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과학자들은 생물학적 조직을 모방한 3D 프린팅 물질을 개발함

과학기술발전

등록일  2020.06.18

조회수  69

최근 연구자들은 한 때 불가능하다고 생각되었던 업적이었던, 실제 생물학적 조직(biological tissue)을 완전히 모방할 수 있는 3D 프린팅 물질을 만들었다고 발표했음.

 

인간과 다른 생명체들이 그들의 생존을 돕기 위해 갖추고 있는 수많은 생물학적 요소들 중 생물학적 조직은 틀림없이 가장 유용한 것 중 하나임. 생물학적 조직은 본질적으로 어떤 장기에 필요한 모양과 보호를 제공하는 것과 같이 공유된 생물학적 목적을 위해 함께 작용하는 세포들의 상호 연결된 네트워크임.

 

인간의 무릎에서 발견된 연골을 예로 들어보자. 이 생물학적 조직은 수많은 세대에 걸쳐 그 특정 부분의 요구에 완벽하게 맞게 적응하고 진화해 왔는데, 이 물질은 인체의 무게와 압력에 견딜 수 있을 만큼 강하지만 격렬한 활동으로부터 그 관절들을 완화할 수 있을 만큼 충분히 부드러운 물질임.

 

연구원들은 세포의 복잡성 때문에 생물학적 조직을 적절하게 복제하기 위해 오랫동안 애써왔음. 진화는 지구의 자연사 과정에서 그러한 조직을 만들 수 있었을지 모르지만, 인간이 만든 대체물을 만드는 것은 어려운 도전이라는 것이 증명되었음.

 

콜로라도 덴버 대학과 중국 남부 과학 기술 대학의 과학자들은 이번 주 Advanced Materials 저널에서 현실이 바뀌었다고 발표했음.

해당 논문: “LiquidCrystalElastomerBased Dissipative Structures by Digital Light Processing 3D Printing” by Nicholas A. Traugutt, Devesh Mistry, Chaoqian Luo, Kai Yu, Qi Ge and Christopher M. Yakacki, 8 June 2020, Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.202000797 (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202000797)

 

CU 덴버의 스마트 머티리얼즈와 바이오매틱스 연구소(Smart Materials and Biomechanics Lab)에서 근무하고 있는 기계공학자인 크리스 야카키 교수가 이끄는 연구원들은 디지털 라이트 프로세싱이라고 알려진 3D 프린팅 공정을 사용하여 자연 생물학적 조직(natural biological tissue)을 완벽하게 복제할 수 있는 특별한 물질을 만드는 방법을 배웠음.

 

이 디자인은 다양한 용도와 뛰어난 탄성, 상당한 양의 에너지를 발산하는 독특한 능력으로 잘 알려진 종류의 부드러운 물질인 크리스탈 탄성기의 사용에 바탕을 둠.

 

야카키는 이러한 크리스탈들 제조와 개발 과정에서 어떻게 사용될 수 있는지를 변화시키는 그의 연구로 이전에 찬사를 받았기 때문에, 이미 이 크리스탈들에 꽤 익숙했음. 그는 심지어 LCE를 축구 헬멧용 충격 흡수체로 만드는 것을 돕는 것으로 약간의 기금을 받음.

 

그러나 이러한 물질의 잠재력에도 불구하고, 연구자들이 원하는 방식으로 실제로 작동하도록 하는 것은 쉬운 일이 아니었음. 특히, 과학자들은 이 물질들이 큰 물질의 세부사항이나 매우 정교한 가상의 미세한 물질를 만드는 데 주로 사용되었다고 말함.

 

야카키는 "누구나 크리스탈에 대해 들어본 적이 있다"면서 "크리스탈 폴리머(polymer, 중합체)에 대해 들어본 적이 있을 것"이라고 말했음. "우리의 도전은 그것들을 엘라스토머와 같은 부드러운 폴리머로 만들어서 충격 흡수제로 사용하는 것이다. 이는 복잡성의 수준이 낮아지는 시기이다."

 

이러한 도전에도 불구하고, 야카키와 연구원들은 그들의 목표를 향해 물질을 구부리는 새로운 방법을 탐구했음.

 

이 과정은 특별한 수지(resin, 레진)를 만드는 것으로 시작되었는데, 이것은 꿀과 현저하게 유사한 것으로, 수지가 자외선에 부딪혔을 때 광폴리머 층을 형성할 수 있음. 이 변형된 수지와 그 층들은 강하고 부드러우며, 작동 가능하고 내구성이 있는 탄성체를 형성하며, 다양한 특수 구조물로 인쇄될 수 있음.


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연구원들은 이 물질을 미니어처지만 복잡하게 세밀한 연꽃과 심지어 전체의 척추 융접 케이지 프로토타입(entire spinal fusion cage prototype)과 같은 여러 가지 디자인으로 실험했음.

 

결과는 놀라울 정도로 인상적이었음. 그들의 인쇄 기술과 특별한 꿀과 같은 수지의 조합으로 다른 상업적으로 구할 수 있는 대체품들보다 훨씬 우수하고 내구성이 뛰어난 최종 제품을 만들었음. 


야카키는 이러한 유망한 결과를 바탕으로 이 기술이 생물학적 조직에 사용될 수 있는 응용이 엄청날 수 있다고 믿고 있음. 그는 특히 이 돌파구가 인간의 척추에 무엇을 의미할 수 있는지에 대해 열성적이며, 이는 연구자들과 의학 전문가들이 오랫동안 더 잘 이해하려고 노력해 온 잠재적인 문제들로 가득함.

 

야카키는 "척추에 대한 도전은 많으며 풀기 어려운 문제"라고 말했음. "사람들은 합성 척추 조직 디스크(synthetic spinal tissue discs)를 만들려고 시도했지만 잘 해결하지 못했다. 3D 프린팅과 고해상도로 인해 당신은 사람의 해부학적 구조와 정확히 일치할 수 있다. 언젠가는 척추를 고정시키기 위해 세포를 배양할 수 있을지도 모르지만, 현재로서는 차세대 물질로 한 걸음 더 나아갈 수 있다. 거기가 우리가 도달하고 싶은 곳이다."

 

이 새로운 생물학적 조직 대체물은 무수히 많은 다른 방법으로도 사용될 수 있음. 이 재료의 한 가지 잠재적 용도는 발가락에 충격을 흡수하는 임플란트를 만드는 것일 수 있는데, 이는 잘못된 커피 테이블에 있는 동안 발가락이 뭉쳐지지 않도록 하는 데 잠재적으로 도움이 될 수 있음.

 

연구원들은 응용 분야에 무관하게 생물학적 조직 모방의 활용이 획기적으로 발전하여 근본적으로 바뀔 것이라고 낙관함.  

 

원문 및 사진 출처: https://www.courthousenews.com/scientists-develop-3d-material-that-mimics-biological-tissue/ (2020.6.8.)

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