줄기세포(Stem Cell)는 생물을 구성하는 세포들의 뿌리가 되는 어린 세포를 말한다. 죽지 않고 끝없이 반복해 분열하면서 혈구와 피부 등을 만들고, 상처가 나면 스스로 치료한다. 골수, 혈액, 피부, 지방, 간, 신경 등에 주로 존재한다. 줄기세포는 우리 몸을 구성하는 신체 내 어떤 조직으로든 발달할 수 있기 때문에 손상된 장기에 인위적으로 줄기세포를 넣어주는 줄기세포 치료는 ‘꿈의 치료법’이라고도 불린다.

기계공학과 김동성 교수, 김형우 박사, 이정수 석사 연구팀은 줄기세포의 증식과 내피 분화를 촉진할 수 있는, 사인(sine) 물결^*1 모양의 마이크로-나노 이중 표면 구조체^*2을 제작하는데 성공했다. 이 연구성과는 첨단소재 분야 권위 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈 인터페이스(Advanced Materials Interfaces)’ 최신판에 표지논문으로 게재됐다.

연골이나 관절염 치료를 위해 환자 둔부나 복부에서 추출한 지방유래 줄기세포(hASC)로 조직재생을 유도한다. 이처럼 지방세포는 한꺼번에 많은 양의 줄기세포를 얻을 수 있고, 자가재생 능력을 가지고 있으며, 오랜 시간 성장할 수 있어 줄기세포 치료를 위한 ‘줄기세포공장’으로서 잠재력이 크다.

줄기세포 치료를 위해서는 무엇보다 줄기세포를 많이 증식시키고, 표적(혈관) 세포로 잘 분화시키는 것이 중요하다.

이를 위하여 연구팀은 체내 구조에서 관측할 수 있는 부드러운 물결 형태의 패턴을 포함하는 마이크로-나노 이중구조의 고분자 표면구조체를 이용하여 지방유래 줄기세포의 증식과 혈관세포 분화를 연구했다. 여러 공정을 통해 마이크로 구조물들 사이에 크기가 100분의 1 이하의 나노 구조물이 동시에 있는 이중구조의 고분자 표면구조체를 제작했다.

다양한 크기의 마이크로-나노 물결 패턴이 하나의 샘플에 제작되어 있어, 한 번의 실험으로 지방유래 줄기세포의 세포 정렬, 증식, 혈관세포 분화 효율을 측정할 수 있고, 특정 크기(160um – 500nm) 패턴에서 자가지방 줄기세포의 증식과 혈관세포 분화 효율이 모두 증가하는 것을 확인했다.

김동성 교수는 “이번 연구는 줄기세포의 증식과 혈관세포로의 분화를 모두 촉진시켜 줄기세포의 치료 적용 가능성을 한 단계 업그레이드 시킨 결과”라며 “이 연구는 혈관세포 분화에 초점을 맞추었지만, 실제 체내에 존재하는 부드러운 물결 형태의 조직구조를 갖는 근육, 피부, 신경, 연골, 뼈 등의 조직 분화에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 바이오 의료기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
 

1. 사인 물결(sinusoidal wavy patterns)
소리나 빛의 파동과 같이 주기적인 사인(sine) 파형의 물결 모양

2. 마이크로-나노 이중 표면구조체
나노미터 크기의 구조체와 마이크로미터 크기의 구조체를 하나의 샘플 위에 구현한 것