기관 인쇄

Organ printing
ETH 취리히에서 개발된 인공 심장 총량

오르간 프린팅은 3D 물체가 만들어질 때까지 연속적으로 플라스틱이나 왁스 층을 쌓는 프린터에 컴퓨터 모델을 주입하는 기존 3D 프린팅과 유사한 기법을 활용한다.[1] 장기인쇄의 경우 프린터가 사용하고 있는 소재는 생체적합성 플라스틱이다.[1] 생체적합성 플라스틱은 인쇄되고 있는 장기의 골격 역할을 하는 비계를 형성한다.[1] 플라스틱을 깔고 있을 때, 그것은 또한 인쇄되고 있는 환자의 기관에서 나온 인간 세포로 씨앗을 뿌린다.[1] 인쇄 후 장기는 배양실로 옮겨져 세포가 성장할 수 있는 시간을 준다.[1] 충분한 시간이 지나면 장기가 환자에게 이식된다.[1]

CELLINK 3D 바이오프린터

장기인쇄의 궁극적인 목표는 줄곧 그곳에 있었던 것처럼 인체에 완전히 통합될 수 있는 장기를 만드는 것이다.[1] 성공적인 장기 인쇄는 여러 산업에 영향을 미칠 가능성이 있다. 여기에는 인공 장기 이식,[2] 제약 연구,[3] 의사 및 외과의사 양성 등이 포함된다.[4]

역사

장기인쇄 분야는 1984년 창안된 3D인쇄의 실천의 기초인 입체영역 연구에서 비롯됐다.[5] 3D 프린팅의 초기 시대에는 사용하던 재료가 그다지 견고하지 않아 영구적인 물체를 만들 수 없었다.[6] 따라서 초기에는 3D 프린팅이 더 전통적인 기법 하에서 결국 다른 재료로 만들어질 수 있는 잠재적 최종 제품을 모델링하는 방법만을 사용하였다.[5] 1990년대 초반에는 3D 프린팅의 물체가 내구성을 더 높여 모델 이상의 용도로 3D 프린팅의 물체를 사용할 수 있게 하는 나노콤포사이트가 개발되었다.[6] 의료계 인사들이 인공장기를 만드는 길목으로 3D프린팅을 고려하기 시작한 것은 이 무렵이다.[5] 1990년대 후반까지 의학 연구자들은 3D 프린팅에 사용될 수 있는 생체 물질을 찾고 있었다.[5]

바이오프린팅의 개념은 1988년에 처음 입증되었다.[7] 이때 한 연구원이 변형한 HP 잉크젯 프린터를 이용해 사이토스크립팅 기술을 이용해 셀을 적치했다.[7] 1999년 바이오프린팅을 사용하여 만들어진 최초의 인공 장기가 박사팀의 과학자들에 의해 인쇄되었을 때 진전은 계속되었다. Wake Forest Institute for Regeneration Medicine의 앤서니 아탈라.[8] 웨이크 포레스트의 과학자들은 인간의 방광을 위한 인공 비계를 인쇄한 다음 환자의 세포로 비계를 씨앗으로 만들었다.[5] 이 방법을 사용하여, 그들은 기능하는 장기를 기를 수 있었고 이식한 지 10년이 지난 후 환자는 심각한 합병증을 겪지 않았다.[9]

웨이크 포레스트의 방광 이후, 다른 장기를 인쇄하는 데 진전이 있었다. 2002년에, 축소되고 완전한 기능을 하는 신장이 인쇄되었다.[6] 2003년, 박사님. 클렘슨 대학의 토마스 볼란드는 세포용 잉크젯 프린팅의 사용에 대해 특허를 얻었다.[10] 이 공정은 기판 위에 놓인 조직화된 3D 매트릭스에 셀을 축적하기 위해 변형된 스폿팅 시스템을 활용했다.[10] 이 프린터는 바이오프린팅과 적절한 바이오소재를 폭넓게 연구할 수 있도록 했다.[9] 예를 들어, 이러한 초기 발견 이후 생물학적 구조의 3D 프린팅은 세포 매트릭스와 반대로 조직과 장기 구조의 생산을 포함하도록 추가 개발되었다.[11] 또한 압출 바이오프린팅과 같은 더 많은 인쇄기술이 연구되어 생산수단으로 도입되었다.[11]

2004년, 바이오프린팅 분야는 또 다른 새로운 바이오프린터에 의해 급격히 변화되었다.[9] 이 새로운 프린터는 인공 비계를 먼저 만들지 않고도 살아있는 인간 세포를 사용할 수 있었다.[9] 2009년에 Organovo는 이 새로운 기술을 사용하여 상업적으로 이용 가능한 최초의 바이오프린터를 만들었다.[9] 얼마 지나지 않아 오르가노보의 생체리터는 세포 비계 없이 최초의 생분해성 혈관을 개발하는 데 사용되었다.[9]

지난 10년 동안, 3D 프린팅을 통해 간, 심장 판막과 같은 다른 기관과 혈액 매개 네트워크와 같은 조직을 생산하기 위한 추가 연구가 진행되었다.[9] 이스라엘 과학자들은 2019년 천연혈관처럼 수축할 수 있는 혈관망을 이용해 토끼 크기의 심장을 찍어낼 수 있게 되면서 큰 돌파구를 마련했다.[12] 인쇄된 심장은 실제 심장에 비해 해부학적 구조와 기능이 정확했다.[12] 이 돌파구는 완전한 기능을 하는 인간의 장기를 인쇄할 수 있는 실질적인 가능성을 보여주었다.[9] 실제로 폴란드 바르샤바 과학연구개발재단의 과학자들은 바이오프린팅 기술을 이용해 완전한 인공 췌장을 만드는 작업을 해 왔다.[9] 오늘날, 이 과학자들은 기능하는 프로토타입을 개발할 수 있었다.[9] 이것은 성장하고 있는 분야로 아직도 많은 연구가 진행되고 있다.

3D 프린팅 기술

인공장기 제조를 위한 3D 프린팅은 생물 공학에서 주요 연구 주제였다. 3D 프린팅이 수반하는 급속한 제조 기법이 점점 더 효율화됨에 따라, 인공 장기 합성에 적용가능성이 더욱 뚜렷해졌다. 3D 프린팅의 주요 장점 중 일부는 비계 구조의 대량 생산 능력과 비계 제품의 해부학적 정밀도가 높다는 데 있다. 이를 통해 자연 장기나 조직 구조의 미세 구조를 보다 효과적으로 닮은 구조를 만들 수 있다.[13] 3D 프린팅을 이용한 장기 인쇄는 다양한 기법을 사용하여 수행할 수 있으며, 각각의 기법은 특정 유형의 장기 생산에 적합할 수 있는 특정 장점을 제공한다.

기능성 조직(SWIFT)에 희생적 쓰기

기능조직(SWIFT)에 희생적 글씨를 쓰는 것은 살아있는 세포가 꽉 채워져 인체에 발생하는 밀도를 흉내내는 장기인쇄법이다. 짐을 싸는 동안, 혈관과 산소를 흉내내기 위해 터널을 조각하고 필수 영양소가 이 터널을 통해 전달된다. 이 기술은 세포만 포장하거나 혈관 조직을 만드는 다른 방법들을 조합한다. SWIFT는 이 둘을 결합해 연구자들이 기능성 인공장기를 만드는 데 더 가까이 다가갈 수 있도록 한 개선책이다.[2]

입체파 3D 바이오프린팅

이 장기인쇄 방법은 공간적으로 제어되는 빛이나 레이저를 이용해 바이오링크 저장소의 선택적 광폴리머화를 통해 2D 패턴을 생성한다. 그런 다음 2D 패턴을 사용하여 3D 구조를 레이어로 작성할 수 있다. 그 후 바이오링크는 최종 제품에서 제거된다. SLA 바이오프린팅으로 복잡한 모양과 내부 구조를 만들 수 있다. 이 방법의 특징 분해능은 극도로 높으며 유일한 단점은 생체적합성이 있는 레진의 희소성이다.[14]

드롭 기반 바이오프린팅(Inkjet)

드롭 기반 바이오프린팅은 셀 라인과 결합되는 경우가 많은 할당된 물질의 방울을 이용하여 셀룰러 개발을 가능하게 한다. 세포 자체는 또한 중합체를 포함하거나 포함하지 않고 이런 방식으로 침전될 수 있다. 이러한 방법을 사용하여 폴리머 비계를 인쇄할 때 각 방울은 기질 표면과 접촉하면 중합되기 시작하고, 방울이 결합하기 시작하면서 더 큰 구조로 병합된다. 중합은 사용되는 중합체에 따라 다양한 방법을 통해 발생할 수 있다. 예를 들어, 알긴산 중합은 기질에 있는 칼슘 이온에 의해 시작되는데, 이 이온들은 액화 바이오링크에 확산되어 강력한 젤의 배열을 허용한다. 드롭 기반 바이오프린팅은 생산 속도 때문에 일반적으로 사용된다. 그러나 이는 더 복잡한 장기 구조에 적합하지 않을 수 있다.[15]

압출 바이오프린팅

압출 바이오프린팅은 일종의 휴대용 프린트 헤드인 압출기의 특정 인쇄 섬유와 셀 라인의 일관된 표현을 포함한다. 이것은 직물이나 세포문을 위한 더 통제되고 더 온화한 핸들인 경향이 있으며, 3D 조직이나 장기 구조의 개발 내에서 더 주목할 만한 세포 밀도를 이용할 수 있다. 어떤 경우든, 그러한 편익은 이 절차에 수반되는 느린 인쇄 속도에 의해 다시 설정된다. 압출 바이오프린팅은 UV광과 자주 결합되는데, UV광은 인쇄된 직물을 광폴리머로 만들어 보다 안정적이고 좌표 구조를 만든다.[11]

Fused Deposition Modeling

퓨즈드 증착 모델링(FDM)은 선택적 레이저 소싱에 비해 일반적이고 저렴하다. 이 프린터는 잉크젯 프린터와 구조가 비슷한 프린트 헤드를 사용하지만 잉크는 사용하지 않는다. 플라스틱 구슬은 고온에서 가열되어 움직이면서 프린트 헤드에서 방출되어 물체를 얇은 층으로 쌓는다.[3] 다양한 플라스틱을 FDM 프린터와 함께 사용할 수 있다. 또한 FDM이 인쇄하는 대부분의 부품은 일반적으로 전통적인 사출 성형이나 가공 기법에 사용되는 동일한 열가소성 플라스틱으로 구성된다.[3] 이 때문에 이들 부품은 내구성, 기계적 특성, 안정성 특성이 유사하다.[3] 정밀 제어는 형상에 기여하는 각 층에 대해 일관된 방출량 및 특정 위치 침적을 허용한다.[3] 열선내장 플라스틱이 프린트 헤드에서 침전되면서 아래 층에 퓨즈나 결합이 된다. 각 층이 식으면 딱딱해지고 구조물에 기여하는 층이 많아짐에 따라 생성하고자 하는 단단한 형태를 점차 잡게 된다.

선택적 레이저 소결

선택적 레이저 소결(SLS)은 분말 재료를 새로운 물체를 인쇄하는 기질로 사용한다. SLS는 금속, 플라스틱, 세라믹 물체를 만드는 데 사용될 수 있다. 이 기술은 분말 물질을 빛낼 수 있는 동력원으로 컴퓨터가 제어하는 레이저를 사용한다.[16] 레이저는 분말에서 원하는 물체의 형상의 단면을 추적하는데, 이것은 그것을 고체 형태로 융합한다.[16] 그리고 나서 새로운 층의 파우더가 깔리고 그 과정이 반복된다. 각각의 층을 하나씩 하나씩 새로 가루를 발라 물체의 전체를 형성한다. SLS 인쇄의 장점 중 하나는 물체를 인쇄한 후에 샌딩과 같은 추가 공구가 거의 필요하지 않다는 것이다.[16] SLS를 이용한 장기 인쇄의 최근 발전은 심장 조직 공학용 비계뿐만 아니라 두개골 이식물의 3D 구조를 포함한다.[16]

인쇄 재료

인쇄 재료는 다양한 기준에 적합해야 하며, 가장 중요한 것 중 하나는 생체적합성이다. 3D 프린팅 재료로 형성된 비계는 세포 증식에 물리적으로 화학적으로 적합해야 한다. 생분해성은 또 다른 중요한 요소로서, 인공적으로 형성된 구조가 이식 성공 시 분해될 수 있도록 보장하여 완전한 자연 세포 구조로 대체한다. 3D 프린팅의 특성상 사용되는 재료는 다양한 셀 유형과 구조 순응에 적합하도록 커스터마이징 및 적응성이 있어야 한다.[17]

내추럴 폴리머

3D 프린팅 재료는 보통 세포의 물리적인 부착을 지원하는 세포 접착 분자와 통합된 알긴산염 또는 섬유린 중합체로 구성된다. 그러한 중합체는 구조 안정성을 유지하고 세포 통합을 수용하도록 특별히 설계되었다. 바이오링크(bioink)라는 용어는 3D 바이오프린팅(bioprinting)과 호환되는 재료의 광범위한 분류로 사용되어 왔다.[18] 하이드로겔 알긴산물은 사용자 정의성이 뛰어나며, 자연조직의 특정한 기계적, 생물학적 특성을 시뮬레이션할 수 있도록 미세 조정될 수 있기 때문에 장기인쇄 연구에서 가장 흔히 사용되는 재료 중 하나로 떠올랐다. 특정한 요구에 맞춘 하이드로겔의 능력은 그들을 다양한 조직이나 장기 구조와 생리학적 조건에 적합한 적응성 비계 물질로 사용할 수 있게 해준다.[19] 알긴산염의 사용에서 가장 큰 난제는 안정성과 느린 성능 저하로 인공겔 비계가 분해돼 이식된 세포의 세포외 기질로 대체되기 어렵다는 점이다.[20] 압출 인쇄에 적합한 알긴산 하이드로겔도 구조적으로나 기계적으로 건전성이 떨어지는 경우가 많지만, 나노셀룰로오스 등 다른 바이오폴리머의 통합으로 이 문제를 중재해 안정성을 높일 수 있다. 알긴산염 또는 혼합폴리머 바이오링크의 특성은 튜닝이 가능하며 다양한 용도와 유형의 장기에 대해 변경할 수 있다.[20]

조직과 3D 장기 인쇄에 사용된 다른 천연 중합체로는 키토산, 히드록사파타이트(HA), 콜라겐, 젤라틴 등이 있다. 젤라틴은 열감응성 고분자로, 우수한 마모 용해성, 생분해성, 생체적합성 및 낮은 면역 거부반응을 보이는 성질을 가지고 있다.[21] 이러한 특성은 체내 이식 시 3D 생체 발광 장기를 높은 수준으로 수용하는 데 유리하다.[21]

합성 폴리머

합성 중합체는 모노머의 화학적 반응을 통해 만들어진 인간이다. 이들의 기계적 성질은 분자량이 서로 다른 요건에 근거해 낮음에서 높음으로 조절할 수 있다는 점에서 유리하다.[21] 그러나 기능 그룹의 부족과 구조적 복잡성으로 인해 장기 인쇄에 대한 사용이 제한되었다. 현재 3D 프린팅과 생체내 조직 호환성이 뛰어난 합성 폴리머는 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리(락틱글리콜산), 폴리우레탄(PU) 등이 있으며 PEG는 3D 바이오프린팅에 사용할 수 있는 튜닝 가능한 기계적 특성을 가진 생체적합성 비임문성 합성 폴리에테르다.[21] PEG는 다양한 3D 프린팅 애플리케이션에 활용되었지만, 세포 접착 도메인의 부족으로 인해 장기 인쇄에 더 이상 사용할 수 없었다. 합성복합체 PLGA는 동물, 인간, 식물, 미생물과 같은 살아있는 생물들에게 널리 친숙하다. PLGA는 다른 폴리머와 함께 사용되어 PLGA-겔라틴, PLGA-콜라겐 등 다양한 재료 시스템을 만들 수 있는데, 이 모든 것이 소재의 기계적 특성을 향상시키고, 체내에 놓였을 때 생체 적합성을 높이며, 튜닝이 가능한 생분해성을 가지고 있다.[21] PLGA는 뼈, 간 및 기타 대규모 장기 재생 노력을 위해 인쇄된 구조물에 가장 많이 사용되어 왔다. 마지막으로 PU는 생분해성 또는 비생물분해성의 두 그룹으로 분류할 수 있다는 점에서 독특하다.[21] 기계·바이오인터트 성질이 우수해 바이오프린팅 분야에 활용돼 왔다. 그러나 기존 3D 바이오프린터를 사용해 PU를 무생물 인공심장으로 적용할 경우 이 중합체를 인쇄할 수 없다.[21] 새로운 탄성계 PU는 PEG와 PCL(polycaprolactone) 모노머로 구성되었다.[21] 이 신소재는 복잡한 생체인공 인쇄 및 제조에 사용할 수 있는 생체적합성, 생분해성, 생체적합성, 생체적합성이 뛰어나다.[21] 높은 혈관 및 신경망 구조로 인해 이 물질은 뇌, 심장, 폐, 신장 등 다양한 복합적인 방법으로 장기 인쇄에 응용할 수 있다.

천연-합성 하이브리드 폴리머

천연합성 하이브리드 중합체는 합성성분과 생물다중성분 사이의 시너지 효과를 기반으로 한다.[21] 젤라틴-메타크릴로일(GelMA)은 바이오프린팅 분야에서 인기 있는 바이오소재로 자리 잡았다. 겔마는 적절한 생체적합성과 쉽게 튜닝할 수 있는 사이코케미컬 특성 때문에 바이오링크 소재로서 실행 가능한 잠재력을 가지고 있음을 보여 왔다.[21] 히알루론산(HA)-PEG는 또 다른 천연합성 복합 고분자로 바이오프린팅 용도에 매우 성공적임이 입증됐다. HA는 합성 중합체와 결합하여 세포 생존성이 높고 인쇄 후 기계적 특성이 제한적인 보다 안정적인 구조를 얻을 수 있도록 돕는다.[21] 최근 바이오프린팅에 HA-PEG를 적용한 것이 인공 간 생성이다. 마지막으로 장기인쇄에 있어서 기계적 특성과 효율적인 분해율을 가진 생분해성 폴리우레탄(PU)-겔라틴 복합 폴리머가 잇따라 구현되었다.[21] 이 하이브리드는 코 모양 구조 등 복잡한 구조물을 프린팅할 수 있는 능력을 갖추고 있다.

위에서 설명한 모든 폴리머는 맞춤형 장기 복원, 약물 검사 및 대사 모델 분석을 포함하되 이에 국한되지 않는 목적을 위해 이식 가능한 생체 인공 장기로 제조될 가능성이 있다.

셀 소스

완전한 장기를 만들려면 종종 구별되고 패턴이 있는 방법으로 배열된 다양한 종류의 세포가 통합되어야 한다. 기존의 이식수술에 비해 3D 프린팅 장기의 한 가지 장점은 환자로부터 파생된 세포를 사용하여 새로운 장기를 만들 수 있다는 것이다. 이렇게 되면 이식 거부 가능성이 현저히 감소하고, 이식 후 면역억제제의 필요성이 없어져 이식의 건강 위험을 줄일 수 있다. 단, 필요한 모든 세포형태를 채취하는 것이 항상 가능한 것은 아닐 수 있으므로, 성체줄기세포를 채취하거나 채취된 조직의 유도를 유도하는 것이 필요할 수도 있다.[19] 이것은 자원 집약적인 세포 성장과 분화를 포함하며, 인쇄된 기관에서 세포 증식이 신체 밖에서 일어나며 성장 인자의 외부적 적용을 요구하기 때문에 그것 자체의 잠재적 건강 위험과 함께 온다. 그러나 일부 조직이 차별화된 구조로 자체 조직화하는 능력은 조직을 동시에 구성하고 구별되는 세포 집단을 형성하여 장기 인쇄의 효율성과 기능을 개선할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.[22]

프린터 및 프로세스 유형

장기 인쇄에 사용되는 프린터의 종류는 다음과 같다.[14]

  • 잉크젯 프린터
  • 멀티 노즐
  • 하이브리드 프린터
  • 전기스파이닝
  • 주문형 Drop-on-demand

이 프린터는 앞에서 설명한 방법에 사용된다. 프린터마다 재료가 다르고 장단점이 있다.

적용들

장기기증

현재 장기부전 환자들을 위한 유일한 치료 방법은 살아있는 기증자나 최근에 사망한 기증자의 이식을 기다리는 것이다.[23] 미국에서만 장기 이식 리스트에 오른 10만 명 이상의 환자가 장기 기증자가 나오기를 기다리고 있다.[24] 기증자 목록에 있는 환자들은 적절한 장기를 사용할 수 있도록 며칠, 몇 주, 몇 달 또는 심지어 몇 년을 기다릴 수 있다. 일부 일반적인 장기 이식의 평균 대기 시간은 다음과 같다: 심장이나 폐의 경우 4개월, 간의 경우 11개월, 췌장의 경우 2년, 신장의 경우 5년이다.[25] 이는 환자가 심장을 위해 5주 정도만 기다릴 수 있었던 1990년대보다 크게 늘어난 것이다.[23] 이처럼 대기시간이 많은 것은 장기 부족과 더불어 수령인에게 적합한 장기를 찾아야 하는 요건 때문이다.[25] 장기는 혈액형, 기증자와 수령자 사이의 비교 가능한 신체 크기, 환자의 의료 상태의 심각도, 환자가 장기를 기다려 온 기간, 환자 가용성(즉, 감염자가 있는 경우 환자와 접촉할 수 있는 능력), 도노에 대한 환자의 근접성에 근거하여 환자에게 적합한 것으로 간주된다.r, 그리고 기증자의 장기 생존 시간.[26] 미국에서는 매일 20명이 장기를 기다리며 죽는다.[24] 3D 장기 인쇄는 이 두 가지 문제를 모두 제거할 수 있다. 만약 장기가 필요할 때 즉시 인쇄될 수 있다면, 부족함이 없을 것이다. 또한 환자 자신의 세포로 인쇄된 장기를 시딩하면 기증자의 적합성을 검사할 필요가 없어진다.

의사 및 외과 교육

3D 프린팅의 외과적 사용은 수술 도구 인쇄에서 전체 관절 교체, 치과 임플란트, 보청기 등을 위한 환자별 기술 개발로 발전했다.[27] 장기인쇄 분야에서는 환자와 외과의사에게 신청이 가능하다. 예를 들어, 인쇄된 장기는 해부학을 더 잘 이해하고 환자와 치료 체계를 논의하기 위해 구조와 부상을 모형화하는 데 사용되어 왔다.[28] 이러한 경우에 장기의 기능은 필요하지 않으며 개념 증명용으로 사용된다. 이러한 모형 장기는 수술 기법을 개선하고, 경험이 부족한 외과의들을 훈련시키며, 환자 특유의 치료법을 향해 나아가기 위한 진보를 제공한다.[28]

제약 리서치

3D장기 기술고 비용 효과적인 빠른 방법으로 복잡성의 높은도의 큰 재현성과 조작할 수 있다.[3]3D인쇄 제약 연구와 제작에, 변화시킬 수 있는 시스템 방울 크기와 선량, 맞춤 약의 정확한 제어를 제공하고, 사용되었음을 생산의 사mplex 약물 방출 프로필.[3] 이 기술은 3D 프린터로 제작된 장기에 약물을 주입해 체내 1회 분비하는 이식 가능한 약물전달장치를 필요로 한다.[3] 또한, 장기 인쇄는 체외 시험의 변형 도구로 사용되어 왔다.[3] 인쇄된 장기는 약물 방출 인자에 대한 발견 및 복용량 연구에 활용할 수 있다.[3]

오르간온어칩

장기인쇄기술도 미세유체기술과 결합해 장기온칩을 개발할 수 있다.[29] 이러한 장기 온 칩은 질병 모델, 약물 발견에 도움이 되고 높은 투과량 검사를 수행하는 데 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.[29] 오르간온칩은 천연 세포외 매트릭스를 모방한 3D 모델을 제공해 약물에 대한 현실적인 반응을 나타낼 수 있게 해 준다.[29] 지금까지는 간온간, 심장온간칩 개발에 연구가 집중됐지만, 전체 체온간 모델을 개발할 수 있는 잠재력은 존재한다.[29]

연구자들은 3D 프린터로 제작한 장기를 결합함으로써 온-온-오-칩을 만들 수 있다. 심장-온-아칩 모델은 이미 화학요법 약물독소루비신과 같은 심장박동수 기반 부작용을 가진 여러 약물이 개인별로 사람들에게 어떤 영향을 미칠 수 있는지를 조사하기 위해 사용되었다.[30] 새로운 Body-on-a-chip 플랫폼은 간, 심장, 폐, 그리고 Kindey-on-a-chip을 포함한다. 장기 온-아칩은 별도로 인쇄하거나 제작하여 통합한다. 이 플랫폼을 사용하는 약물 독성 연구는 높은 처리량으로 수행되어 비용을 낮추고 약물 발견 파이프라인에서 효율성을 높인다.[29]

법률 및 안전

3D 프린팅 기술은 제품 제작이라는 전반적인 목표를 위해 다양한 산업에서 사용되어 왔다. 반면 장기인쇄는 생물학적 구성요소를 활용해 장기이식에 대한 치료적 응용을 개발하는 새로운 산업이다. 이 분야에 대한 관심이 높아지면서 규제와 윤리적 고려가 절실한 상황이다.[31] 구체적으로는 이 치료법에 대해 임상 전 번역부터 임상 번역까지 법적 복잡성이 있을 수 있다.[32]

규정

현행 장기 매칭 규정은 1984년 국가장기이식법이 통과된 이후 장기기증자의 국가등록부에 초점이 맞춰져 있다.[1] 이 법은 장기이식에 대한 수요가 많아 불충분하다는 것이 입증되었지만 평등하고 정직한 분배를 보장하기 위해 제정되었다. 장기 인쇄는 환자 맞춤형 장기 교체를 인쇄함으로써 수요와 공급 사이의 불균형을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 이 모든 것은 규제 없이는 실현 불가능한 것이다. 미국 식품의약국(FDA)은 미국의 생물학, 장치, 약물에 대한 규제를 담당한다.[31][32] 이러한 치료적 접근법의 복잡성 때문에 스펙트럼의 장기 인쇄 위치를 파악하지 못했다. 연구들은 인쇄된 장기를 다기능 결합 제품으로 특징지어 왔는데, 이는 그것들이 FDA의 생물학과 장치 분야 사이에 속한다는 것을 의미하며, 이는 검토와 승인을 위한 더 광범위한 과정으로 이어진다.[31][32][33] 2016년 FDA는 적층 제조장치에 대한 기술적 고려사항에 대한 지침 초안을 발표했으며 현재 3D 프린팅 장치에 대한 신규 제출을 평가하고 있다.[34] 그러나 FDA가 직접 주류를 이룰 만큼 기술 자체가 선진화되지는 않았다.[33] 현재는 완제품이 아닌 3D프린터가 개인화된 치료접근법 기술을 표준화하기 위해 안전성과 효능을 평가받는 것이 주안점이다. 글로벌 관점에서 한국과 일본의 의료기기 규제 행정기관만이 3D 바이오프린팅에 적용할 수 있는 가이드라인을 제시해 왔다.[31]

지적 재산과 소유권에 대한 우려도 있다. 이것들은 해적 행위, 제조를 위한 품질 관리, 암시장에서의 무허가 사용과 같은 더 중요한 문제들에 큰 영향을 미칠 수 있다.[32][33] 이러한 고려사항은 재료와 제작 프로세스에 더 초점을 맞추고 있으며, 3D 인쇄의 법적 측면에 더 광범위하게 설명되어 있다.

윤리적 고려 사항

윤리적 관점에서, 장기 인쇄 기술, 세포 출처 및 대중의 기대치에 관한 우려가 있다. 이러한 접근방식은 전통적인 외과적 이식보다 비용이 덜 들 수 있지만, 이러한 3D 프린팅된 장기의 사회적 가용성에 대해서는 회의적인 시각이 있다. 현대의 연구는 부유한 인구가 장기 등록부에 남아 있는 동안 이 치료법을 접할 수 있는 잠재적인 사회적 계층화가 있다는 것을 발견했다.[35] 앞서 언급한 세포출처도 고려할 필요가 있다. 장기 인쇄는 동물 연구와 실험을 감소시키거나 없앨 수 있지만, 또한 자가학적이고 모든 것을 유발하는 출처의 윤리적 함의에 의문을 제기한다.[35][36] 좀 더 구체적으로, 실험 테스트를 받고 있는 인간의 미래 위험을 조사하기 위한 연구가 시작되었다.[31] 일반적으로 이 애플리케이션은 사회적, 문화적, 종교적 차이를 유발할 수 있어 전 세계적인 통합과 규제가 더욱 어려워진다.[32] 전체적으로 장기인쇄에 대한 윤리적 고려사항은 일반 생명인쇄 윤리와 유사하지만 조직에서 장기까지 추론된다. 전체적으로, 장기 인쇄는 주류 생산이 실현되기 전에 고려해야 할 장단기적 법적 윤리적 결과를 가지고 있다.

임팩트

의료 응용을 위한 장기 인쇄는 아직 개발 단계에 있다. 따라서 장기 인쇄의 장기적인 영향은 아직 결정되지 않았다. 연구원들은 장기 인쇄가 장기 이식의 부족을 줄일 수 있기를 희망한다.[37] 현재 간, 신장, 폐 등 사용 가능한 장기가 부족하다.[38] 장기 이식을 미루거나 예방할 수 있는 미국에서 매년 사망자의 거의 3분의 1이 사망하는 등 생명구조 장기를 받기 위한 긴 기다림 시간이 주요 사망 원인 중 하나이다.[38] 현재 3D 바이오프린팅이 되어 인간에게 성공적으로 이식된 장기는 방광뿐이다.[39] 방광은 숙주 방광 조직에서 형성되었다.[39] 연구원들은 3D 프린터로 인쇄된 장기의 잠재적인 긍정적인 영향은 받는 사람을 위해 장기를 사용자 정의할 수 있는 능력이라고 제안했다.[3] 장기수취자의 숙주세포를 장기합성에 사용할 수 있게 하는 개발은 장기거부 위험을 감소시킨다.[38]

장기를 인쇄할 수 있는 능력은 동물 실험에 대한 수요를 감소시켰다.[40] 동물실험은 화장품부터 의료기기까지 제품의 안전성을 판단하는 데 사용된다. 화장품 회사들은 이미 피부에 새로운 제품을 테스트하기 위해 더 작은 조직 모델을 사용하고 있다.[40] 피부 3D 프린팅은 메이크업 테스트를 위한 동물 실험의 필요성을 줄여준다.[38] 또한 신약의 안전성과 효능을 시험하기 위해 인체 장기 모형을 인쇄할 수 있는 능력은 동물 실험의 필요성을 더욱 감소시킨다.[40] 하버드 대학의 연구원들은 약물의 안전성이 폐의 더 작은 조직 모델에서 정확하게 테스트될 수 있다고 결정한다.[40] 2009년 초기 상업용 바이오프린터 중 하나를 설계한 오가노보사는 생분해성 3D 조직 모델을 암 치료용 모델을 포함한 신약 연구와 개발에 활용할 수 있다는 것을 보여줬다.[41] 장기 인쇄의 추가적인 영향에는 조직 모델을 신속하게 만들어 생산성을 높일 수 있는 능력이 포함된다.[3]

과제들

3D 프린팅 장기의 과제 중 하나는 장기의 생존을 위해 필요한 혈관 조직을 재생하는 것이다.[42] 정확한 혈관 조직을 설계하는 것은 영양소, 산소, 폐기물의 운반에 필요하다.[42] 혈관, 특히 모세혈관은 직경이 작기 때문에 어렵다.[38] 라이스 대학의 이 분야에서는 연구진이 3D 프린터를 설계해 생체적합성 수족관에 혈관을 만들고 혈액에 산소를 공급할 수 있는 폐 모형을 설계했다.[42] 그러나 이 기법과 함께 장기의 다른 미세한 세부사항들을 복제하는 것이 도전이다.[42] 기도와 혈관, 담즙관의 얽히고설킨 네트워크와 장기의 복잡한 기하학적 구조를 복제하는 것은 어렵다.[42]

장기인쇄 분야에서 직면하고 있는 도전은 다변량화와 어려운 기하학의 문제를 해결하기 위한 기술의 연구와 개발을 넘어선다. 장기인쇄가 널리 보급되기 전에, 지속 가능한 세포원의 원천을 찾고 대규모 제조 공정을 개발해야 한다.[43] 추가적인 난제로는 합성 장기의 장기 생존성과 생체적합성을 시험하기 위한 임상실험 설계가 포함된다.[43] 장기 인쇄 분야에서 많은 발전이 이루어졌지만 더 많은 연구가 이루어져야 한다.

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