독사의 어금니를 본떠 만든 미세구조체를 배열해 압력 없이 고분자 약물이 피부 각질을 통과해 침투하도록 만든 액상약물 전달패치. 숭실대 제공

주사바늘과 실린더 없이 파스처럼 피부에 붙여놓기만 하면 고분자 약물이 저절로 살갗 안으로 스며드는 액상약물 전달패치가 발명됐다.

숭실대 전기공학부 배원규 교수와 울산과학기술원(UNIST) 기계항공 및 원자력공학부 정훈의 교수 공동연구팀은 1일 “독사의 어금니를 본떠 고분자 약물 등을 피부 안으로 빠르고 효율적으로 전달할 수 있는 액상약물 전달패치를 고안해냈다”고 밝혔다.

약효가 있는 고분자 물질은 각질 등 피부의 보호막을 뚫고 들어가지 못한다. 피부에 바르는 비타민제가 없는 이유다. 1853년 프랑스 외과의사 샤를 가브리엘 프라바즈는 피스톤과 속이 빈 바늘이 달린 도구를 발명해 난관을 해결했다. 이 도구가 오늘날까지 가장 보편적인 약물 전달의 수단으로 쓰이고 있는 실린지 주사기이다. 프라바즈는 주사기 아이디어를 독사의 어금니에서 얻었다고 알려져 있다.

독이 들어 있는 침샘(Duvernoy’s glands)은 있으나 특이하게 독을 밀어내는 근육 조직이 없는 뒷어금니 독사. 독을 밀어낼 압력을 만들 필요 없이 홈이 있는 이빨이 피부에 박히면 벌어진 피부 틈으로 모세관 현상에 의해 독이 자연스럽게 빨려 들어가는 원리를 이용하기 때문이다. 숭실대 제공

배원규 교수 연구팀은 프라바즈가 영감을 받았다는 독사와는 다른 독사의 어금니에서 ‘패치’ 아이디어를 얻었다. 프라바즈의 앞어금니 독사는 머리에 실린지와 같은 펌프 구조가 있어 무는 순간 압력으로 독을 밀어넣는 방식으로 적을 공격한다. 반면 배 교수 연구팀의 뒷어금니 독사는 독을 밀어넣는 압력기관이 없음에도 몇초 만에 먹이의 피부 안쪽으로 독을 전달했다. 자세히 관찰해보니, 어금니에 아주 미세한 홈이 있어 무는 순간 먹이의 피부 표면에 미세한 홈을 만들고 이 홈을 따라 모세관 현상으로 외부의 힘 없이 독물이 침투했다.

널리 쓰이는 주사기의 아이디어를 제공한 것으로 알려진 앞어금니 독사(왼쪽)와 배원규 숭실대 교수 연구팀이 영감을 얻는 뒷어금니 독사(오른쪽).연구팀은 반도체 공정을 이용해 어금니 구조 모사체 100여개를 배열한 엄지손톱 크기 만한 우표형 약물 전달패치를 만들었다. 이를 슈퍼컴퓨터로 유체 시뮬레이션을 해보자 머리카락 굵기의 두세배 만한 어금니 구조 모사체 하나하나가 실린지 주사기처럼 작동한다는 것을 확인했다.

연구팀은 다음 단계로 실험용 쥐(마우스)와 실험용 설치류(기니피그) 살갗에 패치를 부착해 5초 만에 백신이나 유효 약물이 전달되는 것을 관찰했다.

연구팀이 실제 제작한 독사 어금니 모사 약물 전달패치를 확대한 사진. 1일(현지시각)치 표지로 실릴 예정이다. 숭실대 제공

연구팀은 “각질을 통한 약물 전달은 160여년 동안 해결하지 못한 난제였지만 자연에서 영감을 얻는 자연모사공학으로 해결의 길을 열었다”며 “약물 전달 패치는 치매 치료제나 당뇨환자용 인슐린 등 다양한 고분자 약물을 안전하게 피부에 전달하거나 히알루론산이나 비타민 에이, 천연물질 등을 바늘 없이 피부에 흡수되도록 하는 데 쓰일 수 있다”고 밝혔다.

연구팀 연구 성과는 국제 의공학 저널 1일(현지시각)치 표지논문으로 게재됐다.

외신