남승윤 연구실의 핵심 연구축 중 하나는 3D 바이오프린팅을 활용한 조직공학 및 재생의학이다. 연구실은 세포가 포함된 바이오잉크와 생체적합성 지지체를 이용해 인체 조직의 구조와 기능을 모사하는 인공 조직을 제작하고, 이를 통해 난치성 조직 손상이나 장기 재건 문제를 해결하고자 한다. 특히 연조직 재생과 이식형 생체소재 개발에 초점을 두며, 실제 임상 적용 가능성을 높이기 위한 공학적 설계와 생물학적 기능 구현을 함께 추구한다. 이 연구실은 ECM/CNF 기반 바이오잉크, 복합지지체, 동축 및 다중 재료 프린팅, 임베디드 프린팅, 전기방사와 광조형 및 압출 프린팅의 결합 공정 등 다양한 바이오제조 기술을 통합적으로 활용한다. 인공식도 지지체 개발 과제에서 보이듯이, 단순한 형상 제작을 넘어 세포외기질 기반 미세환경 조성, 접합부 안정성 확보, 조직 섬유화 완화, 누수 및 염증 반응 억제까지 고려하는 정밀한 재생 플랫폼을 구축하고 있다. 또한 혈관화 구조, 골조직 지지체, 산소 방출형 스캐폴드와 같은 기능성 구조체 제작 경험을 바탕으로 다양한 조직 유형에 맞는 맞춤형 지지체를 설계한다. 이러한 연구는 장기적으로 환자 맞춤형 조직 제작, 이식형 인공장기 개발, 임상 번역형 생체소재 상용화에 중요한 기반이 된다. 특히 기존 연조직 재건용 소재의 한계를 극복하기 위해 생체적합성뿐 아니라 면역반응, 기계적 적합성, 장기 안정성까지 함께 다루는 점이 특징이다. 따라서 본 연구는 차세대 재생의학에서 제조기술과 생체기능을 연결하는 핵심 분야로서 높은 확장성과 의료적 파급효과를 가진다.

연구실의 또 다른 대표 주제는 바이오프린팅 공정의 복잡성을 정량화하고 최적화하기 위한 하이브리드 머신러닝 기반 예측 기술이다. 바이오잉크의 인쇄적성은 점도, 전단박화 특성, 겔화 거동, 세포 생존성, 적층 안정성 등 여러 요소가 동시에 작용하기 때문에 경험적 접근만으로는 재현성과 범용성을 확보하기 어렵다. 이에 연구실은 유변학 정보와 실험 데이터를 결합하여 바이오잉크의 프린팅 가능성을 예측하고, 최적의 공정 조건을 도출하는 데이터 기반 설계 체계를 구축하고 있다. 관련 과제와 학술발표에서 나타나듯이, 이 연구실은 rheology-informed hierarchical machine learning, hybrid machine learning 같은 접근을 통해 바이오잉크의 인쇄 해상도, 적층 품질, 구조 유지성 등을 체계적으로 모델링한다. 이는 단순한 인공지능 적용이 아니라, 바이오재료의 물리적 메커니즘과 제조 공정 변수를 함께 반영하는 공학적 모델링이라는 점에서 강점이 있다. 연구실은 알고리즘을 이용해 프린팅 조건을 빠르게 탐색하고, 복합지지체 제작 과정에서 시행착오를 줄이며, 재료 조성 변화에 따른 성능 차이를 정밀하게 분석하는 방향으로 연구를 확장하고 있다. 이 연구는 바이오프린팅의 표준화와 자동화에 매우 중요한 의미를 가진다. 향후에는 다양한 재료군과 조직 유형에 대해 일반화 가능한 예측 모델을 개발함으로써, 환자 맞춤형 바이오제조 공정의 속도와 신뢰도를 크게 높일 수 있다. 결국 이 연구는 재생의학용 제작 기술을 데이터 중심 제조 플랫폼으로 전환시키는 역할을 하며, 스마트 바이오제조와 디지털 트윈 기반 조직공학으로의 발전 가능성을 보여준다.

남승윤 연구실은 조직공학용 지지체와 바이오프린팅 구조체의 기계적 특성을 비파괴적으로 평가하는 기술 개발에도 강점을 보인다. 재생의학용 구조체는 생체 내 조직과 유사한 탄성, 점탄성, 강성 분포를 가져야 하지만, 기존의 압축시험이나 파괴시험은 샘플을 손상시키거나 실시간 공정 모니터링에 한계가 있다. 이에 연구실은 초음파와 전단파를 이용한 탄성영상 기술을 적용해, 제작된 구조체 내부의 물성을 손상 없이 정밀 측정하는 방법을 연구하고 있다. 등록 특허와 최근 논문, 학회 발표를 보면 연구실은 집속초음파를 이용해 지지체 내부로 전단파를 유도하고, 에코신호와 위상속도 분석을 바탕으로 탄성 및 점탄성 정보를 계산하는 플랫폼을 구축했다. 특히 suspended bioprinting 과정에서 in-situ elasticity monitoring을 수행하거나, 조직공학 구조체의 stiffness와 viscoelasticity를 실시간에 가깝게 측정하려는 시도가 두드러진다. 이는 바이오프린팅 공정 중 구조물의 품질 편차를 줄이고, 설계한 기계적 특성이 실제로 구현되었는지 즉시 검증할 수 있게 해준다. 이러한 비파괴 물성평가 기술은 단순한 측정기술을 넘어, 바이오제조의 폐쇄루프 제어 시스템으로 확장될 가능성이 크다. 앞으로는 프린팅 조건, 재료 조성, 가교 반응, 세포 분포와 물성 변화의 상관관계를 실시간으로 연결하여 자동 보정이 가능한 지능형 제조 플랫폼으로 발전할 수 있다. 따라서 본 연구는 의용초음파, 조직공학, 바이오프린팅 품질관리의 접점에서 매우 중요한 기반기술로 평가된다.

연구실의 연구 범위는 구조체 제작에만 머물지 않고, 세포치료와 기능성 나노소재를 활용한 재생치료 전략으로도 확장된다. 대표적으로 인간 중간엽줄기세포를 glia-like cell로 유도하여 뇌경색 후유증 회복을 촉진하는 연구는 신경재생과 세포치료의 융합 가능성을 보여준다. 이 연구는 단순한 세포 이식이 아니라 신경가소성과 조직 회복 메커니즘을 조절하는 방향으로 설계되어, 난치성 손상 치료의 새로운 가능성을 제시한다. 또한 혈관 재생을 향상시키고 모니터링하기 위한 다기능 나노전략, 그래핀 산화물 강화 골지지체, 방사선 차폐용 기능성 에어로겔과 같은 연구 성과는 연구실이 바이오재료와 나노소재의 기능 통합에 높은 관심을 가지고 있음을 보여준다. 이들 연구는 세포 반응 유도, 기계적 보강, 영상화 및 추적, 보호 기능 부여 등 다양한 목적을 위해 소재의 구조와 조성을 정밀 설계하는 접근을 취한다. 즉, 연구실은 생체 내 환경에 능동적으로 반응하는 고기능성 재료를 통해 재생치료의 효율과 안전성을 동시에 높이고자 한다. 이 방향의 연구는 향후 정밀의료형 재생치료, 표적 세포치료, 다기능 의료소재 개발로 이어질 가능성이 높다. 특히 줄기세포, 면역조절, 나노구조 제어, 생체신호 모니터링이 결합되면 치료 효과를 단순히 높이는 수준을 넘어, 치료 반응을 예측하고 제어하는 플랫폼으로 발전할 수 있다. 따라서 본 연구는 세포공학과 소재공학을 결합한 차세대 의공학 연구로서 학문적·임상적 가치가 크다.