연구성과

기계 조동우-창의IT 장진아 교수 공동연구팀, 사람 각막과 유사한 인공각막 3D프린터로 만든다

2019-05-14 443

[인간 각막 구조 모사해 격자 패턴으로 투명한 각막 제작]

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지금까지 각막이 심각하게 손상되면 사람의 각막을 이식받아야 했다. 하지만 각막기증을 기다리고 있는 사람은 국내에서만 2018년 기준으로 2000여명이고, 평균 6년 이상을 기다려야 각막을 기증받을 수 있었다. 그래서 인공 각막 개발을 위해 많은 과학자들이 노력하고 있는데 기존의 인공 각막은 돼지의 각막을 사용하거나 합성 고분자 등의 화학물질을 섞어 만들기 때문에 각막 이식 후 눈과 잘 융합되지 않고 투명하지 않다는 문제가 있었다.

기계공학과 조동우 교수,  창의IT융합공학과 장진아 교수, 통합과정 김현지 씨 연구팀은 경북대 의대 안과 김홍균 교수팀과의 공동연구를 통해 탈세포화 된 각막 조직과 줄기세포를 섞어 만든 바이오잉크를 사용해 3D 프린팅 기술로 인공 각막을 제작했다. 이 각막은 각막 유래 재료로만 만들었기 때문에 생체에 적합하고, 실제 사람의 각막처럼 투명하게 제작됐다. 이 연구는 바이오패브리케이션 (Biofabrication)지 최근호에 게재됐다.

각막은 까만 눈동자의 표면을 덮고 있는 얇은 막으로 외부 환경으로부터 눈동자를 보호하는 역할을 한다. 빛을 눈에서 가장 먼저 받아들이기 때문에 투명해야 하고 눈동자의 움직임에 따라 움직이고 빛 굴절 때문에 탄력도 있어야 한다. 하지만 인공 각막은 복잡한 제작 과정 때문에 투명하게, 생체 적합 소재로 만들기 어려웠다. 지난해 인간의 줄기세포로 만든 인공 각막도 대량 생산엔 성공 했지만 인간의 각막처럼 투명하게 만들지 못했고, 이는 식품 첨가제로 쓰이는 알지네이트(알긴산염)와 콜라겐 성분이 혼합되며 마구 섞인 내부 구조를 생성하며 혼탁한 상태를 만들게 되었다는 한계가 있었다.

사람의 각막을 들여다보면 내부 콜라겐 섬유로 된 격자 무늬가 촘촘하게 자리하고 있다. 각막 내 격자 패턴은 각막의 투명도와 직접적인 연관이 있는 만큼 그 동안 모사하려는 연구가 많았지만 복잡한 제작 과정과 체내 독성 물질 사용으로 실제 각막 이식체로 사용하기는 힘들었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 각막 내 격자 패턴을 3D 프린팅 과정에서 자연스럽게 생성되는 전단 응력을 이용해 만들었고, 소재도 실제 각막 조직과 동일한 세포외 기질과 줄기세포를 섞어 바이오잉크 재료로 만들면서 생체 적합성까지 확보했다.

3D 프린팅 기술은 노즐을 통해 내부 잉크가 나오면서 만들어지는데 노즐을 지날 때 마찰력이 생기기 때문에 그 때 만들어 지는 전단 응력이란 힘이 있다. 연구팀은 이 힘을 조절해 콜라젠 섬유 구조의 배열을 제어하고, 실제 사람의 눈처럼 격자무늬를 지니는 투명한 인공 각막을 만들 수 있었다.

토끼를 대상으로 한 실험결과 연구팀이 만든 인공 각막 이식 4주 만에 실제 인간 각막의 구조와 유사한 격자 패턴을 생성하고 유지하면서 투명한 특성을 잘 보유하고 있는 것을 확인했다.

장진아 교수는 “3D 프린팅 시 발생하는 응력을 이용해 각막 미세 구조를 모사해 체내 안정성과 투명성을 모두 확보한 연구”라며 “각막 대체제로 상용화 된다면 각막 이식을 기다리는 사람들에게 큰 희망이 될 것”이라며 기대감을 밝혔다.

한편 이 연구는 환자 맞춤형 각막이식을 위한 각막수술로봇 및 제조로봇의 원천기술을 개발하는 산업통상자원부 산업기술혁신사업과 한국연구재단 리더연구자지원사업, 정보통신기획평가원(IITP) 명품인재양성사업의 지원으로 수행되었다.