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[데일리포스트=김정은 기자] 골관절염이나 류마티스 관절염 등으로 변형된 무릎 관절을 인공 관절로 대체하는 수술은 미국에서 매년 80만 건 정도 이루어진다. 

체중을 버텨야하는 무릎 연골은 유연하고 충격을 흡수하면서도 인체에 무해한 소재여야 하기 때문에 인공적으로 만들어내기가 쉽지 않은 것으로 알려져 있다. 현재의 인공 무릎 연골은 실제 관절에 비해 기능이 떨어지고 약 20년 밖에 유지되지 못한다.   

미국 듀크 대학 연구팀이 최근 특수 젤(gel)로 만든 새로운 인공 연골을 개발하는데 성공했다. 이 인공 연골은 실제 연골과 같은 수준의 강도와 내구성을 보이며, 체중의 2~3배 힘을 흡수할 수 있어 학계의 주목을 받고 있다. 이번 연구 성과는 신소재분야 국제학술지 '첨단 기능성 재료(Advanced Functional Materials)' 최근호에 게재됐다. 

ⓒ 데일리포스트 이미지 출처=Advanced Functional Materials

듀크대학 화학과 벤자민 와일리 교수(Benjamin J. Wiley)와 공학과 켄 갈(Ken Gall) 교수가 이끄는 연구팀은 1970년대부터 인공 연골 소재로 주목받은 젤에 주목했다. 젤은 유연하고 충격을 흡수하는 특성을 가지고 있지만 무릎처럼 체중을 지탱하는 부위에 사용하기에는 강도가 너무 낮다는 점이 문제로 지적되어 왔다. 

연구팀이 개발한 인공 연골은 하이드로젤(hydrogel)로 약 60%가 물로 이루어져 있다. 해당 하이드로젤은 두 가지 고분자로 구성되어 있다. 

하나는 신축성이 있는 스파게티 면과 같은 구조로 이루어져 있고 또 하나는 음전하를 띠는 강한 바스켓 구조다. 두 가지 고분자는 셀룰로스 섬유망(cellulose fiber meshwork)이 보강한다. 젤을 당기면 셀룰로스 섬유가 이에 저항해 젤을 뭉치게 하고, 젤을 압착하면 음전하가 서로를 밀어내면서 원래 형태로 돌아가게 만드는 구조다. 

ⓒ 데일리포스트 이미지 출처=美듀크대 연구팀 

연구팀은 실험을 통해 실제 연골 수준의 강도와 탄력을 확인했다. 연구팀이 10만 회에 걸쳐 젤을 당기는 실험을 실시한 결과, 인공 뼈에 사용되는 다공성 티타늄과 유사한 강도를 보였다. 25센트짜리 동전 크기의 젤 위에 45kg 추를 매달아도 지탱할 수 있다. 

또한 신형 젤을 100만 회에 걸쳐 마찰시켰지만 윤활면 내구성은 실제 연골과 동일한 수준으로 나타났으며, 기존 인공연골보다 4배 높은 내마모성(wear resistance)을 가진 것으로 드러났다.   

연구팀 소속의 대학원생 윌리엄 코슈트(William J. Koshut)는 "신형 젤은 우리의 예상을 뛰어넘는 우수한 강도를 보였으며 인체에도 무해하다"고 언급했다. 

이 획기적인 인공 연골은 현재 실험 단계다. 임상을 거쳐 상용화되기까지는 약 3년 정도가 소요될 것이라고 연구팀은 내다봤다.  

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