프린팅 된 심장 판막 스캐폴드를 보여주는 용융 전기쓰기(Melt Electrowriting) 시스템의 실린더 클로즈업. 이미지출처: Andreas Heddergott / 뮌헨 공과 대학(TUM)

인체에는 4개의 심장 판막이 있어 혈액이 올바른 방향으로 흐르도록 한다. 심장 판막이 제대로 열리고 닫히는 것이 중요하다. 이 기능을 수행하기 위해 심장 판막 조직은 이질적이며, 이는 심장 판막이 동일한 조직 내에서 서로 다른 생체 역학적 특성을 표시함을 의미한다.

뮌헨 공과 대학(TUM)의 의료 재료 및 임플란트 교수인 Petra Mela와 서호주 대학의 Elena De-Juan Pardo 교수와 함께 일하는 연구원 팀은 이제 처음으로 이 이질적인 것을 모방했다. 용융 전자 쓰기(melt electrowriting)이라는 3D프린팅 공정을 사용하여 구조를 만든다. 이를 위해 그들은 정확한 맞춤형 패턴과 그 조합을 쉽게 프린팅할 수 있는 플랫폼을 개발했으며, 이를 통해 동일한 스캐폴드 내에서 다양한 기계적 특성을 미세 조정할 수 있다.

용융 전자 쓰기를 통해 정밀하고 맞춤화 된 섬유 지지체 생성 가능

용융 전자 쓰기는 매우 얇은 폴리머 섬유의 정확한 패턴을 생성하기 위해 고전압을 사용하는 비교적 새로운 적층 제조 기술이다. 폴리머는 가열, 용융 및 액체 제트로 프린팅 헤드 밖으로 밀려 섬유를 형성한다.

이 과정에서 고전압 전기장이 가해지며 폴리머 제트를 가속하고 컬렉터 쪽으로 당겨 폴리머 제트의 직경을 상당히 좁힌다. 그 결과 일반적으로 직경이 5~50마이크로미터 범위인 얇은 섬유가 생성된다. 또한, 전기장은 정의되고 정확한 패턴을 만드는 데 중요한 폴리머 제트를 안정화한다.

미리 정의된 패턴에 따라 파이버 제트의 "쓰기"는 컴퓨터 제어 이동 수집기를 사용하여 수행된다. 꿀이 떨어지는 숟가락 아래에서 빵 조각을 움직이는 것과 유사하게, 움직이는 플랫폼은 정의된 경로를 따라 나오는 섬유를 수집한다. 사용자는 좌표를 프로그래밍하여 이 경로를 지정한다.

심장 판막의 복잡한 구조 생성과 관련된 프로그래밍 노력을 상당히 줄이기 위해 연구원들은 사용 가능한 패턴 라이브러리에서 선택하여 스캐폴드의 다른 영역에 다른 패턴을 쉽게 할당하는 소프트웨어를 개발했다. 또한, 비계의 길이, 직경 및 두께와 같은 기하학적 사양은 그래픽 인터페이스를 통해 쉽게 조정할 수 있다.

심장 판막을 위한 프린팅된 스캐폴드의 클로즈업. 적절한 생체 역학을 보장하는 다양한 구조가 명확하게 보인다. 이미지출처: 뮌헨 공과 대학

심장 판막 지지체는 세포와 호환되며 생분해성이다.

연구팀은 3D프린팅을 위해 의료용 PCL(폴리카프로락톤)을 사용했는데, 이는 세포와 호환되고 생분해된다. 아이디어는 PCL-심장 판막이 이식되면 첫 번째 세포 배양 연구에서와 같이 환자 자신의 세포가 다공성 지지체에서 자랄 것이라는 것이다. 그러면 세포는 PCL 스캐폴드가 분해되기 전에 잠재적으로 새로운 조직을 형성할 수 있다.

PCL 스캐폴드는 실제 심장 판막에 존재하는 천연 엘라스틴의 특성을 모방하고 PCL 구조의 기공보다 작은 미세 기공을 제공하는 엘라스틴 유사 물질에 내장되어 있다. 목표는 세포가 정착할 수 있는 충분한 공간을 남기고 혈류를 위해 판막을 적절하게 밀봉하는 것이다.

설계된 밸브는 생리적 혈압과 흐름을 시뮬레이션하는 모의 흐름 순환 시스템을 사용하여 테스트되었다. 심장 판막은 검사된 조건에서 올바르게 열리고 닫혔다.

MRI를 사용하여 시각화할 수 있는 나노 입자

PCL 물질은 TUM의 생체의학 자기 공명 교수인 Franz Schilling과 Bioseparation Engineering 교수인 Sonja Berensmeier와 함께 더욱 발전되어 평가되었다. 초소형 초상자성 산화철 나노입자로 PCL을 수정함으로써 연구자들은 자기공명영상(MRI)을 사용하여 지지체를 시각화할 수 있었다. 수정된 재료는 프린팅 가능하고 세포와 호환된다. 스캐폴드가 이식 시 모니터링될 수 있기 때문에 이것은 기술을 클리닉으로 변형하는 것을 용이하게 할 수 있다.

“우리의 목표는 환자의 새로운 기능적 조직 형성을 지원하는 생체 영감 심장 판막을 설계하는 것이다. 현재의 심장 판막은 환자와 함께 자라지 않으므로 수년에 걸쳐 여러 수술을 거쳐 교체해야 하므로 어린이는 이러한 솔루션의 이점을 특히 누릴 수 있다. 대조적으로 우리의 심장 판막은 기본 심장 판막의 복잡성을 모방하고 환자 자신의 세포가 스캐폴드에 침투할 수 있도록 설계되었다.”라고 Petra Mela는 말한다.

클리닉으로 가는 다음 단계는 동물 모델에 대한 전임상 연구입니다. 팀은 또한 기술을 더욱 개선하고 새로운 생체재료를 개발하기 위해 노력하고 있다. 그들의 현재 연구 결과는 Advanced Functional Materials에 게재되었다.

출처TechXplore.com