△ 신개념 의료기기 기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 차세대 의료기기 기술을 잇따라 개발해 상용화 기대감을 높이고 있다.

25일 의료계 등에 따르면 국내 연구진이 몸속 의료기기 고장을 빛으로 확인할 인공소자, 숨 쉬는 인공 폐, 힘줄·뼈 재생돕는 인공지지체 등을 개발하는데 성공했다.

차 의과학대학교 분당차병원 정형외과 김재화·이순철 교수팀은 최근 회전근개 수술 후 손상된 힘줄과 뼈가 보다 견고하게 연결될 수 있도록 돕는 인공지지체와 엑소좀 모사체를 결합한 재생 치료 기술을 개발했다.

연구팀은 또 회전근개 파열 동물모델을 이용한 실험에서 개발한 인공지지체를 적용한 그룹이 기존 치료군에 비해 힘줄과 뼈가 연결되는 접합부의 재생이 향상되고 재생 조직의 강도도 증가한 것을 확인했다.

연구팀에 따르면 기존 인공지지체는 힘줄과 뼈에 서로 다른 소재를 사용해 층 사이가 분리되거나 두 조직이 원활하게 연결되지 않는 한계가 있었다. 

연구팀은 이를 개선해 힘줄에서 뼈로 갈수록 구조와 성분이 점진적으로 변하는 하나의 인공지지체를 개발했다. 

힘줄 부위에서는 힘줄 재생을, 뼈와 맞닿는 부위에서는 섬유연골과 뼈 형성을 촉진해 두 조직이 자연스럽게 연결되도록 했다.

인공지지체는 생분해성 소재로 제작돼 조직 재생을 돕는 발판 역할을 한 뒤 체내에서 서서히 분해된다.

또 연구팀은 세포 간 신호 전달을 담당하는 엑소좀의 기능을 모방한 '엑소좀 모사체'를 적용했다.

수술 초기에는 항염증·항산화 작용을 유도하고 이후에는 힘줄과 뼈의 재생을 촉진하는 치료 물질이 작용하도록 설계했다. 

이를 통해 회복 단계에 맞춰 필요한 치료 물질을 순차적으로 전달하는 이중 전달 시스템을 구현했다.

회전근개 파열 동물모델에서 치료 효과를 평가한 결과 개발한 치료 기술을 적용한 그룹은 기존 치료군보다 힘줄과 뼈의 접합부가 더 잘 재생되는 것으로 나타났다. 

뼈와 섬유연골 형성이 증가하고 재생 조직의 배열도 정상 조직과 유사하게 회복됐으며 힘줄 재생을 방해하는 지방 조직은 감소했다.

특히 힘줄과 뼈가 견디는 힘도 향상돼 접합부가 더욱 견고하게 회복된 것을 확인했다.

연구팀은 향후 회전근개뿐 아니라 아킬레스건, 십자인대 등 힘줄이나 인대가 뼈와 연결되는 다양한 정형외과 질환의 재생 치료에도 활용될 것으로 기대했다.

포항공과대학교(POSTECH) 신소재공학과·IT융합공학과 정성준 교수팀은 최근 폐 속에 있는 공기주머니인 폐포 움직임을 재현한 초박막 인공 폐를 개발했다.

이 인공 폐는 폐 세포의 반응을 관찰할 수 있으며 인플루엔자 바이러스에 대한 폐의 반응까지 재현했으며 호흡도 약 24만번까지 작동했다.

이번 인공 폐 개발은 얇은 막을 유지하며 쉽게 터지지 않는 비눗방울에서 착안했다.

원하는 모양의 틀을 하이드로젤 용액에 담갔다가 꺼내는 방식으로 실제 폐 속의 폐포처럼 부드럽고 유연한 매우 얇은 막을 만들었다.

연구팀은 해당 막에 실제 사람이 숨 쉬는 원리를 적용해 초박막이 실제 폐처럼 늘었다가 줄어들며 약 24만번의 호흡을 할 수 있게 했다.

인공 폐 내부도 실제 폐와 비슷하게 만들었다.

3D 바이오프린팅 기술을 이용해 혈관세포층, 기저막층, 상피세포층을 차례로 쌓아 폐포와 유사한 3층 구조를 구현했다.

이렇게 만든 인공 폐에서는 호흡에 따른 움직임이 세포에 전달됐고, 바이러스 감염에 대한 반응까지 진짜 폐와 비슷하게 나타났다.

인플루엔자 바이러스 감염 실험에서는 호흡 운동에 따라 폐의 염증 반응과 바이러스 대응 반응이 달라진다는 사실도 새롭게 밝혔다.

이번 영구는 단순 세포 배양이나 동물실험으로 확인하기 어려운 약물 반응을 사람의 폐와 아주 유사한 환경에서 살펴봤다는 점에서 의미가 있다고 포항공대 측은 설명했다.

연세대 신소재공학과 김상우 교수팀은 최근 홍콩폴리텍대 연구팀과 함께 인공지능(AI)으로 찾은 발광 소재를 이용해 몸속에 넣은 의료기기가 제대로 작동하는지 빛으로 확인할 수 있고 몸 밖에서 초음파를 쏘면 배터리 없이 전기도 만드는 생분해성 인체 삽입형 소자를 개발했다.

몸속 의료기기는 한번 넣고 나면 위치가 바뀌거나 망가져도 확인하기가 쉽지 않다. 현재는 컴퓨터단층촬영(CT)이나 자기공명영상(MRI) 같은 장비를 이용하거나 경우에 따라 다시 수술해야 한다.

특히 일정 기간이 지나면 몸에서 분해돼 사라지는 소자는 영상에서도 경계가 뚜렷하지 않아 상태를 살피기 어렵다.

연구팀이 만든 소자는 이 문제를 '빛'으로 해결했다. 피부에 자외선 램프를 비추면 몸속 소자의 윤곽이 빛으로 나타난다. 소자가 손상되면 빛의 윤곽도 끊어져 이상 여부를 눈으로 확인할 수 있다.

전기를 공급하기 위한 배터리도 필요 없다. 몸 밖에서 초음파를 쏘면 소자 내부가 미세하게 움직이면서 전기가 만들어지는 방식이다.

몸속 소자가 스스로 전기를 만들면서 고장이나 분해 상태는 빛으로 알려주는 셈이다.

연구팀은 여기에 적합한 소재를 찾는 데 AI를 활용했다. 기존에 알려진 발광 소재 데이터 1667건을 AI에 학습시킨 뒤 27만2104개의 가상 후보 분자가 어떤 색과 밝기로 빛날지 예측했다.

이 가운데 사람 눈에 잘 보이는 초록~노란빛을 내는 후보를 골라 실제로 합성했고, 전기 생산 성능까지 높인 최종 발광 분자 'Ir1b'를 개발했다.

생쥐 실험에서는 피부 아래 넣은 소자에 자외선을 비추자 윤곽이 선명하게 나타났다. 연구팀은 38주 동안 소자가 몸속에서 서서히 분해돼 사라지는 과정도 빛으로 추적했다.

연구팀은 이 기술이 향후 삽입형 의료기기의 위치나 상태를 확인하기 위해 CT·MRI를 이용하거나 추가 수술을 해야 하는 부담을 줄이는 데 활용될 것으로 내다봤다.

Tag

#인공소자#인공폐#인공지지체#컴퓨터단층촬영#자기공명영상