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POSTECH 김동성 교수팀, ‘펄떡펄떡’ 뛰는 인공 심장 근육 패치 개발

아주 얇은 두께의 이종 나노섬유 매트 이용해 심장 근육 패치 개발

박영재 기자 | 기사입력 2021/11/24 [09:57]

POSTECH 김동성 교수팀, ‘펄떡펄떡’ 뛰는 인공 심장 근육 패치 개발

아주 얇은 두께의 이종 나노섬유 매트 이용해 심장 근육 패치 개발

박영재 기자 | 입력 : 2021/11/24 [09:57]

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 기계공학과 김동성 교수·통합과정 엄성수 씨, IT융합공학과·기계공학과 장진아 교수 연구팀은 아주 얇은 두께의 이종 나노섬유 매트를 이용해 심장 근육 패치를 개발했다고 24일 밝혔다.

 

▲ 이종 나노섬유 매트를 이용한 3차원 심근 이방성 구조·수축 기능 구현  © 포스텍


이 나노섬유 매트는 10μm(마이크로미터, 1μm=100만분의 1m; 머리카락 두께의 10분의 1 크기) 두께의 얇은 천으로, 영양분이나 산소만 통과시켜 심장의 심근세포가 매트 밖으로 빠져나가지 못하게 해 정렬된 심장 근육 패치 구현이 가능해진다.

 

연구에서 김동성 교수팀은 빼빼로를 차곡차곡 모으듯 나노섬유 여러 개를 한 방향으로 정렬시켜 모았다. 그리고 다른 각도로 정렬된 나노섬유 매트들을 입체적으로 쌓아 심근의 3차원 이방성 구조를 재현했다. 심근의 3차원 이방성 구조란 심장 근육이 일정 방향으로 정렬된 구조의 결들이 입체적으로 겹쳐 있는 구조를 의미한다.

 

심장의 심근세포는 이 정렬된 나노섬유 매트를 따라 자라나면서 근육에 일정 방향의 결을 만들게 된다. 이 얇은 매트들을 3차원으로 쌓아 올려 심장 근육의 입체적 결을 재현시킴으로써 손상된 심장 근육의 수축 기능을 다시 살릴 수 있는 것이다. 실제로 인간유도 만능줄기세포로부터 분화된 심근세포를 정렬시켜 배양한 후 이를 3차원으로 쌓아 올려 펄떡이는 수축 기능을 모사할 수 있음을 확인하였다.

 

이 결과는 심근세포가 배열되는 나노섬유 매트의 중심부를 아주 얇은 두께로 유지하면서도 주변부의 기계적인 안정성을 확보해 입체적인 심장 근육 패치를 개발한 최초의 성과다. 그동안 한 방향으로 정렬된 나노섬유 매트가 심장 근육 재생에 큰 잠재력이 있다고 여겨졌으나, 기계적인 안정성이 부족해 실제로 수축성이 있는 심장 근육 패치로 활용되지는 못해왔다. 김동성 교수팀은 정렬된 나노섬유 매트를 중심부에, 무작위로 쌓인 나노섬유 매트를 주변부에 패터닝한 이종 나노섬유 매트를 제작해 이를 동시에 해결할 수 있었다.

 

김동성 교수는 “이 기술은 향후 심장 질환이 일어나는 원인을 연구하는 인공 심장 질병 모델을 구축하거나 급성 심근경색으로 인해 손상된 심장을 재생하는 데 활용이 가능할 것”이라고 말했다.

 

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 결과는 재료과학·복합소재 분야 최상위 국제학술지인 ‘복합재료 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)’에 온라인으로 게재됐다.

 

<아래는 구글번역으로 번역한 기사 전문이다>

 

 Professor Dong-seong Kim's team at POSTECH developed an artificial heart muscle patch that beats 'flutter'


On the 24th, POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-hwan) developed a heart muscle patch using a very thin, heterogeneous nanofiber mat, led by Professor Dong-seong Kim of the Department of Mechanical Engineering, Professor Seong-su Um of the Integrated Course, and Professor Jin-ah Jang of the Department of IT Convergence Engineering and Mechanical Engineering on the 24th. said.

 

This nanofiber mat is a thin 10 μm (micrometer, 1 μm = one-millionth of a meter; one-tenth the thickness of a human hair) thin cloth, which allows only nutrients or oxygen to pass through, preventing the cardiomyocytes of the heart from escaping out of the mat. It becomes possible to implement a heart muscle patch.

 

In the study, Professor Dong-seong Kim's team aligned and collected several nanofibers in one direction, just like collecting Pepero one by one. And the three-dimensional anisotropic structure of the myocardium was reproduced by three-dimensionally stacking nanofiber mats aligned at different angles. The three-dimensional anisotropic structure of the myocardium refers to a structure in which the grains of the structure in which the heart muscle is aligned in a certain direction are three-dimensionally overlapped.

 

Cardiomyocytes of the heart grow along this aligned nanofiber mat, creating a directional texture in the muscle. By stacking these thin mats in three dimensions to reproduce the three-dimensional texture of the heart muscle, the contractile function of the damaged heart muscle can be restored. In fact, it was confirmed that cardiomyocytes differentiated from human induced pluripotent stem cells were sorted and cultured and then stacked in three dimensions to simulate the contractile function of flapping.

 

This result is the first to develop a three-dimensional heart muscle patch by maintaining the center of the nanofiber mat on which cardiomyocytes are arranged in a very thin thickness while securing the mechanical stability of the periphery. Although unidirectionally aligned nanofiber mats have been considered to have great potential for cardiac muscle regeneration, their lack of mechanical stability has prevented them from being used as contractible cardiac muscle patches in practice. Professor Dongseong Kim's team was able to solve these problems simultaneously by making a heterogeneous nanofiber mat patterned with an aligned nanofiber mat in the center and randomly stacked nanofiber mats on the periphery.

 

Professor Kim Dong-seong said, "This technology will be able to be used to build an artificial heart disease model to study the cause of heart disease in the future or to regenerate a heart damaged by acute myocardial infarction."

 

This research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea's Senior Researcher Support Project, and the results were published online in 'Composites Part B: Engineering', the top international academic journal in the field of materials science and composite materials.

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