조직공학과 3D 바이오프린팅

조직공학과 3D 바이오프린팅은 전 세계적인 인구의 고령화라는 시대적/사회적 상황과 맞물려, 미래사회에서 필요한 새로운 학문과 산업으로 등장하고 있는 3D 프린팅 기술과 조직공학이라는 2 종류의 기술과 연구 동향을 소개하고자 하였다. 3D (바이오)프린팅 기술은 주어진 물체를 컴퓨터로 스캔한 다음, 프린팅 기법으로 층층이 적층하여 3차원으로 물체의 형상을 구현하는 기술이며, 조직공학 재생의학은 환자의 손상 혹은 결손 조직과 장기를 생체재료, 생체활성물질, 세포 등을 사용하여 그 기능을 복원하는 기술이다. 따라서 조직공학과 3D 바이오프린팅은 3D 프린팅 기술을 활용하여 인체의 장기를 복원하여 그 기능을 재현하고, 재생의학산업, 바이오융합산업, 제약산업, 로가노이드, 신약분석 등의 산업에 응용하는 기술이라고 하겠다.

Chapter 1. 3D 프린팅



1.1. 서론2

1.1.1. 3D (바이오)프린팅 기술 및 산업의 역사[1] / 2

1.1.2. 용도에 따른 3D 프린터 분류: 개인용과 산업용[1] / 5

1.2. 3D 프린팅 방식[1]7

1.2.1. 재료압출방식(material extrusion) / 7

1.2.2. 재료 제팅 방식(material jetting) / 10

1.2.3. 바인더 제팅 방식(binder jetting) / 12

1.2.4. 시트 적층 방식(sheet lamination) / 13

1.2.5. 배트 광 중합방식(vat photo-polymerization) / 15

1.2.6. 파우더 베드 융합방식(powder bed fusion) / 17

1.2.7. 직접 에너지 침적방식(direct energy deposition) / 18

1.3. 3D 프린터 소프트웨어25

1.4. 3D 프린팅기술의 산업적용 예시27

1.4.1. 의료공학-제약-조직공학 산업분야 / 27

1.4.2. 기타 산업분야 / 30



Chapter 2. 조직공학, 지지체 및 3D 프린팅



2.1. 3D 바이오프린팅의 필요성48

2.1.1. 고령화 사회 / 48

2.1.2. 장기부족과 인공장기의 필요성 / 49

2.2. 장기이식50

2.2.1. 자가 장기이식 / 50

2.2.2. 동종 장기이식 / 51

2.2.3. 이종 장기이식 / 51

2.2.4. 인공장기 / 52

2.3. 조직공학과 재생의학54

2.3.1. 조직공학재생의학 / 54

2.4. 조직공학 지지체56

2.4.1. 지지체 제조의 요구조건과 고려사항 / 56

2.4.2. 조직공학 지지체 제조방법 / 57



Chapter 3. 3차원(3D) 바이오프린팅



3.1. 3D 바이오프린팅의 분류와 특징74

3.1.1. 잉크젯 프린팅 / 74

1) 잉크젯 프린팅 기술의 개요 / 74

2) 잉크젯 프린팅 하이드로젤(바이오잉크) / 82

3) 잉크젯 세포프린팅 / 87

4) 잉크젯 기반의 3D 바이오프린팅 / 93

3.1.2. 마이크로 압출식 3D 바이오프린팅 / 100

3.1.3. 광 조사 3D 바이오프린팅 / 108

3.1.4. 레이저 조사 3D 바이오프린팅 / 110

3.2. 3D 바이오프린팅 기술의 응용112

3.3. 결론117



Chapter 4. 3D 프린팅 고분자 생체재료



4.1. 생분해성 고분자[1]128

4.1.1 효소에 의한 생분해 고분자 / 129

4.1.2 가수분해 고분자 / 130

4.2. 의료용 생분해성 폴리에스터131

4.3. 3D 프린팅 고분자 생체재료의 예135

4.3.1. 피브린(Fibrin) / 135

4.3.2. 콜라겐 (Collagen) / 138

4.3.3. 젤라틴 (Gelatin) / 141

4.3.4. 알지네이트(알긴산, alginic acid; alginate) / 149

4.3.5. 히알루론산 / 155

4.3.6. 키토산 / 159

4.3.7. 폴리에틸렌글라이콜 [poly(ethylene glycol)] / 161

4.3.8. 매트리젤(Matrigel) / 165

4.3.9. 아가로스(Agarose) / 170

4.3.10. ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지 / 172

4.3.11. 폴리카프로락톤(PCL) / 173

4.3.12. 폴리락타이드(PLA) / 181

4.3.13. 폴리(락타이드-글라이콜라이드) (PLGA) / 183

4.3. 생체재료 고분자의 바이오프린팅 조건186

4.3.1. 생체적합성 / 186

4.3.2. 전단 담화(shear thinning) / 187

4.3.3. 항복응력 / 189

4.3.4. 함수량(water content) / 190

4.3.5. 팽창거동 / 191

4.3.6. 용질의 이동현상 / 192

4.3.7. 탄성 / 192

4.3.8. 분해 / 194

4.4. 적층형 3D 바이오프린팅 성형기술과 생체재료 적용195

4.5. 세포와 레이저 3D 바이오프린팅의 조직공학재생의학 적용201

4.6. 3D 프린팅 성형기술의 비교203



Chapter 5. 조직공학 재생의학



5.1. 장기이식의 역사 [1]212

5.2. 3D 바이오프린팅에 의한 조직공학재생의학 조건213

5.2.1. 3D 바이오프린팅 세포 / 214

5.2.2. 3D 바이오프린팅을 위한 세포 프로세싱 / 232

5.2.3. 바이오프린팅 조직공학 지지체 / 237

5.3. 3D 세포배양과 조직재생238

5.3.1. 3D 세포배양 / 238

5.3.2. 3D (바이오)프린팅 세포배양 방법 / 241

5.3.3. 3D 세포배양 하이드로젤 / 242

5.3.4. 바이오리액터 세포배양 / 243

5.3.5. 마이크로칩 3D 세포배양 / 247

5.3.6. 종합 / 248



Chapter 6. 3D 바이오프린팅의 조직공학-재생의학 적용



6.1. 3D 프린팅 기술의 의료바이오 분야에서의 활용252

6.2. 3D 프린팅의 임상적용 예256

6.2.1. 골 (Bone) / 256

6.2.2. 연골 / 264

6.2.3. 혈관 / 269

6.2.4. 피부 / 275

6.2.5. 신경 / 279

6.2.6. 악안면 및 치과조직 / 282

6.2.7. 이비인후과 / 285



Chapter 7. 3D (바이오)프린팅 기술과 지적재산



7.1. 바이오프린팅 적용의 도전과 미래302

7.1.1. 규제사항 / 305

7.1.2. 기술적 문제 / 306

7.2. 3D 바이오프린팅과 지식재산308

7.3. 3D 바이오프린팅의 시장과 미래309



참고문헌 / 316

노인섭