친환경 나노표면 기술로 뼈 재생 촉진 임플란트 개발

단국치대 연구팀이 환경친화적 펨토초 레이저 기술을 이용해 뼈 재생을 획기적으로 촉진하는 나노표면 임플란트 기술을 개발했다.

이정환 교수(단국대 조직재생공학연구원 및 치과대학) 연구팀이 개발한 기술은 기존의 치과용 임플란트가 뼈에 잘 붙기 위해 필수적으로 하는 강산 처리와 달리 유해한 화학물질을 사용하지 않는 친환경 펨토초 레이저(Femtosecond Laser)를 이용해 티타늄 임플란트 표면에 나노파형 구조를 만드는 것이다.

기존 임플란트 표면 처리 기술은 강산을 사용한 화학적 에칭 방식으로 환경오염과 작업자 안전 문제가 지속적으로 제기돼 왔다.

연구팀은 230펨토초(1펨토초=1000조분의 1초) 극초단파 레이저를 이용해 티타늄 표면에 높이 200나노미터, 간격 0.89마이크로미터의 정밀한 파형 나노구조를 구현했다.

이렇게 제작된 나노파형 표면은 줄기세포의 핵 모양을 변화시켜 염색질(크로마틴) 구조를 개방형으로 바꾸는 ‘크로마틴 프라이밍’ 현상을 유도한다. 이는 세포핵 내 미세관(마이크로튜뷸)의 활성화와 YAP-RUNX2 신호전달 경로를 통해 골 형성을 크게 촉진시킨다.

연구팀의 동물실험 결과 나노파형 임플란트는 기존 임플란트 대비 뼈-임플란트 접촉률이 약 20% 향상됐으며, 임상에서 표준으로 사용되는 SLA(거친입자 분사 후 강산 에칭) 표면과 동등한 골 재생 효과를 보였다.

특히 해당 기술은 15mm²/초의 높은 처리속도로 대량생산이 가능하며, 복잡한 3차원 임플란트 형태에도 균일한 나노구조 형성이 가능해 현재 B2Lab 스타트업 회사와 함께 친환경 치과 임플란트 의료기기로 상용화 돼 활용되고 있다.

이정환 교수는 “이번 연구는 친환경 나노가공 기술과 세포 기계생물학을 결합한 차세대 임플란트 표면 기술”이라며 “화학물질 사용 없이도 우수한 골 유착 성능을 구현해 지속가능한 의료기기 제조기술 발전에 기여할 것”이라고 밝혔다.

MRC 메카노바이올로지 치의학 연구센터 지원 하에 진행된 이번 연구 성과는 재료과학 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Functional Materials(IF: 19.0, JCR: 상위 1%)’ 최신호에 게재됐다.

논문명은 ‘Eco-Fabricated Nanowave-Textured Implants Drive Microtubule-Assisted Nuclear Mechanotransduction and Chromatin Modification: Biophysical Priming for Osteogenesis and Bone Regeneration(친환경 제작 나노파형 임플란트의 미세관 매개 핵 기계전달 및 염색질 변형을 통한 골형성 및 골재생 촉진)’이다.

교신저자로 이정환, 이해형, 김해원(이상 단국치대), 이상훈(서울대 치의학대학원), 제1저자로 정보수(B2LAB) 및 윤지영 박사(전 단국대학교 박사 후 연구원, 현 스페인 카탈루냐 공과대학 박사 후 연구원)가 참여했다.