하이드로겔: 이상한 방식으로 의료 서비스를 변화시키다

2023년 5월 23일, 간단한 주사로 부러진 뼈를 치료할 수 있고, 섭취 가능한 장치로 건강을 추적할 수 있으며, 뇌와 심장 이식 장치가 살과 매끄럽게 맞물릴 수 있는 세상이 멀지 않을 것입니다. 수십 년 동안 재료 과학자들은 파손된 부품을 교체하거나 질병을 치료하기 위해 인체의 복잡한 구조를 모방하기 위해 노력해 왔습니다. 그러나 보철물부터 심박 조율기까지 대부분의 교체 및 교정 부품은 금속이나 플라스틱과 같이 단단하고 건조하며 생명이 없는 재료로 만들어지는 반면, 생물학적 조직은 부드럽고 젖어 있으며 살아 있습니다. 신체는 차이점을 알고 모방을 거부하는 경향이 있습니다. 여기에 하이드로겔이 들어갑니다.

하이드로겔은 물로 팽윤된 분자의 3차원 네트워크입니다. 이 렌즈는 1960년 소프트 콘택트 렌즈 제작자에 의해 처음 기술되었으며 액체에서 고체로, 그리고 그 사이에서 물렁한 형태로 변형될 수 있습니다. 하이드로겔은 폴리머로 만든 물이 담긴 메쉬 주머니 또는 스파게티 모양의 분자 가닥과 같으며 반복 패턴으로 함께 꿰매어지고 H2O로 부풀어 오른다. 인간의 뼈는 약 25%가 물로 구성되어 있고, 근육은 약 70%, 뇌는 85%로 구성되어 있습니다. 귀중한 액체는 영양분을 들어오고 나가는 것부터 세포가 서로 대화하도록 돕는 것까지 다양한 중요한 역할을 합니다. 실험실에서 만든 하이드로겔에는 이러한 기능 중 일부를 모방하는 데 도움이 되는 세포나 약물을 포함한 화물이 탑재될 수 있습니다.

하이드로겔은 또한 살처럼 부드럽고 유연합니다. 따라서 임플란트에 사용하면 주변 조직에 손상을 줄 가능성이 적습니다. 또한 하이드로겔은 독성이 없는 경향이 있으므로 면역체계가 하이드로겔을 이물질로 간주하여 공격할 가능성이 적습니다. 이 모든 것이 하이드로겔을 생명공학 세계의 새로운 사랑으로 만들었습니다.

하이드로겔은 인간과 기계를 결합하는 데 이상적입니다. 스탠포드 대학의 재료 과학 및 공학 부교수인 Eric Appel 박사는 하이드로겔을 축구 네트에 비유합니다. 이 모든 긴 섬유가 함께 엮여 그물을 만듭니다. 더 넓은 범주의 "겔"은 화학 용매를 포함하여 무엇이든 채워질 수 있지만, 물은 하이드로겔을 차별화하는 핵심 성분입니다.

하이드로겔은 약을 복용하고 낡은 관절을 치료하는 방식을 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. Appel은 이 첨단 기술의 방울이 언젠가는 적시 방출 약물을 신체의 올바른 위치로 운반할 수 있기를 희망하면서 수년 동안 젤 제제를 연구해 왔습니다. 그의 새로운 하이드로겔은 주사기 내부에서 완전히 형성된 젤로 시작됩니다. 그러나 일단 플런저를 밀면 표준 바늘을 통해 쉽게 흐를 수 있을 만큼 묽은 액체로 마술처럼 모양이 변합니다. 출구에서 그들은 즉시 젤로 변형되어 고유의 화물이 분해되는 것을 방지합니다. 이러한 서방형 하이드로겔은 백신의 지속 시간을 연장하고 종양 파괴 치료법을 보다 정확하게 전달할 수 있습니다.

한편 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 또 다른 팀은 다른 접근 방식을 취했습니다. 위에서 복어처럼 부풀어오르며 한 달 동안 지속되고 천천히 약물을 방출하는 표준 크기의 섭취 가능한 하이드로겔 알약을 개발했습니다. 알약을 제거하기 위해 환자는 탁구공 크기의 장치를 오그라들게 하여 몸 밖으로 배출될 수 있도록 소금 기반 용액을 마시기만 하면 됩니다. 복어 알약에는 궤양이나 암과 같은 상태를 추적하기 위해 작은 카메라나 모니터가 탑재될 수도 있습니다.

하이드로겔은 또한 인간 연골을 대체하기 위해 고안되었습니다. Duke의 Wiley와 그의 동료들은 최근 실제보다 훨씬 더 강하고 내구성이 뛰어난 최초의 젤 기반 연골 대체물을 개발했다고 보고했습니다. 하이드로겔을 티타늄 지지대에 부착하여 제자리에 고정하는 데 도움을 줌으로써 수술이 필요하기 훨씬 전에 "치과의사가 충치를 채우는 것처럼" 손상된 연골을 복구할 수 있기를 희망합니다.

토론토 대학교의 화학자 Karina Carneiro 박사와 치과의사 Christopher McCulloch DDS는 주입이 가능하고 뼈의 결함으로 이동하여 퍼티처럼 틈을 메울 수 있는 DNA로 만들어진 하이드로겔을 개발했습니다. 그러나 구멍을 메울 뿐만 아니라 뼈의 재생을 촉진합니다.

하이드로겔의 가장 강력한 잠재적 응용 분야는 인간과 기계의 상호 작용 영역입니다. 수많은 기업들이 이미 마비가 있거나 말을 할 수 없는 사람이 자신의 생각을 사용하여 노트북에 글을 쓸 수 있게 해주는 신경 보철이나 뇌 컴퓨터 인터페이스에 손을 대고 있습니다. Spoon-in-the-Jell-O 문제는 주요 걸림돌이었습니다. 그러나 신경 공학을 연구하는 재료 과학자인 Christina Tringides 박사와 그녀의 팀은 질퍽한 뇌 조직에 잘 녹을 뿐만 아니라 전기를 전도할 수 있는 작은 나노 물질 조각이 포함된 해초 기반 하이드로겔을 개발했습니다. 10년 안에 이것은 전기피질검사에 사용되는 투박한 백금 금속 디스크를 대체할 수 있습니다.