모발 이식, 강력한 접착제 개발
모발 이식, 강력한 접착제 개발
  • 한다영
  • 승인 2022.09.22 04:51
  • 조회수 6979
  • 댓글 0
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탈모치료, 새 희망이 밝아옵니다. 출처: Adobe Stock

묘수가 필요했던 의료용 접착제

의료용 접착제는 상처 치유, 지혈, 혈관 문합, 조직 공학 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있는 소재입니다. 침습이 최소화된 수술 및 장기 이식 방식을 개발하는 데 크게 기여할 것으로 주목받는데요. 

그러나 접착력이 높고, 독성이 낮으며, 체내에서 분해될 수 있는 접착제는 흔치 않습니다. 피브린, 콜라겐과 같이 천연단백질에 기반한 접착제들은 생체적합성은 높지만 접착력이 충분치 않습니다. 우레탄이나 아크릴계 기반 합성 고분자 접착제들은 잘 분해되지 않고 체내에서 염증 반응을 유발하기도 합니다.

이런 가운데 KAIST 화학과 서명은 교수와 이해신 교수가 주도한 공동연구팀이 와인의 떫은맛 성분인 탄닌산(tannic acid)과 생체적합성 고분자를 섞어 생체친화적 접착제를 개발했습니다. 탄닌산은 폴리페놀의 일종으로 과일 껍질, 견과류, 카카오 등에 많이 들어 있습니다. 접착력과 코팅력이 강해 다른 물질과 빠르게 결합하는 성질을 찝니다. 와인을 마실 때 떫은맛이 느껴지는 이유는 탄닌산이 혀에 붙기 때문입니다. 물에 녹는 고분자와 탄닌산을 섞으면 마치 젤리와 같이 끈적이는 작은 액체 방울을 말하는 코아세르베이트(coacervate)가 가라앉는 경우가 생기는데요. 몸에 쓸 수 있는 생체적합성 고분자를 사용하면 독성이 낮은 의료용 접착제로 응용할 수 있습니다.

코아세르베이트(coacervate)란?

코아세르베이트는 물에 고분자를 녹여 수용액을 만들 때 액체-액체 상 분리를 통해 밀도가 높은 층이 낮은 농도의 수용액 층과 분리되어 가라앉는 현상을 가리킵니다. 양전하를 띠는 고분자와 음전하를 띠는 고분자를 물에서 섞으면 정전기적 인력에 의해 코아세르베이트가 형성됩니다. 

본 연구에서는 수용성 고분자인 폴리(에틸렌 글리콜)과 탄닌산을 섞으면 수소결합에 의해 코아세르베이트가 가라앉습니다. 탄닌산의 색깔 때문에 노란색을 띱니다. 그러나 코아세르베이트는 근본적으로 액체에 가까워 큰 힘이 가해지면 버티지 못해 접착력에 한계가 있었습니다.

두 종류의 고분자를 조합했다

연구팀은 두 종류의 생체적합성 고분자를 조합해 구조를 설계함으로써 접착력을 높일 수 있는 방법을 찾아냈습니다. 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 이하 PEG)과 폴리락틱산(polylactic acid, 이하 PLA)은 모두 미국식품의약국(FDA)에서 인체 사용을 허가받은 물질인데요. 안약, 크림 등에 많이 사용되는 PEG가 물에 잘 녹는 반면, 젖산(lactic acid)에서 유래한 바이오플라스틱으로 잘 알려진 PLA는 물에 녹지 않습니다.

 

연구팀이 개발한 생분해성 접착제의 원리. 출처: KAIST

이들을 서로 연결한 블록 공중합체(block copolymer)를 만들었습니다. 서로 다른 종류의 고분자(블록)를 공유결합을 통해 끝을 서로 이어 하나의 분자로 만든 형태를 블록 공중합체라 합니다.

물에 넣으면, 물에 녹지 않는 PLA 블록이 뭉쳐 미셀(micelle)을 만들고 PEG 블록이 그 표면을 감싸게 됩니다. 미셀과 탄닌산이 섞여 만들어지는 코아세르베이트는 단단한 PLA 성분으로 인하여 고체처럼 거동하며, PEG 대비 천 배 넘게 향상된 탄성 계수(elastic modulus)를 보여 접착 시 훨씬 강한 힘도 버틸 수 있습니다.

연구팀은 나아가 마치 금속을 열처리하듯 온도를 올렸다 내리는 과정을 반복할 경우 물성이 백 배 이상 더욱 향상되는 것을 관찰했고, 이는 정렬된 미셀들과 탄닌산 사이의 상호작용이 점차 견고해지기 때문임을 알아냈습니다.

 

기존 모발이식 방식과 이번에 개발한 방식의 개요. 출처: KAIST

이번 연구 개발이 중요한 이유는 바로 이 접착 기술을 탈모 치료에 적용할 수 있기 때문입니다. 연구팀은 피부 자극이 적고 체내에서 잘 분해되는 소재 특성을 이용, 모발의 끝에 이 접착제를 발라 피부에 심는 동물실험을 통해 모발 이식용 접착제로서 응용 가능성을 확인했습니다. 탄닌산을 비롯한 폴리페놀의 접착력과 저독성에 주목해 의료용 접착제, 지혈제, 갈변 샴푸 등 다양한 응용 분야를 개척해 온 KAIST 이해신 교수는 모낭을 옮겨심는 기존의 모발 이식 방식이 여러 번 시행하기 어려운 한계를 보완하는 새로운 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대했습니다. 

KAIST 화학과 서명은 교수 연구팀의 박종민 박사(現 한국화학연구원 선임연구원)와 이해신 교수 연구팀의 박은숙 박사가 공동 제1 저자로 연구를 주도하고 KAIST 화학과 김형준 교수 연구팀과 생명화학공학과 최시영 교수 연구팀이 협업한 이번 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회지 Au(JACS Au)'에 8월 22일 자로 온라인 게재됐습니다. 

출처: Biodegradable Block Copolymer–Tannic Acid Glue


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