바이오하이브리드 소재 : 우리 몸의 연골 대체

우리 몸의 연골

연골과 힘줄의 성능과 일치하는 생체 재료(biomaterial)를 생산하는 것은 과학자들에게 어려운 목표였지만 코넬에서 만든 새로운 재료는 자연 조직을 모방하는 유망한 새로운 접근 방식을 보여줍니다. 손상된 조직에 대한 임상 솔루션을 합성하기 위한 새로운 전략을 제공합니다.

 

바이오하이브리드 소재 : 연골

 

우리 몸의 조직은 구부러지고 구부릴 수 있을 만큼 부드러워야 하지만 무릎 힘즐이 우리 몸의 체중을 지탱하는 것과 같이 장기간의 하중을 견딜 수 있을 만큼 내구성이 있어야 합니다. 조직이 마모되거나 손상되면 콜라겐 하이드로겔(collagen hydrogel)과 합성 물질(synthetic material)이 대체 물질의 역할을 할 가능성이 있지만, 어느 것 하나 단독으로 자연 조직의 생물학적 및 기계적 특성의 올바른 조합을 보유하지 못합니다.

 

바이오하이브리드 복합 재료

코넬의 연구원들은 천연 조직의 필수 특성을 가진 바이오하이브리드 복합 재료(biohybrid composite material)를 설계했습니다. 이 재료는 두 가지 주요 성분으로 구성되어 있는데, 콜라겐(재료에 부드러움과 생체 적합성을 부여)과 양전하 및 음전하를 띤 분자 그룹을 포함하는 합성 지티로닉 하이드로겔(synthetic zwitterionic hydrogel)입니다.

 

 

바이오하이브리드 복합 재료
collagen + synthetic zwitterionic hydrogel

 

 

이러한 전하 그룹은 콜라겐의 음전하 및 양전하 그룹과 상호 작용하며, 이러한 상호 작용을 통해 재료가 에너지를 소산하고 높은 수준의 *인성(toughness)을 달성할 수 있다고 합니다.

 

*인성, toughness
외력에 의해 파괴되기 어려운 질기고 강한 충격에 잘 견디는 재료의 성질을 말한다

 

연구팀은 바이오하이브리드 복합재료(biohybrid composite)는 관절연골 및 기타 생물학적 조직의 성능에 접근하여 양쪽이온성 물질(zwitterionic material)자체에 비해 40% 더 많은 탄성과 11배의 파괴 에너지(내구성의 척도)를 보유합니다. 이 물질의 생체적합성이 세포를 모집하여 살아있게 할 수 있다는 것을 의미한다고 합니다.

 

궁극적으로 연구팀은 조직이 완전히 재생될 때까지 초기 부하를 견딜 수 있는 스캐폴드(scaffold)와 같은 재생 의학 목적을 위한 무언가를 만들고 싶다고 합니다. 이 재료를 사용하면 결국 스캐폴드 주변에 실제 조직을 생성할 수 있는 세포가 있는 다공성 스캐폴드를 3D 인쇄할 수 있다고 합니다.

 

*스캐폴드, scaffold
스캐폴드는 의료 목적을 위한 새로운 기능적 조직의 형성에 기여하기 위해 바람직한 세포 상호작용을 일으키도록 조작된 재료입니다. 세포는 종종 3차원 조직 형성 을 지원할 수 있는 이러한 구조에 '씨딩'됩니다.

스캐폴드는 네이티브 조직의 세포외 기질을 모방하여 생체 내 환경을 요약하고 세포가 자체 미세 환경에 영향을 줄 수 있도록 합니다. 그들은 일반적으로 다음 목적 중 하나 이상을 수행합니다.

• 세포 부착 및 이동 허용
• 세포 및 생화학적 요인 전달 및 유지
• 중요한 세포 영양소 및 발현된 산물의 확산 가능
• 세포 단계의 행동을 수정하기 위해 특정 기계적 및 생물학적 영향을 가함

[출처, 위키피디아]

 

또한, 바이오하이브리드 재료는 두 성분이 혼합되면 자가 조립되어 자연 연골에서 볼 수 있는 동일한 상호 연결된 콜라겐 네트워크를 생성하여 생산이 가능합니다. 이 연구의 저자들은 합성 뒤에 있는 물질과 분자 과정을 계속 연구하고 있습니다. 이 재료가 연구실에서 개척된 바이오프린팅 유형에 매우 적합하며 저자들은 이를 3D 프린팅 재료로 사용하는 실험을 시작했다고 합니다.

 

 

바이오하이브리드 소재는 부드러우면서도 단단해서 연골과 같은 성능을 발휘합니다. 연골과 힘줄의 성능과 일치하는 생체 재료를 생산하는 것은 과학자들에게 어려운 목표였지만 새로운 재료는 자연 조직을 모방하는 유망한 새로운 접근 방식을 보여줍니다.