3D 바이오프린팅 탐구: 조직 공학과 재생 의학의 혁명

3D 바이오프린팅이 21세기에 몰입했습니다. 적층 제조로 인간 조직을 프린팅한다는 것은 정신을 아찔하게 하는 아이디어입니다.

조직 재생과 조직 공학 의학에서 뛰어난 발걸음이라고 할 수 있습니다.

지난 몇 십 년 동안 이 기술은 인간 조직을 모방하는 기능적 조직 구조체를 만들기 위해 시도되어 왔습니다.

따라서 3D 바이오프린팅은 동물 및 인간 약물 임상 시험에 관련된 긴 공정을 끝낼 수 있습니다.

또한 조직 거부 반응으로 인해 실패하기 쉬운 장기 이식 시 장기 부족 문제의 해결책이 될 수 있습니다. 이 돌파구는 전 세계적인 장기 기증의 절박한 상태를 끝낼 것입니다. 3D 바이오프린팅에 대해 알아야 할 모든 것을 소개합니다.

3D 바이오프린팅이란?

적층 제조는 장기 공학에 적용 범위를 확장했습니다. 공정은 장기를 층층이(한 층 또는 다른 층) 구축하는 것을 포함합니다. 3D 프린팅의 보텀업 접근법을 활용합니다.

층별 접근법은 일차 세포, 바이오닉 및 기타 소재를 전형적인 세포 구조를 모방하는 특정 방식으로 증착하도록 보장합니다.

따라서 이 공정은 복잡한 천연 조직의 정상적인 기능성과 구조를 가진 합성 조직이나 장기로 이어집니다.

3차원 바이오프린팅에서 바이오분자와 세포를 기판에 프린팅하여 필요한 3D 형태로서 구조체를 함께 유지하는 특정 패턴을 형성합니다. 3D 바이오프린팅은 살아있는 인간 줄기세포, 조직 등을 사용한다는 점에 유의하세요.

따라서 살아있는 조직과 관련된 양식들을 따라야 합니다. 이 양식들에는 세포와 소재의 생체 적합성, 프린팅 소재와 방법에 대한 세포 민감도, 관류, 성장 인자 전달이 포함됩니다.

바이오프린트 조직이 전임상 시험에서 동물과 인간을 대체할 수 있는 이유

바이오프린팅 공정은 자동화되어 있습니다. 따라서 이 자동화는 정밀한 세포 패턴과 통제된 세포외 의사소통과 조직을 보장합니다.

또한 층간 제작된 생체합성 조직은 프린트된 조직이 상호연결된 기공을 가지게 합니다.

따라서 개선된 세포간 및 세포내 의사소통을 가진 바이오프린트 조직이나 장기가 인비보 인간 생리학에 이상적입니다.

이 특성은 합성 조직을 더 좋게 만드는데, 전임상 시험에서 얻은 데이터를 돕기 때문이며 동물 조직이 인간 병리생리학적 반응을 충분히 예측하지 못할 수 있기 때문입니다.

3D 바이오프린팅은 어떻게 작동하는가?

인체에서 조직은 손상되고 매일 퇴화합니다. 그러나 조직 재생 능력이 잦은 외상(사고, 심장병 등)을 다루기에 충분하지 않을 수 있습니다.

시간이 지나며 그런 상태 치료는 조직이나 장기 이식에 의존합니다. 따라서 전체 공정은 면역 반응이나 이식편 거부 위험을 가집니다.

이 두 문제를 해결하는 데 3D 프린팅이 유용합니다.

왜냐하면 장기가 필요하기 때문입니다. 3D 바이오프린팅을 통한 재생 의학의 목표는 필요한 장기나 조직을 당신의 줄기세포에 제공하는 것입니다. 그러면 이러한 자가면역 반응을 유발하지 않는 완벽한 조직을 갖게 됩니다.

3D 바이오프린팅 개념은 소재 과학 원리와 인간 생물학을 수반하여 조직과 장기를 합성합니다.

따라서 주요 초점은 간경변이나 심부전 같은 손상된 장기나 조직을 복원하는 것입니다. 따라서 아이디어는 줄기세포 분화로 이어지는 천연 생물학적 복잡성을 모방하여 조직 재생으로 이어지는 것을 중심으로 합니다.

일반 기증 대신 3D 바이오프린팅인 이유

일반 기증에서 조직이나 장기 거부로 이어지는 공정은 세포 형성과 연결 인터페이스 등에서 기인합니다. 혈관내피 성장 인자 같은 성장 인자의 영향을 받습니다.

이 공정은 다소 무작위적이며 세포외 기질이나 세포의 맞춤형 분포를 허용하지 않습니다. 또한 효율적이지 않고 시간이 많이 걸립니다. 경제적 및 물류적 관점에서 이 단점은 임상 적용을 위한 이식편 비실현성으로 이어집니다.

따라서 적층 제조는 3D 바이오프린팅의 톱다운 접근법으로 조직 공학을 탐구하는 데 도움을 줍니다.

이 접근법은 물질을 증착하는 통제된 성질을 가지며 컴퓨터 지원 설계를 사용하여 해부학적으로 정확한 정밀한 기하학을 생성하는 데 도움을 줍니다.

3차원 바이오프린팅의 목적은 무엇인가?

Allevi 3D 프린터에 따르면 120,000명 이상의 미국 시민이 장기 기증을 필요로 합니다.

다른 수많은 환자들은 이식 후 면역억제와 장기 손상으로 인한 만성 및 기타 말기 건강 상태를 가집니다.

따라서 장기 이식 대안에 대한 압박과 필요성이 증가했습니다. 적층 제조는 과학 및 의료 공동체가 다학제 연구자, 엔지니어, 의사들을 구성하여 인간 건강 관련 과제에 직면하도록 도왔습니다.

3차원 바이오프린팅은 장기 및 조직 이식 대기 목록을 없애줄 것을 약속하는 도구입니다. 또한 제약 개발에서 바이오프린팅은 동물과 인간에 생물학적으로 관련 있는 약물 임상 시험을 더 빠르고 저렴하게 수행하는 방법을 제공합니다.

예를 들어 이 장치는 외과 의사들이 정맥을 연결하여 합병증을 줄이는 데 도움을 줍니다. 3차원 프린팅은 더 쉬운 약물 전달 시스템을 제공하는 데도 도움을 줍니다.

놀랍게도 3D 바이오프린팅의 추가 진화는 환자의 줄기세포를 사용하여 뼈 조직 공학, 피부 조직, 심장 조직, 장기 패치, 또는 완전한 장기 교체를 가능하게 할 것입니다.

3D 프린팅의 목표는 의사와 연구자들에게 개선된 결과로 표적 치료를 위한 더 나은 도구를 제공하는 것입니다.

3D 바이오프린팅은 언제 발명되었나?

이 질문은 도트 매트릭스 프린터가 발견된 1900년대 초로 거슬러 올라갑니다.

찰스 홀이 데이터로부터 유형 물체를 출력할 수 있는 3차원 프린터를 형성하여 모든 애호가와 엔지니어가 조직과 건물을 포함한 다양한 물체를 출력할 수 있는 기반을 마련했습니다.

그러나 3차원 바이오프린팅은 2000년에 환자 특성과 거의 일치하는 보철물과 임플란트를 누군가가 만들면서 시작되었습니다. 의료 분야는 3D 프린팅의 비생물학적 용도와 해부학적 모델링을 수용했습니다.

2003년 토마스 볼랜드가 생체 적합성 물질의 바이오잉크를 사용하여 살아있는 조직을 프린트하는 최초의 3차원 바이오프린터를 만들었습니다. 2003년 돌파구 이후 2006년 첫 실험실 제작 인간 방광 성공적 이식과 2009년 첫 혈관 바이오프린팅이 뒤따랐습니다.

3D 바이오프린팅 절차

3차원 바이오프린팅 전략은 소재의 정밀한 층층이 쌓기를 중심으로 합니다. 바이오프린팅 공정은 준비, 프린팅, 후처리 단계를 포함합니다.

준비 단계에서 컴퓨터 그래픽을 사용하여 3D 모델을 설계합니다. 이 모델들은 해부학적으로 정확해야 합니다.

또한 사용할 바이오잉크를 선택합니다. 이 선택은 원하는 근육 조직이나 구조를 결정하므로 포유류 세포, 내피 세포, 또는 필요한 기타 세포 유형을 포함한 올바른 소재를 선택하는 것을 의미합니다.

두 번째 단계는 첨가제 소재 선택이고, 마지막 단계는 제작된 구조체 성숙입니다.

바이오프린팅 기술

바이오프린팅은 스캐폴드-프리(Scaffold-free) 또는 스캐폴드-베이스드(Scaffold-based) 방식으로 수행할 수 있습니다. 스캐폴드-베이스드 모드; 매트릭스는 제조 공정에서 사용되는 기층을 포함합니다. 이 바이오소재 매트릭스가 바이오잉크를 패턴화합니다. 따라서 세포 함유 하이드로겔, 필름, 또는 나노파이버를 사용할 수 있습니다.

유의: 결과 생물학적 구조체는 전형적인 세포외 기질 환경을 밀접하게 모방해야 합니다. 이 측면은 생물학적 구조체 세포가 증식하고 성장하도록 허용합니다.

스캐폴드-프리 바이오프린팅은 구형, 실린더, 벌집 등 조직과 세포 집단을 증착하는 것을 포함합니다. 두 번째 공정은 조직 구형을 피펫에 넣은 다음 3D 바이오프린터 몰드의 제한된 공간에 피펫을 압출하여 증착하는 것을 포함합니다.

그런 다음 세포가 자신의 세포 매트릭스를 형성하여 조직 성숙으로 이어지며 따라서 몰드를 제거합니다.

3D 바이오프린팅의 단점은 무엇인가?

연속 잉크젯 바이오프린팅의 오염 위험: 기판에서 편향되지 않은 바이오잉크가 프린터로 재순환됩니다. 재순환은 오염을 초래할 수 있습니다.

생물학적 분자, 바이오소재, 세포 배치를 정의할 수 있는 부적절한 소프트웨어 같은 바이오프린팅 구성 요소 부족이 3D 바이오프린팅 운영을 방해합니다.

스캐폴드 변형에서 새로 형성된 조직이 기계적 및 구조적 지지를 제공하지 않으면 실패할 수 있습니다. 따라서 안정된 3D 구조체를 제조해야 합니다.

바이오프린팅 유형은 몇 가지인가?

세포외 기질의 제작과 선택적 패터닝을 위한 여러 3차원 프린팅 기술이 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 잉크젯 프린팅
• 압출 프린팅
• 레이저 보조 바이오프린팅
• 광조형 바이오프린팅

잉크젯 기반 3차원 바이오프린팅

잉크젯 바이오프린팅은 바이오페이퍼에 바이오잉크와 살아있는 세포를 사용합니다. 바이오잉크는 저점도 바이오소재 현탁액이며, 바이오페이퍼는 폴리머 구조체, 배양 접시, 또는 하이드로겔 기판 같은 바이오소재 물질입니다.

이 기술은 두 가지 방식으로 수행할 수 있습니다. 첫 번째는 연속 잉크젯 프린팅입니다. 바이오잉크에 압력을 가해 연속적인 방울 흐름을 생성합니다. 압력이 잉크를 밖으로 밀어냅니다.

그런 다음 전기장을 가해 바이오잉크 흐름을 기판으로 편향시킵니다. 흐름에서 정렬되지 않은 여분 방울은 거터에 모여 재사용됩니다.

두 번째는 주문형 드롭온디맨드(Drop-on-demand) 잉크젯 바이오프린팅입니다. 동작은 연속 잉크젯 프린팅과 유사하지만 방울을 주문형으로 생성합니다. 따라서 연속 압력 대신 펄스 압력을 가합니다.

레이저 포워드 트랜스퍼

레이저 유도 포워드 트랜스퍼는 레이저 빔을 사용하여 바이오잉크를 기판에 증착합니다. 이 방법은 3차원 프린팅을 위한 비접촉 쓰기 공정을 제공합니다.

이 방법에는 펄스 레이저 소스, 바이오잉크 코팅 리본, 수신 기판이라는 세 가지 중요한 요소가 있습니다. 나노초 펄스 UV 레이저를 에너지 소스로 사용할 수 있습니다.

원래 LIFT는 고에너지 레이저 펄스를 사용하여 투명 기판에 금속 특징을 새기기 위해 직접 증착했습니다. 이 기술은 AFA-LIFT로 확장됩니다.

흡수 필름 보조 (LIFT) 바이오프린팅

여기서 바이오잉크와 리본 인터페이스에 금속 레이저 흡수 층을 포함합니다. 이 층은 희생 층으로 작용하여 세포를 레이저 노출로부터 보호합니다.

이 기술에서 세포를 세포외 기질에 직접 프린트할 수 있습니다. 또한 프린팅 공정에서 캡슐화된 조각으로 프린트할 수 있습니다.

압출 기반 바이오프린팅

압출 바이오프린팅은 압력 보조 바이오프린팅과 다이렉트 잉크 라이팅 두 가지 방식으로 수행됩니다. DIW는 3차원 바이오프린터가 소재를 압출하여 층별 3D 구조체를 생성하는 공압 압출 공정을 포함합니다.

압력 보조 프린팅에서는 장치 항복 응력 이상의 더 높은 응력을 가해 흐름을 유도합니다. 따라서 전단 응력을 방출하고 기판에 적용한 후 바이오잉크가 강성을 회복합니다.

SLA 3D 바이오프린팅

SLA 바이오프린팅은 생체 적합성 소재의 복잡성보다 높이에 의존합니다.

이 기술은 소재를 추가하고 빛을 투영하여 복잡한 조직을 층별로 구성합니다. 열경화성 및 광민감성 바이오잉크에 빛을 투영합니다.

광민감성은 여기에서 바이오소재의 요구 사항입니다. 기술이 빛을 가교 결합제로 사용하기 때문입니다. 따라서 PEG 유도체 같은 광경화성 모이에티를 포함해야 합니다.

의료 부문은 MRI와 CT 스캔 같은 영상 기술을 진단용 보철 개선에 포함하여 SLA 바이오프린팅을 통합합니다.

이 부문은 복잡한 수술을 달성하는 데에도 사용합니다. SLA 바이오프린팅은 다중 광자와 단일 광자 프린팅 두 가지 범주가 있습니다.

누가 3D 바이오프린팅 혜택을 볼 수 있을까?

장기와 조직 바이오프린팅에는 더 많은 연구 연도가 필요합니다. 하지만 이 도구가 주로 다양한 환자들에게 혜택을 줄 것을 예상할 수 있습니다. 바이오프린팅 적용 분야 목록입니다.

• 피부 조직 바이오프린팅
• 뼈 조직 바이오프린팅
• 연골 조직 바이오프린팅
• 심장 조직 바이오프린팅

조직과 장기의 3D 바이오프린팅이란?

피부 조직 바이오프린팅

인간 피부는 피지선, 땀샘, 머리카락, 손톱 같은 부속 구조물로 복잡합니다. 또한 다양한 세포 유형과 신경 말단이 있습니다. 콜라겐 조직이 피부 탄력을 담당합니다.

3D 바이오프린팅은 4단계로 모든 특성을 생성하여 필요한 기계적 특성을 부여함으로써 인간 피부를 프린트할 수 있습니다. 첫 단계는 준비 단계로 생검에서 피부 줄기세포를 얻고 배양하여 바이오잉크를 만듭니다.

두 번째 단계는 실제 프린팅이고, 후처리에서는 세포가 증식하고 성숙합니다.

마지막으로 피부 조직의 기능을 특성화하고 평가합니다. 따라서 피부 조직 바이오프린팅은 피부암이나 피부 질환, 화상, 노화와 주름 문제로 고통받는 사람들에게 큰 도움이 될 것입니다.

심장 조직 바이오프린팅

심혈관 질환은 많은 사람의 사망 원인이 되어 왔습니다. 흔한 심장 질환에는 심정지, 심근경색, 심부전, 협심증, 심근병증 등이 있습니다. 또한 동맥과 정맥은 협착 같은 만성 상태를 보입니다.

슬픈 소식은 심근세포가 자가 재생이나 수리 과정이 없어 대체 불가능하다는 것입니다. 그들의 지속적인 죽음은 콜라겐 조직 성장을 증가시켜 심근병증 위험을 높입니다. 이런 조건에서는 심장 기증자를 구하기 어렵습니다.

하지만 3D 바이오프린팅으로 이런 건강 상태를 관리할 수 있게 될 것입니다. 심장 조직 바이오프린팅은 심장 근육의 복잡성, 특히 자동 리듬 특성 달성이 어려워 도전적입니다.

연골 조직 바이오프린팅

연골은 뼈 끝을 덮는 매끄러운 흰색 조직입니다. 프로테오글리칸, 콜라겐, 단백질로 만든 복잡한 구조입니다.

뛰어난 특징은 연골 조직이 혈관이 없고 신경 및 림프계도 도달하지 못한다는 것입니다.

따라서 지속적으로 손상이나 외상을 입히면 골관절염이나 장애로 끝날 수 있습니다. 조직 공학은 현재 연골 조직 바이오프린팅에서 폴리에틸렌과 콘드로사이트를 증착하여 생물학적 인자들을 분배하는 것을 고려합니다.

뼈 조직 바이오프린팅

뼈 조직은 고도로 혈관화되고 구조적으로 복잡한 조직입니다. 골퇴행성 변화와 골절은 부상과 외상으로 이어져 뼈 조직 기능 장애나 만성 뼈 결손을 초래할 수 있습니다.

이러한 기능 장애와 결손은 손상된 뼈 조직을 복원하는 데 도움이 되는 뼈 재생을 필요로 합니다.

뼈 조직 공학은 하이드로겔을 활용합니다. 그러나 하이드로겔은 광물화된 뼈 매트릭스를 형성할 수 없습니다.

따라서 뼈 조직 바이오프린팅은 제어 가능한 화학과 조직 무결성의 형태 유지에서 더 나은 결과를 약속합니다.

바이오프린팅에 어떤 소재를 사용할 수 있을까?

잉크는 지정된 패턴으로 증착하는 데 도움이 될 원하는 생화학적 특성을 가져야 합니다. 왜냐면?

바이오잉크가 세포외 기질 상호작용과 세포 증식 및 성장을 촉진하기 때문입니다. 또한 잉크는 원하는 조직의 형태를 지지하기 위해 생체 적합해야 합니다.

심장과 피부 조직 바이오프린팅에는 비슷한 바이오잉크가 필요합니다. 콜라겐, 젤라틴, 알긴산, 히알루론산 같은 천연 폴리머를 선택할 수 있습니다.

합성 폴리머를 선호한다면 폴리 락틱-코-글라이콜릭 산, 폴리카프롤락톤, 폴리에틸렌 글라이콜을 선택할 수 있습니다. 또한 합성과 천연 바이오소재의 혼합을 선택할 수 있습니다.

뼈 조직 바이오잉크 선택 시 세포 특수화, 기능성, 세포독성 적합성을 고려하세요.

젤라틴, 하이드록시아파타이트를 사용할 수 있습니다. 준비 단계에 젤라틴, 프린트된 조직 구조체가 천연 뼈 조직을 모방하도록 돕는 하이드록시아파타이트.

마무리

3D 바이오프린팅은 우리가 아는 의학에 혁명을 일으킬 것을 약속하는 도구입니다. 심장 조직 공학부터 프린트된 뼈 조직 구조체까지 3D 프린팅은 인간 건강의 엄청난 과제에 직면하는 데 도움을 줄 것입니다.

결론적으로 심장 연조직, 혈관, 연골 조직 등 이러한 조직 공학 애플리케이션은 기증 대기 목록을 해결하고 건강을 개선하는 데 도움을 줄 것입니다.

우리는 기존 세포 생물학에서 3차원 조직과 장기를 가진 첨단 의학으로 매우 곧 이주할 것을 예상합니다.