GIST, 요독 제거 성능 150% 향상된 '고성능 혈액투석용 중공사 분리막 개발'

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 지구‧환경공학부 김인수 교수 연구팀이 공압출* 로 고분자를 섬유화하는 공정(방사)을 통해 고성능 혈액투석용 중공사(hollow fiber) 분리막(이하 중공사막**)을 개발하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

* 공압출(co-extrusion): 두 개 이상의 다른 재료를 동시에 압출하는 기술. ** 중공사막: 가느다란 원통형으로 성형한 분리막을 말하며 실 형태의 내막 혹은 외막 표면의 미세한 구멍을 통해 불순물을 분리한다.

기존의 일반적인 이중 방사노즐과 비교했을 때 ‘순수 수투과도’는 400% 증가하고 ‘요독 물질 제거 효율’은 150% 높아진 반면 혈액 내 존재하는 단백질 손실량은 50% 이하로 감소돼 향후 상용화된다면 혈액투석 성능을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대된다.

김인수 교수는 전량 수입에 의존하고 있는 혈액투석용 중공사막 국산화를 위해 고성능 혈액투석용 중공사 분리막 개발 연구를 진행 중이며 2021년 혈액투석용 중공사 분리막 제조 기업 ㈜이노셉을 설립해 현재 최고기술책임자(CTO)를 맡고 있다. 또한 한국과학기술한림원 및 국제 물 협회(IWA) 석학회원으로 활동하고 있다.

말기신부전증 환자는 신장 기능 저하로 인해 혈액 내 요독 물질이 정상적으로 배출되지 않아 혈액투석, 복막투석, 신장이식 등 치료가 필요하며 이중 혈액투석 환자는 약 80%를 차지하고 있다.

혈액투석은 중공사막을 이용해 혈액 내 요독 물질을 제거함으로써 신장 기능을 대체하는 치료법으로 환자의 혈액을 중공사막 내측(bore-side)*으로 순환시키고, 외측(shell-side)**으로 투석액을 순환시켜 혈액 안에 있는 요독 물질을 제거하기 때문에 혈액투석 시 사용되는 혈액투석용 중공사막의 성능은 혈액투석의 효율을 결정하는 가장 중요한 요소이다.

* 내측(bore-side): 중공사막의 안쪽으로 혈액투석 시 혈액이 흐르는 측. * 외측(shell-side): 중공사막의 바깥쪽으로 혈액투석 시 투석액이 흐르는 측. 

연구팀은 중공사막 제조 시 삼중 방사노즐을 이용해 고분자 용액을 방사하면서 외측에 유기용매를 동시에 방사하는 공압출 방사 공정을 도입해 중공사막의 내측(bore-side)과 외측(shell-side) 기공 구조를 동시에 조절하는 데 성공했으며 이를 통해 요독 물질 제거 효율을 크게 향상시켰다.

연구팀은 중공사막의 내측과 외측의 기공 구조를 동시에 조절하기 위해 중공사막 제조 시 삼중 방사 노즐을 사용해 노즐 중앙과 최외각 층에 흐르는 용액의 조성을 조절했다.

혈액투석용 중공사막의 내측의(혈액이 닿는 부분) 평균 기공 크기는 약 8.4 나노미터, 외측의(투석액이 닿는 부분) 평균 기공 크기는 내측 기공 크기의 약 230배에 달하는 1.9 마이크로미터로 조절했으며 중공사막의 단면을 요독 물질 수송에 유리한 단일 핑거형(finger-like)* 구조로 최적화했다.

* 핑거형(finger-like): 손가락 모양의 단면 구조로, 일반적인 중공사막은 핑거형 또는 스폰지형 단면 구조를 갖는다.

연구팀이 개발한 분리막은 130mL/m2.h.mmHg의 순수 수투과도*와 혈액내 주요 요독 물질인 요소(Urea)에 대해 124,865mg/m2의 제거 효율 및 146mg/session** 단백질 손실량을 나타냈으며 이는 일반적인 이중 방사노즐로 제조된 혈액투석용 중공사막의 순수 수투과도(32mL/m2.h.mmHg), 요독 제거 효율(77,133mg/m2) 및 단백질 손실량(320mg/session)과 비교해 각각 400%, 150% 증가 및 54% 감소한 수치이다.

* 순수 수투과도: 단위 면적에 일정 압력을 가해 통과된 초순수의 양. ** mg/session: 4시간의 혈액투석 중 손실되는 혈액 내 단백질의 양을 나타내는 단위

또한 연구팀이 개발한 분리막은 해외 글로벌 기업의 가장 우수한 성능을 보이는 상용 혈액투석용 중공사막과 비교해 요독 제거 효율 및 혈액 내 단백질 손실 저감 측면에서 우수한 혈액투석 성능을 나타냈다.

김인수 교수는 “공압출 공정을 통해 중공사막의 기공 구조를 정밀하게 조절해 혈액투석 효율을 크게 향상시킬 수 있는 혈액투석용 중공사막을 개발했다”며 “향후 혈액투석용 중공사막이 상용화될 경우 기존 전량 수입에 의존하던 혈액투석용 중공사막을 대체할 뿐 아니라 신장질환 환자의 치료 효율을 크게 개선해 삶의 질 향상에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신 선도연구센터(RLRC), 미래유망융합기술파이오니어 및 중소벤처기업부의 민간투자 주도형 기술창업 지원 사업(TIPS 프로그램)의 지원을 받았으며 화학공학 분야 상위 3.5% 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 2024년 5월 29일 게재됐다.