소화제 ‘버블’로 막힌 혈관 촬영하고 뚫는 스텐트 개발
소화제 ‘버블’로 막힌 혈관 촬영하고 뚫는 스텐트 개발
  • 한세광 / 신소재 교수, 금도희 / 신소재 통합
  • 승인 2018.05.31 00:02
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▲그림 1. (a) 스텐트 재협착 방지와 함께 초음파 이미징이 가능한 이산화탄소 버블이 방출되는 스마트 스텐트, (b) 탄산칼슘이 코팅된 생분해성 스텐트 제작 과정, (c) 광학 현미경으로 관찰한 스텐트 제작 과정 별 표면 및 이산화탄소 마이크로 버블 발생 모습
▲그림 1. (a) 스텐트 재협착 방지와 함께 초음파 이미징이 가능한 이산화탄소 버블이 방출되는 스마트 스텐트, (b) 탄산칼슘이 코팅된 생분해성 스텐트 제작 과정, (c) 광학 현미경으로 관찰한 스텐트 제작 과정 별 표면 및 이산화탄소 마이크로 버블 발생 모습
▲그림 2. (a) 일반 스텐트와 탄산칼슘이 코팅된 스마트 스텐트(Stent/CaCO3)가 삽입된 쥐의 경동맥 초음파 이미지, (b) 스텐트 삽입 후 혈관 내벽의 두께 변화, (c,d) 스텐트 삽입 후 경동맥 조직 및 플라크가 축적된 모습
▲그림 2. (a) 일반 스텐트와 탄산칼슘이 코팅된 스마트 스텐트(Stent/CaCO3)가 삽입된 쥐의 경동맥 초음파 이미지, (b) 스텐트 삽입 후 혈관 내벽의 두께 변화, (c,d) 스텐트 삽입 후 경동맥 조직 및 플라크가 축적된 모습
▲그림 3. 지방성 플라크에 의해 막힌 좌측 혈관과 마이크로버블 방출 스마트 스텐트에 의해 혈액순환이 원활한 우측 혈관 및 스몰지의 커버 이미지
▲그림 3. 지방성 플라크에 의해 막힌 좌측 혈관과 마이크로버블 방출 스마트 스텐트에 의해 혈액순환이 원활한 우측 혈관 및 스몰지의 커버 이미지

최근에 식단이 서구화되면서 협심증, 심근경색증과 같은 다양한 심혈관 질환 환자들이 증가하고 있다. 협심증이나 심근경색증은 관상동맥이 좁아지거나 막혀버려 혈액을 원활히 공급하지 못해 생기게 된다. 이런 질환을 치료하는 대표적인 수술 방법으로 혈관 및 기관의 막힌 부위에 스탠트를 삽입해 개통을 유지하는 스텐트 삽입술이 있다. 스텐트는 원통형 그물관 모양으로 설계된 일종의 지지 장치로, 혈관에 질환이 생겨 혈액의 흐름에 문제가 발생했을 때, 외과적 수술을 하지 않고 조영술을 통해 좁아지거나 막힌 혈관에 삽입해 혈액의 흐름을 정상화하는 데 사용된다.

심혈관 질환에 의해 막힌 혈관을 뚫기 위해 초기에는 스테인리스스틸과 같은 금속 스텐트가 사용됐고, 이후 스텐트를 시술한 다음 발생하는 재협착 문제를 해결하기 위해 약물이 방출되는 스텐트가 개발돼 널리 사용되고 있다. 최근에는 금속 스텐트에 의한 부작용을 줄이기 위해 생분해성 고분자로 만들어진 스텐트가 개발되고 있다. 하지만 기존의 스텐트들은 여전히 혈관 내 균열, 파열, 재협착, 혈전증 및 약물 과민반응 등과 같은 다양한 부작용들이 문제가 되고 있다.

스텐트의 세계시장 규모는 12조 원 이상으로 알려져 있다. 스텐트 시술 부위는 혈관뿐만 아니라 식도와 같은 다양한 소화기관 등으로 점차 확대되고 있어서 스텐트 시장의 지속인 성장이 예상된다. 스텐트의 국내 시장 규모는 약 1,300억 원에 달하고 있지만, 수입제품이 90%에 달해 스텐트 제품의 국산화가 시급한 상황이다.

본 연구팀은 생분해성 고분자를 이용해 스텐트를 제작한 뒤 표면에 탄산칼슘을 코팅해 시술 부위에 이산화탄소가 발생하게 함으로써 진단 및 치료가 동시에 가능한 신개념 스마트 스텐트를 개발했다.(그림 1-a) 소화제로 활용되는 탄산칼슘이 산도가 낮은 환경에서 이산화탄소를 지속해서 발생시키는 성질과 혈관을 막는 지방성 플라크(Plaque)의 산도(pH)가 낮다는 점에 착안했다. 먼저, 인체에 무해한 생분해성 고분자를 이용해 3D 프린터로 스텐트를 만든 다음, 도파민 처리를 통해 표면 개질(改質)을 한 뒤 탄산칼슘 입자를 코팅했다.(그림 1-b) 이렇게 만들어진 스텐트를 막힌 혈관에 삽입하면, 스텐트 주변을 둘러싼 지방성 플라크의 낮은 산도 때문에 표면에서 이산화탄소 버블이 생기게 된다.(그림 1-c) 이 버블은 자체적으로 조영 효과가 있기 때문에 조영제를 투여하지 않고도 체외 초음파 기기를 이용해 혈관 내부를 관찰할 수 있다. 또한, 이산화탄소 버블에 의해 스텐트가 삽입된 혈관 부위에 있는 지방성 플라크가 제거돼, 스텐트 시술의 부작용으로 알려진 혈전 생성과 재협착을 예방할 수 있다.

동물모델에서 진단 및 치료용 스마트 스텐트의 효능을 확인하기 위해 쥐의 경동맥 혈관에 탄산칼슘이 코팅된 스텐트를 이식했다. 초음파 장비로 스텐트가 삽입된 부위를 관찰한 결과, 탄산칼슘이 코팅된 스텐트에서 다량의 이산화탄소 마이크로 버블이 발생해, 탄산칼슘이 코팅되지 않은 스텐트보다 높은 혈관 내 조영 효과를 나타냈다.(그림 2-a) 또한, 탄산칼슘이 코팅되지 않은 스텐트가 삽입된 혈관에는 약 0.88mm 정도의 플라크가 축적됐지만, 탄산칼슘이 코팅된 스텐트에서는 약 0.37mm 정도의 소량의 플라크가 축적됐음을 초음파 이미지 및 조직 분석을 통해 확인할 수 있었다.(그림 2-b, c)

본 연구진은 스마트 스텐트의 독창적인 아이디어와 진단과 치료가 동시에 가능한 스마트 스텐트를 세계 최초로 개발한 것을 인정받아 나노분야 권위지인 스몰(Small)지의 표지 논문으로 선정됐다.(그림 3) 또한, 중소벤처기업부와 여성기업종합지원센터가 주관한 여성창업경진대회에서 스마트 스텐트의 상용화 계획을 발표해 대상인 중소벤처기업부 장관상을 받았다. 우리대학을 포함한 △DGIST △GIST △KAIST △UNIST와 같은 과학기술특성화대학이 주관한 공동창업경진대회에서도 최우수상인 한국연구재단 이사장상을 받아 사업화 성공 가능성도 크게 인정받았다.

의료기기는 대표적인 고부가가치 제품이다. 스마트 스텐트 제작에 필요한 생분해성 고분자의 가격은 약 천 원 정도에 불과하지만, 판매가는 10만 원 이상으로 예상된다. 생산비용과 임상시험 비용을 고려하더라도 막대한 경제적 효과를 기대할 수 있다. 이번 스마트 스텐트 관련 기술들에 대해 국내 특허 출원 및 등록을 완료했으며 해외시장 진출을 위해 해외 특허 출원을 진행 중이다. 또한, 한세광 교수는 본 연구실의 연구성과를 본격적으로 상업화하기 위해 2014년에 화이바이오메드 벤처회사를 창업하기도 했다. 이에, 새롭게 개발한 스마트 스텐트의 대량생산 공정 개발에 대한 산학 공동연구를 진행해 본격적으로 상용화를 추진할 계획이다. 먼저 애완견과 같은 동물에게 적용해 스마트 스텐트의 가능성을 확인한 다음 사람에게 적용하기 위해 임상시험을 실시해 나갈 계획이다. 이를 위해, 국가 연구비와 국내외 투자 자본을 유치해 스마트 스텐트의 성공적인 상용화를 추진해 나갈 것이다.


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