3D 바이오프린팅은 초기 단계 기술 그룹을 대표합니다. 이러한 연구 분야에서는 환자 임플란트 또는 연구 도구를 위해 실제 조직을 시뮬레이션, 자극 또는 복제하는 기능성 임플란트 및 테스트 장치 프린팅에 생물학적 재료의 사용을 조사합니다. 이러한 기술은 매우 초기 단계에 있지만 극적이고 광범위한 영향을 미치는 의료 개입의 패러다임 전환을 약속합니다.
이 기사에서는 3D 바이오프린팅이란 무엇입니까?에 대해 논의할 것입니다. , 역사, 작동 방식 및 유형을 살펴보세요.
3D 바이오프린팅은 적층 제조에 생물학적 및 생체 기능성 소재를 사용하는 것입니다. 이러한 생물학적 재료로 만들어진 3D 구조를 만드는 데 고도로 전문적인 프린터가 사용됩니다. 몇 가지 예로는 살아있는 세포, 생체 활성 골격 또는 지지체 재료, 생체 분자 등이 있습니다. 이 공정에서는 일반적인 3D 프린팅 방법을 사용하여 생물학적 물질을 층으로 쌓아 다양한 의료 목적을 위한 생물학적 모방, 뼈대 및 대체 구조를 만듭니다.
이 3D 바이오프린팅의 목적은 고도로 기능적이고 복잡한 조직 구조와 결국 장기를 제조하는 것입니다. 이는 환자 이식, 약물 테스트, 병리학 모델링과 같은 의료 목적으로 사용됩니다. 이 기술은 현재 상당히 원시적인 수준에서 작동하고 있습니다. 그러나 기능적 조직의 측면에서 연구 진행은 복제된 자연 조직과 기능적으로 유사하거나 더 나은 장기의 맞춤형 제조를 가능하게 함으로써 의료에 혁명을 일으킬 것이라고 제안합니다.
3D 바이오프린팅을 탄생시킨 기술과 연구가 갑자기 환자 솔루션에 등장한 순간은 없습니다. 그러나 이 기술의 기초를 정의하는 데 중요한 몇 가지 중요한 사건이 두드러졌습니다. Gabor Forgacs는 세포가 "새로운" 공간 구조로 조직될 수 있으며 그 구조를 무한정 결합하고 유지한다는 사실을 관찰했습니다. 이러한 이해는 나중에 생물학적 구조의 3D 구축에 핵심이 되었습니다. 이는 구조가 모양을 유지하도록 유도될 수 있음을 가르쳐 주었기 때문입니다.
생체적합성 재료는 2000년경 재생 의료 솔루션에 사용되기 시작했습니다. 이는 웨이크 포레스트 대학에서 개발된 공간 비계의 구축으로 직접 이어졌습니다. 스캐폴드는 배양된 환자 세포로 식민지화되었으며 거부반응이나 면역억제제 없이 이식되었습니다. 이는 장기적으로 안정적인 것으로 입증되었습니다. 2002년 랜더스(Landers)가 바이오압출 기술을 발표해 '3D-바이오플로터(3D-Bioplotter)'로 상용화했다. Wilson과 Boland는 2003년에 수정된 HP 잉크젯 프린터를 바이오프린터로 사용한 후 2004년에 비계를 구성하는 상업용 SLA 프린터를 사용하여 세포 탑재 바이오프린팅을 개발했습니다.
3D 바이오프린팅 과정은 일반적으로 다음 단계로 구성됩니다:
자세한 내용은 3D 프린터 작동 방식에 대한 가이드를 참조하세요.
환자 치료, 약물 개발 및 연구의 모든 영역에서 바이오프린팅의 사용이 증가하는 것은 점점 더 강력한 도구 키트가 개발된 결과입니다. 이는 완전한 대체 조직 및 장기의 제조가 이루어질 가능성이 있는 초기 단계입니다. 수술용 임플란트를 위한 새로운 장기를 맞춤 제작하는 능력은 전체 의료 부문에 혁명을 일으키기 직전입니다. 이를 통해 환자의 조직을 유도하여 거부 위험이 거의 또는 전혀 없는 새롭고 완벽한 "진짜" 이식을 제공하도록 유도된 환자 치료가 가능해졌습니다. 그림 1은 생체 인쇄된 장기의 예입니다.
3D 바이오프린팅 장기.
이미지 출처:Shutterstock.com/guteksk7
바이오프린팅은 대체 장기가 되기 위해 배양 및 육성될 수 있는 배양 준비가 되어 있고 환자 세포가 채워진 스캐폴드를 제공하는 프로세스입니다. 이는 환자의 면역 체계가 "자기"로 인식할 환자가 즉시 이식할 수 있는 조직과 장기를 전달하는 데 있어서 대체할 수 없는 핵심 단계입니다.
바이오프린팅은 각각의 어려움과 이점을 지닌 세 가지 별개의 분야로 발전했습니다.
잉크젯 기반 바이오 프린팅은 특별히 수정된 잉크젯 프린팅을 사용하여 살아있는 세포와 생체 재료를 광조형 3D 구조에 배치하여 생물학적 구조(조직 및 기관)를 구축합니다. 프린트 헤드는 환자 세포와 생물학적 지원 매체가 포함된 바이오 잉크를 분배하여 이전 레이어에 구축된 3D 디자인의 각 슬라이스에 대한 "그림"을 제공합니다. 이러한 바이오 잉크에는 각 층을 아래 층에 통합하고 접착하는 UV 경화 또는 열 경화 요소가 포함되어 있습니다. 이를 통해 조직은 설계된 대로 3D 구조로 배치되어 성숙해질 때까지 배양될 수 있습니다.
잉크젯 기반 바이오 프린팅은 고해상도, 고속이며 한 번의 인쇄로 여러 세포 유형이나 생체 재료를 적용하는 데 적합합니다. 아직 주류는 아니지만 이 기술은 재생 의학 및 임플란트 의학을 위한 조직 공학과 약물 테스트의 핵심 실험 방법입니다.
압력 보조 바이오프린팅은 공압식 또는 유압식으로 구동되는 미세한 바이오 잉크 방울을 빌드 플랫폼에 전달하는 방식을 사용합니다. 이는 층별 과정을 통해 설계된 대로 조직을 구성합니다. 바이오 잉크층이 증착되면 자외선 노출이나 온도 변화를 통해 경화됩니다. 이 과정은 환자(또는 연구 테스트) 준비 조직을 성숙시키기 위해 배양할 수 있는 통합 구조를 만드는 데 도움이 됩니다. 이 프로세스는 여러 측면에서 대안보다 간단합니다. 실제 조직을 더 가깝게 모방하기 위해 혼합 세포 배치가 가능합니다. 돌출된 액적 기반이므로 해상도가 더 낮습니다. 많은 경우에 이는 강력한 조직 구성 방법에 비해 작은 단점이 됩니다.
레이저 보조 바이오 프린팅은 레이저를 사용하여 살아있는 세포 또는 생체 재료를 빌드 플랫폼으로 전송하고 정확하게 증착합니다. 조직, 장기 등 원하는 3D 생물학적 구조를 생성합니다. 레이저 빔은 바이오 잉크가 탑재된 전사 테이프의 기판 재료를 증발시킵니다. 이로 인해 기판이 플래시 증발하고 바이오 잉크가 빌드 위로 배출됩니다. 이는 원하는 3D 구조를 만들기 위해 층별로 정확한 바이오 잉크 방울을 빌드에 증착합니다. 이것은 버블젯 인쇄를 면밀히 시뮬레이션한 것입니다.
레이저 기반 바이오 프린팅은 세포 배치에 대한 고정밀 제어, 고해상도 인쇄 기능, 보다 복잡한 구성을 포함한 다양한 생체 재료 사용 기능 등 다른 3D 프린팅 기술에 비해 다양한 이점을 제공합니다. 과도한 레이저 출력은 세포 손상을 초래할 수 있으며 높은 세포 밀도를 제공하기에는 기술이 제대로 갖춰져 있지 않습니다.
다양한 3D 바이오프린팅 접근법은 다음과 같습니다:
생체모방은 자연 조직 과정과 재료를 사용하여 구조적, 기능적 생체 프린팅 문제를 해결합니다. 생체모방은 밀접하게 유사한 생물학적 조직과 기관을 생산하는 보다 효과적인 방법을 만들 수 있습니다. 조직 공학용 지지체를 만들기 위해 천연 세포외 기질(ECM) 물질을 사용하는 것은 생체모방의 한 형태입니다. ECM은 세포에 구조적 지원을 제공합니다. 콜라겐 및 히알루론산과 같은 천연 ECM 물질을 사용하면 인쇄된 조직 결과의 구조적 무결성과 기능성을 향상시킬 수 있습니다.
강성, 탄력성, 세포 부착 등 자연 조직의 특성을 모방하는 비천연 물질이 포함된 바이오 잉크를 사용하면 더 잘 작동하는 인쇄된 조직을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 일부 연구자들은 인쇄된 생물학적 구조에서 복잡하고 자연에 전형적인 특성을 생성하기 위해 거미가 거미줄을 회전시키는 방식을 모방하는 3D 인쇄 방법을 연구하고 있습니다.
자율적 자가 조립은 세포가 직접적인 조작/배치 없이 필요한 구조를 스스로 조직하고 형성할 수 있도록 하는 것을 추구합니다. 이 접근법은 조직의 정상적인 성장에서 세포가 자연적으로 조립되는 방식을 모방하려고 합니다. 환자 세포는 필요한 모양으로 성형할 수 있는 젤 물질이 포함된 바이오잉크와 혼합됩니다. 그런 다음 세포와 바이오잉크를 배양하여 자가 조직화가 일어나도록 합니다. 이는 자연에 더 가까운 조직이나 기관 구조를 형성합니다. 이 접근법은 세포를 미리 결정된 패턴으로 정확하게 배치하여 구조를 만드는 전통적인 바이오프린팅 방법과 다릅니다.
자율 자가 조립 바이오 프린팅은 반복적으로 달성되고 예측 가능하다면 기존 바이오 프린팅에 비해 큰 이점을 갖습니다. 예를 들어, 발달 형태발생 과정을 동원하여 보다 복잡하고 현실적인 조직 구조를 생성할 수 있습니다. 외부 조작의 필요성을 제거하면 바이오프린팅의 장벽이 될 수 있는 세포 손상이 줄어듭니다.
연구자들은 보다 자연스럽고 기능이 뛰어난 결과를 제공하기 위해 자연스럽고 본질적인 자기 조립 과정을 안내하는 새로운 재료와 기술을 개발하고 있습니다. 이는 조직 공학 및 재생 의학에 또 다른 혁명을 가져올 잠재력을 갖고 있기 때문에 아마도 바이오프린팅 분야에서 가장 중요한 연구 분야일 것입니다.
미니 조직(또는 미세 조직)은 제한된 3차원 세포 구조입니다. 이는 약물 발견, 독성 테스트 및 조직 공학에 사용되며 특히 환자 임플란트로는 사용되지 않습니다. 일반적으로 사용되는 방법, 즉 살아있는 세포를 엮은 일반 바이오 잉크로 인쇄됩니다. 미니 조직의 생성은 다른 방식으로 사용되는 전통적인 2D 페트리 접시 세포 배양에 비해 이점을 제공합니다. 자연 조직의 복잡성을 더욱 밀접하게 모방함으로써 약물 테스트 및 독성 스크리닝에 대한 보다 현실적인 결과를 제공합니다. 연구자들은 작은 빌딩 블록을 인쇄하여 잠재적으로 환자의 임플란트로 사용할 수 있는 더 큰 조직과 장기를 조립할 수 있을 것으로 기대합니다.
바이오프린팅은 모든 면에서 엄격하고 높은 통제가 필요한 프로세스입니다. 대체 기술과 재료가 지속적으로 개발되고 있으므로 아래의 각 단계는 집중적인 연구 분야입니다.
바이오프린팅 전 프로세스는 모두 정확하게 맞아야 하는 다양한 단계로 구성됩니다. 결과가 유용한 조직 구조가 되려면 차이와 오류의 한계가 최소화됩니다. 첫 번째 단계는 원하는 구조를 개념화하고 지정하는 것입니다. 이는 조직의 모양, 크기 및 일반적인 물리적 특성과 사용될 세포 및 지지체/영양 물질의 유형을 정의합니다. 구조의 윤곽이 정의되면 전문 CAD 도구를 사용하여 구조의 매우 상세한 3D 모델을 생성합니다. 그런 다음 성장할 조직에 적합한 구조적, 경화성 및 영양분 혼합물을 포함하는 적절한 바이오 잉크가 선택되거나 생성됩니다. 세포 선택 및 체외 배양은 세포의 생존 가능성과 충분성을 보장하기 위해 엄격하게 통제된 조건 하에서 배양 배지에서 세포를 배양하고 재생산을 장려하는 가장 섬세한 단계입니다.
바이오프린팅은 기초 작업을 수행하고 필요한 조직 샘플을 구축하는 최종 실현 단계입니다. 인큐베이션 준비가 되어 있으며 약물 평가, 독성 테스트 또는 환자 이식을 위한 계획된 용도로 사용됩니다. 조직 샘플은 광조형 방법이나 계획에 따라 설계된 자체 조직을 통해 구성됩니다.
바이오프린팅 후에는 만들어진 조직의 기능과 생존 가능성을 보장하는 다양한 중요한 처리 단계가 있습니다. 첫째, 인쇄된 매트릭스 재료는 견고하고 안정적인 구조를 만들기 위해 교차 연결되어야 합니다. 일반적으로 UV 경화, 열처리, 외부 적용 화학 약품 등 다양한 방법을 사용할 수 있습니다. 그런 다음 성숙/배양을 통해 세포가 분열하고 분화할 수 있습니다. 이를 위해서는 엄격하게 통제된 환경 조건이 필요합니다. 성숙하는 동안, 그리고 다시 성숙되면 세포의 생존 가능성을 평가하여 의도된 기능을 수행하는지 확인합니다. 성숙 후, 만들어진 조직은 물리적, 생물학적, 생화학적 특성을 결정하는 특성을 갖습니다. 이 과정은 조직학이나 면역조직화학과 같은 기술을 사용하여 조직의 행동을 평가합니다. 마지막으로, 생체 인쇄된 조직이 예상대로 기능하는지 확인하기 위해 테스트됩니다. 특정 조직 유형에 적합한 다양한 검사가 가능합니다.
바이오프린팅의 응용 분야는 점점 늘어나고 있지만 현 시점에서 제공되는 주요 기능은 다음과 같습니다.
바이오프린팅은 환자 건강 관리, 약물 개발, 환경 및 독성 테스트의 대부분 영역에서 점점 더 강력한 기능을 가능하게 하는 강력한 기술 세트입니다. 다음은 그 이점 중 일부입니다:
바이오프린팅에는 다음과 같은 광범위한 연구 대상이 되는 심각한 한계가 있습니다.
바이오프린팅은 광범위한 퇴행성 질환 및 생리적 질환에 대한 주요 재생 수술 도구가 될 것입니다. 환자의 손상된 심장을 대체하기 위해 새롭고 기능적인 심장을 인쇄하는 것은 아직 먼 전망이지만 초기 구성 요소는 제자리에 있습니다. 현재 바이오프린팅은 약물 평가 및 인증 주기를 단축하고 비용을 절감하고 있습니다. 이는 새로운 의약품의 시장 진입 장벽을 낮춰줍니다.
바이오프린팅은 일반적으로 3D 파일에서 조직을 층별로 만드는 광조형 방법을 기반으로 합니다. 다음 혁명에서는 적어도 세포 분포와 위치 파악에서 이것이 자기 조직화 쪽으로 더 많이 옮겨갈 가능성이 높습니다.
자세한 내용은 8가지 유형의 3D 프린팅 프로세스에 대한 전체 가이드를 참조하세요.
아니요, 3D 프린팅과 3D 바이오프린팅은 동일하지는 않지만 유사한 부분이 있습니다. 바이오프린팅에 사용되는 도구 중 일부는 쾌속 프로토타이핑 분야의 도구와 상호 교환이 가능합니다. 그러나 두 부문 사이의 격차는 분명하며 빠르게 증가할 것으로 예상됩니다. 연구자들이 더욱 복잡하고 기능이 뛰어난 결과를 얻으려고 노력함에 따라 바이오프린팅은 쾌속 프로토타이핑 분야의 복잡성 한계를 빠르게 뛰어넘고 있습니다.
이 기사에서는 3D 바이오프린팅을 소개하고 설명하며 다양한 유형과 응용 분야에 대해 논의했습니다. 다른 업계의 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보려면 Xometry 담당자에게 문의하세요.
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딘 맥클레먼츠
Dean McClements는 기계공학 학사 우등 졸업생으로 제조 업계에서 20년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 그의 전문적인 경력에는 Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace 및 Hyster-Yale과 같은 선두 기업에서 중요한 역할이 포함되며, 그곳에서 그는 엔지니어링 프로세스 및 혁신에 대한 깊은 이해를 발전시켰습니다.
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