하이드로젤로 만든 인공 피부

피부는 인체에서 가장 큰 기관입니다. 체중의 약 15%를 차지하며, 병원균, 탈수, 극한의 온도로부터 우리를 보호합니다. 따라서 피부 질환은 단순히 불쾌한 증상을 넘어, 환자에게 빠르게 위험해질 수 있습니다. 피부암, 만성 상처, 자가면역 피부 질환과 같은 질환은 널리 퍼져 있지만, 우리는 여전히 이러한 질환이 발생하는 이유와 효과적인 치료 방법을 완전히 이해하지 못하는 경우가 많습니다.

이러한 질문에 대한 답을 찾기 위해 Empa 연구진은 임상 파트너들과 협력하여 인간 피부 모델을 개발하고 있습니다. 이 모델은 과학자들이 피부 질환을 시뮬레이션하여 더 잘 이해할 수 있도록 해줄 것입니다. 이는 컴퓨터나 플라스틱 모델이 아닙니다.

Empa의 생체모방 막 및 섬유 연구실과 바이오인터페이스 연구실의 연구진은 세포를 포함하고 인간 피부의 층층이 쌓인 주름 구조를 모방하는 살아있는 "인공 피부"를 개발하는 것을 목표로 합니다.

피부처럼 복잡한 것을 재현하려면 적절한 건축 자재가 필요합니다. Empa 연구진은 최근 이 부분에서 진전을 이루었습니다. 복잡한 요건을 충족하면서도 제조가 간편한 하이드로젤을 개발했습니다. 이 소재는 냉수성 어류의 피부에서 추출한 젤라틴입니다.

세포 그 이상

대부분의 조직과 마찬가지로 피부는 소위 세포외기질(extracellular matrix)에 묻혀 있는 세포들로 구성되어 있습니다. 세포외기질은 단백질과 기타 생체 분자들로 이루어진 네트워크로, 조직의 형태와 구조를 제공하고 세포를 지탱합니다. 세포외기질은 조직마다 다르며, 피부의 경우 층마다 다릅니다. 대표적인 피부 모델을 설계하기 위해서는 이 세포외기질에 적합한 대체물을 사용하는 것이 중요합니다.

세포외 기질을 시뮬레이션하는 한 가지 방법은 하이드로젤을 사용하는 것입니다. 하이드로젤은 사슬이 가교되어 있어 다량의 물과 기타 체액을 흡수할 수 있는 특수 폴리머입니다. 하이드로젤은 다량의 물과 기타 체액을 함유하는 피부 세포외 기질을 시뮬레이션하는 데 특히 적합합니다.

또 다른 장점은 많은 하이드로젤을 3D 프린터로 가공할 수 있다는 것입니다. 공동 연구 그룹인 조직 재생 연성 재료(Tissue-Regenerative Soft Materials)의 그룹 리더인 콩창 웨이(Kongchang Wei)는 "3D 프린팅은 피부 모델 개발에 매우 ​​효과적입니다. 피부 세포를 무작위가 아닌 특정 패턴으로 하이드로젤 매트릭스에 삽입할 수 있습니다."라고 말합니다.

"3D 프린팅을 통해 여러 소재와 세포 유형을 실제 피부처럼 단일 구조로 결합할 수 있습니다."

하지만 대부분의 하이드로젤은 물을 흡수하는 특성 때문에 3D 프린팅 후 액체와 처음 접촉하면 상당히 부풀어 오릅니다. 이러한 부풀어 오름으로 인해 모양이 변하여 설계된 층상 피부 모델과는 다른 형태를 갖게 됩니다. 비부풀어 오름 하이드로젤도 존재하지만, 일반적으로 제작이나 3D 프린팅이 매우 어렵습니다.

웨이는 "자연은 이미 훨씬 더 간단하고 우아한 해결책을 가지고 있다는 것을 발견했습니다."라고 말합니다. 대구, 명태, 해덕과 같은 냉수성 어류의 젤라틴은 몇 단계만으로 가교 결합을 통해 비부풀어 오름 하이드로젤로 만들 수 있으며, 피부 세포로 프린팅할 수 있습니다.

"저희 피부 모델의 목표는 진피층과 표피층뿐만 아니라 두 피부층 사이의 표피-진피 접합부(기저막이라고도 함)까지 포함하는 것입니다."라고 웨이는 말합니다. "냉수어 젤라틴 하이드로젤과 또 다른 고분자 가공 기술인 전기방사를 통해 이 목표에 더욱 가까워지고 있습니다."

피부 연구부터 상처 치유까지

더욱 놀라운 점은, 살아있는 세포를 첨가하지 않고도 하이드로젤을 드레싱 재료로 사용할 수 있다는 것입니다. 동물성 젤라틴으로 만든 하이드로젤과 마찬가지로, 이 하이드로젤은 인간 피부 세포와 생물학적으로 호환되며 3D 프린팅이 가능합니다. 하지만 이 하이드로젤은 중요한 특징을 가지고 있습니다. 물고기는 진화적으로 인간과 더 멀리 떨어져 있기 때문에, 물고기 젤라틴은 포유류 젤라틴을 기반으로 한 유사 소재보다 면역 반응을 덜 일으키고 질병 전파 위험도 낮습니다.

웨이 박사는 "물고기 피부는 현재 상처 치유를 위한 유망한 도구로 연구되고 있습니다."라고 말합니다. "이 하이드로젤은 더욱 균질하고 안전하며, 다양한 모양, 두께, 경도를 가진 등 환자의 필요에 맞춰 정밀하게 제작될 수 있습니다. 약물을 병용하는 것도 가능할 것입니다."라고 연구원은 설명합니다.

이러한 이유로 연구진은 어류 젤라틴 기반 하이드로젤에 대한 특허를 출원했습니다. 다음 단계에서는 살아있는 피부 모델 개발을 완료하여 다른 과학자들에게 공개할 계획입니다. 웨이 박사는 "이를 통해 피부 질환의 발병 및 치료에 대한 이해가 더욱 깊어지기를 바랍니다."라고 말했습니다.

EMPA 연구진은 또한 하이드로젤의 특이한 팽창 특성을 더욱 면밀히 연구할 계획입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250415143807.htm