실제 폐 구현한 '숨 쉬는 인공 폐' 개발…신약개발·폐질환 연구 등에 속도↑

포스텍 연구팀, 24만번 호흡에도 안정적으로 작동…인플루엔자 바이러스 반응까지 재현

포스텍 정성준 교수

포스텍 이윤지 박사

포스텍 통합과정 김광명 씨

실제 폐처럼 '숨 쉬는 인공 폐'가 개발됐다.

포스텍(포항공대) 신소재공학과·IT융합공학과 정성준 교수 연구팀이 폐 안쪽에 있는 공기주머니인 폐포 움직임을 재현하면서 폐 세포의 반응까지 관찰할 수 있는 초박막 인공 폐를 개발하는데 성공했다고 포스텍이 18일 밝혔다. 약 24만번의 호흡에도 안정적으로 작동했으며, 인플루엔자 바이러스에 대한 폐의 반응까지 재현했다는 점에서 학계의 관심이 높다.

이번 연구는 최근 재료과학 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 머터리얼'에 게재됐다.

사람의 폐는 숨을 들이마시면 부풀고, 내쉬면 다시 줄어드는 과정을 하루에도 수 천번 이상 반복한다. 폐포도 이 같은 움직임을 반복하며 폐 세포의 성장과 기능에 영향을 주거나 염증 및 질병의 진행 과정을 알리는 중요한 신호수 역할도 한다.

이 때문에 폐 질환 원인을 밝히고 치료제 효과를 확인하려면 폐포 움직임을 재현할 수 있는 '인공 폐' 제작이 매우 중요한 문제로 인식되고 있다.

하지만 평평하고 움직이지 않는 바닥에서 세포를 키우는 기존 배양 기술로는 실제 폐의 움직임을 생성하기가 쉽지 않다.

최근 칩 안에 폐의 구조와 움직임을 구현한 '폐-칩' 기술이 개발되기도 했지만, 대부분 단단한 플라스틱 소재를 사용하기 때문에 실제 폐 조직의 특성을 만들기엔 어려움이 컸다.

이에 연구팀은 '비눗방울'에서 해답을 찾았다. 비눗방울은 액체가 스스로 얇은 막을 만들면서도 쉽게 터지지 않고, 자유롭게 움직인다.

연구팀은 비눗방울 특성을 하이드로젤에서 찾아 매우 얇은 막을 만들어냈다. 이렇게 만든 초박막은 실제 폐 속의 폐포처럼 부드럽고 유연하면서도 반복적인 움직임을 견딜 만큼 튼튼한 특성을 보였다.

여기에 더해 실제 사람이 숨 쉬는 원리도 적용했다. 사람이 숨을 들이마실 때 횡격막이 아래로 움직이면 폐 안의 압력이 낮아지며 바깥 공기가 들어온다.

연구팀은 초박막 아래에서 이와 같은 압력 변화를 반복적으로 만들어 내는 '호흡 구동 시스템'을 개발했다. 그 결과 초박막이 실제 폐처럼 늘었다가 줄어들었고, 약 24만번의 호흡에도 안정적으로 작동했다.

인공 폐 내부도 3D 바이오프린팅 기술을 이용해 '혈관세포층', '기저막층', '상피세포층'을 차례로 쌓아 실제 폐포와 유사한 3층 구조로 만들었다.

실험결과 호흡에 따른 움직임이 세포에 전달됐고, 바이러스 감염 반응까지 진짜 폐와 비슷하게 나타났다.

정성준 포스텍 교수는 "이번 인공 폐는 호흡의 빠르기와 깊이를 자유롭게 조절할 수 있어, 정상적인 폐부터 여러 질병 상태까지 실험실에서 재현할 수 있다"며 "이번 연구는 단순 세포 배양이나 동물실험으로 확인하기 어려운 약물 반응을 사람의 폐와 아주 유사한 환경에서 살펴봤다는 점에서 큰 의미가 있고, 앞으로 신약 개발과 폐 질환 연구에도 속도감을 더해 줄 것으로 기대된다"고 했다.