김재윤 성균관대 교수 연구팀, 뼈 접착성 인공 힘줄 하이드로겔 개발

고강도 뼈 접착성 하이드로겔 기반의 인공힘줄 모사
힘줄의 물성, 구조, 뼈 접착력 등 동시에 구현

김재윤 성균관대학교 화학공학·고분자공학부 교수와 이번 논문의 제1저자인 최수지 박사[성균관대학교 제공]

[헤럴드경제 도현정 기자]성균관대학교(총장 신동렬)의 화학공학·고분자공학부 김재윤 교수 연구팀이 같은 학교의 김지흥 교수 연구팀과의 공동 연구로 뼈 접착성을 지닌 인공 힘줄 하이드로겔을 개발했다.

체내의 힘줄 또는 인대는 수분 함량이 60~80% 가량인 연질 콜라겐으로 구성됐다. 선형의 콜라겐 섬유가 다발성으로 배열된 고유한 구조로 인해 연질 콜라겐임에도 기계적 물성이 매우 높고, 피로 저항이 우수하다. 힘줄은 세포와 조직의 복잡한 구성 때문에 뼈에 붙는 접착력도 매우 강하다. 이 같은 성질 때문에 힘줄의 뼈 접착성, 기계적 물성 등을 동시에 만족시킬만한 생체 소재를 구현하기는 어렵다는게 중론이었다.

김재윤 교수 연구팀은 인장력이 우수한 하이드로겔에 접착력이 있는 제2의 고분자를 도입해 해법을 찾았다. 하이드로겔은 대표적인 생체 적합성 소재로, 높은 수분 함량으로 인해 바이오 분야에 많이 이용되고 있다. 그러나 쉽게 파괴되는 낮은 물성을 갖고 있어, 힘줄을 모사하기에는 한계가 있다고 알려졌다. 현재까지는 하이드로겔로 뼈와 힘줄간 강한 접착력을 구현한 사례가 없었다.

그러나 하이드로겔에 제3의 고분자를 도입해 제작한 뼈 접착성을 가진 하이드로겔은 최종적으로 힘줄의 선형 구조와 기계적 물성, 높은 뼈 접착력을 동시에 만족시켰다. 연구팀이 개발한 고강도 뼈 접착성 하이드로겔은 탄성 계수 3MPa, 인장 강도 0.8MPa, 뼈 접착 강도 1.0MPa의 성과를 냈다. 탄성계수는 기존 하이드로겔보다 160배, 인장 강도는 7배 높다.

뼈-인대-뼈 구조를 구현한 것에서도 당기거나 비트는 인체의 동작을 적용하거나 6kg 가량 무게를 더했을 때에도 하이드로겔이 파괴되거나 뼈에서 분리되지 않았다. 생쥐에 연구팀이 개발한 하이드로겔을 피하 이식한 후 조직 및 면역세포를 분석한 결과에서도 뚜렷한 염증 반응이나 면역 반응이 나타나지 않았다. 생체에 큰 독성 없이 작용한다는 뜻이다.

김재윤 교수는 “후속 연구를 통해 하이드로겔 물성이 생체 내에서 장기간 안정적으로 유지되는지 검증하고 이후 힘줄 및 인대 치료 분야로의 응용 가능성을 확인할 예정”이라 전했다.

이번 연구 결과는 재료과학분야 최상위급 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 10월 31일 온라인 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구사업, 바이오의료기술개발사업, 학문후속세대지원사업 및 포스코사이언스펠로십 지원으로 수행됐다.

kate01@heraldcorp.com