- 나노기술로 제작한 미세 바늘로 산업기술력 향상 꾀하고 있어
2019년 10월 14일 기계연구원의 ‘정준호’ 나노융합기계연구본부장이 이끄는 연구팀의 ‘극한물성시스템 제조 플랫폼 기술 상용화’ 성과가 ‘과학기술정보통신부(이하 과기부)’와 ‘KISTEP(한국과학기술기획평가원)’ 주관의 ‘2019년 국가연구개발 우수성과 100선’ 중 하나로 선정됐다.
우수성과로 선정된 극한물성시스템 제조 플랫폼 기술 상용화에는 ‘나노마이크로DNA니들패치(이하 나노니들패치)’ 상용화가 포함됐다.
◆ ‘나노마이크로DNA니들패치’ 상용화
‘마이크로니들패치’는 ㎛급 크기의 미세한 바늘을 접착력이 있는 반창고 등에 부착하여 원하는 약물 등의 물질을 인체에 주입할 수 있도록 제작한 패치(patch)를 의미한다.
이번에 연구팀이 개발한 나노니들패치에는 3차원 나노 패터닝 기술을 이용하여 대량 제작된 ㎛급 크기의 Needle(바늘)을 부착되었으며 Needle의 재료로는 연어 DNA가 사용된 특징이 있다.
나노니들패치의 ㎛급 미세한 Needle을 피부에 부착할 경우 10분 이내에 Needle이 녹으면서 DNA와 약물 성분이 체내에 흡수되기 때문에, 일반 주사를 이용한 약물 투여와 비교하여 환자가 느낄 수 있는 통증을 획기적으로 줄일 수 있어 높은 편의성이 기대된다.
한편 현재 한국 외에도 미국, 유럽, 호주 등에서 히알루론산, 폴리비닐피롤리돈 등의 소재를 사용한 마이크로니들패치 제품들이 임상시험 중에 있거나 개발 중에 있어 연구팀이 개발한 나노니들패치와 경쟁이 예상된다.
연구팀에 따르면 개발 중인 경쟁 제품들은 복합소재를 사용한 관계로 보건당국의 최종 허가를 받기 용이하지 않으며 정확한 양의 약물을 탑재하기 어려운 단점이 있는 것으로 알려졌다.
반면 연구팀이 개발한 나노니들패치의 Needle은 연어 DNA 기반으로 상온에서 제작되어 환자에게 부작용을 일으킬 가능성이 거의 없으며 별도의 화학공정이 요구되지 않으므로 제작 중에 Needle에 탑재된 약물의 특성을 변형시킬 가능성이 적다는 점에서 주목을 받고 있다.
또한 조직회복 능력을 갖고 있는 DNA를 기반으로 하는 나노니들패치의 Needle은, Needle에 탑재될 약물 양의 정밀한 조정이 가능하기 때문에 경쟁 제품들에 비해 적지 않은 장점을 가지고 있는 것으로 평가된다.
이와 같은 나노니들패치의 장점들 덕분에 패치의 상용화가 추진되고 있는데 화장품 분야에서는 즉시 상용화가 가능하고 의약품 분야에서도 추가적인 개발 과정이 단순화될 것으로 예상되어 그리 멀지 않은 기간 내에 상용화가 가능할 것으로 연구팀은 전망했다.
나노니들패치의 제품 상용화에 나서고 있는 ‘에이디엠바이오사이언스’는 2018년 7월 과기부의 연구소기업 인가를 받은 후 2018년 8월 기준 월 20만개의 제품 생산이 가능한 시설을 구축했으며 2018년 11월 기준 해외 7개국에 관련 특허 출원을 완료한 것으로 알려졌다.
◆ 나노바늘 구조로 줄기세포 기능 촉진한다
‘한국연구재단’은 2019년 10월 14일 ‘김장호’ 전남대 교수와 ‘정훈의’ UNIST 교수의 공동연구팀이 줄기세포의 기능을 촉진시킬 수 있는 나노바늘 구조형 생체기술 부품을 개발하는데 성공했다고 발표했다.
연구팀은 직경 50nm(나노미터), 높이 300nm의 나노바늘(Needle)을 다양한 간격으로 배열한 나노지압패치에서 줄기세포를 배양했으며, 그 중 500nm간격의 나노지압패치에서 배양된 줄기세포의 분화 과정이 촉진되는 것을 확인할 수 있었다.
줄기세포의 분화과정이 촉진되는 것을 확인한 연구팀은 줄기세포가 배양된 해당 나노지압패치를 두개골이 손상된 쥐에 삽입하여 2주간 그 추이를 관찰했다.
연구팀은 관찰 결과 두개골이 손상된 쥐에서 두개골 조직 재생이 촉진되었으며 골 형성 단백질 발현 마커(Marker)의 발현이 향상되는 것을 확인했다고 설명했다.
한편 연구팀은 줄기세포 뿐만 아니라 박테리아도 다른 나노지압패치에서 배양했는데 줄기세포는 배양이 촉진된 반면, 줄기세포와 비교하여 크기가 작은 박테리아는 나노바늘 구조의 자극으로 인해 세포막이 손상되어 사멸되는 결과를 얻었다.
이와 같은 결과는 줄기세포 배양과 삽입 시에 문제를 발생할 수 있는 ‘바이오필름’ 형성을 억제할 수 있어 학계의 주목을 받았다.
바이오필름이란 세균 등이 응집하여 생기는 막으로 바이오필름이 생성될 경우 일반 세균에 비해서 내성이 10배 이상 강한 것으로 알려져 있기 때문에 일반 항생제로 치료하기는 쉽지 않은 것으로 알려졌다.
그러나 나노지압패치에서는 나노바늘 구조의 자극으로 박테리아의 세포막이 손상되어 사멸되므로 줄기세포 기능 촉진 기능 외에도 바이오필름 생성 억제를 기대할 수 있는 것이다.
관련 논문은 미국화학회가 발행하는 국제학술지인 ‘ACS NANO’ 9월 13일자에 게재됐다.
연구팀은 이번 연구는 나노바늘 구조의 자극이 줄기세포와 박테리아에 줄 수 있는 영향에 초점을 맞추어 진행했으나, 후속 연구로는 나노바늘 구조를 활용한 약물전달 플랫폼 연구를 추진할 계획이라고 덧붙였다.
이처럼 한국은 기존의 주사기를 이용한 약물주입방식에서 탈피를 꾀할 뿐만 아니라 줄기세포의 분화를 촉진하는 등 다양한 산업분야에서 나노기술을 활용하고 있다.