연세대학교 화공생명공학과 홍진기 교수와 중앙대학교 기계공학과 이상민 교수 연구팀이 인공 관절의 한계를 극복할 수 있는 신소재의 해답을 바위 나이테에서 발견했다.

관절염은 연골 손상으로 인한 점증적 또는 급성 발병으로 나타나며, 이는 크게 퇴행성 관절염과 류마티스 관절염으로 분류된다. 두 질환 모두 물리치료나 운동요법 등 보존적 치료를 우선적으로 실시하나 증상이 호전되지 않을 경우, 수술적 치료로서 인공 관절삽입

▲ (왼쪽부터) 연세대 홍진기 교수, 최우진 박사과정생(공동 1저자),      이 시행된다.                                                      이미래 박사과정생 (공동 1저자), 용형석 박사후연구원(공동 1저자)               

일반적으로 인공 관절은 세라믹, 폴리에틸렌 등의 견고한 소재로 만들어져 내구성이 뛰어나지만, 마찰계수가 높아 반복적으로 활동할 때 마찰 부위에서 피로가 누적된다.

이에 따라 관절 연골(Cartilage)의 윤활 기능을 수행할 수 있는 유연하면서도 강한 인공 연골이 필수적이다. 대표적인 유연 소재로는 하이드로겔이 있지만, 인체의 체중을 온전히 견뎌야 하는 인공 연골의 역할을 수행하기엔 약한 소재이다.

홍진기 교수 연구팀은 하이드로겔 기반 인공 연골의 한계를 해결하기 위해 바위에서 발견되는 나이테와 유사한 구조를 가진 리제강 패턴(Liesegang Pattern)에 주목했다.

연구팀은 뼈의 주성분인 수산화인석으로 이루어졌으며, 리제강 패턴을 지닌 새로운 하이드로겔을 개발했다. 특히, 이 신소재는 하이드로겔의 유연한 특성을 유지하면서도 가해진 하중은 리제강 패턴에 의해 분산돼 비선형 탄성(Nonlinear Elasticity)을 보였다.

인체의 움직임이나 충격을 완충하고 지지하는 데 도움이 되는 비선형 탄성은 인체 연골의 독특한 특성으로, 연골과 기계적 특징이 굉장히 유사한 이 개발 신소재는 인공 연골 모사 환경에서 놀라운 내구성을 보여줬다.

홍진기 교수는 “흔히 접할 수 있는 바위에서 착안해 의료 분야의 치명적인 문제에 해답이 되는 기술을 개발한 이상적인 화학공학 연구 결과물”이라고 평가하며, “특히 손가락의 인장 관절, 목의 추축 관절, 손목의 타원형 관절 등에 이 신소재가 유용할 것을 기대하며, 이를 향한 전임상 연구를 기획 중이다.”라고 덧붙였다.

본 연구는 한국연구재단(NRF), 과학기술정보통신부(MSIT), 국가신약개발사업단, 산업통상자원부(MOTIE)의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 결과는 재료 분야 국제 최고 권위 학술지 ‘사이언스 어드벤시스(Science Advances)’에 4월 26일 게재됐다.

◆그림〕인공 연골로 활용하기 위해 바위의 나이테를 모사한 하이드로겔 신소재 모식도