인체 근육조직을 모사한 나노-근섬유 개발

근육의 조직재생 효과 향상

살아있는 근세포를 포함한 나노-근섬유가 마치 실제 근육처럼 한 방향으로 자라는 기술이 개발되어, 근육의 조직재생 효과가 높아졌다.

성균관대 김근형 교수, 여미지 대학원생 연구팀이 살아있는 세포와 전기유체공정에 적합한 바이오잉크를 제작해 나노섬유의 배열을 제어하는 데 성공했다고 한국연구재단이 5일 밝혔다.

인체 병변 부위에 실제 조직과 비슷한 보형물을 넣어 재생효과를 높이려는 조직재생 연구가 활발하다. 이를 위해 전기장을 유체에 가하는 전기유체공정 및 3D세포프린팅 공정이 유용하게 사용되고 있다.

그러나 근육의 경우에는 세포 형상이 정렬되어야 제 기능을 수행할 수 있는데, 오늘날 전기유체공정이나 3D세포프린팅 공정으로는 세포가 무작위로 성장할 수밖에 없는 한계가 있다.

연구팀은 근육세포가 자라는 방향을 제어할 수 있도록 전기유체공정을 한 단계 발전시켰다. 생체 친화적인 하이드로겔에 가공성이 우수한 물질을 첨가한 바이오잉크를 개발하고, 전기장을 가해주었다. 그러면 미세한 패턴을 가지고 한 방향으로 자라는 섬유다발이 제작된다.

하이드로겔(Hydrogel)은 물을 다량으로 함유하고 있는 물질로서, 생체재료로 많이 이용된다.

제작된 나노-근섬유는 초기 세포생존률이 90%가 넘어, 기존 전기유체공정에서 세포가 사멸되는 문제를 극복해냈다. 또한 3D세포프린팅 공정보다 세포배열과 분화 등 세포활동이 3배 정도 향상되는 효과도 확인되었다.

김근형 교수는 “이 연구는 전기유체공정을 이용해 세포가 포함된 나노섬유를 배열시킨 첫 사례”라며, “인체의 배열 조직의 새로운 재생 방법으로 가능성을 제시했다”고 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행되었다.

재료과학 분야 국제학술지 스몰(Small)에 10월 11일 게재되었고, 표지논문으로 선정됐다.

전기유체공정 모식도 및 용액에 따른 전기방사성 좌측 그림은 전기유체공정을 나타내며 평행하게 배열된 전극으로 인해 섬유가 배열되는 모습과 제작된 세포담지 섬유다발을 보여준다. 우측 그림은 순수 알지네이트(대조군)와 알지네이트/폴리에틸렌옥사이드(개발된 바이오잉크)가 전기유체공정으로 제작되었을 때 모습을 비교해 보여준다.

기존 3D세포프린팅 공정과 새롭게 개발된 전기유체공정 비교 (a)는 3D세포프린팅과 전기유체공정을 통해 제작한 지지체의 표면을 현미경(SEM)으로 관찰했다. 전기유체공정에서 (7일차)세포형상이 2.8배 늘어났고, (14일차)분화도가 2.6배 높다. (b)는 배양된 샘플에서 근섬유(근절 a-액틴)의 21일차 모습을 보면 개발된 전기유체공정에서 성숙한 분화도를 확인할 수 있다.

[e-mail] 조석장 기자