바이오프린팅은 의료 목적의 인공 조직/장기를 세포가 포함된 바이오잉크와 3차원 프린터를 이용하여 제작하는 기술로, 현재 이식용 인공장기 제작 뿐 아니라 암 조직을 모사한 인공 암 모델 등 암 기전 연구 등 다양한 재생·진단·응급 의료 분야 연구에 활발히 활용되고 있다. 특히 세포를 포함하는 바이오잉크의 물성과 생물학적 특성을 향상시켜 원하는 3차원 구조를 제작하거나 세포의 활성 및 분화를 유도하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

어피 유래 탈세포화 세포외기질 기반 바이오잉크와 양방향 광가교 바이오프린팅 시스템을 응용한 근육 재생용 세포구조체 제작

바이오잉크는 세포 운반체임과 동시에 세포가 자라는 기반이기 때문에 주로 하이드로젤로 제작되며, 특히 세포활성물질이 많이 포함된 콜라겐 및 탈세포화 세포외기질과 같은 생체 유래 하이드로젤을 사용해야 세포 활성 및 분화에 유리하다. 현재까지 사용되는 생체 유래 하이드로젤의 경우, 대부분 돼지와 같은 포유류에서 유래한 콜라겐 및 탈세포화 세포외기질 등에 의존하고 있다. 하지만 이러한 포유류 유래 생체 재료의 경우, 높은 염증 반응 및 낮은 혈관 신생 능력을 가진다는 한계가 존재한다.

이러한 한계를 극복하기 위해 성균관대학교(총장 유지범) 의학과 김근형 교수 연구팀(1저자: 조서율)은 해수어 유래 세포외기질과 담수어 유래 세포외기질을 활용한 어피 유래 복합 소재 바이오잉크를 제작하였다. 어피는 가공과정 중 발생하는 수산 부산물의 대부분을 차지하고 있는데, 김근형 교수 연구팀은 이러한 버려지는 어피를 생체 재료로 활용하여 효과적인 조직재생을 위한 바이오잉크를 제작하였다. 특히, 해수어의 경우 풍부한 오메가-3 지방산을 포함하고 있는데, 오메가-3 지방산은 혈관화 및 항 염증 반응 촉진에 중요한 역할을 할 뿐만 아니라, 줄기세포가 근육으로 분화하는 과정에서 근 분화 인자의 발현을 향상시키는 기능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 다만 해수어 유래 세포외기질의 경우 낮은 변성온도를 가지고 있어 가공성이 낮기 때문에, 본 연구팀은 비교적 높은 변성온도를 가지는 담수어 유래 세포외기질을 활용하여 광가교가 가능한 바이오잉크를 제작하였다. 또한, 바이오잉크를 토출하는 동시에 양방향에서 광가교를 진행하여, 노즐 내의 전단응력에 의해 균일하게 세포의 배열을 유도하여 근육 조직의 배열 구조를 성공적으로 모사하였다.

어피 유래 복합 소재 기반 바이오잉크를 양방향 광가교 바이오프린팅 시스템에 적용하여 제작한 세포 구조체를 동물 근육 손상 모델에 적용한 결과, 기존의 포유류 유래 바이오잉크에 비해 근육 조직 재생 및 근 기능 회복 효능이 향상되었으며, 혈관 뿐만 아니라 신경근 접합부의 형성 또한 향상된 것을 확인하였다. 이에 반해 염증 반응은 감소한 것을 확인하였다.

김근형 교수는 “이러한 어피 유래 복합 소재 기반 바이오잉크는 기존의 포유류 유래 생체 소재가 지니고 있는 문제점들을 보완할 수 있으며, 풍부한 오메가-3 지방산을 포함하고 있기 때문에 뛰어난 혈관 신생 능력과 낮은 염증 반응을 유도할 수 있는 기능성 바이오잉크로 활용될 수 있다. 또한, 동물 근육 손상 모델을 통해 뛰어난 근육 재생 효과를 보였으며, 나아가 피부 혹은 뼈 등의 다양한 조직의 재생에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 특히, 제작된 바이오잉크는 양방향 광가교 바이오프린팅 시스템과 같은 바이오프린터를 활용한 다양한 시스템에 적용이 가능하며, 여러 복합 조직의 재생에도 활용할 수 있을 것으로 보인다. 뿐만 아니라 폐기물로 여겨지던 어피를 생체 재료로 재활용함으로써 경제적·환경적 이득을 이끌어 낼 수 있을 것이라 생각된다.”라고 밝혔다.

그림 1. 어피 유래 복합 소재 기반 바이오잉크

형상가공성이 향상된 다공성 콜라겐 바이오잉크 개발 및 뼈 미세 환경의 계층구조 모사한 뼈 조직 재생용 바이오프린팅 플랫폼 개발

생체 유래 하이드로젤은 물성이 부족해 바이오프린팅에 적용하는데 한계가 있으며, 세포가 포함된 인공 조직 내에서 원활한 산소 및 영양분 공급을 위해서는 매 2~300 마이크로미터마다 영양분 및 산소를 포함한 배양액이 순환할 수 있는 통로 역할을 하는 공극 구조가 필수적이다. 이를 위해 하이드로젤 기반 바이오잉크를 바이오프린팅 기술을 사용하여 그물 형태로 쌓아올리거나, 바이오잉크에 공기를 주입하여 자체적으로 공극 구조를 갖도록 하는 방법이 연구되어 왔다.

그러나, 대부분의 기존 제작 방법은 세포 활성이 제한적이거나 주입된 공기에 의한 물성 감소 등 한계점이 명확하였으며, 특히 뼈의 계층구조 및 혈관화와 같은 생체조직의 미세구조를 제대로 모사하는 데 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 성균관대학교(총장 유지범) 의학과 김근형 교수 연구팀(1저자: 구영원)은 마이크로 공극 구조를 가지면서 3차원 형상 가공성이 크게 향상된 콜라겐 기반 바이오잉크를 개발하였다.

김근형 교수는 “본 연구의 의의는 기존의 바이오프린팅 기술에서 바이오잉크의 한계를 극복하고 바이오잉크의 가장 중요한 두 가지 특성, 즉 가공성과 생물학적 특성 사이의 밸런스가 잘 잡힌 신개념 바이오잉크를 개발한 것이며, 이 바이오잉크를 통해 기존에는 어려웠던 혈관화된 생체 장기의 세부 묘사 및 3차원 구조 모사가 가능할 것으로 생각된다. 향후에는 우수한 물성 및 생물학적 특성으로 더 다양한 조직 관련 재생 연구 및 암 발생 환경을 모사한 바이오칩을 포함한 다양한 질병 연구에도 직접적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

그림 2. 다공성 콜라겐 바이오잉크

위 연구 결과들은 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 바이오산업핵심기술개발사업과 질병관리청 사업을 통해 지원받아 수행되었으며, 각각 국제 학술지인 Applied Physics Reviews (주저자: 조서율, IF=15.0)*에 게재를 앞두고 있고, Advanced Functional Materials (주저자: 구영원, IF=19.0)**에 2월 28일 온라인상으로 발표되었다.

*논문명: Bioengineered Cell-constructs Using Decellularized Fish Skin-Based Composite Bioink for Regenerating Muscle Tissue

**논문명: An Approach for Fabricating Hierarchically Porous Cell‐Laden Constructs Utilizing a Highly Porous Collagen‐Bioink