4D 프린팅 기술로 근육 재생 성공
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4D 프린팅 기술로 근육 재생 성공
  • 정 현 기자
  • 승인 2021.05.28 23:35
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논문, 응용물리학 분야 국제학술지 'Applied Physics Reviews' 5월 12일자 게재

[헬쓰in논문] 국내외 연구진이 참여한 공동연구팀이 4D 프린팅 기술을 활용해 근육재생 및 척추유합 세포담체를 개발하는 데 성공했다. 

4D 프린팅은 3D 프린팅된 구조물에 물질의 다양한 물리 및 화학적 특성을 이용해 자가변형 기능을 가능하게 해는 기술이며, 기존 3D 프린팅으로는 세포가 한 방향으로 배열된 근섬유 다발인, 근육의 방향성을 구현해 내기에 한계가 있었다. 

한국연구재단(이사장 노정혜)은 23일, 성균관대학교 김근형 교수와 미국 웨이크포레스트 재생의학 연구소(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine) 이상진 교수 연구팀이 4D 프린팅 기술로 세포배열을 조절할 수 있는 바이오잉크 기반 세포담체를 개발하고, 근육 손실 동물모델에서의 효과를 확인했다고 밝혔다.

세포담체(scaffold)란 세포가 원하는 조직으로 증식해, 분화될 수 있도록 미세공간을 제공하고 외부 균의 침입을 억제하는 세포의 집과 같은 지지체를 말한다. 

왼쪽부터 김근형 교수, 이상진 교수, 한인보 교수 / 사진=한국연구재단
왼쪽부터 김근형 교수, 이상진 교수, 한인보 교수 / 사진=한국연구재단

이번 연구성과를 담은 논문은 응용 물리학 분야의 SCI급 저명 국제학술지 '어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews, IF=17.054)' 5월 12일 자에 게재됐다.

논문명은 'Self-aligned myofibers in 3D bioprinted extracellular matrix-based construct accelerate skeletal muscle function restoration'이며, 김근형 교수와 이상진 교수, 차의과학대학교 한인보 교수가 공동교신저자로, 성균관대 황보한준 대학원생과 김원준 대학원생, 이형진 박사, 차의과학대학교 노은지 석사과정생이 공동제1저자로 참여했다.

연구팀의 김근형 교수는 "기존 보고된 3D 프린팅을 이용해 제작한 근육 및 뼈 조직 재생용 구조체는 실제 조직의 해부학적 구조 및 생리학적 기능을 모사하는 데 한계가 있었다"면서 "각각의 뼈 및 근육 조직에 특화된 생체적합성 소재 및 4D 프린팅 공정을 통해 제작된 세포담체는 실제 동물모델을 이용한 연구에서 손상된 조직을 완벽하게 재생시킬 수 있었다"고 말했다.

이어 김 교수는 "이번에 개발한 근육 및 뼈 조직은 단순한 타박상에 의한 작은 범위의 손상 뿐 아니라 큰 외상에 의한 조직 손상 등에도 응용할 수 있을 것"이라며 "실용화를 위해서는 다양한 세포를 세포담체에 접목시켜 그 효용성에 대한 연구 및 동물모델을 이용한 연구, 실제 사람에서의 임상연구 등이 추가적으로 필요 할 것"이라고 말했다.

국제학술지 'Applied Physics Reviews' 최신호에 실린 해당 논문
국제학술지 'Applied Physics Reviews' 최신호에 실린 해당 논문

살아있는 세포가 포함된 바이오잉크로 저마다의 해부학적 특징과 생리학적 기능을 가진 조직으로 구현하는 바이오프린팅 연구가 활발한 가운데 연구팀은 4D 프린팅 기술로 바이오잉크에 포함된 인간 근육 전구세포가 자라나는 방향을 제어하는 데 성공했다.  

나아가 손가락 크기(길이 15mm, 너비 7mm 깊이 3mm)의 치명적 근육손실이 있는 쥐의 전경골근에 자가 배열기능을 갖는 세포구조체를 이식하고 8주 후 이식 부위가 실제 근육처럼 재생되는 것을 확인하였다. 

핵심은 프린팅 조건을 최적화하여 바이오잉크에 포함된 합성고분자의 배열을 제어함으로써 근섬유 다발처럼 정렬된 근육 모사 구조체를 제작한 것이다. 

근육세포에 최적의 지형적, 생물학적 환경을 제공하여, 근세포의 분화 및 재생 효과를 높였다는 설명이다. 또한 세포담체에 포함된 근육 전구세포의 세포생존율도 높은(90%) 것으로 나타났다. 

미세채널 포함 콜라겐/HA 세포담체 모식도 및 주사전자현미경 사진 / 자료이미지=한국연구재단
미세채널 포함 콜라겐/HA 세포담체 모식도 및 주사전자현미경 사진 / 자료이미지=한국연구재단

연구팀은 근육조직 외에도 배열화된 다른 조직들 예를 들면 심근조직, 신경조직, 인대 등에도 응용할 수 있을 것으로 보고 있다. 

한편 연구팀은 4D 프린팅 기술을 이용해 차의과대학 한인보 교수 연구팀과 함께 골조직 재생을 도울 세포담체를 개발해, 척추유합 생쥐모델에 적용하고, 골조직 재생 효과를 확인하였다. 

기존 골이식재가 혈관연결이 없는데 반해 미세채널 구조를 포함한 세포담체로 이식부위 주변 조직에서 혈관이 효율적으로 생성될 수 있도록 고안한 것이다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 수행됐다.


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