내부 장기에 살아있는 세포를 직접 3D 프린팅할 수 있는 프로토타입 장치

UNSW 연구원들은 살아있는 세포를 내부 장기에 직접 3D 프린팅할 수 있고 잠재적으로 올인원 내시경 수술 도구로 사용할 수 있는 프로토타입 장치를 공개했습니다.

UNSW Sydney의 엔지니어들은 인체 내부의 장기에 직접 생체 재료를 3D 인쇄하는 데 사용할 수 있는 작고 유연한 소프트 로봇 팔을 개발했습니다.

3D 바이오프린팅은 소위 바이오잉크로 생체 의학 부품을 제작하여 자연 조직과 같은 구조를 만드는 과정입니다.

바이오프린팅은 주로 조직 공학 및 신약 개발과 같은 연구 목적으로 사용되며 일반적으로 생체 외부에서 세포 구조를 생성하기 위해 대형 3D 프린팅 기계를 사용해야 합니다.

Thanh Nho Do 박사와 그의 박사 과정 학생인 Mai Thanh Thai가 이끄는 UNSW Medical Robotics Lab의 새로운 연구는 Scientia 교수 Nigel Lovell, Dr Hoang-Phuong Phan 및 부교수 Jelena Rnjak-Kovacina를 포함한 UNSW의 다른 연구원들과 공동으로 진행되었습니다. Advanced Science에 게재된 논문에 자세히 설명되어 있습니다.

그들의 작업은 내시경처럼 체내에 삽입할 수 있는 능력을 가진 작고 유연한 3D 바이오프린터를 만들어냈고 내부 장기와 조직의 표면에 다층 생체 재료를 직접 전달할 수 있습니다.

F3DB로 알려진 개념 증명 장치는 길고 유연한 뱀 모양의 로봇 팔 끝에 부착된 바이오잉크를 ‘인쇄’하는 고도로 기동성 있는 회전 헤드를 특징으로 하며, 모두 외부에서 제어할 수 있습니다.

연구팀은 추가 개발을 통해 잠재적으로 5~7년 이내에 이 기술을 사용하여 의료 전문가가 작은 피부 절개 또는 자연 구멍을 통해 신체 내부의 접근하기 어려운 영역에 접근할 수 있다고 말합니다.

연구팀은 3D 프린팅에 성공하기 전에 제한된 공간을 통과할 수 있는 인공 결장 내부에서 장치를 테스트했습니다.

Do 박사와 그의 팀은 인공 결장 내부에서 장치를 테스트하고 돼지 신장 표면에 다양한 모양의 다양한 재료를 3D 프린팅했습니다.

“기존의 3D 바이오프린팅 기술은 신체 외부에서 생체 재료를 만들어야 하며 이를 사람에게 이식하려면 일반적으로 감염 위험을 증가시키는 대규모 오픈 필드 개복 수술이 필요합니다. GSBmE) 및 타이리 재단 건강 공학 연구소(IHealthE).

“우리의 유연한 3D 바이오 프린터는 최소 침습적 접근 방식으로 생체 재료를 대상 조직이나 장기에 직접 전달할 수 있음을 의미합니다.

“이 시스템은 위벽 부상이나 결장 내부의 손상 및 질병과 같은 신체 내부의 3차원 상처를 정밀하게 재구성할 수 있는 가능성을 제공합니다.

“우리 프로토타입은 유연한 본체 덕분에 제한적이고 접근하기 어려운 영역을 통해 다양한 크기와 모양의 다층 생체 재료를 3D 프린팅할 수 있습니다.

“우리의 접근 방식은 또한 3D 인쇄된 생체 재료와 표적 조직/장기 간의 표면 불일치와 같은 기존 3D 바이오프린터의 중요한 한계와 수동 취급, 이송 및 운송 과정 중 구조적 손상을 해결합니다.”

GSBmE 책임자이자 IHealthE 책임자인 Scientia Nigel Lovell 교수는 다음과 같이 덧붙였습니다. 몇 가지 다른 개념 증명 장치가 제시되었지만 신체 내부의 복잡하고 제한된 공간에서 사용하기에는 훨씬 더 단단하고 까다롭습니다.”

UNSW 팀이 제작한 가장 작은 F3DB 프로토타입은 상용 치료용 내시경(약 11~13mm)과 직경이 비슷해 사람의 위장관에 삽입할 수 있을 정도로 작다.

그러나 연구원들은 미래의 의료 용도를 위해 더 작게 쉽게 확장할 수 있다고 말합니다.

소프트 로보틱스

이 장치는 부드러운 로봇 팔 끝에 직접 장착된 3축 인쇄 헤드를 특징으로 합니다. 세 방향으로 움직일 수 있는 부드러운 인공 근육으로 구성된 이 프린트 헤드는 기존의 데스크탑 3D 프린터와 매우 유사하게 작동합니다.

부드러운 로봇 팔은 유압으로 인해 구부러지고 뒤틀릴 수 있으며 필요한 길이로 제작할 수 있습니다. 강성은 다양한 유형의 탄성 튜브와 천을 사용하여 미세하게 조정할 수 있습니다.

인쇄 노즐은 사전 결정된 모양을 인쇄하도록 프로그래밍하거나 더 복잡하거나 미정의 바이오 프린팅이 필요한 경우 수동으로 작동할 수 있습니다. 또한 팀은 인쇄 프로세스를 지원할 수 있는 기계 학습 기반 컨트롤러를 활용했습니다.

이 기술의 타당성을 더 입증하기 위해 UNSW 팀은 시스템을 통해 인쇄된 후 살아있는 생체 재료의 세포 생존 가능성을 테스트했습니다.

실험 결과 세포는 프로세스에 의해 영향을 받지 않았으며 대부분의 세포는 인쇄 후 살아있는 것으로 관찰되었습니다. 그런 다음 세포는 다음 7일 동안 계속 성장했으며 인쇄 후 1주일 동안 관찰된 세포 수는 4배였습니다.

일체형 내시경 수술도구

연구팀은 또한 F3DB가 다양한 기능을 수행하는 올인원 내시경 수술 도구로 잠재적으로 사용될 수 있는 방법을 시연했습니다.

그들은 이것이 내시경 점막하 절개(ESD)로 알려진 과정을 통해 특정 암, 특히 결장직장암을 제거하는 수술에서 특히 중요할 수 있다고 말합니다.

전 세계적으로 대장암은 암 사망의 세 번째로 흔한 원인이지만 대장 종양을 조기에 제거하면 환자의 5년 생존율이 90% 이상 증가합니다.

F3DB 프린팅 헤드의 노즐은 먼저 암 병변을 표시한 다음 잘라내는 일종의 전기 메스로 사용할 수 있습니다.

물은 또한 노즐을 통해 지시되어 현장에서 혈액과 과도한 조직을 동시에 청소할 수 있으며, 로봇 팔이 아직 제자리에 있는 동안 직접 생체 재료의 즉각적인 3D 프린팅으로 더 빠른 치유를 촉진할 수 있습니다.

연구팀은 F3DB를 일체형 내시경 수술 도구로 개발하면 다양한 활용이 가능함을 시연했다.

이러한 다기능 절차를 수행할 수 있는 능력은 돼지의 창자에서 시연되었으며 연구원들은 F3DB가 올인원 내시경 수술 도구의 미래 개발을 위한 유망한 후보임을 보여주는 결과라고 말했습니다.

Mai Thanh Thai는 “기존 내시경 수술 도구와 비교하여 개발된 F3DB는 일반적으로 긴 시술 시간과 감염 위험과 관련된 교체 가능한 도구의 사용을 피하는 올인원 내시경 도구로 설계되었습니다.”라고 말했습니다.

잠정 특허를 받은 시스템 개발의 다음 단계는 실제 사용을 입증하기 위해 살아있는 동물에 대한 생체 내 테스트입니다.

연구원들은 또한 신체 내부에서 움직이는 조직의 3D 단층 촬영을 재구성하는 통합 카메라 및 실시간 스캐닝 시스템과 같은 추가 기능을 구현할 계획입니다.

원본 기사: 새로운 소프트 로봇 덕분에 인체 내부의 3D 바이오 프린팅이 가능할 수 있습니다.

더 보기: 뉴사우스웨일스 대학교