적층 제조
3D 프린팅 인간 장기 – 현실성은 얼마나 될까?
3D 프린팅 세계는 매우 빠른 속도로 확장하고 있습니다. 추정에 따르면 3D 프린팅의 전 세계 시장 규모—제품 및 서비스—는 2020년부터 2026년 사이에 세 배로 성장할 것입니다. 2020년에 126억 달러였던 시장 규모는 2026년에는 370억 달러 이상으로 성장할 수 있습니다.
응용 분야의 급증은 혁신이 일어나는 공간, 즉 기관과 기업/회사 수준에서 충분히 뒷받침되고 있습니다. 예를 들어, 미국의 대형 기술 기업들은 2010년 이후 발표한 특허 수에서 알 수 있듯 3D 프린팅에 매우 활발히 참여하고 있습니다. 제너럴 일렉트릭은 2010년부터 2019년까지 342건의 특허를 발표했습니다.
하지만 3D 프린팅 분야는 언제나 실제 적용 가능성이라는 중요한 질문에 직면해 왔습니다. 과학적으로 흥미롭고 매력적인 영역이었지만, 많은 사람들은 “현실성은 얼마나 될까?”라고 물었습니다.
최근, 버지니아 대학교 공학 및 응용 과학 학교의 연구팀이 인간 친화적 장기의 첫 번째 빌딩 블록 템플릿을 주문형으로 프린팅하는 성공적인 실험을 보여주면서 그 현실성을 입증했습니다. 첫 번째 인간 친화적 장기 빌딩 블록 템플릿을 프린팅했습니다. 다음 섹션에서는 이 실험과 그 성과를 자세히 살펴보겠습니다.
다양한 인간 조직의 기계적 특성과 일치하는 제어된 기계적 특성을 가진 바이오머티리얼
이 실험은 라이헝 차이와 진창 주가 이끌었습니다. 라이헝 차이는 재료 과학 및 공학, 화학 공학 조교수이며, 진창 주는 그의 박사과정 학생입니다.
그들이 사용한 바이오프린팅 방법은 디지털 구형 입자 조립(Digital Assembly of Spherical Particles, DASP)이라고 불립니다. 이 기술은 물 기반 지지 매트릭스에 바이오머티리얼 입자를 침착시켜 세포가 성장하기에 적합한 3D 구조를 구축합니다.
그들의 연구 결과를 Nature Communications에 발표하면서, 과학자들은 보고서 제목을 ‘모듈식 이중 네트워크 바이오잉크 드롭릿의 복셀화 바이오프린팅’라고 명명했습니다. ‘복셀’이라는 용어는 프린팅 과정이 ‘복셀’—픽셀의 3D 버전—이 3D 객체를 구성하는 방식을 따른다는 사실에서 유래했습니다.
그들의 연구가 과학 공동체에 제공한 돌파구를 설명하면서, 진창 주는 다음과 같이 말했습니다:
“우리의 새로운 하이드로겔 입자는 지금까지 만든 최초의 기능성 복셀입니다. 기계적 특성을 정밀하게 제어함으로써, 이 복셀은 미래 프린팅 구조의 기본 빌딩 블록 중 하나가 될 수 있습니다.”
일반 사용자를 위해 더 구체적으로 설명하려는 그의 시도에서, 주는 그들의 기술이 다른 바이오프린팅 방법에 비해 돋보이는 특성을 강조했습니다. 그는 기술의 ‘제어’ 요소가 장기 유사체를 프린팅할 수 있게 했다고 강조했습니다.
이러한 장기 유사체는 인간 조직처럼 기능할 수 있는 3D 세포 기반 모델에 불과했습니다. 이는 질병 진행을 연구하고 치료법을 찾는 우리의 지속적인 노력에 활용될 수 있습니다.
기존 바이오프린팅 기술에 비해 큰 도약
주는 그들의 혁신을 ‘큰 도약’이라고 부르며, 기존 바이오프린팅 기술에 비해 ‘견고하고 세포 친화적’이라고 설명했습니다. 실험에 사용된 고분자 하이드로겔 입자는 단일 분자 모노머의 배열과 화학 결합을 조정함으로써 인간 조직을 모방할 수 있었습니다.
다른 유사 솔루션과 비교했을 때, 차이와 주가 제시한 솔루션은 독성도 낮고 생체 적합성도 높았습니다.
팀은 바이오프린터 사용에서도 큰 개선을 이루었습니다. 그들이 설계한 다채널 노즐은 필요에 따라 하이드로겔 성분을 혼합할 수 있었습니다. 이는 초고속 교차 결합으로 인해 액체 드롭릿이 60초 이내에 탄성 물을 머금은 겔로 변하는 문제를 해결하는 데 도움이 되었습니다.
DASP 기술은 좁고 빠르게 움직이는 노즐에서 큰 드롭릿을 매트릭스에 침착시켜 즉시 현탁시키는 방식으로 이 병목 현상을 제거합니다. 이는 연성 물질 과학 및 3D 바이오프린팅 분야의 핵심 문제인 점탄성 복셀의 정밀 조작을 해결하는 방법이기도 합니다. 차이는 다음과 같이 성과를 요약했습니다:
“우리는 이제 복셀화 바이오프린팅의 기반을 마련했습니다. 완전히 구현되면 DASP의 적용 분야는 인공 장기 이식, 질병 및 조직 모델링, 신약 후보 물질 스크리닝 등을 포함할 것이며, 아마도 거기서 멈추지는 않을 것입니다.”
우리는 이미 3D 바이오프린팅 혁신이 오랫동안 진행되어 왔다는 것을 보았습니다. 따라서 많은 유명 기업들이 이 기술을 채택한 것은 당연합니다. 다음 섹션에서는 의료 과학 및 헬스케어 기술 분야에서 이 공간을 촉진하고 있는 두 회사를 살펴보겠습니다.
#1. Northwell Health
이 회사는 ‘3D 프린팅을 통해 치료법을 최초로 제공하는 보건 시스템이 되겠다는 100% 헌신’을 선언하고 있습니다. Northwell Health가 이 분야에서 수행한 가장 중요한 개입 중 하나는 보철 분야였습니다.
이 회사는 양서류 보철 팔다리를 3D 프린팅했습니다. 이 솔루션은 절단된 사람이 물에 들어가고 나갈 때 보철을 교체하지 않아도 되는 ‘핀(Fin)’입니다.
이 핀의 장점은 최첨단 탄소 섬유 재료를 사용하고 인체공학적 형태를 활용해 내구성과 효율적인 움직임을 보장한다는 점입니다. Northwell은 강도와 유연성을 모두 갖춘 탄소 섬유 강화 나일론을 사용해 핀을 프린팅했으며, 그 내구성 덕분에 육지와 물 모두에서 사용할 수 있었습니다.
이 핀은 독특한 재료 역학을 가지고 있었습니다. 원뿔형 구멍이 있어 물이 통과하는 양을 제어할 수 있었으며, 구멍의 설계와 배열이 물속에서 자연스러운 저항과 추진력을 제공했습니다. 구멍의 개수는 절단된 사람의 특정 요구에 맞게 조절할 수 있었습니다.
Northwell Health는 외과 의사가 수술을 더 잘 계획할 수 있도록 인체 부위의 정밀한 3D 프린팅 모델을 오랫동안 개발해 왔습니다. 이 회사는 3D 프린팅의 잠재력을 트렌드가 되기 전에 이미 실현할 수 있었습니다.
2018년으로 거슬러 올라가는 인용문에서, Northwell Health의 3D 디자인 및 혁신 센터 이사인 토드 골드스타인은 다음과 같이 말했습니다:
“의료 분야에서 3D 프린팅을 사용하면 환자의 해부학적 구조를 컴퓨터 화면에서 꺼내어 의사의 손에 직접 전달할 수 있습니다. 이 기술은 모든 관련자에게 게임 체인저이며, 의사가 병변을 더 잘 시각화하고, 환자가 실제로 어떤 치료가 필요한지 볼 수 있게 하며, 거의 모든 전문 분야에서 보다 정밀하고 환자 맞춤형 치료를 가능하게 합니다.”
2023년에 Northwell Health는 수익이 169억 달러이며, EBITDA 마진이 6.3%라고 보고했습니다.
#2. Psyonic
이 분야에서 눈에 띄는 작업을 수행하고 있는 또 다른 회사는 Psyonic입니다. Ability Hand, Psyonic의 대표 제품은 세계에서 가장 빠르고 최초의 촉각 감지 바이오닉 손입니다. 이는 삶과 이동성을 회복하도록 설계되었으며, Psyonic은 3D 프린팅을 활용해 효율적으로 프로토타입을 제작하고 비용 효율성과 접근성을 높이며 내구성과 충격 저항성을 강화합니다.
Psyonic은 바이오닉 손의 손끝에 센서를 통합하여 사용자가 물체를 잡을 때 압력을 감지하고 그 감각을 팔에 진동으로 전달함으로써 큰 가치를 추가했습니다.
그 결과, 손 사용자는 섬세한 물체를 쉽게, 편안하게, 매끄럽게 다룰 수 있게 되었습니다. 또한 이 손은 충격에 강해 부서지지 않으며, 방수 기능이 있고 하루 종일 사용할 수 있는 다양한 그립 패턴을 제공합니다.
Ability Hand는 총 32개의 그립 패턴을 제공하며, 그 중 19개는 미리 정의되어 있어 바로 사용할 수 있습니다. 무게는 490그램으로 가볍습니다. 또한 다섯 손가락 모두가 굽히고 펴질 수 있는 다관절 구조이며, 엄지는 전기 및 수동으로 회전할 수 있습니다.
USB-C를 통해 1시간 만에 충전할 수 있습니다. 또한 대부분의 서드파티 EMG 패턴 인식 시스템, EMG 직접 제어 시스템, 선형 트랜스듀서 및 힘 감지 저항기와도 호환됩니다.
가장 최신의 자금 조달 정보에 따르면, Psyonic의 크라우드펀딩 주식 캠페인은 현재까지 100만 달러 이상을 모금했습니다.
이러한 3D 프린팅된 인간 신체 부위 사례에서 알 수 있듯이, 현실적으로 3D 프린팅 인간 장기는 먼 꿈이 아닙니다. 우리는 이미 최근 이 분야에서 가장 중요한 돌파구 중 하나를 논의했으며, 앞으로도 더 많은 관련 연구를 탐구해 미래의 방대한 잠재력을 이해할 것입니다.
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3D 프린팅의 미래: 현실에 가장 가까운 단계
하이드로겔을 비효율적으로 사용하는 3D 프린팅 장기 생산에는 일정한 역사가 있습니다. 2022년 연구 보고서는 바이에른 대학교의 토마스 쉐이벨 교수팀이 거미줄 실크와 마우스 섬유아세포를 혼합해 3D 프린팅으로 “바이오 잉크” 혹은 하이드로겔을 성공적으로 생산한 사례를 인용했습니다.
이 겔은 프린터 헤드에서 압출 표면으로 흐를 때 빠르게 액체에서 고체 상태로 변했습니다. 이 지식은 거미줄 스캐폴드와 심근세포를 이용해 심장 근육 조직을 복제하는 데 활용될 수 있었습니다.
2023년 보고서는 3D 프린팅을 이용해 인간 장기를 복제하는 현실성을 종합적으로 조사했으며, 이를 ‘곧 현실이 될’ 것으로 주장했습니다. 이 보고서는 유망한 미래를 시사하는 많은 사례들을 인용했습니다.
예를 들어, 2022년 텍사스 주 샌안토니오에서 아르투로 보닐라 박사는 20세 여성에게 외이(외부 귀)를 이식했습니다. 이 여성은 선천적으로 귀가 없었으며, 왼쪽 귀와 정확히 같은 형태와 크기로 오른쪽 귀를 3D 바이오프린터를 이용해 제작한 연골 세포를 사용해 이식한 최초 사례였습니다.
폴란드 연구진은 또한 췌장의 기능성 프로토타입을 안정적인 혈류와 함께 프린팅하는 데 성공했습니다. 이 실험은 돼지를 대상으로 2주간 관찰되었습니다. 동시에 인간 폐에 적용하기 위한 기술 개발도 진행 중이었습니다. 미하우스 워솔라가 만든 바이오닉 췌장과 United Therapeutics Corporation은 4,000km에 달하는 모세관과 2억 개의 폐포(작은 공기 주머니)를 갖춘 인간 폐 스캐폴드를 3D 프린팅했으며, 이는 동물 모델에서 산소 교환이 가능했습니다.
웨이크 포레스트 재생 의학 연구소 과학자들은 이동식 피부 바이오프린팅 시스템을 개발했습니다. 그들은 곧 프린터를 비치환자(예: 화상) 침대 바로 옆에 배치해 상처 부위를 스캔·측정하고, 피부를 층층이 3D 프린팅해 직접 상처 표면에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
텔아비브 대학교 조직공학 및 재생 의학 부서의 교수인 탈 디비르는 3D 프린팅된 “토끼 크기” 심장을 개발했으며, 이 심장은 세포, 챔버, 주요 혈관 및 심장 박동을 포함합니다. 그는 이 발명과 미래 가능성에 대해 다음과 같이 말했습니다:
“우리는 현재 박동 조절 세포, 심방 세포, 심실 세포 작업을 진행 중이며, 상황이 좋습니다. 이것이 바로 미래라고 믿습니다.”
보건 전문가들은 인간이 3D 프린팅 장기를 구현한다면, 현재 106,000명의 장기 기증 대기자 명단을 크게 줄일 수 있을 것이라고 믿고 있습니다. 매일 17명의 환자가 대기 중에 사망하고 있습니다. 3D 프린팅으로 인간 장기를 제작할 수 있다면 많은 생명을 구할 수 있을 것입니다.
스탠포드 대학교 바이오엔지니어링 학과의 조교수인 마크 스카일러-스콧은 다음과 같이 말했습니다:
“이 분야는 지난 20년 동안 매우 빠르게 발전했으며, 프린팅된 방광에서 이제는 혈관이 연결된 고세포 조직, 그리고 펌프에 연결될 수 있는 복잡한 3D 모델까지 진화했습니다.”
이제 3D 프린팅 인간 장기가 우리의 치료 절차와 의료 시스템을 혁신할 것이라는 것이 거의 확실해졌습니다. 그러나 몇 가지 과제를 극복해야 합니다.
예를 들어, 더 높은 스트레스 저항성을 가져야 합니다. 생산 및 제조 과정은 원료 호환성 측면에서 더 포괄적이어야 합니다. 또한 에너지 효율성을 높여 빠르게 규모를 확대할 수 있어야 합니다.
또한 3D 프린터에서 배출되는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 제거해야 합니다. 이러한 물질은 발암성 및 독성을 가지고 있어 장기 손상, 목 자극, 메스꺼움 등 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있습니다. 마지막으로, 전 세계의 치료받지 못한 인구 대다수를 혜택받게 하려면 비용 효율적이고 저렴해야 합니다.
