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‘중이염 치료 약물 전달 가능한 자기 치유 인공고막 하이드로겔 개발’ 참여 경험 

(김수진  한국교통대학교  교통·에너지융합학과)  

연구에 대한 호기심에서 자주적인 연구원이 되기까지 저는 현재 한국교통대학교 교통·에너지융합학과에서 생체 및 의료용 소재를 전공으로 연구하고 있는 3학기차 석사과정입니다. 제가 연구에 대해 호기심을 가진 시기는 학부 3학 년 때였습니다. 이전부터 바이오 및 생체재료에 대한 호기심으로 학부 연구생을 지원하고자 했지만 당시 제 전공학부였던 나노소재공학과에는 바이오 분야를 전공하시는 분이 계시지 않아 고민이 많았습니다. 하지만, 운이 좋게도 생체재료 및 의료용 고분자를 전공하시는 김 환 교수님께서 부임되셔서 학부 연구생으로 연구할 기회가 생겼습니다. 이후 신생 연구실에 서 경험을 쌓던 중 저희 대학의 지자체-대학 지역혁신 사업단 (RIS)를 통해 충북지역혁신플 랫폼을 접하게 되었습니다. 충북에 위치한 저희 학교 특성상 매력적인 과제였습니다. 

총괄 대학인 충북대학교와 중심대학인 한국교통대학교 및 충북 도내 17개 대학과 협업하는 사업 이었습니다. 또한, 사업의 핵심 분야인 제약바이오, 정밀의료·의료기기, 화장품·천연물, 이 세 가지 분야가 저의 연구 분야와 진로에 대해 잘 맞았기 때문에 더 특별하게 다가왔습니 다. 제가 지자체-대학 지역혁신 사업에 참여하고자 했던 것은 이번 한 번은 아니었습니다. 제 가 연구실에 들어온 후 다음 해인 2021년에 사업을 처음 알게 되고, 아직 미숙한 실력이지 만 성실하게 사전 실험을 진행하고, 교수님과 의견을 나누며 프로젝트를 신청했습니다. 하 지만, 우수한 다른 팀들이 많았기에 사업에 저희 팀이 선정되지 않은 것은 아쉽지만, 좋은 경험이었습니다. 그 다음 연도인 2022년에도 다른 주제의 프로젝트로 사업에 신청하였습니 다. 이전보다 내용을 다듬어서 서류 통과까지 도달했습니다. 

결과적으로는 좋은 성과를 얻 지는 못했지만 이전보다 더 단계가 나아갔으며, 또한 저도 성장한 것을 눈으로 보고 성취감 을 느꼈습니다. 그 상태에서 지치지 않고 2023년에도 사업에 신청한 결과, 좋은 성과를 거 두어 저의 프로젝트가 이렇게 충북지역혁신플랫폼에 참여를 하게 되었습니다. 앞에서의 2번 의 경험으로 연구계획서도 작성하며 사업에 지원하는 기술을 몸소 습득한 것 같습니다. 또 한, 충북지역혁신플랫폼을 통해 프로젝트에 대해 심화연구를 진행할 수 있게 되어서 연구를 진행하는 데에 원동력이 되었습니다.

중이염 발생 및 기존 치료 방법의 한계 

고막 (tympanic membrane, TM)은 외이와 중이를 구분하는 얇은 조직으로, 귀에 존재하는 필수적인 감각 체계 중 하나입니다. 소리를 들을 때, 고막이 진동하게 되고 음파를 신경 자 극으로 바꾸어 중이로 음파를 전달합니다. 또한 고막은 물, 박테리아 및 기타 이물질로부터 중이를 보호하는 장벽 역할도 합니다. 그러나 난청 및 중이염과 같은 합병증으로 인해 고막 이 터지면 고막 천공 및 중이염 (Otitis media)이 발생할 수 있습니다. 

고막 천공이 발생하면 현기증으로 인한 귀 통증, 출혈, 이명, 메스꺼움 등의 증상이 나타나게 됩니다. 이를 통해 일상생활의 어려움, 더 나아가 심한 경우 청력 손실까지 초래할 수 있습니다. 고막 천공의 원인으로는 외상, 중이염 등이 있습니다. 외상에 의한 고막 천공은 외이도 내 공기압의 변 화와 신체적 접촉에 의해 유발됩니다. 중이염에 의한 고막 천공은 중이에 세균이나 바이러 스가 침투하여 염증이 발생합니다. 초기에는 급성 중이염 형태로 나타나지만, 치료 시기를 놓치면 만성 중이염으로 악화되어 자가 치유가 불가능한 큰 고막 천공으로 이어져 합병증 이 발생하게 됩니다. 이러한 치료에는 패치나 수술적 시술이 필요합니다. 그러나 고막 천공 은 수술 후에도 중이염의 재발이나 합병증의 위험이 있어 많은 환자들이 힘들어하는 질환 중 하나입니다.

고막 천공을 치료하기 위해서는 고막이 독립적으로 재생되도록 돕기 위해 종이 및 실크 와 같은 재료의 패치가 사용됩니다. 천공된 고막에 패치를 추가하면 손상된 부위가 정상화 되고 고막이 빠르게 복원되도록 도움을 줍니다. 그러나 이 치료법은 고막 천공의 크기가 작 은 경우에만 사용할 수 있다는 한계가 있습니다. 고막 천공이 2~3개월 지속되거나 재생 가 능성이 없는 경우에는 수술이 필요합니다. 특히 만성 중이염에서의 고막 천공은 자연 치유 되는 경우가 드물어 수술이 필수적입니다. 

새로운 것을 만들기 위해 고막성형술을 통한 인 공고막 수술로 시행됩니다. 인공고막은 매끄럽고 강도가 적당하여 이식이 용이하고 재생 기 간이 단축됩니다. 따라서 효과적인 고막 재생을 위한 인공고막 개발에 대한 관심이 높아지 고 있습니다. 현재 개발되고 있는 인공고막 치료제로는 환자의 측두근막은 사용하여 고막을 회복시키는 골수성형술 (myringoplasty)과 고실성형술 (tympanoplasty)이 있습니다. 

이러한 방법은 생체 적합성이 높지만 이중수술을 해야 하는 번거로움으로 인해 환자에게 부담을 줄 수 있습니다. 또한 이러한 수술 방법은 약 8 mm의 타원형 고막측두판을 절개하여 중이 에 들어가기 때문에 수술 과정에서 출혈, 혈전, 통증 및 감염을 유발할 수 있습니다. 또한 수술로 인한 흉터가 남아있고 회복 기간이 길다는 한계가 있습니다. 나아가 중이염에 대한 치료 없이 인공고막을 이식하면 중이염의 재발 및 악화가 발생하여 합병증이 발생할 수 있 습니다. 결론적으로, 중이염을 극복하기 위해 인공고막으로써의 물성이 우수하고 염증 치료 및 약물 방출이 가능한 인공고막의 개발이 요구됩니다.

이와 같은 문제를 개선하기 위하여 저는 ‘중이염 치료 약물 전달가능한 자기 치유 인공 고막 하이드로겔’을 설계했습니다. 먼저, 생체적합성 고분자인 폴리아크릴아미드 (Polyacrylamide, PAAm)를 사용하여 고유 고막과 유사한 물리적·기능적 기능을 하는 인공 고막을 제조하였으며, 기존의 치료 방법과 비교하여 PAAm 기반 인공고막의 잠재적 이점을 탐구하였습니다. 기존의 수술 방법보다 더 효과적인 대안이 될 수 있으며, 수백만 명의 고 막 천공를 앓고 있는 사람들의 삶의 질을 향상시킬 수 있습니다. 따라서, 우리는 우수한 생 체 적합성을 가진 PAAm을 활용하여, 강한 부착력과 함께 치료 과정을 가속화할 수 있는 인공고막 소재를 개발하였습니다. 또한, 인공고막에 중이염을 치료하는 약물을 부착하여, 중 이염의 악화 및 재발을 억제하고, 합병증을 예방하는 다목적 약물 방출 인공고막 시스템을 개발하였습니다

적극적인 연구활동; SCIE급 학술지 논문 1편 게재, 국내 특허출원 1건, 학술대회 참여 등 

충북지역혁신플랫폼의 지원은 저에게 연구를 할 수 있는 원동력 및 큰 지지가 되었습니 다.‘중이염 치료 약물 전달가능한 자기 치유 인공고막 하이드로겔 개발’의 심화 연구를 통해 SCIE급 학술지 논문 1편 게재, 국내 특허출원 1건, 학술대회 참석 및 포스터 발표 등 의 연구 활동을 할 수 있었습니다. 먼저, SCIE급 학술지는 “Polyacrylamide/Gel-Based Self-Healing Artificial Tympanic Membrane for Drug Delivery of Otitis Treatment”라는 제목으로 ‘Biomaterials Research’(IF=8.1) 라는 학술지에 제1저자로 논문을 투고하였습니다. 프로젝트 구상부터 실 험단계 및 논문 작성까지 모든 단계에서 참여함과 동시에 저의 첫 논문이 게재되어서 큰 뿌듯함을 느꼈습니다. 논문 작성 과정에서도 거쳐간 사람들에게서 과정을 배우면서 얻은 것 도 굉장히 의미있었습니다.

또한, 설계된‘중이염 치료 약물 전달가능한 자기 치유 인공고막 하이드로겔’에 대해 국 내 특허출원을 수행했습니다. 특허출원 과정에서는 교수님과 변리사님과 의견을 나누면서 진행하였습니다. 특허 명세서 작성 및 청구 범위를 설정하면서 제가 잘 알지 몰랐던 특허출 원 절차를 몸소 배웠습니다.

추가적으로, 다른 프로젝트를 포함하여 다른 사람들과 연구에 대한 의견을 나누기 위해 2023년부터 올해까지 정기학술대회에 참여하여 포스터 발표 4건 및 구두 발표 2건을 수행 하였습니다.

또한, 가장 최근의 2024 춘계 한국고분자학회 정기학술대회에서 코스맥스 부문에서 최우 수논문발표상을 수상하였습니다. 이처럼 제자리에 머무르지 않고 더 앞으로 나아가 꾸준히 성장하기 위한 노력들을 이어가고 있습니다.

앞으로의 방향 및 주체성 

현재 대학원 석사과정을 수행하면서 학부생이었던 과거의 저를 종종 돌아보았습니다. 교 수님의 조언과 같은 실험실 동기들의 도움을 받지 않았더라면 저는 지금처럼 성장하지 못 했을거라 생각합니다. 또한, 이러한 지자체-대학 지역혁신 사업의 지원 덕분에 연구자로서 많이 배울 수 있었습니다. 

학령인구 감소 및 지역인재의 수도권 유출과 같은 이슈가 대두되 고 있는 현 상황에서 현재 지방에 거주 및 학위를 진행하는 저는 충북지역혁신플랫폼과 같 은 대학과 지자체 중심으로 구축된 사업을 통해 지역대학에서 인재가 졸업 후 지역사회에 정착하여 지역발전을 이끄는 것은 굉장히 중요하고 의미있는 일이라고 생각합니다. 앞으로 도 사업이 성장하여 저 이외에도 연구를 하고 싶어하는 다른 학생들도 지원을 받아 자기 꿈을 향해 나아갔으면 하는 작은 바람입니다. 이러한 지역산업 맞춤형 인재 양성 사업을 통 해 저도 지역발전에 기여를 할 수 있는 학생이 되도록 꾸준히 노력하겠습니다.