항생·성장물질을 필요한 시기에 순차적으로 방출함으로써 뼈 재생 효과를 높이는 기술이 개발됐다.

연세대학교 치과대학 치주과학교실 차재국 교수와 연세대학교 화공생명공학과 홍진기 교수 공동 연구팀은 항생물질과 성장물질을 동시에 넣은 인공 뼈를 뼈의 결손 부위에 삽입한 뒤 각 물질이 순차적으로 방출하도록 유도해 뼈의 재생을 도울 수 있다고 3월 15일 밝혔다.

▲ 젤라틴 팩으로 장식된 BCP 블록을 사용하여 기능화된 BCP 플랫폼과 4주간의 치료 후 개의 하악골에 새로운 뼈가 형성되는 것을 보여주는 모식도.

연구 결과는 나노과학기술 분야 국제 학술지 나노 투데이(Nano Today, IF 17.4) 최신호에 'Dual-phase blocks for regeneration of critical-sized bone defects'라는 제목으로 게재됐다.

치주질환과 같은 만성염증이나 골다공증 등 뼈 질환을 앓는 환자는 골절을 겪으면 뼈의 재생 속도가 더뎌 회복이 어려우며, 이런 경우 인공 뼈를 이식하기도 한다.

최근엔 인공 뼈 안에 항생물질과 성장물질을 넣어 자연적인 뼈 재생을 촉진하는데, 이때 두 물질의 방출 순서가 뼈 재생 환경의 안정성과 속도에 영향을 미친다.

▲ 가교도가 상이한 GMS의 특성. (a) 가교도에 따른 입자 특성 변화를 나타내는 모식도. (b) GMS의 라만 스펙트럼. (c) GMS의 X선 광전자 분광법(XPS) 스펙트럼 분석. (d) 가교도가 상이한 GMS의 분해율(%). (e) XPS 스펙트럼 분석으로부터 GMS의 원자 원소 백분율(%). (f) 가교도가 상이한 GMS의 형태학적 차이를 나타내는 FE-SEM 이미지.

이식 초기에는 항생물질이 방출돼 수술 부위의 감염을 방지하고, 이후에는 성장물질이 나와 뼈 재생을 본격적으로 촉진해야 하지만, 두 물질의 방출 순서를 미세하고 정확하게 조절할 방법은 연구된 바 없었다.

차재국 교수 연구팀은 인공 단백질 젤라틴을 인공 뼈에 심는 방식을 고안했다.

▲ 약물이 탑재된 GMS 및 젤라틴 코팅으로 이루어진 젤라틴 팩으로 BCP 블록을 장식하는 것. (a) 각 GMS에 대한 미노사이클린 염산염의 방출 프로파일. (b) 각 GMS에 대한 BMP-2의 방출 프로파일. (c) Min@GMS, BMP2 @GMS 및 젤라틴/mTG 코팅으로 BCP 블록을 장식하는 과정과 최종 제품(MBG@BCP)으로부터 프로그래밍된 약물 및 이중 약물 방출 메커니즘을 나타내는 모식도. (d) 일반 BCP 블록, BG@BCP 블록, Gel/mTG 코팅된 BG@BCP 블록(Coated-BCP) 및 MBG@BCP 블록; 각각 10 mm × 8 mm × 6 mm 크기. (e) 일반 BCP 블록, GMS@BCP 및 MBG@BCP 간의 형태학적 차이를 나타내는 SEM 이미지. (f) 젤라틴/mTG 코팅 비율이 다른 MBG@BCP로부터의 BMP-2의 누적 방출 프로파일. (g) 젤라틴/mTG 코팅 비율이 다른 MBG@BCP로부터의 BMP-2의 정규화된 방출 프로파일.

인공 뼈의 바깥 부분에는 항생물질을, 내부에는 성장물질을 함유한 젤라틴을 각각 붙여 이식 초기에는 바깥 부분에 있는 항생물질이 자연스레 먼저 뼈 조직에 모두 녹아들고, 그 뒤로 내부에 있던 성장물질이 나오게 되는 원리다.

▲ 젤라틴 팩이 포함된 이중상 BCP 블록의 생체 내 성능. (a) MBG@BCP 블록을 이용한 CBD 파괴 치유 단계. (b) 생체 내 실험에 사용된 실험 재료: (i) 2상 칼슘 포스페이트(BCP) 블록 및 (ii) MBG@BCP 블록. (c) 수술 절차의 임상 이미지: (i) 개 하악골에서, 10 × 8 × 6 mm (길이 × 높이 × 폭) 크기의 두 개의 중요한 결함이 하악골의 양쪽에 생성되었고, (ii) 각각의 결함은 BCP 블록(대조군), 0.5 mL/mg BMP-2가 적신 BCP 블록(소크 BCP 그룹) 또는 미노사이클린 및 BMP-2가 포함된 GMS가 로딩된 BCP 블록(MBG@BCP 그룹)을 사용하여 이식되었습니다,(iii) BCP 블록을 흡수 가능한 콜라겐 멤브레인으로 덮었습니다. (d) 수술 후 4주 동안의 치유 과정의 임상 사진입니다. (e) 연조직 윤곽 측정을 위해 기준, 1일 및 1주 추적 관찰의 STL 이미지를 중첩했습니다. 색상 영역(주황색)은 시간에 따른 체적 변화를 측정한 관심 영역을 나타냅니다. 연조직 윤곽 변화의 시각화를 위해 각 그룹의 중첩된 STL 파일을 통한 단면 이미지가 표시되었습니다. 노란색: 수술 전(T1); 녹색: 수술 후 1일 (T2); 회색: 수술 후 1주 (T3).

이러한 방식을 광범위한 골 결손(이빨 등)이 있는 성견(成犬)에게 적용했을 때, 이식한 인공 뼈가 체내 생착하고 새로운 뼈를 재생해내는 정도가 기존 대비 2배 이상 향상됐다.

차재국 교수는 "뼈 재생을 안전하게 촉진하기 위해 꼭 필요한 항생물질과 성장물질이 순차적으로 방출되는 기술의 효과를 확인했다"라며, "이번 연구 결과는 뼈 결손부가 큰 암 환자나 뼈 재생 능력이 적은 골다공증, 당뇨 환자에게 도움이 될 것으로 기대한다"라고 말했다.