인사이드 3D프린팅 2016 컨퍼런스 : 바이오 3D프린팅, 조직 공학과 재생 의학의 새로운 개척자

인사이드 3D프린팅 2016 컨퍼런스 메디컬 트랙에서의 오전 마지막 세번째 연제는 [바이오 3D프린팅, 조직 공학과 재생 의학의 새로운 개척자(Bio 3D Printing for Tissue Engineering and Regenerative Medicine)]입니다. 

연자는 한림대의료원 이비인후두경부외과 교수님이시자, 나노바이오 재생의학 연구소 소장님이신 박찬흠 교수님이십니다.

3D bioprinting은 궁극적으로 실제 임상에 적용할 수 있는 살아있는 조직이나 기관의 구성물들을 3D프린팅하는 것을 뜻합니다. 

바이오 3D프린팅 물질은 크게 2가지로 나눌 수 있는데, 이전에 포스팅했던 티타늄 메쉬 등 세포가 포함되지 않는 Acellular-based system과, 실제적으로 세포가 포함이 되는 Cellular-based system이 바로 그것입니다. 

특히 Cellular-based system인 경우 cell가 안정되야 하기 때문에 3D프린팅 물질이 수분을 함유하고 있어야 한다는군요. 

연자분께서 계시는 한림대 의료원은 실제 바이오 3D프린터를 보유하고 있어 이와 관련된 여러가지 실험을 진행중이라고 하셨습니다. 

바이오 3D프린터는 여러 분야에서 개발 및 실험중인데요. 위와 같이 바이오 3D프린팅한 기관(trachea)의 실제 구성을 자세히 확인하기도 하고..

바이오 3D프린팅을 이용해서 쥐의 인공 식도를 만들어서 실제 쥐에게 이식한 후 그 유용성을 확인하기도 하며..

인공관절이나 뼈를 이루는 물질들로 3D프린팅한 후 그 안쪽으로 세포를 이식함으로써 우리가 원하는 모양의 조직을 제작하거나 실제 우리 몸에 뼈세포들이 잘 자라들어올 수 있게 지지대 역할을 해주는 물질을 3D프린팅해서 사용하기도 한답니다.

또한 환자에게 딱 맞는 의안을 제작하기도 하구요. 이 의안은 세포나 조직같은 것은 아니나 실제 인체에 적용하는 것이므로 바이오 3D프린팅쪽이겠네요.

바이오 3D프린팅 분야에서 궁극적으로 추구하는 목표는 integrated tissue & organ printing system(ITOP)로서, 즉 생분해성의 폴리머와 세포를 함유한 하이드로겔을 함께 3D프린팅함으로써 실제 임상에 적용가능하면서 환자 맞춤형의 장기를 출력하는 것이지요. 

그래서 위와 같이, CT나 MRI 등의 의료 영상에서 필요한 장기의 크기와 모양에 대한 데이터를 얻고 이를 3D CAD와 CAM 시스템으로 데이터 수정 후 이 장기를 이루는 세포들을 함께 3D프린팅함으로써 대체가능한 장기조직을 얻는 것이 궁극적인 목표입니다. 

뭐, 이런 것이지요. 바이오 3D프린터의 버튼을 띡띡 눌러서 잠시 기다리면 환자 이식용 심장이 3D프린팅되서 나오는.. 현재로서는 공상과학의 한장면인 그것 말입니다. 하지만 많은 학자들이 이를 실제 현실화하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 물론 시간은 엄청 걸리겠지만 말입니다. 

요즘의 바이오 3D프린팅 추세는 이와 같습니다. 즉 세포가 자랄 수 있도록 지지해주는 지지체(scaffold)를 출력한 뒤 그 사이사이로 세포를 위치시키는 것이지요. 스캐폴드와 세포를 함께 출력하기도 하구요. 

이를 위한 디스펜서 시스템은 크게 3개로 나누어 볼 수 있는데요. 

첫번째 Laser-induced forward transfer라고 레이저를 통해 우리가 원하는 위치에 세포를 전달하거나 원하는 위치에 스캐폴드를 레이저로 경화시켜 만들어내는 시스템이 있구요. 

그리고 우리가 흔히 보는 FDM 방식과 비슷하게 출력하고자 하는 물질, 즉 바이오 잉크를 피스톤에서 짜주어 출력하는 inkjet 방식이 있는데요, 이 잉크젯 방식은 공기로 바이오 잉크를 밀어주는 pneumatic, 피스톤을 사용하는 piston, 스크류를 이용하여 압출하는 방식 이렇게 3개로 크게 나눌 수 있습니다. 

그리고 마지막 Robotic dispensing이란 시스템이 있는데, 열로 바이오 잉크를 압출하거나 압전 액추에이터(Piezoelectric Actuator)를 이용한 압전효과를 이용하여 바이오 잉크를 압출하는 방식입니다. 

각각의 출력 방식은 위와 같은 물질들을 사용할 수 있다고 합니다. 특히 연자께서 발전 가능성이 높은 게 바로 바이오 잉크라고 하셨습니다. 왜냐하면 바이오 3D프린팅에 사용하는 3D프린터를 만드는 하드웨어적 지식은 이미 오픈이 다 되어있기 때문이지요. 그리고 바이오 잉크는 현재 10cc에 싼 것은 20~30만원, 비싼 것은 100~300만원 정도하는 엄청난 고부가 사업이기 때문에 앞으로도 여러 연구자들이나 기업들이 이 바이오 잉크 개발 사업에 뛰어들 확률이 매우 높다고 하셨습니다.

스캐폴드와 세포들을 함께 출력하는 방식으로 위와 같이 실제 작동하는 신장(kidney)를 3D프린팅할 수도 있습니다. 물론, 인체에 이식할 정도는 아니고 실험실에서 실험할 수 있는 정도긴 하지만요.

특히 바이오 3D프린팅으로 실제 이식가능한 장기를 만들때 가장 중요한 것이 바로 혈관입니다. 장기도 먹고 살아야하니 장기 자체의 혈관이 없으면 이식은 애초부터 불가능하지요. 그래서 바이오 3D프린터로 혈관구조를 스캐폴드로 출력 후 이 스캐폴드에 혈관세포를 증식시키는 방식을 사용하면..

이런 미세한 구조에..

이런 식으로 혈액이 통과할 수 있는 vascular network를 바이오 3D프린팅할 수 있습니다.

이런 2차원 적인 vascular network 개념을 좀 더 발전시키면 위와 같은 3차원적인 실제 혈관과 가까운 구조를 제작할 수도 있다고 하네요.

이것은 중국에서 나온 개념이라고 하는데요, 실제 혈관 모양대로 따라가면서 혈관세포를 바이오 3D프린팅한다는 것입니다. 위 슬라이드에서 보면, 원통형의 혈관 모양 위로 혈관세포를 출력하고 있는 모식도가 바로 그것입니다.

또한 바이오 3D프린팅은 피부조직을 직접 출력해서 이를 화상환자의 피부조직 결손 부위에 이식하는 데에도 사용할 수 있도록 연구중이구요.

사실 공상영화에서처럼 바로 장기나 조직을 바이오 3D프린팅해서 이식하는 것은 현재 기술로는 거의 불가능하기 때문에 실험실에서 인체조직이 필요한 실험에 실제 인체조직을 대체하는 정도로 발전하고 있다고 합니다. 위와 같이 암에 대한 연구에서 바이오 3D프린팅한 조직을 사용하기도 합니다. 왜냐하면 암연구할 때 보통 플레이트라고 2차원 평면에서 연구를 하는데, 실제 인체 조직은 3차원 구조라서 암조직에 대한 반응이 실험과 많이 다르기 때문에 이 간극을 좁히고자 바이오 3D프린팅 기술을 사용하는 것이지요.

이같은 개념을 좀 더 확장시킨 것이 바로 Human-on-the-chip이라는 개념입니다. 위 슬라이드의 아래 중앙 사진을 보시면 뭔가 있는 투명한 판이 바로 Human-on-the-chip인데요. 투명한 판 위의 동그라미 부분에 바이오 3D프린팅한 인체 조직, 즉 폐라던지, 간이라던지, 신장이라던지 이런 조직들을 출력해놓음으로써 저 Human-on-the-chip 하나로 인체 조직에 대한 실험이 모두 가능하게 한다는 것이지요.

이 Human-on-the-chip이 활성화되면 동물실험으로 인해 동물들이 희생될 필요도 적어지고 실제 인체 조직으로 실험하기 때문에 실험실에서의 결과와 임상결과 간의 차이를 좀 더 좁힐 수 있습니다.

이와 같이 현재 바이오 3D프린팅은 조직 공학 및 재생의학쪽에서 활발히 연구가 이루어지고 있는 분야입니다. 물론 실제 사람에게 적용하기까지는 좀 시간이 걸리겠지만, 실제 구현이 된다면 이같이 꿈같은 치료기술도 없을 것입니다. 물론 시간이 좀 많이 걸릴 것 같다는...ㅎ

그래도 바이오 3D프린팅에 대한 가능성을 엿볼 수 있었던 유익한 시간이었습니다. 다음 포스팅은 컨퍼런스에서 이동해서 인사이드 3D프린팅 2016 엑스포를 구경한 참관기에 대한 내용이 될 것입니다ㅎ

이제까지 메이드인네버랜드였습니다~!