Update2024.05.17 (금)
바이오 프린팅(Bio-Printing)
■ 기술 소개
미국의 버락 오바마(Barack Obama) 대통령은 2013년 초 국정연설에서 “모든 것의 생산방식을 바꿀 잠재력을 가진 혁신기술로 3D 프린팅 기술”을 언급한 바 있다(Barack Obama, 국정연설문 중, 2013). 혁신기술인 3D 프린팅을 의료분야에 접목한 기술이 바로 ‘바이오프린팅(bioprinting) 기술’이다. 이는 상용 잉크젯 프린터에 소위 ‘바이오 잉크(bio-ink)’를 넣고, 기계공학의 급속 조형시스템(rapid prototyping system) 기술을 적용하여 생분해성 지지체(biodegradable scaffolds) 물질을 다양하게 조형하며, 그 과정에서 세포(cell) 혹은 기타 성장인자(growth factor) 등 혼합물질을 혼입/배양하여 인공의 조직(tissue)이나 장기(organ)를 제작할 수 있는 기술이다. 한마디로 3D 프린팅 기술로 인공장기를 만들어 내는 방법이라는 뜻이다.
현재 미국, 유럽 등의 선진국을 위시한 많은 국가에서 다양한 그룹들이 바이오 프린팅 관련 연구개발에 몰두하고 있다. 이미 몇몇 중요한 성과들이 발표되고 있어, 국내에서의 연구와 고유 기술 개발이 절실한 상황이다. 본 기술은 인공장기 개발을 위한 ‘장기 프린팅(organ printing)’뿐만 아니라 다양한 세포 및 조직공학적 기초 연구를 돕는 첨단 연구 분야로서 중요한 역할을 할 수 있기 때문에 집중적인 관심이 필요하다.
■ 연구 현장은 지금.
다중 분사체 기반 바이오 프린팅 시스템 개발 연구
바이오 프린팅은 적층(layer-by-layer) 방식의 쾌속 조형술을 조직공학(tissue engineering)에 접목하여 살아있는 세포를 포함한 생체적합성 물질(biocompatible materials)을 직접 프린팅 하는 기술이다. 이러한 기술을 개발하려면 의학, 조직공학, 전기, 전자 및 기계공학 등 다학제간 연구가 필수적이다. 필자는 본 분야를 전기, 전자 및 기계 분야의 엔지니어 관점에서 요소 기술개발에 관한 연구 내용을 살펴보겠다.
본 연구는 자유형상제작과 미세 프린팅, 조직 및 장기의 다종 세포를 동시에 운용할 수 있는 기술을 실현하는 것이 목적이다. 이를 위해 살아 있는 세포를 포함한 다양한 물질의 병렬 프린팅이 가능한 총 4축의 다중분사체 및 수백 나노미터(nm) 단위로 제어할 수 있는 3차원 프린팅 하드웨어를 개발하였다. 이를 통해 최소 200미크론(micron) 이내의 범위로 미세 프린팅이 가능한 시스템을 실현하였으며, 지지체 제작에 필요한 수화젤(hydrogel)의 종류에 따른 프린팅 특성을 정량적인 데이터로 수집, 분석하고 적용함으로써 미세구조 프린팅의 정밀도를 높였다. 본 연구를 통해 개발된 바이오 프린팅 시스템과 이를 위한 자동제어 기술은 손상된 인체 장기와 조직을 치료하고 복원하는 데 필요한 의료기기나 인공장기를 만들어 내는 시스템으로 발전할 수 있을 것이다.
현재 3차원 조형 시스템의 구성과 세포, 혹은 혼성 물질의 주입, 분사 노즐에서 독자적인 개념들이 다양하게 제안되고 있다. 관련 연구가 아직 세계적으로도 초기 단계라 고유의 원천기술을 개발하면 그 파급효과가 클 것이다. 고급 원천기술을 확보하려면 중장기적인 안목으로 꾸준한 연구 지원이 이루어져야 하며, 전기 및 기계적 자극신호의 실시간 융합, 다종 세포의 동시 운용이 가능한 다채널 미세 분사 구조, 생체 실험을 대신할 수 있는 시각적, 촉각적 정보 피드백(visual and tactile feedback)을 기반으로 한 정밀 자동 제어(automatic control) 기술 등 다양한 관련 연구가 필요할 것이다.
■ 관련 기술 – 바이오프린팅(Bioprinting)
◇ 기술의 정의
3D 프린팅을 활용하여 살아있는 세포를 원하는 형상 또는 패턴으로 적층하여 의료적으로 조직이나 장기를 제작하는 기술
◇ 기술실현의 장애요인
. 사람에게 이식하기 위해 많은 추가 연구와 임상 실험이 필요함
. 윤리적 문제로 3D 기술사용을 규제하려는 논의와 미국 식약청 등 각국 담당 기관에서 기관 사전 승인 없이 신체 기관 및 장기의 바이오 프린팅을 금지하는 가이드라인을 도입하게 될 것으로 예상
◇ 기술의 예상 실용화 시기
10년 후. 5년 이내에 3D 프린팅으로 신체조직과 장기의 생산이 가능해질 것으로 예상되나 제도적·윤리적 문제 해결로 인해 상용화 시기가 늦어질 전망
◇ 기술개발동향
○ 한국
. 3D 프린터를 이용하여 환자의 수술 부위 골격을 3차원으로 자세히 보여주는 모형물 제작 후 부비동암 수술에 활용
○ 미국
. 오가노보(Organovo)사는 3D 바이오프린트된 우수한 기능의 간 조직을 만들어냄으로써 이
전보다 훨씬 기능적인 인체 조직을 복제할 수 있는 바이오프린팅 기술을 확보
○ 유럽
. 독일 프라운호퍼연구소는 3D 프린팅을 통해 인공혈관을 만드는 데 성공
. 스코틀랜드 헤리엇-와트 대학은 바이오엔지니어링 개념의 세포 프린터를 사용해 회원 타원체 모양의 3차원 구조인 인간배아줄기세포 구조를 만드는 데 성공
