1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

인체 환경을 모사하기 위한 생체제작기술이 발전하면서, 전통적인 세포 배양 플랫폼을 너머 인체의 복잡성과 스케일을 in vitro에서 재구현할 수 있는 장기칩(organ on a chip)과 바이오프린팅(bioprinting) 같은 기반 기술들이 개발되어오고 있습니다. 특히, 바이오프린팅 기술은 인체의 다양한 세포와 생체친화적 재료를 사용하여 복잡한 구조를 비교적 쉽고 경제적으로 제작할 수 있는 기술로써 각광받고 있습니다.

여러 바이오프린팅 기술 중 미세사출형 인쇄 방식은 세포와 수화젤로 이루어진 바이오잉크에 압력을 인가하여 사출해내고 층층이 쌓아 3D 구조물을 제작하는 기술입니다. 미세사출형 바이오프린팅은 다른 방식과 달리 세포와 수화젤 등 다종의 재료를 사용할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 생명체 내부의 생리학적 환경은 다양한 세포들이 특정 조성의 세포외기질(extracellular matrix, ECM)에 위치되어있고 서로 구획된 영역에서 경계를 이루며 각자의 기능을 수행하고 있습니다. 그렇기 때문에 미세사출형 바이오프린팅 시스템은 조직/장기의 복잡한 패턴이나 구조를 모사하거나, musculotendinous tissue과 같은 서로 다른 조직간의 구획화하고 skin과 같이 다층으로 구획된 생체구조물을 제작하는데 굉장히 유리한 기술 입니다.

하지만 기존 기술들은 프린팅된 생체구조물 형태를 유지하기위해 부가적인 재료(supporting polymer/scaffold)를 필요로 하거나, 프린팅과정 동안 스스로 구조물을 유지할 수 있을 만큼 viscosity가 높은 bioink(hydrogel including cells)를 사용해야한다는 재료적 한계가 있습니다. 하지만 high-viscous bioink가 수백 μm 수준의 지름을 가진 노즐을 통해 사출되면서 세포는 큰 shear stress를 받게 되며, 세포 생존률을 보전하더라도 대체적으로 세포 배양에 적합치 않은 환경을 제공하게 됩니다. 그렇다고 collagen과 fibrin같은 순수한 생체구성물을 사용하기에는 viscosity가 너무 낮아서 사출하자마자 곧장 퍼져버리기 때문에 복잡한 3D 생체구조물을 제작할 수 없습니다. 이러한 문제점을 해결하여 복잡한 생체구조물을 제작하기 위해서는 다종 바이오잉크가 프린팅될 수 있음과 동시에 빠르게 경화시킬 수 있는 기술이 필요합니다.

이번 연구 결과에서는 다양한 유변학적 특성을 가진 다종 bioink를 빠르고 연속적으로 프린팅 할 수 있고, 프린팅 과정 동안 사출된 바이오잉크가 퍼지거나 증발하기전에 crosslinking함으로써 구조물을 유지할 수 있는 바이오프린팅 시스템을 개발했습니다. 개발된 바이오프린터의 프린팅헤드에는 multibarrel nozzle과 aerosol tube가 같이 장착되어있습니다. Multibarrel nozzle은 다양한 바이오잉크를 하나의 노즐에서 연속적으로 사출할 수 있습니다. 노즐 옆에 위치한 aerosol tube는 프린팅 과정동안 crosslinking agent를 수 μm 크기의 aerosol 형태로 사출된 바이오잉크에 분사하여 곧장 경화시키는 역할을 합니다. 이러한 다종 바이오잉크 연속 프린팅 및 경화 기술을 통해 바이오프린팅 성능을 향상시키고 복잡한 수화젤 구조물을 효과적으로 제작할 수 있었습니다. 더 나아가 생리학적 환경을 재구현하기 위해, cancer microenvironment를 프린팅하고 세포 활동 특성을 분석 했습니다. 세포간 상호작용을 고려하여 breast cancer cells, vascular endothelial cells 및 stromal cells이 포함된 4종의 바이오잉크가 서로 다른 영역에 위치된 생체구조물을 제작할 수 있었습니다. 제작된 구조물에서 배양된 혈관세포들은 점점 자가조립되어 vascular network을 형성하였으며 암세포들은 주변 hydrogel에 adhesion하면서 혈관망을 향하여 migration하는 특성을 보였습니다.

본 연구에서 개발된 바이오프린팅 시스템은 다종 바이오잉크를 효율적으로 사출할 수 있었으며 aerosol-based crosslinking technique을 통해 인쇄 성능을 향상시켜 이질적이고 다층으로 이루어진 복잡한 생체구조물을 효과적으로 제작할 수 있었습니다. 더 나아가 cancer microenvironment처럼 다종의 세포 활동 특성이 고려되어야 하는 복잡한 생체환경을 재구현하는데에 적합하다는 것을 검증했습니다. 추후에는 이러한 바이오프린팅 기술을 미세유체소자와 통합시켜 생체환경을 모사할 뿐만 아니라 다양한 분석까지 수행할 수 있는 통합형 장기칩 연구를 계획하고 있습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

저는 현재 KAIST 바이오및뇌공학과 나노바이오공학 연구실(NanoBiotech Lab, NBL)에서 박제균 교수님께 지도를 받으며 박사과정을 밟고있습니다. NBL에서는 크게 세가지 연구를 활발히 진행중에 있습니다. (1) Biofabrication for Cell/Tissue/Organ Chip, (2) Lab-on-a-Chip & Microfluidics Platform Technologies, (3) Nanotechnology-Based Integrative Bioengineering. 그 중에서도 저는 biofabrication 파트에서 3D 바이오프린팅 기술 개발 및 미세유체소자 통합화 기술에 관심을 갖고 연구에 참여하고 있습니다. 이번에 소개된 바이오프린팅 기술을 활용하여 복잡한 생체모사환경을 미세유체소자에 통합시킴으로써 유동배양환경 구현 뿐만 아니라 다양한 분석 및 약물 평가를 할 수 있는 통합형 장기칩(integrative organ-on-a-chip) 기술을 연구하고 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

수많은 실험에서 겪은 실패는 항상 내일 할 연구가 무엇인지 알려주었고, 그 흐름을 따라가다보니 하나의 연구 스토리가 만들어지게 되었습니다. 하나의 연구가 완성되기까지 여러 실패를 거듭하면서 낙담하고 지치는 일들이 많았습니다. 제가 실험할 때 한 번의 실패는 굉장히 거대하게 느껴지는 반면, 그 실험의 의미성은 굉장히 미세하게 느껴졌었죠. 하지만 뒤돌아 생각해보니, 미약해보였던 유의미함들이 점차 쌓이면서 논문의 문장을 이루고 핵심 그림으로 만들어진다는 것을 알게 되면서 실패를 더욱 건강한 자세로 받아들일 수 있게 되었습니다. 연구에 있어서 이러한 실패를 최소화시키는 능력도 연구자로써 굉장히 중요하지만, 실패를 마주했을 때 성공의 조각으로 받아들일 수 있는 자세가 필요하다고 생각합니다. 여전히 이러한 연구 자세가 자리잡혀가는 ‘과정’ 중에 있습니다. 이 과정동안 연구자로써 더욱 성장할 수 있도록 더 애쓰고자 합니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

Bioengineering은 자신이 그동안 배워온 공학적 지식을 생물학적인 연구에 적용할 수 있다는 점에서 참 매력적인 분야라고 생각됩니다. 제 경우에는 전자공학 배경을 갖고 있지만 그 덕분에 3D 프린팅 시스템을 구축할 수 있었고, 예전부터 관심있었던 생체 모사 기술과 분석 기술을 공부해나가면서 bioengineering 분야에 적용점할 수 있었습니다. 저처럼 다학제간 연구에 관심이 있다면 bioengineering 분야는 굉장히 매력적으로 다가올 수 있을 것이라 생각합니다. 조금 더 세분화된 분야로, organ-chip이나 bioprinting 분야는 미세한 조작과 다양한 실험 셋팅이 요구되는 경우가 있다보니 연구를 하면 할수록 손재주가 좋아지고 꼼꼼한 성향이 만들어지는 것 같습니다. 또한 원하는 결과를 얻기 위해 실험을 디자인하다보면 생각도 다양해지고 종종 엉뚱한 고민도 하게 됩니다. 연구하기전엔 그 가치를 몰랐지만, 이러한 것들은 실험을 할 때 정말 강력한 도구가 됩니다. 자신이 손재주가 좋고 섬세한 성향이거나 창의적인 생각을 즐기시는 분, 그리고 공학을 기반한 생물학적 탐험에 관심이 있으신 분은 이 분야에 잘 맞지 않을까 생각이 듭니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

개발한 다종 바이오잉크 프린팅 시스템을 활용하여 제작된 생체모사체를 다양하게 분석할 수 있도록 미세유체소자와 통합할 수 있는 기술을 확립할 계획입니다. 현재 생체제작된 구조물에 전통적인 분석 기술을 적용하는 것은 한계가 있습니다. 이를 극복하기 위하여 통합형 장기칩 기술을 통해 생물학적으로 기능화된 생체구조물을 미세유체소자에 재구현하고 마치 in-vivo와 같이 복잡한 환경에서 배양뿐만 아니라 약물 평가까지 수행하는 것을 목표할 것입니다. 더 나아가 생체제작기술과 신약개발산업의 발전에 기여할 수 있는 바이오공학 연구자가 되고 싶습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

자유롭고 폭넓은 생각을 할 수 있도록 부족함 없는 연구환경을 만들어주시고 성심 성의껏 연구를 지도해주시는 KAIST 박제균 교수님께 감사의 말씀을 드립니다. 또한 본 연구에서 사용된 multibarrel nozzle을 제작할 수 있도록 도움주신 고려대학교 천홍구 교수님께도 감사말씀 드립니다. 본 연구에 적극적으로 참여하고 함께 고민했왔던 2저자 김수지 후배님, 그리고 제 연구에 힘을 실어준 연구실 모든 구성원분들께 감사드립니다. 언제나 온 사랑을 가득 담아 응원해주시고 기도해주시는 아버지 어머니께, 그리고 새로운 도전을 시작하느라 고생 많은 사랑하는 동생에게 감사 인사 전합니다. 마지막으로, 늘 부족함에도 언제나 좋은 방향으로 인도해주시는 하나님께 모든 영광을 돌립니다. 감사합니다.