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심혈관 질환의 스텐트 시술 부작용, 새로운 레이저 패터닝 기술만으로 해결한다.
Bio통신원(KIST)
- 등록2024.12.05
- 조회559
한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 생체재료연구센터 전호정 센터장, 한형섭 박사, KIST유럽연구소 전인동 박사 공동연구팀은 레이저 패터닝 기술로 혈관 내피세포의 성장을 촉진하고 평활근 세포의 탈분화를 억제하는 새로운 스텐트 표면처리 기술을 개발했다. 이 기술은 세포 종류별로 나노 패턴에 대한 반응 차이를 조절할 수 있으며 화학적 코팅 방식과 함께 활용 시 더 큰 혈관 회복 효과를 기대할 수 있다고 밝혔다.
우리나라가 초고령 사회로의 진입을 앞둔 가운데, 고령 인구의 혈관질환 발생이 늘어나고 있다. 이에 따라 좁아지거나 막힌 혈관을 확장해 혈류를 원활히 하는 관 모양의 의료기기인 치료용 스텐트의 중요성이 커지고 있다. 그러나 기존 금속 스텐트의 경우, 혈관 확장을 물리적으로 유지하지만 1개월 후 평활근 세포의 과도한 증식으로 재협착이 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해 약물 방출형 스텐트가 가장 많이 사용되고 있으나 혈관 재내피화를 억제해 혈전이 쌓일 위험을 높여 환자가 혈전용해제를 복용해야 하는 불편함이 있었다. 이러한 단점을 극복하기 위해 스텐트 표면에 단백질이나 핵산 등 활성 분자를 코팅하는 방식의 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나 이러한 활성 분자들은 개별적인 기능만을 수행하기 때문에 혈관 내피세포를 빠르게 증식시키는 데 한계가 있다.
연구팀은 평활근 세포의 성장은 억제하면서 혈관 내피화를 촉진하기 위해 나노초 레이저 텍스처링 기술로 니켈-티타늄 합금 표면에 나노‧마이크로 주름 패턴을 형성했다. 스텐트 시술로 손상된 혈관 내벽에서 평활근 세포가 혈관 안으로 이동하는 과정에서 형태가 변하게 되는데, 레이저로 만든 주름 패턴은 평활근 세포의 길쭉한 형태를 유지할 수 있어 재협착을 방지한다. 또한, 주름 패턴의 영향으로 세포 간의 부착이 증가해 혈관 내벽을 재형성하는 재내피화까지 촉진할 수 있었다.
연구진은 혈관 기능의 회복 효과를 검증하기 위해 혈관 세포 및 태아 동물 뼈를 활용한 신생혈관 분석을 수행했다. 레이저 텍스처링으로 가공된 금속 표면이 혈관 내피세포의 증식 환경을 조성하면서 평활근 세포의 탈분화 반응과 과도한 증식이 효과적으로 억제됐다. 특히, 주름 표면 위에서 평활근 세포가 자라는 정도가 약 75% 감소했으며, 신생혈관 생성 정도는 2배 이상 증가하는 것을 확인했다.
이번에 개발한 표면 패턴 기술은 금속 스텐트는 물론 생분해성 스텐트에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 생분해성 스텐트에 적용하면 녹기 전에 재협착을 예방하고 내피화를 촉진해 환자의 치료를 돕고 합병증 위험을 줄일 수 있다. 레이저 패터닝 기술을 실제 치료 현장에 적용하기 위해 장기적 안전성과 효능 검증에 대한 임상시험을 추진할 계획이다.
KIST 전호정 센터장은 “이번 연구는 표면 패턴을 통해 약물 없이도 혈관 세포 반응을 선택적으로 제어할 가능성을 확인한 연구”라며, “산업용으로 널리 활용되는 나노초 레이저를 사용해 스텐트 표면을 빠르고 정밀하게 가공할 수 있어 실용화와 공정 효율성을 높이는 데 장점이 있다”라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) 지원으로 KIST 주요사업과 미래유망융합기술파이오니아사업(RS-2023-00302145)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「Bioactive Materials」 (IF: 18.0, JCR 분야 상위 0.9%)에 게재됐다.
□ 논문
○ 제목: Exploring the potential of laser-textured metal alloys: Fine-tuning vascular cells responses through in vitro and ex vivo analysis
○ 학술지: Bioactive Materials
○ 게재일: 2024.9.23.
○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.09.019
□ 저자
○ 전인동 선임연구원 (제1저자/교신저자, KIST유럽연구소)
○ 한형섭 책임연구원 (교신저자, KIST 생체재료연구센터)
○ 전호정 책임연구원 (교신저자, KIST 생체재료연구센터)
○ 연구배경
스텐트는 좁아지거나 막힌 혈관을 확장하여 혈류를 원활하게 유지하는 필수적인 의료기기지만, 삽입 후 평활근 세포의 과도한 증식으로 인한 재협착 문제가 여전히 해결해야 할 과제로 남아있다. 기존의 일반 금속 스텐트는 혈관을 물리적으로 확장해주지만, 장기적으로 협착 억제에 한계가 있어 재협착이 발생할 수 있음. 약물 방출형 스텐트는 이러한 문제를 일부 해결할 수 있지만, 약물의 부작용과 장기적인 안전성에 대한 우려가 존재함. 이에 따라 약물 없이도 금속 표면의 정밀한 패턴을 통해 혈관을 구성하는 세포들 간의 반응을 조절하여 혈관 질환을 개선할 수 있는 새로운 기술 개발이 필요함
○ 연구내용
이번 연구에서는 나노초 레이저 텍스처링 기술을 활용하여 니켈-티타늄(NiTi) 합금 표면에 미세한 나노 및 마이크로 주름 패턴을 형성하였음. 이 기술을 활용하여, 기존 일반 금속 스텐트의 한계를 극복할 수 있는 새로운 표면 처리 기술을 개발하였음. 새로운 금속 표면 패턴은 약물 도움 없이도 혈관 내피세포의 성장을 촉진하고 평활근 세포의 증식을 억제하는 효과를 나타냈으며, 연구진은 혈관 세포 및 태아 동물 뼈를 활용한 신생혈관 분석을 통해 레이저 텍스처링으로 가공된 금속 표면이 혈관 내피세포의 증식 환경을 조성하면서 평활근 세포의 염증 반응과 과도한 증식을 효과적으로 억제함을 종합적으로 분석하고 입증하였음. 이러한 금속 표면 처리 기술은 약물 코팅의 필요성을 줄이면서도 재협착 문제를 해결할 수 있는 혁신적 접근법을 제시할 수 있음.
○ 기대효과
이 기술은 기존 약물 방출 스텐트의 한계를 넘어, 부작용이 최소화된 안전성이 높은 접근법을 제시함. 복잡한 화학적 처리나 약물 코팅 없이도 스텐트 및 다양한 의료기기에 적용할 수 있어 재협착 문제를 줄이고, 더 안전한 혈관 치료 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대됨.
연구결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
스텐트는 막힌 혈관을 치료하는 데 필수적인 의료기기이지만, 일반 금속 스텐트는 장기 사용 시 평활근 세포의 과도한 증식으로 재협착 문제가 지속적으로 발생합니다. 기존의 약물 방출형 스텐트는 평활근 세포의 증식을 억제하여 이러한 문제를 일부 해결하지만, 약물 부작용 및 장기적 안전성에 대한 우려가 있으며, 환자는 평생 혈전용해제를 복용해야하는 불편함이 따릅니다. 이에 따라, 이번 연구는 약물 없이도 혈관 내 세포 반응을 조절할 수 있는 대체 기술로서 산업적으로 널리 사용되는 나노초 레이저 텍스처링 방식으로 금속 표면에 미세 패턴을 형성해 혈관 내 세포 반응을 선택적으로 조절할 수 있음을 확인했습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
이번 연구에서는 나노초 레이저 텍스처링을 통해 니켈-티타늄 합금 표면에 나노 및 마이크로 주름 패턴을 형성하여 약물 없이도 혈관 내피세포의 성장을 촉진하고, 평활근 세포의 증식을 효과적으로 억제하는 표면 처리 기술을 개발했습니다. 이 기술은 표면 패턴만으로 세포 반응을 선택적으로 조절하여 기존 스텐트의 화학적 처리 및 약물 코팅의 필요성을 줄이며 재협착 문제를 개선할 수 있는 혁신적인 방법을 제시합니다. 또한, 생체 내 실험법 (in vitro 및 ex vivo) 통해 금속 표면의 구조에 따라 신생혈관의 회복과 평활근 세포의 과다 증식 억제를 종합적으로 분석하여 증명하였습니다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
이 기술이 실용화될 경우, 기존의 약물 방출형 스텐트 대신 약물 도움 없이도 세포 반응을 선택적으로 조절하는 금속 스텐트로 널리 사용될 수 있습니다. 나노 및 마이크로 패턴이 적용된 표면 구조는 혈관 내피세포의 빠른 증식을 촉진하여 혈관의 정상적 기능 회복을 지원하며, 평활근 세포 증식을 억제하여 재협착을 예방할 수 있습니다. 나아가 약물 방출형 스텐트 표면 구조에도 적용이 가능해 다양한 혈관 및 인체 삽입형 의료기기의 성능 향상에 기여할 수 있습니다.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
이번 연구 성과는 기존의 일반 금속 스텐트의 한계를 뛰어넘는 혁신적 진전으로, 약물 없이도 혈관 내 세포 반응을 조절할 수 있는 가능성을 제시합니다. 실용화를 위해서는 장기적 안전성과 효능을 입증하기 위한 다양한 임상 시험이 필요하며, 현재 스텐트 개발 기업 및 병원 연구자들과 기술 상용화를 위한 정부과제를 기획하고 있습니다.
○ 제목: Exploring the potential of laser-textured metal alloys: Fine-tuning vascular cells responses through in vitro and ex vivo analysis
○ 학술지: Bioactive Materials
○ 게재일: 2024.9.23.
○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.09.019
□ 저자
○ 전인동 선임연구원 (제1저자/교신저자, KIST유럽연구소)
○ 한형섭 책임연구원 (교신저자, KIST 생체재료연구센터)
○ 전호정 책임연구원 (교신저자, KIST 생체재료연구센터)
○ 연구배경
스텐트는 좁아지거나 막힌 혈관을 확장하여 혈류를 원활하게 유지하는 필수적인 의료기기지만, 삽입 후 평활근 세포의 과도한 증식으로 인한 재협착 문제가 여전히 해결해야 할 과제로 남아있다. 기존의 일반 금속 스텐트는 혈관을 물리적으로 확장해주지만, 장기적으로 협착 억제에 한계가 있어 재협착이 발생할 수 있음. 약물 방출형 스텐트는 이러한 문제를 일부 해결할 수 있지만, 약물의 부작용과 장기적인 안전성에 대한 우려가 존재함. 이에 따라 약물 없이도 금속 표면의 정밀한 패턴을 통해 혈관을 구성하는 세포들 간의 반응을 조절하여 혈관 질환을 개선할 수 있는 새로운 기술 개발이 필요함
○ 연구내용
이번 연구에서는 나노초 레이저 텍스처링 기술을 활용하여 니켈-티타늄(NiTi) 합금 표면에 미세한 나노 및 마이크로 주름 패턴을 형성하였음. 이 기술을 활용하여, 기존 일반 금속 스텐트의 한계를 극복할 수 있는 새로운 표면 처리 기술을 개발하였음. 새로운 금속 표면 패턴은 약물 도움 없이도 혈관 내피세포의 성장을 촉진하고 평활근 세포의 증식을 억제하는 효과를 나타냈으며, 연구진은 혈관 세포 및 태아 동물 뼈를 활용한 신생혈관 분석을 통해 레이저 텍스처링으로 가공된 금속 표면이 혈관 내피세포의 증식 환경을 조성하면서 평활근 세포의 염증 반응과 과도한 증식을 효과적으로 억제함을 종합적으로 분석하고 입증하였음. 이러한 금속 표면 처리 기술은 약물 코팅의 필요성을 줄이면서도 재협착 문제를 해결할 수 있는 혁신적 접근법을 제시할 수 있음.
○ 기대효과
이 기술은 기존 약물 방출 스텐트의 한계를 넘어, 부작용이 최소화된 안전성이 높은 접근법을 제시함. 복잡한 화학적 처리나 약물 코팅 없이도 스텐트 및 다양한 의료기기에 적용할 수 있어 재협착 문제를 줄이고, 더 안전한 혈관 치료 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대됨.
연구결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
스텐트는 막힌 혈관을 치료하는 데 필수적인 의료기기이지만, 일반 금속 스텐트는 장기 사용 시 평활근 세포의 과도한 증식으로 재협착 문제가 지속적으로 발생합니다. 기존의 약물 방출형 스텐트는 평활근 세포의 증식을 억제하여 이러한 문제를 일부 해결하지만, 약물 부작용 및 장기적 안전성에 대한 우려가 있으며, 환자는 평생 혈전용해제를 복용해야하는 불편함이 따릅니다. 이에 따라, 이번 연구는 약물 없이도 혈관 내 세포 반응을 조절할 수 있는 대체 기술로서 산업적으로 널리 사용되는 나노초 레이저 텍스처링 방식으로 금속 표면에 미세 패턴을 형성해 혈관 내 세포 반응을 선택적으로 조절할 수 있음을 확인했습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
이번 연구에서는 나노초 레이저 텍스처링을 통해 니켈-티타늄 합금 표면에 나노 및 마이크로 주름 패턴을 형성하여 약물 없이도 혈관 내피세포의 성장을 촉진하고, 평활근 세포의 증식을 효과적으로 억제하는 표면 처리 기술을 개발했습니다. 이 기술은 표면 패턴만으로 세포 반응을 선택적으로 조절하여 기존 스텐트의 화학적 처리 및 약물 코팅의 필요성을 줄이며 재협착 문제를 개선할 수 있는 혁신적인 방법을 제시합니다. 또한, 생체 내 실험법 (in vitro 및 ex vivo) 통해 금속 표면의 구조에 따라 신생혈관의 회복과 평활근 세포의 과다 증식 억제를 종합적으로 분석하여 증명하였습니다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
이 기술이 실용화될 경우, 기존의 약물 방출형 스텐트 대신 약물 도움 없이도 세포 반응을 선택적으로 조절하는 금속 스텐트로 널리 사용될 수 있습니다. 나노 및 마이크로 패턴이 적용된 표면 구조는 혈관 내피세포의 빠른 증식을 촉진하여 혈관의 정상적 기능 회복을 지원하며, 평활근 세포 증식을 억제하여 재협착을 예방할 수 있습니다. 나아가 약물 방출형 스텐트 표면 구조에도 적용이 가능해 다양한 혈관 및 인체 삽입형 의료기기의 성능 향상에 기여할 수 있습니다.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
이번 연구 성과는 기존의 일반 금속 스텐트의 한계를 뛰어넘는 혁신적 진전으로, 약물 없이도 혈관 내 세포 반응을 조절할 수 있는 가능성을 제시합니다. 실용화를 위해서는 장기적 안전성과 효능을 입증하기 위한 다양한 임상 시험이 필요하며, 현재 스텐트 개발 기업 및 병원 연구자들과 기술 상용화를 위한 정부과제를 기획하고 있습니다.
[그림 1] 금속 스텐트가 삽입된 혈관의 모식도확장된 스텐트는 막힌 혈관 벽을 물리적으로 확장시키기에, 금속 표면과 혈관 구성 세포 간의 상호작용에 따라 치유가 촉진되거나 부작용이 발생할 수 있음 [사진=KIST]
[그림 2] 나노초 레이저 텍스처링 조건에 따른 금속 표면의 나노/마이크로 구조 제어파장 1064 nm, 펄스폭 4 ns, 펄스 반복횟수 800 kHz의 레이저를 0.5 m/s의 속도로 의료용 금속 표면에 조사를 하게 되면 반복 횟수에 따라 나노미터에서부터 마이크로미터 거칠기의 주름을 갖는 표면 구조를 생성할 수 있음 [사진=KIST]
[그림 3] 나노초 레이저 텍스처링된 금속 표면에서의 탈분화 및 증식이 억제되는 평활근 세포나노초 레이저 텍스처링 조건에 따른 금속 표면의 나노/마이크로 구조 제어를 통해 일반 금속 스텐트와 혈관 구성세포간의 상호작용을 제어할 수 있음. 평활근 세포의 탈분화를 억제하여 이동 및 증식을 억제할 수 있음 [사진=KIST]
[그림 4] 태아 마우스 중족골 분석을 통해 나노초 레이저 텍스처링된 금속 표면에서의 신생혈관 형성 분석나노초 레이저 텍스처링 조건에 따른 금속 표면의 나노/마이크로 구조 제어를 통해 일반 금속 스텐트와 혈관 구성세포간의 상호작용을 제어할 수 있음. 신생혈관 형성을 촉진함 [사진=KIST]본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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