지난 20년간 조직 공학 및 재생 의학 분야 (Tissue engineering and regenerative medicine, TERM)는 조직 손상과 장기 기능 상실에 대한 새롭고 유망한 해결책을 제시하며 크게 발전해 왔다. 이러한 발전은 주로 체외 조직 공학 (Ex vivo tissue engineering) 개발의 기초 프레임워크 역할을 하는 생체 재료의 중추적인 역할에 기인합니다. 하지만, 체외 조직 공학은 기증 조직의 질병 이환율과 세포 배양의 복잡성 등의 한계점에 직면하였다. 이러한 문제들을 바탕으로, 최근 더 유망하고 효율적인 전략으로써, in situ 조직 재생 (In situ tissue regeneration)이 떠오르고 있다. in situ 조직 재생은 생체재료의 다양한 생물·물리·화학적 자극을 통해 신체의 내재된 재생 능력과 조직 환경을 활용하는 전략이다.

조직 재생을 위한 다양한 생체재료 중에서 고분자 하이드로젤은 체내 세포외 환경과의 구조적 유사성, 조절 가능한 특성, 그리고 세포 및 치료제의 간단한 담지 능력 때문에 주목받아 왔다. 최근 조직 공학 및 재생의학의 경향에 맞춰 강성강성, 지형, 열, pH, 금속 이온 및 산소 등 다양한 생물·물리·화학적 자극을 통해 신체의 내재된 재생 능력을 활용하는 생체 활성 하이드로젤 개발이 최근 전략으로써 제시되고 있다. 다양한 자극들 중, 과산소 환경은 (21% 이상의 산소 분압), 면역세포 유입, 세포 증식, 혈관 생성, 콜라겐 성숙 등 상처 치유에 효과적인 것으로 알려져 많은 주목을 받고 있다. 따라서, 다양한 산소 전달 하이드로젤 (Oxygen-delivering hydrogel, ODG)이 산소 운반 또는 생성 물질들을 사용하여 개발되고 있으며, 유효성과 잠재성을 입증하고 있다. 하지만, 이러한 하이드로젤의 사용은 산소 전달 인자 및 그 부산물과 관련된 세포 독성 문제로 제한된다. 특히 과산화칼슘 (Calcium peroxide, CaO₂), 과산화마그네슘 (Magnesium peroxide, MgO₂), 과산화수소 (Hydrogen peroxide, H₂O₂) 등 과산화물 (Peroxide)은 쉽게 구할 수 있고, 우수한 산소 발생 능력을 보이지만, 그 부산물인 과산화수소는 고농도에서 세포 독성을 나타내는 문제가 있다. 따라서, 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 카탈레이즈의 사용이 필수적이다. 하지만, 카탈레이즈의 과도한 사용 (＞500 U/mL)은 세포 신호 전달 물질의 분해로 세포 신호 전달 기작을 억제할 수 있어, 산소 전달 인자 및 그 부산물의 세포 독성 문제를 극복하는 진보된 산소 전달 하이드로젤의 개발이 요구된다.

현재 조직 재생을 위해 개발된 산소 전달 하이드로젤 전략은 (i) 조직 손상 후 형성되는 초기 저산소증 완화, (ii) 지속적인 산소 공급을 통한 전반적인 상처 치유 과정 개선, 그리고 (iii) 과산소 산화 스트레스를 통한 체내 재생 능력 유도 세 가지로 분류된다. 모든 전략의 치료 효과는 고압 산소 치료법을 통해 입증되었으며, 대부분의 산소 전달 하이드로젤은 전략 (i) 및 (ii)를 바탕으로 설계되고 연구된다. 그러나, 현재 산소 전달 하이드로젤을 사용하여 전략 (ii)를 구현하는 것은 상처의 재구성 단계까지 충분한 산소 전달을 할 수 없어 어렵다는 문제가 있다. 따라서, 개발된 산소 전달 하이드로젤을 연구를 위해서는 정확한 전략과 치료 효과의 메커니즘이 요구된다.

따라서, 우리는 in situ 조직 재생을 위한 새로운 유형의 산소 공급 플랫폼을 개발하고, 이를 활용하여 다양한 형태의 산소 방출 하이드로젤을 제작한다. 주요 목표는 가교제, 카탈레이즈 또는 고체 과산화물로부터 생성된 금속 이온 및 과산화수소와 같은 부산물의 함유를 최소화하는 과산소 방출 하이드로젤을 개발하는 것이다. 이 전략을 통해 산소 생성 인자 및 그 부산물에 의한 세포 독성 문제를 해결할 수 있다. 또한, 우리는 과산소 산화 스트레스에 초점을 맞춰 전반적인 상처 치유 과정에 대한 이들의 안전성과 치료 효과를 입증한다. 이를 위해, 우리는 먼저 산소 방출 하이드로젤을 제조하기 위한 기본 재료로 자가 가교 하이드로젤을 처음 개발한다 (2장). 이 하이드로젤은 고분자 간의 티올-엔 반응을 통해 가교제 없이도 형성될 수 있어, 간단한 조성을 가진다. 또한, 이 가교 반응은 조직 표면의 작용기와도 상호 작용할 수 있다. 이 하이드로젤은 간단한 조성을 바탕으로 산소 방출 하이드로젤의 기본 재료로 활용하기 위해 설계되었지만, 우리는 이 하이드로젤을 허혈성 심장 표면에 심근 패치를 고정하기 위한 조직 접착성 생체 실란트로서 연구했다. 바이오 실란트의 기계적 및 조직 접착 특성을 향상하기 위해 강화제로서 과산화칼슘 (Calcium peroxide, CaO₂)을 사용하였으며, 이는 과산화수소 생성에 의해 티올화된 젤라틴의 이황화 결합 형성을 유도할 수 있어 상용 피브린 접착제보다 강력한 조직 접착력을 보인다. 이 생체적합성 바이오 실란트를 활용하여 쥐 심근 모델 내에서 심근 패치를 성공적으로 고정하였으며, 섬유화 감소와 함께 심장 기능을 개선했다.

다음으로 우리는 과산화칼슘 매개 도파민 산화 및 카탈라아제 고정화를 통해 산소 공급 주사기 (Oxygen-supplying syringe, Oxyringe (옥시린지))를 개발했다 (3장). 이 옥시린지는 고정된 카탈라아제에 의한 과산화수소 분해를 통해 산소를 생성하여 하이드로젤 용액 내에 고농도 산소를 공급하고, 활성화된 카탈라아제 혼입을 최소화한다. 우리는 이 시스템을 활용하여 주사 가능한 과산소화 유도 하이드로젤을 제작하여 생체 내에서 일시적인 과산소 환경을 제공한다. 흥미롭게도, 이러한 하이드로젤은 생체 내 지혈, 염증, 증식 및 리모델링 단계와 같은 전반적인 상처 치유 과정을 촉진한다.

카탈라아제 고정화 산소 공급 기술의 유효성을 바탕으로, 본 기술의 다양한 산소 전달 시스템 제작에 대한 적용 가능성을 연구한다 (4장). 이 기술을 튜브나 유리병과 같은 상업용 용기에 적용하고, 고정되는 카탈라아제의 농도를 높여 기능성을 향상함으로써 산소 공급 기술의 적용 가능성을 높였다. 이 산소 공급 용기 (Oxygen-supplying container, Oxygener (옥시즈너))는 기존 옥시린지 시스템 대비 3배 이상 향상된 과산화수소 분해 능력과 산소 발생 효율을 보여준다. 옥시즈너를 사용하여 잔존 과산화수소를 최소화하는 산소 담지 미디어를 제작하고, 체외 3차원 세포 배양 환경에서 세포 적합한 고농도 산소 환경을 제공한다. 다음으로, 자가 가교 하이드로젤 디스크를 간단하게 산소 담지 미디어에 담가, 미리 형성된 하이드로젤을 고농도 산소 방출 하이드로젤로 제작하였다. 이러한 산소 담지 미디어와 산소 방출 하이드로젤은 생체 내에서 일시적인 고산소 상태를 제공하여, 생체 내 대식세포 침윤, 세포 증식, 신생 혈관 형성, 섬유아세포 분화 및 콜라겐 성숙 등을 촉진한다. 특히 고농도 산소는 재구성과 관련된 유전자 발현을 상향 조절하는 것으로 나타났다.

결론적으로, 우리는 용존 산소를 공급하는 새로운 유형의 카탈라아제 고정화 산소 공급 시스템을 개발하여, 가교제나 산소 발생 인자 그리고 그 부산물의 혼입을 최소화하는 고산소 산소 방출 하이드로겔을 만들었다. 또한 이러한 하이드로겔은 우수한 생체 적합성과 급성 과산화 스트레스에 의한 전반적인 상처 치유 과정의 촉진을 보였다. 이러한 발견은 현장 조직 재생을 위한 유망한 산소 전달 플랫폼으로서 우리 시스템의 상당한 잠재력을 보여주었다.