융합 2017 JULY Vol. 81 Industry Technology Policy 3D 바이오프린팅기술동향 김보림 융합연구정책센터 01 선정배경 3D 프린팅은 4차산업혁명을이끌기술중하나로, 2013년미국오바마대통령이국정연설에서제조방식의혁신을가져올기술로소개하며주목 -

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시현 연
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1 발행일 발행처융합연구정책센터 2017 JULY vol.81 Technology Industry Policy 3D 바이오프린팅기술동향 김보림 융합연구정책센터

2 융합 2017 JULY Vol. 81 Industry Technology Policy 3D 바이오프린팅기술동향 김보림 융합연구정책센터 01 선정배경 3D 프린팅은 4차산업혁명을이끌기술중하나로, 2013년미국오바마대통령이국정연설에서제조방식의혁신을가져올기술로소개하며주목 - 우리나라도 2014년국가과학기술심의회에서 2020년 3D 프린팅글로벌선도국가도약을목표로 3D 프린팅산업발전전략 을수립함에따라상용화가활성화되고있음 3D 프린팅기술은과거제품모형시제품제작을위한도구로활용되었으나, 최근산업생산성증대및개인맞춤형생산도구로활용 - 가장적극적으로 3D 프린팅기술을도입하고있는분야는의료 바이오분야로인공장기 조직제작기술개발및상용화진행중 고령화시대에장기수급문제가대두됨에따라의학과 3D 프린팅기술의융합을통한 3D 바이오프린팅 기술관심급부상 - 초고령화사회, 수명연장연구가속화등으로 3D 바이오프린팅기술의필요성은더욱증가될것으로전망 이에, 3D 바이오프린팅방법및기술개발동향에대해살펴보고자함 그림 1. 3D 바이오프린팅기술이미지 출처 HP 2 Technology

3 3D 바이오프린팅기술동향 02 개요 ( 정의 ) 3D 프린팅기술 * 과생명공학이결합된개념으로, 살아있는세포를원하는형상또는패턴으로적층조형 ** 하여조직이나장기를제작하는 3D 프린팅기술 * 3차원 (3D) 의입체적고체물질을프린트하는출력기술 ** 3D 프린팅에서쓰이는방식으로재료를한층씩쌓아올려서대상형태를만드는방법 - 기본적인원리는 3D 프린터와유사하지만, 생체적합성고분자, 천연고분자, 바이오분자, 생체활성물질, 세포등을프린팅소재로이용한다는점에서차이가있음 ( 배경 ) 2000 년을전후로수지적층조형 (FDM) 방식에생체친화성과생분해성고분자를결합한인공지지체 (scaffold)* 제작이가능하게됨으로써 3D 프린팅기술이바이오 의공학분야에활용되기시작 * 세포외물질중유기고분자를주성분으로하는세포접착유도물질인세포외기질 (ECM) 의성질을그대로체외에서모방한것 ( 주요특징 ) 3D 바이오프린팅기술은생체모방, 소형조직, 자율성자가조립, 세가지주요특징을지님 - ( 생체모방 ) 생물체의특성을산업전반에적용하는것으로, 3D 바이오프린팅기술을통해인공장기나세포등복제가능 - ( 소형조직 ) 몸속의작은조직들이모여큰단위인장기가되는조직의발생특성을 3D 프린팅에적용 - ( 자율성자가조립 ) 발달단계에있는조직의초기세포를구성하는물질은스스로이상적인구조를가진조직을만들수있음 03 3D 바이오프린팅기술을적용하기위해서는소재의선택이중요하며, 가공성, 생체적합성, 기능성, 생분해성 등을고려해야함 3D 바이오프린팅소재 융합 Weekly TIP 3

4 Technology Industry Policy 표 1. 3D 바이오프린팅소재의주요특성 구분 주요내용 인쇄가능성 재료의농도를고려하지않으면프린팅과정중노즐이막히거나, 낮음. 점성으로프린팅후구조유지어려움 점도에따라제품의세포부착성및세포에미치는영향이다르므로바이오프린팅기술에따라알맞은재료선택중요 생체적합성 사람과적합하지않은조직은자가면역반응에의해기능이상실됨 세포의활성이나기능, 신호전달에도움을주기위해서는생체적합성을갖는재료선택중요 생분해성 및부산물 세포가성장할공간을확보하기위해서는만들어진지지체나조직의분해속도를알고조절할수있어야함 생체적합성을가진지지체가분해되면서나오는부산물이분해후체내에서빠르게흡수되기위해서독성유무판단중요 재료의종류에따라물리적특성이다르며신체의부위나역할에따라물리적특성이다르기때문에각기능에맞게재료를 기계적물성 선택하여구조체제작 혈관은압력을버틸수있고모양의변형이쉬운탄성력을가진재료로, 뼈는하중을견딜수있는단단한소재로제작 3D 바이오프린팅에사용되는재료는크게자연유래고분자와합성고분자로구분 표 2. 3D 바이오프린팅소재비교 구분자연유래고분자합성고분자 대표물질 젤라틴, 키토산, 콜라겐, 히알루론산, 알지네이트, 아가, 젤란검, 피브린, 케라틴, 셀룰로오스등 PLA (Poly lactic acid), PEG (Poly ethylene glycol), PVA (Poly vinyl alcohol), PLLA (Poly L lactic acid), PLGA (Poly lactic-co-glycolic acid), PCL (Poly-caprolactone) 장점 가공및조형이쉬움 생체적합성이높으며, 인체내에서생리활성을갖고세포부착성이좋음 면역반응이일어나지않아생체모방 ECM 제작용이 생분해성고분자로신체내에서분해되며분해산물에독성없음 기계적물성이좋아원하는구조나형태를위한물성강도확보용이 인체내에서분해속도조절용이 단점 열에의한변성이쉽게일어남 기계적물성이낮아물리적힘에의해구조나형태가쉽게변형 체내에서빠르게분해되기때문에분해속도조절어려움 천연고분자에비해가공이어렵고생리활성이떨어짐 형태를만들기위해열을가하거나유기용매로녹인후형태를만들어야함 4 Technology

3D 바이오프린팅기술동향 04 3D 바이오프린팅의출력방법은크게잉크젯방식, 용융압출방식, 레이저보조방식이있음 표 3.

: 일정하지않는세포포장과온도에의한생체재료변성, 일정하지않은잉크방울크기등 잉크젯방식 미세압출방식 상업적으로 3D 프린터에서가장많이사용되는방식으로,

높은점성으로인하여잉크젯방식에비해낮은세포부착성을갖고, 세포생존율낮음 레이저보조방식 레이저를이용하여생체물질을출력하는방법으로, 일반적으로사용하는방법은아니지만잉크를출력하는노즐대신레이저를사용 장점 :

5 3D 바이오프린팅기술동향 04 3D 바이오프린팅의출력방법은크게잉크젯방식, 용융압출방식, 레이저보조방식이있음 표 3. 3D 바이오프린팅출력방법 3D 바이오프린팅방법 출력방법 특징 일반적으로가장많이사용되는방식으로, 저점도액상을미세자극을통해미세한액적으로토출 장점 : 프린트준비시간이짧고출력속도가높고비용은적게듦 단점 : 일정하지않는세포포장과온도에의한생체재료변성, 일정하지않은잉크방울크기등 잉크젯방식 미세압출방식 상업적으로 3D 프린터에서가장많이사용되는방식으로, 일정점도이상의페이스트를다양한방식으로밀어내어노즐부로토출 장점 : 잉크가작은액체방울을생성하기보다는목걸이와같이연결된액체방울을생성하며, 이를이용한고밀도세포쌓기가가능하여복잡한구조형성에용이 단점 : 높은점성으로인하여잉크젯방식에비해낮은세포부착성을갖고, 세포생존율낮음 레이저보조방식 레이저를이용하여생체물질을출력하는방법으로, 일반적으로사용하는방법은아니지만잉크를출력하는노즐대신레이저를사용 장점 : 레이저를사용하기때문에세포나생체물질이출력도중막히는문제가없음 단점 : 원하는모양을얻기위해가교룰빠르게진행시켜야하며여러종류의재료를사용할때마다다른레이저를사용해야되므로비용이많이들고제작시간이긺 출처 LD 디스플레이블로그, 융합 Weekly TIP 5

- 기도부목, 골조직인공지지체, 안면윤곽재건, 귀연골조직재건등에이용 그림 2.

6 Technology Industry Policy 05 3D 바이오프린팅프로세스 인공지지체기반 3D 바이오프린팅기술 - 인공지지체는세포의재생능력만으로재생이어려운조직및장기의재건을돕기위해사용되는임시거푸집기능을함 인공지지체는생체적합성재료여야하며, 세포가증식하여조직을형성하는기간동안충분한기계적강도를유지해야함 - 기도부목, 골조직인공지지체, 안면윤곽재건, 귀연골조직재건등에이용 그림 2. 인공지지체를이용한조직공학개념도 출처융합연구리뷰, 3(4):4-33, D 세포프린팅기술 - 세포와단백질, 세포외기질등을직접프린팅하는방식으로조금더적극적인조직및장기재생방법 - 살아있는세포및단백질을원하는양만큼, 원하는위치에 3 차원으로위치시킬수있음 그림 3. 세포프린팅개념도 출처융합연구리뷰, 3(4):4-33, Technology

7 3D 바이오프린팅기술동향 06 3D 바이오프린팅기술개발동향 인공피부 년유럽연합이화장품원료에대한동물실험을전면금지하고, 우리나라식약처는 2016년 12월동물실험을실시한화장품또는화장품원료에대한화장품법발효 - 이에, 동물실험을대체하기위한인공피부가관심을받고있으나, 아직까지생산및판매하는업체는많지않음 OECD의인공피부모델을이용한시험방법지침에등재되어있는인공피부모델은 Loreal SkinEthic( 프랑스 ) 사의 EpiSkinTM, SkinEthicTM, MatTek( 미국 ) 사의 EpiDermTM SIT, J-TEC( 일본 ) 사의 LabCyte EPI-MODEL24 SIT 등 4가지 - 또한, 피부의결손및손상부위재건을위한치료목적연구도진행중으로, 미국 Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) 의 Anthony Atala(Director) 는 3D 프린팅기술을이용하여피부 세포를특정환자에게프린팅하고치유하는기술을개발중 그림 4. 화상환자피부세포프린팅기술요약도 출처 WFIRM 인공간 - 간은물질해독에관여하는조직으로신약개발시독성을평가하는데가장중요한장기임 - UCSD (University of California, San Diego) 의 Shaochen Chen 교수연구팀은 3D 바이오프린팅기술을이용하여간소엽구조를모사한모델을제작 - Organovo 사는간, 피부, 신장과같은신체조직을 3D 프린터인 NovoGenMMX를통해인공적으로생산해내는기술을개발중으로, 최근작은스케일의간조직을인공적으로만들어신약의독성테스트에사용하기위한간조직을 ExVive 라는상품으로최초상용화 간조직상용화뿐아니라제작된간조직을사용하여 In Vitro 시험을대행해주는서비스시행 인공심근 년서울성모병원박훈준교수와포스텍조동우교수연구팀은허혈성심장질환환자의심기능회복을 위한혈관화된심근패치를세계최초로개발 융합 Weekly TIP 7

8 Technology Industry Policy 그림 5. 패치형심근경색줄기세포치료제개발모식도 출처융합연구리뷰, 3(4):4-33, 오사카대학을포함한 4 개대학교와일본제약사쿄와하코바이오는공동으로혈관이구축된심근제조에 관한연구진행 인공근육 년미국 UIUC(University of Illinois at Urbana-Champaign) 의 Bashir 교수팀은패턴구조변화에의한근육아세포 (skeletal myoblasts) 의분화및성숙에관한연구를통해인공근육조직제작이가능함을입증 년포스텍기계공학과조동우교수연구팀은세포프린팅기술및근육유래바이오잉크를사용하여실제인간의골격근과거의유사한인공근육을제작하는데성공 인공뼈 년조동우포스텍교수 이상화성바오로병원교수 심진형한국산업기술대교수팀은 3D 바이오프린팅기술을이용하여혈관조직이분포된뼈조직을제작하는데성공 년 WFIRM 연구팀은실제사람의조직과유사한크기의조직을 3D 바이오프린팅으로제작하기위하여합성폴리머와세포를탑재한하이드로젤을동시에프린팅하는방법을사용하여사람의하악골과두개골프린트성공 - 같은해, 호주 Griffith 대학의 Ivanovski 교수팀은골형성촉진을위해고분자인공지지체, 골수유래줄기세포및골형성단백질 (BMP-7) 을담지한바이오잉크를프린팅하여골재생용인공지지체에관한연구를진행 8 Technology

9 3D 바이오프린팅기술동향 인공혈관 - 실제인간의조직 / 장기크기의유사체를프린팅하고유지시키기위해서는, 프린팅된조직 / 장기의안쪽까지산소와영양분을공급해야하기때문에이러한역할을하는인공혈관을만드는것이조직공학에서도주요과제 년펜실베니아대학연구팀은혈관네트워크가패터닝되고혈액혹은배양액 (media) 이순환가능한 3차원조직구조체를개발 - Ali Khademhosseini 그룹은 2014년인공조직에혈관신생이가능한마이크로채널을하이드로젤로프린팅하는데성공 07 시사점및기대효과 3D 바이오프린팅기술은전세계적으로연구단계를넘어기술상용화로나아가고있음 - 시장선점을위해 3D 바이오프린팅기술과바이오메디컬분야의융합을위한원천기술확보중요 3D 바이오프린팅기술은공학및생물학, 의학등다양한분야의긴밀한융합이필수적인분야로산학연협업을통해기술고도화가능 - 지속적인기술개량, 소재개발, 무해성검증등지속적인개발을통해실제조직장기와유사한인공장기개발및기술향상기대 3D 바이오프린팅기술을이용함으로써현재신체장기수요불균형문제를해결할수있을것으로기대 - 환자맞춤형인공장기를제공함으로써면역거부반응에따른부작용의대안이될수있을것으로전망 융합 Weekly TIP 9

10 Technology Industry Policy 참고자료 1. 김성호외, 3D 바이오프린팅기술현황과응용, Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal, 30(6): , 김완두외, 인공조직제작을위한 3D 바이오프린팅기술, 기계저널, 55(11):30-33, 진송완외, 3D 바이오프린팅기술을이용한인공장기 조직제작기술, 융합연구정책센터, 융합연구리뷰, 3(4):4-33, 현정우, 최은창, 3D 바이오프린팅기술개발동향분석, ETRI 전자통신동향분석, 30(5):99-108, LD 디스플레이블로그, 10 Technology

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