바이오 프린팅의 현재와 미래(창의메이커스 필드)

제 2회 창의메이커스 필드 "3D Printing Medical"의 초청강연 두번째, '바이오 프린팅(bioprinting)의 현재와 미래'를 정리하는 포스팅입니다.


강연은 국립암센터 김광기 박사님께서 수고해주셨습니다.



현재 미국에서만 11만명이 넘는 환자들이 장기이식을 기다리고 있습니다만, 하루에 79명만이 장기이식을 받고 18명이 장기이식을 받지 못해 사망한다고 합니다. 


문제는 이 장기이식을 기다리는 환자들의 숫자가 점점 더 늘어난다는 것이지요. 그래서 이 문제의 해결방안으로 대두된 것이 바이오 프린팅입니다. 



바이오 프린팅의 개념은 예전에 나왔습니다만, 3D프린팅이 각광을 받게 되면서 함께 주목을 받기 시작한 부분도 없지 않아 있습니다. 1996년 세포들이 서로 함께 붙어 다닌다는 특성이 발견되었고 1998년 세포를 한층의 세포 시트(cell sheet)로 다루는 기술이 개발되면서 3D프린팅 개념을 적용한 바이오 프린팅의 가능성이 열리기 시작했습니다.


(출처 : http://3dprintingindustry.com/news/top-10-bioprinters-55699)


2002년 잉크젯 프린팅 방식을 사용한 바이오 프린팅이 현실화되었구요, 2009년 드디어 Novogen MMX라는 세계 최초의 상업용 바이오 프린터가 개발되었습니다.


같은 년도인 2009년 스캐폴드(scaffold)라는, 세포를 지지해주는 물질들 없이 혈관구조(scaffold-free vascular constructs)를 제작하는데 성공했구요. 2010년에는 In situ skin printing, 즉 동물실험에서 피부의 바이오 프린팅에 성공했습니다.


그리고 2014년, Multi-arm bioprinter를 사용해서 혈관구조를 포함하는 통합 조직 구조를 바이오 프린팅하는데까지 성공하였습니다.


2015년과 2016년 데이터가 없긴 하지만 여기까지가 근래까지의 바이오 프린팅의 발전역사입니다.



바이오 프린팅의 방식은 다양하게 개발되고 있으며 대표적인 방식이 바로 위의 3가지(laser-based, inkjet-based, extrusion-based)입니다. 


(출처 : http://www.nature.com/nbt/journal/v32/n8/fig_tab/nbt.2958_F2.html)


간단하게 설명하면, 레이저 방식은 레이저를 쏴서 세포를 원하는 위치에 떨어뜨리는 방식이구요, 잉크젯 방식은 우리가 일반적으로 사용하는 잉크젯 방식과 비슷하게 열(Thermal heater)이나 전기(Piezoelectric actuator)를 가해줌으로써 여기서 발생하는 기계적인 힘으로 세포를 이동시켜 프린팅하는 것이구요. 마지막으로 압출방식은 말 그대로 바이오 잉크가 담긴 튜브를 공기압이나 피스톤, 스크류같은 기계적인 힘으로 짜서 세포를 프린팅하는 것입니다. 


위의 슬라이드가 2011년에 구입한 노장 DMC-LX5로 줌을 땡겨서 찍은 것이라 잘 안보이시죠? 잠깐 고민을 했지만.. 논문도 다운받아지지 않아 공부도 할겸 그냥 타자로 치기로 했습니다ㅎ 뭐 약속도 없고 시간도 많고.....(주륵)


 

Laser-based 

Inkjet-based 

Extrusion-based 

Resolution 

 high

medium

medium-low 

 Droplet size

> 20 micron 

50-300 micron

100 micron ~ 1mm 

Accuracy 

 high

medium

medium-low 

Materials 

cells in media

liquids, hydrogels 

hydrogels, cell aggregates 

Commercial availability 

 No

Yes

Yes

 Multicellular feasibility

 Yes

 Yes

 Yes

Mechanical/structural integrity 

 low

low

high 

Fabrication time 

 long

long-medium

short 

 Cell viability

medium

high

medium-high 

 Processing modes

optical

thermal and mechanical 

mechanical, thermal and chemical 

Throughput 

 low-medium

 high

 medium

Control of single-cell printing 

 high

 low

 medium

Hydrogel viscosity

 medium

low

high 

Gelation speed 

 high

 high

medium 

Advantages 

 high accuracy, single cell manipulation, high-viscosity material

affordable, versatile

multiple compositions, good mechanical properties 

Disadvantages 

cell-unfriendly, low scalability, low viscosity prevents build-up in 3D 

low viscosity prevents build-up in 3D, low strength 

shear stress on nozzle tip wall, limited biomaterial used, relatively low accuracy 


각 바이오 프린팅 방식들은 이런 특성들을 가지고 있다고 하네요. 매우 간략하게 요약하면, 레이저 방식은 높은 정확도를 자랑하고 하나의 세포도 컨트롤할 수 있지만 세포에 무리를 줄 수 있따는 단점이 있고 3D로 크게 쌓기 어렵다는 단점이 있구요. 잉크젯 방식은 저렴하고 다양하게 이용가능하지만 3D로 크게 쌓기 어렵고 강도가 약하다는 단점이 있네요. 그리고 압출 방식은 한번 출력할 때 여러 물질로 출력되도록 구성할 수 있고 출력물이 기계학적으로 안정적인 특성을 가지지만 상대적으로 정확도가 낮고 노즐 끝에서 세포에 전단응력이 가해지게 되며 사용할 수 있는 재료가 한정적이라는 단점이 있네요. 



현재 바이오 프린팅은 여러 방면에서 다양하게 발전되고 있구요. 2011년 Wake Forest Institute에서 비록 실제 작동하는 장기는 아니지만 인간의 세포를 사용하여 7시간 동안 신장을 제작하는데 성공했다고 합니다.



그리고 기존 배지에서 평면적으로 세포를 배양하는 2D 방식과 3차원적으로 세포를 배양하는 3D 방식을 비교하는 연구들도 진행되고 있는데요, 3차원적으로 세포를 배양하는 방식이 훨씬 세포 생존률 등에서 앞섰다는 결과들도 많이 나와서, 바이오 프린팅의 새로운 가능성을 열어주고 있다고 하네요. 



앞으로 바이오 프린팅이 어떻게 발전할지를 요약한 슬라이드입니다. 2015년에 출간된 저널에서 따오셨더라구요. 



좀더 해상도 높은 요약본입니다. 앞으로 3~5년 뒤면 심장이나 신장같은 주요 장기에서의 조직들이 교체가 시도될 것이며 엉덩관절이나 무릎관절은 환자 맞춤형으로 3D프린팅되서 교체수술이 이루어질 것이라고 하네요. 


그리고 앞으로 5~10년 뒤면 바이오 프린팅된 기관들이 저렴한 가격에 구할 수 있을 것이며 우리 신체의 모든 부위가 바이오 프린팅이 가능해져서 교체될 수 있을 것이라고 합니다.


물론.. 개인적인 생각으로 위의 예측은 아주 발전이 빠를 때를 말하는 것 같습니다. 벌써 2016년인데 말이죠. 연자분께서도 바이오 프린팅으로 기관을 교체하는 등의 수술이 가능해질 미래는 약 50~100년 정도 후가 아닐까 생각한다고 하시더군요. 




바이오 프린팅의 현재 발전단계와 미래 발전 가능성을 엿볼 수 있었던 강연이었습니다. 계속 바이오 프린팅 분야가 계속 발전해나간다면 정말로 영화에서 일어났었던 일들이 실제 현실이 될지도 모르겠습니다. 단! 매우 훗날의 일이겠지만 말이죠ㅎ


다음 포스팅에서 다룰 초청강연 주제는 '금속 3D프린팅 원천 및 응용기술'입니다.


이제까지 메이드인네버랜드였습니다. 


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