없을뿐만아니라정교한프린팅이가능하다는장점을가지고있지만, 느린출력속도를 개선하고, 광조형을위한소재와세포간의적합성을향상시키는것이필요하다. 2. 세포프린팅을위한바이오잉크개발 살아있는세포를프린팅하기위해서는세포와의적합성및세포성장공간을확보하 기위한생분해성, 프린팅을위한유동학적특성,

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새롬 동
5 years ago
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기본적인출력방식은일반 3D 프린팅과동일하나, 3D 바이오프린팅은살아있는세포를출력하기위해생체적합성을갖는고분자, 생체재료등을기본소재로사용한다는차이점이있다.

1 최신연구동향 3D 바이오프린팅연구동향 한양대학교김동립교수, 전예일박사과정 1. 개요 제조방식의혁신을가져올수있는 3D 프린팅은 4차산업혁명을이끌유망기술중하나로주목받으며다양한분야에서관련연구가활발하게이루어지고있다. 바이오 / 의료분야에서도인공조직및인공장기제작을위한 3D 바이오프린팅에대한관심이높아지고있다. 3D 바이오프린팅은 3D 프린팅기술과생명공학이융합된개념으로, 이를이용하여살아있는세포를원하는형상으로쌓아올려조직, 장기를제작할수있다. 기본적인출력방식은일반 3D 프린팅과동일하나, 3D 바이오프린팅은살아있는세포를출력하기위해생체적합성을갖는고분자, 생체재료등을기본소재로사용한다는차이점이있다. 3D 바이오프린팅기법으로는작은크기의방울로재료를분사하여출력하는잉크젯 (Inkjet) 방식, 일정점도이상의재료를공압이나피스톤으로밀어내는미세압출 (Micro-extrusion) 방식, 그리고광경화성수지표면에광원을조사하는광조형방식이있다. 잉크젯방식은출력속도가빠르고, 적은비용이장점이될수있겠지만, 열응력에의한세포가손상될위험이있다. 미세압출방식은세포를고밀도로적층할수있어다양한형상제작이가능하다는장점이있어가장널리사용되고있지만, 프린팅정밀도와속도를보다향상시키는것이필요하다. 광조형방식은노즐에서의세포막힘현상이

2 없을뿐만아니라정교한프린팅이가능하다는장점을가지고있지만, 느린출력속도를 개선하고, 광조형을위한소재와세포간의적합성을향상시키는것이필요하다. 2. 세포프린팅을위한바이오잉크개발 살아있는세포를프린팅하기위해서는세포와의적합성및세포성장공간을확보하 기위한생분해성, 프린팅을위한유동학적특성, 사용처에따른기계적특성을고려한 바이오잉크개발이필수적이다. 2014년포항공과대학교연구팀은탈세포공정을활용하여세포외기질 (extracellular matrix) 로구성된바이오잉크개발하여보고하였다. 이렇게제작된바이오잉크는우수한생체적합성을가지며, 지방, 연골및심장등의조직재생에우수한생물학적환경을제공한바있다. 2018년미국 Texas 대학, Northeastern 대학공동연구팀은 PEG(polyethylene glycol) 와 PCL(polycaprolactone) 로구성된중합체를기반으로가시광선으로겔화가능한생분해성수화겔을개발하였다. 가시광선을이용하여겔화되기때문에세포프린팅공정을단순화할수있고, 기계적특성조절또한가능하여다양한조직제작에적용할수있다. 최근에는수화겔 (Hydrogel) 에나노재료를혼합함으로써바이오잉크의성능을향상시키는연구가수행되고있다. 2018년미국 Texas A&M 대학연구팀은 κca (kappacarrageenan) 과 2차원의나노실리케이트 (nanosilicate) 를혼합하여온도변화에의해상태변화가가능하면서도물리적결합력이향상되어 Self-supporting이가능한바이오잉크를개발하였다. 개발된잉크는높은세포생존성및대사활성도를보이면서도바이오잉크가세포와화학적으로결합되지않기때문에세포의퍼짐및증식을보다용이하게하였다. 또한동일연구팀에서나노복합재와이온-공유결합얽힘을이용해바이오잉크

3 의유동학적특성및기계적특성을향상시켰다. 강화된바이오잉크재료는세포를캡 슐화하여프린팅중과도한전단응력에의한손상으로부터세포를보호하였으며, 기존 의바이오잉크보다더높이적층가능하여한번에큰구조제작이가능하다. 3. 바이오프린팅을통한인공조직, 인공장기제작 세포프린팅을위한성능이향상된바이오잉크개발연구와더불어 3D 바이오프린팅기술을이용한인공혈관, 인공조직, 인공장기제작에대한연구가활발히진행되고있다. 작게는미세혈관이나조직에서부터크게는장기까지멀티스케일의바이오프린팅에대한연구가수행되고있다. 2016년미국 Wake Forest 재생의학연구소 (WFIRM) 는미세압출방식의바이오프린팅을이용하여인공귀, 근육및뼈를제작하였고, 동물실험을수행함으로써인공장기제작연구를수행하였다. 세포가포함된수화겔과함께기계적강도를높여주는생분해성고분자인 PCL(polycaprolactone) 을출력하였다. 조직세포가형상을유지하기에충분한강도를보유할때까지생분해성고분자가세포의구조를지지할수있도록하였다. 이전까지바이오프린팅기술은작은크기의조직제작에만국한되었으나, 이연구를통해 3D 바이오프린팅기술을이용하여조직보다더큰크기의인공장기제작의가능성을보여주었다. 4. 바이오프린팅을통한살아있는생체시스템제작 3D 바이오프린팅에대한연구는세포를프린팅하여인공조직, 인공장기를제작하 는조직공학분야외에도미생물이나효소세포를프린팅하여살아있는생체재료, 살 아있는생체시스템을제작하는다분야통합연구로발전하고있다 년미국 Massachusetts 대학연구팀은다양한종류의유전적으로조작된박테리

4 아세포를수용할수있는신축성이있고, 견고하며, 생체적합성을갖는수화겔-탄성체 (hydrogel-elastomer) 복합재로살아있는생체재료및살아있는생체시스템을제작하였다. 수화겔 (hydrogel) 은박테리아에물과영양분을공급하는역할을하며, 탄성체 (elastomer) 는박테리아를캡슐화하여공기는투과하면서외부로부터보호하는역할을한다. 박테리아가포함된수화겔-탄성체복합재는다양한화학물질에반응하면서도신축성이있어향후 Wearable Sensor로의활용가능성을보였다. 2018년미국 Washington 대학연구팀은촉매활성을갖는살아있는생체재료를 3D 바이오프린팅으로제작하는연구를수행하였다. 여러가지자극에반응하는효모를열가역적수화겔과혼합하여출력하고, 광가교결합을통해탄성을갖는살아있는생체재료를제작하였다. 이생체재료를이용하여포도당을에탄올로발효시키는공정에서대사활성을보이는것을확인하였다. 5. 고찰 3D 바이오프린팅분야는비록아직개발되어야할것이많이있지만매우빠르게성장하고있다. 최근에는나노소재와바이오소재가복합화되어기능을향상시키는연구가활발히진행되고있다. 프린팅하고자하는세포의생물학적특성및생리학적특성을고려한바이오잉크의개발과함께여러종류의세포를동시에정밀하게위치시키기위한프린팅기술이보다최적화될필요가있다. 3D 바이오프린팅을통한맞춤형인공조직및인공장기제작이가능할날도머지않을것으로기대된다.

5 참고문헌 1. S. V Murphy, A. Altala, 3D bioprinting of tissues and organs, Nature Biotechnology, (2014) 32(8), M. Guvendiren, J. Molde, R. M. D. Soares, J. Kohn, Designing Biomaterials for 3D Printing, ACS Biomaterials Science and Engineering, (2016) 2, R. D. Pedde, B. Mirani, A. Navaei, T. Styan, S. Wong, M. Mehrali, A. Thakur, N. Khadem Mohtaram, A. Bayati, A. Dolatshahi-Pirouz, M. Nikkhah, S. M. Willerth, M. Akbari, Emerging Biofabrication Strategies for Engineering Complex Tissue Constructs, Advanced Materials, (2017) 29, C. Xu, W. Lee, G. Dai, Y. Hong, Highly Elastic Biodegradable Single-Network Hydrogel for Cell Printing, ACS Applied Materials and Interfaces, (2018) 10, F. Pati, J. Jang, D.-H. Ha, S. W. Kim, J.-W. Rhie, J.-H. Shim, D.-H. Kim, D.-W. Cho, Printing three-dimensional tissue analogues with decellularized extracellular matrix bioink, Nature Communications, (2014) 5:3935, DOI: /ncomms D. Chimene, C. W. Peak, J. L. Gentry, J. K. Carrow, L. M. Cross, E. Mondragon, G. B. Cardoso, R. Kaunas, A. K. Gaharwar, Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement (NICE) Bioinks for 3D Bioprinting, ACS Applied Materials and Interfaces, (2018) 10, S. A. Wilson, L. M. Cross, C. W. Peak, A. K. Gaharwar, Shear-Thinning and Thermo-Reversible Nanoengineered Inks for 3D Bioprinting, ACS Applied Materials and Interfaces, (2017) 9, D. B. Kolesky, R. L. Truby, A. S. Gladman, T. A. Busbee, K. A. Homan, J. A. Lewis, 3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs, Advanced Materials, (2014) 26, H.-W. Kang, S. J. Lee, I. K. Ko, C. Kengla, J. J. Yoo, A. Atala, A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity, Nature Biotechnology, (2016) 34(3), X. Liu, T.-C. Tang, E. Tham, H. Yuk, S. Lin, T. K. Lu, X. Zhao, Stretchable living materials and devices with hydrogel-elastomer hybrids programmed cells, PNAS, (2017) 114(9),

6 11. X. Liu, H. Yuk, S. Lin, G. A. Parada, T.-C. Tang, E. Tham, C. de la Fuente-Nunez, T. K. Lu, X. Zhao, 3D Printing of Living Responsive Materials and Devices, Advanced Materials, (2018) 30, A. Saha, T. G. Johnston, R. T. Shafranek, C. J. Goodman, J. G. Zalatan, D. W. Storti, M. A. Ganter, A. Nelson, Additive Manufacturing of Catalytically Active Living Materials, ACS Applied Materials and Interfaces, (2018) 10,

그림 1. 바이오잉크 (bioink) 1. 서론 다양한세포로구성된기능을가진인체의조직과기관을만들어손상된조직과기관을대체하는것은조직공학과재생의약의주된목표이다. 바이오프린팅은이런조직공학과재생의약의목표를빠르게실현할수있도록도울수있는최근핵심기술이다. 바이오프린팅은자동화된바이오프린터

그림 1. 바이오잉크 (bioink) 1. 서론 다양한세포로구성된기능을가진인체의조직과기관을만들어손상된조직과기관을대체하는것은조직공학과재생의약의주된목표이다. 바이오프린팅은이런조직공학과재생의약의목표를빠르게실현할수있도록도울수있는최근핵심기술이다. 바이오프린팅은자동화된바이오프린터 BRIC View 2017-T21 BRIC View 동향리포트 3D 바이오프린팅을위한바이오잉크개발동향 이배훈 Wenzhou Institute of Biomaterials and Engineering, Wenzhou Medical University E-mail: bhlee@wibe.ac.cn 요약문 3D 바이오프린팅 (bioprinting) 은인체의복잡한구조의조직과기관을닮은구조체를컴퓨터프로그램설계를통해정확하게구현할수있고환자맞춤형치료를할수있는장점이있어조직공학과재생의약에서활발히연구되는기술이다.