[사이언스프리즘] 생명 연장의 꿈

생의학소재 인체삽입 의료기기 / 인간 생명 구하고 수명 연장시켜 / 최근에 점탄성 심장패치 개발 / 심근경색 후 심장기능 회복 기여

인류의 가장 큰 꿈은 ‘건강하고 행복한 삶’이다. 그 꿈을 더 가깝게 앞당길 유망한 분야가 ‘생의학소재’이다. 생의학소재는 인체 내부에 삽입하는 의료기기와 그 부속품에 적합하도록 제작한 소재로서 생체 내부와 장기적으로 접촉하며 기능하는 특수한 소재를 말한다. 생의학소재가 장착된 인체삽입형 의료기기는 질병과 사고로부터 인간의 생명을 구하고 수명을 연장하고 있다. 역사적으로 손상된 인체를 대체한 보철물은 1차 세계대전에서 수많은 목숨을 구했으며, 오늘날 보철물은 인체공학과 결합해 삶의 질을 향상시키고 있다.

원병묵 성균관대 교수 신소재공학

인간 피부의 기능적 특성을 모방하도록 설계된 합성 탄소섬유는 화장품과 국소약물전달 등의 분야에서 뛰어난 잠재성을 보여주고 있다. 독립형 전극이 탑재된 재생 심장 패치는 주문형 약물 전달을 통해 심장 세포 성장과 활동을 전기적으로 자극하고 기록할 수 있다. 현대 의학의 발전과 함께 인류는 오래도록 생명 연장의 꿈을 향해 달려왔으며, 질병과 사고로 손상된 인체 내부의 장기를 대체하는 생의학소재는 인류에게 생존과 번영의 꿈을 약속한다.

생의학소재로 사용하려면 인체 내부에서 새로운 물질에 대한 면역거부반응이 없고, 그 기능을 장시간 유지할 수 있어야 한다. 이처럼 생체적합성과 물리화학적 내구성은 생의학소재의 필수 요소이다. 인체삽입형 의료기기의 다양성에 따라 소재의 다양성이 필요하고, 사용 후에는 몸에서 자연스럽게 분해돼 밖으로 배출되도록 생분해성이 필요하다. 생체적합성은 가장 중요한 특성으로 생체 내부에서 의료기기가 무해하며 생리적 반응에 적응하기 쉬도록 돕는다. 생체는 혈액을 비롯해 수많은 조직과 기관이 복잡하게 얽혀 있어 혈액이나 조직과 접촉하는 생의학소재는 생체적합성이 반드시 구비돼야 한다. 오늘날 생의학소재는 인공관절, 임플란트, 스텐트, 인공피부, 인공뼈, 의료용 접착제, 의료용 섬유 등 다양한 의료용 소재로 활용되고 있으며 다양한 진단과 치료 목적의 의료기기, 스마트 패키징, 조직공학, 약물전달 등 최첨단 헬스케어 제품으로 개발되고 있다.

최근에는 최적의 수축팽창 거동이 가능한 점탄성 접착식 심장 패치가 개발돼 심근경색 후 심장 기능을 회복시키고 병리학적 변이를 늦추는 효과를 보여주었다. 손상된 실험쥐의 심장조직은 심장박동에 따른 반복적 수축팽창 작용이 원활하지 않은데, 새로운 심장근육 패치는 심근경색을 효과적으로 치료하고 심장의 빠른 수축팽창 거동에 효과적으로 반응했다. 투명한 하이드로젤로 만든 점탄성 접착식 재료를 기반으로 심장 근육의 주기적 변형을 수용할 수 있도록 개발된 패치는 컴퓨터 모델링을 통해 재료의 유연성과 탄성을 동시에 최적화해 가장 이상적인 심장 패치로 개발됐다.

3차원 생체모방 미세환경에서 인간의 신장 오가노이드(줄기세포로부터 자가재생과 자가조직화를 통해 형성된 3차원 세포집합체 또는 장기유사체)의 빠르고 효율적인 생성을 위한 간단한 방법도 개발됐다. 오가노이드는 재생의학에서 가장 중요한 과학적 성과 중 하나로, 생체모방 미세환경에서 인간의 장기 구조와 기능을 모방해 인체에 이식되도록 개발됐다. 복잡하고 유연한 생체조직과 유사한 인공 환경을 제작해 인간 줄기세포에서 신장 오가노이드의 유도를 가속화할 수 있다.

인체 생체삽입형 의료기기는 현대 의학의 혁명을 일으키고 있다. 그러나 재료에 대한 면역거부반응은 의료기기의 성능을 제한하거나 고장을 유발할 수 있다. 결정화된 항염증제를 장기간 복용하면 생체이식 후 삽입된 의료기기 표면에서 장기간에 걸쳐 섬유증을 억제할 수 있다. 이것을 적절히 활용하면 이식한 의료기기의 성능을 향상시킬 수 있다. 토끼 연골 세포를 연한 하이드로젤과 굳으면 딱딱해지는 생분해성 고분자와 결합해 바이오 잉크로 만든 후 3차원 프린팅 기술로 층층이 쌓아 유연하고 단단한 형태를 유지하는 인공 장기를 제작할 수 있다.

이처럼 생의학소재와 결합한 3차원 바이오 프린팅 기술은 살아있는 세포를 함유한 생의학소재를 원하는 형상과 패턴으로 적층해 조직과 장기로 손쉽게 제작할 수 있어 재생공학의 응용 가능성을 더욱 활짝 열어가고 있다. 생의학소재는 의공학의 최전선에서 생명 연장의 꿈을 앞당기고 있다.

원병묵 성균관대 교수 신소재공학