시사위크=박설민 기자 국내 연구진이 인공장기와 세포를 손쉽게 만들 수 있는 ‘바이오프린팅’ 기술 개발에 성공했다. 높은 해상도로 정교한 인공장기, 세포를 토출할 수 있어 차세대 바이오프린팅 산업 분야 활성화의 초석이 될 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 이병철 바이오닉스연구센터 책임연구원팀이 압전물질인 ‘PMN-PZT’를 활용, 기존보다 두께가 얇으면서도 성능은 향상된 차세대 바이오잉크용 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다고 8일 밝혔다. 이번 연구는 백승협 KIST 전자재료연구센터 책임연구원팀, 김태근 고려대 교수팀과 공동 진행했다.

바이오프린팅은 세포와 하이드로젤 등의 바이오잉크를 사용해 인체 조직이나 장기와 같은 3차원 구조물을 제작하는 기술이다. 기존 잉크젯은 동작 시 발생하는 열로 인해 온도에 민감한 바이오잉크를 토출하기 어렵다. 또한 대부분 하나의 바늘을 가지는 주사기 형태의 단순한 프린팅 장비를 활용하는 방식이어서 뇌, 폐, 심장 등의 인공장기를 제작하는 데 오랜 시간이 걸린다.

이 같은 문제를 해결하고자 연구팀은 고성능의 PMN-PZT 박막을 사용해 다중 노즐을 가진 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다. PMN-PZT란 ‘납 마그네슘 나이오베이트-납 지르코네이트 티타네이트’로 ‘압전 물질’의 일종이다. 압전 물질은 압전 효과(압력으로 만들어진 전기)를 나타내는 물질이다. 특정 재료 및 전압과 반응해 전하를 생성하고 변형되는 능력을 갖는다.

연구팀은 압전 물질의 이 같은 특성을 이용, 새로운 바이오잉크용 잉크젯 프린트 헤드를 만들었다. 이 기술은 300μm 간격으로 배치된 16개의 잉크 토출부를 각각 조절할 수 있어 기존 방식 대비 구동 효율을 16배 높였다. 이는 바이오프린팅의 생산성과 안정성을 높여 인공장기의 생산시간을 단출할 수 있다.

새롭게 개발한 잉크젯 프린트 헤드로 성능 테스트도 진행했다. 그 결과 바이오잉크인 하이드로젤을 기존 헤드 대비 2분의 1 수준인 직경 32μm 크기로 출력하는 데 성공했다. 프린트 출력 속도는 초속 1.2m로 기존 방식 대비 약 60배 빨라졌다. 발열 효과를 73.4% 줄여 출력 시 온도 상승을 3.2도 이내로 유지했다. 이는 고점도 물질의 정밀한 토출이 가능해지고 온도에 민감한 바이오잉크의 변성을 최소화할 수 있다는 의미다.

KIST는 이번에 개발된 PMN-PZT 기반 프린트 헤드가 인공장기 이식 및 약물 독성 평가 등 오가노이드 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 기존 바이오잉크 프린트 헤드는 열 안정성 문제로 바이오프린팅 기술의 적용이 어려웠다. 또한 의료 분야 외 전자부품 등 다양한 산업군에서도 폭넓게 적용될 것으로 기대된다.

이병철 KIST 책임연구원은 “PMN-PZT 박막 소재를 사용한 새로운 프린트 헤드는 고해상도 3D 오가노이드 장기 모델 제작에 대한 가능성을 높였다”며 “젤라틴 등 다양한 바이오잉크를 시도해 실제 이식 치료 및 독성 평가에 적용이 가능한 장기를 만들 수 있는 3차원 바이오프린터를 상용화할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 국제학술지 ‘Sensors and Actuators B: Chemica’에 게재됐다.

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