국내 연구진이 나노입자와 줄기세포를 결합해 3차원 뼈 조직 재생 효율을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다. 이번 성과는 골절이나 골 손상 치료뿐 아니라 차세대 재생의학의 패러다임을 바꿀 기술로 평가된다.

김기영 한국화학연구원 박사와 하미진 선문대학교 교수 공동연구팀은 인체 지방유래 줄기세포(hADMSC)에 다공성 실리카 나노입자(mSiO₂)를 결합해 '나노 바이오 하이브리드 세포'를 제작, 뼈 형성 능력을 대폭 향상시키는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

주요 논문 기여자. 왼쪽 아래부터 시계 반대 방향으로 하미진 선문대 교수(1저자), 김기영 화학연 책임연구원(교신저자), 정원훈 선임연구원(공동저자), 최경진 연구원(공동저자). 한국화학연구원 제공

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줄기세포를 이용한 3차원 세포 덩어리(스페로이드·오가노이드)는 장기나 조직을 모사하는 연구에 널리 활용되어 왔지만, 내부로의 산소·영양 공급이 어려워 세포 사멸이나 불균일 분화가 발생하는 한계가 있었다. 이로 인해 실제 뼈 재생 치료나 신약평가 모델로 적용하기엔 제약이 컸다.

연구팀은 줄기세포 표면에 나노입자를 고르게 부착시켜 세포들이 서로 얽혀 안정적인 구형 구조를 형성하도록 유도했다. 나노입자는 세포 사이에서 '지지대'로 작용하면서 동시에 뼈 형성을 촉진하는 성장 인자를 실어 서서히 방출한다. 즉, '영양 캡슐'을 등에 멘 세포가 스스로 뼈로 변신하는 구조다.

이 복합체를 쥐 두개골 결손 모델에 이식한 결과, 6주 만에 결손 부위의 36%가 새 뼈로 채워졌다. 세포만으로 구성된 기존 스페로이드 대비 약 1.3배 높은 재생률이다. 세포 생존율도 크게 향상되며, 균일한 뼈 분화가 이루어졌다.

뼈 재생 한계 넘어선 '나노입자-직조 줄기세포'

기존 스페로이드 기술은 구조적 불안정성과 분화의 불균일성 때문에 일관된 재생 효과를 내기 어려웠다. 연구팀은 세계 최초로 다공성 실리카 나노입자를 줄기세포 표면에 안정적으로 결합시키는 데 성공, 균일한 분화와 높은 생존율을 동시에 확보했다.

나노입자-직조 줄기세포 기반 스페로이드의 뼈 재생 효과 입증을 설명하는 그림. 연구팀 제공

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특히 나노입자가 골형성 인자를 탑재해 서서히 방출하면서 뼈 조직 재생 속도를 높이는 새로운 개념의 '나노입자-직조 줄기세포(Nanoparticle-Woven Stem Cells)' 기술을 완성했다. 이로써 구조적 안정성, 세포 간 일관성, 분화 효율 등 기존 스페로이드의 근본적 한계를 극복했다.

이번 기술은 △골절·골다공증 등 난치성 뼈 질환의 재생치료제 △환자 맞춤형 세포·조직재생 치료 플랫폼 △균일한 뼈 재생을 유도하는 이식형 바이오 임플란트 등 다양한 형태로 응용이 가능하다.

또한 실제 인체와 유사한 3차원 뼈 조직을 실험실에서 구현할 수 있어, 신약의 독성이나 효과를 평가하는 전임상 모델로도 활용될 전망이다. 이는 재생의학뿐 아니라 신약개발 과정의 효율성과 비용 절감에도 기여할 수 있다.

임상·산업 확장 준비…재생의료 시장 파급 기대

연구팀은 향후 첨단재생의료기술 개발사업 등 정부 연구과제와 연계해 임상 적용 및 상용화를 추진할 계획이다. 대형 동물 모델 검증과 우수제조관리기준(GMP) 공정 확립을 통해 임상 단계 진입을 위한 기술 고도화에도 나선다.

연구팀이 실험용 쥐에게 나노입자-줄기세포 복합체 이식 실험을 하고 있다. 연구팀 제공

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김기영 박사는 "이번 성과는 뼈 재생을 넘어 연골, 피부 등 다양한 조직 재생으로 확장될 수 있는 핵심 플랫폼 기술"이라며 "고령화 사회의 만성 골 질환 치료에 실질적 도움을 줄 수 있을 것"이라고 말했다.

이영국 화학연 원장은 "줄기세포 기반 재생기술을 통해 정형외과·치과·성형외과 등 고부가가치 의료기기 산업에 새로운 활력을 불어넣을 것"이라고 기대했다.

이번 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 국제학술지 'ACS Biomaterials Science & Engineering(영향력 지수 5.5)'에 2025년 8월 게재됐다. 논문명은 "3차원 뼈 재생을 혁신하는 나노입자-줄기세포 복합체 기술(Nanoparticle-Woven Stem Cells as Innovative Building Blocks for Enhanced 3D Bone Development and Tissue Regeneration)"이다. 김기영 박사가 교신저자, 하미진 교수가 제1 저자로 참여했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr
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