3D 프린터(5) : 의료 분야

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② 의료 분야

학자들이 가장 주목하는 3차원 프린터의 활용도는 의료분야다.

2002년 미국 캘리포니아주립대 의대에서 100시간 가까이 걸리는 샴쌍둥이 분리수술을 22시간 만에 성공적으로 마쳤는데 일등공신은 바로 3D프린터였다. 집도의였던 헨리 가와모토 교수는 샴쌍둥이가 붙어 있는 부분을 자기공명영상(MRI)으로 찍은 뒤 3차원으로 인쇄했다. 인쇄물에는 두 아기의 내장과 뼈가 마치 진짜처럼 세세히 나타나 있었다. 그는 내장과 뼈가 다치지 않도록 인쇄물을 자르는 예행연습을 한 후 진짜 수술에 들어갔다.

3D프린터는 대형 병원에서 그야말로 효자로 활용될 수 있다.

MRI나 컴퓨터 단층촬영(CT) 같은 3차원 영상장비를 구비하고 있으므로 3차원 인쇄물을 검토하여 영상으로 볼 때보다 뼈와 장기가 어떤 모양으로 얼마나 손상됐는지 이해하기 쉬워진다. 그러므로 환자의 몸을 3차원으로 찍은 뒤 3D프린터로 인쇄한 골반 뼈 등 보형물을 만들면, 환자에게 꼭 맞게 이식할 수 있다.

내 몸에 꼭 맞는 정확한 장기를 만들면 안전하고, 제작 시간과 비용도 획기적으로 줄일 수 있다. 인공 치아 즉 임플란트나 인공관절 같은 보형물을 심으려면, 뼈에 공간을 마련하고 거기에 딱 맞는 보형물을 맞춰야 한다. 보형물이 너무 크면 다시 깎아야 하고 너무 작으면 보조물을 덧대 보완해야 한다.

 

3D프린터로만든인공관절,치아,귀,동맥

사실 환자의 몸에 100% 딱 맞는 보형물을 만드는 일은 간단한 일이 아닌데 3D 프린터로 뼈 모형을 인쇄하고 뼈 사이에 있는 공간을 거푸집으로 삼으면 효율적인 보형물을 만들 수 있다.

캐나다 맥길대 제이크 바라렛 교수는 2007년 시멘트 가루에 산을 뿌려 ‘인공 뼈’를 인쇄하는 데 성공했다. 작은 숨구멍이 숭숭 뚫려 있어 실제 뼈와 흡사하다. 미국 미시간대학교에서 3D 프린터로 기도(氣道) 고정 장치를 만들어 선천적으로 기도가 약한 생후 2개월 아기에게 이식하는 데 성공했다.

더욱 놀라운 것은 혈관이 얽혀 있는 생체조직을 인쇄하는 것도 가능하다는 점이다. 이를 확대하면 언젠가 환자는 자신의 줄기세포를 층층이 쌓아올려 ‘살아 있는 장기’를 만들어 자신의 몸에 이식받을 수 있을 것으로 예상한다.

미국 미주리대 가보 포르가츠 박사는 지름이 수백㎛(마이크로미터, 100만분의 1m)인 세포를 겹겹이 쌓아 압축하면 심장이나 간을 만들 수 있다고 발표했는데 일본 도야마 국립대 나카무라 마코토 교수가 살아있는 세포를 3차원 프린터로 쌓는 데 성공했다.

그는 장기를 수평으로 얇게 저며 층마다 세포가 어떻게 배열돼 있는지 분석한 뒤 그 정보에 맞춰 알맞은 세포를 쌓아 장기를 만들었다. 학자들은 현재 병원마다 X선 촬영이나 CT를 담당하는 방사선사가 있는 것처럼, 미래에는 ‘3차원 프린팅 기사’라는 직업이 생길 것으로 전망한다.

보청기 분야도 획기적인 진전이 예상된다. 과거의 보청기는 최소한 10년 이상 경력의 숙련공들이 정성 들여 깎고 다듬는 방식으로 제작했다. 그런데 3D프린터가 등장하면서 숙련공의 손을 거치지 않아도 환자 귀 모양에 꼭 맞는 보청기를 곧바로 생산할 수 있게 된 것이다. 3D 프린트로 인해 보청기 제작 작업 속도가 빨라질 뿐만 아니라 불량률이 크게 낮아지고 고객들의 착용감 역시 예전에 비해 크게 좋아지는 것은 물론 가격이 획기적으로 내려감은 물론이다. 장기이식 수술이나 성형수술 등에도 3D 프린터는 큰 역할을 할 수 있다. 미래의 병원을 보자

 

‘자영업자 K씨는 관상동맥질환으로 좁아진 혈관을 넓히는 스텐트 시술을 받아야 하지만 심장 근육 손상 정도가 심하고, 스텐트를 삽입해야 하는 혈관 부위가 복잡해 수술이 어려울 수 있다는 이야기를 들었다. K씨의 수술을 담당하는 의료진은 수술을 앞두고 김씨의 심장 CT를 3D 프린터에 입력해 몇 시간 만에 김씨의 심장과 똑같은 모양과 크기의 인공 심장을 만들었다. 이후 의료진은 수술에 사용할 도구를 이용해 모의 수술을 진행한 후 실제 수술도 성공적으로 마쳤다. 수술이 끝난 뒤, 의료진은 K씨의 줄기세포를 배양해 따로 보관한다. K씨에게 심장 이식이 필요한 상황이 생겼을 때 본인의 세포로 인공 심장을 즉시 만들어 이식할 수 있도록 하기 위해서다.'

 

다소 먼 미래의 일로 보이지만 CT로 촬영한 이미지를 활용해 장기 복제품을 미리 출력하면 실제 수술 환자 장기의 어느 부분을 어떻게 절개해야 할지 미리 시뮬레이션하는데 도움이 된다. 또한 의사의 눈대중에 기대야 했던 성형 시술에서도 3D 프린터로 보형물을 제작하면 손상 전의 모양을 완벽히 재생할 수 있어 시술 후 부작용 발생을 크게 줄일 수 있다.

그동안 의료계에서 3D 프린팅 기술로 보청기·틀니·의족 등 개인 맞춤형 의료 보형물을 제작하거나, 해부용 신체 제작, 수술 계획을 위해 활용하는 장기 등을 만드는 데 집중했다.

그런데 미국에서 얼굴 근육 마비로 혼자서 음식을 먹지 못하는 어린 장애인을 위한 보철구를 생산하는 데 성공했다. 스타트업 기업인 ‘오운폰즈(OwnPhones)’는 개개인의 귀에 맞춘 이어폰인 커스텀이어폰을 무선화한 제품을 출시했다. 일반 이어폰과 다른 부분은 고객이 스스로 촬영한 귀 부분 사진을 송부하면 이에 맞춘 맞춤형 이어폰을 3D프리팅하여 판매하는 것이다.

이와 같이 3D 프린팅의 가장 큰 장점은 사용자 맞춤형 제품을 만들 수 있다는 점이다. 3D 프린터로 환자 맞춤형으로 만들면 효과가 좋아짐은 물론이다. 중앙대병원 신경외과 권정택 교수는 뇌출혈 등 수술을 할 때 뇌를 둘러싼 뼈를 어떻게 깎느냐가 수술의 성패를 결정하는 요소인데 3D 프린터로 수술 부위를 미리 만들어 가상 수술을 해보면 실제 수술 과정에서 발생할 수 있는 사고를 줄이고, 수술 성공률이 향상된다고 설명했다.

바이오 3D 프린팅 기술도 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

사람의 줄기세포를 이용해 기존 장기와 동일한 기능을 하는 인공 장기를 만드는 바이오 3D 프린팅 기술 개발도 진행중이다. 세포를 이용한 3D 프린팅 기술이 상용화되면, 장기 이식 환자들이 기증자를 막연히 기다리지 않고 자신의 세포로 만든 장기를 바로 이식받을 수 있게 되기 때문이다.

 

3D프린터로 인공장기 만들기

미국 노스웨스턴대 의대는 젤라틴으로 만든 인공 난소에 난포 세포 즉 난자로 자랄 수 있는 세포를 붙여 배양하고, 이를 쥐에 이식했다. 인공 난소를 이식받은 암컷 쥐는 수컷 쥐와 교배를 통해 건강한 새끼를 출산했다. 심장도 주 연구 대상이다. 울산과학기술원은 초소형 심장을 만드는 데 성공했다. 길이가 0.25㎜인 인공 심장은 전기 자극을 주면 움직이고, 심장 박동 속도는 실제 심장과 동일하다.

미국 벤처기업 '오가노보'는 직접 개발한 3D 프린터를 이용해 간 세포와 간성상세포, 내피세포 등으로 이뤄진 간 조직을 만들어 42일 동안 생존시키는 데 성공했다. 이들은 바이오잉크 구상체들을 한 겹씩 프린트하고, 그 위에 바이오겔을 겹겹이 쌓아서 입체형 구조를 만들었다. 이후 사이사이에 있던 바이오겔이 용해되어 없어지면서 겔 위의 세포들이 유기적으로 결합해 살아있는 조직으로 생성되는 것이다. 해당 기간 동안 간 조직의 모든 기능은 정상이었다.

미국 애스펙트 바이오시스템즈(Aspect Biosystems)도 RX1이라는 바이오 3D 프린터로 과민반응 생체조직을 만들었다. 다양한 세포 유형을 필요에 맞게 층층이 쌓아 만들어진 이 생체조직은 생물체의 민감한 수축 반응을 그대로 재현할 수 있다. 일본의 사이퓨즈(CyFuse)도 세포 덩어리를 쌓고 배양해서 장기유사체를 프린팅했다.

2017년 11월 고려대 안산병원에서 아래턱뼈를 이식하는 수술이 시행됐다. 구강암 환자인데 혀에 발생한 악성종양을 치료했지만 혀와 어금니 뒤쪽에서 재발했다. 암 세포는 턱뼈까지 침범했다. 의료진은 아래턱뼈를 제거하고 새로 이식하기로 했다.

 

세브란스병원골수암환자이식용 3D 인공골반뼈

보통 아래턱뼈를 재건하려면 종아리뼈나 갈비뼈를 사용한다. 의료진은 새로운 방법을 시도했다. 3D 프린팅 기술을 이용해 티타늄 재질의 아래턱뼈를 새로 만들어 이식한 것이다. 혀와 구강 점막을 대신하기 위해서 피부와 연부 조직을 함께 이식했는데 수술은 성공적으로 끝났다. 이에 앞서 2015년에는 고려대 안산병원 신경외과에서 3D 프린터로 인조합금 두개골을 만들어 이식하기도 했다.

그러나 의학자들은 이보다 보다 업그레이드된 회심의 연구 즉 3D프린터로 인체의 완벽한 심장을 만드는데 주력하고 있다.

목표는 간단하다. 병든 장기를 새것으로 ‘교체’하자는 것인데 이것이 간단치 않다는 것을 이해할 것이다. 과학자들은 동물의 유전자와 인간의 줄기세포를 이용해 인공장기를 만드는 것은 물론 3D바이오프린팅 기술을 이용하자는 것이다.

인체의 장기 중에서 인공 심장 개발은 학자들의 꿈인데 미국 카네기 멜론대학에서 3D 바이오프린팅 기술을 이용해 심장을 만들 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 발표했다. ‘프레쉬’(FRESH, Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels)로 명명된 이 기술은 인체의 주요 성분인 단백질의 콜라겐에서 3D 생체인쇄가 가능한 조직 표본을 얻는 것이다.

‘프레쉬’ 3D 바이오프린팅 기법은 콜라겐을 젤로 만든 틀 안에 겹겹이 쌓아 굳힌 뒤 이를 대체장기의 외벽을 감싸는 틀로 활용한다. 이후 장기가 필요한 환자의 해부학적 구조나 건강 데이터를 고려한 세포 등을 프린팅하고, 외부 콜라겐은 체온 정도의 열로 녹이면 3D프린팅한 장기의 손상을 막을 수 있다는 장점도 있다. 학자들은 이 기술이 적어도 2030년까지는 실용화될 수 있다고 전망한다.

일반적으로 심장과 같은 인체의 장기는 세포외기질(ECM)로 불리는 구조로 구성돼 있다. 세포외기질은 세포의 구조적 지지와 세포간의 연결을 담당할 뿐만 아니라 신호전달을 비롯해 세포와 세포 사이의 소통을 위한 역할, 배아의 발생과 세포의 분화 등에 중요한 영향을 미친다. 그동안 세포외기질을 인공적인 방법으로 재구축하는 것이 불가능했지만, 3D 바이오프린팅 기술과 세포 및 콜라겐을 재료로 이용해 세포외기질을 재현하는 방법을 찾았다는 것이다.

이를 이용하면 심장 판막이나 심실처럼 실제로 기능이 가능한 심장의 일부분을 프린팅할 수 있으며, 작게는 심장 세포, 크게는 성인에게 이식이 가능할 정도의 심장을 재현할 수 있다.