당뇨병 환자에게 자주 발병하며 치료가 까다로운 만성 당뇨병성 피부 궤양을 환자별 상처 형상에 맞춰 정밀하게 복원하는 첨단 인공지능(AI) 로봇 바이오프린팅 기술이 국내 연구진에 의해 최초로 구현됐다.
서울대학교 치의학대학원 분자유전학 및 약리학교실·근골격계 후성유전 노화 연구소 김우진 교수 연구진은 미국 하버드 의대, 브리검여성병원, 베스이스라엘디코니스병원 및 연세대학교 등과 협력한 국제 공동 연구를 진행했다. 연구팀은 산소를 스스로 생성하며 면역 환경을 제어하는 '면역반응성 바이오잉크'를 개발하고, AI가 병변을 감지해 현장에서 즉시 인쇄하는 로봇 시스템과 일체화하는 데 성공했다.
이번 연구에서는 해당 연구소 김기태 연구교수가 공동 제1저자로 참여하여 공간전사체(spatial transcriptomics) 기법을 활용해 치료 메커니즘을 상세히 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구실(BRL) 및 신진연구자 지원 사업을 통해 수행된 본 연구성과는 생체재료 분야의 저명 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 정식 게재됐다.
당뇨병성 만성 상처는 지속적인 염증 반응과 산소 결핍, 면역기능 이상이 복합적으로 얽혀 있어 회복이 매우 어렵다. 특히 상처 부위 대식세포가 염증성 상태(M1)에 고착되어 조직을 재생하는 상태(M2)로 전환되지 못하는 점이 치유의 결정적 장애요인이었다. 기존 산소 공급 소재는 일시에 산소를 방출하거나 비정형 상처에 밀착하기 어렵고, 기존 인공 피부 패치 역시 환자마다 다른 병변 모양에 대응하기 힘들다는 단점이 존재했다.
연구진이 개발한 바이오잉크는 다공성 젤라틴 구조체, 과산화칼슘을 옥수수 단백질(제인)로 감싼 미세입자, 줄기세포를 조합해 산소 방출과 조직 재생 신호 분비를 수일에 걸쳐 안정적으로 지속하도록 설계됐다.
아울러 연구팀은 'INSIGHT'로 명명된 AI 비전 기반 로봇 프린터 시스템을 도입했다. 로봇 팔에 부착된 센서가 상처의 입체 구조와 색상을 분석해 프린팅 경로를 스스로 생성하고, 실시간 피드백을 통해 바이오잉크를 상처에 맞춤형으로 층층이 쌓아 올린다.
당뇨병 질환 생쥐 모델 대상 실험에서 본 기술은 대조군 대비 상처 봉합 속도를 대폭 신장시켰으며 새살 형성과 피부 및 혈관 재생을 촉진했다. 공간전사체 분석 결과, 염증성 대식세포가 재생성 대식세포로 변모하는 과정이 실제 조직 회복 부위를 따라 정밀하게 일어남을 입증했다.
연구진은 지능형 소재와 AI 적응형 로봇 프린팅을 융합해 맞춤형 재생 치료의 신기원을 열었으며, 당뇨병성 궤양뿐만 아니라 다양한 난치성 만성 질환 상처로 적용 범위를 확충할 것이라고 밝혔다.
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