POSTECH-경북대-고려의대 공동연구팀, 뼈 이식재 고정과 뼈 재생을 위한 홍합 단백질 기반 감광형 접착 하이드로젤 개발

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국내 연구진이 홍합 접착단백질 기반의 생체 적합성이 높은 뼈 이식재 접착제를 개발하여, 뼈 이식 수술의 안정성을 높이는 새로운 가능성을 제시해 학계의 주목을 모으고 있다.

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한국보건산업진흥원(원장 차순도)은 “POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과·융합대학원 차형준 교수와 화학공학과 윤진영 석박사통합과정생이 POSTECH 화학공학과 이효민 교수, 경북대학교 융합학부 조윤기 교수, 고려대학교 안암병원 전상호 교수로 구성된 공동 연구팀과 함께 세포 부착능*을 향상한 홍합 접착단백질을 기반으로 뼈 이식재 접착제를 개발에 성공했다”고 밝혔다.

* 세포 부착능 : 세포가 재료에 효율적으로 부착 또는 생착하는 능력

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일반적으로 이식된 뼈를 고정하기 위해선 나사나 멤브레인, 티타늄 메쉬 등을 사용하는데 이때 발생하는 수술 부위 감염 및 추가 수술 등의 위험 요소를 개선하기 위해 본 연구진은 홍합과 빛을 이용한 생체 접착제 연구를 진행하였다.

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본 연구팀은 바다 속에서도 바위에 잘 붙어있는 홍합 유래 접착단백질의 특성을 이용하여 접착단백질에 세포 부착 펩타이드를 융합시키고 인체에 무해한 청색광에 의해 활성화 되는 감광성 분자를 도입했다. 이를 뼛가루와 섞어 이식한 뒤 청색광을 쏘여주자 접착단백질에 있던 타이로신이 서로 결합해 접착력이 강한 하이드로젤을 형성하였다. 그 결과, 수술 부위의 조직 결합을 촉진해 수술 후에도 뼈 등의 이식물을 효과적으로 고정하고, 오랜 시간 후에도 내구성이 높은 뼈의 재생을 유도하는 실험결과를 도출하였다.

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본 연구에서 개발한 뼈 이식재 접착제는 자연에서 유래한 단백질소재의 생체 적합성이 높은 뼈 이식재 고정용 접착제로, 기존의 뼈 이식재 고정방법에서 발생하는 여러 어려움과 한계점을 극복함으로써 뼈 이식 수술의 안정성과 효율성을 높이는 새로운 가능성을 제시하였다

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본 연구를 주도한 POSTECH 차형준 교수는 “홍합 유래 접착제를 사용하면 뼈 이식 수술의 성공률을 높여 환자의 회복 기간을 크게 단축할 수 있을 것”이라며, “이번 연구를 바탕으로 다양한 뼈 이식 재생 기술로의 응용 방안을 모색하겠다”는 포부를 밝혔다.

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이번 연구는 보건복지부 치의학의료기술연구개발사업 (만성 구강질환 극복 치의학 치료기술개발, HI22C1347)의 지원으로 수행되었으며, 치의학분야 상위 2.7%의 세계적 치의학 학술지인 ‘저널 오브 덴탈 리서치(Journal of Dental Research)’저널에 2월 5일자로 온라인 게재되었다.

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1. 연구의 필요성

뼈 이식은 치과 및 정형외과 수술 분야에서 중요한 절차로, 치과 임플란트 식립부터 치주 질환 회복까지 다양한 치료에 일반적으로 사용된다. 뼈 이식의 효과는 이식된 재료가 목적지에서 견고하고 지속적으로 고정되어야 하는 것에 달려있으나 이식물을 안정적으로 고정하고 유지하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아있으며, 부적절한 고정은 뼈 이식 손실, 골유합의 위험성 및 새로운 뼈 형성 과정에 어려움을 초래할 수 있다. 기존의 나사, 멤브레인 또는 티타늄 메쉬 등의 전통적인 고정 방법은 추가 수술, 감염 위험 및 추가 개입의 필요 등 여러 가지 한계점을 가지고 있다. 이에 따라 뼈 재생을 가속화하고 안정성을 향상시킬 수 있는 혁신적인 생체접착제에 대한 연구의 필요성이 대두되었다.

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2. 연구내용

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김성근) 화학공학과· 융합대학원 차형준 교수 연구팀(윤진영 석박사통합과정)은 POSTECH 화학공학과 이효민 교수, 경북대학교 융합학부 의생명융합공학과 조윤기 교수, 고려대학교 안암병원 구강악안면외과 전상호 교수와의 공동 연구를 통해, 홍합 유래 접착단백질 기반의 하이드로젤을 이용한 뼈 이식재 접착제를 개발했다. 지금까지 뼈 이식재를 고정하는 여러 가지 접착 소재가 개발되어 왔지만, 세포 독성 및 부적절한 물리적 특성, 접착 강도 부족과 같은 문제로 인해 적용에 한계가 있었다. 공동연구팀은 세포 부착 펩타이드인 RGD 펩타이드를 도입하여 세포 부착능을 향상시킨 홍합 접착단백질을 기반으로, 생체에 무해한 청색광에 의해 활성화되는 감광성 분자를 도입하여 홍합 접착단백질에 풍부하게 존재하는 타이로신 간 결합을 유도함으로써 이식 후 바로 접착 하이드로젤을 형성시켰다. 이번 연구에서 개발한 뼈 이식재 고정소재는 이식재의 이탈 방지 및 이식물의 내구성 강화뿐만 아니라 우수한 조직 통합 능력을 보이며, 주변 조직 세포의 부착 및 증식을 유도하여 이식물 주변의 조직 환경을 개선 시키는 등 다양한 면에서 뼈 이식 효과를 크게 향상시켜, 효과적인 뼈 재생을 유도할 수 있다. 본 연구에서 개발한 현장 가교형 단백질 접착 하이드로젤 시스템은 뼈 이식재 이식 시 무해한 가시광선을 조사함으로써 접착 하이드로젤을 결손 부위에 쉽게 빠르게 생성할 수 있는 편의성도 갖추고 있어, 뼈 재생 분야에서 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.

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3. 기대효과

이번 연구에서 개발한 뼈 이식재 접착제는 기존의 뼈 이식재 고정 방법에서 발생하는 여러 어려움과 한계점을 극복함으로써, 뼈 이식 수술의 안정성과 효율성을 높이는 새로운 가능성을 제시하고 있다. 홍합 접착단백질과 감광성 분자를 결합하여 가시광선 아래에서 안전하게 형성되는 접착 하이드로젤은 뼈 이식물의 분산을 방지하고 내구성을 강화하여 수술 후 조직 통합을 원활하게 도와주는 탁월한 특성을 갖추고 있다.

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치과 이외에도 정형외과 수술 분야에서 활용될 수 있는 이 기술은 뼈 이식 수술의 성공률을 향상시키며 환자의 회복 기간을 단축시킬 수 있으며, 다양한 뼈 이식 재생 기술에서의 응용을 모색할 수 있는 가능성을 지니고 있다. 이러한 과학기술적 혁신은 의료기술 분야 뿐만 아니라 산업 및 경제 사회 전반에 긍정적인 파급효과를 가져올 것으로 기대된다.

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[그림] 가시광선을 이용하여 수술 현장에서 바로 가교 가능한접착성 단백질 하이드로젤을 뼈 이식재 접착제로 활용하는 모식도

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< POSTECH 차형준 교수 >

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1. 인적사항

○ 소 속 : POSTECH 화학공학과·융합대학원

○ 전 화 : 054-279-2280

○ e-mail : hjcha@postech.ac.kr

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2. 학력

○ 1990.02. : 서울대학교 화학공학과 학사졸업

○ 1995.02. : 서울대학교 화학공학과 박사졸업

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3. 경력사항

○ 1999.08. – 현재 : POSTECH 화학공학과 / 교수

○ 2012.12. – 현재 : POSTECH 바이오신소재연구소 / 소장

○ 2015.09. – 현재 : ㈜네이처글루텍 / 공동대표이사

○ 2017.03. – 현재 : POSTECH / 세아석좌교수

○ 2021.09. – 현재 : POSTECH / 공학장

○ 2022.01. – 23.12. : 해양바이오학회 / 회장

○ 2022.01. – 현재 : 해양바이오산업협회 / 회장

○ 2023.01. – 현재 : 한국과학기술한림원 / 정회원

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4. 수상실적

○ 2017.06. : 올해의 발명왕 수상

○ 2017.12. : 한국공학상 수상

○ 2022.12. : 보건의료 R&D 우수성과 30선 선정(논문성과)

○ 2023.05. : 해양수산부 홍조근정훈장 포상

○ 2023.11. : 2023년 국가연구개발 우수성과 100선 선정(생명해양 부문)

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