바이오인

 3D 바이오프린팅 기술

3차원 바이오프린팅 공정을 통한 인공조직/장기 제작 연구의 동향 및 전망

임호섭 / 한국기계연구원 바이오기계연구실 선임연구원

◈본문

1. 서론

3차원 프린팅 기술은 인공지능(AI, Artificial Intelligence)와 빅데이터 등 정보를 기반으로 한 디지털 기술과 자율주행 자동차, 로봇 등을 만드는 물리적 기술로 4차 산업혁명 시대에 새로운 혁신을 가져올 차세대 기술로 주목을 받고 있다. 신소재와 디지털 정보를 기반으로 3차원 프린팅 기술은 미국 기준, 2022년 129억 6천만 달러로 평가되었으며 2030년에는 480억 5천만 달러로 연평균 성장률 17.8%로 예상되고 있다. 또한 3차원 바이오프린팅 기술은 바이오테크놀러지, 즉 생물학적 기술과 융합되어 새로운 미래 성장 동력으로 급부상하고 있다. 3차원 바이오프린팅 관련 제품의 글로벌 시장 규모는 2021년 17억 달러로 평가되었으며 2029년까지 15.8% 이상 성장할 것으로 전망하고 있다(그림 1). 3차원 바이오프린팅 기술은 3차원 프린팅 기술과 같이 컴퓨터를 이용한 설계 모델을 기반으로 3차원 이미지 및 프린팅 경로를 생성하고, 이를 세포와 생체 재료를 조합하여 삼차원 구조의 조직을 형성한다. 바이오프린팅에서 핵심적인 요소이자 기존 프린팅 기술과 가장 큰 차이는 프린팅하는 재료에 있다. 기존 프린팅 기술이 금속이나 플라스틱을 이용하는 반면에, 3차원 바이오프린팅 기술에서는 살아있는 세포, 생체 재료, 그리고 바이오 분자를 함께 사용하여 다양한 특성을 갖춘 바이오잉크를 이용한다 [1,2].

[그림 1] 미국 3차원 바이오프린팅 시장 전망 

출처 : Market analysis report

현재 사용되는 바이오잉크에는 수화젤, 마이크로 캐리어, 그리고 세포가 제거된 세포외기질 등이 함유되어 있으며, 이러한 재료는 조직공학과 재생의학 분야에서 다양한 용도로 활용되고 있다. 최근에는 바이오잉크의 특성과 다양한 제품의 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이러한 혁신적인 제품들이 현대 의료산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있다.

바이오잉크 개발과 함께 3차원 바이오프린팅 기술의 발전은 세 단계로 구분할 수 있다. 90년대 중반부터 시작된 첫 번째 단계는 일반적인 3차원 프린팅 기술에 대한 단계로 의료 모델 제작이나 체외에서 사용되는 장비나 도구 제작을 위해 기술이 활용되었다. 두 번째 단계는 2000년대 이후로 체내 이식이 가능한 구조물을 3차원 프린터를 통해 제작하기 시작하였다. 이 시기에는 영구적으로 사용할 수 있는 인공 관절이나 이식할 수 있는 금속 구조물 제작 등이 시도되었으나, 기술적 한계로 생체적합성 재료의 사용은 제한되었다. 그러나 이러한 기술은 현재까지 국내·외의 다양한 연구기관과 병원에서 꾸준히 발전되어 임상에서도 사용되고 있으며, 환자 맞춤형 이식재 개발 사례로도 발표되고 있다. 마지막 단계는 본 글에서 중점적으로 다루는 생체적합성과 생분해성을 갖는 재료를 사용한 3차원 바이오프린팅 공정이 개발된 시기로 인공 조직이나 장기 재생에 널리 활용되는데, 이 과정에는 세포 배양 및 조직 재생 과정에 필요한 3차원 구조물인 스케폴드 제작부터, 살아있는 세포의 프린팅 기술을 포함하고 있다 (그림 2).

[그림 2] 3차원 바이오프린팅 기술의 발전 과정 모식도 

출처 : Bioactive Materials, 32, 356-384, 2024

3차원 바이오프린팅 기술은 혁신적인 의료 기술로 인간의 삶을 혁신하고 있다. 아직 전 세계적으로 3D 바이오프린팅 기술을 활용한 인공장기 상용화 사례는 없지만, 수년 내에 일부 기술이 상용화될 것으로 예상된다. 10~15년 후에는 직접 이식이 가능할 것으로 보이는 시각도 있다. 실제로 미국의 생명공학 기업 오가노보는 2013년에 인공 간 제작에 성공했으며, 웨이크 포리스트 재생의학 연구소 연구팀은 제작한 초소형 간과 심장이 전기 자극에 반응하는 성과를 발표하였다. 또한 중국의 레보텍은 2016년 원숭이 줄기세포를 사용하여 혈관을 프린팅하고 성공적으로 이식한 사례가 있다. 국내에서도 포스텍은 2016년 세계 최초 인공 근육 제작에 성공한 상태이다. 이 기술은 인체 조직 및 기관을 대체하고 재생하는 데 중요한 역할을 하고 있으며, 특히 제품의 생산 재현성이 높고 개인 맞춤형 제품으로 생산할 수 있어 조직공학과 재생의학 분야에서 주목받고 있다. 또한 다양한 제품을 소량 생산할 수 있는 핵심기술이기 때문에 부가가치 산업 창출 등 파급 효과도 클 것으로 기대된다.

2. 3차원 바이오프린팅 공정 방식

바이오소재, 의공학, 3차원 프린팅 기술 등 융복합 학문 분야의 발전과 함께 3차원 바이오프린팅 기술은 지속적으로 발전 중이다. 3차원 바이오프린팅에서 가장 대표적으로 쓰이는 생체 재료 프린팅 방식으로는 잉크젯, 레이저, 그리고 토출 기반 방식으로 나눌 수 있다.

가. 잉크젯 기반 프린팅 방식

세포 패터닝을 처음 시도했던 방식은 기존 프린팅 방식에서 가장 많이 쓰이는 잉크젯 프린팅 기법을 통해 구현되었다[3, 4]. 기존 잉크젯 프린터의 카트리지에서 잉크를 제거한 뒤 바이오소재와 세포로 이루어진 바이오잉크를 삽입하고 종이의 역할을 움직이는 스테이지로 교체하여 프린팅하는 연구가 발표되었다. 잉크젯 방식은 아래 그림과 같이 열 엑추에이터 혹은 압전 소자를 이용해 만들어진 작은 크기의 잉크 방울을 이용해 패터닝하는 방식이다. 일반적으로 열을 사용하기 때문에 높은 온도가 세포에 영향을 미칠 것이라 생각 할 수 있지만, 약 2 s 정도의 짧은 시간 동안에만 열에 노출되어 세포 생존능에 영향을 주지 않는다고 밝혀졌다. 이에 많은 연구자들이 기존에 많이 사용하였던 잉크젯 프린터를 이용하여 세포 프린팅을 시도하였다. 하지만, 잉크젯 기반의 프린팅 기법은 작은 방울 단위로 바이오잉크 용액을 떼어내서 패터닝을 해야 하기 때문에 낮은 점성의 바이오잉크(10 mPa.S 미만)를 사용해야 하고, 낮은 세포 농도( cells/ml 미만)를 사용해야 하는 단점이 있다 [5]. 따라서, 낮은 점도를 가지면서 생체적합성이 높은 재료를 사용해야 한다는 재료적 한계를 가지고 있다. 이에, 주로 알지네이트, 폴리아크릴레이트 등과 같은 재료가 사용되지만, 이러한 재료적 한계는 폭넓은 바이오프린팅 기술의 응용 분야에 모두 적용시키는 것에 크게 문제가 된다. 더욱이, 낮은 세포 농도를 갖는 바이오잉크를 미세 액적 형태로 분주하기 때문에 3차원 구조를 만드는 것에 많은 시간이 필요하고 장기간 사용 시 고온에 의한 바이오잉크 증발과 버블이 발생하는 한계점이 있다.

[그림 3] 잉크젯 기반 프린팅 방식 

출처 : Asian Journal of Phamaceutical Sciences, 15, 529-557, 2020

나. 레이저 기반 프린팅 방식

레이저 기반 프린팅 방식은 펄스된 레이저 빔을 유리나 석영 기판, 흡수층과 바이오잉크 층으로 구성된 장치에 조사하여 패터닝하는 원리를 사용한다(그림 4). 이러한 방식은 광 조형(steriolithography) 기술로 불리며, 현재까지 대표적인 3차원 프린팅 기법으로 사용되고 있다. 다른 방식과는 다르게 노즐이 필요 없기 때문에, 노즐에서 야기될 수 있는 전단 응력의 영향을 고려하지 않아도 되고 노즐 막힘 현상이 없다는 장점을 가지고 있다[6-8]. 레이저 기반 프린팅 방식은 바이오잉크를 액적으로 분출시켜 원하는 형상을 패터닝할 수도 있고, 필요 국소 부위에만 광 경화를 유도하여 3차원 구조체를 연속적으로 제작할 수 있다. 해당 방식은 주로 1-300 mPa.s의 점성과 cells/ml의 세포농도를 가진 바이오잉크를 사용할 수 있다고 알려져 있다. 또한 레이저의 특성에 따라 레이저 기반 3차원 프린터는 나노미터 단위의 가공 분해능을 가질 수 있으나, 바이오프린팅 측면에서는 생체적합성이 높으면서 광 경화 반응을 일으켜야 한다는 재료적 한계로 인해 10-100 m 정도의 해상도를 가진다고 보고 된다 [5]. 또한, 레이저를 이용하는 경화 가공 공정상 다양한 종류의 재료를 동시에 활용하는 것이 어렵기 때문에, 다양한 종류의 세포를 동시에 사용하는 경우가 대부분인 바이오프린팅 공정 측면에서 넓게 활용되기에는 분명한 한계가 있다.

[그림 4] 레이저 기반 프린팅 방식 

출처 : Asian Journal of Pharmaceutical Sciences, 15, 529-557, 2020

다. 토출 기반 프린팅 방식

현재 3차원 바이오프린팅 기술에서 가장 널리 활용되고 있는 프린팅 방식은 토출 기반 프린팅 방식이다. 아래 그림과 같이 공압, 피스톤, 스크류 방식의 디스펜서와 이를 3축으로 이동시켜주는 스테이지로 구성되어 있다. 또한, 디스펜서 끝에 노즐을 달아서 사용하기 때문에 디스펜서에서 밀어주는 힘을 바탕으로 주사기에 들어있는 바이오잉크가 원하는 직경의 마이크로 노즐에서 토출되는 방식이다. 바이오잉크의 점도와 세포의 종류에 구애받지 않고 대부분 활용 가능하기 때문에 조직 및 장기 재생에 가장 활용 빈도가 높다. 또한, 마이크로 노즐을 이용하기 때문에 작은 구조체부터 3차원 구조체를 제작하는 것이 용이하고, 여러 개의 헤드를 병렬로 이어 붙여 동시에 활용할 수 있어 서로 다른 종류의 생체 재료로 구성된 바이오잉크로 구조체 제작이 가능하다. 하지만, 초창기 토출 기반 방식은 다른 프린팅 방식과 마찬가지로 하이드로젤 기반의 바이오잉크를 사용하기 때문에, 물성의 한계로 인해 조직이나 장기를 구현하는 것에 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위해 생체적합성이 뛰어난 플라스틱 소재를 생체 재료와 동시에 사용하는 3차원 하이브리드 바이오프린팅 기술이 떠오르고 있다. 이와 같은 방식을 적절히 응용한 연구자들은 세포의 특성을 살리면서도 기계적 물성을 유지하여 바이오잉크를 프린팅함으로써, 인공장기(심장, 간, 식도, 귀, 뇌 등)나 조직을 제작한 다수의 연구 성과를 발표하고 있다.

[그림 5] 토출 기반 프린팅 방식

 출처 : Asian Journal of Pharmaceutical Sciences, 15, 529-557, 2020

3. 3차원 바이오프린팅 기술 적용 사례 및 기술 현황

대표적인 국내·외 연구결과를 살펴보면, 미국 하버드 대학에서는 심장세포를 프린팅하여 제작된 심근조직의 수축력을 분석하는 장치를 제작한 바 있다[9]. 이 연구팀의 성과는 세포를 프린팅하여 조직화했을 뿐만 아니라 심장 박동 센서 기능까지 탑재된 구조물을 제작했다는 점에서 의의가 크다. 국내의 서울성모병원에서는 포항공과대학교와 협업하여 혈관화를 촉진시키는 심근 패치를 제작하였다. 이 패치는 심장 및 혈관 줄기세포를 3차원 바이오프린팅 기술을 통해 패터닝하여 제작하였으며, 심근 경색 부위에 부착하여 심장 효능 향상을 모니터링하였다[10].

[그림 6] 3차원 바이오프린팅을 이용한 인공 심장 조직(좌), 심장 및 혈관 패치(우) 

출처 : [9,10]

또한, 미국 웨이크포레스트 재생의학연구소는 토출 기반의 3차원 바이오프린팅 기술을 활용하여 인공 귀를 제작한 연구 결과를 발표하였다. 인공 귀는 토끼의 귀로부터 분리된 연골 세포를 사용하여 제작되었으며, 실제 인체 귀와 비슷한 유연한 특성을 가지고 있다. 해당 연구팀에서는 제작한 사람의 인공 귀를 쥐에 이식하는 실험까지 성공하였다[11]. 나아가, 인공 귀뿐만 아니라 인공 근육 및 뼈의 제작을 수행하였으며, 인공 근육의 경우에는 15 x 15 x 15 mm 규격의 대면적 인공 근육 제작에 성공하였고 이를 이식하는 동물실험까지 진행한 바 있다 [12].

[그림 7] 3차원 바이오프린팅을 이용한 인공 귀(좌)와, 근육(우) 제작 

출처 : [11,12]

포항공과대학교에서는 탈세포 공정기법을 개발하여, 장기 유래 세포외 기질을 기반으로 한 새로운 바이오잉크를 개발하였다. 탈세포 공정을 진행하게 되면, 이식에서 가장 중요한 부분인 면역 거부 반응을 야기하는 세포들만 제거할 수 있으면서도 높은 생체적합성을 유지할 수 있다. 해당 연구팀은 심장, 췌장, 연골 조직으로부터 유래된 바이오잉크 개발을 통해 이식된 세포의 기능을 극대화할 수 있는 인공장기 제작 가능성을 제시하였다[13].

또한, 다양한 종류의 세포를 동시에 프린팅할 수 있는 3차원 바이오프린팅 기술의 장점을 살려 여러 종류의 세포층으로 이루어진 피부조직을 제작하는 연구도 진행하였다. 포항공과대학교 연구팀은 국내 회사인 티앤알바이오팹과 협업하여 표피와 진피, 그리고 더 아래에 있는 혈관과 피하 지방층까지 포함된 전층 인공 피부를 개발하였다[14]. 2023년에는 각질 세포를 포함한 젤라틴 기반 희생층을 토출 기반 방식의 3차원 바이오프린팅 기술 개발함으로써, 공기 중에 노출된 각질 세포가 진피에 융합된 균일하고 단층화된 표피층을 최초로 제작하였다[15].

[그림 8] 3차원 바이오프린팅을 이용한 다층 피부조직 제작 

출처 : [14,15]

한국기계연구원에서는 국내 회사인 로킷, 한국과학기술연구원, 분당서울대병원, 한양대학교와 협업하여 토출 기반의 3차원 바이오프린팅 기술을 이용하여 환자의 상처 부위에 직접 피부 세포를 프린팅하는 연구를 보고하였다. 해당 연구는 체외에서 피부 세포의 조직화를 하지 않고 상처나 이식이 필요한 부위에 직접 프린팅함으로써, 이식 시간 단축 및 이식 효과 증대를 기대한다. 또한, 스캐너를 프린팅 헤드 옆에 장착하여 환부의 크기, 깊이 등을 파악하고 자동으로 프린팅 영역을 측정할 수 있으며, 곡면에서도 손상된 피부 표면을 따라 프린팅이 가능한 공정을 개발하였다.

[그림 9] 3차원 바이오프린팅을 이용한 인공 피부 프린팅 시스템(좌), 프린팅 공정(우) 

출처 : 한국기계연구원 바이오기계연구실

최근에는 바이오프린팅 기술을 로봇팔에 응용하는 사례도 보고되었다. 중국과학기술대학에서는 아래 그림과 같이 로봇팔에 토출 기반 방식의 디스펜서를 장착함으로써, 6 자유도를 갖는 바이오프린터를 개발하였다. 해당 연구팀은 3차원 바이오프린팅 기법으로 제작하기 어려운 복잡한 혈관이나 장기를 제작할 때 개발된 6 자유도 로봇팔 기반 바이오프린팅 기술이 크게 기여할 것으로 기대하였다[16].

[그림 10] 로봇팔 기반의 6 자유도 바이오프린터 개발 

출처 : [16]

이러한 기술의 발전에 힘입어 다수의 국내·외 기업들 또한 3차원 바이오프린터와 바이오잉크에 대한 상용화와 산업 고도화에 많은 투자 및 연구 개발을 하고 있다. 주로, 3차원 바이오프린팅 기술과 의료산업을 접목한 융합 기술 개발에 초점을 맞춰, 환자 맞춤형 의료 및 보조기기, 인공장기와 조직 제작을 위한 3차원 바이오프린팅 기술과 높은 생체적합성 및 세포 생존능을 확보할 수 있는 바이오잉크 개발을 목적으로 한다.

[표 1] 세계 상위 20개 3차원 바이오프린팅 회사 리스트

출처 : https://www.inven.ai/company-lists/top-28-bioprinting-companies

4. 결론 및 전망

3차원 바이오프린팅 기술은 의료 분야뿐만 아니라 식품 산업, 환경 보호, 에너지 산업 등 다양한 분야에서 활용되며 그 중요성을 드러내고 있다. 식품 산업에서는 소비자 맞춤형 대체 식품의 제작이 가능하며, 식물성 단백질을 활용한 인공육류, 대체육의 생산이 연구되고 있다. 환경 보호와 에너지 산업에서도 바이오프린팅은 주목받는 기술로, 바이오연료 및 생분해성 폐기물의 생산을 통해 친환경적이고 지속 가능한 에너지 소재 개발에 기여하고 있다.

현재 연구 동향을 미루어 보았을 때, 3차원 바이오프린팅 기술에 대한 지속적인 투자와 혁신을 통해 이 기술이 더욱 보편화될 것이라는 전망이 가능하다. 의료 서비스 개선과 신약 개발을 위해 병원이 투자를 아끼지 않아야 하겠지만, 이 기술이 현재의 성장세를 유지한다면 투자 대비 높은 가치를 제공할 것으로 예상된다. 그러나 기술 발전에 따라 용어 표준화와 세계 각국의 식품의약국이 3차원 바이오프린팅으로 개발된 의약품의 안전성과 효율성을 보장하기 위한 새로운 규제 프레임워크를 마련해야 할 필요가 있다.

또한, 현재의 생체 재료와 3차원 바이오프린팅 기술의 급속한 발전은 바이오소재의 합성 및 혼합, 프린팅 공정 변수 최적화, 프린팅 결과물의 평가와 예측 연구를 수행하는 연구자들에게 상당한 작업 부담을 줄 수 있다. 이러한 방대한 데이터를 효율적으로 처리하기 위해, 수학적 모델이나 과학적 방정식만으로는 한계가 있으며, 딥러닝과 머신러닝과 같은 인공지능 기술이 유망한 해결책으로 제시된다. 이미 이러한 기술들은 1) 재료 특성 분석 및 혼합 예측 모델링을 통한 바이오잉크 개발, 2) 프린팅 최적화를 위한 프린팅 패스(path) 설계 및 공정 조건 변수 최적화, 3) 복잡한 체내 조직과 장기의 구조 예측 및 설계, 4) 프린팅 품질 관리 및 공정 모니터링, 5) 프린팅 데이터 분석 및 예측을 통한 바이오잉크 구성 최적화 등에서 주목할 만한 성과를 이루고 있다.

이처럼, 3차원 바이오프린팅 기술은 다학제적 접근을 필요로 하는 공학적 기술과 바이오 지식의 융합으로, 단위세포를 활용해 인공 조직 및 장기를 제작하는 가장 진보된 기술 중 하나로 자리매김하고 있다. 이에 인공지능 기술과의 통합 및 고도화까지 이루어진다면, 머지않아 현재는 상상에 불과한 미래 의료 기술의 구현이 가능한 인공 조직 및 장기 프린팅 기술의 개발이 현실화될 것으로 기대된다.