박테리아 셀룰로오스를 3D 프린팅한다
박테리아 셀룰로오스를 3D 프린팅한다
  • 강지희
  • 승인 2019.11.02 03:05
  • 조회수 616
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3D 프린팅, 전망이 매우 좋군요. 출처: pixabay
3D 프린팅, 전망이 매우 좋군요. 출처: pixabay

서울대학교 현진호 교수 연구팀이 박테리아 셀룰로오스를 3차원 방식으로 인쇄하는 기술을 개발했습니다. 해당 연구 논문은 <Nature Communications>에 게재됐습니다. 

  • 박테리아 셀룰로오스?

박테리아 세포벽의 중요 성분을 구성하는 섬유소를 말합니다.

박테리아 셀룰로오스 연구가 매우 중요한 이유

 

박테리아 셀룰로오스는 순도가 매우 높고 생체적합성이 우수합니다. 생체재료로의 활용이 기대되죠. 박테리아 셀룰로오스 하이드로젤은 안정한 구조, 높은 기계적 강도, 저분자량 물질의 투과성, 기존의 방법을 통한 멸균 가능성, 높은 생체 적합성 등을 보여주고 있습니다. 뿐만 아니라 생체재료로서의 응용 가능성도 무한하죠.

 

박테리아 셀룰로오스는 박테리아의 대사산물로 생합성을 합니다. 이때 박테리아 셀룰로오스는 산소를 필요로 하는데요. 현재까지 박테리아 셀룰로오스는 그 형태가 매트(matt)로 제한될 수밖에 없었습니다. 때문에 이는 다양한 형태를 요구하는 분야로의 응용을 제한해 왔죠. 따라서 박테리아 셀룰로오스를 3차원으로 프린팅할 수 있는 기술개발은 박테리아 셀룰로오스의 응용을 확장시키고 패러다임의 변화를 가져올 수 있는 잠재력이 있다고 평가됩니다.

 

과학자들은 박테리아 셀룰로오스의 모양을 제어할 수 있는 기술로 '몰드(mould) 이용 방식'을 가장 많이 사용합니다. 과학자들은 몰드의 모양에 따라 표면에 생합성되는 박테리아 셀룰로오스 매트의 형태를 제어할 수 있습니다. 최근 벽면에도 산소가 공급되도록 설계한 몰드의 개발은 박테리아 셀룰로오스의 3차원 형태를 매트에서 벗어나게 했죠. 그러나 몰드를 이용하는 방식은 보다 복잡한 형태를 가지는 박테리아 셀룰로오스의 생합성에는 적합하지 않습니다. 때문에 이를 발전시키기 위한 새로운 형태의 기술이 필요한 실정입니다. 

 

고체 매트릭스 기반 3차원 인쇄기술?

박테리아 함유 잉크의 고체 매트릭스지지 3차원 인쇄 과정. 출처: 한국연구재단

연구팀은 박테리아를 함유한 잉크를 고체 매트릭스 내부에 투입해 3차원 방식으로 인쇄하는 '고체 매트릭스 기반 3차원 인쇄기술'(Solid-matrix assisted 3D printing, SMAP)을 개발했습니다. SMAP은 유동성이 높은 소수성의 고체 입자로 구성된 매트릭스 내부에 박테리아를 함유하는 잉크를 패터닝(patterning) 하는 기술입니다. 기존 프린팅 베드 위에 박테리아 잉크를 프린팅하는 기술과는 차별성이 있죠. 

3차원 구조체 디자인 및 생합성된 3차원 박테리아 셀룰로오스 도관. 출처: 한국연구재단

박테리아 셀룰로오스의 생합성은 산소가 충분한 환경을 요구합니다. 때문에 잉크를 프린팅 베드 위에 적층하는 방식으로는 전방향 생합성이 불가능합니다. 반면 산소가 자유롭게 공급될 수 있는 고체 매트릭스 내부에서는 프린팅된 잉크의 전 방향으로 박테리아 생합성을 유도할 수 있습니다. 

 

연구팀은 셀룰로오스 나노섬유(CNF)가 포함된 하이드로젤에 글루콘아세토박터 자일리너스(Gluconacetobacter xylinus)를 접종해 프린팅 잉크를 만들었습니다. 연구팀은 고체 매트릭스를 만드는데 소수성과 유동성이 우수한 테플론(PTFE) 비드를 사용했는데요. 인쇄된 3D 구조물은 일정 기간 동안 배양된 후 내재돼 있던 박테리아로 생합성을 이뤘습니다. 그 결과 연구팀은 우수한 기계적 강도를 가진 3차원 박테리아 셀룰로오스를 획득했습니다. 

생합성 된 박테리아 셀룰로오스 도관 사진<br>
생합성 된 박테리아 셀룰로오스 도관 사진. 출처: 한국연구재단

박테리아 셀룰로오스는 프린팅된 잉크의 전 방향으로 생합성이 이루어질 수 있습니다. 때문에 속이 비어있는 박테리아 셀룰로오스 도관을 제조할 때 용이한데요. 이는 인공혈관 및 신경도관으로의 응용성을 높여줍니다. 연구팀은 박테리아 셀룰로오스 도관의 생체적합성을 향상시키기 위한 전략으로 콜라겐 단백질을 섬유 표면에 도입해 세포의 부착 및 성장을 향상시켰습니다.

현진호 교수. 출처: 한국연구재단
현진호 교수. 출처: 한국연구재단

이번 연구를 주도한 현진호 교수는 "이 연구는 3D 프린터를 이용해 박테리아 함유 잉크를 고체 매트릭스 내부에 인쇄해 박테리아 셀룰로오스의 형태를 다양화하는 기술"이라며 "기존의 박테리아 셀룰로오스 하이드로젤이 가지는 형태학적 한계를 극복함으로써 의료 및 환경 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했습니다.

 

##참고자료##

 


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