[신도 3D 프린팅 솔루션] 3D 바이오 프린팅 등장, 3D 프린터로 인공뼈를 제작한다고?

 

안녕하세요. 지난 시간에 이어 두 번째 주제로 찾아온 신도리코 3D 프린팅 솔루션 코너입니다. 지난 시간에 만나 본 3D 프린팅 건축만큼 의학 분야 역시 3D 프린팅 기술이 활발하게 연구되고 적용되는 분야인데요. 대표적으로 <3D 바이오 프린팅> 기술이 있습니다. 오늘은 3D 프린터 기술과 의학 분야가 만난 이 3D 바이오 프린팅에 대해 소개해 드리겠습니다.

 

3D 바이오 프린팅 기술의 등장

 

3D 바이오 프린팅 이란?

 

3D 바이오 프린팅은 3D 프린터와 생명공학을 결합한 기술입니다. 즉, 3D 프린터로 조직, 장기 등을 인쇄해 신체에 이식하는 기술을 말하는 데요. 단순히 똑 같은 모형을 만드는 것이 아니라 이식을 위해 환자의 세포를 배양해 인쇄하는 것이기 때문에 부작용이나 2차 감염을 줄일 수 있다고 합니다. 살아 있는 세포를 원하는 패턴으로 적층 인쇄해 조직 또는 장기 등을 제작하는 데 활용된다고 하죠. 과학과 의학 기술은 날로 점점 발전하고 있지만 현대인들의 생활 습관이나 달라진 환경 등의 요인으로 질병은 계속 생겨나고 있고, 또한 피치 못할 사고로 인한 장기 이식이나 치료가 필요한 경우가 생기게 되는데요. 이 때 3D 바이오 프린팅 기술을 접목한다면 치료나 각막, 혈관 등 장기나 신체 부위 등을 제작해 이식할 수 있는 것이지요.

 

3D 바이오 프린팅 기술의 발전

 

 

최초의 3D 바이오 프린팅 기술은 2008년 일본에서 개발되었다고 합니다. 나카무라 마코토 일본 도야마대 교수는 장기를 수평으로 얇게 한 후 층별 세포 배열 순서를 알아낸 다음 잉크젯 프린터로 똑같은 생체 구조물을 찍어내는 데 성공했습니다. 이는 잉크젯 프린터가 분사하는 잉크 방울 크기가 10㎛(마이크로미터)인 인체 세포 크기와 비슷하다는 점에서 착안했다고 하니 정말 놀라운데요.

 

이후 미국 웨이크 포레스트대 재생의학연구소 앤서니 아탈라 교수 연구진은 3D 바이오 프린팅을 통해 실제 크기의 귀를 출력하고 실험 쥐에 이식하고 혈관과 신경을 연결시켜 조직이 잘 정착하는지를 2개월 간 테스트를 진행하는 실험을 진행했습니다. 이 실험을 통해 이식한 부위를 이물질로 여겨 거부반응을 일으키지 않고 자신의 조직으로 잘 받아들인다는 것을 확인할 수 있었다고 하네요.

 

이어 2018년 5월에는 영국 뉴캐슬대 연구진이 세계 최초로 사람의 각막을 3D 프린터로 제작해 냈습니다. 사람들에게 기증받은 각막 줄기세포를 통해 해초에서 추출한 알긴산염과 콜라겐 등으로 바이오잉크를 만든 뒤 이를 각막 줄기세포와 혼합해 인쇄했다고 하죠. 그 결과 사람에게 적용할 수 있는 인공 각막이 만들어 졌다고 합니다.

 

 

오늘 날에는 안면윤곽 보형물이나 눈 주변의 뼈 골절로 인한 수술, 임플란트 시 잇몸과 뼈를 분리해주는 막 제작에 3D 프린팅 기술의 상용화가 진행되었습니다. 더 나아가 살아있는 세포를 원하는 형태로 출력하고 영양분을 공급하며 배양하는 단계까지 발전했는데요. 뿐만 아니라 사람의 각막과 세포도 만들어 낼 수 있습니다. 미국의 3D 프린팅 시장 규모는 2017년 기준 약 30억 달러에 육박하는 것으로 나왔는데 KOTRA의 분석에 따르면 이 시장에서 3D 바이오 프린팅과 관련된 헬스 케어 분야는 19.2%를 차지하는 것으로 나타났다고 하니, 전 세계 3D 프린팅 기술 속도로 말미암아 점점 더 빠르게 성장하고 있을 것으로 추측됩니다.

 

이처럼 3D 바이오 프린팅은 사람에게 이식할 수 있는 신체부위를 모사하고 그 과정에서 줄기세포 등이 쓰이면서 인체에 적용됐을 때 자연스럽게 이식되어 쓰여 질 수 있도록 하는 역할을 합니다. 핵심은 바이오잉크에 있는 것으로 신체 부위에 따라 그 성분이 다릅니다. 콜라겐이나 펩타이드처럼 세포가 포함된 세포계 재료와 치아, 뼈 등 인산칼슘, 연골 재생에 필요한 다당류 등의 비세포계 물질을 혼합해 사용합니다. 바이오잉크는 열을 가해도 세포가 손상되거나 변화하면 안되기 때문에 적합한 바이오잉크 재료를 찾아내는 것이 가장 중요합니다.

 

국내 3D 바이오 프린팅 기술 현황

 

 

국내에서도 3D 바이오 프린팅 기술 상용화가 진행 중입니다. 포스텍(POSTECH) 조동우 교수는 세계 최초로 인공근육을 만들어냈는데요. 근육 조직의 세포 속에 들어있는 세포외기질(ECM)이라는 부분을 바이오잉크로 사용해 인공근육을 만드는 데 성공했습니다. 이는 마치 실제 근육처럼 자극에 반응하는 움직임을 보임으로써 더욱 실물에 가깝게 발전한 것을 보여주었습니다. 조동우 교수는 같은 방식으로 인공피부도 만들었다고 합니다. 또 심근경색 환자들을 위한 인공심장 조직연구에 나서기도 했습니다.

 

그 밖에도 다양한 국내 연구진과 학회, 병원 등에서 3D 바이오 프린팅 상용화를 위한 연구와 실험, 기술 개발에 나섰고 다양한 성공 사례들을 발표하고 있습니다.

 

최근 한국보건산업진흥원에 따르면 2021년 8월 세계 최초로 국내 연구진이 3D 바이오 프린팅 인공 기관을 개발했다고 하는데요.

 

▲국내 연구진, 세계 최초 3D 바이오 프린팅 인공 기관 개발 (출처: 한국보건산업진흥원)

 

가톨릭대 서울 성모병원(김성원교수), 가천대(이진우 교수), 포항공대(조동우 교수)와 티앤알바이오팹 연구팀이 3D 바이오 프린팅을 통해 난치성 기관 결손 환자 치료를 위한 맞춤형 이식용 인공기관을 세계 최초로 개발해 내 업계의 주목을 받고 있습니다. 기관은 호흡과 밀접한 관련이 있어 기도의 제일 윗 부분 목에서 흉부까지 연결된 튜브 형태의 구조로 감상선암, 선천적 기형, 사고로 인한 외상 등으로 인해 기관이 좁아지거나 결손이 발생하기도 한다고 하죠. 지금까지는 이런 경우 치료할 수가 없어 난치성 질환으로 분리되어 왔습니다. 국내 연구진은 자체 개발한 줄기세포 및 연골 세포를 포함한 바이오잉크 2종을 인체 이식이 가능한 생분해성 합성 고분자 물질인 폴리카프로락톤과 함께 3D 바이오프린팅 기술을 이용한 환자 맞춤 이식용 인공 기관을 만들어 냈습니다.

 

또 다른 사례로 앞서, 김근형 성균관대 바이오메카트로닉스학과 교수팀은 2021년 6월 미국 웨이크포레스트재생의학연구소와 전남대 공동연구진과 함께 인공근육으로 실제 근육을 되살리는 4D 프린팅 기술을 개발하기도 했습니다. 4D 프린팅 기술이란 3D로 프린팅한 물체가 환경과 시간에 따라 스스로 변형할 수 있게 만드는 출력 방법입니다. 이 경우 돼지 골격근 세포와 사람 다리 부위의 근육 세포를 넣어 바이오잉크를 만든 뒤 근육이 손상된 쥐에게 인공 근육 섬유를 주입했더니 8주 뒤 실제 정상 근육의 90%가 되살아난 연구 결과가 나오기도 했습니다.

 

신도리코, 덴탈 시장을 위한 3D 프린터…2021 ‘Sindoh A1SD’ 출시

 

▲신도리코 덴탈 시장 공략위해 출시한 3D 프린터 ‘A1SD’

 

그 밖에도 2D & 3D 전문기업 신도리코가 덴탈 시장에 맞는 3D 프린터를 선보이고 있는데요. 2019년 ‘Sindoh A1+’를 선보인 데 이어 2021년 덴탈 시장에 최적화된 초고속 3D 프린터 ‘Sindoh A1SD’를 출시했습니다. 덴탈 분야에서는 정교한 출력이 매우 중요한데요. ‘Sindoh A1SD’는 고해상도 LCD와 고효율 LED를 활용한 ‘마스크 광경화성 수지 조형방식(MSLA)’을 적용해 기존 SLA 방식보다도 빠른 출력속도가 특징입니다. 또 치아에 충치를 제거한 후 빈 공간을 채우기 위해 제작하는 인레이(Inlay), 상실된 치아의 양쪽 치아를 기둥으로 활용해 고정하는 브릿지(Bridge)도 빠른 속도로 출력할 수 있다는 장점을 갖고 있습니다.

 

▼Sindoh A1SD 출시 소식 내용 보기

신도리코, 초고속 3D 프린터 ‘Sindoh A1SD’ 출시!...덴탈시장 공략 https://www.sindohblog.com/2228

 

 

‘Sindoh A1SD’는 다양한 장점을 갖고 있는데요. 25㎛,50㎛, 100㎛ 중 레이어 두께를 선택할 수 있는데, 정밀한 출력을 원할 경우 50㎛로 설정하거나 더욱 빠른 출력을 원하는 경우에는 100㎛로 레이어를 설정할 수 있습니다. 빌드 사이즈 역시 최적화된 5.5인치(115 X 80 X 180mm)로 활용도를 더욱 높였습니다. 그 밖에도 핵심 부품인 LCD 패널의 내구성을 높였고, 조형 최적 온도인 25~28℃를 유지하는 자동 온도 조절 시스템 적용으로 조형 성공률도 극대화했습니다. 또한 인레이, 크라운, 브릿지 등 작은 보철물의 경우도 최적의 품질을 만들어주는 ‘퍼펙트 존(Perfect Zone)’을 구현했고 소음을 최소화해 조용하게 출력할 수 있도록 한 점도 특장점입니다.

 

신도리코는 이처럼 최고의 기술력과 사양을 탑재해 덴탈 시장에 최적화된 3D 프린터 제품을 개발하는 것 외에도 자체적으로 치과와 치기공소를 연결하는 플랫폼을 제공해 원데이 클리닉 치료가 가능하도록 비즈니스를 지원해오고 있는데요. 앞으로 신도리코가 덴탈 시장에 또 어떤 제품과 기술력, 플랫폼 등을 선보일지 기대가 모아집니다.

 

지금까지 신도리코와 함께 3D 바이오 프린팅 기술은 무엇인지 어디까지 발전해 왔는지 살펴봤는데요. 더 나은 삶을 위해 지속적으로 많은 국가와 전문가들이 관심을 기울이고 있는 분야이니 점점 더 빠르게 발전해 갈 것으로 보입니다. 그럼 다음 시간에도 유익한 신도리코 3D 프린팅 솔루션 이야기로 돌아오겠습니다.