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핵심내용

독사 어금니 모사한 붙이는 액상약물 전달패치 고안
-미세 홈 구조에 의한 모세관 현상으로 빠른 침투, 주사기 대비 통증 해소 기대 -

□ 배원규 교수(숭실대)·정훈의 교수(UNIST) 연구팀이 독사의 어금니(fang)를 모사해 고분자 약물 등을 피부 안으로 빠르고(15초 이내) 효율적으로 전달할 수 있는 액상약물 전달패치를 고안해냈다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.
 ㅇ 피부 장벽(각질조직)을 뚫고 압력으로 약물을 밀어 넣는 기존 실린지 주사 대신 거부감이 적고 통증이 완화된 붙이는 패치형태의 액상 약물 전달방식을 제안한 것이다.

□ 피부 침투를 위한 바늘과 액체를 밀어 넣기 위한 실린지가 결합된 실린지 주사기는 백 년이 지난 현재까지도 백신 등의 정량적 전달방법으로 사용되고 있다.
 ㅇ 거부감과 통증을 줄일 마이크로니들(microneedle) 패치가 고안되었으나, 액상약물이 대부분인 실정에서 효능에 영향을 미칠 수 있는 약물의 고체화 과정이 필요한 것이 단점이었다.

□ 이에 연구진은 큰 압력 없이 가볍게 패치를 눌러 붙임으로써 수 초 내에 액상약물을 그대로 전달할 수 있는 방법을 제안했다. 
 ㅇ 결정적인 단서는 독을 밀어 넣는 압력기관이 없음에도 수 초만에 먹이의 피부 안쪽으로 독을 전달하는 뒷어금니독사(Rear-fanged Snake)에서 얻었다.
 ㅇ 아주 미세한 홈(groove)이 있는 어금니가 피부 표면에 아주 미세한 홈을 만들고 그 홈을 따라 모세관 현상에 의해 아무런 외력 없이 독이 침투하는 원리를 이용한 것이다.

□ 연구진은 반도체 공정을 이용하여 어금니 모사 구조체 100여개를 배열한 엄지 크기의 스탬프형 약물전달패치를 제작하고 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션 했다.
 ㅇ 그 결과 머리카락 굵기 두세 배 길이의 어금니 모사 구조체 하나 하나가 각각 실린지 주사기와 같은 기능을 하는 것을 확인했다.
 ㅇ 나아가 마우스 및 기니피그 모델에 해당 패치를 부착하여 특별한 외력 없이 5초 만에 백신 및 유효성분이 전달되는 것을 확인했다.
 
□ 배원규 교수는 "자연모사공학의 문제해결기법을 이용해 기존 실린지 주사기의 장점인 액체약물을 그대로 전달하면서도 큰 바늘과 높은 압력으로부터 기인하는 거부감이나 통증을 극복한 것“이라고 의의를 설명했다.
 ㅇ 교육부 기초연구사업(기본연구)의 지원으로 수행된 이 성과는 저명한 국제학술지 ‘사이언스(Science)’ 자매지 ‘사이언스 트랜스레이셔널 메디슨(Science Translational Medicine)’ 8월 1일(한국시간)자 표지로 게재되었다.

상세내용

< 논문명, 저자정보 >

논문명
Snake fang–inspired stamping patch for transdermal delivery of liquid formulations

주저자
배원규(제 1저자, 공동 교신저자, 숭실대)
정훈의(공동 교신저자, UNIST),
고한길(UNIST), 소진영(숭실대), 이훈(UNIST), 이찬호(숭실대), 이동훈(University of Connecticut), 안유진(UNIST), 이상현(UNIST), 이경훈(UNIST), 전준하(숭실대), 김형호(숭실대), 전누리(서울대), 정웅규(UNIST), 송창선(건국대), 김태성(UNIST), 김유천(KAIST).

< 연구의 주요내용 >

1. 연구의 필요성

피부는 인체의 장벽이라고 할 만큼 각질을 비롯한 다양한 방어막이 있습니다. 이러한 이유로 고분자 물질을 포함한 다양한 유효성분을 피부로 넣는 방법은 이제껏 한 가지 방법밖에 없었습니다. 바로 1852년 프랑스의 Charles Pravas가 발명한 주사기 입니다. 현재도 이 방법으로 피부로 약물을 전달합니다. 또 주사기의 구조는 독사(Front fang snake)의 어금니에서 영감을 받았다는 이야기도 유명합니다.
하지만 167년전에 발명된 이 방법은 큰 바늘과 높은 압력(실린지)으로 약물을 밀어 넣기 때문에 바늘 공포증(needle phobia)을 유발하여 이를 극복하고자 하는 연구가 활발히 진행 되고 있습니다. 본 연구 또한 167년 동안 사용되어지던 기술의 단점을 극복하고자 시작되었습니다.

2. 연구내용

본 연구에서는 1852년 독사(front fang snake)의 어금니에서 그 아이디어를 얻었다는 단서를 바탕으로 또 다른 독사(rear fang snake)의 어금니를 분석 하였습니다. 어금니가 뒤에 위치하는 이 독사는 머리에 독을 짜주는 압력기관이 없음에도 불구하고 수 초 만에 먹이의 피부 안쪽으로 독을 전달합니다.
본 연구에서는 어금니 구조에 주목 하였고, 독특한 구조가 존재 한다는 것을 알게 되었습니다. 3차원 형상의 파인 홈을 가지고 있는 어금니는 피부에 박혔을 때, 미세한 홈을 만들게 되고 모세관현상에 의해 아무런 외력 없이 독이 침투하는 것을 확인 하였습니다.
이를 공학적으로 분석하기 위해서 반도체 공정으로 다양한 3차원 형상의 어금니를 만들어 동물실험을 진행하였으며, 슈퍼컴퓨터를 이용한 유체 시뮬레이션도 진행하였습니다.
어금니의 독특한 구조가 유체를 피부 안쪽으로 전달하기에 최적의 형태임을 확인 하였고, 이는 그 길이가 수백 마이크로 미터로 작을 뿐만 아니라 유체를 밀어 넣는데 높은 압력이 필요하지 않음을 확인하였습니다.
이 새로운 디자인이 적용된 최신의 주사기를 이용하여, 백신 전달 및 다양한 유효 성분을 마우스 및 기니피그에 적용해 보았으며, 5초 정도의 시간만으로도 충분한 양의 약물 및 유효성분이 전달되었다는 것을 증명 하였습니다.
추가적으로, 167년 전의 아이디어의 원천인 독사에서 기존 기술의 단점을 극복한 점과 약물전달 능력을 인정받아 국제적 의공학 저널 Science Translational Medicine에 표지로 선정이 되었습니다.

3. 연구성과/기대효과

현대 약물이 고분자 기반으로 대체되는 가운데 이를 피부로 전달할 방법이 없는 상황에서 그 활용을 기대할 수 있습니다. 예를 들어, 치매 치료제, 당뇨환자용 인슐린 등 다양한 고분자 약물을 안전하게 피부로 전달이 가능합니다.
또한 이 기술은 바로 화장품에도 적용이 가능합니다. 히알루론산, 비타민A, 다양한 천연추출물 등은 기존에 피부로 전달시킬 수 있는 기술이 실린지 주사기 밖에 없었지만 본 기술을 활용할 시에 눈에 보이는 바늘 없이 유효성분을 피부로 전달 할 수 있습니다.

<연구이야기>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
병원에서 알약이나 수액으로 된 비타민을 처방 받는 경우가 흔히 있습니다. 비타민 크림이나 세럼은 절대 처방하지 않죠. 이상하지 않나요? 저희 연구팀도 이러한 부분에 주목 하였습니다. 학계에서는 고분자 물질은 각질을 통해 절대 흡수가 되지 않는다는 것을 알고 있죠. 그렇다면 정말 이러한 고분자 기반의 유효성분을 우리 피부로 넣을 수는 없을까? 현재의 방법은 실린지 주사 단 한가지 밖에 없지만 167년 동안 지속된 방식에 첨단기술을 적용시켜 보고자 했습니다.
 
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
167년 전 프랑스에서 발명된 실린지 주사기가 앞어금니 독사와 그 구조가 똑같다는 문헌이 많았습니다. 실제 여기에 영감을 얻었는지는 모르지만 원통형 구조에 액체를 밀어 줄 수 있는 압력을 발생하는 실린지와 같은 펌프 구조가 실제 독사에도 존재합니다. 하지만 높은 압력으로만 액체를 밀어 넣을 수 밖에 없는 구조는 우리가 사용하기에는 단점이 존재 했습니다. 그래서 또 다른 독사인 뒷어금니 독사의 이빨 구조를 분석해 보았습니다. 신기하게도, 압력을 만드는 펌프 기간이 없음에도 불구하고 아주 빠른 속도로 독을 피부로 전달하는 것을 확인하고 본격적인 연구에 착수했습니다. 결과적으로 아주 독특한 어금니 구조가 피부에 미세한 틈을 만들고 그 틈으로 모세관현상을 통해 독이 전달된다는 것을 확인 할 수 있었죠. 이를 증명하기 위해 슈퍼컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 진행 하였고, 반도체 공정을 통해 실제 구조를 만들어 동물실험 또한 성공적으로 진행하여 167년 동안 이어지던 기술을 한 단계 혁신시킨 결과를 얻을 수 있었습니다.
 
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
167년 동안 피부 각질을 통해서 약물을 전달하는 것은 아주 어려운 숙제였습니다. 이를 해결하기 위해 리포좀 같은 많은 화학적 방식이 제안되었지만 아직 해결하지 못한 부분이었습니다. 이렇게 어려운 문제를 해결하기 위해 자연으로부터 영감을 얻는 학문이 자연모사공학입니다. 저희 연구팀은 자연모사연구의 정석대로 우선적으로 자연의 최적의 시스템을 찾았고 이 생명체로부터 디자인을 가지고 와 아주 쉽게 이 문제를 해결 하였습니다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
자연모사공학계에서 보면, 독사 어금니를 엔지니어링 영역으로 가지고 온 것이 가장 큰 성과 입니다. 자연의 최적 시스템을 처음으로 발굴하고 이를 공학의 영역으로 가지고 온 것이죠. 또 다른 측면은 앞으로 대부분의 약물 및 유효성분들이 단백질 즉, 고분자 기반으로 바뀌는 시점에 이 기술이 국내에서 개발이 되었다는 점입니다. 실린지 주사기 외에는 대안이 없었지만 이제는 아프지 않게, 공포감이나 두려움 없이 유효성분을 피부로 넣을 수 있는 기술을 확보함으로써, 앞으로의 약물전달분야를 선도 할 수 있을 것으로 기대합니다.
 
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
본 기술이 게재된 학술지는 학문적으로 의미 이외에도 당장 medicine 분야로 적용이 가능한지를 중요하게 여긴다고 합니다. 실제 인체 적용 가능성을 보여야만 하지요. 다시 말하면 본 기술은 공정이 단순하며 기존 규제와의 마찰이 없도록 작은 크기로 설계되었습니다. 빠른 상용화에 유리할 것으로 생각됩니다. 우선적으로는 코스메틱 회사에 기술을 이전하여 빠르게 제품화할 계획이며, 순차적으로 약물을 전달하는 메디컬 회사와 공동연구를 진행할 계획에 있습니다.  

...................(계속)

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