바느질 없이 절단된 신경 연결하는 피부 모사 접착 패치
교통사고나 산업 현장, 일상생활 중 불시에 벌어진 사고로 인체 일부가 절단되는 외상 환자는 지속적으로 발생하고 있다. 외상성 절단 환자의 조직 재건을 위해서는 뼈, 신경, 혈관 등 다양한 조직을 연결하는 봉합술이 필요하다. 이때 조직 재건율을 좌우하는 것이 정교성과 속도다. 수술시간이 지체되면 조직 괴사가 발생할 확률이 높아지고 봉합 성공률은 낮아지기 때문이다. 하지만 이 두 가지 요소를 모두 충족시키기란 쉽지 않다.
특히 머리카락보다 얇은 봉합사를 이용해 절단된 신경 표피를 직접 바느질하는 신경봉합술의 경우 고도의 집중력을 요하는 정교한 작업이라 속도를 높이는 데 한계가 있다. 숙련된 의사도 신경 1가닥을 연결하는 데 10분이 소요될 정도로 상당한 시간을 필요로 한다. 따라서 수술시간을 단축하기 어렵다는 점, 의사의 숙련도에 따라 조직 재건율이 달라진다는 점이 기존 신경봉합술의 한계로 꼽혀 왔다.
절단된 조직을 연결하기 위한 조직 접착제가 개발되고 있지만, 기계적 탄성도가 높은 신경 조직에 사용하기에는 여전히 접착력이 낮다. 대체할 수 있는 방법이 없다 보니 신경봉합술은 1900년대 나온 바느질 방식에 그대로 머물러 있는 상태다.
손 교수는 우연한 계기로 고려대학교 의과대학 박종웅 교수와 이야기를 나누는 과정에서 미세재건 분야와 신경봉합술이 가진 난제들에 대해 알게 된 것이 연구의 시작점이 되었다고 전했다. 바느질 없이 수술 속도를 높일 수 있는 여러 아이디어를 도출해 냈고, 신경에 감는 커프 타입 형태의 조직 재건으로 구체적인 방향을 잡아 나갔다. 이후 2020년 2월, 성균관대학교 동료 연구자인 신 교수와 융합연구에 돌입하면서 연구는 점차 속도를 내기 시작했다.
손 교수는 “당시 신 교수님이 접착 소재 관련한 굉장히 훌륭한 연구를 해오셨어서 교수님의 접착 소재와 제가 연구하던 자가치유고분자를 접목해 보자는 방향으로 연구가 시작이 되었다”며, “공동연구를 통해 여러 층으로 이루어진 피부 구조에서 영감을 얻어 외부는 질기지만 내부로 갈수록 부드러운 조직으로 구성된 패치를 개발할 수 있었다”고 설명했다.
패치의 주요 소재로는 외력을 분산시킬 수 있는 자가치유고분자(물리적 손상을 입은 고분자가 스스로 결함을 감지해 구조를 복구하는 지능형 재료)와 우수한 조직 접착력을 가지고 있는 하이드로젤을 사용했다.
자가치유고분자의 물성을 조절해 탄성 고분자와 점탄성 고분자, 접착 하이드로젤을 단계적으로 배치, 점탄성 고분자가 응력을 흡수하고 탄성 고분자가 복원력을 부여하는 방식으로 강한 접착력을 구현했다. 이렇게 개발된 패치는 밴드처럼 간단히 신경을 감아주는 방법을 적용한다.
영장류 모델 검증 완료, 상용화 위한 후속 연구에 박차
공동연구팀은 인체와 유사한 실험 모델을 통해 의사가 아닌 비전문가도 1분이면 신경 봉합이 가능함을 입증해 냈다. 패치의 성능 검증 결과, 신경조직 재생 및 근육의 기능성 회복정도가 봉합사를 이용한 방법과 차이가 없으며, 기존의 봉합사를 완전히 대체 가능함을 확인했다.
특히 영장류 모델 검증에서 손목 정중 신경을 절단 후 패치를 이용해 성공적으로 봉합했고, 엄지손가락의 움직임이 정상에 가까운 수준으로 회복되었음을 확인했다.
신 교수는 “실험 초기에 신경 연결에 바로 성공하고, 설치류 검증까지 빠르게 마쳤지만, 영장류 모델 검증에 2년 가까이 소요되었다”며 “그래도 향후 임상 적용 가능성과 고등동물의 복잡한 신경계에도 적용 가능한지 확인하기 위해 반드시 필요한 과정이었고, 결과적으로 패치 성능을 영장류에서까지 검증했다는 점에서 의미가 크다”고 전했다.
개발된 패치는 신경이 5㎜가량 손실된 상황에서 발생하는 더욱 강한 탄성 하에서도 신경 봉합이 가능할 만큼 우수한 접착력을 보인 것으로 나타났다. 또한 해당 패치에 신경 재생을 촉진하는 단백질 분자를 추가하면 기존 바느질 봉합술보다 조직 재생을 빠르게 유도할 수 있음을 설치류 모델에서 검증했다.
특히 기존에 보고된 다른 유사 패치의 경우 자외선 등 외부 에너지원에 의해 접착력이 발휘되거나, 신경의 높은 탄성을 즉시 버틸 수 있는 접착력이 없다는 한계가 있었다. 그러나 공동연구팀이 개발한 패치는 다른 에너지원 없이 패치 그대로 신경을 감싸면 그 위치에 안정적으로 접착되고, 신경 봉합이 즉각적으로 이뤄진다는 점에서 차별된다.
향후 패치가 상용화된다면 절단된 신경의 빠른 봉합으로 손상 조직의 접합 수술 성공률과 환자의 재활률을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다. 외상으로 인한 손상 조직의 수복뿐 아니라 다양한 상황에서 활용 가능하다.
손 교수는 “신경봉합술은 신경 염증이나 종양의 절제, 장기 이식 등과 같은 수술에도 필요하므로 의료 현장에서 수술 성공률을 획기적으로 높일 것으로 기대한다”며 “개발된 패치를 기반으로 전기 자극 혹은 신경 재생 약물들을 함께 사용해, 보다 빠르게 신경을 재생할 수 있는 의료기술 개발을 준비 중”이라고 덧붙였다.
신 교수는 “GLP 시험을 비롯해 임상 적용에 필요한 여러 단계들을 이미 완료한 상태로, 상용화 단계까지 가기 위해 남은 문제들을 해결하는 데 집중하고 있다”며 “빠른 시일 안에 실제 사용될 수 있는 제품으로 생산을 해보고, 인증된 기관에서 안전성 시험 과정을 진행할 계획”이라고 밝혔다.
공동연구팀의 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2024년 1월 26일 온라인 개재되었다.
‘주사형 조직 인터페이싱 소재와 신축성 바이오 전자 융합 시스템’ 개발, ‘네이처’ 게재
공동연구팀은 난치성 신경근질환 극복을 위한 최적의 치료시스템 개발을 목표로 남들이 시도하지 않았던 주제를 발굴하고, 새로운 방법론을 찾기 위해 힘써 왔다. 그 결과 진단과 치료의 패러다임을 바꿀 연구결과들을 내놓으며 의학계에 새로운 바람을 일으키고 있다.
가장 대표적인 성과 중 하나가 바로 ‘인체 조직에 주사로 주입 가능한 하이드로젤과 신축성 바이오 전자 융합 시스템’을 개발해 조직보철 및 조기보행재활 기술을 최초로 구현한 것이라고 할 수 있다.
심각한 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 근육이 기능적으로 결손되고, 장애가 발생한다. 근력 감소로 인한 환자 삶의 질 저하를 막으려면 근육의 정상적 회복을 촉진하는 동시에 움직임의 회복을 돕는 재활 치료가 필요하다. 손상된 신경 및 근육 회복을 위해 보행 보조 로봇 등 웨어러블 장치와 체내 이식형 소자가 통합된 ‘폐회로 보행재활기술’이 각광받고 있지만, 체외 장치와 체내 조직을 연결하는 소자가 커서 복잡하고 작은 조직에 이식이 어려웠다. 또한, 딱딱한 소자가 부드러운 조직에 지속적인 마찰을 일으켜 염증이 유발된다는 것도 문제였다.
이러한 한계를 극복하기 위해 공동연구팀은 생체조직처럼 부드러우며 접착이 잘되고, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 새로운 소재 개발에 착수했다. 먼저 피부 미용용 필러 재료인 히알루로산 하이드로젤 소재에 금 나노입자를 투입해 전기 전도성을 높였다. 또한 기계적 안정성을 높이기 위해 분자들이 자유롭게 재배열하도록 제조해 필러처럼 주사로 국소적 손상 부위에 주입하게 했다. 그 결과 좁고 거친 손상 조직 표면에 보형물이 밀착 접촉됨을 확인하고, 보형물을 전극으로 사용해 조직에 전기 자극을 가하거나 조직으로부터 발생하는 신호를 계측할 수 있음을 확인했다.
또한 동물실험을 통해 빠른 근육 재생 및 재활 효과 검증을 마쳤다. 경골전방근육이 심하게 손상된 설치류 모델의 조직 손상 부위에 전도성 하이드로젤을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식했다. 그 결과 신경 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근전도 신호를 계측해 보행 보조 로봇을 작동, 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 정상 보행이 가능할 만큼 운동능력이 빠르게 회복되었다.
신 교수는 “심각한 근육 손상에 적용할 수 있는 주사 주입형 전기 전도성 연조직 보형물을 구현한 것”이라며 “연구를 더 폭넓게 발전시킨다면 근육과 말초신경뿐 아니라 뇌, 심장 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 조직 재생용 신물질로 활용될 수 있다”고 밝혔다.
손 교수는 “우리가 제시한 새로운 바이오 전자소자 플랫폼이 재활 치료가 어려운 신경근계 환자들의 재활 여건 개선에 기여할 수 있을 것”이라며 “전기생리학적 신호 계측 및 자극 성능을 활용하면 향후 인체 내 다양한 장기의 정밀 진단 및 치료까지 확대 가능하다”고 전했다.
해당 연구 결과는 2023년 11월 2일 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 실렸다. 세계적인 저널에 출판되며 연구 내용이 알려지게 되자 의학계의 관심은 물론 해당 연구의 적용 가능성에 대해 환자들과 보호자들의 문의가 빗발쳤다. 근육 손상을 비롯해 하반신 마비, 뇌질환 등 중증 환자들까지 전화로 문의하거나 보호자가 직접 찾아오기도 했다. 그렇게 마주한 난치성 환자들의 간절한 기대감과 희망은 연구팀이 후속 연구를 계획하는 데 동력으로 작용했다.
사실 새로운 형태의 의료시스템을 임상에 적용하고자 할 때 식약처 승인을 받기까지 매우 까다로운 검증과정과 긴 시간이 요구된다. 최종 임상 승인까지 어렵고 힘든 과정을 거쳐야 한다는 사실은 공동연구팀에게도 예외는 아니다. 그렇지만 환자들을 마주하며 키워온 강력한 의지를 기반으로 연구팀은 다양한 손상 조직에 전도성 하이드로젤을 주사해 회복 가능성을 확인하는 한편, 임상 수준에서 최소침습적인 재활 시술로 이어지기 위한 후속 연구에 박차를 가하고 있다.
바이오 전자 스티커로 심혈관질환 진단 및 치료
지난해 공동연구팀은 바느질 없이 심장 조직에 접착해 심혈관계 질환 정밀 진단 및 치료를 돕는 ‘바이오 전자 스티커 기술’을 개발하며 또 하나의 괄목할 만한 성과를 거둔 바 있다.
장기간 안정적으로 심혈관계 질환을 진단·치료하려면 심장의 반복적인 수축-이완 운동에도 안정적으로 구동이 가능한 체내 이식형 전자소자가 필요하다. 그러나 기존의 고분자 기반 전극은 장기간 사용 시 본연의 특성을 잃어버리고 딱딱하게 변성되어, 굴곡지고 부드러운 심장 조직 표면을 압박 없이 감싸기 어렵다. 또한 지속해서 움직이는 심장에 소자를 고정하려면 봉합술이 필요하다. 이를 극복하기 위해 부드럽고 신축성 있는 자가치유고분자 기판층, 뛰어난 심장 접착성을 가지는 하이드로젤층, 내구성이 뛰어난 액체 금속 필러-자가치유고분자 복합체 전극층으로 구성된 ‘바이오 전자 스티커’를 개발했다.
연구팀이 개발한 패치형 바이오 전자소자 시스템은 반복적인 심장 박동에서도 심외막에 빠르고 안정적으로 부착이 가능했다. 이후 동물실험 결과 한 달간 신호의 유실 없이 심전도 계측에 성공할 수 있었다. 또한, 부정맥 및 급성심근경색을 나타내는 심전도 진단에 성공했으며 전기자극을 통해 효과적으로 심박조율이 가능함을 증명했다. 나아가, 개발된 심장 패치로 소동물 모델의 심장 신호를 획득해 부정맥과 심근경색을 진단하고, 변화를 관찰하는 데 성공했다.
손 교수는 “본 연구에서 개발된 바이오 전자 스티커 패치 기술은 심혈관계 중증 질환의 정밀 진단 및 치료 효과를 크게 개선할 수 있을 것으로 기대되며, 더 나아가 인체 내 다양한 장기에 차세대 전자약으로써 응용될 수 있다”고 전했다.
신 교수는 “심장에 바느질 필요 없이 적용할 수 있는 의료전자소재 및 소자를 구현한 것으로, 인체 조직과 매우 유사한 기계적 물성을 갖도록 구성된 고분자, 액체금속 등의 조합을 통해 얻어낸 것이 의미가 크다”고 연구 의의를 설명했다.
공동연구팀은 심장 패치의 면적과 채널 수를 증가시켜, 더욱 세밀한 부위별 심장 신호 획득을 통해 심장질환 치료 약물의 작용 기전을 밝혀내려는 후속 연구를 진행하고 있다.
연구결과는 전자공학 분야에서 최고의 권위를 갖는 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 2023년 9월 1일 게재되었다.
연구를 성공으로 이끈 ‘융합연구의 힘’
이처럼 공동연구팀은 매년 우수 논문을 국제학술지에 발표하며 지속적으로 혁신적인 연구성과를 도출하고 있다. 사실 세상에 알려지지 않은 이론을 규명하고, 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 기술을 개발한다는 것이 연구팀에게도 결코 쉽지만은 않은 일이었다. 새로운 것을 배우고 시도하는 것은 누구에게도 두려운 일이며, 마치 아무도 걷지 않은 눈길을 걷는 것처럼 외롭고 막막한 일이기도 하다. 연구팀은 이런 어려움을 이겨내기 위한 돌파구를 융합연구에서 찾았다. 손 교수 연구팀(신축성 자가치유 바이오 전자소자 연구실), 신 교수 연구팀(자연모사 생체재료공학 연구실), 고려대 의과대학 연구팀 간 협력으로 소재-소자-시스템-전임상을 모두 아우르는 융합연구를 수행해 세계가 주목할 성과를 이끌어 냈다.
각자의 분야에서 사용하는 용어가 다르고, 생각의 관점이 다르다는 점에서 융합연구 또한 녹록한 일이 아니었지만, 적극적인 대면 소통으로 이를 극복할 수 있었다. 손 교수와 신 교수는 공동연구 과정에서 연구원들이 직접 찾아가 대화를 나누고 상대의 분야에 대한 이해를 넓힐 수 있도록 이끌었다. 또한 각자 자신만의 영역을 가지고 있되, 공통의 목표를 위해서는 유연하게 ‘원 팀’이 되도록 유도했다. 최대한 팀을 가르지 않고 어떤 주제로도 대화할 수 있는 자리를 마련하고자 노력했고, 그 결과 연구원 모두 팀에 빠르게 어우러지면서 서로가 서로에게 시너지를 더할 수 있게 되었다. 그리고 이렇게 축적된 융합의 힘은 프로젝트의 성공, 최고 권위의 저널 출판으로 이어졌다.
손 교수와 신 교수는 앞으로도 융합연구, 다양한 전문가들과의 협력을 통해 난치성 질병을 효과적으로 치료할 수 있는 보다 새롭고, 보다 혁신적인 연구를 수행할 계획이다.
손 교수는 ‘중추 및 말초신경 관련한 중증의 난치성 질병을 근원적으로 치료할 수 있는 전자약 기술 개발’을 목표로, 신 교수는 ‘그동안의 연구 결과를 기반으로 환자에게 실제 적용 가능한 소재로 발전시키는 연구’에 중점을 두겠다는 포부를 내비쳤다. 서로의 성장을 이끌며 새로움을 찾아 나서는 두 젊은 과학자가 만들어 갈 의학계의 뉴 패러다임을 기대해 본다.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2024년 7월호에 게재 되었습니다.>
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)
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