콜라겐 3D 바이오프린팅, 섬유가 되는 시점을 어떻게 조절할까

안녕하세요. 3D프린팅·CNC·다양한 소재 전문 플랫폼 기업 아이컨택입니다.

콜라겐 잉크는 노즐을 지날 때는 흘러야 하고, 출력한 뒤에는 모양을 지탱해야 한다. 프라운호퍼 ISC·IAP·IMWS·IZI-BB 공동 연구진은 셀룰로오스 황산염으로 섬유 형성을 잠시 늦췄다가 출력 후 다시 진행시키는 방법을 개발하고 있다.

프라운호퍼 측 자료를 바탕으로, 이 잉크가 출력 전후에 어떻게 달라지는지 살펴보자. 3D 바이오프린팅은 세포와 생체 재료를 잉크처럼 쌓아 조직 구조를 만드는 기술이다.

AI 개념 이미지: 콜라겐 바이오잉크가 출력된 뒤 섬유 구조를 형성하는 과정을 보여준다. 실제 연구 장비나 조직의 사진은 아니다.

콜라겐 바이오잉크는 왜 출력 전까지 흘러야 할까

콜라겐 사슬은 스스로 얽혀 아주 가는 실 같은 섬유를 만든다. 이렇게 섬유가 생기면 콜라겐은 다시 형태를 잡기 어려울 만큼 강해진다. 노즐에서 모양을 만들어야 하는 잉크에는 이 변화의 시점이 중요하다.

그렇다고 계속 흐르는 상태로 둘 수도 없다. 조직을 이루는 섬유성 단백질은 자연스러운 배치를 이뤄야 한다. 연구진은 단백질이 그 배치를 만들어 가는 과정을 ‘재조직화’라고 부른다.

연구진은 콜라겐에 셀룰로오스 황산염을 결합시킨다. 그러면 재조직화가 일찍 시작되는 것을 막고, 단백질을 녹아 있는 출력 가능한 상태로 유지할 수 있다고 설명한다.

이때 양전하를 띤 콜라겐이나 엘라스틴 분자를 음전하를 띤 셀룰로오스 유도체 기반의 큰 분자로 감싼다.

출력이 끝나면 온도를 높인다. 앞서 유지하던 안정화가 풀리면서 구조 단백질이 스스로 섬유나 그물 같은 형태로 배열된다. 흐르는 잉크에 필요한 시간과 섬유 구조가 필요한 시간을 나누는 방식이다.

PhysioINK 참여 기관은 이 원리로 I형 콜라겐, IV형 콜라겐, 엘라스틴 기반 잉크를 개발 중이다. 서로 다른 구조 단백질을 다루지만, 출력 가능한 상태를 먼저 확보한다는 접근은 같다.

프라운호퍼 측에 따르면 I형 콜라겐 잉크는 4°C 냉장 상태에서 겔화하지 않았고, 지금까지 확인된 최장 보관 기간은 약 9개월이었다. −20°C에서 냉동한 잉크도 겔화 특성을 잃지 않았다.

프라운호퍼 측 초기 시험에서 여러 노즐로 출력한 I형 콜라겐 잉크는 농도 3%일 때 출력 후와 겔화 중에도 퍼졌다. 농도 5%와 7%에서는 받침 없이 형태를 유지하는 자립 구조를 출력했다. 겔화는 흐르던 재료가 젤처럼 연결되는 변화를 뜻한다.

연구팀은 I형 콜라겐 잉크로 초기 피부 조직 모델도 출력했다.

연구진은 출력된 조직 속 인간 세포의 대사를 실시간으로 관찰해 영양 공급을 추적할 수 있다고 설명한다. 이 정보로 조직 구조의 품질을 평가하고 형태를 체계적으로 개선할 수 있다.

아이컨택은 피부 조직 모델처럼 출력 직후 형태를 유지할 필요가 있는 구조를 구상할 때 잉크 농도를 살펴볼 만하다고 본다. 앞선 농도별 시험이 보여준 차이를 설계 질문으로 가져오는 해석이다.