Biomedical Engineering - Tissue Engineering

 

현대 의학은 단순히 병을 치료하는 단계를 넘어, 손상된 조직이나 장기를 재생하거나 대체하는 기술로 진화하고 있습니다. 그 중심에 있는 것이 바로 조직공학입니다.

이 글에서는 조직공학이 무엇인지, 어떻게 발전하고 있는지, 그리고 어디까지 왔는지를 이야기 해보겠습니다.

 

장기 이식의 한계와 조직공학의 필요성                                                 

우리가 잘 알고 있는 장기 이식(심장, 간, 신장 등)은 생명을 살릴 수 있는 강력한 수단이지만, 다음과 같은 큰 문제점들이 있습니다.

• 면역 거부반응: 이식된 장기를 우리 몸이 ‘외부 침입자’로 인식해 공격
  • 급성(몇 주~몇 달), 만성(수년), 심지어 몇 시간 안에 생기는 초급성 반응까지
• 면역억제제의 부작용: 감염 위험 증가, 암 발병률 상승 등
• 기증자 부족: 수요에 비해 너무 적은 장기 공급

그래서 등장한 것이 조직공학입니다.

 

조직공학이란?                                                                   

조직공학(Tissue Engineering)은 생물학 + 재료공학을 융합하여, 인체 내 손상된 조직이나 기관을 복구하거나 대체할 수 있는 구조물을 만드는 분야입니다.

• 단순한 인공 보형물과 달리, 세포가 실제로 기능을 수행하도록 설계합니다.
• 예시: 화상 부위의 인공 피부, 혈관, 연골, 방광, 뼈 등 다양한 조직을 재생

조직공학의 3대 구성 요소                                                

조직을 재건하는 데는 세 가지 기본 구성 요소가 필요합니다:

1. 세포 (reparative cells)
   • 손상된 부위를 재생할 수 있는 세포 (줄기세포, 섬유아세포 등)
2. 지지체(스캐폴드, scaffold)
   • 세포가 부착하고 성장할 수 있도록 도와주는 골격 구조
   • 콜라겐, 생분해성 고분자(PLGA, PCL 등)로 구성
3. 생체신호 물질 (cytokines, growth factors 등)
   • 세포 분화, 증식을 유도하는 신호 전달 물질

 

스캐폴드: 조직공학의 뼈대                                              

스캐폴드는 말 그대로 세포가 자랄 수 있는 건축물의 골조입니다.
중요한 조건은 다음과 같습니다:

• 세포 친화성: 세포가 잘 붙고 자랄 수 있어야 함
• 기계적 강도: 적절한 강도와 유연성을 유지
• 생분해성: 시간이 지나면 자연스럽게 분해되어 체내에 남지 않

 

인공 피부: 가장 상용화에 가까운 사례                             

화상 환자에게 사용되는 인공 피부는 조직공학이 실제 임상에 적용된 대표 사례입니다.

• 예시: Integra
  • 상단: 실리콘 막 → 외부 자극으로부터 보호
  • 하단: 콜라겐 기반의 ECM(세포외기질) 구조 → 세포 성장 유도
  • 혈관화(vascularization)가 진행되면 실리콘을 제거하고, 환자의 피부세포로 덮음

 

세포 성장의 수학적 모델: Monod Equation                      

조직공학에서 세포를 대량 배양하거나, 바이오리액터에서 성장 환경을 최적화할 때, 세포가 얼마나 빨리 자라는지를 예측하는 것이 매우 중요합니다.
이때 사용하는 대표적인 수식이 바로 Monod Equation(모노드 방정식)입니다.

 

Monod equation은 미생물 또는 세포의 특정 성장률(specific growth rate)이 기질(substrate) 농도에 따라 어떻게 변하는지를 나타내는 모델입니다.