▲ 포항공과대학교 지능생산시스템연구실 조동우 교수

3D 프린터의 등장은 산업 전반에 변혁의 바람을 불러일으키고 있다. 다가올 3차 산업혁명의 주역이라 불리는 3D 프린팅 기술은 최근에는 환자의 신체 일부나 장기를 만들어내는 ‘바이오 프린팅’의 영역으로까지 확장되며 인류를 보다 건강하고 쾌적한 삶을 누릴 수 있는 미래로 인도하고 있다.

3D 활용한 맞춤형 의료 실현

최근 몇 년간 3D 프린팅 기술은 눈부신 속도로 발전해왔다. 단순한 시제품 제작에 그쳤던 과거와는 달리 고정밀 프린터가 등장하고 다양한 첨단소재기술과 융합되면서 ‘바이오 메디컬’ 분야에서의 활용이 가능해진 것이 그 대표적인 예이다. 그러나 지금까지 의료 분야에서 활용된 3D 프린팅 기술은 손상된 골격 등을 스캐닝해서 똑같이 뽑아내는 데 국한됐다. 이에 반해 3D 세포 프린팅 기술의 세계적인 권위자인 포항공과대학교 조동우 교수는 재생하기 위한 장기와 동일한 형상의 다공성 구조물을 프린팅하고 이 속에 세포를 배양해 손상된 장기를 똑같이 복원하는 연구를 진행하며 크게 주목받고 있다.

조동우 교수가 이끌고 있는 지능생산시스템연구실은 지난 2010년, 한국연구재단의 지원을 받아 ‘쾌속조형기반 장기/조직 프린팅 연구단’을 출범한 뒤 3차원 구조물 제작에서의 세포 직접 프린팅 기술을 개발하고, 이를 통해 조직을 인공적으로 제작하는 연구에 매진해 왔다. 조 교수는 “3D 프린팅 기술을 이용하면 인공 장기의 ‘외부 형상’과 ‘내부 구조’를 자유롭게 제어할 수 있기 때문에 우리 몸의 장기와 조직이 가진 다양하고 복잡한 형태를 효율적으로 재현할 수 있습니다. 이에 저희 연구실에서는 우리 몸에 넣어도 안전한 ‘생체 친화성 고분자’를 이용해 조직 재생용 ‘인공 지지체’를 제작하고, 이를 발전시켜 살아있는 세포까지도 프린팅 할 수 있는 연구를 수행하고 있습니다”라고 설명했다.

기계공학, 생명공학, 생체재료 등 다양한 전공을 가진 박사 후 과정 연구원들과 학생들로 구성된 것이 특징인 지능생산시스템연구실은 여러 병원의 많은 임상의들과 함께 다학제 간 연구를 진행하고 있다. 다종의 재료를 3D 프린팅 할 수 있는 프린터를 직접 개발했으며, 지난 2014년에는 3D 프린터를 이용해 함몰된 광대뼈를 복원할 수 있는 구조체를 제작, 환자에게 이식하는 프로젝트를 성공리에 수행하기도 했다.

인체에 보다 가까운 인공장기 개발에 주력

조동우 교수는 “3D 프린팅 기술이 바이오 메디컬 분야에 성공적으로 안착하기 위해서는 외부환경으로부터 세포를 보호하고, 세포 주변의 미세 환경을 원래 조직과 유사하게 구현할 수 있는 다양하고 안전한 소재의 개발이 반드시 필요합니다”라며, “이번 사례는 3D 프린팅 된 생분해성 구조체의 임상 적용이라는 점에서 진정한 의미의 환자 맞춤형 3D 프린팅 기술 개발의 전기를 열었다고 볼 수 있습니다”라고 밝혔다. 또한 그는 “미래에는 뼈 재생 구조물 뿐 아니라 연골, 간, 심장, 눈 등 다양한 조직/장기에 대한 3D 프린팅이 시도될 것이고, 이러한 성과가 장기이식이 필요한 많은 환자들에게 도움을 줄 수 있게 되리라 기대하고 있습니다”라고 덧붙였다.

현재 연구실은 장기의 종류와 특성에 따른 맞춤형 ‘3D 세포 프린팅’ 연구를 진행하고 있으며, 그에 따른 ‘최적의 바이오잉크’ 발굴에 주력하고 있다. 심장, 지방, 연골 조직에서 추출한 바이오잉크를 사용하여 각 조직으로의 분화 및 성장이 촉진되었음을 검증한 연구결과를 ‘Nature Communications’지에 게재한 바 있으며, 인체의 물질 대사와 면역 체계를 모방할 수 있는 ‘생체모방 장기칩(Organ-on-a-Chip)’을 개발하기 위한 연구도 진행하고 있다. 또한 생분해성 합성고분자 재료의 프린팅 기술을 활용한 국소 부위 약물전달용 구조체 제작과 혈관 또는 식도용 스텐트를 제작하기 위한 연구도 진행 중이다.

생체 친화성 또는 생분해성 고분자소재 등의 첨단소재기술과 융합되면서 3D 프린팅 기술은 무궁무진한 가능성을 갖게 됐다. 지능생산시스템연구실과 조동우 교수의 연구가 많은 환자들에게 희망과 행복을 선사하는 미래기술의 초석이 되기를 기대한다.

3D cell printing technology opens a new chapter of bio medicine

Prof. Dong-Woo Cho of Department of Mechanical Engineering of Pohang University of Science and Technology

Realizing customized medical services with 3D printing technology

3D printing technology has rapidly developed in recent years. High precision printers are being introduced at the moment and its cutting edge technologies enabled us to apply its advantages to bio medicine. For example, if the existing 3D printing technology could scan the damaged skeleton to make an artificial one, Prof Jo Dong-woo of Intelligence Production System Research Institute of Pohang University of Science and Technology is working on directly planting the cell in the 3D printed product to restore the damaged part as it was. Jo and his team launched 'Rapid Moulding-based Organs/Tissues Printing Researcher Team' in 2010, developed 'direct printing technology in 3 dimensional structure production, and tried to make artificial organs. Jo says "3D printing technology can enable us to control the external shape and inner structure of the organs in our body. To make it realized, we are working on developing 'organ restoration artificial supporter' by using body-friendly high molecule with which we will create even living cells through 3D printing technology." The researchers of the institute are majored in various subjects such as machine engineering, life science and body materials and they are carrying out researches in cooperation with clinicians of various hospitals. They developed 3D printers customized for medical use and a structure that can restore dented chick bones in 2014 with which they successfully implanted it to a patient.

Pushing forward the development of real organ-like artificial organs

Jo says "The development of a variety of safe and body-friendly materials is a must to realize 3D printing technology in the bio medical industry. Our researches and developments have already created a possibility to realize this, and we will make a great success if we keep pushing forward the development of real organ-like artificial organs. We might be able to make skeleton supporter, cartilage, liver, heart and eyes... you name it in the near future." For this, the researchers of the institute are working night and day on 3D cell printing and the optimized bio ink for the printer. The research team published a report on Nature Communications that the use of the bio ink extracted from heart, fat and cartilaginous tissue have been divided into each organ and it promoted its growth. The team is also working on developing 'Organ-on-a-Chip' that can imitate metabolism and immune systems, and the 'structure' that can deliver drug to a specific part of our body, and 'esophageal stents'. Power Korea wishes Jo and his team a great success in 2016.