끊임없이 수축과 이완을 반복하며 혈액을 전신으로 공급하는 심장은 심근의 3차원 이방성 구조를 통해 공간을 ‘쥐어짜는‘ 수축 기능을 구현한다. 이러한 심장의 쥐어짜는 기능을 구현하기 위해 3차원 심근조직을 모사하려는 시도가 있었지만 그 복잡성으로 인해 인공적으로 3차원 심근조직을 재건하기가 어려웠다. 최근 POSTECH 연구팀이 심장처럼 몸 밖에서도 펄떡펄떡 뛰는 수축 기능을 가진 심장 근육 패치를 최초로 개발해, 심근경색 환자의 심장 기능을 되살릴 수 있는 가능성을 제시했다.
POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 기계공학과 김동성 교수·통합과정 엄성수 씨, IT융합공학과·기계공학과 장진아 교수 연구팀은 아주 얇은 두께의 이종 나노섬유 매트를 이용해 심장 근육 패치를 개발했다. 이 나노섬유 매트는 10μm(마이크로미터, 1μm=100만분의 1m; 머리카락 두께의 10분의 1 크기) 두께의 얇은 천으로, 영양분이나 산소만 통과시켜 심장의 심근세포가 매트 밖으로 빠져나가지 못하게 해 정렬된 심장 근육 패치 구현이 가능해진다.
연구에서 김동성 교수팀은 빼빼로를 차곡차곡 모으듯 나노섬유 여러 개를 한 방향으로 정렬시켜 모았다. 그리고 다른 각도로 정렬된 나노섬유 매트들을 입체적으로 쌓아 심근의 3차원 이방성 구조를 재현했다. 심근의 3차원 이방성 구조란 심장 근육이 일정 방향으로 정렬된 구조의 결들이 입체적으로 겹쳐 있는 구조를 의미한다.
심장의 심근세포는 이 정렬된 나노섬유 매트를 따라 자라나면서 근육에 일정 방향의 결을 만들게 된다. 이 얇은 매트들을 3차원으로 쌓아 올려 심장 근육의 입체적 결을 재현시킴으로써 손상된 심장 근육의 수축 기능을 다시 살릴 수 있는 것이다. 실제로 인간유도 만능줄기세포로부터 분화된 심근세포를 정렬시켜 배양한 후 이를 3차원으로 쌓아 올려 펄떡이는 수축 기능을 모사할 수 있음을 확인하였다.
이 결과는 심근세포가 배열되는 나노섬유 매트의 중심부를 아주 얇은 두께로 유지하면서도 주변부의 기계적인 안정성을 확보해 입체적인 심장 근육 패치를 개발한 최초의 성과다. 그동안 한 방향으로 정렬된 나노섬유 매트가 심장 근육 재생에 큰 잠재력이 있다고 여겨졌으나, 기계적인 안정성이 부족해 실제로 수축성이 있는 심장 근육 패치로 활용되지는 못해왔다. 김동성 교수팀은 정렬된 나노섬유 매트를 중심부에, 무작위로 쌓인 나노섬유 매트를 주변부에 패터닝한 이종 나노섬유 매트를 제작해 이를 동시에 해결할 수 있었다.
김동성 교수는 “이 기술은 향후 심장 질환이 일어나는 원인을 연구하는 인공 심장 질병 모델을 구축하거나 급성 심근경색으로 인해 손상된 심장을 재생하는 데 활용이 가능할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 결과는 재료과학·복합소재 분야 최상위 국제학술지인 ‘복합재료 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)’에 온라인으로 게재됐다.
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