의수(義手)부터 장기까지…의료계 3D 프린팅 기술, 어디까지 왔나

3D 프린팅이란
3D 프린팅을 한 문장으로 설명하면 ‘특수한 소재를 얇게 쌓아올려 3차원 물체를 복제하는 기술’이다. 3D 프린팅 작업은 크게 세 단계를 통해 이뤄진다. 사물을 3차원 그래픽으로 만드는 ‘모델링’, 그래픽을 3차원 형상으로 출력하는 ‘프린팅’, 제작된 물체를 사용 가능하게 처리하는 ‘후(後)처리’이다. 프린팅 과정은 다음과 같다. 우선 디자인 프로그램이나 3D 스캐너 등을 통해 복제할 사물을 3차원 그래픽으로 형상화한다. 이후 해당 그래픽을 3D 프린터에 입력하면 프린터는 입력된 그래픽을 약 0.1mm 두께로 얇게 층을 낸다. 3차원 물체를 만들 때 소재를 한겹 한겹 쌓아올리기 위해서다. 3D 프린터는 구체화된 정보를 바탕으로 복사기에서 잉크 역할을 하는 재료를 레이저로 층층이 쌓아 올린다. 사용되는 소재는 플라스틱 필라멘트부터 사람의 세포까지 다양하다. 이러한 과정을 통해 만들어진 물질은 색을 입히거나 매끄럽게 만드는 등의 후처리 과정을 거쳐 완성된다.

3D 프린팅 산업 시장 현황
전 세계적으로 3D 프린팅 사업은 최근 3년간 연평균 33.8%의 급속한 성장을 보이는 시장이다. 시장조사기관인 ‘Wohlers Associates’에서 지난해 발표한 보고서에 따르면 3D 프린팅 산업은 2015년까지 연평균 성장률 25.9%로 성장하며, 51억65000만 달러 규모로 시장을 형성하고 있다. 국내 경우 식품의약품안전처에서 발표한 ‘3D 프린팅 기반 경조직(뼈·연골) 재생용 지지체 평가기술 개발 연구 보고서’에 따르면, 2012년 기준 국내 3D 프린터 시장 규모는 약 300억원이며, 지난해까지 연평균 성장률 40%로 급격히 성장했다. 3D 프린팅은 주로 산업용 기계 제작에 사용된다. 항공우주, 소비재나 전자부품, 자동차, 의료산업 등에도 사용된다.(한국산업기술평가관리원) 세계적인 시장 예측 기관인 ‘Markets and Markets’에서 발표한 보고서에 따르면 3D 프린팅 관련 의료기기 시장은 2020년까지 연평균 성장률 25.3% 수준으로 성장해 21억3000만 달러 규모에 달할 것으로 본다.

의료계, 3D 프린팅 어떻게 사용하고 있나
3D 프린팅 기술이 발전함에 따라 의료계에서도 이를 활용하려는 움직임이 일고 있다. 또한, 한국산업기술평가관리원이 지난해 발표한 ‘3D프린팅 산업현황 및 시장동향’에 따르면 3D프린팅 기술의 주요 활용 분야는 산업용 기계가 19.9%로 가장 컸으며, 의료산업이 12.2%를 차지했다. 3D 프린팅 기술은 의료 분야에서 보청기나 틀니, 의족 등 개인 맞춤형 의료 보형물을 제작하는 데 주로 쓰인다. 기존에는 정형화된 크기에 맞춰 보형물이 제작됐는데, 이 경우 환자의 신체 크기나 상황에 따라 크기가 맞지 않아 불편감을 겪는 경우가 있었다. 반면 3D 프린팅을 이용해 보형물을 만들 경우 환자 맞춤형 보형물 제작이 가능하다. 또한 해부용 가상 신체를 제작하거나, 수술 계획을 위해 활용하는 가상 장기를 만드는 데도 사용됐다. 이전까지 의대에서는 플라스틱 모형의 단편적인 가상 장기를 이용해 실습하거나 교과서로만 수술 실습을 해야 했지만, 3D 프린터로 제작한 가상 장기를 이용하면 실제 수술실에서 마주할 환자의 장기를 간접적으로 체험할 수 있게 된다.

살아있는 장기를 복제해 이식한다, 바이오 3D 프린팅
최근에는 3D 프린터를 이용해 단순한 모형을 만드는 것뿐만 아니라 사람에게 이식 가능한 인공 장기를 만들려는 노력이 계속되고 있다. 이를 ‘바이오 3D 프린팅’이라고 한다. 바이오 3D 프린팅은 신체에 이식 가능한 젤라틴에 사람의 줄기세포 등 세포를 넣어 바이오 잉크라는 소재를 만든다. 연구자들은 이를 이용해 환자 맞춤형 장기를 만들고, 이를 배양해 신체에 이식하는 것을 목표로 한다. 바이오 인공 장기에는 사람의 세포가 들어 있기 때문에 몸에 이식했을 때 실제 장기와 동일한 기능을 한다. 전문가들은 이러한 기술이 실제 사람에게까지 사용 가능한 단계가 오면, 현재 문제가 되고 있는 장기 기증자 부족 현상을 해결하는 방안이 될 것으로 보고 있다.
실제로 장기이식 대기자 수에 비해 기증자가 부족한 것은 전 세계적 현상이지만, 국내는 그 차이가 더 크다. 뇌사장기이식 선진국인 스페인의 경우 인구 100만 명당 뇌사자 장기기증자 수가 39.7명이지만, 우리나라는 인구 100만 명당 11.28명으로 OECD 국가 중 하위권에 속한다.(세계장기기증·이식기록소) 서울대병원 의공학과 이정찬 교수는 “인공 장기 기술이 발전하면 환자가 장기이식을 받아야 하는 상황이 오기 전에 미리 자신의 세포를 이용해 인공 장기를 만들어놓을 수 있다”며 “이렇게 되면 환자들이 장기기증자를 기다리다가 생명을 잃는 안타까운 상황을 줄이는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

바이오 3D 프린팅 상용화 후 실현 가능한 가상 사례
자영업자 김진명(가명) 씨는 얼마 전 심한 흉통으로 병원을 찾았다가 관상동맥질환으로 좁아진 혈관을 넓히는 스텐트 시술이 필요하다는 진단을 받았다. 하지만 CT(컴퓨터단층촬영) 검사 결과 김씨는 심장근육 손상 정도가 심하고, 스텐트를 삽입해야하는 부위가 복잡해 수술이 어려울 수 있다는 이야기를 들었다. 김씨의 수술을 담당하는 의료진은 수술을 앞두고 김씨의 심장 CT를 3D 프린터에 입력해 몇 시간 만에 김씨 심장과 똑같은 모양과 크기의 인공 심장을 만들어냈다. 이후 의료진은 수술에 사용할 도구를 이용해 모의수술을 진행했고, 미리 계획한 수술 방법에 따라 실제 수술도 성공적으로 마쳤다. 수술이 끝난 뒤, 의료진은 김씨의 줄기세포를 배양해 보관했다. 김씨가 이후 심장 이식이 필요한 상황이 생겼을 때 3D 프린터를 이용해 자신의 세포로 만든 인공 심장을 즉시 이식할 수 있도록 하기 위해서다.

바이오 3D 프린팅 사례
현재 바이오 3D 프린팅을 이용해 만들어진 장기는 아직까지 사람에게는 사용할 수 없다. 다만, 국내외에서는 다양한 연구를 통해 인체에 적용 가능한 장기를 만들기 위한 노력이 이뤄지고 있다. 최근 국내외에서 이뤄진 바이오 3D 프린팅 사례는 다음과 같다.

척수
국내에서는 3D 프린팅을 통해 척수 조직을 만들려는 노력이 이어지고 있다. 울산과학기술원 생명과학부 김정범 교수는 2015년부터 ‘신경계 환자 맞춤형 조직 재건용 바이오 3D 프린팅 기술’ 개발에 몰두하고 있다. 환자의 피부세포를 분화시켜 만든 신경계 세포를 바이오 잉크로 사용해 척수 등 생체조직을 만드는 것이다. 연구팀은 환자의 손상 부위에 적합한 조직을 만들기 위해 ‘생체적합성 판단 기술’도 함께 개발할 계획이다.

귀
지난해 초 미국 웨이크포레스트대학 의대 연구팀은 3D 프린터를 이용해 만든 인공 귀를 쥐에게 이식하는 연구에 성공했다. 연구진은 토끼의 연골세포와 인체에 이식 가능한 하이드로겔을 이용해 바이오 잉크를 만들었다. 여기에 생분해성 플라스틱을 섞어 인공 귀를 만들었다. 인공 귀의 연골세포는 이식 2개월 후까지 살아있었고, 혈관이 연결되는 등 건강한 상태를 유지했다.

간(肝)
미국 벤처기업 ‘오가노보’는 직접 개발한 3D 프린터를 이용해 간세포와 간성상세포, 내피세포 등으로 이뤄진 간 조직을 만들어 42일 동안 생존시키는 데 성공했다. 해당 기간에 간 조직의 모든 기능은 정상이었다. 인공 간은 2014년부터 신약 개발에 사용 가능하도록 판매되고 있다.

심장
울산과학기술원과 미국 웨이크포리스트재생의학연구소는 최근 초소형 심장을 만드는 데 성공했다. 길이가 0.25mm인 인공 심장은 전기 자극을 주면 움직이고, 심장박동 속도는 실제 심장과 동일하다. 연구진은 현재 소형 간 제작에도 성공했으며, 이후에는 심장에 혈관과 폐도 추가로 만들 계획이다.

난소
미국 노스웨스턴대 의대 테레사 우드러프 교수 연구팀은 젤라틴으로 만든 인공 난소에 난포세포(난자로 자랄 수 있는 세포)를 붙여 배양하고 난소를 제거한 쥐에 이식했다. 이후 인공 난자를 이식받은 암컷 쥐는 수컷 쥐와 교배를 통해 건강한 새끼를 출산했다. 연구진은 “인공 난소는 난소암 등으로 난소를 제거한 환자들의 생식 기능을 되살릴 수 있는 대안이 될 것”이라고 말했다.