전북대학교 연구진이 철갑 딱정벌레의 겉날개 구조를 모사해 몸에서 녹으면서 높은 유연성을 지닌 혈관 스텐트 개발에 성공했다.

전북대 생체재료&메카노 바이올로지 연구실의 서일원 박사(기계설계공학부 박사후연구원)와 김진우 박사(바이오나노시스템공학과 2월 졸업 예정, 지도교수 박찬희)는 생체 분해성 마그네슘 합금 기반의 혁신적인 스텐트 구조를 개발했다고 10일 밝혔다.

이번 연구 성과는 금속공학 분야 세계 1위 학술지인 『Journal of Magnesium and Alloys』(IF=15.8, JCR 세계상위 0.6%)에 ‘Diabolical ironclad beetle elytra-inspired flexible WE43 magnesium endovascular stent structures and their biomechanical potential’라는 제목으로 온라인 게재됐다.

현재 대표적인 관상동맥 질환인 동맥경화증 치료용으로 사용되는 인체삽입형 중재의료기기인 스텐트는 4등급 고위험도 의료기기로서 기존의 금속 스텐트의 경우 한번 삽입될 경우 영구적으로 체내에 있어야 한다는 점을 극복해내지 못하고 있다.

이를 해결하기 위해서 최근 체내에서 자연 분해되는 폴리머 및 마그네슘 합금 스텐트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 기존 제품은 기계적 물성과 유연성이 낮아 굴곡진 혈관 조직에서 구조적 파손 및 일부 부품의 분리로 인한 부작용 위험이 여전히 존재한다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 북미 서부 참나무 숲에 서식하는 ‘악마의 철갑 딱정벌레(diabolical ironclad beetle)’의 겉날개 구조에서 영감을 얻었다. 날지 못하는 이 딱정벌레는 단단한 키틴질 껍질과 1:1.8의 황금 비율로 배열된 독특한 겉날개 구조를 갖고 있어 높은 강도와 유연성을 동시에 지닌다.

연구진은 딱정벌레의 겉날개 관절 구조를 스텐트 설계에 적용하고, 유한요소해석(Finite Element Analysis)을 활용해 ASTM(미국재료시험학회) 규격 기반의 구조 안정성 평가 및 유동 해석을 수행했다. 그 결과, 기존 스텐트 대비 응력 집중이 최대 57% 감소했으며, 혈류를 균일하게 분산시켜 혈관 내 압력과 물리적 스트레스가 줄어드는 것으로 확인됐다.

이번 연구 성과는 자연모사 기술을 활용한 인체 삽입형 의료기기 설계의 가능성을 제시했다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 

연구팀은 향후 전북대가 보유한 중재적메카노바이오기술융합연구센터 및 메카노바이오활성소재혁신의료기기실증센터와 협력해 혁신 의료기기의 연구개발 및 비임상 실증까지 연계할 계획이다. 이를 통해 우수한 생체 역학적 특성을 갖춘 다양한 중재 의료기기의 최적 설계에 활용될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구지원사업과 지역대학 우수과학자 및 박사 후 국내연수 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.