바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀, 

바이오잉크 및 세포-프린팅 기술 개발을 통한 근육 조직 재생 성공

- 근육 세포 및 조직의 성장과 배열성을 유도한 인공 조직 개발로 근육 조직 재생 획기적으로 향상

바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀은 살아있는 세포가 포함된 세포-프린팅(cell-printing)용 바이오잉크의 개발과 근육 조직의 재생이 가능한 바이오 제작 기술을 개발하는 데 성공했다. 연구팀은 개발한 바이오잉크의 살아있는 세포를 실제 근육처럼 한 방향으로 배열되어 성장하게 유도해 근육의 조직재생 효과를 높였다.

조직재생공학은 인체 병변 부위에 실제 조직과 유사한 인공조직을 이식하여 재생효과를 극대화하는 것을 목표로 발전되어 온 분야이다. 이를 위해 살아있는 세포가 포함된 바이오잉크로 인공조직을 제작하는 세포-프린팅 공정이 유용하게 사용되고 있다. 특히 근육 조직의 경우 세포가 근섬유 방향으로 세포가 정렬되어야 효과적인 재생 효과를 얻을 수 있으며, 더 나아가 실제 형태/기능을 가지는 근육 미니장기의 개발은 루게릭병 등과 같은 근육 손실 질환을 극복하는 기반이 될 수 있다. 하지만 오늘날 일반적으로 사용되는 바이오잉크와 세포-프린팅 공정으로는 세포를 배열시키는 것에 한계를 보이고 있다.

김근형 교수 연구팀은 세포-프린팅 공정을 통해 세포의 성장과 배열을 제어하기 두 가지 기술을 바탕으로 기존의 생체유래 소재 기반 바이오잉크를 개발하였다.

i) 콜라겐 기반 바이오잉크에 금-나노입자를 첨가하여 새로운 바이오잉크를 개발하여, 전단력 및 전기장의 방향 조절을 통해 나노입자의 배열성을 제어하고, 이를 통해 세포의 성장 및 정렬을 유도하였다. 또한, 전남대학교 병원 장철호 교수 연구팀과의 협업을 통해 제작한 근육 조직이 큰 범위의 손실된 근육 조직을 완벽히 재생한 것을 확인하였다(그림 1 참조).

ii) 김근형 교수 연구팀은 미국 최대 조직공학 연구소 중 하나인 Wake Forest Institution for Regenerative Medicine(WFIRM)의 이상진 교수 연구팀과 국제 연구 교류를 통해 광경화가 가능한 세포외기질 기반 바이오잉크를 개발하였고, 합성 고분자인 Poly(vinyl alcohol) (PVA)를 첨가하여 세포를 배열시키는 것에 탁월한 효과를 보이는 새로운 바이오잉크를 개발하였다. 연구팀은 제작 과정 중 온도와 속도, 압력 등을 조절하여 개발 한 바이오잉크 내의 세포를 한 방향으로 완벽히 배열 및 성장 할 수 있게 하였다. 현재 개발한 바이오잉크를 이용해 제작한 근육 조직은 동물 실험 평가가 진행 중에 있다(그림 2 참조).

김근형 교수는 “이 연구는 나노입자의 배열성을 조절하거나 합성 고분자를 통해 세포를 직접적으로 배열시키는 새로운 개념의 세포-프린팅 공정기술”이라며, “골격근뿐만 아니라 심근, 인대 등과 같이 인체 내에 존재하는 배열 조직 재생을 위한 보다 효과적이고 새로운 방법이다”라고 설명했다.

이 연구들은 교육과학기술부 한국연구재단 기초연구사업(중견연구자지원사업)의 지원으로 수행되었다. 나노과학(Nano science) 분야 세계적인 학술지 Nano Letters(impact factor 12.279)와 생체 재료(Biomaterials) 분야 최고 국제 학술지 Biomaterials(impact factor 10.273)에 게재되었다.

그림 1. 금-나노입자를 포함한 콜라겐 기반 바이오잉크를 이용한 3D 세포-프린팅 모식도 

과 제작한 근육조직의 세포 성장, 성숙 및 성공적인 재생

그림 2. 배열된 광경화성 세포외기질 세포구조체의 3D 세포-프린팅 모식도 및 

배열된 gelatin 기반 구조체 및 일반적인 세포외기질 세포구조체와의 세포 활성 및 성숙도 비교

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조선비즈 https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2019/11/27/2019112702158.html?utm_source=naver&utm_medium=original&utm_campaign=biz

연합뉴스 https://www.yna.co.kr/view/AKR20191126110900063?input=1195m