내인성 전기장(Endogenous elctrical fields)은 우리 몸에 자연적으로 존재하며, 특히 뼈의 발달과 재생에 중요한 역할을 하기 때문에 스스로 전기를 발생시키는 ‘압전 소재’ 연구가 여러 분야에서 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존 연구는 기계-전기 신호만 발생시킬 뿐 생체 활성 및 흡수 그리고 ECM(세포외기질)과 같은 구성이 불가능했다.

이러한 한계를 극복한 연구 성과를 전북대 바이오나노융합공학과 비기니쉬(Vignesh Krishnamoorthi Kaliannagounder) 대학원생(박사과정·지도교수 김철생)이 최근 발표해 학계 주목을 받고 있다.

비기니쉬 대학원생은 외부에서 기계적인 힘을 받으면 전기신호로 변환되는 메카노바이오압전기술(기계-전기 변환기술)을 이용해 생체에서 유래된 골아세포 분화를 촉진시키는 생체 활성(Bioactive) 나노입자를 개발하고 다양한 실험을 통하여 검증한 연구 결과를 발표했다.

이번 연구는  ‘골 형성 분화를 위해 뼈에서 영감을 얻은 생체활성 압전 휘트로카이트 나노입자를 사용한 원격제어 자가전원 전기 자극기에 관한 연구(Remotely controlled self-powering electrical stimulators for Osteogenic Differentiation Using Bone Inspired Bioactive Piezoelectric Whitlockite Nanoparticles)’라는 제목으로 『나노에너지 Nano Energy (IF 16.602)』에 3월 14일자로 게재됐다.

비기니쉬 대학원생은 기존 압전소재 연구의 한계를 극복하기 위해 처음으로 하이드록시아파타이트(HA)와 트라이칼슘포스페이트(TCP)와 같이 우리 몸에 풍부한 무기골 미네랄인 ‘휘틀로카이트(Whitlockite)’ 나노입자(WHNP)_Ca18Mg2(HPO4)2(PO4) 12)를 합성하고 이를 다양한 세포 실험을 통하여 효용성을 입증했다.

세포 실험에서는 WHNP를 활성화 시키기 위해 FDA 허가된 의료용 초음파(LIPUS)를 이용, 비침습적으로 기계-전기신호를 조사(照射)하였으며, 조골 세포인 MC3T3-E1을 이용하여 Piezo1 및 TRPV4 발현의 유의성 높은 상승 효과와 함께 ALP 활성, 칼슘 무기질화 및 골 형성 유전자 발현이 증가되는 것을 확인했다.

이번 연구는 향후 전임상 연구와 임상을 거쳐 광범위한 뼈 재생공학 분야에 적용 가능성을 확인할 예정이다. 특히 바이오 기업에서도 관심을 갖고 연구에 참여할 정도로 사업화에 대한 기대가 커 향후 전북대 ‘중재적 메카노바이오 기술융합 연구센터’를 통해 생체활성 압전 세라믹 나노입자의 평가를 거쳐 상용화도 가능 할 것으로 기대되고 있다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 BK21 4단계(바이오나노융합공학과)와 한국연구재단 중견연구자 지원 사업 지원으로 수행됐다.