바이오 잉크 #

바이오 잉크는 살아있는 세포 혹은 바이오 분자를 포함하며, 바이오 프린팅 기술에 응용하여 필요로 하는 구조물을 제작할 수 있는 소재를 통칭하는 용어이다. 따라서 바이오 잉크는 3차원 가공을 위한 물리적 성질과 세포가 목적된 기능을 수행하게 하기 위한 생물학적 환경을 제공하여 주어야 한다. 바이오 잉크는 우선 우수한 세포 친화성을 가져야 한다. 인공 조직 및 장기 재생의 경우는 프린팅된 세포의 증식 및 분화에 유리한 생물학적 환경이 바이오 잉크로부터 주어져야 한다. 프린팅 공정이 길어질 때는 카트리지 내에서 세포의 생존에 필요한 영양분과 산소의 공급이 적절히 이루어져야 한다. 또한, 프린팅 과정에서 발생하는 물리적 스트레스로부터 세포를 보호할 수 있어야 한다. 그 외에도 바이오 잉크는 3차원 형태화의 반복성, 생산성, 노즐의 막힘이 없어야 하는 등 프린팅 공정상에서 필요로 하는 물리적 성질을 가져야 한다. 이처럼 살아 있는 세포를 이용하는 3D 바이오 프린팅 기술이 요구하는 잉크가 가져야 할 특성은 매우 다양하며 서로 복잡하게 얽혀 있다. 우수한 바이오 잉크 기술의 개발은 우수한 바이오 프린팅 기술 개발의 핵심이라 할 수 있다.

바이오 잉크의 특성 – 생물 활성 #

바이오 잉크는 인쇄적성 외에 세포의 생존력을 향상하고, 나아가 세포의 부착, 성장과 이주 그리고 분화를 촉진하는 특성을 가져야 한다. 즉 바이오 잉크는 세포적합성과 생물 활성을 가지고 있어야 한다. 바이오 잉크는 프린팅 프로세스 동안 열과 전단응력에 노출되어 바이오 잉크 안의 세포는 생존력이 낮아지게 된다. 천연 유래 바이오 잉크들(collagen, Matrigel, hyaluronic acid 등)은 대체로 세포적합성과 생물 활성이 좋은 장점이 있다. 전단감소특성과 낮은 열전도를 갖는 수화젤과 같은 바이오 잉크는 세포의 생존력을 향상한다. 기존의 프린팅 프로세스(압출 기반, 잉크젯 기반, 레이저 기반 프린팅 프로세스)에서 바이오 잉크의 세포 생존력은 80~95% 정도이다. 한편 바이오 잉크는 세포의 생존력 외에 세포의 성장, 이주, 분화까지 조절하는 특성을 가져야 대체하고자 하는 인체의 조직과 기관과 같은 기능을 할 수 있다. 세포의 성장과 이주를 위해서 바이오 잉크는 세포부착을 촉진하는 펩타이드들(cell adhesion peptides: RGD (Arg-Gly-Asp), YIGSR (Tyr–Ile–Gly–Ser– Arg), KQAGDV (Lys-Gln-Ala-Gly-Asp-Val)이 포함되어야 한다. CELLINK A-RGD와 Gel4Cell 바이오 잉크들이 대표적인 세포부착 펩타이드를 포함한 제품들이다. 아울러 바이오 잉크는 원하는 조직으로의 세포 분화를 유도하기 분화유도인자들을 추가로 포함해야 한다. Gel4Cell-BMP, Gel4Cell-VEGF, Gel4Cell-TGF와 같은 바이오 잉크들은 골유도, 혈관생성, 연골생성 응용으로 판매되고 있다. Osteoink™는 사람의 뼈와 유사한 화학성분의 calcium phosphate(인산칼슘) 페이스트(paste)로 뼈 재생에 쓰이는 바이오 잉크이다. 한편 실제 인체의 조직과 기관들은 매우 복잡한 혈관 구조와 다양한 세포외 기질들로 구성되어 있다. 이런 구조와 단백질 구성을 맞추기 위해서 다양한 종류의 단백질 기반 바이오 잉크들을 동시에 프린팅할 수 있는 기술이 요구된다.

바이오 잉크들
출처 : 이배훈, 3D 바이오 프린팅을 위한 바이오 잉크 개발 동향, BRIC View 동향리포트, 2017.

상품화된 바이오 잉크들 #

상품화된 바이오 잉크들은 천연물질로 유래한 CollagenMA (collagen methacryloyl), GelMA (gelatin methacryloyl), alginate, HAMA (hyaluronic acid methacrylate) 등이 있으며 화학적으로 합성한 바이오 잉크로는 온도 감응성 고분자인 Pluronic®, Calcium phosphate(인산칼슘), PEGDA (poly(ethylene glycol) diacrylate) 등이 있다.

[그림2] 대표적인 바이오 잉크들의 화학 구조
출처 : 이배훈, 3D 바이오 프린팅을 위한 바이오 잉크 개발 동향, BRIC View 동향리포트, 2017.

단백질 바이오 잉크(Collagen MA(methacryloyl)와 GelMA (gelatin methacryloyl)) #

Collagen은 동물조직에서 가장 풍부한 세포외 기질을 구성하는 성분으로 조직의 구조적 지지와 세포 신호들을 조절하는 역할을 한다. Collagen은 세포부착 특성과 세포에서 방출하는 metal matrix proteinases (MMPs)에 의해 분해되는 특성이 있다. Collagen은 보통 세 개의 펩타이드 (Gly-X-Y, X와 Y는 주로 proline과 4-hydroxyproline)의 반복된 형태를 띠며 생체조건에서 triple helix 구조를 형성한다. Collagen은 산성용액에서 녹는 성질이 있으며 생리학적 pH에서 젤을 형성한다. Collagen을 methacrylic anhydride를 통해 methacryloylation 시켜 광개시제 존재하에서 젤화를 시킬 수도 있다. GelMA (gelatin methacryloyl)는 gelatin을 methacryloylation 시켜 광경화 특성을 부여한 재료로써 CollMAGel에 비해 상대적으로 저렴하다. Gelatin은 동물의 뼈, 피부, 근육으로부터 얻은 collagen을 산 처리 또는 알칼리 처리하여 가수분해하여 얻어진다. Gelatin 자체는 37℃에서 물에 녹는 특성이 있어 기계적 강도가 약하다. 광경화성 GelMA는 collagen과 gelatin처럼 세포부착 아미노산 펩타이드인 arginine-glycine-glutamic acid (Arg-Gly-Glu, RGD)를 갖고 있고, metal matrix proteinases (MMPs)에 분해될 수 있는 생물학적 특성을 유지하고 있다. GelMA에 붙은 methacryloyl group은 개시제 존재하에서 빛에 의해 젤화되며 GelMA의 기계적 강도(1-100 kPa)는 주로 GelMA의 농도와 degree of methacryloylation (DM), 그리고 개시제 농도, 빛의 강도와 노출 시간에 의해 조절된다. GelMA는 gelatin을 수용액에서 methacrylic anhydride와 반응을 통해 얻어진다. 반응 온도와 용액의 pH, 그리고 gelatin과 methacrylic anhydride의 반응비가 GelMA의 degree of methacryloylation을 결정하는 중요한 반응 인자들이다. 현재 몇 개의 회사들(CELLINK, BioBots, Bioink Solutions, Alladin 등)이 GelMA를 시판하고 있다. GelMA는 37℃에서 낮은 점성을 가지고 있어 인쇄적성을 향상하기 위해 GelMA에 알지네이트(alginate) 또는 온도 감응성 고분자인 Pluronic®을 추가하여 인쇄 후 3D 프린트된 형상 유지를 향상할 수 있다. 특별히 GelMA에 성장인자들(BMP, VEGF, TGF 등)을 첨가하여 뼈 조직공학(Gel4Cell®-BMP), 혈관재생(Gel4 Cell®-VEGF), 그리고 연골재생(Gel4 Cell®-TGF)으로 활용될 수 있는 바이오 잉크도 있다.

합성 바이오 잉크(PEGDA와 Pluronic®) #

PEGDA (poly(ethylene glycol) diacrylate)는 수용성 합성 고분자로서 개시제 존재하에서 빛에 의해 젤화된다. PEGDA는 PEG을 triethylamine 촉매와 함께 methylene chloride 용매에 녹인 후 acryloyl chloride를 첨가하여 합성할 수 있다. PEGDA 바이오 잉크는 세포의 부착성과 생분해성이 없으므로 세포 부착 펩타이드(RGD)와 효소분해 펩타이드를 첨가하여 활용된다. 네 가지를 갖은 4armed PEGDA은 SH을 포함한 펩타이드 물질들과 Michael-type addition 반응과 빛에 의한 라디칼 반응을 할 수 있고 다양한 생물 활성 물질들을 첨가할 수 있어 앞으로 바이오 잉크로 폭넓은 사용이 기대된다. 또한 PEGDA의 물리적 젤화 특성 부여를 위해 Pluronic® 고분자를 추가로 첨가하기도 한다. Pluronic®은 pol(ethylene glycol)-poly(propylene glycol)-poly(ethylene glycol)의 triblock 공중합체의 구조를 가진다. Pluronic®은 낮은 농도에서 마이셀을 형성하며 F127와 같은 Pluronic®은 20% 이상의 농도와 37℃에서 젤화되는 특성이 있어 바이오 잉크의 첨가제로써 활용된다. 아울러 Pluronic®은 acrylation 또는 methacrylation을 통해 광가교가 되는 바이오 잉크로 활용될 수 있다.

다당류 바이오 잉크(Alginate와 Hyaluronic acid) #

Alginate은 해초로 얻어진 a-L-guluronic acid and b-D-mannuronic acid로 구성된 음이온 다당류의 한 종류이다. Alginate은 칼슘이온 하에서 빠른 가교를 할 수 있어 바이오 잉크 재료로 활용된다. Alginate은 methacrylic anhydride(MAA)로 처리하여 이온 가교 외에 광경화를 시킬 수 있는 이중 젤화 alginate 바이오 잉크로도 활용된다. 다만 alginate 단독으로는 세포부착 특성을 줄 수 없으므로 RGD와 같은 펩타이드 또는 GelMA와 병행하여 사용된다. Hyaluronic acid는 연결 조직과 신경조직에 풍부한 glycosaminoglycan으로써 상처치료, 혈관생성에 중요한 역할을 하며 세포의 표면 단백질들 CD44, CD54, 그리고 CD168과 상호작용을 한다. Hyaluronic acid를 methacrylation 시킨 hyaluronic acid methacrylate은 빛에 반응하여 가교 후 프린트된 구조를 유지할 수 있다. Hyaluronic acid methacrylate은 연골재생을 위한 바이오 잉크로 활용될 수 있다.

바이오 잉크 기술이 극복해야 할 과제 #

3D 바이오 프린팅은 조직공학, 재생의약, 그리고 제약 분야에서 활용될 수 있는 미래의 핵심 기술이다. 바이오 프린팅 기술의 진보는 인공 장기 재생을 통한 미래 의학의 한 면모를 보여주고 있다. 그러나 아직은 해결되어야만 하는 기술적 난제가 다수 존재한다. 특히 바이오 잉크 기술은 프린팅 공정 및 인공 장기 재생에 직접적인 영향을 주기 때문에 우선적인 연구가 필요하다. 바이오 잉크는 기본적으로 인쇄적성, 프린트된 구조물의 구조적 안정성을 줄 수 있는 젤화 특성, 그리고 세포 상호 간 그리고 세포와 잉크 간의 상호작용, 구조체 안의 혈관화, 세포의 분화를 조절할 수 특성을 가져야 한다. 하지만 현재까지 이와 같은 조건들을 완벽하게 만족하는 바이오 잉크는 없다. 먼저 생체의 마이크로 구조를 모방하기 위한 프린팅 기술의 분해능이 충분하지 못하다. 여러 연구를 통하여 수십 μm의 고 분해능 프린팅 기술이 소개된 바 있다. 그러나 대부분 2차원에서의 결과이며, 3차원 프린팅에서는 대체로 100μm 정도로 보는 것이 적당하다. 분해능의 향상을 위해서는 프린팅 과정에서 발생하는 물리적 스트레스를 바이오 잉크가 최소화시켜줘야 한다. 이를 위하여 여러 연구자가 유동에서 전단 감소 현상을 가지는 의가소성 유체 (pseudo-plastic fluid)의 특성을 가지는 바이오 잉크 개발에 관심을 두고 있다. 그리고 긴 공정 시간 동안 바이오 잉크에 포함된 세포가 괴사하지 않도록 방지하여 주어야 한다. 또한, 바이오 잉크는 특정 조직으로의 분화에도 좋은 생물학적 환경을 제공하여야 한다. 그리고 나아가 서는 생체 내에서 안정된 조직의 재생에 적절한 생분해 특성을 가져야 한다. 너무 빠른 분해는 구현된 3차원 세포 패턴이 생체 내에서 무너지게 하며, 너무 느린 분해는 인공생체 조직 재생을 방해하기 때문이다. 최근 들어 바이오 잉크의 성능을 향상하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 아직은 생체 외에서의 프린팅 공정에 초점을 맞추는 경우가 많다. 성인을 구성하는 세포는 약 60~100조에 이른다. 그리고 세포의 종류에 따라 필요로 하는 생물학적 환경이 크게 달라진다. 따라서 각 세포에 특화된 잉크의 개발은 더욱 우수한 조직 및 장기 개발에서 중요한 사항이다. 이러한 관점에서 최근 들어 연구되고 있는 탈세포 기반 바이오 잉크나 기존 생체 재료의 화학적 변형 등의 연구는 아주 주목할 만하다 할 수 있다. 더 우수한 바이오 잉크 개발은 프린팅 공정과 직접 연관되어 우수한 조직 및 장기 재생을 이룰 수 있는 가장 핵심적인 역할을 할 것이다. 앞으로의 과제는 다양한 조직과 기관의 세포외 기질들을 모방한 조직 맞춤형 바이오 잉크들과 혈관재생을 조직 내 구조와 유사하게 만들 수 있는 바이오 잉크들을 개발하는 것이다.

참고문헌 #

1. 강현욱, 3D 바이오 프린팅 기술을 위한 바이오 잉크, 분자세포생물학 뉴스레터, 2016.
2. 이배훈, 3D 바이오 프린팅을 위한 바이오잉크 개발 동향, BRIC View 동향리포트, 2017.