인체 조직 공학 분야에서 큰 진전을 이룬 Bio3DPrinting

Bio3DPrinting은 2010년경 연구를 통해 처음 등장한 Electrospider 기술의 상용화를 가속화하기 위해 2021년에 설립된 산업계와 학계의 공동 산물입니다. Electrospider는 살아 있는 3차원 조직 구조를 만드는 3D 바이오프린팅 기계입니다. 이는 기존의 3D 프린팅과 비슷하게 디지털 모델을 바탕으로 조직 구조를 층층이 쌓아 올립니다.

"우리는 3D 프린팅에 흔히 사용되는 재료 대신 세포나 생체 고분자 같은 생물학적 재료를 사용합니다. 때로는 이를 바이오잉크 또는 생체재료 잉크라고도 합니다."라고 Bio3DPrinting의 대표이자 이탈리아 피사대학교의 연구원인 Aurora De Acutis는 설명합니다. "현재 이러한 구조는 신약 개발, 신약 테스트, 맞춤형 의학적 치료에 사용되고 있습니다."

Bio3DPrinting의 Electrospider 3D 바이오프린터 기술은 단일 시스템을 사용하여 복잡한 인체 조직 모델을 제작합니다. 이 혁신은 여러 바이오프린팅 기술을 하나의 통합 워크플로로 결합하여 특히 재생 의학, 약물 테스트 및 조직 공학 분야에서 바이오 제조 기술의 큰 도약을 이루었습니다.

3D 프린팅 생물학적 시스템의 당면 과제

체외(시험관)에서 인체 조직을 재생산하려면 신체 내부의 세포외 기질 환경을 모방하는 스캐폴드부터 시작해야 합니다. 이 스캐폴드는 세포로 채울 수 있는 3차원 구조를 포함하여 세포를 위한 물리적 및 화학적 지지대를 제공합니다. 덕분에 세포의 접착, 증식 및 성숙이 가능합니다.

인체 조직은 나노 단위부터 마이크로 단위까지 아우르는 계층적 구조로 조직된 복잡한 다중재료 시스템입니다. 이 정밀 조직은 각 조직의 기계적 및 생물학적 기능에 필수적입니다. "스캐폴드가 최대한 기능하도록 하기 위해서는 스캐폴드를 개발할 때 이 모든 측면을 재현하는 것이 매우 중요합니다."라고 De Acutis는 설명합니다. "그래야 필요한 모든 생체재료와 함께 프린팅된 세포가 접착과 증식에 유리한 쾌적한 환경을 찾을 수 있습니다."

스캐폴드는 단지 세포를 제자리에 고정하는 물리적 프레임 역할만 하는 것이 아닙니다. 세포가 성장하고, 움직이고, 증식하고, 성숙하는 방식에 적극적으로 영향을 미치는 신중하게 설계된 환경입니다. 다리나 기계를 설계할 때 무게, 날씨, 마모와 같은 실제 물리력을 처리하도록 설계해야 하는 것처럼, 바이오프린팅된 스캐폴드도 시간이 지남에 따라 세포의 생존, 조직화 및 발달을 지원하는 적절한 기계적, 화학적, 생물학적 상태를 제공하도록 설계되어야 합니다.

Electrospider 3D 바이오프린터 개발의 주요 동기 중 하나는 신뢰할 수 있고 반복 가능한 바이오프린팅의 필요성이었습니다. De Acutis는 Electrospider 이전의 파편화된 프로세스를 다음과 같이 회상합니다. "특정 해상도로 생체재료를 처리할 수 있는 바이오프린터로 스캐폴드를 제조하기 시작한 다음, 다른 생체재료에 파트를 추가하거나 같은 재료를 다른 종류의 해상도로 사용하기 위해서는 또 다른 기술로 바꿔야 했습니다." 

이 파편화된 워크플로는 여러 기술을 번갈아 사용해야 했고 빈번한 인간 개입이 필요했기 때문에 특히 인체에 사용하기 위한 출력물의 경우 최종 결과물의 품질이 떨어지는 경우가 많았습니다.

이 접근 방식의 한계로 인해, 진정한 멀티스케일 및 다중재료 바이오 제조를 이루어 내는 것을 목표로 삼고 다양한 해상도로 여러 생체재료를 동시에 처리할 수 있는 단일 바이오프린터를 만들자는 대담한 아이디어가 생겨났습니다. 프로세스를 간소화하면 오류를 최소화하고 일관성과 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다.

"우리에게는 SOLIDWORKS 확장 포트폴리오가 모든 측면에서 중요한 역할을 했습니다."라고 De Acutis는 강조합니다. Bio3DPrinting은 바이오프린팅 프로세스를 실시간으로 모니터링하고 제어하기 위해 인공지능을 통합하는 작업도 진행 중입니다. 목표는 최종적으로 바이오프린팅된 구조가 임상 응용에 필요한 엄격한 기준을 충족하도록 각 단계를 정교하게 관리하는 것입니다.

"프린팅만으로 생명을 구할 수 있다고 생각하니 놀라웠습니다."라고 De Acutis는 말을 맺습니다. Bio3dPrinting이 이 분야에서 계속 나아갈 수 있도록 하는 것이 바로 그 꿈입니다. 이 회사는 앞으로 많은 병원과 클리닉에 바이오프린터가 설치되기를 기대합니다. 궁극적인 희망은 언젠가 완전한 장기를 프린팅하여 인간의 생명을 구하는 것입니다.