생체공학분야 인공시스템에 적용하는 개념

공학 및 생물의학의 영역인 생체공학분야에서는 기존의 공학 및 생물 의학의 지식을 응용함으로써 새로운 개념과 연구 성과가 태어날 것으로 기대되고있다. 특정 학문분야를 탐구되고 연구되는 한편 각 학문 분야의 경계를 없애고 서로 잘 통합시킴으로써 새로운 시스템 패러다임을 모색하는 방향을 보여왔다. 

특히 20세기형 과학기술에 대한 새로운 시스템 패러다임으로 생활 시스템이 가지는 특성을 인공시스템에 적용하는 개념이 주목 받고있다. 전체 통합이 성공적으로 유지되고있는 생명 시스템의 원리를 공학적으로 이해하는 것이 가능하게 되면 생명과는 무관한 다른 인공 시스템에 적용 할 수있게 획기적인 시스템 제어 방법등이 개발될 것으로 보인다.

생명 시스템은 자기 조직성, 계층성,자가 치유성등 모두 기존의 인공시스템에 도입되지 않은 독창적인 특징을 가지고있다. 우리 사람의 몸을 하나의 시스템으로 생각하면, 이러한 생명 시스템을 구성하고있는 것은, 간 · 신장 · 심장등 장기와 혈관 · 근육 · 뼈등의 조직이며, 이러한 서브 시스템이 개별적으로 작동하는 동시에 각각의 사이에 상호 작용이있는 것으로 전반적으로 협조하고있다. 

또한 미시적 인 관점에서 생각해 보면 각각의 장기를 구성하는 세포가 가장 간단한 기능을 담당하고 있는 요소임을 알 수있다. 생명 시스템의 요소인 세포는 단순한 집합체를 형성할 뿐만 아니라 유기적으로 결합되어 조직이 되고, 전체 요소의 총합 이상으로 새로운 기능을 획득하고있다. 이와 같이 조직으로서의 기능을 획득하는 메커니즘은 명확하지 않은 점이 많아 공학적인 이해도 진행되지 않았다. 따라서 세포가 어떻게 생명 역할을 하고 있는가 하는 점에 대해 해명하는 것은 생명 시스템의 원리를 공학적으로 이해하기 위한 중요한 과제이다.

간은 인체중에서도 가장 큰 기관이며, 생명 시스템에서 특징적인자가 치유성을 가진다. 예를 들어, 쥐의 간을 70% 절제한 경우에도 간 조직은 매우 복잡함에도 불구하고 2주 동안 남아있는 간이 기존 크기가 될 때까지 재생한다. 또한 인간의 경우에도 간 이식이 가능한지에서 같은 재생 능력을 가진 것을 알 수있다. 이러한 간 세포가 갖는 자기 조직 성,자가 치유를 생체 외에서 재현시키는 것은 생명 시스템의 원리를 공학적으로 이해하는 데 중요한 방법이된다. 

그러나 생체내에서 왕성한 재생 능력을 가진 줄기 세포도 생체 외에서 분리하여 배양 계에 옮기면 급격하게 그 능력을 잃어 버리고 결국 사멸해 버린다. 이처럼 정상적인 간세포는 생체 외에서 기능을 유지 할 수 없었지만, 최근의 연구 성과에 의해 줄기 세포 또는 전구 세포라는 특수한 세포를 특이적으로 분리, 생체외에서도 조직을 재생할 수있는 가능성이 제시되어왔다. 예를 들어, ES세포( Embryonic Stem Cell : 배아줄기 세포)는 만능 세포라고도 몸속의 모든 조직이 될 수있는 능력을 가진다.

또한 골수에도 같은 능성을 가진 세포가 존재하는 것으로 보고되고 있다. 또한 간에서도 소형 간세포라는 증식 능력을 가진 세포가 존재하고이 세포를 특이적으로 분리해 생체 외에서도 간과 유사한 조직을 재현시키는 것이 가능하게되었다. 소형 간세포가 갖는 자기 조직 성과에 착안하여 연구를 진행 그 결과, 쥐의 간에서 소형 간세포를 분리하여 배양함으로써 생체 외에서 머리 미세 담관을 다시 형성시키는 데 성공했다.

이러한 세포의자가 조직을 이용하여 조직을 재생시키는 기술은 재생 의료에의 응용을 생각할 수있다. 예를 들어, 간세포에서 간 조직을 재생시킬 수 있다면, 간 이식을 대체하는 치료법으로 세포조직 이식을 고려, 간 이식의 기증자 부족 문제를 해소할 수 있을지도 모른다. 그래서 기존의 연구에서는 세포를 2차원으로 배양하고 있던 반면, 실제 조직은 삼차원의 복잡한 구조를 갖기 때문에 최근에는 어떻게하여 3차원 조직을 재생시킬 것인가?라는 수 조직 공학에있어서 중요한 과제가되고있다.

또한 조직을 3차원 성장시키기 위해 조직 표면에서의 확산만으로는 산소와 영양 공급이 불충분하다. 이러한 문제에 대한 지금까지의 연구 성과뿐만 아니라, 마이크로 수준에서의 열 물질이동등 열공학 지식도 응용하여 3차원 구조를 갖는 복잡한 조직을 재생시키는 것을 목표로한다.