[연구실소개] 인제대학교 의용공학과 세포 및 생체역학 연구실 - 세포의 미세 물리적 환경 제어를 위한 융합기술 개발 -

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연구실

^소개

인제대학교 세포 및 생체역학 연구실에서는 생체 내에서 세포 가 받고 있는 미세 물리적 환경 을 조절하여 중간엽 줄기세포 등의 증식 및 분화를 위한 연구 를 수행하고 있다. 이를 위해 세 포에 압축, 인장, 전단응력을 가 할 수 있는 다양한 바이오리액터를 개발하였으며, 이 러한 기계 물리적(physical) 환경뿐만 아니라 세포의 형태학적(morphological) 환경을 위한 지지체의 가공 법, 형상 제어 기술 등의 융합 기술 개발에 힘쓰고 있 다. 본 연구실은 2008년 국가지정연구실로 선정되었다.

연구주제의 개요

본 연구실에서는 공학적 이론에 입각하여 실제 임 상 연구에 적용할 수 있는 새로운 방법론을 개발하기 위해 노력하고 있다. 1993년에 생체역학 실험실로 시 작하여, 주로 외과와 치과 임플란트 분야에 주로 초점 을 맞추어 연구해 왔으며, 2000년부터는 조직공학이

나 성체줄기세포의 생체유사환경조절과 같은 세포와 관련된 분야의 연구를 수행해 왔다. 이러한 세포 공학 적 접근에 기초하여 세포를 인체 내에서 경험하는 것 과 같은 환경에서 배양 및 분석하였다. 본 연구실은 2008년에 임상의와 생물학자, Bio-MEMS (biological microelectromechanical system)와 MRS (magnetic resonance spectroscopy) 전문가들이 모여 광범위한 연구와 관련된 방법론들을 위한 국가지정연구실로 지 정되었다.

주요 연구내용

본 연구실의 연구 방법이나 토픽을 대표하는 키워 드는 정량적 측정, 재현성 있는 방법, 기계적 자극, 비 침습적 분석, high-throughput system이다.

미세물리적 환경

세포가 경험하는 미세물리적 환경은 두 가지로 나 뉠 수 있는데 기계적 환경과 형태학적 환경이다. 모든 종류의 세포들은 우리의 일상 생활동안에 발생하는 신 정 욱

인제대학교 의용공학과, sjw@inje.ac.kr

Homepage : http://cellmech.inje.ac.kr/

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기계 물리적 자극을 경험하고 있고 각자의 타입에 맞 는 공간 형태학적인 조건을 가지고 있다. 우리는 세포 가 생체 내에서 분리되어 배양 용기에 옮겨질 때 그들 의 형태가 변화한다는 것을 기억해야 한다. 이는 3차 원 공간 내에 존재하던 세포가 2차원적인 환경에 적 응하기 위해 세포 골격을 변화시킴으로서 그들이 본 래 가지고 있던 주요 특성을 잃게 된다는 것을 의미한 다. 그러므로 어떠한 연구이든지 시작하기 전에 원래 의 생체와 유사한 환경을 제공해 줄 필요가 있다. 기 계 물리적 생체유사 환경을 제공하기 위해서 각각의 세포의 환경에 맞는 다양한 바이오리액터(bioreactor) 들을 도입하였으며 그 중 몇 가지는 산업화하는 데 성 공하였다. 이러한 개념은 줄기세포 분화의 장기적인 평가에도 확장하여 사용할 수 있으며, 특히 줄기세포 가 in vitro 상에서 성공적으로 분화되었다 하더라도 체 내에서 장기간 배양될 경우에 그 기능을 할 수 있을 것이라 장담할 수 없다. 바이오리액터는 이러한 이유 에서 세포를 인체 내에 도입하기 전에 기계적 생체 유 사환경을 제공하여 세포를 단련시키기 위한 수단으로 개발되었다. 이 외에도 bio-MEMS/ nano-technology 를 도입하여 형태학적 생체 유사환경을 제공하기 위 해 노력하고 있으며 현재 중간엽 줄기세포를 다른 계 통으로 분화된 세포와 함께 바이오리액터 내에서 공 배양하여 화학적 시약을 사용하거나 사용하지 않고 분화하는 방법에 대해 연구를 수행하고 있다.

특정 계통으로 분화하는 세포응답을 평가하기 위한 비침습적 기술 개발

세포응답을 연구를 진행할 때 표본의 수를 줄여할 필요가 있는데 이를 위해 같은 샘플로부터 데이터를 수집하기 위해 사용할 수 있는 methodology를 찾고 있다. 예를 들어, 현재 나와 있는 대부분의 세포 실험 방법으로는 세포를 harvest해야 하기 때문에 세포가 파괴되는 것을 피할 수 없고 이로 인해 불필요한 많은 시간과 비용을 들여야 한다는 문제점이 있다. 그래서 본 연구실에서는 MRS를 이용하여 분화의 정도나 대

사산물 등의 세포 응답과 관계된 중요한 parameter들 을 측정하기 위한 연구를 진행하고 Samsung Biomedical Research Institute (SBRI)와 협력하여 같은 샘플에서 정량적이고 축적된 데이터를 얻기 위 해 노력하고 있다. 이 분야는 문치웅 교수에 의해 개 척되었으며, 운영되고 있다.

세포 부착력의 정량적 측정

표면에 붙어 있는 세포의 부착력을 측정하기 위한 이 기본적인 툴은 기계공학의 보의처짐 이론에 근거하 며, 세포 연구의 key parameter로 인식되고 있다. 역 사적으로 보면, 이전에는 표면에 붙어 있는 세포의 부 착력을 측정하기 위해서 fluid flow를 흘려준 전과 후 의 세포 수를 계산하였다. 그러나 이러한 전통적인 방 식은 정성적인 데이터만을 제공한다. 정량적인 세포부 착력을 측정하기 위해서 본 연구실에서는 micro-sized beam을 사용하였으며 micropipette manipulator로 조작하여 표면에 붙은 세포를 떼어낸다. 떼어지는 세 포에 의해 세포가 붙어있던 힘의 세기만큼 빔이 변형

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인제대학교 의용공학과 세포 및 생체역학 연구실

(A) (B) (C)

그림 1. Miniature flow chambers containing cells of different sizes (A). The expression of intracellular Ca

²⁺

before (B) and after (C) fluid flow-induced shear stress.

그림 2. Anima magnetic resonance imaging/spectroscopy

(MRI/S) system at SBRI and a self-developed high-

sensitivity radio-frequency (RF) coil for MRI/S systems.

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된다. 세포를 떼어내는 모든 과정은 기록되고 inverse finite-element approach로 분석하여 세포를 떼어내 는 데 필요한 힘을 계산한다. 이 방법은 매우 간단하 고 비용이 저렴하다. 또한 이러한 기술은 cellular surface나 개발된 표면의 효과를 분석하는 등의 다른 분야에도 적용될 수 있다. 본 연구실에서는 간헐적 정 수압(intermittent hydrostatic pressure)에 의해 세포 부착력이 증가하는 것을 발견하였다.

임상적, 생물학적 연구를 위한 공학적 결과물 이종 골이식 대체물

본 연구실에서는 돼지의 해면골을 이용하기 위한 Korea Food Drug Administration (KFDA)의 승인 을 받아, 국내에서 처음으로 이종 골 이식 대체물을 개 발하였다. 이 제품은 소를 이용한 이종골 이식과 비교 했을 때 좀 더 사람과 비슷한 기계적 강도와 Ca/P 구 성비를 가지며, 무엇보다도 제조과정이 매우 간단하고 재현성이 있어 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

컴퓨터를 이용한 지지체 제작

보통 염추출법(salt-leaching)이나 gasforming 방법 을통해제작된지지체는pore 사이의낮은interconnectivity 로 인하여 지지체의 내부로 침투하지 못하여 전체 두 께에 골고루 배양되지 못하고 지지체의 표면에만 머무 르게 된다는 단점이 있다. 지지체의 interconnectivitiy 를 높이기 위해서 본 연구실에서는 rapid prototype (RP) technique을 사용하였으며, 지지체 제작을 위해

요구되는 pore size나 interconnectivity, 전체의 모양 등의 제조과정은 전적으로 컴퓨터에 의해 제어 가능 하다. 이렇게 제조된 지지체는 동물 실험에서도 좋은 결과를 나타내었다.

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연구실 소개

그림 3. The xenograft bone substitute marketed in Korea.

그림 4. Various scaffolds manufactured using the layer manufacturing process(LMP) with (A) nano- and (B) micro-sized hydroxyapatite(HA) particles.

그림 5. Histological observations of scaffolds made using the

LMP and salt leaching & gas forming process methods.

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인제대학교 의용공학과 세포 및 생체역학 연구실

바이오리액터

바이오리액터는 생체 내에 근거하여 이와 유사한 물리적 자극을 세포나 조직에 적용하기 위해 개발되 었으며, 이러한 물리적 자극은 인장, 전단, 압력 등의 세 가지 종류로 구별될 수 있다. 이 모든 장치들은 인 큐베이터 내에서 컴퓨터로 제어 가능하다.

주요 연구실적

“In Vitro and Animal Study of Novel Nano- Hydroxyapatite/Poly(varepsilon-Caprolactone) Composite Scaffolds Fabricated by Layer Manufacturing Process”, Tissue Eng Part A.

2009; 15(5):977-89.

“ Manufacturing of multi-layered nanofibrous structures composed of polyurethane and poly(ethylene oxide) as potential blood vessel scaffolds”, J Biomater Sci Polym Ed. 2009; 20(5- 6):757-71.

“Fabrication and characterization of novel nano- and micro-HA/PCL composite scaffolds using a modified rapid prototyping process”, J Biomed Mater Res A. 2009; 89(1):108-16.

“Effects of intermittent hydrostatic pressure on cell adhesive forces and other related parameters under various resting periods.”, J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2008; 85(2):353-60.