[뉴스비전e 정윤수 기자] 세계경제포럼(WEF)에서 ‘4차 산업혁명’을 미래 성장의 원동력으로 부각시키면서 주요국들은 과학기술 및 ICT 분야의 경쟁력 강화를 위해 노력 중이다. 3D 프린팅, 사물인터넷(IoT), 바이오, 인공지능(AI) 등이 4차 산업혁명의 주요기술로 부상하였고, 이들 기술간 융합은 새로운 기술을 만들 것으로 예상된다.

특히, 3D 프린팅과 생명공학이 결합한 바이오 프린팅과 사이버물리시스템(CPS)으로 연결되면서 새로운 부가가치를 창출할 것으로 전망되고 있다. 

최근 국내 연구팀의 귀재건에 있어서의 3D바이오 프린팅 적용 시도가 관심을 받고 있다. 

충남대병원이 환자 귀 골격 자료를 바탕으로 귓바퀴 연골세포를 배양하면, 기계연구원은 3D 바이오 프린팅 기술로 귀를 만드는 기술 개발을 추진한다.

바이오소재가 되는 귓바퀴 연골세포는 의료분야에서, 3D바이오프린팅 기술은 산업이 담당하게 되는 이른바 '코라보레이션'이다. 

충남대병원은 이렇게 만들어진 귀를 동물에 이식해 생체 적합성을 확인할 예정이다. 

인간의 생명을 다루는 바이오 공학과 미래 맞춤형 제조 방식인 3D프린팅 기술이 융합된 바이오 프린팅 기술에 대해 알아보고 부상된 배경에 대해서 살펴본다. 

▲ 3D 바이오 프린팅 기술과 다양한 방법들

3D 바이오 프린팅은 설계의 확인 및 평가를 위한 시제품 제작을 위해 주로 사용되는 쾌속 조형(Rapid Prototyping: RP) 기술을 생체조직에 응용한 적층 방법으로, 살아있는 세포를 원하는 형상 또는 패턴으로 적층하여 조직이나 장기를 제작하는 기술이다.

일반적으로는 하이드로겔과 사람의 세포를 섞어 출력소재로 사용할 바이오 잉크를 제작한 다. 다음은 3D CAD 모델로 제작된 STL 파일을 슬라이싱(slicing)하여 프린터의 노즐로 바이오 잉크를 분사하여 조직의 형태를 생성한다. 

여기에 지속적으로 영양분을 공급하면 세포가 자라나 하이 드로겔을 채우고, 세포를 보호하고 형태를 잡아주던 하이드로겔은 일정 시간이 지난 후 분해되어 조직이 완성된다. 

3D 바이오 프린터 또한 계속 발전하고 있는데, 일반적으로 많이 쓰이는 방식은 잉크젯(inkjet) 바이오 프린팅이다. 미세압출 (microextrusion) 바이오 프린팅은 상업적으로 가장 많이 사용되는 방식의 프린팅이다. 레이저 보조(Laser Assisted) 바이오 프린팅은 레이저를 이용해서 재료에 에너지를 전달하여 구조를 만드는 방식이다.

▲ 3D 바이오 프린팅 급부상의 기술적·사회적 배경

다보스 포럼은 글로벌 리스크 보고서(Global Risks Report)에서 ‘12대 유망기술’을 선정하여 발표했는데, 조사결과 인공지능과 로보틱스 기술이 가장 유망기술로 선정되었으며, 바이오 기술과 3D 프린팅도 유망기술에 포함되어 있다. 

이 보고서는 위험관리기관인 Marsh& McLennan 과 스위스 취리히 보험그룹(ZIG)이 900 명의 글로벌리더를 대상으로 조사하였으며, 일부를 세계미래위원회 (Global Future Council)에서 2016년 11월에 공개했다.

동종이식 (allograft)은 가장 안정이 높으나 장기 공여자가 부족하고, 이종이식(xenograft)은 면역거부 반응을 유도하여 이식한 장기가 괴사하거나, 인간에게는 치명적인 동물유래 바이러스 등으로 인한 교차 감염의 위험이 존재한다. 

이로 인해  3D 바이오 프린팅은 손상된 생체조직을 효과적으로 대체하거나 이식하기 위한 조직과 이식용 장기 부족 문제를 해결하기 위해 등장했다. 

높은 수준에 이른 의료공학이 급속한 성장을 보이고 있음에도 불구하고, 인체 장기나 조직 이 손상되는 질병은 치료에 막대한 경비가 소요되며, 노령화에 따른 수요 증가로 사회 전반의 심각한 문제로 대두되면서 3D 바이오 프린팅은 이런 상황을 해결해줄 기술로 부각되고 있다.