성균관대 김재윤 교수, 뼈 접착성 인공 힘줄 하이드로겔 개발

- 고강도 뼈 접착성 하이드로겔 기반 ‘인공 힘줄’ 모사

- 힘줄의 물성, 구조 및 뼈 접착력을 동시에 구현

▲ 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수(왼쪽, 교신저자) / 화학공학과 최수지 박사(오른쪽, 제1저자)

화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀이 김지흥 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 뼈 접착성을 지닌 인공 힘줄 하이드로겔을 개발하였다.

우리 인체의 힘줄 또는 인대는 수분 함량이 60-80%인 연질 콜라겐으로 구성되어 있으나 선형의 콜라겐 섬유가 다발성으로 배열된 고유한 구조로 인해 높은 기계적 물성과 우수한 피로 저항을 나타낸다. 또한 힘줄과 뼈와의 계면은 세포와 조직의 복잡한 구성 때문에 특유의 높은 접착력을 가진다. 따라서 힘줄의 높은 뼈 접착성과 높은 기계적 물성을 동시에 모사하는 생체 소재를 구현하는 것은 그동안 매우 어렵다고 알려져 왔다.

하이드로겔은 대표적인 생체 적합성 소재로 높은 수분 함량으로 인해 바이오 분야에 많이 이용되고 있는 물질이다. 그러나 기존의 하이드로겔은 쉽게 파괴되는 매우 낮은 물성을 가지고 있어서 힘줄을 모사하기에는 기계적 물성의 한계가 있다. 또한 지금까지는 하이드로겔을 이용하여 뼈-힘줄 간 계면의 강한 접착력을 모방한 전례가 없었다.

김재윤 교수 연구팀은 인장력이 우수한 하이드로겔에 접착력이 있는 제3의 고분자를 도입하여 뼈 접착성을 지닌 하이드로겔을 제작하였다. 이후 뼈에 접착된 하이드로겔을 잡아당긴 후 당겨진 구조를 고정하는 후속 과정을 통해 최종적으로 힘줄의 선형 구조, 우수한 기계적 물성, 높은 뼈 접착력을 동시에 가지는 힘줄 모방 고강도 하이드로겔을 개발하였다.

▲ 고강도 뼈 접착성 하이드로겔을 이용한 인공 힘줄 모방

연구팀이 개발한 고강도 뼈 접착성 하이드로겔은 탄성 계수 3MPa(160배 향상), 인장 강도 0.8MPa(7배 향상) 및 동시에 1.0MPa 가량의 높은 뼈 접착 강도를 보였다.

▲ 하이드로겔의 뼈 접착 특성

나아가 연구팀은 뼈-인대-뼈 구조를 구현하여, 당기기, 구부리기, 비틀기 등 인체의 동작을 적용하였을 때나 약 6kg의 무게가 가해졌을 때도 하이드로겔의 파괴나 뼈에서의 분리가 일어나지 않았다. 이는 하이드로겔이 외부에서 가해진 큰 힘을 견딜 수 있는 인대 및 힘줄의 특성을 모방할 수 있음을 의미한다.

▲ 인대를 모방한 하이드로겔 모델

또한 생쥐에 피하 이식 후 조직 및 면역세포를 분석한 결과 하이드로겔에 의한 뚜렷한 염증 반응이나 면역 반응이 나타나지 않았으며, 이는 하이드로겔이 생체에 큰 독성이 없음을 보여준다.

김재윤 교수는 "후속 연구를 통해 하이드로겔 물성이 생체 내에서 장기간 안정적으로 유지되는지는 검증하고 이후 힘줄 및 인대 치료 분야로의 응용 가능성을 확인할 예정이다"라고 설명했다.

해당 연구 결과는 재료과학분야 최상위급 국제학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF: 32.09)에 10월 31일 온라인 게재되었다.

본 연구는 한국연구재단의 중견연구사업, 바이오의료기술개발사업, 학문후속세대지원사업 및 포스코사이언스펠로십 지원으로 수행되었다.

※ 논문제목: Bone-Adhesive Anisotropic Tough Hydrogel Mimicking Tendon Enthesis

※ 저널: Advanced Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adma.202206207