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다중 분사체 기반 바이오 프린팅 시스템 개발 연구

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2016-01-28 (목) 15:42 조회 : 1471

2013년 초 버락 오바마(Barack Obama) 미국 대통령은 국정연설을 통하여“모든 것의 생산방식을 바꿀 잠재력을 가진 혁신기술(3-D printing that has the potential to revolutionize the way we make almost everything)”로서‘3D 프린팅(printing)’기술을 평가하였다(Barack Obama, 국정연설문 중, 2013).

 

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이러한 혁신기술로서의 3D 프린팅 기술을 의료분야에 접목한 기술이 바로‘바이오 프린팅(bio printing) 기술’이다.
이는 상용 잉크젯 프린터에 소위‘바이오 잉크(bio-ink)’를 대치하고, 일반 기계공학에서 발전되어 온 급속 조형시스템(rapid prototyping system) 기술을 의료분야에 원용하여 생분해성 지지체(biodegradable scaffolds) 물질을 다양하게 조형하고, 그 과정에서 세포(cell) 혹은 기타 성장인자(growth factor) 등 혼합물질을 혼입/배양하여 인공의 조직(tissue)이나 장기(organ)를 제작할 수 있는 기술이다.

 

현재, 미국, 유럽 등의 선진국을 바탕으로 한 많은 연구그룹들에서 연구개발이 진행되고 있는 상황이며, 그 개발성과들을 바탕으로 한 발표가 속속 전해지는 상황에서, 국내 고유 기술 개발이 절실히 필요한 실정이다.
또한, 본 기술은 인공장기 개발을 위한 ’장기 프린팅(organ printing)’분야의 의미뿐만 아니라 다양한 세포/조직공학적 기초 연구를 돕는 첨단 연구 분야로서의 의미를 가질 수 있을 것으로 판단된다.


바이오 프린팅은 적층(layer-by-layer) 방식의 쾌속 조형술을 조직공학에(tissue engineering) 접목하여 살아 있는 세포를 포함한 생체적합성 물질(biocompatible materials)을 직접 프린팅 하는 기술이다.
이러한 기술은 의학, 조직공학 및 전기/전자/기계 공학 등 다학제간의 연구가 필수적이며 필자는 전기/전자/기계 분야의 엔지니어(engineer) 관점에서 요소 기술개발에 관한 연구 내용을 서술하고자 한다.

 

본 연구는 바이오 프린팅 시스템을 개발함에 있어 자유형상제작이 가능하고 미세 프린팅이 가능하며 조직 및 장기의 다종 세포의 동시 운용이 가능한 기술을 실현하기 위하여 수행되어졌다.
이를 위하여 살아 있는 세포를 포함한 다양한 물질의 동시 혹은 병렬적인 프린팅이 가능한 총 4축의 다중 분사체 및 수백 나노미터(nanometer, nm) 단위 제어가 가능한 구조의 3차원 프린팅 하드웨어를 개발하였고, 이를 통하여 분사 노즐의 니들이 적용 가능한 범위 내에서 최소 200 미크론(micron) 이내 범위의 미세 프린팅이 가능한 시스템을 실현하였다.
또한, 실험을 통하여 지지체를 제작을 위한 적용 수화젤(hydrogel)의 종류에 따른 프린팅 특성을 정량적인 데이터로 적용함으로써 요구되는 미세구조의 프린팅이 가능하도록 개발하였다.

 

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본 연구를 통하여 개발된 바이오 프린팅 시스템 및 이를 위한 자동제어 관점의 창의적인 기술은 미세 구조의 3차원 자유형상 제작을 통하여 손상된 인체 장기 및 조직을 수리, 재생 및 복원하기 위한 의료기기 및 인공장기 기술로서의 발전을 기대할 수 있을 것이다.


현재 연구개발 단계의 시스템들은 3차원 조형 시스템의 구성과 세포 혹은 혼성 물질의 주입, 분사 노즐에서 독자적인 다양한 개념들이 제안되고 있는 상황이며, 국제적으로 초기 단계인 현 단계에서 국내 고유 기술 개발의 의미는 분명할 것이며, 이에 따른 국가 차원의 연구 지원이 필요할 것이다.
또한, 전기/기계적 자극 신호의 실시간 융합, 다종 세포의 동시 운용이 가능한 고유 개념의 다채널 미세 분사 구조, 인간 실험 수행자의 역할을 대신하는 시각적 촉각적 정보 피드백(visual and tactile feedback)에 기반 한 정밀 자동 제어(automatic control) 기술 등 다양한 신기술에 대한 접목 연구가 필요할 것으로 사료된다.

 

* 본고는 대림대학교 의공융합과 송승준 조교수의 발표자료를 요약한 것이다.


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