Special 소재산업 제조혁신을 위한 3D 프린팅 기술개발 동향(1)
3D 프린팅 바이오소재 개발 동향 및 전망

이헌주_(주)로킷헬스케어 바이오 본부장

1. 개요

외상(外傷)으로 인한 조직이나 장기의 손상, 혹은 병에 걸려 수술로 제거해 버린 인체조직을 대체할 인공조직이나 인공장기에 대한 기술은 지난 수 십 년 동안 비약적인 발전을 해왔고, 그 동안 여러 가지 방법으로 이식(移植)이나 치료를 통해서 인간장기의 기능보조(補租)에 이용되어 왔다. 인공심장은 혈액을 계속적으로 순환시켜 주는 기능을, 인공관절은 몸을 지탱하고 움직일 수 있는 기능을, 인공피부는 손상된 피부조직을 대신하여 그 기능을 수행할 수 있도록 설계되고 적용된 기능보조 인공 장기의 한 예라 할 수 있다. 그러나 최근에는 이러한 기능 보조(補租)에서 한 걸음 더 나아가 기능 치환(置換)을 가능하게 하는 일을 목표로 재생장기나 대용장기가 되는 인공조직/장기의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
 인공장기는 그 개발 순서에 따라, 크게 세 가지 종류로 분류할 수 있는데, 기계장치 등을 이용하여 특수 장기의 기능성을 재현하는 문자 그대로의 인공장기, 재생의학 (Tissue Engineering)으로부터 만들어지는 재생장기, 모든 장기를 하나의 세포로부터 배양하여 특정 조직이나 장기를 생산하는 인공장기로 나눌 수 있다. 이들 세 종류의 인공장기는 대부분 대략적인 순서에 따라 과거, 현재, 미래의 인공장기로 단계적인 연구 개발 및 실용화가 진행되고 있다.
 최근 줄기세포를 이용한 자가세포복제기술과 3D 프린팅과 같은 맞춤형 3차원 형상구현 기술이 소개되고 연구가 진행됨에 따라, 지지체(Scaffold)를 제작하고 세포를 배양하여 인체대체 물질로 사용하려는 시도가 진행 중에 있다. 실제로, 환자 자신의 몸에서 필요한 조직을 분리하여 세포를 배양한 다음 생체재료에 심어 일정기간 체외 배양한 후, 체내로 이식하는 방식으로, 80년대 미국 메사추세츠공과대학(MIT)에서 화상환자를 위한 인공피부를 제작한 적이 있으며, 조직공학(Tissue Engineering)과 함께 생체조형기술(Bio-fabrication)이라는 새로운 학문으로 부각되기 시작하면서 활발한 연구가 진행되고 있다. 이러한 방식은 줄기세포를 이용하여 체외에서 생체조직과 장기를 만든 후 이식함으로써 인간복제에서 일어날 수 있는 윤리적, 사회적 문제를 극복 할 수 있기에 더더욱 관심이 집중되고 있다.
 수년간 전 세계 전문가 그룹에서 연구를 진행해 결과, 생체재료나 살아있는 세포를 이용하여 인공조직이나 장기를 바이오 3D 프린터를 이용하여 제작하는 부분은 이미 선택이 아닌 필수 요소가 되어 버렸고, 기존의 실제 장기와 동일한 모양의 복제품을 만든 후 치환하고자하는 접근 보다는, 세포를 포함한 구조물이 일정기간 배양 후 인체에 삽입이 되거나, 아니면 구조체 제작 즉시 인체에 삽입하여 인체 내에서 생착이 잘 될 수 있는 환경을 제공하는 목적으로 바이오 3D 프린터를 이용하는 시도가 늘고 있다.
 기능적으로 완벽한 조직이나 장기로 재생시키기 위해서는 줄기세포, 기계적 물성, 세포의 종류, 세포의 밀도, 세포의 분포도, 세포 생존율, 이를 위한 생체재료의 종류 및 환경 등이 모두 적절히 갖추어 져야하며, 적절한 타이밍에 이식되고 생착이 되어야 한다. 본 서에서는 이러한 현재 재생의학이 기초가 되는 ‘3D 프린팅 바이오 소재의 개발 동향과 전망’에 대해 다루고자 한다.

그림1. 성공적인 조직공학을 위한 3요소(바이오소재, 줄기세포, 시그널물질)

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