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연 구 결 과  개 요

※ 논문명 : Solid matrix-assisted printing for three-dimensional structuring of a viscoelastic medium surface

※ 저자명 :  현진호 교수(교신저자/서울대학교), 신성철(제1저자/서울대학교), 

             곽호정 (제2저자/서울대학교), 신동혁(제2저자/서울대학교)

 1. 연구의 필요성

 ○ 박테리아 셀룰로오스는 순도가 매우 높고 생체적합성이 우수해, 생체재료로서의 활용이 기대되고 있다. 이미 창상 드레싱제가 제품화되어 시장에 출시되어 있고, 뼈, 연골, 혈관 등의 재생을 위한 연구가 진행되고 있다. 박테리아 셀룰로오스 하이드로젤은 안정한 구조, 높은 기계적 강도, 저분자량 물질의 투과성, 기존의 방법을 통한 멸균 가능성, 높은 생체 적합성 등을 보여주고 있으며, 생체재료로서의 응용 가능성이 무한하다.

 ○ 박테리아 셀룰로오스는 박테리아의 대사산물로 생합성이 되는데 이때 산소를 필요로 한다. 현재까지 박테리아 셀룰로오스는 그 형태가 매트(mattt)로 제한될 수밖에 없었으며 이는 다양한 형태를 요구하는 분야로의 응용을 제한해 왔다. 따라서 박테리아 셀룰로오스를 3차원으로 프린팅할 수 있는 기술개발은 박테리아 셀룰로오스의 응용을 확장시킬 것으로 기대되며 패러다임의 변화를 가져올 수 있는 잠재력이 있다고 평가되고 있다. 

 ○ 현재까지 박테리아 셀룰로오스의 모양을 제어할 수 있는 기술로 가장 많이 사용되고 있는 방식은 몰드(mould)를 이용하는 방식이다. 몰드의 모양에 따라 표면에 생합성되는 박테리아 셀룰로오스 매트의 형태를 제어할 수 있으며 최근 벽면에도 산소가 공급되도록 설계한 몰드의 개발은 박테리아 셀룰로오스의 3차원 형태를 매트에서 벗어날 수 있게 하였다. 그러나 몰드를 이용하는 방식은 보다 복잡한 형태를 가지는 박테리아 셀룰로오스의 생합성에는 적합하지 않으며, 이를 발전시키기 위한 새로운 형태의 기술이 필요한 실정이다. 

 2. 연구내용 

 ○ 박테리아 셀룰로오스의 모양을 제어할 수 있는 새로운 기술인 고체 매트릭스 지지 3차원 인쇄 기술(solid matrix-assisted 3D printing, SMAP)을 제안했다. SMAP은 유동성이 높은 소수성의 고체 입자로 구성된 매트릭스 내부에 박테리아를 함유하는 잉크를 패터닝(patterning) 하는 기술로서 기존 프린팅 베드 위에 박테리아 잉크를 프린팅하는 기술과는 차별성이 있다. 

 ○ 박테리아 셀룰로오스의 생합성에는 산소가 충분한 환경이 요구되기 때문에 잉크를 프린팅 베드 위에 적층하는 방식으로는 전방향 생합성이 불가능한 반면 산소가 자유롭게 공급될 수 있는 고체 매트릭스 내부에서는 프린팅 된 잉크의 전 방향으로 박테리아 생합성을 유도할 수 있다. 

 ○ 셀룰로오스 나노섬유(CNF)가 포함된 하이드로젤에 글루콘아세토박터 자일리너스(Gluconacetobacter xylinus)를 접종해 프린팅 잉크를 제조했고 프린팅에 적합한 유변학적 특성을 제안했다. 고체 매트릭스로는 소수성이 우수하고 유동성이 있는 테플론(PTFE) 비드를 사용했다. 인쇄된 3D 구조물은 일정 기간 동안 배양되었고, 내재되어 있던 박테리아에 의한 생합성이 이루어지고 우수한 기계적 강도를 가지는 3차원 박테리아 셀룰로오스를 획득할 수 있었다. 

 ○ 박테리아 셀룰로오스는 프린팅 된 잉크의 전 방향으로 생합성이 이루어질 수 있기 때문에 속이 비어있는 박테리아 셀룰로오스 도관을 제조하는 것이 용이하며, 이는 인공혈관 및 신경도관으로의 응용성을 높여준다. 박테리아 셀룰로오스 도관의 생체적합성을 향상시키기 위한 전략으로 콜라겐 단백질을 섬유 표면에 도입해 세포의 부착 및 성장을 향상시킬 수 있다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 박테리아 셀룰로오스는 의료용 소재로의 응용 뿐 아니라, 우수한 물성을 바탕으로 종이, 식품, 전기, 연료 전지, 전자 종이 등 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있을 만큼 상품화 및 산업화에 대한 잠재성이 매우 높다. 

 ○ 그러나 이러한 우수한 응용가능성에도 불구하고 성형과 모양 제어가 어렵다는 점은 박테리아 셀룰로오스의 응용을 제한하는 가장 큰 요소로 작용해왔다. 

 ○ 현재까지 박테리아 셀룰로오스의 모양을 제어하는 기술은 매우 초보적인 단계였으며 SMAP기술은 박테리아 셀룰로오스의 모양을 제어하는 선도적인 전략으로 제시될 것이다. 

 ○ 특히 본 연구에서 제시한 박테리아 셀룰로오스의 모양들은 현재까지는 보고되지 않은 구현하기 가장 까다로운 형태였고, 박테리아 셀룰로오스 도관을 만드는 기술은 기존 몰드를 이용해 제조하는 방식과 비교했을 때 방법적으로 매우 간소화 되었으며 경제적 효과 또한 우수하다. 

 ○ 비교적 저비용으로 생산 가능한 소재로 상품화 및 기업 활용도가 높다고 여겨지며, 의료 분야의 주요한 고부가 가치 소재가 될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 인공관절, 인공혈관, 창상 피복제 등 조직공학 분야에서 박테리아 셀룰로오스의 활용도가 높을 것으로 예상되는바 고령화를 대비한 산업적 측면에서도 매우 유망한 소재로 성장할 것이라 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

박테리아 셀룰로오스는 높은 순도, 우수한 기계적 강도, 높은 생체적합성으로 인해 조직공학용 지지체로 활용 가능성이 높은 재료이다. 그러나 까다로운 생합성 조건으로 인해 3차원 형태가 매트에 머물러 있었다. 이는 박테리아 셀룰로오스의 생합성에 산소가 요구되고 배지와 공기의 계면에서만 생합성 되기 때문이다. 이에 본 연구진은 박테리아 셀룰로오스의 3차원 형태 제어 가능성과 잠재력을 발견하였고 3D 프린팅 기술에 주목하였다. 그러나 기존 프린팅 방식으로는 박테리아 셀룰로오스의 형태를 보다 복잡하게 제어하는 것이 어려웠는데 그 이유는 프린팅 베드에 잉크를 토출하면 산소가 공급될 수 없는 면이 형성되는 데 있었다. 본 연구진은 이러한 문제점들을 해결하기 위해 본 연구를 시작하게 되었다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

점탄성의 매트릭스 내부에 잉크를 3차원으로 프린팅하는 연구는 다양한 연구팀에서 전 세계적으로 수행되고 있으나 현재까지 고체 입자를 3D 프린팅 매트릭스로 사용하고자 한 연구는 보고된 바가 없다. 

본 연구팀은 박테리아 셀룰로오스의 3차원 형태를 다양화하기 위해 고체 입자 매트릭스 내부에 잉크를 인쇄하는 기술을 제안하였다. 이는 기존 3차원 인쇄가 프린팅 베드 위에 잉크를 적층하는 식으로 이루어지는 것과도 차별성이 있다. 박테리아 셀룰로오스를 생합성하는 박테리아를 함유하는 잉크를 프린팅 베드 위에 3D 프린팅 하는 경우 프린팅 베드와 잉크 사이에는 산소가 공급될 수 없어 박테리아 셀룰로오스의 생합성이 불가하다. 그러나 고체 입자 내부에 잉크를 3D 프린팅하면 산소가 잉크의 모든 방향에서 공급되어 박테리아 셀룰로오스의 생합성을 3차원에서 유도할 수 있다. 이러한 기술은 박테리아 셀룰로오스의 3차원 형태를 다양화할 수 있는 핵심기술로 평가된다. 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

박테리아 셀룰로오스는 높은 생체적합성으로 인해 현재 창상피복제뿐만 아니라 마스크팩 등으로 매우 광범위하게 활용되고 있다. 그 뿐만 아니라 높은 혈액 적합성으로 인해 인공혈관으로의 활용도가 지속적으로 연구되고 있다. 본 연구진이 개발한 3차원 인쇄기술을 적용하여 제조한 박테리아 셀룰로오스는 3차원 형태를 다양화할 수 있다는 장점으로 인해 보다 응용을 한층 더 넓힐 수 있을 것으로 기대된다. 특히 도관을 쉽게 제조할 수 있다는 특성은 박테리아 셀룰로오스로 하여금 인공 혈관, 신경관, 요로관 등으로의 활용성을 넓혀준다. 실용화를 위해서는 각각의 생체 기관을 대체하기 위한 보다 깊은 생체적합성 평가가 이루어져야 할 것으로 판단 된다. 또한 3차원 인쇄된 박테리아 셀룰로오스 도관의 조직공학용 지지체로의 활용을 위해서는 생체조직과 유사한 기계적 강도를 보이는지 여부도 평가되어야 한다. 

...................(계속)

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