새로운 '살아있는' 생체재료, 재생 의학을 발전시키는 것을 목표로 한다

펜실베이니아 주립대 연구진에 따르면, 생물학적 조직 내의 특정한 행동을 모방할 수 있는 생체재료는 재생 의학, 질병 모델링, 소프트 로봇 공학 등을 발전시킬 수 있을 것입니다.

지금까지 조직과 세포외 기질(ECM)을 모방하기 위해 만들어진 재료는 모두 실제 적용을 방해하는 한계가 있었습니다. 연구진에 따르면, 조직과 세포를 둘러싸고 지지하는 단백질과 분자의 생물학적 뼈대입니다. 이러한 한계 중 일부를 극복하기 위해 연구진은 자가 치유 특성을 포함하고 기계적 스트레스에 대한 ECM의 생물학적 반응을 모방하는 생물 기반 "살아있는" 재료를 개발했습니다.

그들은 연구 결과를 Materials Horizons 에 게재했고 , 해당 연구는 저널 표지에도 실렸습니다.

"우리는 포유류 조직의 핵심 구성 요소이자 조직 구조와 세포 기능에 필수적인 ECM의 행동을 동적으로 모방하는 세포 없는(또는 무세포) 물질을 개발했습니다." 화학 공학과 조교수이자 생체재료 및 재생 공학 분야의 Dorothy Foehr Huck 및 J. Lloyd Huck Early Career Chair인 해당 저자 Amir Sheikhi가 말했습니다.

연구자들에 따르면, 이전에 개발된 소재인 하이드로젤, 즉 물이 풍부한 폴리머 네트워크는 합성된 형태였으며 ECM의 원하는 기계적 반응성과 생물학적 모방이라는 조합이 부족했습니다.

"특히, 이러한 재료는 비선형 변형 강화를 복제해야 합니다. 이는 세포나 외부 자극에 의해 가해지는 물리적 힘으로 인해 ECM 네트워크가 변형될 때 강화되는 것입니다." Sheikhi는 비선형 변형 강화가 구조적 지지를 제공하고 세포 신호 전달을 용이하게 하는 데 중요하다고 설명했습니다.

"또한 이러한 재료는 조직 구조와 생존에 필요한 자가 치유 특성을 복제해야 합니다. 이전의 합성 하이드로젤은 재료 복잡성, 생체 적합성 및 ECM의 기계적 모방을 균형 있게 조절하는 데 어려움이 있었습니다."

연구팀은 "털이 많은" 나노입자로 만든 무세포 나노복합 생체 하이드로젤(LivGels)을 개발하여 이러한 한계를 해결했습니다. 나노입자는 나노크리스탈 또는 "nLinkers"로 구성되어 있으며, 끝부분에 무질서한 셀룰로스 사슬 또는 "털"이 있습니다.

이러한 털은 이방성을 도입하여 nLinkers가 방향에 따라 다른 특성을 가지고 생체고분자 네트워크와 동적 결합을 허용합니다. 이 경우 나노입자는 갈조류에서 발견되는 천연 다당류인 변형된 알긴산의 생체고분자 매트릭스와 결합했습니다.

"이 nLinker는 매트릭스 내에서 동적 결합을 형성하여 변형 강화 거동, 즉 ECM의 기계적 응력에 대한 반응을 모방하고 손상 후 무결성을 회복하는 자가 치유 특성을 가능하게 합니다."

Sheikhi는 연구자들이 다양한 스트레스 요인 하에서 재료가 어떻게 거동하는지 측정하는 유변학적 테스트를 사용하여 LivGels가 높은 변형 후 구조를 얼마나 빨리 회복하는지 측정했다고 언급했습니다.

"이러한 설계 접근 방식을 통해 재료의 기계적 특성을 미세 조정하여 천연 ECM과 일치시킬 수 있었습니다."

Sheikhi는 이 소재가 전적으로 생물학적 소재로 만들어졌으며 잠재적인 생체 적합성 문제가 있는 합성 폴리머를 피한다고 말했습니다. 이전에 개발된 소재의 한계를 완화하는 것 외에도 LivGels는 구조적 무결성을 희생하지 않고 비선형 역학과 자가 치유의 이중적 특성을 달성합니다.

nLinkers는 특히 강성과 변형 강화 특성을 정확하게 제어할 수 있는 동적 상호 작용을 용이하게 합니다. 함께 고려하면, 이 설계 접근 방식은 대량의 정적 하이드로젤을 ECM을 밀접하게 모방하는 동적 하이드로젤로 전환합니다.

잠재적인 응용 분야로는 재생 의학 내 조직 수리 및 재생을 위한 스캐폴딩, 약물 테스트를 위한 조직 행동 시뮬레이션, 질병 진행을 연구하기 위한 현실적인 환경 조성 등이 있습니다. 연구자들은 이것이 3D 바이오프린팅 맞춤형 하이드로젤이나 적응 가능한 기계적 특성을 가진 소프트 로봇을 개발하는 데에도 사용될 수 있다고 말했습니다.

Sheikhi는 "다음 단계로는 특정 조직 유형에 맞게 LivGel을 최적화하고, 재생 의학을 위한 생체 내 응용 분야를 탐색하고, LivGel을 3D 생체 인쇄 플랫폼과 통합하고, 동적 착용형 또는 이식형 장치에서 잠재력을 조사하는 것이 포함됩니다."라고 말했습니다.

펜실베이니아 주립 대학의 화학 공학 박사후 연구원인 로야 코샤니와 펜실베이니아 주립 대학의 화학 공학 박사 후보생인 시나 케이라바디가 이 논문의 공동 저자였습니다. 셰이키는 또한 생물의학 공학과, 화학과, 신경외과와 Huck 생명 과학 연구소에 소속되어 있습니다.

이 연구는 펜실베이니아 주립 대학교에서 지원했으며, 여기에는 Dorothy Foehr Huck과 J. Lloyd Huck Early Career Chair, Convergence Center for Living Multifunctional Material Systems, Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems Living Multifunctional Materials Collaborative Research Seed Grant Program, Materials Research Institute, College of Engineering Materials Matter at the Human Level seed grant가 포함됩니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250206155347.htm