2023년 4월 2일 국내 연구진 키스트(KIST)가 기존의 바이오 잉크의 독성을 제거한 새로운 바이오 잉크를 개발했다고 발표했다. 이는 생체조직의 재생을 유도한 뒤 42일이 지나면 체내에서 생분해 된다. 연구팀은 쥐의 손상된 뼈를 이 기술로 복원시켰다. 

키스트 송수창 김준 생체치료단의 새로운 바이오잉크

한국과학기술연구원(KIST)의 연구원들이 기존 바이오잉크의 인체 유해성을 극복한 새로운 바이오잉크를 개발했다. 바이오 잉크는 세포와 생체재료를 사용해 3차원의 인공조직 구조를 만들어내는 3D 바이오 프린팅에 사용된다. 
 
 키스트의 새로운 바이오잉크는 광경화 과정 없이 온도조절만으로 잉크가 안정적으로 유지된다. 광경화는 바이오 잉크의 분자구조를 서로 이어주는 과정에서 자외선과 같은 고에너지를 통해 분자구조를 엮어 고정시키는 반응이다.
 
 키스트의 바이오잉크는 폴리포스파젠 하이드로겔 기반(polyphosphazene hydrogel)이라 조직재생을 유도한 후 일정 시간이 지나면 체내에서 생분해된다. 하이드로겔은 수용액(하이드로) 중에 존재하는 고분자로부터 생성된 3차원 망상구조를 지칭한다. 
 
 기존 바이오 잉크 재료인 하이드로겔(Hydrogel)의 문제는 광경화 과정에서 화학적 가교제와 자외선이 체내 세포에 독성을 일으킬 수 있다는 점이다. 또 조직재생 효과를 증대시키기 위해 외부 배양세포를 이식하면서 인체 내 부작용 발생 위험도 컸다.
 
 연구팀이 새로운 비이오 잉크 소재로 개발한 것은 저온에서는 액상 형태로 존재하고 체온에서는 단단한 젤로 변화하는 특성을 지닌 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로겔이다. 
 
 이로써 화학적 가교제나 자외선을 쬐지 않고도 온도조절만으로 조직 재생이 가능하게 되었다. 물리적으로 안정적 구조를 가진 3차원(3D) 지지체를 제작해 인체의 면역 부작용 발생을 최소화할 수 있다. 키스트의 새 바이오잉크는 폴리포스파젠계 신물질 덕분이다. 

바이오 잉크의 폴리포스파젠계 고분자 화합물

2001년 키스트 송수창 박사팀은 폴리포스파젠계 신물질을 개발해 냈다. 펩타이드(peptide, 단백질 아미노))계 약물 및 항암제 투여 등에 약물전달체로 응용이 가능하다.
 
 국내는 물론 미국 영국 독일 이탈리아 프랑스 등 10개국에 특허를 출원했다. 국내 벤처기업인 파이크사와 기술실시계약을 체결해 다양한 국제적 상품개발을 촉진하고 있다.
 
 폴리포스파젠(poly·phosphazene)계 신물질은 질소와 인으로 구성된 무기고분자 골격에 친수성인 폴리에틸렌글리클(PEG)과 소수성인 아미노산을 도입해 합성한 무기고분자 화합물이다. poly 수많은 이라는 뜻이고, 포스파젠(phosphazene)은 인(phosphorus, P)과 질소(nitrogen)를 합성해 놓은 것이다. 
 
 이 화합물은 분해성이 뛰어나고 독성이 없다. 체내에 축적되지 않고 생분해되어 배출된다. 상온 이하에서는 용액 sol상태를 유지하다가 체온 이상으로 온도가 높아지면 젤 gel형태로 변화한다.
 
 주사하기 까다로운 펩타이드계 약물이나 항암제를 함께 상온에서 물에 녹여 환자에게 주사로 투여할 경우 체내에서 젤 형태로 바뀌게 되어 약물이 젤 내부로부터 서서히 방출되므로 약효를 1주 이상 지속적으로 유지할 수 있다.

키스트 바이오잉크의 성장인자 장기보존 기능

 키스트의 바이오잉크는 조직 재생에 도움을 주는 단백질 성장인자와 상호작용할 수 있는 분자구조로 되어있다. 성장인자는 세포의 성장및 분화, 면역반응 등을 조절한다. 키스트의 바이오잉크는 성장인자를 장기간 보존한다는 사실이 알려졌다.  
 
https://www.dongascience.com/news.php?idx=59225
 
 바이오 잉크의 안전성과 효과를 검증하기 위한 실험에서 이와같은 사실이 확인됐다. 연구팀은 세포 유입과 뼈 재생에 필요한 전환성장인자 베타 1(TGT 베타 1)과 골형성 단백질(BMP-2)을 포함한 바이오잉크를 3D 바이오 프린터로 출력해서 3차원 지지체를 제작했다. 
 

 이를 쥐의 뼈 손상부위에 이식하고 분석했더니 주변 조직으로부터 세포가 지지체 안으로 유입되어 뼈가 정상조직 수준으로 재생됐다. 이식된 3차원 지지체는 쥐의 체내에서 42일에 걸쳐 서서히 생분해됐다. 
 
 책임연구원 송수창남은 이번에 개발한 바이오 잉크의 물리적 특성을 달리해서 뼈 조직 외에 다른 조직의 재생에도 적용하는 후속 연구를 진행 중이라고 말했다. 
 
 연구팀의 최종목표는 부위별 조직 및 장기 맞춤형 바이오 잉크를 제품화 하는 것이다. 연구결과는 소재분야 국제학술지 스몰(Small) 2023년 3월호 표지논문으로 게재됐다. (참조 키스트, 전자뉴스, 동아사이언스) 

석유, 리튬 등 자원이 없어도 3D 바이오잉크 등 바이오 산업이 신성장 동력이 될 수 있다. 2001년 국내개발한 폴리포스파젠계 신물질이 2023년 3D 프린팅의 바이오 잉크에 응용되어 신기원을 만들어 내고 있다. 

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2023년 3월 키스트 연구원들은 자체 생분해 되는 3D 프린팅 바이오 잉크로 쥐의 손상된 뼈를 복구시켰다. 화학적 가교제나 자외선을 쬐지 않고도 온도조절만으로 조직 재생이 가능하다. 다음 단계는 뼈 말고도 다른 생체 조직에도 맞게 바이오 잉크를 개조하는 것이다.