하이드로겔의 이상한 세계: 헬스케어를 어떻게 변화시킬 것인가

Jul 20, 2023

2023년 5월 23일 – 간단한 주사만으로 부러진 뼈가 치유되는 날을 상상해 보십시오. 작고 섭취 가능한 장치가 눈에 띄지 않게 몸 속에 남아 있으면 건강을 추적하거나 생명을 구하는 약물을 전달합니다. 뇌와 심장 임플란트가 살과 완벽하게 결합되어 신체가 계속 거기에 있었다고 생각할 때.

이는 부서진 부품을 교체하거나 질병을 치료하기 위해 인체의 복잡한 구조를 모방하기 위해 수십 년 동안 노력해온 재료 과학자들의 꿈입니다.

문제는 보철물부터 심박 조율기까지 대부분의 교체 및 교정 부품이 금속이나 플라스틱과 같이 단단하고 건조하며 생명이 없는 재료로 만들어지는 반면 생물학적 조직은 부드럽고 젖어 있으며 살아 있다는 것이 문제라고 생명공학자들은 말합니다.

신체는 차이점을 알고 모방을 거부하는 경향이 있습니다.

정의상 물로 팽윤된 분자의 3차원 네트워크인 하이드로겔을 살펴보세요.

이 부드러운 하이드로겔 전극은 언젠가 단단한 금속 전극을 대체할 수 있습니다.

1960년 소프트 콘택트 렌즈의 창시자들에 의해 처음 기술된 이 이상하고 모양이 변하는 물질은 액체에서 고체로, 그리고 그 사이에서 질척질척한 형태로 변형될 수 있습니다. (초기의 간단한 용도에는 헤어 젤이나 Jell-O가 포함됩니다.) 관심을 받는 속도가 느려지고 1982년까지 발표된 연구는 1,000개에 불과했지만 최근 집중적인 연구 주제가 되어 2020년까지 총 100,000개의 논문이 발표되었고 올해에만 이미 3,800개의 논문이 발표되었습니다.

화학자, 생물학자, 엔지니어가 서로 그리고 의사와 더 많이 협력하기 시작하면서 급성장하는 하이드로겔 분야는 우리가 약을 복용하고 낡은 관절을 치료하는 방식을 변화시키고 공상과학처럼 보이는 미래를 위한 길을 열 준비가 되어 있습니다. 뇌를 포함한 어떤 기관이 기계와 직접 상호작용할 수 있는지.

"우리는 본질적으로 하이드로겔입니다."라고 노스캐롤라이나 주 더럼에 있는 Duke University의 화학 교수인 Benjamin Wiley 박사는 말했습니다. “사람들이 우리 몸의 조직과 더욱 밀접하게 일치하는 새로운 하이드로겔을 개발함에 따라 우리는 이전에 치료할 수 없었던 수많은 질병을 치료할 수 있게 될 것입니다.”

콘택트렌즈부터 뇌 임플란트까지

간단히 말해서, 하이드로겔은 물이 담긴 메쉬백과 같습니다.

메쉬는 폴리머, 즉 스파게티 같은 분자 가닥으로 만들어지며, 반복적인 패턴으로 함께 꿰매어지고 H2O로 부풀어 오른다. 이는 우리 몸의 3D 매트릭스가 세포와 조직을 둘러싸고, 지지하고, 구조를 제공하는 방식과 유사하다.

스탠포드 대학의 재료 과학 및 공학 부교수인 Eric Appel 박사는 “이러한 긴 섬유가 모두 함께 엮여 그물을 만드는 축구 네트를 상상해 보십시오.”라고 말했습니다.

더 넓은 범주의 "겔"은 화학 용매를 포함하여 무엇이든 채워질 수 있지만, 물은 하이드로겔을 차별화하는 핵심 성분이므로 일부 과학자들이 말했듯이 "인간과 기계의 병합"에 이상적입니다.

인간의 뼈는 약 25%가 물로 구성되어 있고, 근육은 약 70%, 뇌는 85%로 구성되어 있습니다. 귀중한 액체는 영양분을 들어오고 나가는 것부터 세포가 서로 대화하도록 돕는 것까지 다양한 중요한 역할을 합니다.

실험실에서 만든 하이드로겔에는 이러한 기능 중 일부를 모방하는 데 도움이 되는 세포나 약물을 포함하여 화물(예: 그물 속의 공)을 실을 수 있습니다.

하이드로겔은 또한 살처럼 부드럽고 유연합니다. 따라서 임플란트에 사용하면 주변 조직에 손상을 줄 가능성이 적습니다.

“푸딩 그릇에 담긴 금속 숟가락을 생각해 보세요. 그릇을 흔들 때 숟가락이 제자리에 고정되지 않고 숟가락 주위에 상처가 생깁니다.”라고 신경 공학을 연구하는 재료 과학자인 Christina Tringides 박사는 말했습니다. 그녀는 이것이 바로 환자가 숨을 쉬거나 움직일 때 뇌 임플란트에 일어나는 일이라고 말합니다. “기계적인 불일치입니다. 하지만 하이드로겔을 사용하면 완벽한 기계적 매칭을 얻을 수 있습니다.”

또한 하이드로겔은 독성이 없는 경향이 있으므로 면역체계가 하이드로겔을 이물질로 간주하여 공격할 가능성이 적습니다.

이 모든 것이 하이드로겔을 생명공학 세계의 새로운 사랑으로 만들었습니다.

Appel은 “이러한 재료에 대한 관심이 폭발적으로 증가했습니다.”라고 말했습니다.