바이오프린팅이란 무엇입니까?

살아있는 조직, 특히 이식 가능한 장기를 제작하기 위해 3D 프린팅을 사용하는 개념에 대해 언론에서 많은 관심이 있었습니다. 그러나 '바이오프린팅'이라고 하는 이 새로운 기술은 실제로 어떻게 작동합니까?

간단히 말해서 바이오 프린팅은 3D 프린팅 기술을 사용하여 플라스틱이나 금속 부품이 아닌 유기 세포 구조를 생성하는 방식입니다. 이를 통해 의료 연구나 이식 목적으로 사용할 수 있는 기능성 조직을 인쇄할 수 있습니다. 장기적으로 기술이 발전함에 따라 이식 환자 자신의 세포를 기반으로 기능 장기를 인쇄하는 데 사용되어 장기 거부 위험을 잠재적으로 제거할 수 있습니다.

'기존' 3D 프린팅과 마찬가지로 바이오 프린팅은 프린팅 베드에 구조를 레이어별로 구축하여 작동합니다. 그러나 금속이나 플라스틱이 아닌 살아있는 조직으로 작업하는 과정이기 때문에 여러 면에서 근본적으로 다릅니다. 자세히 살펴볼까요...

어떻게 작동합니까?

모든 바이오프린팅 프로젝트는 생성해야 하는 부품의 3D 모델로 시작됩니다. 이것은 실제 신체 부위의 CT 스캔 또는 MRI를 통해 생성하거나 3D 모델링을 통해 처음부터 생성할 수 있습니다. 그런 다음 모델을 성공적으로 바이오프린팅할 수 있는 형태로 변환해야 합니다. 즉, 조직의 아키텍처를 설정해야 합니다. 따라서 적절한 세포를 분리하고 (가능한 경우 원래 조직에서) 특수 용액에서 포획하여 살아 있고 산소를 공급하여 인쇄할 준비를 합니다. 이러한 인쇄 가능한 솔루션을 '바이오잉크'라고 합니다. 조직 재생에는 '스캐폴드'(세포가 성장하는 데 필요한 물리적 지지대)의 사용이 필요하기 때문에 바이오프린팅 프로젝트에는 일반적으로 이러한 잉크가 여러 개 필요하므로 다중 재료 프린터가 필요합니다. 이러한 스캐폴드는 기존 3D 프린팅의 지지 구조에 대응하는 것으로 간주될 수 있습니다.

이러한 바이오잉크를 살아있는 조직으로 전환하기 위해 다양한 기술을 사용할 수 있습니다. 초기 바이오프린팅 기술은 잉크젯 스타일의 접근 방식(나중에 자세히 설명)을 사용했지만 스테레오리소그래피 및 압출 기반 프린터도 성공적으로 활용되었습니다. 사용된 기술에 관계없이 인쇄 프로세스는 모든 AM 전문가에게 친숙해야 합니다. 프린터는 전체 3D 모델에 생명을 불어넣을 때까지 인쇄 베드에 선택한 재료의 레이어를 구축합니다.

마지막으로 인쇄가 완료되면 새로 인쇄된 세포가 인쇄된 플라스틱이나 금속과 같이 바로 연결되지 않기 때문에 조직의 무결성을 유지하기 위해 일부 후처리가 필요합니다. 이것은 일반적으로 조직의 리모델링 및 성장을 유발하는 기계적 또는 화학적 시뮬레이션을 포함합니다. 이에 대한 보다 정교한 예는 조직의 성장과 혈관 형성(즉, 혈관의 발달)을 촉진하기 위해 '생물반응기'를 사용하는 것과 관련이 있습니다.

다음 비디오는 바이오프린팅 프로세스에 대한 좋은 개요를 제공합니다.

바이오프린팅의 개척자 및 업계 리더

이러한 방식으로 조직을 인쇄하도록 설계된 3D 프린터를 일반적으로 '바이오 프린터'라고 합니다. 최초의 작동하는 바이오 프린터는 혈관과 유사한 생물학적 튜브를 인쇄하여 그 능력을 선보인 도야마 대학의 Makoto Nakamura 교수에 의해 공개되었습니다. 위에서 언급했듯이 이것은 잉크젯 기반 인쇄 방식을 사용했습니다(사실 첫 번째 프로토타입은 수정된 Epson 프린터를 기반으로 했습니다!). Nakamura 교수는 이후 바이오프린팅의 잠재적인 응용에 대한 연구를 계속했습니다.

Organovo는 바이오프린팅 분야의 또 다른 리더이며 파트너 회사인 Invetech와 협력하여 실행 가능한 상업용 바이오프린터인 NovoGen MMX를 제공했습니다. 조직 인쇄에 대한 Organovo의 접근 방식에는 심장 세포, 내피 세포 및 스캐폴드 역할을 하는 콜라겐 '바이오페이퍼'를 위한 별도의 프린트 헤드가 있는 특별히 설계된 다중 헤드 프린터가 포함됩니다.

이 기술은 또한 바이오프린팅이 부상당한 군인을 치료하는 데 사용될 수 있는지 여부에 대한 연구에 투자한 미군의 관심을 끌었습니다. Armed Forces Institute of Regenerative Medicine(AFIRM)은 이 분야를 선도하기 위해 2008년에 설립되었으며, 대학, 연구원, 군사 과학자들이 협력 협약의 일환으로 함께 일하고 있습니다.

독일의 Fraunhofer Institute는 이식 목적과 연구 환경에서 동물 실험의 필요성을 없애기 위해 전체 장기의 인쇄에 대한 지속적인 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 그들의 연구원들은 ArtiVasc 3D 프로젝트와 긴밀히 협력하여 생체와 같은 방식으로 조직에 영양을 공급할 3D 인쇄 혈관을 생성함으로써 생체 인쇄 조직의 혈관 형성에 상당한 진전을 이루었습니다.

다른 3D 프린팅 기술과 마찬가지로 바이오 프린팅에는 이미 자체 재료 전문가가 있으며 정교한 바이오 잉크 개발에 중점을 둡니다. 예를 들어, 스웨덴의 Cellink는 자체 제작한 광범위한 바이오 잉크와 이를 사용하는 데 필요한 기술을 제공함으로써 이 점에서 업계 리더로 빠르게 자리 잡았습니다.

다음은 무엇입니까?

바이오프린팅이 제공할 수 있는 잠재적인 이점은 확실히 대중의 상상력을 사로잡았지만 다른 신기술과 마찬가지로 성숙하고 확립하는 데 시간이 걸릴 것입니다. 우리는 바이오프린팅이 초기 적층 제조 산업이 취한 것과 유사한 경로를 따를 것으로 예상합니다. 기술이 '실제' 환경에서 점점 더 많이 사용됨에 따라 초기 성공은 이상적인 틈새 시장을 설정하는 데 도움이 될 것입니다. 그 시점에서 초점은 성능을 최적화할 프로세스와 보완 도구를 설정하는 것으로 이동합니다.

그 시점에서 과학자, 의사 및 환자(바이오프린팅이 아직 잠재적인 응용 분야를 밝히지 않은 다른 산업과 함께)는 이 기술의 완전한 이점을 보기 시작할 것입니다. 그곳으로 가는 여정은 확실히 길고 복잡하지만 그 혜택이 엄청날 것으로 기대합니다.