김근형 교수 연구팀, 근조직·치은조직 재생을 위한 세포 배열 유도형 다공성 블럭 기술 개발

- 실크 피브로인·콜라겐 기반 바이오잉크로 세포 정렬 유도… 동물모델서 탁월한 재생 효과 입증

- 전단응력 활용한 바이오프린팅 공정으로 구강조직 재생 기술 상용화 기대

▲ (왼쪽부터) 의학과 김근형 교수, 김원진 박사, 구영원 박사, 허가은 석사과정생

의과대학 정밀의학교실 김근형 교수 연구팀은 세포 정렬을 유도하는 다공성 세포블럭을 활용해 근조직 및 치은조직을 효과적으로 재생할 수 있는 신개념 기술을 개발했다. 이 기술은 고기공성과 기계적 강도를 동시에 갖춘 구조체 설계와 함께, 줄기세포의 정렬 및 기능 유도를 통해 조직 재건을 극대화할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.

연구팀은 실크 피브로인(silk fibroin)과 콜라겐을 혼합한 복합 바이오잉크를 개발하고, 정밀 섬유 제작 공정과 다공성 구조 생성 기술을 결합해 비등방성(anisotropic) 세포 배열형 구조체를 구현하였다. 이 구조체는 인체 근육의 배열을 모사해 줄기세포가 자연스럽게 정렬되도록 유도하며, 기계적 자극(물리적 스트레칭)을 통해 PIEZO1, Vinculin 등 기계적 감지 유전자와 Myod1, Myog, Myh2 등 근분화 유전자의 발현을 활성화시켰다.

▲ (a) 비등방성(anisotropic) 구조를 갖는 세포 배열형 다공성 섬유 구조체,

(b) 오메가-3 지방산을 포함한 콜라겐 기반의 기능성 바이오잉크및, 세포 정렬 유도 바이오프린팅 기술

해당 기술을 마우스 대량 근손실(volumetric muscle loss) 모델에 적용한 결과, 기능적 근육 재생이 성공적으로 이루어졌으며, 이는 기존 조직공학적 접근보다 높은 재건 효율을 보여주었다.

또한, 연구팀은 오메가-3 지방산(EPA, DHA 등)을 포함한 콜라겐 기반 기능성 바이오잉크를 개발하고, 전단응력 기반의 세포 배열 유도형 바이오프린팅 공정을 확립하였다. 이 공정을 통해 줄기세포가 포함된 치은조직 구조체를 제작하였으며, 동물모델 실험에서 혈관 형성과 조직 재생이 뚜렷하게 관찰되었다. 해당 기술은 향후 구강 조직 재생용 이식재로의 상용화 가능성을 시사한다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 질병관리청, BK21 FOUR 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 2024년 5월과 7월, 각각 Advanced Functional Materials 및 Theranostics에 게재되었다.

※ 논문명: Cell-Laden Constructs with Anisotropic Pores Fabricated by Collagen/Silk-Fibroin for Muscle Tissue Regeneration

※ 학술지: Advanced Functional Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202503933

※ 논문명: Mechanotransduction-enhanced bioconstructs fabricated using a bioink comprising collagen and omega-3 fatty acids for gingival tissue regeneration

※ 학술지: Theranostics

※ 논문링크: https://doi.org/10.7150/thno.114503