‘조직 재생 필러’로 빠른 로봇 재활 가능성 열었다
- IBS 뇌과학 이미징 연구단, 손상된 근육‧신경 재생 돕는 주사형 조직 보형물 개발 -
- 심각한 근육‧신경 손상으로 걷지 못하던 쥐, 3일 만에 보행 … Nature 誌 게재 -
근육이나 신경 손상 초기에 빠른 재생을 돕는 새로운 조직 보형물 소재가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단(단장 김성기) 신미경 교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 부교수)와 손동희 교수(성균관대 전자전기컴퓨터공학과 부교수) 연구팀은 손상된 조직의 기능을 대체하는 주사 주입형 바이오 신소재를 개발했다. 더 나아가 이 소재를 기반으로 근육과 신경이 심하게 손상되어 걷지 못하던 동물모델에 적용해 빠른 조직 재생 및 재활 효과를 확인했다.
심각한 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 만성적으로 근육이 기능적으로 결손되고, 이로 인한 장애가 유발될 수 있다. 근력 감소로 인한 환자 삶의 질 저하를 막으려면 근육의 정상적 회복을 촉진하는 동시에 움직임의 즉각적 회복을 돕는 재활 치료가 필요하다.
손상된 신경‧근육 회복에 있어 보행 보조 로봇 등 웨어러블 장치와 체내 이식형 소자가 통합된 ‘폐회로 보행 재활 기술’이 각광 받는다. 하지만 체외 장치와 체내 조직을 연결하기 위한 소자들의 크기가 커서 복잡하고 작은 손상된 조직 영역에 이식하기 어려웠다. 또한, 딱딱한 소자가 부드러운 조직에 지속적인 마찰을 일으켜 염증이 유발된다는 것도 문제였다. 즉, 기존 기술로는 단시간에 환자의 보행 재활을 기대하기는 어려웠다.
이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 생체조직처럼 부드러우면서도 조직에 잘 접착되고, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 새로운 소재 개발에 착수했다. 우선 연구진은 피부 미용용 필러로 쓰이는 히알루로산 소재를 기반으로 조직처럼 부드러운 하이드로젤 소재를 만들었다. 여기에 금 나노입자를 투입해 전기 저항을 낮췄다. 또한, 기계적 안정성을 높이기 위해 분자들이 자유롭게 재배열하게 제조하여 필러처럼 주사로 국소적 손상 부위에 주입할 수 있도록 했다.
연구진은 손상된 근육과 신경에 제작한 보형물을 주사로 주입했을 때, 좁고 거친 손상 조직 표면에 보형물이 밀착 접촉됨을 확인했다. 나아가 보형물은 조직 손상 부위를 채워 건강한 조직에서 발생하는 전기생리학적 신호를 성공적으로 전달했다. 보형물 자체를 전극으로 사용하여 조직에 전기 자극을 가하거나, 조직으로부터 발생하는 신호를 계측할 수 있음을 확인한 것이다.
이어 연구진은 동물실험을 통해 빠른 근육 재생 및 재활 효과도 확인했다. 경골전방근육이 심하게 손상된 설치류 모델의 조직 손상 부위에 제작한 보형물을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식했다. 우선, 전도성 하이드로젤을 조직 손상 부위에 채우는 것만으로도 조직 재생이 개선됐다. 신경 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근전도 신호를 계측하여 보행 보조 로봇을 작동, 소동물의 보행을 성공적으로 보조할 수 있었다. 더 나아가, 신경 자극을 따로 주지 않아도 전도성 하이드로젤의 조직 간 신호 전달 효과를 이용하면 로봇 보조를 통한 소동물의 보행 재활 훈련이 가능하다는 점도 확인했다. 조직이 손상되어 잘 걷지 못하던 실험 쥐는 단 3일 만에 로봇 보조를 통한 정상적 보행이 가능하게 되었다.
신미경 교수는 “신경근 회복을 위해 재활 훈련이 요구되는 심각한 근육 손상에 손쉽게 적용할 수 있는 주사 가능한 전기 전도성 연조직 보형물을 구현했다”며 “근육과 말초신경 뿐만 아니라 뇌, 심장 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 조직 재생용 신물질로 활용 가능할 것”이라고 말했다.
손동희 교수는 “우리 연구진이 제시한 새로운 바이오 전자소자 플랫폼은 재활 치료가 어려운 신경근계 환자들의 재활 여건을 크게 개선할 수 있을 것”이라며 “전기생리학적 신호 계측 및 자극 성능을 활용하면 향후 인체 내 다양한 장기의 정밀 진단 및 치료까지 확대될 수 있다”고 말했다.
연구진은 다양한 손상 조직에 전도성 하이드로젤을 주사하여 회복 가능성을 확인하는 한편, 임상 수준에서 최소침습적인 재활 시술로 이어지기 위한 후속 연구를 진행 중이다. 연구 결과는 11월 2일 01시(한국시간) 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature, IF 64.8)’ 온라인판에 실렸다.
논문/저널
Injectable tissue prosthesis for instantaneous closed-loop rehabilitation / Nature
연구 이야기
[연구 배경] 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 골격근이 비수축성 섬유 조직으로 대체되어 만성적인 근육 기능 결손 및 장애가 유발될 수 있다. 초기에 적절한 재활 치료가 중요하고, 장기적으로 근육의 정상적 회복을 촉진할 수 있어야 한다. 외과 수술, 외상, 선천성 및 후천성 이상으로 인한 신경 및 근골격 손상은 종종 좁거나 깊은 부위에 발생한다. 손실된 조직의 기능을 대체하고 남은 조직들이 원활하게 상호 작용하여 제 기능을 수행하려면 즉각적인 보철이 필요하다.
기존의 바이오 전자장치는 한정된 공간에 적용하기 어려우며, 대부분 딱딱한 특성이 있어 부드러운 조직에서 사용하기 어렵고 추가 개방 수술이 필요했다. 그러나 본 연구에서 개발한 주사 가능한 전도성 하이드로젤은 우수한 전기생리학적 신호 측정과 자극 능력을 갖추고 있어, 새로운 바이오 전자 소자 플랫폼의 형태를 제시할 뿐만 아니라 로봇과 폐-루프 시스템을 통해 즉각적인 재활 보조를 위한 신경근 보형물로 활용될 수 있었다.
[성과 차별점] 기존 개발됐던 주사 주입형 전도성 하이드로젤은 약한 가교결합의 사용으로 재료의 기계적 물성이 매우 약해 체내에서 형태를 유지하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 기계적으로 강한 공유결합을 사용할 경우 주사 주입 시에 가해지는 스트레스를 견디지 못하고 끊어진다. 물성이 강하면서도 주사 주입 가능한 하이드로젤은 아니었다는 의미다.
우리 연구진은 기계적으로 강한 공유결합을 하면서 자유롭게 재배열 가능한 바이페닐 링(biphenyl ring)과 가역적 동적결합을 동시에 갖는 새로운 가교결합에 기반한 하이드로젤을 제조했다. 또한 가교 과정 시에 금 이온을 촉매로 활용하여 금 나노입자가 하이드로젤 내부에 균일하게 형성되도록 했다. 덕분에 하이드로젤이 신축될 때도 전도성이 잘 유지된다.
또한, 하이드로젤은 신경 접착력을 보유하고 있어 좁고 복잡한 형태를 가진 신경에 안정적으로 인터페이싱 할 수 있고, 신경 신호 계측과 자극도 가능했다. 더 나아가 조직과 조직 사이를 물리적, 기능적으로 연결시켜 줄 수 있어 조직 손상으로 인해 끊어졌던 생체 신호가 양방향으로 잘 전달되는 것을 보여주었다.
[연구 과정] 우리 연구진은 수술로 접근하기 어려운 부위에 효과적으로 도입될 수 있는 주사 가능한 조직 보철용 전도성 하이드로젤 소재를 개발했다. 이미 주름 개선을 위한 피부 필러로 허가된 히알루론산 소재로 하이드로젤을 제작했다. 비가역적이지만 자유롭게 재배열 가능한 페닐-페닐 결합으로 가교됐다. 고분자 가교와 동시에 하이드로젤 내부에 전도성 금 나노입자를 형성하게 하여 하이드로젤 소재에 낮은 임피던스를 부여했다. 기타 페닐보레이트 기반 수소결합, 금속 배위 결합 등을 통해 조직과 유사한 기계적 물성을 보유하면서도 조직접착성, 주사 가능한 특성을 모두 보이는 하이드로젤 기반 신소재를 개발했다. 하이드로젤 내에 있는 동적 가교결합(배위결합, 이온결합)과 페닐-페닐 공유결합은 주사 과정에서 발생되는 높은 전단응력 하에서 끊어지거나 회전에 의해 재배열되며, 이는 스트레스를 분산시킬 수 있어 하이드로젤에 높은 기계적 안정성을 부여한다.
전도성 하이드로젤은 조직에 전기 자극을 가하거나, 조직으로부터 발생하는 신호를 계측하는 양방향성 조직 인터페이싱이 가능하다. 이러한 특성을 기반으로 우리 연구진은 조직 손상 직후에 기능적 회복을 가능하게 한 폐-루프 보철 시스템을 구현했다. 구축된 시스템은 실제 근육이 동작하는 특성을 모방하였고, 상용화된 보철과 유사한 방식으로 근육 신호(근전도)를 읽어 로봇을 통해 보행 보조를 해주었다.
근육 손실로 인해 약해진 근전도를 주사 주입 전도성 하이드로젤을 통해 일차적으로 보철해서 기능적 회복을 하고, 이차적으로 직접 근육에 자극하지 않고 환자에 맞춰 적응형으로 신경 자극을 가해주어 로봇을 구동시켜 보행을 보조하였다. 이러한 보철 시스템의 적용은 근육 손상으로 인해 걷지 못하던 쥐를 수술 후 단 3일 만에 걷게 도와주었다.
[향후 연구계획] 우리 연구팀은 개발된 주사 가능한 전도성 하이드로젤을 개방 수술 없이 신경 손상 부위에 정교하게 주사함으로써, 다양한 손상된 조직의 재생 촉진 가능성을 검증하는 중이다. 임상 응용에 적합한 최소침습적 방식으로 이 기술을 발전시키기 위한 연구도 병행하고 있다. 이를 통해 신경근 조직의 자연스러운 재생을 촉진하는 새로운 신물질을 개발할 것으로 기대하고 있다. 이러한 노력은 환자들에게 미래의 치료 옵션을 제공하고, 신경 손상 관련 학문과 의학 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
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BRIC (ibric.org) Bio통신원 등록일 2023.11.02