- 광경화 과정 없이 조직 재생을 유도하는 3D 바이오 프린팅 잉크 개발

- 인공장기 등 환자 맞춤형 재생 치료기술로 응용 기대

KIST 연구진 제1저자 KIST 김준 위촉연구원, 교신저자 KIST 송수창 책임연구원)

3D 바이오 프린팅 기술은 3차원의 인공 조직 구조를 형성하고 조직 재생효과를 증가 시킬 수 있어 지속적으로 활발하게 개발중인 기술이다. 바이오 프린팅 기술에 사용되는 생체재료는 '바이오 잉크’ 라고 부르며, 주로 생체적합성을 가진 하이드로겔을 이용하나 현재까지 사용 할 수 있는 바이오 잉크가 제한적이다. 바이오 잉크는 3차원의 지지체를 출력할 수 있는 물리적인 강도를 가지면서 세포 성장과 조직 재생을 유도할 수 있는 물질을 포함 하여야 한다. 기존의 바이오 잉크의 대부분은 자연 유래 하이드로겔 물질을 사용하게 되나, 일반적으로 낮은 물리적인 특성으로 안정적인 3차원 지지체를 제작하기 어렵다. 따라서 주로 화학적 광가교제를 첨가한 바이오 잉크 출력 후 자외선을 조사하여 출력된 지지체의 강도를 증가시키는 방식으로 지지체의 안정성을 증가시키는데, 세포독성을 발생시키는 한계점을 가진다.

한국과학기술연구원(KIST) 생체재료연구단 송수창 박사 연구팀은 광경화 과정 없이 온도조절만으로 물리적인 구조를 안정적으로 유지하고, 조직 재생을 유도한 후 일정 시간이 지나면 체내에서 생분해되는 폴리포스파젠 하이드로겔 기반의 온도감응성 바이오 잉크를 최초로 개발했다고 밝혔다.

[그림 1] 온도에 따른 성장인자를 포함한 바이오 잉크의 물리적인 강도 변화 및 3차원 지지체 프린팅.

기존의 하이드로겔 기반 바이오 잉크는 출력 후 3차원 지지체의 물리적 강도를 강화하기 위해 사용되는 광경화 과정을 반드시 거쳐야 하고, 조직 재생 효과를 증대시키기 위해 외부 배양 세포를 이식함으로써 인체 내 부작용의 위험성이 컸다. 이에 연구팀은 저온에서는 액상 형태로 존재하고 체온에서는 단단한 젤로 변화하는 특성을 지닌 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 이용해 새로운 바이오 잉크 소재를 개발했다. 이를 통해 화학적 가교제나 자외선 조사 과정 없이 온도조절만으로 조직 재생이 가능하며 물리적으로 안정적 구조를 가진 3차원 지지체를 제작해 인체의 면역 부작용 발생 가능성을 최소화할 수 있게 되었다.

개발된 바이오 잉크는 또한 조직 재생에 도움을 주는 단백질인 성장인자와 상호작용 할 수 있는 분자구조로 되어 있어 세포의 성장 및 분화, 면역 반응 등을 조절하는 성장인자를 장기간 보존할 수 있다. 연구팀은 바이오 잉크를 통해 출력된 3차원 지지체 내에 세포의 분화를 자율적으로 조절할 수 있는 환경을 유도함으로써 조직 재생 효과를 극대화할 수 있었다.

[그림 2] 바이오 잉크로 3D 프린트한 지지체를 뼈 손상 부위에 이식 후 생분해와 뼈 재생효과 확인.

[그림 3] KIST 연구진이 개발한 온도감응형 하이드로겔 기반의 새로운 바이오잉크(가운데)와 이를 이용하여 3D바이오 프린팅 기술로 제작된 3차원 지지체(좌, 우)

연구팀은 세포 유입과 뼈 재생에 필요한 전환성장인자 베타 1((Transforming growth factor beta 1, TGF-β1)과 골 형성 단백질(Bone morphogenetic protein-2, BMP-2)을 포함한 바이오 잉크를 3D 바이오 프린터로 출력해 3차원 지지체를 제작한 뒤 쥐의 뼈 손상 부위에 이식하는 실험을 수행했다. 그 결과 주변 조직으로부터 세포가 지지체 안으로 유입되어 뼈가 정상 조직 수준으로 재생되었으며, 이식된 3차원 지지체는 체내에서 42일에 걸쳐 서서히 생분해되는 것을 확인할 수 있었다.

KIST 송수창 박사는 “연구팀은 지난 2022년 6월 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 ㈜넥스젤바이오텍에 기술이전해 골이식재, 성형필러 등의 제품개발을 진행하고 있다."며, "이번에 개발된 바이오 잉크는 그 자체의 물리적 특성을 달리해 뼈 조직 외에 다른 조직의 재생에도 적용하는 후속 연구를 진행 중이며, 최종적으로는 부위별 조직 및 장기 맞춤형 바이오 잉크를 제품화할 수 있을 것으로 기대한다."라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 분야 국제학술지인 'Small'(IF : 15.153, JCR 분야 상위 7.101%) 최신 호에 표지논문(Inside back cover)으로 게재되었다. 논문명은 Thermo-Responsive Nanocomposite Bioink with Growth-Factor Holding and its Application to Bone Regeneration이며 제1저자는 한국과학기술연구원 김준 위촉연구원, 교신저자는 한국과학기술연구원 송수창 책임연구원이다.

KIST 김준 위촉연구원(제1저자)가 3D 바이오 프린터로 출력한 조직재생용 3차원 지지체를 살펴보고 있다.

□연구개요

1. 연구배경

3D 바이오 프린팅 기술은 3차원의 인공 조직 구조를 형성하고 조직 재생효과를 증가 시킬 수 있어 지속적으로 활발하게 개발중인 기술이다. 바이오 프린팅 기술에 사용되는 생체재료는 '바이오 잉크’ 라고 부르며, 주로 생체적합성을 가진 하이드로겔을 이용하나 현재까지 사용 할 수 있는 바이오 잉크가 제한적이다. 바이오 잉크는 3차원의 지지체를 출력할 수 있는 물리적인 강도를 가지면서 세포 성장과 조직 재생을 유도할 수 있는 물질을 포함 하여야 한다. 기존의 바이오 잉크의 대부분은 자연 유래 하이드로겔 물질을 사용하게 되나, 일반적으로 낮은 물리적인 특성으로 안정적인 3차원 지지체를 제작하기 어렵다. 따라서 주로 화학적 광가교제를 첨가한 바이오 잉크 출력 후 자외선을 조사하여 출력된 지지체의 강도를 증가시키는 방식으로 지지체의 안정성을 증가시키는데, 세포독성을 발생시키는 한계점을 가진다. 따라서, 추가적인 화학적인 가교 과정 없이 높은 해상도로 출력이 가능하면서 조직 재생 유도 효과를 줄 수 있는 새로운 바이오 잉크 개발이 필요하다.

기존의 바이오 잉크는 조직 재생 효과를 증가시키기 위해 세포를 도입시켜 제작하는데, 외부에서 다수의 세포를 증식시켜야 하여 시간과 비용적으로 부담이 크다. 게다가 외부 세포를 치료에 이용하는 경우 부작용의 위험이 있다. 따라서 세포를 포함하지 않은 바이오 잉크로 3차원 지지체를 제작 후 이식하고, 바이오 잉크 내로 환자의 자가 세포가 유입되어 조직 재생을 유도 시킬 수 있는 바이오 잉크가 경제적이고 안전할 수 있다.

현재 뼈 결손의 치료방법은, 주로 수술을 통해 뼈를 고정 하거나 자연 골조직을 이식하는 방식으로 비용과 부작용의 위험도가 높다. 따라서, 3D 프린팅기술을 이용하여 환자에 맞는 지지체를 설계하여 이식할 수 있고, 지지체가 체내에서 생분해되면서 자연 뼈 조직이 재생되는 기술 개발이 필요하다

2. 연구내용

본 연구에서는 온도감응성 폴리포스파젠계 하이드로겔 바이오 잉크를 개발하였다. 폴리포스파젠 고분자에 소수성 아미노산인 아이소류신, 친수성 폴리에틸렌글라이콜을 결합시켜 양친성 성질을 띤 물질을 만들면, 온도가 증가함에 따라서 소수성결합이 증가해 3차원 네트워크가 형성된다. 따라서 화학적인 가교형성 없이 온도증가만으로 물리적인 특성을 조절하는 특성을 가져 추가적인 가교제를 첨가할 필요가 없어진다. 이러한 온도변화 (5~37도)에서도 물리적 특성을 크게 조절할 수 있는 특성을 이용하여, 추가적인 화학적 가교 과정 없이 3차원 지지체를 높은 해상도로 출력할 수 있다. 또한 뼈 조직 재생과 세포 유입에 큰 영향을 주는 성장인자를 이온성, 소수성 상호작용으로 바이오 잉크에 담지하여 조직 재생을 유도하는 기능을 부여할 수 있다. 따라서, 외부 세포 도입없이 바이오 잉크와 성장인자만으로 주변 세포를 유입시키고, 뼈 조직을 재생할 수 있는 바이오 잉크로 설계하였다. 개발된 바이오 잉크를 이용해 3D 프린트한 지지체를 쥐의 두개골에 8 mm의 손상 부위를 내고 이식하였을 때, 주변 조직에서 다수의 세포가 유입되어 뼈 조직 재생을 유도하였다. 또한, 이식된 지지체는 서서히 환부에서 분해되고 8주 후 뼈 조직이 정상 조직 수준 까지 재생됨을 확인하였다.

□용어해설

1. 하이드로겔 (Hydrogel)

3차원으로 가교(crosslink)된 고분자 구조에 다량의 수분이 함유되어있는 재료이다. 마이크로 사이즈의 다공성 구조를 가지며 그 사이 수분으로 채워져 있는 구조이다. 구조적으로 세포외 기질 (ECM)과 유사한 부분이 많아 조직 재생 연구에 많이 쓰이고 있는 재료이다. 본 연구에서는 온도감응성 하이드로겔인 폴리포스파젠 하이드로겔을 이용하였고, 저온에서는 액체 상태로 존재하고 온도가 올라가면 젤화 되어 하이드로겔이 되는 특성을 가진다. 폴리포스파젠 고분자에 소수성 아미노산인 아이소류신, 친수성 폴리에틸렌글라이콜을 결합시켜 양친성 성질을 띤 물질을 만들면, 온도가 증가함에 따라서 소수성결합이 증가해 3차원 네트워크가 형성되는 방식이다.

2. 3D 바이오 프린팅

3D 바이오 프린팅은 인체 조직 및 장기를 제작하는 기술로, 3차원 프린터 기기, 프로그래밍 기술, 바이오 잉크 기술로 이루어져 있다. 바이오 잉크는 인공장기를 만들기 위해 사용되며, 세포와 같은 생체 물질과 인공 물질이 혼합된 조합으로 만들진다. 이 바이오 잉크를 3D 프린터로 조직과 장기 모양으로 출력하면, 체내에 이식할 수 있는 인공장기를 만들 수 있다.

3D 바이오 프린팅 기술은 높은 해상도와 적절한 물리적인 강도로 3차원 모양을 만들어내는 것 뿐 아니라, 이를 이용하여 세포가 성장하고 분화해 원하는 조직을 생성하도록 유도하는 것도 중요하다. 이러한 성장 및 분화는 바이오 잉크 내에 포함된 세포 및 바이오물질의 특성과 출력된 3D 구조의 형태 및 기능 등에 의해 결정된다.

3D 바이오 프린팅 기술은 의학 분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 인공 장기를 이용하여 수술을 보다 안전하고 효과적으로 수행할 수 있으며 장기나 조직이 손상된 환자들에게도 효과적인 치료 방법이 될 수 있다. 이러한 가능성은 바이오 잉크 기술의 발전과 함께 더욱 발전할 것으로 기대된다.

3. 바이오 잉크

3D 바이오 프린팅에 사용되는 생체재료로 3D 지지체 출력이 가능한 물성을 가지고 생체적합성을 가져야 한다. 본 연구에서는 온도감응성 하이드로겔인 폴리포스파젠 하이드로겔 기반의 바이오 잉크를 설계하였으며, 높은 3D 출력능과 생체적합성을 보였다. 또한 다양한 성장인자 담지가 가능하여 세포 유입과 조직 재생 효과를 극대화시킬 수 있다.

KIST 홍보실 제공