KIST, 면역 부작용 최소화한 바이오 잉크 개발

초고령화 사회로의 진입과 더불어 사고로 인한 부상, 만성질환의 증가 등으로 인공장기나 조직과 같은 생체재료 개발이 활발하다. 최근에는 세포와 생체재료를 사용해 3차원의 인공조직 구조를 구현하는 3D 바이오 프린팅 기술이 크게 주목받고 있다. 그런데, 바이오 잉크로 가장 많이 사용되는 하이드로겔의 경우 광경화 과정에서 사용되는 화학적 가교제와 자외선으로 인해 체내에서 세포 독성을 일으킬 수 있다는 문제가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST) 생체재료연구단 송수창 박사 연구팀은 광경화 과정 없이 온도조절만으로 물리적인 구조를 안정적으로 유지하고, 조직 재생을 유도한 후 일정 시간이 지나면 체내에서 생분해되는 폴리포스파젠 하이드로겔 기반의 온도감응성 바이오 잉크를 최초로 개발했다고 밝혔다.

기존의 하이드로겔 기반 바이오 잉크는 출력 후 3차원 지지체의 물리적 강도를 강화하기 위해 사용되는 광경화 과정을 반드시 거쳐야 하고, 조직 재생 효과를 증대시키기 위해 외부 배양 세포를 이식함으로써 인체 내 부작용의 위험성이 컸다. 이에 연구팀은 저온에서는 액상 형태로 존재하고 체온에서는 단단한 젤로 변화하는 특성을 지닌 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 이용해 새로운 바이오 잉크 소재를 개발했다. 이를 통해 화학적 가교제나 자외선 조사 과정 없이 온도조절만으로 조직 재생이 가능하며 물리적으로 안정적 구조를 가진 3차원 지지체를 제작해 인체의 면역 부작용 발생 가능성을 최소화할 수 있게 되었다.

개발된 바이오 잉크는 또한 조직 재생에 도움을 주는 단백질인 성장인자와 상호작용 할 수 있는 분자구조로 되어 있어 세포의 성장 및 분화, 면역 반응 등을 조절하는 성장인자를 장기간 보존할 수 있다. 연구팀은 바이오 잉크를 통해 출력된 3차원 지지체 내에 세포의 분화를 자율적으로 조절할 수 있는 환경을 유도함으로써 조직 재생 효과를 극대화할 수 있었다.

연구팀은 세포 유입과 뼈 재생에 필요한 전환성장인자 베타 1과 골 형성 단백질을 포함한 바이오 잉크를 3D 바이오 프린터로 출력해 3차원 지지체를 제작한 뒤 쥐의 뼈 손상 부위에 이식하는 실험을 수행했다. 그 결과 주변 조직으로부터 세포가 지지체 안으로 유입되어 뼈가 정상 조직 수준으로 재생되었으며, 이식된 3차원 지지체는 체내에서 42일에 걸쳐 서서히 생분해되는 것을 확인할 수 있었다.

KIST 송수창 박사는 “연구팀은 지난 2022년 6월 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 넥스젤바이오텍에 기술이전해 골이식재, 성형필러 등의 제품개발을 진행하고 있다"며, "이번에 개발된 바이오 잉크는 그 자체의 물리적 특성을 달리해 뼈 조직 외에 다른 조직의 재생에도 적용하는 후속 연구를 진행 중이며, 최종적으로는 부위별 조직 및 장기 맞춤형 바이오 잉크를 제품화할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 분야 국제학술지인 'Small'최신 호에 표지논문으로 게재되었다.

서명수 기자 seo.myongsoo@joongang.co.kr