▲ 3차원 구조체 디자인 및 생합성된 3차원 박테리아 셀룰로오스 도관. 박테리아 함유 CNF 잉크를 매트릭스 내부에 3D프린팅을 한 후 일정 시간동안 배양과정을 거치게 된다. 박테리아의 대사활동을 통해 잉크 구조체 표면에 셀룰로오스 하이드로젤이 생합성된다.

국내 연구진이 인공관절, 인공혈관 등에 활용되는 박테리아 셀룰로오스를 3D프린팅을 통해 적층할 수 있는 기술을 개발했다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 현진호 교수 연구팀(서울대)이 박테리아 세포벽의 중요 성분을 구성하는 섬유소인 ‘박테리아 셀룰로오스’를 3차원 방식으로 인쇄하는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

박테리아 셀룰로오스는 생체적합성이 우수해, 생체재료로서의 활용이 기대되고 있으나 박테리아가 셀룰로오스 나노섬유를 생합성하기 위해서는 산소를 필요로 하기 때문에 생산되는 셀룰로오스 나노섬유는 공기의 영향을 절대적으로 받는다. 또한 배양액을 용기에 넣어 생합성을 하기 때문에 공기와 접하는 배양액 표면에서 매트(matt) 형태의 나노셀룰로오스 구조체만이 제조될 수 밖에 없는 제한성이 있었다.

이에 연구진은 박테리아를 함유한 잉크를 고체 매트릭스 내부에 투입해 3차원 방식으로 인쇄하는 ‘고체 매트릭스 기반 3차원 인쇄기술’(Solid-matrix assisted 3D printing, SMAP)을 개발했다.

이번에 개발된 SMAP는 베드(Bed) 위에서 이뤄지는 기존 프린팅 방식과는 달리, 고체 입자 내부에서 이뤄져 잉크의 전 방향에서 산소가 공급될 수 있다. 연구진은 셀룰로오스 나노섬유(CNF)가 포함된 하이드로젤에 글루콘아세토박터 자일리너스(Gluconacetobacter xylinus)를 접종해 프린팅 잉크를 제조했다.

박테리아 셀룰로오스가 인쇄된 잉크의 전 방향에서 생합성되기 때문에 속이 빈 도관을 제조하는 것이 용이하다. 이는 생체 친화적인 재료로 인공혈관 및 신경도관 등의 조직공학 용도로도 활용 가능하다.

셀룰로오스 나노섬유(CNF)가 포함된 하이드로젤에 글루콘아세토박터 자일리너스(Gluconacetobacter xylinus)를 접종해 프린팅 잉크를 제조했고 프린팅에 적합한 유변학적 특성을 제안했다. 고체 매트릭스로는 소수성이 우수하고 유동성이 있는 테플론(PTFE) 비드를 사용했다. 인쇄된 3D 구조물은 일정 기간 동안 배양되었고, 내재되어 있던 박테리아에 의한 생합성이 이루어지고 우수한 기계적 강도를 가지는 3차원 박테리아 셀룰로오스를 획득할 수 있었다.

현진호 교수는 “이 연구는 3D프린터를 이용해 박테리아 함유 잉크를 고체 매트릭스 내부에 인쇄해 박테리아 셀룰로오스의 형태를 다양화하는 기술”이라며, “기존의 박테리아 셀룰로오스 하이드로젤이 가지는 형태학적 한계를 극복함으로써 의료 및 환경 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 10월 11일자로 게재됐다.