관상동맥용 스텐트와 조직재생용 스케폴드의 생체적합성 획기적 개선
염기성 수산화마그네슘은 뭉쳐진 형태로 존재하고 있어 산성 중화효과가 제한된다. 화학적 표면처리를 위해성 항염증 효과가 있다고 알려진 지방산인 리시놀산을 개시제로 이용해 락틱산을 나노입자 표면에 올리고머 형태로 중합했다. 이 연구에서는 화학적 표면처리를 통해 뭉쳐진 수산화마그네슘을 나노입자 크기로 제조했다.
표면처리된 수산화마그네슘 나노입자는 산성환경에서 Mg2+와 OH-로 해리돼 산성환경을 중화하게 된다. 이러한 수산화마그네슘 나노입자를 대표적인 임플란트인 심혈관용 약물방출스텐트와 신장조직 재생용 스케폴드 제조에 각각 사용해 동물실험 결과, 생체내에서 염증반응을 크게 억제했다.
기존 생분해성 임플란트는 고분자가 분해되면서 산성 분해산물에 의해 염증이 발생한다. 대조적으로 표면처리된 수산화마그네슘 나노입자를 함유한 생분해성 임플란트는 산성 분해산물들이 나노입자에 의해 pH 중화됨으로써 조직세포의 괴사 및 염증세포의 유입을 막아 염증반응이 현저히 억제된다.
기존 스텐트는 이식 후 혈관 내에서 코팅 고분자가 분해되면서 산성 분해산물에 의해 염증이 발생한다. 대조적으로 표면처리된 수산화마그네슘 나노입자를 함유한 약물방출스텐트는 산성 분해산물들이 수산화마그네슘 나노입자에 의해 pH 중화됨으로써 조직세포의 괴사를 막고 염증반응이 억제된다.
기존 생분해성 고분자(PLGA) 스케폴드는 이식 후 신장 조직내에서 코팅 고분자가 분해되면서 산성 분해산물에 의해 염증이 발생한다. 대조적으로 표면처리된 수산화마그네슘 나노입자를 함유한 스케폴드는 산성 분해산물들이 수산화마그네슘 나노입자에 의해 pH 중화됨으로써 조직세포의 괴사를 막고 염증반응이 억제된다.
(a-d) 수산화마그네슘 나노입자를 함유한 약물방출스텐트(DES)와 기존 DES를 동물(돼지)모델의 심장 관상동맥에 이식 후 신생혈관내막과 염증 결과를 비교했을 때, 수산화마그네슘 나노입자를 함유한 스텐트에서 신생혈관내막 형성과 염증반응이 현저히 감소되는 것을 확인했다.
(e,f) 수산화마그네슘 나노입자를 함유한 신장조직 재생용 스케폴드를 동물(쥐)모델에 이식 후 사구체 생성을 평가했을 때, 사구체 생성이 증가되는 것을 확인했다. 이는 수산화마그네슘 첨가에 의해 염증반응의 감소에 따른 조직재생능이 향상됐다는 것을 의미한다.
한국연구재단은 차의과학대학교의 한동근 교수‧박우람 교수, 미국 시카고대학교의 제프리 허블 교수가 공동연구를 통해 수산화마그네슘 나노입자를 이용해 생분해성 고분자 임플란트로 인한 염증 반응을 대폭 억제하는 기술을 개발했다고 밝혔다.
생분해성 고분자는 생체 이식 후 시간이 지남에 따라 자연스럽게 분해돼 사라지는 특성이 있다. 수술 부위 봉합, 조직재생, 약물전달 등 체내 임플란트와 의료기기의 원료로 이용된다.
하지만 이들 고분자가 생체 내에서 분해되면서 산성 물질을 생성하기 때문에 심각한 염증 반응이 유발된다는 부작용이 있는데, 지금까지는 이를 억제할 수 있는 특별한 방법이 없었다.
연구팀은 사람이 복용하는 제산제에 이용되는 수산화마그네슘(Mg(OH)2)의 pH 중화 효과에 주목햇고, 이들을 나노입자 형태로 생분해성 고분자 의료기기에 첨가했다.
무독성인 수산화마그네슘 나노입자가 낮은 pH로 산성화된 조직 내 환경을 중화시키므로, 조직세포가 생존하고 염증이 현저히 억제된다. 특히 나노입자를 표면처리해 뭉쳐지지 않은 개별 크기로 사용하면 그 효과가 크게 증가된다.
관상동맥 약물방출 스텐트와 신장조직 재생용 스케폴드에 수산화마그네슘 나노입자를 적용하자 염증 반응이 90% 이상 감소했고 임플란트의 생체 적합성이 크게 개선됐다.
한동근 교수는 “이 연구는 생분해성 고분자 재료를 이용하는 거의 모든 기존 생체이식 의료기기에 적용할 수 있는 플랫폼 원천핵심기술로서, 사업화되면 관련 의료기기의 수입 대체 및 수출 산업에 크게 기여할 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.
이 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 및 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
국제학술지 ACS 나노(ACS Nano) 5월 29일 자에 논문명 ‘Modified Magnesium Hydroxide Nanoparticles Inhibit the Inflammatory Response to Biodegradable Poly(lactide-co-glycolide) Implants’, 한동근 교수(교신저자, 차의과학대), 제프리 허블 교수(교신저자, 시카고대), 박우람 교수(제1저자, 차의과학대), 이유진 박사(제1저자, 한국과학기술연구원), 금창헌 박사(제1저자, 한국과학기술연구원), 전소영 박사(경북대), 조영진 박사(한국식품연구원), 정윤기 박사(한국과학기술연구원), 박광숙 박사(한국과학기술연구원), 홍영준 교수(전남대), 안동준 교수(고려대), 김병수 교수(서울대), 권태균 교수(경북대), 정명호 교수(전남대) 등으로 게재됐고, 미국과 한국에 관련 특허가 등록됐다.