연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀이 중앙대학교 기계공학과 이상민 교수 연구팀과 함께 인공 관절의 한계를 극복할 수 있는 소재를 개발했다.

관절염은 연골 손상으로 인한 점증적 또는 급성 발병으로 나타나 궁극적으로는 관절이 제 기능을 지 못하게 되는 질병이다.

이를 치료하기 위해 물리치료, 운동요법 등 보존적 치료를 우선적으로 실시하나 증상이 호전되지 않을 경우, 수술적 치료로서 인공 관절 삽입이 시행된다.

기존의 인공 관절 소재는 세라믹, 폴리에틸렌 등의 견고한 물질을 사용하여 내구성이 뛰어나지만, 마찰계수가 높아 반복적인 움직임 시 마찰 부위에 피로가 누적되어 인공 관절의 손상이 일어나는 문제점이 있었다. 이를 해결 하기 위해 하이드로겔 등 유연한 소재를 활용할 수 있으나, 인체의 체중을 견디기에는 기계적 물성이 낮다는 문제점이 존재한다.

연세대 홍진기 교수팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 바위에서 발견되는 나이테와 유사한 구조의 리제강 패턴(Liesegang Pattern)에 주목했다. 연구팀은 뼈의 주성분인 수산화인석이 하이드로겔에서 리제강 패턴을 지닌 형태로 생성되도록 하였으며, 이를 통해 하이드로겔의 유연한 특성을 유지하면서도 하중 분산 능력이 높은 비선형 탄성 (Nonlinear Elasticity)을 가진 하이드로겔을 개발했다.

인체의 움직임이나 충격을 완충하고 지지하는 데 도움이 되는 비선형 탄성은 인체 연골의 독특한 특성으로, 연골과 기계적 특징이 굉장히 유사한 이 개발 신소재는 인공 연골 모사 환경에서 놀라운 내구성을 보여줬다.

홍진기 교수는 “흔히 접할 수 있는 바위에서 착안해 의료 분야의 치명적인 문제에 해답이 되는 기술을 개발한 이상적인 화학공학 연구 결과물”이라고 평가하며, “특히 손가락의 인장 관절, 목의 추축 관절, 손목의 타원형 관절 등에 이 신소재가 유용할 것을 기대하며, 이를 향한 전임상 연구를 기획 중이다.”라고 덧붙였다.

본 연구는 한국연구재단(NRF), 과학기술정보통신부(MSIT), 국가신약개발사업단, 산업통상자원부(MOTIE)의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 결과는 재료 분야 국제 최고 권위 학술지 ‘사이언스 어드벤시스(Science Advances)’에 4월 26일 게재됐다.

Yonsei University’s (President Dong-Sup Yoon) department of chemical and biomolecular engineering Professor Jinkee Hong's research team developed a material that can overcome the limitations of artificial joints.

Arthritis is a disease characterized by progressive or acute onset due to cartilage damage, ultimately leading to the joint's inability to function properly. To treat this condition, conservative treatments such as physical therapy and exercise therapy are prioritized. However, if symptoms do not improve, surgical treatment involving the insertion of artificial joints is performed.

Conventional artificial joint materials, such as ceramics and polyethylene, are durable but suffer from the problem of cumulative fatigue at frictional sites due to their high friction coefficients during repetitive movements, leading to artificial joint damage. To address this issue, flexible materials such as hydrogels can be used, but they have low mechanical properties to withstand the body's weight.

Professor Jinkee Hong’s team at Yonsei University addressed this problem by focusing on Liesegang patterns, similar to those found in rocks. The research team enabled hydroxyapatite, a major component of bones, to form Liesegang patterns within hydrogels, resulting in the development of hydrogels with high load distribution capabilities and nonlinear elasticity while maintaining the flexible properties of hydrogels.

Nonlinear elasticity, which helps cushion and support the body’s movements and impacts, is a unique characteristic of human cartilage. This newly developed material, which mimics the mechanical characteristics of cartilage, showed remarkable durability in artificial cartilage simulation environments.

Professor Jinkee Hong said “This is an ideal result of chemical engineering research which developed a strategy to solve the critical problems in the medical field by taking inspiration from Nature’s wisdom.” He also said, “In particular, we expect this new material to be useful for the tensile joints of the fingers, the pivot joint of the neck, and the elliptical joint of the wrist, and we are planning preclinical research toward this”.

This research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea (NRF), the Ministry of Science and ICT (MSIT), the National New Drug Development Project, and the Ministry of Trade, Industry and Energy (MOTIE), and the paper was published in Science Advances on April 26.

Science Advances (2024) (IF: 13.6)
Published: April 26, 2024
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl3075