한국기계연구원 나노융합기계연구본부 나노자연모사연구실 박수아 책임연구원은 사람 기관의 조직 결손으로 인한 인명 피해를 예방하기 위해 즉시 이식이 가능한 기관 대체품 ‘3D튜브형 인공 기관’ 제작 기술을 개발하고, 연구 결과를 영국왕립화학회에서 발간하는 나노소재 분야 국제학술지 ‘나노스케일(Nanoscale)’에 발표했다. 논문은 1월 30일자 온라인 판에 게재됐으며 2월호 표지 논문으로 선정됐다.

대체 치료법이 없는 기관 결손 환자 효과적으로 치료 가능

기관은 기도가 기관지로 나뉘기 전에 위치하는 기도의 제일 윗부분으로 목에서 흉부까지 연결된 튜브 형태의 신체 구조이다. 기관은 호흡과 밀접한 연관이 있으며 사고로 인한 외상이나 암, 선천적인 기형, 장기간 기관 삽관 등으로 인해 좁아지거나 결손이 발생하면 이를 대체할 기도를 확보하는 것이 필수적이다.

지금까지 많은 연구팀이 필요에 따라 기관을 대체하는 인공 장치를 제작해 이식했지만, 신체 내부의 문협(봉합) 부분에서 재협착이 발생하거나 인공 장치의 부적절한 물리적 강도로 기도 확보 및 기관 재생에 실패했다.

이에 한국기계연구원 나노융합기계연구본부 나노자연모사연구실 박수아 책임연구원은 대체 치료법이 없는 기관 협착 및 기관 결손 환자를 효과적으로 치료할 수 있는 ‘3D튜브형 인공 기관(Trachea)’ 제작 기술을 개발했다.

연구팀은 생체에 적합한 생분해성 소재를 이용하고 3D바이오프린팅 기술과 전기방사법을 융합해 물리적 강도가 우수하면서 기관조직 재생에 도움이 되는 약물을 안정적으로 전달할 수 있는 3D튜브형 인공 기관을 제작했다.

전기방사법은 전기적 반발의 힘을 이용해 나노미터 크기의 초극세 섬유를 생산하는 기술로, 고분자 용액이 들어있는 주사기 바늘과 집진판에 고전압을 걸어 나노섬유를 만든다.

먼저 전기방사법으로 만든 튜브형 나노섬유에 3D프린팅 기술로 필라멘트 가닥을 증착해 구조를 보다 안정적으로 유지할 수 있다. 이와 함께 여러 단계의 튜브 표면을 개질해 기관 연골 재생 향상과 염증 억제에 탁월한 효과를 보이는 약물 ‘덱사메타손’도 함께 탑재해 3D인공기관의 기능을 돕도록 했다.

덱사메타손은 WHO 필수 약물 목록에 등재돼있는 코르티코스테로이드 약물의 일종이다. 대표적으로 관절염, 알레르기, 천식 등의 질병 치료에 쓰이는 미국 FDA 승인을 받은 스테로이드제이다.

이번에 개발된 대체품은 약물 탑재와 3D바이오프린팅 기술이 결합돼 기관 형태의 복원뿐 아니라 기관지 내/외부 조직 재생을 비롯해 가래 배출 등의 기능도 갖출 것으로 기대된다.

기관 재생의 새로운 패러다임 제시

박수아 책임연구원은 “바이오 3D프린팅 기술을 활용하면 필요한 약물을 탑재할 수 있고 기관 질환자의 성별이나 나이에 따른 개인 맞춤형 인공 기관도 제작할 수 있다”라며 “기관 협착 및 기관결손 환자에게 실험실 내 배양 없이 즉시 이식이 가능하며 이식 후 재협착도 예방할 수 있는 대체품 개발로 기관 재생의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업 ‘환자맞춤형 구강악안면 결손부 재건 3D프린팅 시스템 및 낙엽 적층 구조를 가지는 지지체 공정 기술 개발’, 보건산업진흥원의 의료기술 기반연구사업 ‘난치성 기관협착 치료를 위한 줄기세포 분화 조절 점막 모사 차세대 지지체 개발 및 Two Stage 이식기법 확립’ 사업의 지원을 받아 서울대학병원 이비인후과 권성근 교수 연구팀과 함께 진행됐다.