강 현 욱 울산과학기술대학교 생명과학부 조교수 ㅣ e-mail : [email protected]
3D 세포 프린팅 기술 그리고 바이오 잉크란?
3D 세포 프린팅 기술은 인체 내에서 얻어지는 다종의 세포, 생체 재료 및 성장 인자(growth factor) 등을 이용하 여 컴퓨터 디자인된 생체 모방형 구조물의 제작이 가능하 다는 장점을 가지고 있다(그림 1). 최근 이러한 장점은 인 공 조직 및 장기 재생 분야뿐만 아니라, 신약 테스트를 위 한 인공 생체 모델의 개발에도 큰 이점을 줄 수 있을 것으 로 기대를 받고 있다. ‘바이오 잉크’는 최근 들어 소개된 용어로서 일반적으로 3D 세포 프린팅 기술에 적용할 수 있는 살아있는 세포를 포함하는 생체 재료를 지칭한다.
따라서 이는 세포 프린팅 기술에서 3차원 가공을 위한 물 리적 성질과 특정 조직 및 장기 재생을 위한 생물학적 환 경을 제공하는 역할을 한다. 필요로 하는 물리적 성질은 공정에 따라 크게 달라진다. 초창기 세포 프린팅 연구에 서 가장 널리 활용된 잉크젯 기반 프린팅(inkjet-based printing) 기술에서는 젯팅 과정에서 작은 방울(droplet)을 생성시키기 위해서 매우 낮은 점성의 재료만이 사용가능 하다(그림 2 (가)). 지금까지의 연구에 따르면 약 0.1 Pa・
s
-1단위의 상한선이 있는 것으로 보고되고 있다. 반면에 주사기와 마이크로 노즐을 이용하는 토출 기반 프린팅 (extrusion-based printing) 시스템에서는 재료의 점성에 최근 들어 살아 있는 다종의 세포를 이용하여 자유 3차원 구조물을 제작할 수 있는 세포 프린팅 기술이 많은 주목을 받고 있다. 이 기술은 장기 프린팅 혹은 바이오 프린팅 기술로도 많이 불린다. 바이오 잉크는 세포 프린팅 기술의 구 현에서 가장 핵심적인 요소이다. 프린팅 공정이 잉크의 성질을 고려하여 디자인되기 때문에, 잉크를 잘 이해하는 것 이 세포 프린팅 공정의 핵심을 파악하는 가장 빠른 길이다. 이 글에서는 이러한 바이오 잉크가 가져야할 특성과 현재 까지 소개된 잉크 소재 및 이와 관련된 프린팅 공정에 관해 살펴보고자 한다.
그림 1
인공 조직 혹은 장기 재생을 위한 3D 세포 프린팅 기술
그림 2
세포 프린팅 기술의 원리: (가) 잉크젯 기반 프린팅 기 술 그리고; (나) 토출 기반 프린팅 기술
(가) (나)
3D 세포 프린팅을 위한 바이오 잉크
큰 제약을 받지 않는다(그림 2(나)). 그러나 너무 높은 점 성의 재료는 토출 과정에서 발생하는 전단 응력 등에 의 하여 세포 손상이 발생하게 된다. 그리고 바이오 잉크는 프린팅 이후에 제작된 3차원 패턴이 무너지지 않고 잘 유 지되어야 한다. 이를 위하여 바이오 잉크와 이의 가교제 를 동시에 이용하는 프린팅 공정이 많이 소개되었다. 그 외에도 바이오 잉크는 패터닝의 반복성, 생산성, 노즐의 막힘이 없어야 하는 등 공정상에서 필요로 하는 물리적 성질을 가져야 한다. 이러한 물리적 성질 이외에도 바이 오 잉크는 좋은 세포 친화성을 가져야 한다. 먼저 프린팅 과정에서 세포의 생존이 잘 보존되어야 한다. 프린팅 공 정은 세포에 가해지는 물리적 스트레스를 최소화하기 위 한 공정 조건을 언제나 이용한다. 그러나 이러한 스트레 스가 크지 않다 하더라도, 세포의 생존에 유리하지 못한 자극이 프린팅 과정에서 지속적으로 생성되는 것이다. 프 린팅 공정에 소요되는 시간 또한 매우 중요한 변수 중의 하나이다. 세포의 생존을 위해서는 적절한 산소와 영양분 공급이 프린팅 과정에서 이루어져야 한다. 따라서 바이오 잉크는 프린팅 과정에서 세포의 생존을 잘 유지시킬 수 있는 성분이 포함되어야 한다. 두 번째는 프린팅 된 구조 물이 목적된 생물학적 기능을 구현할 수 있도록 적절한 환경이 바이오 잉크로부터 제공되어야 한다. 인공 조직 및 장기 재생의 경우는 프린팅 된 세포의 증식 및 분화에 유리한 생물학적 환경이 바이오 잉크로부터 주어져야 하 는 것이다. 이와 같이 살아 있는 세포의 프린팅 기술은 사 용할 수 있는 공정 조건이 매우 제한적이다. 따라서 우수 한 바이오 잉크의 개발은 세포 프린팅 기술의 발전에 핵 심 이라 할 수 있다.
세포 프린팅 공정과 바이오 잉크
최초의 세포 프린팅 기술은 2000년대 초반 잉크젯 기술 을 응용하여 구현되었다. 이 기술은 압전 혹은 히팅 소자 로 제작된 액추에이터를 이용하여 약 20~300μm의 크기를 가지는 방울을 목표 지점으로 젯팅하는 공정으로 패턴을
제작한다.(그림 2(가)) 이미 언급된 바와 같이 작은 방울 을 만들기 위해서 매우 낮은 점성의 재료만이 이 기술에 이용 가능하다. 초창기 잉크젯 기반 세포 프린팅 기술 개 발의 선두 주자였던, Clemson University의 Thomas Boland(현재 The University of Texas at El Paso 소속)팀은 기존 조직 공학에서 많이 활용되고 있는 하이드로젤 재료 를 바이오 잉크로써 활용하였다. 그 중 가장 빈번하게 이 용된 재료가 알지네이트(alginate)이다. 알지네이트는 칼 슘이온과 같은 양이온과 반응하여 겔화가 이루어지는 재 료로서 반응 속도가 빠르며 다른 생체 재료에 비하여 핸 들링이 쉽다는 장점을 가지고 있다. 알지네이트 용액은 잉크젯 헤드에 적용하기에는 점성이 높은 편이다. 따라서 칼슘이온 용액을 세포가 포함된 알지네이트 용액에 프린 팅 하여 필요로 하는 구조물을 제작하였다. 그리고 피브 린 젤(Fibrin gel)을 이용한 바이오 잉크도 소개하였다. 알 지네이트 젤과 비슷하게 가교를 유도하기 위한 세포가 포 함된 트롬빈(Thrombin) 용액을 피브리노겐(fibrinogen) 용액에 프린팅하여 구조물을 제작하였다. 알지네이트 젤 은 핸들링이 용이하다는 장점을 가지고 있어, 지금도 세 포 프린팅 기술에 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 다른 하이드로젤에 비하여 세포 친화성이 조금 떨어진다는 단 점을 가지고 있다. 이러한 관점에서 알지네이트의 화학적 변형을 통하여 이를 극복하려는 연구가 지속적으로 수행 되고 있다. 반면에 피브린 젤은 세포 친화성 측면에서는 우수한 성능을 가지고 있다. 이를 이용하여 혈관, 뼈, 근육 및 신경 조직과 같은 다양한 연구 결과들이 소개되었다.
그러나 가교 속도가 늦어 알지네이트 재료에 비하여 오랜
프린팅 공정을 필요로 하며, 단백질을 다수 포함하고 있
어 매우 주의 깊은 핸들링이 필요하다. 또한 강성이 약하
며, 생체 내에서 분해가 빨리 이루어진다. 새로운 조직이
생성되기 전에 이루어지는 빠른 분해는 조직 재생에 좋지
못한 영향을 미치게 된다. 잉크젯 기반 프린팅 기술은 대
량생산으로 제작되는 인쇄 기술을 기반으로 구현되기 때
문에 시스템 구성이 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 그
러나 바이오 잉크가 가지는 점성의 제약 때문에 이용 가
능한 재료가 한정되어 있으며, 제작 가능한 단층 패턴의 두께가 매우 얇다. 따라서 3차원 구조물을 제작하기 위하 여 여러 개의 단층을 쌓아 올리는 적층 공정에서 매우 오 랜 시간이 소요된다. 또한 중력에 의하여 점성이 낮은 바 이오 잉크에 포함된 세포가 시간이 흐름에 따라 가라앉기 때문에 장시간 프린팅을 위해서는 이를 보강하기 위한 추 가적인 시스템을 필요로 한다. 최근 들어서는 잉크젯 기 술이 가지는 재료의 제한성 때문에 토출 기반 프린팅 시 스 템 이 더 욱 각 광 을 받 고 있 다 . 독 일 에 소 재 한 EnvisionTEC 회사는 토출 기술을 이용한 3D-Bioplotter 이 라는 상품명을 가진 세포 프린팅 시스템을 상용화 하였다 (그림 3(가)). 그리고 기존 의료에서 많이 활용되고 있는 하이드로젤 시스템을 이용한 프린팅 공정을 소개하였다.
잉크의 점성에 큰 영향을 받지 않는 토출 시스템이 활용 되었기 때문에 세포가 섞인 알지네이트 용액 혹은 피브리 노겐 용액을 직접 프린팅 할 수 있음을 보여주었다. 그리 고 토출된 재료의 가교가 이루어지기 전까지 안정된 위치 를 유지시키기 위하여 가교제가 포함된 매우 높은 점성의 용액(Plotting medium)을 담긴 용기에 프린팅 하는 기술 을 선보였다(그림 3(나)). 이 기술은 가교가 늦은 재료를 포함하는 바이오 잉크의 프린팅 공정에 보다 큰 이점을 가진다. 반면에 Harvard University의 Jennifer A. Lewis 연 구팀은 온도 감응성 하이드로젤을 바이오 잉크로서 활용 하였다. Pluronic F127이라는 상품명을 가지는 하이드로 젤은 온도에 따라 물리적 상태가 달라진다. 농도에 따라 반응 온도는 달라지지만, 낮은 온도에서는 액체의 형태를
강성을 가지고 있어 3차원 구조물 제작을 위 한 적층 공정에서 매우 안정된 패턴을 유지할 수 있다는 장점을 가진다. 참고로 액체상태 가 아닌 하이드로젤 형태를 가지는 콜라젠, 피브린 젤 그리고 알지네이트 젤은 토출 방식을 이용한 프린팅이 매우 어렵다. 그래서 프린팅 이후에 가교가 일 반적으로 이루어진다. 이와 같이 아직까지 대부분의 세포 프린팅 시스템에서는 기존 인공 조직 및 장기 재생 분야 에서 널리 이용되고 있는 생체 재료를 바이오 잉크로서 많이 이용하고 있다. 각 잉크의 물리적 특성을 고려하여 프린팅 시스템 및 공정의 설계가 이루지는 것이다.
최근 들어서는 기존 생체 재료의 성능을 향상시켜 보다 우수한 바이오 잉크 개발을 위한 연구가 점차 이루어지고 있다. 포항공과대학교 조동우 교수팀은 탈세포 처리 기술 을 이용한 바이오 잉크 기술을 최근에 소개하였다. 탈세 포 과정이라는 것은 생체 조직에서 포함된 세포외 기질 (extra cellular matrix) 성분만을 화학 처리를 통하여 분리 하는 기술이다. 탈세포화 된 재료의 성분은 대부분은 콜 라젠으로 구성되어 있다. 그러나 이러한 성분 이외에도 해당 생체 조직의 구성 및 기능 구현에 필요로 하는 다양 한 단백질 또한 다수 포함하고 있다. 많은 연구자들이 이 러한 성분들이 인공 조직 및 장기 재생에 보다 특화된 도 움을 줄 수 있을 것으로 기대하고 있다. 조동우 교수팀은 탈세포 과정에 의하여 얻어지는 재료를 하이드로젤 형태 로 만들어 바이오 잉크로 활용하였다. 이때 분리기술에 사용된 생체 조직에 따라 심장, 연골 및 지방 조직재생에 특화된 바이오 잉크의 개발이 가능함을 보여 주었다. 그 리고 미국 Wake Forest 대학의 Anthony Atala 팀은 3차원 패턴에 매우 유리하며, 좋은 세포 친화성을 가진 젤라틴 기반의 바이오 잉크 기술을 소개하였다(그림 4). 기존의
그림 3
EnvisionTEC 사(www.envisontec.com)의 3D-Bioplotter (가)와
이의 공정 프로세스 (나)
3D 세포 프린팅을 위한 바이오 잉크
의료에서 널리 활용되고 있는 하이드로젤 시 스템에 젤라틴 성분을 응용하여 세포 친화성 을 잘 유지하면서, 보다 우수한 3D 패턴성을 가질 수 있도록 하였다. 그 외에도 3D 프리팅 기술 중 가장 우수한 가공성을 보유한 광조형 (stereolithography) 기술에 응용하기 위한 광 경화성 바이오 잉크도 소개되고 있다. 예를 들어 좋은 세포 친화성을 가지는 젤라틴에 탄 소 이중 결합을 가지는 Methacrylate를 화학 적으로 결합하여 필요로 하는 광 경화성 젤라 틴이 소개되었다. 그 외에도 다수의 광경화 성 바이오 잉크가 소개되었다. 반면에 미국 University of Missouri의 Gabor Forgacs 연구 팀은 매우 특이한 바이오 잉크를 개발하였 다. 세포 프린팅 기술에 가장 일반적으로 활 용되고 있는 하이드로젤 형태의 재료가 아닌
세포만으로 이루어진 바이오 잉크 기술을 소개하였다(그 림 6). 인접하는 세포들 간에 결합되는 원리를 이용하여, 세포로만 이루어진 구나 막대 형상의 바이오 잉크를 개발 하였다. 그리고 이를 토출 기반 시스템에 설치된 마이크 로 튜브에 삽입한 후 필요로 하는 세포 프린팅 공정을 수 행하였다. 이 기술은 미국의 Organovo 사에 의하여 상용 화되었다. 잉크가 세포로만 구성되어 있기 때문에, 조직 재생 측면에서는 보다 우수한 결과를 보여주고 있다. 그 러나 약한 고체의 형상을 가진 잉크를 토출 기반 시스템 을 활용하기 때문에, 프린팅 가능한 형상에 여러 가지 제 약을 받는다. 2차원 혹은 2.5차원 형상의 구조물 제작만이 가능하며, 잉크 준비에 엄청난 양의 세포가 소요되므로 운영에 막대한 시간과 비용이 소요된다는 단점을 가지고 있다.
현재의 과제
최근 들어 이루어진 기술적 진보는 세포 프린팅 기술을 이용한 인공 조직 및 장기 재생 분야에 새로운 가능성을
보여주고 있다. 그러나 아직 해결해야 할 난제가 많이 있 다. 특히 바이오 잉크 기술은 프린팅 공정 및 인공 조직/
장기 재생에 직접적인 영향을 주기 때문에 집중적인 연구 가 필요하다. 이미 언급된 바와 같이 바이오 잉크는 3차원 가공성과 세포 친화성이라는 두 가지 측면을 동시에 만족 시켜줘야 한다. 먼저 생체의 마이크로 구조를 모방한 구 조물을 제작하기에는 세포 프린팅 기술의 분해능이 아직 충분하지 못하다. 많은 연구들을 통하여 수십 μm의 고 분해능 프린팅 기술이 소개된 바 있다. 그러나 높은 분해 능은 대부분 2차원에서의 결과이며, 3차원 프린팅에서는 대체로 100μm 정도로 분해능을 보는 것이 일반적인 추세 이다. 분해능의 향상을 위해서는 프린팅 과정에서 세포에 게 주어지는 물리적 스트레스를 바이오 잉크가 최소화시 켜줘야 한다. 예를 들어 토출 기반 프린팅 시스템을 이용 한 분해능을 향상을 위해서는 보다 작은 노즐을 사용하여 야 한다. 그러나 노즐의 직경이 작아질수록 토출 저항이 급격하게 커지게 되며, 이는 세포에게 보다 큰 스트레스 를 유발하게 된다. 이를 위하여 여러 연구자들이 유동에 서 전단 감소(shear thinning) 현상을 가지는 의가소성 유
그림 4
