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2026-03-16 (월)

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[신소재 신기술 (223)] "공기로 채운 스펀지"가 난치성 상처를 치료한다

차세대 인체 조직 재생용 바이오소재가 개발됐다. 손가락 한 마디 크기의 하얀 스펀지로 무게는 깃털처럼 가볍고, 내부는 95% 이상이 공기다. 미국 펜실베이니아주립대(Penn State) 연구팀이 인체 조직 재생용 차세대 바이오소재 '과립형 에어로겔 스캐폴드(GAS)'를 개발하고, 국제 학술지 '바이오 머티리얼즈(Biomaterials)'에 그 성과를 공개했다고 메디컬 익스프레스가 14일(현지시간) 보도했다. 이 소재를 상처 부위에 이식하면 세포가 스며들고, 혈관이 뻗어 들어오며, 손상된 조직이 되살아난다. 당뇨 합병증으로 수개월째 낫지 않는 족부 궤양, 방사선 치료 후 괴사한 피부, 3도 화상 자국-기존 치료법이 손을 든 상처들이 이 소재의 표적이다. "기공 크기를 마음대로 조절한다" 바이오소재(생체재료) 분야에서 오랜 숙제 중 하나는 이식 소재 내부의 기공(pore) 구조를 얼마나 정교하게 설계할 수 있느냐다. 기공은 산소와 영양소를 세포에 전달하고, 새 혈관이 자라 들어오는 통로 역할을 한다. 기공이 너무 작거나 서로 단절돼 있으면 세포가 침투하지 못하고, 조직 재생은 실패로 끝난다. 연구를 이끈 아미르 셰이키(Amir Sheikhi) 부교수(화학공학)는 이 문제를 해결하기 위해 '과립형 에어로겔 스캐폴드(Granular Aerogel Scaffolds, GAS)'라는 새로운 소재 플랫폼을 고안했다. 에어로겔(Aerogel)은 내부의 95% 이상이 공기로 구성된 초경량 다공성 소재다. 우주복 단열재, 해양 오염 흡착제 등 산업 분야에서 이미 활용되고 있지만, 의료용으로는 기공 구조를 세포 수준에서 제어하기 어렵다는 한계가 있었다. 기존 에어로겔은 건조 과정에서 구조가 무너지거나, 기공 크기와 강도가 연동돼 하나를 조절하면 다른 하나가 망가지는 문제가 반복됐다. GAS는 이 난제를 '레고 블록' 방식으로 풀었다. 단백질 기반의 마이크로입자(microscale building blocks)를 먼저 만들고, 이 입자들을 조립해 에어로겔을 구성하는 것이다. 입자 크기를 바꾸는 것만으로 최종 소재의 기공 크기와 연결 구조를 자유롭게 프로그래밍할 수 있다. 특히 강도(stiffness)는 건드리지 않으면서 기공만 독립적으로 조절할 수 있다는 점이 핵심 차별점이다. 시험관부터 살아있는 쥐까지-검증 완료 연구팀은 GAS를 시험관(in vitro)과 마우스 모델(in vivo)에서 모두 검증했다. 세포가 소재 내부로 얼마나 잘 침투하는지(cell infiltration), 그리고 새 혈관이 얼마나 빠르게 형성되는지(vascularization)를 측정한 결과, GAS는 기존 바이오소재 대비 우수한 성능을 보였다. 공동 저자인 디노 라브닉(Dino Ravnic) 외과 교수는 임상 관점에서 "이식 소재가 혈관화에 실패하면 조직 재생 자체가 불가능합니다. 특히 방사선 치료를 받은 환자, 당뇨 환자, 화상 환자는 이미 혈관 형성 능력이 저하돼 있어 기존 치료법으로는 한계가 있습니다. GAS는 이런 고위험군 환자들에게 새로운 선택지가 될 수 있습니다."라고 이번 연구의 의미를 강조했다. 재건 외과 전문의인 라브닉 교수는 "조직 손실 환자에게 맞춤형 인공 조직을 제공하는 것은 재건 외과의 궁극적인 목표"라며, GAS가 그 목표에 한 걸음 더 다가선 기술이라고 평가했다. 선반에서 바로 꺼내 쓰는 상처 치료제 GAS의 상용화 가능성도 주목된다. 셰이키 교수는 이 소재의 상온 보관 안정성(shelf-stable)을 특히 강점으로 꼽았다. 건조 후 멸균 처리해 장기 보관이 가능하고, 사용 직전 재수화(rehydration)해도 기공 구조와 기계적 특성이 그대로 유지된다는 것이다. 냉장 보관이 필수인 생물 의약품과 달리, 물류·유통 측면에서 훨씬 유리하다. 연구팀은 현재 특허 출원과 산업 파트너십을 모색 중이며, 향후 GAS에 성장인자나 면역 조절 물질 등의 생화학적 신호를 탑재하는 연구도 병행할 계획이다. 장기적으로는 근육세포, 피부세포 등 특정 세포를 미리 탑재한 '맞춤형 조직 패치' 형태로도 개발이 가능하다고 연구팀은 전망했다. [용어 설명] -에어로겔(Aerogel): 액체 성분을 기체로 치환해 만든 초경량 다공성 고체. 밀도가 매우 낮고 표면적이 넓다. -스캐폴드(Scaffold): 세포가 자라고 조직을 형성할 수 있도록 지지하는 3차원 구조체. -혈관신생(Vascularization): 새로운 혈관이 조직 내에 형성되는 과정. 조직 재생의 필수 조건이다. [논문 정보] Saman Zavari et al., "Granular aerogel scaffolds with engineered pore microarchitecture for rapid cell infiltration, tissue integration, and vascularization," Biomaterials (2026). DOI: 10.1016/j.biomaterials.2026.124021
- IT·과학
2026-03-16 11:30:12
[퓨처 Eyes(95)] 최고 정밀도 인간 게놈 지도 공개⋯'정크 DNA'·구조 변이 비밀 풀었다

인간 게놈 프로젝트가 완성된 지 22년 만에 인류 역사상 가장 방대하고 정밀한 인간 유전 변이 목록이 나왔다. 전 세계 1,084명의 유전체를 긴 DNA 조각으로 정밀하게 연결하고 비교한 이번 연구는 그간 베일에 싸여 있던 '구조 변이'의 실체를 대거 밝혔다. 구조 변이란 DNA 설계도에서 글자 하나가 바뀌는 작은 오류가 아니라, 문단 전체가 통째로 빠지거나 다른 곳에 복사되는 것처럼 유전 정보의 큰 덩어리가 변하는 현상이다. 또한 쓸모없다고 여겨졌던 '정크 DNA'와 스스로 복제해 이동하는 '점핑 유전자'의 새로운 기능을 확인했다. 과학계는 이번 성과가 난치성 질환 진단의 새로운 문을 열고 정밀 의료의 미래를 앞당길 획기적인 전환점이 되리라 기대를 모으고 있다. 코네티컷 대학교의 바버라 멜로니 분자세포생물학 교수는 "기념비적인 논문"이라며 "오랫동안 접근이 어려웠던 진단 사례들을 해결할 문을 열었다"고 평가했다. 국제 공동 연구팀은 지난 23일 과학 저널 '네이처(Nature)'에 두 편의 논문을 내고 이 같은 연구 결과를 발표했다. 연구팀은 최신 장문 염기서열 분석 기술을 써서 5개 대륙 26개 인구 집단을 대표하는 1,019명과, 이와는 별개로 5개 대륙 28개 인구 집단에서 확보한 65명의 게놈을 고해상도로 분석했다. 이는 2003년 인간 게놈 프로젝트 초안 발표, 2022년 최초의 '틈 없는(gapless)' 인간 게놈 완성, 2023년 '판게놈(pangenome)' 발표에 이은 또 하나의 중요한 이정표다. 판게놈은 한 사람의 유전 정보가 아닌, 여러 인종과 집단의 유전 정보를 합쳐 인류 전체의 다양성을 보여주는 일종의 '종합 게놈 지도'다. 이번 연구는 여기서 한발 더 나아가 인간 게놈 데이터에서 기존에 빠져 있던 92%를 채우며 유전체 지도의 완성도를 크게 높였다. 네이처에 이번 주 게재된 두 편의 논문은 유럽계 중심의 기존 유전체 분석을 넘어, 보다 다양한 인류 집단의 유전적 다양성을 조명하는 중요한 진전을 이뤘다. 첫 번째 논문에서 국제 공동연구팀은 다섯 대륙 26개 인구 집단을 대표하는 1,019명의 유전체를 분석했다. 연구진은 각 염기서열이 수만 개의 염기쌍으로 이루어진 '롱 리드(long read)' 데이터를 활용해 정밀도를 높였다. DNA는 이중나선 구조로, 염기쌍 하나는 그 사다리의 가로막대 하나에 해당한다. "기존의 100개 염기쌍 안팎의 짧은 읽기로는 서로 유사하게 생긴 유전체 영역들을 정확히 구분하기 어렵다"고 이번 연구에 참여한 바르셀로나 유전체조절연구소(CGR)의 박사과정 연구원 헤수스 에밀리아노 소텔로-폰세카는 설명했다. "반복서열이 많은 유전체에서는 이런 문제가 특히 심각하지만, 2만 염기쌍 수준의 장기 읽기를 사용하면 각 염기서열을 유전체 상의 고유한 위치에 정확히 할당할 수 있다"고 그는 전했다. 이번 연구에서 밝혀진 새로운 유전체 변이의 절반 이상은 이러한 반복 영역에서 발견됐다. 특히 그중 많은 수가 '점핑 유전자(jumping genes)'로 알려진 전이인자(transposon)에서 유래한 것으로 분석됐다. 전이인자는 유전체 내 여러 위치로 '이동'하면서 자신의 염기서열을 복사·붙여넣는 기능을 갖고 있다. 이들이 어디에 착지하느냐에 따라 유전체를 불안정하게 만들거나, 유해한 돌연변이를 유발해 암 등 질환을 일으킬 수 있다. 공동저자인 CGR의 독립 연구원 베르나르도 로드리게스-마르틴은 라이브 사이언스와 이메일 인터뷰에서 "이번 연구는 일부 전이인자가 조절 서열을 '탈취'해 자신들의 활성을 증폭시킬 수 있음을 보여준다"고 밝히며, "이는 이들의 돌연변이 유발 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다"고 설명했다. 특히 이번 연구에서는 일부 점핑 유전자가 특정 조절 분자인 '비암호화 장기 RNA(long noncoding RNA)'와 결합함으로써, 보통보다 훨씬 많은 복제본을 만들어내는 메커니즘도 포착됐다. 유럽분자생물학연구소(EMBL) 코르벨 연구실 출신의 로드리게스-마르틴 박사는 "이처럼 점핑 유전자가 조절 분자와 ‘동승’하는 방식은 매우 이례적인 생물학적 전략"이라며 "우리에게도 놀라운 발견이었다"고 밝혔다. 정밀도 높인 '원투 펀치' 분석 기술 이번 연구의 핵심 성과는 유전 정보의 큰 덩어리가 변하는 '구조 변이'에 대한 이해를 크게 넓힌 데 있다. 특히 과거 '정크 DNA'로 불리며 별다른 기능이 없다고 알려졌던 반복 서열에서 유전체 변이의 절반 이상이 발견돼, 그 생물학적 중요성을 새롭게 조명했다. 이러한 성과는 옥스퍼드 나노포어(Oxford Nanopore)와 퍼시픽 바이오사이언스(Pacific Biosciences)의 기술을 조합한 덕분이다. 옥스퍼드 나노포어의 기술은 DNA의 매우 긴 조각을 한 번에 읽어 전체적인 뼈대를 잡는 데 쓰였고, 퍼시픽 바이오사이언스의 기술은 각 글자(염기)를 아주 정확하게 읽어내 정밀도를 높이는 데 활용됐다. 코네티컷 대학교 보건센터의 크리스틴 벡 수석 저자 겸 유전학자는 이 '원투 펀치' 전략 덕분에 과거의 기술 장벽을 넘어 빠져 있던 게놈 영역을 밝힐 수 있었다고 설명했다. 연구팀은 각 개인의 염기서열을 부모에게서 함께 물려받는 유전자 묶음인 '하플로타입(haplotypes, 일배체형)'으로 나눈 뒤, 이를 기준 게놈과 비교해 질병을 유발할 수 있는 구조 변이를 찾아냈다. 암·당뇨병 등 질병 핵심 유전자 첫 해독 연구팀은 당뇨병, 척수성 근위축증 같은 질병과 연관된 가장 복잡한 유전 영역 일부를 완벽하게 해독했다. 대표적인 예로 면역 반응의 핵심인 '주조직적합성복합체(MHC)' 영역이 있다. MHC는 우리 몸의 세포가 '나'인지 아니면 외부에서 침입한 '적'인지를 구별하는 신분증 역할을 하는 중요한 부분이다. 이 영역의 유전 정보는 암, 제2형 당뇨병, 바이러스 감수성의 개인차와 관련이 깊다. 또한, 척수성 근위축증 치료제 표적인 SMN1 및 SMN2 유전자의 서열과, 녹말 음식 소화를 돕는 아밀라아제 유전자 묶음도 완전히 해독했다. 세포 분열의 중심 역할을 하는 '동원체(centromere)'의 숨겨진 특징도 드러났다. 동원체는 세포가 분열할 때 염색체가 양쪽으로 정확하게 나뉘도록 밧줄(방추사)을 거는 고리 같은 역할을 한다. 이 고리를 이루는 '알파 위성 배열'이 개인에 따라 그 길이가 최대 30배까지 차이 날 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 벡 박사는 이런 동원체 변이가 다운 증후군, 에드워즈 증후군, 파타우 증후군과 같은 삼염색체성 질환, 즉 특정 염색체를 3개 갖는 염색체 이상을 일으킬 수 있다고 설명했다. '단일 염기' 넘어 '구조 변이'로…정밀 의료의 새 길 이번 연구 결과는 정밀 의료에 중대한 영향을 미친다. 서던캘리포니아 의과대학의 찰스턴 치앙 의학 집단 유전학자는 "이번 연구는 개인의 질병 위험도를 더 명확히 정의하는 데 근본 구실을 한다"고 말했다. 그는 과거 유전병 진단 연구가 대부분 DNA 글자 하나만 바뀌는 작은 변이(단일 염기 다형성, SNP)를 찾는 데 집중해, 이번 연구에서 다룬 '문단' 단위의 큰 변화(구조 변이)를 지나쳐왔다고 지적하며, 이번 연구가 이를 보완할 초석을 마련했다고 평가했다. "유전 다양성 보고는 아프리카"…편중된 연구에 경종 연구의 또 다른 뜻은 샘플의 다양성에 있다. 이번 연구에서 아프리카계 혈통 샘플에 가장 많은 구조적 다양성이 나타났는데, 이는 인류 유전적 다양성의 가장 깊은 원천이 아프리카에 있다는 기존 이론을 뒷받침한다. 멜로니 교수는 전통적으로 유럽계에 치우쳤던 기준 게놈을 생각할 때 이 발견이 꼭 필요하다고 덧붙였다. 물론 치앙 박사는 표본 크기가 여전히 적다는 점을 지적하며, 전 세계 인구 전체를 대표하려면 더 많은 분석이 필요하다고 말했다. 그럼에도 그는 "우리 분야가 유전 변이 데이터 생성 쪽에서 나아가고 있는 명백한 방향"이라며 "오랫동안 논의해 온 생각들이 하나씩 실현되고 있다"고 기대를 나타냈다.
2025-07-31 15:05:42
[신소재 신기술(91)] 노스웨스턴대 연구팀, 연골 재생 신소재 개발 성공

연골을 성공적으로 재생하는 새로운 생리활성 소재가 개발됐다. 미국 노스웨스턴 대학교 연구팀은 손상된 무릎 연골을 재생하는 새로운 생체 활성 물질을 개발하고, 대형 동물 모델을 이용한 실험에서 성공적인 결과를 얻었다고 메디컬 익스프레스가 전했다. 위의 사진에 보이는 것처럼 연구팀이 개발한 물질은 젤리처럼 보이지만, 실제로는 연골의 자연 환경을 모방하는 복잡한 분자 구성 요소들로 이루어진 네트워크다. 나노섬유는 분홍색, 히알루론산은 보라색으로 표시되어 있다. 연구팀은 새로운 생체 재료 물질을 동물 모델인 양의 손상된 무릎 연골에 적용한 결과, 6개월 이내에 새로운 연골이 생성되는 것을 확인했다. 새로 생성된 연골은 통증 없는 기계적 탄력성을 가능하게 하는 천연 생체 고분자인 콜라겐 II와 프로테오글리칸을 포함하고 있었다. 팀은 이번 연구 결과가 앞으로 무릎 전치환술을 예방하고, 골관절염과 같은 퇴행성 질환이나 스포츠 관련 부상 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 해당 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다. 연골 재생 복구 유도 기대 연구를 이끈 노스웨스턴 대학교의 사무엘 스텁 교수는 "연골은 우리 관절의 중요한 구성 요소"라며 "연골이 손상되거나 시간이 지남에 따라 분해되면 사람들의 전반적인 건강과 이동성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 문제는 성인의 연골은 자연적으로 치유되는 능력이 없다는 것이다. 우리의 새로운 치료법은 자연적으로 재생되지 않는 조직의 복구를 유도할 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 스텁 교수 연구팀이 최근 발표한 '춤추는 분자'를 사용해 인간 연골 세포를 활성화시키고 조직 매트릭스를 구축하는 단백질 생산을 촉진하는 연구 결과에 이어 진행됐다. 새로운 연구에서는 '춤추는 분자' 대신 스텁 교수 연구실에서 개발된 하이브리드 생체 재료를 사용했다. 이 새로운 생체 재료는 연골 성장 및 유지에 필수적인 단백질인 TGFb-1에 결합하는 생체 활성 펩타이드와 연골 및 관절의 윤활 활액에 존재하는 천연 다당류인 히알루론산으로 구성되어 있다. 스텁 교수 연구팀은 생체 활성 펩타이드와 화학적으로 변형된 히알루론산 입자를 통합하여 나노 섬유가 연골의 자연 구조를 모방하는 다발로 자가 조직화되도록 유도했다. 목표는 신체 자체 세포가 연골 조직을 재생할 수 있도록 매력적인 골격을 만드는 것이었다. 나노 섬유의 생체 활성 신호를 사용하여 이 물질은 비계를 채우는 세포에 의한 연골 복구를 촉진한다. 슬개골 결함 있는 양 실험 연구팀은 이 물질의 연골 성장 촉진 효과를 평가하기 위해 슬개골에 연골 결함이 있는 양을 대상으로 실험했다. 양의 슬개골은 인간의 무릎과 유사한 복잡한 관절이다. 스텁 교수에 따르면 양 모델 실험은 매우 중요하다. 양의 연골은 인간과 마찬가지로 완고하고 재생하기가 매우 어렵다. 양의 슬개골과 인간의 무릎은 또한 체중 부하, 크기 및 기계적 부하와 유사하다. 이 연구에서 연구진은 걸쭉한 페이스트 같은 물질을 연골의 결함 부위에 주입했고, 이 물질은 고무 같은 매트릭스로 변형됐다. 스캐폴드(Scaffold)가 분해되면서 결함 부위를 채우기 위해 새로운 연골이 자랐을 뿐만 아니라 복구된 조직은 대조군에 비해 품질이 지속적으로 더 높았다. 스텁 교수는 미래에 이 새로운 물질이 개방형 관절 수술 또는 관절경 수술에 적용될 수 있다고 예상한다. 현재 표준 치료법은 미세 골절 수술로, 외과의사가 기저 뼈에 작은 골절을 만들어 새로운 연골 성장을 유도하는 것이다. 스텁 교수는 "미세 골절 접근 방식의 주요 문제점은 기능적인 관절을 위해 필요한 히알라인(유리질) 연골이 아니라 귀에 있는 연골과 같은 섬유 연골이 형성되는 경우가 많다는 것이다. 유리질 연골을 재생함으로써 우리의 접근 방식은 마모에 대한 저항력을 높여야 하며, 장기적으로 이동성 저하와 관절 통증 문제를 해결하고 동시에 대형 하드웨어를 사용한 관절 재건 필요성을 피할 수 있어야 한다"고 말했다.
2024-08-07 11:43:05
美 캘텍, 바이러스만큼 작고 강력한 3D 프린팅 금속 개발

독감 바이러스보다 작고 내결함성이 크게 향상된 새로운 3D 프린팅 금속이 개발됐다. 현재의 3D 프린터는 완성된 모형의 품질이 기존 제품보다 떨어진다는 단점이 있었다. 과학기술 전문매체 톰스하드웨어(tom’s HARDWARE)는 최근 미국 캘리포니아 공과대학교(캘텍, Caltech) 연구자들이 독감 바이러스만큼 작은 금속재료로 3D 프린팅에 성공한 사례를 소개했다. 캘텍의 제조 방법에 따르면 150나노미터(독감 바이러스와 비슷한 크기)의 작은 금속재료를 비슷한 크기의 기존 재료보다 3~5배 더 견고하게 만들 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이 방법으로 금속을 3D 프린팅하는 것이 좋은 이유는 무엇일까. 작은 규모의 재료 제조는 원자 수준에서 복잡한 미세 구조를 가지며, 이는 큰 금속 물체에서 심각한 결함을 일으킬 수 있다. 그러나 나노 규모에서는 상황이 달라진다. 완벽하고 결함이 없는 나노 기둥은 자체적인 접촉으로 인해 무너질 수 있지만, 결함이 많은 나노 기둥은 오히려 결함에 대한 내성이 크게 향상된다. 이번 연구 논문의 주 저자인 웬싱 창(Wenxin Zhang)에 따르면, 나노 구조물 내부의 기공은 전체 구조를 약화시키기보다는 결함을 거의 즉시 중단시킬 수 있다. 이는 무엇을 의미할까. 나노 규모에서 물리학의 법칙이 매우 독특해지며, 이 분야의 기술 발전에 따라 우리는 이러한 비정상적이고 모순적인 현상을 더 자주 목격하게 될 것이다. 더 중요한 것은, 이러한 발견이 나노 크기의 센서, 열 교환기 등과 같이 매우 유용한 다양한 제품을 제조하는 데 사용될 수 있다는 점이다. 비록 기술적으로는 3D 프린팅의 일종이지만, 캘텍 연구소에서 사용되는 나노 스케일 재료의 특수 제작 과정은 소비자용 최고의 3D 프린터에서 구현하기는 거의 불가능할 것이다. 이 과정은 매우 복잡하며, 감광성 혼합물을 만드는 것부터 시작해, 이 혼합물을 레이저로 경화시키고, 니켈 이온이 함유된 용액을 주입하며, 물질을 굽고, 부품에서 화학적으로 산소 원자를 제거하는 단계를 포함한다. 3D 프린팅은 평면의 문자나 그림을 인쇄하는 것이 아니라, 입체적인 형태를 만들어내는 과정이다. 이 기술은 3차원 공간에 실제 사물을 생성하여 의료, 생활용품, 자동차 부품 등 다양한 물건을 제작할 수 있다. 3D 프린터에는 잉크 대신 플라스틱, 나일론, 금속과 같이 입체 도형을 만드는 데 사용되는 재료가 들어 있다. 이러한 재료를 활용하는 기술의 발전으로 이제는 고무, 종이, 콘크리트, 심지어 음식까지 다양한 재료를 이용한 3D 인쇄가 연구되고 있다. 한편, 한국의 정형외과용 임플란트 기업 오스테오닉이 자체 기술로 개발한 3D 프린팅 척추 임플란트 제품인 ‘지니아 3D 프린티드 케이지(ZINNIA 3D Printed Cage)’를 최근 출시했다. 이 제품은 인체 친화적인 티타늄 파우더로 3D 프린팅되어 척추 퇴행성 질환, 디스크 손상 또는 탈출 등의 치료에 사용되는 추간체 유합 보형재다. '지니아 3D 프린티드 케이지'는 인체 뼈의 해면골 구조를 모방한 다공성 설계로, 기존의 추간 유합 보형재와 달리 뼈 형성을 조기에 촉진하는 ‘생체 모방 다공성 스캐폴드’가 특징이다.
- 생활·문화
2023-11-15 11:17:48