전흥재 가톨릭대 의과대학 의생명과학교실 교수가 양대혁 세포조직공학연구소 교수와 함께 이식되는 세포에 전혀 손상을 주지 않는 새로운 3D 바이오 프린팅 소재 및 시스템을 개발했다.  

3D 프린팅은 이식될 세포와 지지체를 병변의 형태와 크기에 맞게 설계 및 제조 할 수 있는, 소위 환자 맞춤형이라는 점에서 최근 줄기세포-재생의학분야에서 각광을 받고 있다.

프린팅의 원료인 바이오 잉크로 사용되는 소재는 다양하지만, 그 중 하이드로젤은 생체조직과 가장 유사한 구조를 지니고 있기 때문에 가장 큰 관심을 받고 있다. 그러나 수용성인 졸을 경화시켜 3차원 구조인 젤화를 하는 과정에 자외선이 사용되고, 자외선의 특성상 잉크와 함께 프린팅 되는 줄기세포에 큰 손상을 줄 수밖에 없다는 큰 문제점을 지니고 있었다.

전흥재 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 자외선이 아닌 가시광선 영역에서 경화가 가능한 소재를 개발하고자 했다. 천연물 중 생체재료로서 대단한 잠재력을 지닌 반면 난용성이라 사용에 제한을 받고 있는 키토산을 유기합성 기법을 도입하여 수용성의 3D 프린트용 잉크를 개발하였으며, 자외선이 아닌 가시광선 영역에서 프린팅을 가능하게 함으로써 이식된 세포에 전혀 손상을 주지 않는 3D 바이오프린팅 시스템을 개발했다.

연구팀이 선택한 키토산은 생체재료로서는 가장 광범위한 응용분야를 지닌 천연물이지만, 낮은 수용성으로 인해 바이오 잉크로는 활용되지 못했다. 

하지만, 키토산에 글리콜기가 도입돼 생성된 수용성 고분자 글리콜 키토산(GC)에 메타크릴화를 거치면 ‘메타크릴레이트 글리콜 키토산(MeGC)’이 만들어지는데, 연구팀은 MeGC이 자외선 뿐 아니라 가시광선에서도 경화가 가능하기 때문에 충분히 활용 가능성이 높다고 판단했다.

이러한 가설을 검증하기 위해 MeGC의 인쇄가능성(적층력), 단백질 흡착성, 세포생존성, 세포증식 등 다양한 요소를 분석한 결과 구조적으로 안정이고 독성이 적어 바이오잉크로서의 가능성을 확인할 수 있었다. 특히, 전구체 용액의 3%를 70초 동안 광경화하여 형성된 MeGC-70는 다른 조건의 바이오잉크보다 골 분화현상이 눈에 띄게 향상됨을 밝혀냈다.

연구팀은 이를 통해 이식된 세포에 전혀 손상을 주지 않는 가시광선 경화형 3D 바이오프린팅 시스템을 개발하게 됐으며, 포괄적인 조직공학 및 재생의료용 플랫폼으로서의 적용 가능성을 제시하였다. 

한편, 이 연구는 유기화학 분야 JCI랭킹 제 1위인 (Rank by JCI, Chemistry, Organic; 1/63), 세계 최고 권위의 국제 학술지 [Carbohydrate Polymers (IF=10.723)]에 7월 1일자로 게재되었다.

전흥재 교수는 “산업통상자원부의 지원(전략적 핵심소재 기술개발사업)을 받아 진행된 연구에서 뛰어난 성과를 낼 수 있어 기쁘다.”면서 “상용화되었을 때 임상에서 활용성이 매우 큰 기술인만큼 체계적이고 지속적인 후속 연구를 추진 중”이라고 밝혔다.

전흥재 가톨릭대 의과대학 의생명과학교실 교수(왼쪽)와 양대혁 세포/조직공학연구소 교수. (가톨릭대 의과대학 제공)