| 초록 |
1. 개요 3차원(3 dimensional, 3D) 바이오프린팅은 3D 프린팅 기술과 생명공학이 융합된 개념으로, 살아 있는 세포를 원하는 형상으로 쌓아 올림으로써 인공적인 조직 및 장기를 제작하는 기술을 말한다. 이를 통해 손상된 생체조직을 대체하거나 생체 내에서 하기 힘든 실험을 생체와 유사한 조건으로 생체 외부에서 진행할 수 있게 해준다. 기본적인 인쇄 방식은 작은 크기의 방울을 분사하여 인쇄하는 잉크젯(inkjet) 방식, 재료를 공압(pneumatic pressure)이나 피스톤(piston)으로 밀어내는 압출(extru-sion) 방식, 빛에 의해 경화되는 감광성 수지에 광원을 조사하는 광 조형 방식이 있다. 3D 바이오프린팅은 이처럼 기존의 3D 프린팅과 인쇄 방식이 비슷하나 살아 있는 세포를 인쇄하기 위해 생체적합성을 지니는 고분자 등을 바이오잉크로 사용한다는 차이점이 있다. 본 보고서에서는 3D 바이오프린팅을 위한 인쇄 방식에 대해 알아보고, 이를 응용한 질병 모델링 연구 동향을 정리하였다. 2. 3D 바이오프린팅 기술 3D 바이오프린팅은 CT나 MRI 영상을 통해 복잡한 생채 조직을 재현(reconstruction)하고 CAD 등의 디지털 디자인을 통해 정확한 구조를 만들어낸다. 3D 프린터의 제작 능력과 소재의 요구조건은 프린터의 인쇄 방식에 따라 달라진다. 2.1. 잉크젯 방식 잉크젯 방식은 1980년대 후반에 처음 적용된 기술로 가장 기본적인 바이오프린팅 방식이다. 잉크젯 방식에는 수마이크로초 동안 300℃까지 국소적인 열을 가하여 공기를 팽창시켜 잉크를 사출하는 열(thermal) 방식과 압전 작동기(piezoelectric actuator)를 이용하여 펄스 압력(pulse pressure)를 만들어 사출하는 압전 방식, 영구적인 자석 기반의 배열과 로렌츠힘(Lorentz force)을 이용한 전자기장(electromagnetic) 방식이 있다. 세포 생존율(viability)과 비용 등의 이유로 열 방식이 많이 이용된다. 잉크젯 방식은 70~90%의 세포 생존율을 보이며, 광범위한 속도(1~10,000Hz)로 운용이 가능하다. 뿐만 아니라 낮은 인쇄 비용과 해부학적인 해상도(1~300 picoliter/droplet, 20μm)를 보이며 high-throughput 적용이 가능하고 상용화되어 있다는 장점을 지닌다. 반면에 높은 세포 농도와 높은 점성의 바이오잉크를 사용하기 때문에 노즐이 막히는 문제가 발생하며, droplet의 부피가 일정하지 않게 인쇄될 수 있고 해상도에 제한이 있다는 단점이 있다[1, 2]. 2.2. 압출 방식 압출 방식은 잉크젯 방식과 달리 컴퓨터에 의한 자동화된 로보틱 시스템을 이용하여 바이오잉크를 연속적인 가는 실 형태로 사출한다. 압출은 피스톤이나 스크류를 이용하여 직접적으로 사출하는 기계적인 방법과 가스 압력을 이용하는 간접적인 압축공기(pneumatic) 방법이 있다. 압출 방식은 압출하는 힘에 의해서 전단변형력(shear stress)을 받기 때문에 세포 생존율이 떨어지게 된다. 이외에 바이오프린트된 구조의 낮은 해상도와 세포 간 상호작용과 세포와 기질 간의 상호작용 조절의 한계, high-throughput 적용에 한계가 있다는 단점을 지니고 있다. 그럼에도 구조적으로 통합되고 기계적으로 좋은 구조를 인쇄할 수 있으며 경제적으로도 가장 효율적이고 쉽게 구입할 수 있다는 장점이 있어 상업적으로 가장 많이 사용되고 있다[3]. 2.3. 광 조형 방식 광 조형 방식은 인쇄 후의 세포 생존율이 높고 인쇄 속도와 해상도가 우수하여 최근 10년 동안 인기를 얻고 있는 바이오프린팅 방식이다. 빛을 이용한 바이오프린팅에는 기계적 성질, 화학적 조성, 세포 및 물질 분포를 비롯하여 인쇄된 구조물의 다양한 매개변수를 조절할 수 있는 여러 가지 방식이 존재한다. 그중에서 DLP(digital light processing) 기반 바이오프린팅과 2광자 중합(TPP, two-photon polymerization) 기반 바이오프린팅이 조직공학에서 주로 사용된다. DLP 기반 바이오프린팅은 컴퓨터로 제어되는 디지털 마이크로 거울 장치(DMD, digital micro-mirror device) 칩과 전동 전사 스테이지, 전동 인쇄 헤드를 사용한다. DMD 칩은 약 20,000개의 마이크로 거울로 구성되어 있으며, 각 마이크로 거울은 인쇄 프로세스 전반에 걸쳐 독립적으로 켜고 끌 수 있으므로 정확한 광 프로젝션 패터닝을 가능하게 한다. 마이크로 거울이 켜져 있을 때 UV 혹은 다른 광원의 조명이 pre-polymer 솔루션에 투사되어 polymer를 이룸으로써 인쇄가 이루어진다. DLP 기반 프린터의 해상도는 각 마이크로 거울의 광 초점의 크기에 의해 정해지며 마이크로미터 수준의 해상도를 가지게 된다. DLP 기반의 프린팅은 한 번에 패턴의 전체 면이 pre-polymer에 조사되어 만들어지기 때문에 다른 방식(점과 점, 혹은 선과 선)과 달리 인위적인 인터페이스가 없으며 구조의 기계적 무결성(mechanical integrity)이 좋아진다. 또한 기존 방식보다 인쇄 속도가 빠르며 유연한 패턴을 만들 수 있다. TPP 기반의 바이오프린팅은 래스터(raster) 레이저를 이용하여 반복적, 선택적으로 광 감성 단량체(photo-sensitive monomers)를 중합시키는 레이저 기반의 광조형 기술이다. TPP 인쇄는 분자에 의한 2개의 광자의 흡수 확률이 빛의 세기의 제곱에 비례한다는 두 광자 흡수 현상을 이용한 것이다. TPP 기반의 바이오프린팅은 1μm 3 이하의 voxel을 가지며 100nm의 해상도로 인쇄를 할 수 있다. 하지만 인쇄할 수 있는 구조의 크기와 속도에 한계가 있다는 단점이 있다. 인쇄 속도는 200~1600 mm/s 정도로 압출 방식보다는 빠르나 잉크젯과는 비슷한 정도이다. type I collagen, bovine serum albumin, laminin, streptavidin, PEG-based hydrogels 등의 여러 가지 폴리머가 이 방식으로 성공적으로 인쇄가 되었다. 3. 질병 모델링 3D 바이오프린팅은 hanging drop과 같은 다른 생물공학 기법과 비교하여 조직을 설계할 때 여러 세포 유형들을 보다 정확하게 배치할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 또한 여러 세포 유형을 쌓을 수 있다는 것은 공동배양과 혈관형성 가능성을 고려한 3D 구조물을 제작할 수 있게 하며 복잡한 공간적 위치를 잡아줌으로써 여러 소재를 처리할 수 있는 융통성을 제공하고 세포와 기질 간의 상호작용을 증대시켜 세포의 생존 가능성을 높이게 된다. 이러한 장점을 기반으로 3D 바이오프린팅은 약물 스크리닝과 질병 모델 응용을 위해 간과 근육과 내장 같은 여러 장기를 모사하고 암과 같은 모델을 만드는 데 적용이 되고 있다[4, 5]. 3.1. 간 모델 간은 여러 질병과 연결되어 있으며 간 손상은 과도한 간 섬유화를 가져오며 결과적으로 간의 기능 손실을 일으켜 심하면 사망에 이를 수 있다. 간은 특히 외인성 화합물(xenobiotic)의 대사와 해독 작용의 주요한 역할을 하기 때문에 약물 개발 등에 특히 중요한 장기이다. 간에 대한 약물의 영향이 동물 모델을 이용하여 평가되고 연구되지만 종간의 간세포 기능의 차이로 인해 인간에서의 결과와 항상 일치하지는 않았다. 약물이 시판 된 후에도 간 독성 때문에 시장에서 사라진 경우가 종종 있었다. 때문에 인간의 간을 모사할 수 있는 in vitro 모델은 매우 중요하다. 3D 바이오프린팅 기술은 약물, 포도당 및 지질의 신진대사를 안정적으로 유지하는 간 조직을 제조하는 데 사용되었다. Alginate hydrogel 등이 간의 모델링을 위한 소재로 선택되었다. 기존의 2D 모델에서는 간세포가 시간이 지남에 따라 그 기능적 특성이 사라졌지만 바이오프린팅 된 간 조직은 수주(weeks) 동안 약물 전달체와 대사효소의 발현을 나타내며 간 기능을 유지했다[6-9]. cAMP와 PKA 신화에 의한 포도당 합성이 이루어졌으며, 이는 인슐린 투여에 의해 억제되었다. 담즙산 분비 또한 바이오프린팅된 간 조직에서 동양혈관(sinusoid)-간세포-담즙관 경로를 통해 관찰되었다. 3D 바이오프린팅을 이용한 간 모델은 약물 전달 모델과 약물에 의한 간손상을 확인하기 위한 획기적인 플랫폼 |
