바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀은 살아있는 세포와 전기유체공정(electrospinning)에 적합한 바이오잉크를 제작하여 나노섬유의 배열을 제어하는 데 성공했다. 살아있는 근세포를 포함한 나노-근섬유를 마치 실제 근육처럼 한 방향으로 근세포가 자라도록 유도해 근육의 조직재생 효과를 높였다.

조직재생공학은 인체 병변 부위에 실제 조직과 비슷한 보형물을 넣어 재생효과를 높이는 것을 목표로 발전되어 온 학문이다. 이를 위해 널리 사용되어 온 공정으로는 3D세포프린팅(3D cell-printing) 및 전기장을 유체에 가하는 전기유체공정이 있다. 그러나 세포 형상이 정렬되어야 제 기능을 수행할 수 있는 근육의 경우에는, 오늘날의 3D세포프린팅과 전기유체공정으로는 세포가 무작위로 성장하는 한계를 보였다.

김근형 교수 연구팀은 근육세포가 자라는 방향을 제어할 수 있도록 전기유체공정을 한 단계 발전시켰다. 연구팀은 나노-근섬유 개발을 위해 하이드로겔(hydrogel)을 사용하였으며 이는 물을 다량으로 함유하고 있는 물질로, 높은 생체적합성을 보여준다. 또한 가공성이 우수한 물질을 첨가하여 바이오잉크를 개발하였고 전기장을 가해주었다. 그 결과, 미세한 패턴을 가지고 근세포가 한 방향으로 자랄 수 있는 섬유다발이 제작된다.

그림 1. 전기유체공정 모식도 및 용액에 따른 전기방사성

제작된 나노-근섬유는 90%가 넘는 높은 초기 세포생존률을 보였고, 기존 전기유체공정에서 세포가 사멸되는 문제를 극복하였다. 나아가 3D세포프린팅 공정에 비해 세포배열과 분화 등 세포활동이 3배 정도 향상되는 효과도 확인되었다.

그림 2. 기존 3D세포프린팅 공정과 새롭게 개발된 전기유체공정 비교

제작된 세포나노섬유는 세포가 일정한 방향으로 자라게 유도하며, 근세포가 일렬로 융합되고 배열되어야 근섬유로 분화할 수 있는 골격 및 심장근육(skeletal and cardiac muscle) 재생에 크게 기여할 것이다.

김근형 교수는 “이 연구는 전기유체공정을 이용해 세포가 포함된 나노섬유를 배열시킨 첫 사례”라며, “인체의 배열 조직의 새로운 재생 방법으로 가능성을 제시했다”라고 설명했다.

이 연구는 교육과학기술부 한국연구재단 기초연구사업(중견연구자지원사업)의 지원으로 수행되었으며, 재료과학(materials science) 분야의 세계적인 학술지 Small (impact Factor 9.598)에 커버로 선정되었다.

그림 3. Small에 게재된 커버

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