[논문]3D 세포 프린팅을 위한 바이오 잉크

강현욱

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강현욱 (울산과학기술대학교 생명과학부)

최근 들어 살아 있는 다종의 세포를 이용하여 자유 3차원 구조물을 제작할 수 있는 세포 프린팅 기술이 많은 주목을 받고 있다. 이 기술은 장기 프린팅 혹은 바이오 프린팅 기술로도 많이 불린다. 바이오 잉크는 세포 프린팅 기술의 구현에서 가장 핵심적인 요소이다. 프린팅 공정이 잉크의 성질을 고려하여 디자인되기 때문에, 잉크를 잘 이해하는 것이 세포 프린팅 공정의 핵심을 파악하는 가장 빠른 길이다. 이 글에서는 이러한 바이오 잉크가 가져야할 특성과 현재까지 소개된 잉크 소재 및 이와 관련된 프린팅 공정에 관해 살펴보고자 한다.

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문제 정의

프린팅 공정이 잉크의 성질을 고려하여 디자인되기 때문에, 잉크를 잘 이해하는 것이 세포 프린팅 공정의 핵심을 파악하는 가장 빠른 길이다. 이 글에서는 이러한 바이오 잉크가 가져야할 특성과 현재까지 소개된 잉크 소재 및 이와 관련된 프린팅 공정에 관해 살펴보고자 한다.

제안 방법

독일에 소재한 EnvisionTEC 회사는 토출 기술을 이용한 3D-Bioplotter 이라는 상품명을 가진 세포 프린팅 시스템을 상용화 하였다 (그림 3(가)). 그리고 기존 의료에서 많이 활용되고 있는 하이드로젤 시스템을 이용한 프린팅 공정을 소개하였다. 잉크의 점성에 큰 영향을 받지 않는 토출 시스템이 활용되었기 때문에 세포가 섞인 알지네이트 용액 혹은 피브리노겐 용액을 직접 프린팅 할 수 있음을 보여주었다.
이때 분리기술에 사용된 생체 조직에 따라 심장, 연골 및 지방 조직재생에 특화된 바이오 잉크의 개발이 가능함을 보여 주었다. 그리고 미국 Wake Forest 대학의 Anthony Atala 팀은 3차원 패턴에 매우 유리하며, 좋은 세포 친화성을 가진 젤라틴 기반의 바이오 잉크 기술을 소개하였다(그림 4). 기존의 의료에서 널리 활용되고 있는 하이드로젤 시스템에 젤라틴 성분을 응용하여 세포 친화성을 잘 유지하면서, 보다 우수한 3D 패턴성을 가질 수 있도록 하였다.
인접하는 세포들 간에 결합되는 원리를 이용하여, 세포로만 이루어진 구나 막대 형상의 바이오 잉크를 개발 하였다. 그리고 이를 토출 기반 시스템에 설치된 마이크로 튜브에 삽입한 후 필요로 하는 세포 프린팅 공정을 수행하였다. 이 기술은 미국의 Organovo 사에 의하여 상용화되었다.
잉크의 점성에 큰 영향을 받지 않는 토출 시스템이 활용되었기 때문에 세포가 섞인 알지네이트 용액 혹은 피브리노겐 용액을 직접 프린팅 할 수 있음을 보여주었다. 그리고 토출된 재료의 가교가 이루어지기 전까지 안정된 위치를 유지시키기 위하여 가교제가 포함된 매우 높은 점성의 용액(Plotting medium)을 담긴 용기에 프린팅 하는 기술을 선보였다(그림 3(나)). 이 기술은 가교가 늦은 재료를 포함하는 바이오 잉크의 프린팅 공정에 보다 큰 이점을 가진다.
따라서 칼슘이온 용액을 세포가 포함된 알지네이트 용액에 프린팅 하여 필요로 하는 구조물을 제작하였다. 그리고 피브린 젤(Fibrin gel)을 이용한 바이오 잉크도 소개하였다. 알지네이트 젤과 비슷하게 가교를 유도하기 위한 세포가 포함된 트롬빈(Thrombin) 용액을 피브리노겐(fibrinogen) 용액에 프린팅하여 구조물을 제작하였다.
그리고 미국 Wake Forest 대학의 Anthony Atala 팀은 3차원 패턴에 매우 유리하며, 좋은 세포 친화성을 가진 젤라틴 기반의 바이오 잉크 기술을 소개하였다(그림 4). 기존의 의료에서 널리 활용되고 있는 하이드로젤 시스템에 젤라틴 성분을 응용하여 세포 친화성을 잘 유지하면서, 보다 우수한 3D 패턴성을 가질 수 있도록 하였다. 그 외에도 3D 프리팅 기술 중 가장 우수한 가공성을 보유한 광조형 (stereolithography) 기술에 응용하기 위한 광경화성 바이오 잉크도 소개되고 있다.
알지네이트 용액은 잉크젯 헤드에 적용하기에는 점성이 높은 편이다. 따라서 칼슘이온 용액을 세포가 포함된 알지네이트 용액에 프린팅 하여 필요로 하는 구조물을 제작하였다. 그리고 피브린 젤(Fibrin gel)을 이용한 바이오 잉크도 소개하였다.
반면에 미국 University of Missouri의 Gabor Forgacs 연구 팀은 매우 특이한 바이오 잉크를 개발하였다. 세포 프린팅 기술에 가장 일반적으로 활용되고 있는 하이드로젤 형태의 재료가 아닌 세포만으로 이루어진 바이오 잉크 기술을 소개하였다(그림 6). 인접하는 세포들 간에 결합되는 원리를 이용하여, 세포로만 이루어진 구나 막대 형상의 바이오 잉크를 개발 하였다.
그리고 피브린 젤(Fibrin gel)을 이용한 바이오 잉크도 소개하였다. 알지네이트 젤과 비슷하게 가교를 유도하기 위한 세포가 포함된 트롬빈(Thrombin) 용액을 피브리노겐(fibrinogen) 용액에 프린팅하여 구조물을 제작하였다. 알지네이트 젤은 핸들링이 용이하다는 장점을 가지고 있어, 지금도 세포 프린팅 기술에 가장 널리 사용되고 있다.
이 기술은 압전 혹은 히팅 소자로 제작된 액추에이터를 이용하여 약 20~300 μm의 크기를 가지는 방울을 목표 지점으로 젯팅하는 공정으로 패턴을 제작한다.
세포 프린팅 기술에 가장 일반적으로 활용되고 있는 하이드로젤 형태의 재료가 아닌 세포만으로 이루어진 바이오 잉크 기술을 소개하였다(그림 6). 인접하는 세포들 간에 결합되는 원리를 이용하여, 세포로만 이루어진 구나 막대 형상의 바이오 잉크를 개발 하였다. 그리고 이를 토출 기반 시스템에 설치된 마이크로 튜브에 삽입한 후 필요로 하는 세포 프린팅 공정을 수행하였다.

대상 데이터

(그림 2(가)) 이미 언급된 바와 같이 작은 방울을 만들기 위해서 매우 낮은 점성의 재료만이 이 기술에 이용 가능하다. 초창기 잉크젯 기반 세포 프린팅 기술 개발의 선두 주자였던, Clemson University의 Thomas Boland(현재 The University of Texas at El Paso 소속)팀은 기존 조직 공학에서 많이 활용되고 있는 하이드로젤 재료를 바이오 잉크로써 활용하였다. 그 중 가장 빈번하게 이용된 재료가 알지네이트(alginate)이다.

성능/효과

조동우 교수팀은 탈세포 과정에 의하여 얻어지는 재료를 하이드로젤 형태로 만들어 바이오 잉크로 활용하였다. 이때 분리기술에 사용된 생체 조직에 따라 심장, 연골 및 지방 조직재생에 특화된 바이오 잉크의 개발이 가능함을 보여 주었다. 그리고 미국 Wake Forest 대학의 Anthony Atala 팀은 3차원 패턴에 매우 유리하며, 좋은 세포 친화성을 가진 젤라틴 기반의 바이오 잉크 기술을 소개하였다(그림 4).

후속연구

이러한 관점에서 최근 들어 연구되고 있는 탈세포 기반 바이오 잉크나 기존 생체 재료의 화학적 변형 등의 연구는 아주 주목할 만하다 할 수 있다. 보다 우수한 바이오 잉크 개발은 프린팅 공정과 직접적으로 연관 되어 보다 우수한 조직 및 장기 재생을 이룰 수 있는 가장 핵심적인 역할을 할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

바이오 잉크란 무엇인가?

최근 이러한 장점은 인공 조직 및 장기 재생 분야뿐만 아니라, 신약 테스트를 위한 인공 생체 모델의 개발에도 큰 이점을 줄 수 있을 것으로 기대를 받고 있다.‘ 바이오 잉크’는 최근 들어 소개된 용어로서 일반적으로 3D 세포 프린팅 기술에 적용할 수있는 살아있는 세포를 포함하는 생체 재료를 지칭한다. 따라서 이는 세포 프린팅 기술에서 3차원 가공을 위한 물리적 성질과 특정 조직 및 장기 재생을 위한 생물학적 환경을 제공하는 역할을 한다.

3D 세포 프린팅 기술로 컴퓨터 디자인된 생체 모방형 구조물을 제작할 수 있는 데 이로 인해 어떠한 기대를 받고 있는가?

3D 세포 프린팅 기술은 인체 내에서 얻어지는 다종의 세포, 생체 재료 및 성장 인자(growth factor) 등을 이용하여 컴퓨터 디자인된 생체 모방형 구조물의 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있다(그림 1). 최근 이러한 장점은 인공 조직 및 장기 재생 분야뿐만 아니라, 신약 테스트를 위한 인공 생체 모델의 개발에도 큰 이점을 줄 수 있을 것으로 기대를 받고 있다.‘ 바이오 잉크’는 최근 들어 소개된 용어로서 일반적으로 3D 세포 프린팅 기술에 적용할 수있는 살아있는 세포를 포함하는 생체 재료를 지칭한다.

세포 프린팅 공정의 핵심을 파악하는 가장 빠른 길은 무엇인가?

바이오 잉크는 세포 프린팅 기술의 구현에서 가장 핵심적인 요소이다. 프린팅 공정이 잉크의 성질을 고려하여 디자인되기 때문에, 잉크를 잘 이해하는 것이 세포 프린팅 공정의 핵심을 파악하는 가장 빠른 길이다. 이 글에서는 이러한 바이오 잉크가 가져야할 특성과 현재까지 소개된 잉크 소재 및 이와 관련된 프린팅 공정에 관해 살펴보고자 한다.

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