ECM(Extracellular Matrix, 세포외기질)은 세포가 자라고 기능할 수 있는 지지 구조물로서, 3D 바이오프린팅 모델에서 혈관 구조 형성과 생리학적 반응 유도에 중요한 역할을 한다.

특히 돼지 유래 혈관 탈세포화 ECM(vascular dECM)에 콜라겐과 알지네이트를 혼합한 하이브리드 바이오잉크를 개발해 기계적 강도를 약 65배 향상시켰다. 기존의 ECM 단독 바이오잉크는 프린팅 후 수축 및 붕괴 문제가 있었으나 콜라겐이 구조적 수축을 억제하고 알지네이트가 빠른 겔화를 유도함으로써 안정적인 혈관 내강을 유지할 수 있었다.

혈관 유래 탈세포화 ECM(VdECM)은 돼지 대동맥 조직에서 유래한 탈세포화 생체재료로 콜라겐·엘라스틴·글리코사미노글리칸(GAGs) 등 주요 세포외기질 성분이 풍부하게 보존돼 있다.

모델 제작 후에는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반 시뮬레이션으로 협착 혈관 내 병리적 흐름 특성을 분석했다. 그 결과 미세입자인 형광 마이크로비드를 이용한 실제 투과성 실험과 일치했으며 협착 부위에서의 난류 발생과 재순환 영역이 실시간으로 시각화됐다.

제작된 혈관 구조 내에 인간 뇌혈관 내피세포(HBMEC)와 제대정맥 내피세포(HUVEC)를 배양한 결과, CD31, ZO-1, VE-cadherin 등 내피세포 접합 단백질이 고르게 발현됐으며 분자량에 따른 투과성 차이를 나타내는 등 생리학적으로 기능성 있는 혈관 내피로 파악됐다.

구조 뿐만 아니라 혈류에 따라 변하는 염증 반응까지 재현했다는 점이 주목된다. 협착 부위에서 혈류가 왜곡되고 압력이 달라지면서 염증성 접착분자인 ICAM-1과 VCAM-1의 발현이 각각 약 2.2배, 1.5배까지 높아졌는데, 이는 실제 동맥경화 등의 염증 반응과 유사한 결과다. 연구팀의 모델이 혈류 유도성 염증 반응을 정량적으로 재현할 수 있음을 보여준다.

김병수 부산대 교수는 “이번 연구는 병리적 혈류 환경을 체외에서 구현하고, 이에 따른 내피세포의 염증 반응까지 정량적으로 분석할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시했다는 점에서 의의가 크다”며 “향후 혈관 질환의 기전 연구는 물론, 약물 반응 평가와 맞춤형 치료 전략 개발에도 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 바이오의료기술개발사업과 우수신진연구사업, 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트의 지원을 받았다​. 부산대 의생명융합공학부 김병수 교수와 포항공대 기계공학부 조동우 교수가 공동 교신저자, 부산대 의생명융합공학부 최민주 석사졸업생(현 한국재료연구원 소속)과 포항공대 기계공학과 박원빈 박사(현 티센바이오팜 소속)가 공동 제1저자로 수행했다.

혈류역학 기반 뇌혈관 질환 모델링의 새로운 가능성을 제시한 이번 연구는 생체재료 및 조직공학 분야에서 권위 있는 국제 학술지 『어드밴스드 펑셔녈 머티리얼즈(Advanced Functional Materials』 6월 30일자에 게재됐다.

논문 제목은 Embedded 3D-Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force-induced Endothelial Responses(기계적 강화 ECM 바이오잉크 기반 3D 동축 바이오프린팅을 활용한 협착 뇌혈관 및 혈류역학적 내피 반응 모델링)이다.

부산대 김병수 교수팀 연구 이미지

김형일 부산닷컴 기자 ksolo@busan.com