취급이 용이한 시트로 실현되는 차세대의 외과 수술

국립대학 법인 도쿄 농공대학 대학원 공학 연구원 응용화학 부문 연구 그룹은 ′단백질의 보관 유지・방출′을 제어할 수 있는 의료용 시트를 개발하였다. 기존에 폴리 유산(polylactic acid, polylactide, PLA)이나 폴리 카프로락톤(polycaprolactone) 등의 생체 적합성이 높은 소수성 고분자를 소재로 한 시트는 보고되고 있었지만, 이러한 시트에 ′단백질의 보관 유지・방출을 제어하는 기능′을 부여하는 것은 곤란했다고 한다. 본 연구에서는 재료의 내부에 ′약의 용기(고분자 교질 입자(micelle)(지식리포터 주 1)로 부르는 자체 조직화체)′를 넣는 독자적인 재료 설계 시도에 의해서 소수성 시트에 ′단백질의 보관 유지・방출을 제어하는 기능′을 부여하는 것을 세계에서 처음으로 성공하였다. 그리고 시트 내부에 있어서의 단백질의 분산 상태를 평가하는 수법으로서 다양한 재료의 물성 평가에 응용 가능한 ′확장 프랙털 이론(지식리포터 주 2) 해석(advanced fractal analysis)′이라는 해석법을 제안하였다. 차세대 의료용 재료(biomaterial)의 제작 기술이나 다양한 의료용・공업용 재료의 물성 평가 기술로서의 전개가 기대될 것으로 예상된다.

현대의 의료에 있어서 약물 치료의 중요성은 더욱 높아지고 있다. 그러나 약물의 투여에 따르는 부작용이나 약물의 분해에 의한 유효 약물량의 감소 등이 문제가 되는 경우가 있다. 따라서 주목받고 있는 것이 ′원하는 시간・원하는 장소에서 ′약물을 환부에 집중적・선택적으로 보내 주는 약물 송달 시스템(약물 수송계(Drug Delivery System), 이하 DDS)이다. 치료 대상 부위마다 적합한 DDS를 실현하기 위해서는 ′약물 방출용 재료(내부에 약물을 보관 유지하고 그 약물을 조금씩 방출하기 위한 재료)′의 적절한 선택이 중요하게 된다. 현재까지 겔, 입자, 시트 등이 다양한 형태의 약물 방출용 재료 개발이 검토되고 있다. 그 중에서도 시트는 환부에의 접촉 면적이 크고 두께가 얇으며 유연성이 높기 때문에 분자간력에 의해서 생체 조직과 밀착할 수 있다는 다른 형태의 재료와는 다른 뛰어난 특징을 가지고 있다.

그러나 시트 내부에 약물을 보관 유지한 것만으로는 약물이 곧바로 방출되어 버려 그 방출 거동을 제어하는 것이 곤란한 점, 생체 적합성이 높은 고분자(폴리 유산이나 폴리 카프로락톤 등)로부터 제작한 시트는 소수성(疏水性)이기 때문에 세포 증식 효과나 창상(創傷) 치유 효과가 높은 친수성의 약물(단백질)을 시트 내부에 유지할 수 없는 점, 시트 내부에 있어서의 약물 분산 상태를 적절히 평가하는 것이 곤란하기 때문에 재료의 성능 평가가 곤란한 문제점이 있었다.

본 연구 그룹은 시트 내부에 ′단백질을 위한 용기(블록 공중 합체(共重合體))(주 1)가 형성하는 고분자 미셀(micelle))′를 삽입하는 독자적인 재료 설계 시도(<그림 1>)에 의해서 ′단백질의 보관 유지・방출′을 제어할 수 있는 의료용 시트(<그림 2>)의 개발에 처음으로 성공하여 앞서 언급된 세 가지 문제점을 해결하였다. 고분자 미셀의 조성을 적절히 선택하는 것에 의해서 단백질의 보관 유지 특성・방출 특성을 자유자재로 제어할 수 있다. 또한 고분자 미셀의 내부는 ′친수성의 공간′이 되어 있기 때문에 소수성 시트의 내부에 고분자 미셀을 분산시키는 것에 의해서 ′소수성 시트의 내부에 친수성의 공간을 만들어내는 것′에 성공하였다.

그리고 단백질의 용기인 고분자 미셀 분산 상태는 시트의 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서 단백질(형광 라벨로 표식(標識))을 넣은 고분자 미셀이 재료 내부에 분산한 시트를 형광 현미경으로 촬영하여 얻을 수 있던 사진을 몇 개~수십 개의 영역에 분할하여 각각의 분할 화상의 프랙털 이론 차원(주 2)을 구하여 프랙털 이론 차원의 수치의 격차(표준 편차)로부터 단백질의 분포 상태를 평가하는 새로운 수법(확장 프랙털 이론 해석(advanced fractal analysis), <그림 3>)의 개발에도 성공하였다.

지금까지 연구 개발이 거의 진행되지 않았던 재료 형태인 ′시트′에 새로운 기능을 주는 연구 성과이며 차세대 의료용 재료(biomaterial)의 연구 개발에 크게 기여할 수 있는 것이라고 간주할 수 있다. 시트는 취급이 용이하고 보존 안정성이 지극히 높은 재료로 ′단백질을 보관 유지한 시트를 수술실에 항상 준비해 두어 외과 수술 시 환부에 붙이고 세포 증식 효과나 창상 치유 효과가 높은 단백질이 환부에 있어서만 방출되어 치료 효과가 높아진다′라는 새로운 차세대 외과 수술이 실현될 가능성이 있다. 그리고 본 연구에서 제안한 발전적 프랙털 이론 해석은 의료용 시트뿐만 아니라 겔・입자・시트 등이 다양한 형태의 재료의 내부 상태의 평가에 적용될 수 있기 때문에 향후 폭넓은 연구 영역(바이오・의료재료, 전자재료, 광학・분자 디바이스)에서의 파급효과도 높을 것으로 예상하고 있다.

(주 1) 블록 공중 합체
성질이 다른 고분자 블록이 연결되어 형성한 고분자로 친수성 블록과 소수성 블록을 연결한 고분자는 ′ 양친매성(兩親媒性)(물에도 기름에도 용해) 블록 공중 합체′라고 부른다.
(주 2) 프랙털 이론 차원
일반적으로 점은 0차원, 직선은 1차원, 평면은 2차원, 입체는 3차원이지만 복잡한 뒤엉킴을 가진 일필(一筆) 쓰기는 ′직선′보다는 복잡한 형태를 하고 있지만 ′평면′을 다 메울 정도는 아니다. 이러한 일필 쓰기의 차원은 ′1과 2의 사이′이라고 간주할 수 있다. 이러한 생각에 근거하는 차원의 개념이 프랙털 이론 차원이다. 프랙털 이론 차원에 근거하는 해석 수법(프랙털 이론 해석)은 물질의 분포 상태나 물체의 표면 형태를 표현하기 위해서 이용되는 경우가 있다.

(지식리포터 주 1) 교질 입자(micelle)
분자간력에 의한 다수의 분자의 집합체를 일반적으로 미셀이라고 부르고 있다. 계면활성제 용액이 있는 농도 이상이 되었을 때 생기는 계면활성제의 분자 또는 이온의 집합체로 미셀이 생기기 시작하는 한계의 농도를 임계 미셀 농도(critical micelle concentration, cmc)라고 한다.
(지식리포터 주 2) 프랙털 이론
프랑스의 수학자 Benoît B. Mandelbrot가 도입한 기하학의 개념으로 도형 부분과 전체가 자기 상사가 되어 있는 것 등을 말한다.

출처 http://www.tuat.ac.jp/disclosure/pressrelease/2014/20150127211951/index.html