneously. As cells follow through the underlying geometric cues via contact guidance, topographies are generated in bottom-up and top-down methods. The bottom-up method exploits the self-assembly behavior of sublimable liquid crystal (LC). The thermal annealing process induces repetitive sublimation-recondensation, leading to the reorganization of LC molecules at the air-LC interface to form hemicylindrical nanogrooves. On the other hand, the top-down method produces nanogrooves on a substrate via the scratching technique. The diamond lapping films of which grain sizes can be controlled are scratched over various substrates, giving uniaxial nanotopography. The cells cultured on nanotopography are well aligned along with the underlying pattern, proving their outstanding performance as cell-alignment scaffolds. To further investigate the effect of nanotopography on cells, various optical measurements, qPCR experiments, and shape evaluation are performed. The cells following the underlying nanopattern exhibit different morphogenesis and gene expression. The versatility of both methods is addressed. The applicability of various cell lines, including isotropic epithelial cells and human adipose-derived stem cells (hADSC), are demonstrated on LC-based scaffold, while different types of substrates are shown to be adaptable to the scratching method. In the end, several applications such as cell sheet detachment and wound closure experiments are illustrated.
최근 신체의 고유 조직을 모방하고 재생하는데 필요한 세포조직의 방향성 제어가 매우 중요하게 여겨지고 있다. 일부 조직의 경우, 구성 세포의 배열 방향이 생물학적 기능에 크게 관여하며 대표적으로 근육 조직의 수축과 이완, 혈관 조직의 박성성 흐름, 신경 돌기의 재성장 및 결합 조직의 상처 치유시 세포의 방향성이 큰 영향을 미친다. 따라서 세포의 방향성을 모방하거나 재생할 수 있는 플랫폼개발을 통해 몸 속 고유 세포 조직과 동일한 특성을 만들기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 학위논문에서는, 세포를 배양함과 동시에 세포의 방향성을 부여할 수 있는 스캐폴드를 제작하는 두가지 용이한 방법을 제시한다. 세포는 접촉하고 있는 기판의 지형적 구조를 따르며 접촉유도 (Contact guidance)를 통해 배향되기 때문에 상향식 및 하향식 방법을 통해 기판 구조체의 형태를 제어하였다. 먼저 상향식 방법은 승화성 액정의 자가 조립을 이용한다. 승화가 일어나는 온도에서 열공정을 진행하게 되면 액정과 공기 계면에서의 액정 분자들이 반복적인 승화-재응축 과정을 거쳐 분자배열을 재구성하여 반원통형 나노그루브를 형성한다. 반면 하향식 방법은 스크래칭 기술을 통해 기판에 나노그루브를 형성한다. 본 연구에서 사용된 다이아몬드 랩핑 필름은 입자 크기를 제어할 수 있기 때문에 기판 위에 긁어 다양한 사이즈의 단축 나노토포그래피를 형성할 수 있다. 나노토포그래피에서 배향된 세포는 아래 기판의 패턴을 따라 잘 정렬되어 있어 세포-정렬-스캐폴드로서의 뛰어난 성능을 가지는 것이 입증되었다. 나노토포그래피가 세포에 미치는 영향을 더 연구하기 위해 다양한 광학측정, qPCR 실험 및 형태 평가를 수행하였다. 이를 통해 패턴을 따라 형성된 세포는 패턴이 없는 기판위에서 자란 세포와 비교하여 다른 형태 형성(Morphogenesis)과 유전자 발현을 보여주었으며 패턴의 구조에 따라서도 차이점을 보여주는 것을 확인하였다. 두가지 방법론은 각각 다양한 적용성을 보인다. 상향식 방법인 액정 스캐폴드를 기반으로 하는 방법은 등방성 상피 세포 및 인간 지방 유래 줄기 세포(hADSC)를 포함한 다양한 세포들에 적용 가능하며 하향식의 스크래칭 기법은 서로 다른 특징을 가지는 다양한 기판에 적용 가능하다. 끝으로 본 논문에서는 세포 시트 분리 및 상처 봉합 실험과 같은 여러 응용 분야에 대해 소개한다.
