POSTECH, 뼈 재생과 접착력···가시광선으로 동시에 해결

POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과·융합대학원(의과학전공) 차형준 교수, 화학공학과 윤진영 박사, 통합과정 우현택 씨 연구팀은 무해한 가시광선을 이용해 ‘가교(cross-linking)’와 골 이식재 필요없이 ‘광물화(mineralization)’가 동시에 일어나는 골 재생용 주사형 접착하이드로젤을 개발했다. 

이번 연구는 생체재료 분야 최고 국제학술지인 ‘바이오머티리얼즈(Biomaterials)’에 최근 온라인 게재됐다.

뼈 결손은 외상, 감염, 선천적 결함 등 여러 원인으로 발생하며, 고령화 사회에서 빈도가 점점 증가하고 있다. 

이를 치료하기 위해 주로 혈청이나 생체 접착물질을 사용해 골 이식재를 결합시켜 결손 부위에 채우고 있지만 기존의 주사형 하이드로젤은 체내에서 형태를 유지하기 힘들고, 접착력에도 한계가 있었다. 

또 기존 방식은 골 이식재를 접착물질과 함께 사용하기 때문에 ‘뼈 재생’과 ‘접착력’을 동시에 충족하기 어려웠다.

POSTECH 연구팀은 인체에 무해한 가시광선을 이용해 하이드로젤의 주요 성분이 연결되어 단단해지는 ‘가교’와 하이드로젤 내에서 뼈의 주요 성분인 칼슘, 인산 등 미네랄이 형성되는 ‘광물화’가 동시에 일어나는 새로운 시스템을 개발했다. 

이미 기존에도 빛을 이용한 연구가 있었지만 골 이식재와 접착물질을 따로 준비한 다음 혼합해야 하고, 주요 성분들이 잘 결합하지 않고 사라지는 등 문제가 있었다.

연구팀이 개발한 골 재생용 주사형 접착하이드로젤 전구체는 미역과 같은 해양 갈조류에서 유래하는 천연 다당류인 알지네이트(alginate)와 RGD 펩타이드가 포함된 홍합 접착단백질 기반의 코아서베이트와 칼슘 이온, 포스포노디올, 광반응제로 이뤄져 있다. 

이 전구체는 물에 잘 풀리지 않는 코아서베이트 제형 덕분에 주입 후 체내에서 형태와 위치를 잘 유지했다. 또한, 가시광선을 조사하자 가교가 형성됨과 동시에 뼈 이식재 역할을 하는 비정질 인산칼슘이 형성돼 뼈 이식재와 접착물질 없이도 ‘뼈 재생’과 ‘접착력’을 동시에 제공했다.

대퇴골이 결손된 동물 모델로 실험한 결과, 연구팀이 개발한 하이드로젤은 빠르고 정확하게 주입된 후 부착했으며 뼈 재생에 필요한 성분을 효과적으로 전달하는 데 성공했다.

차형준 교수는 “연구팀이 개발한 골 재생용 주사형 접착하이드로젤 시스템은 기존의 복잡한 뼈 질환 치료법을 대체할 혁신적인 대안으로 뼈 조직 재생 기술 개발에 큰 도움이 될 것”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 보건복지부의 치의학의료기술연구개발사업과 범부처전주기 의료기기연구개발사업단의 지원을 받아 수행됐다.