YTN 보도 바로가기 - 3D 프린터로 찍어낸 살아있는 뼈세포

생명공학대학 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수(교신저자) 연구팀이 전기유변학적특성을 (electrorheological properties) 이용한 세포프린팅 (cell-prining) 기술을 세계최초로 개발했다. 이는 기존 압출-세포프린팅 방식의 낮은 세포 생존율 및 바이오잉크의 불안정한 가공조건을 극복한 것으로, 미세노즐 내부의 높은 전단응력 (shear stress)을 최소화 하였고, 노즐출구에서 바이오잉크의 흔들림/응집현상을 정전기적힘 (electrostatic force)으로 안정화 시킨 독창적인 방법으로 학계 및 세포프린팅업체들의 관심을 받고 있다.

또한 기존의 3D 세포프린팅 기술은 바이오잉크가 노즐을 통해 압출될 때 노즐 벽면에서의 높은 전단응력의발생으로인하여, 낮은 가공속도로 프린팅을 진행해야하는 어려움이 있었으나, 본 기술의 개발로 인하여 보다 빠른 가공속도를 유지하여 대용량의 세포프린팅을 빠르게 제작할 수 있는 기술로 평가받고 있다. 

김근형 교수 연구팀은 기존 세포프린팅의 문제를 해결하기 위해 그림 1과 같이 압출 방식의 세포-프린팅 방법에 전기장이 결합된 새로운 세포프린팅 기술을 개발했다. 또한, 이 기술을 이용하여 뼈세포와 인간유래 지방줄기세포(hASCs)가 포함된 다공성의 세포블럭을 제작 했다. 또한 사용된 전기장에 의해서 세포 손상을 최소화하기 위해 노즐과 바닥면 사이에 얇은 세라믹 인슐레이터를 코팅함으로서 바이오잉크에 가해지는 전류를 획기적으로 감소시키는 방법을 고안했다.

그림 2에서와 같이 유리판을 사용하지 않았을 때 전류가 0.05~0.6A였지만 세라믹코팅을 이용하면 10~35nA까지 내려가는 것으로 나타났다. 이를 통해 전기장을 사용한 세포-프린팅 기술이 바이오잉크의 종류에 상관없이 안전하게 사용 가능하다는 것이 확인되었다. 이러한 방법은 물리적 반응 및 주위 환경조건에 민감한 줄기세포를 안정적이고 원활하게 압출될 수 있도록 컨트롤 가능하며, 노즐 벽면에서의 전단응력을 최소화 하여 세포의 생존율을 90% 이상 유지 시켜줄 수 있게 하였다.

또한, 개발된 세포프린팅 기술을 이용하면 기존의 세포프린팅 방식에 비해 단시간에 마이크로크기의 strut으로 이루어진 미세 다공성의 3D 세포구조체를 제작 할 수 있으며 (그림 3), 이 기술은 기존의 조직공학에서 사용되는 세포프린팅 기술을 한 단계 업그레이드 시킨 기술로서, 향후 다양한 조직 재생 (피부, 연골, 근육, 뼈 및 간등)에 적용이 가능할 것으로 생각된다. 이러한 결과는 생체소재/가공 분야의 전문학술지인 “Acta Biomaterialia”에 게재 되었다. 

조직재생/바이오가공연구실 

성균관대학교 생명공학대학 바이오메카트로닉스학과 조직재생/바이오가공연구실은 김근형 교수의 지도하에 박사 후 연구원 1명, 박사과정 3명, 석박통합 5명, 학부연구생 4명이 열심히 연구하고 있다. 주로 인체주요 조직인 연골, 피부, 근육 및 간 등 다양한 장기재생용 구조체를 제작할 수 있는 공정 시스템개발 및 이를 이용한 3D 세포구조체 제작에 관한 연구를 수행하고 있다. 특히, 3D 프린팅을 기반으로 하여 전기유체공정, 플라즈마프로세스, 마이크로/나노 임프린팅 등 다양한 공정을 결합하여 신개념의 세포조직재생 공정을 개발하고 있으며, 이를 이용하여 세포구조체 형상 제작 및 다양한 표면 개질을 통해 세포의 성장 및 분화를 촉진 시킬 수 있는 연구를 수행 중이다. 본 연구실에서는 기계공학/전기-전자공학/재료공학/의-약학이 결합된 융합 연구영역을 추구하며, 실제 다양한 학문을 전공한 학생들이 모여서 창의적 융합연구를 수행 중이다. 또한, 코넬대학교, 미국국립표준기술연구소(NIST) 국제협력 연구와 국내 한강성심병원 화상연구센터, 서울대학교병원, 서울대-보라매병원, 한국기계연구원부설-재료연구소 등과 공동연구를 진행중이다.