그래핀 나노복합체, 뼈 형성 획기적으로 향상시켜

부산대 공동연구팀, 세계 최초 동물실험으로 입증

‘사이언티픽 리포트’ 소개…미래융합 골 이식재 개발 기대







국내 연구팀이 그래핀 나노복합체를 이용해 부러지거나 손상된 뼈의 결손 부위에 새로운 뼈를 생성하는 데 3배 이상 획기적인 효과를 기대할 수 있다는 연구결과가 동물실험에서 입증돼 주목된다.

차세대 신소재인 ‘그래핀’의 골세포 분화 촉진에 대한 기존연구는 있었지만 임상 전 단계인 동물실험을 통해 실제로 그래핀에 골유도능(뼈를 생성하도록 유도하는 기능․골형성능)이 있음을 확인한 연구는 이번이 처음이다.



3일 부산대학교 나노과학기술대학 광메카트로닉스공학과 한동욱․홍석원 교수와 치의학전문대학원 보철과학교실 허중보 교수 등 공동연구팀에 따르면 흔히 뼈의 결손을 보완하기 위한 골분화 유도 인자로는 골형성 단백질(BMP․Bone Morphogenetic Protein), 비타민 D3(cholecalciferol), 비타민 C(ascorbate), β-glycerophosphate(베타-글리세롤포스페이트) 등이 쓰이고 있는데 이 중 골형성 단백질(BMP)은 가장 강력한 골세포 분화 유도 물질로 지난 수십 년 간 골 조직공학뿐만 아니라 다양한 동물 모델 및 임상 실험에서 뼈와 임플란트 계면의 골유합(osteointegration)을 향상시키기 위해 광범위하게 활용됐다.



하지만 이같은 생체 활성물질은 임상 적용이 까다롭고 적용 부위에 따른 부작용이 일부 보고돼 더욱 안정적이고 예측가능한 생체재료 개발이 요구되고 있는 실정이다.



이에 부산대 연구팀은 대표적 골재생 인자인 골형성 단백질(BMP)이나 다른 생화학적 골유도 물질 없이도 골유도능을 향상시킬 수 있는 방법을 찾기 위해 연구를 진행했다.

그 결과 최근 생체재료 및 조직공학 분야에서 활용 가능성이 높은 것으로 알려진 ‘그래핀’에 주목해 이를 기반으로 한 나노바이오소재에 의해 신생 골 형성이 증가한다는 사실을 세계 최초로 동물실험을 통해 입증하는 데 성공했다.



골 조직의 대표적인 기질인 하이드록시아파타이트(칼슘과 인으로 구성된 인산칼슘계열 물질)에 신소재 ‘그래핀’을 혼합한 나노복합체 성분의 골 이식재를 제작, 두개골의 일부 뼈가 손상된 토끼에 이식한 뒤 4주간 뼈가 새로 생성되는 과정을 지켜봤는데 두 소재의 시너지 효과를 통해 손상 부위의 신생 골 형성이 골 이식재를 사용하지 않은 대조군보다 3배 이상 증가했음을 확인했다.



이번 연구결과는 그래핀/하이드록시아파타이트 나노복합체에 관한 이번 연구는 골 재생 효능이 획기적으로 향상된 골 결손부 맞춤형 골 이식재 개발 및 치과 임플란트 코팅 소재 개발의 토대를 마련했을 뿐 아니라 그래핀 나노복합체가 어떠한 골유도 인자도 없는 조건에서 골 결손부 맞춤형 골 이식재 역할을 할 수 있다는 사실을 세포실험에서 한 단계 더 나아가 동물실험을 통해 밝힌 최초의 연구로 평가받고 있다.



한동욱 교수는 “지금까지 골 결손 부위의 대체를 위해 다양한 합성 골 이식재가 개발되어 임상에 적용되고 있으나 기계적 물성 및 성형 가공성의 개선이 필요하고 생체적합성이나 골유도능 측면에서는 여전히 자연골과는 상당한 차이가 있는 상태”라며 “이번 연구를 통해 부작용은 최소화하면서 효능을 극대화한 미래융합 골 이식재 상용화에 공헌할 수 있는 발판이 마련될 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.



미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 원천연구사업(바이오·의료기술개발사업)으로 수행된 이번 연구성과는 세계적 권위의 네이처 출판부(Nature Publishing Group)에서 발간하는 융합과학 분야의 학술지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports, IF=5.58)’ 온라인 판2015년 12월 21일자로 게재됐다.



<용어설명>

그래핀(Graphene): 탄소원자로 만들어진 원자크기의 벌집 형태 구조를 가진 소재로, 흔히 연필심 등에 사용되는 흑연의 한 층이다. 두께가 0.2㎚로 얇아서 육안으로는 확인이 안 될 만큼 매우 얇고 투명하며, 상온에서 구리보다 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 빨리 전달할 수 있다. 열전도율도 가장 높은 다이아몬드보다 2배 이상 높고, 강도는 강철보다 200배 이상이면서도 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않아 미래 신소재로 각광받고 있다.