3D 바이오프린트 핵심기술 이해하기!

※ 본 기사는 3D 바이오 프린트의 핵심 기술들을 쉽게 이해하기 위한 목적으로 작성되었습니다. 본 기사를 읽은 후 독자들이 대화 주제에 3D 바이오 프린터가 등장할 때, 명백하게 설명할 수 있기를 바라는 목적으로 작성되었습니다.

 

 

 

3D 프린터는 많이 들어봤는데, 3D 바이오 프린터는 생소한 독자들이 많을 것으로 예상된다. 3D 바이오 프린터를 알아보기 전에, 3D 프린터에 대한 간단한 설명이 필요할 것 같다. 3D 프린터란 말 그대로 물체를 입체적(3D)으로 출력하는 기술을 의미한다. 백문이 불여일견, 사진과 함께 알아보도록 하자. 보통 적층형과 절삭형으로 나뉘는데, 적층형은 말 그대로 아래부터 위로 쌓아 올리는 방식이고 절삭형은 조각을 깎아내듯이 깎아내는 방식을 의미한다. 대부분의 3D프린터는 적층형 방식을 활용한다.

 

 

사진출처: : 머니투데이

 

일반적으로 3D 프린터는 본체와 잉크(재료)를 분사하는 기계, 두 가지로 이루어져 있다. 보통 분사기가 상하좌우(x,y,z) 축으로 움직이면서 잉크를 분사한다. 분사기에 재료가 들어있고 재료가 바닥부터 층층이 모양을 만들면서 인쇄물을 제작하는 방식이다. 전체 제작과정을 살펴보자면, solid works 같은 3D 모형을 만들어낼 수 있는 프로그램을 통해서 컴퓨터로 모델을 제작한다. 그 후 제작자가 원하는 재료를 잉크로 넣고, 프로그램을 3D 프린트로 보내준다. 분사기가 계속 움직여서 쌓아가면서 원하는 모델을 제작하게 되는 것이다. 여기까지가 3D프린트의 작동 및 제작 원리였다.

 

“3D 바이오 프린트”라는 것은 이 3D 프린트 기술에 “재료”를 바꾼 기술이라고 볼 수 있다. 즉, 어떤 모델을 입체적(3D)으로 만들어 낼 수 있다고 했을 때, 그 재료로 세포 같은 인체에 들어갈 수 있게 응용한 것이다. 그 결과, 세포나 생체재료(몸 안에 들어갈 수 있는 재료)를 이용해서 장기와 비슷한 크기와 모양의 인쇄물을 만들어낼 수 있게 된다. 기술이 발전해서 이렇게 만들어 낸 모형을 실제 장기로 대체할 수 있게 되면, 그것이 바로 “인공장기”가 된다.

 

그렇다면, 3D 바이오 프린트가 일반 3D 프린트와 구별되며, 가장 중요한 부분은 어느 부분일까? 바로 프린트에 사용되는 “재료”라고 말할 수 있다. 일반적으로 “바이오잉크”라고 부르는데, 바이오잉크가 몸 안에서 얼마나 안전하게 버티는지, 장기의 기능을 얼마나 잘 대신할 수 있는지가 핵심이다. 예를 들어, 동물 세포를 재료로 썼을 때, 열에 의해 기능이 변하지 않고, 몸에 삽입되었을 때 원래 인간의 세포와 잘 융합되어야 한다.

 

이러한 기본 원리를 인지한 상태에서, 3D 바이오 프린트와 관련된 몇 가지 예시들을 함께 살펴보자. 첫 번째는 세계 최초로 3D 바이오 프린트 기술을 이용한 나카무라 교수의 인공장기이다. 도야마대학의 나카무라 마코토 교수는 장기를 수평으로 얇게 자른 후에 층별 세포의 배열 순서를 알아내서, 생체 구조물을 3D로 찍어내는 데 성공하였다. 하지만 이 기술은 단지 인간의 장기를 3D 프린트를 통해 모사한 것에 그치지 않는다. 진짜 3D 바이오 프린팅 기술을 이용했다고 말하기 위해선 한가지가 더 필요하다. 무엇일까?

 

사진 출처  : 동아사이언스

위에 언급한 바와 같이 바이오잉크라는 재료가 필요하다. 두 번째 예시로써, 세계 최초로 세포를 사용해서 실제 각막과 유사한 인공 각막을 만들어낸 연구를 소개하고자 한다. 2018년 5월 영국 뉴캐슬대 연구진은 사람들에게 기증받은 각막 줄기세포를 이용해서 실제 각막과 유사한 인공장기를 만들었다. 해초에서 추출한 천연고분자인 알긴산염과 콜라겐에 기증받은 각막 세포를 섞어서 잉크를 만들어낸 후, 이를 3D 바이오 프린트로 인쇄한 것이다.

 

한편, 한국에서도 프린팅 기술을 이용해서 세계 최초로 인공 근육을 만들어냈다. 포스텍 조동우 교수이다. 조 교수는 근육 조직의 세포 속에 들어있는 세포외기질(ECM)이라는 부분을 바이오잉크로 사용해서 인공 근육을 만드는 데 성공했다. 이렇게 탄생한 근육은 실제 근육처럼 자극에 반응하는 움직임을 보여 더더욱 실물에 가까운 발전한 모습을 보인다.

 

사진 출처 : the science monitor

그렇다면 이러한 3D 바이오 프린트를 활용하는 것의 장점은 무엇이 있을까? 바로 환자 맞춤형 장기이식이 가능하다는 것이다. 이 분야를 연구하는 사람들의 가장 큰 바람은 장기이식 시 실제 장기를 대체하여 사용할 수 있는 인공장기를 만들어내는 것이다. 2016년 기준 장기 이식을 기다리는 사람은 24,112명이지만 장기를 이식해줄 수 있는 뇌사 장기기증은 573명에 그친다. 이처럼 공급은 부족하고 수요는 큰 시장에서 인공장기는 새로운 대안점이 될 수 있다고 예상된다.

 

- 참고문헌

1. https://www.hankyung.com/it/article/2019012528131

성큼 다가온 인공장기 시대…'3D 바이오프린팅'이 열쇠

 

2. http://news.zum.com/articles/5703705

3D프린터로 뭐든지 찍어? `3차 산업혁명 시작`

 

- 사진출처

사진1 : 머니투데이 기사 “3D프린터로 뭐든지 찍어? "3차 산업혁명 시작" <배소진 기자>” http://news.zum.com/articles/5703705

 

사진2 : 동아 사이언스 기사 “각막 3D 프린팅 세계 최초 성공, 시각장애인에 ‘빛’” http://m.dongascience.donga.com/news.php?idx=22663

 

사진3 : the science monitor “인간 근육 모방 ‘체외 인공근육’, 기존보다 2배 정교한 재생 기술 개발”

사이언스모니터