이번 연구실 탐방은 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수의 나노생체재료 연구실을 취재했다. 김재윤 교수가 이끄는 나노생체재료 연구실은 최근 국소 스테로이드제가 필요 없는 아토피 치료용 항산화 하이드로겔 패치 개발에 성공했다. 이외에도 나노 입자, 다공정 소재, 하이드로젤의 합성과 항암백신, 면역치료, 약물 전달, 생체 모사 등 바이오 메디컬 연구가 활발하게 진행되고 있는 나노생체재료 연구실에 대해 알아보자. 

- 나노생체재료 연구실에 대한 소개 부탁드립니다.

나노생체재료 연구실은 공과대학 화학공학과 김재윤 교수의 지도로 기능성 나노 입자 및 하이드로겔과 같은 나노바이오 소재의 물성 및 기능을 제어하고 이를 백신, 면역치료, 약물전달 및 생체 모사 등에 적용하는 연구를 하고 있습니다. 구체적으로는, 다공성 나노입자를 이용한 암백신 및 자가면역질환 치료, 항산화 효소 특성을 지닌 무기나노입자를 이용한 염증 치료제, 극한 물성을 지닌 하이드로겔을 이용한 신소재 개발에 관한 연구를 진행하고 있습니다.

- 최근 국소 스테로이드제가 필요 없는 아토피 치료용 항산화 하이드로겔 패치 개발에 성공하셨다고 들었습니다. 항산화 하이드로겔 패치가 뭔가요?

아토피 피부염은 피부에서 발생하는 면역질환이자 염증성 질환입니다. 보통은 면역 억제 작용을 하는 스테로이드 연고나 간지러움을 억제해 주는 항히스타민제로 치료를 많이 합니다. 하지만 이와 같은 약물은 지속적으로 복용 시 신체 전반의 면역력 저하, 쿠싱 증후군, 졸음 유발 등의 여러 부작용을 동반한다는 부작용이 있습니다. 아토피는 만성질환으로 발전하는 경우가 많아서 지속적인 치료가 필요하고, 따라서 부작용의 위험을 낮추면서 질병을 완화시킬 수 있는 치료 플랫폼을 고안하고자 했습니다.

저희는 아토피 피부염 부위의 활성 산소종을 낮추는 방향으로 접근했습니다. 활성 산소는 세포 호흡 과정에서 자연스럽게 생기는 대사산물로, 세포의 시그널링을 담당하는 중요한 역할을 합니다. 하지만 그 양이 과도하게 많아지게 되면 DNA와 단백질의 산화를 유발하면서 세포 사멸과 더불어 여러 염증성 질환을 발생시키는 요인이 됩니다. 선행 연구에 따르면 아토피피부염 부위에서 활성산소의 양이 과도하게 높은 것으로 나타났습니다. 저희 연구진은 생체 내의 항산화 효소의 특성을 지녀 활성산소종을 제거할 수 있는 금속 산화물 나노입자를 생체 친화도가 높은 알긴산 하이드로젤에 담지하여 아토피 피부 부착시 증상을 완화할 수 있는 치료용 항산화 하이드로젤을 개발했습니다. 향후 다양한 만성 피부염 치료 소재 및 피부 미용 분야로의 응용 연구를 진행하고자 합니다.

- 연구실의 대표적인 연구 활동을 소개해주세요. 

저희 연구실의 대표적인 연구 활동은 크게 3가지 분야로 나뉘어져 있습니다. 첫째, 현재다공성 실리카 입자를 항원 전달체 혹은 세포 유입형 스캐폴드로 활용하여 체내의 항원제시세포인 수지상 세포를 활성화시켜 세포살해 T세포 등 항암 면역반응을 증진시키는 항암면역치료 및 치료용 암백신 개발 연구를 하고 있습니다(Nature Biotechnology 2015, Biomaterials 2020, ACS Nano 2020).

두번째로는 다양한 효소의 특성을 모사하는 무기 나노입자인 나노자임(nanozyme)을 이용한 치료 및 센서 연구를 진행하고 있습니다. 대표적인 예로 위에서 설명한 염증 부위의 과다한 활성산소종을 제거하는 항산화효소 모사 나노입자를 이용한 아토피 피부염 치료용 하이드로겔 패치, 안구건조증 치료용 콘택트렌즈 등을 개발한 바 있습니다 (ACS Nano 2020, Nano Letters 2022).

마지막으로는 하이드로겔의 한계점으로 지적되어왔던 낮은 물성을 극복하여 진주층 구조, 인대나 힘줄의 구조 등 생체모사를 통해 강하고 단단하며 질긴 기계적 물성을 가진 하이드로겔 소재를 개발하는 연구를 진행 중입니다 (ACS Nano 2019, Advanced Functional Materials 2019, Advanced Functional Materials 2021). 이 연구를 더욱 진보시켜 피부 접착성을 부여한 경피약물전달 패치를 개발한 바 있습니다 (Advanced Functional Materials 2020). 이 외에도 빠른 상처 치료를 위한 주사용 하이드로겔, 나노입자 및 하이드로겔 기반 바이오 센서 등 여러 연구를 진행하고 있습니다. 

- 연구를 진행하는 과정은 어떻게 되나요?

연구 주제를 선정하기 위해서는, 평소에 관심을 가지는 주제와 포함되는 문제점을 파악하는 것이 중요합니다. 그리고 그 문제를 해결하기 위해, 연관된 논문들을 많이 읽어야 하며 도출되는 가상의 해결책을 가지고 실험을 통해 풀어 나아가야 합니다. 그렇지만 연구주제가 늘 처음 생각한대로 진행되지 않을 수도 있으며 막히는 경우도 생깁니다. 연구실 내, 매주 교수님과의 일대일 미팅 및 연구실 내 멤버들과 의논 하며 해결책을 찾아가기도 하며, 혹은 방향을 바꾸며 연구를 진행할 수도 있습니다. 연구는 혼자 하는 것이 아닌, 교수님 및 여러 사람들과 교류를 통해 완성할 수 있습니다. 

- 연구실 자랑 부탁드립니다.

저희 연구실 자랑으로는 연구의 주제와 구성원들인 ‘사람’입니다. 연구실에 처음 조인하게 될 때, 독자적으로 혼자 연구 주제를 정할 수 있고, 나의 연구를 수행할 수 있다는 것은 크나큰 장점입니다. 이를 통해 자발적인 연구를 수행할 수 있습니다. 사회생활에서도 그렇지만 연구도 혼자 진행하다 보면 막힐 때가 많이 있습니다. 교수님을 포함하여 수평적인 연구실 분위기 속에 어떤 문제가 생기면 모두가 그 문제를 풀고자 해결책을 고민하며, 이를 바탕으로 창의적인 결과를 만들어 내고 있습니다. 이는 이후에, 연구실을 졸업한 후에도 더 나은 연구를 할 수 있는 밑바탕이 되고 있습니다. 

- 나노생체재료 연구실에 들어가려면? 어떤 학생이 나노생체재료 연구실에 오면 좋을까요?

저희 연구실에 지원하기 위해서는 교수님께 간단한 자기소개와 함께 이메일을 보내거나 직접 찾아와서 면담을 진행할 수 있습니다. 특별한 자격과 능력은 필요로 하지 않습니다. 물론, 학부생활을 할 때 좋은 성적을 받으면 좋은 지표가 될 수는 있으나, 보다 필요로 한 것은 연구를 왜 하고자 하는지에 대한 자기 동기 부여와 그것을 수행하는데 꾸준한 노력을 할 수 있는 성실성입니다. 저희 연구실은 나노소재, 생체소재 및 바이오 분야 연구를 하고 싶은 학생에게는 늘 열려있습니다. 미래의 연구자로서 꿈을 꾸는 학생이라면 언제든지 문의 바랍니다.

- 연구원을 꿈꾸는 학생들에게 한마디 부탁드립니다.

과거와 다르게 요즘은 변화의 속도가 상당히 빠르며 분야의 경계가 허물어지고 있습니다. 내가 무엇에 관심을 가지는지 혹은 무엇을 꿈꾸고 있는가는 매우 중요합니다. 그러면 내가 어떤 길을 걸어야 할지 스스로 생각하고 고민할 수 있으며, 그 길을 걸으며 나오는 결과물들은 다른 분야와 접목되어 아주 흥미로운 결과를 보여줄 수도 있습니다. 주변의 여러가지 문제 해결에 대한 공학적 관심을 가지고 항상 고민하고, 내 생각이 맞는지 그리고 그것을 현실화할 수 있는지 늘 고민하는 것이 좋은 연구자의 길에 도움이 될 것 같습니다. 

연구실 홈페이지: https://sites.google.com/site/jaeyunkimlab/