3D 프린팅 피부: 화장품 동물 실험에 대한 유망한 대안

대부분의 사람들은 화장품과 같은 일상 제품에 들어가는 방대한 연구와 테스트량을 생각하지 못합니다. 새로운 색조와 색상을 연구·개발하는 단계부터 안전성 테스트에 이르기까지, 화장품 산업은 제품의 안전성을 보장하기 위해 다양한 방법에 의존하는 최첨단 분야입니다. 여기서는 한 엔지니어 팀이 3D 프린팅 살아있는 피부를 도입하여 시장에서 동물 실험을 줄이려는 방식을 소개합니다.

화장품 산업에서 동물 실험이 여전히 사용되는 이유

과거에는 동물 실험이 화장품이나 의료 연구자들이 살아있는 생물에 제품을 테스트하는 주요 방법이었습니다. 초기에는 제품을 동물에 바르고 행동을 관찰하는 정도로 간단했습니다.

지난 세기 동안 동물 실험은 능력이 크게 향상되었습니다. 연구자들은 인간 장기 및 기타 필수 신체 부위를 다른 살아있는 생물에 성장시켜 테스트 정확성을 높일 수 있게 되었습니다.

또한, 고급 컴퓨터 모델링을 통해 시뮬레이션 테스트가 가능해졌습니다. 이 방법은 대부분의 경우 동물 실험보다 비용이 저렴하고, 속도가 빠르며, 정확합니다. 그러나 이러한 발전에도 불구하고 여전히 많은 화장품 및 의료 기업이 제품에 대해 동물 실험에 의존하고 있습니다.

동물 실험의 윤리적·과학적 문제

동물 실험에는 명백한 윤리적 문제가 있습니다. 첫째, 테스트 대상 동물에 대한 오랜 학대와 잔혹 행위의 역사가 있습니다. 이러한 우려는 2010년에 정점에 달했습니다.
그때 유럽 연합은 향후 몇 년 안에 동물 실험을 단계적으로 폐지하려는 목표로 다수의 동물 실험 제한 규정을 도입했습니다. 다행히도 혁신적인 엔지니어 팀이 실현 가능한 해결책을 제시했을 가능성이 있습니다.

3D 프린팅 피부가 실험실에서 동물 실험을 대체할 수 있는 방법

이 연구 “Protocol for the fabrication of self-standing (nano)cellulose-based 3D scaffolds for tissue engineering“¹는 맞춤형 잉크와 독점 프린팅 기술을 결합하여 살아있는 모방 피부를 만드는 새로운 3D 프린팅 방법을 탐구합니다.
이 인공적으로 성장된 피부는 엔지니어가 향후 화장품 및 약물의 나노입자 흡수와 독성을 측정하는 등 체외(in vitro) 테스트를 수행할 수 있게 하며, 동물 실험을 전혀 사용하지 않아도 됩니다.

테스트를 위한 인간 피부 세포 배양에 3D 스캐폴드 사용

오스트리아 그라츠 공과대학(TU Graz)과 인도 벨로어 기술 연구소(VIT)의 연구원들은 독점 3D 프린터와 부품을 활용해 나노셀룰로오스 재료로 만든 다공성 스캐폴드를 제작합니다. 이러한 3D 스캐폴드는 이제 테스트 산업의 핵심 요소가 되었습니다.

3D 프린팅 피부가 실현 가능한 테스트 플랫폼이 되는 이유

동물 실험을 논할 때 3D 스캐폴드는 대안에 비해 몇 가지 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 동물이 손상되지 않습니다. 또한, 세포외 기질(ECM)을 정확히 모방할 수 있습니다. 이 기능을 통해 엔지니어는 다양한 세포를 성장시킬 수 있으며, 이들 세포는 몸 안에 있는 것처럼 성숙해 제품 및 치료법을 효과적으로 테스트할 수 있습니다.

다른 세포 성장 방식과 달리 3D 스캐폴드는 구조적 지지와 맞춤화를 제공합니다. 예를 들어, 3D 스캐폴드 엔지니어는 기공 구조, 생체 적합성 및 포유류 세포 부착과 증식을 지원하는 능력 등 주요 세부 사항을 맞춤화할 수 있습니다.

팀은 접근 방식의 일환으로 식물 기반 자원을 사용하기로 결정했습니다. 그들은 나노 규모에서 높은 기계적 강도와 넓은 표면을 달성하고자 했습니다. 많은 연구 끝에 나노섬유화 셀룰로오스(NFC), 카복시메틸 셀룰로오스(CMC), 그리고 구연산(CA)의 조합이 원하는 시너지 효과를 제공한다는 결론에 도달했습니다.

합성 피부 스캐폴드 제작에 사용되는 3D 프린터 및 도구

구체적으로, 팀은 맞춤형 프린트 노즐이 장착된 BioScaffolder 3.1 3D 프린터를 선택했습니다. 엔지니어들은 GeSiM Robotics BS3.1/3.2 소프트웨어를 사용해 압력 및 스트랜드 간격과 같은 중요한 매개변수를 프로그래밍했습니다. 이 설정에서는 분배 압력이 220 kPa–260 kPa 범위로, 스트랜드 간격이 500 μm–900 μm, 스트랜드 높이가 0.2 mm로 지정되었습니다.

과학자는 인쇄 속도를 15 mm/s, Z-오프셋을 0.0 mm로 설정했습니다. 이 전략은 하이드로겔의 높은 수분 함량과 잘 맞았습니다. 높은 수분 함량은 세포 성장에 이상적인 환경을 제공하지만, 인쇄를 복잡하게 만들기도 합니다.

추가된 수분을 억제하기 위해 엔지니어들은 카복실기를 가진 셀룰로오스 유도체를 만들었습니다. 이 화학물질은 수분 유지와 접착성을 향상시켰으며, 교차결합, 계면 접착, 이온 교차결합 능력도 개선하여 조직 공학 구조물에 이상적인 첨가제가 되었습니다. 특히 구연산은 자연적인 교차결합제이자 공유 결합 강화제로 작용해 스캐폴드 구조를 안정화하면서 생체 적합성을 유지합니다.

3D 프린팅 스캐폴드 안정화를 위한 동결 건조 과정

동결 건조는 하이드로겔의 과도한 수분을 제거하기 위해 사용된 또 다른 방법입니다. 이 방법은 과잉 수분을 제거하면서 다공성 구조를 그대로 유지하기에 이상적입니다. 급격한 온도 감소는 또한 카복실기와 히드록실기의 교차결합을 촉진합니다.

출처 – 마니샤 손탈리아 – 벨로어 기술 연구소

나노셀룰로오스 기반 바이오 잉크: 구성 및 바이오프린팅에서의 역할

새로운 3D 프린팅 접근법의 일부는 나노셀룰로오스 잉크 사용에 의존합니다. 이 잉크는 나노섬유화 셀룰로오스(NFC), 카복시메틸 셀룰로오스(CMC), 그리고 구연산(CA)을 결합합니다. 구연산은 용액 내 최종 결합제로 작용합니다. 특히 엔지니어들은 테스트를 위해 4가지 잉크 변형을 만들었습니다.

3D 프린팅 스캐폴드가 실제 인간 피부를 모방하는 방식

최적화된 하이드로겔로 만든 3D 프린팅 구조는 인간 피부와 많은 유사점을 공유합니다. 예를 들어, 동일한 3층 구조와 살아있는 세포 유형을 가지고 있습니다. 그러나 초기 피부는 살아있는 세포를 사용해 다양한 피부 유형과 질환을 모방하도록 만들 수 있습니다. 또한 인간 피부와 동일한 생체역학적 특성을 가집니다.

조직 공학에서의 하이드로겔: 세포 성장 지원

팀은 살아있는 세포 성장을 상호작용하고 배양할 수 있는 특수 하이드로겔을 만드는 것부터 시작했습니다. 여러 혼합물을 테스트한 결과, 기계적 안정성이 향상되고 가수분해 저항성이 뛰어난 혼합물을 발견했습니다.

화장품 및 의료 테스트를 위한 살아있는 세포 바이오프린팅

엔지니어들은 살아있는 세포의 3D 프린팅이 하이드로겔 용액 내에서 3주 동안 성장, 성숙 및 생존하면서 살아있는 피부 조직을 형성할 수 있음을 확인했습니다. 팀은 안정화를 위해 교차결합 방식을 사용해 살아있는 세포 성장을 달성했습니다. 특히 위험한 세포독성 화학물질을 사용할 필요가 없었습니다. 또한 후처리 작업이 감소했습니다.

세포 배양 안전을 위한 스캐폴드 중화 방법

엔지니어들은 3D 스캐폴드를 취해 수산화나트륨으로 코팅한 뒤 충분히 씻어냈습니다. 이 단계는 남아 있는 알칼리를 완전히 제거하기 위해 필수적이었습니다. 또한 완전한 중성을 보장하기 위해 60분간 침지하는 과정이 필요합니다.

3D 프린팅 피부 구조의 생존 가능성 테스트

엔지니어들은 프린팅한 세포가 성숙하고 정확한지 확인하기 위해 여러 테스트를 수행했습니다. 팀은 첫 단계로 세포 성장과 성숙도를 조사했습니다. 특히, 세포가 체내에 존재하는 세포와 정확히 동일한지, 혹은 테스트에 활용하기에 부적합한 세부 차이가 있는지를 파악하고자 했습니다.

3D 프린팅 피부의 기계적 안정성 및 생체 적합성

테스트 결과, 독점 하이드로겔 덕분에 구조가 탄력적이고 매우 안정적임이 입증되었습니다. 새로운 프린팅 방법의 핵심 요점은 교차결합된 물질이 세포독성이 없으며 기계적으로 안정적이라는 것입니다.
또한, 낮은 온도와 짧거나 긴 교차결합 시간이 교차결합 과정에 영향을 미치는 것으로 확인되었습니다. TU Graz 연구원들은 스캐폴드의 물리화학적 특성을 변화시키기 위해 교차결합 속도를 낮출 수 있다는 점을 주목했습니다.

동물 실험 감소에 있어 3D 프린팅 피부의 장점

이 연구가 시장에 제공하는 여러 가지 이점이 있습니다. 첫째, 동물 실험이 사라지는 모습을 쉽게 상상할 수 있습니다. 더 저렴하고 효과적인 방법이 존재한다면 동물에게 테스트할 이유가 없습니다. 또한, 이 데이터는 기업들이 동물 실험에서 실험실에서 배양한 3D 프린팅 살아있는 세포 사용으로 전환하는 데 도움이 될 것입니다.

언제 3D 프린팅 피부가 화장품 테스트에 사용될 것인가

이 기술의 다양한 적용 사례는 인간과 동물의 생명을 모두 구하는 데 기여할 수 있습니다. 이 기술의 명백한 적용 분야는 화장품 및 의료 테스트 분야입니다. 3D 프린팅 피부의 사용은 앞으로 동물 실험을 덜 매력적인 선택으로 만들 것입니다.
이 맞춤형 피부는 다양한 인간 피부 유형과 부위를 복제하도록 만들 수 있습니다. 따라서 제품이 신체에 미치는 영향을 모니터링하려는 연구자들에게 이상적인 테스트 솔루션을 제공할 것입니다. 이렇게 함으로써 이 데이터는 재생 의학을 위한 다목적이고 지속 가능한 바이오재료 개발 프레임워크를 엿볼 수 있게 합니다.

우주에서의 바이오프린팅: 인간 건강을 위한 미래 활용 사례

이러한 첨단 인간 세포 성장 프로젝트의 또 다른 활용 사례는 성간 탐사자의 범위를 확대하는 데 도움을 주는 것입니다. 미래에 우주 탐사는 인간이 지구를 떠나 아마도 돌아오지 못하게 될 상황을 요구할 것입니다.

생존 전략의 일환으로, 그들은 지구에서 수백만 마일 떨어진 곳에서도 적절한 의료 서비스를 제공할 수 있어야 합니다. 3D 프린터의 사용이 이 문제에 대한 최적의 해결책으로 여겨집니다. 미래의 우주비행사들은 임무를 완수할 때까지 버틸 수 있도록 3D 프린팅된 장기, 피부 및 기타 신체 부품에 의존할 수 있을 것입니다.

이 기술에 대한 강력한 수요로 인해 3D 프린팅 피부를 테스트에 활용하는 것은 향후 3~5년 내에 시작될 수 있습니다. 그러나 전체 장기를 프린팅하는 목표는 과학적, 의료적, 법적 측면이 모두 정비되어야 하므로 아직 10~20년 정도 남아 있습니다.

3D 프린팅 피부 혁신을 이끈 과학자들

이 연구는 오스트리아 그라츠 공과대학(TU Graz)과 인도 벨로어 기술 연구소(VIT)의 혁신적인 연구팀이 이끌었습니다. 구체적으로, 기사에서는 Tamilselvan Mohan, Matej Bračič, Doris Bračič, Florian Lackner, Chandran Nagaraj, Andreja Dobaj Štiglic, Rupert Kargl, Karin, 그리고 Stana Kleinschek이 작업에 기여한 것으로 명시하고 있습니다.

의료 및 화장품 테스트에서 3D 프린팅 피부의 다음 단계

현재 팀은 하이드로겔 및 잉크 설계를 최적화하여 더 빠르고, 더 신뢰성 있으며, 비용 효율적으로 만들기에 집중할 예정입니다. 또한 비용, 인쇄 가능성, 구조적 완전성 및 생물학적 성능 사이의 최적 균형을 찾기 위해 다양한 혼합물과 접근 방식을 시도할 것입니다.

바이오프린팅 기술을 선도하는 공개 기업

바이오프린팅 분야에는 여러 기업이 참여하고 있습니다. 이들 기업은 고급 3D 프린트 레이아웃 개발용 소프트웨어 지원부터 하드웨어 및 프린터 제조에 이르기까지 다양한 역할을 수행합니다. 각각의 기업은 시장에서 중요한 역할을 담당합니다. 다음은 향후에도 지속적으로 상위 성과를 유지할 것으로 예상되는 기업입니다.

3D Systems

Few companies have the influence and reputation in the bioprinting sector as 3D Systems (DDD ). This firm first pivoted towards the bioprinting sector in 2017 after joining forces with another market leader, United Therapeutics (UTHR ). Since that time, it has played a critical position in providing crucial components to the market, including bioinks and other hardware.

오늘날 3D Systems는 신약 발견 및 연구 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 매출 및 시가총액 기준으로 가장 큰 순수 3D 프린팅 기업 중 하나로 평가됩니다. 또한, 회사는 시장 입지를 강화하기 위해 지속적으로 인수를 진행하고 있습니다. 구체적으로, 바이오프린팅 기업 Allevi를 인수해 기술 역량을 강화했습니다.

신뢰할 수 있고 검증된 바이오프린팅 주식을 찾는 투자자는 3D Systems에 대해 더 많은 조사를 해야 합니다. 이 기업은 혁신가로서의 명성을 확보했으며, 완전한 인간 장기를 언젠가 성장시키겠다는 목표를 포함해 연구를 지원하는 파트너와 투자자 네트워크가 큽니다. 이 목표가 아직 몇 년 남아 있더라도, 해당 연구는 확실히 속도를 높이는 데 도움이 될 것입니다.

3D Systems 최신 소식

3D 프린팅 살아있는 피부 – 치유와 기술의 만남

TU Graz와 인도 벨로어 기술 연구소가 3D 프린팅 피부를 개발한 점은 칭찬받아 마땅합니다. 이 향상된 방법은 동물 실험이 전혀 없는 시대와 보다 효과적인 약물을 여는 데 기여할 수 있습니다. 현재 이 연구는 동물 권리 운동가, 의료 전문가, 그리고 전체 화장품 산업에 대한 희망의 빛으로 여겨져야 합니다.

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참고 연구:

^{1. Mohan, T., Bračič, M., Bračič, D., Lackner, F., Nagaraj, C., Dobaj Štiglic, A., Kargl, R., & Stana Kleinschek, K. (2025). 조직 공학을 위한 자체 지지형 (나노)셀룰로오스 기반 3D 스캐폴드 제작 프로토콜. STAR Protocols, 6(2), 103583. https://doi.org/10.1016/j.xpro.2024.103583}