[칼럼] 신체조직을 직접 찍어내는 바이오잉크 바이오프린팅

미 바이오텍기업 ‘바이오라이프4D(BIOLIFE4D)’가 3D프린팅 기술을 이용해 만든 작은 인공 심장 (사진출처=BIOLIFE4D)

[이뉴스코리아 조민수 칼럼니스트]

사고를 당하거나 질병에 걸렸을 때 인간은 신체의 일부 혹은 장기에 손상을 받을 수 있습니다. 이러한 상황에서 타인 신체의 기증을 통하여 손상된 부분을 대체하여 왔는데 수요에 비하여 공급이 턱없이 부족한 현실입니다. 이에 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 인체를 구성하는 조직과 유사한 세포 구조체의 제작을 통하여 필요로 하는 기능성 조직을 재생하려는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.

인체를 구성하는 장기 혹은 조직은 다종의 세포와 세포 외 기질을 구성하는 생체 재료로 구성되어 있습니다. 3D 바이오 프린팅 기술은 세포 프린팅 혹은 장기 프린팅으로도 불리어지고 있는 기술로써 다종의 세포, 생체 재료 및 바이오 분자를 이용하여 컴퓨터 디자인된 3차원 구조물의 제작 형태로 생체 조직이 만들어집니다.

바이오 프린팅과 핵심이 되는 필요한 바이오 잉크

이 기술은 신약의 독성 및 효능 테스트를 위한 인공 생체 모델의 개발로도 큰 주목을 받고 있는데 이 프린팅 공정에서 바이오 잉크는 세포의 정밀한 패턴과 생존률 보장에 가장 중요한 핵심 요소입니다. 그리고 잉크의 특성은 공정과 직접적으로 연결되어 있기 때문에 잉크를 잘 이해하는 것이 3D 프린팅 공정의 핵심을 파악하는데 가장 중요한 포인트라고 할 수 있습니다.

바이오 잉크는 살아있는 세포 혹은 바이오 분자를 포함하며 바이오 프린팅 기술에 응용하여 필요로 하는 구조물을 제작할 수 있는 소재를 통칭하는 용어입니다. 따라서 바이오 잉크는 3차원 가공을 위한 물리적 성질과 세포가 목적된 기능을 수행하기 위한 생물학적 환경을 제공하여 주어야 합니다.

바이오 잉크는 우선 우수한 세포 친화성을 가져야 하는데 인공 조직 및 장기 재생의 경우는 프린팅 된 세포의 증식 및 분화에 유리한 생물학적 환경이 바이오 잉크로부터 주어져야 하는 것입니다. 프린팅 공정이 길어질 때에는 카트리지 내에서 세포의 생존에 필요한 영양분과 산소의 공급이 적절히 이루어져야 합니다. 또한 프린팅 과정에서 발생하는 물리적 스트레스로부터 세포를 보호할 수 있어야 합니다.

그 외에도 바이오 잉크는 3차원 패턴의 반복성, 생산성, 노즐의 막힘이 없어야 하는 등 프린팅 공정상에서 필요로 하는 물리적 성질을 가져야 합니다. 이와 같이 살아 있는 세포를 이용하는 3D 바이오 프린팅 기술이 요구하는 잉크가 가져야 할 특성은 매우 다양하며 서로 복잡하게 얽혀 있습니다. 우수한 바이오 잉크 기술의 개발은 우수한 바이오 프린팅 기술 개발의 핵심이라 할 수 있습니다.

바이오 프린팅 산업의 분야와 시장규모

BCC 리서치의 보고서를 보면 바이오프린팅의 글로벌 시장은 2016년 2.95억 달러에서 2021년 18억 달러 규모로 연평균 43.9%의 고성장이 예상된다고 합니다. 비임상적 바이오프린팅의 적용은 같은 기간 2.95억 달러에서 6.35억 달러 규모로 연간 16.6%의 성장을 예측하고 있습니다. 글로벌 임상 적용은 2021년 12억 달러 규모에 이를 것으로 추산했습니다.

맞춤형 안면윤곽 보형물이나 안와 골절로 인한 눈 밑 뼈 수술, 임플란트 시 잇몸과 뼈를 분리해주는 막(멤브레인) 제작 등 치과와 정형외과 쪽 생체 의료기기(고체 보형물) 위주로 상용화가 진행됐습니다. 그러다 3D 프린팅 기술이 발전하며 살아 있는 세포를 원하는 형태로 출력하고 영양분을 공급하면서 배양하는 단계까지 발전했습니다.

3D 프린팅으로 사람의 각막과 세포를 만들고, 임상시험에 활용할 수 있는 손톱만 한 미니장기 제작까지 도전하는 회사도 나오고 있습니다. 영국 뉴캐슬대 연구팀은 최근 사람의 각막을 3D 프린팅 기술로 제작하는 데 성공했다고 밝히며 세계적인 주목을 받았습니다. `공산품`처럼 제조할 수 있는 각막이 나온 것은 세계 최초로, 세계적인 각막 부족 현상을 해결할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있습니다.

국내의 한 연구진은 누에고치에서 추출한 실크피브로인을 원료로 3D 프린팅에 최적화된 ‘바이오잉크(Sil-MA)’를 개발했습니다. 이 바이오잉크는 생체적합성이 뛰어나고 인체조직과 유사한 기계적, 화학적 특성을 갖고 있어 학계로부터 인체 이식이 가능한 인공장기 개발 시기를 앞당겼다는 평가를 받고 있다고 합니다.

3D 바이오프린팅은 조직공학, 재생의약, 그리고 제약 분야에서 활용될 수 있는 미래의 핵심
기술이고 부가가치가 높은 산업분야이므로 국가적인 차원에서 저변을 마련하고 지원하는 정책이 마련되어야 하고 지속적인 관심이 필요할 것으로 생각됩니다.

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