빛을 쬐어 상처를 치료하는 ‘광생물변조’에 나노기술과 유연전자소자를 더해 치료 효율을 크게 개선한 연구 결과가 발표됐다. ‘광생물변조(Photobiomodulation)’란 특정파장대역의 가시광선·근적외선을 기반으로 인체조직에 필요한 파장의 광원을 적절한 강도로 조사해 조직의 변화를 유도하는 기술이다. 

유기소재시스템공학과 김기수 교수와 광메카트로닉스공학과 홍석원 교수 연구팀은 최근 ‘접착성 나노섬유(나노크기의 초극세 섬유)와 유연전자소자(유연성·신축성을 가지는 전자소자)를 활용한 광생물변조 기반 복합 창상치유 시스템’을 개발해, 기존의 광생물변조 기술을 활용한 상처치유 기술의 문제점을 해결하고 치료 효율을 획기적으로 높였다.

피부는 인체의 가장 큰 기관이다. 생리학적으로 손상된 상태를 회복시켜 환경적 외부 위험으로부터 내부 장기를 보호하는 첫 번째 장벽으로서 핵심적인 역할하기 때문에 피부 상처의 치료는 전신 건강에 매우 중요한 부분이다.

상처 치유는 소실되고 손실된 조직 층을 대체하기 위한 동적 조직 재생 과정으로, 기존에 연고·드레싱을 비롯한 기초적인 치료에 국한됐다면 최근에는 창상 치유 분야에서 광의학 기술의 발전으로 안전하고 비침습적인 광생물변조 요법이 주목받고 있다. 

하지만 손상된 피부 표면의 기하학적 불일치로 인해 광량 조절이 매우 힘들기 때문에, 이를 통한 광생물변조 기반의 상처 치유 효과는 크게 제한적이라는 단점이 있다. 

이에 김기수·홍석원 교수 연구팀에서는 유연전자소자 기반 다중 발광다이오드(LED) 어레이와 통합된 접착성 히알루론산 기반 젤라틴 나노섬유막이 피부에 부착 가능한 패치를 개발했다. 

- A: 나노섬유 부착형 유연전자소자를 활용한 동물실험 개념도 및 다중 LED 어레이 실제 이미지

- B: 돼지피부 표면에서의 소자 발광 이미지

- C: 접착형 나노섬유의 SEM(주사전자현미경) 이미지

- D: 광생물변조를 활용한 상처 치유 개념도

연구팀이 개발한 유연 다중 LED 어레이를 통해 피부 내로 일정한 광량이 균일하게 전달됐으며, 전기방사를 통해 제조한 생체적합 나노섬유막은 상처 부위와 유연 LED 패치를 단단히 결합시켰다. 특히, LED의 광량이 나노섬유막 부착 이후에도 크게 감소하지 않아 광생물변조에 적합하게 활용될 수 있음을 확인했으며, 동물실험을 통해 3차원 세포외 기질(ECM) 모방 나노섬유 상처 드레싱과 LED 조사의 시너지 효과에 의해 흉터 없이 상처 치유 과정이 가속화됨을 확인했다. 

김기수 교수는 “새롭게 개발된 접착성 나노섬유막 부착형 유연전자소자 기반 의료기기는 다양한 바이오소재를 바탕으로 치료효과 및 새로운 치료법 개발에 기여할 것”이라며 “특히 미래형 피부부착 광의학, 전자의약 등 다양한 복합 치료제 개발에 도움을 줄 것으로 기대한다”고 밝혔다. 

홍석원 교수는 이번 연구 성과를 현재 참여하고 있는 컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터(ERC)의 인지·바이오메디컬 분야 광학 기술로 응용시킬 계획이다. 

이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업과 기초연구실사업, 기본연구사업의 지원을 받아 진행됐으며, 특히 부산대 단독 연구로 우수한 성과를 도출했다는 데 큰 의미가 있다. 해당 논문은 국제학술지 『사이언스 어드밴스(Science Advances)』 4월 15일자에 게재됐다.

- 논문 제목: 접착성 나노섬유와 유연LED 소자를 활용한 광생물변조 기반 복합 창상치유 시스템(Combinatorial wound healing therapy using adhesive nanofibrous membrane equipped with wearable LED patches for photobiomodulation) 

- 논문 링크: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn1646 

* 인물사진: 왼쪽부터 공동교신저자 홍석원 교수와 김기수 교수

[Abstract]

Wound healing is the dynamic tissue regeneration process replacing devitalized and missing tissue layers. With the development of photomedicine techniques in wound healing, safe and noninvasive photobiomodulation therapy is receiving attention. Effective wound management in photobiomodulation is challenged, however, by limited control of the geometrical mismatches on the injured skin surface. Here, adhesive hyaluronic acid-based gelatin nanofibrous membranes integrated with multiple light-emitting diode (LED) arrays are developed as a skin-attachable patch. The nanofibrous wound dressing is expected to mimic the three-dimensional structure of the extracellular matrix, and its adhesiveness allows tight coupling between the wound sites and the flexible LED patch. Experimental results demonstrate that our medical device accelerates the initial wound healing process by the synergetic effects of the wound dressing and LED irradiation. Our proposed technology promises progress for wound healing management and other biomedical applications. 

- Paper Title: Combinatorial wound healing therapy using adhesive nanofibrous membrane equipped with wearable LED patches for photobiomodulation

- Authors: So Yun Lee, Sangheon Jeon, Young Woo Kwon, Mina Kwon, Moon Sung Kang, Keum-Yong Seong, Tae-Eon Park, Seung Yun Yang, Dong-Wook Han, Suck Won Hong, Ki Su Kim (Pusan National University)
- URL: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn1646