“원격제어 가능한 나노 신소재 기술 개발, 환자 맞춤형 진료 길을 열다.”

고려대학교 신소재공학부  강희민 교수

오복중에 하나라고 하는 치아 건강. 하지만 현대인들은 스트레스와 잦은 술자리, 서구화된 식습관 및 관리 소홀로 인해 치아를 상실하며 어쩔 수 없이 임플란트를 해야하는 상황이 발생하곤 한다. 그만큼 이제는 현대의학에서 임플란트는 필수적 치아수복 방법으로 인식되어 오고 있다. 하지만 임플란트를 비롯 심박조율기, 미용재로, 인공조직 재료, 스텐트, 인체에 삽입하는 전자 및 광학장치가 우리인체에서 이물질로 판단하여나 그 기능을 제대로 하지 못해 종종 생명에 위협을 주기도 하는 등 부작용이 발생하는 안타까운 일이 발생하곤 한다. 이러한 부작용을 줄이고 치료에 쓰이는 생체재료를 원격조정 가능하기 위해 고려대학교 공과대학 신소재공학부 강희민 교수는 인체 내에서 임플란트에 대한 면역 반응을 일으키는 대식 세포의 부착, 분극화를 실시간으로 조절하는 기술을 새롭게 개발하며 환자들에게 면역 재생의학의 맞춤 의료서비스를 실현하는데 큰 역할을 할 수 있게 되어 주목을 받고 있다. 이번에 개발한 원격조정이 가능한 나노공학 신소재 개발은 앞으로 의료 및 다양한 분야에 접목이 가능할 것으로 예상되며 향후 면역의학 및 재생의학의 발전을 위한 견인차 역할을 톡톡해 해낼 것으로 기대하고 있다. <월간 한국인>7월호에서는 세계적으로 권위를 인정받는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재되며 국내 의학의 新 패러다임을 이끌어 나갈 강 교수의 연구에 대한 소개와 기대효과 및 발전계획 등에 다양한 이야기들을 함께 나눠봤다. 

고려대 공과대학 QS랭킹 50위 안에 선정 - 신소재공학과 큰 몫
현재 고려대 신소재공학부에 재직중인 강희민 교수는 신소재공학부의 전신은 금속공학과(1966년)와 재료공학과(1968년)에서 출발하여 지난 1990년대에 통합되어 지금까지 60여년 동안 뛰어난 학문적 성과를 이뤄왔다고 소개하며 고려대 공과대학이 2018년에는 최고의 대학을 선정하는 QS랭킹 50위 안에 선정된바 있으며 공과대학을 선도하는 핵심학과로 성장해왔다고 말문을 열었다. 현재 교수진 26명과 학생 600여명, 대학원 200여명이 재직중에 있다고. 학생들에게 신소재를 만들기 위한 기초체력을 강하게 다져 나가며 자신만의 독보적인 전문성을 바탕으로 꼭 필요할 때 쓰일 수 있는 무기를 만들어 나가길 당부하고 있는 강 교수는 강의시 교육은 기존의 소재공학 바탕하의 신소재공학의 관심과 비전 그리고 포부를 키워 나갈 것을 주문하고 있다. 
“신소재공학은 발상의 전환과 시간 및 과정 등에 매우 중요한 학문이라고 말씀드릴 수 있습니다. 새로운 것에 대한 두려움이 없이 개척해 나가는 정신으로 학생들이 적극적으로 수업에 참여해 나가도록 독려하고 있습니다. 주입식, 암기식, 학점만을 생각하는 정형화된 틀을 벗어나 학문적 본질을 이해하고 보다 큰 그림을 그려 나갔으면 합니다.” 신소재공학부에서는 현재 전자?정보, 에너지?환경, 나노?바이오 및 기능성 구조 등의 4개 분야로 특성화하여 교과 과정이 편성되어 있고, 활발한 연구가 이루어지고 있다. 차세대 신소재 개발은 시대에 따라서 다른 종류와 기능성을 요구하고 있으며, 강 교수가 연구하는 나노 바이오 신소재도 최근에 헬스케어 응용 분야와 접목하여 주목받고 있는 신소재 중의 하나라고 할 수 있다. 

신소재 원격제어로 다양한 바이오메디컬분야 응용 기대
최근 강 교수의 동적 나노바이오공학 연구실 (Dynamic Nanobioengineering Laboratory)<www.dynamicnano.org>에서는 나노공학을 이용해 나노 자가조립, 자성적, 광학적, 기계적, 전기적, 화학적 등으로 원격 조종이 가능한 다양한 신소재를 개발하는데 초점을 맞추어서 연구해오고 있다. 이 새로운 개념의 신소재들의 생체 내에서의 원격 제어를 통해 다양한 바이오메디컬 응용 분야에 기존에 존재하지 않았던 새로운 방법을 제시하고 있다. 구체적으로 인체의 면역시스템은 내인성 물질과 외인성 물질로 나눌 수 있는데 이는 병원체로부터 인체를 보호하는데 효과적이나 임플란트나 기타 신체에 부착하는 장치에 이물감을 느끼는 일부 환자들에게는 문제가 발생할 수 있는 부작용이 있다. 

때로는 염증을 유발하거나 거부반응을 일으켜 심하면 생명에 까지 위협을 줄 수도 있다고. 이에 대한 부작용을 줄이고 인체 내 면역관계에 대해 보다 심도있게 연구를 진행해온 강 교수는 인체 내에 임플란트에 대한 면역은 대식 세포의 역학적인 부착 및 분리 그리고 분극화에 의해 발생하는 것으로 염증을 유발하는 대식세포의 M1의 분극화와 염증을 억제하고 조직재생을 이뤄내는 M2 분극화라는 서로 상이한 결과를 도출할 수 있게 되었다. 또한 이 두가지 대식세포가 부착에서부터 분리와 분극화를 적절하게 조절할 수 있다면 보다 효율적인 환자 케어가 가능하다는 것을 알게 되었다. 그동안 재료의 특성을 원격 조정으로 실시간 변화시킬 수 있는 나노공학을 활용한 동적 신소재 개발에 주력해온 강 교수는 In situ 자성 원자력 현미경을 이용하여 외부자기장으로 인한 재료의 특성 변화를 실시간 이미징, 재료의 특성을 자성적, 광학적, 나노 자가조립 등으로 생체 내에서 원격으로 원하는 치료 시간과 장소에 맞게 실시간 변화시킴으로 환자 맞춤형 의료 진단과 치료의 실현을 이루는데 큰 성과를 발표하며 학계에 큰 주목을 받아왔다. 

나노과학 활용한 메디컬 신소재 선도개척자로 우뚝서다.
강희민 교수는 메디컬 신소재의 선도개척자로써 나노과학을 활용한 원격 제어 신소재를 개발함으로써 의료분야와 임상분야의 협업 연구를 통한 보다 과학적이고 정밀한 진료 서비스를 구현할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 연구는 특히 임상 의학에 쓰이는 비스포스포네이트 (bisphosphonate, BP) 리간드와 마그네슘 (Mg2+)과의 배합을 통해 나노 이합체를 통한 자가조립을 가능하다는 것을 증명해내었다. 그 결과 보다 용이하게 대식세포의 부착이 가능해졌으며 짧은 시간 안에 대식세포의 부착과 분리를 할 수 있는 기술력을 확보하게 되었다. 

“이번 연구를 통해 인체에 부작용이 없는 무해 물질로 빠른 나노 자가조립이 가능하게 됨을 증명할 수 있게 되었습니다. 나노공학 신소재들을 활용해 앞으로 실시간 원격제어가 가능한 환자 중심의 의료서비스를 구현할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.” 향후 원하는 치료 시간과 장소에 맞게 원격 제어가 가능한 신소재를 통해 환자들을 위한 맞춤형 의료를 실현해 나갈 것으로 기대되며 아직은 초기 단계이지만, 임상 의학 교수들과 협업으로 이 신소재가 실제로 임상에서 환자에게 쓰일 수 있다는 포부를 가지고 계속 연구를 발전시켜 나갈 것을 밝혔다. 또한 실제 의료 현장에서 이 기술이 환자들과 의료진들에게 많은 혜택과 편리함으로 선진화된 메디컬 시스템을 구현해 나가길  수 있기를 희망했다. 

강희민 교수는 UC 샌디에고 신소재공학 박사 (바이오공학과)와 스탠포드대 신소재공학 석사과정을 수료했으며 현재 고려대 신소재공학부 조교수로 재직중에 있으며 동적 나노바이오공학 연구실 (Dynamic Nanobioengineering Laboratory)을 운영하고 있다. 주요 수상으로는2015 미국Acta Biomaterialia 편집장의 The Acta Student Award을 수상한바 있다.