[학생 인터뷰] 김수지 박사과정 학생, 새로운 바이오 프린팅 기술 개발

〈연구 내용 관련 대표 이미지〉

이번 학생 인터뷰에서는 최근 국제 학술지 ‘Advanced Materials Technologies’에 게재된 저점도 하이드로겔 바이오 프린팅 기술을 연구하신 김수지 박사과정 학생을 인터뷰하였습니다.

안녕하세요, 바쁘실 텐데 인터뷰에 참여해 주셔서 감사합니다. 진행하신 연구에 대해 몇 가지 질문을 드리겠습니다.

Q1. 먼저 자기소개 부탁드립니다.

안녕하세요. 카이스트 바이오및뇌공학과 박제균 교수님의 나노바이오공학 연구실 석박통합과정 김수지입니다.

Q2. 연구 주제를 처음 접하시는 분들을 위해 바이오 프린팅 기술을 간단히 설명해 주실 수 있나요?

바이오프린팅은 수화젤과 같은 생체 재료를 특정 세포와 섞어 만든 바이오잉크를 원하는 위치에 사출해 생물학적 구조와 특성을 가진 생체모사 조직을 제작하는 연구입니다. 체내 환경에서는 다종의 세포가 특정 구성의 세포외기질에 미세단위로 분포되어있습니다. 체내 미세환경에서 세포와 세포외기질은 입체적으로 구성되어있으며 3차원의 환경에서 활동하고 그에 따른 상호작용에 영향을 받기 때문에 기존의 Petri dish에서 세포를 2차원으로 키우는 접근은 생체환경을 모사하기에 부족한 점이 있습니다. 이에 따라 최근 세포-수화젤 바이오잉크를 3차원으로 조작할 수 있는 바이오프린팅 연구가 대두되고 있습니다. 바이오프린팅으로 만들어진 3차원 생체모사 조직은 손상된 장기를 대체하거나, 생체 외 장기 또는 질병 모델로 활용될 수 있습니다. 기술적으로 바이오프린팅은 상용화된 2차원 또는 3차원 프린팅과 유사한 부분이 있으나 인쇄 재료로 세포와 생체 재료를 사용하고 생체 외의 조직을 제작합니다.

Q3. 논문을 통해 제안된 저점도 하이드로겔 바이오 프린팅 기술이 갖는 장점이 궁금합니다.

바이오프린팅은 다양한 젤과 다종의 세포를 사용해 기존에 존재하는 삼차원 세포배양 방식보다 더욱 복잡하고 구획화된 생체 모사 환경을 만들 수 있는 장점이 있습니다. 이때 바이오프린팅에 사용되는 바이오잉크는 좋은 printability로 안정적인 고해상도의 구조를 만들고 높은 cytocompatibility로 프린팅된 구조 내에서 세포가 체내에서와 유사한 활동을 보일 수 있어야 합니다. 하지만 높은 cytocompatibility를 갖는 콜라겐, 피브린과 같은 생체수화젤은 낮은 printability를 갖기 때문에 직접적인 사출형 바이오프린팅에 적용되기 어렵습니다. 따라서 본 연구에서는 미세구조를 가진 기판을 바이오프린팅에 적용해 capillary pinning 효과로 저점도 수화젤을 고해상도의 높이를 가진 구조로 프린팅을 했습니다. 저점도 생체수화젤을 복잡한 구조로 프린팅했으며 사용된 피브린 수화젤의 높은 cytocompatibility에 따라 프린팅된 혈관세포는 섬유아세포와의 공배양으로 인해 외부로 뚫린 open lumen 형태를 보이는 기능적 혈관으로 자가조립할 수 있었습니다. 바이오프린팅과 같이 생체 외 3차원 구조를 만드는 연구에서 혈관은 전체 조직에 영양분과 산소 공급, 노폐물 제거 및 약물 전달과 같은 방면에서 필수적인 요소입니다. 통상적으로 바이오프린팅에 적용되는 기술적인 top-down 접근으로 혈관을 만드는 게 아닌 생물학적으로 유의미한 bottom-up 접근의 미세혈관 자가조립을 지지하는 본 시스템은 바이오프린팅에서 혈관 형성을 유도하는 새로운 방법이 될 수 있을 거라 생각합니다.

Q4. 이번 연구 결과가 앞으로 어떻게 응용될 수 있을까요?

이번 연구에서 개발된 기술은 피브린뿐만이 아닌 다양한 수화젤의 바이오프린팅 해상도를 높이기 위해 적용될 수 있습니다. 심지어 물 또한 높은 해상도로 일정한 높이를 가지게 프린팅이 가능한 기술이기에 이런 미세구조 기반 고해상도 바이오프린팅 기술은 기존에 바이오프린팅에 적용되기 어려웠던 재료를 프린팅해 더욱더 높은 생체모사도의 생체 외 질병 모델을 구축하는데 적용이 될 수 있을 것으로 기대됩니다. 인공적으로 구조체에 빈 관을 만들어 혈관 역할을 하는 방식이 아닌 3차원 구조체 전체에 퍼져있는 자가조립 미세혈관이 제작된 조직은 질병 모델링에서 유의미성을 보이고, 생물학적, 구조적 기능을 가진 혈관으로 활약해 약물 스크리닝과 같은 방면에 응용될 수 있을 것이라 생각합니다.

Q5. 마지막 질문입니다. 앞으로 더 연구해보고 싶은 분야는 어떻게 되시나요?

본 연구에서는 저점도 수화젤을 높이를 갖는 복잡한 구조로 바이오프린팅 했습니다. 하지만 이 연구에서 프린팅된 구조는 구조 자체로의 높이를 갖지만 모든 층이 같은 높이를 가지며, z 축의 세포-수화젤 구성이 같습니다. 따라서 앞으로의 연구에서는 이러한 구조물을 여러 층으로 조립해 xyz 축 모두 체내 미세구조 모사할 수 있는 연구를 진행하고 싶습니다.

[참고 자료]

Kim, Soo Jee, Gihyun Lee, and Je‐Kyun Park. "Direct Microextrusion Printing of a Low Viscosity Hydrogel on a Supportive Microstructured Bioprinting Substrate for the Vasculogenesis of Endothelial Cells." Advanced Materials Technologies (2021): 2101326.

권재명 기자 (kwon_jae_myeong@kaist.ac.kr)