미국 노스캐롤라이나주 웨이크 포레스트(Wake Forest) 재생의학연구소는 지난해 4월 ‘맞춤형 방광’을 재생시키는 데 성공했다고 발표했다. 인공지지체에 방광세포를 배양시켜 인공방광을 만든 뒤 내장 복막을 입힌 후 체내에 이식하는 방식으로 현재 환자들을 대상으로 임상시험 중이다.

‘맞춤형 장기’시대가 열리고 있다. 신체 중 인공장기로 대체할 수 있는 것은 심장, 신장, 방광, 망막, 관절 등 수십여가지다. 기존 인공장기가 순전히 기기·기계장치였다면 맞춤형 장기는 환자의 몸에서 채취한 세포로 배양시켜 인체 거부반응을 최소화시킨 것이다. 기술이 더 성숙되면 자연장기에 가까운 단계까지 발전할 날도 멀지 않았다.

조동우 포스텍 교수(기계공학과·지능시스템연구실)는 “미국에서만 매일 17명이 장기이식을 기다리다 사망하고 있는데 현대과학은 기증자를 기다릴 필요없이 스스로 필요한 장기를 배양하는 수준에까지 도달했다”고 했다.

◆생체공학의 총아 바이오로봇기술

인공장기 개발은 바이오와 기계·시스템공학의 결합을 통한 바이오로봇(Bio Robot) 기술의 개가다. 바이오로봇은 인간, 곤충 등 생체모방이나 수술보조, 재활서비스, 진단검사 등 의료 및 생명분야에서의 이용을 목적으로 하는 로봇. 또 연골·뼈 재생 등 조직공학을 활용한 바이오 로봇시스템도 포함된다.

맞춤형 인공신장 경우 환자의 신장세포를 채취, 신장모양의 뼈대에서 배양되고 있는 신장세포에 영양분을 공급해 완전히 장기형태를 갖추면 환자에게 이식하는 것이다.

현재 인공심장, 인공방광, 인공망막 등이 개발돼 있지만 인체거부 반응을 줄여야 하는 기술적 과제와 상용화까지는 시간이 좀더 필요하다.

강현욱 포스텍 지능생산시스템연구실 연구원은 “한발 더 나아가 생물과 기계장치의 결합체 즉 뇌 이외의 수족이나 장기 등을 생체기능 대행 로봇으로 이식한 사이보그(Cyborg) 인간, 바이오닉인간(생체인간·Bionic Human) 시대가 올 날도 멀지 않았다”고 전망했다.

◆사이보그형 바이오로봇으로 발전

미국 매사추세츠에 거주하는 척수마비 20대 청년 매튜 네이글은 1999년 칼에 찔려 척수가 절단되는 사고를 당해 전신이 마비됐다. 2005년에 로드아일랜드 병원에서‘뇌-컴퓨터 인터페이스’(BCI·Brain Computer Interface) 연구전문기업 사이버키네틱스 뉴로테크놀로지 시스템스사가 개발한 신경 인터페이스 시스템 ‘브레인게이트’(Brain Gate)를 이식받아 손발을 움직일 수 있게 됐다.

이 시스템은 100개의 마이크로미터 단위 미소 전극을 포함한 4㎜ 정도의 알약 크기 센서로 이뤄졌다. 뇌에서 운동기능을 명령하는 운동피질 표면에 이식돼 환자의 의지를 전송신호로 받아 컴퓨터에 연결, 원하는 동작을 이끌어낸다. 매튜 네이글은 ‘허리를 펴라, 굽혀라’ ‘두 손을 벌려라, 모아라’ ‘팔꿈치를 펴라, 굽혀라’ 등 16가지 동작을 상상만으로 취할 수 있다.

‘인공근육’(Artificial Muscles)을 이용한 로봇 팔도 개발됐다. 미 항공우주국(NASA) 제트추진연구소(JPL)는 적은 양의 전기에 재빠르게 반응해 인체 근육처럼 늘었다 줄어드는 인공 근육을 개발, 구동장치가 없는 로봇에 적용했다. 팔과 다리를 절단한 장애인에게 인공근육이 이식되는 날이 올 것이다.

◆세계 각국의 기술선점 경쟁

삼성경제연구소 강성욱 수석연구원은 “바이오로봇 가운데 인공장기는 향후 의료산업을 이끌어갈 핵심분야로 시장규모가 2006년 270억 달러수준이었는데 2015년에는 870억달러로 급성장할 것”이라며 “미국은 이 분야에 향후 10년간 30억달러를 투자할 것”이라고 전망했다.

또 재생의학분야에서만 2012년 기준으로 세계시장이 1천억달러에 이를 것으로 전문기관들은 분석하고 있다.

이 같은 경제적 기대성과 때문에 세계 각국은 바이오로봇 연구개발에 많은 투자를 하고 있다.

미국이 가장 많은 투자를 하고 있고 기술력에서도 가장 앞서 있다. 국내에서는 포스텍(포항공대) 지능생산시스템연구실 조동우 박사팀과 포항지능로봇연구소가 연구개발 산실이다.

우리 나라도 최근 들어 바이오로봇 기술에 대한 학계의 관심과 연구개발 프로젝트가 확산되고 있지만 아직은 인공피부, 연골재생 등 초보단계에 머물러 있다.

조동우 박사는 “인공장기 개발에는 마이크로·나노기술과 바이오테크놀로지(BT), 생체조직 재현을 위한 3차원 초정밀 바이오 인공지지체 기술 등 현대과학이 총동원된다”며 “바이오 인공피부, 인공연골은 2015년쯤 일반화되고 2020년쯤에는 바이오 복합장기, 인공신장, 췌장이 상용화될 것”이라고 전망했다.