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조윤기
조윤기(Yun Kee Jo) 저자 이메일 보기
POSTECH
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Diatom-Inspired Silica Nanostructure Coatings with Controllable Microroughness Using an Engineered Mussel Protein Glue to Accelerate Bone Growth on Titanium-Based Implants
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

치과 임플란트는 치아의 결손 부위에 티타늄 등의 특수금속으로 만든 인공치근을 치조골에 이식하여 본래의 치아 기능을 수행하기 위한 이식체로서, 높은 성공률과 심미성, 안정성을 제공하는 효율적인 치료방법으로 널리 적용되고 있습니다. 전 세계적인 무치악 고령인구의 증가로 인해 치과 임플란트의 수요가 꾸준히 증가하고 있는 한편, 높은 성공률에도 불구하고 실제 임상에서 임플란트의 실패 가능성은 여전히 존재하고 있으며 이로 인해 재수술을 하는 경우가 생기기도 합니다. 이번 연구에서는 우수한 접착력과 생체적합성을 가지는 생체접착소재인 재조합 홍합접착단백질에 규조류(diatom)의 신체 구조화를 위한 실리카 생광물화(biosilicification) 기작을 접목하여 치과 임플란트의 골 재생을 촉진할 수 있는 코팅소재를 개발하였습니다. 실리카 나노입자는 뛰어난 골세포 분화능에도 응집된 덩어리 형태로 존재하는 경우 물리적 충격에 쉽게 와해되기 때문에 그 동안 이용이 제한적이었으나, 홍합접착단백질을 통해 실리카 나노입자 기반 유기-무기 하이브리드 복합소재를 형성함으로써, 하중이 발생하는 체내 골 조직 부위에 성공적으로 적용했다는 점에서 의미가 크다고 할 수 있습니다.

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유전자 재조합 기술을 통해 홍합접착단백질에 규조류 유래 실리카 형성 펩타이드인 R5 펩타이드가 결합된 융합단백질 R5-MAP는 표면에 안정적으로 코팅되어 체액과 유사한 조건에서 실리카 나노입자의 형성이 가능하기 때문에, 고온, 고압 또는 화학물질을 필요로 하는 기존의 화학합성 방법에 비해 생체 적용에 유리한 장점을 지닙니다. 이러한 R5-MAP를 통해 실리카 나노입자를 다중층 방식으로 코팅함으로써 티타늄 표면의 거칠기를 조절할 수 있으며, 이를 통해 골세포 활성이나 분화능 역시 조절이 가능하다는 것을 확인하였습니다. 특히 실리카 나노입자가 다중층으로 코팅된 티타늄 표면을 체내에 식립할 경우 약 2배 이상의 높은 골 조직 재생을 유도하는 결과도 얻을 수 있었습니다. 이번에 개발된 코팅소재는 임플란트의 골 융합을 빠르게 앞당김으로써 임플란트 수술의 성공률을 높이는 데 기여할 것으로 기대됩니다. 특히 노인이나 당뇨, 골다공증 환자 등 양과 질적인 측면에서 골의 기능이 저하된 임상 사례에서 더욱 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 전망하고 있습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

해양생명체인 홍합은 접착단백질을 분비하여 바닷속의 표면에 단단히 부착하여 생활할 수 있습니다. 특히 홍합접착단백질은 강한 접착력뿐 아니라 생체적합성과 생분해성을 나타냄으로써 조직공학과 의료 분야에서 크게 주목받아 온 생체접착소재입니다. 그러나, 자연추출을 통해 홍합접착단백질을 분리해내는 경우, 1g의 최종 산물을 얻기 위해 약 1만여 마리의 홍합이 필요하기 때문에 몇 년 전까지 세포접착제의 용도로만 개발이 되어온 바 있습니다. 제가 속한 포항공과대학교 화학공학과 분자생명공학연구실 (MAGIC Lab.)에서는 분자생명공학기술을 통해 재조합 홍합접착단백질을 설계, 구축하여 미생물 발현 시스템을 통해 대량생산을 가능케 하였고, 이를 기반으로 현재 기술이전과 상용화 연구를 활발하게 진행하고 있습니다. 홍합접착단백질 이외에도 말미잘, 진주조개와 같은 해양생명체를 모사하여 실생활에 유용한 바이오신소재를 개발, 응용하는 연구가 다양하게 수행되고 있습니다.

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                    < 포항공과대학교 분자생명공학연구실 (http://magic.postech.ac.kr/) >

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 해양극지기초원천기술 개발사업 중 <해양 생광물화 경로 규명 및 모사 통한 다기능성 생광물 복합소재 개발> 및 해양수산부가 추진하는 해양수산생명공학 R&D 사업 중 <해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발>의 지원을 받아 수행되었습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

임플란트 표면의 거칠기는 대부분 물리/화학적인 방법에 의해 형성되어 왔지만, 생물학적인 방법, 특히 단백질을 통해 마이크로 스케일에서 임플란트의 표면의 거칠기를 조절하고자 하는 시도는 이번 연구가 최초인 것으로 알고 있습니다. 특히 매 실험 마다 단백질과 실리카 나노입자를 다중층 코팅하는 과정에서 상당한 노력과 시간이 필요했는데, 결과적으로 실리카 나노입자의 마이크로 스케일 적용을 통해 골 재생을 효과적으로 이끌어낸 것이 좋은 평가를 받아 표지논문으로 선정되어 큰 보람을 느낍니다. 이러한 결과는 홍합접착단백질이라는 훌륭하고 독보적인 원천소재가 있었기에 가능했던 것 같습니다. 소재를 처음 개발하신 연구실 선배님들과 교수님께 감사드립니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

제가 연구하고 있는 분야는 바이오신소재 기반의 조직공학 분야입니다. 그 중에서도 생체모방 기술을 이용한 소재 개발은 그 대상과 가능성이 무궁무진하기 때문에 도전할 만한 가치가 충분하다고 생각합니다. 물론 한 편의 논문을 완성하는데 필요한 연구 기간도 상대적으로 길고, 그 과정에서 혹여 실험이 생각대로 되지 않을 때는 막막했던 적도 종종 있었던 것 같지만, 소재의 디자인에서부터 생산, 정제, 제형화를 거쳐 in vitro, in vivo 실험에 이르는 일련의 과정을 마치고 난 후의 성취감에 이 분야가 매력적으로 느껴졌던 것 같습니다. 본인 스스로의 동기부여와 끈기를 가지고 연구한다면 논문이라는 값진 보상과 함께 연구에 대한 즐거움이 더욱 커지리라 예상합니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

본 연구가 홍합접착단백질 기반의 2D 표면 코팅을 기반으로 실리카 나노입자를 통한 물리,화학적 특성을 향상시켰다면, 향후에는 3D 구조체 형성을 통해 약물 전달이나 질병 진단, 조직 지지체 등으로의 적용 방안을 모색할 것입니다. 개인적으로는, 바이오신소재 기반의 조직공학적인 경험을 바탕으로 해외 대학에서 Post-doc으로 다양한 연구를 진행해보고 싶습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

운 좋게도 과분한 결과를 낼 수 있도록 도와주신 많은 분들께 감사드리고 싶습니다. 항상 아낌없이 지원해주시고 믿어주시는 차형준 교수님, 세심한 조언과 수 없이 많은 디스커션을 해주신 김창섭 교수님 감사드립니다. 좋은 연구결과에 누구보다 좋아할 할머니, 아빠, 엄마, 동생에게도 감사의 말을 전합니다. 마지막으로 언제나 한결 같은 마음으로 함께 해주는 여자친구 연수 진심으로 고맙습니다.

 등록일 2017-12-19
Category: Biotechnology
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