어피 유래 탈세포화 세포외기질 기반 바이오잉크와 양방향 광가교 바이오프린팅 시스템을 응용한 근육 재생용 세포구조체 제작

성균관대학교 김근형 교수 연구팀이 어피(물고기 껍질)를 활용한 바이오잉크를 개발해 근육 재생 기술에 혁신을 일으켰다. 기존 포유류 유래 바이오잉크의 염증 반응과 낮은 혈관 신생 능력을 극복하기 위해 해수어와 담수어 유래 세포외기질을 사용했다.

그림.1 어피 유래 복합 소재 기반 바이오잉크

바이오잉크는 세포 운반체이자 세포가 자라는 기반으로, 주로 하이드로젤로 제작이 된다. 현재까지 대부분 돼지와 같은 포유류 유래 콜라겐 및 탈세포화 세포외기질이 사용되어 왔으나, 이는 높은 염증 반응과 낮은 혈관 신생 능력의 한계를 가지고 있었다.

김근형 교수 연구팀은 해수어와 담수어의 탈세포화 세포외기질을 결합하여 어피 기반 바이오잉크를 개발했다. 해수어 유래 오메가-3 지방산이 혈관화와 항염증 효과를 제공하며, 담수어 유래 성분은 가공성을 높인다. 특히 양방향 광가교 바이오프린팅 시스템을 통해 근육 조직을 정밀하게 모사할 수 있었다.

동물 실험 결과, 어피 유래 바이오잉크는 기존 포유류 유래 바이오잉크보다 근육 재생 및 기능 회복에 뛰어났고, 염증 반응은 감소했다. 또한, 혈관 및 신경근 접합부 형성도 향상되었다.

김근형 교수는 "어피 유래 바이오잉크는 혈관 신생 능력이 뛰어나고 염증 반응이 낮아 다양한 조직 재생에 활용될 수 있으며, 환경적·경제적 이점도 기대할 수 있다"고 밝혔다.

형상가공성이 향상된 다공성 콜라겐 바이오잉크 개발 및 뼈 미세 환경의 계층구조 모사한 뼈 조직 재생용 바이오프린팅 플랫폼 개발

그림 2. 다공성 콜라겐 바이오잉크

기존 하이드로젤은 물성이 부족해 바이오프린팅에 적용하기 어려웠고, 인공 조직 내 원활한 산소 및 영양분 공급을 위해 필수적인 공극 구조 형성에 한계가 있었다.

기존 바이오잉크는 그물 형태로 쌓거나 공기를 주입해 공극 구조를 만들었지만, 세포 활성이 제한되거나 물성 감소 등 문제가 있었다. 특히, 뼈와 같은 생체조직의 미세 구조를 제대로 모사하기 어려웠다.

김근형 교수 연구팀은 마이크로 공극 구조를 가지면서 3차원 형상 가공성이 크게 향상된 콜라겐 기반 바이오잉크를 개발해 이러한 문제를 해결했다. 

김근형 교수는 "이번 연구는 바이오잉크의 가공성과 생물학적 특성 간의 균형을 맞춘 신개념 바이오잉크를 개발한 것이며, 이를 통해 기존에는 어려웠던 혈관화된 생체 장기의 세부 묘사 및 3차원 구조 모사가 가능해졌다. 앞으로 다양한 조직 재생 연구 및 질병 연구에도 직접 적용될 수 있을 것으로 기대된다."라고 밝혔다.

위 연구 결과들은 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 바이오산업핵심기술개발사업과 질병관리청 사업을 통해 지원받아 수행되었으며, 각각 국제 학술지인 Applied Physics Reviews (주저자: 조서율, IF=15.0)*에 게재를 앞두고 있고, Advanced Functional Materials (주저자: 구영원, IF=19.0)**에 2월 28일 온라인상으로 발표되었다.

*논문명: Bioengineered Cell-constructs Using Decellularized Fish Skin-Based Composite Bioink for Regenerating Muscle Tissue

**논문명: An Approach for Fabricating Hierarchically Porous Cell‐Laden Constructs Utilizing a Highly Porous Collagen‐Bioink

*출처: 성대뉴스  Research Stories