(Engineering researchers at the University of Waterloo created this moist, flexible gel to help heal soft-tissue injuries. Credit: University of Waterloo)
흔히 해삼이나 말미잘은 매우 하등한 동물로 생각하기 때문에 누군가에게 해삼이나 말미잘을 닮았다고 하면 십중팔구 나쁜 이야기로 들릴 가능성이 높습니다. 하지만 생명공학자들은 누구보다도 해삼이나 말미잘을 닮은 조직을 만들기 위해 노력합니다. 이들은 놀라운 재생 능력과 치유 능력을 지니고 있기 때문입니다.
워털루 대학교 기계공학과 이민 우 교수 (Dr. Yimin Wu, a mechanical engineering professor at the University of Waterloo)와 유차오 텅 박사 (Dr. Youchao Teng)는 해삼의 또 다른 놀라운 능력을 모방한 하이드로겔을 만들었습니다.
잘 알려지지 않은 사실 중 하나이지만, 사실 해삼은 몸의 단단한 정도 (경도)를 마음대로 바꿀 수 있는 가변 콜라겐 조직 (mutable collagenous tissue, MCT)이라는 독특한 결합 조직을 지니고 있습니다. 덕분에 신경계의 제어 하에 몇 초 만에 몸을 극도로 부드럽게 만들거나 단단하게 경화시킬 수 있습니다. 이는 포식자로부터 도망치거나 방어할 때, 그리고 에너지 효율적인 이동 시 등에 활용됩니다.
ESRF(유럽 방사광 가속기)를 이용한 이전 연구에 따르면 이 경도 변화의 핵심 메커니즘은 콜라겐 섬유 자체의 성질 변화가 아니라, 콜라겐 섬유 사이의 인터피브릴(interfibrillar) 매트릭스의 강성 변화입니다. 즉, 단백질·글리코사미노글루칸(GAG)으로 이루어진 젤 형태의 매트릭스가 이온 환경(예: 칼륨 농도)에 따라 경화/연화되면서, 섬유 간 전단 응력 전달 효율이 바뀌어 전체 조직의 강성이 변합니다. 따라서 소재를 바꾸지 않고도 이온 환경을 바꿔서 자유자재로 조절이 가능합니다.
이 능력에서 영감을 얻은 워털루 대학교 연구팀은 손상된 힘줄이나 기타 연조직을 영구적인 흔적을 남기지 않고 복구하는 데 도움이 될 수 있는 프로그래밍 가능한 생체 모방 하이드로겔을 개발했습니다. 구체적으로 이야기하면 젤라틴 기반 소재를 한 방향으로 얼려 내부에 이방성(anisotropic) 미세 구조를 형성해 자연 조직(힘줄, 피부 등)이 가진 방향성 섬유 배열을 모방합니다. 그 다음 특수 염분 용액에 담근 후 이온 농도를 변경해 하이드로겔의 기계적 성질을 프로그램합니다. 연구팀은 같은 소재라도 조직별 요구사항에 맞춰 더 부드럽게 또는 더 단단하게 만들 수 있는 "범용 프로그래머블 메커니즘"을 구현했습니다.
수분이 풍부한 물질인 하이드로겔은 일시적인 지지 구조 역할을 할 뿐 아니라 물질이 서서히 분해되면서 그 자리로 새로운 조직이 자라날 수 있도록 합니다. 따라서 손상된 조직 대신 넣어주면 자연스럽게 정상 조직을 재상할 수 있습니다. 다만 생체 조직은 종류와 역할에 따라 경도가 매우 다르다는 문제가 있어 이를 일괄적으로 생산하기가 힘들었습니다. 워털루 대학교 기계공학과 이민 우 교수는 "뇌처럼 부드러운 조직 근처에 사용되는 재료는 단단한 힘줄을 복구하는 데 사용되는 재료와는 다르게 작용해야 합니다."라고 지적했습니다.
연구팀의 프로그래밍 가능한 생체 모방 하이드로겔은 이 문제를 간단히 해결할 수 있습니다. 약 4년간의 연구 끝에 연구팀은 쥐를 대상으로 한 전임상 연구에서 해당 하이드로겔을 테스트해 긍정적인 결과를 얻었습니다. 손상된 힘줄에 이 하이드로겔을 사용한 쥐들은 봉합만 한 쥐들에 비해 치유 속도가 향상된 것으로 나타났습니다. 그리고 힘줄이 치유됨에 따라 하이드로겔은 점차 분해되어 약 8주에 걸쳐 체내에 흡수되었습니다.
여기서 가장 주목할 점은 단순히 "봉합보다 낫다"는 것이 아니라, 힘줄이 더 질서정연하게 재생되었다는 것입니다. 힘줄 치유는 단순 재접합이 아니라 반복적 기계적 하중을 견디며 구조를 회복해야 하는 과정이기 때문에, 이 결과는 임상적으로 의미 있는 신호입니다.
다만 인간 같이 큰 동물은 기계적 강도가 다르기 때문에 쥐에서 실험 결과를 바로 적용할 순 없습니다. 큰 동물을 대상으로 한 추가 전임상 연구가 필요하며 안정성에 대한 테스트 역시 더 필요합니다. 그리고 현재는 봉합 + 젤의 병용 모델인데, 봉합 없이 하이드로겔 단독으로 충분한 기계적 지지를 제공할 수 있는지, 또는 봉합이 여전히 필수인지가 향후 설계 변수입니다.
아무튼 조직을 변형하는 능력에서 만큼은 타의 추종을 불허하는 해삼의 능력을 인간이 제대로 모방할 수 있을지 결과가 주목됩니다.
참고
Youchao Teng et al., Bioinspired Hydrogels with Broadly Programmable Mechanics for Soft‐Tissue Interfaces, Advanced Functional Materials (2026). DOI: 10.1002/adfm.78596
Journal information: Advanced Functional Materials
https://phys.org/news/2026-10-sea-cucumberinspired-gel-tissue-humans.html
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