당뇨병 환자에게 흔한 만성 상처(당뇨병성 궤양)를 상처 모양 그대로 정밀하게 치료할 수 있는 AI 기반 로봇 바이오프린팅 기술이 개발됐다. 서울대학교 치의학대학원 분자유전학 및 약리학교실·근골격계 후성유전 노화 연구소 김우진 교수 연구팀이 미국 하버드의대·브리검여성병원, 베스이스라엘디코니스병원, 연세대 등과의 국제 공동연구로 이뤄냈다. 같은 연구소의 김기태 연구교수가 공동 제1저자로 참여했고, 연구 결과는 생체재료공학 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 게재됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구실 및 신진연구자 지원 사업을 통해 수행됐다.
당뇨병성 만성 상처는 지속적인 염증과 산소 부족, 면역 기능 이상이 겹쳐 잘 아물지 않는 것으로 알려져 있다. 상처 부위의 면역세포가 염증 상태(M1)에 머물러 조직 재생 상태(M2)로 전환되지 못하는 것이 핵심 원인이다. 기존 산소 공급 소재는 산소를 한꺼번에 방출하거나 상처 모양에 맞추기 어려웠고, 미리 제작한 인공 피부 패치는 환자마다 다른 상처에 정밀하게 대응하기 힘들다는 한계가 있었다.
연구팀이 개발한 바이오잉크는 세 가지 기능을 결합했다. 다공성 젤라틴 구조체가 세포 공간을 제공하고, 옥수수 단백질로 감싼 미세입자가 과산화칼슘을 이용해 산소를 서서히 내보낸다. 또 인간 줄기세포가 혈관 생성과 조직 재생을 돕는 신호물질을 분비한다. 산소는 초반에 폭발적으로 방출되지 않고 수일에 걸쳐 안정적으로 유지되며, 세포에 해롭지 않은 낮은 농도로 재생을 자극한다.
여기에 AI 비전 기반 로봇 프린팅 시스템 'INSIGHT'를 접목했다. 로봇 팔에 달린 카메라가 상처의 깊이·형태·색을 인식해 인쇄 경로를 자동 생성하고, 실시간 영상 피드백으로 바이오잉크를 상처 모양에 맞게 여러 층으로 쌓는다. 미리 만든 패치를 붙이는 대신 환자 상처 위에 직접 맞춤형으로 인쇄하는 방식이다.
당뇨병 생쥐 모델 실험에서 이 기술은 대조군보다 상처 봉합 속도를 앞당겼고, 새 살 형성과 피부 재생, 혈관 생성을 촉진했다. 김기태 연구교수가 이끈 공간전사체 분석은 치료 원리를 세포·유전자 수준에서 규명했다. 이 기법은 조직 위치 정보를 유지한 채 유전자 발현을 지도처럼 읽어내는 최신 분석법이다. 연구팀은 염증성 대식세포가 재생성 대식세포로 전환되는 과정이 조직 회복 부위를 따라 공간적으로 정렬된다는 것을 확인했다.
연구팀은 지능형 소재 설계, 산소 조절, 줄기세포 기반 면역조절, AI 적응형 로봇 프린팅을 결합해 환자 맞춤형 정밀 재생 치료의 청사진을 제시했다고 설명했다. 당뇨병성 상처뿐 아니라 만성 염증이나 혈류 부족이 동반되는 다양한 난치성 상처로 확대 적용할 수 있을 것으로 기대했다.
이번 연구는 생체재료공학 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 게재됐다. 연구팀은 서울대학교에 문의하면 더 자세한 정보를 얻을 수 있다.