초음파 가이드 바이오프린팅: 정밀 의학의 새로운 경계

그 보건 및 의료 시스템 지난 세기 동안 크게 발전했습니다. 초기에는 인간이 약용 식물에 의존했습니다. 그러나 물론, 약물 전달에 있어 일관성과 특이성이 부족했습니다.

그 후, 알약과 캡슐은 약물을 저장하는 데 널리 사용되었습니다. 이들은 위장액과 접촉하면 용해되어 장벽을 관통하고 혈관 모세관을 통해 혈류로 흡수되지만 약물 방출에 대한 제어가 없습니다.

약물의 쓴맛을 가리기 위해 코팅을 사용하면서 약물 방출 속도가 더욱 변화했습니다. 시간이 지나면서 코팅 재료는 금과 은에서부터 진주, 설탕, 장용성 코팅으로 발전했습니다.

장용성 코팅은 경구 약물의 외부 폴리머 코팅입니다. 이 장벽은 약물이 위의 위산 환경에서 용해되는 것을 방지하여 제어된 방출을 가능하게 합니다. 수년간 이러한 코팅의 발전은 약물 전달을 더욱 향상시켰습니다.

첫 번째 나노입자 치료제인 폴리머-약물 접합체는 1950년대에 보고되었으며, 최초의 나노기술인 리포솜은 1960년대에 발견되었습니다. 두 경우 모두 나노캐리어의 기원을 나타냅니다.

시간이 지나면서 스마트 폴리머와 하이드로겔이 개발되어 약물 전달 시스템을 안정화했으며, 표적 나노기술 약물 전달 시스템 개발을 위한 노력이 진행되었습니다.

최근 몇 년간, 국소 약물 전달 장치를 성공적으로 개발하기 위한 중요한 진전이 이루어졌으며, 이를 통해 약물 방출을 정밀하게 제어할 수 있게 되었습니다. 마이셀, 하이드로겔, 리포솜, 나노입자와 같은 기술은 특정 위치에서 치료제를 지속적으로 방출합니다.

이러한 접근법은 치료 효과를 높이고 조직 독성을 최소화하며, 치료제가 전신 순환으로 들어가는 것을 방지합니다.

특히 이식형 약물 전달 장치는 국소 부위에 약물을 효과적으로 전달합니다. 이러한 장치는 생체 적합성 및 생분해성 재료로 제작되며, 다양한 용량과 지속적·간헐적 전달을 위해 설계될 수 있습니다.

특히 비침습적 심부 조직 임플란트, 즉 스마트 임플란트 또는 최소 침습 임플란트에 초점이 맞춰지고 있습니다. 이러한 장치는 신체 기능을 모니터링하거나 약물을 전달하거나 조직 재생을 돕기 위해 설계되며, 광범위한 외과적 절차 없이 체내에 배치됩니다.

현재 캘리포니아 공과대학(Caltech) 연구팀은 의사가 정확히 미세 캡슐을 프린트하여 조직 복구에 필요한 세포를 정확한 위치, 예를 들어 뛰는 심장 내부에 전달할 수 있는 궁극적인 목표에 크게 진전했습니다.

이를 위해 연구팀은 심부 조직 인비보 사운드 프린팅(DISP) 플랫폼을 구축했습니다. 새로운 영상 가이드 인비보 3D 프린팅 기술¹이 Science 저널에 발표되었습니다.

DISP: 영상 가이드 초음파 프린팅을 통한 심부 조직 치료

3차원(3D) 프린팅 또는 적층 제조는 다재다능함, 복잡한 설계 생성 능력, 맞춤형 옵션 덕분에 큰 주목을 받고 있습니다.

이 제조 공정에서는 디지털 파일을 기반으로 재료 층을 차례로 쌓아 3D 물체를 만듭니다. 이를 통해 빠른 프로토타이핑, 제조 비용 절감, 개인화된 제품이 가능해져 제조, 의료, 패션 등 다양한 분야에서 널리 채택되었습니다.

보건 분야에서 3D 프린팅은 의료 임플란트 생산에 혁신을 일으키고 있습니다. 이는 외부 및 체내에서 환자 맞춤형 임플란트를 제작하는 데 매우 유용한 도구가 되었습니다.

하지만 맞춤형 임플란트의 약속은 침습적 외과 수술이 필요하다는 제한에 직면해 있습니다. 체내 임플란트는 전구 물질과 인체에 안전한 중합 방법이 필요하며, 외부에서 정밀하게 활성화될 수 있어야 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들은 초음파 프린팅에 주목하고 있습니다.

예를 들어, 지난해 연구²에서 Technion 생물의공학 학부 연구원들은 외부 초음파 트랜스듀서에서 방출되는 외부 음파 조사를 통해 체내 깊은 곳에 조직 및 세포를 비침습적으로 바이오프린팅하는 기술을 제시했습니다.

현재 캘리포니아 공과대학(Caltech) 연구팀은 영상 가이드 초음파 프린팅을 활용하는 플랫폼을 구축했으며, 이는 다른 방법보다 훨씬 깊게 도달할 수 있습니다.

전통적인 노즐이 있는 3D 프린팅 대신, 이 연구에서는 초음파 집중 빔이 제어된 온도 급증을 일으켜 프린팅과 유사한 과정을 시작합니다.

본 연구는 NIH, 미국 암 협회, Heritage Medical Research Institute, UCLA Challenge Initiative의 지원을 받아 초음파와 교차결합제(크로스링크제)를 탑재한 저온 리포솜(LTSL)을 결합했습니다.

리포솜 또는 지질 소포는 살아있는 세포에서 발견되는 작은 폐쇄 구조로, 지방, 왁스, 모노글리세리드, 디글리세리드와 같은 다양한 기능을 수행하는 지질을 포함합니다. 이들은 에너지 저장, 신호 전달, 비타민 흡수, 호르몬 생성, 세포막 구조 구성 등에 관여합니다.

이러한 소포는 약물 표적화, 약물 전달, 세포막 역학에 대한 인비트로 연구 등 다양한 분야에 활용됩니다.

연구에서 사용된 리포솜은 원하는 폴리머의 단량체와 전달될 화물(예: 치료제)을 포함한 폴리머 용액에 담겨 있습니다.

이 폴리머는 교차결합이 일어나면 나타나는 영상 대비제이며, 연구에서는 가스 소포를 사용했습니다. 실시간 모니터링을 통해 가스 소포(GV) 기반 초음파 영상은 살아있는 동물에서 맞춤형 패턴을 생성할 수 있게 합니다.

GV는 공기로 채워진 단백질 나노구조로, 초음파, 자기공명, 광학 기술의 영상 및 치료제 역할을 합니다. 비선형 대비를 생성하는 고유 특성으로 초음파 영상 대비제로 점점 많이 사용되고 있습니다. GVs는 유전적으로 인코딩 및 엔지니어링이 가능해 다목적 영상제제로 활용됩니다.

교차결합제를 탑재한 LTSL을 바이오잉크에 포함함으로써, 새로운 플랫폼은 집중 초음파를 이용해 다양한 기능성 바이오재료를 신속하고 정밀하게 교차결합할 수 있습니다.

연구팀은 마우스 방광의 암 부위 근처와 토끼 다리 근육 깊은 곳에서 성공적으로 프린팅함으로써 플랫폼을 검증했습니다.

DISP 플랫폼을 이용해 화학요법 약물(도시사이클린)이 탑재된 폴리머를 마우스 방광 종양 근처에 프린팅함으로써, 직접 약물 용액을 주입한 경우보다 며칠 동안 훨씬 더 많은 종양 세포 사멸을 달성했습니다.

안전성, 정밀성 및 생체 적합성: DISP의 임상 잠재력

Caltech 팀은 살아있는 동물 내부 깊은 위치에서 폴리머를 3D 프린팅하는 기술을 개발했습니다. 유타 대학교 기계공학 부교수인 엘함 다부디는 캘리포니아 공과대학에서 박사후 연구원으로 있을 때 이 연구를 수행했으며, 이번 연구의 주요 저자입니다.

이 방법은 소리를 이용해 위치를 지정합니다. 이미 내부 상처를 봉합하는 접착제 같은 폴리머와 선택적 약물 전달을 위한 폴리머 캡슐을 프린팅하는 데 사용되었습니다.

과학자들은 이전에 적외선 빛을 이용해 살아있는 동물 내에서 중합을 활성화했었습니다.

하지만 적외선은 침투 깊이가 매우 제한적입니다. “피부 바로 아래까지만 도달합니다.”라고 Caltech의 의료공학 교수이자 Heritage Medical Research Institute 연구원인 웨이 가오가 언급했습니다.

반면, 새로운 기술은 심부 조직까지 도달할 수 있으며, 다양한 재료를 프린팅해 폭넓은 응용 분야에 활용하면서도 “탁월한 생체 적합성을 유지합니다.”

심부 조직 인비보 프린팅을 실현하기 위해, 팀은 이 목적에 널리 사용되는 바이오메디컬 플랫폼인 초음파에 의존했습니다.

하지만 특정 위치에서 원하는 시점에만 단량체 결합(교차결합)을 활성화할 방법이 필요했습니다.

그래서 팀은 초음파와 교차결합제를 탑재한 저온 리포솜(LTSL)을 결합하고, 이를 폴리머 단량체와 화물을 포함한 폴리머 용액에 삽입하는 새로운 방식을 도입했습니다. 여기에는 세포와 은 또는 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질도 포함될 수 있습니다. 결과 바이오잉크는 직접 체내에 주입되었습니다.

이제 프린팅을 시작하기 위해, 과학자들은 집중 초음파를 사용해 목표 부위의 온도를 약 5도 정도 상승시켰습니다. 이는 리포솜이 내용을 방출하도록 하여 정확한 위치에서 폴리머 프린팅이 시작되게 합니다. 가오에 따르면:

“섭씨 몇 도 정도 온도를 올리면 리포솜 입자가 교차결합제를 방출하기에 충분합니다. 제제가 방출되는 곳이 바로 국소 중합 또는 프린팅이 일어나는 장소입니다.”

여기서 사용된 가스 소포는 박테리아에서 유래한 영상 대비제로, 초음파 영상에서 강하게 나타나 모든 것이 정상적으로 작동하고 있음을 알려줍니다. 이들은 액체 단량체 용액이 교차결합해 겔 네트워크를 형성할 때 발생하는 화학 변화를 감지합니다.

전환이 일어나면 소포는 대비가 변하고, 이는 초음파 영상으로 확인됩니다. 이를 통해 과학자들은 언제, 어디서 중합 교차결합이 일어났는지 쉽게 감지하고, 살아있는 동물에서 프린팅 패턴을 수정할 수 있습니다.

바이오접착제 겔 및 폴리머 외에도, 이 연구는 생리적 활력 징후를 내부 모니터링하기 위해 전도성 물질이 삽입된 바이오전기 하이드로겔을 프린팅하는 기술 활용도 상세히 다룹니다.

현재 마우스와 토끼에서 성공적인 실험을 통해 DISP 플랫폼을 검증했으며, 염증이나 조직 손상의 징후가 없었고, 체내에서 일주일 내에 미중합 잉크가 제거되는 등 국소 약물 전달, 조직 대체 및 바이오일렉트로닉스에 대한 잠재력을 보여줍니다. 또한, 일주일 내에 몸이 미중합 잉크를 제거함으로써 플랫폼의 안전성 프로파일을 강조합니다.

게다가 세포 함유, 약물 적재, 바이오접착제 및 전도성 물질을 프린팅할 수 있는 능력은 다양한 의료 응용 분야에 대한 다재다능성을 보여줍니다. 그러나 임상 적용을 위해서는 추가적인 정제가 필요합니다.

“바이오프린팅 분야의 새로운 연구 방향입니다. 우리의 다음 단계는 더 큰 동물 모델에서 프린팅을 시도하는 것이며, 가까운 미래에 인간에게도 평가할 수 있기를 바랍니다.”

– Gao

팀은 머신러닝을 활용해 DISP 플랫폼의 정밀 위치 지정 능력을 향상시키고 집중 초음파를 적용하려는 목표를 가지고 있습니다.

“앞으로 AI의 도움으로, 뛰는 심장과 같은 움직이는 장기 내에서 고정밀 프린팅을 자동으로 트리거할 수 있기를 바랍니다.”

– Gao

3D 바이오프린팅에 투자하기

3D 프린팅 산업의 초기 선두주자인 3D Systems (DDD )는 이 분야가 진화함에 따라 주목해야 할 주요 기업 중 하나입니다. 이 회사는 금속, 재료, 플라스틱용 3D 프린터, 소프트웨어 및 서비스를 포함한 포괄적인 3D 프린팅 및 디지털 제조 솔루션을 제공합니다. 치과 실험실, 자동차 제조업체, 반도체 설계업체, 의료기기 제조업체 등 다양한 산업과 재료를 위한 소프트웨어 설계 및 프린터 개발을 수행합니다.

3D Systems (DDD )

3D Systems는 두 개 부문을 통해 운영됩니다: 헬스케어 솔루션, 이는 치과, 재생 의학, 의료기기 및 개인 맞춤형 건강 서비스를 제공하며, 산업 솔루션, 이는 운송, 항공우주, 방위 및 일반 제조 분야에 서비스를 제공합니다.

2021년에, 회사는 재생 의학 이니셔티브를 확대하기 위해 Allevi를 인수했으며, 이는 제약 연구실의 성장 가속화를 목표로 합니다. 회사 웹사이트에 따르면, 3D 바이오프린팅은 동물 실험 모델을 대체하고 반복적인 바이오프린트 설계와 인간 생체 내 생물학을 재현하는 능력을 통해 3D 질병 모델링을 발전시켰습니다.

같은 해에, 독일 소프트웨어 기업 Additive Works GmbH를 인수하여 산업 규모 3D 프린팅 프로세스의 빠른 최적화를 위한 시뮬레이션 역량을 확대했습니다.

현재 회사 주가는 $1.94이며, 연초 대비 22.26% 하락했습니다. 이 가격대에서 3D Systems의 주가는 2021년 초에 약 $48.60이었던 정점을 크게 하락한 상태이며, 이는 시장의 많은 다른 주식과 유사합니다.

3D Systems는 시가총액 $345.6백만을 달성했으며, EPS(TTM)는 -1.93, P/E(TTM)는 -1.32입니다.

회사 재무 자료에 따르면, 2025년 1분기에 3D Systems는 매출 $94.5백만을 기록했으며, 이는 전년 동기 대비 8% 감소한 것으로, 소재 판매 감소가 원인입니다.

헬스케어 솔루션 매출은 $41.3백만, 산업 솔루션 매출은 $53.2백만을 차지했습니다.

CEO 제프리 그레이브스 박사는 이는 “많은 고객이 자본 투자 지연을 겪고 있어, 관세 영향과 지속적인 지정학적·거시경제적 불확실성에 대한 명확성을 얻기 위해”라는 어려운 매출 압박이 지속되고 있음을 반영한다고 말했습니다.

해당 기간의 총 이익률은 34.6%였으며, 비GAAP 총 이익률은 낮은 판매량과 불리한 가격으로 인해 35%였습니다. 순손실은 $37백만이었으며, 2025년 3월 말 현금 및 현금성 자산은 $135백만, 총 부채(지연 금융 비용 차감)는 $212.3백만이었습니다.

하지만 회사는 $50백만 규모의 비용 절감 이니셔티브를 진행 중이며, 2026년 중반까지 완료될 예정입니다. 또한 올해 마지막 분기에 EBITDA 기준 손익분기점에 도달할 것으로 예상됩니다.

또한 Geomagic 포트폴리오 매각으로 현금 보유액이 세후 $100백만 이상 증가해 2025년 4월 30일 현재 현금이 $250백만이 되었습니다.

3D Systems를 투자 옵션으로서 긍정적인 측면은 항공우주 및 방위 시장에서 꾸준한 성장세를 보이고 있으며, 최신 하드웨어 시스템의 매출 성장도 기록하고 있다는 점입니다. 또한 AI 인프라에 대한 집중도 3D Systems가 진전을 이끄는 또 다른 분야입니다.

“지난 몇 년간 R&D 투자를 의도적으로 유지한 결과, 폴리머 및 금속 플랫폼을 포함한 전체 제품 포트폴리오에 걸쳐 새로운 기술 도입 물결이 크게 일어났습니다.”

– Gravel

그는 이것이 단기적으로 수익성에 부정적인 영향을 미치지만, 고객 관심이 강해 “우리의 새로운 시스템은 고품질·고신뢰성 부품 제조, 인체 내 적용, 고급 산업 시스템에 점점 더 선호되고 있다”고 언급했습니다. 여러 새로운 제품이 현재 상업화 중요한 단계에 진입했습니다.

올해 현재까지 3D Systems는 주요 상용 차량 제조업체인 Daimler Truck (DTG.DE ) 과 협력해 원격 부품 프린팅을 진행하고 있습니다. 주문형 프린팅은 공급망 병목을 해소하고 배송 시간을 75% 단축합니다.

임상 검증된 NextDent 3D 프린팅 레진은 현재 30가지 이상의 적용 분야를 다루며, 치아 복구에 중점을 둔 제품도 포함됩니다. 또한 회사는 University Hospital Basel과 협력해 최초의 3D 프린팅 PEEK 안면 임플란트를 발표했습니다.

최근 행사에서 3D Systems는 QuickCast® Diamond™와 PSLA 270, 대형 EXT Titan 펠릿 압출 프린터용 새로운 모듈 등 여러 신제품을 공개했습니다. 또한 고처리량, 정밀한 Figure 4® 135 3D 프린터와 Figure 4 Tough 75C FR Black 소재를 도입해 고혼합·소량 생산 비용을 낮추었습니다.

3D Systems 최신 소식

결론

보건 시스템은 지난 수십 년간 거대한 변화를 겪었습니다. 약초 혼합물에서 정교한 나노의학에 이르는 여정은 약물 전달이 기술 혁신에 의해 어떻게 진화했는지를 보여줍니다.

현재 Caltech 과학자들의 최신 개발은 의료 혁명의 눈에 띄는 진전입니다. 현재 영상용으로 사용되는 동일한 초음파를 이용해 DISP 플랫폼은 조직 깊숙이 침투할 수 있으며, 맞춤형 바이오잉크와 집중 초음파(FUS) 트랜스듀서의 조합이 정밀 프린팅을 가능하게 합니다.

기술이 더 큰 동물 모델과 인간 임상 시험으로 발전함에 따라, DISP는 생체 적합성, 정밀성 및 적응성을 갖추어 약물 전달 및 내부 치유 방식을 재정의할 가능성을 지니고 있습니다.

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참고 연구:

1. Davoodi, E., Li, J., Ma, X., Najafabadi, A. H., Yoo, J., Lu, G., Sani, E. S., Lee, S., Montazerian, H., Kim, G., Williams, J., Yang, J. W., Zeng, Y., Li, L. S., Jin, Z., Sadri, B., Nia, S. S., Wang, L. V., Hsiai, T. K., Weiss, P. S., Zhou, Q., Khademhosseini, A., Wu, D., Shapiro, M. G., & Gao, W. (2025). Imaging-guided deep tissue in vivo sound printing. Science, 388(6747), 616–623. https://doi.org/10.1126/science.adt0293

2. Debbi, L., Machour, M., Dahis, D., Shoyhet, H., Shuhmaher, M., Potter, R., Tabory, Y., Goldfracht, I., Dennis, I., Blechman, T., Fuchs, T., Azhari, H., & Levenberg, S. (2024). Ultrasound mediated polymerization for cell delivery, drug delivery, and 3D printing. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197