부드럽고 축축하지만 질기면서도 생체친화적인 하이드로겔(hydrogel)을 복잡하고 정교하게 설계된 형태로 만드는 새로운 방법이 개발되었다. 이 제조법은 사출 가능한 물질을 이용해 약물이나 세포를 인체에 전달하는 것이나, 부하를 견디는 조직을 재생시키기 위한 스캐폴드(scaffold) 혹은 미래 로봇을 위한 유연한 작동장치(flexible actuator) 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구결과는 Advanced Materials지에 게재되었으며, MIT 기계공학과 부교수인 Xuanhe 코매를 포함해, MIT 동료들, 듀크대학(Duke University)과 콜롬비아대학(Columbia University) 과학자들이 연구에 참여하였다.

본 연구에서 제시한 새로운 제조법을 사용하면 매우 질기고 견고한 복합한 하이드로겔 구조를 만들 수 있으며, 구조 내 세포를 가두어 두는 것이 가능하다. 이것은 예를 들어 세포 및 약물을 임플란트에 융합시켜 인체 내에 식립할 수 있는 3차원의 복합한 하이드로겔 구조를 가능하게 한다.

형태 및 구조를 제공하는 고무상의 고분자 네트워크에 물 분자가 갇혀 있는 형태를 지칭하는 하이드로겔은, 자연적인 충격 흡수체로서 인체에서 사용되고 있는 연골의 조직과 유사하다. 새로운 3차원 인쇄 공정은 결국 연골과 같은 부하를 견디는 조직을 대체하거나 치료하기 위한 질긴 하이드로겔 인공 구조물의 생산을 가능하게 해 준다.

비록 합성 하이드로겔이 보통은 약하고 취성이 있지만, 다수의 질기고 신축성 있는 재료도 지난 10년간 개발되어 왔다. 그러나 질긴 하이드로겔을 제조하는 기존의 방법들은, 보통 제조하는 하이드로겔 내부의 세포를 죽일 정도로 가혹한 화학적 환경을 포함하고 있다.

새로운 재료는 줄기세포와 같이 살아있는 세포를 합성할 수 있을 정도로 충분히 친화적이며, 세포의 높은 생존율을 유지할 수 있다고 연구팀은 밝혔다.

게다가, 이전 연구에서는 복잡한 3차원 구조의 질긴 하이드로겔을 제조할 수 없었다. 새로운 생체친화성의 질긴 하이드로겔은, 속이 빈 육면체, 반구, 피라미드, 꼬인 줄, 다층의 메쉬(mesh) 혹은 인간의 코나 귀처럼 생리학적인 행태 등의 다양한 3차원적인 구조로 인쇄될 수 있다.

새로운 방법은 상업적으로 가용한 3차원 인쇄 메커니즘을 사용한다. 혁신은 실제 재료에 관한 것으로 질긴 생체친화성 3차원 인쇄용 잉크의 개발에 있었으며, 두 가지 다른 바이오고분자 복합체로 구성되어 있다. 각 재료는 매우 취약하지만, 일단 두 가지를 함께 사용하면 매우 질기고 강해진다. 마치 철강으로 보강한 콘크리트와 같다.

두 가지 고분자 중 하나는 재료에 인쇄성을 부여하기 위한 탄성을 제공하고, 다른 고분자는 끊김 없이 변형 하에서 에너지를 분산시키는 역할을 한다. 세 번째 성분인 생체친화성 나노점토(nanoclay)는 재료의 점도를 미세하게 조절할 수 있도록 해 줌으로써 3차원 인쇄 노즐을 통과하는 흐름성을 개선해 준다.

제조된 제품은 매우 유연하여 피라미드와 같은 인쇄된 형태는 99% 압축된 후 원래의 행태로 다시 회복된다. 또한 원래 크기의 5배까지 신장시킬 수도 있다. 이런 탄력성(resilience)은 다양한 힘과 충격을 견디는데 필요한 인체조직의 핵심적인 특징이기도 하다.

이런 재료는 아마도 귀, 코 혹은 부하를 견디는 관절과 같인 연골성 조직을 대체하기 위한 용도로 사용될 수 있을 것이다. 연구팀은 실험실 테스트를 통해, 이 재료가 자연의 연골보다 더 질기다는 사실도 보여주었다.

본 연구의 다음 단계는 인쇄장치의 정밀성을 개선하여 현재 500마이크로미터 정도로 제한된 크기의 한계를 극복하는 것이며, 동물 모델을 대상으로 인쇄된 하이드로겔 구조를 실험할 예정이다. 게다가, 바이오메디켈 분야에 사용하기 위해 동일한 기술을 이용하여, 소프트 로보틱스 시스템(soft robotic systems)의 작동장치와 같은 부드러우면서도 질긴 다양한 구조재료로 인쇄하는데 사용할 수도 있을 것이다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』