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[연구] 3D프린터로 인공각막 제작 성공

각막 이식 새길 열리나?

김성화 기자ksh2@healthi.kr 입력 : 2019-05-15 14:17  | 수정 : 2019-05-15 14:17

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 3D 프린팅 기술을 이용해 인공각막을 만드는 과정
자료=포스텍

 

[헬스앤라이프 김성화 기자] 포스텍(총장 김도연)은 조동우 기계공학과 교수와 장진아 창의IT융합공학과 교수팀이 경북대 의대 안과 김홍균 교수팀과 공동연구를 통해 탈세포화된 각막 조직과 줄기세포를 섞어 만든 바이오잉크를 사용해 3D 프린팅 기술로 인공 각막을 제작하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

 

이 각막은 각막 유래 재료로만 만들어 생체에 적합하며 실제 사람의 각막처럼 투명하게 제작됐다.

 

인공 각막은 복잡한 제작 과정 때문에 투명하면서도 생체 적합 소재로 만드는 데 어려움을 겪어 왔다. 지난 해 인간의 줄기세포로 만든 인공 각막도 대량 생산엔 성공했지만 인간의 각막처럼 투명하게 만들지는 못했다.

 

각막 내 격자 패턴은 각막의 투명도와 직접적인 연관이 있는 만큼 그동안 이를 모사하려는 연구가 많았지만 복잡한 제작 과정과 체내 독성 물질 사용으로 실제 각막 이식체로 사용하기 힘들었다. 

 

연구팀은 각막 내 격자 패턴을 3D 프린팅 과정에서 자연스럽게 생성되는 전단 응력을 이용해 만들었다. 소재도 실제 각막 조직과 동일한 세포외 기질과 줄기세포를 섞어 바이오잉크 재료로 제작해 생체 적합성까지 확보했다. 

 

3D 프린팅 기술은 노즐을 통해 내부 잉크가 나오면서 만들어지는데 노즐을 지날 때 마찰력이 생기기 때문에 그 때 만들어 지는 전단 응력이란 힘이 있다.

 

연구팀은 이 힘을 조절해 콜라젠 섬유 구조의 배열을 제어하고 실제 사람의 눈처럼 격자무늬를 지니는 투명한 인공 각막을 만들 수 있었다.

 

토끼를 대상으로 한 실험결과 연구팀이 만든 인공 각막 이식 4주 만에 실제 인간 각막의 구조와 유사한 격자 패턴을 생성하고 유지하면서 투명한 특성을 잘 보유하고 있는 것을 확인했다. 

 

장진아 포스텍 창의IT융합공학과 교수
사진=포스텍

장진아 포스텍 교수는 “3D 프린팅 시 발생하는 응력을 이용해 각막 미세 구조를 모사함으로써 체내 안정성과 투명성을 모두 확보한 연구 성과”라며 “각막 대체제로 상용화된다면 각막 이식을 기다리는 사람들에게 큰 희망이 될 것”이라고 말했다.

 

이번 연구는 환자 맞춤형 각막이식을 위한 각막수술로봇 및 제조로봇의 원천기술을 개발하는 산업통상자원부 산업기술혁신사업과 한국연구재단 리더연구자지원사업, 정보통신기획평가원(IITP) 명품인재양성사업의 지원으로 수행됐으며  국제학술지 <바이오패브리케이션(Biofabrication)> 최근호에 게재됐다.

 

 

 

*** 해당 논문 원본 부분 발췌본. (Downloaded  from  Biofabrication)

 

Shear-induced alignment of collagen fibrils using 3D cell printing for corneal stroma tissue engineering

 

Hyeonji Kim, Jinah Jang, Junshin Park, Kyoung-Pil Lee, Seunghun Lee, Dong-Mok Lee, Ki Hean Kim, Hong Kyun Kim and Dong-Woo Cho

 

 

Abstract

The microenvironments of tissues or organs are complex architectures comprised of structural proteins including collagen. Particularly, the cornea is organized in a lattice pattern of collagen fibrils which play a significant role in its transparency. This paper introduces a transparent bioengineered corneal structure for transplantation. The structure is fabricated by inducing shear stress to a corneal stroma-derived decellularized extracellular matrix bioink based on a 3D cell printing technique. The printed structure recapitulates the native macrostructure of the cornea with aligned collagen fibrils which results in the construction of a highly matured and transparent cornea stroma analog. The level of shear stress, controlled by the various size of the printing nozzle, manipulates the arrangement of the fibrillar structure. With proper parameter selection, the printed cornea exhibits high cellular alignment capability, indicating a tissue-specific structural organization of collagen fibrils. In addition, this structural regulation enhances critical cellular events in the assembly of collagen over time. Interestingly, the collagen fibrils that remodeled along with the printing path create a lattice pattern similar to the structure of native human cornea after 4 weeks in vivo. Taken together, these results establish the possibilities and versatility of fabricating aligned collagen fibrils; this represents significant advances in corneal tissue engineering.

 

 

Article info

 

Received 7 January 2019
Accepted 17 April 2019
Accepted Manuscript online 17 April 2019
Published 7 May 2019

 

※ 출처  Biofabrication

 


ksh2@healthi.kr

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