바이오/의료 분야에서도 인공조직 및 인공장기 제작을 위한 3D 바이오 프린팅에 대한 관심이 높아지고 있다. 3D 바이오 프린팅은 3D 프린팅 기술과 생명공학이 융합된 개념으로, 이를 이용하여 살아있는 세포를 원하는 형상으로 쌓아 올려 조직, 장기를 제작할 수 있다.

 

최근 3D 바이오 프린팅이 유망기술로 부각된 이유는 생체조직을 효과적으로 대체하거나 이식하기 위한 조직과 이식용 장기 부족 문제를 해결하기 위해 등장했다고 볼 수 있다. 보통 장기이식하면 기증자도 있어야 하고 유전자도 맞아야 한다는 제한적인 요소 때문에 3D 바이오 프린팅은 더욱 더 주목받고 있다.

 

‘3D 바이오 프린트’라는 것은 이 3D 프린트 기술에 ‘재료’를 바꾼 기술이라고 볼 수 있다. 즉, 어떤 모델을 입체적(3D)으로 만들어 낼 수 있다고 했을 때, 그 재료로 세포 같은 인체에 들어갈 수 있게 응용한 것이다. 그 결과, 세포나 생체재료(몸 안에 들어갈 수 있는 재료)를 이용해서 장기와 비슷한 크기와 모양의 인쇄물을 만들어낼 수 있게 된다. 기술이 발전해서 이렇게 만들어 낸 모형을 실제 장기로 대체할 수 있게 되면, 그것이 바로 ‘인공장기’가 된다.

 

3D 바이오 프린트가 일반 3D 프린트와 구별되는 점은 바로 프린트에 사용되는 ‘재료’라고 말할 수 있다. 일반적으로 ‘바이오잉크’라고 부르는데, 바이오잉크가 몸 안에서 얼마나 안전하게 버티는지, 장기의 기능을 얼마나 잘 대신할 수 있는지가 핵심이다. 예를 들어, 동물 세포를 재료로 썼을 때, 열에 의해 기능이 변하지 않고, 몸에 삽입되었을 때 원래 인간의 세포와 잘 융합되어야 한다.

 

세계 최초로 3D 바이오 프린트 기술을 이용한 사례는 나카무라 교수의 인공장기이다. 도야마대학의 나카무라 마코토 교수는 장기를 수평으로 얇게 자른 후에 층별 세포의 배열 순서를 알아내서, 생체 구조물을 3D로 찍어내는 데 성공하였다. 하지만 이 기술은 단지 인간의 장기를 3D 프린트를 통해 모사한 것에 그치지 않는다.

 

두 번째 주요 사례로는, 2018년 5월 영국 뉴캐슬대 연구진이 사람들에게 기증받은 각막 줄기세포를 이용해서 실제 각막과 유사한 인공장기를 만들었다. 해초에서 추출한 천연고분자인 알긴산염과 콜라겐에 기증받은 각막 세포를 섞어서 잉크를 만들어낸 후, 이를 3D 바이오 프린트로 인쇄한 것이다.

 

국내에서도 프린팅 기술을 이용해서 세계 최초로 인공 근육을 만들어냈다. 포스텍 조동우 교수이다. 조 교수는 근육 조직의 세포 속에 들어있는 세포외기질(ECM)이라는 부분을 바이오잉크로 사용해서 인공 근육을 만드는 데 성공했다. 이렇게 탄생한 근육은 실제 근육처럼 자극에 반응하는 움직임을 보여 더더욱 실물에 가까운 발전한 모습을 보인다.

 

한편, 기본적인 출력 방식은 일반 3D 프린팅과 동일하나, 3D 바이오 프린팅은 살아있는 세포를 출력하기 위해 생체적합성을 갖는 고분자, 생체 재료 등을 기본 소재로 사용한다는 차이점이 있다. 3D 바이오 프린팅 기법으로는 작은 크기의 방울로 재료를 분사하여 출력하는 잉크젯(Inkjet) 방식, 일정 점도 이상의 재료를 공압이나 피스톤으로 밀어내는 미세 압출(Micro-extrusion) 방식, 그리고 광 경화성 수지 표면에 광원을 조사하는 광 조형 방식이 있다.

 

잉크젯 방식은 출력 속도가 빠르고, 적은 비용이 장점이 될 수 있겠지만, 열응력에 의한 세포가 손상될 위험이 있다.

 

미세 압출 방식은 세포를 고밀도로 적층할 수 있어 다양한 형상 제작이 가능하다는 장점이 있어 가장 널리 사용되고 있지만, 프린팅 정밀도와 속도를 보다 향상시키는 것이 필요하다.

 

광 조형 방식은 노즐에서의 세포 막힘 현상이 없을 뿐만 아니라 정교한 프린팅이 가능하다는 장점을 가지고 있지만, 느린 출력 속도를 개선하고, 광 조형을 위한 소재와 세포간의 적합성을 향상시키는 것이 필요하다.

 

Transparency Market Research에서 발표한 ‘3D Printing in Medical Applications Market: Future Trends and Forecast’ 보고서에 따르면, 의료용 3D 프린터 세계 시장 규모는 2015년 5.4억 달러에서 연평균 성장률(CAGR) 15.4%로 증가하여 2021년에는 12.9억 달러 규모로 성장이 전망되었다.

 

<표1> 의료용 3D 프린터 시장 전망

세계: Transparency Market Research, "3D Printing in Medical Applications Market: Future Trends and Forecast", 2015 참조

국내: 세계 의료용 3D 프린터 시장 규모×국내 3D 프린터 세계 시장 *비중×환율(2016년 7월 기준 1$=1156.20원 적용)

*비중: 3D 프린팅 전략기술 로드맵(미래창조과학부/산업통상자원부, 2014)의 시장 전망에 의한 세계 대비 국내시장 비중

자료 : KISTI 마켓리포트 2016-23, ‘의료용 3D 프린터’

 

글로벌 시장조사 업체인 MarketsandMarkets에서 발표한 ‘3D Printing Medical Devices Market - by Component, Technology, Medical Products-Global Forecast to 2020’ 보고서에 따르면, 3D 프린팅 관련 의료기기 시장은 2020년까지 연평균 성장률(CAGR) 25.3% 수준으로 성장하여 21.3억 달러 규모로 성장한다고 전망된 바도 있다.

 

미국에서는 국립보건원(NIH)과 식품의약국(FDA)을 중심으로 의료 분야에서 3D 프린팅 기술에 대한 연구 지원을 추진하고 있다. 특히, 국립보건원에서는 3D 프린팅 의료기기의 정보를 공개함으로써 기업 및 연구자의 참여 기회를 제공한다. 한편, 식품의약국에서는 2025년까지 의료분야에서 3D 프린팅 시장이 가장 크게 성장할 것으로 예측하여 의료제품의 3D 프린팅 연구를 추진하고 있다.

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미국재료시험협회(ASTM)는 3D 프린팅 의료기기 분야의 표준 그룹을 생성함으로써 3D 프린팅 의료 기술과 관련하여 국제 표준을 제정하는 것을 추진하고 있다. 또한, America Makes라는 민간육성 지원체계를 운영하고 있을 뿐만 아니라, 식품의약국을 포함한 많은 관련 기관들이 3D 프린팅 기술 개발 및 산업화 추진을 주도하고 있다.

 

​EU에서는 3D 프린팅 의료기기 가이던스를 마련하고 EU 공동 프로젝트 및 국가별 의료 3D 프린팅 기술 개발에 투자하고 있다. 특히, 의료 3D 프린팅 분야를 새로운 성장 동력 및 일자리 창출 방안의 해결 요소로 판단함으로써 집중적인 투자를 진행하고 있다.

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​중국에서는 적층가공 산업발전 추진계획(2015~2016)을 수립하였고, 3D 프린팅 의료기기의 기술 개발과 임상 시험을 적극적으로 장려하고 있다. 중국에서는 의료분야 3D 프린팅을 가장 큰 분야로 관리함으로써 원재료 자국화 및 생체 고분자 등 소재 개발에 집중하였고, 임상시험 등 의료 3D 프린팅의 적극적인 선도 사례를 마련하려는 노력을 보이고 있다.

 

우리 정부도 8개 부처 합동으로 3차원 3D 프린팅 시장 수요 창출, 기술경쟁력, 산업 확산 및 제도적 기반 강화를 위한 ‘2019년 3D 프린팅 산업 진흥 시행계획’을 마련했다.

 

(1) 수요창출을 통한 시장성장 지원

▣ 시장 확산을 위한 선도사업 추진 : 의료기관을 대상으로 3D프린팅 기술 활용 선도사업 추진

 

○ 의료기기 실증 테스트베드*를 구축하고, 병원 수요와 연계하여 환자 맞춤형 의료기기(보형물, 수술기구 등) 제작 및 적용(과기정통부, 10억원)

* 의료기기 인증(GMP)에 필요한 멸균ㆍ세척ㆍ포장설비, 바이오 플로터 등

- 성형외과ㆍ이비인후과 분야 등에 진료과별 환자 맞춤형 3D스캐닝, 3D 디자인ㆍ설계 등을 통해 3D프린팅 의료기기 제작 지원

 

3D프린팅 의료기기 제작 및 적용 프로세스

 

○ 3D프린팅 의료기기의 시장 창출을 위해 맞춤형 임플란트 등 전략 품목의 시생산 및 임상실증, 실증지원체계 구축 추진(산업부, 52억원)

 - 의료기기 제조 인프라를 활용하여 기존의 규격화된 제품을 대체할 수 있는 맞춤형 의료기기 위탁제조 및 기술지원

* 4등급 의료기기 제조시설 GMP인증 추진(~‘20), 제조위탁 의뢰기업 확보(3개사)

 

 

(2) 기술 경쟁력 강화

▣ 차세대 핵심분야 기술개발 지원 : 시장 수요가 많고 미래 고부가가치 산업인 의료ㆍ바이오 분야 기술개발

 

○ ‘4D* 바이오 융합소재’ 기반 기능성 제품개발을 위한 사업화 지원센터 조성 및 평가장비** 구축, 시제품 개발 지원(산업부, 17.3억원)

* 3D + 환경 적응성(Dynamic)으로 자가 기능을 갖는 기능성 바이오 소재

** 클림프 캠핑기, 정제수제조시스템 등 11종의 시험평가 장비 도입

 

○ 환자 맞춤형 3D프린팅 응용 SW솔루션 개발 및 의료용 3D프린팅 통합지원 서비스 플랫폼 개발(과기정통부, 10억원)

* 정형외과ㆍ재활의학과ㆍ치과ㆍ이비인후과 치료물제작 SW기술 및 서비스 플랫폼 등

 

○ 작업자 및 사회적 약자 맞춤형 근골격 안전시스템 구현을 위한 복합 3D프린팅 활용 창의기술개발(과기정통부)

* 자가진단 SW기술, 근골격 안전시스템용 부품 최적화 기술 등

 

○ 바이오 3D프린팅을 이용한 동물실험 대체용 인공피부 모델 개발 및 상용화 추진(과기정통부)

* 전층 피부모델 제작 공정 확립 및 인공피부 제조기술 최적화, 인공피부 모델 시제품 제작

 

○ 유연동작 감지 및 제어용 센서 모듈 구현을 위한 다중 소재 3D 프린팅 기술 개발(과기정통부, 7.8억원)

* 다중 소재를 이용한 다기능 움직임 측정 가능 센서 어레이 시스템 개발

 

○ 3D프린팅을 이용한 호흡기 점막 조직 생체모사칩 개발 및 화학물질 유해성 평가 활용(과기정통부, 6.8억원)

* DNA 잔류량 5% 미만으로 균ㆍ바이러스 등이 없는 호흡기 점막 유래 바이오잉크 개발

 

○ 세라믹 3D프린팅 기반 맞춤형 인공발목관절 제작 융합 SW 기술개발(과기정통부, 6억원, 신규)

* 바이오세라믹 3D프린팅 기술 및 의료영상 데이터 기반 인공발목관절 설계 프로세스 개발

 

○ 난치성 암의 치료 방향 예측성 증대를 위한 바이오프린팅 기반 체외 암 모델 제작 기술개발(과기정통부, 4.5억원, 신규)

* 난치성 암의 바이오칩 제작을 통한 약물 스크리닝 기술 개발