바이오메디컬 분야에서 매우 유용하게 활용될 바이오 3D 프린팅

바이오 3D 프린팅은 3D 프린팅 기술을 적용하여 생체 조직, 세포, 인공 장기 등의 생체 재료를 제조하는 기술입니다.
앞으로 더욱 다양한 분야에서의 응용이 예상되는 바이오 3D 프린팅에 대해 알아보겠습니다.

출처-산업통상자원부

 
 

바이오 3D 프린팅

 

바이오프린팅(Bioprinting)으로도 불리는 바이오 3D 프린팅은 3D 프린팅 기술을 이용해 생체 조직과 장기를 만드는 과정입니다. 생물학과 공학, 컴퓨터 과학이 융합돼 생물재료의 복잡한 3차원 구조를 만들어내는 빠르게 진화하는 분야입니다.
바이오 3D 프린팅 과정은 기존 3D 프린팅과 비슷하지만 플라스틱이나 금속을 사용하는 대신 세포, 성장인자, 생체재료 등 생체재료를 사용합니다. 이 재료들은 정밀도와 제어성이 높은 복잡한 구조를 만들기 위해 층마다 정확하게 퇴적됩니다.
바이오 3D 프린팅의 주요 응용 중 하나는 재생 의료이며, 그곳에서는 분야에 혁명을 가져올 수 있습니다. 예를 들어 연구자들은 바이오 3D 프린팅을 이용해 피부, 뼈, 연골 등의 조직을 만들고 손상되거나 병든 조직을 복구하는 데 사용할 수 있습니다.
바이오 3D 프린팅은 약물 발견과 검사에도 잠재적 응용이 있어 약물 검사와 개발을 위한 장기와 조직의 3차원 모델을 작성하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 약물 개발에 필요한 동물 실험의 수를 줄이고 약물의 효능과 독성에 대한 보다 정확한 예측으로 이어질 수 있습니다.
바이오 3D 프린팅에 있어 큰 진전이 있었음에도 불구하고 해결해야 할 중요한 과제가 여전히 남아 있습니다. 세포의 성장과 기능을 지원할 수 있는 새로운 생체재료 개발 필요성, 복잡한 구조물을 생산할 수 있도록 인쇄 해상도와 속도를 개선할 필요성 등이 이에 해당됩니다.
 

바이오 3D 프린팅의 구성

 

바이오 3D 프린팅에는 일반적으로 전처리, 처리, 후처리의 세 가지 주요 프로세스가 포함됩니다.
 
1. 전처리 : 인쇄 프로세스에 사용되는 생물학적 재료의 준비가 포함됩니다. 여기에는 특정 세포 유형의 분리와 확장, 생체 재료 준비, 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어를 사용하여 원하는 구조의 디지털 모델 작성이 포함될 수 있습니다.
2. 처리 : 바이오 3D 프린터를 사용하여 생물학적 재료를 실제로 인쇄하는 것입니다. 이 과정에서 인쇄장치는 생물재료를 층마다 퇴적시켜 원하는 구조를 만듭니다. 인쇄 프로세스 중 생체 재료가 손상되지 않고 올바른 위치와 방향으로 부착되도록 프린터를 신중하게 제어해야 합니다.
3. 후처리 : 인쇄된 조직 또는 기관의 배양과 성숙을 포함합니다. 인쇄 후 조직은 보통 세포의 성장과 조직의 발달을 촉진하기 위해 배양됩니다. 이는 표적 조직 또는 장기 환경을 모방하기 위해 바이오리액터와 같은 특수 배양 조건의 사용을 포함할 수 있습니다. 조직은 성장인자 또는 다른 시그널 분자로 처리돼 성숙과 기능성을 촉진할 수도 있습니다.
 
결론적으로 이 세 가지 과정은 인쇄된 조직 또는 장기가 기능하고 체내에서 의도한 역할을 할 수 있음을 보장하기 때문에 바이오 3D 인쇄의 성공에 중요합니다. 이러한 프로세스는 각각 고유의 과제를 제시하고 있지만, 연구자들은 이러한 과제를 극복하고 바이오 3D 프린팅 분야를 발전시키기 위한 새로운 기술과 기술 개발에 큰 진전을 이루고 있습니다
 

바이오 3D 프린팅으로 적용될 신체부위

 
바이오 3D 프린팅은 단순한 조직과 구조부터 복잡한 장기까지 폭넓은 신체 부위를 만들어낼 수 있습니다. 다음은 바이오 3D 프린팅 기술을 사용하여 만들어진 신체 부품의 일부입니다
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1. 피부 : 바이오 3D 인쇄는 화상 및 기타 피부 손상 치료에 사용할 수 있는 피부 이식편을 만드는 데 사용됩니다. 이 이식 편들은 치유 과정을 앞당기는 데 도움이 되는 살아있는 세포와 생체 재료로 구성되어 있습니다.
2. 뼈 : 바이오 3D 프린트는 뼈의 결함이나 손상을 복구하는 데 사용할 수 있는 골 이식편을 만들 수 있습니다. 이들 이식 편은 살아있는 세포와 뼈의 성장과 재생을 자극할 수 있는 생체적합성 물질로 구성돼 있다.
3. 연골 : 바이오 3D 프린팅은 손상되거나 병든 연골을 복구하는 데 쓸 수 있는 연골 이식편을 만드는 데 사용돼 왔습니다. 이 이식 편들은 새로운 연골조직의 성장을 촉진하는 데 도움이 되는 살아있는 세포와 생체재료로 구성되어 있습니다.
4. 혈관 : 바이오 3D 프린팅은 손상된 혈관이나 병든 혈관 대신 사용할 수 있는 인공혈관을 만들 수 있습니다. 이 혈관들은 천연혈관의 구조와 기능을 모방할 수 있는 생체물질과 살아있는 세포로 구성돼 있습니다.
5. 심장 : Bio 3D 프린트는 손상된 심근을 복구하는 데 사용할 수 있는 심장 조직을 만드는 데 사용됩니다. 이 조직들은 새로운 심장 조직의 성장을 촉진하는 데 도움이 되는 살아있는 세포와 생체 재료로 구성되어 있습니다.
6. 간 : 바이오 3D 프린팅은 약물 및 다른 물질의 독성을 테스트하기 위해 사용할 수 있는 간 조직을 만드는 데 사용됩니다. 이들 조직은 생체세포와 자연 간 조직의 구조와 기능을 모방할 수 있는 생체물질로 구성돼 있습니다.
 
심장 간 신장 같은 복잡한 장기를 만드는 것은 여전히 어렵지만 연구자들은 이 분야에서 진보하고 있습니다. 바이오 3D 프린팅 기술의 지속적인 발전으로 향후 이 기술을 이용해 만들어진 신체 부위와 장기를 더 많이 볼 수 있을 가능성이 높습니다.

 

바이오 3D 프린팅의 문제점

 

바이오 3D 프린팅은 비교적 새로운 분야로 임상 용도로 널리 채택되기 전 해결해야 할 과제와 문제가 여전히 많습니다. 다음은 바이오 3D 프린팅이 직면한 주요 문제 중 몇 가지입니다.
1. 한정 소재 : 바이오 3D 프린팅에 적합한 생체 재료의 가용성은 여전히 제한적이며, 이는 생성 가능한 구조와 조직의 종류를 제한할 수 있습니다. 연구자들은 생체적합성, 안전성, 그리고 바람직한 기계적 특성을 가진 새로운 생체재료 개발에 힘쓰고 있습니다.
2. 표준화 : 현재 바이오 3D 프린팅을 위한 표준화된 프로토콜이 없으며, 이는 인쇄된 제품의 품질과 재현성 변화로 이어질 수 있습니다. 이로 인해 다양한 연구에서 결과를 비교하기 어려워지고 신뢰성 높은 일관성 있는 임상용 제품을 개발하는 것이 어려울 수 있습니다.
3. 윤리적 우려 : 바이오 3D 프린팅을 활용한 복잡한 조직과 장기 생성은 인간 줄기세포 사용과 '디자이너 베이비' 생성 가능성 등 윤리적 우려가 다수 제기되고 있는 이 기술의 윤리적 의미를 신중히 검토하고 그 책임 있는 사용을 보장하기 위한 가이드라인과 규제를 수립하는 것이 중요합니다.
4. 기존 의료행위와의 통합 : 바이오 3D 프린팅은 기존 의료 관행과 규제 프레임워크와 통합돼야 하는 새로운 기술입니다. 여기에는 여러 이해관계자와 협력하여 규제 요건을 파악하는 것이 포함되기 때문에 복잡한 프로세스가 될 수 있습니다.
5. 한정된 임상 증거 : 바이오 3D 프린팅에는 많은 유망한 발전이 있었지만 인간에서의 그 사용을 뒷받침하는 임상적 증거는 아직 한정되어 있습니다. 바이오 3D 프린팅 제품의 안전성과 유효성을 입증하고 이 기술에 최적인 애플리케이션을 식별하기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.
6. 규제 당국 승인 : 바이오 3D 프린팅 제품은 임상 환경에서 사용하기 전 엄격한 테스트와 규제 승인을 받아야 합니다. 그러기 위해서는 제품의 안전성과 유효성을 확보하기 위해 상당한 시간과 자원이 필요합니다.
7. 비용 : 바이오 3D 프린팅은 현재 매우 비싼 기술로 많은 환자와 의료 제공자에 대한 접근을 제한하고 있습니다. 이 기술이 널리 채택됨에 따라 연구자는 비용을 절감하고 효율을 향상할 방법을 찾아야 합니다.
 
바이오 3D 프린팅은 헬스케어와 바이오 테크놀로지를 변혁할 가능성이 있는 유망한 기술입니다. 하지만 임상 용도로 널리 채택되기 전 해결해야 할 과제와 문제가 여전히 많습니다. 연구자와 이해관계자는 이러한 과제에 대처하고 바이오 3D 인쇄를 위한 책임 있고 효과적인 애플리케이션을 개발하기 위해 협력해야 합니다.

바이오 3D 프린팅의 과제

 

의료와 건강 관리에 혁명을 가져올 바이오 3D 프린팅의 가능성에도 불구하고 이 기술을 널리 이용하기 위해서는 몇 가지 과제를 해결해야 합니다.
 
첫째는 세포의 성장과 기능을 지원할 수 있는 적절한 바이오 머티리얼 개발입니다. 바이오 3D 프린팅에 사용되는 생체재료는 생체적합성, 독성이 없어 세포가 성장하고 원하는 조직으로 분화하는 데 적합한 환경을 제공해야 합니다. 이와 같은 요구사항을 충족시킬 수 있는 새로운 생체재료 개발에 연구진이 적극 나서고 있지만 복잡하고 도전적인 과정으로 이루어져 있습니다.
둘째는 바이오 3D 프린터의 인쇄 해상도와 속도를 개선할 필요가 있다는 것입니다. 높은 정밀도와 정확도로 복잡한 구조를 만들기 위해서는 바이오 3D 프린터가 수 마이크로미터 이하의 해상도로 인쇄될 수 있어야 합니다. 그러나 현재 바이오 3D 프린터는 해상도가 낮고 인쇄 속도가 느린 경우가 많아 용도가 제한될 수 있습니다. 또한 인쇄 프로세스 중 셀이 손상되지 않도록 인쇄 프로세스도 신중하게 제어해야 합니다. 예를 들어 과도한 열이나 압력은 세포를 사멸시키고 인쇄 조직의 품질을 손상시킬 수 있습니다.
셋째는 인쇄된 조직이 기능적으로 자연 조직과 동등하다는 것을 보증할 필요가 있다는 것입니다. 그러기 위해서는 인쇄 조직의 생존과 기능에 필수적인 혈관과 신경 형성을 촉진하는 기술의 개발이 필요합니다.
넷째는 의학에서 바이오 3D 프린팅 사용과 관련된 규제 과제가 있습니다. 예를 들어 환자에게 사용하기 위한 3D 프린팅 조직과 장기 승인을 위한 명확한 규제 틀은 현재 없으며, 이들 기술이 널리 사용되기 전에 중대한 규제 장벽을 극복해야 합니다.
 
전반적으로 바이오 3D 프린팅은 잠재력이 큰 유망한 기술이지만 의료 및 건강 관리 분야에서 널리 채택되기 전에 해결해야 할 과제또한 충분한 논의가 필요합니다.
 

바이오 3D 프린팅의 미래

 
바이오 3D 프린팅의 미래는 매우 유망하며 의학, 바이오 테크놀로지 그리고 기타 분야를 변혁할 가능성이 있습니다. 다음은 이 분야의 몇 가지 잠재적인 미래 발전입니다.
 
1. 바이오머티리얼의 진보 : 생체적합성, 기계적 특성, 생체활성이 강화된 새로운 생체재료 개발은 바이오 3D 프린팅 성공을 위해 중요해질 것이다. 연구자들은 세포의 성장과 기능을 더 잘 지원하기 위해 세포 외 매트릭스와 같은 자연조직의 특성을 모방할 수 있는 새로운 물질을 만들기 위해 노력하고 있습니다.
2. 멀티머티리얼 및 멀티스케일 인쇄 : 여러 재료를 다른 스케일로 인쇄하는 능력은 보다 복잡한 조직이나 장기를 만들 수 있게 합니다. 여기에는 다른 특성을 가진 바이오 잉크의 사용과 복잡한 기하학을 가진 구조를 만들기 위한 서로 다른 인쇄 기술의 통합이 포함될 수 있습니다.
3. 맞춤형 임플란트와 보철물 : 바이오 3D 프린팅은 개별 환자의 고유한 요구에 맞는 맞춤형 임플란트와 보철물을 만들 수 있습니다. 이는 환자의 결과를 개선하고 거부반응 및 기타 합병증 위험을 줄일 수 있습니다.
4. 대체 기관 : 바이오 3D 프린팅의 궁극적 목표 중 하나는 환자에게 이식할 수 있는 대체 장기를 만드는 것입니다. 이것은 아직 멀었지만, 연구자들은 간이나 심장 조직 등의 기능 조직과 장기 작성에 진보하고 있습니다.
5. 공간에서의 바이오프린트 : 우주에서의 독자적인 미소 중력 환경은 바이오 3D 인쇄의 새로운 기회를 제공할 가능성이 있습니다. 예를 들어 중력의 결여는 지구상에서 생산하기 어려운 더 크고 복잡한 구조물을 만드는 것을 가능하게 할 수 있습니다.
 
이런 것으로 볼 때 바이오 3D 프린팅의 미래는 매우 흥미롭고 의료, 바이오 테크놀로지 그리고 기타 분야에 혁명을 가져올 수 있습니다. 기술이 계속 진보하고 새로운 애플리케이션이 발견됨에 따라 앞으로 몇 년에서 수십 년 안에 더욱 놀라운 발전을 기대할 수 있습니다.
 
 

마치며

각막 손상의 환자에게 3D 프린터로 새 각막을 만들어 이식하거나 간이 망가진 환자에게는 돼지 간에서 추출한 부위 일부를 역시 3D 프린터로 오려 내여 붙이거나 혈관이나 피부도 마찬가지로 이식하는 등 멀게만 느껴졌던 일들이 세계 과학계에서는 이미 일어나고 있거나 눈앞에 두고 있습니다. 이젠 타인의 장기를 이식받기 위해 병원에서 막연하게 기다리는 일은 점점 줄어들 것으로 보고 있습니다.
바이오 프린팅의 선구자인 일본 도야마대 교수인 나카무라 마코토가 2008년 개발한 이 기술은 "20년 후쯤이면 실용화돼 장기이식 수술을 위한 '훌륭한 심장'을 대량 생산할 수 있을것"이라고 말했지만 10년가량이 이른 지금 이미 현실에서 서서히 나타나고 있습니다.
국내에서도 바이오 3D 프린팅 기술을 활용한 인공장기 개발 움직임이 활발하나 바이오 3D 프린팅의 윤리적인 문제와 규제 및 비용등의 연구자와 이해관계자 간의 문제점등을 풀어나가 곧 우리 앞으로 다가올 현실에 잘 대응해 내길 바랄 뿐입니다.