바이오프린팅은 세포와 하이드로젤 등의 바이오잉크를 사용해 인체 조직이나 장기와 같은 3차원 구조물을 제작하는 기술로, 기존 잉크젯은 동작 시 발생하는 열로 인해 온도에 민감한 바이오잉크를 토출하기 어렵다. 또한, 기존 3차원 바이오프린팅은 대부분 하나의 바늘을 가지는 주사기 형태의 단순한 프린팅 장비를 활용하는 방식이어서 뇌, 폐, 심장 등의 인공장기를 제작하는 데 오랜 시간이 걸리는 단점이 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 바이오닉스연구센터 이병철 박사팀은 전자재료연구센터 백승협 박사팀, 고려대학교(총장 김동원) 김태근 교수팀과 공동으로 압전물질인 PMN-PZT를 활용해 기존보다 두께가 얇으면서도 높은 성능을 지닌 바이오잉크용 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다고 밝혔다. 이를 적용할 경우, 여러 위치에 바이오잉크를 높은 해상도로 동시에 토출할 수 있어 바이오프린팅의 생산성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 고성능의 PMN-PZT 박막을 사용해 다중 노즐을 가진 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다. 이 기술은 300μm 간격으로 배치된 16개의 잉크 토출부를 각각 조절할 수 있어 기존 방식 대비 구동 효율을 16배 높였다. 이는 바이오프린팅의 생산성과 안정성을 높여 인공장기의 생산시간을 단출할 수 있다.

실험 결과, 연구팀은 바이오잉크인 하이드로젤을 기존 대비 2분의 1 수준인 직경 32μm 크기로 출력하는 데 성공했으며, 프린트 출력 속도는 1.2 m/s로 기존 방식 대비 약 60배 빨라졌다. 또한, 발열 효과를 73.4% 줄여 출력 시 온도 상승을 3.2도 이내로 유지함으로써 안정적인 출력 환경을 확보했다. 이를 통해 고점도 물질의 정밀한 토출이 가능해졌으며 온도에 민감한 바이오잉크의 변성을 최소화할 수 있다.

이번에 개발된 PMN-PZT 기반 프린트 헤드는 열 안정성 문제로 바이오프린팅 기술의 적용이 어려웠던 인공장기 이식 및 약물 독성 평가 등 오가노이드 분야에서 활용될 수 있다. 또한, 동작 온도가 30도 이하로 유지돼 온도에 민감한 전자재료의 변성을 방지하고 안정적인 프린팅 환경을 제공할 수 있어 의료 분야 외 전자부품 등 다양한 산업군에서도 폭넓게 적용될 것으로 기대된다.

KIST 이병철 박사는 “PMN-PZT 박막 소재를 사용한 새로운 프린트 헤드는 고해상도 3D 오가노이드 장기 모델 제작에 대한 가능성을 높였다”라며, “젤라틴 등 다양한 바이오잉크를 시도해 실제 이식 치료 및 독성 평가에 적용이 가능한 장기를 만들 수 있는 3차원 바이오프린터를 상용화할 계획”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 재원으로 KIST 주요사업 및 국가핵심소재연구단사업 (NRF-2020M3D1A2101933)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Sensors and Actuators B: Chemical」 (IF 8.0, JCR 분야 0.7%)에 게재됐다.

□ 논문 

  ○ 제목: A relaxor-ferroelectric PMN-PZT thin-film-based drop-on-demand printhead for bioprinting applications with high piezoelectricity and low heat dissipation 

  ○ 학술지: Sensors and Actuators B: Chemical

  ○ 게재일: 2024.06.25.(온라인), 2024.10.15.(최종게재일)

  ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.136194 

□ 저자 

  ○ 박진수 학생연구원 (제1저자/KIST 바이오닉스연구센터, 고려대학교 전기전자공학부)

  ○ 허근영 학생연구원 (제1저자/KIST 바이오닉스연구센터, 고려대학교 전기전자공학부)

  ○ 김태근 교수 (교신저자/고려대학교 전기전자공학부)

  ○ 백승협 책임연구원 (교신저자/KIST 전자재료연구센터)

  ○ 이병철 책임연구원(교신저자/KIST 바이오닉스연구센터)

  ○ 연구배경

기존 3D 바이오프린팅은 주사기 형태의 단순한 프린팅 장비를 사용해 시간이 많이 소요됨. 이를 해결하기 위해 고해상도로 여러 위치에 동시에 출력할 수 있는 잉크젯 기술이 연구되고 있지만, 기존 기술은 점도가 높은 잉크 토출이 힘들고 발열 문제로 바이오잉크를 다루는 데 어려움이 있음. 이러한 문제를 해결하기 위해 높은 효율, 낮은 발열의 PMN-PZT 잉크젯 프린트 헤드를 개발함.

  ○ 연구내용

 기존 잉크젯 프린터의 생산성 문제 해결을 위해 반도체 공정인 미세가공기술을 활용해 300μm 간격으로 배치된 16개의 잉크 토출부로 구성하였고 핵심 소재인 압전물질의 동작 원리를 활용하여 구동 효율을 높임으로써 프린터에서 발생하는 열을 줄임과 동시에 잉크를 출력하는 성능을 향상함. 이를 위해 구현이 어려운 높은 압전 성능과 낮은 유전 손실을 가지는 PMN-PZT라는 압전 소재를 박막화하여 잉크젯 프린트 헤드를 제작하였고, 동작 신호 최적화를 통하여 동일 세기의 신호임에도 약 2배의 큰 변위와 발열량을 73.4% 낮춰 온도 상승이 2도 이하에서 동작함. 이를 통해 1.2m/s의 속도로 직경 32μm의 점도가 높은 하이드로젤 토출을 확인함.

  ○ 기대효과

 연구 결과, PMN-PZT 프린트 헤드는 바이오프린팅의 생산성과 안전성을 높일 것으로 보임. 특히 동작 신호 최적화를 통한 변위 개선과 30도 이하의 동작 온도로 인하여 세포와 생체 재료의 변성을 최소화하여 다양한 바이오잉크를 활용하여 인공 장기, 새로운 약물 개발 등 맞춤형 의료 분야에서의 사용할 가능성이 높음. 또한, 대량 생산이 필요한 반도체 패키징에 사용하는 고점도의 접착제 및 코팅제에도 적용이 가능하여 여러 산업군으로 적용할 예정임.

연구결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 이 연구는 기존 잉크젯 프린터 헤드의 한계를 극복하여 더 효율적이고 안정적인 바이오프린팅 기술을 개발하기 위해 시작되었습니다. 기존의 3차원 바이오프린팅 방식은 주사기 형태의 단순한 프린팅 장비를 사용해 시간이 많이 소요되고, 점도가 높은 잉크를 출력하기 어려우며, 동작중 발생하는 열로 인해 온도에 민감한 바이오잉크를 다루기 어렵다는 문제를 가지고 있습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해, KIST 연구팀은 새로운 고효율, 저발열 프린트 헤드를 개발하게 되었습니다.

 또한, 대부분의 잉크젯 프린트 헤드가 일본 혹은 독일의 제품에 의존하여 사용하였으나 본 연구는 국내의 독자적인 기술만을 이용하여 제작한 것이므로 기술 독립을 노릴 수 있을 것으로 기대됩니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구에서 개발된 PMN-PZT 기반 프린트 헤드는 구현이 어려운 PMN-PZT 박막 물질의 특성을 잘 이해하고 측정하여 입력 신호를 최적화하여 높은 성능을 보여주었습니다. 특히, 동작 신호 최적화를 위해 양방향 신호(bipolar)와 단방향 신호(unipolar)를 비교한 결과, 단방향 신호를 사용할 때 프린트 헤드의 변위가 약 2배 크고, 발열량이 73.4% 감소하여 더 높은 점도의 물질을 토출할 수 있음과 동시에 온도에 민감한 바이오잉크의 변성을 최소화할 수 있음을 보였습니다. 제작된 프린트 헤드를 통해 하이드로젤을 직경 32μm의 방울로 토출하여 보여주었으며 이런 결과를 토대로 온도에 민감하고 점성이 높은 알지네이트, 젤라틴 등 다양한 바이오잉크를 활용하는 연구에도 활용이 될 수 있을 것으로 보입니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 

 이 기술이 실용화된다면, 맞춤형 의료 분야에서 광범위하게 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 의료 분야에서 열 안정성으로 인하여 잉크젯 프린트 헤드에서 사용하지 못하였던 세포에 적용이 가능하고, 손상된 장기에 바로 프린팅을 할 수 있는 소형화된 바이오프린트 헤드로 인체 조직이나 장기를 3D로 프린팅할 수 있습니다. 또한, 실험실에서 바로 3D 오가노이드를 프린팅하여 동물 실험 없이 새로운 약물 개발을 위한 실험 등에서도 활용될 수 있습니다.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

 본 연구는 기존 바이오프린팅 기술에서 단점으로 꼽히던 생산성과 효율성을 노즐의 개수(300μm 간격으로 16개)와 동작 신호 최적화(최대 약 2배 차이의 변위, 30도 이하의 구동 온도)를 통해 하이드로젤뿐만 아니라 다양한 바이오잉크를 고해상도로 프린팅할 수 있는 기대효과를 가집니다. 본 기술은 반도체 공정을 통해 잉크젯 해드를 구현할 수 있어 빠른 실용화가 가능할 것으로 보이며, 가장 중요한 점은 PMN-PZT 박막을 대면적으로 제작할 수 있는 시설이 필요합니다. 현재 이러한 기술이 개발 중에 있어 이른 시일 안에 상용화 단계까지 갈 수 있을 것으로 보입니다. 반도체 공정 분야 등 타 분야에도 빠르게 적용할 수 있는 가능성이 높아 기술에 관심을 보이는 기업들이 있습니다.

[그림 1] 바이오프린팅 응용을 위한 고성능 압전 물질 기반 프린트 헤드의 개략도
동작 신호 최적화를 통하여 압전 얇은 압전 프린트 헤드의 출력 성능 향상과 동시에 발열량을 낮추어 열적 안정성까지도 확보할 수 있음을 보임. [사진=한국과학기술연구원]

[그림 2] 잉크젯 프린트 헤드 동작 신호에 따른 발열량 측정 실험
동작 신호에 따라 같은 변위를 만들어 낼 때 생기는 발열량 차이를 보여주는 실험으로 양방향 (bipolar) 신호를 인가하였을 때 (a) 동작 주기 및 구동한 채널 개수에 따른 열화상 이미지, (b) 동작 채널이 4개일 때 동작 주기에 따른 온도 그래프, (c) 동작 주기가 16μs일때 채널 개수에 따른 온도 그래프. 단방향 (unipolar) 신호를 인가하였을 때 (d) 동작 주기 및 구동한 채널 개수에 따른 열화상 이미지, (e) 동작 채널이 4개일 때 동작 주기에 따른 온도 그래프, (f) 동작 주기가 16μs일때 채널 개수에 따른 온도 그래프.  [사진=한국과학기술연구원]

[그림 3] 제작된 프린트 헤드를 사용하여 하이드로젤 프린팅 결과
(a) 출력된 액체의 시간에 따른 이미지, (d) 아무 처리가 안된 기판 (좌) 발수 처리된 유리 (우)에 인쇄된 하이드로젤의 광학 이미지 (e) 좌측부터 1mm 간격으로 하이드로젤을 인쇄하였을 시, 3mm 간격으로 인쇄하였을 시, 5mm 간격으로 인쇄하였을 시 결과.  [사진=한국과학기술연구원]