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뉴-페이스

인공장기에 생명을 불어넣는
공학자 포항공과대학교 장진아 교수

설레는 마음으로 구입한 소설책. 빳빳한 양장 표지를 지나 첫 페이지를 넘기면 이야기의 주인공이 우리를 반깁니다. 세상을 바꿔갈 연구성과 이야기도 마찬가지인데요. NRF웹진 뉴-페이스에서는 최근 괄목할 만한 성과로 떠오르는 과학자, 이제 막 새 이야기를 그려갈 신진 연구자를 만나 연구성과와 일상 이모저모를 들여다봅니다.

종이에 인쇄하듯 3차원 공간에 실제 사물을 만들어내는 3D프린팅 기술. 금형과 같은 별도의 틀 없이, 원하는 제품을 쉽고 빠르게 제작할 수 있어 여러 산업에 이용되고 있습니다. 최근에는 안경과 그릇 등 종래의 일상용품 제조를 넘어 치료 목적으로 의료용품을 만드는 연구도 활발히 이뤄지고 있는데요. NRF 웹진 3월호에서는 3D프린팅 기술로 인체 세포나 장기를 대체할 기능성 조직을 만들어가고 있는 포항공과대학교 장진아 교수의 이야기를 함께 만나봅니다.

#Prologue 오! 나의 연구이야기

  • 교수님, 안녕하세요. 자기소개 부탁드립니다! 안녕하세요. 포항공과대학교(POSTEC)에서 무은재 석좌교수로 재직 중인 장진아입니다. 저는 현재 바이오프린팅과 조직공학 기술을 바탕으로 세포기반 바이오 인공장기 연구를 수행하고 있습니다.
  • 포항공과대학교에서 바이오가공기술 연구실을 이끌고 계십니다.
    NRF웹진 독자들을 위해 연구실 및 주요 연구 분야에 대해 소개 부탁드리겠습니다.     Biofabrication and Translational Medicine lab (BTM, 바이오가공기술 연구실)은 바이오패브리케이션 기술과 최신 바이오 관련 기술(생체재료, 줄기세포, 오가노이드, 유전자교정, 약물전달 등)의 융·복합을 통해 세포가 포함된 바이오 인공장기 기술을 선도하는 그룹입니다. 본 연구 분야는 생체 내 직접 이식 및 기능을 기대하는 대체장기를 개발하는 기술로, 신약 개발 시 약물의 안전성과 유효성을 평가하는 미니장기로 활용될 것으로 주목을 받고 있습니다. 저희 연구실은 이식 가능한 장기를 제작하기 위한 여러 전략 중 작은 조직(마이크로티슈)을 레고블록처럼 조립하여 큰 부피의 장기를 구현하는 방법을 취하고 있는데요. 이 과정을 통해 조직의 발달과 장기의 기능 고도화 과정을 실시간으로 읽어낼 수 있으며, 적재적소에 외부 자극을 인가할 수 있는 장기-바이오전자소자 간 일체화 연구를 통해 바이오 인공장기에 한 걸음 더 다가가고 있습니다.
    장진아 교수와 BTM 연구실
  • 난치성 췌장 질환(당뇨, 암 등)에 대응하고자 줄기세포 틈새 환경을 갖춘 바이오 인공췌장 조직을 새롭게 개발하셨습니다. 기존 연구된 인공세포와 어떤 차별점이 있는지 소개 부탁드리겠습니다. 기존에 개발된 인공 췌도세포는 주로 ‘세포 자체’의 기능, 예를 들어 인슐린을 얼마나 잘 분비하는지에 초점이 맞춰져 있었습니다. 하지만 우리 몸 속 췌도는 단순히 세포만 있는 것이 아니라, 주변을 둘러싼 세포외기질(ECM)과 혈관이 함께 어우러진 환경 속에서 작동합니다. 이 환경이 있어야 세포들이 서로 신호를 주고받고, 혈당 변화에 맞춰 인슐린을 정교하게 분비할 수 있습니다. 문제는 지금까지의 인공 췌도는 이런 ‘주변 환경’까지는 충분히 재현하지 못했다는 점입니다. 일부 연구에서는 ECM이나 혈관을 따로 적용하려는 시도가 있었지만, 실제 췌장처럼 정교하게 구조를 구현하는 데에는 한계가 있었습니다. 저희 연구의 가장 큰 차별점은 바로 이 부분입니다. 저희는 췌장 조직에서 얻은 성분을 바탕으로, 췌도 주변 환경을 비슷하게 만들어주는 바이오잉크(PINE)를 개발했습니다. 그리고 3D 바이오프린팅 기술을 활용해 췌도 세포와 혈관을 실제 조직처럼 함께 배치한 인공췌장 구조(HICA-V)를 만들었습니다. 쉽게 말해, 단순히 “세포 덩어리만 만든 것”이 아니라, 세포가 제대로 기능할 수 있는 “환경까지 함께 만든 것”이라고 보시면 됩니다. 그 결과, 줄기세포로 만든 췌도세포의 성숙도가 높아지고 인슐린 분비 기능도 더 실제에 가깝게 개선되었습니다. 이 기술은 앞으로 당뇨병 같은 질환을 연구하거나 새로운 치료제를 테스트하는 데에도 활용될 수 있어서, 난치성 췌장 질환 치료에 중요한 기반이 될 것으로 기대하고 있습니다.
    장진아 교수팀이 개발한 줄기세포 유래 맞춤형 췌도-혈관 플랫폼
  • 최근에는 인공심장 모델로는 최초로 좌심실의 비틀림 운동을 모사하는데 성공했다고 들었습니다.
    해당 기술은 앞으로 우리 일상에 어떤 변화를 가져다줄 것으로 보시나요?     이번 기술은 단순히 ‘심장 모양을 만든다’는 수준을 넘어 실제 심장이 어떻게 움직이고 기능하는지까지 재현할 수 있다는 점에서 남다른 의미가 있습니다. 특히 저희는 심장 근육이 여러 층으로 쌓이고, 각 층이 서로 다른 방향으로 정렬되어 있는 구조를 구현했고 그 결과 실제 심장에서 나타나는 ‘비틀림 운동’까지 확인할 수 있었는데요. 이게 중요한 이유는, 심장은 단순히 수축하는 것뿐만 아니라 비틀리면서 더 효율적으로 혈액을 내보내기 때문입니다. 기존 인공심장 모델은 이런 복잡한 움직임까지는 구현하기 어려웠는데, 이번 연구를 통해 그 한계를 한 단계 넘을 수 있었습니다. 이 기술이 앞으로 우리 일상에 가져올 변화는 크게 세 가지로 볼 수 있습니다. 첫째, 환자에게 더 안전한 신약 개발이 가능해집니다. 실제 사람 심장과 유사한 조직에서 약물 효과와 부작용을 미리 확인할 수 있기 때문입니다. 둘째, 심장 질환을 더 정확하게 이해할 수 있습니다. 예를 들어, 심장의 비틀림 기능이 어떻게 망가지는지까지 연구할 수 있어 보다 정밀한 치료법 개발로 이어질 수 있습니다. 셋째, 장기적으로는 환자 맞춤형 인공 장기 개발에도 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다. 쉽게 말해, 이번 기술은 “모양만 비슷한 인공 장기”에서 벗어나 “실제처럼 작동하는 인공 장기”로 나아가는 중요한 전환점이라고 할 수 있습니다. 앞으로는 심장뿐만 아니라 다양한 장기를 더 정밀하게 재현할 수 있게 되어, 의료와 헬스케어 전반에 큰 변화를 가져올 것으로 기대됩니다.
    • 바이오프린팅 기반 조직 조립기술 모식도
    • 3축, 3층의 좌심실 섬유 구조
  • ‘2025년 우수과학자포상 통합시상식’에서 ‘젋은과학자상’을 수상하셨습니다. 소감 한 말씀. 먼저 이렇게 뜻깊은 상을 받게 되어 매우 감사하게 생각합니다. 여러 연구 분야가 각자의 중요성과 의미를 가지듯, 제가 연구하고 있는 바이오 인공장기 분야 역시 초고령화 시대에 꼭 필요한 분야라는 점을 인정받은 것 같아 더욱 의미 있게 느껴지는데요. 이번 수상은 개인적인 성과로만 생각하기보다, 이 분야가 앞으로 더 발전해야 한다는 책임으로 받아들이고 있습니다. 앞으로도 많은 분들이 장기 이식 외에도 새로운 치료 대안을 가질 수 있도록, 연구개발에 더욱 최선을 다하겠습니다.

#Journey 연구자로 서기까지

  • 교수님께서는 언제부터 ‘과학(생명공학)’에 관심을 갖게 되셨나요? 중·고등학생 때부터인 것 같습니다. 우연히 접한 영화와 드라마가 이질감이 느껴지면서 동시에 멋있다는 생각을 했었던 것 같습니다. 영화 <가타카>에서 접한 유전공학기술 그리고 미국 FOX TV에서 방영한 <다크엔젤>에서 접한 유전자변형 슈퍼솔저에 대한 내용이 신비롭게 다가왔어요. 그런데 이때는 이런 기술을 이해하기가 힘들어 그냥 막연하게 ‘공학’을 해야 한다는 생각을 했었는데요. 그러면서 ‘공과대학’과 ‘기계설계’라는 전공을 선택했죠. 대학시절에는 중공업, 반도체 분야에서 쓰이는 생산·제조기술 분야 수업을 많이 들었는데, 돌이켜보니 이 산업에 대한 흥미는 많이 없었던 것 같아요. 오히려 대학교 4학년 때 접한 MEMS(Micro-Electromechanical Systems)라는 기술과 Biomedical 분야로 적용하는 사례가 흥미롭게 다가왔고, 자연스레 생산·제조기술과 Bioengineering 영역이 접목된 조직공학 분야에서 학위를 시작하게 된 것 같습니다.
  • 이야기를 듣다보니 사뭇 학창시절도 궁금해집니다. 교수님께서는 어떤 학생이었나요? 저는 글을 쓰는 것보다 읽는 것을 좋아했던, 그러니까 감성적이기보다 이성적인 학생이었습니다. 실용적이고 현실적인 부분을 많이 고려하는 제 성향 덕인지, 저는 집단생활에서 늘 ‘Give and Take’를 중요하게 생각했는데요. 제가 먼저 어딘가에 기여(Give)하는 행동을 하면서 스스로의 존재 가치를 증명하는 데 집중하곤 했던 것 같습니다. 이러한 태도는 지금도 이어지고 있는데요. 제가 할 수 있는 분야에서 사회에 기여하고 새로운 가치를 만들어낼 때 가장 큰 기쁨을 느낍니다. 과거의 ‘Give’가 지금은 더 넓은 세상에 실질적인 변화를 만드는 ‘서비스’의 즐거움으로 확장된 셈입니다.
  • 그간 심장·췌장 등 실제 장기와 유사한 ‘바이오 인공장기’를 구현하는 연구를 해오셨는데요.
    여러 전공 중 어떤 계기로 인해 바이오 인공장기 분야에 뛰어들게 되셨나요?     박사학위과정을 하면서 여러 프로젝트를 접했고 그중 심장과 췌도의 기능이 생명의 근원이 된다는 생각을 하며 바이오 인공장기 분야에 흥미를 갖게 되었습니다. 특히 심장세포는 외부의 어떠한 자극이 필요하지 않고, 배양과정에서 자발적으로 움찔움찔 박동하는데요. 이 세포를 한번 경험한 연구자는 심장 연구를 하지 않을 수가 없을 정도로 매력적인 부분입니다. 2차원 심장 근육 시트를 넘어서 3차원의 부피와 심장근육 고유의 섬유정렬을 구현하여 좀 더 생체와 비슷한 수준으로 성숙할 수 있는 방법을 찾아나가는 것이 흥미로웠습니다. 또 췌도는 여러 세포들이 한곳에 응집하여 고유의 분비기능을 수행하는 것과, 췌도와 주변 미세환경의 세밀한 제어가 완전히 다른 성능을 구현해 낼 수 있다는 사실이 흥미롭게 다가왔습니다. 줄기세포 유래 췌도는 이미 임상시험을 통해 안전성을 확인하는 단계이고 피하 내 이식할 수 있어 임상진입에 대한 허들이 타 장기보다 낮다는 부분도 좀 더 현실에 적용 가능한 기술을 개발할 수 있을 것이라는 기대감이 있었습니다.
  • 연구를 진행하다 보면 난제에 부딪혀 어려움을 겪는 경우도 많을 것 같습니다.
    지나온 여러 연구 중 기억에 남는 에피소드 혹은 어려웠던 프로젝트가 있었다면요?     최근 수행하고 있는 산업기술 알키미스트 프로젝트가 가장 기억에 남고, 동시에 가장 도전적인 연구인 것 같습니다. 이 프로젝트는 면역거부반응이 없는 소프트 오간 임플란트를 개발하는 것을 목표로 하고 있는데요. 제가 해당 연구팀의 리더를 맡고 있습니다. 이 연구는 한두 팀이 아니라 총 11개 이상의 기관이 함께 참여하고 있어서, 세포 연구부터 소재, 바이오프린팅 그리고 최종 조립을 위한 로보틱스 기술까지 여러 분야가 긴밀히 연결되어야 합니다. 때문에 기술적인 어려움뿐만 아니라 기관 간 소통과 상호 간 조율 자체도 제게는 큰 도전이었습니다. 처음에는 각 분야의 연구를 하나로 맞춰 나가는 과정이 쉽지 않았지만, 지속적으로 소통하고 함께 실험을 진행하면서 점차 해결해 나갈 수 있었는데요. 그 과정에서 단순히 연구 성과를 넘어 다양한 분야를 이해하고 협력하는 방법에 대해서도 많이 배울 수 있었습니다. 이 경험을 통해 앞으로는 여러 기술과 연구자가 함께 협력하는 연구가 점점 더 중요해질 것이라고 느끼고 있습니다.

#Epilogue 연구실을 넘어 교단으로

  • 새해가 밝은지도 벌써 두 달이 지났습니다. 교수님께서는 요즘 어떤 하루를 보내고 계시나요? 평소와 비슷한 일상을 보내고 있습니다. 세 살이 안 된 아이가 있어서 하루 시간의 일부는 아이와 함께 보내려고 노력하고 있는데요. 그 외에는 연구와 교육 관련 일정으로 하루의 대부분을 보내고 있어요. 논문 작성과 연구지도, 기술개발, 수업, 연구미팅은 물론 외부 강연이나 자문 활동 등을 하면서 말이죠. 또 시간을 쏟고 있는 건 2022년에 창업한 스타트업. 연구실 운영과는 별개로 회사 업무도 함께 병행하고 있어서, 이와 관련된 시간도 꾸준히 투자하고 있어요. 여러 역할을 소화하다 보니 바쁘지만, 그만큼 다양한 경험을 하며 의미 있는 일로 하루하루를 채워나가고 있습니다.
  • 연구자로서 또 교육자로서, 올 한 해 이루고 싶은 목표 혹은 도전해보고 싶은 연구가 있다면 무엇인가요? 올해는 세포 기반 바이오 인공장기의 중요성이 사회적으로, 기술적으로 크게 주목받는 한 해가 될 것이라고 생각합니다. 최근에는 단순히 의료기기를 넘어 세포를 활용해 난치성 질환을 치료하려는 시도가 빠르게 확산되고 있고, 그 궁극적인 방향이 재생의료라고 볼 수 있는데요. 이런 흐름 속에서 바이오프린팅 기술은 이를 실제로 구현할 수 있는 매우 중요한 역할을 한다고 생각합니다. 개인적으로는 지금까지 ‘만드는 기술’을 발전시키는 데 집중해 왔다면, 이제는 한 단계 더 나아가 실제로 이식 가능한 장기를 구현하는 연구에 도전하고 싶습니다. 예를 들어, 심장 전체를 하나의 구조로 만들어 이식하는 연구 혹은 이를 대동물 수준에서 검증하는 고난도의 연구를 본격적으로 시작하는 것이 목표입니다. 그간 여러 연구 그룹과 협력하며 준비해 왔기 때문에 올해는 이런 연구를 시작할 수 있는 기반이 잘 마련되기를 기대하고 있습니다. 기술 개발을 넘어, 실제 환자에게 적용될 수 있는 단계까지 나아가는 중요한 전환점이 되는 한 해가 되었으면 합니다.
  • 여러 프로젝트를 지나오면서 교수님을 따르는 후배 연구자들도 많이 있으실 것 같습니다.
    후배 연구자들께 전하고 싶은 메시지가 있다면 한 말씀 부탁드립니다.     저 역시 아직 배워야 할 점이 많아서 후배들에게 조언을 드리는 것이 조금은 조심스럽습니다. 다만 지난 10년을 돌아봤을 때, 가장 잘했다고 생각하는 선택은 제가 추구하는 연구 방향을 꾸준히 지켜온 것이었습니다. 연구를 하다 보면 여러 기회와 마주하고, 그러면서 다른 분야로 확장하고 싶은 유혹도 많은데요. 하지만 저는 바이오 인공장기 분야는 아직 밝혀지지 않은 부분이 많고, 오랫동안 집중해서 파고들 가치가 있는 영역이라고 생각했습니다. 가야 할 방향을 꾸준히 유지하다 보니, 자연스레 연구를 지속할 수 있는 힘과 동력을 얻을 수 있었던 것 같습니다. 후배 연구자분들께는 스스로 중요하다고 믿는 연구 주제가 있다면 조금은 긴 호흡으로 꾸준히 이어가 보셨으면 좋겠다고 말씀드리고 싶습니다. 이런 도전이 이어질 수 있도록 한국연구재단과 같은 기관의 지원을 적극적으로 활용하는 것도 큰 도움이 될 수 있고요. 앞으로도 연구자들이 자신의 방향을 지키며 성장할 수 있도록, 이러한 제도적 지원이 지속되기를 기대합니다.
About the Interviewee

장진아 교수 (1987년생)

  • 소속

    • 포항공과대학교 기계공학과, IT융합공학과, 생명과학과, 융합대학원, 무은재 석좌교수

  • 학력 및 경력

    • 2006.03 ~ 2010.02 서울과학기술대학교 기계설계자동화공학 학사
    • 2006.03 ~ 2010.02 Northumbria University, Manufacturing System and Design of Engineering 학사 (First Class Honor)
    • 2010.03 ~ 2015.08 포항공과대학교 융합생명공학 박사
    • 2015.08 ~ 2017.02 포항공과대학교 기계공학과 박사후연구원
    • 2016.09 ~ 2017.02 University of Washington, Institute of Stem Cells and Regenerative Medicine, Center for Cardiovascular Biology, 박사후연구원
    • 2017.03 ~ 현재 포항공과대학교 무은재 석좌교수
    • 2022.01 ~ 현재 주식회사 바이오브릭스 대표이사 (co-founder)
    • 2023.01 ~ 현재 International Society for Biofabrication, Secretary General
    • 2023.07 ~ 현재 포스텍 부설연구소
      (바이오프린팅 인공장기응용기술센터) 센터장
    • 2025.09 ~ 현재 국가연구소(글로벌헬스케어의공학연구소) 부소장