의학과 김근형 교수 연구팀(제1저자 김원진 박사)은 회전근개 파열과 같이 힘줄-뼈 연결부(tendon-to-bone interface, TBI)의 재생이 어려운 임상적 문제를 해결하기 위해, 힘줄–TBI–뼈 구조를 연속적으로 모사한 생체모사 경사(gradient) 조직체를 3D 바이오프린팅 기술로 구현하였다. 연구팀은 골조직 및 힘줄조직 유래의 탈세포화 세포외기질을 기반으로 한 두 종류의 조직 특이적 바이오잉크를 제작하였으며, 뼈 영역에는 수산화인회석을, 힘줄 영역에는 세포 배열을 유도하는 물리·생화학적 인자를 각각 적용해 조직 고유의 생체 미세환경을 정밀하게 재현하였다. 더불어 코어–셸 노즐 기반의 경사 바이오프린팅 공정을 적용함으로써 단일 프린팅 과정에서 힘줄-TBI-뼈로 자연스럽게 이어지는 생물학적·기계적 연속성을 구현하는 데 성공하였다.

제작된 3차원 경사 구조체는 인간 지방유래 줄기세포(hASCs)의 힘줄·연골·뼈 계통 분화를 유도하는 조직 특이적 신호를 정밀하게 제공하였으며, 특히 TBI 구역에서는 섬유연골 형성이 크게 촉진되었다. In vitro 평가에서도 경사형 구조는 기존 단일조직 기반 모델에 비해 TBI 관련 유전자 발현, 세포외골격 형성, 그리고 기계적 강도가 크게 향상됨을 보였다. 또한, 연세대학교 재활의학과 이상철 교수팀과의 공동연구로 진행한 토끼 회전근개 파열 모델에서도, 개발된 경사 구조체를 이식한 군에서 힘줄–TBI–뼈 조직이 연속적으로 재생되는 우수한 치료 효과가 확인되었다. 김근형 교수는 “본 연구에서 제안한 조직 특이적 바이오잉크와 경사형 바이오프린팅 플랫폼은 기존 기술이 극복하지 못한 힘줄–TBI–뼈 경계의 복잡한 구조적·기계적 불연속성 문제를 해결할 수 있는 중요한 기술적 성과이며, 회전근개 파열과 같은 조직결손 재생의 새로운 해결책이 될 것”이라고 강조했다.

연구팀은 이러한 경사형 조직 재생 개념을 확장하여, 기계적 신호전달(mechanotransduction)를 적극적으로 활용한 차세대 심근·골격근 재생 바이오플랫폼도 함께 개발하였다. 특히 심근경색은 심근 조직을 비가역적으로 손상시키는 대표적 질환으로, 기존 세포 치료나 바이오프린팅 기반 접근법은 제한적인 세포 반응성과 불충분한 파라크린 효과라는 한계를 지녀왔다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 정렬된 금 나노와이어(AuNW)를 포함한 콜라겐 기반 심근세포, 심장 섬유아세포, 내피 전구세포로 구성된 바이오프린팅된 세포 패치를 제작하였다.

AuNW의 농도, 바이오프린팅 공정 조건, 세 가지 세포의 혼합 비율을 체계적으로 최적화한 결과, 정렬된 AuNW를 포함한 3D 심근 패치의 안정적 제작이 가능했으며, in vitro 분석에서 세포 정렬 향상, 인테그린 매개 신호 활성화, FAK 형성 증가, 그리고 다양한 파라크린 인자의 풍부한 분비가 확인되었다. 이러한 시너지 효과는 바이오프린팅된 심근 패치 배양 과정에서 혈관화된 심근 조직 형성을 효과적으로 유도하였다. 더 나아가, 해당 3D 심근 패치를 동물 심근경색 모델에 이식한 결과, 혈관 형성과 심근 재생이 유의미하게 촉진되었으며, 파라크린 효과를 기반으로 한 기능적 심근 회복이 뚜렷하게 관찰되었다.

한편 연구팀은 자기유변 특성을 갖는 바이오잉크를 설계하여 프린팅 과정에서 자기장 자극을 실시간으로 적용하는 자기장 기반 메카노바이올로지 바이오프린팅 플랫폼과, 촉매-프리 콜라겐 펩타이드 결합 기술을 활용한 고도로 정렬되고 기계적 강도가 강화된 세포 포함 콜라겐 필라멘트 제작 공정도 확립하였다. 이들 기술은 심근 및 골격근 재생에서 오랫동안 한계로 지적되어 온 낮은 기계적 안정성과 조직 성숙도 문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 재생 전략으로 평가된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 질병관리청의 지원을 받아 수행되었으며, 연구의 우수성을 인정받아 다음과 같은 국제 학술지 (*Bioactive Materials (IF = 20): 힘줄–TBI–뼈 경사 재생 플랫폼 개발 연구, **Chemical Eng. J. (IF = 13): 바이오프린팅된 심근재생용 patch, ***Bioactive Materials: 자기장 기반 바이오프린팅 기술 개발 연구, ****Advanced Science (IF = 14.3): 고강도 정렬 콜라겐 필라멘트 제작 기술 연구)에 게재되었다.

*논문명: 3D bioprinted multi-layered cell constructs with gradient core-shell interface for tendon-to-bone tissue regeneration. Bioactive Materials 43 (2025) 471–490

  학술지: Bioactive Materials

  논문링크: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.10.002

  연구포털(Pure): https://pure.skku.edu/en/persons/geunhyung-kim/

**논문명: Bioprinting of cardiac patches with gold-nanowires and tri-culture system for the treatment of myocardial infarction, Chemical Engineering Journal 526 (2025) 171562

***논문명: In situ magnetic-field-assisted bioprinting process using magnetorheological bioink to obtain engineered muscle constructs, Bioactive Materials 45 (2025) 417–433  

****논문명: Catalyst-Free Collagen Filament Crosslinking for Engineering Anisotropic and Mechanically Robust Tissue Scaffolds, Adv. Sci. (2025) e14319

그림. 힘줄-TBI-뼈 복합조직을 위한 경사형 3D 바이오프린팅 공정 모식도 및 in vitro/in vivo 결과