[지금은 과학] 4D 프린팅으로 손상된 근육과 뼈 재생한다

[아이뉴스24 정종오 기자] 살아가면서 근육과 뼈 손상이 오는 경우는 흔하다. 이때 근육과 뼈가 재생된다면 회복할 수 있다. 국내 연구팀이 손상된 근육과 뼈를 재생할 수 있는 길을 제시했다. 단순한 타박상에 의한 작은 범위의 근육과 뼈 조직 손상뿐 아니라 큰 외상에 의한 조직 손상 등에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 4D 프린팅에서 해법을 찾았다. 4D 프린팅으로 근육전구세포가 포함된 바이오잉크의 자가배열을 유도해 가지런한 근섬유 다발을 만들었다. 기존 3D 프린팅으로는 세포가 한 방향으로 배열된 근섬유 다발인, 근육의 방향성을 구현해 내기에 한계가 있었다.

4D 프린팅은 3D 프린팅된 구조물에 물질의 다양한 물리·화학적 특성을 이용해 자가변형 기능을 가능하게 하는 기술을 말한다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 김근형 교수(성균관대), 이상진 교수(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine) 연구팀이 4D 프린팅 기술로 세포 배열을 조절할 수 있는 바이오잉크 기반 세포담체를 개발했다고 23일 발표했다, 근육 손실 동물모델에서 그 효과를 확인했다.

세포담체(scaffold)는 세포가 원하는 조직으로 증식, 분화될 수 있도록 미세공간을 제공하고 외부 균의 침입을 억제하는 세포의 집과 같은 지지체를 뜻한다.

살아있는 세포가 포함된 바이오잉크로 저마다의 해부학적 특징과 생리학적 기능을 가진 조직으로 구현하는 바이오프린팅 연구가 활발하다. 이런 가운데 연구팀이 4D 프린팅 기술로 바이오잉크에 포함된 인간 근육 전구세포가 자라나는 방향을 제어하는 데 성공한 것이다.

손가락 크기(길이 15mm, 너비 7mm 깊이 3mm)의 치명적 근육 손실이 있는 쥐의 전경골근에 자가 배열기능을 갖는 세포구조체를 이식하고 8주 후 이식 부위가 실제 근육처럼 재생되는 것을 확인했다.

핵심은 프린팅 조건을 최적화해 바이오잉크에 포함된 합성고분자의 배열을 제어함으로써 근섬유 다발처럼 정렬된 근육 모사 구조체를 제작하는 데 있었다. 근육세포에 최적의 지형적, 생물학적 환경을 제공해 근세포의 분화와 재생 효과를 높였다. 세포담체에 포함된 근육 전구세포의 세포 생존율도 높은(90%) 것으로 나타났다.

연구팀은 근육조직 외에도 배열화된 다른 조직들(심근, 신경조직, 인대 등)에도 응용할 수 있을 것으로 보고 있다.

연구팀은 4D 프린팅 기술을 이용해 차의과대학 한인보 교수 연구팀과 함께 골조직 재생을 도울 세포담체를 개발해 척추유합 생쥐모델에 적용, 골조직 재생 효과를 확인했다. 기존 골이식재가 혈관 연결이 없는데 반해 미세채널 구조를 포함한 세포담체로 이식 부위 주변 조직에서 혈관이 효율적으로 생성될 수 있도록 고안한 것이다.

연구성과(논문명: Self-aligned myofibers in 3D bioprinted extracellular matrix -based construct accelerate skeletal muscle function restoration)는 응용 물리학 분야 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews) 5월 12일 자에 실렸다.

김근형 교수는 “단순한 타박상에 의한 작은 범위의 손상뿐 아니라 큰 외상에 의한 조직 손상 등에도 응용할 수 있을 것”이라며 “실용화를 위해 다양한 세포를 세포담체에 접목시켜 그 효용성에 관한 연구, 동물모델을 이용한 연구, 임상연구 등을 추가로 해야 한다”고 설명했다.

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