3D 프린팅 생물 의학 재료 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-11

현재 뼈 종양 치료 분야에서 비교적 일상적으로 사용되고 있는 임상 치료 방법으로는 주로 수출 치료, 방사선 치료와 화학 치료 방법이 있다. 전통적인 방사선 치료와 화학 치료 방법은 모두 비교적 큰 부작용을 일으키고 있으며 수술 치료도 일반적으로 뼈 종양 세포 잔류가 존재할 뿐만 아니라 큰 덩이의 뼈 손상을 발생시키게 된다. “어떻게 하면 뼈 종양을 치료하는 동시에 뼈 손상을 회복시킬 수 있는 바이오 재료를 개발할 것인가”라는 과제는 큰 도전적인 과제가 되고 있다. 중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소 우청톄(吳成鐵) 연구원 연구팀은 창장(常江) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하고 최초로 뼈 조직 공정과 광 열 치료를 결합시키는 전략을 제시하고 뼈 종양 결손을 치료하는데 사용할 수 있는 광 열 기능화 바이오 활성 세라믹 받침대 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용하여 바이오 세라믹과 산화 그래핀 복합 받침대를 개발하였다(그림 1. 참조). 연구팀은 초 저 파워 근 적외선 하에서 받침대 온도를 신속히 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 광 열 성능을 제어할 수 있는 기술을 개발하였는데 체 외 뼈 종양 세포 제거 비율을 90% 수준에 도달시킬 수 있는 것으로 나타났다(그림 2. 참조). 연구팀이 실험용 작은 쥐 체 내에 이식한 기능화 받침대에 대해 광 조사를 실행한 결과 실험용 누드 작은 쥐 피하 종양 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 것으로 나타났으며 비교 그룹 종양 체적은 일자에 따라 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다(그림 3. 참조). 동시에 이런 받침대는 뼈 사이 중간 엽 줄기세포의 증식(proliferation)과 뼈 형성 분화를 추진하는 동시에 체 내에서 새롭게 생성되는 뼈 조직으로 하여금 안으로 자라도록(Ingrowth) 유도하여 바이오 세라믹 받침대로 하여금 3D 프린팅을 실행할 수 있도록 함으로써 종양 저항과 뼈 회복을 실현할 수 있는 이중 기능 특성을 보유할 수 있도록 하고 뼈 종양 치료와 회복 속에서 잠재적인 응용 특성을 보유할 수 있도록 한다. 현재 연구팀의 관련 연구 성과는 나노재료 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 접수된 상황이다. 동 논문의 제1저자는 현재 대학원 박사과정에 있는 마훙스(馬紅石)다. ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 학술지 편집인 이번 연구 성과에 대해 “디자인이 매우 이상적인 연구 성과로서 뚜렷한 혁신성을 보유하고 있으며 전통 바이오 받침대가 종양 치료와 뼈 회복을 동시에 실현하지 못하는 문제를 해결하였다”고 높이 평가하였다. 현재 연구팀은 관련 연구 성과에 기반하여 중국 특허를 신청한 상황이다. 그 외, 연구팀은 3년간의 지속적인 탐색을 통해 전통 3D 프린팅 기술 분야에서 존재하고 있는 바이오 세라믹 받침대 대공성 스케일과 대공성 구조에 대한 제어 가능성이 높지 못했던 문제점을 해결하는데 성공하였다. 최근 연구팀은 3D 프린팅 방법으로 멀티 레벨 스케일, 복잡 구조의 바이오 세라믹 받침대를 개발하는데 성공하였는데 구체적으로 바이오 세라믹 중공관 다공성 받침대 및 대공성-메조 포러스 조합의 다공성 받침대가 포함되고 있다. 이런 신형 받침대 재료는 더욱 이상적으로 인체 조직의 복잡 구조를 시뮬레이션 할 수 있으며 뼈 형성, 혈관화 형성 성능은 뚜렷이 향상된 것으로 나타났다. 연구팀의 관련 연구 성과는 ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale 및 Acta Biomaterialia 등 국제 학술지에 게재되었다(Nanoscale. 2015; 7(45): 19207-21，ACS Applied Materials & Interfaces. 2015; 7:6541-6549. Acta Biomaterialia. 2014; 10(1): 463-476). 이번 연구는 중국 정부의 ‘천인계획(千人計劃)’ 프로그램 비용, 국가과학기술부의 ‘첨단기술 산업화 프로젝트(863 계획)’ 비용, 중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소의 ‘혁신 중점 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다. 그림 1. 3D 프린팅을 통해 개발된 순수 바이오 세라믹 받침대(좌측)와 바이오 활성 세라믹/산화 그래핀 복합 받침대(우측). 그림 2. 3D 프린팅을 통해 개발된 세라믹/그래핀 복합 받침대가 근 적외선 광 유도의 광 열 효과가 종양 세포를 효과적으로 제거함(b, c, d, e, f and m). 만일 근 적외선 광 조사가 없고 순수 바이오 세라믹 받침대일 경우 종양 세포 성장은 완벽한 것으로 나타남(a, f, g, h, j, k, l, n, o and p). 그림 3. 실험용 누드 작은 쥐 근 적외선 광 조사 시 광 열 이미지(a)와 온도 변화 곡선(b). 종양 생체 형광 이미지(c)임. 종양 체적 변화 곡선(d). 실험용 누드 작은 쥐의 치료 전과 후 사진 비교 이미지(e). 20151208.1.jpg 20151208.1-1.jpg 20151208.1-21.jpg http://www.cas.cn/syky/201512/t20151207_4488505.shtml