인공피부의 구조적 불안정성 원인 규명하고 안정적인 제작 기술 개발

△ 구조적 안정성과 피부장벽 기능을 갖춘 ‘전층 인공피부’ 모델 제작 전략을 나타낸 그림 

인공피부가 배양 과정에서 수축하거나 뒤틀리는 또 다른 원인이 규명됐다. 고려대학교(총장 김동원) 기계공학부 정석 교수 연구팀이 미국 에모리대학교(Emory University)·조지아공과대학교(Georgia Institute of Technology) 박성진 교수 연구팀과 공동으로 구조적 안정성과 피부장벽 기능을 갖춘 ‘전층 인공피부’ 모델을 개발했다.

*전층 인공피부: 피부의 바깥층인 표피와 안쪽층인 진피를 함께 구현한 인공피부

인공피부는 실제 사람의 피부를 모방해 만든 조직이다. 그중 전층 인공피부는 실제 피부와 유사한 구조를 갖춰 활용 가능성이 높지만, 배양 과정에서 조직이 배양 용기에서 떨어지면서 수축하거나 변형되는 문제가 발생해 안정적인 제작과 실험에 어려움이 있었다.

기존에는 이러한 구조적 불안전성이 주로 진피를 구성하는 섬유아세포의 수축 작용 때문에 발생한다고 알려져 있었다. 연구팀은 섬유아세포와 콜라겐의 비율에 따른 진피 조직의 수축 조건을 분석하는 한편, 섬유아세포가 없는 환경에서도 표피를 구성하는 각질형성세포만으로 조직이 배양 용기에서 떨어지고 구조적으로 변형될 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 인공피부를 배양하는 용기 표면에 접착력이 뛰어난 ‘폴리도파민(Polydopamine)’을 코팅했다. 그 결과 인공피부의 바탕이 되는 콜라겐 지지체가 배양 용기에서 떨어지거나 가장자리가 들리는 현상을 효과적으로 억제하면서도 표피세포의 활성 상태는 유지할 수 있었다.

또한 실제 피부와 유사한 구조를 구현하기 위해 콜라겐 지지체에 피부의 표피와 진피 사이에 존재하는 ‘기저막’ 관련 성분을 추가했다. 이를 통해 표피세포가 피부 본래의 층상 구조를 형성하도록 유도했으며, 세포 간 결합과 피부장벽 형성에 관여하는 유전자의 발현도 증가하는 것을 확인했다.

연구팀은 이러한 기술을 결합해 전층 인공피부를 제작했다. 완성된 인공피부는 실제 사람 피부에서 나타나는 기저층, 유극층, 과립층, 각질층의 네 가지 주요 표피층을 형성했으며, 배양 과정에서도 조직이 떨어지거나 수축하는 현상 없이 안정적인 구조를 유지했다.

피부장벽 및 자극성 평가도 진행했다. 개발된 인공피부 조직에 계면활성제(트리톤 X-100)를 처리했을 때, 세포 생존율이 50%로 감소하는 데 걸리는 시간(ET50)은 4.5시간으로, 기존 인공표피 모델의 5.0시간과 유사한 수준을 나타냈다. 이는 OECD 피부부식시험 지침(TG431)에서 제시하는 장벽 기능 관련 성능 기준을 충족한다.

또한 OECD 피부자극시험 지침(TG439)에 따른 평가에서 자극성 물질과 비자극성 물질을 구분하는 성능을 확인했다. 그 결과, 기존 인공표피 모델과 유사한 결과를 보여 향후 화장품과 의약품 등의 피부안전성 평가에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 인공피부의 구조적 안정성을 저해하는 원인을 세포 수준에서 규명하고, 이를 해결하는 제작 방법을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 특히 피부의 형태와 장벽 기능을 함께 구현함으로써 실제 피부와 유사한 실험 환경을 구축할 수 있는 기반을 마련했다.

본 연구 성과는 국제 학술지인 ‘Materials Today Bio’ 온라인에 9월 18일 게재됐다. 또한 연구의 핵심 기술인 ‘인공피부모델 배양방법(Culture method for reconstructed human skin)’이 한국(KR102885210B1)과 유럽(EP4159249B1)에서 2025년, 미국(US12767933B2)에서 2026년 각각 특허 등록을 완료했다.

*논문명: An integrated design strategy for structurally stable full-thickness human skin models with regulatory-qualified barrier assessment

*DOI: 10.1016/j.mtbio.2026.103692

*URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590006426009373

이번 연구는 삼성전자 삼성미래기술육성사업(Samsung Research Funding & Incubation Center)의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 기계공학부 원지희 박사(제1저자), 고려대 기계공학부 정석 교수(공동교신저자), 미국 에모리대학교·조지아공과대학교 박성진 교수(공동교신저자)