Microsoft Word - 02 _ _ 특집 박석희

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수호 구
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1 한국정밀공학회지제 31 권 12 호 pp J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 31, No. 12, pp ISSN (Print), ISSN (Online) December 2014 / 특집 3D 프린팅기술의응용 3D 프린팅활용생체의료분야기술동향 Current Status of Biomedical Applications using 3D Printing Technology 박석희 1,, 박진호 1, 이혜진 1, 이낙규 1 Suk-Hee Park 1,, Jean Ho Park 1, Hye Jin Lee 1, and Nak Kyu Lee 1 1 한국생산기술연구원마이크로나노공정연구실용화그룹 (Micro/Nano Scale Manufacturing R&BD Group, Korea Institute of Industrial Technology) Corresponding author: selome815@kitech.re.kr, Tel: Manuscript received: / Revised: / Accepted: To date, biomedical application of three-dimensional (3D) printing technology remains one of the most important research topics and business targets. A wide range of approaches have been attempted using various 3D printing systems with general materials and specific biomaterials. In this review, we provide a brief overview of the biomedical applications using 3D printing techniques, such as surgical tool, medical device, prosthesis, and tissue engineering scaffold. Compared to the other applications of 3D printed products, the scaffold fabrication should be performed with careful selection of bio-functional materials. In particular, we describe how the biomaterials can be processed into 3D printed scaffold and applied to tissue engineering area. Key Words: 3D printing (3 차원프린팅 ), Biomedical application ( 생체의료활용 ), Biomaterials ( 생체재료 ), Tissue engineering ( 조직공학 ), Scaffold ( 지지체 ) 1. 서론 최근미국, 유럽, 일본등제조산업선진국을중심으로제조업혁신을위한 3D 프린팅기반기술및응용기술연구가활발히이루어지고있다. 3D 프린팅기술은 3 차원스캔이나 3 차원모델링을통하여획득된디지털데이터를적층가공방식으로제작하는가공기술이며, 1980 년대에광조형기반의 stereolithography(sla), 열용착기반의 fused deposition modeling(fdm) 이고안되었다. 이후현재까지많은파생기술이개발되어시작품제작수준에서의활용뿐만아니라각종산업현장에서기능 성부품으로직접활용되고있다. 1,2 특히생체 의공학분야에있어 2000년을전후로하여 FDM 기술에열가소성생체적합고분자를적용하여조직공학용인공지지체를직접제작함에따라 3D프린팅의바이오조형기술활용이시작되었다. 3 최근이러한 3D프린팅기술의활용이조직공학용지지체이외에도맞춤형의족, 치과보철, 인공혈관, 바이오칩제작에확대되고있다. 2 3D프린팅기술은가공성및기능성을조형물에적절히제공하기위하여소재와공정이동시복합적으로고려되어야한다. 특히생체의료분야에있어서는생체조직혹은세포수준에서의소 Copyright C The Korean Society for Precision Engineering This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

한국정밀공학회지 제 31 권 12 호 pp. 1067-1076 December 2014 / 1068 (a) 3D visual aid based on MRI5 (b) Surgical guide2 Fig. 2 Use of 3D printed objects for surgical simulation and guide instrument Fig.

본 특집논문에서는 3D프 린팅 기술의 생체의료 분야에서의 일반적인 상용 소재 활용사례를 소개하고, 특히 재생의학 및 조 직공학에 특화된 기능성 생체재료를 활용한 3차원 지지체 제작 방법의 최신 연구동향에 대해 살펴보 고자 한다. 2.

2 한국정밀공학회지 제 31 권 12 호 pp December 2014 / 1068 (a) 3D visual aid based on MRI5 (b) Surgical guide2 Fig. 2 Use of 3D printed objects for surgical simulation and guide instrument Fig. 1 Four types of biomedical applications using 3D printing technology2,4-6 재 및 구조적 특성의 연구가 필수적이다. 이와 관 련하여 3D프린팅 바이오 조형 분야에 있어 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 특집논문에서는 3D프 린팅 기술의 생체의료 분야에서의 일반적인 상용 소재 활용사례를 소개하고, 특히 재생의학 및 조 직공학에 특화된 기능성 생체재료를 활용한 3차원 지지체 제작 방법의 최신 연구동향에 대해 살펴보 고자 한다. 2. 의료분야 3D 프린팅 활용 개요 3D프린팅 기술의 의료분야 활용은 공정 및 사 용 재료의 특성에 따라 몇 가지의 응용분야로 나 누어 볼 수 있다. Fig. 1에서는 4가지 분류의 응용 사례를 보여주고 있다. 본 장에서는 3D프린팅 기 술의 의료분야 응용에 있어 일반소재 및 생체소재 를 활용하는 경우를 나누어 기술활용 사례를 개략 적으로 설명하고자 한다. 2.1 일반 소재의 3D 프린팅 기술 활용 3D프린팅 기술은 디지털 데이터로부터 금형없 이 직접적인 생산이 가능하다는 점에서 주로 시제 품 제작분야에 효율적인 활용이 이루어져왔다. 또 한 일반 플라스틱 사출 공정 혹은 절삭가공 결과 물 대비 표면조도, 기계적 강도 강성 면에서의 한 계점으로 인해 실제부품으로 활용되기 보다는 제 품의 시각화 또는 조립테스트용 시작품으로의 활 용이 더 많이 이루어져 왔다.2 의료기기 개발에도 이러한 시제품 제작 수준의 3D프린팅 기술 활용이 많이 이루어지고 있다. ACIST, Biorep, CBMTI, Ivivi Technologies 등 의료기기 전문회사 등은 3D프린팅 기술을 도입하여 각종 임상시험기기 개발 기간 및 생산주기를 단축하였다.7 3D프린팅 기술의 디지털 데이터 시각화 기능 은 Fig. 2(a)와 같은 의료분야, 특히 외과수술의 사 전 계획수립 및 실제 연습도구에 효율적으로 활용 될 수 있다. 이러한 시각화 응용의 대표적인 최초 사례로 2002년 미국 UCLA 병원에서 시행되었던 샴쌍둥이 분리수술이 있다.8 복잡한 뇌혈관 및 신 경계의 구조로 인해 기존의 의료영상에 의존한 분 리수술이 100시간 가량 소요되었던 반면, MRI 로 찍은 영상을 3D프린터로 인쇄하여 수술계획을 수 립하고 예행연습을 함으로써 22시간 만에 성공적 으로 수술을 완료하였다. 이러한 CT/MRI 의료영상 기술 기반의 수술 시뮬레이션 응용은 현재까지도 복잡한 외과수술에 있어, 실수로 인한 의료사고를 예방하고 수술 효율을 증대시키는 데에 유용하게 활용되고 있다. 의료영상 CAD데이터는 3D프린팅 구조물의 시각화 활용 이외에도 Fig. 2(b)와 같이 실제 수술현장에서 가이드 구조물로 제작되어 활 용될 수 있다. 상처나 절개, 관통 부위 구조의 3차 원 데이터를 확보하고 각종 수술용 도구를 효율적 으로 적용할 수 있게 유도하는 구조물을 데이터에 맞게 일시적으로 제작하여 활용한다.2 3D프린팅 기술은 앞서 언급한 바와 같이 디지 털 데이터로부터 직접적인 생산이 가능하기 때문 에 맞춤형 소량생산 제품 활용에 매우 효과적이다. 이러한 기술적 특성에 기반하여 체외에 착용되는 의족, 의수 등 신체 보조 재활기구 제작에 적용 하려는 시도가 이루어지고 있다. 대표적인 예로 미국 Delaware 병원에서는 선천적 근골격계 질환 을 앓고 있는 한 어린이에게 3D프린터를 이용하여 신체 외골격에 맞게 제작된 보조기구를 착용하여 스스로 팔을 움직일 수 있게 하였다.9 이렇게 대량 생산 부품과 대비되어 성장 중 어린이와 같이 특 정 환자에 적합한 맞춤형 생산은 3D프린팅 기술의 특징을 잘 살린 적절한 예로 볼 수 있다. 3D프린팅 기술의 맞춤형 조형방식의 장점은

한국정밀공학회지 제 31 권 12 호 pp. 1067-1076 (a) Chemical synthesis7 December 2014 / 1069 (b) Genetic diagnosis8 Fig. 3 3D printed microfluidic devices Fig.

Kitson 등은 반응경로 및 반응시간, 반응물, 촉매구 성 등을 3차원화하여 최적의 화학반응 조건을 제 공할 수 있는 마이크로 유체소자 기반 reactionware 개념을 창안하였다.10 이는 향후 약물의 합성을 맞 춤형으로 제조할 수 있는 기술적 기반을 마련할 것으로 기대된다.

3 한국정밀공학회지 제 31 권 12 호 pp (a) Chemical synthesis7 December 2014 / 1069 (b) Genetic diagnosis8 Fig. 3 3D printed microfluidic devices Fig. 3과 같은 마이크로 유체소자(Microfluidic device) 기반의 의약학적 연구에도 활용되고 있다. 화학화 합물 합성, 미세유체 혼합, 유전물질 합성, 생체물 질 조작 등에 있어 3D프린팅 기술은 각각의 특성 에 맞는 소자의 공간과 유로의 3차원 설계 및 최 적의 설계변경 등에 효율적으로 활용될 수 있다. Kitson 등은 반응경로 및 반응시간, 반응물, 촉매구 성 등을 3차원화하여 최적의 화학반응 조건을 제 공할 수 있는 마이크로 유체소자 기반 reactionware 개념을 창안하였다.10 이는 향후 약물의 합성을 맞 춤형으로 제조할 수 있는 기술적 기반을 마련할 것으로 기대된다. Huang 등은 3D프린팅으로 제작 된 마스터에 PDMS 몰딩을 한 후 열반응 하이드로 젤 밸브 및 전기히터 소자를 통합화하여 유전물질 의 중합효소 연쇄반응 등을 효과적으로 제어할 수 있는 기술을 발표하였다.11 이는 향후 유전자 기반 의 진단기술에서의 3D프린팅 기술활용 가능성을 시사한다. 현재까지는 마이크로 유체소자 제작활 용에 있어 마이크로/나노급 정밀도 구현이 어렵고 활용할 수 있는 소재가 제한적이어서 마스터 몰드 활용에 그치고 있으며, 이는 향후 관련소재 개발 과 더불어 3D프린팅 기술의 고도화가 이루어짐에 따라 기술적 개선이 이루어질 것으로 예상된다. 2.2 생체 소재의 3D 프린팅 기술 활용 앞 절에서 소개된 3D프린팅 기술활용 사례들 은 주로 생체적합성과 관련이 없는 소재, 즉 비생 체재료를 활용한 예이다. 반면, 생체재료라 함은 생물학적 시스템과 접촉시 생체 거부반응이나 독 성반응 등을 나타내지 않는 생체적합성 물질을 일 컫는다.12 생체적합성 물질은 고분자, 금속, 세라믹 및 이들의 복합재료의 형태로 존재할 수 있으며, 손상된 인체의 일부를 대체하거나 보완하는 이식 가능한 기구로 제작되어 활용된다. 특히 체내 삽입형 인공보철이나 임플란트의 경 우는 주로 뼈와 같은 경조직 대체 이식재 용도로 제작되어 활용되며, 적절한 기계적 물성을 확보하 기 위하여 주로 생체적합성 금속 및 세라믹 소재 Fig. 4 3D printed metal implant and prosthesis13-15 를 이용한다. 이러한 소재 역시 3D프린팅 방법을 통하여 성형될 수 있는데 주로 분말베드 소결 (powder bed fusion) 방식 또는 선택적 레이저 소결 (selective laser sintering) 방식에 기반한다. 생체적합 성 분말은 주로 티타늄 합금이나 뼈의 주요성분인 수산화인회석 소재를 활용하며, 3D프린팅 성형 이 후에도 생체적합성이 유지된다. Fig. 4와 같이 대표 적인 금속 3D프린터 제조사 EOS, Realizer, Concept laser 사 등이 치과용 보철, 고관절 비구컵, 대퇴부, 두개골 등 골조직 보철과 관련하여 다양한 임상사 례를 보여주고 있다 한편, 고분자 생체재료를 이식 가능한 기구로 활용하는 경우는 체내에서 분해되는 여부에 따라 분해성 고분자와 비분해성 고분자로 분류될 수 있 다. 비분해성 고분자와는 달리 분해성 고분자는 체내에서 역할을 마치고 나면 체액의 작용에 의하 여 분해되어 잔여물질의 제거를 위한 추가수술이 불필요하다는 장점이 있다. 따라서 봉합사(suture), 체내 이식재료(implant), 약물전달제재(drug delivery system), 조직공학용 지지체(tissue engineering scaffold) 등으로 널리 활용된다.12 조직공학용 지지체의 경 우 실제 체내의 결손부위 또는 병변부위에 맞게 맞춤식 3차원 제작이 필요하므로 최근 3D프린팅 기술의 활용이 재조명되어 많은 연구가 이루어지 고 있다. 지지체를 활용한 조직재생 방법은 크게 5가지 의 기본 단계로 이루어진다. 1) 재생하고자 하는 조직에 적합한 세포를 추출하고, 2) 이를 일정 수 이상으로 배양하여 증식한 후, 3) 미리 제조된 지 지체에 세포를 파종한다. 4) 이러한 세포-지지체 복 합체를 특정 환경에서 배양하여, 5) 체내 환부에 이식한다.12 지지체의 제작 및 활용은 생체재료, 특

한국정밀공학회지 제 31 권 12 호 pp. 1067-1076 December 2014 / 1070 (a) Subtractive process (a) Anatomical shape based on CT/MRI18 (b) Additive process Fig.

또한 파종되는 세 포가 지지체의 3차원 구조 내부로 증식되어 자랄 수 있도록 다공성 내부 구조가 확보되어야 한다. 앞서 언급한 환부 맞춤식 외형 제작과 더불어 다 공성 내부 구조의 적절한 구현을 위하여 3D프린팅 기술의 적용 연구가 2000년대 이후 활발히 이루어 져 왔다.

1 3 차원 조직공학용 지지체 제작 앞서 언급한 지지체 기반 조직공학의 개념은 1980년대 중반 Langer에 의하여 창안되었으며, 이후 화학공적 방법을 통한 다공성 구조물 제작을 기반 으로 많은 연구가 이루어져 왔다.16 다공성 지지체의 공극을 형성하는 제작 방법으로는 Fig.

공극 공간을 제거하는 방식의 경우 고분자 용 액내의 입자를 녹여내거나(particulate leaching), 상 분리(phase separation) 및 동결건조(freeze drying)하 는 방법, 혹은 압력차를 이용한 가스발포(gas foaming) 등의 방법이 있다.

4 한국정밀공학회지 제 31 권 12 호 pp December 2014 / 1070 (a) Subtractive process (a) Anatomical shape based on CT/MRI18 (b) Additive process Fig. 5 Two types of fabrication processes of threedimensional tissue engineering scaffold 히 생분해성 고분자를 활용하여 체내 이식 후 시 간이 흘러 분해되어 완전한 자연조직으로의 회복 을 유도하는 것이 일반적이다. 또한 파종되는 세 포가 지지체의 3차원 구조 내부로 증식되어 자랄 수 있도록 다공성 내부 구조가 확보되어야 한다. 앞서 언급한 환부 맞춤식 외형 제작과 더불어 다 공성 내부 구조의 적절한 구현을 위하여 3D프린팅 기술의 적용 연구가 2000년대 이후 활발히 이루어 져 왔다. 다음 장에서는 조직공학용 지지체 제작 에서의 3차원 프린팅 응용 방법과 다양한 기능화 연구사례에 대해 소개하고자 한다. 3. 3D 프린팅 지지체 제작 및 기능화 차원 조직공학용 지지체 제작 앞서 언급한 지지체 기반 조직공학의 개념은 1980년대 중반 Langer에 의하여 창안되었으며, 이후 화학공적 방법을 통한 다공성 구조물 제작을 기반 으로 많은 연구가 이루어져 왔다.16 다공성 지지체의 공극을 형성하는 제작 방법으로는 Fig. 5에서와 같이 공극만큼의 공간을 비워내거나(Subtractive), 미세 단위 구조물을 부착첨가(Additive)하는 방식이 있다. 공극 공간을 제거하는 방식의 경우 고분자 용 액내의 입자를 녹여내거나(particulate leaching), 상 분리(phase separation) 및 동결건조(freeze drying)하 는 방법, 혹은 압력차를 이용한 가스발포(gas foaming) 등의 방법이 있다.17 단위 구조를 부착첨 가하는 방식의 경우로는 대표적으로 미리 제조된 섬유형 소재를 가열 압착하여(fiber bonding) 만드는 (b) Full pore interconnectivity19 Fig. 6 Advantages of 3D printed scaffold 방법을 들 수 있다. 또한 나노사이즈의 직경을 갖 는 섬유를 고전압에 의한 스피닝 방법으로 제작할 수 있는 전기방사법(electrospinning)이 있으며, 마지 막으로 3D프린팅 방식이 있다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이 전통적인 화학공학 기 반의 다공성 구조물 제작방식에 비하여 3D프린팅 제작 방식은 크게 두 가지의 장점을 들 수 있다. 먼저 CT/MRI와 같은 의료영상 기반의 이미지를 기 반으로 인체 조직 목표형상에 맞는 외형 구조제작 대응이 가능하다. 이를 통해 3D프린팅 제조방식의 근본적인 특징인 디지털 CAD 데이터 기반 맞춤형 제작 장점을 활용할 수 있다.18 또한 기본적으로 단 위형상을 적층하여 제작하는 방식이므로 다공성 구 조의 내부형상 및 내부 공극까지도 제어가 가능하 여 공극간의 완전한 상호연결성을 확보할 수 있 다.19 이를 통하여 지지체에 파종된 세포가 내부로 증식 및 성장할 수 있으며, 외부 배양액으로부터 의 영양분 및 산소의 공급, 세포가 방출하는 각종 부산물의 배출 등이 원활히 이루어질 수 있다.

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(photopolymerization), 분말베드소결 (powder bed fusion), 또는분말접착 (powder binding) 등의방식으로 3D프린팅될수있다.

8은가장널리활용되는소재압출및광경화두가지방식의 3D프린팅방법을지지체제작에활용한예이다. Fig.

대부분의분해성고분자들이 200 이내에서용융되며, 특히고분자지지체재료로널리활용되는 polycaprolactone(pcl) 과같은소재의경우용융점이 60 가량으로소재압출적층방식의활용에적합하다.

7과같이초기에는 PCL과같은소재를필라멘트로성형하여상용 FDM장비에공급하여제작하였다. 3 최근에는금속시린지내부에재료를담고이를용융하여공압으로분사하는방식이활용되기도한다. 21 Fig.

광경화방식의경우는앞서소개한 FDM 방식에비하여우수한형상정밀도구현이가능하나, 생체적합성및생분해성에서향후많은검증이이루어져야한다.

5 한국정밀공학회지제 31 권 12 호 pp December 2014 / 지지체의 3D 프린팅제작 3D프린팅을통한지지체제작소재로는열가소성고분자및광경화성고분자수지, 분말소재등이있으며, 각각의경화메커니즘및적층방식에따라소재압출 (material extrusion), 광경화 (photopolymerization), 분말베드소결 (powder bed fusion), 또는분말접착 (powder binding) 등의방식으로 3D프린팅될수있다. 이외에도기본적으로소재가필라멘트나분말등과같이 3D프린팅용소재로전처리성형이가능하다는전제에전반적인 3D 프린팅공정이모두활용가능하다. 20 Fig. 7 및 Fig. 8은가장널리활용되는소재압출및광경화두가지방식의 3D프린팅방법을지지체제작에활용한예이다. Fig. 7의소재압출방식의경우는용융용착모델링 (fused deposition modeling; FDM) 의이름으로 1980년대에개발되어현재까지다양한열가소성고분자를 3D프린팅산업에활용하고있다. 대부분의분해성고분자들이 200 이내에서용융되며, 특히고분자지지체재료로널리활용되는 polycaprolactone(pcl) 과같은소재의경우용융점이 60 가량으로소재압출적층방식의활용에적합하다. 이방식의경우시스템구성이오픈소스로공개가되어있고비교적간단하여실험실레벨의연구에많은활용이이루어지고있다. 또한이미 FDA승인이이루어진소재를활용할수있다는점에서큰장점을가지고있다. Fig. 7과같이초기에는 PCL과같은소재를필라멘트로성형하여상용 FDM장비에공급하여제작하였다. 3 최근에는금속시린지내부에재료를담고이를용융하여공압으로분사하는방식이활용되기도한다. 21 Fig. 8의광경화방식의경우는기존의포토리소그래피를입체적으로한다는의미에서스테레오리소그래피 (stereolithography; SLA) 라는이름으로 1980년대에개발되어현재다양한상용 3D프린터가활용되고있다. 광경화방식의경우는앞서소개한 FDM 방식에비하여우수한형상정밀도구현이가능하나, 생체적합성및생분해성에서향후많은검증이이루어져야한다. Kwon 등은 acrylated trimethylene carbonate (TMC) 기반의광경화고분자전구체를합성하고이를스테레오리소그래피시스템에서마이크로구조물을제작하고생분해성을검증하였다. 22 Lee 등은 Poly(propylene fumarate) (PPF) 기반의생분해가가능한광경화고분자를활용하여 Fig. 8과같이 SLA기반의장비를활용하 Fig. 7 Scaffold fabrication using fused deposition modeling(fdm) 3 Fig. 8 Scaffold fabrication using stereo-lithography (SLA) 23 여지지체를제작하고골아세포를배양하여기능성을검증하였다 지지체의재료적기능성향상 3D 프린팅방식의 3 차원지지체는최근들어생체기능성, 생분해성, 기계적성질등을향상시키기위하여재료의개질화및복합화에관한연구가많이시도되고있다. 이는주로 3D 프린팅제작후에표면개질을하거나 3D 프린팅전에기능성물질을혼합하여 3D 프린팅을하는방식등으로응용된다. Kim 등은 Fig. 9 와같이 3D 프린팅된 PCL 지지체표면에수산화인회석및콜라겐분자를전하상호작용에의하여교대로적층함으로써골조직

한국정밀공학회지제 31 권 12 호 pp. 1067-1076 December 2014 / 1072 Fig. 10 3D printing system integrated with UV-LED and fabrication of heart valve (Scale bar = 1 cm) 28 Fig.

24 Seyednejad등은 PCL 고분자를 Poly(hydroxymethylglycolide-co-εcaprolactone) 로합성하여 FDM방식으로제작하였고, 이를통해 PCL 지지체의느린생분해특성을개선하였다. 25 Ding 등은 FDM으로활용되는 PCL소재에수산화인회석파우더를혼합하여 3D프린팅하여지지체의기계적강도를향상시켰다.

이러한이유로인해최근하이드로젤에대한조직공학응용연구가활발히이루어지고있다. 하이드로젤은일반경질플라스틱과는달리구성고분자사슬의단위체간의결합력이느슨하여유동적이고물을흡수한형태로 3차원구조를형성하여내재된세포가본래의기능을할수있는이상적인환경을제공한다. 반면이러한유동적특성은 3차원프린팅구현을어렵게하는요인이될수있어최근이를보완하기위한많은시도가이루어지고있다.

6 한국정밀공학회지제 31 권 12 호 pp December 2014 / 1072 Fig. 10 3D printing system integrated with UV-LED and fabrication of heart valve (Scale bar = 1 cm) 28 Fig. 9 3D printed PCL scaffold and its surface modified with hydroxyapatite and collagen materials 24 지지체로의기능성을검증하였다. 24 Seyednejad등은 PCL 고분자를 Poly(hydroxymethylglycolide-co-εcaprolactone) 로합성하여 FDM방식으로제작하였고, 이를통해 PCL 지지체의느린생분해특성을개선하였다. 25 Ding 등은 FDM으로활용되는 PCL소재에수산화인회석파우더를혼합하여 3D프린팅하여지지체의기계적강도를향상시켰다. 26 앞서소개된열가소성고분자및광경화성고분자의경우대부분 1~10 GPa의기계적물성을지니며이는인대나건, 뼈와같은조직의물성에해당한다. 골격계를제외한대부분의장기및조직은 1kPa~100MPa의연한특성을갖는다. 27 따라서경질고분자지지체를연조직에그대로적용하였을경우환부접촉부위에물리적인염증을일으킬수있다. 이러한이유로인해최근하이드로젤에대한조직공학응용연구가활발히이루어지고있다. 하이드로젤은일반경질플라스틱과는달리구성고분자사슬의단위체간의결합력이느슨하여유동적이고물을흡수한형태로 3차원구조를형성하여내재된세포가본래의기능을할수있는이상적인환경을제공한다. 반면이러한유동적특성은 3차원프린팅구현을어렵게하는요인이될수있어최근이를보완하기위한많은시도가이루어지고있다. Hockaday 등은 Fig. 10과같이 PEG-DA 하이드로젤을분사후바로광경화가이루어질수있도록노즐에 UV LED 소자를마운팅하여활용하였다. 28 Alginate와같은하이드로젤은염화칼슘을만 Fig. 11 Alginate droplet printed onto gelatin substrate loaded with CaCl 2 and 3D printed alginate microvasculature 29 나응고되는데이러한원리를이용하여 3D프린팅에활용하는연구가보고되고있다. Pataky 등은 Fig. 11와같이염화칼슘을포함한젤라틴기저막으로부터칼슘이온이확산되는현상을이용하여 3D프린팅을수행하였고이를통해체내의관구조를제작하였다. 29 Yan 등은염화칼슘수용액에 ArF 레이저에의한Alginate 제팅을일으켜 3차원구조물로적층제작하였다 지지체의구조적기능성향상소재차원에서의지지체기능향상이외에도미세구조적인 3차원지지체의기능성향상에관련된연구가주목받고있다. 세포의부착 (Adhesion), 증식 (Proliferation), 이동 (Migration), 분화 (Differentiation) 등의행동기작은세포막에존재하는특정수용체와세포주변의미세표면구조의결합과큰연관성을가지고있다. 12,21 따라서이러한기능성미세표면을구현하기위하여다양한나노급형상구현의공정이 3D프린팅지지체제작공정에혼합되어적용되고있다. Park 등은세포및물질의대사전달

12 Fabrication of multiscale 3D printed scaffold integrated with electrospun nanofibers 21 이잘일어나기위한마이크로급의공극크기를갖는 3차원지지체에이러한나노구조를도입하는연구를수행하였다.

12와같이 3D 프린팅적층면사이에수행하여나노및마이크로사이즈의섬유형구조물을교대로적층함으로써나노섬유를포함하는 3차원지지체를제작할수있다. 이경우 3차원내외부구조를통해물질대사가원활히이루어질수있는마이크로사이즈의공극을확보할뿐만아니라세포의활성을구조적으로향상시킬수있는나노섬유도포함할수있게된다.

두개의전기방사전극을수직으로배열할경우나노섬유가전극사이에서시간차를두고포집되며상호전하척력에의해자연배열이된다. 31 이러한원리를이용하여 Park 등은 Fig. 13과같이정렬된나노섬유를얻고이를 3D 프린팅적층면사이에전사하여 3차원지지체를 (b) 3D scaffold integrated with aligned nanofibers Fig.

7 한국정밀공학회지제 31 권 12 호 pp December 2014 / 1073 (a) Hybrid process of electrospinning and 3D printing (a) Hybrid process of nanofiber transfer and 3D printing (b) 3D integrated nanofiber scaffold Fig. 12 Fabrication of multiscale 3D printed scaffold integrated with electrospun nanofibers 21 이잘일어나기위한마이크로급의공극크기를갖는 3차원지지체에이러한나노구조를도입하는연구를수행하였다. 21 최근전기방사에의한나노섬유매트릭스를의공학용도의지지체로활용하는사례가급격히늘고있는데이는체내의세포를둘러싼자연적인기질구조 (Natural Extracellular Matrix) 가나노섬유형을하고있음에기인한다. 12,21 이러한전기방사공정을 Fig. 12와같이 3D 프린팅적층면사이에수행하여나노및마이크로사이즈의섬유형구조물을교대로적층함으로써나노섬유를포함하는 3차원지지체를제작할수있다. 이경우 3차원내외부구조를통해물질대사가원활히이루어질수있는마이크로사이즈의공극을확보할뿐만아니라세포의활성을구조적으로향상시킬수있는나노섬유도포함할수있게된다. 일반적으로전기방사나노섬유지지체는고전압에의해제작되므로형상제어가어려운단점을가지고있다. 연골과같은조직의경우불규칙적인콜라겐섬유의구조상이러한구조가생체모사관점에서장점으로작용할수있지만근조직과같이세포및 ECM구조가정렬되어있는조직의경우불규칙한전기방사나노섬유를그대로활용하기에부적합하다. 두개의전기방사전극을수직으로배열할경우나노섬유가전극사이에서시간차를두고포집되며상호전하척력에의해자연배열이된다. 31 이러한원리를이용하여 Park 등은 Fig. 13과같이정렬된나노섬유를얻고이를 3D 프린팅적층면사이에전사하여 3차원지지체를 (b) 3D scaffold integrated with aligned nanofibers Fig. 13 Fabrication of multiscale 3D printed scaffold integrated with aligned nanofibers 31 제작할수있다. 제작된지지체에근아세포 (Myoblast) 를배양하여세포가잘정렬되어성장함을확인할수있었다. 31 이는근육의미세해부학적구조와유사하게조직공학적접근이가능하다는점을시사하고있다. 3.5 세포프린팅기술앞절에서소개된조직공학의접근방식은주로지지체를제작한후에세포를적용하는방식이다. 본절에서는 3D프린팅공정도중직접세포를프린팅하는연구를소개하고자한다. 세포는외부오염인자에대해철저한위생환경이보장되어야하고프린팅공정중세포에가해지는물리적인자극이최소화되어손상되지않아야한다. 따라서하이드로젤에세포를혼합하여활용하는방식의접근이많이이루어지고있다. Ahn 등은세포를 alginate에혼합하여염화칼슘에어로졸환경에서 3D프린팅함으로써세포프린팅을구현하였다. 32 세포가포함된하이드로젤의경우하이드로젤의작은공극크기로인하여구조의내외부간물질전달이원활히이루어지지않을수있다. 이를개선하기위하여 Miller 등은 Fig. 14와같이 3D 프린팅방식으로격자구조를만들고여기에세포가포함된하이드로젤을입힌후격자구조를녹여내어조직내혈관구조를구현하였다. 33 이를통해하이드로젤및세포로이루어져있는조직에인공적인혈관을형성하여인공조직내의물질전달을원활하게할수있다. 하이드로젤과세포의혼합용액형태로프린팅

한국정밀공학회지 제 31 권 12 호 pp. 1067-1076 December 2014 / 1074 게 영향을 주지 않음을 확인하였고, Fig. 16과 같이 귓바퀴 모양의 연골생체조직을 3D프린팅하여 형성 함과 동시에 전도성 구조물을 통해 음파에 의한 전기적 신호를 읽어 들여 Bionic ear 라는 생체전 자소자를 개발하였다.35 4. 결론 Fig.

16 3D printing system of cell-hydrogel and electronic materials and 3D printed bionic ears35 하는 방식 이외에 Norotte 등은 Fig.

이 기술을 기반으로 하여 Organovo사가 설립되었고, 이를 생체기관 프린팅 상용화를 위한 노력이 계속되고 있다. 한편, 전기적 특성을 갖는 실리콘 용액을 연골 세포를 포함하는 하이드로젤과 함께 3D프린팅하여 Bionic tissue를 제작하는 사례가 보고되었다.

8 한국정밀공학회지 제 31 권 12 호 pp December 2014 / 1074 게 영향을 주지 않음을 확인하였고, Fig. 16과 같이 귓바퀴 모양의 연골생체조직을 3D프린팅하여 형성 함과 동시에 전도성 구조물을 통해 음파에 의한 전기적 신호를 읽어 들여 Bionic ear 라는 생체전 자소자를 개발하였다 결론 Fig. 14 3D-printed vascularization system in cell-laden hydrogel33 Fig. 15 Cell printing technology using multicellular spheroid unit34 Fig. 16 3D printing system of cell-hydrogel and electronic materials and 3D printed bionic ears35 하는 방식 이외에 Norotte 등은 Fig. 15와 같이 다 수의 세포를 일정크기의 단위구조(multicellular spheroid)로 제작하여 하이드로젤과 함께 프린팅하 는 방식을 제안하였다.34 이 경우 하이드로젤을 지 지구조물로 활용하였고 최종 프린팅 결과물이 대 부분 구성 세포로 이루어져 실제 조직과 유사하다 는 장점을 지닌다. 이 기술을 기반으로 하여 Organovo사가 설립되었고, 이를 생체기관 프린팅 상용화를 위한 노력이 계속되고 있다. 한편, 전기적 특성을 갖는 실리콘 용액을 연골 세포를 포함하는 하이드로젤과 함께 3D프린팅하여 Bionic tissue를 제작하는 사례가 보고되었다. Mannoor 등은 은나노 실리콘 용액으로 제작된 구 조 부분이 하이드로젤과 혼합된 세포의 생존에 크 3D프린팅 기술은 현재 의료 바이오 산업과 연 관됨에 따라 고부가가치 미래형 융복합 산업으로 인지되어 현재 많은 연구가 이루어지고 있다. CT/MRI 의료영상 기술을 기반으로 수술시뮬레이 션, 수술가이드 도구 제작 등의 3D프린팅 활용은 현단계에서 실질적 임상활용 사례가 많이 보고되 고 있다. 또한 체외에 적용하는 의족, 의수 등의 보조기구와 비교적 인체 위험성이 낮은 치과 보조 물 등 역시 현재 상용단계에 가까운 상황이다. 조직공학용 지지체 및 체내삽입형 보형물 제작 의 경우 생체재료를 3D프린팅 가능한 소재로 개발 활용함에 따라 대부분의 3D프린팅 공정에 활용될 수 있다. 하지만 3D프린팅 결과물의 임상적용의 경우 의료법 규제심의 통과가 매우 까다롭고 현재 까지는 일반 병원에서의 관심도가 낮아 대부분 실 험실 수준의 R&D 단계에 머물러 있는 실정이다. 향후 3D프린팅 기술의 생체조직공학적 응용은 공 정과 소재의 지속적인 개발과 함께 결과물의 체내 적용 무해성 검증이 지속적으로 이루어질 것이다. 특히 생물학적 기능성이 강화되어 실제조직과 유 사한 수준으로 활용되거나 전기적 기능성을 추가 하여 신체기능을 보완하는 응용기술이 개발됨에 따라 단순 조직치환 및 재생을 넘어서는 활용이 이루어질 것으로 보여진다. 후 기 본 연구는 미래창조과학부/국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업(과제번호 CAP-13-1-KITECH) 및 한국생산기술연구원 기관주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이에 관계자 여러분께 감사드립니다. REFERENCES 1. Ahn, D. G. and Yang, D. Y., Principle of Rapid Prototyping and its Trends, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 22, No. 10, pp. 7-16, 2005.

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THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method