손상된 뼈 재생을 위한 이중 다공 유리
골다공증 환자나 골절은 손상되고 병든 뼈를 재생하는데 도움을 줄 새로운 형태의 생체 적합 유리 물질을 필요로 하고 있다. 뼈의 스펀지 내부와 같이 특수하게 제조된 유리는 혈관, 뼈세포의 제조를 돕고, 혈액의 흐름과 영양소를 병이든 모든 지역 또는 손상된 뼈에 공급하는 서로 연결된 구멍을 포함하고 있다.
두 가지 크기의 구멍이 있는데, 유리는 지름이 20nm인 나노구멍이 있으며 100㎛이상의 크기를 갖는 마크로 구멍이 있다. 이중 다공성과 구멍의 연결은 유리를 뼈의 두 중요한 기능을 닮도록 해준다. 나노구멍은 세포 접착을 쉽게 하고 뼈의 구조적인 요소인 결정성을 확보할 수 있게 해준다. 마크로 구멍은 뼈세포가 안쪽에서 자라도록 하여 혈관이 연결되게 하여 새로운 혈관과 조직이 형성되도록 한다.
Lehigh 기반 국제 재료 연구소 원장이 Himanshu Jain이, 이 국제 연구팀을 이끌고 있다.
Jain은 이상적인 질병이나 뼈 손상의 치료는 몸의 천연적인 뼈 조직이 새롭게 다시 자라는 것이라고 생각하고 있다. 다른 사람의 몸의 일부로부터 뼈를 접목하여 그것을 다른 곳에서부터 뼈가 새롭게 자라날 수 있는 ‘구조물’로 사용하는 방법을 연구하였다. 그와 유사하게, 생체 적합 유리는 뼈 대체 이식을 위해 사용되어 왔다. 그러나 현재까지 유리를 뼈 구조물로 사용하여 성공한 적이 없었다.
이 프로젝트에 대한 아이디어는 Jain과 Alexandrai 대학의 세포 공학 연구소장인 Mona Mare가 만난 2년 전부터 시작되었다. 그들은 이집트에, 특히 여자들에게 널리 퍼져있는 치아와 턱뼈의 질병에 대해 논의하였다.
Marei는 골다공증이 사람의 치아 근처의 뼈를 약하게 만들어 의사가 치아를 치료하거나 임플란트하기 어렵게 만들고 있고 심각한 경우에는 뼈와 치아의 제거가 필요한 치아 파괴현상을 유발한다고 설명하였다. Mareisms 손상된 치아는 성공적으로 교체된 적이 없었으며 기존 생체 적합한 유리 뼈 이식도 성공 확률이 낮다고 말했다.
Instiuto Superior Tecnico(포르투갈)의 과학자인 Ana Marques는 졸-겔 공정을 통해 제작된 유리를 실험하고 있었다. 이 공정에서는 나노 다공성을 향상시켜 마크로 구멍을 연결할 수 도록 폴리머 졸-겔 용액을 첨가하였다. 폴리머는 상 분리를 유발하여 졸에서 겔로 전이를 일으킨다.
“열역학적으로, 기존 나노구멍과 마크로 구멍은 큰 구멍이 작은 구멍을 흡수해버리기 때문에 안정적이지 못하였습니다.”라고 Jain이 설명한다.“그러나 Ana의 도움으로 우리는 그러한 예상을 뛰어넘는 새로운 재료를 개발했습니다.”
관련된 프로젝트에서, Lehigh에 있는 다른 연구진들은 기존 용융-퀘칭 유리 제조 기술을 재정립하여 나노와 마크로 구멍을 갖는 새로운 유리 제조 기술을 개발하였다. Alexandria의 재료공학 연구원인 Hassan Moawad가 이끄는 팀은 유리 제조 시 용융에 사용되는 파우더에 실리콘, 칼슘, 인, 보론 산화물을 효과적으로 조합하여 이중 다공성을 얻는데 성공하였다. 이 새로운 재료는 Alexandria에서 현재 생체 적합성 테스트를 하고 있으며 생물학 교수인, Matthia Falk가 이끄는 Lehigh 그룹은 유리 재료와 접촉하고 있는 세포의 반응을 측정하고 있다. (ACB)