박상배 연구실은 조직재생과 조직공학을 위한 차세대 바이오소재 개발에 주력하고 있으며, 특히 하이드로젤, 그래핀 하이브리드 소재, 나노구조화 생체재료와 같이 세포 미세환경을 정밀하게 조절할 수 있는 플랫폼에 관심을 두고 있다. 기존 생체재료는 기계적 강도와 생체적합성 사이의 상충관계로 인해 실제 조직 재생 응용에 제약이 있었는데, 연구실은 이러한 한계를 극복하기 위해 생체조직의 세포외기질을 모사하는 구조와 물성을 동시에 갖춘 소재를 설계한다. 이를 통해 피부, 힘줄, 골조직, 치주조직 등 다양한 조직에서 재생 효율을 높이는 방향으로 연구를 확장하고 있다. 구체적으로는 그래핀 하이브리드 터프 하이드로젤과 같은 복합소재를 활용하여 높은 신장성, 복원력, 인성, 생체적합성을 동시에 확보하는 연구를 수행하고 있다. 또한 자연 유래 하이드록시아파타이트를 나노 수준으로 가공하고 표면을 개질하여 줄기세포의 부착, 증식, 분화에 유리한 환경을 조성한다. 이러한 접근은 단순한 재료 개발을 넘어, 세포-재료 상호작용, 표면 토포그래피, 전하 특성, 유전자 전달 효율까지 통합적으로 고려하는 공학적 설계라는 점에서 차별성이 있다. 이 연구는 재생의학, 치과 및 정형외과용 임플란트, 조직 대체재, 바이오프린팅용 바이오잉크 등 폭넓은 응용 가능성을 갖는다. 특히 조직의 구조적 안정성과 기능적 회복을 동시에 달성할 수 있는 소재 플랫폼은 임상 번역 가능성이 높으며, 향후 맞춤형 재생치료와 생체모사형 의료기기 개발의 핵심 기반이 될 수 있다. 연구실은 바이오소재의 기초 물성부터 실제 재생 효과 검증까지 아우르는 융합 연구를 통해 차세대 조직공학 기술의 실용화를 추진하고 있다.

연구실의 또 다른 핵심 축은 줄기세포와 오가노이드를 활용한 정밀의료 및 생체모사 시스템 개발이다. 특히 iPSC 기반 개인맞춤형 치료와 내이 오가노이드와 같은 3차원 생체모사 모델에 대한 연구는 환자 특이적 질환 이해와 치료전략 개발에 중요한 기반을 제공한다. 환자의 유전적, 생리적 특성을 반영할 수 있는 세포 모델은 기존의 획일적 치료 접근을 넘어서는 맞춤형 의생명공학의 핵심 도구이며, 연구실은 이를 공학적으로 고도화하는 데 초점을 맞추고 있다. 이 과정에서 연구실은 나노소재와 미세환경 제어기술을 접목하여 오가노이드의 성숙도와 기능성을 높이는 전략을 개발하고 있다. 예를 들어 그래핀 산화물 기반 접근은 세포외기질 상호작용과 세포 간 연결을 촉진하여 내이 오가노이드의 발달과 기능 향상에 기여할 수 있다. 또한 iPSC의 생산, 공학적 개량, 임상 적용 단계 전반에서 필요한 공정 설계, 전달 시스템, 생체재료 인터페이스를 함께 고려함으로써 정밀의료의 실제 구현 가능성을 높이고 있다. 이러한 연구는 질환 모델링, 약물 평가, 독성 검증, 감각기관 재생치료 등 다양한 분야로 연결된다. 특히 귀와 같은 복잡한 감각기관은 재생이 어렵기 때문에, 오가노이드와 마이크로·나노공학 기술의 결합은 난치성 청각질환 치료의 새로운 가능성을 제시한다. 연구실은 생물학적 복잡성을 공학적으로 재현하고 제어하는 플랫폼을 구축함으로써, 환자 맞춤형 의료와 차세대 재생치료의 접점을 넓히는 연구를 수행하고 있다.

박상배 연구실은 세포 기능 제어와 재생 촉진을 위한 비바이러스성 유전자 전달 시스템 개발에도 중요한 역량을 보유하고 있다. 유전자 치료와 세포 리프로그래밍 기술이 빠르게 발전하고 있지만, 기존 전달체는 독성, 낮은 전달 효율, 불안정성 등의 문제가 있었다. 이에 연구실은 자연 유래 소재를 기반으로 안전성과 효율성을 동시에 갖춘 전달 플랫폼을 설계하여, 줄기세포의 분화 유도와 조직 재생 촉진에 활용하고 있다. 대표적으로 말뼈 유래 나노 하이드록시아파타이트를 표면 개질하여 유전자 운반체로 활용하는 연구는 생체친화성과 전달 효율을 동시에 보여주는 사례이다. 이 시스템은 PEI 코팅을 통해 표면 전하와 분산성을 향상시키고, BMP-2와 같은 기능성 유전자를 줄기세포에 효과적으로 전달하여 골분화를 촉진한다. 이는 단순히 물질을 운반하는 수준을 넘어, 나노입자의 형태, 표면화학, 세포 내 유입 메커니즘, 표적 세포 반응까지 포괄적으로 설계하는 나노바이오공학적 접근이다. 향후 이러한 기술은 골조직 재생, 치과 재생, 국소 치료용 전달체, 세포공학, 조직공학용 복합 치료 플랫폼으로 확장될 수 있다. 특히 바이러스 벡터 의존성을 줄이면서도 높은 생체안전성을 확보할 수 있다는 점에서 임상 적용 잠재력이 크다. 연구실은 기능성 나노소재를 기반으로 유전자 전달의 정밀성과 범용성을 높여, 재생의학과 의생명공학 분야에서 실질적인 치료 플랫폼을 구축하고자 한다.

연구실은 바이오시스템공학의 관점에서 지속가능한 미래 식품 생산기술에도 적극적으로 참여하고 있으며, 특히 배양육과 식물성 대체식품을 위한 바이오제조 플랫폼 개발이 주요 연구 영역으로 부상하고 있다. 전통적인 축산 기반 식품 생산은 환경 부담과 자원 비효율 문제를 안고 있기 때문에, 세포배양식품과 대체지방소재는 차세대 식품 산업의 핵심 기술로 주목받는다. 연구실은 이러한 변화에 대응하여 생체재료, 세포배양, 바이오잉크, 3D 프린팅을 융합한 식품공학 연구를 수행하고 있다. 세부적으로는 저산소 환경을 극복하기 위한 산소 자가생성형 클로렐라-근육세포 공생 배양육, 에멀젼젤 기반 식물성 지방소재, 농산가공 부산물 업사이클링 기반 식물성 대체육 등의 연구를 진행하고 있다. 이는 단순한 식품 모사에 그치지 않고, 세포 생존성, 조직 두께, 질감, 풍미, 가열 특성, 대량생산성까지 고려하는 공정 설계 중심의 연구라는 점에서 의미가 크다. 특히 3D 바이오프린팅과 식품 3D 프린팅 기술은 구조화된 식품 조직을 구현하는 데 핵심 도구로 활용된다. 이 연구는 지속가능성, 식품산업 혁신, 농업 부산물의 고부가가치화, 정밀 식품 제조라는 측면에서 높은 산업적 파급력을 가진다. 바이오소재와 세포공학 기술을 식품 분야에 접목함으로써, 연구실은 재생의학과 식품공학 사이의 경계를 확장하는 융합형 연구를 보여주고 있다. 앞으로는 기능성 식품 설계, 개인 맞춤형 식품, 스마트 생산 공정과 연계된 미래형 바이오제조 시스템으로 발전할 가능성이 크다.