조직재생 나노 멀티스케일 지지체 개발
조직재생 나노 멀티스케일 지지체 개발
  • 한국연구저널
  • 승인 2021.10.18 15:28
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손상된 생체조직 재생을 돕기 위한 첨단바이오소재 개발 실마리
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank

복잡한 나노 매트릭스 구조로 얼기설기 얽힌 세포 바깥 환경을 정밀하게 묘사한 조직재생 촉진을 위한 지지체가 소개되었다. 김장호 교수(전남대학교)와 김명선 교수(전남대학교병원) 연구팀은 손상된 조직의 재생을 위한 나노 멀티스케일 지지체를 개발했다.

 

현재 손상된 조직과 장기를 재생시키는 인체기능 복원기술인 첨단재생 의료는 차세대 의료기술로서 급속도로 부상하고 있다. 재생소재는 세포의 조직재생 능력을 극대화할 수 있는 첨단재생의료의 핵심기술로 세포 주변의 복잡한 나노구조의 미세환경을 정밀하게 구현하는 것이 중요하다.

 

이에 연구팀은 인체 내 세포가 매우 정밀하게 구축된 계층적 나노 구조에 노출되어 있음에 착안하여 나노 멀티스케일 지지체를 개발하고자 하였다. 생체 내 세포는 화학적 요인, 기계적 요인, 세포-세포 상호작용 및 세포외 기질(ECM)의 구조적 요인으로 구성된 세포 미세 환경에 노출되고 둘러싸여 있다. 이 요인들은 궁극적으로 조직 형성과 기능에 영향을 미치는 세포의 운명, 행동, 기능을 조절하는 생물학적 신호로 전환될 수 있다.

 

복잡한 나노구조를 갖는 세포외기질은 생체 내에서 생리적으로 관련된 세포의 기능(, 형태, 이동, 증식 및 분화 등)을 조절하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 첨단조직재생 소재를 개발하기 위해서 세포외기질의 멀티스케일 구조를 모사하는 것은 세포 기능을 개선하여 조직 재생을 가속하기 위한 유망한 전략이다. 현재까지 임상에 쓸 수 있는 세포외기질의 나노구조 모사 지지체를 개발하기 위해 수많은 연구가 이뤄져 왔다. 간단한 나노구조의 지지체 개발은 활발히 수행되었지만 균일한 다중 나노크기의 구조 또는 계층적인 나노구조를 갖는 복잡한 멀티스케일 지지체를 개발하는 것은 정교한 공정 단계의 필요성과 적절한 제조 기술의 한계로 인해 여전히 과제로 남아있다.

 

연구팀은 인체에 사용하기 용이한 대면적의 계층구조를 수 나노 사이즈에서 수백 나노사이즈까지 정밀하게 구현하기 위하여, 세계 최초로 리소그래피와 플라즈마 기술을 융합하여 연조직(힘줄조직) 및 경조직(골조직) 재생을 촉진시킬 수 있는 생체모사형 나노 멀티 스케일 지지체를 개발하였다.

산소 플라즈마에 의해 만들어진 계층적 구조들이 친수성을 띄면서 세포와의 친화성을 높인 결과 이 지지체에 세포를 배양하면 세포의 부착과 증식, 분화가 촉진되었다.

 

(그림 1) 나노 멀티스케일 지지체 제작과정 및 전자현미경 이미지세포의 주변 미세환경인 세포외기질의 계층적 나노구조를 모사하기 위해 리소그래피와 플라즈마 기술을 융합하여 나노 멀티스케일 지지체를 개발하였다. 제작된 나노 멀티스케일 지지체의 표면은 정렬된 나노구조에 산소가스 플라즈마 에칭에 의해 나노기공이 형성되어 계층적이며 멀티스케일 나노구조 형태로 제작되었다.그림설명 및 그림제공 : 전남대학교 김장호 교수, 전남대학교병원 김명선 교수
■ 나노 멀티스케일 지지체 제작과정 및 전자현미경 ■
미지세포의 주변 미세환경인 세포외기질의 계층적 나노구조를 모사하기 위해 리소그래피와 플라즈마 기술을 융합하여 나노 멀티스케일 지지체를 개발하였다. 제작된 나노 멀티스케일 지지체의 표면은 정렬된 나노구조에 산소가스 플라즈마 에칭에 의해 나노기공이 형성되어 계층적이며 멀티스케일 나노구조 형태로 제작되었다. [그림설명 및 그림제공 : 전남대학교 김장호 교수, 전남대학교병원 김명선 교수]
■ 나노 멀티스케일 지지체의 세포 접착 및 증식 촉진 ■
멀티스케일 나노구조에 따라 세포의 접착과 증식이 월등하게 향상되었다. [그림설명 및 그림제공 : 전남대학교 김장호 교수, 전남대학교병원 김명선 교수]

나아가 세포의 기능을 조절함과 동시에 쥐 모델을 이용하여 조직재생 효능을 확인하였다. 회전근개 힘줄이 손상된 쥐 모델의 조직 위에 지지체를 삽입하여 4주 후에 힘줄 및 섬유연골 조직 재생이 향상되는 것을 확인하였다. 또한 두개골이 손상된 쥐 모델의 뼈 조직 위에 지지체를 삽입하고 3주 및 6주 후에 두개골 조직의 재생이 향상되는 것을 확인하였다.

 

연구팀은 힘줄조직(연조직) 및 골조직(경조직) 재생촉진의 실마리를 보여준 이 결과가 향후 임플란트나 이식재, 조직재생 치료제, 줄기세포 기반 바이오 의약품 연구 등에 기여할 것으로 기대하고 있다. 현재는 지지체를 동물모델에 삽입하여 얻은 전임상 결과로 실제 임상 적용을 위해서는 대량생산 공정구축과 임상시험을 통해 조직재생 효능을 검증하는 것이 추가로 필요하다.

 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오·의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재생의학 분야 국제학술지엔피제이 리제너레이티브 메디신(npj Regenerative Medicine)’99일 게재되었다.

 

 


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