▲ 온도에 따른 성장인자를 포함한 바이오 잉크의 물리적인 강도 변화 및 3차원 지지체 프린팅

국내 연구진이 온조 조절만으로 인공조직을 구현할 수 있는 생체 친화적 3D 바이오 프린팅 잉크를 개발해 환자 맞춤형 생체재료로 적용이 확대될 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 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 지난 3일 밝혔다. 

최근 세포와 생체재료를 사용해 3차원의 인공조직 구조를 구현하는 3D 바이오 프린팅 기술이 크게 주목받고 있다. 기존 소재로 가장 많이 사용되는 하이드로겔 기반 바이오 잉크는 출력 후 3차원 지지체의 물리적 강도를 강화하기 위해 사용되는 광경화 과정을 반드시 거쳐야 하기 때문에 광경화 과정에서 사용되는 화학적 가교제와 자외선이 체내에서 세포 독성을 일으킬 수 있다는 문제가 있었다.

이에 연구팀은 저온에서는 액상 형태로 존재하고 체온에서는 단단한 젤로 변화하는 특성을 지닌 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 이용해 새로운 바이오 잉크 소재를 개발했다. 화학적 가교제나 자외선 조사 과정 없이 온도조절만으로 조직 재생이 가능하고 물리적으로 안정적 구조를 가진 3차원 지지체를 제작해 인체의 면역 부작용 발생 가능성을 최소화할 수 있다.

또한 개발된 바이오 잉크는 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.

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.

연구팀은 지난 2022년 6월 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 ㈜넥스젤바이오텍에 기술이전해 골이식재, 성형필러 등의 제품개발을 진행하고 있다.

송수창 KIST 박사는 “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.

한편 이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지인 'Small'(IF : 15.153, JCR 분야 상위 7.101%) 최신 호에 표지논문(Inside back cover)으로 게재됐다.