살아있는 세포와 전기유체공정에 적합한 바이오잉크 제작 

나노섬유의 배열을 제어하는 데 성공

근육의 조직재생 효과 향상 

살아있는 근세포를 포함한 나노-근섬유가 마치 실제 근육처럼 한 방향으로 자라는 기술이 개발되어, 근육의 조직재생 효과가 높아졌다. 김근형 교수, 여미지 대학원생(성균관대학교) 연구팀이 살아있는 세포와 전기유체공정에 적합한 바이오잉크를 제작하여 나노섬유의 배열을 제어하는 데 성공했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

인체 병변 부위에 실제 조직과 비슷한 보형물을 넣어 재생효과를 높이려는 조직재생 연구가 활발하다. 이를 위해 전기장을 유체에 가하는 전기유체공정 및 3D세포프린팅 공정이 유용하게 사용되고 있다.

그러나 근육의 경우에는 세포 형상이 정렬되어야 제 기능을 수행할 수 있는데, 오늘날 전기유체공정이나 3D세포프린팅 공정으로는 세포가 무작위로 성장할 수밖에 없는 한계가 있다.

연구팀은 근육세포가 자라는 방향을 제어할 수 있도록 전기유체공정을 한 단계 발전시켰다. 생체 친화적인 하이드로겔*에 가공성이 우수한 물질을 첨가한 바이오잉크를 개발하고, 전기장을 가해주었다. 그러면 미세한 패턴을 가지고 한 방향으로 자라는 섬유다발이 제작된다.
 * 하이드로겔(Hydrogel) : 물을 다량으로 함유하고 있는 물질로서, 생체재료로 많이 이용된다.

제작된 나노-근섬유는 초기 세포생존률이 90%가 넘어, 기존 전기유체공정에서 세포가 사멸되는 문제를 극복해냈다. 또한 3D세포프린팅 공정보다 세포배열과 분화 등 세포활동이 3배 정도 향상되는 효과도 확인되었다.

김근형 교수는 “이 연구는 전기유체공정을 이용해 세포가 포함된 나노섬유를 배열시킨 첫 사례”라며, “인체의 배열 조직의 새로운 재생 방법으로 가능성을 제시했다”라고 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행되었다. 재료과학 분야 국제학술지 스몰(Small)에 10월 11일 게재되었고, 표지논문으로 선정되었다.

□ 논문명, 저자정보

논문명
Anisotropically Aligned Cell-Laden Nanofibrous Bundle Fabricated via Cell Electrospinning to Regenerate Skeletal Muscle Tissue
저  자
김근형(성균관대학교, 교신저자), 여미지(성균관대학교, 제1저자)

□ 연구의 주요내용
 1. 연구의 필요성
  ○ 조직재생공학은 3D 지지체 개발을 통해 세포에게 실제 조직과 비슷한 환경을 제공함으로 재생효과를 증진시키고자 했다. 이를 위해 살아있는 세포와 하이드로겔을 혼합한 바이오잉크를 이용한 3D세포프린팅 공정이 사용되고 있다. 세포프린팅 공정은 높은 가공성과 생체적합성을 보여줬지만 하이드로겔의 특성에 따라 세포거동이 지연되고 세포가 무작위로 성장하는 단점을 보였다.
  ○ 마이크로/나노패턴은 세포형상을 제어하여 세포의 분화를 촉진하는 구조로 알려졌다. 특히 근육과 같이 세포형상이 정렬되어야 제 기능을 수행할 수 있는 조직의 재생에 마이크로/나노패턴은 중요하게 작용한다. 이를 위해 리소그래피 공정 그리고 전기방사 공정이 빈번하게 사용되었으나 세포 시딩(cell seeding) 시 불균일한 세포 분포와 적층이 어려워 3D 구조체 제작시 한계점을 갖는다.
  ○ 따라서, 정렬된 마이크로/나노패턴을 지닌 3차원 지지체를 제작할 수 있는 공정의 개발이 불가피하며 세포전기방사 공정은 그 가능성을 보여주고 있다.

 2. 연구내용
  ○ 연구팀은 생체친화적인 알지네이트(alginate)를 사용해 나노섬유구조를 제작하고자 했다. 하지만 낮은 가공성을 갖는 알지네이트 용액은 나노섬유 제작이 불가하여 가공성을 증진시키기 위해 폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 첨가하였다.
  ○ 세포섬유다발의 배열을 유도하기 위해 정전기적 유도 배열(electrostatic alignment) 방법을 적용하여 세포다발의 배열성을 얻었다. 또한 공정시간 등을 조절해 실제 근육의 배열성(FWHM* : 18.1o)과 유사한 배열성(FWHM : 14.6o)을 얻을 수 있었다. 개개의 세포섬유의 지름은 240 ± 0.07 nm으로 나타났고 전체 세포섬유다발의 지름은 70 ~ 100 mm으로 제작되었다. 이후 정립된 조건에서 근세포(myoblast)의 생존률을 측정했고 90%가 넘는 높은 초기 세포생존률을 확인할 수 있었다.
     * FWHM(Full width at half maximum; 반치전폭) : 단일 피크로 이루어진 분포곡선에서 피크 높이의 세로 좌표값의 2분의 1인 점을 통과하는 평행한 가로 직선에서 곡선과의 교차점이 두 개 생기고, 이 교차점 간의 거리를 의미한다.
  ○ 이후 배열된 섬유구조에서의 세포와 기존에 널리 사용된 3D 세포프린팅 공정으로 제작된 구조에서 세포와 비교했다. 배양 후 7일차에 섬유구조에서의 세포의 형상은 프린트 된 구조의 세포에 비해 2.8배 늘어난(elongation) 모습을 보였고 세포배열성은 3배 증가한 것을 확인했다. 또한 미오신중쇄(MHC)*로 분화도를 측정했을 때 섬유구조에서의 세포는 14일차 때 2.6배 높은 분화도를 나타냄을 알 수 있었다. 21일차에 성숙한 분화도를 나타내주는 근절 a액틴(sarcomere a-actin)*으로 확인했을 때 섬유구조의 세포가 확연히 배열되고 선명한 구조를 보여줬다.
     * 미오신중쇄(Myosin heavy chain; MHC) : 근섬유로 분화 시 필요한 단백질구조이다.
     * 근절 a액틴(Sarcomere a-actin) : 근섬유의 특징 중 하나인 옆줄무늬 구조 그리고 수축기구의 최소단위이며 성숙한 근섬유에서만 발견할 수 있다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 전기유체공정을 통해 마이크로/나노패턴을 갖는 근세포가 포함된 섬유다발을 제작할 수 있다. 이는 기존의 공정들이 해결하고자 했던 마이크로/나노패턴을 갖는 3차원 구조체를 제작하고 배열성 제어를 통해 세포의 방향성을 유도할 수 있는 유용한 공정이다.
  ○ 제작된 세포나노섬유는 세포가 일정한 방향으로 자라게 유도하며, 근세포가 일렬로 융합되고 배열되어야 근섬유로 분화할 수 있는 골격 및 심장근육(skeletal and cardiac muscle) 재생에 크게 기여할 것이다.
  ○ 또한 전기유체공정의 높은 가공성과 높은 생체적합성을 통해 인체의 다양한 배열된 조직을 재생하는데 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

□그림 설명

그림1. 전기유체공정 모식도 및 용액에 따른 전기방사성
좌측 그림은 전기유체공정을 나타내며 평행하게 배열된 전극으로 인해 섬유가 배열되는 모습과 제작된 세포담지 섬유다발을 보여준다. 우측 그림은 순수 알지네이트(대조군)와 알지네이트/폴리에틸렌옥사이드(개발된 바이오잉크)가 전기유체공정으로 제작되었을 때 모습을 비교해 보여준다.

그림2. 기존 3D세포프린팅 공정과 새롭게 개발된 전기유체공정 비교
(a)는 3D세포프린팅과 전기유체공정을 통해 제작한 지지체의 표면을 현미경(SEM)으로 관찰했다. 전기유체공정에서 (7일차)세포형상이 2.8배 늘어났고, (14일차)분화도가 2.6배 높다.(b)는 배양된 샘플에서 근섬유(근절 a-액틴)의 21일차 모습을 보면 개발된 전기유체공정에서 성숙한 분화도를 확인할 수 있다.

 ◆연구자 소개

 <김근형 교수, 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 성균관대학교 바이오메카트로닉스학과
 ○ 전 화 : 031-290-7828
 ○ e-mail : gkimbme@skku.edu

2. 학력
 ○ 2003년 미국 Wisconsin-Madison대학교 박사 (기계공학)

3. 경력사항
 ○ 2004 ~ 2005 삼성전자 선임 연구원
 ○ 2005 ~ 2008 한국기계연구원 선임 연구원
 ○ 2008 ~ 현재 성균관대학교 교수

4. 전문분야 정보
 ○ 조직재생공학 (피부, 근육, 내장기관, 뼈, 신경 등의 조직 재생을 위한 지지체 연구)
 ○ 바이오패브리캐이션 공정 개발 (전기유체공정, 3D/4D 프린팅 공정, 임프린팅 공정 등)

5. 연구지원 정보
 ○ 2018 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구자)
 ○ 2018 ~ 현재 질병관리본부 연구 개발과제

 <여미지 대학원생, 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 성균관대학교 바이오메카트로닉스학과
 ○ 전 화 : 031-299-4824
 ○ e-mail : yeomiji@skku.edu

2. 학력
 ○ 2015년   홍콩이공대학교 학사 (의용생체공학)
 ○ 2015 ~ 현재  성균관대학교 대학원 (생명공학)

3. 경력사항
 ○ 2016 글로벌박사펠로우쉽 장학생 선정

4. 전문분야 정보
 ○ 조직재생공학 (근육 조직재생을 위한 공정 디자인 및 시스템 연구)

<한국연구재단 제공>