Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

뼈가 심하게 부러졌을 때, 의사들은 종종 소실된 부분을 새로운 뼈가 자라나도록 유도하는 일시적인 3차원 골격인 스캐폴드(scaffold)로 대체해야 합니다. 이것이 제대로 작동하려면, 스캐폴드는 단순히 빈 케이지 이상의 것이어야 합니다. 무게를 견딜 수 있을 만큼 강해야 하고, 혈관과 영양분이 흐를 수 있을 만큼 다공성(porous)이어야 하며, 세포가 새로운 조직을 구축하도록 독려할 수 있을 만큼 화학적으로 활성 상태여야 합니다. 자연은 이미 갑각류의 껍질과 물고기의 비늘에서 이 문제를 해결했는데, 이곳에서는 재료의 층들이 나선형 패턴으로 뒤틀려 있어 강하면서도 유연한 구조를 만들어냅니다. 과학자들은 이를 불리간드(Bouligand) 구조라고 부릅니다. 엔지니어들의 과제는 주변 뼈를 약화시키거나 녹게 만들 수 있는 너무 딱딱한 구조나, 신체를 지탱하기에 너무 약한 구조가 되지 않으면서도 인간의 뼈를 모방하는 방식으로 이 자연적 설계를 재현하는 것입니다.

인도의 벨로르 공과대학교(Vellore Institute of Technology) 연구진은 이 나선형 구조와 특수한 재료 혼합물을 결합한 새로운 유형의 뼈 스캐폴드를 설계하고 제작하는 데 착수했습니다. 그들은 무게를 지탱할 뿐만 아니라 압력을 받을 때 미세한 전기 신호를 생성하는, 즉 압전성(piezoelectricity)이라는 특성을 가진 구조를 만들고자 했습니다. 인체 내에서 천연 뼈는 무게를 견딜 때 이러한 전기 신호를 생성하며, 이 신호는 뼈 세포에게 스스로 성장하고 회복하도록 알려주는 역할을 합니다. 이를 달성하기 위해 연구진은 뼈와 유사한 세라믹인 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite)와 압전 세라믹인 티타늄산 바륨(barium titanate), 그리고 그래핀(graphene)이라 불리는 아주 적은 양의 전도성 탄소 재료를 혼합했습니다. 그들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 수천 가지의 서로 다른 재료 조합과 다양한 다공성 수준을 테스트하며, 스캐폴드가 강도를 유지하고, 유체가 흐를 수 있으며, 뼈 치유를 돕기에 딱 적절한 양의 전기를 생성할 수 있는 완벽한 균형점을 찾았습니다.

연구진은 먼저 재료 혼합물의 작은 입방체들을 모델링하여 서로 다른 성분들이 함께 어떻게 행동할지 예측하는 것으로 시작했습니다. 그들은 티타늄산 바륨을 추가하면 재료가 더 단단해지고 전기적으로 더 활성화된다는 것을 발견했으며, 그래핀은 전기 전하를 더 효율적으로 전달하는 데 도움을 준다는 것을 발견했습니다. 그러나 또한 압전 재료가 너무 많으면 세포에 해로울 수 있다는 점도 발견했기에, 적절한 양을 찾는 것이 매우 중요했습니다. 그 후 그들은 이러한 발견을 확장하여 전체 크기의 스캐폴드를 설계할 때 나선형의 층상 구조를 적용했습니다. 고급 컴퓨터 모델링을 사용하여, 연구진은 이 스캐폴드가 압력을 어떻게 처리하는지와 물이 구멍을 통해 어떻게 흐르는지를 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션 결과, 70%의 고체 재료와 30%의 빈 공간을 가진 스캐폴드가 최상의 균형을 제공한다는 것을 보여주었습니다. 하이드록시아파타이트 90%, 티타늄산 바륨 9.9%, 그래핀 0.1%의 혼합물로 만들어진 이 특정 설계는 밀도가 높은 인간의 해면골(spongian bone)의 강도와 일치했으며, 뼈 성장에 유익하고 안전한 범위 내에서 전기 신호를 생성했습니다.

컴퓨터 설계가 완료되자, 팀은 이를 제작하기 위해 실험실로 이동했습니다. 그들은 세라믹 분말을 액체 결합제와 섞어 무거운 점토와 유사한 걸쭉한 페이스트를 만들었고, 이를 3D 프린터에 넣었습니다. 프린터는 정밀한 글루건처럼 작동하며 페이스트를 층층이 얇은 가닥으로 짜냈습니다. 연구진은 페이스트가 무너지거나 너무 퍼지지 않고 형태를 유지할 수 있도록 인쇄 속도와 페이스트를 밀어내는 압력을 세심하게 조절해야 했습니다. 그들은 가닥이 인쇄 직후 바로 단단하게 유지될 수 있게 해주는 결합제의 농도를 찾기 위해 다양한 농도를 테스트했습니다. 적절한 설정값을 통해, 그들은 복잡한 나선형 구조를 성공적으로 출력하여 내부를 관통하는 미세하고 연결된 구멍들의 네트워크를 가진 견고한 물체를 만들어냈습니다.

최종 결과물은 마치 미니어처 벌집 같지만 뒤틀린 층상 패턴을 가진 작은 흰색의 다공성 원통형이었습니다. 연구진이 현미경으로 출력된 물체를 관찰했을 때, 서로 다른 재료들이 균일하게 혼합되어 있으며 가닥들이 강하고 균일하다는 것을 확인했습니다. 컴퓨터 모델은 이 특정 설계가 자연스러운 인간의 뼈와 유사한 속도로 유체가 흐르게 할 것이라고 예측했는데, 물리적 구조 또한 이러한 잠재력을 확인시켜 주었습니다. 이 연구는 자연의 나선형 설계를 모방하고 특정 재료를 정교하게 혼합함으로써, 인체의 역학적 특성과 호환되면서 전기 신호를 통해 뼈 성장을 자극할 수 있는 스캐폴드를 만드는 것이 가능하다는 것을 입증합니다. 연구진은 이 스캐폴드가 실제 생체 내부에서 얼마나 잘 작동하는지 확인하기 위해 살아있는 시스템에서의 추가적인 테스트가 필요하다고 언급했지만, 이 구조의 성공적인 설계와 제작은 심각한 골절 치료를 위한 더 효과적인 치료법을 만들기 위한 중요한 진전입니다.