우리의 몸은 끊임없이 무너지고 있습니다. 시간이 지남에 따라 내장된 복구 메커니즘도 실패합니다. 무릎 연골이 갈리기 시작합니다. 고관절은 더 이상 체중을 지탱하지 않습니다. 유방암 및 기타 건강 문제에 대한 치료는 수술로 제거해야 합니다. 신체는 이러한 조직을 재생할 수 없기 때문에 생체 재료를 사용하여 재건하는 것이 유일한 방법인 경우가 많습니다.
전통적으로 이러한 종류의 수복물에는 모든 유방 보형물 또는 고관절에 맞는 일체형 수복물이 포함됩니다. 최근에는 3D 바이오프린팅 조직이 환자에 맞게 조정되기 시작했습니다. 그러나 이러한 인공 조직은 신체 외부로 인쇄되어 있으며 이식하기 위해 여전히 추가 수술이 필요하므로 흉터, 염증 또는 감염의 가능성이 높아지고 치유 시간이 늘어납니다.
이번 달에는 캘리포니아 공과대학의 팀이 공개한 바에 따르면 신체 내부의 조직을 3D 프린팅할 수 있어 수술이 필요하지 않습니다. DISP(Deep Tissue in vivo sound printing)라고 불리는 이 시스템은 체온에서는 액체이지만 초음파로 폭발하면 구조로 응고되는 주사 가능한 바이오잉크를 사용합니다. 역시 초음파에 민감한 모니터링 분자가 실시간으로 조직 프린팅을 추적합니다. 과도한 바이오잉크는 본체에서 안전하게 분해됩니다.
테스트에서 팀은 토끼의 위와 쥐의 방광 안에 있는 조직을 3D 프린팅했습니다. 그들은 또한 전도성 나노 입자를 추가하여 소프트 바이오 센서와 약물 창고(항암제 또는 항균 약물)를 만들어 초음파에 부딪히면 페이로드를 방출했습니다.
연구에 참여하지 않은 하버드 의과대학의 Yu Shrike Zhang은 "이 작업은 초음파 기반 인쇄의 범위를 실제로 확장했으며 번역 능력을 보여주었습니다.“라고 IEEE 스펙트럼에서 말했습니다.
빛에서 소리로
다재다능함 덕분에 3D 프린팅은 생명 공학자의 상상력을 사로잡았습니다. 이 기술은 인공 생체 조직, 장기 또는 의료 기기를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
바이오프린터는 일반적으로 한 번에 하나의 층을 증착합니다. 각 층은 빛을 사용하여 응고되고 다음 층이 그 위에 놓입니다. 이 레이어별 프로세스에는 시간이 걸립니다. 보다 최근에는 체적 인쇄(volumetric printing)라고 하는 업그레이드된 방법이 세심하게 맞춤화된 빛의 한 번의 폭발로 3D 구조를 굳게 만듭니다. 이 접근 방식은 더 빠르지만 빛이 조직을 얼마나 깊이 관통할 수 있는지에 따라 제약을 받습니다.
예를 들어, 적외선은 피부와 근육의 얇은 층 아래에 보형물을 형성할 수 있다고 위스콘신-매디슨 대학의 샤오 쾅(Xiao Kuang)은 ”그러나 빛은 몸 속으로 깊숙이 들어갈수록 어두워지고 산란됩니다. 이것은 밀리미터 두께의 조직 아래에 보형물을 직접 인쇄하거나 피부 아래에서는 거의 인쇄하지 못합니다“라고 말합니다.
임신을 모니터링하는 것으로 가장 잘 알려진 초음파는 여기에서 이점이 있습니다. 그것은 장기를 손상시키지 않고 거의 8인치에 달하는 장기 깊숙이 도달할 수 있습니다. 과학자들은 뇌와 근육 활동을 모니터링하는 방법으로 특정 주파수의 음파를 조직을 향해 폭발하는 집속 초음파를 연구해 왔습니다.
초음파는 또한 화학 반응을 유발할 수 있습니다. 2023년, 장 씨와 동료들은 분자 혼합물을 설계했습니다. "Sono-Ink"라고 불리는 이 잉크는 특정 주파수의 음파로 폭발하면 굳어집니다. 연구팀은 고립된 삼겹살, 간, 신장 내부의 여러 모양을 3D 프린팅하고 염소 심장의 손상된 조직을 패치했습니다.
그러나 잉크는 스트레스와 신체의 기타 방해에 민감하여 인쇄 속도가 느려지고 해상도가 떨어졌습니다. 음파는 또한 열을 발생시키는데, 이는 의도한 구조를 형성하기 전에 일부 소노잉크를 굳혔습니다. 또한, 잉크의 다른 분자와 조직 전반에 걸친 국부적 열 스파이크는 생체 적합성 위험을 증가시켰습니다.
새로운 잉크
새로운 시스템은 업그레이드된 소노 잉크를 사용합니다.
잉크에는 단일 혼합물로 결합된 여러 구성 요소가 있습니다. 첫 번째는 일반적으로 자유롭게 떠다니지만 분자 신호가 주어지면 서로를 붙잡는 분자 사슬입니다. 여기에는 바인더 분자(분자 신호)로 채워진 지방 거품이 동반되어 초음파에 노출되면 페이로드를 방출합니다. 마지막으로 캡슐화된 구성 요소에는 음파를 산란시키고 특정 음파가 부딪힐 때 빛을 발하는 여러 화학 물질이 포함되어 있습니다. 이는 팀이 잉크의 위치를 시각화하고 잉크가 원하는 구조로 형성되었는지 확인하는 데 도움이 됩니다.
새로운 설정은 "체온에서 조기 화학 반응을 방지하고 인쇄 공정을 더 잘 제어할 수 있게 했다"고 Kuang은 썼습니다.
잉크는 대상 부위에 주입되거나 카테터를 사용하여 그곳으로 셔틀됩니다. 이 접근 방식을 테스트하기 위해 팀은 별, 바람개비, 눈물방울, 격자 등의 모양을 두꺼운 돼지 갈비와 닭고기와 같은 다양한 티슈에 3D 프린팅했습니다.
지방 조직에만 도달했던 이전의 빛 기반 방법과 비교했을 때, 새로운 기술은 이를 근육에 넣고 바이오잉크를 보다 정밀하게 활성화하여 모양을 형성했습니다. 이 시스템은 초당 약 40mm로 작동하며, 이는 잉크젯 프린터의 평균 속도입니다.
건전한 치료법
연구팀은 방광암에 걸린 쥐를 대상으로 암 성장을 막기 위해 항암제를 서서히 방출하는 일종의 약창고를 3D 프린팅했습니다. 오늘날의 방광암 치료제는 종종 몇 시간 내에 사라집니다. 바이오잉크 패치는 약물을 종양에 더 오래 농축시킬 수 있습니다.
또 다른 실험에서, 연구진은 토끼의 다리 근육과 배의 피부 아래에 인공 조직을 인쇄하여 더 큰 동물의 조직을 재구성하는 기술의 능력을 보여주었습니다.
바이오잉크는 또한 사용자 정의할 수 있습니다. 여기에는 탄소 나노튜브, 나노와이어 및 생명 공학을 위한 기타 생체 적합성 구조가 포함될 수 있습니다. 한 테스트에서 연구팀은 잉크에 전도성 나노 입자를 넣고 전자 센서를 인쇄하여 살아있는 조직의 활동을 측정했습니다.
"이 기능은 심장과 근육 건강을 모니터링하는 것과 같은 생리학적 신호를 모니터링하는 테스트에 유용할 수 있습니다"라고 Kuang은 주장합니다.
잉크는 최소 450일 동안 상온 보관이 가능하며 면역 반응을 유발하지 않는 것 같습니다. 신체는 정상적인 신진대사를 통해 과도한 잉크를 제거하거나 중금속 중독을 치료하기 위해 일반적으로 사용되는 치료법으로 용해시킬 수 있습니다.
아직 해결해야 할 몇 가지 과제가 있습니다. 표적 조직은 깊이, 모양 및 크기가 다르기 때문에 초음파가 바이오잉크를 바운스하고 경화시키는 방식이 바뀔 수 있습니다. 폐, 심장, 위장 등 움직이는 장기에 인쇄하는 것은 훨씬 더 복잡합니다.
이 점에서 AI가 도움이 될 수 있습니다. 알고리즘은 음파, 온도, 재료 및 신체 상호 작용 간의 연결을 해독하여 인쇄를 더 잘 시뮬레이션하고 안내할 수 있습니다. 공정의 실시간 모니터링을 결합한 AI 기반 컨트롤러는 신체 상태의 변화에 빠르게 적응하여 바이오잉크가 계획대로 응고되도록 할 수 있습니다.
임상적으로 사용되기까지는 갈 길이 멀지만, 연구팀은 최근 연구에서 이 기술이 널리 유용할 만큼 다재다능하다는 것을 보여준다고 말합니다.
이상의 기사는 2025년 5월 12일 SingularityHub에 게재된 “Scientists Can Now 3D Print Tissues Directly Inside the Body - No Surgery Needed”제목의 기사내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Scientists Can Now 3D Print Tissues Directly Inside the Body—No Surgery Needed