3D 프린팅 기술을 활용한 환자 맞춤형 생체적합성 세라믹 이식재를 개발하고 있는 ‘시지바이오’가 최근 주재료의 물리적 특성을 개선하기 위해 진행한 새로운 연구결과를 발표했다고 6일 밝혔다.

앞서 시지바이오는 2018년 고강도 생체활성 세라믹 소재인 ‘BGS-7’을 환자 특징에 맞게 3D 프린팅으로 제작한 인공 광대뼈가 식약처 승인을 받았으며 지난해에는 ‘환자맞춤형 임플란트 제조 생체활성유리세라믹 정밀공정기술’에 대해 보건신기술(NET) 인증을 획득했다.

BGS-7은 뼈와 강하게 결합하고 뼈 재생을 촉진하는 장점이 있지만 경도가 높아 스크류 고정술 적용 시에는 사용하기 어렵다는 아쉬움이 있었다.

이에 연구진은 BGS-7과 생분해성 고분자 ‘폴리 카프로락톤’(poly ε-caprolactone·PCL)을 배합한 지지체를 통해 경도 조절에 성공했다.

연구진은 뼈 조직 재생에 가장 뛰어난 효과를 보이는 PCL·BGS-7 배합 비율을 확인하기 위해 BGS-7 비율을 20% 40% 60% 등 조건으로 배합한 PCL·BGS-7 지지체(PBGS-20/40/60)를 3D 프린팅으로 제작하고 그 표면과 물리 화학적 특성·세포 반응성 등 분석을 진행했다.

실험에 사용된 PCL·BGS-7 지지체는 BGS-7과 PCL 혼합 파우더를 3D 프린터 기기에서 열을 가해 녹인 뒤 압력을 통해 4개의 각도로 분사, 층을 겹겹이 쌓은 형태로 제작됐다.

이 결과 제작된 모든 지지체 내에는 혼합비와 상관없이 BGS-7 입자들이 균일하게 분포하고 있었으며 BGS-7 비율이 높아질수록 합성을 위해 더 높은 온도의 열과 강한 압력이 필요한 것으로 나타났다.

연구진은 “물리화학적 특성을 분석했을 때 BGS-7 비율에 따라 지지체 강도는 유의하게 증가했다”며 “세포 부착과 관련해 중요한 요소인 표면의 거칠기(roughness) 역시 PCL 단일 지지체 대비 BGS-7 비율에 비례해 증가하는 양상을 보였다”고 설명했다.

또 연구 목적인 인성toughness) 부문에서는 PCL 비율이 높아질수록 유연해지는 양상을 보였다.

BGS-7 단일 지지체와 비교해 PCL 비율이 높은 지지체에서 최고 130배까지 인성이 증가한 것.

이는 PCL과의 배합을 통해 BGS-7 소재 장점을 살리며 스크류 고정 등을 가능하게 하는 등 ‘적용 편의성’을 증대시킬 수 있음을 의미한다는 게 연구진 설명이다.

아울러 BGS-7 비율이 증가함에 따라 친수성과 단백질 흡착력이 높아지고 뼈 형성 조절 유전자를 활성화하는 인산화 칼슘(Calcium phosphate)의 침전 또한 더 잘 이뤄지는 것으로 나타났다.

연구진은 이러한 데이터를 기반으로 마우스의 조골세포 전구세포를 이용해 세포 생착과 증식 등을 직접 비교 평가했다.

세포 배양을 시작하고 1일 3일 7일째 흡광도(optic density)를 이용해 세포 수 변화를 확인한 결과 PCL 단일 성분과 PBGS-20에 비해 PBGS-40·PBGS-60 지지체에서 세포 증식이 유의미하게 증가하는 것을 관찰했다.

또한 뼈 형성에서 중요한 역할을 하는 ‘알칼리성 인산분해효소’(Alkaline phosphatase·ALP), ‘오스테오폰틴’(Osteopontin), ‘콜라겐-1’(Collagen-I) 등 유전자 발현량 분석을 통해 PCL·BGS-7 비율에 따른 지지체의 골 형성 능력을 평가한 결과 역시 BGS-7 비율이 클수록 높다는 것을 확인했다.

연구진은 “실험결과를 종합적으로 분석한 결과 PCL과 BGS-7을 6:4 비율로 혼합한 지지체가 강도와 인장 측면에서 만족스러울 뿐 아니라 세포 성장과 증식을 통한 뼈 재생 부분에서도 가장 적합한 것으로 확인됐다”고 분석했다.

해당 연구 논문 공동 교신저자인 유현승 시지바이오 대표는 “이번 연구결과는 뼈와의 결합력이 좋아 임플란트 등 소재로 활용도가 높은 BGS-7 특성을 살리면서 적용 편의성을 증대시켰다는 점에서 의미가 있다”고 평가했다.

그는 “연구를 통해 마련한 과학적 근거를 제품 개발·생산에 적용해 글로벌 시장에서도 높은 경쟁력을 갖춘 제품을 내놓을 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 최근 국제 학술지 ‘Journal of Industrial and Engineering Chemistry’에 게재됐다.