고령화 시대에 접어들면서 근위축증, 근이영양증과 같은 근육 질병 및 척추협착증, 척추골절, 진행성 기형 등의 각종 질병에 걸린 환자들이 현저하게 증가함으로써 이를 효율적으로 치료할 수 있는 조직공학 세포담체를 활용한 치료법이 중요한 의학적 주제이다. 

이에 바이오메카트로닉스학과/성균바이오융합과학기술원 김근형 교수 연구팀(황보한준 대학원생, 제1저자, 이형진 박사, 제1저자)은 차의과대학 한인보 교수 연구팀과 함께 4D 프린팅 기술을 이용하여 미세 마이크로 채널 구조가 포함된 생체모방 콜라겐/하이드록시 아파타이트 세포담체를 개발하였으며, 이를 척추유합모델에 적용하였을 때 골조직 재생을 획기적으로 높이는 데 성공했다.

일반적으로 골이식재는 혈관연결이 없는 상태로 이식되므로 이식된 골의 생존 여부는 오로지 주변 조직에서 유도된 혈관으로부터 영양분 및 산소가 원활이 공급되는지에 달려 있었다.
연구팀은 기존의 문제점을 극복하기 위해 4D 프린팅 기술을 이용하여 빠른 혈관화 및 골유도가 가능한 최적화된 세포담체를 개발하였다. 이 세포담체는 뼈의 주된 성분인 콜라겐과 하이드록시아파타이트로 제작되었으며, 구조체 내부에 디자인된 마이크로 크기의 미세채널은 이식된 부위의 주변 조직에서 혈관이 쉽고 빠르게 유도될 수 있도록 고안되었다. 이 연구는 기존 연구된 세포담체에 비해 보다 효율적으로 뼈조직을 재생시킬 수 있다는 점에서 획기적이라고 볼 수 있다.

또한, 바이오메카트로닉스학과/성균바이오융합과학기술원 김근형 교수 연구팀(김원진 대학원생, 제1저자)은 미국 Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM)의 이상진 교수 연구팀(이형진 박사, 제1저자)과 함께 또 다른, 4D 프린팅 기술을 이용하여 근육세포 배열기능이 포함된 탈세포화 바이오잉크 기반 세포담체를 개발하였으며, 이를 근육 손실 동물모델에 적용하였을 때 근육조직의 재생을 획기적으로 높이는 데 성공했다.
근육조직은 세포가 한 방향으로 배열된 근섬유다발 형태로 구현하여야 하는데, 3차원 구조체이면서 효율적인 근육세포의 방향성을 제공한 연구는 미흡한 실정이다.

연구팀은 기존의 문제점을 극복하기 위해 4D 프린팅 기술을 이용하여 탈세포화 바이오잉크 내에 포함된 인간 근육 전구세포가 자라나는 방향을 제어하는 새로운 인공 근육 제작방식을 제안했다.
연구의 핵심은 프린팅 조건을 최적화하고, 잉크안에 혼합되어 있는 합성고분자의 배열성을 제어하는 방법을 통해 근육과 유사한 정렬된 방향성을 갖는 근육 모사 구조체를 제작하는 것이다. 제작된 근육 세포가 포함된 구조체는 근육세포에 최적의 지형적 및 생물학적 환경을 효율적으로 제공하도록 디자인되었다.
제작된 인공 근육 조직의 인간 근육 전구세포는 초기 세포생존율이 90%를 넘었으며, 길이 15 mm, 너비 7 mm, 깊이 3 mm가량의 치명적인 근육 손실이 있는 쥐의 전경골근에 이식한 결과 8주 후 이식 부위 조직이 실제 근육처럼 재생됨을 확인하였으며, 이러한 결과는 실제 임상에 적용 가능성을 보여주었다.
이 연구들은 4D 프린팅 기술 및 인체 조직의 주된 성분들을 이용하여 물리적/생물학적 디자인을 통해 빠르고 효율적인 조직 재생을 효과적으로 유도할 수 있는 획기적인 세포-구조체 제작 기술이다. 또한, 현재 개발된 세포-구조체는 뼈 및 근육 조직뿐만 아니라 인체 내에 존재하는 인대, 신경, 및 심근 등에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

위 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업 (중견연구) 및 한국연구재단-자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 본 연구들은 응용 물리학 분야 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews, impact factor: 17.054)에 각각 feature article로 선정되었고, 05월 4일 (뼈 조직 재생) 및 05월 11일 (근육 재생)에 각각 게재되었다.

논문에 대한 자세한 내용은 아래 사이트를 통해 확인할 수 있다. (APR 저널에서 제공한 보도자료)

https://publishing.aip.org/publications/latest-content/using-4d-printing-to-enable-vascularization-bone-tissue-regeneration-spinal-fusion/ (뼈 조직 재생)

https://publishing.aip.org/publications/latest-content/bioengineering-approach-for-functional-muscle-regeneration/ (근육 조직 재생)

(그림 1) 미세채널 포함 콜라겐/HA 세포담체 모식도 및 주사전자현미경 사진

(그림 2) 실제 쥐(rat)의 근육 및 손상된 근육에 이식된 근육 구조체의형광현미경 사진