- 세포·프린팅 공정 중 전기/물리적자극 제어를 통한 줄기세포 신호 전달 체계 조절 및 근 분화 유도 성공
- Pri-actor를 활용해 제작된 인공 근육은 골격근 손상 동물 모델의 근육 조직 및 근 기능 회복에 매우 효과적

1970년대 후반부터 시작된 인공장기 개발 연구가 기계·전자·소재 분야의 융합으로 손상된 장기의 기능을 대신할 수 있도록 설계된 “대체 장치”의 개발이었다면, 2000년을 전후로 하여 3D 프린팅 기술이 조직공학용 인공지지체(scaffold) 제작에 응용되면서 본격적으로 보건 의료 분야의 재생의학용 지지체 제작에 관해 연구가 활발히 이루어지고 있다. 세포 프린팅 기술은 실제 세포를 이용하여 조직 장기를 직접적으로 만들어내는 기술이다. 기존 일반 소재가 아닌 살아 있는 세포를 직접 프린팅해 3차원 구조를 만들고 이를 배양해서 인체에 적용 가능한 조직 및 장기를 제작할 수 있다.

바이오메카트로닉스 학과 김근형 교수 연구팀 (김원진, 이형진, 황보한준)은 세포·프린팅 공정 중 바이오잉크에 함유되어 있는 줄기세포의 성장과 분화를 효율적으로 제어할 수 있는 바이오리액터가 결합된 융합 세포·프린팅 기술 (Pri-actor)을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. Pri-actor 기술은 살아있는 세포가 포함된 바이오잉크를 프린팅 하는 기술인 세포·프린팅 기술과 세포배양 시 일정한 물리적자극을 통해 세포의 성장과 분화를 조절할 수 있는 바이오리액터 기술이 융합된 개념이다.
 

[그림 1. In situ “Pri-Actor system” 모식도]

연구팀이 개발한 바이오리액터-세포·프린팅 융합 공정 기술은 프린팅 공정 중 바이오잉크를 물리적 자극 (전기장 및 자외선 에너지)에 단시간 노출시키도록 설계되었다. 이 때 프린팅과 동시에 가해진 전기적/물리적 자극이 바이오잉크에 내포된 지방유래 줄기세포의 성장과 근육세포로의 분화를 효과적으로 유도할 수 있었다.
연구팀은 0.1초 이하로 가해지는 전기장 세기를 포함한 다양한 프린팅 공정 조건을 최적화하였으며, 이를 통해 줄기세포의 신호 전달 체계 및 이온전압채널을 활성화시킴과 동시에 제작된 인공 근조직을 배열 근육조직으로 유도하여 효과적인 근 섬유로의 분화를 유도하였다.
제작된 인공 근육은 골격근 손상 동물모델에 이식하였을 때, 실제 근육처럼 근섬유가 재생되었으며, 사람의 근육조직을 이루는 신경-근접합과 신생 혈관 형성 또한 매우 뛰어났다. 뿐만 아니라 전기신호를 통한 근력측정 및 동물모델의 운동성 관찰을 통해 근육의 기능을 완벽히 회복한 것으로 확인되었다.
 

[그림 2. In situ “Pri-Actor system” 모식도 및 동물모델(Rat) 이식 8주 후 근섬유 재생에 대한 조직학적 염색 사진]

김근형 교수는 “본 연구를 통해 개발된 새로운 Pri-actor기술은 근육의 해부학적 환경을 최적으로 모사할 수 있는 인공 근육을 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 동물 모델에 이식 후 실제 근육의 기능에 가깝게 재생시킬 수 있다”라고 말했으며, “더 나아가 이 기술에 포함된 물리적 자극의 조절을 통해 근육과 다양한 인체조직을 타겟으로 하는 줄기세포 분화를 직접적으로 유도 가능한 조직 맞춤형 인공 장기 제작 시스템으로 재생의료 분야에서 효과적으로 이용이 가능할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 재료과학응용 분야 국제학술지 어드벤스드 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials, Impact factor=18.8, 2021년 8월)에 게재 및 표지논문(front Cover)으로 선정되었다. 또한, 생체재료과학 분야 바이오엑티브 머터리얼즈 (Bioactive Materials, Impact factor=14.6, 2021년 7월), 응용화학공학분야 케미컬엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal, Impact factor= 13.3, 2021년 4월)에도 각각 게재되었다. 이와 관련 연구들은 아리랑TV BizTech KOREA “Outlook for regenerative medicine” 편에 2021년 08월 04일 소개되었다.

※논문명: A Bioprinting Process Supplemented with In Situ Electrical Stimulation Directly Induces Significant Myotube Formation and Myogenesis. (Advanced Functional Materials)
※논문명: Bio-printing of aligned GelMa-based cell-laden structure for muscle tissue regeneration. (Bioactive Materials)
※논문명: Bioprinted hASC-laden structures with cell-differentiation niches for muscle regeneration. (Chemical Engineering Journal)
※아리랑TV 소개: https://www.youtube.com/watch?v=VsgMBgr3EwU