신흥수 (한양대학교) | 한빛사연구자 > 한빛사

한빛사논문

조회78

한양대학교

CV File

Adv. Mater., Jul 01 2026, | https://doi.org/10.1002/adma.73849 Zein-Ceria Hybrid Microparticles Enable Long-Term ROS-Scavenging Oxygenation for Osteogenic Microtissues Engineering

Hayeon Byun¹, Seok Gyu Han ¹, Niels Willemen ², Eunji Park ^{3 4}, Kannan Govindaraj ¹, Seol-Ha Jeong ¹, Oju Jeon ⁵, Eben Alsberg^{5 6 7}, Jeroen Leijten ², Heungsoo Shin^{3 4 8 *}, Su Ryon Shin^{1 *}

¹Division of Engineering in Medicine, Department of Medicine, Harvard Medical School, and Brigham and Women's Hospital, Cambridge, Massachusetts, USA.
²Leijten Laboratory, Department of Bioengineering Technologies, Faculty of Science and Technology, TechMed Centre, University Twente, Enschede, Netherlands.
³Department of Bioengineering, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea.
⁴BK21 FOUR, Education and Research Group for Biopharmaceutical Innovation Leader, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea.
⁵Department of Biomedical Engineering, University of Illinois Chicago, Chicago, Illinois, USA.
⁶Departments of Orthopaedic Surgery, Pharmacology and Regenerative Medicine, and Mechanical and Industrial Engineering, University of Illinois Chicago, Chicago, Illinois, USA.
⁷Jesse Brown Veterans Affairs Medical Center (JBVAMC), Chicago, Illinois, USA.
⁸Institute of Nano Science and Technology, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea.

^*Corresponding authors: correspondence to Heungsoo Shin or Su Ryon Shin

Abstract

Oxygen- and biological cue-deprived microenvironments formed during tissue regeneration severely limit cell survival and differentiation, resulting in long-term structural and functional deficits. However, conventional oxygen-releasing biomaterials often exhibit burst releases, with the vast majority of oxygen released during the first few days, which is associated with high levels of concomitant reactive oxygen species (ROS)-derived oxidative stress and a lack of bioactive factors. Here, we report a hierarchically engineered zein-ceria hybrid microparticle that enables sustained ROS-neutral oxygenation for over 40 days and supplies an osteoinductive factor. A hydrophobic zein core stabilizes the oxygen source and suppresses burst release, while a ceria nanozyme-integrated shell continuously scavenges excess ROS via redox cycling. Biocompatible surface engineering enables the seamless integration of these microparticles within stem cell spheroids, which markedly enhances cell survival under anoxia. Their biofunctional surface supports enzymatic protein immobilization under physiological conditions, enabling spontaneous osteogenesis of engineered bone microtissues. In a severely oxygen-deprived mouse calvarial defect model, the engineered microtissues accelerated bone regeneration. Our biomaterial design enables control of burst oxygen release, ROS modulation, and growth factor release, built on a zein-ceria double-layer architecture, offering a modular platform that broadens the utility of oxygenating and bioactive micromaterials in regenerative medicine.

논문소개전체 설명

우리 몸의 조직이 손상되면 새로운 조직이 만들어지는 과정에서 산소가 부족해지고, 이로 인해 이식된 세포가 쉽게 죽거나 제대로 기능하지 못하는 문제가 발생합니다. 이를 해결하기 위해 산소를 공급하는 생체재료가 개발되어 왔지만, 대부분의 재료는 산소를 처음 며칠 동안 한꺼번에 방출하여 효과가 오래 지속되지 않고, 동시에 세포에 해로운 활성산소(ROS)를 생성하는 한계가 있습니다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 옥수수 막 단백질인 Zein과 Nanozyme인 Ceria를 이용해, 산소를 오랫동안 안정적으로 공급하면서도 활성산소를 제거할 수 있는 새로운 마이크로 입자를 개발하였습니다. 또한 이 마이크로 입자에 뼈 형성을 촉진하는 단백질을 함께 탑재하여, 세포가 잘 생존하고 뼈 조직으로 분화할 수 있도록 설계하였습니다.
실험 결과, 개발된 마이크로 입자는 40일 이상 산소를 지속적으로 공급하였으며, 산소가 거의 없는 환경에서도 줄기세포의 생존율을 높이고 뼈 조직 형성을 촉진하였습니다. 또한 생쥐의 두개골 결손 모델에서도 기존 방법보다 더 빠르고 효과적인 뼈 재생을 확인하였습니다.
이번 연구에서 개발한 기술은 산소 공급, 세포 보호, 조직 재생을 하나의 플랫폼에서 동시에 구현한 기술로, 향후 뼈 재생뿐 아니라 다양한 조직 재생 및 세포 치료 분야에도 폭넓게 활용될 것으로 기대됩니다.

논문정보