조직 재생, 약물 전달, 하이드로겔의 발전은 어디까지?
< 일러스트 OpenAI의 DALL·E 제공 >
[객원 에디터 10기 / 차지민 기자] 인류는 기원전 4000~2000년경부터 치즈, 빵, 맥주 등 발효 식품을 이용하며 바이오소재의 기초를 다져왔다. 이후 2000년대에 들어서는 의약품과 농작물 등 다양한 분야로 그 영역이 확대되었다. 그중에서도 세포 조직과 유사한 성질을 지닌 하이드로겔은 의료계의 큰 주목을 받고 있다. 하이드로겔은 1949년에 처음 보고되어 산업적으로 사용되었으며, 1960년대에는 콘택트렌즈용 PHEMA 하이드로겔 개발을 계기로 의료 분야에 본격적으로 도입되었다. 현재는 의료 혁신을 선도하는 핵심 바이오소재 중 하나로 자리 잡고 있다.
다른 바이오 소재들과는 다르게 하이드로겔은 부드러우면서 70%에서 90%까지의 높은 수분을 포함한 네트워크 물질로 피부, 연골, 각막과 비슷한 생체 조직 등을 흉내 낼 수 있다. 하이드로겔의 이런 특징 덕에 사용되었을 때 마찰이 적어 다른 조직들에게도 친화적인 소재이다.
하이드로겔의 이런 생체적합성과 생분해성 덕분에 세포 접착, 증식, ECM 침착을 촉진시키는 모습을 보였다. 이러한 하이드로겔의 다용도성을 통해 하이드로겔은 의료계의 여러 측면으로 확산해 가며 바이오 소재의 혁신을 이끌어 나간다.
천연 하이드로겔의 종류 중 하나인 엘라스틴 기반 하이드로겔은 본격적으로 피부 재생에 사용되고 있다. 특히나 엘라스틴-HA 하이드로겔은 당뇨병 상처 모델에 사용되었을 때 상처된 조직의 재생 속도를 향상하고, 혈액적합성까지 보이며 미래에 혈관이식의 유력한 후보가 되었다. 또한 신체 내의 삼투압에 중요한 천연 불용성 단백질인 피브린과 융합된 피브린 기반 하이드로겔 또한 많은 연구가 진행되고 있다. 엘라스틴 기반 하이드로겔과 비슷하게 피브린 기반 하이드로겔도 조직 재생을 촉진하는 연구 결과를 보였다. 다만 이러한 연구는 아직 전 임상 단계가 많아 실제 임상 적용에는 시간이 더 필요하다.
하이드로겔은 조직 재생뿐만이 아니라 항균제를 대체할 수도 있는 항균 생체재료로도 사용될 수 있다. 박테리아가 내성을 획득하는 현상은 전 세계를 위협하며 해결이 시급했던 현상이었다. 그러나 박테리아 감염을 위해 은, 금, 구리와 비슷한 항균 나노입자를 포함한 하이드로겔을 주입하는 방법이 연구되며 항생제 내성 위험을 급격히 낮췄다. 최근에는 광열(photothermal)·광촉매 기반 항균 하이드로겔도 활발히 연구되고 있다.
조직공학 분야에서도 하이드로겔이 중요한 역할을 한다. 특히 글리코펩타이드 하이드로겔은 다목적으로 활용 가능한 소재로, 상처 치유부터 연골·뼈 재생까지 폭넓은 응용 가능성을 보이고 있다. 글리코펩타이드 하이드로겔은 항산화 특성을 강화해 상처 치유를 촉진할 수도 있고, 자가 복구 능력이 제한된 뼈와 연골 복구에도 응용되며 반월판, 두개골과 치주골이 손상됐을 때 복구하는 능력까지 갖췄다. 그뿐만이 아니라 기존 심근 경색 치료와는 다르게 대량 세포 사멸을 방지하고 심근 조직 복구를 할 수도 있다. 이러한 응용은 대부분 연구 단계로, 실제 임상 적용 가능성을 검증하는 과정이 필요하다. 그 외에 안구 치료, 신경 치료, 등등 하이드로겔의 사용법은 계속 확장되는 중이다.
하이드로겔과 비슷한 바이오 소재들은 많지만 아직 많은 연구가 필요한 주제이기도 하다. 특히 기계적 강도가 약하고 장기간 안정성이 부족하며, 대량생산 비용이 높다는 한계도 존재한다. 이런 신소재는 의료계뿐만 아니라 화장품, 농업(토양 보습제), 소프트 로보틱스, 센서 분야 등 산업에도 대량으로 사용될 수 있는 유용한 소재이다.
