3차원 바이오프린팅
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1. 개요
3차원 바이오프린팅은 세포, 생체 재료 등을 3D 프린팅 기술을 활용하여 인공 조직 및 장기를 제작하는 기술이다. 사전 바이오프린팅, 바이오프린팅, 사후 바이오프린팅의 세 단계를 거쳐 진행되며, 생체 모방, 자율적 자기 조립, 미니 조직의 세 가지 접근 방식을 기반으로 한다. 잉크젯, 레이저 보조, 압출 방식의 바이오프린터가 사용되며, 바이오잉크는 살아있는 세포와 효소 보충제로 구성된다. 3차원 바이오프린팅은 조직 공학 및 재생 의학, 신약 개발, 배양육 생산, 생물 정화 등 다양한 분야에 응용되며, 맞춤형 보철 및 의료 기기 제작에도 활용된다.
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| 3차원 바이오프린팅 | |
|---|---|
| 3D 바이오프린팅 개요 | |
 | |
| 정의 | 3차원 세포 프린팅 기술 |
| 분야 | 생물학 공학 재료과학 |
| 기술적 측면 | |
| 유형 | 압출 기반 바이오프린팅 잉크젯 바이오프린팅 레이저 보조 바이오프린팅 |
| 적용 분야 | 조직 공학 약물 개발 재생 의학 |
| 사용 재료 | 바이오 잉크 (하이드로젤 등) 세포 성장 인자 |
| 응용 | |
| 조직 및 장기 제작 | 피부 뼈 연골 심장 조직 혈관 신경 조직 |
| 의료 분야 | 약물 스크리닝 및 개발 질병 모델링 맞춤형 임플란트 제작 수술 시뮬레이션 |
| 고려 사항 | |
| 생체 적합성 | 사용되는 재료가 생체 조직과 적합해야 함. |
| 기능 | 프린팅된 구조물이 생리학적 기능을 수행할 수 있어야 함. |
| 혈관화 | 프린팅된 두꺼운 조직의 생존을 위해 혈관 네트워크 구축이 필요함. 영양분과 산소 공급, 노폐물 제거를 위해 필수적임. |
| 확장성 | 대량 생산 가능성이 중요함. |
| 규제 | 임상 적용을 위한 규제 준수가 필요함. |
| 과제 및 미래 전망 | |
| 과제 | 복잡한 장기 구조 재현 프린팅된 조직의 장기적인 생존력 확보 혈관화 기술 개선 규제 문제 해결 |
| 미래 전망 | 맞춤형 장기 이식 신약 개발 가속화 질병 모델링 개선 |
| 참고 문헌 | |
| 참고 문헌 | Murphy, Atala, 2014 Lehner, Schmieden, Meyer, 2017 Warren, Tomaskovic-Crook, Wallace, Crook, 2021 Roche, Brereton, Ashton, Jackson, Gentile, 2020 Chimene, Lennox, Kaunas, Gaharwar, 2016 Hinton, Jallerat, Palchesko, Park, Grodzicki, 2015 Murphy, De Coppi, Atala, 2020 Roche, Sharma, Ashton, Jackson, Xue, Gentile, 2021 Nakashima, Okazaki, Nakayama, Okada, Mizu-uchi, 2017 Zhao, Liu, Wu, Zhao, Zhao, 2023 Chua, Yeong, 2015 Doyle, 2014 Boland, Wilson, Xu, 2006 |
2. 역사
3차원 바이오프린팅은 사전 바이오프린팅, 바이오프린팅, 사후 바이오프린팅의 세 단계로 나뉜다.[57][58]
3D 바이오프린팅은 사전 바이오프린팅, 바이오프린팅, 사후 바이오프린팅의 세 단계로 나뉜다.[57][58] 각 단계는 3차원 인공 장기 제작에 필수적인 과정이다.
3. 3D 바이오프린팅의 과정
3. 1. 사전 바이오프린팅 (Pre-bioprinting)
프리-바이오프린팅은 프린터가 나중에 생성할 모델을 만들고 사용할 재료를 선택하는 과정이다. 첫 번째 단계 중 하나는 세포를 채취하기 위해 장기의 생검을 얻는 것이다. 바이오프린팅에 사용되는 일반적인 기술로는 컴퓨터 단층 촬영(CT)과 자기 공명 영상(MRI)이 있다. 층별 접근 방식으로 프린팅하기 위해 이미지에 대해 단층 촬영 재구성이 수행된다. 이제 2D 이미지는 제작을 위해 프린터로 전송된다. 이미지가 생성되면 특정 세포가 분리되어 증식된다.[11] 그런 다음 이 세포들은 산소와 기타 영양소를 제공하여 생존을 유지하는 특수한 액화 물질과 혼합된다. 어떤 경우에는, 세포는 직경 500um 이하의 세포 스페로이드 상태로 사용된다. 세포 스페로이드란 세포의 응집체로, 지지체를 필요로 하지 않고, 프린팅 재료로도 사용된다.[13]
3. 2. 바이오프린팅 (Bioprinting)
바이오잉크로 알려진 세포, 매트릭스, 영양소의 액체 혼합물을 프린터 카트리지에 넣고 환자의 의료 스캔을 사용하여 배치한다.[43] 바이오프린팅된 전(前)조직을 인큐베이터로 옮기면 이 세포 기반의 전조직은 조직으로 성숙된다.
3D 바이오프린팅은 일반적으로 조직과 유사한 3차원 구조를 생성하기 위해 생체 적합성 지지체 위에 세포를 층별로 차례대로 배치하는 방식으로 생물학적 구조물을 제작한다.[14] 3D 바이오프린팅으로 제작된 간, 신장과 같은 인공 장기는 혈관, 소변 수집을 위한 세뇨관, 그리고 이러한 장기에 필요한 수십억 개의 세포 성장과 같이 신체에 영향을 미치는 중요한 요소가 부족한 것으로 나타났다. 이러한 구성 요소가 없으면 신체는 내부 깊숙한 곳까지 필수 영양소와 산소를 공급할 방법이 없다.[14] 신체의 모든 조직은 자연적으로 서로 다른 세포 유형으로 구성되어 있으므로, 이러한 세포를 프린팅하는 많은 기술들은 제조 과정에서 세포의 안정성과 생존 가능성을 보장하는 능력에 차이가 있다. 3D 바이오프린팅에 사용되는 세포 방법에는 광리소그래피, 자기 3D 바이오프린팅, 입체 조형, 그리고 직접 세포 압출 등이 있다.[13]
3. 3. 사후 바이오프린팅 (Post-bioprinting)
3D 바이오프린팅 후 과정은 생체 재료로부터 안정적인 구조를 만드는 데 필수적이다. 이 과정이 제대로 유지되지 않으면, 3D 프린팅된 물체의 기계적 무결성과 기능이 위협받게 된다.[11] 물체를 유지하기 위해서는 기계적 자극과 화학적 자극이 모두 필요하다. 이러한 자극은 세포에 신호를 보내 조직의 재형성 및 성장을 조절한다. 또한, 최근 개발된 생물 반응기 기술[15]은 조직의 빠른 성숙, 조직의 혈관 형성 및 이식 생존 능력을 가능하게 했다.[12]
생물 반응기는 대류 영양 수송을 제공하거나, 미세 중력 환경을 조성하거나, 용액이 세포를 통과하도록 압력을 변화시키거나, 동적 또는 정적 하중을 위한 압축을 추가하는 방식으로 작동한다. 각 유형의 생물 반응기는 서로 다른 유형의 조직에 이상적이며, 예를 들어 압축 생물 반응기는 연골 조직에 이상적이다.[13]
4. 바이오프린팅 접근 방식
3D 바이오프린팅은 주로 생체 모방, 자율적 자기 조립, 미니 조직의 세 가지 접근 방식을 기반으로 한다.[16]
- 생체 모방: 인체 조직 및 장기의 자연 구조와 동일한 구조를 만드는 것을 목표로 한다.
- 자율적 자기 조립: 배아 기관 발달 과정을 모방하여 조직을 복제한다.
- 미니 조직: 작은 기능적 구성 요소를 더 큰 틀로 배열하는 방식이다.
4. 1. 생체 모방 (Biomimicry)
3차원 바이오프린팅의 첫 번째 접근 방식은 생체 모방이다. 이 접근 방식의 주요 목표는 인체 조직과 장기에서 발견되는 자연 구조와 동일하게 제조된 구조를 만드는 것이다. 생체 모방은 장기 및 조직의 모양, 프레임워크 및 미세 환경을 복제해야 한다.[17] 바이오프린팅에서 생체 모방을 적용하려면 장기의 세포 및 세포 외 부분을 모두 만들어야 한다. 이 접근 방식이 성공하려면 조직을 미세 규모로 복제해야 한다. 따라서 미세 환경, 이 미세 환경 내 생물학적 힘의 특성, 기능적 세포 및 지지 세포 유형의 정확한 구성, 용해도 인자 및 세포 외 기질의 조성을 이해해야 한다.[16]4. 2. 자율적 자기 조립 (Autonomous self-assembly)
3차원 바이오프린팅의 두 번째 접근 방식은 자율적 자기 조립이다. 이 접근 방식은 배아 기관 발달의 물리적 과정을 모델로 삼아, 관심 있는 조직을 복제하려 한다.[17] 초기 발달 단계에서 세포는 자체적인 세포 외 기질 구성 요소, 적절한 세포 신호 전달, 그리고 필요한 생물학적 기능과 미세 구조를 제공하기 위한 독립적인 배열 및 패턴 형성을 생성한다.[16] 자율 자기 조립은 배아의 조직 및 기관 발달 기술에 대한 특정 정보를 요구한다.[17]진화하는 조직을 모방하기 위해 융합 및 세포 배열을 거치는 자기 조립 구체를 사용하는 "스캐폴드 프리" 모델이 있다. 자율 자기 조립은 조직 발생의 기본적인 동력으로서 세포에 의존하며, 이러한 조직의 구성 요소, 구조 및 기능적 특성을 안내한다. 이는 생체 프린팅된 조직을 만들기 위해 배아 조직 메커니즘이 어떻게 발달하는지에 대한 더 깊은 이해뿐만 아니라 주변 미세 환경에 대한 이해를 요구한다.[16] '세포 지지체'를 사용하지 않는 방법도 고려되고 있으며, 발생 중인 조직처럼 세포 스페로이드를 자기 조직화, 융합, 배치하는 방법도 생각할 수 있다.
4. 3. 미니 조직 (Mini-tissue)
장기와 조직은 매우 작은 기능적 구성 요소로 구성된다. 미니 조직 접근 방식은 이러한 작은 조각들을 가져와 더 큰 틀로 배열한다.[16]5. 바이오프린터의 종류
3D 바이오프린팅에는 잉크젯, 레이저 보조, 압출 프린터 등 다양한 종류의 바이오프린터가 사용된다. 각 프린터는 서로 다른 특성을 가지며, 사용되는 바이오잉크 또한 프린터 종류에 따라 다른 특성을 요구한다.
- 잉크젯 바이오프린터: 저점도이며 조형면에 착액 후 순간적으로 굳는 바이오잉크가 필요하다.
- 압출 바이오프린터: 비교적 고점도의 잉크를 사용할 수 있으며, 굳는 데 걸리는 시간이 잉크젯 프린터만큼 빠를 필요는 없다.
- 레이저 보조 바이오프린터: 고해상도 인쇄가 가능하지만, 고가이다.
5. 1. 잉크젯 바이오프린터 (Inkjet Bioprinter)
일반 잉크 프린터와 유사하게, 바이오프린터는 하드웨어, 바이오 잉크의 종류, 그리고 인쇄되는 재료(생체 재료)의 세 가지 주요 구성 요소를 가진다.[11] 바이오 잉크는 액체처럼 동작하는 살아있는 세포로 만들어진 물질로, 원하는 모양을 '인쇄'할 수 있게 해준다. 바이오 잉크를 만들기 위해 과학자들은 카트리지에 넣고 특별히 설계된 프린터에 삽입할 수 있는 세포 슬러리를 만들고, 바이오 종이로 알려진 젤이 들어있는 또 다른 카트리지를 함께 사용한다.[18]잉크젯 바이오프린터는 빠르고 대량 생산에 유리하다. 드롭 온 디맨드 잉크젯 프린터라고 불리는 잉크젯 프린터는 정확한 양의 재료를 인쇄하여 비용과 폐기물을 최소화한다.[19] 주로 생의학 분야에서 사용되며, 정밀한 단백질과 핵산을 출력한다.[28] 바이오잉크로는 하이드로젤이 흔히 선택된다. 세포는 선택된 표면 배지에 출력되어 증식하고 궁극적으로 분화할 수 있다.
이 인쇄 방법의 단점은 하이드로젤과 같은 바이오잉크가 점성이 높아 인쇄 노즐을 막을 수 있다는 것이다.[28] 이상적인 잉크젯 바이오프린팅은 낮은 고분자 점도(이상적으로 10cP 미만), 낮은 세포 밀도(10000000cells/mL 미만), 낮은 구조적 높이(10000000cells/mL 미만)를 사용하는 것을 포함한다.[29]
바이오프린팅에 사용되는 프린터에는 주요 3가지 종류가 있는데, 그 중 하나가 잉크젯 프린터이다. 잉크젯 프린터에 사용되는 바이오잉크에는 저점도이며 조형면에 착액 후 순간적으로 굳는 바이오잉크가 필요하다. 세포에 영향을 주지 않고 순간적으로 굳는 잉크의 소재로는 알긴산나트륨이 사용되어 왔[65]지만, 최근에는 서양 고추냉이 유래 과산화효소의 반응에 의해 순간적으로 굳도록 처리한 다양한 고분자를 소재로 하는 잉크가 개발되고 있다.[66]
5. 2. 압출 바이오프린터 (Extrusion Bioprinter)
압출 바이오프린터는 바이오 잉크를 노즐을 통해 압출하여 3차원 구조물을 제작하는 방식이다.[20] 바이오 잉크는 세포, 매트릭스, 영양소의 액체 혼합물로 구성되며, 환자의 의료 스캔을 바탕으로 배치된다.[43] 압출 방식에는 공압 구동, 피스톤 구동, 스크류 구동, 편심 스크류 구동(진행형 캐비티 펌프) 등이 있다.[20]
압출 바이오프린터는 3D 프린팅과 유사하게 세포를 층별로 쌓아 3차원 구조를 만든다.[11] 콜라겐과 같은 자연 유래 물질이나 폴리머 하이드로겔 혼합물 등의 바이오 잉크 자체를 사용하며, 생세포를 용액에 현탁시켜 사용하기도 한다.[24] 압출 프린터는 세포 외에도 세포가 주입된 하이드로겔을 사용할 수 있다.[11]
직접 압출은 바이오 잉크가 노즐 밖으로 흘러나오도록 가압된 힘을 이용하는 기술이다.[24] 동축 노즐 어셈블리(동축 압출)를 사용하면 여러 재료 바이오 잉크를 동시에 압출하여 다층 스캐폴드를 만들 수 있다.[25] 동축 노즐은 바이오 잉크 흐름을 위한 내관과 외관을 제공하여 튜브형 구조물 개발에 유리하다.[25]
압출 프린터의 잉크는 비교적 고점도의 것을 사용할 수 있으며, 굳는 데 걸리는 시간이 잉크젯 프린터의 잉크만큼 빠를 필요는 없다.[67]
5. 3. 레이저 보조 바이오프린터 (Laser-assisted Bioprinter)
레이저 보조 바이오프린터는 레이저를 이용하여 바이오잉크를 3차원 구조물로 만드는 방식이다. 세포 전달 레이저 프린팅에서는 레이저가 에너지 흡수 물질(예: 금, 티타늄 등)과 바이오잉크 사이의 연결을 자극한다. 이 '도너층'은 레이저 조사 하에 기화되어 바이오잉크층에서 기포를 형성하며, 이 기포가 분사된다.[27] 반면, 광중합 기술은 광개시 반응을 사용하여 잉크를 고화시키며, 레이저 빔 경로를 이동시켜 원하는 구조물을 형성한다. 특정 레이저 주파수는 광중합 반응과 결합하여 재료 내의 세포를 손상시키지 않고 수행할 수 있다.[27]레이저를 이용하는 프린터는 고해상도의 인쇄가 가능하다.[67] 이러한 프린터는 세포 손상을 최소화할 수 있지만, 고가의 장비가 필요하며 프린팅 속도가 느릴 수 있다는 단점이 있다.
5. 4. 기타 바이오프린팅 기술
방울 기반 바이오프린팅은 세포 또는 하이드로겔 바이오잉크 혼합물을 정밀한 위치에 방울 형태로 배치하는 기술이다. 이 방식에서 가장 흔한 것은 열 및 압전 방울 분사 기술이다.[30] 열 기술은 바이오잉크를 가열하기 위해 짧은 지속 시간의 신호를 사용하여 작은 기포를 형성, 배출시킨다. 압전 바이오프린팅은 압전 액추에이터에 짧은 시간 동안 전류를 가하여 노즐을 통해 작은 바이오잉크 덩어리를 배출하는 기계적 진동을 유도한다. 이러한 바이오프린팅 방법은 종종 폐 및 난소암 모델 실험에 사용된다.[31] 방울 기반 바이오프린팅 연구에서는 바이오잉크 내 세포가 압출될 때 노즐 팁 근처에서 받는 기계적, 열적 스트레스를 고려하는 것이 중요하다.6. 바이오 잉크 (Bioink)
바이오 잉크는 3차원 바이오프린팅 과정의 필수적인 구성 요소이다. 바이오 잉크는 인쇄된 조직의 생물학적 요구를 지원하는 환경을 조성하기 위해 생존 세포와 효소 보충제로 구성된다.[32] 바이오 잉크가 생성하는 환경은 세포가 부착되고 성장하여 성체 형태로 분화될 수 있도록 한다.[32] 세포를 캡슐화하는 하이드로겔은 압출 기반 바이오프린팅 방식에 사용되는 반면, 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)과 무세포 바이오 잉크는 가교결합과 정밀한 구조적 완전성을 요구하는 조직 공학 기술에 가장 자주 사용된다.[32] 바이오 잉크는 세포가 자연적으로 존재할 외부 세포 기질 환경을 복제하는 데 도움을 주는 것이 필수적이다.
6. 1. 바이오 잉크의 구성 요소
바이오 잉크는 살아있는 세포 자체 또는 살아있는 세포를 포함하고 이후 세포를 포함하는 겔이 되는 물질을 재료로 하며, 액체처럼 움직이며 원하는 모양을 만들기 위해 "인쇄"된다.[63] 바이오 잉크는 다음과 같은 구성 요소로 이루어진다.- 세포: 조직 공학, 재생 의학 등 응용 분야에 따라 다양한 종류의 세포가 사용된다.
- 생체 재료: 세포의 지지체 역할을 하며, 세포의 성장, 분화, 조직 형성을 돕는다. 예를 들어 콜라겐, 알긴산염, 젤라틴 메타크릴로일(GelMA) 등이 있다.
- 생체 분자: 세포의 생존, 성장, 분화를 촉진하는 성장 인자, 사이토카인 등이 포함된다.
바이오프린팅에 사용되는 프린터의 종류에 따라 요구되는 바이오 잉크의 특성도 달라진다. 예를 들어, 잉크젯 프린터에는 저점도이며 조형면에 착액 후 순간적으로 굳는 바이오 잉크가 필요하다. 세포에 영향을 주지 않고 순간적으로 굳는 잉크의 소재로는 알긴산나트륨이 사용되어 왔[65]지만, 최근에는 서양 고추냉이 유래 과산화효소의 반응에 의해 순간적으로 굳도록 처리한 다양한 고분자를 소재로 하는 잉크가 개발되고 있다.[66] 압출 프린터의 잉크에는 비교적 고점도의 것을 사용할 수 있으며, 굳는 데 걸리는 시간도 잉크젯 프린터의 잉크만큼 빠를 필요는 없다.
6. 2. 바이오 잉크의 중요성
바이오 잉크는 3차원 바이오프린팅 과정에서 필수적인 요소이다. 바이오 잉크는 인쇄된 조직이 생물학적 요구를 충족할 수 있도록, 살아있는 세포와 효소 보충제로 구성되어 환경을 조성한다.[32] 이러한 환경은 세포가 부착하고 성장하여 성숙한 형태로 분화될 수 있게 한다.[32]세포를 캡슐화하는 하이드로겔은 압출 기반 바이오프린팅 방식에 사용된다. 반면, 젤라틴 메타크릴로일(GelMA)과 무세포 바이오 잉크는 가교 결합과 정밀한 구조적 완전성이 필요한 조직 공학 기술에 주로 사용된다.[32] 바이오 잉크는 세포가 자연적으로 존재하는 세포 외부 기질 환경을 복제하는 데 도움을 주는 것이 중요하다.
바이오 잉크는 살아있는 세포 자체 또는 살아있는 세포를 포함하고 나중에 세포를 포함하는 겔이 되는 물질을 재료로 한다. 이는 액체처럼 움직이며 원하는 모양을 만들기 위해 "인쇄"된다. 바이오 잉크를 만들기 위해 세포를 포함하는 액체, 겔을 포함하는 것이 "카트리지"로 특별히 설계된 프린터에 삽입된다.[63]
바이오프린팅에 사용되는 프린터는 잉크젯, 레이저 보조, 압출 프린터의 세 가지 주요 유형이 있다. 각 프린터 유형에 따라 요구되는 바이오 잉크의 특성이 다르다.
7. 응용 분야
3D 바이오프린팅은 장기 제작뿐만 아니라, 맞춤형 의족이나 피부 이식을 위한 피부를 만드는 데에도 활용된다.[68][69] 살아있는 피부 세포를 채취하여 생명공학 기술을 적용하면 피부를 만들 수 있으며, 손, 발, 피부 형태는 컴퓨터로 설계할 수 있다. 인공 팔다리는 절단 환자의 필요에 맞게, 피부 이식은 환자에게 맞춤형으로 제작 가능하다. 3D 프린터는 나노 기술을 사용하여 이러한 것들을 1시간 이내에 층층이 인쇄한다.[70]
2015년부터는 플라스틱뿐만 아니라 강도가 높은 그래핀 등 특수 재료도 사용하기 시작했다.[71] 마이크로피펫 기술을 이용하여 나노 구조의 그래핀을 인쇄하는 연구도 진행되었다. 인쇄되는 나노 구조 및 그래핀 구조는 물결 모양 등 다양한 형태를 만들 수 있다.[72] 과학자와 의료인은 컴퓨터와 CT 등을 이용하여 환자에게 맞는 맞춤형 인공물을 제작하여, 인공물의 편안함과 자연스러운 기능을 향상시킨다. 3D 바이오프린팅은 NBIC (나노, 바이오, 정보, 인지 기반 기술)의 잠재력을 활용하여 의학과 외과 수술 발전에 기여하고, 환자와 의료 종사자의 시간과 비용을 크게 절약할 수 있는 미래 기술이다.[73]
하버드 대학교 연구진은 2016년 10월, 세계 최초로 통합 센서가 장착된 heart-on-a-chip (칩 위에 배치된 심장)을 3D 프린팅했다. 이는 인간 조직의 행동을 모방하는 마이크로 생리학적 시스템으로, Organ-on-a-chip (칩에 실린 장기) 기술 발전은 의료 시험에서 동물 실험을 줄이는 데 기여할 수 있다.[74]
[https://www.idtechex.com/ja/research-report/3d-bioprinting-2018-2028-technologies-markets-forecasts/592 IDTechEx]는 3D 바이오프린팅 시장이 2028년까지 19억달러에 달할 것으로 예측한다.
7. 1. 조직 공학 및 재생 의학 (Tissue Engineering and Regenerative Medicine)
3차원 바이오프린팅은 신체의 다양한 부위의 조직을 재건하는 데 사용될 수 있다. 의료 분야에서 3D 프린팅 기술을 처음으로 적용하려는 시도는 보스턴 어린이 병원의 연구원들이 수행한 실험이었다. 연구팀은 환자 7명을 위해 지지체를 만들고 그 위에 환자의 세포를 겹겹이 쌓아 배양하는 방식으로 대체 방광을 제작했다. 이 실험은 성공적이었으며, 환자들은 이식 후 7년 동안 건강하게 지냈다. 이 실험을 바탕으로 안토니 아탈라(Anthony Atala) 박사는 이 과정을 자동화할 방법을 모색했다.[33] 말기 방광 질환 환자는 이제 바이오엔지니어링된 방광 조직을 사용하여 손상된 장기를 재건함으로써 치료받을 수 있게 되었다.[34] 이 기술은 뼈, 피부, 연골 및 근육 조직에도 적용될 수 있다.[35]3D 바이오프린팅 기술의 장기적인 목표 중 하나는 전체 장기를 재건하고 이식용 장기 부족 문제를 최소화하는 것이다.[36] 간, 피부, 반월판 또는 췌장 등 완전히 기능하는 장기의 바이오프린팅은 아직 성공 사례가 드물다.[37][38][39] 이식형 스텐트와 달리 장기는 복잡한 형태를 가지며 바이오프린팅하기가 훨씬 더 어렵다. 예를 들어, 바이오프린팅된 심장은 구조적 요구 사항뿐만 아니라 혈관 형성, 기계적 부하 및 전기 신호 전파 요구 사항도 충족해야 한다.[40] 2022년에는 환자 자신의 세포로 만들어진 3D 바이오프린팅 이식, 즉 외이를 사용하여 소이증을 치료하는 임상 시험의 첫 번째 성공 사례가 보고되었다.[41][42]
3D 바이오프린팅은 조직 공학 분야에서 중요한 발전에 기여하며, 생체 재료라는 혁신적인 재료에 대한 연구를 가능하게 한다. 주목할 만한 생체 공학 물질 중 일부는 연조직과 뼈를 포함하여 평균적인 신체 재료보다 강한 경향이 있다. 이러한 구성 요소는 원래의 신체 재료에 대한 미래의 대체물, 심지어 개선으로 작용할 수 있다.
3D 바이오프린팅은 장기를 만드는 데 사용될 뿐만 아니라 의족, 피부 이식을 위한 피부를 만드는 데에도 사용된다.[68][69] 살아있는 피부 세포를 조금 채취하여 생명 공학을 적용함으로써 피부를 만들어낼 수 있다. 인공 사지 등은 절단된 사람의 필요에 맞춰, 피부 이식은 필요로 하는 환자에 맞춰 맞춤형으로 제작할 수 있다.
하버드 대학교 연구진은 2016년 10월에 세계 최초로 통합 센서가 장착된 heart-on-a-chip(칩 위에 배치된 심장. 심장의 기능을 작은 칩 위에서 재현하는 것)을 3D 인쇄했다. 마이크로 생리학적 시스템인 이 장치는 인간 조직의 거동을 모방하고 복합적으로 구축된 칩 위에 놓인 장기(장기의 기능을 작은 칩 위에서 재현하는 것. 폐, 혀 및 장 등이 있다) 중에서 가장 정교한 것이다. organ-on-a-chip (칩에 실린 장기)의 더 나아가 발전은 의료 시험의 동물 실험을 감소시킬 가능성이 있다.[74]
[https://www.idtechex.com/ja/research-report/3d-bioprinting-2018-2028-technologies-markets-forecasts/592 IDTechEx]는 3D 바이오프린팅 시장이 2028년까지 19억달러에 달할 것으로 예측하고 있다.
7. 2. 신약 개발 (Drug Development)
3차원 바이오프린팅은 신약 개발 과정에서 약물의 효능 및 독성을 평가하기 위한 3차원 세포 모델을 제작하는 데 사용될 수 있다. 특히, 하버드 대학교 연구진은 2016년 10월 세계 최초로 통합 센서가 장착된 심장 온어칩(heart-on-a-chip)을 3D 프린팅으로 제작했다. 이 마이크로 생리학적 시스템은 인간 조직의 행동을 모방하며, 칩 위에 여러 장기(organ-on-a-chip)를 복합적으로 구축하여 더욱 정교하게 만들 수 있다. 이러한 칩 위의 장기 기술 발전은 의료 시험에서 동물 실험을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.[74]3D 바이오프린팅 기술은 신약 개발 비용과 시간을 절감하고, 개인 맞춤형 약물 스크리닝을 통해 치료 효과를 극대화할 수 있다. IDTechEx는 3D 바이오프린팅 시장이 2028년까지 19억달러에 달할 것으로 예측하고 있다.
7. 3. 배양육 (Cultured Meat)
3차원 바이오프린팅은 배양육 생산에도 사용될 수 있다. 2021년, 세 종류의 소 세포 섬유로 구성된 스테이크 형태의 배양육이 생산되었다. 이 와규와 유사한 소고기는 실제 고기와 비슷한 구조를 가지고 있다.[44][45] 이 기술은 가축 산업이 질병으로 어려움을 겪을 때, 자연적인 고기 수확 방법에 대한 대안을 제공하며, 축산업의 환경적 영향을 줄이는 해결책이 될 수 있다.
7. 4. 생물 정화 (Bioremediation)
생물 정화는 미생물, 효소, 생체 복합 재료, 생체 고분자 등을 이용하여 오염 물질을 무해한 물질로 분해하는 친환경적이고 경제적인 방법이다.[51] 3차원 바이오프린팅은 이러한 물질들을 활용하여 기능성 구조물을 제작함으로써 생물 정화 과정을 개선하는 데 기여할 수 있다.[51]3차원 바이오프린팅을 이용한 바이오필름 제작은 바이오필름 성장을 위한 구조를 제공하기 위해 다당류를 압출하는 방식으로 이루어진다. 알긴산염과 같은 다당류는 구조 내에 미생물을 포함할 수 있으며,[46] 하이드로겔 또한 기능성 바이오필름 형성을 돕는다.[2] 3차원 바이오프린팅을 통해 제작된 바이오필름은 두께에 따라 영양분 및 산소 확산에 영향을 받아 기능성이 달라질 수 있다. 예를 들어, 더 두꺼운 바이오필름은 혐기성 세균을 선택적으로 활성화시킬 수 있다.[47]
바이오필름은 자연 환경에서 복원 능력을 가지므로, 3차원 바이오프린팅된 바이오필름은 환경 정화에 활용될 가능성이 있다.[48] 미생물은 다양한 화학 물질과 금속을 분해할 수 있으며, 바이오필름 구조는 이러한 미생물이 번성할 수 있는 환경을 제공한다.[49] 인공 바이오필름은 미생물을 환경 위험으로부터 보호하고, 신호 전달 및 미생물 간 상호 작용을 촉진한다.[50] 3차원 바이오프린팅은 기능성 미생물을 기계적 안정성을 제공하고 환경 조건으로부터 보호하는 구조에 배치할 수 있게 해준다.[10][51] 또한, 3차원 프린팅 구조는 일반적인 환경 구조에 비해 더 넓은 접촉 면적을 제공하여 오염 물질 제거 효율을 높인다.[10][51]
3차원 바이오프린팅은 폐수 처리 및 부식 방지에도 활용될 수 있다.[46]
7. 5. 기타 응용 분야
3차원 바이오프린팅은 장기 제작뿐만 아니라, 맞춤형 의족이나 피부 이식을 위한 피부를 만드는 데에도 사용된다.[68][69] 살아있는 피부 세포를 채취하여 생명공학 기술을 적용하면 피부를 만들 수 있다. 손, 발, 피부 형태는 컴퓨터로 설계할 수 있다. 인공 팔다리는 절단 환자의 필요에 맞게, 피부 이식은 환자에게 맞춤형으로 제작 가능하다. 3차원 프린터는 나노 기술을 사용하여 이러한 것들을 1시간 이내에 층층이 인쇄한다.[70]2015년 초에는 플라스틱뿐만 아니라 강도가 높은 그래핀 등 특수 재료를 사용하기 시작했다.[71] 연구자들은 마이크로피펫 기술을 사용하여 나노 구조의 그래핀을 인쇄할 수 있음을 증명했다. 인쇄되는 나노 구조 및 그래핀 구조는 물결 모양 등 다양한 구조를 만들 수 있다.[72] 과학자와 의료인은 컴퓨터와 CT 등을 이용하여 환자의 몸에 맞는 맞춤형 특수 인공물을 제작한다. 이를 통해 인공물은 더욱 편안하고 자연스럽게 기능한다. 미래에 이 기술은 의학과 제조 분야를 혁신할 것이다. 3차원 바이오프린팅은 NBIC (나노, 바이오, 정보, 인지 기반 기술)의 잠재력을 활용하여 의학과 외과 수술 발전에 기여하고, 환자와 의료 종사자의 시간과 비용을 크게 절약할 수 있다.[73]
2016년 10월, 하버드 대학교 연구진은 세계 최초로 통합 센서가 장착된 heart-on-a-chip (칩 위에 배치된 심장. 심장 기능을 작은 칩 위에서 재현)을 3차원 인쇄했다. 마이크로 생리학적 시스템인 이 장치는 인간 조직의 행동을 모방하며, 복합적으로 구축된 칩 위에 놓인 장기 (장기 기능을 작은 칩 위에서 재현. 폐, 혀, 장 등) 중 가장 정교하다. Organ-on-a-chip (칩에 실린 장기)의 발전은 의료 시험에서 동물 실험을 줄일 수 있다.[74]
[https://www.idtechex.com/ja/research-report/3d-bioprinting-2018-2028-technologies-markets-forecasts/592 IDTechEx]는 3차원 바이오프린팅 시장이 2028년까지 19억달러에 달할 것으로 예측한다.
8. 3D 바이오프린팅의 윤리적, 사회적 문제
3차원 바이오프린팅은 바이오 소재라고 불리는 혁신적인 재료 연구를 가능하게 함으로써 조직 공학의 의료 분야에 큰 발전에 기여한다. 바이오 소재는 3차원 구조를 가지며, 3D 프린터로 "인쇄"되어 사용되는 재료이다. 가장 유명한 생물 공학적 바이오 소재는 연조직과 뼈일 것이지만, 그것들은 평균적인 생체보다 통상적으로 더 강하다. 이러한 바이오 소재는 더욱 개선되어, 장래에는 생체를 대체하는 역할을 할 수 있을 것이다. 예를 들어, 알긴산은 신체를 구성하는 물질의 몇몇과 비교해도 강한 생체 적합성, 저독성, 그리고 더 강한 구조 능력을 가지며, 생물 의학적으로 유력시되고 있는 음이온성 폴리머이다.[75]。PV 기반의 겔을 포함하는 합성 하이드로겔도 일반적이다. 산과 UV를 쪼인 PV 기반의 가교제와의 조합은, "웨이크 포레스트 의학 연구소"(Wake Forest Institute of Medicine)에 의해 평가되어, 적절한 생체 재료로 여겨지고 있다.[76]。인접한 조직으로부터의 영양분과 산소의 확산을 크게 하는 미세한 채널을 "인쇄"하는 방법도 검토되고 있다. 또한, 심장, 간, 폐 등의 미니 장기를 사용하여 신약을 보다 정확하게 시험함으로써, 동물 실험을 줄일 가능성이 있다.[59]。
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