by MATT SIMON, WIRED US
 

HBO 공상 과학 시리즈 웨스트월드(Westworld)의 소개에서 -스포일러 경보 - 3D 프린터가 휴머노이드 로봇을 만들어내 인간 형태의  복잡성을 섬세하게 조립하여 로봇들이 장난스러운 행동을 할 수 있도록 한다. 결국 수많은 살인과 생명을 죽이는 데는 많은 생체역학적 조율이 필요하다.
 

사실 연구자들은 3D로 인쇄된 살과 피를 현실로 만들기 위해 과학적으로 도약했다. 최근 학술지 ACS 바이오머티리얼즈 사이언스앤엔지니어링에 게재된 한 연구팀은 저가 3D 프린터를 어떻게 개조해 사람의 심장에 대한 MRI 스캔을 변형 가능한 실제 크기의 모형으로 만들었는지 설명했다. 쥐어짜면 진짜처럼 줄어들고 잘라보면 심장의 구조와 같다. 이 아이디어는 언젠가 웨스트월드의 살인 휴머노이드들을 만드는 것이 아니라 외과의사들이 수술 전에 환자의 심장에 대해 더 나은 연습을 할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 발전은 결국 3D 프린팅 심장을 완전히 작동하게 될 것이며 의료기기 개발자들에게 그들의 제품을 테스트할 수 있는 전례 없는 플랫폼을 제공할 것이다.

연구자들은 이 기술을 Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels(지탱력있는 하이드로겔을 자유롭게 변형할 수있는 기술) 또는 FRESH(프레쉬)라고 부른다. 그들은 실제 심장을 스캔해 3D 프린터가 읽을 수 있는 데이터로 변환한다. 이 장치는 겹겹이 쌓인 재료를 위로 쌓는 방식으로 작동하기 때문에 슬라이서 프로그램을 통해 3D 이미지를 구동한다. 이 새로운 노문을 단독으로 공동 집필한 카네기 멜론 대학의 생물 의학 엔지니어인 아담 파인버그(Adam Feinberg)는 "기본적으로 모든 층에 재료가 압출될 경로를 설계하고 그것을 프린터에게 공급한다,"라고 말했다.

그 프린터는 연구원들이 저렴한 비용으로 인간의 심장 조직의 물질적 특성과의 유사성을 구현하기 위해 선택한 알긴산염(해조류에서 추출한 찌꺼기)을 주조한다. 그러나 보통의 3D 프린터가 플라스틱으로 무언가를 만들 때처럼  합성 심장을 젤라틴으로 된 서포트 젤 용기에 밀어 넣는다.

파인버그는 "예를들어, 헤어 젤의 안쪽을 프린트하고 있었다고 상상해 보라."고 말했다. 그 젤 병에 매달려 있는 작은 기포를 생각해 보라. 이 물질은 적어도 당신이 병 밖으로 젤을 짜내기 전까지 기포가 무한정 떠다니도록 충분히 지탱해 준다. 이 경우 3D 프린터에 바늘이 미끄러져 들어갈 수 있는 충분한 젤라틴을 공급한다. 파인버그는 "모발 젤에 들어있는 기포처럼 그것을 빼내려고해도 제자리에 그대로 있다"고 말했다.

이제 인공심장의 예술 같은 것을 하기 위해 젤리를 만들어 보자. 장기 인쇄가 끝난 후, 연구원들은 그것을 둘러싸고 있는 젤 격자를 녹이는 단계가 필요하며, 그들은 익숙한 방법을 사용한다. 파인버그는 "많은 사람들이 제빵이나 젤리를 만들 때 젤라틴을 사용하면서 이런 경험을 해봤을 것이다. 실제로 따뜻하게 데우면 액체지만, 식히면 고체 젤이 된다. 그래서 우리는 그 점을 이용한다."라고 말했다 그들이 심장을 추출할 준비가 되었을 때, 파인버그는 물의 온도를 높여 서포트 젤을 녹이고 3D 프린팅된 구조물을 남기는 일만 하면 된다.

수술을 계획하는 외과의사들은 이전에 환자의 장기 스캔을 바탕으로 3D로 인쇄된 심장을 사용했다. 하지만 그것들은 단단한 플라스틱으로 만들어졌다. 이와는 다르게 이 새로운 알긴산염 심장은 실제 조직과 비슷한 탄성을 가지고 있다. 파인버그는 "쥐어짜거나 밀면 변형되는데, 이것은 분명히 딱딱한 고무나 플라스틱보다 훨씬 더 낫다."라고 말했다. 이것은 훨씬 더 현실적인 도구로, 외과의들이 뚫을 수 없는 플라스틱에서는 불가능한 봉합 연습을 할 수 있게 해준다.

또한, 연구팀은 관상동맥이 관류 가능한지 또는 혈액을 운반할 수 있는지를 확인하기 위해 동일한 기술을 사용하여 관상동맥의 별도 부분을 3D 프린팅했다. 아니나 다를까, 가짜 피를 뿜었을 때, 동맥이 새지 않고 액체를 붙잡고 있었다. 이것은 서로 연결된 혈관 구조로 심장을 만드는 단계라고 파인버그는 말한다. 그렇게 하면 외과의사들은 여전히 피가 흐르는 동맥 봉합을 연습할 수 있을 것이다.

게다가, 이 팀은 결국 인쇄된 심장을 "세포화"시키거나, 사람의 심장 근육 세포를 구조물에 추가해서 실제 심장처럼 뛰게 만들기를 희망한다. 이것들은 과학자들이 줄기세포를 심장세포로 분화시키는 실험실에서 이미 재배되고 있다. 문제는 현실적으로 한 번에 1억 개의 세포만 만들 수 있다는 것이다. 전체 크기의 심장을 위해서는 1,000억 개의 세포가 필요하다. 

하지만 파인버그는 "이것이 해결되면, 우리는 이 제조 기술을 사용할 준비가 되어 있다"라고 말했다.

그럼 언제 3D 바이오프린팅 수술을 받을 수 있을까? 파인버그는 "그것을 시행하기 전 아직 할 일이 많아서 10년은 걸릴 것이다."라고 말했다. 심장은 복잡한 혈관형 장기이기 때문에 심장 전체로 가는 동맥의 크기를 늘려야하는데 그것을 실제로 근육으로 작동시키려면 세포의 실험실 생산의 발전이 필요하다고 한다. 

한편, 이렇게 인쇄된 심장으로 미리 연습하는 것은 외과의사들이 수술 준비를 더 잘하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 훈련 도구로 3D 인쇄를 연구했지만 이 작업에는 참여하지 않았던 심장 집중 치료 의사 릴리안 수(Lillian Su)는 "그들이 실제로 촉각 충성도보다 훨씬 더 많이 갖고 있다는 사실이 매우 중요하다"고 말했다. 외과의사는 수술 방법이 어떻게 작용하는지 환자와 그들의 가족들에게 전달하기 위해 맞춤 제작한 심장을 사용할 수도 있다. 수는 "나는 그것이 정말 새로운 요소라고 생각한다, 이것이 바로 질감이다. 그리고 나는 그 때 가족들이 외과의사의 계획이 무엇인지 물어볼 것이라고 생각한다. 그것은 단지 동의 절차의 일부일 뿐이다."라고 덧붙였다.

미래에 병원들은 이것을 저렴한 가격에 제공할 수 있을 것이다. 알긴산염 심장의 경우 재료비가 10달러 정도 들기 때문이다. 파인버그와 그의 동료들은 다른 재료로 실험을 하고 싶어한다. 콜라겐으로 심장을 인쇄하는 것은 콜라겐이 이미 결합 조직을 구성하는 단백질로서 인체에 구조를 제공하기 때문에 훨씬 더 실물과 같게 만들 것이다. 사실 건조 중량으로 보면 우리 몸은 무엇보다도 콜라겐으로 이루어져있다. 하지만 문제는 콜라겐이 훨씬 더 비싸다는 것이다. 같은 바이오프린트 심장의 가격은 2,000달러가 될 것이다.

그러나 복잡한 심장 수술의 원대한 계획에서 2천 달러는 최소한의 투자다. 파인버그는 "그래서 우리는 실제로 콜라겐이 더 사실적일수록 가치가 있는 많은 응용 프로그램들이 있다고 생각한다. 하지만 연구실에서 연구를 할 때, 그리고 기술을 개발하는 과정에서 실수를 많이 할 수 있기 때문에 우리는 첫 통과를 위해 알긴산염에 초점을 맞췄다."라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 배효린 에디터)

<기사원문>
This squishy 3D-printed human heart feels like the real thing