한국생산기술연구원 연구팀. 김채화(왼쪽부터) 연구원, 김태희 수석연구원, 김시형 선임연구원, 오성재 학생연구원 [한국생산기술연구원 제공]

국내 연구진이 연골조직 재생을 위한 연골세포 분화 연구에 활용되는 인큐베이터 내에서 단순한 기계적 동작만으로 스스로 전기에너지를 생성할 수 있는 세포배양시스템을 개발했다.

한국생산기술연구원은 김태희 섬유솔루션부문 수석연구원(박사) 연구팀이 기존 전원공급 방식이 갖는 문제점을 해결할 수 있는 ‘통합형 전기자극 세포배양시스템(FESA)’을 개발했다고 4일 밝혔다.

인큐베이터 내에서 탄소나노튜브 실(Yarn)의 단순한 인장·수축만으로 전기에너지를 생성할 수 있는 ‘트위스트론 하베스터 기술’을 활용해 설계됐다.

트위스트론(Twistron)은 ‘Twist(꼬다)’와 ‘Tron(기구)’의 합성어로, 연구팀은 탄소나노튜브(CNT)를 꼬아서 코일 형태의 트위스트론 실을 제작하고, 여기에 친수성 폴리도파민(PDA)을 코팅해 에너지 생성 효과를 높였다.

이어 CNT 시트에 전도성 고분자인 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜·PEDOT)를 코팅해 세포 접착에 적합한 친수성 표면과 전기 저항성이 낮은 전도성 지지체를 제조했다.

PDA를 코팅한 CNT 코일로부터 생성된 전기에너지가 PEDOT이 코팅된 CNT 시트로 전달돼 CNT 시트 표면에 부착돼 있는 세포들에 전기적 자극을 주는 원리다.

이를 통해 스스로 전력을 만들어 세포를 배양하는 전기자극 시스템 개발에 성공했으며, 세포에 전달되는 전기자극 범위도 넓어져 연골세포 뿐 아니라 다양한 세포에 활용 가능하다.

개발된 FESA는 스스로 전기 에너지를 생성할 뿐 아니라 기존 세포배양 시스템보다 연골 세포의 증식과 분화 촉진 효과도 크다.

무릎 관절의 중요한 구성 요소인 반월상 연골세포의 증식과 분화를 분석한 결과 FESA를 통해 전기자극을 받은 반월상 연골세포의 세포성장률이 전기자극 없이 배양했을 때보다 증가한 것을 확인했다.

반월상 연골의 주요 세포외기질인 1형·2형 콜라겐, 글리코사미노글리칸(GAG) 함량도 늘어난 것으로 나타나 한 번 손상되면 자연 회복이 어려운 반월상 연골세포의 성장·회복을 촉진한다는 점에서 의미 있는 성과로 평가받고 있다.

김태희 수석연구원은 “개발된 FESA는 바이오 리액터의 소형화를 통해 세포 배양 조건을 정밀하게 맞춤 제어할 수 있어 공간 및 비용 면에서 효율적”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 화학공학·재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 온라인판에 3월 4일 게재됐다.

구본혁 기자