구리·아목시실린 담은 3D프린팅 골 지지체, 두 성분은 어떻게 작동하나

안녕하세요. 3D프린팅·CNC·다양한 소재 전문 플랫폼 기업 아이컨택입니다.

난양공과대학교 황창진 교수 연구팀이 만든 3D프린팅 골 지지체에서는 두 성분이 세균의 서로 다른 부분에 작용했고, 함께 담았을 때 항균 효과가 더 강했다. 이 글은 난양공과대학교가 공개한 자료를 바탕으로 한다.

작은 골절은 대개 스스로 붙지만, 부상이나 종양 제거로 뼈 사이가 크게 벌어지면 뼈가 그 틈을 가로질러 자라지 못할 수 있다. 이때 쓰이는 자가골 이식은 환자의 다른 부위에서 뼈를 가져와 결손을 메우는 방법이다.

자가골 이식은 효과가 있지만 채취를 위한 수술이 한 번 더 필요하고, 가져올 수 있는 뼈의 양도 제한된다. 골 지지체를 살필 때에는 수술 직후의 세균 방어뿐 아니라, 이어지는 몇 주 동안 산소와 영양분을 나를 혈관이 자라 들어올 자리도 중요하다.

AI 개념 이미지: 구리 이온과 항생제를 담은 다공성 세라믹 미세구를 격자형 골 지지체 안에 표현했다. 실제 장비나 시제품을 촬영한 사진이 아니다.

구리 이온과 아목시실린의 항균 작용

아목시실린은 세균이 세포벽을 만드는 일을 막는다. 구리 이온은 세균의 외막을 손상시킨다. 연구팀이 두 종류의 흔한 세균을 대상으로 시험했을 때, 두 성분을 함께 담은 지지체는 어느 한 성분만 담은 지지체보다 훨씬 많은 세균을 죽였다.

구리만 쓴 지지체의 항균 효과는 중간 정도였다. 항생제를 더하자 구리 양을 늘리지 않고도 효과가 강해졌다. 난양공과대학교 자료는 구리 이온이 혈관 형성과 골수 줄기세포의 뼈 형성 활동도 돕는다고 설명한다.

난양공과대학교 자료에 따르면 출력한 지지체는 한쪽 길이가 1cm를 조금 넘는 작은 격자다. 열린 틈은 세포와 혈관이 지지체 안으로 자라 들어갈 길이 된다.

연구팀은 젤라틴·알긴산나트륨 겔에 구리 이온을 넣고, 항생제는 다공성 하이드록시아파타이트 미세구에 저장했다. 다공성이란 작은 구멍이 많이 난 구조를 뜻한다. 두 성분은 처음에 빠르게 나온 뒤 몇 주 동안 더 천천히 방출된다.

겔이 체액을 흡수해 부풀면 표면 부근의 구리 이온이 먼저 빠져나온다. 미세구에서도 표면 가까운 약물이 먼저 나오고, 안쪽 약물은 구멍 사이의 좁은 길을 따라 늦게 나온다. 수술 직후의 세균 방어와 이후 혈관·뼈 형성 기간을 함께 고려한 배열이다.

약물을 품은 미세구는 지지체의 형태에도 영향을 줬다. 일반 겔과 비교해 강도와 형태 유지력이 높아졌고 분해는 느려졌다. 출력할 때는 재료가 가는 노즐을 지나면서도 놓인 자리에서 격자 모양을 지켜야 했다.

구리 이온과 미세구를 섞자 출력 재료가 흐르는 성질도 달라졌다. 연구팀은 배합과 온도, 노즐에서 재료를 밀어내는 압력과 출력 속도를 조정해 안정적으로 격자를 만들었다.

실험실에서는 모든 성분을 담은 지지체가 비교 대상 중 가장 강한 항균 활성을 보였고, 혈관 안쪽을 이루는 내피세포의 이동과 관 형성, 뼈 형성 지표에서도 가장 높은 결과를 냈다.

8주간의 쥐 뼈 결손 시험에서도 모든 성분을 담은 지지체에서 새 뼈와 혈관이 가장 많이 형성됐다. 이 시험에서는 감염을 일부러 유발하지 않았다. 아이컨택은 감염된 큰 뼈 결손에 쓸 지지체로 평가하려면, 감염된 결손에서의 시험 결과가 필요하다고 본다.