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전북대학교 김채화 박사과정생(바이오나노시스템공학과, 한국생산기술연구원 소속)이 메카노일렉트릭 에너지 생산이 가능한 탄소나노튜브(CNT) 통합 전기자극 세포 배양 시스템을 개발했다. 이번 연구 결과를 담은 논문은 세계적인 과학 저널인 Advanced Functional Materials 저널(2022 Impact Factor. 19.407) 온라인 최신판에 게재되었다.
탄소나노튜브(CNT)에 기계적인 힘을 가하게 되면 마찰전기가 발생되는데, 생산된 메카노일릭트릭 에너지를 연골세포에 자극하면 세포의 증식과 분화가 촉진됨을 이번 연구의 실험을 통해 확인했다.
연골 세포 분화를 촉진 시키는 연구는 활발히 연구되고 있고 전기자극이 세포 분화를 촉진한다는 연구는 많이 보고되고 있다. 그러나 대부분 외부 전기에너지를 공급할 수 있는 전원공급장치 혹은 함수발생장치를 통해 에너지를 공급하게 되는데, 이는 시스템의 복잡성과 크기가 큰 단점이 있어 세포 배양을 위한 인큐베이터와 연계하여 실험하기에는 여러가지 환경적 어려움이 많았다.
김 박사과정생은 이러한 어려움을 해결하고자 세계 최초로 외부 에너지 공급 장치 없이 인큐베이터내에서 단순한 기계적 모션만으로 스스로 전기에너지를 생성할 수 있는 탄소나노튜브(CNT)를 코일형으로 제작하고 폴리도파민(PDA)을 코팅하여 생체적합성을 높였다.
그리고 위 메카노일렉트릭 에너지가 세포배지에 잘 전달 될 수 있도록 전도성 고분자인 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜; PEDOT/CNT) 전도성 지지체를 개발하여 생성된 에너지가 세포 지지체에 효율적으로 전달 되도록 임피던스(저항)를 낮췄다.
연구진은 이렇게 개발된 개발된 메카노일렉트릭 통합 전기자극 세포 배양 시스템을 이용하여 그 동안 어렵게 여겨졌던 연골 세포의 증식과 분화를 촉진 시키는 최적 조건을 찾아 내었다.
이번 연구는 한국생산기술연구원 김시형 박사팀, 김태희 박사팀이 전북대학교와 공동으로 연구한 결과로서 향후 본 세포 배양 시스템은 연골세포 뿐만 아니라 신경조절 및 상처 치유, 부정맥 관리, 근육 자극 및 재활 그리고 조직공학분야에도 적용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
김채화 박사과정생은 "향후 이 시스템을 기반으로 다양한 메카노일릭트릭 에너지 자극 관련 세포 배양 연구를 수행할 계획"이라며 "기초 연구 뿐만 아니라 제품이 상용화까지 이어질 수 있도록 기술적 보완을 지속할 예정"이라고 밝혔다.
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