KOSEN 한인과학기술자네트워크

1. 주요 연구 분야

1.Development of biocompatible biomaterials using various polymers 다양한 고분자를 이용한 생체재료 제작
생체재료는 손상된 조직 및 장기를 대체하거나 치료하는 목적으로 살아있는 생체 조직에 단기 혹은 장기적으로 접촉하는 재료를 의미한다. 특히, 생체재료는 인체 조직에 직접적으로 사용되기 때문에 독성/면역거부 반응이 없어야하며, 주변 조직과 잘 융합되기 위해 그에 걸맞은 적절한 기능성을 가지고 있어야한다. 이 같은 조건을 충족시키기 위해, 조직공학 분야에서는 다양한 고분자를 여러 가지 물리적/화학적 합성 기법 통해 가변적인 기능성을 가지는 생체재료로 만들고 추가적으로 nanoparticle을 도입하여 그 기능성을 향상시키는 연구가 많이 수행되고 있다.

그림 1. 조직공학의 기본 원리

본 연구실에서는 화학적으로 변형시킨 천연 고분자를 광중합 합성기법을 통해 하이드로젤 타입의 생체재료를 연구/개발하고 있다. 하이드로젤은 적용될 생체 조직의 상태와 유사하게 제작되어야 하므로 인체에 적용되기 전, 다음과 같은 4가지 범위의 실험이 진행된다. 1) 물리적 성질 평가 (stiffness, elasticity, viscosity, biodegradability, conductive, swelling, porosity), 2) 세포 반응성 평가 (cell viability, proliferation, migration, differentiation), 3) Photolithography, molding 등의 기법을 이용한 마이크로 수준의 3차원 구조물 제작, 4) in-vivo 평가 (이식실험을 통한 생체 적합성 시험).

그림 하이드로젤의 특성 평가
a. 마이크로 3차원 구조물 제작, b. 물리적 특성 평가, c. 세포 반응성 평가

2. The development of nanogels for drug delivery applications Nanogel 을 이용한 효과적인 약물 전달 시스템 개발 및 연구

효과적인 약물 전달을 목적으로 하는 시스템에 있어서 다양한 나노기술들이 접목되어 왔었지만, 약물 전달체의 안정성, 생체적합성 등의 문제점으로 한계가 있다. 이에 따라, 보다 생체 내 적합한 생체재료를 기반으로 하면서 정확한 타겟으로 하는 나노 약물 전달 시스템이 대두되고 있다. 목적과 조건에 부합하는 기술의 응용을 위해서, 생체재료인 GelMA로 swellability와 biodegradability가 뛰어난 Nanogel을 제작하여 GelMA Nanogel의 약물 전달체로서의 기능에 대한 연구 중이다. GelMA Nanogel은 직경 10~200nm의 사이즈로 3차원으로 가교된 폴리머 입자들로 구성된 젤로서, 약물과 나노젤 간의 결합을 통해 약물 전달 및 방출을 조절할 수 있다. 또한 기능성 분자 및 나노 물질을 융합하여 다기능성 나노 전달체가 될 수 있다.

그림 3. GelMA Nanogel의 합성 과정

그림 4. GelMA Nanogel의 투과 전자 현미경 사진
a. GelMA Nanogel을 전달체로 한 FITC-BSA의 돼지 피부 투과 및흡수율을 측정한 공초점 현미경 사진

b. 과 피부층에 따라 흡수율 차이를 나타내는 공초점 주사 레이저 현미경사진 c.

3. 3D bioprinting 기술은 이용한 생체 모사 biomaterials 연구

3D bioprinting 기술은 3차원의 복잡한 구조를 정밀하고 반복적으로 형성할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 생체재료 및 조직공학 실험실에서는 생체의 다양한 조직의 특성을 조사 및 분석하고 이에 적합한 조건의 생체물질을 3D bioprinting 기술을 이용해 개발 및 연구하고 있다. 다양한 생체 재료의 생체적합성, 생분해성, 물리적 특성, 전기 전도성 등을 조절함으로써 각 기관의 특성에 알맞은 조직을 재현할 수 있다. 특히, GelMA나 Alginate등의 생체 재료는 세포가 성장할 수 있는 최적의 조건을 제공해준다. 이 기술을 이용하여 3차원의 생체 모사 biomaterial을 형성함으로써 장기 이식, 임상 실험, 심장 패치 등에 응용할 수 있다.

그림 5. 3D bioprinting 기술을 이용한 생체적합성 하이드로젤 제작
a. GelMA Nanogel을 전달체로 한 FITC-BSA의 돼지 피부 투과 및흡수율을 측정한 공초점 현미경 사진

b. 과 피부층에 따라 흡수율 차이를 나타내는 공초점 주사 레이저 현미경사진 c.

4. In Vitro 기능성 소재의 체내 흡수율 연구

신약 및 기능성식품의 연구와 개발이 활발한 지금 이 물질들이 체내에서 갖는 실제 효능과 독성, 안정성 확인은 필수이다. 물질의 스크리닝을 위해 인간의 소장관 세포와 유사성을 갖는 Caco-2 cell 단층막을 이용한 투과도 실험이 그 중 하나로 본 조직공학실험실에서 연구되고 있다. Caco-2 cell은 인간의 선암세포주 유래로 배양시 소장관과 비슷한 monolayer와 tight junction 형성은 물론이고, 소장세포가 발현하는 다양한 transporter를 가지고 있어 In vitro model로써 많이 사용되고 있다. 이처럼 In vitro상에서의 정확한 예측을 통해 In vivo실험을 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.

Nature protocols 2.9 (2007): 2111-2119.
Transwell system에서 Caco-2 세포단일층의 도식적 표현.