레이저 프린팅 골 이식이 골 치유를 혁신할 수 있다

ETH 취리히의 엔지니어팀이 골 이식편을 더 효율적이고 실용적으로 만드는 방법을 공개했습니다. 새로운 소재와 레이저 프린팅을 활용해 위험을 줄이면서 더 빠른 회복을 가능하게 하는 방식입니다. 알아야 할 내용을 살펴보겠습니다.

뼈 골절이 증가하는 이유

살면서 뼈가 부러진 사람을 적어도 한 명은 알고 있을 가능성이 큽니다. 어린 시절의 사고부터 큰 외상까지 원인은 다양하지만, 뼈가 제대로 치유되도록 하려면 모두 적절한 의료 처치가 필요합니다.

안타깝게도 전 세계적으로 골절을 겪는 사람은 꾸준히 늘고 있습니다. 베이비붐 세대의 고령화가 이러한 증가에 영향을 줍니다. 국제골다공증재단(IOF)에 따르면 지난해에만 노년층에서 3,700만 건 이상의 취약성 골절이 발생했으며, 인구 고령화와 함께 이러한 추세가 계속될 전망입니다.

뼈는 자연스럽게 어떻게 치유되는가

인체는 놀라운 회복력을 지녀 가벼운 골절은 스스로 치유할 수 있습니다. 먼저 손상 부위에 다양한 연조직 세포를 보냅니다. 이 임시 세포들은 지지대 역할을 하며 새 뼈가 형태를 갖추고 단단해지도록 돕습니다.

이러한 치유 능력은 뼈 전체에 존재하는 미세한 통로와 공간의 독특한 조합 덕분이기도 합니다. 동전보다 작은 뼛조각 안에도 54킬로미터가 넘는 미세 터널이 존재할 수 있습니다.

뼈 골절이 외과적 개입을 필요로 할 때

골절이 너무 심해 의료진의 도움 없이는 인체가 상처를 치유하지 못하는 경우도 있습니다. 특히 심각한 개방성 골절은 금속 핀과 임플란트로 제자리에 고정해야 합니다.

종양을 제거하면 뼈의 일부가 사라질 수도 있습니다. 의사는 뼈를 올바르게 맞추기 위해 이 빈 부분을 채워야 합니다. 때로는 환자 자신의 뼈로 이식편을 만듭니다.

자가 이식

의료진이 이러한 상황에서 가장 흔히 사용하는 방법은 자가 이식입니다. 환자의 뼈를 사용하는 방식이 가장 일반적이며 세라믹이나 금속을 사용하는 등 여러 형태가 있습니다.

자가 이식의 문제점

자가 이식은 치유를 촉진하지만 문제점도 있습니다. 이식편에 사용할 골조직을 확보하려면 추가 수술이 필요합니다. 이 단계는 비용과 위험을 높이고 치료를 지연시키며 추가 의료 인력도 요구합니다.

ETH 취리히의 레이저 프린팅 골 이식 혁신

Advanced Materials에 게재된 “A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1”¹ 논문은 향후 의료 서비스를 혁신할 잠재력이 있는 완전히 새로운 접근법을 제시합니다.

2PP 마이크로패브리케이션

더 안정적이고 우수한 이식편을 만들기 위해 연구팀은 이광자 중합(2PP) 방식을 채택했습니다. 조직공학과 약물 개발에 쓰이는 직접 레이저 기록 기술로 개발된 이 방식은 펨토초 레이저 펄스를 이용합니다.

이 작고 강력한 레이저는 특수 감광성 소재를 경화합니다. 엔지니어가 서브마이크론 규모의 고해상도 3D 구조를 제작할 수 있다는 점이 장점입니다. 바로 이 능력이 ETH 취리히 생체재료공학 교수 샤오화 친과 연구팀의 관심을 끌었습니다.

새로운 하이드로겔이 필요했다

인체의 세포외기질(ECM)을 모방하려면 기존 2PP 방식으로는 구현하기 어려운 정교함이 필요합니다. 연구팀은 이광자 레이저가 광화학 반응을 한 지점에 정확히 집중시켜 과거의 단일 레이저 방식보다 훨씬 정밀하게 제어할 수 있다고 설명했습니다.

하지만 젤은 형태를 유지할 만큼 단단하지 않았고 제자리에 머물 만큼 반응성이 높지도 않았습니다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 새로운 하이드로겔 개발에 집중했습니다.

현재 2PP 제조에는 (메트)아크릴화 단백질을 포함한 하이드로겔이 사용됩니다.  디티오트레이톨과 같은 상용 수용성 티올 가교제도 흔히 쓰입니다. 그러나 이 단백질에는 뼈 성장을 지지하는 데 필요한 강력한 가교 메커니즘이 없습니다.

출처 – ETH 취리히

이 소재는 인체 뼈에 필요한 정교함을 구현하지 못했고, 실험에서는 많은 구조적 결함이 발견됐습니다. 일반적으로는 폴리머 농도를 높이지만 연구팀은 다른 해법을 택했습니다.

PVA 티올 교차결합제 (PVASH)

연구진은 목표를 달성하려면 완전히 새로운 하이드로겔이 필요하다고 판단했습니다. 수용성 폴리비닐알코올 거대분자 티올 가교제(PVASH) 하이드로겔은 특수 분자를 이용해 안정성과 생체적합성을 유지합니다.

먼저 PVASH를 노보넨 기능화 PVA(nPVA)와 혼합한 뒤, 레이저 공정이 제대로 작동하도록 광개시제를 첨가했습니다.

이 방식의 핵심 변화는 여러 반응성 작용기를 도입한 것입니다. 레이저가 닿으면 젤이 더 빠르고 완전하게 굳습니다. 또한 한 분자는 폴리머 사슬을 연결하고 다른 분자는 광반응을 담당하도록 할 수 있습니다.

레이저 프린팅

레이저 프린팅을 사용하면 폭 500나노미터에 불과한 세부 구조를 지닌 자연스러운 뼈 구조를 만들 수 있습니다. 연구팀은 이를 위해 20mW 레이저를 사용했습니다.

이 미세 가공 능력은 뼈 구조에 자연스러운 공동과 통로를 형성합니다. 설계를 미리 프로그래밍해 초당 400밀리미터의 속도로 제작할 수도 있습니다. 이는 새로운 세계 기록이자 환자의 회복을 앞당길 수 있는 진전입니다.

마이크로 스캐폴드

이 소재는 세포가 지체 없이 자연 치유 과정을 시작할 정도로 인체 뼈의 복잡성을 재현하는 것으로 보입니다. 방대한 미세 터널과 통로가 건강한 세포를 끌어들이고 성장을 지원하는 데 알맞은 접착력을 제공합니다.

레이저 프린팅 골 스캐폴드의 실험실 테스트

과학자들은 이론이 실제와 유사한 조건에서도 성립하는지 확인하기 위해 여러 실험실 시험을 진행했습니다. 시험관 연구에서 빠른 세포 성장이 나타나자 연구팀은 고무적인 반응을 보였습니다.

하이드로겔을 맞춤 형태로 출력하자 며칠 안에 인체가 뼈 성장의 핵심 단계인 콜라겐을 생성하기 시작했습니다. 연구진은 폴리머가 체내에서 분해되는 과정도 관찰했으며 완전히 무해하다는 사실을 확인했습니다.

그런 다음 하이드로겔과 티올-엔 가교 분자를 평가했습니다. 성능은 예상을 뛰어넘어 다른 방법보다 짧은 시간에 손상 조직을 강하고 자연스럽게 복구했습니다.

레이저 프린팅 골 이식 테스트 결과

시험 결과는 이 연구가 의료 분야에 얼마나 중요한지 보여줍니다. 이식편 성형부터 세포의 유입, 지지체의 생분해까지 모든 과정이 크게 개선됐습니다. 그 결과 자연적으로 만들어진 것과 같은 치유된 골세포가 형성됐습니다.

레이저 프린팅 골 이식의 장점

새 하이드로겔은 구조와 배치 측면에서 더 큰 유연성을 제공합니다. 기존 하이드로겔은 원하는 형태로 만들기 어렵지만, 연결 분자를 추가하면 안정성이 크게 높아져 환자별 요구에 맞춰 직접 성형할 수 있습니다.

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정밀도

또 하나의 중요한 장점은 이 방식이 제공하는 높은 재현 정밀도입니다. 새로운 PVASH 기반 하이드로겔은 미세한 수준의 설계와 전체 구조의 복잡성 측면에서 엔지니어에게 더 많은 선택지를 제공합니다.

향상된 환자 반응

아직 실험실 시험만 진행됐지만 새로운 방식은 치유 과정의 부종을 크게 줄였습니다. 생체적합성 하이드로겔은 금속이나 세라믹보다 체내 세포가 더 쉽게 받아들이기 때문입니다.

실제 적용 및 타임라인:

이 발견은 여러 산업에 실제로 적용될 수 있습니다. 가장 분명한 분야는 의료로, 골절 환자의 치료 비용과 회복 시간을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

보철물

이 기술은 언젠가 대체물처럼 보이는 대신 실제 신체 부위처럼 보이고 느껴지는 더 사실적인 보철물을 만드는 데 활용될 수 있습니다. 이상적인 경우 기술이 토대를 만들고 세포 성장이 나머지를 완성할 수 있습니다.

로보틱스

로봇 산업도 이 기술을 활용해 더 강력한 생체역학 설계를 만들 수 있습니다. 살아 있는 세포와 구조를 기계 장치와 결합하면 향후 더 효율적이고 유능한 기계를 개발할 수 있습니다.

타임라인

이 기술이 인간에게 사용할 만큼 성숙하려면 적어도 10년이 걸릴 수 있습니다. 연구는 아직 초기 단계이며 지금까지 큰 성과를 거뒀지만, 대중화되기 전에 넘어야 할 과학적·규제적 장벽이 많습니다.

레이저 프린팅 골 이식 연구자들

ETH 취리히 연구진이 레이저 프린팅 골 이식 연구를 주도했습니다. 논문에는 샤오화 친과 랄프 뮐러가 주저자로 이름을 올렸으며, 완완 치우, 마르게리타 베르네로, 무자 에밀리 예, 셴쥔 양, 필리프 피시가 연구를 지원했습니다.

미래

레이저 프린팅 골 이식의 미래는 아직 확정되지 않았습니다. 기술은 타당하며 큰 가능성을 보였지만, 인간 대상 시험을 포함해 훨씬 많은 검증이 필요합니다.

다음 단계는 동물 시험입니다. 과학자들은 이 개발 단계를 진행하기 위해 AO Research Institute Davos와 전략적 제휴를 발표했습니다. 시험 결과에 따라 이후 연구는 인간 환자를 대상으로 진행됩니다.

헬스테크 혁신에 투자하기

여러 기업이 HealthTech 분야의 혁신을 계속 이끌고 있습니다. 이들은 이 중대한 문제에 대한 창의적인 해결책을 찾으려는 의지를 보여 왔습니다. 다음은 알아둘 만한 시장의 선도 기업입니다.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical (XTNT ) Holdings는 1990년대 초 Montana State University 연구실에서 Bacterin International이라는 이름으로 출발했습니다. 이 프로젝트는 재생의학 임플란트를 중심으로 더 나은 의료 방식을 연구하는 것이 목적이었습니다.

Xtant Medical Holdings는 2000년에 사명을 바꾸고 2006년 수술용 임플란트 제품군을 출시했습니다. 제품은 큰 관심을 받았고 회사는 2013년 IPO에 성공했습니다. 이후 2016년 X-spine을 비롯한 재생 골 연구 기업들을 인수하기 시작했습니다.

2020년 Xtant는 척추 재건에 집중했습니다.  이러한 전략에 따라 인수와 전략적 제휴를 이어 갔으며, 이후 재생 골의학의 다른 분야로 다시 사업을 확장했습니다.

현재 Xtant는 세계적인 정형생물학 기업 중 하나로 인정받고 있습니다. 환자 치료 결과를 개선하도록 설계된 여러 제품을 제공하며 더 효율적인 선택지를 만드는 데 지속적으로 투자하고 있습니다. 평판 좋은 의료기술 기업을 찾는 투자자라면 Xtant의 제품을 더 자세히 살펴볼 가치가 있습니다.

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레이저 프린팅 골 이식 결론

척추 외상처럼 복잡한 골 손상을 입은 환자에게 더 나은 해결책을 찾으려는 움직임이 강한 이유는 분명합니다. 인구가 고령화하면서 이러한 부상은 앞으로 더 흔해질 것입니다. 따라서 이 연구는 더 빠르고 신뢰할 수 있는 치유 전략의 토대를 마련할 수 있습니다.

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참고문헌

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. 수용성 PVA 매크로티올이 400 mm s−1에서 세포 상호작용 하이드로겔 구조의 2광자 마이크로패브리케이션을 가능하게 함. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}