소리를 이용한 생체 내 3D 프린팅

의사들이 박동하는 심장 내부에서 조직 재생에 필요한 세포를 필요한 곳에 정확하게 전달할 수 있는 소형 캡슐을 정밀하게 인쇄할 수 있다고 상상해 보세요.

캘리포니아 공과대학(Caltech)이 이끄는 과학자 팀은 살아있는 동물의 내부 깊숙한 특정 위치에 폴리머를 3D 프린팅하는 방법을 개발함으로써 그 궁극적인 목표를 향한 중요한 진전을 이루었습니다.

이 기술은 소리를 이용하여 위치를 파악하며, 선택적 약물 전달을 위한 폴리머 캡슐과 내부 상처를 봉합하는 접착제와 같은 폴리머를 인쇄하는 데 이미 사용되었습니다.

이전에 과학자들은 적외선을 이용하여 살아있는 동물 내에서 중합체의 기본 단위인 단량체를 연결하는 중합 반응을 유도해 왔습니다.

캘리포니아 공과대학(Caltech) 의공학과 교수이자 헤리티지 의학 연구소(Heritage Medical Research Institute) 연구원인 웨이 가오(Wei Gao)는 "하지만 적외선의 침투는 매우 제한적입니다. 피부 바로 아래에만 도달합니다."라고 말합니다. "저희의 새로운 기술은 심부 조직까지 도달하여 다양한 응용 분야에 적합한 다양한 소재를 인쇄할 수 있으며, 동시에 뛰어난 생체 적합성을 유지합니다."

가오와 그의 동료들은 사이언스 (Science) 저널에 새로운 생체 ​​내 3D 프린팅 기술을 보고했습니다.

이 논문은 약물 및 세포 전달을 위한 생체 접착성 젤과 폴리머 외에도, 심전도(ECG)와 같은 생리적 생체 신호의 내부 모니터링에 사용되는 전도성 물질이 내장된 폴리머인 생체 전기 하이드로젤을 인쇄하는 기술을 활용하는 방안도 설명합니다. 이 연구의 주저자는 유타 대학교 기계공학과 조교수인 엘햄 다부디로, 캘리포니아 공과대학(Caltech) 박사후연구원 시절 이 연구를 완료했습니다.

새로운 아이디어의 기원

심부 조직 생체 프린팅을 실현할 방법을 찾고자 가오와 그의 동료들은 생체 의학에서 심부 조직 침투에 널리 사용되는 플랫폼인 초음파를 활용했습니다. 하지만 그들은 특정 위치에서, 그리고 필요할 때만 단량체의 가교 결합, 즉 결합을 유발하는 방법이 필요했습니다.

그들은 새로운 접근법을 고안했습니다. 초음파와 저온 민감 리포좀을 결합하는 것입니다. 보호 지방층을 가진 구형 세포 유사 소포인 이러한 리포좀은 약물 전달에 자주 사용됩니다. 이 새로운 연구에서 과학자들은 리포좀에 가교제를 첨가하고, 인쇄하고자 하는 중합체의 단량체, 가교 결합 시점을 나타내는 영상 조영제, 그리고 전달하고자 하는 약물(예: 치료 약물)이 포함된 중합체 용액에 담았습니다. 세포나 탄소 나노튜브나 은과 같은 전도성 물질과 같은 추가 성분을 포함할 수도 있습니다. 그런 다음 복합 바이오잉크를 체내에 직접 주입했습니다.

온도를 살짝만 올려 인쇄를 시작하세요

리포솜 입자는 낮은 온도에 민감합니다. 즉, 집중 초음파를 사용하여 작은 대상 영역의 온도를 약 섭씨 5도 정도 높이면 과학자들이 탑재물의 방출을 유발하고 폴리머 인쇄를 시작할 수 있다는 의미입니다.

가오는 "온도를 몇 도만 높여도 리포솜 입자가 가교제를 방출하기에 충분합니다."라고 말하며, "가교제가 방출되는 곳에서 국소 중합이나 프린팅이 일어납니다."라고 덧붙였습니다.

연구팀은 박테리아에서 추출한 기포를 영상 조영제로 사용합니다. 단백질로 이루어진 공기로 채워진 캡슐 형태의 이 기포는 초음파 영상에서 뚜렷하게 나타나며, 액체 단량체 용액이 가교되어 젤 네트워크를 형성할 때 발생하는 화학적 변화에 민감하게 반응합니다.

이 기포는 변형이 발생할 때 초음파 영상에서 감지되는 대비를 변화시켜 과학자들이 중합 가교가 언제, 어디에서 발생했는지 쉽게 파악할 수 있도록 하여 살아있는 동물에 인쇄된 패턴을 맞춤 제작할 수 있도록 합니다.

연구팀은 이 새로운 기술을 심부 조직 생체 사운드 프린팅(DISP) 플랫폼이라고 명명했습니다.

연구진이 DISP 플랫폼을 사용하여 화학요법 약물인 독소루비신이 함유된 폴리머를 쥐의 방광 종양 근처에 인쇄했을 때, 약물 용액을 직접 주입하여 약물을 투여한 동물에 비해 며칠 동안 종양 세포 사멸이 훨씬 더 많이 발생하는 것을 발견했습니다.

가오는 "이미 작은 동물 실험에서 종양 치료를 위한 약물이 함유된 하이드로젤을 인쇄할 수 있음을 보여주었습니다."라고 말하며, "다음 단계는 더 큰 동물 모델에서 인쇄하는 것이며, 가까운 미래에 인간에서도 이를 평가할 수 있기를 바랍니다."라고 덧붙였습니다.

연구팀은 또한 머신러닝을 통해 DISP 플랫폼이 집속 초음파를 정확하게 위치시키고 적용하는 능력을 향상시킬 수 있다고 생각합니다. 가오는 "향후 AI의 도움을 받아 심장 박동과 같이 움직이는 장기 내에서 고정밀 프린팅을 자율적으로 실행할 수 있기를 기대합니다."라고 말했습니다.

이 연구는 미국 국립보건원(NIH), 미국암학회(ACS), 헤리티지 의학연구소(Heritage Medical Research Institute), 그리고 UCLA 챌린지 이니셔티브(Challenge Initiative)의 연구비 지원을 받았습니다.

형광 현미경 검사는 UCLA 캘리포니아 나노시스템 연구소(California NanoSystems Institute)의 고급 광학 현미경/분광학 ​​연구실(Advanced Light Microscopy/Spectroscopy Laboratory)과 라이카 우수 연구센터(Leica Center of Excellence)에서 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250508172457.htm