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[바이오프린팅] 3. 새로운 3D 바이오프린팅 기술: 체적 3D 바이오프린팅 (volumetric 3D bioprinting)
의학약학 이배훈 (2019-09-04 09:57)

기존의 3D 프린팅 기술은 복잡한 구조를 제조하는데 몇 시간 또는 몇 일이 소요된다. 왜냐하면 기존의 3D 프린팅은 2차원 기반의 작동원리를 이용하여 삼차원 구조를 제조하기 때문이다. 최근에 개발된 체적 3D 프린팅은 다양한 레이저 빔들을 동시에 이용하여 입체화상과 같은 방식으로 복잡한 구조물을 수십 초의 짧은 시간 안에 제조할 수 있다. 체적 3D 프린팅(volumetric 3D printing)은 기존의 적층 제조기술 (additive manufacturing technique)의 많은 한계를 극복할 수 있다.1

기존의 적층방식의 제조 기술의 3D 프린팅은 물체를 점(point) 단위 또는 면(2D, layer) 단위로 한층 한층 프린팅함으로 삼차원 구조를 제조하였다. 즉 레이저 또는 전자 빔을 이용하여 프라스틱 또는 금속 분말을 녹여 삼차원 방식으로 프린팅 구조체를 만들었다. 이런 적층방식의 제조 기술은 빠르게 프로토타입을 제조하는데 효과적이었다. 하지만 적층방식의 제조기술은 시간이 많이 소요되는 단점을 가지고 있고 삼차원 구조체를 제조하는 동안 구조체를 지지하는 임시 지지대가 필요하였다.

최근에 개발된 체적 프린팅(volumetric printing)은 3D 구조물을 짧은 시간 (수 초 내지 수십 초) 안에 만들 수 있다. 체적 프린팅은 광경화성 레진으로 채워진 공간(통)에 입체화상 (hologram)과 같은 패턴으로 세 개의 중첩되는 레이저 빔들을 이용하여 원하는 곳만 경화하여 프린팅한다. 세 개의 레이저 빔들을 동시에 이용할 때 레진을 중합하는 시간은 크게 단축된다. 기존의 한층 한층 적층하는 제조 방식의 문제점인 많은 소요 시간을 체적 프린팅 기술로 극복할 수 있다.

체적 프린팅은 프린팅 시간을 단축할 뿐 아니라 임시적 지지대가 필요 없으며 다양한 형태의 삼차원 구조체를 제조할 수 있게 한다. 체적 프린팅이 갖고 있는 문제점으로는 먼저 강한 레이저에 노출에 따른 원하지 않은 부분의 레진이 경화되는 경우가 있다. 또한 바이오 프린팅을 위해서는 빛에 민감한 생체적합성 수화젤 레진의 개발이 필요하다.

또한 최근 체적 프린팅을 바이오프린팅에 접목시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.2우리 몸의 일부(심장 밸브, 관절 반월판, 대퇴골 일부)를 체적 프린팅 기술을 이용하여 프린팅하는 시도들이 이루어지고 있다(그림1-4). 체적 바이오프린팅은 기존의 압출기반 바이오프린팅(extrusion-based bioprinting), 디지털 라이트 프로세싱(digital light processing)에 비하여 초고속으로 프린팅이 가능하며 프린트된 표면은 다른 기술로 제조된 표면보다 매끄럽고 깔끔하였다. 체적 바이오프린팅(volumetric bioprinting)은 줄기세포를 포함한 광감성 수화성 레진 (gelatin methacryloyl 기반 수화젤)이 가득찬 천천히 회전하는 튜브안에서 레이저빔을 여러 각도로 투사함을 통해 이루어진다. 즉 체적 바이오 프린팅 기술은 광개시제, 세포, 광경화성 수화젤을 포함한 튜브안에서 특별한 위치에 레이저빔을 선택적으로 투사함으로 삼차원 구조체를 수십 초 내로 제조할 수 있으며 삼차원 구조체 안에 포함된 줄기세포들은 높은 생존율(85% 이상)을 보였다. 아울러 체적 바이오프린팅으로 제조된 다공성 구조물은 뼈세포와 내피세포들을 함께 배양됐을 때 더 많은 혈관들이 생성되었다. 체적 바이오프린팅으로 제조된 반월판은 세포의 대사활성도와 세포외 기질의 생성(글라이코사미노글라이칸과 콜라젠 1과 II)이 세포 배양과 함께 증가하였다. 그리고 체적 바이오프린팅으로 제조된 구조체의 초기 압축 탄성율은 24.63 ± 0.65 kPa이였는데 배양후 266.54 ± 4.49 kPa로 증가하여 사람의 섬유연골의 압축탄성율과 유사하였다.

체적 바이오프린팅은 기존의 바이오제조 기술에 비해 임상에 적용할 수 있는 많은 양의 세포를 포함한 임상에 맞는 크기의 구조체를 정확하고 빠르게 제조할 수 있는 혁명적인 기술로 평가되며 조직재생, 재생의약, 소프트 로보틱스의 발전에 기여할 것으로 생각되어진다. 다만 현재 가용한 광경화성 생체적합한 수화젤 소재(gelation methacryloyl, hyaluronan methacrylate) 들은 제한되어 있어 빛에 민감하고, 생체적합하며, 세포 분화를 조절할 수 있는 광경화성 수화젤 레진들의 개발이 필요하다.

[참고문헌]
1. One-step volumetric additive manufacturing of complex polymer structures December 2017 Science Advances 3(12): eaao5496 DOI: 10.1126/sciadv.aao5496
2. Volumetric Bioprinting of Complex Living‐Tissue Constructs within Seconds August 2019 Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.201904209
 

체적 바이오프린팅과정

그림 1. 체적 바이오프린팅과정. A) 세포가 포함된 수화젤 레진 용기는 회전하는 가운데 빛의 투영을 받아 삼차원 구조를 만든다. B) 사람 귀 (human auricle)를 프린트하기 위해 사용된 단층 투사 모형. C) 프린트된 수화젤 구조체 (데모를 위해 푸른색으로 염색함). 프린팅 시간은 22.7 초.
 

체적 프린팅의 주요 인자와 프린트된 구조물

그림 2. 체적 프린팅의 주요 인자와 프린트된 구조물. A) 개시제를 포함한 바이오 레진의 빛 투과 패턴. B) 다른 바이오프린팅 기술들로 제조된 귀모델(1x_0.15 cm3, 2x_0.15 cm3, 3x_0.15 cm3)의 제조 시간. C) 다른 바이오프린팅 기술들로 제조된 구조체의 표면확대 사진들. (i) 체적 바이오프린팅(volumetric bioprinting, VBP), (ii) 압출기반 바이오프린팅(extrusion-based bioprinting, EBP), (iii) 디지털 라이트 프로세싱(digital light processing, DLP). D) 유체 볼-케이즈 밸브의 체적 프린팅, (i) 밸브의 3D 컴퓨터 모델, (ii) 밸브의 상면도, (iii) 유체 흐름을 조절하는 케이즈의 확대사진, (iv) 열려진 밸브, (v) 닫혀진 밸브.
 

연골전구세포 포함 수화젤을 이용한 체적 바이오프린트된 구조체

그림 3. 연골전구세포 포함 수화젤을 이용한 체적 바이오프린트된 구조체. A) (i) 7일간의 세포 생존율 (85% 이상), (ii) 세포 대사 활성도의 증가, (iii) 다양한 방법(체적 바이오프린팅_VBP, 압출기반 바이오프린팅_EBB, 디지털 라이트 프로세싱_DLP, 수화젤 캐스팅_Cast)으로 제조된 구조물의 세포 생존율. B) (i) 12.5 초만에 제조된 다공성 뼈 형태의 구조체, (ii) 마이크로 CT 모델(ii). C) 중간엽 줄기세포를 포함한 구조체의 세포 사진. D) 구조체에 내피집략형성세포(ECFC, endothelial colony forming cell, 녹색)과 혈관주위 중간엽줄기세포(P-MSC, pericyte-mesenchymal stem cell, 노랑색)를 함께 배양했을 때 혈관생성을 유도함. (i) 구조체 공간에 스며드며 성장해 가는 혈관 내피세포들, (ii) 혈관내피세포들 일부는 구조체의 뼈 부분까지 침투하기 시작함, (iii) 체적 바이오프린팅으로 제조된 구조체 안에서 혈관 재생은 2D 조건의 대조군에 비해 더 활발하였다.

체적 바이오프린팅 기술로 제조된 반월판

그림 4. 체적 바이오프린팅 기술로 제조된 반월판. A) (i) 반월판은 컴퓨터 3D 모델를 토대로, (ii) 수화젤 레진으로 체적 바이오프린트 되었다. (iii) 체적 바이오프린팅 기술을 활용하여 28초 만에 반월판이 프리트되어, 마이크로 CT로 촬영된 이미지, (iv) 세포를 포함해 프린트된 반월판은 7일간 좋은 세포 생존율을 보였다. B) 7일 배양 기간 동안의 대사활성도의 변화. C) 프린트된 반월판은 새로운 조직(글라이코사미노글라이칸, glycosaminoglycan, GAG)을 생산하였고, 28일간의 배양에서 기계적 물성이 향상되었다. D) 글라이코사미노글라이칸 염색사진. E) 콜라젠 I 염색 사진. F) 콜라젠 II 염색 사진.

 

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이배훈 (Wenzhou Medical University)
본 연재를 통해 3D bioprinting 기술이 인류의 생명활동에 어떻게 영향을 주고 있는지 함께 생각하며 이야기 나누고자 합니다.
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