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3D 프린터를 이용한 의약개발 연구동향
3D 프린터를 이용한 의약개발 연구동향 저자 진성규 (단국대학교 제약공학과)
등록일 2020.03.17
자료번호 BRIC VIEW 2020-T11
조회 630  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
최근 3D 프린팅 기술은 의약 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 3D 프린팅을 이용하여 의료 현장에서 사용되고 있으며 바이오 분야에서는 피부, 뼈, 간 및 심혈관 같은 다양한 인공장기가 제작되고 의약품으로도 FDA에서 승인되어 시중에 판매 중이다. 현재 의약개발 분야에서 3D 프린팅을 이용한 연구가 활발히 이뤄지고 있으며 임상 현장에서의 활용도 확대되고 있다. 앞으로는 의약 분야에서 개개인에게 맞는 다양한 맞춤형 제품들이 만들어질 것으로 예상된다. 본문에서는 3D 프린팅 기술을 이용한 의약 분야에서 연구 동향에 대해서 살펴보고 전망을 살펴보고자 한다.
키워드: 3D printing, bio printing, bio ink, phamraco-printing, personalized medicine
분야: Biotechnology

목 차

1. 서론
2. 본론
  2.1. 3D 프린팅
  2.2. 의약개발 동향(1) – 바이오
  2.3. 의약개발 동향(2) – 의약품
3. 결론
4. 맺는말
5. 참고문헌


1. 서론

3D 프린터는 1981년 일본 나고야 시립 연구소 고다마 히데오 박사의 “RP(Rapid Prototyping)”의 이름으로 개념이 만들어졌으나, 특허 등록이 무산되고 1983년 3D 시스템의 공동창업자 찰스 힐에 의해 처음 세상에 소개가 되었다. 개발된 이후 3D 프린팅과 관련된 핵심 특허 기술들이 2016년까지 순차적으로 만료됨에 따라서 항공, 자동차, 의료, 전자, 식품, 의류 등 다양한 분야에 사용되어 산업 전반에 큰 영향을 주고 있으며 이외에도 패션, 인테리어 등 서비스 산업까지 확대되고 있다 [1].

산업계에서는 미래 제조업의 경쟁력에서 3D 프린팅의 활용이 핵심요인이 될 것이며 산업생태계의 변화를 몰고 올 것이라 예측하고 있다. 표준화된 대량 양산 공정으로 구현하기 어려운 고성능 맞춤형 부품을 빠른 시간 내에 저렴한 비용으로 제작 할 수 있다. 그리고 소규모 벤처기업에서 비교적 저렴한 비용으로 소량 주문 제조가 가능하여 새로운 형태의 창업이 확산 되고 있으며 현재 몇몇 업체가 3D 프린팅 산업을 진행 중에 있다. 또한 산업 현장뿐만 아니라 제품의 생산 유통 소비 단계의 전체 구조를 변화 시켜 다양한 산업 분야로 확대될 것으로 예상하고 있다 [2].

3D 프린팅 기술은 다양한 산업 분야 중에서 바이오 분야에서 생체에 적합한 원료를 이용한 임플란트 제작, 맞춤형 보형물, 인공혈관 및 인공 조직 분야 등에서 조직공학용 인공조직체의 제작에 다양하게 적용되고 있다. 또한 의약품 분야에서도 Aprecia 사의 “ZipDose” 플랫폼과 같이 FDA에서 승인된 의약품이 개발되는 등 의약품이 함유된 다양한 제형에 활용되면서 많은 연구가 진행되고 있다. 이에 따라 본문에서는 3D 프린팅을 활용한 의약개발의 연구 동향에 대해서 살펴보고자 한다.

2. 본론

2.1. 3D 프린팅

3D 프린팅은 고체, 액체, 분말 등의 다양한 소재를 3D 프린터를 활용하여 3차원의 모델 데이터를 이용하여 이미지 또는 컴퓨터의 데이터를 이용하여 현실의 물체로 제조하는 프로세스 기술이다. 재료를 자르거나 깎아 생산하는 절삭 가공과 구별하여 “적층 제조(AM: Additive Manufacturing)”라 불린다. 3D 프린팅은 제품 특성 및 기술 재료에 따라 분류할 수 있다. 일반적인 제조과정은 디자인 software 또는 3D 스캐너를 통한 3차원 도면 제작을 하는 모델링 공정, 프린터로 3차원의 입체조형물을 만드는 과정은 프린팅 공정, 서포터 제거, 연마 등 최종 제품화를 위한 마무리 공정을 하는 후가공 공정으로 나눌 수 있다. 3D 프린팅 전 공정을 처리하기 위해서는 전기, 전자, 기계, 소프트웨어, 재료 기술 등의 분야를 초월하는 융합적 지식이 필요한 종합적 산업이다 [2, 3].

3D 프린팅 기술은 기존의 제조기술에서 벗어나 다품종 소량, 맞춤형 제품개발이 가능한 차세대 제조기술로 4차 산업혁명의 중심기술이다. 3D 프린팅 기술의 장단점을 살펴보면 시제품의 제작 용이, 다품종 소량 생산, 제조공정 간소화, 복잡한 형상의 제품 제작이 용이하며 1개 장비로 다양한 제품을 생산할 수 있는 등의 장점이 있다. 단점으로는 일반제품의 생산이 기존 산업에 비해 제작 시간이 오래 걸려 대량생산이 용이하지 않으며 표면의 정밀도가 떨어지는 단점이 있다. 그리고 총기류와 플라스틱 단검류 같은 위험물 제조와 지적재산권을 가지고 있는 물체의 제조 등 사회적으로 해결해야 할 과제도 존재한다 [4].

3D 프린팅 기술은 제품 특성에 따라서 적용되는 기술과 재료가 다양하다. 사용되는 재료에 따라 3D 프린팅의 기술은 SLA (Stereo Lithography Apparatus: 액체 형태의 재료를 레이저나 강한 자외선을 이용하여 경화하는 방식), SLS (Selective Laser Sintering: 분말을 도포한 후 모형으로 만들 부분에만 레이저를 쏘여 굳히는 방식), FDM (Fused Deposition Modeling: 플라스틱 소재의 필라멘트를 열로 녹여 압출한 후 상온에서 굳혀 쌓아 올리는 방식) 등 다양한 방식을 통해 제조할 수 있다. 이 중 정밀성과 효율성이 높은 SLS, FDM 방식이 주류를 이루고 있다 [3, 5].
 

표 1. 주요 3D 프린팅 제조 기술
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3D 프린팅에 사용되는 소재는 수지, 금속, 종이, 목재, 식재료 등 매우 다양하며 액체, 분말, 고체 등 사용되는 재료에 따라서 특성이 정해진다. 재료의 물리 화학적 성질에 따라 제조공정 적용성 등 3D 프린팅 재료로서의 사용 가능성의 확보와 안전성 및 성능 등의 확보가 전제되어야 한다 [6].

다른 분야도 마찬가지이지만 의약 분야에서 3D 프린팅 제조기술과 더불어 소재 개발은 주요한 제품 개발의 요소가 된다. 의약 분야에서 사용되는 소재는 생분해성, 생체적합성, 기능성, 가공성 특징을 지니는 것이 필요하며 생분해성 소재인 PCL (Polycaprolactone), PLA (Polylactic acid), PDO (Polydioxanone), PGA (Polyglycolide), PLGA (Poly(lactic-co-glycolic acid)), PEG (Polyethylene glycol), collagen, alginate, gelatin, chitosan, hyaluronic acid 등이 사용되고 있다. 필라멘트 형태의 열가소성 생분해성 고분자는 FDM 방식에 사용될 수 있다. 또한 비분해성 소재인 PU (Polyurethane), PET (Polyethylene terephthalate) 등이 연구되고 있으며, 분해성, 분해 속도, 프린팅에 적합 여부, 강도, 유연성 등에 따라 다양하게 적용되고 있고 인체조직 대체를 위해 줄기세포 등을 이용한 바이오 잉크를 이용한 연구가 진행되고 있다 [3, 7-8].

2.2. 의약개발 동향(1) – 바이오

3D 프린터를 활용하여 피부, 뼈, 간 및 심혈관 같은 다양한 인공 조직 개발이 진행 중이다. 바이오에 이용되는 3D 프린팅 기술은 생체모방, 소형 조직, 자율성 자가 조립의 세 가지 주요 특징을 지니고 있다. 또한 소재 선택이 중요하다 [8]. 바이오 잉크는 살아있는 세포 또는 바이오 분자를 포함하여 프린팅 기술에 응용하여 구조물을 제작할 수 있는 소재를 통칭하는 용어이다. 바이오 잉크는 우수한 세포 친화성을 가져야 하며 인공 조직에 적용되는 경우 프린팅된 세포의 증식 및 분화에 유리한 환경이 주어져야 한다. 또한 프린팅 공정상에 필요로 하는 기계적 성질과 같은 물리적 성질을 가져야 한다 [9].

   1) 인공 피부 : 2013년 유럽을 시작으로 화장품 개발을 위한 동물실험을 전면 금지하였다. 따라서 동물실험을 대체하기 위한 인공 피부가 관심을 받고 있으며 3D 프린팅을 이용한 기술은 새로운 기술적 패러다임으로 주목받고 있다 [10]. 3D 프린팅을 이용한 2층으로 구성된 피부 구조 연구 및 피부 내 다양한 세포 구성물질로 이루어진 여러 인공 피부 연구가 진행되고 있다 [11, 12].

   2) 인공 뼈 : 3D 프린팅을 이용한 인공 뼈 연구는 인체친화적인 금속인 티타늄이 가공이 어렵고, 이질감 등의 단점을 해결하고자 오랜 기간 다양한 형태로 연구되고 있다. 2000년대에 Hydroxyapatite 소재를 적용한 뼈 조직에 대한 연구로부터 다양한 생체 적합한 소재와 바이오 잉크를 사용한 연구가 이어져 오고 있다. 예를 들어 줄기세포와 고분자 및 생체 활성 세라믹을 구조 연구 및 복합소재를 이용한 인공 뼈 연구가 진행되고 있다 [13-15].

   3) 인공 간 : 간은 물질 해독에 관여하는 조직으로 신약 개발 시 독성을 평가하는데 중요한 장기이다. 2014년에 Organovo 사는 간, 피부, 신장과 같은 신체 조직을 3D 프린터를 통해 간 조직을 인공적으로 만들어 신약의 독성 테스트에 사용하기 위한 간 조직을 “Vive3D™” 라는 상품으로 최초 상용화하였다 [16].

   4) 인공 심-혈관 : 미세혈관 및 심장 판막의 3D 프린팅 기술은 심혈관 질환의 미래로서 다양한 연구가 진행되고 있다. 다음의 사례를 포함하여 많은 연구가 진행되었지만, 여전히 연구가 진행중이다. 3D 프린팅을 이용하여 기존의 nitinol 스텐트와 비슷한 기계적 성능을 나타내는 다양한 폴리머를 이용한 인공판막을 개발하는 연구가 보고되었다 [17]. 또한 3D 프린팅을 이용하여 실제 인간 조직 및 장기를 제조하고 유지시키기 위해서는 조직의 안쪽까지 산소와 영양분을 공급해야 하기 때문에 이러한 역할을 하는 인공 혈관을 만드는 것이 중요한 과제이다. 미세 혈관의 3D 프린팅을 위한 바이오 잉크 연구 뿐만 아니라 최근 연구에서 알지네이트-젤라틴을 이용한 인공 혈관 연구 등 인공 혈관을 제조하기 위한 특성 평가 연구가 진행되고 있다 [18, 19]. 여전히 바이오 잉크 재료와 공정 매개 변수 및 필요로 하는 적절한 전도도 및 기계적 강도에 대한 연구가 진행중이나 유기/ 무기 나노 복합체 연구 응용에 대한 연구가 진행 중이다 [20].

2.3. 의약개발 동향(2) – 의약품

3D 프린터를 활용한 의약품은 2015년, Aprecia 사가 Levetiracetam 성분의 뇌전증 치료제인 “Spritam”이 FDA 승인을 최초로 받았다. 이 제품은 정제의 빠른 붕해를 위해 일반적인 정제 제형 제조과정 대신에 약물 분말을 한 층씩 쌓아 올린 다공성 구조를 3D 프린터로 제조하였다 [21]. 3D 프린터로 만드는 의약품은 다음과 같이 고용량의 약물 전달 및 간단하게 속붕해정의 특수 제형을 제조할 수 있는 장점을 지니고 있다. 보다 구체적으로는 개인 맞춤형 용량으로 의약품의 주문 제작, 용량의 정확도 및 정밀성, 주문형 제조 및 비용 효율성으로 복잡한 고형 제형을 제조하는 능력을 갖출 수 있다. 개인 맞춤형 의약품 형태는 불필요한 부작용을 피하고, 복약 순응도를 향상하고, 개인 맞춤된 방출 프로파일을 달성하는 등의 장점을 지니는데 이는 3D 프린팅을 이용하여 개인 맞춤형 형태를 제공할 수 있다. 3D 프린팅을 이용하여 경구 제어 방출 시스템, 삽입 제형(임플란트) 즉시 방출 정제, 경피 제형 등의 다양한 약물 전달 시스템이 개발되었다 [22, 23].

   1) 경구 제형 : 3D 프린팅 기술은 단일 의약품을 포함하는 즉시 방출 단일 정제를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 특히 FDM 방식을 이용한 간단한 제조 과정으로 많은 연구 보고가 이뤄지고 있다. 약물함유량 조절 부분에서 대량 제조법을 이용할 경우 약물함유량 조절이 어렵지만, 3D 프린팅을 이용하면 개별 조정이 가능하고 일반적으로 제형 중 약물 함유량이 높은 제형을 제조하기 어려우나 약물 함유량이 높은 제형을 제조 할 수 있는 장점을 가지고 있다 [24, 25].

즉시 방출 단일 정제 외에도 제어 방출 정제를 생산할 수 있다. Prednisolone을 함유한 제어 방출 정제를 제조하여 최대 24시간 동안 약물 방출을 가능한 연구가 보고되었다 [26, 27]. 특수한 형태로 도넛형 다층 구조를 이용하여 난용성인 Acetaminophen 약물의 0차 방출 제형을 연구, 장용성 정제를 외부 장용 코팅 없이 제조 연구 및 3D 프린팅 기술을 이용하여 위 체류 제형 연구도 진행되었다 [28-30].

복합 정제는 복잡한 약물 요법을 통합하기 위해 단일 정제에 여러 가지 의약품을 함유하여 복용을 편리하게 할 수 있다. 최근 연구에서 3D 프린팅 기술은 방출을 제어하며 여러 의약품을 함유하는 복합 정제를 개발하는 데 사용되었다. 예를 들어 고혈압으로 고통받는 당뇨병 환자를 치료하기 위해 Captopril, Nifedipine 및 Glipizide을 함유하는 복합 정제가 연구되었다. 또한 5가지 약물을 함유한 복합제 중 Ramipril, Atenolol 및 Pravastatin은 제어 방출로 방출을 조절하고, Aspirin과 Hydrochlorothiazide은 즉시 방출을 나타내는 연구도 진행되었다. 이와 같이 3D 프린팅은 다양한 약물의 방출을 정교하게 조절하면서 복합 정제를 제조할 수 있는 장점이 있다. 이를 통하여 환자가 비교적 적은 수의 알약을 복용하여 환자의 복약 순응도를 향상하며 환자 맞춤형 의약품을 제조할 수 있는 효율적인 방법이다 [31, 32].

   2) 경피 제형 : 경피 약물전달을 위해서 3D 프린터를 이용한 마이크로니들 연구가 다양하게 연구되고 있다. 마이크로 니들은 기존의 주사에 비해 통증도 적고 자가 투약이 가능하여 기존의 주사에서 생기는 단점을 보완 할 수도 있다. 그리고 진피에 직접 주입하여 약물 작용에 장벽으로 작용하는 각질층으로 통과하여 약물 주입 시간을 조절할 수 있기 때문에 주사와 패치가 차지 하고 있는 경피 제형 약물 시장의 상당수를 대체 할 것으로 보인다. 기존의 마이크로 제조 기술은 간단한 형상을 가진 마이크로니들로 제한되는 반면에 3D 프린팅 기술은 보다 정교하고 복잡한 형상을 갖는 마이크로니들을 제작할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어 피라미드와 기둥 또는 훨씬 더 복잡한 구조와 같은 3D 구조를 형성하기 위해 광 반응성 수지와 UV 광을 사용하여 방법도 개발되었다 [33]. 또한, Hyaluronic acid를 전달하기 위해 “Radara”라는 시장에 적용되어 현재 사용되고 있는 기술, 피부암 약물(Dacarbazine)을 전달하기 위해 마이크로니들로 이용한 연구, 피부암을 치료하기 위해 5주 동안 마이크로니들 시스템을 이용하여 항암제인 Dacarbazine의 제어 방출 달성 연구, Diclofenac 겔을 전달하기 위한 3D 프린팅 마이크로니들 연구, 해상도가 향상된 FDM 방식을 사용하여 새로운 미세 제작 기술로 방출이 조절된 마이크로니들을 제조 연구, 30분 이내 빠르게 방출되는 인슐린 피부 전달을 위한 마이크로니들 패치 연구 및 피부 세포주와 생체 적합성을 보이며 Diclofenac의 피부 투과를 유의하게 향상시킨 연구도 진행되었다. [34-38]. 그리고 FDM 기술은 고온 용융압축 기술(Hot-melting extrusion, HME)과 연결되어 다양한 생체 적합한 소재와 의약품과 혼합하여 필라멘트를 제조하고 다양한 약물 방출에 대한 연구를 진행하고 있다. 이처럼 경구 제형 뿐만 아니라 경피 제형에서도 다양한 의약품을 이용하여 방출 제어 연구가 진행되고 있다.

   3) 삽입 제형 : 삽입 제형인 임플란트는 서방형 매트릭스 내에 활성 약물을 함유하는 제형으로 약물의 장기 치료가 필요한 환자에게 적용할 수 있는 제형이다. 최근 3D 프린팅을 이용한 삽입 제형은 복잡한 구조를 갖도록 설계되어 다양한 약물을 함유하고 정교한 약물 방출 특성을 달성 할 수 있다. Isoniazid와 Rifampicin을 함유하여 특정 순서로 각 층에 혼입하여 골 결핵 치료를 위한 다중 약물 치료 시스템이 연구되었다 [39]. 그리고 토끼를 대상으로 만성 골수염 치료를 위하여 Levofloxacin 과 Tobramycin을 함유하는 임플란트를 설계하고 이 임플란트 각 층에서 이상적인 약물 농도를 유지하기 위해 60일 동안 지속적인 약물 방출을 보이도록 단계적으로 약물을 방출하여 만성 골수염의 경과를 성공적으로 진행을 느리게 조절한 연구가 진행되었다 [40]. 또한, 췌장암 치료를 위해 3D 프린터를 이용하여 5-fluorouracil 약물 함유 국소 약물 방출 임플란트를 제조하고 흉선이 제거된 생쥐모델의 췌장에 직접 부착하여 4주 후 암의 성장을 억제하고 부작용을 줄이는 등 병세의 호전적인 결과를 통해 3D 프린터를 활용하여 제조한 삽입 제형 구조체의 국소 약물 전달 활용이 가능함을 보였다 [41].
 

표 2. 3D 프린팅 기술이 적용된 약물을 함유하는 제형
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3. 결론

3D 프린터는 제 4차 산업혁명의 중요한 제조 방법이다. 맞춤형 부품 제조, 시뮬레이션용 소형 모델 제작 등 다양한 산업 분야에서 사용이 확대되고 있으며 의약 분야에서도 바이오, 의약품 분야에서의 연구개발도 활발히 이뤄지고 있다. 3D 프린팅 기술을 이용하여 매우 정교하고 복잡한 형태를 쉽게 제조할 수 있으며 개인 맞춤형 형태의 혁신적인 방법이다. 아직 소재의 제한적인 선택과 인체 적합성 연구 그리고 높은 생산 단가 등의 광범위한 이용과 상용화를 제한하는 기술적인 문제들이 있으나, 의약 분야에서의 다양한 적용과 3D 프린팅 기술의 빠른 진화로 의약 분야에서의 적용이 더욱 가속화 될 것이다.

4. 맺는말

맞춤형 제작이 필요한 의약 분야에서 3D 프린터에 대한 정부, 산업계, 학계에서의 관심이 높아지고 이에 따른 연구개발도 굉장히 활발한 상황이다. 3D 프린팅을 활용한 연구개발 속도에 따라 개별 제작비용이 감소하고 있으며 연구 분야를 넘어서는 다양한 학제 간의 공동연구도 또한 활발해지고 3D 프린팅의 결과물을 적용한 다양한 분야에서 미래의 새로운 가능성을 발표하고 있다. 이에 따라, 3D 프린터에 사용이 한정적인 소재 분야에서 인체에 부작용이 없고, 인체 조직 결합성이 우수한 3D 프린팅을 활용한 의료 분야에 적합한 소재 개발이 이뤄지고 의약 분야의 규제 분야도 인체에 활용이 가능한 조건과 법안이 정립되어 의약 분야에서의 다양한 연구개발 분야를 뒷받침할 필요가 있다.

5. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조

 

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진성규(2020). 3D 프린터를 이용한 의약개발 연구동향. BRIC View 2020-T11. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3455 (Mar 17, 2020)
* 자료열람안내 본 내용은 BRIC에서 추가적인 검증과정을 거친 정보가 아님을 밝힙니다. 내용 중 잘못된 사실 전달 또는 오역 등이 있을 시 BRIC으로 연락(member@ibric.org) 바랍니다.
 
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