미래유망직업
[전문가칼럼] 세상을 찍어내다, 3D 바이오프린팅
#3D프린팅#바이오프린팅#여성과학기술인
조회수 249
좋아요2
작성일2024-04-17
강동구 바오밥헬스케어 기술이사
한국공학대학교 기계공학 학사 2007-2014
한국공학대학교 신기술융합(기계공학) 석사 2014-2016
한국공학대학교 기계시스템공학 박사 2016-2019
티앤알바이오팹 인턴 2017-2019
티앤알바이오팹 연구원 2019-2019
바오밥헬스케어 기술이사 2019~
바이오프린팅이란?
우리 몸을 이루는 최소 단위는 세포입니다. 세포가 모이면 조직이 되고 조직이 모이면 기관(장기)이 되고 이것들이 모여서 개체(독립된 생물체, ‘우리’)가 됩니다. 기본적으로 세포는 세포와 세포끼리 그리고 세포외기질(extracellular matrix)에 둘러싸여 있습니다. 대표적인 세포외기질은 콜라겐이 있습니다.
바이오프린팅이란 세포와 바이오잉크(흔히 세포외기질의 조합)를 혼합하여 마치 조직이나 장기와 같은 형상으로 프린팅하는 공정입니다. 프린팅된 인공조직을 장기배양하고 분화시키면 실제 우리 조직과 유사한 형태와 기능을 갖게 됩니다. 이렇게 자라난 인공조직을 우리 몸에 이식하여 치료제로 사용될 수 있고 새로운 약물을 개발하기 위한 독성시험 모델로 사용되기도 합니다. 최근, 재료 및 세포와의 조합을 이용하여 인공폐, 인공혈관, 인공심장, 인공피부, 인공귀, 인공방광 등 다양한 인공장기를 프린팅하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
3D 프린팅으로 인간에게 이식된 최초의 인공장기는 1999년 웨이크 포레스트 재생의학연구소(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)의 과학자들이 만든 인공방광입니다. 인공방광을 이식받은 Luke Massella는 아직까지 건강하다고 합니다. 2022년 미국 3D 바이오 테라퓨틱스는 환자의 연골세포를 이용해 프린팅한 생체 인공 귀를 20대의 소이증 환자에게 이식했다고 밝혔습니다. 정상인 한쪽 귀를 스캔하고 미러링을 통해 반대쪽 귀를 리모델링하고 콜라겐과 환자의 연골 세포를 혼합해 프린팅하여 이식하였습니다. 환자는 시술 30일 만에 퇴원하였습니다. 바이오프린팅 기술은 환자의 삶을 개선하기 위해 사용되고 있습니다.
그림. 바이오프린팅으로 제작된 인공조직
환자형 맞춤 프린팅이란?
3D 프린팅 기술은 적층제조(additive manufacturing)기술로 절삭가공과 반대되는 기술입니다. 기존에 우리가 연필을 깎아서 뾰족하게 썼다면, 3D 프린팅 기술은 뾰족한 연필 그 자체를 만듭니다. 재료의 낭비가 적은 장점이 있지만, 3D 프린팅은 대량생산에 적합하지 않습니다. 따라서, 완제품이 나오기 전에 만드는 시제품(prototype)이나 다품종 소량생산에 주로 사용된다고 알려져 있습니다.
현재 3D 프린팅 기술이 가장 많이 활용되고 있는 분야는 환자 맞춤형 이식(patient-specific implant) 입니다. 예를 들면, 두개골에 결손이 있는 환자의 DICOM 파일(흔히 CT, MRI 등 원본파일)을 불러와 3D 리모델링을 실시합니다. 결손된 부분에 이식할 가상의 3D 모델을 만드는 것입니다. 그리고 이 가상의 3D 모델을 프린터로 출력하여 환자에 꼭 맞는 맞춤형 의료기기를 이식합니다. 특히, 샴쌍둥이 분리술에는 필수적으로 3D 프린팅 기술이 활용됩니다. 3D 리모델링을 통해 분리할 뼈, 근육, 혈관 등을 미리 프린팅하고 이것을 의사에게 제공하여 수술 전 시뮬레이션에 사용됩니다. 100명 이상의 의료진이 투입되고 하루, 이틀정도 꼬박 걸리는 대수술을 진행하기 전에 반드시 필요한 사전작업이라고 합니다. 또 다른 예로, 생후 6개월된 Kaiba Gionfriddo는 선천성 기관지 연화증으로 인해 좌측 기관지가 붕괴되어 숨쉬기 어려운 문제가 있었습니다. 의료진들은 FDA 긴급사용승인을 받아 환자 맞춤형 기관지를 3D 프린팅으로 제작하여 이식하였습니다. Kaiba는 수술 후 21일 만에 인공 장치를 떼어내고 퇴원했습니다.
그림. 3D 프린터를 이용한 환자맞춤형 의료기기 디자인 소요시간 예시(두개골성형재료)
* 참고: 식품의약품안전처 ‘3D 프린터를 이용한 환자 맞춤형 의료기기의 GMP 심사 준비를 위한 민원인 안내서’
바이오프린팅으로 제조된 수산배양육
축산업에 전 세계 담수 25%, 토지 55%, 곡물 33%가 사용되고 이로 인한 온실가스 발생량은 14.5% 정도라고 합니다. 온실가스는 기후변화를 야기합니다. 2050년 세계인구는 100억명, 필요한 동물 단백질 수는 연간 4.5억 톤인데 기후변화로 인해 농경지는 갈수록 감소하고 있고, 다시금 동물들을 먹일 비료도 감소하는 악순환이 이어지고 있습니다. 따라서, 동물 단백질을 대체할 식물성 대체육, 배양육, 식용곤충이 대안으로 떠오르고 있습니다.
수산업도 비슷한 실정입니다. 1970년부터 2012년까지 지구상 식용어류가 이미 절반으로 줄었고 2048년에는 물고기보다 플라스틱이 더 많아진다고 합니다. 일본 후생성 일본 식품 전수조사에 따르면 2023년 전체 식품의 방사성 오염수 검출은 11%라고 합니다. 양식업은 어떨까요? 2021년 Science Advances에 게재된 논문에 따르면 매년 수산양식되어 좁은 공간에서 고통을 겪다가 죽는 생물이 2,500억에서 4,080억 마리에 이른다고 합니다.
그렇다면 이러한 문제를 해결할 수산배양육은 어떻게 만들어질까요? 우리가 먹는 살코기는 주로 근육을 의미하는데, 생선으로부터 추출된 근육줄기세포와 세포외기질을 혼합하여 생선(수산배양육)을 프린팅할 수 있습니다. 프린팅된 생선은 분화유도 과정을 거쳐 진정한 의미의 먹는 생선이 됩니다. 그럼 우리도 배양육을 먹을 수 있을까요? 싱가폴에서는 2020년 12월에, 미국은 2023년 6월에, 이스라엘은 올해 1월 배양육을 허가했습니다. 한국은 올해 2월에 배양육의 주재료인 세포를 식품원료로 인정하였습니다. 앞으로 우리 식탁에 배양육이 오를 날이 머지 않았습니다.
그림. 바이오프린팅으로 제조된 수산배양육
3D 바이오프린팅 진출 역량
3D 바이오프린팅은 ‘3D 프린팅’과 ‘바이오’가 합쳐진 융복합 분야로 전문적인 교육 과정은 거의 없다고 볼 수 있습니다. 하지만 바이오프린팅 기술은 세포 및 바이오 잉크와 같은 생체 물질을 원료로 하며, 프린팅 이후 생물학적인 분석까지 진행되기 때문에 생명 공학, 화학 공학, 고분자 공학 등 바이오 관련 다양한 학과에서 역량을 쌓을 수 있습니다.
3D 바이오프린팅은 원론적으로 기존 3D 프린팅 기술과 큰 차이가 없기 때문에 바이오 관련 학과 외에도 기계 공학, 분자 공학, 로봇 공학 관련 전공을 하며 바이오프린팅을 연구하는 대학 적층제조 연구실을 통해 관련 역량을 쌓아 진입하는 경우도 다수 있습니다.
또한 간단한 형상은 설계 소프트웨어 없이 프린팅 가능하도록 바이오프린터 소프트웨어에 포함되어 있지만 맞춤형과 같은 복잡한 형상은 설계 프로그램을 사용해야하기 때문에 관련 기술이 있다면 폭 넓은 연구를 할 수 있습니다. 이처럼 바이오프린터를 직접 설계 및 제작하는 분야로 진출하려는 경우 기계 공학, 기전 공학, 전기전자 공학 등에서 관련 툴 및 설계 관련 지식을 얻을 수 있습니다.
바이오프린팅은 다양한 분야가 복합적으로 엮여 있고 항상 새로운 프린팅 방식이 연구 및 발표가 되고 있기 때문에 해당 분야의 논문, 특허 등을 통해 지속적인 동향 및 트렌드 파악이 중요합니다.
