분야별 뉴스보기

HOME > 정보마당 > 뉴스룸 >분야별 뉴스보기
제목 [특집]삼차원 바이오프린팅 연구 동향
출처 보도일 2016-07-20
조회수 563 LIKE 9   
기사 링크 첨부 파일 삼차원 바이오프린팅 연구 동향_첨부목록.hwp(90)

상세내용

삼차원 바이오프린팅 연구 동향

 

이상진, 공학박사

부교수, 웨이크포레스트 의과대학 재생의학 연구소, 윈스턴-셀럼, 노스캐롤라이나, 미국

이메일: sjlee@wakehealth.edu

 

1. 삼차원 바이오프린팅?

2015년 개봉된 어벤져스는 서울 강남을 무대로 함으로 한국에서 유명세를 탔지만 연구자로서의 눈에는 한국인 과학자 헬렌 조박사가 삼차원 프린팅 (3D printing) 기법을 이용하여 피부를 재생하는 장면이 오랜 여운으로 남았다. 삼차원 가공방법인 프린팅 기술은 2012년부터 다양한 매체에서 언급되기 시작하였고 미국 오바마 대통령이 2013년 국정연설에서 삼차원 프린팅 기술의 중요성을 강조하면서 많은 분야에서 큰 화두가 되어졌다. 그후 삼차원 프린팅 기술은 빠른 속도로 여러 산업 전반에 영향을 미쳤으며 이에는 바이오 분야도 예외일 수는 없었다. 삼차원 프린팅 기술은 복잡한 구조체를 비교적 쉬운 방식인 layer by layer 과정으로 제조할 수 있는 혁신 적인 가공기술이기 때문이다.

 



그림 1. Pubmed 검색엔진으로 통한 삼차원 프린팅 기술 관련 바이오 분야 논문수 추이 

(2016년 5월 15일 현재)




삼차원 프린팅 기술은 1996MITMichael J. Cima 박사 팀이 생분해성 고분자인 폴리락타이드 (polylactide, PLA)를 이용하여 지지체 제조함으로써 처음으로 조직공학 (tissue engineering) 분야에 도입되었다 [1]. 이는 삼차원 프린팅 기술을 이용하여 더욱 복잡하고 정밀해진 구조체를 제조함으로 기존의 조직공학적 지지체 제조방법의 한계를 뛰어 넘고자 하는 시도였다. 이후 2001년 현재 가장 보편적으로 사용되고 있는 생분해성 고분자인 폴리카프로락톤 (polycaprolactone, PCL)을 삼차원 프린팅 기법으로 조직공학적 지지체를 제조하기 시작하였다 [2]. 2003년에는 Thomas Boland, Vladimir Mironov, Garbor Forgacs 박사를 주축으로 한 공동연구팀이 오르간 프린팅 (organ printing)을 제안하였는데 [3], 연구팀은 프린팅된 세포가 자가조립 (self-assembly) 과정을 통해 더욱 더 성숙된 조직화된 모습을 가진다고 보고 하였다. 이 기술은 최초의 삼차원 프린팅 회사인 미국의 오가노보 (Organovo)의 원천기술이 되었다. 1은 삼차원 프린팅 기술을 이용한 조직공학에서의 주요연구성과를 나타낸다.

 

 

1. 삼차원 프린팅 기술을 이용한 조직공학에서의 주요연구성과

 

Year

주요연구성과

1996

MITMichael J. Cima 박사 팀이 폴리락타이드 (PLA)를 삼차원 프린팅 기법으로 최초로 조직공학적 지지체 제조 [1]

2000

MITMichael J. Cima 박사 팀이 삼차원 프린팅 기법을 이용한 약물제제 제조 도입 [4, 5]

2001

싱가폴 국립대의 Dietmar W. Hutmacher 박사 팀이 폴리카프로락톤 (PCL)을 삼차원 가공 기법으로 조직공학적 지지체 제조 [2]

2002

Therics Inc.Jill K. Sherwood박사팀이 삼차원 프린팅 기법으로 복합조직 (골연골) 제조 제안 [6]

2003

Thomas Boland, Vladimir Mironov, Garbor Forgacs 박사의 공동연구팀이 세포 프린팅을 이용한 오르간 프린팅 (organ printing) 개념 도입 [3]

2010/2016

웨이크 포레이트 대학의 Anthony Atala 박사 팀이 통합조직장기 프린팅 (ITIOP) 시스템을 개발하여 기존의 한계를 넘어선 이식이 가능한 조직이식체를 제안 [7, 8]

 

 

삼차원 프린팅 기술을 이용한 조직공학적 응용의 궁극적 목표는 기존의 제조 방법의 한계를 혁신적으로 극복함으로써 실제적으로 임상에 활용이 가능한 조직구조체를 제조하는 것에 있다. 앞서 언급된 것과 같이 이 기술은 1996년에 도입되어 처음에는 생분해성 고분자를 프린트하여 세포를 배양할 수 있는 규칙적인 다공성을 가지는 지지체의 개발에 중점으로 두었었다. 2003년 부터는 세포를 프린팅함으로써 보다 인체내 조직과 유사한 구조체를 제조하기 위한 시도를 해왔지만 세포만으로는 이식이 가능한 안정성이 확보된 조직구조체를 만드는데 많은 한계를 보였다. 이에 보다 정교하고 안정성이 확보된 세포가 함유된 조직구조체의 필요성이 요구되어졌고, 본 연구소에서 통합조직장기 프린팅 (integrated tissue and organ printing, ITOP) 시스템을 개발하여 이러한 일련의 한계를 극복하고자 하였으며 이를 2010년 미국 조직공학회에서 처음 소개를 하였다 [7]. ITOP 시스템의 원리는 여러가지 생체재료와 세포를 동시에 프린팅하여 하나의 구조체를 제조하는 것으로 프린트된 고분자 재료가 조직구조체의 안정성을 확보하고 조직을 구성하는 특정 세포가 정교하게 프린트되어 조직화하게 된다. 2016년 이를 활용하여 임상적용에 보다 가까운 조직구조체를 제조하였고 그 가능성을 입증한 결과를 발표하였다

(그림 2) [8]. 최근에는 기존의 삼차원 프린팅기술을 향상시켜 스스로 형상을 조절하는 사차원 프린팅 (4D printing) 개념이 제안되는 등 첨단 기술을 기반으로하는 연구가 활발히 진행되고 있는 상황이다 [9, 10].

 

 

 

 

그림 2. 삼차원 가공방식을 이용한 조직공학 구조체 개발의 예환자에게서 획득된 영상을 토대로하여 환자에게 이식할 수 있는 세포와 생분해성 고분자를 주로한 조직구조체를 원하는 형상으로 제조할 수 있다 [8].



2. 바이오프린팅의 개요 및 필수 요소들

삼차원 프린팅이라 하면 하드웨어인 프린터를 먼저 떠올리게 되는데 바이오 프린팅 (bioprinitng)은 보다 복잡한 구성을 요구한다. 바이오 프린팅은 환자가 필요로 하는 손상된 조직이나 장기를 복원하는 것에 주목적이기 때문에 환자에게서 필요한 이미지를 확보할 수 있는 의학영상기술로 부터 시작한다. 확보된 환자의 의학영상 (DICOM format)을 삼차원 이미지 (STL format)로 전환하고 가공할 수 있는 3D CAD/CAM 의 소프트웨어적 과정이 필요하고 삼차원 프린터를 이용해서 원하는 형상을 제조할 수 있는 생분해성 고분자 재료와 조직의 주성분인 조직에 특화된 세포원 등이 필수 요소들이다. 이에 바이오 프린팅은 생물학, 분자생물학, 재료학, 기계공학, 컴퓨터공학 등 다양한 학문이 요구되는 융합적인 특성을 가지고 있다.

 

주로 사용되어지는 바이오프린팅 기술로는 잉트젯 방식 (ink-jet), 사출 방식 (extrusion), 레이저을 이용한 방식 (laser-induced forward transfer) 등이 있다 [11]. 잉크젯 방식의 경우 20-100 마이크론의 높은 해상도를 갖는 반면, 낮은 농도의 하이드로겔을 기반으로 하기 때문에 삼차원 구조체를 제조하는데 어려움이 있다. 사출방식의 경우 고분자 용액이나 용융된 고분자를 수백 마이크론 크기의 분사구를 통과시켜 보다 안정한 삼차원적 구조체를 제조할 수 있어 조직공학적 응용에서 가장 보편적으로 사용되어지는 프린팅 방식이다. 레이저를 이용한 방식 또한 높은 해상도를 보이지만 다른 여러방식에 비해 사용가능한 생체재료가 부족한 단점이 있다. 이러한 여러 한계때문에, 앞서 언급된 ITOP 시스템과 같은 복합화된 시스템을 개발하거나 새로운 프린팅 매카니즘의 개발하려는 노력이 활발히 진행되고 있다.

 

바이오 프린팅에 사용되는 주요 구성재료인 생체재료 (biomaterials)를 기반으로 하는 바이오 잉크 (bio-ink)의 개발은 보다 중요한 의미를 가지고 있다 [12]. 이식이 가능한 생체재료에 요구되는 기본 조건 (생체적합성, 생분해성, 물리적 성질 등)을 충족해야 할 뿐만 아니라 프린팅 기법에 요구되는 성질 또한 만족시켜야하기 때문에 더욱 제한적인 생체재료들이 바이오 프린팅에 활용되고 있다. 이에 새로운 바이오 잉크의 개발이 매우 중요하고 새로운 바이오 잉크 재료의 개발은 보다 많은 조직공학적 응용을 가능하게 할 수 있다. 생분해성 고분자의 경우, 낮은 용융점을 가지거나 유리전이온도 이상에서 유동성이 높은 재료이어야 하며, 세포를 프린팅하는 하이드로겔의 경우, 특정 점도를 가지며, 프린팅시 세포의 손상을 최소화시킬 수 있는 높은 전단응력 완화력 (shear-thinning), 및 빠른 가교 (crosslinking)로 프린팅된 구조체가 안정화시키는 것은 필수적인 조건들이다.

 

3. 삼차원 프린팅 기술의 응용 및 전망

조직공학 기법은 환자에게 이식이 가능한 생체재료 지지체를 세포와 함께 특정한 형태로 제조하여 손상된 조직이나 장기를 재건하여 조직의 기능을 회복시키는데 목적이 있다. 이를 실현하기 위해 다양한 조직구조체 제조방법이 개발되어 왔지만, 기존의 제조방법으로는 임상에 적용가능한 보다 복잡하고 정교한 조직구조체를 제조하기에는 여러가지 한계를 보여줘 왔다. 삼차원 프린팅 기술은 이러한 한계를 획기적으로 극복함으로써 조직공학 연구자에게 더 많은 가능성을 열어 주고 있다. 그림 3은 본 연구소에서 삼차원 프린팅 기술을 기반으로 제조된 조직구조체의 예들이다. 예에서 보여주듯이, 복잡한 조직의 형상을 재건하거나 [8], 서로 다른 조직들을 접합부를 구현하여 복합조직을 제조할 수 있고 [13], 또한 장기의 특정기능을 가지는 미세구조를 구현함으로 인비트로 (in vitro) 모델을 제조하여 약물의 독성이나 성능을 평가하는 기구로 사용할 수 있다.

 

 

그림 3. 삼차원 프린팅 기술을 이용한 조직구조체의 재건 예: (A) 귀 연골 [8], (B) 부분 턱뼈 [5], (C) 근육조직 [2], (D) 근힘줄 복합조직 [13], (E) 부분 기도, (F) 손가락 복합 조직, (G) 독성실험을 위한 마이크로 간조직 (liver organoid)


 

1993년 조직공학이 발표되고 [14], 이 기법이 빠른 시일 내로 많은 환자에게 실질적인 혜택을 줄 것이라는 많은 기대가 있었지만, 우리는 많은 시행착오를 겪어야 했고, 기대와는 다르게 임상적용에 있어서 높은 한계를 만날 수 있었다. 하지만, 이러한 과정을 통해 폭넓은 지식을 확보할 수 있는 계기가 되었고 보다 많은 생물학적 이해도를 가질 수 있게 되었다. 이는 현재의 삼차원 프린팅 기술과의 연합을 통해 보다 실제적인 이식가능한 조직구조체의 개발에 한걸음 더 다가와 있다는 확신을 준다. 바이오 프린팅 기술은 원하는 것은 무엇이든 제조할 수 있는 마술같은 기술이 아니다. 충분한 생물학적 이해도를 바탕으로 하여 잘 설계된 조직구조체를 제조할 때 임상적 성공을 가늠할 수 있을 것이다. 무엇보다도 중요한 것은 현재의 기술로 구현할 수 있는 부분이 아직은 제한적이기 때문에 순차적인 목표 설정이 매우 중요하다 (그림 4). 단계적인 기술적 목표를 설정하고 실현 가능한 조직구조체에 먼저 임상적 적용을 계획한다면 미래에 더욱 나아진 기술적 진보와 새로운 바이오 잉크의 개발 등을 통해 미세혈관 구조나 정밀한 기능성 내부 구조를 가지는 복잡한 장기의 복원이 가능해질 것으로 감히 기대해 본다.

 



4. 참고문헌 (첨부)

~    
No. 분류 제목 출처 보도일 조회수
2 특집 삼차원 바이오프린팅 연구 동향 2016-07-20 564
1 특집 e-Brief (Vol 10 Issue 1) (고해상도의 원문은 첨부파일 참조) Regen. Med. (2015) 10(5), 647-663 889
인천광역시 중구 서해대로 366 (신흥동 3가) 정석빌딩 C동 806호 (우편번호: 22332) | Tel : 032-889-5023 | Fax : 032-889-5024
Copyright GSRAC All Rights Reserved.