인공지능(AI)이 당뇨병성 상처의 형태를 인식하고, 산소를 공급하면서 면역 반응을 조절하는 바이오잉크를 상처 부위에 직접 인쇄하는 로봇 바이오프린팅 기술이 개발됐다.

서울대학교 치의학대학원 분자유전학 및 약리학교실·근골격계 후성유전 노화 연구소 김우진 교수 연구팀은 미국 하버드의대·브리검여성병원, 베스이스라엘디코니스병원, 연세대 등과의 국제 공동연구를 통해 ‘면역반응성 바이오잉크’와 AI 기반 로봇 프린팅 시스템을 결합했다고 밝혔다.

이번 연구에는 같은 연구소 김기태 연구교수가 공동 제1저자로 참여해 치료 기전을 규명하기 위한 공간전사체(spatial transcriptomics) 분석을 주도했다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구실(BRL) 및 신진연구자 지원 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다.

당뇨병성 궤양과 같은 만성 상처는 염증이 지속되고 상처 부위에 산소가 부족한 데다 면역 기능 이상이 복합적으로 작용해 치료가 어렵다. 특히 염증 반응에 관여하는 대식세포가 조직 재생에 유리한 상태로 적절히 전환되지 못하는 것이 상처 치유를 방해하는 요인 가운데 하나로 알려져 있다.

기존 산소 공급 소재는 산소 방출을 장기간 일정하게 조절하거나 불규칙한 상처 형태에 맞춰 적용하는 데 한계가 있었다. 미리 제작한 인공 피부 패치 역시 환자마다 다른 상처의 크기와 형태에 정밀하게 대응하기 어렵다는 문제가 있었다.

연구팀이 개발한 바이오잉크는 다공성 젤라틴 기반 구조체와 산소를 공급하는 미세입자, 인간 줄기세포를 결합했다. 젤라틴 구조체는 세포가 자리 잡을 수 있는 환경을 제공하고, 옥수수 단백질인 제인(zein)으로 감싼 미세입자는 과산화칼슘을 이용해 산소를 서서히 방출하도록 설계됐다. 함께 포함된 인간 줄기세포는 혈관 생성과 조직 재생에 관여하는 신호물질을 분비한다.

연구팀에 따르면 이 바이오잉크는 초기 산소가 급격히 방출되는 현상을 줄이면서 수일간 산소 공급을 유지하도록 설계됐다.

여기에 ‘INSIGHT’로 명명한 AI 비전 기반 로봇 프린팅 시스템을 결합했다. 로봇 팔에 장착된 카메라가 상처의 깊이와 형태, 색상 등의 정보를 인식한 뒤 상처에 맞는 인쇄 경로를 생성하고, 영상 정보를 실시간으로 반영해 바이오잉크를 여러 층으로 인쇄한다.

미리 제작한 패치를 상처에 부착하는 방식이 아니라 상처의 형태를 파악한 뒤 해당 부위에 직접 바이오잉크를 인쇄한다는 것이 특징이다.

연구팀은 당뇨병 생쥐 모델을 이용한 실험에서 해당 기술을 적용한 뒤 상처 회복과 육아조직 형성, 피부 재생 및 혈관 생성이 촉진되는 것을 확인했다.

공간전사체 분석을 통해 면역 반응의 변화도 살펴봤다. 공간전사체는 조직 내 위치 정보를 유지하면서 특정 부위에서 나타나는 유전자 발현을 분석하는 기술이다.

연구팀은 분석 결과 염증성 대식세포에서 조직 재생과 관련된 대식세포 상태로의 변화가 조직 회복 부위와 연관돼 나타나는 것을 확인했다고 설명했다. 이를 통해 바이오잉크가 상처 부위의 면역 미세환경 변화에 관여하는 치료 기전을 제시했다.

연구팀은 이번 연구가 산소 공급 소재와 줄기세포 기반 면역조절, AI 비전 및 로봇 바이오프린팅을 결합한 맞춤형 재생치료 기술의 가능성을 보여준 것으로 보고 있다. 향후 당뇨병성 상처를 비롯해 만성 염증이나 혈류 부족이 동반되는 난치성 상처에 적용하기 위한 추가 연구가 필요하다.