인체는 특정 범위 이상의 대량 조직/장기 손상이 발생한 경우, 스스로 회복할 수 없으며, 이러한 손상 조직의 재생을 촉진시키기 위해 생체적합성 소재를 활용한 다양한 기능성 세포담체 (scaffold)에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 다양한 생체재료 중 인체를 구성하는 주요 단백질인 콜라겐은 조직공학제제 및 인공조직제작을 위한 구조체의 기본 소재로 널리 사용되고 있으나, in vitro 환경에서 제작된 콜라겐 세포담체 (scaffold)는 낮은 기계적 강도와 외력에 의해 쉽게 변형된다는 한계를 갖고 있다.

이에 바이오메카트로닉스 학과 김근형 교수 연구팀 (제1저자 이지운 연구원)은 콜라겐 특성을 활용한 제작 공정을 도입하여 다양한 구조를 갖는 콜라겐 하이드로겔을 제작하였으며, 그 중 두 가지 타입에서 형상기억 하이드로겔 (shape memory hydrogel; SMH) 특성을 보임을 확인하였다. 저온 공정을 통해 제작된 SMH (Cryo-gel)의 경우 형상 복원 속도가 매우 빠르지만, 인체와 유사한 환경에서 구현되는 콜라겐 특유의 섬유화를 이루지 못해 낮은 세포활성도를 보이는 한계를 보였다. 반면 콜라겐 섬유화를 통해 제작된 SMH (F-gel)의 경우, 상대적으로 구조가 느리게 복구되었으나, 나노 섬유상의 구조로 인해 높은 세포 활성을 촉진시킴을 보였다.

그림1. 다양한 타입의 콜라겐 기반 하이드로겔의 특성 모식도

본 연구팀은 이러한 특성을 보고하는 것뿐 아니라, 두 가지 SMH의 장점을 융합한 복합 하이드로겔을 제작하기 위한 공정을 개발하였으며, 제작된 형상기억 복합 하이드로겔 (shape memorable biocomposite hydrogel)은 Cryo-gel의 빠른 형상 복원능을 보유할 뿐 아니라, 구조 내에 F-gel과 같은 나노 섬유망을 구축하고 있어, Cryo-gel 보다 우수한 세포 활성도를 보임을 확인하였다. 더 나아가, 개발된 형상기억 복합 하이드로겔의 기능성을 더 추가하기 위하여 생체활성물질 방출 지연에 활용되는 헤파린 (heparin) 또는 인체 골조직의 주요 구성성분인 수산화인회석 (hydroxyapatite)를 혼합한 구조체를 제작하였다. 연구팀은 이와 같은 다양한 소재들이 혼합되더라도, 제작된 하이드로겔 모두 형상 기억능을 보유한 것을 확인하였다. 또한, 제작 공정을 3D 프린팅 기술과 접목하여 3차원 구조체 제작이 가능함을 보였으며, 제작된 3차원 구조체를 주사바늘에 주입한 후 방출하였을 때 초기 형상으로 복구되는 것을 보고하여, 비침습법 수술 (minimally invasive operation)에 활용 가능한 주입가능 세포담체 (injectable scaffold)로의 활용 가능성 역시 확인하였다.

그림2. 3D 프린팅된 형상기억 콜라겐-복합소재 구조체의 형상복원 이미지

김근형 교수는 “이번 연구 결과는 기존에 제작된 콜라겐 기반 구조체의 쉽게 파손 및 변형되는 한계점을 극복하고, 해당 소재의 다양한 메디컬영역으로의 적용 범위를 넓힌 기술로 기대된다.”라고 설명하였다.

추가적으로 김근형 교수 연구팀은 바이오프린팅 기술을 활용하여 근육-인대 복합 인공 조직 모델 (myotendinous junction) (제1저자 김원진 연구원) 및 지방유래 줄기세포가 포함된 콜라겐/바이오세라믹 다공성 구조체 (제1저자 구영원 연구원)를 제작하여, 단순히 세포가 포함된 3차원 세포-구조체에 비해 뛰어난 복합조직-재생능을 구현할 수 있음을 보고하였다.

이번 연구 성과는 한국연구재단의 자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 응용 물리학 분야 국제학술지인 어플라이드 피직스 리뷰 (Applied Physics Reviews, IF = 19.2, 22년 6월)에 feature article로 게재되었으며, 의공학 분야 국제학술지인 바이오엔지니어링 & 트랜스레이셔널 메디슨 (Bioengineering & Translational Medicine, IF = 10.7, 22년 3, 4월)에 각각 게재되었다.

※ 논문명

- Collagen-based shape-memory biocomposites (Applied Physics Reviews)

- A bioprinted complex tissue model for myotendinous junctionwith biochemical and biophysical cues (Bioengineering & Translational Medicine)

- Bioprinted hASC-laden collagen/HA constructs with meringue-like macro/micropores (Bioengineering & Translational Medicine)

※ Feature article 소개 링크: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0011692