Micro Biomimetic Systems Lab
신소재화공시스템공학부 성종환
미세 생체모사 시스템 연구실은 마이크로/나노 테크놀로지와 바이오테크놀로지, 화학공학 원리를 융합하여 신약개발, 조직공학, 질병연구에 혁신적인 기여를 하고 있습니다. 본 연구실의 핵심 목표는 미세유체공학, 생체재료, 3차원 세포배양기술 등을 활용하여 인체의 조직 구조와 기능을 인공적으로 재현하는 생체모사 인공 장기 시스템을 개발하는 것입니다. 이를 통해 약물의 효능 및 독성 평가, 질병의 치료 기전 연구, 생체 시스템의 수학적 모델링 및 정량적 분석을 수행하고 있습니다.
특히 장기-온-어-칩(Organ-on-a-Chip) 및 다중장기칩(Multi-Organ-on-a-Chip) 기술 개발에 선도적인 역할을 하고 있습니다. 장-온-어-칩, 간-온-어-칩, 피부-온-어-칩 등 다양한 장기 모델을 미세유체 칩 위에 구현하여, 실제 인체와 유사한 환경에서 세포를 배양하고, 장기 간의 상호작용을 정밀하게 분석할 수 있는 플랫폼을 구축하고 있습니다. 이러한 기술은 기존의 2차원 세포배양이나 동물실험이 가지는 한계를 극복하며, 신약 개발 및 질병 연구의 효율성과 정확성을 크게 향상시킵니다.
본 연구실은 장-간, 장-뇌, 장-피부 등 다양한 장-축(axis) 시스템 연구에도 집중하고 있습니다. 장내 미생물, 점액층, 면역세포 등 다양한 요소를 통합적으로 재현하여, 약물의 흡수 및 대사, 염증성 장질환, 대사질환, 신경질환 등 다양한 질병 모델을 구축하고 있습니다. 또한, 장-간, 장-뇌, 장-피부 등 장기 간의 상호작용을 모사하는 다중장기칩 연구를 통해 복잡한 생리적 현상과 질병의 메커니즘을 심층적으로 분석하고 있습니다.
피부-온-어-칩 및 인공 피부 모델 개발도 본 연구실의 중요한 연구 분야입니다. 3차원 스캐폴드와 하이드로젤, 다양한 세포를 이용해 실제 피부와 유사한 다층 구조를 구현하고, 혈관 및 면역 반응까지 통합적으로 재현하는 피부칩을 개발하고 있습니다. 이를 통해 신약 및 화장품의 효능·안전성 평가, 피부 질환의 병태생리 연구, 동물실험 대체 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다.
이와 같은 연구 성과는 국내외 특허 출원, 다수의 국제 저널 논문 게재, 산학협력 프로젝트 수행 등으로 이어지고 있으며, 앞으로도 인체 전체를 모사하는 '바디-온-어-칩(Body-on-a-Chip)' 시스템 개발, 맞춤형 치료법 및 신약 개발, 동물실험 대체 플랫폼 구축 등 다양한 분야로 연구를 확장해 나갈 계획입니다.
Microfluidic Systems
3D Bioprinting
In Vitro Models
장기-온-어-칩(Organ-on-a-Chip) 및 다중장기칩(Multi-Organ-on-a-Chip) 기술 개발
장기-온-어-칩(Organ-on-a-Chip) 기술은 미세유체공학과 생체재료, 3차원 세포배양 기술을 융합하여 인체의 특정 장기 구조와 기능을 미세한 칩 위에 재현하는 첨단 바이오공학 분야입니다. 본 연구실에서는 장기-온-어-칩을 통해 실제 인체 조직과 유사한 환경에서 세포를 배양하고, 약물의 흡수, 대사, 독성 평가 등 다양한 생리적 반응을 정밀하게 분석할 수 있는 플랫폼을 개발하고 있습니다. 이러한 기술은 기존의 2차원 세포배양이나 동물실험이 가지는 한계를 극복하며, 신약 개발 및 질병 연구의 효율성과 정확성을 크게 향상시킵니다.
특히 본 연구실은 장-간, 장-뇌, 장-신장, 피부 등 다양한 장기 간의 상호작용을 모사할 수 있는 다중장기칩(Multi-Organ-on-a-Chip, MOOC) 시스템을 개발하고 있습니다. 이 시스템은 각 장기의 세포를 개별적으로 배양한 뒤 미세유체 채널로 연결하여 실제 인체 내에서 일어나는 복잡한 생리적 상호작용을 실험실 환경에서 재현할 수 있도록 설계되었습니다. 이를 통해 약물의 전신 동태, 독성, 대사 과정뿐만 아니라 장기 간 신호전달 및 질병의 진행 메커니즘까지 심도 있게 연구할 수 있습니다.
이러한 다중장기칩 기술은 신약의 효능 및 안전성 평가, 맞춤형 치료법 개발, 희귀질환 및 만성질환의 병태생리 연구 등 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 앞으로는 인체 전체를 모사하는 '바디-온-어-칩(Body-on-a-Chip)' 시스템으로의 확장도 기대되며, 동물실험을 대체하는 차세대 바이오 플랫폼으로서 국내외적으로 큰 주목을 받고 있습니다.
생체모사 장 모델 및 장-축(axis) 연구
장기-온-어-칩 기술 중에서도 본 연구실은 장(腸, gut) 모델 개발과 장-간, 장-뇌, 장-피부 등 다양한 장-축(axis) 시스템 연구에 중점을 두고 있습니다. 장은 영양분 흡수뿐 아니라 면역 반응, 미생물과의 상호작용, 외부 물질에 대한 방어 등 다양한 생리적 기능을 담당하는 중요한 기관입니다. 본 연구실에서는 3차원 콜라겐 스캐폴드, 하이드로젤, 미세유체 시스템을 이용해 실제 장 조직의 구조와 환경을 모사하는 장-온-어-칩(Gut-on-a-Chip) 및 장-점액 칩(Gut-Mucus Chip) 등을 개발하고 있습니다.
이러한 장 모델은 기존의 단순한 세포배양 시스템이 가지는 한계를 극복하여, 점액층, 미생물, 면역세포 등 다양한 요소를 통합적으로 재현할 수 있습니다. 이를 통해 약물의 흡수 및 대사, 장내 미생물과의 상호작용, 염증성 장질환, 대사질환 등 다양한 질병 모델을 구축하고, 신약의 효능 및 독성 평가에 활용하고 있습니다. 또한 장-간, 장-뇌, 장-피부 등 장과 타 장기 간의 상호작용을 모사하는 다중장기칩 연구를 통해, 복잡한 생리적 현상과 질병의 메커니즘을 심층적으로 분석할 수 있습니다.
특히 최근에는 장-뇌 축(Gut-Brain Axis), 장-간 축(Gut-Liver Axis), 장-피부 축(Gut-Skin Axis) 등 다양한 장-축 모델을 개발하여, 장내 환경 변화가 신경계, 간, 피부 등 타 장기에 미치는 영향을 연구하고 있습니다. 이러한 연구는 만성질환, 신경질환, 피부질환 등 다양한 질환의 원인 규명과 맞춤형 치료법 개발에 중요한 기초 자료를 제공하고 있습니다.
피부-온-어-칩(Skin-on-a-Chip) 및 인공 피부 모델 개발
피부-온-어-칩(Skin-on-a-Chip) 기술은 인체 피부의 구조와 기능을 미세유체 칩 위에 재현하여, 피부 질환 연구, 약물 및 화장품의 피부 투과성 평가, 독성 시험 등에 활용되는 첨단 바이오 플랫폼입니다. 본 연구실에서는 3차원 스캐폴드, 하이드로젤, 다양한 세포(각질형성세포, 섬유아세포, 혈관내피세포 등)를 이용해 실제 피부와 유사한 다층 구조를 구현하고, 혈관 및 면역 반응까지 통합적으로 재현하는 피부칩을 개발하고 있습니다.
특히, 기존의 콜라겐 스캐폴드의 한계를 극복하기 위해 슬라임-웨빙 섬유형 스캐폴드 등 새로운 소재를 적용하여, 기계적 강도와 세포 생존율을 높인 인공 피부 모델을 개발하였습니다. 또한, 미세유체 시스템을 통해 피부 내 혈관 구조와 유체 흐름을 재현함으로써, 피부 조직 내 약물 전달, 면역세포 이동, 염증 반응 등 실제 인체에서 일어나는 복잡한 생리 현상을 실험실 환경에서 관찰할 수 있습니다.
이러한 피부-온-어-칩 및 인공 피부 모델은 신약 및 화장품의 효능·안전성 평가, 피부 질환의 병태생리 연구, 동물실험 대체 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다. 앞으로는 다중장기칩과 연계하여 장-피부 축, 간-피부 축 등 다양한 장기 간 상호작용 연구로 확장될 전망입니다.
1
Microphysiological systems for modeling gut-organ interaction.
Sung, J.H.
BIOCELL, 2024
2
Development of in vitro model of exosome transport in microfluidic gut-brain axis-on-a-chip.
Seo, G.M., et al.
Lab Chip, 2024
3
Microfluidic gut-axis-on-a-chip models for pharmacokinetic-based disease models.
Kim, R., J.H. Sung
Biomicrofluidics, 2024
1
전임상 단계의 동물실험 대체를 위한 in vitro 장-간 생체모사 장기칩 개발
2
섬유타입 세포배양 지지체 기반 근육 홀컷 (Whole-cut) 배양육 시제품 제조
