인체 조직을 3D프린터로 정교하게 출력하여 손상되거나 결손된 부위의 재건을 도우려는 바이오프린팅 분야에서 또 다른 도약이 이뤄졌다.

한국연구재단 성균관대학교 김근형 교수, 전남대학교 의과대학 장철호 교수 공동 연구팀이 금 나노와이어가 포함된 콜라겐/세포 바이오잉크를 기반으로 근섬유다발을 만들었다고 밝혔다.

▲ 금-나노입자가 포함된 콜라겐 바이오잉크를 이용한 근육 조직 제작 모식도 및 제작된 근육 조직 내 세포의 성장 및 성숙도  © 특허뉴스

바이오프린팅에서 관건은 실제 살아있는 세포가 포함된 생체적합성 바이오잉크를 이용해 저마다 고유한 해부학적 특징과 생리학적 기능을 가진 조직으로 구현하는 것이다.

특히 근육조직은 세포가 한 방향으로 배열된 근섬유다발 형태로 구현하여야 하는데, 실제 조직에서 세포가 자랄 수 있도록 둘러싼 지지체인 세포외기질(ECM)이 제공하는 일정한 방향성(aligned topographical cues)을 잉크와 함께 분사된 세포에 제시할 방법을 찾지 못했다.

이에 연구팀은 금 나노와이어를 이용해 콜라겐 바이오잉크 내에 포함된 지방줄기세포가 자라나는 방향을 제어하는 인공근육 제작방식을 제안했다.

원예용 지지대를 따라 식물이 뻗어가는 것처럼 한 방향으로 배열된 금 나노와이어(지름 30nm, 길이 4,500nm)를 따라 지방줄기세포들이 근육세포로 분화하여 자라도록 유도한 것이다.

이렇게 만들어진 인공 근육세포는 초기 생존율이 90%를 넘어 대체조직으로서의 가능성을 보여주었다.

실제 만들어진 인공근육을 길이 3cm, 너비 1cm 가량의 손상이 있는 쥐의 턱관절 근육, 측두근에 이식한 결과 8주 후 이식 부위 조직이 실제 근육처럼 재생되었다.

▲ 쥐(rat) 측두근(temporalis muscle) 이식후 손상 조직 재생  © 특허뉴스

핵심은 노즐 이동속도와 잉크 유량, 온도 등 복잡한 조건을 최적화함으로써 유체의 흐름을 제어하고 전기적 신호를 이용해 나노와이어의 배열성을 조절한 데 있다.

연구팀은 지난해 제안한 전기방사방식에서 나아가 근세포 재생을 유도하는 바이오프린팅 기술을 제안, 난치성 근육질환 극복을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

이번 연구의 성과는 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)에 10월 29일 게재되었다.