전술하였던 것처럼, 조직공학적 기관재생을 통해 기도(airway)를 유지하기 위해선 신생 인공기관(artificial trachea)의 기계적 강도 및 유연성이 무엇보다도 중요하다. 인체 내에서 이러한 기계적 특성은 C-자형 기관 연골과 주변 연조직의 보강으로 유지되고 있다. 적절한 기계적 특성을 만족시키고 성공적인 기관연골의 재생을 위해 먼저 고려해야 할 것이 지지체의 선택이다.

생체 지지체는 독성이 없으면서, 인체 내 이식 시 혈액 응고나 비정상 염증반응을 유도하지 않는 생체적합성과 대체하려는 각각의 장기에 맞는 적절한 물리적 특성을 가져야 한다. 그러나 현재까지 개발되어 적용되고 있는 소재들은 아직 해결하지 못한 문제점들을 지니고 있다. 전통적으로 천연유래 지지체(naturally-derived scaffold)는 조직공학 및 재생의학영역에서 오랫동안 사용되어 왔다. 천연유래 지지체는 세포 전달 및 침투유도(cell delivery & recruitment), 세포생착(cell attachment), 생체적합성(biocompatibility), 생분해성(biodegradability), 연골재생(chondrogenesis)에서 장점을 갖지만, 기계적 강도는 약하며, 가공성이 떨어져 3차원적인 모양을 제작하는 데 어려움이 있다[11]. 대표적으로 콜라겐(collagen) [12], 피브린과 히알루론산(fibrin/hyaluronic acid) [13,14], 키토산(chitosan) [15], 돼지연골유래 지지체(porcine cartilage powder) [16,17]등이 천연유래 지지체로써 기관재생에 시도되었다. 반면, 합성 지지체(synthetic scaffold)는 천연유래 지지체와 비교하여 우수한 물성 및 가공성에서 장점을 가지며, 모양을 만들거나 조작이 용이하나 낮은 생체적합성과 낮은 조직 재생능력으로 인해 세포생착, 연골재생 및 신생혈관 형성 등에서는 약점을 보인다[18]. 대표적으로 polyglycolic acid(PGA), polylactic acid/PGA, poly(lactic-co-glycolic acid), polyester urethane, Pluronic F-27(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) 등이 시도되었으며, 합성지지체 단독 혹은 천연유래 지지체와 함께 사용되어, 여러 동물 모델에서 어느 정도 성공적인 기관재생능을 보여주고 있다[18-21]. 최근에는 3D 프린터에서 독성유기용매 없이도 사용이 가능한 polycarprolactone이 각광을 받고 있다[22]. 하지만 천연유래 지지체와 합성지지체 모두 여러 가지 면에서 해결해야 할 과제가 남아있는 것이 사실이다. 조직공학적 기관 재생에 사용하기 위한 지지체의 실용화를 위해서는 생체소재의 특성으로 요구되었던 기관의 구조적 골격으로서 역할을 할 수 있는 물성, 세포의 생착과 증식능력 향상, 육아조직 없는 주변조직과의 융화, 그리고 일정기간 이후 분해될 수 있는 생분해성 등이 넘어야 할 장애물이라 하겠다.

조직공학적 기관재생, 연골재생에 있어 지지체 이외에 중요한 요소는 이식세포의 선택이다. 성공적인 연골재생을 위해서 선택할 수 있는 세포에는 연골세포(chondrocytes)와 여러 종류의 줄기세포(stem cells)가 있다. 가장 먼저, 연골세포는 Vacanti등[23]이 보고한 최초의 조직공학적 기관재생 연구에서도 사용되었으며, 이후에도 C-자형 기관 연골재생을 위해 많은 연구에서 사용되고 있다[14,16,19]. 역분화(de-differentiation)의 문제점이 있기는 하지만 연골세포 배양, 증식 및 재생 연골의 체외(in vitro) 생성은 잘 확립되어 있는 접근방법이다[24]. 면역반응을 고려하여 자가(autologous) 혹은 동종(allogenic) 연골 세포를 사용할 것인지, 연골의 공여부로 선택이 가능한 기관, 비중격 혹은 이개연골 등 중에서 어느 곳을 선택할지는 아직 연구자에 따라 여러 의견이 있는 상태이다.

한 가지 세포공급을 통해 여러 조직을 동시에 재생하기 위한 가장 이상적인 세포 종류인 줄기세포(stem cells) 또한 기관 재생을 위한 연구에 사용되어 왔다. 잘 알려져 있는 것처럼 줄기세포는, 배아조직에서 얻어지거나 성인의 경우 특정 부위에 소량 존재하는 특별한 세포로서, 형질의 변화 없이 무한 증식이 가능하고(self-renewal), 연골, 혈관, 신경, 근육 등 다양한 종류의 조직으로 분화(multipotent differentiation)할 수 있음이 잘 알려져 있다. 이러한 줄기세포는 재생의료의 핵심 요소로서 전 세계적으로 활발하게 연구가 진행되어 왔다. 줄기세포 중 배아줄기세포(embryonic stem cells)의 경우 적절한 자극에 의해 거의 모든 종류의 세포 형태로 분화할 수 있으나 윤리적 문제와 기형종(teratoma) 형성 등의 가능성으로 실제 사용이 제한적이다. 성체 줄기세포(adult stem cells)는 모든 종류의 세포로 분화하지 못한다는 단점이 있지만, 배아줄기세포에 비해 윤리적인 논란에서 비교적 자유로운 이점을 가져, 재생의학에서 많이 연구되어 왔다. 성체 줄기세포는 다양한 조직에서 발견되며, 골수(bone marrow), 피부의 기저층, 소장(small intestine)의 내막, 뇌 등에서 얻을 수 있다. 이 중 근육, 연골, 골 등 중간엽 조직 및 신경, 피부로 분화되는 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells, MSCs), 특히 골수 유래(bone marrow-derived), 지방유래(adipose-derived) 중간엽 줄기세포가 기관재생 연구에 많이 사용되어 왔다[17,25,26]. 중간엽 줄기세포는 특별한 부작용 없이 연골세포와 유사하게 성공적인 연골재생을 유도하는 것으로 알려져 있다. 줄기세포 연구가 발전함에 따라서 유도만능 줄기세포(induced pluripotent stem cells) 또한 기관재생 연구에 시도되고 있다[27,28]. 유도만능 줄기세포란, 최종적으로 분화가 완료된 세포가 만능분화능력(pluripotency)을 가지도록 인위적인 역분화 과정을 거쳐 유도된 세포들을 말하며, 최근 많은 연구가 진행 중이다. 하지만 기관재생에의 적용, 나아가 재생의학에의 임상적 적용에는 아직 더 많은 연구가 필요한 상태이다.

정상적인 기관에서 기관의 내면은 점액 분비 및 청소에 중요한 기능을 갖는, 섬모를 포함하고 있는 가성증층원주 상피(pseudostratified columnar epithelium)로 덮여 있다[29,30]. 호흡상피는 섬모 상피세포(ciliated columnar cells), 배상세포(goblet cells), 및 기저세포(basal cells) 등 다양한 기능을 가지는 세포로 구성되어 있다[6]. 모든 세포들은 기저막에 닿아 있으며, 일부 분만 강 내(luminal surface)에 접촉되어 있다. 배상세포는 점액(mucus)을 호흡상피 위로 분비하여 외부 세균 혹은 입자들을 제거하며, 더 나아가 감염, 염증 등에 대한 면역반응을 담당한다. 섬모세포의 경우, 여러 개의 운동성을 갖는 섬모가 첨단(apical side)에 존재하여 정돈된 움직임(coordinated movement)을 만들어 낸다. 이러한 움직임은 점액섬모 청소기능(mucociliary clearance)에 중요한 역할을 한다. 기저세포는 기저막에 존재하고, 기도와는 접촉하지 않으며, 줄기세포와 비슷한 특성을 보인다. 이러한 다층구조의 호흡 점막을 성공적으로 재생시키지 못할 경우, 육아조직이 발생하며, 감염 및 점액의 정체가 발생하여 치명적인 기도의 폐색이 발생하게 된다.

다양한 조직 유래 기관지 상피세포(airway epithelial cells)를 이용한 호흡 섬모 상피 재생이 시도되었다. 가장 많이 이용되었던 원천(source)은 비갑개(turbinate) 혹은 비중격(nasal septum) 유래 호흡 섬모 상피이다. 공기-액체 계면 방식(air-liquid interface technique)의 배양방법을 통해, 비강조직 유래세포에서 성공적으로 다층의 호흡상피를 배양할 수 있음이 입증되었다[6,31]. 이외에도 협부점막(buccal mucosa), 심지어는 피부 상피세포에서도 기도상피를 분화시키는 연구 보고가 있어 왔으나[32,33] 분화 과정이 매우 복잡하고 어려우며, 충분한 세포를 증식시키는 것은 거의 불가능하여 추가적인 개선이 반드시 필요한 상태이다.

이렇게 호흡상피는 충분한 양을 채취하기가 쉽지 않으며, 실험실 환경에서 배양하여 증식하는 것이 쉽지 않아, 배아줄기세포를 이용한 호흡 섬모 상피 분화 연구도 활발히 진행되어 왔다. Coraux 등[34]은 배아줄기세포에서 섬모 상피, 기저세포(basal cell), 배상세포(goblet cell) 등을 포함한 호흡상피를 분화시키는 데 성공했다. 유사하게 만능유도 줄기세포에서 호흡상피가 분화 가능함이 보고된 바 있다[27]. 내배엽 기원인 호흡상피를 외배엽 혹은 중배엽 기원 조직이나 세포로부터 분화시키는 시도는 성공률이 높지는 않은 상태이다. 같은 이유로 중간엽 줄기세포(MSCs) 기원 호흡상피 분화도 몇몇 보고를 제외하고는 아직까지는 성공적이지 못하다.