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  • 기사등록 2020-08-27 12:00:03
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[기계신문] 고려대학교 신소재공학과 김영근, 강희민 교수 연구팀이 임플란트 소재 표면에서 세포의 부착과 분화를 조절할 수 있는 생체내 나노코딩 제어 시스템을 개발했다.


줄기세포는 세포외 환경을 감지하며, 뼈, 지방, 근육, 심근, 혈관, 연골 등 다양한 세포로 분화할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 최근에는 이러한 특성을 이용하여 손상된 장기, 조직을 재생시키기 위해 줄기세포 또는 줄기세포에서 분화된 세포의 체내이식이 많이 연구되고 있다.


이를 위해 줄기세포의 재생 효과를 효율적으로 제어하기 위한 방법으로 생체 내에서 리간드의 제시를 통한 기술이 널리 이용되고 있다. 그러나 기존의 마이크로 규모의 인테그린 리간드 펩티드(RGD)가 숙주 줄기세포의 부착을 조절할 수는 있지만, 줄기세포의 분화에 대한 조정은 하지 않는 문제가 있다.


또한 세포외 기질을 효율적으로 모사한 RGD 주기적 혹은 배열순서의 나노코딩 시스템은 줄기세포의 부착, 세포역학신호 변환(mechano transduction), 분화 메커니즘에 대한 이해에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.


연구팀은 펄스전기도금법을 이용하여 철-금 다층 구조를 나노선을 제조하였고, 금과 같은 특정 금속에만 선택적으로 RGD 리간드를 코팅하는 방식으로 세포 부착(ligation) 영향을 주는 나노코딩 시스템을 개발했다.


이때 펄스전기도금은 각 금속이온의 환원전위에 따라 서로 다른 크기의 전류 혹은 전압을 도금용액에 인가하여 특정 금속 이온만의 환원을 유도하는 나노소재 합성 방식이다.



▲ 나노바코드를 이용하여 임플란트 소재 표면 위에서 리간드의 주기성과 배열순서를 정밀하게 제어할 수 있는 나노 코딩을 통한 줄기세포의 부착 및 분화의 조절이 가능한 시스템의 모식도



소재는 인테그린 수용체의 크기를 고려하여 지름 70 nm, 총길이 600 nm 정도로 설정되었으며, 철(0)과 금(1)의 배열을 규칙적, 비규칙적 형태로 다양한 표현형을 가지도록 하여 RGD 배열을 조절하였다.


구체적으로 위에서 언급한 주기성은 300 nm씩 (01), 150 nm씩 (01)2, 75 nm씩 (01)4, 30 nm씩 (01)10으로 규칙적인 배열순서와 끝단에 RGD 배열이 되는 것을 고려한 150 nm씩 (0110), 75 nm씩 (0110)2의 비규칙적인 배열순서가 사용되었다.


체외 및 체내 세포 실험에서 동일하게 리간드의 주기성이 낮아질수록, 배열순서가 끝단에 위치할수록 줄기세포의 부착 및 골분화율이 확연히 증가하는 것을 확인할 수 있었다.


이러한 실험 결과를 기반으로 체외 및 체내 세포 실험에서 줄기세포의 부착과 골분화의 차이를 확인함으로써 나노바코드의 RGD 주기성 및 배열 순서를 제어하여 줄기세포의 세포 부착 및 분화 촉진 조절이 가능함을 검증할 수 있었다.



▲ 나노바코드는 그 마디의 주기성과 배열순서를 다르게 하여 다양한 표현형을 가지도록 유도되었고, 나노리간드 주기성이 낮고 배열순서가 끝단에 위치할수록 줄기세포의 부착율과 골세포로의 분화율이 성공적으로 향상되는 모식도



강희민 교수는 “나노바코드를 이용한 리간드 주기성과 배열순서의 정밀한 코딩 제어 시스템 개발로 임플란트 소재의 생체내 줄기세포의 제어 가능성을 검증한 데 의의가 있다”며 “이번 연구에서 개발된 나노바코드는 세포 분화를 조절하여 원하는 조직의 재생을 통한 다양한 재생치료 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.


이번에 개발된 나노바코드 기반의 플랫폼은 줄기세포뿐 아니라 대식세포, 암세포 등에도 적용이 가능할 것으로 예측되며, 나노소재 기반 바이오 메디컬 분야에 폭넓은 방향으로 연구가 적용될 수 있을 것으로 기대된다.


또한, 줄기세포 분화를 조절하여 원하는 조직의 재생을 통한 다양한 재생치료·의학에 적용이 가능하고, 최근 의학계에서 중요한 이슈로 떠오르고 있는 환자 개개인 맞춤형 치료에 상용화될 가능성이 있다.


한편, 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 신진 연구자지원사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘Advanced Materials’에 제1저자 민선홍 석박사통합과정생, 제1저자 전유상 박사, 교신저자 김영근 교수, 교신저자 강희민 교수 순으로 8월 21일 게재되었다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

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