3D 프린터라는 장비에 대해 들어보셨나요? 얼마 전부터 3D 프린터에 대한 이야기가 들려오고 있어 한번쯤은 들어보셨을 거라 생각합니다. 최근에는 3D 프린터가 대중화되어 간단한 물건을 만드는 용도로 쿠팡과 같은 온라인 마켓에서도 쉽게 구매할 수 있을 정도 말이죠. 이렇게 마음만 먹으로 누구나 3D 프린터를 구매할 수 있고, 내가 원하는 물건을 만들 수 있는 시대가 되었습니다.
혹시 이런 생각해 보신 적 있나요? 어떤 물건이든 만들 수 있는 3D 프린터로 우리 몸속에서 다양한 기능을 수행하고 있는 장기를 만들 수 있을까? 더 나아가 단순한 구조의 생명체나 더 복잡한 인간과 같은 생명체를 만들 수 있을까? 이런 생각을 하고 계셨다면 오늘 잘 클릭하셨습니다. 최근 바이오 분야에서는 3D 프린팅 기술을 어떻게 사용하고 있고, 어떤 방향으로 연구되고 있는지 살펴보시고, 3D 프린터로 생명체를 만들 수 있을지 저와 함께 조금 더 자세히 알아보시죠!
목차
1. 영상 시청 링크
2. 3D 프린터란?
3. 3D 바이오프린팅
4. 연구 내용 #1_생체 귀 만들어 이식 성공
5. 연구 내용 #2_생체 고분자를 3D 프린터로 재배치 성공
6. 연구 내용 #3_새로운 바이오 잉크 개발
7. 3D 프린터 생명체 만들 수 있나?
8. 함께 보면 좋은 글
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3D 프린터(3D Printer)란?
본격적인 이야기에 들어가기 전에 3D 프린터가 뭐 하는 녀석인지 간단하게 알아보겠습니다. 3D 프린터는 특정 물질을 연속적으로 쌓는 과정을 통해 3차원 물체를 만드는 장비입니다. 쉽게 말하면 벽돌을 계속해서 쌓아 올려 건물을 만드는 것과 비슷하다고 생각하시면 좋겠네요.
3D 프린터로 물체를 만드는 과정을 간단하게 말씀드리면, 디자이너나 엔지니어가 3D 디자인 소프트웨어를 사용하여 원하는 물체를 모델링합니다. 그다음, 이 모델링 된 물체를 3D 프린터에 로드하고, 프린터는 플라스틱이나 수지, 금속, 나일론 등 다양한 소재를 사용하여 층층이 레이어별로 나눠 인쇄합니다. 이렇게 간단한 과정을 거쳐 원하는 물체를 만들게 되는 것입니다.
3D 프린터는 현재 존재하지 않는 프로토타입이나 맞춤형 제품을 빠르고 정확하게 제작할 수 있다는 장점 때문에 산업 디자인과 건축, 자동차 산업 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 제품을 미리 제작해 보고 어떤 점을 보완해야 할지 확인할 수 있어 효율적인 생산 과정에 도움을 줍니다.
3D 바이오프린팅 (Bioprinting)
일반적으로 산업에서 사용되는 3D 프린팅 기술을 인체 장기를 만드는 재생의료에 사용하는 경우 이를 3D 바이오프린팅이라고 합니다. 3D 바이오프린팅은 환자 본인 세포를 배양해서 이를 재료로 사용하게 됩니다. 일반적으로 3D 바이오프린팅은 상처 난 피부에 사용하는데요. 상처 부위의 깊이와 넓이를 측정하여 피부 세포를 인쇄하는 방식으로, 본인의 세포로 맞춤형으로 진행되기 때문에 2차 감염에 대한 우려가 없다는 장점이 있습니다.
연구 내용 #1_생체 귀 만들어 이식 성공
그럼 3D 바이오프린팅 기술은 피부에만 적용할 수 있는 것일까요? 그렇지 않습니다. 2022년 미국의 3D 바이오 테라퓨틱스라는 회사에서는 3D 프린팅 기술을 이용해 환자 자신의 세포로 만든 귀를 환자에게 이식하는 실험을 진행하여 성공하였습니다. 2023년 2월까지 총 11명에게 제작된 귀를 이식하였고 2028년까지 이식된 귀에 문제가 없는지 안전성을 확인할 예정이라고 전했습니다. 3D 프린팅 기술로 귀를 만들어 이식할 수 있다는 사실은 정말 놀랍습니다.
연구 내용 #2_생체 고분자를 3D 프린터로 재배치 성공
3D 프린팅 기술을 재생의료와 바이오산업에 전목 시키기 위한 노력은 여기서 그치지 않습니다. 생명체를 구성하는 기본 단위인 세포보다 작은 생체 고분자를 3D 프린팅 기술로 원하는 모양으로 재배치하는 시도도 진행되고 있는데요. 여기서 생체 고분자란 DNA와 단백질, 다당류와 분자들을 의미합니다. 이와 같은 생체 고분자는 생명체의 고유 특성과 항상성 등을 유지할 수 있게끔 만들어주는 아주 중요한 물질입니다. 이들도 각각의 고유한 구조와 성질을 갖고 있고 이를 유지하고 있어야 생명체의 다양한 기능을 조절할 수 있는데, 구조와 성질 변화 없이 인위적으로 제어하기 어렵습니다.
포항공과대학교 신소재공학과 오승수 교수 연구팀은 3차원 고정밀 나노 프린팅 기술을 개발해 형태와 기능의 변형 없이 고분자를 자유롭게 제어할 수 있게 만들었습니다. 연구팀은 분자 수준의 미세 영역에서 나타나는 용액의 증발과 응고 현상이 생체 고분자 유형과 관계없이 발생한다는 점을 이용하였습니다. DNA와 단백질, 다당류와 같은 다양한 생체 고분자가 들어있는 용액을 순차적으로 억류, 증발, 응고시키는 과정을 통해 온전한 형태와 기능을 유지한 3D 프린팅 기술을 구현하였습니다.
지금까지 3D 프린팅 기술로 형태를 만들더라도 각각의 생체 고분자가 본래의 기능을 유지하는 것이 어려워 세포 또는 인체 장기를 만드는 것이 쉽지 않았습니다. 이번 연구 성과는 생체 고분자의 기능을 유지하면서도 세포 또는 인체 장기 형태를 만들기 위한 초기 연구가 될 것으로 보입니다.
연구 내용 #3_새로운 바이오 잉크 개발
또 다른 3D 바이오프린팅 기술 관련 연구로, 체외에서 새로운 장기를 만드는 것이 아니라 바이오 잉크로 제작한 구조물을 체내로 이식해 환자 본인의 몸속에 있던 세포가 원하는 구조로 증식 및 분화하게 만드는 기술도 개발되었습니다. 기존에 조직 재생 목적으로 3D 바이오 프린팅 기술을 이용할 경우 하이드로 겔 기반의 바이오 잉크를 사용해 3차원 지지체를 만들었습니다. 하이드로겔을 이용할 경우 물리적 강도를 높이기 위해 자외선 조사와 같은 광경화 과정을 반드시 거쳐야 했습니다. 또한 조직 재생 효과를 높이기 위해 외부 배양 세포를 이식하는 과정을 거쳤는데요. 이러한 과정을 거쳐 만든 경우 인체 내 부작용의 위험성 컸습니다.
이번에 개발된 폴리포스파젠 하이드로겔 기반의 바이오 잉크는 체내에서 생분해되며, 저온에서는 액상 형태로 존재하고 체온에서는 단단한 젤 형태로 변하는 특징을 가지고 있습니다. 이로 인해 물리적 강도를 높이기 위한 가교제 또는 자외선 조사 과정 없이 온도조절만으로 조직 재생이 가능하고, 인체의 면역 부작용 발생 가능성을 최소화할 수 있게 되었습니다.
또한 이번에 개발된 바이오 잉크는 세포의 성장과 조직 재생에 도움이 되는 성장인자와 상호작용하는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 특징을 이용해 재생이 필요한 조직으로 바이오 잉크 구조물을 이식하면 주변 세포를 성장 및 분화할 수 있는 환경을 조성해 조직 재생 효과를 극대화할 수 있습니다.
3D 프린터 생명체 만들 수 있나?
자! 그럼 생명체를 3D 프린터로 만든다고 생각해 봅시다. 그럼 어떤 것들이 필요할까요? 먼저 어떤 모양을 가지고 있는지 도면이 필요할 겁니다. 그리고 모양을 채워 넣을 재료가 필요한데, 생명체의 기본 단위가 세포니 세포가 필요하겠네요.
세포는 지구상에 존재하는 모든 생명체를 구성하는 기본단위입니다. 이것은 학교에서 생물 시간에 다들 배워서 잘 알고 계실 겁니다. 동물 세포의 경우 세포막으로, 식물 세포의 경우 세포벽이라는 세포 소기관으로 둘러싸여 있습니다. 우리 인간을 구성하는 세포의 개수는 대략 60조 개 정도고, 계속적으로 죽고 새로 만들어지길 반복합니다. 또한 각각의 세포는 자신이 자리하고 있는 곳에 적합한 기능을 수행할 수 있게끔 고유의 능력과 모양, 특징을 가지고 있습니다. 그래서 우리 몸속의 세포는 모두 다르다고 이야기할 수 있습니다. 예를 들어 심장에 있는 세포는 피를 온몸으로 순환할 수 있게 펌핑할 수 있는 기능을 갖추고 있고, 뇌 속에 있는 신경세포는 신경 전달에 최적화된 나뭇가지 모양을 하고 있는 것만 봐도 쉽게 알 수 있습니다.
게다가 하나의 장기에 각각 다른 모양과 기능을 수행하는 다양한 세포가 함께 상호작용하고 있는데요. 생각보다 우리 몸과 생명체는 다양하고 복잡한 구조로 되어 있습니다. 이렇게 복잡한 생명체를 3D 프린팅 기술을 이용해 만드는 것을 현재 기술로는 불가능한 일입니다. 기껏해야 단순한 구조와 기능을 갖춘 조직을 제작하여 이식해 봤고, 생체 고분자를 손상 없이 다룬 정도로는 복잡한 생명체는 고사하고 장기도 만들 수 없을 것입니다.
앞으로 3D 프린터 관련해서 정말 많은 연구가 진행될 것입니다. 정부에서도 재생 의료 분야에서 3D 프린팅 기술의 중요성을 너무나도 잘 알고 있기 때문에 관련 연구 지원과 인제 육성에 나선다고 합니다. 따라서 앞으로 지금은 생각지도 못할 더 많은 기술 발전을 이룰 것이라 생각합니다. 그러다 보면 언젠가는 우리가 원하는 생체 장기와 단순한 생명체를 만드는 날이 올 것이라 믿어 의심치 않습니다.
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