근육은 몸무게의 40%를 차지하는 가장 큰 기관이다. 움직임이 가능한 모든 부분에 있다. 생명 유지에 필수적이지만 상처를 입으면 치료가 매우 어렵다. 과학자들이 해결책으로 인공 근육을 개발하고 있다. 인공물이지만 몸에서 면역 거부 반응을 일으키지 않으면서도 제작도 쉬운 방법을 찾고 있다. 인간뿐 아니라 로봇에 적용할 인공 근육도 연구가 활발하다.
◇면역 거부 반응 없는 인공 근육
기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단의 조승우 연구위원(연세대 생명공학과 교수)은 “근육 손상 질환 치료를 위한 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼을 개발했다”고 지난달 국제 학술지 ‘어드벤스드 머티리얼스’에 밝혔다. 미국 매사추세츠 공대(MIT) 연구진과 함께 연구했다.
연구진은 인공 근육을 만들기 위해 세 가지 기술을 적용했다. 먼저 ‘열 인장 기술’을 통해 근육 세포가 자랄 수 있는 틀을 만들었다. 구멍의 크기를 작고 일정하게 만들어 세포가 잘 자랄 수 있도록 했다. 연구진은 “구멍을 정밀하게 조절할 수 있어 환자 맞춤형으로 인공 근육을 만들 수 있다”고 설명했다.
또 ‘근육 탈세포 매트릭스’로 면역 거부 반응을 유발하는 유전 물질을 제거한 영양분을 만들었다. 매트릭스는 근육 세포가 조직으로 자랄 수 있는 영양분을 제공한다. 마지막으로 ‘직접교차분화기술’을 사용했다. 환자의 피부세포를 근육세포로 전환해 면역 거부 반응 문제를 해결한 것이다
연구진은 인공 근육 조직을 실험용 쥐의 근육 손상 부위에 이식하고 재생 경과를 관찰했다. 손상된 근육 조직이 재생될 뿐 아니라 기존 치료법보다 혈관과 신경 조직의 재생 정도가 크게 향상됐다고 연구진은 밝혔다. 조승우 연구위원은 “기존 근육 질환 치료 방법을 대체할 수 있는 새로운 의료기술 개발에 성공했다”고 말했다.
근육을 좀 더 손쉽게 만들 수 있는 배양막 기술도 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST) 정영미 박사팀은 “두 가지 이상의 세포를 한 번에 배양해 우리 몸의 생체조직과 유사한 조직을 만들 수 있는 플랫폼을 개발했다”고 2일 밝혔다.
생체 조직을 만들기 위해서는 서로 다른 세포들을 함께 배양막 위에서 키운다. 기존 배양막은 두께가 두껍고 구멍의 밀집도가 낮아 세포를 키우기 어려웠다. 연구진은 기존 막보다 10분의 1 정도로 얇고, 구멍의 밀집도가 높은 배양막을 만들었다. 이 막은 부드럽고 탄성이 있는 고분자 소재로 만들어져 세포 표면과 비슷한 특성의 환경을 만들 수 있다.
정영미 박사는 “근육과 같은 조직은 세포가 특정 방향으로 정렬된 경우가 많은데, 이 플랫폼으로는 별도의 처리 없이도 세포를 정렬시켜 조직을 배양할 수 있다”고 말했다. 이 기술은 근육뿐 아니라 피부, 혈관 등 다른 조직을 만드는 데도 활용될 수 있다. 실제로 줄기세포로 혈관 벽을 구성하는 세포를 배양한 결과, 기존보다 약 2.5배 더 많이 분화됐다.
◇사람 근육 힘의 10배
근육은 사람에게만 필요한 것이 아니다. 로봇을 위한 인공 근육 개발도 한창이다. 김선정 한양대 전기생체공학부 교수팀은 미국 텍사스대와 공동으로 사람보다 10배 이상의 힘을 낼 수 있는 인공 근육을 개발해 국제학술지 ‘사이언스’에 지난 1월 발표했다.
김 교수가 개발한 인공 근육은 탄소나노튜브 섬유를 용수철처럼 꼬아 만든 실로 만들었다. 섬유에 전기를 가하면 마치 근육이 수축하듯이 움직인다. 이때 인공 근육은 1그램당 2.9와트의 힘을 낸다. 사람 근육이 낼 수 있는 힘의 10배, 터보 차저 8기통 디젤 엔진 출력의 2.2배에 해당하는 힘이다.
연구진은 인공 근육 섬유로 가로와 세로가 각각 2.5㎝인 직물을 만들었다. 김 교수는 “현재 로봇은 모터에 의해서 움직이지만, 인공 근육을 이용하면 모터를 쓰지 않고도 움직일 수 있다”며 “사람처럼 움직일 수 있는 인간형 로봇에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다. 다만 인공 근육의 에너지 효율이 아직 6%에 그친다. 연구진은 상용화를 위해서 효율을 더 높이는 연구를 할 계획이다.
근육과 함께 로봇의 외관을 이루는 인공 피부 기술도 높은 수준까지 올라왔다. 조길원 포스텍 화학공학과 교수팀은 지난달 23일 “인간의 손보다 더 뛰어난 감각을 가진 인공 피부를 개발했다”고 밝혔다. 인간 피부의 지문을 구조적으로 모사해 표면에 미세 주름을 가진 얇은 소재를 만들었다. 개발된 피부는 외부 자극의 종류뿐 아니라 접촉하는 물체의 종류와 재질을 동시에 구분했다.
*출처: https://www.chosun.com/economy/science/2021/03/03/EDHX4FC2BJFS7HI236Y54TPSVM/