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□ 전 세계적으로 생체 내 손상된 연골조직 재생을 위한 연골세포 분화 연구가 활발하다. 

 ㅇ 연골세포 분화를 촉진하는 데에는 주로 전기자극 방식이 사용되며, 전원공급장치 또는 함수발생기를 통해 외부로부터 에너지를 공급 받는다. 

 ㅇ 그러나 세포 배양을 위해 외부에서 전기에너지를 공급받는 방식은 온도 관리, 전기 안전, 미생물로 인한 세포오염 등 시스템이 복잡하고크기도 커서 인큐베이터와 연계해 실험하기에는 제약이 많다. 

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 전북대학교 연구팀과 공동으로 인큐베이터 내에서 단순한 기계적 동작만으로 스스로 전기에너지를 생성할 수 있는 세포배양시스템을 개발했다.

 ㅇ 생기원 섬유솔루션부문 김태희 수석연구원 연구팀은 기존의 전원공급 방식이 갖는 문제점을 해결할 수 있는‘통합형 전기자극 세포배양시스템(Fully Integrated ES Assembly, 이하 FESA)’을 개발했다고 밝혔다. 

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

 ㅇ 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. 

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

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

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

□ 개발된 통합형 전기자극 세포배양시스템(FESA)은 스스로 전기 에너지를 생성할 뿐 아니라 기존 세포배양 시스템보다 연골 세포의 증식과 분화 촉진 효과도 크다. 

 ㅇ 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. 

 ㅇ 반월상 연골의 주요 세포외기질인 1형 및 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. 

□ 연구를 이끈 김태희 수석연구원은 “개발된 세포배양시스템은 바이오 리액터의 소형화를 통해 세포 배양 조건을 정밀하게 맞춤 제어할 수 있어 공간 및 비용 면에서 효율적”이라고 설명하며 

  “또한 넓은 범위의 전기자극 제어가 가능해 연골세포 뿐 아니라 신경재생 및 상처 치유, 근육 자극 및 재생 등 다양한 조직공학 분야에 적용하기 위한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다. 

□ 이번 성과는 3월4일, 화학공학 및 재료 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ (2022 Impact Factor. 19.0) 온라인 판에 게재됐다. 

  * 논문제목: Integrated Electrostimulation Cell Culture Systems Driven by Chemically Modified Twistron Mechanical Energy Harvesting Electrodes