3D 바이오프린팅 (정의, 과정, 사례)

 

 

3D 바이오프린팅 (정의, 과정, 사례)

 

3D 바이오프린팅은 살아있는 세포와 생체 재료를 활용해 조직과 장기를 제작하는 기술로, 재생의학과 이식 수술, 약물 개발 등에 활용된다. 1999년 인공방광이 처음 이식되었으며, 2022년에는 인공귀 이식이 성공했습니다. 3D 바이오프린팅 과정은 ① 바이오잉크 준비 및 설계, ② 세포 및 재료의 적층, ③ 조직의 배양 및 성숙 단계를 거친다. 바이오잉크는 생체재료와 세포로 구성되며, CAD와 CAM을 이용해 모델링 후 적층됩니다. 이후 배양기를 통해 조직이 기능을 갖추도록 성장합니다.

사례로는 미국 웨이크포레스트 연구소의 인공귀, 근육, 뼈 제작, 하버드 연구팀의 심장 칩 개발, 독일 연구진의 미니 심실 제작 등이 있습니다. 이스라엘 텔아비브대는 혈관 구조까지 갖춘 인공 심장을 개발했으며, 국내 포항공대는 면역거부 반응을 최소화한 바이오잉크 기술을 발표했습니다. Organovo는 2013년 인공간을 제작했고, 중국 레보텍은 줄기세포로 인공혈관을 만들었으며 국내 팡세라는 3D 프린팅을 이용한 배양육 기술을 개발했습니다.

 

3D 바이오프린팅이란?

신체를 이루는 최소 단위는 세포입니다. 세포가 모이면 조직이 되고 조직이 모여 기관이 되고 기관이 모여 완전한 개체가 됩니다. 바이오프린팅은 세포와 바이오잉크를 혼합해서 조직과 장기같은 형상을 프린팅하는 공정입니다. 다르게 설명하자면 살아있는 세포, 생체재료, 그리고 기타 물질을 사용하여 생체조직을 3D 프린터로 제작하는 기술입니다. 생체 조직을 3D 프린터를 이용해서 제작한다는 것이 의아스럽지만, 이렇게 만들어서 배양을 통해 자란 인공조직을 우리 몸에 이식시켜 치료제나 새로운 약물 개발을 위한 독성시험을 위한 모델로도 사용합니다. 재생의학, 이식수술, 약물 개발 등에서 활용되고 있으며, 기존의 치료법으로는 불가능했던 병을 치료할 수 있는 가능성을 열어주고 있습니다.
3D 프린팅으로 만들어진 장기가 인간에서 가장 먼저 이식된 사례는 1999년 췌이크 포레스트 재생의학연구소 과학자들이 만든 인공방광입니다. 이 인공방광을 이식받은 환자는 아직까지 건강하게 살아 있습니다. 2022년에는 미국의 테라퓨틱스사가 환자의 연골세포를 재료로 해서 프린팅한 인공귀를 20대 소이증 환자에게 이식했습니다.

 

3D 프린팅 과정

1) 바이오 잉크 준비 및 설계

바이오프린팅에서 핵심적인 요소이며 기존 프린팅 기술과 가장 큰 차이점은 프린팅하는 재료에 있습니다.기존 프린팅 기술이 금속이나 플라스틱을 이용하는 반면에, 3차원 바이오프린팅 기술에서는 말 그대로 '바이오' 즉 살아있는 세포, 생체 재료, 그리고 바이오 분자를 함께 사용하여 다양한 특성을 갖춘 '바이오잉크'라고 불리는 재료를 사용합니다. 현재 사용되는 바이오 잉크에는 수화젤, 마이크로 캐리어, 그리고 세포가 제거된 세포외기질 등이 함유되어 있으며, 이런 재료는 조직공학과 재생의학 분야에서 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 바이오 잉크에 세포가 생존하고 기능을 유지할 수 있도록 설계되어야 하고, 하이드로겔, 콜라겐, 젤라틴 등과 같은 생체 재료가 주로 사용됩니다. 재료가 준비되면 CAD를 이용해서 프린팅할 조직이나 장기의 3D 모델을 설계를 합니다

3) 세포 및 재료의 적층

3D 바이오 프린팅의 큰 장점 중의 하나는 기계공학이나 건축 설계를 하는데 쓰이는 CAD 기술을 이용하여 환자에 맞는 인공 장기를 제작할 수 있다는 것입니다. CT나 MRI 등과 같은 영상 정보물을 프린팅 기술에 이용할 수도 있습니다. 3차원 CAD로 모델링을 한 후에 CAM을 활용하여 CAD에서 프린팅을 위한 형상 정보를 추출하고 필요로 하는 프린팅 정보를 생성시킵니다.  CAM에서 CAD 모델로 입력해서 얻어지는 정보는 3D 바이오 프린팅을 구동할 수 있는 코드가 됩니다. 이런 과정으로 설계된 3D 모델에 따라, 바이오 잉크를 적층하는 과정을 거쳐서 세포와 재료는 미세한 층으로 배치되고, 각각의 층은 조직의 구조와 기능을 모방한 구조를 지니게 됩니다. 

3) 조직의 배양 및 성숙

배양은 체외(in vitro)에서 인공적으로 체내(in vivo)와 유사한 조건을 제공하여 세포를 대량 증식시키는 방법을 일컫습니다. 배양세포들은 동물이나 식물의 기관 혹은 조직에서 분리되고 이 분리된 것이 잘 자랄 수 있도록 적절한 영양소, 성장인자, 환경조건이 제공되어야한다. 3D 프린팅으로 설계되고 적층되어 만들어진 세포도 배양기로 옮겨서 적절한 환경에서 잘 배양이 되도록 해야 합니다. 이 과정을 통해 조직은 기능성 생체 조직으로 성장하고 발전하게 되는 것입니다.

3D 바이오프린팅 사례

미국의 웨이크포레스트 재생의학 연구소는 토출 기반의 바이오 프린팅을 이용하여 인공귀, 뼈와 근육을 제작했으며 동물 실험 결과를 소개하였습니다. 인공귀에 사용된 재료는 토끼의 귀에서 불리한 연골 세포와 폴리카르로락톤이라는 플라스틱을 사용하였고 인공 근육과 뼈의 경우 근육세포의 배열을 유도해서 생체 모방형 인공 근육을 제작하였습니다.

하버드의 루이스 교수팀은 인공심장 칩을 만들기도 했습니다. 기존 심장 칩과 다른 점은 추가 조립없이 심장 세포와 박동센서가 동시 기능을 하는 구조물을 만들어 냈다는 점입니다. 심장 칩을 구성하는 요소를 하나의 공정을 통해 제작을 한 것입니다. 이 연구는 심장 질환 치료와 약물 테스트에 활 될 수 있는 가능성을 열었으며, 환자의 세포를 이용해 면역 거부 반응을 최소화한 맞춤형 심장 제작의 가능성을 제시했습니다. 또 다른 인공심장 칩 사례는 독일 프리드리히 알렉산더 대학교 연구진이 심장 근육세포와 콜라겐, 히알루론산을 혼합한 바이오잉크를 사용하여 3D 프린터로 미니 심실을 제작하는데 성공한 사례입니다. 이 미니 심실은 실제 심실의 약 6분의 1 크기로, 제작 후 1주일 만에 박동을 시작해 100일 이상 지속적으로 박동했습니다.

또한, 이스라엘 텔아비브 대학교 연구진은 2019년에 심방, 심실, 혈관 구조를 모두 갖춘 체리 크기 정도의 인공 심장을 3D 프린팅으로 제작한 사례도 있습니다. 국내 포항공대 조동우 교수팀은 동물에서 추출된 장기에서 면역거부 반응을 일으키는 세포만 제거해서 남기는 기술을 이용한 새로운 바이오 잉크를 소개했숩니다. 미국의 Organovo사의 경우 생체 재료없이 세포만으로 만들어진 막대 형상의 반고체를 바이오 잉크를 사용하여 2013년에 인공간을 제작하였다. 2016년 중국의 레보텍이 원숭이의 지방층에서 추출한 줄기세포로 인공혈관 제작에 성공한 사례도 있다. 국내의 팡세라는 스타트업은 3D 프린팅 기술을 이용해서 고기를 배양해서 만드는 기술을 개발했다.