국내 과학자들이 금이 간 뼈 조직의 성장을 촉진하는 '뼈 반창고' 역할을 할 수 있는 신소재를 개발했다.

뼈 재생은 복잡하고 기존의 골 이식 및 성장 인자 전달 등과 같은 재생을 할 경우, 높은 단가 발생 등의 한계가 있었다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 전남대학교 융합바이오시스템기계공학과 김장호 교수 연구팀과 협업을 통해 하이드록시아파타이트(HAp)의 고유한 골 형성 능력을 활용해 압력을 가했을 때 전기적 신호가 발생하는 압전 생체 모방 지지체를 개발했다다고 25일 발표했다.

하이드록시아파타이트는 뼈나 치아에서 발견되는 염기성 인산칼슘으로 생체 친화적인 특징이 있으며, 충치를 예방하는 특성이 있어 치약에도 쓰이는 미네랄 물질이다.

이전의 압전 지지체 관련 연구들은 압전성이 뼈 재생을 촉진하고 골 융합을 향상하는 효과를 다양한 고분자 기반 소재에서 확인했지만, 최적의 골조직 재생에 필요한 복잡한 세포 환경을 모사하는 데 한계가 있었다.

그러나 이번 연구에서는 하이드록시아파타이트 고유의 골 형성 능력을 활용해 생체의 골조직 환경을 모방하는 소재를 개발해 새로운 방법을 제시했다.

홍승범 교수 연구팀 소속 주소연 박사과정 학생과 김소연 석사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 2024년 1월 4일 국제학술지 '응용재료와 표면(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 게재됐다.

연구팀은 하이드록시아파타이트를 고분자 필름과 융합하는 제조 공정을 개발했다. 이 공정으로 제작된 유연하고 독립적인 지지체는 실험 쥐를 대상으로 한 체외 및 체내 실험에서 뼈 재생을 가속하는 놀라운 잠재력을 입증했다는 것이 연구팀의 설명이다.

또한, 연구팀은 동 지지체의 골 재생 효과의 원인을 다각도로 밝혀냈다. 원자간력 현미경(AFM) 분석을 통해 지지체의 전기적 특성을 조사했으며, 세포 모양과 세포 골격 단백질 형성에 대한 상세한 표면 특성 평가를 진행했다. 또한, 압전과 표면적 요소가 성장 인자 발현에 어떤 영향을 미치는지 조사했다.

홍승범 신소재공학과 교수는 "뼈의 재생 속도를 가속화시키는 효과를 통해 '뼈 반창고' 같은 역할을 하는 하이드록시아파타이트 융합 압전성 복합소재를 개발했다"며, "이번 연구는 생체 재료 설계에 새로운 방향성을 제시하는 데에 그치지 않고, 압전성과 표면적 특성이 뼈 재생에 미치는 영향을 탐구한 데에 의의가 있다"고 강조했다.

압전성이란 물질에 변형이나 응력을 가하면 전기적인 분극이 발생하거나, 반대로 물질을 전자장에 두면 변형이나 응력이 발생하는 현상이다.

한편, 지난해 11월 카톨릭대 은평성모병원 정형외과 박형열 교수와 서울성모병원 정형외과 김영훈 교수 연구팀은 척추 골절을 입은 환자에게 수술로 '골형성 단백질'을 주입하면 빠르게 뼈를 재생 시킬 수 있다는 사실을 입증했다.

골형성 단백질은 척추와 치아 등 손상 부위의 뼈 재생 속도를 높이는 성장인자인데, 다양한 임상 분야에서 활용 범위가 확대되고 있다.

최근 연구에서는 퇴행성 척추 질환에 척추 유합술을 할 때 골형성 단백질을 사용하면 유합률이 100%에 가까운 것으로 나타났다. 척추 유합술은 골절이나 퇴행성 질환 등 척추에 발생하는 여러 종류의 병변을 치료하기 위해 시행되는 수술이다.

그동안 척추 골절 치료 분야에서 골형성 단백질을 활용해 뼈 재생을 촉진하는 결과를 확인한 연구는 없었는데 이번 연구를 통해 학계 최초로 같은 효과가 있다는 것을 증명했다.