우리 학교 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 지난달 25일, 손상된 뼈에 덮으면 뼈의 재생을 촉진하는 신소재를 개발했다고 밝혔다.

우리의 뼈

우리 몸의 골격을 구성하는 뼈는 단백질, 콜라겐, 그리고 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite, 이하 HAp)라고 하는 인산칼슘으로 대부분 이루어진 화합물이다. 손상된 뼈는 크게 염증, 연골 형성, 경골 형성, 재형성의 네 단계로 치유가 가능하다. 이때 석고나 보조기, 혹은 금속판 등의 보조 기구로 뼈를 지지하고 고정하는 것은 이러한 자연 치유 과정을 돕는다. 홍 교수 연구팀의 이번 연구와같이, 최근에는 뼈의 자연회복을 촉진하기 위해 생물학적 요법과 재생 의학 기술이 사용되기도 한다.

뼈를 모방하고, 채우다

홍 교수 연구팀은 뼈의 주요 구성물인 HAp를 사용한 신소재를 개발했다. 치약에서도 쉽게 찾아볼 수 있는 물질인 HAp는 치아 겉면과 유사하여 미세한 공간을 채울 수 있어, 충치를 방지하는 재광화제로 작용한다. 결과적으로 치아를 강화하는 데 도움이 되는 HAp는 생체 활성 및 인체 조직과의 호환성 면에서 빠른 뼈 재생과 연관되기도 한다. 뼈 재생 분야에서 HAp는 뼈 세포의 부착, 증식, 분화를 촉진하는 지지체 역할을 한다. 인체 뼈와의 화학적, 구조적 유사성은 자연적 뼈 성장을 촉진하며, 이로 인해 뼈 이식 및 임플란트 재료로도 효과적이다. 

개발된 신소재에서 또 눈여겨볼 점은 ‘압전성’이 있다는 것이다. 압전성은 소재가 압력을 받았을 때 전기를 발생시키는 성질로, 인체 뼈는 뼈조직의 자극 및 재생 과정에서 자연적으로 전기 신호가 발생하는 압전 특성을 가지고 있다. 일상적인 활동 중에 뼈에 가해지는 압력으로 인해 미세한 전기적 신호가 발생하는데 이는 뼈세포의 활동을 자극하여 뼈 성장을 촉진하고, 비대칭적인 압력을 받더라도 똑바로 자랄 수 있게 돕는 등, 뼈의 건강과 성장에 큰 영향을 미친다. 

이러한 특성 때문에 압전성 물질은 뼈 재생과 관련된 의료 분야에서 활용되고 있다. 압전성 물질을 이용한 임플란트나 코팅은 인공적으로 뼈에 압력이 가해졌을 때 전기적 신호를 발생시켜 자연 뼈와 유사한 환경을 조성한다. 이는 뼈 세포의 성장과 분화를 촉진하며, 특히 뼈가 약해지거나 손상된 경우에는 뼈의 자연적인 치유 과정까지 강화할 수 있다. 압전 효과를 이용한 치료 방법은 아직 연구 및 개발 단계에 있다. 그럼에도 인체 뼈의 환경을 모사하여 더 효과적이고 빠른 회복을 가능하게 한다는 점에서 주목받고 있다.

뼈에 직접 붙이는 “뼈 반창고”

홍 교수 연구팀은 HAp를 일종의 고분자 필름에 부착하여 실사용이 가능한 “뼈 반창고”를 개발해냈다. HAp의 첨가는 기존 고분자 필름의 압전 특성을 강화해, 물리적인 외부 자극에 반응하여 전기 신호를 생성한다. 이 전기적 신호는 칼슘 이온의 흡착 및 뼈 세포의 활동을 촉진한다. 또한, HAp의 표면 거칠기는 세포 부착과 증식을 개선하여, 세포외 기질과 유사한 환경을 제공함으로써 뼈 재생을 더욱 촉진한다. 이 반창고는 투명하며 유연하고 인장강도가 우수한 성질을 가지고 있어, 뼈에 부착할 때 부위를 육안으로 확인하며 부착하는 것이 가능하고 부착력이 뛰어나다는 장점이 있다. 
“뼈 반창고”는 가벼운 골절에 깁스 대신 부착할 수 있다는 점에서 사용자에게 큰 편의를 준다. 비록 현재로서는 뼈 재생이 끝나면 반창고를 제거하는 추가적인 시술이 필요하지만 향후 홍 교수 연구실에서의 추가적인 연구를 통해 생체 내에서 자연스럽게 흡수될 수 있는 “뼈 반창고”를 개발하는 것을 계획한다고 한다.