연세대 노영훈 교수팀 '인체 적합한 생체재료의 자유형상' 3D 프린팅 성공

연세대학교 노영훈 교수(생명공학과) 연구팀이 국내 3D 프린팅 종합솔루션 벤처기업인 ㈜링크솔루션(Lincsolution, 대표 최근식)과 공동연구를 통해 생체재료에 혼합물 조성이나 화학적 변형 없이 자유형상 구현이 가능한 새로운 3D 프린팅 기법을 개발했다. 이번 연구로 형태 유지력이 약한 생체재료의 정교한 3D 프린팅 활용 가능성이 학문적으로 제시됐다.

개인 맞춤형 생산 시대와 더불어 바이오헬스 및 의생명공학 분야에서도 3D 프린팅의 필요성이 대두되면서 인체 친화적인 생체재료를 이용한 3D 프린팅 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어 알긴산은 생분해성 및 생체적합성이 우수하고 이온 경화로 간단하고 신속하게 하이드로젤을 형성할 수 있어 3D 프린팅에 가장 많이 이용되는 생체재료 중 하나이다.

그러나 알긴산을 포함한 대부분의 생체재료들은 유체역학적으로 형태 유지력이 부족한 의소성 유체(pseudoplastic fluid) 성질을 띠기 때문에 3D 프린팅에 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 알긴산에 유체역학적으로 형태 유지력이 강한 빙햄 유체(Bingham plastic fluid) 성질을 지니는 물질을 섞어주거나 알긴산을 화학적으로 변형해 광가교 결합을 활용한 3D 프린팅 방법들이 시도되고 있지만, 알긴산의 순도 및 인체친화성이 감소하는 단점이 있다. 최근 프린팅 과정 중 확산에 의한 경화 반응을 이용해 순수 알긴산을 3D 프린팅 하는 방법이 보고됐지만, 출력 방식의 특성상 복잡한 구조체나 자유형상(freeform) 구현에 한계가 있다.

본 연구팀은 이런 한계점을 극복하기 위해 나노소재와 새로운 3D 프린팅 기법을 접목해 정교한 3차원 자유형상을 구현했다. 특히 빙햄 유체 성질을 지니는 인체친화적인 천연물 유래 나노셀룰로오스와 알긴산 이온 경화제인 염화칼슘을 섞어 나노 지지체 조성물을 만들고 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 통해 듀얼 노즐을 이용해 지지체 위에 알긴산이 출력되도록 설계했다. 지지체 위에 출력된 알긴산은 칼슘 이온의 확산을 통해 빠르게 부분 경화돼 형태 유지력이 증가됐고 안정적으로 출력됐다. 출력 후 염화칼슘 용액에 출력물을 담가주면 지지체 조성물은 완전히 제거되고 순수 알긴산은 2차 경화돼 3D 프린팅이 완성된다.

이 기법을 경구투여 약물 전달에 응용하기 위해 단백질 약물 모델을 탑재하고 알긴산 층과 나노셀룰로오스 층이 반복적으로 구성되는 다층막 동심구 모델을 제작했다. 이때 알긴산의 농도와 층의 넓이를 조절해 단백질 방출 속도를 정교히 조절했다. 정교한 약물 방출 속도 조절은 미래의학에서 요구되는 개인별 맞춤의료(personalized medicine)에서 필수적으로 요구되고 있어 그 의의가 있다.

본 연구에서 개발된 순수 생체재료의 자유형상 구현이 가능한 3D 프린팅 기법은 알긴산 외 이온 경화가 가능한 다양한 생체재료에도 폭넓게 적용할 수 있어 범용성이 높다. 그에 더해, 지지체 조성물로 사용한 나노셀룰로오스는 식물에서 얻을 수 있는 가장 풍부한 소재인 셀룰로오스를 나노 단위로 분해한 막대 형태 고분자 물질로, 사용 후 제거된 조성물에서 분리해 재사용할 수 있다는 점에서 친환경성 및 경제성이 매우 높은 장점이 있다.

노영훈 교수는 “이 연구는 형태 유지력이 약한 대부분의 생체재료 한계점을 극복하기 위해 추가 공정 없이 3D 프린팅으로 자유형상을 구현하는 것에 초점을 맞춘 연구”라며, “본 프린팅 기법은 경제성 및 범용성이 매우 높기 때문에 다양한 생체재료의 개인 맞춤형 바이오헬스 및 생체의료 응용 분야에 산업적으로 적용 가능할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 한국산업기술진흥원 및 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 고분자 분야의 국제 학술 권위지인 카보하이드레이트 폴리머스(Carbohydrate Polymers)에 8월 5일 온라인 게재됐다(논문명: Cellulose nanocrystals as support nanomaterials for dual droplet-based freeform 3D printing).

온라인 중앙일보