셀룰로스 바이오잉크가 3D 약물 전달 시스템을 발전시키고 있다

천연물은 문명의 시작부터 의약품의 일부였으며, 화학 의약품이 발명되기 전에는 식물이 효과적인 치료법의 토대가 되는 경우가 많았습니다.

생물학적 화합물은 대체로 환자의 신체와 잘 상호작용한다는 장점이 있습니다. 목재나 상아 같은 재료가 오랫동안 일부 보철물에 사용된 것도 이 때문입니다.

오늘날 연구자들은 의료 분야에서 석유 유래 고분자를 바이오소재로 대체할 가능성을 탐구하고 있습니다.

파키스탄 고말대학교와 중국 장쑤대학교 연구진의 최근 논문은 목재를 구성하는 분자 중 하나인 셀룰로스를 3D 프린팅과 결합해 약물 전달, 연조직 3D 프린팅, 상처 치유에 사용할 바이오잉크를 만드는 방법을 살펴봅니다.

연구진은 연구 결과를 Next Materials¹에 ‘바이오매스에서 바이오제조까지: 지속 가능한 3D 프린팅 약물 전달 시스템과 조직 재생에서 셀룰로스의 역할’이라는 제목으로 발표했습니다.

매우 지속 가능한 바이오소재, 셀룰로스

나무는 목재의 구조를 형성하기 위해 특히 많은 셀룰로스를 생산하지만, 이 물질은 사실상 대부분의 식물에 존재합니다. 따라서 셀룰로스는 이산화탄소(CO2), 물, 햇빛을 이용한 광합성으로 만들어지는 매우 지속 가능한 소재입니다. 셀룰로스 섬유로 대량 생산하는 종이의 낮은 가격에서 알 수 있듯 비용도 저렴합니다. 또한 생체적합성과 생분해성을 갖추고 있습니다.

포도당으로 이루어진 고분자인 셀룰로스는 3D 프린팅도 가능해 의료 분야의 다양한 새로운 응용 가능성을 열어 줍니다.

출처: ScienceFacts

이 연구에서 연구진은 3D 프린팅 셀룰로스가 다음과 같은 분야에 활용될 가능성을 살펴봤습니다.

• 개인 맞춤형 약물 전달 시스템.
• 손상된 장기와 조직을 복구하는 새로운 방법을 제공하는 조직공학.
• 체내 환경을 모사한 인공 3D 프린팅 조직 모델을 이용한 약물 시험.

이를 위해 연구진은 2015년부터 2025년까지 발표된 논문 가운데 ‘셀룰로스’, ‘나노셀룰로스’, ‘박테리아 셀룰로스’, ‘3D 바이오프린팅’, ‘바이오잉크’, ‘약물 전달’, ‘조직공학’, ‘하이드로젤’, ‘자극 반응성 바이오소재’ 등의 검색어를 조합한 연구를 검토했습니다.

셀룰로스를 의료용 바이오소재로 만들기

셀룰로스 결정 조절

셀룰로스는 두 가지 형태로 존재하며, 대부분의 셀룰로스 소재에는 두 형태가 섞여 있습니다.

• 결정질 셀룰로스는 안정성과 기계적 강도가 더 높습니다.
• 비정질 셀룰로스는 구조적 질서가 낮아 다른 분자와 더 쉽게 상호작용합니다.

목표로 하는 효과에 따라 두 형태 모두 의료 분야에서 유용하게 활용될 수 있습니다.

따라서 결정질과 비정질 가운데 어떤 형태를 선택할지는 각 응용 분야의 요구에 맞춰야 합니다.

더 안정적인 결정질 셀룰로스는 체내 생분해 속도가 느립니다. 따라서 조직공학용 지지체, 상처 드레싱, 지속형 약물 전달 시스템처럼 장기간 기계적 완전성을 유지해야 하는 분야에 적합합니다.

비정질 셀룰로스는 효소 분해와 수분 흡수가 더 쉽게 일어나므로 더 빨리 분해되고, 조직 재형성 과정에서 생체 흡수도 더 원활합니다.

출처: Next Materials

따라서 특정 응용 분야의 요구에 맞게 셀룰로스 구조를 조절하는 일은 의료용 셀룰로스를 활용하는 모든 공정에서 핵심적인 단계입니다.

“셀룰로스의 화학적 특성과 미세구조를 조절하는 것은 조직공학과 재생의학에서 지지체의 안정성, 세포 상호작용, 치료제 방출 양상, 전반적인 바이오제조 성능을 최적화하는 데 필수적입니다.”

셀룰로스 유도체

순수 셀룰로스뿐 아니라 셀룰로스에서 만든 다른 화합물도 의료적 잠재력이 있습니다. 카복시메틸셀룰로스(CMC), 하이드록시프로필메틸셀룰로스(HPMC), 미결정 셀룰로스(MCC), 나노셀룰로스가 대표적입니다.

• CMC는 의약품 제형에서 안정제와 증점제로 사용됩니다.
• HPMC는 약물을 환자에게 서서히 전달하는 제어 방출 제형에 사용됩니다.
• MCC는 의약품 정제에서 충전제, 붕해제, 결합제로서 우수한 특성을 보입니다.
• 나노셀룰로스는 넓은 표면적 덕분에 조직공학과 약물 전달에 유용한 새로운 소재입니다.

박테리아 셀룰로스는 순도가 높고 기계적 강도, 수분 유지력, 생체적합성이 뛰어나 식물 유래 셀룰로스보다 선호되는 경우가 많습니다. 그 미세구조는 조직 재생을 돕는 세포외기질의 나노섬유 구조를 모사하므로 피부부터 심장 근육까지 경조직과 연조직을 3D 바이오프린팅하는 지지체로 사용할 수 있습니다.

출처: Next Materials

3D 바이오프린팅에서의 셀룰로스

바이오프린팅 방법

셀룰로스와 셀룰로스 지지체 위의 조직은 여러 방식으로 바이오프린팅할 수 있으며, 각 방식은 특정 유형의 셀룰로스에 더 적합합니다.

예를 들어 셀룰로스 나노섬유(CNF)가 풍부한 바이오잉크는 압출식 바이오프린팅에 특히 적합합니다. 반면 잉크젯 바이오프린팅에서는 셀룰로스 바이오잉크의 점도를 최적화해야 합니다.

출처: Next Materials

셀룰로스가 셀룰로스 기반 바이오잉크의 유일한 성분일 필요도 없습니다. 다른 바이오소재를 혼합하면 바이오잉크에 포함된 세포의 생존율을 높일 수 있습니다.

“젤라틴과 알지네이트 기반 바이오잉크에 셀룰로스 나노결정을 첨가하면 기계적 특성과 세포 생존율이 개선되어 다양한 조직공학 분야에 적합한 혼합물을 만들 수 있습니다.”

셀룰로스 바이오잉크의 활용 분야

셀룰로스는 구조를 조절할 수 있어 약물 전달 속도와 지속 시간을 맞춤화하는 데 유용합니다.

“3D 프린팅과 전기방사 같은 가공 기술의 발전으로 기계적 특성이 향상되고 방출 양상을 조절할 수 있는 셀룰로스 기반 약물 전달 장치를 만들 새로운 가능성이 열렸습니다.”

조직공학에서 셀룰로스는 세포가 부착하고 성장해 건강한 새 조직을 형성할 수 있는 유용한 지지체를 제공합니다. 다공성 구조는 영양분과 노폐물의 교환을 가능하게 하는 동시에 세포의 부착과 증식을 촉진합니다.

예를 들어 셀룰로스는 피부와 연골 지지체에서 세포외기질을 모사해 조직 통합과 세포 침투를 위한 기반을 제공할 수 있습니다. 또한 실험실에서 배양한 세포로 인공 조직을 만드는 데도 사용할 수 있습니다.

이 방법은 인체 장기의 체외 기능을 재현하는 약물 시험 플랫폼인 ‘장기 칩’ 모델 제작으로 확장할 수 있습니다.

또 다른 활용 분야는 상처 치유입니다. 셀룰로스를 산화 그래핀과 혼합하면 뛰어난 항균 특성이 나타납니다. 여기에 세포 이동과 증식을 개선하는 지지체 기능이 더해져 셀룰로스 바이오잉크는 특히 피부의 조직 재생을 도울 수 있습니다.

출처: Next Materials

향후 개선 방향

향후 개선 방안으로는 셀룰로스를 더 오래 유지되는 지지체 소재로 사용하면서 ‘희생 주형’을 함께 적용하는 방법이 있습니다.

“젤라틴, Pluronic F127, 탄수화물 유리 같은 희생 재료를 셀룰로스 함유 바이오잉크와 함께 프린팅한 뒤 온도 변화, 용해 또는 세척으로 제거합니다. 이렇게 설계한 다공성 구조는 두꺼운 바이오프린팅 구조물에서 세포 생존, 조직 성숙, 혈관 형성을 크게 개선합니다.”

셀룰로스 바이오잉크를 이용한 3D 바이오프린팅을 확장하려면 예측 가능하고 일관된 정제 기준을 충족하는 셀룰로스를 대량으로 안정되게 공급하고, 멸균 문제를 해결하며, 미세구조의 조성과 균일성을 유지해야 합니다.

바이오프린팅 분야에 투자하기

3D Systems

DDD 가격 차트

3D Systems (DDD )는 1,000건 이상의 특허를 보유하고 130가지 재료로 3D 프린팅할 수 있는 업계 선도 기업으로, 하루에 100만 개가 넘는 부품을 생산합니다. 업계의 통합을 거치며 Nano Dimension (NNDM )과 함께 세계 최대 3D 프린팅 기업 중 하나가 되었습니다.

3D Systems는 일찍부터 바이오프린팅 분야에 진출했습니다. 2017년에는 United Therapeutics (UTHR ) (UTHR)와 3D 프린팅 장기 및 조직을 연구하는 협력을 시작했습니다. 이어 2020년에는 CollPlant Biotechnologies(CLGN)와의 협력 (CLGN )을 발표했고, 2021년에는 바이오잉크 제조업체 Allevi를 인수했습니다.

바이오프린팅 사업은 수술용 임플란트의 3D 프린팅 사업과 함께 진행됩니다. 이 회사는 맞춤형 의치뿐 아니라 직렬 생산 부품으로 구성된 의료기기를 누적 300만 개 생산했습니다.

2025년 말 기준 의료 부문은 회사 매출의 거의 절반을 차지했습니다. 나머지는 주로 산업용 응용 분야, 특히 항공우주 부문의 금속 3D 프린팅에서 발생했으며, 2026년 1분기 총매출은 9,550만 달러였습니다.

2026년 초 EBITDA가 흑자를 기록한 덕분에 3D Systems는 비교적 ‘안전한’ 3D 프린팅 종목 가운데 하나로 볼 수 있습니다. 빠르게 성장하는 금속 3D 프린팅 부문을 선도하고 의료 부문에도 확고히 자리 잡은 데다, 바이오잉크와 3D 프린팅이 세 번째 수익원으로 성장할 가능성도 있습니다.

참고 연구

^{1 . Asma Ashgar 외. 바이오매스에서 바이오제조까지: 지속 가능한 3D 프린팅 약물 전달 시스템과 조직 재생에서 셀룰로스의 역할. Next Materials. 제13권, 2026년 10월, 102601. https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2026.102601}