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2018.12.13 목 15:36
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‘진화하는 3D 바이오프린팅’ -현실과 과제-
아주대학교 의과대학 신유섭
2018년 07월 13일 (금) 14:59:30 메드월드뉴스 webmaster@medworld.co.kr
   
▲ 아주대학교 의과대학 신유섭 교수
체는 놀라운 재생능력을 가지고 있지만, 재생은 결손 조직의 종류나 크기 및 조절인자 등의 요인에 의해 제한될 수 있다. 장기 (organ)나 조직 (tissue)의 결손은 환자들의 삶의 질에 지대한 영향을 미치는 질환이나, 아직까지 현대의학이 해결하지 못한 커다란 숙제이다.
 
 이식가능한 장기의 공급이 매우 제한적인 현실을 고려하면, 기능을 상실한 인체를 대체하거나 복원하기 위해 인공대체품을 개발하는 조직공학 (tissue engineering), 재생의학 (regenerative medicine)은 떠오르는 대안이라 할 수 있겠다. 조직공학, 재생의학은 기존의 약물치료나 수술적 치료로는 해결될 수 없는 손상된 조직이나 기능을 잃은 장기를 다양한 의학-생명과학-공학적인 방법을 이용하여 재생시키는 방법을 연구하고 있다. 
 
이중 최근 각광받고 있는 3D 바이오프린팅의 경우, 과거 공업적 기술을 생명과학의 영역에 받아들여, 의학분야, 생명분야에 적용함으로써 새로운 임플란트나 지지체 (scaffold)를 개발하는 방법을 말한다. 
 
세계적으로 다양한 장기들이 3D 바이오프린팅 기술을 이용하여 개발되고 있다. 혈관, 근육, 연골, 골조직, 및 피부 뿐만 아니라 최근 들어서는 복잡한 구조와 기능을 가지는 간, 콩팥조직에 이르기까지 다양한 장기에서 대체 장기를 개발하고자 하는 노력이 진행되고 있고 가시적인 성과를 보이고 있다. 하지만 아직까지 임상에서 실제로 적용이 된 예는 없다. 단순 기술 개발을 넘어서 실제 환자들에게 적용되어 환자들의 결손된 장기를 대체하려면 아직까지는 넘어야 할 장애물들이 많이 있는 것이 사실이다.
 
3D 바이오프린팅은 세포, 성장인자, 바이오스캐폴드를 포함한 생물학적 프린팅시스템을 필요로 한다. 3D 바이오프린팅에 사용되는 지지체, 바이오잉크 (bioink)는 3D 프린터를 통해 인쇄가 가능해야 하며 (printable), 세포독성이 없어야 하고 (non-cytotoxic), 생체 내에서 적절히 분해되어야 한다 (biodegrable). 세포와 성장인자를 포함하는 3D 바이오프린팅에서 바이오잉크의 선택은 핵심적인 사항이지만, 아직까지 사용가능한 바이오잉크는 매우 제한적이다. 현재 3D 바이오프린팅에 있어 가장 큰 장벽은 적절한 생체적합성과 물리적강도를 동시에 갖춘 바이오잉크를 개발하는 것이라 하겠다. 
 
일반적으로 하이드로젤 (hydrogel), 마이크로 캐리어, 탈세포화 과정을 거친 세포외기질(extracellular matrix) 등을 사용하며, 지지체가 없이 세포집합체를 바이오잉크로 사용하기도 한다. 바이오잉크는 프린터를 통해 적절히 분사되어 구조를 유지해야하는 물리적인 특성 외에도 프린팅된 후 세포의 생착 (viability & adhesion), 분화 (differentiation)를 이끌어내 원하는 조직을 재생해낼 능력을 가져야한다. 바이오잉크의 점-탄성, 작용기 (functional group), 표면 형상 등이 세포의 생착 및 분화에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 
 
바이오잉크의 물리적 특성은 다양하고, 복잡한 3차원 구조체를 프린팅하는데 중요한 특성이다. 즉 프린터 노즐로부터 액체 형태로 배출되었다가 적층이 된 이후에는 프린팅된 형태를 유지할 수 있는 강도를 지녀야 한다. 또한 세포를 안정적으로 프린팅하고 조직을 재생시키기 위해선 세포 상호간 그리고 세포와 바이오잉크 간의 상호작용, 조절인자의 기능을 유지, 프린팅된 구조체 안의 신생혈관생성, 세포의 분화를 조절해야 하는 능력을 가져야 한다. 
 
하지만 안타깝게도 현재까지 이와 같은 조건들을 완벽하게 만족하는 바이오잉크는 개발되지 못하였다. 현재까지 바이오잉크 개발은 걸음마 단계에서 진행되고 있다. 3D 바이오프린팅에서 앞으로의 핵심과제는 다양한 조직과 기관 맞춤형 세포외기질 모사 바이오잉크를 개발하는 것이라 할 것이다.
 
화학-재료공학, 기계공학, 의학, 생물학 등의 최첨단 기술이 융합된 3D 바이오프린팅 기술은 개발로부터 약 10여년의 짧은 역사를 가지고 있음에도 불구하고 최근 많은 결과를 도출하고 있다. 더불어 다양한 연구배경을 가지고 있는 연구자들이 학제 간 연구를 바탕으로 활발한 교류를 진행하고 있다. 아직 해결해야 할 난제들이 많이 존재하긴 하지만 이러한 적극적인 연구의 결과물들이 가까운 미래에 인류에게 적용되기를 기대한다.
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