나노셀룰로오스 기반 인공장기 제작 등 의료 분야 활용 기대
소수성의 고체 입자 매트릭스 내부에 박테리아를 함유하는 잉크를 프린팅하면, 고체 입자 사이로 산소가 원활하게 공급돼 박테리아가 잉크의 전 방향에서 박테리아 셀룰로오스를 생합성한다.
CAD로 제작된 3차원 모형 디자인에 따라 박테리아 함유 CNF 잉크를 매트릭스 내부에 3차원 프린팅을 하게 된다. 프린팅된 잉크 구조체는 일정 시간 동안 배양 과정을 거치게 되며, 함유된 박테리아의 대사활동을 통해 잉크 구조체 표면에 셀룰로오스 하이드로젤이 생합성된다.
생합성된 박테리아 셀룰로오스 도관에 잉크를 흘려주어 안정적으로 도관이 형성됐음을 확인했다.
한국연구재단은 현진호 교수 연구팀(서울대학교)이 박테리아 셀룰로오스를 3차원 방식으로 인쇄하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 박테리아 셀룰로오스는 박테리아 세포벽의 중요 성분을 구성하는 섬유소다.
박테리아 셀룰로오스는 생체적합성이 우수해 생체재료로서의 활용이 기대되고 있다. 그러나 박테리아가 셀룰로오스 나노섬유를 생합성하기 위해서는 산소를 필요로 하기 때문에 생산되는 셀룰로오스 나노섬유는 공기의 영향을 절대적으로 받는다.
일반적으로 배양액을 용기에 넣어 생합성을 하기 때문에 공기와 접하는 배양액 표면에서 매트(matt) 형태의 나노셀룰로오스 구조체만이 제조돼 왔다. 셀룰로오스 나노섬유가 다양한 분야에 응용되기 위해서는 이런 매트 형태의 제한성을 극복할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
이러한 배경에서 연구팀은 박테리아를 함유한 잉크를 고체 매트릭스 내부에 투입해 3차원 방식으로 인쇄하는 고체 매트릭스 기반 3차원 인쇄기술(Solid-matrix assisted 3D printing, SMAP)을 개발했다.
소수 유동성이 있는 고체 매트릭스 내부에 박테리아를 함유하는 잉크를 프린팅하고 박테리아 셀룰로오스 생합성을 유도해 기존 형태학적 제약이 많았던 박테리아 셀룰로오스의 한계를 극복했다.
이번에 개발된 3차원 방식의 인쇄 기술은 베드(bed) 위에서 이뤄지는 기존 프린팅 방식과는 달리 고체 입자 내부에서 이뤄져 잉크의 전 방향에서 산소가 공급될 수 있다. 따라서 박테리아 셀룰로오스가 인쇄된 잉크의 전 방향에서 생합성되기 때문에 속이 빈 도관을 제조하는 것이 용이하다. 이는 생체 친화적인 재료로 인공혈관 및 신경도관 등의 조직공학 용도로도 활용 가능하다.
현진호 교수는 “이 연구는 3D 프린터를 이용해 박테리아 함유 잉크를 고체 매트릭스 내부에 인쇄해 박테리아 셀룰로오스의 형태를 다양화하는 기술”이라며, “기존의 박테리아 셀룰로오스 하이드로젤이 갖는 형태학적 한계를 극복함으로써 의료 및 환경 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.
연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(개인연구) 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 10월 11일자에 논문명 ‘Solid matrix-assisted printing for three-dimensional structuring of a viscoelastic medium surface’, 현진호 교수(교신저자/서울대학교), 신성철(제1저자/서울대학교), 곽호정(제2저자/서울대학교), 신동혁(제2저자/서울대학교) 등으로 게재됐다.