스마트팜융합바이오시스템공학과

KANGWON NATIONAL UNIVERSITY

강원대학교(총장 정재연) 춘천캠퍼스(캠퍼스총장 임의영) 농업생명과학대학 스마트팜융합바이오시스템공학과 임기택 교수 연구팀은 차세대 3D 프린팅 제조 기술인 ‘직접 잉크 쓰기(Direct Ink Writing, 이하 DIW)’ 공정을 활용해 맞춤형 골 결손 환자를 치료할 수 있는 첨단 적층 제조 기술의 발전 방향을 새롭게 제시했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 최고 권위지인 「Progress in Materials Science(Elsevier, Impact Factor: 42.9, JCR 상위 0.7%)」 최신호에 ‘Direct ink writing of bone-specific implantable scaffolds and devices(맞춤형 골 특이적 이식형 스캐폴드 및 디바이스를 위한 직접 잉크 쓰기 기술)’라는 제목으로 게재됐다.

기존 용융적층(FDM)이나 광중합(SLA/DLP) 등의 3D 프린팅 방식은 고온 및 자외선 노출로 인해 살아있는 세포가 손상되는 근본적인 한계가 있었으며, 기존 티타늄 등 금속 임플란트 역시 인체 뼈의 다공성 구조를 재현하지 못해 주변 뼈가 약해지는 ‘응력 차단(Stress shielding)’ 현상과 골 유합 지연을 유발해왔다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 온화한 상온·고습 환경에서 고점도 바이오잉크를 정밀하게 적층하는 DIW 공정에 주목했다.

특히, 인체 뼈의 치밀골과 해면골 구조를 완벽히 모사하기 위해 맥신(MXene), 나노셀룰로오스, 생체유리 등을 하이드로겔과 복합화한 ‘이종-나노접합체(HNCs)’ 기반의 고기능성 바이오잉크 공정을 확립했다.

해당 기술은 인체 운동 시 발생하는 미세 전위를 활용한 ‘압전 특성’을 응용하여 외부 자극을 전기 신호로 변환시키며, 세포의 칼슘 이온 채널을 개방해 ▲골 재생 인자(RUNX2, BMP-2 등) ▲혈관 신생 인자(VEGF)의 발현을 유도하는 기계-생체전기 공학적 메커니즘을 상세히 규명했다.

나아가, 연구팀은 환자의 의료 데이터(CT/X-ray)를 인공지능(AI)과 머신러닝 알고리즘으로 분석해 ▲실시간 적층 경로 및 압력 자율 조정 ▲지지체의 강도 및 체내 분해 속도 예측이 가능한 자율 공정 제어 플랫폼을 핵심 기술로 제안했다.

이와 함께, 실제 임상 상용화를 위한 미세유체 기반 ‘3D 뼈 조직 칩(Bone-on-a-chip)’ 및 GMP 품질 관리 가이드라인도 폭넓게 정립했다.

임기택 교수는 “이번 연구는 단순한 재료의 확장을 넘어 바이오잉크의 유변학적 제어부터 생체전기 자극, AI 공정 제어, 임상 상용화 가이드라인까지 DIW 기반 맞춤형 골 이식재 기술 전반을 통합적으로 정립했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 ‘중견연구지원사업’과 ‘지역지능화혁신인재양성사업’, 산림과학연구소의 ‘대학중점연구소지원사업’의 지원을 받아 수행됐다.

▲탄소나노튜브(CNTs), 그래핀옥사이드(GO), 맥신(MXenes), 전도성 고분자(ICPs), 금속 나노입자 등 다양한 전도성 소재가 통합된 3D 프린팅 전도성 하이드로겔의 골 재생 메커니즘.

하이드로겔 내부의 미세 전기 네트워크가 전기장 자극을 효율적으로 전달하여, 골 형성(Integrin/FAK, ERK/MAPK, Piezo-1/2, SMAD) 및 면역 조절 신호전달 경로를 활성화함으로써 골 형성, 기질 석회화, 신생 혈관 형성 및 복합적 뼈 재생을 촉진함.